Nghiên cứu thiết kế máy cắt tia nước điều khiển CNC

Nội dung của luận văn: - Tìm hiểu về thiết bị và công nghệ cắt bằng tia nước áp suất cao - Phân tích động học và động lực học của dòng tia - Phân tích các thông số công nghệ trong quá tr

CÔNG TRÌNH ĐƯỢC HOÀN THÀNH TẠI TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HỒ CHÍ MINH

-&&& -

Cán bộ hướng dẫn khoa học: PGS.TS Nguyễn Thanh Nam

Cán bộ chấm nhận xét 1: PGS.TS TRẦN DOÃN SƠN

Cán bộ chấm nhận xét 2: PGS.TS ĐOÀN THỊ MINH TRINH

Luận văn thạc sĩ được bảo vệ tại

HỘI ĐỒNG CHẤM BẢO VỆ LUẬN VĂN THẠC SĨ TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

Ngày Tháng năm 2008

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HCM CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA ĐỘC LẬP – TỰ DO – HẠNH PHÚC

- -

Tp HCM, ngày tháng năm 2008

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ

Họ và tên học viên: TRẦN ĐÌNH ĐỆ Phái: Nam

Ngày tháng năm sinh: 17/08/1980 Nơi sinh: TP HỒ CHÍ MINH

Chuyên ngành: Công nghệ chế tạo máy MSHV: 00405055

1- TÊN ĐỀ TÀI: Nghiên cứu thiết kế máy cắt tia nước điều khiển CNC

2- NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG LUẬN VĂN:

Nghiên cứu cơ sở lý thuyết của công nghệ cắt bằng tia nước

Xây dựng quy trình tính toán thiết kế hệ thống cắt bằng tia nước có hạt mài

Thiết kế hệ thống điều khiển CNC cho máy cắt bằng tia nước

Tính toán thiết kế một hệ thống cắt bằng tia nước có hạt mài

3- NGÀY GIAO NHIỆM VỤ: 21/01/2008

4- NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: 30/06/2008

5- CÁN BỘ HƯỚNG DẪN: PGS.TS Nguyễn Thanh Nam

(Học hàm, học vị, họ tên và chữ ký) QL CHUYÊN NGÀNH

PGS.TS NGUYỄN THANH NAM PGS.TS PHẠM NGỌC TUẤN

Nội dung và đề cương luận văn thạc sĩ đã được Hội đồng chuyên ngành thông qua

Ngày tháng năm 2008

TRƯỞNG PHÒNG ĐT- SĐH TRƯỞNG KHOA QL NGÀNH

TS LÊ TRUNG CHƠN TS TRẦN THIÊN PHÚC

LỜI CẢM ƠN

Để hoàn thành luận văn này, trước tiên tác giả xin bày tỏ lòng biết ơn chân thành đến các Thầy, Cô giảng viên Khoa Cơ khí trường Đại Học Bách khoa TP Hồ Chí Minh, những người đã tận tình dạy bảo và truyền đạt những kiến thức quý báu trong suốt thời gian học tập tại trường, nhất là thời gian nghiên cứu và thực hiện luận văn

Tiếp đến, tác giả xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến Thầy hướng dẫn - PGS

TS Nguyễn Thanh Nam đã trực tiếp giúp đỡ, hướng dẫn và tạo điều kiện thuận lợi

nhất để hoàn thành luận văn

Tác giả cũng xin cám ơn đến gia đình, bạn bè và đồng nghiệp, những người đã giúp đỡ, động viên tinh thần trong suốt quá trình học tập và thực hiện luận văn

Vì thời gian thực hiện đề tài không nhiều, kiến thức bản thân còn hạn chế, hơn nữa đây là đề tài mới nên chắc chắn không tránh khỏi những thiếu sót Kính mong quý Thầy, Cô đóng góp ý kiến để tác giả nhận thức được những thiếu sót, cố gắng sửa chữa và hoàn thiện hơn

Sau cùng, xin chân thành cảm ơn quý Thầy, Cô đã dành những thời gian quý báu để nhận xét và bổ sung thêm những kiến thức tốt hơn cho luận văn này

Tác giả

Trần Đình Đệ

TÓM TẮT

Ngày nay cùng với nhịp độ phát triển của khoa học kỹ thuật ngày càng hiện đại, các loại vật liệu kim loại có độ bền, độ cứng cao, chịu nhiệt và chịu mài mòn cao… được dùng trong nhiều thiết bị, máy móc, trong nhiều lĩnh vực Điều này đòi hỏi phải có giải pháp công nghệ mới để gia công các vật liệu này với năng suất, chất lượng đem lại hiệu quả cao Do vậy việc phát triển và ứng dụng công nghệ tia nước

áp suất cao vào cắt các vật liệu có độ bền, độ cứng cao được coi như một giải pháp đáp ứng nhu cầu trên Trên thế giới, tại các nước phát triển TNASC đã đượng ứng dụng trong nhiều ngành công nghiệp ở các mức độ như: Làm sạch, cắt, bóc tách các

bề mặt… đã đem lại hiệu quả cao

Tại Việt Nam, Viện máy và dụng cụ công nghiệp là đơn vị có trang bị thiết bị tạo TNASC với 2 hệ thống làm sạch của hãng URACA- CHLB Đức có áp suất

2800 bar và 2 hệ thống cắt của hãng - Áo với áp suất tới 4200 bar Hiện nay, việc nghiên cứu khai thác ứng dụng thiết bị này vào sản xuất một cách có hiệu quả là vấn đề đang được quan tâm của Viện

HLER o

B

Nội dung của luận văn:

- Tìm hiểu về thiết bị và công nghệ cắt bằng tia nước áp suất cao

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

- Phân tích các thông số công nghệ trong quá trình cắt

- Xây dựng quy trình tính toán thiết kế hệ thống cắt bằng tia nước có hạt mài

- Tính toán thiết kế máy cắt tia nước có hạt mài

ABSTRACT

Nowadays, together with development rate of more and modern technical science, kind of metal material which have durability, high hardness, bearing high teperature, corrosion… are used in equipment, machinery in many fields This requires to have new technology solution to process these materials with capacity, quality, high effect Therefore, applicable development of waterjet technology into materials with high durability, hardness is considered as solution to meet the above demand In the world, development countries, waterjetting technology has been applied in many industrial branches at many levels such as: Cleaning, cutting, peeling off surfaces…, it has brought to high effect

In Viet Nam, Institute for machinery and industrial instruments is the first unit

to be equipped with waterjetting technology manufacturing including two cleaning systems of URACA factory- Germany with pressure of 2800 bar and two cutting systems of factory- Austria with pressure of 4200 bar However, the insufficient problem is how to exploit and apply this equipment in manufacture effectively

HLER o

- Analyzing kinetics and dynamics of waterjet cutting structure

- Researching influence of technology parameters

- Establishing the process to calculate, design waterjet cutting system with abrasive

- Calculating design waterjet cutting machine using abrasive

MỤC LỤC

Mục lục 01

Chương 1 TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ CẮT BẰNG TIA NƯỚC

1.1 Giới thiệu về công nghệ cắt bằng tia nước 04

1.1.1 Lịch sử phát triển và tình hình nghiên cứu trên thế giới 04

1.1.2 Nguyên lý và cấu tạo của hệ thống cắt bằng tia nước 05

1.2 Ứng dụng công nghệ tia nước áp suất cao 14

1.2.2 Ứng dụng cắt vật liệu 15

Chương 2

CƠ SỞ LÝ THUYẾT CỦA CÔNG NGHỆ CẮT BẰNG TIA NƯỚC

2.2 Phân loại công nghệ cắt bằng tia nước áp suất cao 18

2.3.2 Tia nước va đập 24

2.3.3 Đặc trưng động học của tia nước tác động lên bề mặt chi tiết 25

2.4 Cơ chế bóc tách vật liệu bằng tia nước áp suất cao 28

2.4.1 Cơ chế bóc tách vật liệu bằng tia nước thuần khiết 28

2.4.2 Cơ chế bóc tách vật liệu bằng tia nước trộn hạt mài 29

2.5 Các thông số công nghệ của quá trình cắt bằng tia nước áp suất cao 30

2.5.2 Nghiên cứu thực nghiệm sự ảnh hưởng của các thông số công nghệ của

Chương 3 XÂY DỰNG QUY TRÌNH TÍNH TOÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG CẮT

BẰNG TIA NƯỚC CÓ HẠT MÀI

3.1 Sơ đồ hệ thống cắt bằng tia nước có hạt mài 45

3.2 Xác định các thông số ban đầu của bài toán thiết kế 46

3.3 Trình tự tính toán thiết kế hệ thống cắt bằng tia nước có hạt mài 47

3.3.1 Tính toán thiết kế hệ thống bơm tăng áp thuỷ lực 47

3.3.5 Thiết kế cụm điều khiển 66 3.4 Các thông số thiết kế của hệ thống cắt bằng tia nước có hạt mài 68

Chương 4 THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN CNC CHO MÁY CẮT BẰNG TIA

NƯỚC CÓ HẠT MÀI

4.1 Cấu trúc hệ thống CNC của máy cắt tia nước 70

4.2 Khả năng làm việc của máy cắt tia nước CNC 71

4.3 Cơ sở hình học và lập trình CNC khi gia công bằng tia nước 73

5.1 Giới thiệu hệ thống cắt bằng tia nước có hạt mài 89

5.2 Tính toán thiết kế hệ thống cắt bằng tia nước có hạt mài 89

5.2.1 Các điều kiện ban đầu của bài toán thiết kế 89

5.2.4 Thiết kế bàn chạy đầu cắt 101

5.2.6 Thiết kế bộ điều khiển 108

5.2.7 Các bước tính toán khi gia công trênmáy cắt tia nước 110

5.2.8 Các thông số thiết kế của máy cắt bằng tia nước có hạt mài 113

KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI

Kết luận 115

Tài liệu tham khảo 117

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ

CẮT TIA NƯỚC

1.1 GIỚI THIỆU VỀ CÔNG NGHỆ CẮT BẰNG TIA NƯỚC

1.1.1 Lịch sử phát triển và tình hình nghiên cứu trên thế giới

Từ giữa những thế kỷ 18, tia nước có áp đã được sử dụng dưới dạng khoan xói trong khai thác vàng ở California và khai thác mỏ ở Nga (1900) Tuy nhiên mãi đến

1950, tia nước mới được tiến sĩ Norman Franz lần đầu tiên thử nghiệm để cắt gỗ Công nghệ cắt bằng tia nước đã tiến triển thêm một bước khi tiến sĩ Mohamed Hashish bổ sung kỹ thuật hạt mài vào tia cắt (1970) Tuy nhiên vẫn còn những hạn chế về bơm như áp suất chưa cao, độ ổn định thấp, giá thành cao làm cho hệ thống thiết bị không thâm nhập được vào sản xuất Từ năm 1974 đến 1980 một số hãng trong đó có Flow Systems inc đã chế tạo thành công các loại bơm chất lượng, có độ

ổn định cao, thời gian hoạt động liên tục khá cao, dễ bảo trì, bảo dưỡng Đây là tác nhân đẩy nhanh việc ứng dụng thiết bị vào sản xuất

Năm 1974, thiết bị cắt tia nước đầu tiên được lắp đặt vào nhà máy Năm 1980 tia nước có hạt mài lần đầu tiên được sử dụng để cắt thép, kính và bê tông Đến năm

1983, cùng với việc phát triển điều khiển số ở các máy công cụ, thiết bị cắt bằng tia nước NC thương mại đầu tiên được bán ra thị trường Trong thời gian 1989 đến

1990, tia nước cao áp bắt đầu được ứng dụng dưới nước ở độ sâu đến 400m để cắt thép và bê tông dưới biển Đến năm 1994 đã có máy cắt tia nước sử dụng trong ngành y Ngày nay máy cắt tia nước điều khiển CNC đã có mặt ở nhiều châu lục Công nghệ cắt bằng tia nước đã phát triển đa dạng với các kỹ thuật như cắt với tia nước thuần, tia có hạt mài, tia gõ đập, tia bong bóng và các tia lai Theo miền ứng dụng, áp suất tia có thể lên đến 10000 bar đối với tia nước thuần và 6000 bar đối với tia có hạt mài

Những chỉ số chính cho sử dụng công nghiệp như: Giá cả hợp lý, có thể tích hợp với dây chuyền sản xuất có sẵn; có thể hoạt động 24 giờ trong ngày tạo cho máy cắt

tia nước nhanh chóng được chấp nhận là thiết bị công nghiệp chuẩn Cho đến nay, ở các nước công nghiệp phát triển cắt bằng tia nước đã được ứng dụng rộng rãi trong hầu hết các lĩnh vực công nghiệp như: Hàng không vũ trụ, ô tô, tàu thủy, máy phát điện, kiến trúc, thiết bị y tế, đồ gỗ, công nghiệp da giày, chế tác đá quý và bán dẫn, chế tạo công nghiệp… Các hãng nổi tiếng sản xuất máy cắt tia nước có thể kể đến là: Hammelmann Maschinenfabrik Gmbh (Đức), Advanced Waterjet Technologies LLC (USA), Aqua Engy International (UK), Dynajet… với dòng máy công suất cắt đến 3500 bar và Flow International (USA), Jet Edge, Inc (USA)… với dòng máy công suất cắt lớn hơn 4000 bar Công nghệ hoàn thiện chế tạo máy cắt tia nước thuần và tia nước có trộn hạt mài đã tạo nên loại thiết bị lý tưởng để cắt các vật liệu khác nhau và đa năng hơn so với máy cắt laser và plasma Với tia nước thuần có thể cắt vải, gỗ, vật liệu da, plastic cao su… những vật liệu mềm Còn đối với vật liệu cứng như kim loại, phi kim thì tia nước nhất thiết phải trộn hạt mài và thường phải

có áp lớn hơn 3500 bar

1.1.2 Nguyên lý và cấu tạo của hệ thống cắt bằng tia nước

1 Nguyên lý làm việc của hệ thống cắt bằng tia nước

Hình 1.1: Sơ đồ nguyên lý hệ thống cắt tia nước

Sơ đồ nguyên lý hệ thống cắt bằng tia nước được trình bày trên hình 1.1: Đầu tiên nước từ thùng cấp nước đi qua bộ lọc và hòa trộn (filtration) Sau đó nhờ ống dẫn dẫn chất lỏng đi qua bộ tăng áp (intensifier) đến bộ tích áp (attenuator) và đến đầu phun Tại đầu phun tia nước được phun ra mạnh hay yếu là nhờ van tiết lưu, van này được điều khiển bởi bộ điều khiển Bộ tăng áp được vận hành nhờ vào bơm thủy lực (hydraulic pump) dẫn động bởi motor điện Thông qua bộ điều khiển PLC, van điều chỉnh áp suất của bơm Trường hợp cắt bằng tia nước (pure Waterjet) nước

áp lực cao sau khi đi qua lỗ phun tạo thành tia nước với tốc độ cao từ Mach 2 đến Mach 3 (400 đến 1000m/s), dòng nước với tốc độ siêu âm tạo ra quá trình xói mòn (supersonic erosion process) xé tách các hạt vật liệu ra khỏi và tia nước xuyên qua tạo thành vết cắt, chi tiết được gia công Vết cắt có độ rộng xấp xỉ 1mm, đường kính

lỗ nhỏ nhất có thể cắt là 1.5mm [10]

2 Phân loại hệ thống cắt bằng tia nước

Phương pháp cắt bằng tia nước được phân ra làm hai loại:

a Cắt bằng tia nước không hạt mài (Pure Waterjet):

Tia nước không hạt mài áp lực cao có thể được sử dụng trong các lĩnh vực sau đây:

+ Cắt đứt hoặc cắt định hình các bề mặt kim loại hoặc phi kim

+ Khoan lỗ bằng tia nước áp lực cao

+ Ứng dụng tia nước trong công nghiệp làm sạch bề mặt

+ Ứng dụng tia nước trong công nghiệp khai thác mỏ

+ Ứng dụng tia nước trong công nghiệp đào đường hầm

Công nghệ cắt bằng tia nước so với cắt bằng dao kim loại có những ưu điểm sau:

- Dao kim loại sau một thời gian gia công sẽ bị cùn, nhưng tia nước thì luôn luôn sắc

- Dao kim loại cần phải luôn luôn hướng theo phương tiếp tuyến với phương cắt, nhưng tia nước không cần định hướng chính xác

- Dùng dao kim loại rất khó cắt dọc theo các đường cong, đặc biệt là các đường cong lõm còn tia nước không cần phân biệt hình dạng đường cong

- Miệng cắt của tia nước rất mảnh, do đó có thể tiết kiệm được vật liệu

- Trong vùng cắt tỏa nhiệt ít, do đó không làm biết dạng vật liệu gia công

Lĩnh vực áp dụng của tia nước áp lực cao rất rộng rãi và đa dạng, nó có thể gia công được những vật liệu mềm nhưng nó cũng có thể gia công được những vật liệu rất cứng

Cơ sở của công nghiệp gia công bằng tia nước áp lực cao và động lực học của dòng tia mà trong đó áp lực động của tia nước là một yếu tố quan trọng có ảnh hưởng trực tiếp đến quá trình gia công Yếu tố này lại bị ảnh hưởng của áp lực của bản thân thiết bị, của khoảng cách từ vòi phun đến bề mặt gia công, của kích thước

và hình dạng của vòi phun

b Cắt bằng tia nước có hạt mài (Abrasive Waterjet):

Nhằm tăng khả năng cắt các vật liệu cứng như kim loại, thủy tinh, bê tông… người ta thêm vào tia nước những hạt mài gồm các bộ phận chính như sau:

- Cụm thiết bị tạo nguồn nước cao áp

- Cụm đầu cắt và bộ phận cung cấp hạt mài

- Bàn di chuyển XY

- Hệ thống điện và điều khiển

Ở phương pháp cắt có cho thêm hạt mài (abrasive waterjet) dòng nước làm tăng tốc các hạt mài và khi đó các hạt mài sẽ xói mòn vật liệu cắt Vận tốc rất cao của dòng tia khi đi qua lỗ phun sẽ tạo chân không hút các hạt mài từ ống chứa hạt mài, sau đó hạt mài sẽ trộn với nước trong buồng trộn Dòng nước có trộn hạt mài phun

ra với vận tốc rất cao khi va đập vào bề mặt vật liệu gia công đã tạo ra vết cày bởi hạt mài Trong quá trình cày, vật liệu bị đẩy về một phía hình thành một vết lở Sau

đó vết lở được bóc đi bởi sự va chạm kế tiếp và hình thành phoi Khi gia công có sử dụng hạt mài, năng suất cắt sẽ tăng lên hàng trăm ngàn lần, có thể cắt vật liệu cứng như AD 99.9 (aluminum oxide ceramic) Vật liệu hạt mài thường được sử dụng là oxide nhôm, oxide silic và garnet với cỡ hạt 60- 200 [11]

3 Các thiết bị của hệ thống cắt bằng tia nước có hạt mài

Máy cắt tia nước gia công các vật liệu cứng là tích hợp hệ thống của nguồn năng lượng bơm cao áp, máy CNC và hệ thống cấp hạt mài Phụ thuộc vào cấu trúc cụm cấp hạt mài và cách tích hợp chúng vào hệ thống, cắt bằng tia nước còn được phân loại theo 2 nguyên lý: Tia nước trộn hạt không áp (injection) và tia nước trộn hạt có áp (suspension) Hệ thống cắt bằng tia nước áp suất cao của các hãng sản xuất nổi tiếng đã quy tụ được tất cả những thành tựu khoa học đỉnh cao của công nghệ chế tạo về [10]:

- Bơm cao áp

- Máy CNC

- Vật liệu- các loại hạt trộn gia công

Hình 1.2: Máy cắt tia nước của hãng OMAX

a Cụm chi tiết tạo nguồn nước cao áp

Bơm cao áp: Áp suất dòng nước áp cao được quyết định bởi bơm cao áp Để có được điều này cần giải quyết các vấn đề kỹ thuật của bơm cao áp như cấu trúc thủy lực, khuếch đại áp, giảm âm… những kỹ thuật mà ở Việt Nam chưa có khả năng làm chủ công nghệ và chưa có thiết bị để chế tạo đảm bảo yêu cầu kỹ thuật Hiện nay đã có bơm cao áp đến 10000 bar cho gia công với tia nước thuần và 6000 bar cho tia nước có hạt mài, dùng cho các máy cắt tia nước thương mại Các loại bơm

3000 bar đến 4500 bar cho các máy cắt tia nước CNC để cắt vật liệu kim loại và hợp kim là những loại bơm chưa mang tính phổ thông, chỉ mới một vài hãng có thể chế tạo được [16]

Hiện nay có hai kiểu bơm cao áp được dùng để tạo nguồn nước cao áp: Bơm cao

áp kiểu trục khuỷu và bơm tăng áp piston hai tác dụng dùng thuỷ lực Cả hai loại bơm đều dựa trên nguyên lý piston nén trong buồng kín và nước được đẩy ra qua van một chiều đẩy, khi piston di chuyển ngược lại nước áp lực thấp chảy vào khoang qua van một chiều hút, trong cả hai loại chuyển động đảo chiều liên tục của piston tạo ra hoạt động của bơm Sự khác nhau của hai loại bơm là cách thức truyền động cho piston: Trực tiếp qua trục khuỷu và loại tăng áp qua xylanh thủy lực

So sánh đánh giá hai loại bơm ta thấy những ưu và nhược điểm của từng loại như sau:

Về hiệu suất bơm tăng áp thủy lực đạt hiệu suất thấp khoảng 70%, bơm trục khuỷu có thể đạt hiệu suất đến trên 95%

Vận tốc chuyển động tương đối của piston cao áp là 0.75m/s đối với bơm trục khuỷu và 0.15m/s đối với bơm tăng áp thủy lực Vì vậy đối với bơm trục khuỷu lưu lượng một hành trình nhỏ nên có thể không cần bộ giảm chấn để ổn định áp lực nhưng với bơm tăng áp thì bắt buộc phải có bộ phận này

Mặc dù bơm trục khuỷu có một số ưu điểm so với bơm tăng áp như trên, nhưng với trình độ công nghệ hiện nay và vật liệu hiện có thì bơm trục khuỷu chủ yếu chế tạo cho áp suất thấp dưới 40.000 PSI

Vì thế hiện nay các máy cắt tia nước chủ yếu dùng bơm tăng áp để tạo áp lực nước cắt

b Cụm đầu cắt và các thiết bị phụ trợ

Cấu tạo của cụm đầu cắt như sau: Vòi phun, hình dáng kết cấu của vòi phun phải chịu được áp suất cao và tuân theo nguyên tắc Bernuolli Khi dòng nước đi ra vòi phun, áp suất hạ đến áp suất khí quyển nhưng tốc độ dòng chảy tăng, các phần

tử hạt mài được tăng tốc bởi tia nước Tia nước có tốc độ càng cao thì hạt mài dịch chuyển càng nhanh Tia nước càng dài, càng thẳng sau khi ra khỏi vòi phun thì chất

lượng vết cắt càng tốt Từ những yêu cầu trên vòi phun có miệng hình côn và có một đoạn hình trụ khoảng 4mm Vật liệu làm vòi thường là sapphire hay carbit tungsten, đường kính trong của vòi càng nhỏ thì chiều sâu cắt càng lớn và chất lượng cắt càng cao Đường kính điển hình của vòi phun khoảng 0.25 đến 0.35mm Nói chung vòi phun nhìn bề ngoài của các hãng là khá giống nhau nhưng chất lượng khác nhau chủ yếu do vật liệu chế tạo khác nhau [1]

Hình 1.3: Cấu tạo của vòi phun

Đầu trộn: Dùng để trộn nước và hạt mài đồng thời cũng để tập trung dòng

nước để cắt Có nhiều loại đầu trộn, có loại hạt mài được nạp vào bên hông, vòi phun nước đồng trục với vòi phun hỗn hợp, loại này có kết cấu đơn giản, rẻ tiền nhưng hiệu suất trộn kém Có loại hạt mài được đưa vào giữa dòng nước, chất lượng hòa trộn tốt hơn nhưng khó chế tạo và đắt hơn

Vật liệu- hạt trộn: Chi phí hạt mài cho máy cắt tia nước chiếm hơn 50% toàn

bộ chi phí vận hành nên hiện nay việc thử nghiệm về hạt mài và định lượng chính xác hạt mài được nhiều nơi nghiên cứu Các loại vật liệu sử dụng làm hạt trộn tăng tính cắt của tia nước đã và đang được nghiên cứu Cho đến nay, một số loại hạt trộn như hạt mài, hạt polymer, đá hạt… có thể được trộn để thực hiện cắt với tia nước áp cao, tùy theo phạm vi ứng dụng Để cắt vật liệu cứng như kim loại và hợp kim người ta thường sử dụng tia nước trộn hạt mài Loại thường được dùng nhiều nhất

là garnet với độ cứng 8Mohn Xuất phát từ trọng lượng riêng của các loại hạt mài

và công suất bơm, những nghiên cứu động học dòng chất lỏng có hạt trộn được thực hiện để phát triển phương pháp cắt tia có hạt mài, tìm kiếm giải pháp về cấp hạt trộn

và kỹ thuật buồng trộn cũng như xem xét các chế độ công nghệ gia công

Đường ống, khớp nối và các bộ phận phân phối nước cao áp: Do đầu cắt di

chuyển liên tục trên bề mặt vật liệu nên các ống áp lực thường là các ống cuộn bằng thép không rỉ chuyên dùng được nối với các khớp xoay áp lực cao Ngoài các thiết

bị kể trên hệ thống cao áp còn có các thiết bị không thể thiếu khác là các van đóng

mở, van điều chỉnh lưu lượng, van an toàn, các đồng hồ áp lực cao

c Bàn di chuyển đầu cắt trên vật liệu gia công

Bàn dịch chuyển XY cho việc cắt 2D đối với máy cắt bằng tia nước hiện nay rất thông dụng, tùy theo mục đích sử dụng ta có các kiểu máy: Hệ thống khung gắn chặt xuống sàn với bàn cắt riêng; hệ thống bàn khung hợp nhất; hệ thống công xôn lắp với sàn, bàn cắt rời; hệ thống công xôn bàn hợp nhất Để gia công chính xác các chi tiết thì thiết bị cắt bằng tia nước có hạt mài phải có bàn dịch chuyển chính xác

và hệ thống điều khiển chuyển động Về cơ bản, hệ thống bàn XY không khác gì bàn XY trong các máy cắt bằng plasma, gas hay laser [9]

Tất cả các máy đều có thể điều chỉnh chiều cao từ miệng vòi phun đến vật liệu cắt (trục Z) theo 3 dạng: Điều chỉnh bằng tay, motor- trục vis hoặc theo chương trình bằng motor servo

Để cắt 3D, dùng nhiều trong lĩnh vực hàng không, một số hãng chế tạo máy cắt 5- 6 trục

Phần bàn dịch chuyển được phân tích thêm trong phần hệ thống điều khiển bên dưới

d Hệ thống điện điều khiển CNC

Hiện nay đã có thiết bị thương mại CNC cắt tia nước áp suất cao đến 5 trục, ví

dụ thiết bị của hãng Hydrojet Inc (Anh) Việc tích hợp CNC điều khiển gia công tự động cắt tia nước đối với các nước công nghệ tiên tiến không còn là vấn đề Với sự tiến bộ về hệ thống truyền động, động học của các máy CNC đã đơn giản hơn nhiều

so với các máy công cụ truyền thống Việc sử dụng điều khiển CNC ngoài tính năng

nâng cao khả năng gia công tự động thì chất lượng gia công cũng được cải thiện đáng kể Là phương pháp gia công không tiếp xúc, tia cắt có thể theo mọi hướng [9]

Về cơ bản hệ thống điều khiển CNC của máy cắt tia nước cũng không khác với máy cắt plasma, máy cắt oxy- acetylen… Hệ thống điều khiển bao gồm phần điều khiển chuyển động XYZ và phần điều khiển nguồn nước cao áp

Hệ thống điều khiển áp lực và lưu lượng tia nước có thể sử dụng các bộ I/O kèm theo bộ controller hay PLC bên ngoài

Tuy trên thị trường có rất nhiều bộ điều khiển CNC từ loại có tính năng đơn giản đến loại có tính năng rất cao cấp, nhưng có thể dễ dàng nhận thấy: Xu thế sử dụng

bộ điều khiển trên nền máy tính công nghiệp và hệ điều hành Windows là cơ bản, nhờ một số ưu việt nổi bật như sau:

Sử dụng linh kiện tiêu chuẩn, được sản xuất hàng loạt, giá thành thấp

Khả năng lựa chọn và thay thế linh hoạt, tránh độc quyền

Tận dụng sự hiểu biết và kinh nghiệm trong thế giới máy tính văn phòng

Hình 1.4: Hệ thống máy cắt tia nước điều khiển CNC

e Điều khiển đầu cắt

Đầu phun được điều khiển bằng việc đóng mở các van solenoid và bơm tạo áp suất cao trong đường ống Việc quản lý áp suất và lưu lượng trong đường ống ổn định nhằm đạt chế độ cắt ổn định Vì thế việc giám sát là cần thiết và quan trọng

Các cảm biến về áp suất và lưu lượng sẽ dễ dàng giúp ta đạt được mục đích này Việc đo được lưu lượng với vận tốc rất nhanh chúng ta có các phương pháp như: Siêu âm hay turbin

Hình 1.5: Các sản phẩm được gia công từ máy cắt tia nước

3 Ưu điểm của gia công cắt vật liệu bằng tia nước (GCCVLBTN):

- Vết cắt nhỏ, chất lượng vết cắt rất cao, có thể đạt độ chính xác như gia công bằng tia lazer, dung sai đạt 0.08 - 0.1mm nên lượng vật liệu bị mất đi rất ít GCCVLBTN là gia công lạnh không phát sinh nhiệt trong quá trình gia công nên không có biến dạng nhiệt và vì vậy không làm thay đổi tính chất của vật liệu, không làm cong vênh

- Có thể cắt bất kỳ vật liệu nào: Giấy các tông, thảm, plastic, sản phẩm gỗ, cao

su, da, kim loại màu, thép, thép hợp kim, thép dụng cụ, titanium, vật liệu composit, gốm, đá, vật liệu ma sát…

- Vết cắt có thể bắt đầu từ bất kỳ chỗ nào mà không cần khoan mồi trước, có thể cắt các vật liệu cán mỏng

- Không như các phương pháp gia công khác, GCCVLBTN không tạo bụi khói

và hóa chất gây hại đến môi trường

- GCCVLBTN không để lại ba via hay cạnh sắc nhọn nên không cần phải mài hay xử lý làm sạch sau khi cắt

- Có thể dễ dàng tự động hóa, thích hợp với hệ thống CAD/CAM

- Đầu cắt gọn nhẹ hơn nhiều so với thiết bị laser tương ứng nên khi lắp vào đầu Robot không gặp vấn đề khi tăng hoặc giảm tốc

1.2 ỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ TIA NƯỚC ÁP SUẤT CAO

Phạm vi ứng dụng của TNASC khá rộng rãi trong nhiều ngành công nghiệp, phổ biến nhất là dùng trong làm sạch và cắt

1.2.1 Ứng dụng làm sạch [8]

Làm sạch là một trong những ứng dụng đầu tiên của TNASC Trong công nghiệp làm sạch, so với các phương pháp truyền thống thông thường như: Phun cát, hóa học, nhiệt,… TNASC có ưu điểm nổi trội về chỉ tiêu sạch, không gây ô nhiễm môi trường Ở các nước phát triển, các phương pháp làm sạch gây ô nhiễm môi trường bị hạn chế áp dụng, trong một số trường hợp bị cấm sử dụng

Ví dụ phương pháp làm sạch bằng phun cát, nếu sử dụng ngoài trời phải được che kín hoàn toàn, nếu không đảm bảo việc che kín sẽ không được sử dụng

Trong làm sạch, người ta sử dụng tia nước áp suất cao thuần khiết để bóc tách, rửa trôi chất bám dính hay chất bẩn trên vật liệu nền Khi đó các thông số công nghệ ảnh hưởng đến năng suất, chất lượng bề mặt làm sạch là áp suất, vận tốc dịch chuyển, đầu phun, khoảng cách đầu phun

Áp suất được chia theo nhóm cho các lĩnh vực ứng dụng:

- Đến 500 bar: Cho làm sạch, tẩy rửa bề mặt kim loại, thùng chứa, ống thoát nước, làm sạch ống thép tròn với đầu phun thực hiện hai chuyển động là quay và tịnh tiến đem lại năng suất cao

- Từ 500- 2000 bar: Cho làm sạch bề mặt, tẩy lớp oxít trên thép cán, làm sạch các đường ống trong bộ trao đổi nhiệt, làm sạch đường ống dẫn dầu, làm sạch trong nhà máy điện hạt nhân

- Từ 2000- 4000 bar: Cho làm sạch bề mặt kim loại, làm sạch, bóc tách vảy cán thép trước khi sơn phủ trong công nghiệp đóng tàu, làm sạch, bóc tách gỉ thép, lớp sơn cũ khi tu sửa tàu thuyền, công nghiệp chế tạo máy bay…

- Ngoài ra, tia nước áp suất cao thuần khiết còn được ứng dụng trong ngành xây dựng, trong lắp đặt cơ sở hạ tầng Tia nước áp suất cao được ứng dụng để khoan các

lỗ ngang dưới lòng đất để lắp đặt các đường ống Tia nước áp suất cao dùng để thi công khoan, phá trong các công trình ngầm, núi đá mà không gây rung động, bề mặt đẹp, không phải gia cố thêm trừ một số vị trí có vết nứt cũ

Không những vậy, tia nước áp suất cao còn được sử dụng để bóc các lớp bê tông hay lớp bảo vệ bên ngoài các kết cấu xây dựng trước khi hoàn thiện mới hoặc dùng

để cải tạo và cắt dỡ Việc sử dụng tia nước áp suất cao để bóc tách, tạo ra các bề mặt nhấp nhô không đồng đều tạo khả năng gắn kết cao khi gắn với lớp bảo vệ mới Nếu sử dụng phương pháp bóc tách cơ khí, bề mặt sẽ phẳng hơn và khó gắn kết Ngoài ra, khi dùng tia nước áp suất cao để bóc tách sẽ tránh được rung động tới các vùng bên cạnh trong kết cấu

Phương pháp làm sạch này có những ưu điểm sau:

- Không gây ô nhiễm môi trường

- Có thể điều chỉnh áp suất nên phạm vi ứng dụng rộng

- Sinh nhiệt nhỏ phù hợp với làm sạch vật liệu nhạy cảm với nhiệt độ

- Cải thiện điều kiện làm việc cho người vận hành

Tuy nhiên phương pháp làm sạch này có những nhược điểm sau:

- Giá thành đầu tư thiết bị cao

- Cần đầu tư các thiết bị hỗ trợ, đồ gá riêng cho mỗi ứng dụng làm sạch

- Điều kiện an toàn cao

1.2.2 Ứng dụng cắt vật liệu [8]

Trong lĩnh vực cắt vật liệu, tia nước áp suất cao được phân thành hai loại:

- Cắt bằng tia nước thuần khiết

- Cắt bằng tia nước có trộn hạt mài

Cắt bằng tia nước thuần khiết:

Tia nước không hạt mài hay được gọi là tia nước thuần khiết được ứng dụng để cắt các vật liệu mềm trong các ngành công nghiệp như: Công nghệ may mặc, da giày, thực phẩm, giấy, y học

Trong các nhà máy sản xuất giấy, tia nước không hạt mài áp suất cao dùng để cắt giấy với ưu điểm là loại trừ bụi giấy và nguy cơ cháy nổ tiềm tàng

Trong công nghệ thực phẩm, tia nước không hạt mài áp suất cao được dùng để cắt thực phẩm Do tia nước cực mảnh nên lượng hao hụt thực phẩm là rất nhỏ Hơn nữa, tia nước rất sạch nên không xâm hại tới thực phẩm

Trong công nghệ dệt may và công nghiệp da giày, tia nước không hạt mài áp suất cao được dùng để cắt thay cho dao cơ khí, và nó có thể cắt theo biên dạng bất

kỳ

Các vật liệu có cấu tạo gồm nhiều lớp, mỗi lớp có một đặc tính như sợi, hạt, xốp, mềm… việc dùng tia nước không hạt mài áp suất cao để cắt đem lại hiệu quả cao

Trong các xưởng đúc kim loại, tia nước không hạt mài áp suất cao được dùng để bóc, rửa, phần cát bị cháy trên bề mặt sản phẩm, phá lõi, của vật đúc Phương pháp này rất có năng suất và hạn chế được bụi cát

Đặc biệt trong y học, tia nước không hạt mài áp suất cao được dùng để mổ hoặc cắt một số bộ phận trên cơ thể con người thay cho dao cơ khí Phương pháp cắt bằng tia nước áp suất cao không gây ra tổn thương cho các phần khác Ví dụ như nó được ứng dụng trong phẫu thuật gan, tia nước với áp suất được điều chỉnh hợp lý cắt đứt các phần mềm của gan, mạch máu có độ bền cao hơn không bị tổn hại

Cắt bằng tia nước có trộn hạt mài:

Tia nước trộn hạt được phân thành hai loại:

- Tia nước trộn hạt mài không áp

- Tia nước trộn hạt mài có áp

+ Tia nước trộn hạt mài không áp là tia nước mà hạt mài được trộn tại buồng

trộn ngay sau đầu phun, nó có thể cắt được tất cả các vật liệu như: Kim loại, đá, cao

su, nhựa polyme, composit, gốm, kính… Phương pháp này đơn giản, giá thành thấp

và được ứng dụng nhiều trong công nghiệp Tuy nhiên nó có hạn chế là do lượng

không khí lẫn trong tia nước tương đối lớn nên phương pháp này không được sử

dụng trong môi trường có chất nổ và khi cắt ở dưới nước chỉ cắt được ở độ sâu

không quá 20m

+ Tia nước trộn hạt mài có áp là tia nước mà hạt mài được trộn với nước trong

bình nén và cùng được tăng tốc cùng với áp suất dòng nước khi qua đầu phun Tia

nước trộn hạt mài có áp có phạm vi ứng dụng và hiệu suất cao hơn so với tia nước

trộn hạt mài không áp, nó có thể cắt được tất cả các loại vật liệu, ngoài ra còn được

ứng dụng cắt dưới nước với độ sâu lên đến 6000m, cắt phá bom mìn, đạn dược…

1.3 PHẠM VI NGHIÊN CỨU CỦA ĐỀ TÀI

Đề tài sẽ tập trung vào nghiên cứu xây dựng quy trình tính toán thiết kế hệ thống

cắt bằng tia nước có hạt mài điều khiển CNC, bao gồm các nội dung sau:

1 Nghiên cứu cơ sở lý thuyết của công nghệ cắt bằng tia nước;

2 Xây dựng quy trình tính toán thiết kế hệ thống cắt bằng tia nước có hạt mài;

3 Thiết kế hệ thống điều khiển CNC cho máy cắt bằng tia nước;

4 Tính toán thiết kế một hệ thống cắt bằng tia nước có hạt mài

CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT CỦA CÔNG

NGHỆ CẮT BẰNG TIA NƯỚC

2.1 KHÁI NIỆM VỀ TIA NƯỚC ÁP SUẤT CAO

Dòng tia là dòng chảy được giới hạn từ tất cả các phía bằng chất lỏng hoặc khí, hay nói theo cách khác dòng tia chính là dòng chảy mà từ tất cả các phía đều là mặt

tự do

Tia nước áp suất cao (TNASC) chính là dòng tia có vận tốc cực lớn, được tạo nên bởi thiết bị bơm cao áp, nước được nén với áp suất cao sau đó được đẩy qua đường ống cao áp rồi thoát ra ngoài qua đầu phun, đầu phun có đường kính nhỏ hơn nhiều lần so với đường kính đường ống cao áp

Quá trình tạo TNASC là quá trình chuyển hóa năng lượng, đầu tiên là tích lũy năng lượng sau đó là vận chuyển năng lượng, cuối cùng là giải phóng năng lượng

2.2 PHÂN LOẠI CÔNG NGHỆ CẮT BẰNG TIA NƯỚC ÁP SUẤT CAO

Trên hình 2.1 là sơ đồ phân loại công nghệ cắt bằng TNASC dựa trên thành phần của tia nước:

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

Theo thành phần của dòng tia, công nghệ cắt bằng TNASC được chia thành hai loại:

Tia nước thuần khiết (Pure Waterjet- WJ)

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

Tia nước thuần khiết phần lớn được dùng trong làm sạch và cắt các vật liệu mềm Tia nước có trộn hạt mài được chia làm hai 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 không áp (AWIJ)

Hình 2.2: Phương pháp trộn hạt mài không áp Trong phương pháp trộn hạt mài không áp, hạt mài được trộn tại buồng trộn ngay sau đầu phun (Hình 2.2) Theo nguyên lý dòng chảy, do tốc độ cực lớn của tia nước sau khi ra khỏi đầu phun mà buồng trộn có sự chênh lệch áp suất thấp làm hạt mài và không khí được hút vào khoang trộn Khi bị hút vào khoang trộn, hạt mài gặp tia nước có vận tốc cao nó sẽ tăng tốc cho hạt mài ngay trong khoang trộn và

trong ống hội tụ, hạt mài sẽ đạt được vận tốc cực đại khi ra khỏi ống hội tụ Phương pháp cấp hạt mài trong chu trình này là hở, ngoài hạt mài được hút vào buồng trộn còn có một lượng không khí khá lớn bị hút vào Do đó thành phần của tia nước bao gồm: Nước, hạt mài và không khí

Tốc độ của tia nước hạt mài được tính theo định luật xung như sau [7]:

.

.

h n

h h n n TN

m m

v m v m v

h n

n n TN

m m

v m v

lượng trong quá trình trộn và tổn hao do ma sát Tốc độ thực của tia hạt mài còn phụ thuộc vào độ lớn, hình dạng hạt mài và mật độ của hạt mài trong tia

Tia nước trộn hạt mài có áp (AWSJ)

Tia nước trộn hạt mài có áp được tạo ra theo 3 nguyên lý:

- Nguyên lý trực tiếp

- Nguyên lý gián tiếp

- Nguyên lý đường nhánh

Hình 2.3: Nguyên lý trộn hạt mài có áp Trong phương pháp trộn hạt mài có áp, hạt mài được cấp theo chu trình kín nên thành phần của tia nước chỉ gồm nước và hạt mài, đây cũng chính là lý do đem lại hiệu quả của cắt bằng tia nước trộn hạt mài có áp

Nguyên lý trực tiếp

Hạt mài được trộn lẫn cùng với nước và bơm trực tiếp từ bơm cao áp ra vòi phun Nguyên lý này được phát minh vào năm 1965, thử nghiệm ở áp suất 690 bar Ngày nay phương pháp này không được dùng do tính mài cao của hạt mài trong quá trình bơm

Nguyên lý gián tiếp

Hạt mài được trộn với nước không áp thành dung dịch dạng huyền phù, dung dịch này được đưa vào bình chứa và nén trực tiếp bằng piston tới vòi phun Nguyên

lý này được thử nghiệm với áp suất 3790 bar Tuy nhiên phương pháp này có nhược điểm là khả năng định lượng và sự phân phối không đồng đều của hạt mài trong dung dịch trộn

Nguyên lý đường nhánh

Hạt mài được trộn trong thùng nén có áp và được nối với đường ống chính có áp nhờ nhánh chia Lượng hạt mài được phân phối nhờ một van định lượng, khi đó lượng hạt mài trộn với nước được phân phối đồng đều Nguyên lý này được phát minh vào năm 1986 Phương pháp này có thể điều chỉnh được lượng hạt mài trộn với nước khá chính xác, tạo độ ổn định trong gia công nâng cao chất lượng và hiệu suất mạch cắt

2.3 ĐỘNG LỰC HỌC TIA NƯỚC ÁP SUẤT CAO

2.3.1 Tia nước liên tục

Tia nước sau khi ra khỏi đầu phun, vận tốc của tia nước tăng lên rất nhanh Xét dòng chảy của tia tại 2 mặt cắt 1-1 và 2-2 ngay sau đầu phun, xem ma sát của nước

và thành ống bằng không và giả sử dòng chảy không bị nén

Hình 2.4: Tia nước sau khi ra khỏi đầu phun Theo công thức Bernoulli cho dòng chảy không ma sát, ta có [7]:

p g

v rg

p g

2 1

2 1

- p2[Pa]: Áp suất dòng chảy tại mặt cắt 2-2

- r[kg/m3]: Trọng lượng riêng của chất lỏng

Xét tại mặt cắt 1-1:

Tổng năng lượng của dòng là:

rg

p g

2

2 2

bị giảm dần

2.3.2 Tia nước va đập

Tia nước va đập hay tia nước xung, tia nước khi phun vào một bề mặt cứng, ban đầu bề mặt chịu tác động va đập sau đó là chịu các tác động liên tục dạng xung Hình dáng và biên độ của tải trọng tác động có thể được miêu tả như xung áp va đập ngắn, áp va đập được tính theo công thức [7]:

Pva đập= r0c0v0 (1.8)

Áp suất va đập lớn nhất được tính:

Pva đập max= 2,5r0c0v0 (1.9) Trong đó:

- 3: Tỷ khối của môi trường giọt

2.3.3 Đặc trưng động học của tia nước tác động lên bề mặt chi tiết

Ở giai đọan bắt đầu của dòng tia (vùng lõi cắt hình 2.5), 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 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 tiết diện của tia tăng lên, càng xa đầu phun thì tiết diện càng lớn và phần cuối cùng sẽ hóa thành sương mù

Hình 2.5: Sơ đồ cấu trúc của tia nước tốc độ cao trong không khí

Tia nước sau khi ra khỏi đầu phun có cấu trúc gồm 3 vùng [8]:

- Vùng cuối cùng là vùng hóa sương, vùng này các giọt tiếp tục bị tách ra thành những giọt nhỏ hơn, li ti dạng sương mù, ở vùng này tốc độ dòng tia giảm mạnh

Chiều dài của vùng lõi: Xc= 73÷135D0; D0: Đường kính đầu phun Chiều dài vùng liên tục: Xb= 3.35Xc

Tác động phá hủy của tia thay đổi theo hướng dọc trục và hướng kính Bề mặt của chi tiết nhận tác động gần như tĩnh bởi lõi của tia sau đầu phun, chỉ có xung động của áp suất bơm tác động lên bề mặt chi tiết là sự tham gia động học Xung quanh vùng lõi tia có một tác động động học qua việc phân chia tạo thành giọt Càng xa đầu phun thì xu hướng tác động chuyển từ tĩnh sang động rồi hoàn toàn động Tổn thất do ma sát làm càng xa đầu phun thì giọt bị phân chia càng nhỏ và tiết diện tác động càng lớn, biên độ của tải trọng động tác động lên vật liệu càng giảm

Việc đo, xác định chính xác đặc tính và tính chất của tia rất khó khăn do tốc độ của tia cao, tia bị hạt sương bao bọc xung quanh

Kết quả thí nghiệm cho thấy tác động của tia nước ở các khoảng cách phun khác nhau, hay tiết diện tác động lên bề mặt chi tiết khác nhau Để bóc tách vật liệu, ban đầu tia nước xuyên thủng lớp bề mặt, tạo ra các vết nứt và sau đó là tác động xói mòn Áp suất tĩnh chỉ có tác động bắn phá bề mặt lần đầu tiên khi tia đi tới bề mặt, sau đó chỉ còn tác động nén liên tục lên bề mặt chi tiết Bề mặt lúc này chịu tác động liên tiếp của các giọt chất lỏng

Tuy nhiên, càng xa đầu phun tốc độ tia càng giảm, năng lượng thất thoát càng lớn và khả năng bóc tách giảm Ở phần cuối vùng tạo giọt, cả áp lực tĩnh và động đều giảm và chuyển thành vùng hóa sương mù, vùng này không có khả năng bóc tách vật liệu

2.4 CƠ CHẾ BÓC TÁCH VẬT LIỆU BẰNG TIA NƯỚC ÁP SUẤT CAO 2.4.1 Cơ chế bóc tách vật liệu bằng tia nước thuần khiết

Tia nước thuần khiết sau khi ra khỏi đầu phun tạo thành chùm tia bao gồm nước

và bọt khí, các bọt khí này như một hạt nhân bằng khí không bị hòa tan trong môi trường chất lỏng Năng lượng riêng được sinh ra trong quá trình “nổ túi” tạo ra các vùng chênh lệch áp suất tức thời, năng lượng này đủ lớn để cho các bọt nước xâm thực vào bề mặt vật liệu và phá hủy chúng

Hình 2.6: Sơ đồ tác động của tia nước thuần khiết

Cơ chế bóc tách được mô tả theo các bước sau [3]:

1 Đầu tiên xuất hiện các vết xé trên bề mặt vật liệu, vết xé được kích vỡ

mở rộng vết xé bởi gradient áp suất lớn tạo ra ứng suất kéo trên bề mặt vật liệu

2 Quá trình tăng cường áp suất thủy tĩnh và thủy động trong rãnh, quá trình này phụ thuộc nhiều vào áp suất nén

3 Những vết xé tế vi nối tiếp nhau tạo thành một vết lớn, các hạt vật liệu bắt đầu bị tách ra

4 Quá trình bóc tách vật liệu cứ tuần tự như các bước trên từng bậc một, trong đó độ lớn của mỗi bậc tương ứng với độ lớn của hạt vật liệu bị tách ra

2.4.2 Cơ chế bóc tách vật liệu bằng tia nước trộn hạt mài

Trong quá trình cắt bằng tia nước trộn hạt mài, khi tia nước trộn hạt mài phun vào bề mặt chi tiết thì ngoài tác động của tia nước thuần khiết, bề mặt còn chịu tác động của dòng hạt mài, dòng hạt mài này có tốc độ cực lớn Mật độ tác động phụ thuộc vào lưu lượng hạt mài trong hỗn hợp chất lỏng Ngoài ra lực tác động còn phụ thuộc vào bản chất hạt mài, kích thước buồng trộn, ống dẫn hội tụ, đầu phun Dạng tác dụng ở đây là tác động va đập

So với tia nước thuần khiết, tia nước trộn hạt mài có những điểm khác biệt sau:

- Khối lượng của mỗi hạt mài lớn hơn nhiều so với khối lượng của mỗi giọt nước khi tách khỏi tia, do đó xung ứng suất va đập của từng hạt đơn

lẻ lớn hơn rất nhiều so với xung của giọt nước

- Khi bắn đập vào bề mặt vật liệu, hạt mài chỉ bị biến dạng rất ít Điều đó

có nghĩa là giá trị của ứng suất lớn hơn rất nhiều Thời gian tác động của hạt mài lâu hơn thời gian tác động của giọt nước do giọt nước khi đập vào bề mặt vật liệu bị biến dạng sang các phía

- Diện tích tác động phụ thuộc vào hình dáng của hạt mài Do hình dạng hạt mài thường là có góc cạnh nên tiết diện tác động của hạt mài nhỏ hơn tiết diện tác động của lõi tia nước thuần khiết Do vậy xét trên một đơn vị diện tích thì xung tác động do hạt mài gây nên lớn hơn

- Trong quá trình trộn hạt mài với tia nước, tia nước tự do liên tục bị phá

vỡ và tự chuyển thành giọt với cường độ tác động ngày càng tăng

Tất cả các đặc điểm trên trước tiên phụ thuộc vào tỷ lệ nước và hạt mài Khi mật

độ hạt mài trong dòng tia tăng lên, hiệu quả cắt gọt cũng tăng lên Dòng tia nước

ngoài nhiệm vụ vận chuyển, tăng tốc hạt mài nó còn có tác dụng tham gia vào quá trình bóc tách vật liệu như gây nên hiện tượng xâm thực, kích vỡ và mở rộng vết xé Khi tia nước có trộn hạt mài phun vào bề mặt cần gia công, do động năng các hạt là rất lớn gây nên biến dạng, cày rách bề mặt tạo nên quá trình bóc tách Tiếp theo hạt mài cày vết sâu hơn lên bề mặt, trong quá trình cày sâu vào vật liệu, hạt mài thực hiện hai chuyển động tịnh tiến và xoay Chính vì vậy hạt mài sau khi chạm vào bề mặt vật liệu nó sẽ chèn sâu vào vật liệu rồi bật ra ngoài để lại vết gợn, vết gợn này sẽ bị các hạt mài tiếp theo bóc tách ra khỏi vật liệu, cứ như vậy quá trình này lại lặp lại

Chính vì vậy mà hạt mài có cạnh sắt có khả năng phá hủy, bóc tách cao hơn so với các hạt mài tròn, nhẵn

2.5 CÁC THÔNG SỐ CÔNG NGHỆ CỦA QUÁ TRÌNH CẮT BẰNG TIA NƯỚC ÁP SUẤT CAO

Khi cắt bằng tia nước áp suất cao, các yếu tố sau ảnh hưởng đến chất lượng mạch cắt được mô tả trong sơ đồ hình 2.7:

Hình 2.7: Sơ đồ các yếu tố ảnh hưởng đến chất lượng mạch cắt khi cắt bằng tia

nước áp suất cao có trộn hạt mài

2.5.1 Sự phân bổ năng lượng

Xét trường hợp một motor 60kW được sử dụng để vận hành cho bơm áp suất cao, nó sẽ cung cấp dòng chảy 44 lít/phút và áp suất tia nước là 700 bar Dòng chảy

từ bơm chảy qua ống dài 10m và đường kính trong 4.76mm để cung cấp cho 3 lỗ phun quanh trục của mặt phẳng gia công, cách mặt phẳng gia công 30cm từ đầu phun Mỗi lỗ phun có đường kính 1.4mm Để cung cấp cho ví dụ làm thế nào năng lượng hao tổn, xem xét trường hợp khi chẳng hạn như hệ thống tia nước lấy đi 2.5cm vật liệu dọc theo đường dịch chuyển, chiều rộng 5cm, và với đầu phun di chuyển dọc theo đường di chuyển này với tốc độ 60cm/phút Giá tri năng lượng riêng có thể được tính dựa trên lượng năng lượng sẵn có trong mỗi giai đoạn

2.5.1.1 Năng lượng đầu vào cho motor

Thể tích vật liệu bị bóc tách từ bề mặt gia công mỗi giây bằng chiều sâu cắt nhân với chiều rộng cắt và khoảng cách đầu phun di chuyển Trong phần này, kích thước được tính bằng mm

3

3 1250 1250000

1000 50

M W H

2.5.1.2 Công suất đầu vào cho bơm

Nếu motor điện có hiệu suất 90%, khi đó bơm chỉ nhận được năng lượng 54kW

từ motor tương đương 54000J Tuy nhiên, với cùng một thể tích vật liệu bị tách bỏ

từ bề mặt gia công, giá trị năng lượng riêng [8]:

Năng lượng riêng= Năng lượng đầu ra của bơm/ Thể tích vật liệu bóc tách

=54000 / 1250 = 43 2J/cm3

Năng lượng tác dụng= Năng lượng đầu ra/ Năng lượng đầu vào

=54000/60000=90%

2.5.1.3 Công suất đầu ra từ bơm vào tia nước

Nếu nước được phóng ra từ bơm với lưu lượng Q là 44 lít/phút và áp suất P 700bar ở đầu ra của bơm, thì công suất bơm được tính [8]:

kW P

Q

K = 1 666 × × / 1000 = 1 666 × 44 × 700 / 1000 = 51 31Trong đó:

P: Áp suất tia nước (bar)

Q: Lưu lượng nước (lít/phút)

K: Công suất tia nước (kW)

Năng lượng riêng= Công suất đầu ra của bơm/ Thể tích vật liệu bóc tách

/ 41 1250 /

Áp suất tổn hao trong quá trình truyền với lưu lượng từ 44 lít/phút qua 10m ống với đường kính trong 4.76mm [8]:

Áp suất tổn hao đường ống =

m bar R

D

Q

/25476

.0

445.1116476

.0100

44597.0100

597.0

25 0 5

2 25

0 5

Q: Lưu lượng nước qua ống (lít/phút)

Áp suất tổn hao trong các khúc ngoặt, khúc rẽ của dòng chảy trong đầu phun với các góc và đường kính khác nhau được ước lượng khoảng 35bar Áp suất tổn hao tổng cộng từ đầu ra của bơm đến điểm phóng ra ở đầu phun có thể được tính:

Áp suất tổn hao từ đầu ra của bơm đến đầu phun= Áp suất tổn hao đường ống+

Áp suất tổn hao đầu phun= 10 (m) × 25 (bar/m) + 35 = 285bar

Áp suất tia nước= Áp suất đầu ra của bơm- Tổng áp suất tổn hao

=700−285=415bar Công suất tia nước (K)= 16.66x Lưu lượng nước (lít/phút)x Áp suất tia nước (bar)/10000

= 16.66×44×415/10000=30.4kW

Năng lượng riêng= Công suất đầu ra của tia nước/ Thể tích vật liệu bóc tách

/ 34 24 1250 /

Năng lượng tác dụng= Năng lượng đầu ra/ Năng lượng đầu vào

=30420/60000=50.7%

Vì vậy, tia nước có được từ bơm, sau khi qua đường ống và thoát ra khỏi đầu phun, khoảng 50% năng lượng bị mất

2.5.1.5 Công suất truyền tới bề mặt gia công

Vận tốc tia nước ra khỏi đầu phun được tính [8]:

s m P

Trong đó:

P: Áp suất tia nước (bar)

Với lưu lượng 44lít/phút (hay 733cm3/s) và vận tốc là 34900cm/s thì diện tích đầu phun phải là 733/34900=0.02cm2 Như vậy đường kính đầu phun sẽ là 1.4mm Nếu dòng nước phun vào bề mặt gia công được chia thành 3 tia, với lưu lượng

44 lít/phút và áp suất là 415 bar thì đường kính yêu cầu cho mỗi đầu phun là 1.4mm Điều này khẳng định rằng hệ số phóng tia nước là 1.0 và áp suất tia nước tại đầu phun là 415 bar

Với khoảng cách xa 30cm tới mặt phẳng gia công tương đương 215 lần đường kính vòi phun là vượt ra ngoài giới hạn khoảng cách cắt hiệu quả nhất một ít của những đầu cắt sẵn có trên thị trường Những đầu phun công suất cao thông dụng nhất chỉ có khoảng cách tới mặt phẳng gia công từ 150 đến 200 lần đường kính đầu phun

Đối với đầu phun kích thước và áp suất này, những thí nghiệm chỉ ra rằng áp suất suy giảm theo đường cong, trong phạm vi khoảng cách này, có thể được ước lượng bởi công thức:

Áp suất tác dụng= 389.e− 0 0165 ×S =389.e− 0 0165 × 30 =237(bar)

Trong đó:

S: Khoảng cách từ đầu phun cho đến mặt phẳng gia công (cm)

Những giá trị thay thế cho thấy áp suất tác dụng trên bề mặt gia công là 237 bar Tuy nhiên, nó không phải là hằng số đối với cả tia nước Bằng cách xấp xỉ đường cong theo hàm tam giác một ước lượng đơn giản lượng năng lượng còn lại trong tia nước được tiến hành Công thoát ra ngoài này là 8100J Sau đó tính toán lại giá trị năng lượng tác dụng

Năng lượng riêng= Công suất của tia nước tác dụng vào mặt phẳng gia công/ Thể tích vật liệu bóc tách

=8100 / 1250 = 6 48J/cm3

Năng lượng tác dụng= Năng lượng đầu ra/ Năng lượng đầu vào

=8100/60000=13.5% Những số liệu được cho chỉ để minh họa, nó không phản ánh những giá trị sẽ nhận được với một hệ thống thiết kế tối ưu Tuy nhiên, ở một mức độ điển hình nào

đó nó có thể được tìm thấy trong các thiết bị hoạt động, các thiết bị này có thể bắt gặp trong trường sử dụng Những giá trị sản xuất đã sử dụng được lấy từ những điều được tìm thấy trong những thí nghiệm thực tế trong phòng thí nghiệm Lời khuyên được nghiên cứu từ việc tính toán sơ bộ là khi nó chỉ cần sử dụng 6.5J năng lượng để bóc tách một cm3 vật liệu từ bề mặt gia công, bởi vì sự mất mát trong hệ thống, công suất được yêu cầu để hoàn thành những yêu cầu này là 48J/cm3 là đầu vào của của motor bơm Vì vậy, 85.5% năng lượng đầu vào bị hao tổn trước khi tia nước chạm tới bề mặt gia công, và chỉ có 13.5% để thực hiện công việc yêu cầu Nói cách khác 8 lần lượng năng lượng thực tế cần để bóc tách vật liệu phải được

sử dụng để vượt qua hiệu suất của hệ thống

Làm thế nào sau đó hiệu suất của hệ thống phân phát có thể được cải thiện, công suất của tia nước là cao hơn, và do đó cải thiện được hiệu suất của hệ thống? Để giải quyết vấn đề này đầu tiên phải kiểm tra mỗi bộ phận cấu thành tạo nên áp suất