TÍNH TOÁN – THIẾT kế CHẾ tạo hệ THỐNG dẫn ĐỘNG máy GIA CÔNG LASER CO2

Yêu cầu của hệ thống dẫnđộng trong máy gia công laser khí CO2 cần đảm bảo thiết kế chế tạo với độ chínhxác cao, máy làm việc êm, vị trí các gương phản xạ đạt độ chính xác – gọn nhẹ, kếtc

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP CHUYÊN NGHÀNH CÔNG NGHỆ

KỸ THUẬT CƠ KHÍ

Số:

ĐỀ TÀI TÍNH TOÁN – THIẾT KẾ - CHẾ TẠO HỆ THỐNG DẪN ĐỘNG MÁY

GIA CÔNG LASER CO2

Họ và tên sinh viên:

1 Lê Anh Tuấn

2 Ngô Anh Tuấn

NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN PHẢN BIỆN

NHẬN XÉT CỦA HỘI ĐỒNG CHẤM ĐỒ ÁN

MỤC LỤC

DANH MỤC HÌNH VẼ 6

DANH MỤC BẢNG BIỂU 7

LỜI NÓI ĐẦU 8

CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU CHUNG 9

1.1Giới thiệu chung 9

1.2Các vấn đề đặt ra 9

1.3Phương pháp nghiên cứu 10

1.4Phạm vi và giới hạn đề tài 11

CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ GIA CÔNG LASER 12

2.1 Tổng quan về công nghệ gia công bằng chùm tia laser 12

2.2 Ảnh hưởng của mật độ năng lượng trong gia công cắt gọt bằng chùm tia laser 15

2.3 Chế độ cắt gọt bằng chùm tia laser 18

2.5 Cơ chế gia công cắt gọt bằng chùm tia laser 22

2.6 Cơ tính của laser dùng để loại bỏ các vật liệu 24

2.8 Vật liệu dùng trong cắt – khắc laser 27

CHƯƠNG 3: TÍNH TOÁN, THIẾT KẾ HỆ THỐNG TRUYỀN ĐỘNG MÁY GIA CÔNG LASER 34

3.1 Tổng quan về máy gia công laser CO2 trong đề tài nghiên cứu 34

3.3 Mô hình hóa hệ thống dẫn động máy gia công laser CO2 40

3.4 Tính toán lựa chọn và thiết kế hệ thống dẫn động 41

3.4.1 Tính toán lựa chọn hệ trục dẫn động XY: 41

3.4.2 Tính toán lựa chọn động cơ bước 46

3.4.3 Tính toán lựa chọn đai răng 49

3.4.4 Tính toán thiết kế vị trí đặt ống laser, gương phản xạ và đầu laser 59

3.4.5 Lựa chọn ray trượt và con trượt 63

3.4.6 Hệ thống làm mát và dây dẫn trong hệ dẫn động máy gia công laser 67

CHƯƠNG 4:THIẾT KẾ QUI TRÌNH CÔNG NGHỆ GIA CÔNG MỘT SỐ CHI TIẾT ĐIỂN HÌNH 68

4.1 Phân tích chức năng làm việc của chi tiết 68

4.2 Phân tích tính công nghệ trong kết cấu của chi tiết 69

4.3 Chọn phôi 69

4.4 Lập sơ đồ các nguyên công 70

4.5 Thiết kế các nguyên công 71

CHƯƠNG 5: PHÂN TÍCH CHẾ TẠO VÀ THỬ NGHIỆM ĐÁNH GIÁ 107

5.1Phân tích chế tạo thực tế hệ thống dẫn động máy gia công laser 107

5.2Đánh giá về hệ thống truyền động máy gia công laser 110

5.3Phương hướng phát triển 111

KẾT LUẬN 113

TÀI LIỆU THAM KHẢO 114

PHỤ LỤC 115

DANH MỤC HÌNH VẼ

g

Hình 2.4 Mật độ năng lượng khi cắt gọt bằng chùm tia laser 16

Hình 2.6 Biều đồ mật độ năng lượng với thép và hơp kim 17 Hình 2.7 Sự thay đổi vết cắt gọt khi gia công bằng tia laser 27

Hình 3.3 Thiết kế tổng thể hệ thống dẫn động máy CNC laser 37

Hình 3.6 Thiết kế tổng thể hệ thống dân động máy CNC laser 40 Hình 3.7 Thông số hình học của nhôm định hình 40x40 41

Hình 3.11a,b Ống laser khí 40 W và bệ đỡ ống laser 60

Hình 3.13 Con trượt và ray trượt sử dụng trong thiết kế 63

Hình 3.15 Bố trí dây dẫn và vòi dẫn khí trong máy CNC laser 67

Hình 4.4 Định vị và kẹp chặt chi tiết đối với nguyên công 2 72 Hình 4.5 Định vị và kẹp chặt chi tiết đối với nguyên công 3 76 Hình 4.6 Định vị và kẹp chặt chi tiết đối với nguyên công 4 77 Hình 4.7 Định vị và kẹp chặt chi tiết đối với nguyên công 5 79 Hình 4.8 Định vị và kẹp chặt chi tiết đối với nguyên công 6 82 Hình 4.9 Định vị và kẹp chặt chi tiết đối với nguyên công 7 88 Hình 4.10 Định vị và kẹp chặt chi tiết đối với nguyên công 8 93 Hình 4.11 Định vị và kẹp chặt chi tiết đối với nguyên công 9 98 Hình 4.12 Định vị và kẹp chặt chi tiết đối với nguyên công 10 102 Hinh 4.13 Kiểm tra độ song song giữa hai mặt chi tiết 106 Hình 5.1 Hình ảnh chế tạo ban đầu hệ thống dẫn động 107 Hình 5.2 Đầu laser và động cơ bước theo trục X sau khi chế tạo 108

Hình 5.3 Gía đỡ ống laser CO2 sau khi chế tạo 108 Hình 5.4 Vị trí đặt gương phản xạ và đầu laser sau khi chế tạo 109 Hình 5.5 Tổng thể hệ thống dẫn động máy gia công laser 109 Hình 5.6 Hình ảnh máy gia công laser sau khi lắp ghép 111

Bảng 3.2 So sánh đặc điểm nhôm định hình với một sô vật liệu

khác nhau

41

Bảng 3.3 Các chi tiết phải gia công trên trục dẫn động 43

Bảng 3.5 Các thông số bộ truyền đai răng gờ hình thang 51

Bảng 3.9 Các thông số hình học cơ bản của đai gờ tròn 56 Bảng 3.10 Phụ thuộc áp lực cho phép vào số vòng quay 58

Bảng 3.12 Một vài loại gương phản xạ trong thực tế 62 Bảng 3.13 Thông số kỹ thuật để lựa chọn con trượt và ray trượt 63

LỜI NÓI ĐẦU

Trong những năm gần đây, nền công nghiệp trong nước đang được đầu tư và

ưu tiên phát triển Để đưa nền kinh tế trong nước ngày càng đi lên, chúng ta cần thựchiện mục tiêu “ Công nghiệp hóa – Hiện đại hóa “ đất nước mà Đảng, nhà nước đã

đề ra, Trong đó, nghành Công nghệ chế tạo máy có vai trò then chốt Bởi vậy, việcđổi mới và hiện đại nghành công nghệ chế tạo máy có vai trò hết sức quan trọng

Sau thời gian 4 năm được học tập tại trường, chúng em được làm đồ án tốtnghiệp với đề tài : “ Tính toán, thiết kế và chế tạo hệ thống dẫn động cho máy giacông CNC Laser “ Đây là lĩnh vực đề tài mới và để hoàn thiện tốt, chúng em vẫngặp rất nhiều khó khăn trong quá trình thu thập tài liệu cũng như tìm hiểu về máy giacông CNC laser Tuy nhiên, thuận lợi của chúng em là có sự hướng dẫn trực tiếp của

thầy Th.s NHỮ QUÝ THƠ và sự giúp đỡ tận tình của các thầy cô giáo trong Khoa

cơ khí, chúng em đã hoàn thành Đồ án tốt nghiệp của mình Do gặp nhiều khó khănnên chúng em không thể tránh khỏi những thiếu sót trong đồ án, vậy chúng em rấtmong được sự chỉ bảo thêm nhiều hơn nữa đến từ các thầy và ý kiến của các bạnthuộc các nhóm khác để đồ án của chúng em được hoàn thiện hơn

Qua đây, chúng em xin chân thành cảm ơn các thầy cô trong khoa cơ khí, đặc

biệt là thầy Th.s NHỮ QUÝ THƠ đã chỉ bảo hướng dẫn đồ án tốt nghiệp Chúng

em, những sinh viên trong nghành chế tạo máy, rất mong muốn sẽ mãi nhận được sựchỉ dạy, tạo điều kiện giúp đỡ của các thầy cô để chúng em có thể tiến bộ hơn tronghọc tập cũng như công việc sau này sao cho xứng đáng là những sinh viên củatrường Đại Học Công Nghiệp Hà Nội

Chúng em xin chân thành cảm ơn!

Hà Nội, ngày 27 tháng 04 năm 2015Nhóm sinh viên thực hiện

CHƯƠNG 1 GIỚI THIỆU CHUNG 1.1 Giới thiệu chung

Gia công bằng tia laser là quá trình cắt vật liệu, nung chảy hay thay đổi cấu trúcvật liệu bằng cách tập trung một tia sáng đơn sắc vào chi tiết gia công Đây là mộttrong những phương pháp gia công cắt gọt tiên tiến và tự động hóa Hệ thống dẫnđộng máy gia công laser là bộ phận quan trọng cấu thành máy, là phần xương củamáy Đây là hệ thống làm nhiệm vụ cắt gọt – gia công hoàn toàn tự động, hệ thốngdẫn động trong đề tài này bao gồm: Hai trục dẫn động XY, gương phản xạ, ống phátlaser, đầu laser, động cơ bước, bộ truyền chuyển động (đai hoặc vít me phụ thuộcvào tính toán lựa chọn), thanh trượt dẫn hướng, con trượt Yêu cầu của hệ thống dẫnđộng trong máy gia công laser khí CO2 cần đảm bảo thiết kế chế tạo với độ chínhxác cao, máy làm việc êm, vị trí các gương phản xạ đạt độ chính xác – gọn nhẹ, kếtcấu trục XY bền, nhẹ đạt độ vuông góc, độ song song, dễ tháo lắp, bộ truyền chuyểnđộng làm việc bền - ít gây ồn Hệ thống dẫn động trong máy gia công laser hoàntoàn được điều khiển tự động vì vậy nó hoạt động linh hoạt và khả năng gia côngchính xác, tiết kiệm thời gian chỉnh máy giúp đạt được tính kinh tế cao, tuy nhiêngiá thành chế tạo hệ thống dẫn động tương đối lớn, việc thiết kế và chế tạo đòi hỏiphải có kiến thức và trình độ nhất định Nhiệm vụ của đề tài này là tính toán, thiết

kế và chế tạo hệ thống dẫn động máy gia công laser CO2

1.2 Các vấn đề đặt ra

Hệ thống dẫn động máy gia công laser là bộ phận quan trọng của máy Thiết kế chếtạo hệ dẫn động đòi hỏi độ chính xác cao, phù hợp với điều kiện khả năng cho phép,đảm bảo tính thẩm mỹ, yêu cầu kĩ thuật của hệ thống

Một số vấn đề cần phải giải quyết:

- Nghiên cứu và hiểu được công nghệ gia công bằng chùm tia laser

- Tính toán, thiết kế hệ dẫn động máy gia công laser: Tính toán lựa chọn động

cơ bước, tính toán lựa chọn đai dẫn động, lựa chọn vật liệu hai trục dẫn động

XY, lựa chọn công suất máy, hệ thống làm mát, tính toán và thiết kế vị trí đặtgương phản xạ.

- Thiết kế qui trình công nghệ gia công cho 1 hoặc 2 chi tiết điển hình

- Phân tích chế tạo và thử nghiệm đánh giá

- Về bản vẽ: Có bản vẽ lắp máy gia công laser, bản vẽ lắp hệ thống dẫn động,bản vẽ thiết kế qui trình công nghệ gia công cho 1 hoặc 2 chi tiết điển hình,bản vẽ sơ đồ khối hệ thống điều khiển, bản vẽ chế tạo các chi tiết

1.3 Phương pháp nghiên cứu

Tính toán, thiết kế chế tạo hệ thống dẫn động máy gia công laser là nghiên cứuthuộc lĩnh vực cơ khí

Phương pháp nghiên cứu trong đề tài nhóm lựa chọn là phương pháp quan sát khoahọc, phương pháp thực nghiệm khoa học, phương pháp tổng kết kinh nghiệm vàphương pháp mô hình hóa

- Phương pháp quan sát khoa học: Nhóm đã quan sát trực tiếp các hệ thốngmáy laser ở ngoài thị trường và quan sát gián tiếp qua internet

- Phương pháp mô hình hóa: Xây dựng mô hình 3D hệ thống dẫn động bằngphần mềm solidworks 2014

- Phương pháp thực nghiệm khoa học: Nhóm chủ động thiết kế - chế tạo, lắpghép máy (cụ thể là hệ thống dẫn động)

Nhóm nghiên cứu đã áp dụng cơ sở tính toán, thiết kế và chế tạo theo một trình tựsau:

- Đặt vấn đề và tìm hiểu thị trường

- Giải quyết vấn đề và chọn phương án thiết kế - chế tạo

- Thiết kế sơ bộ- mô hình hóa 3D

- Thiết kế chi tiết và thực tiễn

- Kiểm tra đánh giá quá trình thiết kế và sản phẩm đạt được

Tài liệu nghiên cứu được tìm trên internet, các sách chuyên nghành (Công nghệ chếtạo máy, chi tiết máy, vật liệu học ) Cùng với đó là việc đi giải thích hàng loạt

các câu hỏi tại sao? Do các thành viên trong nhóm đặt ra nhằm mục đích đi tớiphương án tối ưu nhất khi thiết kế chế tạo

1.4 Phạm vi và giới hạn đề tài.

Để thiết kế và chế tạo được hệ thống dẫn động máy gia công laser và cụ thể là laserCO2 nhóm đã tìm kiếm rất nhiều ý tưởng thiết kế, với các kích cỡ, vật liệu khácnhau Để đáp ứng điều kiện thực tiễn, dựa trên thực tế thị trường Việt nam và yêucầu một đề tài làm đồ án tốt nghiệp như thời gian, khả năng kinh tế, tầm hiều biếtnhóm đã thiết kế và chế tạo hệ thống dẫn động máy gia công laser CO2

CHƯƠNG 2 TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ GIA CÔNG LASER 2.1 Tổng quan về công nghệ gia công bằng chùm tia laser

Gia công bằng tia laser là quá trình cắt vật liệu, nung chảy hay thay đổi cấu trúc vậtliệu bằng cách tập trung một tia sáng đơn sắc vào chi tiết gia công Gia công cắt gọtlaser không cho phép bóc tách vật liệu với khối lượng lớn nhưng nó cho tốc độ cắtcao và với dụng cụ dễ điều khiển, không tiếp xúc và không mòn

Hình 2.1: Sơ đồ nguyên lý đầu phát chùm tia laser

Hình 2.2:Sơ đồ cấu tạo một đầu phát laser

Trong đó:

1 Môi trường hoạt tính:

Là môi trường chứa các hợp chất giúp biến đổi mức năng lượng nguồn sáng kíchthích (có mức năng lượng thấp) thành nhưng tia sáng có năng lượng cao laser: cónhiều môi trường kể trên như CO2, Nd-YAG, thanh hồng ngọc…

2 Nguồn sáng kích thích:

Nguồn sáng ban đầu cung cấp năng lượng cho quá trình tạo ra tia laze, được điềukhiển thoong qua bộ điều khiển, sẽ điều khiển gián tiếp năng lượng đầu ra

3 Buồng cộng hưởng quang học:

Bộ cộng hưởng quang học là hệ thống gương quang học Trên bề mặt phản chiếucủa gương có phủ một lớp kim loại hoặc một lớp điện môi Một trong hai gương kiaphải là gương bán trong suốt Trong trường hợp gương làm bằng kim loại phảikhoan một lỗ cho ánh sáng đi qua, trong laser khí gương cộng hưởng nằm ở hai đầuống Đối với laser rắn gương hoạt tính đồng thời là hai mặt của thanh hoạt tính.Ngoài các gương nói trên, bộ cộng hưởng quang học còn có những phần phụ kèmtheo như lăng kính có nhiệm vụ lọc ánh sáng.Có tác dụng biến đổi nguồn sáng kíchthích thành trạng thái ánh sáng có năng lượng mới laze, nhờ tác dụng của môitrường hoạt tính 1, tại đây ánh sáng sẽ đi qua nhiều lần và biến đổi dần dần

4,5 Gương phản xạ :

4 Gương phản xạ toàn phần khi ánh sáng chiếu tới nó được phản xạ lại

5 Gương phản xạ bán toàn phần phản xạ lại những tia sáng chưa đủ năng lượng,khi tia sáng đủ năng lượng sẽ cho đi qua, những tia sáng đủ năng lượng đi qua đóchính là tia laser

Gương phản xạ tia laser, có tác dụng phản xạ các chùm tia laser chiếu đến, làm chotia laser được sáng được phản xạ tới các gương khác và tới thấu kính hội tụ tialaser.Gương phản xạ:

Gương kim loại: Đường kính (20mm,25mm,30mm ), hệ số phản xạ: 95% GươngSilic: Đường kính (20mm,25mm,30mm ), hệ số phản xạ: 99%

6 Nguồn kích thích dòng điện: Đối với môi trường hoạt tính khí người ta thườngdùng dòng điện cao tầng để tạo nên môi trường phóng điện ion hóa Đối với dòngđiện một chiều hay tần số thấp người ta phải đưa điện cực trực tiếp vào môi trườngkhí.Bộ cộng hưởng quang học: Sau khi tạo được lớp đảo, môi trường hoạt tính trởthành môi trường khuyếch đại ánh sáng Để có thể nhận được ánh sáng phải tạo nênmột phản hồi dương Bộ cộng hưởng quang học đóng vai trò này và là bộ phậnhướng tia ánh sáng chọn lọc.

7 Bộ hội tụ tia: Đây là bộ phận rất quan trọng Nhiệm vụ của nó là tập trung các tialaser tại một điểm hay các vùng nhỏ, làm cho mật độ năng lượng và nhiệt độ tạiđiểm đó tăng cao cục bộ Bộ phận này thường là thấu kính hội tụ Thấu kính hội tụlaser, có tác dụng hội tụ các chùm tia laser, làm cho công suất của tia tập trung hơn

và do đó công suất cắt, khắc của máy cũng tăng lên, đạt độ chĩnh xác cao hơn Thấu kính hội tụ (được làm bằng thủy tinh hoặc chất liệu plastic trong suốt):

Dùng thấu kính hội tụ Khi dùng thấu kính cầu (hình 2.3a) thì tia laser tập trungtrên bề mặt gia công là hình tròn nên có thể dùng để gia công lỗ, hàn điểm Nếucung cấp cho chi tiết gia công một chuyển động tương đối phù hợp với hình dạngyêu cầu thì có thể gia công được các lỗ, rãnh hoặc hàn những mối hàn có hình dángphức tạp Khi dùng thấu kính hình trụ (hình 2.3b) vết tập trung sẽ có dạng dài, hẹp

để gia công các rãnh hẹp, … Phương pháp8 này có ưu điểm là tập trung tồn bộ nănglượng chùm tia vào vị trí gia công, nhưng mật độ năng lượng phân bố không đều,càng xa tâm trục quang mật độ càng thấp dẫn đến lỗ, rãnh sẽ bó côn hoặc hẹp dầntheo chiều sâu

Hình 2.3: Thấu kính hội tụ

8 Hệ thống làm mát bằng nước giúp giảm nhiệt độ khi gia công và giúp máy vậnhành tốt hơn, ngoài ra còn có hệ thống làm mát điện tử giúp giảm các chi phí,không gian, bảo dưỡng và tăng cường khả năng hoạt động bền bỉ cho nguồn laserbán dẫn, kết quả là giảm đáng kể chi phí vận hành

Nguồn sáng laser có 4 tính chất nổi bật, đó là: Cường độ lớn, độ đơn sắc cao, tínhđịnh hướng cao và có tính kết hợp Khi dùng nguồn sáng laser kích thích trong cácphép đo quang phổ sẽ có những ưu điểm sau:

+ Vì nguồn sáng laser có cường độ lớn nên phát quang từ mẫu cũng cócường độ lớn, dễ dàng ghi nhận, đặc biệt là đối với những hợp chất phát quang yếu

+ Vì nguồn sáng laser có tính đơn sắc cao nên dễ dàng thực hiện trừ phổtrong trường hợp phổ của laser xuất hiện trong phổ của mẫu vật ghi nhận được

+ Đặc biệt tính kết hợp về không gian và thời gian của nguồn sáng laser giúpcho phổ ghi nhận có độ phân giải tốt, dễ dàng phân biệt hai đỉnh phổ sát nhau, đồngthời, có thể phát hiện được những quá trình xảy ra rất nhanh (ví dụ hiện tượng hấpthu 2 photon, )

+ Tính định hướng của nguồn laser tạo điều kiện thuận lợi khi thao tác, bốtrí, điều chỉnh hệ quang học khi đo đạc, tránh hao phí, mất mát

Nói chung, sử dụng nguồn sáng laser kích thích giúp tăng đáng kể độ chính xáctrong các phép đo quang phổ

2.2 Ảnh hưởng của mật độ năng lượng trong gia công cắt gọt bằng chùm tia laser.

- Mật độ năng lượng có vai trò quan trọng trong quá trình cắt gọt

- Mật độ năng lượng p = π.r2

Hình 2.4: Mật độ năng lượng khi cắt gọt bằng chùm tia laser

THÔNG SỐ BIẾN ĐỔI ĐỐI VỚI VẬT LIỆU KHI GIA CÔNG

Hình 2.5 Các thông số biến đổi quan trọng

BIỂU ĐỒ PHƯƠNG PHÁP THỰC NGHIỆM VÀ THỜI GIAN

- Khoảng thời gian:   2 /r v Trong đó r là bán kính hạt, v là tốc độ dịch chuyển

Hình 2.6a Biều đồ mật độ năng lượng và thời gian với kim loại và hợp kim

Hình 2.6b: Biều đồ mật độ năng lượng và thời gian với cấu trúc thép

2.3 Chế độ cắt gọt bằng chùm tia laser

- Cắt bằng laser cho chất lượng cắt gọt cao và thời gian cắt được rút ngắn sovới cắt bằng các phương pháp khác: dập, cắt plasma, cắt bằng tia nước, cưa,phay, cắt bằng tia lửa điện

- Có thể tự động

- 80% công nghệ cắt gọt bằng laser được Nhật bản dùng để cắt kim loại

- Dụng cụ không tiếp xúc với chi tiết, không bị mòn dụng cụ cắt gọt

Cắt dây

Phay NC

Cưa Sóng

siêu âm

Tia lửa điện

 Nó cho phép cắt gọt nhanh hơn.

 Phôi không nhất thiết phải kẹp chặt, nhưng dụng cụ kẹp chặt không được

xê dịch với bàn gá chính xác và với vị trí khi sử dụng chương chình CNC

 Không sảy ra mòn dụng cụ trong quá trình cắt gọt

 Cắt có thể tạo ra trong quá trình phân cực trực tiếp có tác động hiệu quảkhi cắt gọt

 Gia công tự động hóa dễ dàng mang lại triển vọng tốt cho hệ thống điềukhiển thích nghi trong tương lai.

 Một vài vật liệu có thể được chồng lên nhau khi cắt, tuy nhiên nó có thểsảy ra vấn đề giữa các lớp cắt gọt

 Gần như toàn bộ các vật liệu cơ khí có thể cắt gọt được Như các vật liệugiòn, dễ vỡ, dẫn nhiệt hoặc không dẫn nhiệt, vật liệu cứng và mềm

 Duy nhất với các vật liệu phản quang cao như Nhôm hay đồng có thể đặt

ra nhiều vấn đề nhưng với hệ điều khiển thích hợp thì người ta có thể vẫncắt được chúng hoàn hảo

- Nhược điểm:

 Gía thành thiết bị cao

 Khó gia công các lỗ sâu không thông

 Không gia công được các lỗ sâu quá 50 mm

 Để lại các kim loại trên miệng hố gia công nên cần phải làm sạch chúng

2.5 Cơ chế gia công cắt gọt bằng chùm tia laser

Quá trình bóc tách vật liệu trong gia công bằng tia laser diễn ra tại vị trí tia laserđập vào vật liệu gia công Quá trình này có thể chia làm các giai đoạn dưới đây:

- Giai đoạn 1: Vật liệu gia công hấp thụ năng lượng của tia laser và nănglượng này chuyển thành nhiệt năng làm nóng vật liệu

- Giai đoạn 2: Vật liệu gia công bị chảy ra khi nó bị nung nóng đến nhiệt độchảy

- Giai đoạn 3: Giai đoạn bay hơi – vật liệu gia công bị bay hơi và bị lấy đi nhờkhí thổi vào vùng gia công

 Chùm tia sẽ đưa ngang qua theo một chương trình 2D tới vật liệu giúp cắt bỏvật liệu qua tác dụng đa cơ học

- Vật liệu sẽ nóng chảy bởi độ dai dòng vật liệu giảm, như thép và hợpkim, nhựa chịu nhiệt sẽ bị cắt bởi hoạt động của chùm tia laser vớimật độ năng lượng là 104Wmm-2.

- Nóng chảy được hỗ trợ bởi tác động mòn do sự chảy diễn ra chậm vàtác động của khí Kết quả là kênh nóng chảy đi qua vật liệu tạo thànhmột đường cắt hay lỗ cắt

Bảng 2.2: Các cách khác nhau trong khi cắt bằng laser có thể được sử dụng để cắt.

2.6 Cơ tính của laser dùng để loại bỏ các vật liệu.

Bảng 2.3 Cơ tính của laser dùng để cắt cho các loại vật liệu điển hình (Cơ tính phù hợp được đánh dấu tích √)

Vật liệu Nóng

chảy bằng khí hoạt tính chậm.

Nóng chảy nhờ phản ứng của khí.

Bốc hơi Biến đổi hóa

dẻonhiệtrắn

dẻonhiệtrắn

2.7 Hoạt động cắt gọt

 Chùm tia tới trên bề mặt

- Hầu hết các chùm đi qua lỗ hoặc rãnh

- Một vài phản xạ ngược lại bề mặt không nóng chảy

- Một vài có thể qua đường thẳng tới bề mặt

 Ở tốc độ cắt thấp thì nóng chảy bắt đầu với dẫn hướng lưỡi cắt của chùmlaser và nhiều chùm tia laser qua gia công tinh mà không cần tiếp xúc nếuvật liệu đủ mỏng

HOẠT ĐỘNG KẾT HỢP KHI CẮT

 Nếu hỗ trợ của dòng khí có hiệu suất tác dụng biến đổi tỏa nhiệt cao mở rộngđược nguồn nhiệt độ thêm vào quá trình cắt gọt

 Khí qua đường cắt sẽ tác động cùng với chùm tia

 Luôn luôn sảy ra phản ứng oxy hóa hoặc chứa một vài khí được trộn lẫn vớinhau

 Hoạt động cháy luôn bắt đầu với điểm trên cùng của vật liệu cắt gọt

xuống, hoạt động này diễn ra chậm và nó có thể là nguyên nhân gây ra cácvết khía nhám

 Phần năng lượng cung cấp cho hoạt động cháy rất đa dạng với các vật liệu:

- Với thép không gỉ và mềm là 60%

- Với thép hoạt động như titan có thể tới 90%

 Tốc độ cắt gọt có thể tăng gấp đôi bằng việc sử dụng kĩ thuật

 Điển hình là cắt nhanh hơn, nhiệt độ nhỏ hơn và chất lượng cắt gọt cao hơn

 Biến đổi hóa học trong phôi có thể xảy ra trong biến đổi kết hợp:

- Với titan có thể giới hạn khi lưỡi cắt bị oxy hóa và làm nó cứng hơn,

có thể dẫn tới nứt vỡ

- Với thép mềm thì không loại trừ ảnh hưởng oxi hóa bề mặt các lớp

 Các giọt chảy là oxit ( thay vì kim loại )

- Các dòng kim loại mềm không thẻ bám chặt vào kim loại chính

- Với thép không gỉ thì oxit được tạo thành cho mức độ nóng chảy cao,khoảng 2180 độ C tại các điểm Và làm nguội nhanh hơn nguyên nhân

là do các vấn đề giọt nóng chảy

- Nhôm thường bị biến dạng

 Tác động của nung sau đó là nguyên nhân gây ra các vết khía

- Quá trình cắt gọt thấp, thấp hơn so với tốc độ hoạt động nung nóng,Nhiệt độ nung nóng đạt tới đỉnh thì nung vật liệu sẽ diễn ra trực tiếptới toàn bộ phần cắt

Hình 2.7 Sự thay đổi vết cắt gọt khi gia công bằng tia laser

2.8 Vật liệu dùng trong cắt – khắc laser

 Sử dụng trong các nghành:

-Ngành quảng cáo: cắt chữ, Inox, đồng, nhôm, mica, alu, MDF, formex, gỗ Điêukhắc nghệ thuật trên mica với độ dầy từ 2 - 30mm; gỗ MDF với độ dày 2 - 50mmbằng laser đủ khổ.

-Ngành cơ khí chính xác: chế bản tạo hình gia công cắt kim loại bằng máy cắt dây,máy cắt tia nước, máy plasma, máy phay Gia công các loại khuôn mẫu, bánh răng,trên mọi chất liệu như, sắt, thép, gang, bản nhôm đúc, kim loại mầu (như đồng,nhôm, inox)

-Ngành mỹ thuật: khắc 2D - 3D logo phù điêu trên các vật liệu, đồng, nhôm, mica,formex, gỗ, gạch, đá, đá nhân tạo, đá Hoa Cương, cắt tạo dáng và hoàn thiện đá -Ngành trang trí nội ngoại thất: gia công cắt các sản phẩm về sắt, gỗ, thạch cao.-Ngành kiến trúc: gia công cắt các sản phẩm mika, plastic, giấy bìa, nhựa pvc, nhựaphip, làm mô hình, bản đồ

-Ngành quà tặng lưu niệm: cắt khắc họa tiết hoa văn trên các sản phẩm kim hoàn,ngà voi, ngọc thạch, mã não,gỗ, tre, khắc dấu, vỏ điện thoại, làm quà tặng độc đáosáng tạo

-Ngành may mặc thời trang: cắt hoa văn trên vải, cắt vải

-Ngành thuộc da: cắt điêu khắc hoa văn, nhãn mác, logo, biểu tượng, chữ text, trên

da, túi xách, ví, va li, yên, đệm, thắt lưng da

-Ngành mộc: khắc cắt gỗ, tre, nứa Sản xuất tranh gỗ, đồ chơi trí tuệ, khung albumcắt các chi tiết lắp ghép thành giường, tủ, bàn, ghế

- Laser mini (CO2) : ( Khắc phi kim Tốc độ tối đa 4.500cm/min)

- Laser cutter (CO2) : (Cắt phi kim dầy < 2cm Tốc độ tối đa 6.000cm/min)

- Laser scaner: ( Khắc kim loại Tốc độ tối đa 10cm2/sec)

- Laser YAG: (Cắt kim loại dầy < 1cm Tốc độ tối đa 6.000cm/min)

3 Thực nghiệm với cắt – khắc bằng laser khí CO2 đối với một số loại nhựa loạinhựa:

a Nhựa ABS: Nhựa nhiệt dẻo – khó cắt, khắc trên các nhựa yếu đã bạc màu.

b Nhựa acrylic: PMMA – Plexiglas – nhựa nhiệt dẻo Khi cắt gọt bay hơi nhanh,khắc tốt với nhựa có màu trắng

c Nhựa Bakelit: Chất dẻo nhiệt rắn – Cắt gọt khó, khắc với năng lượng thấp trêncác loại bakelit trắng Năng lượng cao sẽ diễn ra sự đốt và cacbon hóa

d Nhựa flour polyme: PTFE, Teflon – nhựa nhiệt dẻo – Chất lượng cắt gọt tốt, khắctốt khi đã làm sạch bề mặt vật liệu.

e Nhựa FR4/FR2: PCB – nhựa nhiệt rắn – Khó cắt gọt trên các vật liệu có màu nâu,khắc tốt trên các bề mặt tối màu

f Nylon: Nhựa nhiệt dẻo, cắt gọt và khắc tốt.

g Nylon sợi thủy tinh: Cắt tốt trên các vật liệu không màu – khắc tốt với vật liệu tối màu

h Polycacbonat: PET, PETG, PETE – nhựa nhiệt dẻo, cắt gọt tốt với một số loạinhựa nóng chảy Khắc tốt trên các loại nhựa chảy màu đen

i polyeste: HPDE, MDPE, LDPE – cắt gọt tốt trên các vật liệu có nhiệt độ nóngchảy trung bình, khắc tốt trên các vật liệu có màu đen

j Polyetylen: Nhựa nhiệt dẻo – cắt tốt trên các loại nhựa có nhiệt nóng chảy trungbình, khắc tốt trên các loại nhựa tối màu

k Polyamid: Kapton – nhựa nhiệt rắn – khó cắt gọt trên các loại nhựa màu nâu, đen.Khắc tốt trên một số loại tạo ra muội than

l Polymethylen: POM, poly acetal Nhựa nhiệt dẻo – Cắt tốt trên các vật liệu nóngchảy, khắc tốt khi bề mặt làm sạch và vật liệu tối màu

o PVC: Nhựa nhiệt dẻo (Vinyl), khó cắt trên các vật liệu màu vàng, nâu nhưngkhắc dấu tốt trên các vật liệu đó

q Cao su: Nhựa nhiệt rắn – Cắt tốt với các vật liệu dễ bay hơi tạo muội than, khắctốt trên các loại cao su dày

CHƯƠNG 3 TÍNH TOÁN, THIẾT KẾ HỆ THỐNG TRUYỀN ĐỘNG MÁY GIA

CÔNG LASER 3.1 Tổng quan về máy gia công laser CO2 trong đề tài nghiên cứu

- Hệ thống điện, điều khiển

3.1.2 Thông số kỹ thuật của máy CNC Laser.

Bảng 3.1 Thông số kỹ thuật của máy CNC laser

Công suất máy ≤ 1250W

3.1.3 Nguyên lý hoạt động của máy CNC Laser.

Máy cắt CNC Laser sử dụng công nghệ Laser CO2,, một chùm tia năng lượngcao được sinh ra bởi máy phát laser sẽ được tập trung trên bề mặt chi tiết gia côngnhờ hệ thống thấu kính

Chùm tia này đốt nóng vật liệu và tạo nên một cùng vật liệu nóng chảy cục

bộ, thường có đường kính nhỏ hơn 0.5mm

Phần vật liệu nóng chảy bị đẩy ra khỏi vùng gia công bởi một dòng khí có áplực cao, đồng chục với chùm tia Laser Đối với một số loại vật liệu thì dòng khí nàylàm tăng tốc quá trình cắt bởi tác động hóa học và lý học

Vùng vật liệu bị nóng chảy cục bộ được di chuyển dọc theo bề mặt chi tiếttheo một quỹ đạo vì thế sinh ra vết cắt Chuyển động này được thực hiện bằng cách

di chuyển chùm tia Laser hội tụ nhờ hệ thống gương CNC hay chuyển động cơ khítheo hai phương X-Y trên bàn máy CNC, máy được thiết kế cả hai loại chuyển độngnày

Khi đó, chùm tia Laser này sẽ di chuyển theo một phương và chi tiết giacông được di chuyển theo phương còn lại để tạo ra hình dạng vết cắt

3.1.4 Hệ thống vỏ máy

Vỏ máy là nền tảng của một máy trung tâm, nó cần chắc chắn hơn và tốt hơn Giá

của nó có thể cao hơn, nhưng sự chịu lực và độ bền sẽ làm giảm rung động Quá

trình rung động sẽ ảnh hưởng đến độ chính xác gia công Với một máy có kết cấuvững chắc, nó sẽ hấp thụ những dao động này, đảm bảo máy sẽ thực hiện với côngsuất và độ chính xác cao nhất.

Hình 3.1 Mô hình hóa 3D vỏ máy CNC Laser

Hình 3.2 Mô hình hóa 3D bàn máy

3.1.6 Hệ thống dẫn động trục X-Y

Hệ thống chuyển động X-Y là một cơ cấu của máy CNC laser thiết kế Chứcnăng của nó là để chuyền chuyển động theo hai trục x và y cho ống laser chuyểnđộng tương đối so với bàn máy để tạo ra biên dạng cắt mong muốn

Hình 3.3 Thiết kế tổng thể hệ dẫn động máy gia công laser khí CO2

3.1.7 Hệ thống điều khiển

Mô hình hóa hệ thống điều khiển

Hình 3.4 Mô hình hóa hệ thống điều khiển

3.2 Sơ đồ lắp của máy gia công laser

Hình 3.5 Bản vẽ lắp máy gia công laser CO2