Bộ giáo dục đào tạo Trường đại học bách khoa hà nội Đặng hồng thái đề tài: Nghiên cứu ảnh hưởng số thông số đến chất lượng bề mặt cắt tia plasma Luận văn thạc sĩ khoa học Chuyên nghành: Công nghệ khí Hà nội Bộ giáo dục đào tạo Trường đại học bách khoa hà nội Luận văn thạc sĩ khoa học Chuyên Nghành: Công nghệ khí Nghiên cứu ảnh hưởng số thông số đến chất lượng bề mặt cắt tia plasma Đặng hồng thái Hướng dẫn khoa học PGS.TS phạm văn hùng Trường đại học bách khoa hà nội Hà nội, 2008 Lời cam đoan Tôi xin cam đoan đề tài luận văn Nghiên cứu ảnh hưởng số thông số đến chất lượng bề mặt cắt tia plasma kết nghiên cứu Các kết nghiên cứu biên dịch, tính toán đo đạc hoàn toàn đáng tin cậy chưa công bố công trình khác trước Mục lục Lời cam đoan Lời nói đầu Trang Phần I: Tổng quan vÒ plasma 1.1 Lịch sử hình thành Plasma 1.2 Kh¸i qu¸t vÒ Plasma 1.3 Mô hình toán học th«ng sè Plasma 1.3.1 Phản ứng đoạn nhiệt, vỏ chắn “Debye” 1.3.2 Điều kiện biên 15 1.3.3 ThÝ nghiÖm Langmuir 22 1.3.4 Qu¸n tÝnh tÜnh, dao ®éng cđa Plasma 26 1.3.5 Sự giống chất điện môi Plasma 34 1.3.6 Sãng ©m Ion 36 1.3.7 Sãng ®iƯn tõ Plasma 41 1.3.8 Định nghĩa kết thể Plasma 48 PhÇn II: Tỉng quan cắt kim loại 52 2.1 Cắt kim loại ? 52 2.2Các phương pháp cắt giới 52 2.3 ứng dụng plasma để cắt kim lo¹i 52 2.4 Tính chất đặc điểm tia plasma cắt kim loại 60 2.5 Các tiêu đánh giá chất lượng sản phẩm cắt tia plasma 62 2.6 Thiết bị công nghệ cắt Plasma 63 2.6.1 Thiết bị cắt plasma 63 2.6.1.1 Thiết bị tạo hồ quang plasma (zip 5.0) 66 2.6.1.2 Thiết bị chấp hành chương trình cắt CNC (CPM150) 74 2.6.2 Phần mềm tạo chương trình cắt CNC (Tagio) 76 2.6.2.1/ PhÇn mỊm LOGOTAG 76 2.6.2.2/ PhÇn mỊm MAGIC TOOL 77 2.6.2.3 PhÇn mỊm WINRS 81 2.6.2.4 Phần mềm khiểm tra chương trình cam (CnCTag- Rel 1.0) 81 2.6.3 Công nghệ cắt Plasma 83 2.6.3.1 Kh¾c phục lỗi mồi- tắt tia Plasma 83 2.6.3.2 Cắt góc nhọn 83 2.6.3.3 Khắc phục lỗi đường Leadin, Leadout 85 Phần III: Các thông số ảnh hưởng trình cắt plasma tới chất lượng bề mặt cắt 86 3.1 ảnh hưởng nhiệt độ cắt 87 3.2 ảnh hưởng dòng điện 88 3.3 ảnh hưởng khí cắt 89 3.4 ¶nh hưởng tốc độ cắt 89 3.5 ¶nh hëng cđa chiều cao mỏ cắt tới bề mặt phôi 90 3.6 ảnh hưởng chiều dày vật liÖu 90 3.7 ảnh hưởng lượng thi gian cắt 90 3.8 ¶nh hëng cđa độ cứng bề mặt sau cắt 91 3.9 ảnh hưởng đường kính tia plasma 91 Phần IV: Kết thực nghiệm thông số ảnh hưởng trình cắt plasma tới chất lượng bề mặt 4.1 Thí nghiệm khảo sát độ cứng (HRC) thay đổi tốc độ V dòng điện cắt I 96 4.2 Thí nghiệm khảo sát góc nghiêng mạch cắt G0 thay đổi tốc độ V dòng điện cắt I 99 PhÇn V: Kết luận kiến nghị 104 Tài liệu tham khảo Lời cam đoan Tôi xin cam đoan đề tài luận văn Nghiên cứu ảnh hưởng số thông số đến chất lượng bề mặt cắt tia plasma kết nghiên cứu Các kết nghiên cứu biên dịch, tính toán đo đạc hoàn toàn đáng tin cậy chưa công bố công trình khác trước Lời nói đầu Hà nội, Ngày tháng 10 năm 2008 Ngày phương pháp gia công khí đòi hỏi độ xác hình học cao cần thêm thời gian gia công chi phí chuẩn bị phôi phải giảm đến mức tối thiểu Có nhiều yếu tố ảnh hưởng đến thời gian sản phẩm, thời gian chuẩn bị phôi chiếm nhiều chiếm đén 70% thời gian sản phẩm, theo phương pháp chuẩn bị phôi tốt giảm nhiều chi phí phụ Có nhiều phương pháp tạo phôi truyền trống : Tiện, phay, bào phương pháp cắt Plasma ứng dụng rộng rÃi công nhiệp Phương pháp cắt giúp giảm 70% thời gian , chi phí chuẩn bị phôi so với phương pháp cắt khí cháy Để giúp cho việc chuẩn bị phôi Plasma tốt hơn, việc nghiêm cứu thông số ảnh hưởng qúa trình căt tới chất lượng mạch cắt vấn đề cấp thiết công nghiệp Căn vào ưu điểm phương pháp cắt Plasma điều kiện công tác Trung tâm thực hành công nghệ khí- ĐHBK Hà nội, hướng dẫn tận tình PGS.TS Phạm Văn Hùng Tôi đà hoàn luận văn tốt nghiệp Cao học với đề tài: Nghiên cứu ảnh hưởng thông số trình cắt kim loại tia Plasma đến chất lượng bề mặt cắt Vì thời gian có hạn hạn chế chuyên môn nên luận văn tôI không tránh khỏi thiếu xót, kính mong thầy cô bổ xung ,đóng góp ý kiến để Luận văn tôI đầy đủ Để đạt kết xin chân thành cảm ơn PGS.TS Phạm Văn Hùng; Trung tâm thực hành công nghệ khí; Phòng thí nghiệm Cơ- Điện tử; Phòng thí nghiệm Nhiệt Luyện đà giúp đỡ, tư vấn cho trình hoàn thành luận văn Mục lục Lời cam đoan Lời nói ®Çu Trang PhÇn I: Tỉng quan vỊ plasma 1.1 Lịch sử hình thµnh Plasma 1.2 Kh¸i qu¸t vỊ Plasma 1.3 Mô hình toán học thông số Plasma 1.3.1 Phản ứng đoạn nhiệt, vỏ chắn “Debye” 1.3.2 Điều kiện biên 15 1.3.3 ThÝ nghiÖm Langmuir 22 1.3.4 Quán tính tĩnh, dao động Plasma 26 1.3.5 Sù giống chất điện môi Plasma 34 1.3.6 Sãng ©m Ion 36 1.3.7 Sãng ®iƯn tõ Plasma 41 1.3.8 Định nghĩa kÕt qu¶ thĨ Plasma 48 Phần II: Tổng quan cắt kim loại 52 2.1 C¾t kim loại ? 52 2.2Các phương pháp cắt trªn thÕ giíi 52 2.3 ứng dụng plasma để cắt kim loại 52 2.4 TÝnh chÊt đặc điểm tia plasma cắt kim loại 60 2.5 Các tiêu đánh giá chất lượng sản phẩm cắt tia plasma 62 2.6 Thiết bị công nghệ cắt Plasma 63 2.6.1 Thiết bị cắt plasma 63 2.6.1.1 Thiết bị tạo hồ quang plasma (zip 5.0) 66 2.6.1.2 Thiết bị chấp hành chương trình cắt CNC (CPM150) 74 2.6.2 PhÇn mỊm tạo chương trình cắt CNC (Tagio) 76 2.6.2.1/ PhÇn mỊm LOGOTAG 76 2.6.2.2/ PhÇn mỊm MAGIC TOOL 77 2.6.2.3 PhÇn mỊm WINRS 81 2.6.2.4 PhÇn mỊm khiĨm tra chương trình cam (CnCTag- Rel 1.0) 81 2.6.3 Công nghệ cắt Plasma 83 2.6.3.1 Khắc phục lỗi mồi- t¾t tia Plasma 83 2.6.3.2 Cắt góc nhọn 83 2.6.3.3 Kh¾c phục lỗi đường Leadin, Leadout 85 Phần III: Các thông số ảnh hưởng trình cắt plasma tới chất lượng bề mặt cắt 86 3.1 ảnh hưởng nhiệt độ cắt 87 3.2 ảnh hưởng dòng ®iÖn 88 3.3 ¶nh hëng cđa khÝ c¾t 89 3.4 ảnh hưởng tốc độ c¾t 89 3.5 ảnh hưởng chiều cao mỏ cắt tới bề mặt phôi 90 3.6 ¶nh hëng cđa chiỊu dµy vËt liƯu 90 3.7 ¶nh hëng cđa khối lượng thi gian cắt 90 3.8 ảnh hưởng độ cứng bề mặt sau c¾t 91 3.9 ảnh hưởng đường kính tia plasma 91 Phần IV: Kết thực nghiệm thông số ảnh hưởng trình cắt plasma tới chất lượng bề mặt 4.1 Thí nghiệm khảo sát độ cứng (HRC) thay đổi tốc độ V dòng điện cắt I 96 92 Sản phẩm tạo sau cắt hoàn chỉnh 200 m m R3 200 5 100 97 100 197 Chi tiết cần cắt Sản phẩm tạo sau cắt Hình 1.5.4-3 Hình 1.5.4-4 Hình 1.5.4-5 Do cắt phải bù mặt cắt Khi lập trương trình cắt plasma người lập trình phải bù lệnh G Do ®êng kÝnh cđa tia plasma nh ®· nãi nên ta phải có đầu vào đầu hợp lý hình( ) Sản phẩm tạo sau c¾t Má c¾t Hå quang c¾t Chi tiÕt cần cắt Hình 8.1 Chọn chiều trái hay phải, thực tế nghiên cứu máy palssma cắt cho thấy: _ Góc cắt tiến theo chiều thuận 30, tiến theo chiều ngược lại 50, mỏ cắt vuông góc với chi tiết cần cắt phải chọn góc vát chi tiết 30 chi tiết nằm bên tay phải đường cắt góc vát chi tiết bé nhất, đường kính mỏ 3- 4mm nên lập trình phải tăng kích thước lên như() 93 _ cắt chọn chiều hướng cắt chi tiết cần cắt nằm bên phải hình( 8.2 ) 250 202 150 100 Sản phẩm ( Hình 8.2 ) 94 Phần IV Nghiên cứu ảnh hưởng thông số cắt tới độ cứng độ xác hình học bề mặt cắt Trong quâ trình cắt Plasma, có nhiều yếu tố ảnh hưởng tới chất lượng mặt cắt Tuy nhiªn, thùc tÕ sư dơng cho thÊy cã hai thông số ảnh hưởng nhiều nhất, là: Dòng điện cắt I (A) tốc độ cắt V (m/phút) Căn cú vào thực tế thiết bị tạo hồ quang Plasma, dòng điện cắt I thường có vài giá trị cụ thể (20A, 40A, 60A, 100A, 150A) tốc độ cắt V điều chỉnh vô cấp Do hướng thí nghiệm luận văn tiến hành sau: - ứng với giá trị dòng điện I, ta thay đổi tốc độ cắt V từ nhỏ tới lớn ( Lớn đến giá trị mẫu cắt phải đứt ) thu số mẫu thí nghiệm - Tiến hành đo độ cứng góc nghiêng với mẫu - Xây dựng biểu đồ phụ thuộc độ cứng vào dòng điện I tốc độ cắt V Mục đích nghiên cứu: - Khảo sát thay đổi độ cứng bề mặt cắt - nguyên nhân chủ yếu làm giảm độ bền mối hàn - Khảo sát độ xác hình học chi tiết cắt (góc nghiêng mạch cắt) Đối tượng nghiên cứu: - Thép cácbon trung bình: C45 Điều kiện nghiên cøu: - VËt liƯu: C45, chiỊu dµy s =13mm - Mẫu thử làm chất lỏng, bụi bẩn Kích thước mẫu 20x20x13mm 95 - Trục mỏ cắt đặt vuông góc với bề mặt vật cắt, khoảng cách từ điện cực đến bề mặt vật cắt 20mm - Độ cứng vật liệu ban đầu đo được: 35 HRC - Khí cắt: không khí tự nhiên (Thành phần chủ yếu: N2, CO2, H2, O2) + ¸p suÊt khÝ måi = bar (Psi) + áp suất khí cắt = 3.5 bar (Psi) + ¸p st khÝ phơ = 2.6 bar (Psi) - Làm mát: để nguội tự nhiên Dụng cụ ®o: - M¸y ®o ®é cøng Rocwen (Mitutoyo) - Thíc đo thẳng, thứơc đo góc Phương pháp đo sử lý số liệu - Mỗi mẫu đo lần lấy kết trung bình cộng kết cuối - Kết đo lập thành biểu đồ2D, 3D xây dựng hàm gần trợ giúp số phần mềm chuyên dụng: Matlab, Excel Sơ đồ ct 96 Sơ đồ thí nghiệm Sơ đồ đo độ cứng HRC Sơ đồ đo góc nghiêng mạch cắt 4.1 Thí nghiệm khảo sát độ cứng (HRC) thay đổi tốc độ dòng điện cắt ứng với giá trị dòng điện I, ta thay ®ỉi tèc ®é c¾t V tõ nhá tíi lín ( Lớn đến giá trị mẫu cắt phải đứt ) thu số mẫu thí nghiệm Với mẫu thí nghiệm có chiều dày s=13mm cắt với giá trị dòng điện I =60A trở nên Tiến hành đo độ cứng với mẫu Xây dựng biểu đồ phụ thuộc độ cứng vào dòng điện I tốc độ cắt V Kết qủa thí nghiệm đo ®é cøng HRC V (m/ph) I= 60A I= 100A I=150A 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1.0 1.1 1.2 1.3 1.4 1.5 1.6 44 45 - - - - - - - - - - 46.3 46.1 45.9 45.7 45.6 45.4 45.5 - - - - - 52.7 50.9 48.7 48.0 46.4 44.3 43.5 43.2 43 43.5 43.6 - 97 (DÊu - ứng với giá trị I, V cho mạch cắt không đạt yêu cầu, không khảo sát ) Căn vào bảng tổng hợp kết thí nghiệm đo độ cứng, ta xây dựng dạng biểu đồ 2D, 3D hàm gần mối quan hệ độ cứng (HRC) tốc độ cắt (V) cho dòng điện I bất biến o Biểu đồ mối quan hệ độ cứng (HRC) vào tốc độ cắt (V) trêng hỵp I = 100A Do cung phu thuoc vao van toc HRC =f(V) voi I=100A 46.6 Thuc nghiem Tinh toan 46.4 Do cung HRC 46.2 46 45.8 45.6 45.4 45.2 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 Van toc cat V(m/phut) 1.1 1.2 1.3 o BiĨu ®å mèi quan hệ độ cứng (HRC) vào tốc độ cắt (V) trêng hỵp I = 150A 98 Do cung phu thuoc vao van toc HRC =f(V) voi I=150A 53 Thuc nghiem Tinh toan 52 51 Do cung HRC 50 49 48 47 46 45 44 43 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 Van toc cat V(m/phut) o BiĨu ®å 3D mèi quan hƯ gi÷a HRC, V, I 1.1 1.2 1.3 99 Biểu đồ xây dựng phần mềm chuyên dụng Matlab Mối quan hệ HRC, V, I mô hình hóa bề mặt cong phức tạp Căn vào cột kết HRC, V , I tiện ích xây dựng hàm gần Matlab, ta thu hàm toán học mô tả gần đúng: HRC=38.9+5.086*I + 0.089*V+ 12.843*I2- 0.269*I*V+ 0.001* V2 4.2 Thí nghiệm khảo sát góc nghiêng mạch cắt G0 thay đổi tốc độ V dòng điện cắt I Với mẫu thí nghiệm cắt để khảo sát độ cứng, ta tiến hành khảo sát đồng thời góc nghiêng mạch cắt bên trái G0Trái G0Phải Từ kết thu ta xây dựng biểu đồ 2D, 3D hàm gần mối quan hệ góc nghiêng mạch cắt vào tốc độ V dòng điện cắt I Kết qủa thÝ nghiÖm S= 13mm V 0.5 0.7 0.9 1.1 1.3 Gtrái 4.9 4.9 - - - Gphải 3.1 2.8 - - - Gtrái 4.7 5.2 4.8 4.9 4.8 Gphải 2.9 2.9 3.1 2.9 2.9 Gtr¸i 5.1 5.0 4.9 4.8 4.9 Gph¶i 3.0 3.1 2.9 3.1 3.2 (m/ph) I= 60A I=100A I=150A (Dấu - ứng với giá trị I, V cho mạch cắt không đạt yêu cầu, không khảo sát ) 100 o Biểu đồ mối quan hệ góc nghiêng mạch cắt bên trái Gtrái vào tốc độ V dòng điện cắt I=150A o Biểu đồ mối quan hệ góc nghiêng mạch cắt bên phải GPhải vào tốc độ V dòng điện cắt I=150A 101 o Biểu đồ 3D mối quan hệ góc nghiêng mạch cắt bên trái Gtrái vào tốc độ V dòng điện cắt I Hàm toán học mô tả gần : Gtrái =4,583+ 1,378*I - 0,004*V- 0,595*I2-0,004*I*V+ 3,55.10-5* V2 102 o BiĨu ®å 3D mèi quan hƯ góc nghiêng mạch cắt bên trái GPhải vào tốc độ V dòng điện cắt I Hàm toán học mô tả gần : Gtrái =3,579-0,565*I - 0,008*V- 0,06*I2+ 0,006*I*V+ 2,111.10-5* V2 103 Kết luận chung khảo sát độ cứng góc nghiêng mạch cắt: - Độ cứng bề mặt mạch cắt sau nguội vào khoảng từ 44ữ 52 HRC (độ cứng ban đầu 35 HRC) - Khi tăng dần tốc độ cắt, với dòng điện cắt không đổi: Độ cứng giảm dần ngược lại - Khi tăng dần dòng điện cắt, với tốc độ cắt không đổi: Độ cứng tăng dần ngược lại - Phần mạch cắt chi tiết nằm bên trái hướng dịch chuyển cắt có góc nghiêng trung bình 50 - Phần mạch cắt chi tiết nằm bên phải hướng dịch chuyển cắt có góc nghiêng trung bình 30 ( thường bố trí sản phẩm cắt nằm bên phải hướng dịch chuyển cắt để tăng độ xác) 104 Phần V: Kết luận kiến nghị Kết luận: Luận văn thạc sĩ khoa học trình bày kết nghiên cứu ảnh hưởng thông số cắt tia Plasma tới chất lượng bề mặt cắt, tóm tắt sau: o Đề cập vấn đề Plasma: Làm rõ khái niệm Plasma gì? Plasma tự nhiên phòng thí nghiệm tạo nào? Các tính chất, ưu điểm tính toán số thông số tia Plasma Cuối đưa mô hình toán học thể Plasma o Tổng quan cắt kim loại Khái quát chung phương pháp cắt kim loại công nghiệp, có phân tích, đánh giá ưu- nhược điểm phương pháp cắt tia Plasma, so sánh với phương pháp cắt khác Đồng thời đề cập cách thức ứng dụng thể Plasma vào công việc cắt kim loại phân tích cấu tạo, só phưong thức công nghệ chế tạo thiết bị cắt Plasma công nghiệp tự động hoá thiết bị cắt Plasma công nghệ điều khiển số (CNC) o Nghiên cứu thông số ảnh hưởng trình cắt tia Plasma đến chất lượng bề mặt cắt Phần nghiên cứu, đánh giá thông số cắt như: Vận tốc cắt, dòng điện cắt, chất khí cắt, khoảng cách điện cực, vật liệu cắt, chiều dày vật liệu cắt tới chất lượng bề mặt cắt: Độ cứng bề mặt, độ xác hình học- Là hai thông số bị ảnh hưởng nhiều đồng thời hai thông số quan trọng để đánh giá chất lượng sản phẩm cắt Tứ đề biện pháp công nghệ hợp lý để tăng độ xác sản phẩm cắt o Kết thực nghiệm thông số ảnh hưởng chính: Vận tốc cắt, dòng điện cắt trình cắt plasma tới chất lượng bề mặt Căn vào kết nghiên cứu, đánh giá chương đà tiến hành thực nghiệm đo đạc độ cứng góc nghiêng mạch cắt để có số liệu thực tế ứng 105 dụng công nghiệp Thí nghiệm thực nỊn vËt liƯu lµ thÐp C45, chiỊu dµy 13mm- Lµ vật liệu sử dụng phổ biến công nghiệp nước ta Kết thí nghiệm xây dựng thành biều đồ 2D, 3D mô hình hoá gần công thức toán học- dựa phương pháp sử lý số liệu quy hoạch thực nghiệm mét sè phÇn mỊm tiƯn Ých nh: Malab, excel Ci chương tổng hợp kết nghiên quan trọng nên thường xuyên ứng dụng công nghiệp Kiến nghị: Kết nghiên cứu hoàn toàn nghiêm túc đà áp dụng, kiểm nghiệm thực tế đem lại chất lượng sản phẩm tốt thời gian dài đơn vị Trung Tâm thực hành công nghệ khí- Đại Học Bách Khoa Hà Nội Do vậy, theo kết nghiên cứu nên áp dụng rộng rÃi lĩnh vực Hàn- cắt kim loại công nghiệp để đem lại chất lượng sản phẩm suất cao 106 Tài liệu tham khảo Tài liệu nước 1- Giáo trình công nghệ hàn, cắt PGS.TS Hoàng Tùng, PGS.TS Nguyễn Thúc Hà 2- Giáo trình Cơ khí đại cương PGS.TS Hoàng Tùng, PGS.TS Nguyễn Thúc Hà 3- Giáo trình Quy hoạch thực nghiệm GS.TS Nguyễn DoÃn ý 4- Phương pháp đo PGS.TS Ninh Đức Tốn 5- Phương pháp xây dựng bề mặt GS.TS Bùi Quý Lực Tài liệu nước 6- “Fundamentals of Plasma physics”- J.D Callen, August 12,2003 7- ‘’How Langmuir Probes Work’’ in Plasma Diagnostics, O.Auciello and Flamm, eds (1990) - N.Hershkowitz 8- Rose and Clark, Jr., “Plasmas and Controlled Fusion” (1961) 9- Nishikawa and Wakatani, “Plasma Physics, Basic Theory with Fusion Applications”(1990) HÕt ... Lời cam đoan Tôi xin cam đoan đề tài luận văn Nghiên cứu ảnh hưởng số thông số đến chất lượng bề mặt cắt tia plasma kết nghiên cứu Các kết nghiên cứu biên dịch, tính toán đo đạc hoàn toàn đáng... Lời cam đoan Tôi xin cam đoan đề tài luận văn Nghiên cứu ảnh hưởng số thông số đến chất lượng bề mặt cắt tia plasma kết nghiên cứu Các kết nghiên cứu biên dịch, tính toán đo đạc hoàn toàn đáng... PhÇn III: Các thông số ảnh hưởng trình cắt plasma tới chất lượng bề mặt cắt 86 3.1 ảnh hưởng nhiệt độ c¾t 87 3.2 ảnh hưởng dòng điện 88 3.3 ảnh hưởng khí cắt