14.3.1 Nguyên lý gia công.
Cắt bằng tia nước (Water Jet Cutting-WJC) là một quá trình sử dụng tia nước ở áp suất cao để gia công vật liệu. Vết cắt hoặc rãnh có độ rộng xấp xỉ 1mm. Đường kính lỗ nhỏ nhất có thể cắt được là 1,5mm. Phương pháp này còn được gọi là gia công bằng thuỷ động lực học. Sơ đồ nguyên lý được thể hiện trên hình 1.
Hình 14.12. Sơ đồ nguyên lý gia công bằng tia nước
Đầu tiên nước từ thùng cấp nước đi qua bộ lọc và hòa trộn. Sau đó nhờ ống dẫn chất lỏng đi qua bộ khuyếch đại để tăng áp đến đầu phun. Tại đầu phun tia nước được phun ra mạnh hay yếu là nhờ van tiết lưu. Van này được điều khiển bởi một bộ điều khiển. Tia nước sau khi ra khỏi đầu phun có áp suất rất lớn (thường từ 100 – 400 MPa), tốc độ tia nước từ 400 – 1000m/s. Với áp suất này, khi tia nước chạm vào bề mặt vật liệu gia công nó tạo nên áp lực lớn hơn độ bền nén của vật liệu, bề mặt vật liệu bị nát ra và tia nước xuyên qua tạo thành vết cắt, cắt chi tiết gia công. Vậy tia nước tạo đóng vai trò như một cái cưa cắt một vết hẹp trên vật liệu.
118
14.3.2 Các thông số công nghệ.
Các thông số gia công quan trọng trong gia công bằng tia nước bao gồm : khoảng cách gia công, đường kính lỗ vòi phun, áp suất nước và tốc độ cắt. Khoảng cách gia công là khoảng cách giữa đầu vòi phun và bề mặt gia công. Thông thường khoảng cách này là nhỏ để tia nước phân tán tới mức tối thiểu trước khi kịp đập vào bề mặt.
Khoảng cách gia công điển hình là 3,2mm. Kích thước của lỗ vòi phun ảnh hưởng đến độ chính xác của quá trình cắt lỗ vòi. Vòi phun nhỏ được sử dụng trên những vật liệu mỏng. Đối với những vật liệu dày hơn thì cần có những tia phun dày hơn và áp suất cao hơn. Tốc độ cắt thường vào khoảng từ 5 – 500 mm/s tùy theo độ dày của chi tiết gia công. Phương pháp gia công tia nước thường được tự động hoá bằng hệ thống CNC hay người máy công nghiệp. Phạm vi gia công : từ 1,6 – 305 mm với độ chính xác là ± 0,13 mm.
14.3.3 Ưu điểm và phạm vi ứng dụng
Ưu điểm :
- Chất lượng vết cắt rất cao.
- Vết cắt có thể bắt đầu ở bất kỳ chỗ nào mà không cần khoan mồi trước và có thể cắt được các vật liệu cán mỏng.
- Có khả năng tự động hóa và người máy hóa rất cao. - Chí phí thấp.
- Không có chất hóa học như cắt bằng hạt mài (AWJC). - Thích ứng với hệ thống CAD/CAM.
- Gia công đạt độ chính xác cao, bề mặt phẳng. - Không ảnh hưởng nhiệt.
- Có thể cắt bất cứ vật liệu nào. - Ít lãng phí chất thải sau gia công. - Môi trường gia công trong sạch.
- Phạm vi ứng dụng.
- Gia công cắt : phương pháp gia công bằng tia nước được ứng dụng trong các ngành hàng không, thực phẩm, nghệ thuật đồ họa, công nghiệp ôtô, giày dép, cao su, nhựa, đồ chơi, gỗ, luyện kim, giấy, chế tạo máy…
- Làm sạch bề mặt trong ngành xây dựng và chế tạo máy.
119
phẩm gỗ, cao su, da, giấy, lá kim loại mỏng, gạch, vật liệu composite… Tùy loại vật liệu mà chiều dày cắt lên đến 25mm và cao hơn. So với các phương pháp khác, cắt bằng tia nước có năng suất cao và sạch, nên nó cũng được dùng trong công nghệ thực phẩm để cắt và thái mỏng sản phẩm. Khi đó người ta sử dụng dung dịch chất lỏng là cồn, glyxêrin hoặc dầu ăn.
Hình 14.14 Hình dáng một số chi tiết gia công bằng tia nước
14.3.4 Gia công bằng tia nước có hạt mài
Phương pháp gia công bằng tia nước (Water Jet Machining-WJM) thích hợp cho việc cắt nhựa, thực phẩm, cao su, vải,… Để tăng khả năng cắt bằng tia nước nhằm cắt các vật liệu cứng như thép, thủy tinh, bê tông hay vật liệu composite, … người ta thêm vào tia nước những hạt mài. Vì thế phương pháp này được gọi là gia công tia nước có hạt mài (Abrasive Water Jet Machining-AWJM).
Nguyên lý gia công
Nguyên lý của phương pháp này cũng như gia công tia nước nhưng khác ở chổ là trong quá trình hình thành tia nước áp suất cao thì cho thêm vào 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 nước trong ống trộn. Việc cấp hạt mài trong quá trình gia công quyết định năng suất gia công.
Đối với gia công tia nước có hạt mài, khi thêm những hạt mài vào tia nước sẽ làm phức tạp quá trình gia công vì phải bổ sung một số thông số và những thông số này phải được điều khiển. Những thông số thêm vào cho quá trình là loại hạt mài, cỡ hạt và tốc độ dòng chảy.
Các loại vật liệu hạt mài thường được sử dụng là Al2O3, SiO2 và garnet, với cỡ khoảng từ 60 đến 100. Lượng mài được thêm vào trong tia nước xấp xỉ khoảng 0,3 kg/phút sau khi thoát ra vòi
120
phun. Đường kính lỗ của vòi khoảng từ 0,25 ÷ 0,63 mm. Sở dĩ kích cỡ hơn một chút so với sự gia công bằng tia nước là để có được tốc độ dòng chảy cao hơn và năng lượng nhiều hơn vì bên trong nó có chứa hạt mài.
Áp suất nước trong gia công bằng tia nước có hạt mài giống trong gia công bằng tia nước. Khoảng cách cho phép phải ít hơn để giảm đến mức tối thiểu hiệu quả phân tán của chất lỏng cắt mà hiện giờ có chứa những hạt mài. Khoảng cách cho phép điển hình là khoảng ¼ hay ½ khoảng cách trong gia công tia nước.
Hình 14.15. Nguyên lý gia công tia nước có hạt mài
Thiết bị
121
Các bộ phận chính của một thiết bị gia công tia nước có hạt mài cũng giống như gia công tia nước, bao gồm các bộ phận chính sau:
Bộ lọc: làm sạch nước để tăng tuổi thọ hệ thống.
Bộ tăng áp: tăng áp lực của nước.
Bộ phận phân phối nước: đường ống, khớp nối và các bộ phận phân phối nước tăng áp.
Đầu trộn: trộn nước áp lực cao và hạt mài.
Đầu cắt: dẫn hướng tia nước.
Giàn máy NC: định vị đầu cắt.
Bộ phận thu gom nước đã phun.
Các thông số công nghệ và khả năng công nghệ
Các thông số cần chú ý khi gia công tia nước có hạt mài là: tỉ lệ cấp hạt mài, đường kính ống trộn, đường kính miệng vòi phun, áp suất nước trong vòi, khả năng cắt vật liệu, chiều dày chi tiết gia công, chất lượng cần gia công, công suất máy bơm, biên dạng hình học cần gia công…
Các thông số công nghệ cơ bản của quá trình cắt là:
Áp suất tia nước (20,000 -60,000 PSI hay 1300 – 4000 bar).
Đường kính tia nước.
Tốc độ của dòng tia lên đến 1950 m/ph, khoảng 2,5 lần tốc độ âm thanh.
Độ xa.
Tốc độ nạp hạt mài.
Tốc độ cắt từ 25 - ÷ 130mm/ph. Tốc độ cắt càng lớn thì chất lượng bề mặt càng tốt.
Khả năng công nghệ:
Chiều rộng vết cắt điển hình là 0,76mm và lớn hơn.
Tầm ảnh hưởng của dòng tia lên đến 200mm đối với vật liệu cứng. Áp suất hạ xuống sau
25mm.
Độ chính xác phụ thuộc vào loại máy được sử dụng. Loại máy lớn với đầu phun dịch chuyển
trên khung đạt độ chính xác ±0,38mm. Các máy cỡ trung có thể độ chính xác ±0,127mm. Các máy hiện đại hiện nay có thể đạt độ độ chính xác ±0,064mm, độ thẳng đạt 0,05mm.
Một số đặc điểm và ứng dụng
Cắt các vật liệu rất cứng như titan, inconel, hợp kim đặc biệt, rẻ hơn các phương pháp gia
công khác (plasma, laser,…).
Cắt được hầu như mọi vật liệu: thép tôi cứng, thép mềm, thép không rỉ, đồng thau, nhôm, vật
liệu giòn như thuỷ tinh, gốm, thạch anh, và đá, tấm mỏng, vật liệu dễ cháy, cắt quặng mỏng hoặc quặng dày, tạo được mọi loại hình dạng với chỉ một dụng cụ cắt.
Cắt với một phạm vi bề dày lớn với dung sai hợp lý, không sinh nhiệt, vùng gia công không
chịu tác động nhiệt, đây là phương pháp gia công cắt lạnh.
Độ nhám bề mặt có thể tốt như các phương pháp gia công truyền thống.
Lực cắt không đáng kể, vì thế có rất ít hoặc không có
Chi phí thấp: trung tâm AWJM sử dụng file DXF sẵn có (hoặc bản vẽ CAD khác). Không tốn
122
Phương pháp gia công tia nước hay tia nước có hạt mài có thể sử dụng thay thế cho các phương pháp gia công tia laser hay tia plasma nếu yêu cầu không có ảnh hưởng nhiệt tại đường cắt vật liệu.