Gia công bằng tia nước có hạt mài

GVHD: ao Quang Kờ
SVTH: Nguyờn Vn Anh
I, T VN .
Trong bi cnh phỏt trin mnh m ca ngnh cụng ngh vt liu nh hin
nay, thỡ hng lot cỏc loi vt liu mi vi cỏc c tớnh c bit v c tớnh tt ó
c ra i ( hp kim cng, ceramic,compozit, vt liu tng hp) v c
ng dng ngy cng rng rói vo thc t cuc sng.Mt khỏc cỏc yờu cu v kt
cu cỏc chi tit ngy cng phc tp v yờu cu v cht lng ngy cng cao. Hn
na võn ờ vờ hiờu qua kinh tờ ky thuõt khi gia cụng cac loai võt liờu mi cung
c t lờn hang õu. Tuy nhiờn, cỏc phng phỏp gia cụng truyn thng (tin,
phay, bo, Khoeựt, Doa, Maứi, Xoùc, Chuoỏt,.) li khụng th ỏp ng c yờu
cu gia cụng cỏc loi vt liu ny; Chớnh vỡ th, vn gia cụng cỏc loi vt liu
mi cng l mt vn luụn luụn song hnh vi s phỏt trin ú.
ỏp ng yờu cu gia cụng cỏc loi vt liu mi ny thỡ hng lot cỏc
phng phỏp gia cụng mi c ra i. Mt trong nhng phng phỏp ny l:
Gia cụng bng tia nc co hat mai . õy l mt phng phỏp gia cụng c bit
c ỏnh giỏ l cú nhiu u im v ó c ng dng rng rói trong thc t:
trong gia cụng c khớ, cụng ngh thc phm.. vi phng phỏp gia cụng ny thỡ
chỳng ta cú th gia cụng c nhng vt liu phc tp m vn t c chớnh
xỏc cao va at c hiờu qua kinh tờ khi gia cụng.
II, Nụi dung phng phap gia cụng bng tia nc co hat mai.
ờ biờt c phng phap gia cụng bng tia nc co hat mai nh thờ nao thi
trc hờt ta cõn phai biờt c phng phap gia cụng bng tia nc trc. Ta i
inh nghia phng phap gia cụng bng tia nc: Gia cụng bng tia nc (Water Jet
Cutting-WJC) l mt quỏ trỡnh s dng tia nc ỏp sut cao gia cụng vt liu.
Vt ct hoc rónh cú rng xp x 1mm. ng kớnh l nh nht cú th ct c
l 1,5mm. Phng phỏp ny cũn c gi l gia cụng bng thu ng lc hc. S
nguyờn lý c th hin trờn hỡnh 1.
GVHD: Đào Quang Kế
SVTH: Nguyễn Văn Anh
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 (thường 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.
1. Nguyên lý gia công 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 hạt mài. Nguyên lý của
phương pháp này cũng như gia công tia nước, nhưng khác ở chỗ 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
GVHD: Đào Quang Kế
SVTH: Nguyễn Văn Anh
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 sẽ
làm phức tạp quá trình gia công vì phải bổ sung một 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 khoảng từ 60:100. Lượng hạt mài được thêm vào trong tia nước xấp
xỉ khoảng 0,3kg/phút sau khi thoát ra vòi phun.

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 nước.
Phương pháp gia công tia nước hay tia nước có hạt mài có thể sử dụng thay thế
cho các PPGC tia laser hay tia plasma nếu cầu không có ảnh hưởng nhiệt đường cắt
vật liệu.
2. Các thông số cơ bản và thiết bị:
Các thông số cần chú ý khi gia công tia nước có hạt mài:
- Tỷ lệ cấp hạt mài
- Đường kính ống trộn
- Đường kính miệng vòi phun
- Áp suất nước trong vòi
- Khả năng cắt vật liệu
- Chiều dày chi tiết
- Chất lượng cần gia công
- Công suất máy bơm
GVHD: Đào Quang Kế
SVTH: Nguyễn Văn Anh
- Biên dạng hình học cần gia công
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 tuổi thọ hệ thống
- Bộ tăng áp: tăng áp lực của nước
- Bộ phận phân phối nước: đường ống, khớp nối và ác bộ phận phân phối
nước tăng áp.
- Đầu trộn: trộn nước áp lực cao và hạt mài
- Đầu cắt: dẫn hướng tia nước
- Dàn máy NC: định vị đầu cắt
- Bộ phận thu gom nước đã phun

GVHD: Đào Quang Kế
SVTH: Nguyễn Văn Anh
Hình 2.47: Sơ đồ nguyên lí gia công bằng tia nước có hạt mài
Sự chuẩn bị nước –bộ lọc:
Yêu cầu về thành phần của nước: đòi hỏi phải có một chất lượng nhất định,
phải đảm bảo các chỉ tiêu về thành phần hóa học cũng như độ tinh khiết của
nước. Các nguồn nước khác nhau có chất lượng khác nhau. Thông thường,
nguồn nước sử dụng cho hệ thống cắt là nguồn nước uống.tuy nhiên nhiều lúc
cũng phải sử dụng bộ lọc trong hệ thống nhằm loại bỏ những phần tử cực nhỏ có
khả năng gây hại cho hệ thống vòi phun và các bộ phận cao áp. Lưu lượng là 1
gallon mỗi phút tại áp lực vòi thông thường.
GVHD: Đào Quang Kế
SVTH: Nguyễn Văn Anh
Thực tế cho thấy rằng với bộ lọc sợi 5mF được lắp trên máy đã không bị ăn
mòn sau sáu tháng vận hành. Trong những tình huống này, những sự thay đổi
nhỏ tính chất hóa học của nước cũng có thể ảnh hưởng nghiêm trọng đến sự
chống mài mòn của một số bộ phận trong bơm. Sự có mặt của một lượng nhỏ
vật liệu rắn trong hạt mài có thể gây nên sự mài mòn nhanh chóng vòi phun và
những điểm khác trong hệ thống nơi mà tốc độ tia nước cao. Thêm vào đó, một
số chất rắn hòa tan có thể bám vào lỗ vòi phun, dẫn tới sự bao vây dần dần lỗ
vòi phun làm giảm hiệu suất phun. Trên hệ thống phải có một bơm dùng để dẫn
nước qua các bộ lọc 10mF,1mF,0.5mF.
Nhiều nơi nguồn nước không thỏa mãn các yêu cầu trên. Nếu nguồn nước
cung cấp không thỏa đáng thì thiết bị sẽ xảy ra sự cố. Ví dụ, nếu lượng CaCO
3
trong nước quá cao, nó sẽ kết tủa bên trong vòi phun. Có một vài phương pháp
xử lý nước khi sử dụng. Đơn giản nhất là làm mềm nước như nước sử dụng
trong gia đình. Phương pháp thứ 2 là thẩm thấu ngược bằng cách sử dụng màng
mỏng rất mịn những tạp chất ở kích thước phân tử. Phương pháp thứ 3 là khử
ion hóa hệ thống dẫn nước làm cho các ion âm như clorua,sunfate được thay thế

bằng ion hydroxyl và các ion dương như canxi, natri được thay thế bởi hydro.

GVHD: Đào Quang Kế
SVTH: Nguyễn Văn Anh

Hệ thống bơm tăng áp
Hình 2.48: Hệ thống bơm tăng áp
Cũng giống như thiết bị gia công tia nước, hệ thống bơm tăng áp dùng để tạo
dòng nước áp suất cao phải liên tục. Thường dùng loại bơm piston tăng áp hai
tác dụng kiểu thủy lực hơn là loại bơm kiểu trục khuỷu vì áp suất nước sinh ra
của bơm piston lớn. Thông thường 40,000:345,000kPa.
Kinh nghiệm cho thấy, gia công tia nước có hạt mài không thật sự cần đủ áp
suất 60.000psi cyar bơm tăng áp. Hạt mài thực hiện việc cắt gọt trong khi nước
đóng vai trò là môi trường để mang hạt mài xuyên qua chi tiết. Ngày nay bơm
kiểu trục khuỷu dạt áp suất 55,000psi. Vì nó đáp ứng được yêu cầu trên, nên
ngày càng nhiều máy sử dụng loại bơm này được tung ra thị trường.
Đường ống, khớp nối và các bộ phận phối nước tăng áp:
GVHD: Đào Quang Kế
SVTH: Nguyễn Văn Anh
Bộ phận này nằm giữa bộ tích và đầu di động. Yêu cầu kích thước của hệ
thống này phải thay đổi được. Ở áp suất thấp thì có thể sử dụng các vòi cao su,
tuy nhiên các ống thép cuộn bằng thép không gỉ thường được sử dụng hơn. Các
van lưu lượng cũng được dùng để giảm khả năng hư hại.
Đầu trộn:
Hình 2.49: Hình dáng bên ngoài của đầu trộn và vòi phun.

- Đầu trộn dùng để trộn nước và hạt mài đồng thời cũng để tập trung dòng
nước để cắt. Đầu trộn là nơi mà vòi phun nước nối đầu nạp hạt mài, buồng trộn
và miệng vòi phun hỗn hợp. Có ba loại trộn đầu.
GVHD: Đào Quang Kế

SVTH: Nguyễn Văn Anh
- Loại thứ nhất: Có đầu nạp mài ở bên hông, vòi phun nước đồng trục với
miệng vòi phun hỗn hợp. Loại này có cấu tạo đơn giản nhưng chất lượng hòa
trộn hỗn hợp kém. Nguyên nhân là do profile vận tốc trong thiết diện ngang của
dòng tia không đồng bộ và vì thế các phần tử hạt mài sẽ có khuynh hướng rơi
vào sát thành của dòng tia, ở đây vận tốc chậm nhất.
- Loại thứ hai: Hạt mài được nạp vào từ trung tâm, nước nạp vào từ xung
quanh. Loại này, chất lượng hòa trộn tốt nhưng khó chế tạo hơn loại kia. Với hai
loại này, hạt mài được cấp vòa nhờ trọng lượng của nó.
- Loại thứ ba: Hạt mài được cấp vào từ hai bên nhờ khí nén. Ống hòa trộn
thường được làm bằng các bít vonfram hoặc những loại vật liệu tương tự.
Mục đích của việc giảm thiết diện ngang vòi phun tia nước có hạt mài là để
tập trung dòng tia trước khi ra khỏi vòi. Như vậy tất cả các phần tử hạt mài cùng
tốc độ bay đến chi tiết GC. Tuy nhiên một phần năng lượng sẽ bị mất đi do hạt
mài va chạm vào thành ống chuẩn trực.
Có một vài vấn đề trong buồng hòa trộn. Trong khi hòa trộn, do bị tác động
bởi dòng nước áp lực cao trong buồng hòa trộn nên các hạt mài bị giảm kích
thước. Sự hòa trộn của các phần tử hạt mài trong dòng tia không đồng đều. Do
tâm dòng tia là vùng có tốc độ cao nên hầu hết các hạt mài ở vùng biên của dòng
tia, một số ít ở tâm. Như vậy khả năng cắt thật sự của dòng tia chủ yếu là ở bề
mặt ngoài.