Chế tạo mô hình máy cắt kính
Bạn đang xem bản rút gọn của tài liệu. Xem và tải ngay bản đầy đủ của tài liệu tại đây (2.81 MB, 134 trang )
Luận văn Thạc sỹ: “Thiết kế chế tạo mô hình Máy cắt kính”
GVHD: Lê Thanh Sơn
MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN ............................................................................................. 4
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, BẢNG BIỂU, ĐỒ THỊ................................... 5
MỞ ĐẦU ........................................................................................................... 7
CHƢƠNG I TỔNG QUAN VỀ PHƢƠNG PHÁP TẠO HÌNH KÍNH TẤM .... 11
1.1. Ứng dụng của Kính Tấm ............................................................................... 11
1.2. Hai hình thức cắt kính. .................................................................................. 12
1.2.1. Cắt kính bằng tay. ................................................................................. 12
1.2.2. Cắt kính bằng máy. ............................................................................... 14
1.3. Các phương pháp tạo hình kính tấm. ............................................................. 17
1.3.1. Phương pháp cắt kính sử dụng tia laser. ............................................... 17
1.3.2. Phương pháp cắt kính bằng tia nước có hạt mài. .................................. 24
1.3.3. Phương pháp cắt kính sử dụng lưỡi cắt kim cương. .............................. 28
CHƢƠNG II PHƢƠNG PHÁP CẮT KÍNH SỬ DỤNG LƢỠI CẮT KIM
CƢƠNG ................................................................................................................ 30
2.1. Các yếu tố cơ bản trong quá trình cắt. ........................................................... 30
2.1.1. Chiều sâu cần thiết của vết nứt.............................................................. 30
2.1.2. Rãnh chứa phoi. .................................................................................... 31
2.1.3. Hiện tượng phục hồi vết nứt. ................................................................. 32
2.1.4. Ứng suất dư. ......................................................................................... 32
2.1. 5. Sự mở rộng vết cắt . ............................................................................. 32
2.1.6. Miền tiếp xúc, miền áp lực làm việc và ảnh hưởng của các thông số lưỡi
cắt................................................................................................................... 33
2.2. Các chỉ tiêu chất lượng.................................................................................. 34
2.2.1. Yêu cầu chất lượng vết cắt: ................................................................... 34
2.2.2. Yêu cầu chất lượng mặt cắt sau khi tách. .............................................. 34
2.3. Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình cắt. .................................................. 34
2.3.1. Độ cứng vững của hệ thống công nghệ.................................................. 35
2.3.2. Kết cấu hệ thống đầu cắt. ...................................................................... 35
2.3.3. Áp lực của đầu cắt và các thông số hình học của lưỡi cắt. .................... 38
HV:Trần Quang Huy – Lớp CB2010B –MSHV: CB101247 - Trường ĐH Bách Khoa HN
1
Luận văn Thạc sỹ: “Thiết kế chế tạo mô hình Máy cắt kính”
GVHD: Lê Thanh Sơn
2.3.4. Chế độ gia công tinh lưỡi cắt. ............................................................... 40
2.3.5. Tốc độ cắt - chế độ chăm sóc lưỡi cắt. .................................................. 41
2.3.6. Dung dịch cắt. ....................................................................................... 42
2.3.7. Ứng suất dư. ......................................................................................... 44
2.3.8. Tuổi thọ lưỡi cắt.................................................................................... 45
2.4. Chọn chế độ cắt. ........................................................................................... 46
CHƢƠNG III PHÂN TÍCH CHỌN PHƢƠNG ÁN THIẾT KẾ MÁY ............. 47
3.1. Yêu cầu kỹ thuật của máy. ............................................................................ 47
3.2. Lựa chọn phương án thiết kế máy. ................................................................ 49
3.2.1. Phương án 1- sử dụng cánh tay máy điều khiển đầu cắt. ....................... 49
3.2.2. Phương án 2- Bàn máy di chuyển trên các trục, đầu cắt đứng yên. ....... 50
3.2.3.Phương án 3- Đầu cắt di chuyển trên các trục, bàn máy đứng yên ......... 51
3.3. Thiết kế sơ đồ nguyên lý máy. ...................................................................... 52
3.3.1. Sơ đồ khối ............................................................................................. 53
3.3.2. Nguyên lý hoạt động của máy............................................................... 53
CHƢƠNG IV THIẾT KẾ CÁC CỤM CHI TIẾT CHÍNH ................................ 55
4.1. Phân tích hoạt động của các cụm chi tiết. ...................................................... 55
4.1.1. Bàn máy. ............................................................................................... 55
4.1.2. Trục X ................................................................................................... 55
4.1.3. Trục Y ................................................................................................... 56
4.1.4. Hệ thống đầu cắt ................................................................................... 59
4.1.5. Các cụm chi tiết phụ.............................................................................. 61
4.2. Thiết kế các cụm trục X,Y. ........................................................................... 61
4.2.1. Phân tích chọn bộ truyền....................................................................... 61
4.2.2. Phân tích chọn cơ cấu dẫn hướng ......................................................... 68
4.2.3. Tính toán bộ truyền đai răng ................................................................. 70
4.2.4. Tính toán độ biến dạng trên các trục ..................................................... 74
CHƢƠNG V THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN ....................................... 79
5.1. Lựa chọn phương án thiết kế hệ thống điều khiển ......................................... 79
5.1.1. Yêu cầu kỹ thuật của hệ thống điều khiển .............................................. 79
5.1.2. Hướng giải quyết .................................................................................. 81
5.2. Lý thuyết chung về hệ thống điều khiển máy cắt kính ................................... 89
HV:Trần Quang Huy – Lớp CB2010B –MSHV: CB101247 - Trường ĐH Bách Khoa HN
2
Luận văn Thạc sỹ: “Thiết kế chế tạo mô hình Máy cắt kính”
GVHD: Lê Thanh Sơn
5.2.1. Giải thuật PID ...................................................................................... 89
5.2.3. Enconder quang tương đối - Bộ điều xung .......................................... 101
5.3. Thiết kế các cụm điều khiển chính của máy cắt kính ................................... 104
5.3.1. Điều khiển động cơ Servo bằng IC ATMEGA 16 ................................. 104
5.3.2. Phương án lựa chọn vi điều khiển ....................................................... 110
5.3.3. Lựa chọn động cơ và encoder ............................................................. 115
5.4. Thiết kế thuật toán điều khiển và lập trình phần mềm ................................. 119
5.4.1. Thuật toán nội suy đường thẳng .......................................................... 119
5.4. 2. Thuật toán nội suy đường tròn ........................................................... 120
CHƢƠNG VI THỬ NGHIỆM MÁY CẮT KÍNH ........................................... 123
6.1. Kiểm nghiệm thực tế ................................................................................... 123
6.1.1. Thực hiện chạy không các trục của máy cắt kính: ............................... 123
6.1.3.Thực hiện cắt kính qua tọa độ (tự động):.............................................. 128
6.2. Hướng dẫn sử dụng máy. ............................................................................ 129
6.3. Kiểm tra, bảo dưỡng và bảo trì. ................................................................... 130
KẾT LUẬN .................................................................................................... 132
TÀI LIỆU THAM KHẢO............................................................................. 134
HV:Trần Quang Huy – Lớp CB2010B –MSHV: CB101247 - Trường ĐH Bách Khoa HN
3
Luận văn Thạc sỹ: “Thiết kế chế tạo mô hình Máy cắt kính”
GVHD: Lê Thanh Sơn
LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan Luận văn Thạc sỹ : “Thiết kế chế tạo mô hình Máy cắt kính” là
công trình nghiên cứu của cá nhân tôi, các số liệu trong Luận văn là số liệu trung thực.
Hà Nội, Ngày tháng 9 Năm 2012
Trần Quang Huy
Học viên lớp CB2010B- Mã Học viên: CB101247
Trường Đại học Bách khoa Hà Nội
HV:Trần Quang Huy – Lớp CB2010B –MSHV: CB101247 - Trường ĐH Bách Khoa HN
4
Luận văn Thạc sỹ: “Thiết kế chế tạo mô hình Máy cắt kính”
GVHD: Lê Thanh Sơn
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, BẢNG BIỂU, ĐỒ THỊ
Hình 1.1.Dụng cụ cắt kính cầm tay .......................................................................... 13
Hình 1.2.Máy cắt kính sử dụng tia laser ................................................................... 15
Hình 1.3.Máy cắt kính sử dụng tia nước có hạt mài ................................................. 16
Hình 1.4.Máy cắt kính CNC sử dụng lưỡi cắt kim cương ........................................ 16
Hình 1.5. Quá trình cắt kính không chất làm lạnh .................................................... 18
Hình 1.6. Mô tả quá trình cắt kính dùng tia laser ..................................................... 19
Hình 1.7. Sự phân bố nhiệt độ và ứng suất trên bề mặt tấm kính .............................. 21
Hình 1.8.Ứng suất kéo trên tấm kính ....................................................................... 22
Hình 1.9. Phương pháp tạo vết nứt tế vi (a), và trên toàn bộ chiều dày (b) ............... 23
Hình 1.10.Mô tả quá trình cắt kính bằng tia nước có hạt mài ................................... 26
Hình 2.1.Sự xuất hiện vết nứt .................................................................................. 31
Hình 2.2.Kết cấu hệ thống đầu cắt thông dụng ......................................................... 36
Bảng 2.1. Ảnh hưởng của góc nghiêng lưỡi cắt và áp suất nén đến vết cắt ............... 40
Hình 2.3.Sự phân bố ứng suất bên trong tấm kính ................................................... 45
Hình 2.4.Vết cắt khi cắt bằng lưỡi cắt ...................................................................... 46
Hình 3.1. Sơ đồ nguyên lý chung ............................................................................. 47
Hình 3.2.Sơ đồ sử dụng cánh tay máy điều khiển đầu cắt ........................................ 49
Hình 3.3.Sơ đồ di chuyển bàn máy .......................................................................... 50
Hình 3.4.Sơ đồ di chuyển đầu cắt ............................................................................ 51
Hình 3.5. Sơ đồ khối cơ khí ..................................................................................... 53
Hình 4.1: Cụm chi tiết trục Y................................................................................... 57
Hình 4.3 : Các dạng đai ........................................................................................... 63
Hình 4.4 : Bộ truyền đai răng................................................................................... 63
Hình 4.5.Bộ truyền bánh răng- thanh răng ............................................................... 65
Hình 4.6. Bộ truyền xích ......................................................................................... 67
Hình 4.7. Cơ cấu dẫn hướng dạng chữ V, và dạng đuôi nén ..................................... 69
HV:Trần Quang Huy – Lớp CB2010B –MSHV: CB101247 - Trường ĐH Bách Khoa HN
5
Luận văn Thạc sỹ: “Thiết kế chế tạo mô hình Máy cắt kính”
GVHD: Lê Thanh Sơn
Hình 4.8. Dẫn hướng dạng trụ tròn .......................................................................... 70
Hình 4.9. Sơ đồ bố trí trục Y ................................................................................... 74
Hình 4.10. Sơ đồ dầm tương đương ......................................................................... 75
Hình 4.11. Các biểu đồ mômen................................................................................ 76
Hình 4.12. Biểu đồ momem gây bởi lực đơn vị Pk = 1 ............................................ 77
Hình 4.13.Bản vẽ máy ............................................................................................. 78
Hình 5.1. Lưu đồ thuật toán cho hệ thống ................................................................ 80
Hình 5.2. Giải pháp thứ nhất cho sơ đồ khối hệ thống ............................................. 81
Hình 5.3. Giải pháp thứ hai cho sơ đồ khối hệ thống ............................................... 83
Hình 5.4. Giải pháp thứ ba cho sơ đồ khối hệ thống................................................. 84
Hình 5.5. Giải pháp thứ tư cho sơ đồ khối hệ thống ................................................. 86
Hình 5.6. Sơ đồ chi tiết của hệ thống ....................................................................... 88
Hình 5.6: Ví dụ điều khiển vị trí xe trên đường thẳng .............................................. 89
Hình 5.7. Hệ tọa độ nội suy đường thẳng. ................................................................ 93
Hình 5.8. Sơ đồ thuật toán nội suy đường thẳng ...................................................... 93
Hình 5.9. Hệ tọa độ nội suy đường tròn ................................................................... 94
Hình 5.10. Sơ đồ thuật toán nội suy đường tròn ....................................................... 95
Hình 5.11. Vi mạch MAX ....................................................................................... 99
Hình 5.12. Kết nối cổng COM với MAX ................................................................. 100
Hình 5.13. Encoder quang ....................................................................................... 101
Hình 5.14. Hai kênh A và B lệch pha trong encoder ................................................ 103
Hình 5.15. Tín hiệu hồi tiếp từ encoder.................................................................... 105
Hình 5.16. Biên dạng hình thang mẫu biểu diễn biên dạng vận tốc .......................... 106
Hình 5.17. Hoạt động đọc Byte trạng thái ................................................................ 108
Hình 5.18. Hoạt động ghi Byte lênh......................................................................... 108
Hình 5.19. Hoạt động đọc dữ liệu ............................................................................ 109
Hình 5.20. Hoạt động ghi dữ liệu ............................................................................. 109
Hình 5.21. Ngõ ra PWM của LM629 với tần số hoạt động là 8MHz ........................ 110
HV:Trần Quang Huy – Lớp CB2010B –MSHV: CB101247 - Trường ĐH Bách Khoa HN
6
Luận văn Thạc sỹ: “Thiết kế chế tạo mô hình Máy cắt kính”
GVHD: Lê Thanh Sơn
Hình 5.22. Sơ đồ khối của Atmega16 ...................................................................... 111
Hình 5.23. Cấu trúc chân của AVR .......................................................................... 112
Hình 5.24. Sơ đồ mạch điêu khiển động cơ.............................................................. 117
Hình 5.25. Hình ảnh máy cắt kính
................................................................................................................................ 117
8
Hình 5.26. Lưu đồ thuật toán nội suy đường thẳng .................................................. 119
Hình 5.27. Lưu đồ thuật toán nội suy đường tròn ..................................................... 121
Hình 5.28. Một số hình ảnh giao diện ...................................................................... 122
Bảng 6.1: Thử nghiệm không tải với U= 20V .......................................................... 124
Bảng 6.2: Thử nghiệm không tải với U= 24V .......................................................... 126
Bảng 6.3: Thử nghiệm sai lệch quãng đường với U= 24V ....................................... 126
HV:Trần Quang Huy – Lớp CB2010B –MSHV: CB101247 - Trường ĐH Bách Khoa HN
7
Luận văn Thạc sỹ: “Thiết kế chế tạo mô hình Máy cắt kính”
GVHD: Lê Thanh Sơn
MỞ ĐẦU
1. Lý do chọn đề tài
Trong thời đại hiện hiện nay, khi chất lượng cuộc sống của con người được nâng
cao, việc tạo ra các sản phẩm nhanh, có tính thẩm mỹ và mang lại tính kinh tế cao là
điều vô cùng cấp thiết. Một trong số những sản phẩm đó là kính tấm, dùng để phục vụ
cho nhu cầu xây dựng. Bởi kính tấm là loại vật liệu nhẹ, tạo hình nhanh, bền, đẹp và có
tính kinh tế cao. Do đó việc thực hiện gia công (cắt) kính đạt yêu cầu kỹ thuật và kinh
tế là yêu cầu vô cùng cấp thiết. Đề tài: “Thiết kế chế tạo mô hình Máy cắt kính”
nhằm tìm ra giải pháp nhằm giải quyết nhu cầu cấp thiết trên.
2. Đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu
Để nghiên cứu chế tạo mô hình máy cắt kính được thành công, trước hết ta phải
nắm rõ nguyên lý cắt kính. Do vật liệu kính là một trong những loại vật liệu đặc biệt
khác hẳn với những loại vật liệu gia công thông thường, nên phương pháp cắt kính cũng
khác hoàn toàn.
Cắt kính tấm là một trong những công việc khó khăn cho người thợ cắt kính vì
kính tấm thường có kích thước lớn, khó vận chuyển và dễ vỡ. Bởi vậy việc nghiên cứu
cắt kính tấm là một công việc khó khăn và đầy thử thách. Nó đòi hỏi tính kiên trì cao và
cẩn thận tuyệt đối trong công việc.
Sau khi đã nắm rõ nguyên lý cắt kính, ta phải thực hiện thiết kế và lựa chọn
phương pháp nhằm thực hiện tốt nhất nguyên lý cắt kính. Lựa chọn phương án và chế
tạo phần cơ khí là một trong những phần quan trọng nhất nhằm đem lại thành công cho
đề tài. Do đó đòi hỏi người nghiên cứu phải hiểu và tìm hiểu thêm về kiến thức cơ khí
chế tạo máy như: Nguyên lý- chi tiết máy, máy cắt kim loại, máy công cụ và công nghệ
CNC.
HV:Trần Quang Huy – Lớp CB2010B –MSHV: CB101247 - Trường ĐH Bách Khoa HN
8
Luận văn Thạc sỹ: “Thiết kế chế tạo mô hình Máy cắt kính”
GVHD: Lê Thanh Sơn
Để đảm bảo hệ thống hoạt động ổn định, điều khiển dễ dàng thì việc tạo ra một
hệ thống điện tử hoạt động ổn định là điều vô cùng quan trọng. Vậy nên cần đòi hỏi
phải chọn được phương án thiết kế modun điều khiển tối ưu.
3. Phƣơng pháp nghiên cứu
Để quá trình nghiên cứu đi đúng hướng và đạt kết quả tốt thì việc kế thừa lại các
thành tựu khoa học công nghệ trước đó là vô cùng quan trọng.
Máy cắt kính trên thế giới đã được nghiên cứu và đưa vào sản suất được một
quãng thời gian không ngắn. Do đó máy cắt kính trên thế giới đã đạt được yêu cầu về
tính công nghệ cao về kết cấu và tính mỹ thuật. Có thể kể ra các loại máy cắt kính đang
được dùng trên thế giới như: máy cắt kính laser YH 2000D, máy cắt tia nước hạt mài
CNC TTP-380…
Nhu cầu cắt kính trong nước ta hiện nay đang tăng theo nhu cầu xây dựng nhà
cao tầng và những công trình mang tính thẩm mỹ cao của quốc gia. Tuy nhiên chưa có
nhiều nhà máy có thể đáp ứng được nhu cầu cấp thiết mang tính thập kỷ này. Còn các
cơ sở nhỏ lẻ chủ yếu vẫn sử dụng dao cắt kính kim cương cầm tay với lực cắt phụ thuộc
nhiều vào tay nghề người thợ.
4. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài nghiên cứu
Đề tài: “Thiết kế chế tạo mô hình máy cắt kính” nhằm tăng thêm lựa chọn cho
ngành công nghiệp gia công kính còn non trẻ tại Việt Nam. Với điều kiện hạn hẹp
người nghiên cứu chỉ đưa ra nguyên lý cắt kính và mô phỏng lại quá trình chuyển động
của các trục trong khi cắt kính. Mô hình máy cắt kính chưa thể đưa vào sản xuất phục
vụ công nghiệp xây dựng nói chung tại Việt Nam nhưng đề tài đặt nền móng đầu tiên
cho quá trình tự xây dựng và lắp ráp máy cắt kính mang thương hiệu Việt Nam.
HV:Trần Quang Huy – Lớp CB2010B –MSHV: CB101247 - Trường ĐH Bách Khoa HN
9
Luận văn Thạc sỹ: “Thiết kế chế tạo mô hình Máy cắt kính”
GVHD: Lê Thanh Sơn
5. Kết cấu của Luận văn
Luận văn được xây dựng dựa trên quá trình nghiên cứu và chế tạo mô hình thực
tế máy cắt kính. Được sự hướng dẫn tận tình của TS. Lê Thanh Sơn, đề tài gồm 6
chương, có kết cấu như sau:
Chương I:
Chương II:
Chương III:
Chương IV:
Chương V:
Chương VI:
Tổng quan về phương pháp tạo hình kính tấm
Phương pháp cắt kính sử dụng lưỡi cắt kim cương
Phân tích chọn phương án thiết kế máy
Thiết kế các cụm chi tiết chính
Thiết kế hệ thống điều khiển
Thử nghiệm Máy cắt kính.
HV:Trần Quang Huy – Lớp CB2010B –MSHV: CB101247 - Trường ĐH Bách Khoa HN
10
Luận văn Thạc sỹ: “Thiết kế chế tạo mô hình Máy cắt kính”
GVHD: Lê Thanh Sơn
CHƢƠNG I
TỔNG QUAN VỀ PHƢƠNG PHÁP TẠO HÌNH KÍNH TẤM
Trong chương này sẽ trình bày về các vấn đề sau:
-
Ứng dụng của kính tấm trong xây dựng
-
Đặc điểm của các hình thức cắt kính bằng tay và cắt kính bằng máy, ưu nhược
điểm.
-
Các phương pháp tạo hình kính tấm.
1.1. Ứng dụng của Kính Tấm
Từ những năm 50 của thế kỉ XX, người ta đã phát triển được những loại thủy
tinh có tính phản quang thấp, tính chống mài mòn và độ bền cao, trong khi đó nếu so
sánh với các vật liệu kim loại có cùng cơ tính thì thủy tinh nhẹ, có tính thẩm mĩ cao và
giá thành rẻ hơn rất nhiều. Từ đó, thủy tinh ngày càng có nhiều ứng dụng, đặc biệt là
các loại thủy tinh tấm được sử dụng nhiều trong đời sống và nhất là trong ngành xây
dựng.
Trong xây dựng, kính tấm đã và đang được sử dụng ngày càng nhiều trong tất
cả các công trình. Kính tấm được sử dụng làm từ trần nhà, tường, cửa hoặc thậm chí là
gạch, tới các vật dụng trang trí trong nhà như gương, khung tranh v. v… Những ưu
điểm sau giúp cho kính tấm ngày càng được ứng dụng rộng rãi trong ngành xây dựng:
-
Thủy tinh là vật liệu trong suốt, do đó sử dụng thủy tinh làm tường hoặc làm
cửa đảm bảo cho một lượng lớn ánh sáng mặt trời chiếu vào trong nhà, thay vì
phải phụ thuộc vào các nguồn sáng nhân tạo. Đồng thời việc sử dụng kính cũng
giúp cho sự hòa trộn giữa ánh sáng bên trong và bên ngoài tốt hơn, tạo cho nhà
ở một không gian thoáng đãng và góp phần cải thiện sức khỏe của người sống
hoặc làm việc bên trong đó.
-
Thủy tinh có thể tái chế hoàn toàn, do đó đây là vật liệu rất tiết kiệm và thân
thiện với môi trường.
HV:Trần Quang Huy – Lớp CB2010B –MSHV: CB101247 - Trường ĐH Bách Khoa HN
11
Luận văn Thạc sỹ: “Thiết kế chế tạo mô hình Máy cắt kính”
-
GVHD: Lê Thanh Sơn
Việc gia công kính tấm dễ dàng hơn so với gia công các vật liệu kim loại, có thể
cắt được các tấm kính có kích thước lớn và hình dạng tùy ý, do đó sử dụng kính
có thể thiết kế được công trình có hình dạng rất phong phú.
-
Thủy tinh là vật liệu cách âm tốt.
-
Vệ sinh dễ dàng.
Kính sử dụng trong xây dựng có hình dáng rất phong phú, tuy nhiên các tấm
kính chỉ được đưa ra khỏi các nhà máy cán ép dưới dạng tiêu chuẩn với các kích thước
xác định, do đó để có thể sử dụng được, cần phải có nguyên công tạo hình cụ thể. Với
các yêu cầu ngày càng cao của các công trình xây dựng, một điều tất yếu là phải phát
triển được những phương pháp tạo hình kính tấm đảm bảo chất lượng, thẩm mĩ và
năng suất. Mặt khác, thủy tinh là loại vật liệu giòn nên không thể áp dụng được các
phương pháp gia công cắt gọt như đối với các loại vật liệu thông thường khác. Tùy
thuộc vào yêu cầu về chất lượng và quy mô, có thể cắt kính tấm theo 2 phương pháp:
-
Cắt kính bằng tay.
-
Cắt kính bằng máy.
1.2. Hai hình thức cắt kính.
1.2.1. Cắt kính bằng tay.
1.2.1.1. Đặc điểm.
Cắt kính bằng tay phổ biến trong quá trình sản xuất quy mô nhỏ với các sản
phẩm có số lượng ít và yêu cầu chất lượng không cao, ví dụ như khung tranh, khung
ảnh hoặc các vật dụng trong gia đình v.v… Quá trình cắt kính bằng tay được thực hiện
trên một bàn máy có kích thước tối thiểu bằng kích thước tấm kính lớn nhất được gia
công. Bàn máy phải phẳng, đủ cứng vững, được phủ bằng nỉ và được trang bị trên đó
đầy đủ những vật dụng cần thiết cho quá trình cắt: bàn gá nghiêng, bàn xoa kiểu khí
nén, thước đo, vật dụng dùng để tách tấm kính sau khi cắt như kìm, búa cao su, các
dụng cụ bảo hộ và nhiều dụng cụ phụ khác tùy thuộc vào các hình thức cắt khác nhau.
HV:Trần Quang Huy – Lớp CB2010B –MSHV: CB101247 - Trường ĐH Bách Khoa HN
12
Luận văn Thạc sỹ: “Thiết kế chế tạo mô hình Máy cắt kính”
GVHD: Lê Thanh Sơn
Dụng cụ chủ yếu khi cắt kính bằng tay là dao cắt gồm một cán cầm trên đó có
gắn lưỡi cắt có thể quay xung quanh 1 trục nằm ngang. Hầu hết dụng cụ cắt là những
dụng cụ chính xác, sử dụng lưỡi cắt bằng cacbit vônfram hoặc lưỡi cắt kim cương và
được gá trên một cán dài để tạo lực khi cắt. Cán cầm thường nặng và có kích thước vừa
với tay của người công nhân để dễ dàng khi sử dụng.
Hình 1.1.Dụng cụ cắt kính cầm tay
Quy trình khi cắt kính bằng tay:
-
Lau sạch khu vực xung quanh vị trí định cắt trên bề mặt tấm kính.
-
Đặt tấm kính lên bàn máy, xác định kích thước cần cắt và lấy dấu. Dụng cụ lấy
dấu phải khô, sạch và đường dấu phải được lau sạch dễ dàng sau khi cắt.
-
Bôi dung dịch cắt lên vị trí vết cắt.
-
Đặt lưỡi cắt hướng dọc theo đường dấu, sau đó tạo một vết cắt trên bề mặt tấm
kính bằng cách rạch một đường dọc theo đường dấu, từ 1 mép tấm kính sang tới
mép kia với áp lực vừa đủ. Lưu ý chỉ vạch một đường duy nhất.
-
Tách tấm kính bằng cách cung cấp cho nó một momen uốn vào mặt đối diện với
vết cắt.
HV:Trần Quang Huy – Lớp CB2010B –MSHV: CB101247 - Trường ĐH Bách Khoa HN
13
Luận văn Thạc sỹ: “Thiết kế chế tạo mô hình Máy cắt kính”
GVHD: Lê Thanh Sơn
1.2.1.2. Ưu, nhược điểm .
Ưu điểm:
-
Thuận tiện, có thể ứng dụng ở mọi địa điểm.
-
Có khả năng đáp ứng nhanh với các vấn đề không nhìn thấy được: người công
nhân có thể phát hiện dễ dàng các vấn đề như bề mặt cứng, kính được xử lý nhiệt
không tốt v.v.. và xử lý các tình huống rất nhanh chóng ngay trong quá trình cắt.
Nhược điểm:
-
Năng suất thấp, chủ yếu cắt những sản phẩm có kích thước nhỏ
-
Độ đồng đều về chất lượng vết cắt và kích thước sản phẩm không cao do áp lực
sinh ra bởi tay không đồng đều giữa các lần cắt.
-
Sản phẩm không đảm bảo các yêu cầu về độ vuông góc hay song song giữa các
mép.
-
Trong quá trình cắt cần đến nhiều dụng cụ phụ như thước dẫn, thước đo, dụng
cụ lấy dấu v.v…
-
Người công nhân dễ bị chấn thương trong quá trình cắt do đó cần có các vật
dụng bảo hộ như găng tay, kính mắt, mặt nạ v.v…
-
Dễ xuất hiện các vết sai hỏng. Các vết sai hỏng về phía đáy thường sinh ra khi
tách tấm kính, vết sai hỏng về phía trên thường sinh ra khi cắt, chiều sâu vết cắt
không đồng đều do áp lực sinh ra không đồng đều trong một lần cắt v.v…
-
Khả năng gây vỡ lưỡi cắt cao
-
Không cắt được các loại kính tôi, kính nhiều lớp v.v…
1.2.2. Cắt kính bằng máy.
1.2.2.1 Đặc điểm.
Trước đây, tất cả các loại kính tấm sử dụng trong đời sống đều được cắt bằng
tay. Tuy nhiên cùng với sự phát triển của công nghệ thì cũng nảy sinh một yêu cầu bức
thiết là phải xây dựng được một hệ thống sản xuất đảm bảo năng suất cao, chất lượng
HV:Trần Quang Huy – Lớp CB2010B –MSHV: CB101247 - Trường ĐH Bách Khoa HN
14
Luận văn Thạc sỹ: “Thiết kế chế tạo mô hình Máy cắt kính”
GVHD: Lê Thanh Sơn
sản phẩm và sự đa dạng về chủng loại để đáp ứng nhu cầu của thị trường. Tất cả
những yêu cầu này, phương pháp cắt kính bằng tay không thể đáp ứng.
Có nhiều loại máy cắt kính với nhiều nguyên lý hoạt động khác nhau, nếu phân
loại theo cấu tạo lưỡi cắt, các loại máy cắt kính tấm được chia thành 3 loại chính sau:
-
Máy cắt kính sử dụng chùm tia laser
-
Máy cắt kính sử dụng tia nước có hạt mài
-
Máy cắt kính sử dụng lưỡi cắt bằng kim cương.
Hình 1.2.Máy cắt kính sử dụng tia laser
HV:Trần Quang Huy – Lớp CB2010B –MSHV: CB101247 - Trường ĐH Bách Khoa HN
15
Luận văn Thạc sỹ: “Thiết kế chế tạo mô hình Máy cắt kính”
GVHD: Lê Thanh Sơn
Hình 1.3.Máy cắt kính sử dụng tia nước có hạt mài
Hình 1.4.Máy cắt kính CNC sử dụng lưỡi cắt kim cương
Về cấu tạo chung, bất kỳ máy cắt kính nào cũng bao gồm ít nhất 3 trục chuyển
động X,Y,Z. Các trục X và Y điều khiển chuyển động của lưỡi cắt theo biên dạng cần
cắt trên mặt phẳng bàn máy, còn trục Z điều khiển đầu cắt chuyển động theo phương
HV:Trần Quang Huy – Lớp CB2010B –MSHV: CB101247 - Trường ĐH Bách Khoa HN
16
Luận văn Thạc sỹ: “Thiết kế chế tạo mô hình Máy cắt kính”
GVHD: Lê Thanh Sơn
vuông góc bàn máy. Lưỡi cắt được điều khiển dựa trên 2 thông số: phương và tốc độ
cắt. Đối với các loại máy sử dụng lưỡi cắt bằng kim cương, lưỡi cắt còn phải được
điều khiển góc xoay quanh trục vuông góc với bàn máy để đảm bảo nó luôn ở phương
vuông góc với quỹ đạo chuyển động tại vị trí tiếp xúc.
1.2.2.2.Ưu điểm so với quá trình cắt kính bằng tay.
-
Năng suất cao, cắt được mọi kích cỡ và hình dạng tùy vào kích thước bàn máy
-
Đảm bảo được độ đồng đều về chất lượng sản phẩm trong cả loạt
-
Đảm bảo các yêu cầu về độ vuông góc và song song giữa các mép tấm kính
-
Cắt được mọi loại kính. Kính cường lực được cắt bằng tia nước có hạt mài còn
các loại kính nhiều lớp có thể cắt bằng tia laser
-
Vận hành máy đơn giản.
1.3. Các phƣơng pháp tạo hình kính tấm.
1.3.1. Phƣơng pháp cắt kính sử dụng tia laser.
1.3.1.1.Phương pháp cắt laser không có vết cắt(Zero Width Laser Cutting
TechnologyTM (ZWLCTTM))
là phương pháp gia công sử dụng chùm tia laser được điều khiển
công suất, tác dụng lên bề mặt vật liệu giòn nhằm tạo ra lực bề mặt lớn hơn lực liên kết
giữa các phân tử vật liệu. Phương pháp này cho phép đạt độ chính xác cao nhất trong
các phương pháp gia công được biết đến từ trước tới nay.
Phương pháp này sử dụng chùm tia laser không tiếp xúc với bề mặt vật liệu gia
công để sinh ra ứng suất bên trong vật liệu, từ đó gây ra sự phân tách tấm vật liệu. Do
không có tiếp xúc giữa dụng cụ cắt và vật liệu gia công nên sự giảm cơ tính bề mặt
cùng với vết cắt và sự gẫy vỡ tại vết cắt bị loại trừ. Sự biến dạng được loại trừ đáng kể.
Ngoài ra phương pháp này còn cho phép tiết kiệm được chi phí vệ sinh phân xưởng do
cắt không có phoi.
HV:Trần Quang Huy – Lớp CB2010B –MSHV: CB101247 - Trường ĐH Bách Khoa HN
17
Luận văn Thạc sỹ: “Thiết kế chế tạo mô hình Máy cắt kính”
GVHD: Lê Thanh Sơn
Trong phương pháp ZWLCTTM , chất lỏng làm lạnh được bơm vào tùy theo
lượng nhiệt cung cấp với mật độ công suất thích hợp, điều này dẫn đến sự phân tách
các phân tử ở bề mặt vật liệu dưới một chiều sâu nhất định t. Chiều sâu t tỉ lệ nghịch
với vận tốc cắt v trong điều kiện công suất P không thay đổi, tức là vận tốc càng chậm
thì chiều sâu vết nứt tế vi càng lớn.
Hình 1.5. Quá trình cắt kính không chất làm lạnh
Hiện nay người ta đã chế tạo được những máy cắt tia laser có thể tạo ra lực kéo
đủ lớn để tách một số loại kính mà không cần sử dụng chất làm lạnh. Trong trường
hợp này vết nứt tế vi có thể lan truyền tới độ sâu lớn hơn 0,7mm.
1.3.1.1. Quá trình cắt kính bằng tia laser.
a, Nguyên lý.
Cắt kính bằng tia laser không phải là một công nghệ mới, nó đã cho các kết quả
rất tốt trong các nghiên cứu và ngày càng được sử dụng rộng rãi trong các nhà máy.
Đây là quá trình có điều khiển dùng để cắt kính hoặc các vật liệu giòn khác sử dụng
chùm tia laser, người ta thường sử dụng chùm tia laser CO2 hoặc chùm tia NIR-laser
(chùm tia hồng ngoại gần). Do thủy tinh hấp thụ tốt tia laser CO2 nên phần lớn năng
lượng sẽ được hấp thụ tại lớp bề mặt của tấm kính. Tại đây 90% trong số đó được
chuyển thành nhiệt năng nung nóng lớp bề mặt kính, chiều sâu xâm nhập thường từ
10÷ 50µm. Trái với chùm tia laser CO2, tia NIR-laser do ít bị hấp thụ nên sẽ có đủ
thời gian để làm tăng nhiệt độ của toàn bộ khối kính. Trong phương pháp này, các tia
NIR-laser có bước sóng nhỏ hơn 2µm, đặc biệt các tia có bước sóng 1,030µm hoặc
HV:Trần Quang Huy – Lớp CB2010B –MSHV: CB101247 - Trường ĐH Bách Khoa HN
18
Luận văn Thạc sỹ: “Thiết kế chế tạo mô hình Máy cắt kính”
GVHD: Lê Thanh Sơn
1,064µm cho hiệu quả tốt nhất. Trong phạm vi đề cập của đồ án này, sẽ chỉ quan tâm
đến quá trình cắt sử dụng chùm tia laser CO2.
Cắt kính bằng tia laser có thể tạo ra một vết cắt có chất lượng cao, với những vết nứt tế
vi trên bề mặt vật liệu. Điều này đạt được nhờ quá trình tách lớp kính có điều khiển
thông qua sự kết hợp hai quá trình nung nóng và làm mát. Quá trình cắt kính bằng tia
laser có thể phân chia theo các bước sau:
-
Bề mặt kính bị đốt nóng dưới tác dụng của tia laser
-
Lớp bề mặt bắt đầu xuất hiện ứng suất nén nhưng chưa bị phá hủy.
-
Khi chất làm mát được bơm vào bề mặt tấm kính, xuất hiện vết nứt.
-
Độ chênh lệch nhiệt độ lớn sinh ra ứng suất kéo lớn trên bề mặt tấm kính.
-
Vết nứt ban đầu lan dần trên toàn bộ chiều dày tấm kính.
Hình 1.6. Mô tả quá trình cắt kính dùng tia laser
Một điều cần lưu ý khi đốt nóng tấm kính bằng chùm tia laser là sự sai lệch cục
bộ giữa mặt cắt có tia laser chiếu vào và điểm có nhiệt độ cao nhất trên bề mặt tấm
kính. Có nghĩa là điểm có nhiệt độ cao nhất trên bề mặt tấm kính không hẳn đã nằm
trên mặt cắt chiếu tia laser. Độ chênh lệch này phụ thuộc vào tốc độ của chùm tia laser.
HV:Trần Quang Huy – Lớp CB2010B –MSHV: CB101247 - Trường ĐH Bách Khoa HN
19
Luận văn Thạc sỹ: “Thiết kế chế tạo mô hình Máy cắt kính”
GVHD: Lê Thanh Sơn
Điều này cho phép tùy chỉnh nhiệt độ cao nhất của tấm kính trong suốt quá trình cắt
bằng cách điều chỉnh tốc độ di chuyển của chùm tia laser.
Các vết nứt là kết quả của sự chênh lệch ứng suất giữa lớp lõi và lớp bề mặt của
tấm kính. Trong giai đoạn đốt nóng, chùm tia laser gây nên ứng suất nén trên suốt
chiều dày tấm kính. Trong giai đoạn làm lạnh, lớp ngoài cùng co lại đột ngột trong khi
lớp bên trong chưa kịp co, do đó lớp ngoài chịu ứng suất kéo còn lớp lõi chịu ứng suất
nén. Do sự chênh lệch ứng suất lớn, lớp bề mặt xuất hiện vết nứt tế vi, vết nứt này lan
dần theo suốt chiều dày tấm kính. Độ chênh lệch ứng suất được tính theo công thức
sau:
s= DT.
Trong đó:
- D: bề dày tấm kính
- T: độ chênh lệch nhiệt độ
- E: hệ số giãn nở vì nhiệt
- µ: hệ số Poatxong
- m: modul đàn hồi
HV:Trần Quang Huy – Lớp CB2010B –MSHV: CB101247 - Trường ĐH Bách Khoa HN
20
Luận văn Thạc sỹ: “Thiết kế chế tạo mô hình Máy cắt kính”
GVHD: Lê Thanh Sơn
Hình 1.7. Sự phân bố nhiệt độ và ứng suất trên bề mặt tấm kính
HV:Trần Quang Huy – Lớp CB2010B –MSHV: CB101247 - Trường ĐH Bách Khoa HN
21
Luận văn Thạc sỹ: “Thiết kế chế tạo mô hình Máy cắt kính”
GVHD: Lê Thanh Sơn
Hình 1.8.Ứng suất kéo trên tấm kính
Các thông số của quá trình cắt phụ thuộc vào một vài yếu tố. Hình dạng của vật
liệu gia công và quỹ đạo của chùm tia laser có liên quan đến lực cần thiết để tách tấm
kính. Khả năng hấp thụ của tấm kính có liên quan đến công suất cần thiết của chùm tia
laser. Ngoài ra độ hội tụ và loại tia laser cũng ảnh hưởng đến mật độ và sự phân bổ
năng lượng trên tấm kính.
Hình dạng và kích thước của phôi có ảnh hưởng đáng kể đến tốc độ phân tách.
Với các quá trình cắt theo đường thẳng, thì tốc độ phân tách phụ thuộc chủ yếu vào tỉ
lệ giữa chiều dài và chiều rộng trong khi ứng suất kéo cần thiết để gây ra vết nứt phụ
thuộc độ cứng của bề mặt. Ví dụ, với cùng một tấm kính dày 8mm, chiều dài và chiều
rộng không đổi, nếu tăng tỉ lệ giữa chiều dài và chiều rộng bằng 8 vết khía dọc, thì tốc
độ phân chia tối đa có thể tăng đến 28%. Phôi càng hẹp, thì quá trình cắt diễn ra càng
nhanh. Với các vết cắt có hình dạng phức tạp, ta chia nó thành nhiều đường thẳng
nhỏ. Trong mỗi quá trình cắt nhỏ đó, thì tỉ lệ giữa chiều dài và chiều rộng cũng có ảnh
hưởng tương tự như trên. Như vậy, với bất kỳ quỹ đạo nào thì tỉ lệ giữa chiều dài và
chiều rộng của phôi cũng có ảnh hưởng lớn nhất đến tốc độ phân chia.
HV:Trần Quang Huy – Lớp CB2010B –MSHV: CB101247 - Trường ĐH Bách Khoa HN
22
Luận văn Thạc sỹ: “Thiết kế chế tạo mô hình Máy cắt kính”
GVHD: Lê Thanh Sơn
Đối với kính nhiều lớp, sự tích tụ năng lượng trên một đơn vị chiều dày là yếu
tố rất quan trọng. Nếu năng lượng lớn có thể dẫn tới cháy các lớp liên kết giữa các lớp
kính trong quá trình ghép. Ngược lại nếu năng lượng không đủ sẽ khiến vết nứt không
phát triển được.
Cắt kính bằng tia laser có thể chia thành hai phương pháp:
-
Tạo vết nứt trên toàn bộ chiều dày( Full Body Crack method):
Trong trường hợp này, vết nứt xuất hiện xuyên qua toàn bộ chiều dày tấm kính,
do đó không cần bất kỳ tác động nào khác để tách tấm kính. Phương pháp này thường
được sử dụng để cắt kính tấm có chiều dày tối đa khoảng 1,1mm. Phương pháp này
cho vết cắt có chất lượng rất cao, tuy nhiên lại có nhược điểm là vận tốc cắt nhỏ,
khoảng 2m/phút.
-
Tạo vết nứt tế vi( Micro Crack method):
Trong trường hợp này, vết nứt chỉ phát triển ở một phần nhỏ trên bề mặt của
tấm kính, chiều sâu đạt từ 30-100µm tùy thuộc chất liệu và bề dày kính. Phương pháp
này áp dụng được cho gần như mọi độ dày của tấm kính, sau khi tạo vết nứt bằng tia
laser vẫn cần quá trình tách giống như trong phương pháp thông thường dùng lưỡi cắt.
Ưu điểm của phương pháp là tốc độ cắt nhanh và chất lượng cũng xấp xỉ phương pháp
tạo vết nứt trên toàn bộ chiều dày.
Hình 1.9. Phương pháp tạo vết nứt tế vi (a), và trên toàn bộ chiều dày (b)
HV:Trần Quang Huy – Lớp CB2010B –MSHV: CB101247 - Trường ĐH Bách Khoa HN
23
Luận văn Thạc sỹ: “Thiết kế chế tạo mô hình Máy cắt kính”
GVHD: Lê Thanh Sơn
b, Ưu, nhược điểm của phương pháp
Ưu điểm:
Phương pháp cắt kính không có vết cắt ưu việt hơn so với các phương pháp cắt
kính truyền thống. Sự kết hợp hợp lý giữa các quá trình nung nóng và làm lạnh ( chùm
tia laser đốt nóng một cách chính xác một đường trên bề mặt kính và theo sau nó là
dòng không khí hoặc dòng hỗn hợp không khí + chất lỏng để làm lạnh), có thể tạo ra
ứng suất kéo gây nên khe nứt chính xác trên tấm kính. Các ưu điểm chính của phương
pháp:
-
Độ chính xác cao về tương quan hình học giữa các bề mặt.
-
Vết cắt rất nhỏ.
-
Mép tấm kính không bị vỡ và gần như đảm bảo chất lượng quang học.
-
Tiết kiệm được chi phí cho các quá trình làm sạch, mài, đánh bong và thử đứt
gãy.
-
Không gây thất thoát vật liệu.
-
Không có phoi, có thể đặt trong các phòng yêu cầu độ sạch cao.
Nhược điểm;
-
Yêu cầu năng lượng lớn.
-
Hiệu suất thấp.
-
Khó điều chỉnh công suất ra.
-
Không cắt được các loại kính tôi.
1.3.2. Phƣơng pháp cắt kính bằng tia nƣớc có hạt mài.
1.3.2.1 Giới thiệu chung về phương pháp cắt bằng tia nước và cắt bằng tia nước có
hạt mài.
a, Phương pháp cắt bằng tia nước.
Cắt bằng tia nước (Water Jet Cutting-WJC) là một quá trình sử dụng tia nước ở
áp suất cao để gia công vật liệu, thích hợp cho việc cắt nhựa, thực phẩm, cao su,
HV:Trần Quang Huy – Lớp CB2010B –MSHV: CB101247 - Trường ĐH Bách Khoa HN
24
Luận văn Thạc sỹ: “Thiết kế chế tạo mô hình Máy cắt kính”
GVHD: Lê Thanh Sơn
vải,…Vết cắt hoặc rãnh có độ rộng xấp xỉ 1mm. Đường kính lỗ nhỏ nhất có thể cắt
được là 1,5mm. Phương pháp này còn được gọi là gia công bằng thuỷ động lực học.
b, Phương pháp cắt bằng tia nước có hạt mài.
Phương pháp cắt bằng hạt mài về nguyên lý cơ bản cũng giống như cắt bằng tia
nước, tuy nhiên để tăng khả năng cắt các vật liệu cứng và giòn như thủy tinh, vật liệu
composite… người ta thêm vào trong nước những hạt mài.
1.3.2.2. Quá trình cắt kính bằng tia nước có hạt mài.
a, Nguyên lý:
Nguyên lý của phương pháp này cũng như gia công tia nước nhưng khác ở chỗ
là trong quá trình hình thành tia nước áp suất cao thì cho thêm vào dòng hạt mài. Vận
tốc rất cao của dòng tia khi đi qua lỗ phun sẽ tạo chân không để hút các hạt mài từ ống
chứa hạt mài, sau đó, hạt mài sẽ trộn với nước trong ống trộn. Sau đó nước có trộn hạt
mài được dẫn hướng bởi đầu cắt tiếp tục được phun ra ngoài qua ống chuẩn trực. Dưới
áp suất cao, mỗi hạt mài đóng vai trò như một lưỡi dao cắt 1 vết hẹp trên bề mặt vật
liệu. Việc cấp hạt mài trong quá trình gia công quyết định năng suất gia công.
Đối với gia công tia nước có hạt mài, khi thêm những hạt mài vào tia nước sẽ
làm phức tạp quá trình gia công vì phải bổ sung một số thông số và những thông số
này phải được điều khiển. Những thông số thêm vào cho quá trình là loại hạt mài, cỡ
hạt và tốc độ dòng chảy.
Các loại vật liệu hạt mài thường được sử dụng là Al2O3, SiO2 và garnet, với cỡ
hạt khoảng từ 60 đến 100. Lượng hạt mài được thêm vào trong tia nước xấp xỉ khoảng
0,3kg/phút sau khi thoát ra khỏi vòi phun. Đường kính lỗ của vòi phun vào khoảng từ
0,25 ÷ 0,63 mm. So với khi gia công bằng tia nước thì kích cỡ vòi phun lớn hơn một
chút để có được tốc độ dòng chảy cao hơn và năng lượng nhiều hơn do bên trong nó có
chứa hạt mài.
HV:Trần Quang Huy – Lớp CB2010B –MSHV: CB101247 - Trường ĐH Bách Khoa HN
25
