Nghiên cứu tối ưu hóa chế độ công nghệ đảm bảo năng suất và chất lượng bề mặt chi tiết trong công nghệ cắt tia nước áp suất cao

BỘ CƠNG THƯƠNG VIỆN NGHIÊN CỨU CƠ KHÍ BÁO CÁO TỔNG KẾT ĐỀ TÀI/DỰ ÁN NGHIÊN CỨU KHOA HỌC CÔNG NGHỆ CẤP BỘ NĂM 2010 Tên đề tài: NGHIÊN CỨU TỐI ƯU HĨA CHẾ ĐỘ CƠNG NGHỆ ĐẢM BẢO NĂNG SUẤT VÀ CHẤT LƯỢNG BỀ MẶT CHI TIẾT TRONG CÔNG NGHỆ CẮT TIA NƯỚC ÁP SUẤT CAO Ký hiệu: 04.10.HT/HĐ-KHCN Cơ quan chủ quản: Cơ quan chủ trì đề tài: Chủ nhiệm đề tài: Bộ Công thương Viện Nghiên cứu Cơ khí Lục Vân Thương 8470 Hà Nội – Năm 2010 3    BỘ CÔNG THƯƠNG VIỆN NGHIÊN CỨU CƠ KHÍ BÁO CÁO TỔNG KẾT ĐỀ TÀI/DỰ ÁN NGHIÊN CỨU KHOA HỌC CÔNG NGHỆ CẤP BỘ NĂM 2010 Tên đề tài: NGHIÊN CỨU TỐI ƯU HĨA CHẾ ĐỘ CƠNG NGHỆ ĐẢM BẢO NĂNG SUẤT VÀ CHẤT LƯỢNG BỀ MẶT CHI TIẾT TRONG CÔNG NGHỆ CẮT TIA NƯỚC ÁP SUẤT CAO Ký hiệu: 04.10.HT/HĐ-KHCN PHÓ VIỆN TRƯỞNG CHỦ NHIỆM ĐỀ TÀI (Ký tên, đóng dấu) (Ký, ghi rõ họ tên) Phan Thạch Hổ Lục Vân Thương Hà Nội – Năm 2010 4    MỤC LỤC DANH SÁCH CÁC THÀNH VIÊN THAM GIA ĐỀ TÀI 5  DANH SÁCH CÁC TỪ VIẾT TẮT 6  MỞ ĐẦU 7  CHƯƠNG I TỔNG QUAN .8  1.1 Tình hình nghiên cứu nước .8  1.1.1 Tình hình nghiên cứu giới .8  1.1.2 Tình hình nghiên cứu Việt Nam 18  1.2 Tính cấp thiết Đề tài 19  1.3 Mục tiêu thực Đề tài 19  1.4 Phương pháp thực Đề tài 19  CHƯƠNG NGHIÊN CỨU LÝ THUYẾT .20  2.1 Nguyên lý gia công 20  2.2 Cơ sở lý thuyết 21  2.3 Thiết bị dụng cụ 25  2.3.1 Bộ tăng áp 25  2.3.2 Dụng cụ .26  2.3.3 Bộ trộn gia cơng tia nước có hạt mài 27  2.3.4 Thiết bị 27  2.4 Các thông số công nghệ 29  2.4.1 Gia công tia nước .29  2.4.2 Gia cơng tia nước có hạt mài .29  2.5 Khảo sát đánh giá chất lượng bề mặt gia công 44  2.5.1 Khái niệm chất lượng bề mặt gia công 44  2.5.2 Ảnh hưởng CLBM tới tính chất sử dụng chi tiết máy 45  2.5.3 Các yếu tố ảnh hưởng đến CLBM 46  2.5.4 Phương pháp đánh giá chất lượng bề mặt 48  2.5.5 Phương pháp đảm bảo chất lượng bề mặt 49  2.6 Kết luận chương 49  3    CHƯƠNG NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM 50  3.1 Địa điểm tiến hành thực nghiệm 50  3.2 Thiết bị thí nghiệm 50  3.3 Vật liệu thí nghiệm 51  3.4 Tiến hành thí nghiệm .53  3.4.1 Thí nghiệm cắt đợt 53  3.4.2 Thí nghiệm cắt đợt 55  3.4.3 Thí nghiệm cắt đợt 61  3.4.4 Thí nghiệm cắt đợt 61  3.5 Quy trình cơng nghệ cắt 65  3.5.1 Quy trình cắt tia nước chung 65  3.5.2 Tập hợp thông số công nghệ cắt tia nước áp dụng cho máy cắt phịng thí nghiệm trọng điểm – Viện nghiên cứu Cơ khí 66  3.5.3 Quy trình cơng nghệ cắt tia nước áp suất cao có sử dụng hạt mài 67  KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 80  A Kết luận .80  B Kiến nghị .81  PHỤ LỤC 83  4    DANH SÁCH CÁC THÀNH VIÊN THAM GIA ĐỀ TÀI 1) Lục Vân Thương Thạc sỹ 2) Trần Quốc Hùng Thạc Sỹ 3) Lê Tiến Dũng Thạc Sỹ 4) Vũ Thị Mỹ Cử nhân 5) Đỗ Quang Chiến Kỹ sư 6) Ngô Văn Dũng Kỹ sư 7) Nguyễn Đình Sao Kỹ sư 8) Phạm Thanh Hoài Kỹ sư 9) Nguyễn Mạnh Cường Chủ nhiệm đề tài Kỹ sư 5    DANH SÁCH CÁC TỪ VIẾT TẮT Ký hiệu Định nghĩa Đơn vị BDD Biến dạng dẻo CLBM Chất lượng bề mặt CNCT Công nghệ chế tạo CTM Chi tiết máy HTCN Hệ thống công nghệ ƯSD ứng suất dư TCVN Tiêu chuẩn Việt Nam Ra Sai lệch số học trung bình prơphin µm Rz Chiều cao mấp mơ prơphin theo mười điểm µm Vcắt Tốc độ cắt mm/ph L Khoảng cách cắt mm Pcắt Áp suất cắt MPa Dvp Đường kính vịi phun mm SiC Cacbit silic C Cacbon Cr2O3 Ơxít crơm Fe2O3 Ơxít sắt MgO Ơxít magiê ZnO Ơxít kẽm SnO2 Ơxít thiếc B4C Cácbít bo 6    MỞ ĐẦU Cùng với phát triển sản xuất tiến công nghệ, đa dạng chủng loại vật liệu chất lượng cao khơng ngừng xuất hiện, điều khiến cho kỹ thuật cơng cụ cắt truyền thống khơng cịn đáp ứng nhu cầu chế tạo hợp kim, nguyên liệu cảm ứng nhiệt số loại khác Sự xuất công nghệ cắt tia nước áp suất cao mở kỷ nguyên cắt lạnh Rất nhiều loại kỹ thuật cắt phức tạp dễ dàng giải Phương pháp gia công tia nước (Water Jet Machining-WJM) thích hợp cho việc cắt nhựa, thực phẩm, cao su, vải,… Để tăng khả cắt tia nước nhằm cắt vật liệu cứng thép, thủy tinh, bê tông hay vật liệu composite, … người ta thêm vào tia nước hạt mài Vì phương pháp gọi gia cơng tia nước có hạt mài (Abrasive Water Jet Machining-AWJM) Phương pháp phát triển vào năm 1974 để làm kim loại trước xử lý bề mặt           7    CHƯƠNG I TỔNG QUAN 1.1 Tình hình nghiên cứu ngồi nước 1.1.1 Tình hình nghiên cứu giới Cơng nghệ tia nước áp suất cao phát triển liên tục từ năm 1900 trở lại Ở Mỹ công nghệ giới thiệu ứng dụng khai thác để làm vật liệu có giá trị vàng dùng cắt loại đá mềm trình khai thác vàng Vào đầu năm 60, O Imanaka trường Đại học Tokyo áp dụng công nghệ tia nước vào gia công làm Ý tưởng đưa dựa ảnh hưởng cấu trúc vỏ máy bay tác động hạt mưa trình bay Vào cuối năm 60 R Franz Đại học Michigan, dùng áp suất nước để cắt gỗ với tốc độ cắt cao Ơng có ý tưởng từ rò rỉ nước phát điểm vơ hình đường ống dẫn nước Bởi hư hỏng mà ơng nảy khẳng định dùng tia nước với gia tốc cao cắt vật liệu Và thiết bị Công ty Sản xuất McCartney sản xuất lắp đặt Alto Boxboard năm 1972 Từ thời gian cơng nghệ tia nước áp suất cao sử dụng cắt vật liệu mềm gỗ da Ngồi ra, vật liệu cứng giịn đá granit gạch số vật liệu cứng rắn titan cắt tia nước áp suất cao Quá trình nghiên cứu dẫn đến phát minh công nghệ gia công tia nước có hạt mài vào năm 1980 đến năm 1983 hệ thống tia nước áp suất cao có hạt mài đời Các hạt mài mòn tăng thêm phạm vi gia cơng vật liệu, cắt vật liệu dày với tốc độ cao cho chất lượng tốt 8    Hiện nay, Flow nhà sản xuất hàng đầu hệ thống cắt tia nước làm bề mặt nước - Được niêm yết thị trường chứng khoán NASDAQ - Chiếm lĩnh 55% thị phần máy cắt tia nước giới - Hơn 10000 sản phẩm lắp đặt 45 nước - Là nhà phát minh Phương pháp sử dụng Hạt mài, Bơm Truyền động trực tiếp, Vacuum Assit Dưới số loại máy cắt tia nước áp suất cao hãng Flow: Hình 1.1 Một số model máy cắt tia nước hãng Flow Những thông số kỹ thuật bơm khuếch đại thuộc dòng 5x 9ang: + Động điện: 25hp; 50/60Hz; 220v/380v + Áp suất nước vào >25psi + Áp suất ra: 40000psi – 60000psi + Tốc độ nước ra: 1.93l + Đường kính lỗ: 0,254 mm + Lưu chất cho bơm: dầu + Nước làm mát: 11,4l/phút 9    + Kích thước:107 x 114 x 121 mm + Khối lượng: 500kg Thông số đáng lưu ý bàn gia cơng diện tích vùng gia cơng trọng lượng phơi Dịng March3 có thơng số Bàn gia công sau: + March 1313b: 1,3m x 1,3m + March 2513b: 2,5m x 1,3m + March 3020b: 3m x 2m + March 4020b: 4m x 2m + March 7320b: 7,3m x 2m + Trọng lượng phơi 500kg/m2 Dịng máy March tích hợp hệ thống cắt Dynamic Waterjet® với Trình điều khiển sai số tự động tạo sản phẩm xác tốc độ cắt cao Sử dụng hệ thống chuyển động đại dựa khớp nhỏ gắn vào đầu cắt Khớp cho phép đầu cắt xoay theo hướng nghiêng 10 độ Kỹ thuật giúp loại trừ đường gờ bề mặt giúp đường cắt dọc theo bề dày vật cắt Hình 1.2 Hệ thống máy cắt tia nước hãng Flow 10    2) Cắt thép hợp kim Cr-Mo cứng 58 HRC, dày mm Các thông số cơng nghệ cắt: + Áp suất cắt trung bình: 250 MPa + Khoảng cách vòi phun: 2mm + Đường kính vịi phun: 0,76mm + Hạt mài Garnet Abrasive, cỡ hạt Mesh 80 (Trung Quốc) + Tốc độ cắt: thay đổi 3) Cắt thép không gỉ dày 1-25mm Các thông số cơng nghệ cắt: + Áp suất cắt trung bình: 250 MPa + Khoảng cách vòi phun: 2mm + Đường kính vịi phun: 0,76mm + Hạt mài Garnet Abrasive, cỡ hạt Mesh 80 (Trung Quốc) + Tốc độ cắt: thay đổi Phương thức tiến hành thực nghiệm Đợt 3: Tiến hành thí nghiệm với hạt mài TQ để xác định lượng hạt mài thu đọ vỡ hạt sau cắt Cắt mẫu thép có chiều dày 10mm với thông số công nghệ cắt: - Áp suất cắt trung bình: 250 MPa - Khoảng cách vịi phun: 2mm - Đường kính vịi phun: 0,76mm - Hạt mài Garnet (Trung Quốc), cỡ hạt Mesh 80: 300µm - Tốc đợ 60mm/ph Kết quả: Tiến hành cắt thí nghiệm 04 lần lần với số lượng hạt mài 25kg, thực công việc thu hồi lượng hạt mài lần cắt 25kg trung bình thu hồi 15 kg/01 lần Với kích cỡ hạt thu sau phân loại là: 63, 76, 90, 125, 150, 175, 190 µm Phương thức tiến hành thực nghiệm Đợt 4: Tiến hành thí nghiệm với hạt mài thu Cắt mẫu thép vát có chiều dày 1-40mm với thông số công nghệ cắt: - Áp suất cắt trung bình: 250 MPa - Khoảng cách vịi phun: 2mm - Đường kính vịi phun: 0,76mm - Hạt mài Garnet (Trung Quốc), cỡ hạt Mesh 80: 300µm - Tốc độ 60mm/ph Kết quả: Tiến hành cắt với thay đổi kích thước hạt mài, với cỡ hạt nhóm đề tài tiến hành cắt ba đường mẫu cắt kết thu là: với cỡ hạt 90 125µm cắt sâu với chiều dày cắt đạt 22mm Vật liệu cắt Tốc độ cắt Áp suất cắt Khoảng cách cắt [mm/ph] [MPa] Kích cỡ hạt Đường kính vịi cắt Chiều sâu cắt mm] mài [mm] [mm] 0.76 160 250 [µm] 300 140 250 300 0.76 120 250 300 0.76 Thép 100 250 300 0.76 10 không gỉ 80 250 300 0.76 12 60 250 300 0.76 14 40 250 300 0.76 16 20 250 300 0.76 18 60 250 300 0.76 20.7 60 250 190 0.76 18 60 250 150 0.76 17 60 250 125 0.76 21.5 60 250 90 0.76 22 60 250 76 0.76 15.5 60 250 63 0.76 14 100 250 300 0.76 40 300 250 300 0.76 10 Thép thường Nhựa KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ A Kết luận Đề tài khảo sát trình hình thành phát triển cơng nghệ cắt tia nước áp suất cao có sử dụng hạt mài khơng sử dụng hạt mài q trình gia cơng cắt gọt Từ xác định nguyên lý gia công phương pháp cắt lựa chọn phương pháp gia cơng tia nước có sử dụng hạt mài để nghiên cứu cho đề tài Đề tài tiến hành nghiên cứu lý thuyết phương pháp gia cơng tia nước áp suất cao có sử dụng hạt mài, xác định mối quan hệ giữa: Quan hệ đường kính ống tập trung áp suất bơm Quan hệ lưu lượng khối lượng hạt mài hình dáng hình học ống tập trung Mối quan hệ lưu lượng thể tích khơng khí, lưu lượng khối lượng hạt mài thay đổi áp suất Ảnh hưởng thông số lên sư phân huỷ phần tử hạt mài KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ A Kết luận Tiến hành nghiên cứu thực nghiệm thu kết sau: Ở thời điểm này, với trang thiết bị có Phịng thí nghiệm chưa thể sử dụng hạt mài nước phục vụ trình cắt Việc ứng dụng hạt mài nước nghiên cứu thời gian sau Cắt số loại vật liệu như: thép, thép khơng rỉ, thép hợp kim, nhựa cứng để từ xác định số thông số công nghệ Xác định lượng hạt mài tiêu hao trình cắt độ vỡ hạt mài bắn lên chi tiết cắt KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ B Kiến nghị Do thời gian có hạn, nên thí nghiệm chưa nhiều, thí nghiệm để thu hồi hạt mài thực thí nghiệm thu hồi hạt mài nhập từ Trung Quốc, loại hạt mài khác tiến hành nghiên cứu tiếp Trong trình thực hiện, Đề tài có phối hợp chặt chẽ với 01 Nghiên cứu sinh Phòng thí nghiệm trọng điểm nội dung nghiên cứu cơng nghệ cắt tia nước kết cụ thể tiếp tục công bố sau PHỤ LỤC Hình ảnh q trình thí nghiệm Thiết bị cắt tia nước áp suất cao Thế giới Thiết bị cắt tia nước áp suất cao Việt Nam PHỤ LỤC Hình ảnh q trình thí nghiệm Q trình gá lắp mẫu Quá trình lập chương trình cắt PHỤ LỤC Hình ảnh q trình thí nghiệm Q trình cắt PHỤ LỤC Hình ảnh q trình thí nghiệm Mẫu chi tiết sau cắt PHỤ LỤC Hình ảnh q trình thí nghiệm Mẫu chi tiết sau cắt ... VIỆN NGHIÊN CỨU CƠ KHÍ BÁO CÁO TỔNG KẾT ĐỀ TÀI/DỰ ÁN NGHIÊN CỨU KHOA HỌC CÔNG NGHỆ CẤP BỘ NĂM 2010 Tên đề tài: NGHIÊN CỨU TỐI ƯU HĨA CHẾ ĐỘ CƠNG NGHỆ ĐẢM BẢO NĂNG SUẤT VÀ CHẤT LƯỢNG BỀ MẶT CHI TIẾT... nâng cao độ bền chi tiết Sau gia công lớp bề mặt chi tiết có khả xuất ứng suất dư kéo Ứng suất dư giảm giới hạn chảy chút lại làm tăng độ bền mỏi chi tiết Chi? ??u sâu ứng biến lớp bề mặt gia công tia. .. + Áp suất nước vòi + Khả cắt vật liệu + Chi? ??u dày chi tiết + Chất lượng cần gia công + Công suất máy bơm a) Hồ sơ gia công tia nước hạt mài áp lực cao: - Góc phun a = 900 Trong trường hợp bề mặt