Nguyên lý tạo hình bề mặt chi tiết khi gia công bằng tia nước có hạt mài kết hợp với phương pháp ăn mòn điện cực Anot

Petecbua - LB Nga Ngày nhận bài: 4/12/2017 Ngày nhận bài sửa sau phản biện: 26/12/2017 Ngày chấp nhận đăng: 28/12/2017 Tóm tắt Trong giai đoạn hiện nay, việc nghiên cứu và phát triển phương pháp gia công kết hợp giữa phương pháp gia công tia nước có hạt mài và phương pháp ăn mòn điện cực anot đã được nhiều công trình nghiên cứu chứng minh tính khả dụng của nó trong việc nâng cao chất lượng bề mặt khi gia công bằng tia nước có hạt mài. Tuy nhiên, tới nay việc áp dụng phương pháp gia công này để gia công các chi tiết có hình dạng phức tạp, đảm bảo dung sai hình dáng hình học của chi tiết còn hạn chế do chưa có phần mềm lập trình và điều khiển trên máy CNC chuyên dùng. Nghiên cứu này nhằm phân tích các chuyển động tương đối giữa phôi và tia cắt cần điều khiển, từ đó hỗ trợ việc xây dựng và áp dụng các sản phẩm phần mềm lập trình vào điều khiển quá trình gia công trên máy CNC. Từ khóa: Gia công bằng tia nước; ăn mòn điện cực; nguyên lý tạo hình; tia cắt; hình dáng hình học. Abstract In the recent, the research and development of the method of processing combined with the method of waterjet and the method of electrochemical corrosion anode are proven with the feasible in the improvement of the surface after processing by waterjet. However, the application of synthetic method processing to work the parts that have complex shapes, ensuring the accurate geometric because of short of programming and controlled on specialized CNC machines. This study aims to analyze the relative motion between the workpiece and the ray cutting that facilitating the development and application of programmed software products to control the machining process on CNC machines. Keywords: Waterjet cutting; electrode corrosion; forming principle; ray cutting; geometric shape. 1. ĐẶT VẤN ĐỀ Một trong những phương pháp triển vọng để cắt kim loại là phương pháp gia công bằng tia nước áp suất cao. Phương pháp này cho phép cắt mọi vật liệu với chiều dày cắt lớn và biên dạng phức tạp - trong quá trình gia công không có sự phát sinh nhiệt cắt và các yếu tố độc hại ảnh hưởng đến người lao động và môi trường. Để tăng khả năng cắt bằng tia nước áp suất cao người ta cho thêm vào tia nước những hạt mài [1]. Các loại vật liệu hạt mài thường được sử dụng là Al2O3, SiO2 và garnet. Tuy nhiên, hiện tượng thường xảy ra trong quá trình gia công làm hạn chế khả năng áp dụng của phương pháp này đó là có sự tồn tại của hạt mài trên bề mặt chi tiết gia công [2]. Phương pháp truyền thống để loại bỏ hạt mài trên bề mặt rất tốn kém và không hiệu quả [3]. Một trong những phương pháp hiệu quả để loại bỏ hạt mài trên bề mặt chi tiết và nâng cao chất lượng bề mặt gia công là sử dụng phối hợp phương pháp gia công bằng tia nước áp suất cao và phương pháp hòa tan lớp bề mặt anot [5]. Để nâng cao độ chính xác về hình dáng hình học của chi tiết sau khi gia công, đặc biệt là các chi tiết có biên dạng phức tạp LIÊN NGÀNH CƠ KHÍ - ĐỘNG LỰC Tạp chí Nghiên cứu khoa học - Đại học Sao Đỏ, ISSN 1859-4190 Số 4(59).2017 49 thì việc xác định nguyên lý tạo hình bề mặt chi tiết gia công, từ đó xây dựng phần mềm điều khiển trên máy CNC là cần thiết. 2. SƠ ĐỒ GIA CÔNG ĐIỆN HÓA CÓ SỰ THAM GIA CỦA CÁC HẠT DẪN ĐIỆN Kết quả nghiên cứu trong tài liệu [6] đã chứng minh hiệu quả của các hạt mang điện khi gia công điện hóa bằng phương pháp phun. Kết quả nghiên cứu này đã chỉ ra rằng các hạt mang điện trong quá trình gia công có tính chất giống như trong điện môi hay chất dẫn. Điều khiển quá trình như vậy mở ra khả năng thiết kế các công nghệ tổng hợp mới với năng lực công nghệ cao. Trong sơ đồ Hình 1, áp lực P đưa hỗn hợp chất điện phân 2 và hạt tích điện 3 qua vòi phun 1 đến bề mặt gia công 4. Lượng vật liệu cắt bỏ phụ thuộc vào chế độ gia công (áp lực P, độ hạt, tính dẫn điện của hạt), tính chất của môi trường làm việc, thời gian phun và tốc độ di chuyển của dòng hỗn hợp dọc theo bề mặt chi tiết gia công. Hình 1. Sơ đồ gia công điện hóa với các hạt nằm trong điện trường: 1 - vòi phun; 2 - môi trường làm việc; 3 - hạt mang điện tích; 4 - bề mặt chi tiết gia công 3. CƠ CHẾ LOẠI BỎ HẠT MÀI KHI GIA CÔNG BẰNG PHƯƠNG PHÁP HỖN HỢP Hình 2. Cơ chế loại bỏ hạt mài nhờ hòa tan anot Trong sơ đồ hình 2, hạt mài 1 bị loại bỏ trong quá trình hòa tan và bong ra của lớp kim loại trên bề mặt phôi 2 nhờ điện trường 3 và hạt dẫn điện 4 (được đưa vào từ vòi phun với tốc độ trên bề mặt phân cách v). Trong quá trình anot bị hòa tan lớp bề mặt, sự gắn kết của hạt mài với bề măt phôi giảm xuống và nó sẽ bị loại bỏ dưới tác dụng của lực F tác động lên hạt mài dưới dòng tia nước có áp lực cao. Chế độ cắt kim loại bằng phương pháp gia công hỗn hợp bao gồm: áp lực của môi trường làm việc tại miệng vòi phun, nguồn điện áp, tốc độ di chuyển của đầu phun dọc theo đường cắt. Để nâng cao hiệu suất và chất lượng bề mặt gia công, áp lực của môi trường làm việc tại miệng phun được lựa chọn theo tài liệu [3]. Tốc độ di chuyển của đầu phun dọc theo đường cắt phụ thuộc vào sự kết hợp của hai phương pháp: gia công bằng tia nước và ăn mòn điện hóa. Để xác định được tổng giá trị dịch chuyển của đầu phun dọc theo đường cắt cần phải so sánh giá trị tốc độ được tính toán dọc theo đường cắt của đầu phun vc, đảm bảo loại bỏ được hạt mài ra khỏi bề mặt phôi thông qua thời gian t, lượng dư cần loại bỏ z và đường kính của đầu phun dc theo công thức . .c c dv d ct= (1) trong đó: Cd: hệ số thay đổi diện tích tiếp xúc giữa tia dung dịch gia công có hạt mang điện với bề mặt chi tiết so với đường kính của vòi phun dc, đường kính vòi phun được lựa chọn phụ thuộc vào chiều rộng cắt. Thời gian t có thể xác định theo công thức (2) [4] (2) trong đó: z: lượng dư nhỏ nhất cần hòa tan để loại bỏ được hạt mài khỏi bề mặt phôi; : trọng lượng riêng của vật liệu cần cắt; α: điện hóa tương đương; η: dòng điện sinh ra; KM: sai số trung bình; U: điện áp trên các điện cực; DU: điện áp rơi; b: mật độ hạt; : tính dẫn điện riêng của dung dịch và hạt mài. 50 NGHIÊN CỨU KHOA HỌC Tạp chí Nghiên cứu khoa học - Đại học Sao Đỏ, ISSN 1859-4190 Số 4(59).2017 Lượng dư (z) có thể xác định được khi giải hệ phương trình: trong đó: : áp lực chất lỏng tại miệng vòi phun; , ρ: mật độ của tia cắt và môi trường tương ứng; ,V: tốc độ của tia cắt dọc theo trục và tại miệng vòi phun; R: đường kính qui đổi của hạt; h1: kích thước phần nhô ra của hạt mài khỏi bề mặt phôi; Fb : hệ số (sai số đặc tính trung bình); Fa : hệ số (phụ thuộc vào đặc tính của lực tác động (F) tác dụng lên phần tự do của hạt mài (h1+z)). Phương trình thứ nhất trong hệ phương trình (3) là phương trình xác định lực tác dụng lên hạt mài bị mắc kẹt trên bề mặt phôi thông qua áp lực của dung dịch chứa hạt mang điện [4]. Phương trình thứ hai trong hệ phương trình (3) là phương trình thực nghiệm và được xác định tùy theo từng trường hợp cụ thể [5]. 4. NGUYÊN LÝ TẠO HÌNH BỀ MẶT CHI TIẾT KHI ÁP DỤNG PHƯƠNG PHÁP GIA CÔNG HỖN HỢP Trong quá trình gia công bằng phương pháp tổng hợp, việc hình thành biên dạng của bề mặt gia công phụ thuộc vào quỹ đạo tương đối giữa tia cắt chứa hạt mang điện và bề mặt phôi. Hình 3. Sơ đồ dịch chuyển của tia cắt trên bề mặt chi tiết gia công: m - điểm tiếp xúc với phần gia công; M - đầu vòi phun; L-L, B-B - đường sinh của bề mặt gia công; N, П, N1 - các mặt phẳng trong vùng gia công Trên hình 3 cho biết sơ đồ dịch chuyển của tia cắt so với bề mặt chi tiết gia công và hình dạng của vùng gia công. Bề mặt gia công A được gia công với sự dịch chuyển của tia cắt qua điểm M và quỹ đạo L-L, tạo thành một đường cắt. Chuyển động cắt xảy ra nhờ sự dịch chuyển của bề mặt A, ban đầu theo quỹ đạo L-L, sau đó theo quỹ đạo B-B. Mặt cắt dọc N đi qua điểm m với mặt pháp tuyến N1 (vuông góc với mặt N tại tiếp điểm), tạo ra vectơ tia cắt mM. Rõ ràng rằng với bất kì hình dáng hình học của bề mặt gia công A, điểm tiếp xúc của tia cắt m luôn luôn nằm trên pháp tuyến mM và nằm trên giao tuyến giữa mặt N và N1. Trong hệ trục tọa độ Đề các, trục X là chuyển động dọc của tia cắt (theo quỹ đạo L-L), trục Y theo phương nằm ngang (theo quỹ đạo B-B), trục Z theo phương của vectơ mM (hình 4). Chuyển động của bề mặt gia công được thực hiện gồm: - Góc quay tương đối của trục X với góc kiểm soát d d α t trong đó: α là góc quay tương đối của trục X so với quỹ đạo L-L tại tiếp điểm m; t là thời gian. LIÊN NGÀNH CƠ KHÍ - ĐỘNG LỰC Tạp chí Nghiên cứu khoa học - Đại học Sao Đỏ, ISSN 1859-4190 Số 4(59).2017 51 Tương tự: Góc quay tương đối theo phương y-y: d d θ t - Đường dịch chuyển thẳng: xd dt ; y d dt ; z d dt Nếu điều khiển được tất cả các chuyển động trên theo thời gian, chúng ta thể gia công được các bề mặt với biên dạng rất phức tạp. Khi tia cắt dịch chuyển theo quỹ đạo L-L (hình 3) cần đảm bảo rằng số lượng các thông số cần kiểm soát là nhỏ nhất. Nếu chi tiết có độ xoắn không đáng kể thì có thể để cho từng đường cắt của tia cắt dịch chuyển đảm bảo chất lượng kiểm soát các thông số: d d θ t , xd dt ; d d θ t , zd dt hay zd dt , xd dt (góc quay của chi tiết d d α t được thực hiện ở cuối đường cắt tại vị trí thay đổi tiếp điểm tại vị trí chuyển giao giữa hai đường cắt liền kề). Hình 4. Sơ đồ tính toán khoảng cách từ vòi phun đến điểm tiếp xúc của tia cắt với bề mặt chi tiết gia công: x, y, z - hệ trục tọa độ cố định; x1, y1, z1 - hệ trục tọa độ di động; R, r - vectơ bán kính tại điểm M và m Khi đó, quy luật tổng quát để điều khiển các đường cắt có thể viết như sau: Đường cắt thứ nhất: 0 d d α t = ; d d θ t = 0; 0xd dt ≠ ; 0zd dt ≠ Đường cắt chuyển tiếp: 0y d dt ≠ ; 0d d α t ≠ Đường cắt tiếp theo: 0d d α t = ; d d θ t = 0; 0xd dt ≠ ; 0z d dt ≠ Chương trình điều khiển được lặp lại cho tới khi gia công hết bề mặt chi tiết gia công. Nếu độ xoắn của chi tiết là đáng kể thì phải bổ sung d d α t cho từng đường cắt (trừ đường chuyển tiếp). Động học của tiếp điểm m được xác định thông qua phương trình: 0 1 2V V V= +    trong đó: 0V  : vận tốc tuyệt đối; 1V  : vận tốc chuyển động xiên; 2V  : vận tốc chuyển động chuyển tiếp. Từ việc xác định được các giá trị vận độ tuyệt đối của điểm tiếp giáp giữa tia cắt và bề mặt gia công, thông qua các chuyển động tương đối thành phần trên từng đoạn của quỹ đạo gia công. Cho phép xây dựng chương trình tự động hóa gia công làm sạch bề mặt bằng phương pháp hỗn hợp. Chuyển động của vectơ chứa trục của tia cắt phải đảm bảo điều kiện biên dưới dạng: 0 2 v mM ∧ Π → Trong đó: mM : vectơ đơn vị của tia cắt trên quỹ đạo dịch chuyển; 0v mM ∧ : góc giữa vectơ 0v và mM. Để nhận được sai số nhỏ nhất khi gia công làm sạch, thông số vị trí của tia cắt đối với chuyển động tuyệt đối của chi tiết gia công cần dần đến 2 π . 5. KẾT LUẬN - Xác định nguyên lý hình thành từng phần diện tích trên bề mặt chi tiết gia công trong quá trình gia công bằng phương pháp hỗn hợp. - Nghiên cứu đã chỉ ra các chuyển động để tạo hình cho toàn bộ bề mặt trong quá trình gia công làm sạch. - Xác định mối quan hệ giữa vị trí của tia cắt và chuyển động tuyệt đối của chi tiết gia công (thông số vị trí của tia cắt đối với chuyển động tuyệt đối của chi tiết gia công cần dần đến 2 π ). - Nghiên cứu cho phép xây dựng và áp dụng các phần mềm lập trình và điều khiển quá trình gia công trên máy CNC, mở rộng phạm vi áp dụng phương pháp gia công tổng hợp bằng tia nước với các bề mặt phức tạp. 52 NGHIÊN CỨU KHOA HỌC Tạp chí Nghiên cứu khoa học - Đại học Sao Đỏ, ISSN 1859-4190 Số 4(59).2017 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1]. Burnashov M.A. Determination of the cutting force for cutting the decking of the material with an aqueous high-pressure jet // Vestnik of the Bryansk State Technical University, 2008, - No 4 - P. 17-20. [2]. Smolentsev V.P. Formation of the Surface Layer under Hydroabrasive Separation of Metals with the Imposition of an Electric Field, V.P. Smolentsev, E.V. Goncharov // Vestnik VSTU, 2011, volume7, No 7 - P.74-77 [3]. Electrophysical and electrochemical methods of processing: В2-х т. Т1 / Ed. V.P. Smolentsev - M: Higher Education, 1983. 247 p. [4]. Yunusov F.S. Forming of complex profile surfaces by grinding / FS. Yunusov. M: Mechanical engineering. 1987-248 p. [5]. Smolentsev V.P. Combined separation of blanks by the hydroabrasive method / V.P. Smolentsev. E.V. Goncharov, V.I. Kotukov // Progressive engineering technologies, equipment and tools. Moscow: Spectrum, 2014. T. 3.-P.118-172. [6]. Smolentsev E.V. Conduction effect of granule media and its use in combined dimensional processing / E.V. Smolentsev // High technology in engineering, 2012. No 1 - P. 29-31. [7]. GS. TSKH. Bành Tiến Long, TS. Bùi Ngọc Tuyên (2012 ). Lý thuyết tạo hình bề mặt và ứng dụng trong kỹ thuật cơ khí, NXB Giáo dục.