Gia công bằng tia hạt mài

⇒ Q =Qc+Qd+Qp+Qkk Để giảm các ảnh hởng kể trên ngời ta áp dụng các phơng háp gia công mới , đó là các phơng pháp gia công vật liệu bằng tia nớc và tia hạt mài áp lực cao với cơ chế sói

Gia công bằng tia hạt

I Giới thiệu chung về phơng pháp.

Các phơng pháp gia công truyền thống đều đặc trng bởi sự cọ sát trực tiếp của các lỡi cắt với bề mặt của chi tiết gia công trong suốt quá trình gia công Khi đó quá trình gia công xảy ra cùng với các hiện tợng nhiệt tăng, lực cắt thay đổi, rung động của tất cả của tất cả các hệ thống công nghệ ( máy – gá - dao – chi tiết )

Ví dụ: Khảo sát khi tiện lợng nhiệt sinh ra phụ thuộc vào: Vật liệu, dao cắt, chế độ cắt, yếu tố ảnh hởng của dao: cụ thể

Qc: lợng nhiệt truyền vào chi tiết ( ≈4%)

Qd : Lợng nhiệt truyền vào dao ( ≈15ữ20%)

Qp: Lợng nhiệt truyền vào phôi ( ≈75ữ80%)

Qkk : Lợng nhiệt truyền vào không khí ( ≈1%)

⇒ Q =Qc+Qd+Qp+Qkk

Để giảm các ảnh hởng kể trên ngời ta áp dụng các phơng háp gia công mới , đó là các phơng pháp gia công vật liệu bằng tia nớc và tia hạt mài áp lực cao với cơ chế sói mòn vật liệu áp dụng trong khoan, cắt

đứt, định hình, các vật liệu nói chung, kỹ thuật khai thác mỏ, đờng hầm, làm sạch các bề mặt: tẩy ba via, chất bẩn sau khi đúc…

u điểm chung của phơng pháp:

- Không cần xích động học, dụng cụ cắt chỉ cần điều chỉnh áp suất

- Dao có lỡi thì mòn, còn tia nớc luôn luôn sắc

- Không cần hớng chính xác

- Nhiệt hầu nh không có, không có biến dạng nhiệt

Gia công tia nớc áp lực cao đợc ứng dụng rất rộng rãi, nó có thể cắt đợc các vật liệu rất cứng, cũng có thể rất mềm Tuy nhiên trong ngành chế tạo máy còn hạn chế do nhiều vấn đề lý thuyết và thực tế cha giả quyết đợc

Nhợc điểm chính của phơng pháp gia công tia nớc áp lực cao là khó kiểm soát đợc độ chính xác về kích thớc, giá thành chi tiết còn cao

Để nâng cao hiệu quả khi gia công cơ khí ngời ta bổ xung thêm vào tia nớc một phần tử hạt mài ( gia công tia hạt mài) hoặc cho một lợng hạt mài vào dòng khí áp suất cao ( gia công khô)

Gia công tia hạt mài có 4 nhóm chính:

- Gia công bằng tia nớc áp suất cao

- Gia công bằng tia nớc + hạt mài

- Gia công khô : dòng khí + hạt mài +vận tốc cao + áp suất lớn

- Dòng chảy hạt mài : Không cắt không khoan kim loại, chỉ làm sạch và đánh bóng bề mặt

II.Tình hình liên quan đến phơng pháp gia công:

1 Lịch sử của phơng pháp:

Năm 1950, tiến sĩ Noran Franz đã thử dùng máy cắt tia nớc để cắt

gỗ Tuy nhiênkỹ thuật này đã không đợc phát triển cho tận đến những năm 1970 khi tiến sĩ Mohamed Hashish đã tạo ra một phơng pháp kỹ thuật đó là thêm vào dòng tia nớc có áp suất cao, tốc độ lớn các hạt mài

để tăng khả năng cắt Ngày nay việc cắt bằng tia nớc đã đợc ứng dụng ở nhiều lĩnh vực Một số tia nớc hay dùng : tia nớc không có hạt mài, tia nớc có trộn hạt mài, tia nớc va đập

2 Việt nam

Phơng pháp đợc sử dụng khá phổ biển, nhất là trong ngành đóng tàu, dùng làm sạch vỏ tàu, gọi là phơng pháp phun cát

Trong công nghệ thực phẩm Trong ngành cơ khí cũng hay dùng

để làm sạch và đánh bóng thô các chi tiết nh lòng khuôn, vật đúc Trong gơng kính hay dùng để gia công các hình , chữ trên kính tủ, gơng,…

III.Gia công khô.

1 Nguyên lý gia công.

Hình 1: Nguyên lý gia công dòng hạt mài

Gia công dòng hạt mài là phơng pháp bóc vật liệu khi dòng khí khô mang hạt mài với vận tốc cao tác động lên chi tiết Sự va đập của các phần tử hạt mài vào bề mặt chi tiết gia công tạo thành một áp lực tập trung đủ lớn, gây nên một vết nứt nhỏ, và dòng khí mang cả hạt mài

và mẩu vật liệu nứt (mòn) đi ra khỏi chi tiết Phơng pháp này rất thuận tiện để gia công các vật liệu giòn, dễ vỡ

Khí bao gồn nhiều loại nh không: khí, co2, nitơ, heli,… Khí sử dụng có áp suất: 0,2ữ1,4MPa, dòng khí cao tốc + hạt mài có vận tốc (

) / ( 300

150 m s

V = ữ và đợc điều khiển bởi một van

2 Thiết bị và dụng cụ.

a Máy

Hình 2: Sơ đồ máy gia công dòng hạt mài.

Khí từ bình chá sau khi lọc đợc đa đến bộ trộn Trong bộ trộn có chứa sẵn hạt mài mịn Bộ trộn đợc rung với tần số 50(c/s) Từ bộ trộn, dòng khí với các hạt mài có đờng kính d = 10ữ50(àm) đợc dẫn tới vòi

phun đi ra ngoài Lợng khí tiêu thụ khoảng 0,6 (m3

/h) Đầu vòi phun cách chi tiết gia công một khoảng nhất định tuỳ thuộc vào mục đích gia công Tốc độ hạt mài đợc điều khiển bởi biên độ dung của bộ trộn Mối liên hệ chuyển động giữa vòi phun và chi tiết gia công nhận đợc nhờ cam chơng trình và máy vẽ truyền để điều khiển hình dáng và kích thớc cắt Thiết bị dọn bụi đợc gắn để bảo vệ môi trờng

b.Vòi Phun

Hình 3 : Hình dáng đầu phun

Vòi phun làm bằng vật liệu cứng để giảm mòn, thờng sử dụng WC ( cácbit Vonfram ) và Sapphire Tuổi thọ của vòi phun bằng WC từ 12ữ

30 giờ, còn vòi phun bằng Sapphire có tuổi thọ đến 300h Lỗ vòi phun

có đờng kính từ :0,075ữ1(mm) Đầu phun có thể thẳng hoặc có góc vuông

c Hạt mài.

Hạt mài phải có hình dáng không đều, bao gồm những cạnh ngắn, sắc Hạt mài thờng làm từ vật liệu sau : Al2O3, SiC, thuỷ tinh Cỡ hạt dùng trong gia công thô, đờng kính từ :10ữ50(àm), tuy nhiên có

hiệu quả nhất là hạt có đờng kính từ 15ữ20 (àm) Các hạt mài phải

đồng bộ về kích thớc cho một lần sử dụng Điều đó quan trọng trong việc sử dụng lại hạt mài, bởi vì những hạt mài sau khi sử dụng có thể bị gãy, mòn , h hỏng Để quá trình gia công có hiệu quả thì hạt mài phải sắc cạnh, không nên sử dụng các hạt mài đã mòn các cạnh và kích thớc các hạt nhỏ hơn Các hạt mài nhỏ có thể làm tắt vòi phun Việc chọn loại hạt mài, cỡ hạt mài phụ thuộc vào từng nguyên công

3 Các thông số công nghệ.

Các thông số cơ bản của gia công dòng hạt mài là:

- áp suất ra của dòng hạt mài

- Tốc độ ra của dòng hạt mài

- Cỡ hạt và loại hạt

- Năng suất bóc vật liệu

- Vật liệu của chi tiết gia công

Năng suất bóc vật liệu, hình dáng hình học, độ bóng bề mặt, tốc độ mòn vòi phun bị ảnh hởng bởi kích thớc và khoảng cách vòi phun, thành phần, độ bền kích thớc, hình dáng của dòng hạt mài, thành phần, áp suất, tốc độ của khí Năng suất bóc vật liệu chủ yếu phụ thuộc vào tốc

độ dòng hạt mài, kích thớc hạt mài Hạt mài có dộ lớn sẽ bóc với tốc độ cao hơn Tại một áp suất nhất định, năng suất bóc vật liệu tăng theo tốc

độ dòng hạt mài, nhng sau khi đạt đến giá trị tối u thì năng suất bóc vật

liệu giảm nếu ta tiếp tục tăng tốc độ dòng hạt mài Sở dĩ nh vậy là vì tốc

độ dòng khí giảm khi tốc độ tăng tốc độ dòng hạt mài, tỷ số trộn tăng gây nên sự giảm năng suất bóc vật liệu bởi vì năng lợng để mài mòn lúc này giảm đi

Tốc độ lu lợng hạt mài phải xứng với áp xuất và lu lợng dòng khí

Lu lợng của hạt mài thờng từ 2ữ20(g/ph) áp suất dòng khí điển hình là:( 2,2ữ1)N/mm2

Tốc độ của dòng hạt từ 150ữ300(m/s)

Thành phần khí ảnh hởng dến mối quan hệ giữa áp suất và lu lọng khí Năng suất bóc vật liệu tăng khi tăng khoảng cách từ miệng vòi

đến chi tiết gia công đến một giá trị nhất định, sau đó nó giữ không thay

đổi trong một khoảng cách nhất định rồi giảm dần Phơng pháp gia công này có năng suất bóc vật liệu nhỏ

Khi khoảng cách từ miệng vòi phun đến chi tiết gia công càng lớn thì vết gia công càng rộng, cạnh cắt càng kém sắc Khoảng cách từ miệng vòi phun và bề mặt gia công từ :0,25ữ75(mm)

4 Dung sai và chất lợng đạt đợc:

Gia công bề mặt có thể đạt mức độ nhám từ 0,15ữ1,5(àm) tuỳ

theo kích thớc hạt mài

Dung sai của phơng pháp mà có thể đạt đợc từ (± 0 , 13 ữ ± 0 , 05) mm

Ví dụ : Gia công thép không gỉ :

Loại hạt mài Độ hạt(àm) Độ nhẵn bề mặt (àm)

Oxit nhôm

Cacbit Silic SIC

5.ứng dụng.

Quá trình gia công dòng hạt mài thờng đợc sử dụng để thực hiện các công việc sau:

- Cắt những lỗ nhỏ, rãnh, những mô hình, hoa văn phức tạp trên vật liệu kim loại rất cứng, hoặc giòn hoặc vật liệu phi kim loại

- Tẩy ba via

- Cắt mép, tạo mặt vát

- Tạo lớp oxit và những màng mỏng tạp chất trên bề mặt

- Lám sạch chi tiết có bề mặt không đều

- Phơng pháp náy đợc sử dụng để gia công các loại vật liệu kim loại cứng và giòn, hợp kim, vật liệu phi kim loại nh: germanium, silicon, thuỷ tinh, ceramics, mica Chi phí ban đầu thấp

* Nhợc điểm:

- Năng suất bóc vật liệu thấp Sự cắt tản mát có thể làm cho độ chính xác không cao, và không thể gia công đợc vật liệu mềm

- Gia công lỗ sâu hay bị côn

- Hạt mài găm vào vật liệu gia công

IV.Gia công tia nớc

1 Nguyên lý gia công.

Cắt bằng tia nớc ( Water Jet Cutting – WJC ) là quá trình sử dụng tia nớc ở áp suất cao để gia công vật liệu Vết cắt hoặc rãnh có độ rộng xấp xỉ 1(mm) Đờng kính lỗ nhỏ nhất có thể cắt đợc là 1,5 mm Phơng pháp này còn đợc gọi là phơng pháp thuỷ động học

Đầu tiên nớc từ thing cấp nớc đi qua bộ lọc và hoà trộn Sau đó nhờ ống dẫn chất lỏng đi qua bộ khuếch đại để tăng áp suất lên đầu phun Tại đầu phun tia nớc đợc phun ra mạnh hay yếu là nhờ van tiết lu Van này đợc điều khiển bởi một bộ điều khiển Tia nớc sau khi ra khỏi

đầu phun có áp suất lớn ( thờng từ 100ữ400MPa), tốc độ tia nớc từ 400

ữ1000(m/s) Với áp suất này, khi tia nớc chạm vào bề mặt vật liệu gia công nó tạo nên áp lực lớn độ bền nén của vật liệu, bề mặt của vật liệu

bi nát ra và tia nớc xuyên qua tạo thành vết cắt, cắt chi tiết gia công

2 Các thông số công nghệ.

Cácthông số gia công quan trọng gia công bằng tia nớc bao gồm:

Khoảng cách gia công, đờng kính lỗ vòi phun, áp suất nớc, tốc độ cắt Khoảng cách gia công là khoảng cách giữa đầu vòi phun và bề mặt gia công Thông thờng khoảng cách này nhỏ để tia nớc phân tán tới mức tối thiểu khi đập vào bề mặt, khoảng cách gia công điển hình là 3,2 (mm) Kích thớc của lỗ vòi phun ảnh hởng dến độ chính xác của quá trình cắt Vòi phun đợc sử dụng trên nhũng vật liệu mỏng Đối với những vật liệu dày thì cần có tia phun dày hơn, áp suất cao hơn Tốc độ cắt thờng vào

khoảng 5ữ500(m/s) tuỳ theo độ dày của chi tiết gia công Phơng pháp gia công tia nớc thờng đợc tự động hoá bằng hệ thống CNC hay ngời máy công nghiệp Phạm vi gia công: từ 1,5ữ305mm, độ chính xác là

13

,

0

3. u điểm.

- Chất lợng vết cắt rất cao

- Vết cắt có thể bắt đàu ở bất kỳ chỗ nào mà không cần khoan mồi trớc và có thể cắt đợc các vật liệu cán mỏng

- Có khả năng tự đọng hoá và ngời máy hoá cao

- Chi phí thấp

- Không có chất hoá học nh cắt bằng hạt mài ( AWJC)

- Thích ứng với hệ thống CAD/CAM

- Gia công đạt độ chính xác cao, bề mặt phẳng

- Không ảnh hởng nhiệt

- Có thể cắt bất kỳ vật liệu nào

- ít lãng phí chất thải sau gia công

- Môi trờng gia công trong sạch

- Tạo ra ít vết cắt trên vật liệu

- Khi cắt vào vật liệu không làm thay đổi cấu trúc bên trong, vốn

có của vật liêu, không nóng vật liệu

4 Phạm vi ứng dụng.

- Gia công cắt: Phơng pháp gia công bằng tia nớc đợc ứng dụng trong ngành hàng không, thực phẩm, nghệ thuật đồ hoạ, công nghệ ôtô, giày dép, cao su, nhựa, đồ chơi, gỗ, kuyện kim, giấy, chế tạo máy…

- Làm sạch bề mặt trong ngành chế tạo máy và xây dựng

- Một số vật liệu đợc cắt bằng tia nớc là: các tông, thảm, làm nút chai, giấy, plastic, sản phẩm gỗ, cao su, da, giấy, lá kim loại

mỏng, gạch, vật liệu composite,… tuỳ loại vật liệu mà chiều dày cắt có thể lên đến 25mm và cao hơn So với các phong pháp khác, cắt bằng tia nớc có năng suất cao, sạch, nên nó dùng trong công nghệ thực phẩm để cắt và thái mỏng sản phẩm Khi đó ngời ta sử dụng dụng dịch là cồn, glyxêrin hoặc dầu ăn

V Gia công bằng tia nớc có hạt mài (Abrasive Water Jet

Cutting-AWJC).

1 Nguyên lý gia công.

Để tăng khả năng cắt bằng tia nớc nhằm cắt các vật liệu cứng nh thép, thuỷ tinh, bê tông, hay vật liệu composite,… ngời ta thêm tia nớc những hạt mài.Vì thế phơng pháp này đợc gọi là phơng pháp gia công tia nớc

có hạt mài Nguyên lý của phơng pháp này cũng gia nh gia công tia nớc nhng khác ở chỗ là quá trình hình thành tia nớc áp suất cao thì cho thêm 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 nớc trong ống trộn Việc cấp hạt mài trong quá trình gia công quyết định năng suát gia công

Hinh 2: Vòi phun của thiết bị gia công băng tia nớc

Hình 2 : Vòi phun của thiết bị gia công bằng tia nớc có hạt mài Đối với gia công tia nớc có hạt mài, khi thêm những hạt mài vào tia nớc sẽ làm phức tạp quá trình gia công vì phải bổ sung một một số thông số và những thông số này phải đợc điều khiển Những thông số thêm vào cho quá trình là loại hạt mài, cỡ hạt, tốc độ dòng chảy Các loại vật liệu hạt mài thờng đợc sử dụng là: Al2O3, SiO2, các cỡ hạt khoảng 60 đến 100 Lợng hạt mài thêm vào xấp xỉ khoảng

0,3( kg/phút), sau khi thoát ra vòi phun Đờng kính lỗ của vòi phun :

63 , 0 25

,

0 ữ mm Sở dĩ kích cỡ hơn một chút so với sự gia công bằng tia nớc là để có đợc tốc đọ dòng chảy cao hơn, năng lợng nhiều hơn vì bên trong nó chứa hạt mài áp suất nớc trong gia công bằng tia nớc có hạt mài giống nh gia công bằng tia nớc Khoảng cách cho phép phải ít hơn

để giảm đến mức tói thiểu hiệu quả phân tán của chất lỏng cắt mà hiện giờ chứa hạt mài Khoảng cách cho phép điển hình là 21 hay 1 4

trong gia công tia nớc Phơng pháp gia tia nớc hay tia hạt mài có thể sử

dụng thay thế cho các phơng pháp gia công tia Laze hay tia Plasama nếu yêu cầu không có ảnh hởng nhiệt tại đờng cắt vật liệu

Hình 3:Hình dạng của máy gia công tia nớc hạt mài

2.Sơ đồ gia công bằng tia hạt mài.

* Góc phun 900

=

α Trong trờng hợp này bề mặt bề mặt đợc gia công bằng tia va đập

Hình 1: Gia công bằng tia va đập.

* Góc phun α = 0 Trong trờng hợp này bề mặt gia công bằng tia trợt

* Góc phun 900

0ữ

=

α Bề mặt đợc gia công bằng tia chéo

Gia công bằng tia chéo

+ Khi gia công vật liệu giòn nên dùng phơng pháp tia va đập, còn gia công vật liệu dẻo nên dùng phơng ppháp tia trợt, tia chéo Dung dịch

khi va dập vào bề mặt gia công tạo ra lớp màng mà chiều dài của nó phụ thuộc vào thành phần dung dịch( tia hạt mài ) phá vỡ màng dung dịch này để đạt chất lợng theo yêu cầu Quãn đờng di của tia hạt mài qua mang dung dịch càng lớn khi góc phun α càng nhỏ Hạt mài nào đi tới

bề mặt gia công thì nó chụi sức cản của màng dung dịch ( do chiều dày lớn) cho nên chiều dày phoi đợc cắt giảm xuống

+ Nếu bề mặt gia công có độ phẳng lý tởng thì thì hạt mài đợc phảm xạ bởi màng dung dịch , do đó các hạt mài bị bề mặt hất lên, không sinh ra một công đáng kể nào

+ Nếu hạt mài đi tới các đỉnh nhấp nhô thì các đỉnh nhấp nhô sẽ bị phá

vỡ Khi đỉnh mấp mô bị san phẳng thì quá trình gia công kết thúc

3 Thông số công nghệ.

- áp suất của tia nớc (20,000ữ60,000PSI hay 1300ữ4000 bar)

- Đờng kính tia nớc

- Tốc độ của dòng tia lên đến 1950mph, khoảng cách 2,5 lần tốc độ âm thanh

- Độ xa

-Tốc độ hạt mài

- Tốc độ cắt 1ữ5 (inch/ ph) Tốc độ cắt càng lớn chất lợng bề mặt càng tốt

- Tốc độ nạp vật liệu

* Khả năng công nghệ :

- Chiều rộng cắt điển hình là 0,03 hoặc lớn hơn

- Tầm ảnh hởng của dòng tia

- Độ chính xác phụ thuộc vào loại máy sử dụng Loại máy lớn với

đầu phun dịch chuyển trên khung đạt độ chính xác ±0,015 Các cỡ máy trung bình có thể đạt độ chính xác ±0,005 Các máy hiện đại có

±