Bài 6.4CắtChương 6 · Cắt và gia công phi truyền thống

Cắt tia nước

Nước áp suất rất cao, thường kèm hạt mài, xói mòn tạo đường cắt

Cắt tia nước cắt vật liệu bằng một tia nước mảnh như sợi tóc được đẩy qua một viên đá quý nhỏ xíu ở áp suất khổng lồ. Trộn với cát garnet mịn, tia nước cắt được thép, titan, đá và thủy tinh; chỉ nước tinh khiết thì cắt được xốp, cao su và cả thực phẩm. Vì không có gì nóng lên, mép cắt giữ nguyên tính chất ban đầu, khiến cắt tia nước là máy cắt cho các vật liệu mà nhiệt sẽ làm hỏng.

Ảnh: Public domain, qua Wikimedia Commons

Đầu cắt tia nước có hạt mài trên phôi, mặt cắt ngang dọc theo đường cắtHình là mặt cắt ngang dọc theo đường cắt, với đầu cắt được cắt mở; đầu di chuyển sang phải. Các số trong vòng tròn khớp với các bước bên dưới.

Cách hoạt động

Tạo áp suất. Một máy bơm, thường là bộ tăng áp (bơm piston nhân áp suất), nâng nước lên khoảng 4.000 bar (60.000 psi), một số máy còn cao hơn.
Tạo tia nước. Nước đi qua một lỗ phun: một viên sapphire, ruby hoặc kim cương có lỗ rộng vài phần mười milimet. Áp suất biến thành tốc độ, lên đến khoảng 900 m/s.
Thêm hạt mài. Tia nước nhanh đi qua buồng trộn và hút cát garnet từ một phễu, như bình xịt hút chất lỏng lên.
Nhắm và xói mòn. Một ống trộn dài, cứng (hay ống hội tụ) làm thẳng hỗn hợp thành tia rộng khoảng 1 mm. Hàng triệu hạt đập vào phôi và xói mòn một rãnh cắt hẹp (khe cắt) xuyên qua nó.
Hứng tia nước. Bên dưới phôi, một bể nước sâu làm chậm tia nước đã hết lực và thu gom cát đã dùng cùng mảnh vụn.
Đi theo đường chạy. CNC di chuyển đầu cắt dọc theo đường viền. Tia nước cong ngược lại ở đáy các nhát cắt dày, nên máy chậm lại ở các góc để giữ chúng sắc.

Thông số chính

Vật liệu: Hầu như mọi thứ: thép, titan, nhôm, đá, thủy tinh, gốm, composite (có hạt mài); xốp, cao su, vải, giấy, thực phẩm (nước tinh khiết)
Chi tiết thường gặp: Biên dạng phẳng, gioăng, mặt bàn đá và đá khảm, tấm kính, giá đỡ hàng không vũ trụ
Kích thước chi tiết: Bàn rộng đến vài mét; kim loại dày đến khoảng 150 mm
Độ chính xác: Thường khoảng ±0,1 mm; chi tiết dày có độ thon nhẹ
Bề mặt hoàn thiện: Mờ, như phun cát; nhẵn gần phía trên, có vân gợn sóng mờ gần phía dưới; không có vùng ảnh hưởng nhiệt
Số lượng phù hợp: Từ một chi tiết đến loạt vừa
Chi phí khuôn dụng cụ và máy: Không cần khuôn dụng cụ; máy từ hàng chục đến vài trăm nghìn USD, cộng chi phí bảo dưỡng garnet và máy bơm
Tốc độ: Chậm hơn laser hay plasma; kim loại dày có thể mất vài phút cho mỗi mét cắt

Ưu điểm và hạn chế

Ưu điểm

Không nhiệt: không cong vênh, không cứng hóa, không cháy cạnh
Cắt hầu như mọi vật liệu, kể cả đá, thủy tinh và composite
Chi tiết dày, đến khoảng 150 mm kim loại
Một máy cắt nhiều vật liệu mà không phải thay dụng cụ

Hạn chế

Chậm hơn và đắt hơn mỗi mét cắt so với các phương pháp nhiệt
Garnet, phớt bơm và lỗ phun là vật tư tiêu hao đắt tiền
Khe cắt khoảng 1 mm và hơi thon ở chi tiết dày
Ướt và ồn; chi tiết phải được làm khô và bể phải được dọn bùn

Ứng dụng

Hàng không vũ trụChi tiết titan và composite mà nhiệt sẽ làm hỏng
Đá và thủy tinhMặt bàn bếp, đá khảm sàn, tấm kính và tranh khảm
Xưởng gia côngPhôi tấm dày, mẫu thử, chi tiết hợp kim cứng
Ô tôThảm nội thất, trần xe và gioăng (nước tinh khiết)
Thực phẩmChia bánh, thanh kẹo và cá đông lạnh (nước tinh khiết)
Gioăng và xốpGioăng cao su, tấm lót bao bì xốp

Cách nhận biết

Mặt cắt mờ, như phun cát mịn, hoàn toàn không có màu nhiệt.
Các đường cong mờ gần đáy các nhát cắt dày, uốn ngược so với hướng cắt.
Hơi thon: đường cắt thường rộng hơn một chút ở trên so với ở dưới.
Hình dạng tinh xảo trong đá hoặc thủy tinh, như đá khảm sàn, mà không cưa nào làm được.

So sánh với

Cắt laser6.2nhanh hơn và chính xác hơn với tấm mỏng, nhưng nó làm nóng mép cắt và không cắt được đá hay kính dày.Cắt plasma6.3nhanh và rẻ hơn nhiều với thép dày, nhưng để lại mép vát, bị ảnh hưởng nhiệt và chỉ cắt được kim loại.Gia công siêu âm6.9cũng xói mòn bằng hạt mài, nhưng khoan các hình dạng trong vật liệu rất cứng, giòn thay vì cắt biên dạng.

Xem video

Fireball Tool · Kiến thức cơ bản về bàn cắt tia nước, dành cho người mới

Waterjet Channel - Daniel Adair · Máy bơm, lỗ phun, ống trộn và bể hứng được giải thích

Secrets of Everyday Things · Vì sao chỉ có áp suất thì chưa đủ để cắt thép

OMAXCorp · Một đầu cắt nghiêng hiệu chỉnh độ thon, nhìn cận cảnh

Xem ảnh thật

Wikipedia: Water jet cutter — tổng quan kèm sơ đồ đầu cắt có hạt mài (lỗ phun, garnet, ống trộn)
Tìm ảnh trên Wikimedia Commons

Ghi nhớ

Áp suất biến thành tốc độ tại lỗ phun đá quý nhỏ xíu; cát garnet cho tia nước sức cắt.
Không nhiệt, nên cắt sạch đá, thủy tinh, composite và kim loại nhạy nhiệt.
Chậm hơn và ướt hơn laser hay plasma, với khe cắt khoảng 1 mm và hơi thon.