nghiên cứu bù tái chế hạt mài supreme garnet trong gia công tia nước có hạt mài

GIỚI THIỆU VỀ PHƯƠNG PHÁP GIA CÔNG TIA NƯỚC CÓ HẠT MÀI Gia công bằng tia nước là phương pháp gia công tiên tiến được phát triển gần đây, trong đó năng lượng của tia nước áp suất cao ASC

TIA NƯỚC CÓ HẠT MÀI

Học Viên: Lê Xuân Hưng Lớp: CHK12 CNCTM Chuyên ngành: Công nghệ Chế tạo máy HDKH: TS Vũ Ngọc Pi

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 tập thể cán bộ, giảng viên khoa Cơ khí - 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 và anh chị em trong công ty cổ phần TNHH Phúc Sinh, Huyện Từ Liêm – Hà Nội

Luận văn này là một phần công việc trong nội dung nghiên cứu của NCS Trần Quốc Hùng – trường CĐ Kinh tế, kỹ thuật Thái Nguyên Tôi xin cảm ơn những ý kiến đóng góp và sự giúp đỡ của anh Hùng trong suốt thời gian tôi thực hiện thí nghiệm cho luận văn

Tôi cũng xin cám ơn những ý kiến đóng góp quý báu của các bạn đồng nghiệp, sự động viên của gia đình đã giúp cho tôi hoàn thành luận văn này

Tuy nhiên, do thời gian có hạn, nên luận văn này chắc hẳn còn nhiều thiếu sót Rất mong được sự đóng góp ý kiến của các nhà khoa học và bạn bè đồng nghiệp để đề tài được hoàn thiện hơn

Tôi xin cam đoan luận văn này là công trình do tôi tìm hiểu tổng hợp và nghiên cứu Trong luận văn có sử dụng một số tài liệu tham khảo như đã nêu trong luận văn

Thái Nguyên, ngày 20 tháng 10 năm 2011,

Lê Xuân Hƣng

DANH MỤC BẢNG BIỂU

Bảng 2.2 Phân nhóm kích thước hạt theo cỡ hạt mài tương ứng 21 Bảng 2.3 Tính chất một số loại hạt mài dùng cho cắt tia nước

áp suất cao

22

Bảng 2.10 Các thông số quá trình thí nghiệm trong nghiên cứu của Babu 30

Bảng 3.2 Các thông số quá trình thí nghiệm nghiên cứu vỡ hạt 41

Bảng 3.7 Thành phần hóa học của vật liệu thí nghiệm Al 6061-T6 50

DANH MỤC HÌNH VẼ

Hình 1.1 Sơ đồ nguyên lý hệ thống gia công tia nước có hạt mài 10

Hình 2.2 Ảnh hưởng của áp suất nước, chiều dài ống, đường kính ống

hội tụ và hình dáng bình trộn tới hệ số vỡ, kích thước hạt mài sau khi vỡ

27

Hình 2.6 Kích thước trung bình của các loại hạt mài tái chế 32 Hình 2.7 Ảnh hưởng của hạt mài tái chế tới chiều sâu cắt lớn nhất 31 Hình 2.8 Ảnh hưởng của hạt mài tái chế tới nhám bề mặt gia công 31

Hình 2.10 Ảnh hưởng của hạt mài tái chế đến bề rộng rãnh cắt 32 Hình 2.11 Ảnh hưởng của hạt mài bù tái chế tới khả năng cắt 33 Hình 2.12 Tỷ lệ các cỡ hạt mài mới, tái chế lần I, tái chế lần II 34

Hình 3.1 Máy cắt tia nước có hạt mài và bể chứa hạt mài 40 Hình 3.2 Phôi thép 45 dùng để cắt thí nghiệm thu hồi hạt mài tái chế 41

Hình 3.7 Thiết bị thí nghiệm xác định khả năng cắt của hạt mài 47

Hình 3.13 Ảnh hưởng của lưu lượng hạt mài và loại hạt mài đến độ nhám

bề mặt khi đo cách mặt trên 2mm

52

Hình 3.14 Ảnh hưởng của lưu lượng hạt mài và loại hạt mài đến độ nhám

bề mặt khi đo cách mặt trên 10 mm

52

MỤC LỤC

LỜI CẢM ƠN 1

DANH MỤC BẢNG BIỂU 2

DANH MỤC HÌNH VẼ 3

CHƯƠNG 1 GIỚI THIỆU VỀ PHƯƠNG PHÁP GIA CÔNG TIA NƯỚC CÓ HẠT MÀI……… 7

1.1 Lịch sử ra đời và xu hướng phát triển 7

1.2 Các thiết bị trong hệ thống gia công tia nước có hạt mài 9

1.2.1 Hệ thống cấp nước 9

1.2.2 Cụm bơm khuếch đại áp 10

1.2.3 Đường ống cao áp 12

1.2.4 Đầu cắt 13

1.2.5 Hệ thống cấp và điều chỉnh lưu lượng hạt mài 14

1.2.6 Hệ thống điều khiển chuyển động 16

1.2.7 Bể chứa hạt mài, phoi và dập năng lượng còn lại tia nước sau khi cắt 16

1.3 Ưu nhược điểm của phương pháp gia công tia nước có hạt mài 16

1.4 Thách thức trong gia công tia nước có hạt mài 17

CHƯƠNG 2 TỔNG QUAN 18

2.1 Tổng quan nghiên cứu về sự vỡ hạt mài trong AWJ 18

2.1.1 Các loại hạt mài được sử dụng trong AWJ 18

2.1.2 Chọn hạt mài làm đối tượng nghiên cứu của luận văn 25

2.1.3 Tổng quan về các nghiên cứu về sự vỡ của hạt mài trong AWJ 25

2.3 Thực trạng nghiên cứu về tái chế và bù tái chế hạt mài 29

2.4 Kết luận chương 2 38

CHƯƠNG 3 BÙ 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 Kết quả và thảo luận về khả năng tái chế của hạt mài Supreme garnet 43

3.2 Nghiên cứu phương pháp bù tái chế cho hạt mài Supreme Garnet 45

3.3 Khả năng cắt của hạt mài bù tái chế 46

3.3.1 Thiết lập các thông số cho thí nghiệm 46

3.3.2 Xác định kích thước hạt tối ưu cho bù tái chế 48

3.4 Chất lượng cắt của hạt mài bù tái chế 50

3.4.1 Thiết lập các thông số cho thí nghiệm 50

3.4.2 Kết quả và thảo luận 51

3.5 Kết luận chương 3 52

KẾT LUẬN VÀ CÁC KIẾN NGHỊ CHUNG 54

1 Kết luận của luận văn 54

2 Đề xuất hướng nghiên cứu tiếp 55

TÀI LIỆU THAM KHẢO 56

PHỤ LỤC BÀI BÁO ĐÃ XUẤT BẢN 58

CHƯƠNG 1 GIỚI THIỆU VỀ PHƯƠNG PHÁP GIA CÔNG TIA NƯỚC CÓ HẠT MÀI

Gia công bằng tia nước là phương pháp gia công tiên tiến được phát triển gần đây, trong đó năng lượng của tia nước áp suất cao (ASC) được sử dụng để gia công

vật liệu Công nghệ cắt bằng tia nước ASC có 2 loại là cắt bằng tia nước (pure

waterjet - WJ) và cắt bằng tia nước có hạt mài (Abrasive waterjet - AWJ) Cắt bằng

tia nước nghĩa là chỉ dùng tia nước có áp suất cao để cắt vật liệu cần gia công Phương pháp này được sử dụng để cắt các loại 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 (AWJ) có thể cắt những loại vật liệu khó gia công như: thép không gỉ, kính, ceramics, titan… Trong phương pháp này, hạt mài được trộn vào tia nước áp suất cao và được gia tốc nhờ áp lực của tia nước AWJ có nhiều ưu điểm và ngày nay được áp dụng rất rộng rãi trong nhiều lĩnh vực khác nhau

Trong chương này, tác giả sẽ giới thiệu về lịch sử và xu hướng phát triển của gia công tia nước có hạt mài, các thiết bị chủ yếu trong hệ thống gia công AWJ, ưu nhược điểm và thách thức trong gia công AWJ

TS Franz cũng đã tìm cách duy trì liên tục áp suất cao cho tia nước nhưng đã không thành công đồng thời tuổi thọ của các thiết bị cắt như vậy thời đó chỉ tính bằng phút, chứ không phải hàng trăm giờ như ngày nay Mặc dù ông chưa thể chế tạo được một máy cắt gỗ như vậy nhưng nghiên cứu của ông đã đặt nền móng và đã được công ty Flow International phát triển thành hệ thống cắt tia nước hoàn thiện hơn như ngày nay

Sự cống hiến đáng ghi nhận nhất của Flow là trong những năm 1970 Flow

đã phát triển một mẫu bơm khuếch đại có tính ứng dụng cao Năm 1979, tiến sĩ Mohamed Hashish – người làm việc tại phòng thí nghiệm của FLow (Mỹ) đã tìm cách tăng khả năng cắt của máy cắt tia nước để cắt kim loại Ông đã tìm ra giải pháp

kỹ thuật là trộn thêm hạt mài vào dòng tia nước có áp suất và vận tốc cao để tăng khả năng cắt [1] Ông được coi là cha đẻ của phương pháp gia công bằng tia nước

có hạt mài Kể từ đó cắt bằng tia nước có hạt mài được ứng dụng rộng rãi trong sản xuất công nghiệp và dân dụng

Ngày nay, với sự phá t triển của kỹ thuật, công nghệ tia nước áp suất cao đã được nghiên cứu ứng dụng trong các ngành công nghiệp và cả y học

Năm 1994, người Đức đã đăng ký bản quyền phát minh về ứng dụng cắt và làm sạch bằng tia nước áp suất c ao trong y tế Với ứng dụng này , tia nước với áp suất làm việc từ 5 đến 30MPa được sử dụng làm dao mổ trong phẫu thuật Một điều

lý thú nữa là khi cắt các phần cứng của cơ thể như xương , muối hoặc đường đã được dùng để là m hạt mài , do chúng luôn tồn tại trong cơ thể và được cơ thể chấp nhận

Năm 2002, Flow phát triển hệ thống cắt Dynamic Waterjet cho phép cắt vật liệu nhanh hơn, không bị gờ, do đó đã mở rộng khả năng cho các ứng dụng của phương pháp gia công này So với ngày nay, ứng dụng cắt gỗ đầu tiên mà TS Franz

đã đề xuất chỉ còn là một ứng dụng nhỏ trong các ứng dụng của công nghệ tia nước ASC

Hiện nay, thiết bị cắt bằng tia nước có hạt mài được sử dụng rộng rãi ở các nước phát triển như Mỹ , Đức, Trung quốc , Áo, Pháp, Nhật, Hà Lan trong rất nhiều lĩnh vực khác nhau từ sản xuất cho tới dân dụng và y tế

1.2 Các thiết bị trong hệ thống gia công tia nước có hạt mài

Như đã giới thiệu ở trên 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) Ở hình 1.1 là sơ đồ nguyên lý hệ thống của công nghệ gia công tia nước

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

- Hệ thống cấp nước sạch;

- Cụm bơm khuếch đại áp;

- 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 hạt mài, phoi và dập năng lư ợng còn lại của tia nước sau khi cắt

Hình 1.1 Sơ đồ nguyên lý hệ thống gia công tia nước có hạt mài [2]

1.2.1 Hệ thống cấp nước

Để đảm bảo hoạt động của hệ thống cắt bằng tia nước hạt mài được ổn định , kéo dài tuổi thọ , trước hết hệ thống cấp nước cho máy 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 [1]

Hệ thống nước bao gồm đường nước vào, bộ lọc, máy bơm tăng áp, bộ khuếch đại áp và bộ suy giảm sóng sung kích Nước máy 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 Sau khi đi qua bộ phận khuếch đại áp , nước tiếp tục đi qua bộ suy giảm áp lực sóng sung kích để bảo đảm thoát nước đầu cắt ổn định Nếu không có bộ suy giảm sóng sung kích, dòng nước sẽ có sóng sung (áp lực không ổn định) để lại dấu vết cắt trên vật liệu

1.2.2 Cụm bơm khuếch đại áp

Trong gia công tia nước ASC người ta thường sử dụng 3 loại bơm: Bơm trực tiếp (direct pump), bơm khuếch đại (intensifier pump) do hãng Flow phát minh và bơm trục khuỷu (crankshaft pump) của hãng OMAX Trong đó bơm khuếch đại được sử dụng chủ yếu trong công nghệ cắt

Hình 1.3 Bơm khuếch đại áp [1]

Cụm bơm khuếch đại hoạt động theo nguyên lý biến đổi năng lượng dòng nước từ áp suất thấp lên áp suất cao Khi cung cấp nguồn điện và nước cho hệ thống thủy lực, piston trong bộ phận khuếch đại áp làm việc cả hai hà nh trình đi và về Chuyển động 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 1.4 Hệ thống bơm khuếch đại áp [1]

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 đến 1:10 hoặc 1:25 Lưu lượng dòng chảy tối đa của tia nước cao áp p hụ 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 là 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 còn

bộ kia được nạp đầy (hình 1.4) Do tác động qua lại của các bộ khuếch đại, áp lực giảm vào cuối mỗi hành trình hoạt động

Do nén nước, 15 % đầu tiên của hành trình piston được sử dụng để tạo sức ép

và nén nước trong các xi-lanh mà không cung cấp nước cho hệ thống Điều này gây

ra áp lực biến động không ổn định làm giảm sự chính xác cắt và rút ngắn tuổi thọ các thành phần của hệ thống như phớt che kín, vòi phun Và để làm giảm sự dao động áp này, bộ suy giảm sóng sung kích được sử dụng

1.2.3 Đường ống cao áp

Đường ống cao áp : Nhiệm vụ để vận chuyển nước áp lực cao từ bộ khuếch đại áp đến đầu cắt Các đường ống thường làm bằn g thép không gỉ đặc biệt và có chiều dày đảm bảo an toàn Đường kính ống phổ biến nhất đ ược sử dụng có đường kính ngoài 6,4 - 25mm và đường kính trong 2 đến 8 mm

Các đầu đoạn ống cần tạo dạng côn để ghép nối chắc và kín Để thuận lợi cho đầu cắt di chuyển thuận lợi theo các biên dạng cong phức tạp, đường ống nước cao

áp thường sử dụng 3 phương pháp sau:

- Một ống mềm được sử dụng Tuy nhiên phương pháp này chỉ sử dụng cho những kết nối cần di chuyển trên một góc nhỏ Ống mềm làm việc với áp suất dưới 300MPa cùng lắm 400Mpa do đó hiện nay ít dùng

Hình 1.5 Ống dây dẫn nước cao áp dạng vòng xoắn đàn hồi [4]

- Vòng dây cao áp được uốn thành vòng xoắn đàn hồi (hình 1.5): Ống có đường kính nhỏ hơn 6.3mm Ống cho phép một sự biến dạng đàn hồi từ 5 - 70

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

- Sử dụng một khớp nối xoay kiểu robot, nó nhỏ gọn hơn cuộn dây Khớp này cho phép đầu cắt xoay theo mọi hướng và nghiêng được 10 độ Tuy nhiên di chuyển không tin cậy bằng vòng dây xoắn

Vòng dây xoắn

Vòi phun

1.2.4 Đầu cắt

Là một cơ cấu chấp hành cuối của hệ thống AWJ tạo ra tia nước hạt mài Đầu cắt gồm vòi tăng tốc (Orifice), buồng trộn (Mix chamber) và vòi phun (Nozzole) Đầu cắt dẫn hướng cho tia nước và hạt mài bắn ra Nước cao áp đến đầu cắt đi theo trình tự: Vòi tăng tốc  Buồng trộn  Vòi phun

Vận tốc của tia nước gần 1000m/s, kích thước hạt mài lại nhỏ (0,1-0,5mm) nên hình thành sương mù nước Do tính chất hỗn loạn phức tạp của quá trình pha trộn nên quan sát các hiện tượng pha trộn là rất khó khăn

Hình 1.6 Sơ đồ nguyên lý đầu cắt [2]

Mỗi hạt mài đi vào dòng tia nước với vận tốc không đáng kể nhưng sau đó được dòng nước tăng tốc để đẩy ra khỏi vòi phun Tuy nhiên trong quá trình tăng tốc nếu hạt mài va vào thành ống vòi phun nó sẽ bị bật lại rồi lại nh ập vào dòng tia nước Hiện tượng này xảy ra cho đến khi hướng vận tốc của các hạt mài gần như song song với hướng của tia nước ASC như đã thấy trong hình 1.7

Vòi phun (Nozzle): Để quá trình cắt ổn định đường kính ống vòi phun phải lớn

hơn 2 lần so với đường kính hạt mài Chiều dài vòi phun càng lớn tia nước càng chụm hơn nhưng cũng sẽ gây ra ma sát nhiều hơn giữa tia nước với thành vòi bên trong Kết quả vận tốc tia nước thấp hơn

Vòi phun Buồng trộn

Cửa cấp hạt mài Vòi tăng tốc Nước cao áp

Hình 1.7 Sơ đồ đầu cắt và quỹ đạo chuyển động của hạt mài [4]

Vật liệu chế tạo ống hội tụ phải có khả năng chịu mài mòn cao như WC – carbrides vonfram hoặc vật liệu như vòi phun ROCTEC© (hỗn hợp của vanadi, vonfram và carbrides molypden) để có thể làm việc ổn định trong một thời gian dài Ống hội tụ hiện nay có 2 loại Loại Roctec 100 đùng được 80h, loại Roctec 500 đùng được 160h

Trong quá trình cắt các hạt mài làm mòn thành trong của vòi phun Nếu hình dạng trong của vòi thay đổi nhiều sẽ nó không thể gia công đạt độ chính xác cần thiết

Vòi tăng tốc (Orifice): Thông thường vòi tăng tốc bằng saphia, phải thay thế

sau 100h sử dụng

1.2.5 Hệ thống cấp và điều chỉnh lưu lượng hạt mài

Nhiệm vụ của hệ thống cung cấp hạt mài là cung cấp hạt mài chính xác về khối lượng để xác định lưu lượng hạt mài Hệ thống phải có khả năng dẫn hạt với đường kính 0.1 - 0.3 mm, lưu lượng lượng khoảng 1- 30 g/s Các phương pháp thường được sử dụng định lượng và điều chỉnh lưu lượng hạt mài:

- Phễu tiếp liệu: Một thiết bị rung đ ược sử dụng vận chuyển tuyến tính số lượng hạt mài Số lượng hạt mài có thể thay đổi bằng cách điều chỉnh biên độ dao động của thiết bị rung

- Bộ cấp liệu trục vít : hạt mài được vận chuyển bằng một bộ c ấp liệu trục vít , thay đổi lưu lượng bằng cách điều chỉnh tốc độ quay của trục vít Yếu tố quan trọng

Tia nước ASC Hạt mài

Vòi phun

Hạt mài bật lại

Thành trong của ống hội tụ

của bộ cấp liệu hạt mài là khả năng cung cấp hạt mài từ một bể chứa đến đầu cắt (thường là 1- 30g/s) một cách liên tục và ổn định theo thời gian

- Bộ cấp hạt mài bằng khí nén của hãng Bohler Hạt mài ban đầu cấp vào thùng chứa hạt mài rồi rơi tự do xuống bình nén Khi bình nén đầy van trên đóng lại

và hạt mài tiếp tục được đẩy sang bình trung gian Bình trung gian chứa hạt mài là bình hở không áp nên hạt mài sẽ rơi tự do xuống phễu hứng Lưu lượng hạt mài được định lượng theo nguyên lý điều chỉnh tiết diện cửa rơi tự do của hạt mài Việc tăng giảm tiết diện cửa rơi được bộ vít me đai ốc điều chỉnh

Hình 1.8 Hệ thống cấp và điều chỉnh lưu lượng hạt mài [4]

- Hạt mài được cấp cho đầu cắt thông dụng nhất được dùng trong ngành công nghiệp 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 bước Khối lượng, lưu lượng dòng chảy hạt mài được quy định b ằng cách điều chỉnh tần số của động

cơ Hệ thống này được thể hiện trong hình 1.8

Hạt mài phải được giữ khô trong khi vận chuyển và môi trường vận chuyển

là không khí Do đó, đường ống cấp hạt mài đến bình chứa không bị ra ăn mòn và

có thể được làm bằng một ống nhựa bình thường không cần yêu cầu đặc biệt Bộ cấp hạt mài tốt hơn nên được định vị chặt chẽ , chiều dài dẫn hạt mài đến đầu cắt càng ngắn càng tốt

1.2.6 Hệ thống điều khiển chuyển động

Trong những năm gần đây công nghệ cắt bằng tia nước ASC đã phát triển từ một quá trình gia công thô sang một quá trình gia công chính xác Việc có sự trợ giúp của máy tính đã giúp cho AWJ được ứng dụng rộng rãi hơn Phát triển các phần mềm chuyên dụng cho điều khiển cắt bằng tia nước ASC đã làm cho việc điều khiển máy được dễ dàng hơn, tin cậy hơn và kiểm soát được hệ thống tốt hơn Hệ thống điều khiển đầu cắt được thông qua một máy tính cá nhân kết nối với bộ điều khiển bằng các p hần mềm chuyên dụng Cấu hình của hệ thố ng liên quan đến bậc tự do cần thiết Thông thường nếu chỉ gia công phôi là tấm phẳng , yêu cầu

2 trục điều khiển X, Y và trục Z để điều chỉnh chiều cao của các đầu cắt với độ dày của tấm

1.2.7 Bể chứa hạt mài, phoi và dập năng lượng còn lại tia nước sau khi cắt

Nhiệm vụ của bể chứa nước là chứa đựng một lượng chất thải công nghiệp nhất định trong sau quá trình gia công và dập năng lượng còn lại của tia nước sau gia công Sau khi tia nước xuyên qua vật liệu, nó vẫn còn gần 75% năng lượng ban đầu và tạo thành sóng rất dữ dội trong bể chứa nước Do đó trong bể chứa nước phải bao gồm các bộ phận nhằm dập nguồn năng lượng thừa này Một số kết cấu có thể đươc sử dụng như: bố trí trong bể có các viên bi sắt, hàng rào chắn song bằng thép không gỉ

1.3 Ưu nhược điểm của phương pháp gia công tia nước có hạt mài

Từ khi ra đời năm 1979, phương pháp gia công này đã được áp dụng rất rộng rãi đặc biệt là trong gia công cắt gọt So sánh với gia công cắt dây gia công tia nước

có hạt mài có một số ưu điểm sau:

- Có thể gia công rất nhiều loại vật liệu khó gia công như titan, thép không gỉ, hợp kim máy bay hoặc vật liệu không dẫn điện như thuỷ tinh, nhựa, gốm vv…

- Tia nước có khả năng cắt qua những vùng vật liệu bất thường mà có thể những bất thường này làm cho EDM mất tia lửa điện;

- Có thể cắt các chi tiết dạng lưới;

- Không sinh nhiệt trong quá trình cắt nên không làm thay đổi cơ tính của chi tiết gia công;

- Rất sạch, 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 tiết đặt trên bàn cắt do đó cơ cấu kẹp chặt rất đơn giản để giữ phôi tại chỗ

- Hạt mài có thể tái chế, tạo khả năng giảm giá thành gia công

Tuy nhiên, gia công bằng tia nước có hạt mài cũng có một số hạn chế như sau:

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

- 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

1.4 Thách thức trong gia công tia nước có hạt mài

Từ những tìm hiểu trên đây, mặt dù công nghệ gia công AWJ có nhiều ưu điểm nhưng có nhược điểm là giá thành gia công cao Trong gia công AWJ, tổng giá thành gia công phụ thuộc vào nhiều yếu tố như: giá thành hệ thống máy, giá thành vòi phun, giá thành hạt mài, lương công nhân… Giá thành gia công cao khiến AWJ chưa được ứng dụng rộng rãi tại Việt Nam Do đó giảm giá thành gia công và thời gian cắt cũng như nâng cao lợi nhuận gia công là thách thức lớn đối với những người nghiên cứu về công nghệ gia công AWJ Song song với hướng tối ưu hóa quá trình gia công, tái sử dụng hạt mài là giải pháp hiệu quả vì không những giảm được giá thành gia công mà còn giảm thiểu hạt mài thải ra môi trường

CHƯƠNG 2 TỔNG QUAN

Hiện nay, công nghệ AWJ chưa được ứng dụng rộng rãi tại Việt Nam do giá thành của gia công AWJ rất cao Do đó, tìm giải pháp nhằm giảm giá thành - tăng lợi nhuận cho là nhiệm vụ quan trọng cho công nghệ AWJ Trong tổng giá thành của AWJ, giá thành của hạt mài chiếm phần lớn nhất khoảng 54% [5] Giá thành hạt mài phụ thộc vào lưu lượng hạt mài, số đầu cắt, giá hạt mài, giá thành hệ thống… Tuy nhiên, hạt mài có thể tái sử dụng do đó có thể giảm được giá thành mua hạt mới Chương này sẽ trình bày tổng quan các nghiên cứu về sự vỡ hạt mài trong khi cắt, nghiên cứu về tái chế và bù tái chế hạt mài

2.1 Tổng quan nghiên cứu về sự vỡ hạt mài trong AWJ

2.1.1 Các loại hạt mài được sử dụng trong AWJ

So với các dụng cụ cắt truyền thống thì hình dáng hình học của hạt mài không thể xác định một cách chính xác bởi lẽ hạt mài 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 của hạt mài 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 1.8 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

Hoặc quy tròn thành k ích thước hình cầu tương đương thông qua hình cầu nội tiếp

và ngoại tiếp phần tử hạt mài

Độ tròn

Hình 2.1 Hình ảnh các loại hạt mài thường gặp [6]

a, Phân bố kích thước của hạt mài

Tất cả các hạt mài được phân loại the o cấp độ kích thước hạt Việc lựa chọn các kích thước hạt tối ưu phụ thuộc vào ứng dụng và tốc độ cắt cũng như phụ thuộc vào chất lượng bề mặt cần thiết sau gia công Việc lựa chọn phân bố kích thước hạt trong khoảng hẹp có thể không cả i thiện được tính cắt gọt của hạt 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

Trong công nghệ cắt bằng tia nước ASC việc lựa ch ọn cỡ hạt mài phụ thuộc vào kích cỡ của buồng trộn và đường kính vòi phun Các cỡ hạt thường được sử dụng từ Mesh 40 đến Mesh 120 và kích thước hạt nằm trong khoảng từ 0,063 đến 0,5mm 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 áp dụng theo tiêu chuẩn ASTM E11-61 (bảng 2.1) Tại Việt Nam, tiêu chuẩn về hạt mài được xây dựng bởi Công ty đá mài Hải Dương, trên cơ sở của tiêu chuẩn ISO Trong tiêu chuẩn này, cỡ hạt mài được phân chia theo các kích thước hạt mài tương ứng bảng 2.2

Bảng 2.1 Một số tiêu chuẩn về kích thước hạt mài [7]

Kích thước

danh nghĩa

(mm)

Tiêu chuẩn USA ASTM

E 11-61 Số (mesh/in.)

Tiêu chuẩn Anh (mesh/in.)

Bảng 2.2 Phân nhóm kích thước hạt theo cỡ hạt mài tương ứng [8]

b, Các loại hạt mài thường dùng trong AWJ

Bảng 2.3 Tính chất một số loại hạt mài dùng cho cắt tia nước ASC [9]

Olivin ASF 90

Siliziumkarbid F70

Bảng 2.4 Các đặc tính cơ bản của một số hạt mài [9]

(Mohs)

Trọng lƣợng riêng (Kg/m3)

- Ngọc hồng lựu : Đây là một dạng khoáng chất tự nhiên , nó được sử dụng nhiều nhất trong công nghệ tia hạt mài , do hạt có độ cứng và trọng lượng riêng lớn Ngọc hồng lựu 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 Hạt mài Olivin được dùng nhiều trong công nghệ cắt tia nước ASC

Sử dụng hạt mài tự nhiên hay nhân tạo cho công nghệ cắt bằng tia nước ASC 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…)

- Giá thành của hạt mài

Hiện nay hạt mài dùng cho cắt tia nước ASC chủ yếu được sản xuất từ

những loại khoáng chất 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

Thông số kỹ thuật một số loại hạt mài được trình bày trong các bảng sau:

Bảng 2.5 Các thông số kỹ thuật của hạt mài corindon

Bảng 2.6 Các thông số kỹ thuật của hạt mài SiC

Bảng 2.7 Các thông số kỹ thuật của hạt mài Garnet

Bảng 2.8 Các thông số kỹ thuật của hạt mài Olivin AFS 90

Bảng 2.9 Các thông số kỹ thuật của hạt mài Supreme Garnet [10]

P2O5: 0.5% MnO:0.5%

2.1.2 Chọn hạt mài làm đối tượng nghiên cứu của luận văn

Xuất phát từ mục tiêu nghiên cứu khả năng sử dụng và tái sử dụng hạt mài trong công nghệ cắt tia nước ASC , căn cứ vào loại hạt mài nhập về cho công nghệ cắt bằng tia nước ở Việt Nam, tác giả quyết định chọn loại hạt mài tiêu biểu phục vụ cho nghiên cứu: hạt mài nhập từ nước ngoài về: Supreme garnet, cỡ  80

2.1.3 Tổng quan về các nghiên cứu về sự vỡ của hạt mài trong AWJ

Chi phí hạt mài cao đã hạn chế nhiều sự sử dụng của AWJ trong thực tế Trong công nghệ cắt tia nước hạt mài kiểu trộn hạt mài không áp, giả sử một đầu cắt làm việc với lưu lượng hạt mài từ 5 g/s – 17 g/s (0,3Kg/phút tới 1Kg/ phút), với đơn giá của hạt mài hiện nay là 10.000đ/kg thì giá thành hạt mài cho mỗi giờ cắt 180.000- 600.000 VND Nếu mỗi ngày làm việc 8 giờ, mỗi tháng làm việc 25 ngày, lượng tiêu thụ từ (3600-12000)Kg/tháng Như vậy, mỗi một máy tiêu tốn (36 – 120) triệu đồng/tháng cho hạt mài Đó còn chưa kể chi phí cho hệ thống xử lý chất thải

công nghiệp và phí môi truường Do đó việc nghiên cứu tái sử dụng nguồn hạt mài

đã qua sử dụng không những mang lại nguồn lợi về kinh tế, giảm giá thành gia công

mà còn có ý nghĩa trong bảo vệ môi trường

Trong quá trình gia công AWJ, quá trình vỡ của hạt mài xảy ra ở hai giai đoạn [11, 12]

- 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)

Do đó, nghiên cứu cơ chế vỡ của các hạt mài có ý nghĩa quan trọng cho nghiên cứu tái chế hạt mài

Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình vỡ c ủa hạt mài trong AWJ gồm: cấu tạo buồng trộn, chiều dài vòi phun, vật liệu gia công , chiều dày vật liệu gia công , độ cứng vật liệu gia công , vận tốc dịch chuyển đầu cắt (gọi tắt là vận tốc cắt - v), áp suất cắt (p), lưu lượng hạt mài (ma) và loại hạt mài

Hiện tượng vỡ của hạt mài đã được nghiên cứu khá nhiều Trong đó, G Galecki và M Maurkewicz (1987) là những người đầu tiên nghiên cứu về vỡ hạt mài trong quá trình trộn Trong [13] đã chỉ ra thấy rằng một số lượng lớn từ 70% đến 80% những hạt mài ban đầu này bị vỡ trong giai đoạn thứ nhất

Ảnh hưởng của một số thông số tới sự vỡ hạt được nghiên cứu trong [14] Tác giả nhận thấy cắt thép không gỉ hạt mài bị vỡ ra có kích thước hạt trung bình nhỏ hơn khi cắt nhôm Như vậy, chi tiết gia công có độ cứng cao hạt mài sẽ vỡ nhiều hơn Thêm vào đó sự vỡ hạt mài của các hạt mài khác nhau cũng khác nhau Ở đây, tác giả nghiên cứu với hai loại hạt mài là garnet và olivin Kết quả cho thấy rằng hạt mài olivin vỡ nhiều hơn garnet Cuối cùng, ảnh hưởng của cỡ hạt mài tới khả năng cắt, chất lượng cắt cũng được đề cập đến trong nghiên cứu này và khả năng cắt của các hạt mài nhỏ thường tốt hơn so với hạt mài lớn

Labus [15] đã nghiên cứu ảnh hưởng của áp suất nước tới sự vỡ hạt, với áp suất nước thấp (từ 0-205 MPa) có ảnh hưởng lớn đến việc lượng hạt vỡ hơn so với

áp suất nước cao (274-342 MPa) Thêm vào đó nghiên cứu cũng chỉ ra rằng với hạt mài cỡ #80 sau khi vỡ hạt mài sẽ có cỡ hạt 180 µm tới 63µm hoặc nhỏ hơn

Ohlsen (1997) thực hiện nghiên cứu tái chế hạt Barton (hạt mài Mỹ) [16] Trong nghiên cứu này, ảnh hưởng của các thông số quá trình như: áp suất nước, lưu lượng hạt mài, đường kính hạt mài, chiều dài, đường kính vòi phun, vận tốc dịch chuyển tới sự vỡ hạt đã được nghiên cứu Để đánh giá sự vỡ của hạt mài, tác giả đưa ra một công thức xác định “Hệ số vỡ” có dạng:

in ap

out ap D

trong đó, dap,in và dap,out tương ứng là đường kính hạt mài vào và ra

Ohlsen chỉ ra rằng cỡ hạt <60 µm tham gia cắt không đáng kể và không những cho chất lượng cắt thấp mà còn cản trở quá trình cắt

Như vậy, hạt mài sau khi gia công sẽ vỡ ra và kích thước trung bình của hạt mài tái chế sẽ nhỏ hơn hạt mài mới Với hạt mài có kích thước nhỏ và nhiều cạnh sắc sẽ cắt tốt hơn hạt có kích thước lớn

a, Áp suất nước b, Chiều dài vòi phun

c, Đường kính trong vòi phun d, Hình dáng buồng trộn

Hình 2.2 a, b, c, d.Ảnh hưởng của áp suất nước, chiều dài ống, đường kính ống hội tụ và hình dáng bình trộn tới hệ số vỡ, kích thước hạt mài sau khi vỡ.[17]

Hình 2.2a cho ta thấy rằng hệ số vỡ tăng gần như tuyến tính theo áp suất nước, mức độ tăng cũng giảm đi với áp suất cao Còn chiều dài ống hội tụ ảnh hưởng rất ít tới tới sự vỡ hạt ( hình 2.2b) nhưng đường kính ống tăng hệ số vỡ lại giảm (hình 2.2c) Theo hình 2.2d ta thấy hình dáng hình học của buồng trộn ảnh hưởng không

đáng kể tới đường kính hạt vỡ

Trong [3] đã giải thích cơ chế vỡ hạt mài và giải thích nguyên nhân vì sao lại

có sự khác nhau về khả năng cắt, chất lượng cắt giữa hạt mài tái chế và hạt mài mới Nguyên nhân chủ yếu là do hình dáng hạt mài sau khi vỡ Một hạt mài khi vỡ sẽ vỡ thành hai hạt lớn và nhiều hạt nhỏ như hình 2.3

Hình 2.3 Cơ chế vỡ của hạt mài [3]

Với hạt mài Ấn Độ trong [12] hình dáng hạt mới có dạng hình 2.4b – hạt có nhiều góc cạnh sắc nhưng sau khi vỡ hạt mài có hình dáng tròn hơn nên giảm khả năng cắt của hạt mài tái chế Ngược lại, với hạt mài GMA #80 trong [3] hình dáng ban đầu của hạt tròn nhưng sau khi vỡ hạt có nhiều cạnh sắc hơn nên cắt tốt hơn Hình dáng của hạt mài Ấn độ và GMA mới và sau khi vỡ được thể hiện trong hình 2.4 và 2.5

a, Hạt mài Ấn độ mới #80 b, Hạt mài Ấn độ tái chế

Hình 2.4 Hạt mài Ấn độ trước và sau khi vỡ [12]