Nghiên cứu này nhằm phân tích các chuyển động tương đối giữa phôi và tia cắt cần điều khiển, từ đó hỗ trợ việc xây dựng và áp dụng các sản phẩm phần mềm lập trình vào điều khiển quá trình gia công trên máy CNC.
Trang 1NGUYÊN LÝ TẠO HÌNH BỀ MẶT CHI TIẾT KHI GIA CÔNG BẰNG TIA NƯỚC CÓ HẠT MÀI KẾT HỢP VỚI PHƯƠNG PHÁP
ĂN MÒN ĐIỆN CỰC ANOT
THE PRINCIPLE OF SURFACE FORMING BY WATERJET
METHOD COMBINED WITH THE METHOD OF ELECTROCHEMICAL CORROSION ANODE
Nguyễn Văn Toàn 1 , Bacherikov Ivan Viktorovich 2
Email: toanckct@gmail.com
1 Trường Đại học Sao Đỏ, Việt Nam
2 Trường Đại học Tổng hợp Kỹ thuật Lâm nghiệp Xanh Petecbua - LB Nga
Ngày nhận bài: 4/12/2017 Ngày nhận bài sửa sau phản biện: 26/12/2017
Ngày chấp nhận đăng: 28/12/2017
Tóm tắt
Trong giai đoạn hiện nay, việc nghiên cứu và phát triển phương pháp gia công kết hợp giữa phương pháp gia công tia nước có hạt mài và phương pháp ăn mòn điện cực anot đã được nhiều công trình nghiên cứu chứng minh tính khả dụng của nó trong việc nâng cao chất lượng bề mặt khi gia công bằng tia nước có hạt mài Tuy nhiên, tới nay việc áp dụng phương pháp gia công này để gia công các chi tiết có hình dạng phức tạp, đảm bảo dung sai hình dáng hình học của chi tiết còn hạn chế do chưa có phần mềm lập trình và điều khiển trên máy CNC chuyên dùng Nghiên cứu này nhằm phân tích các chuyển động tương đối giữa phôi và tia cắt cần điều khiển, từ đó hỗ trợ việc xây dựng và áp dụng các sản phẩm phần mềm lập trình vào điều khiển quá trình gia công trên máy CNC
Từ khóa: Gia công bằng tia nước; ăn mòn điện cực; nguyên lý tạo hình; tia cắt; hình dáng hình học.
Abstract
In the recent, the research and development of the method of processing combined with the method
of waterjet and the method of electrochemical corrosion anode are proven with the feasible in the improvement of the surface after processing by waterjet However, the application of synthetic method processing to work the parts that have complex shapes, ensuring the accurate geometric because
of short of programming and controlled on specialized CNC machines This study aims to analyze the relative motion between the workpiece and the ray cutting that facilitating the development and application of programmed software products to control the machining process on CNC machines
Keywords: Waterjet cutting; electrode corrosion; forming principle; ray cutting; geometric shape.
1 ĐẶT VẤN ĐỀ
Một trong những phương pháp triển vọng để cắt
kim loại là phương pháp gia công bằng tia nước
áp suất cao Phương pháp này cho phép cắt mọi
vật liệu với chiều dày cắt lớn và biên dạng phức
tạp - trong quá trình gia công không có sự phát
sinh nhiệt cắt và các yếu tố độc hại ảnh hưởng
đến người lao động và môi trường Để tăng khả
năng cắt bằng tia nước áp suất cao người ta cho
thêm vào tia nước những hạt mài [1] Các loại vật
liệu hạt mài thường được sử dụng là Al2O3, SiO2
và garnet
Tuy nhiên, hiện tượng thường xảy ra trong quá trình gia công làm hạn chế khả năng áp dụng của phương pháp này đó là có sự tồn tại của hạt mài trên bề mặt chi tiết gia công [2] Phương pháp truyền thống để loại bỏ hạt mài trên bề mặt rất tốn kém và không hiệu quả [3] Một trong những phương pháp hiệu quả để loại bỏ hạt mài trên bề mặt chi tiết và nâng cao chất lượng bề mặt gia công là sử dụng phối hợp phương pháp gia công bằng tia nước áp suất cao và phương pháp hòa tan lớp bề mặt anot [5] Để nâng cao độ chính xác về hình dáng hình học của chi tiết sau khi gia công, đặc biệt là các chi tiết có biên dạng phức tạp
Trang 2thì việc xác định nguyên lý tạo hình bề mặt chi tiết
gia công, từ đó xây dựng phần mềm điều khiển
trên máy CNC là cần thiết
2 SƠ ĐỒ GIA CÔNG ĐIỆN HÓA CÓ SỰ THAM
GIA CỦA CÁC HẠT DẪN ĐIỆN
Kết quả nghiên cứu trong tài liệu [6] đã chứng minh
hiệu quả của các hạt mang điện khi gia công điện
hóa bằng phương pháp phun Kết quả nghiên cứu
này đã chỉ ra rằng các hạt mang điện trong quá
trình gia công có tính chất giống như trong điện
môi hay chất dẫn Điều khiển quá trình như vậy mở
ra khả năng thiết kế các công nghệ tổng hợp mới
với năng lực công nghệ cao
Trong sơ đồ Hình 1, áp lực P đưa hỗn hợp chất
điện phân 2 và hạt tích điện 3 qua vòi phun 1
đến bề mặt gia công 4 Lượng vật liệu cắt bỏ phụ
thuộc vào chế độ gia công (áp lực P, độ hạt, tính
dẫn điện của hạt), tính chất của môi trường làm
việc, thời gian phun và tốc độ di chuyển của dòng
hỗn hợp dọc theo bề mặt chi tiết gia công
Hình 1 Sơ đồ gia công điện hóa với các hạt
nằm trong điện trường: 1 - vòi phun; 2 - môi trường
làm việc; 3 - hạt mang điện tích; 4 - bề mặt
chi tiết gia công
3 CƠ CHẾ LOẠI BỎ HẠT MÀI KHI GIA CÔNG
BẰNG PHƯƠNG PHÁP HỖN HỢP
Hình 2 Cơ chế loại bỏ hạt mài
Trong sơ đồ hình 2, hạt mài 1 bị loại bỏ trong quá trình hòa tan và bong ra của lớp kim loại trên bề mặt phôi 2 nhờ điện trường 3 và hạt dẫn điện 4 (được đưa vào từ vòi phun với tốc độ trên bề mặt phân cách v)
Trong quá trình anot bị hòa tan lớp bề mặt, sự gắn kết của hạt mài với bề măt phôi giảm xuống
và nó sẽ bị loại bỏ dưới tác dụng của lực F tác động lên hạt mài dưới dòng tia nước có áp lực cao
Chế độ cắt kim loại bằng phương pháp gia công hỗn hợp bao gồm: áp lực của môi trường làm việc tại miệng vòi phun, nguồn điện áp, tốc độ di chuyển của đầu phun dọc theo đường cắt
Để nâng cao hiệu suất và chất lượng bề mặt gia công, áp lực của môi trường làm việc tại miệng phun được lựa chọn theo tài liệu [3] Tốc độ di chuyển của đầu phun dọc theo đường cắt phụ thuộc vào sự kết hợp của hai phương pháp: gia công bằng tia nước và ăn mòn điện hóa Để xác định được tổng giá trị dịch chuyển của đầu phun dọc theo đường cắt cần phải so sánh giá trị tốc độ được tính toán dọc theo đường cắt của đầu phun
v c, đảm bảo loại bỏ được hạt mài ra khỏi bề mặt phôi thông qua thời gian t, lượng dư cần loại bỏ
z và đường kính của đầu phun d c theo công thức
vc = d cc t d (1)
trong đó:
C d: hệ số thay đổi diện tích tiếp xúc giữa tia dung dịch gia công có hạt mang điện với bề mặt chi tiết
so với đường kính của vòi phun d c, đường kính vòi phun được lựa chọn phụ thuộc vào chiều rộng cắt Thời gian t có thể xác định theo công thức (2) [4]
(2) trong đó:
z: lượng dư nhỏ nhất cần hòa tan để loại bỏ được hạt mài khỏi bề mặt phôi;
: trọng lượng riêng của vật liệu cần cắt;
α: điện hóa tương đương;
η: dòng điện sinh ra;
K M: sai số trung bình;
U: điện áp trên các điện cực;
DU: điện áp rơi;
b: mật độ hạt;
: tính dẫn điện riêng của dung dịch và
Trang 3Lượng dư (z) có thể xác định được khi giải hệ
phương trình:
trong đó:
: áp lực chất lỏng tại miệng vòi phun;
, ρ: mật độ của tia cắt và môi trường
tương ứng;
,V: tốc độ của tia cắt dọc theo trục và tại
miệng vòi phun;
R: đường kính qui đổi của hạt;
h1: kích thước phần nhô ra của hạt mài khỏi bề
mặt phôi;
F
b : hệ số (sai số đặc tính trung bình);
F
a : hệ số (phụ thuộc vào đặc tính của lực tác
động (F) tác dụng lên phần tự do của hạt mài
(h1+z))
Phương trình thứ nhất trong hệ phương trình (3)
là phương trình xác định lực tác dụng lên hạt mài
bị mắc kẹt trên bề mặt phôi thông qua áp lực của
dung dịch chứa hạt mang điện [4]
Phương trình thứ hai trong hệ phương trình (3) là
phương trình thực nghiệm và được xác định tùy
theo từng trường hợp cụ thể [5]
4 NGUYÊN LÝ TẠO HÌNH BỀ MẶT CHI TIẾT
KHI ÁP DỤNG PHƯƠNG PHÁP GIA CÔNG
HỖN HỢP
Trong quá trình gia công bằng phương pháp tổng
hợp, việc hình thành biên dạng của bề mặt gia
công phụ thuộc vào quỹ đạo tương đối giữa tia cắt
chứa hạt mang điện và bề mặt phôi
Hình 3 Sơ đồ dịch chuyển của tia cắt trên bề mặt chi tiết gia công: m - điểm tiếp xúc với phần gia công; M - đầu vòi phun; L-L, B-B - đường sinh của bề mặt gia công; N, П, N 1 - các mặt phẳng
trong vùng gia công
Trên hình 3 cho biết sơ đồ dịch chuyển của tia cắt
so với bề mặt chi tiết gia công và hình dạng của vùng gia công
Bề mặt gia công A được gia công với sự dịch chuyển của tia cắt qua điểm M và quỹ đạo L-L, tạo thành một đường cắt
Chuyển động cắt xảy ra nhờ sự dịch chuyển của
bề mặt A, ban đầu theo quỹ đạo L-L, sau đó theo quỹ đạo B-B
Mặt cắt dọc N đi qua điểm m với mặt pháp tuyến
N1 (vuông góc với mặt N tại tiếp điểm), tạo ra vectơ tia cắt mM Rõ ràng rằng với bất kì hình dáng hình học của bề mặt gia công A, điểm tiếp xúc của tia cắt m luôn luôn nằm trên pháp tuyến mM và nằm trên giao tuyến giữa mặt N và N1
Trong hệ trục tọa độ Đề các, trục X là chuyển động dọc của tia cắt (theo quỹ đạo L-L), trục Y theo phương nằm ngang (theo quỹ đạo B-B), trục
Z theo phương của vectơ mM (hình 4)
Chuyển động của bề mặt gia công được thực hiện gồm:
- Góc quay tương đối của trục X với góc kiểm soát
d
dαt trong đó: α là góc quay tương đối của trục X
so với quỹ đạo L-L tại tiếp điểm m; t là thời gian
Trang 4Tương tự: Góc quay tương đối theo phương y-y: d
dθt
- Đường dịch chuyển thẳng: d x
dt ;
y
d
dt
; d z
dt Nếu điều khiển được tất cả các chuyển động trên
theo thời gian, chúng ta thể gia công được các bề
mặt với biên dạng rất phức tạp
Khi tia cắt dịch chuyển theo quỹ đạo L-L
(hình 3) cần đảm bảo rằng số lượng các thông số
cần kiểm soát là nhỏ nhất
Nếu chi tiết có độ xoắn không đáng kể thì có thể
để cho từng đường cắt của tia cắt dịch chuyển
đảm bảo chất lượng kiểm soát các thông số: d dθ
t ,
x
d
dt ; d
dθt , d z
dt
hay d z
dt
, d x
dt
(góc quay của chi tiếtd
dαt
được thực hiện ở cuối đường cắt tại vị trí thay đổi
tiếp điểm tại vị trí chuyển giao giữa hai đường cắt
liền kề)
Hình 4 Sơ đồ tính toán khoảng cách từ vòi phun
đến điểm tiếp xúc của tia cắt với bề mặt chi tiết
gia công: x, y, z - hệ trục tọa độ cố định; x 1 , y 1 , z 1 -
hệ trục tọa độ di động; R, r - vectơ bán kính
tại điểm M và m
Khi đó, quy luật tổng quát để điều khiển các đường
cắt có thể viết như sau:
Đường cắt thứ nhất: d 0
dαt
= ; d
dθt= 0; d x 0
dt
≠ ; d z 0
dt ≠
Đường cắt chuyển tiếp: d y 0
dt
≠ ; d 0
dαt ≠
Đường cắt tiếp theo: d 0
dαt
= ; d dθ t
= 0; d x 0
dt
≠ ; d z 0
dt ≠
…
Chương trình điều khiển được lặp lại cho tới khi
Nếu độ xoắn của chi tiết là đáng kể thì phải bổ sung
d
dαt cho từng đường cắt (trừ đường chuyển tiếp)
Động học của tiếp điểm m được xác định thông qua phương trình:
V V V = +
trong đó:
0
V : vận tốc tuyệt đối;
1
V : vận tốc chuyển động xiên;
2
V : vận tốc chuyển động chuyển tiếp
Từ việc xác định được các giá trị vận độ tuyệt đối của điểm tiếp giáp giữa tia cắt và bề mặt gia công, thông qua các chuyển động tương đối thành phần trên từng đoạn của quỹ đạo gia công Cho phép xây dựng chương trình tự động hóa gia công làm sạch bề mặt bằng phương pháp hỗn hợp Chuyển động của vectơ chứa trục của tia cắt phải đảm bảo điều kiện biên dưới dạng: 0
2
Trong đó:
mM : vectơ đơn vị của tia cắt trên quỹ đạo dịch chuyển;
0
v mM∧ : góc giữa vectơ v0 và mM
Để nhận được sai số nhỏ nhất khi gia công làm sạch, thông số vị trí của tia cắt đối với chuyển động tuyệt đối của chi tiết gia công cần dần đến
2
π.
5 KẾT LUẬN
- Xác định nguyên lý hình thành từng phần diện tích trên bề mặt chi tiết gia công trong quá trình gia công bằng phương pháp hỗn hợp
- Nghiên cứu đã chỉ ra các chuyển động để tạo hình cho toàn bộ bề mặt trong quá trình gia công làm sạch
- Xác định mối quan hệ giữa vị trí của tia cắt và chuyển động tuyệt đối của chi tiết gia công (thông
số vị trí của tia cắt đối với chuyển động tuyệt đối của chi tiết gia công cần dần đến
2
π
)
- Nghiên cứu cho phép xây dựng và áp dụng các phần mềm lập trình và điều khiển quá trình gia công trên máy CNC, mở rộng phạm vi áp dụng phương pháp gia công tổng hợp bằng tia nước
Trang 5TÀI LIỆU THAM KHẢO
[1] Burnashov M.A Determination of the cutting
force for cutting the decking of the material with
an aqueous high-pressure jet // Vestnik of the
Bryansk State Technical University, 2008, - No 4
- P 17-20.
[2] Smolentsev V.P Formation of the Surface Layer
under Hydroabrasive Separation of Metals with the
Imposition of an Electric Field, V.P Smolentsev,
E.V Goncharov // Vestnik VSTU, 2011, volume7,
No 7 - P.74-77
[3] Electrophysical and electrochemical methods of
processing: В2-х т Т1 / Ed V.P Smolentsev - M:
Higher Education, 1983 247 p.
[4] Yunusov F.S Forming of complex profile surfaces
by grinding / FS Yunusov M: Mechanical engineering 1987-248 p.
[5] Smolentsev V.P Combined separation of blanks
by the hydroabrasive method / V.P Smolentsev E.V Goncharov, V.I Kotukov // Progressive engineering technologies, equipment and tools Moscow: Spectrum, 2014 T 3.-P.118-172 [6] Smolentsev E.V Conduction effect of granule media and its use in combined dimensional processing / E.V Smolentsev // High technology
in engineering, 2012 No 1 - P 29-31
[7] GS TSKH Bành Tiến Long, TS Bùi Ngọc Tuyên (2012 ) Lý thuyết tạo hình bề mặt và ứng dụng trong kỹ thuật cơ khí, NXB Giáo dục.