Về ý nghĩa thực tiễn: - Các kết quả nghiên cứu là cơ sở để áp dụng để bù tái chếhạt mài Supreme Garnet có xuất xứ Ấn độ - một trong những hạtmài được dùng khá phổ biến trong gia công bằ
Trang 11 TÍNH CẤP THIẾT CỦA ĐỀ TÀI.
Ngày nay các loại vật liệu mới ra đời có nhiều ưu điểmnổi bật như: độ bền, độ cứng cao, khả năng chịu nhiệt, chịu màimòn tốt vv Tuy nhiên, các đặc điểm quý báu này của vật liệumới cũng làm cho chúng trở nên rất khó hoặc thậm chí không thểgia công khi sử dụng các phương pháp gia công truyền thống Vìvậy, đồng thời với việc nghiên cứu nâng cao hiệu quả gia côngcủa các phương pháp gia công truyền thống, cần phải nghiên cứutìm ra các phương pháp gia công có cơ chế mới cũng như hoànthiện các phương pháp gia công có cơ chế mới (gia công bằng tianước có hạt mài, gia công bằng lade, mài điện hoá …) để giacông có hiệu quả các vật liệu mới
Năm 1979 TS Mohamed Hashis đã phát minh ra phươngpháp gia công bằng tia nước có hạt mài nhờ trộn hạt mài vào tianước có áp lực cao Phương pháp này có nhiều ưu điểm như: giacông được các vật liệu khó gia công (titan, thép không rỉ, thủytinh …), không sinh nhiệt trong quá trình gia công, thân thiện vớimôi trường … Tuy nhiên nhược điểm lớn nhất của phương phápnày là giá thành gia công cao Do đó, giảm giá thành, tăng lợinhuận gia công là hướng nghiên cứu rất hiệu quả và đã có nhữngnghiên cứu đã tập trung vào 2 hướng đó là: tối ưu hóa quá trìnhgia công và tái chế, bù tái chế hạt mài
Tái chế hạt mài (abrasive recycling) là tái sử dụng lại hạt
mài vỡ ra sau khi cắt Sau khi tái chế, các hạt mài tái chế cũng có
thể sử dụng với việc bổ xung thêm các hạt mài mới Quá trình mà
ở đó các hạt mài mới được bổ xung vào hạt mài tái chế gọi là quá
trình bù tái chế hạt mài (abrasive recharging).
Theo hướng nghiên cứu tái chế và bù tái chế hạt mài vớimỗi một loại hạt mài ta có thể xác định cỡ hạt mài tối ưu cho hạtmài tái chế và hạt mài bù tái chế nhằm đạt chiều sâu cắt lớn nhất.Trong nghiên cứu này tác giả chọn hạt mài Supreme Garnet, mộtloại hạt mài của Ấn độ Loại hạt mài này có giá thành rẻ, được sửdụng rộng rãi ở châu Á và chưa có bất cứ nghiên cứu nào về bùtái chế cho loại hạt mài này
Trang 2Từ những lý do trên việc nghiên cứu đề tài “Nghiên cứu
bù tái chế hạt mài Supreme Garnet trong gia công bằng tia nước có hạt mài.” là cần thiết và cấp bách Đề tài này có ý nghĩa
cao về khoa học và thực tiễn:
Về ý nghĩa khoa học:
- Đóng góp và hoàn thiện lý thuyết về bù tái chế hạt mài;
- Nâng cao hiệu quả của gia công bằng tia nước có hạtmài
Về ý nghĩa thực tiễn:
- Các kết quả nghiên cứu là cơ sở để áp dụng để bù tái chếhạt mài Supreme Garnet (có xuất xứ Ấn độ - một trong những hạtmài được dùng khá phổ biến trong gia công bằng tia nước có hạtmài) nhằm nâng cao hiệu quả của gia công bằng tia nước có hạtmài sử dụng hạt mài này
Trang 3CHƯƠNG 1 GIỚI THIỆU VỀ PHƯƠNG PHÁP GIA CÔNG
TIA NƯỚC CÓ HẠT MÀI
Gia công bằng tia nước là phương pháp gia công tiên tiếnđược phát triển gần đây, trong đó năng lượng của tia nước áp suấtcao (ASC) được sử dụng để gia công vật liệu Công nghệ cắt
bằng tia nước ASC có 2 loại là cắt bằng tia nước (pure waterjet WJ) và cắt bằng tia nước có hạt mài (Abrasive waterjet - AWJ) 1.1 Lịch sử ra đời và xu hướng phát triển.
-1.2 Các thiết bị trong hệ thống gia công tia nước có hạt mài.
Một hệ thống AWJ thông thường gồm 7 thành phần chính:
Hệ thống cấp nước sạch; Cụm bơm khuếch đại áp; Các đườngống áp lực cao; Đầu cắt tạo ra tia nước ASC trộn hạt mài; Hệthống cấp và điều chỉnh lưu lượng hạt mài; Hệ thống điều khiểnchuyển động; Bể nước chứa hạt mài, phoi và dập năng lượng cònlại của tia nước sau khi cắt
1.3 Ưu nhược điểm của phương pháp gia công tia nước có hạt mài
1.4 Thách thức trong gia công tia nước có hạt mài.
Từ những tìm hiểu trên đây, mặt dù công nghệ gia côngAWJ có nhiều ưu điểm nhưng có nhược điểm là giá thành giacông cao Giá thành gia công cao khiến AWJ chưa được ứngdụng rộng rãi tại Việt Nam Do đó giảm giá thành gia công vàthời gian cắt cũng như nâng cao lợi nhuận gia công là thách thứclớn đối với những người nghiên cứu về công nghệ gia công AWJ.Song song với hướng tối ưu hóa quá trình gia công, tái sử dụnghạt mài là giải pháp hiệu quả vì không những giảm được giáthành gia công mà còn giảm thiểu hạt mài thải ra môi trường
Trang 4CHƯƠNG 2 TỔNG QUAN
Hiện nay, công nghệ AWJ chưa được ứng dụng rộng rãitại Việt Nam do giá thành của gia công AWJ rất cao Trong tổnggiá thành của AWJ, giá thành của hạt mài chiếm phần lớn nhấtkhoảng 54% [5] Giá thành hạt mài phụ thộc vào lưu lượng hạtmài, số đầu cắt, giá hạt mài, giá thành hệ thống… Tuy nhiên, hạtmài có thể tái sử dụng do đó có thể giảm được giá thành mua hạtmới
2.1 Tổng quan nghiên cứu về sự vỡ hạt mài trong AWJ.
2.1.1 Các loại hạt mài được sử dụng trong AWJ.
a, Phân bố kích thước của hạt mài
Trong công nghệ cắt bằng tia nước ASC việc lựa chọn cỡhạt mài phụ thuộc vào kích cỡ của buồng trộn và đường kính vòiphun Các cỡ hạt thường được sử dụng từ Mesh 40 đến Mesh 120
và kích thước hạt nằm trong khoảng từ 0,063 đến 0,5mm
b, Các loại hạt mài thường dùng trong AWJ
Ngọc hồng lựu, Olivin, Garnet
2.1.2 Chọn hạt mài làm đối tượng nghiên cứu của luận văn.
Xuất phát từ mục tiêu nghiên cứu khả năng sử dụng và tái
sử dụng hạt mài trong công nghệ cắt tia nước ASC, căn cứ vàoloại hạt mài nhập về cho công nghệ cắt bằng tia nước ở ViệtNam, tác giả quyết định chọn loại hạt mài tiêu biểu phục vụ chonghiên cứu: hạt mài nhập từ nước ngoài về: Supreme garnet, cỡ 80
2.1.3 Tổng quan về các nghiên cứu về sự vỡ của hạt mài trong AWJ
Trong quá trình gia công AWJ, quá trình vỡ của hạt màixảy ra ở hai giai đoạn [11, 12]
- Giai đoạn thứ nhất, xảy ra trong quá trình trộn (do tươngtác giữa các hạt mài với thành của buồng trộn, thành ống hội tụ
và giữa các hạt mài với nhau)
- Giai đoạn thứ hai xẩy ra trong quá trình cắt (do sự tươngtác giữa các hạt mài với phôi và giữa các hạt mài với nhau)
Trang 5Do đó, nghiên cứu cơ chế vỡ của các hạt mài có ý nghĩaquan trọng cho nghiên cứu tái chế hạt mài.
Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình vỡ của hạt mài trongAWJ gồm: cấu tạo buồng trộn, chiều dài vòi phun, vật liệu giacông, chiều dày vật liệu gia công, độ cứng vật liệu gia công, vậntốc dịch chuyển đầu cắt (gọi tắt là vận tốc cắt - v), áp suất cắt (p),lưu lượng hạt mài (ma) và loại hạt mài
Hiện tượng vỡ của hạt mài đã được nghiên cứu khá nhiều.Trong đó, G Galecki và M Maurkewicz (1987) là những ngườiđầu tiên nghiên cứu về vỡ hạt mài trong quá trình trộn Trong[13] đã chỉ ra thấy rằng một số lượng lớn từ 70% đến 80% nhữnghạt mài ban đầu này bị vỡ trong giai đoạn thứ nhất
Labus [15] đã nghiên cứu ảnh hưởng của áp suất nước tới
sự vỡ hạt, với áp suất nước thấp (từ 0-205 MPa) có ảnh hưởnglớn đến việc lượng hạt vỡ hơn so với áp suất nước cao (274-342MPa) Thêm vào đó nghiên cứu cũng chỉ ra rằng với hạt mài cỡ
#80 sau khi vỡ hạt mài sẽ có cỡ hạt 180 µm tới 63µm hoặc nhỏhơn
Ohlsen (1997) thực hiện nghiên cứu tái chế hạt Barton (hạtmài Mỹ) [16] Trong nghiên cứu này, ảnh hưởng của các thông sốquá trình như: áp suất nước, lưu lượng hạt mài, đường kính hạtmài, chiều dài, đường kính vòi phun, vận tốc dịch chuyển tới sự
vỡ hạt đã được nghiên cứu Để đánh giá sự vỡ của hạt mài, tác giảđưa ra một công thức xác định “Hệ số vỡ” có dạng:
in ap
out ap
Ohlsen chỉ ra rằng cỡ hạt <60 µm tham gia cắt không đáng
kể và không những cho chất lượng cắt thấp mà còn cản trở quátrình cắt
Như vậy, hạt mài sau khi gia công sẽ vỡ ra và kích thướctrung bình của hạt mài tái chế sẽ nhỏ hơn hạt mài mới Với hạtmài có kích thước nhỏ và nhiều cạnh sắc sẽ cắt tốt hơn hạt cókích thước lớn
Trang 6Trong [3] đã giải thích cơ chế vỡ hạt mài và giải thíchnguyên nhân vì sao lại có sự khác nhau về khả năng cắt, chấtlượng cắt giữa hạt mài tái chế và hạt mài mới Nguyên nhân chủyếu là do hình dáng hạt mài sau khi vỡ Một hạt mài khi vỡ sẽ vỡthành hai hạt lớn và nhiều hạt nhỏ
Như vậy qua những nghiên cứu về sự vỡ hạt mài trong các nghiên cứu gần đây tác giả nhận thấy hoàn toàn có cơ
sở cho việc tái sử dụng hạt mài Supreme Garnet xuất sứ Ấn độtrong gia công tia nước có hạt mài mang lại hiệu quả kinh tế,giảm giá thành gia công và bảo vệ môi trường
2.3 Thực trạng nghiên cứu về tái chế và bù tái chế hạt mài
Một trong những người đầu tiên nghiên cứu về việc tái sửdụng hạt mài trong gia công bằng tia nước có hạt mài là Guo.NS.Trong [18] các tác giả đã chỉ ra rằng khả năng cắt phụ thuộc vàođường kính hạt mài và đạt chiều sâu cắt lớn nhất với hạt mài cóđường kính 125-200µm Với cỡ hạt mài >90 µm họ có thể sửdụng lại được 68% lượng hạt mài
Babu và Chetty [11, 12] đã nghiên cứu tái chế hạt mài Ấn
độ #80 trong cắt phôi nhôm Al6061-T6 hình chêm Nghiên cứuchi ra hạt mài trong quá trình trộn và quá trình cắt bị vỡ nênđường kính hạt mài giảm Sau nhiều lần tái chế đường kính hạtmài cũng giảm đi và dẫn tới khả năng cắt của hạt mài tái chế cũnggiảm đi Tuy nhiên, bề mặt gia công khi này lại nhám ít hơn [12].Chất lượng cắt được đánh giá bằng nhám bề mặt chi tiết gia côngqua thông số Ra Ta thấy hạt mài tái chế khi cắt sẽ cho chất lượng
bề mặt tốt hơn hạt mài mới Lý do là hạt mài tái chế có kíchthước hạt nhỏ hơn nên rãnh cắt sẽ mịn hơn
Ngoài ra ảnh hưởng của hạt mài tái chế tới chiều rộngrãnh cắt (chiều rộng mặt trên và mặt dưới) cũng được nghiên cứu
Ngoài nghiên cứu về khả năng tái chế và khả năng cắt củahạt mài tái chế của hạt mài Ấn độ, Kantha Babu và KrishnaiahChetty còn nghiên cứu về bù tái chế hạt mài Với cỡ hạt lớn hơn90µm và bù thêm một lượng hạt mài mới lần lượt là 20, 40, 60,
80 và 100%, tác giả nghiên cứu ảnh hưởng của bù tái chế hạt màitới khả năng cắt và độ nhám bề mặt gia công và bề rộng rãnh cắt
Trang 7khi gia công phôi nhôm hình chêm Nghiên cứu chỉ ra rằng lượnghạt mài mới bổ sung thêm vào hạt mài tái chế ảnh hưởng tới khảnăng cắt và chất lượng cắt Khi lượng hạt mài mới bù thêm vào là40% khả năng cắt đạt lớn nhất còn khi bù thêm 60% sẽ cho độnhám bề mặt nhỏ nhất còn chiều rộng rãnh cắt sẽ tăng dần theolượng hạt mài mới bù vào Như vậy chất lượng cắt của hạt mài táichế và bù tái chế đều tốt hơn khi cắt bằng hạt mới và khả năng cắtgần xấp xỉ với khả năng cắt của hạt mới.
Năm 2008 Vũ Ngọc Pi trong [3] đã nghiên cứu về tái chế
và bù tái chế hạt mài GMA – một loại hạt mài của Úc được sửdụng rộng rãi trong công nghệ làm sạch và trong AWJ Để phânloại hạt mài tác giả sử dụng sàng với các cỡ 45, 63, 75, 90, 106,
125, 150, 180, 212, 250, 300, 355 và 425µm Để xác định khảnăng tái chế của hạt mài, sau khi sàng hạt mài được sắp xếp từ 75
µm tới 300 µm Sau khi tổng hợp với 8 mẫu thí nghiệm thấy rằngvới cỡ hạt lớn từ 212µm khối lượng rất nhỏ chỉ khoảng 18,5%nên tác giả chỉ sử dụng hạt mài có cỡ từ 75, 90, 106, 125, 150 và
180 μm để nghiên cứu.m để nghiên cứu
Tác giả kết luận rằng: hạt mài tái chế, bù tái chế với cỡ
>90µmm có khả năng cắt cao gấp 1.173 và 1.090 lần so với hạtmới Mà với hạt mài tái chế này ta có thể thu được gần 80%lượng hạt mài mới Tiếp đó tác giả còn nghiên cứu khả năng táichế nhiều vòng với loại hạt mài này Kết quả cho thấy hạt mài táichế vòng thứ 2 vẫn có thể cắt tốt hơn hạt mài mới 15,1% và vớihạt mài bù tái chế khi bù vòng 2, vòng 3 cắt tốt hơn hạt mới 7,1%
và 8,5%
2.4 Kết luận chương 2
- Cỡ hạt mài được dùng phổ biến nhất là cỡ hạt #80
- Sự vỡ của hạt mài trong quá trình gia công phụ thuộc vàobản chất từng loại hạt và phụ thuộc vào các thông số của quátrình gia công như: đường kính vòi phun, chiều dài vòi phun, ápsuất nước, hình dáng buồng trộn…vv
- Hạt mài trong gia công AWJ có thể tái sử dụng nhiều lần.Hạt mài tái sử dụng có khả năng cắt tốt thậm chí có thể cắt tốthơn hạt mới [3]
Trang 8- Có 2 phương pháp tái sử dụng hạt mài là tái chế và bù táichế.
- Cho đến nay chưa có nghiên cứu nào về bù tái chế hạt màiSupreme garnet
Vì vậy, nghiên cứu này đã chọn bù tái chế hạt mài Supremegarnet làm định hướng nghiên cứu
Trang 9CHƯƠNG 3 BÙ TÁI CHẾ HẠT MÀI
SUPREME GARNET
Trên thực tế tái sử dụng hạt mài có 2 cách:
Cách thứ nhất, ta sẽ thu hồi hạt mài trong bể chứa nướccủa máy sau đó tái chế và sử dụng không kèm việc bổ sung thêm
hạt mài mới gọi là tái chế hạt mài Tuy nhiên ta chỉ thu hồi được
một lượng hạt mài còn có khả năng cắt, số còn lại sẽ vỡ ra quánhỏ không có khả năng cắt hoặc rất khó tái chế
Cách thứ hai, ta sẽ bổ sung thêm một lượng hạt mài mớivào lượng hạt mài tái chế nhằm duy trì lượng hạt mài trong quá
trình cắt gọi là bù tái chế hạt mài.
3.1 Khả năng tái chế của hạt mài Supreme garnet.
Khả năng tái chế của hạt mài được hiểu là phần trăm hạtmài thu hồi được sau khi cắt tương đối lớn (khoảng trên 50%) vàthuận lợi trong thu hồi và tái chế Để xác định khả năng tái chếcủa hạt mài trước hết ta phải thu hồi sau đó làm sạch hạt mài, táchphoi, sấy khô và cuối cùng sàng phân loại hạt mài Tiếp theo thínghiệm xác định khả năng cắt, chất lượng cắt với các cỡ hạt màivừa sàng phân loại Nếu khả năng cắt và chất lượng cắt của hạtmài tái chế gần bằng hoặc hơn so với hạt mài mới và lượng hạtmài thu hồi được tương đối lớn nghĩa là hạt mài đó có khả năngtái chế
Tỷ lệ hạt mài tái chế thu hồi được phụ thuộc vào cỡ hạt nàođược chọn Cỡ hạt càng nhỏ tỷ lệ hạt mài thu hồi được càng caonhưng với cỡ hạt nhỏ sẽ khó sàng phân loại do hạt mài nhỏ dễ bítmắt sàng gây khó khăn cho tái chế hạt mài Ngoài ra tỷ lệ hạt màithu hồi phụ thuộc vào bản chất hạt mài, sự vỡ của hạt mài trongquá trình gia công, các yếu tố như vật liệu chi tiết gia công, thông
số công nghệ và thông số quá trình
3.1.1 Thiết lập các thông số thí nghiệm.
Bằng nghiên cứu thực nghiệm, ta sẽ xác định tỷ lệ phầntrăm hạt vỡ sau khi gia công Sơ đồ và thông số thí nghiệm cho
Trang 10quá trình nghiên cứu sự vỡ hạt mài được trình bày trong bảng 3.1
và hình 3.1:
Hình 3.1 Máy cắt tia nước có hạt mài và bể chứa hạt mài tái chế
Nghiên cứu xác định sự vỡ hạt và thu hồi hạt mài đượcthực hiện trên máy cắt tia nước mang nhãn hiệu DWJ-A-5 (hình3.1) của hãng DARDI – Trung Quốc tại phòng thí nghiệm trọngđiểm quốc gia về công nghệ bề mặt – Viện nghiên cứu Cơ khí
Bảng 3.2 Các thông số quá trình thí nghiệm nghiên cứu
vỡ hạt
Ấn độ)Đường kính trong vòi phun (mm) 0.76
Đường kính lỗ vòi tăng tốc (mm) 0.25
Chiều dài vòi phun (mm) 76.2
Khoảng cách từ đầu vòi phun tới
Vật liệu chi tiết gia công Thép 45
Vòi phun
Phôi
Thùng chứa Hạt mài Nước
Trang 11Tốc độ dịch chuyển (mm/phút) 50
Lưu lượng hạt mài (g/s) 5
Trong thí nghiệm này, 75kg hạt mài Supreme garnet #80được chia làm 3 lần cắt và thu hạt (mỗi lần 25kg) Hạt mài đượcthu hồi nhờ một thùng chứa có chứa đầy nước nhằm giảm vận tốccác hạt mài khi chúng ra khỏi phôi sau khi cắt để chúng không bị
vỡ thêm khi va vào thành thùng chứa hoặc va vào các hạt màikhác
Quá trình thí nghiệm, thu hồi và tái chế hạt mài
Bước thứ nhất: Tiến hành cắt phôi thép 45 theo sơ đồ thí
nghiệm như hình 3.1 và hạt mài sau khi cắt được thu hồi vào một
bể chứa
Bước thứ hai: Hạt mài được làm sạch để loại bỏ tạp chất
và hạt mài vỡ quá nhỏ Đồng thời dùng nam châm tách phoi thép
ra khỏi hỗn hợp hạt mài Kết quả thu được những thùng chứa lẫnnước và hạt mài đã được làm sạch
Bước thứ ba: Sấy khô hạt mài bằng lò sấy
Bước thứ tư: Tách phoi lần thứ hai để đảm bảo hỗn hợp
hạt mài được sạch
Bước cuối cùng của quá trình tái chế là sàng phân loại hạt
mài ra các cỡ từ 63µm cho tới 350µm
3.1.2 Kết quả và thảo luận về khả năng tái chế của hạt mài Supreme garnet #80
Trong phần này sẽ trình bày về nghiên cứu sự vỡ của hạtmài Supreme garnet đồng thời tỷ lệ các cỡ hạt mới và hạt mài táichế sau khi sàng phân loại cũng được xác định
Bảng 3.3 Phân loại hạt mài tái chế
Cỡ hạt
(µm)
Khối lượng hạt mài (kg) Tỷ lệ hạt
mài tái chế trong 25kg (%)
Lần
1 Lần 2 Lần 3
Trun g bình
300 < hạt <
250 < hạt <
