Nghiên cứu này nhằm phân tích các chuyển động tương đối giữa phôi và tia cắt cần điều khiển, từ đó hỗ trợ việc xây dựng và áp dụng các sản phẩm phần mềm lập trình vào điều khiển quá trình gia công trên máy CNC.
NGHIÊN CỨU KHOA HỌC NGUYÊN LÝ TẠO HÌNH BỀ MẶT CHI TIẾT KHI GIA CƠNG BẰNG TIA NƯỚC CĨ HẠT MÀI KẾT HỢP VỚI PHƯƠNG PHÁP ĂN MÒN ĐIỆN CỰC ANOT THE PRINCIPLE OF SURFACE FORMING BY WATERJET METHOD COMBINED WITH THE METHOD OF ELECTROCHEMICAL CORROSION ANODE Nguyễn Văn Toàn1, Bacherikov Ivan Viktorovich2 Email: toanckct@gmail.com Trường Đại học Sao Đỏ, Việt Nam Trường Đại học Tổng hợp Kỹ thuật Lâm nghiệp Xanh Petecbua - LB Nga Ngày nhận bài: 4/12/2017 Ngày nhận sửa sau phản biện: 26/12/2017 Ngày chấp nhận đăng: 28/12/2017 Tóm tắt Trong giai đoạn nay, việc nghiên cứu phát triển phương pháp gia công kết hợp phương pháp gia công tia nước có hạt mài phương pháp ăn mòn điện cực anot nhiều cơng trình nghiên cứu chứng minh tính khả dụng việc nâng cao chất lượng bề mặt gia công tia nước có hạt mài Tuy nhiên, tới việc áp dụng phương pháp gia công để gia công chi tiết có hình dạng phức tạp, đảm bảo dung sai hình dáng hình học chi tiết hạn chế chưa có phần mềm lập trình điều khiển máy CNC chuyên dùng Nghiên cứu nhằm phân tích chuyển động tương đối phơi tia cắt cần điều khiển, từ hỗ trợ việc xây dựng áp dụng sản phẩm phần mềm lập trình vào điều khiển q trình gia cơng máy CNC Từ khóa: Gia cơng tia nước; ăn mòn điện cực; nguyên lý tạo hình; tia cắt; hình dáng hình học Abstract In the recent, the research and development of the method of processing combined with the method of waterjet and the method of electrochemical corrosion anode are proven with the feasible in the improvement of the surface after processing by waterjet However, the application of synthetic method processing to work the parts that have complex shapes, ensuring the accurate geometric because of short of programming and controlled on specialized CNC machines This study aims to analyze the relative motion between the workpiece and the ray cutting that facilitating the development and application of programmed software products to control the machining process on CNC machines Keywords: Waterjet cutting; electrode corrosion; forming principle; ray cutting; geometric shape ĐẶT VẤN ĐỀ Một phương pháp triển vọng để cắt kim loại phương pháp gia công tia nước áp suất cao Phương pháp cho phép cắt vật liệu với chiều dày cắt lớn biên dạng phức tạp - q trình gia cơng khơng có phát sinh nhiệt cắt yếu tố độc hại ảnh hưởng đến người lao động môi trường Để tăng khả cắt tia nước áp suất cao người ta cho thêm vào tia nước hạt mài [1] Các loại vật Tuy nhiên, tượng thường xảy q trình gia cơng làm hạn chế khả áp dụng phương pháp có tồn hạt mài bề mặt chi tiết gia công [2] Phương pháp truyền thống để loại bỏ hạt mài bề mặt tốn không hiệu [3] Một phương pháp hiệu để loại bỏ hạt mài bề mặt chi tiết nâng cao chất lượng bề mặt gia công sử dụng phối hợp phương pháp gia công tia nước áp suất cao phương pháp hòa tan lớp bề mặt anot [5] Để nâng cao độ liệu hạt mài thường sử dụng Al2O3, SiO2 xác hình dáng hình học chi tiết sau gia garnet công, đặc biệt chi tiết có biên dạng phức tạp 48 Tạp chí Nghiên cứu khoa học - Đại học Sao Đỏ, ISSN 1859-4190 Số 4(59).2017 LIÊN NGÀNH CƠ KHÍ - ĐỘNG LỰC việc xác định nguyên lý tạo hình bề mặt chi tiết gia cơng, từ xây dựng phần mềm điều khiển máy CNC cần thiết SƠ ĐỒ GIA CƠNG ĐIỆN HĨA CĨ SỰ THAM GIA CỦA CÁC HẠT DẪN ĐIỆN Kết nghiên cứu tài liệu [6] chứng minh hiệu hạt mang điện gia cơng điện hóa phương pháp phun Kết nghiên cứu hạt mang điện q trình gia cơng có tính chất giống điện mơi hay chất dẫn Điều khiển trình mở khả thiết kế công nghệ tổng hợp với lực cơng nghệ cao Trong sơ đồ Hình 1, áp lực P đưa hỗn hợp chất điện phân hạt tích điện qua vòi phun đến bề mặt gia công Lượng vật liệu cắt bỏ phụ thuộc vào chế độ gia công (áp lực P, độ hạt, tính dẫn điện hạt), tính chất mơi trường làm việc, thời gian phun tốc độ di chuyển dòng hỗn hợp dọc theo bề mặt chi tiết gia cơng Trong sơ đồ hình 2, hạt mài bị loại bỏ q trình hòa tan bong lớp kim loại bề mặt phôi nhờ điện trường hạt dẫn điện (được đưa vào từ vòi phun với tốc độ bề mặt phân cách v) Trong trình anot bị hòa tan lớp bề mặt, gắn kết hạt mài với bề măt phơi giảm xuống bị loại bỏ tác dụng lực F tác động lên hạt mài dòng tia nước có áp lực cao Chế độ cắt kim loại phương pháp gia công hỗn hợp bao gồm: áp lực môi trường làm việc miệng vòi phun, nguồn điện áp, tốc độ di chuyển đầu phun dọc theo đường cắt Để nâng cao hiệu suất chất lượng bề mặt gia công, áp lực môi trường làm việc miệng phun lựa chọn theo tài liệu [3] Tốc độ di chuyển đầu phun dọc theo đường cắt phụ thuộc vào kết hợp hai phương pháp: gia cơng tia nước ăn mòn điện hóa Để xác định tổng giá trị dịch chuyển đầu phun dọc theo đường cắt cần phải so sánh giá trị tốc độ tính tốn dọc theo đường cắt đầu phun vc, đảm bảo loại bỏ hạt mài khỏi bề mặt phôi thông qua thời gian t, lượng dư cần loại bỏ z đường kính đầu phun dc theo cơng thức vc = d c t cd (1) đó: Hình Sơ đồ gia cơng điện hóa với hạt nằm điện trường: - vòi phun; - mơi trường làm việc; - hạt mang điện tích; - bề mặt chi tiết gia công CƠ CHẾ LOẠI BỎ HẠT MÀI KHI GIA CÔNG BẰNG PHƯƠNG PHÁP HỖN HỢP Cd: hệ số thay đổi diện tích tiếp xúc tia dung dịch gia cơng có hạt mang điện với bề mặt chi tiết so với đường kính vòi phun dc, đường kính vòi phun lựa chọn phụ thuộc vào chiều rộng cắt Thời gian t xác định theo cơng thức (2) [4] (2) đó: z: lượng dư nhỏ cần hòa tan để loại bỏ hạt mài khỏi bề mặt phôi; : trọng lượng riêng vật liệu cần cắt; α: điện hóa tương đương; Hình Cơ chế loại bỏ hạt mài nhờ hòa tan anot η: dòng điện sinh ra; KM: sai số trung bình; U: điện áp điện cực; DU: điện áp rơi; b: mật độ hạt; : tính dẫn điện riêng dung dịch hạt mài Tạp chí Nghiên cứu khoa học - Đại học Sao Đỏ, ISSN 1859-4190 Số 4(59).2017 49 NGHIÊN CỨU KHOA HỌC Lượng dư (z) xác định giải hệ phương trình: Hình Sơ đồ dịch chuyển tia cắt bề mặt chi tiết gia công: m - điểm tiếp xúc với phần gia đó: : áp lực chất lỏng miệng vòi phun; , ρ: mật độ tia cắt môi trường tương ứng; , V : tốc độ tia cắt dọc theo trục miệng vòi phun; R: đường kính qui đổi hạt; h1: kích thước phần nhô hạt mài khỏi bề mặt phôi; bF : hệ số (sai số đặc tính trung bình); aF : hệ số (phụ thuộc vào đặc tính lực tác động (F) tác dụng lên phần tự hạt mài (h1+z)) Phương trình thứ hệ phương trình (3) phương trình xác định lực tác dụng lên hạt mài bị mắc kẹt bề mặt phôi thông qua áp lực dung dịch chứa hạt mang điện [4] Phương trình thứ hai hệ phương trình (3) phương trình thực nghiệm xác định tùy theo trường hợp cụ thể [5] NGUYÊN LÝ TẠO HÌNH BỀ MẶT CHI TIẾT KHI ÁP DỤNG PHƯƠNG PHÁP GIA CƠNG HỖN HỢP Trong q trình gia cơng phương pháp tổng hợp, việc hình thành biên dạng bề mặt gia công phụ thuộc vào quỹ đạo tương đối tia cắt chứa hạt mang điện bề mặt phơi cơng; M - đầu vòi phun; L-L, B-B - đường sinh bề mặt gia công; N, П, N1 - mặt phẳng vùng gia cơng Trên hình cho biết sơ đồ dịch chuyển tia cắt so với bề mặt chi tiết gia cơng hình dạng vùng gia cơng Bề mặt gia công A gia công với dịch chuyển tia cắt qua điểm M quỹ đạo L-L, tạo thành đường cắt Chuyển động cắt xảy nhờ dịch chuyển bề mặt A, ban đầu theo quỹ đạo L-L, sau theo quỹ đạo B-B Mặt cắt dọc N qua điểm m với mặt pháp tuyến N1 (vng góc với mặt N tiếp điểm), tạo vectơ tia cắt mM Rõ ràng với hình dáng hình học bề mặt gia công A, điểm tiếp xúc tia cắt m luôn nằm pháp tuyến mM nằm giao tuyến mặt N N1 Trong hệ trục tọa độ Đề các, trục X chuyển động dọc tia cắt (theo quỹ đạo L-L), trục Y theo phương nằm ngang (theo quỹ đạo B-B), trục Z theo phương vectơ mM (hình 4) Chuyển động bề mặt gia cơng thực gồm: - Góc quay tương đối trục X với góc kiểm sốt dα đó: α góc quay tương đối trục X dt so với quỹ đạo L-L tiếp điểm m; t thời gian 50 Tạp chí Nghiên cứu khoa học - Đại học Sao Đỏ, ISSN 1859-4190 Số 4(59).2017 LIÊN NGÀNH CƠ KHÍ - ĐỘNG LỰC Tương tự: Góc quay tương đối theo phương y-y: - Đường dịch chuyển thẳng: dx d y dz ; ; dt dt dt dθ dt Nếu điều khiển tất chuyển động theo thời gian, thể gia công bề mặt với biên dạng phức tạp Khi tia cắt dịch chuyển theo quỹ đạo L-L (hình 3) cần đảm bảo số lượng thơng số cần kiểm sốt nhỏ Nếu chi tiết có độ xoắn khơng đáng kể đường cắt tia cắt dịch chuyển dθ đảm bảo chất lượng kiểm sốt thơng số: , dt d d x dθ d z d ; , hay d z , x (góc quay chi tiết α dt dt dt dt dt dt thực cuối đường cắt vị trí thay đổi tiếp điểm vị trí chuyển giao hai đường cắt liền kề) Nếu độ xoắn chi tiết đáng kể phải bổ sung dα cho đường cắt (trừ đường chuyển tiếp) dt Động học tiếp điểm m xác định thơng qua phương trình: V0= V1 + V2 đó: V0 : vận tốc tuyệt đối; V1 : vận tốc chuyển động xiên; V2 : vận tốc chuyển động chuyển tiếp Từ việc xác định giá trị vận độ tuyệt đối điểm tiếp giáp tia cắt bề mặt gia công, thông qua chuyển động tương đối thành phần đoạn quỹ đạo gia cơng Cho phép xây dựng chương trình tự động hóa gia cơng làm bề mặt phương pháp hỗn hợp Chuyển động vectơ chứa trục tia cắt phải đảm ∧ bảo điều kiện biên dạng: v mM → Π Trong đó: mM : vectơ đơn vị tia cắt quỹ đạo dịch chuyển; ∧ v0 mM : góc vectơ v0 mM Để nhận sai số nhỏ gia cơng làm sạch, thơng số vị trí tia cắt chuyển động tuyệt đối chi tiết gia cơng cần dần đến KẾT LUẬN Hình Sơ đồ tính tốn khoảng cách từ vòi phun đến điểm tiếp xúc tia cắt với bề mặt chi tiết gia công: x, y, z - hệ trục tọa độ cố định; x1, y1, z1 hệ trục tọa độ di động; R, r - vectơ bán kính điểm M m tích bề mặt chi tiết gia cơng q trình gia cơng phương pháp hỗn hợp - Nghiên cứu chuyển động để tạo hình cho tồn bề mặt q trình gia cơng làm Đường cắt chuyển tiếp: chi tiết gia công cần dần đến dt t d ≠ 0; α ≠ t dt - Xác định nguyên lý hình thành phần diện Khi đó, quy luật tổng quát để điều khiển đường cắt viết sau: d d d d Đường cắt thứ nhất: α = ; θ = 0; x ≠ ; z ≠ dt d d d t dy π - Xác định mối quan hệ vị trí tia cắt chuyển động tuyệt đối chi tiết gia công (thông số vị trí tia cắt chuyển động tuyệt đối π ) d d d Đường cắt tiếp theo: dα = ; θ = 0; x ≠ ; z ≠ d d t t dt dt - Nghiên cứu cho phép xây dựng áp dụng Chương trình điều khiển lặp lại gia công hết bề mặt chi tiết gia công phương pháp gia công tổng hợp tia nước … phần mềm lập trình điều khiển trình gia công máy CNC, mở rộng phạm vi áp dụng với bề mặt phức tạp Tạp chí Nghiên cứu khoa học - Đại học Sao Đỏ, ISSN 1859-4190 Số 4(59).2017 51 NGHIÊN CỨU KHOA HỌC TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Burnashov M.A Determination of the cutting force for cutting the decking of the material with an aqueous high-pressure jet // Vestnik of the Bryansk State Technical University, 2008, - No - P 17-20 [2] Smolentsev V.P Formation of the Surface Layer under Hydroabrasive Separation of Metals with the Imposition of an Electric Field, V.P Smolentsev, E.V Goncharov // Vestnik VSTU, 2011, volume7, No - P.74-77 [3] Electrophysical and electrochemical methods of processing: В2-х т Т1 / Ed V.P Smolentsev - M: Higher Education, 1983 247 p [4] Yunusov F.S Forming of complex profile surfaces by grinding / FS Yunusov M: Mechanical engineering 1987-248 p [5] Smolentsev V.P Combined separation of blanks by the hydroabrasive method / V.P Smolentsev E.V Goncharov, V.I Kotukov // Progressive engineering technologies, equipment and tools Moscow: Spectrum, 2014 T 3.-P.118-172 [6] Smolentsev E.V Conduction effect of granule media and its use in combined dimensional processing / E.V Smolentsev // High technology in engineering, 2012 No - P 29-31 [7] GS TSKH Bành Tiến Long, TS Bùi Ngọc Tuyên (2012 ) Lý thuyết tạo hình bề mặt ứng dụng kỹ thuật khí, NXB Giáo dục 52 Tạp chí Nghiên cứu khoa học - Đại học Sao Đỏ, ISSN 1859-4190 Số 4(59).2017 ... mang điện tích; - bề mặt chi tiết gia công CƠ CHẾ LOẠI BỎ HẠT MÀI KHI GIA CÔNG BẰNG PHƯƠNG PHÁP HỖN HỢP Cd: hệ số thay đổi diện tích tiếp xúc tia dung dịch gia cơng có hạt mang điện với bề mặt chi. .. N, П, N1 - mặt phẳng vùng gia công Trên hình cho biết sơ đồ dịch chuyển tia cắt so với bề mặt chi tiết gia công hình dạng vùng gia cơng Bề mặt gia cơng A gia công với dịch chuyển tia cắt qua... điều khi n lặp lại gia công hết bề mặt chi tiết gia công phương pháp gia công tổng hợp tia nước … phần mềm lập trình điều khi n q trình gia cơng máy CNC, mở rộng phạm vi áp dụng với bề mặt phức