Các phương pháp Gia công đặc biệt (Phạm Ngọc Tuấn - Nguyễn Văn Tường).pdf

Các phương pháp Gia công đặc biệt (Phạm Ngọc Tuấn - Nguyễn Văn Tường).pdfCác phương pháp Gia công đặc biệt (Phạm Ngọc Tuấn - Nguyễn Văn Tường).pdf

NHỮNG ĐẶC TÍNH UU VIET GUA GÁC PHƯƠNG PHÁP GIA CONG ĐẶC BIỆT

§o với các PPGC cắt gọt thông thường, các phương pháp này có những đặc tính ưu việt hơn hẳn sau đây: ứ Cú khả năng GC tất cả cỏc loại vật liệu cú bất kỳ cơ lý tớnh nào: vỡ chỳng không ảnh hưởng nhiều đến năng suất và chất lượng

Trong quá trình GỠ bằng các phương pháp này có thể không cần tác dụng của cơ học hoặc là tác dụng không đáng kể

Ví dụ: khi GƠ bằng điện hóa thì việc hớt lượng dư GC chủ yếu do tác dụng điện hóa, còn khi GC bằng phương pháp tia lửa điện thì chủ yếu nhờ nhiệt năng do dòng điện sinh ra, nhiệt độ khoảng 10.000°C, với nhiệt độ này thì hầu hết các loại vật liệu bị nóng chảy và bốc hơi Đây là:ưu điểm nổi bật nhất

16 CHUONG 1 ô Khộng edn sw dung eae dung cu chuyờn dựng hoặc cỏc loại uột liệu mời (trừ phương pháp cơ điện hóa):

Trong quá trình GƠ bằng các phương pháp không truyền thống áp lực của dụng cụ tác dụng lên bề mặt GC coi như không đáng kể, vì thực tế khi GC dụng cụ và chỉ tiết cách nhau một khoảng cách nhất định Đó là điều kiện tất yếu, trừ khi GƠ bằng điện tiếp xúc và bằng siêu âm thì dụng cụ có tác dụng lên chỉ tiết một lực nào đó

Khi GC bang laser thì không cần dụng cụ uà thuật ngữ dụng cụ hoàn toàn không tôn tại

+ Tiết kiệm rất lớn nguyên vật liệu

Nhất là khi GC đá quý như hồng ngọc, kim cương, thạch anh và các loại vật liệu đơn tỉnh thể dùng trong công nghệ chế tạo chỉ tiết transistor ® Đạt độ chính xác gia công cao và độ bóng bể mặt cao

Có thể đạt được độ chính xác và độ bóng bề mặt yêu cầu khi GC các chỉ tiết có độ cứng cao mà PPGC truyền thống không thể đáp ứng được vì năng suất thấp và không kinh tế Có thể GC các lỗ cực nhỏ hoặc lỗ đòi hỏi các độ chính xác cao từ 2+5um, GC các ống dẫn của hệ thống thủy lực yêu cầu không có bavia hoặc vết xước ở các khớp nối © Gia công các bề mặt phức tạp

Có thể GC các bể mặt phức tạp như bê mặt của khuôn mẫu làm bằng thép dụng cụ đã tôi có độ cứng cao mà PPGC truyền thống không thể đáp ứng được GC được các lỗ với chiều dài gấp 100 lần đường kính, những lỗ rất nhỏ đường kính nhỏ hơn

0,1m s Có thể gia công từng chỗ trên một chỉ tiết rất lớn mà không cẩn máy lớn chuyên dùng, mặt khác có thể rút ngắn thời gian GC các chỉ tiết có hình đáng phức tạp ¢ Cé khả năng hoàn toàn cơ khí hóa và tự động hóa

Năng suất cao, hiệu quả kinh tế cao, giảm lượng phế phẩm, giảm khối lượng GƠ, tăng cường thêm cho các PPGC cat got Vi du:

- Tiện, phay, mài điện hóa

- Hàn bằng siêu âm - Điểm qua các đặc tính ưu việt kể trên, ta thấy triển vọng của các.PPGCĐB rất to lớn Hiện nay, ở các nước công nghiệp tiên tiến người ta đã chế tạo nhiều loại máy chuyên dùng và đã được sử dụng rộng rãi trong ngành chế tạo máy.

PHẠM VI ỨNG DỤNG CỦA MỘT SỐ PHƯƠNG PHÁP GIA CÔNG ĐẶC BIỆT

Các PPGCĐB được ứng dụng rộng rãi ở các hước phát triển Ở Việt Nam các' phương pháp này đang bước đầu được áp dụng và phát triển Sự có mặt của các PPGCDB nay da giải quyết được một số khó khăn của ngành cơ khí nói chung Phạm vi ứng dụng của các phương pháp này được trình bày tóm tắt trong bảng 1.7.

Bảng 1.7 Pham vi ung dung cila mét số phương pháp gia công đặc biệt,

Phương pháp Phạm vi ứng dụng *

Gia công siêu - 8ia công các hợp kim cứng và phi kim loại như đá quý, sử âm > Gla công các lỗ nhỏ hoặc các bể mặt định hình

- Tăng cường cho cỏc quỏ trỡnh gia cụng điện húa, điện lý, cắt gọt cứ khi

- Han kim loại, hàn kim loại với phi kim loại

~ Trộn dung dich nhũ tưởng

Gia công tia - Gắt và tạo hình các bộ bằng thép nhồm thủy tính, cao su, vật liệu tổng hợp và các vật liệu khác tước - Làm sạch bể mặt

Gia công hóa ~ Dùng rộng rãi trong ngành hàng không

- Gia công vỏ tên lửa, vách ngăn tên lửa

- Gia céng bình áp suất hình cẩu,

~ Gia công các tấm bảng kiến trúc,

Gia công điện | - Gia công chỉ tiết có hình dạng phức tạp: cánh tuabin, khuôn đập hóa - Khoan lỗ sâu

- Đánh bóng các bể mặt kim loại dùng để trang trí, nâng cao độ bền, chống ăn mòn

~ Ghuẩn bị mẫu để khảo sát kim tương

- Chuẩn bị mẫu cho xi mạ

Gia công cơ - Kết hợp gia công cắt gọt va gia công điện hóa nhằm nắng cao năng suất và chất lượng điện hóa ~ Tiện, phay, khoan, mài kết hợp điện hóa

Gia công điện | - Gia công các phôi kim loại và hợp kim cứng tiếp xúc = Mai thd, mở rộng lỗ

- Ghế tạo bột kim loại

Gia công cơ- - Gia công hợp kim cứng anot ~ Mài, cắt hợp kim cứng

Gia công tia — | - Nung các kim loại làm bốc hơi kim loại điện từ - Gia công các lễ nhớ, lỗ chân kính đồng hồ

- 6ia công lỗ khuôn kéo vuốt sợi hóa học

- Gắt, khoan lỗ chí tiết bằng ferit trong công nghiệp điện tử

Gia công tia - Gia công kim loại có độ cứng không giới hạn * lửa điện ~ Làm cứng các dụng cụ: dao cắt gọt gỗ, dao cắt kim loại, khuôn rèn dao cắt, mũi đục đá

Gia công bằng | - Cắt, mổ rộng lỗ bất kỳ các loại nguyên vật liệu siêu cứng nào tia laser - Hàn

6ia công tia - Cất vật liệu dẫn điện cứng, các kim loại đặc biệt với tốc độ cao plasma - Gất thộp khụng gẽ, nhụm, titan

~ Đục đếo chế tạo máy trong ngành ôtô

Tạo mẫu nhanh | Kết hợp 0AD, số hóa 3 chiếu để tạo nhanh sản phẩm trực tiếp tit may tinh ma khong cẩn mô phông như trước đây, tiết kiệm thời gian và chỉ phí.

CAC PHUONG PHAP GIA CONG CO

GIA CONG SIEU AM (Ultrasonic Machining - USM)

2.1.1 Cơ sở lý thuyết và nguyên lý gia công

1- Một số khái niệm cơ bản Sóng âm là sóng cơ học lan truyền được trong môi trường rắn, lỏng, khí nhờ các phần tử vật chất làm nhiệm vụ truyển sóng Để tạo ra sóng âm cẩn có nguồn ôm

Nguồn âm là một môi trường đàn hồi có thể tao ra va truyén dao động vào môi trường tiếp xúc với nó Một số đại lượng vật lý của nguôn âm như sau:

- Âm lượng là công suất âm tính trên đơn vị diện tích bể mặt (W/cm?)

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

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

Theo tần số ƒ, sóng âm được chia thành các loại sau:

- Ha am: cé tan sé đến 16Hz

- Âm có thể nghe được: có tần số từ 16Hz đến 16.000Hz

- Siêu âm: có tần số 16.000 đến 10107z, - Cực siêu âm: có tần số trên 1019g7;, Âm có cường độ trên 130 phôn gọi là siêu cao ám Hình 2.1 mô tả các vùng âm khác nhau,

Nguồn phát đao động ở vùng siêu âm được khảo sát với tính cách là nguồn âm

Cơ chế kích thích dao động không ảnh hưởng đến xác suất xuất hiện của dao động, xác suất này chỉ phụ thuộc vào năng lượng nguồn âm và tính đàn hồi của môi trường đao động Vì mọi nguồn âm đêu 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 (GCVL) tiến hành trong những điều kiện thuận lợi.

Tần số (Hz) Hình 3.1 Các uùng âm thanh

Các yêu câu đối uới nguôn 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

Có nhiều phương pháp để tạo sóng siêu âm, nhưng thường dùng ba cách: cơ học, điện thế uè từ giáo Các thiết bị GC sử dụng trong công nghệ chế tạo máy chủ yếu hoạt động với máy phát dùng từ giáo làm nguồn phát dao động.

Hiện tượng từ giảo

Về cấu tạo thô đại thì một thanh sắt từ là một tập hợp bởi nhiều vùng nguyên tố Ở trạng thái bình thường thì hướng của các vùng này không tuân theo một quy luật nào cả Nhưng nếu đặt thanh sắt từ đó vào trong một từ trường, ví dụ đặt trong một cuộn dây có dòng điện xoay chiều chạy qua (H.2.2), thì các vùng nguyên tố tự thay đổi hướng và trùng với hướng từ trường bên ngoài (H.2.3) Do đó ứng suất phát sinh, làm cho mạng tỉnh thể bị lệch Mức độ lệch mạng phụ thuộc vào cường độ từ trường bên ngoài Tùy theo cường độ từ trường tác dụng và tùy từng vật liệu mà thanh sắt từ eo lại hoặc giãn ra Đây chính là hiện tượng từ giáo 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.

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

Tình 2.4 Biến đổi chiêu dài tương đối của một số vat liệu có từ tính khác nhau

Hình 2.4 cho thấy, độ biến đổi kích thước doc tương đối phụ thuộc như thế nào vào cường độ từ trường của một số vật liệu từ khác nhau Trên hình 2.4, trị số dương chí sự giãn đài, trị số âm chỉ sự co rut

Người ta nhận thấy rằng sự thay đổi chiều dai của thanh sắt từ không phụ thuộc vào hướng từ hóa Như vậy, nếu đặt chúng trong một từ trường xoay chiều tần số f thì chúng sẽ rung động với tấn 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, tức là khi tấn số dao động do sự biến đổi của cường độ từ trường gây nên bằng với tần số dao động riêng của thanh sắt từ

3- Các hiện tượng xảy ra do tác động siêu âm

- Sự ăn mòn xâm thực

Nếu siêu âm được phóng qua chất lông, 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 lồng 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 Những bọt khí chỉ tên tại trong thời gian ngắn Khi chúng bị tan thỡ cú ỏp lực cục bộ rất lớn, gần 1000ứ#m

Người ta ứng dụng hiện tượng này để làm sạch các chỉ tiết, để đánh sạch gỉ, xúc tiến nhanh các quá trình hóa học Hiện tượng này cũng xẩy ra trong quá trình GC bằng siêu âm

Dưới tác động của siêu âm những phân 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 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 (H.2.5)

Hinh 2,5 hm trường uà sự chuyển động của những phần từ nhỏ lơ lừng trong âm trường f1, ạ) Những phân từ nhô chuyển động theo âm trường b) Những phân tử lớn hơn chuyển động chậm hon

Hình 2.5 cho thấy trạng thái của những phân tử rắn nhỏ lơ lửng trong âm trường siêu âm Tất cả các phân tử nhỏ này chuyển động đúng như âm lượng quy định Vì vậy trên hình chụp tế vi ta thấy những vạch Trên hình 9.5b có thể thấy lẫn lộn những phân tử nhỏ lẫn những phân tử lớn Những phần tử nhỏ chuyển động giống như trường hợp trước, những phần tử lớn hơn thì không theo đúng hoàn toàn sự chuyển động của trường Có đuy nhất một phân tử có khối lượng lớn không chuyển động, điêu đó thể hiện trên hình chụp tế vi một chấm tròn hoàn toàn,

Hiện tượng này luôn luôn có trong những hệ thống hai pha Sự chuyển động tương đối giữa các phân tử cũng xảy ra cả khi những phân tử lơ lửng do quán tính lớn không hoàn toàn theo kịp sự chuyển động của môi trường Trong trường hợp này các phân tử cũng chuyển động đi lại do quán tính của chúng và trong quá trình đó chúng gây nên cọ xát

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 dựng 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

4- Nguyên lý gia công Dao động có tần số 18+25kHz được phát từ nguồn tần số cao 5 truyền đến bộ chuyển đổi 4 (H.2.6) Tại đây dao động điện biến thành đao động cơ cùng tần số, biên độ đao động trong khoảng 5+10um Bién dé dao động này nhỏ, không đủ lớn cho việc GC kim loại (từ 0,025+0,075mm) Để giải quyết vấn để này, dao động trước khi đến đầu dụng cụ được cho qua bộ biến tốc (thanh truyền sóng) được gắn cứng vào bể mặt ngoài của bộ chuyển đổi Bộ biến tốc được làm bằng vật liệu có độ bển mỏi cao và giảm thiểu sự mất mát năng lượng Dung dịch hạt mài được luân chuyển liên tục giữa đầu dụng cụ và bể mặt chỉ tiết Khe hở giữa đầu dụng cụ va bé mat GC tir 0,02+0,1mm Trong quá trình GÓ, 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 này đập vào bề mặt GC làm vỡ các phần tử vật liệu cứng giòn Kết quả là các phan ti li tỉ của chi tiết bị bong ra và được tải đi bởi đòng hạt mài Các hạt mài sẽ ăn mòn bể mặt GC một cách liên tục và chép lại hình đáng của dụng cụ lên bê mặt chỉ tiết

Trong quá trình GC, dụng cụ được tịnh tiến dẫn tới bề mặt GC với tốc độ không đổi nhờ vào đầu máy Tốc độ tịnh tiến của dụng cụ rất bé, giá trị lớa nhất vào khoảng 0,lmm/s Ban may có khả năng dịch chuyển theo hai phương nằm ngang thẳng góc nhau

Khi chỉ tiết GC cố định có thể thực hiện được lỗ thông hoặc lỗ không thông, lỗ định hình hoặc cong, cắt rãnh, cắt đứt Nếu cung cấp cho phôi hoặc dụng cụ thêm một chuyển động phụ thì có thể thực hiện được các nguyên công phay, mài, tiện, cắt đứt, cắt ren

2- Dụng cụ 3- Dao động siêu âm 4- Bộ chuyển đổi 5- Nguồn tần số cao 6- Thanh truyền sóng

9- Dung dịch hạt mài dung cy

Hành trình dao động của dụng cụ

Hình 3.68 Nguyên lý gia công bằng siêu âm 2.1.9 Thiết bị và dụng cụ

Một đơn vị thiết bị cho GỠ siêu âm bao gồm hai bộ phận chính sau:

- Máy dùng cho GC siêu âm

Máy bao gồm các bộ phận cơ như thân máy, bàn máy để gá chỉ tiết, các cơ cấu dịch chuyển, hệ thống điều khiển, bơm đung dịch bột nhão, thùng chứa , máy phát và hệ thống điện để tạo ra dòng điện có tần số cao, thiết bị biến năng để chuyển đổi đao động điện cao tần thành dao động cơ học với tần số cao Đầu rung siêu âm tạo rung động siêu âm cho dụng cụ

Trên hình 2.7 là sơ đề và hình đáng bên ngoài máy GC siêu âm 4773 của Nga

Bộ phận cơ bán của máy là đâu biến từ 4 được lắp trên bàn trượt 5 phía trước máy

Bàn trượt 5 trượt theo phương thẳng đứng trên sống trượt của trụ 6 nhờ động cơ lắp trong thân máy hoặc nhờ hệ thống tay quay ly hợp và các bánh răng Chuyển động được truyền đến hạt mài nhờ rung động siêu âm của dụng cụ 2 lắp dưới thanh truyền sóng 3 Các hạt mài trong thùng 8 được cung cấp vào khu vực GC giữa đầu dụng cụ 2 và chỉ tiết 1 nhờ bơm 7.

1- Phôi; 2- Dụng cụ; 3- Thanh truyền sóng; 4- Bộ chuyển đổi Š- Trục; 6- Trụ; 7- Bơm; 8- Thủng chứa Tình 2.7 Máy gia công siêu âm kiểu 4773 của Nga

Hình 2.8 Hình dáng bên ngoài máy mài siêu ôm CNC của hang Bullen

2- Đầu nổi 8- Thanh truyền sóng 4- Đầu từ giảo 5- Vé may

Hình 2.9 So dé cdu tao ddu siéu am

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

28 GHƯƠNG 2

đỏ, thép không gỉ Trong đó hợp kim titan thỏa mãn tất cả bốn yêu cầu trên So với hợp kim titan thì nhôm quá mềm, và biên độ dao động tại đầu cuối thanh truyền sóng bị giảm xuống theo thứ ty 14 75% và 50% Hợp kim nhém-déng dé va thép không gỉ bị tiêu hao âm lượng lớn Lượng tiêu hao này biến thành nhiệt, vì thế thanh truyền sóng sẽ bị nóng lên và chuyển nhiệt này vào bộ chuyển đổi và đụng cụ Đây là tác động phụ không mong muốn Thông thường, thì thép không gỉ được sử dụng cho trường hợp biên độ dao động nhỏ ð- Bộ chuyển đối (Tranducer)

Bộ chuyển đổi đùng để biến đổi năng lượng điện thành các dao động siêu âm

Hiện nay có hai loại được sử dụng rộng rãi là bộ chuyển đổi áp điện và bộ chuyển đổi từ giảo

- 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 điểu kiện chịu tải về cơ, điện, Cấu trúc cơ là yếu tố ảnh hưởng đến sự hoạt động của bộ chuyển đổi, với các thông số quan trọng như: điện tích bề mặt bức xạ, giảm chấn cơ học, vỏ máy và những thông số cấu tạo vật lý khác

Bộ chuyển đổi áp điện sử dụng tỉnh thể như thạch anh với kích thước thay đổi phụ thuộc vào trường tĩnh điện Trong trường hợp này, sự nạp tỷ lệ trực tiếp với điện thế sử dụng Để đạt được các dao động biên độ cao, chiều đài của tỉnh thể phải tương ứng với tần số của nguôn phát - đó là điểu kiện cộng hưởng Bộ chuyển đổi áp điện được sử dụng với công suất lên đến 900W,

- Bộ chuyển đổi từ giảo: làm việc trên nguyên lý nếu một miếng vật liệu sắt từ nhu nickel, hop kim pecmalei (45%Ni, 55%Fe) ho&c permedur (49%Co, 49%Fe va 2%V) duge ti hóa thì xảy ra sự thay đổi kích thước Bộ chuyển đổi này có một cuộn solenoid quấn trên một lõi gồm các miếng niken cán mồng xếp chẳng 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 26&Hz Bộ chuyển đổi từ giảo được sử đụng với công suất lên đến

Một công việc mà người ta cũng hết sức quan tâm đó là giải quyết nhiệt lượng sinh ra trong quá trình làm việc ở đầu từ giảo bằng cách thổi gió hoặc lưu chuyển đòng chất lóng Để đạt âm lượng lớn trong đầu từ giảo thì phải chú ý đến làm mát vì nhiệt lượng sinh ra rất lớn Có thể tăng âm lượng bằng cách điều chỉnh biên độ và tân số Việc nâng cao tấn số sẽ bị giới hạn, không phải lúc nào cũng hợp lý bởi vì:

- Tác dụng siêu âm tốt nhất vào khoảng 20&Hz, - Trường hợp sinh ra cộng hưởng trong khi gia tăng tần số sẽ làm giảm công suất

- Chủ yếu gia tăng âm lượng bằng biên độ

Dao động có thể gây nên ứng suất cơ học lớn trong vật liệu làm đầu từ giảo Vì vậy đầu từ giáo phải có sức bến cơ học lớn, đông thời phải có tổn hao từ và cơ nhỏ

Nếu lựa chọn vật liệu thích hợp, công nghệ GC, lắp ráp tốt, làm mát thiết bị tốt, thì hiệu suất của thiết bị có thể đạt 70% Hiệu suất cao chỉ có thể đạt được ở những thiết bị được thiết kế và chế tạo sau khi được xem xét cân nhắc mọi mặt một cách toàn điện

6- Hỗn hợp dung dịch hạt mài

Hỗn hợp dung dịch hạt mài bao gồm các hạt mài mịn, sắc trộn trong chất lông là nước hoặc benzen, dầu nhờn, glyxerin Hén hop dung dịch hạt mài được luân chuyển đến vùng GC nhờ hệ thống bơm và bộ phận làm mát Chất lỏng chiếm 30+60% thể tích hạt mài Chất lỏng trong hỗn hợp này đóng vai trò là môi trường truyền âm giữa dụng cụ và chỉ tiết GC, chuyển năng lượng từ dụng cụ vào chỉ tiết, mang phoi ra khỏi vùng GC Ngoài ra, nó còn có tác dụng tải nhiệt từ vùng GC ra ngoài, ngăn không cho dung dịch sôi trong khe hở giữa chỉ tiết và dụng cụ, tránh hiện tượng xâm thực ở nhiệt độ cao, nâng cao năng suất GC

Nguyên tắc lựa chọn hạt mài phụ thuộc vào vật liệu GC, độ cứng của vật liệu, năng suất bóc kim loại mong muốn và độ bóng bể mặt yêu cầu Hạt mài phái có độ cứng cao hơn vét ligu GC, thudng 1a B,C, SiC, kim cuong Hat mai lam bằng Al¿O¿ bị mòn nhanh, thich hgp cho GC thuy tinh va ceramic Hat mai SiC thi khé gid trong đụng dịch Hạt mài làm bằng B„C được sử dụng phổ biến nhất, nó cứng hơn 8iC, tỷ lệ bóc vật liệu cao hơn và có thể chịu lực rung động cao hơn, nhưng đắt hơn Hạt mài B,C sit dung tét nhat khi GC tungsten carbide, thép dụng cụ, thép làm khuôn và đá quý Hạt mài kim cương được sử dụng khi yêu cầu độ chính xác cao, độ bóng bể mặt cao và tốc độ cắt cao

Hạt mài thường được sử dụng với kích cỡ 200:2000 Lực chọn kích cỡ hạt mài phụ thuộc vào yêu cầu của quá trình GC Thông thường cỡ hạt mài 200+400 cho GC thô, và 800+1000 cho GC tỉnh Để GƠ đạt hiệu quả cao, hạt mài nên được thay đổi một cách định kỳ

2.1.8 Các thông số công nghệ

1- Năng suất bóc uật liệu MRR (Material Removal Rate)

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

MRR = 5,9 ẹs/H) Rđ° y°Š (2.3) trong đó: ƒ - tắn số dao động, Hiz

H - độ bên chống đứt gẫy bề mặt chỉ tiết gia cong, HB s - ứng suất tĩnh trên dụng cu, kg/mm?

R - bán kính trung bình của hat mai, mm + - biên dé dao dong, mm

Năng suất bóc vật liệu và chất lượng bể mặt phụ thuộc lớn vào loại hạt mài và kích cỡ hạt mài Năng suất bóc cực đại khi cỡ hạt mài phù hợp với biên độ dao động của đụng cụ

Khi tỷ số độ cứng của chỉ tiết GC và dụng cụ tăng thì năng suất GƠ giảm Năng

30 CHUONG 2 suất GC còn phụ thuộc vào độ sâu GC và profile mặt cắt ngang của dụng cụ

Ngoài thông số MF, năng suất GC còn có thể được đánh giá thông qua tốc độ tiến của dụng cụ e Trong điều kiện lý tưởng, tốc độ tiến dụng cụ có thể đạt ðnưn/ph

Trường hợp GC lỗ có đáy không sâu, tốc độ tiến dụng cụ trung bình, không phải nâng dụng cụ lên để điển đầy bột mài, tốc độ tiến dụng cụ e @nm/ph) được tinh:

A trong dé: 1; - chiéu sau eda 15 c6 ddy, mm; f- thai gian GC, phut

Trường hợp GC lỗ sâu không thông, tốc độ tiến dụng cụ trung bình, có nắng dụng cụ lên để điển đẩy bột mài, tốc độ tiến dụng cụ e được tính:

& =the t, + ni; + (2.5) n - số lần nâng dụng cụ £; - thời gian một lần nâng dụng cụ, phú

Thể tích vật liệu được lấy di trong don vi thời gian trường hợp dùng dụng cụ đặc biệt là:

A„- điện tích làm việc của dụng cụ, mm”,

Trường hợp GC lỗ thông, với dụng cụ hình xuyến, thông số năng suất đặc trưng là tốc độ tiến dao e

32 CHUONG 2

GIA CONG TIA NUGC

2.2.1 Cắt bằng tỉa nước (Water Jet Cutting - WJC)

1- Nguyên lý gia công Cắt bằng tia nước là một quá trình sử dụng tia nước ở áp suất cao để GC vật liệu Vết cắt hoặc rãnh có độ rộng xấp xỉ 1mm Đường kính lỗ nhỏ nhất có thể cắt được là 1,Bươn Phương pháp này còn được gọi là GC bằng thuý động lực học Sơ đồ nguyên lý được thể hiện trên hình 2.37 Điều

FATE BO tich trữ khiển

TH WW (CMY os tiết gia công Vòi phun ne

[Thùng cấp nước Bộ trộn và lọc

Hình 2.87 Sơ đô nguyên lý gia công bằng tia nước Đầu tiên nước từ thùng cấp nước đi qua bộ lọc và hòa trộn Šau đó nhờ ống dẫn chất lỏng đi qua bộ khuếch đại để tăng áp đến đầu phun Tại đầu phun tỉa nước được phun ra mạnh hay yếu là nhờ van tiết lưu Van này được điều khiển bởi một bộ điều khiển Tia nước sau khi ra khỏi đầu phun có áp suất rất lớn (thường từ 100 + 400MPa), tée độ tia nước từ 400+1000m/s Với áp suất này, khi tia nước chạm vào bể mặt vật liệu GC nó tạo nên áp lực lớn hơn độ bên nén của vật liệu, bể mặt vật liệu bị nát ra và tia nước xuyên qua tạo thành vết cắt, cắt chỉ tiết GƠ Vay tia nước tạo ra đóng vai trò như một cái cưa cắt một vết hẹp trên vật liệu

3- Thiết bị uà dụng cụ Máy GC bằng tia nước có hai thành phần thiết yếu: bàn XYZ có thể đi chuyển đầu cắt trên vật liệu và một máy bơm áp suất cao 400MPa Ở áp suất này, tỉa nước có thể cắt nhựa, gỗ, vật liệu lót sàn đàn hổi, cao su và các chất tương tự khác. Đầu cắt là một vòi có kích thước miệng vòi là 6,35mm (1/4”) bang tinh thé sapphire mà nước có thể đi qua khi chịu một áp lực bằng ba lần vận tốc của âm thanh đo máy bơm áp suất cao tạo thành Sự di chuyển của đầu vòi chịu ảnh hưởng bởi chương trình cài đặt trong máy vì tính (theo bản vẽ của khách hàng)

Khi khách hàng đưa ra một bản vẽ, nó sẽ được số hoá và vẽ lại bằng phần mềm CAD/CAM Sau đó bản vẽ được chuyển đổi thành ngôn ngữ mà máy GC bằng tia nước có thể đọc được qua một chương trình được gọi là GC nhờ máy tính CAM (Computer Aided Manufacturing) `

Hình 39.38 Các hệ máy tiêu biểu BENGAI oà WOMA

Nước áp lực cao để cắt

Bộ giảm áp hay làm sạch chỉ tiết

Van kiểm tra "Trụ trượt Piston Xy tanh

Hiểu khiển ang cơ điện

Bộ điều khiển điện tử/PLC Hình 9.39 Sơ đô cấu trúc các phần tử của hệ thống máy gia công bằng tia nước

Các thiết bị chính gồm:

- Hệ thống bơm tang áp:

Nước từ thùng sau khi qua bộ lọc sẽ được bơm với áp suất cao vào bộ tích trữ

Hầu hết các máy cắt tia nước trên thị trường hiện nay dùng bơm piston hướng trục

-+— Mạch vòng Vạn điều chỉnh Mục tiêu

Hình 2.40 Hệ thống bơm nước

Yêu cầu của một hệ thống bơm phái chia lượng nước giống nhau và dong nước áp suất cao phải liên tục, điểu này có nghĩa là cả hai yếu tố thể tích và áp suất của nước phải được kiểm soỏt Ấp suất nước từ 100+400MPứ Với ỏp suất này thỡ hệ thống bơm phải có bộ phận tăng áp và một số bộ phận để duy trì thể tích không đổi và áp suất cao không đổi

Gó rất nhiều phương pháp để tăng áp Biện pháp thường dùng bao gồm hai xylanh có đường kính khác nhau Piston có đường kính lớn (ứng với xylanh lớn) được dẫn động bởi một hệ thống thuỷ lực áp suất thấp (thường từ 5+85MPa) Ap suất trong xylanh kia cao hơn phụ thuộc vào sự khác nhau về đường kính và tỷ số thay đổi áp suất trực tiếp như tỷ số của tiết diện làm việc của hai xylanh làm bộ tăng áp

Tỷ số này có thể thay đổi từ 1:10 + 1:25 Từ đó, kết quả của áp suất nước có thể lên t6i 400MPa

Trong máy tăng áp tác dụng kép các máy đơn được nối trực tiếp với nhau và luân phiên làm việc Trong khi máy này phân phối nước áp suất cao cho hệ thống thì máy kia được làm đây Vì tính nén được của nước nên 15% hành trình đâu tiên của piston được sử dụng để gây áp lực và nén nước mà không có sự phân phối thể tích nước Điều nay gay dao động áp suất và gây sai số khi GƠ bằng tìa nước cũng như bằng tia nước có hạt mài Hình 2.41 trình bày một kiểu máy tăng áp

Nước ra khi piston qua tral

Dầu ra khi piston qua trái Dầu vào dẫn động piaton

Dầu vào để chuyển hành trình} Dâu ra để chuyển hành trình

Nước vào khi piston qua phải Buéng bom Piston

Hinh 2.41 Bom piston tdng dp ị ị Để tránh hiện tượng dao động áp suất này, người ta cho thêm vào hệ thống một bộ phận tích nước đóng vai trò như một bộ phận giảm chấn (H.2.42) Bộ phận này làm suy giảm sự đao động giá trị áp suất từ min đến max Bộ phận giảm chấn tích trữ một lượng nước áp suất cao, lượng nước này sẽ được phóng vào hệ thống, làm giảm sự đao động trong hệ thống áp lực

Nude vao khi piston Nước vào khí piston dịch chuyển sang phải dịch chuyển sang trái

Hình 9.49 Sử dụng bộ phận giảm chấn uới bộ tăng áp tác dụng kép

Một phương pháp khác làm giảm sự dao động áp suất là sử dụng hai bộ tăng áp đơn nối với nhau để một bộ bắt đầu hành trình nén trước khi bộ kia kết thúc phân phối Vì vậy khi một piston đừng, piston kia đã ép và tiếp tục phân phối Hình 2.43 trình bày quá trình hoạt động của bộ tăng áp này

Nước áp suất cao ra

Dầu động lực vào a) Bơm A đã bắt đâu lùi oà hút nước, B dang đẩy nước dp ra

Dầu động lực vào b) Piston bơm A đã bắt đầu ép nước mà chưa đẩy nước ra, trong khi piston bom B tiếp tục đẩy nước áp suất cao

Dầu động lực vào ©) Piston bom A da bdt ddu đẩy nước ra, trong khi piston bơm B đã dừng uà chuẩn bị lài Hình 2.43 Quá trình hoạt động của bộ tăng áp hai piston đơn Để đạt đến giá trị áp suất tối ưu thì rất khó khăn, Ấp suất càng cao thì chất lượng vết cắt càng tốt Áp lực nước phụ thuộc vào vật liệu QC

- Đường ống, khớp nối uè các bộ phận phân phối nước tăng dp

Bộ phận này nằm giữa bộ tích và đầu di động Yêu cầu kích thước của hệ thống này phải thay đổi được Ở áp suất thấp thì có thể sử dụng các vòi cao su, tuy nhiên các ống thép cuộn bằng thép không gỉ thường được sử dụng hơn Đầu cuối của ống được nối với khớp xoay áp lực cao Các ống được quấn bởi các bao bảo vệ để ngăn ngừa hư hại trong trường hợp ống bị thủng Các van lưu lượng cũng được dùng để giảm khả năng hư hại.

Bang 2.5 Cúc thông số kỹ thuật của máy gia công bang tia nước của hăng AquuDAM Ấp lực Công suất Lưu lượng | Đường kính lỗ Số đầu cắt tối đa

Kiểu vn ca ng wee vol Phun da Nước tình Nước có khiết hạt mài

Vòi phun có đường kinh 0,1+0,4 mm Để có tỉa nước có đủ năng lượng cho quá trình cắt cần cung cấp một áp suất lên đến 400MPa và vận tốc phun ra lên đến 900m/s Lưu chất được tạo áp lực tới mức cần thiết nhờ một bơm thủy lực Đầu phun gồm có đai ốc hăm và vòi phun Đai ốc hãm được làm bằng thép không gỉ và vòi phun được làm bằng ngọc bích, hồng ngọc hay kim cương Dùng kim cương thì kéo dài tuổi thọ nhưng giá thành rất cao

Những lưu chất được dùng rộng rãi trong GC bằng tia nước là các dung dịch polymer, vì chúng có xu hướng tạo thành một đòng kết đính

Hình 3.44 Một số dạng đâu cắt (oòi phun)

Hình 2.45 Cấu tạo đầu cắt v Đai ốc ham

4 phun —-——|— Lai dp Ive —-———>- ca

Hình 2.46 Hình dạng tia nước rũ khỏi uòi phun 3- Các thông số công nghệ

Các thông số GC quan trọng trong GC bằng tia nước bao gồm: khoảng cách GC, đường kính lỗ oòi phun, úp suất nước uà tốc độ cát Khoảng cách GC là khoảng cách giữa đầu vòi phun và bể mặt GC Thông thường khoảng cách này là nhỏ để tia nước phân tán tới mức tối thiểu trước khi kịp đập vào bê mặt

Khoảng cách GC điển hình là 3,2mm Kích thước của lỗ vòi phun ảnh hưởng đến độ chính xác của quá trình cất lỗ vòi Vòi phun nhỏ được sử dụng trên những vật liệu mỏng Đối với những vật liệu đày hơn thì cần có những tia phun dày hơn và áp suất cao hơn Tốc độ cắt thường vào khoảng tit 5+500mm/s tay theo dé day eda chi tiét GG Phương pháp gia công tia nước thường được tự động hóa bằng hệ thống CNC hay người máy công nghiệp Phạm vi GC: từ 1,6+30Bmmưm với độ chính xác là +

Bảng 3.6 Chiêu dày cất va tốc độ ăn dao khí cắt bằng tia nude

Vật liệu Chiều dày cắt, mm Tếc độ ăn dao, miph

2 CHƯƠNG 2

GIA CONG DONG HAT MAI (Abrasive Jet Machining - AJM)

Dòng khi và hạt mài lạằ

Hinh 2.68 Nguyén ly gia công dòng hạt mời tr: Chỉ tiết gia công 7

Không được nhầm lẫn PPGC tỉa nước có hạt mài là gia céng dong hạt mài, gia công dòng hạt mài là phương pháp bóc vật liệu khi dòng khí khô mang hạt mài với vận tốc cao tác động lên chỉ tiết Sự va đập của các phần tử hạt mài vào bể mặt chỉ tiết gia công tạo thành một lực tập trung đủ lớn, gây nên một vết nứt nhỏ, và dòng khí mang cả hạt mài và mẫu vật liệu nứt (mòn) đi ra xa Phương pháp này rất thuận lợi để gia công các loại vật liệu giòn, dễ vỡ

Khí bao gồm nhiều loại như không khí, CO, nitơ, heli, Khí sử dụng có áp suất từ 0,2+1,4MPa, dòng khí có hạt mài có vận tốc lên đến 300m/s và được điều khiển bởi một van Quá trình thường được thực hiện bởi một công nhân điểu khiển vòi phun hướng dòng hạt mài chỉ tiết.

2.3.2 Thiét bi va dung cu

Máy nén khí điều khiển Van Val phun Chi tiết và bộ gia công hòa trộn Hạt mãi

Tình 2.69œ Sơ đô khối máy gia công dòng hạt mài

Bộ lộc Bộ cung cấp và trộn hat mai

Nắp bảo vệ Đồng hẻ áp suất Thea 3 Tay cám Vòi phun `

Bộ rung Van điều khiển bằng chân Hình 3.695 Sơ đồ của một máy gia công dòng hạt mài

Khí từ bình chứa sau khi lọc được đưa đến bệ trộn Trong bộ trộn có chứa sẵn hạt mài mịn Bộ trộn được rung với tần số 50i7z Từ bộ trộn, đòng khí với các hạt mài có kích thước từ 10+50uz: được dẫn tới vòi phun va di ra ngoài Lượng khí tiêu thụ khoảng 0,6m)/h Đầu vòi phun cách chỉ tiết gia công một khoảng nhất định tùy thuộc mục đích gia công Tếc đệ nạp hạt mài được điều khiến bởi biên độ rung của bộ trộn Mối liên hệ chuyển động giữa vòi phun và chỉ tiết gia công nhận được nhờ cam chương trình và máy vẽ truyền để điều khiến hình dáng và kích thước cắt

Thiết bị dọn bụi được gắn vào để bảo vệ môi trường

Vòi phun phải làm bằng vật liệu cứng để giảm mài mòn, thường sử dụng WC (các bít vonfram) và sapphire Tuổi thọ của vòi phun làm bằng WC từ 12+30 giờ, còn vòi phun làm bằng sapphire có tuổi thọ đến 300 giờ Lỗ vòi phun có đường kính từ

0,075+1mm Dau phun có thể thẳng hoặc góc vuông như hình 2.70 gỹ + cy) Đầu góc vuông Đầu thẳng

Hình 9.70 Hình dáng đầu phun.

88 CHUONG 2

Hat mai

Hạt mài phải có hình đáng không đều, bao gồm những cạnh ngắn, sắc tốt hơn là hình dạng tròn Hạt mài thường được làm từ các vật liệu sau: oxit nhôm, các bỉc silie, bicácbônát natri, đôlômit và thủy tỉnh Cỡ hạt dùng trong gia công nhỏ, đường kinh 10+50wm, tot nhất là từ 1ð+201un Các hạt mài phải đồng bộ về kích thước cho một lần sử dụng Điều đó quan trọng trong việc sử dụng lại những hạt mài, bởi vì những hạt mài sau khi sử dụng có thể bị gãy, mòn và hư hỏng Để quá trình gia công đạt hiệu quả thì các hạt mài phải sắc cạnh Không nên sử dụng lại các hại mài đã mòn các cạnh và kích thước hạt nhỏ hơn Các hạt mài nhỏ có thể làm tắt vòi phun Việc chọn loại hạt mài, cỡ hạt phụ thuộc vào từng nguyên công,

2.3.3 Các thông số công nghệ

Các thông số cơ bản của gia công dòng hạt mài là:

- Áp suất ra của đồng hạt mài - Tốc độ của dòng hạt mài - Cỡ hạt và loại hạt mài - Năng suất bóc vật liệu - Vật liệu của chỉ tiết gia công

Năng suất bóc vật liệu, hình đạng hình họe vết cắt, độ bóng bể mặt và tốc độ mòn vòi phun bị ảnh hưởng bởi kích thước và khoảng cách của vòi phun, thành phần, độ bên kích thước và hình đáng của đòng hạt mài, và thành phần, áp suất và tốc độ của khí

Năng suất bóc uật liệu (MRR) được tính như sau:

MRR =x.2.d9 092 —P—_ 12Hy (2.16) trong đó: Z - số lượng hạt mài tác động trong một đơn vị thời gian đ - đường kính trung bình của hạt mài; +x - hằng số ứ - tốc độ của hạt mài; p- mật độ hạt mài

HH„: độ cứng của chỉ tiết gia công-ứng suất chảy déo

Năng suất bóc vật liệu chủ yếu phụ thuộc vào tốc độ dòng hạt mài và kích thước hạt mài Hạt mài có độ hạt lớn sẽ bóc với tốc độ cao hơn Tại một áp suất nhất định, năng suất bóc vật liệu tăng theo tốc độ dong hat mài, nhưng sau khi đạt đến giá trị tối ưu thì năng suất bóc vật liệu giảm nếu ta tiếp tục tăng tốc độ dòng hạt mài Sd di như vậy là vì tốc độ dòng khí giảm khi ta tăng tốc độ dòng hạt mài và tỷ số trộn tăng gây nên sự giẩm năng suất bóc vật liệu bởi vì năng lượng để mài mòn lúc này giảm đi

Tốc độ lưu lượng hạt mài phải tương xứng với áp suất và lưu lượng đòng khí Lưu lượng của hạt mài thường từ 2:20g/ph, Ấp suất dòng khí điển hình là 0,2+1A/nưmÊ, Tốc độ dòng hạt mài từ 150+300m/s Thành phần khí ảnh hưởng đến mối quan hệ giữa áp suất và lưu lượng khí

Hình 2.71 diễn tả mối quan hệ giữa năng suất bóc vật liệu và ty lệ trộn giữa dòng khí và dòng hat mài cũng như tỷ lệ lưu lượng dòng hạt mài

Tỉ lệ trộn Ì_Tile lưu lượng hạt mải

Năng suất bóc vật liệu tăng khi tăng khoảng cách từ miệng vòi đến chỉ tiết gia công đến một giá trị nhất định, sau đó nó giữ không thay đổi trong một khoảng cách nhất, định rồi giảm dản (H.2.72) Phương pháp gia công này có năng suất bóc vật liệu nhỏ: 40ng/ph, 15mm ph,

Quan hệ giữa khoảng cách từ miệng vời phun đến chỉ tiết gia công và năng suất bóc vật liệu được thể hiện trên hình 2.72

Hình 3.72 Quan hệ MRR - NTD

Khi khoảng cách từ miệng vòi phun đến chỉ tiết gia công (NTD) càng lớn thì vết gia công càng rộng, cạnh cắt càng kém sắc nét (H.2.73) Khoảng cách từ miệng vòi phun và bể mặt gia công khoảng từ 0,25+75mn.

Quá trình này không thể tránh khỏi bể mặt gia công bị côn do đồng khí có hạt mài bị lòe ra Hạt mài có thể găm vào bể mặt chỉ tiết, vì thế phải có bệ thống hút bụi phù hợp

Nói chung, các yếu tố ảnh hưởng đến quá trùnh gia công là:

- Năng suất bóc vật liệu

- Hình đạng hình học vết cắt

- Tốc độ mòn của vòi phun

Các yếu tổ trên bị ảnh hưởng bởi:

- Hạt mài: thành phần, độ bền, kích cỡ, tỷ lệ lưu lượng dong hạt mài

- Thành phần khí, áp suất và tốc độ đòng khí

- Mòi phun: hình dạng hình học, vật liệu làm vòi phun, khoảng cách từ vòi phun đến chỉ tiết gia công, độ nghiêng làm việc của vòi

Quá trình GC dòng hạt mài thường được sử dụng để thực hiện cúc công uiệc như:

- Cất những lỗ nhỏ, rãnh, hoặc những mô hình, hoa văn phức tạp trên vật liệu kim loại rất cứng hoặc giòn hoặc vật liệu phi kim loại

- Cắt mép, tạo mặt vát

- Tẩy lớp oxit và những màng mỏng tạp chất trên bề mặt

- Làm sạch chỉ tiết có bể mặt không đều.

Phương pháp này được sử dụng để gia công các loại vật liệu kim loại cứng và giòn, hợp kim và vật liệu phi kim loại như: germani, silicon, thuy tinh, ceramic, va mica Chỉ phí ban đầu thấp Tuy nhiên năng suất bóc vật liệu thấp, sự cất tán mát có thể xây ra làm cho độ chính xác không cao, và không thể gia công vật liệu mềm

2.4 GIA CÔNG SỬ DỤNG KIM CƯƠNG VÀ VẬT LIỆU SIÊU CỨNG TONG HOP

Năm 1966 Nhà máy Tomilino đã sản xuất các mũi khoan kim cương dang ống để gia công các chỉ tiết làm bằng thủy tỉnh nhằm thay thế việc khoan bằng các ống thép với nhũ tương có pha hạt mài, có năng suất và chất lượng gia công thấp Khoan kim cương cho phép tăng năng suất lên ð đến 6 lần và cải thiện chất lượng lỗ Các mũi khoan kim cương dạng ống được sản xuất với đường kính 12+1ỗ00un có chất đính kết kim loại M~—1, sử dụng kim cương tự nhiên và tổng hợp với độ hạt 10+32

Những mãi khoan này có thể được dùng để khoan lỗ trên gốm, cẩm thạch, bê tông cốt sắt và những vật liệu cứng khác

Tiện kim cương được dùng trong ngành chế tạo máy chính xác và dụng cụ để gia công chính xác và trang trí với mục đích đạt được cấp độ bóng cao (10+14), độ chính xác về hình đạng và kích thước cao (đến cấp LTð5), khi đó khỏi cần đánh bóng Trước khi tiện kim cương cần gia công tỉnh tới cấp IT8+IT10 và để lại lượng dư 0,3+0,5m¿n theo đường kính Lượng đư này được hót đi sau nhiều hành trình công tác của dao

Tiện kim cương thường được thực hiện bằng dao làm bằng kim cương tự nhiên, chúng có thể là dao cắt đứt, tiện lỗ, tiện vai, Ưu điểm của tiện kùn cương là nhờ độ nhám của cũc lưỡi cắt nhỏ (0,1+0,3¿m) nên dat được độ bóng cao Tuổi thọ của đao kim cương cao (đến 250 giờ) nên có thể đạt được độ chính xác cao và tính ổn định về các chỉ tiêu chính xác khi gia công Khi gia công, kể cả bề mặt gián đoạn không có hiện tượng sụp lở, trầy xước, các bé mat có độ bóng cao Quá trình tiện chính xác có năng suất lớn Máy tiện sử dụng cần có độ chính xác và độ cứng vững nâng cao để tránh xuất hiện rung động và biến đạng, thường sử dụng lượng chạy dao trong pham vi 0,005+0,05 mm/vong

Trước đây, những chỉ tiết như vòng ổ lăn, vòi phun, và những chỉ tiết của hệ thống thủy lực sau khi nhiệt luyện phải qua công đoạn mài, mài khôn Những công đoạn này thiếu tính linh hoạt và tốn nhiều thời gian Một hạn chế nữa là chì phí cho dung dich trơn nguội của các công đoạn mài khá cao Những lý do trên làm tăng chỉ phí cho các công đoạn gia công chính xác Mặc khác, chất thải ra khi mài gây ô nhiễm môi trường, thúc đẩy các nhà sản xuất loại dân khâu mài trong quy trình công nghệ gia công chỉ tiết.

96 CHUONG 2

Bang 2.18 Tuổi thọ dụng cụ nà độ chính xác gia công khí khôn ổi hút) khi gìa công chỉ tiết cians Tuổi the aang ou (PI ue bài Độ chính xác hình dạng

Thanh mài khôn g hình học của lỗ (ur)

10 Mai bong va mai nghién bang kim euong Mài bóng và mài nghiền băng kim cương là quá trình lấy đi một lớp kim loại móng bằng các hạt kim cương cực nhỏ (khoảng 1u) trong môi trường có chất bôi trơn dính trên mặt cứng của dụng cụ mài nghiền Mài bóng kim cương có thể thể hiện bằng tay hay cơ khí, dùng bột nhão kim cương gồm bột kim cương (mác ACO, do hat 63 — 1 wm) va chat dính kết Người ta sử dụng các bột nhão kim cương để gia công các chỉ tiết làm bằng gang, thép, kim loại màu, hợp kim cứng, gốm, vật liệu bán dẫn, Các bột nhão kim cương dùng khi mài bóng đảm bảo năng suất 2+3 lân cao hơn khi dùng BạC hoặc corun điện và tăng độ bóng lên 2 cấp, cho phép đạt đến cấp 10+14

11- Mài km cương siêu âm Nhằm mục đích tăng năng suất mài kim cương phẳng và giảm sự đính bẩn trên bề mặt của các đá mài kim cương người ta bố trí các dao động lên dụng cụ kim cương với tần số 11#Hz và biên độ 10+201un theo phương vuông góc với bẻ mặt gia công Để mài kim cương siêu âm cần phải có đầu đao đặc biệt Mài kim cương siêu âm làm tăng độ bóng lên 1+2 cấp Năng suất của quá trình tăng 2+3 lần (gia công gốm tăng õ lần), các lực cắt giảm từ 3+3,5 lần Khi đó hoàn toàn loại bỏ sự dính bẩn trên bể mặt cắt của đá kim cương, còn tuổi thọ tăng 10 lần

1- Kim cuong Hiện nay người ta sử dụng kim cương tự nhiên và nhân tạo ngày càng nhiều trong công nghiệp Điễu này không chỉ do hiệu quả kinh tế lớn khi sử dụng kim cương mà còn là do khá năng tạo ra những PPGC mới từ các loại vật liệu mới nhất trong qui mô công nghiệp

Về thành phần hoá học kim cương gồm phần lớn là carbon ròng (96+99,8%) với một số tạp chất (AI, Si, Ca, Mg ) Hai đặc tính quan trọng nhất của kim cương là độ cứng và tính chống mài mòn rất cao Kim cương cứng nhất trong số các khoáng chất, cing hon B,C va SiC vài lần, hơn hợp kim cứng 6 lần

Kim cương nhân tạo được tổng hợp từ graphit đưới nhiệt độ và áp lực cao (khoảng 100.000ứ và nhiệt độ 2.500+2.700°C) Kim cương nhõn tạo cú một số tớnh chất khác với kim cương tự nhiên do trong thành phần của kim cương tổng hợp thiếu các chất xúc tác kim loại, graphit, nitơ Sự thiếu các chất xúc tác kim loại làm cho kim cương tổng hợp có từ tính Hiện nay người ta có thể chọn lựa các yếu tố lý hoá khác nhau khi tổng hợp kim cương để đạt những tính chất ổn định hơn kim cương tự nhiên Tính chất vật lý của kim cương nhân tạo xấp xỉ bằng kim cương tự nhiên Độ cứng của nó khoảng 6.000kG/mm?, Độ chịu nhiệt của kim cương nhân tạo kém, từ 700+800°C đã thay đổi cơ tính nhưng do có độ dẫn nhiệt lớn nên có thể cắt được ở tốc độ lớn Kim cương chịu tải trọng va đập thấp, giòn, tính chống mòn tốt

Kim cương có nhiều hình dạng khác nhau nhờ sử dụng các chất xúc tác bằng kim loại khác nhau như crôm, mangan, coban, niken Trong công nghiệp kim cương được sử dụng dưới dạng bột dùng làm các loại dụng cụ hạt mài kim cương và bột nhão kim cương Sau đây là một số loại kim cương nhân tạo của hãng General Electric (M¥):

* Kim cương RVG: Kim cương RVG là họ sản phẩm được thiết kế để có một dãy đặc điểm và tính chất thích hợp để thực hiện công việc mài đặc biệt Thường người ta sử dụng chất dính kết bằng chất dẻo hoặc thủy tỉnh Loại này có tỉnh thể đễ vỡ, hinh dang tinh thé thon dài với các cạnh xù xì (H.2.77) Mat d6 tinh thé là 3,52g/em5 Loại này có thể được dùng với các chất dính kết nhựa hóa hoặc thủy tinh hóa để mài các vật liệu siêu cứng như tungsten carbide, SiC và các hợp kim dùng trong ngành hàng không Kim cương RVG được phủ Ni, Cu hoặc Ag, có thể dùng cho mài khô và ướt

- RVG-800, RVG-810 là loại không phủ còn RVG-880, RVG-890 được phủ Ni

(56%) để làm tăng khả năng bám giữ trên đá mài Hai loại này thích hợp để mài vật liệu rất cứng như ceramic, carbide

- RVG-D được phủ đồng (50%) nhằm tăng tính truyền nhiệt ra xa vùng mài

Loại này thích hợp cho mài khô hoặc mài ướt với độ nhớt của dung dịch trơn nguội cao RVG-Ag được phủ 50% Ag, có tính dẫn nhiệt tốt khi mài khô với khả năng bôi trơn tự nhiên của bạc ci RVG 800/880 ES # as RVG 7

Hinh 2.77 Tinh thé kim cuong RVG

RVG 810/890

- Kim cuong RVG-W được sử đụng với chất dính kết bằng chất dẻo, được phủ 56% Ni nhằm tăng cường khả năng bám giữ trên đá, thích hợp cho mài vật liệu carbide Nếu cân độ bám dính trên đá cao hơn thì dùng loại RVG-WS60 Loại này được phủ 60% Ni, thích hợp cho mài vật liéu carbide, ceramic.

98 CHUONG 2 se Kim cương MBG:

Tinh thé bên có hình khối Mật độ tinh thể là 3,ð2g/cm? Kim cương MBG không giòn như RVG, được dùng trong các đá mài chất đính kết bằng kim loại Họ kim cương này đã chứng tỏ hiệu quả của nó khi gia công kính ô tô, mài khôn xylanh bằng gang và các chỉ tiết làm từ hợp kim màu và vật liệu composite Họ này bao gồm các loại sau: MBG2300, 600, 610, 620, 640, 660 Chỉ số càng lớn thì độ dai của tinh thể càng cao

- MBG300 là loại có dạng góc cạnh và dễ vỡ nhất trong họ kim cương MBG Sản phẩm này được thiết kế để gia công trong các trường hợp tải trọng động lực bé, yêu cầu tái tạo nhanh góc cạnh sắc nhọn Loại này có thể được phủ hoặc không phủ titan hoặc niken, thích hợp cho việc gia công với tải trọng va đập bé Phạm vi ứng dụng của loại này là: đánh bóng đá cẩm thạch và granit, đánh bóng đá ceramie, đĩa cắt cao su, mài PCBN rắn, dụng cụ đúc điện

Hinh 2.78 Tinh thé kim cuong MBG

- MBG600: Hình dáng tỉnh thể sắc góc và dễ vỡ Độ bên va đạp và độ lệch tâm của tỉnh thể nằm giữa MBG610 và MBG300 Sản phẩm này được để nghị để gia công thủy tỉnh, ceramic, gang và kim loại bột Phạm vi ứng dụng: mài tungsten carbide, mài hai đá vật liéu ceramic, mai khén xylanh bang gang, mai rang (nha khoa)

- im cương MBG 610 có độ bóng bề mặt tỉnh thể cao hơn MBG620 Tính vỡ vụn cao hơn MBG620, các cạnh cắt sắc bén Loại này đặc biệt thích hợp cho việc mài các vật liệu như thủy tỉnh, thạch anh, ceramic, carbide va da s Kim cương MBS:

Có tỉnh thể hình khối, siêu bên, có bề mặt đều đặn, bóng láng và rất khó vỡ, được dùng để cưa và khoan đá, bê tông, cẩm thạch, granit và vật liệu xây dựng Họ này bao gồm các loại sau: MBS910, 915, 920, 925, 930, 935, 940, 945, 950, 955, 960,

970 Chỉ số càng lớn thì độ bên tính thể càng cao.

Hình 2.79 Tinh thé kim cuong MBS ô Kim cương compax: Loại kỡm cương này cú độ cứng gần bằng kim cương tỉnh thể đơn và gấp 2 + 3 lần tungsten carbide thấm cacbon Tính chống mài mòn lớn hơn 100 lần tungsten carbide Các khoảng trống trong kim cương compax được điển đây chất dính kết là tungsten carbide thấm cacbon để tăng cơ tính cho lớp hạt mài, tăng khả năng chịu va đập và để đễ hàn đồng khi chế tạo dụng cụ Kim cương compax có ba loại là 1300, 1500 và 1600 Dụng cụ làm bằng kim cương compax có khả năng bóc vật liệu ở tốc độ cao, bể mặt đạt độ bóng cao Loại này thường dùng để tiện, doa và phay

Hình 3.90 Tỉnh thé kim cuong compax

- Kim cương compox1300 được chế tạo với hạt mịn vừa với mục đích gia công kim loại màu và vật liệu phi kim loại Tính chất vật lý của loại này là:

+ Kích thước hạt trung bình: ãnm + Có tinh dẫn điện

Loại này được áp dụng để gia công hợp kim Si/A1, hợp kim déng, composite cia graphít, composite của gỗ, ceramic.

- Kim cương compax 1600: hạt thô, lý tưởng cho gìa công hợp kim nhôm đúc, đặc biệt những loại chứa hơn 16% silic Cấu trúc tế vì thô này tạo khả năng chống va đập lớn và thích hợp cho tiện, phay thô và gia công các bề mặt không liên tục Tính chất vật lý của loại này là:

+ Kích thước hạt trung bình: 25pm + Có tính dẫn điện

Loại này áp dụng để gia công thô kim loại màu, composite Si/Al, composite nén kim loại, ceramic thiéu két va tungsten carbide có hàm lượng Co < 16%

- Kim cương compax 1600 có hạt nhỗ mịn, thường được sử dụng để gia công gỗ, kim loại đòi hỏi độ bóng bê mặt cao Tính chất vật lý của loại này là:

+ Kích thước hạt trung bình: 4m + Có tính dẫn điện Ở các nước thuộc Liên Xô cũ người ta dùng các mác kim cương tổng hợp: ACO - độ bên thường, ACTT - độ bền nâng cao và ACB - độ bên cao Kim cương ACO được dùng để chế tạo dụng cụ chơ các nguyên công gia công tỉnh và mài nghiễn có chất đính kết hữu cơ và đàn hồi (nhựa), kùn cương ACTT được dùng để chế tao gia công sơ bộ và tỉnh với chất dính kết kim loại và gốm, để chế tạo bột nhão và bột để mài nghiền và mài rà Eim cương ACB dùng để chế tạo các đụng cụ gia công sơ hộ và tỉnh có tải trọng riêng cao với chất dính kết kim loại

Tuỳ theo kích thước của hạt kim cương tổng hợp được chia ra: hạt mài

(160+500ynz), bot mai (40+125um) va vi bột (1+40pm), 2- CBN (cubic boron nitride - nitrit bo lap phuong) Nitrit bo lập phương là một loại vật liệu hạt, mài mới được tổng hợp dưới dạng tình thể từ nitrit bo sáu cạnh với chất xúc tác kim loại, nhiệt độ khoảng 1.500°C và áp suất khoảng 100.000kg/fem?, tạo ra cấu tric tinh thé bến, cứng, có dạng khối với các góc sắc bén

CBN cứng gần gấp đôi AlạO; và có khả năng chịu nhiệt đến 1371°C trước khi vỡ vụn Vật liệu này có khả năng cắt thép gió đễ dàng và chính xác, và tốt hơn kim cương trong nhiều ứng dụng CBN dùng để cắt nguội và chịu được hóa chất đối với tất cả các muối vô cơ và hợp chất hữu cơ

Do độ cứng cực cao nên các đá mài được làm bằng CBN có khả năng đạt độ chính xác rất cao Các đá mài này đòi hỏi sự chỉnh sửa rất ít và có khả năng lấy đi lượng dư đều đặn mà không cần bù mòn đá Do tác động cắt nguội nên rất ít hoặc không có sự hư hỏng bề mặt chỉ tiết gia công

+ Loại ẽ: là loại bạt mài khụng cú lớp phủ, đơn tỉnh thể cú màu đen, độ dai trung bình Mật độ tỉnh thể là 3,48g/cm®, Thường đùng trong đá mài chất đính kết bằng kim loại Ap dụng để mài trục cam, cam, mài thép và hợp kim của thép, thép dung cu và thép gió, mài các chi tiết của động cơ tua bin khí như van, vòi phun, trục

Hình dạng Hình 2.81 Tình thể uật liệu CBÀ

104 CHUONG 2

GIA CONG CAT CO DAO DONG

Một trong những phương pháp tăng cường hoá quá trình cắt, các chỉ tiết làm bằng các vật liệu khó gia công và nâng cao năng suất gia công là cắt với vận tốc và lượng chạy dao có giá trị thay đối, còn gọi là cắt có dao động Bản chất của cắt có đao động là ở chỗ chuyển động dao động bổ sung của dụng cụ tương đối với chỉ tiết gia công

"Tư tướng sử dụng dao động để cải thiện quá trình cắt được để xuất từ năm 1910 nhưng mãi đến những năm 1950 mới được ứng dụng trong công nghiệp Từ đó đã có nhiều công trình nghiên cứu lý thuyết và thực nghiệm về phương pháp này đã tiến hành và chúng đã tạo điều kiện ứng dụng rộng rãi vào sản xuất tf b Z⁄ me b a b

Tùy theo phương của các dao động cộng vào của dụng cụ tương đối so với bể mặt gia công và lưỡi cắt người ta chia làm ba sơ đổ động học chủ yếu của cắt có đao động (ŒH.2.91) Các sơ để cộng dao động vào quá trình cắt kiểu vuông góc tự đo nhờ tương đối đơn giản, rõ ràng và riêng biệt cho mỗi trường hợp nên còn được gọi là sơ đề lý thuyết (H,9.91a) Cộng đao động theo trục ứ được đặc trưng bởi việc lấy đi lớp kim loại có chiều dày thay đổi Ngoài ra, trong trường hợp này có sự thay đổi những điều kiện ma sát theo mặt trước và mặt sau của dụng cụ Cộng dao động theo trục 6 được đặc trưng bởi chuyển động dọc lưỡi cắt có ảnh hưởng rất lớn đến lực ma sát theo các bể mặt làm việc của dụng cụ Cộng dao động theo trục ử được đặc trưng bằng sự thay đổi theo chu kỳ của giá trị vận tốc cắt làm ảnh hưởng đến động lực học của quá trình cắt

Các sơ đồ cộng dao động vào quá trình cắt góc nghiêng không tự do được thực hiện theo các phương pháp dao (X) (là các dao động trục), phương quay tiếp xúc với mặt đang gia công (2) (là các dao động tiếp tuyến), phương vuông góc với mặt phôi (Y) đà các dao động hướng kính) Các sơ để cộng dao động này được gọi là các sơ đồ công nghệ (H.2.91.b)

Việc cộng dao động vào quá trình cắt trước hết làm thay đổi các thông số hình học khi cất, chẳng hạn tiết điện cất, chiều dài phoi, độ lớn và phương của vận tốc cắt, các góc trước và sau, góc cắt, Các thông số hình học khi cất nó dao động được gọi là các thông số động học, các thông số động học được xác định bởi biên độ và tần số đao động cộng vào và tỷ lệ giữa tần số giao động và tốc độ quay của chỉ tiết

Một mặt các thông số động học cho phép chọn các thông số của dao động cộng vào và các chế độ cắt để nhận được hiệu quả động học của quá trình lớn nhất, mặt khác chúng xác định đặc điểm thay đổi các thông số vật lý của cắt có dao động, nhiệt độ cắt, sự co rút phoi, sự hình thành phoi

9.5.2 Cắt với dao động dọc trục

Hiện nay khi tiện các chỉ tiết làm bằng thép hoặc hợp kim khó gia công, phoi đây xuất hiện liên tục trên mặt trước của phần cắt, không bị phá vỡ bằng các phương pháp thông thường Trong trường hợp người ta sử dụng phương pháp tiện gián đoạn rung động với tần số thấp theo phương dọc trục Khi đó đo tính chất gián đoạn của quá trình cắt phoi bị phá vỡ và được lưỡi cắt tách ra khỏi phần kim loại của chỉ tiết gia công Tần số của rung động cộng thêm vào khoảng Š5+100Hz Biên độ rung động phụ thuộc vào lượng chạy dao, có thé dat dén 3mm

Sự cộng thêm vào quá trình cắt dao động của dụng cụ theo phương đọc trục làm thay đổi chiều dày cắt, cũng như hàng loạt các thông số và góc hình học là làm ảnh hưởng đến các đặc tính vật lý quan trọng như lực và nhiệt độ cắt Các cuộc thử nghiệm đã chứng tổ rằng khi tiện rung lực cất mang tính chất chu kỳ, có giá trị cực đại lớn hơn khoảng 150+200% so với khi cắt thông thường, còn giá trị trung bình lại giảm 15+90% Điều đó có nghĩa là khi tiện rung công cắt giảm Nhiệt độ khi tiện rung ở vận tốc cắt thấp thì cao hơn khi cất thường nhưng khi tăng vận tốc cắt thì nhiệt độ lại thấp hơn Sự thay đổi nhiệt độ được giải thích do tác động hỗ tương của

112 CHƯƠNG 2 hai yêu tố khi tiện rung: sự tăng nhiệt độ do tác động rung của dụng cụ lên vật liệu và sự cải thiện việc thoát nhiệt nhờ tính chất gián đoạn của quá trình cắt

Khi tiện rung động đệ nhám bề mặt chỉ tiết có thể đạt đến #, = 40+20un

Người ta thường dùng các bộ tạo dao động loại cơ khí (lệch tâm, ) khí nén, thủy lực, tự dao động,

2.5.8 Cắt với dao động tiếp tuyến

Các đặc điểm cơ bán của loại gia công này là gần như giữ nguyên tiết diện dọc và ngang của lớp cất: dao động của vận tốc cắt trong phạm vi lớn, khi đó gid tri tối đa có thể vượt đáng kể vận tốc cắt thông thường

Trong trường hợp này, vận tốc cắt thay đổi theo chu kỳ về độ lớn và được thể hiện bằng quan hệ sau đây:

Veit = Veong + AVsinwt (217) trong đó: AV =0,060A = 0,12n/A (2.18)

Dao động của vận tốc c&t cé thé kha hon, vi du khi f = 500Hz va A = 0,2mm thi AV = 38m/ph Cae dao dong tuong ty cua van tốc cắt có thể dẫn đến sự thay đổi bán chất vật lý của quá trình cắt Các thử nghiệm được tiến hành với tần số đao động từ vài chục đến vài ngàn Hz đã cho thấy rằng trong trường hợp này lực cắt giảm đi khi tân số dao động tăng Tuổi thọ của dụng cụ tăng 4 lần khi tiện rung với giao động tiếp tuyến nếu tăng lượng chạy dao và vận tốc cắt so với khi tiện thông thường

Nhưng cũng cần thấy rằng các dao động tiếp tuyến có ảnh hưởng rất lớn đến độ bền uốn và mới của dao Vì vậy, trong một số trường hợp tuổi thọ dụng cụ lại thấp hơn khi cắt thông thường Như vậy phương pháp cắt rung này có thể cho hiệu quả khi chọn đúng các chế độ đao động và gia công Hiệu quả của việc cải thiện khả năng gia công xuất hiện cùng với việc gia tăng tần số dao động Từ đó dẫn đến sự phát triển của phương pháp này, đó là cắt siêu âm, sẽ được để cập sau

Khoan rung động cải thiện khả năng gia công nhờ tác đụng bẻ vụn phoi Người ta có thể khoan rung lỗ nhỏ và tăng năng suất Bia công lên 2,5 lần và tuổi thọ dụng cụ lên 3 lân Chế độ điển hình khoan rung lỗ có đường kính 1,5m trong chỉ tiết làm bằng thép không gỉ như sau: n = 28000/ph, 8 = 30mmiph, a = 0,012 + 0,015mm, f = 200Hz Khi khoan rung các lỗ sâu có đường kính 4,õmm trong trường hợp kim El

827 đến độ sâu 35mm, năng suất khoan tăng gấp 4 lần

Như vậy, phương pháp cắt có rung động, trong đó vận tốc và lượng chạy dao có giá trị thay đổi, là một trong những con đường đây triển vọng cải thiện khả năng gia công các vật liệu đặc biệt và độ bên cao, đảm bảo nâng cao năng suất lao động và cho phép cơ khí hoá một số nguyên công cần nhiều sức lao động.

2.5.4 Cắt với dao động siêu âm

Cắt với dao động siêu âm cho phép trong một số trường hợp cải thiện đáng kể quá trình cắt bình thường, trước tiên là khi gia công các chỉ tiết làm bằng thép và hợp kim bén nóng Các kết quả nghiên cứu khi tiện chỉ tiết làm bằng thép Cr18N9 cho thấy rằng việc đưa vào đao động siêu âm làm mất đi hiện tượng lẹo dao, giảm cơ rút phoi, giảm lực cắt và biến cứng bể mặt gia công cũng như là nâng cao cấp độ nóng Ứng dụng công nghiệp hiện nay của PPGC cơ với dao động siêu âm chỉ hợp lý khi sử dụng dụng cụ thép cắt nhanh và mài trong các nguyên công sau đây:

- Khi tác dụng các lực cắt nhỏ lên hệ đàn hồi (ví dụ khi mài)

GIA CONG CAT SU DUNG CAC CHAT LONG TRON NGUOI, MOI TRUGNG KHÍ VÀ CHAT 861 TRON RAN

2.6.1 Sử dụng các môi trường công nghệ

Là một trong những phương pháp cải thiện quá trình cắt chỉ tiết Các môi trường công nghệ như các chất lổng và khí trơn nguội làm tăng tuổi thọ của dụng cụ cắt, giảm độ nhám bể mặt, tăng các đặc tính sử dụng các chỉ tiết gia công

Các tác động hoá lý của các môi trường công nghệ bao gồm các tác dụng bôi trơn, làm nguội, cắt và bảo vệ, đều cải thiện khả năng gia công của vật liệu

Tác dụng cắt làm giảm nhẹ quá trình cắt Trong trường hợp này các tác dụng hoá lý của môi trường công nghệ được thực hiện theo ba hướng cơ bản, có các đặc điểm riêng, như sau:

1 Môi trường công nghệ có thể hòa tan vào vật liệu gia công Hiện tượng này được sử dụng khi phay hoá để lấy đi những lượng dư nhỏ khi gia công các chỉ tiết có hình dạng phức tạp cũng như là để nhận được các bể mặt cực tỉnh (đánh bóng hoá)

2 Một vài chất lỏng (nước, axit acetie ) là những chất bôi trơn kém, có khả năng làm giảm mạnh công cắt riêng của một vài loại vật liệu Và ngược lại các chất lỏng làm giảm mạnh ma sát lại ít ảnh hưởng đến sự giảm công cắt riêng

3 Ứng dụng các nguyên tố riêng biệt của các môi trường công nghệ: quá trình phân rã phân tử của các chất được hấp thụ từ môi trường bể ngoài gây ra do tác dụng xúc tác mạnh tác dụng lên chúng của bể mặt kim loại mới tạo thành trong quá trình cắt, do bể mặt này biến đạng rất nhiều

2.6.2 Sử dụng các chất lỏng trơn nguội

Các chất lỏng trơn nguội, được sử dụng để gia công cắt, chỉa làm 6 loại:

1 Dung dịch nước của các chất điện phân (nước và chất ức chế ăn mòn)

2 Dung địch nước của các chất hoạt động bề mặt (nước và chất ức chế ăn mòn và các chất hoạt động bề mặt)

3 Nhũ tương là hỗn hợp đồng nhất các chất lỏng thường không pha trộn được (nước, chất hoạt động bề mặt, chất nhũ tương hoá, chất ức chế ăn mòn)

4 Nhũ tương được hoạt hoá (nước, chất hoạt động bể mặt, chất nhũ tương hoá chứa chất hoạt động bể mặt)

5 Cac chất lồng chứa dầu mỡ (đầu khoáng và dầu thực vật, dầu hôi và mỡ động vật)

6 Các chất thể huyén phi, là hỗn hợp của các vì hạt cứng (ví dụ các kim loại đễ nóng chảy) trong chất lỏng

2.6.3 Phương pháp đưa các chất lỏng trơn nguội vào vùng cắt Phương pháp đưa các chất lỏng trơn nguội vào vùng cắt có ảnh hưởng đáng kể đến hiệu quả sử dụng các chất này Phổ biến nhất là phun tia vào phía trên vùng cất Trong trường hợp này lưu lượng chất lỏng bao gồm 12+15//ph, dầu khoáng 3+4l/ph, tốc độ của tia có thể đạt được 60+80m/ph Cũng có thể phun tia dung dich làm nguội vào mặt sau dụng cụ cắt qua lỗ phun có đường kinh 2+3mm dưới áp lực thấp (0,5+2kG/ecm? Để tăng tác đụng làm nguội và bôi trơn, tăng áp lực chất lỏng đưa vào vùng cắt là hợp lý hơn cả Đưa chất lỏng dưới áp lực 15+20&G/cm? mang lại hiệu quả to lớn Ví đụ, khi được nhũ tương dưới áp lực 10+15kG/em? sẽ làm tăng tuổi thọ dụng cụ khi tiện chỉ tiết làm bằng thép Cr18Ni9Ti, 2 Cr13 và 3 Cr13 lên 5+6 lần

2.6.4 Sử dụng các môi trường khí

Sử dụng các môi trường khí khi cắt chi tiết làm bằng thép và hợp kim khó gia công hoặc không gỉ có một vị trí đặc biệt

Tác dụng bảo vệ được xem là hoàn hảo nhất khi sử dụng môi trường khí Ví dụ: khí argon Bê mặt kim loại sạch về mặt hoá học được hình thành trong vùng cất, nhanh chóng hấp thụ các phân tử của môi trường khí xung quanh, thường là của không khí Vì vậy độ bển của chỉ tiết gia công giảm Môi trường khí đầm bảo che chớ bê mặt gia công, nâng cao độ bền khi có tải trọng thay đổi

2.6.5 Sử dụng chất bôi trơn rắn

Chất bôi trơn rắn ngày càng được sử dụng nhiên hơn để cải thiện môi trường cắt Chúng thường là graphit, MoS;

MoS; là chất bôi trơn rắn phổ biến nhất, được sử dụng theo những cách sau đây:

1 Thêm vào trong chất lỏng dung địch huyền phù

2 Trộn chung với dầu mỡ và bôi lên bề mặt làm việc của dụng cụ

3 Chà lên bề mặt của dụng cụ cắt bột Mo8; hoặc dùng bút chì đặc biệt.

CAC PHUONG PHAP GIA CONG HOA

NGUYEN LY GIA CONG

Người ta sử dụng PPGQC bằng hóa học trong trường hợp không thể cắt gọt kim loại bằng máy công cụ thông thường do vật liệu có độ cứng cao, dòn, có hình dạng kích thước phức tạp

Phương pháp gia công hóa là mệt PPGC không truyền thống trong đó vật liệu được tách ra khi tiếp xúc trực tiếp với một chất khắc hoá mạnh, tạo ra hình dạng trên kim loại nhờ tác đụng của axit mạnh hay chất kiểm (ở trong nước), lay phan cắt bỏ đi trên chỉ tiết gia công để tạo ra một chỉ tiết chính xác PPGC này được ứng dụng ngay sau chiến tranh thế giới thứ hai, đấu tiên là trong công nghiệp sản xuất máy bay Nhiều loại hóa chất khác nhau được dùng để bóc vật liệu từ một chỉ tiết gia công bằng nhiều cách khác nhau Tùy theo nhu cầu mà người ta có thể ứng dụng phay hóa, tạo phôi hóa, khắc hóa và gia công quang hóa

Gia công bằng hóa học tạo ra được hình dạng kích thước như mong muốn trên chỉ tiết gia công nhờ sự tác dụng của hóa học để lấy đi một phần hay toàn bộ lớp kim loại Những vùng không cẩn gia công sẽ dùng một tấm chắn (masking) để che lại Phương pháp này được áp dụng để gia công những chỉ tiết rất nhỏ như mạch điện tử hoặc những chỉ tiết rất lớn dài đến 15m

Phương pháp gia công hóa gồm nhiều bước tùy theo nhu cầu ứng dụng và dạng gia công Các bước thực hiện thường là:

1 Làm sạch: Bước đầu tiên là nguyên công làm sạch chỉ tiết để đảm bảo cho vật liệu được bóc đi đồng đều từ bể mặt gia công

3 Tạo lớp bảo vệ: Một lớp phủ bảo vệ được đắp lên một số phần nào đó của bể mặt chỉ tiết Lớp bảo vệ này được làm bằng vật liệu có khả năng chống lại tác động ăn mòn của chất khắc hóa Vì vậy nó sẽ được phủ lên những phần bề mặt không cần gia công

3 Khắc hóa: Đây là bước bóc vật liệu Khi chỉ tiết được nhúng chìm trong dung dịch khắc hóa, những phần của chỉ tiết không có lớp bảo vệ sẽ bị tác động hóa học

Phương pháp ăn mòn thường dùng là biến vật liệu gia công (ví dụ như kim loại) thành muối hòa tan trong dụng địch khắc hóa và đo đó vật liệu được bóc đi khỏi bề mặt Sau khi một khối lượng vật liệu mong muốn được bóc đi, chỉ tiết được lấy ra khoi dung dich khác hóa và được rửa sạch

4 Loại bỏ lớp bảo vệ: Lớp bảo vệ được bóc ra khỏi bê mặt chỉ tiết

Hai bước trong gia công hóa có ảnh hưởng đáng kể về mặt phương pháp, vật liệu, các thông số gia công là bước tạo lớp bảo vệ và bước khắc hóa

Những vật liệu của lớp bảo vệ thường là neoprene, polivinil chloride, polyethylene và các polymer khác Lớp bảo vệ có thể được thực hiện bằng một trong ba phương pháp sau đây:

Kháng khung lưới

Trong phương pháp cất uà bóc: lớp bảo vệ được phủ lên toàn bộ chỉ tiết bằng cách đắp, sơn hay phun sương với chiều dày khoảng 0,025+0,12B5zn Sau khi lớp bảo vệ đông cứng lại, người ta dùng dao cắt và bóc bỏ đi lớp bảo vệ tại những vùng của chỉ tiết cần được gia công Nguyên công cắt lớp bảo vệ được thực hiện bằng tay, dẫn hướng dao bằng một tấm dưỡng mẫu Phương pháp cắt và bóc thường được sử dụng cho những chỉ tiết lớn, số lượng sản phẩm ít với độ chính xác không cao Phương pháp này có sai số thường lớn hơn + 0,125mm

Phương pháp kháng quang: sử dụng các kỹ thuật chụp ảnh để thực hiện bước tạo lớp bảo vệ Các vật liệu của lớp bảo vệ này có chứa những hóa chất cảm quang

Chúng được phủ lên bể mặt của chỉ tiết và tiếp nhận ánh sáng qua một âm bản của các vùng cần được khắc hóa Sau đó người ta dùng những kỹ thuật rửa ảnh để bóc đi các vùng này của lớp bảo vệ Quá trình này sẽ để lại lớp bảo vệ trên những bề mặt của chỉ tiết cần được bảo vệ và những vùng còn lại của chỉ tiết không được bảo vệ sẽ bị khắc hóa Các kỹ thuật tạo lớp phủ kháng quang thường được sử dụng để sản xuất những chỉ tiết nhỏ với số lượng lớn và dung sai khắc khe, có thể nhỏ hon + 0,0125mm

Trong phương pháp kháng khung lưới lớp bảo vệ được sơn lên trên bề mặt chỉ tiết gia công qua một tấm lưới làm bằng lụa hoặc thép không gỉ Gắn với tấm lưới nay 1A mét khudn té6 (stencil) nhằm tránh cho những vùng cần khắc hóa khỏi bị sơn

Vì vậy lớp bảo vệ được sơn lên những vùng của chỉ tiết không cẩn gia công Phương pháp kháng khung lưới thường được dùng cho những ứng dụng trung gian giữa hai phương pháp tạo lớp bảo vệ trên về mặt độ chính xác, kích thước chỉ tiết và sản lượng Dung sai đạt được của phương pháp này vào khoảng 0,075 mướn

Sự lựa chọn chất khắc hóa phụ thuộc vào vật liệu của chỉ tiết gìa công, chiều sâu mong muốn và tốc độ bóc vật liệu, các yêu cầu về độ nhám bể mặt Các chất khắc hóa cũng phải phù hợp với loại chất bảo vệ để đảm bảo rằng vật liệu lớp bảo vệ không bị tác động hóa học bởi chất khắc hóa Bảng 3.1 liệt kê một số vật liệu của chỉ tiết được gia công bằng phương pháp hóa với các chất khắc hóa thường dùng cho những loại vật liệu này Trong bảng cũng bao gồm tốc độ thấm và hệ số khắc

Những thông số này sẽ được giải thích ở phần sau.

118 CHUONG 3

PHAY HÚA

3.2.1 Giới thiệu về công nghệ phay hóa

Phay hóa là một kỹ thuật được dùng để tạo ra hình dạng cho kim loại để đạt được độ dung sai chính xác cao nhờ tác dụng hóa học

Quá trình gia công sẽ lấy đi những lớp kim loại trên những diện tích tương đối lớn để làm giảm trọng lượng của những tấm kim loại (là những chỉ tiết quan trọng trong máy bay và tên lửa)

Phay hóa là PPGC hóa đầu tiên được thương mại hóa Trong suốt chiến tranh thế giới lần thứ hai, một công ty sản xuất máy bay của Mỹ đã bắt đầu sử dụng phay hóa để bóc kim loại tạo ra các chỉ tiết của máy bay Ngày nay, phay hóa vẫn còn được sử dụng rộng rãi trong công nghiệp hàng không để bóc vật liệu của các cánh và các tấm thân máy bay nhằm làm giảm bớt trọng lượng

Phay hóa được đùng cho các chỉ tiết lớn mà trong quá trình gia công cần bóc đi một lượng kim loại khá nhiều Phương pháp cắt và bóc lớp bảo vệ thường được sử dụng Người ta dùng một tấm dưỡng mẫu để cắt và phải chú ý đến hiện tượng cắt lẹm phát sinh trong quá trình khắc hóa

Những chỉ tiết có dạng côn, chiều sâu cắt đa dang đều có thể gia công được bằng phương pháp phay hóa

3.2.2 Nguyên lý gia công phay hóa

Phương pháp phay hóa là một quá trình trong đó chỉ tiết được nhúng vào trong một chất ăn mòn (thường là chất hòa tan kiểm mạnh), khi đó nhờ tác dụng của phản ting hóa học nó sẽ lấy đi những lớp kim loại Thời gian nhúng phải được kiểm tra cẩn thận Những vùng không gia công phải dung vật liệu bảo vệ (tấm chắn) không có tác dụng phản ứng với chất ăn mòn

Lớp bảo vệ co rm ơ Ỉ | Làm sạch (

—————- #—— Khắc hóa pose —— — —— Sản phẩm

Hinh 3.2 Nguyén ly gia công phay hóa

Các bước gia công - kau chủi: phải lau thật sạch toàn bộ chỉ tiết

- Tạo lớp bảo uệ (tấm chắn): sau khi lau và để khô, chỉ tiết được phú một lớp vật liệu bảo vệ Có thể dùng cọ, con lăn, nhúng hoặc xịt

- Vạch dấu bà tẩy rúa: một chỉ tiết mẫu được đặt lên trên chi tiết cần gia công và vùng diện tích tiếp xúc với chất ăn mòn sẽ được đặt nằm ngoại tiếp và lớp vật liệu bảo vệ sẽ được tẩy bỏ di

- Ăn môn: chỉ tiết sẽ được nhúng vào trong chất ăn mòn để thực hiện quá trình gia công

- Xá va tấy dụng môi: sau khi gia công xong, chỉ tiết được xả trong nước và sau đó để vào trong bổn dung môi dé tẩy lớp màng bảo vệ ra khỏi chỉ tiết

Bắt đầu từ bản vẽ thiết kế Lựa chọn và làm sạch Phủ lên bề mặt chỉ tiết

L_ trên máy tính bề mặt vật liệu lớp bảo vệ _|

Cắt và bóc lớp bảo vệ tại os Tiển hành quá trinh lusigffÐEES Si, Bóc bỏ hoàn toàn lớp bảo vệ at vùng cần gia công phay hóa và làm sạch bể mặt sản phẩm

Hình 3.3 Những hình ảnh mình họa quá trình phay hóa

* Qué trình nhúng chỉ tiết vào chất ăn mòn trong phay hóa:

Việc nhúng chì trong phay làm trống hoá là phương pháp hoá học làm phân rã vật liệu từ những vùng không được bảo vệ của những phần kim loại nhúng chìm trong thùng chứa chất phản ứng hoá học được khuấy động và đun nóng Thuật ngữ An lối lớn trống" ám chỉ những mảnh phôi mỏng, nhỏ, còn “phay” chỉ những phôi tương Đặc trưng của quá trình:

- Những phần được nhúng vào trong hoá chất mang tính axit hoặc bazơ

- Có những lớp bảo vệ vùng không gia công

- Không đòi hỏi bể mặt phôi cần phải làm sạch trước khi gia công.

- Không đòi hỏi phải có dòng điện để bóc gỡ vật liệu

Miếng thép mỏng phục vụ cho gôm tẩy

(7 Se Bang diéu khién trong hang khéng Ss

Hình 3.4 Chỉ tiết trước cà sau khi nhiing vao trong dung dich an mon

3.2.8 Các đặc điểm khi gia công bằng phay hoá

- Bé day kim loại thích hợp cho quá trình khác là từ 0,002" + 0,080" (0,05 + 2mm) Những tấm kim loại dày hơn thì biên dang sẽ bị cạnh sắc như hình 3.5

Hinh 3.5 Cạnh sắc khi bê dày lớn Hinh 3.6 Sdn phẩm được định hình trước

- Hình dạng của chỉ tiết: chúng ta có thể định hình chỉ tiết bằng cách sử dụng các dụng cụ cứng hoặc sử dụng khuôn dập khi số lượng chỉ tiết gia công ít Chúng ta có thể khắc một nửa để tạo nếp gấp, để chỉ tiết có thể định đạng bằng tay Tùy trường hợp cụ thể mà chúng ta sẽ sử dụng phụ thuộc vào từng chỉ tiết cụ thể và giá thành

- Độ phẳng của kim loại: được tiêu chuẩn hóa bởi máy cán thép Mỗi vòng được tháo ra từ cuộn có sẵn, được lấy theo tiêu chuẩn của Anh

- Độ nhám bê mặt: Phay hóa tạo ra độ nhám bễ mặt thay đổi theo các vật liệu gia công khác nhau Độ nhám phụ thuộc vào cấu trúc kim tương của vật liệu, các phần tử thuộc pha thứ hai có thể khắc với tốc độ khác Bảng 3.2 cung cấp một vài

122 CHUONG 3 giá trị mẫu Độ nhám bể mặt phụ thuộc vào chiều sâu thấm Khi chiều sâu thấm tăng thì độ nhám sẽ thấp hơn và gần với giá trị lớn hơn của phạm vì cho 6 bảng 3.2

Hình 3.7 Độ phẳng của chỉ tiết trước khi gia công

Bảng 3.2 Độ nhám bề mặt gia công trong phay hóa

Vật liệu gia công Độ nhám bề mat (um)

Nhôm và hợp kim nhôm 1,8+ 4,1

Titan và hợp kim titan 04+2,5

- Kích thước nhỏ nhất của lỗ:

Do khắc ở bên nên đường kính nhỏ nhất của lỗ cần lớn hơn chiều dày vật liệu một chút Tùy thuộc vào loại và chiều dày của kim loại, kích thước nhỏ nhất của lỗ lớn hơn chiều đày vật liệu từ 0,018zmm đến 0,05zmm

Trong vài trường hợp nó có thể nhỏ hơn chiều dày vật liệu nhưng chất lượng và sự đồng đều của các mép cạnh bị giảm đi

Thông thường, chúng ta khắc ở cả hai bên của kim loại, tức hệ số khắc 50/50

Nhưng có khi do những đòi hồi của thiết kế mà chúng ta khắc nhiều hơn về một mặt và ít hơn mặt còn lại Ví dụ, thiết kế đòi hỏi ta khắc 90% một mặt và 10% mát còn lại (hệ số khắc 90/10)

126 CHUONG 3

Nhược điểm

- Không thể gia công lỗ

- Quá trình cắt chậm, mất nhiều thời gian

- Độ nhám bể mặt ở những chỗ ăn mòn sâu không đạt được như khi gia công bằng máy vạn năng

- Rất khó đạt được kích thước cạnh bên

- Chiểu sâu cắt giới hạn (12mm) độ sắc bén bên trong không đạt được

- Đòi hỏi vật liệu gia công phải đồng nhất Khó đạt được kết quả cao đối với chỉ tiết hàn

- Hơi ăn mòn gây ra sự ăn mòn lớn

- Nhôm là vật liệu duy nhất có thể gia công dễ dàng bằng phay hóa

3- Pham vi ứng dụng Được ứng dụng chủ yếu trong ngành hàng không:

- Các cánh cửa máy bay

- Cánh máy bay trực thăng

- Bình áp suất hình cầu

- Các tấm bản kiến trúc

- Những tấm vách ngăn hình câu, côn, parabol của tên lửa, Ví dụ các panel bọc ngoài của tên lửa, tàu vũ trụ được cán, dập định hình trước sau đó tiến hành phay hóa để tăng tỷ số độ cứng vững/trọng lượng của tấm hoặc làm giảm trọng lượng tấm (H.3.13) Việc thiết kế các gân bằng phay hóa có thể được thay đổi dé dàng với chỉ phí nhỏ nhất.

CÁC PHƯƠNG PHAP GIA CONG HOA 127

(trước khi gia công) 4mm

Hình 3.14 Phay hóa chỉ tiết trên máy bay để tăng ty sé độ cúng uữngltirọng lượng của tấm

128 CHUONG 3

TẠO PHÔI HÚA

Phương pháp tạo phôi hóa áp dụng hiện tượng ổn mòn hóa học để tiến hành cắt những chỉ tiết kim loại dạng tấm rất mỏng, có độ dày nhỏ đến khoảng 0,025mm hay cắt những mẫu phức tạp khác Trong cả hai trường hợp, cá biệt, những phương pháp đập và đột truyền thống không gia công được, vì lực dập sẽ làm hư hỏng tấm kim loại hay chỉ phí dụng cụ cao hoặc vì cả hai lý do

Những phương pháp được sử dụng để phủ lớp bảo vệ trong tạo phôi hóa thường là phương pháp kháng quang hay phương pháp kháng khung lưới Phương pháp kháng quang được sử dụng cho những mẫu cắt nhỏ, phức tạp và dung sai khắc nghiệt Các trường hợp khác thì đùng phương pháp kháng khung lưới Vì trong tạo phôi hóa kích thước của chỉ tiết thường là nhỏ nên người ta không sử dụng phương pháp cắt và bóc lớp bảo vệ

Trong trường hợp sử dụng phương pháp kháng khung lưới, các bước trong tạo phôi hóa được trình bày trong hình 3.14 Vì khắc hóa diễn ra trên cả hai mặt của chỉ tiết trong tạo phôi hóa nên điều quan trọng là quá trình tạo lớp bảo vệ phải đầm bảo độ chính xác giữa hai mặt Nếu không, sự ăn mòn vào chỉ tiết theo các hướng đối điện sẽ không đều nhau Điều này đặc biệt nghiêm trọng đối với các chỉ tiết cỡ nhỏ và các mẫu phức tạp

Khi dùng phương pháp kháng quang thì có thể đạt sai số + 0,0025mn trên vật liệu có chiều dày 0025mm Khi chiều dày của vật liệu tăng lên thì sai số cho phép cũng tăng lên Những phương pháp tạo lớp phủ kháng khung lưới không được chính xác bằng phương pháp kháng quang Vì vậy khi đòi hỏi dung sai khắc khe trên chỉ tiết thì nên dùng phương pháp kháng quang để thực hiện bước tạo lớp bảo vệ ©Ồ Các bước gia công

1 Sử dụng axit hoặc chất kiểm để lau sạch bễ mặt chỉ tiết gia công Sau khi khô, phun hay nhúng lên bề mặt chỉ tiết một lớp cảm quang (nhạy sáng) Sau đó, lớp này sẽ khô đi và lưu hóa

2 Một tấm kính ảnh có kích thước theo yêu cầu được đặt trên bề mặt chỉ tiết gia công và được để lộ ra ngoài ánh sáng tia cực tím Sau đó hình ảnh được hình thành Những phân không để lộ sáng sẽ bị phân hủy trong suốt quá trình hình thành trên

3 Chi tiết gia công tiếp tục được đặt lên trên một vòi phun ăn mòn Thông thường, sử dụng vòi phun nhiều hơn sử dụng phương pháp nhúng bởi vì tỷ lệ ăn mòi cao hơn và kiểm soát được dung sai Trong quá trình ăn mòn, đầu phun đi chuyển tớ lui và khay giữ đầu phun đao động để cho chỉ tiết gia công tiếp xúc hoàn toàn tron¿ quá trình ăn mòn

Thời gian ăn mòn đối với kim loại có bể dày 0,0025mm là hơn 3 phút và đối vớ kim loại dày hơn 0,25mm thì khoảng 1 giờ.

4 Sau khi ăn mòn, chất cảm quang sé tan ra cùng với dung môi và kim loại cũng sẽ lẫn vào trong nước ấm và khô đi

5, Chi tiết thành phẩm sau đó sẽ được kiểm tra lại

ET-—-"úði nà Lớp bảo vệ

†1- Làm sạch chỉ tiết, 2- Tạo lứp bảo vệ bằng cách sơn qua khung lưới 3- Khắc một phần; 4- Khắc toàn phần; 5- Bóc lớp bảo vệ, làm sạch bể mặt sản phẩm

Hình 3.17 Các bước tạo phôi hóa

3.3.2 Ưu, nhược điểm và phạm vi ứng dụng

- Có thể gia công được các vật liệu có độ cứng cao và dòn

- Không để lại bavia ở các cạnh

- Có thể gia công những vật liệu cực mồng mà không bị biến đạng

- Chi phi thay déi thiết kế thấp

- Chỉ phí cho đụng cụ cắt và gá đặt thấp

- Chỉ tiết thiết kế sẽ được tạo ra trong vài giờ (tạo mẫu nhanh)

- Trạng thái và ứng suất của kim loại không đổi

- Quá trình gia công cho phép khả năng thiết kế linh hoạt

- Hơi ăn mòn gây ra sự ăn mòn cao

- Đồi hỏi phải có công nhân kỹ thuật lành nghề

- Cần có một thiết bị kính ảnh tốt

- Quá trình gia công tương đối chậm Lượng kim loại lấy đi không quá 0,025mm/phut

- Không gia công được các kim loại dày Độ giới hạn chiều day chỉ tiết gia công vào khoảng 1,5mm

- Dung sai tỷ lệ thuận với độ dày kim loại

- Độ sắc bén không cao

3- Pham vi ting dung Những ứng dụng của phương pháp tạo phôi hóa thường được giới hạn cho những vật liệu mỏng hay những chỉ tiết phức tạp.

Chiều dày vật liệu lớn nhất vào khoảng 0,76m¿m Tương tự, những vật liệu được tôi cứng và dòn có thể gia công bằng tạo phôi hóa khi mà các PPGC cơ chắc chắn sẽ làm gãy vỡ chỉ tiết gia công

Phương pháp này được sử dụng rộng rãi trong ngành hàng không và điện tử để gia công những chỉ tiết nhỏ, cực mỏng và phức tạp Đối với những vật liệu có độ dày lớn hơn 1,ðzm thì không nên dùng phương pháp này Tuy nhiên, trong thực tế có thể gia công kim loại với độ dày lớn hơn

3.3.3 Các chỉ tiết được gia công bằng phương pháp tạo phôi hóa

Hình 3.18 Các chỉ tiết được làm bằng phương pháp tạo phôi hoá

KHAC HOA

Khác hóa là một PPGC hóa dùng để tạo ru các bằng tên va các tẩm phẳng khắc chữ hoặc hình ảnh mình họa trên một mặt Những bằng và tấm này cũng có thể được gia công trên máy khắc truyền thống hay những phương pháp tương tự Khắc hóa có thể được dùng để tạo ra những tấm bảng có chữ chìm hoặc nổi bằng cách đảo ngược các phần cần khắc của tấm Tạo lớp bảo vệ được thực hiện bằng phương pháp kháng quang hoặc kháng khung lưới

Trình tự khắc hóa diễn ra tương tự như các PPGC hóa khác, ngoại trừ một nguyên công điển đẩy tiếp theo sau Mục đích điển đẩy là để tạo lớp sơn hay lớp phủ khác trên các vùng chìm được hình thành khi khác Sau đó tấm này được nhấn chìm trong đụng dịch làm hòa tan lớp bảo vệ nhưng không tác động vào vật liệu phủ vì vậy khi lớp bảo vệ mất đi, lớp phủ còn lại trong những vùng được khắc, làm nổi bật mẫu gia công.

GIA CONG QUANG HOA

Gia công quang hóa (Photochemical Machining - PCM) la PPGC quang hóa mà trong đó phương pháp kháng quang tạo lớp phủ được sử dụng để GCKL khi đòi hỏi dung sai khắt khe hay mẫu phức tạp trên những chỉ tiết phẳng Gia công quang hóa cũng được dùng rộng rãi trong công nghiệp điện tử để sản xuất các mạch phức tạp trên những sản phẩm bán dẫn Chính công nghệ này tạo ra những mạch tích hợp qui mô lớn (VLSI) trong vi điện tử Hình 3.19 giới thiệu trình tự các bước gia công quang hóa a) (2)

Anh sang m bản cực tím

Lớp bảo vệ a oe Ona inde

1- Làm sạch phôi, 2- Tạo lớp bảo vệ bằng phương pháp sơn; 3- Đặc âm bản lên trên lớp bảo vệ 4- Phơi ra ánh sáng cực tím; 5- Bóc lớp bảo vệ tại những nơi sẽ được khắc axit; 6- Khắc hóa một phần

7- Khắc hóa toàn phần; 8- Bóc lớp bảo vệ và làm sạch sản phẩm Hình 3.19 Trình tự các bước gia công quang hóa

- San phẩm được thiết kế bởi phần mềm CAD Mẫu thiết kế này được phóng đại đến 100 lần Dữ liệu thiết kế sau đó được chuyển sang máy tạo phim Một phim âm bản được tạo thành và giảm đến kích thước của chi tiết hoàn thành Bản phim âm bản này được gọi là phim mình họa Bản vẽ gốc (đã được phóng to) cho phép giảm sai sổ thiết kế đến giá trị giảm của hình ảnh phim minh họa cuối cùng (giảm 100 lần) -

- Phôi được phủ một lớp kháng quang bằng cách nhúng, phun hoặc cán phủ (roller coating), sau đó sấy khô trong lò

- Đặt phim âm bản lên trên lớp phủ rồi đem phơi dưới ánh sáng cực tím, như vậy sẽ làm cứng những vùng phơi Có nhiều cách phơi sáng hình ảnh mong muốn

Hình vẽ thể hiện âm bản tiếp xúc với bể mặt của lớp bảo vệ trong quá trình phơi sáng Đó là phương pháp in tiếp xúc Các phương pháp in ảnh khác cũng có thể được thực hiện thông qua một hệ thống thấu kính để phóng to hay thu nhỏ kích thước của mẫu in trên bể mặt lớp bảo vệ Những vật liệu kháng quang thông dụng thì nhạy với ánh sáng cực tím, nhưng không phản ứng với ánh sáng có những bước sóng khác Vì vậy nếu hệ thống chiếu sáng tại nơi gia công đạt yêu cầu thì không cẩn thiết phải thực hiện những bước gia công trong môi trường khác như ở phòng tối Sau khi hoàn thành nguyên công tạo lớp phủ thì các bước còn lại giống như các PPGC hóa khác

- Chỉ tiết được tráng phim

- Bóc lớp bảo vệ tại những nơi sẽ được khắc axit, - Nhúng chỉ tiết vào trong thùng chứa chất khác hoặc phun chất khắc lên bể mặt chỉ tiết để thực hiện việc khắc hóa

- Bóc lớp bảo vệ và làm sạch sản phẩm

Những yêu câu cần thiết trước khi gia công quang hóa:

- Bản vẽ có đầy đủ kích thước và dung sai

- Các tính chất của vật liệu được sử dụng

- Số lượng và các yêu cầu kỹ thuật khác của chỉ tiết

3.5.2 Các thông số công nghệ

1- Mốt quan hệ giữa dường kính lỗ gia công với chiều dày oật liệu

Nói chung, trong gia công quang hóa, đường kính lỗ (D) không thể nhỏ hơn bề day kim loại gia công Tuy nhiên, mối quan hệ này sẽ thay đổi khi chiều day chỉ tiết gia công thay đổi Bảng 3.3 cho thấy mối quan hệ chính xác của hai đại lượng này

Bảng 3.8 Mối quan hệ giữa đường kính lỗ gia công uới chiều đày uật liệu

Chiều dày kim loại t, mm Đường kinh nhỏ nhất của lỗ gia công D, mm

< 0,025 Phải được xác định bằng gia-cong thử

0,025 - 0,127 Ít nhất bằng 1,25 lần chiều day

Thực tế trong gia công kích thước lỗ có thể có thể cao hơn:

Bang 3.4 Đường hinh lỗ gia công trong thực tế

Chiều dày kim loại, mm Đường kính lỗ thực tế, mm Đường kính giới hạn, mm

Những đặc tính khác của quá trình gia công như chiều đài, chiều rộng gia công cũng tương tự như đường kính lỗ

3- Mối quan hệ của khoảng cách giữu 2 16 oới chiêu đày uật liệu Đây không phải là một vấn để đặc biệt trong gia công quang hóa, có thể tham khảo trong bảng sau

Bảng 3.õ Mối quan hệ giữa chiêu đày uật liệu uỏi khoảng cách giữa hai lỗ

Chiều dày vật liệu t (mm) Khoảng cách giữa hai lỗ W (mm)

3- Mối quan hệ giữa các góc bo tròn oà chiều dày nật liệu

Các góc bên ngoài có xu hướng khắc sắc nét hơn các gúc bên trong Vì thế có thể đạt được các bán kính có giá trị nhỏ hơn chiểu dày Quy luật chung, các bán kính tính toán đạt đến giá trị ít nhất bằng 0,75 lần chiều dày vật liệu

4- Méi quan hé giita canh xién va chiéu day vat ligu

Do chất khắc khắc theo cạnh bên lẫn theo phương thẳng đứng nên lễ có cạnh xiên (H.3.23) Khi khắc một phía, chiều dài cạnh xiên sẽ đạt khoảng 0,75 Khi khắc hai phía, chiều dài cạnh xiên sẽ đạt khoảng 0,40

3.5.3 Ưu điểm của phương pháp gia công quang hóa

- Gia công quang hóa không cần sử dụng những đụng cụ và khuôn truyền thống, giảm chỉ phí cho dụng cụ và khuôn

- Có thể gia công những chỉ tiết có hình dạng phức tạp

- Dễ dàng thay đổi mẫu mã sản phẩm, rất lý tưởng cho việc tạo mẫu

- Không làm thay đổi tính chất kim loại: không thay đổi độ cứng, không thay đổi cấu trúc hạt, không thay đổi tính mềm dẻo

- Không tạo ứng suất đư

- Bê mặt gia công đạt độ chính xác cao (10% bê dày vật liệu gia công)

- Phạm vi gia công cho bể dày kim loại rộng từ 0,0025+16nn

- Phù hợp với tất cả các kim loại bao gồm: nhôm, magiê, hợp kim đồng, thép lò xo, thép không gỉ, hợp kim niken và những kim loại khác Một số kim loại thông dụng được khắc với chiều dày từ 0,05 + 1,2m như: nhôm, hợp kim 42, đồng thau, đồng đỏ, thép cacbon, hợp kim có từ tính, thép không gỉ, thép lò xo

Phương pháp gia công quang hóa được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực khác nhau như: hàng không, ô tô, máy tính, tiêu dùng, trang trí, điện tử, cơ khí, y khoa Một sế ứng dụng điển hỡnh là tạo sàn mịn, mạch in, lũ xo phẳng, khung che (mứsk) cho ti vi màu

Một số sản phẩm gia công quang hóa:

Hình 3.24 Một số sản phẩm được gia công bằng phương pháp quang hóa

CAC PHUONG PHAP GIA CONG DIEN

PHUONG PHAP GIA CONG ĐIỆN HÓA

4.1.1 Tổng quan về phương pháp gia công điện hóa

Phương pháp gia cong dién héa (Electrochemical Machining - ECM) dua trén co sở sự hòa tan điện cực dương trong quá trình điện hóa (điện phân) trong một pin điện

Lối vào dung dịch điện phân Điện cực dụng cụ q

Ghi tiết gia công (anốt) mm"

Phân bổ của tốc độ

Hình 4.1 Quá trình dién héa (ECM) Điện thế làm việc

Hiện tượng điện phân là tên gọi của một quá trình xảy ra khi một dòng điện được truyển qua hai điện cực nhúng trong một dung dịch điện phân Hệ thống bao gồm các điện cực và dung dịch điện phân được gọi là pin điện, phản ứng hoá học xảy ra tại các điện cực gọi là phần ứng catot hoặc phần ứng anot Hình 4.2 là ví dụ một điện cực sắt được nối vào nguồn điện một chiều và được nhúng vào dung dịch NaGl.

Dong dién tir Dong điện tử

Sắt tan ra từ anốt Hydro được tạo ra ở catốt

Hydroxyt sat Hình 4.2 Quá trình điện phân

Một ampe kế được đặt trong mạch sẽ cho ta biết dòng điện hiện tại Với một trị số dòng điện xác định, người ta biết được đặc tính dẫn điện của dung dịch NaCl

Hình 4.3 cho thấy phản ứng hòa tan sắt trong dung dịch muéi an (NaCl) Kết quả của quá trình điện phân:

HạO —› H' +(OH) và NaCl ơ Na' + Cl

Các ion âm như (OH} và CI đi về phía anot, còn các ion dương như H* và Na” thì đi về phía catot

Tai anot: Fe — Fe** + 2e Tai catot, phan ting tuong tu tao ra khi hydro va ion hydroxyl:

Kết quả là các ion này tác dụng với ion sắt để tạo thành Fe(OH); Fe(OH); có thể tác dụng một lần nữa với nước và oxy dé tao ra Fe(OH):

THình 4.3 Sơ đồ của phản ứng điện phân của sắt trong dung dich NaCl.

Mặc dù được hình thành từ dung dịch điện phân, nhưng các muối trong dung dịch không bị mất đi, chỉ một phần nước bị phản ứng trong quá trình điện phân nhưng để giữ nổng độ dung dịch là hằng số, cần phải thêm nước vào

Với dung dịch điện phân tổng hợp, quá trình điện phân là một quá trình phức tạp trong đó sắt bị hòa tan tại anot, và khí hydro được tạo ra tai catot

Phương phúp gia công điện hóa lấy kim loại bằng cách hòa tan anot có nhiều thuận tiện so với các phương pháp khác Kim loại được lấy đi tương tự như hình dang của điện cực dụng cụ, thậm chí có những hình dáng đặc biệt, kích thước và bê mặt hoàn tất

Bảng 4.1 Các thông số điển hình của gia công điện hóa

Loại một chiều Điện thế 5 + 30V (liên tục hoặc xung)

Mật độ dòng điện 10 + 500A/cm2

Loại dung dịch điện phân

Tốc độ 1500 = 3000 míph Áp suất đầu vào 0,15 + 3 MPa Áp suất đầu ra 0,1 + 0,3 MPa

Khe hở làm việc 0,05 + 0,3mm

Tốc độ ăn dao 0,1 + 20mmiph

Vật liệu điện cực đồng thau, đồng, đồng thiếc

Chi tiét dang tam Dung sai 0,05 + 0,2mm

Chỉ tiết dạng khối 0,1mm Độ nhám bề mặt(Ra) 0,1 + 2,5mm

Một hệ thống gia công điện hóa bao gồm bốn thành phần chính sau:

- Hệ thống xử lý dung dịch điện phân khép kín

Các thông số hoạt động cơ bản của gia công điện hóa là:

- Điện thế làm việc dụng cụ cắt (catot) và chỉ tiết (anot)

- Ấp suất vào và ra của dung địch điện phân hoặc (tốc độ đòng/100A)

- Nhiệt độ vào của dung dịch điện phân

- Cường độ đòng điện sử dụng trong hệ thống gia công điện hóa phụ thuộc vào các thông số trên và kích thước của bê mặt gia công

Trong quá trình gia công điện hóa, sự phân bố của mật độ dòng điện trên bê mặt anot và khe hở giữa các điện cực là rất quan trọng, nó phụ thuộc vào các thông số trên và đặc tính điện hóa của vật liệu chí tiết và điện cực

Tóm lại, những đặc trưng chính của quá trình gia công điện hóa là:

- Tếc độ gia công không phụ thuộc vào cơ tính của kim loại mà phụ thuộc vào vật liệu chỉ tiết Tốc độ thường đạt được vào khoảng 1200+2500m° cho mỗi

- Độ chính xác của gia công điện hóa phụ thuộc vào hình dạng và kích thước của chỉ tiết gia công Độ chính xác đạt được xấp xỉ 0,05+0,3mm nếu sử dụng dòng liên tục, 0,02+0,05zmm nếu dùng xung

- Đệ nhám bể mặt giảm khi tăng tốc độ gia công (cho vật liệu điển hình) Độ nhám bề mặt vào khoang R, = 0,1+2,5 mm

- Quá trình gia công điện hóa không tạo ra ứng suất dư trong chỉ tiết sau khi gia công

- Không có sự hao mòn điện cực (dụng cụ cắt)

- Năng lượng tiêu thụ trong quá trình gia công điện hóa khá cao (từ 200//mmŸ đến 600//mm”), phụ thuộc vào điện thế và đặc tính điện hóa của vật liệu chi tiết

- Ứng dụng gia công điện hóa trong công nghiệp phải đi song song với vấn để môi trường

4.1.2 Nguyên lý của quá trình gia công điện hóa

1- Nguyên lý tạo hình điện hóa Quá trình gia công điện hóa là một quá trình hòa tan anot điện hóa, trong đó một dòng điện một chiểu có cường độ cao và điện áp thấp chạy qua giữa chỉ tiết (được nối với cực dương) và dụng cụ điện cực (nối với cực âm của nguồn) Hai điện cực đều được đặt trong bể dung dịch điện phân Tại bề mặt anot, kim loại được hòa tan vào các lon kim loại và chỉ tiết sẽ được sao chép hình dạng của dụng cụ điện cực

Chất điện phân luôn luôn chảy qua khe hở điện cực với vận tốc cao (thường lớn hơn 5n1/s), mang theo các ion kim loại và giải nhiệt.

" Cách điện mm Đồ gá Lọc

Nguồn 1 chiều từ 2-30V ầ ® SS Dung dich dién phan

Hình 4.4 Sơ đô nguyên lý của phương pháp gia công điện hóa

Khi đóng mạch điện và các điều kiện điện phân được chọn hợp lý, dòng điện đi qua bể có tác dụng làm hòa tan kim loại ở anot với một lượng được xác định theo định luật Faraday Trong khi gia công, thông thường điện cực được cho tiến về phía chỉ tiết (anot) nhưng luôn đảm bảo tổn tại một khe hở nhỏ Quá trình điện phân kéo theo sự hòa tan anot và thoát khí hydro ở catot Lượng chất kết tủa hoặc hòa tan do điện phân tỷ lệ với lượng điện chạy qua

Lượng các vật chất kết tủa hoặc hòa tan bằng lượng điện tương đương, tỷ lệ với thành phần hóa trị của chúng (với hợp kim có nhiều nguyên tố khác nhau)

Su phân bố không đồng đều của lượng kim loại bị lấy đi trên bể mặt gia công gây nên các thay đổi hình dáng của chỉ tiết Trong quá trình gia công điện hóa lượng kim loại bị lấy đi này cân bằng với vận tốc hòa tan anot V, lẻ

Hình 4.5 Một số phương pháp cất trang gia công điện hóa

Z=Z,(x,y,Ð Bề mặt anốt tại thời điểm Điện cực dụng cụ

(catốt) x Hình 4.6 Quá trình tạo hình điện hóa

Xét một phần nhỏ bể mặt anot với điện tích AA có dòng điện chạy qua A/ như hình vẽ 4.6

146 CHUONG 4

Phân bố dòng điện

Điện trường và sự dịch chuyển khối lượng giữa hai điện cực xác định sự phân bố mật độ dòng điện Dòng điện chạy qua dung địch điện phân là do sự chuyển động của các hạt ion mang điện

Thụng lượng vectơ ẹ, của từng phần tử bị hũa tan J (được định nghĩa như là số lượng các dãy ion đi chuyển theo một hướng nào đó trong một đơn vị thời gian qua một đơn vị diện tích bể mặt) là do sự dịch chuyển, sự phát tán và sự đổi lưu Thông lượng vectơ ẹ; cú thể được diễn tả như là một vectg tổng của ba thành phần:

Số hạng đầu thể hiện sự dịch chuyển bởi lực do hiệu điện thế tác động lên các ion Ở đõy ứ, là tớnh chuyển động điện húa của cỏc ion ỡ, được định nghĩa như là vận tốc trung bình của một ion khi bị tác động bởi một đơn vị mật độ điện trường, và u là điện thế

Sự phát tán - mô tả trong số hạng thứ hai - xảy ra khi độ tập trung của một phần tử ¡ biến đổi Các phân tử sẽ di chuyển từ vùng có độ tập trung cao đến vùng co độ tập trung thấp hơn Thông lượng phát tán được cho bới định luat Fick:

NG = D,Ve, trong đó Ð, là hệ số phát tán

Số hạng sau cùng thể biện sự di chuyển của các phần tử đồng thời với dong dung địch, gây nên đối lưu Véctơ vận tốc W xác định sự địch chuyển dòng lưu chất, Đồng điện chảy qua dung dịch điện phân là do sự chuyển động của các phần tử có điện tích (ion) Vì ta có biểu thức thông lượng của từng ion nên mật độ dòng có thể tính được bằng các nhân thêm mỗi thông lượng bởi điện tích tương ứng cho mỗi dong 2,F:

= a i zi (4.18) ist Bằng cách thay thế công thức (4.12) vào (4.13) chúng ta có thể đạt được: n n an is-F)eujzVu-F > DjziVo, +F WD zc; (4.14) tl isl „=1

Số hạng sau bằng 0 khi kết quá của điều kiện điện tích trung tính:

Sige, =0 kn (4.15) i=l Điều kiện này hợp lý cho hầu hết các trường hợp ngoại trừ hai lớp mỏng gần điện cực và một số biến đạng khác Hai lớp này có thể dày từ 1+10nm Hiện tượng liên quan đến hai lớp của các điện cực được xem xét kỹ trong các điều kiện biên Đặt: Ke PY czy, (4.16) œ1 gọi là suất dẫn điện (hay tính dẫn điện đặc trưng của dung dịch điện phân), mật độ dòng có thể viết dưới dạng: i=-xVu~ FS z,D,Ve; a (4.17) isl

Công thức này cho thấy mật độ dòng liên quan đến gradient hiệu điện thế u và gradient d6 tap trung ¢; Trong cde ving khi gradient độ tập trung có thể được bổ qua, ta có mật độ đòng được tính theo định luật Ohm: i=-KVu (4.18)

Các độ tập trung có khuynh hướng tiệm cận với giá trị c¿ Để đơa giản, độ tập trung được tuyến tính hoá và được chia làm hai phần: một lớp móng, gọi là lớp phát tán với độ dây 53 va vùng có độ tập trung là hằng số Độ dây của lớp phát tán phụ thuộc nhiều vào điều kiện cháy dòng dung dịch điện phân và chỉ trong các trường hợp đơn giản ða có thể tính như là hàm của các thông số thuỷ động lực học Độ lớn bằng 1/10 độ dày lớp biên Ở đòng chảy rối giá

150 CHUONG 4 tri trung binh cia 8; nhé hon rat nhiéu lần và việc tính toán dé day rat phifc tap ~ có xét đến các ảnh hưởng thuỷ động học

Bởi vì lớp phát tán rất nhỏ so với khoảng cách giữa hai điện cực, nên ta có thể tỉnh gộp lại hiện tượng xảy ra trong lớp này và cho là lớp phát tán thuộc bể mặt của các điện cực

Thi sử dụng phép ngoại suy định luật Ohm cho các vùng lân cận điện cực và các ảnh hưởng của các quá trình xảy ra ở điện cực (chẳng hạn như sự phát tán), ta cũng quan tâm đến việc giảm dân hiệu điện thế Nếu tính đến mối quan hệ giữa sự giảm hiệu điện thế tại các điện cực và mật độ dòng điện, thì các sai số của phép xấp xi này không đáng kể

Bởi vậy, sử dụng mối quan hệ này và xét đến tính trung tính của môi trường (điện trường có tính chất tĩnh), chúng ta có công thức mô tả sự phân bố điện thế trong dung dịch điện phân: div(kVu) = 0 (4.19) hay KVỀu +(VK,Vụ) =0 (4.20)

Trong công thức (4.19), các thay đổi suất đẫn của dung địch điện phân ở giữa các điện cực do nguyên nhân nhiệt và sự tạo khí cũng được tính đến Các điều kiện biên của công thức (4.19), (4.20) được xét đến qua các trạng thái ở điện cực và các tấm cách điện (H.4.12) z f Phôi 2 =Zatx.) u= U-deta U

Hình 4.19 Sơ đô điều kiện biên

Giả sử các điện cực dẫn điện tốt va duge néi vdi nguén U Cé cdc điều kiện biên sau:

= —E,: trên catot (điện cực đụng cụ)

= U — E„: trên anot (chỉ tiết) ou on Điện thế anot EB, và điện thế catot E, phụ thuộc vào mật độ dòng điện và được xác định bằng công thức Tafel:

E,=a+blni, (4.21) cho các mật độ dòng điện từ 10” đến 10? A/cm?,

Hệ số œ phụ thuộc vào vật liệu của điện cực dụng cụ Hệ số b bằng 0,11+0,14V đối với dung địch NaCl, va 0,24V với dung dịch NaNO; (i, Alem’) Su thay d6i cua E, so với hiệu điện thế rất nhỏ nên ta có thể xem E, là hằng số

=0: trên các thành cách điện

Ví dụ, trong quá trình gia công điện hóa bằng dung địch điện phân NaCl, E, gần bằng 1,ðV, Trong trường hợp hòa tan anot với mật độ dòng điện cao, công thức Tafel chỉ chính xác trong một vài giá trị mật độ dòng điện

Mối tương quan #„ = E,fi), hay i = /(E„) trong ECM phức tạp hơn tĩnh 4.13 mô tả một số đường cong phân cực anot trong trường hợp gìa công điện hóa kim loại nickel voi dung dich 5M NaNO; + 1M HNO; tai cdc van tốc chảy khác nhau:

2 Mật độ dòng điện A/cm

0 5 10 Điện thế trên anốt, V 16 20 25 30 35 Hình 4.13 Đường cong phân cực anot của nickel tại các uận tốc chảy khác nhau

154 HƯƠNG 4

u(f) = 0 trên dụng cụ cắt — catot ƒ (4.27) u(F) = U - AU trén chi tiét gia céng — anot F (4.28)

Vu =e =0 trên bề mặt cách điện và đường đối xứng in (4.29) Bé m&t anot được biểu diễn bởi hàm z = z„(xy,z) trong hệ tọa độ tham chiếu (x,y,z) gắn với chỉ tiết (thường tĩnh), quá trình tạo hình được mô tả:

Si = Ko (Sies,)jJL+[ at ox } 2 (a2, + (5) oy (4.30)

Dựa vào đặc điểm 3, cả hai anot và catot là các bể mặt đẳng thế, ta giả sử điện thế trên catot bằng 0 Điện thế #, được tính đến trong công thức điện thế tổng

AYE=;E-u Các mô hình toán học được công thức hóa ở trên nằm trong trường hợp lép bién di dong (moving boundary problems - MBP)

Nhiều tính chất chủ yếu và đặc thù của ECM có thể có được bởi sự phân tích các đặc tính động học của một số hệ thống đơn giản Các kết luận rút ra từ sự phân tích rất ích lợi trong thực tế như chọn thông số gia công, thiết kế điện cực, dung sai, và các giới hạn của quá trình gia công Đặc biệt các kết luận đạt được với bài toán MBP một chiểu đưa ra các mối quan hệ điều khiến ECM, cho thấy nhiều đặc tính quan trọng của quá trình gia công:

* Sự phụ thuộc uào thời gian của khoảng cách của các điện cực phẳng song song trong trường hợp gia công điện hóa một chiều

Xét trường hợp đơn giản là gia công điện hóa với các điện cực phẳng song song như hình 4.15:

Hình 4.16 Gia công điện hóa với các điện cực phẳng song song

Hai điện cực song song cách nhau một khoảng Š, có hiệu điện thế Ư Từ sự đối xứng, ta có thể xem cường độ dòng trong điện trường giữa chúng bằng nhau và bằng lượng trung bình

Gradient của hiệu điện thế là: vue EAU (4.31) và cường độ đồng: (=K” TâU (4.39) trong đó $ = Z, (¢) — L(t) va L(t) mô tả sự di chuyển của dụng cụ

Thay thế công thức (4.30) và công thức (4.10):

Oz, Wy =—2=0 ox ủy Ta có được phương trình vi phân mô tả chuyển động của điện cực anot: a = k,ô————— U-AU 4.33

2 LO (4.58) với điều kién ban dau z, = z, tait = 0

Phương trình trên phụ thuộc vào các ham U = U/t) va phuong trình chuyển động của điện cực dụng cụ Ù = 1)

- Gia công điện hóa uới điện cực dụng cụ đúng

Trường hợp điện cực dụng cụ tĩnh được áp dụng trong công đoạn gia công lần cuối, tẩy bavia, vat tròn các cạnh của bề mặt gia công

Cho L(t) = 0 vào công thức (4.33) sau khi kết hợp các điểu kiện ban đầu, ta có:

Tại hiệu điện thé lam việc không đổi U = Ú,, sự phát triển khoảng cách được mô tả bởi công thức: z„ =jz2 +3Dt (4.35) trong đó Ð = #„K(,~ AU) có thể xem như một thông số đặc trưng của ECM với điện cực tĩnh

Hình 4.16 Hiệu quả gia cong dién héa lam phdng bé mat udi dién cực tĩnh

Công thức (4.35) có thể được áp dụng tính toán trong nhiều trường hợp gia công, ví dụ trong làm phẳng bể mặt Điều này có thể được làm rõ trong trường hợp sau

Xét khoảng cách giữa hai điểm A, B trên chỉ tiết - anot Giả sử sự hòa tan các phần xung quanh các điểm này xảy ra độc lập với nhau, chúng ta có thể áp dụng công thức (4.34) riêng cho chúng và ta có:

V2 + 8) ? + 2Dt + fz? +2Dt trong dé: R, 1A dé nhdém ban đầu của anot và R(t) là độ nhám sau cùng sau thời gian gìa công ¿ hay Rũ)= (4.36)

Thời gian ¿„ cần thiết cho việc hũa tan lượng dư trong hạn định cho phộp ứ, với điện cực dụng cụ tĩnh:

Cong thite (4.37) ed thé duge stt dung trong viée xdc dinh gan dung thoi gian gia công, như là một hàm các thông số ECM, trong gia công các hốc nhỏ, rãnh t, (4.387)

Với khoảng cách gia tăng, cường độ đòng điện giảm, theo công thức sau:

(4.38) trong đó ¡, là cường độ dòng điện ban đầu

Khi lượng vật liệu hòa tan giảm, cường độ dòng điện cũng giảm Nếu nguồn cung cấp hoạt động với chế độ dòng không đổi, hiệu điện thế giảm theo thời gian gia công, với lượng vật liệu bị hòa tan gần như không đổi ằ Gia cụng điện húa uới tốc độ tiến của điện cực dụng cụ khụng đổi

Phần lớn các máy công cụ ECM sử dụng tốc độ tiến của điện cực dụng cụ không đối (H.4.17)

Trong trường hợp này, sự dịch chuyển của catot với tốc độ Vy được mô tả bởi công thức:

S = Vat và công thức (4.33) có thể được viết: dz, U-AU a exKy 24

CAC PHUONG PHAP GIA CÔNG ĐIỆN 157 ya(

Hinh 4.17 ECM uới các điện cực phẳng - song song, nà vdi luong tiến điện cực không đổi

Với điều kiện ban đầu z¿ = za tại £ = 0, xét trong trường hợp tốc độ không đổi với hiệu điện thế Ứ = Ứ,, công thức này có thể được viết dưới dạng không thứ nguyên: š= 2a va t= ai Vet § % trong đó: % =wRy Ca ÂU (4.40)

Yr sau khi sắp xếp lại và viết dưới đạng vô hướng, công thức (4.39) trở thành: a dt &-t (4.41) tait=0, va §=6 Điều kiện ban đầu:

Ta có: Vpt = (Zq-S;)-(Z, -§; xe s, ; (4.43)

Sự thay đổi vị trí của anot trong quá trình gia công điện hóa với tốc độ tiến điện cực dụng cụ không đổi trong công thức (4.43) được trình bày trên hình 4.18, Đường 1 mô tả vị trí của dụng cụ theo thời gian, đường cong 2 và 3 cho thấy sự thay đổi vị trí biên anot với hai giá trị của khoảng cách ban đầu (2) Z„' và (3) Zo” theo thời gian Với sự gia tăng Z4, số hạng với hàm mũ trong công thức 4.43 giảm và đường cong 2 và 3 đi về đường tiệm cận

4 ql 2 ; Điệ iện cực dụng cụ d t=0 R,

Hình 4.18 Sự thay đổi uị trí của điện cục trong quá trình gia công điện hóa vdi tốc độ tiến của điện cực dụng cụ không đổi

Sau một khoảng thời gian, trong thực tế sự hòa tan ổn định và lượng vật liệu được lấy đi V„ bằng với lượng tiến của dụng cụ V„ Nói cách khác, chúng ta có thể nói theo thời gian, khoảng cách giữa hai điện cực ổn định tại giá trị bình ổn %„ đây là thông số chủ yếu của quá trình gia công điện hóa với một bề mặt phẳng và một bể mặt phức tạp với một lượng không đổi

Sự thay đối khoảng cách giữa điện cực dụng cụ và chỉ tiết anot có thé được mô tả với hệ tọa độ đi chuyển được gần với dụng cụ Các tọa độ này được gọi là hệ toa độ dung cu (toal system oƒ coordinotes - TSC) và nó tiện lợi hơn trong nhiều trường hợp phân tích quá trình ECM, cụ thể trong thiết kế điện cực

Phép biến đối tọa độ: x=#, y=%, z=Z+L([Ю (4.45) trong đó: (X,¥,zZ) - cdc toa dé trong TSC

L(t) - phuong trinh chuyén déng cla dién cực dụng cụ

Xét trường hợp trên z = Z+V†, công thức (4.39) trong TSC chuyển đổi thành: aS D_—AU a KKy 3 ~y (4.46) tại =0, 8 = S, Trong đó ta đặt tuỳ ý: Z, =S Công thức (4.46) trở thành: đề 1

& a 1 (4.47) tait=0, §&=&. trong dé eu va te Vet

Tích phân công thức (4.47) với các điều kiện ban đầu ta có: g&,-1 t=6,-&-In a (4.48)

Sự thay đổi khoảng cách trong các tọa độ vô hướng tại các giá trị ban đầu khác nhau của khoảng cách được trình bày trên hình 4.19 fo >1

Hình 4.19 Sự thay đổi khoảng cách trong các tọa độ uô hướng

Dựa trên các biểu đỗ trên, quá trình ECM với tốc độ tiến không đổi, hay với giá trị đặc tính không đổi Š; theo thời gian, có thể chia thành:

6 trang thai chuyénetiép, mat dé dong dién, van téc hda tan va khoảng cách giữa hai điện cực thay đổi theo thời gian Các giá trị của nó đạt đến vài giá trị không đổi sau:

6 trạng thái bình ổn, tất cả các thông số như mật độ dòng điện, vận tốc hòa tan và khoảng cách không đổi theo thời gian

162 CHUONG 4

Khí hydro phát ra từ dụng cụ tạo nên lớp hai pha (bao gồm dung dịch điện phân và các bọt khí hydro) tại điện cực và tăng thêm theo độ sâu dung dịch điện phân

Trong các điểu kiện nào đó !2p này sẽ điển ady khoảng trống Trong tính toán, thương sử dụng dung tích khí trung bình, B, tại một phần khe hở Tuy nhiên, nếu sử dụng h¿, thường cho rằng £ giữ một giá trị không đổi dọc theo trục y và được cho bang f = 0,5

Gia công điện hóa những chỉ tiết lớn kéo theo sự mở rộng của khe hở điện cực, do vậy, bọt khí phát sinh tại dụng cụ điện có thể lan ra khỏi bể mặt gia công và hòa trộn với dung dịch điện phản, vì thế gia tăng giá trị Nếu quá trình này kéo dài, có thể làm giảm bền dung dịch điện phân trong khe hở gìa công, phát sinh va đập và cuối cùng quá trình gia công sẽ bị ngừng lại

Dong dién di qua dung dịch điện phân làm phát sinh nhiệt lượng Môi trường gân catot sẽ mất dân tính dẫn điện đo nhiệt tăng lên Lượng nhiệt tạo ra trên một đơn vị tuể tích:

Sự thay đui trong đặc tính của môi trường điền đẩy khe hở sẽ thay đổi: môi trương gần catot mất đả: tính dẫn điện và đẫn đến sự gia tăng đột biến nhiệt; nơi dung dịch điện phân cé lẫn tạp chất quá trình ngược lại

Tiêu biểu, có chô có sự gia tăng cao nhiệt độ bởi dong dung dịch điện phân chảy chậm Quả vậy, do sự gia tăng nhiệt độ dụng cụ có thể tạo nên một nhiệt độ cao hơn ở chỉ tiết Nhiệt độ của dung địch điện phân sẽ hạ xuống cân bằng các điện cực do su tan nhiệt ra các lớn :z

Sự thay đối nhiệt độ, khí và sử ít dẫn dẫn đến thay đổi khe hở ở trạng thái bình ốn, và sẽ làm hư hỏng hình dạng bộ phận được gia côiz Đặc biệt là khi gia công chi tiết phẳng với dụng cụ phẳng có thể tạo nên bể mặt bị cong Khe hở vượt quá %; khi dung tích khí lớn Kích thước của khe hổ cân bằng thực, S/+) hay sai khác so với trang thái bình ổn AS, có thể được xác dian bang cach sit dụng sự phân bố nhiệt độ trung bình ? và dung tích khí trung bình lập nên vận tốc trung bình đòng điện phan w

Hình 4.23 minh hoạ các trường vật lý cơ bản và các điều kiện gia công, mối tương quan trong quá trình gia cong điện hóa và tóm tắt các thành phần cơ bản của đặc tính qua trình liên kết với tạo hình điện hóa Hình 4.28.cũng cho thấy bản chất phức tạp của quá trình tạo hình và các khó khăn trong v:iẹc giải quyết vấn dé ứng dụng kỹ thuật mô phỏng điện toán dựa trên mô tả toán học là cần thiết cho việc phản tích quá trình gia công và thiết kế điện cực dung cụ. ky

Bign thé TT Độ dẫn điện ~

Hướng dòng chay nN ° Hướng dòng chay dott) dat) tof) Độ tập trung khí >

Mô hình 1D được diễn tả bởi hệ thống| ft phương trình vì phân thông thường

Mô hình 2D hoặc 3D được diễn tả bởi hệ thống phương trình vi phân thông thưởng,

Hình 4.33 Sơ đồ các mối tương quan trong quá trình gia công điện hóa ð- Mô bình toán học của quá trừnh gia công điện hóa

Trong phần này, ta xét sự thay đổi hình đáng của bề mặt gia công và các điều kiện vật lý trong khe hở giữa hai điện cực trong trạng thái tạm thời và trạng thái bình ổn của quá trình gia công điện hóa sử dụng điện cực dụng cụ có đường bao hình trụ

Trên hình 4.24, dòng dung dịch điện phân chảy từ trái sang phải qua một khe hở mồng có kích thước § và chiểu dài ⁄ Mặt phẳng bên dưới là điện cực dụng cụ tiến lên trên với tóc độ V¿ Tại điểm đối xứng với dụng cụ, bể mặt chỉ tiết di chuyển

164 GHUƠN6 4

lên với vận tốc V„ Trong quá trình gia công điện hóa bình ổn sử dụng điện cực cong, giá trị V„ bằng với V/cosơ Sự phân bố tốc độ hòa tan này và sự thay đổi các điêu kiện vật lý dọc theo đường chảy cho thấy sự phân bố không đông dạng kích thước khe hở 8 và sai số hình đáng của chỉ tiết — anot

Hình 4.24 Mô hình toán học quá trình gia công điện hóa

Mê hình toán học quá trình gia công điện hóa bao gồm chuỗi các mô hình bết hợp:

- Su phõn bố và biến đổi theo thời gian của kớch thước khe hở ỉ

- Sự phân bố của các thông số dòng chảy (áp suất tĩnh p và vận tốc 0)

- Sự phân bố theo nhiệt độ 7

- Sự phân bố các phần rỗng B (độ tập trung khí) hay độ đày lớp hai pha b

Mô hình uột lý uới các giá định sau:

- Ba vùng có thể được xác định trong khe hở: 1- vùng với dung dịch điện phân tỉnh khiết; 2- vùng bóng khí gần catot với độ dây % < S va bao gồm hỗn hợp dung dịch điện phân và khí hydro, phần tử rỗng hydro trong lớp bóng khí này là không đổi và bằng B*; 3- vùng hai pha với sự thay đổi của B

- Cường độ dòng điện 7 phụ thuộc suất dẫn của môi trường trong khe hở và hiệu điện thế theo định luật Ohm, nó được ngoại suy cho toàn bộ kích thước khe hở,

- Phản ứng điện hóa sẽ được giải thích bằng điện thế tổng

-# =E,— Eụ trong đó E, và E, là điện thế giữa anot và catot

- Ảnh hưởng của sức căng bể mặt trên các bọt khí được bỏ qua

Bởi vỡ mụ hỡnh phõn tớch của K,= ẹ,0) và E = Efi) khụng cú thể dựng được, cỏc kết quả kinh nghiệm được sử dụng với mô hình lý thuyết Ảnh hưởng của lớp bọt khí lên áp suất và vận tốc dòng chảy của dung địch điện phân được tính đến khi nghiên cứu mô hình dòng chảy hai pha không thuần nhất, trong đó dung dịch điện phân ở khe hở được xem như là một môi trường liên tục không đồng dạng của khí và lỏng với hệ số rỗng:

Suất dẫn điện của môi trường hai pha có thể được xác định bằng công thức Bruggeman:

K=K,(1 + a7 0l(t—p)>? trong dé: 6 = T — 74,7, = nhiệt độ đầu vào or = hệ số nhiệt của suất dẫn dung dịch điện phân 7;

Kạ= suất dẫn tai 7, va B = 0 Để đơn giản các tính toán, chúng ta đưa ra một hệ tọa 46 cong (&,0) gn vdi dién cực dụng cụ trong đó tọa độ Š nằm trên điện cực và hướng vào trong điện cực và trục Š nằm trùng với pháp tuyến f,

Trường hợp tổng quát mô tả các thay đổi của bể mặt chỉ tiết có thể được kiểm tra bằng cách sử dụng một hệ tọa độ gắn với chỉ tiết, nó không đi chuyển trong quá trình gia công Bề mặt của chỉ tiết có thể mô tả bởi phương trình z = Z(+„y) Theo lý thuyết tạo hình, sự phát triển bễ mặt chỉ tiết F(x,y„#) có thể được mô tả bởi:

Tại thời điểm bắt đầu gia công: £ = 0, z = za(,y); trong đó: z(x„y) mô tả hình đáng ban đầu của bề mặt chỉ tiết Để xác định cường độ dòng điện 74 trên bể mặt chỉ tiết, dùng phép tuyến tính hóa sự phân bố điện thế đọc theo các đoạn d giữa một điểm trên anot và một điểm trên TE Cường độ dòng có thể được xác định: i=K,O7g a (4.58) ooo ae 4.59

Phương trình bảo toàn khối lượng cho sự tạo ra khí viết trong tọa độ cong có thể đạt được trong phương trình cân bằng khối lượng: h Ệ

Pg = - t¥ trong khi hydro; # - hằng số khí cho 1 kg hydro rìn - hiệu suất dòng của quá trình tạo ra khí hydro

Ky - dugng lugng dién hóa của hydro i0): vận tốc trung bình tại mặt cắt ngang khe hở

(4.61) wt, OF ~Z lta +ap) a - độ khuếch tán nhiệt

#y - độ khuếch tán nhiệt do xáo động (dòng chảy tầng ar= 0)

—l† ag | pC,k p - ty trong ctia mdi trudng (ving 1 p = p;, và ở vùng 2 và 3 p=p,d—) trong đó p; - tỷ trọng của dung dịch điện phân)

C; - hệ số nhiệt của dung dịch điện phân

Các điều kiện biên 7 = 0) = Tụ; T(E, 0) = Ta; T(E, 9) = Tc; trong đó T, va Te là nhiệt độ ở anot và catot Để giải hệ phương trình (4.57)-(4.61), can phải có công thức tính áp suất và vận tốc chảy: ủ„8 = [(†~BkedC (4.62)

#ứ,S là vận tốc trung bỡnh và kớch thước khe hở

Phương trình cân bằng động lượng:

T¿ và t, là sức căng bể mặt trên anot và catot, giả sử tạ = Tạ

Thông thường, sức căng được tính như sau:

Te Oe 8 2 (4.64) À= = Re - 2,05 là số Reynolds (chảy tầng: Œ = 96 và m = 1; chảy rối e v

C = 0,316, m = 0,25) Điều kiện biên trong công thức (4.64):

6,6; lần lượt là áp suất thủy lực ở đầu vào và đầu ra

Hệ phương trình (4.57)-(4.64) được giải bằng phương pháp sai phân hữu hạn và quá trình lặp Trong lần lặp đầu tiên, phép xấp xỉ một chiều được sử dụng cho sự phân bế nhiệt độ và xác định sự thay đổi độ dầy của lớp bóng khí h”}; và hˆ” được sử dụng cho lần lặp thứ hai và trong phép xấp xỉ hai chiều đầu tiên tính đến sự phân bế nhiệt độ Việc tính toán một vòng lặp kết thúc khi các tiêu chuẩn độ chính xác được thoả mãn và quá trình mô phỏng gia công điện hóa được xuất ra máy in va các đồ thị sự phân bế khe hở và sự phân bố p, w, T, B

Hình 4.25 Sự phân bố p ,to, b =B, S đọc theo dòng -hảy

6- Gia công điện hóa xung

Những phân tích gần đúng của hàm (4.54) và việc thực nghiệm ECM da dua den kết luận sai số gia công có sự tương ứng với kích thước khe hở Sai số hình đáng phụ thuộc vào độ lệch của các thuộc tính trong môi trường khe hở và những điều kiện vật lý như độ dẫn điện, nhiệt độ, hiệu suất dòng điện (khả năng gia coiz điện hóa), tốc độ của dòng dung dịch, áp lực Vì thế, để nâng cao độ chính xác hình dang và đơn giản hóa việc thiết kế dụng cụ, kích thước khe hở trong quá trình ECM phải cảng nhỏ càng tốt

Bang cach thay gia cong ECM liên tục bởi quá trình BCM roi rac (SCM xung- PECM), khe hở giữa hai điện cực có thể giảm xudng dudi 0,lmm Kich thuoc khe hở được thiết lập một cách không liên tục bằng cách điều khiển vị trí bể mặt gia công trong quá trình đừng giữa các xung

Thục tế va các nghiên cứu đã cho thấy rằng PECM cho phép:

- Giảm khe hở giữa các điện cực xuống dưới 0,1m Đây là một trong những điều kiện để nâng cao độ chính xác gia công

- Giảm sai số của profile gia công gây ra bởi sự nhiễu loạn trong môi trường khe hở

- Đơn giản hóa việc thiết kế đụng cụ vì kích thước khe hở phân bố đồng đều hơn

- Loại được những vết khuyết vĩ mô trên bề mặt gia công có liên hệ với sự nhiễu loạn đồng thủy động lực

- Giám sát và điều khiển khe hở trực tuyến, nghĩa là trong suốt chu kỳ gia công.

168 CHƯƠNG 4

Trong quá trình PECM, một máy phát xung được sử dụng để cung cấp xung điện áp làm việc qua hai cực, điển hình là trong sự thành lập các chuỗi xung bao gồm các xung đơn hoặc xung nhóm (H.4.26) u

Hình 4.26 Sự phối hợp chủ yếu của PECM

Sự hòa tan điện hóa xây ra ở cực đương trong thời gian có xung ngắn (từ 0,1+õms) Sản phẩm hòa tan (cặn, bọt bong bóng và nhiệt) có thể được đẩy đi khỏi khe hở bằng cách theo chất điện phân trong thời gian ngừng xung giữa hai xung hoặc giữa hai nhóm xung Để tăng cường khả năng sục chất điện phân, dụng cụ được nhấc lên khỏi chỉ tiết để tăng khe hở trong thời gian ngừng xung Việc kiểm tra khe hở và định lai vi tri dung cu cũng có thể được thực hiện khi những xung này đừng để thiết lập kích thước khe đã cho trước khi xung kế tiếp xuất hiện, dẫn đến sự giảm đáng kể tính không xác định của khe hở, và vì lý do đó, của độ chính xác tạo hình

Với PRCM, có thể chế tạo những hình dáng phức tạp như khuôn, cánh tua bin và những chi tiết điện tử chính xác với đô chính xác trong khoảng 0,02+0,10 mm

4.1.3 Thiết bị gia công điện hóa Hệ thống ECM bao gém ban than may ECM, nguén dién, hé théng điều khién, hệ thống dung dịch điện phân (cung cấp, lọc)

Khi thiết kế các máy gia công điện hóa, cần chú ý đến kích thước của chỉ tiết gia cong, đây là nhân tố giúp xác định các ảnh hưởng lên các thành phần máy trong quá trình gia công Sơ đổ dụng cụ nên chọn theo độ cứng của chân đế, đạng truyền động sao cho tiện lợi khi lắp và lấy chỉ tiết, kẹp cố dịnh, Các nhân tố trên giúp quyết định đặt máy theo phương ngang hay đứng, sử dụng bàn máy cố định hay di chuyển được, và sắp xếp bộ truyền động

Mức độ tự động tùy thuộc vào mục đích sử dụng Các máy tự động hoàn toàn được dùng cho sản xuất lớn như trong công nghiệp ô tô Hầu hết các máy gia công điện hóa hoạt động ở chế độ bán tự động, Độ chính xác của các chỉ tiết để bộ truyền động có thể dừng đúng khi đạt đến độ sâu nhất định, và các ổ bi định vị chỉ tiết phải chính xác sao cho chỉ tiết phải thắng góc với điện cực dụng cụ.

Dung dịch điện phân sẽ phá huỷ các chỉ tiết kim loại của máy, đo đó phải thiết kế các chi tiết chống lại các ăn mòn - sử dụng phi kim loại Tuy nhiên nên chú ý đến độ cứng của nó

1- Ổn áp 2- Hệ thống điều chỉnh khe hở 3- Bộ điều khiển tốc độ tiến của dụng cụ 4- Hệ thống điểu khiển độ dịch chuyển;

5- Hệ thống điều khiển dung dịch điện phân

6- Bộ truyền động an dao

7- Sensor dịch chuyển tuyến tính 8- Hệ thống thoát hơi

9- Bơm 10- Máy ly tâm 11- Bền chứa dung dịch điện phân 12- Bơm cung cấp dung dịch điện phân 13- Ban may

14- Điện cực dụng cụ 15- Bộ chỉnh lưu

37- Bộ điều chỉnh điện áp

Hình 4.97 Sơ đô khối của một hệ thống máy gia công điện hóa

Khối I là máy ECM, khối H là nguồn điện với hệ thống ngăn ngừa sự ngắn mạch, khối IH là hệ thống dung dịch điện phân, và khối IV là hệ thống điều khiển các thông số của quá trình gia công

2- Vén ké 3- Nguồn điện một chiều 4- Ampe kể

5 Thùng chứa chỉ tiết gia công 6, 11- Bể chứa dung dịch 7- Bơm

9- Bộ trao đổi nhiệt 10- Bộ điều chỉnh nhiệt

13- Đồng hồ áp lực 14- Chỉ tiết gia công

15- Điện cực dụng cụ 16- Dung dịch điện phân 37- Cơ cấu chạy dao 18- Bộ thu hổi chất thải sương mử

Hình 4.28 Sơ đô các phân tit cia may ECM thương mại

170 CHUONG 4

Nhược điểm

- Đất tiền và chiếm nhiều diện tích nhà xưởng cho việc gia công

- Dung dịch điện phân sẽ ăn mòn các thiết bị khác

- Ô nhiễm môi trường là một vấn để rất quan trọng trong gia công điện hóa do phát sinh chất thải

- Dễ phát nổ do sự tích tụ khí hydro

- Công nhân phải được bảo hộ một cách khắt khe để tránh bị nhiễm độc

- Cần có khu nhà xưởng riêng biệt dành cho gia công điện hóa

- Thiết kế điện cực dụng cụ khó

- Khó chế tạo các cạnh, góc bên trong (có bán kính nhỏ hơn 0,2nm)

Một số áp dụng thông dụng của PPGC điện hóa bao gồm:

- Chép hình, khoan và chế tạo khuôn dập, ống thổi và khuôn đúc thuỷ tỉnh, các cánh turbine và máy nén khí cho turbine khí, các đường dầu, hốc, lỗ, các khe trong chỉ tiết và những thứ tương tự khác (H.4.50)

Hình 4.60 Sơ đô một số dạng gia công điện hóa a) Chế tạo khuôn dập; b) Tạo lỗ uuông; c) Tạo nhiều lỗ nhỏ trên một để khuôn đ) Cát phôi có độ cúng cao; e) Tạo bề mặt định hình

Quá trình gia công có thể được điều khiển bằng ƠNC với điện cực đơn giản vạn năng (H.4.51)

- Tạo hình bằng gia công điện hóa với chỉ tiết quay (H.4.52) và điện cực quay (H.4.53)

Dung dịch điện phân Điện cực dụng cụ

Dòng dung dịch điện phân

Hinh 4.52 Dién hóa với chỉ tiết quay

Dung dich AA diện phản hình 4.63 Gia công điện hóa uới dung cụ quay.

- Làm sạch bavia bằng điện hóa cho bánh răng, chỉ tiết trong hệ thống nhiên liệu, thuỷ lực, các chỉ tiết máy, thiết bị điện, (H.4.54)

- Doa điện hóa là PPGC các chỉ tiết dang chốt, bánh răng, giảm chiểu dày của thành làm từ vật liệu chịu nhiệt cao và hợp kim titan, tạo phôi cho trục vít (H.4.55)

- Trong nhiều trường hợp dụng cụ cắt điện cực không cần phải quay, gia công điện hóa vẫn thực hiện được công việc khoan, ví dụ như khi có một hình đạng lỗ phức tạp hoặc nhiều lỗ trong một lần gia công (H.4.56)

Dung dich AP 7 điện phân

\ a) Trước khi tẩy bavia dòng điện

A 17 b) Sau khi tẩy bavia Dung dịch điện phân

Hình 4.54 So dé lam sach bavia va bo canh dién hoá ve ve đi E24, I2

NINA RIC

Hình 4.55 Sơ đô doa điện hóa Đây kim loại - Catốt Dung dịch điện phân

Hinh 4.56 Sơ đô khoan điện hóa

Hình 4.57 Một số chỉ tiết được gia công điện hóa

Ghi tiết gia công Dụng cụ Giá đỡ

Hình 4.58 Một số chỉ tiết điển hình gia công điện hóa a) Canh tuabin lam ti hop kim nikel, 360HB b) Các rãnh mỏng trên thép ổ bì 4340; o) Cánh quạt máy nén

Ngoài ra, một số lớn các phương pháp kết hợp với gia công điện hóa được phát triển như là: mài điện hóa, gia công điện hóa kết hợp tia lửa điện, siêu âm

4.1.7 An toàn và xử lý chất thải trong gia công điện hóa

1- An toàn trong gia công điện hóa

Ca trong ly thuyết và thực nghiệm đều cho thấy rằng trong quá trình gia công kim loại bằng phương pháp điện hóa xảy ra một số yếu tố gây nguy hiểm sau đây:

- Hiệu ứng của khí độc và khí arosol, sản phẩm của quá trình gia công điện hóa

- Tác động hóa học bởi dung dịch điện phân

- Nguy hiểm về điện (điện giật)

- Dễ phát cháy trong trường hợp ngắn mạch giữa hai dây âm, dương

- Những nhân tố cơ khí

- Mối nguy hiểm về nổ khí

- Hiệu ứng trường điện từ

Khí độc và khí arosol phát sinh trong quá trình điện hóa, khi hít vào, có thể là nguyên nhân gây tổn hại mãnh liệt đến các cơ quan nội tạng Ngoài ra chúng còn làm nhiễm độc và gây ra sự cáu gắt cho công nhân Để tránh những điều này, cần tuân thủ theo các biện pháp sau:

- Phải trang bị cho công nhân các thiết bị bảo hộ để không gặp những trường hợp có hại đến sức khỏe Đặc biệt, máy gia công điện hóa phải được đặt trong phòng riêng và cô lập, có thiết bị phân tích khí hydro được đặt ở nơi thuận lợi nhất để kịp thời báo hiệu khi sự tập trung hydro lên quá cao, dẫn đến việc nổ khí

- Thường xuyên kiểm tra thiết bị phân tích khí, hệ thống thông hơi, hệ thống dẫn khí và các khóa liên hợp

- Rhí độc phải được rút ra ngay từ nơi phát sinh Khoảng 98% không khí sẽ luân chuyển nhờ hệ thống thông hơi, được hỗ trợ thêm từ các quạt gió

- Lắp đặt thiết bị bảo vệ quá tái Thiết bị này sẽ tự động ngắt dòng điện gia công trong trường hợp xảy ra sự quá tải

- Trang bị cho công nhân thiết bị bảo hộ để chống lại hiệu ứng trường điện từ

- Chuẩn bị dung dịch điện phân trong một phòng riêng có lắp đặt hệ thống thông hơi

Ngoài ra, gia công điện hóa còn phát sinh ra một lượng lớn chất thải Qua quá trình nghiên cứu người ta nhận biết được chất thải là sự pha trộn của oxit và hydroxit của vật liệu gia công được tích tụ trong khi hòa tan kim loại

Nông độ tối da cho phép (Maximum Safe Concentrations — MSC) eda một số loại khí độc, khói, bụi và một số chất hòa tan khác dùng trong công nghiệp được liệt kê trong bảng 4.8.

2- Chất thải trong gia công điện hóa

Gia công điện hóa thải ra một lượng lớn bùn gồm các chất rấn lo lửng (các oxide và hydroxide kim loại) Đối với các chất thải này, có thể dùng các hệ thống lọc để tách ra đồng thời dung dịch điện phân cũng được xử lý để dùng lại

Các PPGC truyền thống thường dụng cụ có vật liệu cứng hơn để gia công thay đổi hình dáng chi tiết Do đó, dùng các phương pháp truyền thống để gia công kim loại cứng và hợp kim cứng sẽ tốn nhiều thời gian và năng lượng, điều đó đồng nghĩa với chỉ phí tăng Trong một số trường hợp gìa công truyền thống không khá thi Hơn nữa PPGC truyền thống cũng gây nên việc mòn dụng cụ và giảm chất lượng sản phẩm do ứng suất dư, và trong thực tế nhu cẩu các sản phẩm làm bằng hợp kim và kim loại cứng góp phân thúc đẩy các PPGC không truyền thống phát triển

Bảng 4.8 Nông độ tối đa cho phép của một số chất

Oxit crôm, cromat, đicromat (dưới dạng ©rO} 0,01

Bụi vanadi, oxit vanadi và hợp chất của nó 0,8

Bụi oxit sắt mang ít hon 10% SO¿ tự do và ít hơn 6% MnO 4

Hỗn hợp bụi oxit sắt với F và hợp chất Mn 4

Molipden, hợp chất hòa tan dưới hình thức Aerosols đặc 2

Oxit nite (dudi dang N2Os) 5

196 CHUONG 4

GIA CONG BIEN CO HOA

Gia công cơ điện hóa là PPGC kết hợp các tác dụng cơ học, điện hóa và ăn mòn điện nhằm nâng cao năng suất, nhất là khi gia công các vật liệu cứng, bến, chịu nhiệt Về nguyên tắc nó vẫn giống như PPGC điện hóa thông thường, nghĩa là nó dựa trên nguyên lý hòa tan dương cực Điểm khác biệt ở đây là do sản phẩm của phần ứng hình thành không đễ tan mà tạo thành chất kết tủa đưới dạng màng mỏng bám trên bề mặt chỉ tiết gia công Lớp màng này được gọi là “màng thụ động”

Lớp màng thụ động có độ dẫn điện kém, gây cản trở cho quá trình phán ứng điện hóa ở dương cực Vì thế cần phải bóc lớp màng này bằng lực cơ học

4.2.1 Đánh bóng điện hóa 1- Nguyên lý gia công Đánh bóng điện hóa là phương pháp bổ sung cho gia công điện hóa Nguyên lý của phương pháp này giống như gia công điện hóa nhưng điện cực không chuyển động trong quá trình gia công Mật độ của đòng điện thấp hơn và tốc độ di chuyển của chất điện phân thấp hơn nhiều, năng suất bóc vật liệu cũng giảm, nhưng chất lượng bề mặt tốt hơn LL

1- Chỉ tiết gia công (anot) 2- Catot

LIMITING -

Hình 4.60 Quá trình làm nhân bóng trong phương pháp đánh bóng điện hóa

Trong phương pháp đánh bóng điện hóa chỉ tiết gia công (anot) và điện cực dụng cụ (catot) được nhúng vào dung dịch một cách độc lập nhau Khi có dòng điện đi qua thì sự hòa tan anot bắt đầu, dòng điện tập trung ở những điểm nổi nhô lên, còn chỗ lõm là màng mỏng từ dung địch điện phân tách ra Bé mặt gồ ghế dần dân được làm mất đi và trở nên nhắn bóng

Phương pháp đánh bóng bằng điện phân tiến hành theo quy trình như sau:

- Làm sạch mỡ chỉ tiết gia công bằng các chất hòa tan mỡ

- Phủ bằng nhựa perclorvinil trên các phần bê mặt không phải đánh bóng

- Làm sạch mỡ lần nữa trên phần bể mặt đánh bóng

- Đánh bóng bằng điện phân

- Rửa dung dịch điện phân còn dư trên vật gia công bằng dung dịch trung hòa

- Làm trung hòa trong dung dịch 3% NazCO¿, - Rửa bằng nước nóng đang chảy

Lấy vật gia công xong ra khỏi dung dịch trong khi vẫn còn điện áp, nếu không bề mặt sẽ bị đen

Khoảng cách giữa vật gia công và điện cực là khá lớn Sự hòa tan nguyên liệu xảy ra trên mọi điểm của bể mặt, nhưng ở trên cạnh thì nhiều hơn Cực catot cần có hình dạng sao cho điện trường phân bố đồng nhất Vật liệu điện cực catot thường là chi

2 Cac thông số công nghệ

Ba thông số ảnh hưởng đến quá trình đánh bóng điện hóa là:

- Mật độ dòng điện trên bể mặt được đánh bóng

- Nhiệt độ cia dung dich điện phân ở gần phần chỉ tiết gia công

Hình 4.61 Ảnh hướng của một độ dòng điện đối uới lượng nguyên liệu lấy di

198 CHUONG 4

Hình 4.61 trình bày ảnh hưởng của mật độ dòng điện đối với lượng nguyên liệu đã lấy đi từ bể mặt được đánh bóng Có thể nhận thấy rằng, khi mật độ dòng điện quá lớn thì đổ thị giảm xuống, như vậy không nên gia công với mức độ đòng điện lớn đến mức đó

Nhiệt độ càng cao thì tốc độ lấy phoi càng lớn (H.4.62Y

Hinh 4.62 Anh huong cua nhiét dé (t) dung dịch điện phân đến tốc độ lấy phoi (v) tò công suất lấy phoi trung bình (Vụ/F)

Trên hình 4.63 có thể nhận thấy, để đạt được các độ bóng khác nhau thì cẩn phải gia công với nhiệt độ và mật độ dòng điện trong phạm vi bao nhiêu,

THình 4.63 Sự hình thành bê mặt được mài bóng đạt các độ bóng khác nhau, tới mật độ dòng điện 0à nhiệt độ tương ứng uới nhau

Có thể kết luận rằng, độ bóng có thể đạt được với lượng phoi lớn, có nghĩa là với mật độ dòng điện lớn và nhiệt độ cao

Lượng phoi tăng tỷ lệ thuận với thời gian đánh bóng (H.4.64)

Ngoài các yếu tố trên, còn có những yếu tố khác cũng ảnh hưởng đến quá trình gia công như: vật liệu của vật cần được đánh bóng, thành phần dung dịch điện phân, điện áp giữa anot và catot.

3- Dée diém va phem vi ứng dụng + Đặc điểm

Hình 4.64 Lượng phoi oà thời gian đánh bóng Đánh bóng điện phân không được ứng dụng để sửa chữa các bề mặt quá gô ghả Độ nhám được giảm nhiều lắm cũng chỉ 3+4 cấp (H.4.65) h(wm)

Hình 4.65 Sự biến đổi của độ nhám (RuuJ) về bê dày (h) của lớp vật liệu đã lấy đi Đánh bóng bằng điện phân bể mặt thô đù có tiến hành trong thời gian dai cing không làm mất đi những vết rạn nhỏ lỉ tỉ và những nhấp nhê trên đó

Nếu sau khi đánh bóng bằng phương pháp thông thường mà tiến hành đánh bóng bằng điện phân thì bề mặt có khả năng chịu ăn mòn tốt và có hiệu suất chịu mỏi tốt, hệ số ma sát giẩm mà không gây tác hại nào trên bé mặt Để có thể gia công đánh bóng bằng điện phân, bể mặt phải thật sạch, không có dầu mỡ, và chỉ như vậy mới gia công được.

200 CHUONG 4 e Ưu điểm - Năng suất đánh bóng điện hóa bằng 3 + 4 lần so với đánh bóng bình thường

- Độ bóng bể mặt cao

- Có thể đánh bóng mặt trong và mặt ngoài bất kỳ hình dạng nào

- Năng suất gia công tăng mà không đòi hỏi nhiều lao động bằng tay

- Thiết bị gia công rẻ và đơn giản

- Chất lượng bề mặt được cải thiện hơn se Nhược điểm - Độ nhám bể mặt phụ thuộc vào sự đồng nhất của vật liệu

- Khó giữ được đúng kích thước và hình dạng cũ

- Tuổi thọ của dung dịch điện phân có hạn

- Chỉ áp dụng được với bề mặt không quá gô ghê © Pham vi ung dung:

Với phương pháp đánh bóng bằng điện phân, có thể đánh bóng hầu hết các vật liệu kim loại Tuy nhiên, kết quả đạt được tốt nhất là vật liệu có biên giới hạt mịn, Các kim loại có hàm lượng silie, chì, lưu huỳnh cao thì khó đánh bóng hơn Thép không gỉ là loại hợp kim được đánh bóng thường xuyên nhất Vật liệu kim loại đúc được đánh bóng đến một độ bóng nhất định nhưng không đạt được độ sáng và độ bằng phẳng như kim loại rèn Hơn nữa bể mặt vật đúc có thể bị lộ ra lớp rễ bên trong khi đánh bóng Những kim loại được đánh bóng thương mại khác là: thép chịu nhiệt, môlípđen, waspaloy, tungsten, hgp kim chju nhiệt, thép cacbon thấp và thép cacbon cao, thép dụng cụ, nhôm, titan, đổng đỏ, đồng thau, kovar, hop kim déng- niken (ding dé duc tién), inconel, déng thau, déng thiée, niobi, hợp kim déng-beri, beri, vanadi, monel, bạc, tantali, vàng, hợp kim bạc-niken a- Catot b- Chỉ tiết gia công e- Dung dịch điện phân

Hình 4.66 Cách đặt điện cực khi đánh bóng mặt phẳng

Các loại vật liệu khác nhau được đánh bóng bằng các dung dịch điện phân khác nhau Để đánh bóng thép thì dùng dung dich 65% acid photphorit, 15% acid nitric, 6% cacbit crôm và 14% nước Thông thường dùng dung dịch có nồng độ đậm Sau khi đã thành thạo, hiểu kỹ các tính chất của dung dịch thì hãy dùng dung dịch đó Khi dùng thử dung dịch thì cho dẫn qua dung địch một dòng điện 12 A.giở/// Nhiệt độ tối ưu của dung dịch là 70°Ơ, để đỏnh búng ldm thỡ dựng 1 /ỉ dụng dịch qua 6 giờ, sau đó bổ sung để phục hồi dung dịch Trên hình 4.66 có thể thấy điện cực catot và chỉ tiết có dạng mặt phẳng

Hình 4.67 Đánh bóng bề mặt trong

Có thể gia công hàng loạt những vật nhỏ, tốc độ của bảng chuyển có thể điểu chỉnh sao cho thời gian đã qua dung địch phù hợp với thời gian gia công (hình 4.68)

R 9 a- Bể dung dịch b- Băng chuyển c- Chi tiét gia ông đ- Dung dịch điện phân e- Mâm cặp chỉ tiết gia công

Hình 4.68 Gia công chỉ tiết nhỏ trên băng chuyên Đánh bóng mặt trụ ngoài tiến hành theo các cách trình bày trên hình 4.69

1 LI 1- Chỉ tiết gia công

JiGS +- Điện cực hình vành khăn

Hình 4.69 Cách đặt điện cực khi gia công mặt trụ ngoài, vd các trường hợp hư hóng