Thiết kế, chế tạo máy cắt Gas Oxy điều khiển số (LV thạc sĩ)

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP
******&******

TRƯƠNG VĂN HÙNG

THIẾT KẾ, CHẾ TẠO MÁY CẮT GAS – OXY
ĐIỀU KHIỂN SỐ

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT
CHUYÊN NGÀNH: KỸ THUẬT CƠ KHÍ

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN




Thái Nguyên, 04/2016

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN




ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP
******&******

TRƯƠNG VĂN HÙNG

THIẾT KẾ, CHẾ TẠO MÁY CẮT GAS – OXY

ĐIỀU KHIỂN SỐ

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT
CHUYÊN NGÀNH: KỸ THUẬT CƠ KHÍ

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: T.S PHẠM THÀNH LONG

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN




Thái Nguyên, 04/2016

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN




ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP
******&******

TRƯƠNG VĂN HÙNG

THIẾT KẾ, CHẾ TẠO MÁY CẮT GAS – OXY
ĐIỀU KHIỂN SỐ

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT
CHUYÊN NGÀNH: KỸ THUẬT CƠ KHÍ

KHOA CHUYÊN MÔN

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC

TRƯỞNG KHOA

PGS.TS. NGUYỄN VĂN DỰ

TS. PHẠM THÀNH LONG
PHÒNG ĐÀO TẠO

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN




Thái Nguyên, 04/2016

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN




i
LỜI CAM ĐOAN

Tên tôi là: Trương Văn Hùng
Học viên: Lớp Cao học K16
Đơn vị công tác: Trường cao đẳng nghề KTCN Việt Nam – Hàn Quốc

Tên đề tài: Thiết kế, chế tạo máy cắt Gas – Oxy điều khiển số
Chuyên ngành: Kỹ thuật Cơ khí
Mã số: ..............
Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của cá nhân tôi. Các ý tưởng,
thiết kế, chế tạo cũng như các số liệu là hoàn toàn trung thực, chưa từng được công
bố trong bất kỳ một công trình nào khác.
Thái Nguyên, ngày .....tháng .....năm 2016
Học viên:

Trương Văn Hùng

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN




ii
LỜI CẢM ƠN
Trong thời gian thực hiện đề tài, tác giả đã nhận được rất nhiều sự giúp đỡ từ
phía nhà trường, các thấy cô giáo trong Trường Đại học Kỹ thuật công nghiệp – Đại
học Thái Nguyên.
Tác giả xin chân thành cảm ơn Ban Giám hiệu, phòng Đào tạo, các thầy cô
giáo tham gia giảng dạy đã tạo điều kiện cho tác giả hoàn thành chương trình học và
hoàn thiện luận văn này.
Tác giả xin bày tỏ lời cảm ơn chân thành đến thầy giáo PGS.TS Phạm Thành
Long đã định hướng, theo dõi và truyền đạt kiến thức để tác giả có thể hoàn thành
được luận văn này.
Tác giả cũng xin chân thành cảm ơn lãnh đạo trường Cao đẳng Nghề KTCN
Việt Nam – Hàn Quốc đã tạo mọi điều kiện cho tác giả được đi học nâng cao trình
độ; xin cảm ơn bạn cùng lớp Trần Nam Thắng, xin cảm ơn tập giáo viên khoa Công

nghệ Hàn trường CĐN KTCN Việt Nam – Hàn Quốc đã giúp đỡ tác giả tháo gỡ
những khó khăn trong khi làm luận văn.
Mặc dù đã rất cố gắng song do kiến thức và kinh nghiệm còn hạn chế nên đề
tài chắc chắn còn nhiều thiếu sót và cần bổ sung. Do vậy, kính mong quý thầy cô,
đồng nghiệp, bạn bè cùng đóng góp để tác giả hoàn thiện kiến thức và ứng dụng các
kiến thức học được vào trong thực tế.
Tác giả xin chân thành cảm ơn!

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN




iii
NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN
…………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………

…………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN




iv

MỤC LỤC
Lời cam đoan ……………………………………………………...………...………i
Lời cảm ơn …………………………………………………………….….………...ii
Nhận xét của giáo viên hướng dẫn…………………………………………………iii
Mục lục ………………………………………………………………...…….…….iv
Danh mục các từ viết tắt, thuật ngữ …………………………………….…………vii
Danh mục các bảng biểu …………………………………………………………..vii
Danh mục hình vẽ ………………………………………………………………...viii
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ CẮT BẰNG NHIỆT ..............................................1
1.1. Các nguồn nhiệt cắt, vai trò của cắt nhiệt trong công nghiệp ..............................1
1.1.1. Tổng quan về nhu cầu thép tấm trong công nghiệp ..........................................1
1.1.2. Một số phương pháp cắt nhiệt ...........................................................................3
1.2. Yêu cầu kỹ thuật với sản phẩm sau cắt nhiệt .......................................................4

1.3. So sánh năng lực các phương pháp cắt nhiệt .......................................................6
1.4. Lý do chọn đề tài ..................................................................................................7
CHƯƠNG 2: THIẾT KẾ ĐỘNG HỌC MÁY ..........................................................10
2.1. Bài toán động học robot .....................................................................................10
2.1.1. Chuyển đổi tọa độ điểm giữa các không gian .................................................10
2.1.2. Lựa chọn các khớp của máy ............................................................................12
2.1.3. Phương trình động học robot 3 khâu (Bài toán thuận): ..................................14
2.1.4. Giải bài toán động học bằng phương pháp số .................................................16
2.1.5. Xác định sai số định trước (bài toán ngược) ...................................................19
2.1.6. Kích thước máy ...............................................................................................21
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN




v
2.1.7. Đặc tính lực .....................................................................................................21
2.2. Xây dựng kiến trúc chức năng máy ...................................................................21
2.2.1. Kiến trúc cơ - điện ...........................................................................................21
2.3. Một vài dạng nội suy bậc cao cơ bản .................................................................26
2.3.1. Khái niệm, nhiệm vụ của bộ nội suy ...............................................................26
2.3.2. Một số dạng nội suy ........................................................................................29
2.4. Kết luận ..............................................................................................................35
CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ PHẦN CỨNG CHO TRANG BỊ ĐIỆN – ĐIỆN TỬ ......36
3.1. Điều khiển trục x ................................................................................................36
3.1.1. Tính toán tần số đáp ứng .................................................................................36
3.1.2. Điều khiển trục Y ............................................................................................37
3.1.3. Điều khiển trục Z ............................................................................................38
3.2. Liên kết ngoại vi của máy .....................................................................................38
3.2.1. Giới thiệu về cổng LPT ...................................................................................38

3.2.2. Cấu trúc cổng LPT( cổng song song)..............................................................39
3.3. Kết luận ..............................................................................................................46
CHƯƠNG 4: ĐIỀU KHIỂN VÀ ĐIỀU CHỈNH MÁY ............................................47
4.1. Điều khiển và điều chỉnh nguồn năng lượng nhiệt ............................................47
4.2. Điều khiển quỹ đạo mỏ cắt.................................................................................48
4.2.1. Khả năng kết nối ngoại vi ...............................................................................48
4.2.2. Liên kết CAD-CAM ........................................................................................48
4.2.3. Điều khiển quỹ đạo cắt ....................................................................................49
4.3. Tối ưu hóa sắp xếp .............................................................................................51
4.3.1. Đặt vấn đề .........................................................................................................51
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN


vi
4.3.2. Cơ sở toán học của bài toán sắp xếp ...............................................................54
4.3.3. Ví dụ: ...............................................................................................................58
4.4. Kết luận ..............................................................................................................59
CHƯƠNG 5: THỰC NGHIỆM ĐÁNH GIÁ MÁY .................................................61
5.1. Đánh giá về năng suất ........................................................................................61
5.1.1. So sánh với một số máy CNC trên thị trường .................................................61
5.1.2. So sánh với thợ bậc cao ...................................................................................61
5.2. Đánh giá chấtlượng sản phẩm ............................................................................62
5.2.1. Đánh giá độ chính xác .....................................................................................62
5.2.2. Kích thước góc ................................................................................................65
5.2.3. Chất lượng bề mặt cắt .....................................................................................67
5.2.4. Mức độ an toàn ................................................................................................69
5.3. Đánh giá sai số khi không gắn đầu bép cắt ........................................................69
5.4. Kết luận ..............................................................................................................70
5.5. Kiến nghị ............................................................................................................71

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN




vii

TT
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11

DANH MỤC CÁC THUẬT NGỮ, KÝ HIỆU, CÁC TỪ VIẾT TẮT
Kí hiệu
Diễn giải nội dung đầy đủ
Đơn vị
CAD
Computer Adids Design
CAM
Computer Adids Manufacturing
CLU
Control Loop Unit

CNC
Computer Numerical Control
DDA
Digital Diffrencetial Analyzer
DH
Denavit Hanterbeg
Dir
Direction
DPU
Data Processing Unit
NC
Numerical Control
R
Roatation
T
Translatiom
DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU

STT Kí hiệu
1
Bảng 1.1
2
Bảng 1.2

Nội dung
Thông số đầu cắt
So sánh phương pháp cắt laser, Gas-Oxy, Plasma

3

Bảng 3.1

4

Bảng 3.2

Danh mục kết nối boar mạch đệm mach3 với các tín
hiệu điều khiển
Ký hiệu chức năng công CN1

5

Bảng 4.1

Thông số cắt bằng Gas – Oxy

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN

Trang
05
06
40
41
44




viii

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ
Hình 1.1. Sản phẩm thép tấm trong nghành điện ........................................................2
Hình 1.2. Sản phẩm thép tấm trong xây ......................................................................2
Hình 1.3. Một số sản phẩm được chế tạo từ thép tấm.................................................3
Hình 1.4. Ghép ống bằng mối hàn ..............................................................................8
Hình 2.1. Sơ đồ hệ thống công nghệ và sơ đồ chuyển đổi tọa độ giữa các điểm trong
không gian .................................................................................................................11
Hình 2.2. Vùng không gian làm việc của tay máy ....................................................13
Hình 2.3. Mô hình hóa bàn máy thành Robot 3 khâu (TTT) ....................................14
Hình 2.4. Kết quả sử dụng hàm Solver trên Excel ....................................................19
Hình 2.5. Xê dịch trong phạm vi cho phép của đầu bép cắt .....................................20
Hình 2.6. Trích kết quả sau khi sử dụng hàm Solver trên Excel ..............................21
Hình 2.7. Sơ đồ kết cấu điện cơ khí trục Z ...............................................................22
Hình 2.8. Kiến trúc cơ khí trục X, Y .........................................................................24
Hình 2.9. Kiến trúc cơ điện trục X ............................................................................24
Hình 2.10. Kiến trúc cơ điện trục Y ..........................................................................25
Hình 2.11. Nội suy trong chuyển động phi tuyến .....................................................27
Hình 2.12. Nội suy tuyến tính theo phương pháp DDA ...........................................29
Hình 2.13. Sơ đồ khối phương pháp nội suy theo phương pháp DDA[4] ................31
Hình 2.14. Nội suy tuyến tính của chi tiết ................................................................32
Hình 2.15.Nội suy vòng. ...........................................................................................33
Hình 3.1. Cơ cấu truyền động trục x .........................................................................37
Hình 3.2. Mối tương quan tần số phát xung và thời gian .........................................37
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN




ix
Hình 3.3. Hệ thống điều khiển trục Z .......................................................................38

Hình 3.4. Sơ đồ chức năng từng chân của cổng máy in (LPT) ..................................40
Hình 3.5. Sơ đồ điều khiển động cơ servo ................................................................43
Hình 3.6. Sơ đồ kết nối CN1 trên Driver động cơ Mishubishi MR C20A [7] ..........44
Hình 3.7. Sơ đồ khối vị trí Boar mạch đệm ..............................................................44
Hình 3.8. Boar mạch đệm mach3 thực tế ..................................................................45
Bảng 4.1. Thông số cắt bằng Gas – Oxy [6] .............................................................47
Hình 4.1. Sơ đồ khối điều khiển tín hiệu ..................................................................49
Hình 4.2. Sắp xếp chi tiết theo 1 hàng một hướng ....................................................52
Hình 4.3. Sắp xếp đảo đầu ........................................................................................52
Hình 4.4. Sắp xếp theo hai hàng hai hướng ..............................................................53
Hình 4.5. Sắp xếp các chi tiết trên giải cắt ................................................................54
Hình 4.6. Dịch chuyển đi 1 khoảng cách

và xoay đi một góc

........................56

Hình 4.7. Chi tiết cần gia công ..................................................................................58
Hình 4.8. Sắp xếp chi tiết trên tấm thép 1200x2500x10 ...........................................59
Hình 4.9. Sắp xếp chi tiết trên tấm thép 1200x1000x10 mm ...................................59
Hình 5.1. Tham chiếu các đặc tính của máy đã chế tạo với máy trên thị trường .....61
Hình 5.2. Kích thước vật cần gia công ......................................................................62
Hình 5.3. Đo kích thước dài 1 ...................................................................................63
Hình 5.4. Đo kích thước dài 2 ...................................................................................63
Hình 5.4a. Kích thước khi cắt cung tròn ...................................................................64
Hình 5.4b. Kích thước khi cắt cung tròn ...................................................................64
Hình 5.4c. Kích thước khi cắt cung tròn ...................................................................65
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN

x
Hình 5.5a. Cắt góc 900 ..............................................................................................66
Hình 5.5b. Cắt góc lớn hơn 900 .................................................................................66
Hình 5.5c. Cắt góc nhỏ hơn 900 ................................................................................67
Hình 5.6a. Cắt đường thẳng với vận tốc cắt hợp lý ..................................................67
Hình 5.6b. Cắt đường thẳng với vận tốc cắt nhanh...................................................67
Hình 5.7a. Bề mặt cắt cung tròn lồi ..........................................................................68
Hình 5.7b. Bề mặt cắt cung tròn lõm ........................................................................68
Hình 5.8a. Bề mặt tại giao tuyến góc 900 ..................................................................68
Hình 5.8b. Bề mặt tại giao tuyến góc 900 .................................................................68
Hình 5.9. Thiết bị an toàn trên đầu cắt ......................................................................69
Hình 5.10. Khảo sát độ chính xác của bàn máy ........................................................70

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN




xi

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN




1
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ CẮT BẰNG NHIỆT
1.1. Các nguồn nhiệt cắt, vai trò của cắt nhiệt trong công nghiệp

1.1.1. Tổng quan về nhu cầu thép tấm trong công nghiệp
Ngày nay khi nhu cầu về đời sống của con người càng được nâng cao thì nền
kinh tế cần phải kịp thời đáp ứng đầy đủ những nhu cầu đó. Trong đó ngành công
nghiệp, mà đặc biệt là công nghiệp cơ khí nắm vai trò chủ yếu trong việc tạo ra sản
phẩm. Ở một khía cạnh khác, thì ngành công nghiệp tạo phôi lại đóng một vai trò
chủ chốt, là khâu cơ bản đầu tiên trong quy trình sản xuất cơ khí. Hơn nữa, một số
phương pháp tạo phôi như cán, kéo, cắt... kim loại là không thể thiếu góp phần tạo
ra các sản phẩm, vật dụng cho các ngành công nghiệp khác như: Công nghiệp hàng
không, công nghiệp điện, công nghiệp ôtô, đóng tàu thuyền, xây dựng, nông
nghiệp...
Thép tấm hầu như được sử dụng rất nhiều trong các nghành công nghiệp kể
trên. Thép tấm được tạo thành từ quá trình cán kim loại, kim loại bị biến dạng giữa
2 trục cán quay ngược chiều nhau, có khe hở giữa 2 trục cán nhỏ hơn chiều dày của
phôi ban đầu. Kết quả làm chiều dày phôi giảm, chiều dài và chiều rộng tăng lên,
tạo thành dạng tấm hay còn gọi là thép tấm.
Cán thép tấm có thể tiến hành ở trạng thái nóng hoặc trạng thái nguội, ở mỗi
loại có các ưu điểm và nhược điểm khác nhau. Cán ở trạng thái nóng cho ra những
sản phẩm có độ dày từ 1,5mm đến 60mm, còn ở trạng thái nguội cho ra sản phẩm
mỏng và cực mỏng độ dày từ 0,007mm đến 1,25mm. Các sản phẩm thép tấm được
phân loại theo độ dày của tấm thép:
+ Thép tấm mỏng: Chiều dày: S = 0,2  3,75 mm.
Chiều rộng: b = 600  2.200 mm.
+Thép tấm dày :

S = 4  60 mm; b = 600  5.000 mm.

l = 4.000  12.000 mm.
+ Thép tấm dải :

S = 0,2  2 mm; b = 200  1.500 mm.

l = 4.000  60.000 mm.
Từ sự phân loại đó có các dạng phôi của thép tấm khác nhau như: dạng phôi
tấm hay dạng phôi cuộn, phôi dải.


2
Hình dạng và kích thước của phôi tấm tạo ra trong quá trình cán được tiêu
chuẩn hoá, do đó việc sử dụng thép tấm để tạo ra các sản phẩm như: thùng, sàn xe
ôtô, khung, sườn xe máy, các thiết bị nghành điện, các kết cấu trong nghành xây
dựng như cầu, nhà cửa, hoặc sử dụng trong chính nghành cơ khí chế tạo, nghành tàu
thuyền ... phải qua quá trình cắt thép tấm ra các kích thước và hình dạng khác nhau
phù hợp với yêu cầu của từng nghành, từng công việc cụ thể:
- Trong nghành điện: Thép tấm được dùng để tạo ra các sản phẩm như là
thép trong stato của máy bơm nước hay quạt điện, thép tấm được dùng làm các cánh
quạt cỡ lớn, các thép tấm mỏng dùng làm các lá thép để ghép lại trong các chấn lưu
đèn ống, máy biến thế, trong lĩnh vực điện chiếu sáng nó được dùng làm các cột
điện đường...

b) Tủ điện

a) Các lá thép

c) Vỏ máy biến thế

Hình 1.1. Sản phẩm thép tấm trong nghành điện
- Trong xây dựng: Các thép hình cỡ lớn trong các dầm cầu được tạo thành từ
các tấm thép tấm dày cắt nhỏ, hay thép tấm được dùng để liên kết với nhau có thể
bằng mối hàn, bulông hoặc đinh tán để tạo nên các kết cấu thép bền vững. Rõ ràng
nhất thép tấm được sử dụng làm tấm lợp… Ngoài ra còn sử dụng trong kiến trúc

như trang trí, cửa họa tiết…

Hình 1.2. Sản phẩm thép tấm trong xây


3
- Trong cơ khí chế tạo: Nhu cầu lớn đa dạng chủng loại, như chế tạo các
bánh xích, bánh răng, các loại bản mã….

Hình 1.3. Một số sản phẩm được chế tạo từ thép tấm
Thép tấm được ứng dụng rộng rãi trên thực tế, sử dụng các phương pháp cắt
hình khác nhau đảm bảo tính chính xác lặp lại và năng suất cắt.
1.1.2. Một số phương pháp cắt nhiệt
Trong thực tế có rất nhiều phương pháp cắt gọt khác nhau như cắt bằng tia
lửa điện, bằng tia nước, gia công truyền thống, cắt bằng nhiệt… mỗi phương pháp
đều có những đặc thù riêng, áp dụng rộng rãi trong thực tiễn sản xuất. Gia công cắt
bằng nhiệt là một trong những phương pháp gia công tạo phôi phổ biến nhất, dưới
đây là một số phương pháp cắt bằng nhiệt.
1.1.2.1. Cắt Gas Oxy
Là một quá trình kết hợp Oxy và Gas để cắt kim loại được biết đến đầu tiên
là cắt bằng acetylene và oxy vào năm 1903. Về cơ bản hỗn hợp khí cháy của oxy
và khí đốt nung nóng vật liệu kim loại, đối với thép 700 - 900 0C. Kim loại được
cắt đứt bằng các phản ứng hóa học ở nhiệt độ cao. Điều kiện cắt được bằng khí là:
Kim loại phải có nhiệt độ bốc cháy của vật liệu được thấp hơn điểm nóng
chảy của nó nếu không thì liệu sẽ tan chảy và chảy ra trước khi cắt có thể xảy ra
Oxit kim loại có nhiệt độ nóng chảy thấp hơn so với các vật liệu xung quanh để nó
có thể được thổi bay đi bởi áp lực Oxy, Oxit sinh ra bởi Oxy và vật liệu cắt phải đủ
để duy trì nhiệt độ cắt, tỷ lệ giữa khí cháy và oxy nung phải mức tối thiểu để không
ảnh hưởng tới lượng oxy cắt.
1.1.2.2. Cắt Plasma

4
Được phát minh cách đây khoảng hơn 50 năm[6], người ta phát hiện rằng
việc giới hạn độ mở của đường khí trơ đi qua tia hồ quang điện tạo ra một loại vật
chất thứ tư (khác với 3 loại vật chất cơ bản là rắn, lỏng và khí) gọi là Plasma, và nó
tạo ra một nhiệt lượng vô cùng lớn khoảng 10.000 - 15.000 °C, khi dòng khí thoát
ra khỏi đầu Plasma nó có khả năng thổi bay tất cả các loại kim loại mà nó đi qua.
Từ đó, công nghệ này được dùng để cắt kim loại nhưng với quy mô rất lớn vì khi đó
chi phí cắt rất cao.
1.1.2.3. Cắt Laser
Năm 1917 nhà vật lý Albert Einstein đã đưa ra giả thuyết về tia laser khi ông
mô tả lý thuyết phát xạ kích thích. Đến năm 1940 một số kỹ sư đã áp dụng lý thuyết
này trong nghành khai thác năng lượng. Mãi đến năm 1960 tia laser làm việc đầu
tiên được mô tả là "một giải pháp cho một vấn đề". Đó là trong thời gian ngắn, và
với một số tư duy sáng tạo, phẩm chất của laser đặc biệt đã được tìm thấy có nhiều
ứng dụng. [6]
Dùng sức mạnh của tia laser để tạo ra chùm tia rất hẹp, mãnh liệt của ánh
sáng gần vùng hồng ngoại theo một định hướng duy nhất đã tạo ra một năng lượng
rất lớn có thể được dùng để cắt kim loại có độ dày < 12mm và các vật liệu khác như
nhựa, gỗ, kính...
1.2. Yêu cầu kỹ thuật với sản phẩm sau cắt nhiệt
Đối với mỗi phương pháp gia công đều có những đặc tính, yêu cầu kỹ thuật
khác nhau. Đáp ứng các yêu cầu kỹ thuật cũng như đặc thù riêng của mỗi phương
pháp. Cắt bằng nhiệt cũng vậy, dưới đây là một trong những yêu cầu cơ bản của
phương pháp cắt nhiệt.
Sản phẩm sau khi cắt cần đạt những yêu cầu kỹ thuật nhất định, mỗi sản
phẩm cắt cần đạt kích thước theo yêu cầu của nhà sản xuât. Ảnh hưởng tới độ chính
xác cắt có nhiều yếu tố trong đó có các tham số quan trọng sau:
-

Sai số do máy
+ Độ cứng vững của máy khi hoạt động


5
+ Do đầu cắt: Mỗi đầu cắt (bép cắt) đều có kích thước khác nhau, phù
hợp với mỗi loại vật liệu, chiều dày khác nhau.
Bảng 1.1. Thông số đầu cắt[8]

Dựa vào bảng trên thấy rằng theo tiêu chuẩn của nhà sản xuất có thể thấy
theo biên dạng bản vẽ phần vật liệu sẽ bị hao hụt đi tùy thuộc vào chiều dày vật liệu
cắt và đầu cắt. Ví dụ sử dụng đầu bép cắt số 1 sẽ có sai số ½ 0.05in ~ 1,77/2 mm.
Trên thực tế nguyên công cắt Gas - Oxy chủ yếu để gia công thô nên khi thiết kế
bản vẽ yêu cầu bù trừ một lượng nhất định.
- Sai số gây ra bởi chế độ cắt:
Chế độ cắt khi cắt bằng khí được quyết định bởi các yếu tố tốc độ cắt,
khoảng cách giữa bề mặt vật liệu và nhân ngọn lửa, lưu lượng khí, tỷ lệ pha trộn
hỗn hợp khí Gas – Oxy.
Khi gia công bằng nhiệt, vấn đề biến dạng do nhiệt là điều không thể tránh
khỏi đặc biệt trên thép tấm. Kích thước chiều dày càng mỏng chiều dài gia công
càng lớn thì biến dạng càng lớn. Vì thế thông thường với thép có chiều dày < 5mm,
việc sử dụng cắt gas oxy ít được sử dụng.
Ưu điểm vượt trội của máy cắt gas điều khiển số so với cắt thủ công là chất
lượng sản phẩm, sự đồng đều của sản phẩm trong suốt quá trình cắt. Khi sản xuất
hàng loạt, hàng khối thì sai số cho phép rất nhỏ. Bởi các chu trình cắt được duy trì
bởi các kết cấu dẫn động cố định, có tính ổn định cao. Vì thế việc duy trì tốc độ cắt,
khoảng cách giữa bề mặt phôi và mép cắt được đảm bảo, chất lượng sản phẩm đưa

6
ra sẽ tốt hơn. Được sự hỗ trợ từ máy vi tính việc tối ưu hóa các đường chạy dao sẽ
tối ưu hoàn toàn. Số hóa biên dạng cùng với các thuật toán tối ưu được hỗ trợ bởi
máy tính giúp cho quá trình tối ưu cắt được tốt nhất, tiết diện phôi hao phí sẽ được
tối ưu hóa, tính kinh tế được nâng lên.
1.3. So sánh năng lực các phương pháp cắt nhiệt
Để so sánh ưu nhược điểm của mỗi phương pháp trong cắt bằng nhiệt, bảng
dưới đây cung cấp một số đặc điểm cơ bản, của 03 phương pháp cắt phổ biến hiện
nay là cắt bằng Laser, Gas - Oxy và Plasma.
Bảng 1.2. So sánh phương pháp cắt laser, Gas-Oxy, Plasma
Cắt Laser

Cắt Gas Oxy

Cắt Plasma

Về vật liệu cắt
Cắt được hầu hết vật liệu
bằng kim loại (trừ các kim Chỉ cắt được sắt carbon và
loại có độ phản quang cao
hợp kim sắt thấp
như nhôm và đồng) và phi
kim như nhựa, kính, gỗ.
Không cắt được hợp kim
có độ nóng chảy khác
nhau

Cắt được tất cả các loại
kim loại.
Cắt được hợp kim có độ

nóng chảy khác nhau.

Về chiều dày vật liệu cắt
Cắt được kim loại có độ
dày < 12mm

Cắt được sắt có độ dày từ
8 - 300mm

Cắt được kim loại có độ
dày lên đến 50mm

Tốc độ cắt
Nhanh hơn cắt Gas Oxy,
nhưng chậm hơn cắt
Plasma

Tốc độ chậm nhất

Tốc độ cắt nhanh nhất

Chất lượng đường cắt

Chất lượng đường cắt đẹp
nhất, độ rộng đường cắt
khoảng 0.2mm

Chất lượng đường cắt đẹp
và phẳng hơn cắt Plasma
thường nhưng thua cắt

Plasma độ phân giải cao
(HD Plasma). Bề rộng
đường cắt >= 2.2mm

Đường cắt hơi bị nghiêng
từ 3 - 10 độ đối với nguồn
cắt Plasma thường. Từ 0 3 độ đối với HD Plasma.
Bề rộng đường cắt khoảng
2.2mm. Đối với HD
Plasma bề rộng đường cắt


7
Bảng 1.2. So sánh phương pháp cắt laser, Gas-Oxy, Plasma
Cắt Laser

Cắt Gas Oxy

Cắt Plasma
từ 0.4 - 2mm tùy theo độ
dày vật liệu.

Chi phí đầu tư ban đầu và chi phí sản xuất
Chi phí đầu tư một máy
cắt Laser CNC 1,5 x 3,0m
rất cao khoảng từ
100.000$ trở lên.
Chi phí cho một mét cắt
cao nhất so với cắt gas và
Plasma. Chi phí bảo trì

bảo dưỡng cũng cao hơn.
Phải định kỳ thay thế các
thấu kính và béc cắt

Chi phí đầu tư một máy
cắt Gas CNC 1,5 x 3,0 m
chỉ khoảng 15.000$.
Chi phí cắt khoảng
0.41USD / foot
Định kỳ thay thế béc cắt

Chi phí đầu tư một máy
cắt Plasma CNC 1,5 x
3,0m khoảng 20.000$ đối
với nguồn cắt Plasma
thường. Khoảng 35.000$
đối với nguồn HD Plasma.
Chi phí cắt khoảng
0.15USD / foot
Định kỳ thay thế béc cắt
và điện cực.

1.4. Lý do chọn đề tài
Cắt kim loại trong nguyên công chuẩn bị phôi có nhiều phương pháp cắt gọt
khác nhau như: Cắt bằng máy cắt thủy lực, cắt bằng đá mài, cắt bằng tia nước, cắt
bằng Plasma, cắt bằng tia lửa điện… Mỗi phương pháp có những ưu nhược điểm
khác nhau. Trong thực tế sản xuất tại Việt Nam thường để cắt các vật liệu lớn, ở các
công trường việc trang bị các thiết bị cắt thường khó khăn, do sự cồng kềnh của các
loại máy…
Cắt thép bằng khí Gas và Oxy là một trong những phương pháp cắt được sử

dụng khá phổ biến trong các nhà máy luyện thép và trong các phân xưởng cơ khí
với mục đích là cắt nhỏ thép phế để cho vào lò đối với nhà máy luyện thép và cắt
nhỏ phôi theo kích thước sử dụng đối với phân xưởng cơ khí.
Trang thiết bị bao gồm: bình Oxy, bình Gas, đường ống, đồng hồ đo áp suất,
van an toàn, mỏ cắt và một số chi tiết phụ.
Phương pháp này phát huy hiệu quả cao thể hiện ở tính cơ động của thiết
bị,thiết bị có thể di chuyển đi các chỗ làm việc khác nhau tùy vào đặc tính và vị trí
của công việc. Song trên thực tế việc sử dụng cắt bằng Gas - Oxy thường được sử
dụng thủ công, cắt với các biên dạng đơn giản, chất lượng bề mặt cắt chịu ảnh
hưởng trực tiếp tay nghề của người thợ. Trong một số ngành nghề nhất định cần yêu


8
cầu cao về độ chính xác, đặc biệt các yêu cầu về thẩm mỹ, nghệ thuật. Các chi tiết
mang hình dáng hoa văn, ngoài tính nghệ thuật, kỹ thuật, tính kinh tế khi sản xuất
hang loạt cũng được chú trọng. Trên thực tế phương pháp số hóa đã được phổ biến
trên thế giới song tại Việt Nam để làm chủ được công nghệ và Việt hóa sản phẩm
nhằm mục đích hạ giá thành sản phẩm, tăng năng suất lao động, giảm bớt chi phí
đầu tư cho doanh nghiệp, đặc biệt các doanh nghiệp vừa và nhỏ, đang gặp nhiều khó
khăn.
Khả năng công nghệ của phương pháp cắt kim loại bằng Gas – Oxy có bàn
máy điều khiển số sẽ là lựa chọn thích hợp khi cần có một phương pháp chuẩn bị
phôi năng suất cao hơn so với cắt bằng xung điện cực, nhưng chính xác hơn cắt thủ
công, đặc biệt trong kỹ thuật gia công hàn các ống áp lực rẽ nhánh.

130

300

126.47

Ø100
16°

Ø194

Ø200

Hình 1.4. Ghép ống bằng mối hàn
Chẳng hạn trong mối hàn ở trên, trước khi tiến hành hàn hai phần ống với
nhau, cần cắt bỏ những phần kim loại trên mỗi ống để chúng có tạo hình phù hợp
trước khi hàn lại, rõ ràng với ưu thế về không gian và năng suất (việc không luồn
được điện cực sẽ không thể cắt trên máy cắt dây) máy cắt gas – oxi điều khiển số là
lựa chọn hợp lý hơn cả, phương pháp này cho chất lượng bề mặt thích hợp để ghép
các mặt bằng mối hàn.
Một ưu thế nữa của cắt Gas – Oxy điều khiển số là chiều dày phôi có thể lên
đến 300 mm với mạch cắt có bề rộng khoảng 4mm, kích thước chiều dài mà máy
cắt dây, cắt Plasma khó đảm nhiệm được. Trong phương pháp sử dụng đá mài khó
có thể tạo hình chính xác các cung cong cũng như tiêu hao dụng cắt rất lớn. Bên