Đề tài Gia công bằng tia nước có hạt mài

I, ĐẶT VẤN ĐỀ. Trong bối cảnh phát triển mạnh mẽ của ngành công nghệ vật liệu như hiện nay, thì hàng loạt các loại vật liệu mới với các đặc tính đặc biệt và cơ tính tốt đã được ra đời ( hợp kim cứng, ceramic,compozit, vật liệu tổng hợp…) và được ứng dụng ngày càng rộng rãi vào thực tế cuộc sống.Mặt khác các yêu cầu về kết cấu các chi tiết ngày càng phức tạp và yêu cầu về chất lượng ngày càng cao. Hơn nữa vấn đề về hiệu quả kinh tế – kỹ thuật khi gia công các loại vật liệu mới cũng được đặt lên hàng đầu. Tuy nhiên, các phương pháp gia công truyền thống (tiện, phay, bào, Khoeùt, Doa, Maøi, Xoïc, Chuoát,….) lại không thể đáp ứng được yêu cầu gia công các loại vật liệu này; Chính vì thế, vấn đề gia công các loại vật liệu mới cũng là một vấn đề luôn luôn song hành với sự phát triển đó. Để đáp ứng yêu cầu gia công các loại vật liệu mới này thì hàng loạt các phương pháp gia công mới được ra đời. Một trong những phương pháp này là: “ Gia công bằng tia nước có hạt mài ”. Đây là một phương pháp gia công đặc biệt được đánh giá là có nhiều ưu điểm và đã được ứng dụng rộng rãi trong thực tế: trong gia công cơ khí, công nghệ thực phẩm….. với phương pháp gia công này thì chúng ta có thể gia công đươc những vật liệu phức tạp mà vẫn đạt được độ chính xác cao và đạt được hiệu quả kinh tế khi gia công. II, Nội dung phương pháp gia công bằng tia nước có hạt mài. Để biết được phương pháp gia công bằng tia nước có hạt mài như thế nào thì trước hết ta cần phải biết được phương pháp gia công bằng tia nước trước. Ta đi định nghĩa phương pháp gia công bằng tia nước: Gia công bằng tia nước (Water Jet Cutting-WJC) là một quá trình sử dụng tia nước ở áp suất cao để gia công vật liệu. Vết cắt hoặc rãnh có độ rộng xấp xỉ 1mm. Đường kính lỗ nhỏ nhất có thể cắt được là 1,5mm. Phương pháp này còn được gọi là gia công bằng thuỷ động lực học. Sơ đồ nguyên lý được thể hiện trên hình 1. Đầu tiên nước từ thùng cấp nước đi qua bộ lọc và hòa trộn. Sau đó nhờ ống dẫn chất lỏng đi qua bộ khuyếch đại để tăng áp 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 một bộ điều khiển. Tia nước sau khi ra khỏi đầu phun có áp suất rất lớn (thường từ 100 - 400 MPa), tốc độ tia nước từ 400 - 1000m/s. Với áp suất này, khi tia nước chạm vào bề mặt vật liệu gia công nó tạo nên áp lực lớn hơn độ bền nén của vật liệu, bề mặt vật liệu bị nát ra và tia nước xuyên qua tạo thành vết cắt, cắt chi tiết gia công. Vậy tia nước tạo đóng vai trò như một cái cưa cắt một vết hẹp trên vật liệu. Nguyên lý gia công tia nước có hạt mài: Để tăng khả năng cắt bằng tia nước nhằm cắt các vật liệu cứng như thép, thủy tinh, bê tông hay vật liệu composite…người ta thêm vào tia nước những hạt mài. Vì thế phương pháp này được gọi là gia công tia nước có hạt mài. Nguyên lý của phương pháp này cũng như gia công tia nước, nhưng khác ở chỗ trong quá trình hình thành tia nước áp suất cao thì cho thêm vào dòng hạt mài. Vận tốc rất cao của dòng tia khi đi qua lỗ phun sẽ tạo chân không để hút các hạt mài từ ống chứa hạt mài, sau đó, hạt mài sẽ trộn với nước trong ống trộn. Việc cấp hạt mài trong quá trình gia công quyết định năng suất gia công. Đối với gia công tia nước có hạt mài, khi thêm những hạt mài vào tia nước sẽ làm phức tạp quá trình gia công vì phải bổ sung một số và những thông số này phải được điều khiển. Những thông số thêm vào cho quá trình là loại hạt mài, cỡ hạt và tốc độ dòng chảy. Các loại vật liệu hạt mài thường được sử dụng là Al2O3, SiO2 và garnet, các cỡ khoảng từ 60:100. Lượng hạt mài được thêm vào trong tia nước xấp xỉ khoảng 0,3kg/phút sau khi thoát ra vòi phun. Áp suất nước trong gia công bằng tia nước có hạt mài giống trong gia công bằng tia nước. Khoảng cách cho phép phải ít hơn để giảm đến mức tối thiểu hiệu quả phân tán của chất lỏng cắt mà hiện giờ có chứa những hạt mài. Khoảng cách cho phép điển hình là khoảng ¼ hay ½ khoảng cách trong gia công tia nước. Phương pháp gia công tia nước hay tia nước có hạt mài có thể sử dụng thay thế cho các PPGC tia laser hay tia plasma nếu cầu không có ảnh hưởng nhiệt đường cắt vật liệu. 2. Các thông số cơ bản và thiết bị: Các thông số cần chú ý khi gia công tia nước có hạt mài: Tỷ lệ cấp hạt mài Đường kính ống trộn Đường kính miệng vòi phun Áp suất nước trong vòi Khả năng cắt vật liệu Chiều dày chi tiết Chất lượng cần gia công Công suất máy bơm Biên dạng hình học cần gia công Các bộ phận chính của một thiết bị gia công tia nước có hạt mài cũng giống như gia công tia nước, bao gồm các bộ phận chính sau: Bộ lọc: làm sạch nước để tăng tuổi thọ hệ thống Bộ tăng áp: tăng áp lực của nước Bộ phận phân phối nước: đường ống, khớp nối và ác bộ phận phân phối nước tăng áp. Đầu trộn: trộn nước áp lực cao và hạt mài Đầu cắt: dẫn hướng tia nước Dàn máy NC: định vị đầu cắt Bộ phận thu gom nước đã phun Hình 2.47: Sơ đồ nguyên lí gia công bằng tia nước có hạt mài Sự chuẩn bị nước –bộ lọc: Yêu cầu về thành phần của nước: đòi hỏi phải có một chất lượng nhất định, phải đảm bảo các chỉ tiêu về thành phần hóa học cũng như độ tinh khiết của nước. Các nguồn nước khác nhau có chất lượng khác nhau. Thông thường, nguồn nước sử dụng cho hệ thống cắt là nguồn nước uống.tuy nhiên nhiều lúc cũng phải sử dụng bộ lọc trong hệ thống nhằm loại bỏ những phần tử cực nhỏ có khả năng gây hại cho hệ thống vòi phun và các bộ phận cao áp. Lưu lượng là 1 gallon mỗi phút tại áp lực vòi thông thường. Thực tế cho thấy rằng với bộ lọc sợi 5mF được lắp trên máy đã không bị ăn mòn sau sáu tháng vận hành. Trong những tình huống này, những sự thay đổi nhỏ tính chất hóa học của nước cũng có thể ảnh hưởng nghiêm trọng đến sự chống mài mòn của một số bộ phận trong bơm. Sự có mặt của một lượng nhỏ vật liệu rắn trong hạt mài có thể gây nên sự mài mòn nhanh chóng vòi phun và những điểm khác trong hệ thống nơi mà tốc độ tia nước cao. Thêm vào đó, một số chất rắn hòa tan có thể bám vào lỗ vòi phun, dẫn tới sự bao vây dần dần lỗ vòi phun làm giảm hiệu suất phun. Trên hệ thống phải có một bơm dùng để dẫn nước qua các bộ lọc 10mF,1mF,0.5mF. Nhiều nơi nguồn nước không thỏa mãn các yêu cầu trên. Nếu nguồn nước cung cấp không thỏa đáng thì thiết bị sẽ xảy ra sự cố. Ví dụ, nếu lượng CaCO3 trong nước quá cao, nó sẽ kết tủa bên trong vòi phun. Có một vài phương pháp xử lý nước khi sử dụng. Đơn giản nhất là làm mềm nước như nước sử dụng trong gia đình. Phương pháp thứ 2 là thẩm thấu ngược bằng cách sử dụng màng mỏng rất mịn những tạp chất ở kích thước phân tử. Phương pháp thứ 3 là khử ion hóa hệ thống dẫn nước làm cho các ion âm như clorua,sunfate được thay thế bằng ion hydroxyl và các ion dương như canxi, natri được thay thế bởi hydro. Hệ thống bơm tăng áp Hình 2.48: Hệ thống bơm tăng áp Cũng giống như thiết bị gia công tia nước, hệ thống bơm tăng áp dùng để tạo dòng nước áp suất cao phải liên tục. Thường dùng loại bơm piston tăng áp hai tác dụng kiểu thủy lực hơn là loại bơm kiểu trục khuỷu vì áp suất nước sinh ra của bơm piston lớn. Thông thường 40,000:345,000kPa. Kinh nghiệm cho thấy, gia công tia nước có hạt mài không thật sự cần đủ áp suất 60.000psi cyar bơm tăng áp. Hạt mài thực hiện việc cắt gọt trong khi nước đóng vai trò là môi trường để mang hạt mài xuyên qua chi tiết. Ngày nay bơm kiểu trục khuỷu dạt áp suất 55,000psi. Vì nó đáp ứng được yêu cầu trên, nên ngày càng nhiều máy sử dụng loại bơm này được tung ra thị trường. Đường ống, khớp nối và các bộ phận phối nước tăng áp: Bộ phận này nằm giữa bộ tích và đầu di động. Yêu cầu kích thước của hệ thống này phải thay đổi được. Ở áp suất thấp thì có thể sử dụng các vòi cao su, tuy nhiên các ống thép cuộn bằng thép không gỉ thường được sử dụng hơn. Các van lưu lượng cũng được dùng để giảm khả năng hư hại. Đầu trộn: Hình 2.49: Hình dáng bên ngoài của đầu trộn và vòi phun. - Đầu trộn dùng để trộn nước và hạt mài đồng thời cũng để tập trung dòng nước để cắt. Đầu trộn là nơi mà vòi phun nước nối đầu nạp hạt mài, buồng trộn và miệng vòi phun hỗn hợp. Có ba loại trộn đầu. - Loại thứ nhất: Có đầu nạp mài ở bên hông, vòi phun nước đồng trục với miệng vòi phun hỗn hợp. Loại này có cấu tạo đơn giản nhưng chất lượng hòa trộn hỗn hợp kém. Nguyên nhân là do profile vận tốc trong thiết diện ngang của dòng tia không đồng bộ và vì thế các phần tử hạt mài sẽ có khuynh hướng rơi vào sát thành của dòng tia, ở đây vận tốc chậm nhất. - Loại thứ hai: Hạt mài được nạp vào từ trung tâm, nước nạp vào từ xung quanh. Loại này, chất lượng hòa trộn tốt nhưng khó chế tạo hơn loại kia. Với hai loại này, hạt mài được cấp vòa nhờ trọng lượng của nó. - Loại thứ ba: Hạt mài được cấp vào từ hai bên nhờ khí nén. Ống hòa trộn thường được làm bằng các bít vonfram hoặc những loại vật liệu tương tự. Mục đích của việc giảm thiết diện ngang vòi phun tia nước có hạt mài là để tập trung dòng tia trước khi ra khỏi vòi. Như vậy tất cả các phần tử hạt mài cùng tốc độ bay đến chi tiết GC. Tuy nhiên một phần năng lượng sẽ bị mất đi do hạt mài va chạm vào thành ống chuẩn trực. Có một vài vấn đề trong buồng hòa trộn. Trong khi hòa trộn, do bị tác động bởi dòng nước áp lực cao trong buồng hòa trộn nên các hạt mài bị giảm kích thước. Sự hòa trộn của các phần tử hạt mài trong dòng tia không đồng đều. Do tâm dòng tia là vùng có tốc độ cao nên hầu hết các hạt mài ở vùng biên của dòng tia, một số ít ở tâm. Như vậy khả năng cắt thật sự của dòng tia chủ yếu là ở bề mặt ngoài. 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 mức khi quyển và vì vậy năng lượng động lực học của dòng chay tăng nghĩa là tốc độ của dòng chảy tăng. Vì vậy các phần tử hạt mài sẽ được tăng tốc bởi tia nước. Do hạt mài có khối lượng nhất định nên tốc độ của chúng không bằng tốc độ của tia nước. Tia nước có tốc độ càng cao thì hạt mài dịch chuyển càng nhanh. Khi đó một vòi phun có miệng hình côn là phù hợp nhất. Có ít nhất hai yêu cầu cho sự tạo hình tia nước. Thứ nhất là để tăng tốc độ và áp suất của chất lỏng với mục đích tăng tốc cho các phần tử hạt mài, thứ hai là tia nước càng dài, càng thẳng sau khi ra khỏi vòi phun. Giả sử rằng nước vòa từ phía bên trái và ra từ phía bên phải của vòi, đưa đến kết quả là gia tăng tốc độ của dòng chất lỏng. Mặt nón có góc nghiêng làm giảm diện tích thiết diện ngang của dòng chảy. Sau đó chất lỏng đi vào phần hình trụ có chiều dài từ 2:5 lần đường kính. Vật liệu làm vòi thường làm bằng các bít, ceramic, ruby, kim cương và sapphire, trong đó sapphire là thông dụng nhất. Đường kính trong của vòi càng nhỏ thì chiều sâu cắt càng lớn, chất lượng cắt càng cao. Đường kính điển hình của các vòi phun là 0,25:0,35. Hiện tại một vòi tốt có thể cắt ngang xám dày 0.066inch với tốc độ 36inch/ph và tấm gang xám dày 0.88inch với tốc độ 4inch/ph. Phân bố các pha trong tia nước có hạt mài: Dòng tia nước có hạt mài bao gồm ba pha đó là: các hạt mài, chất lỏng và không khí. Thành phần phần trăm mỗi pha phụ thuộc vào khoảng cách tính từ miệng đầu phun. Càng xa đầu phun thì thành phần phần trăm thể tích của không khí càng lớn. Lõi tua nước có dạng hình côn. Tại lỗ vòi phun thì tia nước có đường kính bằng đường kính lỗ của vòi phun, càng ra xa thì đường kính càng giảm. Trong vùng này profile tốc độ, áp suất và mật độ không thay đổi. Tuy nhiên, vùng này kéo dài một đoạn ngắn, sau đó là vùng profile tốc độ thay đổi, có hình dáng như một cái chuông. Vùng này được gọi là vùng chuyển tiếp. Biên của vùng chuyển tiếp là những đường nước riêng biệt. Trong vùng chuyển tiếp có lẫn không khí, làm cho mật độ dòng tia luôn luôn giảm. Chiều dài của vùng chuyển tiếp khoảng 60:900 lần đường kính lỗ vòi phun. Vùng phía sau vùng chuyển tiếp bao gồm không khí và các giọt nước. Hệ thống phân phối hạt mài: Trước đây hệ thông phân phối hạt mài rất phức tạp do người ta tin rằng tốc độ dòng hạt mài cần được điều chỉnh GC các loại vật liệu khác nhau, chiều dày khác nhau. Ngày nay, người ta tiếp cận hệ thống cung cấp hạt mài đơn giản hơn với một tỷ lệ giữa hạt mài với nước cố định cho một dải các loại vật liệu, và chỉ thay đổi tốc độ cắt của vòi phun. Tốc độ của vòi phùn được thay đổi dễ dàng nhờ hệ thống điều khiển bàn X-Y. Điều này có nghĩa là một tỷ lệ dòng tia nước có hạt mài cố định cho tất cả các vật liệu mà vẫn bảo đảm độ bằng phẳng và độ chính xác cắt. Hệ thống cấp hạt mài hiện đại sử dụng một vòi phun đường kính cố định để đo dòng hạt mài từ đáy của một phễu nạp liệu nhỏ đặt sát vòi phun nước trên bàn trượt theo trục Y. phễu hạt loại nhỏ chứa lượng hạt mài tương ứng 45ph GC, có thể điền đầy trong quá trình cắt vẫn đang xảy ra. Bàn dịch chuyển X-Y: Để GC chính xác chi tiết, hệ thống GC tia nước có hạt mài phải có bàn X-Y chính xác và hệ thống điều khiển chuyển động. Bàn có bốn loại sau: Hệ thống khung gắn chặt với 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 Mỗi kiểu bàn khác nhau được sử dụng cho những trường hợp khác nhau, phụ thuộc vào kích thước và phương pháp đưa ra chi tiết GC lên bàn. Hệ thống chuyển động, điều khiển: Để thực hiện quá trình GC thì phải có sự liên hệ chuyển động giữa chi tiết GC và vòi phun. Trường hợp ngoại lệ là khoan thì cả hai đều đứng yên. Đối với tất cả các quá trình khác thì có hai khả năng logic. Một là vòi phun có thể chuyển động trên chi tiết nhờ vpaf một giàn chuyển động, trong khi đó chi tiết được giữ cố định. Khả năng thứ 2 là đầu phun được cố định còn chi tiết chuyển động dưới đầu phun. Cả hai khả năng đều đáng tin cậy. Các phương pháp điều khiển quá trình gia công tia nước: Khi gia công bằng gia công tia nước có hạt mài, cần phải chú ý tỷ lệ cấp hạt mài và vận tốc gia công. Hiện tượng trễ khi gia công thường xảy ra, chúng không nghiêm trọng khi gia công đường thẳng, nhưng khi gia công đường cong hay góc phải giảm vận tốc để hạt mài tác động lên bề mặt gia công và hạt mài ra khỏi vòi được coi là cùng lúc. Có một số giải pháp điều khiển được quá trình gia công: Giải pháp 1: cách tiếp cận truyền thống Dùng bộ điều khiển G-code. Đây là cách thường xuyên dùng dù cho việc lập trình tốn nhiều thời gian. Tuy nhiên, để có độ chính xác tương đối cao, đường cắt tối ưu phải thực hiện các công đoạn như sau: Hiệu chỉnh G-code, chú ý công việc lập trình để tạo ra các bước gia công thích hợp. Phần mềm này đọc G-code là công việc khá lý thú và không có gì là phức tạp Một bơm lớn dù chó đủ công suất để tạo ra các đường chạy dao có chuyển động liên tục nhưng vận tốc đủ chậm để gia công goc hay độ thích hợp. Điều này nâng cao chi phí nhưng có thể tạo được chi tiết Gc như ý muốn.. Cách khác, điều khiển bằng tay trong khi gia công tiến đến gần góc gia công, giảm tỷ cấp hạt, khi qua góc gia công, tăng lên lại. Công việc này đòi hỏi phải kiên nhẫn và kinh nghiệm. Giải pháp 2: Dùng đầu đa trục để khi gia công, đầu có thể nghiêng thích hợp với mỗi công đoạn gia công và có thể bù lượng hạt mài cần thiết khi gia công. Tuy nhiên, công việc này cũng đòi hỏi chi phí cao và phức tạp. Giải pháp 3: Dùng một bộ điều khiển được dùng thiết kế thích hợp cho gia công bằng tia nước hoặc băng tia nước có hạt mài. Hãng Omax Corporation’s AWC giới thiệu bộ điều khiển đặc biệt đó với tên là OMAX. Như đã nêu ở trên, việc chia nhỏ các bước gia công theo từng phần riêng biệt theo hình dáng gia công của chi tiết như độ cong, góc và ứng với mỗi phần. Khi gia công phải cung cấp thông tin cho máy tính như chất lượng đường cắt, vật liệu gia công, độ day của vật liệu gia công …từ đó máy sẽ đưa ra PPGC và tọa ra giải pháp chạy dao. Giải pháp này sẽ đưa ra tỷ lệ cấp hạt mài cho từng phần riêng biệt khoảng 2000 điểm/inch, đảm bảo tuyệt đối cho quá trình gia công. Thùng thu hồi nước: Thùng thu hồi có một số chức năng như sau: -Tạo thành bụ đỡ vật liệu trong quá trình cắt - thu nhận dòng tia sau khi cắt vật liệu. Trong thùng chứa sẵn nước có nhiệm vụ làm chậm dòng nước có hạt mài. Nó cũng cung cấp một ống thu hạt mài được sử dụng trong quá trình cắt cũng như các hạt mài vỡ. Trong bộ thu có trang bị ống lọc dùng để lọc nước. Dòng tia phải được phân tán tỏng chiều dài ống. Các ống ngắn hơn cần phải làm bằng vật liệu cứng ở phần cuối. Một số máy sử dụng các thùng chứa có tấm thép đáy dày 50mm để thu nước và hạt mài. Ngoài các thiết bị nói trên, để nâng cao tính năng sử dụng của máy, nha xuất cấp thêm một số thiết bị, phụ tùng như: - Thiết bị điều khiển áp suất, chiều sâu cắt, thông số ăn mòn… - Chương trình điều khiển trục Z để gia công vật liệu khong bằng phẳng Đầu khoan tự động để khoan lỗ Thiết bị dò tìm cạnh và lỗ Đầu nghiêng để cắt góc nghiêng Hệ thống dọn ngọc hồng lựu tự động để giữ cho thùng nước sạch sẽ. Hệ thống tái sinh ngọc hồng lựu. Trục xoay cho cắt ống nhỏ, vật thể 3D Đồ gá… Phần tử hạt mài: Có nhiều loại vật liệu hạt mài khác nhau được sử dụng trong công nghệ AWJC. Việc đánh giá vật liệu hạt mài của quá trình GC tia nước hạt mài bao gồm mốt số tham số quan trọng sau: Cấu trúc vật liệu Độ cứng vật liệu Ứng xử cơ học Hình dáng hạt mài Sự phân bố kích thước hạt Kích thước trung bình của hạt Dạng cấu trúc của vật liệu hạt mài bao gồm những đặc trưng sau: Tham số lưới Nhóm tinh thể và sự cân đối Thành phần hóa học Công thức hóa học tinh thể Tính dễ vỡ Các tạp chất Bảng: tính chất cấu trúc vật liệu hạt mài Vật liệu Mức tiêu hao % Hằng số lưới A Thể tích A3 Alamandine 5-60 11.522 1529.62 Xpenxactin - 11.613 1566.15 Pyrope - 11.457 1503.88 Grossunlare 30 11.867 1671.18 Andradite 80-90 12.091 1767.61 Vật liệu Đ