Chương 1: Giới thiệu Chương 2: Tổng quan nghiên cứu đề tài Chương 3: Cơ sở lý thuyết Chương 4: Phương hướng và các giải pháp thiết kế mô hình máy cắt plasma CNC Chương 5: Tính toán thiết kế mô hình máy cắt plasma CNC Chương 6: Chế tạo thử nghiệm – đánh giá 3 CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN NGHIÊN CỨU ĐỀ TÀI 2.1 Giới thiệu Máy cắt plasma CNC là dòng máy cắt CNC sử dụng đầu trục plasma có nhiệt độ cao để cắt các bề mặt kim loại như sắt, thép, … Máy cắt plasma CNC được điều khiển bởi hệ thống máy tính số hoá, nơi người điều khiển nhập vào các thông số và hình dạng cần cắt. Dựa trên thông tin này, máy cắt sẽ di chuyển nguồn plasma theo biên dạng được chỉ định để thực hiện quá trình cắt kim loại theo các số liệu đã được thiết lập ban đầu.2 Đặc tính của máy Ưu điểm của máy cắt plasma CNC: - Tốc độ cắt nhanh hơn nhiều so với các phương pháp cắt truyền thống khác giúp tăng năng suất, giảm giá thành chung của sản phẩm. - Cắt đa dạng các loại vật liệu kim loại, bao gồm thép không gỉ, thép cacbon, nhôm, đồng và nhiều kim loại khác. Khả năng này giúp cho máy trở thành một công cụ linh hoạt và đa năng trong việc gia công các chi tiết kim loại.
- Máy được thiết kế để cắt với độ chính xác cao cho phép tạo ra các đường cắt sắt nét và tinh tế, đảm bảo chất lượng của các chi tiết gia công nên không cần phải gia công lại. Từ đó cải thiện được chi phí gia công và không tốn thời gian gia công lại. - Máy cắt plasma CNC dễ sử dụng và vận hành. Người vận hành có thể dễ dàng điều chỉnh các thông số cắt và điều khiển máy thông qua giao diện người dùng thân thiện giúp làm giảm thiểu thời gian đào tạo và tăng tính hiệu quả trong quá trình làm việc.
- Máy được xây dựng với độ ổn định và độ đáng tin cậy cao để đảm bảo sự liên tục trong quá trình sản xuất từ đó đóng một vai trò quan trọng trong việc đảm bảo chất lượng và hiệu suất sản phẩm. Nhược điểm của máy cắt Plasma CNC: - Quá trình cắt plasma tạo ra nhiệt độ cao, làm tác động nhiệt lên vật liệu có thể gây biến dạng và thay đổi cấu trúc của vật liệu. Tác động nhiệt này có thể làm giảm tính chất cơ học của vật liệu và ảnh hưởng đến độ bền của các chi tiết gia công. Tuy nhiên, với sự điều chỉnh thích hợp của các thông số cắt như dòng điện plasma và tốc độ cắt, tác động nhiệt có thể được giảm thiểu.
- Hạn chế trong việc cắt vật liệu phi kim loại như gỗ, nhựa, thủy tinh và gốm, … 4 - Máy cắt plasma CNC không phù hợp cho việc cắt các chi tiết nhỏ và phức tạp. Do kích thước và tính chất của vòi plasma, máy cắt plasma CNC không thể đạt độ chính xác cao như máy cắt laser CNC trong việc cắt các chi tiết nhỏ và phức tạp. Điều này hạn chế khả năng ứng dụng trong các ngành công nghiệp yêu cầu độ chính xác cao và chi tiết nhỏ. - Máy cắt plasma CNC yêu cầu sự điều chỉnh đúng các thông số như dòng điện plasma, tốc độ cắt, áp suất khí plasma và khoảng cách đến vật liệu đòi hỏi kỹ thuật viên có kinh nghiệm và kiến thức để điều chỉnh các thông số này một cách chính xác.
Việc không điều chỉnh đúng có thể dẫn đến kết quả cắt không tốt và làm giảm hiệu suất sản xuất. Tuy nhiên, với sự tiến bộ của các hệ thống điều khiển tự động và phần mềm quản lý, quá trình điều chỉnh và kiểm soát có thể trở nên dễ dàng hơn. - Quá trình cắt plasma tạo ra nhiều khói, bụi và khí thải gây ô nhiễm môi trường. Các tia plasma cũng có thể tạo ra tiếng ồn và rung động, gây ảnh hưởng đến môi trường làm việc và sức khỏe của nhân viên.
Để giảm tác động này, cần có biện pháp xử lý khí thải và hệ thống quạt thông gió hiệu quả.3 Kết cấu của máy Hình 2.1 Kết cấu máy cắt plasma CNC [11] 5 Máy cắt plasma CNC có cấu trúc tổng thể bao gồm các thành phần sau: Khung máy: Là khung gầm chịu lực chính của máy. Khung máy thường được làm bằng các vật liệu chắc chắn như thép hợp kim hoặc gang, để đảm bảo độ ổn định và cứng vững trong quá trình gia công. Bàn cắt: Đây là bề mặt phẳng và chắc chắn nơi đặt và cố định các vật liệu cắt. Bàn cắt thường được trang bị lưới hoặc thanh để cho phép thông gió hỗ trợ vật liệu cắt mà không ảnh hưởng đến mỏ cắt Plasma.
Mỏ cắt plasma: Là thành phần chính thực hiện các phép cắt và gia công trên kim loại. Nguồn cắt: Là nguồn cung cấp năng lượng cần thiết để tạo ra hồ quang plasma trong mỏ cắt. Nó là thành phần thiết yếu cho quá trình cắt. Hệ thống điều khiển CNC: Là bộ não của máy.
Nó diễn giải chương trình cắt do phần mềm CAM tạo ra và gửi lệnh đến hệ thống truyền động và các bộ phận khác để thực hiện quy trình cắt. Hệ thống điều khiển CNC hiện đại thường có giao diện màn hình cảm ứng để dễ dàng lập trình và giám sát. Hệ thống trục chuyển động: Bao gồm các trục chuyển động như trục X, trục Y và trục Z. Các trục này cho phép máy di chuyển và gia công trên các hướng khác nhau trong không gian ba chiều.
Trục X và trục Y thường di chuyển ngang, trong khi trục Z di chuyển theo chiều dọc.4 Ứng dụng của máy Máy cắt plasma CNC được ứng dụng rất nhiều trong ngành cơ khí hạng nạng cũng như cơ khí dân dụng cụ thể như: Cơ khí hạng nặng: kết cấu thép, nhà tiền chế, đóng tàu, cắt bản mã dày, … Cơ khí dân dụng: thiết bị nhà bếp, công cụ dụng cụ nông nghiệp, chế tạo máy công cụ, thiết bị cơ khí,. Trang trí nội ngoại thất: làm hoa văn cổng cửa để trang trí nội ngoại thất, làm sắt mỹ thuật, hoa văn cổng cửa,. Ngành quảng cáo: biển quảng cáo, biển số nhà, sản phẩm quảng cáo, … 2.5 Các nghiên cứu liên quan đến đề tài 2.1 Các nghiên cứu ngoài nước Trên thế giới việc nghiên cứu công nghệ cắt plasma đã được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực khác nhau đã xuất hiện từ rất lâu. Không những thế các mô hình máy cắt plasma đã phát triển một cách nhanh chóng.
Hệ thống tự động kiểm soát dòng khí xuất hiện. Nó liên 6 kết kỹ thuật số với các máy CNC. Công nghệ này đã loại bỏ các lỗi liên quan đến vận hành máy trong việc cài đặt các thông số cho chu trình cắt. Nhiều công nghệ mới ra đời giúp cải thiện chất lượng, năng suất cắt và thông số cho trình cắt được tự động hóa.
Chúng bao gồm tích hợp plasma, hệ thống liên kết chặt chẽ với CNC, nguồn cung cấp năng lượng, điều khiển lưu lượng khí, phần mềm CAM và hệ thống kiểm soát chiều cao giúp cho quy trình cắt hoàn toàn vận hành tự động. Với những tính năng được tích hợp vào máy cắt đã giúp cho việc vận hành máy trở nên đơn giản hơn rất nhiều. Và trên thế giới hiện nay nhằm đáp ứng các nhu cầu khác nhau của người dùng mà các dòng máy cắt Plasma CNC cũng xuất hiện với nhiều mức giá khác nhau. Dưới đây là một số loại máy cắt Plasma CNC phổ biến trên thế giới hiện nay.2 Máy cắt plasma CNC PRO-PLAS 1530 của hãng Hypertherm [12] Hình 2.3 Máy cắt plasma CNC TNC của hãng Shanghai Huawei Welding & Cutting Machine Co.4 Máy cắt plasma CNC Versagraph Extreme của hãng Koike Aronson, Inc [14].2 Các nghiên cứu trong nước Với những lợi ích to lớn mà máy cắt Plasma CNC mang lại nhiều năm trước, các doanh nghiệp cơ khí Việt Nam phải đành bỏ ra một khoản chi ngoại tệ rất lớn để nhập khẩu máy cắt Plasma CNC phục vụ quá trình sản xuất.
Không những bất cập về giá thành, tại thời điểm đó, doanh nghiệp Việt còn gặp nhiều khó khăn khi vận hành, năng suất không cao và khó sửa chữa khi gặp sự cố vì phụ thuộc rất lớn vào chuyên gia nước ngoài. Điều đó ảnh hưởng trực tiếp đến tiến độ sản xuất và lợi nhuận của doanh nghiệp. Trăn trở với những khó khăn mà các doanh nghiệp cơ khí Việt gặp phải thì nhiều công ty sản xuất máy móc trong nước đã tìm tòi và nghiên cứu với khát khao tạo ra những sản phẩm máy cắt Plasma CNC chất lượng cao với giá thành phù hợp để nâng cao hiệu suất làm việc và đáp ứng nhu cầu thị trường trong nước. Và sau nhiều lần nỗ lực với không ít lần thất bại, máy cắt Plasma CNC mang thương hiệu Việt do kỹ sư Việt Nam chế tạo đã được đưa vào hoạt động và sử dụng tại các doanh nghiệp nghiệp cơ khí Việt Nam như: Hình 2.5 Máy cắt plasma CNC Pro-1530 của công ty hệ thống tự động MTA [15].
8 Và khi nhắc đến thương hiệu Việt Nam thì chúng ta không thể bỏ qua Công ty Cổ phần Công nghệ Sơn Vũ không những đang khẳng định là thương hiệu hàng đầu về giải pháp máy cắt Plasma CNC tại thị trường Việt Nam mà còn vươn ra thế giới. Và các loại máy cắt Plasma CNC được Công ty Cổ phần Công nghệ Sơn Vũ sản xuất như: Hình 2.6 Máy cắt plasma CNC SPC-30120 của Công ty Cổ phần Công nghệ Sơn Vũ [16].7 Máy cắt plasma CNC SPC 1530 Pro của Công ty Cổ phần Công nghệ Sơn Vũ [17]. 9 CHƯƠNG 3: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 3.1 Lí thuyết về công nghệ cắt plasma Vật liệu quan trọng nhất trong công nghệ cắt plasma chính là tia plasma. plasma là những chất khí có chứa các ion (có chứa các điện tích) và các điện tử chuyển động tự do.
Trong điều kiện thường, các chất khí đều tạo thành từ các phần tử trung hòa về điện (không mang điện). Khi đó mỗi nguyên tử, số hạt proton mang điện tích dương có trong hạt nhân nguyên tử đúng bằng số điện tử mang điện tích âm ở lớp vỏ, quay xung quanh hạt nhân. Do vậy tổng điện tích âm và dương của nguyên tử trung hòa với nhau, tức là luôn bằng không. Nếu cho một dòng điện (dòng các điện tử tự do) chạy qua chất khí này thì tình trạng cân bằng này sẽ không còn.
Các điện tử tự do va chạm với nguyên tử khí làm cho các điện tử nằm ở lớp ngoài cùng của nguyên tử đó bắn ra. Khi đó chất khí trở thành plasma.