2. Về thực tiễn
2.2.2. Cơ chế bóc tách vật liệu của bởi TNASC có trộn hạt mài
Bóc tách vật liệu là kết quả tác ựộng của phần tử hạt mài khi chúng ựược dòng tia nước ASC vận chuyển với tốc ựộ cao va ựập vào bề mặt chi tiết gia công.
Hạt mài là một phần tử chất rắn, phụ thuộc vào mạng tinh thể cấu trúc mà có những cạnh sắc, ựóng vai trò như những lưỡi cắt, tựa ựá mài trong phương pháp gia công truyền thống (Hình 2.7). Như ựã biết, ựặc tắnh biến dạng dẻo của vật liệu ựược xác ựịnh bởi ứng suất chảy của nó. Trên cơ sở quỹ ựạo quỹ ựộng của một phần tử hạt mài ựơn, tốc ựộ bóc tách vật liệu ựược xác ựịnh bởi công thức: 2 ( ) p p M f m v V f K ϕ σ ψ = (2-1) Trong ựó:
mp : trọng lượng của phần tử hạt mài (kg) vp : tốc ựộ của hạt mài (m/s)
σf : ứng suất chảy của vật liệu (N/m2)
K : tỉ số lực tác dụng vuông góc/lực ngang (ựối với bề mặt chi tiết)
ψ = L/yt , thường là không ựổi và ựược lấy bằng 2
Trường đại học Nông nghiệp Hà Nội Ờ Luận văn thạc sĩ khoa học kỹ thuật ẦẦẦẦẦẦẦẦẦẦ.. 25
Hình 2.7 Ờ Mô phỏng nguyên lý cắt của hạt mài
Từ công thức 2-1 ta thấy tốc ựộ bóc tách vật liệu bởi hạt mài tỷ lệ thuận với ựộng năng của hạt khi va chạm với vật liệu và tỷ lệ nghịch với ứng suất chảy của vật liệu gia công.
Tuy nhiên, sự bóc tách vật liệu bởi tia nước áp suất cao không chỉ mỗi cơ chế cắt mà có cả cơ chế tạo mỏi, làm rạ nứt (Hình 2.8). đây là cơ chế có tác ựộng tổng hợp, tuy nhiên tầm quan trọng của từng cơ chế cho một quá trình bóc tách vật liệu cụ thể không giống nhau, phụ thuộc vào một số thông số như: góc cắt, năng lượng ựộng, hình dáng hạt mài, tắnh chất vật liệu gia công.
Hình 2.8 Ờ Cơ chế bóc tách vật liệu bởi hạt mài
Cơ chế mài mòn bởi sự va ựập của hạt mài Cắt Tác ựộng va ựập hạt mài với lực F=mpa Mỏi Sự tác ựộng liên tục, trên cùng vị trắ, tạo mỏi chân các tế vi vật liệu dẻo Vỡ đối với vật liệu giòn, tác ựộng va ựập có thể tạo vết nứt tức thời trên chi tiết
Trường đại học Nông nghiệp Hà Nội Ờ Luận văn thạc sĩ khoa học kỹ thuật ẦẦẦẦẦẦẦẦẦẦ.. 26
2.2.2.1. Áp suất phá huỷ, ựại lượng ựặc trưng cho vật liệu
Áp suất phá huỷ là áp suất làm việc của tia nước và với áp suất này tia nước trong một khoảng thời gian nhất ựịnh sinh ra một ứng suất nào ựó lên vật liệu mà vừa ựủ gây nên hiện tượng bóc tách vật liệu hay làm biến dạng vật liệụ Nằm dưới ngưỡng của áp suất này, chưa có sự biến dạng hoặc bóc tách nào có thể ựo ựược trên vật liệụ
Về nguyên tắc, ta phải chia áp suất phá huỷ thành hai loại: áp suất phá huỷ tĩnh và áp suất phá huỷ ựộng. Áp suất phá huỷ tĩnh có thể ựược thắ nghiệm bằng khoan lỗ trên vật liệu với khoảng cách ựầu phun nhỏ sao cho tia nước lúc này chỉ là tia liên tục. Thắ nghiệm bắt ựầu với áp suất nhỏ, sau tăng dần áp suất lên cho ựến khi vật liệu bắt ựầu bị bóc tách và ựường kắnh chỗ bị bóc tách phải nhỏ hơn ựường kắnh của tiạ Áp suất phá huỷ ựộng ựược xác ựịnh bằng nhiều cách, nhưng cách ựơn giản và hay dùng nhiều nhất là ta chắn và mở tia liên tục theo chu kỳ. Như vậy là từ tia tĩnh ta chuyển thành tia ựộng. Thắ nghiệm xác ựịnh áp suất phá huỷ ựộng bây giờ lại giống như thắ nghiệm xác ựịnh áp suất phá huỷ tĩnh. Ta tăng dần áp suất ựến khi nào nó vừa ựủ lớn ựể có thể ựo ựược sự bóc tách hay biến dạng trên vật liệu thì ựó chắnh là áp suất phá huỷ ựộng ựặc trưng cho vật liệụ
Trong nhiều tài liệu, ta có thể thấy những báo cáo thắ nghiệm tìm ra áp suất phá huỷ của nhiều vật liệụ Tuy nhiên các con số về áp suất phá huỷ cho cùng một vật liệu ở các tài liệu khác nhau cũng ắt giống nhaụ Thắ dụ áp suất phá huỷ vật liệu hợp kim nhôm Al 99,5 trong tài liệu [8] là 20MPa, nhưng trong tài liệu [9] là 40MPạ Có thể giải thắch sự không thống nhất này là do những thông số thắ nghiệm khác nhau dẫn ựến kết quả thắ nghiệm khác nhaụ Vắ dụ như ựường kắnh, hình dạng ựầu phun, thời gian tác ựộng hay sự không ựồng nhất của cùng một vật liệụ
2.2.2.2. Dòng tia trộn hạt mài
Trong công nghệ cắt bằng tia nước trộn hạt mài, tia nước ựược trộn thêm hạt mài sau khi ra khỏi ựầu phun (Hình 2.9). Theo nguyên lý dòng chảy,
Trường đại học Nông nghiệp Hà Nội Ờ Luận văn thạc sĩ khoa học kỹ thuật ẦẦẦẦẦẦẦẦẦẦ.. 27
do tốc ựộ cực lớn của tia nước sau khi ra khỏi ựầu phun mà trong khoang trộn có sự tạo thành áp suất thấp làm cho hạt mài và không khắ ựược hút vào buồng trộn, hạt mài sẽ gặp tia nước tốc ựộ cao và qua ma sát với các phần tử giọt của tia hạt mài sẽ ựược tăng tốc một phần trong khoang trộn và chủ yếu trong phạm vi của ống dẫn hội tụ. Hạt mài ựạt tốc ựộ cực ựại khi ra khỏi ống dẫn hội tụ và chúng ựược phân bố ựều trong tia nước hạt màị Tốc ựộ của tia nước hạt mài vtia ựược tắnh theo ựịnh luật xung như sau:
n n hm hm n hm m v m v TN m m v = ++ (2-2)
Bỏ qua tốc ựộ ban ựầu vhm của hạt mài (vì quá nhỏ so với các ựại lượng khác), công thức (2-1) có thể rút gọn thành: n n n hm m v TN m m v = + (2-3) Hay 1 n v TN R v = + với hm n m m R = (2-4)
Như vậy tốc ựộ của tia nước hạt mài ựối với phần lớn các loại hạt mài khi trộn vào với tia nước sau ựầu phun có thể ựạt 59% ựến 80% tốc ựộ của tia nước.
Trường đại học Nông nghiệp Hà Nội Ờ Luận văn thạc sĩ khoa học kỹ thuật ẦẦẦẦẦẦẦẦẦẦ.. 28
Trên thực tế, tốc ựộ của tia nước hạt mài theo lý thuyết này không bao giờ có thể ựạt ựược vì có sự mất mát năng lượng trong quá trình trộn. Tốc ựộ thực của tia nước hạt mài phụ thuộc vào ựộ lớn, hình dạng và mật ựộ của hạt mài, vào cấu trúc của tia nước thuần khiết, vào kắch thước hình học của khoang trộn cũng như chiều dài và ựường kắnh của ống dẫn hội tụ. Ảnh hưởng lớn nhất lên sự mất mát năng lượng chắnh là chiều dài của ống dẫn hội tụ, chiều dài ống dẫn hội tụ càng tăng thì khả năng mất mát năng lượng càng lớn. Ta có thể làm giảm những mất mát năng lượng bằng cách tối ưu quá trình trộn hạt mài vào tia nước với việc ngăn hoặc giảm tối ựa thành phần của không khắ trong dòng hạt mài khi ựược hút vào khoang trộn và tố ưu lưu lượng hạt màị Ma sát của dòng tia nước hạt mài với thành ống dẫn hội tụ ựược làm từ vật liệu Volframcacbit hoặc Borcacbit tạo ra mất mát năng lượng không thể tránh khỏi và ựây cũng chắnh là nguyên nhân gây nên sự mài mòn ống dẫn hội tụ.
2.2.2.3. Bóc tách bằng tia nước trộn hạt mài
Khi tia nước trộn hạt mài bắn vào bề mặt vật liệu, ngoài tác ựộng của tia nước thuần tuý, vật liệu còn chịu tác ựộng của các hạt mài có tốc ựộ rất lớn. Tỷ lệ của các tác ựộng ựơn lẻ phụ thuộc vào chủng loại và lưu lượng hạt mài, vào tỷ lệ của dòng hỗn hợp chất lỏng - vật rắn cũng như sự tăng tốc hạt mài chịu ảnh hưởng bởi kắch thước hình học của khoang trộn và ống dẫn hội tụ. Dạng tác ựộng lên vật liệu ở ựây là tác ựộng va ựập vì tia nước về nguyên lý là tia bị phân tách thành những phần tử giọt ựơn lẻ. Tác ựộng áp suất nén chỉ xuất hiện hoặc nếu tỷ lệ hạt mài trong dòng tia hỗn hợp quá nhỏ thì lõi tia mới có thể tới ựược bề mặt vật liệu hoặc nếu tia bắn vào ựúng rãnh khắa trên bề mặt vật liệu gây ra sự tạo thành lớp ựệm nước như ựã trình bày ở phần trước.
So với tia nước thuần khiết, tia nước hạt mài có những ựặc ựiểm khác biệt sau:
Trường đại học Nông nghiệp Hà Nội Ờ Luận văn thạc sĩ khoa học kỹ thuật ẦẦẦẦẦẦẦẦẦẦ.. 29
- Khối lượng của các hạt chất rắn lớn hơn rất nhiều so với khối lượng của một giọt khi ra khỏi tiạ Cho nên xung ứng suất va ựập của từng hạt ựơn lẻ lớn hơn rất nhiều so với xung của giọt, mặc dù tốc ựộ của nó nhỏ hơn so với tốc ựộ của tia nước tự do liên tục.
- Khi bắn ựập vào bề mặt vật liệu, hạt chất rắn chỉ bị biến dạng rất ắt. điều ựó có nghĩa là ựộ lớn của ứng suất lớn hơn rất nhiềụ Vì hạt chất rắn không bị biến dạng sang hai bên cho nên thời gian của tác ựộng cũng lâu hơn so với của giọt.
- Diện tắch tác ựộng phụ thuộc vào hình dáng của hạt chất rắn và của vật liệụ Do hình thù của hạt mài thường là có góc cạnh nên về nguyên tắc tiết diện tác ựộng của hạt chất rắn nhỏ hơn tiết diện của lõi tia của tia nước tự do thuần khiết. Từ ựó suy ra với cùng một xung thì tác ựộng của các hạt lên một ựơn vị diện tắch trên bề mặt vật liệu lớn hơn rất nhiềụ
- Trong quá trình trộn hạt mài với tia nước, tia nước tự do liên tục bị phá vỡ mạnh và tự chuyển thành tia giọt với cường ựộ tác dụng tăng lên. điều này ựặc biệt có ý nghĩa khi cắt ựứt hoặc khắa rãnh những vật liệu dẻo quánh, những vật liệu có tắnh chất chung là tương ựối nhạy cảm với kiểu tác ựộng nàỵ
Tất cả những ựặc ựiểm trên phụ thuộc trước tiên vào tỷ lệ nước, hạt màị Khi dòng hạt mài tăng lên, hiệu quả cắt gọt của tia cũng tăng theọ Dòng tia nước ngoài nhiệm vụ vận chuyển hạt mài ựến ựiểm cắt và tăng tốc hạt mài cũng có tác dụng tham gia vào quá trình bóc tách vật liệu như gây ra hiện tượng xâm thực, kắch vỡ vết xé và mở rộng vết xé. Tuy nhiên phần ựóng góp này của tia nước cho ựến nay vẫn chưa ựược xác ựịnh vì chưa thể tách ựược tác dụng xâm thực của giọt nước và hạt màị
Không như tia nước thuần khiết, việc xác ựịnh áp suất phá huỷ của tia nước hạt mài tương ứng với từng loại vật liệu chỉ có thể thực hiện ựược dưới những ựiều kiện cho trước nhất ựịnh do những nguyên nhân chắnh sau:
- Một khả năng phá huỷ của tia nước hạt mài phụ thuộc trước tiên vào dòng xung lượng cảu hạt mài, hay nói cách khác là phụ thuộc vào ựộng năng
Trường đại học Nông nghiệp Hà Nội Ờ Luận văn thạc sĩ khoa học kỹ thuật ẦẦẦẦẦẦẦẦẦẦ.. 30
của hạt màị Tác ựộng tăng tốc hạt mài của tia nước thuần khiết tạo ra ựộng năng của hạt mài mà tốc ựộ này lại phụ thuộc vào lưu lượng hạt mài và tia nước qua ựó phụ thuộc vào ựường kắnh của tia nước thuần khiết.
Mặt khác xung ựơn lẻ lại phụ thuộc vào ựộ lớn của hạt màị độ cứng và hình dáng của hạt mài là những yếu tố ảnh hưởng tiếp theo ựến quá trình bóc tách.
Với những yếu tố ảnh hưởng trên, việc xác ựịnh áp suất phá huỷ trở nên hết sức phức tạp vì chỉ cần một dòng tia nước thuần khiết rất nhỏ với một ắt hạt mài ựược tăng tốc trong một thời gian tác ựộng lâu lên vật liệu là ựã có thể ựo ựược vết bóc tách.
Hình 2.10 Ờ Dạng bóc tách vật liệu của một hạt chất rắn
Khi một hạt chất rắn bắn vào bề mặt vật liệu dẻo dưới một góc xiên, nó sẽ cày rách vật liệu dẫn ựến quá trình bóc tách. Tiếp theo hạt mài lấn sâu xuống vật liệu làm cho vật liệu bị biến dạng dẻọ Bề mặt vật liệu lúc này sẽ có ba via không ựối xứng nổi lên. Trong quá trình cày vật liệu, hạt mài thực hiện hai chuyển ựộng tịnh tiến và xoaỵ Với sự giúp ựỡ của phim tốc ựộ cao, người ta ựã quay ựược chuyển ựộng của hạt mài trong quá trình bóc tách. Chiều quay của hạt mài phụ thuộc vào trọng tâm và ựộ lớn góc trước ζ của nó tại
Dạng 1 V Hạt mài θ Φ ξ ξ Φ Dạng 2
Trường đại học Nông nghiệp Hà Nội Ờ Luận văn thạc sĩ khoa học kỹ thuật ẦẦẦẦẦẦẦẦẦẦ.. 31
thời ựiểm va ựập. Tuỳ vào chiều quay của hạt mài mà quá trình cắt ựược chia thành hai dạng (Hình 2-10):
- Dạng 1: Hạt mài quay theo chiều tiến. Hạt mài sau khi va chạm vào vật liệu nó sẽ chèn sâu vào vật liệu và trước khi bật ra ngoài nó tạo ra một lưỡi gợn nhô lên trên bề mặt vật liệụ độ lớn của lưỡi gợn này chắnh bằng thể tắch của vết lõm. Lưỡi gợn thường bị những hạt mài tiếp sau bóc tách khỏi vật liệụ
- Dạng 2: Hạt mài quay theo chiều ngược lạị Vật liệu bị bóc tách trực tiếp bởi chắnh hạt mài bắn vào và tạo ra một vết cày nhỏ dài trên vật liệụ
Có thể khẳng ựịnh ựược là hạt mài có nhiều cạnh sắc luôn có khả năng phá huỷ cao hơn so với hạt mài nhẵn tròn, chỉ trừ có trường hợp ngoại lệ duy nhất là cát thạch anh, vì cấu tạo tự nhiên của nó không có cạnh sắc. điều này có thể giải thắch qua sự tạo thành cát thạch anh trong tự nhiên. Cát thạch anh là vật liệu lắng dưới nước có hình dạng tròn, do quãng ựường trôi dạt của nó rất dài nên mất dần các cạnh sắc. Trong cát thạch anh không có những vết rạn nứt tế vi hay lỗi vật liệu nên nó không hay bị vỡ ựể có thể tạo thành cạnh sắc. Dù có hình dạnh tròn nhưng cát thạch anh có khả năng bóc tách rất cao nên hay ựược sử dụng.
Việc phân biệt bóc tách vật liệu giòn hay dẻo ựối với tia nước hạt mài là không cần thiết, vì ựộ cứng của vật liệu không có nhiều ý nghĩa so với ựộ lớn tác ựộng của những xung ựơn lẻ. Chỉ cần tia nước hạt mài với tốc ựộ thấp cũng có thể cắt mà không phụ thuộc vào vật liệụ