Hỡnh 3.11 thể hiện kết cấu hoàn chỉnh phần cơ khớ của mỏy LC1000-CNC. Một số cụm chi tiết được thể hiện ở hỡnh 3.12. Đú là cụm truyền dẫn chuyển động 3 trục X,Y (Z); cụm phõn phối khớ nộn- gỏ phụi vàthỏo phụi +bàn mỏy, hệ thống cữ hành trỡnh.
Tụi bề mặt chi tiết bằng laser CO2
66
Hệ thống đẫn hướng và truyền động trục X
- Vớt me đai ốc i bước 20mm - Băng đẫn hướng thẳng
- Thước đĩa (đo tốc độ quay) ROD
Hệ thống phõn phối khớ nộn
Cụm chia khớ cho cụng tắc tổng Phõn phối khớ nộn cho hệ thống kẹp
phụi
Phõn phối khớ nộn cho động cơ lấy phoi và chi tiết
Hệ thống cữ hành trỡnh Bao gồm cỏc cữ nộn và cữ mềm: Ngắt hành trỡnh theo trục X Ngắt hành trỡnh theo trục Y Ngắt hành trỡnh theo trục Z Hỡnh 3.12: Minh hoạ một số cụm
của mỏy cơ sở
Cụm kẹp phụi
Kẹp bằng khớ nộn
Cỏc chỏm cầu cho việc tải phụi dễ hơn
Cơ cấu kẹp cú thể di chuyển theo chiều của phụi
Tụi bề mặt chi tiết bằng laser CO2
67
3.4 Hệ truyền dẫn Tia laser +đầu nhiệt luyện
Hệ thống truyền dẫn chựm tia Laser bao gồm cỏc gương lỏi phản xạ toàn phần. Cỏc gương này được gỏ trờn cỏc cơ cấu cơ khớ nhẹ cho phộp vi chỉnh theo cỏc hướng khỏc nhau trong khụng gian, cho phộp chỉnh đổi hướng chựm tia Laser đưa đến vị trớ của đầu nhiệt luyện và điểm tập trung năng lượng (hội tụ). Cỏc phần tử truyền dẫn này thường được đặt vuụng gúc hoặc nghiờng 450
so với đường truyền của chựm tia.
Yờu cầu của hệ thống gương này phải đảm bảo:
Đường tia song song với trục X và tia ra đầu nhiệt luyện vuụng gúc với trục X (thử kiểm ở tại cỏc vị trớ biờn hành trỡnh theo trục X)
Cứng vững khụng dao động (rung tia) khi đầunhiệt luyện chạy gia cụng
3.5 Hệ điều khiển CNC
Điều khiển hệ thống gia cụng là bộ điều khiển TNC 310 HEIDENHAIN, sử dụng ngụn ngữ lập trỡnh hội thoại bậc cao, cú thể điều khiển đến 4 trục, cú khả năng tương thớch với cỏc hệ thống CAM thương mại.
Hệ thống điều khiển của mỏy Laser SM1000MC chỉ cần thực hiện chạy trục 2D nờn TNC 310 đỏp ứng đầy đủ cỏc tớnh chất của lập trỡnh CNC theo phương thức quy ước lập trỡnh hội thoại bậc cao của HEIDENHAIN. Về đặc điểm ngụn ngữ lập trỡnh , phương thức lập trỡnh gia cụng chi tiết như chương trỡnh NC, c ỏc cõu lệnh điều khiển và cỏc qui trỡnh điều khiển, lập trỡnh gia cụng đó được giới thiệu đầy đủ trong cỏc tài liệu. Ở đõy chỉ xin giới thiệu cỏc nghiờn cứu ứng dụng cỏc chức năng của mụđun điều khiển PLC trong TNC310-HEIDENHAIN để điều khiển cụng suất và cỏc tớnh năng khỏc cần thiết phục vụ cho thiết bị nhiệt luyện bằng Laser.
Giao diện vận hành và cỏc cõu lệnh mở rộng
Bộ điều khiển TNC310 HEIDENHAIN cú giao diện như hỡnh 3.13a và bộ điều khiển cụng suất laser SM1000MC cú giao diện như hỡnh 3.13b. Trong mỏy MC 1000CNC, hai bộ điều khiển này được kết nối mà điều khiển tổng là bộ điều khiển
Tụi bề mặt chi tiết bằng laser CO2
68
TNC 310. Để thực hiện được những điều này, đó thực hiện một số thay đổi và bổ sung như sau.
3.5.1 Cỏc nỳt điều khiển mở rộng
Trờn màn hỡnh điều khiển TNC cú 7 nỳt điều khiển cỏc chức năng trợ giỳp mở rộng bằng lập trỡnh PLC như sau:
CLAMP ON/OFF : Đúng và mở hệ thống gỏ kẹp phụi WOKP IECE DOWN/UP : Nõng hạ tấm phụi khi gỏ vào mỏy
CONVEYER ON/OFF : Bật và tắt băng tải phoi và chi tiết ra khỏi vựng gia cụng
OXYGEN ON/OFF : Bật tắt van cấp khớ cho quỏ trỡnh cắt SHUTTER OPEN/CLOSE : Đúng mở thanh chắn dũng
FAST BEAM ON : Bật tia Laser FAST BEAM OFF : Tắt tia Laser
3.5.2 Phần điều khiển cỏc đốn bỏo tớn hiệu
DRIVE READY : Đốn sỏng khi truyền dẫn bàn X,Y,Z, sẵn sàng làm việc. CNC READY : Đốn sỏng khi mỏy đó chạy FEF xong.
CNC START : Đốn sỏng khi mỏy đó chạy theo chương trỡnh CNC. LASER ON/OFF : Bật hoặc tắt tủ điều khiển Laser.
FAST BEAM ON : Đốn sỏng bỏo lệnh cho ra tia Laser
a) Giao diện vận hành của TNC310
b)Giao diện vận hành SM 1000MC
Tụi bề mặt chi tiết bằng laser CO2
69
Khi bộ điều khiển laser được ghộp nối với bộ điều khiển TNC 310 (qua giắc cắm X321 và X324) thỡ điều khiển gia cụng cú thể được thực hiện hoàn toàn từ bộ điều khiển TNC. Khi ấy cỏc đốn bỏo tớn hiệu bờn tủ Laser sỏng và cỏc đốn bỏo trờn màn hỡnh điều khiển của tủ FEHA gồm Laser start, HV, Beam, Shutter. đều được khởi động.
3.5.3. Cỏc cụng tắc phụ:
ATOMAT Q0 : Cho chức năng bật tắt mỏy độc lập với tủ điện của mỏy Laser AMPE DC P1 : Hiển thị dũng phần ứng động cơ tiến bàn.
CễNG TẮC S6 : Chọn hiển thị dũng điện động cơ X hoặc Y hoặc Z NÚT ẤN S3 : Bỏ qua cữ điện cứng an toàn X,Y,Z khi bị kẹt
NGUỒN 220V : Cấp nguồn cho mỏy tớnh ghộp nối với TNC310
3.5.4 Lệnh lập trỡnh cụng nghệ cho nguồn phỏt Laser
M04/M05 : Lập trỡnh cho chức năng Fast beam on/off M08/M09 : Lập trỡnh cho Shutter on/off
M10/M11 : Lập trỡnh cho chức năng oxygen on/off
T00...T99 : Lập trỡnh dao theo cỏc cụng suất cắt khỏc nhau cho phộp tự động thay đổi cụng suất cắt trong quỏ trỡnh cắt
3.5.5 Cỏc thụng điệp bỏo lỗi khi vận hành mỏy
Khi vận hành sai qui trỡnh thỡ trờn màn hỡnh TNC310 sẽ cung cấp thụng tin về lỗi vận hành này và chỉ ra cỏch khắc phục.
E00 : AIR compressor not ready : ỏp lực của khớ nộn chưa đủ để vận hành mỏy E01 : Z Axis index can’t out : chưa khởi động trục Z
E02 : X,Y,Z limit swicht is over : Hành trỡnh của mỏy đó giới hạn bới cỏc cữ cứng
E04 : Laser kopf not ready : Cữ an toàn của đầu cắt Lase đó bị khoỏ cần khởi động lại
E05 : Laser program invalid : chưng trỡnh của Laser khụng hợp lẹ cần lập lại trong setup
Tụi bề mặt chi tiết bằng laser CO2
70
E06 : Laser not ready by autorun : Laser lỗi trong quỏ trỡnh chạy NC tự động FAS BEAM ON BY SHUTTER CLOSED : Bạn đó lệnh cho phỏt Laser khi chưa
mở cửa chắn.
FAST BEAM ON BY OXYGEN OFF : Bạn đó lệnh cho phỏt Laser khi chưa mở van cấp khớ ụxy
ứng dụng CAM
TNC 310 cho phộp xuất nhập tệp thụng qua cỏc chức năng theo hướng dẫn sau
Để xuất hoặc nhập tệp: nhấn khoỏ mềm ENT, TNC cung cấp một số chức năng sau:
Chức năng nhập/xuất tệp Khoỏ mềm
Đọc tất cả cỏc File
Chỉ đọc những file chọn: để chấp nhận một tệp do TNC gợi ý, nhấn phớm mềm YES
Nhấn phớm NO nếu khụng chấp nhận tệp Nhập tệp chọn: ENTER tờn tệp
Xuất tệp chọn: di vệt sỏng đến tệp mong muốn, khẳng định với ENT
Xuất tất cả cỏc trệp trong bộ nhớ TNC
Hiển thị cỏc thư mục của thiết bị ngoài lờn màn hỡnh TNC
Sử dụng cổng RS 232 và tớnh năng xuất nhập được của TNC310 như trờn, nguời sử dụng cú thể dựng mỏy tớnh PC vẽ chi tiết và lập trỡnh chương trỡnh NC thụng qua 1hệ thống CAD/CAM thương mại, truyền dữ liệu vào TNC310 và thực hiện gia cụng với chương trỡnh đó được tự động lập.
SHOW EXT DIRECTORY TRANSFER EXT TNC TRANSFER EXT TNC TRANSFER TNC EXT TRANSFER EXT TNC TRANSFER TNC EXT ENT
Tụi bề mặt chi tiết bằng laser CO2
71
Một mỏy laser CNC phải thực hiện được:
- Điều khiển hỡnh học:
Điều khiển hỡnh học là kiểu điều khiển định vị mà cỏc bộ điều khiển mỏy cụng cụ CNC thương mại vớ dụ TNC 310, ANILAM, SINUMERRIK v...v đều cú khả năng thực hiện. Thụng qua cỏc chương trỡnh NC được lập thủ cụng hoặc được lập với sự trợ gớup của hệ CAD-CAM mọi hỡnh dỏng hỡnh học 2D đều cú thể được giải quyết.
3.6 Điều khiển cụng suất laser
Điều khiển cụng suất laser của mỏy LC1000CNC được thực hiện thụng qua bộ chương trỡnh nằm trong thư viện cụng nghệ gia
cụng. Đõy là thư viện bao gồm cỏc chương trỡnh con được lập sẵn và luụn được bổ sung bởi nhúm nghiờn cứu cụng nghệ. Cỏc chương trỡnh con này mụ tả trạng thỏi của dũng laser gồm: cụng suất, tần số, thời gian hoạt động. Chỳng được lập trờn cơ sở dữ liệu gia cụng. Tuỳ theo từng loại vật liệu, biờn dạng chi tiết, bộ điều khiển CNC sẽ gọi cỏc chương trỡnh tương ứng tựa như gọi dụng cụ vào chương trỡnh NC để chạy biờn dạng.
Bộ lệnh chương trỡnh điều khiển cụng suất laser thường cú những chế độ :
CW : cho phộp dũng laser hoạt động ở chế độ liờn tục, thường được sử dụng khi gia cụng cỏc biờn dạng cú tốc độ khụng đổi.
Puls : Chế độ này cho phộp dũng laser hoạt động ở chế độ xung, cú hỡnh dạng đầu ra như hỡnh 3.14.
Superpulse: Tạo một số xung đỉnh ở thời điểm bắt đầu,cú năng lực tương tự puls.
Hỡnh 3.14: đầu ra Puls Cụ ng s u ất ,W Thời gian, s dechv inchv Hỡnh 3.15: chế độ inchv /dechv
Tụi bề mặt chi tiết bằng laser CO2
72
inchv /dechv : lệnh điều khiển tăng/ giảm cụng suất laser theo dũng xỏc định (hỡnh 3.15). Đõy là khả năng điều khiển cụng suất laser trong những trường hợp cú thay đổi tốc độ đột ngột như trường hợp bắt đầu chạy gia cụng (cú sự tăng tốc đến tốc độ ổn định- tốc độ F khai trong NC), kết thỳc gia cụng (cú sự giảm tốc dộ về 0) và ở trường hợp gia cụng cỏc gúc nhọn (cú sự giảm dần tốc độ đến vị trớ gúc rồi tăng dần tốc độ đến một thời điểm rồi giữ khụng đổi). Cỏc thời điểm bắt đầu cú sự đột biến về tốc độ được CNC thụng bỏo cho bộ điều khiển cụng suất thụng qua một giao điện giao tiếp và sẽ thực hiện chế độ inchv hoặc dechv . Độ dốc tăng/ giảm cụng suất càng mịn khi độ phõn giải về thời gian được lấy mẫu càng nhỏ (khả năng của FEHA đến 250 lần).
Sự tương quan giữa điều khiển cụng suất laser với biờn dạng hỡnh học là một trong những vấn đề mà cỏc nhà sản xuất mỏy gia cụng với tia laser quan tõm giải quyết. Sự tớch hợp giữa điều khiển cụng suất và biờn dạng hỡnh học tạo nờn sự khỏc biệt của cỏc bộ điều khiển mỏy laser hiện đang cú trờn thị trường. Những nhà sản xuất lớn cú thể thiết kế chế tạo ra những bộ điều khiển tớch hợp. Những nhà sản xuất nhỏ cú thể mua cỏc bộ điều khiển thương mại và bổ sung cỏc mụdun điều khiển của mỡnh.
Tụi bề mặt chi tiết bằng laser CO2
73
CHƢƠNG 4
THỰC NGHIỆM NHIỆT LUYỆN BẰNG TIA LASER Mục tiờu của thớ nghiệm
Tuyển chọn phương phỏp thớ nghiệm:
Phương phỏp tuyển chọn để thực hiện thớ nghiệm là phương phỏp tụi bề mặt bằng tia laser với thiết bị cú sẵn LC1000CNC-C02 , một thiết bị được thiết kế và lắp đặt phục vụ cụng nghệ cắt.
Mục tiờu nghiờn cứu :
Xem xột ảnh hưởng của cỏc tham số vật liệu (C45, SKD11), chiều dày lớp thấm tụi và cấu trỳc kim tương của tụi bề mặt với tia laser. Xem xột ảnh hưởng đến độ cứng của cỏc tham số cụng nghệ (cụng suất laser, tốc độ dịch chuyển tia, chiều cao phõn kỡ dũng tia).
Xem xột ảnh hưởng của phương phỏp làm nguội (tự ram (nguội trong khụng khớ mụi trường), nguội trong dầu, nước lạnh, - đến độ cứng bề mặt mẫu nhiệt luyện Xem xột ảnh hưởng thất thoỏt lượng carbon (mụi trường khụng khớ, mụi trường
nitơ)- đến độ cứng bể mặt nhiệt luyện
Xem xột ảnh hưởng của sự giao thoa nhiệt với nhiệt luyện “vết đơn”, “đa vết” theo tuần tự và quột bề mặt với độ đố 0mm và 1mm – đến độ cứng và cấu trỳc kim tương của mẫu nhiệt luyện.
4.1 Giới hạn của luận văn
Những đo đạt cũng như tớnh toỏn về nhiệt độ mang tớnh chất tham khảo do cú những ảnh hưởng :
Sự hấp thụ năng lượng laser của bề mặt vật liệu dự đó cú lớp phủ cũng chỉ đạt được 80%.
Pyrometer TR 630 được sử dụng để đo nhiệt độ của điểm nhiệt di động, tuy nhiờn đặc tớnh kỹ thuật đỏp ứng thời gian 0,1s nờn chỉ cú thể cho kết quả với độ chớnh xỏc gần đỳng.
Tụi bề mặt chi tiết bằng laser CO2
74
Mụ hỡnh nhiệt được tớnh toỏn cho trường hợp dũng nhiệt một hướng khỏ chớnh xỏc tại đường tõm di chuyển của tia, cú ý nghĩa đối với toàn vựng tiết diện phẳng nhiệt luyện trong thực tế cho trường hợp chi tiết cú chiều dày đủ nhưng độ chớnh xỏc khụng đạt được 100%. Đõy là lớ do mà cú nhiều nghiờn cứu về mụ hỡnh dũng nhiệt vẫn đang được tiếp tục.
4.2 Hệ thống thiết bị thớ nghiệm.
4.2.1 Hệ thống LC1000- CO2-CNC
Thiết bị thớ nghiệm là mỏy cắt laser CO2 LC1000-CNC cú tại phũng thớ nghiệm cỏc cụng nghệ đặc biệt của Viện IMI, cú cỏc đặc tớnh kỹ thuật sau:
- Cú khả năng điều khiển vị trớ theo 3 trục tọa độ X,Y,Z, theo dẫn động truyền dẫn vớt me -bi. Bức xạ tia laser được dẫn bởi hệ gương quang học lắp đặt “cứng”, và ra khỏi hệ thống bởi kớnh hội tụ 5”, cú sơ đồ bố cụng nghệ trớ kết cấu như hỡnh 4.1.
Nguồn laser CO2 là hệ thống SM1000 MC cú cỏc đặc tớnh kỹ thuật:
Tham số cụng suất
Cụng suất đầu ra max: 930W
Cụng suất tia-CW: 1000W
Phạm vi điều chỉnh cụng suất CW : từ 60W
Độ ổn định của cụng suất tia CW (24 giờ): 2%
Tham số tia:
Chiều dài bước súng: 10.6s
Hỡnh 4.1: Sơ đồ bố trớ hệ thống thớ nghiệm 1. Nguồn laser CO2 . 2. Hệ gương chắn dũng 3. Gương dẫn dũng 4. Hệ hội tụ. 5. Dũng khớ cắt. 6. Đầu cắt laser. 7. Phụi gia cụng. 8. Mỏy CNC.
Tụi bề mặt chi tiết bằng laser CO2 75 Phõn cực): Thẳng trờn mặt phẳng tia Hệ số phẩm chất K (K=1/M2 ) >0.8 Gúc phõn kỡ: <1.5mrad
Tần số max. của xung lặp lại: 1kHz
Chiều dài xung 200s-cw
Đường kớnh dũng lase trong buồng cộng hưởng: 13mm
Tham số buồng cộng hưởng
Đường gấp: 1800
Số lần gấp khỳc: 5 lần
Chiều dài của mụi trường hoạt động 9,2 m
Cỏc nhu cầu về khớ CO2 sạch 99,90% N2 sạch 99,90% He sạch 99,98% Hỗn hợp He-H2 sạch 99,98% Tiờu thụ hỗn hợp trờn 35 lớt/giờ Phạm vi hoạt động
Độ ẩm tương đối 75% tại 280
C
Nhiệt độ hoạt động 100C -350
Vị trớ hoạt động của buồng cộng hưởng Ngang
Năng lực làm việc 3 ca/ngày (sau 3 phỳt nghĩ)
Nhiệt độ làm mỏt 16oC 190C
ỏp nước làm mỏt so với mụi trường: 500kPa600kPa khụng khớ xung quanh
Chất lượng nước: Khoỏng150mg CaO/lớt
Độ dẫn điện 200..300 S/cm
Nhiễm chất khụng chứa cỏc hạt huyền phự
Đặc điểm kỹ thuật chung của thiết bị LC1000 CO2-CNC được mụ tả đầy trong bảng 4.1
Tụi bề mặt chi tiết bằng laser CO2 76 Bảng 4.1: Đặc tớnh kỹ thuật của LC1000C02-CNC Kớch thước bàn mỏy 2700 x1524 mm Khoảng cỏch cỏc chốt bàn chụng 200 x 200 mm Hành trỡnh trục X 2400 mm Hành trỡnh trục Y 1200 mm Hành trỡnh trục Z 200 mm Số cấp tốc độ trục Vụ cấp Đụng cơ trục X DC- Servo -12 Nm Động cơ trục Y DC- Servo -2,9 Nm Động cơ trục Z DC- Servo -1 Nm Tốc độ chạy nhanh trục X 23.000 mm/phỳt Tốc độ chạy nhanh trục Y 18.000 mm/phỳt Tốc độ chạy nhanh trục Z 9.000 mm/phỳt Độ chớnh xỏc định vị 0,05mm/m Độ chớnh xỏc lặp lại 0,01 mm/m Trọng lượng phụi lớn nhất 400 kg
Trọng lượng toàn mỏy 3500 kg
Kớch thước mỏy( dài x rộng x cao) 5200x2200x1700 mm
Bộ điều khiển CNC TNC-310 HEINDENHAIN
Khả năng điều khiển 3 trục +1 Màn hỡnh tinh thể lỏng
Hệ thống kớnh quang học: Giữ nguyờn hệ
thống thấu kớnh của mỏy cắt LC1000- CO2- CNC với thấu kớnh hội tụ được chế tạo từ vật