CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ CÁC PHƯƠNG PHÁP GIA CÔNG ĐẶC BIỆT docx

Thuật ngữ “gia công đặc biệt” hay “gia công không truyền thống” liên quan đến nhóm các phương pháp gia công tách phần vật liệu dư bằng các kỹ thuật khác nhau liên quan đến năng lượng nhi

CHƯƠNG 1

TỔNG QUAN VỀ CÁC PHƯƠNG

PHÁP GIA CÔNG ĐẶC BIỆT

1.1NHU CẦU VỀ CÁC PHƯƠNG PHÁP GIA CÔNG ĐẶC BIỆT

Gia công cơ truyền thống (ví dụ như tiện, khoan, phay) dùng dụng cụ dao cắt để tách phoi ra khỏi bề mặt gia công nhờ biến dạng phá hủy Ngoài các phương pháp gia công truyền thống này, có một họ các phương pháp gia công sử dụng cơ chế khác để tách vật liệu Thuật ngữ “gia công đặc biệt” hay “gia công không truyền thống” liên quan đến nhóm các phương pháp gia công tách phần vật liệu dư bằng các kỹ thuật khác nhau liên quan đến năng lượng nhiệt, cơ, điện, hóa hoặc kết hợp các dạng năng lượng này Những phương pháp này không sử dụng dao cắt khi gia công như thông thường

Các phương pháp gia công không truyền thống được phát triển từ sau thế chiến thứ hai nhằm đáp ứng những nhu cầu gia công đặc biệt và mới mà các phương pháp gia công truyền thống không thể giải quyết được

Những nhu cầu có tầm quan trọng về mặt thương mại và công nghệ của các phương pháp gia công đặc biệt bao gồm:

- Nhu cầu để gia công những vật liệu kim loại và phi kim mới phát triển Những vật liệu mới này thường có các tính chất đặc biệt như sức bền, độ cứng và độ dẻo cao, rất khó gia công bằng phương pháp cắt gọt thông thường

- Nhu cầu gia công những chi tiết hình học phức tạp, bất thường, khó hoặc không thể gia công được bằng các phương pháp truyền thống

- Nhu cầu tránh làm hỏng bề mặt của chi tiết do sự xuất hiện các ứng suất phát sinh trong gia công truyền thống

Đối với các thiết bị, người ta dùng các loại vật liệu có độ bền riêng b / cao Trong số đó có thể kể các hợp kim Titan, các loại thép độ bền cao và siêu bền, các loại vật liệu phi kim loại (composite, sợi thủy tinh, vv…) Các hợp kim Titan cùng có độ bền với thép hợp kim dùng trong chế tạo máy (b = 60 -140 kg/mm2) nhưng khối lượng riêng chỉ bằng một nửa ( = 4,8 g/cm3), đồng thời lại có tuổi thọ chống ăn mòn cao trong hầu hết các môi trường khắc nghiệt

Gia công cắt gọt các chi tiết làm bằng những vật liệu mới thường rất khó khăn và trong một số trường hợp là không thể được (hình 1.1) Vì lý do đó khi thiết kế máy mới, đôi khi phải sử dụng các loại vật liệu có các tính chất sử dụng chưa phải là hoàn thiện như mong muốn nhưng lại có các tính chất công nghệ đạt yêu

cầu Điều này làm giảm đi các đặc tính làm việc và các đặc trưng chất lượng của máy Vì vậy trên thế giới hiện nay tương ứng với các vật liệu mới được phát minh người ta phải tích cực tìm kiếm các phương pháp gia công mới để gia công những vật liệu này

Hình 1.1 Mối quan hệ hổ tương giữa các tính chất cơ - lý của các vật liệu

bền nóng (a) và có độ bền cao (b) với khả năng gia công bằng cắt

1.2 PHÂN LOẠI CÁC PHƯƠNG PHÁP GIA CÔNG ĐẶC

BIỆT

1.2.1 Các đặc trưng phân loại.

Người ta phân loại các phương pháp gia công đặc biệt theo các đặc trưng sau đây :

a Loại năng lượng đưa vào vùng gia công : cơ, điện , hóa và nhiệt

b Phương pháp đưa năng lượng vào : được xác định bởi vị trí tương quan giữa phôi và các bề mặt làm việc của dụng cụ trong không gian và bởi sự thay vị trí này theo thời gian

Ví dụ: có thể đưa năng lượng dòng điện vào phần cơ bản của bề mặt chi tiết gia công bằng cách cho tiếp xúc trực tiếp thông qua kênh điện tích hoặc kết hợp

Thép 45

Thép 2Cr3

Thép Cr18Ni9Ti Thép EI395

Thép 4Cr 12Ni 8MnMoVa

Thép EI376

Thép EI827

Hợp kim EI867

Thép JSi6CO

o C

900

700

500

200-250

140-160

120-150

60-80

18-20

V (m/ph)

0

50 100 150 200 b (kg/ mm2)

200

V (m/ph)

100

- Trường hợp thứ nhất : tiếp xúc được thực hiện theo các nhấp nhô tế vi giữa các bề mặt dụng cụ và phôi Phương pháp này được sử dụng khi gia công điện tiếp xúc với điện áp đến 20 V

- Trường hợp thứ hai : đưa dòng điện đi theo một kênh điện tích là cơ sở của gia công tia lửa điện Trong trường hợp này người ta sử dụng điện tích dạng tia lửa hoặc điện tích dạng cung hồ quang

c Định tên gọi của phương pháp gia công Những quá trình lý hóa cơ bản khi lấy đi vật liệu là biến dạng đàn hồi kém với phá hủy dẻo hoặc dòn, nung chảy, bay hơi, hòa tan anod, phá hủy bằng ăn mòn

1.2.2 Phân loại theo năng lượng đưa vào vùng gia công.

a Gia công cơ.

Gia công cơ bằng cắt gọt, thông thường có tác động cơ đều đặn trên vật liệu Cắt với rung động tần số thấp được sử dụng để bẻ gãy phoi Cắt với rung động tần số cao đảm bảo cải thiện khả năng gia công của vật liệu

Gia công siêu âm sử dụng tác động cơ có chu kỳ của các hạt mài xảy ra với tần số siêu âm

Cắt có nung nóng sơ bộ vật liệu lớp cắt nhằm sử dụng tác dụng nhiệt phụ thêm, cắt có đưa dòng điện vào vùng hình thành phoi là để tận dụng tác động dòng điện bổ sung

Các phương pháp gia công cắt gọt kết hợp sử dụng đồng thời một số loại tác động để bóc vật liệu Chẳng hạn gia công cơ – anod sử dụng đồng thời các tác động điện, hóa và cơ

Gia công cơ không truyền thống bao gồm một số phương pháp sau đây: gia công tia nước, gia công tia nước có hạt mài, gia công dòng hạt mài

b Gia công hóa.

Gia công hóa sử dụng trực tiếp năng lượng hóa cho các mục đích công nghệ Trong trường hợp này lớp kim loại được bóc đi trong một môi trường hóa có tác động tích cực Phương pháp gia công hóa phổ biến nhất hiện nay là ăn mòn sâu theo đường viền (phay hóa) Phương pháp này có thể điều khiển thời gian và vị trí ăn mòn kim loại trong môi trường axít và kiềm ngoài ra còn có một số phương pháp khác như: tạo phôi hóa, khắc hóa, quang hóa, mạ hóa, v.v…

c Gia công điện.

Gia công điện sử dụng trực tiếp năng lượng điện cho các mục đích công nghệ bằng cách đưa năng lượng này vào vùng cắt không qua biến đổi trung gian sang các dạng năng lượng khác Năng lượng điện được chuyển trực tiếp sang dạng năng lượng khác như nhiệt, hóa, v.v… trong quá trình bóc đi lớp kim loại của phôi Các phương pháp gia công điện bao gồm điện hóa (sử dụng tác động hóa của dòng điện), tia lửa điện (sử dụng tác động ăn mòn của dòng điện), điện nhiệt và điện cơ (sử dụng tác động nhiệt và cơ của dòng điện)

 Gia công tia lửa điện: được thực hiện bằng điện tích, làm phát sinh sự phá hủy và ăn mòn kim loại

 Gia công điện hóa: được thực hiện bằng dòng một chiều có điện áp thấp trong môi trường có chất lỏng dẫn điện lưu thông (chất điện phân) Vật liệu được bóc đi là do sự hòa tan anod, nghĩa là biến đổi năng lượng điện thành năng lượng của các liên kết hóa học Kết quả là vật liệu được chuyển thành các hợïp chất hóa học và được bóc đi dễ dàng khỏi vùng gia công

 Gia công cơ điện: sử dụng tác động cơ của dòng điện Một trong các phương pháp loại này là gia công điện thủy lực, sử dụng tác động của các sóng va đập phát sinh do kết quả của sự đánh thủng do xung của môi trường chất lỏng và sự tạo hình điện từ của vật dẫn điện với từ trường cảm ứng trong phôi

d Gia công nhiệt.

Gia công nhiệt dùng năng lượng nhiệt để cắt hoặc tạo hình dạng chi tiết gia công Năng lượng nhiệt thường được cung cấp đến một phần rất nhỏ của chi tiết gia công, làm cho phần này nóng chảy và bốc hơi tách ra khỏi bề mặt gia công Năng lượng nhiệt được sinh ra bởi sự biến đổi năng lượng điện

 Gia công chùm tia: sử dụng tác độïng của chùm tia tập trung với mật độ năng lượng rất cao kết quả là vật liệu được lấy đi do sự biến điện năng trực tiếp sang nhiệt năng Một số phương pháp loại này là gia công tia điện tử, gia công laser, gia công tia lửa điện, ánh sáng kết hợp và ion

1.2.3 Các phương pháp gia công kết hợp

Con đường triển vọng nhất để xây dựng các phương pháp gia công mới có hiệu quả là tạo ra các phương pháp gia công kết hợp Hiện nay người ta đã đưa vào các phương pháp mới như : gia công cơ anod với rung động tần số thấp và siêu âm, khoan rung động đồng thời đưa dòng điện vào vùng cắt, gia công cơ hóa đồng thời đưa vào cắt thường và cắt rung, gia công tia lửa điện và điện hóa với dao động siêu âm của điện cực, các phương pháp tạo mẫu nhanh

a Các phương pháp gia công trên cơ sở của tác động hóa và cơ đồng thời: gia công đồng thời đưa vào vùng cắt các dung dịch trơn nguội có hoạt tính cao là gia công hóa cơ Gia công hóa cơ là phương pháp lấy kim loại nhờ các phản ứng hóa học giữa bề mặt gia công và môi trường công nghệ đồng thời có tác động cơ làm tăng cường quá trình

b Các phương pháp gia công trên cơ sở tác động nhiệt cơ: cắt có nung nóng

sơ bộ phôi, cắt có nung nóng liên tục vật liệu lớp cắt trong quá trình chuyển động của dao v.v

c Các phương pháp gia công trên cơ sở kết hợp các tác động cơ và rung động với các dạng tác động cơ đều đặn hoặc các tác động vật lý khác: cắt có rung động, cắt va đập gián đoạn, cắt có siêu âm, các phương pháp

gia công cơ điện hóa, tia lửa điện có bổ sung dao động siêu âm trên dụng cụ

d Các phương pháp gia công trên cơ sở kết hợp tác động điện với các dạng tác động khác: gia công điện tiếp xúc, cơ anod, hạt mài anod, điện ăn mòn hóa, các phương pháp gia công xung điện, gia công nổ (lấy vật liệu bằng cách sử dụng các xung năng lượng cao), gia công điện thủy lực, gia công điện từ v.v…

e Các phương pháp tạo mẫu nhanh: ứng dụng công nghệ CAD/ CAM để có thể chế tạo nhanh chóng những chi tiết mẫu có hình dạng ba chiều phức tạp nhằm tạo những sản phẩm có chất lượng cao để tung ra thị trường trong khoảng thời gian ngắn nhất với giá cả cạnh tranh Các phương pháp tạo mẫu nhanh bao gồm một số phương pháp như: phương pháp tạo mẫu lập thể (SLA), phương pháp xử lý trên cơ sở khối (SGC), phương pháp chế tạo vật cán mỏng (LOM), phương pháp cắt dây, phương pháp ép, v.v…

1.3 MỘT SỐ ĐẶC TRƯNG CỦA PHƯƠNG PHÁP GIA CÔNG ĐẶC BIỆT

Các bảng 1.1 đến 1.4, hình 1-2 tóm tắt những đặc điểm của các phương pháp gia công đặc biệt, độ nhám bề mặt và dung sai nhận được từ các phương pháp bóc vật liệu khác nhau Khi khảo sát những bảng và hình này cần nhắc lại các thông số của phương pháp tiện truyền thống như: độ nhám bề mặt đạt từ 0,81 – 6,3.10-3mm, năng suất bóc vật liệu từ 2,73 – 1,6 m3/s, vận tốc cắt từ 100 – 1000 vòng/phút, độ chính xác đạt từ 0,05 – 0,08 mm Đặc trưng của phương pháp phương pháp gia công đặc biệt là có năng suất bóc kim loại thấp so với gia công cắt gọt, có công riêng rất cao, đạt được độ chính xác cao hơn ở những tốc độ gia công thấp và thường thì ít làm hỏng bề mặt vật liệu so với các phương pháp gia công truyền thống

Bảng 1.1 Gia công đặc biệt bằng phương pháp hóa

Phương pháp Độ nhám bề mặt

(m)

Năng suất bóc kim loại (dm 3 /ph)

Công suất riêng (HP/cm 3 ph)

Tốc độ thâm nhập hay vận tốc gia công (mm/ph)

Độ chính xác (mm)

Đánh bóng điện hóa 0,1  0,8 537  2150 (A/m2) 0,127  0,038

Gia công quang hóa 1,6  6,35 0,5 Công suất một chiều 0,01 0,05 0,025 0,050

Phương pháp Độ nhám bề mặt

(m)

Năng suất bóc kim loại (cm 3 /ph)

Công suất riêng (HP/cm 3 ph)

Tốc độ thâm nhập hay vận tốc gia công (mm/ph)

Độ chính xác (mm)

Gia công điện hóa 0,4  1,6 0,001 (W, Mo)

0,0026 (Cl) 0.002 (thép, Al) 0,01 (Fe, Ti)

Gia công mài điện

hóa

0,2  0,8 0,00016 (Cl)

0,002 (Al) 0,042 (Cu) 0,0021 (Fe, Ti)

0,0127  0,1254

đường kính lỗ

Bảng 1.3 Gia công đặc biệt bằng phương pháp cơ

Phương pháp Độ nhám bề mặt

(m)

Năng suất bóc kim loại (dm 3 /ph)

Công suất riêng (HP/cm 3 ph)

Tốc độ thâm nhập hay vận tốc gia công (mm/ph)

Độ chính xác (mm)

Gia công bằng tia nước 1,25  2,50 Rất thấp Phụ thuộc vào vật liệu 0,0127 Gia công bằng thuỷ

động lực học 0,76  2,50 Phụ thuộc vào vậtliệu Phụ thuộc vào vật liệu 0,0254 của đườngkính lỗ Gia công bằng siêu âm 0,40  1,60 0,8.10-3 12,2 0,5  3,8

Gia công bằng tia nước

có hạt mài

Phương pháp Độ nhám bề mặt

(m)

Năng suất bóc kim loại (dm 3 /ph)

Công suất riêng (HP/cm 3 ph)

Tốc độ thâm nhập hay vận tốc gia công (mm/ph)

Độ chính xác (mm)

Cắt dây tia lửa điện 0,8  1,6 (0,16  0,50).10-2 2,5 100  254 0,0050  0,0025

GHI CHÚ (a) PHỤ THUỘC VÀO TRẠNG THÁI BỀ MẶT BẮT ĐẦU.

HỢP KIM TITAN NHÁM HƠN HỢP KIM NIKEN.

VÙNG CÓ MẬT ĐỘ DÒNG ĐIỆN CAO.

VÙNG CÓ MẬT ĐỘ DÒNG ĐIỆN THẤP.

CƠ GIA CÔNG DÒNG HẠT MÀI MÀI ỨNG SUẤT THẤP GIA CÔNG BẰNG SIÊU

ÂM ĐIỆN ĐIỆN HÓAPHAY ĐIỆN HÓA (MẶT TRƯỚC)PHAY ĐIỆN HÓA (MẶT BÊN)GIA CÔNG ĐIỆN HÓA DẠNG ỐNG NHIỆT GIA CÔNG TIA ĐIỆN TỬMÀI TIA LỬA ĐIỆNGIA CÔNG TIA LỬA ĐIỆN (LẦN CUỐI)GIA CÔNG TIA LỬA ĐIỆN (THÔ)GIA CÔNG TIA LASERGIA CÔNG TIA PLASMA HÓA GIA CÔNG HÓAGIA CÔNG QUANG HÓAĐÁNH BÓNG ĐIỆN HÓA GIA CÔNG TRUYỀN THỐNG TIỆNMÀI BỀ MẶT

1000 250 63

32 16

8 4

2

50 25 12.5

5

6.3 3.2 1.6 0.8 0.4 0.2 0.1 0.050.0250.012 2500 12500 500 250 125 50 25 12.5 5 2.5 1.25

DUNG SAI 

mm

ỨNG DỤNG THÔNG THƯỜNG ỨNG DỤNG KÉM THƯỜNG XUYÊN HƠN HIẾM (NHỮNG ĐIỀU KIỆN VẬN HÀNH ĐẶC BIỆT)

ĐỘ NHÁM BỀ MẶT (m Ra)

HÌNH 1.2 ĐỘ NHÁM BỀ MẶT VÀ DUNG SAI NHẬN ĐƯỢC TỪ CÁC

PHƯƠNG PHÁP BÓC VẬT LIỆU KHÁC NHAU

1.4 NHỮNG ĐẶC TÍNH ƯU VIỆT CỦA CÁC PHƯƠNG

PHÁP GIA CÔNG ĐẶC BIỆT

So với các phương pháp gia công cắt gọt thông thường, các phương pháp này có những đặc tính ưu việt hơn hẳn sau đây :

 Có khả năng gia công tất cả các loại vật liệu có bất kỳ các cơ lý tính

nào: vì chúng không ảnh hưởng nhiều đến năng suất và chất lượng.

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

Ví dụ: khi gia công bằng điện hóa thì việc hớt lượng dư gia công chủ yếu

do tác dụng điện hóa, còn khi gia công bằng phương pháp tia lửa điện thì chủ yếu nhờ nhiệt năng do dòng điện sinh ra, nhiệt độ khoảng 10.000 OC, với nhiệt độ này thì hầu hết các loại vật liệu bị nóng chảy và bốc hơi

Đây là ưu điểm nổi bật nhất

 Không cần sử dụng các dụng cụ chuyên dùng hoặc các loại vật liệu

mài (trừ phương pháp cơ điện hóa):

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

Khi gia công bằng laser thì không cần dụng cụ và thuật ngữ dụng cụ hoàn toàn không tồn tại

 Tiết kiệm rất lớn nguyên vật liệu

Nhất là khi gia công đá quý như hồng ngọc, kim cương, thạch anh và các loại vật liệu đơn tinh thể dùng trong công nghệ chế tạo chi tiết transistor

 Đạt độ chính xác gia công cao

Có thể gia công các lỗ cực nhỏ hoặc lỗ đòi hỏi các độ chính xác cao từ 2 – 5m, gia công các ống dẫn của hệ thống thủy lực yêu cầu không có bavia hoặc vết xước ở các khớp nối

 Có thể gia công từng chỗ trên một chi tiết rất lớn mà không cần máy lớn chuyên dùng , mặt khác có thể rút ngắn thời gian gia công các chi tiết có hình dáng phức tạp

 Có 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 gia công, tăng cường thêm cho các phương pháp gia công cắt gọt

Ví dụ: - Tiện, phay, mài điện hóa

- Lăn ép rung

- Hàn bằng siêu âm.

Điểm qua các đặc tính ưu việt kể trên, ta thấy triển vọng của các phương pháp gia công đặc biệt rất to lớn Hiện nay, ở các nước công nghiệp tiên tiến đã chế tạo nhiều loại máy chuyên dùng và đã được sử dụng rộng rãi trong ngành chế tạo máy

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

Phạm vi ứng dụng của các phương pháp này được trình bày tóm tắt trong bảng 1.5

Bảng 1.5 Phạm vi ứng dụng của một số phương pháp gia công đặc biệt.

Phương pháp Phạm vi ứng dụng

Gia công siêu

âm

- Gia công các hợp kim cứng và phim kim loại như đá quý, sứ

- Gia công các lỗ nhỏ hoặc các bề mặt định hình

- Tăng cường cho các quá trình gia công điện hóa, điện lý, cắt gọt cơ khí

- Hàn kim loại, hàn kim loại với phi kim loại

- Trộn dung dịch nhũ tương

Gia công tia

nước

- Cắt và tạo hình các bộ bằng thép, nhôm, thủy tinh, cao su, vật liệu tổng hợp và các vật liệu khác

- Làm sạch bề mặt

Gia công hóa - Dùng rộng rãi trong ngành hàng không

- Gia công vỏ tên lửa, vách ngăn tên lửa

- Gia công bình áp suất hình cầu

- Gia công các tấm bản kiến trúc

Gia công điện

hóa

- Gia công chi tiết có hình dạng phức tạp: cánh tuốc bin, khuôn dập

- Khoan lỗ sâu

- Cắt hợp kim cứng

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

- Chuẩn bị mẫu để khảo sát kim tương

- Chuẩn bị mẫu cho xi mạ

Gia công cơ

điện hóa

- Kết hợp gia công cắt gọt và gia công điện hóa nhằm nâng cao năng suất và chất lượng

- Tiện, phay, khoan, mài kết hợp điện hóa

Gia công điện

tiếp xúc

- Gia công các phôi kim loại và hợp kim cứng

- Mài thô, mở rộng lỗ

- Chế tạo bột kim loại