CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ CẮT BẰNG NHIỆT 1. Các nguồn nhiệt cắt, vai trò của cắt nhiệt trong công nghiệp 1. Tổng quan về nhu cầu thép tấm trong công nghiệp Ngày nay khi nhu cầu về đời sống của con người càng được nâng cao thì nền kinh tế cần phải kịp thời đáp ứng đầy đủ những nhu cầu đó. Trong đó ngành công nghiệp, mà đặc biệt là công nghiệp cơ khí nắm vai trò chủ yếu trong việc tạo ra sản phẩm.
Ở một khía cạnh khác, thì ngành công nghiệp tạo phôi lại đóng một vai trò chủ chốt, là khâu cơ bản đầu tiên trong quy trình sản xuất cơ khí. Hơn nữa, một số phương pháp tạo phôi như cán, kéo, cắt. kim loại là không thể thiếu góp phần tạo ra các sản phẩm, vật dụng cho các ngành công nghiệp khác như: Công nghiệp hàng không, công nghiệp điện, công nghiệp ôtô, đóng tàu thuyền, xây dựng, nông nghiệp. Thép tấm hầu như được sử dụng rất nhiều trong các nghành công nghiệp kể trên.
Thép tấm được tạo thành từ quá trình cán kim loại, kim loại bị biến dạng giữa 2 trục cán quay ngược chiều nhau, có khe hở giữa 2 trục cán nhỏ hơn chiều dày của phôi ban đầu. Kết quả làm chiều dày phôi giảm, chiều dài và chiều rộng tăng lên, tạo thành dạng tấm hay còn gọi là thép tấm. Cán thép tấm có thể tiến hành ở trạng thái nóng hoặc trạng thái nguội, ở mỗi loại có các ưu điểm và nhược điểm khác nhau. Cán ở trạng thái nóng cho ra những sản phẩm có độ dày từ 1,5mm đến 60mm, còn ở trạng thái nguội cho ra sản phẩm mỏng và cực mỏng độ dày từ 0,007mm đến 1,25mm.
Các sản phẩm thép tấm được phân loại theo độ dày của tấm thép: + Thép tấm mỏng: Chiều dày: S = 0,2 3,75 mm. +Thép tấm dày : S = 4 60 mm; b = 600 5. + Thép tấm dải : S = 0,2 2 mm; b = 200 1. Từ sự phân loại đó có các dạng phôi của thép tấm khác nhau như: dạng phôi tấm hay dạng phôi cuộn, phôi dải.
c 2 Hình dạng và kích thước của phôi tấm tạo ra trong quá trình cán được tiêu chuẩn hoá, do đó việc sử dụng thép tấm để tạo ra các sản phẩm như: thùng, sàn xe ôtô, khung, sườn xe máy, các thiết bị nghành điện, các kết cấu trong nghành xây dựng như cầu, nhà cửa, hoặc sử dụng trong chính nghành cơ khí chế tạo, nghành tàu thuyền. phải qua quá trình cắt thép tấm ra các kích thước và hình dạng khác nhau phù hợp với yêu cầu của từng nghành, từng công việc cụ thể: - Trong nghành điện: Thép tấm được dùng để tạo ra các sản phẩm như là thép trong stato của máy bơm nước hay quạt điện, thép tấm được dùng làm các cánh quạt cỡ lớn, các thép tấm mỏng dùng làm các lá thép để ghép lại trong các chấn lưu đèn ống, máy biến thế, trong lĩnh vực điện chiếu sáng nó được dùng làm các cột điện đường. a) Các lá thép b) Tủ điện c) Vỏ máy biến thế Hình 1. Sản phẩm thép tấm trong nghành điện - Trong xây dựng: Các thép hình cỡ lớn trong các dầm cầu được tạo thành từ các tấm thép tấm dày cắt nhỏ, hay thép tấm được dùng để liên kết với nhau có thể bằng mối hàn, bulông hoặc đinh tán để tạo nên các kết cấu thép bền vững.
Rõ ràng nhất thép tấm được sử dụng làm tấm lợp… Ngoài ra còn sử dụng trong kiến trúc như trang trí, cửa họa tiết… Hình 1. Sản phẩm thép tấm trong xây c 3 - Trong cơ khí chế tạo: Nhu cầu lớn đa dạng chủng loại, như chế tạo các bánh xích, bánh răng, các loại bản mã…. Một số sản phẩm được chế tạo từ thép tấm Thép tấm được ứng dụng rộng rãi trên thực tế, sử dụng các phương pháp cắt hình khác nhau đảm bảo tính chính xác lặp lại và năng suất cắt. Một số phương pháp cắt nhiệt Trong thực tế có rất nhiều phương pháp cắt gọt khác nhau như cắt bằng tia lửa điện, bằng tia nước, gia công truyền thống, cắt bằng nhiệt… mỗi phương pháp đều có những đặc thù riêng, áp dụng rộng rãi trong thực tiễn sản xuất.
Gia công cắt bằng nhiệt là một trong những phương pháp gia công tạo phôi phổ biến nhất, dưới đây là một số phương pháp cắt bằng nhiệt. Cắt Gas Oxy Là một quá trình kết hợp Oxy và Gas để cắt kim loại được biết đến đầu tiên là cắt bằng acetylene và oxy vào năm 1903. Về cơ bản hỗn hợp khí cháy của oxy và khí đốt nung nóng vật liệu kim loại, đối với thép 700 - 900 0C. Kim loại được cắt đứt bằng các phản ứng hóa học ở nhiệt độ cao.
Điều kiện cắt được bằng khí là: Kim loại phải có nhiệt độ bốc cháy của vật liệu được thấp hơn điểm nóng chảy của nó nếu không thì liệu sẽ tan chảy và chảy ra trước khi cắt có thể xảy ra Oxit kim loại có nhiệt độ nóng chảy thấp hơn so với các vật liệu xung quanh để nó có thể được thổi bay đi bởi áp lực Oxy, Oxit sinh ra bởi Oxy và vật liệu cắt phải đủ để duy trì nhiệt độ cắt, tỷ lệ giữa khí cháy và oxy nung phải mức tối thiểu để không ảnh hưởng tới lượng oxy cắt. Cắt Plasma c 4 Được phát minh cách đây khoảng hơn 50 năm[6], người ta phát hiện rằng việc giới hạn độ mở của đường khí trơ đi qua tia hồ quang điện tạo ra một loại vật chất thứ tư (khác với 3 loại vật chất cơ bản là rắn, lỏng và khí) gọi là Plasma, và nó tạo ra một nhiệt lượng vô cùng lớn khoảng 10.000 °C, khi dòng khí thoát ra khỏi đầu Plasma nó có khả năng thổi bay tất cả các loại kim loại mà nó đi qua. Từ đó, công nghệ này được dùng để cắt kim loại nhưng với quy mô rất lớn vì khi đó chi phí cắt rất cao. Cắt Laser Năm 1917 nhà vật lý Albert Einstein đã đưa ra giả thuyết về tia laser khi ông mô tả lý thuyết phát xạ kích thích.
Đến năm 1940 một số kỹ sư đã áp dụng lý thuyết này trong nghành khai thác năng lượng. Mãi đến năm 1960 tia laser làm việc đầu tiên được mô tả là "một giải pháp cho một vấn đề". Đó là trong thời gian ngắn, và với một số tư duy sáng tạo, phẩm chất của laser đặc biệt đã được tìm thấy có nhiều ứng dụng. [6] Dùng sức mạnh của tia laser để tạo ra chùm tia rất hẹp, mãnh liệt của ánh sáng gần vùng hồng ngoại theo một định hướng duy nhất đã tạo ra một năng lượng rất lớn có thể được dùng để cắt kim loại có độ dày < 12mm và các vật liệu khác như nhựa, gỗ, kính.
Yêu cầu kỹ thuật với sản phẩm sau cắt nhiệt Đối với mỗi phương pháp gia công đều có những đặc tính, yêu cầu kỹ thuật khác nhau. Đáp ứng các yêu cầu kỹ thuật cũng như đặc thù riêng của mỗi phương pháp. Cắt bằng nhiệt cũng vậy, dưới đây là một trong những yêu cầu cơ bản của phương pháp cắt nhiệt. Sản phẩm sau khi cắt cần đạt những yêu cầu kỹ thuật nhất định, mỗi sản phẩm cắt cần đạt kích thước theo yêu cầu của nhà sản xuât.
Ảnh hưởng tới độ chính xác cắt có nhiều yếu tố trong đó có các tham số quan trọng sau: - Sai số do máy + Độ cứng vững của máy khi hoạt động c 5 + Do đầu cắt: Mỗi đầu cắt (bép cắt) đều có kích thước khác nhau, phù hợp với mỗi loại vật liệu, chiều dày khác nhau. Thông số đầu cắt[8] Dựa vào bảng trên thấy rằng theo tiêu chuẩn của nhà sản xuất có thể thấy theo biên dạng bản vẽ phần vật liệu sẽ bị hao hụt đi tùy thuộc vào chiều dày vật liệu cắt và đầu cắt. Ví dụ sử dụng đầu bép cắt số 1 sẽ có sai số ½ 0. Trên thực tế nguyên công cắt Gas - Oxy chủ yếu để gia công thô nên khi thiết kế bản vẽ yêu cầu bù trừ một lượng nhất định.
- Sai số gây ra bởi chế độ cắt: Chế độ cắt khi cắt bằng khí được quyết định bởi các yếu tố tốc độ cắt, khoảng cách giữa bề mặt vật liệu và nhân ngọn lửa, lưu lượng khí, tỷ lệ pha trộn hỗn hợp khí Gas – Oxy. Khi gia công bằng nhiệt, vấn đề biến dạng do nhiệt là điều không thể tránh khỏi đặc biệt trên thép tấm. Kích thước chiều dày càng mỏng chiều dài gia công càng lớn thì biến dạng càng lớn. Vì thế thông thường với thép có chiều dày < 5mm, việc sử dụng cắt gas oxy ít được sử dụng.
Ưu điểm vượt trội của máy cắt gas điều khiển số so với cắt thủ công là chất lượng sản phẩm, sự đồng đều của sản phẩm trong suốt quá trình cắt. Khi sản xuất hàng loạt, hàng khối thì sai số cho phép rất nhỏ. Bởi các chu trình cắt được duy trì bởi các kết cấu dẫn động cố định, có tính ổn định cao. Vì thế việc duy trì tốc độ cắt, khoảng cách giữa bề mặt phôi và mép cắt được đảm bảo, chất lượng sản phẩm đưa c 6 ra sẽ tốt hơn.
Được sự hỗ trợ từ máy vi tính việc tối ưu hóa các đường chạy dao sẽ tối ưu hoàn toàn. Số hóa biên dạng cùng với các thuật toán tối ưu được hỗ trợ bởi máy tính giúp cho quá trình tối ưu cắt được tốt nhất, tiết diện phôi hao phí sẽ được tối ưu hóa, tính kinh tế được nâng lên. So sánh năng lực các phương pháp cắt nhiệt Để so sánh ưu nhược điểm của mỗi phương pháp trong cắt bằng nhiệt, bảng dưới đây cung cấp một số đặc điểm cơ bản, của 03 phương pháp cắt phổ biến hiện nay là cắt bằng Laser, Gas - Oxy và Plasma. So sánh phương pháp cắt laser, Gas-Oxy, Plasma Cắt Laser Cắt Gas Oxy Cắt Plasma Về vật liệu cắt Cắt được hầu hết vật liệu bằng kim loại (trừ các kim Chỉ cắt được sắt carbon và loại có độ phản quang cao hợp kim sắt thấp Cắt được tất cả các loại như nhôm và đồng) và phi kim loại.
kim như nhựa, kính, gỗ. Cắt được hợp kim có độ Không cắt được hợp kim nóng chảy khác nhau.