Mục lục Trang 1. giới thiệu chủ đề nghiên cứu: 1.1 giới thiệu lĩnh vực nghiên cứu. 3 1.2 giới thiệu vấn đề nghiên cứu và mục đích nghiên cứu. 4 1.3 giới thiệu lịch sử hình thành và nguồn phát laser trong các máy cắt. 6 2. tổng quan về nghiên cứu: 2.1 tổng quan các tài liệu liên quan tới vấn đề nghiên cứu. 8 2.2 Phần nghiên cứu của các tác giả trước. 2.2.1 các nhân tố ảnh hưởng tới kết quả bề mặt gia công của phôi. 9 2.2.2 Nghiên cứu độ nhám bền mặt khi cắt thép các bon thấp. 13 2.2.3 chất lượng bề mặt sau khi cắt laser. 15 2.3 Kết luận các phần nghiên cứu trên. 18 3. đề xuất hướng nghiên cứu sử dụng nguồn laser cắt thép các bon thấp: 3.1 mục tiêu nghiên cứu. 20 3.2 Phương pháp nghiên cứu. 20 3.3 Các công cụ cần thiết cho nghiên cứu. 20 3.4 Dự kiến kết quả đạt được. 22 3.5. hướng phát triển. 23 4. Kết luận: 24 -Các mục tiêu đã đạt được của các nghiên cứu trước. - Các tồn tại của các nghiên cứu trước. 5. tài liệu tham khảo. 24 Lời nói đầu Phương pháp gia công(cắt) kim loại bằng tia laser là một trong các phương pháp gia công đặc biệt nó là một môn khoa học trong ngành kỹ thuật cơ khí. Phương pháp này ra đời nhằm thay thế giải quyết cho các phương pháp gia công truyền thống như:tiện, phay, bào, hàn,chuốt…vì gia công truyền thống không gia công được hoặc gia công không đạt hiệu quả kinh tế kỹ thuật đối với vật liệu mới vì vật liệu mới hiện nay có đặc điểm:độ cứ,độ bền cao,khả năng chụi mài mòn tốt chụi đựng được trong các môi trương hóa chất… Phương pháp gia công đặc biệt có khẳ năng gia công được tất cả các loại vật liệu mới với bất kỳ cơ tính nào,gia công được hầu hết các chi tiết phức tạp,tiết kiệm được nguyên vật liệu, đạt độ chính xác cao và hoàn toàn cơ khí hóa tự động hóa Trong bài tiểu luận cơ khí này, giới thiệu về phương pháp gia công lase khả năng công nghệ và các đặc điểm kỹ thuật, các nhân tố ảnh hưởng, các nghiên cứu của các tác giả trước về tác động tới phôi khi gia công với nguồn năng lượng này đồng thời đưa ra hướng hạn chết một số các nhược điểm thông qua thực nghiệm như có thế cắt ở chế độ nào phù hợp nhất với vật liệu nào tốt nhất. Bài tiểu luận chắc chắn vẫn còn nhiều thiếu xót mong các thầy cô giáo và các bạn bổ xung và sửa chữa cho bài dần được hoàn thiện hơn. Chúng em xin cảm ơn! 1.Giới thiệu đề tài nghiên cứu 1 Giới thiệu về lĩnh vực nghiên cứu - Gia công cơ khí là việc sử dụng những công cụ máy móc, thiết bị, phôi đề tạo ra ra các chi tiết phù hợp với yêu cầu . có nhiều các phương pháp gia công khác nhau: hàn ,cắt, dập, đúc … . Trong đó gia công cắt gọt được phổ biến hơn cả chiếm khoảng 50-60% khối lượng lao động trong máy cơ khí và cũng chiến 50 % giá thành sản phẩm. Hiện nay có hai phương pháp đang được sử dụng để cắt gọt: phương pháp truyền thống và phương pháp gia công tiến tiến. - Các phương pháp gia công truyền thống như: Tiện , phay , khoan và mài; các phương pháp này sử dụng các dụng cụ cắt chủ yếu là dao, đá mài tiếp xúc trực tiếp với phôi và lấy đi các phoi. Phương pháp này đang được áp dụng một cách rộng rãi và có hiệu quả tuy nhiên có một số hạn chế, ví dụ: gia công một số vật liệu nào đó ( kim cương, kính, hợp kim cứng…) cực kỳ khó khăn hoặc không thực hiện được, một số các sản phẩm đặc trưng ngành không gian và công nghệ cao. Từ đó các kỹ sư đã nghiên cứu ra các phương pháp gia công khác hoàn toàn với gia công truyền thống đó là phương pháp gia công tiên tiến: Sử dụng dạng năng lượng khác: tia lửa điện, laze, tia nước, tia electron, điện hóa mài mòn điện hóa, sóng siêu âm, tia plasmar… Gia công phương pháp tiên tiến sử dụng nhiều nguồn năng lượng khác nhau để biến đổi phôi thay vì sử dụng các dụng cụ cắt thông dụng do dó có nhiều đặc điểm ưu việt hơn so với các phương pháp truyền thống. Phương pháp gia công khi sử dụng tia laze là một trong số những phương pháp tiên tiến đó. -Nguyên do chọn lựa đề tài: do một số các ưu điểm khi cắt bằng nguồn laser so với các phương pháp khác: + Đây là phương pháp tiên tiến nên có ưu việt hơn các phương pháp tiếp xúc thông thường: Không dùng dụng cụ cắt, không dùng lực cắt, chế độ gia công êm hơn các gia công khác. + S chớnh xỏc v kh nng gia cụng cỏc l nh v ng ct chun xỏc vi bin dng xung quanh vựng gia cụng ớt. +Cú kh nng lm vic trong mụi trng khụng khớ, khớ tr, chõn,khụng,hoc ngay c trong cht lng hay cht rn truyn quang, khụng cú vn tớch in trong mụi trng. +Ct c nhng v trớ phc tp, v trớ khú tip cn, cú kh nng to ra cỏc rónh rt hp. +Cú kh nng t ng húa cao.gia cụng t chớnh xỏc cao, b mt phng v cỏc b mt phc tp, thớch ng vi h thng CAD/CAM. => nhng u im ny ma phng phỏp gia cụng ny ó c quan tõm phỏt trin chng nhng trong ngnh cụng nghip ch to m cũn trong ngnh truyn thng,y hc, o lng [1] 2 Gii thiu v vn nghiờn cu v mc ớch nghiờn cu. Vn nghiờn cu. Phng phỏp gia cụng bng tia laze s dng ngun nng lng laze gia cụng. Tựy theo mc nng lng v c tớnh tia laze m c ng dng khỏc nhau vd nh :Tỏc dng v quang nh v, tỏc dng v gia cụng,tỏc dng trong y t, sn xut õy ta ch quan tõm ti lazer gõy tỏc dng nhit v ng dng nú trong vic ct kim loi. Ngun laser c s dng lm ngun nng lng cho cỏc quỏ trỡnh, ng dng nhiu trong k thut, tp chung vo ng dng c th ngi ta s chia ra cỏc phng phỏp ct sau: + Phơng pháp đột biến về nhiệt: Đây là phơng pháp lợi dụng sự tập trung nhiệt đột ngột tại một điểm rất nhỏ trên bề mặt vật cắt và liên tục phát triẻn với tốc độ cao (cở m/s), gây nờn gẫy đột biến và tạo nên rãnh cắt. Phơng pháp này thờng dùng khi cắt vật liệu dòn. +Phơng pháp cắt bằng khoan dùng tia laser khoan các lổ sâu hoặc không sâu, sau đó bẻ gẫy bằng cơ học. Phơng pháp này thờng dùng khi cắt vật liệu dòn. +Phơng pháp nóng chảy, đốt cháy và thổi: Làm cho vật liệu nóng chảy, cháy sau đó thổi các sản phẩm cháy đi ,tạo nên rãnh cắt. Trong quá trình nóng chảy đồng thời xảy ra phản ứng cháy cung cấp nhiệt bổ sung nên năng lơng tơng đơng tăng lên rất nhiều (10 lần) so với khoan cắt +Phơng pháp nóng chảy và thổi: Nung nóng chảy vùng bị cắt và dùng khí áp suất cao thổi chung ra khỏi vùng cắt và tạo nên rãnh cắt. +Phơng pháp bay hơi: Sử dụng nguồn nhiệt cao, tập trung làm cho vật liệu bay hơi tạo nên rãnh cắt. +Phơng pháp cắt nguội : Dùng laser có dãi tần số vùng cực tím có năng lợng siêu cao để cắt. Phơng pháp này dùng để cắt vật liệu platic, vi phẩu thuật. Chất lợng mép cắt rất cao. [2] Trong ni dung tiu lun ny s trỡnh by cỏc nh hng ca vic ct vt liu s dng phơng pháp nóng chảy và thổi: Nung nóng chảy vùng bị cắt và dùng khí áp suất cao thổi chỳng ra khỏi vùng cắt và tạo nên rãnh cắt, s dng nghiờn cu vn ct kim loi st cỏc bon. Mc ớch nghiờn cu - Tỡm hiu v ngun gc lch s hỡnh thnh tia lazer - Tỡm hiu v cu to ngun nng lng to ra tia laser - Nghiờn cu laze ct kim loi vt liu (thộp) - nghiờn cu nh hng cht lng b mt ct khi ct vi tia laser vi thộp cỏc bon thp - sut hng nghiờn cu nh hng nhit gia cụng khi s dng ngun nng lng ln laser ct vt liu st cỏcbon v so sỏnh kt qu gia cụng vi cỏc phng phỏp khỏc. 2 5 4 1 3 Tia laser 1.3 giới thiệu lịch sử hình thành và nguồn phát laser trong các máy cắt: A.Tìm hiểu về nguồn gốc tia laze: - Tia laser đầu tiên được phát minh vào tháng 5 năm 1960 bởi Maiman. Nó là loại laser hồng ngọc (rắn). Laser uranium đầu tiên bởi phòng thí nghiệm IBM (tháng 11 năm 1960). Laser khí Helium-Neon đầu tiên bởi Phòng thí nghiệm Bell vào năm 1961. Laser bán dẫn đầu tiên bởi Robert Hall ở phòng thí nghiệm General Electric năm 1962. Laser khí CO2 và Nd:YAG đầu tiên bởi phòng thí nghiệm Bell năm 1964. Laser hóa năm 1965, laser khí kim loại năm 1966,… Để sử dụng gia công vật liệu, laser phải có đủ năng lượng. Người ta thường dùng các laser sau để gia công vật liệu: laser CO2, laser Nd-YAG hoặc laser Nd-thủy tinh và laser excimer Trong lĩnh vực gia công kim loại thường dùng laser rắn vì công suất chùm tia tương đối lớn và có kết cấu thuận tiện. [2] B. Tìm hiểu về cấu tạo nguồn năng lượng laser trong gia công kim loại Sự hình thành của laser: Trong đó: hình 1 1 Môi trường hoạt tính: Là môi trường chứa các hợp chất giúp biến đổi mức năng lượng nguồn sáng kích thích (có mức năng lượng thấp) thành nhưng tia sáng có năng lượng cao laze: có nhiều môi trường kể trên như CO2, Nd-YAG, thanh hồng ngọc… 2 Nguồn sáng kích thích: Nguồn sáng ban đầu cung cấp năng lượng cho quá trình tạo ra tia laze, được điều khiển thoong qua bộ điều khiển, sẽ điều khiển gián tiếp năng lượng đầu ra. 3 Buồng cộng hưởng quang học: Có tác dụng biến đổi nguồn sáng kích thích thành trạng thái ánh sáng có năng lượng mới laze, nhờ tác dụng của môi trường hoạt tính 1, tại đây ánh sáng sẽ đi qua nhiều lần và biến đổi dần dần 4,5 gương phản xạ : 4 gương phản xạ toàn phần khi ánh sáng chiếu tớ nó được phản xạ lại. 5, gương phản xạ bán toàn phần phản xạ lại những tia sáng chưa đủ năng lượng, khi tia sáng đủ năng lượng sẽ cho đi qua Những tia sáng đủ năng lượng đi qua đó chính là tia laser. [1] Laser-Beam Machining 2. Tổng quan về vấn đề nghiên cứu 2.1 tổng quan các tài liệu liên quan tới vấn đề nghiên cứu Các tài liệu liên quan: phương pháp gia công đặc biệt, công nghệ laser, đặc điểm nhám bề mặt khi cắt với laser CO2 . -phương pháp gia công đặc biệt nghiên cứu tới laser cắt các vật liệu khác nhau, khả năng gia công laser với các phương pháp khác. - công nghệ laser nghiên cứu các nhân tố ảnh hưởng tới phôi khi cắt bao gồm công suất máy phát, các mối quan hệ giữa vận tốc, khả năng cắt của thiết bị - đặc điểm nhám bề mặt khi cắt thép các bon thấp với laser CO2 nêu ra được những ảnh hưởng tùy theo mục đích sử dụng mà sẽ lựa chọn thông số nào làm tiêu điểm: Nếu cắt trong công nghiệp thì khối lượng công việc lớn nên tốc độ cắt sẽ ảnh hưởng rất lớn đến hiệu quả công việc, do đó mà tốc độ cần cao và có thể độ nhám ở mức trung bình. Với một số các chi tiết không cần độ nhám thì có thể tính toán sao cho tốc độ lớn nhất mà nó đạt được. Nếu ứng dụng trong các nghành kỹ thuật có độ chính sác cao thì yêu cầu về tốc độ sẽ không phải là chủ yếu nữa, từ thực nghiệm từ thiết lập ra các công thức tính toán và ở tốc độ nào năng lượng nào chi tiết sẽ đạt độ nhám cao nhất, chính sác nhất từ đó sẽ lựa chọn các thông số phù hợp 2 Phần nghiên cứu của các tác giả trước: 2.2.1, các nhân tố ảnh hưởng tới kết quả bề mặt gia công của phôi: -Các yếu tố ảnh hởng đến quá trình cắt do các thông số của thiết bị gây nên bao gồm: ảnh hởng loại máy phát , thiết bị điều khiển và các thiết bị hổ trợ khác Đối với thiết bị , do máy phát laser có nhiều loại ( rắn, lỏng, khí , hỗn hợp ) và ứng với mỗi loại các đặc tính của máy lại khác nhau nh bớc sóng, tần số , cờng độ xung , dạng xung Các yếu tố này ảnh hởng đến chất lợng cắt cũng nh độ chính xác của vật cắt. Các thông số của quá trình công nghệ ảnh hởng nhiều đến hình dạng chiều sâu cắt cũng nh chất lợng của vật gia công .Các yếu tố ảnh hởng của công nghệ bao gồm tốc độ cắt , vị trí của tiêu cự, áp suất dòng khí thổi 2.2.1.1 nh hng ca vt liu ct: Mt u im khỏ ln l a s cỏc vt liu u thớch hp vi gia cụng ct: vi, giy, g, thy tinh ri thộp c bit l thộp tm, titanium (thng dựng cho ngnh hng khụng), nhụm ng thau . Thộp cỏc bon l loi vt liu kim loi d ct nht bng laser. Cỏc loi thộp hp kimthp nh AISI 4140, 8620, cú iu kin ct tng t nh thộp cỏc bon.[1] -c tớnh v kh nng hp th nng lng ỏnh sỏng ca vt liu: lng hp kim trong thộp tng thỡ quỏ trỡnh ct tr nờn khú khn hn. Vi thộp dng c cú hm lng vonfram cao thỡ tc ct rt chm v cú x. tuy nhiờn, kh nng ct ph thuc rt ln vo kh nng hp th ỏnh sỏng ca vt liu, vi cỏc vt liu hp th kộm nh ng, nhụm, ỏnh sỏng s b phn li v cú th lm hng cỏc thit b ct (u lazer) nờn cỏc ch ct bng phng phỏp khỏc s c u tiờn hn. lng CO2 cung cp ln (1500w) b dy l nh nhau nhng ,nhụm l vt liu d ct hn c, sau ú l titan v ng. Vi ng tc ct chm hn rt nhiu so vi cỏc vt liu khỏc cựng b dy, do nh hng ca tớnh cht vt liu n kh nng hp th nng lng laze. Hỡnh 2, nh hng vt liu ct 2.2.1.2 cụng sut mỏy phỏt: Khi công suất máy phát tăng lên khả năng cắt đợc vật liệu càng dày hơn. Mặt khác khi tiêu cự của thấu kính thay đổi cũng làm thay đổi chiều dày cắt đợc. Trong quá trình khoan lỗ, chiều sâu của lỗ chịu ảnh hởng nhiều số lợng xung trong những thời gian khác nhau. Hỡnh 3.nh hởng của công suất máy phát đến chiều sâu lỗ cắt 2.2.1.3 nh hng lng xung ti sõu l: [...]... lỗ gia công và chiều sâu của lỗ vào vị trí đặt tiêu điểm của chùm laser: -Vị trí tiêu điểm của chùm tia laser so với bề mặt vật gia công lỗ ảnh hởng rất đáng kể đến hình dáng lỗ khoan cũng nh chiều sâu lỗ.Tiêu điểm của chùm tia nằm đúng trên bề mặt trên của vật gia công thì hình dáng của lỗ khoan theo chiều sâu đều đặn hơn và chiều sâu của lỗ đạt đợc hợp lý nhất Hỡnh 8 : Phụ thuộc hình dạng của lỗ gia. .. sau khi ct laser : Nghiờn cu ct laser c thc hin trờn cỏc thit b ct laser cụng sut ti a 3200 W phụi dy 6 mm c lm bng thộp carbon thp (0,2% C,0,8-1,4% Mn, 0,015% S, 0,012% N, 0,3% Cu) v thộp khụng g (11% Cr,11% Ni, 0,8% Si, 2% Mn) Hỡnh 12 hỡnh nh mu ct th lm thớ nghim ng vin ca phụi gia cụng c o dc theo ng gia cỏc im ỏnh du (A - B v C - D) Hỡnh nh nghiờn cu c phõn tớch ti v trớ "E".Tc ct Laser, Vf c... lỗ đạt đợc hợp lý nhất Hỡnh 8 : Phụ thuộc hình dạng của lỗ gia công và chiều sâu của lỗ vào vị trí đặt tiêu điểm của chùm laser -Ngoài ra bề mặt mép cắt đạt đợc chất lợng cao hay không còn phụ thuộc vào công nghệ cắt có sử dụng dòng áp lực khí thổi hỗ trợ hay không, hớng dịch chuyển chùm tia laser trong khi cắt -Ngoài ra độ chính xác gia công còn phụ thuộc vào các thiết bị điều khiển Việc điều khiển... phỏp no tt d gia cụng m chi phớ cho quỏ trỡnh gia cụng ú nh Trc tiờn phng phỏp dựng laser vi mt s cỏc phng phỏp khỏc cú u im chung sau: Gia cụng nc: gia cụng c cỏc vt liu m tia nc khụng th gia cụng: vd hp kim cng, kim cng; cú th t chớnh sỏc bng hoc hn tia nc; gia cụng c vi vt liu dy hn, vt ct nh nờn chớnh sỏc hn v ớt tn vt liu hn.u im hn phng phỏp tia la in nh gia cụng nhanh, chớnh sỏc, cht lng vt ct tt... hng ti b mt gia cụng ca chi tit , vi laser ó loi b c mt s nh gõy ng sut do tip sỳc, cht lng b mt sau khi gia cụng Tuy nhiờn, khi cht lng b mt c m bo thỡ ta s nghiờn cu sõu hn cho cỏc chi tit phc tp hn, yờu cu k thut cao hn v vn nng sut cng phi c k n thụng qua vn tc ct ca nú Cỏc yu t nh hng khi gia cụng vt liu bao gm: nh hng bi laser, nh hng bi vt liu, nh hng kt cu: - cỏc phn nghiờn cu v laser vi vt... sỏt nhng c im khi gia cụng bng laser vi tm thộp dy thp cỏc bon l: kho sỏt vựng nh hng bi nhit ti vựng ct, c im b mt khi ct vi tm dy v so sỏnh cỏc phng phỏp gia cụng tiờn tin khỏc tn dng thờm ngun chi tit sau gia cụng thỡ ngoi kho sỏt v nhit s kho sỏt luụn c phn c im b mt khi ct vi tm dy v so sỏnh cỏc phng phỏp gia cụng tiờn tin khỏc 3.1 mc tiờu: Xõy dng c s ca phng phỏp s dng ngun tia laser ct cỏc tm... cụng sut mỏy ln s dng ngun laser cụng sut phỏt ra c iu chnh thụng qua tn s xung + ỏnh giỏ c nh hng bi nhit ti vựng gia cụng n t chc t vi trc v sau khi gia cụng; t ú thy c s tỏc ng ti cng ca chi tit thụng qua vic o cng + ỏnh giỏ c cht lng b mt sau khi gia cụng, ng dng chi tit + Ngoi yu t v nhit ỏnh giỏ thờm vic tỏc ng cỏc yu t khỏc trong quỏ trỡnh gia cụng ti chi tit sau gia cụng nh: loi khớ bo v,... yờu cu ca chi tit gia cụng m s chnh cỏc yu t o mc phự hp nht Nu ly cht lng gia cụng lm hng u m yu t cụng ngh k thut khụng th hoc khú cú th t c.Tc cng l mt yu t quan trng trong sn xut cụng nghip hng lot 3. xut hng nghiờn cu s dng ngun laser ct thộp cỏc bon thp: -Hng nghiờn cu s tp chung vo nghiờn cu cỏc nhc im ca phng phỏp laser ng thi cựng mụt loi cht liu s tỡm c phng phỏp no tt d gia cụng m chi phớ... dựng laser vi s dng cỏc phng phỏp khỏc 3.2 Phng phỏp nghiờn cu: Phng phỏp c tin hnh thụng qua thc nghim, qua cỏc mu th v da trờn s phõn tớch cỏc kt qu ó cú trc ú 3.3 cụng c cho nghiờn cu: - cụng c thớ nghim: S dng ngun laser cụng sut ln cú th s dng ngun laser CO2 hoc ngun laser ND-YAG cụng sut cú th t 1000w-5000w c iu khin chớnh sỏc bằng máy CNC Mỏy o cng xỏc nh cng t ú nờu nh hng ca phng phỏp laser... t vi ca vt liu, thớ nghim gia cụng ct laser qua mu th nhm ỏnh giỏ cỏc tm thộp dy thp cỏc bon, c phõn tớch da trờn phõn tớch hỡnh nh mu th nờn s dng kớnh him vi quang hc in t So sỏnh cỏc mu th vi cỏc phng phỏp s dng tia nc, tia plasmar, ht in t cỏc mụi trng v tỏc ng khi iu kin mụi trng thay i trong khi gia cụng nh nhit , oxi húa b mt S dng cỏc loi khớ hi tr trong gia cụng laser: O2,CO2, 1 s cỏc loi . pháp gia công( cắt) kim loại bằng tia laser là một trong các phương pháp gia công đặc biệt nó là một môn khoa học trong ngành kỹ thuật cơ khí. Phương pháp. chính xác cao và hoàn toàn cơ khí hóa tự động hóa Trong bài tiểu luận cơ khí này, giới thiệu về phương pháp gia công lase khả năng công nghệ và các đặc điểm