GIA CÔNG CẮT CÓ DAO ĐỘNG NỘI DUNG 1 Nguyên lý gia công 2 Cắt với dao động dọc trục 3 Cắt với dao động tiếp tuyến 4 Cắt với dao động siêu âm 1 NGUYÊN LÝ GIA CÔNG • Một trong những phương pháp tăng cườn[.]
Trang 1GIA CÔNG CẮT CÓ DAO ĐỘNG
NỘI DUNG
1.Nguyên lý gia công
2.Cắt với dao động dọc trục
3.Cắt với dao động tiếp tuyến
4 Cắt với dao động siêu âm
1 NGUYÊN LÝ GIA CÔNG
• Một trong những phương pháp tăng cường quá trình cắt , cácchi tiết làm bằng vật liệu khó gia công và nâng cao năng suất giacông là cắt với vận tốc và lượng chạy dao thay đổi, còn gọi là cắt códao động Bản chất cắt có dao động là ở chỗ chuyển động có bổsung của dụng cụ cắt tương đối với chi tiết gia công
• Việc cộng dao động vào quá trình cắt trước hết làm thay đổi ,các thông số hình học khi cắt , chẳng hạn tiết diện cắt , chiều dàiphoi nhỏ , độ lớn và phương của vận tốc cắt , các góc trước và saugóc cắt Các thông số hình học khi cắt có dao động là các thông sốđộng học, các thông số hình học được xác định bởi biên độ và tần sốdao động cộng vào và tỷ lệ giữa tần số dao động và góc độ quaycủa chi tiết
• Một mặt các thông số động học cho phép cộng các thông sốdao động công vào và các chế độ cắt để nhận được động học củaquá trình cắt lớn nhất, mặt khác chúng xác định đặc điểm thay đổicác thông số vật lý của cắt có dao động , nhiệt độ cắt , sự co rútphoi , sự hình thành phoi
2 Cắt với dao động dọc trục
Hiện nay khi tiện các chi tiết bằng thép hoặc hợp kim khó giacông , phoi dây xuất hiện liên tục trên phần trước của phần cắt ,không bị phá vỡ bắng các phương pháp thông thường Trong trườnghợp người ta tiện giá đoạn rung động với tần số thấp theo phươngdọc trục Khi đó tính chất gián đoạn của quá trình cắt phoi bị phá
vỡ và được lưỡi cắt tách ra khỏi phần kim loại của chi tiết gia công Tần số của dao động cổng hưởng thêm vào khoảng 5-100Hz Biên
độ rung động phụ thuộc vào lượng chạy dao , có thể đạt đến 3mm
Sự cộng thêm vào quá trình cắt dao động của dụng cụ theophương dọc trục làm thay đổi chiều dày cắt , cũng như hàng loạtcác thông số và góc hình học làm ảnh hưởng đến các đặc tính vật lýquan trọng như lực và nhiệt độ cắt Các cuộc thử nghiệm đã chứng
tỏ rằng khi tiện rung lực cắt mang tính chất chu kỳ , có giá trị cựcđại lớn hơn khoảng 150-200% so với khi cắt thông thường , còn giátrị trung bình giảm 15-20% Điều đó có nghĩa là khi tiện rung côngcắt giảm Nhiệt độ khi tiện rung ở vận tốc cắt thấp thì cao hơn khicắt thường nhưng khi tăng vận cắt thì nhiệt độ lại thấp hơn Sựthay đổi nhiệt độ được giải thích do tác động tương hỗ của hai yếu
tố khi tiện rung sự tăng nhiệt độ do tác động rung của dụng cụ lên
Trang 2vật liệu và sự cải thiện việc thoát nhiệt nhờ tính chất gián đoạn củaqua trình cắt
Khi tiện rung độ nhám bề mặt chi tiết có thể đạt đến 20Mm
Rz=40-3 Cắt với dao động tiếp tuyến
• Các đặc điểm của loại gia công này là gần như giữ nguyên tiếtdiện dọc và ngang của lớp cắt : dao động của vận tốc trong phạm vilớn , khi đó giá trị tối đa có thể vượt đáng kể vận tốc cắt thôngthường
• Trong trường hợp này , vận tốc cắt thay đổi theo chu kỳ về độlớn và được thể hiện bằng quan hệ sau đây
• Như vậy phương pháp cắt có rung động trong đó vận tốc vàlượng chạy dạo có giá trị thay đổi , là một con đường đầy triển vọng
có khả năng gia công các loại vật liệu đặc biệt và độ bền cao đảmbảo bảo nâng cao năng suất lao động và cho phép cơ khí hóa một
số nguyên công cần nhiều sức lao động
4 Cắt với dao động siêu âm
Cắt với dao động siêu âm cho phép trong một số trường hợp cảithei65n đáng kể quá trình cắt bình thường , trước tiên là khi giacông các chi tiết làm bằng thép và hợp kim bền nóng Các kết quảnghiên cứu khi tiện chi tiết làm bằng thép Cr18N9 cho thấy rằngviệc đưa vào siêu âm làm mất đi hiện tượng lẹo dao , giảm co rútphoi , giảm lực cắt và biến cứng bề mặt gia công và nâng cao độnóng
• Ứng dụng công nghiệp hiện nay với phương pháp gia công cơvới dao động siêu chỉ hợp lý khi sử dụng dụng cụ cắt thép nhanh vàmài trong các nguyên công sau đây :
• Khi tác dụng các lực cắt nhỏ lên hệ đàn hồi
• Khi cần giảm lực cắt và loại bỏ lẹo dao
• Khi chỉ còn duy nhất phương pháp này để tạo nguyên công chosẵn
• Gia công cơ với dao động siêu âm là PPGC đạt độ chính xác và
bề mặt giac công đạt độ bóng cao ng theo hai sơ đồ nguyên lý khácnhau:
• Gia công bể chứa môi trường hạt mài rung động đưa rungđộng vào sơ đồ mài khôn thông thường
Trang 3Gia công cắt sử dụng các chất lỏng trơn nguội , môi trường khí và chất bôi trơn rắn
1 Sử dụng các môi trường công nghệ
• Là một trong các phương pháp cải thiện môi trường cắt chitiết Các môi trường công nghệ như các chất lỏng và khí trơn nguộilàm tăng tuổi thọ của dụng cắt, giảm độ nhám bề mặt , tăng cácđặc tính sử dụng các chi tiết gia công
• Các tác động hóa lý của môi trường công nghệ bao gồm cáctác động bơi trơn làm nguội , cắt và bảo vệ , đều cải thiện khả nănggia công của vật liệu
• Tác dụng cắt làm giảm nhẹ quá trình cắt Trong trường hợpnày các tác dụng hóa lý của môi trường công nghệ được thực hiệntheo ba hướng cơ bản có các đặc điểm riêng như sau
• sửMôi trường công nghệ có thể hòa tan vào vật liệu gia công Hiện tượng này được sử dụng khi phay hóa để lấy đi lượng dư nhỏkhi gia công các chi tiết có hình dạng phức tạp cũng như là để nhậnđược các bề mặt cực tinh ( đánh bóng hóa )
• Một vài chất lỏng ( nước axit acetic ) là những chất bôi trơnkém , có khả năng làm giảm mạnh công cắt riêng của một vài loạivật liệu và ngược lại các chất lỏng làm giảm mạnh ma sát lại ít ảnhhưởng đến sự gia công cắt riêng
• Ứng dụng các nguyên tố riêng biệt của các môi trường côngnghệ , quá trình phân rã phân tử của các chất hấp thụ từ môi trường
bề ngoài gây ra do tác dụng xúc tác mạnh tác dụng lên chúng của
bề mặt kim loại mới tạo thành trong quá trình cắt , do bề mặt nàybiến dạng nhiều
• Dung dịch nước của các chất hoạt động bề mặt
• Nhũ tương là hỗn hợp đồng nhất các chất lỏng thường khôngpha trộn được
• Nhũ tương được hoạt hóa ( nước , chất hoạt động bề mặt , chấtnhũ tương hóa , chất chứa hoạt động bề mặt )
• Các chất lỏng chứa dầu mỡ( dầu khoáng và dầu thực vật , dầuhôi và mỡ động vật )
Trang 4• Các chất thể huyền phù , là hỗn hợp của cac vi hạt cứng ( ví dụcác kim loại dễ nóng chảy trong chất lỏng )
ụ3 Phương pháp đưa các chất lỏng trơn nguội vào vùng cắt
• Phương pháp đưa các chất lỏng trên nguội vào vùng cắt có ảnhhưởng đáng kể đến hiệu quả sử dụng các chất này Phổ biến nhất
là phun tia vào phía trên vùng cắt Trong trường hợp này lưu lượngchất lỏng bao gồm 12-15l/ph , dầu khoáng 3-4l/ph tốc độ của tai cóthể đạt được 60-80m/ph Cũng có thể phun tia dung dịch làm nguộivào mặt sau dụng cụ cắt qua lỗ phun có đường kính 2-3mm dưới áplực thấp (0,5-2kG/cm2) Để tăng tác dụng làm nguội và bôi trơn ,tăng áp lực chất lỏng đưa vào vùng cắt là hợp lý hơn cả
• Đưa chất lỏng dưới áp lực 15-20kG/cm2 mang lại hiệu quả tolớn
ng4 Sử dụng các môi trường khí
• Sử dụng các môi trường khí khi cắt các chii tiết làm bằng thép
và hợp kim khó gia công hoặc không gỉ có một vị trí đặc biệt
• Tác dụng bảo vệ được xem là hoàn hảo nhất khi sử dụng môitrường khí Ví dụ : khí Argon Bề mặt kim sạch về mặt hóa học đượchình thành trong vùng cắt, nhanh chóng hấp thụ các phân tử củamôi trường khí xung quanh , thường là của không khí Vì vậy độ bềncủa chi tiết gai công giảm Môi trường khí đảm bảo che chở bề mặtgia công , nâng cao độ bền khi có tải trọng thay đổi
• Thêm vào trong chất lỏng dung dịch huyền phù
• Trộm chung với dầu mỡ và bôi lên bề mặt làm việc của dụng cụ
• Chà lên bề mặt của dụng cụ cắt bột MoS2 hoặc dùng bút chìđặc biệt
CÁC PHƯƠNG PHÁP GIA CÔNG ĐẶC BIỆT
GIA CÔNG BẰNG CHÙM ĐIỆN TỬ
Gia công bằng dòng điện tử
(EBM – electron beam machining)
Gia công bằng dòng điện tử (EBM) dùng dòng điện tử tốc độcao được hội tụ để tách bỏ kim loại Trong phương pháp này, mộtdòng điện tử đập vào một đối tượng và gây ra nóng chẩy và bay hơinhanh vật liệu Với khoan một vật liệu đỡ đằng sau được đặt ở phíasau của phôi, khi chùm tia xuyên qua phôi và tiếp xúc vật liệu đỡ,
Trang 5áp lực bay hơi cao tạo bởi vật liệu đỡ sẽ đẩy vật liệu phôi bị nóngchảy, để lại một lỗ trên phôi.
( Về cơ bản gia công bằng chùm tia điện tử cũng là gia côngbằng phương pháp nhiệt )
Phương pháp EBM có thể dùng để gia công nhiều loại vật liệukhác nhau và các tính chất vật liệu như độ cứng, độ dẻo, độ dẫnđiện, dẫn nhiệt và điểm nóng chẩy thường không là các nhân tố hạnchế phương pháp này ứng dụng công nghiệp lớn nhất của EBM làkhoan chính xác các lỗ nhỏ (0,1 đến 1 mm) ở kim cương
Mô tả thiết bị:
Dòng tia điện tử tốc độ cao được tạo ra trong một súng điện tử(H1) ở đó gia tốc các điện tử tự do đến tốc độ lớn hơn 60% tốc độánh sáng
Các điện tử tự do được tạo ra khi dây tóc vonfram của katốtđược nung nóng bằng một dòng điện chạy qua nó Một điện thế cao(thường là 120 kV) giữa dây tóc (katốt) và một anôt gia tốc các điện
tử tự do hướng về anốt
Vì anốt chứa một lỗ, các điện tử vượt qua anôt và tiếp tụcchuyển động hướng về phôi Một cốc thiên áp đặt giữa katôt và anôthoạt động như một lưới điều khiển số lượng điện tử bị gia tốc (dòngtia) Cốc thiên áp cũng hoạt động như một ngắt mạch để xung dòngtia
Dòng tia thông thường được điều chỉnh từ 1 đến 80 mA và côngsuất xung có khả năng lên tới 12 kW/ xung Khoan đòi hỏi việc điềukhiển rất chính xác điện áp cao, dòng tia và chiều dài xung
Súng tạo chùm điện tử cũng hội tụ chùm tia đến một mật độnăng lượng rất cao ( ít nhất 106W/mm2), với năng lượng này có thểlàm bốc hơi bất cứ một loại vật liệu nào ngay lập tức
Các cuộn dây từ trường được dùng như thấu kính điện từ để hội
tụ chùm tia (H1) Giữa 2 thấu kính là một màng ngăn, nó có chứcnăng loại bỏ các điện từ khỏi vùng mép của chùm tia Điều này làmgiảm hơn nữa đường kính điểm và giúp tạo ra phân bố mật độ nănglượng phù hợp Cuối cùng một cuộn dây có độ hội tụ đều được dùng
để chỉnh đúng các chùm tia nhỏ bị sai lệch và đảm bảo chùm tiatròn tới phôi
Buồng chân không EBM được thực hiện với phôi trong mộtbuồng chân không Khoan thường được thực hiện trong chân không
để tránh sự phân tán của tia vì các điện tử có khối lượng và bị làmlệch bởi các phân tử không khí Để bơm 1m3 không khí cần bơm mất
3 phút để đạt được độ chân không 1 Pa
Buồng chân không thường nên có thể tích nhỏ nhất là 1m3 đểgiảm thiểu lượng hạt gia công trong quá trình khoan bám vào thànhbình Các hạt này bị đẩy ngược lên trong quá trình khoan bị thu lại
Trang 6bằng các đĩa quay thuận, chồng lên nhau trên nóc của bình, chúngdính vào các đĩa này.
Các đặc tính của quá trình gia công
Quá trình vật lý của khoan EBM có thể xem xét thông qua việcchia thành các bước H4 :
*Chùm tia được hội tụ nhỏ gây ra nhiệt và nóng chảy cục bộ,nhưng chỉ làm bay hơi một lượng rất nhỏ vật liệu (H4a)
*áp lực của hơi thoát ra hình thành và duy trì một kênh mao dẫn
và đẩy các vật liệu nóng chảy vào vách của kênh mao dẫn (H4b)
*Chùm tia xâm nhập vào vật liệu bằng cách làm bay hơi vànóng chảy vật liệu, một áp suất cao của hơi vật liệu hình thành khichùm tia bắt đầu xâm nhập vào vật liệu đỡ phía sau phôi (H4c)
*áp suất hơi vật liệu cao đẩy vật liệu lỏng lên thành, để lại một
lỗ trên phôi và một hốc nhỏ trên vật liệu đỡ phôi (H4d)
Một mặt cắt ngang lỗ điển hình được biểu diễn ở H5 Cũng cómột phần ảnh hưởng của nhiệt, chùm điện tử tạo ra một lớp tái đúc
và một vùng ảnh hưởng nhiệt nhỏ khoảng 0,025 mm
Vật liệu đỡ phôi cần trong khoan bằng chùm điện tử để cungcấp hơi áp suất cao để đẩy vật liệu nóng chảy và tạo ra lỗ Vật liệu
đỡ phôi cũng bảo vệ các chi tiết bên trong khỏi bị chùm tia xâmnhập Một vật liệu thông dụng được gọi là HM/S chứa ba phần bộtđồng thau và một phần cao su silicone Vật liệu này có độ co ngótnhỏ nhưng không tái sử dụng được
Vật liệu đỡ phôi khác nữa chứa đồng thau epoxy được đúc ở vịtrí làm việc và một loại sáp dùng lại được thường được dùng khikhoan các bề mặt gần các hốc không thông Tất cả các vật liệu đỡđều có thể chế tạo dễ dàng bởi người sử dụng
Các tham số của quá trình khoan bằng chùm điện tử bao gồm :
*Điện áp thường được giữ không đổi ở 120 kV
*Cường độ chùm tia
*Thời gian giữ xung
*Độ hội tụ hay dòng hội tụ
*Điều chỉnh hướng tia
*Vị trí của các trục quay và trục tịnh tiến
*Tốc độ của các trục quay và tịnh tiến
Nói chung, các tham số này được tối ưu hoá thông qua thửnghiệm và hoàn chỉnh đối với từng ứng dụng cụ thể Thời gian xung
và cường độ xung (cường độ chùm tia) ảnh hưởng đến độ sâu vàđường kính của lỗ, thời gian xung thay đổi từ 0,05 đến 100 ms Thấukính điện từ hay cường độ hội tụ ảnh hưởng đến độ côn của lỗ vìcường độ hội tụ theo phương thẳng đứng quyết định hình dạng thựccủa lỗ (côn, thẳng hay hình khác)
Các cuộn dây lái tia được dùng để khoan trong khi dịch chuyển.Trong phương pháp này, chùm tia được lái trong giai đoạn xung sao
Trang 7cho chùm tia và phôi dịch chuyển cùng nhau trong khi khoan lỗ Khikết thúc xung, chùm tia nhảy về vị trí ban đầu của nó để khoan lỗtiếp theo.
Tốc độ khoan trong EBM được xác định bằng thể tích lỗ, hìnhdạng hình học của phôi và các giới hạn chu kỳ gia công Hình 6 biểudiễn tần số max theo thể tích lỗ Tốc độ với không gian lớn hơn cóthể được tính toán với giả thiết rằng chùm tia có thể được dịchchuyển với tốc độ 100 mm/s Công suất chùm tia cũng quyết địnhtốc độ khoan
Yêu cầu công suất tương đối để lấy đi một thể tích tương đươngcủa các kim loại khác nhau trong thời gian như nhau, được dựa trênchuẩn của nhôm bằng 1 là :
Các phôi được khoan trong EBM
Gần đây, vật liệu dày tới 8 mm ở thép có thể được khoan chocác ứng dụng công nghiệp thông dụng Độ dày vật liệu có khả năngthay đổi trong khoảng 0,05 đến 8 mm
Bảng 1 trình bày thêm các kết quả của việc khoan các vật liệukhác nhau Khoan bằng chùm điện tử có thể sử dụng trên các vậtliệu khác nhau, nhưng phần lớn các vật liệu đến nay là kim loại, nhưthép không gỉ, thép nikel và coban, đồng, nhôm và titan Đã có mộtvài thí nghiệm gia công gốm và da nhân tạo, và trên lý thuyết cóthể khoan nhựa bằng EBM Độ cứng, độ dẻo, độ dẫn nhiệt và điểmnóng chảy của vật liệu không là các nhân tố giới hạn khi khoanbằng phương pháp EBM
Ví dụ : ứng dụng EBM để khoan : Một vòm động cơ phản lực đốttrong làm bằng thép vonfram molivden coban nikel (H8) Nó cóchiều dày thành 1,1 mm và đường kính lỗ yêu cầu là 0,9 mm, 0,05
mm để làm mát Máy khoan EB dùng để gia công hầu hết 3800 lỗtrong 60 ph
Ưu nhược điểm
Trang 8Ưu điểm của khoan EB là:
* Tốc độ khoan lên tới 4000 lỗ /s
* Khoan được các hình dạng khác nhau
* Không có giới hạn về độ cứng, độ dẻo, độ dẫn điện hay tínhchất lớp bề mặt (độ phản xạ) của phôi
* Không có khó khăn gặp phải khi khoan lỗ có góc nghiêng vớimặt phẳng là các góc nhọn
* Không có biến dạng cơ khí vì không có lực tác động lên chi tiếttrong quá trình khoan
* ảnh hưởng của nhiệt hạn chế vì chỉ cần một xung để gia côngmột lỗ và thời gian xung ngắn
* Các tham số khoan dễ dàng thay đổi trong qúa trình khoancủa từng phôi, thậm chí từ hàng lỗ này sang hàng lỗ khác
* Độ chính xác được duy trì trong khoảng 0,1 mm đối với vị trí
lỗ và 5% đối với đường kính lỗ
Nhược điểm của khoan EB là :
* Chi phí đầu tư thiết bị cao
* Hiện nay tại Mỹ không có khả năng cung cấp một xưởng giacông độc lập, nhưng Steigerwald Strahltechdent ở Tây Đức có thểcung cấp
* Có lớp tái đúc mỏng vì EB là phương pháp nhiệt, lớp này có thểphải quan tâm trong một số trường hợp
* Yêu cầu người vận hành có kỹ năng khi vận hành EB , mặc dùviệc áp dụng CNC làm quá trình này đơn giản hơn rất nhiều
1 NGUYÊN LÝ GIA CÔNG
Giữa điện cực catot và chi tiết gia công phát sinh phóng điện vớicường độ rất lớn Dung dịch gia công tạo nên trên bề mặt anot mộtmàng mỏng cách điện ( gọi là màng mỏng anot ) Ở chỗ tiếp xúccủa điện cực quay với vật gia công , màng này bị lực nén cơ học làmmỏng , do đó bị đánh thủng do tác dụng của điện trường , và hồquang sinh ra Trong qua trình có hồ quang , các ion xuyên quamàng mỏng va đập vào bề mặt anot làm cho lớp bề mặt hòa tan
Trang 9vào dung dịch ( gọi là sự hòa tan anot ) Điện cực quay luôn làmphóng hồ quang ở chỗ cao nhất trên bề mặt gia công , đồng thờimang đi vật liệu bị tách ra Ở phương pháp gia công này điện cựclàm bằng gang , dung dịch thường là nước thủy tinh
2 THÔNG SỐ CÔNG NGHỆ
• Các thông số quan trọng nhất là điện áp , cường độ dòng điện ,mức độ nhấp nhô của dòng chỉnh lưu , tốc độ quay của điện cực lực nén của điện cực
a.Điện áp
• Điện áp càng lớn thì năng suất gia công càng cao Nhưng vớiđiện áp lớn ( >30 ) nhiệt độ quá cao , do đó lượng phoi lấy đi bịgiảm mạnh Điện áp tăng làm giảm độ bền của màng mỏng anot
• Xét quan hệ giữ năng suất gia công và mật độ dòng điện thìthấy rằng ban đầu khi mật độ dòng điện nhỏ thì năng suất tăngchậm , ở đây vật liệu bỉ lấy đi chủ yếu do quá trình hòa tan của anot
b.Độ nhấp nhô của dòng chỉnh lưu
• Tính chất này rất quan trọng đối với gia công thô Sự hìnhthành hồ quang trong thời gian lâu xảy ra với mật độ dòng điện lớn ,
do vậy cho năng suất cao
c.Tốc độ chuyển động của điện cực
• Tăng tốc độ của chuyển động sẽ làm tăng năng suất do hiệuquả làm mát tốt và bổ sung dung dịch Tốc độ tối ưu 5m/s Tốc độquá cao thì làm xấu hơn việc bổ sung dung dịch , do đó không có lợi
e.Lực nén của điện cực
• Ban đầu năng suất tăng lên , đạt được trị số tối ưu, sau đógiảm và giữ không đổi trong khi lực nén tiếp tục tăng Khi gia côngtinh người ta dùng lực nén lớn và với mật độ dòng điện nhỏ
f.Dung dịch
• Cũng ảnh hưởng lớn đến năng suất lấy phoi Tốc độ hìnhthành màng mỏng anot , tính cách điện và độ bền cách điện phụthuộc vào dung dịch Dung dịch cơ bản là nước thủy tinh( Na2SiO3+H2O ) có tỷ trọng d=1,15-1,30 Có khi người ta dùngdung dịch cao lanh –borax , hoặc dung dịch emulxi 2-4% dùng khikhoan thép Do dung dịch dần dần bị tiêu hoa , hơn nữa tính chấtcủa nước thủy tinh là hóa khô trong không khí , Vì vậy trong quátrình sử dụng phải thường xuyên rữa máy
g Sự hao mòn điện cực
• Điện cực hao mòn không nhiều Trường hơp gia công tinh , sựhao mòn điện cực ít , không đáng kể Trường hợp gia công thô ,nhất là với lực nén lớn và bề mặt tiếp xúc lớn thì sự hao mòn làđáng kể
h.Độ nhám bề mặt
Trang 10• Độ nhám có tính chất tương tự như gia công tia lửa điện , nghĩa
là có những chỗ rổ chồng lên nhau Với lực nén lớn thì có thể hìnhthành những đường gân nằm theo hướng chuyển động của điệncực
3.Phạm vi ứng dụng
• Phương pháp gia công bằng cơ chế anot được ứng dụng rộngrãi để gia công hợp kim cứng và các vật liệu khó cắt gọt Năng suấtgia công chủ yếu phụ thuộc vào khả năng dẫn nhiệt , nhiệt độ nóngchảy , tỷ nhiệt của nguyên liệu , còn độ bền cơ học và độ cứng thìkhông ảnh hưởng gì Các loại thép được gia công bằng năng suấtgần như nhau
• Phương pháp này được sử dụng rộng rãi để mài lưỡi cắt cácdụng cụ cắt và để cắt hợp kim cứng Thiết bị rất đơn giản Việcchuyển dịch tới điện cực với một lực nén ổn định được thực hiện nhờtác dụng của khối lượng đối trọng
Gia công điện cơ hóa
TỔNG QUÁT
1.MÀI ĐIỆN HÓA
2.ĐÁNH BÓNG ĐIỆN HÓA
GIA CÔNG LỖ ĐIỆN HÓA
LÀM SẠCH BAVIA BẰNG ĐIỆN HÓA
1.MÀI ĐIỆN HÓA
• - Mài điện hoá là dạng đặc biệt của phương pháp gia côngđiện hoá trong đó đá mài quay (catod) là một đĩa mài hình vànhkhăn dẫn điện có gắn các hạt kim cương, hoặc carbid silic hoặc
cô ranh đông, được dùng đễ tăng cường sự hoà tan của bề mặtkim loại gia công (anod) Vật liệu dùng cho mài điện hoá là oxítnhôm và kim cương Vật liệu kết dính hoặc là kim loại (cho hạt màikim cương) hoặc là nhựa trộn với các hạt kim loại để tạo thànhchất dẫn điện (cho oxít nhôm) Các hạt mài nhô ra từ đá mài tiếpxúc với chi tiết gia công hình thành nên khe hở trong mài điệnhoá Tác dụng cọ xát của những hạt mài của đĩa mài ngăn cản quátrình tự kiềm chế của anod Dòng dung dịch điện phân đi qua khe
hở giữa các hạt mài để thực hiện chức năng của nó
• Những hạt mài có hai nhiệm vụ song hành Một mặt chúng
là những hạt cách điện, và quyết định kích thước của khe hở(0,02-0,08 mm), bảo đảm sự lưu thông của dung dịch điện phân
và loại trừ khả năng bị ngắn mạch, mặc khác chúng đẩy ra khỏidung dịch điện phân lượng vật liệu đã bị bóc đi và lớp còn bámtrên vật gia công Điều rất quan trọng là sự lấy phoi là kết quảcủa quá trình điện hoá, và tác dụng mài bóng ở đây chưa phải làquyết định
• - Phương pháp có năng suất cao gấp 2 lần so với phươngpháp mài thông thường Có hai phương pháp mài bằng điện hóa :
Trang 11• Khác với các phương pháp gia công điện hóa khác, ởđây khoảng cách điện cực lớn hơn, hình dáng của vật liệu gia công
sẽ không hình thành giống như của điện cực làm dụng cụ giacông, điện cực không chuyển động trong quá trình gia công, mật
độ di chuyển của dòng điện thấp hơn và tốc độ di chuyển của chấtđiện phân thấp hơn nhiều, tốc độ bóc vật liệu cũng giảm
• - Trong phương pháp đánh bóng điện hoá vật gia công(anod) và điện cực dương (catod) được nhúng vào dung dịch mộtcách độc lập nhau Khi có dòng điện đi qua thì sự hoà tan anod bắtđầu, dòng điện tập trung ở những điểm nhô lên, còn chổ lõm làmàn muối mỏng từ dung dịch điện phân tách ra Bề mặt gồ ghềdần dần mất đi và trở nên nhẵn bóng và óng ánh
• - Ba thông số ảnh hưởng đến quá trình đó là :
• + Mật độ dòng điện trên bề mặt được đánh bóng
• + Nhiệt độ của dung dịch điện phân ở gần phần vật gia công
• - Ngoài các yếu tố trên, còn có những yếu tố khác cũng ảnhhưởng đến quá trình gia công như : vật liệu của vật cần đánhbóng, thành phần dung dịch điện phân, điện áp giữa catod vàanod
• - Với phương pháp đánh bóng bằng phương pháp điện hóa,
có thể đánh bóng các vật liệu bằng thép cacbon, thép hợp kim,đồng, đồng thau, thiếc, nhôm, niken v.v Tất nhiên với các dungdịch điện phân khác nhau Để đánh bóng thép thì dung dịch65% acid photphoric, 15% acid nitric, 6% carbid crôm, và 14%nước Thông thường dùng dung dịch có nồng độ đậm Sau khi đãthành thạo, hiểu kĩ các tính chất của dung dịch, thì hãy dùngdung dịch đó Khi dùng thử dung dịch thì cho dẫn qua dung dịchmột dòng điện 12 A.giờ/lít Nhiệt độ tối ưu của dung dịch là 700C
để đánh bóng 1 dm2 thì dùng một lít dung dịch qua 6 giờ, sau đó
bổ sung để phục hồi dung dịch
• Đánh bóng điện hóa không ứng dụng để sửa chữa các bềmặt quá ghồ ghề Độ ghồ ghề được giảm nhiều lắm cũng chỉ được3-4 cấp Đánh bóng điện hóa bề mặt thô dù có tiến hành trongthời gian dài cũng không làm mất đi những vết rạn nhỏ li ti vànhững nhấp nhô trên đó
• - Nếu sau khi đánh bóng bằng phương pháp thông thường màtiến hành đánh bóng bằng điện phân, thì bề mặt có khả năngchịu ăn mòn tốt và có ứng suất chịu mỏi tốt, hệ số ma sát giảm mà
Trang 12không gây tác hại nào trên bề mặt Có thể dùng phương phápquang học (phản chiếu và giao thoa) để kiểm tra độ bóng.
• - Để có thể gia công đánh bóng bằng điện phân, bề mặt phảithật sạch, không có dầu mỡ, và chỉ như vậy mới gia công được.Phương pháp đánh bóng điện hóa tiến hành theo qui trình nhưsau :
• + Làm sạch mỡ trên mặt gia công
• + Trung hoà bằng dung dịch 3% natri cacbonat
• + Làm sạch bằng nước nóng đang chảy
• Ưu điểm cũng như tính chất của phương pháp đánh bóng điện
• + Thiết bị gia công rẻ và đơn giản
• + Chất lượng bề mặt được cải thiện hơn
• + Có khả năng đánh bóng những bề mặt cứng
• + Không có biến dạng và thay đổi cấu trúc lớp bề mặt
• + Có khả năng tự động hóa được quá trình gia công
• + Giảm nhẹ điều kiện lao động của công nhân
• - Nhược điểm của nó là :
• + Độ bóng bề mặt phụ thuộc vào độ đồng nhất của vật liệu
• + Khó giữ đúng được kích thước và hình dạng cũ
• + Tuổi thọ của dung dịch điện phân có hạn
• + Chỉ áp dụng đối với bề mặt không quá gồ ghề
• GIA CÔNG LỖ ĐIỆN HÓA
• - Gia công lỗ điện hoá hay còn gọi là khoan điện hóa là ứngdụng cuả phương pháp gia công điện hoá trong việc khoan các lỗrất nhỏ bằng cách sử dụng các dòng điện có áp kế cao và dungdịch điện phân axít Dụng cụ như là một đầu thuỷ tinh có điệncực bên trong Người ta có thể sử dụng một ống thuỷ tinh cónhiều nhánh để gia công cùng một lúc 50 lỗ Công nghệ này
Trang 13được phát triển để khoan các lỗ làm mát trong các tua bin củađộng cơ phản lực Các lỗ không chịu áp suất này có đường kính
từ 0,1÷0,76 mm (0,004÷0,030 inch) với tỉ lệ giữa chiều sâu vàđường kính lỗ là 50:1, thông thường được làm từ hợp kim nickel
và cobal Axít được dùng để kim loại hoà tan vào dung dịch thay vìkết tủa
• Phương pháp gia công này có thể được sử dụng để khoancác lỗ định hình làm bằng kim loại khó gia công, dẫn điện Với các
lỗ chiều sâu đến 610 mm và đường kính từ 0,5÷1,27 mm thì cóthể gia công bằng phương pháp này Phương pháp này có đặcđiểm là dùng điện áp 1 chiều thấp từ 5÷10 volt và các điện cựcđặc biệt là những ống dài, thẳng, kháng axít được bọc bên ngoàibằng lớp men cách điện Dòng axít được tăng áp đi qua ống vàtrở về khe hở (0,025÷0,05 mm) nằm giữa thành ống và thâncủa lỗ
• GIA CÔNG LỖ ĐIỆN HÓA
• + Đánh bavia trong bể điện phân : Cách này giống đánh bóng
điện hóa, lợi dụng hiện tường điện trường tập trung ở nhữngcạnh góc, ở đây mật độ điện lớn nhất, như vậy vật liệu được lấy đinhiều nhất và nhanh nhất nên bavia được lấy đi nhanh chóng.Bavia ở những bề mặt không bị che lấp cũng bị lấy đi nhưng vớimức độ nhỏ hơn nhiều Với Bavia cao từ 0,2 đến 0,3 mm thì có thểtấy hàng loạt, năng suất sao Ưu điểm nổi bật là có thể tẩy baviatrên bề mặt phức tạp có hình dạng bất kỳ
• + Đánh bavia trên thành phẩm : Cách này có năng suất cao
hơn 3÷4 lần so với cách tẩy bavia trên bề mặt điện phân Điện cựcdùng làm dụng cụ tẩy bavia được nối vào cực âm với hình dángđược cấu tạo sao cho khi đặt nó dọc bavia thì sẽ tạo ra 1 khe hởnhỏ Dung dịch điện phân được phun qua rãnh đó với tốc độ chảylớn làm mất bavia 1 cách nhanh chóng
• - Cách thứ 2 này phức tạp hơn cách thứ nhất, phải sau 3÷4năm mới thu hối được vốn mua thiết bị Ở gần các cạnh đã tẩybavia thấy có màu sẫm do ở đó có oxít hoá, nhưng tính chất bềmặt không bị ảnh hưởng gì đó không cần thiết phải tẩy đi Cả haicách tẩy bavia đều có thể ứng dụng rộng rãi trong sản xuất tự độnghoá
• GIA CÔNG ĐIỆN HÓA
• 1 Giới thiệu
• Gia công điện hoá (ECM): là sự loại bỏ kim loại có điều khiểnbằng sự hoà tan anôt trong một hệ thống điện phân ở đó phôi làanôt và dụng cụ là katôt Chất điện phân được bơm qua khe giữadụng cụ và phôi, trong khi dòng điện một chiều đi qua hệ thống vớiđiện áp thấp để hoà tan kim loại của phôi
Trang 14• Mặc dù gia công điện hoá đôi khi áp dụng cho sản xuất loạtnhỏ, phương pháp này tốt nhất là dùng trong sản xuất loạt lớn vì chiphí dụng cụ, lắp đặt và chi phí thiết bị cao Một máy công cụ 15000Ampe để gia công kim loại với tốc độ 25x103mm3/ph có thể có giá400.000 ÷ 700.000 USD (không bao gồm thiết bị phụ và các vấn đềphụ trợ khác)
• VD: Nếu sử dụng dung dịch chất điện phân là muối ăn NaCl,vật liệu gia công là sắt nguyên chất (Fe) thì trong quá trình gia côngđiện hoá sẽ xảy ra các hiện tượng sau
• 2 Điều khiển quá trình
• Tốc độ tách bỏ vật liệu trong ECM được điều khiển bởi định luậtPharaday Các biến cơ bản tác động đến mật độ dòng điện và tốc độtách bỏ vật liệu là:
• Điện áp
• Tốc độ tiến dao
• Tính dẫn điện của chất điện phân
• Lưu lượng chất điện phân
• Thành phần chất điện phân
• Vật liệu phôi
• Điện áp: giữa khe hở gia công ảnh hưởng đến dòng điện và tốc
độ cắt bỏ vật liệu, nó được điều khiển trong phần lớn các hoạt độngECM, trong gia công điện hoá U 8 20V Tuy nhiên với một điện
áp không đổi, dòng điện cũng phụ thuộc vào trở kháng ở khe hở giacông Trở kháng khó điều khiển hơn nhiều vì nó phụ thuộc vào tínhdẫn điện của chất điện phân và chiều rộng của khe hở
• Tốc độ tiến dao : Ở một điện áp không đổi cả khoảng hở mặtbên và mặt trước đều tỷ lệ nghịch với tốc độ ăn dao, ảnh hưởng tácđộng lên khoảng hở mặt bên khoảng 60% Khe hở ở mặt trước làhàm của tốc độ tiến dao vì khi katốt tiến gần anốt với tốc độ caohơn, khe hẹp hơn dẫn đến trở kháng giảm Khi trở kháng giảm,dòng điện tăng do đó tốc độ gia công tăng đến khi cân bằng đượcthiết lập Tốc độ tiến dao giảm, tốc độ gia công giảm khi khe hởtăng vì katốt không gần bề mặt phôi Khi khe hở tăng, trở khángtăng và dòng giảm
• Tốc độ tiến dao phụ thuộc vào dạng bề mặt gia công Tốc độtiến dao khi gia công Inconel 718 (hợp kim NiCrFe độ bền cao) nhưsau:
Trang 15• Lưu tốc chất điện phân: là một thông số trong việc điều khiểnquá trình ECM Nhiệt độ của chất điện phân tăng khi chẩy qua khe
hở gia công phụ thuộc vào lưu lượng Thêm vào đó, tốc độ ở đó cácbong bóng Hydrô được mang đi do đó ảnh hưởng đến tính dẫn điện.Điều khiển áp lực là một phương pháp điều khiển lưu tốc (đặc biệtkhi sử dụng bơm ly tâm) Lưu tốc cũng ảnh hưởng đến mức độ chảyrối của chất điện phân khi nó đi qua khe hở gia công và điều nàyảnh hưởng đến chất lượng bề mặt Lưu tốc cũng phải đủ lớn để rửatrôi lớp “bùn” sinh ra trong quá trình gia công
• Vật liệu phôi: vật liệu phôi cũng ảnh hưởng đến tốc độ tách bỏvật liệu và mật độ dòng điện Tốc độ tách bỏ vật liệu lý thuyết vớicác kim loại khác nhau được liệt kê ở bảng sau Tốc độ này được suy
ra từ định luật Faraday
• 3 CHẤT ĐIỆN PHÂN:
• Chất này có 3 chức năng trong ECM:
• Truyền dòng điện giữa dụng cụ và phôi
• Mang các sản phẩm phản ứng khỏi vùng gia công
• Tản nhiệt tạo ra trong quá trình gia công
• Chất điện phân phải có tính dẫn điện tốt, ít độc hại và ít ănmòn, ổn định về tính chất hoá và điện hoá, có tác dụng chống ôxihoá Phôi nên được hoà tan ở dạng xệt Chất điện phân hoạt độngtốt hơn khi cấu trúc tinh thể của phôi nhỏ mịn và khi các thànhphần của nó có một tốc độ loại bỏ kim loại đều hiệu quả
• 3.1 Loại chất điện phân
• Dung dịch cloric: là chất điện phân hay dùng nhất Nó có thểđược giữ ở độ mạnh không đổi bằng cách thêm nước vào để duy trìnồng độ của nó và độ dẫn điện của nó không đổi với độ PH thay đổi
từ 4 đến 13 Trong gia công ECM phản ứng hoá và điện hoá và sự có
Trang 16mặt của các hydroxit kim loại có tác động giảm sốc, giữ độ PH trongphạm vi trung tính 4 đến 10 mà không cần các phương pháp kiểmsoát đặc biệt
• Chất điện phân cloric natri cũng có vài nhược điểm Nó có tính
ăn mòn trung bình và tạo ra một lượng lớn chất kết tủa Một vài kimloại như vonfram và titan nguyên chất không thể gia công trongchất điện phân natri cloric Chất lượng bề mặt xấu trên bề mặt hợpkim nhôm ở đó có chứa Silic khi dùng loại chất điện phân này (trongECM)
• Nitrat natri là loại muối được sử dụng độc lập hay kết hợp vớicloric natri trong vài ứng dụng Nitrat natri cho chất lượng tốt hơntrên hợp kim nhôm và đồng và ăn mòn kém hơn cloric natri, nhưng
nó đắt hơn và có xu hướng gây ra tính thụ động trên vài bề mặt làmviệc Phản ứng điện hoá của nó cũng kém hiệu quả hơn cloric natri
• Chất điện phân không kết tủa
• Các dung dịch kiềm mạnh (NaOH) được dùng trong gia côngđiện hoá các kim loại nặng (như vonfram & môlipden) và các hợpkim của chúng Chất này trong chất điện phân cũng cho tính dẫnđiện ổn định cần thiết Tuy nhiên các hợp chất mới như Sodiumtunstate (Na2WO42H2) và Sodium molybdate (Na2MoO42H2) hìnhthành trong quá trình gia công cần phải kiểm soát quá trình Kiểugia công ECM này được gọi là kiểu phân tích vì muối kiềm bị phântích trong quá trình gia công Các hợp chất mới trong quá trình giacông tan hoàn toàn trong nước và kết tủa không xảy ra
• Tuy nhiên các kim loại nặng có xu hướng tách khỏi dung dịch
và bám vào katốt Vì vậy các katốt phải được làm sạch định kỳ vìlớp phủ này ngăn cản quá trình gia công chính xác và điều khiển
• Các chất điện phân là axit mạnh (HCl, H2NO3, H2SO4) cũng đượcdùng trong kiểu gia công tan Các kim loại bị tách bỏ bằng gia côngđiện hoá cũng hình thành các chất mới (như niken cloric, nikennitrat, niken sunfat) tuỳ theo chất điện phân Khí hydro cũng đượctạo ra trong quá trình này
• Các chất mới này trong các chất điện phân axit phải lấy được
ra bằng phương pháp điều chỉnh hay bằng cách thay thế định kỳbằng axit không sử dụng Hiện tượng mạ trên katốt xảy ra sớm,bám chặt và liên tục Thường phải đảo chiều điện áp định kỳ để giữcho các bề mặt katốt được sạch Tuy vậy mức tạp chất trong dungdịch tăng liên tục và cần phải điều chỉnh chất điện phân
• Chất điện phân kết tủa
• Bao gồm các hydroxit hay hydrat oxit của kim loại gia công,
nó được tạo ra trong các chất điện phân là các muối thông thườngkhoảng 6 8 kg chất kết tủa/ 1 kg kim loại sau khi nén lọc Dungdịch Natri cloric có thành phần 0,2 kg/ L trở lên nhớt hơn ngay khilượng kết tủa vượt quá 2 % khối lượng Khi khe hở gia công nhỏ hơn
Trang 17hay lưu tốc chất điện phân lớn hơn cần phải dùng chất điện phân ítnhớt hơn Chất điện phân thích hợp nên chứa không qúa 2% khốilượng chất kết tủa.
• Chất điện phân có tới 2% chất kết tủa gần như là dung dịchsạch Có ít sự khác nhau trong tính dẫn điện, tốc độ tiến dụng cụ giacông, chất lượng bề mặt hay sự chính xác gia công Dung dịch bẩn
có thể đọng nhiều hơn kết tủa trên cạnh của phôi, phụ thuộc chủyếu vào lưu tốc của chất điện phân Có một vài nguy hiểm khi chấtkết tủa có thể kẹt ở khe hở gia công hay đường chảy của chất điệnphân, gây ra ngắn mạch hay cản trở dòng chảy Đặc biệt vì lý donày cần phải dùng chất điện phân sạch
• Lọc: Việc lọc bằng li tâm và lắng chất kết tủa là các biện phápchung để loại bỏ chất này Thông thường việc lọc được tiến hànhthậm chí với cả hai chất điện phân rẻ nhất (Natri cloric) hơn là loại
bỏ và thay chúng
• Nồng độ: dung dịch điện phân trong gia công điện hoá thường
ở mức trung gian
• Tính dẫn điện: của chất điện phân phụ thuộc chủ yếu vào nồng
độ và nhiệt độ của nó Nó phải được kiểm soát bởi vì nó ảnh hưởngtrực tiếp đến công suất yêu cầu và tốc độ tiến dụng cụ gia công Độdẫn điện càng cao, tốc độ tiến dụng cụ gia công càng cao
• Lưu tốc: của chất điện phân là quan trọng vì chất điện phânphải giảm nhiệt hợp lý và tạo ra phản ứng hoá học Lưu lượng có thểliên quan đến dòng điện sử dụng: tỷ lệ lưu lượng trên dòng điệncàng lớn, nhiệt càng được giảm và phản ứng tạo ra tốt hơn Tuynhiên chi phí cho việc bơm tăng lên và lưu tốc quá lớn có thể gây raxói mòn cục bộ trên phôi hay dụng cụ gia công Lưu tốc cũng ảnhhưởng đến chất lượng bề mặt và độ chính xác gia công
• CÁC CHÚ Ý VỀ AN TOÀN
• Natri cloric và kali được dùng làm chất điện phân không có cácbiểu hiện nguy hiểm bất thường
• Các muối ôxit khô như Nitrat natri và đặc biệt là Natri clorat dễ
có nguy hiểm Chúng không nên cho tiếp xúc và khô trên các bộphận hay trên các vật liệu dễ cháy
• Các chất kiềm (ướt hay khô) đều nguy hiểm đối với các môtrên cơ thể, do đó phải tránh các dạng mù, hơi và bụi của các chấtkiềm
• Việc thông gió phải được tiến hành khi dùng và lưu giữ cáchoá chất Găng bảo vệ và mặt nạ bảo vệ cần sử dụng khi lưu giữ, sửdụng phần lớn các hoá chất Hydro sinh ra ở katốt của ECM phảiđược hút ở điểm cao nhất của vòm xưởng để tránh nổ
• Các chất điện phân được dùng để gia công các hợp kim chứaCrôm và các kim loại nặng khác có thể nguy hiểm với môi trường