Nghiên cứu công nghệ cắt bằng tia nước áp suất cao có trộn hạt mài

Với sự tham gia của hạt mài vào tia nước đã tạo ra khả năng bóc tách vật liệu lớn, mở ra khả năng ứng dụng hoàn toàn mới so với TNASC thuần khiết.. Công nghệ cắt bằng TNASC bằng những tí

Hà Nội – 2012

LỜI NÓI ĐẦU

Ngày nay công nghệ tia nước áp suất cao đã rất quen thuộc với chúng ta, công nghệ này đặc biệt phát triển mạnh và được ứng dụng trong nhiều ngành công nghiệp ở

các nước phát triển như Mỹ, Đức, Nhật, Canada… cũng như trên toàn thế giới

Công nghệ cắt bằng TNASC có hạt mài là một bước phát triển quan trọng và đầy triển vọng, việc tham gia của hạt mài vào tia nước đã tăng đáng kể khả năng cắt và độ chính xác cũng như chất lượng gia công, làm giảm đáng kể chi phí gia công, điều đó đã khắc phục được nhược điểm chính của công nghệ cắt bằng TNASC Với sự tham gia của hạt mài vào tia nước đã tạo ra khả năng bóc tách vật liệu lớn, mở ra khả năng ứng dụng hoàn toàn mới so với TNASC thuần khiết

Trong cuốn luận văn này, học viên đi sâu vào phân tích công nghệ cắt bằng TNASC có trộn hạt mài và giới thiệu về cấu trúc thiết bị với mục đích có được cái nhìn đầy đủ về thiết bị cũng như công nghệ cắt của nó

Học viên xin chân thành cảm ơn TS Nguyễn Văn Huyến đã tận tình giúp đỡ về mặt chuyên môn, xin chân thành cảm ơn lãnh đạo Viện IMI đã tạo điều kiện giúp đỡ về tài liệu và thiết bị để thực hiện thí nghiệm, xin chân thành cảm ơn các bạn đồng nghiệp đã giúp tôi hoàn thành luận văn này

Tuy đã có nhiều cố gắng, nhưng do thời gian và trình độ có hạn, cuốn luận văn này chắc còn nhiều thiếu xót cần bổ sung thêm Rất mong được sự đóng góp ý kiến và bổ xung của đồng nghiệp

Tác giả

Trần Thanh Hoàng

DANH MỤC KÝ HIỆU VÀ CÁC TỪ VIẾT TẮT

Ký hiệu/

Chữ viết tắt Ý nghĩa Đơn vị

v1 Vận tốc dòng tia nước trước đầu phun m/s

v2 Vận tốc dòng tia nước sau đầu phun m/s

p1 Áp suất trước khi ra khỏi đầu phun Pa

p2 Áp suất sau khi ra khỏi đầu phun Pa

cn Tốc độ âm thanh trong môi trường nước m/s

AWJ Abrasive Water Jet - AWIJ Abrasive Water Injection Jet - AWSJ Abrasive Water Suspension Jet -

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ

Số hình Nội dung hình vẽ, đồ thi Trang

1.1 Một số sản phẩm gia công bằn công nghệ tia nước áp suất

2.1 Sơ đồ phân loại công nghệ tia nước áp suất cao 20

2.2 Sơ đồ nguyên lý chính của tia nước áp suất cao thuần khiết 21

2.3 Sơ đồ nguyên lý chính của tia nước áp suất cao trộn hạt mài 24

2.4 Các nguyên lý tạo tia nước áp suất cao trộn hạt mài có áp 25

2.5 So sánh tính chất chung giữa hai phương pháp trộn hạt mài 28

2.6 Những trường hợp tác động của áp suất lên bề mặt vật liệu 30

2.7 Sự phân bố áp suất khi một giọt va đập trên bề mặt vật liệu 31

2.8 Khả năng bóc tách vật liệu phụ thuộc vào khoảng cách đầu

2.9 Sơ đồ lực tác động của tia nước 35

2.10 Tia nước có hạt mài sau đầu phun 38

2.11 Dạng bóc tách vật liệu của một hạt chất rắn 40

2.12 Sơ đồ các yếu tố ảnh hưởng đến công nghệ cắt bằng tia

2.13 Ảnh hưởng của áp suất bơm lên chiều sâu rãnh cắt 44

2.14 Ảnh hưởng của đường kính vòi phun đến chiều sâu rãnh cắt 45

2.17 Ảnh hưởng của lưu lượng hạt mài đến chiều sâu rãnh cắt 47

2.18 Ảnh hưởng của vận tốc cắt đến chiều sâu rãnh cắt 47

2.19 Ảnh hưởng của vận tốc cắt đến năng suất cắt 48

2.20 Ảnh hưởng khoảng cách cắt đến chiều sâu rãnh cắt 49

3.2 Sự phân bố hình dạng của hạt mài 59

4.1 Sơ đồ bố trí thiết bị cắt bằng tia nước áp suất cao 64

4.3 Sơ đồ nguyên lý thiết bị tạo áp của hãng BÖHLER 66

4.4 Sơ đồ áp suất của bộ khuếch đại áp 67

4.5 Sơ đồ cấu tạo cụm cắt 67

4.7 Bình cấp hạt mài trung gian và Van định lượng 69

4.8 Mô tả hình dạng kích thước phôi và vị trí các đường cắt 72

DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU

2.1 Ứng dụng công nghệ làm sạch và bóc tách bằng tia nước 22

2.2 Ứng dụng tia nước áp suất cao thuần khiết trong cắt vật liệu 23

2.3 Hệ số vật liệu 50 3.1 Một số tiêu chuẩn về kích thước hạt mài 57

3.3 Các loại hạt mài dùng trong công nghệ cắt bằng tia nước áp suất

3.4 Các thông số kỹ thuật của hạt mài Garnet 61

4.1 Thông số kỹ thuật của bơm cao áp DYNATRONIC 403 70

4.2 Thông số kỹ thuật của bàn cắt KWS 2010 71

4.4 Bảng đặc tính cơ lý của thép inox mác SUS 304 72

4.6a Kết quả đo chiều sâu mạch cắt với v = 25mm/ph 75

4.6b Kết quả đo chiều sâu mạch cắt với v = 100mm/ph 75

4.8a Kết quả đo chiều sâu mạch cắt với v = 25mm/ph 76

4.8a Kết quả đo chiều sâu mạch cắt với v = 100mm/ph 78

MỤC LỤC

LỜI NÓI ĐẦU 1

DANH MỤC KÝ HIỆU VÀ CÁC TỪ VIẾT TẮT 2

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ 4

DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU 6

MỤC LỤC 7

MỞ ĐẦU 11

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ CẮT BẰNG TIA NƯỚC ÁP SUẤT CAO 13

1.1 Lịch sử phát triển của công nghệ tia nước áp suất cao 13

1.2 Ưu, nhược điểm của phương pháp cắt bằng tia nước áp suất cao 15

1.2.1 Ưu điểm 15

1.2.2 Nhược điểm 15

1.2.3 So sánh với một số phương pháp gia công khác 16

a So sánh với gia công truyền thống 16

b So sánh với gia công bằng tia lửa điện 16

c So sánh với gia công bằng tia laser 16

1.2.4 Một số sản phẩm gia công cắt bằng công nghệ tia nước áp suất cao 18

CHƯƠNG 2 LÝ THUYẾT CƠ SỞ VỀ TIA NƯỚC ÁP SUẤT CAO 19

2.1 Định nghĩa và phân loại công nghệ tia nước áp suất cao 19

2.1.1 Định nghĩa tia nước áp suất cao 19

2.1.2 Phân loại công nghệ tia nước áp suất cao 19

2.1.3 Tia nước áp suất cao thuần khiết 21

2.1.4 Tia nước áp suất cao có trộn hạt mài 23

a Tia nước trộn hạt không áp dạng “Injection” 24

b Tia nước trộn hạt mài có áp dạng “Suspension” 25

2.1.5 So sánh tính năng giữa hai phương pháp trộn hạt mài 26

2.2 Cơ chế tác động và bóc tách (quá trình tạo phoi) vật liệu của tia nước áp suất cao 29

2.2.1 Tia nước áp suất cao thuần khiết 29

a Lý thuyết cơ sở về tác động của tia nước lên bề mặt vật liệu 29

b Áp suất phá hủy, đại lượng đặc trưng cho vật liệu 33

c Bóc tách vật liệu dòn 33

d Bóc tách vật liệu dẻo 36

2.2.2 Tia nước áp suất cao có hạt mài 37

a Lý thuyết cơ sở của tia nước áp suất cao có hạt mài 37

b Quá trình tạo phoi (bóc tách vật liệu) trong công nghệ cắt bằng tia nước áp suất cao có hạt mài……….……… ………38

2.3 Các thông số công nghệ của phương pháp cắt bằng tia nước áp suất cao 41 2.3.1 Các thông số ảnh hưởng đến quá trình tạo ra tia nước áp suất cao 41

a Áp suất 43

b Đường kính vòi phun 44

c Kích thươc vòi phun 45

d Hạt mài 46

e Lưu lượng hạt mài 46

2.3.2 Các thông số ảnh hưởng đến quá trình cắt bằng tia nước áp suất cao……… 47

a Tốc độ dịch chuyển 47

b Khoảng cách cắt 48

c Góc cắt 49

e Vật liệu cắt, chất lượng vật liệu 50

2.4 Công nghệ cắt bằng tia nước áp suất cao dưới nước 50

2.5 Kết luận chương 2 52

CHƯƠNG 3 NGHIÊN CỨU TỔNG QUAN VỀ CÁC LOẠI HẠT MÀI 53

3.1 Nhóm hạt mài tự nhiên 53

3.1.1 Nhóm phân tử 53

3.1.2 Nhóm Carbides (SiC) 54

3.1.3 Nhóm Oxides 54

3.1.4 Nhóm khoáng chất (Spinel Group) 55

3.1.5 Nhóm Silicate (SiO 4 ) 55

3.1.6 Nhóm Phosphates 56

3.2 Nhóm hạt mài nhân tạo 56

3.3 Xác định đặc điểm chung của hạt mài được sử dụng trong công nghệ cắt bằng TNASC ……….56

3.3.1 Sự phân bố của kích cỡ hạt mài 57

3.3.2 Hình dáng hình học của hạt mài 58

3.3.3 Hạt mài trong công nghệ cắt bằng tia nước áp suất cao 59

3.3.4 Lựa chọn loại hạt mài dùng trong thí nghiệm 61

3.4 Kết luận chương 3 62

CHƯƠNG 4 NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM 64

4.1 Cấu tạo chung của thiết bị cắt bằng tia nước áp suất cao 64

4.1.1 Cụm tạo áp 65

4.1.2 Cụm cắt 67

4.1.3 Cụm cấp hạt mài 68

4.2 Thiết kế thí nghiệm 70

4.2.1 Chuẩn bị máy 70

a Thiết bị tạo áp 70

b Cụm cắt và cụm điều khiển 71

c Cụm cấp hạt mài 71

4.2.2 Lựa chọn phôi 72

4.2.3 Giới hạn mục tiêu nghiên cứu thực nghiệm 73

4.2.4 Phương pháp đo và đánh giá kết quả 73

4.3 Nghiên cứu ảnh hưởng của áp suất cắt – tốc độ dịch chuyển đến chiều sâu

mạch cắt 74

4.4 Biện luận kết quả 75

4.5 Nghiên cứu ảnh hưởng của lưu lượng hạt mài – tốc độ dịch chuyển đến chiều sâu mạch cắt ……… ……… 76

4.6 Biện luận kết quả 78

4.7 Kết luận chương 4 79

CHƯƠNG 5 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 80

4.1 Kết luận 80

5.2 Kiến nghị 80

DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO 82

MỞ ĐẦU

Gia công cắt gọt các loại vật liệu khó gia công, vật liệu có độ bền cao, các vật liệu phi kim trong nhiều ngành công nghiệp nói chung và của ngành chế tạo máy nói riêng đang là một thách thức đối với các phương pháp gia công truyền thống, kể các các phương pháp gia công đặc biệt như : laser, plasma, EDM Với các loại vật liệu này không phải phải bất kỳ một phương pháp gia công truyền thống nào cũng có thể thực hiện được, và nếu có thể thực hiện được thì cũng có rất nhiều hạn chế như: năng suất thấp, giá thành cao, ô nhiễm môi trường

Công nghệ cắt bằng TNASC bằng những tính chất, đặc điểm và khả năng công nghệ đặc biệt mà không một phương pháp gia công nào có được, nó đã nhanh chóng được ứng dụng trong nhiều ngành công nghiệp như: hàng không vũ trụ, hàng hải, dầu khí, hóa chất, quân sự, chế tạo máy, thực phẩm, công nghiệp dệt may… với áp suất từ vài trăm đến vài nghìn bar

Sự phát triển và ứng dụng của công nghệ TNASC là một xu thế tất yếu bởi khả năng công nghệ đặc biệt của nó và hơn nữa đó là tính thân thiện với môi trường Đây chính là công nghệ sạch của tương lai

Tuy nhiên, cũng có một vài vấn đề bất cập khi ứng dụng công nghệ này vào sản xuất như:

- Chưa có một cơ sở dữ liệu hệ thống hóa đủ tin cậy để mô tả quá trình cắt và gia công bằng TNASC

- Các cơ sở lý thuyết đã được công bố hiện nay hầu như chỉ dừng lại ở các nghiên cứu rời rạc, hoặc còn là các bí quyết công nghệ của các hãng sản xuất

- Cắt bằng TNASC hàm chứa nhiều hiện tượng phức tạp khó lý giải nếu không

có những nghiên cứu sâu, mối liên quan như các thông số áp suất, tốc độ cắt, khoảng cách cắt…

Ở nước ta hiện nay, phòng thí nghiệm công nghệ gia công phi truyền thống của Viện máy và dụng cụ công nghiệp (IMI) được trang bị hệ thống thiết bị cắt bằng TNASC với áp suất lên tới 4200 bar Do đó cần có sự hiểu biết thấu đáo về thiết bị, công nghệ gia công, các yếu tố ảnh hưởng trong quá trình gia công của phương pháp

và cao hơn nữa là xây dụng được mô hình hóa quá trình gia công nhằm ứng dụng công nghệ tiên tiến này vào sản xuất đạt hiệu quả cao, góp phần công nghiệp hóa, hiện đại hóa đất nước

Mục đích, đối tượng và phạm vi nghiên cứu:

- Tìm hiểu thấu đáo về thiết bị cắt bằng TNASC có trộn hạt mài

- Phân tích động học, động lực học của dòng tia

- Phân tích cơ chế cắt bằng TNASC có trộn hạt mài

- Phân tích các yếu tố công nghệ ảnh hưởng đến kết quả cắt

- Nghiên cứu thực nghiệm mang tính thăm dò ảnh hưởng của tốc độ dịch chuyển, áp suất cắt, lưu lượng hạt mài đến chiều sâu mạch cắt trên đối tượng vật liệu cụ thể là thép không gi SUS 304

Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài:

- Nghiên cứu và hệ thống hóa bản chất của quá trình bóc tách vật liệu của dòng tia nói chung và của hạt mài nói riêng

- Hệ thống hóa và rút ra được mô hình tổng quát sự ảnh hưởng của các yếu

tố công nghệ đến quá trình cắt

- Xác định được ảnh hưởng của tốc độ dịch chuyển, áp suất cắt, lưu lượng hạt mài đến chiều sâu mạch cắt trên đối tượng vật liệu cụ thể là thép không

gỉ SUS 304

- Có khả năng ứng dụng kết quả thực nghiệm vào thực tế sản xuất

- Làm tài liệu tham khảo cho sinh viên

CHƯƠNG 1

TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ CẮT BẰNG TIA NƯỚC ÁP SUẤT CAO

1.1 Lịch sử phát triển của công nghệ tia nước áp suất cao

Từ xưa con người đã biết dùng năng lượng của nước để phục vụ cuộc sống của mình Cùng với sự phát triển của khoa học kĩ thuật, năng lượng của nước càng được sử dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực và ở mức độ công nghệ cao như: Trong ngành năng lượng, giao thông hay khai thác mỏ Khả năng làm sạch và cắt gọt của tia nước chỉ được khai thác khi ra đời công nghệ gia công bằng TNASC Khi nước được nén với áp suất cao thì có một năng lượng phá hủy rất lớn Lợi dụng tính chất này mà công nghệ TNASC đã được hình thành Trong những năm gần đây, nghiên cứu ứng dụng TNASC

đã trở nên đa dạng và quen thuộc trong nhiều ngành công nghiệp ở các nước phát triển Đặc biệt, với khoa học công nghệ vật liệu ngày càng phát triển tạo ra nhiều vật liệu mới có cơ tính cao, chịu mài mòn, chịu nhiệt… Những vật liệu mới này cũng gây nhiều khó khăn cho các phương pháp gia công truyển thống Một nhu cầu thiết yếu là công nghệ gia công mới có thể gia công được các vật liệu này Công nghệ cắt bằng TNASC

là một trong những công nghệ gia công đặc biệt đáp ứng được và hơn nữa khi mà môi trường của chúng ta ngày một ô nhiễm thì việc sử dụng một công nghệ thân thiện với môi trường như công nghệ tia nước rất được khuyến khích

Nói đến công nghệ TNASC là nói đến quá trình chuyển hóa năng lượng, từ tích năng lượng ban đầu qua vận chuyển năng lượng và cuối cùng là giải phóng năng lượng Ở đây nước cùng lúc đóng ba vai trò Do nước là một chất lỏng được tích năng lượng dưới dạng áp suất (thế năng) bởi một thiết bị bơm cao áp, sau đó nước được đẩy qua đường ống cao áp và cuối cùng thoát ra khỏi đầu phun (động năng) có đường kính rất nhỏ so với đường ống để tạo thành tia nước Thực ra công nghệ tia nước không còn

xa lạ gì với chúng ta với những ứng dụng đơn giản ban đầu mà ai cũng biết đó là làm sạch với áp suất thấp chỉ vài bar rồi đến những ứng dụng cho làm sạch và cắt ở áp suất cao hơn đến vài nghìn bar

Có thể nói công nghệ tia nước đã có từ rất lâu, với lịch sử hơn trăm năm phát triển Ứng dụng đầu tiên là vào năm 1853 trong ngành khai thác quặng ở California (Mỹ), để tách mạch vàng ra khỏi đá và đất cứng Áp suất nước lúc này được tạo ra không phải bằng bơm mà bằng sự chênh lệch độ cao cột áp (nước được dẫn từ trên đỉnh núi xuống)

Với sự phát triển của ngành cơ khí và vật liệu, thiết bị tạo áp (bơm) đã ra đời vào năm 1927 ở Đức (Lanz, Manheim) Lúc này công nghệ tia nước mới thực sự được ứng dụng để làm sạch các chi tiết đúc trong ngành cơ khí với áp suất làm việc là 75 bar Năm 1931, thiết bị làm sạch lớp vảy Oxit trên bề mặt thép cán bằng TNASC (40 đến 100bar) lần đầu tiên được chế tạo ở Mỹ

Năm 1940, TNASC được Liên Xô lần đầu tiên ứng dụng tách than đá và đá trong ngành khai thác mỏ, cũng như ứng dụng làm sạch trong ngành xây dựng Đến những năm cuối của thập kỉ 60, ứng dụng đầu tiên về cắt của TNASC ở Mỹ với áp suất bơm

700 bar dùng để cắt các vật liệu phi kim như giấy, nhựa, xốp và thực phẩm…

Cùng với sự phát triển của ngành vật liệu, các thế hệ bơm cao áp dần dần đạt các yêu cầu về tuổi thọ và áp suất Những thiết bị cắt bằng tia nước thuần khiết đã được chế tạo có thể đạt được áp suất tối đa đến 4000bar, mở ra cho ngành công nghệ tia những ứng dụng cắt đa dạng hơn Lúc này tia nước có thể cắt những vật liệu cứng và bền hơn như gỗ, vật liệu nhân tạo, nhựa tổng hợp…Và đặc biệt, với việc trộn hạt mài vào tia nước, năng suất và hiệu quả cắt của tia nước cao hơn rất nhiều Từ đây tia nước mới thực sự được ứng dụng vào gia công cắt gọt với tất cả mọi vật liệu, kể cả những vật liệu không đồng nhất hay những chi tiết làm từ nhiều lớp vật liệu khác nhau

Trong thời gian 1989-1990, TNASC bắt đầu được ứng dụng cắt dưới nước ở độ sâu 400m để cắt thép và bê tông dưới biển Cùng với sự phát triển của thiết bị cắt, giờ đây TNASC có thể cắt dưới độ sâu đến 6000m

Hiện nay trên thế giới có khoảng chừng hơn 400 thiết bị căt bằng tia nước trộn hạt mài thường xuyên làm việc, tập trung chủ yếu ở các nước phát triển như Đức, Mỹ, Pháp, Áo, Nhật… Trong khu vực các nước ASEAN, công nghệ tia nước mới chỉ được ứng dụng trong lĩnh vực làm sạch, công nghệ cắt bằng tia nước trộn hạt mài hầu như còn chưa được khai thác

Ở Việt Nam công nghệ TNASC mới chỉ được biết đến trong vòng 8-10 năm trở lại đây, khởi đầu là những cuộc trình diễn làm sạch ống trao đổi nhiệt tại Hanichemco (Hà Bắc), làm sạch vỏ tàu tại nhà máy đóng tàu Sông Cấm, Bạch Đằng (Hải Phòng), do Viện Máy và dụng cụ Công nghiệp (IMI Holding) thực hiện trên thiết bị 2500 bar của URACA

Không chỉ dừng ở ứng dụng làm sạch, IMI Holding đã trang bị một phòng thí nghiệm các công nghệ gia công đặc biệt, trong đó có thiết bị cắt bằng tia nước có trộn hạt mài sử dụng thiết bị của hãng Bohler có thể tạo áp suất lên tới 4200 bar phục vụ cho việc nghiên cứu công nghệ và từng bước đưa công nghệ cắt bằng tia nước ứng dụng trong các ngành công nghiệp của đất nước

1.2 Ưu, nhược điểm của phương pháp cắt bằng tia nước áp suất cao

- Rãnh cắt có thể bắt đầu ở bất kì chỗ nào mà không cần khoan mồi trước và có thể cắt được các vật liệu cán mỏng Mạch cắt tia nước rất nhỏ giúp tiết kiệm nguyên liệu cho gia công

- Lực cắt và phản lực rất nhỏ nên không yêu cầu cao về độ cứng vững khi gá chi tiết hay lắp đặt thiết bị

- Nhờ tính chất đa hướng của dòng tia cho phép phương pháp gia công bằng tia nước thực hiện được trên những bề mặt khó khăn và phức tạp một cách dễ dàng

Quá trình cắt sử dụng tia nước áp suất cao không gây ra ứng suất cơ, không xảy ra biến dạng nhiệt và vùng ảnh hưởng nhiệt vì thế cho phép gia công nhiều loại vật liệu khác nhau với độ chính xác và yêu cầu cao về chất lượng bề mặt sản phẩm không làm biến đổi cấu trúc tính chất của vật liệu

- Tia nước áp suất cao cắt được hầu như mọi vật liệu: Thép tôi cứng, thép mềm, thép không rỉ (phần lớn thép cắt ở cùng tốc độ dù có khác nhau về độ cứng), đồng thau, nhôm, vật liệu giòn như thủy tinh, gốm, thạch anh, và đá, tấm mỏng, vật liệu dễ cháy, cắt quặng mỏng hoặc quặng dày, tạo được mọi loại hình dạng với chỉ một dụng cụ cắt

- Một ưu điểm nổi bật của công nghệ cắt bằng tia nước áp suất cao là khả năng cắt dưới nước (cắt, dỡ sửa chữa giàn khoan dưới đáy biển, sửa chữa đáy các tàu biển…)

- Ngoài ra, quá trình gia công sử dụng tia nước áp suất không gây ô nhiễm môi trường vì quá trình cắt không sinh ra bụi, các phản ứng hóa học và nhiệt Đây là đặc điểm ưu việt hơn hẳn so với các phương pháp khác

- Tốc độ cắt của tia nước khá chậm, khối lượng bóc tách nhỏ không phù hợp để cắt những vật liệu dầy

- Có nguy cơ tổn thương cho người vận hành nếu hệ thống bị sự cố

- Chi phí cho việc bảo dưỡng thiết bị khá cao

- Công nghệ cắt bằng tia nước áp suất cao là một công nghệ mới, giá thành thiết bị cao

1.2.3 So sánh với một số phương pháp gia công khác

a So sánh với gia công truyền thống

- Tia nước cắt gần như không sinh nhiệt nên không làm thay đổi cấu trúc hay các biến dạng nhiệt lên sản phẩm

- Gia công bằng tia nước áp suất cao chỉ sử dụng tia nước là dụng cụ cắt duy nhất cho tất cả các nguyên công và không cần cơ cấu thay dao hay mài dao

- Đường kính tia cắt rất nhỏ nên dễ dàng gia công những chi tiết có nhiều đường cong hay các hình dạng phức tạp, đồng thời sẽ thải ít phoi và tiết kiệm được vật liệu hơn

- Khả năng gia công của tia nước rộng hơn, có thể gia công nhiều loại vật liệu khác nhau

b So sánh với gia công bằng tia lửa điện

- Gia công nhanh hơn tia lửa điện

- Khả năng gia công phạm vi vật liệu rộng lớn hơn

- Tính đồng nhất không phải là đặc tính quan trọng đối với gia công tia nước

- Dòng hạt mài tạo lỗ xuyên cho chính nó

- Không sinh nhiệt

- Dòng tia nước có khả năng bỏ qua những bất thường của vật liệu mà những bất thường này có thể làm mất tia lửa điện

c So sánh với gia công bằng tia laser

- Gia công được nhiều vật liệu mà laser không thể gia công (vật liệu phản xạ, như nhôm và đồng)

- Tính đồng nhất vật liệu không phải là đặc tính quan trọng

- Dòng tia nước không tạo nhiệt lên chi tiết, vì thế không có biến dạng nhiệt và độ cứng không tăng

- Tia nước có thể đạt được độ chính xác bằng hoặc hơn tia laser

- Giá thành rẻ hơn

- Gia công đuợc vật liệu dầy hơn

- Dòng tia tạo mài an toàn hơn, không có khói độc, không có lửa

- Có tính môi trường hơn

- Bảo trì đơn giản hơn

- Tia hạt mài có khả năng đạt dung sai tương tự trong gia công chi tiết mỏng và đạt

độ chính xác cao hơn trong gia công chi tiết dầy

CHƯƠNG 2

LÝ THUYẾT CƠ SỞ VỀ TIA NƯỚC ÁP SUẤT CAO

2.1 Định nghĩa và phân loại công nghệ tia nước áp suất cao

2.1.1 Định nghĩa tia nước áp suất cao

Trước tiên chúng ta tìm hiểu về khá niệm dòng tia? Dòng tia được hiểu chính là dòng chảy được giới hạn từ tất cả các phía bằng chất lỏng hoặc chất khí, hay nói cách khác là dòng chảy mà từ tất cả các hướng đều là mặt tự do

TNASC chính là dòng tia có vận tốc cực lớn Nó được tạo nên bởi một thiết bị bơm cao áp, sau đó tia nước được đẩy qua đầu phun có tiết diện nhỏ, thông thường đầu phun

có đường kính nhỏ hơn nhiều lần so với đường kính ống dẫn cao áp

Quá trình tạo ra tia nước ấp suất cao chính là quá trình chuyển hóa năng lượng, đầu tiên là tích lũy năng lượng sau đó đến quá trình vận chuyển năng lượng và cuối cùng là giải phóng năng lượng Ở đây nước liền một lúc đóng cả ba vai trò là tích lũy, vận chuyển và giải phóng năng lượng Lợi dụng tính chất chịu nén của nước, người ta đã tích năng lượng ban đầu cho nó dưới dạng áp suất (dạng thế năng) bởi thiết bị bơm cao

áp, và cuối cùng thoát ra khỏi đầu phun với một vận tốc rất lớn (dạng động năng) Thực ra công nghệ tia nước không xa lạ gì với chúng ta từ những ứng dụng đơn giản ban đầu mà ai cũng biết đó là làm sạch với áp suất thấp chỉ vài bar, rồi đến những ứng dụng cho làm sạch và cắt ở áp suất cao hơn đến vài nghìn bar

2.1.2 Phân loại công nghệ tia nước áp suất cao

Việc phân loại công nghệ TNASC (Waterjetting Technology) được dựa trên thành phần của tia và phương pháp tạo thành tia

Hình 2.1 Sơ đồ phân loại công nghệ tia nước áp suất cao 

Dựa trên nguyên lý tạo thành tia, TNASC được chia thành 2 loại tia:

- Tia nước thuần khiết (Pure Waterjet - WJ)

- Tia nước trộn hạt mài (Abrasive Waterjet -AWJ)

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

 Tia nước trộn hạt mài không áp (Abrasive Water Injection Jet - AWIJ)

 Tia nước trộn hạt mài có áp (Abrasive Water Suspension Jet - AWSJ) Tia nước trộn hạt mài có áp được tạo nên bởi 3 nguyên tắc chính:

o Bơm trực tiếp (Direct Pump)

o Bơm gián tiếp (Indirect Pump)

mỡ, cao su vuặng nhôm

n xuất xi m

và dầu thủy

ở máy cán

bám khỏi thhơi

a tia nước áp

hiết được ứn

00 bar) ông, nhựa P

oại, ceramicnghiệp đượcmăng, thép,

Ứng dụng

lực trên đư, bộ lọc, nồ

khớp nối, mhứa, hố thu

yển tải, máy

t

các lĩnh

ừ 1600 –

r) hết các hóa chất

máy bay

và rãnh

y, lưới

Xi măng Xe bồn, thùng, sàn, tường, lò quay, nền lò, bộ tiền gia nhiệt

Xây dựng Bê-tông, nhựa đường, asphalt, vữa, chất bẩn, mỡ, sét trên phương

tiện vận chuyển, xe trộn, máy móc, thiết bị, cốt liệu ở đập, cầu thang, kênh, cống thoát nước, xi măng

Quá trình hóa

học Hóa chất từ các chùm ống, ống nồi hơi, bộ trao đổi nhiệt, téc, ống, bồn, van, bộ hóa hơi, lò phản ứng và thiết bị, tấm điện phân Xưởng đúc Bóc tách ô-xít kim loại, chất lưu bám, vật đúc, lò nấu và dụng cụ

khuấy, rót

Xa lộ Bùn, mỡ, nhựa đường, xi măng hoặc asphalt trên các phương tiện

vận chuyển và máy móc, nhựa đường và ma-tít trên bê-tông, khe giãn nở, vật sơn, ống dây điện ngầm, lột sơn cũ, rào chắn chuẩn bị trước khi sơn

Chế tạo máy Làm sạch vật liệu và chi tiết, chuẩn bị bề mặt, làm sạch tấm che, giá

đỡ, vật liệu hình thành do bám dính

Hàng hải Hà, sinh vật biển, tẩy sơn và gỉ trên thân tàu, sàn, boong tàu, dằn

tàu, khoang chứa, téc, nồi hơi và làm sạch dưới nước các ống nền Luyện kim Vảy cán, gỉ và tẩy mối hàn từ thùng mới, ống, và téc

Đô thị Làm sạch cống, ống thoát, thiết bị vệ sinh, xe rác, bể chứa; phục chế

nhà, tường hỏng hoặc bị bào mòn

Nhà máy hạt

nhân

Tẩy chất bẩn & làm sạch thiết bị trước khi bảo dưỡng; bộ trao đổi nhiệt ống hình “U”

Mỏ dầu Paraffin và chất lưu bám thô trên nền và téc chứa, bùn khoan và xi

măng từ đường ống và thiết bị Hóa dầu Vảy và chất lưu bám trên các bộ trao đổi nhiệt, lò phản ứng, téc,

tháp làm mát, đường ống & thiết bị Dược phẩm Hóa chất ở nồi, ống, ống dẫn, máy trộn, bộ trao đổi nhiệt, nồi phản

ứng, bộ lọc, máy cô Bãi ống Đánh gỉ trước khi sơn lại, làm sạch sơn và dầu ở mối ren, bùn

khoan và mảnh vụn trong lòng

Nhà máy điện Tro bay từ bộ tiền gia nhiệt, xỉ từ dầu đốt, xyclon, nồi hơi và bộ siêu

gia nhiệt Bột giấy và

giấy Dịch đen, bột giấy, hắc ín từ bộ trao đổi nhiệt, ống máy ép, cuộn hút, kho, lớp nhạy sáng Đường sắt Bồ tạt, thạch cao, xi măng, đá vôi, mỡ ở các xe thùng, xe tải, xe

goòng

Nhà máy tinh

luyện (kim

loại)

Than cốc, vảy, cacbon, polymer ở bộ trao đổi nhiệt, ống dẫn & téc

Cao su Latex, mủ cao su, cặn nước ở thùng phản ứng, téc chứa, chuyển tải,

bộ trao đổi nhiệt, con lăn cao su, ống dẫn

Nhà máy cưa Lóc vỏ cây

Cán thép Than cốc từ bộ trao đổi nhiệt, nồi hơi, lò nấu, máy rót & thùng Chuẩn bị bề

mặt Gỉ sơn, vật đúc, phun cát ướt, phun hạt mài hòa tan

Giếng nước Lấy đi các bẩn bám & chất lắng đọng ở lưới, hộp sỏi hở

Bảng 2.1 Ứng dụng công nghệ làm sạch và bóc tách bằng tia nước [4]

Trong ứng dụng cắt vật liệu, căn cứ vào dải áp suất khác nhau, TNASC được chia thành các nhóm ứng dụng

Áp suất Lĩnh vực ứng dụng

1600 – 2000 bar Cắt phá bê tông, cắt thực phẩm trong ngành công nghiệp chế

biến thực phẩm, cắt các vật liệu mềm trong ngành hóa chất

2000 – 3500 bar Cắt nhựa PVC, giấy, gỗ, vải và composit, giải phẩu trong y

tế

3500 – 4500 bar Cắt kim lại, hợp kim cứng, ceramic ở các độ mỏng khác

nhau

4500 – 10000 bar Nghiên cứu trong phòng thí nghiệm

Bảng 2.2 Ứng dụng tia nước áp suất cao thuần khiết trong cắt vật liệu

2.1.4 Tia nước áp suất cao có trộn hạt mài

Để tăng hiệu quả của cắt tia nước trong công nghệ TNASC, người ta đưa hạt mài hòa vào với dòng tia Những hạt mài nhỏ, cứng và có cạnh sắc khi chuyển động cùng tia nước lúc ra khỏi đầu cắt có năng lượng phá hủy rất lớn, cho nên chúng là tác nhân chính cho quá trình cắt gọt

ước trộn hạ

tia nước cóHạt mài khôợng qua vít

do chênh lệvận tốc của

t hạt mài bở

ng pháp trộvới khoang

ối thiểu sự

và ống hội

hạt mài khô nguyên lý c

ạt không áp

ó áp suất c

ô được chứ

t tải, băng ệch áp và h

p dạng “Inj

cao có hạt m

a trong thùntải hoặc sàn

òa chung c

c và bắn ra

ch áp nên chkhông áp n

trong ống hhời phải ch

hội tụ, ngườhỉnh độ đồn

ý tia nước t suất cao trộ

phương phá

à dẫn đến khHạt mài đượtia nước, ởkhi đi qua ố

a ống dẫn hhải bố trí th

ợc tia nước

ở đây hạt mống dẫn hội hạt mài là ghùng chứa

chỉnh độ đồống hội tụ

i có áp

phải có bằng hệ hút vào mài được

tụ giới hạn hạt mài

ồng trục

ụ và trục

ại hạt mài

u lượng hạt

ước trộn hạ

ương pháp Avới áp suất

h 2.4 Các n

ở, hạt mài đ

trộn hạt mà

ầu phun hội tụ

Có 3 nguyên lý tạo ra tia nước trộn hạt mài có áp là:

- Bơm trực tiếp (Direct Pump) : hạt mài được trộn lẫn cùng nước và bơm trực tiếp từ bơm cao áp ra vòi phun

Nguyên lý này ngày không còn được áp dụng nữa do tính mài mòn cao của hạt mài trong quá trình bơm

- Bơm gián tiếp (Indirect Pump) : hạt mài được trọng với nước không áp thành dạng huyền phù “suspension”, dung dịch trộn hạt mài được đưa vào bình chứa và nén trực tiếp bằng pistol tới vòi phun

Nguyên lý này có nhược điểm là khả năng định lượng và phân phối hạt mài trong dung dịch trộn Để khắc phục nhược điểm này, nhiều 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 Lượng dung dịch có hạt mài được trộn với dòng tia nước chính thông qua một van định lượng, nguyên lý này hiện tại được sử dụng đến áp suất 2000 bar trong nghiên cứu

Ưu điểm của nguyên lý này là có thể điều chỉnh lượng hạt mài trong dung dịch huyền phù tương đối chính xác, qua đó chất lượng khi gia công ổn định, hiệu suất cao hơn

Một số thí nghiệm cũng trộn thêm hạt polyme để giảm mài mòn của hạt mài Việc trộn polyme không những có tác dụng giảm mài mòn, tăng tuổi thọ của vòi phun mà còn có tác dụng tăng chất lượng bề mặt gia công Kết quả này giúp cho việc ứng dụng tia nước áp suất cao trong gia công tinh chế hàng thủ công mỹ nghệ đòi hỏi chất lượng

bề mặt cao

2.1.5 So sánh tính năng giữa hai phương pháp trộn hạt mài

Căn cứ vào phương pháp trộn, tia nước có trộn hạt mài được chia thành 2 loại là : Tia nước trộn hạt mài không áp (Abrasive Water Injection Jet - AWIJ) và Tia nước trộn hạt mài có áp (Abrasive Water Suspension Jet - AWSJ)

- Trong phương pháp AWIJ, hạt mài được tia nước hút vào khoang trộn do chênh lệch áp suất và bắn ra ngoài sau khi đi qua ống dẫn hội tụ Ở đây hạt mài được tăng tốc sau đầu phun

Do quá trình trộn hở, hạt mài được cấp liên tục từ đường dẫn nên tia AWIJ bao gồm :

 Nước : chiếm khoảng 3,6%

 Hạt mài : chiếm khoảng 0,4%

 Không khí : chiếm khoảng 96%

- Trong phương pháp AWSJ, hạt mài đã được trộn với nước trong bình nén và được tăng tốc cùng với áp suất dòng nước khi đi qua đầu phun

Thành phần tia AWSJ bao gồm

 Nước : chiếm khoảng 95%

 Hạt mài : chiếm khoảng 5%

Do đó hiệu suất gia công bằng phương pháp tia AWSJ cao hơn nhiều so với gia công bằng phương pháp tia AWIJ

Với phương pháp AWIJ hạt mài được hút hở do chênh lệch áp nên khoảng cách ống dẫn từ bình chứa hạt mài đến đầu trộn là giới hạn, trong khi với phương pháp AWSJ hạt mài có áp được trộn trong chu trình kín có bình nén cao áp (tương đương áp suất của dòng nước) nên bình nén có thể nằm cách xa vòi phun

Tuy vậy vì phải trộn trước trong bình nén nên quá trình gia công bằng tia AWSJ được coi là không liên tục, hoặc liên tục khi sử dụng 2 bình nén thay đổi nhau (khi bình nén này làm việc thì bình nén kia nạp hạt mài), trong khi quá trình gia công bằng tia AWIJ là liên tục do hạt mài được cấp hở từ ngoài

2.2 Cơ chế tác động và bóc tách (quá trình tạo phoi) vật liệu của tia nước áp suất cao

2.2.1 Tia nước áp suất cao thuần khiết

a Lý thuyết cơ sở về tác động của tia nước lên bề mặt vật liệu

Đặc điểm của tia nước tự do thuần khiết là tính chất của nó thay đổi theo chiều dài của tia Bên cạnh áp suất và tốc độ, sự phân bố mật độ của tia theo hướng dọc và hướng kính cũng thay đổi Mật độ của tia ở bên ngoài, cũng như dòng rối trong lõi tia gây nên tác động thay đổi theo thời gian và theo vùng lên bề mặt vật liệu, Cho nên mặc

dù biết được các thông số của tia, ta vẫn chưa thể biết được cơ chế tác động nếu như không nghiên cứu khả năng tác động đơn khác nhau đồng thời với toàn bộ tác động của tia

Tác động cực đại của tia tự do, liên tục được coi là tác động của áp suất nén Nó chỉ xuất hiện trong trường hợp lý tưởng ở ngay sau đầu phun, trong vùng lõi của tia Tác động của áp suất nén được xác định lý thuyết theo công thức năng lượng dòng chảy của Bernoulli như sau :

(2.1)

(các chỉ số 1 và 2 tương ứng với trước và sau đầu phun)

Công thức này chỉ đúng cho dòng chảy không bị nén, trong trường hợp bỏ qua ma sát của nước với đầu phun và đường ống Vì động năng của tia tại một điểm trước đầu phun rất nhỏ so với thế năng, và áp suất bao quanh tia sau khi nước ra khỏi đầu phun lại rất nhỏ so với áp suất của toàn bộ quá trình, nên ta có thể bỏ qua chúng Nghĩa là khi v10 và p20 thì công thức (2.1) có thể viết gọn thành :

ác định bằn

pvđ = 

c này chỉ g

ác phần tử gtĩnh tức thì

tế, cơ chế pgọi là tia liêcác xung v

én lớn nhấhỏi đầu phu

ong trường

ng lớn hơn, 2.6)

a tia luôn bađộng của ápcác phần tử

huyết có thloe rộng vàrất nhiều so

g của áp suấ

tác động hộng va đập

hợp kích ngoài tác đ

hợp các tác

và động ở pcàng xa đầu

(2.4

c Trên thựách ra theo

lý thuyết

ặt vật liệu

ộng của tiagiọt đơn lẻ

(2.5)thật nhỏ v

ra, ta còn ph

c động tĩnhphạm vi bao

u phun, thàn

4)

c tế, tia khoảng

, do các theo lý

vì trong hải để ý

h ở vùng

o quanh

nh phần

h 2.7 Sự phâ

iọt chất lỏn

ập trong kh

t nén[14] Áphẳng mà cmặt vật liệướng kính (h

và từ một k

ân bố áp su

ng đập vào bhoảng thời

Áp suất vachỉ bằng m

u, giọt chấhình 2.7)

khoảng cách

uất khi một g

bề mặt vật rgian cực n

a đập của gmột vành kh

t lỏng sẽ tạ

h nhất định

giọt va đập

rắng thì trưngắn (tronggiọt không huyên bao q

t sóng va đ

toàn còn tá

ặt vật liệu

mặt đó sẽ c1ms) sau đ

ên bề mặt giọt [15]

đập lan tỏa

ác động

chịu một

đó giảm vật liệu Sau khi

ra xung

hủy của giọ

h tia ở bên đầu phun tă

số tạo thành

ia nước tự dđều có một

va đập đơn l

u dẻo (hình

a nước tự dgian và khô

ọt Sự tạo thrìa xung quăng, các gi

h tia như áp

do còn phụkhoảng các

lẻ của tia đạ2.8)

do tác động ông gian, nh

bề mặt vật lcủa tia nước

vật liệu phụ

ợng chất lỏ

c động lên b

g với ứng sxung (hàm hành giọt cuanh tia vàiọt sẽ lớn d

p suất, đườnthuộc rất n

ch nhất định

ạt giá trị cự

lên bề mặt hững lực nàliệu và cuố

c tự do thuầ

ụ thuộc vào

ỏng của giọt

bề mặt vật suất tiếp đưcủa tốc độcủa tia có th

à nó phụ thudần và tốc đ

ng kính và hnhiều vào kh

và độ lớn

hể dễ dàng uộc vào chi

độ của chúhình dạng đhoảng cách tác động ph

u này có thể

ằng những lcác ứng suấtách các h

ch đầu phu

sát với bềạnh độ lớn

n bởi sự va của giọt) xquan sát troiều dài của úng giảm điđầu phun, kđầu phun

há hủy của

ể nhận biết

lực cắt và n

ất dẫn đến phạt ra khỏi v

n

mặt vật biên độ đập của xác định ong quá tia Khi

i Ngoài khả năng Đối với tập hợp rất rõ ở

nén thay phá hủy vật liệu

b Áp suất phá hủy, đại lượng đặc trưng cho vật liệu

Áp suất phá hủy là áp suất làm việc của tia nước và với áp suất này tia nước trong một khoảng thời gian nhất định sinh ra một ứng suất nào đó lên vật liệu mà vừa đủ gây nên hiện tượng bóc tách vật liệu hay làm biến dạng vật liệu Nằm dưới ngưỡng của áp suất này, chưa có sự biến dạng hoặc bóc tách nào có thể đo được trên vật liệu [16]

Về nguyên tắc, ta phải chia áp suất phá hủy thành hai loại, áp suất phá hủy tĩnh và

áo suất phá hủy động

- Áp suất phá hủy tĩnh có thể được xác định bằng thí nghiệm khoan lỗ trên vật liệu với khoảng cách đầu phun nhỏ sao cho tia nước lúc này chỉ là tia liên tục Thí nghiệm với áp suất nhỏ, sau tăng dẫn áp suất lên cho đến khi vật liệu bắt đầu bị bóc tách và đường kính chỗ bị bóc tách phải nhỏ hơn đường kính của tia

- Áp suất phá hủy động được xác định bằng nhiều cách nhưng cách đơn giản

và hay dùng nhất là ta chắn và mở tia liên tục theo chu kỳ Như vậy là từ tia tĩnh

ta chuyển thành tia động

Thí nghiệm xác định áp suất phá hủy động bây giờ lại giống như thí nghiệm xác định áp suất phá hủy tĩnh Ta tăng dần áp suất đến khi nào nó vừa đủ lớn để có thể đo được sự bóc tách hay biến dạng trên vật liệu thì đó chính là áp suất phá hủy động của vật liệu

Trong nhiều tài liệu, ta có thể tìm thấy những báo cáo thì nghiệm tìm ra áp suất phá hủy của nhiều vật liệu Tuy nhiên áp suất phả hủy của cùng một vật liệu ở các tài liệu khác nhau cũng ít khi giống nhau Có thể giải thích sự không thống nhất này là do những thông số thí nghiệm khác nhau dẫn đến kết quả thí nghiệm khác nhau Chẳng hạn như các thông số về đường kính, hình dạng đầu phun, thời gian tác động hay sự không đồng nhất của cùng một vật liệu

c Bóc tách vật liệu dòn

Những vật liệu dòn là những vật liệu mà tính chất của chúng hầu như chỉ mang đặc tính đàn hồi hay những vật liệu thiếu đặc tính Woehler Những vật liệu dòn có thể kể tên : kính, gốm, PMMA, đá tự nhiên … Quá trình phá hủy của vật liệu dòn bắt đầu sau khi quá tải vượt quá giới hạn đàn hồi Sau khi đạt được ứng suất cực đại, quá trình phá hủy vật liệu kết thúc nhanh với ứng suất thấp

Khi một tia nước liên tục tác động lên bề mặt vật liệu, sau khi vượt qua giới hạn áp suất phá hủy riêng của vật liệu, nó sẽ gây ra một vết xé trên bề mặt vật liệu, tạo tiền đề cho quá trình bóc tách vật liệu Còn đối với tia không liên tục, quá trình bóc tách phụ thuộc trước tiên vào thời gian của những xung va đập, trong đó những xung đơn lẻ tối thiểu phải đủ lớn để tạo ra những vết xé

Cơ chế bóc tách của tia nước đối với vật liệu dòn có thể được mô tả theo các bước sau [16,17,18,19]:

- Trước tiên là việc xuất hiện những vết xé trên bề mặt vật liệu Vết xé này được kích vỡ bởi gradien áp suất lớn tạo ra ứng suất kéo trên bề mặt vật liệu Nguyên nhân của độ dốc áp suất này có thể do tia tĩnh ổn định hoặc cũng tể do tia động gây nên

- Bước tiếp theo của quá trình xé là sự tăng cường áp suất thủy tĩnh và thủy động trong rãnh và khe của vật liệu Quá trình này phụ thuộc nhiều vào áp suất nén

- Những vết xé tế vi nối tiếp nhau sẽ tạo tành một vết lớn có thể nhận thấy được và cuối cùng làm cho các hạt vật liệu bị tách ra

- Quá trình bóc tách vật liệu cứ như vậy diễn ra tuần tự từng bậc một, trong đó

độ lớn của mỗi bậc tương ứng với độ lớn của hạt vật liệu bị tách ra Vì quá trình tạo thành vết xé diễn ra với một tốc độ giới hạn, nên để đạt được năng suất bóc tách vật liệu cao, tia nước tĩnh với biên độ áp suất lớn hơn áp suất phá hủy sẽ cho ta năng suất cao hơn tia nước không liên tục

Có một điều cần lưu ý là những vật liệu dòn trong tự nhiên như nhiều loại đá tự nhiên đã có sẵn những vết nứt tế vi ngay trong vật liệu, nên khái niệm sự tạo thành vết

xé khi bóc tách có khác đi so với các vật liệu khác Nói đúng hơn là cơ chế bóc tách những vật liệu mà có lỗi cấu trúc như đã tự nhiên của tia nước bắt đầu từ bước kích vỡ những vết nứt tế vi có sẵn để tạo thành những vết xé lớn hơn có thể nhận biết được

Bổ xung thêm cho cơ chế cắt cả tia nước kể trên là tác động rất lớn của ứng suất tiếp lên bề mặt vật liệu được tạo thành từ dòng chảy thoát của tia nước theo hướng kính gây ra ma sát và xâm thực với vật liệu Trước khi các hạt bị tách khỏi vật liệu thì có sự tạo thành áp suất nén cục bộ, áp suất này chính là nguyên nhân dẫn đến việc cắt các hạt bao quanh tia Đặc tính xâm thực xuất phát từ sự thay đổi mạnh của dòng chảy trong phạm vi xung quanh làm sói lở các hạt vật liệu cũng đóng một vai trò quan trộng trong

cơ chế bóc tách của tia nước

Cũng như tính cơ học, tính chất dòng chảy của TNASC khi gặp bề mặt đã được khía rãnh từ trước khác rất nhiều so với gặp bề mặt phẳng Lực nén của tia theo hướng

ở đáy của k

ới thành bêhận được to

n có thể hạn

H

ia nước chạthời gian tá

ệt sự tạo thàtác động t c

t

ần dịch chu

ẽ tăng đánghoàn toàn, ích cực kểkhía rãnh gâ

n của rãnh oàn bộ năng

n chế bằng p

Hình 2.9 Sơ đ

ạy đi chạy

ác động lên ành lớp nướcho một lần

uyển với n l

g kể khi tia lực có thể đtrên, do vi

ây nên tác dcũng gây

g lượng củaphương phá

đồ lực tác đ

lại với tốcmột vị trí n

ớc đệm

n dịch chuyể

lần tốc độ d

bị bẻ lái điđược tăng giệc tạo thàndụng giảm

ển được tính

dịch chuyển

i một góc ngấp đôi

nh một lớpchấn, làm ợng giảm x

ng muốn

thể giữ

ại có thể

Một điều cần lưu ý ở đây là tốc độ các bước tạo thành vết xé có một giá trị nhất định, nên ta không thể tăng một cách bất kỳ tốc độ dịch chuyển được

Qua việc chủ động tạo dao động của tia theo phương vuông góc với phương chuyển động, ma sát của tia với thành bên của rãnh khía có thể được giảm đáng kể Như vậy là tia nước luôn làm việc ở vùng phía trước, năng lượng của tia nước không bị mất đi do

ma sát với thành bên Khi thay đổi nhanh điểm tác động của tia thì ngay cả khi ta cho tốc độ dịch chuyển bàn chậm cũng vẫn có thể tránh được tác dụng không mong muốn của việc tạo thành lớp đệm nước

Như vậy là chỉ qua những biện pháp công nghệ mà không cần phải thay đổi các thông số của tia, năng suất bóc tách được tăng lên đáng kể

d Bóc tách vật liệu dẻo

Đặc điểm nổi bật của bóc tách vật liệu dẻo là việc bóc tách những phần đã bị biến dạng dẻo ra khỏi bề mặt vật liệu Sự hóa rắn tùy thuộc sẽ tạo ra vết xé và cuối cùng làm

vỡ các hạt ra khỏi vật liệu

Nguyên nhân của sự biến dạng là do áp suất nén của tia liên tục gây ra ứng suất nén

và ứng suất tiếp lên bề mặt vật liệu Độ dốc áp suất lớn ở bên cạnh lõi tia gây nên ứng suất kéo lớn theo hướng kính xung quanh tâm tia, tạo ra những kích xé đầu tiên Những điểm của vật liệu do ứng suất tiếp gây ra trong lòng vật liệu cũng làm lợi cho quá trình kích xé Cũng như với vật liệu dòn, các bước tạo thành vết nứt trong vật liệu dẻo phụ thuộc chủ yếu vào áp suất Khi các vết nứt nhỏ bên cạnh và bên dưới bề mặt vật liệu nối lại với nhau sẽ làm các hạt bị tách ra khỏi vật liệu

Tia không liên tục cũng gây ra quá trình phá hủy tương tụ Độ lớn xung tối thiểu của một giọt đơn lẻ phụ thuộc rất nhiều vào tính xói mòn của vật liệu [17] Để có thể đạt được năng suất bóc tách cao nhất cần phải có nhiều xung áp va đập với độ lớn tối thiểu được tạo ra Với những vật liệu có đặc tính Woehler mở rộng thì tính chất bóc tách trên càng dễ nhận thấy

Trên thực tế, đối với tia nước tự do thì cả hai cơ chế bóc tách trên đan xen nhau, nên ta không thể sắp xếp và giải thích một cách rõ ràng nguyên nhân và tác động của chúng Thực chất có một số vật liệu với khoảng cách đầu phun tối ưu, ta có thể đạt được phối hợp tác động của áp suất nén và những va đập của các giọt tốt nhất gây ra phá hủy mạnh nhất

ộ cực đại k

ạt mài Tóc

v

cao có hạt của tia nướ

nh 2.10 Tia

bằng TNASheo nguyêntrong khoakhoang trộqua ma sát vkhoang trộnkhi ra khỏi

ộn Khi bị hvới các phầ

n và chủ yếống dẫn hASC có hạt

cao có hạt m

ạt mài sau đ

hạt mài, TNhày, do tốc

o thành sự chút vào kh

ần tử giọt c

ếu trong phạhội tụ và ch

ạm vi của ốhúng được pđược tính th

c thêm hạt

ớn của tia nưuất làm cho hạt mài sẽ

c, hạt mài ống dẫn hộiphân bố đềheo công thứ

(2.8)

mài sau ước sau hạt mài gặp tia

sẽ được

i tụ Hạt

ều trong

ức

Do tốc độ ban đầu của hạt mài vhm là quá nhỏ so với các đại lượng khác, nên công thức (2.8) có thể rút gọn thành

Ảnh hưởng lớn nhất đến sự mất mát năng lượng là chiều dài của ống dẫn hội tụ, chiều dài ống dẫn hội tụ càng tăng thì khả năng mất mát năng lượng càng lớn Ta có thể làm giảm mất mát năng lượng bằng cách tối ưu hóa quá trình trộn hạt mài vào tia nước với việc ngăn hoặc làm giảm tối đa thành phần của không khí trong lòng hạt mài khi được hút vào khoang trộn và tối ưu lưu lượng hạt mài[21] Ma sát giữa dòng tia nước hạt mài với thành ống dẫn hội tụ (thường được làm từ vật liệu wolframcarbit hoặc borrcarbit) tạo ra mất mát năng lượng không thể tránh khỏi và đây cũng là nguyên nhân gây nên sự mài mòn ống dẫn hội tụ

b Quá trình tạo phoi (bóc tách vật liệu) trong công nghệ cắt bằng tia nước áp suất cao có hạt mài

Khi TNASC có hạt mài bắn vào bề mặt vật liệu, ngoài tác động của TNASC thuần túy, vật liệu còn chịu tác động của các hạt mài có tốc độ rất lớn Tỷ lệ của các tác động đơn lẻ phụ thuộc vào kích thước, chất liệu và lưu lượng hạt mài, tỷ lệ của dòng hỗn hợp chất lỏng – vật rắn cũng như sự tăng tốc hạt mài, chịu ảnh hưởng bởi kích thước hình học của khoang trộn và ống dẫn hội tụ

Dạng tác động lên vật liệu ở đây là tác động va đập vì tia nước về nguyên lý là tia

bị phân tách thành những phần tử giọt đơn lẻ Tác động của áp suất nén chỉ xuất hiện hoặc nếu tỷ lệ hạt mài trong dòng tia hỗn hợp quá nhỏ thì lõi tia mới có thể tới được bề

mặt vật liệu hoặc nếu tia bắn vào đúng điểm rãnh khía trên bề mặt vật liệu gây ra sự tạo thành lớp đệm nước như đã nói ở trên

So với TNASC thuần khiết, TNASC có hạt mài có những điểm khác biệt sau:

- Khối lượng của những hạt chất rắn (hạt mài) lớn hơn rất nhiều so với khối lượng của một giọt khi tách khỏi tia Cho nên xung ứng suất va đập của từng hạt đơn lẻ lớn hơn rất nhiều so với xung của giọt mặc dù tốc độ của nó nhỏ hơn so với tốc độ của tia nước tự do liên tục

- Khi va đập vào bề mặt vật liệu, hạt mài chỉ bị biến dạng rất ít, do đó tạo nên ứng suất lớn hơn rất nhiều Vì hạt mài không bị biến dạng sang hai bên cho nên thời gian tác động cũng lâu hơn so với của giọt

- Diện tích tác động phụ thuộc vào hình dáng và vật liệu của hạt mài Do hình dạng của hạt mài thường là có góc cạnh nên về nguyên tắc tiết diện tác động của hạt mài nhỏ hơn tiết diện lõi tia nước tự do thuần khiết Từ đó suy ra với cùng một xung lực thì tác động của các hạt mài lên một đơn vị diện tích trên bề mặt vật liệu lớn hơn rất nhiều

- Trong quá trình thêm hạt mài với tia nước, tia nước tụ do liên tục bị phá vỡ mạnh và tự chuyển thành tia giọt với cường độ tác dụng tăng lên Điều này đặc biệt có ý nghĩa khi cắt đứt hoặc khía rãnh những vật liệu có độ dẻo lớn, những vật liệu có tính chất chung là tương đối nhạy cảm với kiểu tác động này

Tất cả những đặc điểm trên phụ thuộc trước tiên vào tỷ lệ nước – hạt mài Khi dòng hạt mài tăng lên, hiệu quả cắt gọt của tia nước cũng tăng theo Dòng tia nước ngoài nhiệm vụ vận chuyển hạt mài đến điểm cắt vầ tăng tốc hạt mài cũng có tác dụng tham gia vào quá trình bóc tách vật liệu như gây ra hiện tượng xâm thực, kích vỡ vết xé và

mở rộng vết xé Tuy nhiên phần đóng góp này của tia nước cho đến nay vẫn chưa xác định được vì chưa thể tách được tác dụng xâm thực của tia nước và hạt mài [22,23,24,25]

Không như tia nước thuần khiết, việc xác định áp suất phá hủy của TNASC có hạt mài tương ứng với từng loại vật liệu chỉ có thể thực hiện được dưới những điều kiện cho trước nhất định do những nguyên nhân chính sau:

- Một mặt khả năng phá hủy của TNASC có hạt mài phụ thuộc trước tiên vào dòng xung lượng của hạt mài, hay nói cách khác là phụ thuộc vào động năng của hạt mài Tác động tăng tốc hạt mài của TNASC thuần khiết tạo ra dộng