Nghiên cứu tối ưu hóa chế độ công nghệ đảm bảo năng suất và chất lượng bề mặt chi tiết trong công nghệ cắt tia nước áp suất cao

3


BỘ CÔNG THƯƠNG

VIỆN NGHIÊN CỨU CƠ KHÍ







BÁO CÁO TỔNG KẾT


ĐỀ TÀI/DỰ ÁN NGHIÊN CỨU KHOA HỌC CÔNG NGHỆ


CẤP BỘ NĂM 2010







Tên đề tài:

NGHIÊN CỨU TỐI ƯU HÓA CHẾ ĐỘ CÔNG NGHỆ ĐẢM BẢO NĂNG
SUẤT VÀ CHẤT LƯỢNG BỀ MẶT CHI TIẾT TRONG

CÔNG NGHỆ CẮT TIA NƯỚC ÁP SUẤT CAO


Ký hiệu: 04.10.HT/HĐ-KHCN









Cơ quan chủ quản: Bộ Công thương
Cơ quan chủ trì đề tài: Viện Nghiên cứu Cơ khí
Chủ nhiệm đề tài: Lục Vân Thương


8470


Hà Nội – Năm 2010
4


BỘ CÔNG THƯƠNG

VIỆN NGHIÊN CỨU CƠ KHÍ

BÁO CÁO TỔNG KẾT


ĐỀ TÀI/DỰ ÁN NGHIÊN CỨU KHOA HỌC CÔNG NGHỆ


CẤP BỘ NĂM 2010





Tên đề tài:
NGHIÊN CỨU TỐI ƯU HÓA CHẾ ĐỘ CÔNG NGHỆ ĐẢM BẢO
NĂNG SUẤT VÀ CHẤT LƯỢNG BỀ MẶT CHI TIẾT TRONG
CÔNG NGHỆ CẮT TIA NƯỚC ÁP SUẤT CAO

Ký hiệu: 04.10.HT/HĐ-KHCN

PHÓ VIỆN TRƯỞNG CHỦ NHIỆM ĐỀ TÀI

(Ký tên, đóng dấu) (Ký, ghi rõ họ tên)



Phan Thạch Hổ Lục Vân Thương




Hà Nội – Năm 2010

3

MỤC LỤC

DANH SÁCH CÁC THÀNH VIÊN THAM GIA ĐỀ TÀI 5
DANH SÁCH CÁC TỪ VIẾT TẮT 6
MỞ ĐẦU 7
CHƯƠNG I. TỔNG QUAN 8
1.1. Tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước 8
1.1.1. Tình hình nghiên cứu trên thế giới 8
1.1.2. Tình hình nghiên cứu ở Việt Nam 18
1.2. Tính cấp thiết của Đề tài 19
1.3. Mục tiêu thực hiện Đề tài 19
1.4. Phương pháp thực hi

ện Đề tài 19
CHƯƠNG 2. NGHIÊN CỨU LÝ THUYẾT 20
2.1. Nguyên lý gia công 20
2.2. Cơ sở lý thuyết 21
2.3. Thiết bị và dụng cụ 25
2.3.1. Bộ tăng áp 25
2.3.2. Dụng cụ 26
2.3.3. Bộ trộn trong gia công tia nước có hạt mài 27
2.3.4. Thiết bị 27
2.4. Các thông số công nghệ 29
2.4.1. Gia công bằng tia nước 29
2.4.2. Gia công bằng tia nước có hạt mài 29
2.5. Khảo sát đánh giá chất lượng bề mặt gia công 44
2.5.1. Khái niệm về chất lượng bề mặt gia công 44
2.5.2. Ảnh hưởng CLBM tới tính chất sử dụng của chi tiết máy 45
2.5.3. Các yếu tố ảnh hưởng đến CLBM 46
2.5.4. Phương pháp đánh giá chất lượng bề mặt 48
2.5.5. Phươ
ng pháp đảm bảo chất lượng bề mặt 49
2.6. Kết luận chương 2 49
4

CHƯƠNG 3. NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM 50
3.1. Địa điểm tiến hành thực nghiệm 50
3.2. Thiết bị thí nghiệm 50
3.3. Vật liệu thí nghiệm 51
3.4. Tiến hành thí nghiệm 53
3.4.1. Thí nghiệm cắt đợt 1 53
3.4.2. Thí nghiệm cắt đợt 2 55
3.4.3. Thí nghiệm cắt đợt 3 61

3.4.4. Thí nghiệm cắ
t đợt 4 61
3.5. Quy trình công nghệ cắt 65
3.5.1. Quy trình cắt tia nước chung 65
3.5.2. Tập hợp các thông số công nghệ cắt tia nước áp dụng cho máy cắt tại
phòng thí nghiệm trọng điểm – Viện nghiên cứu Cơ khí 66
3.5.3. Quy trình công nghệ cắt bằng tia nước áp suất cao có sử dụng hạt mài 67
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 80
A. Kết luận 80

B. Kiến nghị 81
PHỤ LỤC 83
5


DANH SÁCH CÁC THÀNH VIÊN THAM GIA ĐỀ TÀI


1) Lục Vân Thương Thạc sỹ Chủ nhiệm đề tài
2) Trần Quốc Hùng Thạc Sỹ
3) Lê Tiến Dũng Thạc Sỹ
4) Vũ Thị Mỹ Cử nhân
5) Đỗ Quang Chiến Kỹ sư
6) Ngô Văn Dũng Kỹ sư
7) Nguyễn Đình Sao Kỹ sư
8) Phạm Thanh Hoài Kỹ sư
9) Nguyễn Mạ
nh Cường Kỹ sư
6


DANH SÁCH CÁC TỪ VIẾT TẮT
Ký hiệu Định nghĩa Đơn vị
BDD Biến dạng dẻo
CLBM Chất lượng bề mặt
CNCT Công nghệ chế tạo
CTM Chi tiết máy
HTCN Hệ thống công nghệ
ƯSD ứng suất dư
TCVN Tiêu chuẩn Việt Nam
Ra Sai lệch số học trung bình của prôphin
µm
Rz Chiều cao mấp mô prôphin theo mười điểm
µm
V
cắt
Tốc độ cắt mm/ph
L Khoảng cách cắt mm
P
cắt
Áp suất cắt MPa
D
vp
Đường kính vòi phun mm
SiC Cacbit silic
C Cacbon
Cr
2
O
3

Ôxít crôm

Fe
2
O
3
Ôxít sắt
MgO Ôxít magiê
ZnO Ôxít kẽm
SnO
2
Ôxít thiếc
B
4
C Cácbít bo

7


MỞ ĐẦU

Cùng với sự phát triển của sản xuất và tiến bộ của công nghệ, đa dạng
các chủng loại vật liệu chất lượng cao không ngừng xuất hiện, chính điều đó
đã khiến cho những kỹ thuật và công cụ cắt truyền thống không còn đáp ứng
được nhu cầu chế tạo ra các hợp kim, nguyên liệu cảm ứng nhiệt và một số
loại khác. Sự xuất hiện của công nghệ cắt bằng tia nước áp suất cao đã mở ra
kỷ nguyên mới của cắt lạnh. Rất nhiều loại kỹ thuật cắt phức tạp đã dễ dàng
được giải quyết.
Phương pháp gia công bằng tia nước (Water Jet Machining-WJM) thích
hợp cho việc cắt nhựa, thực phẩm, cao su, vải,… Để tăng khả năng cắt bằng

tia nước nhằm c
ắt 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
(Abrasive Water Jet Machining-AWJM). Phương pháp này được phát triển
đầu tiên vào năm 1974 để làm sạch kim loại trước khi xử lý bề mặt.





8

CHƯƠNG I. TỔNG QUAN

1.1. Tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước
1.1.1. Tình hình nghiên cứu trên thế giới
Công nghệ tia nước áp suất cao đã được phát triển liên tục từ năm 1900
trở lại đây. Ở Mỹ công nghệ này đã được giới thiệu trong các ứng dụng khai
thác để làm sạch vật liệu có giá trị như vàng và dùng cắt các loại đá mềm
trong quá trình khai thác vàng.
Vào đầu những năm 60, O. Imanaka của trường Đại học Tokyo đã áp
dụng công nghệ tia nước sạch vào gia công làm sạch. Ý tưởng này được đưa
ra dựa trên các ảnh hưởng cấu trúc vỏ của máy bay do tác động hạt mưa trong
quá trình bay.
Vào cuối những năm 60 của R. Franz của Đại học Michigan, dùng áp
suất nước để cắt gỗ với tốc độ cắt cao. Ông có ý tưởng từ những rò rỉ hơi
nước đã được phát hiện trên các điểm vô hình của đường ống dẫ
n nước. Bởi
những hư hỏng đó mà ông đã nảy khẳng định dùng tia nước với gia tốc cao có

thể cắt được vật liệu.
Và thiết bị đầu tiên được Công ty Sản xuất McCartney sản xuất và lắp
đặt tại Alto Boxboard năm 1972.
Từ thời gian đó công nghệ tia nước áp suất cao đã được sử dụng trong
cắt vật liệu mềm như gỗ và da. Ngoài ra, vật liệ
u cứng và giòn như đá granit
và gạch và ngay cả một số vật liệu cứng rắn như titan cũng được cắt bằng tia
nước áp suất cao.
Quá trình nghiên cứu đã dẫn đến sự phát minh ra công nghệ gia công
bằng tia nước có hạt mài vào năm 1980 và đến năm 1983 hệ thống tia nước áp
suất cao có hạt mài đầu tiên được ra đời. Các hạt mài mòn tăng thêm phạm vi
gia công vật liệu, nó có thể cắt được vật li
ệu dày hơn với tốc độ cao hơn và
cho chất lượng tốt hơn.
9

Hiện nay, Flow là nhà sản xuất hàng đầu về hệ thống cắt tia nước và làm
sạch bề mặt bằng nước.
- Được niêm yết trên thị trường chứng khoán NASDAQ.
- Chiếm lĩnh 55% thị phần máy cắt tia nước của thế giới.
- Hơn 10000 sản phẩm được lắp đặt trên 45 nước.
- Là nhà phát minh Phương pháp sử dụng Hạt mài, Bơm Truyền động
trực tiếp, Vacuum Assit.
Dưới đây là mộ
t số loại máy cắt bằng tia nước áp suất cao của hãng
Flow:

Hình 1.1. Một số model máy cắt tia nước của hãng Flow
Những thông số kỹ thuật của bơm khuếch đại thuộc dòng 5x của 9ang:
+ Động cơ điện: 25hp; 50/60Hz; 220v/380v.

+ Áp suất nước vào >25psi
+ Áp suất ra: 40000psi – 60000psi
+ Tốc độ nước ra: 1.93l
+ Đường kính lỗ: 0,254 mm
+ Lưu chất cho bơm: dầu
+ Nước làm mát: 11,4l/phút
10

+ Kích thước:107 x 114 x 121 mm
+ Khối lượng: 500kg
Thông số đáng lưu ý của bàn gia công là diện tích vùng gia công và
trọng lượng phôi. Dòng March3 có các thông số Bàn gia công như sau:
+ March 3 1313b: 1,3m x 1,3m
+ March 3 2513b: 2,5m x 1,3m
+ March 3 3020b: 3m x 2m
+ March 3 4020b: 4m x 2m
+ March 3 7320b: 7,3m x 2m
+ Trọng lượng phôi là 500kg/m2
Dòng máy March 3 tích hợp hệ thống cắt Dynamic Waterjet® với Trình
điều khiển sai số tự động tạo những sản phẩm chính xác và tốc độ cắt cao. Sử
dụng một hệ thống chuyển động hiện đại dựa trên một khớp nhỏ gắ
n vào đầu
cắt. Khớp này cho phép đầu cắt xoay theo mọi hướng và nghiêng được 10 độ.
Kỹ thuật này giúp loại trừ các đường gờ bề mặt và giúp đường cắt đều dọc
theo bề dày vật cắt.

Hình 1.2. Hệ thống máy cắt bằng tia nước của hãng Flow
11

Công nghệ 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 đã được ứng dụng rất rộng
rãi trong chế tạo sản phẩm công nghiệp.
a) Công nghệ gia công tia nước không có hạt mài:

/img131/5228/untitledav4.png
Đầu tiên nước từ thùng cấp 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 (thườ
ng từ 100 – 400 Mpa), tốc độ tia nước 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.
Một số
vật 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
Hình 1.3. Sơ đồ nguyên lý gia công bằng tia nước không sử dụng hạt mài
12

sản phẩm. Khi đó người ta sử dụng dung dịch chất lỏng là cồn, glyxêrin hoặc
dầu ăn. Dưới đây là một số hình ảnh sản phẩm ứng dụng của công nghệ cắt:

13

Hình 1.4. Một số chi tiết ứng dụng công nghệ cắt bằng tia nước trong
lĩnh vực quảng cáo
b) Công nghệ gia công cắt bằng tia nước có hạt mài (Abrasive Water Jet
Cutting – AWJC):
* Nguyên lý cắt bằng tia nước có hạt mài
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 h
ạt
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 của 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.
Đối với gia công tia nước có hạt mài, khi thêm những hạt mài vào tia
nước s
ẽ làm phức tạp quá trình gia công vì phải bổ sung một số thông số 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 Al
2
O
3

, SiO
2
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 h
ơn 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 nước.
14


Hình 1.5. Nguyên lý cắt tia nước có hạt mài
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.
* Thiết bị
Các bộ phận chính của một thiết bị gia công tia nước có hạt mài cũng
giống như gia công tia nước, bao gồm các bộ phận chính sau:
• Bộ lọc: làm sạch nước để tăng tuổ
i thọ hệ thống.
• Bộ tăng áp: tăng áp lực của nước.
• Bộ phận phân phối nước: đường ống, khớp nối và các bộ phận phân
phối nước tăng áp.
• Đầu trộn: trộn nước áp lực cao và hạt mài.
• Đầu cắt: dẫn hướng tia nước.

• Giàn máy NC: định vị đầu cắt.
• Bộ phận thu gom nước đã phun.
15


Hình 1.6. Thiết bị cắt bằng tia nước có sử dụng hạt mài

* Các thông số công nghệ và khả năng công nghệ:
• Áp suất tia nước.
• Đường kính tia nước.
• Tốc độ của dòng tia lên đến 1950 m/ph.
• Độ xa.
• Tốc độ nạp hạt mài.
Tốc độ cắt từ 25 - ÷ 130mm/ph. Tốc độ cắt càng lớn thì chất lượng bề
mặt càng tốt.
Tốc độ nạp vật liệu (l
ượng chạy dao) –
Khả năng công nghệ:
• Chiều rộng vết cắt điển hình là 0,76mm và lớn hơn.
• Tầm ảnh hưởng của dòng tia lên đến 200mm đối với vật liệu cứng. Áp
suất hạ xuống sau 25mm.
• Độ chính xác phụ thuộc vào loại máy được sử dụng. Loại máy lớn với
đầu phun dịch chuyển trên khung đạt độ chính xác ±0,38mm. Các máy cỡ
16

trung có thể độ chính xác ±0,127mm. Các máy hiện đại hiện nay có thể đạt độ
độ chính xác ±0,064mm, độ thẳng đạt 0,05mm.
* Ưu nhược 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 chấ
t 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 hưởng nhiệt.
- Có thể cắt bất cứ vật liệu nào.
- Ít lãng phí chất thải sau gia công.
- Môi trường gia công trong sạch.
• Cắt các vật liệu rất cứng như titan, inconel, hợp kim đặc biệt, rẻ hơn
các phương pháp gia công khác (plasma, laser, ).
• Cắt được hầu như mọi vật liệ
u: thép tôi cứng, thép mềm, thép không rỉ,
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 dày lớn với dung sai hợp lý, không sinh nhiệt,
vùng gia công không chịu tác động nhiệt, đây là phương pháp gia công cắt
lạ
nh.
• 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
17

• Chi phí thấp: trung tâm AWJM sử dụng file DXF sẵn có (hoặc bản vẽ
CAD khác). Không tốn chi phí cho khuôn, đồ gá hay không yêu cầu chương
trình CNC phức tạp, tỉ mỉ.

* 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.
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.
* 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 th
ế không có biến dạng
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
18

- Gia công nhanh hơn tia lửa điện.
- Khả năng gia công phạm vi vật liệu rộng 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.
1.1.2. Tình hình nghiên cứu ở Việt Nam
Công ngh
ệ tia nước áp suất cao trong những năm gần đây đã được
chuyển giao vào Việt Nam. Tại PTN TĐ công nghệ hàn & Xử lý bề mặt –
Viện Nghiên cứu Cơ khí; Viện IMI; Công ty CP Phúc Sinh đã được đầu tư
thiết bị nhập từ nước ngoài.
PTN trọng điểm CN Hàn và XLBM –
Viện NCCK

Công ty CP Phúc Sinh
Hình 1.7. Một số máy cắt tia nước ở Việt Nam
Tất cả các nghiên cứu về công nghệ tia nước áp suất cao ở Việt Nam
hiện nay đều theo hướng giải quyết tính công nghệ áp dụng để làm sạch chi
tiết phục vụ cho đóng tàu. Việc xác định các thông số ảnh hưởng đến chất
lượng cắt chưa được nghiên cứu sâu nhất là ảnh hưởng của thông số hạt mài
lên chất l
ượng chi tiết là còn hạn chế.
19

Việc triển khai áp dụng công nghệ cắt tia nước hiện nay ở nước ta còn
rất hạn chế.
Vì vậy, Đề tài này tiến hành nghiên cứu ảnh hưởng của một số thông số
đến chất lượng cắt chi tiết. Và từ đó thiết lập quy trình công nghệ cắt cho phù
hợp.
Đối với mỗi loại vật liệu khác nhau việc nghiên cứu và thiết lập một

quy trình công nghệ phù hợp đả
m bảo chất lượng là hết sức cần thiết.
1.2. Tính cấp thiết của Đề tài
Trong lĩnh vực cơ khí chế tạo máy, việc nâng cao hiệu quả chất lượng
chi tiết cơ khí là một trong những nhiệm vụ quan trọng. Việc áp dụng công
nghệ cắt tia nước áp suất cao góp phần đáng kể vào mục tiêu chung của ngành
cơ khí nói riêng và ngành công nghiệp nói chung.
Với việc đưa phương pháp nghiên cứu ả
nh hưởng của thông số hạt mài
sẽ góp phần làm tăng chất lượng cắt, phục vụ hiệu quả cho quá trình gia công
phôi.
1.3. Mục tiêu thực hiện Đề tài
Tiếp cận công nghệ mới về lĩnh vực gia công cắt bằng công nghệ tia
nước áp suất cao.
Lựa chọn được một số thông số chính ảnh hưởng đến quá trình cắt.
1.4. Phương pháp thực hiện Đề tài
Đề tài sử
dụng phương pháp nghiên cứu kết hợp lý thuyết và thực
nghiệm, xây dựng được chế độ công nghệ cắt tối ưu.
20

CHƯƠNG 2. NGHIÊN CỨU LÝ THUYẾT

2.1. Nguyên lý gia công
- Hiện tượng cắt bằng tia nước thực hiện bằng cách đưa một thể tích lớn
nước qua một đường ống nhỏ. Thể tích nước không đổi đi qua một ống tiết
diện giảm dần sẽ làm các phần tử tăng tốc một cách nhanh chóng. Dòng được
tăng tốc này ra khỏi ống tác động một lực cắt lớn vào vật li
ệu gia công. Áp
suất cực đại (200MPa – 400MPa) của các phần tử nước đã được gia tốc tiếp

xúc với một vùng diện tích bé (Vết cắt hoặc rãnh có độ rộng xấp xỉ 1mm,
đường kính lỗ nhỏ nhất có thể cắt được là 1,5 mm) của chi tiết gia công.
Trong vùng này sẽ phát triển những vết nứt nhỏ do tác động của tia nước. Tia
nước cuốn trôi vật liệu bị bóc ra khỏi chi tiet gia công. Vết nứt do tác độ
ng
của tia nước giờ đây bị đặt dưới dòng nước. Áp suất cực đại và tác động của
các phần tử trong dòng tia làm cho vết nứt phát triển cho tới khi vật liệu bị cắt
hoàn toàn.
- Đầu tiên nước từ thùng cấp nước đi qua bộ lọc và hòa trộn. Sau đó nhờ
ống dẫn chất lỏng đi qua bộ khuếch đại để tăng áp đến đầu phun. Tại đầu
phun tia nước được phun ra mạnh hay yếu là nhờ van tiết lưu. Van nay được
điều khiển bởi một bộ điều khiển. Tia nước sau khi ra khỏi đầu phun có áp
suất rất lớn, nhờ áp suất này mà tạo nên áp lực cắt chi tiết gia công.
- Khi gia công tia nước có hạt mai thì hạt mài được trộn với nước trong
ống trộn trước khi được phun tra ngoài. Vận tốc của dòng nước rất cao sẽ tạo
ra vùng chân không và hút hạt mài từ
ngoài vào mà không cần bất cư một
máy nào khác để đưa dòng hạt mài vào. Tia dung dịch này thông thường được
đẩy bằng khí nén nhằm mục đích tăng tốc độ của dòng chảy. Bề mặt được gia
công bằng tia hạt mài không có vết xướt như bề mặt gia công bằng các
phương pháp khác (các phương pháp gia công còn có tạo phoi). Mỗi thành
phần của dòng tia là nước và hạt mài đều có mục đích riêng biệt và hỗ trợ:
21

Mục đích chính của vật liệu hạt mài trong dòng tia là cung cấp lực mài mòn;
mục đích của dòng tia nước là có tác dụng đưa vật liệu hạt mài đến chi tiết gia
công để mài mòn, tia nước cùng gia tốc với hạt mài, mang cả dòng hạt mài và
vật liệu bị mài mòn khỏi vùng làm việc. Bề mặt trước khi gia công bằng tia
hạt mài phải được tẩy sạch bụi, phoi, dầu nhờn, axit và các tạp chất khác.
2.2. Cơ sở lý thuyế

t
Do gia công và tia nước và gia công tia nước có hạt mài có đặc điểm cấu tạo
cũng như nguyên lý gia công tương tự nhau, vì vậy chúng ta chỉ đề cập tới phương
pháp gia công mạnh nhất và phức tạp nhất trong 2 phương pháp, đó là phương
pháp gia công tia nước có hạt mài. Quá trình đưa phần tử hạt mài vào trong nước:
- Hạt mài được đưa vào sau giai đoạn hình thành tia nước áp suất cao.
- Hạt mài được đưa vào trước quá trình hình thành tia nước (trường hợp
không phổ biến).
Sau đây là những đồ thị chỉ rõ một số mối liên hệ cần thiết trong quá
trình gia công:

Hình 2.1. Quan hệ giữa đường kính ống tập trung và áp suất bơm
Như vậy, từ hình 2.1 cho ta thấy được như sau: với kích thước ống tập
trung khác nhau, khi có lưu lượng hạt mài đưa vào giống nhau, thì lưu lượng
khí thổi vào khác nhau. Lượng hạt mài đưa vào phụ thuộc vào lưu lượng khí,
khi lưu lượng khí cao thì lưu lượng hạt mài vào càng giảm.
22


Hình 2.2. Quan hệ giữa lưu lượng khối lượng hạt mài
và hình dáng hình học ống tập trung
Hình 2.2. cho ta thấy được, với áp suất bơm khác nhau, khi mà kích thước
đường kính tập trung giống nhau thì có lưu lượng khí thổi vào là khác nhau.
Lưu lượng khí thổi vào phụ thuộc vào đường kính ống tập trung, đường kính
càng lớn thì lưu lượng khí thồi vào càng cao.

Hình 2.3. Mối quan hệ giữa lưu lượng thể tích không khí,
lưu lượng khối lượng hạt mài và sự thay đổi áp suất.
Từ hình 2.3. cho ta thấy, thông thường với cùng một lưu lượng hạt mài
thì khi mà áp suất tăng thì lưu lượng khí thổi vào tăng. Ngoài ra, khi lưu

lượng hạt mài thay đổi tăng theo tỷ lệ 1:2 thì khi mà lưu lượng hạt mài nhiều
thì áp suất và lưu lượng khí thổi vào giảm.
23



Hình 2.4. Ảnh hưởng các thông số lên sự vỡ các phần tử rắn.
a) Vận tốc tác động và góc tác động; b) Vận tốc tác động và phần tử
- Ở hình 2.4a. khi cùng kích thước đường kính hạt, vận tốc va chạm tới
hạn của bột thạch anh thấp hơn ½ lần so với vận tốc của bột thủy tinh. (Cùng
chiều sâu cắt)
- Ở hình 2.4b. khi mà góc cắt α = 90
o
cho ta thấy được sự tăng vận tốc
hạt gần như tuyến tính với khả năng nứt vỡ của hạt. (Cùng chiều sâu cắt)
24






25


Hình 2.5. Ảnh hưởng các thông số lên sư phân huỷ phần tử hạt mài
- Với cùng áp suất, khi tăng lưu lượng hạt mài thì hệ số phân hủy có tăng
nhưng khống đáng kể.
- Với cùng áp suất, khi kích thước đường kính hạt mài tăng thì hệ số
phân hủy cũng tăng gần như tuyến tính với đường kính hạt mài.

- Ở cùng điều kiện áp suất, chiề
u sâu cắt, thì khi mà đường kính ống tập
trung tăng thì hệ số phận hủy giảm.
2.3. Thiết bị và dụng cụ
Một máy gia công tia nước gồm các bộ phận chính sau đây:
- Một cơ cấu đầu cắt được dùng để định hình tia nước.
- Một hệ thống mang và hút để đưa các phần tử vào trong dòng tia nước.
- Một bơm tăng áp để gia tăng áp suất của nước.
2.3.1. Bộ tă
ng áp
- Bộ tăng áp hoạt động như một bộ khuếch đại, nó biến đổi năng lượng
từ dòng chất lỏng có áp suất thấp thành dòng có áp suất rất cao. Hệ thống thuỷ
lực cung cấp năng lượng chất lỏng đến một piston chuyển động qua lại trong
một đoạn trung tâm của máy tăng cường. Một công tắc giới hạn đặt ở cuối