BÀI TẬP CÔNG NGHỆ KIM LOẠI CÔNG NGHỆ CẮT BẰNG TIA NƯỚC (Water Jet Cutting) 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 thuỷ động lực học. Sơ đồ nguyên lý được thể hiện trên hình 1. 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 độ bền nén lớn hơn đọ bền nén của vật liệu, bề mặt vật liệu nát ra và tia nước xuyên qua tạo thành vết cắt, cắt chi tiết gia công. Vậy tia nước đóng vai trò như một cái cưa cắt một vết hệp trên vật liệu. b. Các thông số công nghệ và khả năng 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 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 SVTH: TRẦN ĐÌNH NGỌC MỸ - LỚP 09C1LT - 1 - BÀI TẬP CÔNG NGHỆ KIM LOẠI 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. Chiều dày cắt và tốc độ ăn dao khi cắt bằng tia nước Vật liệu Chiều dày cắt ( mm ) Tốc độ ăn dao ( m/ph) Da 2,2 20 Nhựa PVC 3 0,5 Nhựa PS 2 150 Kelvar 3 3 Graphit 2,3 5 Tấm thạch cao 10 6 Tấm carton gợn sóng 7 200 Tấm giấy bột 2 120 Gỗ dán 6 1 c. Ưu nhược điểm và phạm vi ứng dụng. - 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. - 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… SVTH: TRẦN ĐÌNH NGỌC MỸ - LỚP 09C1LT - 2 - BÀI TẬP CÔNG NGHỆ KIM LOẠI - 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. Một số sản phẩm của công nghệ cắt bằng tia nước CẮT BẰNG TIA NƯỚC CÓ HẠT MÀI (Abrasive Water Jet Cutting) 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 SVTH: TRẦN ĐÌNH NGỌC MỸ - LỚP 09C1LT - 3 - BÀI TẬP CÔNG NGHỆ KIM LOẠI 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 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. Sơ đồ nguyên lý gia công bằng tia nước có hạt mài SVTH: TRẦN ĐÌNH NGỌC MỸ - LỚP 09C1LT - 4 - BÀI TẬP CÔNG NGHỆ KIM LOẠI Vòi phun của thiết bị gia công bằng tia nước có hạt mài 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. SVTH: TRẦN ĐÌNH NGỌC MỸ - LỚP 09C1LT - 5 - BÀI TẬP CÔNG NGHỆ KIM LOẠI Hình dáng của máy b. Các thông số công nghệ và khả năng công nghệ : Các thông số công nghệ cơ bản của quá trình cắt là : - Ap suất tia nước (20,000 -60,000 PSI hay 1300 – 4000 bar). - Đường kính tia nước. - Tốc độ của dòng tia lên đến 285 fps (1950 mph), khoảng 2,5 lần tốc độ âm thanh. - Độ xa. - Tốc độ nạp hạt mài. - Tốc độ cắt , 1 – 5 inch/ph. Tốc độ cắt càng lớn thì chất lượng bề mặt càng tốt. - Tốc độ nạp vật liệu (lượng chạy dao) Khả năng công nghệ : - Chiều rộng cắt điển hình là 0,030" và lớn hơn. - Tầm ảnh hưởng của dòng tia lên đến 8’’ đối với vật liệu cứng. Ap suất hạ xuống sau 1’’. - Độ chính xác phụ thuộc vào loại máy được sử dụng. Loại máy lớn với đầu phun dịch chuyển trên khung đạt độ chính xác ±0,015’’. Các máy cỡ trung có thể độ chính xác ±0,005’’. Các máy hiện đại có thể đạt độ độ chính xác ±0,0025’’, độ thẳng đạt 0,002’’ Có sự khác biệt lớn về dung sai đạt được giữa các nhà sản khác nhau. Hầu hết sự thay đổi này đến từ sự khác biệt ở công nghệ điều khiển, và một vài khác biệt từ kết cấu máy. Ngày nay nột số máy có khả năng đạt độ chính xác gia công một số chi tiết đến ±0,001’’ thậm chí trong một số trường hợp còn tốt hơn (mặc dù ±0,002’’ thì có lẽ thực tế hơn). SVTH: TRẦN ĐÌNH NGỌC MỸ - LỚP 09C1LT - 6 - BÀI TẬP CÔNG NGHỆ KIM LOẠI c. Ưu nhược điểm và phạm vi ứng dụng. - Cắt được hầu như mọi vật liệu: thép tôi cứng, thép mềm, thép không rỉ (phần lớn thép cắt ở cùng tốc độ dù có khác nhau về độ cứng), đồng thau, nhôm, vật liệu giòn như thuỷ tinh, gốm, thạch anh, và đá, tấm mỏng, vật liệu dễ cháy, cắt quặng mỏng hoặc quặng dày, tạo được mọi loại hình dạng với chỉ một dụng cụ cắt. - Cắt với một phạm vi bề dầy lớn với dung sai hợp lý, không sinh nhiệt, vùng gia công không chịu tác động nhiệt, đây là phương pháp gia công cắt lạnh. - Độ nhám bề mặt có thể tốt như các phương pháp gia công truyền thống. - Lực cắt không đáng kể, vì thế có rất ít hoặc không có d. So sánh với một số phương pháp gia công khác. So sánh với gia công tia laser - Gia công được nhiều vật liệu mà laser không thể gia công (vật liệu phản xạ, như nhôm và đồng). - Tính đồng nhất vật liệu không phải là đặc tính quan trọng. - Dòng tia nước không tạo nhiệt lên chi tiết. Vì thế không có biến dạng nhiệt và độ cứng không tăng. - Tia nước có thể đạt được độ chính xác bằng hoặc hơn tia laser. - Giá thành rẻ hơn. - Gia công đuợc vật liệu dầy hơn. - Dòng tia tạo mài an toàn hơn, không có khói độc, không có lửa. - Có tính môi trường hơn. - Bảo trì đơn giản hơn. - Tia hạt mài có khả năng đạt dung sai tương tự trong gia công chi tiết mỏng và đạt độ chính xác cao hơn trong gia công chi tiết dầy So sánh với gia công tia lửa điện - Gia công nhanh hơn tia lửa điện. - Khả năng gia công phạm vi vật liệu rộng lớn hơn. - Tính đồng nhất không phải là đặc tính quan trọng đối với gia công tia nước. - Dòng hạt mài tạo lỗ xuyên cho chính nó. - Không sinh nhiệt. - Dòng tia nước có khả năng bỏ qua những bất thường của vật liệu mà có thể những bất thường này làm cho EDM mất tia lửa điện. SVTH: TRẦN ĐÌNH NGỌC MỸ - LỚP 09C1LT - 7 - . BÀI TẬP CÔNG NGHỆ KIM LOẠI CÔNG NGHỆ CẮT BẰNG TIA NƯỚC (Water Jet Cutting) a. Nguyên lý gia công : Cắt bằng tia nước (Water Jet Cutting-WJC) là một quá trình sử dụng tia nước ở áp. ăn. Một số sản phẩm của công nghệ cắt bằng tia nước CẮT BẰNG TIA NƯỚC CÓ HẠT MÀI (Abrasive Water Jet Cutting) a.Nguyên lý gia công Để tăng khả năng cắt bằng tia nước nhằm cắt các vật liệu cứng. - BÀI TẬP CÔNG NGHỆ KIM LOẠI Vòi phun của thiết bị gia công bằng tia nước có hạt mài 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