Giáo trình Phương pháp gia công tia nước

THIỆU Ngày nay, lĩnh vực gia công cắt gọt đang phát triển rất mạnh mẽ trên thế giới. Đặc biệt là trong lĩnh vực gia công cắt gọt kim loại với nhiều loại máy hiện đại như trung tâm gia công CNC, máy gia công bằng tia lửa điện, máy cắt dây, máy gia công bằng tia laser, máy cắt plasma, . . ..Việc ra đời của công nghệ gia công vật liệu bằng tia nước đã mở ra hướng phát triển mới cho lĩnh vực cắt gọt vật liệu. Năm 1950, tiến sĩ Norman Franz đã thử dùng máy cắt tia nước để cắt gỗ. Tuy nhiên kỹ thuật này đã không được phát triển cho đến tận những năm 1970 khi tiến sĩ Mohamed Hashish đã tạo ra một phương pháp kỹ thuật đó là thêm vào dòng tia nước có áp suất cao và tốc độ lớn các hạt mài để tăng khả năng cắt.[1] Ngày nay việc cắt bằng tia nước đã được ứng dụng ở nhiều lĩnh vực. Môt số loại tia nước hay được dùng gồm: tia nước không có hạt mài, tia nước có trộn hạt mài, tia nước va đập. KHÁI NIỆM : Gia công bằng tia nước (hay còn gọi gia công cắt bằng tia nước : Water Jet Cutting-WJC) là một quá trình sử dụng tia nước ở áp suất cao (từ 2.108 Pa – 4.108 Pa) để cắt đứt 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. Gia công bằng tia nước có hạt mài (Abrasive Water Jet Cutting – AWJC) : phương pháp gia công này có cấu tạo giống như gia công tia nước, phương pháp này dùng tia nước được thêm vào các phần tử hạt mài để quá trình gia công manh hơn nhằm tạo khả năng cắt các loại vật liệu cứng hơn như thép, thủy tinh, bê tông và vật liệu composite. NGUYÊN LÝ GIA CÔNG: Gia công bằng tia nước: Hiện tượng cắt bằng tia nước thực hiện bằng cách đưa một thể tích lớn nước qua một đường ống nhỏ. Thể tích không đổi đi qua một tiết diện nhỏ dần sẽ làm các phần tử tăng tốc một cách nhanh chóng. Dòng tăng tốc này ra khỏi ống tác động một lực cắt lớn vào vật liệu gia công. Trong vùng cắt sẽ phát triển những vết nứt nhỏ do tác động của tia nước. Tia nước cuốn trôi vật liệu bị bóc ra khỏi chi tiết gia công. Vết nứt do tác động do tác động của tia nước giờ đây bị đặt dưới dòng nước, với áp suất cực đại và tác động của các phần tử trong dòng tia làm cho vết nứt phát triển đến khi vật liệu bị cắt hoàn toàn. 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, 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. Bộ điều khiển này gọi là bộ tăng áp, nó biến đổi năng lượng từ dòng có áp suất thấp thanh dòng có áp suất cao. Hệ thống thủy lực cung cấp năng lượng chất lỏng đến một piston chuyển động qua lại trong một đoạn trung tâm của máy tăng cường. Có một công tắc giới hạn đặt ở cuối hành trình của piston để báo hiệu dòng điện điều khiển van đảo chiều và thay đổi chiều chuyển động của piston. Việc lắp ráp bộ tăng áp với một bơm piston ở hai bên piston sẽ tạo ra áp suất cả hai phía. Khi một phía của bộ tăng áp đang ở thì hút thì phía đối diện sẽ tạo ra một dòng áp suất cao ở ngõ ra. Trong khi ngõ vào của bơm hút nước đã được lọc đi vào xylanh cao áp thông qua van một chiều. Sau khi bơm piston đảo chiều thì nước sẽ được nén và thoát ra dưới dạng nước chịu áp suất cao. Máy gia công bằng tia nước có hai phần thiết yếu là bàn XYZ và đầu cắt. bàn XYZ có thể chuyển đầu cắt trên vật liệu và một máy bơm công suất công suất cao ( 55.000 psi). Ờ áp suất này tia nước có thể cắt nhựa, gỗ, vật liệu lót sàn đàn hồi, cao su và các vật liệu khác. Đầu cắt là một vòi có kích thước 6.35mm (1/4”) bằng tinh thể sapphire mà nước có thể chịu được một áp lực bằng ba lần vận tốc âm thanh do máy bơm áp suất cao tạo thành. Sự di chuyển của đầu vòi chịu ảnh hưởng bởi chương trình cài đặt máy tính. Gia công bằng tia nước có hạt mài: Áp suất nước trong gia công bằng tia nước có hạt mài giống trong gia công bằng tia nước, nhưng 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. Khi gia công tia nước có hạt mài thì hạt mài được trộn với nước trong ống trộn trước khi được phun ra ngoài. Vận tốc của dòng nước rất cao sẽ tạo ra vùng chân không hút hạt mài từ ngoài vào mà không cần bất cứ một máy nào khác để đưa dòng hạt mài vào. Tuy nhiên vẫn cần được đẩy vào nhờ khí nén nhằm mục đích tăng tốc độ dòng chảy. Mỗi thành phần của dòng tia là nước và hạt mài đều có mục đích riêng biệt và hỗ trợ : với hạt mài thì cung cấp lực mài mòn, còn của dòng tia nước là đưa vật liệu hạt mài đến chi tiết gia công để mài mòn. Tia nước cung gia tốc với hạt mài mang cả dòng hạt mài và phoi ra khỏi vùng làm việc 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 thông 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 hạt khoảng từ 60 đến 100. Lượng mài được thêm vào trong tia nước xấp xỉ khoảng 0,3 kg/phút sau khi thoát ra vòi phun. Đường kính lỗ của vòi khoảng từ 0,25 - 0,63 mm. Sở dĩ kích cỡ hơn một chút so với sự gia công bằng tia nước là để có được tốc độ dòng chảy cao hơn và năng lượng nhiều hơn vì bên trong nó có chứa hạt mài. Phương pháp gia công tia nước hay tia nước có hạt mài có thể sử dụng thay thế cho các phương pháp gia công tia laser hay tia plasma nếu yêu cầu không có ảnh hưởng nhiệt tại đường cắt vật liệu. Bề mặt gia công tia nước có hạt mài trước khi gia công phải được tẩy sạch bụi, phoi, dầu nhờn, axit hay các tạp chất khác. Quá trình đưa hạt mài vào tia nước được phân làm 2 loại : Hạt mài được đưa vào sau khi hình thành tia nước có áp suất cao Hạt mài được đưa vào trước khi hình thành tia nước có áp suất cao ( trường hợp này không phổ biến PHẠM VI ỨNG DỤNG Gia công cắt: phương pháp gia công bằng tia nước được ứng dụng trong các 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 sạch bề mặt trong ngành xây dựng và chế tạo máy Tia nước được sử dụng nhiều trong các lĩnh vực sau : Cắt đứt hoặc cắt định hình các bề mặt kim loại hay phi kim loại Khoan lỗ bằng tia nước có áp lực cao Ứng dụng trong công nghiệp làm sạch bề mặt Ứng dụng tia nước trong kỹ thuật đào đường hầm Phương pháp gia công bằng tia nước được ứng dụng trong các 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 được cắt bằng tia nước là : các tông, thảm, lie (làm nút chai), giấy, plastic, sản phẩm gỗ, cao su, da, giấy, lá kim loại mỏng, gạch, vật liệu composite Tùy loại vật liệu mà chiều dày cắt lên đến 25mm và cao hơn. So với các phương pháp khác, cắt bằng tia nước có năng suất cao và sạch, nên nó cũng được dùng trong công nghệ thực phẩm để cắt và thái mỏng sản phẩm. Khi đó người ta sử dụng dung dịch chất lỏng là cồn, glyxêrin hoặc dầu ăn. Khi có hạt mài Cắt được hầu như mọi vật liệu: thép tôi cứng, thép mềm, thép không rỉ (phần lớn thép cắt ở cùng tốc độ dù có khác nhau về độ cứng), đồng thau, nhôm, vật liệu giòn như thuỷ tinh, gốm, thạch anh, và đá, tấm mỏng, vật liệu dễ cháy, cắt quặng mỏng hoặc quặng dày, tạo được mọi loại hình dạng với chỉ một dụng cụ cắt. Phương pháp gia công tia nước thường được tự động hoá bằng hệ thống CNC hay người máy công nghiệp. THIẾT BỊ VÀ DỤNG CỤ Một máy gia công tia nước bao gồm các bộ phận chính : Một cơ cấu đầu cắt dùng để định hình tia nước Một hệ thống mang và hút để đưa phần tử vào trong dòng tia nước Một bơm tăng áp để gia tăng áp suất của nước Bộ tạo áp suất Bộ tăng áp biến đổi từ dòng áp suất thấp thành áp suất cao. Hệ thống thủy lực cung cấp năng lượng chất lỏng đến một piston chuyển động qua lại trong một giai đoạn trung tâm của máy tăng cường. Một công tắc giới hạn đặt ở cuối hành trình báo hiệu dòng điện điều khiển đổi chiều van đảo chiều và thay đổi chiều chuyển động của piston. Bộ phận điều áp làm đều sự thay đổi áp suất từ máy nén, cung cấp một dòng áp suất cao đều đặn đề cắt vật liệu Vòi phun Vòi phun có đường kính từ 0,1 – 0,4 (mm). Để tia nước có năng lượng cho quá trình cắt cần phải cung cấp một áp suất lên tới 40Mpa và vận tốc vòi phun có thể lên tới 900m/s. Lưu chất được tạo một áp lực tới mức cần thiết nhờ một bơm thủy lực. Đầu phun gồm có vòi kẹp và vòi phun. Vòng kẹp được làm bằng thép không gỉ, vòi phun được làm bằng ngọc bích, hồng ngoc hay kim cương. Dùng kim cương thì tuổi thọ bền nhưng giá thành cao. Hệ thống lọc phải được sử dụng để ngăn phoi phát sinh trong quá trình gia công Bộ trộn trong 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 đều có một cơ chế trộn hạt mài khác nhau. Trộn hạt mài vào nước đã có áp suất cao Cấp hạt dựa vào trọng lượng : Cấp bằng dưỡng khí : THÔNG SỐ KỸ THUẬT CƠ BẢN Gia công bằng tia nước: Các thông số quan trọng bao gồm : Khoảng cách gia công, đường kính vòi phun, áp suất nước và tốc độ cắt. Khoảng cách gia công là khoảng cách từ đầu vòi phun đến bề mặt chi tiết cần gia công. Thông thường nhỏ để giảm độ phân tán của tia nước đến mức tối thiểu trước khi đập vào bề mặt chi tiết gia công, khoảng cách này khoảng 3,2mm. Các thông số khác cũng ảnh hưởng rất lớn đến độ chính xác gia công và giá trị của các thông số đó phụ thuộc vào độ dày, chất liệu của chi tiết gia công. Vòi phun có đường kính lỗ vòi nhỏ thường dùng để cắt vật liệu mỏng, đường kính lỗ vòi lớn hơn được dùng để gia công vật liệu dày hơn vì cần phải có tia nước lớn hơn và áp suất cao hơn. Thông số tốc độ cắt phụ thuộc vào độ dày và loại vật liệu của chi tiết gia công, thường thì khoảng 5-500 mm/s. Gia công cắt bằng tia nước có khả năng cắt rãnh hay vết cắt rộng khoảng 1mm và cắt được đường kính lỗ nhỏ nhất 1,5mm. Phương pháp gia công tia nước thường được tự động hóa bằng hệ thống công nghệ CNC hay người máy công nghiệp. Phạm vi gia công là từ 1,6 – 305 (mm) với độ chính xác là ± 0,13(mm) Gia công bằng tia nước có hạt mài : 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 thông 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 hạt khoảng từ 60 đến 100. Lượng mài được thêm vào trong tia nước xấp xỉ khoảng 0,3 kg/phút sau khi thoát ra vòi phun. Đường kính lỗ của vòi khoảng từ 0,25 - 0,63 mm. Sở dĩ kích cỡ hơn một chút so với sự gia công bằng tia nước là để có được tốc độ dòng chảy cao hơn và năng lượng nhiều hơn vì bên trong nó có chứa hạt mài. 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. Kiểu Áp lực tối đa( bar ) Công suất động cơ (Kw) Lưu lượng tối đa (l/phút) Đường kính vòi lỗ phun tối đa (mm) Số đầu cắt tối đa Nước tinh khiết Nước có hạt mài 2000-5.5 2 5,5 0,65 0,12 2 - 4000-5.5 4 5,5 0,65 0,12 2 - 4000-11 4 11 1,2 0,18 5 - 4000-22 4 22 2,5 0,25 10 1 4000-30 4 30 3,6 .35 18 2 4000-45 4 45 5 0,4 25 3 4000-60 4 60 7,2 0,45 30 4 4000-75 4 75 8,5 0,5 35 5 4000-90 4 90 10 .,55 40 6 Các thông số kỹ thuật của hệ thống máy gia công bằng tia nước của hãng AquaDAM ƯU ĐIỂM VÀ NHƯỢC ĐIỂM Ưu điểm : Cắt với một phạm vi bề dầy lớn với dung sai hợp lý, không sinh nhiệt, vùng gia công không chịu tác động nhiệt, đây là phương pháp gia công cắt lạnh. Gia công bằng tia nước là một phát minh quan trọng của các phương pháp gia công đặc biệt cả trong những ứng dụng công nghiệp và trong kiến trúc, phương pháp này phụ thuộc vào vật liệu, chiều dày và độ phức tạp của các đường cắt. Tạo ra lợi nhuận rất lớn nếu so sánh với các phương pháp gia công không truyền thống khác như: phương pháp cắt bằng tiện hay cắt bằng tia Plasma, tia Laser, tia lửa điện (EDM). Cắt bằng tia nước có thể cắt những vật liệu tưởng chừng như không thể gia công bằng những phương pháp gia công thông thường được. Những thuận lợi của phương pháp gia công này vượt xa sự cạnh tranh về giá so với kỹ thuật gia công khác. Gia công bằng tia nước cho phép gia công những bề mặt khó khăn và phức tạp như: những góc nằm bên trong, khớp V, những hình dạng kiến trúc nghệ thuật, có thể gia công với độ chình xác ngang hoặc cao hơn các phương pháp cũ. Bởi vì quá trình gia công này sử dụng phần mềm CAD do đó có khả năng gia công là lập lại mà các phương pháp khác không có. Gia công bằng tia nước có thể gia công các vật liệu tộng hợp, nhựa mà không gặp phải dung sai do nhiệt, hoặc do sự xuống cấp của các chi tiết cơ khí. Không phải trả chi phí cho các dụng cụ hay khuôn mẫu kèm theo. Cắt bằng tia nước là một quá trình gia công lạnh và sạch nên loại bỏ hoàn toàn các vùng ảnh hưởng nhiệt, khói độc, phân lớp khi đúc, ứng suất nhiệt, lớp biến cứng bề mặt, sự biến dạng của kim loại. Chất lượng vết cắt rất cao. Vết cắt có thể bắt đầu ở bất kì chỗ nào mà không cần khoan mồi trước và có thể cắt được các vật liệu cán mỏng. Có thể được dùng để cắt hoặc tạo hình các bộ phận bằng thép, nhôm, thủy tinh, cao su, vật liệu tổng hợp và các loại vật liệu khác. Có khả năng tự động hóa và người máy hóa rất cao. Dưới đây là một số tính năng đặc biệt của phương pháp gia công bằng tia nước: Tính hiệu quả Quá trình sử dụng CAD/CAM và vết cắt rất nhò khi gia công bằng tia nước cho phép chúng ta sử dụng các vật liệu đắt tiền một cách hiệu quả như: Titan, vật liệu tổng hợp và các loại thủy tinh quang học. Vết cắt hẹp cho phép thu được lợi nhận tối ưu do sự lắp ráp có dung sai rất chính xác ± 2.54mm (0.1 inch) tùy theo loại vật liệu. Tính linh hoạt và nhanh chóng xác định đường biên của chi tiết cần gia công. Các đầu dụng cụ cắt bằng nước tự động hóa có thể cắt theo bất kỳ hướng nào, bảo đảm các hình dạng phức tạp luôn luôn được cắt với độ chính xác cao. Tính kinh tế. Gia công tia nước gia công rất tốt với những vật liệu dễ gãy như thủy tinh. Với vật liệu này khi gia công bằng những phương pháp thông thường tỉ lệ thất bại rất cao Không có bề mặt chịu ảnh hưởng nhiệt hoặc bị biến dạng thường gặp ở các phương pháp cắt gọt khác. Các nguyên công kế tiếp như là xử lý nhiệt, mài hoặc gia công lại là không cần thiết. Hình dạng, kích thước sau cùng đạt được chi sau 1 lần gia công. Quá trình gia công bằng tia nước có thể sản xuất hàng loạt do khả năng lập lại của các phần mềm CAD/CAM. Giảm thiểu như hỏng Đối với các phương pháp gia công truyền thống do có tồn tại ừng suất dư của quá trình cắt nên các góc không thể cắt được. Nhưng đối với phương pháp này các góc có thể cắt được trên các vật liệu dễ vỡ mà không làm vỡ, nứt chi tiết. Cắt bằng tia nước các vật liệu như đá, gốm và sứ thì hiệu quả và sạch sẽ hơn. Bất kỳ vật nào mà được vẽ trên vi tính đều có thể gia công bằng tia nước. Nhiều vật liệu như đá, sứ và thép không gỉ không thể gia công thành các vật thể phức tạp một cách kinh tế ở bất kỳ cách gia ông nào khác. Tận dụng tối đa Dòng nước dùng để cắt rất hẹp giảm thiểu bề rọng của đường cắt, làm tăng phần sử dụng của vật liệu. điều này có ảnh hưởng đặc biệt đến giá thành khi cắt các vật liệu đắt tiền như titan, đồng thiếc, kavlar, teflon. Bảo vệ môi trường Dụng cụ cắt, nước, các chất mài mòn vô cơ có trong tự nhiên không làm ô nhiễm môi trường, trái ngược với việc sử dụng laser, plasma. Gia công bằng tia nước là một giải pháp mang tính chất môi trường nhất nếu so với các giải pháp gia công phức tạp khác. Quá trình gia công sạch sẽ, không thải ra các hạt mài, bụi bặm hoặc ô nhiễm không khí bằng hóa chất. phương pháp này mang theo các vật liệu ăn mòn, loại bụi bặm, không gây ô nhiễm và xả khói như các phương pháp gia công khác. Dầu và nhũ tương bôi trơn dùng cho quá trình cắt khác khi không cần thiết cho phương pháp này. Ngoài việc sử dụng tia nước đễ cắt gọt các vật liệu để đạt được những hình dạng mong muốn, người ta còn sử dụng tia nước làm sạch bề mặt kim loại, các bề mặt khác. 2) Nhược điểm. - Khó kiểm soát độ chính xác về kích thước gia công. - Giá thành thiết bị cao. - Công nghệ gia công bằng tia nước áp lực cao trong lĩnh vực chế tạo máy vẫn còn mới mẻ mà nhiều vấn đề lý thuyết và thực tiễn chưa giải quyết được hoặc giải quyết chưa triệt để. SO SÁNH VỚI PHƯƠNG PHÁP GIA CÔNG KHÁC So sánh với phương pháp gia công truyền thống : Dao kim loại sau một thời gian cắt sẽ mòn dao dẫn tới cùn dao nhưng với cắt bằng tia nước thì luôn luôn sắc. Dao kim loại luôn phải hướng theo phương tiếp tuyến với phương cắt, nhưng với tia nước thì không cần vẫn cắt chính xác Dùng dao kim loại thì rất khó cắt dọc theo đường cong, đặc biệt là đường cong lõm còn tia nước không cần phân biệt hình dạng dao. Miệng cắt tia nước rất mảnh, do đó có thể tiết kiệm được vật liệu Trong vùng cắt tỏa nhiệt ít, do đó không làm biến dạng phôi. Có thể gia công bằng vật liệu rất mềm hoặc rất cứng So sánh với các loại gia công đặc biệt khác. So sánh với gia công tia lửa điện Gia công được nhiều vật liệu mà laser không thể gia công (vật liệu phản xạ, như nhôm và đồng). Tính đồng nhất vật liệu không phải là đặc tính quan trọng. Dòng tia nước không tạo nhiệt lên chi tiết. Vì thế không có biến dạng nhiệt và độ cứng không tăng. Tia nước có thể đạt được độ chính xác bằng hoặc hơn tia laser. Giá thành rẻ hơn. Gia công đuợc vật liệu dầy hơn. Dòng tia tạo mài an toàn hơn, không có khói độc, không có lửa. Có tính môi trường hơn. Bảo trì đơn giản hơn. Tia hạt mài có khả năng đạt dung sai tương tự trong gia công chi tiết mỏng và đạt độ chính xác cao hơn trong gia công chi tiết dầy So sánh với gia công tia lửa điện Gia công nhanh hơn tia lửa điện. Khả năng gia công phạm vi vật liệu rộng lớn hơn. Tính đồng nhất không phải là đặc tính quan trọng đối với gia công tia nước. Dòng hạt mài tạo lỗ xuyên cho chính nó. Không sinh nhiệt. Dòng tia nước có khả năng bỏ qua những bất thường của vật liệu mà có thể những bất thường này làm cho EDM mất tia lửa điện.