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

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