bài giảng các quá trình gia công cơ khí

nguyên lý gia côngBản chất: hạt mài trong dung dịch, đ ợc truyền dao động tần số cao siêu âm bắn phá, bào mòn vật liệu phôi.. • Vật liệu dụng cụ phải có khả năng truyền âm tốt, có độ da

C¸c ph ¬ng ph¸p c¬ häc

(Mechanical Processes)

ThS TrÇn Anh Vµng Khoa Hµng kh«ng vò trô, Häc viÖn KTQS

1 Gia c«ng b»ng siªu ©m (Ultrasonic Machining - UM)

2 Gia c«ng cã hç trî cña siªu ©m (Ultrasonic Assisted Machining - UAM)

3 Gia c«ng b»ng tia n íc (Water Jet Machining - WJM)

4 Gia c«ng b»ng tia h¹t mµi (Abrasive Jet Machining - AJM)

1 gia công bằng siêu âm

(Ultrasonic machining)

ThS Trần Anh Vàng Khoa Hàng không vũ trụ, Học viện KTQS

1.1 Nguyên lý gia công1.2 Thiết bị và dụng cụ1.3 Chế độ gia công1.4 Khả năng công nghệ`

1.1 nguyên lý gia công

Bản chất: hạt mài trong dung dịch, đ ợc

truyền dao động tần số cao (siêu âm) bắn phá, bào mòn vật liệu phôi

Quá trình

- Dung dịch chứa hạt mài đ ợc bơm vào khe giữa dụng cụ và phôi (khoảng 0,02-0,1mm);

- Dụng cụ dao động vuông góc với bề mặt gia công, với tần số siêu âm, khoảng 16-25kHz, biên độ khoảng 20-

75àm;

- Hạt mài nhận năng l ợng dao động, chuyển động với vận tốc cao, bắn phá, làm vỡ, mòn bề mặt phôi

- Dụng cụ chuyển động tịnh tiến dọc trục, thực hiện ăn dao theo ph ơng Z;

- Nếu phôi chuyển động đ ợc theo X, Y

1.1 nguyªn lý gia c«ng

1.2 Thiết bị và dụng cụ

- Transducer: Bộ chấp hành (tạo dao động)

- Horn: Bộ khuyếch đại dao

- Return slurry: Đ ờng hỗn hợp về bể

- Slurry tank: Bể chứa hỗn hợp

1.2 ThiÕt bÞ vµ dông cô

• Dụng cụ có nhiệm vụ biến dao động điện tần số cao thành dao

động cơ theo chiều trục, khuyếch đại đến biên độ cần thiết truyền cho

đầu dụng cụ Thân dụng cụ và đầu dụng cụ đ ợc thiết kế sao cho chúng làm việc trong chế độ cộng h ởng.

• Có 2 loại nguồn dao động:

– áp điện (piezoelectric), công suất d ới 900W, hiệu suất cao (đến 95%).

– từ giảo (magneto-strictive), công suất tới 2,6kW Loại này dùng lõi Ni hoặc hợp kim Ni, hiệu suất chỉ đạt (20-35%), nên cần hệ thống làm nguội.

• Vật liệu dụng cụ phải có khả năng truyền âm tốt, có độ dai và chịu

mỏi, nên th ờng dùng Monel (hợp kim Ni + Cu + Fe), hợp kim Ti, thép không gỉ, đồng.

1.2 Thiết bị và dụng cụ

Nguồn dao động dựa Nguồn dao động dựa

1.2 Thiết bị và dụng cụ

1.2 ThiÕt bÞ vµ dông cô

1.2 ThiÕt bÞ vµ dông cô

• Vật liệu hạt mài phải cứng, sắc có vận tốc cao, khi va đập vào bề mặt phôi

tạo ra những vùng hẹp, có ứng suất lớn, làm nứt, vỡ bề mặt và bứt phá vật liệu phôi Vật liệu mài th ờng dùng Nitride Bore (CBN), Oxit nhôm (Al2O3), Carbide Silic (SiC), Carbide Bore (B4C), kim c ơng,

• Kích th ớc hạt mài ảnh h ởng trực tiếp đến độ nhám bề mặt và năng suất gia

công Hạt mài mịn cho bề mặt bóng nh ng năng suất thấp Th ờng dùng cỡ

15-150 à m.

• Hỗn hợp mài có n ớc và hạt mài (tỷ lệ 1:1 theo khối l ợng) Hỗn hợp loãng

dùng khi gia công lỗ sâu, khe hẹp.

• Có thể gia công vật liệu cứng, giòn, nh gốm, thủy tinh, carbide, hoặc các vật

liệu dai, nh thép không gỉ, hợp kim Ti.

• Có thể gia công các bề mặt không gian phức tạp, nh lỗ không tròn, lỗ có đ

ờng tâm cong, hoặc các bề mặt nghệ thuật.

• Tỷ số bị bào mòn giữa vật liệu chi tiết và dụng cụ khi cắt thủy tinh khoảng

100:1, khi cắt thép khoảng 1:1

1.3 Điều kiện gia công

1.3 §iÒu kiÖn gia c«ng

Kết quả gia công phụ thuộc:

• Hỗn hợp mài (vật liệu, cỡ hạt, hình dạng hạt, nồng độ);

• Dụng cụ và gá dụng cụ (vật liệu, tần số và biên độ dao động);

• Vật liệu phôi Vật liệu giòn (gốm, thủy tinh, carbide, ) dễ gia công Có thể

gia công cả vật liệu không dẫn điện

Khả năng công nghệ:

• Tỷ số chiều sâu/đ ờng kính lỗ: 40:1;

• Có thể gia công các lỗ nhỏ (0,3mm), tròn hoặc không tròn, tâm thẳng hoặc

Ưu điểm

• Gia công đ ợc mọi vật liệu, bất kể tính dẫn nhiệt, điện của nó;

• Có thể gia công các vật liệu phi kim loại: nhựa, bán dẫn (Si, Ge);

• Không làm hỏng lớp bề mặt (biến cứng, nứt tế vi, ứng suất d ) do không có

tác dụng hóa, cơ, nhiệt;

• Có thể gia công chính xác các lỗ nhỏ (0,3mm), tròn, không tròn, lỗ tâm

cong, từ vật liệu cứng, giòn nh gốm, thủy tinh, đá;

Khả năng công nghệ:

• Dụng cụ mòn nhanh;

• Năng suất thấp khi gia công thép tôi (1/20-1/50 thủy tinh, thạch anh);

• Khó tăng diện tích gia công do khó nâng cao công suất của thiết bị.

H ớng phát triển

• Giải quyết vấn đề dụng cụ và điều khiển sóng âm.

1.4 Khả năng công nghệ và ứng dụng

2 gia c«ng cã hç trî cña siªu ©m

(Ultrasonic Assisted machining)

ThS TrÇn Anh Vµng Khoa Hµng kh«ng vò trô, Häc viÖn KTQS

2.1 Nguyªn lý2.2 ThiÕt bÞ vµ dông cô2.3 HiÖu qu¶

2.1 Gia công có trợ giúp của siêu âm - nguyên lý

- Bản chất là cắt thông th ờng (phay, tiện,

khoan, mài, );

- Ngoài chuyển động cắt thông th ờng, dao đ

ợc cấp dao động siêu âm (f ≈ 20kHz, a ≈

5-10 à m), biến lực cắt tĩnh thành lực xung;

- Tốc độ cắt thực tế lớn hơn tốc độ cắt tĩnh,

thay đổi cơ chế biến dạng và tạo phoi;

- Ngoài ra, do dao không th ờng xuyên tiếp

xúc với phôi nên điều kiện truyền nhiệt tốt

hơn.

- Kết quả là lực cắt trung bình giảm, nhiệt độ

thấp, độ bóng bề mặt cao, không có bavia,

không có lẹo dao,

2.2 Gia c«ng cã trî gióp cña siªu ©m - thiÕt bÞ vµ dông cô

2.2 Gia c«ng cã trî gióp cña siªu ©m - thiÕt bÞ vµ dông cô

2.2 Gia c«ng cã trî gióp cña siªu ©m - thiÕt bÞ vµ dông cô

2.2 Gia c«ng cã trî gióp cña siªu ©m - thiÕt bÞ vµ dông cô

Tác dụng tăng tốc độ ăn dao khi

khoan hợp kim Ti với P=127,5N

(const); D=3mm; n=125v/ph;

f=20kHz, a=10 à m

Tác dụng giảm lực cắt khi khoan vật liệu composite sợi cao su với s=3mm/vg=(const).

2.2 Gia công có trợ giúp của siêu âm - Hiệu quả

- Siêu âm tăng độ bóng bề mặt;

- Có thể tạo ra bề mặt g ơng ngay cả khi phay mà nếu không có siêu

âm thì phải mài.

2.3 Gia công có trợ giúp của siêu âm - hiệu quả

- Siêu âm có thể triệt tiêu bavia ngay cả kho khoan nhôm;

- Tăng độ cứng vững của chi tiết mảnh;

- Giảm ma sát giữa dao

và chi tiết -> giảm biến dạng phoi và giảm

2.3 Gia công có trợ giúp của siêu âm - hiệu quả

3 Gia c«ng b»ng tia n íc

(water jet machining)

ThS TrÇn Anh Vµng Khoa Hµng kh«ng vò trô, Häc viÖn KTQS

3.1 Basic waterjet principles

• Waterjet cutting has been a specialty technology used in a wide variety of industries since

about 1970.  Around 1990, big advances in the technology caused this technology to become very popular for machine shops.  There are now a lot of companies making a lot of money by replacing conventional machining with water jet cutting methods.

• Over the last 10 years, abrasivejet machining has taken off like wildfire. Thousands of

job-shops have sprung up around the world.

3.1 Pure waterjet cutting principles

• Waterjets use the technology of high-pressure water being

forced through a small hole (called the "orifice" or "jewel")

to concentrate an extreme amount of energy in a small

area The restriction of the tiny orifice creates high

pressure and a high-velocity beam

• Pure waterjets use the beam of water exiting the orifice to

cut soft material like diapers, candy bars, and thin soft

wood, but are not effective for cutting harder materials.

• The inlet water for a pure waterjet is pressurized between

1300 to 6200 bar This is forced through a tiny hole in the

jewel, which is typically in diameter of 0.18 to 0.4 mm This

creates a very high-velocity , very thin beam of water (which

is why some people refer to waterjets as "water lasers")

traveling as close to the speed of supersonic sound (about

900 m/s).

• An abrasivejet starts out the same as a pure waterjet As the

thin stream of water leaves the jewel, however, abrasive

(aluminum, oxide, silicon dioxide and garnet (a silicate

mineral ) is added to the the stream and mixed The

high-velocity water exiting the jewel creates a vacuum which pulls

abrasive from the abrasive line, which then mixes with the

water in the mixing tube The beam of water accelerates

abrasive particles to speeds fast enough to cut through

much harder materials.

• The cutting action of an abrasivejet is two-fold The force of

the water and abrasive erodes the material , even if the jet is

stationary (which is how the material is initially pierced) The

cutting action is greatly enhanced if the abrasivejet stream is

moved across the material and the ideal speed of movement

depends on a variety of factors, including the material, the

shape of the part, the water pressure and the type of

abrasive Controlling the speed of the abrasivejet nozzle is

crucial to efficient and economical machining.

• A waterjet nozzle is raised a few inches above the work

surface, and fired for a few seconds into the air Keep in mind

that there is about 30 horsepower (22,37kW) going through

3.1 ABrasive waterjet principles

3.2 waterjet system

3.2 waterjet system

3.2 water pressure intensifier unit

3.2 components make up a typical abrasivejet / waterjet

machine

• High pressure water starts at

the pump , and is delivered

through special high pressure

plumbing to the nozzle.

• At the nozzle , abrasive is

(typically) introduced, and as the

abrasive/water mixture exits,

cutting is performed.

• Once the jet has exited the

nozzle, the energy is dissipated

into the catch tank , which is

usually full of water and debris

from previous cuts.

• The motion of the cutting

head is typically handled by an

X / Y axis structure.

• Control of the motion is

typically done via a computer

following the lines and arcs from

a CAD drawing

3.2 Software por Wj cutting

• A preview of the

cutting speeds to

maintain optimal

tolerance and adjust for

various jet behaviors

• In this picture the

software is being run

off-line on a PC, which is a

useful way to

pre-compute part times for

job quoting

3.2 Six axis AWj robotic workcell

6 Axis Abrasive Waterjet Robot Workcell is an

economical solution for axis machining.  Increased application flexibility with highly repeatable three-dimensional cutting capabilities

multi-Specifications:

• Reaches up to 3 M

• High accuracy models

available

• Full 6 Axis and catcher

arm with waste removal system

• Optional work cells with

rotary or shuttle tables and

3.3 Advantages to abrasive jet machining

• Extremely fast setup and programming and very little fixturing.

• Machine virtually any 2D shape (and some 3D stuff).

• Very low side forces during the machining You can machine a part with

thin walls (as 0.5 mm) without them blowing out This is one of the factors

that make fixturing is so easy.

• Almost no heat generated on your part On piercing 50mm thick steel,

temperatures may get as high as 50 o C, but otherwise machining is done at

room temperature Aerospace companies use abrasivejets a lot because

of this.

• Environmentally friendly (without gasses or oils, high temperature, safe,

don't explode, )

• Machine thick stuff This is one huge advantage Abrasive jets have over

lasers It is common to machine up to 100mm.

• Your clippings are valuable, as when machining out expensive

materials such as titanium You can also get more parts from the same

material because of the abrasive jets low kerf width.

• There is no need to use multiple tools, or deal with programming tool

changes.

• Machine any 2D shape with 1 tool.  Slots, radii, holes, and profile in one

3.3 When comparing with Lasers

• AWJ can machine many materials that lasers cannot (Reflective

materials in particular, such as Aluminum and Copper) Uniformity of

material is not very important.

• Do not heat the part.  Thus there is no thermal distortion or

hardening of the material.

• Precision machines can obtain about the same or higher tolerances

than lasers (especially as thickness increases).

• Capital equipment costs for WJ are generally much lower than that

for a laser.

• Can machine thicker materials: 50mm steel and 76mm aluminum is

quite common Lasers seem to have a maximum of 12- 19mm.

• Safer and more environmentally friendly No burnt fingers, no

noxious fumes, and no fires.

• Maintenance on the AWJ nozzle is simpler than that of a laser,

though probably just as frequent.

• Capable of similar tolerances on thin parts, and better on thicker.

• Do not loose much "focus" when cutting over uneven surfaces while

lasers are often faster on thinner materials

• Modern Abrasive jets are typically much easier to operate and

maintain than lasers Abrasivejets don't create "scaley" edges, which

makes it easier to make a high quality weld.

3.3 When comparing with EDM

• Abrasive jets are much faster than EDM.

• Abrasive Jets machine a wider variety of materials

(virtually any material).

• Uniformity of material is not very important to an

Abrasivejet.

• Abrasive jets make their own pierce holes.

• Abrasive jets do not heat the surface of what they

machine.

• Abrasive Jet machining is useful for creating start holes

for wire insertion later on (a mill could do the job, but only

after spotting the hole, changing tools to drill a pilot, then

changing tools again to drill out the hole).

• No heat affected Zone with Abrasive jets.

• Abrasive jets require less setup.

• Make bigger parts.

• Many parts of the same catagory that an EDM would do

can be done faster and cheaper on an abrasivejet, if the

tolerances are not extreme.

3.3 depending of Accuracy on material and thickness

• When cutting materials under 1 inch thick, a conventional waterjet machine typically

cuts parts from +/-0.003 to +/-0.015 inch (0.07 to 0.4 mm) in accuracy A machine

equipped with Dynamic Waterjet can cut parts as accuracy as +/- 0.001 inch (0.025mm)

• For materials over 1 inch thick the machines will produce parts from +/- 0.005 to 0.100

inch (0.12 to 2.5 mm)

• The jet "laggs" from top to bottom.

• The kerf width cut from the material changes width depending on the speed of the jet.

• There is a draft angle "taper" between the top and bottom of the cut.

• Rough striation marks caused by instabilities in the jet create rouge edges on the part

• As the jet cuts around curves, the bottom of the jet swings outwards creating severe taper

• As the jet cuts around corners, the jet suddenly kicks

3.3 Some problems with Wj cutting

• An articulated tilting nozzle for automatic taper removal. 

Devices such as this can offer great improvements in taper for

3.3 Some problems with Wj cutting

4 Gia c«ng b»ng tia h¹t mµi

(Abrasive jet machining)

GS TS §µo V¨n HiÖp Khoa Hµng kh«ng vò trô, Häc viÖn KTQS

• Dßng khÝ (N2, CO2, kh«ng

khÝ) cã ¸p suÊt cao (kho¶ng

8,5 bar) ®i qua lç nhá cña vßi

• Hệ thống cấp khí nén: máy nén khí, van điều áp, lọc, sấy, Nếu dùng khí

khác thì cấp thẳng);

• Hệ thống cấp hạt mài (thùng, phễu);

• Buồng trộn khí - hạt mài, gồm sàng rung (điện - từ);

• Van và ống dẫn hỗn hợp khí - hạt mài đến vòi phun;

• Hệ thống gia công: vòi phun, bàn máy, trong buồng kín;

4 2 gia công bằng tia hạt mài - thiết bị

4 2 gia c«ng b»ng tia h¹t mµi - thiÕt bÞ

4 3 gia công bằng tia hạt mài - chế độ công nghệ

– Tỷ lệ trộn (Mixing ratio: Mabr/Mgas);

– Khoảng cách từ miệng vòi phun

4 3 gia công bằng tia hạt mài -

ảnh h ởng của các thông số công nghệ đến năng suất gia công

4 3 gia công bằng tia hạt mài - các thông số

- Đ ờng kính vết lõm:

- Thể tích vật liệu bị lấy bởi 1 hạt mài

với vật liệu giòn:

- Thể tích vật liệu bị lấy bởi 1 hạt mài

với vật liệu mềm:

- Động năng của 1 hạt mài:

- Năng suất gia công vật liệu giòn:

- Năng suất gia công vật liệu mềm:

Trong đó, v- vận tốc hạt mài; m , d , ρ - khối l ợng, đ ờng kính, khối l ợng riêng hạt mài;