Nghiên cứu ảnh hưởng của một số yếu tố công nghệ đến độ nhám bề mặt khi cắt bằng tia nước áp suất cao có trộn hạt mài

BỘ GIÁO DỤC VÀ ðÀO TẠO
TRƯỜNG ðẠI HỌC NÔNG NGHIỆP HÀ NỘI



NGUYỄN KHẮC CHINH


NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA MỘT SỐ YẾU TỐ
CÔNG NGHỆ ðẾN ðỘ NHÁM BỀ MẶT KHI CẮT
BẰNG TIA NƯỚC ÁP SUẤT CAO CÓ TRỘN HẠT MÀI


LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT



NGÀNH : KỸ THUẬT MÁY VÀ TBCGHNLN
MÃ SỐ : 60.52.14

Người hướng dẫn: TS. ðÀO DUY TRUNG



HÀ NỘI - 2012


Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ khoa học kỹ thuật …………………………

i

LỜI CAM ðOAN

Tên tôi là : Nguyễn Khắc Chinh
Tôi xin cam ñoan công trình nghiên cứu này là của riêng tôi. Các số
liệu và kết quả nêu trong luận văn là chính xác và trung thực. Từ quá trình
nghiên cứu lý thuyết ñến quá trình làm thực nghiệm, mọi ý kiến, khái niệm có
ý nghĩa và mọi tham khảo khác ñược chỉ rõ nguồn gốc trong danh mục tài liệu
tham khảo của luận văn. Nếu có bất kỳ một sự vi phạm nào tôi xin hoàn toàn
chịu trách nhiệm.

Hà nội, ngày 25 tháng 8 năm 2012

Người cam ñoan


Nguyễn Khắc Chinh


Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ khoa học kỹ thuật …………………………

ii
LỜI CẢM ƠN
Tôi xin trân trọng cảm ơn Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội, xin
trân trọng cảm ơn Viện ñào tạo sau ñại học, Khoa Cơ ðiện Trường ðại học
Nông nghiệp Hà Nội.
Tôi xin ñược tỏ lòng biết ơn sâu sắc ñến TS ðào Duy Trung, Viện
nghiên cứu cơ khí, Thầy là người ñã trực tiếp hướng dẫn tận tình, chỉ bảo tôi

hoàn thành bản luận văn này.
Tôi xin trân trọng cảm ơn các Thầy giáo, Cô giáo của khoa Cơ ðiện
Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội, các Thầy giáo, Cô giáo Trường ðại
học Bách khoa Hà Nội, Trường ðại học ðiện lực Hà nội.
Tôi xin chân thành cảm ơn ban Lãnh ñạo Phòng thí nghiệm trọng ñiểm
Hàn và xử lý bề mặt – Viện nghiên cứu cơ khí ñã giúp ñỡ tôi trong quá trình
làm thí nghiệm và lấy số liệu cho luận văn của mình.
Tôi chân thành cảm ơn Trường ðại học Sư phạm Kỹ thuật Vinh, nơi tôi
ñang công tác, ñã tạo mọi ñiều kiện tốt nhất có thể ñể tôi hoàn thành khóa học
này.
Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn ñến gia ñình tôi, người thân, bạn bè, ñồng
nghiệp…họ là nguồn ñộng lực và là nguồn ñộng viên giúp tôi hoàn thành
khóa học và luận văn này.
Trong quá trình thực hiện ñề tài chắc chắn không tránh khỏi những
thiếu sót, rất mong nhận ñược ý kiến ñóng góp của các Thầy, Cô giáo và các
bạn ñồng nghiệp.
Tôi xin trân trọng cảm ơn!

Tác giả


Nguyễn Khắc Chinh


Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ khoa học kỹ thuật …………………………

iii

MỤC LỤC
Lời cam ñoan i

Lời cảm ơn ii
Mục lục iii
Danh mục bảng v
Danh mục hình vi
Danh mục ký hiệu viết tắt viii
Danh mục chữ viết tắt ix
MỞ ðẦU viii

I. TÍNH CẤP THIẾT CỦA ðỀ TÀI 1

II. MỤC ðÍCH, ðỐI TƯỢNG VÀ PHẠM VI NGHIÊN CỨU 2

III. Ý NGHĨA KHOA HỌC VÀ THỰC TIỄN CỦA ðỀ TÀI 2

1. Về lý luận 2

2. Về thực tiễn 3

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ CẮT BẰNG TIA
NƯỚC ÁP SUẤT CAO 4

1.1. LỊCH SỬ PHÁT TRIỂN CỦA CÔNG NGHỆ TIA NƯỚC ÁP
SUẤT CAO 4

1.2. CÁC LĨNH VỰC CỦA CÔNG NGHỆ TIA NƯỚC ÁP SUẤT CAO 6

1.2.1. Các ứng dụng làm sạch 6

1.2.2. Các ứng dụng cắt 10

1.3. ƯU NHƯỢC ðIỂM CỦA CÔNG NGHỆ TIA NƯỚC ÁP
SUẤT CAO 13

1.4. KẾT LUẬN CHƯƠNG 1 15

CHƯƠNG 2 LÝ THUYẾT CƠ SỞ VỀ TIA NƯỚC ÁP SUẤT CAO 16

2.1. ðỊNH NGHĨA VÀ PHÂN LOẠI CÔNG NGHỆ TIA NƯỚC
ÁP SUẤT CAO 16

2.1.1. ðịnh nghĩa tia nước áp suất cao 16

2.1.2. Phân loại công nghệ tia nước áp suất cao 16

2.2. NGUYÊN LÝ LÀM VIỆC VÀ KẾT CẤU CỦA MÁY CẮT
TIA NƯỚC ÁP LỰC CAO 23



Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ khoa học kỹ thuật …………………………

iv
2.2.1. Nguyên lý làm việc 23

2.2.2. Cơ chế bóc tách vật liệu của bởi TNASC có trộn hạt mài 24

2.2.3. Cấu tạo chung của thiết bị cắt bằng tia nước áp suất cao 31

2.3. KẾT LUẬN CHƯƠNG 2 40

CHƯƠNG 3 ẢNH HƯỞNG CỦA CÁC THÔNG SỐ CÔNG NGHỆ
ðẾN KẾT QUẢ CẮT 42

3.1. ẢNH HƯỞNG CỦA ÁP SUẤT LÀM VIỆC 44

3.2. ẢNH HƯỞNG CỦA ðƯỜNG KÍNH VÒI PHUN 45

3.3. ẢNH HƯỞNG CỦA HẠT MÀI 45

3.4. ẢNH HƯỞNG CỦA LƯU LƯỢNG HẠT MÀI 47

3.5. ẢNH HƯỞNG CỦA TỐC ðỘ DỊCH CHUYỂN 48

3.6. ẢNH HƯỞNG CỦA KHOẢNG CÁCH CẮT 50

3.7. ẢNH HƯỞNG CỦA GÓC CẮT 50

3.8. ẢNH HƯỞNG TỪ VẬT LIỆU GIA CÔNG 50

3.9. KẾT LUẬN CHƯƠNG 3 51

CHƯƠNG 4 NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM: ẢNH HƯỞNG CỦA
ÁP SUẤT TIA NƯỚC ðẾN ðỘ NHÁM CỦA MẶT CẮT 52

4.1. THIẾT KẾ THÍ NGHIỆM 52

4.1.1. Chuẩn bị máy 52

4.1.2. Lựa chọn phôi 56

4.1.3. Giới hạn mục tiêu nghiên cứu thực nghiệm 57

4.1.4. Phương pháp ño và ñánh giá kết quả 58

4.2. Nghiên cứu ảnh hưởng của áp suất làm việc ñến ñộ nhám bề
mặt mạch cắt 58

4.2.1. Thí nghiệm ảnh hưởng của áp suất làm việc 58

4.2.2. ðánh giá và biện luận kết quả 63

4.3. Kết luận chương 4 67

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 68

DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO 70

PHỤ LỤC 72




Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ khoa học kỹ thuật …………………………

v

DANH MỤC BẢNG

Bảng 1.1- Ứng dụng công nghệ làm sạch và bóc tách bằng tia nước 9

Bảng 1.2 - Ứng dụng tia nước áp suất cao trong cất vật liệu 12

Bảng 2.1 – Một số ứng dụng làm sạch của tia nước 19

Bảng 3.1. Hệ số vật liệu 51

Bảng 4.1- Thông số kỹ thuật của bơm cao áp Dardi Water Cutter 53

Bảng 4.2 – Thông số kỹ thuật của bàn cắt DWJ-A-5 54

Bảng 4.3 – Thông số kỹ thuật của ñầu cắt 55

Bảng 4.4 – Thông số kỹ thuật của hạt mài 55

Bảng 4.5 – Thành phần hoá học của thép Cácbon chất lượng C45 56

Bảng 4.6 – Cơ tính của thép Cacbon chất lượng C45 56

Bảng 4.7 – Bảng thông số thí nghiệm 59

Bảng 4.8 – Kết quả ño chiều sâu vùng nhẵn bóng 60

Bảng 4.9 - Bảng kết quả ño ñộ nhám Ra 62

Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ khoa học kỹ thuật …………………………

vi
DANH MỤC HÌNH

Hình 1.1 – Hình dạng tia phụ thuộc vào ñầu phun 7
Hình 1.2 – Sơ ñồ tia nước thuần khiết khi ra khỏi ñầu phun 8
Hình 1.3 – Làm sạch vỏ tàu bằng tia nước áp suất cao 10
Hình 2.1- Sơ ñồ phân loại công nghệ tia nước áp suất cao 17
Hình 2.2 – So sánh tính chất giữa các loại tia nước áp suất cao 18
Hình 2.3 – Phương pháp tạo tia nước trộn hạt mài không áp (AWIJ) 21
Hình 2.5 – Các phương pháp tạo tia nước áp suất cao trộn hạt mài 22
Hình 2.6 – Sơ ñồ nguyên lý của máy cắt bằng TNASC 23
Hình 2.7 – Mô phỏng nguyên lý cắt của hạt mài 25
Hình 2.8 – Cơ chế bóc tách vật liệu bởi hạt mài 25
Hình 2.9 – Tia nước trộn hạt mài sau ñầu phun 27
Hình 2.10 – Dạng bóc tách vật liệu của một hạt chất rắn 30
Hình 2.11 – Sơ ñồ cấu tạo và bố trí thiết bị cắt bằng TNASC 32
Hình 2-12 –Sơ ñồ cấu tạo của bơm Piston 32
Hình 2-13. Sơ ñồ nguyên lý thiết bị tạo áp ñến 4200 MPA của hãng BOHLER 33
Hình 2-14. Sơ ñồ áp suất của bộ khuêch ñại áp 34
Hình 2-15. Sơ ñồ cấu tạo cụm cắt 35
Hình 2-16a. Bản vẽ thiết kế một loại ñầu cắt của hãng Flow 36
Hình 2-16b. Ảnh mô tả toàn bộ kết cấu của loại ñầu cắt này 36
Hình 2.17- Các kiểu kết cấu của hệ thống bàn cắt 38
Hình 2.18- Mô tả bàn cắt và các trục toạ ñộ 38

Hình 2.19- Ống cao áp và các kiểu nối ống thông dụng 39
Hình 2.20a- Bộ ñiều khiển PLC 39
Hình 2.20c- Bình cấp hạt mài 40
Hình 3.1. Sơ ñồ các yếu tố ảnh hưởng trong công nghệ cắt bằng TNASC 43
Hình 3.2. Chiều sâu cắt phụ thuộc váo áp suất làm việc 44


Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ khoa học kỹ thuật …………………………

vii

Hình 3.3. ðộ nhám phụ thuộc vào áp suất làm việc 45
Hình 3.4 – Hình ảnh 3D các loại hạt mài thường gặp 46
Hình 3.5. Chiều sâu cắt phụ thuộc vào lưu lượng hạt mài 47
Hình 3.6. ðộ nhám phụ thuộc vào lưu lượng hạt mài 48
Hình 3.7. Chiều sâu cắt phụ thuộc vào tốc ñộ dịch chuyển 49
Hình 3.8. ðộ nhám phụ thuộc vào tốc ñộ dịch chuyển 49
Hình 3.9. ðộ nhám phụ thuộc vào khoảng cách cắt 50
Hình 4.1. Bố trí thiết bị thí nghiệm tại xưởng thực hành 52
Hình 4.2 – Cụm cấp hạt mài 55
Hình 4.4- Hình dạng, kích thước phôi và vị trí các ñường cắt 57
Hình 4.5- mô tả vùng nhẵn và vùng có ñường sọc trên bề mặt mạch cắt 59
Hình 4.6- Mô tả vị trí xác ñịnh ñộ nhám Rz trên các mẫu 60
Hình 4.7- Hình ảnh máy ño ñộ nhám Rz 61
Hình 4.8- Quá trình ño ñộ nhám Rz 61
Hình 4.9 - Ảnh quét các bề mặt mạch cắt 63
Hình 4.10 – ðộ nhám phụ thuộc vào áp suất làm việc 65

Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ khoa học kỹ thuật …………………………

viii
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU

Ký hiệu ðơn vị Ý nghĩa
v
1
m/s Vận tốc dòng tia nước trước ñầu phun
v
2
m/s Vận tốc dòng tia nước sau ñầu phun
p
1
Pa Áp suất trước khi ra khỏi ñầu phun
p
2
Pa Áp suất sau khi ra khỏi ñầu phun
g m/s
2
Gia tốc trọng trường
ρ
kg/m
3
Tỷ trọng của nước

c
0
m/s Tốc ñộ âm thanh trong môi trường nước
d
0
Mm ðường kính ñầu phun
d
F
Mm ðường kính ống dẫn hội tụ
l
F
Mm Chiều dài ống dẫn hội tụ
v mm/ph Tốc ñộ dịch chuyển
p Pa Áp suất làm việc
s Mm Khoảng cách cắt
γ
Rad Góc tới của tia
h Mm Chiều sâu cắt
h
0
Mm Chiều sâu vùng nhẵn bóng
m
hm
g/s Lưu lượng hạt mài
m
n
g/s Lưu lượng nước
v
hm
m/s Vận tốc hạt mài

v
n
m/s Vận tốc tia nước
v
tn
m/s Vận tốc tia nước chứa hạt mài
n Số lần dịch chuyển
t S Thời gia tác ñộng



Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ khoa học kỹ thuật …………………………

ix
DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT

Ký hiệu chữ viết tắt

ðơn vị Ý nghĩa
TNASC Tia nước áp suất cao
WJ Pure WaterJet
AWJ Abrasive WaterJet
AWIJ Abrasive Water InJection Jet
AWSJ Abrasive Water Suspension Jet
Ra
µm
Sai lệch số học trung bình của prôphin
Rz
µm
Chiều cao mấp mô prôphin theo mười ñiểm

Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ khoa học kỹ thuật …………………………

1

MỞ ðẦU

I. TÍNH CẤP THIẾT CỦA ðỀ TÀI
Trong bối cảnh phát triển mạnh mẽ của ngành công nghệ vật liệu như
hiện nay thì hàng loạt các vật liệu mới ra ñời (hợp kim cứng, ceramic,
compozit, vật liệu tồng hợp…) và ñược ứng dụng ngày càng rộng rãi trong
thực tiễn. Các vật liệu này có tính năng (cơ tính, lý tính, ñộ bền, ñộ cứng, ñộ
dẻo dai …) cao cho công nghệ cơ khí chế tạo.
Mặt khác các yêu cầu về kết cấu chi tiết ngày càng phức tạp và yêu cầu
về chất lượng ngày càng cao. Hơn nữa vấn ñề về hiệu quả kinh tế, kỹ thuật
khi gia công các loại vật liệu mới này cũng ñược ñặt lên hàng ñầu. Việc sử
dụng các phương pháp gia công truyền thống như tiện, phay, bào, khoan,
khoét, doa…ñể gia công các loại vật liệu này gặp nhiều khó khăn, kể cả các
phương pháp gia công ñặc biệt như Laser, Plasma… và nếu có thể thực hiện
ñược thì cũng gặp nhiều hạn chế như: năng suất, chất lượng, giá thành cao, ô
nhiễm môi trường…

ðể ñáp ứng yêu cầu gia công các loại vật liệu mới này thì hàng loạt các
phương pháp gia công mới ñược ra ñời. Một trong những phương pháp này là
phương pháp gia công bằng tia nước áp suất cao có trộn hạt mài.
Công nghệ cắt bằng tia nước áp suất cao, bằng những tính chất, ñặc
ñiểm và khả năng công nghệ ñặc biệt mà không phương pháp gia công nào có
ñược, nó ñã nhanh chóng ñược ứng dụng trong nhiều ngành công nghiệp như:
hàng không vũ trụ, thực phẩm, nghệ thuật ñồ hoạ, công nghệ ô tô, giày dép,
cao su, nhựa, ñồ chơi, gỗ, luyện kim, giấy, chế tạo…
Sự phát triển và ứng dụng của công nghệ tia nước áp suất cao là một xu thế
tất yếu bởi khả năng công nghệ và hơn nữa ñó là tính thân thiện với môi trường.
Tuy nhiên việc ñưa công nghệ này vào ứng dụng sản xuất trong nước
còn gặp nhiều bất cập như:


Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ khoa học kỹ thuật …………………………

2

- Công nghệ gia công bằng tia nước áp lực cao trong lĩnh vực chế tạo
máy vẫn còn mới mẻ và nhiều vấn ñề lý thuyết và thực tiễn chưa ñược giả
quyết hoặc giải quyết chưa triệt ñể.
- Các cơ sở lý thuyết ñã ñược công bố hiện nay chỉ dừng ở các nghiên
cứu rời rạc, hoặc còn là các bí quyết công nghệ của các hãng sản xuất.
- Cắt bằng tia nước áp suất cao hàm chứa nhiều hiện tượng phức tạp
khó lý giải nếu không có những nghiên cứu sâu mối liên quan giữa các thông
số công nghệ như áp suất, tốc ñộ cắt, khoảng cách cắt…
Trong quá trình gia công bằng tia nước áp suất cao có trộn hạt mài thì
những yếu tố công nghệ nào quyết ñịnh ñến ñộ nhám bề mặt của chi tiết?
Xuất phát từ những vấn ñề như vậy nên tôi thực hiện ñề tài: Nghiên cứu ảnh
hưởng của một số yếu tố công nghệ ñến ñộ nhám bề mặt khi cắt bằng tia

nước áp suất cao có trộn hạt mài.
II. MỤC ðÍCH, ðỐI TƯỢNG VÀ PHẠM VI NGHIÊN CỨU
- Nghiên cứu tổng quan về gia công bằng tia nước áp lực cao có trộn
hạt mài;
- Phân tích nguyên lý, kết cấu làm việc của máy cắt bằng tia nước và
nguyên lý cắt gọt của tia nước áp lực cao có trộn hạt mài;
- Phân tích các thông số công nghệ ảnh hưởng ñến kết quả cắt (ñặc biệt
là ảnh hưởng ñến ñộ nhám bề mặt);
- Nghiên cứu thực nghiệm mang tính thăm dò ảnh hưởng của áp suất
ñến ñộ nhám bề mặt trên ñối tượng cụ thể là thép các bon kết cấu C45;
III. Ý NGHĨA KHOA HỌC VÀ THỰC TIỄN CỦA ðỀ TÀI
1. Về lý luận
- Các kết quả nghiên cứu của ñề tài góp phần phát triển và hoàn thiện các
nội dung cần nghiên cứu khi áp dụng công nghệ cắt bằng tia nước áp suất cao.
- Hệ thống hoá và rút ra ñược mô hình tổng quát về sự ảnh hưởng của
các yếu tố công nghệ ñến ñộ nhám bề mặt khi gia công.
- Nâng cao hiệu quả của gia công bằng tia nước có hạt mài.


Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ khoa học kỹ thuật …………………………

3

2. Về thực tiễn
- Xác ñịnh ñược ảnh hưởng của áp suất của dòng tia ñến ñộ nhám bề
mặt khi gia công trên vật liệu thép Các bon kết cấu C45.
- Có khả năng ứng dụng kết quả thực nghiệm vào trong thực tế sản xuất.
- Làm tài liệu tham khảo cho sinh viên.

Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ khoa học kỹ thuật …………………………

4

CHƯƠNG 1
TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ
CẮT BẰNG TIA NƯỚC ÁP SUẤT CAO

1.1. LỊCH SỬ PHÁT TRIỂN CỦA CÔNG NGHỆ TIA NƯỚC ÁP
SUẤT CAO
Từ bao ñời nay con người ñã biết dùng năng lượng từ nước ñể phục vụ
trong cuộc sống hằng ngày và trong sản xuất. ðầu tiên là guồng nước trong tưới
tiêu, trong xay sát, sau này là phân loại quạng trong khai thác mỏ và ngày nay là
thuỷ ñiện trong ngành năng lượng và ñặc biệt hơn là trong ngành công nghệ làm
sạch, gia công cắt gọt….Khi nước ñược nén với áp suất cao thì nó có một năng
lượng phá huỷ rất lớn, do ñó công nghệ sử dụng tia nước áp suất cao ñã ra ñời.
Trong những năm gần ñây, ứng dụng của công nghệ tia nước áp suất cao ñã trở
nên ña dạng và quen thuộc trong nhiều ngành công nghiệp ở các nước ñang phát
triển. ðặc biệt trong ñiều kiện môi trường thế giới như hiện nay thì những công

nghệ thân thiện với môi trường rất ñược khuyến khích.
Ứng dụng ñầu tiên của công nghệ tia nước áp suất cao là vào năm 1853
trong ngành khai thác quạng ở California (Mỹ), người ta dùng nước ñược dẫn
từ trên ñỉnh núi xuống ñể tách mạch vàng ra khỏi ñá và ñất cứng. Áp suất
nước lúc này chính là sự chênh lệch ñộ cao cột áp.
ðầu thập niên 1900 phương pháp này ñã ñược sử dụng khai thác ở Phổ
và Nga, hai nước này ñã sử dụng nước áp suất cao ñể rửa than.
Với sự phát triển của ngành cơ khí, thiết bị tạo áp (bơm tạo áp) ñã ra
ñời năm 1927 ở ðức (Lanzz, Manhehim). Lúc này công nghệ tia nước áp suất
cao mới thực sự ñược ứng dụng ñể làm sạch các chi tiết ñúc trong ngành cơ
khí với áp suất làm việc là 0,75 MPa.


Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ khoa học kỹ thuật …………………………

5

Năm 1931, lần ñầu tiên tại Mỹ ñã chế tạo thành công thiết bị làm sạch
vảy Ôxit trên bề mặt thép cán bằng tia nước với áp suất làm việc từ 4 MPa
ñến 10 MPa .
Năm 1940, các kỹ sư mỏ của Mỹ và Liên Xô lần ñầu tiên ñã ứng dụng
tia nước áp suất cao ñể tách than ñá và ñá trong ngành khai thác mỏ. Từ năm
1950 công nghệ làm sạch bằng tia nước áp suất cao ñã trở nên phổ biến trong
nhiều ngành công nghiệp như: ðúc, cán thép, ñóng tàu…
Năm 1965, người ðức ñã chế tạo ra thiết bị làm sạch bề mặt thép cán
với áp suất 20 MPa ñầu tiên và ñược hãng Boehle (Kapfenberg) của Áo sử
dụng.
Những năm cuối thập kỷ 60, thế giới chứng kiến một bước ngoạt về
ứng dụng cắt bằng tia nước áp suất cao. Một lần nữa người Mỹ lại dành ñược
bản quyền về ứng dụng cắt bằng tia nước áp suất cao, ñó là bản quyền về bộ

khuếch ñại áp. Năm 1968 các nhà khoa học Mỹ ñã chế tạo thành công một
thiết bị cắt bằng tia nước có áp suất ñạt 70 MPa ñể ứng dụng cắt ống bìa. Với
áp suất này, tia nước có thể cắt ñược các vật liệu phi kim khác như giấy, nhựa,
xốp và thực phẩm…
Vào những năm 1970, cùng với sự phát triển của ngành vật liệu, máy
cắt bằng tia nước ñược phát triển ở Mỹ ñó là khả năng tạo ra áp lực từ 40.000
ñến 60.000 psi (276.000 ñến 414.000 kPa), mở ra ngành công nghệ tia nước
những ứng dụng cắt ña dạng hơn. Lúc này tia nước có thể cắt những vật liệu
cứng và bền hơn như gỗ, vật liệu nhân tạo, nhựa tổng hợp… và ñến năm 1980
năng suất và hiệu quả cắt của tia nước ñược nâng cao rõ rệt bằng việc tăng
sức mạnh của tia nước lên bằng cách trộn thêm hạt mài vào tia nước. Từ ñây
tia nước mới thực sự ñược ứng dụng vào gia công cắt gọt với tất cả mọi vật
liệu, nó cắt các vật liệu mà hầu như không phụ thuộc vào tính chất cơ lý của
vật liệu.


Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ khoa học kỹ thuật …………………………

6

Trong thời gian 1989-1990, tia nước áp suất cao bắt ñầu ñược ứng dụng
cắt dưới nước ở ñộ sâu 400m ñể cắt thép và bê tông dưới biển. Năm 1991,
trung tâm thí nghiệm GKSS Geesthacht ñã thực hiện khoan thép không rỉ ở
ñộ sâu 600m. Cùng với sự phát triển của thiết bị cắt, giờ ñây tia nước có thể
cắt dưới ñộ sâu 6000m.
Năm 1994, người ðức ñã ñăng ký bản quyền về ứng dụng cắt bằng tia
nước trong ngành y, tia nước với áp suất làm việc từ 5 ñến 30 MPa ñược sử dụng
làm dao mổ trong phẩu thuật vì nước có thể cơ thể ñược chấp nhận. Một ñiều lý
thú nữa là khi cắt các phần cứng của cơ thể như xương, muối hoặc ñường ñã
ñược dùng ñể làm hạt mài, do ñường và muối luôn tồn tại trong cơ thể.

Hiện nay cắt bằng tia nước trộn hạt mài ñã ñược ứng dụng nhiều trên
thế giới, tập trung chủ yếu là ở các nước phát triển như : ðức, Áo, Mỹ, Pháp,
Nhật…
Ở Việt Nam công nghệ tia nước mới chỉ ứng dụng trong lĩnh vực làm
sạch, công nghệ cắt bằng tia nước trộn hạt mài ñang trong giai ñoạn nghiên
cứu, ứng dụng. Khởi ñầu là làm sạch vỏ tàu tại nhà máy ñóng tàu Sông Cấm,
Bạch ðằng (Hải phòng), do Viện máy và dụng cụ công nghiệp (IMI-Holding)
thực hiện trên thiết bị 250 MPa của hãng URACA. IMI-Holding ñã trang bị
một phòng thí nghiệm các công nghệ gia công ñặc biệt trong ñó có lắp ñặt
thiết bị cắt bằng tia nước 420 MPa có trộn hạt mài của hãng Bohler, phục vụ
cho nghiên cứu công nghệ và từng bước ñưa công nghệ cắt bằng tia nước ứng
dụng trong các ngành công nghiệp của ñất nước.
1.2. CÁC LĨNH VỰC CỦA CÔNG NGHỆ TIA NƯỚC ÁP SUẤT CAO
1.2.1. Các ứng dụng làm sạch
Làm sạch là ứng dụng ñầu tiên của tia nước trong lịch sử phát triển
công nghệ tia nước áp suất cao. Trong công nghiệp, các phương pháp làm
sạch truyền thống khác như: Phương pháp cơ học, nhiệt, hoá học và hoá ñiện
có nhược ñiểm gây ô nhiễm môi trường, nên ở các nước phát triển nó ñã bị


Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ khoa học kỹ thuật …………………………

7

hạn chế sử dụng, trong nhiều trường hợp bị cấm sử dụng. Chẳng hạn như
phun cát ñã bị cấm hoàn toàn nếu như sử dụng ở ngoài trời và trong môi
trường hở, không ñược che kín tuyệt ñối. Do vậy làm sạch bằng tia nước ñã
là ưu tiên hàng ñầu khi lựa chọn phương pháp công nghệ.
Trong làm sạch, người ta chỉ sử dụng tia nước thuần khiết ñể bóc tách
hoặc rửa trôi chất bám dính hay chất bẩn trên vật liệu nền. Có nhiều yếu tố

ảnh hưởng ñến quá trình làm sạch như: Kiểu ñầu phun, khoảng cách ñầu
phun, áp suất…là những yếu tố quan trọng nhất. Hiện nay trên thế giới có hai
loại ñầu phun chính ñược sử dụng cho làm sạch là ñầu phun tròn và ñầu phun
dẹt. Việc sử dụng các loại ñầu phun khác nhau ta có hình dạng của tia khác
nhau (Hình 1.1) dẫn ñến hiệu quả của tia cũng khác nhau.

Hình 1.1 – Hình dạng tia phụ thuộc vào ñầu phun
ðầu phun dẹt cho ta tia nước dẹt có tiết diện quét khi làm sạch lớn hơn
nhiều lần tia nước tròn, nên năng suất làm sạch cũng vì thế mà rất cao. Tuy
nhiên nhược ñiểm của tia nước dẹt là giá thành cao và ñầu phun nhanh bị mòn
nên không sử dụng ñược áp suất cao như ñầu phun tròn.


Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ khoa học kỹ thuật …………………………

8


Hình 1.2 – Sơ ñồ tia nước thuần khiết khi ra khỏi ñầu phun
Khả năng bóc tách vật liệu của tia nước tốt nhất bắt ñầu từ ñiểm cách
ñầu phun một khoảng bằng 200 lần ñường kính ñầu phun, nơi tia nước toát ra.
Tại ñây tác ñộng của tia hoàn toàn là tác ñộng ñộng của các giọt nước nhỏ li ti
chuyển ñộng với vận tốc cực lớn, nên khả năng phá huỷ của nó rất lớn (Hình
1.2). Trong phạm vi từ 200 lần ñường kính ñầu phun trở lại, tác ñộng của tia bao
gồm cả ñộng và nén, chủ yếu là tác ñộng nén, chiếm khoảng 50-100%. Càng gần
ñầu phun tác ñộng nén càng tăng và ngược lại khi xa ñầu phun không còn tác
ñộng nữa, cho nên ở phạm vi này người ta chỉ ứng dụng ñể rửa trôi các chất bẩn
vì tia nước chỉ tác ñộng lần ñầu tiên khi gặp vật phải làm sạch.
Khoảng cách ñầu phun, áp suất làm sạch ảnh hưởng rất lớn ñến khả
năng bóc tách chất bám dính và chất bẩn trong quá trình làm sạch. Tuỳ vào

cường ñộ bám dính của lớp phủ hoặc các chất bẩn mà áp suất làm sạch ñược
lựa chọn ñể hiệu quả làm sạch ñạt mức tối ưu, sao cho tác ñộng của tia nước
vừa ñủ ñể bóc tách các chất bám dính mà không làm hỏng vật liệu nền. ðây là
ưu ñiểm nổi trội của phương pháp làm sạch bằng tia nước so với các phương
pháp khác.


Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ khoa học kỹ thuật …………………………

9

Công nghệ tia nước áp suất cao làm sạch trong công nghiệp (từ 50 –
400 MPa) ñược ứng dụng trong ngành sản xuất công nghiệp như: Sản xuất xi
măng, thép, xây dựng, cơ khí, chế tạo máy, hoá chất…
Bảng 1.1- Ứng dụng công nghệ làm sạch và bóc tách bằng tia nước
Công nghiệp Ứng dụng

Chế tạo máy
Làm sạch vật liệu và chi tiết, chuẩn bị bề mặt,
làm sạch tấm che, giá ñỡ, vật liệu hình thành do
bám dính

Xây dựng
Bê tông, nhựa ñường, vữa, chất bẩn, mỡ, sét
trên phương tiện vận chuyển, xe trộn, máy móc,
thiết bị, cầu thang, kênh, cống thoát, nước xi
măng…

Luyện kim
Vảy cán, gỉ và tẩy mối hàn từ thùng mới, ống và

téc, làm sạch chi tiết

Hoá dầu
Vãy và chất lưu bám thô trên các bộ trao ñổi
nhiệt, lò phản ứng, téc, tháp làm mát, ống và
thiết bị
Chuẩn bị bề mặt Gỉ, sơn, vật ñúc, phun cát, phun hạt mài

Làm sạch bằng tia nước áp suất cao là một công nghệ hiện ñại, không
gây ô nhiễm môi trường, nó có thể ñược ứng dụng rộng rãi trong các ngành
công nghiệp ñể nâng cao năng suất và chất lượng trong làm sạch. Ở nước ta,
làm sạch bằng tia nước có thể ñưa vào ứng dụng trong các nhà máy hoá chất,
ñóng tàu, mía ñường, dầu khí và ngành xây dựng…


Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ khoa học kỹ thuật …………………………

10

Hình 1.3 – Làm sạch vỏ tàu bằng tia nước áp suất cao
1.2.2. Các ứng dụng cắt
Trong lĩnh vực cắt, tia nước áp suất cao ñược chia làm hai loại, tia nước
thuần khiết và tia nước trộn hạt mài. Tia nước thuần khiết ñược ứng dụng ñể
cắt các vật liệu mềm như: vật liệu nhân tạo, vải, da, thực phẩm…ðối với
những vật liệu cứng, tia nước thuần khiết chỉ cắt ñược với áp suất rất cao từ
8.10
5
MPa trở lên, do vậy nó chỉ ñược ứng dụng trong trường hợp ñặc biệt khi
mà hạt mài không ñược phép sử dụng vì có thể bị lẫn vào trong sản phẩm
hoặc các lí do vệ sinh khác. Chẳng hạn như trong y học, tia nước thuần khiết

dùng ñể mổ, cắt thay cho dao mổ thông thường. Một ưu ñiểm của phẩu thuật
bằng tia nước áp suất cao so với phẩu thuật bằng dao cơ khí là ta có thể chỉnh
ñược khả năng cắt của tia sao cho nó không làm tổn thương ñến phần khác
của cơ thể. Qua ñó có thể thực hiện ñược việc phẩu thuật không chảy máu, ví
dụ như phẫu thuật gan ở hình 1.4. Trong khi tia nước cắt ñứt phần mềm của
gan thì phần ống mạch máu có ñộ bền cao hơn không bị tổn hại. ðiều này
không thể phẫu thuật ñược trong khi dùng dao cơ khí.


Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ khoa học kỹ thuật …………………………

11

Hình 1.4 – Mổ gan không cháy máu bằng tia nước áp suất cao
Với sự phát triển của tia nước trộn hạt mài, khả năng ứng dụng cắt của
tia nước ñã trở nên ña dạng và rộng rãi hơn. Cho ñến nay tia nước trộn hạt
mài chỉ sử dụng hai nguyên lí chính, ñó là tia nước trộn hạt mài có áp và tia
nước trộn hạt mài không có áp.
Khả năng cắt của tia nước theo nguyên lí trộn hạt mài sau ñầu phun là
tương ñối tốt, nó có thể cắt ñược tất cả các vật liệu cứng như ñá, gốm, kính,
kim loại…. Ưu ñiểm của phương pháp này là ñơn giản, giá thành thiết bị thấp
và nó ñược ứng dụng rộng rải trong công nghiệp. Tuy nhiên ứng dụng của nó
cũng còn có những hạn chế vì thành phần không khí trong tia tương ñối cao,
nên không sử dụng trong môi trường cắt có chất nổ.
Trong ứng dụng cắt vật liệu, căn cứ vào khoảng áp suất khác nhau, tia
nước áp suất cao ñược chia thành các nhóm ứng dụng.


Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ khoa học kỹ thuật …………………………

12
Bảng 1.2 - Ứng dụng tia nước áp suất cao trong cắt vật liệu
Áp suất (MPa) Lĩnh vực ứng dụng

160 – 200
Cắt phá bê tông, cắt thực phẩm trong ngành công
nghiệp chế biến thực phẩm, cắt các vật liệu mềm
trong ngành hoá chất

200 – 350
Cắt nhựa PVC, giấy, gỗ, vải, compozit và giải phẫu
trong y tế

350 – 450
Cắt kim loại, hợp kim cứng, Ceramic ở các ñộ mỏng
khác nhau
450 – 1000 Nghiên cứu trong phòng thí nghiệm

Tia nước trộn hạt mài có áp là nguyên lý cắt không liên tục. Hạt mài chỉ
nạp ñược vào bình khi bình chứa hạt mài chưa có áp, quá trình cắt sẽ bị gián
ñoạn khi hạt mài trong bình còn ít hoặc hết. Nhưng hiệu suất cắt theo phương
pháp này cao hơn rất nhiều so với cắt bằng tia nước trộn hạt mài không áp, vì
thành phần của tia chỉ gồm có nước và hạt mài, lúc này lưu lượng nước và hạt
mài tăng lên ñáng kể. Hiện nay tia nước trộn hạt mài theo nguyên lý này ñược
ứng dụng trong nhiều ngành công nghiệp, ñặc biệt là ứng dụng cắt dưới nước,
trong những môi trường dễ gây nổ (ví dụ như cắt ñạn dược, bom, mìn trong
quốc phòng ñể phá huỷ những vũ khí ñã lỗi thời, phá dỡ nhà máy ñiện hạt
nhân…)
Ngày nay công nghệ cắt bằng tia nước trộn hạt mài với những ưu ñiểm
của nó có một vị trí ñặc biệt quan trọng trong các phương pháp gia công ñặc

biệt quan trọng trong các phương pháp gia công ñặc biệt (bao gồm tia Laser,
tia Plasma, tia lử ñiện…). ðể thúc ñẩy nhanh quá trình phát triển của ứng
dụng công nghệ tia nước áp suất cao, các nhà khoa học công nghệ trong lĩnh
vực này trên thế giới ñã thành lập một uỷ ban khoa học công nghệ tia nước áp
suất cao. Hội nghị khoa học về công nghệ tia nước áp suất cao hàng năm


Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ khoa học kỹ thuật …………………………

13
thường ñược tổ chức hai lần vào mùa thu và mùa ñông. Tại ñây các nhà khoa học
có thể trao ñổi công nghệ cũng như công bố những phát minh, sáng chế mới, qua
ñó ñóng góp một cách ñáng kể vào sự phát triển của công nghệ tia nước.
1.3. ƯU NHƯỢC ðIỂM CỦA CÔNG NGHỆ TIA NƯỚC ÁP SUẤT CAO
Hiện nay, công nghệ tia nước áp suất cao có thể ñược ứng dụng trong
nhiều ngành công nghiệp và nghiên cứu khác nhau, trong các môi trường cắt
khác nhau. So với các công nghệ cắt khác, công nghệ cắt bằng tia nước áp
suất cao có những ưu ñiểm nổi trội là:
- Có thể cắt ñược hầu hết các vật liệu (thép, các kim loại ñen và màu, các
loại gốm, ñá tự nhiên, kính, cao su, các vật liệu nhiều lớp khác nhau…)
- Môi trường gia công trong sạch, không gây ô nhiễm môi trường vì quá
trình cắt không gây ra bụi, các phản ứng hoá học và nhiệt.
- Vết cắt có thể bắt ñầu ở bất kỳ chỗ nào mà không cần khoan mồi trước
và có thể cắt ñược vật liệu cán mỏng.
- Không ảnh hưởng nhiệt, bề mặt cắt không bị ứng suất nhiệt, hình dáng
không ảnh hưởng bởi nhiệt như cháy và biến dạng.
- Ứng dụng cắt trong môi trường dễ bị cháy nổ (ví dụ : cắt phá các ñầu
ñạn chứa thuốc nổ ñã lỗi thời trong ngành quân sự).
- Mạch cắt nhỏ (khoảng 0.5 – 1 mm)
- Chất lượng vết cắt rất cao

- Có thể cắt các chi tiết rỗng
- Lực cắt và phản lực nhỏ
- Khả năng tự ñộng hoá cao
- Chi phí thấp
- Thích ứng với hệ thống CAD/CAM


Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ khoa học kỹ thuật …………………………

14
So sánh việc cắt bằng tia nước với một số kiểu cắt truyền thống
So sánh với cắt bằng ion
Cắt bằng ion có hiệu ứng nhiệt rõ ràng, vết cắt rộng, ñộ chính xác thấp,
bề mặt ô xi hoá, không thể tái gia công lần hai. Cắt bằng tia nước thuộc dạng
cắt lạnh, không có sự biến ñổi nhiệt, bề mặt cắt có chất lượng tốt, một lần có
thể hoàn thành việc cắt, nếu cần có thể tiến hành gia công lần hai.
So sánh với cắt bằng tia Laser
- Tia nước trộn hạt mài có khả năng cắt ñược nhiều vật liệu mà Laser
không thể gia công ñược (như vật liệu phản xạ, vật liệu nhôm, vật liệu ñồng).
Chi phí ñầu tư thiết bị thấp hơn nhiều lần so với chi phí thiết bị của tia Laser.
- Dòng tia nước không tạo nhiệt lên chi tiết, vì thế không có biến dạng
nhiệt và ñộ cứng không tăng.
- Tia nước cắt có thể ñạt ñộ chính xác bằng hoặc hơn tia Laser.
- Gia công ñược vật liệu dày hơn.
- An toàn, không có khói ñộc như Laser.
- Có tính môi trường hơn.
- Giá thành rẻ hơn.
So sánh với gia công tia lửa ñiện
- Gia công nhanh hơn tia lửa ñiện
- Khả năng gia công phạm vi vật liệu rộng lớn hơn

- Tính ñồng nhất không phải là ñặc tính quan trọng ñối với gia công tia
nước
- Không làm nóng chi tiết với bất cứ vật liệu nào
- Không phải khoan lỗ trước như gia công bằng tia lửa ñiện
- ðộ chính xác kém hơn tia lửa ñiện
- Không sinh nhiệt


Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ khoa học kỹ thuật …………………………

15
Tia nước áp suất cao cũng có những mặt hạn chế như
- Yêu cầu áp suất tia nước khá lớn và có khả năng ñiều chỉnh ñược ở
các mức khác nhau
- Chi phí cho giá thành sản phẩm còn khá ñắt, nhất là sản xuất ñơn
chiếc
- Chi phí cho việc bảo dưỡng thiết bị khá cao
- Có nguy cơ tổn thương cho người vận hành nếu hệ thống bị sự cố
Có thể khẳng ñịnh rằng, với những ưu ñiểm nổi trội kể trên, công nghệ
tia nước áp suất cao sẽ ngày càng ñược sử dụng rộng rãi trong các ngành công
nghiệp.
1.4. KẾT LUẬN CHƯƠNG 1
Trong chương này, vấn ñề tổng quan trong công nghệ cắt bằng tia nước
áp suất cao ñã ñược nghiên cứu, trên cơ sở ñó tìm hiểu về lịch sử phát triển
của tia nước áp suất cao và những ứng dụng của nó trong thực tiễn, trong ñó
có ứng dụng về làm sạch, các ứng dụng cắt trong các ngành công nghiệp
nặng, công nghiệp nhẹ và cả trong y học. Chương này cũng nêu ra ñược
những ưu nhược ñiểm của công nghệ cắt bằng tia nước áp suất cao, ñồng thời
cũng so sánh ñược khả năng cắt gọt của tia nước áp suất cao với một số các
phương pháp cắt gọt khác như cắt bằng ion, cắt bằng tia laser, cắt bằng tia lửa

ñiện….