Tiểu luận các phương pháp gia công phi truyền

Các PPGC phi truyền Câu 1: Hãy trình bày các phương pháp gia công phi truyền thống theo cơ chế ăn mòn hóa học dưới dạng slide. Trả lời: 1.1. Giới thiệu Người ta sử dụng phương pháp gia công bằng ăn mòn hóa học trong trường hợp không thể cắt gọt kim loại bằng máy công cụ thông thường do vật liệu có độ cứng cao, giòn, có hình dạng kích thước phức tạp. Phương pháp gia công này được dùng đầu tiên là trong công nghiệp sản xuất máy bay Gia công bằng phương pháp ăn mòn hóa học là sự hòa tan bằng hóa học có kiểm soát vật liệu phôi khi tiếp xúc với chất phản ứng. Lớp phủ đặc biệt gọi là mặt nạ bảo vệ các vùng bề mặt mà vật liệu không bị lấy đi. Quá trình này được sử dụng để tạo ra các hốc, các đường công tua, gia công lấy đi vật liệu từ các chi tiết có tỷ số “sức bền/khối lượng” lớn. Chemical milling (CHM) gồm các giai đoạn như sau: + Chuẩn bị và làm sạch bề mặt phôi. Điều này giúp cho sự kết dính tốt vật liệu mặt nạ với bề mặt phôi và đảm bảo loại bỏ các chất bẩn ảnh hưởng đến quá trình gia công. + Tạo mặt nạ: sử dụng mặt nạ là những chất phủ có độ bền hóa cao và đủ dính kết để chịu được ăn mòn hóa học trong quá trình khắc. + Khắc mặt nạ theo mẫu để hở ra các vùng gia công CHM. Kiểu mặt nạ được chọn phụ thuộc vào kích thước phôi, số chi tiết gia công và độ phân giải cần thiết. + Phôi được khắc bằng ăn mòn hóa học, sau đó được rửa sạch và loại bỏ mặt nạ. Trong quá trình CHM (hình 1.1), chiều sâu khắc được điều khiển bởi thời gian ngâm nhúng. Để tránh gia công không đều, hóa chất tiếp xúc trên bề mặt gia công phải mới, đồng đều. Các hóa chất này ăn mòn rất mạnh, quá trình thường có hơi độc và ánh sáng phát ra nên cần đặc biệt chú ý đến điều kiện an toàn. Cả hơi nước và nước thải trong quá trình gia công đều phải được kiểm soát bằng biện pháp phù hợp cho vấn đề bảo vệ môi trường. Sự khuấy trộn giữa phôi 1 Các PPGC phi truyền và dòng chảy hóa chất là bình thường, tuy nhiên, nếếu dòng chảy của dung dịch quá dư thừa thì tạo ra các rãnh, đường hay gờ. Độ nghiêng của phôi có thể hạn chế được các rãnh tạo ra từ các bọt khí. Phản ứng đặc trưng có nhiệt độ nằm trong khoảng từ 37 đến 85 o C. Tốc độ khắc sẽ nhanh hơn ở mức nhiệt độ cao hơn nhưng vẫn phải được kiểm soát trong giới hạn ± 5 o C so với nhiệt độ thiết kế ban đầu để đạt được kết quả gia công đồng đều. Hình 1.1. Gia công bằng ăn mòn điện hóa Khi sử dụng mặt nạ, tác động ăn mòn diễn ra theo cả hai hướng: ăn mòn vào trong vùng mặt nạ để hở và sau đó ăn mòn sâu vào bên dưới mặt nạ như hình 1.2. Do đó sẽ có hệ số khắc là tỷ số giữa chiều rộng rãnh cắt d và chiều sâu cắt T. Cần tính đến hệ số này khi khắc dấu mặt nạ theo đường mẫu. Hệ số khắc cơ bản là 1:1 tồn tại ở chiều sâu cắt T=1,27 mm. Khi cắt sâu hơn có thể dẫn đến tỷ số khắc giảm xuống là 1:3. Bán kính cong tạo ra xấp xỉ bằng chiều sâu khắc. Hình 1.2. Sự ăn mòn hóa học 2 Các PPGC phi truyền Hình 1.3. Công tua tạo ra do gia công hóa 1.2. Dụng cụ cho CHM Dụng cụ cho CHM khá rẻ và dễ thay thế, điều chỉnh. Bốn loại dụng cụ cần thiết ở đây là: mặt nạ, chất ăn mòn, khuôn mẫu để khắc mặt nạ, phụ kiện kèm theo. a. Mặt nạ Mặt nạ thường được sử dụng để bảo vệ vùng bề mặt chi tiết không được gia công. Các vật liệu của mặt nạ thường là neoprene, polivinil chloride, polyethylene và các polymer khác. Lợp mặt nạp có thể được thực hiện bằng một trong ba phương pháp sau đây: + Cắt và bóc: Lớp mặt nạ được phủ lên toàn bộ chi tiết bằng cách đắp, sơn hay phun sương với chiều dầy khoảng 0,025mm đến 0,125mm. Sau khi lớp mặt nạ đông cứng lại người ta dùng dao cắt và bỏ đi lớp mặt nạ tại những vùng của chi 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 chi tiết lớn, số lượng sản phẩm ít và độ chính xác không cao. Phương pháp này thường có sai số lớn hơn +/-0,125mm. 3 Các PPGC phi truyền + Phương pháp kháng quang: Sử dụng các kỹ thuật chụp ảnh để thực hiện bước tạo lớp mặt nạ. Các vật liệu của lớp mặt nạ này có chứa những hóa chất cảm quang. Chúng được phủ lên bề mặt của chi tiết và tiếp nhận ánh sáng qua một âm bản của các vùng cần được khắc. Sau đó người ta dùng những kỹ thuật rửa ảnh để bóc đi những vùng này của lớp mặt nạ. Quá trình này sẽ để lại lớp mặt nạ trên nhưng bề mặt của chi tiết cần được bảo vệ và những vùng còn lại không được bảo vệ thì sẽ bị khắc. Các kỹ thuật tạo lớp phủ kháng quang thường đươc sử dụng để sản xuất những chi tiết nhỏ với số lượng lớn và dung sai khắt khe, có thể nhỏ hơn +/-0,0125mm. + Phương pháp kháng khung lưới: lớp mặt nạ được sơn lên bề mặt của chi tiết gia công qua một tấm lưới bằng lụa hoặc thép không rỉ. Gắn với tấm lưới này là một khuôn tô (stencil) nhằm tránh cho các vùng cần khắc khỏi bị sơn. Vì vậy lớp mặt nạ được sơn lên những vùng của chi tiết không cần gia công. Phương pháp khác 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 chi tiết và sản lượng. Dung sai đạt đơợc của phương pháp này vào khoảng +/- 0,075mm. Mặt nạ cần phải có các thuộc tính sau: - Đủ bền trong khi thực hiện quá trình khắc - Dính kết tốt với bề mặt phôi - Dễ dàng khắc - Trơ đối với chất ăn mòn - Có thể chịu được nhiệt sinh ra trong quá trình khắc - Dễ dàng loại bỏ sau khi khắc, giá thành chấp nhận được. b. Chất ăn mòn Các chất ăn mòn thường được sử dụng là: axít hoặc dung dịch kiềm được bảo quản trong phạm vi điều khiển được về khoảng thành phần hóa học và nhiệt độ. Chúng cần đáp ứng được các yêu cầu chính như sau: - Chất lượng bề mặt chi tiết được gia công tốt - Tốc độ lấy kim loại là đồng đều 4 Các PPGC phi truyền - Kiểm soát được sự ăn mòn có chọn lọc giữa các phân tử - Kiểm soát được sự hấp thụ hydro trong trường hợp gia công hợp kim titan - An toàn cho người vận hành - Giá thành hợp lý và độ tin cậy của vật liệu được sử dụng trong cấu trúc - Bảo đảm chất lượng không khí và tránh được tiếng ồn trong các vấn đề về bảo vệ môi trường - Có khả năng tái tạo chất ăn mòn và xử lý chất thải của nó. Bảng 1.1 chỉ ra sự khác nhau giữa các loại mặt nạ và chất ăn mòn cho nhiều loại vật liệu khác nhau tương ứng với các dải vận tốc khắc và hệ số khắc. Bảng 1.1. Mặt nạ và chất ăn mòn của các vật liệu phôi khác nhau c. Mẫu cắt Các mẫu cắt được dùng để xác định các vùng hở ra cho các tác động ăn mòn hóa học. Phương pháp khắc phổ thông nhất là khắc mặt nạ bằng lưỡi dao sắc, sau đó cẩn thận bóc đi khỏi vùng bề mặt lựa chọn. Các mẫu hình trên khuôn mẫu bằng kim loại hoặc sợi thủy tinh định hướng cho quá trình khắc mặt nạ. Hiện nay người ta còn sử dụng phương pháp khắc mặt nạ bằng điều khiển laser điều khiển số. d. Trang bị kèm theo Trang bị kèm theo gồm có thùng chứa, móc treo, cần treo, giá đỡ, các gá kẹp. Các trang bị này dùng để đưa phôi vào và lấy chi tiết ra khỏi dung dịch ăn mòn, và làm sạch. 1.3. Các thông số của quá trình và tốc độ lấy vật liệu 5 Các PPGC phi truyền Các thông số quá trình CHM gồm có: kiểu chất ăn mòn, tính cô cạn, thuộc tính, tính pha trộn, nhiệt độ vận hành, tính lan truyền. Quá trình cũng bị ảnh hưởng của vật liệu làm mặt nạ và quá trình tạo mặt nạ. Các thông số này sẽ ảnh hưởng trực tiếp đến chi tiết gia công về các mặt sau: - Hệ số khắc (d/T). - Tốc độ khắc và gia công. - Độ chính xác. - Chất lượng bề mặt. Để gia công chất lượng cao và giá thành thấp bằng CHM cần xem xét đến trạng thái xử lý nhiệt phôi, cỡ hạt và loại vật liệu phôi, kích thước và trạng thái bề mặt gia công trước khi thực hiện CHM, hướng cán và các mối ghép nối, Tốc độ lấy vật liệu phụ thuộc vào hóa chất, tính đồng nhất về luyện kim của phôi, tính đồng nhất về nhiệt độ dung dịch. Các phôi đúc có độ nhám bề mặt sau gia công cao và tốc độ lấy vật liệu thấp. Các tấm kim loại cán có tốc độ lấy vật liệu cao và chất lượng bề mặt gia công tốt nhất. Tốc độ CHM cao đối với vật liệu cứng và thấp đối với vật liệu mềm. Thông thường tốc độ khắc cao đi kèm với độ nhám bề mặt thấp. 1.4. Độ chính xác và độ bóng bề mặt Trong quá trình CHM các kim loại bị hòa tan bởi sự tác động của sự phân hủy hóa chất. Giai đoạn gia công này diễn ra cả ở các bề mặt hạt nhân cũng như tại các lớp vỏ. Kích thước hạt mịn và đồng nhất trong cấu trúc của kim loại luyện kim, do đó, cho ra chất lượng bề mặt tốt và đồng đều. Bề mặt gia công bằng CHM không thay đổi nhiều về đặc tính. Dựa vào kích thước hạt, sự định hướng, quá trình xử lý nhiệt và ứng suất được sinh ra, mọi chất liệu có bề mặt hoàn công cơ bản là kết quả từ CHM trong một thời gian nhất định. Khi những khiếm khuyết trên bề mặt không được loại bỏ bằng CHM, bất kỳ bề mặt nào không đồng đều, có gợn sóng, vết lõm, hoặc vết trầy xước sẽ được chỉnh sửa và gia công lại trong công đoạn gia công bề mặt. Tỷ lệ gia công ảnh hưởng đến độ nhám bề mặt và sau đó là dung sai trong sản xuất. Nói chung, ăn mòn chậm sẽ tạo ra một bề mặt tương tự như bản gốc. 6 Các PPGC phi truyền Sự định hướng cho bề mặt được ăn mòn ban đầu cũng quan trọng đối với bề mặt CHM. Chiều sâu của quá trình cắt có dung sai tăng lên khi gia công độ sâu lớn hơn với tốc độ gia công cao. Hợp kim nhôm và magiê có thể được kiểm soát chặt chẽ hơn thép, niken hoặc các hợp kim titan.Tỷ lệ khắc là 0,25 mm/mm với dung sai ± 10% của chiều rộng cắt có thể đạt được tùy thuộc vào vật liệu phôi và chiều sâu cắt. Độ nhám bề mặt cũng chịu ảnh hưởng bởi các phôi ban đầu bị gồ ghề. Đối với chiều sâu gia công thấp, <200mm, độ nhám tăng theo chiều sâu cắt, khi chiều sâu cắt lớn hơn, độ nhám sẽ trở nên rõ rệt. Hình 1.4 chỉ ra độ nhám bề mặt và tốc độ khắc của một số hợp kim khi lấy đi 0,25 đến 0,4 mm vật liệu. điển hình, độ nhám bề mặt nằm trong khoảng 0,1 đến 0,8 µm, phụ thuộc vào độ nhám ban đầu. Ngoài ra, khi đợc điều chỉnh kỹ lưỡng, độ nhám bề mặt có thể đạt được giá trị là 0,025 đến 0,05 µm. Hình 1.4. Độ nhám bề mặt và tốc độ khắc của một số hợp kim sau khi lấy đi 0,25 đến 0,4 mm vật liệu 1.5. Ưu nhược điểm và ứng dụng * Ưu điểm: 7 Các PPGC phi truyền - Gia công được các công tua phức tạp mà các phương pháp gia công thông thường khó gia công. - Lấy đi vật liệu đồng thời từ tất cả các bề mặt gia công, cải thiện năng suất gia công. - Không tạo ba via. - Không sinh ra ứng suất trong phôi, làm giảm thiểu biến dạng chi tiết và có thể gia công các bề mặt tinh xảo. - Có thể tạo ra độ côn liên tục trên các tiết diện định hình. - Thay đổi thiết kế có thể thực hiện nhanh chóng. - Người vận hành không đòi hỏi kỹ năng cao. * Nhược điểm: - Chỉ cắt sâu được khoảng 12,27 mm đối với các kim loại dạng tấm; 3,83 mm đối với kim loại đùn và 6,39 mm đối với kim loại rèn. - Sử dụng và chất thải hóa chất gặp nhiều phiền toái. - Việc tạo, khắc và lấy đi mặt nạ khó khăn, mất nhiều thời gian, lặp đi lặp lại nhàm chán. - Khuyết tật bề mặt bị tái tạo lại trên chi tiết gia công. * Ứng dụng Hầu hết các kim loại phổ biến như nhôm, đồng, kẽm, thép chì và niken có thể gia công bằng CHM. Nhiều kim loại quý hiếm như titan, moolyp đen, zirconium cũng như các vật liệu phi kim như kính, gốm, một số loại nhựa cũng có thể gia công bằng phương pháp này. Các ứng dụng của CHM rất rộng, có thể từ các chi tiết cánh máy bay bằng nhôm kích thước rất lớn cho đến các chíp IC rất bé. Chiều sâu cắt thực tế thường từ 2,54 đến 12,27 mm. Cắt nông trên các tấm mỏng rộng là ứng dụng phổ thông nhất, đặc biệt để giảm trọng lượng cho các chi tiết hàng không vũ trụ. Nhiều thiết kế có thể gia công đồng thời trên một tấm vật liệu. CHM cũng thường dùng để làm mỏng các thành, gân, dải của các chi tiết chế tạo bằng phương pháp rèn, đúc hay dập kim loại tấm. 8 Các PPGC phi truyền 9 Các PPGC phi truyền Câ u 2 : Hãy dịch từ mục 8.2.2 (trang 232) đến hết mục 8.2.5 (trang 235) tài liệu Advanced Machining Processes. Trả lời: 8.2.2 Holographic interference solidification (Sự hóa rắn tổng thể) Holographic interference solidification (HIS) được dựa trên sự polyme quang hóa. Ý tưởng là tạo dựng hình ảnh tổng thể (ảnh ba chiều) của một mô hình trong một bình chứa các đơn phân chất lỏng cảm quang có thể hóa rắn tất cả các bề mặt theo ba chiều cùng chiều một lúc, chứ không phải thực hiện lên từng điểm một. Quá trình này giúp tiết kiệm thời gian tạo mẫu. Ứng dụng gián tiếp vào việc sản xuất các mô hình sáp bị mất các điện cực đồng của gia công phóng điện. 8.2.3 Beam interference solidification (Sự hóa rắn nhờ chùm tia giao thoa) Beam interference solidification (BIS) là quá trình tạo mẫu nhanh gốc polyme linh hoạt nhất. Trong sự hóa rắn nhờ chùm tia giao thoa (hình 8.2) chi tiết chế tạo xuất hiện điểm hóa rắn của chất lỏng tại nơi giao nhau giữa hai tia laser có tần số khác nhau. Tất cả các phần chất lỏng bị tác động bởi tia laser 1 sẽ bị kích thích để tiến hành polyme hóa khi gặp sự tác động của tia laser 2. Việc tạo hình chi tiết theo trục z thì không cần thực hiện cho các lớp nữa. Việc khởi tạo chùm tia laser chuyển động theo các tọa độ x, y, z bất kỳ giúp cho nó có thể vạch đường (sao chép hình) của chi tiết theo cả ba chiều chứ không chỉ là theo hai chiều trong thời gian tạo mẫu nhỏ (mtiac.alion-science.com). Quá trình này có ứng dụng hạn chế trong công nghiệp vì nó gặp phải những vấn đề dưới đây: 1. Hấp thụ ánh sáng (giảm cường độ theo độ sâu) 10 [...]... 14 Các PPGC phi truyền Câu 3: Hãy mô hình hóa 3D dưới dạng solid chi tiết trong bản vẽ số 3, xuất ra dưới định dạng STL và trình bày các phương án ứng dụng các phương pháp gia công phi truyền thống (có thể kết hợp với gia công truyền thống) để chế tạo chi tiết này với tính chất sản xuất đơn chiếc, thử nghiệm; nêu ưu, nhược điểm của từng phương án) Trả lời: Mô hình hóa 3D chi tiết: Các phương án gia công: ... chi tiết: Các phương án gia công: a) Gia công bằng phương pháp in 3D - Ưu điểm: + Thuận tiện trong gia công và nhanh chóng sản xuất được sản mẫu với chính xác cao 15 Các PPGC phi truyền + Giảm khối lượng gia công + Không gây tiếng ồn khí làm việc + Tiết kiệm được nguyên vật liệu - Nhược điểm: + Giá thành tạo mẫu cao b) Gia công bằng phương pháp dập - Ưu điểm: + Gia công nhanh, độ chính xác cao, độ bóng,... cao, khí thải ra môi trường e) Gia công bằng phương pháp gò tự do + ăn mòn kim loại (làm hình logo sản phẩm) - Ưu điểm 16 Các PPGC phi truyền + Giá thành sản phẩm mẫu rẻ + Dễ chế tạo - Nhược điểm + Độ chính xác của sản phẩm không cao (phụ thuộc vao tay nghề người thợ) + Quá trình in mòn kim loại gây ảnh hưởng tới môi trường và người công nhân f) Gia công bằng phương pháp gò tự do + khắc laser CNC (làm.. .Các PPGC phi truyền 2 Hiệu ứng sắc thái của các chi tiết đã được hóa rắn 3 Vấn đề về các chùm tia giao thoa do sự nhiễu xạ ánh sáng gây ra bởi sự hóa rắn hay thay đổi nhiệt độ cục bộ 8.2.4 Solid ground curing Hình 8.3 Các bước bảo dưỡng dụng cụ cắt bị hóa cứng 1 Chuẩn bị khuôn 5 Đặt sáp vào 2 Đặt nhựa dẻo polyme vào 6 Làm nguội sáp 3 Chiếu ánh sáng UV vào 7 Phay (gia công) 4 Vấu nâng... được làm sạch để sử dụng lại hoặc thay thế cho sáp 11 Các PPGC phi truyền 7 Sáp đợc tôi cứng bằng cách sử dụng các tấm làm mát sáp 8 Đầu dao phay được sử dụng để gia công quang polyme đảm bảo độ chính xác và độ dày đồng đều trong khi chuẩn bị cho lát kế tiếp 9 Bản khuôn được gỡ ra và tái sử dụng cho các lớp sau 10 Quá trình trên được lặp đi lặp lại cho các lát tiếp theo cho đến khi chi tiết hoàn thiện... 12 Các PPGC phi truyền - Các loại nhựa dẻo đòi hỏi phải chiếu sáng tròn môi trường kín, vật liệu gia công độc hại 8.2.5 Liquid thermal polymerization LTP (Polyme quang hóa bằng chất lỏng gia nhiệt) Hình 8.4 Liquid thermal polymerization (Polyme quang hóa bằng chất lỏng gia nhiệt) Liquid thermal polymerization (LTP) sử dụng chất dẻo nhiệt rắn thay vì polyme quang hóa, chấất thường được sử dụng trong công. .. máy một cách tác biệt bởi các đầu phun, chúng được phun ra dưới dạng các hạt vật liệu nhỏ di chuyển theo các tọa độ x – y để hình thành các lát của chi tiết như trong hình 8.4 Vật liệu cứng lại do nhiệt độ giảm nhanh giống như chúng bị lắng (kết tủa) Sau khi một lớp vật thể trọn vẹn được hình thành bằng việc phun và thì nó sẽ được phay mặt đầu để có độ dày đồng đều Sau khi cắt bằng phay mặt đầu, các bộ... phận được làm sạch và tập hợp lại Vật liệu sáp hỗ trợ bị nóng chảy hoặc hòa tan hoàn toàn Đặc điểm nổi bật nhất của LTP là khả năng chế tạo chi tiết có 13 Các PPGC phi truyền độ chính xác và độ mịn bề mặt rất cao tương đương khi sản xuất trên máy gia công CNC Tuy nhiên, hệ thống làm việc rất chậm cho những chi tiết lớn Trong khi kích thước của máy và vật liệu thân thiện, phù hợp để trong phòng, Việc sử... trình này gồm có hai chu kỳ chính, chu kỳ hình thành khuôn quang hóa và chu kỳ chế tạo một lớp Mất khoảng 2 phút để hoàn thành tất cả các công đoạn cho việc tạo thành một lớp SGC được thao tác theo các bước dưới đây (claymore.engineer.gvsu.edu): 1 Các file được cắt thành các lát mỏng 2 Mỗi lớp polyme cảm quang được phun đầu tiên lên trên bàn máy 3 Một khuôn quang hóa được chuẩn bị (cho mỗi lát) bằng việc... nó có thể đã bị nóng chảy hoàn toàn hoặc là bị hòa tan trước khi chi tiết được hoàn thành Khuôn sáp giúp cho không cần thiết phải phát sinh thêm các kết cấu hỗ trợ như giá treo hoặc bệ đỡ nữa (home.att.net/~castleisland/sgc) Ưu điểm của SGC: - Chế tạo được các chi tiết lớn và phức tạp - Không cần thêm thiết bị hỗ trợ - Giảm ứng suất dư và cong vênh - Có thể sản xuất nhiều chi tiết cùng một lúc do vùng . Ưu điểm: 7 Các PPGC phi truyền - Gia công được các công tua phức tạp mà các phương pháp gia công thông thường khó gia công. - Lấy đi vật liệu đồng thời từ tất cả các bề mặt gia công, cải thiện. Các PPGC phi truyền Câu 1: Hãy trình bày các phương pháp gia công phi truyền thống theo cơ chế ăn mòn hóa học dưới dạng slide. Trả lời: 1.1. Giới thiệu Người ta sử dụng phương pháp gia công. 14 Các PPGC phi truyền Câu 3: Hãy mô hình hóa 3D dưới dạng solid chi tiết trong bản vẽ số 3, xuất ra dưới định dạng STL và trình bày các phương án ứng dụng các phương pháp gia công phi truyền