1 PHƯƠNG PHÁP GIA CÔNG TIA NƯỚC (Water Jet Cutting – WJC) GIA CÔNG TIA NƯỚC CÓ HẠT MÀI (Abrasive Water Jet Cutting – AWJC) 1) GIỚI THIỆU - Ngày nay, lĩnh vực gia công cắt gọt phát triển mạnh mẽ giới Đặc biệt lĩnh vực gia công cắt gọt kim loại với nhiều loại máy đại trung tâm gia công CNC, máy gia công tia lửa điện, máy cắt dây, máy gia công tia laser, máy cắt plasma, Việc đời công nghệ gia công vật liệu tia nước mở hướng phát triển cho lĩnh vực cắt gọt vật liệu - Việc cắt tia nước ứng dụng nhiều lĩnh vực Môt số loại tia nước hay dùng gồm: tia nước hạt mài, tia nước có trộn hạt mài, tia nước va đập 2) KHÁI NIỆM : 1) Gia công tia nước (hay gọi gia công cắt tia nước : Water Jet CuttingWJC) trình sử dụng tia nước áp suất cao (từ 2.108 Pa – 4.108 Pa) để cắt đứt vật liệu Vết cắt rãnh có độ rộng xấp xỉ 1mm Đường kính lỗ nhỏ cắt 1,5mm Phương pháp gọi gia công thuỷ động lực 2) Gia công tia nước có hạt mài (Abrasive Water Jet Cutting – AWJC) : phương pháp gia công có cấu tạo giống gia công tia nước, phương pháp -này dùng tia nước thêm vào phần tử hạt mài để trình gia công manh nhằm tạo khả cắt loại vật liệu cứng thép, thủy tinh, bê tông vật liệu composite… 3) NGUYÊN LÝ GIA CÔNG: 1) Gia công tia nước: - Hiện tượng cắt tia nước thực cách đưa thể tích lớn nước qua đường ống nhỏ Thể tích không đổi qua tiết diện nhỏ dần làm phần tử tăng tốc cách nhanh chóng Dòng tăng tốc khỏi ống tác động lực cắt lớn vào vật liệu gia công Trong vùng cắt phát triển vết nứt nhỏ tác động tia nước Tia nước trôi vật liệu bị bóc khỏi chi tiết gia công Vết nứt tác động tác động tia nước bị đặt dòng nước, với áp suất cực đại tác động phần tử dòng tia làm cho vết nứt phát triển đến vật liệu bị cắt hoàn toàn - Đầu tiên nước từ thùng cấp nước qua lọc hòa trộn Sau nhờ ống dẫn chất lỏng qua khuyếch tăng áp đến đầu phun Tại đầu phun tia nước phun mạnh hay yếu nhờ van tiết lưu Van điều khiển điều khiển Tia nước sau khỏi đầu phun có áp suất lớn, tốc độ tia nước từ 400 1000m/s Với áp suất này, tia nước chạm vào bề mặt vật liệu gia công tạo nên áp lực lớn độ bền nén vật liệu, bề mặt vật liệu bị nát tia nước xuyên qua tạo thành vết cắt, cắt chi tiết gia công Vậy tia nước tạo đóng vai trò cưa cắt vết hẹp vật liệu - Bộ điều khiển gọi tăng áp, biến đổi lượng từ dòng có áp suất thấp dòng có áp suất cao Hệ thống thủy lực cung cấp lượng chất lỏng đến piston chuyển động qua lại đoạn trung tâm máy tăng cường Có công tắc giới hạn đặt cuối hành trình piston để báo hiệu dòng điện điều khiển van đảo chiều thay đổi chiều chuyển động piston Việc lắp ráp tăng áp với bơm piston hai bên piston tạo áp suất hai phía Khi phía tăng áp hút phía đối diện tạo dòng áp suất cao ngõ Trong ngõ vào bơm hút nước lọc vào xylanh cao áp thông qua van chiều Sau bơm piston đảo chiều nước nén thoát dạng nước chịu áp suất cao - Máy gia công tia nước có hai phần thiết yếu bàn XYZ đầu cắt bàn XYZ chuyển đầu cắt vật liệu máy bơm công suất công suất cao ( 55.000 psi) Ờ áp suất tia nước cắt nhựa, gỗ, vật liệu lót sàn đàn hồi, cao su vật liệu khác Đầu cắt vòi có kích thước 6.35mm (1/4”) tinh thể sapphire mà nước chịu áp lực ba lần vận tốc âm máy bơm áp suất cao tạo thành Sự di chuyển đầu vòi chịu ảnh hưởng chương trình cài đặt máy tính 2) Gia công tia nước có hạt mài: - Áp suất nước gia công tia nước có hạt mài giống gia công tia nước, khoảng cách cho phép phải để giảm đến mức tối thiểu hiệu phân tán chất lỏng cắt mà có chứa hạt mài Khoảng cách cho phép điển hình khoảng ¼ hay ½ khoảng cách gia công tia nước - Khi gia công tia nước có hạt mài hạt mài trộn với nước ống trộn trước phun Vận tốc dòng nước cao tạo vùng chân không hút hạt mài từ vào mà không cần máy khác để đưa dòng hạt mài vào Tuy nhiên cần đẩy vào nhờ khí nén nhằm mục đích tăng tốc độ dòng chảy Mỗi thành phần dòng tia nước hạt mài có mục đích riêng biệt hỗ trợ : với hạt mài cung cấp lực mài mòn, dòng tia nước đưa vật liệu hạt mài đến chi tiết gia công để mài mòn Tia nước cung gia tốc với hạt mài mang dòng hạt mài phoi khỏi vùng làm việc - Đối với gia công tia nước có hạt mài, thêm hạt mài vào tia nước làm phức tạp trình gia công phải bổ sung số thông số thông số phải điều khiển Những thông số thêm vào cho trình loại hạt mài, cỡ hạt tốc độ dòng chảy Các loại vật liệu hạt mài thường sử dụng Al2O3, SiO2 garnet, cỡ hạt khoảng từ 60 đến 100 Lượng mài thêm vào tia nước xấp xỉ khoảng 0,3 kg/phút sau thoát vòi phun Đường kính lỗ vòi khoảng từ 0,25 - 0,63 mm Sở dĩ kích cỡ chút so với gia công tia nước để có tốc độ dòng chảy cao lượng nhiều bên có chứa hạt mài - Phương pháp gia công tia nước hay tia nước có hạt mài sử dụng thay cho phương pháp gia công tia laser hay tia plasma yêu cầu ảnh hưởng nhiệt đường cắt vật liệu - Bề mặt gia công tia nước có hạt mài trước gia công phải tẩy bụi, phoi, dầu nhờn, axit hay tạp chất khác  Quá trình đưa hạt mài vào tia nước phân làm loại :  Hạt mài đưa vào sau hình thành tia nước có áp suất cao  Hạt mài đưa vào trước hình thành tia nước có áp suất cao ( trường hợp không phổ biến IV) PHẠM VI ỨNG DỤNG - Gia công cắt: phương pháp gia công tia nước ứng dụng ngành hàng không, thực phẩm, nghệ thuật đồ họa, công nghiệp ôtô, giày dép, cao su, nhựa, đồ chơk, gỗ, luyện kim, giấy, chế tạo máy… - Làm bề mặt ngành xây dựng chế tạo máy… Tia nước sử dụng nhiều lĩnh vực sau : - Cắt đứt cắt định hình bề mặt kim loại hay phi kim loại - Khoan lỗ tia nước có áp lực cao - Ứng dụng công nghiệp làm bề mặt - Ứng dụng tia nước kỹ thuật đào đường hầm - Phương pháp gia công tia nước ứng dụng ngành hàng không, thực phẩm, nghệ thuật đồ họa, công nghiệp ôtô, giày dép, cao su, nhựa, đồ chơi, gỗ, luyện kim, giấy, chế tạo máy… - Một số vật liệu cắt tia nước : tông, thảm, lie (làm nút chai), giấy, plastic, sản phẩm gỗ, cao su, da, giấy, kim loại mỏng, gạch, vật liệu composite… - Tùy loại vật liệu mà chiều dày cắt lên đến 25mm cao So với phương pháp khác, cắt tia nước có suất cao sạch, nên dùng công nghệ thực phẩm để cắt thái mỏng sản phẩm Khi người ta sử dụng dung dịch chất lỏng cồn, glyxêrin dầu ăn - Khi có hạt mài Cắt vật liệu: thép cứng, thép mềm, thép không rỉ (phần lớn thép cắt tốc độ dù có khác độ cứng), đồng thau, nhôm, vật liệu giòn thuỷ tinh, gốm, thạch anh, đá, mỏng, vật liệu dễ cháy, cắt quặng mỏng quặng dày, tạo loại hình dạng với dụng cụ cắt - Phương pháp gia công tia nước thường tự động hoá hệ thống CNC hay người máy công nghiệp V) THIẾT BỊ VÀ DỤNG CỤ - Một máy gia công tia nước bao gồm phận :  Một cấu đầu cắt dùng để định hình tia nước  Một hệ thống mang hút để đưa phần tử vào dòng tia nước  Một bơm tăng áp để gia tăng áp suất nước 1) Bộ tạo áp suất - Bộ tăng áp biến đổi từ dòng áp suất thấp thành áp suất cao Hệ thống thủy lực cung cấp lượng chất lỏng đến piston chuyển động qua lại giai đoạn trung tâm máy tăng cường Một công tắc giới hạn đặt cuối hành trình báo hiệu dòng điện điều khiển đổi chiều van đảo chiều thay đổi chiều chuyển động piston - Bộ phận điều áp làm thay đổi áp suất từ máy nén, cung cấp dòng áp suất cao đặn đề cắt vật liệu 2) Vòi phun - Vòi phun có đường kính từ 0,1 – 0,4 (mm) Để tia nước có lượng cho trình cắt cần phải cung cấp áp suất lên tới 40Mpa vận tốc vòi phun lên tới 900m/s Lưu chất tạo áp lực tới mức cần thiết nhờ bơm thủy lực - Đầu phun gồm có vòi kẹp vòi phun Vòng kẹp làm thép không gỉ, vòi phun làm ngọc bích, hồng ngoc hay kim cương Dùng kim cương tuổi thọ bền giá thành cao Hệ thống lọc phải sử dụng để ngăn phoi phát sinh trình gia công 3) Bộ trộn gia công tia nước có hạt mài - Trong gia công tia nước có hạt mài, ta quan tâm đến vấn đề trộn hạt mài vào tia nước Mổi thiết bị có chế trộn hạt mài khác  Trộn hạt mài vào nước có áp suất cao  Cấp hạt dựa vào trọng lượng :  Cấp dưỡng khí : 10 VI) THÔNG SỐ KỸ THUẬT CƠ BẢN 1) Gia công tia nước: Các thông số quan trọng bao gồm : Khoảng cách gia công, đường kính vòi phun, áp suất nước tốc độ cắt - Khoảng cách gia công khoảng cách từ đầu vòi phun đến bề mặt chi tiết cần gia công Thông thường nhỏ để giảm độ phân tán tia nước đến mức tối thiểu trước đập vào bề mặt chi tiết gia công, khoảng cách khoảng 3,2mm - Các thông số khác ảnh hưởng lớn đến độ xác gia công giá trị thông số phụ thuộc vào độ dày, chất liệu chi tiết gia công Vòi phun có đường kính lỗ vòi nhỏ thường dùng để cắt vật liệu mỏng, đường kính lỗ vòi lớn dùng để gia công vật liệu dày cần phải có tia nước lớn áp suất cao - Thông số tốc độ cắt phụ thuộc vào độ dày loại vật liệu chi tiết gia công, thường khoảng 5-500 mm/s Gia công cắt tia nước có khả cắt rãnh hay vết cắt rộng khoảng 1mm cắt đường kính lỗ nhỏ 1,5mm - Phương pháp gia công tia nước thường tự động hóa hệ thống công nghệ CNC hay người máy công nghiệp - Phạm vi gia công từ 1,6 – 305 (mm) với độ xác ± 0,13(mm) 2) Gia công tia nước có hạt mài : - Đối với gia công tia nước có hạt mài, thêm hạt mài vào tia nước làm phức tạp trình gia công phải bổ sung số thông số thông số phải điều khiển Những thông số thêm vào cho trình loại hạt mài, cỡ hạt tốc độ dòng chảy - Các loại vật liệu hạt mài thường sử dụng Al2O3, SiO2 garnet, cỡ hạt khoảng từ 60 đến 100 Lượng mài thêm vào tia nước xấp xỉ khoảng 0,3 kg/phút sau thoát vòi phun - Đường kính lỗ vòi khoảng từ 0,25 - 0,63 mm Sở dĩ kích cỡ chút so với gia công tia nước để có tốc độ dòng chảy cao lượng nhiều bên có chứa hạt mài 11 - Áp suất nước gia công tia nước có hạt mài giống gia công tia nước - Khoảng cách cho phép phải để giảm đến mức tối thiểu hiệu phân tán chất lỏng cắt mà có chứa hạt mài Khoảng cách cho phép điển hình khoảng ¼ hay ½ khoảng cách gia công tia nước Số đầu cắt tối đa Kiểu Áp lực tối đa( bar ) Công suất động (Kw) Lưu lượng tối đa (l/phút) Đường kính vòi lỗ phun tối đa (mm) Nước tinh khiết Nước có hạt mài 2000-5.5 5,5 0,65 0,12 - 4000-5.5 5,5 0,65 0,12 - 4000-11 11 1,2 0,18 - 4000-22 22 2,5 0,25 10 4000-30 30 3,6 35 18 4000-45 45 0,4 25 4000-60 60 7,2 0,45 30 4000-75 75 8,5 0,5 35 4000-90 90 10 ,55 40 Các thông số kỹ thuật hệ thống máy gia công tia nước hãng AquaDAM ƯU ĐIỂM VÀ NHƯỢC ĐIỂM 12 1) Ưu điểm : - Cắt với phạm vi bề dầy lớn với dung sai hợp lý, không sinh nhiệt, vùng gia công không chịu tác động nhiệt, phương pháp gia công cắt lạnh - Gia công tia nước phát minh quan trọng phương pháp gia công đặc biệt ứng dụng công nghiệp kiến trúc, phương pháp phụ thuộc vào vật liệu, chiều dày độ phức tạp đường cắt - Tạo lợi nhuận lớn so sánh với phương pháp gia công không truyền thống khác như: phương pháp cắt tiện hay cắt tia Plasma, tia Laser, tia lửa điện (EDM) Cắt tia nước cắt vật liệu tưởng chừng gia công phương pháp gia công thông thường - Những thuận lợi phương pháp gia công vượt xa cạnh tranh giá so với kỹ thuật gia công khác Gia công tia nước cho phép gia công bề mặt khó khăn phức tạp như: góc nằm bên trong, khớp V, hình dạng kiến trúc nghệ thuật,… gia công với độ chình xác ngang cao phương pháp cũ Bởi trình gia công sử dụng phần mềm CAD có khả gia công lập lại mà phương pháp khác - Gia công tia nước gia công vật liệu tộng hợp, nhựa mà không gặp phải dung sai nhiệt, xuống cấp chi tiết khí - Không phải trả chi phí cho dụng cụ hay khuôn mẫu kèm theo - Cắt tia nước trình gia công lạnh nên loại bỏ hoàn toàn vùng ảnh hưởng nhiệt, khói độc, phân lớp đúc, ứng suất nhiệt, lớp biến cứng bề mặt, biến dạng kim loại - Chất lượng vết cắt cao - Vết cắt bắt đầu chỗ mà không cần khoan mồi trước cắt vật liệu cán mỏng - Có thể dùng để cắt tạo hình phận thép, nhôm, thủy tinh, cao su, vật liệu tổng hợp loại vật liệu khác - Có khả tự động hóa người máy hóa cao  Dưới số tính đặc biệt phương pháp gia công tia nước: 13 Tính hiệu - Quá trình sử dụng CAD/CAM vết cắt nhò gia công tia nước cho phép sử dụng vật liệu đắt tiền cách hiệu như: Titan, vật liệu tổng hợp loại thủy tinh quang học Vết cắt hẹp cho phép thu lợi nhận tối ưu lắp ráp có dung sai xác ± 2.54mm (0.1 inch) tùy theo loại vật liệu Tính linh hoạt nhanh chóng xác định đường biên chi tiết cần gia công - Các đầu dụng cụ cắt nước tự động hóa cắt theo hướng nào, bảo đảm hình dạng phức tạp luôn cắt với độ xác cao Tính kinh tế - Gia công tia nước gia công tốt với vật liệu dễ gãy thủy tinh Với vật liệu gia công phương pháp thông thường tỉ lệ thất bại cao - Không có bề mặt chịu ảnh hưởng nhiệt bị biến dạng thường gặp phương pháp cắt gọt khác Các nguyên công xử lý nhiệt, mài gia công lại không cần thiết Hình dạng, kích thước sau đạt chi sau lần gia công - Quá trình gia công tia nước sản xuất hàng loạt khả lập lại phần mềm CAD/CAM Giảm thiểu hỏng - Đối với phương pháp gia công truyền thống có tồn ừng suất dư trình cắt nên góc cắt Nhưng phương pháp góc cắt vật liệu dễ vỡ mà không làm vỡ, nứt chi tiết - Cắt tia nước vật liệu đá, gốm sứ hiệu - Bất kỳ vật mà vẽ vi tính gia công tia nước Nhiều vật liệu đá, sứ thép không gỉ gia công thành vật thể phức tạp cách kinh tế cách gia ông khác Tận dụng tối đa 14 - Dòng nước dùng để cắt hẹp giảm thiểu bề rọng đường cắt, làm tăng phần sử dụng vật liệu điều có ảnh hưởng đặc biệt đến giá thành cắt vật liệu đắt tiền titan, đồng thiếc, kavlar, teflon… Bảo vệ môi trường - Dụng cụ cắt, nước, chất mài mòn vô có tự nhiên không làm ô nhiễm môi trường, trái ngược với việc sử dụng laser, plasma… - Gia công tia nước giải pháp mang tính chất môi trường so với giải pháp gia công phức tạp khác Quá trình gia công sẽ, không thải hạt mài, bụi bặm ô nhiễm không khí hóa chất phương pháp mang theo vật liệu ăn mòn, loại bụi bặm, không gây ô nhiễm xả khói phương pháp gia công khác Dầu nhũ tương bôi trơn dùng cho trình cắt khác không cần thiết cho phương pháp - Ngoài việc sử dụng tia nước đễ cắt gọt vật liệu để đạt hình dạng mong muốn, người ta sử dụng tia nước làm bề mặt kim loại, bề mặt khác 2) Nhược điểm - Khó kiểm soát độ xác kích thước gia công - Giá thành thiết bị cao - Công nghệ gia công tia nước áp lực cao lĩnh vực chế tạo máy mẻ mà nhiều vấn đề lý thuyết thực tiễn chưa giải giải chưa triệt để VII) SO SÁNH VỚI PHƯƠNG PHÁP GIA CÔNG KHÁC  So sánh với phương pháp gia công truyền thống : - Dao kim loại sau thời gian cắt mòn dao dẫn tới cùn dao với cắt tia nước luôn sắc - Dao kim loại phải hướng theo phương tiếp tuyến với phương cắt, với tia nước không cần cắt xác 15 - Dùng dao kim loại khó cắt dọc theo đường cong, đặc biệt đường cong lõm tia nước không cần phân biệt hình dạng dao - Miệng cắt tia nước mảnh, tiết kiệm vật liệu - Trong vùng cắt tỏa nhiệt ít, không làm biến dạng phôi Có thể gia công vật liệu mềm cứng  So sánh với loại gia công đặc biệt khác So sánh với gia công tia lửa điện o - Gia công nhiều vật liệu mà laser gia công (vật liệu phản xạ, nhôm đồng) - Tính đồng vật liệu đặc tính quan trọng - Dòng tia nước không tạo nhiệt lên chi tiết Vì biến dạng nhiệt độ cứng không tăng - Tia nước đạt độ xác tia laser - Giá thành rẻ - Gia công đuợc vật liệu dầy - Dòng tia tạo mài an toàn hơn, khói độc, lửa - Có tính môi trường - Bảo trì đơn giản o - Tia hạt mài có khả đạt dung sai tương tự gia công chi tiết mỏng đạt độ xác cao gia công chi tiết dầy So sánh với gia công tia lửa điện Gia công nhanh tia lửa điện Khả gia công phạm vi vật liệu rộng lớn Tính đồng đặc tính quan trọng gia công tia nước Dòng hạt mài tạo lỗ xuyên cho Không sinh nhiệt Dòng tia nước có khả bỏ qua bất thường vật liệu mà bất thường làm cho EDM tia lửa điện 16 VIII) KẾT LUẬN - Gia công tia nước có hạt mài phát minh quan trọng PPGC đặc biệt ứng dụng công nghiệp kiến trúc, phương pháp phụ thuộc vào vật liệu, chiều dày độ phức tạp đường cắt - Tạo lợi nhuận lớn so sánh với PPGC không truyền thống phương pháp cắt tiện hay cắt tia plasma, tia laser, tia lửa điện Tia nước hạt mài dùng để cắt vật liệu tưỏng chừng gia công PPGC thông thường - Những thuận lợi phương pháp gia công vượt xa cạnh tranh giá so với kĩ thuật gia công khác Gia công tia nước có hạt mài cho phép gia công bề mặt khó khăn phức tạp góc nằm bên trong, khớp V, hình dáng kiến trúc nghệ thuật …có thể gia công với độ xác ngang cao phương pháp cũ Bởi trình gia công sử dụng phần mềm CAD có khả gia công lặp lại mà phương pháp khác - Gia công tia nước có hạt mài gia công vật liệu tổng hợp, nhựa mà không gặp sai số nhiệt, có xuống cấp chi tiết khí Không phải trả chi phí cho dụng cụ hay 17 IX) TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Phạm Ngọc Tuấn, Nguyễn Văn Tường; Các phương pháp gia công đặc biệt; Nhà xuất Đại học Quốc gia thành phố Hồ Chí Minh, 2007 [2] http://doc.edu.vn/tai-lieu/de-tai-gia-cong-bang-tia-nuoc-co-hat-mai-48272/ 18 ... pháp gọi gia công thuỷ động lực 2) Gia công tia nước có hạt mài (Abrasive Water Jet Cutting – AWJC) : phương pháp gia công có cấu tạo giống gia công tia nước, phương pháp -này dùng tia nước thêm... Phương pháp gia công tia nước hay tia nước có hạt mài sử dụng thay cho phương pháp gia công tia laser hay tia plasma yêu cầu ảnh hưởng nhiệt đường cắt vật liệu - Bề mặt gia công tia nước có hạt... vòi chịu ảnh hưởng chương trình cài đặt máy tính 2) Gia công tia nước có hạt mài: - Áp suất nước gia công tia nước có hạt mài giống gia công tia nước, khoảng cách cho phép phải để giảm đến mức tối