Cùng với sự phát triển của sản xuất và tiến bộ của công nghệ, đa dạng các chủng loại vật liệu chất lượng cao không ngừng xuất hiện, chính điều đó đã khiến cho những kỹ thuật và công cụ cắt truyền thống không còn đáp ứng được nhu cầu chế tạo ra các hợp kim, ...

1.  Giới thiệu

Cùng với sự phát triển của sản xuất và tiến bộ của công nghệ, đa dạng các chủng loại vật liệu chất lượng cao không ngừng xuất hiện, chính điều đó đã khiến cho những kỹ thuật và công cụ cắt truyền thống không còn đáp ứng được nhu cầu chế tạo ra các hợp kim, nguyên liệu cảm ứng nhiệt và một số loại khác. Sự xuất hiện của công nghệ cắt bằng tia nước áp suất cao đã mở ra kỷ nguyên mới của cắt lạnh. Rất nhiều loại kỹ thuật cắt phức tạp đã dễ dàng được giải quyết.

Công nghệ “cắt bằng tia nước bằng áp suất cao” được sử dụng một máy phát siêu áp có thể tạo áp suất nước lên tới 100-400 MPa, và khi nước đạt được mức áp suất cần thiết được đẩy ra qua một miệng vòi đường kính nhỏ khoảng 0,2mm, tốc độ của nó đạt tới 1000m/s (lớn gấp 3 lần so với tốc độ âm thanh). Máy cắt bằng tia nước áp suất cao có thể được sử dụng để cắt tất cả những nguyên liệu mỏng và được sử dụng cho phần bề mặt. Nếu bổ sung thêm chất mài mòn vào nước đạt mức siêu áp, nó có thể cắt bất kỳ chất liệu nào. Do vậy, việc nghiên cứu áp dụng công nghệ cắt bằng tia nước trong ứng dụng thực tế được gọi là “Công nghệ cắt bằng tia nước áp suất cao”

“Công nghệ cắt bằng tia nước áp suất cao” là công nghệ kỹ thuật hiện đại đã được nghiên cứu từ những năm 70. Lúc đầu, công nghệ này được sử dụng để cắt những vật liệu phi kim loại. Hệ thống cắt tia nước được thương mại hóa và được bán lần đầu tiên vào năm 1971 để cắt các vật dụng bằng gỗ. Đến năm1983, công nghệ này đã được thay đổi bởi sự thêm của hóa chất mài mòn và đã được ứng dụng để cắt các vật liệu kim loại, vật liệu composite và các loại vật liệu cứng khác. Hệ thống tạo áp suất cao và hệ thống công nghệ tia nước là thành công của nghiên cứu này. Bởi vì nó được sự ứng dụng công nghệ chế tạo máy, kiểm tra và sự kết hợp giữa các điều kiện về áp suất, áp suất nước, hơi, máy tính, điều khiển tự động và nhiều lĩnh vực khác. Một số nước trên thế giới đã thành công với công nghệ này. Ở nước ta, công nghệ “cắt bằng tia nước áp suất cao“ chưa được áp dụng rộng rồi vào các ngành sản xuất.

Vì vậy, trong những năm gần đây, cùng với sự đầu tư và phát triển của “Phòng Thí nghiệm trọng điểm Quốc Gia về Công nghệ Hàn và Xử lý bề mặt“, Viện Nghiên cứu Cơ khí đã có một số kết quả trong quá trình nghiên cứu công nghệ “cắt bằng tia nước áp suất cao“.

2. Thiết bị

Máy cắt bằng tia nước áp suất cao phổ biến hiện nay bao gồm hệ thống phát siêu áp, đầu cắt bằng tia nước hoà chất mài mòn, mặt phẳng máy cắt, hệ thống điều khiển tự động, hệ thông lập trình tự động và một số hệ thống khác. Hiện nay, thiết bị của chúng tôi đang sử dụng là máy cắt bằng tia nước siêu áp phổ thông ký hiệu DWJ-A/5/DPSB6-1830  CNC của hãng  Dardi Water Cutte- Trung Quốc. So với công cụ cắt truyền thống, máy cắt có một số đặc tính như sau:

1.    Sử dụng vòi nước là công cụ. Không tạo tro, không độc hại, không tạo tia lửa, chỉ rung động nhẹ trong quá trình cắt. Do vậy, đã cải thiện được môi trường làm việc và không gây ô nhiễm công nghiệp.

2.    Cắt bằng tia nước là hình thức cắt nguội. Vì vậy, nó không làm thay đổi tính chất vật lý, hoá học của vật thể, và nó trở thành công cụ cắt lý tưởng đối với chất liệu cảm ứng nhiệt.

3.    Nó có thể sự dụng để cắt bất kỳ chất liệu khó nào và chất lượng tốt.

4.    Nó có thể kết nối với đa dạng các hệ thông điều khiển máy tính như hệ tự động CAD/CAM, để có thể cắt vật thể ở bất kỳ hình dạng đa phức nào.

5.    Sử dụng vít đầu tròn và thanh truyền động được siết phía trước đảm bảo cho máy có độ chính xác cao.

6.    Dễ hoạt động

7.    Tất cả các vỏ bảo vệ có thể đảm bảo cho máy vẫn hoạt động chính xác trong môi trường xấu, ô nhiễm hoặc nguy hiểm.

Thông số kỹ thuật của thiết bị như sau:

- Áp suất tối đa:                       300Mpa.

- Tỷ số nén:                             24:1

- Lưu lượng nước tối đa:             3,7 l/phút.

- Đường kính lỗ đầu cắt tối đa:    0,3 mm.

- Kích thước cắt hữu ích:            1.200x1.200 mm.

- Độ chính xác định vị tuyến tính: 0,1 mm.

- Độ chính xác lặp lại:                0,05 mm.

- Tốc độ cắt:                            Max 15.000 mm/phút.

- Công suất động cơ chính:         22kW, 50HZ%.

- Điện áp sử dụng:                    380VAC.

3. Nguyên vật liệu sử dụng cho công nghệ “cắt bằng tia nườc áp suất cao”

Sử dụng tia nước để cắt trực tiếp lên vật liệu và dùng tia nước kèm theo hạt mài để cắt vật liệu. Nguyên liệu hạt mài có thể là hạt mài côlanhđông hoặc có thể sử dụng cát thạch anh.

4. Nghiên cứu ảnh hưởng của các thông số công nghệ

Các thông số chủ yếu ảnh hưởng đến năng suất và chất lượng cắt trong công nghệ cắt bằng tia nước áp suất cao gồm:

- Áp lực tia nước và đường kính đầu cắt.

- Cỡ, loại và tốc độ chảy của vật liệu mài mòn.

- Tốc độ dịch chuyển của đầu cắt (tốc độ cắt).

Đường nước được đưa vào bởi một bơm để tăng áp suất lên đến khoảng 190 psi (1.300 Kpa) và nước được lọc sạch đến mức cần thiết. Sau đó bơm 414 ¸ 60.000 psi (207¸khuếch đại tạo ra nước ở áp suất cao tới 30.000 Mpa) với lưu lượng dòng chảy là 3,5 gallon/phút (13,3 l/phút). Nước được đẩy mạnh qua vòi phun bằng saphia tạo ra tia nước. Vận tốc của tia nước phụ thuộc vào áp lực của nước.

Tăng áp suất, tăng đường kính tia, giảm tốc độ cắt có thể cắt những chi tiết có chiều dầy lớn hơn. Tăng tốc độ cắt, tăng lưu lượng của nước, hoặc tăng cả hai và tăng cỡ hạt sẽ làm tăng tốc độ cắt.Sử dụng cỡ hạt mài mòn nhỏ hơn và chế độ cắt chậm sẽ lợi dụng được các yếu tố chất lượng cắt của cả hai.

Tăng áp lực nước sẽ làm tăng vận tốc các và hạt mài mòn sẽ tăng khả năng cắt các vật liệu dày. Điều kiện áp lực tốt nhất ở khoảng 30.000 - 40.000 psi (270 - 310 Mpa) bởi vì áp lực cao sẽ dẫn đến việc tăng giá thành thiết bị.

Tăng tốc độ và lưu lượng dòng hạt mài cao sẽ dẫn đến giá thành sản phẩm cao và thời gian sử dụng đầu cắt sẽ giảm.

Nói chung tốc độ cắt càng cao thì hiệu quả càng cao nếu như áp suất càng cao. Nhưng áp suất cao thì lại làm gia tăng mức tiêu thụ của máy phát siêu áp. Khi áp suất quá cao thì sự hội tụ của tia nước lại trở nên kém và hiệu quả cắt sẽ thấp. Khi áp suất thấp hơn mặc dù mức tiêu thụ giảm, tốc độ cắt thấp và hiệu quả cắt lại sẽ thấp. Nếu áp suất lại thấp thì thậm chí sẽ xảy ra hiện tượng “ngập nước“. Vì vậy điều chỉnh áp suất càng chính xác càng làm tăng hiệu quả cắt đi đôi với mức tiêu thụ thấp.

Vì vậy, tùy vào từng vật liệu, chiều dày chi tiết mà ta có chế độ cắt tương ứng. Qua thí nghiệm chúng tôi đưa ra một vài thông số công nghệ ứng dụng cho cắt một số vật liệu theo bảng 1 sau:

Bảng 1. Bảng thông số kỹ thuật cắt

5. Một số ứng dụng thực tiễn

Hiện nay, công nghệ cắt này đã được ứng dụng trong kiến trúc, thiết kế trang trí, ngành sản xuất kính, vật liệu đá, chế tạo nhựa… ứng dụng trong ngành du hành vũ trụ bao gồm cắt bằng tia nước mài mòn các cấu trúc Composite, titan, niken và siêu hợp chất Coban … Trong ngành công nghệ chế tạo máy và đặc biệt là trong công nghệ sản xuất ô tô.

So với kỹ thuật cắt truyền thống thì đây đã là một tiến bộ đáng kể, song do bởi công nghệ cắt nguội mới nên nó cũng có những đặc tính riêng biệt. ví dụ, áp suất cắt yêu cầu là không giống nhau giữa các vật liệu khác nhau hoặc giữa các độ dày khác nhau của cùng một vật liệu. Vật liệu quyết định mức độ và khối lượng của chất mài mòn. Vấn đề đặt ra và sẽ được nghiên cứu trong công nghệ cắt bằng tia nước là điều chỉnh các  thông số của áp suất, lưu lượng bơm và lượng  hạt mài như thế nào để đảm bảo được chi phí thấp nhất nhưng đạt được hiệu quả cao nhất và kết quả cắt tốt nhất.

Hiện nay, chúng tôi đã đưa thiết bị vào khai thác và ứng dụng công nghệ „ cắt bằng tia nước áp suất cao „ cho một số ngành như: công nghiệp thực phẩm, chế tạo khuôn mẫu và một số các chi tiết khác:

1.  Cắt thép không rỉ S304 chế tạo lưới lọc cho hệ thống lọc lau tơ trong dây chuyền sản xuất bia. Chế độ công nghệ cắt như sau:

- Chiều dày tấm thép:                              5mm.

+ Áp lực cắt:                                200 Mpa.

+ Tốc độ cắt:                                800 mm/ phút.

+ Lưu lượng nước:                         3 l/ phút.

+ Hạt mài côlanh đông kích thước:   500m 800m.

- Chiều dày tấm thép:                              20mm.

+ Áp lực cắt:                                250 Mpa.

+ Tốc độ cắt:                                300 mm/phút.

+ Lưu lượng nước:                         3,5 l/ phút

+ Hạt mài côlanhđông kích thước:    500 ¸  800 µm.

2. Cắt thép cacbon chế tạo một số chi tiết máy:

- Chiều dày tấm thép:                                        10mm

+ Áp lực cắt:                                          250 Mpa.

+ Tốc độ cắt:                                400 mm/ phút.

+ Lưu lượng nước:                         3,5 l/ phút.

+ Hạt mài côlanhđông kích thước:    500m¸800 µm.

- Chiều dày tấm thép:                              5 mm.

+ Áp lực cắt:                                          200 Mpa.

+ Tốc độ cắt:                                900 mm/ phút.

+ Lưu lượng nước:                         3 l/ phút.

+ Hạt mài côlanh đông kích thước:   500 ¸ 800 µm.

3. Cắt nhôm tấm chế tạo một số chi tiế máy:

- Chiều dày tấm nhôm:                            20 mm

+ Áp lực cắt:                                250 Mpa

+ Tốc độ cắt.                                320mm/phút

+ Lưu lượng nước:                         3,5 l/ phút

+ Hạt mài côlanhđông kích thước:    500m¸800µm.

   - Chiều dày tấm nhôm:                         12 mm

+ Áp lực cắt:                                200 Mpa

+ Tốc độ cắt:                                450mm/phút

+ Lưu lượng nước:                         3 l/ phút

+ Hạt mài côlanhđông kích thước:    500¸800µm.

6.  Khả năng ứng dụng khác

Hệ thống cắt bằng tia nước áp suất cao được hoàn thành với qui trình như là lưỡi cưa, sự chuyển động của dao, cắt bằng ngọn lửa, bằng plasma, và bằng laser. Chúng có thể giữ cũng như chịu được sự hư hại của hơi nóng từ quá trình tạo nhiệt. Trong một vài điều kiện chúng có thể thay thế ba hoạt động nhằm giảm bớt hao phí: Cắt thô, khía rãnh v.v…

Tốc độ cắt được ứng dụng cho một số loại vật liệu phi kim loại có thể xem bảng 2 sau.

Bảng 2. Bảng thông số kỹ thuật