tóm tắt luận văn thạc sĩ kỹ thuật NGHIÊN cứu KHẢ NĂNG tái sử DỤNG hạt mài SUPREME GARNET SAU KHI GIA CÔNG BẰNG TIA nước có hạt mài

Tính cấp thiết của đề tàiSự phát triển của khoa học kỹ thuật gắn liền với sự ra đời củacác vật liệu mới mà chúng có các ưu điểm nổi bật như độ bền, độcứng cao, khả năng chịu nhiệt, chịu

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP

Chuyên ngành: Công nghệ Chế tạo máyHDKH: PGS.TS Vũ Ngọc Pi

THÁI NGUYÊN - 2011

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP

Chuyên ngành: Công nghệ Chế tạo máyHDKH: PGS.TS Vũ Ngọc Pi

HƯỚNG DẪN KHOA HỌC HỌC VIÊN

PGS.TS Vũ Ngọc Pi Vũ Hồng Khiêm

THÁI NGUYÊN - 2011

1 Tính cấp thiết của đề tài

Sự phát triển của khoa học kỹ thuật gắn liền với sự ra đời củacác vật liệu mới mà chúng có các ưu điểm nổi bật như độ bền, độcứng cao, khả năng chịu nhiệt, chịu mài mòn tốt vv… Tuy nhiên, cácđặc điểm này của vật liệu mới cũng làm cho chúng trở nên rất khóhoặc thậm chí không thể gia công khi sử dụng các phương pháp giacông truyền thống Vì vậy, song song với việc nghiên cứu nâng caohiệu quả gia công của các phương pháp gia công truyền thống, cầnthiết phải nghiên cứu để tìm ra các phương pháp gia công có cơ chếmới cũng như hoàn thiện các phương pháp gia công có cơ chế mới(gia công bằng tia nước có hạt mài, gia công bằng la de, mài điện hoá

…) để gia công có hiệu quả các vật liệu khó gia công

Từ những lý do nêu trên, việc nghiên cứu “Tái chế hạt mài Supreme garnet trong gia công bằng tia nước có hạt mài” là rất

cần thiết và cấp bách

2 Ý nghĩa của đề tài

2.1 Ý nghĩa khoa học

2.2 Ý nghĩa thực tiễn

Các kết quả nghiên cứu sẽ áp dụng để tái chế hạt mài SupremeGarnet (có nguồn gốc Ấn độ - là một trong những hạt mài được dùngnhiều trong gia công bằng tia nước có hạt mài); Từ đó nâng cao hiệuquả của gia công bằng tia nước có hạt mài sử dụng hạt mài Supremegarnet

CHƯƠNG 1

Giới thiệu

vật cứng khác

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

1. Lịch sử phát triển

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

Dr.Franz phát hiện ra là hoàn toàn có thể cắt gỗ và vật liệukhác bằng tia nước áp suất cao Cho dù Dr.Franz chưa làm được mộtcái máy cắt gỗ như mong muốn nhưng nghiên cứu của ông đã đặtnền móng cho phương pháp gia công bằng tia nước và được hãngFlow International nghiên cứu phát triển hệ thống cắt tia nước saunày

Năm 1965 thiết bị làm sạch bề mặt thép cán bằng tia nướcvới áp suất 200 bar được sản xuất đầu tiên tại Đức

Năm 1968 các nhà khoa học Mỹ đã chế tạo thành công mộtthiết bị cắt bằng tia nước có áp suất đạt 700 bar

Năm1970 tập đoàn Flow (Mỹ) đã phát minh một mẫu bơmkhuếch đại áp suất có tính ứng dụng cao cho máy cắt tia nước

Dr Mohamed Hashish, được coi như người khai sinh ra hệthống máy cắt tia nước dùng hạt mài Năm 1980, hệ thống cắt tianước 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 cóhạt mài đầu tiên cho việc cắt gương ôtô

Ngành công nghiệp hàng không và vũ trụ đã giúp cho côngnghệ tia nước áp suất cao phát triển mạnh mẽ

Tuy nhiên mãi đến năm 1986, Công nghệ UHP được nghiêncứu để mở rộng những ứng dụng của nó

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 hiệnkhoan thép không rỉ ở độ sâu 600m

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

Năm 2002, công ty Flow phát triển hệ thống cắt DynamicWaterjet cho phép cắt vật liệu nhanh hơn, không để lại gờ sau khicắt, kết quả này đã mở rộng khả năng cho các ứng dụng cắt bằng tianước rộng rãi hơn Các vật liệu cố thể cắt bằng phương pháp này nhưthép không rỉ, titan, ceramic, hợp kim nhôm, vật liệu tổng hợp chodụng cụ thể thao, sợi và nhựa sử dụng cho nội thất ôtô…Công nghệcắt bằng tia nước áp suất cao tiếp tục được phát triển

1.2 Hệ thống công nghệ

Công nghệ gia công bằng tia nước ASC gồm 2 loại đó là cắtbằng tia nước (pure waterjet) và cắt bằng tia nước có hạt mài(abrasive waterjet- AWJ)

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

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

1.2.1 Hệ thống cấp nước

1.2.2 Cụm bơm khuếch đại áp.

1.2.3 Đường ống cao áp

1.2.4 Đầu cắt

1.2.5 Hệ thống cấp hạt mài

1.2.6 Hệ thống điều khiển chuyển động

1.2.7 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, cáctham số này có thể chia thành hai nhóm gồm thông số quá trình vàcác thông số mục tiêu [6]

Các thông số quá trình gồm có :

tốc

dạng hạt mài và lưu lượng hạt mài

 Thông số cắt gồm khoảng cách từ vòi phun đến chi tiết giacông, góc tác động và tốc độ cắt.

Các thông số mục tiêu gồm:

cứng Áp suất hạ xuống sau 25mm

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

Gia công bằng tia nước có hạt mài có một số ưu điểm sau

pháp gia công truyền thống khó hoặc không thể gia công được

không dẫn điện mà máy tia lửa điện EDM không thể gia công được

Một số nhược điểm như

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

cầu và ổn định Do tia nước bị lệch khi đi vào vùng cắt

lớn hơn rất nhiều

1.5 Kết luận chương 1

Công nghệ tia nước ASC từ khi ra đời đã không ngừng đượcnghiên cứu, phát triển và ứng dụng ngày càng nhiều trong côngnghiệp Việc tiếp tục nghiên cứu hoàn thiện cho phương pháp giacông này là rất cần thiết

Hạt mài trộn vào tia nước với mục đích làm tăng khả năng cắt củatia nước ASC

Tia nước ASC thuần và tia nước ASC có trộn hạt mài được ứngdụng 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 rãiđặc 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 nhưngchưa nhiều

CHƯƠNG 2 TỔNG QUAN

Công nghệ cắt bằng tia nước áp suất cao (ASC) có 2 loại làcắt bằng tia nước áp suất cao (Pure waterjet - WJ) và cắt bằng tianước có trộn hạt mài (Abrasive waterjet - AWJ)

Chương này sẽ đi tìm hiểu quá trình cắt của tia nước có hạtmài, sự vỡ của hạt mài trong quá trình cắt và thực trạng nghiên cứu

về tái chế hạt mài

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:

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

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

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

 Hình dạng hình học của hạt mài

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]

 Phân bố kích thước của hạt mài

Tất cả các hạt mài được phân loại theo cấp độ kích thước

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 ratrong quá trình trộn Giai đoạn thứ hai xẩy ra trong quá trình cắt.Các ảnh hưởng đến quá trình vỡ của hạt mài bao gồm: cấu tạobuồng trộn, chiều dài ống hội tụ, vật liệu gia công, chiều dày vật liệugia công, độ cứng vật liệu gia công, V cắt, P cắt, lưu lượng hạt mài,loại hạt mài

G Galecki và M Maurkewicz [9] là những người đầu tiênnghiên 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 vỡcủa hạt mài chủ yếu sảy ra trong buồng trộn

Trong thực tế, các hạt mài có xu hướng dích kết vào nhau thànhmột khối lớn và vài hạt nhỏ Nếu một hạt được chia thành hai hạtlớn và nhiều hạt nhỏ,thì hạt tròn sẽ thường được phân tách thành haihạt dài hình 2.3 (a); còn hạt dài sẽ gãy ra hai hạt tròn hình 2.3 (b) Vìvậy, sau quá trình cắt, các dạng hạt mài hình tròn của hạt GMA khitái 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 củachúng tốt hơn các hạt mài mới [11]

Hình 2.3 Cơ chế phá vỡ của hạt mài

T.J.Labus và CS [12] cùng tiến hành một nghiên cứu cơ bản,kết quả là việc tái chế hạt mài khi cắt với chiều dày cắt nhỏ sẽ chohiệu quả cao hơn khi cắt với chiều dày cắt lớn.

H.Louis và CS [13] khảo sát ảnh hưởng của các thông số trongquá trình cắt đến sự phân bố cỡ hạt sau khi cắt Các tác giả lưu ý rằngcắt thép không gỉ có thể làm vỡ hạt nhiều hơn so với cắt nhôm Ảnhhưởng của vật liệu hạt mài đến sự vỡ của hạt được khảo sát với hailoại (garnet và olivine) Kết quả là hạt olivine cho cỡ hạt nhỏ hơn sovới garnet [13] Thông số cuối cùng là chất lượng cắt , các tác giảthấy rằng cắt tinh cho cỡ hạt trung bình nhỏ hơn so với cắt thô [13].Tái chế hạt Barton được J.Ohlsen [14] tiến hành nghiên cứu.Tác giả đưa ra một công thức xác định hệ ‘số vỡ’

Việc kích thước hạt mài bị giảm trong quá trình trộn một sốtác giả thấy rằng, 70% ÷ 80% các hạt này bị vỡ chủ yếu phụ thuộcvào kích thước hạt mài ban đầu, áp lực của bơm và vòi phun

Ảnh hưởng của một số thông số về sự vỡ của hạt sau khi cắt

đã được[15] M Kantha Babu nghiên cứu

Vật liệu gia công cũng là một tác nhân có ảnh hưởng lớn

1.4 Thực trạng nghiên cứu về tái chế hạt mài

Trong tổng chi phí của quá trình cắt thì chi phí cho hạt mài làlớn nhất, chiếm đến 54% Chính vì lý do đó đã làm hạn chế sử dụngphương pháp gia công này

Hình 2.5 Tỷ lệ các yếu tố tạo nên giá thành trong AWJ

Đây là cơ sở để đầu tư nghiên cứu tái chế hạt mài, nhằm mụcđích giảm giá thành sản phẩm và xử lý chất thải công nghiệp

MK Babu và O.V.K Chetty đã thực hiện một trong nhữngnghiên cứu chính về tái chế hạt mài

M.Kantha Babu và O.V.Krishnaiah Chetty [18] cũng đã tiếnhành một nghiên cứu về bù tái chế hạt mài Công trình nghiên cứucủa J.Ohlsen [14] chỉ ra rằng, các hạt mài nhỏ hơn 60m thì sẽ chochiều sâu cắt rất nhỏ, chất lượng cắt kém và có thể làm tắc hạt mài ởvòi phun Hơn nữa, tác giả thấy rằng khả năng cắt và chất lượng cắtcủa hạt mài tái chế cao hơn so với hạt mài mới Kích thước của hạt

mài tái chế nằm trong khoảng 125 đến 180 m sẽ cho chiều sâu cắtlớn nhất và độ nhám bề mặt thấp nhất.

M.Kantha Babu và O.V Krishnaiah Chetty [19] công bốnghiên cứu tái chế hạt mài của địa phương (nguồn: Nam Ấn Độ).Gần đây Vũ Ngọc Pi [11] đã nghiên cứu về tái chế và bù táichế hạt mài GMA (một loại hạt mài của Úc được sử dụng nhiềutrong công nghệ AWJ và làm sạch)với các nội dung chính sau Khảnăng tái chế của hạt mài GMA #80 với các cỡ hạt khác nhau và vớinhiều vòng tái chế (3 vòng) Khả năng cắt và chất lượng cắt của hạtmài tái chế và bù tái chế từ hạt GMA # 80 Tính kinh tế của tái chế

và bù tái chế hạt mài GMA cỡ hạt 80 cũng đã được xem xét

Nghiên cứu sử dụng và tái sử dụng hạt mài trong gia côngbằng tia nước áp suất cao ở Việt Nam nhằm giảm chi phí cắt và cácvấn đề về môi trường cần được đề ý quan tâm và nghiên cứu

2.4 Kết luận chương 2

Để giảm chi phí hạt mài cần nghiên cứu tối ưu về lưu lượnghạt mài cho quá trình cắt, khả năng sử dụng lại nhằm giảm chi phí vềhạt mài, giảm lượng chất thải công nghiệp, từ đó có cơ sở thiết kếcác hệ thống tái chế

Trên thế giới cho đến nay đã có một số nghiên cứu về lĩnh vựcnày Tuy nhiên chưa có kết quả nghiên cứu nào về tái chế hạt màiSupreme Granet Hiệu quả của tái chế, khả năng cắt, chất lượng cắt,kích thước hạt tối ưu khi tái chế loại hạt mài này còn chưa được khảosát Quy trình tái chế cho hạt mài Supreme Granet cũng chưa đượcnêu ra

CHƯƠNG 3 Tái chế hạt mài Supreme Granet

Từ những vấn đề đã được đề cập ở chương 2 việc nghiên cứutái chế (tái sử dụng) hạt mài Supreme Garnet (xuất sứ Ấn độ) là có

cơ sở khoa học để tiến hành nghiên cứu Bằng thực nghiệm sẽ chứngminh được sự hiệu quả trong việc tái chế hạt mài thu hồi

Nội dung chương này sẽ trình bày về khả năng tái chế củahạt mài Supreme Granet

3.1 Thiết lập các thông số thí nghiệm

Thí nghiệm được thực hiện tại phòng thí nghiệm trọng điểmquốc gia về công nghệ bề mặt, viện nghiên cứu Cơ khí

Thiết bị đo kiểm

Quá trình thí nghiệm được tiến hành tuần tự theo các bộthông số công nghệ đã được thiết kế

Vật liệu thí nghiệm

Khi đánh giá khả năng cắt (chiều sâu cắt) của hạt mài tái chế

và hạt mới tiến hành cắt trên phôi thép 45, dùng phôi cho thí nghiệmxác định về chất lượng cắt (độ nhám) là với phôi Al6061 – T6

12.5

8.13

3.62 0.58 0.17

Bảng 3.5 Các thông số không đổi trong quá trình thí nghiệm

Khoảng cách từ đầu vòi phun tới bề mặt gia

công (mm)

5mm

3.2 Khả năng tái chế của hạt mài Supreme Garnet

Để xác định khả năng tái chế của hạt mài trước hết ta phảithu hồi hạt mài sau quá trình cắt rồi mới mang đi tái chế Nếu khảnăng cắt và chất lượng cắt của hạt mài tái chế gần bằng hoặc hơn khảnăng cắt của hạt mài mới, nghĩa là loại hạt mài đó có khả năng táichế

Quy trình tái chế hạt mài.

Bước thứ 1 Sau khi quá trình cắt hoàn thành, hạt mài được

thu gom, mang đi rửa để loại bỏ bớt chất bẩn và tạp chất

Bước thứ 2 Làm khô vật liệu hạt mài

Bước thứ 3 Tách phoi kim loại

Bước thứ 4 Phân tích sàng

0.43 0.00

Hình 3.5 Phân bố kích thước hạt mài sau tái chế

3.2 Khả năng cắt của hạt mài tái chế

3.2.1 Thí nghiệm

Để đánh giá khả năng cắt của hạt mài Supreme garnet tái chếsau khi sàng, các hạt được trộn và sắp xếp theo cỡ từ >63(m) chotới >300(m)

3.3 Chất lượng cắt của hạt mài tái chế

Trong gia công bằng tia nước có hạt mài, chất lượng cắtđược đánh giá bằng hai thông số là độ nhám bề mặt sau khi gia công

và chiều rộng rãnh cắt

3.3.1 Thí nghiệm

Thí nghiệm so sánh độ nhám bề mặt sau gia công được cắtbằng hạt mài tái chế và với hạt mài mới được thực hiện giống nhưkhi xác định khả năng tái chế của hạt mài Có hai thông số là:

hạt mài để có nhiều giá trị so sánh

phôi sau khi cắt tại hai vị trí:

3.3.2 Kết quả và nhận xét

Kết quả đo độ nhám bề mặt với các mẫu

bằng hạt mài mới

giảm (đúng cả với hạt mài tái chế và hạt mài mới)

mài này có khả năng tái chế rất cao.

hạt này khả năng tái chế là 61,45% và khả năng cắt của nó sẽ caohơn hạt mài mới khoảng 18%

hơn khi cắt bằng hạt mài mới

rất cao.

hơn khi cắt bằng hạt mài mới

>125m Với cỡ hạt này khả năng tái chế là 61,45% và khảnăng cắt của nó sẽ cao hơn hạt mài mới khoảng 18%

4.2 Hướng nghiên cứu tiếp

Đề xuất cho các nghiên cứu tiếp theo về lĩnh vực này như sau:

1 Nghiên cứu đánh giá tính kinh tế của tái chế hạt màiSupreme garnet

2 Nghiên cứu tái chế hạt mài Supreme garnet cũng như cácloại hạt mài khác khi cắt với áp suất nước rất cao (trên400MPa)

3 Nghiên cứu sử lý các hạt mài do quá trình gia công tianước thải ra để giảm thiểu ô nhiễm môi trường

TÀI LIỆU THAM KHẢO

http://www.flowwaterjet.com/en/waterjet-technology/history.aspx, truy cập ngày 15/10/2011

[2] www.flowwaterjet.com

Waterjet Cutting”, PhD Thesis, TU Delft, The Netherlands

industrial waterjet applications”, International Journal of Machine Tools & Manufacture, 42, 2002

nozzles”, Proceedings of the 13th International Conference

on Jetting Technology, Sardinia, Italy, 1996

Jet Machining, SpringerVerlag London 1998

[7] http://www.amfed.org/t_mohs

Energy transfer efficiency, The 4th American Waterjet Conference, New York, 1987, 172-177

water in Abrasive Water Jet Technique”, Chemical

engineering Technology 22, 1999