CHƯƠNG IV.2 GIA CÔNG CHÙM ĐIỆN TỬ

CHƯƠNG IV.2 GIA CÔNG CHÙM ĐIỆN TỬ tài liệu, giáo án, bài giảng , luận văn, luận án, đồ án, bài tập lớn về tất cả các lĩn...

KHOA CƠ KHÍ

TIỂU LUẬN:

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 độ cao được hội tụ để tách bỏ kim loại Trong phương pháp này, một dòng điện tử đập vào một đối tượng và gây ra nóng chẩy và bay hơi nhanh vật liệu Với khoan một vật liệu đỡ đằng sau được đặt ở phía sau của phôi, khi chùm tia xuyên qua phôi và tiếp xúc vật liệu đỡ, áp lực bay hơi cao tạo bởi vật liệu đỡ sẽ đẩy vật liệu phôi bị nóng chảy, để lại một lỗ trên phôi

Phương pháp EBM có thể dùng để gia công nhiều loại vật liệu khác nhau và các tính chất vật liệu như độ cứng,

độ dẻo, độ dẫn điện, dẫn nhiệt và điểm nóng chẩy thường không là các nhân tố hạn chế phương pháp này ứng dụng công nghiệp lớn nhất của EBM là khoan chính xác các lỗ nhỏ (0,1 đến 1 mm) ở kim cương

( Về cơ bản gia công bằng chùm tia điện tử cũng là gia công bằng phương pháp nhiệt )

HÌNH 1 SƠ ĐỒ NGUYÊN LÝ CỦA PHƯƠNG PHÁP EBM

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 độ ánh sáng

Các điện tử tự do được tạo ra khi dây tóc vonfram của

katốt được 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

electron beam

Vì anốt chứa một lỗ, các điện tử vượt qua anôt và tiếp tục chuyển động hướng về phôi Một cốc thiên áp đặt giữa katôt và anôt hoạt động như một lưới điều khiển số lượng điện tử bị gia tốc (dòng tia) Cốc thiên áp cũng hoạt động như một ngắt mạch để xung dòng tia

Dòng tia thông thường được điều chỉnh từ 1 đến 80 mA và công suất xung có khả năng lên tới 12 kW/ xung Khoan đòi hỏi việc điều khiển 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

độ năng lượng rất cao ( ít nhất 106W/mm2), với năng lượng này có thể làm 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 chức năng loại bỏ các điện

từ khỏi vùng mép của chùm tia Điều này làm giảm hơn nữa đường kính điểm và giúp tạo ra phân bố mật độ năng lượng 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 tia tròn tới phôi

Buồng chân không. EBM được thực hiện với phôi trong một buồng 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 làm lệch bởi các phân tử không khí Để bơm 1m 3 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

1m 3 để giảm thiểu lượng hạt gia công trong quá trình khoan bám vào thành bình Các hạt này bị đẩy ngược lên trong quá trình khoan

bị thu lại bằng các đĩa quay thuận, chồng lên nhau trên nóc của bình, chúng dính vào các đĩa này

Hình 2 : Một bộ khoan bằng chùm điện tử với một

trống căng

Hình 4 : S ơ đồ của quá trình khoan bằng

chùm điện tử.

a) Chùm điện tử tập trung nung và làm

chảy bề mặt của phôi.

b) Một lượng nhỏ hơi của vật liệu được

tạo ra do mật độ năng lượng cao của chùm

tia và hơi thoát ra hình thành một kênh

mao dẫn được bao quanh bởi vật liệu nóng

chảy

c) Chùm tia điện tử xâm nhập vào phôi và

bắt đầu làm hoá hơi vật liệu đỡ phôi.

d) áp lực của hơi từ vật liệu đỡ phôi được

hình thành đến khi vật liệu phôi bị nóng

chảy bị đẩy ra.

Các đặc tính của quá trình gia công

Quá trình vật lý của khoan EBM có thể xem xét thông qua việc chia thành các bước H4 :

*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 được hội tụ nhỏ gây ra nhiệt và

nóng chảy cục bộ, nhưng chỉ làm bay hơi một

lượng rất nhỏ vật liệu (H4a)

*Chùm tia xâm nhập vào vật liệu bằng cách làm bay hơi và nóng chảy vật liệu, một áp suất cao của hơi vật liệu hình thành khi chùm 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 có một 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

Hinh 5:Cấu trúc thông thường của một lỗ được khoan bằng chùm điện

tử.

Vật liệu đỡ phôi cần trong khoan bằng chùm điện tử để

cung cấp 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 xâm nhập Một vật liệu thông dụng được gọi là HM/S chứa ba phần bột đồng thau và một phần cao

su silicone Vật liệu này có độ co ngót nhỏ nhưng không tái sử dụng được

Vật liệu đỡ phôi khác nữa chứa đồng thau epoxy được đúc

ở vị trí làm việc và một loại sáp dùng lại được thường được dùng khi khoan các bề mặt gần các hốc không thông Tất cả các vật liệu đỡ đều có thể chế tạo dễ dàng bởi người

sử dụng

Các tham số của quá

*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 thử nghiệm 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 và đường kính của lỗ, thời gian xung thay đổi từ 0,05 đến 100 ms Thấu kính điện từ hay cường

độ hội tụ ảnh hưởng đến độ côn của lỗ vì cường độ hội tụ theo phương thẳng đứng quyết định hình dạng thực của 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 cho chùm tia và phôi dịch chuyển cùng nhau trong khi khoan lỗ Khi kết thúc xung, chùm tia nhảy

về vị trí ban đầu của nó để khoan lỗ tiếp theo

Hình 6 : Các tần số khoan bằng dòng điện tử lớn nhất khi gia

công hợp kim nikel và co ban

Tốc độ khoan trong EBM được xác định bằng thể tích lỗ, hình dạng hình

học của phôi và các giới hạn chu kỳ gia công Hình 6 biểu diễn tần số

max theo thể tích lỗ Tốc độ với không gian lớn hơn có thể được tính toán

với giả thiết rằng chùm tia có thể được dịch chuyển với tốc độ 100 mm/s Công suất chùm tia cũng quyết định tốc độ khoan

Yêu cầu công suất tương đối để lấy đi một thể tích tương đương của các kim loại khác nhau trong thời gian như nhau, được dựa trên chuẩn của nhôm bằng 1

Các phôi được khoan trong EBM

Gần đây, vật liệu dày tới 8 mm ở thép có thể được khoan cho các ứng dụng công nghiệp thông dụng Độ dày vật liệu có khả năng thay đổi trong khoảng 0,05 đến 8 mm

Bảng 1 trình bày thêm các kết quả của việc khoan các vật liệu khác nhau Khoan bằng chùm điện tử có thể sử dụng trên các vật liệu khác nhau, nhưng phần lớn các vật liệu đến nay là kim loại, như thép không gỉ, thép nikel và coban, đồng, nhôm và titan Đã có một vài thí nghiệm gia công gốm và da nhân tạo, và trên lý thuyết có thể khoan nhựa bằng EBM Độ cứng, độ dẻo, độ dẫn nhiệt và điểm nóng chảy của vật liệu không là các nhân tố giới hạn khi khoan bằng phương pháp EBM

Bảng 1 : Các kết quả điển hình của khoan bằng dòng điện tử

kính lỗ Vật liệu phôi

Tổng

số lỗ

Thời gian một chu kỳ (phút)

Thép hợp kim coban (đĩa trộn)

Thép CrNiCOW(

buồng đốt động cơ đốt trong)

Thép hợp kim coban “đầu xoay”

Inconel 100 (mảnh thử)

Đồng tấm

Composit tấm sợi thép không gỉ (a)

(a) chùm tia dùng ở chế độ khoan

1.6 1.1

4.3 6.3 1.5  2.5

5 1.1

0.9 0.9

0.81 0.46 0.2 13.2

720 0.03

Các đặc tính kỹ thuật của lỗ gia công bằng phương pháp EBM. Các lỗ hiện nay có thể gia công bằng EBM

có đường kính thuộc khoảng 0,1 đến 1 mm và kết quả gia công lỗ có thể tới 0,05 mm đường kính Có thể gia công các lỗ có hình dạng khác nhau Theo hướng dọc có thể gia công các lỗ trụ, côn, chuông và bát tròn xoay Trong tiết diện ngang có thể gia công được các lỗ tròn Phương pháp này có thể gia công lỗ với hệ số chiều sâu/ đường kính tới 10: 1 hay thậm chí 15 : 1 trong một số trường hợp đặc biệt

Dung sai của lỗ gia công bằng EBM khá tốt Lỗ có thể định vị trong khoảng 0,1 mm và đường kính lỗ tại điểm hẹp nhất có thể giữ ở 5%, nhưng không nhỏ hơn 0,03

mm Thông thường, các tâm lỗ phải cách nhau ít nhất 2 lần đường kính

Các ứng dụng

Các ứng dụng của EBM gần như hoàn toàn trong khoan

Nó hữu hiệu khi khoan nhiều lỗ nhỏ hay khi các lỗ khó khoan bởi vì hình dạng hình học của lỗ hay độ cứng của vật liệu Công nghiệp chất lỏng và hoá chất dùng khoan bằng dòng điện tử để chế tạo lỗ với số lượng rất lớn trong các bộ lọc và màn chắn

Ví dụ : ứng dụng EBM để khoan : Một vòm động cơ

phản lực đốt trong làm bằng thép vonfram molivden coban nikel (H8) Nó có chiều 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 lỗ trong 60 ph

Hình 8: Buồng động cơ phản lực đốt với các lỗ được gia công

bằng EBM Nguồn MG.

Ưu nhược điểm

Ưu 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 tính chất lớp bề mặt (độ phản xạ) của phôi

* Không có khó khăn gặp phải khi khoan lỗ có góc nghiêng với mặt phẳng là các góc nhọn

* Không có biến dạng cơ khí vì không có lực tác động lên chi tiết trong quá trình khoan

* ảnh hưởng của nhiệt hạn chế vì chỉ cần một xung để gia công một lỗ và thời gian xung ngắn

* Các tham số khoan dễ dàng thay đổi trong qúa trình khoan của từng phôi, thậm chí từ hàng lỗ này sang hàng

* Chi phí gia công tương đối nhỏ so với các phương pháp khác dùng để gia công các lỗ nhỏ

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 gia công độc lập, nhưng Steigerwald Strahltechdent ở Tây Đức có thể cung cấp

* Có lớp tái đúc mỏng vì EB là phương pháp nhiệt, lớp này

có thể phải quan tâm trong một số trường hợp

* Yêu cầu người vận hành có kỹ năng khi vận hành EB , mặc dù việc áp dụng CNC làm quá trình này đơn giản hơn rất nhiều

Cần phải dùng đến vật liệu phụ