Luận văn Thạc sĩ Kỹ thuật: Thiết kế, chế tạo dao cắt dạng đĩa và lựa chọn chế độ cắt hợp lý để giảm công suất tiêu thụ, nâng cao chất lượng vết cắt khi cắt thép tấm

Mục tiêu của đề tài là nghiên cứu tổng quan về các phương pháp cắt thép tấm; nghiên cứu chế tạo được dao cắt dạng đĩa dùng cắt các phôi thép tấm với chiều dài vô hạn; lựa chọn được khe hở (Z) hợp lý trong quá trình cắt nhằm giảm công suất tiêu thụ nâng cao chất lượng bề mặt vết cắt. Mời các bạn cùng tham khảo.

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP

TRƯƠNG ĐÌNH TRƯỜNG

ĐỀ TÀI THIẾT KẾ, CHẾ TẠO DAO CẮT DẠNG ĐĨA VÀ LỰA CHỌN CHẾ

ĐỘ CẮT HỢP LÝ ĐỂ GIẢM CÔNG SUẤT TIÊU THỤ VÀ NÂNG CAO

CHẤT LƯỢNG VẾT CẮT KHI CẮT THÉP TẤM

LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT

Thái Nguyên - 2017

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP

TRƯƠNG ĐÌNH TRƯỜNG

ĐỀ TÀI THIẾT KẾ, CHẾ TẠO DAO CẮT DẠNG ĐĨA VÀ LỰA CHỌN CHẾ

ĐỘ CẮT HỢP LÝ ĐỂ GIẢM CÔNG SUẤT TIÊU THỤ VÀ NÂNG CAO

CHẤT LƯỢNG VẾT CẮT KHI CẮT THÉP TẤM

CHUYÊN NGÀNH: KỸ THUẬT CƠ KHÍ

LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC KHOA CHUYÊN MÔN

PGS.TS Nguyễn Quốc Tuấn

PHÒNG ĐÀO TẠO

Thái Nguyên – 2017

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan những kết quả có được trong luận văn là do bản thân tôi thực hiện dưới sự hướng dẫn của thầy giáo PGS.TS Nguyễn Quốc Tuấn Ngoài thông tin trích dẫn từ các tài liệu tham khảo đã được liệt kê, các kết quả và số liệu thực nghiệm là do tôi thực hiện và chưa được công bố trong bất cứ công trình nào khác

Thái nguyên, tháng 11 năm 2017

Tác giả

Trương Đình Trường

LỜI CẢM ƠN

Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới giáo viên hướng dẫn khoa học, thầy giáo – PGS.TS Nguyễn Quốc Tuấn đã tận tình hướng dẫn, chỉ bảo và tạo mọi điều kiện giúp đỡ tôi hoàn thành công trình nghiên cứu này

Tôi xin chân thành cảm ơn các thầy cô giáo trong Trường Đại học kỹ thuật công nghiệp Thái Nguyên đã giúp đỡ tôi trong việc đo kiểm và thực hiện thí nghiệm cho đề tài này

Tôi xin cảm ơn các chú, các anh đang làm việc tại công ty Cơ khí và thương mại Nhân Đức đã tạo điều kiện về máy móc, trang thiết bị thí nghiệm giúp thực hiện quá trình thực nghiệm được thuận lợi

Tôi xin chân thành cảm ơn sự động viên khích lệ của gia đình, bạn bè, đồng nghiệp trong suốt thời gian tôi học tập và làm luận văn

Thái nguyên, tháng 11 năm 2017

Tác giả

Trương Đình Trường

MỤC LỤC

LỜI CAM ĐOAN i

LỜI CẢM ƠN iii

MỤC LỤC iv

MỤC LỤC HÌNH VẼ vi

LỜI NÓI ĐẦU 1

CHƯƠNG I CÁC PHƯƠNG PHÁP CẮT PHÔI THÉP TẤM 5

1.1 Các phương pháp cắt phôi thép tấm 5

1.1.1 Phương pháp cắt thủ công 5

1.2 Cắt bằng hồ quang điện hoặc ngọn lửa khí 6

1.3 Cắt phôi bằng plasma 9

1.4 Cắt bằng Laser 14

1.6 Máy cắt thép có lưỡi dao dạng đĩa 20

CHƯƠNG II CẮT PHÔI TẤM BẰNG ĐĨA CẮT (CON LĂN) 25

2.1 Cơ chế cắt phôi tấm bằng đĩa cắt (con lăn) 25

2.1.1 Biến dạng của kim loại 25

2.1.2 Sự thay đổi, biến dạng tính chất của thép tấm trong quá trình gia công 32

2.2 Những nhân tố ảnh hưởng tới quá trình cắt 38

2.3 Sơ đồ nguyên lý cắt thép tấm bằng dao cắt dạng đĩa 41

CHƯƠNG III MÁY THÍ NGHIỆM, THIẾT KẾ ĐĨA CẮT 45

VÀ LỰA CHỌN KHE HỞ CẮT (Z) 45

3.1 Sơ đồ kết cấu máy cắt tôn tấm bằng đĩa cắt 45

3.2 Cơ cấu điều chỉnh dao cắt 49

3.3 Chọn vật liệu làm dao 53

3.4 Thiết kế kết cấu dao cắt dạng đĩa 55

3.5 Ứng dụng khi cắt thép CT 57

3.6 Phương pháp xác định công suất tức động cơ 3 pha 59

3.7 Thực nghiệm quá trình cắt 61

3.7.1 Bảng tổng hợp số liệu thực nghiệm công suất quá trình cắt 62

3.7.2 Biểu đồ thay đổi công suất cắt 63

3.8 Thực nghiệm đo công suất tức thời 66

3.9 Phân tích cấu trúc tế vi bề mặt cắt 69

KẾT LUẬN CHUNG 71

TÀI LIỆU THAM KHẢO 72

DANH MỤC BẢNG BIỂU, HÌNH VẼ

Hình 1.1 Máy cắt thủ công 5

Hình 1.2 Sơ đồ cắt bằng khí 6

Hình 1.3 Sơ đồ một trạm cắt khí dùng axetylen 7

Hình 1.4 Cấu tạo mỏ cắt Plasma 10

Hình 1.5 Sơ đồ thiết bị cắt Plasma 11

Hình 1.6 Sơ đồ nguyên lý cắt bằng tia Laser 15

Hình 1.7 Sơ đồ dao lưỡi song song 18

Hình 1.8 Sơ đồ bố trí dao đĩa 20

Hình 2.1 Biến đồ biến dạng của kim loại 25

Hình 2.2 Biến dạng đàn hồi 26

Hình 2.3 Các dạng nứt khi phá huỷ dẻo 29

Hình 2.4 Đường cong thử kéo 29

Hình 2.5- Biểu đồ biến dạng dẻo kim loại 30

Hình 2.6- Sơ đồ biến dạng trong đơn tinh thể kim loại 31

Hình 2.7- Các giai đoạn của quá trình cắt 34

Hình 2.8- Bề mặt bên của phần kim loại được cắt ra 35

Hình 2.9 - Sơ đồ tác dụng lực khi cắt 36

Hình 2.10- Sơ đồ phân bố các vết nứt tại mép cắt 37

Hình 2.11 Các loại ứng suất 38

Hình 2.12 Kết cấu của dao cắt đĩa 41

Hình 2.13 Sơ đồ tác dụng lực khi cắt trên máy cắt dao đĩa 42

Hình 3.2 Động cơ điện 3 pha 46

Hình 3.3 Bánh răng 47

Hình 3.4 Cơ cấu điều chỉnh dao cắt 48

Hình 3.5 Trục truyền máy cắt 49

Hình 3.6 Gối đỡ 50

Hình 3.7 Dao cắt 51

Hình 3.8 Vít điều chỉnh chiều sâucắt 52

Hình 3.9 Khung máy 53

Bảng 3.1 Thành hóa học thép 9XC 54

Bảng 3.2 Tính chất cơ lý tính 54

Hình 3.10 Dao cắt dạng đĩa thông thường 55

Hình 3.11 Phôi uốn theo biên dạng góc trước của dao 56

Hình 3.12 Sơ đồ kết cấu dao cắt dạng đĩa 57

Hình 3.13 Sơ đồ xác định công suất 59

Hình 3.14 Biểu đồ thay đổi công suất khi S = 1.5mm 63

Hình 3.15 Biểu đồ thay đổi công suất khi S = 2.5mm 63

Hình 3.16 Biểu đồ thay đổi công suất khi S = 3.5mm 64

Hình 3.17 Biểu đồ thay đổi công suất khi S = 4 mm 64

Hình 3.18 Biểu đồ thay đổi công suất khi S = 5mm 65

Hình 3.18 Ảnh SEM của bề mặt cắt với khe hở cắt khác nhau 70

LỜI NÓI ĐẦU

Cùng với sự phát triển của khoa học nói chung và ngành cơ khí nói riêng Đòi hỏi người cán bộ kỹ thuật phải nắm vững kiến thức cơ bản tương đối rộng Đồng thời phải biết vận dụng kiến thức đã học để giải quyết những vấn đề cụ thể thường gặp trong sản xuất, sửa chữa và sử dụng

Hiện nay trên thị trường có rất nhiều loại máy cắt tôn và phương pháp cắt tôn khác nhau như:

- Phương pháp chặt bằng ve, tốn nhiều thời gian, các vết cắt không

được thẳng và sản phẩm tạo ra không đảm bảo yêu cầu về độ chính xác,

chiều dày cắt nhỏ, năng xuất cắt rất thấp

Phương pháp này chỉ áp dụng đối với các phân xưởng thủ công, cắt các loại thép tấm có chiều dày bé và diện tích nhỏ

- Máy cắt thép thủ công: gồm hai lưỡi cắt và một cơ cấu cánh tay đòn

và đòn bẩy để tạo lực cho lưỡi cắt

Máy này cũng chỉ áp dụng cắt những tấm thép có chiều dày và diện tích nhỏ Chủ yếu dùng trong các xưởng sản xuất vừa và nhỏ

- Cắt thép tấm bằng lưỡi cắt dao đi xuống làm cho lực cắt tăng lên vượt quá điểm tới hạn, kim loại bị biến dạng dẻo Biến dạng dẻo này phát sinh ngay ở mép của dao cắt, ứng suất tập trung làm phát sinh dòng chảy kim loại tạo thành vùng kim loại bị chèn ép Sự chèn ép cục bộ đó sẽ phát triển đến khi toàn bộ chiều dày của kim loại đạt đến ứng suất đủ để làm xuất hiện đường trượt Những đường trượt này tạo ra đường dẻo hẹp hình bình hành khi cắt, do đó biến dạng trượt kèm theo uốn và kéo các thớ kim loại cho đến khi bắt đầu xuất hiện các vết nứt

- Cắt thép tấm bằng khí Gas và Oxy đây là phương pháp cắt phụ thuộc vào sự điều khiển của con người, sản phẩm làm ra phụ thuộc vào tay

nghề người công nhân đứng máy, sai số trong quá trình cắt là lớn vì phụ thuộc vào kinh nghiệm của người công nhân, các quá trình điều chỉnh chế

độ cắt, lưu lượng cắt đều do con người đảm nhận Do phải làm việc thủ công nên năng suất lao động không cao, vết cắt không tốt bằng vết cắt cơ học, hiệu quả kinh tế cũng thấp Đối với cắt bằng Gas – Oxy người công nhân còn phải đối mặt với nguy cơ tai nạn lao động cao do nổ bình Chi phí khí cắt khá cao ảnh hưởng tới tính kinh tế trong quá trình sản xuất Không cắt được Al, Cu, thép không rỉ…tốc độ cắt nhỏ hơn 800mm/phút [1]

- Cắt thép tấm bằng Plasma năng suất cắt cao chiều dày cắt lớn có thể cắt được tấm dày tới 50mm [1] tuy nhiên cắt Plasma điện cực cắt, vòi phun thường xuyên phải thay thế làm tăng giá thành sản xuất cắt Plasma không thể cắt với vật cắt không phải kim loại

Hồ quang Plasma thổi kim loại nóng chảy và xỉ cháy ra khỏi rãnh căt nó cũng nung nóng vật cắt kim loại, đầu mỏ súng cắt plasma, tất cả các điều này

có thể phát lửa và gây cháy và bỏng cho người công nhân Súng mỏ cắt plasma được thiết kế an toàn tự ngắt khi mất chụp sứ bảo vệ hoặc khi vòi phun ngoài chạm điện cực Tuy nhiên do đặc tính điện áp cao để duy trì hồ quang điện áp này dễ gây nguy hiểm nếu bị rò Hồ quang cắt plasma có thể gây ra bỏng mắt và da bạn khi tiếp xúc lâu Cắt plasma có sinh ra khói độc và khí, nếu hít phải có thể gây ra các vấn đề về sức khỏe Chi phí khí cắt khá cao ảnh hưởng tới tính kinh tế trong quá trình sản xuất [1]

Giá thành điện cực cao khi cắt chiều dài kim loại >40mm phải sử dụng các nguồn lớn, thiết bị đắt tiền Điện cực nhanh mòn (400 lần phát

hồ quang/điện cực [1]

Trong thực tế máy cắt tôn tấm bằng đĩa cắt đã được áp dụng để cắt tôn tấm với các chiều dày khác nhau trong khoảng từ 2 – 5mm Tuy nhiên

chưa có nghiên cứu về lý thuyết cũng như khả năng cắt bằng phương pháp này vì vậy việc thiết kế, chế tạo dao cắt dạng đĩa và lựa chọn chế độ cắt hợp lý để giảm công suất tiêu thụ khi cắt thép tấm có ý nghĩa khoa học và thực tiễn hết sức quan trọng nhằm giảm chi phí khi cắt thép tấm, tăng năng suất lao động, khắc phục được nhược điểm của các phương pháp

khác, đáp ứng nhu cầu đó, em đã chọn đề tài là “Thiết kế, chế tạo dao cắt dạng đĩa và lựa chọn chế độ cắt hợp lý để giảm công suất tiêu thụ, nâng cao chất lượng vết cắt khi cắt thép tấm”

Mục tiêu nghiên cứu:

- Nghiên cứu tổng quan về các phương pháp cắt thép tấm

- Nghiên cứu chế tạo được dao cắt dạng đĩa dùng cắt các phôi thép

tấm với chiều dài vô hạn

- Lựa chọn được khe hở (Z) hợp lý trong quá trình cắt nhằm giảm công suất tiêu thụ nâng cao chất lượng bề mặt vết cắt

Phương pháp nghiên cứu: Nghiên cứu lý thuyết kết hợp với nghiên

cứu thực nghiệm Việc nghiên cứu thực nghiệm được tiến hành với thiết bị

đo có độ chính xác cao như máy đo công suất EXTECH, Máy soi nhìn

TM 1000

Ý nghĩa của đề tài:

Ý nghĩa khoa học: Xác định được công suất tiêu thụ khi cắt với các

khe hở khác nhau từ đó lựa chọn được khe hở hợp lý để thực hiện quá trình cắt giảm công suất tiêu thụ và tăng được chất lượng vết cắt

Ý nghĩa thực tiễn: Xuất phát từ điều kiện gia công cụ thể, hệ thống

công nghệ chất lượng sản phẩm yêu cầu Người cán bộ công nghệ nhanh chóng xác định được thông số khe hở khi cắt hợp lý nhằm đảm bảo được chất lượng sản phẩm theo yêu cầu trên cơ sở đảm bảo được tuổi bền của

dụng cụ cắt lớn nhất và đảm bảo năng xuất gia công Từ đó đảm bảo các chỉ tiêu kinh tế - kỹ thuật

Nội dung luận văn: Kết cấu luận văn gồm 3 chương

Chương 1 Các phương pháp cắt phôi thép tấm

Chương 2 Cắt phôi tấm bằng đĩa cắt (con lăn)

Chương 3 Thực nghiệm nghiên cứu chế tạo dao cắt và lựa chọn khe hở (z) cắt

Kết luận chung

Nội dung đề tài trình bày không tránh khỏi những sai sót Rất mong được các Thầy, Cô và các đồng nghiệp đóng góp ý kiến để luận văn được hoàn thiện hơn

Em xin chân thành cảm ơn sự hướng dẫn và giúp đỡ tận tình của thầy giáo PGS.TS Nguyễn Quốc Tuấn và các thầy cô trong trường Đại học

kỹ thuật công nghiệp Thái nguyên để em hoàn thành được luận văn này

Em xin chân thành cảm ơn./

CHƯƠNG I CÁC PHƯƠNG PHÁP CẮT PHÔI THÉP TẤM

Để thực hiện công nghệ cắt các vật liệu, trong thực tế có nhiều phương pháp cắt như: cắt bằng phương pháp cắt thủ công (chặt bằng ve), cắt bằng ngọn lửa hàn khí, cắt bằng tia laser, plasma hay các phương pháp dập tấm (rập cắt và đột lỗ) cắt bằng máy cắt thép tấm vv Tuỳ theo hình dạng kích thước, quy trình sản xuất cũng như quy mô sản xuất mà ta có

thể áp dụng các phương pháp cắt khác nhau cho hợp lý

và sản phẩm tạo ra không đảm bảo yêu cầu về độ chính xác

- Máy cắt thủ công gồm hai lưỡi cắt và một cơ cấu cánh tay đòn và đòn bẩy để tạo lực cho lưỡi cắt

Hình 1.1 Máy cắt thủ công

- Máy này cũng chỉ áp dụng cắt những tấm thép có chiều dày và diện tích bé chủ yếu dùng trong các xưởng sản xuất vừa và nhỏ

- Không cắt được các chi tiết có chiều dày và diện tích lớn

- Chỉ áp dụng được trong các xưởng sản xuất thủ công

- Không năng xuất và mất nhiều chi phí về nhân công khi tiến hành quá trình cắt

1.2 Cắt bằng hồ quang điện hoặc ngọn lửa khí

* Đặc điểm, công dụng:

- Cắt đứt kim loại đen, kim loại mầu và kim loại bằng hồ quang hoặc ngọn lửa khí là phương pháp đốt cháy làm cho vật cắt đạt tới điểm nóng, bị đẩy mạnh và bị tách rời

- Cắt đứt bằng hồ quang là quá trình nóng chảy hoặc cắt đứt kim loại bằng nhiệt lượng hoặc hồ quang điện, điện cực hồ quang có thể là than hoặc kim loại

- Cắt bằng khí là phương pháp cắt sử dụng nhiệt của ngọn lửa sinh ra khi đốt cháy khí cháy trong dòng ôxy để nung kim loại tạo thành các ôxít và thổi chúng ra khỏi mép cắt tạo thành rãnh cắt

Hình 1.2 Sơ đồ cắt bằng khí

Hình 1.3 Sơ đồ một trạm cắt khí dùng axetylen

- Cắt kim loại bằng ngọn lửa khí cháy là quá trình dùng nhiệt lượng của ngọn lửa khí cháy với oxi để nung nóng chỗ cắt đến nhiệt độ cháy của kim loại, tiếp đó dùng luồng oxi áp suất cao thổi lớp oxit kim loại đã nóng chảy để lộ ra phần kim loại chưa bị oxi hóa Lớp kim loại này tiếp tục bị cháy tạo thành lớp oxit mới, rồi đến lượt lớp oxit mới này bị nóng chảy và bị luồng oxi thổi đi, cứ thế cho đến hết

Để đốt nóng kim loại đến nhiệt độ cháy, dùng nhiệt của phản ứng giữa

O2 kỹ thuật (98  99,7% O2) và C2H2 ( hoặc C6H6, khí gas…)

Để cắt bằng khí, kim loại cắt phải thỏa mãn một số yêu cầu sau:

+ Nhiệt độ cháy của kim loại phải thấp hơn nhiệt độ nóng chảy

+ Nhiệt độ nóng chảy của ôxít kim loại phải thấp hơn nhiệt độ nóng chảy của kim loại

+ Nhiệt tỏa ra khi kim loại cháy phải đủ lớn để nung mép cắt tốt đảm bảo quá trình cắt không bị gián đoạn

+ Ôxít kim loại nóng chảy phải loãng tốt, dễ tách khỏi mép cắt

+ Độ dẫn nhiệt của kim loại không quá cao, tránh sự tỏa nhiệt nhanh dẫn đến mép cắt bị nung nóng kém làm gián đoạn quá trình cắt

* Ưu điểm :

- Thiết bị đơn giản, dễ vận hành

- Cắt được kim loại dày

- Cắt được biên dạng phức tạp (thông qua bộ khởi động từ có thể điều khiển được quá trình cắt và đảo chiểu được hướng cắt)

- Năng suất cao

* Nhược điểm:

- Chỉ cắt được kim loại thỏa mãn điều kiện cắt sau:

+ Nhiệt cháy của kim loại nhỏ hơn nhiệt chảy của nó Đối với thép các bon thấp có lượng 0,7%C nhiệt cháy khoảng 1350C, còn nhiệt chảy gần

15000C nên thỏa mãn điều kiện này Với thép các bon cao (1,1  1,2%) nhiệt cháy gần bằng nhiệt chảy nên trước khi cắt cần đốt nóng từ 300  6500C Đối với thép các bon có thành phần cao hơn và thép hợp kim cao Cr – Ni, gang, kim loại màu, muốn cắt phải dùng thuốc cắt

+ Nhiệt độ cháy của oxit kim loại phải nhỏ hơn nhiệt cháy của kim loại

đó Nếu ngược lại lớp oxit tạo nên trên bề mặt kim loại vì không bị chảy ra nên khi có dòng O2 thổi vào lớp oxit sẽ ngăn cản việc oxi hóa lớp kim loại ở phía dưới

+ Nhiệt lượng sinh ra trong phản ứng cháy của kim loại phải đủ lớn để duy trì quá trình cắt liên tục vì khi cắt thép gần 70% nhiệt là do phản ứng cháy của kim loại với oxi, chỉ 30% là do ngọn lửa nung nóng

+ Xỉ tạo thành khi cắt phải có tính chảy loãng cao để dễ dàng bị thổi đi

+ Tính dẫn nhiệt không quá cao tránh thoát nhiệt gây gián đoạn quá trình cắt

- Vùng ảnh hưởng nhiệt lớn nên sau khi cắt chi tiết cong vênh, biến dạng

- Mạch cắt không đều, bavia nhiều

- Hiệu quả kinh tế không cao

- Cắt thép tấm bằng khí Gas và Oxy đây là phương pháp cắt phụ thuộc vào sự điều khiển của con người, sản phẩm làm ra phụ thuộc vào tay nghề người công nhân đứng máy, sai số trong quá trình cắt là lớn vì phụ thuộc vào kinh nghiệm của người công nhân, các quá trình điều chỉnh chế độ cắt, lưu lượng cắt đều do con người đảm nhận Do phải làm việc thủ côn nên năng suất lao động không cao, vết cắt không tốt bằng vết cắt cơ học, hiệu quả kinh

tế cũng thấp Đối với cắt bằng Gas – Oxy người công nhân còn phải đối mặt với nguy cơ tai nạn lao động cao do nổ bình Chi phí khí cắt khá cao ảnh hưởng tới tính kinh tế trong quá trình sản xuất

- Không cắt được Al, Cu, thép không rỉ…tốc độ cắt nhỏ hơn

- Trong cắt kim loại bằng plasma, người ta sử dụng khí nén làm môi trường tạo ra plasma (khí bị ion hóa tồn tại dưới dạng plasma) Ở các nước công nghiệp phát triển người ta ứng dụng rất rộng rãi các máy cắt plasma do

có năng suất cao hơn 1,5 – 2 lần so với cắt khí, đường cắt cao hơn hẳn, sạch

sẽ

- Các quá trình hồ quang plasma sử dụng mỏ hồ quang đặc biệt được cải tiến từ mỏ hàn TIG, trong đó hồ quang wolfram được định hướng qua một ống dẫn khí trơ Ống dẫn này được bố trí giữa điện cực wolfram và kim loại nền, tránh được sự khuếch tán hồ quang do đó cho phép tập trung dòng hồ quang vào phạm vi hẹp, làm tăng rõ rệt sự cấp nhiệt hồ quang, tăng nhiệt độ

và điện áp hồ quang Với hệ thống này tạo thành dòng plasma

Hình 1.4 Cấu tạo mỏ cắt Plasma

Electrode: Điện cực wonlfram được lắp bên trong ống dẫn không chạm

vào chi tiết gia công Điện cực được phân cực âm, nếu bị phân cực dương điện cực sẽ nhanh chóng bị hư hại

Collet: Kẹp kim dùng để giữ và cố định điện cực

Electrode cap: Chuôi hàn cùng để giữ kín khí, thay thế kim hàn khi cần Welding tip: Đầu phun nơi tập trung khí tạo hồ quang plasma

Nozzle: Vòi phun khí bảo vệ cung cấp qua ống ngoài tương tự quá trình

hàn TIG, bảo vệ vũng hàn xung quanh dòng plasma

Handle: Tay cầm cách điện chứa các ống dẫn khí, cáp cấp điện, nước

làm mát

Plasma Gas: Ống dẫn khí cho plasma

Shielding gas: Ống dẫn khí bảo vệ

Water in: Ống dẫn nước vào

Water out: Ống dẫn nước ra

Curent (+) (-): Cáp điện đưa vào đầu mỏ súng hàn

Hình 1.5 Sơ đồ thiết bị cắt Plasma (Máy nén khí (air compressor) Hộp nguồn (cuttung power supply) Mỏ cắt

(cutting lorch) Dây dẫn (cable)

- Các phương pháp cắt plasma điển hình:

Cắt plasma sử dụng không khí: Khí được sử dụng phổ biến nhất trong cắt plasma, nó cung cấp tốc độ cắt, và chất lượng cắt tốt với thép cacbon, thép không gỉ và nhôm Giá thành thấp là một lợi thế khi sử dụng không khí Tuy nhiên trước khi được sử dụng không khí phải được làm sạch, loại bỏ bụi bẩn, hơi nước Khi sử dụng không khí cần phải chọn hệ thống khí nén, lọc thích hợp với yêu cầu cắt Một trong các vấn đề của cắt plasma sử dụng không khí là ảnh hưởng của nó lên mối hàn đường cắt plasma Đường cắt thường có các vùng bị ni tơ hóa, oxy hóa Điều này ảnh hưởng đến mối hàn

Nó được giải quyết tốt khi sử dụng dây hàn có chứa chất khử nito, oxy Với các ưu điểm tốc độ cắt tốt, xỉ ít, tuổi thọ của các thiết bị tiêu hao trung bình Không khí là một lựa chọn tốt nhất cho cắt plasma trong các xưởng nhỏ

Cắt plasma sử dụng khí Oxy: là lựa chọn hàng đầu trong các nhà máy khi cắt các tấm thép Carbon vì chúng mang lại chất lượng mối cắt tốt nhất, tốc độ cắt nhanh nhất Oxy sẽ tương tác với thép carbon giảm nhiệt độ nóng chảy do tạo ra oxit tạo đường cắt mịn hơn do kích thước hạt nóng chảy nhỏ Nhược điểm của cắt plasma sử dụng oxy đó là giá thành của khí sử dụng cao, cũng như tuổi thọ thiết bị tiêu hao thấp Tuy nhiên thực tế người ta thường sử dụng khí nitơ khi bắt đầu hồ quang plasma do đó sẽ cải thiện được tuổi thọ của thiết bị tiêu hao ngang bằng với cắt plasma sử dụng không khí Chi phí cho khí oxy và thiết bị tiêu hao cao

Cắt plasma sử dụng khí nitơ: Phương pháp được sử dụng phổ biến trong quá khứ và nó vẫn là lựa chọn tốt nhất khi cắt nhôm hoặc thép không gỉ

do chất lượng đường cắt và tuổi thọ thiết bị tiêu hao Tuy nhiên với tấm nhôm hoặc thép không gỉ dày trên 0.5 inch thì nên chuyển sang sử dụng hỗn hợp khí argon + hidro Bình thường không khí được sử dụng làm khí bảo vệ Nếu

sử dụng CO2 có thể cải thiện phẩn nào chất lượng cũng như tốc độ cắt Nước cũng được sử dụng với cắt plasma nitơ Nước đảm bảm đường cắt nhẵn bóng khi cắt nhôm, thép không gỉ Khi sử dụng với nước cắt plasma nitơ thường sử dụng bàn cắt nước

Cắt plasma sử dụng Argon- Hidro: khi cắt nhôm và thép không gỉ

dày trên 0.5inch hỗn hợp khí 35% Hidro,65% argon thường được sử dụng Hỗn hợp khí cung cấp nhiệt độ cắt plasma cao nhất (với hệ thống plasma 1000Amp có kèm phun nước sử dụng khí argon-hidro có thể cắt thép không

gỉ dày đến 15cm) Cắt plasma sử dụng argon-hidro cung cấp đường cắt cực kì mịn với thép không rỉ Nitơ thường được chọn là khí bảo vệ trong trường hợp này Yếu điểm của hệ thống như này đó là chi phí cho thiết bị và chi phí vận hành

Plasma Gas /

Shield Thép Carbon Thép không gỉ Nhôm

Air / Air Chất lượng cắt/tốc độ

Không nên dùng Không nên dùng

Nitrogen

(N2) / CO2

Chất lượng cắt bình thường ít xỉ Tuổi thọ thiết bị cao

Chất lượng cắt xuất sắc Tuổi thọ thiết

bị cao

Chất lượng cắt xuất sắc Tuổi thọ thiết

bị cao

Nitrogen

(N2) / Air

Chất lượng cắt bình thường ít xỉ Tuổi thọ thiết bị cao nhất

Chất lượng cắt tốt

Tuổi thọ thiết bị cao

Chất lượng cắt tốt Tuổi thọ thiết bị cao

Nitrogen

(N2) / H20

Chất lượng cắt bình thường ít xỉ Tuổi thọ thiết bị cao nhất

Chất lượng cắt xuất sắc Tuổi thọ thiết

bị cao

Chất lượng cắt xuất sắc Tuổi thọ thiết

- Có thể cắt nhiều loại vật liệu, cũng như độ dày khác nhau Cắt plasma

có thể cắt nhiều loại vật liệu chứa sắt, hoặc không chứa sắt độ dày cắt có thể lên đến 80mm

- Dễ dàng vận hành: Cắt plasma không yêu cầu kỹ thuật cao đối với người vận hành, việc đào tạo cũng dễ dàng, thao tác cắt đơn giản, không cần phải điều chỉnh nhiều khi thao tác

- Cắt được nhiều biên dạng phức tạp

- Tính kinh tế: Cắt plasma có tính kinh tế hơn so với cắt oxy-gas khi cắt với các tấm dày dưới 25mm

* Nhược điểm:

- Cắt thép tấm bằng Plasma năng suất cắt cao chiều dày cắt lớn có thể cắt được tấm dày tới 50mm [2] tuy nhiên cắt Plasma điện cực cắt, vòi phun thường xuyên phải thay thế làm tăng giá thành sản xuất cắt Plasma không thể cắt với vật cắt không phải kim loại

Hồ quang Plasma thổi kim loại nóng chảy và xỉ cháy ra khỏi rãnh căt

nó cũng nung nóng vật cắt kim loại, đầu mỏ súng cắt plasma, tất cả các điều này có thể phát lửa và gây cháy và bỏng cho người công nhân Súng mỏ cắt plasma được thiết kế an toàn tự ngắt khi mất chụp sứ bảo vệ hoặc khi vòi phun ngoài chạm điện cực Tuy nhiên do đặc tính điện áp cao để duy trì hồ quang điện áp này dễ gây nguy hiểm nếu bị rò Hồ quang cắt plasma có thể gây ra bỏng mắt và da khi tiếp xúc lâu Cắt plasma có sinh ra khói độc và khí, nếu hít phải có thể gây ra các vấn đề về sức khỏe Chi phí khí cắt khá cao ảnh hưởng tới tính kinh tế trong quá trình sản xuất [2]

Giá thành điện cực cao khi cắt chiều dài kim loại >40mm phải sử dụng các nguồn lớn, thiết bị đắt tiền Điện cực nhanh mòn (400 lần phát hồ quang/điện cực [2]

1.4 Cắt bằng Laser

* Đặc điểm, công dụng:

Nguyên lý của công nghệ này là sử dụng chùm tia laser có mật độ năng lượng cao và dẫn hội tụ lại tạo nên điểm tập trung năng lượng rất lớn dưới

dạng nhiệt và có khả năng nung nóng thậm chí đốt cháy vật liệu tại điểm hội

tụ đó Một trong những ứng dụng Laser thường thấy trong công nghệ chế tạo

là Cắt vật liệu bằng tia Laser

Hình 1.6 Sơ đồ nguyên lý cắt bằng tia Laser

Theo nguyên lý hình thành Laser CO2, khi hỗn hợp khí CO2, N2, He bị kích thích bởi điện áp phân cực với hiệu điện thế và tần số cao sẽ xảy ra quá trình chuyển hóa giữa các trạng thái năng lượng, là nguyên nhân tạo ra các luồng hạt Photon dưới dạng sóng bức xạ với 02 bước sóng chính là 10,4 Micromet và 9,4 Micromet Đáng chú ý nhất là bước sóng 10,4µm vừa có

tính chất dao động nhiệt - mang năng lượng nhiệt cao nhưng cũng mang những tính chất của ánh sáng mặc dù không thể nhìn thấy bằng mắt thường Bức xạ này được gọi là Laser và do hình thành từ sự dao động phân tử khí

CO2 nên còn gọi là Laser CO2

Do 2 tính chất vật lý như nói trên, Laser CO2 rất phù hợp trong ứng dụng cắt vật liệu Thứ nhất, với tính chất vật lý dao động nhiệt, Laser CO2

mang theo nguồn năng lượng lớn, tốc độ rất cao dưới dạng nhiệt nên có thể

sử dụng để nung nóng hoặc thậm chí đốt cháy vật liệu tại những vị trí tác động Thứ 2 là tính chất vật lý của ánh sáng như phản xạ (khi gặp gương phản xạ), khúc xạ khi đi qua các môi trường trong suốt có hệ số khúc xạ (chiết suất) khác nhau Với tính chất phản xạ, khúc xạ, chúng ta có thể sử dụng các dụng cụ quang học như gương phản xạ để chuyển hướng đường đi của chùm tia, sử dụng thấu kính để hội tụ chùm tia làm tăng lên nhiều lần mật

độ năng lượng của chùm tia Trên cơ sở đó chúng ta có được 2 yếu tố then chốt là khuếch đại năng lượng tới ngưỡng cần thiết và dẫn nguồn năng lượng

đó tới vị trí cần gia công Việc di chuyển đầu cắt trong quá trình gia công (do

Hệ máy chính, hệ điều khiển CNC đảm nhiệm) luôn luôn đảm bảo đường đi của chùm tia Laser khi tới trước thấu kính hội tụ không bị suy giảm, giữ được hướng và điểm hội tụ do đó luôn là điểm tập trung mật độ năng lượng cao nhất dù ở các vị trí khác nhau trong quá trình di chuyển cắt

Nguồn Laser CO2 có cấu tạo phức tạp tùy thuộc vào công nghệ chế tạo của các hãng khác nhau nhưng có thể chia thành các nhóm bộ phận chính sau: buồng cộng hưởng dao động; Bơm nhồi để tạo vận tốc luồng hỗn hợp khí tới hơn 200m/s (720km/h), Bơm xả để xả hỗn hợp khí trong quá trình duy trì áp suất và chất lượng khí của buồn cộng hưởng; Hệ thống tạo điện cao áp

RF với điện áp 3~4KV hoặc cao hơn, tần số tới 2MHz; Hệ thống các cảm biến nhiệt độ, cảm biến áp suất, cảm biến lưu lượng nước làm mát, cảm biến

công suất Laser chuyên dụng… Hệ thống đường ống dẫn nước làm mát tuần hoàn tới các điểm phát sinh nhiệt độ

* Ưu điểm:

Công nghệ gia công này có những ưu điểm vượt trội so với một số công nghệ gia công truyền thống trong cùng nhóm ứng dụng như: cho năng suất rất cao (tốc độ gia công lớn), chất lượng gia công bề mặt đẹp –vết cắt nhỏ gọn, cắt được biên dạng phức tạp (quá trình cắt laser thường được sử dụng là nguyên công sau cùng, không cần gia công lại), gia công được nhiều

loại vật liệu cả kim loại và phi kim, gốm…Vật tư nhiên liệu tiêu hao ít

* Nhược điểm:

Nhược điểm của phương pháp này là hệ thống thiết bị, công nghệ phức tạp nên giá thành cao, khó làm chủ công nghệ thiết bị, không thích hợp với một số sản phẩm yêu cầu ít phát sinh nhiệt tại bề mặt gia công, ngoài ra tia laser không cắt được một số kim loại có tính chất hấp thụ laser như đồng, không cắt được vật liệu có độ dày lớn

Ngoài các nguy cơ mất an toàn nói chung như các nhóm thiết bị gia công chế tạo khác, khi vận hành hoặc sửa chữa thiết bị cắt bằng Laser CO2

cần đặc biệt lưu ý những điểm sau:

- Nguy hiểm từ điện cao áp: để tạo ra Laser, hệ thống sử dụng điện công nghiệp thông thường 3pha/220V/50Hz hoặc 3pha/380V/50Hz qua các mạch khuếch đại điện áp và điều chế xung tạo thành điện cao áp với tần số cao và công suất lớn: điện áp >2000V (có những thiết bị sử dụng tới 18.000V), tần số tới 2MHz hoặc cao hơn; công suất tới hàng chục Kw Đây là điện áp đặc biệt nguy hiểm đối với con người Trong nguồn Laser CO2, các điểm có điện cao áp thường được bảo vệ kín để giảm thiểu sự rò rỉ và tiếp xúc Tuy nhiên khi làm việc tại các khu vực này, cần mang găng tay cao su,

đi ủng cách điện, tránh đứng hoặc tiếp xúc với bề mặt ẩm ướt hoặc chi tiết

dẫn điện, không mang đồ dùng trang sức trên người bằng kim loại vì có thể gây phóng điện hoặc va chạm gây cháy chập

- Nguy hiểm từ nguồn nhiệt: Có 2 dạng nguy cơ gây bỏng là do tiếp xúc với các điểm nhiệt độ cao và bỏng do tiếp xúc chùm tia Laser Các điểm

có nhiệt độ cao như: buồng cộng hưởng, đường ống dẫn khí từ buồng cộng hưởng, bơm nhồi, bơm xả, gương phản xạ, cảm biến Laser Ngoài ra tia Lase CO2 với bước sóng 10,4 m và 9,4µm là dạng sóng mang tính chất của sóng ánh sáng nhưng không nhìn thấy bằng mắt thường nên cần hết sức cẩn thận, tia này đặc biệt nguy hiểm đối với mắt và da Khi phải thao tác căn chỉnh hướng phản xạ chùm tia hoặc bào trì sửa chữa, cần chú ý chỉ cho hệ thống ở trạng thái kích hoạt laser khi đã đóng kín các tấm che bảo vệ, ngoài nên sử dụng các đồ bảo hộ hoặc các vật liệu che chắn có tính chất hấp thụ tia Laser như nhựa acrylic tại những khu vực có khả năng phát tán chùm tia

1.5 Cắt phôi bằng máy cắt lưỡi song song

Hình 1.7 Sơ đồ dao lưỡi song song

Thật chất của quá trình cắt đứt kim loại bằng áp lực lưỡi cắt là sự biến dạng dẻo sau đó đến phá huỷ kim loại Quá trình cắt đứt vật liệu chia làm ba giai đoạn liên tục

Giai đoạn 1: đây là giai đoạn biến dạng đàn hồi

Giai đoạn 2: là giai đoạn biến dạng dẻo

Dao đi xuống làm cho lực cắt tăng lên vượt quá điểm tới hạn, kim loại bị biến dạng dẻo Biến dạng dẻo này phát sinh ngay ở mép của dao cắt, ứng suất tập trung làm phát sinh dòng chảy kim loại tạo thành vùng kim loại bị chèn ép Sự chèn ép cục bộ đó sẽ phát triển đến khi toàn bộ chiều dày của kim loại đạt đến ứng suất đủ để làm xuất hiện đường trượt Những đường trượt này tạo ra đường dẻo hẹp hình bình hành khi cắt, do

đó biến dạng trượt kèm theo uốn và kéo các thớ kim loại cho đến khi bắt đầu xuất hiện các vết nứt Giai đoạn này dao cắt từ 20 50% chiều dày kim loại

Giai đoạn 3: Dao tiếp xúc đi xuống, tại thời điểm khi ứng lực gần đến giới hạn bền, các vết nứt xuất hiện từ hai mép của dao tiến sâu vào vật liệu và làm đứt rời vật liệu

Chỉ cắt được đường thẳng với chiều rộng nhỏ hơn chiều dài của lưỡi cắt (B<L) [14]

1.6 Máy cắt thép có lưỡi dao dạng đĩa

Hình 1.8 Sơ đồ bố trí dao đĩa

Quá trình cắt kim loại tấm dày trên máy cắt dao đĩa được thực hiện bằng những đĩa dao quay tròn, đĩa dao trên và đĩa dao dưới được quay ngược chiều nhau cùng một tốc độ góc (), vật liệu cắt được chuyển dịch nhờ lực ma sát giữa kim loại và dao đĩa Vị trí và kích thước đĩa dao được xác định phụ thuộc vào chiều dày vật liệu cắt

Đặc điểm nổi bật khi cắt trên máy cắt dao đĩa là với một đường kính đĩa dao xác định, máy cắt không những chỉ cắt kim loại mà còn giữ chặt

và kéo kim loại vào vùng cắt Vì vậy chiều dài của dải cắt là không giới hạn

Khi S < 3mm (chiều dày vật liệu) D = 60S [14]

S = (410)mm (1.1) [14] D = (4050) S (1.2) [14] S> 10 mm [14] D = 30S [14] D: đường kính của dao cắt

Để mặt cắt thẳng và đẹp không có ba via thì máy cắt đĩa phải có độ ăn dao

h = (0,20,3) S (1.3)

S chiều dày tấm tôn

Khe hở giữa hai dao: Z = (0,10,15) S (1.4) Dao chế tạo xong đạt độ cứng 60HRC, góc ăn dao  < 140

Góc trước:  = 101030’

Ngoài ra để khắc phục hiện tượng quay tấm kim loại ta phải mài góc trước  = 8100 Nhưng ít dùng vì để tận dụng tuổi bền dao

* Ưu điểm:

- Kết cấu máy đơn giản

- Cắt tuần tự từng điểm một quá trình cắt liên tục

- Cắt được được chiều dài không hạn chế và có thể cắt được các

đường tròn khi gắn bộ khởi động từ điều chỉnh quá trình cắt

- Không tốn thời gian cho hành trình chạy không, năng suất cao

- Với phương pháp cắt thủ công:

+ Tốn nhiều thời gian, các vết cắt không được thẳng và sản phẩm tạo

ra không đảm bảo yêu cầu về độ chính xác, chiều dày cắt nhỏ, năng xuất

cắt rất thấp

+ Phương pháp này chỉ áp dụng đối với các phân xưởng thủ công, cắt các loại thép tấm có chiều dày bé và diện tích nhỏ

+ Chỉ áp dụng cắt những tấm thép có chiều dày và diện tích nhỏ Chủ yếu dùng trong các xưởng sản xuất vừa và nhỏ

- Với phương pháp cắt bằng ngọn lửa khí:

+ Đây là phương pháp cắt phụ thuộc vào sự điều khiển của con người, sản phẩm làm ra phụ thuộc vào tay nghề người công nhân đứng máy, sai số trong quá trình cắt là lớn vì phụ thuộc vào kinh nghiệm của người công nhân, các quá trình điều chỉnh chế độ cắt, lưu lượng cắt đều do con người đảm nhận Do phải làm việc thủ công nên năng suất lao động không cao, vết cắt không tốt bằng vết cắt cơ học, hiệu quả kinh tế cũng thấp Đối với cắt bằng Gas – Oxy người công nhân còn phải đối mặt với nguy cơ tai nạn lao động cao do nổ bình Chi phí khí cắt khá cao ảnh hưởng tới tính kinh tế trong quá trình sản xuất Tuy nhiên cắt bằng ngọn lửa khí thuận lợi trong các điều kiện thi công ngoài công trường hoặc các

vị trí khó cắt trong không gian

+ Không cắt được Al, Cu, thép không rỉ…tốc độ cắt nhỏ hơn 800mm/phút [2]

- Với phương pháp cắt bằng Plasma:

+ Cắt thép tấm bằng Plasma năng suất cắt cao chiều dày cắt lớn có thể cắt được tấm dày tới 50mm [2] tuy nhiên cắt Plasma điện cực cắt, vòi phun thường xuyên phải thay thế làm tăng giá thành sản xuất cắt Plasma không thể cắt với vật cắt không phải kim loại

+ Hồ quang Plasma thổi kim loại nóng chảy và xỉ cháy ra khỏi rãnh cắt nó cũng nung nóng vật cắt kim loại, đầu mỏ súng cắt plasma, tất cả các điều này có thể phát lửa và gây cháy và bỏng cho người công nhân Súng

mỏ cắt plasma được thiết kế an toàn tự ngắt khi mất chụp sứ bảo vệ hoặc khi vòi phun ngoài chạm điện cực Tuy nhiên do đặc tính điện áp cao để duy trì hồ quang điện áp này dễ gây nguy hiểm nếu bị rò Hồ quang cắt plasma có

thể gây ra bỏng mắt và da khi tiếp xúc lâu Cắt plasma có sinh ra khói độc và khí, nếu hít phải có thể gây ra các vấn đề về sức khỏe Chi phí khí cắt khá cao ảnh hưởng tới tính kinh tế trong quá trình sản xuất [2]

- Với phương pháp cắt bằng tia Laser:

+ Công nghệ phức tạp nên giá thành cao, khó làm chủ công nghệ thiết

bị, không thích hợp với một số sản phẩm yêu cầu ít phát sinh nhiệt tại bề mặt gia công, ngoài ra tia laser không cắt được một số kim loại có tính chất hấp thụ laser như đồng, không cắt được vật liệu có độ dày lớn

+ Hiệu suất thấp

+ Khó điều chỉnh công suất đầu ra

+ Khả năng điều chỉnh độ lệch tia kém

+ Có kỹ thuật cao, đầu tư cao

+ Cần phải xác định chính xác điểm gia công

- Với phương pháp cắt bằng máy cắt thép có lưỡi dao dạng đĩa

+ Kết cấu máy đơn giản không tốn nhiều chi phí về kinh tế trong quá trình chế tạo

+ Cắt tuần tự từng điểm một, quá trình cắt liên tục

+ Không tốn thời gian cho hành trình chạy không, năng suất cao + Cắt được được chiều dài không hạn chế rất phù hợp cho các quá

trình gia công như gia công các kết cấu dầm I (Cần cắt những tấm tôn có chiều dài lớn mà các phương pháp khác khó thực hiện được) gia công các tấm cốp pha trong ngành xây dựng (cốp pha cột, cốp pha cống ) đặc biệt

là trong các trường dạy nghề hiện nay cụ thể như nghề hàn, nghề phay ứng dụng trong bộ môn chế tạo phôi là hết sức cần thiết giảm được rất

nhiều chi phí về kinh tế cho nguyên công chế tạo phôi (loại bỏ được chi phí như: chi phí khí ga, ôxy, axetylen )

Trong công nghệ gia công không tạo phoi, việc cắt phôi tấm kim loại bằng dụng cụ cắt dạng đĩa với đường tạo hình (đường cắt) được sử dụng với chiều dài cắt không giới hạn Với đường cắt có hình dáng phức tạp, cần phối hợp và thực hiện đồng thời các thành phần chuyển động chạy dao trên máy cắt, điều khiển chạy dao linh hoạt thường dùng các phương pháp cắt Laser, Plasma… trên máy cắt có phần mềm CAD/CAM để thiết

kế, lập trình tự động diều khiển quá trình cắt hợp lý, hiệu quả và năng xuất Tuy nhiên, máy cắt thép tấm sử dụng dao cắt dạng đĩa vẫn được lựa chọn khi cắt các tấm dài, sản xuất loạt nhỏ vì cấu tạo máy đơn giản, công suất tiêu thụ không cao, dụng cụ cắt đơn giản, chi phí thiết bị không cao Trong khi đó chưa có nghiên cứu cắt thép bằng lưỡi dao dạng đĩa cho những trường hợp cắt thép tấm cụ thể Vì vậy, cắt phôi tấm bằng dao cắt

dạng đĩa vẫn được các nhà kỹ thuật quan tâm, việc nghiên cứu “Thiết kế, chế tạo dao cắt dạng đĩa và lựa chọn chế độ cắt hợp lý để giảm công suất tiêu thụ và nâng cao chất lượng vết cắt khi cắt thép tấm” là có ý

nghĩa khoa học và thực tiễn

CHƯƠNG II CẮT PHÔI TẤM BẰNG ĐĨA CẮT (CON LĂN)

2.1 Cơ chế cắt phôi tấm bằng đĩa cắt (con lăn)

2.1.1 Biến dạng của kim loại

Biến dạng đàn hồi, biến dạng dẻo và phá huỷ là ba quá trình nối tiếp nhau xảy ra trong kim loại và hợp kim dưới tác dụng của ngoại lực và tải trọng

Hình 2.1 Biến đồ biến dạng của kim loại

Từ biểu đồ ta thấy:

 Khi tải trọng tác dụng P < Pp thì biến dạng kim loại tỷ lệ bậc nhất với tải trọng hay đây là giai đoạn biến dạng đàn hồi

 Khi tải trọng từ Pp  Pa thì biến dạng tăng với tốc độ nhanh và đây

là giai đoạn biến dạng dẻo kèm theo biến dạng đàn hồi

 Khi tải trọng đạt đến giá trị lớn nhất Pb thì trong kim loại bắt đầu xuất hiện vết nứt, tại đây ứng suất tăng nhanh và kích thước vết nứt tăng lên và cuối cùng là phá huỷ kim loại

Biến dạng đàn hồi:

Khi chịu tải, vật liệu sinh ra một phản lực cân bằng với ngoại lực Ứng suất là phản lực tính trên một đơn vị diện tích, ứng suất vuông góc với mặt chịu lực gọi là ứng suất pháp , gây ra biến dạng  Ứng suất tiếp

 sinh ra xê dịch  trong mặt chịu lực Ứng suất pháp ba chiều (áp lực P) làm biến đổi thể tích V/V

Biến dạng đàn hồi có thể do ứng suất pháp hoặc ứng suất tiếp sinh

ra như sơ đồ sau Đó là biến dạng mất đi khi bỏ tải, tuyến tính và không có vòng trễ

 = E (cho kéo, nén)

 = G  (cho xê dịch)

Trong đó: E: môdun đàn hồi

thì các nguyên tử hút với nhau Còn khi có ngoại lực tác dụng thì mạng tinh thể bị xô lệch mạng làm cho khoảng cách giửa các nguyên tử khác r0 thì lúc này xuất hiện các lực tương hỗ giữa các nguyên tử về vị trí cân bằng

Những thay đổi sau biến dạng:

Tổ chức tế vi: Biến dạng dẻo làm thay đổi rõ rệt tổ chức tế vi hay cơ tính: Sau khi biến dạng dẻo, ngoài biên giới hạt ra, một phần khá lớn mạng tinh thể của kim loại không sắp xếp trật tự Mức độ biến dạng càng lớn, mức độ xô lệch mạng tinh thể càng cao

Trong quá trình biến dạng dẻo hình dạng hạt hay thay đổi rất nhiều, hạt có thể bẹt và dài ra khó nhận biết được biên giới hạt trên tổ chức tế vi, hoặc khi độ biến dạng lớn các hạt kim loại có thể bị chia cắt và trở nên nhỏ hơn, pha thứ hai hoặc tạp chất bị nhỏ vụn ra rồi kéo dài theo phương biến dạng (cán, kéo, rèn, ép) tạo nên tổ chức dạng thớ, làm cho kim loại bị phá huỷ dòn theo chiều ngang thớ

Trong quá trình trượt có kèm theo sự quay của mặt và phương trượt với xu hướng tiến gần về trục biến dạng chính Mức độ biến dạng càng lớn mức độ quay càng nhiều và có thể làm cho các hạt đều có phương mạng giống nhau được gọi là hiện tượng định hướng phương mạng hay textua

Tính chất: Biến dạng dẻo làm xuất hiện ứng suất dư biến đổi cơ, lý, hoá tính của kim loại

Sau khi biến dạng dẻo trong kim loại có tồn tại ứng suất dư Người ta chia làm hai loại: ứng suất dư tế vi và thô đại

Ứng suất dư tế vi: Là loại ứng suất tồn tại trong kim loại Sau khi bỏ tải trọng biến dạng, được cân bằng trong phạm vi từng phần nhỏ của hạt hay trong từng hạt Nguyên nhân là do biến dạng dẻo xảy ra không đồng nhất giữa các hạt do hình thành các mặt trượt, tạo nên xô lệch mạng Độ biến dạng càng lớn ứng suất dư tế vi càng tăng Ứng suất dư tế vi gắn liền với xô lệch mạng có tác dụng cản trở chuyển động của lệch làm tăng ứng suất thô đại, là loại ứng suất tồn tại trong cả thể tích kim loại hay giữa các phần sinh ra do biến dạng không đồng đều trên toàn tiết diện

Ứng suất thô đại không có lợi là một trong những nguyên nhân gây phá huỷ

Biến dạng dẻo làm biến đổi cá tính của kim loại, làm tăng giới hạn bền, giới hạn chảy, giới hạn đàn hồi

Biến dạng dẻo làm biến đổi lý, hoá tính kim loại: Vì biến dạng dẻo làm tăng xê lệch mạng, nhỏ hạt nên giảm tính dẫn điện (tăng điện trở), lực kháng từ tăng lên, độ thấm từ, cảm ứng tư dủ giảm đi Các lý tính như nhiệt dung, hệ số giản nỡ nhiệt không đổi, hoạt tính hoạt động hoá học, nó

dễ bị ăn mòn và có khuynh hướng nứt ăn mòn

Phá huỷ trong điều kiện tải trọng tĩnh:

Phá huỷ có kèm theo sự biến dạng dẻo với mức độ tương đối gọi là phá huỷ dẻo Phá huỷ dẻo xảy ra với tốc độ nhỏ và cần nhiều năng lượng nên ít nguy hiểm

Điều kiện cần thiết cho phá huỷ dẻo xảy ra là biến dạng dẻo và trạng thái ứng suất kéo ba chiều trong vùng có co thắt cục bộ

Hình 2.3 Các dạng nứt khi phá huỷ dẻo

Phá huỷ dòn hầu như không có biến dạng dẻo vĩ mô kèm theo xảy ra tức thời nên khá nguy hiểm Bề ngoài mặt đứt khi phá huỷ thường vuông góc với ứng suất pháp lớn nhất nhưng mặt vĩ mô thì có thể là theo các mặt phẳng tinh thể xác định (mặt vỏ dòn ở bên trong mọi hạt)

Hình 2.4 Đường cong thử kéo

Các yếu tố ảnh hưởng đến sự phá huỷ là: nhiệt độ, tốc độ biến dạng

Ứng suất cần thiết để phát triển vết nứt

1

s C

E 2

E - môđun đàn hồi

s - sức căng bề mặt

C - kích thước đặc trưng của vết nứt ban đầu

Phá huỷ trong điều kiện tải trọng thay đổi theo chu kỳ (phá huỷ mỏi):

Cơ chế của phá huỷ mỏi cũng xảy ra bằng cách tạo thành và phát triển vết nứt

Sự phá huỷ mỏi phụ thuộc vào yếu tố: Ứng suất tác dụng, số chu kỳ tác dụng của tải trọng, yếu tố tập trung của ứng suất

Phá huỷ ở nhiệt độ cao (phá huỷ dão):

Sự tạo nên vết nứt có thể theo cơ chế sau: Các hạt trượt lên nhau theo biên giới hạt có tập trung ứng suất tạo ra vết nứt

Dưới tác dụng của ngoại lực kim loại biến dạng theo các giai đoạn: biến dạng đàn hồi, biến dạng dẻo và phá huỷ Tuỳ theo cấu trúc tinh thể của mỗi kim loại, các giai đoạn trên có thể xảy ra ở các mức độ khác nhau dưới tác dụng của ngoại lực và tải trọng

Δl

Δd Δdh

P đh

P d

P

Khi tải trọng tác dụng nhỏ hơn Pđh thì biến dạng kim loại tăng theo đường bậc nhất, đây là giai đoạn biến dạng đàn hồi: biến dạng mất đi sau khi khử bỏ tải trọng

Khi tải trọng từ Pdh → Pd thì độ biến dạng tăng với tốc độ nhanh, đây

là giai đoạn biến dạng dẻo, kim loại bị biến đổi kích thước, hình dạng sau bỏ tải trọng tác dụng lên nó

Khi tải trọng đạt đến giá trị lớn nhất thì trong kim loại bắt đầu xuất hiện vết nứt, tại đó ứng suất tăng nhanh và kích thướt vết nứt tăng lên, cuối cùng kim loại bị phá huỷ Đó là giai đoạn phá huỷ: tinh thể kim loại bị đứt rời

Trong kim loại đơn tinh thể các nguyên tử kim loại sắp xếp theo một trật

tự xác định, mỗi nguyên tử luôn dao động xung quanh vị trí cân bằng của nó

Hình 2.6- Sơ đồ biến dạng trong đơn tinh thể kim loại

Dưới tác dụng của ngoại lực hay cắt kim loại bằng áp lực, mạng tinh thể bị biến dạng Khi lực tác dụng nhỏ, ứng suất sinh ra trong kim loại chưa vượt quá giới hạn đàn hồi, các nguyên tử kim loại dịch chuyển không quá

một thông số mạng, nếu thôi tác dụng lực thì mạng tinh thể lại trở về trạng thái ban đầu

Khi ứng suất sinh ra trong kim loại vượt quá giới hạn đàn hồi thì kim loại bị biến dạng dẻo do trượt và song tính

Theo hình thức trượt, một phần đơn tinh thể dịch chuyển song song với phần còn lại theo một mặt phẳng nhất định, mặt phẳng này gọi là mặt trượt

Theo hình thức song tính, một phần tinh thể vừa trượt, vừa quay đến một vị trí mới đối xứng với phần còn lại qua một mặt phẳng gọi là mặt song tính Các nguyên tử kim loại trên mỗi mặt di chuyển một khoảng tỷ lệ với khoảng cách đến mặt song tính

Các lý thuyết và thực nghiệm cho thấy trượt là hình thức chủ yếu gây

ra biến dạng dẻo trong kim loại khi lực tác dụng lên nó sinh ra ứng suất lớn hơn giới hạn đàn hồi nhưng chưa vượt ứng suất phá huỷ hay ứng suất giới hạn bền của vật liệu Đây là giai đoạn thứ hai của quá trình cắt kim loại, giai đoạn này xảy ra trước quá trình kim loại bị phá huỷ hay quá trình kim loại bị cắt đứt

Trong quá trình biến dạng dẻo kim loại vì ảnh hưởng của các nhân tố như: nhiệt độ không đều, tổ chức kim loại không đều, lực biến dạng phân bố không đều, ma sát ngoài vv đều làm cho kim loại sinh ra ứng suất dư, bên trong bất cứ kim loại biến dạng dẻo nào cũng đều sinh ra ứng suất dư, sau khi thôi tác dụng ứng suất dư vẫn còn tồn tại

2.1.2 Sự thay đổi, biến dạng tính chất của thép tấm trong quá trình gia công

Khi cắt tính chất của thép tấm bị thay đổi Sở dĩ như vậy là trong quá trình cắt biến dạng dẻo nguội làm cấu trúc tinh thể thay đổi: mật độ khuyết tật tăng lên mạnh mẽ dẫn tới độ bền kim loại tăng lên, kích thước và hình dạng các hạt kim lọai cũng như hướng của trục tinh thể thay đổi làm phát sinh ứng suất dư và xuất hiện những mặt trượt kích thích quá trình hóa già của kim loại