Gia công không truyền thống trong gia công cơ khí

NỘI DUNG6.1 CÁC QUÁ TRÌNH GIA CÔNG CƠ NĂNG6.2 CÁC QUÁ TRÌNH GIA CÔNG CẮT GỌT ĐIỆN HÓA6.3 CÁC QUÁ TRÌNH GIA CÔNG NHIỆT NĂNG6.4 GIA CÔNG CẮT GỌT HÓA HỌC6.5 NHỮNG VẤN ĐỀ CẦN CHÚ Ý TRONG CÁC ỨNG DỤNGCác quá trình gia công cắt gọt thông thƣờng (nghĩa là tiện, khoan,phay) sử dụng một dao cắt sắc để hình thành phoi từ vật gia công bằngsự biến dạng cắt.Ngoài những phƣơng pháp thông thƣờng này ra, có một nhóm cácquá trình sử dụng các cơ chế khác để cắt gọt vật liệu gọi là gia công cắtgọt không truyền thống (nontraditional machining, trong nhóm cácquá trình này sẽ cắt gọt vật liệu dƣ gia công bằng những kỹ thuật khácnhau liên quan đến cơ năng, nhiệt năng, điện năng hoặc hóa năng (hoặccác dạng kết hợp của các loại năng lƣợng này). Về bản chất chúng khôngsử dụng một dao cắt sắc nhƣ thông thƣờng.

CÁC PHƯƠNG PHÁP GIA CÔNG CẮT GỌT

KHÔNG TRUYỀN THỐNG

NỘI DUNG

6.1 CÁC QUÁ TRÌNH GIA CÔNG CƠ NĂNG

6.2 CÁC QUÁ TRÌNH GIA CÔNG CẮT GỌT ĐIỆN HÓA

6.3 CÁC QUÁ TRÌNH GIA CÔNG NHIỆT NĂNG

6.4 GIA CÔNG CẮT GỌT HÓA HỌC

6.5 NHỮNG VẤN ĐỀ CẦN CHÚ Ý TRONG CÁC ỨNG DỤNG

Các quá trình gia công cắt gọt thông thường (nghĩa là tiện, khoan, phay) sử dụng một dao cắt sắc để hình thành phoi từ vật gia công bằng

sự biến dạng cắt

Ngoài những phương pháp thông thường này ra, có một nhóm các

quá trình sử dụng các cơ chế khác để cắt gọt vật liệu gọi là gia công cắt gọt không truyền thống (nontraditional machining, trong nhóm các

quá trình này sẽ cắt gọt vật liệu dư gia công bằng những kỹ thuật khác nhau liên quan đến cơ năng, nhiệt năng, điện năng hoặc hóa năng (hoặc các dạng kết hợp của các loại năng lượng này) Về bản chất chúng không

sử dụng một dao cắt sắc như thông thường

Các quá trình không truyền thống đã được phát triển mạnh từ chiến tranh thế giới lần thứ II tương ứng với những yêu cầu gia công cắt gọt mới và không thường thấy và không thể thực hiện được bằng các phương pháp truyền thống Các yêu cầu này và tầm quan trọng về thương mại, công nghệ của các quá trình không truyền thống bao gồm:

 Nhu cầu gia công các vật liệu kim loại và phi kim loại mới được phát triển Những vật liệu mới này thường có những tính chất đặc biệt (ví

dụ, độ bền cao, độ cứng cao và độ bền chắc cao) làm cho chúng khó

có thể hoặc không thể gia công cắt gọt bằng các phương pháp thông thường

 Nhu cầu dùng cho các hình dáng hình học không bình thường và/hoặc phức tạp của chi tiết mà không thể thực hiện được dễ dàng hoặc không thể đạt được bằng gia công cắt gọt thông thường

 Nhu cầu để tránh hư hại bề mặt thường đi kèm theo các ứng suất được tạo ra bởi phương pháp gia công cắt gọt thông thường

Nhiều yêu cầu này liên quan tới các ngành công nghiệp hàng không và điện tử đã tăng trường đáng kể trong những thập kỷ gần đây

Các quá trình không truyền thống thường được phân loại tương ứng với dạng năng lượng cơ bản được sử dụng có tác dụng cắt gọt vật liệu bằng sự phân loại này, có bốn loại:

1 Cơ năng (mechanical): cơ năng trong một số dạng khác với hành

động dao cắt thông thường được sử dụng trong các quá trình không truyền thống này Sự bào mòn vật liệu gia công bởi một dòng các bột mài hoặc dung dịch có vận tốc cao (hoặc cả hai) là dạng điển hình tác động cơ học trong các quá trình này

2 Điện năng (electrical): Các quá trình không truyền thống sử dụng

năng lượng điện hóa để cắt gọt vật liệu; cơ chế là ngược lại với mạ điện

3 Nhiệt năng (thermal): các quá trình này sử dụng nhiệt năng để cắt

hoặc tạo hình chi tiết gia công Nhiệt năng nói chung được áp dụng cho một phần rất nhỏ bề mặt gia công, làm cho phần đó bị cắt gọt đi bằng sự nóng chảy và/hoặc bốc hơi vật liệu Nhiệt năng được tạo ra bởi sự chuyển đổi của điện năng

4 Hóa năng (chemical): đa số các vật liệu (đặc biệt là các kim loại)

nhạy cảm với sự tấn công hóa học bởi một số a xít hoặc các chất tẩm thực nhất định Trong gia công cắt gọt hóa học, các hóa chất cắt gọt

có lựa chọn vật liệu khỏi những phần nhất định của chi tiết gia công, còn những phần khác của bề mặt được bảo vệ bởi sự che đậy

6.1 CÁC QUÁ TRÌNH GIA CÔNG CƠ NĂNG

Trong phần này, chúng ta xem xét nhiều quá trình gia công cơ năng không truyền thống: (1) gia công cắt gọt bằng siêu âm, (2) cắt bằng tia nước, (3) cắt bằng tia nước bột mài, và (4) gia công cắt gọt bằng tia bột mài

6.1.1 Gia công cắt gọt bằng siêu âm

Gia công cắt gọt bằng siêu âm (Ultrasonic machining) (USM) là

một quá trình gia công cắt gọt không truyền thống trong đó các hạt bột mài có trong dung dịch hỗn hợp vật liệu mài được điều khiển ở vận tốc

cao so với vật gia công bằng một loại dao rung động ở biên độ thấp – khoảng 0,075 mm (0,003 in) và tần số cao – khoảng 20.000 Hz Dao rung động theo hướng vuông góc với bề mặt vật gia công, và nó được chạy chậm vào vật gia công, sao cho hình dáng dao được hình thành trong chi tiết nhờ tác động của các bột mài, bắn phá vào bề mặt gia công, hình thành nên động tác cắt

Sự bố trí tổng quát của quá trình USM được minh hoạt trong hình 26.1

Hình 26.1 Gia công cắt gọt bằng siêu âm

Các vật liệu dao thông dụng được sử dụng trong USM bao gồm thép mềm và thép không gỉ Các vật liệu mài trong USM bao gồm bo nitrit, bo carbide, nhôm ôxít, silic cảbide, và kim cương Kích thước hạt (phần 16.1.1) có phạm vi từ 100 đến 200 Biên độ rung sẽ được thiết lập xấp xỉ bằng với kích thước hạt, kích thước khe hở sẽ được duy trì ở gấp hai lần kích thước hạt Với một mức độ đáng kể, kích thước hạt sẽ xác định độ bóng bề mặt trên bề mặt gia công mới

Ngoài độ bóng bề mặt ra, tốc độ cắt gọt vật liệu là một biến số chất lượng quan trọng trong gia công cắt gọt bằng siêu âm Đối với một vật liệu gia công nhất định, tốc độ cắt gọt vật liệu trong USM tăng với việc tăng tần số và biên độ rung, như được trình bày trong hình 26.2

Hỗn hợp vật liệu trong USM gồm hỗn hợp của nước với các hạt bột mài Nồng độ các bột mài trong nước có phạm vi từ 20% đến 60% Hỗn hợp vật liệu phải được chuyển động tuần hoàn để mang các hạt mới vào hoạt động tại khe hở giữa dao và vật gia công Nó cũng rửa sạch các phoi và bào mòn các hạt được tạo ra bởi quá trình cắt

Hình 26.2 Ảnh hưởng của tần số dao động và biên độ lên tốc độ cắt gọt

vật liệu trong USM

6.1.2 Các quá trình gia công sử dụng tia nước và tia bột mài

Các quá trình đã được mô tả trong phần này sẽ cắt gọt vật liệu bằng các tia nước, bột mài hoặc sự kết hợp cả hai với vận tốc và áp lực cao

Cắt bằng tia nước: cắt bằng tia nước water jet cutting – WJC)

sử dụng một tia nước mảnh, áp lực cao và vận tốc lớn trực tiếp vào bề mặt gia công để gây ra cắt vật gia công, như được minh họa trong hình

26.3 Tên gọi gia công cắt gọt thủy lực động (hydrodynamic machining) cũng còn được sử dụng cho quá trình này, nhưng cắt bằng

tia nước dường như là thuật ngữ được sử dụng thông dụng trong ngành công nghiệp

Để có được tia nước mảnh, cần sử dụng một vòi phun nhỏ có độ

mở đường kính từ 0,1 đến 0,4 mm (0,004 đến 0,016 in) Để đưa ra tia nước có năng lượng vừa đủ dùng để cắt, cần có áp lực lên tới 400 MPa

(60,000 lb/in2), và tia sẽ có vận tốc lên tới 900 m/s (3000 ft/sec) Dung dịch được điều áp tới mức mong muốn bằng một máy bơm thủy lực Khối vòi phun gồm một bộ kẹp được chế tạo bằng thép không gỉ và vòi phun được chế tạo bằng đá quí saphia, hồng ngọc hoặc kim cương Kim cương có tuổi thọ dài nhất nhưng giá thành lại đắt nhất Các hệ thống lọc phải được sử dụng trong WJC để tách biệt các mạt kim loại được tạo ra trong lúc cắt

Các tham số quan trọng của quá trình bao gồm khoảng cách làm việc, đường kính độ mở vòi phun, áp lực nước và tốc độ chạy dao cắt

Như trong hình 26.3, khoảng cách làm việc (standoff distance) là

sự cách biệt giữa lỗ mở vòi phun và bề mặt gia công Nói chung người ta muốn dùng khoảng cách này là nhỏ để tối thiểu hóa sự phân tán luồng dung dịch trước khi nó bắn phá bề mặt Một khoảng cách làm việc điển hình là 3,2 mm (0,125 in) Kích thước của lỗ mở vòi phun ảnh hưởng

đến độ cắt chính xác; các lỗ mở nhỏ hơn được sử dụng để cho cắt mịn hơn trên các vật liệu mỏng hơn Để cắt nguyên liệu dày hơn, cần có các

tia dày hơn và áp lực lớn hơn Tốc độ chạy dao cắt là vận tốc mà tại đó

vòi phun WJC cắt ngang đường cắt

Các tốc độ chạy dao điển hình có phạm vi từ 5 mm/s (12 in/min) đến 500 mm/s (1200 in/min), phụ thuộc vào vật liệu gia công và độ dày của nó

Quá trình WJC thường được tự động hóa sử dụng điều khiển số bằng máy tính hoặc các rô bốt công nghiệp để thao tác khối vòi phun dọc theo quĩ đạo mong muốn

Cắt bằng tia nước có thể được sử dụng hiệu quả để cắt các đường cắt hẹp trong nguyên liệu phẳng chẳng hạn như chất dẻo, hàng dệt, compozit, gạch lát, thảm, da và bìa cứng Các trạm người máy được lắp đặt các vòi phun WJC như là công cụ của rô bốt tuân theo các mẫu cắt không phân bố đều theo ba chiều, chẳng hạn như cắt và hoàn thiện các bảng điều khiển ô tô trước khi lắp ráp

Trong các ứng dụng này, những ưu điểm này của WJC bao gồm (1) không có vỡ nát hoặc đốt cháy bề mặt gia công như thường có trong các quá trình gia công cơ học và nhiệt khác, (2) Tối thiểu hóa tổn thất vật

liệu do khe hở cắt hẹp, (3) không gây ô nhiễm môi trường và (4) dễ dàng

tự động hóa quá trình sử dụng điều khiển số hoặc các rô bốt công nghiệp

Hạn chế của WJC là quá trình không phù hợp để cắt các vật liệu giòn (ví dụ thủy tinh) do dễ bị nứt vỡ trong trong quá trình cắt

Cắt bằng tia nước bột mài: khi WJC được sử dụng dựa trên các

chi tiết gia công kim loại, các hạt mài thường phải được bổ sung thêm cho luồng phun để cắt một cách dễ dàng Quá trình này do đó được gọi

là cắt tia nước bột mài (abrasive warter jet cutting – AWJC) Việc đưa

các hạt mài vào luồng sẽ làm phức tạp quá trình bởi bổ sung thêm số lượng các tham số là loại bột mài, kích thước hạt và tốc độ luồng phun

Nhôm ôxít, silic điôxít và garnet (khoáng chất silicat) là những vật liệu mài điển hình được sử dụng, ở kích thước hạt có phạm vi từ 60 đến 120 Các hạt mài được bổ sung vào tia nước với tốc độ xấp xỉ là 0,25 kg/phút (0,5 lb/min) sau khi nó đi ra khỏi vòi phun WJC

Các tham số của quá trình còn lại bao gồm những tham số thông thường với WJC: đường kính lỗ mở vòi phun, áp lực nước và khoảng cách làm việc Các đường kính lỗ mở vòi phun là từ 0,25 – 0,63 mm (0,010 – 0,025 in) – lớn hơn một chút so với trong cắt bằng tia nước để cho phép các tốc độ luồng cao hơn và nhiều năng lượng hơn được chứa trong luồng trước khi phun bột mài Các áp lực nước thì gần giống như trong WJC Các khoảng cách làm việc ít hơn một chút để tối thiểu hóa ảnh hưởng phân tán của dung dịch cắt hiện đang chứa các hạt bột mài Các khoảng cách làm việc điển hình nằm giữa ¼ đến ½ so với các khoảng cách trong WJC

Gia công cắt gọt bằng tia bột mài: Không nên nhầm lẫn AWJC

với quá trình được gọi là gia công cắt gọt bằng tia bột mài Gia công cắt gọt bằng tia bột mài (abrasive jet machining – AJM) là một quá trình

cắt gọt vật liệu nhờ tác động của luồng khí vận tốc cao chứa những hạt bột mài nhỏ, như được trình bày trong hình 26.4 Khí là khô và các áp lực từ 0,2 đến 1,4 MPa (25 – 200 lb/in 2 ) được sử dụng để đẩy đi đẩy tới khí qua các lỗ mở của vòi phun có đường kính 0,075 – 1,0 mm (0,003 - 0,040 in) ở các vận tốc là 2,5 – 5,0 m/s (500-1000 ft/min) Các chất khi bao gồm không khí khô, ni tơ, các bon đi ôxít và hê li

Quá trình thường được thực hiện bởi một người thợ vận hành điều khiển vòi phun vào vật gia công Các khoảng cách điển hình giữa đầu

vòi phun và bề mặt gia công có phạm vi từ 3 mm đến 75 mm (0,125 in đến 3 in) Trạm làm việc phải được thiết lập để cung cấp thông khí thích hợp hơn cho người thợ vận hành

AJM thường được sử dụng như là một quá trình đánh bóng hơn là một quá trình cắt trong sản xuất Các ứng dụng bao gồm mài nhẵn (vạt

ba via), cắt tỉa và làm nguội, làm sạch và đánh bóng

Cắt được thực hiện thành công trên những vật liệu cứng, giòn (ví

dụ thủy tinh, silic, mi ca, và các loại gốm) ở dạng nguyên liệu phẳng, mỏng

Các bột mài điển hình được sử dụng trong AJM bao gồm nhôm ôxít (dùng cho nhôm và đồng thau), silic carbide (dùng cho thép không

gỉ và các loại gốm) và bi thủy tinh (dùng để đánh bóng) Kích thước hạt rất nhỏ, đường kính là 15-40 µm (0,0006 – 0,0016 in) và phải đồng dạng

6.2 CÁC QUÁ TRÌNH GIA CÔNG CẮT GỌT ĐIỆN HÓA

Một nhóm các quá trình không truyền thống quan trọng sử dụng

điện năng để cắt gọt vật liệu Nhóm này có tên gọi là các quá trình điện hóa (electrochemical processe), vì điện năng được sử dụng kết hợp với

các phản ứng hóa học để thực hiện cắt gọt vật liệu Thực tế, các quá trình này là ngược với quá trình mạ điện (phần 29.1.1) Vật liệu gia công phải

là vật dẫn điện trong quá trình gia công cắt gọt điện hóa

6.2.1 Gia công cắt gọt điện hóa

Quá trình cơ bản trong nhóm này là gia công cắt gọt điện hóa

(ECM) Gia công cắt gọt điện hóa (electrochemical machining) cắt gọt

kim loại khỏi một chi tiết gia công dẫn điện bằng phương pháp hòa tan anốt, trong đó hình dáng của chi tiết gia công thu được bằng một công

cụ tạo hình thành điện cực

ECM về cơ bản là một quá trình tan mòn Như được minh họa trong hình 26.5, chi tiết gia công là cực anốt, và công cụ là cực catốt Nguyên lý cơ bản của quá trình là vật liệu được tan mòn khỏi điện cực anốt (cực điện dương) và kết tủa bám ở cực catốt (cực điện âm) trong một bể điện phân (phần 4.5) Sự khác nhau trong ECM là trong bể điện phân dòng dung dịch điện ly chảy nhanh giữa hai điện cực để vận chuyển lương vật liệu tan mòn sao cho nó không bị phủ lên công cụ

Hình 26.5 gia công cắt gọt điện hóa (ECM)

Công cụ điện cực thường được chế tạo bằng đồng, đồng thau hoặc thép không gỉ, được thiết kế để gần giống như âm bản của hình dáng cuối cùng mong muốn của chi tiết Dung sai trong kích thước công cụ

phải đưa ra được khe hở giữa công cụ và vật gia công Để hoàn thành việc cắt gọt kim loại, điện cực được chạy vào vật gia công ở tốc độ bằng với tốc độ cắt gọt kim loại từ vật gia công

Tốc độ cắt gọt kim loại được xác định theo Định luật thứ nhất của

Pha-ra-đây (Faraday), nó xác định rằng độ lớn biến đổi hóa học được

tạo ra bởi dòng điện (nghĩa là số lượng kim loại hòa tan) tỷ lệ với điện lượng đi qua (dòng điện x thời gian):

V = C.i.t (26.1) Trong đó V = thể tích kim loại bị cắt gọt, mm3

(in3); C = một hằng

số được gọi là tốc độ cắt gọt riêng phụ thuộc vào trọng lượng nguyên tử, hóa trị, và khối lượng riêng của vật liệu gia công, mm3/A-s (in3-min); I =

dòng điện, A (ampe); và t = thời gian, s (phút, min)

Dựa trên định luật Ôm, dòng điện I = E/R, trong đó E = điện áp và

R = điện trở Dưới những điều kiện của quá trình ECM, điện trở được

cho bởi:

(26.2)

Trong đó g – khe hở giữa điện cực và vật gia công, mm (in); r = điện trở suất của chất điện phân, Ω-m (Ω-in); và A = diện tích bề mặt

giữa vật gia công và công cụ trong khe hở chính diện đang gia công,

mm2 (in2) Thay biểu thức này cho R trong định luật Ôm, chúng ta có

theo hai bước Thứ nhất, chúng ta hãy chia phương trình (26.4) cho At

(diện tích x thời gian) để chuyển đổi thể tích kim loại được cắt gọt thành tốc độ dịch chuyển tuyến tính:

(26.5) Trong đó fr = tốc độ chuyển động chạy công cụ, mm/s (in/min)

Thứ hai, chúng ta hãy thay thế I/A vào E/(gr), như được đưa ra bởi

phương trình (26.3) Do vậy, tốc độ chuyển động trong ECM là:

(26.6) Trong đó A = diện tích mặt trước của điện cực, mm2

(in2) Đây là diện tích nhô ra của công cụ theo hướng tiến vào vật gia công Các giá trị

tốc độ cắt gọt riêng C được đưa ra trong bảng 26.1 dùng cho những vật

liệu gia công khác nhau

Chúng ta cần chú ý rằng phương trình này giả sử hiệu suất cắt gọt kim loại là 100% Hiệu suất thực tế có giá trị khoảng từ 90 – 100% và phụ thuộc vào hình dáng công cụ, điện áp và cường độ dòng điện, những yếu tố khác

Gia công cắt gọt điện hóa nói chung được sử dụng trong các ứng

dụng mà kim loại gia công rất cứng hoặc khó thực hiện gia công cắt gọt

cơ học, hoặc nơi mà hình dáng hình học chi tiết gia công sẽ khó khăn (hoặc không thể) để thực hiện bằng các phương pháp gia công cắt gọt truyền thống

Các ứng dụng: điển hình của ECM gồm (1) gia công mặt cong khuôn (die sinking), liên quan tới gia công cắt gọt các hình dạng không đều và các đường viền bao trong rèn các khuôn, các khuôn dẻo, và những công cụ tạo hình khác; (2) Khoan nhiều lỗ, trong đó nhiều lỗ có

thể được khoan đồng thời với ECM và nếu theo phương pháp khoang thông thường thì cần phải khoan các lỗ kế tiếp nhau; (3) Các lỗ không phải là hình tròn, vì ECM không sử dụng mũi khoan quay tròn; và (4)

độ cắt gọt kim loại tương đối cao đối với các kim loại cứng và khó gia công cắt gọt bằng máy

Nhược điểm của ECM là: (1) chi phí đáng kể về điện năng để điều khiển quá trình, (2) các vấn đề khử chất bột nhão điện phân

6.2.2 Mài nhẵn và mài điện hóa

Mài nhẵn điện hóa (electrochemical deburring – ECD) là một sự

điều chỉnh của ECM được thiết kế để loại bỏ các ba via hoặc để làm tròn các góc nhọn trên các chi tiết gia công kim loại bằng sự hòa tan anốt Một thiết lập khả thi dùng cho ECD được trình bày trong hình 26.6 Lỗ trong chi tiết gia công có một ba via nhọn được tạo ra trong một quá trình khoan thông lỗ thông thường Công cụ điện cực được thiết kế để tập trung động tác cắt gọt kim loại vào ba via Các phần công cụ không được sử dụng để gia công cắt gọt sẽ được cách điện Chất điện phân chảy qua lỗ mang đi khỏi các hạt của ba via Các nguyên lý giống nhau của ECM thuộc quá trình cũng áp dụng cho ECD Tuy nhiên, do ít vật liệu hơn bị cắt bỏ trong mài nhẵn bằng điện hóa nên thời gian chu trình ngắn hơn nhiều Một chu trình thời gian điển hình trong ECD ít hơn là một phút Thời gian có thể tăng lên nếu người ta muốn làm tròn góc ngoài việc loại bỏ ba via ra

Mài bằng điện hóa (electrochemical grinding – ECG) là một

dạng đặc biệt của ECM mà trong đó một bánh mài quay tròn với vật liệu liên kết dẫn điện được sử dụng để làm tăng sự phân giải anốt của bề mặt chi tiết gia công kim loại, như được minh họa trong hình 26.7 Các bột mài được sử dụng trong ECG bao gồm nhôm ôxít và kim cương Vật liệu liên kết là kim loại (dùng cho các bột mài bằng kim cương) hoặc keo nhựa được bão hòa với các hạt kim loại để làm cho nó dẫn điện (dùng cho nhôm ôxít) Các hạt mài nhô lên từ bánh mài khi tiếp xúc với chi tiết gia công sẽ thiết lập khoảng cách khe hở trong ECG Chất điện phân chảy qua khe hở giữa các hạt đóng vai trò của nó trong điện phân

Bóc lớp phủ (deplating) có trách nhiệm loại bỏ 95% hoặc nhiều hơn kim loại trong ECG, và động tác mài của bánh mài sẽ loại bỏ đi 5% hoặc ít hơn phần kim loại còn lại, hầu như ở dạng các màng muối mỏng được hình thành trong các phản ứng điện hóa trên bề mặt vật gia công

Vì hầu hết gia công cắt gọt được thực hiện bằng hoạt động điện hóa nên bánh mài trong ECG có tuổi thọ lâu hơn bánh mài trong mài thông thường Kết quả là tỷ số mài cao hơn nhiều Ngoài ra, bào nhẵn bánh mài

sẽ ít phải làm thường xuyên hơn Đây là những ưu điểm đáng kể của quá trình Các ứng dụng của ECG gồm mài sắc các công cụ bằng hợp kim cứng và mài các kim khâu phẫu thuật, các ống có thành mỏng khác, và những chi tiết dễ vỡ

Hình 26.6 Mài nhẵn bằng điện hóa (ECD)

Hình 26.7 Mài bằng điện hóa (ECG)

6.3 CÁC QUÁ TRÌNH GIA CÔNG NHIỆT NĂNG

Các quá trình cắt gọt vật liệu được dựa trên nhiệt năng được đặc trưng bởi nhiệt độ cục bộ rất cao, đủ nóng để cắt gọt vật liệu bằng sự nóng chảy hoặc bốc hơi Do nhiệt độ cao nên những quá trình này gây ra

hư hại vật lý hoặc tổ chức tương kim tới bề mặt gia công mới Trong một

số trường hợp, độ bóng cuối cùng kém đến nỗi mà cần phải gia công tiếp theo để làm nhẵn bề mặt Trong phần này, chúng ta sẽ xem xét nhiều quá trình nhiệt năng có tầm quan trọng về mặt thương mại: (1) gia công cắt gọt bằng tia lửa điện và cắt dây bằng tia lửa điện, (2) gia công cắt gọt bằng chùm tia điện tử, (3) gia công cắt gọt bằng chùm tia laze, (4) gia công cắt gọt bằng hồ quang plasma, và (5) cắt bằng nhiệt thông thường

6.3.1 Các quá trình gia công bằng tia lửa điện

Các quá trình cắt gọt vật liệu bằng phóng điện sẽ loại bỏ vật liệu bởi hàng loạt các tia phóng điện rời rạc gây ra nhiệt độ đủ cao cục bộ để làm nóng chảy hoặc bốc hơi kim loại trong vùng phụ cận của vùng phóng điện ngay lập tức Hai quá trình chính trong loại này là (1) gia công cắt gọt bằng tia lửa điện và (2) gia công cắt gọt dây bằng tia lửa điện Các quá trình này chỉ có thể được sử dụng dựa trên các vật liệu gia công dẫn điện

Vi-đê-ô clip về gia công cắt gọt bằng phóng điện minh họa các loại khác nhau của EDM

VI-ĐÊ-Ô CLIP Electric Discharge Machining (gia công cắt gọt

bằng phóng điện) Clip này gồm hai phần: (1) quá trình EDM, (2) EDM dạng búa dập và (3) EDM dạng dây

Gia công cắt gọt bằng phóng điện (Electric Discharge Machining -EDM): gia công cắt gọt cắt gọt bằng phóng điện là một

trong những quá trình không truyền thống được sử dụng rộng rãi nhất Một thiết lập EDM được minh họa trong hình 26.8 Hình dáng của bề mặt vật gia công cuối cùng được tạo ra bởi một công cụ tạo hình bằng điện cực Các tia lửa điện xuất hiện qua một khe nhỏ giữa công cụ và bề mặt gia công Quá trình EDM phảu xảy ra khi có mặt dung dịch điện môi, tạo ra một đường dẫn để phóng điện khi dung dịch bị iôn hóa trong khe hở Phóng điện được sinh ra bởi việc cung cấp dòng điện công suất một chiều lớn đột ngột được nối đến vật gia công và công cụ

Hình 26.8 Gia công cắt gọt bằng phóng điện (EDM): (a)Sơ đồ tổng quát,

và (b) hình chiếu nhìn phóng đại của khe hở, chỉ ra sự phóng điện và

loại bỏ kim loại

Hình 26.8(b) trình bày một hình chiếu cận cảnh của khe hở giữa công cụ và vật gia công Phóng điện xảy ra tại vị trí mà hai bề mặt là gần nhau nhất Dung dịch điện môi i ôn hóa ở vị trí này sẽ tạo ra một đường

đi để phóng điện Vùng mà trong đó phóng điện xảy ra được nóng lên đến nhiệt độ cực cao, sao cho một phần nhỏ bề mặt gia công bị nóng chảy đột ngột và bị loại bỏ đi Chất điện môi đang chảy sau đó sẽ vứt bỏ hạt nhỏ (gọi là “phoi”) Vì bề mặt của vật gia công tại vị trí lần phóng điện trước bây giờ bị cách xa với công cụ nên vị trí này ít giống như vị trí của tia lửa điện khác cho đến khi các vùng xung quanh bị giảm tới cùng mức hoặc thấp hơn Mặc dù những lần phóng điện riêng rẽ loại bỏ kim loại ở những điểm rất cục bộ, chúng xảy ra ra hàng trăm hoặc hàng nghìn lần mỗi giây đến nỗi vẫn xảy ra sự bào mòn từ từ của toàn bộ bề mặt trong vùng khe hở

Hai tham số quan trọng của quá trình trong EDM là dòng điện phóng và tần số phóng điện Khi một trong hai tham số này tăng lên, tốc

độ cắt gọt kim loại tăng lên Độ nhám bề mặt cũng bị ảnh hưởng bởi dòng điện và tần số, như được trình bày trong hình 26.9(a) Độ bóng bề mặt tốt nhất thu được trong EDM bởi hoạt động ở tần số cao và dòng điện phóng nhỏ Khi công cụ đóng vai trò điện cực đi vào vật gia công,

sự cắt quá mức xảy ra Cắt quá mức (overcut) trong EDM là khoảng

cách mà bởi nó, hốc gia công bằng máy trong chi tiết gia công bị vượt quá kích thước công cụ trên mỗi cạnh của công cụ, như được minh họa trong hình 26.8(a) Điều này được tạo ra bởi những lần phóng điện xảy

ra ở các bên của công cụ cũng như ở vùng chính diện của nó Cắt quá

mức như là một hàm của dòng điện và tần số, như thấy trong hình 26.9(b), và có thể lên tới vài phần trăm mm

Hình 26.9 (a) Độ bóng bề mặt trong EDM như là một hàm của dòng điện phóng và tần số phóng điện (b) Cắt quá mức trong EDM như là

một hàm của dòng điện phóng và tần số phóng điện

Nhiệt độ cao của tia lửa điện sẽ làm nóng chảy vật gia công cũng làm nóng chảy công cụ, tạo ra một hốc nhỏ trong bề mặt đối diện với hốc được tạo ra trong vật gia công Mài mòn công cụ thường được đo như là

tỷ số vật liệu gia công bị loại bỏ với vật liệu công cụ bị loại bỏ (tương tự với tỷ số mài) Tỷ số mài mòn nay có phạm vi từ 1,0 đến 100 hoặc hơn một chút, phụ thuộc vào sự kết hợp của vật liệu gia công và vật liệu làm cực Các điện cực được chế tạo bằng graphit, đồng, đồng thau, đồng vônfram, bạc vonfram, và những vật liệu khác Sự lựa chọn phụ thuộc vào loại mạch cung cấp điện có thể dùng trên máy EDM, loại vật liệu gia công cần được gia công cắt gọt, và độ nhám hoặc độ bóng được thực hiện hay không Graphit được ưa dùng cho nhiều ứng dụng vì các đặc tính nóng chảy của nó Thực tế, graphit không nóng chảy Nó bốc hơi ở nhiệt độ rất cao và hốc được tạo ra bởi tia lửa điện nói chung là nhỏ hơn đối với đa số vật liệu làm điện cực EDM khác Kết quả là, tỷ số vật liệu gia công bị loại bỏ với mài mòn dao thường là lớn với các công cụ làm bằng graphit

Độ cứng và độ bền của vật liệu gia công không phải là những yếu

tố trong EDM, vì quá trình không phải là một cuộc đua về độ cứng giữa công cụ và vật gia công Điểm nóng chảy của vật liệu gia công là một tính chất quan trọng, và tốc độ cắt gọt kim loại có thể liên quan tới điểm nóng chảy phần nào bởi công thức bằng thực nghiệm sau đây, dựa trên một phương trình đã được mô tả trong Weller [16]:

(26.7)

Trong đó R MR = tốc độ cắt gọt kim loại, mm3/s (in3/min); K = hằng

số tỷ lệ mà giá trị = 664 trong hệ đơn vị SI (5,08 trong các đơn vị đo của

Mỹ); I = dòng điện phóng, A; và T m = nhiệt độ nóng chảy của kim loại gia công, oC (oF) Điểm nóng chảy của các kim loại đã chọn được liệt kê trong Bảng 4.1

Ví dụ 26.2 gia công cắt gọt bằng phóng điện

Một hợp kim nhất định mà điểm nóng chảy của nó là 1100oC được gia công cắt gọt trong một quá trình EDM Nếu dòng điện phóng = 25 A, tốc độ cắt gọt kim loại được kỳ vọng là bao nhiêu?

Bài giải: sử dụng phương trình (26.7), tốc độ cắt gọt kim loại dự

đoán trước là

Các dung dịch điện môi được sử dụng trong EDM bao gồm các loại dầu hydrocarbon, dầu lửa, và nước cất hoặc nước khử iôn Dung dịch điện môi hoạt động như là một chất cách điện trong khe hở trừ khi

sự iôn hóa xảy ra khi có tia lửa điện Các chức năng khác của nó là đẩy các chất cặn ra khỏi khe hở và loại bỏ nhiệt khỏi công cụ và chi tiết gia công

Các ứng dụng của gia công cắt gọt bằng phóng điện gồm cả trong chế tạo công cụ và sản xuất các chi tiết Công cụ dùng cho các quá trình

cơ học được thảo luận trong cuốn sách này thường được chế tạo bằng EDM, gồm các loại khuôn dùng cho phun ép chất dẻo, các khuôn đúc ép, các khuôn kéo dây, các khuôn rèn và khuôn tán mũ đinh, và các khuôn

dập kim loại tấm Như trong ECM, thuật ngữ gia công mặt cong khuôn (die sinking) được sử dụng cho các quá trình mà trong đó một hốc khuôn được tạo ra và quá trình EDM đôi khi được dẫn chiếu đến như là EDM dạng búa (ram EDM) Đối với nhiều ứng dụng, các vật liệu được sử

dụng để chế tọa làm công cụ thường khó khăn (hoặc không thể) gia công bằng mày bằng các phương pháp thông thương Các chi tiết sản xuất nhất định cũng cần đến ứng dụng của EDM Các ví dụ bao gồm các chi tiết chuyên dụng mà không đủ cứng để chịu được các lực cắt thông thường, khoan lỗ nơi mà trục của lỗ là ở một góc nhọn với bề mặt đến

nỗi mà một mũi khoan thông thường sẽ không thể bắt đầu khoan lỗ, và gia công cắt gọt trong sản xuất các kim loại cứng và độc

Cắt dây bằng phóng điện: Cắt dây bằng phóng điện (electric discharge wire cutting – EDWC), được gọi chung là EDM dây (wire EDM), là một dạng đặc biệt của gia công cắt gọt bằng phóng điện sử

dụng một dây dường kính nhỏ như là một điện cực để cắt một vết cắt hẹp trong vật gia công Động tác cắt trong EDM dây đạt được bằng nhiệt năng từ những lần phóng điện giữa dây điện cực và chi tiết gia công EDM dây được minh họa trong hình 26.10 Chi tiết gia công được cấp liên tục và đi qua chầm chậm dây để đạt được đường cắt mong muốn, phần nào theo cách của quá trình cưa đai (band saw operation) Điều khiển số được sử dụng để điều khiển những chuyển động của chi tiết gia công trong lúc cắt Khi cắt, dây được tiến lên phía trước liên tục giữa một ống dây cung cấp và ống dây quận lại để đưa ra một điện cực luôn luôn mới có đường kính không đổi tới vật gia công Điều này giúp để duy trì một độ rộng vết cắt (kerf) không đổi trong khi cắt Như trong EDM, EDM dây phải được thực hiện trong chất điện môi Điều này được

áp dụng bằng các vòi phun trực tiếp ở bề mặt chuyển tiếp công cụ-vật gia công như trong hình vẽ, hoặc chi tiết gia công được nhận chìm trong

bề điện môi

Hình 26.10 Cắt dây bằng phóng điện (EDWC), cũng còn được gọi là

EDM dây

Các đường kính dây có phạm vi từ 0,076 đến 0,30 mm (0,003 – 0,012 in), phụ thuộc vào độ rộng rãnh cần thiết Các vật liệu được sử dụng làm dây bao gồm đồng, vônfram, và môlipđen Các dung dịch điện môi bao gồm nước khử iôn hoặc dầu Như trong EDM, cắt quá mức tồn tại trong EDM dây làm cho vết cắt có độ rộng lớn hơn đường kính dây, như được trình bày trong hình 26.11 Cắt quá mức này nằm trong phạm