Gia cong bang tia nuoc

Báo cáo chuyên đề: Công nghệ gia công bằng phương pháp tia nước, tia nước có hạt mài

CÔNG NGHỆ GIA CÔNG BẰNG PHƯƠNG PHÁP
TIA NƯỚC, TIA NƯỚC CÓ HẠT MÀI
Việc ra đời của công nghệ gia công vật liệu bằng tia nước đã mở ra hướng phát
triển mới cho lĩnh vực cắt gọt vật liệu. Gia công bằng phương pháp tia nước là sử
dụng một tia nước có áp suất rất cao và tốc độ lớn, hoặc bằng một hỗn hợp của nước
và hạt mài để gia công sản phẩm.
I. GIA CÔNG BẰNG TIA NƯỚC
Gia công bằng tia nước là một quá trình sử dụng tia nước ở áp suất cao (từ 2.108
Pa – 4.108 Pa). 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.
1.Nguyên lý gia công
Sơ đồ nguyên lý:

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 – 1000 m/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 và khả năng công nghệ
Các thông số quan trọng của công nghệ gia công bằng tia nước bao gồm: Khoảng
cách gia công, đường kính vòi phun, áp suất nước và tốc độ cắt.

HVTH: Phạm Văn Vinh

Trang 1

Báo cáo chuyên đề: Công nghệ gia công bằng phương pháp tia nước, tia nước có hạt mài

- Khoảng cách gia công: là khoảng cách từ đầu vòi phun đến bề mặt chi tiết cần
gia công. Thông thường nhỏ để giảm độ phân tán của tia nước đến mức tối thiểu
trước khi đập vào bề mặt chi tiết gia công, khoảng cách này khoảng 3,2 mm.
- Đường kính vòi phun: vòi phun có đường kính nhỏ thường dùng để cắt vật liệu
mỏng, đường kính lớn hơn được dùng để gia công vật liệu dày hơn vì cần phải có
tia nước lớn hơn và áp suất cao hơn.
-Áp suất nước: khi tăng thì năng suất gia công tăng và ngược lại.
- Tốc độ cắt phụ thuộc vào độ dày và loại vật liệu của chi tiết gia công, thường thì
khoảng 5-500 mm/s.
Bảng: Chiều dày cắt và tốc độ ăn dao khi cắt bằng tia nước
Vật liệu
Chiều dày cắt, mm
Tốc độ ăn dao, m/ph
Da
2,2
20
Nhựa PVC
3
0,5
Nhựa PS
2
150
Kevlar
3
3
Graphit

2,3
5
Tấm thạch cao
10
6
Tấm carton gợn sóng
7
200
Tấm giấy bột
2
120
Gỗ dán
6
1
Gia công cắt bằng tia nước có khả năng cắt rãnh hay vết cắt rộng khoảng 1mm và
cắt được đường kính lỗ nhỏ nhất 1,5mm. Phạm vi gia công là từ 1,6 – 305 (mm) vớ i
độ chính xác là ± 0,13(mm). Phương pháp gia công tia nước thường được tự động
hóa bằng hệ thống công nghệ CNC hay người máy công nghiệp.
3. Ưu và nhược điểm
a/ Ưu điểm
- 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. Cắt bằng tia
nước có thể cắt những vật liệu tưởng chừng như không thể gia công bằng những
phương pháp gia công thông thường được.
- Gia công bằng tia nước cho phép gia công những bề mặt khó khăn và phức tạp
như: những góc nằm bên trong, khớp V, những hình dạng kiến trúc nghệ thuật,… có
thể gia công với độ chính xác cao.
- Gia công bằng tia nước có thể gia công các vật liệu tổng hợp, nhựa mà không
gặp phải dung sai do nhiệt, hoặc do sự xuống cấp của các chi tiế t cơ khí. Không
phải trả chi phí cho các dụng cụ hay khuôn mẫu kèm theo.

- Chất lượng vết cắt rất cao. Vết cắt có thể bắt đầu ở bất kì chỗ nào mà không cần
khoan mồi trước và có thể cắt được các vật liệu cán mỏng.
- Có thể được dùng để cắt hoặc tạo hình các bộ phận bằng thép, nhôm, thủy tinh,

HVTH: Phạm Văn Vinh

Trang 2


Báo cáo chuyên đề: Công nghệ gia công bằng phương pháp tia nước, tia nước có hạt mài

cao su, vật liệu tổng hợp và các loại vật liệu khác.
- Có khả năng tự động hóa và người máy hóa rất cao
b/ Nhược diểm
- Khó kiểm soát độ chính xác về kích thước gia công.
- Giá thành thiết bị cao.
4. Phạm vi ứng dụng
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… Cắt bằng tia nước được sử dụng nhiều trong các lĩnh vực
sau:
- Cắt đứt hoặc cắt định hình các bề mặt kim loại hay phi kim loại.
- Khoan lỗ bằng tia nước có áp lực cao
- Ứng dụng trong công nghiệp làm sạch bề mặt, trong nghệ thuật điêu khắc.
- Ứng dụng tia nước trong kỹ thuật đào đường hầm
- Một số vật liệu được cắt bằng tia nước là: các tông, thảm, 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.
II. GIA CÔNG BẰNG TIA NƯỚC CÓ HẠT MÀI
Phương pháp gia công bằng tia nước thích hợp cho việc cắt nhựa, thực phẩm, cao
su, vải,… 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.
1. Nguyên lý gia công
Áp suất nước trong gia công
bằng tia nước có hạt mài giống
trong gia công bằng tia nước, nhưng
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.
Khi gia công tia nước có hạt mài
thì hạt mài được trộn với nước trong
ống trộn trước khi được phun ra
ngoài. Vận tốc của dòng nước rất cao
sẽ tạo ra vùng chân không hút hạt
mài từ ngoài vào mà không cần bất

HVTH: Phạm Văn Vinh

Trang 3


Báo cáo chuyên đề: Công nghệ gia công bằng phương pháp tia nước, tia nước có hạt mài

cứ một máy nào khác để đưa dòng hạt mài vào. 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.

HVTH: Phạm Văn Vinh

Trang 4


Báo cáo chuyên đề: Công nghệ gia công bằng phương pháp tia nước, tia nước có hạt mài

Bề mặt gia công tia nước có hạt mài trước khi gia công phải được tẩy sạch bụi,
phoi, dầu nhờn, axit hay các tạp chất khác.
2. Các thông số công nghệ và khả năng công nghệ
Giống như gia công bằng tia nước. Tuy nhiên, đối với gia công tia nước có hạt
mài phải điều chỉnh và bổ sung một số thông số như: loại hạt mài, cỡ hạt.
- Các loại vật liệu hạt mài thường được sử dụng: Al2O3, SiO2
- Cỡ hạt khoảng từ 60 đến 100 micrometer. Lượng mài được thêm vào trong tia
nước khoảng 0,3 kg/phút sau khi thoát ra vòi phun.
- Đường kính vòi khoảng từ 0,25 - 0,63 mm, lớn hơn so với sự gia công bằng tia
nước vì có tốc độ dòng chảy cao hơn và năng lượng nhiều hơn khi có chứa hạt mài.
- Khoảng cách gia công phải ít hơn để giảm đến mức tối thiểu hiệu quả phân
tán của chất lỏng khi có chứa những hạt mài. Khoảng cách cho phép điển hình là
khoảng ¼ hay ½ khoảng cách trong gia công tia nước…
a/ Các thông số công nghệ cơ bản của quá trình cắt là
- Áp suất tia nước (1300 – 4000 bar); đường kính tia nước; tốc độ của dòng tia
lên đến (1950 m/ph).
- Tốc độ nạp hạt mài; kích cỡ hạt mài lớn sẽ gia công nhanh hơn nhưng độ bóng
bề mặt chi tiết giảm và ngược lại.
- Tốc độ cắt 25 ÷130 mm/ph. Tốc độ cắt càng lớn thì chất lượng bề mặt càng tốt.
- Tốc độ nạp vật liệu (lượng chạy dao).
b/ 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 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 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.
3. Ưu và nhược điểm
Gia công bằng tia nước và gia công bằng tia nước có hạt mài có cấu tạo và
nguyên lý tương tự nhau nên những ưu điểm của phương pháp gia công bằng tia
nước có hạt mài cũng tương tự.
4. Phạm vi ứng dụng
- Cắt các vật liệu rất cứng như titan, hợp kim đặc biệt, rẻ hơn các phương pháp
gia công khác (plasma, laser,…).
- Cắt được hầu như mọi vật liệu: thép tôi cứng, thép mềm, thép không rỉ, đồng
thau, nhôm, vật liệu giòn như thuỷ tinh, gốm, thạch anh, 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 lạnh.
- Độ nhám bề mặt có thể tốt như các phương pháp gia công truyền thống.
HVTH: Phạm Văn Vinh

Trang 5


Báo cáo chuyên đề: Công nghệ gia công bằng phương pháp tia nước, tia nước có hạt mài

- Lực cắt không đáng kể, vì thế có rất ít hoặc không có
- Chi phí thấp, không tốn chi phí cho khuôn, đồ gá hay không yêu cầu chương
trình CNC phức tạp.

III. CÁC THIẾT BỊ, DỤNG CỤ
1. Môi trường chất lỏng và thành phần của dung dịch hạt mài
Môi trường gồm nước hoặc emuxi, dầu công nghiệp. Là môi trường liên kết các
hạt mài, giảm ma sát giữa các hạt mài với nhau, làm nguội và rửa sạch chi tiết gia
công. Khi gia công liên tục, dung dịch hạt mài có thể dùng được 40-70 h.
2. Hạt mài, bộ trộn hạt mài
Các loại hạt mài: Thạch anh, Đá nhám, Cacbit Silic, Kim cương không kết tinh,
Kim cương kết tinh, Oxit crôm, Oxit sắt, Oxit magiê, Oxit kẽm, Oxit thiếc, Cacbit
Bo. Lượng hạt mài được bổ sung thêm vào dòng tia nước khoảng 0,3 kg/phút. Kích
thước hạt khoảng từ 60 đến 100(micrometer).
Độ cứng của hạt mài được xác định theo 10 cấp từ 1-10 , trong đó cấp 10 có độ
cứng cao nhất và cấp 1 có độ cứng thấp nhất
Độ
cứng
7

Tr. Lượng riêng
(G/cm3)
2,65

8

3,7

SiC

9

3,2

C

10

3,5

C

10

3,5

Oxit crôm

Cr2O3

10

-

Oxit sắt

Fe2O3

-

5,2

Oxit magiê

MgO

Oxit kẽm

ZnO

4,5

5,8-6,9

Oxit thiếc

SnO2

Cacbit Bo

B4C

10

-

Tên hạt mài
Thạch anh
Đá nhám
Cacbit Silic
Kim cương
không kết tinh
Kim cương
kết tinh

Thành phần
SiO2
Al2O3 và
Fe2O3

Vật liệu gia công
Kính,thép,đá,gỗ
Kim loại,kính,gỗ
Gang,nhôm
đồng,kính
Vật liệu giòn,cao
su,vật liệu giấy
Kim cương và
các loại đá quí
Thép, thép không gỉ
Kim loại, đá, kính

Thép, kính

Các loại thép

Trong gia công tia nước có hạt mài, ta quan tâm đến vấn đề trộn hạt mài vào tia
nước. Mỗi thiết bị đều có một cơ chế trộn hạt mài khác nhau

HVTH: Phạm Văn Vinh

Trang 6

Báo cáo chuyên đề: Công nghệ gia công bằng phương pháp tia nước, tia nước có hạt mài

3. Bơm thủy lực, bộ tăng áp, điều áp
- Bơm thủy lực cung cấp nguồn năng lượng dưới dạng áp suất cao.
- 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: 200MPa-400MPa

- Bộ phận điều áp làm ổn định áp
suất, cung cấp một dòng nước có áp
suất rất cao đều đặn đến vòi phun để
cắt kim loại.
4. Đầu phun
Đường kính hở của vòi khoảng từ
0,25 - 0,63 mm. Trong công nghiệp để
tăng năng suất quá trình gia công bằng
tia nước áp lực cao hoặc tia nước có
hạt mài người ta thường lắp 2, 4, 6, 10
hoặc nhiều hơn số đầu phun trên cùng
một máy.
5. Máng chắn
Che chắn không cho dòng tia làm bắn
tung nước, hạt mài, phoi ra ngoài.
6. Hệ thống CNC, cánh tay rôbốt

HVTH: Phạm Văn Vinh

Trang 7


Báo cáo chuyên đề: Công nghệ gia công bằng phương pháp tia nước, tia nước có hạt mài

- Máy tia nước thường dùng được điều khiển bằng hệ thống NC/CNC. Với vòi
phun có thể di động theo trục X, Y bằng toạ độ điều khiển CNC. Dưới bàn máy có
thiết bị thu hồi nước và cơ cấu tuần hoàn nước.
- Ngoài ra hiện nay, nhiều máy tia nước CNC đã cải tiến rất nhiều. Cánh tay
robot được ứng dụng nhằm gia công được rất nhiều vị trí mà đầu cắt thông thường
không thực hiện được.
IV. SO SÁNH VỚI MỘT SỐ PHƯƠNG PHÁP GIA CÔNG KHÁC
1. So sánh với gia công truyền thống:
- Dao kim loại sau một thời gian cắt sẽ mòn dao dẫn tới cùn dao nhưng với cắt
bằng tia nước thì luôn luôn sắc.
- Miệng cắt tia nước rất mảnh, do đó có thể tiết kiệm được vật liệu.
- Dùng dao kim loại thì rất khó cắt dọc theo đường cong, đặc biệt là đường
cong lõm còn tia nước không phân biệt hình dạng dao.
- Trong vùng cắt tỏa nhiệt ít, do đó không làm biến dạng phôi. Có thể gia công
bằng vật liệu rất mềm hoặc rất cứng
2. So sánh với gia công bằng 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 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 được vật liệu dày hơn.
- Dòng tia nước 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 dày.

3. So sánh với gia công tia lửa điện
- Gia công nhanh hơn tia lửa điện. Không sinh nhiệt
- Khả năng gia công với phạm vi vật liệu rộng lớn hơn.
- Tính đồng nhất không phải là đặc tính quan trọng đối với gia công tia nước.
- Dòng tia nước có khả năng bỏ qua những bất thường của vật liệu mà có thể
những bất thường này làm cho gia công tia lửa điện bị mất tia lửa điện./.

HVTH: Phạm Văn Vinh

Trang 8