Các phương pháp gia công đặc biệt bài giảng dành cho sinh viên Đại học và cao đẳng

Các phương pháp gia công đặc biệt bài giảng dành cho sinh viên Đại học và cao đẳng là bộ tài liệu hay và rất hữu ích cho các bạn sinh viên và quý bạn đọc quan tâm. Đây là tài liệu hay trong Bộ tài liệu sưu tập gồm nhiều Bài tập THCS, THPT, luyện thi THPT Quốc gia, Giáo án, Luận văn, Khoá luận, Tiểu luận…và nhiều Giáo trình Đại học, cao đẳng của nhiều lĩnh vực: Toán, Lý, Hoá, Sinh…. Đây là nguồn tài liệu quý giá đầy đủ và rất cần thiết đối với các bạn sinh viên, học sinh, quý phụ huynh, quý đồng nghiệp và các giáo sinh tham khảo học tập. Xuất phát từ quá trình tìm tòi, trao đổi tài liệu, chúng tôi nhận thấy rằng để có được tài liệu mình cần và đủ là một điều không dễ, tốn nhiều thời gian, vì vậy, với mong muốn giúp bạn, giúp mình tôi tổng hợp và chuyển tải lên để quý vị tham khảo. Qua đây cũng gởi lời cảm ơn đến tác giả các bài viết liên quan đã tạo điều kiện cho chúng tôi có bộ sưu tập này. Trên tinh thần tôn trọng tác giả, chúng tôi vẫn giữ nguyên bản gốc. Trân trọng. ĐỊA CHỈ DANH MỤC TẠI LIỆU CẦN THAM KHẢO http:123doc.vntrangcanhan348169nguyenductrung.htm hoặc Đường dẫn: google > 123doc > Nguyễn Đức Trung > Tất cả (chọn mục Thành viên)

KHOA KỸ THUẬT CÔNG NGHỆ

-*** -

BÀI GIẢNG CÁC PHƯƠNG PHÁP GIA CÔNG ĐẶC BIỆT

(Bậc Đại học ngành Công nghệ kỹ thuật cơ khí)

Biên soạn: Nguyễn Vĩnh Phối Nguyễn Hoàng Lĩnh

Quảng Ngãi, 2016

Trang

Chương 1 PHƯƠNG PHÁP GIA CÔNG TIA LỬA ĐIỆN 2

1.1 Giới thiệu

1.2 Gia công dùng điện cực thỏi

1.3 Gia công tia lửa điện bằng dây cắt

1.4 Ưu, nhược điểm và phạm vi ứng dụng

2.4 Một số công nghệ gia công bằng siêu âm

2.5 Ưu, nhược điểm, phạm vi ứng dụng

3.2 Gia công bằng tia laser

3.3 Ưu, nhược điểm và ứng dụng

4.2 Phương pháp gia công điện hóa

4.3 Ưu, nhược điểm và ứng dụng

58

60

73

Chương 5 PHƯƠNG PHÁP GIA CÔNG TIA NƯỚC 78

5.1 Gia công bằng tia nước

5.1.1 Nguyên lý gia công

5.1.2 Thiết bị và dụng cụ

5.1.3 Các thông số công nghệ

5.1.4 Đặc điểm và phạm vi ứng ụng

5.2 Gia công bằng tia nước có hạt mài

5.2.1 Nguyên lý gia công

5.2.2 Các thông số cơ bản và thiết bị

5.2.3 Các thông số công nghệ và khả năng công nghệ

Chương 6 PHƯƠNG PHÁP GIA CÔNG PLASMA 102

6.1 Khái niệm

6.2 Cắt bằng tia plasma

6.3 Tiện bằng tia plasma

6.4 Hàn kim loại bằng tia plasma

BG: Các phương pháp gia công đặc biệt -1-

LỜI NÓI ĐẦU

Ngày nay, ngành công nghệ vật liệu rất phát triển, đã cho ra đời những vật liệu

có các tính chất đặc biệt như sức bền, độ cứng và độ dẻo cao, ngoài ra do nhu cầu đòi hỏi các sản phẩm cơ khí có hình dáng hình học phức tạp, bất thường và không bị hỏng

bề mặt do những ứng suất phát sinh vì thế chúng rất khó hoặc không thể gia công bằng phương pháp gia công thông thường Để giải quyết vấn đề này, trên thế giới đã nghiên cứu và đưa ra một họ các phương pháp gia công tách vật liệu dư bằng năng lượng nhiệt, cơ, điện, hóa hoặc các kết hợp các phương pháp này, những phương pháp này

không sử dụng dao cắt khi gia công như thông thường được gọi là Các phương pháp

gia công không truyền thống hay còn gọi là Các phương pháp gia công đặc biệt

Các phương pháp gia công đặc biệt được phát triển từ sau thế chiến thứ hai,

hiệu quả rất cao và được các nước tiên tiến trên thế giới áp dụng rộng rãi, mặc dù vậy chúng còn rất mới ở Việt Nam Trong hoàn cảnh nước ta đang từng bước cũng cố và phát triển để hoà nhập với thế giới nên việc vận dụng và triển khai các công nghệ này vào trong giảng dạy cho sinh viên bậc đại học ngành Công nghệ kỹ thuật cơ khí là hợp

lý và hết sức cần thiết

Trong bài giảng này tác giả đã đưa ra các nguyên lý gia công, thông số công nghệ, đặc điểm, phạm vi ứng dụng và giới thiệu một số hình ảnh về những thiết bị và dụng cụ của các phương pháp gia công đặc biệt được tóm lược trong 6 chương, có thời lượng là 30 tiết

Tuy đã cố gắng hoàn chỉnh khi biên soạn nhưng thời gian và trình độ còn hạn chế nên không thể tránh khỏi những thiếu sót Nhóm tác giả rất mong nhận được những ý kiến đóng góp của đồng nghiệp và bạn đọc để lần sau bài giảng được hoàn chỉnh hơn Chúng tôi xin chân thành cảm ơn

Quảng Ngãi, ngày 02 tháng 12 năm 2016

Nhóm tác giả

Chương 1 PHƯƠNG PHÁP GIA CÔNG TIA LỬA ĐIỆN

(Electric Discharge Machining – EDM) 1.1 Giới thiệu

Gia công tia lửa điện được phát triển vào năm 1943 ở Liên Xô bởi hai vợ chồng người Nga tại trường đại học Moscow là Giáo sư, Tiến sĩ Boris Lazarenko và Tiến sĩ Natalya Lazarenko

Phương pháp gia công tia lửa điện là phương pháp phóng các tia lửa điện lên

bề mặt vật liệu gia công, làm cho lớp vật liệu cần hớt đi bị nóng chảy hoặc bốc hơi bởi một quá trình điện nhiệt

1.1.1 Phân loại:

1 Theo loại máy:

Có hai loại máy với dụng cụ khác nhau:

- Máy EDM dùng điện cực thỏi (hay còn gọi là máy xung định hình) Điện cực trên máy này có dạng thỏi được chế tạo sao cho biên dạng của nó giống với bề mặt cần gia công Thuật ngữ tiếng Anh của phương pháp này là EDM Die Sinking hoặc Ram-EDM

- Máy EDM dùng điện cực dây (hay còn gọi là máy cắt dây) Điện cực trên máy này là một dây mảnh được cuốn liên tục và được chạy theo một contour cho trước Thuật ngữ tiếng Anh của phương pháp này là Wire-cut EDM hoặc Wire EDM

2 Theo phương pháp gia công:

Hình 1.1 Sơ đồ gia công

- Gia công tia lửa điện dùng điện cực định hình, gọi tắt là phương pháp xung định hình Theo đó, điện cực là một hình không gian bất kỳ mà nó in hình của mình lên phôi tạo thành một lòng khuôn

BG: Các phương pháp gia công đặc biệt -3-

- Gia công tia lửa điện bằng cắt dây Ở đây điện cực là một dây mảnh (d = 0,1  0,3mm) được cuốn liên tục và được chạy theo một đường viền cho trước, nó sẽ cắt phôi theo đúng đường viền đó

Ở các máy xung định hình, nhờ có hệ thống điều khiển CNC nên không cần phải dùng người đứng máy có kinh nghiệm mà vẫn đạt hiệu quả và chất lượng gia công cao Trong mọi trường hợp, hầu hết các máy đều có mức độ tự động hoá cho phép làm việc rất lâu không có người đứng máy, dù rằng không phải luôn luôn trong điều kiện tối ưu

1.1.2 Mục đích:

- Gia công những vật liệu dẫn điện khó gia công như thép tôi, thép hợp kim khó gia công, hợp kim cứng

- Tạo hình chi tiết hệ lỗ có hình dáng phức tạp và những ứng dụng khác

1.2 Gia công tia lửa điện dùng điện cực thỏi

1.2.1 Nguyên lý gia công tia lửa điện

Gia công tia lửa điện hay ăn mòn điện là sự ăn mòn kim loại bằng tia lửa điện Trong quá trình gia công, dụng cụ và chi tiết là hai điện cực, trong đó dụng cụ là catốt, chi tiết là anốt của một nguồn điện một chiều có tần số 50  500kHz, điện áp 50  300V và cường độ dòng điện 0,1  500A Hai điện cực này được đặt trong dung dịch cách điện được gọi là chất điện môi

Khi cho hai điện cực tiến lại gần nhau thì giữa chúng có điện trường Khi điện áp tăng lên thì từ bề mặt cực âm có các điện tử phóng ra, tiếp tục tăng điện áp thì chất điện môi giữa hai điện cực bị ion hóa làm cho chúng trở nên dẫn điện, làm xuất hiện tia lửa điện giữa hai điện cực Nhiệt độ ở vùng có tia lửa điện lên rất cao, có thể đạt đến 12.0000C, làm nóng chảy, đốt cháy phần kim loại trên cực dương

Trong quá trình phóng điện, xuất hiện sự ion hóa cực mạnh và tạo nên áp lực va đập rất lớn, đẩy phoi ra khỏi vùng gia công Toàn bô quá trình trên xảy ra trong thời gian rất ngắn từ 10-4  10-7s Sau đó mạch trở lại trạng thái ban đầu và khi điện áp của

tụ được nâng lên đến mức đủ để phóng điện thì quá trình trên lại diễn ra ở điểm có khoảng cách gần nhất

Phoi của quá trình gia công là các giọt kim loại bị tách ra khỏi các điện cực và đông đặc lại thành những hạt nhỏ hình cầu Khi các hạt này bị đẩy ra khỏi vùng gia

công, khe hở giữa hai điện cực lớn lên, sự phóng điện không còn nữa Để quá trình gia công liên tục, người ta điều khiển điện cực dụng cụ đi xuống sao cho khe hở giữa hai điện cực là không đổi và ứng với điện áp nạp vào tụ C Nguyên lý gia công được thể hiện như hình sau:

Hình 1.2 Sơ đồ nguyên lý gia công tia lửa điện 1.2.2 Thiết bị

a) Truyền thống b) ZNC c) CNC

Hình 1.3 Hình dạng máy EDM điện cực thỏi

Máy EDM điện cực thỏi có các loại sau:

- Máy truyền thống: Đây là chủng loại máy đầu tiên dùng điện cực thỏi điều khiển bằng tay Loại này kết cấu đơn giản nhưng khả năng công nghê kém và độ chính xác kém

- Máy EDM điện cực thỏi ZNC: Đây là chủng loại máy EDM điện cực thỏi điều khiển chương trình số (NC) Trên các máy này thì chỉ có trục Z được tự động hoàn tòan, còn các chuyển động theo trục X, Y phải thực hiện bằng tay

- Máy EDM điện cực thỏi CNC: Trên các máy EDM điện cực thỏi CNC, các

BG: Các phương pháp gia công đặc biệt -5-

chuyển động của theo các phương X, Y, Z được tự động hoàn toàn Loại máy này có khả năng công nghệ rất cao, đạt độ chính xác gia công cao Tuy đắt tiền, nhưng do hiệu quả cao mà nó mang lại nên loại máy này hiện được sử dụng rất phổ biến

Hình 1.4 Sơ đồ khối hệ thống máy gia công điện cực thỏi ZNC 1.2.3 Điện cực dụng cụ

1.2.3.1 Yêu cầu của vật liệu điện cực

Việc lựa chọn hợp lý vật liệu điện cực là một yếu tố quan trọng Vì nó ảnh hưởng đến độ chính xác gia công và tính kinh tế thông qua năng suất và độ hao mòn điện cực trung bình Giá của điện cực có thể chiếm 80% chi phí gia công

Những yêu cầu đối với vật liệu điện cực là:

- Có tính dẫn điện tốt

- Có tính dẫn nhiệt cao, nhiệt độ nóng chảy và nhiệt độ sôi cao

- Có độ bền cơ học cao, hệ số giãn nở nhiệt nhỏ

1.2.3.2 Các loại vật liệu điện cực

Khi gia công thô, phổ biến nhất là dùng điện cực đồng thau và zamak, với chi tiết

có tiết diện nhỏ thì dùng đồng và vonfram, ở nhà máy lớn thì dùng dura

Khi gia công tinh thì dùng điện cực đồng, cũng có trường hợp dùng điện cực thép (đặc biệt khi dùng làm dao cắt)

Khi gia công hợp kim cứng thì dùng điện cực đồng, đồng thau, đồng vonfram Ở một số nước dùng điện cực đồng ép với bột cacbít silic

Có 3 nhóm vật liệu điện cực như sau:

- Vật liệu kim loại: đồng đỏ, đồng–vonfram, bạc–vonfram, đồng thau, vonfram,

nhôm, môlipđen, hợp kim cứng, thép… Trong đó đồng đỏ và đồng–vonfram là thường dùng nhất Các loại vật liệu vonfram, nhôm, molypden, hợp kim cứng, thép… chỉ được sử dụng trong một số trường hợp đặc biệt

Bảng 1.1 Tính chất vật lý của một số vật liệu làm điện cực

Điểm nóng chảy, 0C 1.080 - 3.395 1.535 Điểm sôi,0C 2.580 > 4.000 5.930 2.800 Nhiệt lượng để hóa hơi 1cm3

từ nhiệt độ phòng, cal/cm3

12.740 20.000 22.680 16.900

Tính dẫn nhiệt, Ag = 100 94,3 30,0 29,6 16,2 Tính dẫn điện, Ag = 100 95,6 0,1 48,1 16,2

Độ giãn nhiệt, 0C.10-6 16,0 4,5 4,6 15,0

- Vật liệu phi kim loại: Trong nhóm này chỉ có graphit là vật liệu được sử dụng

phổ biến là điện cực Đây là cácbon tinh khiết với 0,1% tro Khối lượng riêng từ 1,6  1,85g/cm3, điện trở riêng 8  15mm2/m, độ bền gẫy từ 200  700 kg/cm2

- Vật liệu composite: Trong nhóm này phổ biến là đồng–graphit Đây là graphit

đã được thẩm thấu với đồng Khối lượng riêng từ 2,4  3,2g/cm3, điện trở riêng 3  5mm2/m, độ bền gẫy từ 700  900 kg/cm2 Loại này có những tính chất tốt của graphit và đồng Tính dẫn điện cao hơn graphit nhưng độ mòn ở góc không tốt bằng graphit nguyên chất

BG: Các phương pháp gia công đặc biệt -7-

Bảng 1.2 Lựa chọn vật liệu điện cực

Đường kính d của điện cực phụ thuộc vào các yếu tố sau:

- Đường kính D của lòng khuôn

- Khe hở FS giữa lòng khuôn và điện cực

- Chiều cao nhấp nhô lớn nhất Rmax

Khi gia công thô thì đường kính d được tính theo công thức sau:

dthô = D – 2FS – 2Rmax (1-1) Khi gia công tinh, Rmax rất nhỏ so với giá trị khe hở phóng điện FS nên có thể bỏ qua Rmax Khi đó đường kính điện cực được tính bởi công thức sau:

1.2.3.4 Gia công điện cực

Việc gia công điện cực đóng vai trò quan trọng trong gia công tia lửa điện Độ chính xác gia công một mặt phụ thuộc vào độ chính xác của điện cực, mặt khác điện cực khi gia công bị hư hỏng phải chỉnh lại Chi phí chế tạo điện cực ảnh hưởng lớn đến tính kinh tế của quá trình công nghệ Những phương pháp gia công điện cực chủ yếu là:

- Cắt gọt, đúc (đúc chính xác), ép, cắt

- Phun kim loại, mạ điện phân

Khi gia công bằng điện cực thỏi, có thể phải gia công theo nhiều giai đoạn mới hoàn tất Việc gia công này có thể được tiến hành theo hai cách như sau:

- Dùng một điện cực nhưng trong mỗi giai đoạn sử dụng một chế độ gia công khác nhau, thường là gia công thô trước rồi đến gia công tinh

- Sử dụng nhiều điện cực đơn giản cho nhiều giai đoạn để gia công một lòng khuôn phức tạp

Hình 1.6 Gia công lòng khuôn phức tạp bằng 3 điện cực trong 3 giai đoạn

Để tiết kiệm thời gian và tiền bạc cần phải tính toán chính xác hình dáng điện cực Đây chính là vấn đề của tính hiệu quả trong việc chọn phương án chế tạo điện cực Khi chế tạo điện cực người ta phải cân giữa hai phương án:

- Gia công bề mặt chi tiết bằng một điện cực phức tạp trong một bước

BG: Các phương pháp gia công đặc biệt -9-

- Gia công bề mặt chi tiết bằng nhiều điện cực đơn giản trong nhiều giai đoạn Nếu so sánh chi phí sản xuất một điện cực phức tạp với nhiều điện cực đơn giản thì việc chế tạo nhiều điện cực đơn giản thường kinh tế hơn

Hình 1.7 Một số điện cực thường dùng trong gia công tia lửa điện 1.2.4 Chất điện môi

1.2.4.1 Nhiệm vụ của chất điện môi

- Tạo thành môi trường cách điện giữa điện cực và phôi

- Tạo môi trường ion hóa

- Làm nguội các bô phận gia công và vận chuyển phoi ra khỏi khu vực gia công

1.2.4.2 Yêu cầu của dung dịch điện môi

- Cách điện và ổn định để cách ly điện cực và phôi cho đến khi đạt đến điện áp đánh thủng

- Phải có khả năng bị ion hóa nhanh chóng sau khi sự phóng điện xảy ra

- Phải có độ nhớt thích hợp và khả năng thấm ướt tốt làm nguội và vận chuyển phoi ra khỏi khu vực gia công

- Trung tính về hóa học để không gây mòn điên cực, phôi, thùng chứa và bàn máy

- Điểm cháy tương đối cao

- Không độc, không hại da, không tạo mùi khó ngửi

- Giữ tính chất trong thời gian dài, ít hao phí

- Kinh tế

Có nhiều chất lỏng đáp ứng được các yêu cầu trên Phổ biến nhất là hydro cacbon, dầu silicon, và nước khử ion hóa Dầu hỏa (kerosene) và nước với glycol thường được sử dụng

Bảng 1.3 So sánh một số dung dịch điện môi

Dung dịch điện môi Tốc độ gia công,

2,8 2,7 4,1 6,8 11,3

1.2.5 Các thông số công nghệ và khả năng công nghệ

1.2.5.1 Các thông số điện

1 Dòng phóng tia lửa điện Ie:

Dòng điện Ie là giá trị trung bình của dòng điện từ khi bắt đầu phóng đến khi ngắt điện Ie ảnh hưởng lớn đến năng suất bóc vật liệu, độ mòn điện cực và chất lượng bề mặt gia công Nói chung Ie càng lớn thì năng suất bóc vật liệu càng lớn, độ nhám bề mặt gia công càng lớn nhưng độ mòn điện cực càng giảm

2 Độ dài xung ti:

Độ dài xung là khoảng thời gian giữa hai lần đóng-ngắt của máy phát trong cùng một chu kỳ phóng tia lửa điện Độ dài xung bằng tổng thời gian trễ đánh lửa td và thời gian phóng điện te

Độ dài xung ảnh hưởng đến năng suất bóc vật liệu, độ mòn điện cực và chất lượng bề mặt gia công

3 Khoảng cách xung t0:

Là thời gian giữa hai lần ngắt và đóng của máy phát thuộc hai chu kỳ phóng điện

kế tiếp nhau Khoảng cách xung càng lớn thì năng suất bóc vật liệu càng nhỏ và ngược lại, nếu quá ngắn thì chất điện môi không có đủ thời gian thôi ion hóa, các phần tử đã

bị ăn mòn và nhiệt của dung dịch điện môi không tải ra ngoài được Kết quả là gây ra

hồ quang và ngắn mạch Thông thường chọn t0 theo ti như sau:

- Khi gia công rất thô thì ti/t0 > 10

- Khi gia công thô thì ti/t0  10 Giá trị t0 không nên qúa nhỏ để tránh xảy ra khuyết tật

- Khi gia công tinh thì chọn ti/t0 = (5  10) Vì khi gia công tinh thì khe hở phóng

BG: Các phương pháp gia công đặc biệt -11-

điện giảm, dễ tạo ra các lỗi quá trình, do đó cần tăng t0 nên làm giảm tỉ số ti/t0

- Khi gia công rất tinh, khe hở phóng điện rất nhỏ, do đó cần phải tăng t0 do đó tỉ

số ti/t0 giảm mạnh Thường chọn ti/t0 = 0,4

4 Điện áp đánh lửa UZ

Là điện áp cần thiết để tạo sự phóng điện UZ càng lớn thì sự phóng điện càng nhanh và cho phép khe hở phóng điện càng lớn Anh hưởng của điện áp đánh lửa lên quá trình gia công nhỏ hơn ảnh hưởng của độ dài xung và khoảng cách xung

5 Điện áp phóng tia lửa điện Ue

Khi bắt đầu phóng tia lửa điện thì điện áp tụt từ UZ xuống đến Ue Đây là giá trị điện áp trung bình trong suốt thời gian phóng điện Ue là một hằng số phụ thuộc vào cặp vật liệu điện cực và phôi

6 Tần số phóng điện

Tùy vào dạng gia công mà sử dụng tần số phát xung khác nhau Khi gia công thô,

sử dụng tần số thấp, độ dài xung lớn, năng suất bóc vật liệu cao tuy nhiên chiều sâu lớp nóng chảy đông rắn lớn Khi gia công tinh, sử dụng tần số cao, độ bóng bề mặt cao, các vùng bị phá huỷ nhỏ hơn, lớp nóng chảy đông rắn mỏng hơn và vùng ảnh hưởng nhiệt mỏng hơn

7 Khe hở phóng điện

Chuyển động của chúng được điều khiển bởi các sensor bề rộng khe hở Hệ thống sẽ điều khiển chuyển động của đầu mang điện cực từ đó điều khiển được khe hở phóng điện Việc đo bề rộng khe hở phóng điện được thực hiện gián tiếp qua việc đo điên áp Ue Ue càng lớn thì khe hở càng lớn Vì thế người ta còn gọi Ue là điện áp khe

hở

Khi gia công hốc hoặc rãnh cần phân biệt 3 loại khe hở phóng điện khác nhau:

- Khe hở phóng điện mặt trước

- Khe hở phóng điện mặt bên

- Khe hở phóng điện mặt đầu

1.2.5.2 Năng suất bóc vật liệu MRR(Material Removal Rate)

Năng suất bóc vật liệu trong quá trình EDM phụ thuộc vào những thông số sau:

- Dòng điện trong mỗi lần phóng tia lửa điện

- Tần số phóng điện

- Vật liệu điện cực

- Vật liệu chi tiết gia công

- Điều kiện phun dung dịch điện môi

Hình 1.8 Ảnh hưởng của cường độ dòng điện trong mỗi lần phóng tia lửa điện

Tuy nhiên, giảm cường độ dòng điện trong mỗi lần phóng tia lửa điện và tăng tần

số sẽ cải thiện độ bóng bề mặt bởi vì kích thước vùng bị phá huỷ do phóng tia lửa điện nhỏ Nhưng tại cùng thời điểm năng suất bóc vật liệu có thể được duy trì bằng cách tăng tần số

Hình 1.9 Ảnh hưởng của tần số phóng điện đến độ bóng

Năng suất bóc vật liệu khi gia công bằng EDM có thể tính theo công thức:

TW : Nhiệt độ chảy của chi tiết gia công, 0C

Khi gia công tinh thì cắt với năng suất bóc vật liệu thấp, hoặc lớp đông rắn được bóc đi bằng các phương pháp gia công tinh

1.2.5.3 Độ mòn điện cực

Trong quá trình gia công, một phần vật liệu điên cực bị bốc hơi gây mòn điện cực Thông số tỉ số mòn R là tỉ số giữa thể tích vật liệu chi tiết bị bóc đi và thể tích vật liệu điện cực bị bóc đi Tỉ số mòn R được tính bởi công thức sau :

R = 2,25 2 , 3

r

Trong đó T r là tỉ số giữa điểm nóng chảy của chi tiết với điện cực Tỉ số mòn có

giá trị trên một dải rộng, từ 0,2  100

Tốc độ mòn của điện cực được xác định bằng công thức sau:

BG: Các phương pháp gia công đặc biệt -13-

Wt = 11.103.I 2 , 38

t

Trong đó T t là điểm nóng chảy của vật liệu điện cực

Độ mòn tương đối của điện cực được xác định bằng công thức :

V V

VE : Thể tích vật liệu điện cực bị bóc đi

VW : Thể tích vật liệu chi tiết bị bóc đi

Độ mòn tương đối của điện cực phụ thuộc những yếu tố sau:

- Vật liệu điện cực và vật liệu chi tiết gia công: Khi gia công vật liệu cacbít bằng điện cực graphit thì độ mòn điện cực lớn hơn so với trường hợp điên cực bằng volfram-đồng

- Dòng điện Ie: Khi gia công thép bằng điện cực đồng hoặc graphit người ta nhận thấy tăng Ie thì độ mòn tương đối giảm

- Độ dài xung: Khi gia công thép bằng điện cực đồng hoặc graphit thì khi tăng độ dài xung thì dộ mòn tương đối sẽ giảm

- Sự đấu cực: Bằng cách đấu cực hợp lý ta sẽ nhận được độ mòn điện cực nhỏ nhất Khi gia công thép bằng điện cực graphit, nếu Ie tăng thì nên thay đổi sự đấu cực

để tăng lượng bóc vật liệu: điện cực đấu vào cực âm khi gia công thô và đấu vào dương khi gia công tinh

1.2.5.4 Chất lượng bề mặt khi gia công bằng EDM

1 Độ nhám bề mặt

Độ nhám trước hết phụ thuộc vào năng lượng của một lần phóng điện Một phần diện tích của tụ tạo nên vết lõm nên thể tích của vết lõm tỉ lệ với năng lượng phóng ra của tụ

USZ: Điện áp giữa 2 điện cực

C : Điện dung của tụ

V : Thể tích của vết lõm

K : Hệ số phụ thuộc vào vật liệu và điều kiện gia công

Giả thiết rằng thể tích tỉ lệ với lập phương chiều sâu thì:

1.3

2 C  K U C

 3 2szU

2

3.KK





1Cm

max

Với điện áp giữa 2 điện cực không đổi thì:

Biểu thức (1.11) cho thấy độ nhám tăng theo điện áp giữa hai điện cực Điều này

có nghĩa là độ nhám tăng theo năng suất

Hình 1.10 Nhám bề mặt khi gia công tia lửa điện

Mối quan hệ giữa Ra vào năng suất bóc vật liệu được biểu diễn bởi công thức gần đúng sau:

Ra  1,11.MRR0,843, mm (1-12)

Trong đó năng suất bóc vật liệu được tính theo mm3/ph

Hình 1.11 Ảnh hưởng của năng suất bóc vật liệu đến Ra

Ngoài ra độ nhám còn phụ thuộc vào cường độ dòng điện và tần số dòng điện

.C2szK.U

BG: Các phương pháp gia công đặc biệt -15-

Hình 1.12 Quan hệ giữa độ nhám và dòng điện phóng

Độ nhám đạt được khi gia công tương ứng với các loại vật liệu và các thông số công nghệ khác nhau được trình bày trong bảng 1.4

Bảng 1.4 Độ nhám đạt được khi gia công EDM

Cấp gia

công

Độ nhám,

R Z (mm)

3

0,1 0,25

1

6

8

0,7  0,8 1,3  1,5 2,4  2,7

4  4,5 4,7  5,7

0,1 0,2 0,6 2,5

3

0,6 0,7

1  1,1 1,5  1,7 1,8  2,2 2,5  3

Bề mặt gia công tia lửa điện có thể được đánh bóng tốt (tốt hơn bề mặt được mài), thuận lợi cho việc bôi trơn (trong trường hợp áp lực lớn cũng không làm bắn dầu

ra khỏi lõm cầu)

Ngoài những yếu tố trên còn có những yếu tố khác cũng có ảnh hưởng đến độ nhám như: vật liệu điện cực, chất lượng của dung dịch gia công

1.2.5.5 Độ chính xác gia công

Độ chính xác gia công chịu ảnh hưởng của các thông số sau:

- Độ chính xác của máy: độ ổn định nhiệt, độ ổn định cơ, vị trí tương đối giữa dụng cụ và chi tiết công, hệ thống chạy dao các bàn trượt

- Các thông số điều chỉnh về điện khi gia công

- Điện cực: hình dạng, kích thước và độ mòn của điện cực, đồ gá điện cực, sự sục rửa điện cực…

- Dung dịch điện môi

- Độ chính xác lập trình

- Khoảng cách phóng tia lửa điện

Hình 1.13 Quá trình hình thành lỗ khoan bằng tia lửa điện, đường kính lỗ luôn lớn hơn đường kính điện cực và đồng thời lỗ bị côn

Độ côn của lỗ được tính bởi công thức sau:

H2

dD







(1-13)

Trong đó KT hằng số kinh nghiệm

Độ chính xác kích thước phụ thuộc nhiều vào cấu tạo của máy và được ghi trong catalog của máy Thông thường độ chính xác gia công vào khoảng 0,01mm Ở các máy khoan tọa độ EDM độ chính xác gia công đạt đến 0,0025mm

Hình 1.14 Độ côn khi gia công

1.2.5.6 Các dạng bề mặt được gia công bằng điện cực thỏi

Gia công bằng điện cực thỏi, nhờ hình dạng của điện cực có thể tạo ra nhiều dạng

bề mặt khác nhau như các hốc trong khuôn, các lỗ, đặc biệt là lỗ nhỏ và sâu, các rãnh hẹp, cánh tua bin và nhiều hình dáng phức tạp khác

BG: Các phương pháp gia công đặc biệt -17-

(a) Khuôn (b) Dạng rãnh hẹp

Hình 1.15 Một số biên dạng gia công bằng EDM

Hình 1.16 Gia công hốc bên trong với điện cực đặc biệt

Hình 1.17 Gia công ren trong lỗ bằng phương pháp EDM

1.3 Gia công tia lửa điện bằng dây cắt

1.3.1 Nguyên lý gia công

Về cơ bản, phương pháp cắt dây EDM cũng giống như phương pháp gia công bằng điện cực thỏi Điểm khác nhau là thay vì sử dụng những điện cực có hình dạng phức tạp, trong cắt dây EDM điện cực là một sợi dây có đường kính từ 0,1  0,3mm

Nó được cuốn liên tục và chạy theo một contour cho trước, cắt được bề mặt 2D hoặc

3D phức tạp Các dây cắt thường chỉ sử dụng một lần, nhưng cũng có loại được sử dụng nhiều lần Các dây cắt với tốc độ không đổi từ 0,15  9m/ph Thay vì sử dụng chất điện môi thì trong cắt dây EDM lại dùng nước khử khoáng

Chú ý: trong trường hợp dùng dầu hoả thì phôi phải được ngâm vào dầu hoả, còn trường hợp dùng nước khoáng thì phải phun tia nước vào vùng gia công

Hình 1.18 Nguyên lý gia công tia lửa điện bằng dây cắt

Một số khác biệt giữa gia công bằng điện cực thỏi và gia công bằng dây cắt:

Gia công bằng điện cực thỏi Gia công bằng cắt dây

Chi tiết gia công và điện cực được

nhấn chìm trong chất điện môi

Nước khử khoáng được phun vào vùng gia công

Sự phóng điện xảy ra giữa mặt đầu

điện cực với chi tiết gia công

Sự phóng điện xảy ra giữa mặt bên dây cắt với chi tiết gia công

Vùng phóng điện khi gia công bằng

điện cực bao gồm mặt đầu và góc của

điện cực

Vùng phóng điện chỉ bao gồm mặt

1800 của dây cực khi tiến đến cắt chi tiết

BG: Các phương pháp gia công đặc biệt -19-

(a) Điện cực thỏi

(b) Cắt dây

Hình 1.19 Sự phóng điện trong quá trình gia công 1.3.2 Các bộ phận chính của máy cắt dây

Có hai loại máy cắt dây EDM sau:

- Máy cắt dây EDM truyền thống

- Máy cắt dây EDM CNC

Cũng giống như máy gia công điện cực thỏi, máy cắt dây EDM bao gồm các bộ phận chính sau:

- Cụm cơ khí (máy chính)

- Cụm điều khiển điện, điện tử

- Cụm dung dịch điện môi

- Đồ gá và phụ tùng

1.3.2.1 Máy chính

Hình 1.20 Sơ đồ máy cắt dây

Hình 1.21 Hình dáng bên ngoài máy cắt dây EDM

BG: Các phương pháp gia công đặc biệt -21-

1.3.2.2 Dây cắt

Đối với máy gia công cắt dây, vật liệu làm điện cực phải có các tính chất sau:

- Dẫn điện tốt, dẫn nhiệt tốt

- Có độ giãn dài cao, nhiệt độ nóng chảy cao

Vật liệu làm điện cực thường là đồng đỏ, đồng thau, molipden, volfram, bạc hay kẽm có đường kính dây cắt thường từ 0,1  0,3mm Dựa vào thành phần của dây cắt người ta chia ra làm hai loại:

- Loại không có lớp phủ:

Dây cắt truyền thống sử dụng trong máy cắt dây EDM là một kim loại đơn thành phần như đồng đỏ, đồng thau và molipden Đồng đỏ được sử dụng đầu tiên vì nó có tính dẫn điện cao và dễ chế tạo thành những dây có đường kính nhỏ Sau này dây đồng

đỏ được thay thế bằng đồng thau để cải thiện tốc độ gia công Vì tác dụng làm nguội của Zn và sự tạo thành ôxít kẽm có xu hướng giảm sự đứt dây Hàm lượng Zn cao hơn cho phép điện áp servo thấp hơn do đó khó tạo sự ngắn mạch

- Loại dây có lớp phủ:

Các dây cắt có lớp phủ có độ bền kéo cao và độ thoát nhiệt cao trong quá trình gia công Lớp phủ có thể là kẽm, ôxýt kẽm, graphit, đồng đỏ với lõi là đồng thau… Phủ kẽm cải thiện đáng kể khả năng cho sục chất điện môi hơn dây đồng thau không phủ

Hình 1.22 Dây cắt có lớp phủ đường kính 0,25mm phóng đại 200 lần

a Dây lõi hợp kim đồng có độ bền cao phủ đồng thau

b Dây lõi hợp kim đồng có độ bền cao phủ hợp kim kẽm chữa 50% kẽm

c Dây lõi đồng thau phủ kẽm

Bảng 1.5 Đường kính và khối lượng dây cắt

Đường kính dây

cắt (mm)

Khối lượng, (g)

Đường kính dây

cắt (mm)

Khối lượng (g)

0,05 0,07 0,1 0,12 0,15 0,17 0,2 0,22 0,25 0,27 0,6

Chất điện môi và sự sục rửa có các chức năng sau:

- Cách ly khe hở gia công trước khi một lượng lớn năng lượng được tích lũy và tập trung năng lượng phóng điện vào một vùng nhỏ

- Khôi phục điều kiện khe hở mong muốn bằng cách làm lạnh khe hở và khử ion hóa

- Rửa trôi phoi ra khỏi vùng gia công, làm nguội dây và làm nguội chi tiết gia công

1 Phương pháp sục chất điện môi:

Thông thường người ta sử dụng phương pháp ngâm hoặc phun

Phương pháp ngâm dùng dòng chảy tuần hoàn tự nhiên khi chi tiết gia công được nhấn chìm trong chất điện môi

Trong phương pháp phun thì chất điện môi được đưa vào khe hở gia công nhờ

BG: Các phương pháp gia công đặc biệt -23-

một áp cao (15  20bar) Dòng chảy này được phun đồng trục với dây cắt Thông thường thì kết hợp phun từ dưới lên và từ trên xuống bằng hai vòi phun

2 Sử dụng dầu làm chất điện môi:

Mặc dù nước có ưu điểm là chất lượng làm nguội tốt, tốc độ cắt cao Nhưng nó

có nhược điểm là ăn mòn chi tiết gia công và các cơ cấu máy Vì thế trong một số trường hợp người ta sử dụng dầu thay cho nước vì dầu không ăn mòn chi tiết gia công Dầu là môi trường lý tưởng để gia công tinh chính xác với dây cực mảnh

Chất lượng bề mặt và độ bền lâu sau khi gia công trong dầu cao hơn nhiều so với khi gia công trong nước Khi gia công trong dầu có thể dùng dây điện cực rất mảnh với đường kính 0,025  0,03mm.Với dây cắt 0,03mm, chiều dày chi tiết gia công > 3,0mm thì bề rộng vết cắt nhỏ nhất đạt 38 µm Vì thế dầu rất thích hợp để gia công các chi tiết chính xác như bánh răng, khuôn dập bánh răng…

a) b)

Hình 1.24 Khe hở khi gia công trong nước (a) và trong dầu (b)

1.3.3 Các thông số công nghệ và khả năng công nghệ

1.3.3.1 Năng suất bóc vật liệu MRR

Năng suất bóc vật liệu khi gia công bằng máy cắt dây có thể tính bằng công thức sau:

Trong đó: - Vf : Tốc độ chạy dao của dây vào chi tiết, mm/ph

- h : Chiều dày hoặc chiều cao của chi tiết, mm

- b : Khe hở tạo thành khi dây cắt đi qua, thường b = 20  50m

b = d + 2s

Với: - d: đường kính dây cắt

- s: khe hở phóng điện giữa dây và chi tiết, s = 0,013  0,06mm

1.3.3.2 Tốc độ cắt Vs

Tốc độ cắt khi gia công bằng máy cắt dây được tính bằng diên tích mặt cắt trong

một đơn vị thời gian

Trong đó: l: Chiều dài cắt, mm

h: Chiều dày chi tiết

1.3.3.3 Tần số phóng điện

Khi tăng tần số có thể nâng cao độ bóng bề mặt Trong một phạm vi giới hạn, bằng cách tăng gấp đôi dòng điện và tần số thì năng suất bóc kim loại tăng gấp đôi mà

độ bóng bề mặt không thay đổi

Tại tần số cao, độ tự cảm làm giảm cường độ dòng điện, qua đó làm giảm năng suất bóc kim loại

Hình 1.25 Mối quan hệ giữa dòng điện và tần số đến nhám bề mặt

1.3.3.4 Độ chính xác gia công

So với các phương pháp gia công truyền thống thì lực sinh ra trong khe hở phóng điện khi cắt dây EDM là rất nhỏ Tuy nhiên các lực này làm xê dịch dây khỏi vị trí thẳng đứng và làm dây dao động ảnh hưởng đến độ chính xác gia công Sự lệch này xảy ra chủ yếu ở chỗ góc nhọn hoặc chỗ có bán kính nhỏ (< 0,1mm)

Các lực tác dụng lên dây bao gồm lực trường tĩnh điện và trường điện từ, áp suất trong kênh plasma, các bọt khí bốc hơi và lực do dòng chảy chất điện môi Ảnh hưởng của các lực này làm dây dao động với tần số khoảng 750Hz và dây đi chậm hơn so với

bộ dẫn hướng dây Trong trường hợp chiều cao của chi tiết gia công lớn có thể xảy ra

sự thay đổi chiều rộng khe hở phóng điện

1.3.3.5 Chất lượng bề mặt

BG: Các phương pháp gia công đặc biệt -25-

Hình 1.27 Bề mặt thép làm khuôn đã tôi: (a) mài, (b) WEDM

Có thể đưa ra một so sánh tổng quát khi gia công trong hai môi trường nước và dầu như sau:

Bảng 1.6 So sánh gia công trong môi trường nước và dầu

Thông số so sánh Gia công trong nước Gia công trong dầu

Tốc độ gia công Cao (đến 300 mm2/ph) Thấp (đến 60 mm2/ph)

Độ bóng bề mặt tốt nhất Rmax =1 µm, Ra < 0,13 µm Rmax = 0,5 µm, Ra< 0,06

Giá trị của độ nhám bề mặt phụ thuộc vào dòng điện Dòng điện càng lớn thì trên

bề mặt càng xuất hiện nhiều miệng núi lửa càng lớn Để đạt được bộ bóng bề mặt cao thì sau khi cắt thô phải cắt tinh nhiều lần

1.3.3.6 Các dạng bề mặt được gia công bằng cắt dây EDM

Cắt dây EDM có thể thực hiện những công việc mà các công nghệ cũ không thể thực hiện được môt cách nhanh chóng, chính xác với chi phí thấp Cắt dây EDM có thể gia công các bề mặt phức tạp như các khối nón, khối xoắn ốc, khối parabol, elip

Hình 1.28 Một số dạng chi tiết được gia công bằng cắt dây EDM

1.4 Ưu nhược điểm và phạm vi ứng dụng của gia công bằng tia lửa điện

1.4.1 Đặc điểm

Gia công tia lửa điện chủ yếu để gia công những vật liệu khó gia công mà các

phương pháp gia công không truyền thống không làm được

1.4.1.1 Ưu điểm

- Gia công được các loại vật liệu có độ cứng tùy ý

- Điện cực có thể sao chép hình dạng bất kỳ, chế tạo và phục hồi các khuôn dập bằng thép đã tôi

- Chế tạo các lưới sàn, rây bằng cách gia công đồng thời các lỗ bằng những điện cực rất mảnh

- Gia công các lỗ có đường kính rất nhỏ, các lỗ sâu với tỉ số chiều dài trên đường kính lớn Do không có lực cơ học nên có thể gia công hầu hết các loại vật liệu dễ vỡ, mềm, … mà không sợ bị biến dạng

- Do có dầu trong vùng gia công cho nên bề mặt gia công được tôi trong dầu

1.4.1.2 Nhược điểm

- Năng suất thấp, tiêu hao lượng điện lớn

- Hao mòn dụng cụ lớn

- Phôi và dụng cụ (điện cực) đều phải dẫn điện

- Máy gia công làm việc chậm vì vậy phôi trước gia công thường phải gia công

thô trước Do vùng nhiệt độ tại vùng làm việc cao nên gây biến dạng nhiệt

1.4.2 Phạm vi ứng dụng

BG: Các phương pháp gia công đặc biệt -27-

Phạm vi ứng dụng quan trọng nhất của phương pháp gia công tia lửa điện là gia công kim loại có độ cứng không giới hạn

Có thể sử dụng phương pháp này trong một số trường hợp sau:

- Biến cứng bề mặt chi tiết làm tăng khả năng mài mòn Chế tạo và phục hồi các khuôn dập đã tôi và khuôn bằng hợp kim cứng

- Các lưới sàng, rây bằng cách gia công đồng thời các lỗ bằng điện cực rất mảnh

- Mài phẳng, mài tròn, mài sắc, hoặc làm rộng lỗ

- Gia công các lỗ có đường kính nhỏ 0,15 mm của các vòi phun cao áp có năng suất cao (từ 15 đến 30 s/chiếc), gia công lỗ sâu từ 60 mm cho sai số 5m Các lỗ

0,05  1mm với chiều sâu lớn như các lỗ làm mát trong cánh tuabin làm bằng hợp kim siêu cứng, các lỗ sâu với tỉ số chiều dài trên đường kính lên đến 67 mmm

- Lấy các dụng cụ bị gẫy và kẹp trong chi tiết (bulông, tarô ) Gia công khuôn mẫu và các chi tiết cần độ chính xác cao bằng vật liệu hợp kim cứng,…

Hình 1.29 Các ứng dụng chủ yếu trong gia công tia lửa điện

CÂU HỎI ÔN TẬP

Câu 1: Khái niệm, nguyên lý gia công tia lửa điện?

Câu 2: Đặc điểm, phạm vi ứng dụng gia công tia lửa điện?

Câu 3: Các ứng dụng của gia công tia lửa điện? Cho ví dụ?

Chương 2 PHƯƠNG PHÁP GIA CÔNG SIÊU ÂM

(Ultrasonic Machining - USM) 2.1 Cơ sở lý thuyết

2.1.1 Khái niệm gia công bằng siêu âm

Gia công bằng siêu âm là truyền dao động vào vùng cắt dưới tần số siêu âm Dao động này va đập vào hạt mài, hạt mài va đập vào vùng cắt tạo nên bề mặt cần gia công Siêu âm là sóng đàn hồi có tần số từ 20 kHz ÷ 1 GHz, nhưng dùng để gia công chỉ với tần số từ 15÷30 kHz Máy siêu âm dùng để gia công các chi tiết chế tạo từ vật liệu cứng và dòn như thủy tinh, gốm sứ, đá, germani, hợp kim cứng, kim cương

2.1.2 Một số khái niệm khác

- Sóng âm gọi tắt là âm, là sóng cơ có biên độ nhỏ mà thính giác ta có thể nhận

biết được

- Nguồn âm là một môi trường đàn hồi có thể tạo ra và truyền dao động vào môi

trường tiếp xúc với nó

- Âm lượng là công suất âm tính trên đơn vị diện tích bề mặt (W/cm2)

- Áp suất âm là áp suất âm sinh ra trong môi trường do sự dao động âm (bar)

- Cường độ âm là một thông số vật lý do âm lượng và áp suất xác định (phôn)

Hình 2.1 Các vùng âm thanh Theo tần số f, sóng âm được chia thành các loại sau:

- Hạ âm: có tần số đến 16Hz

- Âm có thể nghe được: có tần số từ 16 Hz đến 20.000 Hz

BG: Các phương pháp gia công đặc biệt -29-

- Siêu âm: có tần số 16.000 đến 1010Hz

- Cực siêu âm: có tần số trên 1010 Hz

- Âm có cường độ trên 130 phôn gọi là siêu cao âm

Nguồn phát dao động ở vùng siêu âm được khảo sát với tính cách là nguồn âm Mọi nguồn âm đều có thể dùng để kích thích ra siêu âm, nếu âm lượng của nó giảm đến mức thích hợp Ngày nay đối với nguồn phát âm cơ học, thay vì phải tạo tần số cao người ta đòi hỏi nó phải cho âm lượng lớn, bởi vì trong vùng siêu cao âm việc gia công vật liệu tiến hành trong những điều kiện thuận lợi

Các yêu cầu đối với nguồn âm:

- Có khả năng hòa trộn Âm lượng có thể biến đổi

- Chất lượng ổn định (ít bị nhiễu) Khả năng phát sóng tốt

- Có tần số thích hợp, công suất lớn

Thường dùng ba cách để tạo sóng siêu âm: cơ học, điện thế và từ giảo

2.1.3 Hiện tượng từ giảo

Vào năm 1847 J.P.Joule phát hiện ra hiện tượng từ giảo

Khi đặt thanh sắt từ vào trong một từ trường, ví dụ đặt trong một cuộn dây có dòng điện xoay chiều chạy qua (Hình 2.2), thì các vùng nguyên tố tự thay đổi hướng

và trùng với hướng từ trường bên ngoài (Hình 2.3) Do đó ứng suất phát sinh, làm cho mạng tinh thể bị lệch Mức độ lệch mạng phụ thuộc vào cường độ từ trường bên ngoài Tuỳ theo cường độ từ trường tác dụng và tuỳ từng vật liệu mà thanh sắt từ co lại hoặc giãn ra Đây chính là hiện tượng từ giảo

Hình 2.2 Sơ đồ nguyên lý của hiện tượng từ giảo

l

lmax

lo

a) Không có từ trường; b) Có từ trường

Hình 2.3 Sự thay đổi hướng từ hoá của thanh sắt từ

Độ biến đổi kích thước độc lập với hướng của từ trường, chỉ phụ thuộc vào cường độ của từ trường, nhiệt độ trạng thái từ hóa trước đó, và chất lượng của vật liệu

Sự thay đổi chiều dài của thanh sắt từ không phụ thuộc vào hướng từ hoá Nếu đặt chúng trong một từ trường xoay chiều tần số f thì chúng sẽ rung động với tần số

đó Người ta lợi dụng hiện tượng này để tạo ra siêu âm Sự thay đổi chiều dài của thanh sắt từ đạt cực đại khi xảy ra hiện tượng cộng hưởng (tần số dao động do sự biến đổi của cường độ từ trường bằng với tần số dao động riêng của thanh sắt từ)

2.1.4 Sự ăn mòn xâm thực

Nếu siêu âm được phóng qua chất lỏng, thì trong đó sẽ phát sinh áp lực cục bộ Với âm lượng thích hợp thì có thể tạo nên sự biến đổi áp lực làm sinh nội ứng suất lớn đến mức làm mất đi sự liên kết giữa các phân tử của chất lỏng và làm cho chất lỏng bị phá hủy Hiện tượng này có thể biết được khi thấy những bọt khí, được gọi là bọt khí xâm thực Bọt khí chỉ tồn tại trong thời gian ngắn Khi chúng bị tan thì có áp lực cục

bộ rất lớn, gần 1000 atm

Người ta ứng dụng hiện tượng này để làm sạch các chi tiết, để đánh sạch rỉ, xúc tiến nhanh các quá trình hóa học Hiện tượng này cũng xảy ra trong quá trình gia công bằng siêu âm

2.1.5 Tác dụng cơ học

Hình 2.4 Âm trường, sự chuyển động của những phần tử nhỏ trong âm trường

a) Những phần tử nhỏ chuyển động theo âm trường; b)Những phần tử lớn hơn chuyển

động chậm hơn

Dưới tác động của siêu âm những phần tử nhỏ, rắn trong môi trường truyền âm

sẽ chuyển động Khi chuyển động, các phần tử nhỏ với khối lượng quán tính riêng này

BG: Các phương pháp gia công đặc biệt -31-

sẽ cọ xát với những phần tử lớn hơn đang đứng yên và sự cọ xát này làm nảy sinh ra tác dụng cọ xát đặc trưng bằng siêu âm (Hình 2.4)

Các phân tử nhỏ này chuyển động đúng như âm lượng quy định (chụp tế vi ta thấy những vạch) những phần tử lớn hơn thì không theo đúng hoàn toàn sự chuyển động của trường(một chấm tròn)

Tùy theo tính chất, ma sát trong hai môi trường, kích cỡ của các phân tử nhỏ, sự đồng nhất về kích thước của các phân tử nhỏ, … mà sẽ có một nhóm các hiện tượng khác nhau, hệ quả của chúng là tạo ra sự hóa động, sự chuyển thể và sự phân tán do tác dụng của siêu âm (còn gọi là sự tán sắc)

Gia công bằng siêu âm các vật thể rắn chủ yếu là ứng dụng sự tán sắc của siêu

âm, thực chất là lợi dụng sự cọ sát cơ học của môi trường hai pha để tạo nên một tác dụng thứ hai khác

2.1.6 Nguyên lý gia công bằng siêu âm

Hình 2.5 Nguyên lý gia công bằng siêu âm

1 Bàn máy; 2 Dụng cụ; 3 Dao động siêu âm; 4 Bộ chuyển đổi;

5 Nguồn tần số cao;6 Thanh truyền sóng; 7 Bộ phận làm mát; 8 Bơm;

9 Dung dịch hạt mài; 10 Chi tiết gia công; 11 Thùng chứa

Dao động có tần số 18  25 kHz được phát từ nguồn tần số cao 5 truyền đến bộ chuyển đổi 4 (Hình 2.5) Tại đây dao động điện biến thành dao động cơ học, có cùng tần số, biên độ dao động trong khoảng 5  10m Biên độ dao động này nhỏ, không đủ lớn cho việc gia công kim loại (từ 0,025  0,075 mm) Vì vậy, dao động trước khi đến đầu dụng cụ được cho qua bộ biến tốc (thanh truyền sóng) được gắn cứng vào bề mặt ngoài của bộ chuyển đổi

Dung dịch hạt mài được luân chuyển liên tục giữa đầu dụng cụ và bề mặt chi tiết Khe hở giữa đầu dụng cụ và bề mặt gia công từ 0,02  0,1 mm Trong quá trình gia công, sự rung động của đầu dụng cụ sẽ gia tốc cho các hạt mài ở tốc độ cao và truyền lực cần thiết cho hoạt động cắt gọt Các hạt mài sẽ ăn mòn bề mặt gia công một cách liên tục và chép lại hình dáng của dụng cụ lên bề mặt chi tiết

Trong quá trình gia công, dụng cụ được tịnh tiến dần tới bề mặt gia công với tốc

độ không đổi nhờ vào đầu máy Tốc độ tịnh tiến của dụng cụ rất bé, giá trị lớn nhất vào khoảng 0,1mm/s Bàn máy có khả năng dịch chuyển theo hai phương nằm ngang thẳng góc nhau

2.2 Thiết bị và dụng cụ

2.2.1 Thiết bị

Hình 2.6 Máy gia công siêu âm kiểu 4773 của Nga

1 Phôi; 2 Dụng cụ; 3 Thanh truyền sóng; 4 Bộ chuyển đổi;

5 Trục; 6 Cột; 7 Bơm; 8 Thùng chứa

BG: Các phương pháp gia công đặc biệt -33-

Hình 2.7 Sơ đồ cấu tạo đầu siêu âm 2.2.2 Dụng cụ

Thường dụng cụ có nhiều hình dạng và kích thước khác nhau tùy theo yêu cầu:

- Có biên dạng giống như biên dạng của chi tiết gia công,

- Kích thước của nó bị chi phối bởi kích thước của hạt mài được sử dụng

Chiều dài của dụng cụ phải ngắn để ít hấp thu năng lượng rung động, giảm hiệu suất gia công Dụng cụ dài gây quá ứng suất cho dụng cụ và mối hàn đồng Dụng cụ thường có chiều dài 25 mm, kích thước của nó bằng kích thước của lỗ trừ đi hai lần kích thước hạt mài Tỉ số giữa chiều dài và đường kính dụng cụ không được lớn hơn

nó ở phía đầu lắp dụng cụ Với dạng kết cấu như thế làm cho âm lượng tăng về phía đầu dụng cụ và ta có thể khuếch đại dao động của từ giảo lên đến 100 lần, biên độ dao động đạt đến giá trị gia công kim loại được

Hình 2.8 Một số kiểu thanh truyền sóng thông dụng

Khi chọn vật liệu làm thanh truyền sóng cần phải chú ý đến những tính chất sau:

- Độ bền kéo lớn, tiêu hao âm lượng bé

- Tính chống ăn mòn do xâm thực cao, tính trơ về hoá học

Những loại vật liệu thoả mãn những yêu cầu trên là: nhôm, hợp kim nhôm - đồng

đỏ, thép không rỉ Trong đó hợp kim titan thoả mãn tất cả bốn yêu cầu trên

2.2.5 Bộ chuyển đổi (Tranducer)

- Bộ chuyển đổi áp điện: Thực hiện chuyển đổi tín hiệu điện thành dao động cơ

học (chế độ truyền phát) và dao động cơ thành tín hiệu điện (chế độ thu nhận) Đặc tính của bộ chuyển đổi phụ thuộc vào nhiều yếu tố, bao gồm: vật liệu, cấu trúc cơ, điện

và các điều kiện chịu tải về cơ, điện

- Bộ chuyển đổi từ giảo: làm việc trên nguyên lý nếu một miếng vật liệu sắt từ

như nickel, hợp kim pecmalci (45%Ni, 55%Fe) hoặc permedur (49%Co, 49%Fe và 2%V) được từ hoá thì xảy ra sự thay đổi kích thước Bộ chuyển đổi này có một cuộn solenoid quấn trên một lõi gồm các miếng nikel cán mỏng xếp chồng lên nhau (nó thay đổi kích thước nhanh khi đặt trong từ trường) và được nuôi với một nguồn xoay chiều có tần số đến 25kHz Bộ chuyển đổi từ giảo được sử dụng với công suất lên đến

BG: Các phương pháp gia công đặc biệt -35-

- Là môi trường truyền âm giữa dụng cụ và chi tiết gia công,

- Chuyển năng lượng từ dụng cụ vào chi tiết, mang phoi ra khỏi vùng gia công

- Tải nhiệt từ vùng gia công ra ngoài, tránh hiện tượng xâm thực ở nhiệt độ cao, nâng cao năng suất gia công

Hạt mài phải có độ cứng cao hơn vật liêu gia công, thường là B4C, SiC kim cương Hạt mài làm bằng Al2O3 bị mòn nhanh, thích hợp cho gia công thuỷ tinh và ceramic Hạt mài SiC thì khó giữ trong dung dịch

Nguyên tắc lựa chọn hạt mài phụ thuộc vào vật liệu gia công, độ cứng của vật liệu, năng suất bóc kim loại mong muốn và độ bóng bề mặt yêu cầu

2.3 Các thông số công nghệ

2.3.1 Năng suất bóc vật liệu MRR (Material Removal Rate)

Năng suất bóc vật liệu khi gia công siêu âm là thể tích vật liệu (phoi) được lấy đi trong một đơn vị thời gian(mm3/phút), được tính bằng công thức sau:

giảm Năng suất gia công còn phụ thuộc vào độ sâu gia công và profile mặt cắt ngang của dụng cụ Ngoài thông số MRR, năng suất gia công còn có thể được đánh giá thông qua tốc độ tiến của dụng cụ e

Các yếu tố ảnh hưởng đến năng suất gia công:

- Biên độ và tần số dao động

- Tính chất cơ lý của vật liệu cần gia công

- Phụ tải tĩnh giữa dụng cụ và vật liệu cần gia công

- Loại bột mài và nồng độ nhũ tương của bột mài

- Cách cho nhũ tương vào bột

Bảng 2.1 Ảnh hưởng của dung dịch hạt mài đến độ chính xác và độ nhám bề mặt

2.3.3 Chất lượng bề mặt gia công

Khi gia công hợp kim cứng và thép trên bề mặt có hiện tượng cứng nguội và xuất hiện ứng suất dư nén nhưng ở mức độ rất bé Khi gia công vật liệu phi kim loại và độ giòn cao xuất hiện mạng vết nứt tế vi Chiều sâu vết nứt lên đến bốn lần chiều cao nhấp nhô Độ nhám bề mặt gia công có thể đạt Ra = 12,5  0,2m

Độ nhám bề mặt phụ thuộc vào:

- Số lượng và kích thước hạt mài

- Tính chất cơ lý của vật liệu gia công

BG: Các phương pháp gia công đặc biệt -37-

- Biên độ dao động của dụng cụ

2.3.4.1 Những yếu tố phụ thuộc vào thiết bị và độ chính xác điều chỉnh máy

- Sai số trong chuyển động theo hướng tiến của dụng cụ và sự điều chỉnh đầu dao động so với bàn máy

- Sự ăn khớp và độ đồng trục của các bộ phận của đầu từ giảo tạo dao động, bộ phận nối, dụng cụ

- Độ chính xác của các cơ cấu dùng để điều chỉnh chi tiết

- Độ chính xác vị trí tương đối giữa dụng cụ và chi tiết gia công

2.3.4.2 Các yếu tố phụ thuộc vào đặc tính công nghệ

- Kích cỡ hạt mài

- Sự ổn định của khe hở giữa dụng cụ và vật gia công

- Độ mòn của dụng cụ

- Hình dáng hình học của dụng cụ

- Độ sâu gia công

Đối với gia công lỗ, do đặc điểm khác nhau mà người ta phân biệt gia công lỗ

thông và lỗ không thông

2.3.4.3 Độ chính xác gia công lỗ thông

Độ chính xác của lỗ thông có tiết diện không đổi do 3 yếu tố quyết định:

- Độ chính xác chế tạo dụng cụ

- Độ chính xác chép hình của dụng cụ

- Dao động có hại thẳng góc với trục dọc của dụng cụ

Đối với lỗ côn hoặc lỗ có bậc thì ngoài 3 yếu tố trên, độ mòn của dụng cụ có tác động rất lớn đến độ chính xác

2.3.4.4 Độ chính xác của lỗ không thông

- Ngoài các yếu tố nói ở phần trên, độ chính xác gia công lỗ có đáy còn phụ thuộc vào độ mòn của dụng cụ