Đang tải...

Công nghệ cơ khí Nguyên lý gia công bằng tia laser

Thảo luận trong 'Cơ khí chế tạo' bắt đầu bởi bkhn, 1/2/10.

Thành viên đang xem bài viết (Users: 0, Guests: 0)

  1. bkhn
    Offline

    Tài xế O-H
    Expand Collapse

    Tham gia ngày:
    9/7/09
    Số km:
    585
    Được đổ xăng:
    21
    Mã lực:
    36
    Xăng dự trữ:
    -38 lít xăng
    1. Đặc điểm

    + Tia laser là chùm tia ánh sáng đơn sắc, có tính định hướng cao, bước sóng rất ngắn nên có thể dùng hệ thống quang học tập trung nó trên một diện tích rất nhỏ, có mật độ năng lượng rất cao → nhiệt độ lên đến hàng ngàn độ, có thể nung nóng, làm chảy và đốt cháy kim loại ở vùng nó tác dụng vào
    + Bản chất: Trong tia laser có những ion hoạt tính. Khi những ion này được kích thích lên mức năng lượng cao và tụt xuống mức năng lượng cơ sở → phát ra những lượng tử, những lượng tử này bắn vào các ion khác và các ion khác này cũng phát ra các lượng tử cứ như một dây chuyền phản ứng làm tăng rất nhanh số hạt lượng tử. Nếu dùng thêm những bộ cộng hưởng quang học thì tốc độ tăng của những hạt lượng tử càng nhanh, lớn hơn và phát ra tia laser.

    2. Nguyên lý gia công

    + Nguồn diện cấp qua biến thế và nắn dòng nạp vào hệ thống tụ. eiện áp tối da của tụ là 2kV dể diều khiển sự phong diện tới dèn phát xung
    3 dặt ở một trong hai tâm của bộ phận phản xạ
    ánh sáng 2 (tiết diện ngang hình ellipse)
    + Khi dèn phát sáng, toàn bộ nàng lượng sẽ tập trung vào vị trí dặt thanh hồng ngọc 4
    + Các ion Cr +3 của thanh hồng ngọc bị kích lên mức nàng lượng cao, khi tụt xuống sẽ phát ra những lượng tử
    + Nhờ hệ dao dộng gương phẳng 5 và 6, những lượng tử này sẽ di lại nhiều lần qua thanh
    hồng ngọc và kích thích các ion Cr
    rồi cùng phóng ra chùm tia lượng tử.
    + Hệ quang học 7 tập trung chUm tia và tác dụng
    lên vật gia công 8 dặt trên bàn máy 9
    Hình vẽ mô tả:

    + Quá trình tác dụng của chùm tia laser vào vị trí gia công như sau:
    - Vật liệu gia công hút năng lượng của chùm tia laser và chuyển năng lượng này thành nhiệt năng
    - Nung nóng vật liệu gia công dến nhiệt dộ có thể phá hỏng vật liệu đó
    - Phá hỏng vật liệu gia công và đẩy chúng ra khỏi vùng gia công
    - Vật liệu gia công nguội dần sau khi chùm tia laser tác dụng xong

    3. Khả năng công nghệ

    - Rất hiệu quả khi dùng để gia công lỗ nhỏ. đường kính nhỏ nhất có thể dạt đến 4µm
    - Gia công được các loại vật liệu khác nhau như kim loại, thạch anh, kim cương, rubi, …
    - Chiều sâu lỗ co thể đạt 12,7mm
     
  2. haui
    Offline

    Tài xế O-H
    Expand Collapse

    Tham gia ngày:
    5/8/09
    Số km:
    3,304
    Được đổ xăng:
    128
    Mã lực:
    381
    Xăng dự trữ:
    -120 lít xăng
    Tia laser đầu tiên được phát minh vào tháng 5 năm 1960 bởi Maiman. Nó là loại laser hồng ngọc (rắn). Sau đó nhiều loại laser khác đã ra đời như laser uranium, laser khí helium-neon, laser bán dẫn, laser khí CO2 và Nd:YAG, laser hóa, laser khí kim loại,…

    [​IMG] Để sử dụng gia công vật liệu, laser phải có đủ năng lượng. Người ta thường dùng các laser sau để gia công vật liệu: laser CO2, laser Nd-YAG hoặc laser Nd-thủy tinh và laser excimer. Trong lĩnh vực gia công kim loại thường dùng laser rắn vì công suất chùm tia tương đối lớn và có kết cấu thuận tiện. Laser rất thích hợp cho việc gia công các vật liệu mà các phương pháp gai công truyền thống khó hoặc không thể gia công được như các hợp kim chịu nhiệt có độ bền cao, các loại vật liệu các-bít, một số vật liệu composite cốt sợi, stelit (hợp kim cô-ban, crôm, vonfram và molípđen) và gốm.
    Cơ chế bóc vật liệu
    Cơ chế bóc vật liệu khi gia công bằng tia laser được trình bày ở hình 1. Chùm tia laser được bề mặt chi tiết hấp thụ, vì thế bề mặt chi tiết tại chỗ có chùm tia laser được nung nóng. Quá trình vật lý gia công bằng tia laser rất phức tạp, tùy thuộc chủ yếu vào sự phân tán và mất mát do phản xạ của chùm tia trên bề mặt chi tiết. Thêm vào đó, sự truyền nhiệt vào bên trong chi tiết gây nên sự chuyển biến pha, chảy, và/hoặc bốc hơi. Tùy thuộc vào mật độ năng lượng và thời gian tác động của chùm tia mà cơ chế của quá trình là từ việc hấp thu nhiệt và truyền nhiệt cho đến nóng chảy rồi bốc hơi vật liệu. Chùm tia laser với mật độ cao thường gây nên lớp plasma trên bề mặt của vật liệu. Hậu quả là nó làm giảm hiệu suất của quá trình gia công do làm giảm sự hấp thu và sự tập trung nhiệt trên bề mặt chi tiết.
    Quá trình gia công xảy ra khi mật độ năng lượng chùm tia lớn hơn phần mất mát do dẫn nhiệt, đối lưu và phát xạ. Hơn thế nữa, lượng phát xạ phải thâm nhập và được và bên trong vật liệu. Tùy thuộc vào mức độ phản xạ, hấp thụ chùm tia và dẫn nhiệt sẽ làm cho mức độ nóng chảy và bốc hơi vật liệu khác nhau. Do đó các yếu tố nói trên ảnh hưởng đến tốc độ bóc vật liệu. Mức độ phản xạ phụ thuộc vào bước sóng, tính chất của vật liệu và độ bóng bề mặt chi tiết gia công, mức độ oxy hóa vật liệu cũng như nhiệt độ. Phần chùm tia không bị phản xạ sẽ được hấp thụ vào chi tiết và làm nóng chảy hoặc bốc hơi vật liệu.
    [​IMG]
    Hình 1. Cơ chế bóc vật liệu ​
    Các loại Laser
    Theo vật liệu cấu tạo nên môi trường hoạt tính, có thể chia laser thành bốn loại chính sau: laser rắn, laser khí, laser bán dẫn và laser lỏng.
    Laser rắn
    Trong laser r ắn thì môi trường hoạt tính là chất rắn. Vật liệu của chất rắn kích thích có thể là florua đất kiềm, wonfram đất kiềm, molibden đất kiềm, hồng ngọc tổng hợp, ytri- nhôm- granat (YAG), Neodim-ytrinhôm- granat (Nd:YAG),… Tạp chất tích cực chứa trong các chất kể trên thường là các thành phần đất hiếm, crôm và uranium. Vật liệu thường dùng là hồng ngọc nhân tạo.
    Nhược điểm của loại laser rắn là hiệu suất thấp, chỉ cỡ 5÷7%. Tuy nhiên, loại laser rắn có kích thước tương đối gọn nhẹ nên được ứng dụng trong rất nhiều lĩnh vực khác nhau như trong thông tin liên lạc, vô tuyến truyền hình, trong công nghiệp, y tế, quân sự, …
    Laser bán dẫn:
    Môi trường hoạt tính của laser bán dẫn là các bán dẫn loại N hay loại P (gecmani, silic, axenit gali,…).
    Loại laser bán dẫn có hiệu suất cao hơn hẳn bất kỳ loại laser nào khác. Về lý thuyết, hiệu suất của các loại laser bán dẫn có thể đạt tới 100%. Tuy nhiên, trên thực tế hiệu suất của loại laser này chỉ đạt đến 70%. Việc chế tạo loại laser bán dẫn cũng còn gặp một số khó khăn kỹ thuật, do đó hiệu suất của chúng chưa đạt được cao lắm. Tất nhiên, so với các loại laser khác như laser khí (hiệu suất 20%), laser rắn (hiệu suất 5÷7%), laser bán dẫn ưu việt hơn nhiều. Tuy vậy, công suất bức xạ của loại laser bán dẫn còn nhỏ, chưa thể so sánh với các loại laser khí hay laser tinh thể khác được.
    Laser khí:
    Ưu điểm của loại laser khí là công suất lớn, tính đơn sắc và khả năng định hướng cao, thích hợp cho việc sử dụng chúng ở chế độ liên tục. Dải bước sóng của loại laser khí kéo dài từ sóng mm cho đến vùng tử ngoại. Môi trường hoạt tính của loại laser khí là các chất khí hay hỗn hợp khí khác nhau. Thông dụng nhất là khí nguyên tử neon, agon, kripton, xênon, hơi kim loại cadimi, đồng, selen, xêzi, và khí phân tử như oxyt cacbon, cacbonic, hơi nước, …
    So sánh với chất rắn và chất lỏng, chất khí có mật độ thấp và có tính đồng nhất cao, nó không gây ra sự khúc xạ luồng ánh sáng vì vậy tính đồng hướng của sự phát xạ laser trong chất khí rất cao.
    Laser excimer là laser khí dùng trong vi gia công, gia công chất bán dẫn và phẫu thuật mắt. Chất khí dùng để tạo tia laser là hỗ hợp khí trơ với halogen.
    Trong một lần phóng điện, một nguyên tử khí trơ (Ar, Kr, Xe) và halogen (Cl2, F2) tạo thành một chất nhị trùng.
    Laser lỏng
    Một trong những hướng phát triển mới của laser là laser có môi trường hoạt tính chất lỏng. Có hai loại chất lỏng thường dùng là các hỗn hợp hữu cơ kim loại và chất màu. Loại hỗn hợp hữu cơ kim loại chứa một số nguyên tố hiếm như êropi. Môi trường hữu cơ đóng vai trò trung gian, nhận năng lượng cho nguồn ánh sáng kích thích, truyền lại cho các nguyên tử êropi. Nhược điểm của các loại laser hữu cơ lỏng là môi trường hoạt tính không bền vững, chất hữu cơ bị phân hủy dưới tác động của ánh sáng kích thích. Gần đây người ta thay chất hữu cơ bằng chất vô cơ để tránh sự phân hủy nói trên. Loại laser chất lỏng vô cơ có công suất bức xạ và hiệu suất khá cao, có thể sánh vai cùng các loại laser rắn với hợp chất nêodim. Hiện nay loại laser vô cơ lỏng có thể cho công suất trung bình gần 500 W ở chế độ xung, và ở chế độ xung đơn với năng lượng hàng trăm Jun.
    Tuy nhiên, chất lỏng oxít clorua selen là một loại chất độc, có hại cho cơ thể con người, do đó khi làm việc với nó phải tuân theo nhiều biện pháp an toàn phức tạp. Nói chung, cũng như các loại laser khác, laser chất lỏng cũng có những ưu điểm riêng của nó.
    Điều dễ dàng nhìn thấy nhất là việc làm nguội môi trường hoạt tính rất đơn giản, bằng phương pháp lưu thông dòng chất lỏng trong laser.
    Laser Gamma.
    Cơ sở vật lý của laser gamma là hiệu ứng Mesbauer cho phép ta thực hiện quá trình bức xạ, hấp thụ và tán xạ cộng hưởng tia gamma với chất lượng cao. Trong laser gamma, các mức năng lượng làm việc là các mức chuyển tiếp trạng thái của hạt nhân phóng xạ. Hạt nhân sẽ bức xạ tia gamma, khi nó chuyển trạng thái từ mức năng lượng cao xuống các mức năng lượng thấp hơn. Hiện tượng bức xạ tia gamma này gọi là hiện tượng phân rã gamma. Để kích thích các hạt nhân có thể dùng các hạt nhân khác, các notron, proton hay tia Gamma.
    [​IMG]
    Về nguyên lý chung, laser Gamma làm việc cũng tương tự như các laser khác. Tuy nhiên, hiện tượng vật lý xảy ra trong môi trường hoạt tính của loại laser này phức tạp hơn nhiều. Khả năng tiềm tàng của loại laser này rất lớn. tuy nhiên kỹ thuật chế tạo nó rất phức tạp, và do đó việc ứng dụng của nó chưa được phổ biến rộng rãi. Nhờ sự ra đời của laser Gamma, chúng ta đã mở rộng được dải sóng, từ hồng ngoại cho đến bước sóng một vài amstrong (Ao). Tuy nhiên trong tương lai, khó mà nói rằng đó là phương pháp cuối cùng của kỹ thuật laser.
    Ưu nhược điểm và phạm vi ứng dụng
    Ưu điểm:

    • Không cần dùng buồng chân không.
    • Không có vấn đề tích điện trong môi trường.
    • Không có phóng xạ Rơn ghen.
    • Có khả năng làm việc trong môi trường không khí, khí trở, chân không, hoặc ngay cả trong chất lỏng hay chất rắn truyền quang.
    • Có thể gia công tất cả vật liệu.
    • Không có sự tác dụng lực trực tiếp giữa dụng cụ và phôi.
    • Phù hợp với các công việc cắt vật liệu ceramic và các vật liệu bị phá hủy nhanh do nhiệt độ.
    • Sự chính xác và khả năng gia công các lỗ nhỏ và đường cắt chuẩn xác với biến dạng xung quanh vùng gia công ít.
    • Thời gian tồn tại của xung gia công ngắn do đó năng suất cao.
    • Có khả năng tạo ra các rãnh rất hẹp.
    • Chế độ gia công êm hơn các gia công khác.
    Nhược điểm:

    • Hiệu suất thấp.
    • Khó điều chỉnh công suất ra.
    • Khả năng điều chỉnh độ lệch tia kém hơn tia điện tử.
    Đường kính nhỏ nhất của điểm chất sáng phụ thuộc vào bước sóng ánh sáng.

    • Có kỹ thuật cao, đầu tư lớn.
    • Giá thành cao.
    • Cần phải xác định chính xác điểm gia công.
    • Sự phá hủy về nhiệt có ảnh hưởng tới phôi.
    Phạm vi sử dụng:

    • Trong công nghiệp, laser được sử dụng vào việc hàn, khoan, cắt, tiện, phay... các loại vật liệu có độ nóng chảy cao kể cả phi kim.
    • Các các rãnh nông, chạm khắc các dụng cụ đo và các chi tiết thép, khắc logo trên vật liệu kim loại và phi kim.
    • Gia công các chi tiết cực nhỏ.
    • Gia công vi laser cho phép cắt ở kích thước rất nhỏ các loại vật liệu như: kim cương, thủy tinh, ceramic, polyme mềm mà các phương pháp khác khó gia công.
    • Nhiệt luyện, chẳng hạn tôi cứng các bề mặt bánh răng hoặc mặt trụ.
    • Cân bằng động lực cho các động cơ chuyển động với các chi tiết yêu cầu độ chính xác cao không có lệch tâm của chi tiết chuyển động quay việc cân bằng, bằng cách cho bay hơi vật liệu thừa làm mất cân bằng chi tiết.
    • Laser còn được dùng để kiểm tra chất lượng các sản phẩm đúc, kiểm tra độ tinh khiết của chất lỏng hoặc khí, các sản phẩm điện tử.
    • Tạo các lớp cách nhiệt bằng cách cắt lớp trong kỹ nghệ hàng không, vi tính.
    • Gia công các vật liệu mỏng đặc biệt trong các mạch thích hợp (IC). Làm vi mạch điện tử.
    • Tạo mẫu nhanh.
    • Dùng trong công nghiệp dệt may để cắt một hay nhiều lớp vải.
    Ngoài ra laser còn được ứng dụng trong y khoa như giải phẫu, điều trị bệnh bong võng mạc mắt, khoan răng, châm cứu. Trong cuộc sống hàng ngày thì laser có trong máy in laser, máy photo laser, đo đạc và nhiều ứng dụng khác nữa.
    [​IMG]
    Tài liệu tham khảo
    1. Phạm Ngọc Tuấn, Nguyễn Văn Tường; Các phương pháp gia công đặc biệt; Nhà xuất bản Đại
    học Quốc gia thành phố Hồ Chí Minh, 2007.
    2. Advanced machining processes, Hassan El-Hofy, McGraw-Hill, 2005.
    Ths Nguyễn Văn Tường - Khoa cơ khí, ĐH Nha Trang
     

Chia sẻ trang này