Khả năng tái chế của hạt mài được hiểu là phần trăm hạt mài thu hồi được sau khi cắt tương đối lớn (khoảng trên 50%) và thuận lợi trong thu hồi và tái chế. Để xác định khả năng tái chế của hạt mài trước hết ta phải thu hồi sau đó làm sạch hạt mài, tách phoi, sấy khô và cuối cùng sàng phân loại hạt mài. Tiếp theo thí nghiệm xác định khả năng cắt, chất lượng cắt với các cỡ hạt mài vừa sàng phân loại. Nếu khả năng cắt và chất lượng cắt của hạt mài tái chế gần bằng hoặc hơn so với
Luận văn thạc sĩ kỹ thuật Chuyên ngành CN CTM
Học viên:Lê Xuân Hưng Trường ĐH KTCN – ĐHTN
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc-tnu.edu.vn
40
hạt mài mới và lượng hạt mài thu hồi được tương đối lớn nghĩa là hạt mài đó có khả năng tái chế.
Theo [11] khi tái chế hạt mài Nam Ấn độ, với hạt mài tái chế cỡ >90µm có thể thu được 81% so với lượng hạt mài ban đầu và khả năng cắt của hạt mài tái chế này bằng 85% hạt mài mới còn chất lượng cắt thì cao hơn. Còn theo [3] lượng hạt mài thu hồi được khi lấy hạt mài cỡ >90µm (với hạt mài GMA #80) là gần 80% . Khả năng cắt và chất lượng cắt đều cao hơn so với hạt mài mới. Như vậy tỷ lệ hạt mài tái chế thu hồi được phụ thuộc vào cỡ hạt nào được chọn. Cỡ hạt càng nhỏ tỷ lệ hạt mài thu hồi được càng cao nhưng với cỡ hạt nhỏ sẽ khó sàng phân loại do hạt mài nhỏ dễ bít mắt sàng gây khó khăn cho tái chế hạt mài. Ngoài ra tỷ lệ hạt mài thu hồi phụ thuộc vào bản chất hạt mài, sự vỡ của hạt mài trong quá trình gia công, các yếu tố như vật liệu chi tiết gia công, thông số công nghệ và thông số quá trình.
3.1.1. Thiết lập các thông số thí nghiệm.
Bằng nghiên cứu thực nghiệm, ta sẽ xác định tỷ lệ phần trăm hạt vỡ sau khi gia công. Sơ đồ và thông số thí nghiệm cho quá trình nghiên cứu sự vỡ hạt mài được trình bày trong bảng 3.1 và hình 3.1:
Hình 3.1. Máy cắt tia nước có hạt mài và bể chứa hạt mài tái chế
Nghiên cứu xác định sự vỡ hạt và thu hồi hạt mài được thực hiện trên máy cắt tia nước mang nhãn hiệu DWJ-A-5 (hình 3.1) của hãng DARDI – Trung Quốc
Vòi phun Phôi Thùng chứa Hạt mài Nƣớc
Luận văn thạc sĩ kỹ thuật Chuyên ngành CN CTM
Học viên:Lê Xuân Hưng Trường ĐH KTCN – ĐHTN
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc-tnu.edu.vn
41
tại phòng thí nghiệm trọng điểm quốc gia về công nghệ bề mặt – Viện nghiên cứu Cơ khí. Phôi thí nghiệm là thép 45 kích thước 500x100x15 như hình 3.2. Thành phần hóa học của thép 45 trong bảng 3.1. Thông số công nghệ của quá trình cắt thí nghiệm được trình bày trong bảng 3.2
Hình 3.2. Phôi thép 45 dùng để cắt thí nghiệm thu hồi hạt mài tái chế
Bảng 3.1. Thành phần hóa học của vật liệu thí nghiệm C45 [19]
Thành phần
hóa học C Si Mn P S Cr Ni Cu
% 0.42-0.5 0.17-0.37 0.5-0.8 ≤0.035 ≤0.04 ≤0.25 ≤0.25 ≤0.25
Bảng 3.2. Các thông số quá trình thí nghiệm nghiên cứu vỡ hạt
Thông số Giá trị
Loại hạt mài Supreme garnet (nguồn gốc Ấn độ)
Đường kính trong vòi phun (mm) 0.76
Đường kính lỗ vòi tăng tốc (mm) 0.25
Chiều dài vòi phun (mm) 76.2
Khoảng cách từ đầu vòi phun tới bề mặt gia công (mm)
5 Góc giữa vòi phun và bề mặt gia công (0
) 90
Vật liệu chi tiết gia công Thép 45
Chiều dày phôi (mm) 15
Áp suất (MPa) 250
Tốc độ dịch chuyển (mm/phút) 50
Luận văn thạc sĩ kỹ thuật Chuyên ngành CN CTM
Học viên:Lê Xuân Hưng Trường ĐH KTCN – ĐHTN
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc-tnu.edu.vn
42
Trong thí nghiệm này, 75kg hạt mài Supreme garnet #80 được chia làm 3 lần cắt và thu hạt (mỗi lần 25kg). Hạt mài được thu hồi nhờ một thùng chứa có chứa đầy nước nhằm giảm vận tốc các hạt mài khi chúng ra khỏi phôi sau khi cắt để chúng không bị vỡ thêm khi va vào thành thùng chứa hoặc va vào các hạt mài khác.
Quá trình thí nghiệm, thu hồi và tái chế hạt mài
Bước thứ nhất: Tiến hành cắt phôi thép 45 theo sơ đồ thí nghiệm như hình
3.1 và thông số quá trình như bảng 3.2. Hạt mài sau khi cắt được thu hồi vào một bể chứa.
Bước thứ hai: Sau khi quá trình cắt được hoàn thành, hạt mài được thu hồi từ
bể và ngăn chứa. Hạt mài được làm sạch để loại bỏ tạp chất và hạt mài vỡ quá nhỏ. Các hạt mài bị vỡ quá nhỏ, mịn sẽ được loại bỏ từ thùng cùng với nước rửa. Đồng thời dung nam châm tách phoi thép ra khỏi hỗn hợp hạt mài. Kết quả thu được những thùng chứa lẫn nước và hạt mài đã được làm sạch.
Bước thứ ba: Sấy khô hạt mài bằng lò sấy. Một mẫu của khoảng 3kg hạt mài
sẽ cần khoảng 6 giờ sấy với nhiệt độ khoảng 300°C.
Bước thứ tư: Tách phoi lần thứ hai để đảm bảo hỗn hợp hạt mài được sạch.
Việc tách phoi là rất quan trọng vì các phoi kim loại có thể làm giảm hiệu suất cắt của hạt mài mài. Có một số phương pháp để tách các kim loại ra khỏi hạt mài như: Nếu phoi là nhôm thì ta có thể dùng giải pháp hòa tan phoi nhôm t rong NaOH còn tách phoi thép có từ tính bằng nam châm . Trong thí nghiệm này, phoi được tách bằng nam châm vì thép 45 có từ tính.
Bước cuối cùng của quá trình tái chế là sàng phân loại hạt mài ra các cỡ từ
63µm cho tới 350µm. Sàng được thực hiện với các sàng đường kính 8 inch của hãng Endecotts được hiển thị trong hình 3.4 (gồm có tất cả 11 sàng). Máy sàng rung [20] có thể điều chỉnh được tốc độ, biên độ và thời gian. Sau nhiều lần thí nghiệm, cấp tốc độ và biên độ đã được cố định thời gian sàng, sau khi hiệu chỉnh và phân tích với một mẫu mới của hạt mài Supreme Garnet, thời gian đã được cố định để 15 phút cho mỗi lần sàng.
Luận văn thạc sĩ kỹ thuật Chuyên ngành CN CTM
Học viên:Lê Xuân Hưng Trường ĐH KTCN – ĐHTN
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc-tnu.edu.vn
43
3.1.2. Kết quả và thảo luận về khả năng tái chế của hạt mài Supreme garnet #80
Trong phần này sẽ trình bày về nghiên cứu sự vỡ của hạt mài Supreme garnet đồng thời tỷ lệ các cỡ hạt mới và hạt mài tái chế sau khi sàng phân loại cũng được xác định.
a, Tỷ lệ thành phần hạt mài mới.
Ta tiến hành sàng phân loại hạt mài mới nhằm xác định tỷ lệ các cỡ hạt trong hạt mài mới. Để loại bỏ sai số ngẫu nhiên do lấy hạt không đều ta sàng phân loại 1 bao 25kg trên máy sàng ta thu được kết quả như hình 3.5 và 3.6:
Hình 3.5. Tỷ lệ thành phần hạt mài mới
Hình 3.4. Sàng của hãng Endecotts tiêu chuẩn ISO3310-1[21] Hình 3.3. Máy sàng phân loại
hạt mài [20] Tỷ lệ t hành phầ n (%) Các cỡ hạt mài (µm)
Luận văn thạc sĩ kỹ thuật Chuyên ngành CN CTM
Học viên:Lê Xuân Hưng Trường ĐH KTCN – ĐHTN
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc-tnu.edu.vn
44
b, Tỷ lệ thành phần hạt mài tái chế
Sau khi thu hồi, hạt mài được rửa sạch, sấy khô và tách phoi thép nhờ nam châm. Cuối cùng, hạt mài được phân loại nhờ 11 sàng (ISO3310-1) với các cỡ 63, 75, 90, 106, 125, 150, 180, 212, 250, 300, 355 [21]được sử dụng trong cơ cấu máy sàng như trong hình 3.3. Kết quả sàng phân loại hạt mài được trình bày trong bảng 3.3, khả năng tái chế của hạt mài trong bảng 3.4 và hình 3.6.
Bảng 3.3. Phân loại hạt mài tái chế
Cỡ hạt (µm)
Khối lƣợng hạt mài (kg) Tỷ lệ hạt mài tái chế trong 25kg
(%)
Lần 1 Lần 2 Lần 3 Trung bình 300 < hạt < 350 1.25 1.48 1.35 1.36 5.44 250 < hạt < 300 4.13 2.9 4.37 3.80 15.20 212 < hạt < 250 3.48 4.00 3.5 3.66 14.64 180 < hạt < 212 2.75 2.18 2.52 2.48 9.93 150 < hạt < 180 2.38 2.3 2.65 2.44 9.77 125 < hạt < 150 1.63 1.55 1.67 1.62 6.47 106 < hạt < 125 1.33 1.25 1.30 1.29 5,17 90 < hạt < 106 1.10 1.08 1.12 1.10 4.40 75 < hạt < 90 1.13 1.00 1.25 1.13 4.51 63 < hạt < 75 0.58 0.40 0.32 0.43 1.73 Tổng cộng 19.76 18.14 20.05 19.32 77.27
Bảng 3.4. Khả năng tái chế của hạt mài Supreme garnet
Cỡ hạt (µm) >300 >250 >212 >180 >150 >125 >106 >90 >75 >63 Khối lƣợng (kg) 1.36 5.16 8.82 11.30 13.75 15.36 16.66 17.76 18.88 19.32 Tỷ lệ (%) 5.44 20.64 35.28 45.21 54.99 61.45 66.63 71.03 75.53 77.27
Luận văn thạc sĩ kỹ thuật Chuyên ngành CN CTM
Học viên:Lê Xuân Hưng Trường ĐH KTCN – ĐHTN
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc-tnu.edu.vn
45
Kết quả khả năng tái chế của hạt mài ứng với các cỡ hạt mài khác nhau được cho trong bảng 3.4. Từ kết quả ta thấy với hạt từ cỡ >180 µm khả năng tái chế chỉ có 45,21%. Với các hạt mài có kích thước >75 và >63 µm do có hạt nhỏ nên khó sàng vì chúng dễ bít các mắt sàng. Vì vậy không chọn các hạt với giá trị này làm đối tượng nghiên cứu. Với các hạt mài có kích thước >90 µm (là kích thước cũng đã được chọn trong [3, 11, 12]) ta có khả năng tái chế khá lớn (71.03%). Từ các phân tích trên, hạt mài với kích thước >90; >106; >125; và >150 µm đã được chọn để nghiên cứu tái chế và bù tái chế.
3.2. Nghiên cứu phƣơng pháp bù tái chế cho hạt mài Supreme Garnet
Bù tái chế là bổ sung vào phần hạt mài tái chế sao cho đủ khối lượng ban đầu để duy trì quá trình cắt. Với hỗn hợp hạt mài tái chế các cỡ từ >90; >106; >125; >150 ta sẽ phải bù thêm một lượng hạt mài mới sao cho khối lượng đảm bảo 100%. Sau đó trộn đều hỗn hợp hạt mài tái chế và hạt mới.
Bảng 3.5. Tỷ lệ và lượng hạt mài mới bổ sung thêm vào hạt mài tái chế
Mẫu Cỡ hạt mài (µm) Hạt mài tái chế (%) Lƣợng hạt mới bù (%) Lƣợng hạt mới bù (kg) 1 >150 54.99 45.01 11.25 2 >125 61.45 38.55 9.64 3 >106 66.63 33.37 8.34 4 >90 71.03 28.97 7.24 >300 >250 >212 >180 >150 >125 >106 >90 >75 >63 Cỡ hạt (µm)
Hình 3.6. Thành phần hạt mài theo các cỡ
Tỷ lệ p hần tr ăm ( % )
Luận văn thạc sĩ kỹ thuật Chuyên ngành CN CTM
Học viên:Lê Xuân Hưng Trường ĐH KTCN – ĐHTN
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc-tnu.edu.vn
46
Khi có thêm lượng hạt mới bổ sung vào kích thước trung bình của hỗn hợp hạt sẽ thay đổi dẫn tới khả năng cắt, chất lượng cắt sẽ thay đổi theo. Do đó cần nghiên cứu thực nghiệm để xác định ảnh hưởng này.
3.3. Khả năng cắt của hạt mài bù tái chế
Xuất phát từ mục tiêu nghiên cứu khả năng sử dụng và tái sử dụng hạt mài trong công nghệ cắt bằng tia nước áp suất cao , kết quả nghiên cứu được thể hiện ở năng suất cắt và chất lượng cắt của hạt mài tái sử dụng. Năng suất cắt được xác định bởi thể tích vật liệu bị bóc tách trên một đơn vị thời gian. Mặt khác, thể tích vật liệu bị bóc tách được xác định thông qua chiều sâu cắt và bề rộng rãnh cắt. Tuy nhiên, bề rộng rãnh cắt không có ý nghĩa nhiều đến hiệu quả cắt gọt do đó hiệu quả cắt gọt phụ thuộc nhiều nhất ở chiều sâu cắt. Vì vậy, chiều sâu cắt lớn nhất - hmax (mm) là đại lượng được lựa chọn để nghiên cứu đánh giá khả năng cắt của tia nước hạt mài.
Trong phần này, hạt mài bù tái chế với các cỡ hạt khác nhau và hạt mài mới được sử dụng để cắt với cùng các thông số quá trình để xác định khả năng cắt của hạt mài bù tái chế so với hạt mới. Qua đó, kích thước hạt tối ưu khi tái chế và bù tái chế hạt mài Supreme garnet #80 sẽ được xác định.
3.3.1. Thiết lập các thông số cho thí nghiệm.
Thiết lập cho thí nghiệm được miêu tả trong hình 3.7 và được thực hiện trên
máy cắt tia nước model 50HP IPLcủa Công ty cổ phần TNHH Phúc Sinh
Phôi cắt thí nghiệm để xác định khả năng cắt của hạt mài là thép 45 có dạng hình chêm. Ta sẽ xác định chiều sâu cắt tối đa của các cỡ hạt mài bù tái chế thông qua đo từ điểm cuối cùng của mạch cắt trên mặt dưới của phôi cho tới mặt trên của phôi (hình 3.8).
Hạt mài mới được bổ sung thêm vào với hạt mài tái chế theo tỷ lệ như trong bảng 3.5. Sau đó hạt mài bù tái chế được đưa vào cơ cấu cấp hạt mài – cơ cấu này được tác giả và các đồng nghiệp chế tạo dựa theo nguyên lý của băng tải. Lưu lượng hạt mài được điểu chỉnh nhờ sự điều chỉnh độ cao của bình chứa hạt mài và tốc độ của động cơ dẫn động băng tải.
Luận văn thạc sĩ kỹ thuật Chuyên ngành CN CTM
Học viên:Lê Xuân Hưng Trường ĐH KTCN – ĐHTN
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc-tnu.edu.vn
47
Hình 3.7. Thiết bị thí nghiệm xác định khả năng cắt của hạt mài
Thông số công nghệ cho thí nghiệm như sau :
Thông số hạt mài :
Loại hạt mài: Supreme garnet #80 bù tái chế Điều kiện hạt mài: Khô
Thông số vòi phun: ROCTEC©100 WFE 14400
Đường kính lỗ vòi phun: 1,016mm Đường kính lỗ Ofrice: 0,33mm 30 100 150 5 90
Hình 3.8. Phôi thí nghiệm và sơ đồ tính hmax
Đầu cắt Hƣớng cắt
h = AB*sinα
Phôi: Thép 45 Cơ cấu điều chỉnh lưu lượng hạt mài
Vòi phun Bình chứa hạt mài
Luận văn thạc sĩ kỹ thuật Chuyên ngành CN CTM
Học viên:Lê Xuân Hưng Trường ĐH KTCN – ĐHTN
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc-tnu.edu.vn
48 Chiều dài ống hội tụ : 101,6mm
Thông số cắt:
Áp suất:350 MPa
Khoảng cách từ vòi phun tới bề mặt gia công: 5mm Góc giữa vòi phun và bề mặt gia công: 900
Tốc độ dịch chuyển: 90 mm/phút Lưu lượng hạt mài: 5g/s
3.3.2. Xác định kích thước hạt tối ưu cho bù tái chế
Các thí nghiệm cắt với mỗi cỡ hạt mài bù tái chế và hạt mới được lặp lại 2 lần. Thêm vào đó, các lần cắt được thực hiện trên 1 phôi thí nghiệm để loại trừ ảnh hưởng của vật liệu phôi. Kết quả thí nghiệm được tổng hợp theo bảng 3.6, hình 3.9 và 3.10.
Bảng 3.6. Khả năng cắt của hạt mài bù tái chế
Cỡ hạt (µm) hmax (mm) Khả năng cắt >90 19.4 1.04 >106 19.5 1.05 >125 20.0 1.08 >150 19.5 1.05 Hạt mới 18.6 1
Luận văn thạc sĩ kỹ thuật Chuyên ngành CN CTM
Học viên:Lê Xuân Hưng Trường ĐH KTCN – ĐHTN
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc-tnu.edu.vn
49
Từ hình 3.10 ta thấy khả năng cắt của các cỡ hạt mài bù tái chế đều tốt hơn hạt mới. Có thể giải thích nguyên nhân là do kích thước trung bình của hạt mài bù tái chế nhỏ nhỏ hơn của hạt mài mới nên trong cùng một khoảng thời gian số lượng các hạt tham gia bắn phá (cắt) bề mặt phôi sẽ nhiều hơn và dẫn đến thể tích vật liệu phôi bị bóc tách cũng sẽ tăng lên (xem ảnh chụp của hạt mài Supreme garnet #80 và hạt mài tái chế có kích thước hạt >125µm (hình 3.11)). Thêm vào đó, hình dáng hạt mài khi vỡ ra cũng có nhiều góc, cạnh sắc hơn (hình 3.11) nên tính cắt của mỗi hạt mài cũng cao hơn. Kết quả này cũng trùng với kết quả trong [3, 11, 12].
Hình 3.11. Ảnh chụp hạt mài Supreme garnet
Kết quả thí nghiệm (xem hình 3.10) cho thấy hạt bù tái chế cắt tốt hơn hạt mới từ 4 đến 8%. Từ hình 3.10 cũng thấy rằng, cỡ hạt tối ưu để bù tái chế là >125µm vì chúng cho khả năng cắt cao nhất (cao hơn 8% so với hạt mới). Ngoài ra,