XÂY DỰNG MỘT SỐ ĐỊNH HƯỚNG NGHIÊN CỨU KHOA HỌC NGÀNH CHẾ TẠO MÁY

TRƯỜNG ĐẠI HỌC NHA TRANG
KHOA CƠ KHÍ

HỘI THẢO
XÂY DỰNG MỘT SỐ ĐỊNH HƯỚNG NGHIÊN
CỨU KHOA HỌC NGÀNH CHẾ TẠO MÁY

KỶ YẾU

Nha Trang, tháng 11 năm 2010


MỤC LỤC
Trang
Một số hướng nghiên cứu về gia công tia lửa ñiện
Nguyễn Văn Tường

2

Một số hướng nghiên cứu khoa học với máy phay CNC 3 trục
Nguyễn Văn Tường

6

Những ñịnh hướng khi nghiên cứu khoa học
Trần Ngọc Nhuần

9

Nghiên cứu chế ñộ cơng nghệ cắt vật liệu kim loại có độ cứng cao bằng
tia nước có hạt mài

Nguyễn Hữu Thật
Mơ hình hóa 3D chế tạo vịng mài kim cương

11

Ngơ Quang Trọng

16


MỘT SỐ HƯỚNG NGHIÊN CỨU VỀ GIA CÔNG TIA LỬA ðIỆN
Nguyễn Văn Tường
1. Mở đầu
Phương pháp gia cơng tia lửa ñiện ñược phát triển vào năm 1943 ở Liên Xô bởi hai vợ
chồng người Nga tại trường ñại học Moscow là Giáo sư-Tiến sĩ Boris Lazarenko và Tiến sĩ
Natalya Lazarenko. Cho đến nay phương pháp gia cơng này đã được phổ biến rộng rãi khắp
nơi trên thế giới. Nguyên tắc của phương pháp này là bắn phá chi tiết ñể tách vật liệu bằng
nguồn năng lượng nhiệt rất lớn ñược sinh ra khi cho hai ñiện cực tiến gần nhau. Trong hai
điện cực này, một đóng vai trị là dao và một đóng vai trị là phơi trong q trình gia cơng.
Phương pháp gia cơng này có hai dạng chính là gia cơng dùng điện cực thỏi và dùng dây cắt.
Hai phương pháp gia cơng này ngày càng được cải tiến nhờ tiến bộ của kỹ thuật ñiều khiển,
ñiện tử và cơng nghệ thơng tin. Bài viết này trình bày một số nghiên cứu trong những năm
gần ñây về gia cơng tia lửa điện trên thế giới.
2. Một số hướng nghiên cứu về gia cơng tia lửa điện hiện nay
Ngồi các nghiên cứu truyền thống về tia lửa ñiện như nghiên cứu chất lượng bề mặt
khi gia công các loại vật liệu khác nhau, nghiên cứu về độ mịn dụng cụ, nghiên cứu cải tiến
các hệ ñiều khiển…, hiện ñang tập trung vào một số vấn đề chủ yếu sau:
•

Nâng cao năng suất gia cơng và nâng cao độ tin cậy nhờ các kỹ thuật điều khiển

cao cấp.

•

Sử dụng tia lửa điện để gia cơng các loại vật liệu mới. Cả gia cơng điện cực dây và
điện cực thỏi đều ñược phát triển ñể gia công các loại vật liệu mới có tính chống
mịn cao như các-bít xê-men-tít và các vật liệu gốm dẫn điện khác.

• Tạo ra các phương pháp gia cơng lai với tia lửa điện.
Một số nhánh nhỏ nghiên cứu về gia cơng tia lửa điện trên thế giới hiện nay là:
1. Tạo ra các loại vật liệu dụng cụ có tính năng cắt gọt tốt:
- Trong gia cơng bằng dây cắt, người ta đang nghiên cứu tạo ra các loại dây cắt mới
có thể nâng cao độ chính xác gia cơng, đặc biệt là khi cắt góc.
- Trong gia cơng điện cực thỏi, người ta đang nghiên cứu tạo các loại vật liệu
composite nền kim loại ñể tạo ñiện cực dụng cụ.
2. Các kỹ thuật ñiều khiển
- Sử dụng các kỹ thuật thụ cảm trực tuyến (on-line sensing techniques) để điều
khiển mịn dụng cụ khi gia cơng bằng điện cực thỏi.
- ðiều khiển chuyển động chuyển ñộng phức tạp của ñiện cực thỏi dạng hình trụ ñể
gia công các bề mặt phức tạp (như phay CNC) thay vì dùng điện cực dụng cụ có
hình dáng 3D phức tạp.
3. Các chiến lược gia công trong gia công xung ñiện
Xây dụng và ñánh giá các chiến lược gia cơng bề mặt 3D, phát triển các mơ hình gia
cơng 3D nhằm tiên đốn nhám bề mặt đạt được với các chiến lược gia công khác nhau.
2


4. Trong cắt dây tia lửa ñiện:
- Nghiên cứu phát triển các loại dung dịch điện mơi mới, điện cực mới để gia cơng
đạt hiệu quả cao khi gia cơng các vật liệu làm dao mới như các-bít, kim cương

-

nhân tạo và gốm.
Nghiên cứu sử dụng dầu thay nước khử khống.
Gia cơng hai bước: đầu tiên là gia cơng trong nước khử khống, kế tiếp là gia cơng
trong dầu.

5. Gia cơng tia lửa điện khơ
Trong gia cơng tia lửa điện khơ, điện cực dụng cụ được chế tạo dưới dạng ống thành
mỏng. Gas hoặc khí áp suất cao được cung cấp xuyên qua ống ñể tống các hạt phoi ra khỏi
khe hở giữa ñiện cực dụng cụ và chi tiết gia cơng, và làm mát khu vực này. Hình 1 trình bày
ngun lý của gia cơng tia lửa điện khơ. Kỹ thuật gia cơng này được phát triển nhằm giảm ô
nhiễm môi trường do chất ñiện môi khi gia công tia lửa ñiện. Các nghiên cứu gần ñây về kỹ
thuật này là nghiên cứu áp dụng gia công các vật liệu các-bít, so sánh thời gian gia cơng giữa
gia cơng tia lửa điện khơ và có sử dụng dầu làm chất điện mơi. Một số các nghiên cứu khác là
nghiên cứu về chất lượng bề mặt chi tiết gia công, mịn dụng cụ,…

Hình 1. Gia cơng tia lửa điện khơ.
6. Kết hợp rung động trong gia cơng tia lửa điện
Rung động có thể được đưa vào trong gia cơng tia lửa ñược ñể mở rộng ứng dụng của
phương pháp gia công này và nâng cao năng suất khi gia công các vật liệu khó gia cơng. Các
nghiên cứu trong khu vực này là áp dụng rung ñộng cho ñiện cực dụng cụ hoặc cho phôi hoặc
kết hợp cả hai; nghiên cứu sử dụng gia cơng tia lửa điện có rung động để gia cơng vi lỗ, mịn
dụng cụ...
7. Micro EDM
Hướng nghiên cứu này nghiên cứu áp dụng công nghệ gia cơng tia lửa điện để:

3

-

Cắt dây tia lửa điện sử dụng dây cắt có ñường kính 0,02 hoặc bé hơn ñể cắt vật liệu
dẫn ñiện.
Xung ñiện micro với ñiện cực dụng cụ có các đối tượng với kích cỡ micro.

-

Khoan lỗ có đường kính từ 5-10 µm.

3. Khả năng nghiên cứu về gia cơng tia lửa điện ở bộ mơn Chế tạo máy
Hiện tại bộ mơn Chế tạo máy, ðại học Nha Trang, có 01 máy cắt dây 4 trục và 01 máy
xung ñiện ZNC. Với các thiết bị này, Bộ mơn có thể triển khai một số hướng nghiên cứu cơ
bản sau:
- Các nghiên cứu cơ bản về mịn điện cực dụng cụ.
- Các nghiên cứu về chất lượng bề mặt.
- Các nghiên cứu về sử dụng các loại điện mơi khác nhau, kể cả gia cơng tia lửa điện
khơ.
- Các nghiên cứu về gia công các loại vật liệu mới hiện nay.
4. Một số từ khóa
ðể tìm hiểu thêm về tình hình nghiên cứu về gia cơng tia lửa điện cũng như các kỹ
thuật gia cơng tia lửa điện, nghiên cứu viên có thể sử dụng một số từ khóa sau:
- W-EDM: cắt dây tia lửa ñiện
- Wire EDM rotary spindle: cắt dây tia lửa điện trục chính quay trịn
- Electrode: điện cực,
- Dielectrics: chất điện mơi
- Dry EDM: gia cơng tia lửa điện khơ
-

Micro-wire EDM: cắt bằng vi dây

Die-sinking micro-EDM: gia cơng vi xung điện

Tài liệu tham khảo
1. Phạm Ngọc Tuấn, Nguyễn Văn Tường. Các phương pháp gia cơng đặc biệt, NXB ðại học
Quốc gia Thành phố Hồ Chí Minh, 2007.
2. N. M. Abbas, D. G. Solomon, M.F. Bahari. A review on current research trends in
electrical discharge machining. International Journal of Machine Tools & Manufacture 47
(2007) 1214–1228
3. />
4


MỘT SỐ HƯỚNG NGHIÊN CỨU KHOA HỌC VỚI PHAY CNC 3 TRỤC
Nguyễn Văn Tường
1. Mở đầu
Trong các dịng máy CNC thì máy phay 3 trục là phổ biến nhất. Hiện tại, hầu hết các
trường ñại học kỹ thuật ở Việt Nam có đào tạo chun ngành Chế tạo máy đều trang bị loại
thiết bị này. Do đó, trong những năm gần ñây nhiều nhà nghiên cứu trong nước ñã và ñang
triển khai các ñề tài nghiên cứu mà ñối tượng là máy phay CNC 3 trục. Bài viết này giới thiệu
một số hướng nghiên cứu khoa học liên quan ñến công nghệ phay CNC 3 trục.
2. Một số hướng nghiên cứu
2.1 Nghiên cứu về nhám bề mặt
Nhám bề mặt là thông số chất lượng bề mặt quan trọng, ảnh hưởng ñến khả năng làm
việc của chi tiết máy. Hơn thế nữa, nó cũng là nhân tố ảnh hưởng đến chi phí gia cơng. Nhám
bề mặt cũng là một thơng số tham chiếu hữu ích trong việc xác định tính ổn định của q trình
gia cơng. Do đó, việc tiên đốn nhám bề mặt có thể giúp chúng ta đánh giá tính ổn định của
q trình gia cơng.
Các thơng số thường ñược ñưa vào trong nghiên cứu nhám bề mặt là: chế ñộ cắt (tốc
ñộ cắt, lượng chạy dao, chiều sâu cắt), các thơng số hình dáng hình học của dao, vật liệu làm
dao và vật liệu chi tiết gia công. Việc nghiên cứu về nhám bề mặt thường ñược thực hiện bằng

thực nghiệm. Thơng số nhám được chọn ở đây thường là Ra.
2.2 Tối ưu hóa các thơng số chế độ cắt
Việc tối ưu hóa các thơng số chế độ cắt khi phay ñược thực hiện bằng nhiều cách tiếp
cận khác nhau, ví dụ:
+ Phương pháp Feasible Direction
+ Phương pháp Taguchi
+ Phương pháp Particle Swarm Optimization
+ Phương pháp Ant Colony Optimization
+ Dùng kỹ thuật Tribes
+ Phương pháp Genetic Algorithm
+ Phương pháp Linear Programming Technique
+ Phương pháp Simulated Annealing
+ Phương pháp Memetic Algorithm
+ Phương pháp Immune Algorithm
+ Phương pháp Genetic Expression Programming.
Có nhiều sử dụng nhiều thơng số chế độ cắt khác nhau trong q trình tối ưu hóa như
tốc độ cắt, chiều sâu cắt, lượng chạy dao, bề dày phoi cắt, lực cắt, số lần chuyển dao, đường
kính dao và chiều dao nhưng ba thơng số đầu được sử dụng phổ biến nhất. Hàm mục tiêu của
quá trình tối ưu hóa có thể là chi phí gia cơng, năng suất gia công hoặc nhám bề mặt.
5


2.3 Nghiên cứu về lực cắt
Lực cắt là yếu tố có ảnh hưởng mạnh mẽ đến chất lượng bề mặt, tốc độ mịn dao và
chi phí gia cơng. Cho dù nhiều nhà khoa học ñã tiến hành nghiên cứu dự ñoán lực cắt khi
phay cả về lý thuyết lẫn thực nghiệm, tuy nhiên hầu hết các nghiên cứu ñều ñưa ra nhiều giả
thuyết và chưa mơ phỏng đầy đủ các nhân tố ảnh hưởng ñến lực cắt, làm giảm ñộ tin cậy đánh
giá lực cắt. Do đó nghiên cứu về lực cắt vẫn ñang và sẽ tiếp tục ñược triển khai, nhất là trong
phay CNC.
Trong các nghiên cứu gần ñây, các yếu tố thường được dùng đến trong q trình mô

phỏng lực cắt là bề dày cắt, bề rộng cắt, lượng chạy dao, góc trước của dao, … Việc mơ hình
hóa lực cắt có thể được thực hiện bằng các phương pháp tiếp cận như Response Surface
Methodology, Genetic Algorithm.
2.4 Một số hướng nghiên cứu khác
- Nghiên cứu về việc gia cơng các loại vật liệu mới có độ cứng cao như hợp kim titan,
niken, crom-niken, các loại vật liệu composite nền kim loại.
- Nghiên cứu về ứng dụng các loại dao có lớp phủ vào gia cơng kim loại và hợp kim
như dao phủ TiC, TiCN, TiN, TiAlN, alpha Al2O3, CBN.
- Nghiên cứu về mài mịn dao (thực nghiệm, mơ phỏng).
- Nghiên cứu chế tạo ñồ gá mở rộng khả năng công nghệ của máy phay CNC 3 trục.
- Nghiên cứu gia công ảo trên máy phay CNC 3 trục.
3. Một số từ khóa
Spindle speed, feed rate, depth of cut, CNC milling, surface roughness, optimization,
cutting forces, inconel, tool wear, 3-axis milling/machining, end milling operation, wear
simulation, modeling of cutting forces, virtual milling process, milling parameters,
optimization of milling parameters.
4. Kết luận
Có nhiều hướng nghiên cứu khác nhau về công nghệ phay CNC ñang ñược triển khai
trên thế giới. Với khả năng hiện tại của bộ môn Chế tạo máy, trường ðại học Nha Trang,
chúng ta có thể triển khai một số nghiên cứu ứng dụng về phay CNC 3 trục trên trung tâm gia
công VMC 2216 tại trường.
Tài liệu tham khảo
1. B. Ganesh Babu, V. Selladurai and R. Shanmugam (2008). Analytical modeling of cutting
forces of end milling operation on aluminum silicon carbide particulate metal matrix
composite material using response surface methodology. ARPN Journal of Engineering and
Applied Sciences, Vol. 3, No. 2,
2. Haslina Arshad, Zainal Rasyid Mahayuddin, Che Hassan Che Haron, Rosilah Hassan
(2008). Flank Wear Simulation of a Virtual End Milling Process. European Journal of
Scientific Research, Vol.24 No.1, pp.148-156
3. Mohd Saupi Bin Mohd Sauki (2008). Optimization of milling parameters using ant colony

optimization. Universiti Malaysia Pahang.
6


4. Sanjit Moshat, Saurav Datta, Asish Bandyopadhyay and Pradip Kumar Pal (2010).
Optimization of CNC end milling process parameters using PCA-based Taguchi method.
International Journal of Engineering, Science and Technology, Vol. 2, No. 1, , pp. 92-102
5. Ab. Rashid M.F.F., Gan S.Y., and Muhammad N.Y. (2009). Mathematical Modeling to
Predict Surface Roughness in CNC Milling. World Academy of Science, Engineering and
Technology 53.
6. Wen-Hsiang Lai (2000). Modeling of Cutting Forces in End Milling Operations. Tamkang
Journal of Science and Engineering, Vol. 3, No. 1, pp. 15-22.

7


NHỮNG ðỊNH HƯỚNG KHI NGHIÊN CỨU KHOA HỌC
Trần Ngọc Nhuần
1. Tìm và chọn đề tài nghiên cứu
ðề tài được giao.
ðề tài tự chọn:
- Từ những mâu thuẫn nảy sinh trong thực tiễn cuộc sống cá nhân.
- Mâu thuẫn nảy sinh trong q trình nhà nghiên cứu tiếp xúc với thơng tin.
- Mâu thuẫn nảy sinh trong quá trình tiếp xúc với các cơ sở, với thực tiễn, tại hội nghị,
hội thảo…
- Khi tiếp xúc với mọi người xung quanh
Tuy nhiên khi chọn ñề tài cần phải quan tâm:
- ðề tài có ý nghĩa khoa học hay khơng?
- Có ý nghĩa thực tiễn hay khơng?
- Có cấp thiết cần phải nghiên cứu?

- Có đủ điều kiện để hồn thành?
- Có phù hợp với sở thích khơng?
- Có tính khả thi?
- Thời gian thực hiện
Trong giai ñoạn hiện tại, những ñề tài mang tính chất lý thuyết rất khó thực hiện và
khó thuyết phục. Vì vậy việc chọn đề tài nên đi vào ứng dụng thực tiễn trong đời sống. Chính
vì thế ñề tài nên thực hiện dưới dạng một nhóm. Chúng ta sẽ tiến hành ñiều tra thực tế, nắm
bắt những u cầu của người tiêu dùng sau đó lập bảng u cầu và đưa ra đề tài cần nghiên
cứu, tính toán và chế tạo ra sản phẩm. Hoặc một dạng khác là phát triển cái đã có nhưng chưa
hồn thiện.
ðể tạo cho sinh viên tiếp cận với công việc nghiên cứu khoa học và ứng dụng kiến
thức vào thực tế, ñồng thời sinh viên sẽ là những cộng tác viên tốt, những thành viên tốt trong
nhóm, đồng thời sẽ là những người trực tiếp thu thập số liệu và hoàn thành những nội dung cụ
thể nào đó. Các mơn học thiết kế hoặc ñố án sẽ giaocho sinh viên tự tìm lấy đề bài dưới sự
hướng dẫn của giáo viên mơn học hoặc giáo viên trong bộ mơn. Các đề tài nên đi vào ứng
dụng thực tế, ví dụ:
- Thiết kế hệ truyền ñộng ñể ñưa thang máy lên xuống trong các nhà cao tầng,
- Thiết kế các thiết bị phục vụ cho các nhà hàng,
- Cải tiến các thiết bị phục vụ cho các cơ sở sản xuất…
Tất cả những điều đó sẽ tạo ra những số liệu sống ñộng, khả thi phục vụ và hình thành
nên những ñề tài thiết thực tạo ra sản phẩm mang thương hiệu của Trường.
2. Những giả ñịnh
Giả ñịnh là một dạng dự báo, được hình thành như một tun bố mà người nghiên cứu
ñề nghị ñể dẫn tới câu trả lời cho câu hỏi nghiên cứu.
8


3.Các tài liệu liên quan
Cần phải thu thập các tài liệu có liên quan đến đề tài nghiên cứu (cả về cơ sở vật chất,
phương pháp nghiên cứu lẫn kiến thức). Tốt nhất là ta lập thành một danh mục cụ thể.

4. Trình tự
Là mơ tả chi tiết các bước của quá trình tiến hành, phân chia thời gian, kinh phí thực
hiện.
5. Lựa chọn phương pháp thu thập thơng tin
ðiều tra chọn mẫu.
Nghiên cứu thực địa.
Phân tích nội dung.
Sử dụng thơng tin thứ cấp.
Tư liệu thí nghiệm.
6. Xử lý kết quả thu thập
Lập bảng danh mục thông tin thu thập.
Sắp xếp thứ tự ưu tiên
Tiến hành tính tốn kiểm tra.
Kiểm nghiệm lại thực tế, thu thập tiếp thông tin.
Xử lý cuối cùng.
7. Viết báo cáo tổng kết và báo cáo tóm tắt

9


NGHIÊN CỨU CHẾ ðỘ CÔNG NGHỆ CẮT VẬT LIỆU KIM LOẠI CÓ ðỘ CỨNG
CAO BẰNG TIA NƯỚC CÓ HẠT MÀI
Nguyễn Hữu Thật
1. ðặt vấn đề
Ngày nay, khoa học cơng nghệ phát triển, để gia cơng kim loại người ta đã dần dần
thay thế các công nghệ cũ kỷ, truyền thống bằng những công nghệ mới tiên tiến hơn, một
trong những công nghệ ấy là cắt kim loại bằng tia nước kết hợp với dung dịch hạt mài nhằm
bóc tách bề mặt gia cơng. ðặc tính quan trọng của cơng nghệ này là tia nước có áp suất cực
lớn tác động lên các hạt mài có hình dáng đa dạng, được xem như các lưỡi cắt va ñập vào bề
mặt kim loại cần gia cơng làm bong tróc và tạo thành mạch cắt. Ưu điểm lớn nhất của cơng

nghệ này là vết nhỏ, sạch, chất lượng bề mặt vết cắt cao, ít hao phí kim loại và năng suất rất
cao so với các công nghệ truyền thống khác như cắt bằng khí.
Từ những ưu điểm lớn như thế, các nước trên thế giới đã ứng dụng rất nhiều trong nền
cơng nghiệp. Tuy nhiên ở Việt Nam, do hạn chế về mặt tài chính, khoa học, cơng nghệ và an
tồn trong vận hành nên cơng nghệ này chưa được áp dụng rộng rãi. Trước những vấn đề đó,
tơi bắt tay vào xây dựng định hướng “nghiên cứu chế độ cơng nghệ cắt vật liệu kim loại có độ
cứng cao bằng tia nước kết hợp với dung dịch hạt mài. Tôi hy vọng rằng với định hướng này
nhằm góp phần đưa nền cơng nghệ cắt kim loại nước ta phát triển.
2. Tình hình về công nghệ tia nước áp suất cao (TNASC) trên thế giới và tại Việt Nam.
Vào những năm 70 sự phát triển của ngành cơ khí cùng với sự phát triển của ngành
công nghệ vật liệu, các thiết bị tạo TNASC tăng dần về áp suất và tuổi bền. Những thiết bị tạo
TNASC với áp suất lên tới 4000 bar. Thiết bị này tạo ra TNASC thuần khiết ñược ứng dụng
rộng rãi hơn trong nhiều ngành công nghiệp. Tuy nhiên, có những hạn chế nhất định về loại
hình vật liệu có thể cắt bằng tia nước. Với cơ chế dịch chuyển vật liệu là sự thâm nhập của
nước và phá hủy rộng ra các rãnh nứt trên bề mặt của vật liệu. Thiết bị này chỉ có thể cắt được
các vật liệu có độ cứng thấp như: gỗ, vật liệu nhân tạo, nhựa tổng hợp, …
Năm 1980 hiệu quả của cắt bằng TNASC ñược nâng cao rõ rệt bằng phát minh trộn
thêm hạt mài vào tia nước. Lúc này TNASC mới thực sự được ứng dụng vào gia cơng cắt gọt,
nó có thể cắt được tất cả các loại vật liệu kể cả các vật liệu có tính chất khơng ñồng nhất hoặc
các vật liệu tổng hợp có cấu tạo gồm nhiều lớp vật liệu khác nhau. Khi trộn hạt mài vào tia
nước, tia nước tăng tốc hạt mài, tạo cho hạt mài có một động năng cực lớn. ðộng năng này
chính là năng lượng để bóc tách vật liệu khi cắt. Lúc này nó có thể cắt được tất cả các vật liệu,
khơng phụ thuộc vào tính chất cơ lý, cấu tạo của vật liệu. [6]
Năm 1994, ðức ñã ứng dụng TNASC vào y học. Tia nước mảnh có áp suất từ 50 - 300
bar ñược sử dụng như dao dùng ñể phẫu thuật. Khi cắt bằng phương pháp này nước khơng
những khơng gây dị ứng mà cịn được cơ thể tiếp nhận bởi 70% cơ thể là nước. Một phát
minh nữa là khi cắt các phần cứng của cơ thể như xương, người dùng ñường hoặc muối ñể
thay thế hạt mài, do ñường và muối cũng giống như nước khơng gây dị ứng cho cơ thể mà
được cơ thể tiếp nhận. [2], [3].
10

Hiện nay trên thế giới TNASC ñược ứng dụng rộng rãi trong các ngành công nghiệp ở
các nước phát triển: ðứng ñầu là ðức, tiếp theo là My, Pháp, Ao, Nhật, … TNASC ñược ứng
dụng ñể cắt hầu hết các loại vật liệu.
3. Công nghệ tia nước áp suất cao
3.1 Ngun lý gia cơng
TNASC chính là dịng tia có vận tốc cực lớn. Dịng tia này được tạo nên bởi thiết bị
bơm cao áp, nước ñược nén với áp suất cao sau đó được đẩy qua đường ống cao áp rồi thốt
ra ngồi qua đầu phun, đầu phun có đường kính nhỏ hơn nhiều lần so với đường kính đường
ống cao áp.
Q trình tạo TNASC chính là q trình chuyển hóa năng lượng, đầu tiên là tích lũy
năng lượng sau ñó là vận chuyển năng lượng, cuối cùng là giải phóng năng lượng [1].

Hình 1. Phương pháp trộn hạt mài khơng áp.
Tia nước sau khi ra khỏi đầu phun có cấu trúc gồm 3 vùng (hình 2):
-

Vùng tia liên tục.

-

Vùng tạo giọt.

-

Vùng hóa sương.

Hình 2. Sơ đồ cấu trúc của tia nước tốc độ cao trong khơng khí.
Vùng lõi cắt là vùng ñược áp dụng cho cắt vật liệu.

11


3.2 Các lĩnh vực ứng dụng công nghệ TNASC
Phạm vi ứng dụng của TNASC khá rộng rãi trong nhiều ngành công nghiệp. Phổ biến
nhất là dùng trong làm sạch và cắt.
- Ứng dụng làm sạch.
- Ứng dụng cắt vật liệu:
+ Cắt bằng tia nước thuần khiết
+ Cắt bằng tia nước có trộn hạt mài.
Tia nước trộn hạt được phân thành 02 loại:
+ Tia nước trộn hạt mài không áp.
+ Tia nước trộn hạt mài có áp.

Hình 3. Ứng dụng cắt bằng tia nước trộn hạt mài không áp cắt thép dày.
Tại Việt Nam, TNASC mới chỉ ñược biết ñến trong vịng 7 - 8 năm trở lại đây. Năm
1998 Viện máy và dụng cụ cơng nghiệp là đơn vị đầu tiên có thiết bị tạo TNASC với áp suất
tối đa lên tới 2800 bar. Thiết bị này ñược dùng trong cơng nghệ làm sạch. ðầu tiên là cuộc
trình diễn làm sạch vỏ tàu tại Nhà máy đóng tàu Bạch ðằng và Nhà máy đóng tàu Sơng Cấm.
Chất lượng bề mặt sau làm sạch cao hơn so với phương pháp phun cát. Nhưng do sự chuẩn bị
về ñồ gá chưa tốt nên kết quả thu được cịn hạn chế về năng suất, tuy nhiên thực tế cho thấy
công nghệ này rất thân thiện với mơi trường.

Hình 4. Ứng dụng cơng nghệ TNASC làm sạch vỏ tàu
3.3 Ưu nhược điểm của cơng nghệ cắt bằng tia nước áp suất cao
Ưu điểm:
- Có thể cắt ñược hầu hết tất cả các loại vật liệu như: Thép, hợp kim, các kim loại
màu, vật liệu gốm nhân tạo, composit, đá, kính, cao su, vật liệu ñược cấu tạo gồm nhiều lớp
khác nhau.
- Trong quá trình cắt sinh nhiệt rất nhỏ, không sinh bụi, phản ứng hóa học, thân thiện

và khơng gây ơ nhiễm mơi trường, cải thiện môi trường làm việc.
12


- Có thể cắt được các vật liệu nhạy cảm với nhiệt (một số chất dẻo).
- ðược dùng trong cắt phá, tháo gỡ bom mìn đạn dược, tháo dỡ lị phản ứng hạt nhân.
- Chất lượng mạch cắt cao.
- Lực cắt và phản lực nhỏ, ñơn giản cho ñồ gá.
Nhược ñiểm:
- Giá thành ñầu tư thiết bị cao.
- Chi phí bảo dưỡng bảo trì cao.
- Giá thành sử dụng cao.
- ðiều kiện an tồn vận hành cao.
Với những đặt tính cơng nghệ riêng biệt, TNASC trong tương lai sẽ được sử dụng để
thay thế những cơng nghệ cũ, lạc hậu.
4. Hướng nghiên cứu của ñề tài
Nội dung nghiên cứu của ñề tài là:
- Tổng quan tình hình nghiên cứu và ứng dụng công nghệ cắt kim loại bằng tia nước
trên thế giới và Việt Nam.
- Công nghệ cắt kim loại bằng tia nước có áp suất cao kết hợp với dung dịch hạt mài.
- Nghiên cứu ảnh hưởng của các thơng số cơng nghệ đến năng suất cắt vật liệu kim
loại có độ cứng cao.
- Tối ưu hóa các thơng số cơng nghệ.
Trong phạm vi giới hạn đề tài, tơi tập trung vào hướng nghiên cứu chính là ảnh hưởng
của các thơng số cơng nghệ và thiết bị đến năng suất và chất lượng mạch cắt kim loại bằng tia
nước áp suất cao. Sau khi ñánh giá ñược mức ñộ ảnh hưởng của các thông số trên, tôi tiếp tục
nghiên cứu tối ưu hóa các thơng số cơng nghệ và thiết bị nhằm ñưa ra kết quả tốt nhất.
Khi cắt bằng tia nước áp suất cao, các yếu tố ảnh hưởng tới chất lượng mạch cắt được
mơ tả trong sơ ñồ sau:
CÁC YẾU TỐ ẢNH HƯỞNG ðẾN CHẤT LƯỢNG MẠCH CẮT

TRONG CƠNG NGHỆ CẮT BẰNG TNASC CĨ TRỘN HẠT MÀI

Các thơng số thiết bị
- Kiểu đầu phun, đường kính đầu
phun.
- Lưu lượng, loại hạt, kích thước,
hình dáng hạt mài.

Các thơng số công nghệ
- Áp suất (P).
- Vận tốc cắt (V).
- Khoẳng cách cắt (H)

Các chỉ tiêu ñánh giá kết quả
- Năng suất cắt.
- Chất lượng mạch cắt.
- Chiều sâu cắt
- Chiều rộng mạch cắt

Hình 5. Các yếu tố ảnh hưởng ñến chất lượng mạch cắt.
13


TÀI LIỆU THAM KHẢO
[1]. Phạm Van Vĩnh:“ Cơ học chất lỏng ứng dụng ”, Nhà xuất bản giáo dục, 2001.
[2]. Trần Anh Quân : “Nghiên cứu công nghệ tia nước áp suất cao trong làm sạch công
nghiệp”, Luận án tiến sỹ, Viện máy và dụng cụ công nghiệp 2003.
[3]. Richard K. Miller, CmfgE – Waterjet cutting: “Technology and industrial applicatons”,
SAEI Technical Publications, 1985, Madison, GA .
[4].Hua Liu: “A study of the cutting performance in abrasive waterjet contouring of Alumina

Ceramics and associated jet dynamic characteristics”, Qeensland University of Technology,
2004.
[5]. www.berkeleychemical.com
[6]. www.waterjet-tech.com
[7]. www.waterjets.org
[8]. www.omax.com
[9]. www.usjetting.com
[10]. www.con4prog.com
[11]. www.hiendaihoa.com

14


MƠ HÌNH HĨA 3D CHẾ TẠO VỊNG MÀI KIM CƯƠNG
Ngơ Quang Trọng
Trong q trình thiêu kết, chế tạo vịng mài kim cương. Tại các ñiều kiện thiêu kết khác
nhau, sẽ xuất hiện ứng suất nhiệt khác nhau, mà có thể dẫn đến sự phá hủy trong q trình chế
tạo vịng mài. Vì thế, và theo dữ liệu của ИСМ НАНУ (Trung tâm nghiên cứu vật liệu rắnKhapcơp-Ucraina ) thì trên 90% hạt kim cương bị phá hủy.
б

а

Kim cương tổng hợp với
pha kim loại trong hạt

а

Kim cương tổng hợp với
sự hình thành các vết nứt
Hình 1

Mục đích, phương pháp và các vấn đề nghiên cứu vịng mài kim cương
ðể nghiên cứu việc tối ưu hóa các đặc tính của vịng mài kim cương trong q trình chế
tạo chúng. Phương pháp được tiếp cận là nghiên cứu cường ñộ biến dạng của vùng bị thiêu
kết trên mẫu ba chiều của vòng mài kim cương.
Mục đích là làm tăng hiệu quả của hạt mài kim cương từ cơ sở các tính tốn khoa học
cho việc chọn lựa đặc tính của vịng mài kim cương trên liên kết kim loại, gốm và các hợp
chất hữu cơ, mà vẫn ñảm bảo sự nguyên vẹn của hạt kim cương trong giai ñoạn chế tạo dụng
cụ mài.
ðể ñạt ñược các mục tiêu trên thì giải quyết các nhiệm vụ sau:
1. Nghiên cứu phương pháp mơ hình hóa q trình thiêu kết vịng mài kim cương
bằng phương pháp phần tử hữu hạn.
2. Nghiên cứu phương pháp khảo sát sự bảo tồn hạt kim cương trong vòng trên
các dạng liên kết khác nhau.
3. Khảo sát quá trình thiêu kết lớp vòng mài kim cương trên liên kết kim loại,
gốm và hợp chất hữu cơ bằng phương pháp mơ hình hóa 3D trạng thái cường độ tới
hạn của chúng, nhằm xác định ảnh hưởng của các thơng số kỹ thuật của q trình về
thuộc tính liên kết, kích thước hạt kim cương và mật độ hạt trên vịng mài. Từ đó, đưa
ra các khuyến nghị về một q trình thiêu kết hợp lý.
Ưu điểm của phương pháp mơ hình hóa là sự đơn giản của nó và giá thành thì thấp. Nó
cho phép nghiên cứu bất kỳ sự phối trộn giữa đặc tính của hạt, sự liên kết, chế độ thiêu kết,
mà các phương pháp cổ truyền đã khơng thể thực hiện được.
Kiểu tính tốn thứ 1 được đưa ra cho mảnh vòng kim cương, bao gồm duy nhất một hạt
kim cương, có liên kết kim loại xung quanh. Ở đây có sự thay đổi kích thước hạt, tương ứng
15


với dạng hạt từ 50/40 đến 500/400 micrơmet, sự thay ñổi của nhiệt ñộ và ứng suất nhiệt, và
ñồng thời nghiên cứu các thuộc tính lý hóa của phần tử thiêu kết.
Kiểu tính tốn thứ 2 là khảo sát mảnh vòng kim cương, bao gồm một số hạt kim cương,

ứng với các dạng liên kết chung. Tại kiểu tính này đã có sự thay đổi về tỉ lệ kích thước hạt
kim cương và kích thước khối liên kết bao bọc xung quanh hạt đó, mà tương ứng với nó là sự
khác nhau về tính chất hạt và thành phần phần trăm hạt kim cương trong lớp thiêu kết.
Т

Т

Р
Р

Р+Т

a

Р+Т

a1

a

Cвязка
Алмазне зерно

Cвязка
Алмазне зерно
Металофаза

Металофаза

b

b1

c

c
b

Hình 2. Mơ hình hóa kiểu 1 hạt kim cương và kiểu nhiều hạt
Mơ hình hóa mẫu hạt nghiên cứu: Trong mẫu hạt và liên kết ñược nghiên cứu là vật thể
đàn hồi đặc. Hạt kim cương được mơ hình hóa dưới dạng 8 mặt với kích thước phụ thuộc vào
độ hạt nghiên cứu, từ 50x30x30 đến 500x300x300 micrơmet. Tồn tại pha kim loại trong hạt
kim cương được mơ hình hóa xen kẽ theo hướng tự do. Hàm lượng thể tích là 0,1-10% tùy
thuộc vào kiểu hạt. Chuỗi liên kết ñược ñưa ra ở dạng mảnh lăng trụ với kích thước từ
0,5x0,5x1,1 đến 3x3x6 mm phụ thuộc vào kích cỡ và mật ñộ hạt. Mẫu ñược ñặt tải trọng tĩnh
phân bố ñều và ñồng hướng dưới dạng áp lực và nhiệt ñộ.
Kết quả nhận ñược:
1. Ảnh hưởng của áp lực lên sự tồn vẹn của hạt:
ðối với việc đặt hệ thống tải trọng thì vùng ứng suất nguy hiểm phân bố trên đỉnh của
khối 8 mặt, và thực tế khơng gây phá hủy hạt. Các tính tốn chỉ ra rằng, khối “hạt kim cương
và liên kết” chỉ với áp lực, trong phạm vi tất cả các khoảng giá trị kỹ thuật, với các loại liên
kết khác nhau và các kiểu hạt kim cương khác nhau thì ảnh hưởng khơng đáng kể ñến ứng
suất trong hệ thống nghiên cứu và không dẫn ñến trạng thái phá hủy hạt kim cương.
2. Ảnh hưởng của nhiệt ñộ:
Ứng suất gây ra do ảnh hưởng của nhiệt độ, có tác động lớn hơn nhiều và có hình ảnh
khác hẳn về sự phân bố trạng thái ứng suất. Sự gia tăng của ứng suất ñược nhận thấy trên chu
vi của hình cầu, nội tiếp trong khối 8 mặt, tại các vị trí tập trung pha kim loại trong hạt. Với
sự gia tăng của nhiệt thì ứng suất trong hệ thống nghiên cứu cũng ñã gia tăng. Rõ ràng rằng,
ngun nhân đó là do sự khơng đồng nhất về cấu trúc trong hạt kim cương, và có sự khác biệt
lớn trong hệ số giãn nở nhiệt của kim cương và pha kim loại, dưới tác ñộng của sự gia tăng

nhiệt từ bên ngoài và xuất hiện ứng suất nhiệt từ bên trong hạt.

16


Q trình thiêu kết thể gốm tại nhiệt độ
7000C

Q trình thiêu kết thể gốm tại nhiệt độ
8000C
Hình 3.
3. Ảnh hưởng ñồng thời dưới áp suất và nhiệt ñộ:
Ứng suất xuất hiện trong hệ thống “hạt kim cương và liên kết” dưới tác dụng ñồng thời
của ngoại lực và nhiệt ñộ, theo sự phân bố về giá trị tới hạn của chúng giống như hình ảnh của
ứng suất nhiệt, và giá trị thì cao hơn mức bình thường của chúng là 12% cho cùng một ñiều
kiện. Ứng suất, vượt quá giới hạn bền của hạt kim cương và phân bố dọc theo lớp pha kim
loại, gây ra vết nứt bên trong hạt.
Bên cạnh việc gia tăng nhiệt ñộ thiêu kết, làm gia tăng ñộ bền của liên kết kim loại
nhưng cũng dẫn ñến một ñiều là ứng suất trong chúng và trong hạt tăng lên và có thể dẫn đến
giá trị giới hạn bền ñối với các loại kim cương. ðiểm nhiệt mà hình thành nên ứng suất tới
hạn là vùng của pha kim loại ñược ñưa vào. Với sự tăng lên về ñộ bền khối liên kết cùng với
sự gia tăng về trị số ứng suất tại vùng gia tăng ñã ñược quan sát mà nó ñã lan truyền ra, phá
hủy đồng thời tất cả vùng thể tích của hạt kim cương.

Главные напряжения σ, МПа

800
700
1
600

500
400
2

300
200

3

100

25

50

75
100 125 150
Концентрацияk, %

175

200

Biểu ñồ ứng suất và mật ñộ hạt
1- Liên kết kim loại;
2- Liên kết gốm;
3- Liên kết hữu cơ
Hình 4.
17

Chỉ số kiểu hạt kim cương càng nhỏ thì thể tích chiếm giữ của pha kim loại đưa vào
trong chúng là càng lớn, tạo ra lớn hơn về diện tích chiếm giữ và ñộ lớn ứng suất trong hạt.
Thực nghiệm chỉ ra rằng, sự gia tăng hàm lượng kim loại ñưa vào trong hạt kim cương từ 0,1
ñến 0,6% thì dẫn đến sự gia tăng đại lượng ứng suất chính lên ñến 4 lần.
4. Ảnh hưởng của mật ñộ hạt kim cương:
Mật ñộ hạt kim cương trong lớp kim cương bị thiêu kết có ảnh hưởng đến trạng thái biến
dạng về ứng suất của chúng, hình thành nên ứng suất tổng hợp trong hệ thống. Khi trong hệ
thống ñưa vào vài hạt kim cương, khoảng cách giữa chúng sẽ xác ñịnh ra mật ñộ hạt, thì
trường ứng suất của một hạt sẽ tác ñộng lên trường ứng suất của các hạt lân cận. Làm gia tăng
trạng thái ứng suất tại khơng gian giữa các hạt. Do đó làm tăng ứng suất trong mỗi hạt.
Lần đầu tiên, trên cơ sở mơ hình hóa 3D trạng thái biến đổi của ứng suất tại vùng thiêu
kết, ñã xác ñịnh ñược các khuyến nghị có căn cứ khoa học về cấu tạo tối ưu của các phần tử
ñược thiêu kết: kiểu liên kết, kiểu hạt kim cương, kích cỡ hạt và mật độ trong thiêu kết trong
việc ñảm bảo sự nguyên vẹn của hạt trong vịng mài sau khi chúng được chế tạo.
ðó là nghiên cứu và ñồng thời cũng là một phương cách ñể tìm ra các sản phẩm mới và
các giai ñoạn trong chu kỳ sống của chúng.
Tài liệu tham khảo:
1. Безруков Г.Н., Бутузов В.П., Хателишвили Г.В., Чернов Д.В. Изучение состава
включений в синтетических кристаллах алмаза методом локального анализа // ДАН
СССР. – 1972. – т. 204. – №1. – C. 84-87.
2.Бочка А.В., Григорьев О.Н., Джамаров С.С. и др. Влияние структурных факторов
на механические свойства СТМ на основе нитрида бора // Порошковая металлургия. –
1979. – №10. – С. 61-69.
3. Ваврда Й. О составе и структурных формах металлических включений в
синтетических алмазах // Сверхтвердые материалы. – 1981. – №3. – С. 27-30.

18