Tiểu luận các phương pháp gia công tiên tiến nội dung tìm hiểu công nghệ gia công bằng siêu Âm

Các yếu tố ảnh hưởng đến năng suất và chất lượng bề mặt gia công Hình 2.3 mô tả toàn bộ quá trình bóc vật liệu dư của gia công siêu âm và được chia làm 3 giai đoạn chủ yếu: 1.Sự mài mòn

TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI

KHOA CƠ KHÍ

TIỂU LUẬN

CÁC PHƯƠNG PHÁP GIA CÔNG TIÊN TIẾN

NỘI DUNG TÌM HIỂU: CÔNG NGHỆ GIA CÔNG BẰNG SIÊU ÂM

NHÓM 9

1 Khái niệm Và Nguyên lí làm việc của gia công siêu âm

a)Khái niệm :

-Gia công bằng siêu âm là truyền dao động vào vùng cắt dưới tần số siêu âm Dao

động này va đập vào hạt mài, hạt mài va đập vào vùng cắt tạo nên bề mặt cần gia

công

-Siêu âm là sóng đàn hồi có tần số từ 20 kHz + 1 GHz, nhưng dùng để gia công chỉ

với tần số từ 18-20kHz, biên độ 0,04-0,075 mm Máy siêu âm dùng để gia công các

chi tiết chế tạo từ vật liệu cứng và dòn như thủy tinh, gốm sứ, đá, germani, hợp kim

cứng, kim cương v.v

b) Nguyên lí làm việc :

Sơ đồ nguyên lí làm việc

-Dao động có tần số từ 18-30 kHz được máy phát siêu âm truyền đến bộ biến từ Tại

đây dao động biến thành dao động cơ học, có cùng tần số, còn biên độ dao động trong

khoảng 5:10 pm, để có thể nhận được biên độ dao động cần thiết cho việc gia công

30-80 um cần phải có thanh truyền đặt sau bộ biến từ

-Dụng cụ có hình dạng theo yêu cầu gia công đuợc lắp vào đầu của thanh truyền

Dung dịch hạt mài được đưa vào vùng gia công ở phía đầu dụng cụ Tổng hợp chuyển

động được gá đặt trên bàn máy, bàn máy có thể chuyển động theo hai phương thẳng

đứng do đầu máy thực hiện

-Để gia công bằng siêu âm, cần phải có máy phát siêu âm Siêu âm được dẫn vào

đầu biến từ để tạo nên các dao động cơ học có biên độ cần thiết Thiết bị này làm việc

trên cơ sở sự thay đổi chiều dài của một số kim loại (hiện tượng “co ngắn nhiễm từ”)

như sắt, nikel, cobal và các hợp kim của chúng, dưới tác động của điện trường hoặc từ

trường Hiện tượng này được gọi là từ giảo và đầu biến từ là thành phần chính yếu

trong máy gia công bằng siêu âm

-Dòng điện có tần số cao của máy phát siêu âm được đưa vào cuộn dây kích thích tạo

nên từ trường thay đổi có cùng tần số tác động vào lõi của bộ rung động Lõi được

chế tạo từ các tấm kim loại có tính từ giảo Để sử dụng đặc tính từ giảo tốt hơn, ta tạo

thêm một từ trường không đổi bằng hai cuộn dây từ hóa lắp trên lõi từ Dao động dọc

xuất hiện do từ giảo trong bộ rung động có biên độ từ 5-10 um được truyền qua thanh

truyền Thanh này được lắp giữa hai vòng kẹp 5, làm nhiệm vụ khuếch đại biên độ

dao động lên giá trị cần thiết là 30-80 um và truyền đến dụng cụ cắt lắp ở cuối thanh

truyền

-Dung dịch hạt mài được đưa vào giữa mặt dụng cụ cắt và chi tiết gia công Nó

chuyển động với tần số cao, tạo nên va đập lấy đi lượng kim loại trên bề mặt chi tiết

Hạt mài thường dùng là carbid bo, carbid silic, Corun, kim cương có cỡ loại từ

280-400 Chất lỏng mang hạt mài có dạng huyền phù có thể là nước, dầu lửa, dầu công

nghiệp Dung dịch mài được đưa vào vùng gia công dưới dạng tưới Trong trường hợp

gia công lỗ sâu hơn 5mm, phải dùng dung dịch có áp suất đưa qua lỗ được hình thành

bên trong dụng cụ hoặc chi tiết gia công

2 Các yếu tố ảnh hưởng đến năng suất và chất lượng bề mặt gia công

Hình 2.3 mô tả toàn bộ quá trình bóc vật liệu dư của gia công siêu âm và được chia

làm 3 giai đoạn chủ yếu:

1.Sự mài mòn cơ học do sự cọ sát trực tiếp từ các phần tử hạt mài khi dao động trong vùng không gian giữa dụng cụ và bề mặt gia công.

2.Những hạt phoi nhỏ sẽ chuyển động tự do đi qua những khe hở trong vùng gia công

và tác động lên vị trí bất kỳ trên chi tiết gia công.

3 Sự xói mòn bề mặt bởi những bọt khi nằm trong dòng hạt mài

2.3 Quá trình tách vật liệu trong gia công siêu âm

Đặc điểm nổi bật của phương pháp gia công bằng siêu âm là có thể gia công trực

tiếp đối với hầu hết tất cả các loại vật liệu Đối với vật liệu mềm và dẻo ( như thép ít

cacbon thì chúng được gia công biến dạng dẻo trước rồi mới gia công tinh bằng siêu

âm

Mức độ bóc tách vật liệu (RMR) trong gia công siêu âm được xác định thông qua

công thức sau:

5 0 5 0 0

9

H

S f















Trong đó:

f: tần số dao động (Hz)

S: ứng suất nén của dụng cụ (kG/cm)

Họ: Độ bền phá hủy bề mặt ( chỉ số độ cứng HB) ((kG/cm)

R: bán kính trung bình của hạt (mm)

Y: Biên độ dao động của dụng cụ (mm)

2.1 Các yếu tố ảnh hưởng đến năng suất

a) Tần số siêu âm và biên độ dao động

Năng suất trong gia công siêu âm chịu sự ảnh hưởng rất lớn của tần số và biên độ

dao động

Tần số siêu âm càng lớn thì khả năng bóc tách vật liệu càng cao Tuy nhiên, nếu

tần số vượt quá ngưỡng cho phép thì sẽ làm cho khả năng bóc tách vật liệu giảm đi do

quán tính nội tại của các phần tử hạt mài làm cho chúng không thể dao động được

nữa

Biên độ dao động của dụng cụ có ảnh hưởng lớn nhất đến tất cả các thông số của

quá trình gia công Năng suất bóc tách vật liệu tăng lên khi biên độ giao động tăng, tốc

độ di chuyển của các phần tử hạt mài trong vùng gia công tăng tỷ lệ thuận với biên độ

dao động Do đó, biên độ giao động lớn sẽ làm tăng hoạt động tạo phoi và thông

thường thì sẽ làm tăng mức độ bóc vật liệu Tuy nhiên, nếu biên độ dao động quá lớn

thì sẽ bắn dung dịch hạt mài ra ngoài và năng suất bóc vật liệu sẽ giảm

b Kích thước hạt mài và phương pháp cung cấp dòng hạt mài

Kích thước hạt mài được sử dụng trong gia công siêu âm thường vào khoảng

(100-200) hạt/inch Dung dịch hạt mài liên tục được đưa vào vùng gia công để lấy phoi ra

khỏi vùng gia công và giữ ổn định nhiệt trong quá trình gia công Hiệu suất của máy

gia công siêu âm phụ thuộc vào cách đưa dung dịch hạt mài vào vùng gia công Mỗi

phương pháp sẽ tương thích với những biên dạng và kích thước bề mặt gia công khác

nhau

c vật liệu chi tiết gia công

Khả năng gia công bị ảnh hưởng bởi tỷ số độ cứng của vật liệu làm dụng cụ với tin độ

cứng của vật liệu gia công, nếu tỷ lệ này càng cao thì mức độ bóc tách vật liệu càng

thấp Do đó, những vật liệu mềm và bền thường được sử dụng làm dụng cụ để gia công những vật liệu cứng và giòn

Vật liệu gia công Hệ Số bóc tách vật liệu(%)

Vonfram 4.8

2.2 Các yếu tố ảnh hưởng đến chất lượng bề mặt gia công

a) Độ chính xác vẻ kích thước

Độ chính xác của chi tiết gia công chịu ảnh hưởng của các yếu tố sau:

+ Sự mòn của bề mặt dụng cụ

+ hạt mãi bị mòn

+ Lượng dịch chuyển đầu dụng cụ không phù hợp

+ Hình dáng dụng cụ bị sai lệch

+ Sự cung cấp hạt mài không đầy đủ và không đều vào các vùng gia công

Khái niệm về hiện tượng cắt lẹm: độ chính xác của quá trình gia công được đánh

giá bằng sự cắt lẹm trong quá trình gia công lỗ Sự cắt lẹm lỗ đánh giá cho sự sai lệch

giữa đường kính lỗ gia công đo trên bề mặt trên của lỗ với đường kính của dụng cụ

Khe hở mặt bên giữa dụng cụ và lỗ gia công rất cần thiết để cho dòng hạt mài chảy

vào vùng gia công phía bên dưới của đầu dụng cụ Vì thế mà kích thước của hạt mài là

yếu tố chính gây nên hiện tượng cắt lẹm trong gia công Tuy nhiên, mức độ ảnh hưởng

của hiện tượng cắt lẹm còn phụ thuộc vào nhiều yếu tố khác nhau của quá trình gia

công như: vật liệu, phương pháp dịch chuyển của dụng cụ

Độ chính xác của phương pháp gia công bằng siêu âm khoảng ± 0,05mm

Độ côn: Hiện tượng cắt lẹm ở đầu vào thường lớn hơn đầu ra Ảnh hưởng của lực

cắt làm cho lỗ gia công có độ côn khí gia công lỗ có đường kính 20mm với chiều sâu

10mm trên đã graphite Độ côn có thể giảm bằng cách:

+ Đưa trực tiếp dòng hạt mài vào vùng gia công;

+ Dùng dụng cụ có góc côn ngược;

+ Dùng áp suất cao để nén hạt mài có kích thước nhỏ để góp phần làm giảm mòn dụng

cụ và giảm độ côn;

+ Dùng vật liệu, dụng cụ nhỏ để gia công lần cắt đầu tiên, sau đó mới dùng dụng cụ có

kích thước bằng kích thước yêu cầu, việc này góp phần gia công nhanh và giảm độ

côn

Độ không tròn: được hình thành ở mặt bên của dụng cụ do những giao động theo

phương vuông góc với phương tiến của dụng cụ Độ không tròn thường vào khoảng

(40-140) um khi gia công thủy tinh và vật liệu graphite

b) Độ nhám bề mặt

Kích thước hạt càng lớn thì gia công càng nhanh nhưng chất lượng bề mặt càng

thấp Độ nhám bề mặt có thể đạt được (0,25- 0,38) um khi sử dụng các hạt mài có mật

độ 240 hạt /inch Tuy nhiên, các yếu tố khác như bề mặt dụng cụ, biên độ giao động

và vật liệu gia công cũng ảnh hưởng rất lớn đến chất lượng bề mặt gia công Hạt mài

càng mịn thì chất lượng độ bóng bề mặt càng cao, độ nhám bề mặt khi gia công vật

liệu giòn sẽ lớn hơn so với khi gia công vật liệu thép hợp kim Biên độ dao động của

nên đầu dụng cụ có ảnh hưởng nhỏ đến độ nhám bề mặt

Bảng 3.2 Mật độ và kích thước của hạt mài ảnh hưởng đến độ nhám bề mặt

Mật độ hạt¿) Kích thước hạt mài(mm) Độ nhám bề mặt(µm)

3 Đặc điểm và phạm vi ứng dụng

3.1 Đặc điểm

-a) Ưu điểm:

Gia công được vật liệu kim loại, phi kim loại, silicon,

- Gia công được vật liệu cứng, dòn;

- Không gây ra hiện tượng nứt tế vi

- Không để lại ứng suất dư

b) Nhược điểm

- Dụng cụ mòn nhanh

- Năng suất thấp

3.2 Phạm vi ứng dụng

a Khoan và khoét

Khoan khoét bằng siêu âm đã được ứng dụng trong gia công một số loại vật liệu phi

kim loại cứng và giòn như: Thủy tinh, sứ, ferrit, thạch anh, hông ngọc, đá saphia và

một số loại composite Công nghệ khoan, khoét siêu âm còn được dùng để gia công

các lỗ nhỏ, sâu nhờ áp suất tại đầu dụng cụ nhỏ nên không xảy ra gãy dụng cụ như các

phương pháp khoan khoét truyền thống Nguyên lý gia công được minh họa như hình

3.6 Gia công siêu âm trên bề mặt tròn xoay

Tuy nhiên, công nghệ này bị hạn chế bởi điều kiện thoát phoi ra khỏi vùng gia công

trong gia công các lỗ nhỏ, sâu và khả năng bóc vật liệu dư cũng giảm do dòng hạt mài

rất khó khăn để di chuyển vào những vùng nhỏ và sâu Chính vì thế, trong quá trình

gia công, dụng cụ phải di chuyển lên xuống theo phương dọc trục một cánh liên tục

dẫn đến thời gian gia công công lớn, năng suất giảm Lỗ càng sâu, thời gian gia công

sẽ càng lớn và áp lực đưa dòng hạt mài vào vùng gia công phải lớn nên tiêu tốn năng

lượng nhiều hơn Theo thống kê thực nghiệm, những lỗ có tỷ lệ chiều dài/ đường kính

(l/d) nhỏ hơn 2,5 thì có thể áp dụng công nghệ khoan khoét bằng siêu âm

b) Gia công theo biên dạng và chép hình siêu âm

Gia công siêu âm có thể được ứng dụng để gia công các bề mặt có biên dạng hoặc

hoa văn phức tạp Có 2 phương pháp tạo hình trong gia công siêu âm như sau:

Gia công theo phương pháp chép hình: trong phương pháp này, biên dạng của dụng

cụ chính là biên dạng của phần lõm trên bề mặt gia công Trong quá trình gia công,

dụng cụ chỉ chuyển động dọc trục để đạt đủ chiều sâu gia công (Hình 3.8a) Phương

pháp này có ưu điêm: Chuyển động của đầu dụng cụ trong quá trình tình tiến dọc trục,

chi phí đầy tư máy thấp

Tuy nhiên, nó có nhược điểm:

Dụng cụ có biên dạng phức tạp, nên giá thành cao, điều kiện thoát phoi cũng như

cung cấp dòng hạt mài vào vùng gia công gặp khó khăn đối với những bề mặt có

chiều sâu lớn

Phạm vi áp dung: phương pháp này chỉ áp dụng để gia công các bề mặt thờ có văn

hoa phức tạp, sản xuất hàng loạt và có chiều sâu nhỏ hơn 5mm như điện cực cho máy

gia công tia lửa điện

-Phương pháp gia công theo biên dạng: Ứng dụng để gia công các bề mặt có biên

dạng phức tạp có chiều sâu lớn, khi đó phương pháp chép hình không thể đáp ứng

được Trong phương pháp này, đầu dụng cụ được thêm 2 chuyển động XY để thực

hiện chuyển động theo biên dạng đã được thiết kế

Phương pháp này có ưu điểm: Dụng cụ đơn giản, giá thành thấp do không cần chế tạo

theo biên dạng của bề mặt gia công, điều kiện cung cấp dòng hạt mài và thoát

phoi tốt, cải thiện được tỷ lệ bóc tách vật liệu, thích hợp với nhiều chủng loại sản

phẩm, có thể áp dụng trong nền sản xuất đơn chiếc và hàng loạt nhỏ

Tuy nhiên, phương pháp này có nhược điểm: Giá thành đầu tư cho máy cao do phải

thêm 2 chuyển động theo 2 phương XY Công nghệ này được thể hiện trên hình

c) Đánh bóng siêu âm

Đánh bóng siêu âm được thực hiện bằng cách dùng dụng cụ có đặc tính giòn như

grafit hoặc thủy tinh tác động lên bề mặt phôi với tần số siêu âm và biên độ dao động

tương đối thấp Độ nhám bề mặt trước khi ứng dụng phương pháp đánh bóng bằng

siêu âm phải nhỏ hơn 12 km và sau khi đánh bóng độ nhám bề mặt chỉ còn 0,3 μm.m

d Gia công vi siêu âm

Gia công vì siêu âm là phương pháp gia công trong đó dao động siêu âm do bàn máy

mang chi tiết gia công thực hiện Đầu mang dụng cụ chỉ thực hiện chuyển động quay

quanh trục nên hệ thống gia công sẽ đơn giản hơn

Phương pháp này chủ yếu để gia công các lỗ có kích thước nhỏ khoảng 5 um Hệ

thống này được minh họa trong hình 2.9 Đây là phương pháp được sử dụng để gia

công các lỗ nhỏ có đường kính 5um trên thạch anh,thủy tin, silicon bằng cách sử dụng

đầu dụng cụ là hợp kim Cabit Vonfram Kích thước lỗ nhỏ nhất được minh họa trên hình

e Một số ứng dụng khác

-Cắt đứt những chi tiết làm từ vật liệu bán dẫn với mức độ bóc vật liệu cao hơn so với

các phương pháp gia công thông thường

-Gia công khắc trên thủy tinh cũng tốt giống như trên thép cứng và cacbit;

-Cắt thành từng phần và gia công trên các loại đá quý trong đó có kim cương