Nghiên cứu công nghệ và ứng dụng của một số phương pháp cắt nóng chảy trên các thiết bị CNC

Tôi đã tiến hành thực hiện đề tài “Nghiên cứu và ứng dụng một số phương pháp cắt nóng chảy bằng các thiết bị CNC “ Nội dung nghiên cứu gồm những vấn đề sau : - Nghiên cứu cơ sở lý thuyết

Bộ giáo dục và đào tạo Trường đại học bách khoa hà nội

Lời cam đoan

Tôi xin cam đoan những nghiên cứu và các kết quả đợc trình bày trong luận

văn này là của riêng tôi, không sao chép từ bất kỳ

các nghiên cứu của ngời khác

Tôi hoàn toàn chịu trách nhiệm nếu sai

dẫn, các đồng nghiệp ở trong, ngoài trờng đã đóng góp nhiều ý kiến và giúp đỡ tôi

để bản luận văn này đợc hoàn thành

Mởđầu

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN 3

1.1 Các phương pháp cắt nóng chảy được ứng dụng trong thực tế 3

1.1.1 Cắt bằng ôxy-khí cháy 3

1.1.2 Cắt bằng Platsma 6

1.1.3 Cắt bằngLaser 7

1.1.4 Cắt bằng tia điện tử 8

1.1.5 Cắt bằng tia lửa điện 9

1.1.6 Cắt bằng hồ quang điện 11

1.2 Tình hình nghiên cứu cắt kim loại bằng các phương pháp nóng chảy 12 CHƯƠNG 2 cơ sở lý thuyết của các phương pháp cắt nóng chảy kim loại 14

2.1 Cơ sở lý thuyết của phương pháp cắtnóng chảy bằng Laser 14

2.2 Cơ sở lý thuyết của cắt bằng tia lửa điện 31

CHƯƠNG 3: máy cắt laser và tia lửa điện 57

3.1 Giới thiệu máy cắt Laser 57

3.2 Máy cắt xung định hình 67

3.3 Thiết bị cắt dây 59

Chương 4 : các ứng dụng và một số kết quả nghiên Cứu thực nghiệm 4.1 ứng dụng cắt một số chi tiết trên máy cắt nóng chảy CNC 92

4.2 Một số kết quả cắt thực nghiệm trên các máy cắt Laser - Tia lửa điện 98

4.3 ứng dụng phần mềm để thiết kế chương trình mô phỏng cắt dây 99

Hiện nay, trong các Trường Đại học, các Viện nghiên cứu, và các cơ sở nghiên cứu khác đã và đang triển khai rất mạnh mẽ việc nghiên cứu và giảng dạy các kiến thức, công nghệ về các lĩnh vực trên

Trường Đại học SPKT -Vinh trong thời gian vừa qua đã được trang bị một số loại máy cắt nóng chảy bằng CNC , phục vụ cho công tác giảng dạy và nghiên cứu ứng dụng , triển khai công nghệ trên trong sản xuất Để nắm bắt

được các kiến thức về cơ sở của lý thuyết , hiểu được cấu tạo và nguyên lý làm viêc của các lọai thiết bị trên , triển khai được các quá trình công nghệ trên các thiết bị đó đang trở nên cấp thiết

Xuất phát từ nhu cầu đó , bản thân là một học viên Cao học đã mạnh dạn xin được thầy hướng dẫn để có điều kiện nghiên cứu sâu hơn , được tiếp cận với các thông tin , tiếp cận các cơ sở sản xuất có các loại thiết bị trên , nhằm hoàn thiện thêm các nội dung cấp thiết trên đây

Để cập nhật được kiến thức và công nghệ của các phương pháp cắt nóng chảy trên các thiết bị cắt CNC, dưới sự hướng dẫn của Giáo sư tiến sỹ Trần Văn Địch khoa cơ khí Trường Đại học Bách khoa Hà Nội, và sự giúp đỡ của các tiến sỹ Viện Nghiên cứu Cơ khí, Viện IMI Tôi đã tiến hành thực hiện

đề tài “Nghiên cứu và ứng dụng một số phương pháp cắt nóng chảy bằng các thiết bị CNC “ Nội dung nghiên cứu gồm những vấn đề sau :

- Nghiên cứu cơ sở lý thuyết của quá trình cắt nóng chảy của một số phương pháp mà hiện nay đang được ứng dụng nhiều trong các cơ sở sản xuất

- Nghiên cứu một số thiết bị cắt CNC bằng phương pháp nóng chảy

- Nghiên cứu , thực nghiệm các quá trình công nghệ cắt nóng chảy trên một số thiết bị cắt CNC

Mục đích của đề tài là :

Trên cơ sở nghiên cứu trên tiến hành ứng dụng vào việc giảng dạy các nội dung đó tại Trường Đại học SPKT- Vinh Đồng thời triển khai ứng dụng công nghệ trên vào trong sản xuất

Chương 1: Tổng Quan về các phương pháp cắt nóng chảy 1-1 Các phương pháp cắt nóng chảy đã được ứng dụng trong thực tế 1.1.1 Cắt nóng chảy bằng khí O 2 - C 2 H 2 ( hoặc ôxy - khí cháy )

Đây là phương pháp cắt nóng chảy truyền thống được sử dụng rất rộng rãi trong thực tế ở Việt Nam cũng như ở các nước khác trên thế giới

Ngọn lửa này được sử dụng để nung kim loại cần cắt đến nhiệt độ cháy, sau

đó thổi khí O2 vào vùng kim loại đang nung, O2 sẽ tác dụng với kim loại bị nung nóng tạo thành các Ô xýt kim loại, các ôxýt kim loại này sẽ bị dòng O2

có vận tốc cao đẩy ra khỏi tấm kim loại, vết cắt được tạo thành Quá trình cháy của sắt trong O2 xảy ra theo các phản ứng sau

Fe + 0,5 O2 = FeO + Q

3Fe + 2O2 =Fe3O4 +Q

2Fe + 1,5 O2 = Fe2O3 +Q

Hình 1.1 Sơ đồ cắt O xy - khí cháy

Khi cắt dòng O2 hướng trực tiếp vào vùng kim loại bị nung nóng cho nên lớp bề mặt kim loại bị ôxy hoá mạnh và nhanh , lớp kim loại này sinh ra nhiệt lượng lớn đủ để làm nóng chảy các lớp kim loại ở phía dưới đến nhiệt độ cháy Quá trình đó tiếp diễn liên tục cho dến khi toàn bộ chiều dày kim loại cắt bị

ôxy hoá hoàn toàn

1.1.1.2 Điều kiện để cắt được bằng O 2 - C 2 H 2

Do tính chất lý nhiệt khác nhau , cho nên không phải kim loại nào cũng

có thể cắt được bằng nguồn nhiệt của hổn hợp khí trên, các kim loại cắt được bằng loại khí này phải thoả mãn được các yêu cầu sau đây :

- Nhiệt độ cháy của kim loại cắt phải nhỏ hơn nhiệtđộ nóng chảy của nó Các loại thép có hàm lượng các bon thấp thoả mãn được điều kiện này, vì nhiệt độ nóng chảy của nó là 15300C, trong khi đó nhiệt độ cháy của nó là

13500C

- Hàm lượng các bon có trong thép là yếu tố chính ảnh hưởng dến nhiệt độ cháy của thép, hàm lượng các bon càng tăng thì điều kiện cắt càng kém, sở dĩ như vậy là do lúc này nhiệt độ chảy của nó tăng lên Đối với các kim loại và hợp kim màu thì cắt bằng phương pháp này rất khó , chất lượng của vết cắt kém , do vậy khi cắt kim loại màu chúng ta có thể phải sử dụng các phương pháp khác

- Nhiệt độ chảy của Ôxýt kim loại cắt phải nhỏ hơn nhiệt độ chảy của kim loại đó, nếu không có điều kiện này thì lớp ôxýt tạo thành trên bề mặt cắt sẽ ngăn cản không cho dòng ôxy thổi vào để ỗy hoá lớp kim loại ở phía dưới

- Lượng nhiệt sinh ra khi cắt phải đủ để duy trì quá trình cắt liên tục, các nghiên cứu cho thấy rằng lượng nhiệt sinh ra do phản ứng ôxy hoă giữa sắt và

ôxy chiếm khoảng 70% còn lượng nhiệt đưa từ ngoài vào do ngọn lửa nung chỉ đạt khoảng 30% lượng nhiệt tổng trong quá trình cắt

- Tính dẫn nhiệt của kim loại không được quá cao , nếu không nguồn nhiệt

sẽ bị phân tán , không tập trung vào vùng cắt , quá trình cắt sẽ khó xảy ra

- Các ôxýt tạo thành phải có độ loảng cao để dẽ thổi ra khỏi rãnh cắt

- Kim loại cắt phải chứa ít tạp chất làm cản trở quá trình cắt

Từ những điều kiện trên ta nhận thấy các kim loại và hợp kim màu không thoả mãn được điều kiện cắt, các loại thép các bon có hàm lượng các bon thấp

sẽ cắt dễ, các loại thép các bon có hàm lượng các bon từ 1,2% thì không thể cắt được

1.1.13 Các ứng dụng của phương pháp cắt bằng ôxy – axe ty len

Trong thực tế sản xuất việc cắt bằng năng lượng của ngọn lửa ôxy – axê tylen đang được ứng dụng rất rộng rãi, do phương pháp cắt này có từ lâu và mang tính truyền thống, giá thành rẻ, thiết bị và dụng cụ cắt đơn giản dẽ vận hành Mặt khác cắt bằng phương pháp này có thể thực hiện được ở bất kỳ vị trí nào và ở cả những nơi không có nguồn điện

Nguồn vật liệu cắt như khí ôxy, khí axêtylen, có nhiều trong thực tế và giá thành rất rẻ, hiện nay do sự phát triển mạnh mẽ của các ngành công nghệ khác, cho nên người ta đã sử dụng thay thế khí axêtylen bằng khí ga nạp sẵn trong các bình chứa rất thuận lợi, đồng thời cũng rất an toàn cho người sử dụng

Hiện nay cùng với sự phát triển toàn diện của mọi nghành khoa học , việc ứng dụng cắt bằng ngọn khí ôxy – khí cháy trên các thiết bị cắt công nghệ cao

mà đặc biệt là trên máy cắt kỹ thuật số CNC đang ngày càng được sử dụng nhiều

1.1.2 Cắt nóng chảy bằng Plasma

Như chúng ta đã trình bày ở trên, cắt bằng ôxy - khí cháy chủ yếu được dùng để cắt các kim loại là thép các bon thấp và các loại thép khác có tính chất và thành phần hoá học tương tự Cắt bằng Plas ma chủ yếu được ứng dụng để cắt các loại vật liệu như thép không gỉ, các kim loại màu như nhôm

và hợp kim nhôm

1.1.2.1 Nguyên lý cắt bằng Plasma

Khi dòng khí nén bị ion hoá hoàn toàn, bị ép chạy qua khe hẹp giữa hai

điện cực đang phóng hồ quang thì sẽ tạo thành dòng plasma, dòng plasma này

có nhiệt độ rất cao khoảng 16500 0c Hồ quang plasma bị nén mạnh đầu mỏ cắt, có nhiệt độ cao, độ tập trung lớn cho nên được dùng để cắt

Hình 1.2 Sơ đồ plasma Khác với cắt bằng ôxy - khí cháy là dạng cắt dựa trên các quá trình cháy

do các phản ứng ôxy háo kim loại, còn ở đây quá trình cắt lại được thực hiện bằng quá trình dùng nhiệt của dòng plasma để nung nóng kim loại đến trạng thái chảy sau đó kim loại lỏng bị thổi ra ngoài nhờ vào áp lực của dòng plasma, rãnh cắt được tạo thành Cắt bằng phương pháp này cho ta chất lượng của mép cắt cao , do nhiệt lượng tập trung rất lớn cho nên chiều rộng rãnh cắt

có kích thước rất nhỏ, lượng nhiệt tồn tại trong chi tiết cắt không lớn khả năng sinh ra biến dạng nhiệt khi cắt thấp

1.1.2.2 Khí tạo plasma

Để thuận lợi cho việc tạo thành plasma, khí được dùng để tạo thành plasma phải đạt được các yêu cầu như có khả năng làm mát tốt, không sinh ra các tác dụng phụ làm ảnh hưởng đến chất lượng và năng suất trong quá trình cắt , trong thực tế khí được sử dụng có phạm vi tương đối rộng rãi, tuy nhiên

tuỳ theo vật liệu để lựa chọn khí nhằm làm tăng hiệu quả của quá trình cắt Hiện nay các loại khí thường được sử dụng nhiều là Ni tơ, Ôxy hoặc không khí

1.1.3 Cắt nóng chảy bằng Laser

1.1.3.1 Thực chất của quá trình cắt bằng laser

Cắt nóng chảy bằng laser , đó là quá trình nung nóng kim loại đến trạng thái chảy, sau đó dùng dòng khí nén để thổi kim loại lỏng đó ra khỏi rãnh cắt, mép cắt được tạo thành ở đây năng lượng laser được dùng để làm nóng chảy kim loại và kim lỏng đó được đẩy ra khỏi rảnh cắt nhờ dòng khí nén , do vậy cho nên trong quá trình cắt không xảy ra các phản ứng khác, quá trình cắt hoàn toàn là một quá trình vật lý, bởi vậy cho nên phạm vi cắt được các loại vật liệu rộng hơn, có thể cắt được cả những vật liệu phi kim loại

1.1.3.2 Các điều kiện để tạo thành laser

Để tạo được chùm tia laser cần phải hội tụ đủ các điều kiện sau :

- Tạo ra được chùm tia tử ngoại nhờ vào quá trình phóng điện trong đèn kích thích

- Phải có môi trường kích hoạt , thông thường các thiết bị laser hiện nay môi trường kích hoạt là CO2/He/N2

- Hệ thống gương phản xạ toàn phần và bán phần

- Hệ thống thấu kính hội tụ

- Nguồn điện cao thế

Hình 1.3 Sơ đồ cắt bằng Laser

1-1-4 Cắt bằng tia điện tử

1.1.4.1 Bản chất của quá trình cắt bằng tia điện tử

Tia điện tử, là dòng diện tử chuyển động với tốc độ rất lớn từ ca tốt đến anốt trong môi trường chân không, khi dòng các điện tử này bị hãm lại, động năng của chúng rất lớn và chuyển thành nhiệt năng Nhiệt năng này làm cho kim loại nóng chảy, bốc hơi, hoặc bị thổi ra khỏi rãnh cắt tạo thành vết cắt Như đã trình bày ở trên ta nhận thấy , quá trình cắt bằng tia điện tử được thực hiện trong điều kiện chân không do vậy các yếu tố ảnh hưởng từ bên ngoài là không có Quá trình cắt chỉ bao gồm là quá trình vật lý

1.1.4.2 Điều kiện để cắt đ−ợc bằng tia điện tử

Để thực hiện đ−ợc quá trình cắt bằng tia điện tử cần phải có đủ các yếu tố sau :

1.1.5 Cắt bằng tia lửa điện

1.1.5.1 Nguyên lý cắt bằng tia lử điện

Giữa hai tấm kim loại ta đạt một điện áp một chiều , một tấm kim loại là

điện cực còn tấm kia là chi tiết cắt Điện áp này khoảng 80v đến 200 v Hai tấm kim loại này đ−ợc đạt trong dung dịch cách điện Đ−a hai điện cực lại gần nhau , khoảng cách giữa hai điện cực đủ nhỏ thì hiện t−ợng phóng điện xãy ra

Lúc này nhiệt độ ở đây lên đến 10000 0c làm bốc hơi các vật liệu điện cực Nguồn điện được ngắt đột ngột , làm cho tia lửa điện biến mất Dung dịch lạnh từ ngoài tràn vào kênh dẫn điện , làm hoá rắn hơi vật liệu thành các hạt ôxyt kim loại Sau đó nguồn điện lại được cung cấp trở lại và tia lửa điện lại tiếp tục xuất hiện , quá trình tiếp diễn như ban đầu

Hình 1.5 Nguyên lý cắt bằng tia lửa điện

1.1.5.2 Điều kiện để thực hiện được quá trình cắt bằng tia lửa điện

- Nguồn điện cung cấp

- Vật liệu của điện cực

- Dung dịch điện môi

- Khe hở giữa hai điện cực

- Các loại điện cực được chế tạo bằng các loại vật liệu có tính dẫn điện khác nhau và luôn luôn được nhúng ngập trong dung dịch điện môi, là môi trường hình thành kênh dẫn diện

- Giữa các điện cực luôn

được duy trì khe hở nhỏ để

tạo thành kênh phóng điện

Khe hở này luôn luôn được

đãm bảo trong suốt quá trình

1.1.6 Cắt nóng chảy bằng hồ quang điện

1.1.6.1 Bản chất của quá trình cắt bằng hồ quang điện

Cắt bằng hồ quang điện có thể được thực hiện theo hai phương pháp là :

- Cắt bằng điện cực nóng chảy: Dùng điện cực nóng chảy tạo hồ quang với vật liệu cần cắt – các loại vật liệu này phải là loại vật liệu có tính dẫn điện tốt , dưới tác dụng của nguồn nhiệt hồ quang điện kim loại bị nóng chảy và do áp lực của hồ quang , đồng thời do tác động của điện cực khi dịch chuyển , kim loại lỏng sẽ bị đẩy ra ngoài rãnh cắt mép cắt được tạo thành Trong quá trình cắt ngoài sự nóng chảy của kim loại, thì điện cực cũng bị nóng chảy, phương pháp này chủ yếu thực hiện bằng tay

- Cắt bằng điện cực không nóng chảy: Dùng điện cực không nóng chảy để gây ra hồ quang, nhiệt lượng của hồ quang làm cho kim loại bị nóng chảy, dưới tác dụng của áp lực hồ quangcùng với tác động của điện cực khi dịch chuyển sẽ đẩy kim loại nóng chảy ra khỏi rãnh cắt mép cắt được tạo thành

1.1.6.2 Điều kiện để cắt được bằng hồ quang điện

Để cắt được bằng hồ quang cần phải thoả mãn được các điều kiện sau :

- Nguồn cung cấp: Phải có diện áp và dòng điện đủ lớn để tạo được hồ

quang điện có đủ năng lượng làm nóng chảy vật liệu và điện cực

- Điện cực nóng chảy, điện cực không nóng chảy phải có khả năng gây hồ quang và duy trì hồ quang cháy ổn định

- Vật liệu cần cắt có khả năng ôxy hoá khi chảy loảng cao

1.2 Tình hình nghiên cứu về cắt kim loại bằng các phương pháp nóng

chảy

Chúng ta đã biết rằng, cắt nóng chảy là phương pháp cắt có rắt nhiều ưu

điểm, có thể cắt được những chi tiết có chiều dày rất nhỏ cho đến những chi tiết có chiều dày rất lớn mà chiều dài đường cắt thì không hạn chế Do vậy việc ứng dụng cắt nóng chảy trong thực tế hiện nay, đặc biệt là cắt nóng chảy bằng những phương pháp mới đang là vấn đề cấp thiết

Việc nghiên cứu các phương pháp cắt nóng chảy truyền thống cũng như những phương pháp mới ở nước ta cũng đã được thực hiện ở các Viện nghiên cứu chuyên nghành và tại các Trường Đại học hàng đầu như Viện nghiên cứu cơ khí, Viện hàn, trường Đại học Bách khoa Hà Nội

Tuy nhiên việc nghiên cứu các phương pháp cắt nóng chảy tiên tiến hiện nay còn gặp một số khó khăn như các công nghệ cắt mới là những công nghệ rất phức tạp đòi hỏi phải có sự đầu tư rất lớn Trong lúc đó các cở sở của chúng ta còn nghèo nàn, thông tin còn ít Mặc dù vậy nhưng trong thời gian qua , rát nhiều các cơ sở sản xuất đã nhập các công nghệ này và trên thực tế

họ đã và đang tiến hành sản xuất có hiệu quả theo các công nghệ trên

Hiện nay một số trường Đại học, Cao đẳng, đang nghiên cứu và giảng dạy công nghệ và thiết bị cắt nóng chảy bằng các phương pháp tiên tiến - Máy cắt nóng chảy CNC Các công nghệ và thiết bị cắt nóng chảy bằng máy CNC trong một số lĩnh vực đẫ được đề cập đến nhiều trong một số giáo trình, một

số công trình nghiên cứu Đó là những nội dung thuộc về công nghệ và thiết

bị cắt oxy- ga, platsma Vì vậy trong luận văn này chỉ đề cập một số nghiên cứu về các thiết bị và công nghệ của các phương pháp cắt nóng chảy bằng laser và bằng tia lửa điện Đây là hai phương pháp đang được quan tâm nhiều của các cơ sở sản xuất trong thực tế

Nội dung được trình bày gồm các phần :

- Cơ sở lý thuyết của các phương pháp cắt nóng chảy bằng laser và tia lử

điện

- Máy cắt nóng chảy CNC laser , máy xung EDM , máy cắt dây

- Các ứng dụng trong thực tế , một số nghiên cứu thực nghiệm

Chương 2 : cơ sở lý thuyết của các phương pháp cắt nóng chảy bằng laser và bằng tia lửa điện

2.1 Cơ sở lý thuyết của phương pháp cắt nóng chảy bằng laser

2.1.1 C ác quá trình vật lý xảy ra khi cắt bằng laser có khí thổi trợ giúp

Laser có năng lượng rất lớn có khả năng phát ra chùm tia cực mạnh, được hội tụ tại một vị trí nào đó Nó có khả năng tạo ra trên bề mặt gia công mật độ luồng sáng rất cao, có tác dụng nung nóng chảy, hoặc làm bay hơi vật liệu

Đồng thời dưới tác dụng của dòng khí trợ giúp phần kim loại nóng chảy sẽ bị

đẩy ra ngoài Quá trình tương tác của bức xạ laser với vật liệu là một quá trình phức tạp và phụ thuộc vào nhiều yếu tố, quá trình này bao gồm các bước sau:

- Vật liệu hấp thụ năng lượng của chùm tia laser và truyền dao động nhiệt trong vật liệu

- Nung nóng vật liệu

- Phá huỷ vật liệu bằng phương pháp bay hơi hoặc thổi khỏi vùng cắt

- Tự nguội sau khi cắt

2.1.1.1 Qua trình nung nóng vật liệu

Chúng ta biết rằng, khi chùm laser được chiếu vào vật liệu , chùm ánh sáng này một phần bị phản xạ ra khỏi bề mặt vật liệu, một phần thấm vào vật liệu và được hấp thụ, như vậy vật liệu đã chịu tác dụng của một nguồn nhiệt xác định Mật độ công suất hấp thụ của bức xạ laser bên trong thể tích của vật liệu được xác định theo định luật Bugơ:

qvo là mật độ của công suất bức xạ trên bề mặt vật liệu

1-R=A là khả năng hấp thụ của vật liệu (R- hệ số phản xạ )

e n

e0 và mo điện tích và khối lượng của điện tử

n0 mật độ các điện tử tự do trong kim loại

v, tần số va chạm các điện tử làm thay đổi xung

Quá trình tăng nhiệt sẽ làm cho vật liệu có sự biến đổi về cấu trúc thành phần hoá học và các tính chất cơ học khác của vật liệu, đặc biệt là khi kim loại

đạt đến trạng thái nóng chảy Lúc này do nhiều yếu tố từ bên ngoài tác động vào vùng kim loại nóng chảy cho nên tại đây sẽ có các phản ứng hoá học xảy

ra, việc các phản ứng này xảy ra ở mức độ nào còn tuỳ thuộc vào môi trường, khí phụ trợ sử dụng cho quá trình cắt

Phương trình vi phân truyền nhiệt đối với vật rắn được viét dưới dạng:

( , , , )

.

1

t z y x f c

Để giải phương trình trên cần các điều kiện biên , trên bề mặt (x=0), điều kiện biên có dạng

Nếu mật độ ánh sáng hấp thụ không thay đổi theo thời gian, tức là

f(x,y,z,t)=αqe.x.p(ư ax)thì lúc này tacó :

x at

x i

at

at

x at x

at

x at x

p ex at p ex k

α α

.

4

2

exp 2

.

Đây là hàm tích phân xác xuất bổ sung

Đối với kim loại bắt đầu từ các thời điểm t > 10 s thì nguồn nhiệt hình thành từ khi toả nhiệt bên trong lớp hấp thụ có thể coi là bề mặt, sở dĩ như vậy

là vì :

α

δ = 1 < < a t Trong trường hợp này thì

T(x,t) = iΦ⎜⎜⎝⎛ x at⎟⎟⎠⎞

k

at q

2 2

T(0,t) =

k

at q

2

π

Như vậy sự phân bố nhiệt trong vật liệu, và sự thay đổi nhiệt là theo thời gian Điều đó được xác định bằng tính dẫn nhiệt của môi trường

2.1.1.2 Quá trình phá huỷ vật liệu

Ta nhận thấy rằng, từ khi vật liệu bị nung cho đến khi kim loại bắt đầu bay hơi có một khoảng trể , khoảng trể này phụ thuộc vào mật độ luồng ánh sáng Quá trình phá huỷ xảy ra bao gồm các giai đoạn như sau:

- Kim loại lỏng bay hơi tạo thành vết lõm

- Một phần kim loại lỏng thoát ra khỏi vùng nóng chảy ở thể lỏng

Như vậy về lý thuyết chúng ta có thể khẳng định quá trình phá huỷ bao gồm sự bay hơi của kim loại lỏng và đồng thời đó là sự hình thành miệng lỗ, hay lỗ thủng mà theo đó là sự chuyển động ra khỏi vũng nóng chảy của kim loại lỏng, sự dịch chuyển này phụ thuộc vào tính chất của vật liệu rất nhiều, chính những tính chất này của vật liệu quyết định đến khả năng chịu cắt của kim loại

Đối với mỗi kim loại có một ngưỡng mật độ công suất mà tại đó kim loại

sẽ bị nóng chảy và bay hơi, dẫn đến sự phá huỷ vật liệu Từ các nghiên cứu

thực nghiệm đã xác định được phần lớn các kim loại ngưỡng này nằm trong khoảng 105 – 107 w/cm2

Tại một thời điểm tv mà trên bề mặt vật liệu đạt tới nhiệt độ Tv lúc này bắt đầu có sự phân bố lại năng lượng, lượng nhiệt đi vào trong kim loại do cơ chế dẫn nhiệt của kim loại, lượng nhiệt tại điểm nung Với sự phân bố này thì

sẽ làm cho quá trình nóng chảy sẽ bị chậm lại, mặc dù vậy lúc này nhiệt độ vẫn tiếp tục tăng cho đến khi toàn bộ năng lượng hấp thụ được đủ để kim loại

bị hoá lỏng và bay hơi

Trường nhiệt độ trong vật liệu ở chế độ bay hơi , được xác định bằng phương trình sau :

T(x) = ( ) ( ) ( ) e xp( x)

k

q x

p x e k

q

β α

β

α α

Giữa giai đoạn nung nóng thuần tuý và giai bay hơi là một giai đoạn được gọi là giai đoạn bay hơi không ổn định Trên thực tế ngay từ đầu nhiệt độ đã không ổn định mà tiếp tục tăng, tuy nhiên tốc độ bay hơi càng tăng thì tốc độ nung nóng càng chậm lại Như vậy ở đây chúng ta thấy sự có mặt của hai loại thời gian được xác định theo hai dòng, một dòng theo nhiệt độ, và một dòng theo tốc độ bay hơi Phương trình thể hiện quá trình này như sau :

V p x e a

V t v x

a

) (

2.1.1.3 Quá trình cắt kim loại

Quá trình cắt bằng Laser cũng giống như các quá trình cắt nóng chảy bằng Platsma, có nghĩa là đều dựa trên tác dụng của nguồn nhiệt, của các bức xạ chuyển động Khi cắt bằng Laser, phần lớn chùm tia sáng được được hội tụ thành vết tròn có bán kính r0 nào đó, và dịch chuyển với một vận tốc v0 không

đổi trên bề mặt vật liệu Trong trường hợp này trường nhiệt độ quanh nguồn nhiệt đang di chuyển sẽ ổn định và sự phân bố nhiệt độ sẽ phụ thuộc vào tương quan giữa thời gian cần thiết để bão hoà nhiệt kim loại cắt , thời gian

Nếu bão hoà nhiệt xãy ra trước khi đốm

sáng đi hết quãng đường bằng bán kính của nó, có nghĩa là

T bd

a

r V K

r q

4

1

.

0 0

Tbd là nhiệt độ ban đầu

Vận tốc dịch chuyển nguồn nhiệt tăng thì hiệu ứng tác dụng nhiệt của bức xạ yếu, lúc này nhiệt độ lớn nhất sẽ dịch chuyển về phía ngược với chiều chuyển động của nguồn

Trong trường hợp

a

r

V0.0

>> 1 Lúc này ta có nguồn nhiệt dịch chuyển

nhanh và nhiệt độ tối đa ở tâm được xác định như sau :

T bd

V

r a k

≈

0 0

.

2 2

π

Trong thực tế việc cắt các tấm kim loại có chiều dày, thường được kèm theo khí phụ trợ là khí ôxy thổi vào vùng cắt liên tục Khi cắt Laser có khí phụ trợ là ôxy thì luồng khí ôxy thực hiện 3 chức năng sau :

- Ôxy hoá kim loại và làm hạn chế mức độ phản xạ , sau đó đốt cháy kim loại, nhiệt độ của phản ứng này làm tăng cường khả năng bức xạ nhiệt của Laser

- Do áp lực của luồng khí thổi vào tương đối lớn cho nên , các sản phẩm của quá trình cháy sẽ bị thổi ra ngoài , làm sạch vùng cắt , đồng thời tạo điều kiện cho luồng ôxy tiếp cận với kim loại mới ở phía dưới làm thúc đẩy quá trình phản ứng tiếp theo Như vậy khi dùng ôxy phụ trợ thì khả năng cắt sẽ

đạt độ sâu tốt hơn

- Tăng cường khả năng làm nguội các khu vực kế cận với vùng cắt

Hiện nay , trong thực tế chúng ta có thể chia quá trình cắt thành hai dạng tuỳ thuộc vào tính chất của kim loại

Dạng thứ nhất: Có sự đóng góp đáng kể của nhiệt lượng phản ứng cháy

trong quá trình cắt vào tổng nhiệt khi cắt Hầu hết các kim loại có nhiệt độ cháy thấp hơn nhiêt độ chảy đều thuộc dạng này Các kim loại cắt được theo dạng này gồm có : các loại thép các bon ít hoặc vừa, Ti tan và hợp kim của nó Trong quá trình cắt ở dạng thứ nhất sẽ xảy ra hai chế độ, đó là chế độ cắt

điều khiển được và chế độ cắt không điều khiển được Chế độ cắt điều khiển

được đó là khi cắt những kim loại mà trong quá trình cắt nhiệt của phản ứng không đủ để khu vực cháy tự lan rộng trên khắp bề mặt tiếp xúc với luồng khí phụ trợ Chế độ cắt không điều khiển được đó là khi cắt những kim loại mà phản ứng cháy diễn ra trên toàn bộ những vùng mà có khí phụ trợ thổi vào Chúng tâhòn toàn có thể chuyển từ chế độ cắt không điều khiển được sang chế

độ cắt có điều khiển được bằng cách tăng vận tốc dịch chuyển của chùm tia Laser

Dạng thứ hai : Trong quá trình cắt vật liệu không cháy mà chỉ chảy ,

dòng khí chỉ có tác dụng thổi vật liệu lỏng ra khỏi vùng cắt Cơ chế cắt này

đặc trưng cho những kim loại mà khi tác dụng với ôxy thì tạo thành những

ôxýt kim loại khó cháy , đó là những loại thép các bon có hàm lượng các bon cao, thép hợp kim , đồng, nhôm v.v

Để tạo được vết cắt sâu khi cắt các vật liệu này cần phải có Laser công suất rất cao

Trong quá trình cắt luồng khí ôxy ngoài tác dụng tạo ra phản ứng cháy , còn

có tác dụng làm nguội bề mặt gia công , chính nhờ quá trình làm nguội này cho nên biến dạng sinh ra trong quá trình cắt bằng Laser rất nhỏ Mặt khác ta cũng nhận thấy rằng khi cắt bằng Laser do năng lượng của nguồn nhiệt có khả năng tập trung rất cao cho nên vùng ảnh hưởng nhiệt thường rất nhỏ Đó cũng chính là những ưu diểm nổi trội của phương pháp này

Nhờ có phương pháp cắt bằng Laser mà chúng ta có thể cắt được phần lớn các kim loại và hợp kim Cắt Laser có khí trợ giúp là ôxy có thể cắt được những vết cắt có chất kượng cao Trong trường hợp cắt những kim loại có chiều dày lớn chất lượng của vết cắt cũng rất cao Mặt khác ta cũng nhận thấy rằng do nguồn nhiệt Laser có mức độ tập trung rất cao cho nên mạch cắt rất hẹp , tổn thất nhiệt rất nhỏ, giảm được tiêu hao vật liệu khi cắt những kim loại quí hiếm Như vậy tính kinh tế của phương pháp rất cao

2.1.2.1.1 Xây dựng chế độ cắt bằng phương pháp lý thuyết

a- Phương pháp xây dựng mô hình nguồn nhiệt di động

Trong quá trình dùng nguồn nhiệt Laser để cắt , nếu không có khí thổi trợ giúp quá trình cắt thì chúng ta có phương trình biểu diễn mối quan hệ giữa các yếu tố để tạo nên quá trình cắt như sau :

( ) cxp

h

P x

t

2

Τ

= Τ

a= KT /δ c

Với :

KT- Là hệ số dẫn nhiệt; C- Là nhiệt dung; δ : Là khối lượng riêng

K0 - Là hàm Bessel biến thể loại 2 bậc 0

Nếu đưa vào vùng cắt luồng khí hoạt tính ôxy , thì phải thêm hai nguồn nhiệt

bổ sung vào phương trình xác định nhiệt Các loại nhiệt bổ sung đó là - nhiệt lượng do phản ứng hoá học giữa ôxy và kim loại lỏng ( phản ứng ôxy hoá kim loại ), công suất của nguồn nhiệt là P1 , và công suất bức xạ bị mất đi do dòng khí làm nguội vật liệu P2 và lúc này công suất tổng sẽ là :

P = P0 + P1 – P2

ở trong biểu thức trên thì :

P0 = L.m

Với L là nhiệt lượng thoát riêng của các phản ứng hoá học

Và m= b.h.δ v Là tốc độ phá huỷ của vật liệu (b = 2y0 ) là độ rộng của vết cắt và cũng chính bằng độ rộng đường đẳng nhiệt T0

Để xác định mối liên quan giữa các thông số của chế độ cắt chúng ta cần phải nghiên cứu hệ phương trình sau đây :

{ [ ( ) ( ) ] }2

1 2 0 1 0 0

Trong đó K1 là hàm Bessel loại hai bậc nhất

ở Các giá trị R lớn , phân tích K0(R0) và K1(R0) thành chuổi biểu thức trở thành : W1 =(2 / π) (η 1 , 9 ư Ψ)+ 0 , 3

Ta nhận thấy rằng , nếu Ψ < 1 , 9 thì ( ∂W/ ∂ η ) > 0 Nghĩa là tăng η dẫn đến tăng W1, điều kiện này ứng với chế độ cắt ổn định Với Ψ > 1 , 9 thì ∂W1/ ∂ η < 0

lúc này chế độ cắt không ổn định

- Giới hạn dưới của Ψtương ứng với trường hợp năng lượng Laser được chi phối cho bay hơi của vật liệu , còn sự đóng góp của phản ứng toả nhiệt là nhỏ

10

/ ≈ ư

=

Ψ L bh c T nc Chế độ này thấy ở cắt không có khí phụ trợ

-Trường hợp khi năng lượng của Laser được chi phí cho nóng chảy , ảnh hưởng của phản ứng hoá học là nhỏ , lúc này ta có :

4 , 0

Như vậy Ψ = 5 , 3 Kết hợp cho cả hai trường hợp ta có :

Khi cắt thép : - 0,4 < Ψ < 5,3 Vận tốc nằm trong khoảng 0,1 < v < 1cm/s

- Trường hợp cắt các vật liệu hữu cơ , năng lượng một phần được dùng để phá huỷ các liên kết hoá học và phá huỷ vật liệu , còn một phần dùng để ôxy hoá , lúc này ta có -5 < Ψ < 2 Vận tốc nằm trong khoảng 0,1< v < 10 cm / s

b - Xây dựng mô hình nguồn nhiệt Gauss :

Để xây dựng được mô hình dưới dạng Gauss chúng ta thường sử dụng phương trình sau đây để xác định các thông số của chế độ cắt

W1 U

V

E i

2

Các kết quả trên đ−ợc thể hiện trên đồ thị sau

Hình 2.1 Đồ thị thực nghiệm mô hình nguồn nhiệt Gauss

Trên đồ thị ta cũng nhận thấy khi ϕ > 1,9 trong vùng có V lớn chế độ cắt không ổn định chuyển thành ổn định

Việc đưa bức xạ vào vùng gia công được thực hiện bằng hệ thống gương phản xạ toàn phần và bán toàn phần , hệ thống được làm mát bằng nước Để đảm bảo chính xác chùm tia bức xạ hệ thống gương phản xạ phải có khả năng hiệu chỉnh tốt để lái chùm tia được dẽ dàng Mặt khác để đảm bảo mật độ tia bức xạ lớn cần có hệ thống thấu kính hội tụ cao yêu cầu có tiêu cự 65; 100; 127;

150 ; 200; 250 (mm)

Với dải tiêu cự này ta có thể thay đổi được đường kính vết hội tụ và độ sâu hội

tụ của bức xạ Để thuận tiện cho việc thay đổi tiêu cự thấu kính , đầu gia công

được thiết kế lắp ghép cơ quang thông thường

b- Vật liệu

Vật liệu được lựa chọn ở đây bao gồm hai loại chính là kim loại và phi kim

loại ở đây chúng ta chỉ đề cập đến loại vật liệu là kim loại , đối với kim loại quá trình truyền nhiệt là một quá trình rất phức tạp , phụ thuộc vào rất nhiều yếu tố Bởi vậy khi chọn quỹ đạo di chuyển của nguồn nhiệt phải ngắn nhất

đồng thời , tại bất kỳ thời điểm nào và ở bất kỳ vị trí nào , quá trình cắt luôn luôn ổn định Điều đó có nghĩa là tốc độ cắt là hàm số của không gian và thời gian, mà không phải là một giá trị tối ưu nhất định nào cả Do vậy đối với một chi tiết cụ thể , phải có một chương trình tương ứng kèm theo, các chương trình này thường được sản xuất trong các trung tâm công nghệ lớn Tuy nhiên

các chương trình này cũng có thể được xây dựng từ các chuyên gia chuyên nghành

- Đo độ sâu của vết cắt được dùng thước Palmer

- Đo độ nhám và độ rộng vết cắt được dùng kính hiển vi quang học có độ khuếch đại từ 10 – 20 lần

- Kích thước của vùng ảnh hưởng nhiệt, cấu trúc tế vi của vùng ảnh hưởng nhiệt được xác định bằng kính hiển vi quang học, kết hợp với tính toán bằng các công thức kinh nghiệm

- Ngoài ra chất lượng của vết cắt còn được đánh giá qua sự quan sát trực tiếp và kinh nghiệm công nghệ

2.1.2.2 Nghiên cứu các ảnh hưởng của các thông số chế độ cắt kim loại bằng bức xạ Laser CO 2 liên tục

Các thông số chế độ cắt kim loại kim loại có ảnh hưởng trực tiếp đến chất lượng cắt bao gồm các nhóm thông số như :

- Nhóm các chỉ tiêu về tính chất thành phần hoá học của vật liệu gồm có : + Thép các bon thấp , thép các bon trung bình và thép hợp kim thấp

+ Thép các bon cao , thép hợp kim cao , bao gồm cả thép không rỉ + Ti tan và hợp kim của nó

+ Kim loại màu ( đồng, nhôm )

*ảnh hưởng của tốc độ cắt đến độ dày tối đa của vật liệu

Sự phụ thuộc này rất khó xác định , bởi vì tốc độ cắt do chất lượng của vết cắt quyết định Tuy nhiên , về qui luật ta có thể khẳng định rằng tốc độ cắt luôn luôn tỷ lệ nghịch với chiều dày chi tiết cắt , nghĩa là khi chiều dày chi tiết cắt nhỏ thì tốc độ cắt sẽ lớn , và ngược lại

Điều này được chứng mịnh bằng kết quả thực nghiệm trên độ thị vẽ được từ các kết qủa đã xác định trước đó

h (mm)

V(m/ph) 0

1 2 3 4

4 3 2

1

* ảnh hưởng của mật độ công suất tới độ sâu vết cắt

- Trong trường hợp cắt thép các bon : Từ các kết quả trên hình vẽ

Hình 2.3 ảnh hưởng giữa V và b

Ta nhận thấy khi đường kính của chùm tia hội tụ nhỏ thì mật độ của công

suất trong vùng gia công tăng, độ sâu cắt cũng tăng lên, vì vậy khi cắt thép

các bonphải tạo ra vết hội tụ có đường kính nhỏ

Muốn vậy thì độ phân kỳ của chùm tia phải nhỏ và thấu kính có tiêu cự ngắn

- Trường hợp cắt thép không rỉ : Khi đường kính hội tụ giảm thì độ sâu cắt

tăng lên, chiều rộng của rãnh cắt sẽ nhỏ, điều đó làm cho chất lượng của

vết cắt kém đi Thật vậy đối với thép không rỉ ta nhận thấy khi nóng chảy

nó có độ nhớt cao cho nên rất khó thoát ra khỏi rãnh cắt, nếu rãnh cắt nhỏ

Trong trường hợp tốc độ cắt thấp thì độ sâu cắt chất lượng sẽ tăng lên, nếu

tăng mật độ công suất, nhưng nếu tiếp tục tăng công suất thì chất lượng sẽ

giãm

Với các tốc độ cắt cao, khi chi tiết có độ dày 1-2 mm, nếu tăng mật độ

công suất sẽ làm tăng đôi chụt chiều sâu cắt chất lượng , nhưng không đáng kể

Như vậy khi cắt thép không rỉ không nhất thiết phải tăng mật độ công suất

0,2

trong vùng cắt Khi cắt chất lượng chi tiết có chioều dày h > 3, nên dùng tốc

độ thấp Vc < 2m/ph, mật độ trung bình của bức xạ không quá(3-5).105 W/cm2

*ảnh hưởng của các thông số năng lượng đến độ rộng vết cắt và vùng ảnh hưởng nhiệt

Đối với tất cả các vật liệu, thì chiều rộng của vết cắt giảm cùng với sự giảm của đường kính vết hội tụ Độ rộng của vết cắt còn phụ thuộc cả vào độ dẫn nhiệt của vật liệu

Hình 2.4 Vùng tối ưu của vận tốc Mặt khác do kim loại có khả năng dẫn nhiệt tốt cho nên vùng ảnh hưởng nhiệt, chiều rộng vết cắt phụ thuộc khá nhiều vào tốc độ cắt Khi tốc độ cắt tăng, độ rộng vết cắt , kích thước vùng ảnh hưởng nhiệt sẽ giãm đi, bằng thực nghiệm chúng ta có thể xác định được vùng tối ưu của tốc độ cắt

b ảnh hưởng của các thông số quang học

* ảnh hưởng của cấu trúc mode bức xạ

0,4

0,80,61,0

2,41,2

o o o

- Đối với chế độ phát đa mode bức xạ , cho công suất lớn nhất, nhưng rất khó hội tụ thành những vết nhỏ, công suất phân bố theo tiết diện không đều, do vậy độ rộng và độ nhám của vết cắt cao

- Đối với chế độ phát đơn mode bức xạ, cho phép hội tụ bức xạ thành vết có

đường kính nhỏ nhất , chế độ này thích hợp cho cắt tấm mỏng

- Khi cắt các tấm có chiều dày lớn, đường kính vết hội tụ nhỏ làm cho rãnh cắt quá hẹp, sẽ rất khó loại bỏ kim loại nóng chảy Như vậy vấn đề quan trọng nhất là phải điều chỉnh được góc loe của chùm hội tụ và phân bố công suất của nó Tốt nhất là sử dụng chùm phân bố Gauss và góc loe nhỏ nhất có thể

để đảm bảo mật độ công suất tối đa trên toàn bộ độ dày của tấm vật liệu dọc theo bức xạ

*ảnh hưởng của vị trí mặt phẳng tiêu cự so với mặt phẳng của vật liệu

Sự phụ thuộc của các thông số hình học của vết cắt thép các bon vào độ lệch hội tụ không lớn , do vậy chúng ta có thể cắt được các tấm không phẳng, có

độ cong vênh không lớn Điều đó chứng tỏ khả năng công nghệ của phương pháp này tương đối cao

• ảnh hưởng của khả năng hấp thụ của bề mặt vật liệu

Thực nghiệm chứng tỏ rằng , khả năng hấp thụ của bề mặt vật liệu cũng ảnh hưởng tới các thông số cắt Nó phụ thuộc vào độ nhám, các ôxýt trên bề mặt Phần lớn những yếu tố này không ảnh hưởng lớn đến chất lượng của vết cắt Ngoài các yếu tố trên còn có một số các yếu tố quan trọng khác như loại khí phụ trợ sử dụng , chất luợng của khí phụ trợ , áp suất của dòng khí phụ trợ khi thổi vào vùng kim loại cắt Tất cả những yếu tố này sẽ làm thay đổi các thông

số như chiều sâu cắt, chiều rộng vết cắt, và do vậy kích thước của vùng ảnh hưởng nhiệt cũng thay đổi theo Như vậy qui luật của cắt Laser chất lượng cao

có thể được tổng hợp lại các bước cơ bản như sau :

- Tăng áp suất khí thổi để làm tăng độ sâu cắt thép không rỉ, đặc biệt khi cắt với tốc độ thấp

- Tăng công suất bức xạ, tăng áp suất khí thổi, giảm tốc độ cắt sẽ cho ta chất lượng của vết cắt cao

- Với một giá trị xác định của công suất bức xạ, của áp suất khí thổi, để chiều rộng cắt nhỏ nhất, vùng ảnh hưởng nhiệt nhỏ nhất, thì vận tốc cắt phải có giá trị lớn nhất có thể được

- Vùng áp suất khí thổi khi gia công có hiệu quả nhất là : 0,05-0,15 MPa khi cắt các kim loại là thép các bon, khi cắt thép không rỉ giới hạn đó sẽ là 0,2- 0,3MPa

Trên đây là một số kết quả nghiên cứu về các ảnh hưởng của các thông số công nghệ cắt đến chất lượng của vết cắt

2-2 - Cơ sở lý thuyết của cắt bằng tia lửa điện

2-2.1.Bản chất vật lý của quá trình phóng tia lửa điện

Hiệp hội kỹ sư Đức (VDI) định nghĩa sự phóng tia lửa điện là “sự tách vật liệu nhờ tia lửa điện” Vậy, vật liệu được tách ra như thế nào?

Một điện áp được đặt giữa cực và phôi

Hình 2.5 Sơ đồ nguyên lý cất bằng tia lửa điện Không gian giữa 2 điện cực được điền đầy bởi một chất lỏng điện gọi là chất

điện môi (Dielectric) Cho 2 điện cực áp áp lại gần nhau, đến một khoảng cách nào đó thì xảy ra sự phóng tia lửa điện Một dòng điện xuất hiện một cách tức thời

Khi phóng tia lửa điện, các điện cực không tiếp xúc với nhau Nếu chúng chạm vào nhau thì sẽ không có tia lửa điện mà sẽ xảy ra một dòng ngắn mạch,

có hại đối với quá trình gia công Nếu khe hở lớn quá thì lại không thể xảy ra

sự phóng tia lửa điện, làm giảm năng suất gia công

Pha1: Đánh lửa

Máy phát tăng điện áp khởi động qua một khe hở (đóng điện áp máy phát

ui) Dưới ảnh hưởng của điện trường, từ các cực âm (catôt) bắt đầu phát ra các

điện tử và chúng bị hút về phía cực dương (anốt) Sự phát điện tử gây ra sự tăng cục bộ tính dẫn điện của chất điện môi ở khe hở

Các bề mặt của 2 điện cực không hoàn toàn phẳng Điện trường sẽ mạnh nhất ở hai điểm gần nhau nhất Chất điện môi bị iôn hoá Tất cả các phần tử dẫn điện (điện tử và iôn dương) đều hội tụ quanh điểm này trong khoảng không gian giữa hai điện cực và chúng tạo nên một cái cầu một kênh phóng

điện đột nhiên được hình thành ngang qua cầu Sự phóng điện được bắt đầu

Pha2: Sự hình thành kênh phóng điện

ở thời điểm phóng điện, điện áp bắt đầu giảm số lượng các phần tử dẫn điện (điện tử và iôn dương) tăng lên một cách khủng khiếp và dòng điện bắt đầu chạy giữa các điện cực Dòng điện này cung cấp một mật độ năng lượng khổng lồ làm cho dung dịch điện môi bốc hơi cục bộ, áp suất trong các bong bóng hơi sẽ đẩy chất lỏng điện môi sang hai bên Nhưng do có độ nhớt nên chất điện môi tạo ra một sự cản trở, hạn chế sự lớn lên của kênh phóng điện giữa các điện cực

Pha3: Nóng chảy và bốc hơi vật li

Lỗi của bọt hơi gồm một kênh plasma này là một chất khí có lẫn các điện tử

và các iôn dương ở áp suất rất cao (khoảng 1kbar) và nhiệt độ cực lớn (10.0000C) Khi kênh plasma này được tạo thành đầy đủ thì điện áp qua khe

hở đạt tới mức của điện áp phóng tia lửa điện Ue Giá trị của điện áp Ue là một

hằng số vật lý phụ thuốc vào sự phối hợp vật liệu anôt/catôt và bằng 25V đối

với cặp vật liệu đồng/thép

Chất điện môi giữ kênh plasma và cũng giữ cho năng lượng có một độ tập trung cục bộ Sự và chạm của các điện tử lên anôt và các iôn dương lên catôt làm nóng chảy và bốc hơi các điện cực

Máy phát sẽ ngắt dòng điện sau khi đã diễn ra một xung có hiệu quả Điện

áp bị ngắt đột ngột Kênh phóng điện áp mất áp suất cũng bị mất đột ngột

Điều này khiến cho kim loại nóng chảy bất ngờ, bị đẩy ra khỏi kênh phóng

điện và bốc hơi

Sự phóng điện có thể kéo dài từ vài micrô giây đến vài trăm micrô giây, tuỳ thuộc vào công dụng Giữa các xung có độ trễ t0 (là thời gian giữa các xung), cho phép chất điện môi thôi iôn hoá và để có thời gian vận chuyển phôi ra khỏi khe hở giữa các điện cực nhờ dòng chảy của chất điện môi ở đây, chất

điện môi của vật liệu điện cực bị tách ra Mỗi bề mặt điện cực đều để lại một

“miệng núi lửa” bị ăn mòn, nhưng sự ăn mòn này không như nhau Cực nào ăn mòn nhiều hơn (thường là cực dương) thì sẽ dành cực đó cho phôi Cực nào ít

ăn mòn sẽ được dành cho điện cực Điều này không phải là luôn luôn cố định

Nó còn phụ thuộc vào chế độ phóng điện, vào việc chọn cặp vật liệu và sự đấu cực

2-2.2 Cơ cấu tách điện

Các đặc tính tách vật liệu đầu tiên phụ thuộc vào năng lượng tách vật liệu Nếu gọi năng lượng tách vật liệu là We thì ta có đẳng thức sau:

We=UeIete Trong đó: Ue, Ie, là các giá trị trung bình của điện áp và dòng tia lửa điện

được lấy trong khoảng thời gian xung Do Ue là một hằng số vật lý phụ thuộc vào cặp vật liệu điện cực/phôi nên về thực chất, năng lượng tách vật liệu chỉ phụ thuộc vào dòng điện và thời gian xung

Dòng điện tổng cộng trong kênh plasma qua khe hở phóng điện là tổng công của dòng các điện tử chạy tới cực dưng (anôt) và dòng các iôn dương chạy tới cực âm (catôt) Do khối lượng các iôn dương lớn hơn trên 100 lần so với khối lượng của các điện tử, nên có thể bỏ qua tốc độ tốc độ của các iôn dương khi xuất phát các xung điện so với tốc độ của điện tử Mật độ điện tử tập trung tới

bề mặt cực dương (anôt) cao hơn nhiều lần so với mật độ iôn dương tập trung tới bề mặt cực âm (catôt) trong khi mức độ tằng của dòng điện rất lớn trong khoảng khắc đầu tiên của sự phóng điện Điều này là nguyên nhân gây sự nóng chảy rất mạnh ở cực dương (anôt) trong chu kỳ này Dòng iôn dương chỉ

đạt tới cực âm (catôt) trong micrô giây đầu tiên các iôn dương gây ra sự nóng chảy và bốc hơi của vật liệu catôt Do đó có hiện tượng điện cực bị mòn Vật liệu điện cực khi tiếp xúc với plasma này ở một pha có áp lực cao tới 1kbar và nhiệt độ cực cao tới 10.0000C trong kênh plasma

Một nguyên lý quan trong của sự tống ra vật liệu bị chảy lỏng là sự đột ngột biến mất của kênh plasma khi dòng điện bị ngắt Ngay tức khắc áp suất tụt xúng bằng áp suất xung quanh sau khi ngắt dòng điện Nhưng nhiệt độ của chất lỏng lại không tụt nhanh như thế Điều này gây ra sự nổ và bốc hơi của chất lỏng nóng chảy hiện có Tốc độ cắt của dòng điện và mức độ sụt của xung dòng điện sẽ quyết định tốc độ sụt áp và sự bắt buộc nổ của vật liệu lỏng Thời gian sụt của dòng điện là yếu tố quyết định đối với độ nhám bề mặt gia công

Lượng vật liệu được hớt đi phụ thuộc vào điện áp, cường độ dòng điện và thời gian nên ta có thể nghiên cứu một cách chính xác tuần tự theo thời gian của điện áp và dòng điện trong lúc phóng tia lửa điện Người ta đo điện áp và dòng điện ở các khoảng thời gian đã cho từ thời điểm đóng điện (t=0) đến thời

điểm ngắt điện (nghĩa là, vào khoảng t=300às

2-2.3 Đặc tính về điện của sự phóng tia lửa điện

Dựa vào các đặc tính thời gian của sự phóng tia lửa điện người ta có thể nhận ra các đặc tính về điện Các đặc tính này chính là các thông số điều chỉnh quan trong nhất của quá trình gia công

Mỗi máy phát của thiết bị gia công tia lửa điện đều có nhiệm vụ là cung cấp năng lượng làm việc cần thiết Trước đây người ta sử dụng các máy phát có tụ

bù Nhược điểm của loại máy này là 50% của năng lượng tích trữ trong điện trở nạp bị biến thành nhiệt Vì vậy, loại máy này chỉ có hiệu suất 50% Ngày nay các tụ bù này chỉ còn được sử dụng trong các bộ ngắt xung để thực hiện tối ưu việc gia công đơn giản

Máy phát hiện đại của một thiết bị gia công tia lửa điện là một máy phát xung tĩnh ở đây năng lượng được điều khiển bằng điện tử nhưng không có yếu tố bù Nguyên lý tác dụng của máy phát xung tĩnh thực hiện được trước hết được thông qua sự phát triển của transistor mạnh và các sản phẩm điện tử hiện đại máy phát xung tĩnh điện có ưu việt lớn hơn ở độ linh hoạt của các thông số điều chỉnh Qua đó mỗi trường hợp gia công có thể được giải quyết dưới quan điểm điện là cực phải ít mòn nhất và chất lượng bề mặt gia công là tối ưu Muốn vậy, tất cả các thông số của quá trình gia công phải được điều chỉnh cho phù hợp Các thông số đó gồm có:

- Điện áp đánh lửa Uz:

Đây là điện áp cần thiết để dẫn tới sự phóng điện Nó được cung cấp cho

điện cực và phôi khi máy phát được đóng điện, gây ra sự phóng tia lửa điện để

đốt cháy vật liệu Điện áp Uz càng lớn thì phóng điện càng nhanh và cho phép khe hở điện cực càng lớn

- Thời gian trễ đánh lửa td

Đó là thời gian giữa lúc đóng điện máy phát và lúc xảy ra phóng tia lửa điện Khi đóng điện máy phát, lúc đầu chưa xảy ra điều gì Điện áp duy trì ở giá trị

ở giá trị của điện áp đánh lửa Uz, dòng điện vẫn bằng không Sau một thời gian trễ td mới xảy ra sự phóng tia lửa điện Dòng điện từ zêrô vọt lên giá trị Ie

- Điện áp phóng tia lửa điện Ue

Khi bắt đầu phóng tia lửa điện thì điện áp sụt từ Uz xuống Ue Đây là điện áp trung bình trong suốt thời gian phóng tia lửa điện Ue là một hằng số vật lý phụ thuộc vào cặp vật liệu điện cực/phôi Ue không điều chỉnh được

- Dòng phóng tia lửa điện Ie

Dòng Ie là giá trị trung bình của dòng điện từ khi bắt đầu phóng điện Khi bắt đầu phóng tia lửa điện, dòng điện từ zêrô tăng mạnh lên đến giá trị Ie, kèm theo sự đốt cháy Ie ảnh hưởng lớn nhất lên lượng hớt vật liệu, lên độ mòn điện cực lên và chất lượng bề mặt gia công Nhìn chung, Ie càng lớn thì lượng hớt vật liệu càng lớn, độ nhám gia công càng lớn, nhưng độ mòn điện cực giảm

- Thời gian phóng tia lửa điện te

te là khoảng thời gian giữa lúc bắt đầu phóng điện và lúc ngắt điện, tức thời gian có dòng điện Ie trong một lần phóng điện

- Độ kéo dài xung ti

Đây là khoảng thời gian giữa hai lần đóng-ngắt của máy phát trong cùng một chu kỳ phóng tia lửa điện Độ kéo dài xung ti là tổng của thời gian trễ

đánh lửa Id và thời gian phóng tia lửa điện te: