Bài giảng Kỹ thuật Laser trong chế tạo cơ khí: Chương 9 - Các dạng gia công tinh trên bề mặt

Bài giảng "Kỹ thuật Laser trong chế tạo cơ khí: Chương 9 - Các dạng gia công tinh trên bề mặt" được biên soạn bao gồm các nội dung chính sau: Gia công tạo hình bề mặt; Ứng dụng gia công với laser;... Mời các bạn cùng tham khảo bài giảng.
Nội dung trích xuất từ tài liệu:
Bài giảng Kỹ thuật Laser trong chế tạo cơ khí: Chương 9 - Các dạng gia công tinh trên bề mặtChương 9 CÁC DẠNG GIA CÔNG TINH TRÊN BỀ MẶT9.1 Tôi bề mặt chi tiết bằng laserNhững laser khí công suất liên tục đến hàng chục kw cho phép giacông nhiệt bề mặt kim loại.Ưu điểm:- Có ưu việt đặc biệt với một số chi tiết có hình dạng không thíchhợp với phương pháp gia công nhiệt truyền thống khác.- Tôi bề mặt: đốt nóng và làm nguội nhanh- Tách oxit và các bụi trên bề mặt chi tiết. Việc tạo lớp cứng mỏng bề mặt chi tiết bằng việc nung nóng vàlàm nguội nhanh đóng vai trò quan trọng trong công nghệ chế tạochi tiết: như bề mặt bánh răng, rãnh then, các khớp rãnh, … Quá trình tôi là xảy ra ở lớp kim loại nền cơ bản. Khi nung nóngđến nhiệt độ chuyển pha của các cấu trúc austenit như là dungdịch rắn cacbit trong thép, khi làm nguội nó tạo thành trạng tháibền peclit với pherit hoặc xemetit, còn dung dịch rắn cacbit rấtbền trong sắt α gọi là mactenxit. Tốc độ nguội của thép tùy thành phần của thép từ 30÷400 C/giây cho đến dưới 250 0C, thường sử dụng chất lỏng làmnguội.Khi tôi laser: Phần lớn năng lượng bị hút vào kim loại để đốtnóng bề mặt, còn phần kim loại còn lại thì làm nguội. Khi đó bềmặt bị đốt nóng sẽ nguội đi. Trong khoảng thời gian đầu tiên, sựlàm nguội sẽ gần bằng:T0 2 với T0: là nhiệt độ bề mặt τ: độ dài xung đốt laser Nhiệt độ phụ thuộc q của laser bán kính a theo trục z vuông góc với bề mặt phẳng của môi trường bán cực: q Ttĩnh(z)= k  z2  a 2  z -Ánh sáng bị hấp thụ mạnh bởi kim loại ở bước sóng khả biến -Sự hấp thụ bề mặt lại tăng với sự tăng nhiệt độ bề mặt và sựhình thành màng ô xýt Thép thường, bức xạ hấp thụ 8 kw/cm2 đốt lớp chiều sâu0,5mm đến nhiệt độ cao tới hạn, khi đó chuyển pha γ thành αausetenit (T≤9370C) trong thời gian khoảng 0,05 giây. Nếu nhiệt từ chùm tia bị truyền sang các vùng khác do sự dẫnnhiệt cao của vật liệu thì lớp bề mặt sẽ nguội rất nhanh tạo nênbề mặt mactenxit.Nhận xét:+ Hiệu quả của quá trình tôi chịu ảnh hưởng rất lớn của độ phảnxạ bề mặt. Bước sóng λ=0,6µm với thép ở nhiệt độ thường hệ sốhấp thụ bề mặt nhỏ hơn 10% song nó tăng rất nhanh với sự tăngnhiệt độ bề mặt.+ Khi có lớp màng mỏng graphit nó làm tăng hệ số hấp thụ vàtăng hiệu quả quá trình tôi.Quá trình gia công nhiệt các loại thép có thể tiến hành trong cácmôi trường khác nhau: nước, khí… song tốt hơn cả là trong chấtlỏng.Các nghiên cứu thực nghiệm cho các kết luận: -Quá trình tôi chi tiết hấp thụ ít năng lượng nên không đốt nóng chi tiết vì quá trình nung xảy ra nhanh. -Dễ dàng tôi các bề mặt trong và ngoài. Sự tập trung năng lượng trong vùng gia công có thể kiểm soát điều khiển được. -Khả năng nhận được giải tôi và vùng tôi rất hẹp nhờ tiêu tụ, chắn hoặc dùng maska chùm tia. -Trong quá trình tôi không xảy ra quá trình hóa học độc hại cũng như tiếng ồn và nhiệt độ cao tại vùng làm việc. -Quá trình tôi xảy ra rất nhanh nên sự oxi hóa bề mặt và các phản ứng hóa học khác là nhỏ nhất. Các nghiên cứu thực nghiệm chỉ ra rằng: laser công suất cũngcó thể bóc các lớp oxit bề mặt để phục hồi lớp kim loại bề mặtbị khí quyển tác dụng. Ngoài ra laser cũng có thể thực hiện được các quá trình chế tạochi tiết có hình dạng yêu cầu từ hợp kim bột với nhiều ưu việthơn các phương pháp đốt nóng khác. Nhược điểm: Với chi tiết đủ lớn buộc phải tôi điểm có điềukhiển.9.2 Gia công tạo hình bề mặtLà phương pháp gia công mà hình dạng tiết diện của chùm tialaser được xác định bởi một mặt nạ, chiếu lên bề mặt gia côngvới tỷ lệ cần thiết để nhận được hình ảnh lặp lại dạng của mặtnạ. Đây gọi là phương pháp chiếu hình để tạo các màng định hìnhtrong công nghiệp điện tử và các lĩnh vực khác hoặc in chữ và sốlên bề mặt nhạy cảm với ứng suất cơ học và áp lực dễ bị pháhủy hoặc thay đổi cấu trúc.Ví dụ: Vi mạch ,tấm mỏng gốm đơn tinh thể hoặc đầu từ là vậtliệu pherit. Người ta dùng laser để đốt cháy lớp bề mặt tạo sốqua mặt nạ mà không phá hủy nó. Phổ hấp thụ của gốm chỉ với những bước sóng nhỏ hơn 1,1µmcòn với bước sóng dài hơn nó trở nên trong suốt. Ánh sáng nhìn thấy được hấp thụ trên gốm ở độ sâu gần0,1µm. ,năng lượng bị hấp thụ trong vài pico giây và chuyểnthành nhiệt. -Tia laser sẽ đốt nóng vật tạo ra sự giãn nở nhiệt và ứng suất. -Khi đó sự truyền nhiệt từ vùng chiếu sáng đến các vùng lâncận cần phải giảm cực đại bằng cách dùng laser xung. - Nếu xung laser dài 1ms thì chỉ xảy ra sự truyền nhiệt trongthời gian đó. - Hiệu ứng tác động của tia laser phụ thuộc vào năng lượngcủa nó.Với gốm, năng lượng laser bị hấp thụ chậm và khi xung đủ nănglượng thì xảy ra sự nóng chảy cục bộ, khi tăng năng lượng xungthì nhiệt động sẽ tăng lên đến điểm bay hơi vật liệu. Khi mật độ công suất đạt 108 w/cm2 thì nhiệt độ có thể đạt tới1010 0C/s còn gardien nhiệt độ ...