Thiết kế, chế tạo dao cắt dạng đĩa và lựa chọn chế độ cắt hợp lý để giảm công suất tiêu thụ, nâng cao chất lượng vết cắt khi cắt thép tấm

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNGNGHIỆP

TRƯƠNG ĐÌNH TRƯỜNG

ĐỀ TÀI
THIẾT KẾ, CHẾ TẠO DAO CẮT DẠNG ĐĨA VÀ LỰA CHỌN CHẾ
ĐỘ CẮT HỢP LÝ ĐỂ GIẢM CÔNG SUẤT TIÊU THỤ VÀ NÂNG CAO
CHẤT LƯỢNG VẾT CẮT KHI CẮT THÉP TẤM

LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT

Thái Nguyên - 2017


ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNGNGHIỆP

TRƯƠNG ĐÌNH TRƯỜNG
ĐỀ TÀI
THIẾT KẾ, CHẾ TẠO DAO CẮT DẠNG ĐĨA VÀ LỰA CHỌN CHẾ
ĐỘ CẮT HỢP LÝ ĐỂ GIẢM CÔNG SUẤT TIÊU THỤ VÀ NÂNG CAO
CHẤT LƯỢNG VẾT CẮT KHI CẮT THÉP TẤM
CHUYÊN NGÀNH: KỸ THUẬT CƠ KHÍ
LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC

KHOA CHUYÊN MÔN

PGS.TS. Nguyễn Quốc Tuấn

PHÒNG ĐÀO TẠO

Thái Nguyên – 2017

i


LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan những kết quả có được trong luận văn là do bản thân
tôi thực hiện dưới sự hướng dẫn của thầy giáo PGS.TS Nguyễn Quốc Tuấn.
Ngoài thông tin trích dẫn từ các tài liệu tham khảo đã được liệt kê, các kết
quả và số liệu thực nghiệm là do tôi thực hiện và chưa được công bố trong
bất cứ công trình nào khác.
Thái nguyên, tháng 11 năm 2017
Tác giả

Trương Đình Trường

ii


LỜI CẢM ƠN
Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới giáo viên hướng dẫn khoa học,
thầy giáo – PGS.TS. Nguyễn Quốc Tuấn đã tận tình hướng dẫn, chỉ bảo và
tạo mọi điều kiện giúp đỡ tôi hoàn thành công trình nghiên cứu này.
Tôi xin chân thành cảm ơn các thầy cô giáo trong Trường Đại học kỹ
thuật công nghiệp Thái Nguyên đã giúp đỡ tôi trong việc đo kiểm và thực
hiện thí nghiệm cho đề tài này.
Tôi xin cảm ơn các chú, các anh đang làm việc tại công ty Cơ khí và
thương mại Nhân Đức đã tạo điều kiện về máy móc, trang thiết bị thí nghiệm

giúp thực hiện quá trình thực nghiệm được thuận lợi.
Tôi xin chân thành cảm ơn sự động viên khích lệ của gia đình, bạn bè,
đồng nghiệp trong suốt thời gian tôi học tập và làm luận văn.
Thái nguyên, tháng 11 năm 2017
Tác giả

Trương Đình Trường

iii


MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN............................................................................................... i
LỜI CẢM ƠN ..................................................................................................iii
MỤC LỤC ........................................................................................................ iv
MỤC LỤC HÌNH VẼ ...................................................................................... vi
LỜI NÓI ĐẦU .................................................................................................. 1
CHƯƠNG I. CÁC PHƯƠNG PHÁP CẮT PHÔI THÉP TẤM ....................... 5
1.1. Các phương pháp cắt phôi thép tấm .......................................................... 5
1.1.1. Phương pháp cắt thủ công....................................................................... 5
1.2. Cắt bằng hồ quang điện hoặc ngọn lửa khí ............................................... 6
1.3. Cắt phôi bằng plasma ................................................................................. 9
1.4. Cắt bằng Laser ......................................................................................... 14
1.6. Máy cắt thép có lưỡi dao dạng đĩa........................................................... 20
CHƯƠNG II. CẮT PHÔI TẤM BẰNG ĐĨA CẮT (CON LĂN)................... 25
2.1. Cơ chế cắt phôi tấm bằng đĩa cắt (con lăn) ............................................. 25
2.1.1. Biến dạng của kim loại ......................................................................... 25
2.1.2. Sự thay đổi, biến dạng tính chất của thép tấm trong quá trình gia
công

....................................................................................................................................

32

2.2. Những nhân tố ảnh hưởng tới quá trình cắt............................................. 38
2.3. Sơ đồ nguyên lý cắt thép tấm bằng dao cắt dạng đĩa .............................. 41
CHƯƠNG III. MÁY THÍ NGHIỆM, THIẾT KẾ ĐĨA CẮT ......................... 45
VÀ LỰA CHỌN KHE HỞ CẮT (Z) .............................................................. 45
3.1. Sơ đồ kết cấu máy cắt tôn tấm bằng đĩa cắt............................................. 45
3.2. Cơ cấu điều chỉnh dao cắt ........................................................................ 49
3.3. Chọn vật liệu làm dao .............................................................................. 53
3.4. Thiết kế kết cấu dao cắt dạng đĩa............................................................. 55
3.5. Ứng dụng khi cắt thép CT3 ...................................................................... 57
iv


3.6. Phương pháp xác định công suất tức động cơ 3 pha ............................... 59
3.7. Thực nghiệm quá trình cắt ....................................................................... 61
3.7.1. Bảng tổng hợp số liệu thực nghiệm công suất quá trình cắt ................ 62
3.7.2. Biểu đồ thay đổi công suất cắt .............................................................. 63
3.8. Thực nghiệm đo công suất tức thời ......................................................... 66
3.9. Phân tích cấu trúc tế vi bề mặt cắt ........................................................... 69
KẾT LUẬN CHUNG ...................................................................................... 71
TÀI LIỆU THAM KHẢO............................................................................... 72

v


DANH MỤC BẢNG BIỂU, HÌNH VẼ
Hình 1.1. Máy cắt thủ công............................................................................... 5

Hình 1.2. Sơ đồ cắt bằng khí............................................................................. 6
Hình 1.3. Sơ đồ một trạm cắt khí dùng axetylen .............................................. 7
Hình 1.4. Cấu tạo mỏ cắt Plasma .................................................................... 10
Hình 1.5. Sơ đồ thiết bị cắt Plasma................................................................. 11
Hình 1.6. Sơ đồ nguyên lý cắt bằng tia Laser................................................. 15
Hình 1.7. Sơ đồ dao lưỡi song song................................................................ 18
Hình 1.8. Sơ đồ bố trí dao đĩa ......................................................................... 20
Hình 2.1. Biến đồ biến dạng của kim loại ...................................................... 25
Hình 2.2 Biến dạng đàn hồi ............................................................................ 26
Hình 2.3. Các dạng nứt khi phá huỷ dẻo ........................................................ 29
Hình 2.4. Đường cong thử kéo ....................................................................... 29
Hình 2.5- Biểu đồ biến dạng dẻo kim loại...................................................... 30
Hình 2.6- Sơ đồ biến dạng trong đơn tinh thể kim loại.................................. 31
Hình 2.7- Các giai đoạn của quá trình cắt ...................................................... 34
Hình 2.8- Bề mặt bên của phần kim loại được cắt ra ..................................... 35
Hình 2.9 - Sơ đồ tác dụng lực khi cắt ............................................................. 36
Hình 2.10- Sơ đồ phân bố các vết nứt tại mép cắt.......................................... 37
Hình 2.11. Các loại ứng suất........................................................................... 38
Hình 2.12. Kết cấu của dao cắt đĩa ................................................................. 41
Hình 2.13. Sơ đồ tác dụng lực khi cắt trên máy cắt dao đĩa ........................... 42
Hình 3.2. Động cơ điện 3 pha ......................................................................... 46
Hình 3.3. Bánh răng ........................................................................................ 47
Hình 3.4. Cơ cấu điều chỉnh dao cắt ............................................................... 48
Hình 3.5. Trục truyền máy cắt ........................................................................ 49
Hình 3.6. Gối đỡ.............................................................................................. 50
Hình 3.7. Dao cắt ............................................................................................ 51
Hình 3.8. Vít điều chỉnh chiều sâucắt............................................................. 52
Hình 3.9. Khung máy ...................................................................................... 53
vi

Bảng 3.1. Thành hóa học thép 9XC ........................................................................... 54
Bảng 3.2. Tính chất cơ lý tính ..................................................................................... 54
Hình 3.10. Dao cắt dạng đĩa thông thường..................................................... 55
Hình 3.11. Phôi uốn theo biên dạng góc trước của dao ................................. 56
Hình 3.12. Sơ đồ kết cấu dao cắt dạng đĩa ..................................................... 57
Hình 3.13. Sơ đồ xác định công suất .............................................................. 59
Hình 3.14. Biểu đồ thay đổi công suất khi S = 1.5mm................................... 63
Hình 3.15. Biểu đồ thay đổi công suất khi S = 2.5mm................................... 63
Hình 3.16. Biểu đồ thay đổi công suất khi S = 3.5mm................................... 64
Hình 3.17. Biểu đồ thay đổi công suất khi S = 4 mm..................................... 64
Hình 3.18. Biểu đồ thay đổi công suất khi S = 5mm...................................... 65
Hình 3.18. Ảnh SEM của bề mặt cắt với khe hở cắt khác nhau ..................... 70

vii


LỜI NÓI ĐẦU
Cùng với sự phát triển của khoa học nói chung và ngành cơ khí nói
riêng. Đòi hỏi người cán bộ kỹ thuật phải nắm vững kiến thức cơ bản
tương đối rộng. Đồng thời phải biết vận dụng kiến thức đã học để giải
quyết những vấn đề cụ thể thường gặp trong sản xuất, sửa chữa và sử
dụng.
Hiện nay trên thị trường có rất nhiều loại máy cắt tôn và phương
pháp cắt tôn khác nhau như:
- Phương pháp chặt bằng ve, tốn nhiều thời gian, các vết cắt không
được thẳng và sản phẩm tạo ra không đảm bảo yêu cầu về độ chính xác,
chiều dày cắt nhỏ, năng xuất cắt rất thấp.
Phương pháp này chỉ áp dụng đối với các phân xưởng thủ công, cắt
các loại thép tấm có chiều dày bé và diện tích nhỏ.

- Máy cắt thép thủ công: gồm hai lưỡi cắt và một cơ cấu cánh tay đòn
và đòn bẩy để tạo lực cho lưỡi cắt.
Máy này cũng chỉ áp dụng cắt những tấm thép có chiều dày và diện
tích nhỏ. Chủ yếu dùng trong các xưởng sản xuất vừa và nhỏ.
- Cắt thép tấm bằng lưỡi cắt dao đi xuống làm cho lực cắt tăng lên
vượt quá điểm tới hạn, kim loại bị biến dạng dẻo. Biến dạng dẻo này phát
sinh ngay ở mép của dao cắt, ứng suất tập trung làm phát sinh dòng chảy
kim loại tạo thành vùng kim loại bị chèn ép. Sự chèn ép cục bộ đó sẽ phát
triển đến khi toàn bộ chiều dày của kim loại đạt đến ứng suất đủ để làm
xuất hiện đường trượt. Những đường trượt này tạo ra đường dẻo hẹp hình
bình hành khi cắt, do đó biến dạng trượt kèm theo uốn và kéo các thớ kim
loại cho đến khi bắt đầu xuất hiện các vết nứt.
- Cắt thép tấm bằng khí Gas và Oxy đây là phương pháp cắt phụ
thuộc vào sự điều khiển của con người, sản phẩm làm ra phụ thuộc vào tay

1


nghề người công nhân đứng máy, sai số trong quá trình cắt là lớn vì phụ
thuộc vào kinh nghiệm của người công nhân, các quá trình điều chỉnh chế
độ cắt, lưu lượng cắt đều do con người đảm nhận. Do phải làm việc thủ
công nên năng suất lao động không cao, vết cắt không tốt bằng vết cắt cơ
học, hiệu quả kinh tế cũng thấp. Đối với cắt bằng Gas – Oxy người công
nhân còn phải đối mặt với nguy cơ tai nạn lao động cao do nổ bình. Chi
phí khí cắt khá cao ảnh hưởng tới tính kinh tế trong quá trình sản xuất.
Không cắt được Al, Cu, thép không rỉ…tốc độ cắt nhỏ hơn
800mm/phút [1].
- Cắt thép tấm bằng Plasma năng suất cắt cao chiều dày cắt lớn có thể
cắt được tấm dày tới 50mm [1] tuy nhiên cắt Plasma điện cực cắt, vòi phun
thường xuyên phải thay thế làm tăng giá thành sản xuất cắt Plasma không thể

cắt với vật cắt không phải kim loại.
Hồ quang Plasma thổi kim loại nóng chảy và xỉ cháy ra khỏi rãnh căt nó
cũng nung nóng vật cắt kim loại, đầu mỏ súng cắt plasma, tất cả các điều này
có thể phát lửa và gây cháy và bỏng cho người công nhân. Súng mỏ cắt
plasma được thiết kế an toàn tự ngắt khi mất chụp sứ bảo vệ hoặc khi vòi
phun ngoài chạm điện cực. Tuy nhiên do đặc tính điện áp cao để duy trì hồ
quang điện áp này dễ gây nguy hiểm nếu bị rò. Hồ quang cắt plasma có thể
gây ra bỏng mắt và da bạn khi tiếp xúc lâu. Cắt plasma có sinh ra khói độc và
khí, nếu hít phải có thể gây ra các vấn đề về sức khỏe. Chi phí khí cắt khá cao
ảnh hưởng tới tính kinh tế trong quá trình sản xuất [1].
Giá thành điện cực cao khi cắt chiều dài kim loại >40mm phải sử
dụng các nguồn lớn, thiết bị đắt tiền. Điện cực nhanh mòn (400 lần phát
hồ quang/điện cực [1]
Trong thực tế máy cắt tôn tấm bằng đĩa cắt đã được áp dụng để cắt
tôn tấm với các chiều dày khác nhau trong khoảng từ 2 – 5mm. Tuy nhiên

2


chưa có nghiên cứu về lý thuyết cũng như khả năng cắt bằng phương pháp
này vì vậy việc thiết kế, chế tạo dao cắt dạng đĩa và lựa chọn chế độ cắt
hợp lý để giảm công suất tiêu thụ khi cắt thép tấm có ý nghĩa khoa học và
thực tiễn hết sức quan trọng nhằm giảm chi phí khi cắt thép tấm, tăng
năng suất lao động, khắc phục được nhược điểm của các phương pháp
khác, đáp ứng nhu cầu đó, em đã chọn đề tài là “Thiết kế, chế tạo dao cắt
dạng đĩa và lựa chọn chế độ cắt hợp lý để giảm công suất tiêu thụ, nâng
cao chất lượng vết cắt khi cắt thép tấm”.
Mục tiêu nghiên cứu:
- Nghiên cứu tổng quan về các phương pháp cắt thép tấm.
- Nghiên cứu chế tạo được dao cắt dạng đĩa dùng cắt các phôi thép

tấm với chiều dài vô hạn.
- Lựa chọn được khe hở (Z) hợp lý trong quá trình cắt nhằm giảm
công suất tiêu thụ nâng cao chất lượng bề mặt vết cắt.
Phương pháp nghiên cứu: Nghiên cứu lý thuyết kết hợp với nghiên
cứu thực nghiệm. Việc nghiên cứu thực nghiệm được tiến hành với thiết bị
đo có độ chính xác cao như máy đo công suất EXTECH, Máy soi nhìn
TM 1000.
Ý nghĩa của đề tài:
Ý nghĩa khoa học: Xác định được công suất tiêu thụ khi cắt với các
khe hở khác nhau từ đó lựa chọn được khe hở hợp lý để thực hiện quá
trình cắt giảm công suất tiêu thụ và tăng được chất lượng vết cắt.
Ý nghĩa thực tiễn: Xuất phát từ điều kiện gia công cụ thể, hệ thống
công nghệ chất lượng sản phẩm yêu cầu... Người cán bộ công nghệ nhanh
chóng xác định được thông số khe hở khi cắt hợp lý nhằm đảm bảo được
chất lượng sản phẩm theo yêu cầu trên cơ sở đảm bảo được tuổi bền của

3


dụng cụ cắt lớn nhất và đảm bảo năng xuất gia công. Từ đó đảm bảo các
chỉ tiêu kinh tế - kỹ thuật.
Nội dung luận văn: Kết cấu luận văn gồm 3 chương
Chương 1. Các phương pháp cắt phôi thép tấm
Chương 2. Cắt phôi tấm bằng đĩa cắt (con lăn)
Chương 3. Thực nghiệm nghiên cứu chế tạo dao cắt và lựa chọn khe hở
(z) cắt
Kết luận chung
Nội dung đề tài trình bày không tránh khỏi những sai sót. Rất mong
được các Thầy, Cô và các đồng nghiệp đóng góp ý kiến để luận văn được
hoàn thiện hơn.

Em xin chân thành cảm ơn sự hướng dẫn và giúp đỡ tận tình của
thầy giáo PGS.TS Nguyễn Quốc Tuấn và các thầy cô trong trường Đại học
kỹ thuật công nghiệp Thái nguyên để em hoàn thành được luận văn này.
Em xin chân thành cảm ơn./.

4


CHƯƠNG I. CÁC PHƯƠNG PHÁP CẮT PHÔI THÉP TẤM
Để thực hiện công nghệ cắt các vật liệu, trong thực tế có nhiều
phương pháp cắt như: cắt bằng phương pháp cắt thủ công (chặt bằng ve),
cắt bằng ngọn lửa hàn khí, cắt bằng tia laser, plasma hay các phương pháp
dập tấm (rập cắt và đột lỗ) cắt bằng máy cắt thép tấm vv... Tuỳ theo hình
dạng kích thước, quy trình sản xuất cũng như quy mô sản xuất mà ta có
thể áp dụng các phương pháp cắt khác nhau cho hợp lý.
1.1. Các phương pháp cắt phôi thép tấm
1.1.1. Phương pháp cắt thủ công
* Đặc điểm, công dụng:
- Cắt bằng phương pháp thủ công có nhiều cách, chẳng hạn như
phương pháp chặt bằng ve tốn nhiều thời gian các vết cắt không được thẳng
và sản phẩm tạo ra không đảm bảo yêu cầu về độ chính xác.
- Máy cắt thủ công gồm hai lưỡi cắt và một cơ cấu cánh tay đòn và đòn
bẩy để tạo lực cho lưỡi cắt.

Hình 1.1. Máy cắt thủ công
- Máy này cũng chỉ áp dụng cắt những tấm thép có chiều dày và diện
tích bé chủ yếu dùng trong các xưởng sản xuất vừa và nhỏ.

5

* Ưu điểm:
-

Phương pháp này áp dụng cho những xưởng thủ công cắt các thép

tấm có chiều dày bé và diện tích nhỏ.
-

Dễ vận chuyển trong quá trình cắt, không tốn các chi phí về tiêu thụ

điện năng.
* Nhược điểm:
-

Không cắt được các chi tiết có chiều dày và diện tích lớn.

-

Chỉ áp dụng được trong các xưởng sản xuất thủ công.

-

Không năng xuất và mất nhiều chi phí về nhân công khi tiến hành

quá trình cắt.
1.2. Cắt bằng hồ quang điện hoặc ngọn lửa khí
* Đặc điểm, công dụng:
- Cắt đứt kim loại đen, kim loại mầu và kim loại bằng hồ quang hoặc
ngọn lửa khí là phương pháp đốt cháy làm cho vật cắt đạt tới điểm nóng, bị

đẩy mạnh và bị tách rời.
- Cắt đứt bằng hồ quang là quá trình nóng chảy hoặc cắt đứt kim loại
bằng nhiệt lượng hoặc hồ quang điện, điện cực hồ quang có thể là than hoặc
kim loại.
- Cắt bằng khí là phương pháp cắt sử dụng nhiệt của ngọn lửa sinh ra
khi đốt cháy khí cháy trong dòng ôxy để nung kim loại tạo thành các ôxít và
thổi chúng ra khỏi mép cắt tạo thành rãnh cắt.

Hình 1.2. Sơ đồ cắt bằng khí
6


Hình 1.3. Sơ đồ một trạm cắt khí dùng axetylen
- Cắt kim loại bằng ngọn lửa khí cháy là quá trình dùng nhiệt lượng
của ngọn lửa khí cháy với oxi để nung nóng chỗ cắt đến nhiệt độ cháy của
kim loại, tiếp đó dùng luồng oxi áp suất cao thổi lớp oxit kim loại đã nóng
chảy để lộ ra phần kim loại chưa bị oxi hóa. Lớp kim loại này tiếp tục bị cháy
tạo thành lớp oxit mới, rồi đến lượt lớp oxit mới này bị nóng chảy và bị luồng
oxi thổi đi, cứ thế cho đến hết.
Để đốt nóng kim loại đến nhiệt độ cháy, dùng nhiệt của phản ứng giữa
O2 kỹ thuật (98 ÷ 99,7% O2) và C2H2 ( hoặc C6H6, khí gas…).
Để cắt bằng khí, kim loại cắt phải thỏa mãn một số yêu cầu sau:
+ Nhiệt độ cháy của kim loại phải thấp hơn nhiệt độ nóng chảy.
+ Nhiệt độ nóng chảy của ôxít kim loại phải thấp hơn nhiệt độ nóng
chảy của kim loại.

7


+ Nhiệt tỏa ra khi kim loại cháy phải đủ lớn để nung mép cắt tốt đảm

bảo quá trình cắt không bị gián đoạn.
+ Ôxít kim loại nóng chảy phải loãng tốt, dễ tách khỏi mép cắt.
+ Độ dẫn nhiệt của kim loại không quá cao, tránh sự tỏa nhiệt nhanh
dẫn đến mép cắt bị nung nóng kém làm gián đoạn quá trình cắt.
* Ưu điểm :
- Thiết bị đơn giản, dễ vận hành
- Cắt được kim loại dày
- Cắt được biên dạng phức tạp (thông qua bộ khởi động từ có thể điều
khiển được quá trình cắt và đảo chiểu được hướng cắt).
- Năng suất cao.
* Nhược điểm:
- Chỉ cắt được kim loại thỏa mãn điều kiện cắt sau:
+ Nhiệt cháy của kim loại nhỏ hơn nhiệt chảy của nó. Đối với thép các
bon thấp có lượng 0,7%C nhiệt cháy khoảng 1350C, còn nhiệt chảy gần
15000C nên thỏa mãn điều kiện này. Với thép các bon cao (1,1 ÷ 1,2%) nhiệt
cháy gần bằng nhiệt chảy nên trước khi cắt cần đốt nóng từ 300 ÷ 6500C. Đối
với thép các bon có thành phần cao hơn và thép hợp kim cao Cr – Ni, gang,
kim loại màu, muốn cắt phải dùng thuốc cắt.
+ Nhiệt độ cháy của oxit kim loại phải nhỏ hơn nhiệt cháy của kim loại
đó. Nếu ngược lại lớp oxit tạo nên trên bề mặt kim loại vì không bị chảy ra
nên khi có dòng O2 thổi vào lớp oxit sẽ ngăn cản việc oxi hóa lớp kim loại ở
phía dưới.
+ Nhiệt lượng sinh ra trong phản ứng cháy của kim loại phải đủ lớn để
duy trì quá trình cắt liên tục vì khi cắt thép gần 70% nhiệt là do phản ứng
cháy của kim loại với oxi, chỉ 30% là do ngọn lửa nung nóng.
+ Xỉ tạo thành khi cắt phải có tính chảy loãng cao để dễ dàng bị thổi đi.
8


+ Tính dẫn nhiệt không quá cao tránh thoát nhiệt gây gián đoạn quá

trình cắt.
- Vùng ảnh hưởng nhiệt lớn nên sau khi cắt chi tiết cong vênh, biến dạng.
- Mạch cắt không đều, bavia nhiều.
- Hiệu quả kinh tế không cao.
- Cắt thép tấm bằng khí Gas và Oxy đây là phương pháp cắt phụ thuộc
vào sự điều khiển của con người, sản phẩm làm ra phụ thuộc vào tay nghề
người công nhân đứng máy, sai số trong quá trình cắt là lớn vì phụ thuộc vào
kinh nghiệm của người công nhân, các quá trình điều chỉnh chế độ cắt, lưu
lượng cắt đều do con người đảm nhận. Do phải làm việc thủ côn nên năng
suất lao động không cao, vết cắt không tốt bằng vết cắt cơ học, hiệu quả kinh
tế cũng thấp. Đối với cắt bằng Gas – Oxy người công nhân còn phải đối mặt
với nguy cơ tai nạn lao động cao do nổ bình. Chi phí khí cắt khá cao ảnh
hưởng tới tính kinh tế trong quá trình sản xuất.
- Không cắt được Al, Cu, thép không rỉ…tốc độ cắt nhỏ hơn
800mm/phút [1].
1.3. Cắt phôi bằng plasma
* Đặc điểm, công dụng:
- Plasma là một dạng vật chất thứ tư sau rắn, lỏng, khí. Plasma gồm các
ion được gia tốc lớn nên có động năng rất mạnh. Nhiệt độ của tia plasma rất
lớn (100000C) do tập trung năng lượng cao nên có thể làm nóng chảy tức thời
kim loại trên đường đi của nó.
- Trong cắt kim loại bằng plasma, người ta sử dụng khí nén làm môi
trường tạo ra plasma (khí bị ion hóa tồn tại dưới dạng plasma). Ở các nước
công nghiệp phát triển người ta ứng dụng rất rộng rãi các máy cắt plasma do
có năng suất cao hơn 1,5 – 2 lần so với cắt khí, đường cắt cao hơn hẳn, sạch
sẽ.

9

- Các quá trình hồ quang plasma sử dụng mỏ hồ quang đặc biệt được
cải tiến từ mỏ hàn TIG, trong đó hồ quang wolfram được định hướng qua một
ống dẫn khí trơ. Ống dẫn này được bố trí giữa điện cực wolfram và kim loại
nền, tránh được sự khuếch tán hồ quang do đó cho phép tập trung dòng hồ
quang vào phạm vi hẹp, làm tăng rõ rệt sự cấp nhiệt hồ quang, tăng nhiệt độ
và điện áp hồ quang. Với hệ thống này tạo thành dòng plasma.

Hình 1.4. Cấu tạo mỏ cắt Plasma
Electrode: Điện cực wonlfram được lắp bên trong ống dẫn không chạm
vào chi tiết gia công. Điện cực được phân cực âm, nếu bị phân cực dương
điện cực sẽ nhanh chóng bị hư hại.
Collet: Kẹp kim dùng để giữ và cố định điện cực.
Electrode cap: Chuôi hàn cùng để giữ kín khí, thay thế kim hàn khi cần.
Welding tip: Đầu phun nơi tập trung khí tạo hồ quang plasma.
Nozzle: Vòi phun khí bảo vệ cung cấp qua ống ngoài tương tự quá trình
hàn TIG, bảo vệ vũng hàn xung quanh dòng plasma.
Handle: Tay cầm cách điện chứa các ống dẫn khí, cáp cấp điện, nước
làm mát....
Plasma Gas: Ống dẫn khí cho plasma.
10


Shielding gas: Ống dẫn khí bảo vệ.
Water in: Ống dẫn nước vào.
Water out: Ống dẫn nước ra.
Curent (+) (-): Cáp điện đưa vào đầu mỏ súng hàn.

Hình 1.5. Sơ đồ thiết bị cắt Plasma
(Máy nén khí (air compressor) Hộp nguồn (cuttung power supply) Mỏ cắt
(cutting lorch) Dây dẫn (cable)

- Các phương pháp cắt plasma điển hình:
Cắt plasma sử dụng không khí: Khí được sử dụng phổ biến nhất trong
cắt plasma, nó cung cấp tốc độ cắt, và chất lượng cắt tốt với thép cacbon,
thép không gỉ và nhôm. Giá thành thấp là một lợi thế khi sử dụng không khí.
Tuy nhiên trước khi được sử dụng không khí phải được làm sạch, loại bỏ bụi
bẩn, hơi nước. Khi sử dụng không 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
không khí là ảnh hưởng của nó lên mối hàn đường cắt plasma. Đường cắt
thường có các vùng bị ni tơ hóa, oxy hóa. Điều này ảnh hưởng đến mối hàn.
Nó được giải quyết tốt khi sử dụng dây hàn có chứa chất khử nito, oxy. Với
các ưu điểm tốc độ cắt tốt, xỉ ít, tuổi thọ của các thiết bị tiêu hao trung bình.
Không khí là một lựa chọn tốt nhất cho cắt plasma trong các xưởng nhỏ.
11


Cắt plasma sử dụng khí Oxy: là lựa chọn hàng đầu trong các nhà máy
khi cắt các tấm thép Carbon vì chúng mang lại chất lượng mối cắt tốt nhất,
tốc độ cắt nhanh nhất. Oxy sẽ tương tác với thép carbon giảm nhiệt độ nóng
chảy do tạo ra oxit tạo đường cắt mịn hơn do kích thước hạt nóng chảy nhỏ.
Nhược điểm của cắt plasma sử dụng oxy đó là giá thành của khí sử dụng cao,
cũng như tuổi thọ thiết bị tiêu hao thấp. Tuy nhiên thực tế người ta thường sử
dụng khí nitơ khi bắt đầu hồ quang plasma do đó sẽ cải thiện được tuổi thọ
của thiết bị tiêu hao ngang bằng với cắt plasma sử dụng không khí. Chi phí
cho khí oxy và thiết bị tiêu hao cao.
Cắt plasma sử dụng khí nitơ: Phương pháp được sử dụng phổ biến
trong quá khứ và nó vẫn là lựa chọn tốt nhất khi cắt nhôm hoặc thép không gỉ
do chất lượng đường 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 thường không khí được sử dụng làm khí bảo vệ. Nếu
sử dụng CO2 có thể cải thiện phẩn nào chất lượng cũng như tốc độ cắt. Nước

cũng được sử dụng với cắt plasma nitơ. Nước đảm bảm đường cắt nhẵn bóng
khi cắt nhôm, thép không gỉ. Khi sử dụng với nước cắt plasma nitơ thường sử
dụng bàn cắt nước.
Cắt plasma sử dụng Argon- Hidro: khi cắt nhôm và thép không gỉ
dày trên 0.5inch hỗn hợp khí 35% Hidro,65% argon thường được sử dụng.
Hỗn hợp khí cung cấp nhiệt độ cắt plasma cao nhất (với hệ thống plasma
1000Amp có kèm phun nước sử dụng khí argon-hidro có thể cắt thép không
gỉ dày đến 15cm). Cắt plasma sử dụng argon-hidro cung cấp đường cắt cực kì
mịn với thép không rỉ. Nitơ thường được chọn là khí bảo vệ trong trường hợp
này. Yếu điểm của hệ thống như này đó là chi phí cho thiết bị và chi phí vận
hành.

12


Plasma Gas /

Thép Carbon

Shield
Air / Air

Thép không gỉ

Chất lượng cắt/tốc độ Chất lượng cắt/tốc Chất lượng cắt/tốc
cắt tốt. Kinh tế

độ cắt tốt. Kinh tế

Oxygen (O2) Chất lượng cắt/tốc độ Không nên dùng

/ Air
Nitrogen
(N2) / CO2

Nitrogen
(N2) / Air

Nitrogen
(N2) / H20

Nhôm

độ cắt tốt. Kinh tế
Không nên dùng

cắt tốt nhất. Rất ít xỉ
Chất lượng cắt bình

Chất lượng cắt xuất Chất lượng cắt xuất

thường ít xỉ. Tuổi thọ sắc. Tuổi thọ thiết

sắc. Tuổi thọ thiết

thiết bị cao

bị cao

bị cao

Chất lượng cắt bình

Chất lượng cắt tốt. Chất lượng cắt tốt.

thường ít xỉ. Tuổi thọ Tuổi thọ thiết bị

Tuổi thọ thiết bị cao

thiết bị cao nhất

cao

Chất lượng cắt bình

Chất lượng cắt xuất Chất lượng cắt xuất

thường ít xỉ. Tuổi thọ sắc. Tuổi thọ thiết

sắc. Tuổi thọ thiết

thiết bị cao nhất

bị cao

bị cao

* Ưu điểm:
- Phương pháp cắt plasma có các lợi thế hơn đối với phương 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 dưới 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 như 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.

13


- Dễ dàng vận hành: Cắt plasma không yêu cầu kỹ thuật cao đối với
người vận hành, việc đào tạo cũng dễ dàng, thao tác cắt đơn giản, không cần
phải điều chỉnh nhiều khi thao tác.
- Cắt được nhiều biên dạng phức tạp.
- Tính kinh tế: Cắt plasma có tính kinh tế hơn so với cắt oxy-gas khi
cắt với các tấm dày dưới 25mm.
* Nhược điểm:
- Cắt thép tấm bằng Plasma năng suất cắt cao chiều dày cắt lớn có thể
cắt được tấm dày tới 50mm [2] tuy nhiên cắt Plasma điện cực cắt, vòi phun
thường xuyên phải thay thế làm tăng giá thành sản xuất cắt Plasma không thể
cắt với vật cắt không phải kim loại.
Hồ quang Plasma thổi kim loại nóng chảy và xỉ cháy ra khỏi rãnh căt
nó cũng nung nóng vật cắt kim loại, đầu mỏ súng cắt plasma, tất cả các điều
này có thể phát lửa và gây cháy và bỏng cho người công nhân. Súng mỏ cắt
plasma được thiết kế an toàn tự ngắt khi mất chụp sứ bảo vệ hoặc khi vòi
phun ngoài chạm điện cực. Tuy nhiên do đặc tính điện áp cao để duy trì hồ
quang điện áp này dễ gây nguy hiểm nếu bị rò. Hồ quang cắt plasma có thể
gây ra bỏng mắt và da khi tiếp xúc lâu. Cắt plasma có sinh ra khói độc và khí,
nếu hít phải có thể gây ra các vấn đề về sức khỏe. Chi phí khí cắt khá cao ảnh
hưởng tới tính kinh tế trong quá trình sản xuất [2].

Giá thành điện cực cao khi cắt chiều dài kim loại >40mm phải sử dụng
các nguồn lớn, thiết bị đắt tiền. Điện cực nhanh mòn (400 lần phát hồ
quang/điện cực [2].
1.4. Cắt bằng Laser
* Đặc điểm, công dụng:
Nguyên lý của công nghệ này là sử dụng chùm tia laser có mật độ năng
lượng cao và dẫn hội tụ lại tạo nên điểm tập trung năng lượng rất lớn dưới

14


dạng nhiệt và có khả năng nung nóng thậm chí đốt cháy vật liệu tại điểm hội
tụ đó. Một trong những ứng dụng Laser thường thấy trong công nghệ chế tạo
là Cắt vật liệu bằng tia Laser.

Hình 1.6. Sơ đồ nguyên lý cắt bằng tia Laser
Theo nguyên lý hình thành Laser CO2, khi hỗn hợp khí CO2, N2, He bị
kích thích bởi điện áp phân cực với hiệu điện thế và tần số cao sẽ xảy ra quá
trình chuyển hóa giữa các trạng thái năng lượng, là nguyên nhân tạo ra các
luồng hạt Photon dưới dạng sóng bức xạ với 02 bước sóng chính là 10,4
Micromet và 9,4 Micromet. Đáng chú ý nhất là bước sóng 10,4µm vừa có

15


tính chất dao động nhiệt - mang năng lượng nhiệt cao nhưng cũng mang
những tính chất của ánh sáng mặc dù không thể nhìn thấy bằng mắt thường.
Bức xạ này được gọi là Laser và do hình thành từ sự dao động phân tử khí
CO2 nên còn gọi là Laser CO2.
Do 2 tính chất vật lý như nói trên, Laser CO2 rất phù hợp trong ứng

dụng cắt vật liệu. Thứ nhất, với tính chất vật lý dao động nhiệt, Laser CO2
mang theo nguồn năng lượng lớn, tốc độ rất cao dưới dạng nhiệt nên có thể
sử dụng để nung nóng hoặc thậm chí đốt cháy vật liệu tại những vị trí tác
động. Thứ 2 là tính chất vật lý của ánh sáng như phản xạ (khi gặp gương
phản xạ), khúc xạ khi đi qua các môi trường trong suốt có hệ số khúc xạ
(chiết suất) khác nhau. Với tính chất phản xạ, khúc xạ, chúng ta có thể sử
dụng các dụng cụ quang học như gương phản xạ để chuyển hướng đường đi
của chùm tia, sử dụng thấu kính để hội tụ chùm tia làm tăng lên nhiều lần mật
độ năng lượng của chùm tia. Trên cơ sở đó chúng ta có được 2 yếu tố then
chốt là khuếch đại năng lượng tới ngưỡng cần thiết và dẫn nguồn năng lượng
đó tới vị trí cần gia công. Việc di chuyển đầu cắt trong quá trình gia công (do
Hệ máy chính, hệ điều khiển CNC đảm nhiệm) luôn luôn đảm bảo đường đi
của chùm tia Laser khi tới trước thấu kính hội tụ không bị suy giảm, giữ được
hướng và điểm hội tụ do đó luôn là điểm tập trung mật độ năng lượng cao
nhất dù ở các vị trí khác nhau trong quá trình di chuyển cắt.
Nguồn Laser CO2 có cấu tạo phức tạp tùy thuộc vào công nghệ chế tạo
của các hãng khác nhau nhưng có thể chia thành các nhóm bộ phận chính
sau: buồng cộng hưởng dao động; Bơm nhồi để tạo vận tốc luồng hỗn hợp
khí tới hơn 200m/s (720km/h), Bơm xả để xả hỗn hợp khí trong quá trình duy
trì áp suất và chất lượng khí của buồn cộng hưởng; Hệ thống tạo điện cao áp
RF với điện áp 3~4KV hoặc cao hơn, tần số tới 2MHz; Hệ thống các cảm
biến nhiệt độ, cảm biến áp suất, cảm biến lưu lượng nước làm mát, cảm biến

16


công suất Laser chuyên dụng… Hệ thống đường ống dẫn nước làm mát tuần
hoàn tới các điểm phát sinh nhiệt độ.
* Ưu điểm:
Công nghệ gia công này có những ưu điểm vượt trội so với một số

công nghệ gia công truyền thống trong cùng nhóm ứng dụng như: cho năng
suất rất cao (tốc độ gia công lớn), chất lượng gia công bề mặt đẹp –vết cắt
nhỏ gọn, cắt được biên dạng phức tạp (quá trình cắt laser thường được sử
dụng là nguyên công sau cùng, không cần gia công lại), gia công được nhiều
loại vật liệu cả kim loại và phi kim, gốm…Vật tư nhiên liệu tiêu hao ít.
* Nhược điểm:
Nhược điểm của phương pháp này là hệ thống thiết bị, công nghệ phức
tạp nên giá thành cao, khó làm chủ công nghệ thiết bị, không thích hợp với
một số sản phẩm yêu cầu ít phát sinh nhiệt tại bề mặt gia công, ngoài ra tia
laser không cắt được một số kim loại có tính chất hấp thụ laser như đồng,
không cắt được vật liệu có độ dày lớn.
Ngoài các nguy cơ mất an toàn nói chung như các nhóm thiết bị gia
công chế tạo khác, khi vận hành hoặc sửa chữa thiết bị cắt bằng Laser CO2
cần đặc biệt lưu ý những điểm sau:
- Nguy hiểm từ điện cao áp: để tạo ra Laser, hệ thống sử dụng điện
công nghiệp thông thường 3pha/220V/50Hz hoặc 3pha/380V/50Hz qua các
mạch khuếch đại điện áp và điều chế xung tạo thành điện cao áp với tần số
cao và công suất lớn: điện áp >2000V (có những thiết bị sử dụng tới
18.000V), tần số tới 2MHz hoặc cao hơn; công suất tới hàng chục Kw. Đây là
điện áp đặc biệt nguy hiểm đối với con người. Trong nguồn Laser CO2, các
điểm có điện cao áp thường được bảo vệ kín để giảm thiểu sự rò rỉ và tiếp
xúc. Tuy nhiên khi làm việc tại các khu vực này, cần mang găng tay cao su,
đi ủng cách điện, tránh đứng hoặc tiếp xúc với bề mặt ẩm ướt hoặc chi tiết

17