CHƯƠNG 11: CÁC PHƯƠNG PHÁP GIA CÔNG TIÊN TIẾN
2/ Cắt dây tia lửa điện EDM
11.4.2 Gia công bằng laze (LBM – Laser Beam Machining)
a. Bản chất
Gia công laze, cắt vật liệu, nung chảy hay thay đổi cấu trúc một vật liệu bằng nhiệt bằng cách tập trung một tia sáng đơn sắc đồng hướng đến phôi. Phương pháp LBM không cắt vật liệu với khối lượng lớn, nhưng cho tốc độ cắt vật liệu nhanh bằng công cụ dễ điều khiển, không tiếp xúc và không mòn. Phương pháp LBM có yêu cầu về đồ gá tối thiểu và có thể thực hiện nhiều loại hình gia công kim loại khác nhau như khoan, hàn, đánh dấu và xử lí nhiệt.
Hiệu quả của LBM trong một ứng dụng cụ thể tuỳ thuộc vào xung và độ tập trung của tia và vào độ phản xạ, hệ số hấp thụ, độ dẫn nhiệt, tỉ nhiệt và nhiệt bay hơi của phôi.
Laze được sử dụng nhiều nhất trong cắt kim loại, chủ yếu trong cắt theo profile 2 chiều (2D) của chi tiết tấm, khoan lỗ.
Hình 11.20. Hình dáng bên ngoài của máy gia công bằng LBM.
Hình 11.21 mô tả sơ đồ nguyên lý máy LBM. Trong sơ đồ này thanh Rubi được phát sáng bằng khí Xenon quấn xung quanh. Thành trong của hộp được tạo tính phản xạ cao. Do phản xạ, ánh sáng phát ra từ ống phát sáng rọi hết vào thanh ru bi, làm thanh ru bi bị “xốc” và cộng hưởng để tạo thành tia laser. Tụ điện được tích điện và một điện áp cao được đặt vào điện cực kiểu cò súng, vào lúc loé sáng tia laser càng mạnh.Chùm la laser phát ra, được một hệ thống thấu kính hội tụ tập trung lại để rồi va đập vào vật liệu, kết quả vật liệu bị bốc hơi và xói mòn.
Hình 11.21. Sơ đồ nguyên lý cắt bằng LBM.
Người ta cũng có thể thay thế Laser rubi bằng các loại khác. Các laze cơ bản dùng trong gia công kim loại là các loại laze thuỷ tinh-neodymium - Nd: glass; laze CO2, và laze ruby nhôm chứa ytrium và neodymium (Nd:YAG).
Laze Nd:YAG cú bước súng 1,06 àm và cú thể làm việc ở chế độ xung hay liờn tục, nhưng không thể cả hai một lúc. Tần số xung bị giới hạn bởi tỷ lệ công suất cực đại và thay đổi từ 1÷10000 xung/s. Năng lượng xung của laze Nd:YAG thay đổi từ 5 - 80 j trên 1 xung, năng lượng xung ở mức 100j trên 1 xung có thể đạt được bằng bộ khuếch đại dao động trong bộ cộng hưởng. Phần lớn các loại laze Nd:YAG công nghiệp có công suất ra trung bình 100 ÷ 400W, nhưng laze lớn hơn với công suất 500W cũng đã có.
Laze CO2 cú bước súng 10,6 àm và cú khả năng cho năng lượng trung bỡnh cao hơn nhiều so với laze Nd:YAG. Công suất trung bình của Laze CO2 ở chế độ sóng liên tục là ở 250 ÷ 5000 W. Trong chế độ xung, công suất trung bình giảm xuống. Công suất trung bình khi cắt kim loại bằng laze CO2 ở chế độ xung thuộc khoảng 100 ÷ 2000 W.
Laze CO2 có khả năng phát ra một năng lượng cao hơn nhiều năng lượng trung bình của laze Nd:YAG . Như vậy, laze CO2 có khả năng cắt nhanh hơn. Xung laze Nd:YAG tạo ra một năng lượng xung lớn cho phép khoan percussion (dập), cắt kim loại ở góc nghiêng (với bề mặt) và độ dày laze CO2 không thể thực hiện được. Có vài ứng dụng - ví dụ như hàn điểm và cắt lỗ - mà cả hai loại trên có thể cho kết quả chấp
nhận được với tốc độ khá cao. Hàn laze được dùng ngày càng nhiều trong sản xuất lớn và xây lắp khối lượng lớn.
Hình 11.22. Sơ đồ phân loại các phương pháp cắt bằng LBM.
Bảng 1. Phạm vi ứng dụng của các loại tia laze
Bảng 2. Chế độ cắt khi gia công vật liệu phi kim loại – laser CO2
Bảng 3. Chế độ cắt khi gia công vật liệu kim loại – laser CO2
b. Đặc điểm của quá trình cắt bằng laze.
Ưu điểm của cắt bằng laze:
- Chùm tia laze có nguồn nhiệt tập trung với mật độ nhiệt cao. Vì thế nó có thể cắt tất cả các loại vật liệu và hợp kim của nó.
- Rãnh cắt hẹp, sắc cạnh, độ chính xác cao.
- Có thể cắt theo đường thẳng hay đường cong bất kỳ.
- Mép cắt sạch đẹp, không cần các bước gia công phụ thêm.
- Quá trình cắt xảy ra nhanh chóng.
- Đây là quá trình cắt không tiếp xúc, nó có thể cắt theo các hướng khác nhau.
- Có thể cắt vật liệu có từ tính và không từ tính.
- Khi cắt, không có các tác dụng cơ học nên tồn tại rất ít ảnh hưởng của biến dạng trong quá trình cắt và sau khi cắt. Vùng ảnh hưởng nhiệt nhỏ, biến dạng nhiệt ít.
- Năng suất cao, có thể tăng năng suất khi sử dụng các máy có điều khiển số.
- Có thể cơ khí hóa và tự động hóa điều khiển quá trình cắt; cắt vật liệu phi kim loại chiếm tỷ lệ khoảng 70%.
- Không gây ồn, điều kiện lao động tốt. Ngoài ra điều kiện làm việc của công nhân được cải thiện rất nhiều do lượng bụi ít hơn so với các phương pháp gia công cơ khí.
- Chiều dày cắt hạn chế trong khoảng 10÷20mm (phụ thuộc vào công suất nguồn laze)
Nhược điểm của cắt bằng laze:
- Hiệu suất thấp ( 10 -15%) - Chiều dầy cắt bị giới hạn.
- Lỗ gia công có độ chính xác thấp.
- Không thể gia công được vật liệu dễ cháy - Tuổi thọ của đèn flash thấp.
- Giá đầu tư cao.
c. Một số ứng dụng khác của tia laze:
1. Ứng dụng của LBM để quét xử lý nhiệt bề mặt (a) và gia công lớp phủ (b).
a) b) Hình 11.23 Phương pháp quét xử lý nhiệt bề mặt
3. Ứng dụng của LBM trong nhiệt luyện bề mặt.
4. Ứng dụng của LBM công nghệ hàn.