Tp chớ Khoa hc v Phỏt trin 2008: Tp VI, S 5: 467-476 I HC NễNG NGHIP H NI
467
XÂY DựNG QUY TRìNH TíNH TOáN THIếT Kế MáY CắT BằNG TIA NƯớC THUầN KHIếT
Design Process of Pure Waterjet Cutting Machines
Nguyn Thanh Nam
1
, Hong c Liờn
2
1
Khoa C khớ, i hc Bỏch khoa Tp. H Chớ Minh
2
Khoa C - in, i hc Nụng nghip H Ni
TểM TT
Vic s dng phng phỏp tớnh chn thit b ct bng tia nc trong iu kin cụng ngh ch
to thit b ỏp sut cao ti Vit Nam cũn hn ch, s giỳp ta la chn, tớch hp cỏc thit b phự hp,
gim giỏ thnh sn phm so vi nhp nguyờn mỏy, tip cn cụng ngh mi trờn th gii. Bi bỏo gii
thiu mt quy trỡnh tớnh toỏn la chn h thng c
t bng tia nc bao gm cỏc cm bm tng ỏp, vũi
phun, bn chy u ct v cm iu khin. Kt qu tớnh túan la chn thit b cú th ng dng thit k
mỏy ct bng tia nc trong cỏc cụng trỡnh dõn dng, quõn s v cụng nghip mt cỏch hiu qu.
T khúa: Mỏy ct, mỏy ct bng tia nc, quy trỡnh tớnh toỏn, thit k, tia nc.

SUMMARY
The technological level to produce high pressure equipment in Viet Nam is still limited. The use of
selection design method will help to select suitable equipment with lower price than to import a
complete set of water-jet cutting machine. This paper introduces a new design process for selection of
equipment such as pump, nozzle, nozzles movement and control systems for water-jet cutting
machine. The results of calculation by using this method can be used to select effectively water-jet
cutting machines in civil, military and industrial engineering.
Key words: Cutting machine, design process, process calculation, water jet cutting machine.
1. ĐặT VấN đề

chất gây ô nhiễm không khí, không cần sử
dụng chất huyền phù khi cắt. Việc sử dụng
các loại vật liệu tối u bởi đờng cắt rất
mảnh v mối nối liền không lộ cũng l
những đặc điểm của công nghệ cắt bằng
tia nớc.
Do công nghệ chế tạo các thiết bị áp
suất cao còn hạn chế nên chỉ mới có một số
Xõy dng quy trỡnh tớnh toỏn, thit k mỏy ct
468
hãng sản xuất máy cắt tia nớc có thể kể
đến l: Hammelmann Maschinenfabrik
Gmbh (Đức), Advanced Waterjet
Technologies LLC (USA), Aqua Engy
International (UK), Dynajet với dòng
máy công suất cắt đến 3500 bar v Flow
International (USA), Jet Edge, Inc (USA)
với dòng máy công suất cắt lớn hơn 4000
bar. Vì vậy, việc lựa chọn, tính toán, thiết
kế thiết bị cắt bằng tia nớc sẽ giúp ta có
thể lựa chọn, tính toán đợc các thiết bị
phù hợp, giảm đợc giá thnh so với nhập
nguyên máy, tiếp cận đợc với công nghệ
mới, tiến tới chế tạo một số thiết bị trong
nớc thay thế nhập khẩu.
2. phơng pháp nghiên cứu
Cơ sở công nghệ gia công bằng tia nớc
áp lực cao l nhờ vo động lực học của
dòng tia m trong đó áp lực động tia nớc
(phụ thuộc vo áp lực của bơm, khoảng

(1)
Trong đó:
v
1
[m/s]: Vận tốc dòng chảy tại mặt cắt
1-1;
p
1
[Pa]: áp suất dòng chảy tại mặt cắt
1-1;
v
2
[m/s]: Vận tốc dòng chảy tại mặt cắt
2-2;
p
2
[Pa]: áp suất dòng chảy tại mặt cắt
2-2;
r[kg/m
3
]: Khối lợng riêng của chất lỏng.
Triển khai công thức trên với dòng tia,
ta nhận đợc công thức xác định tốc độ của
tia sau khi ra khỏi đầu phun:


=
1
2
p2

bộ điều khiển. Bộ tăng áp đợc vận hnh
nhờ bơm thủy lực dẫn động bởi động cơ
điện. Thông qua bộ điều khiển PLC, van
điều chỉnh áp suất của bơm. Trờng hợp
cắt bằng tia nớc thuần khiết, nớc áp lực
cao sau khi đi qua lỗ phun tạo thnh tia
Nguyn Thanh Nam, Hong c Liờn
469
nớc với tốc độ cao từ Mach 2 đến Mach 3
(400 đến 1000m/s), dòng nớc với tốc độ
siêu âm tạo ra quá trình xói mòn xé tách
các hạt vật liệu ra v tia nớc xuyên qua
tạo thnh vết cắt, chi tiết đợc gia công
(Miller, 1985).

Hình 2. Sơ đồ nguyên lý hệ thống cắt bằng tia nớc
Hệ thống cắt bằng tia nớc bao gồm
các bộ phận chính: Máy bơm thủy lực, van
điều khiển chính v van kiểm tra, bộ tăng
áp, bộ giảm áp, đầu phun. Sơ đồ nguyên lý
hệ thống cắt bằng tia nớc đợc trình by
trên hình 2: đầu tiên nớc từ thùng cấp
nớc đi qua bộ lọc v hòa trộn. Sau đó nhờ
ống dẫn chất lỏng qua bộ tăng áp, bộ tiết
lu v đến đầu phun. Tại đầu phun tia
nớc đợc phun ra mạnh hay yếu l nhờ
van tiết lu, van ny đợc điều khiển bởi
bộ điều khiển. Bộ tăng áp đợc vận hnh

nhờ bơm thủy lực dẫn động bởi động cơ

liên tục, ta có thể lấy gần đúng kích thớc
vòi phun (David, 2003):
d = a hay sai số 10%:
d = 90% a. (3)
d: Đờng kính vòi phun (mm)
a: Bề rộng vết cắt (mm)
- Khoảng cách từ vòi phun đến bề mặt
gia công ds

đợc tính từ công thức (David,
2003):
ds = Xc
Max
=135.d (4)
- áp suất tại đầu ra tại vòi phun p
1

đợc tính theo công thức (David, 2003):

2
ben
1s
1
pgd
21500






N - công suất bơm (kW);
p - áp suất lm việc của bơm (bar);
Q - lu lợng bơm (lít/phút).
Công suất động cơ:

N
N'=

(8)
Trong đó:

'N
- công suất động cơ (kW);
N - công suất bơm (kW);


- hiệu suất động cơ (kW).
3) Chọn bơm cao áp.
Bớc 4: Tính toán cụm đầu cắt
1) Xác định các thông số đầu vo nh
loại vật liệu vòi phun có ứng suất bền đảm
bảo áp suất lm việc, các yêu cầu bề rộng
v chiều sâu vết cắt, vận tốc di chuyển đầu
phun;
2) Tính toán các thông số lm việc
nh: Vận tốc tia nớc ra khỏi vòi phun,
diện tích vòi phun, công suất vòi phun:
Vận tốc tia nớc ra khỏi vòi phun
(David, 2003):


2) Tính toán các thông số lm việc:
Bớc răng trục vít me, tốc độ tới hạn, tải
trọng cho phép của bn cắt, moment xoắn
truyền động v công suất motor (Trần
Đình Đệ, 2008):
Nguyn Thanh Nam, Hong c Liờn
471
Bớc răng trục vít me đợc tính:

l
V
S
n
=
(12)
Trong đó:

l
S
- bớc răng trục vít me (mm);
V - vận tốc bn cắt (mm/vòng);
n- số vòng quay trục vít me (vòng/phút)
Tốc độ tới hạn của trục vít me:
l
se s
2
DS
C F 4760000 F
L
ì

e
F1,47=
: trục vít me công xôn một
đầu v gối đỡ đơn một đầu;

e
F2,23=
: trục vít me công xôn hai
đầu.

s
F - Hệ số an ton (0,8).
Tải trọng cho phép:
4
ce s
2
D
P F 14.030.000 F
L

=ì ì


(14)
Trong đó:

c
P
- tải trọng cho phép (lb);
D - đờng kính chân răng trục vít

t
PkW
=
ì
(15)
Trong đó:

t
P
- tải trọng tác động (lb);
k - hệ số ma sát (0,2);
W- khối lợng bn cắt v chi tiết
gia công (lb).
Moment xoắn truyền động:

lt
dlt
SP
T 0.177 S P
2E
ì
=
=ìì

(16)
Trong đó:
d
T - moment xoắn truyền động (inch.lb);
l
S - bớc răng trục vít me (inch).

tia nớc; bớc răng, tốc độ tới hạn, tải trọng
cho phép v tải trọng động, moment xoắn
trục vít me; công suất motor servo.
Xõy dng quy trỡnh tớnh toỏn, thit k mỏy ct
472
Ví dụ tính toán lựa chọn thiết bị máy cắt bằng tia nớc (Trần Đình Đệ, 2008).
Bớc 1: Xác định các thông số đầu vo

STT Tờn Thụng s xỏc nh Kớ hiu Giỏ tr
1
Loi vt liu:
Thộp hp kim
ng sut bn
bn
500 MPa
2
Cht lu ct vt liu
(thng l nc)
T khi ca nc 1000 kg/m
3
B rng vt ct a 0,3 mm
3 Yờu cu sn phm
sõu vt ct h 2 mm
Vn tc dch u phun v
t
300 mm/phỳt
4 Yờu cu k thut
H s tng ỏp k 17 ln

Bớc 2: Tính toán các thông số lm việc

210 1500
p55,56MPa







ì
=ìì

ì

=

Bớc 3: Tính toán, lựa chọn bơm cao áp
1) Xác định các thông số đầu vo:
STT Tờn Thụng s Kớ hiu Giỏ tr
1 Vt liu ng sut bn
ben


500 MPa
2 Cht lng ct vt liu (thng l nc) T khi


1000 kg/m
3


Nguyn Thanh Nam, Hong c Liờn
473
Thụng s n v Ch s
Thụng s chung
Kiu mỏy DYNATRONIC 424
Cụng sut tiờu th kW/h 36
Kớch thc (W x D x H) mm 1900 x 970 x 1500
Khi lng kg 1300
Nhit mụi trng lm vic
0
C
10 - 45
m khụng khớ 80%
B cao ỏp
p sut lm vic MPa 10 - 420
p sut lm vic liờn tc MPa 380
Lu lng ln nht lớt/phỳt 3,8
Cn piston Mm ỉ 22 Hnh trỡnh 173
S hnh trỡnh ln nht Hnh trỡnh kộp/ phỳt 35
T s nộn 1 : 21,78
Lc nc vo àm
Lc cp 1 t 5 àm
Lc cp 2 t 1,2 àm
Lc cao ỏp àm 3
B thp ỏp
Thựng du Lớt 100
p sut lm vic MPa 0,5 - 22
Lu lng lớt/phỳt 0 - 100
Xi lanh truyn ng mm
Piston ỉ 105

m/s
Diện tích vòi phun:
42
Q3 1
S5,5110cm
6V 6 907 2

== = ì
ì

Bán kính vòi phun:
4
S5,5110
R0,0132cm
3,14
0,132 mm d 0, 27 mm

ì
== =

==
Xõy dng quy trỡnh tớnh toỏn, thit k mỏy ct
474
3) Thiết kế lựa chọn cụm đầu cắt:
Loi u ct Hỡnh nh Thụng s u ct
Permalign II

Chiu di: 27,8 cm
Trng lng: 1,8 Kg
p sut vn hnh ti thiu: 4 bar

c vớt L
ng kớnh trc vớt D
S vũng quay trc vớt n
Khi lng trc bn ct
12.000 mm/phỳt
2.000 mm
30 mm
1.200 vũng/phỳt
800 kg

2) Tính toán các thông số lm việc:
Bớc răng trục vít đợc tính:
l
V 12.000
S10mm0,394in
n1.200
== = =

Tốc độ tới hạn của trục vít:
l
ss
2
2
DS
C Fe 4760000 F
L
1,18 0,315
2,23 4760000 0,8
78,74
509,1in / phut 12,93 m/ phut

=ì ì =


=

Tải trọng tác động:
t
P k P 0,2 1766
353,2lb 160 kg
=
ì= ì
==

Moment xoắn truyền động:
Nguyn Thanh Nam, Hong c Liờn
475
lt
dlt
SP
T 0,177 S P
2E
0,177 0,394 353,2 24,631in.lb
2,8333 Nm
ì
==ìì

=ìì=
=

Công suất motor servo:

ổ cứng tối thiểu 40G; Bộ nhớ tối thiểu
256MB; Có cổng kết nối USB; Sử dụng
mạng LAN, chuẩn nối dây ethernet (IEEE
802.3); Hệ điều hnh Windows.
2) Chọn bộ xử lý trung tâm Pentium
IV; Dung lợng ổ cứng 80GB; Bộ nhớ
512MB; Có cổng kết nối USB; Sử dụng
mạng LAN, chuẩn nối dây ethernet (IEEE
802.3); Sử dụng hệ điều hnh Windows.
Bớc 7: Tổng hợp các thông số thiết kế
của hệ thống cắt bằng tia nớc
- Cụm tạo áp: Motor truyền động bơm
piston có công suất 51,6 kW, công suất
bơm 46,5 kW với lu lợng 114 lít/phút, áp
suất 245 bar; Bộ tăng áp tạo đợc áp suất
4000 bar, lu lợng nớc 3 lít/phút; Hệ số
tăng áp k = 17 lần.
- Cụm vòi phun: Bề rộng vết cắt a =
0,3 mm; Vận tốc di chuyển đầu phun V
1
=
300 mm/phút; Vận tốc tia nớc ra khỏi vòi
phun V = 907 m/s; Đờng kính vòi phun: d
= 0,27 mm; Khoảng cách từ vòi phun đến
bề mặt gia công ds

= 36,5 mm;
- Bn chạy đầu cắt: Khoảng di chuyển
theo trục X,Y: 2000 x 1000 mm; khoảng di
chuyển theo trục Z: 200 mm; tốc độ di

thnh sản phẩm so với nhập nguyên chiếc
v có thể ứng dụng thiết kế máy cắt bằng
tia nớc trong các công trình dân dụng,
quân sự v công nghiệp một cách hiệu
quả.
Lời cảm ơn
Công trình nhận đợc sự hỗ trợ quí
báu của Chơng trình nghiên cứu cơ bản
trong khoa học tự nhiên, Bộ Khoa học v
Công nghệ. Các tác giả xin chân thnh
cám ơn.
TI LIệU THAM KHảO
David A.Summers (2003). Waterjetting
Technology, E&FN Spon, An Imprint of
Chapman& Hall.
Miller, R.K.(1985). Waterjet Cutting,
Technology and Industrial Applications,
SEAI Technical Puplications, P.O. Box
590, Madison, GA 30650.
Trần Đình Đệ (2008). Nghiên cứu thiết kế
máy cắt tia nớc điều khiển CNC, Luận
văn cao học, Trờng ĐHBK TP.HCM.
Nguyễn Thanh Nam (2007). Phơng pháp
thiết kế kỹ thuật, NXB Đại học Quốc gia
Tp.Hồ Chí Minh.