Nghiên cứu phương pháp cắt kim loại bằng tia nước áp suất cao có trộn hạt mài

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

 
 
 
 
 
 
 
 

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
--------------------------------------------------

Lê Duy Nam

NGHIÊN CỨU PHƯƠNG PHÁP CẮT KIM LOẠI BẰNG TIA NƯỚC ÁP
SUẤT CAO CÓ TRỘN HẠT MÀI

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC
CHẾ TẠO MÁY
 

 
 
 

 

Hà Nội - 2011

LUẬN VĂN THẠC SỸ KHOA HỌC

LỜI CAM ĐOAN
---------------***---------------

“Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi, các số liệu, kết quả
nghiên cứu của luận văn này chưa từng được công bố ở một công trình nào khác mà
tôi không tham gia.”
Tác giả

Lê Duy Nam

Lê Duy Nam

Trang 1


LUẬN VĂN THẠC SỸ KHOA HỌC
MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN.............................................................................................................. 1
MỤC LỤC ......................................................................................................................... 2
DANH MỤC CÁC BẢNG................................................................................................ 4
MỞ ĐẦU............................................................................................................................ 6
1. Lý do chọn đề tài ........................................................................................................... 6
2. Tính cấp thiết của đề tài................................................................................................. 6
3. Đối tượng và phương pháp nghiên cứu ......................................................................... 7
4. Ý nghĩa của đề tài .......................................................................................................... 7
5. Cấu trúc luận văn ........................................................................................................... 8
CHƯƠNG I : TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ TIA NƯỚC ÁP SUẤT CAO .......... 9

1.1. Công nghệ tia nước áp suất cao ................................................................................ 9
1.1.1. Tia nước áp suất cao thuần khiết ............................................................................. 11
1.1.2. Cắt bằng tia nước có hạt mài (AWJC).................................................................... 15
1.1.2.1 Tia nước có trộn hạt mài không áp dạng (Injektor) ............................................... 18
1.1.2.2. Tia nước trộn hạt mài có dạng “huyền phù”......................................................... 19
1.1.2.3. So sánh tính năng giữa hai phương pháp trộn hạt mài.......................................... 21
1.2. Công nghệ cắt bằng tia nước áp suất cao dưới mặt nước ...................................... 24
1.2.1. Sự hình thành TNASC trong không khí .................................................................. 24
1.2.2. Cấu trúc của dòng tia nước ASC trong lòng nước :.................................................. 25
1.3. Các thông số công nghệ của phương pháp cắt bằng TNASC ............................... 28
1.3.1. Các thông số ảnh hưởng đến quá trình tạo ra TNASC ............................................ 28
1.3.1.1 Áp suất .................................................................................................................. 28
1.3.1.2 Đường kính vòi phun ............................................................................................. 28
1.3.1.3 Kích thước vòi phun .............................................................................................. 29
1.3.1.4 Hạt mài................................................................................................................... 30
1.3.1.5 Lưu lượng hạt mài : .............................................................................................. 31
1.3.2. Các thông số ảnh hưởng đến quá trình cắt bằng TNASC....................................... 31
1.3.2.1. Tốc độ dịch chuyển............................................................................................... 31
1.3.2.2. Khoảng cách cắt.................................................................................................... 32

Lê Duy Nam

Trang 2


LUẬN VĂN THẠC SỸ KHOA HỌC
1.3.2.3. Góc cắt .................................................................................................................. 32
1.3.2.4. Môi trường xung quanh ........................................................................................ 33
1.3.2.5. Vật liệu cắt, chất lượng vật liệu ............................................................................ 33
1.4. Công nghệ cắt bằng TNASC dưới nước ................................................................. 34

1.5. Kết luận...................................................................................................................... 35
CHƯƠNG II : THIẾT BỊ THÍ NGHIỆM ...................................................................... 36
CÔNG NGHỆ CẮT BẰNG TNASC DƯỚI NƯỚC ...................................................... 36
2.1. Chuyển động hạt mài trong hệ thống ống dẫn....................................................... 36
2.2. Hệ thống thiết bị thí nghiệm .................................................................................... 38
2.2.1. Thiết bị tạo áp .......................................................................................................... 39
2.2.2. Hệ thống trộn ........................................................................................................... 43
2.2.2.1. Bình trộn hạt mài có áp......................................................................................... 44
2.2.2.2. Bộ trộn .................................................................................................................. 49
2.2.3. Thiết bị gia công ...................................................................................................... 49
2.2.3.1. Buồng tạo áp suất.................................................................................................. 49
2.2.3.2. Gá cắt .................................................................................................................... 52
3.1. Chuẩn bị thiết bị thí nghiệm:.................................................................................... 56
3.1.1. Thiết bị tạo áp .......................................................................................................... 56
3.1.2.Thiết bị trộn: .............................................................................................................. 58
3.1.2.1 . Điều chỉnh lưu lượng hạt mài ............................................................................... 58
3.1.2.2. Chọn hạt mài ......................................................................................................... 60
3.1.2.3. Kiểm tra vòi phun ................................................................................................. 64
3.1.3. Hệ thống gia công ..................................................................................................... 65
3.1.3.1. Buồng tạo áp .......................................................................................................... 65
3.1.3.2. Gá cắt ..................................................................................................................... 65
3.2. Chuẩn bị mẫu ............................................................................................................. 66
3.3. Phương pháp đo , đánh giá kết quả ........................................................................ 67
3.4. Kết luận....................................................................................................................... 68
CHƯƠNG IV : KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ............................................................... 70
DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO......................................................................... 72

Lê Duy Nam

Trang 3

LUẬN VĂN THẠC SỸ KHOA HỌC

DANH MỤC CÁC BẢNG
 
(H1.1) Sơ đồ phân loại tia nước áp suất cao .......................................................................... 9
(H1.2) Bảng so sánh hoạt động của các loại tia nước ASC ................................................ 10
(H1.3) Sơ đồ nguyên lý gia công bằng tia nước áp suất cao ............................................... 11
(H1.4) Sản phẩm được tạo hình nhờ TNASC...................................................................... 13
Bảng 1.1. Ứng dụng công nghệ làm sạch và bóc tách bằng tia nước .................................. 15
(H1.5) Nguyên lý gia công bằng TNASC có trộn hạt mài .................................................. 17
(H1.7) Phương pháp trộn hạt mài không áp ........................................................................ 18
(H1.9) Các phương pháp tạo tia nước ASC trộn hạt mài có áp ........................................... 19
(H1.10) Các nguyên tắc trộn hạt mài dạng huyền phù vào dòng tia chính.......................... 21
(H1.13) Dòng tia và phân chia vận tốc dòng tia trong môi trường nước............................. 26
(H1.14) Dòng tia bị xâm thực .............................................................................................. 27
(H1.19) Ảnh hưởng của vận tốc cắt đến chiều sâu rãnh cắt ................................................ 32
(H2.1) Hình ảnh hạt mài trong ống dẫn ............................................................................... 37
(H2.2) Hệ thống thiết bị thí nghiệm..................................................................................... 39
(H2.3) Bơm cao áp hãng Hammelmann – CHLB Đức........................................................ 40
(H2.4) Bơm cao áp của Mỹ.................................................................................................. 40
(H2.5) Hệ thống trục khuỷu................................................................................................. 41
(H2.6) Đầu bơm ................................................................................................................... 42
(H2.7) Hệ thống gioăng không tiếp xúc .............................................................................. 43
(H2.8) Hệ thống trộn của thiết bị thí nghiệm....................................................................... 44
(H2.9) Bình nén trong phương pháp trộn hạt mài có áp ...................................................... 45
(H2.10) Dòng chuyển động của hạt mài khô trong bình chứa đáy phẳng ........................... 46
(H2.11) Vùng trạng thái hạt mài trong thùng chứa.............................................................. 47
(H2.12) Hạt mài tồn đọng trong thùng chứa đáy phẳng ...................................................... 48

(H2.13) Quan hệ giữa hệ số cản và góc hợp thành của bộ trộn ........................................... 49
(H2.14) Quan hệ tương ứng giữa độ sâu với áp suất môi trường. ....................................... 50
(H2.15) Kết cấu buồng tạo áp.............................................................................................. 51
(H2.18) Sơ đồ hệ truyền dẫn gá cắt ..................................................................................... 53
(H2.19) Đồng hồ điều chỉnh hướng và tốc độ cắt................................................................ 54

Lê Duy Nam

Trang 4


LUẬN VĂN THẠC SỸ KHOA HỌC
(H2.21) Hệ truyền chuyển động gá cắt ................................................................................ 55
(H2.22) Hệ truyền chuyển động gá cắt ................................................................................ 55
(H3.1) Tín hiệu đo của bộ đo tua bin cho lưu lượng dòng tổng ......................................... 56
(H3.2) Bộ chuyển đổi FFT phân tích tín hiệu đo................................................................. 57
(H3.3) Xác định tín hiệu đo qua tần số bơm cao áp ............................................................ 57
(H3.4) Sơ đồ đo lưu lượng hạt mài bằng cân định lượng .................................................... 59
(H3.5) Thí nghiệm kiểm tra lưu lượng hạt mài.................................................................... 60
(H3.6) Chiều sâu rãnh cắt đạt được với các loại hạt mài khác nhau ................................... 62
(H3.7) So sánh tuổi thọ vòi phun khi sử dụng các loại hạt mài........................................... 62
(H3.8) Kích thước vòi phun “Suspension” .......................................................................... 64
(H3.9) Ảnh hưởng của vòi phun đến chùm tia và vị trí bị mài mòn của vòi phun .............. 64
(H3.10) Đồng hồ đo áp suất buồng tạo áp ........................................................................... 65
Bảng 3.5 Thông số vật liệu .................................................................................................. 66
(H3.11) Mẫu thí nghiệm ...................................................................................................... 66
(H3.12) Hình dạng vết cắt trên mẫu thí nghiệm .................................................................. 67
(H3.13) Cách đo giá trị min, max của chiều sâu rãnh cắt.................................................... 68

Lê Duy Nam

Trang 5


LUẬN VĂN THẠC SỸ KHOA HỌC

MỞ ĐẦU
1. Lý do chọn đề tài

Từ bao đời nay con người đã biết khai thác năng lượng từ nước để phục vụ cho
sinh hoạt và đời sống như vận chuyển gỗ, cối giã gạo bằng sức nước để xây dựng
nhà máy phát điện, thủy lợi…Đặc biệt việc sử dụng dòng tia nước có áp suất đã
khởi sinh ra công nghệ tia nước áp lực cao. Từ năm 1932 Công nghệ tia nước áp
suất cao (TNASC) được bắt đầu ứng dụng trong các ngành khai thác đá, khai thác
than và đào hầm. Từ năm 1980 cùng với sự phát triển công nghệ gia công bằng tia
như tia Laser, tia lửa điện, tia Plasma, công nghệ tia nước áp suất cao đã chứng
minh được vị trí quan trọng không thể thay thế được trong nhiều ngành gia công.
Công nghệ tia nước áp suất cao được ứng dụng trên hai lĩnh vực chính là làm sạch
và cắt vật liệu.
2. Tính cấp thiết của đề tài

Trong lĩnh vực làm sạch, với ưu thế về môi trường và nguyên liệu sẵn có,
phương pháp làm sạch thông dụng trước đây như làm sạch vỏ tàu trước khi sơn
bằng phương pháp phun cát, xỉ, đồng gây ô nhiễm môi trường và nguồn nguyên liệu
đắt tiền. Trong lĩnh vực cắt vật liệu, nhờ những tính chất lý học như ít sinh nhiệt khi
gia công, không gây tia lửa điện, không làm thay đổi cấu trúc vật liệu gia công,
công nghệ tia nước áp suất cao đã trở thành phương pháp gia công không thể thay
thế được trong một số lĩnh vực công nghiệp như cắt phá bom, cắt dỡ bình chứa xăng
dầu, hóa chất có khả năng gây cháy nổ. Đặc biệt phương pháp cắt bằng TNASC còn
có thể gia công trong môi trường dưới mặt nước, nên đã được ứng dụng vào các

lĩnh vực như :
- Thay thế, sửa chữa chân giàn khoan ngoài biển
- Sửa chữa, tháo dỡ các chi tiết trong nhà máy điện hạt nhân
- Sửa chữa, tháo dỡ các công trình cầu cống, đập dưới nước
- Sửa chữa, tháo dỡ các đường cáp ngầm viễn thông và đường ống dẫn dưới
nước

Lê Duy Nam

Trang 6


LUẬN VĂN THẠC SỸ KHOA HỌC
Nhằm tìm hiểu thêm về công nghệ cắt kim loại bằng tia nước áp suất cao và xem
xét đánh giá các yếu tố ảnh hưởng, nâng cao năng suất, chất lượng và hạ giá thành
sản xuất, với sự giúp đỡ của PGS. TS Tăng Huy, Bộ môn Công nghệ chế tạo máy
– Viện cơ khí ĐHBK Hà Nội thì tác giả đã lựa chọn đề tài :
“Nghiên cứu phương pháp cắt kim loại bằng tia nước áp suất cao có trộn hạt
mài”
3. Đối tượng và phương pháp nghiên cứu

Không phải phương pháp gia công nào cũng đều thích nghi khi gia công dưới
mặt nước. Tại các độ sâu khác nhau, áp suất của môi trường tạo ra các điều kiện ảnh
hưởng đến quy trình gia công. Việc nghiên cứu các thông số ảnh hương đến quá
trình gia công dưới mặt nước giúp chúng ta ứng dụng công nghệ tia nước áp suất
cao dưới mặt nước có hiệu quả cao hơn. Đặc biệt với các tính chất ưu việt như
không sinh nhiệt, gây nổ, công nghệ TNASC đã trở thành công nghệ không thể thay
thế được trong gia công dưới mặt nước như cắt phá bể dầu, ống dẫn dầu, cắt bom
mìn, lò hạt nhân.
Các thông số ảnh hưởng chính trong gia công là thông số thiết bị như áp suất bơm,

lưu lượng, đường kính vòi phun, lượng hạt mài, loại hạt mà và thông số gia công
như vận tốc gia công, khoảng cách gia công, môi trường gia công, số lần gia công.
Tất cả các thông số ảnh hưởng trực tiếp nên chiều sâu rãnh cắt hoặc năng suất gia
công. Việc tính toán các thông số gia công cho từng trường hợp giúp chúng ta có
được hiệu suất gia công tối ưu, mang lại hiệu quả kinh tế cao nhất.
Mục đích của thí nghiệm là tìm hiểu được công nghệ cắt bằng tia nước áp suất cao
dưới mặt nước. Trong mỗi loại vật liệu thì ứng với mỗi độ sâu khác nhau dưới mặt
nước cho ta các thông số gia công vận tốc cắt, khoảng cách cắt, áp suất bơm và lưu
lượng hạt mài tối ưu nhất.
4. Ý nghĩa của đề tài

- Nghiên cứu công nghệ cắt bằng tia nước áp suất cao dưới mặt nước, khả năng
cắt và năng suất cắt trong từng thông số gia công

Lê Duy Nam

Trang 7


LUẬN VĂN THẠC SỸ KHOA HỌC
- Xác định ảnh hưởng của các thông số thiết bị, thông số công nghệ đến quá
trình cắt, qua đó đưa ra hàm tối ưu cho mỗi thông số gia công
- Nghiên cứu ảnh hưởng của độ sâu dưới nước đến các thông số gia công, qua đó
đưa ra quy trình tối ưu các thông số gia công tại mỗi độ sâu tương ứng
- Nghiên cứu quy trình trộn hạt mài dạng có áp suất để điều chỉnh chính xác lưu
lượng hạt mài và áp dụng trong gia công dưới mặt nước.
- Bước đi đầu tiên, đón đầu để triển khai công nghệ cắt bằng tia nước áp suất cao
dưới nước, theo phương pháp trộn hạt mài có áp
5. Cấu trúc luận văn

Nội dung luận văn được chia thành 4 chương, cuối luận văn là kết luận chung và
kiến nghị cho hướng nghiên cứu tiếp theo, cụ thể gồm :
+Phần mở đầu
+Chương 1 : Tổng quan về công nghệ tia nước áp suất cao
+Chương 2 : Thiết bị thí nghiệm cắt bằng tia nước áp suất cao dưới nước
+Chương 3 : Xây dựng mô hình thực nghiệm cắt bằng TNASC dưới nước
+Kết luận chung, kiến nghị hướng nghiên cứu tiếp theo
+Tài liệu tham khảo
+Phần phục lục

Lê Duy Nam

Trang 8


LUẬN VĂN THẠC SỸ KHOA HỌC

CHƯƠNG I : TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ
TIA NƯỚC ÁP SUẤT CAO
1.1. Công nghệ tia nước áp suất cao

Dựa trên nguyên lý tạo thành tia, tia nước áp suất cao (Waterjetting) được chia
thành hai loại tia : tia nước thuần khiết (Pure waterjet – WJ) và tia nước trộn hạt mài
(Abrasive waterjet – AWJ). Căn cứ theo phương pháp trộn, tia nước có trộn hạt mài
chia thanh 2 loại là tia nước trộn hạt mài không áp (Abrasive Water Suspension Jet
– AWSJ). Tia nước đó có trộn hạt mài có áp được tạo nên bởi 3 nguyên tắc chính là
bơm trực tiếp, bơm gián tiếp và nguyên lý “Bypass” (Hình 1.1)

Tia nước thuần khiết

Tia nước trộn hạt mài

(WJ)

(AWJ)

Tia nước trộn hạt mài
không áp (AWJ)

Tia nước trộn hạt mài
có áp (AWSJ)

Bơm

Bơm

Nguyên lý

trực tiếp

gián tiếp

“Bypass”

Hình 1.1 Sơ đồ phân loại tia nước áp suất cao

Trong hình (H1.2) ta có thể thấy được tính năng, công dụng của 3 loại tia nước
áp suất cao : tia nước thuần khiết, tia nước trộn hạt mài không áp và tia nước trộn
hạt mài có áp

Lê Duy Nam

Trang 9


LUẬN VĂN THẠC SỸ KHOA HỌC
Tia nước
thuần khiết

Tia nước trộn
hạt mài không áp

Tia nước trộn
hạt mài có áp

Nguyên lý
hoạt động

Tính năng
dụng cụ
Phản ứng
sinh nhiệt
Phương cắt
Cắt được mọi
vật liệu
Bề rộng rãnh
cắt
Chiều sâu
rãnh cắt đạt
được

Cắt, khoan, tiện, bóc tách, làm sạch
Không ảnh hưởng đến cấu trúc, tính chất lý học vật liệu
Phương gia công tren mọi hướng đều, sắc
Vật liệu mềm
Vật liệu bằng thép, Keramic
>0,1mm

>0,4mm

>0,3mm

VD : PVC 20mm

VD : Thép 120mm

VD : Thép 300mm

Dụng cụ nhỏ,
gọn, nhiều
tính năng
Thích nghi
với nhiều
môi trường
khác nhau
Lực gia công
nhỏ
Phạm vi
ảnh hưởng
gia công nhỏ

Vật liệu
tái sử dụng

Không khí, dưới nước, khu vực dễ cháy nổ

15N – 250N
Không cần kính hội tụ

Nước

Nước, hạt mài

(H1.2) Bảng so sánh hoạt động của các loại tia nước ASC

Lê Duy Nam

Trang 10


LUẬN VĂN THẠC SỸ KHOA HỌC
1.1.1. Tia nước áp suất cao thuần khiết

a. Nguyên lý gia công
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. 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 thuỷđộng lực học. Sơ đồ nguyên lý được thể hiện trên hình

(H1.3) Sơ đồ nguyên lý gia công bằng tia nước áp suất cao

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.
b. Các thông số công nghệ
Các thông số gia công quan trọng trong gia công bằng tia nước bao gồm :
khoảng cách gia công, đường kính lỗ vòi phun, áp suất nước và tốc độ cắt. Khoảng
cách gia công là khoảng cách giữa đầu vòi phun và bề mặt gia công. Thông thường

Lê Duy Nam

Trang 11


LUẬN VĂN THẠC SỸ KHOA HỌC
khoảng cách này là nhỏ để tia nước phân tán tới mức tối thiểu trước khi kịp đập vào
bề mặt.
Khoảng cách gia công điển hình là 3,2mm. Kích thước của lỗ vòi phun ảnh
hưởng đến độ chính xác của quá trình cắt lỗ vòi. Vòi phun nhỏ được sử dụng trên
những vật liệu mỏng. Đối với những vật liệu dày hơn thì cần có những tia phun dày
hơn và áp suất cao hơn. Tốc độ cắt thường vào khoảng từ 5 - 500 mm/s tùy theo độ
dày của chi tiết gia công. Phương pháp gia công tia nước thường được tự động hoá
bằng hệ thống CNC hay người máy công nghiệp. Phạm vi gia công : từ 1,6 - 305
mm với độ chính xác là ± 0,13 mm.
Bảng chiều dày cắt và tốc độ ăn dao khi cắt bằng nước

c. Ưu điểm và phạm vi ứng dụng.

Ưu 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 chất hóa học như cắt bằng hạt mài (AWJC).
+ Thích ứng với hệ thống CAD/CAM.

Lê Duy Nam

Trang 12


LUẬN VĂN THẠC SỸ KHOA HỌC
+ 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.
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. 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 sản phẩm. Khi đó người ta sử dụng dung dịch
chất lỏng là cồn, glyxêrin hoặc dầu ăn.

(H1.4) Sản phẩm được tạo hình nhờ TNASC

Lê Duy Nam

Trang 13


LUẬN VĂN THẠC SỸ KHOA HỌC

Công nghiệp

Ứng dụng

Hàng không

Tẩy mở, cao su và dầu thủy lực trên đường băng, khớp nối,
máy bay
Bụi quặng nhôm ở các máy cán, bộ lọc, nồi nấu, bể chứa,
hồ thu và rảnh thải
Rửa sạch và tẩy bám
Sơn và chất hàn khỏi thùng xe, bộ phận chuyển tải, máy,
lưới sắt và giá thông hơi
Xe bồn, thùng, sàn, tường, lò quay, nền lò, bộ tiền gia nhiệt
Bê tông, nhựa đường, xi măng hoặc aspholt trên các
phương tiện vận chuyển và máy móc, thiết bị, cốt liệu ở

đập, cầu thang, kênh, cống thoát, nước xi măng
Hóa chất từ các chùm ống, ống nồi hơi, bộ trao đổi nhiệt,
tec, ống, bồn, van, bộ hóa hơi, lò phản ứng và lò thiết bị,
tấm điện phân…
Sự bóc tách oxit kim loại, chất lưu bám, vật đúc, lò nấu và
dụng cụ khuấy, rót
Bùn, mỡ, nhựa đường, xi măng hoặc aspholt trên các
phương tiện vận chuyển và máy móc, nhựa đường và matit
trên bê tông, khe hở giãn nở, vật sơn, ống dây điện ngầm,
iột sơn cũ, và chuẩn bị rào chắn trước khi sơn
Làm sạch vật liệu và chi tiết, chuẩn bị bề mặt, làm sạch tấm
che, giá đỡ, vật liệu hình thành do bám dính.
Hà, sinh vật biển, tẩy sơn và gỉ trên thân tàu, sàn, boong
tàu, dằn tàu, khoang chứa, téc, nồi hơi và làm sạch dưới
nước các ống nền
Vảy cán, gì và tẩy mối hàn từ thùng mới, ống và téc, làm
sạch chi tiết, làm cùn cạnh sắc
Tổ máy lớn và làm sạch trước bảo dưỡng giảm chắn, lưỡi
vét, hệ thống chuyển tải
Cống và ống thoát, thiết bị vệ sinh và xe rác, bình chứa và
phục chế nhà, tường hỏng hoặc bị bào mòn.
Làm sạch trước, tẩy chất bẩn hoặc thiết bị trước khi bảo
dưỡng và bộ trao đổi nhiệt ống hình chữ U
Parafin và chất lưu bám thô trên nền và téc chứa, bùn
khoan và xi măng từ ống khoan, làm sạch đáy lỗ và thông

Nhôm
Ô tô
Máy móc
tự động

Xi măng
Xây dựng

Quá trình
hóa học
Xưởng đúc
Xa lộ

Chế tạo máy
Hàng hải

Luyện kim
Mỏ
Đô thị
Nhà máy
hạt nhân
Mỏ dầu

Lê Duy Nam

Trang 14


LUẬN VĂN THẠC SỸ KHOA HỌC

Hóa dầu
Dược phẩm
Bãi ống
Nhà máy điện
Bột giấy

và giấy
Đường sắt
Nhà máy
tinh luyện
(Kim loại)
Cao su
Nhà máy cưa
Cán thép
Chuẩn bị
bề mặt
Giếng nước

ống xoắn
Vảy và chất lưu bám trên các bộ trao đổi nhiệt, lò phản
ứng, tec, tháp làm mát, ống và thiết bị
Hóa chất ở nồi, ống, ống dẫn, máy trộn, bộ trao đổi nhiệt,
lò phản ứng, lọc và máy cô
Đánh gỉ trước khi sơn lại, làm sạch sơn và dầu ở mối ren,
bùn khoan và mảnh vụn trong lòng
Tro bay từ bộ tiền gia nhiệt, xỉ từ dầu đốt, xyclon, nồi hơi
và bộ siêu gia nhiệt
Dich đen, bột giấy hắc ín từ bộ trao đổi nhiệt, ống máy ép,
cuộn hút, kho, lớp nhạy sáng
Bồ tạt, thạch cao, xi măng, đã vôi ở các thùng, mỡ, xe tải
và goòng
Than cốc, vảy, cacbon và polymoe ở bộ trao đổi nhiệt, ống
dẫn, ống và té
Latex, mủ cao su, cặn nước ở thùng phản ứng, téc chứa,
chuyển tải, bộ trao đổi nhiệt, con lăn cao su, ống dẫn.
Lóc vỏ cây

Than cốc từ bộ trao đổi nhiệt, nồi hơi, lò nấu, máy rót và
thùng
Gỉ, sơn, vật đúc, phun cát ướt, phun hạt mài hòa tan
Lấy đi các bẩn bám và chất lắng đọng ở lưới, hộp sỏi hở.

Bảng 1.1. Ứng dụng công nghệ làm sạch và bóc tách bằng tia nước
1.1.2. Cắt bằng tia nước có hạt mài (AWJC)

a. Nguyên lý gia công :
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 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

Lê Duy Nam

Trang 15


LUẬN VĂN THẠC SỸ KHOA HỌC
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 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
Al2O3, SiO2 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 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 phương pháp gia công tia laser hay tia plasma nếu yêu cầu không có ảnh
hưởng nhiệt tại đường cắt vật liệu.

Lê Duy Nam

Trang 16


LUẬN VĂN THẠC SỸ KHOA HỌC

(H1.5) Nguyên lý gia công bằng TNASC có trộn hạt mài

(H1.6) Các phương pháp trộn hạt mài với TNASC

Lê Duy Nam

Trang 17


LUẬN VĂN THẠC SỸ KHOA HỌC
1.1.2.1 Tia nước có trộn hạt mài không áp dạng (Injektor)

Để tạo tia nước có áp suất cao có hạt mài theo phương pháp này phải cần có
khoảng trộn. Hạt mài khô được chứa trong thùng chứa và dẫn đến khoang trộn bằng
hệ thống định lượng qua vít tải, băng tải hoặc sàng rung. Hạt mài được tia nước hút
vào khoang trộn do chênh lệch áp và hòa chung cùng dòng tia nước, ở đây hạt mài
được tăng tốc cùng vận tốc của dòng nước và bắn ra ngoài sau khi đi qua ống dẫn
hội tụ (H1.5). Do lực hút hạt mài bởi chênh lệch áp nên độ dài của ống dẫn hạt mài
là giới hạn. Vì vậy trong phương pháp trộn hạt mài không áp người ta phải bố trí
thùng chứa hạt mài không quá xa với khoảng trộn. Để giảm tối thiểu sự mài mòn
trong ống hội tụ, người ta phải chỉnh độ đồng trục của vòi phun và ống hội tụ, đồng
thời độ đồng trục của ống hội tụ và trục của tia nước.

(H1.7) Phương pháp trộn hạt mài không áp

Do quá trình trộn hở, hạt mài được cấp liên tục từ đường dẫn nên tia AWIJ bao
gồm: nước, hạt mài và không khí. Trong phương pháp trộn hạt mài không áp, cấu
trúc của tia nước áp suất cao phụ thuộc vào các thông số : áp suất bơm, đương kính
dầu phun, chiều dài lăng kính, loại hạt mài và lưu lượng hạt mài.

Lê Duy Nam

Trang 18


LUẬN VĂN THẠC SỸ KHOA HỌC
1.1.2.2. Tia nước trộn hạt mài có dạng “huyền phù”

Trong phương pháp tia nước trộn hạt mài có áp (AWSJ) hạt mài đã được trộn
với nước trong bình nén và được tăng tốc cùng với áp suất dòng nước khi qua đầu
phun.

(H1.8) Phương pháp tạp hạt mài có áp dạng “Supension”

* Các phương pháp tạo TNASC trộn hạt mài có áp
Có 3 nguyên lý tạo ra tia nước trộn hạt mài có áp : bơm trực tiếp, bơm gián tiếp,
và nguyên lý thành nhánh “Bypass” (H1.7)

(H1.9) Các phương pháp tạo tia nước ASC trộn hạt mài có áp

Lê Duy Nam

Trang 19


LUẬN VĂN THẠC SỸ KHOA HỌC
Theo nguyên lý bơm trực tiếp, hạt mài được trộn lẫn cùng nước và bơm trực tiếp từ
bơm cao sáp ra vòi phun. Nguyên lý này lần đầu được áp dụng năm 1965 trong khi
cắt phá chân giàn khoan bằng thép dầy tới 25mm dưới mặt nước với áp suất bơm là
690 bar. Ngày nay nguyên lý này không được áp dụng nữa do tính mài mòn cao của
hạt mài trong quá trình bơm.
Với nguyên lý bơm gián tiếp, hạt mài được trộn với nước không áp thành dạng
huyền phù “Suspension”, dung dịch trộn hạt mài được đưa vào bình chứa và nén
trực tiếp bằng piston tới vòi phun. Nguyên lý này được thử nghiệm với áp suất
3790 bar tại Mỹ và được ứng dụng để khoan các đường ống dẫn dầu dưới biển. Tuy
nhiên nhược điểm của nguyên lý này là khả năng định lượng và phân phối đều hạt
mài trong dung dịch trộn, để khắc phục nhược điểm này, nhiều nghiên cứu còn đưa
thêm hạt Polyme vào trong dung dịch trộn để giảm khả năng mài mòn và định
lượng hạt mài.
Cách tạo ra tia WASJ thứ ba là nguyên lý nhánh “Bypass”. Hạt mài được trộn trong
thùng nén có áp và được nối với đường dẫn chính có áp qua nhánh chia “Bypass”.
Lượng dung dịch có hạt mài được trộn với dòng tia nước chính qua một van định

lượng, nguyên lý này hiện tại được sử dụng đến áp suất 2000 bar trong nghiên cứu.
Nguyên lý nhánh bắt được ứng dụng từ năm 1986, sau một năm đã được đăng ký
bản quyền và đặc biệt được phát triển nghiên cứu, ứng dụng ở Châu Âu (nguyên lý
DIAJET, SICURJET – Anh..) và Châu Á. Ưu điểm của nguyên lý này là có thể điều
chỉnh định lượng hạt mài trong dung dịch huyền phù tương đối chính xác, qua đó
chất lượng khi gia công ổng định, hiệu suất cao hơn.

Lê Duy Nam

Trang 20


LUẬN VĂN THẠC SỸ KHOA HỌC

(H1.10) Các nguyên tắc trộn hạt mài dạng huyền phù vào dòng tia chính

Trong nguyên lý trộn “Bypass” một số thí nghiệm có trộn thêm hạt Polyme để giảm
mài mòn của hạt mài, tăng tuổi thọ của vòi phun, tăng chất lượng bề mặt gia công vì
vật việc ứng dụng tia nước áp suất cao cũng được đưa vào trong gia công tinh chế
hàng thủ công mỹ nghệ đòi hỏi chất lượng bề mặt cao.
1.1.2.3. So sánh tính năng giữa hai phương pháp trộn hạt mài

Phương pháp trộn hạt mài không áp
(Abrasive Water Injecttion Jet-AWIJ)

Phương pháp trộn hạt mài có áp
(Abrasive Water Suspension Jet-

Hạt mài được tia nước hút vào +

+

AWSJ)
Hạt mài đã được trộn với

khoang trộn do chênh lệch áp và bắn ra

nước trong bình nén và được tăng

ngoài sau khi đi qua ốg dẫn hội tụ (hạt

tốc cùng với áp suất trong dòng

mài được tăng tốc sau đầu phun)

nước khi qua đầu phun.

Lê Duy Nam

Trang 21


LUẬN VĂN THẠC SỸ KHOA HỌC
Do quá trình trộn hở, hạt mài +

+

Thành phần tia AWSJ chỉ

được cấp liên tục từ đường dẫn nên tia

gồm có nước 95% và hạt mài

AWIJ bao gồm : nước chiếm khoảng

khoảng 5%, đó cũng là nguyên

3,6%, hạt mài khoảng 4%, và không khí

nhân chính dẫn đến hiệu suất

khoảng 94%
+

+

Khoảng cách ống dẫn từ bình

xa vòi phun (đến 6000m)

chứa hạt mài đến đầu trộn là giới hạn +
(không quá 20m)
+

hạt mài được cấp hở từ ngoài vào

bình nén
+

Chiểu sâu cắt thấp hơn so với

phương pháp AWSJ

Lê Duy Nam

Quá trình gia công không
liên tục vì phải trộn nước trong

Quá trình gia công liên tục do

+

Bình nén có thể nằm cách

Trang 22

Chiều sâu cắt cao hơn


LUẬN VĂN THẠC SỸ KHOA HỌC

Nước
„ Hạt mài

Nước

Khí

„ Hạt mài

(H1.11) So sánh tính chất chung giữa hai phương pháp trộn hạt mài

Lê Duy Nam

Trang 23


LUẬN VĂN THẠC SỸ KHOA HỌC

 

1.2. Công nghệ cắt bằng tia nước áp suất cao dưới mặt nước
1.2.1. Sự hình thành TNASC trong không khí

Tia nước áp suất cao là một dòng tia có vận tốc cực lớn được tạo ra khi nước
được đẩy qua một vòi phun có tiết diện nhỏ dưới áp suất rất cao. Có thể gọi là tia
nước vận tốc cao, vì tốc độ là thông số chính của dòng tia
Tia nước áp suất cao ra khỏi đầu phun được chia thành 3 vùng chính : vùng tia
liên tục, vùng tạo giọt và vùng hòa sương. Tại phạm vi bắt đầu của vùng liên tục, áp
suất động bằng hằng số theo hướng dòng chảy. Nó tạo ra một tia xoáy toàn bộ, đặc
chắc. Sau dòng xoáy, xuất hiện các thành phần vận tốc vuông góc với hướng luồng
chính. Tiết diện của “ống tia” thay đổi theo từng vị trí. Do có ma sát với môi trường
xung quanh và sự khử áp của các phần tử khí trong dòng tia làm cho kích cỡ của tia
tăng lên. Khoảng cách từ đầu vòi phun càng tăng lên thì tia càng mở rộng ra.
Để có thể nhìn thấy cấu trúc của tia, đường phân lớp của tia được biểu diễn ở
H1.11. Tại vùng liên tục, tốc độ của tia bằng hằng số theo chiều dọc trục. Ở đây
50% của tia nước được tách ra thành giọt và những “quả cầu chất lỏng”. Tại vùng
tạo giọt, những “quả cầu chất lỏng” tiếp tục tách ra thành những giọt nhỏ. Tốc độ
dọc sẽ giảm dần và giảm mạnh ở phạm vi hóa sương. Tia sẽ tiếp tục bắn ra xa và tạo
ra trạng thái cuối cùng là hóa sương (tốc độ coi như bằng 0).
Kích thước của phạm vi ban đầu : XC = 73÷135Do, Do-đường kính đầu phun.

Chiều dài vùng liên tục (ở đó tốc độ dọc trục không đổi) : Xb = 3,55XC. Tác động
phá hủy của tia thay đổi theo hướng dọc trục cũng như hướng kính. Bề mặt của chi
tiết nhận một tác động gần như tĩnh bởi lõi của tia ngay sau đầu phun, chỉ có xung
động của áp suất bơm tác động lên bề mặt là sự tham gia động học. Xung quanh
phạm vi ban đầu tia có một tác động động học qua việc tạo thành giọt. Khi khoảng
cách phun lớn dần, tác động gần như tĩnh chuyển sang tác dộng hoàn toàn động.

Lê Duy Nam

Trang 24