MỸ – Thuật ngữ kỹ thuật là một trong những yếu tố quan trọng khi tìm hiểu về hệ thống cắt bằng tia nước (waterjet) (*). Năm thuật ngữ sau đây được chia sẻ bởi các chuyên gia đến từ tập đoàn Flow sẽ hữu ích cho những doanh nghiệp áp dụng công nghệ này trong sản xuất.
(*) Waterjet: là phương pháp cắt vật liệu bằng cách sử dụng một tia nước có áp suất cao và tốc độ lớn. Để tăng sức mạnh cắt phá, người ta thường trộn thêm các hạt mài (như cát thạch anh hoặc hạt garnet) vào dòng nước.

1. Áp suất siêu cao (ultrahigh-pressure – UHP)
Trong hệ thống cắt bằng tia nước, các mức áp suất khác nhau được phân loại theo những định nghĩa riêng. Áp suất siêu cao (UHP) là khoảng áp suất dao động từ 40.000 đến 60.000 psi. Đối với ứng dụng cắt bằng tia nước, hầu hết các dòng bơm hiện nay hoạt động trong phạm vi từ 55.000 đến 60.000 psi.

Các cấp độ áp suất hyperpressure

Vì sao áp suất siêu cao lại quan trọng? Ngành công nghiệp phân loại các mức áp suất dựa trên các tiêu chuẩn dùng cho hệ thống đường ống áp lực cao. Việc hiểu rõ áp suất của bơm là yếu tố chính để đánh giá một hệ thống cắt bằng tia nước, bởi nó quyết định trực tiếp đến năng suất và chất lượng mạch cắt. Khi tăng tốc độ của dòng tia, hiệu suất cắt sẽ tăng lên (xem tốc độ dòng tia bên dưới).

2. Bơm tăng áp (intensifier pump)
Bơm tăng áp tuyến tính là công nghệ nguyên bản và cũng là công nghệ phổ biến nhất được sử dụng trong hệ thống cắt bằng tia nước hiện nay. Dòng bơm này ứng dụng nguyên lý tăng áp để kích áp lực của nước lên mức cực đại.

Nguyên lý tăng áp (hay tỷ lệ tăng áp) tận dụng sự chênh lệch về diện tích bề mặt giữa piston thủy lực và lòng xi-lanh cao áp để nhân số áp suất lên nhiều lần. Cụ thể, dầu thủy lực được cấp áp lực thấp sẽ đẩy vào một piston lớn, có diện tích bề mặt lớn gấp 20 lần so với đầu piston cao áp phía đẩy nước. Nhờ đó, áp suất được khuếch đại lên gấp 20 lần. Ví dụ: áp suất dầu chỉ cần đạt 3.000 psi là đã có thể tạo ra áp suất nước đến 60,000 psi nhờ vào tỷ lệ diện tích 20:1 này.

Cấu tạo của bộ tăng áp tuyến tính

Tại sao bơm tăng áp lại phổ biến hơn? Cùng với sự phát triển của công nghệ cắt bằng tia nước, các bộ tăng áp đã được cải tiến liên tục để đáp ứng áp lực làm việc phức tạp trong môi trường sản xuất công nghiệp quy mô lớn. So với dòng bơm truyền động trực tiếp, bơm tăng áp chứng minh được độ tin cậy vượt trội cùng chu kỳ bảo dưỡng dài hơn.

3. Tốc độ dòng tia (stream velocity)
Trong hệ thống cắt bằng tia nước, khi áp suất tăng lên thì vận tốc của dòng tia nước cũng sẽ tăng theo tỷ lệ thuận.

Ngay khi dòng nước thoát ra khỏi vòi phun sẽ phụ thuộc hoàn toàn vào vận tốc. Khi đã đi qua vòi phun này, áp suất trong dòng tia bằng không. Trong công nghệ cắt bằng tia nước có sử dụng hạt mài (abrasive), dòng tia càng nhanh sẽ kéo hạt mài chuyển động càng nhanh, giúp quá trình cắt diễn ra nhanh hơn, đường kính dòng tia nhỏ hơn và lượng hạt mài tiêu hao cũng ít hơn.

Các cấp độ vận tốc dòng tia

Tốc độ dòng tia về bản chất chính là cơ chế để tia nước cắt đứt vật liệu. Vì cắt bằng tia nước thực chất là một quá trình xói mòn ở tốc độ siêu thanh (supersonic), nên khi tăng tốc độ dòng tia, sẽ tăng được hiệu suất cắt. Trong công nghệ cắt bằng tia nước áp dụng hạt mài, dòng tia nhanh hơn đồng nghĩa với hạt mài bắn ra nhanh hơn. Điều này giúp thu hẹp đường kính dòng tia và tiết kiệm lượng hạt mài cần thiết để hoàn thành mạch cắt.

4. Độ trễ dòng tia (stream lag)
Độ trễ dòng tia là hiện tượng lệch hướng của tia nước thuần túy hoặc tia nước trộn hạt mài do lực cản khi xuyên qua vật liệu cắt. Lúc này, điểm thoát của dòng tia ở mặt dưới vật liệu sẽ chạy tụt lại phía sau so với điểm đi vào của dòng tia ở mặt trên. Tốc độ cắt vật liệu càng nhanh thì độ trễ dòng tia càng lớn. Thông thường, hiện tượng trễ dòng tia sẽ xuất hiện rõ khi tốc độ cắt đạt từ 25% tốc độ cắt tối đa trở lên. Khi hạ tốc độ xuống dưới mức 25%, dòng cắt sẽ gần như đạt phương thẳng đứng hoàn hảo.

Hiện tượng trễ dòng tia

Vì sao đây lại là một thuật ngữ quan trọng cần biết? Để ngăn chặn hiện tượng trễ dòng tia, kỹ thuật viên có hai lựa chọn chính: Một là giảm tốc độ cắt và tiến hành cắt thử để kiểm tra khả năng kiểm soát dung sai (phương pháp này mất thời gian và hao phí vật liệu); hai là ứng dụng tính năng bù độ vát của công nghệ Dynamic waterjet (cắt bằng tia nước động học). Công nghệ Dynamic waterjet sử dụng một giải pháp gọi là “góc dẫn trước” (lead angle), chủ động nghiêng vòi phun về phía trước để bù lại khoảng trễ do dòng tia để lại.

5. Độ vát mạch cắt (taper)
Độ vát trong cắt bằng tia nước là hiện tượng các thành của mạch cắt không đạt được phương thẳng đứng hoàn hảo. Hiện tượng vát mạch cắt thường xảy ra phổ biến nhất ở công nghệ cắt bằng tia nước có sử dụng hạt mài, thay vì cắt bằng tia nước thuần túy. Khi cắt vật liệu, phần phía trên của mạch cắt thường sẽ rộng hơn phần phía dưới, tạo thành một mạch cắt có hình chữ V. Để giảm độ vát này, giải pháp cơ bản là giảm tốc độ cắt. Tuy nhiên, ngay cả khi đã hạ tốc độ xuống dưới 20% tốc độ cắt tối đa, mạch cắt thông thường vẫn sẽ xuất hiện một độ vát nhất định.

Hiện tượng vát mạch cắt

Độ vát và độ trễ dòng tia là hai hiện tượng luôn song hành cùng nhau. Trong khi độ trễ dòng tia ảnh hưởng đến mặt dưới của vật liệu, thì độ vát lại tác động đến mặt trên, nơi dòng tia bắt đầu đi vào vật liệu. Để giảm độ vát, việc giảm tốc độ cắt luôn được khuyến nghị. Tuy nhiên, một giải pháp tối ưu hơn hết là tận dụng tính năng tự động bù vát vượt trội của công nghệ Dynamic waterjet.

Để xem các tin bài khác về “Cắt bằng tia nước”, hãy nhấn vào đây.

 

Nguồn: Shop Metalworking Technology