Nghiên cứu thiết kế chế tạo máy cắt plasma CNC chuyên dùng

Giới thiệu

Tính cấp thiết của đề tài

Ngày nay, với sự phát triển của khoa học kỹ thuật, ngành gia công cơ khí chính xác đã đạt được nhiều thành tựu đáng kể Sự ra đời của các máy cắt Plasma CNC hiện đại cho phép gia công các chi tiết phức tạp trên bề mặt 2D với độ chính xác cao, từ đó nâng cao năng suất sản xuất.

Hinh1.1: Máy cắt Plasma 2 đầu cắt

Máy móc hiện đại có chi phí đầu tư cao, điều này đã thúc đẩy nhiều người tìm kiếm giải pháp chế tạo máy cắt Plasma CNC nhỏ gọn và tiết kiệm, nhưng vẫn đảm bảo đáp ứng nhu cầu sản xuất.

Hiện nay, việc chế tạo máy cắt Plasma CNC cỡ nhỏ đang trở nên phổ biến tại Việt Nam và trên thế giới, với nhiều người tham gia nhằm phục vụ nhu cầu sử dụng tại nhà và các xưởng sản xuất nhỏ với chi phí thấp Ngoài ra, nhiều sinh viên tại các trường đại học và cao đẳng cũng đã chế tạo máy cắt Plasma CNC để phục vụ cho việc học tập Do đó, nghiên cứu và thiết kế máy cắt Plasma CNC chuyên dụng là một đề tài cần thiết và cấp bách.

1.1.2 Ý nghĩa khoa học và ý nghĩa thực tiễn

Việc nghiên cứu, chế tạo máy cắt Plasma trong sinh viên sẽ gợi mở ra nhiều giải pháp mới, phương hướng phát triển mới

Nghiên cứu và chế tạo máy cắt Plasma CNC yêu cầu sinh viên tích lũy kiến thức đa dạng về cơ khí, điện tử và tin học Đây là cơ hội để sinh viên khám phá, kiểm nghiệm và hiểu biết sâu sắc về các máy cắt Plasma CNC hiện đại, từ đó phát triển một sản phẩm CNC phù hợp với nhu cầu sử dụng Đề tài chế tạo máy cắt Plasma CNC mà nhóm đang thực hiện không chỉ giúp củng cố kiến thức mà còn nâng cao kỹ năng ở nhiều lĩnh vực khác nhau Sản phẩm hoàn thành sẽ có khả năng phục vụ nhu cầu thực tiễn.

Ý nghĩa khoa h c và ý nghĩa thực tiễn

vụ cho dạy h c hoặc gia công thép hoặc kim loai tấm mỏng không yêu cầu độ chính xác quá cao.

Mục tiêu nghiên cứu của đề tài

Nắm vững kiến thức về cấu tạo, nguyên lý hoạt động, cách truyền động, lập trình và điều khiển máy cắt Plasma CNC

Vận dụng kiến thức để nghiên cứu phát triển và chế tạo mô hình máy cắt Plasma CNC

Lập trình, điều khiển máy cắt Plasma CNC trên để gia công ra sản phẩm và đạt độ chính xác theo yêu cầu.

Đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu

Đối tƣợng nghiên cứu

 Máy cắt Plasma CNC 3 trục

 Phần mềm điều khiển Mach3

 Phần mềm thiết kế, tính toán, mô phỏng

 Động cơ và phương pháp truyền động.

Phạm vi nghiên cứu

 Nghiên cứu và chế tạo máy cắt Plasma CNC 3 trục

 Đảm bảo các yêu cầu đặt ra nhƣ sau:

+ Không gian làm việc của máy: 1200x500 mm

+ Sai số cho phép: 0.5mm

 Thời gian nghiên cứu: 3 tháng.

Phương pháp nghiên cứu

Cơ sở phương pháp luận

Dựa trên kiến thức hiện có về máy cắt Plasma CNC, chúng tôi tiến hành phân tích và tìm kiếm giải pháp mới, sau đó chế tạo và thực nghiệm Cuối cùng, chúng tôi tổng hợp và đánh giá các giải pháp để xác định tính tối ưu của chúng, cũng như xác định các trường hợp cụ thể mà giải pháp đó phát huy hiệu quả nhất.

Các phương pháp nghiên cứu cụ thể

 Khảo sát thực tiễn: Tìm hiểu về máy cắt Plasma CNC

 Xây dựng mô hình- thực nghiệm: Chế tạo mô hình máy cắt Plasma CNC,

NGHIÊN CỨU CÔNG NGHỆ CNC PLASMA

Giới thiệu về Plasma

Plasma là một hỗn hợp khí ion hóa chứa các hạt mang điện như electron và ion, cùng với các hạt trung hòa Trong plasma, tổng điện tích dương và âm luôn cân bằng, tạo nên một hệ trung hòa điện tích và có khả năng dẫn điện tốt Tuy nhiên, khi có sự mất cân bằng điện tích, plasma sẽ sinh ra một điện trường mạnh để khôi phục sự cân bằng, đảm bảo mật độ electron gần bằng mật độ hạt mang điện tích dương trong một đơn vị thể tích.

-Để phản ánh bản chất của plasma người ta đưa ra khái niệm bậc ion hóa

  β : bậc ion hóa n e,I : nồng độ các hạt mang điện n 0 : nồng độ các hạt khí trong môi trường

-Nhờ vào bậc ion hóa người ta chia plasma ra làm hai loại là: ion hóa hoàn toàn và ion hóa một phần

Ion hóa hoàn toàn thường xuất hiện trong plasma có nhiệt độ cao, nơi mà tính chất của plasma chủ yếu được xác định bởi các điện tử và ion có mặt trong nó.

-Trường hợp plasma nhiệt độ thấp ion hóa hoàn toàn thường xảy ra trong phóng điện ẩn và phóng điện hồ quang

-Để plasma có tính ion hóa mạnh thì: ei eo

-Để plasma có tính ion hóa yếu thì: ei

 ei :tiết diện hiệu dụng, đặc trưng cho quá trình tương tác giữa điện tử với ion

 eo :tiết diện hiệu dụng, đặc trưng cho quá trình tương tác giữa điện tử với hạt trung hòa

-Theo quan điểm nhiệt động h c có hai loại là plasma cân bằng và plasma không cân bằng

Plasma cân bằng, hay còn gọi là plasma đẳng nhiệt, là trạng thái mà các hạt có cùng nhiệt độ và trung hòa về điện Trong plasma này, các hạt mang điện luôn được bù đắp bởi quá trình ion hóa, cho phép nó tồn tại mà không cần năng lượng từ bên ngoài.

Plasma không cân bằng, hay còn gọi là plasma bất đẳng nhiệt, là trạng thái không trung hòa về điện Tuy nhiên, mức độ phá vỡ trung hòa này không quá lớn Để tồn tại, plasma cần có năng lượng từ bên ngoài; nếu không nhận được năng lượng này, plasma sẽ tự tiêu biến.

Điều kiện gần trung hòa là một trong những yếu tố cơ bản của plasma, có thể định nghĩa plasma là tập hợp các ion, điện tử và hạt trung hòa tương tác với nhau và với trường bức xạ Tuy nhiên, định nghĩa này chưa phản ánh đầy đủ các tính chất cơ bản của plasma, vì vậy cần tìm hiểu thêm về màn tĩnh điện Nếu bỏ qua lực tương tác phân tử, ta có thể sử dụng công thức r kT e.

( r : khoảng cách trung bình giữa các hạt

Khi xem xét một hạt bất kỳ, xung quanh hạt sẽ hình thành một lớp điện tích hình cầu, với độ dày của lớp này phụ thuộc vào nhiệt độ và nồng độ hạt Độ dày của lớp tiếp xúc cần đủ lớn để chứa số lượng hạt mang điện tích khác dấu, nhằm tạo ra một màn chắn trường cho hạt Bán kính của lớp điện tích hình cầu này được gọi là bán kính Debye.

-Vậy trường của lớp điện tích bao quanh hạt đã làm màn chắn trường của hạt đó trên khoảng cách xác định

Trong trường hợp tổng quát thì bán kính Debye được tính bằng công thức

    ie ie ie ie ie Z n

D ie là bán kính Debye của các thành phần cấu tạo plasma

Công thức này chỉ ra rằng để duy trì màn chắn, cần có đủ số lượng hạt trái dấu trong hình cầu bán kính Debye Nếu bán kính Debye quá lớn đến mức không còn khả năng tạo ra màn chắn, thì trạng thái plasma sẽ không còn tồn tại Do đó, plasma phải đáp ứng các điều kiện nhất định để đảm bảo sự ổn định của nó.

-Thỏa mãn điều kiện gần trung hòa

-Bán kính Debye phải nhỏ hơn nhiều lần so với khích thước của miền chứa tập hợp đó

2.1.2 Sự tương tác giữa các hạt trong plasma

Tiết diện hiệu dụng trong va chạm là khái niệm quan trọng, đặc trưng cho quá trình va chạm trong chất khí Nó thể hiện ý nghĩa hình học của va chạm, trong đó hai hạt sẽ va chạm khi khoảng cách giữa hai tâm của chúng nhỏ hơn hoặc bằng bán kính hiệu dụng Bán kính này được xác định bởi hình dạng của các hạt; ví dụ, nếu các hạt có dạng quả cầu đàn hồi với bán kính lần lượt là r1 và r2, va chạm sẽ xảy ra khi khoảng cách giữa chúng nhỏ hơn r1 + r2.

 Khoảng đường tự do trung bình

Khoảng đường tự do trung bình của hạt được xác định như tổng số khoảng cách của hạt giữa hai va chạm chia cho tất cả số hạt đó

Tiết diện hiệu dụng lớn hơn sẽ dẫn đến nhiều va chạm hơn giữa các hạt Khi số lượng va chạm tăng, khoảng đường tự do trung bình sẽ giảm Do đó, khoảng đường tự do trung bình phụ thuộc vào tiết diện hiệu dụng và mật độ của các hạt.

Tần số va chạm là số va chạm trong một đơn vị thời gian Nếu hạt chuyển động với vận tốc v, thì tần số va chạm sẽ bằng:

Va chạm không làm thay đổi tính chất của hạt, mà chỉ khiến các hạt tương tác lệch đi một góc nhỏ, đóng vai trò đặc biệt trong quá trình này.

Chúng ta sử dụng lý thuyết cổ điển để nghiên cứu va chạm đàn hồi, vì nó không phù hợp với các mức năng lượng nguyên tử Do đó, lý thuyết cổ điển chỉ được áp dụng trong những trường hợp nhất định.

Vậy lý thuyết cổ điển đúng chỉ với năng lƣợng của hạt va chạm lớn và tiết diện hiệu dụng biến đổi chậm hơn v -2

Tán xạ đàn hồi của điện tử và ion

Va chạm đàn hồi giữa electron với phân tử hoặc nguyên tử là một trong những sự va chạm thường hay gặp nhất trong plasma

Xét 2 hạt tương tác với nhau Động năng toàn phần của hạt: U m r v' 2 r

 1 v r vận tốc tương đối của hai hạt trước va chạm

Tổng động năng và thế năng

Góc lệch toàn phần đƣợc tính bằng công thức:

 b g i là thông số va chạm

Do  (,v) tỉ lệ thuận với b 2 nên

Vậy vận tốc hiệu dụng tỉ lệ nghịch với vận tốc electron

2.1.4 Va chạm không đàn hồi a) Va chạm không đàn hồi loại 1

Va chạm không đàn hồi có khả năng làm thay đổi tính chất của một hoặc nhiều hạt, từ đó tạo điều kiện cho các quá trình như ion hóa, kích thích, phân li và hóa hợp diễn ra.

Trong va chạm không đàn hồi loại 1 khi kích thích hoặc ion hóa thì một phần động năng của hạt sẽ chuyển vào thế năng của hạt kia

Theo định luật bảo toàn năng lƣợng

Từ định luật bảo toàn xung lƣợng m 1 v 1 + m 2 v 2 =m 1 v‟ 1 +m 2 v‟ 2

 H tỉ số truyền năng lƣợng khi va chạm không đàn hồi Điều kiện đối với năng lƣợng hạt bay đến trong va chạm đàn hồi là:

Thời gian hạt bay đến trong vùng tương tác của trương nguyên tử: v r

 Thời gian chuyển điện tử từ mức quỹ đạo này lên mức quỹ đạo khác, hoặc tách nó ra khỏi nguyên tử

' Trong va chạm không đàn hồi =‟

Sự chuyển điện tích của hạt

Sự chuyển điện tích giữa các hạt trong plasma là quá trình truyền điện tích từ ion chuyển động nhanh sang các nguyên tử chuyển động chậm Kết quả của quá trình này là ion có năng lượng cao có khả năng trở thành nguyên tử trung hòa, trong khi đó, ion mới được hình thành trong plasma lại có năng lượng thấp Quá trình chuyển điện tích này đóng vai trò quan trọng trong plasma phản ứng nhiệt hạch.

Khảo sát cho thấy rằng khi vận tốc proton tăng lên, tiết diện trao đổi điện tích ban đầu tăng nhanh Tuy nhiên, khi vận tốc đạt đến một giá trị nhất định, tiết diện này đạt giá trị cực đại và sau đó giảm nhanh chóng Vận tốc proton tại điểm tiết diện hiệu dụng lớn nhất được gọi là vận tốc tối ưu.

Khi va chạm với một hạt nặng, electron sẽ gây ra sự kích thích hạt đó, nhờ vậy hạt có năng lượng cao hơn trước khi va chạm

Nguyên tử hay ion đƣợc kích thích thích có thể chuyển về mức năng lƣợng không kích thích nhỏ hơn, nhờ đó năng lƣợng ánh sáng đƣợc phát xạ

Quá trình ion hóa là sự tách electron khỏi nguyên tử hoặc phân tử khí, đóng vai trò quan trọng trong việc hình thành plasma Nếu không có quá trình ion hóa, plasma sẽ không thể tồn tại.

+plasma đậm đặc: sự ion hóa chất khí sinh ra do tác dụng va chạm giữa các nguyên tử hoặc nguyên tử trung hòa với các electron

+plasma quá loãng: tác dụng bức xạ cực ngắn là nguyên nhân gây ra sự ion hóa b) Va chạm không đàn hồi loại 2

Đặc điểm Plasma

- Có hai plasma là plasma nhiệt độ cao và plasma nhiệt độ thấp

+Plasma nhiệt độ thấp có nhiệt độ trong khoảng 3000-70000K, thường được sử dụng trong đèn huỳnh quang, ống phóng điện tử, tivi plasma…

+Plasma nhiệt độ cao có nhiệt độ lớn hơn 70000K, thường gặp ở mặt trời và các ngôi sao, trong phản ứng nhiệt hạch…

 Ưu điểm của phương pháp cắt Plasma

- Phương pháp cắt plasma có các lợi thế đối với phương pháp cắt laser, và cắt oxy-gas:

Cắt plasma có tốc độ nhanh hơn so với cắt oxy-gas trên các tấm dày dưới 50mm và nhanh hơn cắt laser trên các tấm dày hơn 3mm Tốc độ cắt nhanh này không chỉ giúp tăng năng suất mà còn giảm chi phí sản xuất tổng thể.

Cắt plasma có khả năng cắt nhiều loại vật liệu, bao gồm cả vật liệu chứa sắt và không chứa sắt, với độ dày cắt lên đến 80mm.

Cắt plasma dễ dàng vận hành với yêu cầu kỹ thuật thấp cho người sử dụng Việc đào tạo nhanh chóng và thao tác cắt đơn giản, không cần điều chỉnh phức tạp trong quá trình làm việc.

- Tính kinh tế: Cắt plasma có tính kinh tế hơn so với cắt oxy-gas khi cắt với các tấm dày dưới 25mm

 Nhược điểm của phương pháp cắt Plasma

- Điện cực cắt, vòi phun thường xuyên phải thay thế làm tăng giá thành sản xuất

- Cắt plasma không thể cắt với vật cắt không phải kim loại.

Plasma cắt kim loại

2.3.1 Tia Plasma Cắt Kim Loại

Quá trình cắt Plasma là phương pháp cắt kim loại dẫn điện bằng cách sử dụng khí dẫn điện để chuyển năng lượng từ nguồn điện đến tấm kim loại Trong trạng thái bình thường, khí như không khí, oxy và nitơ không dẫn điện, nhưng khi cung cấp năng lượng lớn, các nguyên tử khí sẽ bị ion hóa và trở nên dẫn điện Khi quá trình oxy hóa xảy ra mạnh mẽ cùng với dòng điện liên tục qua khí ion hóa, dòng plasma được tạo ra Dòng plasma này được dẫn đến đầu cắt để thực hiện việc cắt kim loại, tạo ra một mạch điện khép kín giữa đầu cắt và tấm kim loại, giúp duy trì tia plasma liên tục trong suốt quá trình cắt.

Hệ thống cắt plasma cơ bản bao gồm bộ nguồn cung cấp năng lượng, mạch khởi động hồ quang và đầu cắt Các thành phần này cung cấp năng lượng điện, khả năng ion hóa và quy trình điều khiển, giúp tạo ra đường cắt chất lượng và năng suất cao trên nhiều loại kim loại khác nhau.

Bộ nguồn cung cấp năng lượng là nguồn điện một chiều liên tục với điện áp từ 240 đến 400 VDC, có vai trò quan trọng trong việc xác định tốc độ và độ dày của vật liệu cần cắt Chức năng chính của bộ nguồn là cung cấp năng lượng chính xác để duy trì hồ quang plasma sau khi ion hóa.

Mạch khởi động hồ quang là một thiết bị phát tần số cao, tạo ra điện áp xoay chiều từ 5000 đến 10000 volt ở tần số 2 triệu Hz (2MHz) Điện áp này được sử dụng để tạo ra hồ quang cường độ cao trong đầu cắt, nhằm ion hóa khí và tạo ra plasma Đầu cắt giữ các chi tiết tiêu hao như vòi phun và điện cực, đồng thời cung cấp chất làm mát (khí hoặc nước) cho các bộ phận này Các vòi phun và điện cực có nhiệm vụ nén và duy trì tia plasma.

2.3.2 Hoạt Động Của Một Máy Cắt Plasma

Bộ nguồn cung cấp và mạch khởi động hồ quang kết nối với đầu cắt qua các ống và dây dẫn, cung cấp khí, điện và dòng hồ quang mồi đến đầu cắt Khi tín hiệu khởi động được gửi, điện áp 280 VDC và dòng khí được kích hoạt đến đầu cắt, với điện áp đo từ điện cực đến vòi phun Vòi phun kết nối với cực dương của bộ nguồn qua điện trở và relay, trong khi vật liệu cắt nối trực tiếp với cực dương Luồng khí đi qua vòi phun và thoát ra ngoài, nhưng chưa có tia hồ quang và không có dòng điện chạy qua nguồn DC, dẫn đến tình trạng điện áp hở mạch.

Sau khi dòng khí ổn định, mạch khởi động hồ quang hoạt động, tạo ra điện áp khoảng 5000 – 10000 VAC ở tần số cao Tia lửa điện phóng qua giữa điện cực và vòi phun trong đầu cắt, ion hóa dòng khí và làm cho nó dẫn điện Dòng khí dẫn điện này tạo thành đường dẫn điện giữa điện cực và vòi phun, hình thành hồ quang plasma Dòng khí này buộc tia hồ quang đi qua lỗ vòi phun, tạo thành dòng mồi hồ quang (Pilot arc).

Khi vòi phun được đặt gần vật liệu cần cắt, dòng hồ quang mồi sẽ tiếp xúc với vật liệu, tạo thành đường dẫn dòng điện đến cực dương của bộ nguồn mà không gặp trở ngại.

Dòng điện chảy qua vật liệu được phát hiện bởi bộ nguồn, khi đó bộ khởi động hồ quang ngừng hoạt động và relay pilot sẽ mở Sự ion hóa của khí được duy trì nhờ năng lượng từ hồ quang của nguồn điện một chiều.

Nhiệt độ của hồ quang plasma làm chảy kim loại và xuyên thủng tấm phôi, trong khi dòng khí mạnh thổi bay vật liệu nóng chảy từ dưới đường cắt Khi đó, đầu cắt bắt đầu di chuyển và quy trình cắt bắt đầu diễn ra.

Trong trường hợp đầu cắt plasma được gắn trên máy CNC, bộ điều khiển máy CNC sẽ nhận tín hiệu từ bộ nguồn plasma để xác nhận dòng hồ quang plasma đã được thiết lập thành công Khi đó, máy CNC bắt đầu di chuyển đầu cắt theo bản vẽ Đồng thời, bộ điều khiển độ cao đầu cắt plasma (THC – Torch Height Controller) sẽ hoạt động, tự động cảm ứng và điều chỉnh độ cao đầu cắt lên xuống theo độ cong vênh của vật liệu, đảm bảo vòi phun luôn duy trì độ cao ổn định so với bề mặt vật liệu.

2.4 Plasma lựa chọn phương án tối ưu để cắt kim loại tấm thép cacbon và Inox

Công nghệ cắt plasma đang trở thành lựa chọn phổ biến trên toàn cầu nhờ vào tốc độ cắt nhanh và chất lượng cắt cao Mặc dù người sử dụng cắt oxyfuel có thể đạt được kết quả tốt với một số ứng dụng, như cắt thép carbon dày, nhưng plasma vượt trội hơn với khả năng cắt nhiều loại vật liệu khác nhau Vì vậy, plasma là giải pháp lý tưởng cho nhiều ứng dụng cắt kim loại hiện nay.

Cắt bằng plasma với thiết bị cắt của Hypertherm có những ƣu thế hơn hẳn so với cắt bằng ôxy-gas nhƣ sau:

 Chất lƣợng cắt tốt hơn

 Năng suất cắt cao hơn

 Chi phí cắt trên mỗi chi tiết cắt thấp hơn

 Tính linh hoạt cao hơn

 Sử dụng an toàn hơn

- Chất lƣợng cắt tốt hơn

Xỉ, vùng ảnh hưởng nhiệt và góc cắt là ba yếu tố quan trọng trong việc đánh giá chất lượng cắt Khi sử dụng phương pháp cắt plasma, lượng xỉ gần như không tồn tại và vùng ảnh hưởng nhiệt rất nhỏ, điều này mang lại ưu điểm vượt trội so với cắt bằng ôxy.

Quá trình cắt plasma sử dụng nhiệt độ cao và khí nén áp lực lớn để làm tan chảy kim loại, thổi vật liệu nóng chảy ra khỏi mạch cắt Trong khi cắt bằng ngọn lửa oxy, phản ứng hóa học giữa oxy và thép tạo ra xỉ oxit sắt hoặc vảy sắt Tuy nhiên, do sự khác biệt trong quá trình, xỉ sắt hình thành trong cắt plasma ít hơn và có tính bám dính thấp, dễ dàng loại bỏ hơn.

Hình dưới đây cho thấy mạch cắt không có xỉ (chi tiết dày 50mm) khi sử dụng máy cắt HyPerformance HPR400XD

Quá trình cắt plasma sử dụng nhiệt độ cao và khí nén áp lực lớn để làm tan chảy kim loại, sau đó thổi vật liệu nóng chảy ra khỏi mạch cắt Khác với cắt bằng ngọn lửa oxy, cắt plasma tạo ra ít xỉ oxit sắt hơn, giúp giảm thiểu lượng xỉ hình thành Xỉ sắt trong quá trình cắt plasma cũng ít bám dính hơn, điều này làm cho việc loại bỏ trở nên dễ dàng hơn.

Mẫu cắt dầy 30mm bằng máy cắt tay Powermax, mặt cắt khá phẳng và không có xỉ

Hình 2.6 Mẫu cắt dầy 30mm bằng mỏ cắt tay ôxy-gas, mặt cắt thô ráp hơn và có xỉ

Khi cắt kim loại, một trong những mối quan tâm chính là kích thước vùng ảnh hưởng nhiệt, vì nhiệt độ cao có thể làm thay đổi cấu trúc kim loại và gây biến dạng cho chi tiết Tốc độ cắt càng nhanh, vùng ảnh hưởng nhiệt càng nhỏ Do đó, việc sử dụng cắt plasma với tốc độ cao không chỉ tạo ra vùng ảnh hưởng nhiệt nhỏ hơn mà còn giảm thiểu thời gian cần thiết cho xử lý sau khi cắt.

Các Biến Thể Của Quá Trình Cắt Plasma

Công nghệ cắt plasma đã trải qua hơn 50 năm phát triển và tiến hóa qua 5 thế hệ, nhằm đáp ứng đa dạng nhu cầu cắt từ cơ bản đến phức tạp.

Quá trình cắt plasma thường sử dụng một loại khí duy nhất, thường là khí nén hoặc Nitơ, cho cả việc tạo ra plasma và làm mát Hệ thống cắt plasma này thường có công suất dưới 100A, phù hợp để cắt vật liệu dày dưới 15mm và chủ yếu được sử dụng cho cắt bằng tay.

2.5.2 Cắt Plasma hai đường khí

Quá trình cắt plasma sử dụng hai loại khí: một để tạo tia plasma và một để bảo vệ Khí bảo vệ giúp ngăn chặn oxy hóa vùng cắt, mang lại đường cắt sạch hơn Đây có thể là phương pháp phổ biến nhất, vì sự kết hợp của các loại khí khác nhau có thể tạo ra chất lượng cắt tốt nhất trên nhiều vật liệu.

Hình 2.14 VD: Khi cắt thép carbon dùng khí Plasma là Oxy, khí bảo vệ là khí nén sẽ cho chất lượng đường cắt tốt nhất

Khi cắt Inox, việc sử dụng khí Plasma với thành phần 95% Nitơ và 5% Hydro sẽ mang lại hiệu quả tốt hơn Sử dụng khí bảo vệ là Nitơ giúp tạo ra đường cắt đẹp, không bị cháy đen như khi dùng khí nén.

Cắt Plasma với khí bảo vệ bằng nước

Biến thể của quy trình cắt plasma hai đường khí sử dụng nước thay vì khí bảo vệ, giúp tăng khả năng làm mát cho vòi phun và vật liệu, từ đó nâng cao chất lượng cắt khi làm việc với Inox Phương pháp này chỉ áp dụng cho cắt bằng máy CNC.

Quá trình này sử dụng khí plasma đơn và phun nước xoáy hoặc tỏa tròn vào hồ quang, giúp cải thiện độ nén, tăng mật độ và nhiệt độ hồ quang Được áp dụng cho các bộ nguồn plasma có công suất từ 260-750 A, phương pháp này cho phép cắt chất lượng cao trên nhiều loại vật liệu và độ dày khác nhau Tuy nhiên, nó chỉ phù hợp cho các ứng dụng cắt bằng máy CNC.

2.5.4 Cắt Plasma độ chính xác cao

Quá trình cắt bằng máy CNC tạo ra chất lượng cắt cao trên vật liệu mỏng hơn 25mm với tốc độ chậm hơn Sự cải thiện này đến từ việc áp dụng công nghệ siêu nén hồ quang, giúp tăng đáng kể mật độ năng lượng Tốc độ chậm cho phép thiết bị di chuyển chính xác hơn trong quá trình cắt.

Khái quát về máy CNC

2.6.1 Vài nét sơ lƣợc về máy CNC Điều khiển số NC (Numerical Control) là phương pháp tự động điều chỉnh các máy công tác (máy công cụ, robot, băng tải vận chuyển phôi liệu, chi tiết gia công, sản phẩm ) trong đó các chuyển động điều khiển đƣợc sản ra trên cơ sở cung cấp các dữ liệu ở dạng mã nhị phân Nó được biểu diễn dưới dạng các con số thập phân, các chữ cái và kí hiệu đặc trưng tạo thành một chương trình làm việc của thiết bị hay của hệ thống

Trước đây, gia công cắt g t thường được thực hiện bằng các kỹ thuật chép hình theo mẫu hoặc hệ thống thủy lực Tuy nhiên, sự tiến bộ vượt bậc trong khoa học và công nghệ, đặc biệt là trong lĩnh vực điều khiển số và tin học, đã tạo điều kiện cho quá trình gia công trở nên hiệu quả hơn nhờ sự trợ giúp của máy tính.

Việc áp dụng máy CNC trong gia công không chỉ giảm thiểu khối lượng công việc mà còn nâng cao độ chính xác và hiệu quả kinh tế, đồng thời rút ngắn chu kỳ sản xuất Hiện nay, nhiều quốc gia trên thế giới đang tích cực ứng dụng công nghệ này trong ngành cơ khí chế tạo, đặc biệt là trong việc sản xuất các khuôn mẫu chính xác và các chi tiết có độ phức tạp cao.

Trong thời gian gần đây, ngành công nghiệp đã nhận ra tiềm năng của kỹ thuật điều khiển số, buộc các doanh nghiệp phải xem xét kỹ lưỡng các vấn đề trong ngành chế tạo máy Họ cần đánh giá cách mà công nghệ mới này có thể cải thiện các phương pháp hiện tại Nhiều bài toán cắt gọt kim loại như khoan lỗ, tiện và phay không nhất thiết phải sử dụng bộ điều khiển hiện đại Tuy nhiên, việc áp dụng ngay cả các dạng cơ bản nhất của APT cho các thành phần hình học đơn giản lại gặp phải những khó khăn về kích thước, độ phức tạp và chi phí.

Nhiều ngôn ngữ đơn giản hơn đã được phát triển cho các mục đích đặc biệt, nhưng phần lớn trong số đó đều dựa trên APT làm nền tảng.

Vào giữa những năm 70 và 80, sự phát triển của công nghệ vi xử lý đã mang lại bước tiến lớn cho thiết bị điều khiển số Lần đầu tiên, công nghệ này được tích hợp vào các hệ thống điều khiển có sự hỗ trợ của máy tính, tạo ra một cuộc cách mạng trong lĩnh vực điều khiển số.

Máy điều khiển số CNC (Computerized Numerical Control) là những thiết bị công cụ được điều khiển bằng máy tính, kết hợp với các mô-đun điện tử để lưu trữ dữ liệu và tạo xung Bộ vi xử lý đóng vai trò trung tâm trong việc đóng ngắt và tính toán cho các máy CNC hiện đại, cho phép thực hiện nhiều chức năng và nhiệm vụ tính toán mà không làm ảnh hưởng đến hiệu suất làm việc Nếu một bộ vi xử lý không đáp ứng đủ yêu cầu trong thời gian quy định, có thể bổ sung thêm bộ xử lý thứ hai hoặc thứ ba để thực hiện các nhiệm vụ đặc biệt một cách song song hoặc luân phiên.

Từ thập niên 80, sự phát triển của công nghệ truyền số liệu đã thúc đẩy việc kết nối các máy CNC thành các trung tâm gia công DNC, giúp tối ưu hóa quy trình sản xuất và bố trí công việc Dựa trên nền tảng công nghiệp này, nhiều thiết bị, phần mềm và hệ thống đã được phát triển bởi các viện nghiên cứu toàn cầu để đáp ứng nhu cầu thiết kế và chế tạo đặc biệt Trong số đó, phần mềm CAD/CAM và hệ thống sản xuất linh hoạt FMS đã trở thành những công cụ quan trọng trong ngành công nghiệp chế tạo.

24 chế tạo, gia công chi tiết được thực hiện toàn bộ qua máy tính người ta g i là tổ hợp CIM (Computer Intergraded Manufacturing)

Đến năm 2003, máy công cụ điều khiển số đã có 51 năm phát triển và được ứng dụng rộng rãi trên toàn thế giới Công nghệ này đã tiến xa từ những ứng dụng gia công đơn giản, như di chuyển từ điểm này đến điểm khác của máy khoan, đến việc điều khiển các máy công cụ 2 trục như máy tiện.

Máy CNC hiện nay không chỉ thực hiện các nhiệm vụ gia công phức tạp như khuôn rèn, khuôn đúc áp lực và các chi tiết của máy bay, tàu thủy, mà còn được ứng dụng trong kiểm tra giám sát và nhiều lĩnh vực khác, mang lại chất lượng và hiệu quả kinh tế cao Trong tương lai, việc kết nối các hệ thống CNC để tạo thành mạng lưới sẽ được phát huy, với thông tin được truyền tải qua hệ thống vệ tinh, đảm bảo sự liên kết giữa nhu cầu thị trường, đơn đặt hàng, nhà thiết kế, nhà chế tạo, nhà cung cấp và nhà tiêu thụ trong mạng lưới toàn cầu WAR (World Area Network).

2.6.2 Cấu tạo chung và quy ƣớc máy CNC

Hình 2.17 Mô hình khái quát của máy CNC

Máy được chia thành hai phần chính: phần điều khiển và các cơ cấu điều khiển Phần điều khiển bao gồm chương trình điều khiển, là tập hợp tín hiệu mã hóa bằng chữ cái, chữ số và các ký hiệu như dấu cộng, trừ, và dấu chấm Chương trình này được lưu trữ trên cơ cấu mang chương trình dưới dạng mã số, ví dụ như mã nhị phân trong bộ nhớ máy tính.

Các cơ cấu điều khiển nhận tín hiệu từ cơ cấu điều khiển chương trình và thực hiện các phép biến đổi để tạo ra tín hiệu phù hợp với điều kiện hoạt động của cơ cấu chấp hành Đồng thời, chúng kiểm tra hoạt động thông qua tín hiệu phản hồi từ các cảm biến Các thành phần chính bao gồm cơ cấu giải mã, cơ cấu chuyển đổi, bộ xử lý tín hiệu, cơ cấu nội suy, cơ cấu so sánh, cơ cấu khuếch đại, cơ cấu đo hành trình, cơ cấu đo vận tốc, bộ nhớ và các thiết bị xuất nhập tín hiệu Phần chấp hành bao gồm máy cắt kim loại và các cơ cấu tự động hóa như tay máy, ổ chứa dao, hệ thống bôi trơn và vận chuyển phôi.

Máy cắt kim loại là thiết bị quan trọng trong việc tạo hình chi tiết, bao gồm nhiều bộ phận như hộp tốc độ, hộp chạy dao, thân máy, sống trượt, bàn máy, trục chính, ổ chứa dao và các tay máy, tùy thuộc vào khả năng công nghệ của máy.

Máy vạn năng có cấu trúc tương tự như các loại máy thông thường, nhưng được điều chỉnh với một số khác biệt nhằm đảm bảo quá trình điều khiển tự động ổn định, chính xác và nâng cao năng suất, đồng thời mở rộng khả năng công nghệ của máy.

Hộp tốc độ là thiết bị có khả năng điều khiển tốc độ một cách linh hoạt, thường sử dụng truyền động vô cấp Thiết bị này áp dụng các ly hợp điện từ để thay đổi tốc độ một cách dễ dàng và hiệu quả.

- Hộp chạy dao có nguồn dẫn động riêng thường là động cơ bước, sử dụng phương pháp khử khe hở của bộ truyền vitme- đai ốc bi…

NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ KẾT CẤU MÁY CẮT PLASMA CHUYÊN DÙNG

Cơ sở lý thuyết tính toán

Trục X của máy đƣợc gắn trên băng máy và chịu tải tr ng của cụm trục Y , bàn máy, trục Y Vì vậy trục X đƣợc thiết kế rất kỹ lƣỡng từ khâu ch n vật liệu cho tới khâu gia công Để đảm bảo khả năng chịu tải lớn thì trục X đƣợc thiết kế lớn, đủ cứng vững tránh rung động trong quá trình gia công

Trục X cần có thanh ray lớn hơn trục Y để chịu tải tốt hơn và tránh biến dạng, đồng thời đảm bảo độ song song, giúp quá trình chuyển động diễn ra mượt mà mà không bị va đập.

Ta có các điều kiện đầu vào nhƣ sau:

+ Thanh trƣợt cần tính mang số HSR35LA2SS+2500LP-II (của hãng THK) (C= 50.2 kN, C 0 = 81.4 kN)

+Thời gian : t 1 = 0.05 m/s (thời gian tăng tốc) t 2 = 2.8 m/s (thời gian tăng tốc) t 3 = 0.15 m/s (thời gian tăng tốc)

+Chiều dài hành trình: l s = 495mm

(Gia tốc tr ng trường g=9.8m/s 2 )

>Lực tác dụng khi ray trƣợt chuyển động đều:

>Lực tác dụng khi tăng tốc về bên trái: (Trang 131 THK)

Lực tác động theo hướng vuông góc mặt con trượt (radial load)

Lực tác động vào 2 bên con trƣợt (lateral load)

>Lực tác động khi giảm tốc về bên trái:

Lực tác động theo hướng vuông góc mặt con trượt (radial load):

Lực tác động vào 2 bên con trƣợt (lateral load)

>Lực tác dụng khi tăng tốc về bên phải: (Trang 132 THK)

Lực tác động theo hướng vuông góc mặt con trượt (radial load)

Lực tác động vào 2 bên con trƣợt

>Lực tác động khi giảm tốc về bên phải

Lực tác động theo hướng vuông góc mặt con trượt (radial load)

Lực tác động vào 2 bên con trƣợt (lateral load):

Tổng hợp các lực khi chuyển động: (Trang 133 THK)

>Khi chuyển động đều: motion 133

>Khi tăng tốc về bên phải: during rightward acceleration

>Khi giảm tốc về bên phải: during rightward deceleration

>Khi tăng tốc về bên trái: during leftward acceleration

>Khi giảm tốc về bên trái: during leftward deceleration

Lực trung bình tác động vào con trƣợt: (trang 134 THK)

Tính toán hệ số an toàn

Nhƣ đã tính toán ở trên lực tác động lớn nhất vào con trƣợt là 1368.5N Vậy hệ số an toàn đƣợc tính nhƣ sau:

 P   Đối với máy công cụ nhà sản xuất khuyến cáo f s >2.5-7 Vậy hệ số an toàn nhƣ trên là chấp nhận đƣợc

Tính toán tuổi thọ của ray trƣợt: (Trang 134 THK)

Vậy tuổi th của bộ ray trượt dưới điều kiện sử dụng trên là 31594 km

Trục Y của máy được lắp đặt trên đế trục X, đồng thời treo giá đỡ đầu cắt Thiết kế cần đảm bảo chiều dài không quá lớn để tránh tình trạng lật khi máy di chuyển.

- Đảm bảo độ vuông góc với trục X khi lắp ghép

- Không mất cân bằng khi chuyển động

- Đảm bảo độ cứng vững để treo giá đỡ đầu cắt

3.2.3 Lựa chọn, tính toán thanh trƣợt bi

Lựa chọn thanh trượt cho hệ thống máy móc là quá trình phức tạp, cần xem xét nhiều yếu tố như độ chính xác, khả năng chịu tải và thời gian phục vụ Điều này không chỉ đảm bảo hiệu suất hoạt động mà còn giúp tối ưu hóa chi phí, mang lại tính kinh tế cho dự án.

Dưới đây là lưu đồ lựa chọn thanh trượt bi cho hệ thống, dựa trên tài liệu của hãng THK - một công ty Nhật Bản chuyên sản xuất vít me và thanh trượt Quá trình lựa chọn thanh trượt bi cho mô hình máy phay CNC được thực hiện theo sơ đồ này, tuy nhiên, do yêu cầu về độ chính xác không quá khắt khe, một số bước trong quy trình sẽ được đơn giản hóa.

Thanh trượt bi có nhiều kiểu lắp đặt khác nhau tùy thuộc vào nhu cầu sử dụng Tuy nhiên, mỗi loại thanh trượt bi chỉ phù hợp với một số kiểu lắp đặt nhất định, điều này được quy định trong catalogue của nhà sản xuất.

Khi lắp đặt thanh trượt, cần chú ý đến số lượng thanh trượt trên mỗi mặt phẳng để đảm bảo tính cứng vững và tối ưu hóa hiệu quả sử dụng.

42 thông số kỹ thuật mà nhà sản xuất đã cung cấp (chẳng hạn để đảm bảo độ chính xác, khe hở , khi chuyển động tịnh tiến)

Hình 3.12 Kí hiệu thanh trƣợt

Ký hiệu số thanh trượt được thể hiện bằng số La Mã trong dãy ký hiệu của thanh trượt, với các trường hợp tương ứng là I, II, III cho việc lắp đặt thanh trượt.

Hình 3.13 Số lƣợng thanh trƣợt yêu cầu trong một mặt phẳng

Dựa vào nhu cầu sử dụng, bạn có thể chọn loại thanh trượt phù hợp bằng cách tham khảo kích thước và khả năng chịu tải trong catalogue của nhà sản xuất.

Hình 3.14 Trích catalogue của thanh trƣợt bi hãng THK Tiếp theo, xét đến khả năng chịu tải, lực và mômen tác dụng lên thanh trƣợt

Khả năng chịu tải của thanh trượt phụ thuộc vào vị trí của các dãy bi trong khối trượt Với thanh trượt có 4 dãy bi, khả năng chịu tải đồng đều ở các hướng cho phép lắp đặt theo kiểu H (nằm ngang), R (ngược lại H) và K (kiểu lắp Wall mount) Trong khi đó, thanh trượt kiểu Radial với các dãy bi bố trí trên cung tròn cho hiệu suất chịu lực tốt nhất khi lắp theo kiểu H.

Quá trình tính toán thanh trượt rất phức tạp, bao gồm nhiều bước liên kết với nhau, trong đó kết quả của mỗi bước là đầu vào cho bước tiếp theo Mục tiêu cuối cùng của quá trình này là xác định hành trình phục vụ hoặc tuổi thọ của thanh trượt.

Hình 3.15 Lực, mômen tác dụng lên thanh trƣợt

Hình3.16 Thanh trượt dưới tác động của mômen

Hình 3.17 Khả năng chịu tải theo các hướng

Hình 3.18 Quy trình tính toán

Khi đặt tải ngoài lên thanh trượt, tương ứng xuất hiện các giá trị MA, MB,

MC có khả năng tính toán lực tác dụng lên khối trượt theo công thức P = K * M, trong đó K là hệ số tra bảng tùy thuộc vào loại thanh trượt Bài toán cụ thể yêu cầu tính lực tác dụng khi tải chuyển động đều, tăng tốc và giảm tốc.

Hình 3.19 Lực tác dụng lên thanh trƣợt

Để tính tải tương đương tác dụng lên khối trượt, ta sử dụng công thức P E = P R + P T Tiếp theo, cần xác định tải trọng trung bình, xem xét cả ba quá trình chuyển động đều, bao gồm tăng tốc và giảm tốc.

P m : Tải tr ng trung bình (N)

P n : Tải tương tương theo các phương (N)

L: Hành trình của thanh trƣợt (mm)

L n : Hành trình chịu tải Pn (mm)

Hệ số an toàn tĩnh (F s) được tính bằng công thức F s = C o / Pm max, trong đó C o là tải trọng tĩnh đặc trưng cho từng loại thanh trượt Đối với máy công cụ, khi không có rung động và va đập, yêu cầu F s tối thiểu là từ 1 đến 1.3, trong khi nếu có rung động và va đập, F s cần đạt từ 2.5 đến 7 (Tham khảo catalogue bảng 10 của THK trang 122)

Hình 3.20 Hệ số an toàn khuyến cáo của nhà sản xuất

Khi chế tạo máy móc, thời gian phục vụ của chi tiết là yếu tố quan trọng để thuận tiện cho bảo trì và sửa chữa, đồng thời đảm bảo tính kinh tế Đối với thanh trượt bi, tuổi thọ của nó được xác định dựa trên hành trình di chuyển trong suốt thời gian sử dụng.

L: hành trình phục vụ (km)

Pc: tải tr ng trung bình (N) f H , f T , f C , f W : các hệ số độ cứng, nhiệt độ, va chạm, hệ số tải (tra bảng)

Lựa ch n vật liệu cắt, đặc điểm kim loại cắt

3.3.1 Thép xây dựng (thép cán nóng thƣòng)(