Trong phần này, chúng ta mô tả các quá trình gia công cắt gọt hóa học cơ bản: (1) phay hóa học, (2) cắt phôi hóa học, (3) khắc hóa học, và (4) gia công cắt gọt quang hóa.
Phay hóa học (chemical milling): phay hóa học là quá trình CMH đầu tiên đƣợc thƣơng mại hóa. Trong chiến tranh thế giới thứ II, một công ty chế tạo máy bay ở Mỹ đã bắt đầu sử dụng phay hóa học để cắt gọt kim loại từ các cấu kiện của máy bay. Họ đã dẫn chiếu đến quá trình của họ nhƣ là quá trình “phay hóa học – chem-mill”. Ngày nay, phay hóa học vẫn đƣợc sử dụng nhiều trong ngành công nghiệp máy bay, để cắt gọt kim loại từ cánh máy bay và các bảng của khung thân máy bay để làm giảm trọng lƣợng. Nó có khả năng áp dụng cho các chi tiết lớn mà một khối lƣợng kim loại đáng kể đƣợc cắt gọt trong quá trình. Phƣơng pháp mặt nạ cắt và bóc vỏ đƣợc sử dụng. Một khuôn mẫu thƣờng đƣợc sử dụng có tính đến độ lớn cắt rãnh trong sẽ xuất hiện trong ăn mòn. Dãy các bƣớc xử lý đƣợc minh họa trong hình 26.17.
Hình 26.16 Cắt rãnh trong trong gia công cắt gọt hóa học
Hình 26.17 Dãy các bước xử lý trong phay hóa học: (1) làm sạch chi tiết thô, (2) áp dụng mặt nạ, (3) vạch dấu, cắt và bóc vỏ mạt nạ khỏi những vùng cần được ăn mòn, (4) ăn mòn và (5) loại bỏ mặt nạ và làm sạch để
đưa ra chi tiết cuối cùng.
Phay hóa học tạo ra một độ bóng bề mặt biến đổi với những vật liệu khác nhau. Bảng 26.3 đƣa ra một mẫu các giá trị. Độ bóng bề mặt phụ thuộc vào độ sâu thâm nhập. Khi độ sâu tăng lên, độ bóng trở nên kém hơn, tiếp cận với giới hạn trên của các phạm vi đƣợc cho trong bảng. Hƣ hại luyện kim từ phay hóa học là rất nhỏ, có lẽ khoảng 0,005 mm (0,0002 in) vào bề mặt vật gia công.
Cắt phôi hóa học (chemical blanking): cắt phôi hóa học sử dụng ăn mòn hóa học để cắt những chi tiết tấm kim loại rất mỏng – xuống còn độ dày 0,025 mm (0,001 in) và/hoặc dùng cho những mẫu cắt phức tạp.
Trong cả hai trƣờng hợp, các phƣơng pháp đột-và-dập thông thƣờng không làm việc vì các lực dập sẽ làm hỏng kim loại tấm, hoặc chi phí công cụ sẽ không cho phép hoặc cả hai. Cắt phôi hóa học sẽ tạo ra những chi tiết không bị ba via, ƣu điểm hơn so với các quá trình cắt thông thƣờng.
Các phƣơng pháp đƣợc sử dụng để áp dụng phƣơng pháp mặt nạ trong cắt phôi hóa học là phƣơng pháp phủ bảo vệ cảm quang. Đối với các mẫu cắt nhỏ và/hoặc phức tạp và có dung sai nhỏ, phƣơng pháp phủ cảm quang đƣợc sử dụng, còn lại phƣơng pháp phủ bảo vệ màn chắn sẽ đƣợc sử dụng. Kích thƣớc vật gia công nhỏ trong cắt phôi hóa học sẽ loại trừ phƣơng pháp cắt và bóc vỏ mặt nạ.
Sử dụng phƣơng pháp phủ bảo vệ màn chắn để minh họa, các bƣớc trong cắt phôi hóa học đƣợc trình bày trong hình 26.18. Khi ăn mòn hóa học xảy ra ở cả hai bên của chi tiết trong cắt phôi hóa học, điều quan trọng là qui trình tạo mặt nạ đƣa ra sự chấp nhận chính xác giữa hai bên. Còn không, sự ăn mòn vào chi tiết từ các hƣớng đối diện sẽ không thẳng hàng. Điều này đặc biệt quan trọng sống còn với các kích thƣớc chi tiết nhỏ và các mẫu phức tạp.
Bảng 26.3 Các độ bóng bề mặt được kỳ vọng trong phay hóa học
Vật liệu gia công Phạm vi độ bóng bề mặt
µm µ-in Nhôm và các hợp kim 1,8 – 4,1 70 – 160 Ma giê 0,8 – 1,8 30 – 70 Thép thường 0,8 – 6,4 30 – 250 Ti tan và các hợp kim 0,4 – 2,5 15 - 100 Đƣợc thu thập từ [7] và [16]
Hình 26.18 Dãy các bước xử lý trong cắt phôi hóa học: (1) làm sạch chi tiết thô, (2) áp dụng chất phủ bảo vệ (mặt nạ) bằng sơn phủ qua màn chắn, (3) ăn mòn (hoàn thành từng phần), (4) ăn mòn (hoàn toàn), và (5)
loại bỏ lớp phủ bảo vệ và làm sạch để đưa ra thành phẩm.
Ứng dụng của cắt phôi hóa học thƣờng bị hạn chế cho những vật liệu mỏng và/hoặc các mẫu phức tạp vì những lý do đã nêu trên. Độ dày cực đại của nguyên liệu là khoảng 0,75 mm (0,030 in). Cũng vậy, các vật liệu cứng và giòn có thể đƣợc xử lý bằng cắt phôi hóa học mà những phƣơng pháp cơ học sẽ làm vỡ nứt nghiêm trọng vật gia công. Hình 26.19 đƣa ra một mẫu các chi tiết đƣợc tạo ra bằng quá trình cắt phôi hóa học.
Các nguyên liệu có độ dày 0,025 mm (0,001 in) có thể đạt đƣợc dung sai nhỏ ±0,0025 mm (±0,0001 in) khi phƣơng pháp mặt nạ phủ bảo vệ cảm quang đƣợc sử dụng. Khi độ dày nguyên liệu tăng lên, cần cho phép có các dung sai lớn hơn. Các phƣơng pháp mặt nạ phủ bảo vệ bằng màn chắn (lƣới tơ) gần nhƣ không chính xác nhƣ phƣơng pháp phủ bảo vệ cảm quang. Tƣơng ứng, khi cần các chi tiết có dung sai nhỏ, phƣơng pháp phủ bảo vệ cảm quang sẽ đƣợc sử dụng để thực hiện bƣớc tạo mặt nạ.
Hình 26.19 Các chi tiết được tạo ra bằng cắt phôi hóa học (ảnh của Buckbee-Mears St. Paul.)
Khắc hóa học (chemical engraving): khắc hóa học là một quá trình gia công cắt gọt hóa học dùng để tạo ra các biển ghi tên và các tấm phẳng có ghi chữ và/hoặc trang trí nghệ thuật ở một bên. Các biển và tấm phẳng này mặt khác có thể đƣợc chế tạo bằng cách sử dụng máy khắc thông thƣờng hoặc quá trình tƣơng tự. Khắc hóa học có thể đƣợc sử dụng để chế tạo các tấm phẳng với ghi chữ chìm hoặc ghi chữ nổi, đơn giản bằng cách đảo chiều những phần tấm phẳng đƣợc ăn mòn. Tạo mặt nạ đƣợc thực hiện bằng phƣơng pháp phủ bảo vệ cảm quang hoặc phủ bảo vệ màn chắn. Trình tự trong khắc hóa học tƣơng tự với các quá trình CHM khác, trừ việc có quá trình đắp đầy theo sau quá trình ăn mòn. Mục đích của quá trình đắp đầy là để áp sơn phủ hoặc lớp phủ khác vào những vùng chìm đã đƣợc tạo ra bằng quá trình ăn mòn. Sau đó, tấm phẳng đƣợc nhúng chìm trong một dung dịch mà sẽ làm hòa tan lớp phủ bảo vệ nhƣng không tấn công vào vật liệu phủ. Do vậy, khi chất phủ bảo vệ đƣợc loại bỏ đi, lớp phủ sẽ còn lại trong những vùng bị ăn mòn nhƣng không ở trong những vùng mà đã đƣợc đắp mặt nạ. Ảnh hƣởng là để làm nổi bật mẫu lên.
Gia công cắt gọt quang hóa (photochemical machining): gia công cắt gọt quang hóa (PCM) là một quá trình gia công cắt gọt hóa học trong đó phƣơng pháp tạo mặt nạ phủ bảo vệ cảm quang đƣợc sử dụng. Do đó thuật ngữ có thể đƣợc áp dụng đúng cho cắt phôi hóa học và khắc hóa học khi những phƣơng pháp này sử dụng là phƣơng pháp phủ bảo vệ cảm quang. PCM đƣợc dùng trong gia công kim loại khi cần có các mẫu có dung sai nhỏ và/hoặc phức tạp. Các quá trình quang hóa cũng đƣợc sử dụng nhiều trong ngành công nghiệp điện tử để tạo ra những thiết kế mạch phức tạp trên các miếng bán dẫn (phần 35.3.1).
Hình 26.20 trình bày trình tự các bƣớc trong gia công cắt gọt quang hóa khi nó đƣợc áp dụng cho cắt phôi hóa học. Có nhiều cách khác nhau để lộ sáng cảm quang hình ảnh mong muốn lên chất phủ bảo vệ. Hình chỉ ra âm bản tiếp xúc với bề mặt của chất phủ bảo vệ trong lúc lộ sáng. Đây là sự in tiếp xúc (contact printing), nhƣng các phƣơng pháp in cảm quang khác có thể dùng mà sẽ làm lộ sáng âm bản qua một hệ thống thấu kính để mở rộgn hoặc giảm kích thƣớc của mẫu đƣợc in trên bề mặt phủ bảo vệ. Các vật liệu cảm quang đƣợc sử dụng hiện tại là nhạy với ánh sáng tia cực tím nhƣng không nhạy với ánh sáng có các bƣớc sóng khác. Do đó, với ánh sáng thích hợp trong nhà máy, không cần thiết phải thực hiện các bƣớc xử lý trong môi trƣờng buồng tối. Mỗi khi quá
trình tạo mặt nạ đƣợc thực hiện, các bƣớc còn lại trong qui trình sẽ tƣơng tự với các phƣơng pháp gia công cắt gọt hóa học khác.
Hình 26.20 Trình tự các bước xử lý trong gia công cắt gọt quang hóa, (1) làm sạch chi tiết thô, (2) áp chất phủ bảo vệ (mặt nạ) bằng cách nhúng chìm, phun tia hoặc sơn phủ, (3) đặt âm bản lên chất phủ bảo vệ,
(4) phơi (lộ) ánh sáng tia cực tím, (5) hiện ảnh để loại bỏ chất phủ bảo vệ khỏi các vùng cần được ăn mòn, (6) ăn mòn (được chỉ ra ăn mòn từng
phần), (7) ăn mòn (hoàn toàn), (8) loại bỏ chất phủ bảo vệ, làm sạch để có thành phẩm.
Trong gia công cắt gọt quang hóa, thuật ngữ tƣơng ứng với hệ số ăn mòn là tính không đẳng hướng (anistropy), đƣợc định nghĩa nhƣ là độ sâu cắt d chia cho độ cắt rãnh trong u (xem hình 26.18). Đây là định
nghĩa giống nhƣ trong phƣơng trình (26.9).