Nghiên cứu, thiết kế thiết bị mang đầu cắt plasma cắt ống thép không gỉ

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠOTRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP.HCM KHOA CƠ KHÍ CHẾ TẠO MÁY ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP NGÀNH CÔNG NGHỆ CHẾ TẠO MÁY NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ THIẾT BỊ MANG ĐẦU CẮT PLASMA CẮT

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP.HCM

KHOA CƠ KHÍ CHẾ TẠO MÁY

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP NGÀNH CÔNG NGHỆ CHẾ TẠO MÁY

NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ THIẾT BỊ MANG ĐẦU CẮT PLASMA CẮT ỐNG THÉP KHÔNG GỈ

GVHD: ThS TRẦN VĂN TRỌN SVTH: TRẦN VĂN HUY

MSSV: 11144046

S K L 0 0 4 2 7 3

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP HỒ CHÍ MINH

Giảng viên hướng dẫn: THS TRẦN VĂN TRỌN

Sinh viên thực hiện: TRẦN VĂN HUY

Nghiên cứu, thiết kế thiết bị mang đầu cắt plasma cắt ống thép không gỉ

2 Các số liệu, tài liệu ban đầu:

- Đầu cắt plasma, máy cắt plasma sẵn có;

- Thép không gỉ là loại SS201, SS304 có đường kính từ 4 – 6 inch

- Thiết bị dễ dàng gá lắp và dễ vận hành

3 Nội dung chính của đồ án:

- Tìm hiểu về các loại đầu cắt plasma hiện có trên thị trường, thiết bị plasma sẵn có tại phòng thí nghiệm cùng các loại thiết bị mang đầu cắt plasma;

- Phân tích, đánh giá ưu nhược điểm của các loại thiết bị mang đầu cắt plasma sẵn có;

- Đề xuất nguyên lý của thiết bị mang đầu cắt plasma;

- Đề xuất phương án thiết kế cho thiết bị mang đầu cắt plasma;

- Tính toán, thiết kế hoàn chỉnh cụm thiết bị mang đầu cắt plasma;

- Nếu điều kiện cho phép tiến hành chế tạo thiết bị;

- Tập bản vẽ thiết kế các chi tiết, bản vẽ lắp;

- Tập thuyết minh

5 Ngày giao đồ án: 10/09/2015

6 Ngày nộp đồ án: 10/01/2016

TRƯỞNG BỘ MÔN GIẢNG VIÊN HƯỚNG DẪN

(Ký, ghi rõ họ tên) (Ký, ghi rõ họ tên)

 Được phép bảo vệ ………

(GVHD ký, ghi rõ họ tên)

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP HCM CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

Độc lập - Tự do – Hạnh phúc

KHOA CƠ KHÍ CHẾ TẠO MÁY

Bộ môn CÔNG NGHỆ CHẾ TẠO MÁY

- Địa chỉ sinh viên: Đức Thuận – Tánh Linh – Bình Thuận

- Số điện thoại liên lạc: 0976.076.573

- Email: tranhuy.techedu@gmail.com

- Ngày nộp khoá luận tốt nghiệp (ĐATN):

- Lời cam kết: “ Em xin cam đoan khoá luận tốt nghiệp (ĐATN) này là công trình do chính em nghiên cứu và thực hiện Em không sao chép từ bất kỳ một bài viết nào đã được công bố mà không trích dẫn nguồn gốc Nếu có bất kỳ một sự vi phạm nào, em xin chịu hoàn toàn trách nhiệm”

Tp Hồ Chí Minh, ngày 10 tháng 01 năm 2016

Ký tên

Trần Văn Huy

LỜI CẢM ƠN

Trên thực tế không có sự thành công nào mà không gắn liền với những sự hỗ trợ, giúp

đỡ dù ít hay nhiều, dù trực tiếp hay gián tiếp của người khác Trong thời gian thực hiện đề tài“ Nghiên cứu, thiết kế thiết bị mang đầu cắt plasma cắt ống thép không gỉ”, em đã nhận

được rất nhiều sựgiúp đỡ của quý thầy, cô giáo, các chuyên gia, bạn bè và gia đình

Qua quá trình thực hiện đồ án, em đã ho ̣c được rất nhiều kiến thức chuyên môn bổ ích , nhìn nhận ra những thiếu sót và kinh nghiệm thực tế mà em chưa có, góp phần tạo nên sự tự tin trong công việc sau khi ra trường

Xin kính gửi lời cảm ơn đếnQuý Thầy, Cô giáo Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật TP HCM, Khoa Cơ khí Ch ế tạo máy đã tận tình giảng dạy, truyền đạt những kiến thức nền tảng, chuyên môn cho chúng em trong suốt thời gian chúng em học tập và nghiên cứu tại trường

Em xin chân thành cảm ơn quý thầy PGS.TS Đặng Thiện Ngôn, thầy ThS Trần Văn Trọn đã dành nhiều thời gian quan tâm, hướng dẫn, định hướng, truyền đạt cho em những kiến

thức khoa học quý báu và động viên em trong quá trình thực hiện đề tài

Em xin chân thành cảm ơn thầy Lê Đình Sen, giảng viên bộ môn Thực hành nghề

HànTrường Cao Đẳng Nghề Tỉnh Bà Rịa – Vũng Tàu đã quan tâm giúp đỡ em trong quá trình làm thực hành, thí nghiệm

Xin cảm ơn Gia đình đã tạo mọi điều kiện tốt nhất để em yên tâm học tập trong suốt thời gian vừa qua

TP.HCM, ngày 10 tháng 01 năm 2016

TÓM TẮT ĐỒ ÁN NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ THIẾT BỊ MANG ĐẦU CẮT PLASMA CẮT ỐNG THÉP

KHÔNG GỈ

Bài thuyết minh đồ án bao gồm các phần sau:

- Tìm hiểu thép không gỉ dạng ống và phương pháp cắt bằng hồ quang plasma;

- Phân tích, đánh giá ưu nhược điểm của các loại thiết bị mang đầu cắt plasma sẵn có;

- Đề xuất nguyên lý và phương án thiết kế của thiết bị mang đầu cắt plasma;

- Tính toán thiết kế hoàn chỉnh cụm thiết bị mang đầu cắt plasma;

Sau khi nghiên cứu và thực hiện, em đã hoàn thành mô hình thiết kế cụm thiết bị mang đầu cắt plasma, đã mô phỏng được chuyển động cắt ống thép trên phần mềm Creo Parametric 3.0, tuy nhiên mô hìnhthiết kế trên phần mềm còn nhiều hạn chế như tính thẩm

mỹ chưa đạt được tốt nhất, thiết kế cơ khí chưa được tối ưu…Vì thế, để nâng cao tính hoàn thiện, tạo ra mô hình hóa sản phẩm đạt chất lượng cao cần nghiên cứu và phát triển đồ án hơn nữa

ABSTRACT

RESEARCH AND DESIGN PLASMA CUTTING EQUIPMENT TO BRING FIRST

STAINLESS STEEL PIPE CUTTING

The report projects include the following:

- Research tubular stainless steel and method for plasma arc cutting

- Analyze and evaluate the advantages and disadvantages of various types of equipment available to bring plasma cutting;

- Proposal for principles and design options of equipment bearing plasma cutting;

- Calculation of complete design instrument cluster carries plasma cutting;

After studying and performing, I have completed the design model cluster brings plasma cutting equipment, has simulated moving cutting steel tube on Creo Parametric 3.0 software, however the pattern design on software longer limitations as aesthetic yet to reach the best mechanical design is not optimal Therefore, to improve the completeness, modeling creates high-quality product research and development to map further projects

Sinh viên thực hiện

Trần Văn Huy

MỤC LỤC

NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP i

LỜI CAM KẾT iv

LỜI CẢM ƠN iii

TÓM TẮT ĐỒ ÁN iv

MỤC LỤC v

DANH MỤC HÌNH ẢNH viii

DANH MỤC BẢNG VÀ SƠ ĐỒ iix

CHƯƠNG 1 : GIỚI THIỆU 1

1.1 Tính cấp thiết của đề tài 3

1.2 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài 3

1.2.1 Ý nghĩa khoa học 3

1.2.2 Ý nghĩa thực tiễn 3

1.3 Mục tiêu nghiên cứu của đề tài 4

1.4 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu 4

1.4.1 Đối tượng nghiên cứu 4

1.4.2 Phạm vi nghiên cứu 4

1.5 Phương pháp nghiên cứu 4

1.5.1 Cơ sở phương pháp luận 4

1.5.2 Các phương pháp nghiên cứu cụ thể 4

1.5.2.1 Phương pháp lý thuyết 4

1.5.2.2 Phương pháp thực nghiệm 4

1.6 Kết cấu của đồ án tốt nghiệp 5

CHƯƠNG 2 : TỔNG QUAN 6

2.1 Phân loại ống thép theo công nghệ 6

2.1.1 Ống thép đúc 6

2.1.2 Ống thép hàn 7

2.2 Phân loại ống thép theo vật liệu 7

2.2.1 Ống thép tròn đen 8

2.2.2 Ống thép mạ kẽm 9

2.2.3 Ống thép không gỉ 9

2.3 Sơ lượccác loại ống thép không gỉ thông dụng nhất 9

2.3.1 Ống thép không gỉ loại SS 201 9

2.3.2 Ống thép không gỉ loại SS 304 10

2.4.Công nghệ cắt ống thép không gỉ bằng hồ quang plasma (cắt plasma) 11

2.4.1 Khái niệm về plasma 11

2.4.2 Nguyên lý của phương pháp cắt plasma 13

2.4.3 Đặc điểm của phương pháp cắt plasma 13

2.4.4 Ứng dụng của phương pháp cắt plasma 14

2.4.5 Ưu, nhược điểm phương pháp cắt plasma 14

2.4.6 Máy cắt plasma 15

2.4.7 Nguyên lý hoạt động của máy cắt plasma 16

2.4.8 Chọn khí sử dụng trong cắt plasma 18

2.4.9 An toàn lao động khi sử dụng máy cắt plasma 20

2.5.Nguyên lý hoạt động của mỏ cắt plasma 22

CHƯƠNG 3 : CƠ SỞ LÝ THUYẾT 25

3.1 Các loại đầu cắt plasma trên thị trường 25

3.2.Các loại thiết bị mang đầu cắt plasma 25

3.3 Quá trình khảo sát và thực nghiệm cắt thép ống ở Trường Cao Đẳng Nghề Bà Rịa Vũng Tàu 28

3.3.1 Chuẩn bị quá trình cắt 28

3.3.2 Quá trình cắt 29

3.3.3 Kết quả thu được 30

3.3.4 Đánh giá kết luận 31

CHƯƠNG 4: ĐỀ XUẤT NGUYÊN LÝ VÀ PHƯƠNG ÁN THIẾT KẾ 33

4.1 Phân tích đối tượng theo yêu cầu đề tài 33

4.2 Đề xuất các phương án thiết kế cụm thiết bị mang đầu cắt plasma 33

4.2.1 Phương án thiết kế cơ cấu mang đầu cắt di chuyển dọc ống 34

4.2.2 Phương án thiết kế cơ cấu mang đầu cắt di chuyển vuông góc ống 35

4.2.3 Phương án thiết kế cơ cấu điều chỉnh góc cắt vát 36

4.2.4 Phương án thiết kế cơ cấu mang đầu cắt chuyển động quay tròn quanh ống 39

4.2.4.1 Phương án không sử dụng đối trọng 40

4.2.4.2 Phương án sử dụng đối trọng 40

CHƯƠNG 5: TÍNH TOÁN, THIẾT KẾTHIẾT BỊ MANG ĐẦU CẮT PLASMA 42

5.1 Kết cấu tổng thể của cụm thiết bị mang đầu cắt plasma 42

5.2 Tính toán thiết kế 42

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 47

TÀI LIỆU THAM KHẢO 49

DANH MỤCHÌNH ẢNH

Hình 2.1 Quy trình công nghệ thép hàn 7

Hình 2.2 Ống thép tròn đen 8

Hình 2.3 Ống thép mạ kẽm 9

Hình 2.4 Ống thép không gỉ 9

Hình 2.5 Khí Plasma 12

Hình 2.6 Ngọn lửa plasma 12

Hình 2.7 Sự hình thành plasma trong tự nhiên 13

Hình 2.8 Nguyên lý của phương pháp cắt plasma 13

Hình 2.9 Máy cắt plasma 100I 17

Hình 2.10 Máy cắt plasma CNC 18

Hình 2.11 Mỏ cắt và vật cắt 22

Hình 2.12 Điện cực duy trì tia plasma 22

Hình 2.13 Dòng khí phun ra 23

Hình 2.14 Khí thổi bị ion hóa 23

Hình 2.15 Sự hình thành hồ quang mồi 23

Hình 2.16 Hồ quang plasma làm nóng chảy kim loại 24

Hình 3.1 Một số loại đầu cắt plasma 25

Hình 3.2 Thiết bị cắt plasma cầm tay 25

Hình 3.3 Đầu cắt plasma được gắn trên robot 26

Hình 3.4 Đầu cắt plasma được gắn trên máy đột dập 27

Hình 3.5 Đầu cắt plasma trên các máy CNC 27

Hình 3.6 Phôi ống thép không gỉ 28

Hình 3.7 Máy cắt Plasma Elettro 74 tại xưởng bộ môn Hàn Trường Cao Đẳng Nghề BRVT 28

Hình 3.8 Động cơ điểu khiển tốc độ quay ống trên hệ thống dẫn hướng bởi con lăn 30

Hình 3.9 Thực hành cắt ống thép không gỉ bằng máy cắt plasma Elettro 74 30

Hình 3.10 Phoi sau khi cắt 31

Hình 3.11.Bề mặt mép ống sau khi cắt lần 1 31

Hình 3.12 Bề mặt mép ống sau khi cắt lần 2 31

Hình 4.1 Hình ảnh phân tích đối tượng cần thiết kế 33

Hình 4.2 Bộ truyền trục vít me đai ốc bi 34

Hình 4.3 Kết cấu cụm mang đầu cắt plasma chuyển động dọc ống 35

Hình 4.4 Kết cấu cụm mang đầu cắt plasma chuyển động vuông góc ống 36

Hình 4.5 Sơ đồ động của mâm chia tròn đơn giản 37

Hình 4.6 Kết cấu cụm mang đầu cắt plasma chuyển động xoay điều chỉnh góc cắt 38

Hình 4.8 Phương án không sử dụng đối trọng 40 Hình 4.9 Phương án sử dụng đối trọng 41 Hình 5.1 Kết cấu tổng thể cụm thiết kế thiết bị mang đầu cắt plasma 42

DANH MỤC BẢNG VÀ SƠ ĐỒ

Bảng 4.2.1 So sánh 2 phương án thiết kế cơ cấu mang đầu cắt plasma quay tròn quanh ống 29 Bảng 3.5.1 Thông số máy cắt Plasma Elettro 74 tại xưởng Hàn Trường Cao Đẳng Nghề BRVT 41

CHƯƠNG 1 : GIỚI THIỆU

Từ cuối thế kỉ XIX, vật lý, hóa học và các môn khoa học khác phát trển rất mạnh Năm

1802, nhà bác học Nga V.V Pêtơrop đã tìm ra hiện tượng hồ quang điện và chỉ ra khả năng sử dụng nhiệt của nó để làm nóng chảy kim loại Năm 1882 kỹ sư Bê-na-đớt đã dùng hồ quang cực than để hàn, cắt kim loại Năm 1888, ông Sla-vi-nốp đã áp dụng cực điện nóng chảy – cực kim loại vào hồ quang điện

Năm 1900-1902 trong công nghiệp đã sản xuất được các bít Can-xi (CaC2) và sau đó hàn khí, cắt khí đã ra đời

Các phương pháp cắt thông thường (cắt ô-xy, cắt hồ quang điện ) chỉ cho phép cắt thép cacbon thấp, không thể cắt được gang, thép hợp kim cao (trên 5%Cr), nhôm, đồng và các hợp kim của chúng, vì sau khi ô-xy hóa lớp đầu, nhanh chóng trên bề mặt kim loại chỗ bắt đầu cắt tạo nên màng ô-xýt khó chảy hoặc có độ nhớt cao Cr2O3, Al2O3, SiO2… màng ô-xýt này làm cho quá trình ô-xy hóa không tiếp tục được và bị ngắt mà muốn cắt được phải dùng phương pháp cắt bằng ô-xy thuốc Quá trình cắt bằng ô-xy thuốc dựa trên cơ sở đẩy bột thuốc vào vùng phản ứng để có thể hòa tan hay làm nóng chảy ô-xýt khó chảy và đẩy chúng khỏi rãnh cắt Điều kiện cần thiết là thuốc phải tự cháy trên mặt kim loại cắt đã được nung nóng do đó khoảng cách giữa bép cắt và mặt kim loại phải tương đối lớn, khoảng cách đó phụ thuộc chiều dày kim loại

và phương pháp đẩy thuốc Khi cắt thép không gỉ chiều dày dưới 100mm khoảng cách đó 40mm Nhiệt lượng của ngọn lửa nung nóng không những nung nóng kim loại cắt mà còn cả thuốc nữa nếu công suất của ngọn lửa đó không đủ Thuốc đẩy vào rãnh cắt sẽ không cháy hết làm cho quá trình cắt có thể không bắt đầu được, hoặc không ổn định Trên thực tế công suất ngọn lửa nung nóng trong phương pháp cắt o-xy thuốc lớn hơn phương pháp ô-xy thường 15-20%, khối lượng xỷ tạo thành khá nhiều do đó lượng tiêu hao ô-xy cũng phải nhiều để đẩy xỷ

15-ra khỏi rãnh cắt Do đó bép cắt phải dùng lớn hơn một số phương pháp cắt bằng ô-xy thường

Cắt bằng hồ quang là lợi dụng sức nóng của cột hồ quang để thổi kim loại nóng chảy và lợi dụng sức thổi của hồ quang để cắt đứt kim loại nóng chảy tạo thành đường cắt

Mặt cắt do hồ quang cắt ra sần sùi, đồng thời đường cắt cũng rộng Do đó cắt hồ quang nói chung thường dùng để cắt kim loại không thể cắt bằng ô-xy được, ví dụ như gang, đồng, thép không gỉ v.v…

Các phương pháp cắt đặc biệt (cắt o-xy dùng bột kim loại, cắt điện và điện o-xy, cắt xy-dây kim loại) cũng không đảm bảo mạch cắt bằng phẳng và năng suất cao

ô-Vào năm 1923 một khái niệm vật lý về một trạng thái đặc biệt của khí được gọi là Plasma Trong trạng thái này, các khí trở nên dẫn điện do kết quả của sự ion hoá của các nguyên tử khí Do đó nó được biểu thị tương ứng với trạng thái thứ tư của vật chất

Để đưa đến trạng thái i-on hóa của các khí, cần phải có một nguồn năng lượng thích hợp nhất đó là nhiệt của hồ quang điện Bởi vậy có thể coi plasma là một dạng hồ quang đặc biệt

mà nhiệt độ của nó được nâng cao rất nhiều Trong kỹ thuật người ta còn gọi nó là hồ quang khuếch đại (tăng cường) Với hồ quang plasma sẽ đáp ứng được các mục đích kỹ thuật, đặc biệt

là trong hàn, cắt kim loại

Với khả năng tác dụng kỹ thuật đặc biệt này nên công nghệ, thiết bị cắt plasma đã thu hút rất nhiều nhà nghiên cứu và nhà sản xuất, rất nhiều tài liệu kỹ thuật, nhiều đề tài nghiên cứu khoa học liên quan đến nó được công bố với số lượng tăng cao hàng năm về cả lý thuyết cũng như vấn đề thực tiễn sản xuất, phạm vi ứng dụng của plasma ngày càng được mở rộng Ở các nước có nền công nghiệp phát triển như: Anh, Pháp, Mỹ , Đức đã ứng dụng công nghệ cắt plasma vào các ngành đóng tàu, gia công đường ống, xây dựng nhà máy điện nguyên tử, chế tạo máy, hóa chất trong ngành luyện kim

Tới năm 1955 khó khăn khi cắt thép hợp kim, nhôm, đồng và bất cứ kim loại và hợp kim nào đã được giải quyết nhờ hãng Linder (Mỹ) đưa ra được quá trình cắt Heli-Arc và khi phương pháp này phổ biến thì lấy tên Cắt bằng tia plasma (cắt plasma) Cho đến nay thì việc nghiên cứu khoa học và ứng dụng công nghệ cắt Plasma, ứng dụng thiết bị năng lượng Plasma

và nguồn cung cấp vẫn không ngừng được nghiên cứu cải tiến và phát triển, các thế hệ máy mới liên tục được ra đời nhằm nâng cao chất lượng cắt, tốc độ cắt, nâng cao độ an toàn, giảm độc hại trong quá trình cắt cũng như khả năng ghép nối chúng vào hệ thống sản xuất linh hoạt FMS Máy cắt Plasma điều khiển chương trình số ngày càng được ứng dụng rộng rãi trong gia công tấm

Cắt plasma được phát triển vào năm 1960 và năm 1980 nổi lên như một phương pháp hữu hiệu cho cắt các tấm thép lá và thép tấm.Nó tạo ít phôi vụn và bề mặt chế tạo chính xác hơn, sạch hơn, nên nó sớm được phát triển rộng rãi.Với sự phát triển của máy công cụ, công nghệ CNC được áp dụng vào cắt plasma trong nhưng năm sau 1980 đến năm 1990, mang lại sự linh hoạt và chính xác hơn trước

Trong những năm gần đây máy cắt kim loại NC, CNC đã được nhập nhiều vào Việt Nam và hiện nay đang được hoạt động trong một số nhà máy, viện nghiên cứu, các công ty liên doanh, các trường đào tạo cán bộ kỹ thuật, các trường đào tạo nghề nhưng hiệu quả khai thác các máy còn hạn chế

Thiết nghĩ, nghiên cứu công nghệ cắt kim loại bằng plasma và khả năng ứng dụng trong thực tế sản xuất từ đó nghiên cứu, thiết kế, chế tạo thiết bị mang đầu cắt plasma để cắt thép ống không gỉ cũng là một vấn đề quan trọng

1.1 Tính cấp thiết của đề tài

Thép dạng ống nói chung và thép không gỉ dạng ống nói riêng có vai trò rất quan trọng trong các công trình xây dựng, thủy điện, dầu khí, giao thông, hoá chất, thực phẩm…Trải qua gần một thế kỷ ra đời và phát triển, ngày nay thép không gỉ đã được dùng rộng rãi trong mọi lĩnh vực dân dụng và công nghiệp với hơn 100 mác thép khác nhau

Ống thép nói chung và ống thép không gỉ nói riêng hiện nay được sử dụng nhiều trong các công trình xây dựng từ nhà cửa, nhà xưởng… đến những công trình lớn của đất nước như trong hoạt động vận chuyển các dung dịch trong các khu công nghiệp, vận chuyển nước từ nhà máy đến các hộ dân, trong hoạt động khai thác dầu mỏ, khí đốt, sự thông dụng của ống thép

đã trở nên phổ biến với từng người dân Ở nước ta hiện tại nhu cầu sử dụng ống thép không gỉ trong sản xuất và đời sống là rất lớn, để đáp ứng nhu cầu đó phôi thép ống không gỉ phải được tạo ra một cách nhanh chóng, liên tục Việc gia công cắt ống thép với thiết bị sử dụng hiện tại được mua hoàn toàn từ nước ngoài do chúng ta chưa làm chủ được vì một số lý do sau:

- Phương pháp cắt plasma chưa được ứng dụng nhiều ở nước ta

- Chưa có nhiều nghiên cứu trong nước về thiết bị cắt plasma

- Chi phí đầu tư thiết bị cắt ống thép tương đối cao

Qua đó, ta thấy các nghiên cứu về phương pháp cắt ống bằng công nghệ plasma và giải quyết bài toán tìm ra thiết bị mang đầu cắt luôn có ý nghĩa lớn trong việc đảm bảo năng suất cắt thép ống, chất lượng bề mặt ống thép sau khi cắt

1.2 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài

1.2.1 Ý nghĩa khoa học

- Đề xuất được nguyên lý, kết cấu của thiết bị mang đầu cắt ống thép không gỉ

- Xác định được qui trình cắt plasma cắt ống thép không gỉ và đánh giá chất lượng ống sau khi cắt

1.2.2 Ý nghĩa thực tiễn

- Làm chủ được công nghệ cắt hồ quang plasma để tăng năng suất cắt kim loại dạng ống

và hạn chế khuyết tật khi cắt, kiểm tra đánh giá chất lượng bề mặt cắt

- Tạo cơ sở để tối ưu hóa các thông số đầu vào cho quy trình cắt ống thép bằng công nghệ cắt hồ quang plasma

- Cơ sở phát triển quy trình cắt plasma thành tự động

1.3 Mục tiêu nghiên cứu của đề tài

- Thiết kế thiết bị mang đầu cắt plasma với các loại đầu cắt và máy cắt plasma đã có sẵn

- Thiết lập qui trình sử dụng và vận hành của thiết bị

1.4 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

1.4.1 Đối tượng nghiên cứu của đề tài

- Các loại ống thép dùng trong công nghiệp Đặc biệt là các loại ống thép không gỉ SS201 và SS304

- Các phương pháp cắt ống thép không gỉ

- Công nghệ cắt ống thép bằng phương pháp cắt hồ quang plasma

1.4.2 Phạm vi nghiên cứu

Phạm vi nghiên cứu của đề tài là:

- Ống thép không gỉ có đường kính từ 100 mm tới 150 mm (4 inches – 6 inches)

- Các loại máy cắt plasma và các loại thiết bị mang đầu cắt sẵn có trên thị trường và trong phòng thí nghiệm

- Vật liệu ống cắt, cơ tính, chế độ cắt…

- Sử dụng phần mềm creo 3.0 trong thiết kế thiết bị mang đầu cắt plasma và mô phỏng chuyển động quá trình cắt

1.5 Phương pháp nghiên cứu

1.5.1 Cơ sở phương pháp luận

- Nghiên cứu đi từ phân tích lý thuyết, nguyên lý từ đó đưa ra yêu cầu thiết kế

- Dựa vào yêu cầu thiết kế dùng phần mềm mô phỏng đưa ra nhiều phương án từ đó lựa chọn phương án tốt nhất

- Từ phương án thiết kế được chọn tiến hành chế tạo thiết bị, thử nghiệm đánh giá thiết

1.5.2.2 Phương pháp thực nghiệm

- Dùng phương pháp thử và sai để có các số liệu hoàn chỉnh trong phần thiết kế và kết cấu

- Phân tích, đánh giá kết cấu thiết kế bằng các phần mềm mô phỏng để xác định kết cấu khả thi nhất

- Dựa vào thiết kế đề xuất chế tạo nguyên mẫu thiết bị, sau đó đưa vào thử nghiệm để hoàn chỉnh thiết kế, xác định qui trình vận hành và đánh giá chất lượng ống

1.6 Kết cấu của đồ án tốt nghiệp

Kết cấu đồ án tốt nghiệp gồm 5 chương:

Chương 1: Trình bày giới thiệu

Chương 2: Trình bày tổng quan

Chương 3: Cơ sở lý thuyết

Chương 4: Trình bày đề xuất nguyên lý và đề xuất phương án thiết kế

Chương 5: Trình bày tính toán, thiết kế

Kết luận và kiến nghị

CHƯƠNG 2 : TỔNG QUAN

Thép ống là một thành phần quan trọng của sản phẩm ngành thép Căn cứ vào công nghệ sản xuất và hình dáng phôi sử dụng chế tạo, người ta lại chia ra thành 2 loại lớn gồm: ống thép đúc (phôi tròn) và ống thép hàn ( phôi tấm, lá)

2.1 Phân loại ống thép theo công nghệ

2.1.1 Ống thép đúc

Căn cứ vào công nghệ chế tạo chia ra gồm ống thép đúc cán nóng và ống thép đúc cán nguội, ống thép đúc cán nguội lại gồm ống tròn và ống hộp với các thành phần và tính năng như sau:

- GB/T8162-1999 (ống đúc kết cấu): chủ yếu dùng trong kết cấu thông thường và kết cấu máy Nguyên liệu chủ yếu (mác thép) là: thép cacbon 20, thép 45, thép hợp kim Q345, 40Cr,

20 CrMo, 30-35 CrMo, 42CrMo v.v

- GB/3087-1999 (ống đúc dùng trong lò áp lực thấp và vừa) : chủ yếu dùng trong công nghiệp lò luyện và ống dẫn dung dịch áp lực thấp và vừa trong lò thông thường Tiêu biểu là loại thép số 10, 20

- GB/5310-1995 (ống dùng trong lò cao áp ): chủ yếu dùng làm ống dẫn dung dịch, ống nước trong trạm thuỷ điện và lò chịu nhiệt trạm điện hạt nhân Mác thép tiêu biểu là 20G, 12Cr1MoVG, 15CrMoG…

- GB/5312-1999 (dùng trong công nghiệp đóng tàu): chủ yếu là ống chịu áp cấp I,II dùng trong máy qua nhiệt Tiêu biểu là thép 360,410,460

- GB/1479-2000 (ống dẫn thiết bị hoá chất áp lực cao): chủ yếu dùng dẫn dung dịch áp lực cao trong thiết bị hoá chất Tiêu biểu là thép 20,16Mn, 12CrMo, 12Cr2Mo …

- GB9948-1988 (ống đúc dùng trong dầu khí) Dùng làm ống dẫn dung dịch trong lò luyện dầu khí Mác thép sử dụng: 20, 12CrMo, 1Cr19Ni11Nb

- API SPEC5CT-1999 (ống dẫn dầu): loại ống thông dụng do hiệp hội dầu mỏ Mỹ ( Amrican Petreleun Instiute gọi tắt API) công bố trên toàn thế giới Trong đó: ống lồng là loại ống dùng để lồng vào trong giếng khoan dầu, ống dùng làm thành giếng Thép chủ yếu dùng là J55,N80, P110

- API SPEC 5L-2000: loại ống được sử dụng trên toàn thế giới do hiệp hội dầu mỏ Mỹ công bố Loại thép chủ yếu sử dụng là: B, X42, X65, X70

2.1.2 Ống thép hàn

Hình 2.1 Quy trình công nghệ thép hàn Phôi nguyên liệu chủ yếu sử dụng là thép tấm và thép lá Căn cứ vào công nghệ hàn mà chia ra thành ống hàn lò, ống hàn điện và hàn tự động Căn cứ vào hình thức hàn chia làm 2 loại ống hàn là ống hàn thẳng và ống hàn xoắn, căn cứ vào hình dáng đầu hàn chia ra làm hàn tròn và hàn dị hình (vuông, vát…) Căn cứ vào nguyên liệu và mục đích sử dụng chia ra các loại:

- GB/T3092-1993, GB/T3091-1993 (ống hàn mạ kẽm áp lực thấp): chủ yếu dùng dẫn nước, khí, không khí, khí chưng, các loại dung dịch áp lực thấp và các mục đích khác Loại thép dùng là Q235A

- GB/T14291-1992 (ống hàn dẫn dung dịch khoáng sản): chủ yếu dùng ống hàn thẳng dẫn nước thải trên núi Nguyên liệu chủ yếu là Q235A, thép B

- GB/T142980-1994 (ống hàn điện đường kính lớn dẫn dung dịch áp lực thấp) Chủ yếu dùng dẫn nước, khí, không khí và các mục đích khác Nguyên liệu chủ yếu là Q235A

- GB/T12770-1991 (ống hàn không gỉ dùng trong kết cấu cơ khí): chủ yếu dùng trong các kết cấu cơ khí, xe hơi, xe đạp, đồ gia dụng, khách sạn Nguyên liệu chủ yếu là thép 0Cr13, 1Cr17, 00Cr19Ni11, 1Cr18Ni9, …

- GB/T12771-1991 ( ống hàn không gỉ dùng dẫn dung dịch) : Mác thép chủ yếu là 0Cr13, 0Cr19Ni9, 00CrNi11, 00Cr17, …

2.2 Phân loại ống thép theo vật liệu

- Tiêu chuẩn : ASTM - GB/T 3091

- Tiêu chuẩn độ dày : SCH5, SCH10, SCH40, SCH80, XXS…

Hình 2.3 Ống thép mạ kẽm

2.2.3 Ống thép không gỉ (inox)

Thép không gỉ hay còn gọi là inox là một dạng hợp kim sắt chứa tối thiểu 10,5% Crôm,

nó ít bị biến màu hay bị ăn mòn như thép thông thường khác

Thành phần hóa học chính của thép không gỉ bao gồm crôm, niken, mô-lip-đen, nitơ, carbon Thép không gỉ được phân làm 4 loại chính: Austenitic, Ferritic, Austenitic-Ferritic (Duplex), Martensitic

Hình 2.4 Ống thép không gỉ Kích thước của ống thép không gỉ giới hạn về đường kính từ 13.72 mm tới 508 mm được tra theo bảng tiêu chuẩn ống thép không gỉ ATSM A312 / 778 JIS G3459

Hiện nay, hai loại thép không gỉ thông dụng nhất là SS201 và SS304, thuộc loại Austenitic

2.3 Sơ lược các loại ống thép không gỉ thông dụng nhất

2.3.1 Ống thép không gỉ loại SS 201 (Inox 201)

Như đã biết, thì Inox là một loại thép có chứa hơn 11% Chrom, chính vì điều này đã

tạo cho Inox một lớp màng tự bảo vệ chống lại sự ăn mòn Còn Niken được biết đến như là yếu tố chính mang lại sự ổn định cho pha Austenitic và khả năng gia công tuyệt vời cho Inox

Trong Inox 201, thì người ta sử dụng Magan như là nguyên tố chính để thay thế Niken theo tỉ lệ 2:1 Chúng ta có thể thấy theo thành phần hóa học như sau:

+ Inox 201: 4.5% Niken và 7.1% Mangan

Trong tình hình giá của Niken tăng liên tục thì những dòng Inox chứa hàm lượng Niken thấp, giá cả thấp và ổn định mang lại sự hấp dẫn thực sự Và Inox 201 là một lựa chọn phù hợp, mác Inox ngày càng được dần chiếm được nhiều thị trường, những nơi mà Inox 304

và Inox 201 là lựa chọn chủ yếu Inox 201 có giá cả thấp và ổn định là do dùng Magan để thay thế cho Niken Chính điều này làm cho Inox 201 có nhiều tính chất tương tự Inox 304 và

có được bề ngoài giống như Inox 304

2.3.2 Ống thép không gỉ loại SS 304 (Inox 304)

Inox 304 là loại Inox phổ biến và được ưa chuộng nhất hiện nay trên thế giới Inox 304 chiếm đến 50% lượng thép không gỉ được sản xuất trên toàn cầu Và ở Úc thì con số này dao động từ 50%-60% lượng thép không gỉ được tiêu thụ Inox 304 được sử dụng trong hầu hết các ứng dụng ở mọi lĩnh vực Bạn có thể thấy inox 304 ở mọi nơi xung quanh cuộc sống hàng ngày của bạn như: Xoong, chảo, nồi, thìa, nĩa, bàn, ghế, đồ trang trí…

Loại Inox 304L là loại inox có hàm lượng Carbon thấp (Chữ L ký hiệu cho chữ Low, trong tiếng Anh nghĩa là thấp) 304L được dùng để tránh sự ăn mòn ở những mối hàn quan trọng Còn loại Inox 304H là loại có hàm lượng Carbon cao hơn 304L, được dùng ở những nơi đòi hỏi độ bền cao hơn Cả Inox 304L và 304H đều tồn tại ở dạng tấm và ống, nhưng 304H thì ít được sản xuất hơn

Tính chống ăn mòn:

Inox 304 đã thể hiện được khả năng chống ăn mòn tuyệt vời của mình khi được tiếp xúc với nhiều loại hóa chất khác nhau Inox 304 có khả năng chống gỉ trong hầu hết ứng dụng của ngành kiến trúc, trong hầu hết các môi trường của quá trình chế biến thực phẩm và rất dễ

vệ sinh Ngoài ra, Inox 304 còn thể hiện khả năng chống ăn mòn của mình trong ngành dệt nhuộm và trong hầu hết các Acid vô cơ

Khả năng chịu nhiệt:

Inox 304 thể hiện được khả năng oxi hóa tốt ở nhiệt độ 870 độ C, và tiếp tục thể hiện được lên đến nhiệt độ 925 độ C Trong những trường hợp yêu cầu độ bền nhiệt cao, thì người

ta yêu cầu vật liệu có hàm lượng carbon cao hơn Ví dụ: Theo tiêu chuẩn AS1210 Pressure Vessels Code giới hạn khả năng chịu nhiệt của 304L là 425 độ C, và cấm sử dụng những inox

304 với hàm lượng carbon 0.04% hoặc cao hơn trên nhiệt độ 550 độ C

Inox 304 thể hiện khả năng dẻo dai tuyệt vời khi được hạ đến nhiệt độ của khí hóa lỏng

và người ta đã tìm thấy những ứng dụng tại những nhiệt độ này

Cơ tính và tính chất vật lý:

Giống như các loại thép trong dòng Austenitic, thì từ tính của Inox 304 là rất yếu và hầu như là không có Nhưng sau khi làm việc trong môi trường có nhiệt độ thấp, thì từ tính lại rất mạnh (điều này đi ngược lại với quá trình tôi)

Ngoài ra, Inox 304 chỉ có thể được tăng cứng trong môi trường có nhiệt độ thấp Ứng suất đàn hồi cao nhất mà Inox 304 có thể đạt được là 1000MPa, điều này còn được ảnh hưởng bởi các yếu tố như số lượng và hình dạng của vật liệu

Tôi là phương pháp chính để sản xuất ra Inox 304 Người ta sẽ gia nhiệt lên đến 1010

độ C – 1120 độ C, và sau đó sẽ làm lạnh đột ngột bằng cách nhúng vào nước lạnh

Khả năng gia công

Inox 304 có khả năng tạo hình rất tốt, nó có thể dát mỏng mà không cần gia nhiệt Điều này làm cho Inox này độc quyền trong lĩnh vực sản xuất các chi tiết Inox

Ví dụ: chậu rửa, chảo, nồi… Ngoài ra, tính chất này còn làm cho Inox 304 được ứng dụng làm dây thắng trong công nghiệp và các phương tiện như ô tô, xe máy, xe đạp…

Inox 304 thể hiện khả năng hàn tuyệt vời, loại inox này phù hợp với tất cả các kỹ thuật hàn (trừ kỹ thuật hàn gió đá) Khả năng cắt gọt của Inox 304 kém hơn so với các loại thép Carbon, khi gia công vật liệu này trên các máy công cụ, thì phải yêu cầu tốc độ quay thấp, quán tính lớn, dụng cụ cắt phải cứng, bén và không quên dùng nước làm mát

Việc gia công cắt gọt các ống thép với các biên dạng hình học khác nhau trên ống thép

có chiều dài, độ dày ống khác nhau và chất lượng bề mặt ống cắt là một vấn đề lớn cần thiết nghiên cứu

Đặt vấn đề: Làm thế nào để cắt ống thép không gỉ với bề dày tương đối lớn (≥ 6 mm) Như chúng ta đã biết, đối với các ống thép inox có độ dày thành ống ≥ 6 mm thì chúng

ta không thể cắt được bằng các loại cưa cầm tay hoặc cắt bằng gió đá (hỗn hợp khí oxi – axetilen) Với công nghệ hiện nay, để đảm bảo năng suất cắt mang tính kinh tế thì một phương pháp hữu hiệu đó là cắt bằng hồ quang plasma Vậy plasma là gì? Tại sao có thể cắt bằng plasma? Quy trình cắt ra sao?

2.4 Công nghệ cắt ống thép không gỉ bằng hồ quang plasma (cắt plasma)

2.4.1 Khái niệm về plasma

Plasma - “Dạng vật chất thứ tư”

Ba trạng thái đầu tiên của vật chất là: chất rắn, chất lỏng và chất khí

Khi bổ sung nhiệt lượng vào khí, khí bị ion hóa Sự ion hóa khí là sự biến đổi trạng thái cuối cùng Khí ở trạng thái dẫn điện được gọi là plasma

Trạng thái thứ tư của vật chất được gọi là PLASMA Khí ion hóa với các đặc tính của

nó là cơ sở chủ yếu để các hệ thống plasma hoạt động

Hình 2.5 Khí plasma Plasma là tập hợp các hạt tích điện bao gồm số lượng tương đương các ion dương và các điện tử và có vài đặc tính của khí nhưng khác với khí là có tính dẫn điện tốt” Sự ion hóa khí tạo ra các điện tử tự do và các ion dương giữa các nguyên tử khí Khi điều này xảy ra, khí trở thành dẫn điện với khả năng mang dòng điện Như vậy, plasma hình thành - đó là hình thái phong phú nhất của vật chất trong vũ trụ

Hình 2.6 Ngọn lửa plasma Một ví dụ của plasma được thấy trong tự nhiên là hiện tượng tia chớp thường hay xảy

ra khi bầu trời có mưa giông Giống như tia plasma phát ra từ mỏ plasma, tia chớp phóng từ

vị trí này sang vị trí khác, giữa hai đám mây tích điện Trong không gian hình thành tia chớp,

các loại khí trong không trung là khí ion hóa, trở nên dẫn điện

Hình 2.7 Sự hình thành plasma trong tự nhiên

2.4.2 Nguyên lý của phương pháp cắt plasma

Cắt bằng Plasmalà một quá trình trong đó để cắt thép và các kim loại khác ở các độ dày cắt khác nhau sử dụng mỏ cắt plasma Trong phương pháp này khí trơ ( hoặc không khí nén ) được thổi qua vòi phun với áp suất ccao, cung thời điểm dòng hồ quang điện cũng truyền qua dòng khí này từ vòi phun đến bề mặt vật cắt, chuyển một phần khí sang thành Plasma Plasma

có nhiệt độ cao làm nóng chảy kim loại vật cắt, khí thổi với áp suất cao đủ để thổi kim loại nóng chảy ra khỏi mặt cắt

Hình 2.8 Nguyên lý của phương pháp cắt plasma

2.4.3 Đặc điểm của phương pháp cắt plasma

Plasma gồm các ion được gia tốc lớn nên có động năng rất mạnh Nhiệt độ của tia plasma rất lớn (10000°C) do tập trung năng lượng cao nên có thể làm nóng chảy tức thời kim

loại trên đường đi của nó

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 làn so với cắt khí, đường cắt cao hơn hẳn, sạch sẽ không gây ô nhiễm môi trường, không gây nguy cơ cháy nổ, linh hoạt, giảm chi phí vận hành và mau hoàn vốn

Máy plasma có nhiều loại khác nhau, tuy giá đắt nhưng do hiệu quả sử dụng nên tùy theo yêu cầu và cân nhắc những hiệu quả kinh tế mà ta lựa chọn máy cho phù hợp

2.4.4 Ứng dụng của phương pháp cắt plasma

 Sản xuất dụng cụ và chế tạo máy

 Sản xuất thiết bị nhà bếp bằng inox và các thiết bị liên quan đến biển báo, biển quảng cáo

 Đóng và sửa chữa tàu

 Sản xuất ống gió cho hệ thống HVAC

 Sản xuất tủ điện

 Sản xuất máy biến áp công nghiệp

 Trang trí nội ngoại thất / thiết kế mỹ thuật

 Ứng dụng trong kỹ thuật cơ khí tổng quát

2.4.5 Ưu, nhược điểm của phương pháp cắt plasma

 Ưu điểm của phương pháp cắt Plasma

Phương pháp cắt plasma có các lợi thế đối với phương pháp cắt laser, và cắt oxy-gas: Tốc độ cắt nhanh: Tốc độ cắt plasma nhanh hơn cắt oxy-gas khi thực hiện với các tấm dày dưới 50mm Tốc độ cắt plasma nhanh hơn cắt laser khi thực hiện với các tấm dày hơn 3mm Tốc độ cắt nhanh giúp tăng năng xuất, giảm giá thành chung sản xuất

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

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 của phương pháp 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

2.4.6 Máy cắt plasma

2.4.6.1 Giới thiệu về máy cắt Plasma

Máy cắt plasma là một loại máy cắt được sử dụng công nghệ tiên tiến nhất hiện nay, có suất xứ

là các nước phát triển các ngành công cơ khí công nghệ cao

Có 3 loại công nghệ chế tạo máy cắt Plasma là: Diote, thyristor và inverter Hiện tại, máy cắt Plasma được chế tạo theo công nghệ Inverter đang dần dần được sử dụng thay thế cho các loại máy cắt Plasma khác nhờ ưu điểm gọn nhẹ, hiệu suất cắt và chất lượng cắt cao

Máy cắt Plasma được sử dụng rất hiệu quả để để cắt các tấm kim loại có độ cứng cao (kể cả thép đen) và có chiều dày trên 10mm

Máy cắt Plasma rất phù hợp để cắt các tấm kim loại màu như là : inox, nhôm, đồng,

… mà phương pháp cắt bằng Oxy – gas và các loại máy cắt khác không thể thực hiện được

2.4.6.1 Các loại máy cắt Plasma

Hiện nay trên toàn thế giới nói chung và nước ta nói riêng thì các loại máy cắt plasma được chia là 2 loại cơ bản nhất đó là :

Ưu điểm của máy cắt plasma tự động :

Người điều khiển máy chủ yếu đóng vai trò theo dõi kiểm tra các chức năng hoạt động của máy, và ít phụ thuộc và tay nghề của người thợ

Máy công cụ CNC có tính linh hoạt cao trong công việc lập tŕnh , đặc biệt khi có trợ giúp của máy vi tính, tiết kiệm được thời gian chỉnh máy, đạt được tính kinh tế cao ngay cả với loạt sản phẩm nhỏ

Ưu điểm chỉ có trong máy công cụ CNC đó là phương thức làm việc với hệ thống xử

lư thông tin “ điện tử – số hóa “, cho phép nối ghép các hệ thống xử lư sè trong phạm vi quản

lý của toàn xí nghiệp và tạo điều kiện mở rộng tự động hóa toàn bộ quá trình sản xuất, ứng dụng các kỹ thuật hiện đại thông qua mạng liên thông cục bộ (LAN) hay mạng liên thông toàn cầu(WAN)

Các máy ứng dụng kỹ thuật CNC đạt tốc độ dịch chuyển lớn.Trong lĩnh vực gia công cắt gọt, máy công cụ CNC có năng suất cắt gọt cao và giảm được tối đa thời gian phô, do mức

tự động hoá nâng cao vượt bậc

Máy công cụ CNC có thể dễ dàng thay đổi chương trình gia công, thiết thực với các loại chi tiết khác nhau, thời gian chuẩn bị và hiệu chỉnh kỹ thuật tại khu vực làm việc giảm đáng kể

Máy điều khiển kỹ thuật số có thể thực hiện một lúc nhiều chuyển động khác nhau, tự động điều chỉnh sai sè dao cụ, tự động khiểm tra kích thước chi tiết và qua đó tự động hiệu chỉnh sai lệch vị trí tương đối giữa dao và chi tiết

Máy công cụ CNC gia công được loạt chi tiết nhỏ, phản ứng một cách linh hoạt khi nhiệm vụ công nghệ thay đổi và điểm quan trọng nhất là việc lập trình gia công có thể thực hiện được ngoài máy, trong văn phòng có sự hỗ trợ của kỹ thuật tin học thông qua các thiết bị

2.4.7 Nguyên lý hoạt động của máy cắt plasma

Hiện nay có 2 loại thiết bị cắt plasma tiêu biểu là máy cắt plasma bằng tay và máy cắt plasma CNC tự động

Hình 2.9 Máy cắt Plasma 100 I Đầu tiên khi một tín hiệu khởi động được gửi đến bộ nguồn cung cấp Điều này đồng thời kích hoạt điện áp và dòng khí đến đầu cắt Chú ý rằng vòi phun được nối đến cực dương của bộ nguồn thông qua một điện trở và relay (gọi là Plot arc relay), trong khi vật liệu cần cắt được nối trực tiếp đến cực dương Luồng khí đi qua vòi phun và thoát ra ngoài Không có tia

hồ quang ở thời điểm này, cũng như không có dòng điện chạy qua nguồn DC

Sau khi dòng khí ổn định, mạch khởi động hồ quang bắt đầu làm việc Với điện áp do mạch này tạo ra khoảng từ 5000 – 10000 VAC ở tần số cao, tia lửa điện sẽ được phóng qua giữa điện cực và vòi phun bên trong đầu cắt, nơi dòng khí làm cho nó bị ion hóa và trở nên dẫn điện Dòng khí dẫn điện này tạo thành đường dẫn điện giữa điện cực và vòi phun và kết quả là hồ quang plasma được tạo thành Dòng khí này buộc tia hồ quangđi qua lỗ của vòi phun ra ngoài, tạo thành dòng mồi hồ quang (Pilotarc)

Khi vòi phun đủ gần với vật liệu cần cắt, dòng hồ quang mồi sẽ đánh vào vật liệu như

là đường dẫn dòng điện đến cực dương (của bộ nguồn) mà không bị giới hạn bởi điện trở như vòi phun nối đến cực dương Dòng điện chảy qua vật liệu được nhận biết bởi bộ nguồn Khi dòng điện này được phát hiện bộ khởi động hồ quang ngưng làm việc và pilot relay sẽ mở ra Dòng khí ion hóa được duy trì với năng lượng từ hồ quang của nguồn điện một chiều Nhiệt độ của hồ quang plasma sẽ làm chảy kim loại, đánh thủng qua tấm phôi và dòng khí với tốc độ cao sẽ thổi bay vật liệu nóng chảy từ phía dưới của đường cắt Tại thời điểm này đầu cắt bắt đầu di chuyển và qui trình cắt bắt đầu

Hình 2.10 Máy cắt plasma CNC Trường hợp đầu cắt Plasma được gắn trên máy CNC (Máy cắt plasma CNC), bộ điều khiển của máy CNC sẽ cảm ứng tín hiệu từ bộ nguồn plasma cho biết dòng hồ quang plasma

đã được thiết lập thành công Lúc đó máy CNC sẽ bắt đầu di chuyển đầu cắt theo bản vẽ Đồng thời cho phép bộ điều khiển độ cao đầu cắt plasma (THC – Torch Height Controller) hoạt động, thiết bị này sẽ tự động cảm ứng và điều khiển độ cao đầu cắt lên xuống theo độ cong vênh của vật liệu, để đảm bảo độ cao của vòi phun so với bề mặt liệu luôn ổn định ở độ cao mong muốn

2.4.8 Chọn loại khí sử dụng trong cắt plasma

Môi trường khí tạo plasma phải bảo đảm: tạo dáng hữu hiệu cho hồ quang cắt; tạo bề mặt cắt chất lượng cao; truyền nhiệt hữu hiệu vào kim loại vật cắt; tuổi thọ cao cho các chi tiết của mỏ cắt; bổ sung thêm nhiệt cắt thông qua phản ứng tỏa nhiệt và có tính kinh tế an toàn

Các khí tạo plasma hay dùng là nitơ, argon, hydro, oxi, không khí nén Khí trơ cho bề mặt cắt sạch nhất, thích hợp cho kim loại màu Khí O2 nguyên tử có tác dụng cải thiện việc truyền năng lượng vào hồ quang cho vật cắt thông qua cơ chế phân ly - tái hợp Khí chứa oxi

có hiệu quả năng lượng cao khi cắt, tạo phản ứng tỏa nhiệt của oxi với vật liệu cắt, cho năng suất cao Khí được sử dụng nhiều nhất là không khí nén Có thể bổ sung nước vào mỏ cắt để cải thiện chất lượng bề mặt cắt thép và tăng tốc độ cắt Cũng có thể bổ sung khí cháy để tăng tốc độ cắt đồng và hợp kim đồng và cải thiện chất lượng bề mặt cắt

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

Đây 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 min 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 nito 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, nhưng cắt plasma sử dụng khí oxy bù lại với năng xuất cao và chất lượng mối cắt tốt

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 nito Nước đảm bảm đường cắt nhẵn bóng khi cắt nhôm, thép không gỉ Khi sử dụng với nước cắt plasma nito thường sử dụng bàn cắt nước

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 min với thép không rỉ, Nito 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