Các phương pháp gia công tiên tiến

NguyÔn v¨n TuÊn, vò ngäc pi, nguyÔn v¨n hïng

C¸c ph−¬ng ph¸p gia c«ng tiªn tiÕn

Hμ néi, 2008



Mục lục
Lời nói đầu .............................................................................................................................................................1
GIới thiệu ...............................................................................................................................................................3
Chơng 1

Gia công bằng dòng hạt mi ..........................................................................................................9

1.1

Giới thiệu................................................................................................................9

1.2

Hệ thống gia công ....................................................................................................9

1.3

Các thông số của quá trình gia công ........................................................................... 10

1.3.1

Khí ...................................................................................................................... 10

1.3.2

Hạt mi ................................................................................................................ 10

1.3.3

Vòi phun .............................................................................................................. 11

1.3.4

Lu lợng dòng hạt mi ........................................................................................... 12

1.3.5

Khoảng cách từ đầu vòi phun đến chi tiết gia công ........................................................ 13

1.3.6

Tốc độ bóc tách vật liệu ........................................................................................... 14

1.4

u nhợc điểm v phạm vi ứng dụng .......................................................................... 15

1.4.1

u nhợc điểm....................................................................................................... 15

1.4.2

Phạm vi ứng dụng................................................................................................... 16

Chơng2

Giacôngbằngtianớcv tia nớc có hạt mi .............................................................................................17

2.1

Giới thiệu.............................................................................................................. 17

2.2

Hệ thống gia công .................................................................................................. 18

2.3

Các thông số của quá trình gia công ........................................................................... 23

2.4

u nhợc điểm v phạm vi ứng dụng ......................................................................... 26

2.4.1

Ưu nhợc điểm ...................................................................................................... 26

2.4.2

Phạm vi ứng dụng................................................................................................... 27

Chơng 3

Gia công bằng siêu âm.................................................................................................................29

3.1

Giới thiệu.............................................................................................................. 29

3.2

Hệ thống gia công .................................................................................................. 30

3.2.1

Bộ chuyển đổi từ giảo.............................................................................................. 31

3.2.2

Bộ khuyếch đại cơ khí ............................................................................................. 33

3.2.3

Dụng cụ................................................................................................................ 34

3.2.4

Chất mi nhão........................................................................................................ 34

3.3

Cơ chế bóc tách vật liệu ........................................................................................... 35

3.4

Các thông số ảnh hởng đến tốc độ bóc tách vật liệu ..................................................... 37

3.4.1

ảnh hởng của dao động của dụng cụ ........................................................................ 37

3.4.2

ảnh hởng của hình dáng của dụng cụ ....................................................................... 38

3.4.3

ảnh hởng của lực tĩnh tác dụng lên dụng cụ ............................................................... 38

3.4.4

ảnh hởng của kích thớc hạt mi ............................................................................. 39

3.4.5

ảnh hởng của độ cứng phôi - dụng cụ ....................................................................... 39

3.5

u nhợc điểm v phạm vi ứng dụng .......................................................................... 39

i


3.5.1

u nhợc điểm....................................................................................................... 39

3.5.2

Phạm vi ứng dụng................................................................................................... 40

Chơng 4

Gia công xung điện ......................................................................................................................49

4.1

Giới thiệu.............................................................................................................. 49

4.2

Hệ thống gia công .................................................................................................. 50

4.2.1

Bộ tạo xung: .......................................................................................................... 50

4.2.2

Cơ cấu servo: ......................................................................................................... 51

4.2.3

Điện cực ............................................................................................................... 51

4.2.4

Dung dịch điện môi ................................................................................................ 56

4.3

Cơ chế bóc tách vật liệu ........................................................................................... 58

4.4

Tốc độ bóc tách vật liệu .......................................................................................... 62

4.5

Bề mặt gia công bằng xung điện ................................................................................ 63

4.6

Độ chính xác gia công ............................................................................................. 64

4.7

u nhợc điểm ...................................................................................................... 65

4.8

Các ứng dụng của gia công tia lửa điện ....................................................................... 66

4.8.1

Cắt dây tia lửa điện ................................................................................................. 66

4.8.2

Ca tia lửa điện ...................................................................................................... 68

4.8.3

Gia công mặt cầu.................................................................................................... 68

Chơng 5

Gia công bằng tia laser ................................................................................................................69

5.1

Giới thiệu.............................................................................................................. 69

5.2

Hệ thống gia công laze ............................................................................................ 69

5.3

Cơ chế bóc tách vật liệu ........................................................................................... 71

5.4

u nhợc điểm của gia công laser .............................................................................. 72

5.5

ứng dụng của gia công laze ...................................................................................... 73

5.5.1

Khoan laser ........................................................................................................... 73

5.5.2

Cắt bằng laser ........................................................................................................ 75

5.5.3

Khắc laser............................................................................................................. 77

5.5.4

Sửa đá mi bằng laser.............................................................................................. 78

Chơng 6

Gia công bằng chùm tia điện tử ...................................................................................................79

6.1

Giới thiệu.............................................................................................................. 79

6.2

Hệ thống gia công bằng chùm tia điện tử..................................................................... 79

6.3

Các thông số của quá trình gia công bằng chùm tia điện tử ............................................. 81

6.4

u nhợc điểm của quá trình gia công bằng chùm tia điện tử .......................................... 82

6.5

ứng dụng của gia công bằng chùm tia điện tử............................................................... 83

Chơng 7

Gia công bằng plasma..................................................................................................................85

7.1

Giới thiệu.............................................................................................................. 85

7.2

Hệ thống gia công bằng plasma................................................................................. 85

7.2.1

Gia công bằng hồ quang plasma ................................................................................ 86

ii


7.2.2

Gia công bằng tia plasma ......................................................................................... 86

7.2.3

Gia công plasma có bảo vệ ....................................................................................... 87

7.3

Các thông số của quá trình gia công bằng plasma.......................................................... 88

7.4

u nhợc điểm v phạm vi ứng dụng .......................................................................... 90

7.4.1

Ưu nhợc điểm ...................................................................................................... 90

7.4.2

Phạm vi ứng dụng................................................................................................... 91

Chơng 8

Gia công điện hoá ........................................................................................................................95

8.1

Giới thiệu.............................................................................................................. 95

8.2

Hệ thống gia công điện hoá ...................................................................................... 95

8.2.1

Nguyên lý gia công điện hoá..................................................................................... 95

8.2.2

Thiết bị gia công điện hoá ........................................................................................ 96

8.3

Các thông số của quá trình gia công điện hoá ............................................................... 97

8.3.1

Tốc độ bóc tách vật liệu ........................................................................................... 97

8.3.2

Độ chính xác gia công ............................................................................................. 98

8.3.3

Chất lợng bề mặt .................................................................................................. 99

8.4

u nhợc điểm v phạm vi ứng dụng ........................................................................ 100

8.4.1

Ưu nhợc điểm .................................................................................................... 100

8.4.2

Phạm vi sử dụng................................................................................................... 101

Chơng 9

Mi điện hoá ..............................................................................................................................103

9.1

Giới thiệu............................................................................................................ 103

9.2

Các thông số của quá trình mi điện hoá ................................................................... 108

9.2.1

Tốc độ bóc tách vật liệu ......................................................................................... 108

9.2.2

Chất lợng bề mặt gia công .................................................................................... 109

9.2.3

Độ chính xác gia công ........................................................................................... 111

9.3

u nhợc điểm của quá trình mi điện hoá ................................................................ 112

9.4

ứng dụng của mi điện hoá .................................................................................... 112

Chơng 10

Gia công điện phân qua ống hình ..............................................................................................115

10.1

Giới thiệu............................................................................................................ 115

10.2

Hệ thống gia công điện phân qua ống hình ................................................................ 115

10.3

Các thông số của quá trình gia công điện phân qua ống hình ......................................... 118

10.4

u nhợc điểm của gia công điện phân qua ống hình ................................................... 118

10.5

ứng dụng của gia công điện phân qua ống hình .......................................................... 120

Chơng 11

Phay hoá.....................................................................................................................................123

11.1

Giới thiệu............................................................................................................ 123

11.2

Quá trình phay hoá ............................................................................................... 123

11.3

Các thông số của quá trình phay hoá ........................................................................ 124

11.4

u nhợc điểm..................................................................................................... 126

11.5

Phạm vi ứng dụng................................................................................................. 128

iii


Ch−¬ng 12

Gia c«ng quang ho¸ ...................................................................................................................131

12.1

Giíi thiÖu............................................................................................................ 131

12.2

Qu¸ tr×nh gia c«ng quang ho¸ ................................................................................. 131

12.3

−u nh−îc ®iÓm..................................................................................................... 132

12.4

Ph¹m vi øng dông................................................................................................. 133

Ch−¬ng 13

§¸nh bãng ®iÖn ho¸ ...................................................................................................................135

13.1

Giíi thiÖu............................................................................................................ 135

13.2

Qu¸ tr×nh ®¸nh bãng ®iÖn ho¸ ................................................................................. 135

13.3

C¸c th«ng sè cña qu¸ tr×nh ®¸nh bãng ®iÖn ho¸ .......................................................... 137

13.4

−u nh−îc ®iÓm..................................................................................................... 138

13.5

Ph¹m vi øng dông................................................................................................. 139

Tμi liÖu tham kh¶o................................................................................................................. 141

iv

LờI NóI đầu

Sự phát triển của khoa học kỹ thuật gắn liền với sự ra đời của các vật liệu
mới m chúng có các u điểm nổi bật nh độ bền, độ cứng cao, chịu
nhiệt, chịu mi mòn tốt, chịu đợc các loại hoá chất vv Những đặc
điểm quý báu kể trên l lý do để các loại vật liệu mới đợc sử dụng ngy
cng rộng rãi trong các ngnh công nghiệp cũng nh trong dân dụng. Tuy
nhiên, các đặc điểm ny của vật liệu mới cũng lm cho chúng trở nên rất
khó hoặc thậm chí không thể gia công khi sử dụng các phơng pháp gia
công truyền thống nh tiện, phay, mi vv.. Vì lý do đó, bên cạnh việc
nghiên cứu nâng cao hiệu quả gia công của các phơng pháp gia công
truyền thống, các nh khoa học đã tập trung nghiên cứu ứng dụng các
thnh tựu khoa học về cơ học, điện tử, hoá học cũng nh của các ngnh
khoa học khác để tìm ra các phơng pháp gia công hiệu quả các vật liệu
mới. Các phơng pháp gia công mới ny đợc gọi l các phơng pháp gia
công tiên tiến hay các phơng pháp gia công không truyền thống.
Ti liệu ny đợc biên soạn để phục vụ việc học tập v giảng dạy cho học
viên cao học ngnh Cơ khí tại trờng Đại học Kỹ thuật Công nghiệp Thái
nguyên. Ngoi mục đích giảng dạy, ti liệu nhằm cung cấp cho kỹ s, cán
bộ kỹ thuật ngnh cơ khí cũng nh các ngnh khác những kiến thức cơ
bản về các phơng pháp gia công tiên tiến.
Ti liệu ny gồm 13 chơng v đợc chia lm bốn phần chính, bao gồm:
-Phần I: Các phơng pháp gia công cơ;
-Phần II: Các phơng pháp gia công nhiệt;
1


-Phần III: Các phơng pháp gia công điện;

-Phần IV: Các phơng pháp gia công hoá.
Chúng tôi mong nhận đợc các ý kiến đóng góp của bạn đọc cho cuốn
sách ny. Mọi ý kiến xin gửi về Khoa Cơ khí Trờng Đại học Kỹ thuật
Công nghiệp Thái nguyên, Đờng 3/2 Thnh phố Thái nguyên.

Các tác giả

2


GIới thiệu

Trong thực tế, mỗi bề mặt gia công nh mặt phẳng, mặt trụ, mặt cầu, mặt
ren có thể đợc tạo nên bởi nhiều phơng pháp gia công khác nhau.
Gia công có thể phân ra gia công có phoi (tiện, phay, bo vv) hoặc gia
công không phoi (nong, ép, dập vv). Gia công có thể phân ra gia công
thô, gia công bán tinh hoặc tinh tuỳ theo mức độ chính xác yêu cầu. Bên
cạnh đó, các phơng pháp gia công còn đợc phân ra thnh các phơng
pháp gia công truyền thống v gia công không truyền thống.
Các phơng pháp gia công truyền thống l các phơng pháp gia công sử
dụng các dụng cụ có độ cứng cao hơn độ cứng của chi tiết gia công (hay
phôi) để bóc tách vật liệu [1]. Thêm vo đó, ở gia công truyền thống, để
tạo hình bề mặt cần có một quan hệ thích hợp giữa chuyển động của dụng
cụ v chi tiết gia công. Các phơng pháp gia công truyền thống bao gồm
tiện, phay, bo, khoan, doa, các phơng pháp mi (mi tròn trong v
ngoi, mi khôn, mi nghiền), các phơng pháp cắt răng (phay lăn
răng, xọc răng) vv
Sự phát triển không ngừng v nhanh chóng của kỹ thuật vật liệu nhằm
đáp ứng yêu cầu ngy cng cao của các máy móc, thiết bị hiện đại đã tạo
nên nhiều loại vật liệu mới nh polymer có độ bền cao, composite

carbide, composite ceramics vv... Các loại vật liệu mới ny có các thuộc
tính cơ học, hoá học v nhiệt học rất tốt nh độ cứng cao, độ chịu nhiệt
cao vv... Tuy nhiên, nhiều loại vật liệu mới l rất khó hoặc không thể gia
công đợc với các phơng pháp gia công truyền thống. Để đáp ứng nhu
3


cầu gia công hiệu quả các vật liệu mới ny, các phơng pháp gia công
không truyền thống đã ra đời v phát triển.
Tuỳ theo dạng năng lợng đợc sử dụng, các phơng pháp gia công
không truyền thống đợc phân thnh 4 nhóm: cơ khí, nhiệt, điện v hoá
[2]. Bảng 0.1 liệt kê các phơng pháp thuộc một trong các lĩnh vực trên.
Bảng 0.1: Các phơng pháp gia công không truyền thống
Cơ khí
Gia công bằng tia
hạt mi
Gia công bằng tia
nớc
Gia công bằng tia
nớc có hạt mi
Gia công bằng
siêu âm

Nhiệt
Gia công xung
điện
Gia công bằng
chùm tia điện tử
Gia công laze

Điện
Gia công điện hoá

Hoá
Phay hoá

Mi điện hoá

Gia
công
quang hoá
Gia công điện Đánh bóng
phân qua ống hình điện hoá

Gia công bằng
tia plasma

-Các phơng pháp cơ khí: Các dạng gia công của phơng pháp ny (gia
công bằng tia hạt mi, gia công bằng tia nớc có hạt mi) sử dụng trực
tiếp tác động cơ học của các hạt mi để bóc tách vật liệu. Các phơng
pháp cơ khí thờng đợc áp dụng với các vật liệu khó gia công bằng các
kỹ thuật truyền thống do độ cứng, độ độ bền hay tính giòn của chúng cao.
Các loại gốm, composit hay vật liệu hữu cơ l những loại đặc biệt thích
hợp cho các phơng pháp gia công ny vì phần lớn các vật liệu ny không
dẫn điện (một yêu cầu bắt buộc để có thể gia công bằng điện) v chúng
có thể bị phá huỷ khi bị cháy, hoá than hay nứt gãy khi gia công bằng
nhiệt.
-Các phơng pháp nhiệt : các thiết bị gia công bằng phơng pháp nhiệt
có thể coi l đợc a chuộng nhất trong thị trờng thiết bị gia công không
4

truyền thống. Các phơng pháp nhiệt nói chung l không bị ảnh hởng
bởi các tính chất vật lý của vật liệu bị gia công do đó chúng thờng đợc
áp dụng cho các vật liệu đặc biệt cứng hoặc mềm. Vì cơ chế bóc tách vật
liệu l cơ chế nhiệt nên cần chú ý l chi tiết gia công có thể bị ảnh hởng
vì nhiệt.
-Các phơng pháp điện : sử dụng khi gia công các vật liệu dẫn điện.
Các vật liệu khó gia công bằng các phơng pháp thông thờng chiếm tỷ
lệ lớn trong việc áp dụng phơng pháp ny. Tuy nhiên có khá nhiều các
phơng pháp có thể lựa chọn vì khả năng của các phơng pháp theo
nguyên lý điện trong việc tạo ra các bề mặt phức tạp chỉ trong một lần
chạy dao của dụng cụ v không bị mòn dụng cụ (ngoại trừ các rung động
mi điện) khi gia công các chi tiết.
-Các phơng pháp hoá : thích hợp với sản xuất hng khối v loạt lớn.
Gia công bằng phơng pháp hoá đợc sử dụng rộng rãi để sản xuất hiệu
quả các sản phẩm loạt lớn nh lò xo, lá thép của môtơ điện vv... Do vật
liệu đợc bóc tách bằng phản ứng hoá học nên không có lực tác động lên
chi tiết. Điều ny cho phép gia công chi tiết m không gây biến dạng hay
bị phá huỷ. Thêm vo đó, vì quá trình gia công xẩy ra đồng thời trên tất
cả các mặt của chi tiết nên hiệu quả của quá trình sản xuất đặc biệt cao,
thậm chí cao hơn so với phơng pháp sản xuất sản lợng lớn nh dập hay
đột.
Có thể thấy rõ rng l tơng lai của các phơng gia công không truyền
thống l sự phát triển không ngừng. Mặc dù các phơng gia công không
truyền thống có thể không bao giờ thay thế các phơng pháp cổ truyền
đang đợc sử dụng trong công nghiệp, các phơng pháp mới hơn đảm
bảo vai trò quan trọng ngy cng tăng bởi khả năng phát triển chắc chắn
5

của chúng v bởi các hiệu quả đem lại của điều khiển bằng máy tính, điều
khiển thích nghi v lập trình theo phơng pháp dạy học [2].
So sánh với các phơng pháp thông thờng, các phơng gia công không
truyền thống có khả năng gia công có thể coi l vô hạn ngoại trừ một
nhợc điểm l tốc độ bóc tách vật liệu thấp [2]. Hiện nay, các phơng
pháp thông thờng có tốc độ bóc tách vật liệu lớn. Tuy nhiên, tốc độ gia
công của các phơng gia công không truyền thống đã đợc tăng lên trong
những năm gần đây v có nhiều lý do để tin rằng xu hớng ny còn tiếp
tục. Điều ny sẽ lm tăng khả năng cạnh tranh của phơng pháp gia công
không truyền thống v mở rộng phạm vi ứng dụng của chúng.

6


PHầN I
CáC PHƯƠNG PHáP GIA CÔNG cơ

7


8


Chơng 1 GIA CÔNG BằNG dòng HạT MI

1.1

Giới thiệu

Gia công bằng dòng hạt mi l một quá trình bóc vật liệu khỏi chi tiết gia
công bằng việc sử dụng một dòng khí tốc độ cao có mang các hạt mi.
Trong phơng pháp ny, vật liệu đợc bóc tách nhờ sự va chạm của hạt
mi trực tiếp lên bề mặt phôi. Phơng pháp gia công bằng dòng hạt mi
khác phơng pháp phun cát thông thờng ở chỗ nó sử dụng các hạt mi
có kích thớc nhỏ hơn (10 đến 50 m) [2]. Bên cạnh đó, quá trình gia
công đợc điều khiển chính xác hơn.
1.2

Hệ thống gia công

Hình 1.1 Sơ đồ hệ thống gia công bằng dòng hạt mi [2]

Hình 1.1 mô tả sơ đồ của hệ thống gia công bằng dòng hạt mi. Trong hệ
thống ny, khí sau khi đi qua hệ thống lọc sẽ đợc dẫn vo một buồng
trộn để trộn với hạt mi (đợc cung cấp bởi bộ phận cấp hạt mi). Buồng
trộn đợc rung với tần số 50 Hz bởi bộ tạo rung với mục đích để hạt mi
trộn đều với dòng khí. Sau khi ra khỏi buồng trộn, dòng khí v hạt mi sẽ
9


đợc phun qua một vòi phun với vận tốc khoảng 150 đến 300 m/s.
1.3

Các thông số của quá trình gia công

Các thông số cơ bản của quá trình gia công bằng dòng hạt mi gồm có
khí, hạt mi, vận tốc dòng khí, vòi phun, khoảng cách từ đầu vòi phun
đến chi tiết gia công,
1.3.1

Khí

Khí dùng trong gia công bằng dòng hạt mi phải đảm bảo không bị bốc
cháy khi đi qua vòi phun ra ngoi không khí. Thêm vo đó, khí phải đảm
bảo không độc hại, dễ kiếm, rẻ tiền, v dễ sấy khô v lọc. Không khí, nitơ v CO2 đều có thể dùng cho loại gia công ny, trong đó không khí
đợc dùng phổ biến hơn cả.
1.3.2

Hạt mi

Có nhiều loại hạt mi có thể dùng cho loại gia công ny, ví dụ nh ô xít
nhôm, silicon carbide, Zirgrit, sodium bicarbonate, glass beads vv Việc
lựa chọn loại hạt mi no tuỳ thuộc vo dạng gia công (cắt, đánh bóng,
gia công thô hay tinh vv..), vật liệu gia công v giá thnh. Để cắt vật liệu
thờng sử dụng ô xít nhôm (Al2O3), silicon carbide (SiC) hoặc Zirgrit. Để
đánh bóng, khắc vv.. thờng dùng sodium bicarbonate, glass beads.
Kích thớc của hạt mi phổ biến nhất từ 10 đến 50 micro [2]. Kích thớc
của hạt mi có ảnh hởng đến tốc độ bóc tách vật liệu (Hình 1.2). Hạt có
kích thớc lớn có khả năng bóc tách vật liệu cao nên đợc dùng để cắt v
khắc. Các hạt kích thớc nhỏ có khả năng bóc tách vật liệu thấp, nhng
lại cho độ nhẵn bề mặt cao hơn hạt to nên thờng dùng đễ lm sạch v
đánh bóng. Hình 1.3 cho thấy ảnh chụp qua kính hiển vi điện tử (SEM)
10


các loại hạt mi khác nhau dùng trong gia công bằng dòng hạt mi.

Hình 1.2 Quan hệ giữa lu lợng hạt mi v tốc độ bóc tách vật liệu với các kích
thớc hạt mi khác nhau [2]

1.3.3

Vòi phun

Theo tiết diện mặt cắt ngang vòi phun phân ra loại có tiết diện tròn v loại
có tiết diện hình chữ nhật. Vòi phun tiết diện hình chữ nhật (vòi phun
Laval) có tốc độ bóc tách vật liệu cao hơn loại tiết diện chữ nhật khoảng
40%. Thêm vo đó, vòi phun chữ nhật cho chất lợng cắ đều hơn vòi tròn.
Tuy nhiên loại vòi tiết diện chữ nhật giá thnh cao hơn do khó chế tạo.
Vật liệu vòi phun có thể l cácbit vonfram, cácbit silic, cácbit bo hoặc
saphia. Vòi phun bằng saphia bền nhng rất đắt hơn v chỉ có loại tiết
diện hình tròn. Đầu phun bằng cácbit vonfram có thể có lỗ tròn hay chữ
nhật. Đầu phun tròn có đờng kính từ 0,13 ữ 12 mm. Các đầu phun chữ
nhật có kích thớc từ 0,8 x 0,50 đến 0,15 x 3,8 mm [2]. Tuổi bền của vòi
phun phụ thuộc vo vật liệu hạt mi v áp suất lm việc. Tuổi bền của đâù
phun cácbit vonfram từ 8 đến 15 giờ khi dùng hạt cácbit silic v 20 giờ
11


với ôxit nhôm. Đầu phun sa phia có tuổi thọ trung bình l 300 giờ.

Hình 1.3: ảnh SEM các loại hạt mi khác nhau [4]

1.3.4

Lu lợng dòng hạt mi

Để đạt hiệu quả cắt cao, dòng hạt mi với lu lợng 10 đến 20 gam/phút
thờng hay dùng. Khi gia công tinh, lu lợng thờng lấy từ 3 đến 5

gam/phút.
Thực tế cho thấy có một lu lợng dòng hạt mi tối u để đạt tốc độ bóc
12


tách vật liệu cao nhất (Hình 1.2). Giá trị tối u ny phụ thuộc vo nhiều
thông số nh kích thớc hạt mi, áp suất phun, đờng kính vòi phun. Cho
đến nay cha có phơng pháp hiệu quả để xác định giá trị tối u của lu
lợng hạt mi.
1.3.5

Khoảng cách từ đầu vòi phun đến chi tiết gia công

Hình 1.4: Cấu trúc của dòng khí [4]

Khoảng cách giữa đầu vòi phun v chi tiết gia công có ảnh hởng đến quá
trình gia công bằng dòng hạt mi. Có thể thấy rõ điều đó qua cấu trúc của
dòng không khí khi đi qua vòi phun (Hình 1.4). Dòng không khí có hai
vùng phân biệt: vùng nhân v vùng chính [4]. ở vùng nhân, vận tốc trung
bình của khí l xấp xỉ nhau còn ở vùng chính vận tốc phân bố theo hình
chuông (Hình 1.4). Khi ra khỏi đầu phun, dòng không khí có dạng hình
trụ chỉ ở một khoảng cách rất ngắn (khoảng 1,6 mm) tính từ đầu vòi
phun. ở khoảng cách lớn hơn, dòng khí có dạng côn với góc đỉnh

J = 12,50 150 [4].
Khoảng cách đầu phun ảnh hởng đến năng suất bóc tách vật liệu. Hình
1.5 cho thấy quan hệ giữa khoảng cách từ đầu vòi phun đến chi tiết gia
công với tốc độ bóc tách vật liệu. Trên thực tế, quá trình cắt hiệu quả
13

nhất xẩy ra khi khoảng cách đầu vòi phun đến chi tiết gia công từ 7 đến
13 mm khi cắt hoặc lm sạch. Khi đánh bóng chi tiết có thể lấy khoảng
cách ny từ 13 đến 75 mm [2].

Hình 1.5: Quan hệ giữa khoảng cách từ vòi phun đến chi tiết gia công v tốc độ
bóc tách vật liệu

1.3.6

Tốc độ bóc tách vật liệu

Tốc độ bóc tách vật liệu khi gia công bằng dòng hạt mi có thể xác định
theo công thức sau [3]:

Qvl = K N d v
3
a

3/ 2

a


12 c

3/ 4

(1.1)

Trong đó:
K-hằng số;
N- số hạt mi bắn phá chi tiết gia công/đơn vị diện tích;
d a -đờng kính trung bình của hạt mi ( m );
14


a - khối lợng riêng của hạt mi (kg/mm3);
c -giới hạn chẩy của vật liệu (N/mm2).
Khi gia công thuỷ tinh, tốc độ bóc tách vật liệu có thể lấy 16,4 mm3/phút.
Khi gia công ceramics, tốc độ bóc tách vật liệu cao hơn 50% so với gia
công thuỷ tinh. Khi gia công kim loại, tốc độ ny lấy từ 1,6 đến 4,1
mm3/phút [1].

1.4
1.4.1

u nhợc điểm v phạm vi ứng dụng
u nhợc điểm

Gia công bằng dòng hạt mi có các u điểm sau:
- Dòng khí lm giảm nhiệt sinh ra trong quá trình gia công, nên đặc biệt
thích hợp với cắt các vật liệu nhạy với nhiệt;
- Tải trọng truyền vo phôi nhỏ cho phép cắt các vật liệu giòn;
- Đầu phun có thể hớng trực tiếp vo các vùng nhỏ khó tiếp cận;
- Có thể gia công vật liệu tấm mỏng;
- Công suất cắt nhỏ, tiết kiệm năng lợng gia công;
- Giá thnh của hệ thống gia công thấp.
Bên cạnh các u điểm, phơng pháp ny cũng có một vi nhợc điểm
sau:

- Tốc độ bóc tách vật liệu thấp;

15


- Bề mặt gia công bị cắt không đều;
- Các hạt mi có thể bị găm vo bề mặt gia công.
- Khi gia công sâu rãnh hoặc lỗ cắt bị vát quá nhiều.
1.4.2

Phạm vi ứng dụng

Gia công bằng dòng hạt mi đợc sử dụng khá hiệu quả cho các ứng dụng
sau:
- Lm sạch các bề mặt với chất lợng cao;
- Khoan v cắt những phần nhỏ của kính, gốm hay kim loại đã tôi cứng;
- Khắc nhiều hình lên các chi tiết bằng nhựa hay kim loại;
- Tạo hình trang trí trên kính;
- Cắt bavia, xén v lm sạch các linh kiện điện tử.

16


Chơng 2 GIA CÔNG BằNG tia nớc v tia nớc có hạt mi

2.1

Giới thiệu

Gia công bằng tia nớc v tia nớc có hạt mi l một phơng pháp gia

công không truyền thống đợc phát triển gần đây. Tia nớc đợc sử dụng
lần đầu vo công việc khai khoáng ở Liên xô cũ v Niu Di-lân [5]. Ngời
ta sử dụng nó để bóc đất đá v đa chúng vo các kênh dẫn.
Từ 1853 đến 1886, tia nớc áp lực cao đã đợc sử dụng để đo quặng
vng. Vo năm 1936, Peter Tupitsyn đã đề xuất ý tởng dùng tia nớc áp
lực cao để tạo các lỗ trong các vỉa than đá [6].
Trong những năm 1950, tiến sỹ lâm nghiệp Norman Franz l ngời đầu
tiên nghiên cứu việc dùng tia nớc để cắt gỗ [7]. Tuy nhiên, bằng phát
minh đầu tiên về hệ thống gia công bằng tia nớc đã thuộc về nhóm
nghiên cứu của Công ty Gia công Mc. Cartney - l một bộ phận của
Ingersoll-Rand Corp. [8].
Năm 1979. tiến sỹ Mohamed Hashish - lm việc cho Flow International
Cooperation - đã phát minh ra gia công bằng tia nớc có hạt mi bằng
cách trộn hạt mi vo tia nớc áp lực cao [7]. Ngay sau đó, năm 1980, tia
nớc có hạt mi đã đợc sử dụng để cắt thuỷ tinh, thép, bê tông [7].
Việc phát minh ra tia nớc có hạt mi đã tạo nên một loạt các ứng dụng
của gia công bằng tia nớc áp lực cao. Kể từ đó, tia nớc có hạt mi đã
đợc sử dụng rộng rãi trong các ngnh công nghiệp để cắt các loại vật
liệu tấm, để lm sạch, đánh bóng vv
17


2.2

Hệ thống gia công
Bộ tích áp

Nớc áp
suất cao

Vòi tăng tốc

Buồng trộn

Bộ khuyếch
đại
Hạt mi
Lọc nớc

Động cơ
Hệ thống
tạo áp

Bơm thuỷ
lực

Van điều
khiển

Vòi phun
Đồng nớc
vo
Hệ thống lọc
nớc

Đầu cắt

Hình 2.1 Sơ đồ hệ thống gia công bằng tia nớc có hạt mi [16]

Có hai loại gia công sử dụng tia nớc: tia nớc v tia nớc có hạt mi.

Trong gia công bằng tia nớc, chỉ có tia nớc áp suet cao đợc sử dụng để
cắt vật liệu. Loại ny dùng để cắt các vật liệu mềm nh các-tông, da, vải,
nhựa, thực phẩm hoặc cắt lá nhôm mỏng. Trong gia công bằng tia nớc
có hạt mi, các hạt mi đợc trộn với tia nớc vận tốc cao trong buồng
trộn (Hình 2.1). Các hạt mi đợc gia tốc bởi tia nớc v sau đó đợc
phun ra khỏi vòi phun cùng tia nớc tạo thnh tia nớc có hạt mi vận tốc
cao. Tia nớc có hạt mi dùng để cắt các vật liệu cứng nh thép không gỉ,
gốm, titan, vật liệu composite vv
Một hệ thống gia công bằng tia nớc có hạt mi điển hình gồm bốn phần
cơ bản (Hình 2.1): hệ thống lọc nớc, hệ thống tạo áp, đầu cắt v hệ
thống cấp hạt mi (Hệ thống gia công bằng tia nớc chỉ khác hệ thống gia
công bằng tia nớc có hạt mi l không có hệ thống cấp hạt mi v đầu
18


cắt có cấu tạo khác). Cấu tạo cụ thể của các bộ phận của hệ thống ny
nh sau:



Hệ thống lọc nớc:

Hệ thống lọc nớc dùng để cung cấp nớc tinh khiết cho hệ thống tạo áp.
Các hạt có kích thớc lớn hơn 1 . phải đợc loại bỏ để tránh mòn cho các
chi tiết trong hệ thống tạo áp [9].



Hệ thống tạo áp:

Hệ thống ny có bơm tạo áp suất cao v ổn định. Có ba kiểu bơm bao
gồm bơm khuyếch đại, bơm trục khuỷu v bơm trực tiếp.

Hình 2.2 Bơm trực tiếp (hình của Flow International Cooperation)

Bơm trực tiếp (hình 2.2) đợc dùng cho các trờng hợp áp suất thấp nh
để lm sạch, rửa máy móc, chỗ lm việc vv
Bơm piston (hình 2.3) đợc dùng khi áp suất lên tới 600 MPa. Trong loại
bơm ny, một xi lanh tác dụng kép đợc dẫn động bởi hệ thống thuỷ lực.
19