Phương pháp gia công lase khả năng công nghệ và các đặc điểm kỹ thuật

Mục lục Trang 1. giới thiệu chủ đề nghiên cứu: 1.1 giới thiệu lĩnh vực nghiên cứu. 3 1.2 giới thiệu vấn đề nghiên cứu và mục đích nghiên cứu. 4 1.3 giới thiệu lịch sử hình thành và nguồn phát laser trong các máy cắt. 6 2. tổng quan về nghiên cứu: 2.1 tổng quan các tài liệu liên quan tới vấn đề nghiên cứu. 8 2.2 Phần nghiên cứu của các tác giả trước. 2.2.1 các nhân tố ảnh hưởng tới kết quả bề mặt gia công của phôi. 9 2.2.2 Nghiên cứu độ nhám bền mặt khi cắt thép các bon thấp. 13 2.2.3 chất lượng bề mặt sau khi cắt laser. 15 2.3 Kết luận các phần nghiên cứu trên. 18 3. đề xuất hướng nghiên cứu sử dụng nguồn laser cắt thép các bon thấp: 3.1 mục tiêu nghiên cứu. 20 3.2 Phương pháp nghiên cứu. 20 3.3 Các công cụ cần thiết cho nghiên cứu. 20 3.4 Dự kiến kết quả đạt được. 22 3.5. hướng phát triển. 23 4. Kết luận: 24 -Các mục tiêu đã đạt được của các nghiên cứu trước. - Các tồn tại của các nghiên cứu trước. 5. tài liệu tham khảo. 24 Lời nói đầu Phương pháp gia công(cắt) kim loại bằng tia laser là một trong các phương pháp gia công đặc biệt nó là một môn khoa học trong ngành kỹ thuật cơ khí. Phương pháp này ra đời nhằm thay thế giải quyết cho các phương pháp gia công truyền thống như:tiện, phay, bào, hàn,chuốt…vì gia công truyền thống không gia công được hoặc gia công không đạt hiệu quả kinh tế kỹ thuật đối với vật liệu mới vì vật liệu mới hiện nay có đặc điểm:độ cứ,độ bền cao,khả năng chụi mài mòn tốt chụi đựng được trong các môi trương hóa chất… Phương pháp gia công đặc biệt có khẳ năng gia công được tất cả các loại vật liệu mới với bất kỳ cơ tính nào,gia công được hầu hết các chi tiết phức tạp,tiết kiệm được nguyên vật liệu, đạt độ chính xác cao và hoàn toàn cơ khí hóa tự động hóa Trong bài tiểu luận cơ khí này, giới thiệu về phương pháp gia công lase khả năng công nghệ và các đặc điểm kỹ thuật, các nhân tố ảnh hưởng, các nghiên cứu của các tác giả trước về tác động tới phôi khi gia công với nguồn năng lượng này đồng thời đưa ra hướng hạn chết một số các nhược điểm thông qua thực nghiệm như có thế cắt ở chế độ nào phù hợp nhất với vật liệu nào tốt nhất. Bài tiểu luận chắc chắn vẫn còn nhiều thiếu xót mong các thầy cô giáo và các bạn bổ xung và sửa chữa cho bài dần được hoàn thiện hơn. Chúng em xin cảm ơn! 1.Giới thiệu đề tài nghiên cứu Giới thiệu về lĩnh vực nghiên cứu - Gia công cơ khí là việc sử dụng những công cụ máy móc, thiết bị, phôi đề tạo ra ra các chi tiết phù hợp với yêu cầu . có nhiều các phương pháp gia công khác nhau: hàn ,cắt, dập, đúc … . Trong đó gia công cắt gọt được phổ biến hơn cả chiếm khoảng 50-60% khối lượng lao động trong máy cơ khí và cũng chiến 50 % giá thành sản phẩm. Hiện nay có hai phương pháp đang được sử dụng để cắt gọt: phương pháp truyền thống và phương pháp gia công tiến tiến. - Các phương pháp gia công truyền thống như: Tiện , phay , khoan và mài; các phương pháp này sử dụng các dụng cụ cắt chủ yếu là dao, đá mài tiếp xúc trực tiếp với phôi và lấy đi các phoi. Phương pháp này đang được áp dụng một cách rộng rãi và có hiệu quả tuy nhiên có một số hạn chế, ví dụ: gia công một số vật liệu nào đó ( kim cương, kính, hợp kim cứng…) cực kỳ khó khăn hoặc không thực hiện được, một số các sản phẩm đặc trưng ngành không gian và công nghệ cao. Từ đó các kỹ sư đã nghiên cứu ra các phương pháp gia công khác hoàn toàn với gia công truyền thống đó là phương pháp gia công tiên tiến: Sử dụng dạng năng lượng khác: tia lửa điện, laze, tia nước, tia electron, điện hóa mài mòn điện hóa, sóng siêu âm, tia plasmar… Gia công phương pháp tiên tiến sử dụng nhiều nguồn năng lượng khác nhau để biến đổi phôi thay vì sử dụng các dụng cụ cắt thông dụng do dó có nhiều đặc điểm ưu việt hơn so với các phương pháp truyền thống. Phương pháp gia công khi sử dụng tia laze là một trong số những phương pháp tiên tiến đó. -Nguyên do chọn lựa đề tài: do một số các ưu điểm khi cắt bằng nguồn laser so với các phương pháp khác: + Đây là phương pháp tiên tiến nên có ưu việt hơn các phương pháp tiếp xúc thông thường: Không dùng dụng cụ cắt, không dùng lực cắt, chế độ gia công êm hơn các gia công khác. + Sự chính xác và khả năng gia công các lỗ nhỏ và đường cắt chuẩn xác với biến dạng xung quanh vùng gia công ít. +Có khả năng làm việc trong môi trường không khí, khí trở, chân,không,hoặc ngay cả trong chất lỏng hay chất rắn truyền quang, không có vấn đề tích điện trong môi trường. +Cắt được những vị trí phức tạp,ở vị trí khó tiếp cận, có khả năng tạo ra các rãnh rất hẹp. +Có khẳ năng tự động hóa cao.gia công đạt độ chính xác cao, bề mặt phẳng và các bề mặt phức tạp, thích ứng với hệ thống CAD/CAM. => những ưu điểm này ma phương pháp gia công này đã được quan tâm phát triển chẳng những trong ngành công nghiệp chế tạo mà còn trong ngành truyền thống,y học, đo lường …[1] Giới thiệu về vấn đề nghiên cứu và mục đích nghiên cứu. Vấn đề nghiên cứu. Phương pháp gia công bằng tia laze sử dụng nguồn năng lượng laze để gia công. Tùy theo mức năng lượng và đặc tính tia laze mà được ứng dụng khác nhau vd như :Tác dụng về quang để định vị, tác dụng về gia công,tác dụng trong y tế, sản xuất… Ở đây ta chỉ quan tâm tới lazer gây tác dụng nhiệt và ứng dụng nó trong việc cắt kim loại. Nguồn laser được sử dụng làm nguồn năng lượng cho các quá trình, ứng dụng nhiều trong kỹ thuật, để tập chung vào ứng dụng cụ thể người ta sẽ chia ra các phương pháp cắt sau: + Phư¬ng ph¸p ®ét biÕn vÒ nhiÖt: §©y lµ phư¬ng ph¸p lîi dông sù tËp trung nhiÖt ®ét ngét t¹i mét ®iÓm rÊt nhá trªn bÒ mÆt vËt c¾t vµ liªn tôc ph¸t triÎn víi tèc ®é cao (cë m/s), g©y nên gÉy ®ét biÕn vµ t¹o nªn r·nh c¾t. Phư¬ng ph¸p nµy thưêng dïng khi c¾t vËt liÖu dßn. +Phư¬ng ph¸p c¾t b»ng khoan dïng tia laser khoan c¸c læ s©u hoÆc kh«ng s©u, sau ®ã bÎ gÉy b»ng c¬ häc. Phư¬ng ph¸p nµy thưêng dïng khi c¾t vËt liÖu dßn. +Phư¬ng ph¸p nãng ch¶y, ®èt ch¸y vµ thæi: Lµm cho vËt liÖu nãng ch¶y, ch¸y sau ®ã thæi c¸c s¶n phÈm ch¸y ®i ,t¹o nªn r·nh c¾t. Trong qu¸ tr×nh nãng ch¶y ®ång thêi x¶y ra ph¶n øng ch¸y cung cÊp nhiÖt bæ sung nªn n¨ng lư¬ng tư¬ng ®ư¬ng t¨ng lªn rÊt nhiÒu (10 lÇn) so víi khoan c¾t +Phư¬ng ph¸p nãng ch¶y vµ thæi: Nung nãng ch¶y vïng bÞ c¾t vµ dïng khÝ ¸p suÊt cao thæi chung ra khái vïng c¾t vµ t¹o nªn r·nh c¾t. +Phư¬ng ph¸p bay h¬i: Sö dông nguån nhiÖt cao, tËp trung lµm cho vËt liÖu bay h¬i t¹o nªn r·nh c¾t. +Phư¬ng ph¸p c¾t nguéi : Dïng laser cã d·i tÇn sè vïng cùc tÝm cã n¨ng lưîng siªu cao ®Ó c¾t. Phư¬ng ph¸p nµy dïng ®Ó c¾t vËt liÖu platic, vi phÈu thuËt. ChÊt lưîng mÐp c¾t rÊt cao. [2] Trong nội dung tiểu luận này sẽ trình bày các ảnh hưởng của việc cắt vật liệu sử dụng phư¬ng ph¸p nãng ch¶y vµ thæi: Nung nãng ch¶y vïng bÞ c¾t vµ dïng khÝ ¸p suÊt cao thæi chúng ra khái vïng c¾t vµ t¹o nªn r·nh c¾t, sử dụng để nghiên cứu vấn đề cắt kim loại sắt các bon. Mục đích nghiên cứu - Tìm hiểu về nguồn gốc lịch sử hình thành tia lazer - Tìm hiểu về cấu tạo nguồn năng lượng tạo ra tia laser - Nghiên cứu laze cắt kim loại vật liệu (thép) - nghiên cứu ảnh hưởng chất lượng bề mặt cắt khi cắt với tia laser với thép các bon thấp -Đề suất hướng nghiên cứu ảnh hưởng nhiệt để gia công khi sử dụng nguồn năng lượng lớn laser cắt vật liệu sắt cácbon và so sánh kết quả gia công với các phương pháp khác. 1.3 giới thiệu lịch sử hình thành và nguồn phát laser trong các máy cắt: A.Tìm hiểu về nguồn gốc tia laze: - Tia laser đầu tiên được phát minh vào tháng 5 năm 1960 bởi Maiman. Nó là loại laser hồng ngọc (rắn). Laser uranium đầu tiên bởi phòng thí nghiệm IBM (tháng 11 năm 1960). Laser khí Helium-Neon đầu tiên bởi Phòng thí nghiệm Bell vào năm 1961. Laser bán dẫn đầu tiên bởi Robert Hall ở phòng thí nghiệm General Electric năm 1962. Laser khí CO2 và Nd:YAG đầu tiên bởi phòng thí nghiệm Bell năm 1964. Laser hóa năm 1965, laser khí kim loại năm 1966,… Để sử dụng gia công vật liệu, laser phải có đủ năng lượng. Người ta thường dùng các laser sau để gia công vật liệu: laser CO2, laser Nd-YAG hoặc laser Nd-thủy tinh và laser excimer Trong lĩnh vực gia công kim loại thường dùng laser rắn vì công suất chùm tia tương đối lớn và có kết cấu thuận tiện. [2] B. Tìm hiểu về cấu tạo nguồn năng lượng laser trong gia công kim loại 2 5 4 1 3 Tia laser Sự hình thành của laser: Trong đó: hình 1 Môi trường hoạt tính: Là môi trường chứa các hợp chất giúp biến đổi mức năng lượng nguồn sáng kích thích (có mức năng lượng thấp) thành nhưng tia sáng có năng lượng cao laze: có nhiều môi trường kể trên như CO2, Nd-YAG, thanh hồng ngọc… Nguồn sáng kích thích: Nguồn sáng ban đầu cung cấp năng lượng cho quá trình tạo ra tia laze, được điều khiển thoong qua bộ điều khiển, sẽ điều khiển gián tiếp năng lượng đầu ra. Buồng cộng hưởng quang học: Có tác dụng biến đổi nguồn sáng kích thích thành trạng thái ánh sáng có năng lượng mới laze, nhờ tác dụng của môi trường hoạt tính 1, tại đây ánh sáng sẽ đi qua nhiều lần và biến đổi dần dần 4,5 gương phản xạ : 4 gương phản xạ toàn phần khi ánh sáng chiếu tớ nó được phản xạ lại. 5, gương phản xạ bán toàn phần phản xạ lại những tia sáng chưa đủ năng lượng, khi tia sáng đủ năng lượng sẽ cho đi qua Những tia sáng đủ năng lượng đi qua đó chính là tia laser. [1] Laser-Beam Machining 2. Tổng quan về vấn đề nghiên cứu 2.1 tổng quan các tài liệu liên quan tới vấn đề nghiên cứu Các tài liệu liên quan: phương pháp gia công đặc biệt, công nghệ laser, đặc điểm nhám bề mặt khi cắt với laser CO2 . -phương pháp gia công đặc biệt nghiên cứu tới laser cắt các vật liệu khác nhau, khả năng gia công laser với các phương pháp khác. - công nghệ laser nghiên cứu các nhân tố ảnh hưởng tới phôi khi cắt bao gồm công suất máy phát, các mối quan hệ giữa vận tốc, khả năng cắt của thiết bị - đặc điểm nhám bề mặt khi cắt thép các bon thấp với laser CO2 nêu ra được những ảnh hưởng tùy theo mục đích sử dụng mà sẽ lựa chọn thông số nào làm tiêu điểm: Nếu cắt trong công nghiệp thì khối lượng công việc lớn nên tốc độ cắt sẽ ảnh hưởng rất lớn đến hiệu quả công việc, do đó mà tốc độ cần cao và có thể độ nhám ở mức trung bình. Với một số các chi tiết không cần độ nhám thì có thể tính toán sao cho tốc độ lớn nhất mà nó đạt được. Nếu ứng dụng trong các nghành kỹ thuật có độ chính sác cao thì yêu cầu về tốc độ sẽ không phải là chủ yếu nữa, từ thực nghiệm từ thiết lập ra các công thức tính toán và ở tốc độ nào năng lượng nào chi tiết sẽ đạt độ nhám cao nhất, chính sác nhất từ đó sẽ lựa chọn các thông số phù hợp Phần nghiên cứu của các tác giả trước: 2.2.1, các nhân tố ảnh hưởng tới kết quả bề mặt gia công của phôi: -C¸c yÕu tè ¶nh hưëng ®Õn qu¸ tr×nh c¾t do c¸c th«ng sè cña thiÕt bÞ g©y nªn bao gåm: ¶nh hưëng lo¹i m¸y ph¸t , thiÕt bÞ ®iÒu khiÓn vµ c¸c thiÕt bÞ hæ trî kh¸c... §èi víi thiÕt bÞ , do m¸y ph¸t laser cã nhiÒu lo¹i ( r¾n, láng, khÝ , hçn hîp...) vµ øng víi mçi lo¹i c¸c ®Æc tÝnh cña m¸y l¹i kh¸c nhau như bưíc sãng, tÇn sè , cưêng ®é xung , d¹ng xung....C¸c yÕu tè nµy ¶nh hưëng ®Õn chÊt lưîng c¾t còng như ®é chÝnh x¸c cña vËt c¾t. C¸c th«ng sè cña qu¸ tr×nh c«ng nghÖ ¶nh hưëng nhiÒu ®Õn h×nh d¹ng chiÒu s©u c¾t còng như chÊt lưîng cña vËt gia c«ng .C¸c yÕu tè ¶nh hưëng cña c«ng nghÖ bao gåm tèc ®é c¾t , vÞ trÝ cña tiªu cù, ¸p suÊt dßng khÝ thæi ... 2.2.1.1 ảnh hưởng của vật liệu cắt: Một ưu điểm khá lớn là đa số các vật liệu đều thích hợp với gia công cắt: vải, giấy, gỗ, thủy tinh rồi thép đặc biệt là thép tấm, titanium (thường dùng cho ngành hàng không), nhôm đồng thau… . Thép các bon là loại vật liệu kim loại dễ cắt nhất bằng laser. Các loại thép hợp kimthấp như AISI 4140, 8620,… có điều kiện cắt tương tự như thép các bon.[1] -đăc tính về khả năng hấp thụ năng lượng ánh sáng của vật liệu: lượng hợp kim trong thép tăng thì quá trình cắt trở nên khó khăn hơn. Với thép dụng cụ có hàm lượng vonfram cao thì tốc độ cắt rất chậm và có xỉ. tuy nhiên, khả năng cắt phụ thuộc rất lớn vào khả năng hấp thụ ánh sáng của vật liệu, với các vật liệu hấp thụ kém như đồng, nhôm, ánh sáng sẽ bị phản lại và có thể làm hỏng các thiết bị cắt (đầu lazer) nên các chế độ cắt bằng phương pháp khác sẽ được ưu tiên hơn. lượng CO2 cung cấp lớn (1500w) bề dày là như nhau nhưng ,nhôm là vật liệu dễ cắt hơn cả, sau đó là titan và đồng. Với đồng tốc độ cắt chậm hơn rất nhiều so với các vật liệu khác ở cùng bề dày, do ảnh hưởng của tính chất vật liệu đến khả năng hấp thụ năng lượng laze. Hình 2, ảnh hưởng vật liệu cắt 2.2.1.2 công suất máy phát: Khi c«ng suÊt m¸y ph¸t t¨ng lªn kh¶ n¨ng c¾t ®ưîc vËt liÖu cµng dµy h¬n. MÆt kh¸c khi tiªu cù cña thÊu kÝnh thay ®æi còng lµm thay ®æi chiÒu dµy c¾t ®ưîc. Trong qu¸ tr×nh khoan lç, chiÒu s©u cña lç chÞu ¶nh hưëng nhiÒu sè lưîng xung trong nh÷ng thêi gian kh¸c nhau. Hình 3.Ảnh hưëng cña c«ng suÊt m¸y ph¸t ®Õn chiÒu s©u lç c¾t 2.2.1.3 ảnh hưởng lượng xung tới độ sâu lỗ: Để cắt vật liệu với laser nên người ta thường điều chỉnh năng lượng đầu ra thông qua tần số xung. Tần số xung càng lớn năng lượng sẽ tăng và ngược lại. D¹ng ®ưêng cong cña ®å thÞ thÓ hiÖn chiÒu s©u cña lç c¾t t¨ng lªn khi sè lưîng xung cµng t¨ng, nhưng ®Õn mét sè lưîng xung nµo ®ã th× kh¶ n¨ng t¨ng ®ưêng kÝnh lç kh«ng ®¸ng kÓ n÷a. Hình 4.Sù phô thuéc gi÷a ®é s©u lç víi sè xung VËt liÖu ferit, chiÒu dµy 0,8 mm, n¨ng lưîng 1 xung lµ : 1 - 0,2 Jun; 2- 0,25 Jun; 3-0,35 Jun; 4-0,4 Jun; 5- 0,5 Jun 2.2.1.4 phô thuéc ®ưêng kÝnh ®Çu má c¾t vµ vËn tèc c¾t: Hình 5.Sù phô thuéc ®ưêng kÝnh ®Çu má c¾t vµ vËn tèc c¾t Qua đồ thị ta thấy khi đường kính đầu cắt quá nhỏ thì vận tốc nhỏ, và vận tốc tăng nhanh dần khi đường kính đầu cắt tăng tới 1 giá trị giới hạn, năng lượng tập chung sẽ giảm do đó vận tốc sẽ bị giảm xuống , do vậy chúng ta cần chọn đường kính đầu cắt 1 cách hợp lý để tốc độ cắt đạt giá trị lớn. 2.2.1.5 Sù phô thuéc cña tèc ®é c¾t vµo chiÒu dµy vËt c¾t: Tãc ®é c¾t cã quan hÖ mËt thiÕt víi kh¶ n¨ng c¾t chiÒu s©u còng như h×nh d¹ng tiÕt diÖn ngang lç c¾t. Tèc ®é c¾t cµng cao th× chiÒu dµy c¾t cµng gi¶m. qua thực nghiệm ta thành lập được đồ thị biểu diễn được sù phô thuéc cña tèc ®é c¾t vµo chiÒu dµy vËt c¾t: Hình 6 Sù phô thuéc cña tèc ®é c¾t vµo chiÒu dµy vËt c¾t VËt liÖu c¾t :thÐp cacbon A42, P=1.5, Kw, D= 1.8mm, ¸p suÊt dßng khÝ hç trî c¾t : 2bar (c¸ch bÒ mÆt 2mm) 2.2.1.6 sự phụ thuộc của rãnh cắt với tốc độ cắt: - Khi tèc ®é c¾t cµng cao th× chiÒu réng r·nh c¾t nhËn ®ưîc cµng hÑp h¬n do sù truyÒn nhiÖt ra xung quanh vïng c¾t gi¶m ®i.Trªn h×nh sau đây dÉn ra c¸c r·nh c¾t thuû tinh tectolÝt dµy 5mm,P = 2 kw với V1 < V2 < V3 < V4. Hình 7 sự phụ thuộc của rãnh cắt với tốc độ cắt 1 - Tèc ®é c¾t 6,6m/ph 2 - Tèc ®é c¾t 16,6 m/ph 3 - Tèc ®é c¾t 25 m/ph 4 - Tèc ®é c¾t 33 m/ph. 2.2.1.7 Phô thuéc h×nh d¹ng cña lç gia c«ng vµ chiÒu s©u cña lç vµo vÞ trÝ ®Æt tiªu ®iÓm cña chïm laser: -VÞ trÝ tiªu ®iÓm cña chïm tia laser so víi bÒ mÆt vËt gia c«ng lç ¶nh hưëng rÊt ®¸ng kÓ ®Õn h×nh d¸ng lç khoan còng như chiÒu s©u lç.Tiªu ®iÓm cña chïm tia n»m ®óng trªn bÒ mÆt trªn cña vËt gia c«ng th× h×nh d¸ng cña lç khoan theo chiÒu s©u ®Òu ®Æn h¬n vµ chiÒu s©u cña lç ®¹t ®ưîc hîp lý nhÊt . Hình 8 : Phô thuéc h×nh d¹ng cña lç gia c«ng vµ chiÒu s©u cña lç vµo vÞ trÝ ®Æt tiªu ®iÓm cña chïm laser -Ngoµi ra bÒ mÆt mÐp c¾t ®¹t ®ưîc chÊt lưîng cao hay kh«ng cßn phô thuéc vµo c«ng nghÖ c¾t cã sö dông dßng ¸p lùc khÝ thæi hç trî hay kh«ng, hưíng dÞch chuyÓn chïm tia laser trong khi c¾t. -Ngoµi ra ®é chÝnh x¸c gia c«ng cßn phô thuéc vµo c¸c thiÕt bÞ ®iÒu khiÓn. ViÖc ®iÒu khiÓn qóa tr×nh c¾t b»ng c¸c m¸y CNC sÏ cho phÐp ®¹t ®ưîc ®é chÝnh x¸c s¶n phÈm c¾t vµ chÊt lưîng vËt c¾t cao còng như t¨ng n¨ng suÊt qu¸ tr×nh c¾t . 2.2.2 Nghiên cứu độ nhám bền mặt khi cắt thép các bon thấp: đặc điểm nhám bề mặt khi cắt với laser CO2 Cắt laser (CO2) với tấm kim loại. Để điều tra chất lượng bề mặt, ta chọn để phân tích độ nhám trung bình, hoặc Ra thô bề mặt, được thể hiện như: Trong đó z là độ nhám profin thật, L: chiều dài khoảng đang sét Một cách tổng quát cho thấy rằng độ nhám Ra tăng khi tăng năng lượng Laser. Ra, và Rz giá trị sẽ được đánh giá tùy thuộc vào hai thử nghiệm điều kiện: năng lượng và tốc độ cắt: Hình 9 Kết quả thực nghiệm thu được bằng cách đo độ nhám quang học 3D được đưa ra trong hình 10 Ra: sai lệch độ nhám profin trung bình, các giá trị này được sắp sếp theo vận tốc: Hình 10,ảnh hưởng năng lượng tới Ra Ta thấy tốc độ cắt tăng lên, khi cắt với tốc độ thấp 600mm/min: độ nhám Ra giảm đi khi tăng công suất phát laser , đặc biệt chú ý khi cắt tại vận tốc 1200mm/min công suất lớn hơn 4 kw độ nhám tăng nhanh giá trị là gần như liên tục. Tốc độ cắt cao nhất (2200 mm / min) Ra không thay đổi nhiều. [6,131] Rz: ảnh hưởng của tốc độ cắt và năng lượng tới giá trị nhám bề mặt (Rz độ nhám trung bình theo 10 điểm): Hình 11, mối quan hệ năng lượng và Rz Quá trình thay đổi Đáng kể giá trị Rz xảy ra với tốc độ cắt thấp (600 mm / phút) khi năng lượng bị giảm đi giá trị độ nhám này tăng lên rõ rệt. Tại giá trị năng lượng của 4 KW, Rz gần như hằng số. [6,131] 2.2.3 chất lượng bề mặt sau khi cắt laser : Nghiên cứu cắt laser được thực hiện trên các thiết bị cắt laser công suất tối đa 3200 W. phôi độ dày 6 mm được làm bằng thép carbon thấp (0,2% C,0,8-1,4% Mn, 0,015% S, 0,012% N, 0,3% Cu) và thép không gỉ (11% Cr,11% Ni, 0,8% Si, 2% Mn). Hình 12 hình ảnh mẫu cắt thử làm thí nghiệm Đường viền của phôi gia công được đo dọc theo đường giữa các điểm đánh dấu (A - B và C - D). Hình ảnh nghiên cứu được phân tích tại vị trí "E".Tốc độ cắt Laser, Vf được thay đổi trong quá trình nghiên cứu (Bảng 1) Hình 13,biểu diễn tốc độ và vị trí phân tích Hình 14 bề mặt khi gia công với tốc độ 3000mm/phút và 3300mm/phút, với thép ít các bon. Hình 15 bề mặt khi gia công với tốc độ 1800mm/phút và 2400mm/phút, với thép ít các bon. Trong các thí nghiệm các mẫu phôi với độ lặp chiều cao đạt được độ lệch hình dạng không vượt quá giá trị của thép cacbon thấp ± 0,03 mm và thép không gỉ ± 0,02 mm. Phôi gia công mm 2400 tốc độ / min (thép carbon thấp) và 1700mm/min (thép không gỉ) có giá trị nhỏ nhất. các giá trị cao nhất khi gia công tốc độ 3300 mm / min (thép carbon thấp) và 1360 mm / min (thép không gỉ). [7,11] Các giá trị của các thông số độ nhám bề mặt được lựa chọn cho tốc độ cắt khác nhau được hiển thị trong hình dưới Hình 14 Hình ảnh độ nhám khi cắt với tốc độ khác nhau Hình15. Các giá trị của các thông số độ nhám bề mặt được lựa chọn cho tốc độ cắt khác nhau. [7] 2.3 Kết luận các phần nghiên cứu trên: -Cũng giống như các phương pháp khác một số các thông số ảnh hưởng tới bề mặt gia công của chi tiết , với laser đã loại bỏ được một số như gây ứng suất do tiếp súc, chất lượng bề mặt sau khi gia công. Tuy nhiên, khi chất lượng bề mặt được đảm bảo thì ta sẽ nghiên cứu sâu hơn cho các chi tiết phức tạp hơn, yêu cầu kỹ thuật cao hơn và vấn đề năng suất cũng phải được kể đến thông qua vận tốc cắt của nó. Các yếu tố ảnh hưởng khi gia công vật liệu bao gồm: ảnh hưởng bởi laser, ảnh hưởng bởi vật liệu, ảnh hưởng kết cấu: - các phần nghiên cứu về laser với vật liệu thép các bon thấp cho thấy: + Đặc điểm nhám bề mặt: khi cắt với laser CO2 cho thấy năng lượng tăng khi cắt ở tốc độ thấp làm giảm độ nhám nhưng tốc độ cao làm nhám bề mặt tăng lên, tuy nhiên dựa vào đồ thị tốc độ cắt tối ưu là 2200mm/phút ở công suất 3kw vật sẽ đạt chất lượng cao nhất. + Khi cắt với các vật với năng lượng cao đồng nghĩa với việc công suất lớn hơn khả năng cắt tốt và tốc độ nhanh hơn. + Đối với yếu tố vật liệu: đây là yếu tố được quyết định bởi vật liệu của chi tiết nếu tính chất có cơ tính càng vững chắc thì càng cần tới năng lượng phá hủy càng lớn đo đó đòi hỏi công suất nguồn phải đủ lớn. Một số vật liệu cơ tính mức trung bình nhưng tính chất phản xạ ánh sáng tốt thì hiệu quả cắt giảm. + Đối với kết cấu của chi tiết: bề dày tỉ lệ thuận với nguồn năng lượng, tỉ lệ nghịch với vận tốc do đó cần phải tính toán cho bề dày chi tiết phù hợp, khi khả năng nguồn năng lượng giới hạn bởi công nghệ. Trong sản xuất các yếu tố có mối quan hệ chặt chẽ với nhau tùy theo yêu cầu của chi tiết gia công mà sẽ chỉnh các yếu tố đo ở mức phù hợp nhất. Nếu lấy chất lượng gia công làm hàng đầu mà yếu tố công nghệ kỹ thuật không thể hoặc khó có thể đạt được.Tốc độ cũng là một yếu tố quan trọng trong sản xuất công nghiệp hàng loạt. 3.đề xuất hướng nghiên cứu sử dụng nguồn laser cắt thép các bon thấp: -Hướng nghiên cứu sẽ tập chung vào nghiên cứu các nhược điểm của phương pháp laser đồng thời cùng môt loại chất liệu sẽ tìm được phương pháp nào tốt dễ gia công mà chi phí cho quá trình gia công đó nhỏ. Trước tiên phương pháp dùng laser với một số các phương pháp khác có ưu điểm chung sau: Gia công nước: gia công được các vật liệu mà tia nước không thể gia công: vd hợp kim cứng, kim cương; có thể đạt chính sác bằng hoặc hơn tia nước; gia công được với vật liệu dày hơn, vết cắt nhỏ nên chính sác hơn và ít tốn vật liệu hơn.Ưu điểm hơn phương pháp tia lửa điện như gia công nhanh, chính sác, chất lượng vết cắt tốt hơn. Tuy nhiên có 1 số nhược điểm: Hiệu suất thấp, khó điều chỉnh công suất ra, khả năng điều chỉnh độ lệch tia kém hơn tia điện tử, có kỹ thuật cao, sự phá hủy về nhiệt có ảnh hưởng tới phôi. Các phần nghiên cứu trên đề nêu các nhân tố ảnh hưởng tới phôi, nhưng chưa có phần nghiên cứu về ảnh hưởng bởi nhiệt. Nhóm đã đề suất cho đề tài để hạn chế một số các nhược điểm trên, phần nghiên cứu này sẽ tập chung vào khảo sát những đặc điểm khi gia công bằng laser với tấm thép dày thấp các bon là: khảo sát vùng ảnh hưởng bởi nhiệt tại vùng cắt, đặc điểm bề mặt khi cắt với tấm dày và so sánh các phương pháp gia công tiên tiến khác. Để tận dụng thêm nguồn chi tiết sau gia công thì ngoài khảo sát về nhiệt sẽ khảo sát luôn cả phần đặc điểm bề mặt khi cắt với tấm dày và so sánh các phương pháp gia công tiên tiến khác. 3.1 mục tiêu: Xây dựng cơ sở của phương pháp sử dụng nguồn tia laser để cắt các tấm thép dày các bon thấp: + Với công suất máy lớn sử dụng nguồn laser công suất phát ra được điều chỉnh thông qua tần số xung. + đánh giá được ảnh hưởng bởi nhiệt tại vùng gia công đến tổ chức tế vi trước và sau khi gia công; từ đó thấy được sự tác động tới độ cứng của chi tiết thông qua việc đo độ cứng. + đánh giá được chất lượng bề mặt sau khi gia công, ứng dụng chi tiết. + Ngoài yếu tố về nhiệt đánh giá thêm việc tác động các yếu tố khác trong quá trình gia công tới chi tiết sau gia công như: loại khí bảo vệ, áp suất khí, môi trường, độ dày chi tiết, nguồn phát. + Đánh giá sự ưu việt của phương pháp dùng laser với sử dụng các phương pháp khác. 3.2 Phương pháp nghiên cứu: Phương pháp được tiến hành thông qua thực nghiệm, qua các mẫu thử và dựa trên sự phân tích các kết quả đã có trước đó. 3.3 công cụ cho nghiên cứu: - công cụ thí nghiệm: Sử dụng nguồn laser công suất lớn có thể sử dụng nguồn laser CO2 hoặc nguồn laser ND-YAG công suất có thể từ 1000w-5000w được điều khiển chính sác b»ng m¸y CNC. Máy đo độ cứng để xác định độ cứng từ đó nêu ảnh hưởng của phương pháp laser này tới cấu trúc của vật liệu. Các công cụ cho việc quan sát: nhám, tổ chức tế vi của vật liệu, thí nghiệm gia công cắt laser qua mẫu thử nhằm đánh giá các tấm thép dày thấp các bon, được phân tích dựa trên phân tích hình ảnh mẫu thử nên sử dụng kính hiểm vi quang học điện tử. So sánh các mẫu thử với các phương pháp sử dụng tia nước, tia plasmar, hạt điện tử ở các môi trường về tác động khi điều kiện môi trường thay đổi trong khi gia công như nhiệt độ, oxi hóa bề mặt… Sử dụng các loại khí hỗi trợ trong gia công laser: O2,CO2, 1 số các loại khí trơ, trong quá trình thí nghiệm sẽ ghi các số liệu đo được nêu ảnh hưởng của các khí này. công cụ tính toán: Ngoài ra áp dụng các cơ sở lý thuyết độ chính sác sau khi gia công, các phương pháp đo, đánh giá chất lượng bề mặt đối với chi tiết đó: Ra,Rz. Các tiêu chuẩn áp dụng độ nhám khi cắt ở các chế độ khác nhau : Hình 15 Sai lệch trung bình Ra Sai lệch trung bình số học của prôfil Ra, được đo bằng µm. Là trung bình số học các giá trị tuyệt đối của prôfil (hi) trong khoảng chiều dài chuẩn (L) Hình 16 Chiều cao trung bình của prôfil Rz Chiều cao trung bình của prôfil Rz, µm. Là trị số trung bình của tống các giá trị tuyệt đối của chiêu cao 5 đỉnh cao nhất (ti) và chiều sâu của 5 đáy thấp nhất (ki) của prôfil trong khoảng chiều dài chuẩn (L). Hình 17 Các cấp độ nhẵn bề mặt Qua đó đánh giá chất lượng bề mặt và ảnh hưởng bởi nhiệt với vật liệu dày. Áp dụng lý thuyết biến đổi tổ chức tế vi của vùng chịu ảnh hưởng bởi nguồn nhiệt laser trong quá trình bắt đầu tác động, quá trình cắt, kết thúc quá trình. 3.4 Dự kiến kết quả đạt được: - đánh giá được vật liệu dày có ảnh hưởng nhiều chất lượng bề mặt hay không? - nhiệt có phải là nguyên nhân chủ yếu tới chất lượng bề mặt. Nhiệt và độ dày có ảnh hưởng tới nhiều sự thay đổi tính chất cơ học của chi tiết trước và sau khi gia công. Mối quan hệ giữa nhiệt và độ dày có tỉ lệ thuận hay nghịch tới chất lượng sau gia công. Hình minh họa tia laser cắt tấm kim loại dày - Phân tích và đánh giá được sự tác động nhiều hay ít của nguồn nhiệt khi gia công với vật liệu dày: khi một chi tiết hoàn thành nó cần đáp ứng những yêu cầu kỹ thuật do đó rất cần thiết để nghiên cứu tổ chức của nó cho các quá trình công nghệ tăng bền sau khi gia công. - so sánh được ảnh hưởng bởi nhiệt đồng thời tính kinh tế của laser với các phương pháp khác. - Đo được độ nhám và đề suất ứng dụng cho các chi tiết máy nào. - Phân tích được mối ảnh hưởng của khí tác động vào chất lượng gia công. 3.5. hướng phát triển Công nghệ tia laser có thể ứng dụng rộng rãi hơn, nếu có thể tăng hơn năng lượng của chùm tia laser và kéo dài hơn thời gian một xung,đến mức có thể vận hành liên tục hoàn toàn. Cần nâng cao hiệu quả kinh tế, cần có thiết bị hoàn chỉnh hơn. Nhất thiết phải nâng cao hiệu suất. Ở các thiết bị hiện nay, người ta dùng tụ để tích lũy năng lượng, nguy hiểm hơn và đắt tiền hơn. Người ta đang thử nghiệm thiết bị tích lúy năng lượng khác. 4.kết luận: -Các nghiên cứu trước chỉ ra ảnh hưởng tương quan lẫn nhau của các yếu tố, từ đó tìm ra hướng giải quyết vấn đề như năng lượng phù hợp; vật liệu nào tốt nhất cho phương pháp này; tốc độ nào phù hợp, đạt năng suất cao. Ảnh hưởng nhám bề mặt khi gia công đối với vật liệu thép dày ít các bon. -Những tồn đọng các nghiên cứu trước: + chỉ nghiên cứu độ nhám bề mặt với thép các bon thấp đối với ảnh hưởng của năng lượng và tốc độ chưa đề cập tới ảnh hưởng độ dày và sự phản xạ ánh sáng tới các yếu tố năng lượng, tốc độ căt. Một số các tác động tới bề dày như nguồn năng lượng, độ phản xạ ánh sáng của chất liệu: với số vật liệu khả năng hấp thụ lớn thì với một nguồn năng lượng nếu độ dày tăng lên làm tốc độ cắt giảm đi, nhưng với vật liệu phản xạ lại ánh sáng lớn thì dù nguồn năng lượng lớn nhưng năng lượng cung cấp cho vật liệu rất ít không chỉ không cắt được mà còn có thể phản lại và làm hỏng các chi tiết thiết bị phía trên. Tuy nhiên với vật liệu thép thấp các bon khả năng hấp thụ của vật liệu tương đối lớn nên ảnh hưởng lớn nhất sẽ là độ dày của vật liệu. + chế độ cắt cho loại chi tiết cụ thể mà chỉ chung chung cho một số loại vật liệu nên chưa đánh giá được hết ảnh hưởng của các yếu tố khác. + chưa đặt vấn đề ảnh hưởng nhiệt độ tác động tới chi tiết sau gia công khi gia công, lượng nhiệt thu được từ chùm tia phát ra sẽ ảnh hưởng tới cấu trúc của phôi (vùng chịu ảnh hưởng bởi nhiệt) như cong vênh, biến đổi tổ chức của phôi - thí nghiệm trên nhằm khắc phục thêm một số các nhược điểm khi gia công với thép dày chứa ít các bon, từ đó đưa ra hướng giải quyết và đề suất xem với chi tiết nào sẽ cho hiệu quả kinh tế nhất ứng dụng cho sản xuất hàng loạt 5. Tài liệu tham khảo [1]. Công nghệ Laser. [2]. Phạm Ngọc Tuấn, Nguyễn Văn Tường; Các phương pháp gia công đặc biệt; Nhà xuất bản Đại học Quốc gia thành phố Hồ Chí Minh, 2007. [3]. Advanced machining processes, Hassan El-Hofy, McGraw-Hill, 2005. [4]. Leonard Migliore (Edited), Laser material processing, Marcel Dekker, 1996. [5]. [6]. Effect of laser cutting parameters on surface quality of low carbon steel (S235), M. Zaied b, E. Bayraktar a,*, D. Katundi a, M. Boujelbene b,c, I. Miraoui a. a MEER, College of Sciences, University of Gafsa, Tunisia b. Supmeca/LISMMA-Paris, School of Mechanical and Manufacturing Engineering, France c ENIT, National School of Mechanical Engineering, MA2I, Tunisia* [7]. QUALITY ASPECTS OF STEEL PARTS AFTER LASER CUTTING Wojciech ZĘBALA, Andrzej MATRAS Robert KOWALCZYK