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. Gia công bằng phương pháp tia nước là sử dụng một tia nước có áp suất rất cao và tốc độ lớn, hoặc bằng một hỗn hợp của nước và hạt mài để gia công sản phẩm: Công nghệ gia công bằng phương pháp gia công bằng tia nước, tia nước có hạt mài, so sánh với các loại gia công khác, nguyên lý, thông số, phạm vi ứng dụng.
Báo cáo chuyên đề: Công nghệ gia công phương pháp tia nước, tia nước có hạt mài CÔNG NGHỆ GIA CÔNG BẰNG PHƯƠNG PHÁP TIA NƯỚC, TIA NƯỚC CÓ HẠT MÀI Việc đời công nghệ gia công vật liệu tia nước mở hướng phát triển cho lĩnh vực cắt gọt vật liệu Gia công phương pháp tia nước sử dụng tia nước có áp suất cao tốc độ lớn, hỗn hợp nước hạt mài để gia công sản phẩm I GIA CÔNG BẰNG TIA NƯỚC Gia công tia nước trình sử dụng tia nước áp suất cao (từ 2.108 Pa – 4.108 Pa) Vết cắt rãnh có độ rộng xấp xỉ 1mm Đường kính lỗ nhỏ cắt 1,5mm Phương pháp gọi gia công thuỷ động lực học 1.Nguyên lý gia công Sơ đồ nguyên lý: Đầu tiên nước từ thùng cấp nước qua lọc hòa trộn Sau nhờ ống dẫn chất lỏng qua khuyếch tăng áp đến đầu phun Tại đầu phun tia nước phun mạnh hay yếu nhờ van tiết lưu Van điều khiển điều khiển Tia nước sau khỏi đầu phun có áp suất lớn (thường từ 100 - 400 MPa), tốc độ tia nước từ 400 – 1000 m/s Với áp suất này, tia nước chạm vào bề mặt vật liệu gia công tạo nên áp lực lớn độ bền nén vật liệu, bề mặt vật liệu bị nát tia nước xuyên qua tạo thành vết cắt, cắt chi tiết gia công Vậy tia nước tạo đóng vai trò cưa cắt vết hẹp vật liệu Các thông số công nghệ khả công nghệ Các thông số quan trọng công nghệ gia công tia nước bao gồm: Khoảng cách gia công, đường kính vòi phun, áp suất nước tốc độ cắt HVTH: Phạm Văn Vinh Trang Báo cáo chuyên đề: Công nghệ gia công phương pháp tia nước, tia nước có hạt mài - Khoảng cách gia công: khoảng cách từ đầu vòi phun đến bề mặt chi tiết cần gia công Thông thường nhỏ để giảm độ phân tán tia nước đến mức tối thiểu trước đập vào bề mặt chi tiết gia công, khoảng cách khoảng 3,2 mm - Đường kính vòi phun: vòi phun có đường kính nhỏ thường dùng để cắt vật liệu mỏng, đường kính lớn dùng để gia công vật liệu dày cần phải có tia nước lớn áp suất cao -Áp suất nước: tăng suất gia công tăng ngược lại - Tốc độ cắt phụ thuộc vào độ dày loại vật liệu chi tiết gia công, thường khoảng 5-500 mm/s Bảng: Chiều dày cắt tốc độ ăn dao cắt tia nước Vật liệu Chiều dày cắt, mm Tốc độ ăn dao, m/ph Da 2,2 20 Nhựa PVC 0,5 Nhựa PS 150 Kevlar 3 Graphit 2,3 Tấm thạch cao 10 Tấm carton gợn sóng 200 Tấm giấy bột 120 Gỗ dán Gia công cắt tia nước có khả cắt rãnh hay vết cắt rộng khoảng 1mm cắt đường kính lỗ nhỏ 1,5mm Phạm vi gia công từ 1,6 – 305 (mm) vớ i độ xác ± 0,13(mm) Phương pháp gia công tia nước thường tự động hóa hệ thống công nghệ CNC hay người máy công nghiệp Ưu nhược điểm a/ Ưu điểm - Cắt với phạm vi bề dầy lớn với dung sai hợp lý, không sinh nhiệt, vùng gia công không chịu tác động nhiệt, phương pháp gia công cắt lạnh Cắt tia nước cắt vật liệu tưởng chừng gia công phương pháp gia công thông thường - Gia công tia nước cho phép gia công bề mặt khó khăn phức tạp như: góc nằm bên trong, khớp V, hình dạng kiến trúc nghệ thuật,… gia công với độ xác cao - Gia công tia nước gia công vật liệu tổng hợp, nhựa mà không gặp phải dung sai nhiệt, xuống cấp chi tiế t khí Không phải trả chi phí cho dụng cụ hay khuôn mẫu kèm theo - Chất lượng vết cắt cao Vết cắt bắt đầu chỗ mà không cần khoan mồi trước cắt vật liệu cán mỏng - Có thể dùng để cắt tạo hình phận thép, nhôm, thủy tinh, HVTH: Phạm Văn Vinh Trang Báo cáo chuyên đề: Công nghệ gia công phương pháp tia nước, tia nước có hạt mài cao su, vật liệu tổng hợp loại vật liệu khác - Có khả tự động hóa người máy hóa cao b/ Nhược diểm - Khó kiểm soát độ xác kích thước gia công - Giá thành thiết bị cao Phạm vi ứng dụng Phương pháp gia công tia nước ứng dụng 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 bề mặt ngành xây dựng chế tạo máy… Cắt tia nước sử dụng nhiều lĩnh vực sau: - Cắt đứt cắt định hình bề mặt kim loại hay phi kim loại - Khoan lỗ tia nước có áp lực cao - Ứng dụng công nghiệp làm bề mặt, nghệ thuật điêu khắc - Ứng dụng tia nước kỹ thuật đào đường hầm - Một số vật liệu cắt tia nước là: tông, thảm, giấy, plastic, sản phẩm gỗ, cao su, da, giấy, kim loại mỏng, gạch, vật liệu composite … - Tùy loại vật liệu mà chiều dày cắt lên đến 25mm cao So với phương pháp khác, cắt tia nước có suất cao sạch, nên dùng công nghệ thực phẩm để cắt thái mỏng sản phẩm II GIA CÔNG BẰNG TIA NƯỚC CÓ HẠT MÀI Phương pháp gia công tia nước 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 công tia nước có hạt mài Nguyên lý gia công Áp suất nước gia công tia nước có hạt mài giống gia công tia nước, khoảng cách cho phép phải để giảm đến mức tối thiểu hiệu phân tán chất lỏng cắt mà có chứa hạt mài Khi gia công tia nước có hạt mài hạt mài trộn với nước ống trộn trước phun Vận tốc dòng nước cao tạo vùng chân không hút hạt mài từ vào mà không cần bất HVTH: Phạm Văn Vinh Trang Báo cáo chuyên đề: Công nghệ gia công phương pháp tia nước, tia nước có hạt mài máy khác để đưa dòng hạt mài vào Sau hạt mài trộn với nước ống trộn Việc cấp hạt mài trình gia công định suất gia công HVTH: Phạm Văn Vinh Trang Báo cáo chuyên đề: Công nghệ gia công phương pháp tia nước, tia nước có hạt mài Bề mặt gia công tia nước có hạt mài trước gia công phải tẩy bụi, phoi, dầu nhờn, axit hay tạp chất khác Các thông số công nghệ khả công nghệ Giống gia công tia nước Tuy nhiên, gia công tia nước có hạt mài phải điều chỉnh bổ sung số thông số như: loại hạt mài, cỡ hạt - Các loại vật liệu hạt mài thường sử dụng: Al2O3, SiO2 - Cỡ hạt khoảng từ 60 đến 100 micrometer Lượng mài thêm vào tia nước khoảng 0,3 kg/phút sau thoát vòi phun - Đường kính vòi khoảng từ 0,25 - 0,63 mm, lớn so với gia công tia nước có tốc độ dòng chảy cao lượng nhiều có chứa hạt mài - Khoảng cách gia công phải để giảm đến mức tối thiểu hiệu phân tán chất lỏng có chứa hạt mài Khoảng cách cho phép điển hình khoảng ¼ hay ½ khoảng cách gia công tia nước… a/ Các thông số công nghệ trình cắt - Áp suất tia nước (1300 – 4000 bar); đường kính tia nước; tốc độ dòng tia lên đến (1950 m/ph) - Tốc độ nạp hạt mài; kích cỡ hạt mài lớn gia công nhanh độ bóng bề mặt chi tiết giảm ngược lại - Tốc độ cắt 25 ÷130 mm/ph Tốc độ cắt lớn chất lượng bề mặt tốt - Tốc độ nạp vật liệu (lượng chạy dao) b/ Khả công nghệ - Chiều rộng vết cắt điển hình 0,76mm lớn Tầm ảnh hưởng dòng tia lên đến 200mm với vật liệu cứng Áp suất hạ xuống sau 25mm - Độ xác phụ thuộc vào loại máy sử dụng Loại máy lớn với đầu phun dịch chuyển khung đạt độ xác ±0,38mm Các máy cỡ trung độ xác ±0,127mm Các máy đại đạt độ độ xác ±0,064mm, độ thẳng đạt 0,05mm Ưu nhược điểm Gia công tia nước gia công tia nước có hạt mài có cấu tạo nguyên lý tương tự nên ưu điểm phương pháp gia công tia nước có hạt mài tương tự Phạm vi ứng dụng - Cắt vật liệu cứng titan, hợp kim đặc biệt, rẻ phương pháp gia công khác (plasma, laser,…) - Cắt vật liệu: thép cứng, thép mềm, thép không rỉ, đồng thau, nhôm, vật liệu giòn thuỷ tinh, gốm, thạch anh, đá, mỏng, vật liệu dễ cháy, cắt quặng mỏng quặng dày, tạo loại hình dạng với dụng cụ cắt - Cắt với phạm vi bề dày lớn với dung sai hợp lý, không sinh nhiệt, vùng gia công không chịu tác động nhiệt, phương pháp gia công cắt lạnh - Độ nhám bề mặt tốt phương pháp gia công truyền thống HVTH: Phạm Văn Vinh Trang Báo cáo chuyên đề: Công nghệ gia công phương pháp tia nước, tia nước có hạt mài - Lực cắt không đáng kể, có - Chi phí thấp, không tốn chi phí cho khuôn, đồ gá hay không yêu cầu chương trình CNC phức tạp III CÁC THIẾT BỊ, DỤNG CỤ Môi trường chất lỏng thành phần dung dịch hạt mài Môi trường gồm nước emuxi, dầu công nghiệp Là môi trường liên kết hạt mài, giảm ma sát hạt mài với nhau, làm nguội rửa chi tiết gia công Khi gia công liên tục, dung dịch hạt mài dùng 40-70 h Hạt mài, trộn hạt mài Các loại hạt mài: Thạch anh, Đá nhám, Cacbit Silic, Kim cương không kết tinh, Kim cương kết tinh, Oxit crôm, Oxit sắt, Oxit magiê, Oxit kẽm, Oxit thiếc, Cacbit Bo Lượng hạt mài bổ sung thêm vào dòng tia nước khoảng 0,3 kg/phút Kích thước hạt khoảng từ 60 đến 100(micrometer) Độ cứng hạt mài xác định theo 10 cấp từ 1-10 , cấp 10 có độ cứng cao cấp có độ cứng thấp Độ cứng Tr Lượng riêng (G/cm3) 2,65 3,7 SiC 3,2 C 10 3,5 C 10 3,5 Oxit crôm Cr2O3 10 - Oxit sắt Fe2O3 - 5,2 Oxit magiê MgO Oxit kẽm ZnO 4,5 5,8-6,9 Oxit thiếc SnO2 Cacbit Bo B4C 10 - Tên hạt mài Thạch anh Đá nhám Cacbit Silic Kim cương không kết tinh Kim cương kết tinh Thành phần SiO2 Al2O3 Fe2O3 Vật liệu gia công Kính,thép,đá,gỗ Kim loại,kính,gỗ Gang,nhôm đồng,kính Vật liệu giòn,cao su,vật liệu giấy Kim cương loại đá quí Thép, thép không gỉ Kim loại, đá, kính Thép, kính Các loại thép Trong gia công tia nước có hạt mài, ta quan tâm đến vấn đề trộn hạt mài vào tia nước Mỗi thiết bị có chế trộn hạt mài khác HVTH: Phạm Văn Vinh Trang Báo cáo chuyên đề: Công nghệ gia công phương pháp tia nước, tia nước có hạt mài Bơm thủy lực, tăng áp, điều áp - Bơm thủy lực cung cấp nguồn lượng dạng áp suất cao - Bộ tăng áp hoạt động khuếch đại, biến đổi lượng từ dòng chất lỏng có áp suất thấp thành dòng có áp suất cao: 200MPa-400MPa - Bộ phận điều áp làm ổn định áp suất, cung cấp dòng nước có áp suất cao đặn đến vòi phun để cắt kim loại Đầu phun Đường kính hở vòi khoảng từ 0,25 - 0,63 mm Trong công nghiệp để tăng suất trình gia công tia nước áp lực cao tia nước có hạt mài người ta thường lắp 2, 4, 6, 10 nhiều số đầu phun máy Máng chắn Che chắn không cho dòng tia làm bắn tung nước, hạt mài, phoi Hệ thống CNC, cánh tay rôbốt HVTH: Phạm Văn Vinh Trang Báo cáo chuyên đề: Công nghệ gia công phương pháp tia nước, tia nước có hạt mài - Máy tia nước thường dùng điều khiển hệ thống NC/CNC Với vòi phun di động theo trục X, Y toạ độ điều khiển CNC Dưới bàn máy có thiết bị thu hồi nước cấu tuần hoàn nước - Ngoài nay, nhiều máy tia nước CNC cải tiến nhiều Cánh tay robot ứng dụng nhằm gia công nhiều vị trí mà đầu cắt thông thường không thực IV SO SÁNH VỚI MỘT SỐ PHƯƠNG PHÁP GIA CÔNG KHÁC So sánh với gia công truyền thống: - Dao kim loại sau thời gian cắt mòn dao dẫn tới cùn dao với cắt tia nước luôn sắc - Miệng cắt tia nước mảnh, tiết kiệm vật liệu - Dùng dao kim loại khó cắt dọc theo đường cong, đặc biệt đường cong lõm tia nước không phân biệt hình dạng dao - Trong vùng cắt tỏa nhiệt ít, không làm biến dạng phôi Có thể gia công vật liệu mềm cứng So sánh với gia công tia laser - Gia công nhiều vật liệu mà laser gia công (vật liệu phản xạ nhôm đồng) -Tính đồng vật liệu đặc tính quan trọng - Dòng tia nước không tạo nhiệt lên chi tiết Vì biến dạng nhiệt độ cứng không tăng - Tia nước đạt độ xác tia laser - Giá thành rẻ - Gia công vật liệu dày - Dòng tia nước tạo mài an toàn hơn, khói độc, lửa - Có tính môi trường - Bảo trì đơn giản - Tia hạt mài có khả đạt dung sai tương tự gia công chi tiết mỏng đạt độ xác cao gia công chi tiết dày So sánh với gia công tia lửa điện - Gia công nhanh tia lửa điện Không sinh nhiệt - Khả gia công với phạm vi vật liệu rộng lớn - Tính đồng đặc tính quan trọng gia công tia nước - Dòng tia nước có khả bỏ qua bất thường vật liệu mà bất thường làm cho gia công tia lửa điện bị tia lửa điện./ HVTH: Phạm Văn Vinh Trang