Thông số kỹ thuật máy
Dòng điện ra: 25– 100 Amps
Nguồn vào: 208 / 230V ±10%, 1 Phase, 50/60 Hz, 92 / 87 Amps
400V ±10%, 3 Phase, 50 Hz, 26 Amps 460V ±10%, 1/3 Phase, 60 Hz,46 / 24 Amps 600V ±10%, 3 Phase, 60 Hz,16 Amps
Công suất: 104°F (40°C); 40% - 100A - 120 VDC; 100% - 50A - 98 VDC
68°F (20°C); 75% - 100A - 120 VDC Áp suất khí: 70 psi (4,8 bar)
Lưu lượng khí: 7.5 cfm (212 lpm)
Bảng 2.1.Chế độ cắt thép cácbon thấp Chiều dày thép (mm) Dòngđiện (A) Tốc độ cắt (mm/phút) Chiều dày thép (mm) Dòng điện (A) Tốc độ cắt (mm/phút) 1,5 40 80 6985 8890 20 100 610 6 40 80 100 991 2845 3277 25 100 406 10 100 1651 32 100 254 13 100 1245 38 100 206 2.2.2. Bình chứa khí Ôxy
Để thuận lợi cho việc chuẩn bị quá trình cắt, khí Ôxy được nạp và bảo quản dưới dạng khí trong bình chịu áp lực. Dung tích trong bình được tính toán từ thể tích bình chứa và áp suất khí bên trong.
Bảng 2.2.Dung tích– lưu lượng khí ôxy Kiểu Thể tích bình (lít) Áp suất khí trong bình (MPa) Lưu lượng ôxy (lít) 50 50 20 10000 40 40 15 6000 10 10 20 2000 Hình 2.4. Bình chứa ôxy Lượng khí lấy ra từ bình chứa phải trên giới hạn cho phép. Tùy theo áp suất và đặc tính của bình chứa, giới hạn cho phép có thể khác nhau. Nếu l ượng Ôxy trong bình dưới giới hạn cho phép, phần nối giữa bộ phận giảm áp và bình chứa có thể xuất hiện sự đóng băng từ n ước của môi trường không khí xung quanh. Khi sử dụng bình chứa ôxy phải được đặt đứng, sử dụng đúng mục đích.
Bình chứa Ôxy luôn lắp bộ phận điều áp điều khiển áp suất khí thoát ra khỏi bình khi cần sử dụng. Bộ điều áp thường là bộ giảm áp suất, nhằm giảm áp suất
cao từ bình xuống áp suất làm việc và duy trì theo giá trị không đổi đáp ứng yêu cầu làm việc và yêu cầu an toàn.
2.2.3. Xe trượt (xe tự hành)
Xe có bốn bánh với động cơ DC và hợp giảm tốc, hai bánh truyền động phía sau, hai bánh bị động phía trước. Xe trược chuyển động trên đồ gá lắp đặc biệt trực tiếp trên tấm cắt. Tốc độ xe điều chỉnh trong khoảng 0,2 ÷ 1,5m/phút. Chiều hành trìnhđược chọn trước bằng công tắc đảo chiều
Hình 2.5.Xe trượt
2.3. Nghiên cứu chế độ cắt
Nghiên cứu chế độ cắt khi thực hiện với một quá trình bán tự động sử dụng một mỏ cắt plasma. Hồ quang plasma được truyền đến cho các tấm thép và dòng khí thổi kim loại lỏng ra khỏi tấm. Chiều dày của tấm có thể khác nhau từ vài mm đến 2cm. Các thông số chế độ cắt là cường độ dòngđiện - điện áp hồ quang, áp lực khí và vận tốc cắt. Góc hình thành trong quá trình cắt bởi cạnh của rãnh cắt so với phương thẳng đứng và sự hình thành xỉ ở mặt dưới của tấm là minh chứng cho chất lượng cắt.
Cắt plasma ngọn đuốc có dòng khí xoáy thường sẽ gây ra góc hình thành giữa hai cạnh rãnh cắt với phương vuông góc bề mặt tấm khác nhau: một cạnh rãnh cắt có góc độ khoảng 10 30 và cạnh còn lại khoảng 30 80[5]. Với ngọn đuốc có dòng chảy tầng, các góc độ cả hai bên cạnh rãnh cắt thường khoảng 40 80. Với những góc độ này, khi cắt cần chú ý trong các ứng dụng cơ giới hóa. Tùy yêu cầu cụ thể của cạnh rãnh cắt sau khi gia công mà ta điều chỉnh góc độ của ngọn đuốc sao cho sau khi cắt có cạnh vuông với bề mặt phôi hoặc theo góc độ yêu cầu.
Hình 2.7. Cấu tạo ngọn đuốc
a) Ngọn đuốc dòng chảy xoáy; b) Ngọn đuốc dòng chảy tầng
Trong ngành công nghiệp đóng tàu, khối lượng thép tấm dùng để gia công các kết cấu là rất lớn với nhiều kích cỡ và nhiều biên dạng khác nhau. Tương ứng với một chiều dày tấm cụ thể ta cần lựa chọn một chế độ cắt phù hợp nhằm đảm bảo chất lượng sản phẩm sau khi cắt và nâng cao hiệu quả sản xuất. Vỏ tàu là kết cấu phức tạp nhất, tùy vào từng khu vực ta lựa chọn tấm có chiều dày thích hợp (có thể từ 8÷30mm), đồng thời có biên dạng phức tạp nhất đòi hỏi trình độ chuyên môn khá cao và công nghệ tiên tiến để gia công.
Trong phạm vi nghiên cứu của đề tài, chúng tôi lựa chọn nghiên cứu chế độ cắt thép tấm tôn bao vỏ tàu bằng tia plasma ôxy với tấm thép có chiều dày h = 10mm, biên dạng cắt là đường thẳng đây là chiều dày được sử dụng nhiều trong ngành đóng tàu, trên cơ sởkết quả đã nghiên cứu được chúng tôi sẽ xây dựng chế độ cắt cụ thể phù hợp cho từng chiều dày và biên dạng tấm khi cắt.
Với chiều dày tấm h = 10mm, chúng tôi sử dụng thiết bị cắt để nghiên cứu như sau: máy cắt Plasma Cutmaster 151, xe tự hành hàn tự động dưới lớp thuốc, chai khí ôxy, thực hiện quá trình cắt bán tự động.
Thông số chế độ cắt plasma: Cường độ dòngđiện I. Ap suất khí. Tốc độ cắt. Chiều dày tấm Chiều cao mỏ cắt. Hình dạng mỏ cắt. Biên dạng những đường cắt. Hướng cắt.
Khi thực hiện quá trình cắt, chúng tôi nhận thấy các thông số chiều cao mỏ cắt, hình dạng mỏ cắt, biên dạng đường cắt, hướng cắt là các yếu tố có ảnh hưởng ít đến chất lượng và hiệu quả sản phẩm sau khi cắt. Về mặt khoa học thì tất cả các yếu tố này đều ảnh hưởng đến quá trình cắt, tuy nhiên trong phạm vi nghiên cứu chúng tôi không thể khảo sát toàn bộ các yếu tố được vì vậy chúng tôi chỉ tập trung nghiên cứu khảo nghiệm các thông số khi cắt tấm thép có chiều dày 10mm như sau:
Cường độ dòng điện và điện áp tương ứng thiết bị nghiên cứu: 50A -100V, 60A– 104V, 70A– 108V, 80A – 112V.
Tốc độ cắt điều chỉnh: 0,8m/phút, 1m/phút, 1,2m/phút, 1,4m/phút. Áp lực khí Ôxy khi cắt điều chỉnh áp suất nh ư sau: 4,5at, 5at, 5,5at, 6at.
2.3.1. Cường độ dòng điện khi cắt
Tùy thuộc vào thông số kỹ thuật của thiết bị cắt mà ta lựa chọn dòngđiện và điện áp cho hợp lý. Yếu tố này quyết định hiệu quả kinh tế trong quá trình gia công bởi vì khi chọn đúng cường độ dòng điện thì ta giảm được hao phí vật liệu làm điện cực. Do đó khi chọn cường độ dòngđiện ta phải dựa vào kích thước sơ bộ của cực âm hay đường kính miệng vòi phun của mỏ cắt plasma.
Dòng hồ quang plasma tạo ra cần phải có đủ năng lượng để làm tan chảy kim loạiở các tốc độ cắt khác nhau. Đối với tấm có độ dày cụ thể và một tốc độ cắt nhất định thì quá trình cắt tồn tại một dòng điện tối ưu để tạo ra rãnh cắt mong muốn.
Mật độ năng lượng trong cột hồ quang plasma là một chức năng của mật độ dòng điện và điện trường tại lối ra vòi. Mật độ dòng điện thay đổi theo biến đổi cường độ dòngđiện. Điện trường theo hướng trục là không đổi khi đường kính vòi phun, chiều cao mỏ cắt là không đổi. Mật độ dòng điện được điều chỉnh khi xác định mật độ năng lượng cần thiết để cắt thép tấm. Mật độ dòng điện có thể xác định được nếu bán kính hồ quang và cường độ dòngđiện được biết.
Trong trường hợp tốc độ cắt không đổi, khi tăng dòng điện nghĩa là tăng năng lượng nguồn nhiệt dẫn đến chiều rộng rãnh cắt tăng lên. Ngược lại khi giảm dòng điện thì năng lượng nguồn nhiệt giảm đồng thời chiều rộng rãnh cắt giảm theo.
Xét trường hợp tấm thép dày h = 10mm với tốc độ cắt v = 1m/phút, áp suất
khí ôxy Pôxy = 5at, thay đổi cường độ dòngđiện cho ta kết quả như mô tả hình 2.8.
Hình 2.8. Quan hệ giữa dòngđiện và chiều rộng rãnh cắt
2.3.2. Vận tốc cắt
Tốc độ cắt là sự di chuyển của mỏ cắt theo 2 phương X-Y. Tốc độ cắt thay đổi tùy thuộc vào dạng vật liệu, chiều dày vật liệu gia côngvà cường độ dòngđiện. Nếu bề dày lớp cắt nhỏ thì tốc độ cắt tăng lên và ngược lại. Khi tốc độ cắt giảm, lớp kim loại cắt tăng lên đây là đặc điểm quan trọng trong quá trình cắt bằng hồ quang plasma. Nếu tăng tốc độ cắt thì vùng ảnh hưởng nhiệt nhỏ, dẫn đến đường cắt hẹp. Do đó chiều rộng đường cắt nhỏ khi tốc độ cắt tăng với dòng điện không đổi.
Theo S. Ramakrishnan [20] khi cắt thép cácbon thấp có bề dày 6mm với tốc độ cắt thấp thì bề rộng rãnh cắt ở mặt trên và dưới của tấm khác nhau tương đối
nhỏ, rãnh cắt lớn và lớp xỉ hình thành bên dưới của tấm nhiều. Khi cắt ở tốc độ cao cho ta rãnh cắt nhỏ nhưng bề rộng rãnh cắt ở mặt trên và dưới của tấm có sự khác nhau khá lớn (Hình 2.9) (góc hình thành cạnh rãnh cắt so với phương vuông góc bề mặt tấm là tương đối lớn)
Hình.2.9. Hình dạng rãnh cắt khi cắt bằng tia plasma ôxy với các tốc độ cắt khác nhau
a) Bề rộng rãnh cắt khi thay đổi tốc độ cắt (mm); b) Hìnhảnh mặt dưới rãnh cắt c) Khoảng cách dọc theo rãnh cắt (mm); d) Hình dạng của bề mặt cắt phía trước
rãnh cắt khi thay đổi tốc độ cắt[20]
Trong trường hợp cường độ dòngđiện và điện áp không đổi, khi tăng tốc độ cắt thì chiều rộng rãnh cắt giảm. Ngược lại khi giảm tốc độ cắt thì chiều rộng rãnh cắt tăng theo. Đây là yếu tố đánh giá hiệu quả của thiết bị và mức độ tin cậy khi sử dụng công nghệ cắt plasma trong các ngành công nghiệp đặc biệt là ngành đóng tàu vì khối lượng cắt thép tấm rất lớn và mất khá nhiều thời gian.
Xét trường hợp khi cắt tấm thép có chiều dày h = 10mm vớicường độ dòng điện I = 70A, áp suất ôxy Poxy = 5at, thay đổi tốc độ cắt và kết quả được mô tả ở
Hình 2.10. Quan hệ giữa vận tốc và chiều rộng rãnh cắt
2.3.3. Áp suất khí thổi khi cắt
Áp suất khí đáp ứng hai mục đích cho quá trình cắt plasma. Mục đích chính là để cung cấp nguồn khí cho phản ứng plasma, và mục đích thứ hai là dùng để thổi kim loại nóng chảy ra khỏi rãnh cắt. Áp suất khí được xác định là yếu tố có ảnh hưởng đến chất lượng chi tiết.
Sự gia tăng lưu lượng khí sẽ làm giảm chiều dài hồ quang và va chạm trước đó trong rãnh cắt. Trong số các tham số cắt, chỉ có áp suất phun khí có ảnh hưởng đến cấu trúc của vòi phun và hình học của các sóng xung kích.
Khi gia tăng áp suất khí thổi là làm thay đổi điều kiện làm việc của anốt lên dòng khí Plasma và đường kính của cột hồ quang. Ở áp suất thấp thì các giọt kim loại lỏng bám ở mặt dưới của tấm theo dọc rãnh cắt. Hơn nữa, tổng chiều dài hồ quang giảm đáng kể khi áp suất tăng lên.
2.3.4. Năng lượng nguồn nhiệt khi cắt bằng tia plasma ôxy
Khi cắt, năng lượng tổng thể được cung cấp bởi hồ quang được chia thành nhiều dạng liên quan đến các quá trình vật lý khác nhau. Trong phần này, chúng tôi đã cố gắng để ước tính các đơn vị khác nhau của năng lượng điện để trình bày một sự cân bằng năng lượng và tính toán cần thiết vào quá trình cắt.
Năng lượng hồ quang plasma được tính theo công thức sau:
Trong đó :
U: hiệu điện thế. I: cường độ dòngđiện.
Hình 2.11. Các dạng năng lượng trong trong quá trình cắt [22] Năng lượng hồ quang ban đầu bao gồm:
Q = Qc + Qtt1 (2.2)
Trong đó:
Qc : là năng lượng điện cần có để thực hiện quá trình cắt.
Qtt1 : là năng lượng tổn thất ra môi trường giữa mỏ cắt và trên bề mặt phôi. Năng này lượng không mất hoàn toàn mà một phần tham gia vào quá trình gia nhiệt trên bề mặt của tấm lúc ban đầu. Năng lượng này rất khó xác định vì nó phụ thuộc nhiều vào điều kiện môi trường làm việc, nên chúng tôi không đưa vào đ ể tính toán năng lượng để gia nhiệt trong luận văn này.
Theo nghiên cứu trước đây của Ramakrishnan và cộng sự [20], năng lượng để cắt ước tính dựa trên thí nghiệm khoảng 70% tổng năng lượng điện đầu vào, trong luận văn này chúng tôi chọn năng lượng điện cần có để cắt là 70%.
Qc = 0.7 x Q (2.3)
Trong quá trình cắt, phản ứng tỏa nhiệt ôxy hóa sắt tham gia vào quá trình cắt, do đó năng lượng cần thiết để thực hiện quá trình cắt Qe bao gồm [22]: năng lượng điện cần có Qc và năng lượng sinh ra do phảnứng ôxy hóa của sắt Qôxy.
Qe = Qc + Qôxy (2.4)
Năng lượng cần thiết để thực hiện quá trình cắt bao gồm ba thành phần.
Qe = Qtn + Qnc + Qtt2 (2.5)
Qtn: năng lượng cung cấp bởi hồ quang truyền bên trong tấm dưới tác dụng của dẫn nhiệt kim loại.
Qtt2: năng lượng mất đi theo rãnh cắt của tia plasma; bao gồm cả năng lượng do xỉ nóng chảy và năng lượng bức xạ entanpy và dòng plasma còn lại thoát ra khỏi tấm.
Tất cả các năng lượng tham gia vào quá trình cắt có thể được ước tính, chỉ
Qtt2năng lương mất đi sẽ được khấu trừ.
2.3.5. Năng lượng phản ứng ôxy hóa sắt trong quá trình cắt.
Năng lượng giải phóng của quá trình ôxy hóa được tính dựa trên các giá trị của vật liệu và nhiệt độ của các phản ứng tạo thành FeO [22] (tương ứng 274,6kJ/mol với∆H= 4,917 MJ/kg sắt bị ôxy hóa)
2Fe + O2 = 2FeO (2.6)
Khối lượng mol của O2 tham gia vào phảnứng là MO2 = 32 g.mol-1
Biết khối lượng phân tử của sắt tham gia phảnứng là MFe = 55,845 g.mol-1 Lưu lượng phân tử ôxy tham gia vào phản ứng ôxy hóa tương ứngở các áp suất
Bảng 2.3.Lưu lượng ôxy hóa tương ứng ở các áp suất [22] Áp suất (at) P Lưu lượng (g/s) DO2
4,5 0,18
5 0,21
5,5 0,24
6 0,29
Dòng khí plasma có khoảng 45% [20, 22] ôxy trong tổng lưu lượng dòng khí plasma tham gia phản ứng ôxy hóa sắt trên bề mặt phía trước rãnh cắt. Từ phương trình phản ứng ôxy hóa (2.6), cứ 2 mol Fe tác dụng với 1 mol O2 cho ta 2 mol FeO do đó năng lượng sinh ra trong phản ứng ôxy hóa sắt trong một đơn vị thời gian cắt: 2 2 9 , 0 O Fe O oxy M M H D Q (2.7)
Theo công thức (2.7) ta thấy rằng Qôxy không phụ thuộc vào tốc độ cắt mà chỉ phụ thuộc vào áp lực phun của ôxy. Thay các thông số vào phương trình (2.7) ta được:
Bảng 2.4. Năng lượng sinh ra do quá trình ôxy hóa tương ứng ở các áp suất Áp suất (at) P Qôxy (W)
4,5 1400
5 1600
5,5 1800
6 2200
Kết quả này phù hợp với dự đoán của S Ramakrishnan năng lư ợng giải phóng bởi quá trình ôxy hóa khoảng 25% năng lượng đầu vào điện trong phạm vi tốc độ cắt 1÷4m/min
Hình 2.12. Khu vự phản ứng ôxy hóa khi cắt plasma
2.3.6. Năng lượng cần thiết để làm tan chảy kim loại trong quá trình cắt.
Khối lượng của kim loại bị đẩy ra mỗi mét cắt Ml (g.m-1):[20]
0 . h l k z dz M (2.8) Trong đó: ρ = 7850 kg.m-3 là mật độ của thép, h = 10 mm độ dày của tấm
k(z) là chiều rộng của rãnh cắt tùy thuộc vào z.
Với giả định rằng hình dạng của đường rãnh cắt này là tương tự như thể hiện trong hình 2.13, biểu thức (2.8) được đơngiản hóa:
h l l M h b l 2 (2.9)