nghiên cứu khả năng tái sử dụng hạt mài supreme garnet sau khi gia công bằng tia nước có hạt mài

GIỚI THIỆU Cắt bằng tia nước là một công cụ có khả năng cắt kim loại hay các vật liệu khác bằng cách sử dụng một tia nước có áp suất rất cao và tốc độ lớn.. Mohamed Hashish, được coi

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP

LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT

Tên đề tài: Nghiên cứu khả năng tái sử dụng hạt mài Supreme garnet sau khi

gia công bằng tia nước có hạt mài

Hướng dẫn khoa học: TS Vũ Ngọc Pi

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP

-000 -

THUYẾT MINH LUẬN VĂN THẠC SỸ

KỸ THUẬT

Chuyên ngành: Công nghệ chế tạo máy

khi gia công bằng tia nước có hạt mài”

Học viên : Vũ Hồng Khiêm Lớp : Cao học K12 - CNCTM Chuyên ngành : Công nghệ chế tạo máy

Lời cảm ơn

Xin được bày tỏ lòng biết ơn chân thành tới thầy giáo TS Vũ Ngọc Pi

(Trường đại học Kỹ thuật Công nghiệp) người đã tận tình hướng dẫn tôi trong

suốt quá trình thực hiện đề tài Xin chân thành cảm ơn ban giám đốc cùng tập

thể cán bộ giáo viên, giảng viên Trung tâm thí nghiệm, Trường đại học Kỹ thuật

Công nghiệp đã tạo điều kiện tốt nhất cho tôi trong quá trình học tập và thực

hiện đề tài Xin gửi lời cảm ơn đến các kỹ thuật viên thuộc trung tâm

CTA-NARIME, Viện nghiên cứu Cơ khí Bộ Công Thương, Công ty cổ phần Phúc Sinh

(Cầu diễn, Từ liêm, Hà nội), trường Cao đẳng Kinh tế - Kỹ thuật Luận văn này

là một phần trong Luận án của nghiên cứu sinh Trần Quốc Hùng Tôi xin chân

thành cảm ơn NCS Trần Quốc Hùng, người đã giúp đỡ tôi trong quá trình làm

thí nghiệm Tôi cũng xin cảm ơn những đóng góp ý kiến quý báu của các bạn

đồng nghiệp, sự động viên của gia đình đã giúp cho tôi hoàn thành luận văn

này

Tuy nhiên với khả năng nhận thức và trình độ hiểu biết còn nhiều hạn

chế, thời gian có hạn, nên luận văn này chắc hẳn còn nhiều thiếu sót Rất mong

được sự đóng góp ý kiến của các thầy giáo, cô giáo và các bạn bè đồng nghiệp

để tôi tiến bộ hơn, hoàn thiện hơn trong việc nghiên cứu khoa học sau này

Thái Nguyên, tháng 11/2011

Vũ Hồng Khiêm

Mục Lục

Lời cảm ơn 1

Danh mục các ký hiệu, chữ viết tắt 4

Danh mục các hình 5

Danh mục các bảng 7

CHƯƠNG 1 GIỚI THIỆU 8

1.1 Lịch sử phát triển 8

1.2 Hệ thống công nghệ 11

1.2.1 Hệ thống cấp nước 12

1.2.3 Đường ống cao áp 14

1.2.4 Đầu cắt 15

1.2.5 Hệ thống cấp hạt mài 17

1.2.6 Hệ thống điều khiển chuyển động 18

1.2.7 Bể chứa nước và dập năng lượng 19

1.3 Các tham số quá trình 20

1.4 Ưu nhược điểm của gia công bằng tia nước hạt mài 20

1.5 Kết luận chương 1 22

CHƯƠNG 2 TỔNG QUAN 24

2.1 Hạt mài sử dụng trong AWJ 24

Đặc điểm chung của hạt mài sử dụng trong công nghệ AWJ 25

2.2 Thực trạng nghiên cứu về sự vỡ của hạt mài trong quá trình cắt 30

2.3 Thực trạng nghiên cứu về tái chế hạt mài 34

2.4 Kết luận chương 2 37

CHƯƠNG 3 TÁI CHẾ HẠT MÀI SUPREME GARNET 39

3.1 Khả năng tái chế của hạt mài Supreme Garnet 39

3.1.1 Thiết lập các thông số thí nghiệm 40

3.1.2 Thiết bị thí nghiệm và dụng cụ đo, kiểm tra 40

3.1.3 Vật liệu thí nghiệm 42

3.1.4 Quy trình thu hồi và tái chế hạt mài 43

3.1.5 Kết quả và nhận xét 45

3.2 Khả năng cắt của hạt mài tái chế 48

3.2.1 Thí nghiệm 48

3.2.2 Kết quả và nhận xét 51

3.3 Chất lượng cắt của hạt mài tái chế 51

3.3.1 Thí nghiệm 52

3.3.2 Kết quả và nhận xét 52

3.4 Kết luận chương 3 54

CHƯƠNG 4 KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG NGHIÊN CỨU TIẾP THEO 56

4.1 Kết luận 56

4.2 Hướng nghiên cứu tiếp 56

TÀI LIỆU THAM KHẢO 58

Phụ lục A: 61

Phụ lục B: 62

Phụ lục C: 63

Phụ lục D: 65

Danh mục các ký hiệu, chƣ̃ viết tắt

Danh mục các hình

STT Tên các hình Trang

Hình 3.6 Thành phần hạt mài theo các cỡ 46

Hình 3.12

Ảnh hưởng của lưu lượng hạt mài và loại hạt mài đến độ nhám

Hình 3.13

Ảnh hưởng của lưu lượng hạt mài và loại hạt mài đến độ nhám

Danh mục các bảng

STT Tên các bảng Trang

Bảng 2.5 Đặc điểm của một số loại hạt mài dùng trong công nghệ AWJ 29

CHƯƠNG 1 GIỚI THIỆU

Cắt bằng tia nước là một công cụ có khả năng cắt kim loại hay các vật liệu khác bằng cách sử dụng một tia nước có áp suất rất cao và tốc độ lớn Nguyên lý của quá trình này tương tự như sự xói mòn bởi nước ở trong tự nhiên nhưng nhanh hơn và tập trung hơn Nó thường được sử dụng cho việc cắt các vật mẫu hoặc tham gia vào một nguyên công trong quy trình sản xuất các bộ phận máy móc, thiết bị Nó cũng được sử dụng để cắt tạo hình dáng, tạo lỗ, khoan, chạm khắc trong nhiều lĩnh vực công nghiệp khác nhau từ khai thác mỏ đến hàng không vũ trụ Nó có thể cắt được kim loại, bê tông, đá, hay các vật cứng khác

Chương này sẽ giới thiệu về lịch sử gia công bằng tia nước, các thiết bị chủ yếu của hệ thống Abrasive water jet (AWJ), tham số quá trình và ưu nhược điểm của nó

1.1 Lịch sử phát triển

Năm 1950, Norman Franz - một kỹ sư lâm nghiệp đã có mong muốn tìm ra một phương pháp mới để cắt cây gỗ thành từng khúc Ông được xem như cha đẻ của hệ thống máy cắt bằng tia nước và là người đầu tiên dùng tia nước siêu áp lực (Ultra High Pressure - UHP) làm một công cụ cắt vào những năm đó Để tạo ra áp lực của tia nước, ông đặt một khối lượng lớn lên một cột nước và tập trung tia nước vào một vòi phun nhỏ Kết quả là áp suất sinh ra rất cao, trong một số trường hợp còn cao hơn

cả áp suất nước đang được dùng tại thời điểm đó

Từ kết quả thu được, Dr.Franz phát hiện ra là hoàn toàn có thể cắt gỗ và vật liệu khác bằng tia nước áp suất cao Tiếp theo ông tìm cách duy trì dòng nước một cách

liên tục, tuy nhiên kết quả thu được không như mong muốn Hơn nữa, tuổi thọ của các thiết bị cắt như vậy chỉ tính bằng phút, chứ không phải hàng trăm giờ như ngày nay Cho dù Dr.Franz chưa làm được một cái máy cắt gỗ như mong muốn nhưng nghiên cứu của ông đã đặt nền móng cho phương pháp gia công bằng tia nước và sau này được hãng Flow International nghiên cứu phát triển hệ thống cắt tia nước sau này

Năm 1965 thiết bị làm sạch bề mặt thép cán bằng tia nước với áp suất 200 bar được sản xuất đầu tiên tại Đức và được hãng Boehler (Kapfenberg) của Áo sử dụng

Năm 1968 các nhà khoa học Mỹ đã chế tạo thành công một thiết bị cắt bằng tia nước có áp suất đạt 700 bar để ứng dụng cắt ống bìa Với áp suất này , tia nước có thể cắt được các vật liệu phi kim khác như giấy, nhựa, xốp và thực phẩm…

Năm1970 tập đoàn Flow (Mỹ) đã phát minh một mẫu bơm khuếch đại áp suất

có tính ứng dụng cao cho máy cắt tia nước Điều này là một bước tiến để công nghệ cắt bằng tia nước được thương mại hóa sử dụng để cắt vải cho áo quần may sẵn Cùng với sự phát triển của ngành vật liệu và công nghệ gia công , các thế hệ bơm cao áp dần dần đạt các yêu cầu về tuổi thọ và áp suất

Vào năm 1979, Flow bắt đầu nghiên cứu phương pháp để gia tăng lực cắt của máy để có thể cắt được kim loại và các vật liệu cứng khác Dr Mohamed Hashish, được coi như người khai sinh ra hệ thống máy cắt tia nước dùng hạt mài, ông phát minh ra phương pháp trộn hạt mài vào nước [1] Hạt mài GARNET, một vật liệu được sử dụng rộng rãi trong giấy nhám đã được sử dụng Với phương pháp đó, máy cắt tia nước (có dùng hạt mài) có thể cắt hầu hết các loại vật liệu Năm 1980, hệ thống cắt tia nước có hạt mài đầu tiên được dùng để cắt thép, kính và bê tông Năm 1983, Flow cung cấp cho thị trường chiếc máy cắt tia nước có hạt mài đầu tiên và được sử dụng cho việc cắt gương ôtô

Ngành công nghiệp hàng không và vũ trụ đã giúp cho công nghệ tia nước áp suất cao phát triển mạnh mẽ Tia nước có hạt mài khi này thực sự là một công cụ cắt lí tưởng để cắt các vật liệu cứng như Inconel, thép không gỉ, titan cũng như các vật liệu tổng hợp nhẹ như sợi cacbon sử dụng cho chiến đấu cơ và ngày nay được dùng cho hàng không Kể từ đó, phương pháp cắt tia nước dùng hạt mài đã được dùng cho rất

nhiều ngành công nghiệp khác như dùng để cắt kim loại, đá, ceramic, gương, trong ngành chế tạo động cơ phản lực, xây dựng, các nhà máy đống tàu, …

Tuy nhiên mãi đến năm 1986, Công nghệ UHP được nghiên cứu để mở rộng những ứng dụng của nó Trong năm đó, hệ thống bơm siêu áp lực di động đầu tiên được sử dụng cho các ứng dụng di động như làm sạch công nghiệp, bảo trì đường cao tốc, và các dự án tân trang cơ sở hạ tầng Sau đó không lâu, phương pháp cắt tia nước

đã tạo được danh tiếng Từ cuối những năm 80 và đầu những năm 90, công nghệ cắt tia nước được ứng dụng rộng rãi, và cắt ở trong nhiều môi trường cắt khác nhau

Năm 1989-1990, tia nước áp suất cao bắt đầu được ứng dụng để cắt thép và bê tông dưới biển ở độ sâu đến 400m

Năm 1991, trung tâm thí nghiệm Geesthacht đã thực hiện khoan t hép không rỉ ở độ sâu 600m Cùng với sự phát triển của thiết bị cắt , hiện nay tia nước áp suất cao có thể cắt ở độ sâu lớn hơn nhiều

Năm 1994, người Đức đã đăng ký bản quyền về ứng dụng cắt và làm sạch bằng tia nước áp suất cao trong y học Trong đó tia nước với áp suất làm việc từ 50 đến 300 bar được sử dụng làm dao mổ trong phẫu thuật vì nước có thể được cơ thể tiếp nhận Một điều quan trọng nữa là khi cắt các phần cứng của cơ th ể như xương thì muối hoặc đường đã được dùng để làm hạt mài, do đường và muối luôn tồn tại trong cơ thể Công nghệ cắt bằng tia nước áp suất cao phát triển rất nhanh chóng trong những năm gần đây Năm 2002, công ty Flow phát triển hệ thống cắt Dynamic Waterjet cho phép cắt vật liệu nhanh hơn, không để lại gờ sau khi cắt Kết quả này đã mở rộng khả năng cho các ứng dụng cắt bằng tia nước rộng rãi hơn Hiện nay , công nghệ cắt tia nước được sử dụng để cắt nhiều loại vật liệu và được ứng dụng t rong nhiều ngành công nghiệp Các vật liệu cố thể cắt bằng phương pháp này như thép không rỉ, titan, ceramic, hợp kim nhôm, vật liệu tổng hợp cho dụng cụ thể thao, sợi và nhựa sử dụng cho nội thất ôtô, và kể cả đá lót bếp được cắt bởi máy cắt tia nước Các ứng dụng làm sạch vỏ tàu, bồn dầu, đường cao tốc, động cơ phản lực, v.v Công nghệ cắt bằng tia nước áp suất cao tiếp tục được phát triển sang các ứng dụng mới , thiết bị cắt bằng tia

nước trộn hạt mài tập trung chủ yếu ở các nước có nền công nghiệp phát triển như Đức, Áo, Hà lan, Nhật, Trung quốc, Pháp…

1.2 Hệ thống công nghệ

Cắt bằng tia nước (Water Jet Cutting-WJC) là một quá trình sử dụng tia nước ở

áp suất cao (ASC) để gia công vật liệu Công nghệ gia công bằng tia nước ASC gồm 2 loại đó là cắt bằng tia nước (pure waterjet) và cắt bằng tia nước có hạt mài (abrasive waterjet- AWJ) Hình 1.1 là sơ đồ nguyên lý của hệ thống công nghệ gia công tia nước

có hạt mài

Hình 1.1 Sơ đồ nguyên lý hệ thống gia công bằng tia nước có hạt mài

Một hệ thống AWJ thông thường gồm 7 thành phần chính:

 Hệ thống cấp nước sạch;

 Các đường ống áp lực cao;

 Đầu cắt tạo ra tia nước ASC trộn hạt mài;

 Hệ thống cấp và điều chỉnh lưu lượng hạt mài;

 Hệ thống điều khiển chuyển động;

 Bể nước chứa chất thải công nghiệp và dập năng lượng còn lại của tia nước sau khi cắt

1.2.1 Hệ thống cấp nước

Hệ thống này nhằm đảm bảo cho hoạt động của hệ thống cắt bằng tia nước hạt mài được ổn định, kéo dài tuổi thọ, hệ thống cấp nước phải có bộ phận khử nước cứng, bộ phận làm sạch nước bằng lọc thô và lọc tinh

Hình 1.2 Hệ thống bơm cấp nước của hãng Flow [2]

Hệ thống nước bao gồm đường nước vào đầu bộ lọc , máy bơm tăng áp , bộ khuếch đại áp và bộ suy gi ảm sóng sung kích Nước đi qua bộ lọc nước ở đầu vào sau đó đi đến bơm tăng áp để duy trì áp lực nước ở đầu hút bộ phận khuếch đại áp Lúc này áp lực nước lên đến 414 MPa tiếp tục đi qua bộ suy giảm áp lực sóng sung kích để bảo đảm nước đi ra ở đầu cắt ổn định Không có bộ suy giảm sóng sung kích , dòng nước sẽ có sóng sung (áp lực không ổn định) khi cắt để lại dấu vết trên vật liệu

1.2.2 Cụm bơm khuếch đại áp

Cụm bơm khuếch đại áp làm nhiệm vụ chuyển đổi năng lượng nước từ áp lực nước thấp sang áp lực nước siêu cao Khi cung cấp nguồn điện và nước cho hệ thống thủy lực, piston trong bộ phận khuếch đại áp làm việc cả ha i hành trình đi và về Chiều đi, về của piston được điều khiển thông qua các van điều khiển hệ thống thủy lực Việc lắp bộ phận khuếch đại áp ở hai bên của piston nhằm duy trì việc chuyển đổi năng lượng nước trong cả hai hành trình

Hình 1.3 Bơm khuếch đại [3]

Khi phía bên trái của piston đến điểm cuối của hành trình hút , lúc này phía bên phải của piston tạo ra siêu cao áp đầu ra Trong hành trình hút của piston nước đã lọc

đi vào xi lanh áp suất cao thông qua van Sau khi piston đảo hướng nước được nén và

đi ra với một áp lực rất cao Tỷ số nén lên đến 25:1 Lưu lượng dòng chảy tối đa của tia nước cao áp phụ thuộc vào lưu lượng nước do hệ thống khuếch đại áp cung cấp và tiết diện vòi phun mà tia nước đi qua Phạm vi thông thường của áp lực nước trong các ứng dụng AWJ khoảng 250-400 MPa Trong thiết kế này hai bộ khuếch đại làm việc luân phiên, trong khi một bộ cung cấp áp lực cho hệ thống thì bộ kia được nạp đầy và ngược lại

Do tác động qua lại của các bộ khuếch đại, áp lực giảm vào cuối mỗi hành trình hoạt động Để làm giảm sự dao động áp, bộ suy giảm áp được sử dụng trong các dòng

áp suất cao Trong một bơm khuếch đại áp hai hệ thống chất lỏng luôn tồn tại là nước

Để đảm bảo các mối nối được kín khít và chịu được áp suất cao người ta sử dụng đầu nối kiểu côn Làm như vậy cho phép đầu cắt di chuyển theo các biên dạng cong

mà không bị ảnh hưởng bởi ống cấp nước cao áp Có ba kiểu được sử dụng để cho phép các chuyển động tương đối của đầu cắt và ống cấp nước cao áp là

Hệ thống điều khiển điện tử / PLC

Bộ suy giảm sóng sung kich

Đường

nước vào

Đầu phun tia nước áp lực cao

Thiết bị điều khiển van

Xi lanh Tăng áp

Cần piston

Piston

 Kiểu nối dạng ống linh hoạt được sử dụng cho các mối nối để di chuyển trên một góc nhỏ Ống linh hoạt chỉ có thể làm việc với áp suất từ 300MPa – 400MPa Do đó hiện nay ít dùng

 Với ống có đường kính nhỏ hơn 6.3mm sử dụng kiểu ống cao áp có thể cuộn lại được dạng như lò xo Mỗi cuộn ống cho phép một sự biến dạng đàn hồi từ 50

- 70 Ứng dụng này rất đáng tin cậy khi cắt các góc lớn

 Mối nối dạng khớp nối xoay được áp dụng với đầu cắt xoay theo mọi

Hình 1.5 Sơ đồ nguyên lý đầu cắt

Vòi phun Buồng trộn

Nước áp suất cao Vòi tăng tốc

Cửa cấp hạt mài

Đầu cắt dẫn hướng cho tia nước hạt mài bắn ra Nước áp suất cao áp đến đầu cắt

đi theo trình tự:  Vòi phun bằng đá quý  Buồng trộn (trộn nước áp lực cao với hạt mài)  Vòi phun (dẫn hướng tia nước hạt mài)

Nhằm nâng cao hiệu suất trong quá trình gia công, có rất nhiều các nghiên cứu về đầu cắt đã được tiến hành để tăng hiệu quả trộn hạt mài Vận tốc của tia nước gần bằng 1000m/s, kích thước hạt mài nhỏ (0,1-0,5mm) hình thành sương mù của nước làm hạn chế kh ả năng ghi lại các hiện tượng trộn Bằng cách đo các mẫu của buồng trộn và đường kính ống hội tụ sau đó so sánh chúng với các mô hình dự báo , một lý thuyết trộn hạt mài đã được đưa ra và được công nhận [5] Hạt mài đi vào dòng tia nước với vận tốc không đáng kể và được dòng nước tăng tốc để đẩy ra khỏi ống hội tụ Trong quá trình tăng tốc nếu hạt mài va vào thành ống hội tụ sẽ bị bật lại rồi lại nhập vào dòng tia nước một lần nữa Hiện tượng này xảy ra cho đến khi hướng vận tốc của các hạt mài gần như song song với hướng của tia nước áp suất cao (TNASC) như thấy trong hình 1.6

Hình 1.6 Sơ đồ đầu cắt và quỹ đạo chuyển động của hạt mài

Thông số của vòi phun phụ thuộc vào hình dạng hình học vùng đầu vào và đường kính trong của vòi phun Đường kính bên trong càng nhỏ năng lượng tập trung càng lớn nhưng đường kính tối thiểu có liên quan đến kích thước hạt mài Hạt mài có thể

Hạt mài bật lại

Thành trong của vòi phun

gây nên tắc vòi phun, chính vì vậy để quá trình cắt được ổn định đường kính trong của vòi phun phải lớn hơn 2 lần so với đường kính hạt mài Chiều dài vòi phun ảnh hưởng đến độ chụm của tia nước, nếu dài quá sẽ gây ra ma sát nhiều hơn giữa tia nước với thành ống bên trong Kết quả vận tốc tia nước thấp

Vật liệu chế tạo vòi phun phải có khả năng chịu mài mòn lớn để có thể làm việc

ổn định trong một thời gian dài , ví dụ như ROCTEC© (hỗn hợp của vanadi, vonfram

và carbrides molypden) Vì hạt mài làm mòn thành ống trong quá trình cắt Nếu hình dạng trong của ống thay đổi đáng kể thì nó không thể cắt chính xác được Thông thường vòi phun phải thay thế sau một khoảng thời gian sử dụng vòi phun hiện nay thường dùng là loại Roctec 100 dùng được 80h và loại Roctec 500 dùng được 160h

1.2.5 Hệ thống cấp hạt mài

Nhiệm vụ là cung cấp hạt mài chính xác về khối lượng để xác định lưu lượng hạt mài Hệ thống có khả năng dẫn hạt với đường kính 0.1 - 0.3 mm, lưu lượng khoảng 0,1- 2.0 kg/phút Có một số cách thường được sử dụng để định lượng lưu lượng hạt mài như sau

 Phễu tiếp liệu: Có cấu tạo là thiết bị rung để vận chuyển tuyến tính số lượng hạt mài Thay đổi số lượng hạt mài bằng cách điều chỉnh biên độ dao động của thiết bị rung

 Bộ cấp liệu bằng trục vít: Hạt mài được vận chuyển qua một bộ cấp liệu bằng trục vít, thay đổi số lượng bằng cách điều chỉnh tốc độ quay của trục này Việc lựa chọn bộ cấp liệu dựa vào khả năng cung cấp hạt mài một cách liên lục và ổn định theo thời gian (thường là 1- 30g/s) Để đưa hạt mài từ một bể chứa đến đầu cắt thì phải qua môi trường trung chuyển Về nguyên tắc có 2 sự lựa chọn là vận chuyển khô hoặc ướt

 Hạt mài được cấp cho đầu cắ t thông dụng nhất được dùng trong ngành công nghiệp là theo kiểu không áp (tự hút) Chúng được hút vào buồng trộn theo định lượng chảy xuống từ một băng tải được dẫn động bằng một động cơ Lưu lượng

dòng chảy hạt mài được điều chỉnh bằng cách hiệu chỉnh tần số của động cơ Hệ thống này được thể hiện trong hình 1.7

Trong thực tế , hạt mài khô được sử dụng lấy không khí làm môi trường vận chuyển Cấp hạt mài bằng không khí không sinh ra ăn mòn , đường cung cấp hạt mài đến bình chứa có thể được làm bằng một ống nhựa bình t hường không có yêu cầu đặc biệt, tuy nhiên nên định vị bộ cấp hạt mài và khoảng cách dẫn hạt mài đến đầu cắt ngắn Chú ý hệ thống chuyển động phải giữ khô để hạt mài không bị vón thành cục gây tắc ống

Hình 1.7 Hệ thống cấp và điều chỉnh lưu lượng hạt mài [28]

1.2.6 Hệ thống điều khiển chuyển động

Những năm gần đây công nghệ cắt bằng tia nước áp suất cao đã phát triển từ một quá trình gia công thô sang một quá trì nh gia công chính xác Với sự trợ giúp của máy tính đã giúp cho AWJ được tiếp nhận trong ngành công nghiệp Hiện nay đã có các phần mềm chuyên dụng cho điều khiển cắt bằng TNASC, làm cho việc điều khiển máy được dễ dàng hơn, tin cậy hơn và kiểm soát được cả hệ thống lớn

Cấu hình của hệ thốn g liên quan đến bậc tự do cần thiết do đó phụ thuộc vào ứng dụng Trên thực tế thường gia công phôi là tấm phẳng , yêu cầu là 2 trục điều khiển X, Y và trục Z để điều chỉnh chiều cao của các đầu cắt với độ dày của tấm Hình 1.8 thể hiện các hướng di chuyển của đầu cắt

Hình 1.8 Các hướng di chuyển của đầu cắt

1.2.7 Bể chứa nước và dập năng lượng

Bể chứa nước làm nhiệm vụ chứa đựng mộ t lượng chất thải (hạt mài, phoi) nhất định trong quá trình gia công và dập năng lượng còn lại của tia nước sau gia công Sau khi tia nước xuyên qua vật liệu, vẫn còn gần 75% năng lượng được giữ lại và nó tạo thành sóng rất dữ dội trong bể chứa nước Chính vì lý do đó nên trong bể chứa nước phải có các bộ phận nhằm dập nguồn năng lượng thừa này Có một số kết cấu đươc sử dụng như thả vào trong bể các viên bi sắt, làm hàng rào chắn song bằng thép không gỉ

vv …

Đầu cắt

Các viên bi sắt để dập

chắn sóng

Bể chứa đầy nước Đầu cắt

Phôi

Hình 1.9 Một số kết cấu của bể chứa nước và dập năng lượng

1.3 Các tham số quá trình

Có rất nhiều tham số liên quan đến quá trình gia công AWJ, các tham số này có thể chia thành hai nhóm gồm thông số quá trình và các thông số mục tiêu [6]

Các thông số quá trình gồm có :

 Thông số thuỷ lực gồm áp suất nước và đường kính vòi tăng tốc

lượng hạt mài

 Thông số cắt gồm khoảng cách từ vòi phun đến chi tiết gia công, góc tác động

và tốc độ cắt

Các thông số mục tiêu gồm:

 Vật liệu gia công

 Chiều sâu cắt

 Chất lượng cắt

 Khả năng công nghệ của quá trình gia công:

 Chiều rộng vết cắt điển hình là 0,76 mm và lớn hơn

1.4 Ưu nhược điểm của gia công bằng tia nước hạt mài

Trước những năm 1980 công nghệ AWJ được coi là một ứng dụng không thực tế Ngày nay, phương pháp gia công này đã được áp dụng rất rộng rãi đặc biệt là trong gia công cắt gọt So sánh với các phương pháp gia công khác, gia công bằng tia nước

có hạt mài có một số ưu điểm sau

- Cắt được hầu như mọi vật liệu có độ bền cao , vật liệu dùng trong ngành hàng không vũ trụ , thép tôi , thép không gỉ , hợp kim titan , đồng thau , kợp kim nhôm , compôzit, đá hoa cư ơng, thủy tinh , gốm, thạch anh , các loại tấm mỏng , vật liệu dễ cháy, các cấu trúc mỏng dạng tổ ong … mà phương pháp gia công truyền thống khó hoặc không thể gia công được

- Cắt được các biên dạng phức tạp ở các hướng chỉ bằng một dụng cụ cắt và bằng một lần cắt

- Tia nước có khả năng cắt qua những vật liệu bất thường, không dẫn điện mà máy gia công bằng tia lửa điện EDM không thể gia công được

- Có thể cắt các chi tiết dạng lưới

- Quá trình cắt không tạo ra nhiệt do vậy rất hữu ích để cắt vật liệu mà nhiệt độ

có thể làm thay đổi thuộc tính của chúng

- An toàn cho người và môi trường

- Dụng cụ cắt rất đơn giản (chỉ có một vòi phun)

- Cắt được ở dưới nước (Cắt tháo dỡ , sửa chữa chân giàn khoan đầu khí ở dưới biển .)

- Lực cắt rất nhỏ tác động lên chi tiế t đặt trên bàn cắt do đó cơ cấu kẹp chặt rất đơn giản chỉ để giữ phôi tại chỗ

- Quá trình cắt có thể hoàn toàn tự động Thiết bị AWJ nhẹ hơn nhiều so với máy cắt laze, đầu cắt có thể được gắn trên một rôbốt tự động làm giảm vấn đề tăng tốc và giảm tốc cũng như đòi hỏi ít năng lượng hơn

Tuy nhiên, gia công bằng tia nước có hạt mài cũng có một số nhược điểm như

- Lượng hạt mài lớn Giá thành gia công cao chủ yếu do chi phí giá thành hạt mài

- Do ảnh hưởng của tia nước nên khi cắt làm cho bề mặt bị côn

- Chất lượng cắt không phải lúc nào cũng đáp ứng được yêu cầu và ổn định Do tia nước bị lệch khi đi vào vùng cắt

- Cắt bằng tia nước hạt mài việc xử lý lượng chất thải sinh ra lớn hơn rất nhiều so với xử lý các phương pháp g ia công thông thường Chất thải ở đây là dung dịch nước huyền phù, hạt mài và phoi kim loại từ phôi gia công

1.5 Kết luận chương 1

Trong chương này, vấn đề về lịch sử gia công bằng tia nước, các thiết bị chủ yếu của hệ thống AWJ , tham số của quá trình và ưu nhược điểm đã được tìm hiểu và giới thiệu Trên cơ sở đó, có một số kết luận sau

- Công nghệ tia nước ASC từ khi ra đời đã không ngừng được nghiên cứu , phát triển và ứng dụng ngày càng nhiều trong công nghiệp để gia công các sản phẩm mà phương pháp gia công truyền thống khó hoặc không thể gia công được Việc trộn hạt mài vào tia nước ASC đã làm tăng đáng kể khả năng cắt của tia Tuy nhiên quá trình cắt bằng tia nước trộn hạt mài rất phức tạp và chi phí cho hạt mài cao Việc tiếp tục nghiên cứu hoàn thiện cho phương pháp gia công này là rất cần thiết

- Hạt mài trộn vào tia nước với mục đích làm tăng khả năng cắt c ủa tia nước ASC Nhờ đó, tia nước có thể cắt các loại vật liệu có độ bền cao một cách dễ dàng

- Tia nước ASC thuần và tia nước ASC có trộn hạt mài được ứng dụng rất rộng rãi trong các ngành công nghiệp nặng, công nghiệp nhẹ và y học

- Mặc dù phương pháp gia công này đã được áp dụng rất rộng rãi đặc biệt là trong gia công cắt gọt Tuy nhiên, gia công bằng tia nước có hạt mài vẫn còn có một số hạn chế riêng của nó

- Ở Việt Nam công nghệ tia nước ASC đã được nghiên cứu nhưng chưa nhiều Để có thể ứng dụng công nghệ tiên tiến này một cách hiệu quả , ngoài việc thừa hưởng những thành quả nghiên cứu trên thế giới đã được công bố , cần phải tập trung nghiên cứu trong nước về phương pháp gia công này nhằm phục vụ cho công tác đào tạo và phát triển công nghệ mới này trong ngành công nghiệp

CHƯƠNG 2 TỔNG QUAN

Công nghệ cắt bằng tia nước áp suất cao (ASC) có 2 loại là cắt bằng tia nước áp suất cao (Pure waterjet - WJ) và cắt bằng tia nước có trộn hạt mài (Abrasive waterjet - AWJ) Cắt bằng tia nước áp suất cao là sử dụng tia nước thuần khiết (không có hạt mài) Dựa vào áp suất cao để cắt vật liệu Nó được sử dụng để cắt các loai vật liệu có

độ cứng không quá cao như: bìa các-tông, da, vải, nhựa, thức ăn hoặc tấm nhôm mỏng Cắt bằng tia nước có hạt mài (Abrasive waterjet machinning – AWJ) Hạt mài được trộn vào tia nước áp suất cao và được gia tốc nhờ áp lực của tia nước, nó có thể cắt những loại vật liệu khó gia công như: thép không gỉ, kính, cermics, titan… AWJ có nhiều ưu điểm và ngày nay được áp dụng rất rộng rãi trong nhiều lĩnh vực khác nhau

Chương này sẽ đi tìm hiểu quá trình cắt của tia nước có hạt mài, sự vỡ của hạt mài trong quá trình cắt và thực trạng nghiên cứu về tái chế hạt mài (một trong những biện pháp nâng cao hiệu quả quá trình gia công, giảm giá thành, sử lý chất thải làm ô nhiễm môi trường)

2.1 Hạt mài sử dụng trong AWJ

Có rất nhiều loại hạt mài được sử dụng trong công nghệ AWJ, chúng được chia làm 2 nhóm cơ bản:

 Nhóm hạt mài tự nhiên bao gồm các sản phẩm khoáng chất , quặng có nguồn gốc từ tự nhiên (loại trừ các khoáng chất có thành phần hóa học hoặc tính chất vật lý đặc biệt) Chúng được khai thác từ các mỏ dưới lòng đất , chúng tồn tại ở các dạng đá khối, các tảng vỉa , hoặc dạng cát Hầu hết các loại hạt mài tự nhiên đều tồn tại dưới

dạng thô Để có thể sử dụng được cần phải có các công nghệ gia công chúng như nghiền, sàng, phân loại… chất lượng của hạt mài tự nhiên bị ả nh hưởng rất nhiều từ lịch sử hình thành chúng

 Nhóm hạt mài nhân tạo gồm các sản phẩm được con người tổng hợp từ nhiều nguồn vật liệu khác nhau Chúng là các sản phẩm thứ cấp của các phản ứng hóa học hoặc những sả n phẩm còn lại sau khi tinh chế quặng (là xỉ: xỉ đồng, xỉ sắt, …) Hầu hết các loại hạt mài nhân tạo đều tồn tại ở dạng thô , nó được thu lượm lại và chế biến theo các mục đích sử dụng của con người cho một công nghệ nào đó

Đặc điểm chung của hạt mài sử dụng trong công nghệ AWJ

Các loại hạt mài áp dụng trong công nghệ cắt bằng tia nước áp suất cao đều được xác định một cách hết sức rõ ràng về tính chất cơ, lý, hóa

 Độ cứng

Độ cứng của hạt mài được xác định theo độ cứng vicker hoặc độ cứng Mohs

Độ cứng Mohs đặc trưng cho tính chất chống lại vết trầy xước trên những khoáng vật khác nhau dựa trên tính chất: khoáng vật có độ cứng lớn hơn sẽ làm trầy xước khoáng vật có độ cứng nhỏ hơn (nhà khoáng vật học người Đức Friedrich Mohs đưa ra vào năm 1812 và là một trong những thang đo độ cứng trong khoa học)

Bảng 2.1 Độ cứng của 10 khoáng vật cơ bản [7]

Thang đo độ cứng Mohs Khoáng vật Độ cứng tuyệt đối

9 Corundum (Al2O3) 400

Hiện nay trong công nghệ cắt bằng tia nước thường dùng hạt mài có độ cứng (6.5 - 7.5)Mohs

 Hình dạng hình học của hạt mài

So với các dụng cụ cắt truyền thống thì hình dáng hình học của hạt mài không thể xác định một các h chính xác bởi lẽ chúng là sản phẩm thu được từ quá trình nghiền, sàng tuyển , phân loại… do đó các hạt mài có hình dáng không đồng đều Trong thực nghiệm khi nghiên cứu hình dáng hình học người ta sử dụng phương pháp gần đúng, tức là thay thế các hạt có kích thước không xác định bằng một hình dạng tương đương tuân theo một quy luật nào đó Hình 4.4 mô tả sự phân bố hình dạng và các kích thước tương đương Ví dụ chia theo các dạng sau:

Nhiều góc cạnh  Gần như có góc  gần ô van  Ô van  Tròn

Hình 2.1 Hình ảnh 3D các loại hạt mài thường gặp [18]

Hoặc quy tròn thành kích thước hình cầu tương đương thông qua hình cầu nội tiếp và ngoại tiếp phần tử hạt mài

Hình 2.2 Quy đổi kích thước của hạt mài [8]

 Phân bố kích thước của hạt mài

Tất cả các hạt mài được phân loại theo cấp độ kích thước Việc lựa chọn các kích thước tối ưu phụ thuộc và o ứng dụng và tốc độ c ắt, vào chất lượng bề mặt cần thiết sau gia công Việc lựa chọn phân bố kích thước hạt trong khoảng hẹp có thể không cải thiện được tính cắt gọt, nhưng nếu để khoảng phân chia rộng quá sẽ làm cho thành phần của các hạt chứa những hạt nằm ngoài phạm vi hoặc những hạt không thể

đo được

Việc lựa chọn cỡ hạt mài phụ thuộc vào kích cỡ của buồng trộn và đường kính vòi phun Cỡ hạt (độ hạt) thường được sử dụng từ Mosh 40 đến Mosh 120, kích thước hạt nằm trong khoảng từ 0,63 đến 0,5mm Bảng 2.2 và 2.3 trình bày cỡ hạt mài và kích thước hạt mài tương ứng

Hiện nay , trên thế giới có nhiều tiêu chuẩn về hạt mài Tuy nhiên theo tiêu chuẩn quốc tế thống nhất chung về hạt mài được á p dụng theo tiêu chuẩn ASTM E11-

DIN

1171

Số

(mesh/inch )

USA ASTM E11-61

UK S410:

d P80

Hamatit Fonte Angulaire FG007

Olivin ASF 90

Siliziumkarbid F70 Vật liệu Khoáng Khoáng Ferro Khoáng Khoáng

Mầu sắc Nâu đỏ đen xám Xanh nhạt xanh

Bảng 2.4 Các đặc tính cơ bản của một số hạt mài [TS Quân]

Tên hạt mài Độ cứng

(Mohs)

Trọng lƣợng riêng (Kg/m3) Dạng hạt Mầu Ngọc hồng lựu I 8 4000 Sắc góc Đỏ

Ngọc hồng lựu II 7.5 4100 Trơn Hồng

Olivin 5.5 2600 Trơn Xanh

- Ngọc hồng lựu là một dạng hạt khoáng chất tự nhiên được sử dụng nhiều trong

- công nghệ AWJ, có độ cứng và trọng lượ ng riêng lớn Nó có một số dạng thù hình

do đó chúng cũng có những đặc điểm khác nhau Ngọc hồng lựu thường được tìm thấy ở trong các mỏ đá sau khi nghiền nhỏ thu được hạt có cạnh sắc và góc nhọn

- Olivin: Một dạng khoáng chất , hạt có dạng tròn hoặc bầu dục Chúng có độ cứng thấp hơn Ngọc hồng lựu Cũng được dùng nhiều trong công nghệ AWJ

* Sử dụng hạt mài tự nhiên hay nhân tạo cho công nghệ cắt bằng tia nước ASC có trộn hạt mài dựa trên những nguyên tắc sau:

- Sự thích hợp của chúng cho việc sử dụng để cắt với từng loại vật liệu gia công

- Có tính thân thiện với môi trường (ví dụ: khả năng lọc kim loại nặng khỏi hạt mài , đặc tính không độc hạt của hạt mài, thu gom chất thải một cách an toàn…)

- Trong một chừng mực nào đó , cũng có những hạt mài được sản xuất cho những mục đích ứng dụng đặc biệt thay thế cho hạt mài từ khoáng chất ví dụ như đường , muối, dùng trong ngành y học

Bảng 2.5 Đặc điểm của một số loại hạt mài dùng trong công nghệ AWJ

Hạt mài corindon Tính chất vật lý Thành phần hóa học

Hạt mài SiC Tính chất vật lý Thành phần hóa học

- Độ cứng:(9,29,6)Mohs

- Tỷ trọng đặc: Kg/m3

- Hình dáng: 2H, 5H, 6H, Lập phương

- Màu sắc: Xanh nhạt

SiC: 97%

Hạt mài Granet Tính chất vật lý Thành phần hóa học

- Độ cứng: 7.5 Mohs -Tỷ trọng đặc: 4100Kg/m3

2.2 Thực trạng nghiên cứu về sự vỡ của hạt mài trong quá trình cắt

Trong quá trình gia công bằng tia nước trộn hạt mài, quá trình vỡ của hạt mài xảy ra ở hai giai đoạn : Giai đoạn thứ nhất , xảy ra trong quá trình trộn (do tương tác giữa các hạt mài với thành của buồng trộn , thành ống hội tụ và giữa các hạt mài với nhau) Giai đoạn thứ hai xẩy ra trong quá trình cắt (do sự tương tác giữa các hạt mài

với phôi và giữa các hạt mài với nhau) Vì vậy, nghiên cứu cơ chế vỡ của các hạt mài

có ý nghĩa quan trọng cho nghiên cứu tái chế hạt mài

Các ảnh hưởng đến quá trình vỡ của hạt mài bao gồm: cấu tạo buồng trộn, chiều

dài ống hội tụ, vật liệu gia công, chiều dày vật liệu gia công, độ cứng vật liệu gia công,

V cắt, P cắt, lưu lượng hạt mài, loại hạt mài

Hiện tượng vỡ của hạt mài đã được nhiều người quan tâm và nghiên cứu G

Galecki và M Maurkewicz [9] là những người đầu tiên nghiên cứu về hiện tượng vỡ

của hạt mài trong quá trình trộn

Kretschmer và Aust [10] đã nghiên cứu và chỉ ra rằng, hiện tượng vỡ của hạt

mài chủ yếu sảy ra trong buồng trộn, trong quá trình tăng gia tốc các hạt mài va đập

vào nhau và va đập vào thành buồng chộn dẫn đến sự thay đổi kích thước Sau khi đi

ra khỏi đầu cắt tia nước hạt mài đập vào phôi và tiếp tục bị giảm kích thước Nghiên

cứu cũng đã chỉ ra các hạt mài bị vỡ chủ yếu ở trong quá trình trộn

Trong thực tế, các hạt mài có xu hướng dính kết vào nhau thành một khối lớn và

vài hạt nhỏ Nếu một hạt được chia thành hai hạt lớn và nhiều hạt nhỏ,thì hạt tròn sẽ

thường được phân tách thành hai hạt dài hình 2.3 (a); còn hạt dài sẽ gãy ra hai hạt tròn

hình 2.3 (b) Điều đó có nghĩa là các hạt mài tròn có thể tạo thành các hạt mài mới dài

sắc sau khi tái chế trong khi các hạt dài mới có thể tạo thành các hạt mài tròn khi tái

chế Vì vậy, sau quá trình cắt, các dạng hạt mài hình tròn của hạt GMA khi tái chế là

các hạt nhỏ hơn các hạt mới (Hình 2.4) Chính vì lý do đó mà hạt mài GMA tái chế sắc

góc cạnh hơn và hiệu suất cắt của chúng tốt hơn các hạt mài mới [11] Hình 2.3 cho

thấy cơ chế phá vỡ mài mòn hạt Cơ chế này có thể được trình bày bằng hình ảnh như

sau

Hình 2.3 Cơ chế phá vỡ của hạt mài [11]

(a) (b)