Nguyên Cứu Các Thông Số Ảnh Hưởng Đến Chất Lượng Và Năng Suất Gia Công Khi Cắt Thép Không Rỉ Bằng Plasma

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ NÔNG NGHIỆP VÀ PTNT

TRƢỜNG ĐẠI HỌC LÂM NGHIỆP

HỒ VĂN NGỮ

NGHIÊN CỨU CÁC THÔNG SỐ ẢNH HƢỞNG ĐẾN CHẤT

LƢỢNG VÀ NĂNG SUẤT GIA CÔNG KHI CẮT THÉP

KHÔNG RỈ BẰNG PLASMA

CHUYÊN NGÀNH KỸ THUẬT CƠ KHÍ

MÃ SỐ: 60520103

LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT

NGƢỜI HƢỚNG DẪN KHOA HỌC

PGS.TS. ĐẶNG THIỆN NGÔN

Đồng Nai, 2017

TÓM TẮT

Cắt bằng hồ quang là lợi dụng sức nóng của cột hồ quang để thổi kim loại nóng

chảy và lợi dụng sức thổi của hồ quang để cắt đứt kim loại nóng chảy tạo thành đƣờng

cắt.

Mặt cắt do hồ quang cắt ra sần sùi, đồng thời đƣờng cắt cũng rộng. Do đó cắt hồ

quang nói chung thƣờng dùng để cắt kim loại không thể cắt bằng ô-xy đƣợc, ví dụ nhƣ

gang, đồng, thép không gỉ v.v…

Trong thực tế khi cắt thép không rỉ , ngƣời ta có thể cƣa , cắt bằng máy cắt đĩa và

một số phƣơng pháp khác. Nhƣng cắt bằng hồ quang plasma là tối ƣu nhất , đặc biệt là

khi cắt ống có đƣờng kính lớn và có bề dày (s) lớn hơn 8 mm và cần phải cắt vát một

góc độ nào đó.

Đề tài “ Nguyên cứu các thông số ảnh hưởng đến chất lượng và năng suất gia

công khi cắt thép không rỉ bằng plasma ” đƣợc lựa chọn để nghiên cứu nhằm mục

đích xác định chế độ cắt hợp lý và tiến tới tối ƣu hoá chế độ cắt khi cắt thép không rỉ

bằng plasma là cần thiết, 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 tao ra một chế độ cắt cụ thể ứng với bề

dày vật cắt khi cắt thép không rỉ.

Học viên

Hồ Văn Ngữ

LỜI CAM ĐOAN

Tôi cam đoan đây là công trình nghiên cứu của tôi.

Các số liệu, kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chƣa từng đƣợc ai công

bố trong bất kỳ công trình nào khác

Bà Rịa-Vũng Tàu, ngày … tháng … năm 2017

Học viên

(Ký tên và ghi rõ họ tên)

Hồ Văn Ngữ

LỜI CẢM ƠN

Với sự kính trọng và lòng biết ơn sâu sắc, Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn

chân thành tới PGS TS. Đặng Thiện Ngôn- người Thầy đã tận tình hướng

dẫn tôi trong suốt quá trình nghiên cứu và hoàn thành luận văn.

Tiếp theo Tôi xin chân thành cảm ơn Ban giám hiệu trường Đại

học Lâm Nghiệp Việt Nam, Khoa đào tạo sau đại học, Khoa Cơ khí và bộ

môn Chế tạo máy đã tạo mọi điều kiện thuận lợi cho tôi trong quá trình học

tập, nghiên cứu và thực hiện bản luận văn này.

Sau hết Tôi xin cảm ơn gia đình, bạn bè và đồng nghiệp đã động viên

giúp đỡ tôi trong suốt thời gian qua.

Xin trân trọng cảm ơn!

Kính chúc Quý thầy, cô dồi dào sức khỏe.

Học Viên Thực Hiện

Hồ Văn Ngữ

MỤC LỤC

Trang

LỜI MỞ ĐẦU

CHƢƠNG 1: MỞ ĐẦU.................................................................................... 1

1.1.Tổng quan đề tài nghiên cứu......................................................................... 1

1.1.1. Lý do chọn đề tài .................................................................................. 1

1.1.2. Các kết quả nghiên cứu đã công bố....................................................... 2

1.1.3. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài............................................... 3

1.2. Mục tiêu, nội dung và phƣơng pháp nghiên cứu .......................................... 3

1.2.1. Mục tiêu ............................................................................................... 3

1.2.2. Nội dung ............................................................................................... 4

1.2.3. Phƣơng pháp nghiên cứu đề tài............................................................. 4

CHƢƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT LIÊN QUAN ......................................... 5

2.1. Các quy trình cắt kim loại bằng nhiệt khí và khả năng ứng dụng ch1ng trong

chế tạo cơ khí ..................................................................................................... 5

2.2. Khái niệm, đặc điểm, nguyên lý gia công bằng hồ quan plasma .................. 7

2.2.1. Khái niệm ............................................................................................. 7

2.2.2. Đặc điểm .............................................................................................. 7

2.2.3. Nguyên lý gia công bằng hồ quang plasma ........................................... 8

2.3. Lịch sử phát triển công nghệ cắt plasma .................................................... 11

2.3.1 Thuyết quy ƣớc về hồ quang plasma (1957) ........................................ 11

2.3.2. Dòng hồ quang plasma kép (1962) ..................................................... 12

2.3.3. Cắt plasma bằng không khí (1963) ..................................................... 13

2.3.4. Cắt plasma với vách chắn nƣớc (1965) ............................................... 14

2.3.5. Công nghệ phun nƣớc khi cắt (1968) .................................................. 14

2.2.6. Cắt dƣới nƣớc (1977) .......................................................................... 15

2.3.7. Cắt plasma không khí với cƣờng độ thấp (1980) ................................. 16

2.3.8. Cắt plasma với oxy (1983) .................................................................. 16

2.3.9. Cắt plasma với sự phun khí oxy (1985) .............................................. 17

2.3.10. Cắt plasma cƣờng độ cao (1990) ....................................................... 17

2.4 Tổng quan về cắt plasma thép không rỉ....................................................... 18

2.4.1. Vật liệu............................................................................................... 18

2.4.1.1. Đặc điểm chủ yếu của thép không rỉ ............................................ 18

2.4.2. Phân loại, ký hiệu và ứng dụng........................................................... 20

2.4.2.1. Điện cực ...................................................................................... 20

2.4.2.2. Khí tạo plasma và khí bảo vệ ...................................................... 20

2.4.2.3. Vật liệu ứng dụng trong cắt bằng hồ quang plasma ...................... 21

2.4.3. Quá trình cắt plasma thép không rỉ ..................................................... 23

2.4.3.1. Lựa chọn phƣơng pháo cắt plasma ................................................... 23

2.4.3.2. Công nghệ cắt plasma ở nƣớc ta hiện nay ........................................ 23

2.4.3.3. Các yếu tố ảnh hƣởng đến chất lƣợng và năng suất quá trình cắt

plasma thép không rỉ ........................................................................................ 25

2.5. Nghiên cứu chế độ cắt ............................................................................... 26

2.5.1. Cƣờng độ dòng điện khi cắt ................................................................ 27

2.5.2. Vận tốc cắt .......................................................................................... 28

2.5.3. Áp suất khí thổi khi cắt ....................................................................... 28

2.5.4. Năng lƣợng nguồn nhiệt khi cắt bằng tia plasma ................................ 29

2.5.5. Năng lƣợng phản ứng oxy hóa sắt trong quá trình cắt ........................ 30

2.5.6. Năng lƣợng cần thiết để làm tan chảy khim loại trong quá trình cắt .... 32

2.5.7.Cân bằng năng lƣợng khi cắt bằng plasma ........................................... 34

2.6. Nghiên cứu sự phân bố nhiệt độ khi cắt thép tấm bằng tia plasma ............. 35

2.6.1. Nghiên cứu ảnh hƣởng của nguồn nhiệt khi cắt plasma thép không rỉ . 36

2.6.2. Phân bố nhiệt độ với những phƣơng trình cơ bản................................ 36

CHƢƠNG 3: NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM .......................................... 41

3.1. Thiết bị, vật liệu cắt sử dụng nghiên cứu trong đề tài................................. 42

3.1.1. Thiết bị thí nghiệm ............................................................................. 42

3.1.2. Bình chứa khí oxy .............................................................................. 44

3.1.3. Vật liệu thí nghiệm ............................................................................. 45

3.2. Chiều rộng trung bình rãnh cắt khi cắt bằng plasma .................................. 45

3.3. Phân phối nhiệt độ theo lý thuyết............................................................... 46

3.3.1. Phân bố nhiệt độ dọc theo rãnh cắt ..................................................... 50

3.4. Khảo sát thực nghiệm bề rộng mạch cắt và vùng ảnh hƣởng nhiệt khi cắt

thép không rỉ bằng tia plasma ........................................................................... 66

3.4.1. Mục đích thực nghiệm ........................................................................ 66

3.4.2. Dụng cụ đo ......................................................................................... 66

3.4.2.1. Dụng cụ đo nhiệt.......................................................................... 66

3.4.2.2. Thƣớc lá, thƣớc đo khe hở cùng một số dụng cụ đo..................... 68

3.4.3. Bố trí thực nghiệm .............................................................................. 69

3.4.3.1. Thực nghiệm đo bề rộng rãnh cắt ................................................. 69

3.4.4. Thực nghiệm đo nhiệt vùng (AHN) .................................................... 75

3.4.4.1 Mục đích thực nghiệm .................................................................. 75

3.4.4.2. Dụng cụ đo nhiệt.......................................................................... 75

3.4.4.3 Bố trí thực nghiệm ........................................................................ 76

3.4.4.4. Kế quả đo .................................................................................... 77

3.5. So sánh kết quả nhiệt độ tính theo lý thuyết và thực nghiệm đo đƣợc ........ 78

3.5.1. Kết quả ............................................................................................... 78

3.5.2. Phân tích sự sai lệch ........................................................................... 80

CHƢƠNG 4: KẾT LUẬN VÀ ĐỀ XUẤT..................................................... 81

4.1. Kết luận..................................................................................................... 81

4.2. Đề xuất ...................................................................................................... 82

TÀI LIỆU THAM KHẢO

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT

a Hệ số khuếch tán nhiệt [m2.s-1]

c Nhiệt dung riêng [J.kg-1.K-1]

Enc Năng lƣợng cần thiết làm tan chảy kim

loại/mét cắt (J.m-1)

e Cơ số hàm logarit e

h Chiều dày tấm thép (mm)

I Cƣờng độ dòng điện (A)

Lf Ẩn nhiệt nóng chảy của thép ( kJ.kg-1)

lb Bề rộng rãnh cắt mặt dƣới (mm)

lh Bề rộng rãnh cắt mặt trên (mm)

Ml Khối lƣợng kim loại tan chảy/mét (g.m-1)

Mt Khối lƣợng kim loại tan chảy/giây (g.s-1)

ltb Bề rộng trung bình rãnh cắt (mm)

P Áp suất (at)

q2 Mật độ dòng nhiệt (J.m-2.s-1):

Q Năng lƣợng điện đầu vào (W)

Qc Năng lƣợng điện cần thiết cho quá trình cắt (W)

Qe Năng lƣợng cần thiết cho quá trình cắt Qôxy

(W) (W)

Qnc Năng lƣợng cần thiết làm tan chảy thép (W)

Qtt1 Năng lƣợng tổn thất giữa mỏ cắt và bề mặt

phôi (W)

Qtt2 Năng lƣợng tổn thất xuyên qua rãnh cắt (W)

T Nhiệt độ (0K)

T0 Nhiệt độ môi trƣờng (0K)

Tnc Nhiệt độ nóng chảy của thép (0K)

t Thời gian (s)

U Hiệu điện thế (V)

v Tốc độ cắt (m.s-1)

λ Hệ số dẫn nhiệt (J.m-1.s￾1.K-1)

ρ Khối lƣợng riêng vật liệu (kg.m-3)

HAZ Vùng ảnh hƣởng nhiệt

DC Dòng điện một chiều (A)

KH&CN Khoa học và công nghệ

DANH MỤC HÌNH VẼ - SƠ ĐỒ - ĐỒ THỊ

Hình Tên hình Trang

2.1 Sơ đồ nguyên lý plasmahồ quang trong 6

2.2 Sơ đồ nguyên lý plasma hồ quang ngoài 6

2.3 Các trạng thái vật chất trong tự nhi ên 7

2.4 Sơ đồ nguyên lý cắt plasma 9

2.5 Cắt plasma bằng dòng hồ quang kép 12

2.6 Cắt plasma bằng không khí 13

2.7 Cắt plasma với quá trình phun khí oxy 17

2.8 Cắt plasma cƣờng độ cao 18

2.9 Ống thép không gỉ SUS 304 19

2.10 Lƣu lƣợng khí tạo plasma tiêu biểu 21

2.11 Sơ đồ cắt plasma – rãnh cắt, góc cắt 27

2.12 Các dạng năng lƣợng trong trong quá trình cắt 29

2.13 Khu vực phản ứng ôxy 32

2.14 Chiều rộng rãnh cắt 33

2.15 Ảnh hƣởng của nguồn nhiệt đến thép không rỉ 304 [24] 34

2.16 Vị trí mỏ cắt 36

3.1 Máy cắt plasma Cutmaster 151 37

3.2 Phụ kiện của máy cắt plasma 43

3.3 Đồ gá cắt bán tự động 44

3.4 Bình chứa oxy 45

3.5 Quan hệ dòng điện, vận tốc với bề rộng rãnh cắt 46

3.6 Thay đổi nhiệt độ trên đƣờng vuông góc rãnh cắt khi

v=0.8m/min 48

3.7 Thay đổi nhiệt độ trên đƣờng vuông góc rãnh cắt khi

v=1m/min 48

3.8 Thay đổi nhiệt độ trên đƣờng vuông góc rãnh cắt khi

v=1.4m/min 49

3.9 Thay đổi nhiệt độ trên đƣờng vuông góc rãnh cắt khi

v=1.4m/min 49

3.10 Mô hình xác định quá trình truyền nhiệt khi cắt bằng tia

plasma oxy 50

3.11 Thay đổi nhiệt độ dọc rãnh cắt theo thời gian khi v=0.8m/min 52

3.12 Thay đổi nhiệt độ dọc rãnh cắt theo thời gian khi v=1m/min 52

3.13 Thay đổi nhiệt độ dọc rãnh cắt theo thời gian khi v=1.2m/min 53

3.14 Thay đổi nhiệt độ dọc rãnh cắt theo thời gian khi v=1.4m/min 53

3.15 Thay đổi nhiệt độ dọc rãnh cắt theo thời gian khi I = 50A, v =

0.8m/min 55

3.16 Thay đổi nhiệt độ dọc rãnh cắt theo thời gian khi I = 50A, v =

1m/min 55

3.17 Thay đổi nhiệt độ dọc rãnh cắt theo thời gian khi I = 50A, v =

1.2m/min 56

3.18 Thay đổi nhiệt độ dọc rãnh cắt theo thời gian khi I = 50A, v =

1.4m/min 56

3.19 Thay đổi nhiệt độ dọc rãnh cắt theo thời gian khi I = 60A, v =

0.8m/min 58

3.20 Thay đổi nhiệt độ dọc rãnh cắt theo thời gian khi I = 60A, v =

1m/min 58

3.21 Thay đổi nhiệt độ dọc rãnh cắt theo thời gian khi I = 60A, v =

1.2m/min 59

3.22 Thay đổi nhiệt độ dọc rãnh cắt theo thời gian khi I = 60A, v =

1.4m/min 59

3.23 Thay đổi nhiệt độ dọc rãnh cắt theo thời gian khi I = 70A, v = 61