Nghiên cứu phương pháp cắt kim loại bằng tia nước áp suất cao có trộn hạt mài

                                                                              BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI Lê Duy Nam NGHIÊN CỨU PHƯƠNG PHÁP CẮT KIM LOẠI BẰNG TIA NƯỚC ÁP SUẤT CAO CÓ TRỘN HẠT MÀI LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC CHẾ TẠO MÁY           Hà Nội - 2011 LUẬN VĂN THẠC SỸ KHOA HỌC LỜI CAM ĐOAN -*** - “Tôi xin cam đoan công trình nghiên cứu riêng tôi, số liệu, kết nghiên cứu luận văn chưa công bố công trình khác mà không tham gia.” Tác giả Lê Duy Nam Lê Duy Nam Trang LUẬN VĂN THẠC SỸ KHOA HỌC MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN MỤC LỤC DANH MỤC CÁC BẢNG MỞ ĐẦU Lý chọn đề tài Tính cấp thiết đề tài Đối tượng phương pháp nghiên cứu Ý nghĩa đề tài Cấu trúc luận văn CHƯƠNG I : TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ TIA NƯỚC ÁP SUẤT CAO 1.1 Công nghệ tia nước áp suất cao 1.1.1 Tia nước áp suất cao khiết 11 1.1.2 Cắt tia nước có hạt mài (AWJC) 15 1.1.2.1 Tia nước có trộn hạt mài không áp dạng (Injektor) 18 1.1.2.2 Tia nước trộn hạt mài có dạng “huyền phù” 19 1.1.2.3 So sánh tính hai phương pháp trộn hạt mài 21 1.2 Công nghệ cắt tia nước áp suất cao mặt nước 24 1.2.1 Sự hình thành TNASC không khí 24 1.2.2 Cấu trúc dòng tia nước ASC lòng nước : 25 1.3 Các thông số công nghệ phương pháp cắt TNASC 28 1.3.1 Các thông số ảnh hưởng đến trình tạo TNASC 28 1.3.1.1 Áp suất 28 1.3.1.2 Đường kính vòi phun 28 1.3.1.3 Kích thước vòi phun 29 1.3.1.4 Hạt mài 30 1.3.1.5 Lưu lượng hạt mài : 31 1.3.2 Các thông số ảnh hưởng đến trình cắt TNASC 31 1.3.2.1 Tốc độ dịch chuyển 31 1.3.2.2 Khoảng cách cắt 32 Lê Duy Nam Trang LUẬN VĂN THẠC SỸ KHOA HỌC 1.3.2.3 Góc cắt 32 1.3.2.4 Môi trường xung quanh 33 1.3.2.5 Vật liệu cắt, chất lượng vật liệu 33 1.4 Công nghệ cắt TNASC nước 34 1.5 Kết luận 35 CHƯƠNG II : THIẾT BỊ THÍ NGHIỆM 36 CÔNG NGHỆ CẮT BẰNG TNASC DƯỚI NƯỚC 36 2.1 Chuyển động hạt mài hệ thống ống dẫn 36 2.2 Hệ thống thiết bị thí nghiệm 38 2.2.1 Thiết bị tạo áp 39 2.2.2 Hệ thống trộn 43 2.2.2.1 Bình trộn hạt mài có áp 44 2.2.2.2 Bộ trộn 49 2.2.3 Thiết bị gia công 49 2.2.3.1 Buồng tạo áp suất 49 2.2.3.2 Gá cắt 52 3.1 Chuẩn bị thiết bị thí nghiệm: 56 3.1.1 Thiết bị tạo áp 56 3.1.2.Thiết bị trộn: 58 3.1.2.1 Điều chỉnh lưu lượng hạt mài 58 3.1.2.2 Chọn hạt mài 60 3.1.2.3 Kiểm tra vòi phun 64 3.1.3 Hệ thống gia công 65 3.1.3.1 Buồng tạo áp 65 3.1.3.2 Gá cắt 65 3.2 Chuẩn bị mẫu 66 3.3 Phương pháp đo , đánh giá kết 67 3.4 Kết luận 68 CHƯƠNG IV : KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 70 DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO 72 Lê Duy Nam Trang LUẬN VĂN THẠC SỸ KHOA HỌC DANH MỤC CÁC BẢNG   (H1.1) Sơ đồ phân loại tia nước áp suất cao (H1.2) Bảng so sánh hoạt động loại tia nước ASC 10 (H1.3) Sơ đồ nguyên lý gia công tia nước áp suất cao 11 (H1.4) Sản phẩm tạo hình nhờ TNASC 13 Bảng 1.1 Ứng dụng công nghệ làm bóc tách tia nước 15 (H1.5) Nguyên lý gia công TNASC có trộn hạt mài 17 (H1.7) Phương pháp trộn hạt mài không áp 18 (H1.9) Các phương pháp tạo tia nước ASC trộn hạt mài có áp 19 (H1.10) Các nguyên tắc trộn hạt mài dạng huyền phù vào dòng tia 21 (H1.13) Dòng tia phân chia vận tốc dòng tia môi trường nước 26 (H1.14) Dòng tia bị xâm thực 27 (H1.19) Ảnh hưởng vận tốc cắt đến chiều sâu rãnh cắt 32 (H2.1) Hình ảnh hạt mài ống dẫn 37 (H2.2) Hệ thống thiết bị thí nghiệm 39 (H2.3) Bơm cao áp hãng Hammelmann – CHLB Đức 40 (H2.4) Bơm cao áp Mỹ 40 (H2.5) Hệ thống trục khuỷu 41 (H2.6) Đầu bơm 42 (H2.7) Hệ thống gioăng không tiếp xúc 43 (H2.8) Hệ thống trộn thiết bị thí nghiệm 44 (H2.9) Bình nén phương pháp trộn hạt mài có áp 45 (H2.10) Dòng chuyển động hạt mài khô bình chứa đáy phẳng 46 (H2.11) Vùng trạng thái hạt mài thùng chứa 47 (H2.12) Hạt mài tồn đọng thùng chứa đáy phẳng 48 (H2.13) Quan hệ hệ số cản góc hợp thành trộn 49 (H2.14) Quan hệ tương ứng độ sâu với áp suất môi trường 50 (H2.15) Kết cấu buồng tạo áp 51 (H2.18) Sơ đồ hệ truyền dẫn gá cắt 53 (H2.19) Đồng hồ điều chỉnh hướng tốc độ cắt 54 Lê Duy Nam Trang LUẬN VĂN THẠC SỸ KHOA HỌC (H2.21) Hệ truyền chuyển động gá cắt 55 (H2.22) Hệ truyền chuyển động gá cắt 55 (H3.1) Tín hiệu đo đo tua bin cho lưu lượng dòng tổng 56 (H3.2) Bộ chuyển đổi FFT phân tích tín hiệu đo 57 (H3.3) Xác định tín hiệu đo qua tần số bơm cao áp 57 (H3.4) Sơ đồ đo lưu lượng hạt mài cân định lượng 59 (H3.5) Thí nghiệm kiểm tra lưu lượng hạt mài 60 (H3.6) Chiều sâu rãnh cắt đạt với loại hạt mài khác 62 (H3.7) So sánh tuổi thọ vòi phun sử dụng loại hạt mài 62 (H3.8) Kích thước vòi phun “Suspension” 64 (H3.9) Ảnh hưởng vòi phun đến chùm tia vị trí bị mài mòn vòi phun 64 (H3.10) Đồng hồ đo áp suất buồng tạo áp 65 Bảng 3.5 Thông số vật liệu 66 (H3.11) Mẫu thí nghiệm 66 (H3.12) Hình dạng vết cắt mẫu thí nghiệm 67 (H3.13) Cách đo giá trị min, max chiều sâu rãnh cắt 68 Lê Duy Nam Trang LUẬN VĂN THẠC SỸ KHOA HỌC MỞ ĐẦU Lý chọn đề tài Từ bao đời người biết khai thác lượng từ nước để phục vụ cho sinh hoạt đời sống vận chuyển gỗ, cối giã gạo sức nước để xây dựng nhà máy phát điện, thủy lợi…Đặc biệt việc sử dụng dòng tia nước có áp suất khởi sinh công nghệ tia nước áp lực cao Từ năm 1932 Công nghệ tia nước áp suất cao (TNASC) bắt đầu ứng dụng ngành khai thác đá, khai thác than đào hầm Từ năm 1980 với phát triển công nghệ gia công tia tia Laser, tia lửa điện, tia Plasma, công nghệ tia nước áp suất cao chứng minh vị trí quan trọng thay nhiều ngành gia công Công nghệ tia nước áp suất cao ứng dụng hai lĩnh vực làm cắt vật liệu Tính cấp thiết đề tài Trong lĩnh vực làm sạch, với ưu môi trường nguyên liệu sẵn có, phương pháp làm thông dụng trước làm vỏ tàu trước sơn phương pháp phun cát, xỉ, đồng gây ô nhiễm môi trường nguồn nguyên liệu đắt tiền Trong lĩnh vực cắt vật liệu, nhờ tính chất lý học sinh nhiệt gia công, không gây tia lửa điện, không làm thay đổi cấu trúc vật liệu gia công, công nghệ tia nước áp suất cao trở thành phương pháp gia công thay số lĩnh vực công nghiệp cắt phá bom, cắt dỡ bình chứa xăng dầu, hóa chất có khả gây cháy nổ Đặc biệt phương pháp cắt TNASC gia công môi trường mặt nước, nên ứng dụng vào lĩnh vực : - Thay thế, sửa chữa chân giàn khoan biển - Sửa chữa, tháo dỡ chi tiết nhà máy điện hạt nhân - Sửa chữa, tháo dỡ công trình cầu cống, đập nước - Sửa chữa, tháo dỡ đường cáp ngầm viễn thông đường ống dẫn nước Lê Duy Nam Trang LUẬN VĂN THẠC SỸ KHOA HỌC Nhằm tìm hiểu thêm công nghệ cắt kim loại tia nước áp suất cao xem xét đánh giá yếu tố ảnh hưởng, nâng cao suất, chất lượng hạ giá thành sản xuất, với giúp đỡ PGS TS Tăng Huy, Bộ môn Công nghệ chế tạo máy – Viện khí ĐHBK Hà Nội tác giả lựa chọn đề tài : “Nghiên cứu phương pháp cắt kim loại tia nước áp suất cao có trộn hạt mài” Đối tượng phương pháp nghiên cứu Không phải phương pháp gia công thích nghi gia công mặt nước Tại độ sâu khác nhau, áp suất môi trường tạo điều kiện ảnh hưởng đến quy trình gia công Việc nghiên cứu thông số ảnh hương đến trình gia công mặt nước giúp ứng dụng công nghệ tia nước áp suất cao mặt nước có hiệu cao Đặc biệt với tính chất ưu việt không sinh nhiệt, gây nổ, công nghệ TNASC trở thành công nghệ thay gia công mặt nước cắt phá bể dầu, ống dẫn dầu, cắt bom mìn, lò hạt nhân Các thông số ảnh hưởng gia công thông số thiết bị áp suất bơm, lưu lượng, đường kính vòi phun, lượng hạt mài, loại hạt mà thông số gia công vận tốc gia công, khoảng cách gia công, môi trường gia công, số lần gia công Tất thông số ảnh hưởng trực tiếp nên chiều sâu rãnh cắt suất gia công Việc tính toán thông số gia công cho trường hợp giúp có hiệu suất gia công tối ưu, mang lại hiệu kinh tế cao Mục đích thí nghiệm tìm hiểu công nghệ cắt tia nước áp suất cao mặt nước Trong loại vật liệu ứng với độ sâu khác mặt nước cho ta thông số gia công vận tốc cắt, khoảng cách cắt, áp suất bơm lưu lượng hạt mài tối ưu Ý nghĩa đề tài - Nghiên cứu công nghệ cắt tia nước áp suất cao mặt nước, khả cắt suất cắt thông số gia công Lê Duy Nam Trang LUẬN VĂN THẠC SỸ KHOA HỌC - Xác định ảnh hưởng thông số thiết bị, thông số công nghệ đến trình cắt, qua đưa hàm tối ưu cho thông số gia công - Nghiên cứu ảnh hưởng độ sâu nước đến thông số gia công, qua đưa quy trình tối ưu thông số gia công độ sâu tương ứng - Nghiên cứu quy trình trộn hạt mài dạng có áp suất để điều chỉnh xác lưu lượng hạt mài áp dụng gia công mặt nước - Bước đầu tiên, đón đầu để triển khai công nghệ cắt tia nước áp suất cao nước, theo phương pháp trộn hạt mài có áp Cấu trúc luận văn Nội dung luận văn chia thành chương, cuối luận văn kết luận chung kiến nghị cho hướng nghiên cứu tiếp theo, cụ thể gồm : +Phần mở đầu +Chương : Tổng quan công nghệ tia nước áp suất cao +Chương : Thiết bị thí nghiệm cắt tia nước áp suất cao nước +Chương : Xây dựng mô hình thực nghiệm cắt TNASC nước +Kết luận chung, kiến nghị hướng nghiên cứu +Tài liệu tham khảo +Phần phục lục Lê Duy Nam Trang LUẬN VĂN THẠC SỸ KHOA HỌC CHƯƠNG I : TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ TIA NƯỚC ÁP SUẤT CAO 1.1 Công nghệ tia nước áp suất cao Dựa nguyên lý tạo thành tia, tia nước áp suất cao (Waterjetting) chia thành hai loại tia : tia nước khiết (Pure waterjet – WJ) tia nước trộn hạt mài (Abrasive waterjet – AWJ) Căn theo phương pháp trộn, tia nước có trộn hạt mài chia loại tia nước trộn hạt mài không áp (Abrasive Water Suspension Jet – AWSJ) Tia nước có trộn hạt mài có áp tạo nên nguyên tắc bơm trực tiếp, bơm gián tiếp nguyên lý “Bypass” (Hình 1.1) Tia nước khiết Tia nước trộn hạt mài (WJ) (AWJ) Tia nước trộn hạt mài không áp (AWJ) Tia nước trộn hạt mài có áp (AWSJ) Bơm Bơm Nguyên lý trực tiếp gián tiếp “Bypass” Hình 1.1 Sơ đồ phân loại tia nước áp suất cao Trong hình (H1.2) ta thấy tính năng, công dụng loại tia nước áp suất cao : tia nước khiết, tia nước trộn hạt mài không áp tia nước trộn hạt mài có áp Lê Duy Nam Trang LUẬN VĂN THẠC SỸ KHOA HỌC Từ tín hiệu đo thu đo tua bin, người ta điều chỉnh lại lưu lượng dòng tổng qua số vòng quay bơm Qua điều chỉnh van tiết lưu, ta điều chỉnh tiếp lưu lượng dòng dòng nhánh qua điều chỉnh lưu lượng hạt mài trình gia công Thí nghiệm tín hiệu đo đo tua bin với áp suất bơm 150 MPa đến lưu lượng tổng dòng qua vòi phun Lưu lượng dòng nhánh hiệu số lưu lượng dòng tổng trừ lượng dòng Qua van tiết lưu ta điều chỉnh dòng nhánh qua điều chỉnh lưu lượng.hạt mài trình gia công Lưu lượng bơm phụ thục vào số vòng quay đường kính vời phun Trong Tiến hành nghiên cứu quan hệ vòi phun đến lưu lượng dòng tia chung Áp suất bơm thí nghiệm tăng từ MPa đến 150 MPa số vòng quay Mô tơ từ 220 đến 1560 vòng /phút Trong khoảng tốc độ Mô tơ từ 350 đến 760 vòng phút với vòi phun đường kính 0,4 mm cho ta lưu lượng dòng tổng qua vòi phun từ 2,5 đến 5,6 lít/phút Với tốc độ vòng quay Motor từ 760 đến 1000 vòng phun đường kính vòi phun 0,5 mm cho ta lưu lượng dòng tổng qua vòi phun 5,6 đến 7,8 lít/phútvới vận tốc Mô tơ từ 1000 đến 1500 vòng/phút đường kính vòi phun 0,7 mm cho ta lưu lượng dòng tổng qua vòi phun từ 7,8 đến 11,8lít/phút 3.1.2.Thiết bị trộn: 3.1.2.1 Điều chỉnh lưu lượng hạt mài Quan trọng thiết bị trộn việc đánh giá, điều chỉnh lưu lượng hạt mài trình trộn Đầu tiên hạt mài nạp vào bình nén qua bơm có trộn nước, trình nạp diễn không ám Để kiểm tra lượng hạt mài nạp vào bình người ta sử dụng hệ thống cân kiểm tra Bình nén đặt giá dỡ có đầu đo lực, tín hiệu đo thay đổi 0,0095 V/kg giúp ta xác định khối lượng hạt mài thay đổi Trong trình cắt lưu lượng hạt mài Lê Duy Nam Trang 58 LUẬN VĂN THẠC SỸ KHOA HỌC tiếp tục kiểm tra nhờ tín hiệu hệ thống đầu đo Tuy nhiên phương pháp đạt độ xác không cao khối lượng hệ thống bình nén lớn (trên 600 kg) so với khối lượng thay đổi hạt mài ( khoảng 0,5 kg/phút) Hơn trình đo giúp để kiểm tra lưu lượng hạt mài không điều chỉnh trình cắt (H3.4) Sơ đồ đo lưu lượng hạt mài cân định lượng Để có thông số xác lưu lượng hạt mài trình thí nghiệm ta phải đặt trước hệ số chỉnh theo van tiết lưu dòng nhánh trước bình nén Cho loại hạt mài thông số bơm khác nhau, người ta phải làm thí nghiệm để điều chỉnh lại hệ số van tiết lưu cho phù hợp Phương pháp điều chỉnh cách , lập chương trình cho vòi phun thử 1phút có đóng nhánh chảy qua Toàn khối lượng nước có lẫn hạt mài thu lại bình chứa Để nước có lẫn hạt mài lắng đọng chất nước có dung dịch đặc hạt mài Chuyển dung dịch vào lò sấy khô sau cân thử Qua lần kiếm tra ta có hệ số tương đối loại hạt mài thông số bơm cho lưu lượng hạt mài định Lê Duy Nam Trang 59 LUẬN VĂN THẠC SỸ KHOA HỌC (H3.5) Thí nghiệm kiểm tra lưu lượng hạt mài Trong đường kính vòi phun lưu lượng dòng tổng không thay đổi ta thay đổi hệ số van tiết lưu Hệ số van tiết lưu làm thay đổi dòng nhánh chảy qua bình nén qua làm thay đổi lưu lượng hạt mài trình hoà vào dòng chỉnh để vòi phun Khi ta chỉnh hệ số van tiết lưu, lưu lượng chảy qua dòng nhánh thay đổi tỷ lệ thuận với hệ số chỉnh van, qua lượng hạt mài tăng theo, lưu lượng dòng dòng trộn cuối không thay đổi nhiều 3.1.2.2 Chọn hạt mài : Ngày công nghệ cắt tia nước áp suất cao, có nhiều loại hạt mài khác thí nghiệm ứng dụng công nghiệp : Barton Gamet HP80, Zirkonkorund P80, Hamatit Fonte Angulaire FG 007, Olivin ASF 90, Siliziumkarbid F70 với đặc tính sau : Lê Duy Nam Trang 60 LUẬN VĂN THẠC SỸ KHOA HỌC Bảng 3.1 : Tính chất loại hạt mài Vật liệu Mầu sắc Trọng lượng riêng Mật độ nén Đường kính hạt trung bình Barton Garmet HP80 Khoáng Nâu đỏ 3.84g/cm3 Zirkonkorund P80 Khoáng Đen 4.16 g/cm3 Hamatit Angulaire Ferro Xám 7.14 g/cm3 Olivin Khoáng Xanh nhạt 3.33 g/cm3 Siliziumkarbid F70 Khoáng Xanh 2.9 g/cm3 2.2 g/cm3 2.1 g/cm3 3.2 g/cm3 2.0 g/cm3 2.9 g/cm3 dpm = 264,2µm dpm = 202,5µm dpm = 228,1µm dpm = 265,4µm dpm = 264,2µm Trong gia công tia nước áp suất cao có trộn hạt mài theo phương pháp trộn có áp sử dụng hầu hết với loại hạt mài Barton Gamet HP 80 Olivin ASF 90 So sánh khả cắt Gamet olivine cho thấy , chiều sâu rãnh cắt dùng Olivine 96,3% so với Garnet áp suất bơm 350 MPa ( xem trình 3.11 ) Lê Duy Nam Trang 61 Chiều sâu rãnh cắt [% HP80] LUẬN VĂN THẠC SỸ KHOA HỌC (H3.6) Chiều sâu rãnh cắt đạt với loại hạt mài khác Trong xét tuổi thọ vòi phun dùng Olivine gấp 9,2 lần so với Garnet HP Tuổi tho vòi phun [% HP80] 80 ( xem hình 3.12 ) (H3.7) So sánh tuổi thọ vòi phun sử dụng loại hạt mài Lê Duy Nam Trang 62 LUẬN VĂN THẠC SỸ KHOA HỌC Ngoài giá thành Olivine 1/2 lần so với Garnet nên ngày thí nghiệm hầu hết sử dụng hạt mài loại Olivine ASF 90 Thành phần hoá học hạt mài sau: Thành phần SiO2 Al2O3 Fe2O3 MgO CaO Na2O K2O % 40.08 2.22 8.82 48.39 0.24 0.04 0.05 Bảng 3.2 Thành phần hoá học cát Olivine AFS 90 Kích cỡ hạt chia theo tỷ lệ trung bình sau: Đường kính trung bình % >0,355 mm 0,00 % > 0,300mm 0,01% 0,300 – 0,250 mm 0,52% 0,250-0,125mm 82,20% 0,125 – 0,080 mm 13,62% 0,080 – 0,063 mm 2,25% 0,090 – 0,063 mm 0,75%