Trong bối cảnh phát triển mạnh mẽ của ngành công nghệ vật liệu như hiện nay, thì hàng loạt các loại vật liệu mới với các đặc tính đặc biệt và cơ tính tốt đã được ra đời ( hợp kim cứng, ceramic,compozit, vật liệu tổng hợp…) và được ứng dụng ngày càng rộng rãi vào thực tế cuộc sống.
GVHD: Đào Quang Kế SVTH: Ngũn Văn Anh I, ĐẶT VẤN ĐỀ. Trong bối cảnh phát triển mạnh mẽ của ngành cơng nghệ vật liệu như hiện nay, thì hàng loạt các loại vật liệu mới với các đặc tính đặc biệt và cơ tính tốt đã được ra đời ( hợp kim cứng, ceramic,compozit, vật liệu tổng hợp…) và được ứng dụng ngày càng rộng rãi vào thực tế cuộc sống.Mặt khác các u cầu về kết cấu các chi tiết ngày càng phức tạp và u cầu về chất lượng ngày càng cao. Hơn nữa vấn đề về hiệu quả kinh tế – kỹ tḥt khi gia cơng các loại vật liệu mới cũng được đặt lên hàng đầu. Tuy nhiên, các phương pháp gia cơng truyền thống (tiện, phay, bào, Khoét, Doa, Mài, Xọc, Chuốt,….) lại khơng thể đáp ứng được u cầu gia cơng các loại vật liệu này; Chính vì thế, vấn đề gia cơng các loại vật liệu mới cũng là một vấn đề ln ln song hành với sự phát triển đó. Để đáp ứng u cầu gia cơng các loại vật liệu mới này thì hàng loạt các phương pháp gia cơng mới được ra đời. Một trong những phương pháp này là: “ Gia cơng bằng tia nước có hạt mài ”. Đây là một phương pháp gia cơng đặc biệt được đánh giá là có nhiều ưu điểm và đã được ứng dụng rộng rãi trong thực tế: trong gia cơng cơ khí, cơng nghệ thực phẩm… với phương pháp gia cơng này thì chúng ta có thể gia cơng đươc những vật liệu phức tạp mà vẫn đạt được độ chính xác cao và đạt được hiệu quả kinh tế khi gia cơng. II, Nợi dung phương pháp gia cơng bằng tia nước có hạt mài. Để biết được phương pháp gia cơng bằng tia nước có hạt mài như thế nào thì trước hết ta cần phải biết được phương pháp gia cơng bằng tia nước trước. Ta đi định nghĩa phương pháp gia cơng bằng tia nước: Gia cơng bằng tia nước (Water Jet Cutting-WJC) là một q trình sử dụng tia nước ở áp suất cao để gia cơng 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 cơng bằng thuỷ động lực học. Sơ đồ ngun lý được thể hiện trên hình 1. GVHD: Đào Quang Kế SVTH: Nguyễn Văn Anh 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. Nguyên lý gia công tia nước có hạt mài: 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. Nguyên lý của phương pháp này cũng như gia công tia nước, nhưng khác ở chỗ 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 GVHD: Đào Quang Kế SVTH: Nguyễn Văn Anh 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. 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 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 và garnet, các cỡ khoảng từ 60:100. Lượng hạt mài được thêm vào trong tia nước xấp xỉ khoảng 0,3kg/phút sau khi thoát ra vòi phun. 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 PPGC tia laser hay tia plasma nếu cầu không có ảnh hưởng nhiệt đường cắt vật liệu. 2. Các thông số cơ bản và thiết bị: Các thông số cần chú ý khi gia công tia nước có hạt mài: - Tỷ 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 - Chất lượng cần gia công - Công suất máy bơm GVHD: Đào Quang Kế SVTH: Nguyễn Văn Anh - Biên dạng hình học cần gia công 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 - Bộ phận phân phối nước: đường ống, khớp nối và ác bộ phận phân phối nước tăng áp. - Đầu trộn: trộn nước áp lực cao và hạt mài - Đầu cắt: dẫn hướng tia nước - Dàn máy NC: định vị đầu cắt - Bộ phận thu gom nước đã phun GVHD: Đào Quang Kế SVTH: Nguyễn Văn Anh Hình 2.47: Sơ đồ nguyên lí gia công bằng tia nước có hạt mài Sự chuẩn bị nước –bộ lọc: Yêu cầu về thành phần của nước: đòi hỏi phải có một chất lượng nhất định, phải đảm bảo các chỉ tiêu về thành phần hóa học cũng như độ tinh khiết của nước. Các nguồn nước khác nhau có chất lượng khác nhau. Thông thường, nguồn nước sử dụng cho hệ thống cắt là nguồn nước uống.tuy nhiên nhiều lúc cũng phải sử dụng bộ lọc trong hệ thống nhằm loại bỏ những phần tử cực nhỏ có khả năng gây hại cho hệ thống vòi phun và các bộ phận cao áp. Lưu lượng là 1 gallon mỗi phút tại áp lực vòi thông thường. GVHD: Đào Quang Kế SVTH: Nguyễn Văn Anh Thực tế cho thấy rằng với bộ lọc sợi 5mF được lắp trên máy đã không bị ăn mòn sau sáu tháng vận hành. Trong những tình huống này, những sự thay đổi nhỏ tính chất hóa học của nước cũng có thể ảnh hưởng nghiêm trọng đến sự chống mài mòn của một số bộ phận trong bơm. Sự có mặt của một lượng nhỏ vật liệu rắn trong hạt mài có thể gây nên sự mài mòn nhanh chóng vòi phun và những điểm khác trong hệ thống nơi mà tốc độ tia nước cao. Thêm vào đó, một số chất rắn hòa tan có thể bám vào lỗ vòi phun, dẫn tới sự bao vây dần dần lỗ vòi phun làm giảm hiệu suất phun. Trên hệ thống phải có một bơm dùng để dẫn nước qua các bộ lọc 10mF,1mF,0.5mF. Nhiều nơi nguồn nước không thỏa mãn các yêu cầu trên. Nếu nguồn nước cung cấp không thỏa đáng thì thiết bị sẽ xảy ra sự cố. Ví dụ, nếu lượng CaCO 3 trong nước quá cao, nó sẽ kết tủa bên trong vòi phun. Có một vài phương pháp xử lý nước khi sử dụng. Đơn giản nhất là làm mềm nước như nước sử dụng trong gia đình. Phương pháp thứ 2 là thẩm thấu ngược bằng cách sử dụng màng mỏng rất mịn những tạp chất ở kích thước phân tử. Phương pháp thứ 3 là khử ion hóa hệ thống dẫn nước làm cho các ion âm như clorua,sunfate được thay thế bằng ion hydroxyl và các ion dương như canxi, natri được thay thế bởi hydro. GVHD: Đào Quang Kế SVTH: Nguyễn Văn Anh Hệ thống bơm tăng áp Hình 2.48: Hệ thống bơm tăng áp Cũng giống như thiết bị gia công tia nước, hệ thống bơm tăng áp dùng để tạo dòng nước áp suất cao phải liên tục. Thường dùng loại bơm piston tăng áp hai tác dụng kiểu thủy lực hơn là loại bơm kiểu trục khuỷu vì áp suất nước sinh ra của bơm piston lớn. Thông thường 40,000:345,000kPa. Kinh nghiệm cho thấy, gia công tia nước có hạt mài không thật sự cần đủ áp suất 60.000psi cyar bơm tăng áp. Hạt mài thực hiện việc cắt gọt trong khi nước đóng vai trò là môi trường để mang hạt mài xuyên qua chi tiết. Ngày nay bơm kiểu trục khuỷu dạt áp suất 55,000psi. Vì nó đáp ứng được yêu cầu trên, nên ngày càng nhiều máy sử dụng loại bơm này được tung ra thị trường. Đường ống, khớp nối và các bộ phận phối nước tăng áp: GVHD: Đào Quang Kế SVTH: Nguyễn Văn Anh Bộ phận này nằm giữa bộ tích và đầu di động. Yêu cầu kích thước của hệ thống này phải thay đổi được. Ở áp suất thấp thì có thể sử dụng các vòi cao su, tuy nhiên các ống thép cuộn bằng thép không gỉ thường được sử dụng hơn. Các van lưu lượng cũng được dùng để giảm khả năng hư hại. Đầu trộn: Hình 2.49: Hình dáng bên ngoài của đầu trộn và vòi phun. - Đầu trộn dùng để trộn nước và hạt mài đồng thời cũng để tập trung dòng nước để cắt. Đầu trộn là nơi mà vòi phun nước nối đầu nạp hạt mài, buồng trộn và miệng vòi phun hỗn hợp. Có ba loại trộn đầu. GVHD: Đào Quang Kế SVTH: Nguyễn Văn Anh - Loại thứ nhất: Có đầu nạp mài ở bên hông, vòi phun nước đồng trục với miệng vòi phun hỗn hợp. Loại này có cấu tạo đơn giản nhưng chất lượng hòa trộn hỗn hợp kém. Nguyên nhân là do profile vận tốc trong thiết diện ngang của dòng tia không đồng bộ và vì thế các phần tử hạt mài sẽ có khuynh hướng rơi vào sát thành của dòng tia, ở đây vận tốc chậm nhất. - Loại thứ hai: Hạt mài được nạp vào từ trung tâm, nước nạp vào từ xung quanh. Loại này, chất lượng hòa trộn tốt nhưng khó chế tạo hơn loại kia. Với hai loại này, hạt mài được cấp vòa nhờ trọng lượng của nó. - Loại thứ ba: Hạt mài được cấp vào từ hai bên nhờ khí nén. Ống hòa trộn thường được làm bằng các bít vonfram hoặc những loại vật liệu tương tự. Mục đích của việc giảm thiết diện ngang vòi phun tia nước có hạt mài là để tập trung dòng tia trước khi ra khỏi vòi. Như vậy tất cả các phần tử hạt mài cùng tốc độ bay đến chi tiết GC. Tuy nhiên một phần năng lượng sẽ bị mất đi do hạt mài va chạm vào thành ống chuẩn trực. Có một vài vấn đề trong buồng hòa trộn. Trong khi hòa trộn, do bị tác động bởi dòng nước áp lực cao trong buồng hòa trộn nên các hạt mài bị giảm kích thước. Sự hòa trộn của các phần tử hạt mài trong dòng tia không đồng đều. Do tâm dòng tia là vùng có tốc độ cao nên hầu hết các hạt mài ở vùng biên của dòng tia, một số ít ở tâm. Như vậy khả năng cắt thật sự của dòng tia chủ yếu là ở bề mặt ngoài. GVHD: Đào Quang Kế SVTH: Nguyễn Văn Anh Vòi phun: Hình dáng kết cấu của vòi phun phải chịu được áp suất cao và tuân theo nguyên tắc Bernuolli. Khi dòng nước đi ra vòi phun, áp suất hạ đến mức khi quyển và vì vậy năng lượng động lực học của dòng chay tăng nghĩa là tốc độ của dòng chảy tăng. Vì vậy các phần tử hạt mài sẽ được tăng tốc bởi tia nước. Do hạt mài có khối lượng nhất định nên tốc độ của chúng không bằng tốc độ của tia nước. Tia nước có tốc độ càng cao thì hạt mài dịch chuyển càng nhanh. Khi đó một vòi phun có miệng hình côn là phù hợp nhất. Có ít nhất hai yêu cầu cho sự tạo hình tia nước. Thứ nhất là để tăng tốc độ và áp suất của chất lỏng với mục đích tăng tốc cho các phần tử hạt mài, thứ hai là tia nước càng dài, càng thẳng sau khi ra khỏi vòi phun. [...]... phương pháp cắt bằng tiện hay cắt bằng tia plasma, tia laser, tia lửa điện Tia nước và hạt mài có thể dùng để cắt các vật liệu tưỏng chừng như không thể gia công bằng những PPGC thông thường được - Những thuận lợi của phương pháp gia công này vượt ra xa sự cạnh tranh về giá cả so với kĩ thuật gia công khác Gia công bằng tia nước có hạt mài cho phép gia công những bề mặt khó khăn và phức tạp như... hạt mài, cần phải chú ý tỷ lệ cấp hạt mài và vận tốc gia công Hiện tượng trễ khi gia công thường xảy ra, chúng không nghiêm trọng khi gia công đường thẳng, nhưng khi gia công đường cong hay góc phải gia m vận tốc để hạt mài tác động lên bề mặt gia công và hạt mài ra khỏi vòi được coi là cùng lúc Có một số gia i pháp điều khiển được quá trình gia công: ... đến gần góc gia công, gia m tỷ cấp hạt, khi qua góc gia công, tăng lên lại Công việc này đòi hỏi phải kiên nhẫn và kinh nghiệm Gia i pháp 2: Dùng đầu đa trục để khi gia công, đầu có thể nghiêng thích hợp với mỗi công đoạn gia công và có thể bù lượng hạt mài cần thiết khi gia công Tuy nhiên, công việc này cũng đòi hỏi chi phí cao và phức tạp Gia i pháp 3:... gá… Phần tử hạt mài: Có nhiều loại vật liệu hạt mài khác nhau được sử dụng trong công nghệ AWJC Việc đánh gia vật liệu hạt mài của quá trình GC tia nước hạt mài bao gồm mốt số tham số quan trọng sau: - Cấu trúc vật liệu - Độ cứng vật liệu - Ứng xử cơ học - Hình dáng hạt mài - Sự phân bố kích thước hạt - Kích thước trung bình của hạt Dạng cấu... như những góc nằm bên trong, khớp V, những hình dáng kiến trúc nghệ thuật …có thể gia công với độ chính xác ngang hoặc cao hơn các phương pháp cũ Bởi vì quá trình gia công này sử dụng phần mềm CAD do đó có khả năng gia công và lặp lại mà các phương pháp khác không có - Gia công bằng tia nước có hạt mài có thể gia công các vật liệu tổng hợp, nhựa mà không gặp các sai số do nhiệt, hoặc có sự xuống... rồng bằng kính chống đạn; c) Chi tiết bằng thép III, Kết luận: - Gia công bằng tia nước có hạt mài là một phát minh quan trọng của các PPGC đặc biệt cả trong các ứng dụng công nghiệp và trong kiến trúc, phương pháp này phụ thuộc vào vật liệu, chiều dày và độ phức tạp của các đường cắt - Tạo ra lợi nhuận rất lớn nếu so sánh với các PPGC không truyền thống như phương pháp cắt bằng tiện hay cắt bằng. .. được dùng thiết kế thích hợp cho gia công bằng tia nước hoặc băng tia nước có hạt mài Hãng Omax Corporation’s AWC giới thiệu bộ điều khiển đặc biệt đó với tên là OMAX Như đã nêu ở trên, việc chia nhỏ các bước gia công theo từng phần riêng biệt theo hình dáng gia công của chi tiết như độ cong, góc và ứng với mỗi phần Khi gia công phải cung cấp thông tin cho... thì có hai khả năng logic Một là vòi phun có thể chuyển động trên chi tiết nhờ vpaf một gia n chuyển động, trong khi đó chi tiết được giữ cố định Khả năng thứ 2 là đầu phun được cố định còn chi tiết chuyển động dưới đầu phun Cả hai khả năng đều đáng tin cậy Các phương pháp điều khiển quá trình gia công tia nước: Khi gia công bằng gia công tia nước có hạt. .. Đường kính điển hình của các vòi phun là 0,25:0,35 Hiện tại một vòi tốt có thể cắt ngang xám dày 0.066inch với tốc độ 36inch/ph và tấm gang xám dày 0.88inch với tốc độ 4inch/ph Phân bố các pha trong tia nước có hạt mài: Dòng tia nước có hạt mài bao gồm ba pha đó là: các hạt mài, chất lỏng và không khí Thành phần phần trăm mỗi pha phụ thuộc vào khoảng... năm nay, công ty JetCut đã thử nghiệm gia công bằng tia nước một số vật liệu với chiều dày được thể hiện ở bảng 2.12 Vật liệu Thép cacbon Thép không gỉ titanium nhôm Đồng, đồng thau Nhựa Đá cẩm thạch Granite và thủy tinh Chều dày (mm) Tối thiểu 0,254 0,127 0,254 1,524 0,254 1,524 6,35 6,35 Tối đa 76,2 50,8 76,2 76,2 76,2 76,2 76,2 76,2 Bảng 2.12 chiều dày của vật liệu có thể gia công bằng tia nước Máy . thì trươ c h t ta c n pha i biê t đươ c phư ng pháp gia c ng b ng tia n ơ c trươ c. Ta i i nh nghĩa phư ng pháp gia c ng b ng tia n ơ c: Gia. da ng gia c ng của chi tiê t như độ cong, go c và ư ng vơ i m i phâ n. Khi gia c ng pha i cung c ́p th ng tin cho máy tính như châ t lươ ng đường