Tiểu luận gia công khôn, khôn điện hóa lỗ

Khôn là phương pháp gia công lần cuối chủ yếu dùng để gia công bề mặt lỗ bằng dụng cụ chuyên dụng có gắn thanh mài hay còn được gọi là đầu khôn với mục đích cải thiện chất lượng bề mặt và nâng cao năng suất gia công. Việc áp dụng công nghệ gia công điện hóa vào gia công khôn đã góp phần nâng cao hiệu suất đáng kể so với gia công khôn thông thường, và đặc biệt Công nghệ này có tính kinh tế cao trong trường hợp ứng dụng để gia công các vật liệu cứng, khó cắt gọt. Trừ một số kim loại hiếm, còn tất cả các kim loại khác đều có thể gia công bằng công nghệ này.

NỘI DUNG

PHẦN 1 TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ KHÔN

Khôn – Phương pháp gia công lần cuối chủ yếu dùng để gia công bề mặt lỗ bằng dụng cụ chuyên dụng có gắn thanh mài hay còn được gọi là đầu khôn Bản chất của quá trình gia công là hớt bỏ một lớp vật liệu rất mỏng (lượng dư gia công) bằng thanh mài được gắn cố định trên đầu khôn, trong đó đầu khôn được truyền chuyển động từ trục chính của máy và thực hiện đồng thời hai chuyển động là chuyển động quay và chuyển động tịnh tiến thông qua cơ cấu khớp nối, thường là khớp nối cầu hoặc khớp nối cứng (đôi khi chuyển động tịnh tiến này được thay bằng dao động dọc trục) Sự kết hợp hai chuyển động trên làm cho thanh mài chuyển động theo đường xoắn ốc, sau khi cắt một lớp kim loại mỏng nó để lại trên

bề mặt những vết cắt cắt nhau theo góc 2α như trên Hình 1.

Hình 1 Sơ đồ công nghệ và sơ đồ cơ cấu Khôn

a) Sơ đồ quá trình khôn: 1-Trục chính của máy; 2-Thanh dẫn của đầu khôn; 3-Vỏ hộp đầu khôn; 4-Chi tiết được gia công; 5-Thanh mài; b) Sơ đồ vết cắt sau gia công

Đầu khôn gồm 2, 4 hoặc 6 thỏi đá được giữ bằng các thanh kẹp lắp trong các rãnh xẻ hướng kính dọc theo thân, ở bên trong có một hoặc hai ống côn dùng để

điều chỉnh vành ngoài của đá, tạo ra áp lực hướng kính của đá tác dụng lên mặt lỗ gia công Các thỏi đá được giữ bằng hai lò xo vòng ở trên và dưới Việc điều chỉnh

áp lực được thực hiện bằng ren vít ở hai đầu côn Cũng có thể điều chỉnh áp lực đá bằng cách sử dụng chất dẻo Sau khi đưa đầu khôn vào lỗ, tăng đai ốc 1 đẩy piston

2 đi xuống, chất dẻo bị nén tác động lên đá làm tăng áp lực của đá lên bề mặt lỗ gia công Sau khi gia công xong vặn đai ốc theo chiều ngược lại để giảm áp lực của đá tác dụng lên bề mặt lỗ và lấy đầu khôn ra khỏi lỗ

Trong quá trình Khôn, thanh mài hớt đi lượng dư gia công theo đường kính lỗ

từ 0,015 – 0,03 mkm cho đến 0,8 – 2,5 mkm Khi bề mặt làm việc của thanh mài tiếp xúc với bề mặt được gia công của chi tiết xảy ra quá trình cắt kim loại đồng

thời của số lượng lớn các hạt mài Kích thước của hạt mài khoảng 20-100 mkm, số

lượng hạt mài trung bình trên bề mặt phiến mài khoảng 20-40 hạt/mm2 Tác dụng chính của hạt mài lên kim loại là trong thời gian gia công xảy ra quá trình cắt tế vi với phoi là các mạt nhỏ li ti, đồng thời xảy ra quá trình ma sát ép dẻo lên vật liệu chi tiết, kết quả là hiệu chỉnh được những sai số hình học của những nguyên công trước như: độ oval, độ côn, độ phình tang trống Để tăng cường độ cắt cần thiết phải tạo điều kiện cho phiến mài tự mài bằng việc hạt mài đã mòn bị phá vỡ và tách khỏi liên kết Trong trường hợp sử dụng đầu khôn từ vật liệu hạt mài siêu cứng (kim cương, enbor) thì hạt mài sẽ giữ được độ sắc cắt gọt lâu hơn, điều này khiến hạt mài khó bị phá vỡ tế vi, hạt mài tồn tại trong liên kết lâu hơn, làm cho tuổi thọ của dụng cụ được tăng lên Để đảm bảo quá trình Khôn đạt được hiệu suất cao, khi gia công thường dùng dung dịch trơn nguội sối vào vùng gia công với lượng lớn nhằm đảm bảo sản phẩm mài mòn từ dụng cụ và bề mặt chi tiết bị tách ra được thoát ra ngoài Dung dịch trơn nguội thường dùng là dầu hỏa sạch, hoặc có thể là dầu hỏa bổ sung 15% dầu công nghiệp, trong một số ít trường hợp có thể sử dụng dung dịch nước – nhũ tương Trong quá trình Khôn thanh mài được chuyển động vượt ra khỏi lỗ với khoảng dài L nhằm đảm bảo hình dáng hình học chính xác của

lỗ được gia công và quan trọng là độ mòn đều của thanh mài Với mục đích loại bỏ khả năng thanh mài bị lặp lại chuyển động ở vị trí những vết đã cắt, ở cuối mỗi bước tiến kép phiến mài thường được dịch đi một khoảng K theo hướng vòng quay Các thông số chính của quá trình là: Vận tốc quay Vq; Vận tốc chuyển động tịnh tiến Vtt; Bước tiến hướng kính của thanh mài Shk (tức áp lực riêng p); và độ hạt của hạt mài M

Vq (m/min) Vtt (m/min) Shk (mkm/vòng) M

Phạm vi áp dụng Khôn thường được sử dụng trong sản xuất loạt và trong

sản xuất khối khi gia công những chi tiết quan trọng, đòi hỏi yêu cầu về độ chính xác và độ nhám bề mặt cao: Độ không tròn <0,1mkm; Sóng bề mặt 0,2mkm; Độ không trụ và độ không thẳng <2-5mkm; Sai lệch trung bình của Profin Ra = 0,02 – 0,08 mkm; đồng thời đảm bảo không có lớp vật liệu khuyết tật (sự thay đổi cấu trúc pha kim loại, ứng suất kéo, nứt tế vi); giá trị xác định của thông số dạng mấp mô tế vi

Điểm khác biệt của Khôn so với công nghệ mài là trong mài, diện tích tiếp xúc làm việc của bánh mài với bề mặt chi tiết không lớn; trong gia công Khôn toàn bộ diện tích làm việc của phiến mài luôn luôn tiếp xúc với bề mặt chi tiết, làm tăng

hiệu suất của quá trình gia công và độ chính xác hình học của chi tiết Thêm nữa,

trong gia công Khôn: Áp lực 0,1-1Mpa, nhỏ thua 100 lần; Vận tốc cắt 10-100m/min, nhỏ thua 15-100 lần; Nhiệt lượng sinh ra trong vùng gia công nhỏ hơn;

và Nhiệt độ tiếp xúc không quá 150-200˚C Điều này tạo điều kiện thuận lợi cho quá trình gia công, loại bỏ những yếu tố vật lý là tác nhân gây nên sự nứt tế vi và

sự sém trong lớp bề mặt kim loại, cũng như ứng suất dư

Một số sơ đồ công nghệ Khôn cơ sở

Hình 2 Hình 3 Hình 2 Sơ đồ công nghệ Khôn lỗ trụ trong, trong đó 1- thanh mài và 2 – chi tiết gia công Dạng này phân biệt thành: Khôn với áp lực ép thanh mài không đổi

và Khôn với bước tiến hướng kính của thanh mài thay đổi luôn ép chặt

Hình 3 Sơ đồ công nghệ khôn lỗ không tròn, trong đó 1- thanh mài, 2 – khoang chứa khí, 3 – lỗ với tiết diện thay đổi theo chiều dài

Hình 4 Sơ đồ công nghệ Khôn mặt trụ ngoài, trong đó 1 - dụng cụ, 2 – chi tiết.

Hình 5 Sơ đồ thể hiện lực cắt tế vi kim loại bởi hạt mài

Lượng dư gia công trong Khôn Lượng dư gia công trong gia công Khôn

thường được xác lập với sự tính đến của số lượng nguyên công, vật liệu phôi, tính chất loạt của sản xuất và chỉ tiêu kinh tế việc gia công Mối quan hệ giữa độ chính xác ban đầu và thu được xác định số lượng và nhiệm vụ của quá trình công nghệ Khôn, có thể là khôn thô, bán tinh, tinh và gia công hoàn thiện Giá trị lương dư gia công và nguyên công còn phụ thuộc vào việc tăng độ chính xác hình học và giảm

độ cao nhấp nhô của bề mặt gia công lên hoặc xuống bao nhiêu Nếu như mục đích

chính của nguyên công là giảm sai số hình học của lỗ thì lượng dư gia công a được

xác lập theo công thức:

Trong đó:

; Để giảm nhám xuống 2-3 bậc, lấy K2 = 1 – 1,1; Để giảm nhám xuống 3-4 bậc, lấy K2 = 1,2 – 1,25

Sau khi xác lập giá trị chung của lượng dư gia công, tiến hành xác định nguyên công và phân bổ lượng dư cho các nguyên công đồng thời lựa chọn đặc điểm của dụng cụ thanh mài Khi tiến hành gia công theo một số nguyên công thì mỗi nguyên công đòi hỏi phải chọn đặc điểm dụng cụ phù hợp với độ dày kim loại được hớt bỏ, tương ứng thu được cấp độ sóng bề mặt Đối với lượng dư gia công lớn thường chọn thanh mài có độ hạt lớn, sau khi cắt kim loại vẫn giữ được bề mặt nhám cần thiết để đảm bảo việc tự mài sửa của thanh mài Đối với nguyên công gia công tinh lượng dư gia công cần chọn vừa đủ cần thiết để giảm chiều cao nhấp nhô

tế vi bề mặt sau khi đã khôn thô

Độ chính xác kích thước, Chất lượng và tính chất làm việc của bề mặt sau gia công Khôn.

Trong quá trình khôn mỗi thanh đá tạo nên một lưới quỹ đạo của các hạt mài đan chéo nhau Do có nhiều thanh đá nên vết các hạt mài xóa nhau nhiều lần vì vậy khôn thường đạt độ chính xác cấp 7, đôi khi cấp 6, Ra = 0,4 – 0,05mkm

Độ chính xác kích thước phụ thuộc vào số lượng lớn các nhân tố Sai số hình học, cũng như kích thước có thể do một số nguyên nhân, đó là:

- Biến dạng của chi tiết gia công trong quá trình kẹp chặt, và sau khi thôi kẹp có thể xuất hiện độ oval, đặc biệt thường thấy ở những chi tiết dạng thành mỏng Do đó cơ cấu phần tử kẹp của đồ gá cần hạn chế ứng lực dọc trục và mô men xoắn Đối với chi tiết có gờ thì có thể lợi dụng kẹp ở vị trí gờ chi tiết, hoặc có thể sử dụng bạc lót

từ vật liệu dẻo, vòng kẹp, hay đai ma sát để hạn chế ứng lực cũng như mômen xoắn

- Độ lệch trục tâm của chi tiết tương đối với trục tâm của trục chính cũng là nguyên nhân gây ra độ oval Thường thì khi gá đặt đồ gá sử dụng chi tiết mẫu, lấy độ không đồng trục của lỗ chi tiết mẫu và trục chính của máy trong khoảng 0,02 - 0,06

mm trên chiều dài 20mm là đảm bảo

- Ngoài ra còn một số nguyên nhân khác như đầu khôn không định vị chính xác trên

bề mặt lỗ gia công do những thiếu sót của kết cấu đầu khôn cũng như việc kẹp chặt đầu khôn vào trục chính; hai là ứng lực hướng kính lớn từ việc lực ép thanh mài trên bề mặt chi tiết không cứng vững đồng đều theo đường kính cũng như theo chiều dài

Những điểm cần chú ý khi mài khôn

- Phải cấp dung dịch trơn nguội đều đặn và liên tục;

- Có thể gá đầu khôn theo hai cách:

+ Đầu khôn lắp cứng với đầu máy, chi tiết lắp cố định trên bàn máy Trong trường hợp này phải dùng đồ gá hoặc rà gá sao cho đảm bảo được độ đồng tâm giữa tâm lỗ gia công và tâm trục chính của máy;

+ Đầu khôn lắp tùy động với trục chính của máy, như vậy việc gá đặt chi tiết đơn giản hơn và không yêu cầu cao độ đồng tâm giữa lỗ của chi tiết và trục chính

- Phải chọn khoảng nhô ra của đá so với hai đầu của lỗ thích hợp để tránh lỗ bị loe ở hai đầu hoặc bị phình ở giữa, đồng thời phải chọn được tỷ số giữa tốc độ quay với tốc độ tịnh tiến, áp lực khôn hợp lý để nâng cao độ chính xác và năng suất khi khôn;

- Khi khôn các hạt mài tách ra khỏi đầu khôn có thể găm vào bề mặt gia công làm tăng tốc độ mài mòn của các chi tiết đối tiếp khi giữa chúng có chuyển động tương đối với nhau Vì vậy sau khi mài khôn nhất thiết phải làm sạch bề mặt lỗ cẩn thận;

- Mài khôn không sửa được sai số về hình dạng và sai lệch vị trí không gian của lỗ

Do đó trước khi khôn phải khắc phục các sai lệch đó bằng tiện tinh, chuốt hoặc mài;

- Về lý thuyết Khôn gia công được các chi tiết từ thép, gang, kim loại màu nhưng khi gia công kim loại màu phoi bịt nhanh các lỗ trên bề mặt đá nên khả năng cắt của đá

bị giảm rất nhanh;

Những ưu, nhược điểm của mài khôn:

• Ưu điểm:

- Các hạt mài có quỹ đạo xác định, có nhiều hạt mài cùng tham gia cắt nên lượng dư gia công có thể lớn và đạt được năng suất cao hơn nghiền;

- Vận tốc cắt thấp (gia công thép Vc = 40 -60 m/ph, gia công gang, đồng thau Vc =

60 -75 m/ph), nhiệt cắt thấp (nhiệt độ vùng gia công t = 50 – 150˚C) cho nên không làm thay đổi cấu trúc mạng tinh thể lớp bề mặt, do đó giữ được cơ tính, đồng thời giảm được ứng suất dư lớp bề mặt của chi tiết gia công;

- Độ cứng vững của đầu khôn cao, trục gá không bị biến dạng do lực tác dụng lên trục cân bằng lẫn nhau do đó đảm bảo lỗ gia công tròn;

- Quá trình cắt êm do ít rung động vì vậy có thể đạt độ chính xác cao

• Nhược điểm:

- Khi khôn các hạt mài tách ra khỏi đầu khôn có thể găm vào bề mặt gia công làm tăng tốc độ mài mòn của các chi tiết đối tiếp khi giữa chúng có chuyển động tương đối với nhau Vì vậy sau khi mài khôn nhất thiết phải làm sạch bề mặt lỗ cẩn thận;

- Mài khôn không sửa được sai số về hình dạng và sai lệch vị trí không gian của lỗ

Do đó trước khi khôn phải khắc phục các sai lệch đó bằng tiện tinh, chuốt hoặc mài;

- Về lý thuyết Khôn gia công được các chi tiết từ thép, gang, kim loại màu nhưng khi gia công kim loại màu phoi bịt nhanh các lỗ trên bề mặt đá nên khả năng cắt của đá

bị giảm rất nhanh

Ứng dụng khôn:

Khôn có thể gia công lỗ kích thước từ Ф6 – Ф1500, chiều dài lỗ từ 10mm – 20mm, khả năng đạt độ chính xác và nhẵn bóng bề mặt cao, năng suất của khôn cao hơn nghiền do quỹ đạo các hạt mài hoàn toàn xác định và số hạt mài tham gia vào quá trình cắt cùng một lúc nhiều, vì vậy khôn được dùng rộng rãi trong công nghệ sửa chữa cũng như trong sản xuất hàng loạt để gia công các xilanh xe máy, động cơ

và các xilanh thủy lực

Bảng công nghệ khôn một số chi tiết điển hình:

PHẦN II KHÔN ĐIỆN HÓA LỖ

1 Khái niệm

Khôn điện hóa lỗ là phương pháp gia công đặc trưng để gia công bề mặt lỗ bằng phương pháp ăn mòn điện hóa Bản chất của quá trình này là không có sự tác động của dụng cụ đến bề mặt chi tiết gia công

2 Nguyên lý gia công

Phương pháp gia công điện hóa dựa trên cơ sở định luật điện phân của Faraday Trong quá trình gia công, chi tiết được nối với điện cực dương còn dụng

cụ được nối với điện cực âm của nguồn Hai điện cực đều được đặt vào trong bể đựng dung dịch điện phân Khi đóng mạch điện và các điều kiện điện phân hợp lý, dòng điện đi qua bể có tác dụng hòa tan kim loại ở anod với 1 lượng được xác định theo định luật Faraday Lượng chất kết tủa hoặc hòa tan do điện phân tỷ lệ với lượng điện chạy qua

Lượng các 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 thành phần nguyên tố khác nhau)

Nếu đồng thời với sự hòa tan anod, mà lấy đi lớp bề mặt các thành phần có kết cấu không còn chặt chẽ thì đó là quá trình mài điện hóa Ở phương pháp đánh bóng điện hóa thì chúng ta chỉ tận dụng tác dụng điện hóa Chúng ra không muốn làm thay đổi hình dạng bề mặt mà chúng ta chỉ gia công làm mất đi những ghồ ghề li ti trên bề mặt đó mà thôi Ở phương pháp gia công điện hóa, tính chất của vật liệu làm anod (vật liệu gia công) không ảnh hưởng đến năng suất lấy phôi, vì vậy phương pháp này thường dùng để gia công những vật liệu khó cắt gọt

Theo định luật Faraday phương pháp gia công điện hóa được thực hiện như sau: Nếu dùng catod làm khuôn có hình dáng gần giống với lỗ mà ta muốn gia công thì ở bề mặt gần nhất với catod sự hòa tan anod diễn ra mạnh nhất Lý do là điện trở suất của dung dịch điện phân lớn hơn của kim loại Như vậy dòng điện tập trung vào điện cực nhỏ nhất tức là ở đây có dòng điện lớn nhất, bằng cách đó cực catod dần dần ăn vào anod

3 Đặc điểm, các thông số công nghệ

3.1 Đặc điểm

- Gia công khôn điện hóa tăng suất đáng kể so với gia công khôn thông

thường, trong đó cùng với tác động cơ học của thanh mài là kèm theo hiệu ứng hòa tan điện cực kim loại (anod)

- Một trong những sơ đồ khôn điện hóa là gia công bằng thanh mài trên nền chất kết dính dẫn điện: Có thể là kim loại hoặc bakelit có bổ sung graphit Tuy nhiên sơ đồ gia công này thường xuất hiện hiện tượng xâm thực điện hóa trên bề mặt tiếp xúc của thanh mài – chi tiết do giữa hai bề mặt này có khe hở nhỏ chính bằng độ cao phần đỉnh nhô ra của hạt mài trên cả diện tích tiếp xúc Chính vì lý do nêu trên, trong thực tế sản xuất thường dùng sơ đồ khôn với Catod được cố định đặc biệt trên đầu khôn và thanh mài không dẫn điện hoặc được cách ly điện

3.2.Các thông số công nghệ

a) Năng suất gia công

Năng suất gia công được tính bằng lượng nguyên liệu được lấy đi trong đơn vị thời gian (cm3/phút) và tỉ lệ thuận với cường độ dòng điện Như đã xác định theo định luật Faraday, tốc độ tiến của điện cực cũng ảnh hưởng đến năng suất Tốc độ này là hằng số với dung dịch điện phân thường dùng là NaCl, KCl, và NaNO3 và nhiệt độ dung dịch từ 90 - 125˚C

Ngoài ra còn các yếu tố như điện áp, khả năng dẫn điện của dung dịch điện phân, vật liệu của điện cực cũng ảnh hưởng đến năng suất gia công

Trên hình 4.3 trình bày mối quan hệ với mật độ dòng điện và khe hở giữa dụng cụ và chi tiết Khe hở này thường có giá trị từ 0,075mm – 0,75mm; giá trị mật

độ dòng điện thường là 2,32 – 3,1A/mm2 (1500-2000A/mm2), và tốc độ bóc vật liệu tương ứng là 16,38 mm3/phút/1000A

b) Chất lượng bề mặt

Độ bóng bề mặt khi gia công bằng điện hóa được hình thành rất tốt Nếu tăng tốc độ tiến của điện cực và tăng cường độ dòng điện sẽ làm giảm độ nhấp nhô của

bề mặt, như vậy độ bóng bề mặt rất tốt khi được gia công với công suất lớn Đặc biệt là thép austenit, với thép các bon thì bề mặt thô hơn (Rmax 5-10µ) Bề mặt sau khi gia công có thể đánh bóng đạt Rmax<1 với thép không gỉ, chịu nhiệt và chịu mài mòn Vật liệu sau khi gia công vẫn giữ được tính chất của nó, không có sự thay đổi trong cấu trúc, không có ứng suất dư và không có biến cứng bề mặt

4 Máy, dụng cụ và trang thiết bị công nghệ

Cấu tạo của máy dùng để gia công Khôn điện hóa không có nhiều điểm khác biệt so với máy dùng cho gia công khôn thông thường Số vòng quay, vận tốc chuyển động tịnh tiến của trục chính, cơ cấu tiến dao hướng kính cơ bản là giống nhau Tuy nhiên, có một điểm khác biệt lớn nhất ở hai loại máy này, do đặc tính kỹ thuật của quá trình điện hóa quy định, đó là từ điện cực âm của nguồn điện dòng điện thông qua chổi than-đồng và cổ góp bằng chuyển động quay của trục chính được truyền dẫn tới đầu khôn Đồ gá với chi tiết đã gá đặt được kết nối với điện cực dương (+) Bộ nguồn có thể dùng máy phát điện thế thấp có dòng không đổi và

bộ chỉnh lưu điện, được tính toán cho cường độ dòng điện vào khoảng từ 1000 –

10000 A, cho phép thay đổi điện thế từ 5 đến 18V Các chi tiết của máy được đảm bảo kết nối với chất điện ly