Nghiên cứu ảnh hưởng của tốc độ dịch chuyển đến chất lượng mạch cắt khi cắt bằng tia nước áp suất cao trộn hạt mài

hận bài sửa sau phản biện: 18/9/2018 Ngày chấp nhận đăng: 28/9/2018 Tóm tắt Những năm gần đây, công nghệ vật liệu đã tạo ra nhiều loại vật liệu mới có nhiều tính năng (cơ tính, lý tính, độ bền, độ cứng, độ dẻo cao), việc gia công chế tạo những vật liệu này gặp nhiều khó khăn, hạn chế như: năng suất, chất lượng, giá thành... và đặc biệt là ảnh hưởng nhiều đến cơ lý tính của vật liệu cơ bản. Công nghệ cắt bằng tia nước, áp suất cao đã ra đời và khắc phục được các hạn chế của các phương pháp gia công khác. Việc nghiên cứu các thông số công nghệ như áp suất làm việc, lưu lượng hạt mài, tốc độ dịch chuyển... có ý nghĩa quan trọng. Trong bài báo này, tác giả nghiên cứu thực nghiệm ảnh hưởng của tốc độ dịch chuyển đến chất lượng mạch cắt khi sử dụng công nghệ tia nước trộn hạt mài. Từ khóa: Tia nước trộn hạt mài; hạt mài; tia nước áp suất cao. Abstract In recent years, materials technology has created many new materials with many features (mechanical, physical, strength, hardness, high ductility, etc), the processing and manufacturing materials the difficulties, limitations such as productivity, quality, cost, etc and especially affect the mechanical properties of the basic materials. Waterjet cutting technology, has launched a high pressure and overcome the limitations of other processing methods. The study of technological parameters such as working pressure, abrasive flow, speed of movement, etc has important implications. In this paper the authors studied experimentally the influence of speed quality circuit shifts to cut when using mixed technology abrasive waterjet. Keywords: Mixing abrasive waterjet; abrasive grain; high-pressure water jet. 1. ĐẶT VẤN ĐỀ Trên thế giới, công nghệ cắt bằng tia nước áp suất cao trộn hạt mài đã được nghiên cứu, phát triển và ứng dụng nhiều, tập trung chủ yếu ở các nước phát triển như: Đức, Mỹ, Pháp, Nhật Bản... Công nghệ này sử dụng năng lượng của nước khi được nén với áp suất cao, việc bổ sung hạt mài vào tia nước đã nâng cao hiệu quả cắt của tia nước và được áp dụng vào gia công cắt gọt với tất cả mọi vật liệu và không làm ảnh hưởng đến tích chất cơ lý của vật liệu [1, 2, 3, 4]. Đã có nhiều nghiên cứu về ảnh hưởng của các thông số công nghệ như ảnh hưởng áp suất làm việc, đường kính vòi phun, hạt mài, lưu lượng hạt mài, tốc độ dịch chuyển, khoảng cách cắt, góc cắt [5]. Tốc độ dịch chuyển có ảnh hưởng rất lớn đến năng suất cắt, chất lượng mạch cắt (độ nhám bề mặt), việc nghiên cứu ảnh hưởng của tốc độ có ý nghĩa rất lớn trong thực tế sản xuất. 2. VẬT LIỆU, THIẾT BỊ 2.1. Vật liệu Vật liệu thực nghiệm là thép không rỉ mác SUS 316, tính chất cơ lý của vật liệu trong bảng 1. Người phản biện: 1. PGS. TS. Nguyễn Đắc Trung 2. TS. Lê Trung Kiên 52 NGHIÊN CỨU KHOA HỌC Tạp chí Nghiên cứu khoa học - Đại học Sao Đỏ, ISSN 1859-4190 Số 3(62).2018 Bảng 1. Đặc tính cơ lý của thép INOX mác SUS 316 Đặc tính Đơn vị Thông số Độ cứng HB 150÷217 Độ bền kéo N/mm2 520 Tính gia công cơ Tốt Tính chống mài mòn Tốt Cấu trúc hạt Mịn Trong sản xuất công nghiệp, chiều dày các chi tiết inox thường dùng chủ yếu từ 0,8 đến 18 mm. Tác giả chọn chiều dày phôi trong thí nghiệm là 18 mm. 2.2. Thiết bị Thí nghiệm được thiết kế dựa trên hệ thống thiết bị cắt bằng tia nước áp suất cao hiện nay có tại Phòng thí nghiệm tia nước của Trung tâm các Công nghệ đặc biệt thuộc Viện Máy và Dụng cụ công nghiệp. Thiết bị tạo áp của hãng Böhler – CHLB Đức với các thông số kỹ thuật chính cho trong bảng 2. Bảng 2. Thông số kỹ thuật của bơm cao áp DYNATRONIC 424 Thông số Đơn vị Giá trị Thông số chung Kiểu máy DYNATRONIC 424 Kích thước (W x D x H) mm 1900 x 970 x 1500 Bộ cao áp Áp suất làm việc MPa 10÷420 Áp suất làm việc liên tục MPa 380 Tỷ số nén 1:21,78 Bộ thấp áp Áp suất làm việc MPa 0,5÷22 Lưu lượng l/ph 0÷100 Hình 1. Hình ảnh bơm cao áp DYNATRONIC 424 Trong thí nghiệm, tác giả lựa chọn áp suất làm việc là 300 MPa - Cụm cắt và điều khiển đồng bộ của hãng KLETT - CHLB Đức với các thông số kỹ thuật chính cho trong bảng 3. 53 LIÊN NGÀNH CƠ KHÍ - ĐỘNG LỰC Tạp chí Nghiên cứu khoa học - Đại học Sao Đỏ, ISSN 1859-4190 Số 3(62).2018 Bảng 3. Thông số kỹ thuật của bàn cắt KWS2010 Thông số Đơn vị Giá trị Kiểu máy KWS 2012 Kích thước (W x D x H) mm 2600 x 1530 x 1600 Khối lượng trên bàn cắt kg/m2 800 Tốc độ cắt lớn nhất mm/ph 9200 Điều khiển 2 trục XY (2D) Phần mềm Speedy robot forcrible Control Hình 2. Cụm cắt và điều khiển đồng bộ Cụm cấp hạt mài của hãng Mitsubishi – Nhật bản Hình 3. Hình ảnh cụm cấp hạt mài 3. THÍ NGHIỆM ẢNH HƯỞNG CỦA TỐC ĐỘ DỊCH CHUYỂN Các thông số thí nghiệm trong bảng 4. Bảng 4. Bảng thông số thí nghiệm Thông số Đơn vị Giá trị Áp suất làm việc (p) MPa 300 Đường kính đầu phun mm 0,25 Khoảng cách cắt (s) mm 2 Loại hạt mài Olivin Độ lớn hạt mài 80 Mesh Lưu lượng hạt mài (mhm) g/s 12,9 Vật liệu thí nghiệm SUS 316 Thực hiện năm thí nghiệm với năm tốc độ cắt v khác nhau: v1 = 15 mm/ph; v2 = 30 mm/ph; v3 = 45 mm/ph; v4 = 60 mm/ph; v5 = 75 mm/ph (hình 4). Hình 4. Hình dạng, kích thước phôi và vị trí các đường cắt Tiến hành đo chiều sâu vùng nhẵn trên năm mẫu cắt được bằng thước lá, ranh giới giữa vùng nhẵn và vùng có đường sọc được xác định bằng mắt thường (hình 5). h 0 18 60 H­íng dÞch chuyÓn Vïng nh½n bãng Vïng cã ®­êng säc Hình 5. Mô tả vùng nhẵn và vùng có đường sọc trên bề mặt mạch cắt 4. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN Sau khi cắt, tiến hành đo chiều sâu vùng nhẵn trên các mẫu bằng thước lá, đo độ nhám bề mặt cắt Rz trên máy đo quang học. Việc đo lấy kết quả được thực hiện trên các đường đồng mức với mỗi mẫu thí nghiệm, các đường đồng mức cách nhau 4 mm tính từ mặt tia nước bắt đầu cắt phép đo chỉ thực hiện ở vùng nhẵn. 54 NGHIÊN CỨU KHOA HỌC Tạp chí Nghiên cứu khoa học - Đại học Sao Đỏ, ISSN 1859-4190 Số 3(62).2018 Hình 6 biểu diễn ảnh chụp các mạch cắt ở các tốc độ dịch chuyển khác nhau Hình 6. Ảnh chụp các mạch cắt ở năm tốc độ dịch chuyển Hình 7 biểu diễn bề mạch cắt ở các tốc độ dịch chuyển khác nhau được quét trên máy Scanner. Mẫu số 1: Tốc độ dịch chuyển v = 15 mm/ph Mẫu số 2: Tốc độ dịch chuyển v = 30 mm/ph Mẫu số 3: Tốc độ dịch chuyển v = 45 mm/ph Mẫu số 4: Tốc độ dịch chuyển v = 60 mm/ph Mẫu số 5: Tốc độ dịch chuyển v = 75 mm/ph Hình 7. Ảnh chụp các mạch cắt ở năm tốc độ dịch chuyển Kết quả đo chiều sâu vùng nhẵn bóng được ghi trong bảng 5. Bảng 5. Kết quả đo chiều sâu vùng nhẵn bóng Thí nghiệm số 1 2 3 4 5 Tốc độ dịch chuyển v (mm/ph) 15 30 45 60 75 Chiều sâu vùng nhẵn bóng h0 (mm) >18 12 9 6 4,5 Năng suất cắt v x ho (mm2/ph) (chính là năng suất cắt vùng nhẵn) 270 360 405 360 337,5 Tiến hành đo độ nhám được thực hiện trên máy đo quang học, sử dụng cặp vật kính có hệ số khuếch đại E = 0,28 µm/vạch. Tiến hành đo độ nhám của các mẫu trên bốn tiết diện khác nhau của mạch cắt, chiều sâu của từng tiết diện đo như sau: h1 = 4 mm; h2 = 8 mm; h3 = 12 mm; h4 = 16 mm (hình 8). Việc đo độ nhám chỉ thực hiện trên vùng bề mặt nhẵn bóng (kết quả đo trong bảng 6). 18 60 4 8 12 16 Hình 8. Mô tả vị trí các tiết diện xác định độ nhám Rz Bảng 6. Bảng kết quả đo độ nhám Rz Giá trị Rz (μm) Tốc độ dịch chuyển Tiết diện đo I II III IV 15 mm/ph 8,12 11,984 11,704 10,304 30 mm/ph 12,488 10,752 - - 45 mm/ph 12,544 10,024 - - 60 mm/ph 13,104 - - - 75 mm/ph 12,544 - - - 55 LIÊN NGÀNH CƠ KHÍ - ĐỘNG LỰC Tạp chí Nghiên cứu khoa học - Đại học Sao Đỏ, ISSN 1859-4190 Số 3(62).2018 Hình 9. Chiều sâu vùng bề mặt nhẵn phụ thuộc vào tốc độ dịch chuyển Hình 10. Năng suất cắt phụ thuộc vào tốc độ dịch chuyển Có thể nhận thấy bề mặt mạch cắt chia làm hai vùng rõ rệt, vùng phía trên nhẵn và vùng phía dưới có sọc. Càng xuống sâu, động năng của hạt càng yếu và chúng càng bị đẩy đi lệch hướng về phía sau theo hướng chuyển động của tia. Do đó, các đường sọc bị cong về phía sau theo hướng chuyển động của tia và càng xuống sâu thì bán kính cong càng nhỏ. Kết quả này thấy rõ khi quan sát bề mặt cắt thực trên hình 7. Tốc độ nhỏ thì chiều sâu vùng nhẵn bóng lớn hơn, tốc độ càng cao thì vùng nhẵn bóng càng nhỏ. Điều này được lý giải do động năng của tia, hay động năng của hạt mài, sự phân bố động năng không đều dẫn tới các đường sọc tạo ra trên mặt cắt. Tại vùng phía trên của mạch, hầu hết các hạt có mức động năng đáng kể để cắt hoặc phá hủy vật liệu, do đó bề mặt cắt nhẵn, không có đường sọc. Khi hạt tiếp tục đi sâu vào vật liệu, số hạt có động năng trên ngưỡng cắt giảm xuống, những hạt còn đủ mạnh tiếp tục cắt sâu xuống phía dưới, trong khi đó các hạt yếu hơn sẽ đi theo hướng khác, do vậy sẽ tạo ra những đường sọc trên bề mặt. Trong vùng nhẵn, độ nhám Rz có xu hướng tăng lên khi tốc độ dịch chuyển tăng, tuy nhiên sự thay đổi không đáng kể, giá trị tăng của Rz không vượt quá cấp 1 cấp độ nhám. Kết quả cho thấy với tốc độ V = 15 mm/ph thì chiều sâu vũng nhẵn bóng là lớn nhất và V = 45 mm/ph thì năng suất cắt đạt giá trị lớn nhất. 5. KẾT LUẬN Kết quả nghiên cứu ảnh hưởng của tốc độ dịch chuyển khi cắt vật liệu thép không rỉ SUS 316 cho thấy chất lượng mạch cắt phụ thuộc nhiều vào tốc độ dịch chuyển. - Tốc độ dịch chuyển càng nhỏ thì diện tích mặt nhẵn càng lớn, tuy nhiên năng suất cắt nhỏ. - Tốc độ dịch chuyển càng cao thì diện tích mặt nhẵn càng nhỏ, luôn tồn tại một tốc độ tối ưu cho năng suất cắt lớn nhất. - Rz có xu hướng tăng lên khi tốc độ dịch chuyển tăng, tuy nhiên sự thay đổi không đáng kể, kết quả cho thấy tính công nghệ cao khi cắt bằng tia nước áp suất cao trộn hạt mài. TÀI LIỆU THAM KHẢO [1]. Trần Văn Địch (2003). Công nghệ chế tạo máy. Nhà xuất bản Khoa học và Kỹ thuật. [3]. Đinh Văn Đệ (2013). Các phương pháp gia công đặc biệt. Trường Đại học Công nghiệp TP. Hồ Chí Minh. [4]. Trần Ngọc Hưng (2009). Giới thiệu phương pháp trộn hạt mài có áp (Suspension) trong công nghệ cắt bằng tia nước áp suất dưới nước. [5]. Nai – Shun Guo (1994). Schneidprozeβ und Schnittqualität beim Wasserabrasivstrahlschneiden. Dissertation Hanover.