MỞ ĐẦU 1. Lý do chọn đề tài Trong nhưng năm gần đây, với sự phát triển nhanh chóng của khoa học kỹ thuật đã thúc đẩy các ngành công nghiệp phát triển. Trong lĩnh vực cơ khí chế tạo máy các sản phẩm cơ khí cũng yêu cầu chất lượng ngày càng cao. Để nâng cao chất lượng sản phẩm một mặt người ta sử dụng ngày càng nhiều các loại vật liệu có cơ tính tốt, thép không gỉ hoặc thép chậm gỉ là một trong những loại vật liệu đó.
Với thành phần các bon và hợp kim chủ yếu: 0.4 %C , >13%Cr, thì đây là loại thép rất dẻo, dễ uốn, dễ hàn, bền, chống ăn mòn tốt trong khoảng nhiệt độ rộng. Nên loại vật liệu này được sử dụng khá rộng rãi và rất thích hợp trong các ngành hoá chất, dụng cụ mổ trong ngành y học, khuôn mẫu, đồ trang sức, các loại ốc vít không gỉ, ổ bi chống ăn mòn, đồ gia dụng, bình chứa, ống công nghiệp, tàu thuyền công nghiệp, vỏ ngoài các công trình xây dựng. Mặt khác bên cạnh chọn vật liệu tốt người ta phải nâng cao độ chính xác và chất lượng bề mặt khi gia công để nâng cao chất lượng của sản phẩm. Đối với thép tấm không rỉ, để hoàn thiện một sản phẩm cần qua nhiều công đoạn .Trong đó công đoạn cắt là khá quan trọng để tạo nên một sản phẩm chất lượng.
Phương pháp cắt bằng hồ quang plasma chủ yếu được sử dụng để gia công vật liệu này. Cắt plasma là công nghệ khá phức tạp đòi hỏi người thực hiện phải có kiến thức lý thuyết về vật lý, hóa học, cơ khí, luyện kim, điện, điện tử, tự động hóa…, đồng thời cũng yêu cầu cao về tính sáng tạo và kỹ năng nghề nghiệp. Hiện nay, công nghệ cắt plasma đã được ứng dụng trong nhiều ngành công nghiệp khác nhau làm cho năng suất và chất lượng sản phẩm tăng lên rất nhiều. Tuy nhiên, việc lựa chọn chế độ cắt cho phù hợp nhằm nâng cao năng su ất và đảm bảo chất lượng sản phẩm còn gặp nhiều bất cập vì chưa được LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com 2 ` nghiên cứu kỹ lưỡng; Mối quan hệ giữa chế độ cắt với chất lượng sản phẩm cắt chưa được đánh giá đầy đủ; việc chọn chế độ cắt hiện nay vẫn dựa vào kinh nghiệm thể hiện trong các bảng tra…Vì vậy, đề tài “Nghiên cứu ảnh hưởng chế độ cắt đến chất lượng sản phẩm khi cắt thép không rỉ bằng tia plasma” là rất cần thiết; nó tạo tiền đề cho việc nghiên cứu hoàn thiện tiếp theo nhằm mục đích xác định chế độ cắt hợp lý và tiến tới tối ưu hoá chế độ cắt khi cắt thép không rỉ bằng hồ quang plasma góp phần nâng cao hiệu quả khai thác, sử dụng máy cắt bằng plasma trong sản xuất cơ khí và là cơ sở để nghiên cứu cho các vật liệu khác, trên cơ sở nghiên cứu bằng lý thuyết và thực nghiệm tạo ra một chế độ cắt cụ thể ứng với bề dày vật cắt khi cắt thép không rỉ.
Mục đích nghiên cứu Nghiên cứu chế độ cắt plasma khi cắt thép không rỉ có bề dày h = 8 mm và ảnh hưởng của nó đến vùng ảnh hưởng nhiệt phân phối bên trong thép. Từ đó có những khuyến cáo khi sử dụng công nghệ cắt thép không rỉ bằng plasma với các tấm thép có chiều dày khác nhau. Đồng thời đề xuất một chế độ cắt phù hợp với thép không rỉ khi áp dụng phương pháp cắt bằng plasma. Đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu Trong phạm vi và thời gian thực hiện đề tài này, thép không rỉ có bề dày 8mm được lựa chọn để nghiên cứu chế độ cắt plasma không khí với qui trình cắt tự động.
Phạm vi ứng dụng khi cắt các thép không rỉ được mở rộng đến các chiều dày khác nhau (6 - 12) mm sử dụng rộng rãi trong công nghiệp. Các đối tượng được quan tâm đến gồm: - Các dạng năng lượng tham gia vào quá trình cắt. - Bề rộng mạch cắt và vùng ảnh hưởng nhiệt. Phƣơng pháp nghiên c ứu đề tài - Nghiên cứu lý thuyết để có được kết quả phân tích, tính toán dựa vào lý LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com 3 ` thuyết truyền nhiệt - Nghiên cứu thực nghiệm đo nhiệt độ và xác định vùng ảnh hưởng nhiệt.
- Thực nghiệm đo bề rộng rãnh cắt - So sánh kết quả đo và kết quả tính để khẳng định độ tin cậy của kết quả tính theo lý thuyết truyền nhiệt. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài - Xác định được ảnh hưởng của một số thông số đến chất lượng sản phẩm khi cắt thép không gỉ bằng plasma - Xác định được bề rộng và kích thước vùng ảnh hưởng nhiệt của thép sau khi cắt. - Cho phép hạn chế công đoạn cắt thử nhiều lần trong thực tiễn làm tăng chi phí gia công. - Cung cấp các khuyến cáo, hướng dẫn khi sử dụng công nghệ cắt bằng plasma để đạt hiệu quả cao trong thực tiễn sản xuất, chế tạo.
LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com 4 ` Chƣơng 1 TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU 1. Các quy trình cắt kim loại bằng nhiệt khí 1.1 Cắt bằng ô-xy Quá trình cắt bắt đầu bằng sự đốt nóng kim loại đến nhiệt độ cháy (ô-xy hóa mạnh liệt) nhờ ngọn lửa hàn sau đó cho dòng ô-xy thổi qua, để đốt nóng kim loại đến nhiệt độ cháy, khi đã đạt được đến nhiệt độ cháy. Cho dòng ô-xy kỹ thuật nguyên chất (98 ÷ 99,7% O2) vào rãnh giữa của mỏ cắt và nó trực tiếp ô-xy hóa kim loại thành ô xít sắt và thổi xỉ lỏng khỏi rãnh cắt. Sự tạo thành nhiệt do quá trình kim loại cháy trong ô-xy đã làm cho quá trình cắt được liên tục cho đến khi kết thúc đường cắt.
Cắt bằng ô-xy được ứng dụng rộng rãi trong công nghiệp luyện kim và gia công kim loại, đặc biệt là trong ngành luyện kim đen, đóng tàu, chế tạo lò hơi, chế tạo đầu máy toa xe, xây dựng …Việt Nam. Hiện nay cắt bằng phương pháp thủ công vẫn được ứng dụng rộng rãi để cắt thép tấm, mặt tròn và các chi tiết đơn giản hay phức tạp khác. Cắt bằng máy cắt ngày càng phát triển và có năng xuất cao, độ chính xác lớn, mép cắt phẳng nhất là cắt ô-xy, a- xê-ty-len thực hiện trên máy cát CNC. Cắt hồ quang ô-xy Phương pháp này dùng để cắt, khoét rãnh hoặc cắt lỗ kim loại bằng điện cực dạng que hàn, có sử dụng ô-xy.
Điện cực có vỏ bọc bằng thuốc trợ dung, với chức năng ổn định hồ quang và làm sản phẩm cháy trong quá trình cát trở nên lỏng hơn. Lõi của điện cực là lõi rỗng dạng ống qua đó ô-xy được đưa trực tiếp vào vùng hồ quang nơi kim loại được cắt. Kìm cắt được thiết kế đặc biệt để có khả năng dẫn điện đến điện cực và ô-xy đến hồ quang. LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com 5 ` Với phương pháp này, hồ quang được đun nóng sơ bộ trước, sự cắt kim loại thực tế được thực hiện bằng dòng ô-xy và thuốc trợ dung, nhờ phối hợp nung chảy, ô-xy hóa, hòa tan, tạo xỉ và phun cơ học.
Trong trường hợp vật liệu có tính chống ô-xy hóa cao, chẳng hạn như thép không rỉ, nhôm và hợp kim nhôm,…. Quá trình cắt chủ yếu do sự nóng chảy. Trong tường hợp này, lớp vỏ bọc điện cực sẽ đẩy kim loại nóng chảy ra xa đường cắt tương tự tác dụng của kim loại bột hoặc chất trợ dung trong quy trình cắt thép không rỉ bằng ô-xy, a-xê-ty-len. Cắt hồ quang, kim loại bằng tay Đây là phương pháp cắt thô sử dụng điện hàn cực thông dụng hoặc điện cực được thiết kế đặc biệt có đường kính từ 4mm đến 6mm với cường độ dòng điện cao hơn so với hàn hồ quang tay 30-50% so với dòng điện hồ quang tương ứng.
Mặc dù có thể dùng dòng điện xoay chiều, nhưng dòng một chiều cực thuận được ưu tiên sử dụng. Đôi khi có thể làm ẩm điện cực, nước trong lớp bọc điện cực làm giảm sự quá nhiệt điện cực và phân hủy trong hồ quang để xuyên thấu sâu hơn. Các tấm dày không quá 10mm có thể cắt dễ dàng bằng cách dịch chuyển điện cực dọc theo đường cắt. Đối với kim loại tấm dày hơn, cần cắt từ phía dưới tấm kim loại và xỉ nóng chảy có thể dễ dàng thoát xuống dưới.
Đường cắt có thể bắt đầu từ mép tấm, hoặc cắt từ lõi công nghệ xuyên qua tấm. Để tạo điều kiện cho kim loại và xỉ nóng thoát ra ngoài, chiều dài hồ quang cần ngắn, trong lúc đồng thời đẩy que hàn vào vũng kim loại nóng chảy và chuyển động que hàn lên xuống theo hình lưỡi liềm. Chuyển động lên trên cần nhanh, trong lúc chuyển động xuống dưới cần tạo ra được tác dụng đẩy kim loại và xỉ nóng ra ngoài rãnh cắt. Khi không có phương pháp nào tốt hơn, phương pháp này được sử dụng để khoét lỗ trong các ống, tấm, để hàn các phần nối thêm sau đó.
LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail. Cắt bằng điện cực các bon khí nén Phương pháp này dùng trong không khí nén để loại bỏ không khí nóng chảy do hồ quang tạo nên. Nó cho phép vát rãnh vật liệu kim loại. Dòng khí nén tốc độ cao có hướng song song với điện cực Các bon và vị trí hồ quang, có tác dụng thổi kim loại nóng chảy ra khỏi vùng đó.
Các ứng dụng chủ yếu của phương pháp này là cắt kim loại, khoét bỏ những đường hàn hoặc vùng hàn bị khuyết tật và vát rãnh để chuẩn bị mép hàn. Khác với cắt kim loại bằng nguyên liệu khí ô-xy dựa trên sự ô-xy hóa và loại bỏ xỉ nóng chảy thấp, cắt bằng hồ quang không khí chỉ làm nóng chảy mà không ô xy hóa. Quy trình này về cơ bản có tính vật lý, do đó có thể được dùng cho mọi vật liệu kim loại kể cả loại có màng ô xít khó nóng chảy. Cắt bằng hồ quang Plasma Plasma là khí dẫn nhiệu bao gồm các điện tử, ion, phân tử trung hòa.
Plasma cắt kim loại có nhiệt độ từ 50÷30.000K, hình thành khi thổi dòng khí tạo Plasma mà có thể là chất lỏng hoặc hỗn hợp khí và chất lỏng qua hồ quang điện trong mỏ cắt. Thiết bị cắt Plasma bao gồm nguồn điện, bộ điều khiển, một hoặc nhiều loại khí để có khí phun(qua lỗ) và khí bảo vệ, và mỏ cắt, thiết bị có thể vận hành bằng tay hoặc cơ khí hóa. Nguồn điện một chiều với điện áp hở mạch trong khoảng 120-140V và dòng điện 70-1000A. Để cá thép có chiều dày 75mm và nhôm có chiều dày 90mm cần điện áp hở mạch 400V và dòng điện đến 500A.