Nghiên cứu ảnh hưởng của chế độ cắt đến chất lượng sản phẩm khi cắt thép không rỉ bằng tia plasma

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

BỘ NÔNG NGHIỆP VÀ PTNT

TRƯỜNG ĐẠI HỌC LÂM NGHIỆP

LÊ ĐÌNH SEN

NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA CHẾ ĐỘ CẮT ĐẾN
CHẤT LƯỢNG SẢN PHẨM KHI CẮT THÉP KHÔNG RỈ
BẰNG TIA PLASMA

LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT

Đồng Nai, 2016


BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

BỘ NÔNG NGHIỆP VÀ PTNT

TRƯỜNG ĐẠI HỌC LÂM NGHIỆP

LÊ ĐÌNH SEN

NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA CHẾ ĐỘ CẮT ĐẾN
CHẤT LƯỢNG SẢN PHẨM KHI CẮT THÉP KHÔNG RỈ
BẰNG TIA PLASMA

CHUYÊN NGÀNH: KỸ THUẬT CƠ KHÍ
MÃ SỐ: ..................

LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT

NGƯỜI HƯỚNG DẪN:
PGS.TS. LÊ CHÍ CƯƠNG

Đồng Nai, 2016


i
LỜI CAM ĐOAN

Tôi cam đoan đây là công trình nghiên cứu của tôi.
Các số liệu, kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chưa từng được
ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác
Bà Rịa-Vũng Tàu, ngày … tháng … năm 2016
Học viên
(Ký tên và ghi rõ họ tên)

Lê Đình Sen


ii
LỜI CẢM ƠN
Với sự kính trọng và lòng biết ơn sâu sắc, Tôi xin bày tỏ lòng biết
ơn chân thành tới PGS TS. Lê Chí Cương- người Thầy đã tận tình hướng
dẫn tôi trong suốt quá trình nghiên cứu và hoàn thành luận văn.
Tiếp theo Tôi xin chân thành cảm ơn Ban giám hiệu trường Đại
học Lâm Nghiệp Việt Nam, Khoa đào tạo sau đại học, Khoa Cơ khí và
bộ môn Chế tạo máy đã tạo mọi điều kiện thuận lợi cho tôi trong quá

trình học tập, nghiên cứu và thực hiện bản luận văn này.
Sau hết Tôi xin cảm ơn gia đình, bạn bè và đồng nghiệp đã động
viên giúp đỡ tôi trong suốt thời gian qua.
Xin trân trọng cảm ơn!
Kính chúc Quý thầy, cô dồi dào sức khỏe.

Học Viên Thực Hiện

Lê Đình Sen


iii
MỤC LỤC
NỘI DUNG

TT
MỞ ĐẦU

TRANG

1

Lý do chọn đề tài

1

2

Mục đích nghiên cứu

2

3

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

2

4

Phương pháp nghiên cứu

3

Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài

3

5
CHƯƠNG 1

TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU

4

Các quy trình cắt kim loại bằng nhiệt

4

1.1.1

Cắt bằng ô-xy:

4

1.1.2.

Cắt hồ quang ô-xy:

4

1.1.3

Cắt hồ quang, kim loại bằng tay:

5

1.1.4

Cắt bằng điện cực Các bon khí nén:

6

1.1.5

Cắt bằng hồ quang Plasma:

6

1.1.6

Cắt bằng ăn mòn tia lửa:

7

1.1.7

Cắt bằng chùm tia điện tử:

9

1.1.8

Cắt bằng laser:

10

Gia công bằng hồ quang Plasma

11

1.2.1

Khái niệm

11

1.2.2

Đặc điểm

12

1.2.3

Nguyên lý gia công b ằng hồ quang plasma

13

Lịch sử phát triển công nghệ cắt Plasma

16

1.3.1

Thuyết qui ước về hồ quang cắt plasma (1957):

17

1.3.2

Dòng hồ quang plasma kép (1962):

18

1.3.3

Cắt plasma bằng không khí (1963):

19

1.1

1.2

1.3


iv
1.3.4

Cắt plasma với vách chắn nước (1965):

20

1.3.5

Công nghệ phun nước khi cắt (1968):

21

1.3.6.

Cắt dưới nước (1977):

22

1.3.7

Cắt plasma không khí với cường độ thấp (1980)

23

1.3.8.

Cắt plasma với ôxy (1983)

23

1.3.9

Cắt plasma với sự phun khí ôxy (1985)

24

1.3.10

Cắt plasma cường độ cao (1990)

25

Tổng quan về cắt Plasma thép không rỉ

26

2.4.1

Vật liệu

26

2.4.1.1

Đặc điểm chủ yếu của thép không gỉ

26

2.4.1.2

Phân loại, ký hiệu và ứng dụng

27

2.4.2

Quá trình cắt cắt plasma thép không rỉ

27

2.4.2.1

Lựa chọn phương pháp cắt plasma

27

1.4.

2.4.2.2

Công nghệ cắt plasma ở nước ta hiện nay

Các yếu tố ảnh hưởng đến chất lượng quá trình cắt
2.4.2.3 plasma thép không rỉ
CHƯƠNG 2

MỤC TIÊU, NỘI DUNG, ĐỐI TƯỢNG VÀ
PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

28
30
32

2.1

Mục tiêu nghiên cứu

32

2.2

Nội dung nghiên cứu

32

2.2.1

Nghiên cứu lý thuyết:

32

2.2.2

Nghiên cứu thực nghiệm:

32

Đối tượng nghiên cứu

33

2.3.1

Thiết bị thí nghiệm

35

2.3.2

Vật liệu thí nghiệm

35

Phương pháp nghiên cứu

35

Phương pháp nghiên cứu lý thuyết

36

2.3

2.4
2.4.1


v
2.4.2

Phương pháp nghiên cứu thực nghiệm
NGHIÊN CỨU LÝ THUYẾT

CHƯƠNG 3

37
36

Nghiên cứu chế độ cắt

36

3.1.1

Cường độ dòng điện khi cắt

36

3.1.2

Vận tốc cắt

38

3.1.3

Áp suất khí thổi khi cắt

38

Năng lượng nguồn nhiệt sinh ra khi cắt bằng
Plasma
Năng lượng phản ứng oxy hóa trong quá trình cắt

39

3.1

3.2
3.3

40
Năng lượng cần thiết để làm tan chảy kim loại
kim loại trong quá trình cắt

3.4

Cân bằng năng lượng khi cắt bằng tia Plasma

3.5

42
44

Nghiên cứu sự thay đổi nhiệt độ khi cắt thép tấm
bằng Plasma

46

3.6.1

Nghiên cứu ảnh hưởng của nguồn nhiệt khi cắt
plasma thép không rỉ

46

3.6.2

Phân bố nhiệt độ với nhữ ng phương trình cơ bản

47

3.6

NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM

52

4.1

Chiều rộng trung bình của rãnh cắt khi cắt bằng

Plasma

52

4.2

Phân phối nhiệt độ theo lý thuyết

54

4.3

Khảo sát thực nghiệm bề rộng rãnh cắt và vùng
ảnh hưởng nhiệt khi cắt thép không rỉ bằng tia
Plasma

58

4.3.1

Mục đích thực nghiệm

58

4.3.2

Dụng cụ đo

59

4.3.2.1

Dụng cụ đo nhiệt

59

4.3.2.2

Thước lá

59

CHƯƠNG 4


vi
4.3.3
4.3.3.1

Bố trí thực nghiệm
Thực nghiệm đo bề rộng rãnh cắt

4.3.3.2 Thực nghiệm đo nhiệt độ vùng (AHN)
KẾT LUẬN VÀ ĐỀ XUẤT
CHƯƠNG 5

63
60
63
71

4.1

Kết luận

68

4.2

Đề xuất

71

TÀI LIỆU THAM KHẢO
PHỤ LỤC


vii
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT
a

Hệ số khuếch tán nhiệt

c

Nhiệt dung riêng

Enc
e
h

I
Lf
lb
lh
Ml
Mt
ltb
P
q2
Q
Qc
Qe
Qnc
Qtt1
Qtt2
T
T0
Tnc
t
U
v
λ
ρ
HAZ

Năng lượng cần thiết làm tan chảy kim loại/mét cắt
Cơ số hàm logarit
Chiều dày tấm thép
Cường độ dòng điện
Ẩn nhiệt nóng chảy của thép

Bề rộng rãnh cắt mặt dưới
Bề rộng rãnh cắt mặt trên
Khối lượng kim loại tan chảy/mét
Khối lượng kim loại tan chảy/giây
Bề rộng trung bình rãnh cắt
Áp suất
Mật độ dòng nhiệt
Năng lượng điện đầu vào
Năng lượng điện cần thiết cho quá trình cắt
Năng lượng cần thiết cho quá trình cắt Qôxy (W)
Năng lượng cần thiết làm tan chảy thép
Năng lượng tổn thất giữa mỏ cắt và bề mặt phôi
Năng lượng tổn thất xuyên qua rãnh cắt
Nhiệt độ
Nhiệt độ môi trường
Nhiệt độ nóng chảy của thép
Thời gian
Hiệu điện thế
Tốc độ cắt
Hệ số dẫn nhiệt
Khối lượng riêng vật liệu
Vùng ảnh hưởng nhiệt

[m2.s-1]
[J.kg-1.K-1]
(J.m-1)
e
(mm)
(A)
( kJ.kg-1)

(mm)
(mm)
(g.m-1)
(g.s-1)
(mm)
(at)
(J.m-2.s-1):
(W)
(W)
(W)
(W)
(W)
(W)
(0K)
(0K)
(0K)
(s)
(V)
(m.s-1)
(J.m-1.s-1.K-1)
(kg.m-3)


viii
DANH SÁCH CÁC BẢNG
Bảng

Tên bảng

Trang

1.1

Độ rộng vết cắt và độ sâu vùng AHN khi cắt các bon thấp

31

(bằng các phương pháp khác nhau)
2.1

Các thông số kỹ thuật của máy cắt plasma D12000 OTC

34

DAIHEN
3.1

Lưu lượng ôxy hóa tương ứng ở các áp suất

43

3.2

Năng lượng sinh ra do quá trình ôxy hóa t ương ứng ở các

44

áp suất
3.3

Năng lượng cần thiết làm tan chảy thép khi cắt bằng

46

plasma
3.4
4.1

Cân bằng năng lượng điện khi cắt bằng tia plasma P = 5at
Chiều rộng trung bình rãnh cắt khi cắt bằng tia plasma

47
56

4.2

Kết quả tính phân bố nhiệt độ theo h ướng ngang

58

4.3

Kết quả đo bề rộng rãnh cắt

64

4.4

Kết quả đo bề rộng trung bình của rãnh cắt

65

4.5

Kết quả đo nhiệt độ theo trục y khi cắt với v=1(m/min)

67

4.6

Kết quả đo nhiệt độ theo trục y khi cắt với v=1.2(m/min)

68


ix
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ
Hình

Tên hình

Trang

1.1

Sơ đồ nguyên lý gia công tia lửa điện

8

1.2

Nguyên lý cắt lazer

10

1.3

Các trạng thái vật chất trong tự nhi ên

12

1.4

Sơ đồ nguyên lý cắt plasma

14

1.5

Cắt bằng dòng hồ quang kép

19

1.6

Cắt plasma bằng không khí

20

1.7

Cắt plasma với quá tr ình phun khí ôxy

24

1.8

Cắt plasma cường độ cao

25

2.1

Máy cắt plasma D12000 OTC DAIHEN

34

2.2

Phụ kiện của máy cắt Plasma

35

2.3

Đồ gá cắt tự động

36

3.1

Sơ đồ cắt plasma – rãnh cắt, góc cắt

38

3.2

Các dạng năng lượng trong trong qu á trình cắt

41

3.3

Khu vự phản ứng ôxy hóa khi cắt plasma

44

3.4

Chiều rộng rãnh cắt

45

3.5

Ảnh hưởng của nguồn nhiệt đến thép không rỉ 304

49

3.6

Vị trí mỏ cắt

51

4.1

Quan hệ dòng điện , vận tốc cắt với bề rộng rãnh cắt

57

4.2

Thay đổi nhiệt độ trên đường vuông góc rãnh cắt khi v =

59

0,8m/min
4.3

Thay đổi nhiệt độ trên đường vuông góc rãnh cắt khi v =

59

1m/min
4.4

Thay đổi nhiệt độ trên đường vuông góc rãnh cắt khi v =
1,2m/min

60


x
4.5

Thay đổi nhiệt độ trên đường vuông góc rãnh cắt khi v =

61

1,4m/min
4.6

Máy đo nhiệt độ bằng hồng ngoại: TFI 650 M

63

4.7

Thước lá

63

4.8

Chuẩn bị mẫu cắt thử

63

4.9

Mẫu cắt đo bề rộng trung bình

64

4.10

Kết quả đo quan hệ vận tốc cắt , dòng điện đến bề rộng

66

rãnh cắt
4.11

Thay đổi bề rộng rãnh cắt tính theo lý thuyết và kết quả

66

đo được
4.12

Kết quả đo nhiệt độ theo trục y khi cắt với v=1(m/min)

68

4.13

Kết quả tính nhiệt độ và kết quả đo được khi V=1 m/min

69

4.14

Kết quả tính nhiệt độ khi V=1.2 m/min

69

4.15

Kết quả tính nhiệt độ và kết quả đo được khi V=1.2 m/min

70


1
`

MỞ ĐẦU
1. Lý do chọn đề tài
Trong nhưng năm gần đây, với sự phát triển nhanh chóng của khoa học
kỹ thuật đã thúc đẩy các ngành công nghiệp phát triển. Trong lĩnh vực cơ khí
chế tạo máy các sản phẩm cơ khí cũng yêu cầu chất lượng ngày càng cao. Để
nâng cao chất lượng sản phẩm một mặt người ta sử dụng ngày càng nhiều các
loại vật liệu có cơ tính tốt, thép không gỉ hoặc thép chậm gỉ là một trong
những loại vật liệu đó. Với thành phần các bon và hợp kim chủ yếu: 0.10.4 %C , >13%Cr, thì đây là loại thép rất dẻo, dễ uốn, dễ hàn, bền, chống ăn
mòn tốt trong khoảng nhiệt độ rộng. Nên loại vật liệu này được sử dụng khá
rộng rãi và rất thích hợp trong các ngành hoá chất, dụng cụ mổ trong ngành y
học, khuôn mẫu, đồ trang sức, các loại ốc vít không gỉ, ổ bi chống ăn mòn, đồ
gia dụng, bình chứa, ống công nghiệp, tàu thuyền công nghiệp, vỏ ngoài các
công trình xây dựng...

Mặt khác bên cạnh chọn vật liệu tốt người ta phải nâng cao độ chính xác
và chất lượng bề mặt khi gia công để nâng cao chất lượng của sản phẩm. Đối
với thép tấm không rỉ, để hoàn thiện một sản phẩm cần qua nhiều công
đoạn .Trong đó công đoạn cắt là khá quan trọng để tạo nên một sản phẩm chất
lượng. Phương pháp cắt bằng hồ quang plasma chủ yếu được sử dụng để gia
công vật liệu này.
Cắt plasma là công nghệ khá phức tạp đòi hỏi người thực hiện phải có
kiến thức lý thuyết về vật lý, hóa học, cơ khí, luyện kim, điện, điện tử, tự
động hóa…, đồng thời cũng yêu cầu cao về tính sáng tạo và kỹ năng nghề
nghiệp. Hiện nay, công nghệ cắt plasma đã được ứng dụng trong nhiều ngành
công nghiệp khác nhau làm cho năng suất và chất lượng sản phẩm tăng lên rất
nhiều.. Tuy nhiên, việc lựa chọn chế độ cắt cho phù hợp nhằm nâng cao năng
su ất và đảm bảo chất lượng sản phẩm còn gặp nhiều bất cập vì chưa được


2
`

nghiên cứu kỹ lưỡng; Mối quan hệ giữa chế độ cắt với chất lượng sản phẩm
cắt chưa được đánh giá đầy đủ; việc chọn chế độ cắt hiện nay vẫn dựa vào
kinh nghiệm thể hiện trong các bảng tra…Vì vậy, đề tài “Nghiên cứu ảnh
hưởng chế độ cắt đến chất lượng sản phẩm khi cắt thép không rỉ bằng tia
plasma” là rất cần thiết; nó tạo tiền đề cho việc nghiên cứu hoàn thiện tiếp
theo nhằm mục đích xác định chế độ cắt hợp lý và tiến tới tối ưu hoá chế độ
cắt khi cắt thép không rỉ bằng hồ quang plasma góp phần nâng cao hiệu quả
khai thác, sử dụng máy cắt bằng plasma trong sản xuất cơ khí và là cơ sở để
nghiên cứu cho các vật liệu khác, trên cơ sở nghiên cứu bằng lý thuyết và
thực nghiệm tạo ra một chế độ cắt cụ thể ứng với bề dày vật cắt khi cắt thép
không rỉ.
2. Mục đích nghiên cứu

Nghiên cứu chế độ cắt plasma khi cắt thép không rỉ có bề dày h = 8 mm
và ảnh hưởng của nó đến vùng ảnh hưởng nhiệt phân phối bên trong thép. Từ
đó có những khuyến cáo khi sử dụng công nghệ cắt thép không rỉ bằng
plasma với các tấm thép có chiều dày khác nhau. Đồng thời đề xuất một chế
độ cắt phù hợp với thép không rỉ khi áp dụng phương pháp cắt bằng plasma.
3. Đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu
Trong phạm vi và thời gian thực hiện đề tài này, thép không rỉ có bề dày
8mm được lựa chọn để nghiên cứu chế độ cắt plasma không khí với qui trình
cắt tự động. Phạm vi ứng dụng khi cắt các thép không rỉ được mở rộng đến
các chiều dày khác nhau (6 - 12) mm sử dụng rộng rãi trong công nghiệp. Các
đối tượng được quan tâm đến gồm:
-

Các dạng năng lượng tham gia vào quá trình cắt.

-

Bề rộng mạch cắt và vùng ảnh hưởng nhiệt.

4. Phƣơng pháp nghiên c ứu đề tài
-

Nghiên cứu lý thuyết để có được kết quả phân tích, tính toán dựa vào lý


3
`

thuyết truyền nhiệt
-

Nghiên cứu thực nghiệm đo nhiệt độ và xác định vùng ảnh hưởng

nhiệt.
-

Thực nghiệm đo bề rộng rãnh cắt

-

So sánh kết quả đo và kết quả tính để khẳng định độ tin cậy của kết quả

tính theo lý thuyết truyền nhiệt.
5. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài
- Xác định được ảnh hưởng của một số thông số đến chất lượng sản
phẩm khi cắt thép không gỉ bằng plasma
- Xác định được bề rộng và kích thước vùng ảnh hưởng nhiệt của thép
sau khi cắt.
- Cho phép hạn chế công đoạn cắt thử nhiều lần trong thực tiễn làm tăng
chi phí gia công.
- Cung cấp các khuyến cáo, hướng dẫn khi sử dụng công nghệ cắt bằng
plasma để đạt hiệu quả cao trong thực tiễn sản xuất, chế tạo.


4
`

Chƣơng 1

TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU

1.1. Các quy trình cắt kim loại bằng nhiệt khí
1.1.1 Cắt bằng ô-xy
Quá trình cắt bắt đầu bằng sự đốt nóng kim loại đến nhiệt độ cháy (ô-xy
hóa mạnh liệt) nhờ ngọn lửa hàn sau đó cho dòng ô-xy thổi qua, để đốt nóng
kim loại đến nhiệt độ cháy, khi đã đạt được đến nhiệt độ cháy. Cho dòng ô-xy
kỹ thuật nguyên chất (98 ÷ 99,7% O2) vào rãnh giữa của mỏ cắt và nó trực
tiếp ô-xy hóa kim loại thành ô xít sắt và thổi xỉ lỏng khỏi rãnh cắt. Sự tạo
thành nhiệt do quá trình kim loại cháy trong ô-xy đã làm cho quá trình cắt
được liên tục cho đến khi kết thúc đường cắt.
Cắt bằng ô-xy được ứng dụng rộng rãi trong công nghiệp luyện kim và
gia công kim loại, đặc biệt là trong ngành luyện kim đen, đóng tàu, chế tạo lò
hơi, chế tạo đầu máy toa xe, xây dựng …Việt Nam. Hiện nay cắt bằng
phương pháp thủ công vẫn được ứng dụng rộng rãi để cắt thép tấm, mặt tròn
và các chi tiết đơn giản hay phức tạp khác. Cắt bằng máy cắt ngày càng phát
triển và có năng xuất cao, độ chính xác lớn, mép cắt phẳng nhất là cắt ô-xy, axê-ty-len thực hiện trên máy cát CNC.
1.1.2. Cắt hồ quang ô-xy
Phương pháp này dùng để cắt, khoét rãnh hoặc cắt lỗ kim loại bằng điện
cực dạng que hàn, có sử dụng ô-xy.
Điện cực có vỏ bọc bằng thuốc trợ dung, với chức năng ổn định hồ
quang và làm sản phẩm cháy trong quá trình cát trở nên lỏng hơn. Lõi của
điện cực là lõi rỗng dạng ống qua đó ô-xy được đưa trực tiếp vào vùng hồ
quang nơi kim loại được cắt. Kìm cắt được thiết kế đặc biệt để có khả năng
dẫn điện đến điện cực và ô-xy đến hồ quang.


5
`

Với phương pháp này, hồ quang được đun nóng sơ bộ trước, sự cắt kim
loại thực tế được thực hiện bằng dòng ô-xy và thuốc trợ dung, nhờ phối hợp

nung chảy, ô-xy hóa, hòa tan, tạo xỉ và phun cơ học. Trong trường hợp vật
liệu có tính chống ô-xy hóa cao, chẳng hạn như thép không rỉ, nhôm và hợp
kim nhôm,…. Quá trình cắt chủ yếu do sự nóng chảy. Trong tường hợp này,
lớp vỏ bọc điện cực sẽ đẩy kim loại nóng chảy ra xa đường cắt tương tự tác
dụng của kim loại bột hoặc chất trợ dung trong quy trình cắt thép không rỉ
bằng ô-xy, a-xê-ty-len.
1.1.3. Cắt hồ quang, kim loại bằng tay
Đây là phương pháp cắt thô sử dụng điện hàn cực thông dụng hoặc điện
cực được thiết kế đặc biệt có đường kính từ 4mm đến 6mm với cường độ
dòng điện cao hơn so với hàn hồ quang tay 30-50% so với dòng điện hồ
quang tương ứng. Mặc dù có thể dùng dòng điện xoay chiều, nhưng dòng một
chiều cực thuận được ưu tiên sử dụng. Đôi khi có thể làm ẩm điện cực, nước
trong lớp bọc điện cực làm giảm sự quá nhiệt điện cực và phân hủy trong hồ
quang để xuyên thấu sâu hơn.
Các tấm dày không quá 10mm có thể cắt dễ dàng bằng cách dịch chuyển
điện cực dọc theo đường cắt. Đối với kim loại tấm dày hơn, cần cắt từ phía
dưới tấm kim loại và xỉ nóng chảy có thể dễ dàng thoát xuống dưới. Đường
cắt có thể bắt đầu từ mép tấm, hoặc cắt từ lõi công nghệ xuyên qua tấm. Để
tạo điều kiện cho kim loại và xỉ nóng thoát ra ngoài, chiều dài hồ quang cần
ngắn, trong lúc đồng thời đẩy que hàn vào vũng kim loại nóng chảy và
chuyển động que hàn lên xuống theo hình lưỡi liềm. Chuyển động lên trên
cần nhanh, trong lúc chuyển động xuống dưới cần tạo ra được tác dụng đẩy
kim loại và xỉ nóng ra ngoài rãnh cắt. Khi không có phương pháp nào tốt hơn,
phương pháp này được sử dụng để khoét lỗ trong các ống, tấm, để hàn các
phần nối thêm sau đó.


6
`

1.1.4. Cắt bằng điện cực các bon khí nén
Phương pháp này dùng trong không khí nén để loại bỏ không khí nóng
chảy do hồ quang tạo nên. Nó cho phép vát rãnh vật liệu kim loại. Dòng khí
nén tốc độ cao có hướng song song với điện cực Các bon và vị trí hồ quang,
có tác dụng thổi kim loại nóng chảy ra khỏi vùng đó.
Các ứng dụng chủ yếu của phương pháp này là cắt kim loại, khoét bỏ những
đường hàn hoặc vùng hàn bị khuyết tật và vát rãnh để chuẩn bị mép hàn.
Khác với cắt kim loại bằng nguyên liệu khí ô-xy dựa trên sự ô-xy hóa và loại
bỏ xỉ nóng chảy thấp, cắt bằng hồ quang không khí chỉ làm nóng chảy mà
không ô xy hóa. Quy trình này về cơ bản có tính vật lý, do đó có thể được
dùng cho mọi vật liệu kim loại kể cả loại có màng ô xít khó nóng chảy.
1.1.5. Cắt bằng hồ quang Plasma
Plasma là khí dẫn nhiệu bao gồm các điện tử, ion, phân tử trung hòa.
Plasma cắt kim loại có nhiệt độ từ 50÷30.000K, hình thành khi thổi dòng khí
tạo Plasma mà có thể là chất lỏng hoặc hỗn hợp khí và chất lỏng qua hồ quang
điện trong mỏ cắt.
Thiết bị cắt Plasma bao gồm nguồn điện, bộ điều khiển, một hoặc nhiều
loại khí để có khí phun(qua lỗ) và khí bảo vệ, và mỏ cắt, thiết bị có thể vận
hành bằng tay hoặc cơ khí hóa. Nguồn điện một chiều với điện áp hở mạch
trong khoảng 120-140V và dòng điện 70-1000A. Để cá thép có chiều dày
75mm và nhôm có chiều dày 90mm cần điện áp hở mạch 400V và dòng điện
đến 500A. Thiết bị cắt bằng tay đảm bảo an toàn cho người sử dụng có điện
áp hở mạch 120-200V, dòng điện 70-100A, tốc độ cắt tương đối thấp, chiều
dày cắt được so với thép Các bon 12.5mm đối với hợp kim không chứa sắt
đến 25mm.


7
`

Bộ điều khiển có các van để điều khiển các khí và nước làm nguội theo
yêu cầu, có thể điều khiển lưu lượng khí cắt thông qua các lưu lượng kế, có
công tắc lưu lượng nước để dừng hoạt động thiết bị khi không đủ nước làm
nguội các máy cắt tự động công suất cao có thế có tính năng điều khiển độ
dốc của dòng điện và lưu lượng khí cắt.
Các mỏ cắt có nhiều kiểu và đối với mỗi kiểu có nhiều đầu phun với
đường kính lỗ phun khác nhau. Dòng điện càng cao, lỗ phun phải có đường
kính càng lớn. Đầu phun được tiết kế theo hệ thống cắt Plasma được sử dụng
và vật liệu được cắt. Để đạt chất liệu cao, các đầu phun nhiều cổng được sử
dụng, có cổng phụ sắp xếp vòng tròn bao quang lỗ chính.
Trong thiết bị cơ khí hóa, các mỏ cắt bằng hồ quang plasma được lắp lên
trên máy cắt định hình tương tự thiết bị cơ khí hóa thông dụng, quá trình cắt
được điều khiển bằng sự theo dõi quang điện, điều khiển số, hoặc điều khiển
bằng máy tính. Với cắt hồ quang Plasma có thể cắt hợp kim nhôm dày
150mm với tốc độ 3mm/s, thép không rỉ dày 100mm với tốc độ 3mm/s, thép
Các bon dày 50mm với tốc độ 11mm/s.
Tuy nhiên cắt bằng hồ quang Plasma cần chú ý một số điểm, tạo ra hồ
quang rất sáng, văng tóe, khói và ồn do đó càn phải có biện pháp bảo hộ khi
làm việc. Đặc biệt quan trọng là phải kiểm soát khói và tiếng ồn. Một phương
pháp kiểm soát khói là đặt vật liệu lên bàn cắt có nước ở dưới. Dòng Plasma
tạo ra khói với tốc độ cao, va đập với nước gây ra cuộn xoáy, giữ các hạt khói
trong nước.
1.1.6. Cắt bằng ăn mòn tia lửa điện
Dựa trên cơ sở “bắn phá điện cực” (chi tiết) để tách vật liệu chi tiết, có
hai loại máy tồn tại với dụng cụ khác nhau:
- Máy EDM dùng điện cực thỏi.
- Máy EDM dùng điện cực dây.


8

`

Với ứng dụng gia công cho những vật liệu dẫn điện khó gia công như
thép tôi, thép hợp kim khó gia công.
Tạo hình những chi tiết hệ lỗ có Profile phức tạp ở dạng thông suốt hay
có đáy và những khoang hốc phức tạp khác.
Nguyên lý gia công tia lửa điện: gia công kim loại bằng tia lửa điện là
một dạng công bằng phóng tia lửa điện để ăn mòn vật liệu gia công khi truyền
năng lượng qua rãnh dẫn điện.
- Điện cực đóng vai trò là dụng cụ cắt có độ cứng tháp hơn nhiều so với
điện cực phôi (chi tiết gia công) lấy mềm cắt cứng.
- Điện và cực phôi phải dẫn điện.
- Khi gia công cả điện cực và phôi phải nhúng ngập trong một dung dịch
không dẫn điện ở điều kiện nhất định.
- Dòng điện một chiều có điện áp 100-125V từ nguồn qua biến trở R nạp
vào tụ C. Khi hai điện cực tiến lại gần nhau khe hở giữa chúng đủ bé thì tại đó
xuất hiện tia lửa điện
, chọc thủng lớp cách điện giữa hai điện cực, tạo nên rãnh dẫn điện.
Nhiệt độ ở vùng này lên đến hàng ngàn độ làm nóng chảy lỏng, đốt cháy phần
kim loại trên bề mặt gia công (cực dương) và tạo nên hình dạng cần thiết tùy
theo hình dạng của điện cực dụng cụ (cực âm).
Sơ đồ nguyên lý gia công tia lửa điện điển hình được trình bày ở hình 1.1

Hình 1.1 Sơ đồ nguyên lý gia công tia lửa điện.


9
`

1.1.7. Cắt bằng chùm tia điện tử

Trong các nguồn điện nhiệt hiện đang được sử dụng trong công nghiệp
nói chung và trong công nghệ cắt nói riêng thì chùm tia điện tử có khả năng
cạnh tranh được với các nguồn nhiệt khác về mức độ tập trung năng lượng lơn
nhất trên một diện tích nhỏ nhất.
Chùm tia điện tử là dòng các điện tử răng tốc có đỉnh nhọn. Dòng điện tử
do Catốt phát tăng tốc trong chân không sau đó được chiếu tiêu thành một vết
kích thước nhỏ (đường kính chỉ bằng mấy phần trăm milimet đến vài
milimet).
Khi các điện tử tăng tốc bị hãm gần mặt kim loại động năng của chúng
chuyển thành nhiệt năng. Mật độ công suất tại chỗ hãm càng lớn sự đốt nóng
kim loại càng mạnh.
Sự phát hiện ra quá trình phóng nhiệt điện tử, sự ứng dụng các trường
hợp tĩnh điện và điện từ đối xứng dọc theo trục để chiếu tiêu các tia điện tử,
sự phát triển kỹ thuật chân không, tất cả những cái mốc cơ bản của sự phát
triển của công nghệ hàn, hàn bằng chùm tia điện tử bắt đầu từ những năm 50
của thế kỷ này.
Tùy thuộc vào áp suất tăng tốc và tính chất của kim loại các điện tử có
thể thấm sâu vào hàng chục micromet. Sau khi va chạm nhiều lần điện tử mất
năng lượng, thay đổi hướng và tốc độ chuyển động. Tốc độ của điện tử sau
khi va chạm tăng, tốc độ giảm, kết quả tại giai đoạn cuối hành trình điện tử
tiêu tốn phần chủ yếu năng lượng của nó. Như vậy sự đốt nóng điện tử xảy ra
trong vật tử khác với các nguồn điện khác được ứng dụng trong hàn. Sự tỏa
nhiệt mạnh nhất quan sát được ở cuối hành trình của tia điện tử.
Bằng phương pháp dùng chùm tia điện tử, phương pháp dựa trên cơ chế
bay hơi vật liệu gia công dọc theo đường cắt trong chân không bằng chùm tia


10
`

điện tử, cũng như dùng laser, có thể cắt được vật liệu kim loại lẫn vật liệu phi
kim loại, đảm bảo năng suất, độ rộng vết cắt và vùng ảnh hưởng nhiệt (Vùng
AHN) nhỏ, chất lượng cắt cao, và có thể gia công đường viền phức tạp nhưng
so với laser và các phương pháp cắt bằng nhiệt khác thì phương pháp dùng
chùm tia điện tử phải sử dụng thiết bị phức tạp không tiện lợi cho khai thác.
Chẳng hạn phải đưa chi tiết gia công vào buồng chân không để có thể thực
hiện quy trình đồng thời phải có thiết bị bảo vệ đặc biệt để ngăn ngừa bức xạ
rơnghen cho người thao tác.
1.1.8. Cắt bằng laser
Laser là nguồn phát ra chùm tia cực mạnh ở bước sóng nhất định, và
được hội tụ lại một khoảng cách nào đó. Nó có khả năng tạo ra trên bề mặt gia
công mật độ luồng ánh sáng rất cao. Vai trò của laser như một nguồn sáng
làm việc liên tục hoặc xung, là đảm bảo trên bề mặt của vật liệu gia công một
mật độ công suất cao, đủ để đun nóng, làm nóng chảy, hoặc làm bay hơi vật
liệu- đó là những cơ sở của công nghệ laser.
Hình 1.2 Trình bày một sơ đồ cắt laser kèm theo khí thổi vào vùng tương tác.

1-Nguồn phát tia laser
4-Cửa sổ

2-Gương phẳng
5-Tiêu điểm

3-Thấu kính
6-Chi tiết.


11
`

Hình 1.2 Nguyên lý cắt laser
Những ưu điểm đặc biệt của phương pháp cắt bằng laser so với phương
pháp cắt truyền thống là khi cắt không tồn tại tác dụng cơ học lên vật liệu gia
công bởi vậy mà có thể cắt tấm mỏng, các chi tiết nhỏ, việc giá đặt đơn giản.
Khả năng đạt được vết cắt hẹp chất lượng tốt và vùng ảnh hưởng (vùng AHN)
nhỏ. Hoàn toàn có thể tự động hóa quá trình cắt dễ dàng tạo chuyển động
tương đối giữa chùm laser và phôi, có thể cắt các biến dạng phức tạp, đạt
được vận tốc cắt cao. Những phương pháp này của phương pháp cắt laser mở
ra một triển vọng lớn lao trong ngành chế tạo máy, cũng như trong nền sản
xuất mềm dẻo linh hoạt. Ở các nước phát triển, công nghệ laser đã được ứng
dụng rộng rãi. Đối với nước ta thì công nghệ laser còn rất mới mẻ, do vậy ứng
dụng công nghệ này là một việc phức tạp. Mặc dù vậy nhiều cơ sở nghiên cứu
của ta vẫn tích cực triển khai và đã thu được những kết quả đáng khích lệ,
nhưng còn bị hạn chế vì cơ sở vật chất nghèo nàn, thông tin ít, nhiều cơ sở
muốn áp dụng nhưng không có vốn.
Trong nghề chế tạo máy, laser được ứng dụng rộng rãi trong các công
nghệ cắt, sử lý nhiệt và hàn gia công lỗ, rãnh. Mặc dù vậy người ta chỉ sử
dụng vào những trường hợp có lợi thế về mặt kinh tế, kỹ thuật.
Trong các phương pháp gia công vật liệu bằng laser thì cắt là phương
pháp phổ biến nhất. Cơ sở của phương pháp này là quá trình bóc tách vật liệu
bằng máy tách, làm nóng chảy, đốt cháy hoặc làm bay hơi tại chỗ bằng chùm
tia hội tụ của bức xạ laser. Cắt laser được thực hiện trong giải mật độ công
suất lớn từ 104 đến 108 w/cm2. Đặc điểm của quá trình này là thay đổi năng
lượng và cơ chế cắt. Thực tế có thể cắt bất cứ vật liệu nào, thép Các bon, thép
hợp kim, các hợp kim nhôm, titan thủy tinh, composite, gỗ dán, cao su, vải,
bê tông,..vv.


12
`

Bằng laser ta có thể đạt được những vết cắt rất mảnh và không nung
nóng phần kim loại xung quanh vết, có thể cắt được kim loại và phi kim loại
rắn, giòn và nhạy với tác động nhiệt. Các màng và tấm mỏng được cắt bằng
bức xạ laser sẽ không có khuyết tật.
1.2. Gia công bằng hồ quang plasma
1.2.1. Khái niệm
Plasma cũng là một trong những dạng tồn tại của vật chất; ba trạng thái
đầu tiên của vật chất mà ta đã biết là: chất rắn, chất lỏng và chất khí. Khi năng
lượng nhiệt tác động vào chất rắn cho đến khi chuyển sang trạng thái lỏng,
tiếp tục cung cấp nhiệt chất lỏng chuyển sang trạng thái khí và tiếp tục cung
cấp nhiệt vào khí, khí bị ion hóa. Sự ion hóa khí là sự biến đổi trạng thái cuối
cùng, khí ở trạng thái dẫn điện được gọi là plasma

Hình 1.3. Các trạng thái vật chất trong tự nhiên
Plasma là tập hợp các hạt tích điện bao gồm số lượng tương đương các
ion dương và các điện tử và có vài đặc tính của khí nhưng khác v ới khí là có
tính dẫn điện tốt. Sự ion hóa khí tạo ra các điện tử tự do và các ion dương
giữa các nguyên tử khí. Khi điều này xảy ra, khí trở thành dẫn điện với khả
năng mang dòng điện. Như vậy, plasma hình thành đó là hình thái phong phú
nhất của vật chất trong vũ trụ


13
`

1.2.2. Đặc điểm
Về phương diện vật lý, plasma là chất khí đã phân hủy và ion hóa mạnh,
tức là hỗn hợp của phân tử, nguyên tử, ion và điện tử theo một tỉ lệ nhất định.
Một vật chất có trạng thái plasma nếu động năng trung bình của các phần

tử hạt lớn hơn thế năng ion hóa (bắt đầu) có sự phân hủy nguyên tử, điện tử
tách ra từ hạt của nguyên tử, ion được cấu thành, nhưng nhỏ hơn 106 eV.
Plasma là một trạng thái vật chất thứ tư, là hỗn hợp có nhiều thành phần (ion,
điện tử và phần tử trung tính).
Gia công bằng tia plasma là công nghệ dùng tia plasma sinh ra từ hồ
quang giữa catod và anod (vật gia công và đầu phun) hoặc bằng tia hồ quang
plasma.
1.2.3. Nguyên lý gia công bằng hồ quang plasma
Công nghệ cắt bằng tia plasma là một phương pháp gia công dùng d òng
plasma có nhiệt độ từ 5000 – 300000K [5] để cắt kim loại bằng cách làm cho
nóng chảy ngay tại vị trí điểm cắt và dùng áp lực của dòng khí để đẩy phần
kim loại nóng chảy ra khỏi vị trí đó. Vùng giữa catod và anod trong hồ quang,
mật độ năng lượng lên đến 106W/cm2. Đây thực chất là vùng hồ quang nén
với tốc độ chảy của khí plasma đạt tới tốc độ âm thanh. Phân bố nhiệt độ và
tốc độ trong dòng khí plasma gần giống với phân bố chuẩn Gaus. Cột hồ
quang và dòng plasma có đặc điểm của nguồn nhiệt đường.
Mỏ cắt PAC (Plasma arc cutting) cắt bằng hồ quang plasma được thiết
kế tương tự mỏ hàn hồ quang plasma. Nguồn DC được sử dụng với điện cực
Volfram nối vào cực âm. Hồ quang được duy trì giữa điện cực trong mỏ cắt
và chi tiết gia công, được tạo ra bằng máy phát tần số cao. Khí dẫn được cấp
nhiệt trước miệng lỗ bằng dòng plasma, hồ quang sẽ giảm nổ và phun qua tiết
lưu với tốc độ cao. Kim loại nóng chảy bị thổi ra xa bằng động năng của dòng