Tài liệu Cắt bằng tia nước (Water Jet Cutting-WJC) ppt

Cắt bằng tia nước (Water Jet Cutting-WJC)

1. Nguyên lý gia công.
Cắt bằng tia nước (Water Jet Cutting-WJC) là một quá trình sử
dụng tia nước ở áp suất cao để gia công vật liệu. Vết cắt hoặc
rãnh có độ rộng xấp xỉ 1mm. Đường kính lỗ nhỏ nhất có thể cắt
được là 1,5mm. Phương pháp này còn được gọi là gia công bằng
thuỷ động lực học. Sơ đồ nguyên lý được thể hiện trên hình 1.


Đầu tiên nước từ thùng cấ
p nước đi qua bộ lọc và hòa trộn. Sau
đó nhờ ống dẫn chất lỏng đi qua bộ khuyếch đại để tăng áp đến
đầu phun. Tại đầu phun tia nước được phun ra mạnh hay yếu là
nhờ van tiết lưu. Van này được điều khiển bởi một bộ điều
khiển. Tia nước sau khi ra khỏi đầu phun có áp suất rất lớn
(thường từ 100 - 400 MPa), tốc độ tia nướ
c từ 400 - 1000m/s.
Với áp suất này, khi tia nước chạm vào bề mặt vật liệu gia công
nó tạo nên áp lực lớn hơn độ bền nén của vật liệu, bề mặt vật
liệu bị nát ra và tia nước xuyên qua tạo thành vết cắt, cắt chi
tiết gia công. Vậy tia nước tạo đóng vai trò như một cái cưa cắt
một vết hẹp trên vật liệu.
2. Các thông số công nghệ.
Các thông số gia công quan trọng trong gia công bằng tia nước
bao gồm : khoảng cách gia công, đường kính lỗ vòi phun, áp
suất nước và tốc độ cắt. Khoảng cách gia công là khoảng cách
giữa đầu vòi phun và bề mặt gia công. Thông thường khoảng
cách này là nhỏ để tia nước phân tán tới mức tối thiểu trước khi
kịp đập vào bề mặt.
Khoảng cách gia công điển hình là 3,2mm. Kích thước của lỗ vòi

phun ảnh hưởng đến độ chính xác của quá trình c
ắt lỗ vòi. Vòi
phun nhỏ được sử dụng trên những vật liệu mỏng. Đối với
những vật liệu dày hơn thì cần có những tia phun dày hơn và áp
suất cao hơn. Tốc độ cắt thường vào khoảng từ 5 - 500 mm/s
tùy theo độ dày của chi tiết gia công. Phương pháp gia công tia
nước thường được tự động hoá bằng hệ thống CNC hay người
máy công nghiệp. Phạm vi gia công : từ 1,6 - 305 mm với độ
chính xác là ± 0,13 mm.




3. Ưu điểm và phạm vi ứng dụng.
Ưu điểm :
- Chất lượng vết cắt rất cao.
- Vết cắt có thể bắt đầu ở bất kỳ chỗ nào mà không cần khoan
mồi trước và có thể cắt được các vật liệu cán mỏng.
- Có khả năng tự động hóa và người máy hóa rất cao.
- Chí phí thấp.
- Không có chất hóa học như cắt bằng hạt mài (AWJC).
- Thích ứng với hệ thống CAD/CAM.
- Gia công đạt độ chính xác cao, bề mặt phẳng.
- Không ảnh h
ưởng nhiệt.
- Có thể cắt bất cứ vật liệu nào.
- Ít lãng phí chất thải sau gia công.
- Môi trường gia công trong sạch.
Phạm vi ứng dụng.
- Gia công cắt : phương pháp gia công bằng tia nước được ứng

dụng trong các ngành hàng không, thực phẩm, nghệ thuật đồ
họa, công nghiệp ôtô, giày dép, cao su, nhựa, đồ chơi, gỗ, luyện
kim, giấy, chế tạo máy…
- Làm sạch bề mặt trong ngành xây dựng và chế tạo máy.
Một số vậ
t liệu được cắt bằng tia nước là : các tông, thảm, lie
(làm nút chai), giấy, plastic, sản phẩm gỗ, cao su, da, giấy, lá
kim loại mỏng, gạch, vật liệu composite… Tùy loại vật liệu mà
chiều dày cắt lên đến 25mm và cao hơn. So với các phương
pháp khác, cắt bằng tia nước có năng suất cao và sạch, nên nó
cũng được dùng trong công nghệ thực phẩm để cắt và thái
mỏng sản phẩm. Khi đó người ta sử dụng dung dịch chất l
ỏng là
cồn, glyxêrin hoặc dầu ăn.




CẮT BẰNG TIA NƯỚC CÓ HẠT MÀI (Abrasive Water Jet Cutting -
AWJC)

a. Nguyên lý gia công :
Để tăng khả năng cắt bằng tia nước nhằm cắt các vật liệu cứng
như thép, thủy tinh, bê tông hay vật liệu composite, … người ta
thêm vào tia nước những hạt mài. Vì thế phương pháp này được
gọi là gia công tia nước có hạt mài. Nguyên lý của phương pháp
này cũng như gia công tia nước nhưng khác ở chổ là trong quá
trình hình thành tia nước áp suất cao thì cho thêm vào dòng hạt
mài. Vận tốc rất cao củ
a dòng tia khi đi qua lỗ phun sẽ tạo chân

không để hút các hạt mài từ ống chứa hạt mài, sau đó, hạt mài
sẽ trộn với nước trong ống trộn. Việc cấp hạt mài trong quá
trình gia công quyết định năng suất gia công.


Vòi phun của thiết bị gia công bằng tia nước


Vòi phun của thiết bị gia công bằng tia nước có hạt mài

Đối với gia công tia nước có hạt mài, khi thêm những hạt mài
vào tia nước sẽ làm phức tạp quá trình gia công vì phải bổ sung
một số thông s
ố và những thông số này phải được điều khiển.
Những thông số thêm vào cho quá trình là loại hạt mài, cỡ hạt
và tốc độ dòng chảy. Các loại vật liệu hạt mài thường được sử
dụng là Al2O3, SiO2 và garnet, các cỡ hạt khoảng từ 60 đến
100. Lượng mài được thêm vào trong tia nước xấp xỉ khoảng 0,3
kg/phút sau khi thoát ra vòi phun. Đường kính lỗ của vòi
khoảng từ 0,25 - 0,63 mm. Sở dĩ kích cỡ hơn một chút so với sự

gia công bằng tia nước là để có được tốc độ dòng chảy cao hơn
và năng lượng nhiều hơn vì bên trong nó có chứa hạt mài.
Áp suất nước trong gia công bằng tia nước có hạt mài giống
trong gia công bằng tia nước. Khoảng cách cho phép phải ít hơn
để giảm đến mức tối thiểu hiệu quả phân tán của chất lỏng cắt
mà hiện giờ có chứa những hạt mài. Khoảng cách cho phép điển
hình là khoảng ¼ hay ½ khoảng cách trong gia công tia n
ước.
Phương pháp gia công tia nước hay tia nước có hạt mài có thể

sử dụng thay thế cho các phương pháp gia công tia laser hay tia
plasma nếu yêu cầu không có ảnh hưởng nhiệt tại đường cắt vật
liệu.


HÌnh dáng của máy
b. Các thông số công nghệ và khả năng công nghệ :
Các thông số công nghệ cơ bản của quá trình cắt là :
- Ap suất tia nước (20,000 -60,000 PSI hay 1300 – 4000 bar).
- Đường kính tia nước.
- Tốc độ của dòng tia lên đến 285 fps (1950 mph), khoảng 2,5
lần tốc độ âm thanh.
-
Độ xa.
- Tốc độ nạp hạt mài.
- Tốc độ cắt , 1 – 5 inch/ph. Tốc độ cắt càng lớn thì chất lượng
bề mặt càng tốt.
- Tốc độ nạp vật liệu (lượng chạy dao)
Khả năng công nghệ :
- Chiều rộng cắt điển hình là 0,030" và lớn hơn.
- Tầm ảnh hưởng của dòng tia lên đến 8’’ đối với vật liệu cứng.
Ap suất hạ xuống sau 1’’.
- Độ chính xác phụ thuộc vào loại máy đượ
c sử dụng. Loại máy
lớn với đầu phun dịch chuyển trên khung đạt độ chính xác
±0,015’’. Các máy cỡ trung có thể độ chính xác ±0,005’’. Các
máy hiện đại có thể đạt độ độ chính xác ±0,0025’’, độ thẳng đạt
0,002’’
Có sự khác biệt lớn về dung sai đạt được giữa các nhà sản khác
nhau. Hầu hết sự thay đổi này đến từ sự khác biệt ở công nghệ

điều khiển, và một vài khác biệt từ kết c
ấu máy. Ngày nay nột
số máy có khả năng đạt độ chính xác gia công một số chi tiết
đến ±0,001’’ thậm chí trong một số trường hợp còn tốt hơn
(mặc dù ±0,002’’ thì có lẽ thực tế hơn).

c. Ưu nhược điểm và phạm vi ứng dụng.
- Cắt được hầu như mọi vật liệu: thép tôi cứng, thép mềm, thép
không rỉ (phần lớn thép cắt ở cùng tốc độ dù có khác nhau về
độ
cứng), đồng thau, nhôm, vật liệu giòn như thuỷ tinh, gốm,
thạch anh, và đá, tấm mỏng, vật liệu dễ cháy, cắt quặng mỏng
hoặc quặng dày, tạo được mọi loại hình dạng với chỉ một dụng
cụ cắt.
- Cắt với một phạm vi bề dầy lớn với dung sai hợp lý, không sinh
nhiệt, vùng gia công không chịu tác động nhiệt, đây là phương
pháp gia công cắt lạnh.
- Độ nhám bề mặt có thể tốt như các phương pháp gia công
truyền thống.
- Lực cắt không đáng kể, vì thế có rất ít hoặc không có

d. So sánh với một số phương pháp gia công khác.
So sánh với gia công tia laser
- Gia công được nhiều vật liệu mà laser không thể gia công (vật
liệu phản xạ, như nhôm và đồng).
- Tính đồng nhất vật liệu không phải là đặc tính quan trọng.
- Dòng tia nước không tạo nhiệt lên chi tiết. Vì thế không có
biến d
ạng nhiệt và độ cứng không tăng.
- Tia nước có thể đạt được độ chính xác bằng hoặc hơn tia laser.

- Giá thành rẻ hơn.
- Gia công đuợc vật liệu dầy hơn.
- Dòng tia tạo mài an toàn hơn, không có khói độc, không có
lửa.
- Có tính môi trường hơn.
- Bảo trì đơn giản hơn.
- Tia hạt mài có khả năng đạt dung sai tương tự trong gia công
chi tiết mỏng và đạt độ chính xác cao hơn trong gia công chi
tiết dầy
So sánh với gia công tia lửa điện
- Gia công nhanh hơn tia lửa điện.
- Khả năng gia công phạm vi vật liệu rộ
ng lớn hơn.
- Tính đồng nhất không phải là đặc tính quan trọng đối với gia
công tia nước.
- Dòng hạt mài tạo lỗ xuyên cho chính nó.
- Không sinh nhiệt.
- Dòng tia nước có khả năng bỏ qua những bất thường của vật
liệu mà có thể những bất thường này làm cho EDM mất tia lửa
điện.
