Nghiên cứu công nghệ và ứng dụng của một số phương pháp cắt nóng chảy trên các thiết bị CNC

...

Bộ giáo dục và đào tạo
Trờng đại học bách khoa hà nội
.

Luận văn thạc sĩ khoa học

Ngành:
s phạm kỹ thuật
Chuyên ngành: Công nghệ chế tạo máy
M số:
Đề tài:

Nghiên cứu công nghệ và ứng dụng của một số phơng
pháp cắt nóng chảy trên các thiết bị CNC.

Ngời hớng dẫn: GS.TS.Trần Văn Địch
Trờng ĐHBK Hà nội
Ngời thực hiện: Ks. Trần Quang Thể
Trờng §HSPKT Vinh

Hµ néi - 2006


Lời cam đoan
Tôi xin cam đoan những nghiên cứu và các kết quả đợc trình bày trong luận
văn này là của riêng tôi, không sao chép từ bất kỳ
các nghiên cứu của ngời khác.
Tôi hoàn toàn chịu trách nhiệm nếu sai.
Tác giả.

Lời cảm ơn
Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc và lời cảm ơn chân thành đến ngời hớng
dẫn, các đồng nghiệp ở trong, ngoài trờng đà đóng góp nhiều ý kiến và giúp đỡ tôi
để bản luận văn này đợc hoàn thành.


MC LC
Mởu
CHNG 1. TNG QUAN ...............................................................3
1.1. Các phơng pháp cắt nóng chảy đợc ứng dụng trong thực tế............3
1.1.1. Ct bng «xy-khÝ ch¸y..........................................................................3
1.1.2. Cắt bằng Platsma ..................................................................................6
1.1.3. Cắt bằngLaser.......................................................................................7
1.1.4. Cắt bằng tia ®iƯn tư...............................................................................8
1.1.5. Cắt bằng tia lưa ®iƯn ............................................................................9
1.1.6. Cắt bng hồ quang điện ........................................................................11.
1.2. Tình hình nghiên cứu cắt kim loại bằng các phơng pháp nóng chảy. 12
CHNG 2. cơ sở lý thuyết của các phơng pháp cắt
nóng chảy kim loại ....................................................14
2.1. Cơ sở lý thuyết của phơng pháp cắtnóng chảy bằng Laser ................... 14
2.2. Cơ sở lý thuyết của cắt bằng tia lửa điện................................................. 31
CHNG 3: máy cắt laser và tia lửa điện ....................57
3.1. Giới thiệu máy cắt Laser .........................................................................57
3.2. Máy cắt xung định hình...........................................................................67
3.3. Thiết bị cắt dây ........................................................................................59
Chơng 4 : các ứng dụng và một số kết quả
nghiên Cứu thực nghiệm
4.1 ứng dụng cắt một số chi tiết trên máy cắt nóng chảy CNC....................92

4.2 Một số kết quả cắt thực nghiệm trên các máy cắt Laser - Tia lửa điện ..98
4.3. ứng dụng phần mềm để thiết kế chơng trình mô phỏng cắt dây............99


1

Mở đầu
Trong những năm gần đây, các loại thiết bị mới về gia công kim loại điều
khiển số CNC đà đợc đa vào sử dụng trong sản xuất ngày càng nhiều ở nớc
ta, trong đó có một phần rất lớn các thiết bị cắt nóng chảy. Vì vậy việc nghiên
cứu và ứng dụng có hiệu quả các công nghệ trên đang là những vấn đề cấp
thiết .
Hiện nay, trong các Trờng Đại học, các Viện nghiên cứu, và các cơ sở
nghiên cứu khác đà và đang triển khai rất mạnh mẽ việc nghiên cứu và giảng
dạy các kiến thức, công nghệ về các lĩnh vực trên .
Trờng Đại học SPKT -Vinh trong thời gian vừa qua đà đợc trang bị
một số loại máy cắt nóng chảy bằng CNC , phục vụ cho công tác giảng dạy và
nghiên cứu ứng dụng , triển khai công nghệ trên trong sản xuất. Để nắm bắt
đợc các kiến thức về cơ sở của lý thuyết , hiểu đợc cấu tạo và nguyên lý làm
viêc của các lọai thiết bị trên , triển khai đợc các quá trình công nghệ trên
các thiết bị đó đang trở nên cấp thiết .
Xuất phát từ nhu cầu đó , bản thân là một học viên Cao học đà mạnh dạn
xin đợc thầy hớng dẫn để có điều kiện nghiên cứu sâu hơn , đợc tiếp cận
với các thông tin , tiếp cận các cơ sở sản xuất có các loại thiết bị trên , nhằm
hoàn thiện thêm các nội dung cấp thiết trên đây .
Để cập nhật đợc kiến thức và công nghệ của các phơng pháp cắt nóng
chảy trên các thiết bị cắt CNC, dới sự hớng dẫn của Giáo s tiến sỹ Trần
Văn Địch khoa cơ khí Trờng Đại học Bách khoa Hà Nội, và sự giúp đỡ của
các tiến sỹ Viện Nghiên cứu Cơ khí, Viện IMI ... Tôi đà tiến hành thực hiện
đề tài Nghiên cứu và ứng dụng một số phơng pháp cắt nóng chảy bằng các

thiết bị CNC Nội dung nghiên cứu gồm những vấn đề sau :
- Nghiên cứu cơ sở lý thuyết của quá trình cắt nóng chảy của một số phơng
pháp mà hiện nay đang đợc ứng dụng nhiều trong các cơ sở sản xuất.
- Nghiên cứu một số thiết bị cắt CNC bằng phơng pháp nóng chảy .


2

- Nghiên cứu , thực nghiệm các quá trình công nghệ cắt nóng chảy trên một số
thiết bị cắt CNC .
Mục đích của đề tài là :
Trên cơ sở nghiên cứu trên tiến hành ứng dụng vào việc giảng dạy các
nội dung đó tại Trờng Đại học SPKT- Vinh . Đồng thời triển khai ứng dụng
công nghệ trên vào trong s¶n xuÊt .


3

Chơng 1: Tổng Quan về các phơng pháp cắt nóng chảy
1-1.

Các phơng pháp cắt nóng chảy đà đợc ứng dụng trong thực tế.

1.1.1 . Cắt nóng chảy bằng khí O2- C2H2 ( hoặc ôxy - khí cháy )
Đây là phơng pháp cắt nóng chảy truyền thống đợc sử dụng rất réng r·i
trong thùc tÕ ë ViƯt Nam cịng nh− ë các nớc khác trên thế giới .
1.1.1.1 .Bản chất của phơng pháp
Dùng ngọn lửa của hổn hợp khí cháy C2H2và khí O2 với tỷ lệ thích hợp ,
thông thờng trong thực tế tỷ lệ này đợc xác định theo ba møc ®é nh− sau :
o2

= 1,1 − 1,2
C2 H 2
O2
≥ 1,2
C2 H 2
O2
1,1
C2 H 2

Hình 1.1. Sơ đồ cắt O xy - khí cháy

Ngọn lửa này đợc sử dụng để nung kim loại cần cắt đến nhiệt độ cháy, sau
đó thổi khí O2 vào vùng kim loại đang nung, O2 sẽ tác dụng với kim loại bị
nung nóng tạo thành các Ô xýt kim loại, các ôxýt kim loại này sẽ bị dòng O2
có vận tốc cao đẩy ra khỏi tấm kim loại, vết cắt đợc tạo thành.
Quá trình cháy của sắt trong O2 xảy ra theo các phản øng sau
Fe + 0,5 O2 = FeO + Q
3Fe +

2O2 =Fe3O4 +Q

2Fe + 1,5 O2 = Fe2O3 +Q


4

Khi cắt dòng O2 hớng trực tiếp vào vùng kim loại bị nung nóng cho nên
lớp bề mặt kim loại bị ôxy hoá mạnh và nhanh , lớp kim loại này sinh ra nhiệt
lợng lớn đủ để làm nóng chảy các lớp kim loại ở phía dới đến nhiệt độ cháy.
Quá trình đó tiếp diễn liên tục cho dến khi toàn bộ chiều dày kim loại cắt bị

ôxy hoá hoàn toàn .
1.1.1.2 . Điều kiện để cắt đợc bằng O2- C2H2 .
Do tÝnh chÊt lý nhiƯt kh¸c nhau , cho nên không phải kim loại nào cũng
có thể cắt đợc bằng nguồn nhiệt của hổn hợp khí trên, các kim loại cắt đợc
bằng loại khí này phải thoả mÃn đợc các yêu cầu sau đây :
- Nhiệt độ cháy của kim loại cắt phải nhỏ hơn nhiệtđộ nóng chảy của nó.
Các loại thép có hàm lợng các bon thấp thoả mÃn đợc điều kiện này, vì
nhiệt độ nóng chảy của nó là 15300C, trong khi đó nhiệt độ cháy của nó là
13500C.
- Hàm lợng các bon có trong thép là yếu tố chính ảnh hởng dến nhiệt độ
cháy của thép, hàm lợng các bon càng tăng thì điều kiện cắt cµng kÐm, së dÜ
nh− vËy lµ do lóc nµy nhiƯt độ chảy của nó tăng lên. Đối với các kim loại và
hợp kim màu thì cắt bằng phơng pháp này rất khó , chất lợng của vết cắt
kém , do vậy khi cắt kim loại màu chúng ta có thể phải sử dụng các phơng
pháp khác.
- Nhiệt độ chảy của Ôxýt kim loại cắt phải nhỏ hơn nhiệt độ chảy của kim
loại đó, nếu không có điều kiện này thì lớp ôxýt tạo thành trên bề mặt cắt sẽ
ngăn cản không cho dòng ôxy thổi vào để ỗy hoá lớp kim loại ở phía dới .
- Lợng nhiệt sinh ra khi cắt phải đủ để duy trì quá trình cắt liên tục, các
nghiên cứu cho thấy rằng lợng nhiệt sinh ra do phản ứng ôxy hoă giữa sắt và
ôxy chiếm khoảng 70% còn lợng nhiệt đa từ ngoài vào do ngọn lửa nung
chỉ đạt khoảng 30% lợng nhiệt tổng trong quá trình cắt .
- Tính dẫn nhiệt của kim loại không đợc quá cao , nếu không nguồn nhiệt
sẽ bị phân tán , không tập trung vào vùng cắt , quá trình cắt sẽ khó xảy ra .


5

- Các ôxýt tạo thành phải có độ loảng cao để dẽ thổi ra khỏi rÃnh cắt .
- Kim loại cắt phải chứa ít tạp chất làm cản trở quá trình cắt .

Từ những điều kiện trên ta nhận thấy các kim loại và hợp kim màu không
thoả mÃn đợc điều kiện cắt, các loại thép các bon có hàm lợng các bon thấp
sẽ cắt dễ, các loại thép các bon có hàm lợng các bon từ 1,2% thì không thể
cắt đợc .
1.1.13 . Các ứng dụng của phơng pháp cắt bằng ôxy axe ty len
Trong thực tế sản xuất việc cắt bằng năng lợng của ngọn lửa ôxy axê
tylen đang đợc ứng dụng rất rộng rÃi, do phơng pháp cắt này có từ lâu và
mang tính truyền thống, giá thành rẻ, thiết bị và dụng cụ cắt đơn giản dẽ vận
hành. Mặt khác cắt bằng phơng pháp này có thể thực hiện đợc ở bất kỳ vị trí
nào và ở cả những nơi không có nguồn điện .
Nguồn vật liệu cắt nh khí ôxy, khí axêtylen, có nhiều trong thực tế và
giá thành rất rẻ, hiện nay do sự phát triển mạnh mẽ của các ngành công nghệ
khác, cho nên ngời ta đà sử dụng thay thế khí axêtylen bằng khí ga nạp sẵn
trong các bình chứa rất thuận lợi, đồng thời cũng rất an toàn cho ngời sử
dụng .
Hiện nay cùng với sự phát triển toàn diện của mọi nghành khoa học , việc
ứng dụng cắt bằng ngọn khí ôxy khí cháy trên các thiết bị cắt công nghệ cao
mà đặc biệt là trên máy cắt kỹ thuật số CNC đang ngày càng đợc sử dụng
nhiều.
1.1.2

.Cắt nóng chảy bằng Plasma .
Nh chúng ta đà trình bày ở trên, cắt bằng ôxy - khí cháy chủ yếu đợc

dùng để cắt các kim loại là thép các bon thấp và các loại thép khác có tính
chất và thành phần hoá học tơng tự . Cắt bằng Plas ma chủ yếu đợc ứng
dụng để cắt các loại vật liệu nh thép không gỉ, các kim loại màu nh nhôm
và hợp kim nhôm .

6

1.1.2.1 . Nguyên lý cắt bằng Plasma .
Khi dòng khí nén bị ion hoá hoàn toàn, bị ép chạy qua khe hẹp giữa hai
điện cực đang phóng hồ quang thì sẽ tạo thành dòng plasma, dòng plasma này
có nhiệt độ rất cao khoảng 16500 0c. Hồ quang plasma bị nén mạnh đầu mỏ
cắt, có nhiệt độ cao, độ tập trung lớn cho nên đợc dùng để cắt.

Hình 1.2. Sơ đồ plasma
Khác với cắt bằng ôxy - khí cháy là dạng cắt dựa trên các quá trình cháy
do các phản ứng ôxy háo kim loại, còn ở đây quá trình cắt lại đợc thực hiện
bằng quá trình dùng nhiệt của dòng plasma để nung nóng kim loại đến trạng
thái chảy sau đó kim loại lỏng bị thổi ra ngoài nhờ vào áp lực của dòng
plasma, rÃnh cắt đợc tạo thành . Cắt bằng phơng pháp này cho ta chất lợng
của mép cắt cao , do nhiệt lợng tập trung rất lớn cho nên chiều rộng rÃnh cắt
có kích thớc rất nhỏ, lợng nhiệt tồn tại trong chi tiết cắt không lớn khả năng
sinh ra biến dạng nhiệt khi cắt thấp .
1.1.2.2. Khí tạo plasma .
Để thuận lợi cho việc tạo thành plasma, khí đợc dùng để tạo thành
plasma phải đạt đợc các yêu cầu nh có khả năng làm mát tốt, không sinh ra
các tác dụng phụ làm ảnh hởng đến chất lợng và năng suất trong quá trình
cắt , trong thực tế khí đợc sử dụng có phạm vi tơng ®èi réng r·i, tuy nhiªn


7

tuỳ theo vật liệu để lựa chọn khí nhằm làm tăng hiệu quả của quá trình cắt .
Hiện nay các loại khí thờng đợc sử dụng nhiều là Ni tơ, Ôxy hoặc không
khí .
1.1.3. Cắt nóng chảy bằng Laser .

1.1.3.1. Thực chất của quá trình cắt bằng laser
Cắt nóng chảy bằng laser , đó là quá trình nung nóng kim loại đến trạng
thái chảy, sau đó dùng dòng khí nén để thổi kim loại lỏng đó ra khỏi rÃnh cắt,
mép cắt đợc tạo thành. ở đây năng lợng laser đợc dùng để làm nóng chảy
kim loại và kim lỏng đó đợc đẩy ra khỏi rảnh cắt nhờ dòng khí nén , do vậy
cho nên trong quá trình cắt không xảy ra các phản ứng khác, quá trình cắt
hoàn toàn là một quá trình vật lý, bởi vậy cho nên phạm vi cắt đợc các loại
vật liệu rộng hơn, có thể cắt đợc cả những vật liệu phi kim loại .
1.1.3.2. Các điều kiện để tạo thành laser.
Để tạo đợc chùm tia laser cần phải hội tụ đủ các điều kiện sau :
- Tạo ra đợc chùm tia tử ngoại nhờ vào quá trình phóng điện trong đèn kích
thích .
- Phải có môi trờng kích hoạt , thông thờng các thiết bị laser hiện nay môi
trờng kích hoạt là CO2/He/N2 .
- Hệ thống gơng phản xạ toàn phần và bán phần .
- HƯ thèng thÊu kÝnh héi tơ .
- Ngn ®iƯn cao thÕ .


8

5
4

6

3

7

8

9
2

10

1
11
12

Hình 1.3. Sơ đồ cắt bằng Laser
1-1-4 . Cắt bằng tia điện tử
1.1.4.1.

Bản chất của quá trình cắt bằng tia điện tử .

Tia điện tử, là dòng diện tử chuyển ®éng víi tèc ®é rÊt lín tõ ca tèt ®Õn
anèt trong môi trờng chân không, khi dòng các điện tử này bị hÃm lại, động
năng của chúng rất lớn và chuyển thành nhiệt năng. Nhiệt năng này làm cho
kim loại nóng chảy, bốc hơi, hoặc bị thổi ra khỏi rÃnh cắt tạo thành vết cắt.
Nh đà trình bày ở trên ta nhận thấy , quá trình cắt bằng tia điện tử đợc
thực hiện trong điều kiện chân không do vậy các yếu tố ảnh hởng từ bên
ngoài là không có . Quá trình cắt chỉ bao gồm là quá trình vËt lý.


9

1.1.4.2. Điều kiện để cắt đợc bằng tia điện tử .
Để thực hiện đợc quá trình cắt bằng tia điện tử cần phải có đủ các yếu tố

sau :
-

Buồng chân không

-

Hệ thống thực hiện các chuyển động khi cắt , bao gồm các chuyển động

ngang và các chuyển động dọc của bàn gá , chuyển động của đầu cắt .
-

Nguồn điện cao áp một chiều .
8
7
6
5
9
4

3
2
1
Hình 1.4. Sơ đồ thiết bị cắt điện tử
1.1.5 .Cắt bằng tia lửa điện
1.1.5.1 . Nguyên lý cắt bằng tia lử điện .
Giữa hai tấm kim loại ta đạt một điện áp một chiều , một tấm kim loại là
điện cực còn tấm kia là chi tiết cắt . Điện áp này khoảng 80v đến 200 v . Hai
tấm kim loại này đợc đạt trong dung dịch cách điện . Đa hai điện cực lại
gần nhau , khoảng cách giữa hai điện cực đủ nhỏ thì hiện tợng phóng điện

xÃy ra .


10

Lúc này nhiệt độ ở đây lên đến 10000 0c làm bốc hơi các vật liệu điện
cực . Nguồn điện đợc ngắt đột ngột , làm cho tia lửa điện biến mất . Dung
dịch lạnh từ ngoài tràn vào kênh dẫn điện , làm hoá rắn hơi vật liệu thành các
hạt ôxyt kim loại . Sau đó nguồn điện lại đợc cung cấp trở lại và tia lửa điện
lại tiếp tục xuất hiện , quá trình tiếp diễn nh ban đầu .

Hình 1.5. Nguyên lý cắt bằng tia lửa điện
1.1.5.2. Điều kiện để thực hiện đợc quá trình cắt bằng tia lưa ®iƯn .
- Ngn ®iƯn cung cÊp .
- VËt liệu của điện cực .
- Dung dịch điện môi .
- Khe hở giữa hai điện cực .
Ta nhận thấy rằng :
- Nguồn cung cấp điện áp dạng xung : khoảng thời gian ngắt điện là
khoảng thời gian cần thiết, để dung dịch điện môi khôi phục lại trạng thái ban
đầu khi ch−a héi tơ ®đ ®iỊu kiƯn dÉn ®iƯn , đồng thời sẵn sàng cho xung gia
công tiếp theo. Nếu thời gian này không có hoặc nhỏ quá sẽ làm cho dung
dịch điện môi luôn ở trạng thái dẫn điện. Điều này làm cho tia lử điện phát
triển thành hồ quang điện. Qúa trình gia công lúc này sẽ thay đổi về bản chất .
- Các loại điện cực đợc chế tạo bằng các loại vật liệu có tính dẫn điện
khác nhau và luôn luôn đợc nhúng ngập trong dung dịch điện môi, là môi
trờng hình thành kênh dẫn diện .


11

- Giữa các điện cực luôn
đợc duy trì khe hở nhỏ để
tạo thành kênh phóng điện .
Khe hở này luôn luôn đợc
đÃm bảo trong suốt quá trình
gia công để duy trì sự
- định của tia lửa điện , sự
ổn định này quyết định đến
chất lợng của quá trình gia
công .

Hình 1.6. Nguyên lý cắt bằng Hồ quang - khí nén
1.1.6. Cắt nóng chảy bằng hồ quang điện .
1.1.6.1 . Bản chất của quá trình cắt bằng hồ quang điện .
Cắt bằng hồ quang điện có thể đợc thực hiện theo hai phơng pháp là :
- Cắt bằng điện cực nóng chảy: Dùng điện cực nóng chảy tạo hồ quang với
vật liệu cần cắt các loại vật liệu này phải là loại vật liệu có tính dẫn điện tốt ,
dới tác dụng của nguồn nhiệt hồ quang điện kim loại bị nóng chảy và do áp
lực của hồ quang , đồng thời do tác động của điện cực khi dịch chuyển , kim
loại lỏng sẽ bị đẩy ra ngoài rÃnh cắt mép cắt đợc tạo thành. Trong quá trình
cắt ngoài sự nóng chảy của kim loại, thì điện cực cũng bị nóng chảy, phơng
pháp này chủ yếu thực hiện bằng tay.
- Cắt bằng điện cực không nóng chảy: Dùng điện cực không nóng chảy để
gây ra hồ quang, nhiệt lợng của hồ quang làm cho kim loại bị nóng chảy,
dới tác dụng của áp lực hồ quangcùng với tác động của điện cực khi dịch
chuyển sẽ đẩy kim loại nóng chảy ra khỏi rÃnh cắt mép cắt đợc tạo thành.


12

1.1.6.2

. Điều kiện để cắt đợc bằng hồ quang điện .

Để cắt đợc bằng hồ quang cần phải thoả mÃn đợc các điều kiện sau :
- Nguồn cung cấp: Phải có diện áp và dòng điện đủ lớn để tạo đợc hồ
quang điện có đủ năng lợng làm nóng chảy vật liệu và điện cực.
- Điện cực nóng chảy, điện cực không nóng chảy phải có khả năng gây hồ
quang và duy trì hồ quang cháy ổn định .
- Vật liệu cần cắt có khả năng ôxy hoá khi chảy loảng cao .
1.2.

Tình hình nghiên cứu về cắt kim loại bằng các phơng pháp nóng
chảy.
Chúng ta đà biết rằng, cắt nóng chảy là phơng pháp cắt có rắt nhiều u

điểm, có thể cắt đợc những chi tiết có chiều dày rất nhỏ cho đến những chi
tiết có chiều dày rất lớn mà chiều dài đờng cắt thì không hạn chế. Do vậy
việc ứng dụng cắt nóng chảy trong thực tế hiện nay, đặc biệt là cắt nóng chảy
bằng những phơng pháp mới đang là vấn đề cấp thiết.
Việc nghiên cứu các phơng pháp cắt nóng chảy truyền thống cũng nh
những phơng pháp mới ở nớc ta cũng đà đợc thực hiện ở các Viện nghiên
cứu chuyên nghành và tại các Trờng Đại học hàng đầu nh Viện nghiên cứu
cơ khí, Viện hàn, trờng Đại học Bách khoa Hà Nội ...
Tuy nhiên việc nghiên cứu các phơng pháp cắt nóng chảy tiên tiến hiện
nay còn gặp một số khó khăn nh các công nghệ cắt mới là những công nghệ
rất phức tạp đòi hỏi phải có sự đầu t rất lớn. Trong lúc đó các cở sở của
chúng ta còn nghèo nàn, thông tin còn ít. Mặc dù vậy nhng trong thời gian
qua , rát nhiều các cơ sở sản xuất đà nhập các công nghệ này và trên thực tế

họ đà và đang tiến hành sản xuất có hiệu quả theo các công nghệ trên .
Hiện nay một số trờng Đại học, Cao đẳng, đang nghiên cứu và giảng dạy
công nghệ và thiết bị cắt nóng chảy bằng các phơng pháp tiên tiến - Máy cắt
nóng chảy CNC. Các công nghệ và thiết bị cắt nóng chảy bằng máy CNC
trong một số lĩnh vực đẫ đợc đề cập đến nhiều trong một số giáo trình, một


13

số công trình nghiên cứu . Đó là những nội dung thuộc về công nghệ và thiết
bị cắt oxy- ga, platsma ... Vì vậy trong luận văn này chỉ đề cập một số nghiên
cứu về các thiết bị và công nghệ của các phơng pháp cắt nóng chảy bằng
laser và bằng tia lửa điện. Đây là hai phơng pháp đang đợc quan tâm nhiều
của các cơ sở sản xuất trong thực tế .
Nội dung đợc trình bày gồm các phần :
- Cơ sở lý thuyết của các phơng pháp cắt nóng chảy bằng laser và tia lử
điện .
- Máy cắt nóng chảy CNC laser , máy xung EDM , máy cắt dây .
- Các ứng dụng trong thực tế , mét sè nghiªn cøu thùc nghiƯm.


14

Chơng 2 : cơ sở lý thuyết của các phơng pháp
cắt nóng chảy bằng laser và bằng tia lửa điện
2.1. Cơ sở lý thuyết của phơng pháp cắt nóng chảy bằng laser
2.1.1. C ác quá trình vật lý xảy ra khi cắt bằng laser có khí thổi trợ giúp
Laser có năng lợng rất lớn có khả năng phát ra chùm tia cực mạnh, đợc
hội tụ tại một vị trí nào đó. Nó có khả năng tạo ra trên bề mặt gia công mật độ
luồng sáng rất cao, có tác dụng nung nóng chảy, hoặc làm bay hơi vật liệu.

Đồng thời dới tác dụng của dòng khí trợ giúp phần kim loại nóng chảy sẽ bị
đẩy ra ngoài. Quá trình tơng tác của bức xạ laser với vật liệu là một quá trình
phức tạp và phụ thuộc vào nhiều yếu tố, quá trình này bao gồm các bớc sau:
-

Vật liệu hấp thụ năng lợng của chùm tia laser và truyền dao ®éng nhiƯt

trong vËt liƯu .
-

Nung nãng vËt liƯu .

-

Ph¸ hủ vật liệu bằng phơng pháp bay hơi hoặc thổi khỏi vùng cắt .

-

Tự nguội sau khi cắt.

2.1.1.1. Qua trình nung nãng vËt liƯu .
Chóng ta biÕt r»ng, khi chïm laser đợc chiếu vào vật liệu , chùm ánh
sáng này một phần bị phản xạ ra khỏi bề mặt vật liệu, một phần thấm vào vật
liệu và đợc hấp thụ, nh vậy vật liệu đà chịu tác dụng của một nguồn nhiệt
xác định. Mật độ công suất hấp thụ của bức xạ laser bên trong thể tích của vật
liệu đợc xác định theo định luật Bugơ:
q v (z ) = q vo (1 R )e .Z

Trong đó :
qv(z) là mật độ bức xạ theo thể tích với khoảng cách z tới mặt gia công

(w/cm3 ).
qvo là mật độ của công suất bức xạ trên bề mặt vật liệu.
1-R=A là khả năng hấp thụ của vật liệu (R- hệ số phản xạ ).


15

là hệ số hấp thụ ánh sáng . (cm-1)




4
co

.n0 .e 2 0
m0

m0
.v,
2
.n0 .e 0

Trong đó :
e0 và mo điện tích và khối lợng của điện tử.
n0 mật độ các điện tử tự do trong kim loại.
v, tần số va chạm các điện tử làm thay đổi xung.
c0 vận tốc ánh sáng trong chân không.
Phần lớn các kim loại có đặc trng là khả năng phản xạ cao , do vậy hệ số
phản xạ

R= 0,7- 0,95
Cho nên :

= 105 106 cm-1 .

Năng lợng tia laser sau khi đà chuyển thành nhiệt, lúc này quá trình
nung nóng vật liệu bắt đầu. Sự truyền nhiệt trong vật rắn đợc thực hiện bằng
các cơ chế truyền nhiệt, đối với kim loại cơ chế truyền nhiệt chủ yếu là cơ chế
truyền nhiệt điện tử. Kích thớc vùng nung nóng đợc xác định bằng chiều
sâu xâm nhập của ánh sáng vào vËt liƯu, do sù dÉn nhiƯt cđa vËt liƯu kÝch
th−íc vùng nung nóng sẽ tăng lên .
Quá trình tăng nhiệt sẽ làm cho vật liệu có sự biến đổi về cấu trúc thành
phần hoá học và các tính chất cơ học khác của vật liệu, đặc biệt là khi kim loại
đạt đến trạng thái nóng chảy. Lúc này do nhiều yếu tố từ bên ngoài tác động
vào vùng kim loại nóng chảy cho nên tại đây sẽ có các phản ứng hoá học xảy
ra, việc các phản ứng này xảy ra ở mức độ nào còn tuỳ thuộc vào môi trờng,
khí phụ trợ sử dụng cho quá trình cắt .
Phơng trình vi phân truyền nhiệt đối với vật rắn đợc viÐt d−íi d¹ng:


16

∂Τ
1
− a∆Τ =
f ( x, y , z , t )
t
.c

Trong đó :

T - là nhiệt độ tại điểm bất kỳ của vật liệu với toạ độ x,y,z tại thời
điểm t.
.c - là nhiệt dung thể tích riêng cđa vËt liƯu.

a- ®é dÉn nhiƯt.
f( x,y,z, t ) - là mật độ thể tích của công suất các nguồn nhiệt tác
dụng bên trong vật rắn.
Từ phơng trình trên ta nhận thấy quá trình phân bố nhiệt trong vật rắn
luôn luôn tuân theo định luật bảo toàn năng lợng. Nh vậy nhiệt toả ra tại
một điểm nào đó, một phần sẽ nung nóng vật liệu tại điểm đó, một phần nữa
truyền sang các khu vực ở lân cận.
Để giải phơng trình trên cần các điều kiện biên , trên bề mặt (x=0), điều
kiện biên có dạng.

(0, y, z, t ) = 0
X

Nếu mật độ ánh sáng hấp thụ không thay ®ỉi theo thêi gian, tøc lµ
f(x,y,z,t)= α qe . x . p ( ax )
thì lúc này tacó :
(x, t ) =

q ⎧⎪
2
⎨ex. p α at
2α .k ⎪⎩

(

)⎡⎢ex. p(− αx )Φ⎛⎜⎜α

⎝

⎣

⎛ x ⎞
+ 4α at .iΦ⎜⎜
⎟⎟ − 2 −αx
⎝ 2 at ⎠

Trong ®ã:
k. ®é dÉn nhiƯt cđa vËt liƯu .
q= q0A
Φ=

2

π

∞

∫ e.x. p(ρ )..dρ
2

u

at −

⎛
x ⎞
x ⎞⎤

⎟⎟ + exp(α .x )Φ⎜⎜ α at . +
⎟⎟⎥
2 at ⎠
2 at ⎠⎦
⎝


17



i = * ( ).d

Và:

u

Đây là hàm tích phân xác xuất bổ sung.
Đối với kim loại bắt đầu từ các thời điểm t > 10 s thì nguồn nhiệt hình
thành từ khi toả nhiệt bên trong lớp hấp thụ có thể coi là bề mặt, sở dĩ nh vậy
là vì :
=

1



< < a.t

Trong trờng hợp này thì

T(x,t) =
T(0,t) =

2q at ⎛ x ⎞
iΦ⎜⎜
⎟⎟
k
⎝ 2 at ⎠
2q. at

π ..k

Nh vậy sự phân bố nhiệt trong vật liệu, và sự thay đổi nhiệt là theo thời
gian. Điều đó đợc xác định bằng tính dẫn nhiệt của môi trờng.
2.1.1.2 . Quá trình phá huỷ vật liệu
Ta nhận thấy rằng, từ khi vật liệu bị nung cho đến khi kim loại bắt đầu bay
hơi có một khoảng trể , khoảng trể này phụ thuộc vào mật độ luồng ánh sáng .
Quá trình phá huỷ xảy ra bao gồm các giai đoạn nh sau:
- Kim loại lỏng bay hơi tạo thành vết lõm .
- Một phần kim loại lỏng thoát ra khỏi vïng nãng ch¶y ë thĨ láng .
Nh− vËy vỊ lý thuyết chúng ta có thể khẳng định quá trình phá huỷ bao
gồm sự bay hơi của kim loại lỏng và đồng thời đó là sự hình thành miệng lỗ,
hay lỗ thủng mà theo đó là sự chuyển động ra khỏi vũng nóng chảy của kim
loại lỏng, sự dịch chuyển này phơ thc vµo tÝnh chÊt cđa vËt liƯu rÊt nhiỊu,
chÝnh những tính chất này của vật liệu quyết định đến khả năng chịu cắt của
kim loại .
Đối với mỗi kim loại có một ngỡng mật độ công suất mà tại đó kim loại
sẽ bị nóng chảy và bay hơi, dẫn đến sự phá huỷ vật liệu. Từ các nghiên cứu

18

thực nghiệm đà xác định đợc phần lớn các kim loại ngỡng này nằm trong
khoảng 105 107 w/cm2.
Tại một thời điểm tv mà trên bề mặt vật liệu đạt tới nhiệt độ Tv lúc này
bắt đầu có sự phân bố lại năng lợng, lợng nhiệt đi vào trong kim loại do cơ
chế dẫn nhiệt của kim loại, lợng nhiệt tại điểm nung. Với sự phân bố này thì
sẽ làm cho quá trình nóng chảy sẽ bị chậm lại, mặc dù vậy lúc này nhiệt độ
vẫn tiếp tục tăng cho đến khi toàn bộ năng lợng hấp thụ đợc đủ để kim loại
bị hoá lỏng và bay hơi .
Trờng nhiệt ®é trong vËt liƯu ë chÕ ®é bay h¬i , đợc xác định bằng
phơng trình sau :


q
q
.e.x. p ( x ) + ⎢Τ0 −
.e.xp(− β x )
k (β − α )
k (β − α )⎥⎦
⎣

T(x) =
Trong ®ã

β=

v0
a

.

Nh− vËy, kÝch th−íc đặc trng của vùng bị đốt nóng trong vật liệu khi bay
hơi , cũng nh khi đốt nóng , đợc xác định bằng chiều sâu thẩm thấu trực tiếp
của ánh sáng . =

1



hoặc bằng đại lợng

a
v0

Giữa giai đoạn nung nóng thuần tuý và giai bay hơi là một giai đoạn đợc
gọi là giai đoạn bay hơi không ổn định. Trên thực tế ngay từ đầu nhiệt độ đÃ
không ổn định mà tiếp tục tăng, tuy nhiên tốc độ bay hơi càng tăng thì tốc độ
nung nóng càng chậm lại. Nh vậy ở đây chúng ta thấy sự có mặt của hai loại
thời gian đợc xác định theo hai dòng, một dòng theo nhiệt độ, và một dòng
theo tốc độ bay hơi. Phơng trình thể hiện quá trình này nh sau :
Τ .V
∂.Τ
∂ 2Τ
⎛ V ⎞
− a 2 = −v(t ) 0 0 e.x. p⎜ − 0 ⎟
a
∂.t
∂x
⎝ a.x ⎠

Trªn đây đà giới thiệu cơ sở của quá trình phá huỷ kim loại trong cơ chế
kim loại đợc nung nóng chảy bằng bức xạ liên tục, hoặc bức xạ xung.


19

2.1.1.3 . Quá trình cắt kim loại
Quá trình cắt bằng Laser cũng giống nh các quá trình cắt nóng chảy
bằng Platsma, có nghĩa là đều dựa trên tác dụng của nguồn nhiệt, của các bức
xạ chuyển động . Khi cắt bằng Laser, phần lớn chùm tia sáng đợc đợc hội tụ
thành vết tròn có bán kính r0 nào đó, và dịch chuyển với một vận tốc v0 không
đổi trên bề mặt vật liệu. Trong trờng hợp này trờng nhiệt độ quanh nguồn
nhiệt đang di chuyển sẽ ổn định và sự phân bố nhiệt độ sẽ phụ thuộc vào
tơng quan giữa thời gian cần thiết để bÃo hoà nhiệt kim loại cắt , thời gian
này là

r0
trong đó a là độ dẫn nhiệt độ. Thời gian đốm sáng đi đợc một đoạn
a

đờng bằng bán kính của nó là

r0
. Nếu bÃo hoà nhiệt xÃy ra trớc khi đốm
V0

sáng đi hết quÃng đờng bằng bán kính của nó, có nghĩa là

V0 .r0

< 1 lúc này
a

nguồn nhiệt đợc coi là di chuyển chậm và nguồn nhiệt có nhiệt độ tối đa ở
tâm của vết cắt đợc xác định nh khi nguồn nhiệt đứng yên và đợc tính
theo công thức sau:


q.r0
V .r
K 1 0 0
4.a






+ Tbd

Trong đó:
K là độ dẫn nhiệt
a- là độ dẫn nhiệt độ
Tbd là nhiệt độ ban đầu .
Vận tốc dịch chuyển nguồn nhiệt tăng thì hiệu ứng tác dụng nhiệt của bức
xạ yếu, lúc này nhiệt độ lớn nhất sẽ dịch chuyển về phía ngợc với chiều
chuyển động của nguồn.
Trong trờng hợp

V0 .r0

>> 1. Lúc này ta có nguồn nhiệt dịch chuyển
a

nhanh và nhiệt độ tối đa ở tâm đợc xác định nh sau :


20

T ≈2

2 q a.r0
. .
+ Τbd
π k V0

Trong thùc tÕ việc cắt các tấm kim loại có chiều dày, thờng đợc kèm
theo khí phụ trợ là khí ôxy thổi vào vùng cắt liên tục. Khi cắt Laser có khí phụ
trợ là ôxy thì luồng khí ôxy thực hiện 3 chức năng sau :
- Ôxy hoá kim loại và làm hạn chế mức độ phản xạ , sau đó đốt cháy kim
loại, nhiệt độ của phản ứng này làm tăng cờng khả năng bức xạ nhiệt của
Laser.
- Do áp lực của luồng khí thổi vào tơng đối lớn cho nên , các sản phẩm của
quá trình cháy sẽ bị thổi ra ngoài , làm sạch vùng cắt , đồng thời tạo điều
kiện cho luồng ôxy tiếp cận với kim loại mới ở phía dới làm thúc đẩy quá
trình phản ứng tiếp theo . Nh vậy khi dùng ôxy phụ trợ thì khả năng cắt sẽ
đạt độ sâu tốt hơn .
- Tăng cờng khả năng làm nguội các khu vực kế cận víi vïng c¾t .
HiƯn nay , trong thùc tÕ chóng ta có thể chia quá trình cắt thành hai dạng
tuỳ thuộc vào tính chất của kim loại .
Dạng thứ nhất: Có sự đóng góp đáng kể của nhiệt lợng phản ứng cháy

trong quá trình cắt vào tổng nhiệt khi cắt . Hầu hết các kim loại có nhiệt độ
cháy thấp hơn nhiêt độ chảy đều thuộc dạng này . Các kim loại cắt đợc theo
dạng này gồm có : các loại thép các bon ít hoặc vừa, Ti tan và hợp kim của nó.
Trong quá trình cắt ở dạng thứ nhất sẽ xảy ra hai chế độ, đó là chế độ cắt
điều khiển đợc và chế độ cắt không điều khiển đợc. Chế độ cắt điều khiển
đợc đó là khi cắt những kim loại mà trong quá trình cắt nhiệt của phản ứng
không đủ để khu vực cháy tự lan rộng trên khắp bề mặt tiếp xúc với luồng khí
phụ trợ . Chế độ cắt không điều khiển đợc đó là khi cắt những kim loại mà
phản ứng cháy diễn ra trên toàn bộ những vùng mà có khí phụ trợ thổi vào.
Chúng tâhòn toàn có thể chuyển từ chế độ cắt không điều khiển đợc sang chế


21

độ cắt có điều khiển đợc bằng cách tăng vận tốc dịch chuyển của chùm tia
Laser .
Dạng thứ hai : Trong quá trình cắt vật liệu không cháy mà chỉ chảy ,
dòng khí chỉ có tác dụng thổi vật liệu lỏng ra khỏi vùng cắt . Cơ chế cắt này
đặc trng cho những kim loại mà khi tác dụng với ôxy thì tạo thành những
ôxýt kim loại khó cháy , đó là những loại thép các bon có hàm lợng các bon
cao, thép hợp kim , đồng, nhôm .v.v.
Để tạo đợc vết cắt sâu khi cắt các vật liệu này cần phải có Laser công suất rất
cao .
Trong quá trình cắt luồng khí ôxy ngoài tác dụng tạo ra phản ứng cháy , còn
có tác dụng làm nguội bề mặt gia công , chính nhờ quá trình làm nguội này
cho nên biến dạng sinh ra trong quá trình cắt bằng Laser rất nhỏ . Mặt khác ta
cũng nhận thấy rằng khi cắt bằng Laser do năng lợng của nguồn nhiệt có khả
năng tập trung rất cao cho nên vùng ảnh hởng nhiệt thờng rất nhỏ . Đó cũng
chính là những u diểm nổi trội của phơng pháp này .
Nhờ có phơng pháp cắt bằng Laser mà chúng ta có thể cắt đợc phần lớn các

kim loại và hợp kim . Cắt Laser có khí trợ giúp là ôxy có thể cắt đợc những
vết cắt có chất kợng cao . Trong trờng hợp cắt những kim loại có chiều dày
lớn chất lợng của vết cắt cũng rất cao . Mặt khác ta cịng nhËn thÊy r»ng do
ngn nhiƯt Laser cã møc độ tập trung rất cao cho nên mạch cắt rất hẹp , tổn
thất nhiệt rất nhỏ, giảm đợc tiêu hao vật liệu khi cắt những kim loại quí hiếm
. Nh vậy tính kinh tế của phơng pháp rất cao .
2.1.2 Chế độ công nghệ cắt bằng Laser một số phơng pháp xây dựng
chế độ công nghệ cắt bằng Laser .
2.1.2.1

Một số phơng pháp xây dựng chế độ cắt bằng Laser .

Hiện nay có hai phơng pháp xây dựng chế độ cắt bằng Laser , đó là phơng
pháp lý thuyết và phơng pháp thực nghiệm . Sau đây trình bày những vấn đề
cơ bản nhất của hai phơng pháp trên .