Nghiên cứu khả năng tái sử dụng hạt mài supreme garnet sau khi gia công bằng tia nước có hạt mài

..

BỘ GIÁO DỤC ĐÀO TẠO
ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
TRƢỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP
…………..……………

LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT
NGÀNH : CÔNG NGHỆ CHẾ TẠO MÁY

Tên đề tài: Nghiên cứu khả năng tái sử dụng hạt mài Supreme garnet sau khi
gia cơng bằng tia nước có hạt mài

Hƣớng dẫn khoa học: TS. Vũ Ngọc Pi

Thái nguyên 11-2011
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN




BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
TRƢỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP
--------------------000-------------------

THUYẾT MINH LUẬN VĂN THẠC SỸ
KỸ THUẬT
Chuyên ngành: Công nghệ chế tạo máy

Đề tài: “Nghiên cứu khả năng tái sử dụng hạt mài Supreme garnet sau

khi gia cơng bằng tia nước có hạt mài”

Học viên
Lớp
Chun ngành

KHOA ĐÀO TẠO SAU ĐẠI HỌC

: Vũ Hồng Khiêm
: Cao học K12 - CNCTM
: Công nghệ chế tạo máy

NGƢỜI HƢỚNG DẪN KHOA HỌC

TS. Vũ Ngọc Pi
DUYỆT BGH

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN

HỌC VIÊN

Vũ Hồng Khiêm




Luận văn thạc sĩ kỹ thuật

Chuyên ngành CK CTM

Lời cảm ơn
Xin được bày tỏ lòng biết ơn chân thành tới thầy giáo TS Vũ Ngọc Pi
(Trường đại học Kỹ thuật Cơng nghiệp) người đã tận tình hướng dẫn tơi trong
suốt quá trình thực hiện đề tài. Xin chân thành cảm ơn ban giám đốc cùng tập
thể cán bộ giáo viên, giảng viên Trung tâm thí nghiệm, Trường đại học Kỹ thuật
Công nghiệp đã tạo điều kiện tốt nhất cho tôi trong quá trình học tập và thực
hiện đề tài. Xin gửi lời cảm ơn đến các kỹ thuật viên thuộc trung tâm CTANARIME, Viện nghiên cứu Cơ khí Bộ Cơng Thương, Công ty cổ phần Phúc Sinh
(Cầu diễn, Từ liêm, Hà nội), trường Cao đẳng Kinh tế - Kỹ thuật. Luận văn này
là một phần trong Luận án của nghiên cứu sinh Trần Quốc Hùng. Tôi xin chân
thành cảm ơn NCS Trần Quốc Hùng, người đã giúp đỡ tôi trong q trình làm
thí nghiệm. Tơi cũng xin cảm ơn những đóng góp ý kiến quý báu của các bạn
đồng nghiệp, sự động viên của gia đình đã giúp cho tơi hoàn thành luận văn
này.
Tuy nhiên với khả năng nhận thức và trình độ hiểu biết cịn nhiều hạn
chế, thời gian có hạn, nên luận văn này chắc hẳn cịn nhiều thiếu sót. Rất mong
được sự đóng góp ý kiến của các thầy giáo, cô giáo và các bạn bè đồng nghiệp
để tơi tiến bộ hơn, hồn thiện hơn trong việc nghiên cứu khoa học sau này.

Thái Nguyên, tháng 11/2011

Vũ Hồng Khiêm
Học viên:Vũ Hồng Khiêm
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN

1

Trường ĐH KTCN – ĐHTN

Luận văn thạc sĩ kỹ thuật

Chuyên ngành CK CTM

Mục Lục
Lời cảm ơn ................................................................................................... 1
Danh mục các ký hiệu, chƣ̃ viết tắt ....................................................................... 4
Danh mục các hình ................................................................................................ 5
Danh mục các bảng ............................................................................................... 7
CHƢƠNG 1.

GIỚI THIỆU .............................................................................. 8

1.1.

Lịch sử phát triển ................................................................................... 8

1.2.

Hệ thống công nghệ ............................................................................. 11

1.2.1.

Hệ thống cấp nƣớc ........................................................................ 12

1.2.3.

Đƣờng ống cao áp ......................................................................... 14

1.2.4.

Đầu cắt........................................................................................... 15

1.2.5.

Hệ thống cấp hạt mài..................................................................... 17

1.2.6.

Hệ thống điều khiển chuyển động ................................................. 18

1.2.7.

Bể chƣ́a nƣớc và dập năng lƣợng .................................................. 19

1.3.

Các tham số q trình .......................................................................... 20

1.4.

Ƣu nhƣợc điểm của gia cơng bằng tia nƣớc hạt mài ........................... 20

1.5.

Kết luận chƣơng 1 ............................................................................... 22

CHƢƠNG 2.
2.1.

TỔNG QUAN .......................................................................... 24

Hạt mài sử dụng trong AWJ ................................................................ 24

Đặc điểm chung của hạt mài sử dụng trong công nghệ AWJ ..................... 25
2.2.

Thực trạng nghiên cứu về sự vỡ của hạt mài trong quá trình cắt ........ 30

2.3.

Thực trạng nghiên cứu về tái chế hạt mài ........................................... 34

2.4.

Kết luận chƣơng 2 ............................................................................... 37

CHƢƠNG 3.
3.1.

TÁI CHẾ HẠT MÀI SUPREME GARNET ............................. 39

Khả năng tái chế của hạt mài Supreme Garnet ................................... 39

Học viên:Vũ Hồng Khiêm
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN

2

Trường ĐH KTCN – ĐHTN

Luận văn thạc sĩ kỹ thuật

Chuyên ngành CK CTM

3.1.1.

Thiết lập các thơng số thí nghiệm ................................................. 40

3.1.2.

Thiết bị thí nghiệm và dụng cụ đo, kiểm tra. ................................ 40

3.1.3.

Vật liệu thí nghiệm ........................................................................ 42

3.1.4.

Quy trình thu hồi và tái chế hạt mài .............................................. 43

3.1.5.

Kết quả và nhận xét ....................................................................... 45

3.2.

Khả năng cắt của hạt mài tái chế ......................................................... 48

3.2.1.

Thí nghiệm .................................................................................... 48

3.2.2.

Kết quả và nhận xét ....................................................................... 51

3.3.

Chất lƣợng cắt của hạt mài tái chế ...................................................... 51

3.3.1.

Thí nghiệm .................................................................................... 52

3.3.2.

Kết quả và nhận xét ....................................................................... 52

3.4.

Kết luận chƣơng 3 ............................................................................... 54

CHƢƠNG 4.

KẾT LUẬN VÀ HƢỚNG NGHIÊN CỨU TIẾP THEO.......... 56

4.1.

Kết luận................................................................................................ 56

4.2.

Hƣớng nghiên cứu tiếp ........................................................................ 56

TÀI LIỆU THAM KHẢO ................................................................................... 58
Phụ lục A:

................................................................................................... 61

Phụ lục B: ...................................................................................................... 62
Phụ lục C:

.................................................................................................... 63

Phụ lục D:

.................................................................................................... 65

Học viên:Vũ Hồng Khiêm
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN

3

Trường ĐH KTCN – ĐHTN

Luận văn thạc sĩ kỹ thuật

Chuyên ngành CK CTM

Danh mục các ký hiệu, chƣ̃ viết tắt
STT

Ký hiệu

Ý nghĩa

1

TNASC

Tia nƣớc áp suất cao

2

ASC

Áp suất cao

3

AWJ

Abrasive water jet

4

WJC

Water Jet Cutting

Học viên:Vũ Hồng Khiêm
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN

4

Ghi chú

Trường ĐH KTCN – ĐHTN



Luận văn thạc sĩ kỹ thuật

Chuyên ngành CK CTM

Danh mục các hình
STT

Tên các hình

Trang

Hình 1.1.

Sơ đồ nguyên lý hệ thống gia cơng bằng tia nƣớc có hạt mài

12

Hình 1.2.

Hệ thống bơm cấp nƣớc của hãng Flow [2]

13

Hình 1.3.

Bơm khuếch đại [3]

14

Hình 1.4.

Hệ thống bơm khuếch đại áp [4]

15

Hình 1.5.

Sơ đồ nguyên lý đầu cắt

16

Hình 1.6.

Sơ đồ đầu cắt và quỹ đạo chuyển động của hạt mài

17

Hình 1.7.

Hệ thống cấp và điều chỉnh lƣu lƣợng hạt mài [29]

19

Hình 1.8.

Các hƣớng di chuyển của đầu cắt

19

Hình 1.9.

Một số kết cấu của bể chứa nƣớc và dập năng lƣợng

20

Hình 2.1.

Hình ảnh 3D các loại hạt mài thƣờng gặp

26

Hình 2.2.

Quy đổi kích thƣớc của hạt mài [8]

26

Hình 2.3.

Cơ chế phá vỡ của hạt mài [11]

30

Hình 2.4.

Hạt GMA # 80 mới (a), hạt GMA tái chế vịng 1 (> 90μm) (b)

30

Hình 2.5.

Cấu trúc giá thành gia cơng trong AWJ [16]

33

Hình 2.6.

Mẫu thí nghiệm của M.Kantha Babu và O.V.Krishnaiah Chetty

34

Hình 3.1.

Thí nghiệm xác định khả năng tái chế hạt mài

42

Hình 3.2.

Sàng của hãng Endecotts tiêu chuẩn -ISO3310-1

43

Hình 3.3.

Máy sàng phân loại hạt mài

43

Hình 3.4.

Phân bố kích thƣớc hạt mài mới

44

Hình 3.5.

Phân bố kích thƣớc hạt mài sau tái chế

45

Học viên:Vũ Hồng Khiêm
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN

5

Trường ĐH KTCN – ĐHTN



Luận văn thạc sĩ kỹ thuật

Chuyên ngành CK CTM

Hình 3.6.

Thành phần hạt mài theo các cỡ

46

Hình 3.7.

Phơi cắt thí nghiệm thép C45 kích thƣớc 150x100x30

46

Hình 3.8.

Thí nghiệm khả năng cắt của hạt mài tái chế

47

Hình 3.9.

Khả năng cắt của hạt mài tái chế

47

Hình 3.10. Hình dáng hạt mài

48

Hình 3.11. Sự cắt trễ của tia nƣớc

49

Ảnh hƣởng của lƣu lƣợng hạt mài và loại hạt mài đến độ nhám
Hình 3.12.

50

bề mặt khi đo cách mặt trên của mẫu 2mm
Ảnh hƣởng của lƣu lƣợng hạt mài và loại hạt mài đến độ nhám

Hình 3.13.

50

bề mặt khi đo cách mặt trên của mẫu 10mm

Học viên:Vũ Hồng Khiêm
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN

6

Trường ĐH KTCN – ĐHTN



Luận văn thạc sĩ kỹ thuật

Chuyên ngành CK CTM

Danh mục các bảng
STT

Tên các bảng

Trang

Bảng 2.1.

Độ cứng của 10 khoáng vật cơ bản [7]

25

Bảng 2.2.

Một số tiêu chuẩn về kí ch thƣớc hạt mài [coleparmer]

27

Bảng 2.3.

Tính chất một số loại hạt mài dùng cho AWJ

28

Bảng 2.4.

Tính chất một số loại hạt mài dùng cho AWJ [TS. Quân]

28

Bảng 2.5.

Đặc điểm của một số loại hạt mài dùng trong công nghệ AWJ

29

Bảng 3.1.

Các thơng số trong q trình thí nghiệm nghiên cứu vỡ của
hạt

40

Bảng 3.2.

Thành phần hóa học của vật liệu thí nghiệm C45 [24]

41

Hình 3.3.

Thành phần hóa học của vật liệu thí nghiệm Al 6061T6 [24]

41

Bảng 3.4.

Phân bố kích thƣớc hạt mài mới

44

Bảng 3.5.

Phân bố kích thƣớc hạt mài sau tái chế

45

Bảng 3.6.

Khả năng tái chế của hạt mài Supreme granet so với hạt mới

46

Bảng 3.7.

Đánh giá khả năng cắt của hạt mài tái chế

47

Học viên:Vũ Hồng Khiêm

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN

7

Trường ĐH KTCN – ĐHTN



Luận văn thạc sĩ kỹ thuật

CHƢƠNG 1.

Chuyên ngành CK CTM

GIỚI THIỆU

Cắt bằng tia nƣớc là một cơng cụ có khả năng cắt kim loại hay các vật liệu khác
bằng cách sử dụng một tia nƣớc có áp suất rất cao và tốc độ lớn. Nguyên lý của quá
trình này tƣơng tự nhƣ sự xói mịn bởi nƣớc ở trong tự nhiên nhƣng nhanh hơn và tập
trung hơn. Nó thƣờng đƣợc sử dụng cho việc cắt các vật mẫu hoặc tham gia vào một
ngun cơng trong quy trình sản xuất các bộ phận máy móc, thiết bị. Nó cũng đƣợc sử
dụng để cắt tạo hình dáng, tạo lỗ, khoan, chạm khắc trong nhiều lĩnh vực công nghiệp
khác nhau từ khai thác mỏ đến hàng khơng vũ trụ. Nó có thể cắt đƣợc kim loại, bê
tông, đá, hay các vật cứng khác.
Chƣơng này sẽ giới thiệu về lịch sử gia công bằng tia nƣớc, các thiết bị chủ yếu
của hệ thống Abrasive water jet (AWJ), tham số quá trình và ƣu nhƣợc điểm của nó.
1.1.

Lịch sử phát triển
Năm 1950, Norman Franz - một kỹ sƣ lâm nghiệp đã có mong muốn tìm ra một

phƣơng pháp mới để cắt cây gỗ thành tƣ̀ng khúc . Ông đƣợc xem nhƣ cha đẻ của hệ
thống máy cắt bằng tia nƣớc và là ngƣời đầu tiên dùng tia nƣớc siêu áp lực (Ultra

High Pressure - UHP) làm một cơng cụ cắt vào những năm đó. Để tạo ra áp lực của
tia nƣớc, ông đặt một khối lƣợng lớn lên một cột nƣớc và tập trung tia nƣớc vào một
vòi phun nhỏ. Kết quả là áp suất sinh ra rất cao, trong một số trƣờng hợp còn cao hơn
cả áp suất nƣớc đang đƣợc dùng tại thời điểm đó.
Từ kết quả thu đƣợc, Dr.Franz phát hiện ra là hồn tồn có thể cắt gỗ và vật liệu
khác bằng tia nƣớc áp suất cao. Tiếp theo ơng tìm cách duy trì dịng nƣớc một cách
Học viên:Vũ Hồng Khiêm
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN

8

Trường ĐH KTCN – ĐHTN



Luận văn thạc sĩ kỹ thuật

Chuyên ngành CK CTM

liên tục, tuy nhiên kết quả thu đƣợc không nhƣ mong muốn. Hơn nữa, tuổi thọ của các
thiết bị cắt nhƣ vậy chỉ tính bằng phút, chứ khơng phải hàng trăm giờ nhƣ ngày nay.
Cho dù Dr.Franz chƣa làm đƣợc một cái máy cắt gỗ nhƣ mong muốn nhƣng

nghiên

cứu của ông đã đặt nền móng cho phƣơng pháp gia cơng bằng tia nƣớc và sau này

đƣợc hãng Flow International nghiên cứu phát triển hệ thống cắt tia nƣớc sau này.
Năm 1965 thiết bị làm sạch bề mặt thép cán bằng tia nƣớc với áp suất

200 bar

đƣợc sản xuất đầu tiên tại Đƣ́c và đƣợc hãng Boehler (Kapfenberg) của Áo sử dụng.
Năm 1968 các nhà khoa học Mỹ đã chế tạo thành công một thiết bị cắt bằng tia
nƣớc có áp suất đạt 700 bar để ƣ́ng dụng cắt ống bì a . Với áp suất này , tia nƣớc có thể
cắt đƣợc các vật liệu phi kim khác nhƣ giấy, nhƣ̣a, xốp và thƣ̣c phẩm…
Năm1970 tập đoàn Flow (Mỹ) đã phát minh một mẫu bơm khuếch đại áp suất
có tính ƣ́ng dụng cao cho máy cắt tia nƣớc . Điều này là một bƣớc tiến để công nghệ
cắt bằng tia nƣớc đƣợc thƣơng mại hóa sử dụng để cắt vải cho áo quần may sẵn . Cùng
với sƣ̣ phát triển của ngành vật liệu và công nghệ gia công , các thế hệ bơm cao áp dần
dần đạt các yêu cầu về tuổi thọ và áp suất.
Vào năm 1979, Flow bắt đầu nghiên cứu phƣơng pháp để gia tăng lực cắt của
máy để có thể cắt đƣợc kim loại và các vật liệu cứng khác. Dr. Mohamed Hashish,
đƣợc coi nhƣ ngƣời khai sinh ra hệ thống máy cắt tia nƣớc dùng hạt mài, ông phát
minh ra phƣơng pháp trộn hạt mài vào nƣớc [1] Hạt mài GARNET, một vật liệu đƣợc
sử dụng rộng rãi trong giấy nhám đã đƣợc sử dụng. Với phƣơng pháp đó, máy cắt tia
nƣớc (có dùng hạt mài) có thể cắt hầu hết các loại vật liệu. Năm 1980, hệ thống cắt tia
nƣớc có hạt mài đầu tiên đƣợc dùng để cắt thép, kính và bê tơng. Năm 1983, Flow
cung cấp cho thị trƣờng chiếc máy cắt tia nƣớc có hạt mài đầu tiên và đƣợc sử dụng
cho việc cắt gƣơng ôtô.
Ngành công nghiệp hàng không và vũ trụ đã giúp cho công nghệ tia nƣớc áp
suất cao phát triển mạnh mẽ. Tia nƣớc có hạt mài khi này thực sự là một cơng cụ cắt lí
tƣởng để cắt các vật liệu cứng nhƣ Inconel, thép không gỉ, titan cũng nhƣ các vật liệu
tổng hợp nhẹ nhƣ sợi cacbon sử dụng cho chiến đấu cơ và ngày nay đƣợc dùng cho
hàng khơng. Kể từ đó, phƣơng pháp cắt tia nƣớc dùng hạt mài đã đƣợc dùng cho rất
Học viên:Vũ Hồng Khiêm
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN

9

Trường ĐH KTCN – ĐHTN



Luận văn thạc sĩ kỹ thuật

Chuyên ngành CK CTM

nhiều ngành công nghiệp khác nhƣ dùng để cắt kim loại, đá, ceramic, gƣơng, trong
ngành chế tạo động cơ phản lực, xây dựng, các nhà máy đống tàu, …
Tuy nhiên mãi đến năm 1986, Công nghệ UHP đƣợc nghiên cứu để mở rộng
những ứng dụng của nó. Trong năm đó, hệ thống bơm siêu áp lực di động đầu tiên
đƣợc sử dụng cho các ứng dụng di động nhƣ làm sạch công nghiệp, bảo trì đƣờng cao
tốc, và các dự án tân trang cơ sở hạ tầng. Sau đó khơng lâu, phƣơng pháp cắt tia nƣớc
đã tạo đƣợc danh tiếng. Từ cuối những năm 80 và đầu những năm 90, công nghệ cắt
tia nƣớc đƣợc ứng dụng rộng rãi, và cắt ở trong nhiều môi trƣờng cắt khác nhau.
Năm 1989-1990, tia nƣớc áp suất cao bắt đầu đƣợc ƣ́ng dụng để cắt thép và bê
tông dƣới biển ở độ sâu đến 400m.
Năm 1991, trung tâm thí nghiệm Geesthacht đã thƣ̣c hiện khoan t hép không rỉ ở
độ sâu 600m. Cùng với sự phát triển của thiết bị cắt , hiện nay tia nƣớc áp suất cao có
thể cắt ở độ sâu lớn hơn nhiều.
Năm 1994, ngƣời Đƣ́c đã đăng ký bản quyền về ƣ́ng dụng cắt và làm sạch bằng
tia nƣớc á p suất cao trong y học. Trong đó tia nƣớc với áp suất làm việc tƣ̀ 50 đến 300
bar đƣợc sƣ̉ dụng làm dao mổ trong phẫu thuật vì nƣớc có thể đƣợc cơ thể tiếp nhận

.

Một điều quan trọng nƣ̃a là khi cắt các phần cƣ́ng của cơ th ể nhƣ xƣơng thì ḿi hoặc
đƣờng đã đƣợc dùng để làm hạt mài, do đƣờng và muối luôn tồn tại trong cơ thể.
Công nghệ cắt bằng tia nƣớc áp suất cao phát triển rất nhanh chóng trong những
năm gần đây. Năm 2002, công ty Flow phát triển hệ thống cắt Dynamic Waterjet cho
phép cắt vật liệu nhanh hơn, không để lại gờ sau khi cắt. Kết quả này đã mở rộng khả
năng cho các ứng dụng cắt bằng tia nƣớc rộng rãi hơn. Hiện nay , công nghệ cắt tia
nƣớc đƣợc sử dụng để cắt nhiều loại vật liệu và đƣợc ƣ́ng dụng t

rong nhiều ngành

công nghiệp. Các vật liệu cố thể cắt bằng phƣơng pháp này nhƣ thép không rỉ, titan,
ceramic, hợp kim nhôm, vật liệu tổng hợp cho dụng cụ thể thao, sợi và nhựa sử dụng
cho nội thất ơtơ, và kể cả đá lót bếp đƣợc cắt bởi máy cắt tia nƣớc. Các ứng dụng làm
sạch vỏ tàu, bồn dầu, đƣờng cao tốc, động cơ phản lực, v.v.... Công nghệ cắt bằng tia
nƣớc áp suất cao tiếp tục đƣợc phát triển sang các ứng dụng mới , thiết bị cắt bằng tia
Học viên:Vũ Hồng Khiêm
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN

10

Trường ĐH KTCN – ĐHTN



Luận văn thạc sĩ kỹ thuật

Chuyên ngành CK CTM

nƣớc trộn hạt mài tập trung chủ yếu ở các nƣớc có nền công nghiệp phát triển nhƣ
Đức, Áo, Hà lan, Nhật, Trung quốc, Pháp…

1.2.

Hệ thống công nghệ

Cắt bằng tia nƣớc (Water Jet Cutting-WJC) là một quá trình sử dụng tia nƣớc ở
áp suất cao (ASC) để gia công vật liệu. Công nghệ gia cơng bằng tia nƣớc ASC gồm 2
loại đó là cắt bằng tia nƣớc (pure waterjet) và cắt bằng tia nƣớc có hạt mài (abrasive
waterjet- AWJ). Hình 1.1 là sơ đồ nguyên lý của hệ thống công nghệ gia cơng tia nƣớc
có hạt mài.

Hình 1.1. Sơ đồ ngun lý hệ thống gia cơng bằng tia nƣớc có hạt mài
Một hệ thống AWJ thơng thƣờng gồm 7 thành phần chính:
 Hệ thống cấp nƣớc sạch;
 Cụm bơm khuếch đại áp;
Học viên:Vũ Hồng Khiêm
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN

11

Trường ĐH KTCN – ĐHTN



Luận văn thạc sĩ kỹ thuật

Chuyên ngành CK CTM

 Các đƣờng ống áp lực cao;
 Đầu cắt tạo ra tia nƣớc ASC trộn hạt mài;

 Hệ thống cấp và điều chỉnh lƣu lƣợng hạt mài;
 Hệ thống điều khiển chuyển động;
 Bể nƣớc chƣ́a chất thải công nghiệp và dập năng lƣợng còn lại của tia nƣớc sau
khi cắt.
1.2.1. Hệ thống cấp nƣớc
Hệ thống này nhằm đảm bảo cho hoạt động của hệ thống cắt bằng tia nƣớc hạt
mài đƣợc ổn định, kéo dài tuổi thọ, hệ thống cấp nƣớc phải có bộ phận khƣ̉ nƣớc cứng,
bộ phận làm sạch nƣớc bằng lọc thơ và lọc tinh.

Hình 1.2. Hệ thống bơm cấp nƣớc của hãng Flow [2]
Hệ thống nƣớc bao gồm đƣờng nƣớc vào đầu bộ lọc

, máy bơm tăng áp , bộ

khuếch đại áp và bộ suy gi ảm sóng sung kích. Nƣớc đi qua bợ lọc nƣớc ở đầu vào sau
đó đi đến bơm tăng áp để duy trì áp lƣ̣c nƣớc ở đầu hút bộ phận khuếch đại áp

. Lúc

này áp lực nƣớc lên đến 414 MPa tiếp tục đi qua bộ suy giảm áp lƣ̣c sóng sung kí ch để
bảo đảm nƣớc đi ra ở đầu cắt ổn đị nh . Không có bộ suy giảm sóng sung kí ch , dòng
nƣớc sẽ có sóng sung (áp lực không ổn định) khi cắt để lại dấu vết trên vật liệu.
Học viên:Vũ Hồng Khiêm
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN

12

Trường ĐH KTCN – ĐHTN

Luận văn thạc sĩ kỹ thuật

Chuyên ngành CK CTM

1.2.2. Cụm bơm khuếch đại áp.
Cụm bơm khuếch đại áp làm nhiệm vụ chuyển đổi năng lƣợng nƣớc từ áp lực nƣớc
thấp sang áp lƣ̣c nƣớc siêu cao . Khi cung cấp nguồn điện và nƣớc cho hệ thống thủy
lƣ̣c, piston trong bộ phận khuếch đại áp làm việc cả ha i hà nh trì nh đi và về . Chiều đi,
về của piston đƣợc điều khiển thông qua các van điều khiển hệ thống thủy lƣ̣c

. Việc

lắp bộ phận khuếch đại áp ở hai bên của piston nhằm duy trì việc chủn đởi năng
lƣợng nƣớc trong cả hai hành trình.

Hình 1.3. Bơm khuếch đại [3]
Khi phí a bên trái của piston đến điểm cuối của hành trì nh hút , lúc này phía bên
phải của piston tạo ra siêu cao áp đầu ra . Trong hành trì nh hút của piston nƣớc đã lọc
đi vào xi lanh áp suất cao thông qua van . Sau khi piston đảo hƣớng nƣớc đƣợc nén và
đi ra với một áp lƣ̣c rất cao . Tỷ số nén lên đến 25:1. Lƣu lƣợng dòng chảy tối đa của
tia nƣớc cao áp phụ thuộc vào lƣu lƣợng nƣớc do hệ thống khuếch đại áp cung cấp và
tiết diện vòi phun mà tia nƣớc đi qua. Phạm vi thông thƣờng của áp lực nƣớc trong các
ứng dụng AWJ khoảng 250-400 MPa. Trong thiết kế này hai bộ khuếch đại làm việc
luân phiên, trong khi một bộ cung cấp áp lực cho hệ thống thì bộ kia đƣợc nạp đầy và
ngƣợc lại.
Học viên:Vũ Hồng Khiêm
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN

13

Trường ĐH KTCN – ĐHTN



Luận văn thạc sĩ kỹ thuật

Chuyên ngành CK CTM

Do tác động qua lại của các bộ khuếch đại, áp lực giảm vào cuối mỗi hành trì nh
hoạt động. Để làm giảm sƣ̣ dao động áp, bộ suy giảm áp đƣợc sƣ̉ dụng trong các dòng
áp suất cao. Trong một bơm khuếch đại áp hai hệ thống chất lỏng luôn tồn tại là nƣớc
và dầu thủy lực.

Bộ suy giảm sóng sung kich
Cần piston

Đƣờng
nƣớc vào

Tăng áp

Đầu phun tia
nƣớc áp lực
cao
Xi lanh

Piston
Thiết bị điều
khiển van

Hệ thống
điều khiển
điện tử / PLC
Hình 1.4. Hệ thống bơm khuếch đại áp [4]

1.2.3. Đƣờng ống cao áp
Có nhiệm vụ vận chuyển nƣớc áp lƣ̣c cao tƣ̀ bộ khuếch đại áp đến đầu cắt . Các
đƣờng ống thƣờng làm bằng thép khơng gỉ đặc biệt , có chiều dày đảm bảo an tồn .
Đƣờng kính ống phổ biến nhất thƣờng đƣợc sƣ̉ dụng 6,35 đến 25,4mm cho đƣờng kí nh
bên ngoài và 2 đến 8 mm cho đƣờng kí nh bên trong.
Để đảm bảo các mối nối đƣợc kín khít và chịu đƣợc áp suất cao ngƣời ta sử dụng
đầu nối kiểu côn. Làm nhƣ vậy cho phép đầu cắt di chuyển theo các biên dạng cong
mà không bị ảnh hƣởng bởi ớng cấp nƣớc cao áp . Có ba kiểu đƣợc sƣ̉ dụng để cho
phép các chuyển động tƣơng đối của đầu cắt và ống cấp nƣớc cao áp là.
Học viên:Vũ Hồng Khiêm
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN

14

Trường ĐH KTCN – ĐHTN



Luận văn thạc sĩ kỹ thuật

Chuyên ngành CK CTM

 Kiểu nối dạng ống linh hoạt đƣợc sử dụng cho các mối nối để di chuyển
trên một góc nhỏ. Ống linh hoạt chỉ có thể làm việc với áp suất từ 300MPa
– 400MPa. Do đó hiện nay í t dùng.

 Với ống có đƣờng kính nhỏ hơn 6.3mm sử dụng kiểu ống cao áp có thể
c̣n lại đƣợc dạng nhƣ lị xo. Mỗi cuộn ống cho phép một sƣ̣ biến dạng
đàn hồi từ 50 - 70. Ứng dụng này rất đáng tin cậy khi cắt các góc lớn.
 Mối nối dạng khớp nối xoay đƣợc áp dụng

với đầu cắt xoay theo mọi

hƣớng và nghiêng đƣợc góc 100, nó nhỏ gọn hơn cuộn dây . Tuy nhiên độ
tin cậy thì khơng bằng kiểu ống cao áp có thể cuộn lại đƣợc.
1.2.4. Đầu cắt
Là cơ cấu chấp hành cuối của hệ thống AWJ tạo ra tia nƣớc trộn hạt mài. Đầu cắt
gồm vòi phun (bằng đá quý), buồng trộn, ống hội tụ, cơ cấu dị ch chuyển đị nh vị đầu
cắt.
Nƣớc áp
suất cao
Vòi tăng tốc
Cửa cấp
hạt mài
Buồng trộn

Vịi phun

Hình 1.5. Sơ đồ ngun lý đầu cắt
Học viên:Vũ Hồng Khiêm
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN

15

Trường ĐH KTCN – ĐHTN

Luận văn thạc sĩ kỹ thuật

Chuyên ngành CK CTM

Đầu cắt dẫn hƣớng cho tia nƣớc hạt mài bắn ra. Nƣớc áp suất cao áp đến đầu cắt
đi theo trình tự:  Vòi phun bằng đá quý  Buồng trộn (trộn nƣớc áp lực cao với hạt
mài)  Vòi phun (dẫn hƣớng tia nƣớc hạt mài).
Nhằm nâng cao hiệu suất trong quá trì nh gia cơng, có rất nhiều các nghiên cứu về
đầu cắt đã đƣợc tiến hành để tăng hiệu quả trộn hạt mài. Vận tốc của tia nƣớc gần bằng
1000m/s, kích thƣớc hạt mài nhỏ (0,1-0,5mm) hình thành sƣơng mù của nƣớc làm hạn
chế kh ả nă ng ghi lại các hiện tƣợng trộn . Bằng cách đo các mẫu của buồng trộn và
đƣờng kí nh ống hội tụ sau đó so sánh chúng với các mô hì nh dƣ̣ báo , một lý thuyết
trộn hạt mài đã đƣợc đƣa ra và đƣợc công nhận [5]. Hạt mài đi vào dịng tia nƣớc với
vận tớc khơng đáng kể và đƣợc dòng nƣớc tăng tốc để đẩy ra khỏi ống hội tụ. Trong
quá trình tăng tốc nếu hạt mài va vào thành ống

hội tụ sẽ bị bật lại rồi lại nhập vào

dòng tia nƣớc một lần nữa . Hiện tƣợng này xảy ra cho đến khi hƣớng vận tốc của các
hạt mài gần nhƣ song song với hƣớng

của tia nƣớc áp suất cao (TNASC) nhƣ thấy

trong hì nh 1.6.
Hạt mài
bật lại

Thành trong

của vịi phun

Hình 1.6. Sơ đồ đầu cắt và quỹ đạo chủn động của hạt mài
Thơng số của vịi phun phụ thuộc vào hình dạng hình học vùng đầu vào và đƣờng
kính trong của vịi phun. Đƣờng kính bên trong càng nhỏ năng lƣợng tập trung càng
lớn nhƣng đƣờng kí nh tối thiểu có liên quan đến kí ch thƣớc hạt mài
Học viên:Vũ Hồng Khiêm
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN

16

. Hạt mài có thể

Trường ĐH KTCN – ĐHTN



Luận văn thạc sĩ kỹ thuật

Chuyên ngành CK CTM

gây nên tắc vịi phun, chính vì vậy để q trình cắt đƣợc ổn định đƣờng kính trong của
vịi phun phải lớn hơn 2 lần so với đƣờng kí nh hạt mài . Chiều dài vòi phun ảnh hƣởng
đến độ chụm của tia nƣớc, nếu dài quá sẽ gây ra ma sát nhiều hơn giƣ̃a tia nƣớc với
thành ống bên trong. Kết quả vận tốc tia nƣớc thấp.
Vật liệu chế tạo vòi phun phải có khả năng chịu mài mịn lớn để có thể làm việc
ổn định trong mợt thời gian dài , ví dụ nhƣ ROCTEC© (hỗn hợp của vanadi, vonfram
và carbrides molypden). Vì hạt mài làm mịn thành ống trong quá trình cắt . Nếu hì nh
dạng trong của ống thay đổi đáng kể

thì nó khơng thể cắt chính xác đƣợc. Thông

thƣờng vòi phun phải thay thế sau một khoảng thời gian sử dụng. vòi phun hiện nay
thƣờng dùng là loại Roctec 100 dùng đƣợc 80h và loại Roctec 500 dùng đƣợc 160h
1.2.5. Hệ thống cấp hạt mài
Nhiệm vụ là cung cấp hạt mài chí nh xác về khối lƣợng để xác đị nh lƣu lƣợng hạt
mài. Hệ thớng có khả năng dẫn hạt với đƣờng kí nh 0.1 - 0.3 mm, lƣu lƣợng khoảng
0,1- 2.0 kg/phút. Có một số cách thƣờng đƣợc sƣ̉ dụng để định lƣợng lƣu lƣợng hạt
mài nhƣ sau.
 Phễu tiếp liệu: Có cấu tạo là thiết bị rung để vận chuyển tuyến tí nh số lƣợng hạt
mài. Thay đổi số lƣợng hạt mài bằng cách điều chỉ nh biên độ dao động của thiết bị
rung.
 Bợ cấp liệu bằng trục vít: Hạt mài đƣợc vận chuyển qua một bộ cấp liệu bằng
trục vít, thay đổi số lƣợng bằng cách điều chỉ nh tốc độ quay củ a trục này. Việc lựa
chọn bộ cấp liệu dựa vào khả năng cung cấp hạt mài một cách liên lục và ổn định
theo thời gian (thƣờng là 1- 30g/s). Để đƣa hạt mài từ một bể chƣ́a đến đầu cắt thì
phải qua mơi trƣờ ng trung chủn. Về ngun tắc có 2 sƣ̣ lƣ̣a chọn là vận chuyển
khô hoặc ƣớt.
 Hạt mài đƣợc cấp cho đầu cắ t thông dụng nhất đƣợc dùng trong ngành công
nghiệp là theo kiểu không áp (tự hút). Chúng đƣợc hút vào buồng trộn theo định
lƣợng chảy xuống từ một băng tải đƣợc dẫn động bằng một động cơ. Lƣu lƣợng

Học viên:Vũ Hồng Khiêm
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN

17

Trường ĐH KTCN – ĐHTN

Luận văn thạc sĩ kỹ thuật

Chuyên ngành CK CTM

dòng chảy hạt mài đƣợc điều chỉnh bằng cách hiệu chỉnh tần số của động cơ. Hệ
thống này đƣợc thể hiện trong hình 1.7.
Trong thực tế , hạt mài khơ đƣợc sử dụng lấy khơng khí làm mơi trƣờng vận
chủn. Cấp hạt mài bằng khơng khí khơng sinh ra ăn mịn , đƣờng cung cấp hạt mài
đến bình chứa có thể đƣợc làm bằng một ống nhựa bình t hƣờng khơng có yêu cầu đặc
biệt, tuy nhiên nên định vị bộ cấp hạt mài và khoảng cách dẫn hạt mài đến đầu cắt
ngắn. Chú ý hệ thống chuyển động phải giữ khô để hạt mài khơng bị vón thành cục
gây tắc ống.

Hình 1.7. Hệ thống cấp và điều chỉnh lƣu lƣợng hạt mài [28]
1.2.6. Hệ thống điều khiển chuyển động
Những năm gần đây công nghệ cắt bằng tia nƣớc áp suất cao đã phát triển tƣ̀ mợt
q trình gia cơng thơ sang một q trì nh gia cơng chí nh xác. Với sự trợ giúp của máy
tính đã giúp cho AWJ đƣợc tiếp nhận trong ngành cơng nghiệp. Hiện nay đã có các
phần mềm chuyên dụng cho điều khiển cắt bằng TNASC, làm cho việc điều khiển máy
đƣợc dễ dàng hơn, tin cậy hơn và kiểm soát đƣợc cả hệ thống lớn.
Học viên:Vũ Hồng Khiêm
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN

18

Trường ĐH KTCN – ĐHTN

Luận văn thạc sĩ kỹ thuật

Chuyên ngành CK CTM

Cấu hì nh của hệ thốn g liên quan đến bậc tƣ̣ do cần thiết do đó phụ thuộc vào
ứng dụng . Trên thực tế thƣờng gia công phôi là tấm phẳng , yêu cầu là 2 trục điều
khiển X, Y và trục Z để điều chỉ nh chiều cao của các đầu cắt với đợ dày của tấm . Hình
1.8 thể hiện các hƣớng di chủn của đầu cắt.
Đầu cắt
Phơi

Hình 1.8. Các hƣớng di chuyển của đầu cắt
1.2.7. Bể chƣ́a nƣớc và dập năng lƣợng
Bể chứa nƣớc làm nhiệm vụ chƣ́a đƣ̣ng mộ t lƣợng chất thải (hạt mài, phoi) nhất
đị nh trong quá trì nh gia công và dập năng lƣợng còn lại của tia nƣớc sau gia công . Sau
khi tia nƣớc xuyên qua vật liệu, vẫn còn gần 75% năng lƣợng đƣợc giữ lại và nó tạo
thành sóng rất dữ dội trong bể chứa nƣớc. Chính vì lý do đó nên trong bể chứa nƣớc
phải có các bộ phận nhằm dập nguồn năng lƣợng thừa này. Có một số kết cấu đƣơc sử
dụng nhƣ thả vào trong bể các viên bi sắt, làm hàng rào chắn song bằng thép không gỉ
vv …

Đầu cắt

Bể chứa
đầy nƣớc

Các viên bi
sắt để dập
năng lƣợng

Học viên:Vũ Hồng Khiêm
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN

Hàng rào
chắn sóng

19

Trường ĐH KTCN – ĐHTN



Luận văn thạc sĩ kỹ thuật

Chuyên ngành CK CTM

Hình 1.9. Một số kết cấu của bể chứa nƣớc và dập năng lƣợng
1.3.

Các tham số q trình

Có rất nhiều tham số liên quan đến q trình gia cơng AWJ, các tham số này có
thể chia thành hai nhóm gồm thơng số q trình và các thơng số mục tiêu [6]
Các thơng số q trình gồm có :
 Thơng số thuỷ lực gồm áp suất nƣớc và đƣờng kính vịi tăng tốc.
 Thơng số trộn bao gồm đƣờng kính và chiều dài vịi phun.
 Thơng số hạt mài gồm vật liệu hạt mài, kích thƣớc, hình dạng hạt mài và lƣu
lƣợng hạt mài.
 Thơng số cắt gồm khoảng cách từ vịi phun đến chi tiết gia cơng, góc tác động
và tốc độ cắt.

Các thông số mục tiêu gồm:
 Vật liệu gia công.
 Chiều sâu cắt.
 Chất lƣợng cắt.
 Khả năng công nghệ của q trình gia cơng:
 Chiều rộng vết cắt điển hình là 0,76 mm và lớn hơn.
 Tầm ảnh hƣởng của dòng tia lên đến 200mm đối với vật liệu cứng. Áp suất hạ
xuống sau 25mm.
Độ chính xác gia cơng phụ thuộc vào loại máy đƣợc 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.
1.4.

Ƣu nhƣợc điểm của gia công bằng tia nƣớc hạt mài
Trƣớc nhƣ̃ng năm 1980 công nghệ AWJ đƣợc coi là một ƣ́ng dụng không thƣ̣c

tế. Ngày nay, phƣơng pháp gia công này đã đƣợc áp dụng rất rộng rãi đặc biệt là trong
gia công cắt gọt. So sánh với các phƣơng pháp gia cơng khác, gia cơng bằng tia nƣớc
có hạt mài có một số ƣu điểm sau.
Học viên:Vũ Hồng Khiêm
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN

20

Trường ĐH KTCN – ĐHTN



Luận văn thạc sĩ kỹ thuật

-

Chuyên ngành CK CTM

Cắt đƣợc hầu nhƣ mọi vật liệu có độ bền cao , vật liệu dùng trong ngành hàng

không vũ trụ , thép tôi , thép không gỉ , hợp kim titan , đồng thau , kợp kim nhôm ,
compôzit, đá hoa cƣ ơng, thủy tinh , gốm, thạch anh , các loại tấm mỏng , vật liệu dễ
cháy, các cấu trúc mỏng dạng tổ ong … mà phƣơng pháp gia công truyền thống khó
hoặc khơng thể gia cơng đƣợc.
-

Cắt đƣợc các biên dạng phƣ́c tạp ở các hƣớng chỉ bằ ng một dụng cụ cắt và bằng

mợt lần cắt.
-

Tia nƣớc có khả năng cắt qua những vật liệu bất thƣờng, không dẫn điện mà

máy gia công bằng tia lửa điện EDM không thể gia cơng đƣợc.
-

Có thể cắt các chi tiết dạng lƣới.

-

Q trình cắt khơng tạo ra nhiệt do vậy rất hƣ̃u í ch để cắt vật liệu mà nhiệt đợ

có thể làm thay đổi thuộc tính của chúng.
-

An tồn cho ngƣời và môi trƣờng.

-

Dụng cụ cắt rất đơn giản (chỉ có một vịi phun).

-

Cắt đƣợc ở dƣới nƣớc (Cắt tháo dỡ , sƣ̉a chƣ̃a chân giàn khoan đầu khí ở dƣới

biển. . .)
-

Lƣ̣c cắt rất nhỏ tác động lên chi tiế t đặt trên bàn cắt do đó cơ cấu kẹp chặt rất

đơn giản chỉ để giữ phôi tại chỗ.
-

Quá trình cắt có thể hồn tồn tƣ̣ đợng. Thiết bị AWJ nhẹ hơn nhiều so với má y

cắt laze, đầu cắt có thể đƣợc gắn trên một rôbốt tƣ̣ động làm giảm vấn đề tăng tốc và
giảm tốc cũng nhƣ địi hỏi ít năng lƣợng hơn.
Tuy nhiên, gia cơng bằng tia nƣớc có hạt mài cũng có một số nhƣợc điểm nhƣ.
-

Lƣợng hạt mài lớn. Giá thành gia công cao chủ yếu do chi phí giá thành hạt

mài.
-

Do ảnh hƣởng của tia nƣớc nên khi cắt làm cho bề mặt bị côn

-

Chất lƣợng cắt không phải lúc nào cũng đáp ứng đƣợc yêu cầu và ổn định. Do

tia nƣớc bị lệch khi đi vào vùng cắt

Học viên:Vũ Hồng Khiêm
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN

21

Trường ĐH KTCN – ĐHTN



Luận văn thạc sĩ kỹ thuật
-

Chuyên ngành CK CTM

Cắt bằng tia nƣớc hạt mài việc xƣ̉ lý lƣợng chất thải sinh ra lớn hơn rất nhiều so

với xƣ̉ lý các phƣơng pháp g ia công thông thƣờng. Chất thải ở đây là dung dịch nƣớc
huyền phù, hạt mài và phoi kim loại từ phôi gia công.
1.5.

Kết luận chƣơng 1

Trong chƣơng này, vấn đề về lịch sử gia công bằng tia nƣớc, các thiết bị chủ yếu
của hệ thống AWJ , tham số của quá trình và ƣu nhƣợc điểm đã đƣợc tìm hiểu và giới
thiệu. Trên cơ sở đó, có một số kết luận sau.
-

Công nghệ tia nƣớc ASC từ khi ra đời đã không ngừng đƣợc nghiên cƣ́u , phát

triển và ứng dụng ngày càng nhiều trong công nghiệp để gia công các sản phẩm mà
phƣơng pháp gia công truyền thống khó hoặc khơng thể gia cơng đƣợc. Việc trộn hạt
mài vào tia nƣớc ASC đã làm tăng đáng kể khả năng cắt của tia. Tuy nhiên quá trình
cắt bằng tia nƣớc trộn hạt mài rất phức tạp và chi phí cho hạt mài cao

. Việc tiếp tục

nghiên cƣ́u hồn thiện cho phƣơng pháp gia cơng này là rất cần thiết.
-

Hạt mài trộn vào tia nƣớc với mục đích làm tăng khả năng cắt c

ủa tia nƣớc

ASC. Nhờ đó, tia nƣớc có thể cắt các loại vật liệu có độ bền cao một cách dễ dàng.
-

Tia nƣớc ASC thuần và tia nƣớc ASC có trộn hạt mài đƣợc ƣ́ng dụng rất rộng

rãi trong các ngành công nghiệp nặng, công nghiệp nhẹ và y học.
-

Mặc dù phƣơng pháp gia công này đã đƣợc áp dụng rất rộng rãi đặc biệt là

trong gia công cắt gọt. Tuy nhiên, gia công bằng tia nƣớc có hạt mài vẫn cịn có một số
hạn chế riêng của nó.
-

Ở Việt Nam cơng nghệ tia nƣớc ASC đã đƣợc nghiên cƣ́u nhƣng chƣa nhiều .

Để có thể ứng dụng công nghệ tiên tiến này một cách hiệu quả , ngoài việc thừa hƣởng
những thành quả nghiên cƣ́u trên thế giới đã đƣợc công bố , cần phải tập trung nghiên
cƣ́u trong nƣớc về phƣơng pháp gia công này nhằm phục vụ cho công tác đào tạo và
phát triển công nghệ mới này trong ngành công nghiệp.

Học viên:Vũ Hồng Khiêm
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN

22

Trường ĐH KTCN – ĐHTN



Luận văn thạc sĩ kỹ thuật

Học viên:Vũ Hồng Khiêm
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN

Chuyên ngành CK CTM

23

Trường ĐH KTCN – ĐHTN