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

NGHIÊN CỨU KHOA HỌC<br /> <br /> <br /> NGUYÊN LÝ TẠO HÌNH BỀ MẶT CHI TIẾT KHI GIA CÔNG BẰNG<br /> TIA NƯỚC CÓ HẠT MÀI KẾT HỢP VỚI PHƯƠNG PHÁP<br /> ĂN MÒN ĐIỆN CỰC ANOT<br /> THE PRINCIPLE OF SURFACE FORMING BY WATERJET<br /> METHOD COMBINED WITH THE METHOD OF<br /> ELECTROCHEMICAL CORROSION ANODE<br /> Nguyễn Văn Toàn1, Bacherikov Ivan Viktorovich2<br /> Email: toanckct@gmail.com<br /> 1<br /> Trường Đại học Sao Đỏ, Việt Nam<br /> 2<br /> Trường Đại học Tổng hợp Kỹ thuật Lâm nghiệp Xanh Petecbua - LB Nga<br /> Ngày nhận bài: 4/12/2017<br /> Ngày nhận bài sửa sau phản biện: 26/12/2017<br /> Ngày chấp nhận đăng: 28/12/2017<br /> <br /> Tóm tắt<br /> Trong giai đoạn hiện nay, việc nghiên cứu và phát triển phương pháp gia công kết hợp giữa phương pháp<br /> gia công tia nước có hạt mài và phương pháp ăn mòn điện cực anot đã được nhiều công trình nghiên cứu<br /> chứng minh tính khả dụng của nó trong việc nâng cao chất lượng bề mặt khi gia công bằng tia nước có hạt<br /> mài. Tuy nhiên, tới nay việc áp dụng phương pháp gia công này để gia công các chi tiết có hình dạng phức<br /> tạp, đảm bảo dung sai hình dáng hình học của chi tiết còn hạn chế do chưa có phần mềm lập trình và điều<br /> khiển trên máy CNC chuyên dùng. Nghiên cứu này nhằm phân tích các chuyển động tương đối giữa phôi và<br /> tia cắt cần điều khiển, từ đó hỗ trợ việc xây dựng và áp dụng các sản phẩm phần mềm lập trình vào điều<br /> khiển quá trình gia công trên máy CNC.<br /> Từ khóa: Gia công bằng tia nước; ăn mòn điện cực; nguyên lý tạo hình; tia cắt; hình dáng hình học.<br /> Abstract<br /> <br /> In the recent, the research and development of the method of processing combined with the method<br /> of waterjet and the method of electrochemical corrosion anode are proven with the feasible in the<br /> improvement of the surface after processing by waterjet. However, the application of synthetic method<br /> processing to work the parts that have complex shapes, ensuring the accurate geometric because<br /> of short of programming and controlled on specialized CNC machines. This study aims to analyze<br /> the relative motion between the workpiece and the ray cutting that facilitating the development and<br /> application of programmed software products to control the machining process on CNC machines.<br /> Keywords: Waterjet cutting; electrode corrosion; forming principle; ray cutting; geometric shape.<br /> <br /> 1. ĐẶT VẤN ĐỀ Tuy nhiên, hiện tượng thường xảy ra trong quá<br /> trình gia công làm hạn chế khả năng áp dụng của<br /> Một trong những phương pháp triển vọng để cắt<br /> phương pháp này đó là có sự tồn tại của hạt mài<br /> kim loại là phương pháp gia công bằng tia nước<br /> trên bề mặt chi tiết gia công [2]. Phương pháp<br /> áp suất cao. Phương pháp này cho phép cắt mọi<br /> truyền thống để loại bỏ hạt mài trên bề mặt rất<br /> vật liệu với chiều dày cắt lớn và biên dạng phức<br /> tốn kém và không hiệu quả [3]. Một trong những<br /> tạp - trong quá trình gia công không có sự phát<br /> phương pháp hiệu quả để loại bỏ hạt mài trên bề<br /> sinh nhiệt cắt và các yếu tố độc hại ảnh hưởng<br /> mặt chi tiết và nâng cao chất lượng bề mặt gia<br /> đến người lao động và môi trường. Để tăng khả công là sử dụng phối hợp phương pháp gia công<br /> năng cắt bằng tia nước áp suất cao người ta cho bằng tia nước áp suất cao và phương pháp hòa<br /> thêm vào tia nước những hạt mài [1]. Các loại vật tan lớp bề mặt anot [5]. Để nâng cao độ chính<br /> liệu hạt mài thường được sử dụng là Al2O3, SiO2 xác về hình dáng hình học của chi tiết sau khi gia<br /> và garnet. công, đặc biệt là các chi tiết có biên dạng phức tạp<br /> <br /> <br /> 48 Tạp chí Nghiên cứu khoa học - Đại học Sao Đỏ, ISSN 1859-4190 Số 4(59).2017<br />  LIÊN NGÀNH CƠ KHÍ - ĐỘNG LỰC<br /> <br /> thì việc xác định nguyên lý tạo hình bề mặt chi tiết Trong sơ đồ hình 2, hạt mài 1 bị loại bỏ trong quá<br /> gia công, từ đó xây dựng phần mềm điều khiển trình hòa tan và bong ra của lớp kim loại trên bề<br /> trên máy CNC là cần thiết. mặt phôi 2 nhờ điện trường 3 và hạt dẫn điện 4<br /> (được đưa vào từ vòi phun với tốc độ trên bề mặt<br /> 2. SƠ ĐỒ GIA CÔNG ĐIỆN HÓA CÓ SỰ THAM phân cách v).<br /> GIA CỦA CÁC HẠT DẪN ĐIỆN<br /> Trong quá trình anot bị hòa tan lớp bề mặt, sự<br /> Kết quả nghiên cứu trong tài liệu [6] đã chứng minh gắn kết của hạt mài với bề măt phôi giảm xuống<br /> hiệu quả của các hạt mang điện khi gia công điện và nó sẽ bị loại bỏ dưới tác dụng của lực F tác<br /> hóa bằng phương pháp phun. Kết quả nghiên cứu động lên hạt mài dưới dòng tia nước có áp<br /> này đã chỉ ra rằng các hạt mang điện trong quá lực cao.<br /> trình gia công có tính chất giống như trong điện Chế độ cắt kim loại bằng phương pháp gia công<br /> môi hay chất dẫn. Điều khiển quá trình như vậy mở hỗn hợp bao gồm: áp lực của môi trường làm<br /> ra khả năng thiết kế các công nghệ tổng hợp mới việc tại miệng vòi phun, nguồn điện áp, tốc độ di<br /> với năng lực công nghệ cao. chuyển của đầu phun dọc theo đường cắt.<br /> Trong sơ đồ Hình 1, áp lực P đưa hỗn hợp chất Để nâng cao hiệu suất và chất lượng bề mặt gia<br /> điện phân 2 và hạt tích điện 3 qua vòi phun 1 công, áp lực của môi trường làm việc tại miệng<br /> đến bề mặt gia công 4. Lượng vật liệu cắt bỏ phụ phun được lựa chọn theo tài liệu [3]. Tốc độ di<br /> thuộc vào chế độ gia công (áp lực P, độ hạt, tính chuyển của đầu phun dọc theo đường cắt phụ<br /> dẫn điện của hạt), tính chất của môi trường làm thuộc vào sự kết hợp của hai phương pháp: gia<br /> công bằng tia nước và ăn mòn điện hóa. Để xác<br /> việc, thời gian phun và tốc độ di chuyển của dòng<br /> định được tổng giá trị dịch chuyển của đầu phun<br /> hỗn hợp dọc theo bề mặt chi tiết gia công.<br /> dọc theo đường cắt cần phải so sánh giá trị tốc độ<br /> được tính toán dọc theo đường cắt của đầu phun<br /> vc, đảm bảo loại bỏ được hạt mài ra khỏi bề mặt<br /> phôi thông qua thời gian t, lượng dư cần loại bỏ<br /> z và đường kính của đầu phun dc theo công thức<br /> vc = d c .t .cd (1)<br /> trong đó:<br /> Cd: hệ số thay đổi diện tích tiếp xúc giữa tia dung<br /> Hình 1. Sơ đồ gia công điện hóa với các hạt dịch gia công có hạt mang điện với bề mặt chi tiết<br /> nằm trong điện trường: 1 - vòi phun; 2 - môi trường so với đường kính của vòi phun dc, đường kính vòi<br /> phun được lựa chọn phụ thuộc vào chiều rộng cắt.<br /> làm việc; 3 - hạt mang điện tích; 4 - bề mặt<br /> chi tiết gia công Thời gian t có thể xác định theo công thức (2) [4]<br /> <br /> 3. CƠ CHẾ LOẠI BỎ HẠT MÀI KHI GIA CÔNG <br /> BẰNG PHƯƠNG PHÁP HỖN HỢP (2)<br /> <br /> <br /> trong đó:<br /> z: lượng dư nhỏ nhất cần hòa tan để loại bỏ được<br /> hạt mài khỏi bề mặt phôi;<br /> : trọng lượng riêng của vật liệu cần cắt;<br /> α: điện hóa tương đương;<br /> η: dòng điện sinh ra;<br /> KM: sai số trung bình;<br /> U: điện áp trên các điện cực;<br /> DU: điện áp rơi;<br /> b: mật độ hạt;<br /> Hình 2. Cơ chế loại bỏ hạt mài : tính dẫn điện riêng của dung dịch và<br /> nhờ hòa tan anot hạt mài.<br /> <br /> <br /> <br /> Tạp chí Nghiên cứu khoa học - Đại học Sao Đỏ, ISSN 1859-4190 Số 4(59).2017 49<br />  NGHIÊN CỨU KHOA HỌC<br /> <br /> Lượng dư (z) có thể xác định được khi giải hệ<br /> phương trình:<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> Hình 3. Sơ đồ dịch chuyển của tia cắt trên bề mặt<br /> trong đó: chi tiết gia công: m - điểm tiếp xúc với phần gia<br /> <br /> : áp lực chất lỏng tại miệng vòi phun; công; M - đầu vòi phun; L-L, B-B - đường sinh<br /> của bề mặt gia công; N, П, N1 - các mặt phẳng<br /> , ρ: mật độ của tia cắt và môi trường<br /> tương ứng; trong vùng gia công<br /> , V : tốc độ của tia cắt dọc theo trục và tại Trên hình 3 cho biết sơ đồ dịch chuyển của tia cắt<br /> miệng vòi phun; so với bề mặt chi tiết gia công và hình dạng của<br /> R: đường kính qui đổi của hạt; vùng gia công.<br /> <br /> h1: kích thước phần nhô ra của hạt mài khỏi bề Bề mặt gia công A được gia công với sự dịch<br /> mặt phôi; chuyển của tia cắt qua điểm M và quỹ đạo L-L, tạo<br /> bF : hệ số (sai số đặc tính trung bình); thành một đường cắt.<br /> <br /> Chuyển động cắt xảy ra nhờ sự dịch chuyển của<br /> aF : hệ số (phụ thuộc vào đặc tính của lực tác<br /> động (F) tác dụng lên phần tự do của hạt mài bề mặt A, ban đầu theo quỹ đạo L-L, sau đó theo<br /> quỹ đạo B-B.<br /> (h1+z)).<br /> Mặt cắt dọc N đi qua điểm m với mặt pháp tuyến<br /> Phương trình thứ nhất trong hệ phương trình (3)<br /> N1 (vuông góc với mặt N tại tiếp điểm), tạo ra vectơ<br /> là phương trình xác định lực tác dụng lên hạt mài<br /> tia cắt mM. Rõ ràng rằng với bất kì hình dáng hình<br /> bị mắc kẹt trên bề mặt phôi thông qua áp lực của<br /> học của bề mặt gia công A, điểm tiếp xúc của tia<br /> dung dịch chứa hạt mang điện [4].<br /> cắt m luôn luôn nằm trên pháp tuyến mM và nằm<br /> Phương trình thứ hai trong hệ phương trình (3) là trên giao tuyến giữa mặt N và N1.<br /> phương trình thực nghiệm và được xác định tùy<br /> Trong hệ trục tọa độ Đề các, trục X là chuyển<br /> theo từng trường hợp cụ thể [5].<br /> động dọc của tia cắt (theo quỹ đạo L-L), trục Y<br /> 4. NGUYÊN LÝ TẠO HÌNH BỀ MẶT CHI TIẾT theo phương nằm ngang (theo quỹ đạo B-B), trục<br /> KHI ÁP DỤNG PHƯƠNG PHÁP GIA CÔNG Z theo phương của vectơ mM (hình 4).<br /> HỖN HỢP Chuyển động của bề mặt gia công được thực<br /> Trong quá trình gia công bằng phương pháp tổng hiện gồm:<br /> hợp, việc hình thành biên dạng của bề mặt gia - Góc quay tương đối của trục X với góc kiểm soát<br /> dα<br /> công phụ thuộc vào quỹ đạo tương đối giữa tia cắt trong đó: α là góc quay tương đối của trục X<br /> dt<br /> chứa hạt mang điện và bề mặt phôi. so với quỹ đạo L-L tại tiếp điểm m; t là thời gian.<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> 50 Tạp chí Nghiên cứu khoa học - Đại học Sao Đỏ, ISSN 1859-4190 Số 4(59).2017<br />  LIÊN NGÀNH CƠ KHÍ - ĐỘNG LỰC<br /> <br /> <br /> Tương tự: Góc quay tương đối theo phương y-y:<br /> dθ Nếu độ xoắn của chi tiết là đáng kể thì phải bổ sung<br /> dt dα cho từng đường cắt (trừ đường chuyển tiếp).<br /> dx d y dz<br /> - Đường dịch chuyển thẳng: ; ; dt<br /> dt dt dt Động học của tiếp điểm m được xác định thông<br /> Nếu điều khiển được tất cả các chuyển động trên<br /> qua phương trình:<br /> theo thời gian, chúng ta thể gia công được các bề   <br /> mặt với biên dạng rất phức tạp. V0= V1 + V2<br /> Khi tia cắt dịch chuyển theo quỹ đạo L-L trong đó:<br /> (hình 3) cần đảm bảo rằng số lượng các thông số <br /> cần kiểm soát là nhỏ nhất. V0 : vận tốc tuyệt đối;<br /> <br /> Nếu chi tiết có độ xoắn không đáng kể thì có thể V1 : vận tốc chuyển động xiên;<br /> để cho từng đường cắt của tia cắt dịch chuyển <br /> dθ V2 : vận tốc chuyển động chuyển tiếp.<br /> đảm bảo chất lượng kiểm soát các thông số: ,<br /> dt Từ việc xác định được các giá trị vận độ tuyệt đối<br /> d x dθ d z d d<br /> ; , hay d z , x (góc quay của chi tiết α của điểm tiếp giáp giữa tia cắt và bề mặt gia công,<br /> dt dt dt dt dt dt<br /> được thực hiện ở cuối đường cắt tại vị trí thay đổi thông qua các chuyển động tương đối thành phần<br /> tiếp điểm tại vị trí chuyển giao giữa hai đường cắt trên từng đoạn của quỹ đạo gia công. Cho phép<br /> liền kề). xây dựng chương trình tự động hóa gia công làm<br /> sạch bề mặt bằng phương pháp hỗn hợp. Chuyển<br /> động của vectơ chứa trục của tia cắt phải đảm<br /> bảo điều kiện biên dưới dạng: v mM → Π<br /> ∧<br /> <br /> 0<br /> 2<br /> Trong đó:<br /> <br /> mM : vectơ đơn vị của tia cắt trên quỹ đạo dịch<br /> chuyển;<br /> ∧<br /> v0 mM : góc giữa vectơ v0 và mM .<br /> Để nhận được sai số nhỏ nhất khi gia công làm<br /> sạch, thông số vị trí của tia cắt đối với chuyển động<br /> tuyệt đối của chi tiết gia công cần dần đến<br /> π.<br /> 2<br /> 5. KẾT LUẬN<br /> <br /> - Xác định nguyên lý hình thành từng phần diện<br /> Hình 4. Sơ đồ tính toán khoảng cách từ vòi phun<br /> đến điểm tiếp xúc của tia cắt với bề mặt chi tiết tích trên bề mặt chi tiết gia công trong quá trình gia<br /> gia công: x, y, z - hệ trục tọa độ cố định; x1, y1, z1 - công bằng phương pháp hỗn hợp.<br /> hệ trục tọa độ di động; R, r - vectơ bán kính - Nghiên cứu đã chỉ ra các chuyển động để tạo<br /> tại điểm M và m hình cho toàn bộ bề mặt trong quá trình gia công<br /> Khi đó, quy luật tổng quát để điều khiển các đường làm sạch.<br /> cắt có thể viết như sau:<br /> - Xác định mối quan hệ giữa vị trí của tia cắt và<br /> d d d d<br /> Đường cắt thứ nhất: α = 0 ; θ = 0; x ≠ 0 ; z ≠ 0 chuyển động tuyệt đối của chi tiết gia công (thông<br /> dt d d t d<br /> t t số vị trí của tia cắt đối với chuyển động tuyệt đối<br /> dy d π<br /> Đường cắt chuyển tiếp: ≠ 0; α ≠ 0 của chi tiết gia công cần dần đến ).<br /> dt dt 2<br /> d d d - Nghiên cứu cho phép xây dựng và áp dụng các<br /> Đường cắt tiếp theo: dα = 0 ; θ = 0; x ≠ 0 ; z ≠ 0<br /> dt d d phần mềm lập trình và điều khiển quá trình gia<br /> dt t t<br /> … công trên máy CNC, mở rộng phạm vi áp dụng<br /> Chương trình điều khiển được lặp lại cho tới khi phương pháp gia công tổng hợp bằng tia nước<br /> gia công hết bề mặt chi tiết gia công. với các bề mặt phức tạp.<br /> <br /> <br /> Tạp chí Nghiên cứu khoa học - Đại học Sao Đỏ, ISSN 1859-4190 Số 4(59).2017 51<br />  NGHIÊN CỨU KHOA HỌC<br /> <br /> TÀI LIỆU THAM KHẢO [4]. Yunusov F.S. Forming of complex profile surfaces<br /> by grinding / FS. Yunusov. M: Mechanical<br /> [1]. Burnashov M.A. Determination of the cutting<br /> engineering. 1987-248 p.<br /> force for cutting the decking of the material with<br /> an aqueous high-pressure jet // Vestnik of the [5]. Smolentsev V.P. Combined separation of blanks<br /> by the hydroabrasive method / V.P. Smolentsev.<br /> Bryansk State Technical University, 2008, - No 4<br /> E.V. Goncharov, V.I. Kotukov // Progressive<br /> - P. 17-20.<br /> engineering technologies, equipment and tools.<br /> [2]. Smolentsev V.P. Formation of the Surface Layer Moscow: Spectrum, 2014. T. 3.-P.118-172.<br /> under Hydroabrasive Separation of Metals with the<br /> [6]. Smolentsev E.V. Conduction effect of granule<br /> Imposition of an Electric Field, V.P. Smolentsev, media and its use in combined dimensional<br /> E.V. Goncharov // Vestnik VSTU, 2011, volume7, processing / E.V. Smolentsev // High technology<br /> No 7 - P.74-77 in engineering, 2012. No 1 - P. 29-31.<br /> [3]. Electrophysical and electrochemical methods of [7]. GS. TSKH. Bành Tiến Long, TS. Bùi Ngọc Tuyên<br /> processing: В2-х т. Т1 / Ed. V.P. Smolentsev - M: (2012 ). Lý thuyết tạo hình bề mặt và ứng dụng<br /> Higher Education, 1983. 247 p. trong kỹ thuật cơ khí, NXB Giáo dục.<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> 52 Tạp chí Nghiên cứu khoa học - Đại học Sao Đỏ, ISSN 1859-4190 Số 4(59).2017<br />