Nguyên lý tạo hình bề mặt chi tiết khi gia công bằng tia nước có hạt mài kết hợp với phương pháp ăn mòn điện cực Anot

NGHIÊN CỨU KHOA HỌC
NGUYÊN LÝ TẠO HÌNH BỀ MẶT CHI TIẾT KHI GIA CÔNG BẰNG
TIA NƯỚC CÓ HẠT MÀI KẾT HỢP VỚI PHƯƠNG PHÁP
ĂN MÒN ĐIỆN CỰC ANOT
THE PRINCIPLE OF SURFACE FORMING BY WATERJET
METHOD COMBINED WITH THE METHOD OF
ELECTROCHEMICAL CORROSION ANODE
Nguyễn Văn Toàn1, Bacherikov Ivan Viktorovich2
Email:
Trường Đại học Sao Đỏ, Việt Nam
2
Trường Đại học Tổng hợp Kỹ thuật Lâm nghiệp Xanh Petecbua - LB Nga
1

Ngày nhận bài: 4/12/2017
Ngày nhận bài sửa sau phản biện: 26/12/2017
Ngày chấp nhận đăng: 28/12/2017

Tóm tắt
Trong giai đoạn hiện nay, việc nghiên cứu và phát triển phương pháp gia công kết hợp giữa phương pháp
gia công tia nước có hạt mài và phương pháp ăn mòn điện cực anot đã được nhiều công trình nghiên cứu
chứng minh tính khả dụng của nó trong việc nâng cao chất lượng bề mặt khi gia công bằng tia nước có hạt
mài. Tuy nhiên, tới nay việc áp dụng phương pháp gia công này để gia công các chi tiết có hình dạng phức
tạp, đảm bảo dung sai hình dáng hình học của chi tiết còn hạn chế do chưa có phần mềm lập trình và điều
khiển trên máy CNC chuyên dùng. Nghiên cứu này nhằm phân tích các chuyển động tương đối giữa phôi và
tia cắt cần điều khiển, từ đó hỗ trợ việc xây dựng và áp dụng các sản phẩm phần mềm lập trình vào điều
khiển quá trình gia công trên máy CNC.
Từ khóa: Gia công bằng tia nước; ăn mòn điện cực; nguyên lý tạo hình; tia cắt; hình dáng hình học.
Abstract
In the recent, the research and development of the method of processing combined with the method
of waterjet and the method of electrochemical corrosion anode are proven with the feasible in the

improvement of the surface after processing by waterjet. However, the application of synthetic method
processing to work the parts that have complex shapes, ensuring the accurate geometric because
of short of programming and controlled on specialized CNC machines. This study aims to analyze
the relative motion between the workpiece and the ray cutting that facilitating the development and
application of programmed software products to control the machining process on CNC machines.
Keywords: Waterjet cutting; electrode corrosion; forming principle; ray cutting; geometric shape.
1. ĐẶT VẤN ĐỀ
Một trong những phương pháp triển vọng để cắt
kim loại là phương pháp gia công bằng tia nước
áp suất cao. Phương pháp này cho phép cắt mọi
vật liệu với chiều dày cắt lớn và biên dạng phức
tạp - trong quá trình gia công không có sự phát
sinh nhiệt cắt và các yếu tố độc hại ảnh hưởng
đến người lao động và môi trường. Để tăng khả
năng cắt bằng tia nước áp suất cao người ta cho
thêm vào tia nước những hạt mài [1]. Các loại vật

Tuy nhiên, hiện tượng thường xảy ra trong quá
trình gia công làm hạn chế khả năng áp dụng của
phương pháp này đó là có sự tồn tại của hạt mài
trên bề mặt chi tiết gia công [2]. Phương pháp
truyền thống để loại bỏ hạt mài trên bề mặt rất
tốn kém và không hiệu quả [3]. Một trong những
phương pháp hiệu quả để loại bỏ hạt mài trên bề
mặt chi tiết và nâng cao chất lượng bề mặt gia
công là sử dụng phối hợp phương pháp gia công
bằng tia nước áp suất cao và phương pháp hòa
tan lớp bề mặt anot [5]. Để nâng cao độ chính

liệu hạt mài thường được sử dụng là Al2O3, SiO2

xác về hình dáng hình học của chi tiết sau khi gia

và garnet.

công, đặc biệt là các chi tiết có biên dạng phức tạp

48 Tạp chí Nghiên cứu khoa học - Đại học Sao Đỏ, ISSN 1859-4190 Số 4(59).2017


LIÊN NGÀNH CƠ KHÍ - ĐỘNG LỰC
thì việc xác định nguyên lý tạo hình bề mặt chi tiết
gia công, từ đó xây dựng phần mềm điều khiển
trên máy CNC là cần thiết.
2. SƠ ĐỒ GIA CÔNG ĐIỆN HÓA CÓ SỰ THAM
GIA CỦA CÁC HẠT DẪN ĐIỆN
Kết quả nghiên cứu trong tài liệu [6] đã chứng minh
hiệu quả của các hạt mang điện khi gia công điện
hóa bằng phương pháp phun. Kết quả nghiên cứu
này đã chỉ ra rằng các hạt mang điện trong quá
trình gia công có tính chất giống như trong điện
môi hay chất dẫn. Điều khiển quá trình như vậy mở
ra khả năng thiết kế các công nghệ tổng hợp mới
với năng lực công nghệ cao.
Trong sơ đồ Hình 1, áp lực P đưa hỗn hợp chất
điện phân 2 và hạt tích điện 3 qua vòi phun 1
đến bề mặt gia công 4. Lượng vật liệu cắt bỏ phụ
thuộc vào chế độ gia công (áp lực P, độ hạt, tính
dẫn điện của hạt), tính chất của môi trường làm
việc, thời gian phun và tốc độ di chuyển của dòng

hỗn hợp dọc theo bề mặt chi tiết gia công.

Trong sơ đồ hình 2, hạt mài 1 bị loại bỏ trong quá
trình hòa tan và bong ra của lớp kim loại trên bề
mặt phôi 2 nhờ điện trường 3 và hạt dẫn điện 4
(được đưa vào từ vòi phun với tốc độ trên bề mặt
phân cách v).
Trong quá trình anot bị hòa tan lớp bề mặt, sự
gắn kết của hạt mài với bề măt phôi giảm xuống
và nó sẽ bị loại bỏ dưới tác dụng của lực F tác
động lên hạt mài dưới dòng tia nước có áp
lực cao.
Chế độ cắt kim loại bằng phương pháp gia công
hỗn hợp bao gồm: áp lực của môi trường làm
việc tại miệng vòi phun, nguồn điện áp, tốc độ di
chuyển của đầu phun dọc theo đường cắt.
Để nâng cao hiệu suất và chất lượng bề mặt gia
công, áp lực của môi trường làm việc tại miệng
phun được lựa chọn theo tài liệu [3]. Tốc độ di
chuyển của đầu phun dọc theo đường cắt phụ
thuộc vào sự kết hợp của hai phương pháp: gia
công bằng tia nước và ăn mòn điện hóa. Để xác
định được tổng giá trị dịch chuyển của đầu phun
dọc theo đường cắt cần phải so sánh giá trị tốc độ
được tính toán dọc theo đường cắt của đầu phun
vc, đảm bảo loại bỏ được hạt mài ra khỏi bề mặt
phôi thông qua thời gian t, lượng dư cần loại bỏ
z và đường kính của đầu phun dc theo công thức

vc = d c .t .cd

(1)

trong đó:
Hình 1. Sơ đồ gia công điện hóa với các hạt
nằm trong điện trường: 1 - vòi phun; 2 - môi trường
làm việc; 3 - hạt mang điện tích; 4 - bề mặt
chi tiết gia công
3. CƠ CHẾ LOẠI BỎ HẠT MÀI KHI GIA CÔNG
BẰNG PHƯƠNG PHÁP HỖN HỢP

Cd: hệ số thay đổi diện tích tiếp xúc giữa tia dung
dịch gia công có hạt mang điện với bề mặt chi tiết
so với đường kính của vòi phun dc, đường kính vòi
phun được lựa chọn phụ thuộc vào chiều rộng cắt.
Thời gian t có thể xác định theo công thức (2) [4]


(2)

trong đó:
z: lượng dư nhỏ nhất cần hòa tan để loại bỏ được
hạt mài khỏi bề mặt phôi;
: trọng lượng riêng của vật liệu cần cắt;
α: điện hóa tương đương;

Hình 2. Cơ chế loại bỏ hạt mài
nhờ hòa tan anot

η: dòng điện sinh ra;
KM: sai số trung bình;
U: điện áp trên các điện cực;
DU: điện áp rơi;
b: mật độ hạt;
: tính dẫn điện riêng của dung dịch và
hạt mài.

Tạp chí Nghiên cứu khoa học - Đại học Sao Đỏ, ISSN 1859-4190 Số 4(59).2017 49


NGHIÊN CỨU KHOA HỌC
Lượng dư (z) có thể xác định được khi giải hệ
phương trình:

Hình 3. Sơ đồ dịch chuyển của tia cắt trên bề mặt
chi tiết gia công: m - điểm tiếp xúc với phần gia

trong đó:
: áp lực chất lỏng tại miệng vòi phun;
,

ρ:

mật độ của tia cắt và môi trường

tương ứng;
, V : tốc độ của tia cắt dọc theo trục và tại
miệng vòi phun;

R: đường kính qui đổi của hạt;
h1: kích thước phần nhô ra của hạt mài khỏi bề
mặt phôi;

bF : hệ số (sai số đặc tính trung bình);
aF : hệ số (phụ thuộc vào đặc tính của lực tác

động (F) tác dụng lên phần tự do của hạt mài
(h1+z)).

Phương trình thứ nhất trong hệ phương trình (3)
là phương trình xác định lực tác dụng lên hạt mài
bị mắc kẹt trên bề mặt phôi thông qua áp lực của
dung dịch chứa hạt mang điện [4].
Phương trình thứ hai trong hệ phương trình (3) là
phương trình thực nghiệm và được xác định tùy
theo từng trường hợp cụ thể [5].
4. NGUYÊN LÝ TẠO HÌNH BỀ MẶT CHI TIẾT
KHI ÁP DỤNG PHƯƠNG PHÁP GIA CÔNG
HỖN HỢP
Trong quá trình gia công bằng phương pháp tổng
hợp, việc hình thành biên dạng của bề mặt gia
công phụ thuộc vào quỹ đạo tương đối giữa tia cắt
chứa hạt mang điện và bề mặt phôi.

công; M - đầu vòi phun; L-L, B-B - đường sinh
của bề mặt gia công; N, П, N1 - các mặt phẳng
trong vùng gia công
Trên hình 3 cho biết sơ đồ dịch chuyển của tia cắt
so với bề mặt chi tiết gia công và hình dạng của

vùng gia công.
Bề mặt gia công A được gia công với sự dịch
chuyển của tia cắt qua điểm M và quỹ đạo L-L, tạo
thành một đường cắt.
Chuyển động cắt xảy ra nhờ sự dịch chuyển của
bề mặt A, ban đầu theo quỹ đạo L-L, sau đó theo
quỹ đạo B-B.
Mặt cắt dọc N đi qua điểm m với mặt pháp tuyến
N1 (vuông góc với mặt N tại tiếp điểm), tạo ra vectơ
tia cắt mM. Rõ ràng rằng với bất kì hình dáng hình
học của bề mặt gia công A, điểm tiếp xúc của tia
cắt m luôn luôn nằm trên pháp tuyến mM và nằm
trên giao tuyến giữa mặt N và N1.
Trong hệ trục tọa độ Đề các, trục X là chuyển
động dọc của tia cắt (theo quỹ đạo L-L), trục Y
theo phương nằm ngang (theo quỹ đạo B-B), trục
Z theo phương của vectơ mM (hình 4).
Chuyển động của bề mặt gia công được thực
hiện gồm:
- Góc quay tương đối của trục X với góc kiểm soát
dα
trong đó: α là góc quay tương đối của trục X
dt
so với quỹ đạo L-L tại tiếp điểm m; t là thời gian.

50 Tạp chí Nghiên cứu khoa học - Đại học Sao Đỏ, ISSN 1859-4190 Số 4(59).2017


LIÊN NGÀNH CƠ KHÍ - ĐỘNG LỰC
Tương tự: Góc quay tương đối theo phương y-y:

- Đường dịch chuyển thẳng:

dx d y dz
;
;
dt dt dt

dθ
dt

Nếu điều khiển được tất cả các chuyển động trên
theo thời gian, chúng ta thể gia công được các bề
mặt với biên dạng rất phức tạp.
Khi tia cắt dịch chuyển theo quỹ đạo L-L
(hình 3) cần đảm bảo rằng số lượng các thông số
cần kiểm soát là nhỏ nhất.
Nếu chi tiết có độ xoắn không đáng kể thì có thể
để cho từng đường cắt của tia cắt dịch chuyển
dθ
đảm bảo chất lượng kiểm soát các thông số:
,
dt
d
d x dθ d z
d
;
,
hay d z , x (góc quay của chi tiết α
dt
dt dt dt

dt dt
được thực hiện ở cuối đường cắt tại vị trí thay đổi
tiếp điểm tại vị trí chuyển giao giữa hai đường cắt
liền kề).

Nếu độ xoắn của chi tiết là đáng kể thì phải bổ sung
dα cho từng đường cắt (trừ đường chuyển tiếp).
dt

Động học của tiếp điểm m được xác định thông
qua phương trình:

  
V0= V1 + V2
trong đó:


V0 : vận tốc tuyệt đối;

V1 : vận tốc chuyển động xiên;

V2 : vận tốc chuyển động chuyển tiếp.

Từ việc xác định được các giá trị vận độ tuyệt đối
của điểm tiếp giáp giữa tia cắt và bề mặt gia công,
thông qua các chuyển động tương đối thành phần
trên từng đoạn của quỹ đạo gia công. Cho phép
xây dựng chương trình tự động hóa gia công làm
sạch bề mặt bằng phương pháp hỗn hợp. Chuyển
động của vectơ chứa trục của tia cắt phải đảm

∧
bảo điều kiện biên dưới dạng: v mM → Π
0

2

Trong đó:

mM : vectơ đơn vị của tia cắt trên quỹ đạo dịch
chuyển;
∧

v0 mM : góc giữa vectơ

v0 và mM .

Để nhận được sai số nhỏ nhất khi gia công làm
sạch, thông số vị trí của tia cắt đối với chuyển động
tuyệt đối của chi tiết gia công cần dần đến
5. KẾT LUẬN
Hình 4. Sơ đồ tính toán khoảng cách từ vòi phun
đến điểm tiếp xúc của tia cắt với bề mặt chi tiết
gia công: x, y, z - hệ trục tọa độ cố định; x1, y1, z1 hệ trục tọa độ di động; R, r - vectơ bán kính
tại điểm M và m

tích trên bề mặt chi tiết gia công trong quá trình gia
công bằng phương pháp hỗn hợp.
- Nghiên cứu đã chỉ ra các chuyển động để tạo
hình cho toàn bộ bề mặt trong quá trình gia công
làm sạch.

Đường cắt chuyển tiếp:

của chi tiết gia công cần dần đến

dt

t

d
≠ 0; α ≠ 0

t

dt

2

- Xác định nguyên lý hình thành từng phần diện

Khi đó, quy luật tổng quát để điều khiển các đường
cắt có thể viết như sau:
d
d
d
d
Đường cắt thứ nhất: α = 0 ; θ = 0; x ≠ 0 ; z ≠ 0
dt
d
d

d
t

dy

π.

- Xác định mối quan hệ giữa vị trí của tia cắt và
chuyển động tuyệt đối của chi tiết gia công (thông
số vị trí của tia cắt đối với chuyển động tuyệt đối

π
).
2

d
d
d
Đường cắt tiếp theo: dα = 0 ; θ = 0; x ≠ 0 ; z ≠ 0
d
d
t
t
dt
dt

- Nghiên cứu cho phép xây dựng và áp dụng các

Chương trình điều khiển được lặp lại cho tới khi
gia công hết bề mặt chi tiết gia công.

phương pháp gia công tổng hợp bằng tia nước

…

phần mềm lập trình và điều khiển quá trình gia
công trên máy CNC, mở rộng phạm vi áp dụng
với các bề mặt phức tạp.

Tạp chí Nghiên cứu khoa học - Đại học Sao Đỏ, ISSN 1859-4190 Số 4(59).2017 51


NGHIÊN CỨU KHOA HỌC
TÀI LIỆU THAM KHẢO
[1]. Burnashov M.A. Determination of the cutting
force for cutting the decking of the material with
an aqueous high-pressure jet // Vestnik of the
Bryansk State Technical University, 2008, - No 4
- P. 17-20.
[2]. Smolentsev V.P. Formation of the Surface Layer
under Hydroabrasive Separation of Metals with the
Imposition of an Electric Field, V.P. Smolentsev,
E.V. Goncharov // Vestnik VSTU, 2011, volume7,
No 7 - P.74-77
[3]. Electrophysical and electrochemical methods of
processing: В2-х т. Т1 / Ed. V.P. Smolentsev - M:
Higher Education, 1983. 247 p.

[4]. Yunusov F.S. Forming of complex profile surfaces
by grinding / FS. Yunusov. M: Mechanical

engineering. 1987-248 p.
[5]. Smolentsev V.P. Combined separation of blanks
by the hydroabrasive method / V.P. Smolentsev.
E.V. Goncharov, V.I. Kotukov // Progressive
engineering technologies, equipment and tools.
Moscow: Spectrum, 2014. T. 3.-P.118-172.
[6]. Smolentsev E.V. Conduction effect of granule
media and its use in combined dimensional
processing / E.V. Smolentsev // High technology
in engineering, 2012. No 1 - P. 29-31.
[7]. GS. TSKH. Bành Tiến Long, TS. Bùi Ngọc Tuyên
(2012 ). Lý thuyết tạo hình bề mặt và ứng dụng
trong kỹ thuật cơ khí, NXB Giáo dục.

52 Tạp chí Nghiên cứu khoa học - Đại học Sao Đỏ, ISSN 1859-4190 Số 4(59).2017