Phương pháp gia công tia nước

1 CÔNG NGHỆ DÙNG TIA NƯỚC ÁP LỰC CAO ĐỂ CẮT KIM LOẠI ThS. Trương Quang Dũng Ngày nay, lĩnh vực gia công cắt gọt đang phát triển rất mạnh trên thế giới. Đặc biệt với nhiều loại máy hiện đại như trung tâm gia công CNC, máy gia công bằng tia lửa điện, máy cắt dây, máy gia công bằng tia laser, máy cắt plasma, . . . Việc ra đời của công nghệ gia công vật liệu bằng tia nước đã mở ra hướng phát triển mới cho lĩnh vực cắt gọt vật liệu. Máy cắt bằng tia nước là một công cụ có khả năng cắt kim loại hay các vật liệu khác bằng cách sử dụng một tia nước có áp suất rất cao và tốc độ lớn, hoặc bằng một hỗn hợp của nước và hạt mài (loại vật chất dùng để mài mòn như các hạt đá mài). 1. Gia công bằng tia nước (Water Jet Cutting - WJC) Gia công bằng tia nước là một quá trình sử dụng tia nước ở áp suất cao (từ 2.10 8 Pa – 4.10 8 Pa). 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. 1.1.Nguyên lý gia công Đưa một thể tích lớn nước qua một đường ống nhỏ. Thể tích không đổi đi qua một tiết diện nhỏ dần sẽ làm các phần tử tăng tốc một cách nhanh chóng. Dòng tăng tốc này ra khỏi ống tác động một lực cắt lớn vào vật liệu gia công. Trong vùng cắt sẽ phát triển những vết nứt nhỏ do tác động của tia nước. Vết nứt do tác động của tia nước với áp suất cực đại và tác động của các phần tử trong dòng tia làm cho vết nứt phát triển đến khi vật liệu bị cắt hoàn toàn. 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 áp lực lớn hơn độ bền nén của vật liệu, bề mặt vật liệu bị nát ra và tia nước xuyên qua tạo thành vết cắt, cắt chi tiết gia công. Vậy tia nước tạo đóng vai trò như một cái cưa cắt một vết hẹp trên vật liệu. 1.2. Các thông số công nghệ và khả năng công nghệ 2 Các thông số quan trọng của công nghệ gia công bằng tia nước bao gồm : Khoảng cách gia công, đường kính vòi phun, áp suất nước và tốc độ cắt. - Khoảng cách gia công là khoảng cách từ đầu vòi phun đến bề mặt chi tiết cần gia công. Thông thường nhỏ để giảm độ phân tán của tia nước đến mức tối thiểu trước khi đập vào bề mặt chi tiết gia công, khoảng cách này khoảng 3,2 mm. - Các thông số khác cũng ảnh hưởng rất lớn đến độ chính xác gia công và giá trị của các thông số đó phụ thuộc vào độ dày, chất liệu của chi tiết gia công. Vòi phun có đường kính lỗ vòi nhỏ thường dùng để cắt vật liệu mỏng, đường kính lỗ vòi lớn hơn được dùng để gia công vật liệu dày hơn cì cần phải có tia nước lớn hơn và áp suất cao hơn. - Thông số tốc độ cắt phụ thuộc vào độ dày và loại vật liệu của chi tiết gia công, thường thì khoảng 5-500 mm/s. Gia công cắt bằng tia nước có khả năng cắt rãnh hay vết cắt rộng khoảng 1mm và cắt được đường kính lỗ nhỏ nhất 1,5mm. - Phạm vi gia công là từ 1,6 – 305 (mm) với độ chính xác là ± 0,13(mm) - Phương pháp gia công tia nước thường được tự động hóa bằng hệ thống công nghệ CNC hay người máy công nghiệp. Bảng: 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 Kevlar 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 1.3. Ưu và nhược điểm của phương pháp gia công bằng tia nước Ưu điểm của phương pháp gia công bằng tia nước là: - 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. Cắt bằng tia nước có thể cắt những vật liệu tưởng chừng như không thể gia công bằng những phương pháp gia công thông thường được. - Gia công bằng tia nước cho phép gia công những bề mặt khó khăn và phức tạp như: những góc nằm bên trong, khớp V, những hình dạng kiến trúc nghệ thuật,… có thể gia công với độ chính xác cao. 3 - Gia công bằng tia nước có thể gia công các vật liệu tổng hợp, nhựa mà không gặp phải dung sai do nhiệt, hoặc do sự xuống cấp của các chi tiết cơ khí. Không phải trả chi phí cho các dụng cụ hay khuôn mẫu kèm theo. - Chất lượng vết cắt rất cao. - Vết cắt có thể bắt đầu ở bất kì chỗ nào mà không cần khoan mồi trước và có thể cắt được các vật liệu cán mỏng. - Có thể được dùng để cắt hoặc tạo hình các bộ phận bằng thép, nhôm, thủy tinh, cao su, vật liệu tổng hợp và các loại vật liệu khác. - Có khả năng tự động hóa và người máy hóa rất cao. Nhược điểm của phương pháp gia công bằng tia nước - Khó kiểm soát độ chính xác về kích thước gia công. - Giá thành thiết bị cao - Công nghệ gia công bằng tia nước áp lực cao trong lĩnh vực chế tạo máy vẫn còn mới mà nhiều vấn đề lý thuyết và thực tiễn chưa giải quyết được hoặc giải quyết chưa triệt để. 1.4. Phạm vi ứng dụng 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… Làm sạch bề mặt trong ngành xây dựng và chế tạo máy… Cắt bằng tia nước được sử dụng nhiều trong các lĩnh vực sau: - Cắt đứt hoặc cắt định hình các bề mặt kim loại hay phi kim loại. - Khoan lỗ bằng tia nước có áp lực cao - Ứng dụng trong công nghiệp làm sạch bề mặt - Ứng dụng tia nước trong kỹ thuật đào đường hầm - Một số vật liệu được cắt bằng tia nước là : các tông, thảm, 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. Hình 2. Một số sản phẩm sau khi gia công 2. Gia công bằng tia nước có hạt mài (Abrasive Water Jet Cutting – AWJC) 4 Phương pháp gia công bằng tia nước thích hợp cho việc cắt nhựa, thực phẩm, cao su, vải,… 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 mài. Hình 3. Máy gia công bằng tia nước có hạt mài 2.1. Nguyên lý gia công bằng tia nước có hạt mài Áp suất nước trong gia công bằng tia nước có hạt mài giống trong gia công bằng tia nước, nhưng 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. Khi gia công tia nước có hạt mài thì hạt mài được trộn với nước trong ống trộn trước khi được phun ra ngoài. Vận tốc của dòng nước rất cao sẽ tạo ra vùng chân không hút hạt mài từ ngoài vào mà không cần bất cứ một máy nào khác để đưa dòng hạt mài vào. 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. Hình 4. Sơ đồ nguyên lý gia công bằng tia nước có hạt mài Bề mặt gia công tia nước có hạt mài trước khi gia công phải được tẩy sạch bụi, phoi, dầu nhờn, axit hay các tạp chất khác. 5  Quá trình đưa hạt mài vào tia nước: Hạt mài được đưa vào sau khi hình thành tia nước có áp suất cao Hình 5. Quá trình đưa hạt mài vào nước Hạt mài được tập trung vào buồng chứa. Khi nước vào bơm và đi qua buồng trộn. Trong buồng trộn nhờ có áp lực cao của nước mà hạt mài trộn cùng với nước đi vào cùng một ống.  Bộ trộn trong gia công tia nước có hạt mài: Trong gia công tia nước có hạt mài, ta quan tâm đến vấn đề trộn hạt mài vào tia nước. Mỗi thiết bị đều có một cơ chế trộn hạt mài khác nhau. Hình 6. Trộn hạt mài vào nước đã có áp suất cao 2.2. Các bộ phận cơ bản Các bộ phận chính của một thiết bị gia công tia nước có hạt mài cũng giống như gia công tia nước, bao gồm các bộ phận chính sau:  Bộ lọc: làm sạch nước để tăng tuổi thọ hệ thống.  Bộ tăng áp: tăng áp lực của nước. 6  Bộ phận phân phối nước: đường ống, khớp nối và các bộ phận phân phối nước tăng áp.  Đầu trộn: trộn nước áp lực cao và hạt mài.  Đầu cắt: dẫn hướng tia nước.  Giàn máy NC: định vị đầu cắt.  Bộ phận thu gom nước đã phun 2.3. Các thông số công nghệ và khả năng công nghệ 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 Al 2 O 3 , SiO 2 các cỡ hạt khoảng từ 60 đến 100. Lượng mài được thêm vào trong tia nước 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. Các thông số cần chú ý khi gia công tia nước có hạt mài là: tỉ lệ cấp hạt mài, đường kính ống trộn, đường kính miệng vòi phun, áp suất nước trong vòi, khả năng cắt vật liệu, chiều dày chi tiết gia công, chất lượng cần gia công, công suất máy bơm, biên dạng hình học cần gia công…  Các thông số công nghệ cơ bản của quá trình cắt là: - Áp suất tia nước (1300 – 4000 bar). - Đường kính tia nước. - Tốc độ của dòng tia lên đến (1950 m/ph). - Độ xa. - Tốc độ nạp hạt mài. - Tốc độ cắt , 25 ÷130 mm/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 vết cắt điển hình là 0,76mm và lớn hơn. - Tầm ảnh hưởng của dòng tia lên đến 200mm với vật liệu cứng. Áp suất hạ xuống sau 25mm. - 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 ±0,38mm. 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. 2.4. Đặc điểm và phạm vi ứng dụng 7 Gia công bằng tia nước và gia công bằng tia nước có hạt mài có cấu tạo và nguyên lý tương tự nhau nên những ưu điểm của phương pháp gia công bằng tia nước có hạt mài cũng tương tự. Cắt các vật liệu rất cứng như titan, hợp kim đặc biệt, rẻ hơn các phương pháp gia công khác (plasma, laser,…).  Cắt được hầu như mọi vật liệu: thép tôi cứng, thép mềm, thép không rỉ, 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 dày 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  Chi phí thấp: trung tâm AWJM sử dụng file DXF sẵn có (hoặc bản vẽ CAD khác). Không tốn chi phí cho khuôn, đồ gá hay không yêu cầu chương trình CNC phức tạp, tỉ mỉ. Hình 7. Sản phẩm sau khi gia công bằng tia nước có hạt mài 3. So sánh với một số phương pháp gia công khác 3.1. So sánh với gia công bằng 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 được vật liệu dầy hơn. - Dòng tia nước 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 dày. 3.2. So sánh với gia công tia lửa điện - Gia công nhanh hơn tia lửa điện. - Khả năng gia công nhanh hơn tia lửa điện. 8 - Khả năng gia công với 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. 4. Kết luận - Quá trình sử dụng CAD/CAM và vết cắt rất nhỏ khi gia công bằng tia nước cho phép chúng ta sử dụng các vật liệu đắt tiền một cách hiệu quả như: Titan, vật liệu tổng hợp và các loại thủy tinh quang học. - Các đầu dụng cụ cắt bằng nước tự động hóa có thể cắt theo bất kỳ hướng nào, bảo đảm các hình dạng phức tạp luôn luôn được cắt với độ chính xác cao. - Gia công bằng tia nước rất tốt với những vật liệu dễ gãy như thủy tinh. Với vật liệu này khi gia công bằng những phương pháp thông thường tỉ lệ thất bại rất cao. - Cắt bằng tia nước các vật liệu như đá, gốm và sứ thì hiệu quả và sạch sẽ hơn. - Gia công bằng tia nước là một giải pháp mang tính chất môi trường nhất nếu so với các giải pháp gia công phức tạp khác. - Ngoài việc sử dụng tia nước đễ cắt gọt các vật liệu để đạt được những hình dạng mong muốn, người ta còn sử dụng tia nước làm sạch bề mặt kim loại, các bề mặt khác. - 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. TÀI LIỆU THAM KHẢO 1. http://vi.wikipedia.org/wiki/C%E1%BA%AFt_b%E1%BA%B1ng_tia_n %C6%B0%E1%BB%9Bc 2. http://www.meslab.org/mes/threads/2354-CONG-NGHE-CAT-BANG- TIA-NUOC.html 3. http://www.waterjets.org/ 4. www.omax.com 5. Phạm Ngọc Tuấn, Nguyễn Văn Tường; Các phương pháp gia công đặc biệt, Nhà xuất bản Đại học Quốc gia thành phố Hồ Chí Minh. . sử dụng tia nước làm sạch bề mặt kim loại, các bề mặt khác. - 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. tạo máy… Cắt bằng tia nước được sử dụng nhiều trong các lĩnh vực sau: - Cắt đứt hoặc cắt định hình các bề mặt kim loại hay phi kim loại. - Khoan lỗ bằng tia nước có áp lực cao - Ứng dụng trong. vực cắt gọt vật liệu. Máy cắt bằng tia nước là một công cụ có khả năng cắt kim loại hay các vật liệu khác bằng cách sử dụng một tia nước có áp suất rất cao và tốc độ lớn, hoặc bằng một hỗn