Nghiên cứu chế độ công nghệ cắt vật liệu kim loại có độ cứng cao bằng tia nước

Cùng với thời gian, sự phát triển của khoa học kỹ thuật như công nghệ chế tạo máy, công nghệ vật liệu, công nghệ thông tin, … tạo ra thiết bị tạo TNASC với áp suất ngày càng lớn, nó nhan

-[\ -

NGUYỄN HỮU MINH

NGHIÊN CỨU CHẾ ĐỘ CÔNG NGHỆ CẮT VẬT LIỆU KIM LOẠI CÓ ĐỘ

CỨNG CAO BẰNG TIA NƯỚC

CHUYÊN NGÀNH: CHẾ TẠO MÁY

MÃ SỐ NGÀNH : 2.01.00

LUẬN VĂN THẠC SĨ

TP HỒ CHÍ MINH – 6/ 2005

-[\ -

Cán bộ hướng dẫn khoa học: GS.TSKH BÙI SONG CẦU ………

………

………

………

………

Cán bộ chấm nhận xét 1: ………

………

………

………

………

Cán bộ chấm nhận xét 2 ………

………

………

………

………

Luận văn thạc sĩ được bảo vệ tại HỘI ĐỒNG CHẤM LUẬN VĂN THẠC SĨ TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA, ngày …….…… tháng ………… năm ………

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ

Họ và tên học viên: Nguyễn Hữu Minhø Phái : Nam

Sinh ngày 26 tháng 11 năm 1975 Nơi sinh: Hà Nội

Chuyên ngành: Cơ Khí Chế Tạo Máy Mã số : 00403089

I TÊN ĐỀ TÀI: NGHIÊN CỨU CHẾ ĐỘ CÔNG NGHỆ CẮT VẬT LIỆU KIM LOẠI CÓ ĐỘ CỨNG CAO BẰNG TIA NƯỚC.

II. NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG:

1 Phần lý thuyết:

- Tìm hiểu về thiết bị và công nghệ cắt bằng TNASC

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

2 Phần thực nghiệm:

Nghiên cứu thực nghiệm để đánh giá ảnh hưởng của các thông số công nghệ đến

năng suất cắt khi cắt vật liệu kim loại có độ cứng cao

III NGÀY GIAO NHIỆM VỤ: Ngày 20 tháng 1 năm 2005

IV NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: Ngày tháng năm 2005

V HỌ VÀ TÊN CÁN BỘ HƯỚNG DẪN: GS TSKH Bùi Song Cầu

VI HỌ VÀ TÊN CÁN BỘ CHẤM NHẬN XÉT 1:

VII HỌ VÀ TÊN CÁN BỘ CHẤM NHẬN XÉT 2:

CÁN BỘ HƯỚNG DẪN CÁN BỘ CHẤM NHẬN XÉT 1 CÁN BỘ CHẤM NHẬN XÉT 2

TRƯỞNG PHÒNG QLKH-SĐH CHỦ NHIỆM NGÀNH

PGS.TS Đoàn Thị Minh Trinh PGS TS Trần Doãn Sơn

LỜI NÓI ĐẦU

Công nghệ tia nước áp suất cao (TNASC) được xây dựng từ những năm 30 của thế kỷ 20 Đầu tiên được Liên Xô ứng dụng trong lĩnh vực khai thác mỏ ngầm trong lòng đất Cùng với thời gian, sự phát triển của khoa học kỹ thuật như công nghệ chế tạo máy, công nghệ vật liệu, công nghệ thông tin, … tạo ra thiết bị tạo TNASC với áp suất ngày càng lớn, nó nhanh chóng được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực ở các nước Nhật, Anh, Mỹ, Đức, Canada, Trung Quốc, …

Với các đặc tính công nghệ riêng, TNASC được ứng dụng vào các ngành như:

Cơ khí chế tạo máy, công nghệ làm sạch, công nghệ dệt may, công nghệ thực phẩm, … với áp suất từ vài trăm tới hàng nghìn bar

Nội dung đề tài này nhằm nghiên cứu ảnh hưởng của các thông số công nghệ (áp suất, vận tốc cắt) khi cắt bằng TNASC đến năng suất cắt đối với vật liệu kim loại có độ cứng cao với mục đích làm cơ sở nâng cao hiệu quả sử dụng thiết bị trong cắt kim loại cóđộ cứng cao

Xin chân thành cảm ơn GS TSKH Bùi Song Cầu đã tận tình hướng dẫn, cảm

ơn lãnh đạo Viện máy và dụng cụ công nghiệp, các thầy cô trong bộ môn Chế tạo máy Trường ĐHBK Tp Hồ Chí Minh và các bạn đồng nghiệp đã giúp đỡ hoàn thành luận văn này

Tác giả

Nguyễn Hữu Minh

TÓM TẮT LUẬN VĂN

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, 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 Do vậy việc phát triển ứng dụng công nghệ tia nước 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 được ứng dụng trong nhiều ngành công nghệp 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 có trang bị thiết bị tạo TNASC bao gồm 02 hệ thống làm sạch của Hãng URACA – CHLB Đức với áp suất tới 2800 bar và 02 hệ thống cắt của Hãng BưHLER - Áo với áp suất tới 4200 bar tuy nhiên, vấn đề là làm thế nào để khai thác ứng dụng thiết bị này trong sản xuất một cách có hiệu quả

Nội dụng của Luận văn: “Nghiên cứu chế độ công nghệ cắt vật liệu kim loại có độ cứng cao bằng tia nước” gồm các phần chính như sau:

- Tìm hiểu về thiết bị và công nghệ cắt bằng TNASC

- Phân tích động học và động lực học dòng tia

- Nghiên cứu ảnh hưởng của các thông số công nghệ (áp suất, vật tốc cắt) đến năng suất cắt khi cắt vật liệu kim loại có độ cứng cao

-KƯJ -

ABSTRACT Nowadays, toghether with developmental rate of more and modern technical science, kinds of metal material which have durability, high hardness, bear high temperature, corrosion … are used in equipment, machinery, in many frelds This requires to have new technology solution to process these materials with capacity, quality, high effect Therefore, applicable development of water jet technology into materials with high durability, hardress is considered as asolution to meet the above demand In the world, in the development countries, water jetting technology has been applied in many industrial branches at levels such as: cleaning, cutting,

peeling off surfaces …, it has brought to high effect

In Vietnam, Institute for machinery and industrial intruments is a first unit to

be equipped with the water jetting technology manufacturing including two cleaning systems of URACA factory – Germany with pressure of 2800 bar and two cutting systems of BöHLER factory – Austin with pressure of 4200 bar However, the insufficient problem is how to exploit, apply this equipment in manufacture

effectively

Content of the thesis: “Research technology regime of cutting metal

materials with high hardness by water jet” including the main parts as follows:

- Researching about the cutting equipment by water jetting technology

- Analyzing, explaining the cutting structure by water jet

- Researching influence of technology parameters (pressure, cutting speed)

to the cutting capacity when cutting materials with high hardness

1.1 Tình hình về công nghệ tia nước áp suất cao trên thế giới và tại Việt Nam 8

1.2 Các lĩnh vực ứng dụng của công nghệ tia nước áp suất cao 10

1.3 Ưu nhược điểm của công nghệ cắt bằng tia nước áp suất cao 18

1.4 Tính chất của vật liệu kim loại có độ cứng cao 19

Chương II: LÝ THUYẾT CÔNG NGHỆ TIA NƯỚC ÁP SUẤT CAO 23 2.1 Khái niệm về tia nước áp suất cao 23 2.2 Phân loại công nghệ tia nước áp suất cao 23 2.3 Động lực học tia nước áp suất cao 28

2.3.3 Đặc trưng động học của tia nước tác động lên bề mặt chi tiết 33

2.4 Cơ chế bóc tách vật liệu bằng tia nước áp suất cao 35

2.4.1 Cơ chế bóc tách vật liệu bằng tia nước thuần khiết 35

2.4.2 Cơ chế bóc tách vật liệu bằng tia nước thuần trộn hạt mài 36

2.5 Các thông số công nghệ của quá trình cắt bằng tia nước áp suất cao 38

Chương III: XÁC ĐỊNH LƯU LƯỢNG HẠT MÀI CHO QUÁ TRÌNH CẮT VẬT LIỆU KIM LOẠI CÓ ĐỘ CỨNG CAO 39

3.1 Giới thiệu hệ thống cắt bằng tia nước áp suất cao 39

3.1.1 Cụm tạo áp 41

3.1.2 Cụm đầu phun 47

3.1.3 Hệ thống đường ống cao áp 48

3.1.4 Cụm cấp hạt mài 49

3.1.5 Cụm bàn cắt 50

3.1.6 Cụm điều khiển 52

3.2 Nghiên cứu thực nghiệm cắt vật liệu thép 9XC đã qua nhiệt luyện 52

3.2.1 Chuẩn bị thí nghiệm 52

3.2.2 Lựa chọn vật liệu trong nghiên cứu thực nghiệm 55

3.3 Xác định lưu lượng hạt mài trong quá trình cắt vật liệu 9XC 57

Chương IV NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA CÁC THÔNG SỐ CÔNG NGHỆ ĐẾN NĂNG SUẤT CẮT VẬT LIỆU KIM LOẠI CÓ ĐỘ CỨNG CAO 63

4.1 Thiết kế thí nghiệm 63

4.2 Mục tiêu nghiên cứu và mô hình quan hệ thực nghiệm 64

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT

26 Abrasive Water Injection Jet (Tia nước trộn hạt

27 Abrasive Water Suspention Jet (Tia nước trộn hạt

-KÖJ -

- Không gây ô nhiễm môi trường, không gây các phản ứng hóa học, không sinh nhiệt

- Bề mặt cắt không bị ứng suất nhiệt, không bị cháy, biến dạng bề mặt

- Cắt được hầu hết các loại vật liệu như: thép, kim loại màu, vật liệu nhân tạo, ceramic, gốm, kính, cao su, vật liệu có cấu tạo nhiều lớp

- Cắt được trong môi trường dễ gây cháy nổ

- Mạch cắt nhỏ, chất lượng cao

- Cắt được các chi tiết rỗng

- Lực cắt và phản lực nhỏ, khả năng tự động hóa cao

Trên Thế Giới, tại các nước phát triển TNASC đã được ứng dụng trong nhiều ngành công nghệp 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 đầu tiên trang bị thiết bị tạo TNASC bao gồm 02 hệ thống làm sạch bằng TNASC của Hãng URACA với áp suất tới 2800 bar và 02 hệ thống cắt bằng TNASC của Hãng BưHLER 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 qua là vấn đề đang được quan tam của Viện

Mục tiêu của đề tài Luận văn: “Nghiên cứu chế độ công nghệ cắt vật liệu kim loại có độ cứng cao bằng tia nước” là: Làm cơ sở nâng cao hiệu quả sử dụng thiết bị trong cắt kim loại có độ cứng cao

Nội dung của Luận văn:

- Tìm hiểu về thiết bị và công nghệ cắt bằng TNASC

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

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

- Nghiên cứu thực nghiệm để đánh giá ảnh hưởng của các thông số công nghệ (áp suất, vật tốc cắt) đến năng suất cắt khi cắt vật liệu kim loại có độ cứng cao

-KƯJ -

Chương 1: TỔNG QUAN

1.1 Tình hình về công nghệ tia nước áp suất cao trên thế giới và tại Việt Nam

Đầu thế kỷ 20, tia nước có áp được áp dụng để khai thác mỏ than bùn tại Prussia Tiếp đó được áp dụng để khai thác các vỉa than nằm sâu dưới các dốc núi hiểm trở tại Liên Xô

Với sự phát triển của ngành cơ khí năm 1927 bơm tạo áp ra đời tại Đức Với thiết bị này áp suất của tia nước được cải thiện rõ rệt

Năm 1931, Mỹ đã chế tạo thành công thiết bị làm sạch vảy oxit trên bề mặt thép cán bằng tia nước với áp suất làm việc từ 40 -:- 100 bar

Năm 1940, tại Mỹ và Liên Xô TNASC được ứng dụng rộng rãi trong khai thác mỏ dùng để tách than đá và đá

Năm 1950, TNASC trở nên phổ biến và được ứng dụng rộng rãi trong nhiều ngành công nghiệp như: Đúc, cán thép, đóng tàu, xây dựng,

Năm 1965, Đức đã chế tạo thành công thiết bị tạo TNASC với áp suất làm việc 200 bar [12]

Năm 1968, Mỹ là nước đầu tiên chế tạo thành công thiết bị tạo TNASC với áp suất lên tới 700 bar và đã được ứng dụng để cắt các vật liệu phi kim loại như: Giấy, bìa, nhựa, vật liệu nhân tạo, thực phẩm, …

Vào những năm 70 sự phát triển của ngành cơ khí cùng với sự phát triển của nghành công nghệ vật liệu, các thiết bị tạo TNASC tăng dần về áp suất và tuổi bền Những thiết bị tạo TNASC với áp suất lên tới 4000 bar Thiết bị này tạo ra TNASC thuần khiết được ứng dụng rộng rãi hơn trong nhiều ngành công nghiệp Tuy nhiên

có những hạn chế nhất định về loại hình vật liệu có thể cắt bằng tia nước Với cơ chế dịch chuyển vật liệu là sự thâm nhập của nước và phá hủy rộng ra các rãnh nứt trên bề mặt của vật liệu Thiết bị này chỉ có thể cắt được các vật liệu có độ cứng thấp như: gỗ, vật liệu nhân tạo, nhựa tổng hợp, …

Năm 1980 hiệu quả của cắt bằng TNASC được nâng cao rõ rệt bằng phát minh trộn thêm hạt mài vào tia nước Lúc này TNASC mới thực sự được ứng dụng vào gia công cắt gọt, nó có thể cắt được tất cả các loại vật liệu kể cả các vật liệu có tính chất không đồng nhất hoặc các vật liệu tổng hợp có cấu tạo gồm nhiều lớp vật liệu khác nhau Khi trộn hạt mài vào tia nước, tia nước tăng tốc hạt mài, tạo cho hạt mài có một động năng cực lớn Động năng này chính là năng lượng để bóc tách vật liệu khi cắt Lúc này nó có thể cắt được tất cả các vật liệu, không phụ thuộc vào tính chất cơ lý, cấu tạo của vật liệu [13]

Năm 1989, TNASC được ứng dụng để cắt thép và bê tông dưới nước ở độ sâu 400m dưới đáy biển

Năm 1991, thực hiện thành công thí nghiệm cắt thép ở độ sâu 600m Cùng với sự phát triển của khoa học công nghệ hiện giờ TNASC có thể cắt dưới nước ở độ sâu 6000m

Năm 1994, Đức đã ứng dụng TNASC vào y học Tia nước mảnh có áp suất từ

50 -:- 300 bar được sử dụng như dao dùng để phẫu thuật Khi cắt bằng phương pháp này nước không những không gây dị ứng mà còn được cơ thể tiếp nhận bởi 70% cơ thể là nước Một phát minh nữa là khi cắt các phần cứng của cơ thể như xương, người dùng đường hoặc muối để thay thế hạt mài, do đường và muối cũng giống như nước không gây dị ứng cho cơ thể mà được cơ thể tiếp nhận [3], [10]

Hiện nay trên thế giới TNASC được ứng dụng rộng rãi trong các ngành công nghiệp ở các nước phát triển: Đứng đầu là Đức, tiếp theo là My,õ Pháp, Aùo, Nhật, … TNASC được ứng dụng để cắt hầu hết các loại vật liệu

1.2 Các lĩnh vực ứng dụng công nghệ TNASC

1.2.1 Các ứng dụng trên thế giới

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

Ứng dụng làm sạch:

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 che kín sẽ không được sử dụng

Trong làm sạch, người ta sử dụng TNASC 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 tới 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, … Hình 1.1 mô tả phương pháp làm sạch ống thép tròn với đầu phun thực hiện hai chuyển động là quay và tịnh tiến, đem lại năng suất cao

Hình 1.1: Tẩy rửa, làm sạch bề mặt kim loại

- 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 vẩy 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, …

Hình 1.2: Làm sạch vỏ tàu

Hình 1.3: Ứng dụng trong lĩnh vực thi công công trình ngầm

Không những vậy TNASC 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 (hình 1.4) Việc sử dụng TNASC 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 TNASC để bóc tách sẽ tránh được rung động tới các vùng bên cạnh trong kết cấu [3], [12]

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 một số 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

Ứng dụng cắt vật liệu:

Trong lĩnh vực cắt vật liệu , TNASC được phân thành 02 loại:

- Cắt bằng tia nước thuần khiết

- Cắt bằng tia nước có trộn hạt mài

Hình 1.4: Ứng dụng trong cải tạo, nâng cấp công trình giao thông

Cắt bằng tia nước thuần khiết:

Tia nước thuần khiết được ứng dụng để cắt các vật liệu mềm trong các ngành công nghiệp như: Công nghệ may mặc, công nghệ dày da, công nghệ thực phẩm,

Trong công nghệ dệt may và công nghiệp da dày, TNASC được dùng để cắt thay cho dao cơ khí, nó có thể cắt theo biên dạng bất kỳ

Các vật liệu có cấu tạo gồm nhiều lớp, mỗi lớp có một đặt tính như sợi, hạt, xốp, mềm, … việc dùng TNASC để cắt đem lại hiệu quả cao

Trong các xưởng đúc kim loại, TNASC được dùng để bóc, rửa phần cát bị cháy trên bề mặt sản phẩm, phá lõi của vật đúc Phương pháp này năng suất và hạn chế được bụi cát

Đặc biệt trong y học, TNASC thuần khiết được dùng để mổ hoặc cắt một số bộ phận trên cơ thể con người thay cho dao cơ khí Phương pháp cắt bằng TNASC không gây ra tổn thương các phần khác Ví dụ như 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 [10]

Cắt bằng tia nước có trộn hạt mài:

Tia nước trộn hạt được phân thành 02 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 polime, coposites, 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 Sau đây là một vài hình ảnh về cắt bằng tia nước có trộn hạt mài không áp:

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 tới 6000m, cắt phá bom mìn đạn dược, … [10], [15]

Hình 1.8: Ứng dụng cắt bằng tia nước trộn hạt mài không áp cắt thép dày.

1.2.2 Các ứng dụng tại Việt Nam

Tại Việt Nam, TNASC mới chỉ được biết đến trong vòng 7 -:- 8 năm trở lại đây Năm 1998 Viện máy và dụng cụ công nghiệp đã lắp đặt thiết bị tạo TNASC với áp suất tối đa lên tới 2800 bar Thiết bị này được dùng trong công nghệ làm sạch Đầu tiên là cuộc trình diễn làm sạch vỏ tàu tại Nhà máy đóng tàu Bạch Đằng và Nhà máy đóng tàu Sông Cấm Chất lượng bề mặt sau làm sạch cao hơn so với

phương pháp phun cát Nhưng do sự chuẩn bị về đồ gá chưa tốt nên kết quả thu được còn hạn chế về năng suất, tuy nhiên thực tế cho thấy công nghệ này rất thân thiện với môi trường, cải thiện môi trường làm việc cho công nhân vận hành Sau cuộc trình diễn cho thấy vấn đề còn tồn đọng là làm sao để tự động hóa quá trình làm sạch, dùng tay máy điều khiển tự động làm sạch theo biên dạng vỏ tàu Khi đó sẽ giải quyết được vấn đề năng suất

Hình 1.11: Ứng dụng cắt bằng tia nước trộn hạt mài có áp cắt kim loại, bê tông dưới nước.

Tiếp theo là cuộc trình diễn làm sạch ống chùm trao đổi nhiệt tại Công ty HANICHEMCO Hà Bắc với kết quả thu được khá khả quan về năng suất và chất lượng làm sạch

Hình 1.13: Làm sạch ống chùm trong bộ trao đổi nhiệt Hình1.12 :Trình diễn làm sạch vỏ tàu tại nhà máy đóng tàu Bạch

Năm 2000 Viện trang bị thêm 02 hệ thống cắt bằng TNASC với áp suất tới

4200 bar có trộn hạt mài, các nghiên cứu đến nay là:

+ Đề tài nghiên cứu cắt vải bằng TNASC phục vụ nghành dệt may + Đề tài nghiên cứu cắt vật liệu nhân tạo, da bằng TNASC phục vụ nghành da dày

+ Vật liệu kim loại như thép Inox, các vật liệu hợp kim đồng, nhôm, + Nghiên cứu cắt vật liệu kim loại bằng TNASC dưới nước

- Trong quá trình cắt sinh nhiệt rất nhỏ, không sinh bụi, phản ứng hóa học, thân thiện và không gây ô nhiễm môi trường, cải thiện môi trường làm việc

- Có thể cắt được các vật liệu nhạy cảm với nhiệt (một số chất dẻo)

- Được dùng trong cắt phá, tháo gỡ bom mìn đạn dược, tháo dỡ lò phản ứng hạt nhân

- Chất lượng mạch cắt cao

- Lực cắt và phản lực nhỏ, đơn giản cho đồ gá

Nhược điểm:

- Giá thành đầu tư thiết bị cao

- Chi phí bảo dưỡng bảo trì ca

- Giá thành sử dụng cao

- Điều kiện an toàn vận hành cao

Với những đặt tính công nghệ riêng, đặc biệt, TNASC trong tương lai sẽ được sử dụng để thay thế những công nghệ cũ, lạc hậu [1], [8], [9], [10], [11], [12]

1.4 Tính chất của vật liệu kim loại có độ cứng cao

Vật liệu kim loại có độ cứng cao ở đây được định nghĩa là những vật liệu kim loại thường được sử dụng để làm dụng cụ cắt các vật liệu khác hay vật liệu kim loại làm những chi tiết có khả năng chịu mài mòn, chịu nhiệt độ Ngoài độ cứng cao, những vật liệu này có chung tính chất dòn, dễ bị sứt mẻ, không chịu được các xung

va đập với cường độ và tần số cao Trong công nghiệp các vật liệu trên được phân thành các nhóm chính như sau:

- Thép dụng cụ sau nhiệt luyện (độ cứng đạt > 60HRC)

- Hợp kim cứng

Chúng là những vật liệu kim loại có các tính chất cơ bản sau:

- Độ cứng cao hơn so với các vật liệu chế tạo thông thường

- Chịu nhiệt cao, được đặc trưng bởi nhiệt độ cao nhất mà ở đó vật liệu vẫn giữ được độ cứng của mình

- Độ chịu mòn cao

Sau đây ta tìm hiểu một số tính chất của chúng:

1.4.1 Thép dụng cụ

Bao gồm thép cacbon dụng cụ, thép hợp kim dụng cụ và thép gió Độ cứng của chúng ở trạng thái nguội khác nhau không đáng kể, sự khác biệt cơ bản của

chúng là độ bền nhiệt khác nhau Nguyên nhân là do có sự khác biệt trong cấu trúc mactenxit của thép

Thép cacbon dụng cụ:

Thép cacbon dụng cụ được sử dụng trong sản xuất chế tạo các dụng cu có tốc độ cắt thấp (v = 10 -:- 15m/ph) như lưỡi cưa đĩa, mũi khoan, doa, khoét, taro, bàn ren, dao chuốt, dao xọc, … Thép này có độ bền, độ cứng tương đương thép gió (61 -:- 63 HRC; σu = 2000 -:- 2200 MPa)

Vật liệu này có các tính chất sau:

- Sau khi tôi, ram thấp có thể đạt độ cứng ≥ 60 HRC

- Dễ biến dạng nóng, dễ gia công cắt gọt và giá thành giẻ

- Độ thấm tôi thấp, với các dao lớn, lớp tôi mỏng sau thời gian làm việc khi mài lại sẽ không còn đủ độ cứng nên phải tôi lại do đó không thuận tiện khi sử dụng

Với các ưu nhược điêm trên nên thép cacbon dụng cụ ít được dùng làm dao cắt Nếu có dùng thì chỉ để chế tạo dao nhỏ, hình dạng dơn giản [4]

Thép hợp kim dụng cụ:

Thép hợp kim dụng cụ là loại thép có thành phần cacbon cao (≈ 1% và cao hơn), được hợp kim hóa thấp và vừa phải với đặc tính có độ thấm tôi tốt, tính chống mài mòn cao Thành phần hóa học có các nguyên tố Crom, Vonfram, Molipden, Vanadi, … Tốc độ cắt lớn gấp 1,2 -:- 1,5 lần so với tốc độ cắt của dụng cụ làm bằng thép cacbon

Các mác thép phổ biến để chế tạo dụng cụ là: 9XC, XBCΓ, XBΓ Ưu điểm cơ bản của loại thép này là có thể dùng để chế tạo các loại dụng cụ có thân dài và mảnh như dao chuốt, mũi khoan, taro, …[4]

Thép gió:

Thép gió có độ cứng, độ bền, độ bền mòn, độ bền nhiệt cao

Đại diện trong nhóm này là thép gió P18, sau đây là một số tính chất của thép gió P18:

- Độ cứng ở trạng thái tôi > 62 HRC

- Xu hướng quá nhiệt: Không

- Xu hướng khử cacbon: Trung bình

Công dụng chính của thép gió là để làm dụng cụ cắt với: Kích thước lớn, hình dạng phức tạp, lực cắt lớn, vận tốc cắt cao [4]

Hệ số dẫn nhiệt của các hợp kim cứng gần bằng hệ số dẫn nhiệt của thép hợp kim Các hợp kim cứng trơ (thụ động) về mặt hóa học đối với tác đông của axít và kiềm, một vài loại hợp kim cứng không bị oxi hóa trong không khí, thậm chí ở nhiệt độ 600 -:- 8000C Nhược điểm chính của hợp kim cứng là độ giòn cao, độ bền uốn, kéo thấp

Tổ chức tế vi của hợp kim cứng gồm các hạt cacbít sắc cạnh (màu sáng) được gắn dính với nhau bằng Co (màu tối), các hạt cacbít phân bố đều Do được tạo thành nhờ ép từ bột nên có rỗ khí, lượng rỗ cỡ 2% thể tích Hợp kim cứng có tính chống mài mòn rất cao, độ cứng nóng cao, vận tốc của lưỡi cắt làm từ hợp kim cứng lên tới hàng trăm m/ph Cơ tính của hợp kim cứng phụ thuộc vào:

- Với cùng lượng Co thì nhóm hai cacbít cứng hơn nhóm một cacbít

- Trong các nhóm thì nhóm nào chứa nhiều Co hơn sẽ dẻo hơn, độ cứng, giới hạn bền uốn giảm

- Trong nhóm một cacbít nếu cỡ hạt cacbít và Co càng mịn thì tính chống mài mòn, độ bền, độ dai va đập càng tăng [4]

-KƯJ -

Chương II: CÔNG NGHỆ TIA NƯỚC ÁP SUẤT CAO

2.1 Khái niệm về tia nước áp suất cao

Dòng tia là dòng chảy được giới hạn bởi 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

TNASC chính là dòng tia có vận tốc cực lớn Dòng tia này 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 chính 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]

2.2 Phân loại công nghệ tia nước áp suất cao

Việc phân loại công nghệ TNASC (Waterjetting technology) dựa trên thành phần của tia nước

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

Dựa trên thành phần của tia, TNASC được chia thành hai loại:

- Tia nước thuần khiết (Pure Waterjet – WJ)

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

Tia nước thuần khiết được phần lớn được dùng trong làm sạch và cắt các vật liệu mềm

Tia nước 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)

CÔNG NGHỆ TIA NƯỚC ÁP SUẤT CAO

Tia nước thuần khiết Tia nước trộn hạt mài

Tia nước trộn hạt mài không áp

Tia nước trộn hạt mài có áp

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 [9]:

h n

h h n n TN

m m

v m v m v

Bỏ qua tốc độ ban đầu vh của hạt mài (do vh quá nhỏ so với các đại lượng

khác) công thức (2.1) có thể rút gọn thành:

h n

n n TN

m m

v m v

TN

m

m R

v v

&

&

= +

= víi R

Như vậy tốc độ của tia nước hạt mài đối với phần lớn các loại hạt mài khi

trộn vào với tia nước sau đầu phun có thể đạt từ 50 -:- 80 % tốc độ của tia nước

Trong thực tế, tốc độ của tia nước không đạt được như lý thuyết do có sự tổn hao,

mất mát năng 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

Hỡnh 2.3 : Nguyeõn lyự troọn haùt maứi coự aựp

Trong phửụng phaựp troọn haùt maứi coự aựp, haùt maứi ủửụùc caỏp theo chu trỡnh kớn

neõn thaứnh phaàn cuỷa tia nửụực chổ goàm: nửụực vaứ haùt maứi, ủaõy cuừng chớnh laứ nguyeõn

nhaõn ủem laùi hieọu quaỷ cuỷa caột baống tia nửụực troọn haùt maứi coự aựp

Nguyeõn lyự trửùc tieỏp:

Haùt maứi ủửụùc troọn laón cuứng vụựi nửụực vaứ bụm trửùc tieỏp tửứ bụm cao aựp ra voứi

phun Nguyeõn lyự naứy ủửụùc phaựt minh vaứo naờm 1965, thửỷ nghieọm ụỷ aựp suaỏt 690bar Ngaứy nay phửụng phaựp naứy khoõng ủửụùc duứng do tớnh maứi cao cuỷa haùt maứi trong quaự trỡnh bụm

Nguyeõn lyự giaựn tieỏp:

Haùt maứi ủửụùc troọn vụựi nửụực khoõng aựp thaứnh dung dich daùng huyeàn phuứ, dung dũch naứy ủửụùc ủửa vaứo bỡnh chửựa vaứ neựn trửùc tieỏp baống pittoõng tụựi voứi phun Nguyeõn lyự naứy ủửụùc thửỷ nghieọm vụựi aựp suaỏt 3790 bar Tuy nhieõn phửụng phaựp naứy coự nhửụùc ủieồm laứ khaỷ naờng ủũnh lửụùng vaứ sửù phaõn phoỏi khoõng ủoàng ủeàu cuỷa haùt maứi trong

dung dich troọn

Vòi phun

Van định lượngOÁng daón

Nguyeõn lyự

bụm trửùc tieỏp

Nguyeõn lyự Bụm giaựn tieỏp

Bình chứa hạt màiPít tông

Nguyeõn lyự ủửụứng nhaựnh

Bơm

Đường nước

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 [3], [8], [9], [10]

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 được tăng lên rất nhanh Xét dòng chảy của tia tại hai mặt cắt 1-1 và 2-2 ngay sau đầu phun, coi 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:

- v1[m/s]: Vận tốc dòng chảy tại mặt cắt 1-1

- p1[Pa]: Áp suất dòng chảy tại mặt cắt 1-1

- v2 [m/s]: Vận tốc dòng chảy tại mặt cắt 2-2

- 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: 12 1

Tổng năng lượng của dòng là: 22 2

Đây là chính là áp suất nén lớn nhất theo lý thuyết Trên thực tế, tia nước tự

do sau khi ra khỏi đầu phun sẽ bị phân tán rộng dần theo khoảng cách làm cho áp suất nén 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 [3]:

Pva đập = r o .c v o o (2.8) Aùp suất va đập lớn nhất được tính:

Pva đập Max = 2,5r o .c v o o (2.9) Trong đó:

1000 /

r = : Tỷ khối của môi trường giọt

- co= 1500m/s :Tốc độ truyền âm trong môi trường giọt

- vo(m/s) : Tốc độ tia tác động

Xét ví dụ sau:

Nếu bỏ qua những tổn thất dòng chảy và hiệu suất suy giảm tải trọng động và tĩnh lên bề mặt vật thể thử bởi tác động của tia chất lỏng là:

Aùp suất bơm: p = 1000 bar

Aùp suất va đập lớn nhất:

Pva đập Max = 2,5r o .c v o o = 2, 5 2 c o p r o = 23700bar

Ta thấy áp suất va đập lớn hơn áp suất bơm ≈ 24 lần [3]

Hình 2.5 biểu diễn áp suất theo thời gian dạng chu kỳ tác động của từng giọt chất lỏng lên bề mặt chi tiết

Hình 2.5: Biểu diễn áp suất tác động lên bề mặt chi tiết theo thời gian

Trong khoảng thời gian cực ngắn cỡ µs ngay khi tia nước tác động tới bề mặt chi tiết, xung lực tác động lên chi tiết đạt giá trị cực đại (Pvđ) và trong các µs tiếp

theo áp lực tác động này giảm xuống giá trị bằng áp suất Pnén Áp suất nén được tạo

ra do dòng tia liên tục được duy trì theo thời gian

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

Ở phạm vi bắt đầu, 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 chung 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

Tia nước sau khi ra khỏi đầu phun có cấu trúc gồm 3 vùng (hình 2.6):

- Vùng tia liên tục

- Vùng tạo giọt

- Vùng hóa sương

Tia nước áp suất cao là dòng tia có vân tốc cực lớn, cấu trúc của tia nước sau khi ra khỏi đầu phun các vùng trên tia có các tính chất sau:

Hình 2.6: Sơ đồ cấu trúc của tia nước tốc độ cao trong không khí

- Vùng liên tục, tốc độ của tia bằng hằng số theo chiều dọc trục, được giới hạn bởi điểm phân giã Xb Ở đây 50% của tia được tách ra thành những “quả cầu chất lỏng”

- Vùng tạo giọt, các “quả cầu chất lỏng” tách ra thành những giọt nhỏ và tốc độ dòng tia cũng giảm dần theo khi khoảng cách càng xa đầu phun

- 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, tốc độ tia ở vùng này tốc độ dòng tia giảm mạnh

Chiều dài của vùng lõi: Xc = 73 -:- 135Do, Do: 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 đông 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 [3], [10]

Việc đo, xác định chính xác đặc tính và tính chất của tia rất khó khăn lý do là tốc độ của tia cao, tia bị xương mù bao bọc chung quanh

Kết quả thí nghiệm [3] 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, tao ra các vết nứt và sau đó là tác động xói mòn Aùp 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

Hình 2.7: Tác động của tia nước ở các khoảng cách phun khác nhau

Tuy nhiên, càng xa đầu phun tốc độ tia càng giảm và 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 xương mù, vùng này không có khả năng bóc tách vật liệu Đồ thi sau biểu diễn mối qua hệ giữa khối lượng bóc tách và khoảng cách đầu phun [3]