Nghiên cứu, thiết kế thiết bị mang đầu cắt plasma cắt ống thép không gỉ

TÓM TẮT ĐỒ ÁN
NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ THIẾT BỊ MANG ĐẦU CẮT PLASMA CẮT ỐNG THÉP
KHÔNG GỈ
Bài thuyết minh đồ án bao gồm các phần sau:
- Tìm hiểu thép khơng gỉ dạng ống và phƣơng pháp cắt bằng hồ quang plasma;
-

Phân tích, đánh giá ƣu nhƣợc điểm của các loại thiết bị mang đầu cắt plasma sẵn có;

-

Đề xuất nguyên lý và phƣơng án thiết kế của thiết bị mang đầu cắt plasma;

-

Tính tốn thiết kế hồn chỉnh cụm thiết bị mang đầu cắt plasma;

Sau khi nghiên cứu và thực hiện, em đã hồn thành mơ hình thiết kế cụm thiết bị mang
đầu cắt plasma, đã mô phỏng đƣợc chuyển động cắt ống thép trên phần mềm Creo
Parametric 3.0, tuy nhiên mơ hìnhthiết kế trên phần mềm cịn nhiều hạn chế nhƣ tính thẩm
mỹ chƣa đạt đƣợc tốt nhất, thiết kế cơ khí chƣa đƣợc tối ƣu…Vì thế, để nâng cao tính hồn
thiện, tạo ra mơ hình hóa sản phẩm đạt chất lƣợng cao cần nghiên cứu và phát triển đồ án
hơn nữa.

ABSTRACT
RESEARCH AND DESIGN PLASMA CUTTING EQUIPMENT TO BRING FIRST
STAINLESS STEEL PIPE CUTTING
The report projects include the following:
- Research tubular stainless steel and method for plasma arc cutting
- Analyze and evaluate the advantages and disadvantages of various types of equipment
available to bring plasma cutting;

- Proposal for principles and design options of equipment bearing plasma cutting;
- Calculation of complete design instrument cluster carries plasma cutting;
After studying and performing, I have completed the design model cluster brings plasma
cutting equipment, has simulated moving cutting steel tube on Creo Parametric 3.0 software,
however the pattern design on software longer limitations as aesthetic yet to reach the best
mechanical design is not optimal ... Therefore, to improve the completeness, modeling
creates high-quality product research and development to map further projects.

iv


MỤC LỤC
NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP .......................................................................................................... i
LỜI CAM KẾT ........................................................................................................................................ iv
LỜI CẢM ƠN .......................................................................................................................................... iii
TÓM TẮT ĐỒ ÁN ................................................................................................................................... iv
MỤC LỤC ................................................................................................................................................. v
DANH MỤC HÌNH ẢNH...................................................................................................................... viii
DANH MỤC BẢNG VÀ SƠ ĐỒ ........................................................................................................... iix
CHƢƠNG 1 : GIỚI THIỆU ................................................................................................................... 1
1.1 Tính cấp thiết của đề tài. ................................................................................................................ 3
1.2 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài. ...................................................................................... 3
1.2.1 Ý nghĩa khoa học. ......................................................................................................................... 3
1.2.2 Ý nghĩa thực tiễn. ......................................................................................................................... 3
1.3 Mục tiêu nghiên cứu của đề tài. ..................................................................................................... 4
1.4 Đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu. ................................................................................................. 4
1.4.1 Đối tƣợng nghiên cứu. .................................................................................................................. 4
1.4.2 Phạm vi nghiên cứu. ..................................................................................................................... 4
1.5 Phƣơng pháp nghiên cứu. ............................................................................................................... 4
1.5.1 Cơ sở phƣơng pháp luận. .............................................................................................................. 4

1.5.2 Các phƣơng pháp nghiên cứu cụ thể. ........................................................................................... 4
1.5.2.1 Phƣơng pháp lý thuyết . ............................................................................................................. 4
1.5.2.2 Phƣơng pháp thực nghiệm . ....................................................................................................... 4
1.6 Kết cấu của đồ án tốt nghiệp. ......................................................................................................... 5
CHƢƠNG 2 : TỔNG QUAN .................................................................................................................. 6
2.1. Phân loại ống thép theo công nghệ................................................................................................. 6
2.1.1

Ống thép đúc. ................................................................................................................... 6

2.1.2.

Ống thép hàn .................................................................................................................... 7

2.2. Phân loại ống thép theo vật liệu. .................................................................................................... 7
2.2.1

Ống thép tròn đen. ........................................................................................................... 8

2.2.2

Ống thép mạ kẽm. ............................................................................................................ 9

v


2.2.3

Ống thép không gỉ. .......................................................................................................... 9

2.3. Sơ lƣợccác loại ống thép không gỉ thông dụng nhất. ..................................................................... 9
2.3.1

Ống thép không gỉ loại SS 201. ....................................................................................... 9

2.3.2

Ống thép không gỉ loại SS 304. ..................................................................................... 10

2.4.Công nghệ cắt ống thép không gỉ bằng hồ quang plasma (cắt plasma)......................................... 11
2.4.1

Khái niệm về plasma. .................................................................................................... 11

2.4.2

Nguyên lý của phƣơng pháp cắt plasma. ....................................................................... 13

2.4.3

Đặc điểm của phƣơng pháp cắt plasma. ........................................................................ 13

2.4.4

Ứng dụng của phƣơng pháp cắt plasma. ....................................................................... 14

2.4.5

Ƣu, nhƣợc điểm phƣơng pháp cắt plasma. .................................................................... 14

2.4.6

Máy cắt plasma. ............................................................................................................. 15

2.4.7

Nguyên lý hoạt động của máy cắt plasma. .................................................................... 16

2.4.8

Chọn khí sử dụng trong cắt plasma. .............................................................................. 18

2.4.9

An toàn lao động khi sử dụng máy cắt plasma. ............................................................. 20

2.5.Nguyên lý hoạt động của mỏ cắt plasma. ...................................................................................... 22
CHƢƠNG 3 : CƠ SỞ LÝ THUYẾT ................................................................................................... 25
3.1. Các loại đầu cắt plasma trên thị trƣờng. ....................................................................................... 25
3.2.Các loại thiết bị mang đầu cắt plasma. .......................................................................................... 25
3.3. Quá trình khảo sát và thực nghiệm cắt thép ống ở Trƣờng Cao Đẳng Nghề Bà Rịa Vũng Tàu. . 28
3.3.1

Chuẩn bị quá trình cắt. ................................................................................................... 28

3.3.2

Quá trình cắt. ................................................................................................................. 29

3.3.3

Kết quả thu đƣợc. .......................................................................................................... 30

3.3.4

Đánh giá kết luận. .......................................................................................................... 31

CHƢƠNG 4: ĐỀ XUẤT NGUYÊN LÝ VÀ PHƢƠNG ÁN THIẾT KẾ .......................................... 33
4.1. Phân tích đối tƣợng theo yêu cầu đề tài .................................................................................... 33
4.2. Đề xuất các phƣơng án thiết kế cụm thiết bị mang đầu cắt plasma .......................................... 33
4.2.1. Phƣơng án thiết kế cơ cấu mang đầu cắt di chuyển dọc ống.............................................. 34
4.2.2. Phƣơng án thiết kế cơ cấu mang đầu cắt di chuyển vng góc ống................................... 35
4.2.3. Phƣơng án thiết kế cơ cấu điều chỉnh góc cắt vát .............................................................. 36
4.2.4. Phƣơng án thiết kế cơ cấu mang đầu cắt chuyển động quay tròn quanh ống .................... 39

vi


4.2.4.1 Phƣơng án không sử dụng đối trọng. ....................................................................... 40
4.2.4.2 Phƣơng án sử dụng đối trọng. .................................................................................. 40
CHƢƠNG 5: TÍNH TOÁN, THIẾT KẾTHIẾT BỊ MANG ĐẦU CẮT PLASMA ........................ 42
5.1.

Kết cấu tổng thể của cụm thiết bị mang đầu cắt plasma. ...................................................... 42

5.2.

Tính tốn thiết kế. ................................................................................................................. 42

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ .............................................................................................................. 47

TÀI LIỆU THAM KHẢO .................................................................................................................... 49

vii


DANH MỤCHÌNH ẢNH
Hình 2.1. Quy trình cơng nghệ thép hàn ................................................................................................... 7
Hình 2.2. Ống thép trịn đen ...................................................................................................................... 8
Hình 2.3. Ống thép mạ kẽm ...................................................................................................................... 9
Hình 2.4. Ống thép khơng gỉ ..................................................................................................................... 9
Hình 2.5. Khí Plasma .............................................................................................................................. 12
Hình 2.6. Ngọn lửa plasma...................................................................................................................... 12
Hình 2.7. Sự hình thành plasma trong tự nhiên....................................................................................... 13
Hình 2.8. Nguyên lý của phƣơng pháp cắt plasma.................................................................................. 13
Hình 2.9. Máy cắt plasma 100I ............................................................................................................... 17
Hình 2.10. Máy cắt plasma CNC ............................................................................................................ 18
Hình 2.11. Mỏ cắt và vật cắt ................................................................................................................... 22
Hình 2.12. Điện cực duy trì tia plasma.................................................................................................... 22
Hình 2.13. Dịng khí phun ra ................................................................................................................... 23
Hình 2.14. Khí thổi bị ion hóa ................................................................................................................. 23
Hình 2.15. Sự hình thành hồ quang mồi ................................................................................................. 23
Hình 2.16. Hồ quang plasma làm nóng chảy kim loại ............................................................................ 24
Hình 3.1. Một số loại đầu cắt plasma ...................................................................................................... 25
Hình 3.2. Thiết bị cắt plasma cầm tay ..................................................................................................... 25
Hình 3.3. Đầu cắt plasma đƣợc gắn trên robot ........................................................................................ 26
Hình 3.4. Đầu cắt plasma đƣợc gắn trên máy đột dập ............................................................................ 27
Hình 3.5. Đầu cắt plasma trên các máy CNC.......................................................................................... 27
Hình 3.6. Phơi ống thép khơng gỉ............................................................................................................ 28
Hình 3.7. Máy cắt Plasma Elettro 74 tại xƣởng bộ mơn Hàn Trƣờng Cao Đẳng Nghề BRVT .............. 28
Hình 3.8. Động cơ điểu khiển tốc độ quay ống trên hệ thống dẫn hƣớng bởi con lăn ............................ 30

Hình 3.9. Thực hành cắt ống thép không gỉ bằng máy cắt plasma Elettro 74......................................... 30
Hình 3.10. Phoi sau khi cắt .................................................................................................................... 31
Hình 3.11.Bề mặt mép ống sau khi cắt lần 1........................................................................................... 31
Hình 3.12. Bề mặt mép ống sau khi cắt lần 2.......................................................................................... 31
Hình 4.1. Hình ảnh phân tích đối tƣợng cần thiết kế .............................................................................. 33
Hình 4.2. Bộ truyền trục vít me đai ốc bi ................................................................................................ 34
Hình 4.3. Kết cấu cụm mang đầu cắt plasma chuyển động dọc ống ....................................................... 35
Hình 4.4. Kết cấu cụm mang đầu cắt plasma chuyển động vuông góc ống ............................................ 36
Hình 4.5. Sơ đồ động của mâm chia trịn đơn giản ................................................................................. 37
Hình 4.6. Kết cấu cụm mang đầu cắt plasma chuyển động xoay điều chỉnh góc cắt ............................. 38
Hình 4.7. Cơ cấu mang đầu cắt plasma quay tròn quanh ống ................................................................. 39

viii


Hình 4.8. Phƣơng án khơng sử dụng đối trọng ....................................................................................... 40
Hình 4.9. Phƣơng án sử dụng đối trọng .................................................................................................. 41
Hình 5.1. Kết cấu tổng thể cụm thiết kế thiết bị mang đầu cắt plasma ................................................... 42

DANH MỤC BẢNG VÀ SƠ ĐỒ
Bảng 4.2.1 So sánh 2 phƣơng án thiết kế cơ cấu mang đầu cắt plasma quay tròn quanh ống ................ 29
Bảng 3.5.1 Thông số máy cắt Plasma Elettro 74 tại xƣởng Hàn Trƣờng Cao Đẳng Nghề BRVT ......... 41

ix


CHƢƠNG 1 : GIỚI THIỆU
Từ cuối thế kỉ XIX, vật lý, hóa học và các mơn khoa học khác phát trển rất mạnh. Năm
1802, nhà bác học Nga V.V. Pêtơrop đã tìm ra hiện tƣợng hồ quang điện và chỉ ra khả năng sử
dụng nhiệt của nó để làm nóng chảy kim loại. Năm 1882 kỹ sƣ Bê-na-đớt đã dùng hồ quang

cực than để hàn, cắt kim loại. Năm 1888, ông Sla-vi-nốp đã áp dụng cực điện nóng chảy – cực
kim loại vào hồ quang điện.
Năm 1900-1902 trong công nghiệp đã sản xuất đƣợc các bít Can-xi (CaC2) và sau đó
hàn khí, cắt khí đã ra đời.
Các phƣơng pháp cắt thông thƣờng (cắt ô-xy, cắt hồ quang điện ) chỉ cho phép cắt thép
cacbon thấp, không thể cắt đƣợc gang, thép hợp kim cao (trên 5%Cr), nhôm, đồng và các hợp
kim của chúng, vì sau khi ơ-xy hóa lớp đầu, nhanh chóng trên bề mặt kim loại chỗ bắt đầu cắt
tạo nên màng ơ-xýt khó chảy hoặc có độ nhớt cao Cr2O3, Al2O3, SiO2… màng ơ-xýt này làm
cho q trình ô-xy hóa không tiếp tục đƣợc và bị ngắt mà muốn cắt đƣợc phải dùng phƣơng
pháp cắt bằng ô-xy thuốc. Q trình cắt bằng ơ-xy thuốc dựa trên cơ sở đẩy bột thuốc vào vùng
phản ứng để có thể hịa tan hay làm nóng chảy ơ-xýt khó chảy và đẩy chúng khỏi rãnh cắt. Điều
kiện cần thiết là thuốc phải tự cháy trên mặt kim loại cắt đã đƣợc nung nóng do đó khoảng cách
giữa bép cắt và mặt kim loại phải tƣơng đối lớn, khoảng cách đó phụ thuộc chiều dày kim loại
và phƣơng pháp đẩy thuốc. Khi cắt thép khơng gỉ chiều dày dƣới 100mm khoảng cách đó 1540mm. Nhiệt lƣợng của ngọn lửa nung nóng khơng những nung nóng kim loại cắt mà cịn cả
thuốc nữa nếu cơng suất của ngọn lửa đó khơng đủ. Thuốc đẩy vào rãnh cắt sẽ khơng cháy hết
làm cho q trình cắt có thể khơng bắt đầu đƣợc, hoặc khơng ổn định. Trên thực tế cơng suất
ngọn lửa nung nóng trong phƣơng pháp cắt o-xy thuốc lớn hơn phƣơng pháp ô-xy thƣờng 1520%, khối lƣợng xỷ tạo thành khá nhiều do đó lƣợng tiêu hao ơ-xy cũng phải nhiều để đẩy xỷ
ra khỏi rãnh cắt. Do đó bép cắt phải dùng lớn hơn một số phƣơng pháp cắt bằng ô-xy thƣờng.
Cắt bằng hồ quang là lợi dụng sức nóng của cột hồ quang để thổi kim loại nóng chảy và
lợi dụng sức thổi của hồ quang để cắt đứt kim loại nóng chảy tạo thành đƣờng cắt.
Mặt cắt do hồ quang cắt ra sần sùi, đồng thời đƣờng cắt cũng rộng. Do đó cắt hồ quang
nói chung thƣờng dùng để cắt kim loại khơng thể cắt bằng ơ-xy đƣợc, ví dụ nhƣ gang, đồng,
thép không gỉ v.v…
Các phƣơng pháp cắt đặc biệt (cắt o-xy dùng bột kim loại, cắt điện và điện o-xy, cắt ôxy-dây kim loại) cũng không đảm bảo mạch cắt bằng phẳng và năng suất cao.

1


Vào năm 1923 một khái niệm vật lý về một trạng thái đặc biệt của khí đƣợc gọi là
Plasma. Trong trạng thái này, các khí trở nên dẫn điện do kết quả của sự ion hố của các

ngun tử khí. Do đó nó đƣợc biểu thị tƣơng ứng với trạng thái thứ tƣ của vật chất.
Để đƣa đến trạng thái i-on hóa của các khí, cần phải có một nguồn năng lƣợng thích hợp
nhất đó là nhiệt của hồ quang điện. Bởi vậy có thể coi plasma là một dạng hồ quang đặc biệt
mà nhiệt độ của nó đƣợc nâng cao rất nhiều. Trong kỹ thuật ngƣời ta còn gọi nó là hồ quang
khuếch đại (tăng cƣờng). Với hồ quang plasma sẽ đáp ứng đƣợc các mục đích kỹ thuật, đặc biệt
là trong hàn, cắt kim loại.
Với khả năng tác dụng kỹ thuật đặc biệt này nên công nghệ, thiết bị cắt plasma đã thu
hút rất nhiều nhà nghiên cứu và nhà sản xuất, rất nhiều tài liệu kỹ thuật, nhiều đề tài nghiên cứu
khoa học liên quan đến nó đƣợc công bố với số lƣợng tăng cao hàng năm về cả lý thuyết cũng
nhƣ vấn đề thực tiễn sản xuất, phạm vi ứng dụng của plasma ngày càng đƣợc mở rộng. Ở các
nƣớc có nền cơng nghiệp phát triển nhƣ: Anh, Pháp, Mỹ , Đức.. đã ứng dụng công nghệ cắt
plasma vào các ngành đóng tàu, gia cơng đƣờng ống, xây dựng nhà máy điện nguyên tử, chế
tạo máy, hóa chất trong ngành luyện kim.
Tới năm 1955 khó khăn khi cắt thép hợp kim, nhôm, đồng và bất cứ kim loại và hợp
kim nào đã đƣợc giải quyết nhờ hãng Linder (Mỹ) đƣa ra đƣợc quá trình cắt Heli-Arc và khi
phƣơng pháp này phổ biến thì lấy tên Cắt bằng tia plasma (cắt plasma). Cho đến nay thì việc
nghiên cứu khoa học và ứng dụng công nghệ cắt Plasma, ứng dụng thiết bị năng lƣợng Plasma
và nguồn cung cấp vẫn không ngừng đƣợc nghiên cứu cải tiến và phát triển, các thế hệ máy
mới liên tục đƣợc ra đời nhằm nâng cao chất lƣợng cắt, tốc độ cắt, nâng cao độ an tồn, giảm
độc hại trong q trình cắt cũng nhƣ khả năng ghép nối chúng vào hệ thống sản xuất linh hoạt
FMS. Máy cắt Plasma điều khiển chƣơng trình số ngày càng đƣợc ứng dụng rộng rãi trong gia
công tấm.
Cắt plasma đƣợc phát triển vào năm 1960 và năm 1980 nổi lên nhƣ một phƣơng pháp
hữu hiệu cho cắt các tấm thép lá và thép tấm.Nó tạo ít phơi vụn và bề mặt chế tạo chính xác
hơn, sạch hơn, nên nó sớm đƣợc phát triển rộng rãi.Với sự phát triển của máy công cụ, công
nghệ CNC đƣợc áp dụng vào cắt plasma trong nhƣng năm sau 1980 đến năm 1990, mang lại sự
linh hoạt và chính xác hơn trƣớc.
Trong những năm gần đây máy cắt kim loại NC, CNC đã đƣợc nhập nhiều vào Việt
Nam và hiện nay đang đƣợc hoạt động trong một số nhà máy, viện nghiên cứu, các công ty liên
doanh, các trƣờng đào tạo cán bộ kỹ thuật, các trƣờng đào tạo nghề nhƣng hiệu quả khai thác

các máy còn hạn chế.
2


Thiết nghĩ, nghiên cứu công nghệ cắt kim loại bằng plasma và khả năng ứng dụng trong
thực tế sản xuất từ đó nghiên cứu, thiết kế, chế tạo thiết bị mang đầu cắt plasma để cắt thép ống
không gỉ cũng là một vấn đề quan trọng.
1.1 Tính cấp thiết của đề tài
Thép dạng ống nói chung và thép khơng gỉ dạng ống nói riêng có vai trị rất quan trọng
trong các cơng trình xây dựng, thủy điện, dầu khí, giao thơng, hố chất, thực phẩm…Trải qua
gần một thế kỷ ra đời và phát triển, ngày nay thép không gỉ đã đƣợc dùng rộng rãi trong mọi
lĩnh vực dân dụng và công nghiệp với hơn 100 mác thép khác nhau.
Ống thép nói chung và ống thép khơng gỉ nói riêng hiện nay đƣợc sử dụng nhiều trong
các cơng trình xây dựng từ nhà cửa, nhà xƣởng… đến những cơng trình lớn của đất nƣớc nhƣ
trong hoạt động vận chuyển các dung dịch trong các khu công nghiệp, vận chuyển nƣớc từ nhà
máy đến các hộ dân, trong hoạt động khai thác dầu mỏ, khí đốt,... sự thơng dụng của ống thép
đã trở nên phổ biến với từng ngƣời dân. Ở nƣớc ta hiện tại nhu cầu sử dụng ống thép không gỉ
trong sản xuất và đời sống là rất lớn, để đáp ứng nhu cầu đó phơi thép ống khơng gỉ phải đƣợc
tạo ra một cách nhanh chóng, liên tục. Việc gia công cắt ống thép với thiết bị sử dụng hiện tại
đƣợc mua hoàn toàn từ nƣớc ngoài do chúng ta chƣa làm chủ đƣợc vì một số lý do sau:
- Phƣơng pháp cắt plasma chƣa đƣợc ứng dụng nhiều ở nƣớc ta.
- Chƣa có nhiều nghiên cứu trong nƣớc về thiết bị cắt plasma.
- Chi phí đầu tƣ thiết bị cắt ống thép tƣơng đối cao.
Qua đó, ta thấy các nghiên cứu về phƣơng pháp cắt ống bằng công nghệ plasma và giải
quyết bài tốn tìm ra thiết bị mang đầu cắt ln có ý nghĩa lớn trong việc đảm bảo năng suất cắt
thép ống, chất lƣợng bề mặt ống thép sau khi cắt.
1.2 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài
1.2.1 Ý nghĩa khoa học
- Đề xuất đƣợc nguyên lý, kết cấu của thiết bị mang đầu cắt ống thép không gỉ.
- Xác định đƣợc qui trình cắt plasma cắt ống thép khơng gỉ và đánh giá chất lƣợng ống

sau khi cắt.
1.2.2 Ý nghĩa thực tiễn
- Làm chủ đƣợc công nghệ cắt hồ quang plasma để tăng năng suất cắt kim loại dạng ống
và hạn chế khuyết tật khi cắt, kiểm tra đánh giá chất lƣợng bề mặt cắt.
- Tạo cơ sở để tối ƣu hóa các thơng số đầu vào cho quy trình cắt ống thép bằng công
nghệ cắt hồ quang plasma.
3


- Cơ sở phát triển quy trình cắt plasma thành tự động.
1.3 Mục tiêu nghiên cứu của đề tài
- Thiết kế thiết bị mang đầu cắt plasma với các loại đầu cắt và máy cắt plasma đã có sẵn.
- Thiết lập qui trình sử dụng và vận hành của thiết bị.
1.4 Đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu
1.4.1 Đối tƣợng nghiên cứu của đề tài
- Các loại ống thép dùng trong công nghiệp. Đặc biệt là các loại ống thép không gỉ
SS201 và SS304
- Các phƣơng pháp cắt ống thép không gỉ
- Công nghệ cắt ống thép bằng phƣơng pháp cắt hồ quang plasma.
1.4.2 Phạm vi nghiên cứu
Phạm vi nghiên cứu của đề tài là:
- Ống thép khơng gỉ có đƣờng kính từ 100 mm tới 150 mm (4 inches – 6 inches).
- Các loại máy cắt plasma và các loại thiết bị mang đầu cắt sẵn có trên thị trƣờng và
trong phịng thí nghiệm
- Vật liệu ống cắt, cơ tính, chế độ cắt…
- Sử dụng phần mềm creo 3.0 trong thiết kế thiết bị mang đầu cắt plasma và mơ phỏng
chuyển động q trình cắt.
1.5 Phƣơng pháp nghiên cứu
1.5.1 Cơ sở phƣơng pháp luận
- Nghiên cứu đi từ phân tích lý thuyết, ngun lý từ đó đƣa ra u cầu thiết kế.

- Dựa vào yêu cầu thiết kế dùng phần mềm mô phỏng đƣa ra nhiều phƣơng án từ đó lựa
chọn phƣơng án tốt nhất.
- Từ phƣơng án thiết kế đƣợc chọn tiến hành chế tạo thiết bị, thử nghiệm đánh giá thiết
bị.
1.5.2 Các phƣơng pháp nghiên cứu cụ thể
1.5.2.1 Phƣơng pháp lý thuyết
- Tổng hợp các tài liệu sách, bài báo, các tiêu chuẩn để so sánh, tìm hiểu nguyên lý của
đầu cắt, phân tích các nguyên lý, các chuyển động, phạm vi ứng dụng từ đó đƣa ra nhiều
phƣơng án lựa chọn và u cầu tính tốn, thiết kế.
1.5.2.2 Phƣơng pháp thực nghiệm
4


- Dùng phƣơng pháp thử và sai để có các số liệu hoàn chỉnh trong phần thiết kế và kết
cấu.
- Phân tích, đánh giá kết cấu thiết kế bằng các phần mềm mô phỏng để xác định kết cấu
khả thi nhất.
- Dựa vào thiết kế đề xuất chế tạo nguyên mẫu thiết bị, sau đó đƣa vào thử nghiệm để
hồn chỉnh thiết kế, xác định qui trình vận hành và đánh giá chất lƣợng ống.
1.6 Kết cấu của đồ án tốt nghiệp
Kết cấu đồ án tốt nghiệp gồm 5 chƣơng:
Chƣơng 1: Trình bày giới thiệu.
Chƣơng 2: Trình bày tổng quan
Chƣơng 3: Cơ sở lý thuyết
Chƣơng 4: Trình bày đề xuất nguyên lý và đề xuất phƣơng án thiết kế
Chƣơng 5: Trình bày tính tốn, thiết kế
Kết luận và kiến nghị

5

CHƢƠNG 2 : TỔNG QUAN
Thép ống là một thành phần quan trọng của sản phẩm ngành thép. Căn cứ vào cơng nghệ
sản xuất và hình dáng phơi sử dụng chế tạo, ngƣời ta lại chia ra thành 2 loại lớn gồm: ống thép
đúc (phơi trịn) và ống thép hàn ( phôi tấm, lá).
2.1 Phân loại ống thép theo công nghệ
2.1.1 Ống thép đúc
Căn cứ vào công nghệ chế tạo chia ra gồm ống thép đúc cán nóng và ống thép đúc cán
nguội, ống thép đúc cán nguội lại gồm ống trịn và ống hộp với các thành phần và tính năng
nhƣ sau:
- GB/T8162-1999 (ống đúc kết cấu): chủ yếu dùng trong kết cấu thông thƣờng và kết cấu
máy. Nguyên liệu chủ yếu (mác thép) là: thép cacbon 20, thép 45, thép hợp kim Q345, 40Cr,
20 CrMo, 30-35 CrMo, 42CrMo v.v..
- GB/3087-1999 (ống đúc dùng trong lò áp lực thấp và vừa) : chủ yếu dùng trong cơng
nghiệp lị luyện và ống dẫn dung dịch áp lực thấp và vừa trong lị thơng thƣờng. Tiêu biểu là
loại thép số 10, 20
- GB/5310-1995 (ống dùng trong lò cao áp ): chủ yếu dùng làm ống dẫn dung dịch, ống
nƣớc trong trạm thuỷ điện và lò chịu nhiệt trạm điện hạt nhân. Mác thép tiêu biểu là 20G,
12Cr1MoVG, 15CrMoG…
- GB/5312-1999 (dùng trong công nghiệp đóng tàu): chủ yếu là ống chịu áp cấp I,II dùng
trong máy qua nhiệt. Tiêu biểu là thép 360,410,460
- GB/1479-2000 (ống dẫn thiết bị hoá chất áp lực cao): chủ yếu dùng dẫn dung dịch áp
lực cao trong thiết bị hoá chất. Tiêu biểu là thép 20,16Mn, 12CrMo, 12Cr2Mo …
- GB9948-1988 (ống đúc dùng trong dầu khí). Dùng làm ống dẫn dung dịch trong lị
luyện dầu khí. Mác thép sử dụng: 20, 12CrMo, 1Cr19Ni11Nb.
- API SPEC5CT-1999 (ống dẫn dầu): loại ống thông dụng do hiệp hội dầu mỏ Mỹ (
Amrican Petreleun Instiute gọi tắt API) cơng bố trên tồn thế giới. Trong đó: ống lồng là loại
ống dùng để lồng vào trong giếng khoan dầu, ống dùng làm thành giếng. Thép chủ yếu dùng là
J55,N80, P110.
- API SPEC 5L-2000: loại ống đƣợc sử dụng trên toàn thế giới do hiệp hội dầu mỏ Mỹ

công bố. Loại thép chủ yếu sử dụng là: B, X42, X65, X70.

6


2.1.2 Ống thép hàn

Hình 2.1. Quy trình cơng nghệ thép hàn
Phôi nguyên liệu chủ yếu sử dụng là thép tấm và thép lá. Căn cứ vào công nghệ hàn mà
chia ra thành ống hàn lò, ống hàn điện và hàn tự động. Căn cứ vào hình thức hàn chia làm 2
loại ống hàn là ống hàn thẳng và ống hàn xoắn, căn cứ vào hình dáng đầu hàn chia ra làm hàn
trịn và hàn dị hình (vng, vát…). Căn cứ vào nguyên liệu và mục đích sử dụng chia ra các
loại:
- GB/T3092-1993, GB/T3091-1993 (ống hàn mạ kẽm áp lực thấp): chủ yếu dùng dẫn
nƣớc, khí, khơng khí, khí chƣng, các loại dung dịch áp lực thấp và các mục đích khác. Loại
thép dùng là Q235A.
- GB/T14291-1992 (ống hàn dẫn dung dịch khoáng sản): chủ yếu dùng ống hàn thẳng
dẫn nƣớc thải trên núi. Nguyên liệu chủ yếu là Q235A, thép B.
- GB/T142980-1994 (ống hàn điện đƣờng kính lớn dẫn dung dịch áp lực thấp) . Chủ yếu
dùng dẫn nƣớc, khí, khơng khí và các mục đích khác. Ngun liệu chủ yếu là Q235A.
- GB/T12770-1991 (ống hàn không gỉ dùng trong kết cấu cơ khí): chủ yếu dùng trong
các kết cấu cơ khí, xe hơi, xe đạp, đồ gia dụng, khách sạn. Nguyên liệu chủ yếu là thép 0Cr13,
1Cr17, 00Cr19Ni11, 1Cr18Ni9, ….
- GB/T12771-1991 ( ống hàn không gỉ dùng dẫn dung dịch) : Mác thép chủ yếu là
0Cr13, 0Cr19Ni9, 00CrNi11, 00Cr17, ….
2.2 Phân loại ống thép theo vật liệu
7


2.2.1 Ống thép tròn đen

- Vật liệu: ST44/ST52, E355/16MN, P265GH, P245/265TR1, P245/265TR1, Q2355
- Tiêu chuẩn: ASME, API 5L, ASTM A106GR.B, ASTM A53GR.B
- Độ dày: 2.8mm  9.5mm
- Đƣờng kính phủ ngoài: 21.3 mm  355.6 mm.
- Chiều dài: 5m  14m.
- Áp suất làm việc: 16kg/cm2
- Công dụng: đƣợc sử dụng rộng rãi trong các ngành công nghiệp xăng, dầu, khí hóa
lỏng, gas, cơng nghệ hạt nhân...

Hình 2.2. Ống thép tròn đen
2.2.2 Ống thép mạ kẽm
- Chất liệu : Thép A106/A53
- Tiêu chuẩn : ASTM - GB/T 3091
- Tiêu chuẩn độ dày : SCH5, SCH10, SCH40, SCH80, XXS…
- Chiều dài: 5m, 14 m.
- Kích cỡ : 10.3mm, 609.6mm
- Áp suất làm việc : 16kg/cm2
- Cơng dụng: cấp thốt nƣớc, phịng cháy chữa cháy, xử lý mơi trƣờng
- Đƣờng kính ngồi khoảng từ 21 610

8


Hình 2.3. Ống thép mạ kẽm
2.2.3 Ống thép khơng gỉ (inox)
Thép khơng gỉ hay cịn gọi là inox là một dạng hợp kim sắt chứa tối thiểu 10,5% Crơm,
nó ít bị biến màu hay bị ăn mịn nhƣ thép thơng thƣờng khác.
Thành phần hóa học chính của thép khơng gỉ bao gồm crôm, niken, mô-lip-đen, nitơ,
carbon. Thép không gỉ đƣợc phân làm 4 loại chính: Austenitic, Ferritic, Austenitic-Ferritic
(Duplex), Martensitic.

Hình 2.4. Ống thép khơng gỉ
Kích thƣớc của ống thép khơng gỉ giới hạn về đƣờng kính từ 13.72 mm tới 508 mm
đƣợc tra theo bảng tiêu chuẩn ống thép không gỉ ATSM A312 / 778 JIS G3459
Hiện nay, hai loại thép không gỉ thông dụng nhất là SS201 và SS304, thuộc loại
Austenitic.
2.3. Sơ lƣợc các loại ống thép không gỉ thông dụng nhất
2.3.1. Ống thép không gỉ loại SS 201 (Inox 201)
Nhƣ đã biết, thì Inox là một loại thép có chứa hơn 11% Chrom, chính vì điều này đã
9


tạo cho Inox một lớp màng tự bảo vệ chống lại sự ăn mòn. Còn Niken đƣợc biết đến nhƣ là
yếu tố chính mang lại sự ổn định cho pha Austenitic và khả năng gia công tuyệt vời cho Inox.
Trong Inox 201, thì ngƣời ta sử dụng Magan nhƣ là nguyên tố chính để thay thế Niken
theo tỉ lệ 2:1. Chúng ta có thể thấy theo thành phần hóa học nhƣ sau:
+ Inox 201: 4.5% Niken và 7.1% Mangan
Trong tình hình giá của Niken tăng liên tục thì những dịng Inox chứa hàm lƣợng
Niken thấp, giá cả thấp và ổn định mang lại sự hấp dẫn thực sự. Và Inox 201 là một lựa chọn
phù hợp, mác Inox ngày càng đƣợc dần chiếm đƣợc nhiều thị trƣờng, những nơi mà Inox 304
và Inox 201 là lựa chọn chủ yếu. Inox 201 có giá cả thấp và ổn định là do dùng Magan để
thay thế cho Niken. Chính điều này làm cho Inox 201 có nhiều tính chất tƣơng tự Inox 304 và
có đƣợc bề ngồi giống nhƣ Inox 304.
2.3.2. Ống thép không gỉ loại SS 304 (Inox 304)
Inox 304 là loại Inox phổ biến và đƣợc ƣa chuộng nhất hiện nay trên thế giới. Inox 304
chiếm đến 50% lƣợng thép khơng gỉ đƣợc sản xuất trên tồn cầu. Và ở Úc thì con số này dao
động từ 50%-60% lƣợng thép không gỉ đƣợc tiêu thụ. Inox 304 đƣợc sử dụng trong hầu hết
các ứng dụng ở mọi lĩnh vực. Bạn có thể thấy inox 304 ở mọi nơi xung quanh cuộc sống hàng
ngày của bạn nhƣ: Xoong, chảo, nồi, thìa, nĩa, bàn, ghế, đồ trang trí…
Loại Inox 304L là loại inox có hàm lƣợng Carbon thấp (Chữ L ký hiệu cho chữ Low,

trong tiếng Anh nghĩa là thấp). 304L đƣợc dùng để tránh sự ăn mòn ở những mối hàn quan
trọng. Cịn loại Inox 304H là loại có hàm lƣợng Carbon cao hơn 304L, đƣợc dùng ở những
nơi đòi hỏi độ bền cao hơn. Cả Inox 304L và 304H đều tồn tại ở dạng tấm và ống, nhƣng
304H thì ít đƣợc sản xuất hơn.
Tính chống ăn mịn:
Inox 304 đã thể hiện đƣợc khả năng chống ăn mòn tuyệt vời của mình khi đƣợc tiếp
xúc với nhiều loại hóa chất khác nhau. Inox 304 có khả năng chống gỉ trong hầu hết ứng dụng
của ngành kiến trúc, trong hầu hết các mơi trƣờng của q trình chế biến thực phẩm và rất dễ
vệ sinh. Ngồi ra, Inox 304 cịn thể hiện khả năng chống ăn mịn của mình trong ngành dệt
nhuộm và trong hầu hết các Acid vô cơ.
Khả năng chịu nhiệt:
Inox 304 thể hiện đƣợc khả năng oxi hóa tốt ở nhiệt độ 870 độ C, và tiếp tục thể hiện
đƣợc lên đến nhiệt độ 925 độ C Trong những trƣờng hợp yêu cầu độ bền nhiệt cao, thì ngƣời
ta yêu cầu vật liệu có hàm lƣợng carbon cao hơn. Ví dụ: Theo tiêu chuẩn AS1210 Pressure
Vessels Code giới hạn khả năng chịu nhiệt của 304L là 425 độ C, và cấm sử dụng những inox
10


304 với hàm lƣợng carbon 0.04% hoặc cao hơn trên nhiệt độ 550 độ C.
Inox 304 thể hiện khả năng dẻo dai tuyệt vời khi đƣợc hạ đến nhiệt độ của khí hóa lỏng
và ngƣời ta đã tìm thấy những ứng dụng tại những nhiệt độ này.
Cơ tính và tính chất vật lý:
Giống nhƣ các loại thép trong dòng Austenitic, thì từ tính của Inox 304 là rất yếu và
hầu nhƣ là khơng có. Nhƣng sau khi làm việc trong mơi trƣờng có nhiệt độ thấp, thì từ tính lại
rất mạnh (điều này đi ngƣợc lại với q trình tơi).
Ngồi ra, Inox 304 chỉ có thể đƣợc tăng cứng trong mơi trƣờng có nhiệt độ thấp. Ứng
suất đàn hồi cao nhất mà Inox 304 có thể đạt đƣợc là 1000MPa, điều này còn đƣợc ảnh hƣởng
bởi các yếu tố nhƣ số lƣợng và hình dạng của vật liệu.
Tơi là phƣơng pháp chính để sản xuất ra Inox 304. Ngƣời ta sẽ gia nhiệt lên đến 1010
độ C – 1120 độ C, và sau đó sẽ làm lạnh đột ngột bằng cách nhúng vào nƣớc lạnh.

Khả năng gia cơng
Inox 304 có khả năng tạo hình rất tốt, nó có thể dát mỏng mà không cần gia nhiệt. Điều
này làm cho Inox này độc quyền trong lĩnh vực sản xuất các chi tiết Inox.
Ví dụ: chậu rửa, chảo, nồi… Ngồi ra, tính chất này còn làm cho Inox 304 đƣợc ứng
dụng làm dây thắng trong công nghiệp và các phƣơng tiện nhƣ ô tô, xe máy, xe đạp…
Inox 304 thể hiện khả năng hàn tuyệt vời, loại inox này phù hợp với tất cả các kỹ thuật
hàn (trừ kỹ thuật hàn gió đá). Khả năng cắt gọt của Inox 304 kém hơn so với các loại thép
Carbon, khi gia công vật liệu này trên các máy cơng cụ, thì phải u cầu tốc độ quay thấp,
quán tính lớn, dụng cụ cắt phải cứng, bén và không quên dùng nƣớc làm mát.
Việc gia công cắt gọt các ống thép với các biên dạng hình học khác nhau trên ống thép
có chiều dài, độ dày ống khác nhau và chất lƣợng bề mặt ống cắt là một vấn đề lớn cần thiết
nghiên cứu.
Đặt vấn đề: Làm thế nào để cắt ống thép không gỉ với bề dày tƣơng đối lớn (≥ 6 mm)
Nhƣ chúng ta đã biết, đối với các ống thép inox có độ dày thành ống ≥ 6 mm thì chúng
ta khơng thể cắt đƣợc bằng các loại cƣa cầm tay hoặc cắt bằng gió đá (hỗn hợp khí oxi –
axetilen). Với công nghệ hiện nay, để đảm bảo năng suất cắt mang tính kinh tế thì một
phƣơng pháp hữu hiệu đó là cắt bằng hồ quang plasma. Vậy plasma là gì? Tại sao có thể cắt
bằng plasma? Quy trình cắt ra sao?
2.4. Công nghệ cắt ống thép không gỉ bằng hồ quang plasma (cắt plasma).
2.4.1. Khái niệm về plasma
11


Plasma - “Dạng vật chất thứ tƣ”
Ba trạng thái đầu tiên của vật chất là: chất rắn, chất lỏng và chất khí.
Khi bổ sung nhiệt lƣợng vào khí, khí bị ion hóa. Sự ion hóa khí là sự biến đổi trạng thái
cuối cùng. Khí ở trạng thái dẫn điện đƣợc gọi là plasma.
Trạng thái thứ tƣ của vật chất đƣợc gọi là PLASMA. Khí ion hóa với các đặc tính của
nó là cơ sở chủ yếu để các hệ thống plasma hoạt động.

Hình 2.5. Khí plasma
Plasma là tập hợp các hạt tích điện bao gồm số lƣợng tƣơng đƣơng các ion dƣơng và
các điện tử và có vài đặc tính của khí nhƣng khác với khí là có tính dẫn điện tốt”. Sự ion hóa
khí tạo ra các điện tử tự do và các ion dƣơng giữa các nguyên tử khí. Khi điều này xảy ra, khí
trở thành dẫn điện với khả năng mang dịng điện. Nhƣ vậy, plasma hình thành - đó là hình
thái phong phú nhất của vật chất trong vũ trụ.

Hình 2.6. Ngọn lửa plasma
Một ví dụ của plasma đƣợc thấy trong tự nhiên là hiện tƣợng tia chớp thƣờng hay xảy
ra khi bầu trời có mƣa giông. Giống nhƣ tia plasma phát ra từ mỏ plasma, tia chớp phóng từ
vị trí này sang vị trí khác, giữa hai đám mây tích điện. Trong khơng gian hình thành tia chớp,
12


các loại khí trong khơng trung là khí ion hóa, trở nên dẫn điện.

Hình 2.7. Sự hình thành plasma trong tự nhiên
2.4.2. Nguyên lý của phƣơng pháp cắt plasma
Cắt bằng Plasmalà một q trình trong đó để cắt thép và các kim loại khác ở các độ dày
cắt khác nhau sử dụng mỏ cắt plasma. Trong phƣơng pháp này khí trơ ( hoặc khơng khí nén )
đƣợc thổi qua vịi phun với áp suất ccao, cung thời điểm dòng hồ quang điện cũng truyền qua
dịng khí này từ vịi phun đến bề mặt vật cắt, chuyển một phần khí sang thành Plasma. Plasma
có nhiệt độ cao làm nóng chảy kim loại vật cắt, khí thổi với áp suất cao đủ để thổi kim loại
nóng chảy ra khỏi mặt cắt.

Hình 2.8. Nguyên lý của phƣơng pháp cắt plasma
2.4.3. Đặc điểm của phƣơng pháp cắt plasma
Plasma gồm các ion đƣợc gia tốc lớn nên có động năng rất mạnh. Nhiệt độ của tia
plasma rất lớn (10000°C) do tập trung năng lƣợng cao nên có thể làm nóng chảy tức thời kim
13

loại trên đƣờng đi của nó.
Trong cắt kim loại bằng plasma, ngƣời ta sử dụng khí nén làm mơi trƣờng tạo ra
plasma (khí bị ion hóa tồn tại dƣới dạng plasma). Ở các nƣớc công nghiệp phát triển ngƣời ta
ứng dụng rất rộng rãi các máy cắt plasma do có năng suất cao hơn 1,5 - 2 làn so với cắt khí,
đƣờng cắt cao hơn hẳn, sạch sẽ khơng gây ô nhiễm môi trƣờng, không gây nguy cơ cháy nổ,
linh hoạt, giảm chi phí vận hành và mau hồn vốn.
Máy plasma có nhiều loại khác nhau, tuy giá đắt nhƣng do hiệu quả sử dụng nên tùy
theo yêu cầu và cân nhắc những hiệu quả kinh tế mà ta lựa chọn máy cho phù hợp.
2.4.4. Ứng dụng của phƣơng pháp cắt plasma


quảng cáo

Sản xuất dụng cụ và chế tạo máy
Sản xuất thiết bị nhà bếp bằng inox và các thiết bị liên quan đến biển báo, biển



Đóng và sửa chữa tàu



Sản xuất ống gió cho hệ thống HVAC



Sản xuất tủ điện



Sản xuất máy biến áp cơng nghiệp



Trang trí nội ngoại thất / thiết kế mỹ thuật



Ứng dụng trong kỹ thuật cơ khí tổng quát

2.4.5. Ƣu, nhƣợc điểm của phƣơng pháp cắt plasma


Ƣu điểm của phƣơng pháp cắt Plasma

Phƣơng pháp cắt plasma có các lợi thế đối với phƣơng pháp cắt laser, và cắt oxy-gas:
Tốc độ cắt nhanh: Tốc độ cắt plasma nhanh hơn cắt oxy-gas khi thực hiện với các tấm
dày dƣới 50mm. Tốc độ cắt plasma nhanh hơn cắt laser khi thực hiện với các tấm dày hơn
3mm. Tốc độ cắt nhanh giúp tăng năng xuất, giảm giá thành chung sản xuất.
Có thể cắt nhiều loại vật liệu, cũng nhƣ độ dày khác nhau. Cắt plasma có thể cắt nhiều
loại vật liệu chứa sắt, hoặc không chứa sắt. độ dày cắt có thể lên đến 80mm.
Dễ dàng vận hành: Cắt plasma không yêu cầu kỹ thuật cao đối với ngƣời vận hành,
việc đào tạo cũng dễ dàng, thao tác cắt đơn giản, không cần phải điều chỉnh nhiều khi thao
tác.
Tính kinh tế: Cắt plasma có tính kinh tế hơn so với cắt oxy-gas khi cắt với các tấm dày
dƣới 25mm.


Nhƣợc điểm của phƣơng pháp cắt Plasma
14


Điện cực cắt, vòi phun thƣờng xuyên phải thay thế làm tăng giá thành sản xuất.
Cắt plasma không thể cắt với vật cắt không phải kim loại.
2.4.6. Máy cắt plasma
2.4.6.1. Giới thiệu về máy cắt Plasma
Máy cắt plasma là một loại máy cắt đƣợc sử dụng công nghệ tiên tiến nhất hiện nay, có suất xứ
là các nƣớc phát triển các ngành cơng cơ khí cơng nghệ cao.

Có 3 loại công nghệ chế tạo máy cắt Plasma là: Diote, thyristor và inverter. Hiện tại,
máy cắt Plasma đƣợc chế tạo theo công nghệ Inverter đang dần dần đƣợc sử dụng thay thế
cho các loại máy cắt Plasma khác nhờ ƣu điểm gọn nhẹ, hiệu suất cắt và chất lƣợng cắt cao.
Máy cắt Plasma đƣợc sử dụng rất hiệu quả để để cắt các tấm kim loại có độ cứng cao
(kể cả thép đen) và có chiều dày trên 10mm.
Máy cắt Plasma rất phù hợp để cắt các tấm kim loại màu nhƣ là : inox, nhôm, đồng,
… mà phƣơng pháp cắt bằng Oxy – gas và các loại máy cắt khác không thể thực hiện đƣợc.
2.4.6.1. Các loại máy cắt Plasma
Hiện nay trên tồn thế giới nói chung và nƣớc ta nói riêng thì các loại máy cắt
plasma đƣợc chia là 2 loại cơ bản nhất đó là :
✓ Máy cắt plasma bán tự động
✓ Máy cắt plasma tự động
 Máy cắt plasma bán tự động
Máy cắt plasma bán tự động là một loại máy cắt không đƣợc điều chỉnh bằng máy
tính cơng nghệ cao mà nó đƣợc điều khiển chủ yếu là bằng tay cầm thủ công.
 Máy cắt plasma tự động
Máy cắt plasma tự động hay còn gọi là máy CNC là một loại máy dùng công nghệ
điều khiển bằng máy vi tính (PC-base CNC Control software) là cơng nghệ mới nhất có trên
các máy cắt Plasma CNC hiện đại.

Ƣu điểm của máy cắt plasma tự động :
Ngƣời điều khiển máy chủ yếu đóng vai trị theo dõi kiểm tra các chức năng hoạt động
của máy, và ít phụ thuộc và tay nghề của ngƣời thợ.
Máy công cụ CNC có tính linh hoạt cao trong cơng việc lập trń h , đặc biệt khi có trợ
giúp của máy vi tính, tiết kiệm đƣợc thời gian chỉnh máy, đạt đƣợc tính kinh tế cao ngay cả
với loạt sản phẩm nhỏ.
15


Ƣu điểm chỉ có trong máy cơng cụ CNC đó là phƣơng thức làm việc với hệ thống xử
lƣ thông tin “ điện tử – số hóa “, cho phép nối ghép các hệ thống xử lƣ sè trong phạm vi quản
lý của tồn xí nghiệp và tạo điều kiện mở rộng tự động hóa tồn bộ q trình sản xuất, ứng
dụng các kỹ thuật hiện đại thông qua mạng liên thơng cục bộ (LAN) hay mạng liên thơng
tồn cầu(WAN).
Các máy ứng dụng kỹ thuật CNC đạt tốc độ dịch chuyển lớn.Trong lĩnh vực gia công
cắt gọt, máy công cụ CNC có năng suất cắt gọt cao và giảm đƣợc tối đa thời gian phơ, do mức
tự động hố nâng cao vƣợt bậc.
Máy cơng cụ CNC có thể dễ dàng thay đổi chƣơng trình gia cơng, thiết thực với các
loại chi tiết khác nhau, thời gian chuẩn bị và hiệu chỉnh kỹ thuật tại khu vực làm việc giảm
đáng kể.
Máy điều khiển kỹ thuật số có thể thực hiện một lúc nhiều chuyển động khác nhau, tự
động điều chỉnh sai sè dao cụ, tự động khiểm tra kích thƣớc chi tiết và qua đó tự động hiệu
chỉnh sai lệch vị trí tƣơng đối giữa dao và chi tiết.
Máy cơng cụ CNC gia công đƣợc loạt chi tiết nhỏ, phản ứng một cách linh hoạt khi
nhiệm vụ công nghệ thay đổi và điểm quan trọng nhất là việc lập trình gia cơng có thể thực
hiện đƣợc ngồi máy, trong văn phịng có sự hỗ trợ của kỹ thuật tin học thơng qua các thiết bị
vi tính, vi xử lý,….
Đa số các máy CNC đều có thể thực hiện một số lƣợng lớn các nguyênlý hoạt
động khác nhau mà không cần thay đổi vị trí gá đặt của chi tiết.
Độ chính xác lập lại đặc trƣng cho mức độ ổn định trong suốt quá trń h đảm bảo chất

lƣợng gia công cao, là ƣu việt tuyệt đối của các máy điều khiển kỹ thuật số.
Ngồi ra máy CNC cịn có điều kiện khai thác tối đa các chế độ cắt gọt, các nguyên
liệu cắt và phƣơng án hoạt động, đảm bảo độ chính xác cao, ổn định chất lƣợng của sản phẩm.
2.4.7. Nguyên lý hoạt động của máy cắt plasma
Hiện nay có 2 loại thiết bị cắt plasma tiêu biểu là máy cắt plasma bằng tay và máy cắt
plasma CNC tự động

16


Hình 2.9. Máy cắt Plasma 100 I
Đầu tiên khi một tín hiệu khởi động đƣợc gửi đến bộ nguồn cung cấp. Điều này đồng
thời kích hoạt điện áp và dịng khí đến đầu cắt. Chú ý rằng vịi phun đƣợc nối đến cực dƣơng
của bộ nguồn thông qua một điện trở và relay (gọi là Plot arc relay), trong khi vật liệu cần cắt
đƣợc nối trực tiếp đến cực dƣơng. Luồng khí đi qua vịi phun và thốt ra ngồi. Khơng có tia
hồ quang ở thời điểm này, cũng nhƣ khơng có dịng điện chạy qua nguồn DC.
Sau khi dịng khí ổn định, mạch khởi động hồ quang bắt đầu làm việc. Với điện áp do
mạch này tạo ra khoảng từ 5000 – 10000 VAC ở tần số cao, tia lửa điện sẽ đƣợc phóng qua
giữa điện cực và vịi phun bên trong đầu cắt, nơi dịng khí làm cho nó bị ion hóa và trở nên
dẫn điện. Dịng khí dẫn điện này tạo thành đƣờng dẫn điện giữa điện cực và vòi phun và kết
quả là hồ quang plasma đƣợc tạo thành. Dịng khí này buộc tia hồ quangđi qua lỗ của vịi
phun ra ngồi, tạo thành dịng mồi hồ quang (Pilotarc).
Khi vòi phun đủ gần với vật liệu cần cắt, dòng hồ quang mồi sẽ đánh vào vật liệu nhƣ
là đƣờng dẫn dòng điện đến cực dƣơng (của bộ nguồn) mà không bị giới hạn bởi điện trở nhƣ
vòi phun nối đến cực dƣơng. Dòng điện chảy qua vật liệu đƣợc nhận biết bởi bộ nguồn. Khi
dòng điện này đƣợc phát hiện bộ khởi động hồ quang ngƣng làm việc và pilot relay sẽ mở ra.
Dịng khí ion hóa đƣợc duy trì với năng lƣợng từ hồ quang của nguồn điện một chiều.
Nhiệt độ của hồ quang plasma sẽ làm chảy kim loại, đánh thủng qua tấm phôi và dịng
khí với tốc độ cao sẽ thổi bay vật liệu nóng chảy từ phía dƣới của đƣờng cắt. Tại thời điểm
này đầu cắt bắt đầu di chuyển và qui trình cắt bắt đầu.

17


Hình 2.10. Máy cắt plasma CNC
Trƣờng hợp đầu cắt Plasma đƣợc gắn trên máy CNC (Máy cắt plasma CNC), bộ điều
khiển của máy CNC sẽ cảm ứng tín hiệu từ bộ nguồn plasma cho biết dòng hồ quang plasma
đã đƣợc thiết lập thành cơng. Lúc đó máy CNC sẽ bắt đầu di chuyển đầu cắt theo bản vẽ.
Đồng thời cho phép bộ điều khiển độ cao đầu cắt plasma (THC – Torch Height Controller)
hoạt động, thiết bị này sẽ tự động cảm ứng và điều khiển độ cao đầu cắt lên xuống theo độ
cong vênh của vật liệu, để đảm bảo độ cao của vòi phun so với bề mặt liệu luôn ổn định ở độ
cao mong muốn.
2.4.8. Chọn loại khí sử dụng trong cắt plasma
Mơi trƣờng khí tạo plasma phải bảo đảm: tạo dáng hữu hiệu cho hồ quang cắt; tạo bề
mặt cắt chất lƣợng cao; truyền nhiệt hữu hiệu vào kim loại vật cắt; tuổi thọ cao cho các chi
tiết của mỏ cắt; bổ sung thêm nhiệt cắt thơng qua phản ứng tỏa nhiệt và có tính kinh tế an
tồn.
Các khí tạo plasma hay dùng là nitơ, argon, hydro, oxi, khơng khí nén. Khí trơ cho bề
mặt cắt sạch nhất, thích hợp cho kim loại màu. Khí O2 nguyên tử có tác dụng cải thiện việc
truyền năng lƣợng vào hồ quang cho vật cắt thông qua cơ chế phân ly - tái hợp. Khí chứa oxi
có hiệu quả năng lƣợng cao khi cắt, tạo phản ứng tỏa nhiệt của oxi với vật liệu cắt, cho năng
suất cao. Khí đƣợc sử dụng nhiều nhất là khơng khí nén. Có thể bổ sung nƣớc vào mỏ cắt để
cải thiện chất lƣợng bề mặt cắt thép và tăng tốc độ cắt. Cũng có thể bổ sung khí cháy để tăng
tốc độ cắt đồng và hợp kim đồng và cải thiện chất lƣợng bề mặt cắt.


Cắ t plasma sử dụng khơng khí

Khí đƣợc sử dụng phổ biến nhất trong cắt plasma, nó cung cấp tốc độ cắt, và chất
lƣợng cắt tốt với thép cacbon, thép không gỉ và nhôm. Giá thành thấp là một lợi thế khi sử

18


dụng khơng khí. Tuy nhiên trƣớc khi đƣợc sử dụng khơng khí phải đƣợc làm sạch, loại bỏ bụi
bẩn, hơi nƣớc. Khi sử dụng khơng khí cần phải chọn hệ thống khí nén, lọc thích hợp với yêu
cầu cắt.
Một trong các vấn đề của cắt plasma sử dụng khơng khí là ảnh hƣởng của nó lên mối
hàn đƣờng cắt plasma. Đƣờng cắt thƣờng có các vùng bị ni tơ hóa, oxy hóa. Điều này ảnh
hƣởng đến mối hàn. Nó đƣợc giải quyết tốt khi sử dụng dây hàn có chứa chất khử nito, oxy.
Với các ƣu điểm tốc độ cắt tốt, xỉ ít, tuổi thọ của các thiết bị tiêu hao trung bình. Khơng khí là
một lựa chọn tốt nhất cho cắt plasma trong các xƣởng nhỏ.


Cắt plasma sử dụng khí Oxy

Đây là lựa chọn hàng đầu trong các nhà máy khi cắt các tấm thép Carbon vì chúng
mang lại chất lƣợng mối cắt tốt nhất, tốc độ cắt nhanh nhất. Oxy sẽ tƣơng tác với thép carbon
giảm nhiệt độ nóng chảy do tạo ra oxit tạo đƣờng cắt min hơn do kích thƣớc hạt nóng chảy
nhỏ. Nhƣợc điểm của cắt plasma sử dụng oxy đó là giá thành của khí sử dụng cao, cũng nhƣ
tuổi thọ thiết bị tiêu hao thấp. Tuy nhiên thực tế ngƣời ta thƣờng sử dụng khí nito khi bắt đầu
hồ quang plasma do đó sẽ cải thiện đƣợc tuổi thọ của thiết bị tiêu hao ngang bằng với cắt
plasma sử dụng khơng khí. Chi phí cho khí oxy và thiết bị tiêu hao cao, nhƣng cắt plasma sử
dụng khí oxy bù lại với năng xuất cao và chất lƣợng mối cắt tốt.


Cắt plasma sử dụng khí nitơ

Phƣơng pháp đƣợc sử dụng phổ biến trong quá khứ và nó vẫn là lựa chọn tốt nhất khi
cắt nhôm hoặc thép không gỉ do chất lƣợng đƣờng cắt và tuổi thọ thiết bị tiêu hao. Tuy nhiên
với tấm nhôm hoặc thép không gỉ dày trên 0.5 inch thì nên chuyển sang sử dụng hỗn hợp khí

argon + hidro.
Bình thƣờng khơng khí đƣợc sử dụng làm khí bảo vệ. Nếu sử dụng CO2 có thể cải
thiện phẩn nào chất lƣợng cũng nhƣ tốc độ cắt. Nƣớc cũng đƣợc sử dụng với cắt plasma nito.
Nƣớc đảm bảm đƣờng cắt nhẵn bóng khi cắt nhơm, thép khơng gỉ. Khi sử dụng với nƣớc cắt
plasma nito thƣờng sử dụng bàn cắt nƣớc.


Cắt plasma sử dụng Argon- Hidro

Khi cắt nhôm và thép khơng gỉ dày trên 0.5inch hỗn hợp khí 35% Hidro,65% argon
thƣờng đƣợc sử dụng. Hỗn hợp khí cung cấp nhiệt độ cắt plasma cao nhất (với hệ thống
plasma 1000Amp có kèm phun nƣớc sử dụng khí argon-hidro có thể cắt thép không gỉ dày
đến 15cm). Cắt plasma sử dụng argon-hidro cung cấp đƣờng cắt cực kì min với thép khơng rỉ,
Nito thƣờng đƣợc chọn là khí bảo vệ trong trƣờng hợp này. Yếu điểm của hệ thống nhƣ này
đó là chi phí cho thiết bị và chi phí vận hành.
19