Tài liệu Nghiên cứu bù tái chế hạt mài supreme garnet trong gia công tia nước có hạt mài

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP ****** BÁO CÁO TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ ĐỀ TÀI: NGHIÊN CỨU BÙ TÁI CHẾ HẠT MÀI SUPREME GARNET TRONG GIA CÔNG TIA NƯỚC CÓ HẠT MÀI Học Viên: Lê Xuân Hưng Lớp: CHK12 CNCTM Chuyên ngành: Công nghệ Chế tạo máy HDKH: TS. Vũ Ngọc Pi THÁI NGUYÊN - 2011 Luận văn thạc sĩ kỹ thuật Chuyên ngành CN CTM LỜI CẢM ƠN Xin được bày tỏ lòng biết ơn chân thành tới thầy giáo: TS Vũ Ngọc Pi, Trường đại học Kỹ thuật Công nghiệp - người đã tận tình hướng dẫn tôi trong suốt quá trình thực hiện đề tài. Xin chân thành cảm ơn tập thể cán bộ, giảng viên khoa Cơ khí - Trường đại học Kỹ thuật Công nghiệp đã tạo điều kiện tốt nhất cho tôi trong quá trình học tập và thực hiện đề tài. Xin gửi lời cảm ơn đến các kỹ thuật viên thuộc trung tâm CTA-NARIME, Viện nghiên cứu Cơ khí – Bộ Công Thương và anh chị em trong công ty cổ phần TNHH Phúc Sinh, Huyện Từ Liêm – Hà Nội. Luận văn này là một phần công việc trong nội dung nghiên cứu của NCS Trần Quốc Hùng – trường CĐ Kinh tế, kỹ thuật Thái Nguyên. Tôi xin cảm ơn những ý kiến đóng góp và sự giúp đỡ của anh Hùng trong suốt thời gian tôi thực hiện thí nghiệm cho luận văn. Tôi cũng xin cám ơn những ý kiến đóng góp quý báu của các bạn đồng nghiệp, sự động viên của gia đình đã giúp cho tôi hoàn thành luận văn này. Tuy nhiên, do thời gian có hạn, nên luận văn này chắc hẳn còn nhiều thiếu sót. Rất mong được sự đóng góp ý kiến của các nhà khoa học và bạn bè đồng nghiệp để đề tài được hoàn thiện hơn. Tôi xin cam đoan luận văn này là công trình do tôi tìm hiểu tổng hợp và nghiên cứu. Trong luận văn có sử dụng một số tài liệu tham khảo như đã nêu trong luận văn Thái Nguyên, ngày 20 tháng 10 năm 2011, Lê Xuân Hƣng Học viên:Lê Xuân Hưng Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN 1 Trường ĐH KTCN – ĐHTN http://www.lrc-tnu.edu.vn Luận văn thạc sĩ kỹ thuật Chuyên ngành CN CTM DANH MỤC BẢNG BIỂU Tiêu đề bảng Số hiệu Trang Bảng 2.1 Một số tiêu chuẩn về kí ch thước hạt mài 20 Bảng 2.2 Phân nhóm kí ch thước hạt theo cỡ hạt mài tương ứng 21 Bảng 2.3 Tính chất một số loại hạt mài dùng cho cắt tia nước 22 áp suất cao Bảng 2.4 Các đặc tính cơ bản của một số hạt mài 22 Bảng 2.5 Các thông số kỹ thuật của hạt mài corindon 23 Bảng 2.6 Các thông số kỹ thuật của hạt mài SiC 23 Bảng 2.7 Các thông số kỹ thuật của hạt mài Garnet 23 Bảng 2.8 Các thông số kỹ thuật của hạt mài Olivin AFS 90 23 Bảng 2.9 Các thông số kỹ thuật của hạt mài Supreme Garnet 24 Bảng 2.10 Các thông số quá trình thí nghiệm trong nghiên cứu của Babu 30 Bảng 3.1 Thành phần hóa học của vật liệu thí nghiệm C45 41 Bảng 3.2 Các thông số quá trình thí nghiệm nghiên cứu vỡ hạt 41 Bảng 3.3 Phân loại hạt mài tái chế 44 Bảng 3.4 Khả năng tái chế của hạt mài Supreme garnet 44 Bảng 3.5 Tỷ lệ và lượng hạt mài mới bù tái chế 45 Bảng 3.6 Khả năng cắt của hạt mài bù tái chế 48 Bảng 3.7 Thành phần hóa học của vật liệu thí nghiệm Al 6061-T6 50 Bảng 3.8 Kết quả đo độ nhám Ra trên mẫu Al6061-T6 51 Học viên:Lê Xuân Hưng Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN 2 Trường ĐH KTCN – ĐHTN http://www.lrc-tnu.edu.vn Luận văn thạc sĩ kỹ thuật Chuyên ngành CN CTM DANH MỤC HÌNH VẼ Tiêu đề hình Số hiệu Trang Hình 1.1 Sơ đồ nguyên lý hệ thống gia công tia nước có hạt mài 10 Hình 1.2 Hệ thống bơm cấp nước của hãng Flow 11 Hình 1.3 Bơm khuếch đại 11 Hình 1.4 Hệ thống bơm khuếch đại áp 12 Hình 1.5 Ống dây dẫn nước cao áp dạng vòng xoắn đàn hồi 12 Hình 1.6 Sơ đồ nguyên lý đầu cắt 13 Hình 1.7 Sơ đồ đầu cắt và quỹ đạo chuyển động của hạt mài 14 Hình 1.8 Hệ thống cấp và điều chỉnh lưu lượng hạt mài 15 Hình 2.1 Hình ảnh các loại hạt mài thường gặp 19 Hình 2.2. Ảnh hưởng của áp suất nước, chiều dài ống, đường kính ống 27 hội tụ và hình dáng bình trộn tới hệ số vỡ, kích thước hạt mài sau khi vỡ Hình 2.3 Cơ chế vỡ của hạt mài 28 Hình 2.4 Hạt mài Ấn độ trước và sau khi vỡ 28 Hình 2.5 Hạt mài GMA cỡ #80 30 Hình 2.6 Kích thước trung bình của các loại hạt mài tái chế 32 Hình 2.7 Ảnh hưởng của hạt mài tái chế tới chiều sâu cắt lớn nhất 31 Hình 2.8 Ảnh hưởng của hạt mài tái chế tới nhám bề mặt gia công 31 Hình 2.9 Khả năng tái chế cua hạt mài Ấn độ 31 Hình 2.10 Ảnh hưởng của hạt mài tái chế đến bề rộng rãnh cắt 32 Hình 2.11. Ảnh hưởng của hạt mài bù tái chế tới khả năng cắt 33 Hình 2.12 Tỷ lệ các cỡ hạt mài mới, tái chế lần I, tái chế lần II 34 Hình 2.13 Khả năng cắt của hạt mài tái chế 34 Hình 2.14 Khả năng cắt của hạt mài bù tái chế 35 Hình 2.15 Chất lượng cắt của hạt mài GMA tái chế 36 Hình 2.16 Chất lượng cắt của hạt mài bù tái 37 Học viên:Lê Xuân Hưng Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN 3 Trường ĐH KTCN – ĐHTN http://www.lrc-tnu.edu.vn Luận văn thạc sĩ kỹ thuật Chuyên ngành CN CTM Hình 3.1 Máy cắt tia nước có hạt mài và bể chứa hạt mài 40 Hình 3.2 Phôi thép 45 dùng để cắt thí nghiệm thu hồi hạt mài tái chế 41 Hình 3.3 Máy sàng phân loại hạt mài 43 Hình 3.4 Sàng của hãng Endecotts tiêu chuẩn ISO3310-1 43 Hình 3.5 Tỷ lệ thành phần hạt mài mới 43 Hình 3.6 Thành phần hạt mài theo các cỡ 45 Hình 3.7 Thiết bị thí nghiệm xác định khả năng cắt của hạt mài 47 Hình 3.8 Phôi thí nghiệm và sơ đồ tính hmax 47 Hình 3.9 Kết quả phôi thí nghiệm sau khi cắt 48 Hình 3.10 Khả năng cắt của hạt mài bù tái chế 49 Hình 3.11 Ảnh chụp hạt mài Supreme garnet 49 Hình 3.12 Sự cắt trễ của tia nước 50 Hình 3.13 Ảnh hưởng của lưu lượng hạt mài và loại hạt mài đến độ nhám 52 bề mặt khi đo cách mặt trên 2mm Hình 3.14 Ảnh hưởng của lưu lượng hạt mài và loại hạt mài đến độ nhám 52 bề mặt khi đo cách mặt trên 10 mm Học viên:Lê Xuân Hưng Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN 4 Trường ĐH KTCN – ĐHTN http://www.lrc-tnu.edu.vn Luận văn thạc sĩ kỹ thuật Chuyên ngành CN CTM MỤC LỤC LỜI CẢM ƠN ............................................................................................................1 DANH MỤC BẢNG BIỂU .......................................................................................2 DANH MỤC HÌNH VẼ ........................................................................................... 3 CHƢƠNG 1. GIỚI THIỆU VỀ PHƢƠNG PHÁP GIA CÔNG TIA NƢỚC CÓ HẠT MÀI………………………………………………………………………….. 7 1.1. Lịch sử ra đời và xu hƣớng phát triển. ............................................................7 1.2. Các thiết bị trong hệ thống gia công tia nƣớc có hạt mài. ..............................9 1.2.1. Hệ thống cấp nước. .......................................................................................9 1.2.2. Cụm bơm khuếch đại áp. ............................................................................10 1.2.3. Đường ống cao áp ......................................................................................12 1.2.4. Đầu cắt ........................................................................................................13 1.2.5. Hệ thống cấp và điều chỉnh lưu lượng hạt mài ..........................................14 1.2.6. Hệ thống điều khiển chuyển động. ..............................................................16 1.2.7. Bể chứa hạt mài, phoi và dập năng lượng còn lại tia nước sau khi cắt. ....16 1.3. Ƣu nhƣợc điểm của phƣơng pháp gia công tia nƣớc có hạt mài .................16 1.4. Thách thức trong gia công tia nƣớc có hạt mài. ............................................17 CHƢƠNG 2. TỔNG QUAN ...................................................................................18 2.1. Tổng quan nghiên cứu về sự vỡ hạt mài trong AWJ. ...................................18 2.1.1. Các loại hạt mài được sử dụng trong AWJ. ...............................................18 2.1.2. Chọn hạt mài làm đối tượng nghiên cứu của luận văn. .............................25 2.1.3. Tổng quan về các nghiên cứu về sự vỡ của hạt mài trong AWJ .................25 2.3. Thực trạng nghiên cứu về tái chế và bù tái chế hạt mài...............................29 2.4. Kết luận chƣơng 2 ............................................................................................38 Học viên:Lê Xuân Hưng Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN 5 Trường ĐH KTCN – ĐHTN http://www.lrc-tnu.edu.vn Luận văn thạc sĩ kỹ thuật Chuyên ngành CN CTM CHƢƠNG 3. BÙ TÁI CHẾ HẠT MÀI SUPREME GARNET ..........................39 3.1. Khả năng tái chế của hạt mài Supreme garnet. ............................................39 3.1.1. Thiết lập các thông số thí nghiệm. ..............................................................40 3.1.2. Kết quả và thảo luận về khả năng tái chế của hạt mài Supreme garnet ....43 3.2. Nghiên cứu phƣơng pháp bù tái chế cho hạt mài Supreme Garnet ............45 3.3. Khả năng cắt của hạt mài bù tái chế ..............................................................46 3.3.1. Thiết lập các thông số cho thí nghiệm. .......................................................46 3.3.2. Xác định kích thước hạt tối ưu cho bù tái chế ............................................48 3.4. Chất lƣợng cắt của hạt mài bù tái chế. ..........................................................50 3.4.1. Thiết lập các thông số cho thí nghiệm. .......................................................50 3.4.2. Kết quả và thảo luận ...................................................................................51 3.5. Kết luận chƣơng 3 ............................................................................................52 KẾT LUẬN VÀ CÁC KIẾN NGHỊ CHUNG .......................................................54 1. Kết luận của luận văn. ........................................................................................54 2. Đề xuất hƣớng nghiên cứu tiếp ..........................................................................55 TÀI LIỆU THAM KHẢO ......................................................................................56 PHỤ LỤC. BÀI BÁO ĐÃ XUẤT BẢN .................................................................58 Học viên:Lê Xuân Hưng Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN 6 Trường ĐH KTCN – ĐHTN http://www.lrc-tnu.edu.vn Luận văn thạc sĩ kỹ thuật Chuyên ngành CN CTM CHƢƠNG 1. GIỚI THIỆU VỀ PHƢƠNG PHÁP GIA CÔNG TIA NƢỚC CÓ HẠT MÀI Gia công bằng tia nước là phương pháp gia công tiên tiến được phát triển gần đây, trong đó năng lượng của tia nước áp suất cao (ASC) được sử dụng để gia công vật liệu. Công nghệ cắt bằng tia nước ASC có 2 loại là cắt bằng tia nước (pure waterjet - WJ) và cắt bằng tia nước có hạt mài (Abrasive waterjet - AWJ). Cắt bằng tia nước nghĩa là chỉ dùng tia nước có áp suất cao để cắt vật liệu cần gia công. Phương pháp này được sử dụng để cắt các loại vật liệu có độ cứng không quá cao như: bìa các-tông, da, vải, nhựa, thức ăn hoặc tấm nhôm mỏng. Cắt bằng tia nước có hạt mài (AWJ) có thể cắt những loại vật liệu khó gia công như: thép không gỉ, kính, ceramics, titan… Trong phương pháp này, hạt mài được trộn vào tia nước áp suất cao và được gia tốc nhờ áp lực của tia nước. AWJ có nhiều ưu điểm và ngày nay được áp dụng rất rộng rãi trong nhiều lĩnh vực khác nhau. Trong chương này, tác giả sẽ giới thiệu về lịch sử và xu hướng phát triển của gia công tia nước có hạt mài, các thiết bị chủ yếu trong hệ thống gia công AWJ, ưu nhược điểm và thách thức trong gia công AWJ. 1.1. Lịch sử ra đời và xu hƣớng phát triển. Ngay từ đầu thể kỷ 20, con người đã biết lợi dụng tia nước áp suất cao trong công việc khai thác mỏ. Dòng nước áp suất cao sẽ giúp tách các khoáng vật từ trong đá với năng suất cao hơn. TS. Norman Franz, một kỹ sư lâm nghiệp, được xem như cha đẻ của hệ thống máy cắt tia nước. Ông là người đầu tiên nghiên cứu sử dụng tia nước ASC thành một công cụ cắt vào những năm 1950. Để tạo đượ c tia nước ASC, ông đặt một khối lượng lớn lên một cột nước và tập trung tia nước vào một vòi phun nhỏ. Kết quả là áp suất sinh ra rất cao thậm chí còn cao hơn cả áp suất nước đang được dùng lúc đó. Từ kết quả đó, ông phát hiện ra rằng hoàn toàn có thể cắt gỗ và vật liệu khác bằng tia nước áp suất cao. Học viên:Lê Xuân Hưng Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN 7 Trường ĐH KTCN – ĐHTN http://www.lrc-tnu.edu.vn Luận văn thạc sĩ kỹ thuật Chuyên ngành CN CTM TS. Franz cũng đã tìm cách duy trì liên tục áp suất cao cho tia nước nhưng đã không thành công đồng thời tuổi thọ của các thiết bị cắt như vậy thời đó chỉ tính bằng phút, chứ không phải hàng trăm giờ như ngày nay. Mặc dù ông chưa thể chế tạo được một máy cắt gỗ như vậy nhưng nghiên cứu của ông đã đặt nền móng và đã được công ty Flow International phát triển thành hệ thống cắt tia nước hoàn thiện hơn như ngày nay. Sự cống hiến đáng ghi nhận nhất của Flow là trong những năm 1970 Flow đã phát triển một mẫu bơm khuếch đại có tính ứng dụng cao . Năm 1979, tiến sĩ Mohamed Hashish – người làm việc tại phòng thí nghiệm của FLow (Mỹ) đã tìm cách tăng khả năng cắt của máy cắt tia nước để cắt kim loại. Ông đã tìm ra giải pháp kỹ thuật là trộn thêm hạt mài vào dòng tia nước có áp suất và vận tốc cao để tăng khả năng cắt [1]. Ông được coi là cha đẻ của phương pháp gia công bằng tia nước có hạt mài. Kể từ đó cắt bằng tia nước có hạt mài được ứng dụng rộng rãi trong sản xuất công nghiệp và dân dụng. Ngày nay , với sự phá t triển của kỹ thuật, công nghệ tia nước áp suất cao đã được nghiên cứu ứng dụng trong các ngành công nghiệp và cả y học Năm 1994, người Đức đã đăng ký bản quyền phát minh về ứng dụng cắt và làm sạch bằng tia nước áp suất c ao trong y tế. Với ứng dụng này , tia nước với áp suất làm việc từ 5 đến 30MPa được sử dụng làm dao mổ trong phẫu thuật . Một điều lý thú nữa là khi cắt các phần cứng của cơ thể như xương , muối hoặc đường đã được dùng để là m hạt mài , do chúng luôn tồn tại trong cơ thể và được cơ thể chấp nhận. Năm 2002, Flow phát triển hệ thống cắt Dynamic Waterjet cho phép cắt vật liệu nhanh hơn, không bị gờ, do đó đã mở rộng khả năng cho các ứng dụng của phương pháp gia công này. So với ngày nay, ứng dụng cắt gỗ đầu tiên mà TS. Franz đã đề xuất chỉ còn là một ứng dụng nhỏ trong các ứng dụng của công nghệ tia nước ASC. Hiện nay , thiết bị cắt bằng tia nước có hạt mài được sử dụng rộng rãi ở các nước phát triển như Mỹ , Đức, Trung quốc , Áo, Pháp, Nhật, Hà Lan ... trong rất nhiều lĩnh vực khác nhau từ sản xuất cho tới dân dụng và y tế. Học viên:Lê Xuân Hưng Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN 8 Trường ĐH KTCN – ĐHTN http://www.lrc-tnu.edu.vn Luận văn thạc sĩ kỹ thuật Chuyên ngành CN CTM 1.2. Các thiết bị trong hệ thống gia công tia nƣớc có hạt mài. Như đã giới thiệu ở trên công nghệ gia công bằng tia nước ASC gồm 2 loại đó là cắt bằng tia nước (pure waterjet) và cắt bằng tia nước có hạt mài (abrasive waterjet). Ở hình 1.1 là sơ đồ nguyên lý hệ thống của công nghệ gia công tia nước có hạt mài. Một hệ thống AWJ thông thường gồm 7 thành phần chính: - Hệ thống cấp nước sạch; - Cụm bơm khuếch đại áp; - Các đường ống áp lực cao; - Đầu cắt tạo ra tia nước ASC trộn hạt mài; - Hệ thống cấp và điều chỉnh lưu lượng hạt mài; - Hệ thống điều khiển chuyển động; - Bể nước chứa hạt mài, phoi và dập năng lư ợng còn lại của tia nước sau khi cắt. Hình 1.1. Sơ đồ nguyên lý hệ thống gia công tia nước có hạt mài [2] 1.2.1. Hệ thống cấp nước. Để đảm bảo hoạt động của hệ thống cắt bằng tia nước hạt mài được ổn đị nh , kéo dài tuổi thọ , trước hế t hệ thống cấp nước cho máy phải có bộ phận khử nước cứng, bộ phận làm sạch nước bằng lọc thô và lọc tinh. Học viên:Lê Xuân Hưng Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN 9 Trường ĐH KTCN – ĐHTN http://www.lrc-tnu.edu.vn Luận văn thạc sĩ kỹ thuật Chuyên ngành CN CTM Hình 1.2. Hệ thống bơm cấp nước của hãng Flow [1] Hệ thống nước bao gồm đường nước vào, bộ lọc, máy bơm tăng áp, bộ khuếch đại áp và bộ suy giảm sóng sung kích . Nước máy đi qua bộ lọc nước ở đầu vào sau đó đi đến bơm tăng áp để duy trì áp lực nước ở đầu hút bộ phận khuếch đại áp . Sau khi đi qua bộ phận khuếch đại áp , nước tiếp tục đi qua bộ suy giảm áp lực sóng sung kí ch để bảo đảm thoát nước đầu cắt ổn đị nh . Nếu không có bộ suy giảm sóng sung kí ch, dòng nước sẽ có sóng sung (áp lực không ổn định) để lại dấu vết cắt trên vật liệu. 1.2.2. Cụm bơm khuếch đại áp. Trong gia công tia nước ASC người ta thường sử dụng 3 loại bơm: Bơm trực tiếp (direct pump), bơm khuếch đại (intensifier pump) do hãng Flow phát minh và bơm trục khuỷu (crankshaft pump) của hãng OMAX. Trong đó bơm khuếch đại được sử dụng chủ yếu trong công nghệ cắt. Hình 1.3. Bơm khuếch đại áp [1] Học viên:Lê Xuân Hưng Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN 10 Trường ĐH KTCN – ĐHTN http://www.lrc-tnu.edu.vn Luận văn thạc sĩ kỹ thuật Chuyên ngành CN CTM Cụm bơm khuếch đại hoạt động theo nguyên lý biến đổi năng lượng dòng nước từ áp suất thấp lên áp suất cao. Khi cung cấp nguồn điện và nước cho hệ thống thủy lực, piston trong bộ ph ận khuếch đại áp làm việc cả hai hà nh trì nh đi và về . Chuyển động đi, về của piston được điều khiển thông qua các van điều khiển hệ thống thủy lực . Việc lắp bộ phận khuếch đại áp ở hai bên của piston nhằm duy trì việc chuyển đổi năng lượng nước trong cả hai hành trì nh. Hình 1.4. Hệ thống bơm khuếch đại áp [1] Khi phí a bên trái của piston đến điểm cuối của hành trì nh hút, lúc này phía bên phải của piston tạo ra siêu cao áp đầu ra . Trong hành trình hút của piston nước đã lọc đi vào xi lanh áp suất cao thông qua van . Sau khi piston đảo hướng nước được nén và đi ra với một áp lực rất cao . Tỷ số nén đến 1:10 hoặc 1:25. Lưu lượng dòng chảy tối đa của tia nước cao áp p hụ thuộc vào lưu lượng nước do hệ thống khuếch đại áp cung cấp và tiết diện vòi phun mà tia nước đi qua . Phạm vi thông thường của áp lực nước trong các ứng dụng AWJ là 250-400 MPa. Trong thiết kế này, hai bộ khuếch đại làm việc luân phiên, trong khi một bộ cung cấp áp lực cho hệ thống còn bộ kia được nạp đầy (hình 1.4). Do tác động qua lại của các bộ khuếch đại, áp lực giảm vào cuối mỗi hành trì nh hoạt động. Do nén nước, 15 % đầu tiên của hành trì nh piston được sử dụng để tạo sức ép và nén nước trong các xi-lanh mà không cung cấp nước cho hệ thống . Điều này gây Học viên:Lê Xuân Hưng Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN 11 Trường ĐH KTCN – ĐHTN http://www.lrc-tnu.edu.vn Luận văn thạc sĩ kỹ thuật Chuyên ngành CN CTM ra áp lực biến động không ổn đị nh làm giảm sự chính xác cắt và rút ngắn tuổi thọ các thành phần của hệ thống như phớt che kín, vòi phun. Và để làm giảm sự dao động áp này, bộ suy giảm sóng sung kích được sử dụng. 1.2.3. Đường ống cao áp Đường ống cao áp : Nhiệm vụ để vận chuyển nước áp lực cao từ bộ khuếch đại áp đến đầu cắt . Các đường ống thường làm bằn g thép không gỉ đặc biệt và có chiều dày đảm bảo an toàn . Đường kính ống phổ biến nhất đ ược sử dụng có đường kính ngoài 6,4 - 25mm và đường kí nh trong 2 đến 8 mm. Các đầu đoạn ống cần tạo dạng côn để ghép nối chắc và kín. Để thuận lợi cho đầu cắt di chuyển thuận lợi theo các biên dạng cong phức tạp, đường ống nước cao áp thường sử dụng 3 phương pháp sau: - Một ống mềm được sử dụng. Tuy nhiên phương pháp này chỉ sử dụng cho những kết nối cần di chuyển trên một góc nhỏ . Ống mềm làm việc với áp suất dưới 300MPa cùng lắm 400Mpa do đó hiện nay í t dùng. Vòng dây xoắn Vòi phun Hình 1.5. Ống dây dẫn nước cao áp dạng vòng xoắn đàn hồi [4] - Vòng dây cao áp được uốn thành vòng xoắn đàn hồi (hình 1.5): Ống có đường kính nhỏ hơn 6.3mm. Ống cho phép một sự biến dạng đàn hồi từ 5 - 70. Ứng dụng này rất đáng tin cậy khi cắt các góc lớn. - Sử dụng một khớp nối xoay kiểu robot, nó nhỏ gọn hơn cuộn dây. Khớp này cho phép đầu cắt xoay theo mọi hướng và nghiêng được 10 độ. Tuy nhiên di chuyển không tin cậy bằng vòng dây xoắn. Học viên:Lê Xuân Hưng Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN 12 Trường ĐH KTCN – ĐHTN http://www.lrc-tnu.edu.vn Luận văn thạc sĩ kỹ thuật Chuyên ngành CN CTM 1.2.4. Đầu cắt Là một cơ cấu chấp hành cuối của hệ thống AWJ tạo ra tia nước hạt mài. Đầu cắt gồm vòi tăng tốc (Orifice), buồng trộn (Mix chamber) và vòi phun (Nozzole). Đầu cắt dẫn hướng cho tia nước và hạt mài bắn ra. Nước cao áp đến đầu cắt đi theo trình tự: Vòi tăng tốc  Buồng trộn  Vòi phun. Vận tốc của tia nước gần 1000m/s, kích thước hạt mài lại nhỏ (0,1-0,5mm) nên hình thành sương mù nước Do tính chất hỗn loạn phức tạp của quá trình pha trộn nên quan sát các hiện tượng pha trộn là rất khó khăn. Nước cao áp Vòi tăng tốc Cửa cấp hạt mài Buồng trộn Vòi phun Hình 1.6. Sơ đồ nguyên lý đầu cắt [2] Mỗi hạt mài đi vào dòng tia nước với vận tốc không đáng kể được dòng nước tăng tốc để đẩy ra khỏi nhưng sau đó vòi phun. Tuy nhiên trong quá trình tăng tốc nếu hạt mài va vào thành ống vòi phun nó sẽ bị bật lại rồi lại nh ập vào dòng tia nước. Hiện tượng này xảy ra cho đến khi hướng vận tốc của các hạt mài gần như song song với hướng của tia nước ASC như đã thấy trong hì nh 1.7. Vòi phun (Nozzle): Để quá trì nh cắt ổn đị nh đường kí nh ống vòi phun phải lớn hơn 2 lần so với đường kí nh hạt mài . Chiều dài vòi phun càng lớn tia nước càng chụm hơn nhưng cũng sẽ gây ra ma sát nhiều hơn giữa tia nước với thành vòi bên trong. Kết quả vận tốc tia nước thấp hơn. Học viên:Lê Xuân Hưng Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN 13 Trường ĐH KTCN – ĐHTN http://www.lrc-tnu.edu.vn Luận văn thạc sĩ kỹ thuật Chuyên ngành CN CTM Tia nước ASC Hạt mài bật lại Hạt mài Thành trong của ống hội tụ Vòi phun Hình 1.7. Sơ đồ đầu cắt và quỹ đạo chuyển động của hạt mài [4] Vật liệu chế tạo ống hội tụ phải có khả năng chị u mài mòn cao như WC – carbrides vonfram hoặc vật liệu như vòi phun ROCTEC© (hỗn hợp của vanadi, vonfram và carbrides molypden) để có thể làm việc ổn định trong một thời gian dài . Ống hội tụ hiện nay có 2 loại. Loại Roctec 100 đùng được 80h, loại Roctec 500 đùng được 160h. Trong quá trì nh cắt các hạt mài làm mòn thành trong của vòi phun. Nếu hì nh dạng trong của vòi thay đổi nhiều sẽ nó không thể gia công đạt độ chính xác cần thiết. Vòi tăng tốc (Orifice): Thông thường vòi tăng tốc bằng saphia, phải thay thế sau 100h sử dụng. 1.2.5. Hệ thống cấp và điều chỉnh lưu lượng hạt mài Nhiệm vụ của hệ thống cung cấp hạt mài là cung cấp hạt mài chính xác về khối lượng để xác đị nh lưu lượng hạt mài. Hệ thống phải có khả năng dẫn hạt với đường kí nh 0.1 - 0.3 mm, lưu lượng lượng khoảng 1- 30 g/s. Các phương pháp thường được sử dụng định lượng và điều chỉnh lưu lượng hạt mài: - Phễu tiếp liệu: Một thiết bị rung đ ược sử dụng vận chuyển tuyến tí nh số lượng hạt mài . Số lượng hạt mài có thể thay đổi bằng cách điều chỉ nh biên độ dao động của thiết bị rung. - Bộ cấp liệu trục vít : hạt mài được vận chuyển bằng một bộ cấp liệu trục vít , thay đổi lưu lượng bằng cách điều chỉ nh tốc độ quay của trục vít. Yếu tố quan trọng Học viên:Lê Xuân Hưng Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN 14 Trường ĐH KTCN – ĐHTN http://www.lrc-tnu.edu.vn Luận văn thạc sĩ kỹ thuật Chuyên ngành CN CTM của bộ cấp liệu hạt mài là khả năng cung cấp hạt mài từ một bể chứa đến đầu cắt (thường là 1- 30g/s) một cách liên tục và ổn đị nh theo thời gian. - Bộ cấp hạt mài bằng khí nén của hãng Bohler. Hạt mài ban đầu cấp vào thùng chứa hạt mài rồi rơi tự do xuống bình nén. Khi bình nén đầy van trên đóng lại và hạt mài tiếp tục được đẩy sang bình trung gian. Bình trung gian chứa hạt mài là bình hở không áp nên hạt mài sẽ rơi tự do xuống phễu hứng . Lưu lượng hạt mài được định lượng theo nguyên lý điều chỉnh tiết diện cửa rơi tự do của hạt mài. Việc tăng giảm tiết diện cửa rơi được bộ vít me đai ốc điều chỉnh. Hình 1.8. Hệ thống cấp và điều chỉnh lưu lượng hạt mài [4] - Hạt mài được cấp cho đầu cắt thông dụng nhất được dùng trong ngành công nghiệp theo kiểu không áp (tự hút). Chúng được hút vào buồng trộn theo định lượng chảy xuống từ một băng tải được dẫn động bằng một động cơ bước. Khối lượng, lưu lượng dòng chảy hạt mài được quy định b ằng cách điều chỉnh tần số của động cơ. Hệ thống này được thể hiện trong hình 1.8. Hạt mài phải được giữ khô trong khi vận chuyển và môi trường vận chuyển là không khí. Do đó, đường ống cấp hạt mài đến bình chứa không bị ra ăn mòn và có thể được làm bằng một ống nhựa bình thường không cần yêu cầu đặc biệt . Bộ cấp hạt mài tốt hơn nên được định vị chặt chẽ , chiều dài dẫn hạt mài đến đầu cắt càng ngắn càng tốt. Học viên:Lê Xuân Hưng Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN 15 Trường ĐH KTCN – ĐHTN http://www.lrc-tnu.edu.vn Luận văn thạc sĩ kỹ thuật Chuyên ngành CN CTM 1.2.6. Hệ thống điều khiển chuyển động. Trong những năm gần đây công nghệ cắt bằng tia nước ASC đã phát triển từ một quá trì nh gia công thô sang một quá trì nh gia công chí nh xác . Việc có sự trợ giúp của máy tính đã giúp cho AWJ được ứng dụng rộng rãi hơn. Phát triển các phần mềm chuyên dụng cho điều khiển cắt bằng tia nước ASC đã làm cho việc điều khiển máy được dễ dàng hơn, tin cậy hơn và kiểm soát được hệ thống tốt hơn. Hệ thống điều khiển đầu cắt được thông qua một máy tí nh cá nhân kết nối với bộ điều khiển bằng các p hần mềm chuyên dụng . Cấu hì nh của hệ thố ng liên quan đến bậc tự do cần thiết . Thông thường nếu chỉ gia công phôi là tấm phẳng , yêu cầu 2 trục điều khiển X, Y và trục Z để điều chỉ nh chiều cao của các đầu cắt với độ dày của tấm. 1.2.7. Bể chứa hạt mài, phoi và dập năng lượng còn lại tia nước sau khi cắt. Nhiệm vụ của bể chứa nước là chứa đựng một lượng chất thải công nghiệp nhất đị nh trong sau quá trì nh gia công và dập năng lượng còn lại của tia nước sau gia công. Sau khi tia nước xuyên qua vật liệu, nó vẫn còn gần 75% năng lượng ban đầu và tạo thành sóng rất dữ dội trong bể chứa nước. Do đó trong bể chứa nước phải bao gồm các bộ phận nhằm dập nguồn năng lượng thừa này. Một số kết cấu có thể đươc sử dụng như: bố trí trong bể có các viên bi sắt, hàng rào chắn song bằng thép không gỉ. 1.3. Ưu nhược điểm của phương pháp gia công tia nước có hạt mài Từ khi ra đời năm 1979, phương pháp gia công này đã được áp dụng rất rộng rãi đặc biệt là trong gia công cắt gọt. So sánh với gia công cắt dây gia công tia nước có hạt mài có một số ưu điểm sau: - Có thể gia công rất nhiều loại vật liệu khó gia công như titan, thép không gỉ, hợp kim máy bay hoặc vật liệu không dẫn điện như thuỷ tinh, nhựa, gốm vv… - Tia nước có khả năng cắt qua những vùng vật liệu bất thường mà có thể những bất thường này làm cho EDM mất tia lửa điện; - Có thể cắt các chi tiết dạng lưới; Học viên:Lê Xuân Hưng Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN 16 Trường ĐH KTCN – ĐHTN http://www.lrc-tnu.edu.vn Luận văn thạc sĩ kỹ thuật Chuyên ngành CN CTM - Không sinh nhiệt trong quá trình cắt nên không làm thay đổi cơ tính của chi tiết gia công; - Rất sạch, an toàn cho người và môi trường; - Dụng cụ cắt rất đơn giản, chỉ có một vòi phun; - Cắt được ở dưới nước (Cắt tháo dỡ, sửa chữa chân giàn khoan đầu khí ở dưới biển. . .) - Lực cắt rất nhỏ tác động lên chi tiết đặt trên bàn cắt do đó cơ cấu kẹp chặt rất đơn giản để giữ phôi tại chỗ. - Hạt mài có thể tái chế, tạo khả năng giảm giá thành gia công. Tuy nhiên, gia công bằng tia nước có hạt mài cũng có một số hạn chế như sau: - Giá thành gia công cao chủ yếu do chi phí giá thành hạt mài; - Chất lượng cắt không phải lúc nào cũng đáp ứng được yêu cầu và ổn định do tia nước bị lệch khi đi vào vùng cắt. 1.4. Thách thức trong gia công tia nƣớc có hạt mài. Từ những tìm hiểu trên đây, mặt dù công nghệ gia công AWJ có nhiều ưu điểm nhưng có nhược điểm là giá thành gia công cao. Trong gia công AWJ, tổng giá thành gia công phụ thuộc vào nhiều yếu tố như: giá thành hệ thống máy, giá thành vòi phun, giá thành hạt mài, lương công nhân… Giá thành gia công cao khiến AWJ chưa được ứng dụng rộng rãi tại Việt Nam. Do đó giảm giá thành gia công và thời gian cắt cũng như nâng cao lợi nhuận gia công là thách thức lớn đối với những người nghiên cứu về công nghệ gia công AWJ. Song song với hướng tối ưu hóa quá trình gia công, tái sử dụng hạt mài là giải pháp hiệu quả vì không những giảm được giá thành gia công mà còn giảm thiểu hạt mài thải ra môi trường. Học viên:Lê Xuân Hưng Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN 17 Trường ĐH KTCN – ĐHTN http://www.lrc-tnu.edu.vn Luận văn thạc sĩ kỹ thuật Chuyên ngành CN CTM CHƢƠNG 2. TỔNG QUAN Hiện nay, công nghệ AWJ chưa được ứng dụng rộng rãi tại Việt Nam do giá thành của gia công AWJ rất cao. Do đó, tìm giải pháp nhằm giảm giá thành - tăng lợi nhuận cho là nhiệm vụ quan trọng cho công nghệ AWJ. Trong tổng giá thành của AWJ, giá thành của hạt mài chiếm phần lớn nhất khoảng 54% [5]. Giá thành hạt mài phụ thộc vào lưu lượng hạt mài, số đầu cắt, giá hạt mài, giá thành hệ thống… Tuy nhiên, hạt mài có thể tái sử dụng do đó có thể giảm được giá thành mua hạt mới. Chương này sẽ trình bày tổng quan các nghiên cứu về sự vỡ hạt mài trong khi cắt, nghiên cứu về tái chế và bù tái chế hạt mài. 2.1. Tổng quan nghiên cứu về sự vỡ hạt mài trong AWJ. 2.1.1. Các loại hạt mài được sử dụng trong AWJ. So với các dụng cụ cắt truyền thống thì hì nh dáng hì nh học của hạt mài không thể xác đị nh một cách chí nh xác bởi lẽ hạt mài là sản phẩm thu được từ quá trì nh nghiền, sàng tuyển, phân loại… Do đó các hạt mài có hì nh dáng không đồng đều . Trong thực nghiệm , khi nghiên cứu hì nh dáng hì nh học của hạt mài người ta sử dụng phương pháp gần đúng tức là thay thế các hạt có kích thước không xác định bằng một hì nh dạng tương đương tuân theo một quy luật nào đó . Hình 1.8 mô tả sự phân bố hì nh dạng và các kí ch thước tương đương. Ví dụ chia theo các dạng sau: Nhiều góc cạnh  Gần như có góc  gần ô van  Ô van  Tròn Hoặc quy tròn thành k ích thước hình cầu tương đương thông qua hình cầu nội tiếp và ngoại tiếp phần tử hạt mài. Học viên:Lê Xuân Hưng Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN 18 Trường ĐH KTCN – ĐHTN http://www.lrc-tnu.edu.vn Chuyên ngành CN CTM Độ cầu Luận văn thạc sĩ kỹ thuật Độ tròn Hình 2.1. Hình ảnh các loại hạt mài thường gặp [6] a, Phân bố kí ch thước của hạt mài. Tất cả các hạt mài được phân loại the o cấp độ kí ch thước hạt . Việc lựa chọn các kích thước hạt tối ưu phụ thuộc vào ứng dụng và tốc độ cắt cũng như phụ thuộc vào chất lượng bề mặt cần thiết sau gia công . Việc lựa chọn phân bố kích thước hạt trong khoảng hẹp có thể không cả i thiện được tí nh cắt gọt của hạt nhưng nếu để khoảng phân chia rộng quá sẽ làm cho thành phần của các hạt chứa những hạt nằm ngoài phạm vi hoặc những hạt không thể đo được. Trong công nghệ cắt bằng tia nước ASC việc lựa ch ọn cỡ hạt mài phụ thuộc vào kích cỡ của buồng trộn và đường kính vòi phun . Các cỡ hạt thường được sử dụng từ Mesh 40 đến Mesh 120 và kích thước hạt nằm trong khoảng từ 0,063 đến 0,5mm. Hiện nay, trên thế giới có nhiều tiêu chuẩn về hạt mài . Tuy nhiên theo tiêu chuẩn quốc tế thống nhất chung về hạt mài được áp dụng theo tiêu chuẩn ASTM E11-61 (bảng 2.1). Tại Việt Nam, tiêu chuẩn về hạt mài được xây dựng bởi Công ty đá mài Hải Dương, trên cơ sở của tiêu chuẩn ISO. Trong tiêu chuẩn này, cỡ hạt mài được phân chia theo các kí ch thước hạt mài tương ứng bảng 2.2. Học viên:Lê Xuân Hưng Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN 19 Trường ĐH KTCN – ĐHTN http://www.lrc-tnu.edu.vn