4.2. 1 Hàn
4.2.2 Khoan, phay, cắt
Khoan bằng tia điện tử được Karl-Heinz Steigerwald (Đức) phát triển vào đầu
thập niên 50 của thế kỷ 20, để khoan các lỗ trên chân kính cho đồng hồ cơ khí. Q
trình khoan và cắt gọt bằng tia điện tử tương tự như quá trình hàn bằng tia điện tử.
Điểm khác biệt chính ở đây là việc sử dụng xung electron năng lượng cao. Chùm tia điện tử dạng xung làm thay đổi sự tương tác của chùm tia và vật liệu, và làm tăng năng lượng nhiệt tập trung theo hàm mũ khi so sánh với năng lượng chùm tia liên tục.
Có hai kỹ thuật được dùng khi khoan bằng tia điện tử:
- Kiểu khoan môt lần ban (One-shot drilling)
Kiểu này làm bốc hơi vật liệu tạo thành lỗ bằng duy nhất một xung, xuyên qua toàn bộ chiều dày vât liệu. Đe tăng hiệu quả người ta có thể sử dụng một tấm lót (có tính chất đặc biệt) đặt ở dưới chi tiết. Khi chùm tia khoan xuyên qua vật liệu đến tấm lót, vật liệu tấm lót sẽ tác dụng với chùm tia tạo nên một lượng khí lớn với năng lượng cao, tống kim loại nóng chảy ngược trở lại và để lại một lỗ sạch với lóp kết tinh lại bé
- Kiểu khoan bằng nhiều xung (Multiple-pulse drilling)
Kiểu khoan này cho phép khoan những lỗ nhỏ hơn. Các xung nối tiếp nhau sẽ bóc vật liệu cho đến khi lỗ đạt chiều sâu chính xác. Các lỗ khơng thơng cũng có thể đuợc khoan bằng cách tận dụng kỹ thuật này, với kích thuớc lỗ từ 0,025 đến ỉmm. Trong cả hai truờng họp, năng luợng chùm tia có thể đuợc làm chệch huớng, hoặc chi
tiết gia công có thể đuợc dịch chuyển dọc theo một trục chuyển động mong muốn.
Chuyển động này đuợc điều khiển bằng máy tính nhu hệ thống CNC hoặc cơ cấu quay
CNC (CNC rotating mechanism}.
a. Lăng kính Wehnelt
b. Chùm tia điện tử
c. Chi tiết gia công d. Bàn máy
1- Lăng kính Wehenelt
2- Hệ làm lệch tia theo tọa độ X -y
3- Tia điện tử
4- Rãnh chữ thập được phay 5- Chi tiết gia cơng
Hình 4.6 Sơ đồ nguyên lý phay bằng tỉa điện tử
Thiết bị khoan và phay cũng tương tự như thiết bị hàn. Nguồn điện áp tối đa
dùng để khoan tia điện tử là 604-15 0£F, công suất tiêu hao chỉ vài chục w, mật độ năng lượng khoảng 1074-109J47cm2. Dung sai độ lệch của điểm được tia điện tử phóng
đến quyết định sự dao động cho phép và sự ổn định bắt buộc của điện áp nguồn. Trong thiết bị khoan và phay, đuờng kính của tia điện tử thơng thường nhỏ hơn IOp/77 và từ đó dao động của điện áp cho phép tối đa bằng l/1034-l/104 của điện áp định mức. Yêu cầu này được giải quyết nhờ có hệ dao động có tần số từ 304-1 ữữkHz và bộ khuếch đại điện áp. Cách này có lợi vì nội trở của nguồn dao động với cường độ
dòng điện phụ tải đã cho sẽ tăng theo hàm mũ. Trường họp có sự cố, sẽ khơng có dịng
điện ngắn mạch kéo dài mà có thể làm hỏng thiết bị hoặc gây tai nạn chết người.
Muốn khoan thì phải tập trung chùm tia vào một điểm. Muốn cắt hoặc phay thì
cho bàn máy di chuyển. Neu đường kính của tia tăng lên thì có thể gia cơng lỗ hoặc
rãnh to hơn.
Đe khoan người ta thường dùng bàn tọa độ đặt trong chân khơng. Nhờ vậy có thể
đặt nhiều vật gia cơng ở những khoảng cách nhất định. Có thể làm lệch tia điện tử khi
Vì vậy chế độ gia công ở độ chân
không cao chỉ áp dụng trong những
trường họp đặc biệt. Khi vận hành máy
có thể áp dụng hai chế độ khác là: chế độ chân khơng trung bình (ỒẠ-C3PỊ) và
chế độ không chân không. Áp suất trong
buồng làm việc của chế độ chân khơng trung bình được duy trì ở 10 3 đến
25mmHg (torr). Neu áp suất nhỏ hơn 1 torr thì gọi là chân khơng “mềm ”, giữa
1 và 25 torr được gọi là chân khơng
h(mm)
Hình 4.7
“nhanh
Cỏ hai dãy công suất trong gia công chùm điện tử. Dải công suất thấp, dùng để
hàn, khoan, cắt những lá kim loại mỏng có độ chính xác cao, tinh tế. Dải mức công
suất cao dùng để hàn và cắt yêu cầu năng suất cao, độ chính xác thấp hơn.
Trong cả hai dải cơng suất trên đều có thể thực hiện ba chế độ chân không nêu
trên khi hàn. Khi hàn ở chế độ chân không cao sẽ đạt được chiều sâu ngấu lớn nhất và bề rộng hàn nhỏ nhất, tỷ số lên đến 50:1 khi hàn giáp mối nhôm dày 450/77/77 và thép
dày 150/77/77. Ở chế độ chân khơng trung bình thì kích thước chùm tia lớn hơn, mật độ năng lượng giảm, chiều sâu ngấu giảm và bề rộng mối hàn tăng. Ở chế độ khơng chân khơng thì chùm tia bị phân tán nhiều, vì thế phải giảm khoảng cách từ súng phóng
electron đến chi tiết gia cơng, thường nhỏ hơn 40mm. Ví dụ về hiệu suất hàn ở chế độ
khơng chân khơng khi hàn thép được trình bày ở Hình 4.7. Chiều sâu ngấu có thể lên đến 25/77/77.
Cơng suất chùm tia điện tử truyền đi là:
Wch = LUg, w
trong đó ỉ là cuờng độ dịng điện của chùm tia điện tử, A.
Vậy động năng của một điện tử trong điện truờng là:
w - mV2
wd = = cu
trong đó: M - khối luợng của một điện tử, m = 9, Ix 10 29 g
V - vận tốc chuyển động của điện tử
e - điện tích của một điện tử, e = l,6x 10 19 c u - hiệu điện thế của môi truờng điện tử đi qua, V.
Trong sụ va đập của chùm tia điện tử vào bề mặt chi tiết gia cơng, nếu coi nhu tồn bộ động năng đó chuyển thành nhiệt năng, năng suất của năng luợng sẽ là:
Wf=I.Ug, w
trong đó: I - cuờng độ dòng điện của tia điện tử, (A): I = n.e/t.
n- số điện tử trong chùm tia điện tử; t - thời gian.
Nhung trong thục tế 0,14-0,3% động năng sẽ biến thành tia Rơnghen. Do đó cơng suất để biến thành tia Rơnghen là:
WR = a.Z.I. u2 , kw
trong đó: a - hằng số tỷ lệ
z - số thứ tụ của nguyên tố trong bảng tuần hoàn Menđêlêép.
Khi điện tử va đập vào bề mặt chi tiết gia công sẽ tạo ra một áp suấtpỏ.
Po =3,43x10 4.—pL
trong đó sn là diện tích tiết diện ngang của chùm tia điện tử trên mặt phang chi tiết
gia công đo bằng cm2.
ơ = 2,16 X10-17 • —mm p
trong đó: Ug- điện thế gia tốc chạy qua electron, V
p - trọng lượng riêng của vật liệu gia cơng, glcm\
Hình 4.8 Sự chuyển động của electron dưới lớp bề mặt
Năng lượng của electron:
E = 4MÁU2 - uĩde.Up
2 8
trong đó: Me = 9,109* 10 31£g (tính chất của electron)
uo - tốc độ ban đầu u - tốc độ sau cùng.
4.3.4 Mật độ năng lượng chùm tia
Mật độ năng lượng nhiệt cần thiết của chùm tia gia công để thực hiên các ngun cơng khác nhau có thể tính theo cơng thức:
TJT 3,74 X Ầ X T h
wm=---- 7, 1
dcxlg ỳ-
_O_
trong đó: Wm - mật độ năng lượng tạo nên sự chảy lỏng trong vùng có đường kính ds
Tch - nhiệt độ nóng chảy của kim loại, °C
Khoảng cách tác dụng của tia điện tử được xác định theo cơng thức:
5 = 2,1x10~\Ug/d, pm
trong đó: 5 - khoảng cách tác dụng của tia điện tử lên vật liệu gia công, pm
Ug - điện áp làm gia tốc điện tử, V d -tỷ trọng, kg/dm3.
Trong quá trình tia điện tử xâm nhập vào vật liệu, sự sản sinh nhiệt không đồng đều trên toàn bộ khoảng cách tác dụng mà khoảng cách sâu hơn sẽ sinh nhiệt nhiều hơn.
Mơ hình dưới đây (H.4.9) dùng để phân tích sự cân bằng năng lượng, yếu tố quyết định hiệu suất gia cơng.
Hình 4.9 Sơ đồ cân bằng năng lượng trên diêm gia công
Gọi:
Qỵ: năng lượng làm cho bề mặt chi tiết gia cơng nóng lên đến nhiệt độ nóng chảy Qi. nhiệt lượng làm nóng chảy vật liệu
Qg. nhiệt lượng làm bốc hơi vật liệu
ộ4: nhiệt tổn hao do bức xạ
Qp. nhiệt tổn hao do truyền dẫn ra môi trường.
Như vậy, nhiệt lượng cần thiết để làm bốc hơi vật liệu là: Qỵ + Q2 + Qì. Lượng
Từ phương trình cân bằng nhiệt có thể nói, nếu bảo đảm trong thời gian ngắn nhiệt lượng cần thiết cho quá trình bốc hơi thì có thể nâng cao hiệu suất của q trình
gia cơng.
4.3.6 Độ chính xác gia cơng
Hướng và cường độ của tia điện tử có thể điều khiển được, vì vậy có thể đảm bảo gia cơng chính xác.
Có thể phay những rãnh rộng lƠ4-20pm, cách nhau lƠ4-20pm, có cạnh góc thẳng và hồn tồn song song với nhau. Có thể kiểm tra độ chính xác bằng kính hiển vi.
Độ sâu phay có thể điều khiển được bằng cách điều chỉnh năng lượng và cường
độ của tia điện tử.
Có thể khoan lỗ với độ chính xác cao. Ví dụ, khoan một lỗ trên một tấm dày
1,25/77/77 đường kính lên đến 125p/77 với độ cơn 2-4° Nhưng cần lưu ý, khi khoan lỗ sâu
(L!d = 24-20) thì ở đoạn giữa bị thắt lại. Độ ơ van ở lỗ có đường kính 104-30pm, từ
1/1000 của pm đến 1/100 của pm. Độ ô van này không đáng kể so với đường kính của
lỗ. Đường kính lỗ lớn hơn đường kính của tia điện tử. Lỗ hơi bị bo tròn một chút tại điểm vào của chùm tia, đầu kia thì sắc cạnh và khơng có bavia. Be mặt gia cơng được
trơn bóng khi khoan cũng như phay. Thời gian gia công vô cùng ngắn, vì vậy bề dày của lóp bề mặt bị biến dạng do tác dụng của nhiệt cũng rất nhỏ. Trong vật liệu cũng không phát sinh ứng suất dư nào lớn có tác dụng xấu đến lóp bề mặt gia cơng.
Dung sai điển hình là khoảng 10% đường kính của lỗ hoặc rãnh. Độ bóng bề mặt cao hơn và bề rộng khe hở gia công nhỏ hơn so với các phương pháp cắt bằng nhiệt khác.
- Việc cung cấp năng lượng liên tục chỉ kéo dài trong thời gian ngắn.
- Phối họp khoảng cách tác dụng của tia điện tử với điện áp làm gia tốc điện tử. - Bảo đảm điều khiển và dẫn tia điện tử theo yêu cầu gia công.
4.4.1 Ưu điểm
- Có thể gia cơng bất kỳ vật liệu nào. - Mật độ cơng suất lớn.
- Gia cơng chính xác do khả năng tự hãm của điện tử trong một lóp mỏng vật liệu.
- Có thể điều chỉnh tức thời cường độ dịng điện và vị trí của tia điện tử. - Bảo đảm sạch bề mặt hóa học nhờ gia công trong buồng chân không.
- Không ảnh hưởng đến cấu trúc vật liệu vì vùng ảnh hưởng nhiệt cực kỳ bé, ở
điểm cách nơi gia công khoảng 0,0254-0,ữ5mm vẫn giữ ở nhiệt độ phòng.
- Năng suất cao. Có thể khoan được 2.000 lỗ/1 giây trên tấm kim loại mỏng. - Có thể tạo được những lỗ nghiêng so với bề mặt chi tiết ở nhiều góc độ khác
nhau.
4.4.2 Nhược điểm
- Chỉ có thể gia cơng trong buồng chân khơng, kích thước chi tiết gia công hạn chế.
- Giá thành tương đối cao.
- Có thể gây nguy hiểm do tia phóng xạ Rơnghen.
4.4.3 Phạm vi ứng dụng
Bằng tia điện tử, nói chung người ta có thể gia cơng các vật liệu có cấu trúc như
thép, vonfram, platin, tantal, mơlipden, silic, germani, grafit, kim cương, aluminium, oxit nhôm, sứ, thủy tinh, thạch anh, do đó phạm vi sử dụng rất rộng rãi và đa dạng trong lĩnh vực cơ khí chính xác, hàng khơng và trong những lĩnh vực khác.
giữa đường kính và bề sâu là 1:10 4- 1:20. Có thể gia cơng các lỗ đường kính đến
0,05mm với tỷ số chiều sâu trên đường kính lỗ lớn lên đến 200:1.
Các mối hàn sâu và hẹp có thể được hàn trong một hành trình đon như hàn giáp
mối một mối hàn thép cacbon rộng 3mm, sâu 150/77/77 với tốc độ hàn ỉ20mm/ph. Vì năng lượng tập trung tại một vùng hẹp nên chi tiết không bị co rút, méo. Hàn trong chân không nên mối hàn đạt độ tinh khiết cao nhất, khơng rỗ khí, mối hàn khơng bị
oxy hóa.
Những kim loại rất khác nhau có thể được hàn lại với nhau hoặc với những hợp
kim khác, vỉ dụ đồng với nhôm hoặc đơn giản là thép với thép. Khơng có vấn đề gì khi nối những tấm lá kim loại mỏng với mặt bích, hộp điện tử nhạy với nhiệt hay những kim loại hoạt tính như Ti, Zr, Ta, và cũng khơng có vấn đề gì với nhơm đúc áp lực
hoặc họp kim magiê.
Ngồi kim loại, PPGC tia điện tử cịn có thể gia cơng có hiệu quả trên những vật liệu dẫn điện kém, kính, gốm... Trong q trình gia cơng, sự giãn nở nhiệt rất lớn,
do đó để tránh rạn nứt nên nung nóng chi tiết trước khi gia cơng.
Câu hỏi ơn tập:
1) Trình bày ngun lý gia cơng bằng tia điện tử.
2) Hãy trình bày các thiết bị cơ bản trong gia công bằng tia điện tử. 3) Nêu các thông số công nghệ khi gia công bằng tia điện tử.
4) Trình bày các ứng dụng của gia cơng bằng tia điện tử.
Chưong 5
GIA CƠNG BẰNG TIA LASER
Mục tiêu:
Sau khi học xong chưong này học sinh có khả năng:
- Trình bày được ngun lý gia cơng kim loại bang laser.
- Trình bày được các thông số làm việc khi gia công bang bang laser. - Xác định được ứng dụng của quá trình gia công bằng bằng tia laser
5.1. Nguyên lý gia công
Gia cơng bằng chùm tia laser là q trình gia cơng nhiệt, trong đó năng lượng của
chùm tia laser tập trung vào phần nhỏ của chùm tia laser làm cho phần vật liệu đó
nóng chảy và bốc hơi đi. Máy gia công bằng tia laser được sử dụng trong khoan, xẻ rãnh, cắt, tạo hình...
Nguyên lý làm việc của máy phát laser dùng thanh hồng ngọc làm chất kích thích sự phát xạ photon cưỡng bức được trình bày trong hình 5.108.
2
1- Thanh hồng ngọc (mơi trường hoạt tính); 2- Nguồn ánh sáng kích thích
3- Buồng cộng hưởng; 4- Gương phản xạ toàn phần; 5- Gương phản xạ bán phần
Hình 5.1 Sơ đồ nguyên lý hoạt động của laser
Hồng ngọc tổng họp được chế tạo từ oxit nhơm nóng chảy cộng thêm từ
trang thái bền giả cho đến khi chúng bị cưỡng bức trở về trạng thái cơ sở ban đầu nhờ tác động của photon.
Chiều dài sóng photon bức xạ khi nguyên tử chuyển từ trạng thái bền giả sang trạng thái cơ sở đúng bằng chiều dài của sóng ánh sáng, nhờ đó sự chuyển trạng thái
này có thể thực hiện được nhờ đèn phát xung. Trong chùm Kích thích
tia laser, chỉ cần một nguyên tử chuyển trạng thái từ bền
giả sang trạng thái cơ sở và phát xạ photon cũng đủ kích •—y, thích để cho các ngun tử bền giả khác chuyển trạng thái. 3 Bền giả
Toàn bộ quá trình phát laser diễn ra trong hai giai " đoạn như được mơ tả trong hình 5.2 Ba đường ngang trong / "
, w , 1Ẵ ' Cơsở / Photon
hình biêu diên ba mức năng lượng của vật chât, các mũi tên -------- --------------