BỘ GIÁO DỤC VÀ ðÀO TẠO
TRƯỜNG ðẠI HỌC NÔNG NGHIỆP HÀ NỘI
NGUYỄN KHẮC CHINH NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA MỘT SỐ YẾU TỐ
CÔNG NGHỆ ðẾN ðỘ NHÁM BỀ MẶT KHI CẮT
BẰNG TIA NƯỚC ÁP SUẤT CAO CÓ TRỘN HẠT MÀI LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT
NGÀNH : KỸ THUẬT MÁY VÀ TBCGHNLN
MÃ SỐ : 60.52.14
Người hướng dẫn: TS. ðÀO DUY TRUNG
HÀ NỘI - 2012 Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ khoa học kỹ thuật …………………………
hoàn thành bản luận văn này.
Tôi xin trân trọng cảm ơn các Thầy giáo, Cô giáo của khoa Cơ ðiện
Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội, các Thầy giáo, Cô giáo Trường ðại
học Bách khoa Hà Nội, Trường ðại học ðiện lực Hà nội.
Tôi xin chân thành cảm ơn ban Lãnh ñạo Phòng thí nghiệm trọng ñiểm
Hàn và xử lý bề mặt – Viện nghiên cứu cơ khí ñã giúp ñỡ tôi trong quá trình
làm thí nghiệm và lấy số liệu cho luận văn của mình.
Tôi chân thành cảm ơn Trường ðại học Sư phạm Kỹ thuật Vinh, nơi tôi
ñang công tác, ñã tạo mọi ñiều kiện tốt nhất có thể ñể tôi hoàn thành khóa học
này.
Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn ñến gia ñình tôi, người thân, bạn bè, ñồng
nghiệp…họ là nguồn ñộng lực và là nguồn ñộng viên giúp tôi hoàn thành
khóa học và luận văn này.
Trong quá trình thực hiện ñề tài chắc chắn không tránh khỏi những
thiếu sót, rất mong nhận ñược ý kiến ñóng góp của các Thầy, Cô giáo và các
bạn ñồng nghiệp.
Tôi xin trân trọng cảm ơn!
Tác giả Nguyễn Khắc Chinh Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ khoa học kỹ thuật …………………………
iii
MỤC LỤC
Lời cam ñoan i
1.3. ƯU NHƯỢC ðIỂM CỦA CÔNG NGHỆ TIA NƯỚC ÁP
SUẤT CAO 13
1.4. KẾT LUẬN CHƯƠNG 1 15
CHƯƠNG 2 LÝ THUYẾT CƠ SỞ VỀ TIA NƯỚC ÁP SUẤT CAO 16
2.1. ðỊNH NGHĨA VÀ PHÂN LOẠI CÔNG NGHỆ TIA NƯỚC
ÁP SUẤT CAO 16
2.1.1. ðịnh nghĩa tia nước áp suất cao 16
2.1.2. Phân loại công nghệ tia nước áp suất cao 16
2.2. NGUYÊN LÝ LÀM VIỆC VÀ KẾT CẤU CỦA MÁY CẮT
TIA NƯỚC ÁP LỰC CAO 23
Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ khoa học kỹ thuật …………………………
iv
2.2.1. Nguyên lý làm việc 23
2.2.2. Cơ chế bóc tách vật liệu của bởi TNASC có trộn hạt mài 24
2.2.3. Cấu tạo chung của thiết bị cắt bằng tia nước áp suất cao 31
2.3. KẾT LUẬN CHƯƠNG 2 40
4.1.3. Giới hạn mục tiêu nghiên cứu thực nghiệm 57
4.1.4. Phương pháp ño và ñánh giá kết quả 58
4.2. Nghiên cứu ảnh hưởng của áp suất làm việc ñến ñộ nhám bề
mặt mạch cắt 58
4.2.1. Thí nghiệm ảnh hưởng của áp suất làm việc 58
4.2.2. ðánh giá và biện luận kết quả 63
4.3. Kết luận chương 4 67
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 68
DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO 70
PHỤ LỤC 72
Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ khoa học kỹ thuật …………………………
v
DANH MỤC BẢNG
Bảng 1.1- Ứng dụng công nghệ làm sạch và bóc tách bằng tia nước 9
Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ khoa học kỹ thuật …………………………
vi
DANH MỤC HÌNH
Hình 1.1 – Hình dạng tia phụ thuộc vào ñầu phun 7
Hình 1.2 – Sơ ñồ tia nước thuần khiết khi ra khỏi ñầu phun 8
Hình 1.3 – Làm sạch vỏ tàu bằng tia nước áp suất cao 10
Hình 2.1- Sơ ñồ phân loại công nghệ tia nước áp suất cao 17
Hình 2.2 – So sánh tính chất giữa các loại tia nước áp suất cao 18
Hình 2.3 – Phương pháp tạo tia nước trộn hạt mài không áp (AWIJ) 21
Hình 2.5 – Các phương pháp tạo tia nước áp suất cao trộn hạt mài 22
Hình 2.6 – Sơ ñồ nguyên lý của máy cắt bằng TNASC 23
Hình 2.7 – Mô phỏng nguyên lý cắt của hạt mài 25
Hình 2.8 – Cơ chế bóc tách vật liệu bởi hạt mài 25
Hình 2.9 – Tia nước trộn hạt mài sau ñầu phun 27
Hình 2.10 – Dạng bóc tách vật liệu của một hạt chất rắn 30
Hình 2.11 – Sơ ñồ cấu tạo và bố trí thiết bị cắt bằng TNASC 32
Hình 2-12 –Sơ ñồ cấu tạo của bơm Piston 32
Hình 2-13. Sơ ñồ nguyên lý thiết bị tạo áp ñến 4200 MPA của hãng BOHLER 33
Hình 2-14. Sơ ñồ áp suất của bộ khuêch ñại áp 34
Hình 2-15. Sơ ñồ cấu tạo cụm cắt 35
Hình 2-16a. Bản vẽ thiết kế một loại ñầu cắt của hãng Flow 36
Hình 2-16b. Ảnh mô tả toàn bộ kết cấu của loại ñầu cắt này 36
Hình 2.17- Các kiểu kết cấu của hệ thống bàn cắt 38
Hình 2.18- Mô tả bàn cắt và các trục toạ ñộ 38
Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ khoa học kỹ thuật …………………………
viii
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU
Ký hiệu ðơn vị Ý nghĩa
v
1
m/s Vận tốc dòng tia nước trước ñầu phun
v
2
m/s Vận tốc dòng tia nước sau ñầu phun
p
1
Pa Áp suất trước khi ra khỏi ñầu phun
p
2
Pa Áp suất sau khi ra khỏi ñầu phun
g m/s
2
Gia tốc trọng trường
ρ
kg/m
3
Tỷ trọng của nước
v
n
m/s Vận tốc tia nước
v
tn
m/s Vận tốc tia nước chứa hạt mài
n Số lần dịch chuyển
t S Thời gia tác ñộng
Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ khoa học kỹ thuật …………………………
ix
DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT
Ký hiệu chữ viết tắt
ðơn vị Ý nghĩa
TNASC Tia nước áp suất cao
WJ Pure WaterJet
AWJ Abrasive WaterJet
AWIJ Abrasive Water InJection Jet
AWSJ Abrasive Water Suspension Jet
Ra
µm
Sai lệch số học trung bình của prôphin
Rz
µm
Chiều cao mấp mô prôphin theo mười ñiểm
ðể ñáp ứng yêu cầu gia công các loại vật liệu mới này thì hàng loạt các
phương pháp gia công mới ñược ra ñời. Một trong những phương pháp này là
phương pháp gia công bằng tia nước áp suất cao có trộn hạt mài.
Công nghệ cắt bằng tia nước áp suất cao, bằng những tính chất, ñặc
ñiểm và khả năng công nghệ ñặc biệt mà không phương pháp gia công nào có
ñược, nó ñã nhanh chóng ñược ứng dụng trong nhiều ngành công nghiệp như:
hàng không vũ trụ, thực phẩm, nghệ thuật ñồ hoạ, công nghệ ô tô, giày dép,
cao su, nhựa, ñồ chơi, gỗ, luyện kim, giấy, chế tạo…
Sự phát triển và ứng dụng của công nghệ tia nước áp suất cao là một xu thế
tất yếu bởi khả năng công nghệ và hơn nữa ñó là tính thân thiện với môi trường.
Tuy nhiên việc ñưa công nghệ này vào ứng dụng sản xuất trong nước
còn gặp nhiều bất cập như: Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ khoa học kỹ thuật …………………………
2
- Công nghệ gia công bằng tia nước áp lực cao trong lĩnh vực chế tạo
máy vẫn còn mới mẻ và nhiều vấn ñề lý thuyết và thực tiễn chưa ñược giả
quyết hoặc giải quyết chưa triệt ñể.
- Các cơ sở lý thuyết ñã ñược công bố hiện nay chỉ dừng ở các nghiên
cứu rời rạc, hoặc còn là các bí quyết công nghệ của các hãng sản xuất.
- Cắt bằng tia nước áp suất cao hàm chứa nhiều hiện tượng phức tạp
khó lý giải nếu không có những nghiên cứu sâu mối liên quan giữa các thông
số công nghệ như áp suất, tốc ñộ cắt, khoảng cách cắt…
Trong quá trình gia công bằng tia nước áp suất cao có trộn hạt mài thì
những yếu tố công nghệ nào quyết ñịnh ñến ñộ nhám bề mặt của chi tiết?
Xuất phát từ những vấn ñề như vậy nên tôi thực hiện ñề tài: Nghiên cứu ảnh
hưởng của một số yếu tố công nghệ ñến ñộ nhám bề mặt khi cắt bằng tia
Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ khoa học kỹ thuật …………………………
4
CHƯƠNG 1
TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ
CẮT BẰNG TIA NƯỚC ÁP SUẤT CAO
1.1. LỊCH SỬ PHÁT TRIỂN CỦA CÔNG NGHỆ TIA NƯỚC ÁP
SUẤT CAO
Từ bao ñời nay con người ñã biết dùng năng lượng từ nước ñể phục vụ
trong cuộc sống hằng ngày và trong sản xuất. ðầu tiên là guồng nước trong tưới
tiêu, trong xay sát, sau này là phân loại quạng trong khai thác mỏ và ngày nay là
thuỷ ñiện trong ngành năng lượng và ñặc biệt hơn là trong ngành công nghệ làm
sạch, gia công cắt gọt….Khi nước ñược nén với áp suất cao thì nó có một năng
lượng phá huỷ rất lớn, do ñó công nghệ sử dụng tia nước áp suất cao ñã ra ñời.
Trong những năm gần ñây, ứng dụng của công nghệ tia nước áp suất cao ñã trở
nên ña dạng và quen thuộc trong nhiều ngành công nghiệp ở các nước ñang phát
triển. ðặc biệt trong ñiều kiện môi trường thế giới như hiện nay thì những công
khuếch ñại áp. Năm 1968 các nhà khoa học Mỹ ñã chế tạo thành công một
thiết bị cắt bằng tia nước có áp suất ñạt 70 MPa ñể ứng dụng cắt ống bìa. Với
áp suất này, tia nước có thể cắt ñược các vật liệu phi kim khác như giấy, nhựa,
xốp và thực phẩm…
Vào những năm 1970, cùng với sự phát triển của ngành vật liệu, máy
cắt bằng tia nước ñược phát triển ở Mỹ ñó là khả năng tạo ra áp lực từ 40.000
ñến 60.000 psi (276.000 ñến 414.000 kPa), mở ra ngành công nghệ tia nước
những ứng dụng cắt ña dạng hơn. Lúc này tia nước có thể cắt những vật liệu
cứng và bền hơn như gỗ, vật liệu nhân tạo, nhựa tổng hợp… và ñến năm 1980
năng suất và hiệu quả cắt của tia nước ñược nâng cao rõ rệt bằng việc tăng
sức mạnh của tia nước lên bằng cách trộn thêm hạt mài vào tia nước. Từ ñây
tia nước mới thực sự ñược ứng dụng vào gia công cắt gọt với tất cả mọi vật
liệu, nó cắt các vật liệu mà hầu như không phụ thuộc vào tính chất cơ lý của
vật liệu. Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ khoa học kỹ thuật …………………………
6
Trong thời gian 1989-1990, tia nước áp suất cao bắt ñầu ñược ứng dụng
cắt dưới nước ở ñộ sâu 400m ñể cắt thép và bê tông dưới biển. Năm 1991,
trung tâm thí nghiệm GKSS Geesthacht ñã thực hiện khoan thép không rỉ ở
ñộ sâu 600m. Cùng với sự phát triển của thiết bị cắt, giờ ñây tia nước có thể
cắt dưới ñộ sâu 6000m.
Năm 1994, người ðức ñã ñăng ký bản quyền về ứng dụng cắt bằng tia
nước trong ngành y, tia nước với áp suất làm việc từ 5 ñến 30 MPa ñược sử dụng
làm dao mổ trong phẩu thuật vì nước có thể cơ thể ñược chấp nhận. Một ñiều lý
thú nữa là khi cắt các phần cứng của cơ thể như xương, muối hoặc ñường ñã
ñược dùng ñể làm hạt mài, do ñường và muối luôn tồn tại trong cơ thể.
ảnh hưởng ñến quá trình làm sạch như: Kiểu ñầu phun, khoảng cách ñầu
phun, áp suất…là những yếu tố quan trọng nhất. Hiện nay trên thế giới có hai
loại ñầu phun chính ñược sử dụng cho làm sạch là ñầu phun tròn và ñầu phun
dẹt. Việc sử dụng các loại ñầu phun khác nhau ta có hình dạng của tia khác
nhau (Hình 1.1) dẫn ñến hiệu quả của tia cũng khác nhau.
Hình 1.1 – Hình dạng tia phụ thuộc vào ñầu phun
ðầu phun dẹt cho ta tia nước dẹt có tiết diện quét khi làm sạch lớn hơn
nhiều lần tia nước tròn, nên năng suất làm sạch cũng vì thế mà rất cao. Tuy
nhiên nhược ñiểm của tia nước dẹt là giá thành cao và ñầu phun nhanh bị mòn
nên không sử dụng ñược áp suất cao như ñầu phun tròn. Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ khoa học kỹ thuật …………………………
8Hình 1.2 – Sơ ñồ tia nước thuần khiết khi ra khỏi ñầu phun
Khả năng bóc tách vật liệu của tia nước tốt nhất bắt ñầu từ ñiểm cách
ñầu phun một khoảng bằng 200 lần ñường kính ñầu phun, nơi tia nước toát ra.
Tại ñây tác ñộng của tia hoàn toàn là tác ñộng ñộng của các giọt nước nhỏ li ti
chuyển ñộng với vận tốc cực lớn, nên khả năng phá huỷ của nó rất lớn (Hình
1.2). Trong phạm vi từ 200 lần ñường kính ñầu phun trở lại, tác ñộng của tia bao
gồm cả ñộng và nén, chủ yếu là tác ñộng nén, chiếm khoảng 50-100%. Càng gần
ñầu phun tác ñộng nén càng tăng và ngược lại khi xa ñầu phun không còn tác
ñộng nữa, cho nên ở phạm vi này người ta chỉ ứng dụng ñể rửa trôi các chất bẩn
vì tia nước chỉ tác ñộng lần ñầu tiên khi gặp vật phải làm sạch.
Khoảng cách ñầu phun, áp suất làm sạch ảnh hưởng rất lớn ñến khả
năng bóc tách chất bám dính và chất bẩn trong quá trình làm sạch. Tuỳ vào
téc, làm sạch chi tiết
Hoá dầu
Vãy và chất lưu bám thô trên các bộ trao ñổi
nhiệt, lò phản ứng, téc, tháp làm mát, ống và
thiết bị
Chuẩn bị bề mặt Gỉ, sơn, vật ñúc, phun cát, phun hạt mài
Làm sạch bằng tia nước áp suất cao là một công nghệ hiện ñại, không
gây ô nhiễm môi trường, nó có thể ñược ứng dụng rộng rãi trong các ngành
công nghiệp ñể nâng cao năng suất và chất lượng trong làm sạch. Ở nước ta,
làm sạch bằng tia nước có thể ñưa vào ứng dụng trong các nhà máy hoá chất,
ñóng tàu, mía ñường, dầu khí và ngành xây dựng… Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ khoa học kỹ thuật …………………………
10
Hình 1.3 – Làm sạch vỏ tàu bằng tia nước áp suất cao
1.2.2. Các ứng dụng cắt
Trong lĩnh vực cắt, tia nước áp suất cao ñược chia làm hai loại, tia nước
thuần khiết và tia nước trộn hạt mài. Tia nước thuần khiết ñược ứng dụng ñể
cắt các vật liệu mềm như: vật liệu nhân tạo, vải, da, thực phẩm…ðối với
những vật liệu cứng, tia nước thuần khiết chỉ cắt ñược với áp suất rất cao từ
8.10
5
MPa trở lên, do vậy nó chỉ ñược ứng dụng trong trường hợp ñặc biệt khi
mà hạt mài không ñược phép sử dụng vì có thể bị lẫn vào trong sản phẩm
hoặc các lí do vệ sinh khác. Chẳng hạn như trong y học, tia nước thuần khiết
12
Bảng 1.2 - Ứng dụng tia nước áp suất cao trong cắt vật liệu
Áp suất (MPa) Lĩnh vực ứng dụng
160 – 200
Cắt phá bê tông, cắt thực phẩm trong ngành công
nghiệp chế biến thực phẩm, cắt các vật liệu mềm
trong ngành hoá chất
200 – 350
Cắt nhựa PVC, giấy, gỗ, vải, compozit và giải phẫu
trong y tế
350 – 450
Cắt kim loại, hợp kim cứng, Ceramic ở các ñộ mỏng
khác nhau
450 – 1000 Nghiên cứu trong phòng thí nghiệm
Tia nước trộn hạt mài có áp là nguyên lý cắt không liên tục. Hạt mài chỉ
nạp ñược vào bình khi bình chứa hạt mài chưa có áp, quá trình cắt sẽ bị gián
ñoạn khi hạt mài trong bình còn ít hoặc hết. Nhưng hiệu suất cắt theo phương
pháp này cao hơn rất nhiều so với cắt bằng tia nước trộn hạt mài không áp, vì
thành phần của tia chỉ gồm có nước và hạt mài, lúc này lưu lượng nước và hạt
mài tăng lên ñáng kể. Hiện nay tia nước trộn hạt mài theo nguyên lý này ñược
ứng dụng trong nhiều ngành công nghiệp, ñặc biệt là ứng dụng cắt dưới nước,
trong những môi trường dễ gây nổ (ví dụ như cắt ñạn dược, bom, mìn trong
quốc phòng ñể phá huỷ những vũ khí ñã lỗi thời, phá dỡ nhà máy ñiện hạt
nhân…)
Ngày nay công nghệ cắt bằng tia nước trộn hạt mài với những ưu ñiểm
của nó có một vị trí ñặc biệt quan trọng trong các phương pháp gia công ñặc
- Có thể cắt các chi tiết rỗng
- Lực cắt và phản lực nhỏ
- Khả năng tự ñộng hoá cao
- Chi phí thấp
- Thích ứng với hệ thống CAD/CAM Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ khoa học kỹ thuật …………………………
14
So sánh việc cắt bằng tia nước với một số kiểu cắt truyền thống
So sánh với cắt bằng ion
Cắt bằng ion có hiệu ứng nhiệt rõ ràng, vết cắt rộng, ñộ chính xác thấp,
bề mặt ô xi hoá, không thể tái gia công lần hai. Cắt bằng tia nước thuộc dạng
cắt lạnh, không có sự biến ñổi nhiệt, bề mặt cắt có chất lượng tốt, một lần có
thể hoàn thành việc cắt, nếu cần có thể tiến hành gia công lần hai.
So sánh với cắt bằng tia Laser
- Tia nước trộn hạt mài có khả năng cắt ñược nhiều vật liệu mà Laser
không thể gia công ñược (như vật liệu phản xạ, vật liệu nhôm, vật liệu ñồng).
Chi phí ñầu tư thiết bị thấp hơn nhiều lần so với chi phí thiết bị của tia Laser.
- Dòng tia nước không tạo nhiệt lên chi tiết, vì thế không có biến dạng
nhiệt và ñộ cứng không tăng.
- Tia nước cắt có thể ñạt ñộ chính xác bằng hoặc hơn tia Laser.
- Gia công ñược vật liệu dày hơn.
- An toàn, không có khói ñộc như Laser.
- Có tính môi trường hơn.
- Giá thành rẻ hơn.
So sánh với gia công tia lửa ñiện
- Gia công nhanh hơn tia lửa ñiện
- Khả năng gia công phạm vi vật liệu rộng lớn hơn
ñiện….
Copyright: Tài liệu đại học ©