Đồ án tốt nghiệp: Thiết kế máy cắt fiber laser 5 trục cho thép hình

Tải đồ án tốt nghiệp máy cắt fiber laser 5 trục cho thép hình. Tài liệu tham khảo đầy đủ thuyết minh, bản vẽ, tính toán thiết kế cơ khí chi tiết.

• Tác giả: Hồ Hoàng Bảo
• Người hướng dẫn: Ts. Nguyễn Duy Ánh
• Trường học: Trường Đại Học Bách Khoa - Đại Học Quốc Gia Thành Phố Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Cơ Điện Tử
• Đề tài: Máy Cắt Fiber Laser 5 Trục Dùng Cho Thép Hình
• Loại tài liệu: Đồ án tốt nghiệp
• Năm xuất bản: 2025
• Địa điểm: Thành Phố Hồ Chí Minh

Tóm tắt

I. Tổng quan về máy cắt Fiber Laser 5 trục cho thép hình

Máy cắt fiber laser 5 trục là một thiết bị gia công hiện đại được thiết kế đặc biệt để cắt các loại thép hình với độ chính xác cao. Công nghệ này kết hợp sức mạnh của tia laser fiber với khả năng chuyển động trên 5 trục, cho phép cắt những hình dạng phức tạp trên thép hình chữ H, chữ I và các loại thép hình khác. Máy được điều khiển bằng hệ thống CNC (Computer Numerical Control) hiện đại, giúp tự động hóa toàn bộ quy trình cắt và nâng cao hiệu suất sản xuất. Ứng dụng của máy cắt laser 5 trục trong ngành công nghiệp xây dựng, cơ khí và sản xuất các bộ phận máy đã chứng minh hiệu quả vượt trội so với phương pháp cắt truyền thống.

1.1. Khái niệm gia công đa trục

Gia công đa trục là quy trình sản xuất cho phép công cụ cắt di chuyển theo 4 hướng trở lên để tạo ra các bộ phận phức tạp. Với máy 5 trục, phôi vật liệu chuyển động tịnh tiến theo 3 trục (X, Y, Z) và đầu cắt quay quanh 2 trục bổ sung. Công nghệ này giảm thời gian thiết lập máy và tăng độ chính xác so với máy 3 trục truyền thống, đặc biệt là khi xử lý các bề mặt phức tạp của thép hình.

1.2. Công nghệ cắt Fiber Laser

Tia laser fiber hoạt động bằng cách phát ra chùm tia sáng tập trung cao công suất để cắt vật liệu mà không cần tiếp xúc trực tiếp. Công nghệ này cho phép cắt các loại thép hình với độ chính xác lên đến 0.1mm, cạnh cắt mượt mà và giảm tối thiểu chất thải vật liệu. Fiber laser có tuổi thọ cao, hiệu suất năng lượng tốt và chi phí bảo trì thấp hơn so với laser CO2 truyền thống.

II. Thông số kỹ thuật và cấu hình máy cắt Fiber Laser 5 trục

Máy cắt fiber laser 5 trục được thiết kế với các thông số kỹ thuật đặc thù để đáp ứng yêu cầu cắt thép hình HK 243 và các loại thép hình khác. Công suất laser thường dao động từ 3000W đến 6000W, tùy theo độ dày vật liệu cần cắt. Kích thước bàn cắt được tối ưu hóa để xử lý các tấm thép hình có kích thước lớn. Hệ thống điều khiển CNC hiện đại cho phép lập trình phức tạp, tối ưu tốc độ cắt và đảm bảo chất lượng cao. Cấu trúc máy 5 trục bao gồm ba trục tuyến tính (X, Y, Z) và hai trục quay (A, B) để thực hiện các thao tác cắt góc và cắt bề mặt khác nhau trên thép hình.

2.1. Công suất và năng lực cắt

Công suất laser 6000W là tiêu chuẩn cho máy cắt thép hình chuyên nghiệp, có khả năng cắt thép hình độ dày từ 10mm đến 25mm. Công suất này đảm bảo tốc độ cắt nhanh và chất lượng cạnh tốt. Khí trợ cắt (thường là nitơ hoặc khí oxy) được sử dụng để thổi bay chất nóng chảy khỏi vùng cắt, cải thiện độ bóng của bề mặt và tăng tốc độ cắt đến 40-50%.

2.2. Hệ thống điều khiển CNC

Hệ thống điều khiển CNC của máy cắt laser 5 trục tích hợp bộ điều khiển chuyển động servo AC hiện đại. Nó cho phép kiểm soát chính xác độ chuyển động của từng trục, tối ưu hóa tốc độ cắt và đảm bảo độ chính xác hình học cao. Phần mềm CAM tự động chuyển đổi mô hình 3D thành lệnh cắt cho máy 5 trục, giảm công việc lập trình thủ công.

III. Thiết kế cơ khí của hệ thống 5 trục

Thiết kế cơ khí máy cắt fiber laser 5 trục yêu cầu sự tối ưu hóa chuyển động trên 5 trục độc lập. Hệ thống truyền động bao gồm vít me bi (ballscrew) và thanh dẫn hướng tuyến tính chuyên dụng để đảm bảo độ chính xác và độ cứng cơ cấu. Các trục X, Y được trang bị động cơ servo AC để điều khiển chuyển động ngang, còn trục Z được tối ưu để xử lý lực cắt dọc. Hai trục quay A, B được thiết kế để cho phép đầu cắt laser xoay quanh các góc khác nhau, giúp cắt các bề mặt phức tạp trên thép hình một cách hiệu quả. Hộp gá đầu cắt được thiết kế vững chắc để giảm độ rung động và tăng tuổi thọ thiết bị.

3.1. Cấu tạo trục X Y và Z

Trục X, Y sử dụng thanh dẫn hướng tròn hoặc vuông tùy theo yêu cầu độ cứng. Vít me bi được lựa chọn với độ dãn suất cao để đảm bảo độ chính xác cắt. Trục Z được thiết kế chịu lực cắt lớn, với động cơ servo công suất cao. Moment lật của con trượt được tính toán để đảm bảo an toàn khi cắt thép hình độ dày lớn.

3.2. Hệ thống hai trục quay A và B

Hai trục quay A, B cho phép đầu cắt laser xoay để cắt các góc và bề mặt khác nhau trên thép hình. Các động cơ servo được sử dụng để điều khiển chính xác góc quay, từ 0° đến 360°. Cơ cấu gear được tối ưu để truyền lực xoay mượt mà mà không gây sai lệch góc, đảm bảo chất lượng cắt cao.

IV. Ứng dụng và lợi ích của máy cắt Fiber Laser 5 trục

Máy cắt fiber laser 5 trục được ứng dụng rộng rãi trong các ngành công nghiệp chế tạo, xây dựng và cơ khí để xử lý thép hình với hiệu suất cao. Trong ngành hàng không vũ trụ, máy được sử dụng để cắt các bộ phận kết cấu phức tạp từ thép hình chịu lực cao. Ngành ô tô sử dụng công nghệ này để sản xuất khung gầm và bộ phận chịu lực. Lợi ích chính của máy cắt fiber laser 5 trục bao gồm: tăng độ chính xác cắt lên 0.1mm, giảm thời gian sản xuất 50-60%, giảm chất thải vật liệu, cạnh cắt mượt mà không cần chế biến sau, và khả năng cắt những hình dạng phức tạp mà các máy khác không thể. Tự động hóa toàn bộ quy trình cắt giúp giảm chi phí lao động và tăng tính nhất quán của sản phẩm.

4.1. Ứng dụng trong công nghiệp

Máy cắt fiber laser 5 trục được áp dụng trong sản xuất các cấu trúc thép hình cho xây dựng, cầu, cơ khí nặng. Trong ngành hàng không vũ trụ, nó cắt các thành phần kết cấu từ thép hình đặc biệt chịu nhiệt. Trong ô tô, máy cắt các bộ phận khung gầm với độ chính xác cao. Ngành nội thất công nghiệp sử dụng máy để thiết kế các bộ phận trang trí phức tạp từ thép hình.

4.2. Lợi ích kinh tế và môi trường

Máy cắt laser fiber 5 trục giúp giảm chi phí sản xuất do tăng tốc độ cắt và giảm lãng phí vật liệu. Tiêu hao năng lượng thấp hơn so với các phương pháp cắt khác, góp phần bảo vệ môi trường. Cạnh cắt mịn loại bỏ nhu cầu chế biến thứ cấp, tiết kiệm thời gian và chi phí. Tuổi thọ laser fiber lên đến 25.000 giờ làm việc giúp giảm chi phí bảo trì so với laser CO2.

Trích đoạn nội dung tài liệu

CHƯƠNG I: TỔNG QUAN I. Tìm hiểu tổng quan Trong bài luận này Máy cắt laser 5 trục được định nghĩa là máy gia công đa trục sử dụng công cụ cắt bằng công nghệ laser. Để làm rõ hơn về định nghĩa này, nhóm tác giả sẽ đi vào cụ thể từng khái niệm là gia công đa trục và cắt laser. Gia công đa trục Gia công đa trục là một quy trình sản xuất liên quan đến các công cụ di chuyển theo 4 hướng trở lên và được sử dụng để chế tạo các bộ phận từ kim loại hoặc các vật liệu khác bằng cách phay bỏ vật liệu thừa, bằng cách cắt tia nước hoặc bằng cách cắt laser.

Loại gia công này ban đầu được thực hiện bằng máy móc trên các máy phức tạp lớn. Các máy này hoạt động trên 4, 5, 6 và thậm chí 12 trục được điều khiển riêng lẻ thông qua các đòn bẩy nằm trên các tấm cam. Các tấm cam cung cấp khả năng điều khiển thiết bị gia công, bàn là bộ phận được cố định, cũng như xoay dụng cụ hoặc bộ phận bên trong máy. Do kích thước và độ phức tạp của máy nên mất rất nhiều thời gian để thiết lập chúng để sản xuất.

Khi gia công điều khiển số bằng máy tính ra đời (CNC), nó đã cung cấp một phương pháp nhanh hơn, hiệu quả hơn để gia công các bộ phận phức tạp. Các công cụ CNC thông thường hỗ trợ chuyển động tịnh tiến theo 3 trục; máy đa trục cũng hỗ trợ chuyển động quay quanh một hoặc nhiều trục. Máy 5 trục thường được sử dụng trong công nghiệp, trong đó phôi được chuyển động tịnh tiến theo ba trục (thường là x, y và z) và trục chính của dụng cụ có khả năng quay quanh thêm 2 trục. Hiện nay có nhiều hệ thống phần mềm CAM (sản xuất hỗ trợ máy tính) có sẵn để hỗ trợ gia công đa trục bao gồm phần mềm có thể tự động chuyển đổi đường chạy dao 3 trục thành đường chạy dao 5 trục.

Trước khi sản xuất hỗ trợ máy tính phát triển, việc chuyển thông tin từ thiết kế sang sản xuất thường đòi hỏi nhiều lao động thủ công, tạo ra lỗi và dẫn đến lãng phí thời gian và vật liệu. Máy CNC đa trục được sử dụng trong nhiều ngành công nghiệp bao gồm:  Ngành công nghiệp hàng không vũ trụ : Máy đa trục được sử dụng trong sản xuất các bộ phận máy bay , cho phép chế tạo các bộ phận phức tạp một cách hiệu quả.  Ngành công nghiệp ô tô : Máy CNC đa trục tạo ra vỏ động cơ, vành xe và đèn pha.  Ngành công nghiệp đồ nội thất : Máy tiện CNC sản xuất hàng loạt chân bàn gỗ cũng như hầu hết các thành phần khác.

 Ngành y tế : Máy CNC đa trục tạo ra các bộ phận thay thế hông, cấy ghép răng và chân tay giả tùy chỉnh. Gia công đa trục cũng thường được sử dụng để tạo mẫu nhanh vì nó có thể tạo ra các mô hình chắc chắn, chất lượng cao từ kim loại, nhựa và gỗ trong khi vẫn dễ lập trình.1: Sơ đồ gia công 5 trục Fiber Laser Fiber Laser (laser sợi quang) là một loại laser đang phát triển nhanh chóng trong ngành công nghiệp cắt kim loại. Không giống như CO 2, công nghệ Fiber sử dụng môi trường khuếch đại rắn, khác với khí hoặc chất lỏng. Fiber Laser sẽ tạo ra “Laser hạt giống” là chùm tia laser và sau đó được khuếch đại bên trong sợi thủy tinh.

Fiber Laser tạo ra kích thước điểm cực nhỏ (nhỏ hơn tới 100 lần so với CO 2) , khiến nó trở nên lý tưởng để cắt vật liệu kim loại phản chiếu. Đặc tính Một lợi thế của Fiber Laser so với các loại laser khác là ánh sáng laser được tạo ra và truyền đi trong một môi trường có đặc tính dẻo, cho phép truyền đi dễ dàng hơn đến vị trí hội tụ và mục tiêu. Điều này có thể quan trọng đối với việc cắt laser, hàn và gấp kim loại và polyme. Một lợi thế khác là công suất đầu ra cao so với các loại laser khác.

Laser sợi quang có thể có vùng hoạt động dài tới vài km và do đó có thể cung cấp độ tăng quang học (optical gain) rất cao. Fiber Laser có thể hỗ trợ công suất lên đến mức kiloWatt một cách liên tục do tỷ lệ diện tích bề mặt so thể tích của sợi quang cao , cho phép làm mát hiệu quả. Các đặc tính của ống dẫn sóng (waveguide) của sợi quang làm giảm hoặc loại bỏ sự biến dạng nhiệt của đường dẫn quang, thường tạo ra chùm tia quang học chất lượng cao, giới hạn nhiễu xạ. Laser sợi quang nhỏ gọn so với laser thể rắn hoặc laser thể khí có công suất tương đương, vì sợi quang có thể uốn cong và cuộn tròn, ngoại trừ trường hợp thiết kế dạng thanh dày hơn, để tiết kiệm không gian.

Chúng có chi phí hoạt động thấp hơn. Laser sợi quang đáng tin cậy và thể hiện độ ổn định nhiệt độ và rung động cao và tuổi thọ kéo dài. Công suất bổ sung và chất lượng chùm tia tốt hơn so với các loại laser khác cung cấp các cạnh cắt sạch hơn và tốc độ cắt nhanh hơn. Các phương pháp cắt (có thể bỏ)  Cắt bốc hơi Trong quá trình cắt bốc hơi, chùm tia hội tụ làm nóng bề mặt vật liệu đến điểm chớp cháy và tạo ra một lỗ khóa.

Lỗ khóa dẫn đến sự gia tăng đột ngột về khả năng hấp thụ, nhanh chóng làm sâu lỗ. Khi lỗ sâu hơn và vật liệu sôi, hơi nước sinh ra sẽ làm xói mòn các thành nóng chảy, thổi chất phun ra ngoài và làm lỗ mở rộng hơn nữa. Các vật liệu không nóng chảy như gỗ, cacbon và nhựa nhiệt rắn thường được cắt bằng phương pháp này.  Nóng chảy và thổi Cắt nóng chảy và thổi hoặc cắt nóng chảy sử dụng khí áp suất cao để thổi vật liệu nóng chảy ra khỏi khu vực cắt, giúp giảm đáng kể nhu cầu về điện.

Đầu tiên, vật liệu được nung nóng đến điểm nóng chảy sau đó một luồng khí thổi vật liệu nóng chảy ra khỏi rãnh cắt, tránh nhu cầu tăng nhiệt độ của vật liệu thêm nữa. Vật liệu được cắt bằng quy trình này thường là kim loại.  Nứt ứng suất nhiệt Vật liệu giòn đặc biệt nhạy cảm với gãy nhiệt, một đặc điểm được khai thác trong nứt ứng suất nhiệt. Một chùm tia được tập trung vào bề mặt gây ra sự gia nhiệt cục bộ và giãn nở nhiệt.

Điều này dẫn đến một vết nứt sau đó có thể được dẫn hướng bằng cách di chuyển chùm tia. Nó thường được sử dụng trong quá trình cắt kính.  Cắt phản ứng đốt Cắt phản ứng cũng được gọi là "cắt khí laser ổn định cháy" và "cắt ngọn lửa". Cắt phản ứng giống như cắt bằng đèn khò oxy nhưng có chùm tia laser làm nguồn đánh lửa.

Chủ yếu được sử dụng để cắt thép cacbon có độ dày trên 1 mm. Quy trình này có thể được sử dụng để cắt các tấm thép rất dày với công suất laser tương đối nhỏ. Chế độ cắt Các phương pháp cắt nêu trên đều sử dụng chế độ cắt liên tục (CW - Continuous Wave). Ngoài ra còn có chế độ cắt theo xung.

Tia laser xung cung cấp một luồng năng lượng công suất cao trong thời gian ngắn rất hiệu quả trong một số quy trình cắt laser, đặc biệt là khi đục lỗ hoặc khi cần các lỗ rất nhỏ hoặc tốc độ cắt rất thấp, vì nếu sử dụng chùm tia laser liên tục, nhiệt có thể đạt đến mức làm tan chảy toàn bộ chi tiết bị cắt. Thép hình Thép hình là một loại thép được sử dụng để chế tạo vật liệu xây dựng với nhiều hình dạng khác nhau. Nhiều hình dạng thép hình có dạng dầm dài có mặt cắt ngang cụ thể. Hình dạng, kích thước, thành phần hóa học, tính chất cơ học như độ bền, phương pháp lưu trữ,.

của thép kết cấu được quy định theo tiêu chuẩn ở hầu hết các quốc gia công nghiệp hóa. Hầu hết các hình dạng thép hình có mômen uốn cao, nghĩa là chúng rất cứng so với diện tích mặt cắt ngang của chúng và do đó có thể chịu được tải trọng lớn mà không bị võng quá mức. Hình dạng kết cấu phổ biến Các hình dạng như thép hình chữ C, U, H, I, V,. được mô tả trong nhiều tiêu chuẩn đã công bố trên toàn thế giới và một số mặt cắt ngang chuyên dụng và độc quyền cũng có sẵn.2: Các loại thép hình thông dụng Hình I.3: Đường ray lửa từ thép hình chữ I không đối xứng Thông số kích thước của các loại thép hình có thể tham khảo trong các tiêu chuẩn kỹ thuật trong quốc tế hoặc qua các doanh nghiệp.

Dưới đây là một vài thông số của thép hình chữ H theo tiêu chuẩn Việt Nam: Hình I.4: Thông số của thép hình chữ H I. Giới thiệu các mẫu sản phẩm trên thị trường I.1: Máy cắt laser 5 trục X5 hãng SLTL Thông số Đơn vị 3015 4020 Công suất laser kW 2–4 2–4 Hành trình XYZ mm 1500 x 3000 x 650 2000 x 4000 x 650 Hành trình trục C độ ± 360 ± 360 Hành trình trục A độ ± 135 ± 135 Không gian làm việc mm 2550 x 1050 x 650 3550 x 1550 x 650 Vận tốc X tối đa m/phút 80 80 Vận tốc Y tối đa m/phút 80 80 2 Gia tốc X tối đa m/s 10 (1G) 10 (1G) 2 Gia tốc X tối đa m/s 10 (1G) 10 (1G) Sai số vị trí mm/s ± 0.1 Sai số lặp lại mm/s ± 0.05 Vận tốc C tối đa độ/s 720 720 Vận tốc A tối đa độ/s 720 720 2 Gia tốc C tối đa độ /s 3600 3600 2 Gia tốc A tối đa độ /s 3600 3600 Sai số vị trí C/A arc second 1 1 Bảng I.1: Bảng thông số máy cắt laser 5 trục X5 hãng SLTL I. HGTECH SF3015 Hình I.1: Máy cắt laser 5 trục SF3015 hãng HGTECH Thông số Đơn vị Giá trị Thông số Đơn Giá trị vị Công suất laser kW 2–6 Vận tốc C tối đa độ/s 720 Hành trình XYZ mm 3000 x 1500 x Vận tốc A tối đa độ/s 720 680 2 Hành trình trục C độ ± 360 Gia tốc C tối đa độ /s 5400 2 Hành trình trục A độ ± 135 Gia tốc A tối đa độ /s 5400 Hành trình trục U mm ± 12.5 Sai số vị trí C/A độ 0.015 Vận tốc XYZ tối đa m/phút 50 Sai số lặp lại C/A độ 0.005 2 Gia tốc XYZ tối đa m/s 5 (0.5G) Sai số vị trí mm ± 0.03/1000 Sai số lặp lại mm ± 0.1: Bảng thông số máy cắt laser 5 trục SF3015 hãng HGTECH I.