Tính toán, thiết kế và chế tạo bàn máy của máy gia công laser

Bằng việc tìm ra các phát minh, chế tạo ra những chiếc máy nó đã giúpgiảm sức lao động, tăng độ chính xác trong chế tạo chi tiết trong ngành cơ khí.Hiện tại công nghệ laser đang được các

LỜI NÓI ĐẦU

Những năm trở lại đây nền kinh tế của các nước trên thế giới phát triển nhanhchóng bằng việc vận dụng các phát minh hiện đại mới nhất vào mọi mặt của cuộcsống đặc biệt là ngành công nghiệp Ở hầu hết các nước phát triển thì ngành côngnghiệp luôn là ngành đóng vai trò quan trọng ,đóng góp nhiều nhất vào nền kinh

tế đất nước Ở Việt Nam cũng vậy, những năm trở lại đây ngành công nghiệpcũng đang dần phát triển bằng việc đưa vào các dây truyền, máy móc hiện đại.Với nhiệm vụ hướng đến tự động hóa giúp con người giảm sức lao động thay vào

đó là máy móc thực hiện điều đó một cách chính xác, nhanh chóng Đây là mộtthách thức với những người kỹ sư ngày nay để đưa nền công nghiệp nước ta sánhngang với các nước trên thế giới

Sau thời gian học tập tại trường Đại Học Công Nghiệp Hà Nội, được sự chỉ bảodạy giỗ nhiệt tình của các thầy cô trong khoa cơ điện tử và khoa cơ khí trường ĐạiHọc Công Nghiệp Hà Nội, em sắp kết thúc khóa học và cũng đã tích được mộtvốn kiến thức Được sự đồng ý của nhà trường và thầy NHỮ QUÝ THƠ em đãđược giao đề tài tốt nghiệp: Tính toán, thiết kế và chế tạo bàn máy của máy giacông Laser:

Bằng sự nỗ lực của cả nhóm và đặc biệt là sự giúp đỡ tận tình, chu đáo của thầygiáo TH.S NHỮ QUÝ THƠ, nhóm em đã hoàn thành đồ án đúng thời hạn Em rấtmong nhận được sự đóng góp ý kiến của thầy cô để bản đồ án này được hoànthiện hơn nữa Em xin cảm ơn thầy giáo TH.S NHỮ QUÝ THƠ, các thầy cô giáotrong trường Đại Học Công Nghiệp Hà Nội đã tạo điều kiện giúp đỡ nhóm emtrong thời gian qua

Hà Nội, ngày 20 tháng 4 năm 2015Nhóm sinh viên thực hiện

Trần Ngọc Hanh :CKCLC 1Nguyễn Văn Ngọc :CKCLC 1Phạm Thái Hưng : CKCLC 1

CHƯƠNG 1 GIỚI THIỆU CHUNG

1.1 Giới thiệu chung

Những năm gần đây chúng ta đã thấy nền khoa học thế giới phát triển từngngày, nó được ứng dụng vào hầu hết các mặt của xã hội đặc biệt là ngành côngnghiệp Bằng việc tìm ra các phát minh, chế tạo ra những chiếc máy nó đã giúpgiảm sức lao động, tăng độ chính xác trong chế tạo chi tiết trong ngành cơ khí.Hiện tại công nghệ laser đang được các nhà nghiên cứu phát triển để đưa vào ứngdụng vào các máy dụng cụ dùng để tăng tốc độ, tăng độ chính xác gia công.Với các ứng dụng thực tiễn mang lại của laser, công nghệ CNC Laser đượcứng dụng và sử dụng rộng rãi ở các nước phát triển, phục vụ nhu cầu sản xuấtchế tạo sản phẩm, nó dần thay thế cho công nghệ gia công truyền thống, giúpgiảm chi phí thời gian, tiền bạc

Ở Việt Nam, công nghệ CNC Laser đang từng bước được đưa vào áp dụng,tạo ra những sản phẩm chất lượng, với nhiều mẫu mã khác nhau, thuận tiện trongquá trình gia công Hiện nay việc nghiên cứu máy CNC Laser cũng đang đượcquan tâm, mà việc thiết kế hệ thống bàn máy là một trong những vấn đề cần phảigiải quyết để đảm bảo các tính năng mà nó đặt ra

Với chức năng của hệ thống bàn máy là nâng hạ phôi và đồ gá để điều chỉnhđúng vào điểm hội tụ của chùm tia lazer để thực hiện nhiệm vụ cắt gọt đạt hiệusuất và độ chính xác cao, nó được thiết kế nhằm đảm bảo các yêu cầu về tính antoàn của máy, tính thẩm mỹ về hình dạng, kích thước, thuận tiện và dễ dàng sửdụng Nên nhiệm vụ của đề tài là thiết kế hệ thống bàn máy Laser với khả năngdịch chuyển trong phạm vi thiết kế cho phép Khi thiết kế hệ bàn máy cần đảmbảo độ chính xác cao, đặc biệt là các bộ phận trong hệ thống truyền động như: hệthống xích, trục vít me

1.2 Các vấn đề đặt ra

Do hệ thống bàn máy CNC Laser là một bộ phận quan trọng của máy, dùnglàm chuẩn để lấy chiều cao khi nâng hạ khi gia công đạt độ chính xác yêu cầu

của sản phẩm Bên trong hệ thống bàn máy chứa hệ thống chuyền động, động cơhoạt động và rất nhiều hệ thống khác, độ chính xác, độ cứng vững ảnh hưởng đếnquá trình làm việc cũng như là độ chính xác gia công, dó đó khi tính toán thiết kế

hệ thống bàn máy gia công Laser cần phải giải quyết một số vấn đề sau:

- Tính toán hệ thống truyền động: hệ thống xích, trục vít, động cơ

- Lựa chọn vật liệu phù hợp cho hệ thống bàn máy để có khả năng chống ănmòn, chịu nhiệt, tăng khả năng cứng vững cho máy

- Chế tạo chi tiết, lắp đặt và có khả năng hiệu chỉnh

- Xác định được phạm vi không gian của máy khi thiết kế

- Xây dựng phương án công nghệ

1.3 Phương pháp nghiện cứu

Tính toán, thiết kế hệ thống bàn máy CNC Laser là nghiên cứu thuộc lĩnhvực Cơ khí Vì vậy, nhóm áp dụng cơ sở tính toán, phương pháp thiết kế ngành

cơ khí Từ những nhiệm vụ ở trên, nhóm đã thảo luận và đưa ra những phươnghướng cụ thể để bắt tay vào thực hiện đề tài như sau:

- Tìm kiếm tài liệu về máy gia công laser thông qua nhiều nguồn khácnhau như: tài liệu trên mạng internet, các clip về máy gia công lasertrên thế giới, các sách giáo trình…

- Khảo sát các máy gia công laser hiện đang có bán trên thị trườngnước ngoài cũng như ở Việt Nam Áp dụng phương pháp thiết kế dựatrên ý tưởng của các mẫu máy đã có trên thị trường và đưa ra cácphương án cải tiến

- Phác thảo ý tưởng và đưa ra giải pháp thiết kế

- Xây đựng mô hình hóa 3D của hệ thống bàn máy trên phần mềmSolidworks

- Xây dựng các phương án công nghệ để gia công các chi tiết điển hìnhnhư trục ren …

- Lắp ráp phần bàn máy với các bộ phận khác của máy để tạo thànhchiếc máy hoàn chỉnh

- Gia công chế tạo các mẫu cắt thử và kiểm nghiệm

Để hoàn thành đề tài, nhóm đã áp dụng nhiều kiến thức chuyên ngành cơkhí đã học và một số kiến thức liên ngành khác

Cùng các tài liệu trên Internet, sách tham khảo, đồ án của các anh chị khóatrước, đặt câu hỏi với các vấn đề đó để tìm ra phương án tối ưu nhất, đưa ra cácgiả định rồi thử nghiệm chứng minh…

Áp dụng một số kiến thức được học về khóa học tư duy kỹ thuật, các công

cụ giải quyết vấn đề như Process Map, cách nghĩ MECE, biểu khảo sát

1.4 Phạm vi giới hạn đề tài

Ý tưởng thiết kế hệ thống bàn máy CNC Laser rất đa dạng, có rất nhiều kiểudáng và mẫu mã khác nhau Tuy nhiên, trong phạm vi “ Đồ án tốt nghiệp “ vớinhững giới hạn về thời gian, tài chính và tầm hiểu biết, nhóm chỉ thiết kế và chếtạo được hệ thống bàn máy CNC Laser với những tính năng đảm bảo được cácyêu cầu sau:

- Hệ thống bàn máy thiết kế theo dạng nhỏ gọn, tiện trong quá trình sửdụng, sửa chữa, bảo trì, vận chuyển Thuộc lĩnh vực cơ khí và tự độnghóa, thuộc loại máy cỡ vừa và nhỏ (có công suất từ 40-60W)

- Vật liệu có khả năng chịu nhiệt tốt dễ gia công tạo hình, tính hàn cao

- Hệ thống bàn máy chịu tải trọng tốt, đảm bảo được độ cứng vững

- Bàn máy có khả năng di chuyển giới hạn trong phạm vi không quá caochỉ trong khoảng nâng hạ tối đa <100 mm

- Thời gian nghiên cứu: 8 tuần kể từ ngày được giao đề tài

- Số lượng sinh viên nghiên cứu là 3 sinh viên

- Nghiên cứu cấp nhà trường

CHƯƠNG 2 TỔNG QUAN VỀ GIA CÔNG LASER

2.1 Khái niệm

2.1.1 Tổng quan về tia laser

Tia Laser (đọc là la-de) là tên viết tắt của cụm từ Light Amplification by

Stimulated Emission of Radiation trong tiếng Anh, và có nghĩa là "khuếch đạiánh sáng bằng phát xạ kích thích"

Năm 1964, Charles Townes, Nikolai Basov và Aleksandr Prokhorov cùngnhận giải thưởng Nobel vật lý về nền tảng cho lĩnh vực điện tử lượng tử, dẫn đếnviệc tạo ra máy dao động và phóng đại dựa trên thuyết maser-laser Laser hồngngọc, một laser chất rắn, được tạo ra lần đầu tiên vào năm 1960, bởi nhà vật lýTheodore Maiman tại phòng thí nghiệm Hughes Laboratory ở Malibu, California.Hồng ngọc là ôxít nhôm pha lẫn crôm Crôm hấp thụ tia sáng màu xanh lá cây vàxanh lục, để lại duy nhất tia sáng màu hồng phát ra Robert N Hall phát triểnlaser bán dẫn đầu tiên, hay laser diod, năm 1962 Laser bán dẫn đầu tiên với tiaphát ra có thể thấy được được trưng bày đầu tiên cùng năm đó Năm 1970,Zhores Ivanovich Alferov của Liên Xô và Hayashi và Panish của Phòng thínghiệm Bell đã độc lập phát triển laser diode hoạt động liên tục ở nhiệt độ trongphòng, sử dụng cấu trúc đa kết nối, tu sửa

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 Gia côngcắt gọt laser không cho phép bóc tách vật liệu với khối lượng lớn nhưng nó chotốc độ cắt cao và với dụng cụ dễ điều khiển, không tiếp xúc và không mòn

Hình 2.1 Cắt laser.

2.1.2 Khái quát về thiết kế máy CNC Laser

2.1.2.1 Cấu tạo về máy CNC Laser thiết kế

Máy gia công laser thiết kế là thiết bị gia công được thiết kế điều khiển bằngphần mềm do nhóm tự phát triển thông qua thuật toán nội suy và xử lý hình ảnh Cấu tạo máy CNC Laser bao gồm 2 phần :

- Cơ khí : + Hệ thống vỏ máy + Hệ thống bàn máy gia công + Hệ thống chuyển động

- Điện tử :+ Hệ thống điều khiển của máy

Hình 3.1.1 Bản vẽ lắp máy gia công laser CO2

5 Vỏ máy bên phải

6 Tay thủy lực dầu

7 Cửa bên phải máy

Máy cắt CNC Laser sử dụng công nghệ Laser ,, một chùm tia năng lượng

cao được sinh ra bởi máy phát laser sẽ được tập trung trên bề mặt chi tiết giacông nhờ 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 trục với chùm tia Laser Đối với một số loại vật liệu thì dòng khínày làm 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 tiết theomột quỹ đạo vì thế sinh ra vết cắt Chuyển động này được thực hiện bằng cách dichuyển 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 chuyểnđộng này Khi đó, chùm tia Laser này sẽ di chuyển theo một phương và chi tiếtgia công được di chuyển theo phương còn lại để tạo ra hình dạng vết cắt

2.1.2.3 Ứng dụng của máy laser

Máy gia công laser được sử dụng chủ yếu trong lĩnh vực cơ khí, đặc biệt làlĩnh vực cơ khí chính xác, những chi tiết gia công đòi hỏi phải có độ chính xáccao như các chốt pin,…Ngoài ra, máy gia công còn được ứng dụng nhiều tronglỉnh vực hội họa như khắc tranh nghệ thuật, cắt chi tiết trang trí trong gia đình…

2.1.3 Hệ thống vỏ máy

Vỏ máy là nền tảng của một máy trung tâm, nó cần nặng hơn, chắc chắnhơn và tốt hơn Giá của nó có thể cao hơn, nhưng sự chịu lực và độ bền sẽlàm giảm rung động Quá trình rung động sẽ ảnh hưởng đến độ chính xác giacông Với một máy có kết cấu vững chắc, nó sẽ hấp thụ những dao động này,đảm bảo máy sẽ thực hiện với công suất và độ chính xác cao nhất.

Cấu tạo của vỏ máy khá đơn giản,nhưng cần yêu cầu tính chịu tải cao,cầnphải đảm bảo được độ vững chắc khi máy hoạt động

Mô hình hóa hệ thống điều khiển

Từ yêu cầu thiết kế hệ thống gia công, hệ thống điều khiển được thiết kế mộtcách tổng quan qua sơ đồ khối máy Sơ đồ nêu rõ các khối đầu vào, khối điềukhiển trung tâm, các cơ cấu chấp hành, cùng các bộ phận hiển thị, giao tiếp vớingười sử dụng

Hình 3.4 Mô hình hóa hệ thống điều khiển

Bộ xử lý trung tâm:

Là một thiết bị có khả năng nhận và lập trình xử lý được các tín hiệu vào theo yêu cầu đầu vào của hệ thống này, đồng thời xuất được các tín hiệu theo yêu cầu.Với đề tài này, nhóm sử dụng một vi điều khiển: AT128, với các tính năng phù

hợp như: số đầu vào, ra lớn, khả năng làm việc ổn định, bộ nhớ chương trình đủ lớn để lập trình.

2.1.5 Hệ thống chuyển động X – Y

- Hệ thống chuyển động X-Y là một cơ cấu của máy CNC laser thiết kế Chức

năng của nó là để chuyền chuyển động theo hai trục x và y cho ống laser chuyển động tương đối so với bàn máy để tạo ra biên dạng cắt mong muốn

Hình 3.4 Thiết kế tổng thể hệ dẫn động máy gia công laser khí CO2

7 Tấm đỡ đầu laser và động cơ

2.2 Hệ thống gia công sử dụng chùm tia laser

Hệ thống gia công bằng chùm tia laser bao gồm 3 bộ phận chính: Đầu phátlaser, bộ phận cung cấp điện và điều khiển Bàn gá (Có thể điều khiển CNC).Đầu phát laser để tạo ra tia laser là bộ phận quan trọng nhất Ngày nay hệ thốnggia công laser thường gắn với bộ điều khiển CNC và cho phép gia công chi tiếtmột cách tự động, liên tục và năng suất cao Máy điều khiển CNC cho pháp giacông laser 2D, 2.5D, 3D,…dưới sự hỗ trợ bởi máy tính và các thiết bị số Cónhiều loại laser được sử dụng để gia công như laser gama, laser khí, laser rắn,laser lỏng, laser bán dẫn phụ thuộc vào mục đích sử dụng để chọn thiết kế cũngnhư sản xuất phù hợp với máy gia công

Hình 2.2 Hình ảnh về một máy cắt laser 2 trục trong thực tế

2.3 Ứng dụng của tia laser trong gia công cắt gọt.

Laser được cho là một trong những phát minh ảnh hưởng nhất trong thế kỉ 20.Tia sáng laser với cường độ cao có thể cắt thép và các kim loại khác Tia từ laserthường có độ phân kì rất nhỏ, (độ chuẩn trực cao) Độ chuẩn trực tuyệt đối làkhông thể tạo ra, bởi giới hạn nhiễu xạ Tuy nhiên, tia laser có độ phân kỳ nhỏhơn so với các nguồn sáng Laser được dùng trong gia công như khoan (Khoanđập, khoan cắt), khắc laser được dùng rất phổ biến chiếm 20% thị phần ứng dụngcủa tất cả các ứng dụng laser, sửa đá mài bằng laser,… Công nghệ hàn laser đãđược sử dụng phổ biến trong mọi ngành công nghiệp xuất phát từ yêu cầu hànnhững vết hoặc điểm rất nhỏ trên linh kiện điện tử, nữ trang, khuôn mẫu… đếnviệc tự động hóa hàn khung vỏ ô tô Máy cắt laser được tạo thành từ hai phầnchính: nguồn laser và chuyển động Tùy theo ứng dụng mà sử dụng các nguồnlaser khí hoặc tinh thể Hiện nay 2 loại laser chủ yếu sử dụng là laser CO2 vàlaser sợi (YAG, Fiber …) Laser CO2 có công suất từ vài watt đến hàng nghìnwatt Công suất thấp được dùng để cắt các vật liệu phi kim trong khi các hệ côngsuất lớn thường dùng để cắt kim loại Đa số trang bị kiểu chạy bàn trong khi cácrobot chủ yếu được dùng tự động trong công nghiệp ô tô

2.4 Công nghệ cắt gọt bằng tia laser

Sơ đồ nguyên lý đầu phát chùm tia laser

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 laze: cónhiều môi trường kể trên như CO2, Nd-YAG, thanh hồng ngọc…

Có tác dụng biến đổi nguồn sáng kích thích thành trạng thái ánh sáng có nănglượng mới laze, nhờ tác dụng của môi trường hoạt tính 1, tại đây ánh sáng sẽ điqua nhiều lần và biến đổi dần dần.

4.5 Gương phản xạ

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

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

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 môitrường khí Bộ cộng hưởng quang học: sau khi tạo được lớp đảo, môi trường hoạttính trở thành môi trường khuyếch đại ánh sáng Để có thể nhận được ánh sángphải tạo nên một phản hồi dương Bộ cộng hưởng quang học đóng vai trò này và

là bộ phận hướng tia ánh sáng chọn lọc

Bộ cộng hưởng quang học là hệ thống gương quang học Trên bề mặt phảnchiếu của gương có phủ một lớp kim loại hoặc một lớp điện môi Một trong haigương kia phải là gương bán trong suốt Trong trường hợp gương làm bằng kimloại phải khoan một lỗ cho ánh sáng đi qua, trong laser khí gương cộng hưởngnằm ở hai đầu ống Đối với laser rắn gương hoạt tính đồng thời là hai mặt củathanh hoạt tính Ngoài các gương nói trên, bộ cộng hưởng quang học còn cónhững phần phụ kèm theo như lăng kính có nhiệm vụ lọc ánh sáng

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

Bộ lọc: Do máy phát tia laser không có duy nhất một bước sóng mà thể có nhiềubước sóng khác nhau Do đó chúng ta sử dụng bộ lọc cho ra bước sóng duy nhất

để có cộng hưởng cao Thông thường bộ lọc làm việc theo nguyên tắc phản xạánh sáng

Gương phản xạ tia laser, có tác dụng phản xạ các chùm tia laser chiếu đến, làmcho tia laser được sáng được phản xạ tới các gương khác và tới thấu kính hội tụtia laser

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

Thấu kính hội tụ laser, có tác dụng hội tụ các chùm tia laser, làm cho công suấtcủa tia tập trung hơn và do đó công suất cắt, khắc của máy cũng tăng lên, đạt độchĩnh 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 3.13a) 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 hìnhdáng phức tạp Khi dùng thấu kính hình trụ (hình 3.13b) vết tập trung sẽ có dạngdài, hẹp để gia công các rãnh hẹp, … Phương pháp này có ưu điểm là tập trungtồn bộ năng lượng 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 bócôn hoặc hẹp dần theo chiều sâu

Nguồn sáng laser có 4 tính chất nổi bật, đó là: Cường độ lớn, Độ đơn sắc cao,Tính định hướng cao và có Tính kết hợp Khi dùng nguồn sáng laser kích thíchtrong các phép 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 quangyếu

+ 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 lasergiúp cho phổ ghi nhận có độ phân giải tốt, dễ dàng phân biệt hai đỉnh phổ sátnhau, đồng thời, có thể phát hiện được những quá trình xảy ra rất nhanh (ví dụhiện tượng hấp thu 2 photon, )

+ Tính định hướng của nguồn laser tạo điều kiện thuận lợi khi thao tác,

bố trí, 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

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.

2.4.1 Ảnh hưởng của mật độ năng lượng trong gia công cắt gọt bằng laser.

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

- Mật độ năng lượng = P/ ( ) r2

- 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

Bảng 2.1 So sánh các chế độ cắt gọt khác nhau.

Chất lượng Laser Dập Plasma Kìm

Tia nước có hạt mài

Cắt dây

Phay

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 khôngđược xê dịch với bàn gá chính xác và với vị trí khi sử dụng chươngchình 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 hiệuquả khi cắt gọt

 Duy nhất với các vật liệu phản quang cao như Nhôm hay đồng có thểđặt ra nhiều vấn đề nhưng với hệ điều khiển thích hợp thì người ta cóthể vẫn cắt được chúng hoàn hảo

b 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 sạchchúng

ĐÁP ỨNG VỚI GIA CÔNG CẮT GỌT

 Cắt gọt có thể bởi lưỡi cắt khe hẹp, bền như vậy giúp tiết kiệm được vậtliệu

 Lưỡi cắt thường có dạng vuông hoặc tròn sinh ra nhiệt độ lớn trong quátrình cắt hoặc sử dụng các kĩ thuật cắt gọt sinh nhiệt khác

 Lưỡi cắt có thể nhẵn bóng và sạch, nó cho phép cắt tinh.

 Không cho phép mài như các kĩ thuật cắt gọt cơ khí khác, các mạt giũa,hạt mài sinh ra luôn luôn được loại bỏ

 Lưỡi cắt rất mỏng HAZ (Heat effected zone) và mảnh, các lớp cỡ một vàimicro mét, đặc biệt tạo ra xỉ một cách tự nhiên, biến dạng không đáng kể

 Cắt gọt đối với một số loại vật liệu, đặc biệt với những vật liệu dễ bay hơibởi nhiệt độ cao khi cắt như gỗ - cao su

 Chiều sâu cắt phụ thuộc vào năng lượng laser thông thường trong khoảng10-20mm là tốt nhất Đặc biệt với laser fiber (sợi quang) có thể cắt đượcvới chiều sâu đạt tới 50mm

2.4.4 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 đinhờ khí thổi vào vùng gia công

 Chùm tia sẽ đưa ngang qua theo một chương trình 2D tới vật liệu giúp cắt

bỏ vật liệu qua tác dụng đa cơ học

 Nóng chảy:

- Vật liệu sẽ nóng chảy bởi độ dai dòng vật liệu giảm, như thép vàhợp kim, nhựa chịu nhiệt sẽ bị cắt bởi hoạt động của chùm tia laservới mật độ năng lượng là 104Wmm-2

- Nóng chảy được hỗ trợ bởi tác động mòn do sự chảy diễn ra chậm

và tác động của khí Kết quả là kênh nóng chảy đi qua vật liệu tạothành một đường cắt hay lỗ cắt

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

2.4.5 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

 Chấtdẻonhiệtrắn

dẻonhiệtrắn

ĂN MÒN NÓNG CHẢY CHẬM LẠI HOẶC ĂN MÒN VÀ THỔI KHÍ

NÓNG CHẢY VÀ BỊ THỔI KHÍ

 Một lỗ đã được tạo ra trước đó hoặc cắt bắt đầu từ lưỡi, sau đó

 Tác động của khí được thổi vào vùng vật liệu nóng chảy do lưỡi cắt ngăncản nhiệt độ cao tại điểm nóng ở một vài điểm ngoài cắt gọt

 Cắt gọt bằng khí chậm lại yêu cầu mức năng lượng chỉ với 1/10 mức nănglượng của bay hơi

 Lưu ý rằng hệ số nhiệt ẩn của nóng chảy tới bốc hơi là 1:20

CÔNG THỨC CỦA QUÁ TRÌNH

NÓNG CHẢY VÀ THỔI KHÍ

Nhóm [P/tV] là hằng số cắt gọt vật liệu với chùm tia đưa ra

2.4.6 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

CHI TIẾT VỀ GIA CÔNG KHI BỊ THỔI KHÍ VÀO VÙNG NÓNG CHẢY

 Hấp thụ bởi hai hoạt động cơ tính:

- Cơ bản là hấp thụ Fresnel … Trực tiếp tương tác của chùm tới vậtliệu.

- Bởi hấp thụ Plasma và sự tái phát xạ Plas ma được xây dựng bêntrong vùng cắt là không đáng kể cho tới khi có khí được thổi vào

 Mật độ năng lượng trên bề mặt vùng cắt là F.sinƟ Trường hợp nóng chảycái mà sau đó được thổi bởi các lực từ dòng khí áp lực cao

 Giữa đường cưa và vùng nóng chảy mỏng hơn diễn ra sự giảm tốc độ cắtgiữa các lớp và bề mặt tác dụng nóng chảy chậm

 Áp lực của khí làm nóng chảy nhỏ giọt bởi áp suất trong vùng cắt gọt

- Thuyết vê bước

- Giới hạn về kích thước của giọt bị nóng chảy tới rung động sau đó

nó có thể được thổi tự do

- Lý thuyết về dải đốt nóng

HOẠT ĐỘNG KẾT HỢP KHI CẮT

 Nếu hỗ trợ khí có hiệu suất tác dụng biến đổi tỏa nhiệt cao mở rộng đượcnguồn 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 lẫnvới nhau

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

 Khí oxy được đưa vào và thổi bên trong khe cắt và sẽ nóng chảy chậmxuống, 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 vậtliệu:

- 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 caohơn

 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 cứnghơn, 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 chảycao, khoảng 2180 độ C tại các điểm Và làm nguội nhanh hơnnguyên 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 trựctiếp tới toàn bộ phần cắt

2.4.7 Điều khiển quá trình nứt gãy

 Vật liệu giòn nhạy cảm với nhiệt nứt có thể nhanh hơn và dễ dàng hơn bởicác đường nứt được dẫn hướng nhờ điểm nóng của tia laser

 Nhiệt độ của laser thể tích nhỏ trên bề mặt gây ra cho chúng ứng suất kéolớn và rộng xung quanh

 Nếu nứt vỡ trong không gian, nó sẽ tác động lực kéo và nứt sẽ tiếp tụctrực tiếp tới điểm nóng

 Tốc độ nứt gãy được tính theo m/s

 Khi tiếp cận áp lực bằng lưỡi cắt thì miền áp lực vỡ sẽ trở lên phức tạphơn

ĐƯỜNG NỨT ĐƯỢC ĐIỀU KHIỂN

- Khó tới mẫu và dự đoán lưỡi cắt lân cận

PHẠM VI QUÁ TRÌNH GIA CÔNG ĐIỀU CHỈNH ĐƯỜNG NỨT

Bảng 2.4 Chế độ cắt khi điều chỉnh đường nứt

Vật liệu Chiều dày mm Đường kính Năng lượng Tốc độ trung

điểm nungmm

99%Al2O3 0.7

1.0

0.380.38

716

0.30.08Thủy tinh

 Làm suy yếu cấu trúc và sau đó có thể phá vỡ tính chất cơ lý của vật liệu

 Vật liệu dùng chủ yếu là mảnh silicon và nền nhôm

 Chất lượng được đánh giá bởi không có mảnh vỡ và dải nhiệt tác độngthấp

 Theo đó với mức năng lượng thấp, mật độ năng lượng cao đã được sửdụng tới loại bỏ lớp vật liệu chính khiến chúng bay hơi

2.4.8 Sự bay hơi trong quá trình cắt gọt

 Các hạt tập trung trên bề mặt dưới tác dụng nhiệt tại điểm bay hơi và lỗchính phát sinh

 Các lỗ chính là nguyên nhân làm tăng đột ngột phản xạ hấp thụ và chiềusâu lỗ gia công nhanh hơn

 Chiều sâu cắt lớn như vậy hơi bay ra được thổi ra ngoài hoặc rãnh thoát và

có tính ổn định trên các thành của lỗ

 Các phương pháp cắt gọt laser thông thường cho ra các dải laser hoặc bêntrong vật liệu diễn ra sự nung chảy như gỗ, cacbon và một vài loại nhựa.

Cp là lượng nhiệt của khối (j/kgoC)

Tv Là nhiệt độ nóng chảy (oC)

T0 là nhiệt độ vật liệu khi bắt đầu (oC)

2.4.9 Chế độ cắt lạnh

 Năng lượng cao của laser UV excimer đưa ra chế độ cắt lạnh:

- Năng lượng của photon bức xạ tử ngoại là 4.9eV, nó tương tự nhưnăng lượng kết dính cho các loại vật liệu hữu cơ

- Sự kết dính được cách nhiệt bởi photon sau đó nó có thể bị vỡ

Hình 2.3 Ảnh minh họa cắt tế vi bằng eximer

2.4.10 Tác động của kích thước điểm tỏa nhiệt và chiều dài bước sóng.

 Các thông số nguyên lý như năng lượng laser, tốc độ dịch chuyển, kíchthược điểm tỏa nhiệt và độ dày vật liệu

 Kích thước hạt tác động trong hai cách sau:

- Đầu tiên là giảm cỡ điểm tỏa nhiệt sẽ làm tăng mật độ năng lượngcái mà tác động tới độ hấp thụ

- Thứ hai là nó sẽ làm giảm chiều sâu cắt gọt.

 Các laser với năng lượng bền và thấp được yêu cầu dạng luôn luôn dùngdạng TEMoo tốt hơn các dạng khác

TÁC ĐỘNG CỦA TIA NÓNG CHẢY

 Tốc độ cắt lớn nhất có thể đạt gấp đôi, cắt trực tiếp, đối lập với góc phảicắt khi cắt với mặt phẳng tia laser đã nung nóng chảy vật liệu vùng cắt

 Bên cạnh năng lượng của tia laser có các lòng uốn nếp, cái mà thuận tiệncho biên độ của bức xạ vector điện từ ở góc phải mặt phẳng tới.

CHIỀU DÀI BƯỚC SÓNG

 Ngắn hơn chiều dài bước sóng và hấp thụ cao hơn đối với kim loại

 Bức xạ YAG tốt hơn tới bức xạ CO2 nhưng nó có cấu trúc kém bền vàlaser có độ lệch

 Laser fiber với các dạng tia cao có nhiều ưu điểm hơn

Căn cứ vào đề tài và thị trường nhóm em lựa chọn loại laser sử dụng làlaser bán dẫn với nguồn 3,5 – 5 V, ánh sáng tia laser màu đỏ

2.4.11 Vật liệu dùng trong cắt – khắc laser

1 Nghành và vật liệu cắt bằng laser

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

- Ngành cơ khí chính xác: chế bản tạo hình gia công cắt kim loại bằng máy cắtdây, 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 hoànthiện 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,nhựa phip, làm mô hình, bản đồ

- Ngành quà tặng lưu niệm: cắt khắc họa tiết hoa văn trên các sản phẩm kimhoàn, ngà voi, ngọc thạch, mã não, gỗ, tre, khắc dấu, vỏ điện thoại, làm quà tặngđộc đáo sáng 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, khungalbum cắt các chi tiết lắp ghép thành giường, tủ, bàn, ghế

2 CNC LASER

- 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

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,khắc tốt khi đã làm sạch bề mặt vật liệu.

e Nhựa FR4/FR2: PCB – nhựa nhiệt rắn – Khó cắt gọt trên các vật liệu có màunâu, 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 liệutối 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 chảytrung bình, 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 liệunóng chảy, khắc tốt khi bề mặt làm sạch và vật liệu tối màu