›
›

Tài liệu Gia công kim loại

pdf 88 trang hapham 200
Download
Bạn đang xem 20 trang mẫu của tài liệu "Tài liệu Gia công kim loại", để tải tài liệu gốc về máy bạn click vào nút DOWNLOAD ở trên

Tài liệu đính kèm:

  • pdftai_lieu_gia_cong_kim_loai.pdf

Nội dung text: Tài liệu Gia công kim loại

  1. Gia cụng kim loại
  2. Ch−ơng 1. Giới thiệu Hợp kim khó gia công Hợp kim khó gia công đ−ợc phân loại dựa theo nhiều đặc điểm khác nhau : theo nhiệt độ nó chảy, theo độ cứng, theo cơ tính của vật liệu, Sau đây chúng ta sẽ xét một số kim loại và hợp kim : 1.1 Kim loại khó chảy Vật liệu khó nóng chảy là các loại kim loại có nhiệt độ nóng chảy T > 1539 oC hoặc các kim loại kết hợp với các nguyên tố hợp kim khác. Ví dụ : Ti = 1672 oC Zr = 1855 oC Cr = 1875 oC V = 1900 oC Hf = 1975 oC Nb = 2415 oC Mo = 2610 oC Ta = 2996 oC Tc = 2700 oC Re = 3180 oC W = 3410 oC 1.2 Thép hợp kim Thép hợp kim đ−ợc chia ra theo nhiều dấu hiệu khác nhau: 1. Thép chịu ăn mòn trong các môi tr−ờng khác nhau. 2. Thép bền nhiệt . 3. Thép chịu nhiệt. 4. Thép có độ bền cao. 5. Hợp kim bột kim loại. 6. Hợp kim cứng . • Hợp kim do biến cứng • Hợp kim đ−ợc chế tạo với những thành phần các chất khác nhau. 1.3 Các hợp kim đặc biệt khác 1. Thép đặc biệt có nhiệt độ làm việc đến 700 oC. 2. Hợp kim bền nhiệt trên nền Niken ( Nhiệt độ làm việc đến 1100 oC ) 3. Hợp kim nền Mo và Nb có nhiệt độ làm việc đến 1500 oC. 4. Hợp kim nền vônfram ( W) có nhiệt độ làm việc đến 2000 oC. 5. Thép hợp kim chịu ăn mòn . Trong thực tế có 3 nhóm chính sau đây : Nhóm I - Thép chịu ăn mòn hợp kim thấp có độ bền cao Bảng 1.1 Tên nguyên tố C Cr Ni Mn Mo W V Si Thành phần % 0,25 - <= <= <= <= <= <= <= 0,45 5 2,5 1,5 1,5 1,5 1 1 Giới hạn bền 160 - 220 KG/mm2 Nhóm II : thép chịu ăn mòn có độ bền cao Bảng 1.2 Tên nguyên tố C Cr Ni Mn Mo W V Si 1
  3. Thành phần % 0,25 - 160 KG/mm . γ = 4,51 Tỷ bền K = 34,5 Đặc biệt hợp kim ti tan còn có tính chịu ăn mòn trong các loại môi tr−ờng cao nên đ−ợc ứng dụng rất rộng rải. 2 Hợp kim nhôm AlMg6 σB = 39 KG/mm . γ = 2,7 Hệ số tỷ bền là K = 14,4 Chúng ta có thể so sánh với thép thông th−ờng : 2 Thép CT38 σB = 38 KG/mm . γ = 7,87 g/cm3. Hệ số tỷ bền là K = 4,8 1.5 Tính chất của một số kim loại nguyên chất khó chảy và khó gia công Bảng các tính chất của các kim loại khó nóng chảy và các nguyên tố hợp kim Bảng 1-4 Đặc tính Đơn vị tính Be V W Hf Co Si Mn Mo Ni Khối l−ợng riêng G/cm3 1,84 6,11 19,3 13,31 8,92 2,33 7,4 10,2 8,91 Nhiệt độ nóng chảy oC 1283 1900 3410 2222 1495 1412 1245 2625 1425 Nhiệt độ bay hơi oC 2450 3400 5930 5400 3100 2600 2150 4800 3080 Hệ số giản nở vì nhiệt x 10. 11,6 10,6 4,0 5,9 12,08 6,95 23 5,49 13,3 Giới hạn bền KG/mm2 40-60 22-48 100-120 40-45 50 70 70 28-30 Độ giải dài t−ơng đối % 0,2-2 17 0 30 5 0 30 40 Độ cứng Brinel HB 60-85 70 350 120 125 240 125 65-70 2
  4. Bảng 1-5 Đặc tính Đơn vị tính Nb Re Ta Ti Cr Zr Ghi chú Khối l−ợng riêng G/cm3 8,57 21 16,6 4,51 7,19 6,45 Nhiệt độ nóng chảy oC 2500 3180 2996 1668 1910 1860 Nhiệt độ bay hơi oC 5127 5900 5300 3277 2469 3700 Hệ số giản nở vì nhiệt x 10. 7,1 6,8 6,6 8,3 6,7 6,3 Giới hạn bền KG/mm2 30-45 50 45-55 40-45 30-35 25 Độ giải dài t−ơng đối % 20 24 25-35 30-40 15 15-30 Độ cứng Brinel HB 75 250 45-125 130-150 100 65 Tính chất của một số các bít, Borit, Silixit, Nitrit Bảng 1-6 Các bít Thành Ti Zr Hf V Nb Ta Cr Mo W phần Các bon C % 20,05 11,64 6,31 19,08 11,45 6,22 13,34 5,89 6,13 Khối l−ợng riêng G/cm3 4,94 6,60 12,65 5,50 7,82 14,50 6,74 9,06 17,13 T nc oC 3150 3420 3700 2850 3600 3880 1895 2410 2790 Hệ số truyền dẫn Cal/(cm.s. 0,069 0,09 0,07 0,09 0,04 0,053 0,046 0,076 0,072 nhiệt oC) Hệ số giản nở 8,50 6,95 6,06 7,20 6,50 8,29 11,70 7,80 3,84 nhiệt x 10(-6) Độ cứng HRA HRA 93,00 87 84 91 83 82 81 74 81 Bảng 1-7 Borits ( + B ) Thành phần Ti Zr Hf V Nb Ta Cr Bo B % 31,20 19,17 10,81 29,81 18,89 10,68 29,38 Khối l−ợng riêng G/cm3 4,52 6,09 11,20 5,10 7,00 12,62 5,60 o T nc C 2980 3040 3250 2400 3000 3100 2200 Hệ số truyền dẫn cal/(cm.s.oC) 0,144 0,058 - 0,137 0,040 0,026 0,053 nhiệt Hệ số giản nở 8,10 6,88 5,73 7,5 8,10 5,12 11,10 nhiệt x 10e(-6) Độ cứng HRA HRA 86 84 83 84 Bảng 1-8 Nitrit ( + N2 ) Thành phần Ti Zr Hf V Nb Ta Cr Ni tơ N % 22,63 13,31 7,28 21,56 13,10 7,19 Khối l−ợng riêng g/cm3 5,44 7,35 13,84 6,10 8,41 15,86 o T nc C 2950 2980 2980 2050 2050 2890 Hệ truyền dẫn cal/(cm.s.oC) 0,046 0,049 0,027 0,009 0,021 nhiệt Hệ số giản nở 9,35 7,24 6,9 8,10 10,10 3,60 nhiệt x 10e(-6) Độ cứng HRA HRA Bảng 1-9 Si líc Si % 53,98 38,11 23,93 52,44 37,68 23,69 51,93 Khối l−ợng riêng g/cm3 4,13 4,86 8,03 4,66 5,66 9,10 5,00 3
  5. o T nc C 1540 1750 1660 2160 2200 1500 2030 Hệ số truyền cal/(cm.s.oC) 0,111 0,037 0,383 0,397 0,052 0,025 nhiệt Hệ số giản nở 8,8 8,6 11,2 11,7 8,8 10,0 nhiệt x 10e(-6) Độ cứng HRA HRA 81 1.6 Vật liệu bột Vật liệu kim loại hợp kim có thể đ−ợc chế tạo từ bột kim loại bằng ph−ơng pháp nấu chảy thông th−ờng hoặc kết hợp ép bột kim loại với thành phần các nguyên tố khác : C, Al2O3, Các bít, borit, để nhận đ−ợc hợp kim cứng hay kim loại gốm. Bảng 1.10 [2] Loại vật liệu Các cấu tử chính Vật liệu kết cấu Fe, Fe-Cu, Fe-P, Fe - C Fe-Ni-Cu, Fe-Cu-C Fe-Ni-Cu-Mo-C Thép không gỉ, Brông (Cu+Sn), Latông (Cu +Zn), Ti Au-Cu Kim loại và hợp kim có cấu trúc xít chặt • Kim loại chịu nhiệt W, Mo, Ta, Nb, Re • Kim loại dùng trong kỹ thuật hạt nhân Be, Zr • Siêu hợp kim Các hợp kim trên cơ sở Ni, Co • Thép hợp kim Thép dụng cụ, thép gió Vật liệu có độ xốp cao • Bạc xốp tự bôi trơn Brông ( Cu+Sn+Al,Pb,) thép không gỉ, • Tấm lọc Cu-Al Ni-Cr, monel, Ti, Zr, Ag, Ta, Thép không gỉ Vật liệu liên kim loại Ni - Al MoSi2 Ti-Al Co - Mo- Si Hợp kim cứng đ−ợc chế tạo bằng ph−ơng pháp ép và thiêu kết với áp lực và nhiệt độ thích hợp. Hợp kim cứng có hai loại : đặc và xốp ( có lỗ rỗng). Chúng th−ờng đ−ợc ứng dụng để chế tạo dụng cụ cắt gọt, vật liệu mủ đậy, võ bọc, Nhiệt độ làm việc có thể đạt 1000 - 2000 oC Hợp kim cứng có nhiều loại : ( trang 19 - 20 ) • Hợp kim cứng vônfram (WC) • Hợp kim cứng W - Ti • Hợp kim cứng Ti-Ta-W 4
  6. Bảng 1.7 [2] [9] Mác hợp kim Thành phần % Ký hiệu theo LX và Các Các Cácbít Co σ γ ( g/cm3) HRA theo TCVN bít bít Titan Coban (KG/m >= W tanta m2) n Nhóm WC BK3M (WCCo3) 97 3 110 15-15,3 91,0 BK4 (WCCo4) 96 4 130 14,9-15,1 89,5 BK60M 91 6 120 >=14,75 91,5 ,9 BK6M (WCCo6) 94 6 130 14,8-15,1 90 BK8 (WCCo8) 92 8 140 14,4-15,8 87,5 BK100M 90 10 140 >=14,3 - BL10M (WCCo10) 90 10 140 >=14,3 88,5 BK15M (WCCo15) 85 15 155 >=13,8 87,0 BK150M (WCCo15) 82 15 150 >=13,8 - ,9 BK25 (WCCo25) 75 25 220 12,9-13,2 82 Nhóm Ti-WC T15K6 (WCTi15Co6) 79 15 6 110 11-11,7 90 T5K10 (WCTiCo10) 85 6 9 130 12,3-13,2 88,5 NhómTi-Ta-WC TT7K12 81 3 4 12 170 13-13,3 87 (WCTTC7Co12) TT10K8 82 7 3 8 140 13,5-13,8 89 (WCTTC10Co8) TT20K9 71 12 8 9 150 12-13 89 (WCTTC20Co9) Chú ý : Vật liệu ký hiệu theo TCVN đ−ợc đặt trong dấu ngoặc đơn. 1.7 Nhóm vật liệu Cácbon - Nitrit - titan Khối l−ợng riêng 5,6 - 6,2 g/cm3 HRC 88 - 93 HRC Giới hạn bền uốn 120 - 180 KG/mm2. 1.8 Nhóm vật liệu Cácbít - crôm + hợp kim cứng ( page 208 ) Khối l−ợng riêng 6,6 - 7,0 g/cm3 HRC 80 - 90 HRC Giới hạn bền uốn 40 - 70 KG/mm2. 5
  7. 1.9 Nhóm vật liệu không có vônfram Gồm có các thành phần các chất nh− sau : TIC% TiN% 4Ni1Mo Khối l−ợng riêng HRA Giới hạn bền uốn THM-20 79% - 21% 5,5 g/cm3. 91 115 KG/mm2. THM-25 74 26 5,7 90 130 THM30 70 30 5,9 89 140 KTHM30A 26 42 32 5,8 88 150 1.10 Vật liệu bột mài và dụng cụ cắt Bảng 1.8 Loại vật liệu Độ cứng Giới hạn bền T nc HRA Knoop Mpa = oC N/mm2 Kim c−ơng 8000 7000 3500 Nitrit Bo ( BN) 5000 7000 1540 TiC 3100 2800 3100 93 SiC 3000 1000 2400 WC 2700 5000 2780 82 - 90 Al2O3 2100 3000 2050 SiO2 1000 1200 Thép đã tôi (để so sánh) 800 1200 1.11 Vật liệu siêu cứng. [2] Bảng 1.9 Vật liệu KL riêng Độ cứng Giới hạn bền Nhiệt độ giới g/cm3 HV MPa hạn của độ bền Kim c−ơng tự nhiên 3,01-3,56 10.000 1900-2100 600-850 Kim c−ơng nhân tạo • Loại đơn tinh thể 3,48-3,54 8.600-10.000 2000 850 • Loại đa tinh thể 3,30-4,00 8.000-10.000 200-800 700 Nitri Bo (BN) • Loại đơn tinh thể 3,44-3,49 9.000-9500 500 1200 • Loại đa tinh thể 3,30-3,40 7.000-8.000 2000-3000 1400 Vật liệu kim c−ơng tuy có độ cứng cao nh−ng bị giới hạn bởi độ bền nhiệt (Có nhiệt độ giới hạn của độ bền thấp ) Vật liệu nitrit bo ( BN ) có độ cứng cao và có tính bền nhiệt cao nên thích hợp với gia công cơ ( khoan tiện, phay, Chú ý : Càng tăng độ bền và độ cứng vật liệu thì vận tốc cắt giảm đi . Tốc độ cắt gọt tỷ lệ nghịch với bình ph−ơng giới hạn bền của vật liệu. 6
  8. Khó khăn chủ yếu khi gia công là do : • Lực cắt yêu cầu phải lớn; đối với thép bền nhiết tăng 1,5 lần; đối với hợp kim bền nhiệt tăng 2 - 2,5 lần so với khi gia công thép C45. • Các hợp kim này có tính dẫn nhiệt kém nên nhiệt độ sinh ra tại vùng cắt rất cao • Khi gia công cắt các loại thép có độ bền nhiệt vận tốc cắt giảm 10 - 20 lần so với khi gia công thép C45 ( Ký hiệu theo Nga 45 ). • Giá thành bột kim loại th−ờng đắt hơn 1,5 - 3,5 lần so với kim loại cơ bản. Nh−ng với kim loại chế tạo bột ngay từ đầu thì th−ờng có giá thành rẻ hơn. Tuy giá đắt hơn nh−ng nó đ−ợc bù lại do có hệ số sử dụng cao với những tính chất đặc biệt. • Theo các chuyên gia kinh tế để đánh giá hiệu quả của vật liệu gốm ng−ời ta thấy : Cứ cho 1000 tấn sản phẩm thì tiết kiệm đ−ợc 1500 - 2000 tấn kim loại, vì lẽ đó mà nó giảm bớt đ−ợc 50 đơn vị máy gia công, cùng lúc làm giảm 120.000 giờ gia công và năng suất nói chung tăng lên 1,5 lần. 7
  9. Ch−ơng 2 : giới thiệu Một số ph−ơng pháp gia công đặc biệt 2.1 Giới thiệu Trong việc hoàn chỉnh các kết cấu máy, nâng cao khả năng gia công các kết chi tiết máy, ng−ời ta đang ứng dụng các công nghệ mới và các ph−ơng pháp gia công mới, sử dụng có hiệu quả các loại vật liệu mới, nhằm nhận đ−ợc các tính chất đặc biệt mà bằng các ph−ơng pháp gia công thông th−ờng khó thực hiện hoặc không thể thực hiện đ−ợc. Trong lĩnh vực cắt và gọt vật liệu có nhiều ph−ơng pháp : gia công bằng điện, điện - vật lý, điện - hoá, gia công bằng nguồn năng l−ợng tập trung, Các ph−ơng pháp này đ−ợc sử dụng khá rộng rãi để gia công kim loại. Các ph−ơng pháp này cho phép sau khi gia công nhận đ−ợc cơ tính cao và không yêu cầu lực cắt gọt lớn hoặc cho phép không sử dụng dụng cụ cắt gọt với các yêu cầu đặc biệt về độ cứng, độ chịu mài mòn. Các ph−ơng pháp này cũng đảm bảo độ chính xác, độ bóng bề mặt nhất định và cho phép nâng cao năng suất lao động [6], [8]. 2.2 Phân loại một số ph−ơng pháp gia công đặc biệt Các ph−ơng pháp gia công đặc biệt có thể kể đến các ph−ơng pháp gia công điện vật lý và điện hoá. Các ph−ơng pháp này đ−ợc phân loại thành các nhóm nh− sau: 1. Theo ph−ơng pháp sinh ra dạng năng l−ợng (Popilov L.IA) : Phuơng pháp điện hoá, Ph−ơng pháp điện - Hoá - Cơ (ph−ơng pháp anôt - cơ), ph−ơng pháp điện vật lý, 2. Theo cơ chế tác dụng : Ph−ơng pháp xói mòn điện (mài mòn điện), Ph−ơng pháp điện - thuỷ lực, ph−ơng pháp nổ - điện, ph−ơng pháp từ tr−ờng, ph−ơng pháp siêu âm, 3. Gia công bằng các nguồn nhiệt: Ph−ơng pháp dùng tia điện tử, Ph−ơng pháp dùng plasma, Ph−ơng pháp dùng chùm tia laser, 8
  10. Phân loại một số ph−ơng pháp gia công đặc biệt Các ph−ơng pháp gia công Các ph−ơng pháp gia công điện - vật lý điện - hoá Ph−ơng pháp điện xói Gia công bằng Ph−ơng pháp Ph−ơng pháp tẩm mòn (tia lửa điện, xung các chùm tia có gia công có thực, làm sạch, điện, tiếp xúc điện anốt nhiệt): tác động cơ đánh bóng, mạ - cơ, Plasma, điện tử, điện: siêu âm, điện, tia laser, nổ điện, Hình 2-1 Sơ đồ phân loại một số ph−ơng pháp gia công đặc biệt 2.3 - Đặc điểm của các ph−ơng pháp gia công đặc biệt : Trong quá trình gia công, tốc độ, chất l−ợng gia công hầu nh− không phụ vào tính chất cơ lý của vật liệu Có thể gia công hầu hết các loại vật liệu với bất kỳ cơ tính nào mà không cần có lực lớn tác dụng, có thể gia công kim loại, hợp kim cứng và kim c−ơng, kính, Không yêu cầu các dụng cụ có độ cứng cao hơn độ cứng vật liệu gia công (ví dụ khi gia công bằng siêu âm hoặc bằng các chùm tia laser, tia điện tử, Giảm tiêu hao vật liệu vì chiều rộng rảnh cắt nhỏ, mức độ chính xác cao, Có thể gia công những chi tiết phức tạp và có độ chính xác, độ bóng cao (lổ khuôn kéo có đ−ờng kính nhỏ, gia công lổ nhỏ và sâu, cắt hình, có thể gia công chép hình, Có thể gia công cục bộ (tại những điểm nhỏ) trên bề mặt chi tiết lớn, giảm bớt các b−ớc gia công trung gian (khâu chuyển tiếp) hoặc phải yêu cầu sử dụng đồ gá đặc biệt để gia công vật liệu cứng, dòn, đánh bóng hợp kim cứng, Có thể cơ khí hoá và tự động hoá. Có năng suất và hiệu quả quả kinh tế cao và giảm phế phẩm. 9
  11. Trong giáo trình này sẽ giới thiệu một số ph−ơng pháp gia công đặc biệt thuộc các nhóm đã nêu ở trên. 2.4 Các ph−ơng pháp điện xói mòn : Đây là các ph−ơng pháp gia công điện tiếp xúc - ph−ơng pháp anốt. Ph−ơng pháp dựa trên cơ sở tác dụng các xung của sự phóng điện liên tục tiếp nối nhau mà mỗi xung gây nên những sự phá huỷ cục bộ tại điện cực d−ơng (anốt) và tạo nên vết lõm trên bề mặt vật liệu. 7 a/ b/ c/ Hình 2-2 Sơ đồ nguyên lý gia công bằng ph−ơng pháp điện xói mòn (điện ăn mòn) [6] 1- Kênh dẫn điện 2 - Khoảng trống không khí 3- Vùng kim loại bốc hơi 4 - Vùng kim loại nóng chảy 5 - Vết lõm 6- Hạt kim loại đã nguội 7 - Chất lỏng không dẫn điện : dầu hoả, dầu biến thế, Các giai đoạn xảy ra khi gia công : a/ Giai đoạn tác dụng xung điện; b/ Giai đoạn kim loại bị bắn ra khỏi bề mặt; c/ Giai đoạn sau khi gia công. Có các ph−ơng pháp điện xói mòn nh− sau : - Ph−ơng pháp gia công bằng tia lữa điện - Ph−ơng pháp xung điện; - Ph−ơng pháp tia lữa điện tần số cao; 10
  12. - Ph−ơng pháp gia công tiếp xúc điện anốt - cơ Sự phóng điện theo từng xung với thời gian rất ngắn (tức thời), sinh ra nguồn nhiệt với nhiệt độ đạt đến hàng nghìn độ. Kết quả làm cho chi tiết bị nóng chảy hay bóc hơi (điện cực đống vai trò nh− một dụng cụ cắt). D−ới tác dụng của áp suất hơi chất lỏng đ−ợc tạo nên làm khuấy kim loại bị tác dụng lên và tống chúng ra khỏi vùng tác dụng ở dạng các giọt kim loại lỏng hay hơi và tạo nên vết lõm trên bề mặt vật gia công. Qúa trình gia công xảy ra trong môi tr−ờng chất lỏng không dẫn điện (dầu xăng, dầu biến thế, ) các chất này vừa c−ờng hoá quá trình phóng điện vừa tạo nên sự mài mòn, đồng thời tăng khả năng đảy các giọt kim loại ra khỏi vùng bị tác dụng. Quá trình này xảy ra nhanh hơn nếu ta dùng chất lỏng động (luôn luôn luân chuyển ). Thời gian của xung khoảng 10-4 10-8 giây; Hiệu điện thế 250 V; Khoảng cách giữa hai điện cực nhỏ nhất có thể đ−ợc. δ = min Đồ thị phụ thuộc U và δ trên hình vẽ : [ 7 ] U,V 2 Môi tr−ờng làm việc: 3 1 1 - Không khí 2 - Xăng 3 - Dầu biến thế δ, àm Hình 2-3 Mối liên hệ giữa điện áp U và khoảng cách giữa các điện cực (δ) trong các môi tr−ờng khác nhau [8] Bề mặt đ−ợc gia công có độ nhấp nhô nhất định. Sự tạo nên những xung điện phụ thuộc vào những đỉnh nhấp nhô này tiếp xúc nhau và ở khoảng cách ngắn nhất. Quá trình tạo nên các xung tiếp theo sẽ ở vị trí khác có khoảng cách 11
  13. giữa các đỉnh nhấp nhô ngắn nhất. Hình dạng của anốt - "dụng cụ "quyết định hình dạng và kích th−ớc vật gia công. 2.4.1 Gia công bằng tia lữa điện : [6],[8] 1 2 3 1- Chất lỏng 2- Chi tiết (cực d−ơng) 3- Điện cực (cực âm/ kaôt - đóng vai trò là dụng cụ gia công) Hình 2-4 Sơ đồ nguyên lý gia công bằng tia lữa điện. 5 4 6 7 3 2 1 Hình 2-5 Sơ đồ nguyên lý máy gia công tia lữa điện [8] (trang 245) 1 - Chất lỏng; 2 - Chi tiết ; 3 - Điện cực " dụng cụ " 4 - Băng tr−ợt ngang; 5 - Băng tr−ợt qua - lại 6 - Cơ cấu chuyển động lên - xuống; 7 - Giá đỡ 12
  14. 4 2 Hình 2-6 Sơ đồ nguyên lý máy gia công tia lữa điện không có tụ điện [8] 1- Chi tiết (anốt), 2- Điện cực ca tốt (Dụng cụ gia công) 3- Cơ cấu tạo rung, 4- Nguồn điện 1 chiều Vật liệu làm điện cực đ−ợc lựa chọn dựa vào vật liệu cần gia công và nguyên công cần thực hiện. Nếu vật liệu cần gia công là đồng thanh thì sử dụng điện cực là hợp kim đồng; Vật liệu gia công là vật liệu cứng thì điện cực dụng cụ đ−ợc chọn từ vật liệu W, Mo, Để gia công lỗ đ−ờng kính nhỏ thì sử dụng điện cực dụng cụ là đồng thanh. Gang và thép đ−ợc sử dụng cho đánh bóng và mài. Nh−ợc điểm của ph−ơng pháp gia công tia lữa điện là không thể tránh khỏi độ côn độ không phẳng, không thể nhận đ−ợc những góc vát có góc nhọn; tốn hao nhiều vật liệu điện cực. Chế độ gia công điện ăn mòn đ−ợc chia ra 3 loại cứng, trung bình và mềm: 13
  15. Bảng 2 - 1 [8] Chế độ Công suất Thời gian Tần suất L−ợng tách Gia công một xung lặp lại kim loại KVA àks 1/s mm3/ph Vật liệu cứng 30 - 3 10.000 - 100 50 - 3.000 30.000 - 100 Vật liệu 05 - 0,3 500 - 2000 1.000 - 10.000 200 - 30 trung bình Vật liệu mềm 3.000 < 30 Chiều sâu vùng ảnh h−ởng nhiệt khi gia công : Bảng 2-2 [8] Chiều sâu vùng bị ảnh h−ởng nhiệt (mm) với dòng điện là : ( A ) 5 A 10A 30 A 50 A 100 A 300 A C45 0,08 0,1`2 0,17 - C45 0,09 0,12 - - - ( Trạng thái rèn ) C45 0,08 0,12 0,14 0,17 0,19 0,36 TT Tôi HRC48 CD 80A 0,07 0,15 0,17 0,18 - Tôi, HRC 48 Gang GX 15 - 32 0,12 - 0,25 - Năng suất của quá trình gia công tia lữa điện xác định l−ợng kim loại bị cắt trong đơn vị thời gian ( mm3/ph) hoặc (g/ ph ). Khi ở chế độ gia công chính xác : U <= 120 V I ngắn mạch Tn m <= 1 A Điện dung C <= 0,03 mkF L−ợng kim loại đ−ợc xác định theo công thức : 2/3 3/2 2/3 Q = 0,022 . C .U .I nm Sơ đồ gia công tia lữa điện bằng dây điện cực di động (xem hình 2-7) 14
  16. Hình 2-7 Sơ đồ nguyên lý gia công bằng dây điện cực di động[8] trang 246 1- Chi tiết điện cực 2 - Dây điện cực 3 - Đồ gá 4 - Hệ thống quang học 5 - Bàn điều khiển toạ độ 6 - Màn ảnh chép hình 7 - Đèn chiếu sáng(Cảm biến) Dây điện cực có d = 0,25 - 0,04 mm Sai số bàn toạ độ ± 3 àkm Công suất yêu cầu 300 - 500 W Thiết bị này dùng để cắt những lỗ , vòng bên trong khép kín; có thể gia 1/ 3 1/ 2 1/ 2 công mặt ngoài. Tốc độ cắt : V = k.C U In.m. Trong đố K - hệ số Đồng(Cu) K = 1,9 Mo K = 1,4 W K = 0,66 Hợp kim cứng K = 0,84 Với - Môi tr−ờng gia công là xăng, - Vận tốc gia công V = 12 mm/s - Khoảng cách hai con lăn của dây điện cực = 15 mm 2.4.2 Gia công bằng xung điện : Vật liệu "dụng cụ " - điện cực là : Cu, Al, grafít; Độ mài mòn dụng cụ giảm từ 3 - 5 lần Năng suất tăng và đạt từ 5.000 - 15.000 mm3/ ph Để giảm độ nhấp nhô trên bề mặt ng−ời ta phải hạn chế dòng điện max Imax = 50 A đối với thép và giảm dần cho đến cuối cùng là 5 A. 15
  17. Độ nhấp nhô bề mặt phụ thuộc chế độ gia công nh− sau : p H = CH . Ws CH - Hệ số độ tinh khiết CH = 90 àm/J đối với thép; CH = 205 àm/J đối với Ni 7 hợp kim của nó; CH = 67 àm/J đối với hợp kim cứng; p - Hệ số p = 0,33 - 0,37 đối với thép; p = 0,36 - 0,4 Thép bền nhiệt và thép Ni Ws Năng l−ợng các xung ( J ) 2.4.3 Gia công tia lửa điện dòng cao tần : Tần số 300 K Hz Công suất một xung 10-3 - 10-4 J L−ợng kim loại cắt gọt mm3/ph 15 - 20 3 - 10 0,8 - 1,2 Độ bóng ∇7 - ∇6 ∇9 - ∇8 ∇10 - ∇9 T−ơng đ−ơng Ra (àm) 1,25 - 0,63 0,32 - 0,63 0,16 - 0,32 Tốc độ của đĩa quay : khi mài 30 - 40 m/s Khi phay 15 - 20 m/s 2.4.4 Ph−ơng pháp gia công điện tiếp xúc anốt - cơ (Chiều dày gia công 80 - 160 mm) Đây là ph−ơng pháp kết hợp điện hoá và cơ học : cắt, mài, tiện, Ph−ơng pháp này dùng cho các loại vật liệu có tính dẫn điện (th−ờng dùng là dòng điện một chiều). 16
  18. 3 2 2 1 1 a/ b/ Hình 2 - 8 Sơ đồ nguyên lý mài cắt [6] trang 66 a- Sơ đồ gia công thô (mài cắt bằng anôt - cơ b - Sơ đồ gia công tinh có catốt di động 1 - Điện cực catốt - " dụng cụ" 2 - Dung dịch điện phân; 3 - Điện cực anốt "Chi tiết "; Dung dịch điện phân th−ờng dùng : Thuỷ tinh n−ớc có modun 2,25 - 2,75; ρ = 1,43 - 1,55 g/cm3. - Điện áp một chièu : u = 20 - 25 V Trong quá trình gia công có xảy ra hiện t−ợng phân cực tạo nên một màng mỏng trên bề mặt làm tăng điện trở, chống lại quá trình hoà tan anốt. Để đảm bảo quá trình liên tục ng−ời ta kết hợp quá trình phá huỷ bằng cơ học. 17
  19. Chế độ gia công anốt - cơ học Bảng 2- 4 [8] trang 251 Nguyên công U Mật độ áp lực Vận tốc Q L−ợng kim Cấp Dạng gia dòng J riêng lên dụng cụ loại đã cắt độ công 3 dụng cụ mm /ph bóng 2 2 V A/cm KG/cm m/s Cắt thép bằng 20 -28 70-500 0,5-2,0 10-25 2000-6000 2-4 Thô đĩa Cắt HK cứng 12-18 40-150 0,5-1,0 20-25 1000-2000 3-5 bằng đĩa -/- Xọc 19-25 5-15 0,5-2 0,5-2 50-250 4-6 -/- Mài 16-20 8-15 0,5-1,5 20-30 10-30 6-7 -/- Mài dụng cụ 18-22 15-25 0,2-1,5 12-20 120-200 4-6 -/- Đánh bóng 14-16 3-7 0,5-1,5 20-30 2-15 8-10 Tinh Mài rà 4-5 0,5-1,0 0,5-5 0,5-1,0 2-3 10-12 -/- Mài nghiền 10-20 0,5-1,0 1,0-1,5 30 2-6 9-11 -/- Mài khôn 3-20 0,1-10 0,25-5 0,5-1,1 0,5-20 9-11 -/- 2.5 Ph−ơng pháp gia công bằng siêu âm : hàn, mài - cắt, làm sạch Sóng siêu âm còn ứng dụng để thay đổi tổ chức kim loại trong quá trình kết tinh. Siêu âm th−ờng đ−ợc ứng dụng cho gia công các vật liệu cứng, dòn. Kim loại màu ít đ−ợc ứng dụng ph−ơng pháp này để gia công.- P 8 6 1 3 2 4 5 Hình 2-9 Sơ đồ nguyên lý hàn điểm bằng siêu âm 1- Bộ phận tạo ra dao động siêu âm, 2- Bộ truyền dao động siêu âm, 3- Thanh đỡ (điểm tựa) 4 Điện cực 5 Vật hàn, 6 Cơ cấu ép chi tiết 7- Nguồn điện cao tần, 8 N−ớc làm mát 18
  20. a/ b/ b/ a/ Hình 2-10 Sơ đồ gia công bằng siêu âm [8] [6] a/ Gia công cắt ; b/ Làm sạch bằng siêu âm 2.6 Ph−ơng pháp gia công bằng điện hoá + bột mài a / b / Hình 2-11Sơ đồ gia công đánh bóng cánh tuốc bin bằng điện hoá và bột mài [6] a/ Các điện cực đứng yên, chất điện phân (bột mài) chuyển động; ; b/ Chi tiết đứng yên, các điện cực chuyển động theo chiều mũi tên. 2.7 Ph−ơng pháp gia công bằng hồ quang plasma Hồ quang plasma là dòng chuyển động các các phần tử bị ion hoá với trử năng lớn về nhiệt. Plasma là trạng thái mà vật chất tồn tại ở trạng thái các phần tử mang điện ( ion âm, ion d−ơng và các điện tử). Chùm tia plasma là một nguồn nhiệt tập 19
  21. trung , nhiệt độ có thể đạt 20.000oC. Dòng plasma có thể làm nóng chảy các loại vật liệu kim loại : thép, hợp kim cứng, Hồ quang plasma đ−ợc ứng dụng để gia công cắt, hàn đấp, phun đấp kim loại ; đặc biệt là đối với kim loại khó chảy và bất cứ các vật liệu cứng khác. Sử dụng plasma để gia công cắt gọt, làm sạch bề mặt; nung nóng khi hàn vảy và nhiệt luyện kim loại. Sơ đồ nguyên lý phun bằng hồ quang plasma Để tạo nên dòng các ion ng−ời ta sử dụng sự phóng điện với khoảng cách lớn giữa hai điện cực. Hồ quang sẽ cháy trong một rãnh trụ kín cách điện với điện cực và đầu mỏ phun , đồng thời nó đ−ợc làm nguội mãnh liệt và bị ép bởi áp lực của dòng khí nén (khí trơ). Nhờ có hệ thống nh− vậy mà nhiệt độ có thể tăng lên 10.000 - 20.000 oC. 10 9 11 13 8 7 1 3 12 6 2 4 5 220V a / 20
  22. b/ Hình 2-12 Sơ đồ nguyên lý phun đắp bằng plasma a/ Sơ đồ nguyên lý máy phun đắp bằng plasma ; b/ Sơ đồ cấu tạo đầu phun plasma (9) 1- Van n−ớc làm mát, 2 - Bình chứa khí để vận chuyển bột kim loại, 3,6 - van giảm áp, 4 - Thiết bị chuyển tải bột kim loại đắp, 5- Bình chứa khí ổn định , 7- Van, Thiết bị kích thích hồ quang, 9- Đầu cắt hoặc đầu phun, 10, 11, 12 các công tắc, 13 nguồn điện. 21
  23. 2.8 Ph−ơng pháp gia công bằng tia điện tử Sơ đồ nguyên lý 2 1 4 5 6 7 8 9 a/ b/ Hình 2-14 Sơ đồ nguyên lý hàn bằng chùm tia điện tử a- dạng một cấp không có thiết bị tăng tốc b- dạng một cấp có thiết bị tăng tốc và điều khiển h−ờng đi của chùm tia 1-Catốt; 2- Catốt điều khiển chùm tia điện tử , 3- Chùm tia điện tử 4-Màng anôt 5- Buồng chân không (khoảng 10-5 - 10-6 mm Hg) 6- Cơ cấu hội tụ chùm tia bằng điện từ tr−ờng 7- Cửa quan sát 8- Hệ thống điều khiển h−ớng đi của chùm tia điện tử bằng từ tr−ờng 9 - Vật hàn Thực chất của gia công bằng chùm tia điện tử là ứng dụng nguồn nhiệt sinh ra do động năng của các elect ron va dập lên bề mặt vật gia công. Năng luợng này đựơc biến từ động năng của các electron chuyển động rất nhanh trong chân không thành nhiệt năng khi va chạm lên bề mặt của kim loại. Vận tốc chuyển động của 22
  24. điện tử (electron) phụ thuộc vào điện áp giữa 2 điểm của điện tr−ờng (katốt và anốt). mV 2 = e.U 2 Ví dụ : Vận tốc elect ron có thể tính V ≈ 600 U (km/s) Khi U = 10.000 V thì V = 60.000 km/s Điện áp gi−a 2 điện cực anốt và catốt có thể đạt từ 20 - 50 KV có khi trên 100 KV U - Điện áp giữa 2 điểm của điện tr−ờng e - Điện tích của điện tử (electron) m - Khối l−ợng của electron 23
  25. Ch−ơng 3 : Công nghệ LASER 3.1 Mở đầu LASER - nguồn năng l−ợng mới trong ngành gia công các loại vật liệu Ngày nay gia công kim loại bằng các chùm tia có nguồn nhiệt tập trung đã đ−ợc sử dụng khá phổ biến. Có thể liệt kê các ph−ơng pháp đó là : gia công bằng các chùm tia Plasma, gia công bằng tia lữa điện, gia công bằng chùm tia điện tử, gia công bằng chùm tia laser. Trong đó gia công bằng chùm tia laser đ−ợc ứng dụng rất nhiều trong công nghệ hiện đại. Laser là nguồn sóng điện từ tr−ờng của bức xạ trong vùng cực tím (tử ngoại), trong vùng ánh sáng nhìn thấy đ−ợc và vùng tia hồng ngoại. Đặc tr−ng của các nguồn năng l−ợng này là mức độ đơn sắc và độ tập trung cao . Chính vì thế mà mật độ nguồn nhiệt tại vùng gia công rất tập trung và rất cao. Từ những năm 1960 ng−ời ta đã bắt đầu nghiên cứu ứng dụng laser trong công nghệ gia công kim loại và các vật liệu khác. Laser công suất nhỏ đ−ợc ứng dụng cho hàn, cắt và một số công nghệ gia công khác với kim loại có chiều dày bé. Laser - Nguồn năng luợng tuy mới xuát hiện vào những năm 60 nh−ng có nhiều −u việt nên đã đ−ợc ứng dụng nhiều trong các lĩnh vực khoa học công nghệ, trong y tế, trong kỹ thuật quân sự, thông tin liên lạc, kỹ thuật ảnh, Laser - Tiếng Anh có nghiã là : Light amplification by the Stimulated Emission of Radiaction (Có nghĩa là khuyếch đại ánh sáng bằng cảm ứng). Thực chất của quá trình đó có thể lý giải nh− sau : Theo Thuyết về nguyên tử của Bo thì sự bức xạ của các vạch quang phổ là do các điện tử chuyển động từ mức năng l−ợng này sang mức năng l−ợng khác . Mỗi lần thay đổi mức năng l−ợng các nguyên tử sẽ bức xạ một l−ợng tử năng l−ợng: ε = h ν Trong đó h - Hằng số Plăng; ν - tần số của ánh sáng; 25
  26. Wk Hấp thụ Bức xạ năng năng l−ợng l−ợng Wi Hình 3.1 Sơ đồ mô tả quá trình háp thụ và bức xạ Wk - Mức năng l−ợng ở quỹ đạo k; Wi - Mức năng l−ợng ở quỹ đạo i B−ớc chuyển điện tử từ i về k ứng vơí sự hấp thụ năng l−ợng; B−ớc chuyển điện tử từ k về i ứng vơí sự bức xạ ; The Anh -Stanh thì b−ớc chuyển tù K về i gồm 2 loại : • B−ớc chuyển tự phát. Loại này có công suất bức xạ nhỏ không có tác dụng trong các máy phát l−ợng tử. • B−ớc chuyển cảm ứng : B−ớc chuyển này chịu ảnh h−ởng của bức xạ bên ngoài có tần số ν ki. Ng−ời ta đã chứng minh đ−ợc rằng muốn có một môi tr−ờng có khả năng khuyếch đại ánh sáng thì mật độ nguyên tử ở mức năng l−ợng cao phải lớn hơn mật độ nguyên tử ở mức năng l−ợng thấp. Lúc đó, sẽ có sự đảo lộn về mật độ nguyên tử trên các mức năng l−ợng (tạo nghịch đảo độ tích luỹ). Ng−ời ta sử dụng một trong ph−ơng pháp tạo ra khả năng đó là ph−ơng pháp bơm quang học. Trong laser khí ng−ời ta sử dụng hiệu ứng va chạm giữa các nguyên tử hoặc phân tử để tạo nghịch đảo độ tích luỹ; trong laserphaan tử ng−ời ta sử dụng ph−ơng pháp phân rã phân tử; 3.2 Một số ph−ơng pháp tạo nghịch đão độ tích luỹ Giả sử môi tr−ờng ta đang xét có 3 mức năng l−ợng W1, W2, W3. Khi có tác dụng của ánh sáng tần số ν13, nguyên tử sẽ chuyển từ mức W1 lên W3, lúc này W2 ch−a có nguyên tử nào cả nên ta có sự chênh lệch lớn giữa 2 mức W3 và W2 và nguyên tử chuyển động về W2 và có đ−ợc bức xạ cảm ứng : 26
  27. Bức xạ laser W3 ν32 W2 ν13 W1 Hình 3.2 Sơ đồ mô tả ph−ơng pháp bơm quang học 3 mức kiểu 1 [1] ν 3 −ν 2 ν = 32 h Sau đó nguyên tử ở mức W2 sẽ chuyễn về mức W1. Quá trình này cần phải nhanh vì nếu không thì các nguyên tử mức W2 sẽ hấp thụ bức xạ ν32 và làm giảm sự khuyếch đại khi cho bức xạ có tần số ν32 đi qua. Nói một cách khác sơ đồ 3 mức nh− kiểu đang xét ở trên có thể làm việc đ−ợc khi có sự tích thoát giữa mức W2 và W1 tiến hành nhanh hơn giữa mức W3 và W2 Tr−ờng hợp tích thoát giữa mức W2 và W1 xảy ra chậm hơn giữa mức W3 và W2 thì các nguyên tử sẽ tập trung trên mức W2 đến một lúc nào đó số nguyên tử ở mức W2 sẽ nhiều hơn số nguyên tử ở mức W1, lúc đó ta sẽ đ−ợc khuyếch đại ánh sáng với tần số ν 21 ( Hình 3 3 ) . W3 W2 Bức xạ laser ν 13 W1 Hình 3.3 Sơ đồ mô tả ph−ơng pháp bơm quang học 3 mức kiểu 2 [1] 27
  28. Máy phát l−ỡng tử với tinh thể RUBI hồng Ngọc làm việc theo sơ đồ nguyên lý ba mức năng l−ợng kiểu 2. Rubi hồng ngọc là ôxyd nhôm có chứa 0,05 % Cr. Nguyên tử Cr trong tinh thể có khả năng hấp thụ một khoảng khá rộng ánh sáng vùng nhìn thấy đ−ợc và vùng tử ngoại. Khi hấp thụ ánh sáng các nguyên tử Cr chuyển rất nhanh lên các mức kích thích W3, sau đó từ mức không ổn định này chúng chuyển về mức W2. Kết quả là số nguyên tử ở mức siêu bền W2 nhiều hơn ở mức W1. Giữa W2 và W1 đã có sự đảo lộn về mật độ các nguyên tử. Chúng chuyển động đồng loạt về W1 và bức xạ một năng l−ợng (dạng photon ánh sáng) với tần số : W2 − W1 ν = 21 h Với sơ đồ 3 mức nh− trên có nh−ợc điểm là cần tần số bơm phải lớn hơn 2 lần tần số bức xạ của máy phát l−ợng tử. Vì vậy trong thực tế ng−ời ta còn sử dụng sơ đồ 4 mức năng l−ợng (xem hình 3.4). W4 W3 W 2 W1 A/ b/ c/ d/ Hình 3.4 Sơ đồ nguyên lý một số ph−ơng pháp tạo nghịch đảo độ tích luỹ theo sơ đồ 4 mức [ 3 ] a/ Bơm thực hiện ở 2 tần số ν14 và ν24 . b/ Bơm thực hiện ở cả 2 dịch chuyển với tần số ν13 và ν34 .(gọi là bơm kép) 28
  29. c/ Bơm thực hiện ở tần số ν14 dịch chuyển công tác sẽ là 2-1 và 4-3 : với tần số ν21 và ν43 . a/ Bơm thực hiện ở 2 tần số ν13 và ν34 (ν13 = ν34) dịch chuyển công tác sẽ là 4- 3 với tần số ν43 . Đối với các loại laser khí, để tạo nghịch đảo tích luỹ mật độ các nguyên tử ng−ời ta th−ờng dùng các hiệu ứng va chạm giữa những nguyên tử hoặc phân tử khí với những điện tử tự do có tốc độ chuyển động nhanh d−ới tác dụng của điện tr−ờng ngoài. Do va chạm với những điện tử chuyển động nhanh, những nguyên tử hoặc phân tử khí trong bình có áp suất thấp (10-2 - 1 mmHg) sẽ bị ion hoá hoặc kích thích hoá, kết quả là các điện tử của nguyên tử hay phân tử đ−ợc năng l−ợng do va chạm sẽ dịch chuyển lên các mức năng l−ợng cao hơn, tạo nên nghịch đảo độ tích luỷ và cho ta bức xạ cảm ứng. Ngoài ra ng−ời ta còn sử dụng ph−ơng pháp phân rã phân tử đối với những laser mà hoạt chất là các phân tử. Quá trình bơm sẽ tạo nên sự kích thích do va chạm theo 2 hình thức sau : e- + X ặ X’ + e- . Khi năng l−ợng của điện tử lớn thì có thể xảy ra quá trình kích thích do va chạm theo sơ đồ : - - e + X ặ X’ + 2e . Hình thức va chạm loại 2 : A’ + B ặ B’ + ∆E. Để bức xạ cảm ứng đ−ợc khuyếch đại cần đ−a hoạt chất vào hốc cộng h−ởng quang học (xem hình 3-6) 29
  30. ν32 ν32 ν 13 Hình 3-6 Sơ đồ nguyên lý máy khuyếch đại l−ợng tử (Hộc cộng h−ởng) [ 3 ] Khi đ−a vào hộc cộng h−ởng, tín hiệu cần khuyếch đại có tần số ν32. Thì trong hốc sẽ hình thành sóng đứng phản xạ từ thành ống lại và ống đã đ−ợc điều chỉnh cộng h−ởng ở tần số đó. D−ới tác dụng của sóng đứng đó trong hoạt chất sẽ phát sinh và phát triển quá trình bức xạ cảm ứng . Những l−ợng tử năng l−ợng sinh ra do hạt dịch chuyển từ mức 3 xuống mức 2 sẽ kết hợp với sóng điện từ kích thích (tín hiệu vào) và sẽ duy trì dao động sinh ra trong hốc. Năng l−ợng điện từ trong hốc đ−ợc bức xạ cảm ứng khuyếch đại lên. 3.3 Sơ đồ nguyên lý cấu tạo của máy phát laser 4 5 6 1 1- Môi tr−ờng hoạt tính 7 2- Nguồn ánh sáng kích thích 3- Tia ánh sáng kích thíc 4- Hộc cộng h−ởng quang học 5- Hệ thống g−ơng (thấu kính hoặc lăng kính, 6- G−ơng bán trong suốt 3 7- Chùm tia laser 8 2 8- G−ơng phản xạ 30
  31. Hình 3-7 Sơ đồ nguyên lý máy phát laser [1] 3.4 Các bộ phận chính cúa máy phát laser Máy phát laser đ−ợc cấu tạo bởi 3 phần chính : • Môi tr−ờng hoạt tính • Nguốn kích thích • Phần quang học Môi tr−ờng quang học là bộ phận quan trọng - “trái tim của laser”có nhiệm vụ tạo ra sóng điện từ hay sóng ánh sáng. Môi tr−ơng hoạt tính của laser có thể dùng các chất : • Khí và hổn hợp khí (Ne, He, CO2, • Tinh thể (Rubi-hồng ngọc, ) Thuỷ tinh hợp chất • Chất lỏng : các dung dịch sơn, chất hữa cơ, vô cơ, • Chất bán dẫn (Ge, Si, ) Để cung cấp cho môi tr−ờng hoạt tính một năng l−ợng cần thiết để tạo nên vùng đảo các hạt ở các mức năng l−ợng cao ng−ời ta dùng nguồn kích thích. Nguốn kích thích th−ờng dùng là : nguồn ánh sáng đèn với hệ thống g−ơng phản chiếu; dòng điện tần số cao; cũng có thế dòng điện một chiều hay dòng điện có tần số thấp. 3.5 Phân loại laser : Có nhiều ph−ơng pháp để phân loại laser. Dựa theo vật liệu cấu tạo nên môi tr−ờng hoạt tính ng−ời ta chia laser thành 3 loại : laser rắn, laser lỏng và laser khí. • Laser rắn : Laser dạng rắn đ−ợc tạo thành từ việc bức xạ của một số chất có tính chất đặc biệt với một số nguyên tố có hoạt tính đặc biệt chịu sự tác dụng của bức xạ ánh sáng. Laser dạng rắn : hay sử dụng là Rubin-Hồng ngọc Al2O3 với 0,0 % Cr2O3; Kính, Y3Al5O12, CaWO4; 31
  32. Laser hồng ngọc đ−ợc sử dụng rộng rãi hơn các loại khác vì nó yêu cầu năng l−ợng kích thích thấp hơn các loại kia. Đây là loại laser đầu tiên đ−ợc chế tạo từ rubi hồng ngọc, tức là từ Oxyd nhôm với 0,05 % Cr . Loại laser này có tính dẫn nhiệt, bền nhiệt tốt, cho phép làm việc với tần số cao. Tiếp sau là laser chế tạo từ thuỷ tinh với các ion Neodim ( Nd) . Đây cũng là loại laser thể rắn, nguyên lý hoạt động của chúng t−ơng tự nhau. Laser thuỷ tinh Nd có độ đồng nhất cao đảm bảo góc phân kỳ (góc mở) nhỏ và cho phép bức xạ đều.giá thành rẻ, dẫn nhiệt tốt, có độ bền cơ học, độ bền nhiệt cao, thời gian phục vụ lâu. Quá trình làm việc của loại laser này theo sơ đồ 4 mức năng l−ợng nên hầu nh− không thay đổi nhiều theo nhiệt độ, các thông số của laser vì thế sẽ ổn định hơn. Nh−ợc điểm của loại này là tính dẫn nhiệt và chịu nhiết kém, hạn chế khả năng nâng cao công suất hoặc khi làm việc ở chế độ liên tục. Vì thế, hai loại laser trên đang đ−ợc cải thiện và hoàn chỉnh liên tục . Các loại laser trên cho phép gia công lỗ có đ−ờng kính từ 10 500 àm với chiều dày của vật liệu từ 1 3 mm • Laser thể khí có các loại : Laser CO2 - N2. - Laser CO2 - Ne - He - Laser N2, Ar, Laser thể khí có b−ớc sóng dao động trong khoảng rộng, từ tử ngoại đến hồng ngoại, cho nên cho phép ta chọn đ−ợc loại laser phù hợp với từng loại vật liệu gia công : kim loại, thuỷ tinh, chất bán dẫn, gốm sứ, vải, gỗ, Hệ số hửu ích cao Ví dụ : Laser thuỷ tinh - Nd đạt hệ số hửu ích η = 0,1 1 % (có thể đạt 2 3%) Laser CO2 có thể đạt hệ số hửu ích η <= 25 %, Công suất bức xạ đến 100KW Có thể làm việc ở chế độ liên tục hay chế độ xung; vận hành đơn giản. Hệ số hửu ích CO2 có thể cạnh tranh trong các công việc cắt xén vải, giấy, giấy các ton, da, gỗ, cắt những tấm mỏng từ kim loại cứng. • Laser lỏng là một trong những h−ớng mới của laser. Có 2 loại chất lỏng th−ờng dùng là các hổn hợp hữu cơ kim loại và chất màu. Loại hổn hợp hữu cơ kim loại chứa một số nguyên tố hiếm nh− Eu (eu-rô-pi). Môi tr−ờng hữu cơ 32
  33. đóng vai trò trung gian, nhận năng l−ợng của nguồn ánh sáng kích thích rồi truyền lại cho các nguyên tử Eu bị kích thích và bức xạ với b−ớc sóng 0,61 àm. Các loại laser lỏng có nh−ợc điểm là môi tr−ờng hoạt tính không bền vững, chất hữu cơ bị phân huỷ d−ới tác động của ánh sáng kích thích. Vì vậy hiện nay ng−ời ta thay chúng bằng các chất vô cơ. Các dung dịch vô cơ đ−ợc chế tạo từ Oxyd Clorua phot pho hoặc oxyd clorua selen với nêôdim (Nd) hoặc một ít Clorit thiếc hoặc các halogen kim loại hoà tan. Loại laser chất lỏng vô cơ có công suất bức xạ cao (cở 500W ở chế độ xung) và hiệu suất khá cao (t−ơng đ−ơng laser rắn với hợp chất Nd) • Laser không cần nguồn cung cấp điện : + “Laser khí động học” hay “laser phản lực” : Ng−ời ta tạo ra vùng đảo bằng ph−ơng pháp giản nở khí đột ngột . + Laser hoá học Dùng năng l−ợng sinh ra do các phản ứng hoá học để tạo ra vùng đảo các mức năng l−ợng. + Laser gamma là một loại laser có cấu tạo phức tạp công suất lớn và b−ớc sóng ngắn có thể đạt cở vài Ao (<10-7 cm). Bảng 3.1 các thông số đặc tr−ng của một số loại Laser [4] Môi tr−ờng B−ớc Tần số Thời gian Khoảng thời gian Công dụng hoạt tính sóng một xung cho phép làm việc àKm Hz 1 xung (giây) Rubin 0,6943 1 5 (0,5 -3).10-3 (50 100).103 xung Hàn, khoét lỗ Thuỷ tinh + 1,06 0,05 10 1 10-7 2.10-3 (50 100).103 xung hàn khoan lỗ hợp Nd kim cứng YAl5O12 1,06 50 100 2.10-4 (50 100).103 xung Cắt CO2-N2-He 10,6 Liên tục 500 1000 giờ Hàn và cắt 50 200 N2 0,3371 100 150 500 1000 giờ Gia công màng mỏng và chất bán dẫn 33
  34. 3.6. Đặc điểm và khả năng ứng dụng của laser 3.6.1 Đặc điểm của laser 1. Công suất ( C−ờng độ ) của nguồn bức xạ bằng ánh sáng rất mạnh so với nguồn năng l−ợng điện từ có cùng nguồn. 2. Độ đơn sắc cao . Độ đơn sắc đ−ợc đặc tr−ng bởi tỷ số à = ∆λ / λo . S = ∆ω / ωo Trong đó ∆λ - Chiều rộng quang phổ; à - Mức độ đơn sắc ωo - Tần số ứng với độ dài b−ớc sóng λo Laser Rubin-Hồng Ngọc : λ = 0,69 àm Với D = 1 cm Đ−ờng kính chùm tia bức xạ thì góc phân kỳ -4 θ0,5 = 0,85.10 rad ≈ 14'' Laser CO2 : λ = 10,6 àm Với D = 1,2.10-3 cm Đ−ờng kính chùm tia bức xạ thì θ0,5 = 0,85.10-4 rad ≈ 3'20'' Trong thực tế góc phân kỳ có lớn hơn do ảnh h−ởng của độ đồng nhất về sự phân bố biên độ và các pha trong vùng bức xạ. Ví dụ - kích th−ớc vùng bức xạ của tinh thể hồng ngọc khoảng 100 àm; kích th−ớc vùng bức xạ của hổn hợp hồng ngọc khoảng 850 àm (R−kalinpage 8) 3. Tính đồng loạt cao : Thời gian kết hợp đối với tia ánh sáng th−ờng là : 10-8 s Thời gian kết hợp đối với tia laser là : 10-2 - 10-1s 4. Kích th−ớc chùm tia nhỏ, có h−ớng tập trung và có tính hội tụ cao 5. Tần số ổn định; 6. Thời gian một xung ngắn khoảng 10-9 giây 34
  35. 10-9 s 10-8 s 10-3 s Liên tục τ Loại laser Nd-thuỷ tinh YAG, Rubun, CO2 Rubin, N2; Thuỷ tinh + Nd Vùng Gia công màng mỏng Đột lỗ Cắt ứng dụng Hình 4-1 Khoảng thời gian bức xạ của một số loại lase [5](trang.1) 7. B−ớc sóng ngắn và có dãi sóng bức xạ lớn từ tia cự tím đến hồng ngoại nên khả năng ứng dụng rộng. Chiều dài b−ớc sóng trong khoảng ( 0,1 - 70 àm). Trong thực tế ng−ời ta quan tâm nguồn có chiều dài b−ớc sóng trong khoảng 0,4 - 10,6 àm. Vì trong khoảng này nguồn laser đã đạt đ−ợc một số thông số yêu cầu : nguồn nhiệt l−ợng, công suất xung và công suất khi máy phát làm việc liên tục có ý nghĩa cho quá trình gia công kim loại. Hồng ngoại Tử ngoại 0,2 0,33 0,5 0,63 0,69 1,06 10,6 λ Hg N Ar Xe He - Ne Rubin Nd CO . 2 2 Lớp màng mỏng Kim loại Phi kim loại Hấp thụ cao 35
  36. Hình 4-2 Sơ đồ phân bố các loại sóng bức xạ của một số laser [5] (trang 17) 8. Mật độ nguồn nhiệt lớn ( 107 108 W/ cm2 . Có thể đạt 1010 - 1014 W/cm2. 1 2 3 4 5 Q w/cm2 1- Nguồn nhiệt của tia lữa điện 1010 2- Nguồn nhiệt của laser có xung tuần hoàn (q=1010-1014 w/cm2. 3- Nguồn nhiệt của laser liên tục có 6 8 9 2 q = 10 -10 w/cm . 106 4- Nguồn nhiệt của chùm tioa điện -2 10 1,0 Đ−ờng kính điểmtử nóng chảy, mm 5- Nguồn nhiệt của hồ quang hàn 102 7 6- Nguồn nhiệt của hồ quang plasma Hình 3-10 Sơ đồ mức độ tấp trung của các nguồn nhiệt [6] Ng−ời ta tính rằng nếu tập trung nguồn nhiệt này lên một diện tích hẹp thì chỉ trong khoảng thời gian nửa phần triệu giây nhiệt độ có thể đạt 8000 oC. Với khả năng này ng−ời ta đang nghiên cứu sử dụng chùm tia laser để gia công : khoan, khoét, hàn, cắt các loại vật liệu cứng và siêu cứng. Ngoài ra laser còn nhiều ứng dụng quan trong khác trong lĩnh vực quân sự, trong y khoa, trong kỹ thuật ảnh, trong thông tin liên lạc, 3.6.2 Khả năng ứng dụng của laser [1], [15]. Laser đ−ợc ứng dụng trong nhiều lĩnh vực khoa học và công nghệ. Theo [15] công nghệ laser đ−ợc sử dụng trong một số lĩnh vực sau : 1. Laser trong công nghệ hoá học 2. Laser trong công nghẹ vật liệu bán dẫn 36
  37. 3. Laser trong công nghệ chế tạo vật liệu kim loại 4. Laser trong công nghệ gia công vật liệu 5. Laser -công nghệ năng l−ợng 6. Laser trong lĩnh vực topography 7. Laser trong các lĩnh vực khác (kiến trúc, nghệ thuật,y tế, Trong chuyên đề này chỉ đề cặp đến công nghệ laser trong gia công vật liệu. Phân loại công nghệ laser trong gia công vật liệu. • Cắt bằng laser • Khoan (khoan bằng đơn xung, đa xung, khoan tế vi (d < 0,5 mm), • Hàn bằng laser ( Hàn, kiểm tra khuyết tật, kiểm tra cơ tính, kiểm tra mõi, đo độ cứng th−ờng và độ cứng tế vi, kiểm tra tổ chức kim loại, • Hàn vảy (vảy hàn cứng) • Hàn vảy (vảy hàn mềm) Phân loại công nghệ laser trong công nghệ vật liệu. • Biến cứng bề mặt • Làm bóng và đông cứng bề mặt • Hợp kim hoá bề mặt và phủ bề mặt • Luyện kim bột 1 Trong công nghiệp : • Gia công vật liệu với độ chính xác cao • Có thể hàn, cắt, khoan các loại vật liệu đặc biệt là vật liệu cứng và dòn nh− kim c−ơng, thuỷ tinh, sứ, • Không tiếp xúc trực tiếp cơ học với vật gia công nên ít gây biến dạng • Có vai trò quan trọng trong sản xuất công nghiệp vi điện tử • Laser còn là ng−ời kiểm tra chất l−ợng lý t−ởng với độ chính xác và tin cậy cao nhờ có khả năng ánh sáng tập trung, hội tụ cao, (kính hiển vi laser, thiết bị kiểm tra tham số hình học, thiết bị kiểm tra bề mặt, ) 37
  38. 2 Laser trong thông tin liên lạc • Truyền tin trên mặt đất và trong vũ trụ bằng tia laser vì tia sáng laser nh− một luồng sóng điện từ rất mạnh, định h−ớng cao, có khả năng mang một l−ợng thông vô cùng lớn. • Định vị vẹ tinh nhân tạo • Điều khiển hệ máy bay cất cánh và hạ cánh, 3 Laser trong khoa học kỹ thuật • Dùng tia laser công suất lớn để “bơm” năng l−ợng cho môi tr−ờng plassma đến nhiệt độ cần thiết cho phản ứng nhiệt hạch. • Sử dụng tia laser để làm giàu uranium 4 Laser trong quân sự • Chùm tia laser - “Đại bác laser” với năng l−ợng 1014-1016 w/cm2 có thể làm cháy, là xuyên thủng bất kỳ mục tiêu nào. • Các loại máy đo cự ly, radar laser là ng−ời trinh sát tinh t−ờng và chính xác • Sử dụng laser trong điều khiển đ−ờng bay của bom, tên lữa (tên lữa laser, bom laser, ) sai số của bom laser khoảng 3-4 m trong khi sai số của bom th−ờng là 100-150m. 5 Laser và kỹ thuật toàn hình (hologrrahy) • Tạo ảnh toàn hình • Xây dựng kỹ thuật điện ảnh toàn hình 6 Laser trong y học • Tia laser - một y cụ giải phẩu tuyệt vời; (Vi phẩu thuật mắt, các vếttrên da, các khối u, • Sử dụng tia laser trong châm cứu ; • Sử dụng sợi quang dẫn để truyền ánh sáng laser đến các bộ phận bên trong cơ thể (nh− dạ dày, ruột, ) để chẩn đoán và điều trị 7. ứng dụng laser trong phục chế các t−ợng đài kỷ niệm, các di tích lịch sử bị hoen ố, 38
  39. 8. Laser trong nông nghiệp • Dùng tia laser để kích thích tăng tr−ởng • Dùng tia laser để xử lý hạt giống, tăng tỷ lệ nảy mầm 9. Tia laser trong lĩnh vực bảo vệ môi tr−ờng • ứng dụng tia laser để phân tích, kiểm tra ô nhiểm môi tr−ờng 39
  40. Ch−ơng 4 cơ sở Lý thuyết Cắt bằng Laser 4.1 Sơ l−ợc về quá trình cắt bằng laser Y t−ởng về sử dụng nguồn năng l−ợng ánh sáng để cắt kim loại xuất hiện ngay khi dùng tia sáng mặt trời để nhen lửa hay đốt giấy. Từ đó nghiên cứu các thiết bị laser nh− bị cuốn hút bởi sự hấp dẫn của nó. Hiện nay cắt bằng laser đã trở thành thông dụng ở một số n−ớc. Ơ Nhật gần 80 % nguồn laser sử dụng cho cắt các loại vật liệu trong công nghiệp. Trong thực tế có nhiều ph−ơng pháp cắt nh− : cắt bằng cơ khí, cắt bằng siêu âm, cắt bằng hồ quang plasma, cắt bằng tia n−ớc áp suất cao, Trong những năm gần đây ng−ời ta đã bắt đầu sử dụng laser để cắt tất cả các vật liệu với bất kỳ độ cứng nào. 4.1.1 - Lịch sử phát triển các giai đoạn của các ph−ơng pháp cắt . CC Cat 1 2 3 4 Năm 1 - N−ớc 2 - laser 3 - Plasma 4 - Oxy_axêtylen Hình 4.1 Lịch sử phát triển các ph−ơng pháp cắt [12], A - Những phát minh ra cơ sở nguyên lý gia công; B - Phác thảo công nghệ; C - Khuynh h−ớng công nghệ của những máy đầu tiên trong công nghiệp; D - Quá trình ứng dụng và phát triển trong công nghiệp; E - Giai đoạn tối −u hoá quá trình ; F - Giai đoạn chính muồi cho t−ơng lai trong công nghiệp 4.1.2 Bảng so sánh các đặc tính của các ph−ơng pháp cắt và phạm vi ứng dụng (xem bảng 4-1) 39
  41. Bảng 4-1 Đặc tính và Cắt bằng Cắt bằng Plasma Cắt bằng phạm vi ứng dụng Oxy C2H2 tia laser Vật liệu cho quá Thép và thép hợp kim , hợp Tất cả các loại vật liệu Tất cảc các loại vật trình cắt kim có từ tinbhs và không dẫn điện liệu kim loại và phi từ tính. kim loại (KL, vải, platic, ) Chiều dày cắt 3 - 300 mm 30 - 40 mm ( có thể đạt 0,6 - 8 mm (cho đên 2 000 mm ) 150 - 200mm) có thể đạt 15 mm Chiều dày tối −u 5 - 600 mm - 0,4 - 30 Thép th−òng 1 - 6 mm khi cắt kim loại - 0,4 – 15,0 ( thép inóc 0,4 – 20,0 HK nhôm Chiều dày có thể 3 - 5 mm và 30 - 150 mm cho thép <= 10 mm cắt (kim loại) 600 - 2000 mm Tốc độ cm/ph 100cm/ph S= 3mm 2000 cm/ph Giống Plasma nhứng 20 cm/ph S = 300 tốc độ tăng hơn khi chiều dày tăng Mức độ biến dạng Lớn Vừa ít Độ chính xác 1 - 2 mm 1 mm 0,1 - 0,2 mm Chiều rộng rãnh 2 - 6 mm 1 - ( 2 - 6 mm)Các mép Rãnh cắt rất mảnh cơ cắt cắt khá song song phần m−ời mm Chất l−ợng mép cắt Khá tốt Các mép cắt khá song Rất tốt song Mức độ ô nhiểm CO2 rất nguy hiểm - Hồ quang hàn -Có thể có hơi kim và các loại khí thải khác - Khí thải, oxit, N2, loại - Hơi Cl khi cắt platic Công suất cần thiết Phụ thuộc loại khí 30 - 100 KW 1,5 - 2,0 KW o o Nhiệt độ 3170 C O2+C2H2 15000-20000 C Mật độ nhiệt rất cao 2840 O2 +C3H8 40
  42. 4.2 - Phân loại các ph−ơng pháp cắt bằng laser Laser Laser liên tục Laser xung Laser đa xung Laser đơn xung Cắt Khoan Đột lổ Đột lổ nhỏ Theo quỷ đạo Theo quỷ đạo bất kỳ với biên bất kỳ với biên độ lớn độ nhỏ Di động Cố định Vật cắt / Chùm tia Hình 4 2 Sơ đồ phân loại các ph−ơng pháp cắt bằng laser [13] 41
  43. 4.3 Sơ đồ nguyên lý cắt bằng chùm tia laser 1 2 3 1- Máy phát laser 2- Chùm tia laser 4 3- G−ơng phẳng nghiêng 4- Thấu kính hội tụ h d a/ 3 2 1 1 4 Hình 4 .3 Sơ đồ nguyên lý điều khiển hh−ớng chùm tia laser khi cắt d - đ−ờng kính chùm tia; 42
  44. Hình 4.4 Sơ đồ quá trình cắt bằng laser CNC [13] P 72 1 - Nguồn laser; 2 - Thiết bị bắn chùm tia laser; 3 - N−ớc làm mát 4 - May đo nhiệt l−ợng; 5 - G−ơng dẫn h−ớng; 6 - Thấu kính hội tụ 7 - Khí cắt 8 - Đầu cắt; 9 - Vật cắt; 10- Bàn điều khiển (X,Y); 11- Mô tơ 12- Máy điều khiển CNC Hình 4.5 Hình dáng bên ngoài của 1 máy cắt bằng laser 43
  45. Đầu cắt Hình 4.6 Hình dáng bên ngoài của 1 máy cắt bằng laser CNC của hảng HACO 44
  46. Hình 4.7 Các sản phẩm cắt trên máy cắt bằng laser CNC của hảng HACO 4.4 Đặc điểm của quá trình cắt bằng laser Cắt bằng laser có nhiều −u điểm đối với vật liệu có chiều dày nhỏ. ở Nhật gần 80% các phần việc của laser là cắt. Có thể cắt vật liệu phi kim loại và vật liệu kim loại. Ưu điểm của cắt bằng laser : 1. Chùm tia laser có nguồn nhiệt tập trung với mật độ nhiệt cao. Vì thế nó có thể cắt tất cả các loại vật liệu và hợp kim của nó. 2. Rãnh cắt hẹp; sắc cạnh; độ chính xác cao; 3. Có thể cắt theo đ−ờng thẳng hay đ−ờng cong bất kỳ; 4. Mép cắt sạch đẹp, không cần các b−ớc gia công phụ thêm; 5. Quá trình cắt xảy ra nhanh chống; 6. Đây là quá trình cắt không tiếp xúc; nó có thể cắt theo các h−ớng khác nhau. 7. Có thể cắt vật liệu có từ tính và không từ tính. 8. Khi cắt, không có các tác dụng cơ học nên tồn tại rất ít ảnh h−ởng của biến dạng trong quá trình cắt và sau khi cắt. Vùng ảnh h−ởng nhiệt nhỏ, biến dạng nhiệt ít; 9. Có năng suất cao; có thể tăng năng suất khi sử dụng các máy có điều khiển bằng ch−ơng trình NC, CNC. 10. Có thể cơ khí hoá và tự động hoá điều khiển quá trình cắt; Cắt vật liệu phi kim loại chiếm tỷ lệ khoảng 70 % (ví dụ : nh− cắt vật liệu ceramíc, kính, vật liệu compôzit đặc biệt là vải và các loại giấy) ; phần còn lại khoảng 30% là cắt kim loại. Thời gian gia công bằng chùm tia laser khi tự động hoá có thể giảm từ 8 giờ xuống còn 4 phút. 11. Không gây ồn; điều kiện lao động tốt. Ngoài ra điều kiện làm việc của công nhân đ−ợc cải thiện rất nhiều do l−ợng bụi ít hơn so với các ph−ơng pháp gia công cơ khí. 45
  47. 12. Chiều dày cắt hạn chế trong khoảng 10 - 20 mm (phụ thuộc vào công suất của nguồn laser). 4.5 Đặc tính của thiết bị cắt bằng laser • Đặc tính thuộc thiết bị bao gồm : loại máy phát, kích th−ớc của máy, loại nguồn, dạng xung hay liên tục, độ dài b−ớc sóng, phân cực, dạng chùm tia, vị trí đầu cắt,. • Đặc tính về dịch chuyển : Tốc độ dịch chuyển. điều khiển vị trí tiêu điểm của chùm tia; • Đặc tính của khí cắt: thành phần khí hổ trợ, cắt có khí nung hay không, ; • Đặc tính vật liệu : Tính truyền dẫn nhiệt, đặc tính quang học (hấp thụ bức xạ, khả năng phản xạ ) 4.6 các ph−ơng pháp cắt bằng laser. Để tiến hành cắt có thể tiến hành theo 6 ph−ơng pháp cắt sau đây [7]: 1 - Ph−ơng pháp đột biến về nhiệt (Năng l−ợng t−ơng đ−ơng (NLTĐ) - 1 lần) 2 - Cắt bằng “khoan” ( NLTĐ là 1 lần) 3 - Ph−ơng pháp nóng chảy, đốt cháy và thổi ;(NLTĐ gấp 10 lần) 4 - Ph−ơng pháp nóng chảy và thổi; ( NLTĐ gấp 20 lần) 5 - Ph−ơng pháp bay hơi; ( NLTĐ gấp 40 lần) 6 - "Cắt nguội " Dùng laser năng l−ợng siêu cao để cắt. (NLTĐ gấp 100 lần ) 4.6.1 Ph−ơng pháp đột biến về nhiệt Đây là ph−ơng pháp lợi dụng sự tập trung nhiệt đột ngột tại một điểm rất nhỏ trên bề mặt vật cắt và liên tục phát triẻn với tốc độ cao (cở m/s), gây neensuwj gẫy đột biến và tạo nên rãnh cắt. Ph−ơng pháp này th−ờng dùng khi cắt vật liệu dòn. Hình 4-8 46
  48. 4.6.2 Ph−ơng pháp cắt bằng “khoan” Cơ sở của ph−ơng pháp này là dùng tia laser khoan các lổ sâu hoặc không sâu, sau đó bẻ gẫy bằng cơ học. Ph−ơng pháp này th−ờng dùng khi cắt vật liệu dòn. Hình 4-9 Sơ đồ nguyên lý ph−ơng pháp khoan cắt bằng laser 4.6.3 Ph−ơng pháp nóng chảy, đốt cháy và thổi Làm cho vật liệu nóng chảy, cháy sau đó thổi các sản phẩm cháy đi ,tạo nên rãnh cắt. Trong quá trình nóng chảy đồng thời xảy ra phản ứng cháy cung cấp nhiệt bổ sung nên năng l−ơng t−ơng đ−ơng tăng lên rất nhiều (10 lần) so với khoan cắt 4.6.4 Ph−ơng pháp nóng chảy và thổi Nung nóng chảy vùng bị cắt và dùng khí áp suất cao thổi chung ra khỏi vùng cắt và tạo nên rãnh cắt. 4.6.5 Ph−ơng pháp bay hơi. Sử dụng nguồn nhiệt cao, tập trung làm cho vật liệu bay hơi tạo nên rãnh cắt Hình 4 - 10 Cắt bằng ph−ơng pháp bay hơi 4.6.6 Ph−ơng pháp “ cắt nguội “. Dùng laser có dãi tần số vùng cực tím có năng l−ợng siêu cao để cắt. Ph−ơng pháp này dùng để cắt vật liệu platic, vi phẩu thuật. Chất l−ợng mép cắt rất cao. hν - năng l−ợng cao 47
  49. Hình 4-11 Cắt bằng năng l−ợng tập trung cao 4.7 Các quá trình xảy ra khi cắt vật liệu 4.7.1 Sự phân bố và truyền nhiệt khi gia công cắt Nhiệm vụ nghiên cứu chính khi kim loại chịu tác dụng của nguồn bức xạ : * Nghiên cứu không gian và thời gian các đặc tính truyền dẫn nhiệt. * Bài toán truyền dẫn nhiệt. * Các bài toán về điều kiện biên; Đặc tr−ng cho sự bức xạ của laser là độ đơn sắc và đ−ợc đặc tr−ng bởi tỷ số: ∆λ ∆ω à = = λo ωo ∆λ - Chiều rộng vạch quang phổ; λ - B−ớc sóng; ω - Tần số trung bình ; à - Mức độ đơn sắc; Bán kính vệt nung trên bề mặt kim loại gia công đ−ợc tính : rf = θ.F θ - góc phân kỳ ( góc loe) D - đ−ờng kính chùm tia bức xạ; F - Tiêu cự của thấu kính. nếu D/F = 0,3 θ = θ 0,5 . rf = θ.F = 1,22 rf = θ.F = 0,3 (àm). Và công suất bức xạ là 106 (W) thì mật độ nhiệt ở tâm vệt nung là 1013 W/cm2 . Ghi chú : Thời gian một xung khoảng 10-9 giây Mật độ nguồn nhiệt 108 - 109 w/cm2 . Sự phân bố mật độ c−ờng độ nhiệt trên mặt phẳng tiêu cự của thấu kính là : 2.I1.Br 2 q(r) = q [ ] o 2 Br I1(u) - hàm B.exelia với B = (π.D)/ λF, C−ờng độ bức xạ nhiệt ở tâm (r = 0 ) sẽ là : 48
  50. (π.D)2 qo = .Po Po - là công suất bức xạ 4.(λ.F)2 Năng l−ợng bức xạ trong chất rắn và chất lỏng ở chế độ tổng hợp tự do <= 103 Jun . Năng l−ợng bức xạ của laser xung có thể đạt từ vài trăm KW (ở chế độ tập hợp tự do ) cho đến hàng triệu kw tại các “pic” trung bình và năng l−ợng các “pic” riêng rẻ. Sự truyền nhiệt cho vật liệu gia công. Nguồn nhiệt bức xạ tác dụng lên bề mặt gia công, một phần bị phản xạ, một phần đi sâu vào trong vật liệu và bị chúng hấp thụ. Trong khoảng thời gian nhất định sẽ xảy ra quá trình phân bố nhiệt . Quy luật phân bố trong thể tích kim loại đó thực tế có thể biểu diển bằng định luật BUGER [8]: -αz qv(z) = qvo ( 1-R)e . 3 qv(z) - Mật độ công suất khối của bức xạ ở khoảng cách z W/cm . qvo - Mật độ công suất khối của bức xạ trên bề mặt; (1- R) - Khả năng hấp thụ; R - hệ số phản xạ chùm tia; α - Hệ số hấp thụ ánh sáng (1/cm); Quá trình hấp thụ ánh sáng và truyền nhiệt bức xạ trong các vật liệu khác nhau ( kim loại , bán dân, chất cách điện) sẽ khác nhau. Quá trình hấp thụ các kvan( photon) ánh sáng xảy ra khi hấp thụ hay phát photon hay do sự va chạm giữa chúng. Hấp thụ ánh sáng sẽ làm tăng năng l−ợng các điện tử. Một phần năng l−ợng của electron sẽ truyền cho mạng . Tuy thế năng l−ợng này không đáng kể vì các mạng ít hơn rất nhiều so với số l−ợng lớn các ion và điện tử. Quá trình hấp thụ nhiệt của kim loại từ vùng vệt nung đến vùng kim loại bên trong xảy ra do truyền nhiệt bởi điện tử, photon, và bức xạ. Trong vùng gia công, nhiệt độ lên đến vài nghìn độ - đó là truyền dẫn nhiệt điện tử. 49
  51. Truyền nhiệt - phonton xảy ra ở vùng nhiệt độ thấp; vai trò của nó rất nhỏ so với truyền nhiệt điện tử. Truyền nhiệt bằng bức xạ chiếm vai trò quan trọng khi To >= 104 oK Cơ sở của quá trình gia công laser là khả năng bức xạ của laser để tạo nên trên một bề mặt nhỏ có mật độ nguồn nhiệt rất cao đủ để nung nóng kim loại, hay làm nóng chảy hay bay hơi bất kể một loại vật liệu nào. Nguồn nhiệt laser chiếu lên bề mặt kim loại có : + một phần phản xạ trở lại; + một phần đ−ợc vật liệu hấp thụ vào sâu trong vật gia công. Phần nhiệt đi sâu vào trong vật liệu hầu nh− bị các điện tử tự do ở lớp trên cùng của bề mặt ( độ sâu khoảng 0,1 - 1 àm ) hấp thụ. Chính điều đó làm tăng nguồn năng l−ợng cho các điện tử và chúng sẽ bị va chạm mãnh liệt hơn. Thời gian ban đầu mà các điện tử hấp thụ năng l−ợng và làm tăng các va chạm chiếm khoảng 10-11 giây. Phần lớn nguồn nhiệt laser truyền vào sâu trong kim loại bằng sự truyền nhiệt electrôn ( truyền nhiệt điện tử ) Sự truyền nhiệt bức xạ lên vật liệu gia công Khả năng hấp thụ năng l−ợng đ−ợc thể hiện bằng công thức [8] −1 1 / 2 A = 112,2(σ0 ) A = 1 - R σo - Điện trở suất của kim loại cho dòng 1 chiều (Ôm/m); R - hệ số phản xạ của vật liệu; Hệ số hấp thụ A của một số vật liệu khi b−ớc sống λ = 10,6 (àkm) Bảng 4-2 [8] Vật liệu Bề mặt đã đánh bóng Bề mặt bị ôxy hoá A= ( ở T = 873oK, t = 2 giờ ) A= Au 0,010 - 50
  52. Al 0,034 0,25 - 0,50 Fe 0,050 0,33 - 0,74 Zr 0,083 0,45 - 0,56 Ti 0,094 0,18 - 0,25 Nhận xét : * Mức độ hấp thụ thay đổi khi bề mặt có gia công tẩm thực hoặc có sự thay đổi về thành phần hoá học - Với độ nhấp nhô tăng từ Rz = 34 > 120 àm thì hệ số hấp thụ tăng lên Thép không gỉ : 1,2 - 1,5 lần Sắt kỹ thuật : 2,5 - 2,8 lần - Bề mặt có sơn phủ vật liệu hấp thụ đặc biệt hay bột kim loại thì hệ số hấp thụ cũng tăng từ : 2,0 - 2,5 lần. Mức độ phản xạ của nguồn nhiệt laser từ bề mặt vật rắn khi gia công đ−ợc xác định bằng hệ số phản xạ. Hệ số phản xạ phụ thuộc : + Loại vật liệu; + Chiều dài b−ớc sóng bức xạ của laser; Bảng 4-3 Hệ số phản xạ của một số chất hoạt tính [6] Vật liệu λ (àkm) Au Cr Ag Ni Ar 0,488 0,415 0,437 0,952 0,579 Rubin 0,694 0,930 0,831 0,961 0,676 YAR-Nd 1,064 0,981 0,901 0,964 0,741 CO2 10,60 0,975 0,984 0,989 0,942 Giá trị nhiệt tới hạn của một số chất mà không xảy ra sự phá huỷ bề mặt : Bảng 4-4 [6] Vật liệu Ag Al Au Cr Cu Fe Mg Ferit 51
  53. E * 6400 2400 3500 220 2600 300 970 40 KW/cm2 1 Q 1 5 Q PX Q PXKK 2 3 4 QTS Qr Hình 4-12 Sơ đồ phân bố năng l−ợng khi gia công kim loại 1 - Chùm tia laser; 2 - Vật liệu kim loại; 3 - Vùng bị chùm tia tác động và tạo nên lỗ; 4 - Kim loại nóng chảy; 5 - Chùm tia PLASMA phản xạ khi gia công; Ql - năng l−ợng chùm tia LASER; Qpx - Năng l−ợng phản xạ; Qpxkk - Năng l−ợng phản xạ vào không khí; Qbt - Năng l−ợng mất mát do kim loại bắn toé; Qts - Năng l−ợng truyền vào sâu kim loại; Qr - Năng l−ợng tiêu tốn trên bề mặt rãnh sâu trong kim loại; Nếu mật độ nhiệt v−ợt quá giá trị tới hạn thì vật liệu sẽ xảy ra quá trình phá huỷ bề mặt. 52
  54. Khái niệm phá huỷ bề mặt là khái niệm để hiểu có tính t−ơng đối. Bởi vì mọi tác dụng của nguồn nhiệt lên kim loại sẽ gây các quá trình vật lý, liên quan với quá trình khuyếch tán , hay sự kết hợp làm cho cấu trúc bị biến đổi. Phá huỷ kim loại với sự di chuyển một phần thể tích kim loại do sự bốc hơi . Phá huỷ bề mặt kim loại vùng cắt để có thể tạo nên những vết lõm, lỗ do pha kim loại nóng chảy bị chèn đảy d−ới áp lực của hơi kim loại hay các tác dụng khác. Đối với kim loại dòn , d−ới các tác dụng trên có thể tạo nên những vết nứt (P 242 -G ) Mô hình các quá trình hình thành các vết lõm hay tạo lỗ có thể thể hiện nh− sau : Theo Lý thuyết phá huỷ nhiệt Các nghiên cứu về sự phá huỷ kim loại đ−ợc đề cập đối với khoảng mật độ nhiệt 106 - 109 W/cm2 . Theo các lý thuyết về phá huỷ bề mặt kim loại và di chuyển các lớp kim loại đều do sự bay hơi bề mặt. Vận tốc lớp bay hơi [8] : q V = o KT * ρ.(L + 2,2 ) B m LB - Nhiệt hoá hơi o Ro - Hằng số phân tử khí R = 8,3145 J/ K (trang 25) Qo - Mật độ nhiệt chùm tia bức xạ K - Hằng số Bosman K = 1,380658 . 10 -23 J/(mol.oK Lý thuyết khí động học bay hơi [8] Theo lý thuyết này thì quá trình phá huỷ vật liệu xảy ra nhờ hệ thống các ph−ơng trình khí động học đối với mật độ dòng v−ợt quá giá trị tới hạn bốc hơi. ( Mật 6 2 độ nguồn nhiệt phải lớn hơn qo >= 10 w/cm . Thuyết bay hơi khối [8] 53
  55. Sơ đồ phụ thuộc thời gian tồn tại mầm bọt khí trong kim loại lỏng và mật độ nguồn nhiệt : τ, s (giây) -4 10 -5 10 -6 10 6 7 8 2 10 10 10 . q, W/cm Hình : 4-13 Sự phụ thuộc thời gian mầm bọt khí trong kim loại lỏng [8] R(q) à m 1 100 2 3 50 0 6,0 6,5 7,0 lgq w/cm2. 54
  56. Hình 4-14 Sự phụ thuộc giữa bán kính mầm bọt khí và mật độ nhiệt khi gia công Cu) [8] 1 - ∆T = 1 oC 2 - ∆T = 0,5 oC 3 - ∆T = 0,2 oC Tăng mật độ công suất nhiệt và làm giảm thời gian xung làm giảm lớp kim loại lỏng có thể đạt trạng thái bốc hơi. Trên đồ thị trên có thể thấy mật độ nhiệt vào khoảng 108 w/cm2 .và thời gian sẽ vào khoảng 10-7 sec. Tăng nhiệt độ quá nhiệt lớp kim loại lỏng sẽ làm tăng không chỉ sự phát triển mầm bọt khí và có thể làm bắn toé lớp chất lỏng một cách mảnh liệt mà còn làm tăng những xung áp lực ứng với các pik của các xung bức xạ. 6 2 Với qo ≈ 10 w/cm thì δ ≈ 10-2 - 10-3 cm (δ - chiều dày lớp chất lỏng) Với sự bốc hơi nhanh có thể làm cho nhiệt độ bề mặt giảm xuống một cách đột biến, dẫn đến áp lực phản lực cũng giảm mạnh , tạo điều kiện cho một vài vị trí nào đó có nhiệt độ cao xuyên sâu vào kim loại và tạo nên sự bùng nổ kim loại do nhiệt. Lớp kim loại sẽ bị tống ra mãnh liệt khi nhiệt độ đạt giá trị tới hạn. Phá huỷ bề mặt ở đây có thể hiểu : là giá trị nguồn nhiệt để nhiệt độ bề mặt o o kim loại đã đạt đến giá trị T nc hay T bh sôi ( để bốc hơi ) ở áp suất bình th−ờng. Để đạt đ−ợc nhiệt độ nóng chảy Tnc ta cố thể tính theo mô hình nung nóng vật bán vô cùng với nguồn nhiệt có c−ờng độ không đổi. Nguồn nhiệt cần để đạt đ−ợc nhiệt độ nóng chảy Tnc theo [6] là : 0,885.T .λ q(1) = nc c 1/ 2 (a.τ i ) Thời gian để đạt đ−ợc nhiệt độ nóng chảy Tnc là : 55
  57. 0,79.T 2 λ2 τ = nc m 2 qo .a Bảng 4-5 giá trị mật độ nhiệt tới hạn của một số chất q (1 ) [8] (1) Tên kim loại λ a Tnc τi qc Đơn vị w/(cm.oc) cm2/s oC s w/cm2 Cu 3,89 1,12 1083 10-3 1,1.104 10-8 3,5.107 Thép 0,51 0,15 1535 10-3 3,5.103 10-8 1,8.105 Ni 0,67 0,18 1453 10-3 6,5.103 10-8 2,0.105 Ti 0,15 0,06 1800 10-3 3,0.104 10-8 1,0.105 1,69 0,65 3380 10-3 2,0.104 W 10-8 6,2.105 1,41 0,55 2600 10-3 1,3.103 Mo 10-8 4,4.105 Cr 0,70 0,22 1830 10-3 7,7.103 10-8 2,7.105 Al 2,09 0,87 660 10-3 4,2.103 10-8 1,3.105 Nguồn nhiệt cần để đạt đ−ợc nhiệt độ sôi TB theo [8] là : 0,885.T λ q(2) = B c 1/ 2 (a.τ i ) TB - Nhiệt độ sôi τi - Thời gian một xung; (2) qc - mật độ công suất nhiệt tới hạn để đạt nhiệt độ sôi ; Nguồn nhiệt cần để đạt đ−ợc nhiệt độ bay hơi TBH theo [6] là : (3) 1/2 qc = ρ.L. (a/τi) 56
  58. Bảng 4-6 Mật độ nhiệt tới hạn q(3) [8], (3) Tên kim loại ρ.L a τi qc Đơn vị KJ/cm3 cm2/s S w/cm2 Cu 42,88 1,12 10-3 1,4.106 10-8 4,6.108 Thép 54,76 0,15 10-3 6,7.105 10-8 2,1.108 Ni 55,3 0,18 10-3 7,5.105 10-8 2,4.108 Ti 44,27 0,06 10-3 3,4.105 10-8 1,1.108 95,43 0,65 10-3 2,4.106 W 10-8 7,7.108 Mo 69,05 0,55 10-3 1,6.106 10-8 5,1.108 Cr 54,17 0,22 10-3 8,4.105 10-8 2,5.108 Al 28,09 0,87 10-3 8,6.105 10-8 2,7.108 (3) Mật độ nhiệt qc càng cao thì L và a càng cao và thời gian xung càng nhỏ. Đối với phần lớn kim loại thoả mản bất đẳng thức : (1) (2) (3) (nc) (sôi) (bay hơi) qc qc thì vật liệu sẽ nóng chảy hoặc bay hơi. Khi gia công, nhiệt độ trên bề mặt T* phải thoả mản : 57
  59. T* > Tnc ; T* > Tsôi . Khi gia công một phần kim loại lỏng sẽ bị đảy khỏi vệt nung nóng chảy d−ới áp lực hơi trong vùng gia công. Một phần lớn vẫn bám lại thành lỗ và kết tinh trên thành và d−ới đáy sau tác dụng của xung. Điều này xảy ra do mật độ nhiệt bị phân tán khi chùm tia đi sâu vào trong kim loại. Kết quả làm giảm tốc độ bay hơi. 4.7.2 Sơ đồ quá trình hình thành lỗ khi gia công Khi có chùm tia tác dụng Sau khi chùm tia thôi tác dụng a/ b/ c/ d/ a/ b/ c/ d/ d/ Kkhi chựm tiađang tỏc dụng 58
  60. Sau khi thụi tỏc dụng của chựm tia Hình 4-15 Sơ đồ hình thành lỗ khi gia công [5], [8] a/ Khi qo = q min . Bắt đầu quá trình bay hơi. D−ới áp lực hơi bề mặt kim loại lỏng bắt đầu võng xuống . Mật độ nguồn nhiệt càng lớn thì vết lõm càng tăng , sự bay hơi tăng mạnh, tạo nên áp lực lớn để chèn , ép kim loại ra khỏi vùng tác dụng thẳng h−ớng của chùm tia. Chuyển động của lớp kim loại lỏng này xảy ra một cách từ từ. b/ Kim loại lỏng còn liên kết với nhau do sức căng bề mặt. Khi tăng mật độ thì dòng kim loại lỏng bắt đầu chảy rối. một phần giọt kim loại lỏng sẽ bị tách ra khỏi liên kết trên, chuyển động theo dọc thành lỗ kim loại và kết quả là tạo nên khoảng trống trong kim loại. c/ Với mật độ khoảng 106 - 107 w/cm2 kim loại lỏng không đảy ra hết nên cuối cùng vẫn bị kết tinh lại một lớp trên bề mặt. Thời gian một xung ở đây là `10-3 sec với chiều dầy kim loại gia công là 0,3 mm. d/ Khi mật độ nhiệt tăng cao q ≈ 5.107 w/cm2, tốc độ dòng kim loại lỏng chảy rối tăng lên mãnh liệt và hình thành các tia kim loại lỏng bắn ra ngoài và hình thành lỗ hình . Kết quả nghiên cứu cho thấy : -5 S = 0,3 mm τ = 10 sec rf = 180 - 200 àm Bán kính tiêu điểm của chùm tia thì d = 10-3 cm ( d - Đ−ờng kính lỗ gia công) Nếu tính thời gian bốc hơi theo thuyết lớp đẳng h−ớng dừng thì : S = 0,3 mm τo = h/vo δ - Chiều dày tấm kim loại; vo - Tốc độ phá huỷ vật liệu; cm/sec 59
  61. qo Vo = ρ.LB 2 h = 0,3 mm vo = 10 cm/sec 6 7 2 -4 qo = 10 - 10 w/cm . Thì : τo = 3.10 sec Vì không tính đến điều kiện ảnh h−ởng thực nên khi phá huỷ kim loại thời gian thực tế sẽ ít hơn so với tính toán. Từ điều kiện cân bằng giọt kim loại lỏng trong rãnh để tạo nên lỗ ta có bán kính lỗ sẽ là : 3p 9 p2 3σ R = - ++. (cm) 4ρg 16pg ρg P - áp lực do phản lực của hơi của kim loại gây ra ( KG/cm2) ; Với ρ = 10 gam/ cm3; Sức căng bề mặt σ = 1.103 Din/cm2 (1Din = 10-5 Niutơn) Thì R = 10-3 cm 4.7.3 Sơ đồ hình thành mép cắt 1 2 3 4 5 60
  62. Hình 4-16 Sơ đồ hình thành và dịch chuyển mép cắt [13] 1- Chùm tia laser 2- Khí cắt 3- Vật cắt 4- Kim loại nóng chảy 5- Xỷ cắt 4.8 Chế độ cắt một số vật liệu Bảng 4-7 Chế độ cắt vật liệu phi kim loại bằng laser - CO2 [6] Số TT Tên vật liệu Chiều dày cắt Công suất Vận tốc mm W mm/s 1 Cao su 2.0 100 31.7 2 Kác tôn 19.4 200 1.6 3 Nilon 0.76 200 101.6 4 Da 3.2 200 10.5 5 Thạch anh 32 500 12.3 6 Acbo-miăng 10 500 0.83 7 Sợi 0.45 500 666.6 8 Vải thuỷ tinh 5.0 800 12.5 9 Pha nhe ra 6.4 850 90.1 10 Ke ra mic 65 850 10.0 11 Plek xi lác 10 900 58.3 12 Sợi thuỷ tinh 8 2500 16.6 61
  63. 13 Thuỷ tinh 32 5000 76.1 62
  64. Ch−ơng 5 Những nhân tố ảnh h−ởng đến quá trình gia công Nhân tố ảnh h−ởng đến chất l−ợng gia công cắt và đột lỗ bằng laser và chất l−ợng sản phẩm bao gồm nhiều yếu tố khác nhau. Tuy nhiên có thể phân thành hai nhóm chính : ảnh h−ởng của thiết bị cắt và ảnh h−ởng của công nghệ cắt. 5.1 ảnh h−ởng của các thông số thiết bị cắt : Các yếu tố ảnh h−ởng đến quá trình cắt do các thông số của thiết bị gây nên bao gồm: ảnh h−ởng loại máy phát , thiết bị điều khiển và các thiết bị hổ trợ khác Đối với thiết bị , do máy phát laser có nhiều loại ( rắn, lỏng, khí , hỗn hợp ) và ứng với mỗi loại các đặc tính của máy lại khác nhau nh− b−ớc sóng, tần số , c−ờng độ xung , dạng xung Các yếu tố này ảnh h−ởng đến chất l−ợng cắt cũng nh− độ chính xác của vật cắt . Tuỳ thuộc vào công suất của máy phát các nhà công nghệ cần phải chọn cho phù hợp với loại vật liêụ cần cắt . Trên bảng 5-1 dẫn ra mối quan hệ giữa năng l−ợng riêng khi cắt với một số vật liệu phi kim . Bảng 5-1 [6] Vật liệu Năng l−ợng cắt riêng KJ/g Composite 80 Téctolit 50 Tectolit thuỷ 47 tinh Thuỷ tinh thạch anh 45 Thuỷ tinh th−ờng 31 Amiant tấm 20 Nhựa 2,0 Các ton 0,2 Ngoài ra hình dạng và kích th−ớc vật gia công phụ thuộc vào công suất máy phát . Trên hình 5-1 biểu diễn sự phụ thuộc giữa công suất máy phát và chiều sâu xuyên thấu của lỗ. 62
  65. h, mm 1 Tiêu cự : 2 1- f = 50 mm 20 3 2 - f = 100 mm 10 3- f = 200 mm 0 50 100 150 200 P ( w) Hình 5-1 ảnh h−ởng của công suất máy phát đến chiều sâu lỗ cắt [5] , [6] Khi công suất máy phát tăng lên khả năng cắt đ−ợc vật liệu càng dày hơn . Mặt khác khi tiêu cự của thấu kính thay đổi cũng làm thay đổi chiều dày cắt đ−ợc. Trong quá trình khoan lỗ, chiều sâu của lỗ chịu ảnh h−ởng nhiều số l−ợng xung trong những thời gian khác nhau . Trên hình 6-2 hình dạng đ−ờng cong của đồ thị thể hiện chiều sâu của lỗ cắt tăng lên khi số l−ợng xung càng tăn, nh−ng đến một số l−ợng xung nào đó thì khả năng tăng đ−ờng kính lỗ không đáng kể nữa . h, mm 1 0,7 2 0,6 3 0,5 0,4 4 5 0,3 0,2 0,1 0 1 2 3 4 5 6 7 8 n, số xung Hình 5-2 Sự phụ thuộc giữa độ sâu lỗ với số xung [5] Vật liệu ferit, chiều dày 0,8 mm, năng l−ợng 1 xung là : 1 - 0,2 Jun; 2- 0,25 Jun; 3-0,35 Jun; 4-0,4 Jun; 5- 0,5 Jun 63
  66. Vc DĐầu cắt Hình 5-3 Sự phụ thuộc đ−ờng kính đầu mỏ cắt và vận tốc cắt [6] Ngoài ra độ chính xác gia công còn phụ thuộc vào các thiết bị điều khiển. Việc điều khiển qúa trình cắt bằng các máy CNC sẽ cho phép đạt đ−ợc độ chính xác sản phẩm cắt và chất l−ợng vật cắt cao cũng nh− tăng năng suất quá trình cắt . 5.2 ảnh h−ởng của công nghệ cắt : Các thông số của quá trình công nghệ ảnh h−ởng nhiều đến hình dạng chiều sâu cắt cũng nh− chất l−ợng của vật gia công .Các yếu tố ảnh h−ởng của công nghệ bao gồm tốc độ cắt , vị trí của tiêu cự, áp suất dòng khí thổi Tóc độ cắt có quan hệ mật thiết với khả năng cắt chiều sâu cũng nh− hình dạng tiết diện ngang lỗ cắt. Tốc độ cắt càng cao thì chiều dày cắt càng giảm Trên hình 6-4 dẫn ra đồ thị biễu diễn quan hệ giữa chiều sâu cắt đến chiều dày của vật cắt . Tốc độ cắt V m/ph 2 Nguồn laser 1,5 KW 1 - Khí ni tơ, (P=14 Bar) 6 2 - Khí O2/N2 (PP=6Bar) 5 1 4 3 2 1 2 4 6 8 10 S, Chiều dày cắt (mm) Hình 5-4 Sự phụ thuộc của tốc độ cắt vào chiều dày vật cắt [17]. -Vật liệu cắt :thép cacbon A42 - Công suất nguồn 1,5 Kw- Đ−ờng kính đầu cắt laser 1,8mm - áp suất dòng khí hỗ trợ cắt 2bar (cách bề mặt 2mm) 64
  67. Tuy nhiên có một điều thú vị là khi tốc độ cắt càng cao thì chiều rộng rãnh cắt nhận đ−ợc càng hẹp hơn . Nguyên nhân này đ−ợc giải thích do sự truyền nhiệt ra xung quanh vùng cắt giảm đi . Trên hình 6-5 dẫn ra các rãnh cắt khác nhau khi sử dụng các tốc độ cắt khác nhau để cắt thuỷ tinh tectolít dày 5mm , P = 2 kw . 1 - Tốc độ cắt 6,6m/ph 2 - Tốc độ cắt 16,6 m/ph 3 - Tốc độ cắt 25 m/ph 4 - Tốc độ cắt 33 m/ph 1 2 3 4 V1 < V2 < V3 < V4. Hình 5-5 : Phụ thuộc tiết diện rãnh cắt vào tốc độ cắt [6] Vị trí tiêu điểm của chùm tia laser so với bề mặt vật gia công lỗ ảnh h−ởng rất đáng kể đến hình dáng lỗ khoan cũng nh− chiều sâu lỗ . Trên hình 6-6 dẫn ra sự thay đổi vị trí tiêu điểm của chùm tia laser so với bề mặt ngang của vật gia công . Rõ ràng là khi tiêu điểm của chùm tia nằm đúng trên bề mặt trên của vật gia công thì hình dáng của lỗ khoan theo chiều sâu đều đặn hơn và chiều sâu của lỗ đạt đ−ợc hợp lý nhất . Vị trí tiêu điểm Hình 5-6 : Phụ thuộc hình dạng của lỗ gia công và chiều sâu của lỗ vào vị trí đặt tiêu điểm của chùm laser [4] 65
  68. Hình 5-6 : Phụ thuộc hình dạng của lỗ gia công và chiều sâu của lỗ vào vị trí đặt tiêu điểm của chùm laser [4 ] a/ Mụ tả hỡnh học, b/ Ảnh trờn mẫu kim tương của mẫu thớ nghiệm Ngoài ra bề mặt mép cắt đạt đ−ợc chất l−ợng cao hay không còn phụ thuộc vào công nghệ cắt có sử dụng dòng áp lực khí thổi hỗ trợ hay không cũng nh− h−ớng dịch chuyển chùm tia laser trong khi cắt ? Trên hình 5-7 (a, b, c) là mô hình cắt có xỉ và không có xỉ cắt ở mép rãnh cắt khi sử dụng chùm laser cắt có sử dụng nguồn khí thổi .Khi h−ớng dịch chuyển của đầu cắt dao động qua lại trong quá trình cắt theo cả hai ph−ơng x và y thì sản phẩm cắt sẽ nhẵn hơn (H5-7b) [11] 66
  69. a/ Khi cắt theo đ−ờng thẳng a/ Mép cắt Xỷ Mép cắt b/ Xỷ b/ Quá trình cắt có chuyển động ngang thì mép cắt nhẵn hơn Mép cắt c/ Không có xỷ c/ Khi cắt Có sử dụng khí để thổi Hình 5-7 Một số dạng mép cắt khi có sử dụng khí thổi [11] Ngay cả loại khí dùng trong quá trình thổi cắt cũng ảnh h−ởng đến chiều dày cắt và tốc độ cắt cực đại. Sự phụ thuộc giữa vận tốc gia công, chất l−ợng bề mặt kim loại, và chiều sâu vùng chùm tia laser tác dụng. h, h, mm mm 2 2 1 1 5 10 V, m/s 10 20 V, m/s a/ b/ Hình 5-8 Sự phụ thuộc vào trạng thành phần lớp sơn phủ trên bề mặt thép 45 đánh bóng. a - Khi V 6 m/s 67
  70. R , Cm 0,3 0,2 0,1 0,0 104 105 106 KG/cm2 Hình 5-9 Sự phụ thuộc bán kính lỗ vào áp lực phản lực của hơi [8] Để giảm tiêu hao nguồn nhiệt ng−ời ta sử dụng dòng khí hổ trợ nhằm đảy các sản phẩm cháy ra khỏi rảnh cắt d−ới tác dụng của động lực học dòng khí v−ợt quá giới hạn sức căng bề mặt của các giọt kim loại lỏng. 68
  71. Ch−ơng 6 Một số ứng dụng khác của laser Nh− trên đã trình bày, laser có thể đ−ợc ứng dụng trong nhiều lĩnh vực , đặc biệt là cắt các loại vật liệu nh− đã trình bày ở trên. Cắt vật liệu có thể là cắt phôi (đ−ờng bao không khép kín và cắt hình (theo đ−ờng bao khép kín). Ngoài ra còn có thể cắt phôi theo các sơ đồ nh− sau: 6.1 Sơ đồ nguyên lý cắt phôi có kết hợp nung nóng [12]. 1 2 3 4 5 Hình 6-1 Sơ đồ nguyên lý cắt laser có kết hợp nung sơ bộ bằng ngọn lữa ôxy - axetylen (page 14, Souder-1996, Septembre No 5). 1 Chùm tia laser 2- Thấu kính hội tụ; 3- Đầu cắt; 4- Mỏ nung; 5- Vật cắt 1 6 7 2 8 3 4 9 5 Hình 6-2 Sơ đồ nguyên lý cắt laser có kết hợp nung sơ bộ bằng chùm tia laser 1 - Chùm tia laser 2- Bộ tách chùm tia laser; 3- Thấu kính hội tụ; 4-Chùm tia laser nung sơ bộ 5- g−ơng 6- G−ơng hội tụ 7- Chùm tia laser cắt 8-Đầu cắt; 9- Vật cắt 68
  72. 6.2 Gia công cắt các loại vật liệu kim loại Cắt bằng chùm tia laser đ−ợc ứng dụng rất rộng rãi. Đặc biệt từ khi ng−ời ta ứng dụng các ph−ơng pháp cắt có sử dụng khí hổ trợ với áp suất phù hợp. Dòng khí cắt ở đây có 2 chức năng : • Nung nóng vật liệu, oxy hoá kim loại vùng cắt, hạn chế khả năng phản xạ, tăng c−ờng khả năng bắt lửa, đốt cháy kim loại, • Tách các sản cháy ra khỏi vùng cắt và tạo nên rãnh cắt. Ngoài ra nó còn làm cho mép cắt sạch hơn, chất l−ợng mép cắt tốt hơn. Tại viện nghiên cứu Franphuốc (Fraunhofer-[11] ng−ời ta đã dùng ngọn lữa oxy-axetylen kết hợp với laser CO2 để cắt tấm kim loại dày trên 8 mm, cho phép tăng vận tốc cắt lên (30-50) %. Với các loại thép thông th−ờng có thể cắt đến chiều dày 80mm với công suất nguồn laser 1,2 kw, áp suất 9,5 bar, vận tốc cắt 0,2 m/ph; chiều rộng mép cắt khoảng 45 àm. Theo kết quả nghiên cứu của Tr−ờng tổng hợp Erglangen, CHLBĐức [16], khi cắt vật liệu X5CrNi18-9 bằng laser YAG (chế độ xung) nh− sau : • áp lực khí ni tơ cắt 7.105 Pa • Đ−ờng kính lỗ đầu cắt 0,8 mm • Thời gianbuwcs xạ (1 xung) 5.10-4 giây • Vị trí của tiêu điểm (trên bề mặt vật cắt)0,7-1,3 mm • Khoảng cách từ đầu cắt - vật cắt 0,3 mm • Năng l−ợng 1 xung 0,7-1,8 J • Tần số xung 212-78 Hz • Chiều rộng mép cắt 9,2 àm. Vật liệu nhôm là một trong những vật liệu khó cắt bằng các ph−ơng pháp cắt có ngọn lửa vì nó tạo ra lớp Al2O3 có nhiệt độ nóng chảy cao hơn nhiệt độ nóng chảy của Al, tính dẫn nhiệt cao làm mất mát nhiệt, gây khó khăn cho quá trình cắt. Cắt vật liệu nhôm bằng laser sẽ cho hiệu quả và chất l−ợng cao. Theo số liệu của 69
  73. Tr−ờng tổng hợp Nagoya (Nhật Bản) có thẻ đạt hiệu quả khi cắt theo chế độ sau: • áp lực khí cắt 5.105 Pa • Đ−ờng kính lỗ đầu cắt 2,0 mm • Tiêu cự 125 mm • Chiều rộng mép cắt 9,2 àm. • Tốc độ cắt (S= 1mm, VL Al5052) 3,2 m/ph • Khí hổ trợ Ar, N2, O2. Trong đó N2 là tốt nhất Khi cắt vật liệu hợp kim nhôm ma-nhê : Al99,5; Amg1; AlMgSi1 có lớp phủ anốt hoá loại đen, crôm hoá, phốt phát crôm, verni, với chiều dày 2mm có chế độ cắt nh− sau: • áp lực khí cắt 5-15 Bar • Đ−ờng kính vệt chùm tia hội tụ 0,75 mm • Tiêu cự 127 mm • Khí hổ trợ N2, O2. Kết quả nghiên cứu choi thấy khi cắt nhôm không có lớp phủ (Al99,5) thì tốc độ cắt bằng laser CO2 tăng lên 50% khi có sử dụng khí cắt là oxy. Chế độ cắt vật liệu kim loại tham khảo ở bảng 6-1 [5] Bảng 6-1 Vật liệu cắt Chiều dày cắt Công suất nguồn P Vận tốc cắt Mm W Cm/s Thép các bon 8,0 400 1,5 3,8 3,0 Thép inox 8,0 850 0,6 5,0 1,2 Titan 3,8 250 4,2 Hợp kim titan 5,0 850 5,5 Nhôm 3,8 300 0,4 Đồng 0,6 300 2,5 70
  74. Bảng 6-2 trình bày một số đặc tính của một số loại laser và phạm vi ứng dụng của chúng. Bảng 6-2 [5] Loại vật liệu Loại laser Phạm vi ứng dụng Ghi chú Kim loại và hợp CO2 Công nghiệp ôtô, đóng Sử dụng khí kim tàu, hàng không và oxy để thổi xây dựng VL Bán dẫn YAG + Nd Công nghiệp điện tử Màng kim loại CO2, YAG + Nd Công nghiệp điện tử, He+Ne+N2. Radio, các panel 6.3 Gia công cắt các loại vật liệu phi kim loại Khi cắt các vật liệu phi kim loại th−ờng gặp nhiều khó khăn do vật liệu dòn, kém bền (gốm sứ, thuỷ tinh, ); một số vật liệu dễ bị cháy, dể bị phân huỷ, Vật liệu phi kim loại có loại nóng chảy, có loại bay hơi , có loại bị phân huỷ d−ới tác dụng của chùm tia laser. Loại này còn chia ra các nhóm : vật liệu hữu cơ, chất dẽo, gỗ, vải, giấy,, Sử dụng khí để cắt trong tr−ờng hợp này không có ý nghĩa quan trọng mà chủ yếu là sử dụng không khí th−ờng để thổi các sản phẩm cát ra khỏi mép cắt. Khả năng của một số hợp chất khí tác dụng đến chiều dày cát đ−ợc dẫn ra ở bảng 6 -3 Bảng 6.3 [5] Khí thổi Với He N2 O2 KhôngK Ar CO2 75% Ar P = Const hí 25% H2 Chiều sâu 23,5 24 22,5 24,5 25,5 22,0 23,0 Cắt mm Trên bảng 6-4 dẫn ra một số chế độ cắt vật liệu phi kim loại bằng laser 71
  75. Bảng 6-4 [5] Vật liệu cắt Chiều dày cắt Công suất nguồn P Vận tốc cắt (mm) (w) (cm/s) Thuỷ timh 3,8 300 0,4 Ke ra mic 6,3 850 1,0 Gỗ cứng 5,0 850 7,5 Gỗ mềm 14,0 850 2,5 Bảng 6-5 [5];[6] Số TT Tên vật liệu Chiều dày cắt Công suất Vận tốc mm/s 1 Cao su 2.0 100 31.7 2 Kacton 19.4 200 1.6 3 Nilon 0.8 200 101.6 4 Da 3.2 200 10.5 5 Thạch anh 3.2 500 12.3 6 Ac Ximăng 5.00 500 0.83 7 Sợi 0.5 500 666.6 8 Vải thuỷ tinh 5,0 800 12.5 9 Pha nhe ra 6.4 850 90.1 10 Ke ra mic 6.5 850 10.0 11 Plek xi lác 10.0 900 58.3 12 Sợi thuỷ tinh 8.0 2500 16.6 13 Thuỷ tinh 3.2 5000 76.1 Trên bảng 6.6 trình bày một số thông số liên quan đến các loại laser và phạm vi ứng dụng cho cắt bằng laser cắt đối với một số vật liệu phi kim loại . 72
  76. Bảng 6.6 [5] Loại vật liệu Loại laser Phạm vi ứng dụng Ghi chú Thuỷ tinh và Ke CO2 Công nghiệp kính, thuỷ tinh, ra mic chân không Vật liệu hữu cơ, CO2 Các ngành công nghiệp polime Vải CO2 Nghành dệt may Màng kim loại CO2; YAG + Nd Cong nghiệp điện tử, Radio, He + Ne + N2 các panel Gỗ, kácton CO2 Công nghiệp Có sử dụng khí và hoá chất khí trơ để thổi 6.4 ứng dụng laser trong gia công lỗ. 6.4.1 Các thông số khi gia công lỗ bằng laser Từ những năm 1964 ng−ời ta bắt đầu sử dụng loại laser có nhiều xung ngắn để gia công những lỗ sâu. ph−ơng pháp này đ−ợc hình thành dựa trên cơ sở từng lớp kim loại bay hơi d−ới tác dụng của nhiệt gia công. Tổng năng l−ợng các xung quyết định kích th−ớc của lỗ. Ph−ơng pháp này đang đ−ợc ứng dụng trong các ngành chế tạo thiết bị, kỹ thuật radio, hàng không, kỹ thuật điện, dệt, chế tạo máy, Hiện nay gia công lỗ bằng laser đang đ−ợc ứng dụng để gia công các khuôn kéo từ hợp kim cứng : Khuôn kéo thép, khuôn kéo sợi dệt, khoan chân kính đồng hồ, Sau đây trình bày một số ứng dụng của laser để gia công lỗ Tuỳ thuộc vào yêu cầu chính xác ng−ời ta phân ra: • Đột lỗ th−ờng (độ chính xác thấp) • Đột lỗ chính xác. Tuỳ thuộc vào quan hệ giữa chiều sâu h và đ−ờng kính d của lỗ ng−ời ta chia ra Đột lỗ không sâu h / d 1: h/d = . n1/3. [5] 2tgγ 73
  77. n.Σw h/d = i 2π.r0 L0 Trong đó : w - năng l−ợng một xung ; L0 - Nhiệt l−ợng bay hơi ; r0 - bán kính vùng bị chùm tia tác dụng (mm) ; n - số xung tác dụng lên vùng gia công ; Kích th−ớc tính toán khi gia công lỗ [5] : 3 3w r0 h = 3 (r0 / tgγ ) + 2 − π.tg .L0 . tgγ 3 3w.tgγ d = 3 2r0 + π.L0 . Bảng giá trị tính toán h và d một số vật liệu khi tiêu điểm nằm ở bề mặt vật gia công nh− sau [5](Veiko trang 50 và [8]: Bảng 6-7 [5] W Al Thép Mo W Fe rít h d h d h d h D h d (J) mm mm mm mm mm mm mm mm mm mm 0,1 0,58 0,14 0,45 0,11 0,40 0,10 0,38 0,10 0,45 0,11 0,5 1,10 0,23 0,85 0,18 0,80 0,18 0,70 0,16 0,85 0,18 1,0 1,37 0,29 1,1 0,24 1,00 0,22 0,90 0,20 1,10 0,24 2,0 1,75 0,37 1,40 0,30 1,35 0,29 1,20 0,26 1,40 0,30 5,0 2,4 0,50 1,90 0,40 1,85 0,39 1,65 0,35 1,90 0,40 Năng Φ <1,0 mm l−ợng (J) S < 3,0 mm Cắt : S <2,5 mm Φ <0,5 mm S < 2,0 mm Φ <0,3 mm S < 1 mm Cắt S <0,5 mm t - Thời gian Hình 6-2 : Sơ đồ phạm vi ứng dụng của laser cho gia công lỗ [17] 74
  78. Giá trị một số thông số liên quan quá trình đột lỗ dẫn ra ở bảng 6-8 [5] Bảng 6-8 Công suất D h (h/d) Số xung xung max max max J Mm mm 0,1 0,15 0,5 3,3 4 1,0 0,33 1,5 4,5 6 10 0,73 5,0 7,0 9 6.4.2 ứng dụng laser cho gia công khuôn kéo từ kim c−ơng Khuôn kéo dùng cho chế tạo các loại cáp điện thoại, các loại sợi thép, dây lò xo, các loại dây điện trở, Ngoài ra ng−ời ta còn sử dụng để chế tạo các loại khuôn kéo trong công nghiệp dệt, kéo sợi, Kích th−ớc các loại khuôn kéo khác nhau . Để gia công khuôn có kích th−ớc nhỏ (<1mm) bằng các ph−ơng pháp thông dụng gặp nhiều khó khăn Trong lúc nhu cầu sản xuất khuôn mẫu nói chung và các loại khuôn kéo rất lớn. Vật liệu làm khuôn kéo đ−ợc chế tạo từ các loại vật liệu có độ cứng và độ chịu mài mòn cao : thép hợp kim, hợp kim cứng, đặc biệt là các loại kim c−ơng tự nhiên và kim c−ơng nhân tạo. Các ph−ơng pháp gia công cổ điển nh− khoan không đáp ứng đ−ợc. Các ph−ơng pháp tia lữa điện, ăn mòn điện hoá, có nhiều hạn chế đặc biệt là đ−ờng kính và chiều sâu, Mặt khác các ph−ơng pháp trên cần phải qua giai đoạn tạo lỗ thô ban đầu, sau đó mài nghiền bằng bột mài và đánh bóng để đạt đ−ợc độ chính xác và độ bóng theo yêu cầu. Đây là những thao tác rất khó khăn và tốn nhiều thời gian. Ví dụ gia công lỗ thô ban đầu bằng cơ khí phải mất từ 24 - 48 giờ, các nguyên công tinh chỉnh mất từ 12-16 giờ. Sơ đồ kết cấu khuôn kéo có dạng nh− hình 6-4 4 3 2 1 Hình 6- 4 Sơ đồ cấu tạo khuôn kéo bằng kim c−ơng [5] 1- đầu vào 2- Khoa chứa chất bôi trơn 3- Vùng làm việc (tạo hình) 4- Đầu ra 75
  79. Kết quả nghiên cứu chế tạo các lỗ bằng laser cho thấy: Năng l−ợng của xung 3 Jun (J) Thời gian 5.10-4 giây Khi tạo lỗ mới từ phôi sợi tinh thể kim c−ơng chỉ cần một vài xung; còn khi gia công để mở rộng lỗ, gia công sửa lại các khuôn đã qua sử dụng phải cần đến hàng chục xung. Do dãi tần số và b−ớc sóng trong phạm vi rộng, các xung năng l−ợng và thời gian một xung khác nhau, cho phép ta chọn những chế độ tối −u để gia công lỗ hoặc chuốt, Ví dụ Khi mở rộng lổ từ 175 àm ặ 350 àm cần đến 22 xung với năng l−ợng bức xạ 4 Jun. Với chế độ đó , không thấy có sự phá huỷ cấu trúc của kim c−ơng. Tuy nhiên trên bề mặt lổ có bám một lớp mỏng grafit do sự cháy các bon tạo nên. Nên sau khi gia công phải làm sạch bằng siêu âm. Khi gia công trên thiết bị laser rubin có các thông số : Năng l−ợng xung <=10J Góc phân kỳ 0,5 micro radian Thời gian tồn tại một xung 0,5 - 1 micro giây Tần số chế độ bằng tay 1 Hz Tần số chế độ tự động 1/10 Hz Khi gia công lổ có đ−ờng kính 1,25 mm chiều dày 3,1 mm hết 10 phút trong lúc gia công bằng cơ khí mất 24 giờ. Với thiết bị trên có thể gia công lổ có d= 0,05 - 0,4 mm, h = 1mm d = 0,8 mm h= 3 mm Gia công tạo phôi lổ bằng laser, sau đó gia công tinh bằng mài nghiền. Khi gia công vật liệu dòn ng−ời ta dùng laser đa xung. (Veiko page 85). Năng suất gia công bằng laser gấp 12-15 lần so với ph−ơng pháp điện vật lý gấp 200 lần só với ph−ơng pháp gia công cơ khí 6.4.3 Gia công chân kính đồng hồ bằng laser Sản xuất chân kính đồng hồ là một ngành công nghiệp sản xuất hàng loạt với yêu cầu rất cao về độ chính xác và chất l−ợng. Hàng năm cần hàng chục triệu 76
  80. sản phẩm. Vật liệu th−ờng dùng cho chế tạo ổ trục đồng hồ là rubi. Chi tiết có dạng đĩa D = 1-1,5 mm, S=0,5 mm. Đ−ờng kính lổ thông cần gia công (30-90 àm) 1 2 3 Hình 6-7 Sơ đồ cấu tạo chân kính đồng hồ [5] 1- phôi 2- Chân kính 3- Lỗ tinh đ−ợc gia công bằng laser Để gia công hoàn thiện chân kính ng−ời ta phải dùng nhiều xung. Xung đầu tạo ra lổ xuyên thấu, xung thức 2 hoàn chỉnh hình dáng, các xung tiếp theo là tinh chỉnh. Với năng l−ợng xung khoảng 2 J, Thời gian 2.10-4 giây, Tần số 2 Hz thì năng suất đạt 40000 sản phẩm chân kính /ca=8 giờ) . ở đây đ−ờng kính lổ : d = 50 àm, Thời gian gia công một chân kính cở 1 giây, trong lúc gia công cơ mất 10 phút gấp 600 lần, năng suất lao động tăng 15 lần, độ bóng bề mặt đạt cấp 7-8 (TC củ). Bảng 6-9 [5] Veiko trang 98) Một số thông số khi gia công lổ. 77
  81. Bảng 6 - 9 Chi tiết Vật liệu h, mm d, mm W,(J) τ mily giây Q w/cm2. Khuôn Kim 1 0,05-0,04 2-5 0,5 2-5.107. kéo c−ơng 3 0,8 0,5-2 0,5 (0,5-2).107 3,1 1,25 10 0,5 1,8.107 4,8 2,0 10 0,5 1,8.107 6,2 3,75 10 0,5 1,8.107 5-6 0,5-0,6 2-3 0,6 1,8.107 Chân Rubin 0,035 0,05 0,15 0,2 Thời gian kính đồng 0,035 0,05 0,1-0,2 0,05-0,1 gia công hồ 0,36 0,04-0,09 5-11 1 6-10 phút 0,03 0,06-0,09 4 1 0,4 0,01 1 10-4 Khuôn Thép 0,06- 0,03-0,04 0,1-0,2 1 Thời gian kéo sợi inox 0,08 gia công dệt 1-2 giây 6-5 ứng dụng laser để quét xử lý nhiệt bề mặt Chùm tia Hình 6-8 Sơ đồ nguyên lý quét bề mặt bằng chùm tia laser [15] 78
  82. 6-6 ứng dụng laser để gia công lớp phủ bề mặt kim loại Chùm tia laser Lớp phủ Hình 6-8 Sơ đồ nguyên lý quét bề mặt bằng chùm tia laser [15] 6-7 ứng dụng laser trong nhiệt luyện bề mặt 2 1 3 3 2 3 1 2 1 Hình 6-9 Sơ đồ nguyên lý nhiệt luyện bề mặt bằng chùm tia laser [15] 1 - Chùm tia laser; 2 - G−ơng phản xạ; 3 - Bề mặt gia công 6- 8 Nung chảy lại bề mặt theo quỹ đạo 1 2 Hình 6-10 Sơ đồ nguyên lý nhiệt luyện bề mặt bằng chùm tia laser [15] 1 - Chùm tia laser; 2 - Bề mặt gia công 79
  83. 6-9 Hàn bằng laser 5 4 6 7 3 8 9 2 10 11 1 Hình 6-11 Sơ đồ nguyên lý hàn bằng chùm tia laser [5],[7] 1- Tủ điều khiển, 2 - Nguồn điện, 3 - đầu laser, 4 - Hệ thống làm mát, 5- Chùm tia laser, 6 - G−ơng phản xạ, 7 - G−ơng lọc, 8- Hệ thống quan sát 9- Thấu kính hội tụ, 10 - Chi tiết 11 - Bàn đặt chi tiết gia công có thể di chuyển theo 2 ph−ơng X, Y Đặc điểm của hàn bằng chùm tia laser 1. Có thể hàn trong bất kỳ môi tr−ờng nào mà ánh sáng xuyên qua đ−ợc ( môi tr−ờng chân không, môi tr−ờng khí trơ hoặc không khí bình th−ờng, ) 2. H−ớng đi của chùm tia có thể điều khiển bằng hệ thống kính cho nên có thể hàn đ−ợc ở các vị trí hàn phức tạp. 3. Có thể hàn từ xa. 4. Có thể hàn các chi tiết có chiều dày nhỏ và cực nhỏ trong ngành kỹ thuật điện tử và vi điện tử. 5. Hàn đ−ợc các loại vật liệu khác nhau (Au + Si, Au + Ge, Ni + Ta, Cu + Al, 6. Do chùm tia có kích th−ớc nhỏ, hẹp, nguồn nhiệt tập trung nên thời gian hàn nhanh, vùng ảnh h−ởng nhiệt nhỏ, ít bị biến dạng. 7. Chất l−ợng mối hàn cao . 80
  84. Mục lục Nội dung Trang Ch−ơng I Giới thiệu Hợp kim khó gia công 1 1.1 Kim loại khó chảy 1 1.2 Thép hợp kim 1 1.3 Hợp kim đặc biệt 2 1.4 Hợp kim có tỷ bền cao 3 1.5 Tính chất của một số kim loại 1.6 Vật liệu bột 6 1.7 Một số nhóm vật liệu khác 8 Ch−ơng 2 giới thiệu một số ph−ơng pháp gia công đặc biệt 10 2.1 Giới thiệu 10 2.2 Phân loại một ssó ph−ơng pháp gia công đặc biệt 10 2.3 Đặc điểm của các ph−ơng pháp gia công đặc biệt 11 2.4 Các ph−ơng pháp gia công điện xói mòn 11 2.5 Các ph−ơng pháp gia công bằng siêu âm 18 2.6 Các ph−ơng pháp gia công bằng điện hoá - bột mài 19 2.7 Ph−ơng pháp gia công bằng hồ quang plasma 19 2.8 Ph−ơng pháp gGia công bằng chùm tia điện tử 21 Ch−ơng 3 : Công nghệ laser 25 25 3.1 Mở đầu 26 3.2 Một số ph−ơng pháp tạo nghịch đảo độ tích luỹ 30 3.3 Sơ đồ nguyên lý cấu tạo của máy phát laser 31 3.4 Các bộ phận chính của máy phát laser 3.5 Phân loại laser 31 3.6 Đặc điểm và khả năng ứng dụng của laser 34 3.6.1 Đặc điểm của laser 34 3.6.2 Khả năng ứng dụng của laser 36 83
  85. 39 Ch−ơng 4 Cơ sở Lý thuyết cắt bằng laser 39 4.1 Sơ l−ợc về quá trình cắt bằng laser 42 4.2 Phân loại các ph−ơng pháp cắt bằng laser 43 4.3 Sơ đồ nguyên lý cắt bằng chùm tia laser 46 4.4 Đặc điểm quá trình cắt bằng laser 47 4.5 Đặc tính của thiết bị cắt bằng laser 49 4.6 Các ph−ơng pháp cắt bằng laser 4.7 Các quá trình xảy ra khi cắt vật liệu 61 4.8 Chế độ cắt một số vật liệu Ch−ơng 5 Những nhân tố ảnh h−ởng 62 đến quá trình gia công 62 5.1 ảnh h−ởng của các thông số thiết bị cắt 64 5.2 ảnh h−ởng của công nghệ cắt . 68 ch−ơng 6: một số ứng dụng khác của laser 68 6.1 Sơ đồ nguyên lý cắt có kết hợp nung nóng 65 6.2 Gia công cắt các loại vật liệu kim loại 71 6.3 Gia công cắt các loại vật liệu phi kim 73 6.4 ứng dụng laser trong gia công đột lỗ 78 6.5 ứng dụng laser để quýet xử lý nhiệt bề mặt 79 6.6 ứng dụng laser để gia công lớp phủ bề mặt 79 6.7 ứng dụng laser trong nhiệt luyện bề mặt 79 6.8 Nung chảy lại bề mặt theo quỹ đạo 80 6.9 Hàn bằng laser 81 Tài liệu tham khảo 83 Mục lục 80 84
  86. Tài liệu tham khảo [1] Nguyễn Minh Cảo, Nguyễn Văn Trọng, Laser và ứng dụng, NXB TP. HCM,1984. [2] Lê Công D−ỡng chủ biên, Vật liệu học, NXB KH&KT, Hà Nội, 2000 [3] Trần Đức Hân , Nguyễn Minh Hiển Kỹ thuật laser và made , tập1 , Tr−ờng Đại học Bách khoa, năm 1984, Hà nội, 1984, [4] Phan Văn Thích, Vật lý l−ợng tử, NXB ĐH&THCN, 1984 [5] B. Π. Bейко, M.H. Либенсон, Лазерная обработка, Лениздат. 1973. [6] А. Г. Григориянц Основы Лазерная обработки материалов, Изд. Машиностроение, М, 1989, 302 р. [7] Л.Я.ПопиловáЭлектрофизическая и ЭлектроХимическая обработка материалов, М. Изд. Машиностроение, М, 1969, 296 р [8] Н. Н. Рыкалин А. А. Углов А А Кокора Лазерная обработка материалов, Изд. Машиностроение, М, 1975, 296 р. [9] Д.С.Савровский В.Г. Г оловня Констркционные материалы и иХ обработка. м, "Высшая школа", 1976, [10 ] И.Е. Ульман, Ремонт машин, 1982,M. 446 стр. [11] Catherine Le'vy "Coupage thermique 3eme partie : Coupage Au laser '' Souder - 1996- Septembrre - No 5. [12] De'coupage au jet de fluide par Lucieu Vignardet ,B 7 340 - 2 [13] L'usinage par laser de'coupe , percage, usinage assister', "Les lasers de puissance " 1990 [14] Lucien Vignarrdet, Descoupage au jet de fluide oxycoupage, jet de plassma, laser et jet d’eau sous pression, B7 340, Techniques de l’Ingénieur, Traté mescanique et chaleur. [15] Stjepan Lugomer, Laser technology, 1990 by Prentice - Hall, Englewood Cliffs [16] Souder-1996-Septembre - No 5. [17] William M. Steel laser material processing. 81
  87. [18] Alquier, Jean-Piere, Le laser: Principes et , Paris, Technique de documentasion, la voisier, c1990 [19] G.Sepold, K.Teske, Investigation on laser cutting of metal 7 september au laser, 3o CISFEEL Lyon (5-9 Septembre 1983) [20] L’Usinage par laser dộscoupe, perầage , Usinage assister “ Les laser de pussance” 1990. [21] Plasma arc cutting of Bridges steels, National Research Council ( Etats-Units) Transportation Research Board Harris I and D. [22] Vannes, Bernard, Les laser de poussance et leur utisations industriell, Paris Tachnique, Hermes, C1988 82