Nội dung

Ch−¬ng 4 c¬ së Lý thuyÕt C¾t b»ng Laser 4.1 S¬ l−îc vÒ qu¸ tr×nh c¾t b»ng laser Y t−ëng vÒ sö dông nguån n¨ng l−îng ¸nh s¸ng ®Ó c¾t kim lo¹i xuÊt hiÖn ngay khi dïng tia s¸ng mÆt trêi ®Ó nhen löa hay ®èt giÊy. Tõ ®ã nghiªn cøu c¸c thiÕt bÞ laser nh− bÞ cuèn hót bëi sù hÊp dÉn cña nã. HiÖn nay c¾t b»ng laser ®· trë thµnh th«ng dông ë mét sè n−íc. ¥ NhËt gÇn 80 % nguån laser sö dông cho c¾t c¸c lo¹i vËt liÖu trong c«ng nghiÖp. Trong thùc tÕ cã nhiÒu ph−¬ng ph¸p c¾t nh− : c¾t b»ng c¬ khÝ, c¾t b»ng siªu ©m, c¾t b»ng hå quang plasma, c¾t b»ng tia n−íc ¸p suÊt cao, ... Trong nh÷ng n¨m gÇn ®©y ng−êi ta ®· b¾t ®Çu sö dông laser ®Ó c¾t tÊt c¶ c¸c vËt liÖu víi bÊt kú ®é cøng nµo. 4.1.1 - LÞch sö ph¸t triÓn c¸c giai ®o¹n cña c¸c ph−¬ng ph¸p c¾t . CC Cat 1 2 3 4 N¨m 1 - N−íc 2 - laser 3 - Plasma 4 - Oxy_axªtylen H×nh 4.1 LÞch sö ph¸t triÓn c¸c ph−¬ng ph¸p c¾t [12], A - Nh÷ng ph¸t minh ra c¬ së nguyªn lý gia c«ng; B - Ph¸c th¶o c«ng nghÖ; C - Khuynh h−íng c«ng nghÖ cña nh÷ng m¸y ®Çu tiªn trong c«ng nghiÖp; D - Qu¸ tr×nh øng dông vµ ph¸t triÓn trong c«ng nghiÖp; E - Giai ®o¹n tèi −u ho¸ qu¸ tr×nh ; F - Giai ®o¹n chÝnh muåi cho t−¬ng lai trong c«ng nghiÖp 4.1.2 B¶ng so s¸nh c¸c ®Æc tÝnh cña c¸c ph−¬ng ph¸p c¾t vµ ph¹m vi øng dông (xem b¶ng 4-1) 39 B¶ng 4-1 §Æc tÝnh vµ C¾t b»ng ph¹m vi øng dông Oxy C2H2 C¾t b»ng Plasma C¾t b»ng tia laser VËt liÖu cho qu¸ ThÐp vµ thÐp hîp kim , hîp TÊt c¶ c¸c lo¹i vËt liÖu TÊt c¶c c¸c lo¹i vËt tr×nh c¾t kim cã tõ tinbhs vµ kh«ng dÉn ®iÖn liÖu kim lo¹i vµ phi tõ tÝnh. kim lo¹i (KL, v¶i, platic,...) ChiÒu dµy c¾t ChiÒu dµy tèi −u 3 - 300 mm 30 - 40 mm ( cã thÓ ®¹t 0,6 - 8 mm (cho ®ªn 2 000 mm ) 150 - 200mm) cã thÓ ®¹t 15 mm 5 - 600 mm - 0,4 - 30 ThÐp th−ßng 1 - 6 mm khi c¾t kim lo¹i - 0,4 – 15,0 ( thÐp inãc 0,4 – 20,0 HK nh«m ChiÒu dµy cã thÓ 3 - 5 mm vµ c¾t (kim lo¹i) 600 - 2000 mm Tèc ®é cm/ph 100cm/ph S= 3mm 30 - 150 mm cho thÐp <= 10 mm 2000 cm/ph Gièng Plasma nhøng 20 cm/ph S = 300 tèc ®é t¨ng h¬n khi chiÒu dµy t¨ng Møc ®é biÕn d¹ng Lín Võa Ýt §é chÝnh x¸c 1 - 2 mm 1 mm 0,1 - 0,2 mm ChiÒu réng r·nh 2 - 6 mm 1 - ( 2 - 6 mm)C¸c mÐp R·nh c¾t rÊt m¶nh c¬ c¾t c¾t kh¸ song song ChÊt l−îng mÐp c¾t Kh¸ tèt C¸c mÐp c¾t kh¸ song RÊt tèt phÇn m−êi mm song Møc ®é « nhiÓm CO2 rÊt nguy hiÓm - Hå quang hµn -Cã thÓ cã h¬i kim vµ c¸c lo¹i khÝ th¶i kh¸c - KhÝ th¶i, oxit, N2, lo¹i - H¬i Cl khi c¾t platic C«ng suÊt cÇn thiÕt Phô thuéc lo¹i khÝ 30 - 100 KW 1,5 - 2,0 KW NhiÖt ®é 3170 oC O2+C2H2 15000-20000 oC MËt ®é nhiÖt rÊt cao 2840 O2 +C3H8 40 4.2 - Ph©n lo¹i c¸c ph−¬ng ph¸p c¾t b»ng laser Laser Laser liªn tôc Laser xung Laser ®a xung Khoan C¾t Theo quû ®¹o bÊt kú víi biªn ®é lín Laser ®¬n xung §ét læ nhá §ét læ Theo quû ®¹o bÊt kú víi biªn ®é nhá Cè ®Þnh Di ®éng VËt c¾t / Chïm tia H×nh 4..2 S¬ ®å ph©n lo¹i c¸c ph−¬ng ph¸p c¾t b»ng laser [13] 41 4.3 S¬ ®å nguyªn lý c¾t b»ng chïm tia laser 1 2 3 1234- 4 M¸y ph¸t laser Chïm tia laser G−¬ng ph¼ng nghiªng ThÊu kÝnh héi tô d h a/ 3 2 1 1 4 H×nh 4 .3 S¬ ®å nguyªn lý ®iÒu khiÓn hh−íng chïm tia laser khi c¾t d - ®−êng kÝnh chïm tia; 42 H×nh 4.4 S¬ ®å qu¸ tr×nh c¾t b»ng laser CNC [13] P 72 1 - Nguån laser; 2 - ThiÕt bÞ b¾n chïm tia laser; 3 - N−íc lµm m¸t 4 - May ®o nhiÖt l−îng; 5 - G−¬ng dÉn h−íng; 6 - ThÊu kÝnh héi tô 7 - KhÝ c¾t 8 - §Çu c¾t; 10- Bµn ®iÒu khiÓn (X,Y); 11- M« t¬ 9 - VËt c¾t; 12- M¸y ®iÒu khiÓn CNC H×nh 4.5 H×nh d¸ng bªn ngoµi cña 1 m¸y c¾t b»ng laser 43 §Çu c¾t H×nh 4.6 H×nh d¸ng bªn ngoµi cña 1 m¸y c¾t b»ng laser CNC cña h¶ng HACO 44 H×nh 4.7 C¸c s¶n phÈm c¾t trªn m¸y c¾t b»ng laser CNC cña h¶ng HACO 4.4 §Æc ®iÓm cña qu¸ tr×nh c¾t b»ng laser C¾t b»ng laser cã nhiÒu −u ®iÓm ®èi víi vËt liÖu cã chiÒu dµy nhá. ë NhËt gÇn 80% c¸c phÇn viÖc cña laser lµ c¾t. Cã thÓ c¾t vËt liÖu phi kim lo¹i vµ vËt liÖu kim lo¹i. ¦u ®iÓm cña c¾t b»ng laser : 1. Chïm tia laser cã nguån nhiÖt tËp trung víi mËt ®é nhiÖt cao. V× thÕ nã cã thÓ c¾t tÊt c¶ c¸c lo¹i vËt liÖu vµ hîp kim cña nã. 2. R·nh c¾t hÑp; s¾c c¹nh; ®é chÝnh x¸c cao; 3. Cã thÓ c¾t theo ®−êng th¼ng hay ®−êng cong bÊt kú; 4. MÐp c¾t s¹ch ®Ñp, kh«ng cÇn c¸c b−íc gia c«ng phô thªm; 5. Qu¸ tr×nh c¾t x¶y ra nhanh chèng; 6. §©y lµ qu¸ tr×nh c¾t kh«ng tiÕp xóc; nã cã thÓ c¾t theo c¸c h−íng kh¸c nhau. 7. Cã thÓ c¾t vËt liÖu cã tõ tÝnh vµ kh«ng tõ tÝnh. 8. Khi c¾t, kh«ng cã c¸c t¸c dông c¬ häc nªn tån t¹i rÊt Ýt ¶nh h−ëng cña biÕn d¹ng trong qu¸ tr×nh c¾t vµ sau khi c¾t. Vïng ¶nh h−ëng nhiÖt nhá, biÕn d¹ng nhiÖt Ýt; 9. Cã n¨ng suÊt cao; cã thÓ t¨ng n¨ng suÊt khi sö dông c¸c m¸y cã ®iÒu khiÓn b»ng ch−¬ng tr×nh NC, CNC. 10. Cã thÓ c¬ khÝ ho¸ vµ tù ®éng ho¸ ®iÒu khiÓn qu¸ tr×nh c¾t; C¾t vËt liÖu phi kim lo¹i chiÕm tû lÖ kho¶ng 70 % (vÝ dô : nh− c¾t vËt liÖu ceramÝc, kÝnh, vËt liÖu comp«zit ®Æc biÖt lµ v¶i vµ c¸c lo¹i giÊy) ; phÇn cßn l¹i kho¶ng 30% lµ c¾t kim lo¹i. Thêi gian gia c«ng b»ng chïm tia laser khi tù ®éng ho¸ cã thÓ gi¶m tõ 8 giê xuèng cßn 4 phót. 11. Kh«ng g©y ån; ®iÒu kiÖn lao ®éng tèt. Ngoµi ra ®iÒu kiÖn lµm viÖc cña c«ng nh©n ®−îc c¶i thiÖn rÊt nhiÒu do l−îng bôi Ýt h¬n so víi c¸c ph−¬ng ph¸p gia c«ng c¬ khÝ. 45 12. ChiÒu dµy c¾t h¹n chÕ trong kho¶ng 10 - 20 mm (phô thuéc vµo c«ng suÊt cña nguån laser). 4.5 §Æc tÝnh cña thiÕt bÞ c¾t b»ng laser • §Æc tÝnh thuéc thiÕt bÞ bao gåm : lo¹i m¸y ph¸t, kÝch th−íc cña m¸y, lo¹i nguån, d¹ng xung hay liªn tôc, ®é dµi b−íc sãng, ph©n cùc, d¹ng chïm tia, vÞ trÝ ®Çu c¾t,. • §Æc tÝnh vÒ dÞch chuyÓn : Tèc ®é dÞch chuyÓn. ®iÒu khiÓn vÞ trÝ tiªu ®iÓm cña chïm tia; • §Æc tÝnh cña khÝ c¾t: thµnh phÇn khÝ hæ trî, c¾t cã khÝ nung hay kh«ng,..; • §Æc tÝnh vËt liÖu : TÝnh truyÒn dÉn nhiÖt, ®Æc tÝnh quang häc (hÊp thô bøc x¹, kh¶ n¨ng ph¶n x¹...) 4.6 c¸c ph−¬ng ph¸p c¾t b»ng laser. §Ó tiÕn hµnh c¾t cã thÓ tiÕn hµnh theo 6 ph−¬ng ph¸p c¾t sau ®©y [7]: 1 - Ph−¬ng ph¸p ®ét biÕn vÒ nhiÖt (N¨ng l−îng t−¬ng ®−¬ng (NLT§) - 1 lÇn) 2 - C¾t b»ng “khoan” ( NLT§ lµ 1 lÇn) 3 - Ph−¬ng ph¸p nãng ch¶y, ®èt ch¸y vµ thæi ;(NLT§ gÊp 10 lÇn) 4 - Ph−¬ng ph¸p nãng ch¶y vµ thæi; 5 - Ph−¬ng ph¸p bay h¬i; ( NLT§ gÊp 20 lÇn) ( NLT§ gÊp 40 lÇn) 6 - "C¾t nguéi " Dïng laser n¨ng l−îng siªu cao ®Ó c¾t. (NLT§ gÊp 100 lÇn ) 4.6.1 Ph−¬ng ph¸p ®ét biÕn vÒ nhiÖt §©y lµ ph−¬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 neensuwj gÉy ®ét biÕn vµ t¹o nªn r·nh c¾t. Ph−¬ng ph¸p nµy th−êng dïng khi c¾t vËt liÖu dßn. H×nh 4-8 46 4.6.2 Ph−¬ng ph¸p c¾t b»ng “khoan” C¬ së cña ph−¬ng ph¸p nµy lµ dïng tia laser khoan c¸c læ s©u hoÆc kh«ng s©u, sau ®ã bÎ gÉy b»ng c¬ häc. Ph−¬ng ph¸p nµy th−êng dïng khi c¾t vËt liÖu dßn. H×nh 4-9 S¬ ®å nguyªn lý ph−¬ng ph¸p khoan c¾t b»ng laser 4.6.3 Ph−¬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 l−¬ng t−¬ng ®−¬ng t¨ng lªn rÊt nhiÒu (10 lÇn) so víi khoan c¾t 4.6.4 Ph−¬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. 4.6.5 Ph−¬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 H×nh 4 - 10 C¾t b»ng ph−¬ng ph¸p bay h¬i 4.6.6 Ph−¬ng ph¸p “ c¾t nguéi “. Dïng laser cã d·i tÇn sè vïng cùc tÝm cã n¨ng l−îng siªu cao ®Ó c¾t. Ph−¬ng ph¸p nµy dïng ®Ó c¾t vËt liÖu platic, vi phÈu thuËt. ChÊt l−îng mÐp c¾t rÊt cao. hν - n¨ng l−îng cao 47 H×nh 4-11 C¾t b»ng n¨ng l−îng tËp trung cao 4.7 C¸c qu¸ tr×nh x¶y ra khi c¾t vËt liÖu 4.7.1 Sù ph©n bè vµ truyÒn nhiÖt khi gia c«ng c¾t NhiÖm vô nghiªn cøu chÝnh khi kim lo¹i chÞu t¸c dông cña nguån bøc x¹ : * Nghiªn cøu kh«ng gian vµ thêi gian c¸c ®Æc tÝnh truyÒn dÉn nhiÖt. * Bµi to¸n truyÒn dÉn nhiÖt. * C¸c bµi to¸n vÒ ®iÒu kiÖn biªn; §Æc tr−ng cho sù bøc x¹ cña laser lµ ®é ®¬n s¾c vµ ®−îc ®Æc tr−ng bëi tû sè: µ= ∆λ λo = ∆ω ωo ∆λ - ChiÒu réng v¹ch quang phæ; λ - B−íc sãng; ω - TÇn sè trung b×nh ; µ - Møc ®é ®¬n s¾c; B¸n kÝnh vÖt nung trªn bÒ mÆt kim lo¹i gia c«ng ®−îc tÝnh : rf = θ.F θ - gãc ph©n kú ( gãc loe) D - ®−êng kÝnh chïm tia bøc x¹; F - Tiªu cù cña thÊu kÝnh. nÕu D/F = 0,3 rf θ = θ.F = θ 0,5 . = = θ.F rf = 1,22 0,3 (µm). Vµ c«ng suÊt bøc x¹ lµ 106 (W) th× mËt ®é nhiÖt ë t©m vÖt nung lµ 1013 W/cm2 . Ghi chó : Thêi gian mét xung kho¶ng MËt ®é nguån nhiÖt 10-9 108 - 109 gi©y w/cm2 . Sù ph©n bè mËt ®é c−êng ®é nhiÖt trªn mÆt ph¼ng tiªu cù cña thÊu kÝnh lµ : q (r ) = q o [ 2.I1.Br 2 ] 2 Br I1(u) - hµm B.exelia víi B = (π.D)/ λF, C−êng ®é bøc x¹ nhiÖt ë t©m (r = 0 ) sÏ lµ : 48