Tính toán, thiết kế và chế tạo bàn máy của máy gia công laser

LỜI NÓI ĐẦU
Những năm trở lại đây nền kinh tế của các nước trên thế giới phát triển nhanh
chóng bằng việc vận dụng các phát minh hiện đại mới nhất vào mọi mặt của cuộc
sống đặc biệt là ngành công nghiệp .Ở hầu hết các nước phát triển thì ngành công
nghiệp luôn là ngành đóng vai trò quan trọng ,đóng góp nhiều nhất vào nền kinh
tế đất nước. Ở Việt Nam cũng vậy, những năm trở lại đây ngành công nghiệp
cũng đang dần phát triển bằng việc đưa vào các dây truyền, máy móc hiện đại.
Với nhiệm vụ hướng đến tự động hóa giúp con người giảm sức lao động thay vào
đó là máy móc thực hiện điều đó một cách chính xác, nhanh chóng. Đây là một
thách thức với những người kỹ sư ngày nay để đưa nền công nghiệp nước ta sánh
ngang với các nước trên thế giới.
Sau thời gian học tập tại trường Đại Học Công Nghiệp Hà Nội, được sự chỉ bảo
dạy giỗ nhiệt tình của các thầy cô trong khoa cơ điện tử và khoa cơ khí trường Đại
Học Công Nghiệp Hà Nội, em sắp kết thúc khóa học và cũng đã tích được một
vốn kiến thức. Được sự đồng ý của nhà trường và thầy NHỮ QUÝ THƠ em đã
được giao đề tài tốt nghiệp: Tính toán, thiết kế và chế tạo bàn máy của máy gia
công Laser:
Bằng sự nỗ lực của cả nhóm và đặc biệt là sự giúp đỡ tận tình, chu đáo của thầy
giáo TH.S NHỮ QUÝ THƠ, nhóm em đã hoàn thành đồ án đúng thời hạn. Em rất
mong nhận được sự đóng góp ý kiến của thầy cô để bản đồ án này được hoàn
thiện hơn nữa .Em xin cảm ơn thầy giáo TH.S NHỮ QUÝ THƠ, các thầy cô giáo
trong trường Đại Học Công Nghiệp Hà Nội đã tạo điều kiện giúp đỡ nhóm em
trong thời gian qua.
Hà Nội, ngày 20 tháng 4 năm 2015
Nhóm sinh viên thực hiện
Trần Ngọc Hanh :CKCLC 1
Nguyễn Văn Ngọc :CKCLC 1
Phạm Thái Hưng : CKCLC 1

1

CHƯƠNG 1. GIỚI THIỆU CHUNG
1.1 Giới thiệu chung
Những năm gần đây chúng ta đã thấy nền khoa học thế giới phát triển từng
ngày, nó được ứng dụng vào hầu hết các mặt của xã hội đặc biệt là ngành công
nghiệp. Bằng việc tìm ra các phát minh, chế tạo ra những chiếc máy nó đã giúp
giảm sức lao động, tăng độ chính xác trong chế tạo chi tiết trong ngành cơ khí.
Hiện tại công nghệ laser đang được các nhà nghiên cứu phát triển để đưa vào ứng
dụng vào các máy dụng cụ dùng để tăng tốc độ, tăng độ chính xác gia công.
Với các ứng dụng thực tiễn mang lại của laser, công nghệ CNC Laser được
ứng dụng và sử dụng rộng rãi ở các nước phát triển, phục vụ nhu cầu sản xuất
chế tạo sản phẩm, nó dần thay thế cho công nghệ gia công truyền thống, giúp
giảm chi phí thời gian, tiền bạc...
Ở Việt Nam, công nghệ CNC Laser đang từng bước được đưa vào áp dụng,
tạo ra những sản phẩm chất lượng, với nhiều mẫu mã khác nhau, thuận tiện trong
quá trình gia công. Hiện nay việc nghiên cứu máy CNC Laser cũng đang được
quan tâm, mà việc thiết kế hệ thống bàn máy là một trong những vấn đề cần phải
giải quyết để đảm bảo các tính năng mà nó đặt ra.
Với chức năng của hệ thống bàn máy là nâng hạ phôi và đồ gá để điều chỉnh
đúng vào điểm hội tụ của chùm tia lazer để thực hiện nhiệm vụ cắt gọt đạt hiệu
suất và độ chính xác cao, nó được thiết kế nhằm đảm bảo các yêu cầu về tính an
toàn của máy, tính thẩm mỹ về hình dạng, kích thước, thuận tiện và dễ dàng sử
dụng. Nên nhiệm vụ của đề tài là thiết kế hệ thống bàn máy Laser với khả năng
dịch chuyển trong phạm vi thiết kế cho phép. Khi thiết kế hệ bàn máy cần đảm
bảo độ chính xác cao, đặc biệt là các bộ phận trong hệ thống truyền động như: hệ
thống xích, trục vít me.
1.2 Các vấn đề đặt ra
Do hệ thống bàn máy CNC Laser là một bộ phận quan trọng của máy, dùng
làm chuẩn để lấy chiều cao khi nâng hạ khi gia công đạt độ chính xác yêu cầu

2


của sản phẩm. Bên trong hệ thống bàn máy chứa hệ thống chuyền động, động cơ
hoạt động và rất nhiều hệ thống khác, độ chính xác, độ cứng vững ảnh hưởng đến
quá trình làm việc cũng như là độ chính xác gia công, dó đó khi tính toán thiết kế
hệ thống bàn máy gia công Laser cần phải giải quyết một số vấn đề sau:
-

Tính toán hệ thống truyền động: hệ thống xích, trục vít, động cơ.
Lựa chọn vật liệu phù hợp cho hệ thống bàn máy để có khả năng chống ăn

-

mòn, chịu nhiệt, tăng khả năng cứng vững cho máy.
Chế tạo chi tiết, lắp đặt và có khả năng hiệu chỉnh.

-

Xác định được phạm vi không gian của máy khi thiết kế.

-

Xây dựng phương án công nghệ.

1.3 Phương pháp nghiện cứu
Tính toán, thiết kế hệ thống bàn máy CNC Laser là nghiên cứu thuộc lĩnh
vực Cơ khí. Vì vậy, nhóm áp dụng cơ sở tính toán, phương pháp thiết kế ngành
cơ khí. Từ những nhiệm vụ ở trên, nhóm đã thảo luận và đưa ra những phương
hướng cụ thể để bắt tay vào thực hiện đề tài như sau:

-

Tìm kiếm tài liệu về máy gia công laser thông qua nhiều nguồn khác
nhau như: tài liệu trên mạng internet, các clip về máy gia công laser
trên thế giới, các sách giáo trình…

-

Khảo sát các máy gia công laser hiện đang có bán trên thị trường
nước ngoài cũng như ở Việt Nam. Áp dụng phương pháp thiết kế dựa
trên ý tưởng của các mẫu máy đã có trên thị trường và đưa ra các
phương án cải tiến.

-

Phác thảo ý tưởng và đưa ra giải pháp thiết kế.

-

Xây đựng mô hình hóa 3D của hệ thống bàn máy trên phần mềm
Solidworks.

-

Xây dựng các phương án công nghệ để gia công các chi tiết điển hình
như trục ren …

3

-

Lắp ráp phần bàn máy với các bộ phận khác của máy để tạo thành
chiếc máy hoàn chỉnh.

-

Gia công chế tạo các mẫu cắt thử và kiểm nghiệm.

Để hoàn thành đề tài, nhóm đã áp dụng nhiều kiến thức chuyên ngành cơ
khí đã học và một số kiến thức liên ngành khác.
Cùng các tài liệu trên Internet, sách tham khảo, đồ án của các anh chị khóa
trước, đặt câu hỏi với các vấn đề đó để tìm ra phương án tối ưu nhất, đưa ra các
giả định rồi thử nghiệm chứng minh…
Áp dụng một số kiến thức được học về khóa học tư duy kỹ thuật, các công
cụ giải quyết vấn đề như Process Map, cách nghĩ MECE, biểu khảo sát...
1.4 Phạm vi giới hạn đề tài
Ý tưởng thiết kế hệ thống bàn máy CNC Laser rất đa dạng, có rất nhiều kiểu
dáng và mẫu mã khác nhau. Tuy nhiên, trong phạm vi “ Đồ án tốt nghiệp “ với
những giới hạn về thời gian, tài chính và tầm hiểu biết, nhóm chỉ thiết kế và chế
tạo được hệ thống bàn máy CNC Laser với những tính năng đảm bảo được các
yêu cầu sau:
-

Hệ thống bàn máy thiết kế theo dạng nhỏ gọn, tiện trong quá trình sử
dụng, sửa chữa, bảo trì, vận chuyển. Thuộc lĩnh vực cơ khí và tự động
hóa, thuộc loại máy cỡ vừa và nhỏ (có công suất từ 40-60W)

-

Vật liệu có khả năng chịu nhiệt tốt dễ gia công tạo hình, tính hàn cao.

-

Hệ thống bàn máy chịu tải trọng tốt, đảm bảo được độ cứng vững.

-

Bàn máy có khả năng di chuyển giới hạn trong phạm vi không quá cao

-

chỉ trong khoảng nâng hạ tối đa <100 mm.
Thời gian nghiên cứu: 8 tuần kể từ ngày được giao đề tài
Số lượng sinh viên nghiên cứu là 3 sinh viên
Nghiên cứu cấp nhà trường.

4


CHƯƠNG 2 . TỔNG QUAN VỀ GIA CÔNG LASER
2.1 Khái niệm
2.1.1 Tổng quan về tia laser
Tia Laser (đọc là la-de) là tên viết tắt của cụm từ Light Amplification by
Stimulated Emission of Radiation trong tiếng Anh, và có nghĩa là "khuếch đại
ánh sáng bằng phát xạ kích thích".
Năm 1964, Charles Townes, Nikolai Basov và Aleksandr Prokhorov cùng
nhận giải thưởng Nobel vật lý về nền tảng cho lĩnh vực điện tử lượng tử, dẫn đến
việc tạo ra máy dao động và phóng đại dựa trên thuyết maser-laser. Laser hồng
ngọc, một laser chất rắn, được tạo ra lần đầu tiên vào năm 1960, bởi nhà vật lý

Theodore Maiman tại phòng thí nghiệm Hughes Laboratory ở Malibu, California.
Hồng ngọc là ôxít nhôm pha lẫn crôm. Crôm hấp thụ tia sáng màu xanh lá cây và
xanh lục, để lại duy nhất tia sáng màu hồng phát ra. Robert N. Hall phát triển
laser bán dẫn đầu tiên, hay laser diod, năm 1962. Laser bán dẫn đầu tiên với tia
phát ra có thể thấy được được trưng bày đầu tiên cùng năm đó. Năm 1970,
Zhores Ivanovich Alferov của Liên Xô và Hayashi và Panish của Phòng thí
nghiệm Bell đã độc lập phát triển laser diode hoạt động liên tục ở nhiệt độ trong
phòng, sử dụng cấu trúc đa kết nối, tu sửa.
Gia công bằng tia laser là quá trình cắt vật liệu, nung chảy hay thay đổi cấu trúc
vật liệu bằng cách tập trung một tia sáng đơn sắc vào chi tiết gia công. Gia công
cắt gọt laser không cho phép bóc tách vật liệu với khối lượng lớn nhưng nó cho
tốc độ cắt cao và với dụng cụ dễ điều khiển, không tiếp xúc và không mòn.

5


Hình 2.1 Cắt laser.
2.1.2 Khái quát về thiết kế máy CNC Laser
2.1.2.1 Cấu tạo về máy CNC Laser thiết kế
Máy gia công laser thiết kế là thiết bị gia công được thiết kế điều khiển bằng
phần mềm do nhóm tự phát triển thông qua thuật toán nội suy và xử lý hình ảnh.
Cấu tạo máy CNC Laser bao gồm 2 phần :
-

Cơ khí : + Hệ thống vỏ máy
+ Hệ thống bàn máy gia công
+ Hệ thống chuyển động

-

Điện tử :+ Hệ thống điều khiển của máy

6


Hình 3.1.1 Bản vẽ lắp máy gia công laser CO2
Trong đó:
1. Tay cầm
2. Nắp trước
3. Tấm mica
4. Nắp sau
5. Vỏ máy bên phải
6. Tay thủy lực dầu
7. Cửa bên phải máy
8. Hệ thống khung đỡ bàn máy
9. Màn hình hiển thị
10. Bàn máy
11.Ống
Đầulaser
laser
15.
12.Gương phản xạ thứ hai
13. Động cơ bước
14. Tấm đỡ ống laser CO2
2.1.2.2 Nguyên lý hoạt động của máy

7


Máy cắt CNC Laser sử dụng công nghệ Laser

,, một chùm tia năng lượng

cao được sinh ra bởi máy phát laser sẽ được tập trung trên bề mặt chi tiết gia
công nhờ hệ thống thấu kính.
Chùm tia này đốt nóng vật liệu và tạo nên một cùng vật liệu nóng chảy cục
bộ, thường có đường kính nhỏ hơn 0.5mm.
Phần vật liệu nóng chảy bị đẩy ra khỏi vùng gia công bởi một dòng khí có áp
lực cao, đồng trục với chùm tia Laser. Đối với một số loại vật liệu thì dòng khí
này làm tăng tốc quá trình cắt bởi tác động hóa học và lý học.

Vùng vật liệu bị nóng chảy cục bộ được di chuyển dọc theo bề mặt chi tiết theo
một quỹ đạo vì thế sinh ra vết cắt. Chuyển động này được thực hiện bằng cách di
chuyển chùm tia Laser hội tụ nhờ hệ thống gương CNC hay chuyển động cơ khí
theo hai phương X-Y trên bàn máy CNC, máy được thiết kế cả hai loại chuyển
động này. Khi đó, chùm tia Laser này sẽ di chuyển theo một phương và chi tiết
gia công được di chuyển theo phương còn lại để tạo ra hình dạng vết cắt.
2.1.2.3 Ứng dụng của máy laser
Máy gia công laser được sử dụng chủ yếu trong lĩnh vực cơ khí, đặc biệt là
lĩnh vực cơ khí chính xác, những chi tiết gia công đòi hỏi phải có độ chính xác
cao như các chốt pin,…Ngoài ra, máy gia công còn được ứng dụng nhiều trong
lỉnh vực hội họa như khắc tranh nghệ thuật, cắt chi tiết trang trí trong gia đình…
2.1.3 Hệ thống vỏ máy

8


Vỏ máy là nền tảng của một máy trung tâm, nó cần nặng hơn, chắc chắn
hơn và tốt hơn. Giá của nó có thể cao hơn, nhưng sự chịu lực và độ bền sẽ
làm giảm rung động. Quá trình rung động sẽ ảnh hưởng đến độ chính xác gia

công. Với một máy có kết cấu vững chắc, nó sẽ hấp thụ những dao động này,
đảm bảo máy sẽ thực hiện với công suất và độ chính xác cao nhất.
Cấu tạo của vỏ máy khá đơn giản,nhưng cần yêu cầu tính chịu tải cao,cần
phải đảm bảo được độ vững chắc khi máy hoạt động.

Cấu tạo gồm ba phần chính:
-

Khung máy

-

Vỏ tấm

-

Nắp quan sát ( Nắp lật )

Ngoài ra nó còn một số bộ phận khác như : Nắp lật sau, Các nút bấm, màn hình
LED,bảng điều khiển, cổng nối usb
2.1.4 Hệ thống điều khiển

9


Mô hình hóa hệ thống điều khiển
Từ yêu cầu thiết kế hệ thống gia công, hệ thống điều khiển được thiết kế một
cách tổng quan qua sơ đồ khối máy. Sơ đồ nêu rõ các khối đầu vào, khối điều
khiển trung tâm, các cơ cấu chấp hành, cùng các bộ phận hiển thị, giao tiếp với
người sử dụng.

Hình 3.4 Mô hình hóa hệ thống điều khiển
Bộ xử lý trung tâm:
Là một thiết bị có khả năng nhận và lập trình xử lý được các tín hiệu vào theo
yêu cầu đầu vào của hệ thống này, đồng thời xuất được các tín hiệu theo yêu cầu.
Với đề tài này, nhóm sử dụng một vi điều khiển: AT128, với các tính năng phù

10


hợp như: số đầu vào, ra lớn, khả năng làm việc ổn định, bộ nhớ chương trình đủ
lớn để lập trình.
2.1.5 Hệ thống chuyển động X – Y
- Hệ thống chuyển động X-Y là một cơ cấu của máy CNC laser thiết kế. Chức
năng của nó là để chuyền chuyển động theo hai trục x và y cho ống laser chuyển
động tương đối so với bàn máy để tạo ra biên dạng cắt mong muốn.

Hình 3.4 Thiết kế tổng thể hệ dẫn động máy gia công laser khí CO2
Trong đó:
1.
2.
3.
4.
5.
6.

Ống laser CO2
Tấm đỡ ống laser
Thanh trượt
Động cơ bước

Nhôm định hình
Đầu cắt laser

11


7. Tấm đỡ đầu laser và động cơ
8. Gương phản xạ thứ hai
9. Đai răng
10. Con lăn
11. Gương phản xạ thứ nhất
12. Ke vuông
2.2 Hệ thống gia công sử dụng chùm tia laser
Hệ thống gia công bằng chùm tia laser bao gồm 3 bộ phận chính: Đầu phát
laser, bộ phận cung cấp điện và điều khiển. Bàn gá (Có thể điều khiển CNC).
Đầu phát laser để tạo ra tia laser là bộ phận quan trọng nhất. Ngày nay hệ thống
gia công laser thường gắn với bộ điều khiển CNC và cho phép gia công chi tiết
một cách tự động, liên tục và năng suất cao. Máy điều khiển CNC cho pháp gia
công laser 2D, 2.5D, 3D,…dưới sự hỗ trợ bởi máy tính và các thiết bị số. Có
nhiều loại laser được sử dụng để gia công như laser gama, laser khí, laser rắn,
laser lỏng, laser bán dẫn phụ thuộc vào mục đích sử dụng để chọn thiết kế cũng
như sản xuất phù hợp với máy gia công.

Hình 2.2 Hình ảnh về một máy cắt laser 2 trục trong thực tế.

12


2.3 Ứng dụng của tia laser trong gia công cắt gọt.
Laser được cho là một trong những phát minh ảnh hưởng nhất trong thế kỉ 20.

Tia sáng laser với cường độ cao có thể cắt thép và các kim loại khác. Tia từ laser
thường có độ phân kì rất nhỏ, (độ chuẩn trực cao). Độ chuẩn trực tuyệt đối là
không thể tạo ra, bởi giới hạn nhiễu xạ. Tuy nhiên, tia laser có độ phân kỳ nhỏ
hơn so với các nguồn sáng. Laser được dùng trong gia công như khoan (Khoan
đập, khoan cắt), khắc laser được dùng rất phổ biến chiếm 20% thị phần ứng dụng
của tất cả các ứng dụng laser, sửa đá mài bằng laser,… Công nghệ hàn laser đã
được sử dụng phổ biến trong mọi ngành công nghiệp xuất phát từ yêu cầu hàn
những vết hoặc điểm rất nhỏ trên linh kiện điện tử, nữ trang, khuôn mẫu… đến
việc tự động hóa hàn khung vỏ ô tô. Máy cắt laser được tạo thành từ hai phần
chính: nguồn laser và chuyển động. Tùy theo ứng dụng mà sử dụng các nguồn
laser khí hoặc tinh thể. Hiện nay 2 loại laser chủ yếu sử dụng là laser CO2 và
laser sợi (YAG, Fiber …). Laser CO2 có công suất từ vài watt đến hàng nghìn
watt. Công suất thấp được dùng để cắt các vật liệu phi kim trong khi các hệ công
suất lớn thường dùng để cắt kim loại. Đa số trang bị kiểu chạy bàn trong khi các
robot chủ yếu được dùng tự động trong công nghiệp ô tô.

13


2.4 Công nghệ cắt gọt bằng tia laser
Sơ đồ nguyên lý đầu phát chùm tia laser

14


1. Môi trường hoạt tính:
Là môi trường chứa các hợp chất giúp biến đổi mức năng lượng nguồn sáng kích
thích (có mức năng lượng thấp) thành nhưng tia sáng có năng lượng cao laze: có
nhiều môi trường kể trên như CO2, Nd-YAG, thanh hồng ngọc…
2. Nguồn sáng kích thích:

Nguồn sáng ban đầu cung cấp năng lượng cho quá trình tạo ra tia laze, được điều
khiển thông qua bộ điều khiển, sẽ điều khiển gián tiếp năng lượng đầu ra.
3. Buồng cộng hưởng quang học:

15


Có tác dụng biến đổi nguồn sáng kích thích thành trạng thái ánh sáng có năng
lượng mới laze, nhờ tác dụng của môi trường hoạt tính 1, tại đây ánh sáng sẽ đi
qua nhiều lần và biến đổi dần dần.
4.5 Gương phản xạ.
Gương phản xạ toàn phần khi ánh sáng chiếu tới nó được phản xạ lại.
Gương phản xạ bán toàn phần phản xạ lại những tia sáng chưa đủ năng lượng,
khi tia sáng đủ năng lượng sẽ cho đi qua, những tia sáng đủ năng lượng đi qua đó
chính là tia laser.
Nguồn kích thích dòng điện: đối với môi trường hoạt tính khí người ta thường
dùng dòng điện cao tầng để tạo nên môi trường phóng điện ion hóa. Đối với dòng
điện một chiều hay tần số thấp người ta phải đưa điện cực trực tiếp vào môi
trường khí. Bộ cộng hưởng quang học: sau khi tạo được lớp đảo, môi trường hoạt
tính trở thành môi trường khuyếch đại ánh sáng. Để có thể nhận được ánh sáng
phải tạo nên một phản hồi dương. Bộ cộng hưởng quang học đóng vai trò này và
là bộ phận hướng tia ánh sáng chọn lọc.
Bộ cộng hưởng quang học là hệ thống gương quang học. Trên bề mặt phản
chiếu của gương có phủ một lớp kim loại hoặc một lớp điện môi. Một trong hai
gương kia phải là gương bán trong suốt. Trong trường hợp gương làm bằng kim
loại phải khoan một lỗ cho ánh sáng đi qua, trong laser khí gương cộng hưởng
nằm ở hai đầu ống. Đối với laser rắn gương hoạt tính đồng thời là hai mặt của
thanh hoạt tính. Ngoài các gương nói trên, bộ cộng hưởng quang học còn có
những phần phụ kèm theo như lăng kính có nhiệm vụ lọc ánh sáng.
Bộ hội tụ tia: Đây là bộ phận rất quan trọng. Nhiệm vụ của nó là tập trung các tia

laser tại một điểm hay các vùng nhỏ, làm cho mật độ năng lượng và nhiệt độ tại
điểm đó tăng cao cục bộ. Bộ phận này thường là thấu kính hội tụ.

16


Bộ lọc: Do máy phát tia laser không có duy nhất một bước sóng mà thể có nhiều
bước sóng khác nhau. Do đó chúng ta sử dụng bộ lọc cho ra bước sóng duy nhất
để có cộng hưởng cao. Thông thường bộ lọc làm việc theo nguyên tắc phản xạ
ánh sáng.
Gương phản xạ tia laser, có tác dụng phản xạ các chùm tia laser chiếu đến, làm
cho tia laser được sáng được phản xạ tới các gương khác và tới thấu kính hội tụ
tia laser.
Gương kim loại: Đường kính (20mm, 25mm, 30mm...), hệ số phản xạ: 95%.
Gương Silic: Đường kính (20mm, 25mm, 30mm....), hệ số phản xạ: 99%
Thấu kính hội tụ laser, có tác dụng hội tụ các chùm tia laser, làm cho công suất
của tia tập trung hơn và do đó công suất cắt, khắc của máy cũng tăng lên, đạt độ
chĩnh xác cao hơn.
Thấu kính hội tụ (được làm bằng thủy tinh hoặc chất liệu plastic trong suốt):
Dùng thấu kính hội tụ. Khi dùng thấu kính cầu (hình 3.13a) thì tia laser tập trung
trên bề mặt gia công là hình tròn nên có thể dùng để gia công lỗ, hàn điểm. Nếu
cung cấp cho chi tiết gia công một chuyển động tương đối phù hợp với hình dạng
yêu cầu thì có thể gia công được các lỗ, rãnh hoặc hàn những mối hàn có hình
dáng phức tạp. Khi dùng thấu kính hình trụ (hình 3.13b) vết tập trung sẽ có dạng
dài, hẹp để gia công các rãnh hẹp, … Phương pháp này có ưu điểm là tập trung
tồn bộ năng lượng chùm tia vào vị trí gia công, nhưng mật độ năng lượng phân
bố không đều, càng xa tâm trục quang mật độ càng thấp dẫn đến lỗ, rãnh sẽ bó
côn hoặc hẹp dần theo chiều sâu.

17

Nguồn sáng laser có 4 tính chất nổi bật, đó là: Cường độ lớn, Độ đơn sắc cao,
Tính định hướng cao và có Tính kết hợp. Khi dùng nguồn sáng laser kích thích
trong các phép đo quang phổ sẽ có những ưu điểm sau:
+ Vì nguồn sáng laser có cường độ lớn nên phát quang từ mẫu cũng có
cường độ lớn, dễ dàng ghi nhận, đặc biệt là đối với những hợp chất phát quang
yếu.
+ Vì nguồn sáng laser có tính đơn sắc cao nên dễ dàng thực hiện trừ phổ
trong trường hợp phổ của laser xuất hiện trong phổ của mẫu vật ghi nhận được.
+ Đặc biệt tính kết hợp về không gian và thời gian của nguồn sáng laser
giúp cho phổ ghi nhận có độ phân giải tốt, dễ dàng phân biệt hai đỉnh phổ sát
nhau, đồng thời, có thể phát hiện được những quá trình xảy ra rất nhanh (ví dụ
hiện tượng hấp thu 2 photon,...).
+ Tính định hướng của nguồn laser tạo điều kiện thuận lợi khi thao tác,
bố trí, điều chỉnh hệ quang học khi đo đạc, tránh hao phí, mất mát.
Nói chung, sử dụng nguồn sáng laser kích thích giúp tăng đáng kể độ chính xác
trong các phép đo quang phổ.
Hệ thống làm mát bằng nước giúp giảm nhiệt độ khi gia công và giúp máy vận
hành tốt hơn, ngoài ra còn có hệ thống làm mát điện tử giúp giảm các chi phí,

18


không gian, bảo dưỡng và tăng cường khả năng hoạt động bền bỉ cho nguồn laser
bán dẫn, kết quả là giảm đáng kể chi phí vận hành.
2.4.1 Ảnh hưởng của mật độ năng lượng trong gia công cắt gọt bằng laser.
- Mật độ năng lượng có vai trò quan trọng trong quá trình cắt gọt.
- Mật độ năng lượng = P / (π .r 2 ) .

-

Cắt bằng laser cho chất lượng cắt gọt cao và thời gian cắt được rút ngắn so
với cắt bằng các phương pháp khác: dập, cắt plasma, cắt bằng tia nước,
cưa, phay, cắt bằng tia lửa điện.

-

Có thể tự động.

-

80% công nghệ cắt gọt bằng laser được Nhật Bản dùng để cắt kim loại.

-

Dụng cụ không tiếp xúc với chi tiết, không bị mòn dụng cụ cắt gọt.

19


Bảng 2.1 So sánh các chế độ cắt gọt khác nhau.
Chất lượng

Bước tiến.
Chất lượng lưỡi cắt.
Độ rộng vết cắt.
Phần vụn và phoi.
Biến dạng.
Tạp chất

Kim loại và phi kim
Hình dạng phức tạp
Chi tiết rỗng
Nhiều lớp
Gía thành thiết bị
Gía thành quá trình
cắt
Thể tích lớn
Độ dẻo
Mòn dụng cụ
Kĩ thuật tự động
HAZ
Kẹp chặt
Cắt đứt
Hàn dễ
Thay đổi dụng cụ

Laser











Dập

Plasma Kìm








×

×
×

×
×
×
×
×
×

Tia
Cắt Phay Cưa Sóng Tia
nước có dây NC
siêu lửa
hạt mài
âm điện
×
×

×
×
×
×


× 
× 
×


×

× 
×



×
×
×




× 
×


















×
×

× 
× 
 

×
× 
 

×
× 

×

 
× 
× 



 





×
×
×

×


×



×

×


×
×



× 
×
×
× 

×

2.4.3 Đặc điểm của quá trình cắt gọt bằng chùm tia laser
a. Ưu điểm:
• Nó cho phép cắt gọt nhanh hơn.
• Phôi không nhất thiết phải kẹp chặt, nhưng dụng cụ kẹp chặt không
được xê dịch với bàn gá chính xác và với vị trí khi sử dụng chương
chình CNC.

20


• Không sảy ra mòn dụng cụ trong quá trình cắt gọt.
• Cắt có thể tạo ra trong quá trình phân cực trực tiếp có tác động hiệu
quả khi cắt gọt.
• Độ nhẵn thấp.
• Gia công tự động hóa dễ dàng mang lại triển vọng tốt cho hệ thống
điều khiển thích nghi trong tương lai.
• Một vài vật liệu có thể được chồng lên nhau khi cắt, tuy nhiên nó có
thể sảy ra vấn đề giữa các lớp cắt gọt.
• Gần như toàn bộ các vật liệu cơ khí có thể cắt gọt được. Như các vật
liệu giòn, dễ vỡ, dẫn nhiệt hoặc không dẫn nhiệt, vật liệu cứng và
mềm.

• Duy nhất với các vật liệu phản quang cao như Nhôm hay đồng có thể
đặt ra nhiều vấn đề nhưng với hệ điều khiển thích hợp thì người ta có
thể vẫn cắt được chúng hoàn hảo.
b. Nhược điểm:
• Gía thành thiết bị cao
• Khó gia công các lỗ sâu không thông
• Không gia công được các lỗ sâu quá 50 mm
• Để lại các kim loại trên miệng hố gia công nên cần phải làm sạch
chúng.
ĐÁP ỨNG VỚI GIA CÔNG CẮT GỌT
• Cắt gọt có thể bởi lưỡi cắt khe hẹp, bền như vậy giúp tiết kiệm được vật
liệu.

21


• Lưỡi cắt thường có dạng vuông hoặc tròn sinh ra nhiệt độ lớn trong quá
trình cắt hoặc sử dụng các kĩ thuật cắt gọt sinh nhiệt khác.
• Lưỡi cắt có thể nhẵn bóng và sạch, nó cho phép cắt tinh.
• Không cho phép mài như các kĩ thuật cắt gọt cơ khí khác, các mạt giũa,
hạt mài sinh ra luôn luôn được loại bỏ.
• Lưỡi cắt rất mỏng HAZ (Heat effected zone) và mảnh, các lớp cỡ một vài
micro mét, đặc biệt tạo ra xỉ một cách tự nhiên, biến dạng không đáng kể.
• Cắt gọt đối với một số loại vật liệu, đặc biệt với những vật liệu dễ bay hơi
bởi nhiệt độ cao khi cắt như gỗ - cao su.
• Chiều sâu cắt phụ thuộc vào năng lượng laser thông thường trong khoảng
10-20mm là tốt nhất. Đặc biệt với laser fiber (sợi quang) có thể cắt được
với chiều sâu đạt tới 50mm.
2.4.4 Cơ chế gia công cắt gọt bằng chùm tia laser
Quá trình bóc tách vật liệu trong gia công bằng tia laser diễn ra tại vị trí tia laser

đập vào vật liệu gia công. Quá trình này có thể chia làm các giai đoạn dưới đây:
-

Giai đoạn 1: Vật liệu gia công hấp thụ năng lượng của tia laser và năng
lượng này chuyển thành nhiệt năng làm nóng vật liệu.

-

Giai đoạn 2: Vật liệu gia công bị chảy ra khi nó bị nung nóng đến nhiệt độ
chảy.

-

Giai đoạn 3: Giai đoạn bay hơi – vật liệu gia công bị bay hơi và bị lấy đi
nhờ khí thổi vào vùng gia công.

• Chùm tia sẽ đưa ngang qua theo một chương trình 2D tới vật liệu giúp cắt
bỏ vật liệu qua tác dụng đa cơ học.
• Nóng chảy:

22


-

Vật liệu sẽ nóng chảy bởi độ dai dòng vật liệu giảm, như thép và
hợp kim, nhựa chịu nhiệt sẽ bị cắt bởi hoạt động của chùm tia laser
với mật độ năng lượng là 104Wmm-2.

-

Nóng chảy được hỗ trợ bởi tác động mòn do sự chảy diễn ra chậm
và tác động của khí. Kết quả là kênh nóng chảy đi qua vật liệu tạo
thành một đường cắt hay lỗ cắt.

• Bốc hơi:
-

Thích hợp với một số loại vật liệu không thể nóng chảy (một vài
loại thủy tinh, gốm và composit …)

-

Các vật liệu có thể được cắt bởi sự bay hơi bởi mức năng lượng của
cần cao hơn > 104Wmm-2.

• Mức độ hóa học:
-

Dao cắt có thể đã hình thành mẫu trong nhiều vật liệu hữu cơ bởi
kết quả của sự biến đổi hóa học là do tác động nhiệt sinh ra của các
hạt nguyên tử laser.

23


Bảng 2.2: Các cách khác nhau trong khi cắt bằng laser có thể được sử dụng để
cắt.
Phương pháp

Miêu tả

Mức năng lượng

1.Bay hơi

40

2.Nóng chảy và

20

thổi

3.Nóng chảy, đốt

10

và thổi
4.Áp

lực

nhiệt

1

gây nứt

5.Vạch dấu

1

6.Cắt lạnh

100

24


2.4.5 Cơ tính của laser dùng để loại bỏ các vật liệu
Bảng 2.3 .Cơ tính của laser dùng để cắt cho các loại vật liệu điển hình (Cơ tính
phù hợp được đánh dấu tích √)
Vật liệu

Nóng

Nóng

chảy Bốc hơi.

Biến

đổi Nứt.

chảy

nhờ

phản

hóa học.

bằng khí ứng của khí.
hoạt tính
chậm.




-

-

-

Phi kim



 Ti

-

-

-

Polyme



 Chất

Các hợp
kim chứa
sắt

 PMMA

 Chất

Nhựa

dẻo

dẻo

dẫn

nhiệt

nhiệt

nhiệt

rắn

rắn

Gốm



-

-

-

Thủy tinh



-

-

-

-

-



-

-

 Gỗ

Chất đàn -

-



-

hồi
Composit



25

