CÁC DẠNG GIA CÔNG TINH TRÊN BỀ MẶT 9.1 Tôi bề mặt chi tiết bằng laser Những laser khí công suất liên tục đến hàng chục kw cho phép gia công nhiệt bề mặt kim loại. Nguyên lý làm việc của những máy phát laser ( light Amplification by Stimulate Emission of Radiation ) có quan hệ mật thiết với tính chất quang học của môi trường đặc biệt gọi là môi trường nghịch đảo nồng độ, với khái niệm nồng độ trạng thái hay nồng độ mức độ của mức là số hạt đồng thời tồn tại trong một...
Chương 9 CÁC DẠNG GIA CÔNG TINH TRÊN BỀ MẶT
9.1 Tôi bề mặt chi tiết bằng laser
Những laser khí công suất liên tục đến hàng chục kw cho phép gia
công nhiệt bề mặt kim loại.
Ưu điểm:
- Có ưu việt đặc biệt với một số chi tiết có hình dạng không thích
hợp 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 và
làm nguội nhanh đóng vai trò quan trọng trong công nghệ chế tạo
chi 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 nóng
đến nhiệt độ chuyển pha của các cấu trúc austenit như là dung
dịch rắn cacbit trong thép, khi làm nguội nó tạo thành trạng thái
bền peclit với pherit hoặc xemetit, còn dung dịch rắn cacbit rất
bền trong sắt α gọi là mactenxit.
Tốc độ nguội của thép tùy thành phần của thép từ 30÷40
C/giây cho đến dưới 250 0C, thường sử dụng chất lỏng làm
0
nguội.
Khi tôi laser: Phần lớn năng lượng bị hút vào kim loại để đốt
nóng bề mặt, còn phần kim loại còn lại thì làm nguội. Khi đó bề
mặt bị đốt nóng sẽ nguội đi. Trong khoảng thời gian đầu tiên, sự
làm nguội sẽ gần bằng:T0
2τ
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
z2 + a 2 − z
Ttĩnh(z)=
k
-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 sự
hình thành màng ô xýt
Thép thường, bức xạ hấp thụ 8 kw/cm2 đốt lớp chiều sâu
0,5mm đến nhiệt độ cao tới hạn, khi đó chuyển pha γ thành α
ausetenit (T≤9370C) trong thời gian khoảng 0,05 giây.
Nếu nhiệt từ chùm tia bị truyền sang các vùng khác do sự dẫn
nhiệt cao của vật liệu thì lớp bề mặt sẽ nguội rất nhanh tạo nên
bề mặt mactenxit.
Nhận xét:
+ Hiệu quả của quá trình tôi chịu ảnh hưởng rất lớn của độ phản
xạ bề mặt. Bước sóng λ=0,6µm với thép ở nhiệt độ thường hệ
số hấp thụ bề mặt nhỏ hơn 10% song nó tăng rất nhanh với sự
tăng nhiệt độ bề mặt.
+ Khi có lớp màng mỏng graphit nó làm tăng hệ số hấp thụ và
tăng hiệu quả quá trình tôi.
Quá trình gia công nhiệt các loại thép có thể tiến hành trong các
môi trường khác nhau: nước, khí… song tốt hơn cả là trong chất
lỏng.
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 cũng có
thể bóc các lớp oxit bề mặt để phục hồi lớp kim loại bề mặt bị
khí quyển tác dụng.
Ngoài ra laser cũng có thể thực hiện được các quá trình chế tạo
chi tiết có hình dạng yêu cầu từ hợp kim bột với nhiều ưu việt
hơn các phương pháp đốt nóng khác.
Nhược điểm: Với chi tiết đủ lớn buộc phải tôi điểm có điều
khiển.
9.2 Gia công tạo hình bề mặt
Là phương pháp gia công mà hình dạng tiết diện của chùm tia
laser được xác định bởi một mặt nạ, chiếu lên bề mặt gia công
với tỷ lệ cần thiết để nhận được hình ảnh lặp lại dạng của mặt
nạ. Đây gọi là phương pháp chiếu hình để tạo các màng định hình
trong công nghiệp điện tử và các lĩnh vực khác hoặc in chữ và số
lên bề mặt nhạy cảm với ứng suất cơ học và áp lực dễ bị phá
hủy hoặc thay đổi cấu trúc.
Ví dụ: Vi mạch ,tấm mỏng gốm đơn tinh thể hoặc đầu từ là vật
liệu pherit. Người ta dùng laser để đốt cháy lớp bề mặt tạo số
qua mặt nạ mà không phá hủy nó.
Phổ hấp thụ của gốm chỉ với những bước sóng nhỏ hơn 1,1µm
còn với bước sóng dài hơn nó trở nên trong suốt.
Ánh sáng nhìn thấy được hấp thụ trên gốm ở độ sâu gần
0,1µm. ,năng lượng bị hấp thụ trong vài pico giây và chuyển thành
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 lân
cận cần phải giảm cực đại bằng cách dùng laser xung.
- Nếu xung laser dài 1ms thì chỉ xảy ra sự truyền nhiệt trong
thời gian đó.
- Hiệu ứng tác động của tia laser phụ thuộc vào năng lượng
của nó.
Với gốm, năng lượng laser bị hấp thụ chậm và khi xung đủ năng
lượng thì xảy ra sự nóng chảy cục bộ, khi tăng năng lượng xung
thì 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 tới
1010 0C/s còn gardien nhiệt độ đến 10-6 0C/cm, cần khoảng 5ns thì
bề mặt chi tiết đạt đến nhiệt độ bay hơi, sau 50ns thì vật liệu bắt
đầu nóng chảy ở độ sâu 2µm. Vật liệu bay hơi thì có hệ số hấp
thụ cao hơn khi nó ở trạng thái rắn. Sự bay hơi sẽ lần lượt từng
lớp
.
Hình trên lỗ maska được chiếu lên bề mặt gia công, mặt nạ
thường làm bằng đĩa molipden Ф76mm và dày 0,1mm, các số
được đục trên vành đĩa và bằng cách quay người ta sẽ đưa nó
vào vị trí cần thiết khi chiếu. Các laser thường sử dụng: Rubi,
neodim, thủy tinh và YAK
Một số nguyên nhân gây mất ổn định của quá trình bay hơi:
- Sự phân bố cường độ trong tiết diện ngang chùm tia không đều
gây nên sự tác động không đồng nhất lên vật liệu gia công. Đồng
thời do sự phân bố cường độ đó theo luật Gauss nên chiều sâu
bay hơi vật liệu sẽ giảm từ tâm ra ngoài, khắc phục điều này hết
sức phức tạp.
Do sự phân bố cường độ không đồng đều, nên tại các điểm
cường độ tăng cao sẽ nứt hoặc vết lõm trên bề mặt gia công do
không đồng chất vật liệu laser và hệ quang.
Để làm đồng đều cường độ tia, người ta dùng phương pháp tia
laser được mở rộng và đi vào một thấu kính đặc biệt mà mặt
trước của nó như một mặt tán xạ sẽ phân tán phần cường độ
mạnh nhất theo nhiều góc đi vào bề mặt gia công.
Phương pháp: in litô laser để tạo dưỡng quang học: để làm
dưỡng quang tốn thời gian và có nhiều khuyết tật.
Phương pháp laser đốt cháy lớp màng phủ làm dưỡng loại trừ
được phương pháp in chụp quang học đồng thời còn có khả năng
kiểm tra kích thước hình trên dưỡng quang ở tỷ lệ thực và rút
ngắn thời gian chế tạo.
Quá trình đôt: Để tạo các ảnh cỡ micro có 3 phương pháp tạo
hình bằng hệ quang để tạo litograph:
- Phương pháp chiếu hình
- Phương pháp chùm công tua
- Phương pháp chiếu công tua
9.3 Một số dạng ứng dụng gia công với laser.
Cắt ống thủy tinh thành mỏng
Trong công nghệ chế tạo dụng cụ, ví du: ống điện tử chân
không … cần phải cắt không được khuyết tật các ống thủy
tinh. Ví dụ ống Ф20 với chiều dày thành 0,75mm.
Cơ chế của việc cắt này là phân bố có hướng của ứng suất
nhiệt đàn hồi xuất hiện trên thủy tinh do tác dụng của gradien
nhiệt lớn.
Ứng suất bên trong bề mặt trụ G tăng theo công thức:
βET
G=
2( 1 − P)
Ở đây: β: Hệ số giãn nở nhiệt tuyến tính
E: Modun đàn hồi
P: Hệ số Poatxong
T: Nhiệt độ vượt quá giới hạn cho phép (đối với các
mác thủy tinh đã cho) hơn 5 lần.
Nhận xét: Tùy theo mức độ tăng của ứng suất, độ nhám của bề
mặt thay đổi từ cấp: 4÷13
Nhờ bức xạ laser có thể cắt các tấm thủy tinh, gốm và ống thạch
anh
Ngoài ra phương pháp này còn cho phép cắt ống thủy tinh trong
quá trình kéo ống liên tục với tốc độ cao.
Phương pháp laser do không có tiếp xúc giữa dụng cụ cắt và thủy
tinh nên không xuất hiện trong thủy tinh và dụng cụ những ứng
suất phụ.
Không có các yếu tố va chạm cơ học , khả năng điều chỉnh và
khống chế mức độ tác động lên thủy tinh độ ổn định quá trình
cắt, là ưu điểm của phương pháp này.
Thêm vào BST
Báo xấu
Download
Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ
