TRƯỜNG ĐẠI HỌC NHA TRANG KHOA CƠ KHÍ

HỘI THẢO XÂY DỰNG MỘT SỐ ĐỊNH HƯỚNG NGHIÊN

CỨU KHOA HỌC NGÀNH CHẾ TẠO MÁY

KỶ YẾU

Nha Trang, tháng 11 năm 2010

MỤC LỤC

Trang

Một số hướng nghiên cứu về gia công tia lửa ñiện

Nguyễn Văn Tường

2

Một số hướng nghiên cứu khoa học với máy phay CNC 3 trục

Nguyễn Văn Tường

6

Những ñịnh hướng khi nghiên cứu khoa học

Trần Ngọc Nhuần

9

Nghiên cứu chế ñộ công nghệ cắt vật liệu kim loại có ñộ cứng cao bằng

tia nước có hạt mài

Nguyễn Hữu Thật

11

Mô hình hóa 3D chế tạo vòng mài kim cương

Ngô Quang Trọng

16

2

MỘT SỐ HƯỚNG NGHIÊN CỨU VỀ GIA CÔNG TIA LỬA ðIỆN Nguyễn Văn Tường

1. Mở ñầu

Phương pháp gia công tia lửa ñiện ñược phát triển vào năm 1943 ở Liên Xô bởi hai vợ

chồng người Nga tại trường ñại học Moscow là Giáo sư-Tiến sĩ Boris Lazarenko và Tiến sĩ

Natalya Lazarenko. Cho ñến nay phương pháp gia công này ñã ñược phổ biến rộng rãi khắp

nơi trên thế giới. Nguyên tắc của phương pháp này là bắn phá chi tiết ñể tách vật liệu bằng

nguồn năng lượng nhiệt rất lớn ñược sinh ra khi cho hai ñiện cực tiến gần nhau. Trong hai

ñiện cực này, một ñóng vai trò là dao và một ñóng vai trò là phôi trong quá trình gia công.

Phương pháp gia công này có hai dạng chính là gia công dùng ñiện cực thỏi và dùng dây cắt.

Hai phương pháp gia công này ngày càng ñược cải tiến nhờ tiến bộ của kỹ thuật ñiều khiển,

ñiện tử và công nghệ thông tin. Bài viết này trình bày một số nghiên cứu trong những năm

gần ñây về gia công tia lửa ñiện trên thế giới.

2. Một số hướng nghiên cứu về gia công tia lửa ñiện hiện nay

Ngoài các nghiên cứu truyền thống về tia lửa ñiện như nghiên cứu chất lượng bề mặt

khi gia công các loại vật liệu khác nhau, nghiên cứu về ñộ mòn dụng cụ, nghiên cứu cải tiến

các hệ ñiều khiển…, hiện ñang tập trung vào một số vấn ñề chủ yếu sau:

• Nâng cao năng suất gia công và nâng cao ñộ tin cậy nhờ các kỹ thuật ñiều khiển

cao cấp.

• Sử dụng tia lửa ñiện ñể gia công các loại vật liệu mới. Cả gia công ñiện cực dây và

ñiện cực thỏi ñều ñược phát triển ñể gia công các loại vật liệu mới có tính chống

mòn cao như các-bít xê-men-tít và các vật liệu gốm dẫn ñiện khác.

• Tạo ra các phương pháp gia công lai với tia lửa ñiện.

Một số nhánh nhỏ nghiên cứu về gia công tia lửa ñiện trên thế giới hiện nay là:

1. Tạo ra các loại vật liệu dụng cụ có tính năng cắt gọt tốt:

- Trong gia công bằng dây cắt, người ta ñang nghiên cứu tạo ra các loại dây cắt mới

có thể nâng cao ñộ chính xác gia công, ñặc biệt là khi cắt góc.

- Trong gia công ñiện cực thỏi, người ta ñang nghiên cứu tạo các loại vật liệu

composite nền kim loại ñể tạo ñiện cực dụng cụ.

2. Các kỹ thuật ñiều khiển

- Sử dụng các kỹ thuật thụ cảm trực tuyến (on-line sensing techniques) ñể ñiều

khiển mòn dụng cụ khi gia công bằng ñiện cực thỏi.

- ðiều khiển chuyển ñộng chuyển ñộng phức tạp của ñiện cực thỏi dạng hình trụ ñể

gia công các bề mặt phức tạp (như phay CNC) thay vì dùng ñiện cực dụng cụ có

hình dáng 3D phức tạp.

3. Các chiến lược gia công trong gia công xung ñiện

Xây dụng và ñánh giá các chiến lược gia công bề mặt 3D, phát triển các mô hình gia

công 3D nhằm tiên ñoán nhám bề mặt ñạt ñược với các chiến lược gia công khác nhau.

3

4. Trong cắt dây tia lửa ñiện:

- Nghiên cứu phát triển các loại dung dịch ñiện môi mới, ñiện cực mới ñể gia công

ñạt hiệu quả cao khi gia công các vật liệu làm dao mới như các-bít, kim cương

nhân tạo và gốm.

- Nghiên cứu sử dụng dầu thay nước khử khoáng.

- Gia công hai bước: ñầu tiên là gia công trong nước khử khoáng, kế tiếp là gia công

trong dầu.

5. Gia công tia lửa ñiện khô

Trong gia công tia lửa ñiện khô, ñiện cực dụng cụ ñược chế tạo dưới dạng ống thành

mỏng. Gas hoặc khí áp suất cao ñược cung cấp xuyên qua ống ñể tống các hạt phoi ra khỏi

khe hở giữa ñiện cực dụng cụ và chi tiết gia công, và làm mát khu vực này. Hình 1 trình bày

nguyên lý của gia công tia lửa ñiện khô. Kỹ thuật gia công này ñược phát triển nhằm giảm ô

nhiễm môi trường do chất ñiện môi khi gia công tia lửa ñiện. Các nghiên cứu gần ñây về kỹ

thuật này là nghiên cứu áp dụng gia công các vật liệu các-bít, so sánh thời gian gia công giữa

gia công tia lửa ñiện khô và có sử dụng dầu làm chất ñiện môi. Một số các nghiên cứu khác là

nghiên cứu về chất lượng bề mặt chi tiết gia công, mòn dụng cụ,…

Hình 1. Gia công tia lửa ñiện khô.

6. Kết hợp rung ñộng trong gia công tia lửa ñiện

Rung ñộng có thể ñược ñưa vào trong gia công tia lửa ñược ñể mở rộng ứng dụng của

phương pháp gia công này và nâng cao năng suất khi gia công các vật liệu khó gia công. Các

nghiên cứu trong khu vực này là áp dụng rung ñộng cho ñiện cực dụng cụ hoặc cho phôi hoặc

kết hợp cả hai; nghiên cứu sử dụng gia công tia lửa ñiện có rung ñộng ñể gia công vi lỗ, mòn

dụng cụ...

7. Micro EDM

Hướng nghiên cứu này nghiên cứu áp dụng công nghệ gia công tia lửa ñiện ñể:

4

- Cắt dây tia lửa ñiện sử dụng dây cắt có ñường kính 0,02 hoặc bé hơn ñể cắt vật liệu

dẫn ñiện.

- Xung ñiện micro với ñiện cực dụng cụ có các ñối tượng với kích cỡ micro.

- Khoan lỗ có ñường kính từ 5-10 µm.

3. Khả năng nghiên cứu về gia công tia lửa ñiện ở bộ môn Chế tạo máy

Hiện tại bộ môn Chế tạo máy, ðại học Nha Trang, có 01 máy cắt dây 4 trục và 01 máy

xung ñiện ZNC. Với các thiết bị này, Bộ môn có thể triển khai một số hướng nghiên cứu cơ

bản sau:

- Các nghiên cứu cơ bản về mòn ñiện cực dụng cụ.

- Các nghiên cứu về chất lượng bề mặt.

- Các nghiên cứu về sử dụng các loại ñiện môi khác nhau, kể cả gia công tia lửa ñiện

khô.

- Các nghiên cứu về gia công các loại vật liệu mới hiện nay.

4. Một số từ khóa

ðể tìm hiểu thêm về tình hình nghiên cứu về gia công tia lửa ñiện cũng như các kỹ

thuật gia công tia lửa ñiện, nghiên cứu viên có thể sử dụng một số từ khóa sau:

- W-EDM: cắt dây tia lửa ñiện

- Wire EDM rotary spindle: cắt dây tia lửa ñiện trục chính quay tròn

- Electrode: ñiện cực,

- Dielectrics: chất ñiện môi

- Dry EDM: gia công tia lửa ñiện khô

- Micro-wire EDM: cắt bằng vi dây

- Die-sinking micro-EDM: gia công vi xung ñiện

Tài liệu tham khảo

1. Phạm Ngọc Tuấn, Nguyễn Văn Tường. Các phương pháp gia công ñặc biệt, NXB ðại học

Quốc gia Thành phố Hồ Chí Minh, 2007.

2. N. M. Abbas, D. G. Solomon, M.F. Bahari. A review on current research trends in

electrical discharge machining. International Journal of Machine Tools & Manufacture 47

(2007) 1214–1228

3. http://www.mech.kuleuven.be/pp/research/edm

5

MỘT SỐ HƯỚNG NGHIÊN CỨU KHOA HỌC VỚI PHAY CNC 3 TRỤC

Nguyễn Văn Tường

1. Mở ñầu

Trong các dòng máy CNC thì máy phay 3 trục là phổ biến nhất. Hiện tại, hầu hết các

trường ñại học kỹ thuật ở Việt Nam có ñào tạo chuyên ngành Chế tạo máy ñều trang bị loại

thiết bị này. Do ñó, trong những năm gần ñây nhiều nhà nghiên cứu trong nước ñã và ñang

triển khai các ñề tài nghiên cứu mà ñối tượng là máy phay CNC 3 trục. Bài viết này giới thiệu

một số hướng nghiên cứu khoa học liên quan ñến công nghệ phay CNC 3 trục.

2. Một số hướng nghiên cứu

2.1 Nghiên cứu về nhám bề mặt

Nhám bề mặt là thông số chất lượng bề mặt quan trọng, ảnh hưởng ñến khả năng làm

việc của chi tiết máy. Hơn thế nữa, nó cũng là nhân tố ảnh hưởng ñến chi phí gia công. Nhám

bề mặt cũng là một thông số tham chiếu hữu ích trong việc xác ñịnh tính ổn ñịnh của quá trình

gia công. Do ñó, việc tiên ñoán nhám bề mặt có thể giúp chúng ta ñánh giá tính ổn ñịnh của

quá trình gia công.

Các thông số thường ñược ñưa vào trong nghiên cứu nhám bề mặt là: chế ñộ cắt (tốc

ñộ cắt, lượng chạy dao, chiều sâu cắt), các thông số hình dáng hình học của dao, vật liệu làm

dao và vật liệu chi tiết gia công. Việc nghiên cứu về nhám bề mặt thường ñược thực hiện bằng

thực nghiệm. Thông số nhám ñược chọn ở ñây thường là Ra.

2.2 Tối ưu hóa các thông số chế ñộ cắt

Việc tối ưu hóa các thông số chế ñộ cắt khi phay ñược thực hiện bằng nhiều cách tiếp

cận khác nhau, ví dụ:

+ Phương pháp Feasible Direction

+ Phương pháp Taguchi

+ Phương pháp Particle Swarm Optimization

+ Phương pháp Ant Colony Optimization

+ Dùng kỹ thuật Tribes

+ Phương pháp Genetic Algorithm

+ Phương pháp Linear Programming Technique

+ Phương pháp Simulated Annealing

+ Phương pháp Memetic Algorithm

+ Phương pháp Immune Algorithm

+ Phương pháp Genetic Expression Programming.

Có nhiều sử dụng nhiều thông số chế ñộ cắt khác nhau trong quá trình tối ưu hóa như

tốc ñộ cắt, chiều sâu cắt, lượng chạy dao, bề dày phoi cắt, lực cắt, số lần chuyển dao, ñường

kính dao và chiều dao nhưng ba thông số ñầu ñược sử dụng phổ biến nhất. Hàm mục tiêu của

quá trình tối ưu hóa có thể là chi phí gia công, năng suất gia công hoặc nhám bề mặt.

6

2.3 Nghiên cứu về lực cắt

Lực cắt là yếu tố có ảnh hưởng mạnh mẽ ñến chất lượng bề mặt, tốc ñộ mòn dao và

chi phí gia công. Cho dù nhiều nhà khoa học ñã tiến hành nghiên cứu dự ñoán lực cắt khi

phay cả về lý thuyết lẫn thực nghiệm, tuy nhiên hầu hết các nghiên cứu ñều ñưa ra nhiều giả

thuyết và chưa mô phỏng ñầy ñủ các nhân tố ảnh hưởng ñến lực cắt, làm giảm ñộ tin cậy ñánh

giá lực cắt. Do ñó nghiên cứu về lực cắt vẫn ñang và sẽ tiếp tục ñược triển khai, nhất là trong

phay CNC.

Trong các nghiên cứu gần ñây, các yếu tố thường ñược dùng ñến trong quá trình mô

phỏng lực cắt là bề dày cắt, bề rộng cắt, lượng chạy dao, góc trước của dao, … Việc mô hình

hóa lực cắt có thể ñược thực hiện bằng các phương pháp tiếp cận như Response Surface

Methodology, Genetic Algorithm.

2.4 Một số hướng nghiên cứu khác

- Nghiên cứu về việc gia công các loại vật liệu mới có ñộ cứng cao như hợp kim titan,

niken, crom-niken, các loại vật liệu composite nền kim loại.

- Nghiên cứu về ứng dụng các loại dao có lớp phủ vào gia công kim loại và hợp kim

như dao phủ TiC, TiCN, TiN, TiAlN, alpha Al2O3, CBN.

- Nghiên cứu về mài mòn dao (thực nghiệm, mô phỏng).

- Nghiên cứu chế tạo ñồ gá mở rộng khả năng công nghệ của máy phay CNC 3 trục.

- Nghiên cứu gia công ảo trên máy phay CNC 3 trục.

3. Một số từ khóa

Spindle speed, feed rate, depth of cut, CNC milling, surface roughness, optimization,

cutting forces, inconel, tool wear, 3-axis milling/machining, end milling operation, wear

simulation, modeling of cutting forces, virtual milling process, milling parameters,

optimization of milling parameters.

4. Kết luận

Có nhiều hướng nghiên cứu khác nhau về công nghệ phay CNC ñang ñược triển khai

trên thế giới. Với khả năng hiện tại của bộ môn Chế tạo máy, trường ðại học Nha Trang,

chúng ta có thể triển khai một số nghiên cứu ứng dụng về phay CNC 3 trục trên trung tâm gia

công VMC 2216 tại trường.

Tài liệu tham khảo

1. B. Ganesh Babu, V. Selladurai and R. Shanmugam (2008). Analytical modeling of cutting

forces of end milling operation on aluminum silicon carbide particulate metal matrix

composite material using response surface methodology. ARPN Journal of Engineering and

Applied Sciences, Vol. 3, No. 2,

2. Haslina Arshad, Zainal Rasyid Mahayuddin, Che Hassan Che Haron, Rosilah Hassan

(2008). Flank Wear Simulation of a Virtual End Milling Process. European Journal of

Scientific Research, Vol.24 No.1, pp.148-156

3. Mohd Saupi Bin Mohd Sauki (2008). Optimization of milling parameters using ant colony

optimization. Universiti Malaysia Pahang.

7

4. Sanjit Moshat, Saurav Datta, Asish Bandyopadhyay and Pradip Kumar Pal (2010).

Optimization of CNC end milling process parameters using PCA-based Taguchi method.

International Journal of Engineering, Science and Technology, Vol. 2, No. 1, , pp. 92-102

5. Ab. Rashid M.F.F., Gan S.Y., and Muhammad N.Y. (2009). Mathematical Modeling to

Predict Surface Roughness in CNC Milling. World Academy of Science, Engineering and

Technology 53.

6. Wen-Hsiang Lai (2000). Modeling of Cutting Forces in End Milling Operations. Tamkang

Journal of Science and Engineering, Vol. 3, No. 1, pp. 15-22.

8

NHỮNG ðỊNH HƯỚNG KHI NGHIÊN CỨU KHOA HỌC Trần Ngọc Nhuần

1. Tìm và chọn ñề tài nghiên cứu

ðề tài ñược giao.

ðề tài tự chọn:

- Từ những mâu thuẫn nảy sinh trong thực tiễn cuộc sống cá nhân.

- Mâu thuẫn nảy sinh trong quá trình nhà nghiên cứu tiếp xúc với thông tin.

- Mâu thuẫn nảy sinh trong quá trình tiếp xúc với các cơ sở, với thực tiễn, tại hội nghị,

hội thảo…

- Khi tiếp xúc với mọi người xung quanh

Tuy nhiên khi chọn ñề tài cần phải quan tâm:

- ðề tài có ý nghĩa khoa học hay không?

- Có ý nghĩa thực tiễn hay không?

- Có cấp thiết cần phải nghiên cứu?

- Có ñủ ñiều kiện ñể hoàn thành?

- Có phù hợp với sở thích không?

- Có tính khả thi?

- Thời gian thực hiện

Trong giai ñoạn hiện tại, những ñề tài mang tính chất lý thuyết rất khó thực hiện và

khó thuyết phục. Vì vậy việc chọn ñề tài nên ñi vào ứng dụng thực tiễn trong ñời sống. Chính

vì thế ñề tài nên thực hiện dưới dạng một nhóm. Chúng ta sẽ tiến hành ñiều tra thực tế, nắm

bắt những yêu cầu của người tiêu dùng sau ñó lập bảng yêu cầu và ñưa ra ñề tài cần nghiên

cứu, tính toán và chế tạo ra sản phẩm. Hoặc một dạng khác là phát triển cái ñã có nhưng chưa

hoàn thiện.

ðể tạo cho sinh viên tiếp cận với công việc nghiên cứu khoa học và ứng dụng kiến

thức vào thực tế, ñồng thời sinh viên sẽ là những cộng tác viên tốt, những thành viên tốt trong

nhóm, ñồng thời sẽ là những người trực tiếp thu thập số liệu và hoàn thành những nội dung cụ

thể nào ñó. Các môn học thiết kế hoặc ñố án sẽ giaocho sinh viên tự tìm lấy ñề bài dưới sự

hướng dẫn của giáo viên môn học hoặc giáo viên trong bộ môn. Các ñề tài nên ñi vào ứng

dụng thực tế, ví dụ:

- Thiết kế hệ truyền ñộng ñể ñưa thang máy lên xuống trong các nhà cao tầng,

- Thiết kế các thiết bị phục vụ cho các nhà hàng,

- Cải tiến các thiết bị phục vụ cho các cơ sở sản xuất…

Tất cả những ñiều ñó sẽ tạo ra những số liệu sống ñộng, khả thi phục vụ và hình thành

nên những ñề tài thiết thực tạo ra sản phẩm mang thương hiệu của Trường.

2. Những giả ñịnh

Giả ñịnh là một dạng dự báo, ñược hình thành như một tuyên bố mà người nghiên cứu

ñề nghị ñể dẫn tới câu trả lời cho câu hỏi nghiên cứu.

9

3.Các tài liệu liên quan

Cần phải thu thập các tài liệu có liên quan ñến ñề tài nghiên cứu (cả về cơ sở vật chất,

phương pháp nghiên cứu lẫn kiến thức). Tốt nhất là ta lập thành một danh mục cụ thể.

4. Trình tự

Là mô tả chi tiết các bước của quá trình tiến hành, phân chia thời gian, kinh phí thực

hiện.

5. Lựa chọn phương pháp thu thập thông tin

ðiều tra chọn mẫu.

Nghiên cứu thực ñịa.

Phân tích nội dung.

Sử dụng thông tin thứ cấp.

Tư liệu thí nghiệm.

6. Xử lý kết quả thu thập

Lập bảng danh mục thông tin thu thập.

Sắp xếp thứ tự ưu tiên

Tiến hành tính toán kiểm tra.

Kiểm nghiệm lại thực tế, thu thập tiếp thông tin.

Xử lý cuối cùng.

7. Viết báo cáo tổng kết và báo cáo tóm tắt

10

NGHIÊN CỨU CHẾ ðỘ CÔNG NGHỆ CẮT VẬT LIỆU KIM LOẠI CÓ ðỘ CỨNG

CAO BẰNG TIA NƯỚC CÓ HẠT MÀI

Nguyễn Hữu Thật

1. ðặt vấn ñề

Ngày nay, khoa học công nghệ phát triển, ñể gia công kim loại người ta ñã dần dần

thay thế các công nghệ cũ kỷ, truyền thống bằng những công nghệ mới tiên tiến hơn, một

trong những công nghệ ấy là cắt kim loại bằng tia nước kết hợp với dung dịch hạt mài nhằm

bóc tách bề mặt gia công. ðặc tính quan trọng của công nghệ này là tia nước có áp suất cực

lớn tác ñộng lên các hạt mài có hình dáng ña dạng, ñược xem như các lưỡi cắt va ñập vào bề

mặt kim loại cần gia công làm bong tróc và tạo thành mạch cắt. Ưu ñiểm lớn nhất của công

nghệ này là vết nhỏ, sạch, chất lượng bề mặt vết cắt cao, ít hao phí kim loại và năng suất rất

cao so với các công nghệ truyền thống khác như cắt bằng khí.

Từ những ưu ñiểm lớn như thế, các nước trên thế giới ñã ứng dụng rất nhiều trong nền

công nghiệp. Tuy nhiên ở Việt Nam, do hạn chế về mặt tài chính, khoa học, công nghệ và an

toàn trong vận hành nên công nghệ này chưa ñược áp dụng rộng rãi. Trước những vấn ñề ñó,

tôi bắt tay vào xây dựng ñịnh hướng “nghiên cứu chế ñộ công nghệ cắt vật liệu kim loại có ñộ

cứng cao bằng tia nước kết hợp với dung dịch hạt mài. Tôi hy vọng rằng với ñịnh hướng này

nhằm góp phần ñưa nền công nghệ cắt kim loại nước ta phát triển.

2. Tình hình về công nghệ tia nước áp suất cao (TNASC) trên thế giới và tại Việt Nam.

Vào những năm 70 sự phát triển của ngành cơ khí cùng với sự phát triển của ngành

công nghệ vật liệu, các thiết bị tạo TNASC tăng dần về áp suất và tuổi bền. Những thiết bị tạo

TNASC với áp suất lên tới 4000 bar. Thiết bị này tạo ra TNASC thuần khiết ñược ứng dụng

rộng rãi hơn trong nhiều ngành công nghiệp. Tuy nhiên, có những hạn chế nhất ñịnh về loại

hình vật liệu có thể cắt bằng tia nước. Với cơ chế dịch chuyển vật liệu là sự thâm nhập của

nước và phá hủy rộng ra các rãnh nứt trên bề mặt của vật liệu. Thiết bị này chỉ có thể cắt ñược

các vật liệu có ñộ cứng thấp như: gỗ, vật liệu nhân tạo, nhựa tổng hợp, …

Năm 1980 hiệu quả của cắt bằng TNASC ñược nâng cao rõ rệt bằng phát minh trộn

thêm hạt mài vào tia nước. Lúc này TNASC mới thực sự ñược ứng dụng vào gia công cắt gọt,

nó có thể cắt ñược tất cả các loại vật liệu kể cả các vật liệu có tính chất không ñồng nhất hoặc

các vật liệu tổng hợp có cấu tạo gồm nhiều lớp vật liệu khác nhau. Khi trộn hạt mài vào tia

nước, tia nước tăng tốc hạt mài, tạo cho hạt mài có một ñộng năng cực lớn. ðộng năng này

chính là năng lượng ñể bóc tách vật liệu khi cắt. Lúc này nó có thể cắt ñược tất cả các vật liệu,

không phụ thuộc vào tính chất cơ lý, cấu tạo của vật liệu. [6]

Năm 1994, ðức ñã ứng dụng TNASC vào y học. Tia nước mảnh có áp suất từ 50 - 300

bar ñược sử dụng như dao dùng ñể phẫu thuật. Khi cắt bằng phương pháp này nước không

những không gây dị ứng mà còn ñược cơ thể tiếp nhận bởi 70% cơ thể là nước. Một phát

minh nữa là khi cắt các phần cứng của cơ thể như xương, người dùng ñường hoặc muối ñể

thay thế hạt mài, do ñường và muối cũng giống như nước không gây dị ứng cho cơ thể mà

ñược cơ thể tiếp nhận. [2], [3].

11

Hiện nay trên thế giới TNASC ñược ứng dụng rộng rãi trong các ngành công nghiệp ở

các nước phát triển: ðứng ñầu là ðức, tiếp theo là My, Pháp, Ao, Nhật, … TNASC ñược ứng

dụng ñể cắt hầu hết các loại vật liệu.

3. Công nghệ tia nước áp suất cao

3.1 Nguyên lý gia công

TNASC chính là dòng tia có vận tốc cực lớn. Dòng tia này ñược tạo nên bởi thiết bị

bơm cao áp, nước ñược nén với áp suất cao sau ñó ñược ñẩy qua ñường ống cao áp rồi thoát

ra ngoài qua ñầu phun, ñầu phun có ñường kính nhỏ hơn nhiều lần so với ñường kính ñường

ống cao áp.

Quá trình tạo TNASC chính là quá trình chuyển hóa năng lượng, ñầu tiên là tích lũy

năng lượng sau ñó là vận chuyển năng lượng, cuối cùng là giải phóng năng lượng [1].

Hình 1. Phương pháp trộn hạt mài không áp.

Tia nước sau khi ra khỏi ñầu phun có cấu trúc gồm 3 vùng (hình 2):

- Vùng tia liên tục.

- Vùng tạo giọt.

- Vùng hóa sương.

Hình 2. Sơ ñồ cấu trúc của tia nước tốc ñộ cao trong không khí.

Vùng lõi cắt là vùng ñược áp dụng cho cắt vật liệu.

12

3.2 Các lĩnh vực ứng dụng công nghệ TNASC

Phạm vi ứng dụng của TNASC khá rộng rãi trong nhiều ngành công nghiệp. Phổ biến

nhất là dùng trong làm sạch và cắt.

- Ứng dụng làm sạch.

- Ứng dụng cắt vật liệu:

+ Cắt bằng tia nước thuần khiết

+ Cắt bằng tia nước có trộn hạt mài.

Tia nước trộn hạt ñược phân thành 02 loại:

+ Tia nước trộn hạt mài không áp.

+ Tia nước trộn hạt mài có áp.

Hình 3. Ứng dụng cắt bằng tia nước trộn hạt mài không áp cắt thép dày.

Tại Việt Nam, TNASC mới chỉ ñược biết ñến trong vòng 7 - 8 năm trở lại ñây. Năm

1998 Viện máy và dụng cụ công nghiệp là ñơn vị ñầu tiên có thiết bị tạo TNASC với áp suất

tối ña lên tới 2800 bar. Thiết bị này ñược dùng trong công nghệ làm sạch. ðầu tiên là cuộc

trình diễn làm sạch vỏ tàu tại Nhà máy ñóng tàu Bạch ðằng và Nhà máy ñóng tàu Sông Cấm.

Chất lượng bề mặt sau làm sạch cao hơn so với phương pháp phun cát. Nhưng do sự chuẩn bị

về ñồ gá chưa tốt nên kết quả thu ñược còn hạn chế về năng suất, tuy nhiên thực tế cho thấy

công nghệ này rất thân thiện với môi trường.

Hình 4. Ứng dụng công nghệ TNASC làm sạch vỏ tàu

3.3 Ưu nhược ñiểm của công nghệ cắt bằng tia nước áp suất cao

Ưu ñiểm:

- Có thể cắt ñược hầu hết tất cả các loại vật liệu như: Thép, hợp kim, các kim loại

màu, vật liệu gốm nhân tạo, composit, ñá, kính, cao su, vật liệu ñược cấu tạo gồm nhiều lớp

khác nhau.

- Trong quá trình cắt sinh nhiệt rất nhỏ, không sinh bụi, phản ứng hóa học, thân thiện

và không gây ô nhiễm môi trường, cải thiện môi trường làm việc.

13

- Có thể cắt ñược các vật liệu nhạy cảm với nhiệt (một số chất dẻo).

- ðược dùng trong cắt phá, tháo gỡ bom mìn ñạn dược, tháo dỡ lò phản ứng hạt nhân.

- Chất lượng mạch cắt cao.

- Lực cắt và phản lực nhỏ, ñơn giản cho ñồ gá.

Nhược ñiểm:

- Giá thành ñầu tư thiết bị cao.

- Chi phí bảo dưỡng bảo trì cao.

- Giá thành sử dụng cao.

- ðiều kiện an toàn vận hành cao.

Với những ñặt tính công nghệ riêng biệt, TNASC trong tương lai sẽ ñược sử dụng ñể

thay thế những công nghệ cũ, lạc hậu.

4. Hướng nghiên cứu của ñề tài

Nội dung nghiên cứu của ñề tài là:

- Tổng quan tình hình nghiên cứu và ứng dụng công nghệ cắt kim loại bằng tia nước

trên thế giới và Việt Nam.

- Công nghệ cắt kim loại bằng tia nước có áp suất cao kết hợp với dung dịch hạt mài.

- Nghiên cứu ảnh hưởng của các thông số công nghệ ñến năng suất cắt vật liệu kim

loại có ñộ cứng cao.

- Tối ưu hóa các thông số công nghệ.

Trong phạm vi giới hạn ñề tài, tôi tập trung vào hướng nghiên cứu chính là ảnh hưởng

của các thông số công nghệ và thiết bị ñến năng suất và chất lượng mạch cắt kim loại bằng tia

nước áp suất cao. Sau khi ñánh giá ñược mức ñộ ảnh hưởng của các thông số trên, tôi tiếp tục

nghiên cứu tối ưu hóa các thông số công nghệ và thiết bị nhằm ñưa ra kết quả tốt nhất.

Khi cắt bằng tia nước áp suất cao, các yếu tố ảnh hưởng tới chất lượng mạch cắt ñược

mô tả trong sơ ñồ sau:

Hình 5. Các yếu tố ảnh hưởng ñến chất lượng mạch cắt.

CÁC YẾU TỐ ẢNH HƯỞNG ðẾN CHẤT LƯỢNG MẠCH CẮT TRONG CÔNG NGHỆ CẮT BẰNG TNASC CÓ TRỘN HẠT MÀI

Các thông số công nghệ - Áp suất (P). - Vận tốc cắt (V). - Khoẳng cách cắt (H)

Các thông số thiết bị - Kiểu ñầu phun, ñường kính ñầu

phun. - Lưu lượng, loại hạt, kích thước,

hình dáng hạt mài.

Các chỉ tiêu ñánh giá kết quả - Năng suất cắt. - Chất lượng mạch cắt. - Chiều sâu cắt - Chiều rộng mạch cắt

14

TÀI LIỆU THAM KHẢO

[1]. Phạm Van Vĩnh:“ Cơ học chất lỏng ứng dụng ”, Nhà xuất bản giáo dục, 2001.

[2]. Trần Anh Quân : “Nghiên cứu công nghệ tia nước áp suất cao trong làm sạch công

nghiệp”, Luận án tiến sỹ, Viện máy và dụng cụ công nghiệp 2003.

[3]. Richard K. Miller, CmfgE – Waterjet cutting: “Technology and industrial applicatons”,

SAEI Technical Publications, 1985, Madison, GA .

[4].Hua Liu: “A study of the cutting performance in abrasive waterjet contouring of Alumina

Ceramics and associated jet dynamic characteristics”, Qeensland University of Technology,

2004.

[5]. www.berkeleychemical.com

[6]. www.waterjet-tech.com

[7]. www.waterjets.org

[8]. www.omax.com

[9]. www.usjetting.com

[10]. www.con4prog.com

[11]. www.hiendaihoa.com

15

MÔ HÌNH HÓA 3D CHẾ TẠO VÒNG MÀI KIM CƯƠNG Ngô Quang Trọng

Trong quá trình thiêu kết, chế tạo vòng mài kim cương. Tại các ñiều kiện thiêu kết khác

nhau, sẽ xuất hiện ứng suất nhiệt khác nhau, mà có thể dẫn ñến sự phá hủy trong quá trình chế

tạo vòng mài. Vì thế, và theo dữ liệu của ИСМ НАНУ (Trung tâm nghiên cứu vật liệu rắn-

Khapcôp-Ucraina ) thì trên 90% hạt kim cương bị phá hủy.

б

а а

Hình 1

Mục ñích, phương pháp và các vấn ñề nghiên cứu vòng mài kim cương

ðể nghiên cứu việc tối ưu hóa các ñặc tính của vòng mài kim cương trong quá trình chế

tạo chúng. Phương pháp ñược tiếp cận là nghiên cứu cường ñộ biến dạng của vùng bị thiêu

kết trên mẫu ba chiều của vòng mài kim cương.

Mục ñích là làm tăng hiệu quả của hạt mài kim cương từ cơ sở các tính toán khoa học

cho việc chọn lựa ñặc tính của vòng mài kim cương trên liên kết kim loại, gốm và các hợp

chất hữu cơ, mà vẫn ñảm bảo sự nguyên vẹn của hạt kim cương trong giai ñoạn chế tạo dụng

cụ mài.

ðể ñạt ñược các mục tiêu trên thì giải quyết các nhiệm vụ sau:

1. Nghiên cứu phương pháp mô hình hóa quá trình thiêu kết vòng mài kim cương

bằng phương pháp phần tử hữu hạn.

2. Nghiên cứu phương pháp khảo sát sự bảo tồn hạt kim cương trong vòng trên

các dạng liên kết khác nhau.

3. Khảo sát quá trình thiêu kết lớp vòng mài kim cương trên liên kết kim loại,

gốm và hợp chất hữu cơ bằng phương pháp mô hình hóa 3D trạng thái cường ñộ tới

hạn của chúng, nhằm xác ñịnh ảnh hưởng của các thông số kỹ thuật của quá trình về

thuộc tính liên kết, kích thước hạt kim cương và mật ñộ hạt trên vòng mài. Từ ñó, ñưa

ra các khuyến nghị về một quá trình thiêu kết hợp lý.

Ưu ñiểm của phương pháp mô hình hóa là sự ñơn giản của nó và giá thành thì thấp. Nó

cho phép nghiên cứu bất kỳ sự phối trộn giữa ñặc tính của hạt, sự liên kết, chế ñộ thiêu kết,

mà các phương pháp cổ truyền ñã không thể thực hiện ñược.

Kiểu tính toán thứ 1 ñược ñưa ra cho mảnh vòng kim cương, bao gồm duy nhất một hạt

kim cương, có liên kết kim loại xung quanh. Ở ñây có sự thay ñổi kích thước hạt, tương ứng

Kim cương tổng hợp với pha kim loại trong hạt

Kim cương tổng hợp với sự hình thành các vết nứt

16

với dạng hạt từ 50/40 ñến 500/400 micrômet, sự thay ñổi của nhiệt ñộ và ứng suất nhiệt, và

ñồng thời nghiên cứu các thuộc tính lý hóa của phần tử thiêu kết.

Kiểu tính toán thứ 2 là khảo sát mảnh vòng kim cương, bao gồm một số hạt kim cương,

ứng với các dạng liên kết chung. Tại kiểu tính này ñã có sự thay ñổi về tỉ lệ kích thước hạt

kim cương và kích thước khối liên kết bao bọc xung quanh hạt ñó, mà tương ứng với nó là sự

khác nhau về tính chất hạt và thành phần phần trăm hạt kim cương trong lớp thiêu kết.

Cвязка

Алмазне зерно

Металофаза

Р + Т

cb

a

Т

Р

Cвязка

Алмазне зерно

Металофаза

Р + Т

a

c

b

Р Т

a1

b1

Hình 2. Mô hình hóa kiểu 1 hạt kim cương và kiểu nhiều hạt

Mô hình hóa mẫu hạt nghiên cứu: Trong mẫu hạt và liên kết ñược nghiên cứu là vật thể

ñàn hồi ñặc. Hạt kim cương ñược mô hình hóa dưới dạng 8 mặt với kích thước phụ thuộc vào

ñộ hạt nghiên cứu, từ 50x30x30 ñến 500x300x300 micrômet. Tồn tại pha kim loại trong hạt

kim cương ñược mô hình hóa xen kẽ theo hướng tự do. Hàm lượng thể tích là 0,1-10% tùy

thuộc vào kiểu hạt. Chuỗi liên kết ñược ñưa ra ở dạng mảnh lăng trụ với kích thước từ

0,5x0,5x1,1 ñến 3x3x6 mm phụ thuộc vào kích cỡ và mật ñộ hạt. Mẫu ñược ñặt tải trọng tĩnh

phân bố ñều và ñồng hướng dưới dạng áp lực và nhiệt ñộ.

Kết quả nhận ñược:

1. Ảnh hưởng của áp lực lên sự toàn vẹn của hạt:

ðối với việc ñặt hệ thống tải trọng thì vùng ứng suất nguy hiểm phân bố trên ñỉnh của

khối 8 mặt, và thực tế không gây phá hủy hạt. Các tính toán chỉ ra rằng, khối “hạt kim cương

và liên kết” chỉ với áp lực, trong phạm vi tất cả các khoảng giá trị kỹ thuật, với các loại liên

kết khác nhau và các kiểu hạt kim cương khác nhau thì ảnh hưởng không ñáng kể ñến ứng

suất trong hệ thống nghiên cứu và không dẫn ñến trạng thái phá hủy hạt kim cương.

2. Ảnh hưởng của nhiệt ñộ:

Ứng suất gây ra do ảnh hưởng của nhiệt ñộ, có tác ñộng lớn hơn nhiều và có hình ảnh

khác hẳn về sự phân bố trạng thái ứng suất. Sự gia tăng của ứng suất ñược nhận thấy trên chu

vi của hình cầu, nội tiếp trong khối 8 mặt, tại các vị trí tập trung pha kim loại trong hạt. Với

sự gia tăng của nhiệt thì ứng suất trong hệ thống nghiên cứu cũng ñã gia tăng. Rõ ràng rằng,

nguyên nhân ñó là do sự không ñồng nhất về cấu trúc trong hạt kim cương, và có sự khác biệt

lớn trong hệ số giãn nở nhiệt của kim cương và pha kim loại, dưới tác ñộng của sự gia tăng

nhiệt từ bên ngoài và xuất hiện ứng suất nhiệt từ bên trong hạt.

17

Hình 3.

3. Ảnh hưởng ñồng thời dưới áp suất và nhiệt ñộ:

Ứng suất xuất hiện trong hệ thống “hạt kim cương và liên kết” dưới tác dụng ñồng thời

của ngoại lực và nhiệt ñộ, theo sự phân bố về giá trị tới hạn của chúng giống như hình ảnh của

ứng suất nhiệt, và giá trị thì cao hơn mức bình thường của chúng là 12% cho cùng một ñiều

kiện. Ứng suất, vượt quá giới hạn bền của hạt kim cương và phân bố dọc theo lớp pha kim

loại, gây ra vết nứt bên trong hạt.

Bên cạnh việc gia tăng nhiệt ñộ thiêu kết, làm gia tăng ñộ bền của liên kết kim loại

nhưng cũng dẫn ñến một ñiều là ứng suất trong chúng và trong hạt tăng lên và có thể dẫn ñến

giá trị giới hạn bền ñối với các loại kim cương. ðiểm nhiệt mà hình thành nên ứng suất tới

hạn là vùng của pha kim loại ñược ñưa vào. Với sự tăng lên về ñộ bền khối liên kết cùng với

sự gia tăng về trị số ứng suất tại vùng gia tăng ñã ñược quan sát mà nó ñã lan truyền ra, phá

hủy ñồng thời tất cả vùng thể tích của hạt kim cương.

100

200

300

400

500

600

700

800

25 50 75 100 125 150 175 200Концентрацияk, %

Главн

ые напр

яжения

σ, М

Па

1

2

3

Biểu ñồ ứng suất và mật ñộ hạt

1- Liên kết kim loại; 2- Liên kết gốm; 3- Liên kết hữu cơ

Hình 4.

Quá trình thiêu kết thể gốm tại nhiệt ñộ

7000C

Quá trình thiêu kết thể gốm tại nhiệt ñộ

8000C

18

Chỉ số kiểu hạt kim cương càng nhỏ thì thể tích chiếm giữ của pha kim loại ñưa vào

trong chúng là càng lớn, tạo ra lớn hơn về diện tích chiếm giữ và ñộ lớn ứng suất trong hạt.

Thực nghiệm chỉ ra rằng, sự gia tăng hàm lượng kim loại ñưa vào trong hạt kim cương từ 0,1

ñến 0,6% thì dẫn ñến sự gia tăng ñại lượng ứng suất chính lên ñến 4 lần.

4. Ảnh hưởng của mật ñộ hạt kim cương:

Mật ñộ hạt kim cương trong lớp kim cương bị thiêu kết có ảnh hưởng ñến trạng thái biến

dạng về ứng suất của chúng, hình thành nên ứng suất tổng hợp trong hệ thống. Khi trong hệ

thống ñưa vào vài hạt kim cương, khoảng cách giữa chúng sẽ xác ñịnh ra mật ñộ hạt, thì

trường ứng suất của một hạt sẽ tác ñộng lên trường ứng suất của các hạt lân cận. Làm gia tăng

trạng thái ứng suất tại không gian giữa các hạt. Do ñó làm tăng ứng suất trong mỗi hạt.

Lần ñầu tiên, trên cơ sở mô hình hóa 3D trạng thái biến ñổi của ứng suất tại vùng thiêu

kết, ñã xác ñịnh ñược các khuyến nghị có căn cứ khoa học về cấu tạo tối ưu của các phần tử

ñược thiêu kết: kiểu liên kết, kiểu hạt kim cương, kích cỡ hạt và mật ñộ trong thiêu kết trong

việc ñảm bảo sự nguyên vẹn của hạt trong vòng mài sau khi chúng ñược chế tạo.

ðó là nghiên cứu và ñồng thời cũng là một phương cách ñể tìm ra các sản phẩm mới và

các giai ñoạn trong chu kỳ sống của chúng.

Tài liệu tham khảo:

1. Безруков Г.Н., Бутузов В.П., Хателишвили Г.В., Чернов Д.В. Изучение состава

включений в синтетических кристаллах алмаза методом локального анализа // ДАН

СССР. – 1972. – т. 204. – №1. – C. 84-87.

2.Бочка А.В., Григорьев О.Н., Джамаров С.С. и др. Влияние структурных факторов

на механические свойства СТМ на основе нитрида бора // Порошковая металлургия. –

1979. – №10. – С. 61-69.

3. Ваврда Й. О составе и структурных формах металлических включений в

синтетических алмазах // Сверхтвердые материалы. – 1981. – №3. – С. 27-30.