Nghiên cứu công nghệ gia công bằng tia hạt mài

Xác định đặc điểm chung của hạt mài được sử dụng trong công 2.2 Ảnh hưởng của một số thông số khi gia công bằng tia nước áp suất cao 2.2.1 Ảnh hưởng của thông số thiết bị 52 2.2.2 Ảnh hư

Chuyên ngành:CHẾ TẠO MÁY

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:

1.TS PHẠM VĂN BỔNG

2 GS.TS TRẦN VĂN ĐỊCH

Hà Nội – Năm 2012

2

MỤC LỤC

Trang Trang bìa phụ 1

Lời cam đoan 5

1.1.1 Tia nước áp suất cao thuần 15

1.1.2 Tia nước áp suất cao có trộn hạt mài 16

a Tia nước trộn hạt mài không áp, dạng “Injection” 17

b Tia nước trộn hạt mài có áp, dạng “Supension” 17

1.2 Cơ chế bóc tách vật liệu bằng tia nước áp suất cao 18

1.2.1 Sự hình thành tia nước áp suất cao trong không khí 18

1.2.2 Cơ chế bóc tách vật liệu bằng tia nước áp suất cao thuần 20

1.2.3 Cơ chế bóc tách vật liệu bằng tia nước áp suất cao có trộn hạt mài 21

1.3 Một số ứng dụng khác của phương pháp gia công bằng tia nước áp

a Phân loại các phương pháp khoan bằng tia hạt mài 24

b Một số quy trình công nghệ cơ bản khi khoan có hạt mài 25

c Các thông số hệ thống ảnh hưởng đến kết quả khoan 29

3

d Ảnh hưởng các thông số hình học của vòi phun lên khả năng khoan

a Phương pháp mài mặt phẳng bằng tia hạt mài 34

b Thông số bề mặt trong không gian hai và ba chiều 35

c Thí nghiệm mài mặt phẳng bằng tia hạt mài 36

d Các số đo bề mặt 38

e Phương pháp nghiên cứu bề mặt, kết quả thí nghiệm 39

1.4 Kết luận 41

Chương 2 HẠT MÀI VÀ ẢNH HƯỞNG CỦA MỘT SỐ THÔNG

SỐKHI GIA CÔNG BẰNG TIA NƯỚC ÁP SUẤT CAO TRỘN HẠT

b Nhóm hạt mài nhân tạo 45

c Xác định đặc điểm chung của hạt mài được sử dụng trong công

2.2 Ảnh hưởng của một số thông số khi gia công bằng tia nước áp suất cao

2.2.1 Ảnh hưởng của thông số thiết bị 52

2.2.2 Ảnh hưởng của thông số công nghệ lên kết quả cắt 54

a Ảnh hưởng của áp lực cắt 54

4

Chương 3 NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM VÀ XỬ LÝ KẾT QUẢ 75

3.1 Sơ đồ quy hoạch thực nghiệm 76

3.2 Phương pháp tiến hành và số liệu thực nghiệm 76

3.2.1 Tìm hiểu về trang bị phục vụ thí nghiệm 76

3.3.2 Phương pháp quy hoạch thực nghiệm 81

3.3.3 Xử lý kết quả thí nghiệm với thép C45 thường hóa 81

5

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan các số liệu và kết quả nêu trong Luận văn là trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất kỳ một công trình nào khác Trừ các phần tham khảo đã được nêu rõ trong Luận văn

Tác giả

BÙI TIẾN SƠN

6

LỜI CẢM ƠN

Tác giả xin chân thành cảm ơn TS Phạm Văn Bổng và GS.TS Trần Văn Địch đã hướng dẫn và giúp đỡ tận tình từ định hướng đề tài, tổ chức thực nghiệm đến quá trình viết và hoàn chỉnh Luận văn

Tác giả bày tỏ lòng biết ơn các thầy cô trong bộ môn Công nghệ Chế tạo máy, viện Cơ khí trường Đại học Bách Khoa Hà Nội Xin cám ơn Ban lãnh đạo Việnđào tạoSau đại học và Viện Cơ khítrường Đại học Bách Khoa Hà Nội đã tạo điều kiện thuận lợi để tác giả hoàn thành bản Luận văn này

Tác giả cũng chân thành cảm ơn Ban lãnh đạotrường ĐHCN Hà Nội, Ban chủ nhiệm khoa Cơ khí đã tạo điều kiện giúp đỡ tác giả thực hiện đề tài

Do năng lực bản thân còn nhiều hạn chế nên Luận văn không tránh khỏi sai sót, tác giả rất mong nhận được sự đóng góp ý kiến của các Thầy, Cô giáo, các nhà khoa học và các bạn đồng nghiệp

Tác giả

BÙI TIẾN SƠN

3 AWJ Abrasive Waterjet

4 AWIJ Abrasive Water Injection Jet

5 AWSJ Abrasive Water Suspension Jet

6 m p Trọng lượng phần tử của hạt

7 v p Tốc độ của hạt mài

8 σ f Ứng suất chảy của vật liệu

9 V Vận tốc của đầu vòi phun

10 Q Lưu lượng hạt mài

11 H Chiều sâu cắt phá hủy

8

DANH MỤC CÁC BẢNG

1 Bảng 1.1 Phạm vi ứng dụng tia nước thuần trong gia công vật liệu 14

2 Bảng 1.2 Lĩnh vực ứng dụng tia nước thuần trong gia công vật liệu 15

3 Bảng 1.3 Thông số thí nghiệm trong trường hợp tia nước chịu một

8 Bảng 2.4 Các thông số kỹ thuật của hạt mài Corindon 51

10 Bảng 2.6 Các thông số kỹ thuật của hạt mài Super Granit 52

13 Bảng 2.9 Thông số thí nghiệm tác động của luồng khí bổ sung 69

14 Bảng 3.1 Bảng kết quả thí nghiệm cắt thử 74

15 Bảng 3.2 Ma trận thực nghiệm 75

16 Bảng 3.3 Bảng tổng hợp số liệu thí nghiệm – thép 45 thường hóa 82

17 Bảng 3.4 Bảng Logarit của các biến thực nghiệm 82

18 Bảng 3.5 Giá trị hồi quy thực nghiệm của phương trình hàm 3.6 84

9

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ

2 Hình 1.2 Sơ đồ phương pháp trộn hạt mài không áp 17

3 Hình 1.3 Các vùng phân lớp của tia nước áp suất cao 19

4 Hình 1.4 Các cơ chế bóc tách vật liệu bởi hạt mài 20

7 Hình 1.7 Một số phương pháp khoan dùng tia hạt mài 25

9 Hình 1.9 Các dạng dao động của tia trên bề mặt phôi quay tròn 26

10 Hình1.10 Trường hợp khoan đầu đứng yên và có tiết diện vuông 27

11 Hình1.11 Ảnh quỹ đạo của tia hạt xoay trên bề mặt phôi 28

12 Hình 1.12 Tác động của lưu lượng tới tốc độ khoan 29

13 Hình 1.13 Ảnh hưởng của áp lực tới tốc độ khoan 31

14 Hình 1.14

Sơ đồ các loại vòi phun được thí nghiệm trong khi xác định ảnh hưởng của thông số hình học lên khả năng của chúng

32

15 Hình 1.15 Tác động chiều dài đoạn hội tụ của vòi phun lên khả

16 Hình 1.16 Tác động của miệng vào của lỗ vòi phun lên khả năng

17 Hình 1.17 Một số mẫu cơ bản dùng khi mài mặt phẳng 37

18 Hình 1.18 Độ nhám bề mặt khi gia công bằng tia hạt mài với các

10

19 Hình 2.1 Mối quan hệ giữa áp lực tia nước và tốc độ khoan 54

20 Hình 2.2 Tác động của khoảng cách vòi phun tới tốc độ cắt các

21 Hình 2.3 Sự ảnh hưởng của lưu lượng hạt mài đến chiều sâu cắt

khi gia công thép hợp kim dụng cụ (P18) 57

22 Hình 2.4 Sự thay đổi vùng cắt chất lượng khi thay đổi lưu lượng

23 Hình 2.5 Ảnh hưởng của lưu lượng hạt mài đến chiều sâu phá hủy 58

24 Hình 2.6 Sự hình thành chiều sâu phá hủy khi thay đổi lưu lượng

25 Hình 2.7 Ảnh hưởng của lưu lượng hạt mài đến độ nhám bề mặt 60

26 Hình 2.8 Topography của bề mặt vết cắt băng TNASC 61

27 Hình 2.9 Ảnh hưởng của kích thước hạt mài đến chiều sâu phá

28 Hình 2.10 Ảnh hưởng của kích thước hạt mài đến độ nhám bề mặt 65

29 Hình 2.11 Ảnh hưởng của độ cứng hạt mài đến chiều sâu cắt chất

30 Hình 2.12 Ảnh hưởng của độ cứng hạt mài đến độ nhám bề mặt 68

31 Hình 2.13 Tác dụng của áp lực đến hình giạng hình học của rãnh

32 Hình 2.14 Tác động của tốc độ dịch chuyển vòi phun lên chất lượng

33 Hình 2.15 Tác động của tốc độ di chuyển lên hình dạng rãnh cắt 73

35 Hình 3.2 Mẫu thí nghiệm chuẩn bị cắt đo chiều sâu 77

36 Hình 3.3 Hình ảnh gá đặt mẫu thí nghiệm trong quá trình cắt 78

37 Hình 3.4 Ảnh chụp tổng quan lòng vòi phun sau khi sử dụng 79

11

44 Hình 3.11 Quan hệ giữa H với các thống số của chế độ cắt V, Q 85

12

MỞ ĐẦU

Đề tài:“Nghiên cứu công nghệ gia công bằng tia hạt mài”

Tác giả luận văn: Bùi Tiến Sơn

Tuy nhiên, các kết quả nghiên cứu về công nghệ gia công bằng tia nước áp suất cao trộn hạt mài còn khiêm tốn Việc nghiên cứu các thông số công nghệ của phương pháp gia công bằng tia nước áp suất cao có ý nghĩa lớn vì nó giúp cho người kỹ thuật tiết kiệm thời gian, hạt mài, giảm chi phí gia công, từ đó giúp giảm giá thành là hết sức cần thiết

Được sự đồng ý của Viện Cơ khí trường Đại học Bách Khoa Hà Nội, tác giả

đã lựa chọn đề tài “Nghiên cứu công nghệ gia công bằng tia hạt mài” với mong muốn đóng góp thêm kết quả vào nghiên cứu lĩnh vực trên

b, Lịch sử nghiên cứu

Đã có một số công trình nghiên cứu về lĩnh vực gia công bằng TNASC như:

- Công nghệ gia công bằng tia áp lực cao – Chu Ngọc Chiểu

- Nghiên cứu ảnh hưởng của hạt mài đến chất lượng gia công thép hợp kim dụng cụ bằng tia nước áp suất cao – Bùi Tiến Đạt

13

c,Mục đính nghiên cứu của luận văn, đối tượng, phạm vi nghiên cứu

- Nghiên cứu tổng quan về công nghệ gia công bằng tia nước áp suất cao, đặc biệt là phương pháp gia công bằng tia nước trộn hạt mài

- Nghiên cứu tổng quan về các loại hạt mài trong nước, ngoài nước và ảnh hưởng của chúng đến chất lượng gia công

- Nghiên cứu thực nghiệm ảnh hưởng của lưu lượng cấp hạt mài và tốc độ cắt đến chiều sâu cắt khi gia công thép C45

d,Tóm tắt cô đọng các luận điểm các luận điểm cơ bản và đóng góp mới của tác giả:

- Kiểm chứng khả năng cắt của một số loại hạt mài trong nước

- Xác định được công thức thực nghiệm khi gia công bằng tia nước có hạt mài Super Garnet trong điều kiện giới hạn thí nghiệm

e, Phương pháp nghiên cứu:

- Kết hợp giữa lý thuyết và thực nghiệm

- Xác định các thông số ảnh hưởng đến khả năng cắt của tia nước trộn hạt mài, từ đó giới hạn điều kiện thí nghiệm, lựa chọn các loại hạt mài thí nghiệm, lựa chọn vật liệu cắt thí nghiệm

- Thí nghiệm thực hiện theo trình tự, khoa học và trung thực

- Tia nước áp suất cao thuần – Pure waterjet – WJ

- Tia nước áp trộn hạt mài – Abrasive waterjet – AWJ

Căn cứ theo phương pháp trộn, tia nước có trộn hạt mài được chia thành 2 loại sau:

- Tia nước trộn hạt mài không áp – Abrasive Water Injection Jet – AWIJ

- Tia nước trộn hạt mài có áp – Abrasive Water Supspension Jet – AWIJ

Hình 1.1 Cây phân loại tia nước áp suất cao

Qua sơ đồ ta có thể so sánh được sơ bộ ưu nhược điểm của từng phương

pháp công nghệ gia công bằng tia nước áp suất cao theo bảng sau:

Bảng 1.1 Phạm vi ứng dụng tia nước thuần trong gia công vật liệu

Nhiệt cắt Nhiệt cắt nhỏ, hầu như không ảnh hưởng đến cấu trúc, tính chất cơ

lý của vật liệu

15

Vật liệu gia công Vật liệu “mềm” Vật liệu thép, ceramic

Chiểu sâu vết cắt có

Dụng cụ (vòi phun)

Môi trường làm việc Thích nghi với nhiều môi trường khác nhau như: không khí, dưới

nước, môi trường dễ cháy nổ

Phạm vi ảnh hưởng

1.1.1 Tia nước áp suất cao thuần

Tia nước áp suất cao thuần là tia nước được hình thành bằng dòng nước thuần túy Tia nước áp suất cao được ứng dụng trong các lĩnh vực khác nhau tùy theo dải

áp suất của dòng nước Với dải áp suất từ 500 – 3.000 bar, ứng dụng chủ yếu trong lĩnh vực làm sạch công nghiệp, 1.600 – 3.500 bar ứng dụng cắt các vật liệu “mềm” như PVC, giấy gỗ, vải,…, 3.500 – 10.000 bar ứng dụng cắt các loại vật liệu cứng

như kim loại, ceramic,… Cụ thể:

Bảng 1.2 Lĩnh vực ứng dụng tia nước thuần trong gia công vật liệu

Áp suất Lĩnh vực ứng dụng

1.600 – 2.000 bar

Cắt, phá bê tông; cắt thực phẩm trong ngành công nghiệp chế biến thực phẩm; cắt các vật liệu “mềm” trong công nghiệp hóa chất

2.000 – 3.500 bar Cắt nhựa PVC, giấy, gỗ, vải và Composit; giải phẫu

16

1.1.2 Tia nước áp suất cao trộn hạt mài

Tia nước áp suất cao thuần tuy mang nhiều ưu điểm so với các phương pháp gia công truyền thống nhưng cũng có nhiều hạn chế khi phải tạo ra áp suất quá cao

để gia công Để mở rộng khả năng công nghệ của tia nước, đề xuất bổ sung hạt mài vào tia nước đã được thực hiện Hạt mài với cấu trúc hạt nhỏ, cứng và nhiều cạnh sắc, được trộn lẫn vào tia nước do đó sẽ được tia nước truyền cho năng lượng dưới dạng động năng Những hạt mài mang năng lượng (động năng) lớn giống như dụng

cụ cắt nhiều lưỡi sẽ là tác nhân chính của quá trình gia công cắt gọt vật liệu

Tất nhiên cùng với việc bổ xung hạt mài thì hệ thống thiết bị gia công cũng sẽ phức tạp hơn, giá thành thiết bị cũng cao hơn nhưng những ưu điểm mà phương pháp mang lại thật sự hết sức đáng chú ý Bề mặt được gia công bằng tia nước có hạt mài không có vết xước như bề mặt đã được gia công bằng các phương pháp khác (các phương pháp gia công có tạo phoi)

Gia công bằng tia nước áp suất cao có hạt mài là phương pháp gia công nguội

và bề mặt khi gia công có một lớp mỏng có độ cứng, độ bền và độ giòn cao hơn lớp kim loại bên trong Chi tiết được gia công bằng phương pháp này cho phép nâng cao tuổi thọ phục vụ khi tải trọng hấp thụ được giữ nguyên hoặc tăng khả năng hấp thụ tải trọng trong khi tuổi thọ phục vụ được giữ nguyên

Tất cả các quá trình gia công cơ đều làm tăng nhiệt độ ở vùng cắt và chi tiết gia công, đồng thời làm cho bề mặt gia công bị biến dạng dẻo, trong khi đó gia công bằng tia hạt mài hầu như không làm thay đổi nhiệt độ của chi tiết gia công

Gia công bằng tia hạt mài có hiệu quả đối với các chi tiết có hình dạng phức tạp bởi vì thời gian gia công giảm, phương pháp này cho phép thực hiện việc cơ khí hóa quá trình gia công bề mặt và cải thiện điều kiện lao động Phương pháp này có thể ứng dụng trong sản xuất hàng loạt theo dây chuyền hoặc sản xuất nhỏ trong các phân xưởng cơ khí

Bề mặt trước khi gia công bằng tia hạt mài cần được tẩy sạch bụi, phoi, dầu nhờn, axit và các tạp chất khác

17

Phương pháp gia công bằng tia nước áp suất cao trộn hạt mài được chia làm hai phương pháp chính:

- Tia nước áp suất cao trộn hạt mài không áp, dạng “Injection”

- Tia nước áp suất cao trộn hạt mài có áp, dạng “Supension”

a Tia nước trộn hạt mài không áp, dạng “Injection”

Đặc điểm của phương pháp này là sử dụng một khoang trộn trung gian, khi đó dòng hạt mài được cân chỉnh bằng phương pháp định lượng sẽ được hút vào khoang trộn do chênh áp của dòng nước áp suất cao khi đi qua vòi phun tạo chân không gây

ra Hạt mài và nước áp suất cao sẽ được hòa trộn tại khoang trộn, sau đó hạt mài sẽ được tăng tốc và bắn ra ngoài qua ống dẫn hội tụ Khoảng cách giữa thùng chứa hạt mài không được bố trí quá xa so với ống dẫn và chiều dài ống dẫn hạt mài cần ngắn

Do quá trình trộn hạt mài là quá trình hở nên tia AWIJ bao gồm: nước, hạt mài, không khí Trong phương pháp trộn hạt mài không áp, cấu trúc của các tia nước áp suất cao phụ thuộc vào các thông số như: Áp suất bơm, đường kính đầu

phun, chiều dài ống hội tụ, loại hạt mài và lưu lượng hạt mài…

Hình 1.2 Sơ đồ phương pháp trộn hạt mài không áp

b Tia nước trộn hạt mài có áp, dạng “Supension”

Đặc điểm của phương pháp này là hạt mài đã được trộn với nước trong bình

18

nén và được tăng tốc khi qua đầu phun Có 3 nguyên lý tạo ra tia nước trộn hạt mài

có áp

- Bơm trực tiếp: Hạt mài được trộn lẫn cùng với nước và bơm trực tiếp từ

bơm cao áp ra vòi phun Nguyên lý này lần đầu được áp dụng khi cắt chân giàn khoan bằng thép dầy 25mm dưới mặt nước với áp suất bơm 690 bar năm 1965 Ngày nay nguyên lý này không được dùng nữa do tính mài mòn cao của hạt mài trong quá trình bơm

- Bơm gián tiếp: Hạt mài được trộn với nước không áp thành dạng huyền

phù – “Supspension”, dung dịch trộn hạt mài được đưa vào bình chứa và nén trực tiếp bằng pít tông tới vòi phun… Tuy nhiên nhược điểm của nguyên lý này là khả năng định lượng và phân phối đều hạt mài trong dung dịch chậm, để khắc phục nhược điểm này, nghiên cứu còn đưa thêm hạt polyme vào trong dung dịch trộn để giảm khả năng mài mòn và định lượng hạt mài

- Nguyên lý nhánh “Bypass”: Hạt mài được trộn trong thùng nén có áp và

được nối với đường dẫn chính có áp qua nhánh chia “Bypass” Lượng dung dịch có hạt mài được trộn với dòng tia nước chính qua buồng trộn, khi tia nước có áp suất cao qua vòi phun sẽ hình thành nên vùng chân không, tự động hút dòng hạt mài hòa trộn, tạo thành tia nước áp suất cao trộn hạt mài

1.2 Cơ chế bóc tách vật liệu bằng tia nước áp suất cao

1.2.1 Sự hình thành tia nước áp suất cao trong không khí

Trong không khí, tia nước được hình thành khi tạo được biên giới lỏng khí Tia nước áp suất cao là một dòng tia có vận tốc cực lớn được tạo ra khi nước được đẩy qua một vòi phun có tiết diện nhỏ dưới áp suất rất cao Có thể gọi là tia nước tốc độ cao, vì tốc độ là một trong những thông số chính của dòng tia

Tia nước áp suất cao ra khỏi đầu phun được chia làm ba vùng chính: vùng tia

liên tục, vùng tạo giọt và vùng hóa sương (hình 1.3) Tại phạm vi bắt đầu của vùng

liên tục áp suất động bằng hằng số theo hướng dòng chảy Nó tạo ra một tia xoáy toàn bộ, đặc chắc Sau dòng xoáy, xuất hiện các thành phần vận tốc vuông góc với

19

hướng luồng chính Tiết diện của “ống tia” thay đổi theo từng vị trí Do có ma sát với môi trường xung quanh và sự khử áp của các phần tử khí trong dòng tia làm cho kích cỡ của tia tăng lên Khoảng cách từ đầu vòi phun càng tăng thì độ mở của tia càng lớn

Hình 1.3 Các vùng phân lớp của tia nước áp suất cao

Để có thể nhìn thấy cấu trúc của tia, đường phân lớp của tia được biểu diễn ở

hình 1.3 Tại vùng liên tục, tốc độ của tia bằng hằng số theo chiều dọc trục Ở đây

50% tia nước được tách thành những giọt và những “quả cầu chất lỏng” Tại vùng tạo giọt, những “quả cầu chất lỏng” tiếp tục tách ra thành những giọt nhỏ Tốc độ dọc sẽ giảm dần và giảm mạnh ở phạm vi hóa sương Tia sẽ tiếp tục bắn ra xa và tạo

ra trạng thái cuối cùng là hóa sương (tốc độ coi như bằng 0)

Kích thước của phạm vi ban đầu: ( đường kính đầu vòi phun)

Chiều dài vùng liên tục (ở đó tốc độ dọc trục không đổi): [3]Tác động phá hủy của tia thay đổi theo hướng dọc trục cũng như hướng kính Bề mặt của chi tiết nhận được một tác động gần như tĩnh bởi lõi của tia ngay sau đầu phun chỉ có xung động của áp suất bơm tác động lên bề mặt là sự tham gia động học.Xung quanh phạm vi ban đầu tia có một tác động động học qua việc tạo thành giọt.Khi khoảng cách tiếp tục tăng, do ma sát tăng lên (tốc độ giảm đi), hạt chất

20

lỏng trở lên nhỏ dần và tiết diện tác động lớn lên đã dẫn đến biên độ của tải trọng động lên vật giảm đi ở những chỗ mà khoảng cách phun lớn

1.2.2 Cơ chế bóc tách vật liệu bằng tia nước áp suất cao thuần

Cơ chế chung bóc tách vật liệu bởi TNASC được tóm tắt theo sơ đồ hình 1.4 cho thấy rằng khoảng 90% sự phá hủy vật liệu bởi TNASC là do xói mòn và 10%

do tác động xâm thực (cavitation attack).Xói mòn thực hiện được chỉ khi các giọt nước sinh áp suất tác động lớn hơn sức bền liên kết của vật liệu chi tiết gia công, trong đó cơ chế cắt chỉ xẩy ra trong vài phần nghìn giây đầu tiên, gây “vết thương” tạo rạn nứt chi tiết Những tác động liên tiếp của giọt tia tiếp theo sinh ra các song ứng suất, tạo mỏi Sự xâm nhập thẩm thấu thủy lực dẫn tới lan rộng và mở rộng các

“vết thương’’ trên, tạo nên sự phá vỡ liên kết vật liệu.Như vậy 90% sự phá hủy này phụ thuộc vào động năng của các phần tử giọt nước của TNASC, phần còn lại là do tácđộng của xâm thực

Hình 1.4 Các cơ chế bóc tách vật liệu bởi hạt mài

Xâm thực được mô tả là sự hình thành và phá vỡ các bọt chân không nhỏ chuyển động cùng trong tia nước.Sự nổ của bọt sinh ra tia chất lỏng cao tốc chuyển động nhanh hơn đáng kể chất lỏng bao quanh nó, tạo nên động năng lớn hơn nên gây ra các vết nứt tế vi và xé các vết nứt tế vi trước đó Tuy có tác động mạnh, nhưng tiết diện chịu xâm thực lại ít hơn, qua đó có thể nhận thấy sự hình thành

21

những bọt nhỏ chỉ xuất hiện ở những chỗ tia nước hoặc dòng nước có lực trượt Đó

là những vùng có sự chuyển đổi áp, thường là ở ngoài vùng lõi

Như vậy với TNASC thuần:

+ Để làm sạch, tùy loại vật liệu và mục tiêu làm sạch mà người ta có thể sử dụng vùng liên tục, vùng làm sạch hiệu quả nhờ thỏa mãn các điều kiện: động năng của tia đủ lớn, có hiện tượng xâm thực tại vùng này và diện tích tác động lớn hoặc vùng tạo giọt để tẩy rửa

+Để cắt bằng TNASC thuần có thể nên sử dụng vùng trong khoảng (Xc-Xp) đây

là vùng kết hợp được tốt nhất động năng của nước và tác động xâm thực nhờ sự hình thành tia rối chắc và các bọt bóng chân không

1.2.3 Cơ chế bóc tách vật liệu bằng tia nước áp suất cao có trộn hạt mài

Bóc tách vật liệu là kết quả của tác động của phần tử hạt mài khi chúng được dòng áp cao vận chuyển với tốc độ cao, va đập vào bề mặt đối tượng gia công

Hạt mài là một phần tử chất rắn, phụ thuộc vào mạng tinh thể của những cấu trúc mà có những cạnh sắt, đóng vai trò như những lưỡi cắt tựa đá mài trong công nghệ gia công truyền thống (hình 1.5).Như đã biết, đặc tính biến dạng dẻo của vật liệu được xác định bằng ứng suất chảy của nó Trên cơ sở quỹ đạo tính toán được của một phần tử hạt mài đơn, tốc độ bóc tách vật liệu được xác định bởi công thức:

(1.1) Trong đó:

+ mp: Trọng lượng của phần tử hạt mài

+vp: Vận tốc hạt mài

+ : Ứng suất chảy của vật liệu

+K:Tỷ số lực tác động vuông góc/lực ngang (đối với bề mặt chi tiết)

+ t: L/yt thường là không đổi, được lấy bằng 2

+ : Hàm của góc tới tại đó hạt mài tác động vào vật liệu nền

Động năng của hạt mài va chạm là nguyên nhân tạo công bóc tách vật liệu

Có thể nhận xét: tốc độ bóc tách vật liệu bởi hạt mài tỉ lệ thuận với độngnăng của hạt mài và tỉ lệ nghịch với ứng suất chảy của vật liệu gia công

Tuy nhiên, sự bóc tách vật liệu bởi TNASC không chỉ gồm mỗi cơ chế cắt

mà còn cả cơ chế tạo mỏi, làm rạn nứt (hình 1.6) Đây là cơ chế có tác động 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 thông số, như: góc cắt, năng lượng động,hình dáng hạt mài, tính chất vật liệu gia công và các điều kiện – trạng thái của

môi trường Tất cả các cơ chế này đều hiện diện trong bóc tách vật liệu bởi TNASC

23

Hình 1.6 Cơ cấu bóc tách vật liệu bởi hạt mài

1.3Một số ứng dụng khác của phương pháp gia công bằng tia nước áp suất cao 1.3.1 Khoan lỗ bằng tia hạt mài

TNASC có hạt mài đang được sử dụng ngày càng rộng rãi như một công cụ

đa năng để khoan các loại vật liệu khó gia công như thủy tinh, titan và các loại vật liệu composite gốc kim loại do nó có nhiều ưu điểm, ví dụ như: có thể đạt được chiều sâu lớn theo tỷ lệ với đường kính, không tồn tại các vùng bị ảnh hưởng nhiệt

và không bị biến dạng nhiệt Tuy nhiên nó có một số giới hạn như khoảng cách ly,

áp lực bơm, lưu lượng dòng hạt, kích thước hạt, góc độ của tia, thời gian gia công v.v… Việc thực hiện động tác khoan trong một giới hạn về tốc độ bóc tách vật liệu hoặc chiều sâu thâm nhập sẽ ảnh hưởng bởi đặc tính của vật liệu và lưu lượng phản hồi của tia từ phía đáy của lỗ

Khởi đầu như một phương pháp gia công không truyền thống, gia công bằn tia nước có hạt mài lần đầu tiên được đưa vào sản xuất mang tính thương mại từ năm 1983 để khoan thủy tinh Nguyên mẫu, gia công bằng tia nước được sử dụng

để cắt các đường thẳng và các hình đặc biệt khác cho các loại vật liệu như thủy tinh, titan, kim loại qúy, vật liệu composite trên nền kim loại và các loại hợp kim gốm khác Tuy nhiên, gần đây công nghệ gia công bằng tia nước đã được áp dụng để

24

thực hiện các phương pháp gia công truyền thống khác nữa như: tiện, khoan, phay… Trong số các phương pháp gia công phi truyền thống, quá trình gia công bằng tia nước cho thấy một điều hứa hẹn lớn trong khi gia công các vật liệu này

a Phân loại các phương pháp khoan bằng tia hạt mài

Việc ứng dụng tia nước có trộn hạt mài vào gia công lỗ sâu có thể được chia thành 3 nhóm (phụ thuộc vào hình dạng của tia nước sau khi ra khỏi vòi phun) như sau:

Nhóm 1: Để cho chùm tia được trải lên toàn bộ bề mặt cần khoan Trường

hợp này thân khoan không cần xoay tròn, khi đó gần như không cần đến bất kỳ một chuyển động phụ nào và thân khoan được đưa vào vật liệu một cách dễ dàng Khi

đó tia nước cần phải có một năng lượng đủ mạnh để chia đều cho các phần trên bề mặt cần khoan và để chúng có đủ khả năng vượt qua ngưỡng năng lượng cần thiết

để có thể bóc được vật liệu ra khỏi chi tiết gia công Sơ đồ của nhóm gia công theo phương pháp nhóm 1 được trình bày trên hình 1.7

Nhóm 2: Làm xoay tia nước hình quạt hoặc một số tia nước nhỏ để bóc đi

toàn bộ bề mặt cần khoan dưới tác động của tia nước Trường hợp này ngưỡng năng lượng của vật liệu sẽ bị vượt qua dễ dàng vì sự tập trung năng lượng của tia nước

Nhóm 3: Điều khiển tia nước đơn trong đầu cắt bằng cách tạo dao động hoặc

xoay đầu cắt để quét cả bề mặt cần khoan

Bảng 1.3 Thông số thí nghiệm trong trường hợp tia nước chịu một dao động lắc

#100 Ngọc hồng lựu 1,1; 3,8; 19 0,762; 1,19 200-300

25

Hình 1.7 miêu tả sơ đồ một số đầu khoan dùng để khoan lỗ nhờ tia nước trộng hạt mài theo 3 phương pháp nói trên Để quay phôi người ta dùng động cơ một chiều servo được điều khiển bằng máy tính

Hình 1.7 Một số phương pháp khoan dùng tia hạt mài

b Một số quy trình công nghệ cơ bản khi khoan có hạt mài

Từ kết quả thí nghiệm cho thấy rằng khả năng thâm nhập sâu theo chiều hướng tâm sẽ tỷ lệ thuận với thời gian định vị của tia nước tại vị trí đó Để khoan lỗ sâu 30.5mm, vật liệu Vonfram, có thể đạt tốc độ khoảng 160mm/h Với áp lực tia nước 345Mpa, đường kính tia nước là 0.33mm, lưu lượng dòng hạt mài là 3.75g/s với hạt hồng ngọc có kích thước #100

• Trường hợp khoan mà đầu khoan có dao động:

Tốc độ quay của phôi ảnh hưởng rất lớn đến hình dáng của lỗ khoan Đồ thị hình 1.9 cho ta thấy điều đó.Trên đồ thị ta thấy đặc tính hình học của lỗ thay đổi từ

độ sâu thực tế ở giữa đến độ sâu thực tế ở hai bên cạnh Đồ thị được biểu diễn trên tọa độ hai trục, trục phía trên là biểu diễn sự thay đổi về vận tốc Điều này được xác định bằng thực nghiệm Đó cũng không phải là giới hạn thực hiện được bề mặt

26

phẳng của lỗ từ phía trước vòi phun, tương tự như hình dạng lỗ ở phía trước của vòi phun sẽ thay đổi cách nào cũng được

Hình 1.8 Ảnh hưởng của tốc độ quay lên hình dạng lỗ

Hình 1.9 Các dạng dao động của tia trên bề mặt phôi quay tròn

Hình 1.9avà 1.9b cho ta thấy hình ảnh của quay đạo vòi phun trên bề mặt của phôi Ta thấy rằng với tổ hợp các vận tốc trên đây thì không có một lỗ nào có thể khoan được cả Tuy nhiên tia nước sẽ khắc một đường vào phôi Nhưng khi vận tốc quay của phôi thay đổi chỉ 5% thôi thì kết quả về mức độ bao phủ của tia nước hầu như toàn bộ bề mặt ở vùng định khoan, với các thông số đó ta có thể dùng để khoan

lỗ Nhanh chóng bao phủ toàn bộ bề mặt cần khoan là một điều rất quan trọng để ngăn cản quá trình tạo ra những đỉnh cao và hốc sâu, mà chính chúng sẽ làm chệch hướng của vòi phun và tạo nên những kết quả không mong muốn Tỷ lệ tần số dao

27

động của vòi phun với tốc độ quay của phôi cần phải là một số không nguyên

Trong thực tế, tốc độ quay không chính xác sẽ tạo ra độ bao phủ hoàn toàn

• Trường hợp khoan mà đầu khoan đứng yên và có tiết diện hình vuông

Hình 1.10là kết cấu một vòi phun tiết diện vuông làm việc ở áp lực 379 MPa Trường hợp này nhiều tia nước song song được sử dụng để tăng tốc độ của dòng hạt mài trong ống trộn tiết diện vuông Lỗ của từng tia nước không cùng kích thước Tia nước có đường kính lớn hơn được xếp phía ngoài, điều đó cho phép đường cong năng lượng tương thích với thế năng khi khoan Tối ưu hóa việc phân chia năng lượng bằng cách chọn kích thước lỗ đầu ra đã được thực hiện bằng kích thước giới hạn

Hình 1.10 Trường hợp khoan đầu đứng yên và có tiết diện vuông

Quá trình quay của phôi dưới trục tia nước có tiết diện vuông tạo nên các lỗ

có kích thước khác nhau dựa vào vị trí tương đối của tia nước so với trục quay Ta nhận thấy rằng các thông số hình học có thể đo đạc được như là phía đáy phẳng được tạo ra

Trong thí nghiệm khi người ta khoan lỗ trong vonfram với tốc độ 115mm/h với hai tia nước đường kính 0.254 mm, tương đương với năng lượng của tia nước đơn có đường kính 0.33 mm Cần hiểu rằng khi khoan vonfram thông thường tốc độ giảm từ 160 xuống 116mm/h Nguyên nhân của sự giảm sút đó là do tia nước bị dàn

28

trải ra một diện tích rộng hơn trong ống trộn có tiết diện vuông Tuy nhiên việc giảm tốc độ khoan không tỷ lệ thuận với sự suy giảm mật độ năng lượng Điều đó được khuyến khích vì với việc tối ưu hóa quá trình phân bố năng lượng và sử dụng nhiều tia nước(bên trong một ống trộn đơn) tốc độ khoan sẽ cao hơn

Khi khoan vật liệu cứng bằng tia nước có ống trộn tiết diện vuông một điều quan trọng để đạt được hiệu quả cao là phải tối ưu hóa việc phân chia năng lượng

Kết quả thí nghiệm cho thấy một số tiết diện cắt ngang của lỗ khoan bằng phương pháp khoan khi tia nước xoay tròn Hiệu quả của khoảng cách bán kính được biểu diễn trên hình thí nghiệm của thí nghiệm 3,4,5 Bán kính bằng không có nghĩa rằng chỉ có rãnh hướng tâm sẽ cắt theo đường kính tương ứng với mũi khoan(hiệu quả của khoảng cách bị loại bỏ) và mũi khoan không được mở rộng ra Khoảng cách nếu lớn hơn bán kính mũi khoan thì kết quả gia công sẽ là một vòng tròn mà ở đó mũi khoan có thể đứng nguyên sẽ được mở rộng Trong trường hợp này đường kính lỗ khoan sẽ lớn hơn hai lần đường kính mũi khoan Để giảm kích thước lỗ khoảng cách bán kính cần phải nhỏ hơn không đáng kể so với bán kính mũi khoan Do đó đường kính mũi khoan cần gần bằng bán kính yêu cầu của lỗ

Hình1.11 Ảnh quỹ đạo của tia hạt xoay trên bề mặt phôi

Để thực hiện thí nghiệm trên người ta dùng mũi khoan 12,7mm để khoan lỗ đường kính 14mm, khoảng cách bán kính 0,32mm Lõi giữa sẽ là kết quả cho khoảng cách này là tương ứng toán học là 0,32mm Tuy nhiên do sự phân bố tia

c Các thông số hệ thống ảnh hưởng đến kết quả khoan

• Ảnh hưởng của lưu lượng hạt mài

Tốc độ khoan tăng lên nếu tăng lưu lượng dòng bột mài

- Giữa tốc độ khoan và lưu lượng hạt mài có mối liên hệ theo một hàm gần như tuyến tính

- Khi lưu lượng trong khoảng 3÷4 g/s thì tốc độ khoan tăng không đáng kể Nhưng khi lưu lượng nằm trong khoảng 4÷8 g/s thì lưu lượng tăng lên gấp đôi thì tốc độ tăng cũng gần như gấp đôi

Hình 1.12 Tác động của lưu lượng tới tốc độ khoan

• Ảnh hưởng của áp lực của tia

- Tăng áp lực tia nước cũng làm tăng hiệu quả tương tự

- Tương tự như ảnh hưởng của lưu lượng hạt tới tốc độ khoan, áp lực cũng đóng một vai trò quan trọng của tốc độ khoan Giữa tốc độ khoan và áp suất tia có mối liên hệ tuyến tính với nhau Khi ta gia tăng áp suất tia thì đồng thời cũng tăng tốc độ khoan

30

Để thí nghiệm tác động của áp lực lên tốc độ khoan người ta dùng vòi phun 0,457mm Kết quả thí nghiệm cho thấy rằng khi khoan vào thép thì tốc độ khoan có thể đạt tới 457mm/h Với thanh Vonfram tốc độ cực đại có thể đạt tới 305mm/h

Có thể dùng tia nước có hỗn hợp bột mài để khoan một thanh kim loại có thành tương đối mỏng, ví dụ khoan lỗ có thành mỏng 0,381mm trong một thanh đặc Sự đồng tâm của thành mỏng đó không vượt quá 0,025mm trên toàn bộ chiều dài khoan

Tuy nhiên nếu khoan lỗ trong ống có thành mỏng(hoặc để khoan lỗ có đường kính chính xác) trên suốt chiều dài khoan cần có hệ thống kiểm tra tích cực, hệ thống này sẽ kiểm tra độ mỏng của thành ống hoặc tốc độ khoan vsf sẽ hiệu chỉnh tốc độ khoan đến giá trị tối ưu Để kiểm tra lỗ khoan, tốc độ khoan cần được làm cho phù hợp với tốc độ cao nhất của máy khoan có thể đạt được Ví dụ, nếu tốc độ khoan mà cao hơn tốc độ cao nhất của máy khoan thì kết quả sẽ cho ra một lỗ có đường kính bị rộng ở phần sau Mặt lỗ khoan bằng AWJ tương đối mịn, thường có

độ nhấp nhô bề mặt là Ra=2,2µm Tất cả các lỗ khoan đều có chất lượng cao, không

có bất kỳ vết lõm hoặc biến dạng nào được phát hiện thấy trong các lỗ khoan Khi kiểm tra bằng kính hiển vi đã không phát hiện được sự bất thường hoặc sự không toàn vẹn bề mặt

Người ta cũng chứng minh được rằng độ sâu lỗ khoan tăng lên, hiệu quả dòng phản hồi trở nên rõ ràng hơn Ví dụ, sự rung động của đầu khoan là thuộc tính của dòng phản hồi Tương tự vách của lỗ khoan trở nên mịn hơn nếu cộng thêm cả hiệu quả của quá trình ăn mòn của dòng phản hồi Tốc độ khoan có ảnh hưởng không đáng kể nếu độ sâu tăng lên, điều đó gợi ý rằng tia nước chưa bị chìm tới hạn

31

Hình 1.13 Ảnh hưởng của áp lực tới tốc độ khoan

d Ảnh hưởng các thông số hình học của vòi phun lên khả năng khoan của tia có hạt mài

Khả năng khoan và cắt của tia có hạt mài có ảnh hưởng trực tiếp bởi kết cấu

và hình dạng của vòi phun Để tiến hành thí nghiệm người ta đã sử dụng 5 loại vòi phun có các thông số khác nhau (hình 1.14) trong đó 4 loại vòi phun A1, A4, A10, A21 có góc côn ở đầu vào như nhau, có chiều dài hội tụ khác nhau Đối với đầu phun B10 côn đầu vào là 1/4 đường tròn bán kính 1,5mm, chiều dài hội tụ bằng chiều dài hội tụ của vòi phun A10 Để giảm sự mài mòn ở đầu ra của ống hội tụ và vòi phun được làm bằng kim cương nhân tạo, đường kính vòi phun của cả năm loại bằng nhau và bằng 1mm

Khi dùng hạt mài có kích thước #100 ta thấy rằng đối với vòi phun A1 và A4

tố độ giả khối lượng vật liệu đạt gia trị cực đại khi giá trị x/d = 20 và giảm dần khi tỉ

lệ này tăng lên Sau khi đạt giá trị cực tiểu cục bộ nó lại tiếp tục tăng lên ta tiếp tục

tăng giá trị của tỉ lệ này lên

Hình 1.15 Tác động chiều dài đoạn hội tụ của vòi phun lên khả năng gia

công của nó

33

Đối với vòi phun B10 và A10 có độ dài phần hội tụ tương đối giống nhau nên

được chọn để so sánh Nếu so sánh tỉ lệ chiều sâu vết khoan h evớitích của hệ số vòi phun

C d và mật độ hạt mài C ta thấy cho hai vòi phun tương tự như nhau(hình 1.16)

Hình 1.16 Tác động của miệng vào của lỗ vòi phun lên khả năng gia công

của nó

Như vậy chiều dài của đoạn hội tụ vòi phun có ảnh hưởng lớn đến khả năng

và đặc tính của vòi phun nhưng hình dạng miệng lỗ vào vòi phun không ảnh hưởng lớn đến khả năng khoan của vòi

1.3.2 Mài mặt phẳng bằng tia hạt mài

Tia nước có hạt mài có thể áp dụng một cách thành công trong gia công hầu như tất cả các loại vật liệu, nó có sức hấp dẫn đặc biệt khi phát triển trong lĩnh vực mài, cơ chế bóc tách vật liệu của quá trình gia công này nói chung là bị chi phối bởi

sự mài mòn bằng các hạt

Trong khi tác động lên vật liệu, hạt mài hoạt động giống như dụng cụ có lưỡi cắt với hình dáng và điểm phân bổ một cách ngẫu nhiên Do thiếu các cạnh chủ đạo nên các tác động cắt vốn đã có ảnh hưởng lực động lực học lại là kết quả của động năng và lực quán tính Nếu không phải là loại hạt mài tái chế thì tất cả các điểm cắt được trình bày còn mới và chưa bị mòn

Các hạt cũng tác động lên bề mặt dưới một góc va đập lớn sản sinh ra trường ứng suất liên tiếp, nó tích lũy dần dần và tạo ra sức căng bề mặt,đó chính là nguyên nhân dẫn đến sự phá hủy bề mặt vật liệu Trong khi mài bằng AWJ chỉ một phần

34

của tia xâm nhập vào vật đích, chiều sâu không lớn lắm của phần thâm nhập đó đã trở thành tác động của quá trình vi cắt như đã nói ở trên Khi mài bằng AWJ điển hình, chiều sâu thâm nhập của tia thường cùng cấp với kích thước của hạt mài, như vậy cơ chế bóc vật liệu có liên quan tới góc tác động bình thường chiếm ưu thế còn

số vật liệu bị bóc đi bằng số lần lặp lại của chuyển động phía trên bề mặt với số gia bên cạnh mỗi lần vòi phun đi qua Còn chiều sâu mỗi lần vòi qua được xác định bằng giải pháp kiểm soát độ sâu

Phụ thuộc vào vật liệu gia công, những cơ chế mài mòn đóng vai trò rất quan trọng Khi gia công bất kì một thành phần nào thỏa mãn yêu cầu về tính toán vẹn của bề mặt Tính toàn vẹn của bề mặt có hai phần: đó là kết cấu bề mặt và thành phần bề mặt kim loại Ta chỉ tính đến độ toàn vẹn bề mặt mà thôi Kết cấu bề mặt kim loại về cơ bản được đo bằng phương pháp đo định hình bề mặt và có thể được

mô tả bằng một tổ hợp của độ nhám bề mặt Những thông số này chủ yếu tác động lên chức năng bề mặt như:hệ số ma sát, tính chống mài mòn, khả năng mang tải và chức năng về điện, từ và quang học

a Phương pháp mài mặt phẳng bằng tia hạt mài

Trong thí nghiệm người ta chỉ ra rằng bề mặt sau khi mài có thể được nâng cao hơn bằng cách cho nhiều hạt tác động hơn và với góc va chạm nhỏ, giảm kích thước hạt và giảm tốc độ cắt Tuy nhiên khi sử dụng các biện pháp trên vấn đề dung sai sẽ xuất hiện vì cả hai biện pháp này đều là tăng lưu lượng dòng hạt mài và giảm tốc độ cắt làm tăng sự không đồng đều của bề mặt Còn góc tác động nhỏ làm nảy nguyên nhân là do tia nước bị uốn cong.Tuy nhiên hạt mài nhỏ làm lợi cho cả hai thông số bề mặt là độ nhám và dung sai, nói chung có thể khuyên dùng cho gia công bằng AWJ Sau đây, tác giả sẽ trình bày tới việc tối ưu hóa thống số bề mặt thông qua sự cân bằng việc cải thiện cả về độ nhám và bề mặt sai số

Các vấn đề thường gặp trong nguyên công mài mặt phẳng bằng AWJ là sự không ổn định của các thông số động học Tốc độ cắt tăng làm giảm hiệu quả của các thông số đó nhưng vị chí tác động yêu cầu khả năng thao tác để chống lại sự tác động của quá trình động học

b Thông số bề mặt trong không gian hai và ba chiều

Thông thường trong khi đánh giá bề mặt người ta thường dùng hai thông số:

Độ nhám bề mặt và độ sóng bề mặt Nói chung hai thông số đó hợp thành hình dạng

bề mặt Khi nghiên cứu bề mặt của vật sau khi đánh bóng bề mặt bằng AWJ thì độ nhám bề mặt là thành phần đầu tiên được biểu hiện trên cơ cấu vi hiệu chỉnh của quá trình gia công của AWJ Độ sóng bề mặt được đo sau đó trên một thiết bị có độ chia lớn và nó liên quan chặt chẽ tới sai số bề mặt mà nó có thể đạt được

Các thành phần độ sóng và độ nhám bề mặt rất khó có thể phân định rõ ràng, chúng thường chồng chất lên nhau Không có một định nghĩa riêng nào cho từng đặc trưng của nó.Chiều dài bước sóngvà độ nhám bề mặt có liên quan chặt chẽ tới quá trình gia công cụ thể là độ sóng bề mặt và chức năng của bề mặt, trong quá trình gia công bằng các loại tia nước với nguồn khác nhau có thể là tạo nên các quan điểm: độ nhám do quá trình cắt, độ sóng là do quá trình gia công không đúng

Kỹ thuật thường hay dùng đánh giá đặc tính bề mặt là đưa các mẫu lên các thiết bị đo Tuy nhiên nó có điểm yếu đó là khó có thể bảo đảm được cho bề mặt không bị phá hủy khi cho kim loại tiếp xúc với bề mặt cần đo, tự nó có thẻ bị gẫy do

bề mặt tác động lên

Sơ đồ không gian ba chiều bề mặt có thể được tạo ra nhờ cách tạo ra số lượng lớn các hình dạng song song nhờ máy chép hình sau đó lưu trữ dưới dạng tệp của máy tính

Khi đo hình dáng hai chiều, giá trị độ nhám bề mặt thường bị ảnh hưởng bởi hướng đo Bề mặt có nhiều cấp độ của mẫu thông thường và được biểu hiện sự thay đổi đáng kể về giá trị độ nhám bề mặt khi thay đổi hướng đo

Nếu ứng dụng phương pháp đo ba chiều sẽ giảm được sự thay đổi của các thông số và loại bỏ được sự phụ thuộc vào hướng đo

36

Để đánh giá bề mặt vào theo thông số 2 chiều hiện tồn tại nhiều tiêu chuẩn khác nhau như ISO 4278, nhưng để đánh giá theo các thông số 3 chiều thì đến nay vẫn chưa có tiêu chuẩn tương đối nào Một trong các thông số đó được tiêu chuẩn hóa khi đo bề mặt bằng không gian 2 chiều đó là Ra và Rz Thì chuyển sang đo 3 chiều nó sẽ có giá trị tương ứng Sa và Sz Giá trị trung bình của chúng theo phương pháp chênh lệch số học trung bình là:

Theo phương pháp 10 điểm:

Rỗ ràng trong không gian 3 chiều ta không chỉ có lấy giá trị trung bình đơn thuần của các giá trị từ thông số 2 chiều

c Thí nghiệm mài mặt phẳng bằng tia hạt mài

Thiết bị bao gồm: Đầu cắt dùng cho AWJ theo tiêu chuẩn, nó được dịch chuyển nhờ một tay máy có bậc tự do Thí nghiệm được tiến hành với 2 mục tiêu chính: một là để nghiên cứu kết quả bề mặt dựa trên cơ sở tính toán về hình dạng hình học của mục đích khác nhau khi dùng AWJ Mặt khác để nghiên cứu quan hệ của tấm chắn đang được sử dụng thịnh hành khi dùng AWJ

Phần thứ nhất của thí nghiệm có 3 mục đích được nêu lên: Mài bằng tia nước trung bình, mài bằng tốc độ cao và mài bằng tia rời rạc Trường hợp mài bằng tia nhẹ, năng lượng chuyển đổi giảm bởi dòng hạt thấp, hướng sau cùng được sử dụng

dể gia công vật liệu cứng, chống lại sự mài mòn của tia không hạt mài từ đầu cắt AWJ được dùng với WC – Co carbd

Tia nhẹ cũng có tốc độ cắt lớn cả hai tạo nên chuyển động của tia theo các phương khác nhau giữa mỗi lần chuyển động qua bề mặt do đó chúng tạo nên các mẫu mài khác nhau Có 3 mẫu khác nhau ở hình 1.17a,cđược thí nghiệm với 2 mục đích khác nhau thêm vào đó mẫu thứ 4 hình 1.17d được tạo thành bằng cách kẹp

37

phôi trên một cái bàn quay và như vậy chuyển động của đầu cắt tương đương như dịchchuyển theo phương tiếp tuyến và lượng dư được tạo ra bằng cách cho tia hướng theo tâm quay Tuy nhiên cũng cần phải chú ý rằng trường hợp thứ tư điểm bắt đầu của chuyển động tương đối không thể kiểm soát nổi và như vậy đường chuyển động của tia cho mỗi mặt phẳng có thể khác nhau tùy ý

Hình 1.17Một số mẫu cơ bản dùng khi mài mặt phẳng

Phần 2 của thí nghiệm là xác định ảnh hưởng tương đối của tấm chắn phôi Bằng cách bọc lên phía trên của phôi một tấm chắn quá trình mài mòn phôi bị giới hạn tại vị trí mà ở đó tấm chắn để ngỏ lớp vật liệu phía dưới Cả 2 lần mài tác động lên phía cạnh của tấm chắn đều bị nó lệch về phía khoảng trống được tạo ra cho công đoạn gia công lần hai Công việc này ảnh hưởng đến hình dạng hình học trong vùng lân cận của đường bao của tấm chắn Để nghiên cứu ảnh hưởng này, tấm chắn làm nổi bật rãnh hình vuông bị AWJ cắt chính xác theo các đường song song với rãnh tường từ tấm thép dày 8mm Các rãnh này được tách rời từng cái Tấm được sử dụng dể bảo phủ bề mặt vật liệu và túi được mài đến độ sâu từ 1 đến 5 mm theo

từng bước 1mm

Bảng 1.4Thông số cho thí nghiệm mài mặt phẳng cho các trường hợp khác

nhanh

Tia không liên tục Lưu lượng hạt

Hồng Ngọc

Hồng Ngọc

Hồng Ngọc

Hồng Ngọc

Các thông số Ra, Rzđượcđo đạc theo tiêu chuẩn quốc tế ISO 4287 Giá trị của

nó lấy theo 10 đỉnh 0.5mm về một phía với chiều dài đo 4.8mm và chiều dài cắt 0.8mm

Để xác định độ sóng bề mặt người ta dùng chỉ thị sự biến đổi độ sâu bề mặt, quả bóng dạng đầu dò cóđường kính 0.5mm Để xác định thông số hình học người

ta dùng 1 diện tích 10x10mm và không gian lấy mẫu là 320µm Theo hướng trục x

và trục y, nó cho khoảng 1000 điểm giữ liệu

Số đo 3D của diện tích 10x10mm kết hợp từ 501 rãnh song song 20 µm mỗi bên Theo sự qua lại của rãnh mẫu người ta cũng đo mẫu trên khoảng cách 20µm một

39

e Phương pháp nghiên cứu bề mặt, kết quả thí nghiệm

Để nghiên cứu bề mặt được mài bằng AWJ ta có thể chia làm 3 thành phần chính như sau:

- Độ nhám: Chiều dài sóng nhỏ hơn số gia bước ngang

- Sóng ngang: Điển hình là loại chiều dài sóng bằng số gia bước sóng ngang

- Sóng quá trình: Chiều dài sóng vài milimet

Trong sự phân loại như vậy, độ dốc và những lỗi khác sẽ không được đề cập đến ở đây

Hình 1.18 Độ nhám bề mặt khi gia công bằng tia hạt mài với các độ sâu

khác nhau

Bề mặt đáy của túi được mài là kết quả của việc tập trung của quá trình bóc tách vật liệu của mỗi lần cán qua phôi Trong trường hợp mài với mẫu nằm ngang (hình 1.18)ta có thể dự đoán được kết quả ở phía trước rãnh cán qua Tuy nhiên điều này không thể kiểm tra được bằng mắt Dù vậy thông qua việc phân tích các hình ảnh dữ liệu thu được bằng phép đo bề mặt đã cho, ta có thể tận dụng phép biến đổi

40

Furie hai chiều Hơn nữa phép phân tích này chứng minh một cách rõ ràng: Chiều dài sóng kết hợp với sóng ngang có thể phát hiện đượcchỉ trong một hướng Rõ ràng rằng với kết cấu như mài trước đây đã làm giảm quy mô kết cấu đã không thẻ phân biệt được

Nếu liên tục tăng chiều sâu mài, độ nhám bề mặt đã quan sát được cho thấy rằng nó giữ gần như không đổi (hình 1.18) và nếu để cho cái có gọi là như ngọn sóng không có hướng rõ ràng có thể tìm thấy giống như tăng chiều sâu Chiều sâu thay đổi như đã tạo nên quá trình có hình dạng sóng đó là kết quả của quá trình tạo điều kiện và xác nhận đặc tính cục bộ của vật liệu trong phôi Tóm lại, các loại khả năng bóc tách vật liệu khác nhau gây ra Trường hợp lý tưởng sự không đồng đều

bề mặt là do tính thay đổi theo từng khu vực của phôi (kích thước hạt khác nhau, độ cứng khác nhau ) có thể có lợi ích lớn như một quá trình đi lên Do độ cứng được tiến hành tại các vị trí khác nhau của mẫu.Tuy nhiên, nó cho thấy có sự thay đổi rất nhỏ, nó chỉ ra rằng trong trường hợp trên sự chênh lệch về độ cứng có thể hầu như không có khả năng tác động lớn vảo quá trình tạo sóng bề mặt Tương tự như bề mặt sau gia công là kết quả của sự thay đổi của quá trình tích lũy Bằng phương pháp thống kê đã kết luận được sự không đồng đều trên toàn bộ bề mặt và nên phân chia đều hơn nếu quá trình được tiếp tục dài hơn

Gần với đường biên của túi được mài, giá trị của độ nhám nhỏ không đáng

kể được phát hiện trên bề mặt Điều này chỉ có thể được giải thích bằng cách cho rằng đã xảy ra quá trình gia công thứ cấp do tia nước bị làm lệch đi khỏi cạnh của tấm chắn Giống như tác động sơ cấp làm dịch chuyển các đỉnh không đều nhau của

bề mặt, nhr hưởng đặ trưng lên Rz nhiều hơn lên Ra Hậu sử lí bề mặt được đánh bóng đã được thử nghiệm Có thể ngắt dòng hạt mài hoặc có thể dùng cách thay hạt mài bằng hạt thủy tinh, sau đó quét trên toàn bộ bể mặt Xử lí bằng hạt thủy tinh có thể giúp giảm đáng kể độ nhám bề mặt cả Ra và Rzđến khoảng 40%