Một phương pháp dùng để tạo hình bề mặt kim loại có từ thời cổ xưa đó là đúc: Công nghệ đúc là công nghệ chế tạo sản phẩm bằng phương pháp rót vật liệu ở dạng chảy lỏng vào khuôn để tạo ra sản phẩm có hình dạng theo khuôn mẫu. Đa phần công nghệ đúc thực hiện với các vật liệu kim loại. Đúc thông thường được thực hiện với các khuôn cát nên độ chính xác không cao.
Ngày nay người ta sử dụng đúc trong khuôn kim loại. Vật đúc đông đặc dưới tác dụng của trọng trường mà không chịu bất kỳ tác động nào khác. Đây là phương pháp rất phổ biến hiện nay do nó có các đặc điểm sau đây:
Khuôn được sử dụng nhiều lần;
Độ sạch và độ chính xác được nâng cao đáng kể. Điều này sẽ làm giảm khối lượng gia công cơ khí;
Nâng cao độ bền cơ học của vật đúc, đặc biệt là độ bền ở lớp bề mặt tiếp giáp với khuôn kim loại.
Nâng cao sản lượng hàng năm do giảm được kích thước đậu ngót và phế phẩm đúc.
Nâng cao năng suất lao động.
Tiết kiệm diện tích nhà xưởng do không cần chế tạo hỗn hợp làm khuôn và quá trình làm khuôn.
Giảm giá thành sản phẩm.
Dễ cơ khí và tự động hoá, điều kiện vệ sinh lao động tốt.
Hình 1.20. Mâm chống đồng đúc
Nhược điểm của phương pháp đúc: Chế tạo khuôn kim loại phức tạp và đắt tiền; Độ bền khuôn hạn chế khi đúc thép, khó đúc những vật thành mỏng và hình dáng phức tạp; vật đúc có ứng suất lớn do khuôn kim loại cản co mạnh; vật đúc gang dễ bị biến trắng; Quy trình đúc phải chặt chẽ.
Ngoài ra đúc với những vật liệu quý như Vàng, Đồng… thì sẽ tiêu hao vật liệu rất lớn vì có sự hao cháy… Đồng thời thì đúc cho năng suất thấp, không cao bằng dập.
1.3.4 Các phƣơng pháp thủ công
Ngoài các phương pháp được sử dụng bằng máy móc thiết bị hiện đại như trên thì còn có những phương pháp biến dạng bề mặt khác bằng thủ công như gò bằng tay. Tuy vậy phương pháp này cho năng suất và chất lượng sản phẩm thấp nên ngày nay rất ít được sử dụng.
Hình 1.21: Trống đồng gò bằng tay
:
Hình 1.23 Mâm đồng tứ linh đường kính 1,2m gò bằng tay
Độ chính xác và sắc nét của phương pháp gò thủ công thường rất thấp. Để nâng cao độ tinh xảo thường sau khi gò tay phải có một người thợ có tay nghề chỉnh sửa lại. Công việc này có thể tốn rất nhiều thời gian. Đến nay việc gò thủ công chỉ còn xuất hiện ở một số ít làng nghề tại Việt Nam.
1.3.5 Dập nổi các chi tiết micro [7]
Nguyên công dập nổi trong micro tạo làm biến dạng cục bộ vật liệu, ra những biến dạng, hoa văn rất nhỏ và tinh xảo. Những phần chi tiết rất nhỏ, mắt thường khó có thể quan sát được nên yêu cầu độ chính xác cực cao.
Hình 1.24. Khuôn và thiết bị dập nổi
Họa tiết trên khuôn rất nhỏ bé nên việc tạo hình đôi khi không đơn giản bở việc tạo hình chủ yếu chỉ diễn ra trên phạm vi cục bộ, có thể nói rành ở qui mô kích thước hạt biến dạng nên đôi khi lực biến dạng rất lớn mà vẫn không tạo ra được hình dạng sắc nét. Trong nhiều trường hợp, dập nổi có thể được tiến hành ở trạng thái nóng, phôi được nung tới nhiệt độ tạo hình trực tiếp trên khuôn bằng dòng cảm ứng. Do đó ta phải có một thiết bị nung riêng đặt ở bên ngoài. Thiết bị dập tạo hình thường nhỏ, dạng để bàn. Đầu trượt được dẫn động nhờ động cơ tuyến tính lắp ở phía trên.
1.4 Các phƣơng pháp gia công khuôn
Đối với các chi tiết có kích thước lớn thì ta sử dụng các phương pháp gia công thông thường như phay,cắt dây…ngoài ra thì còn rất nhiều phương pháp khác để gia công bề mặt của khuôn có kích thước nhỏ như là phương pháp khắc xung điện,CNC,hoặc ăn mòn…
Đối với các chi tiết có kích thước cực nhỏ (cơ vài Micromet trở xuống) thì ta sử dụng các phương pháp đặc biệt để gia công khuôn (vi gia công): Công nghệ sản xuất vi gia công được định nghĩa như là những qui trình dùng để chế tạo những chi tiết, những hệ thống mà ở đó kích thước gia công được mô tả ở cấp độ micrometer. Công nghệ vi gia công cũng có thể được mở rộng định nghĩa như là những quá trình sản xuất mà ở đó dụng cụ gia công nhỏ hơn 1mm. Vi gia công thuộc nhóm công nghệ phi truyền thống. Chúng có thể gia công những chi tiết có độ chính xác cao, với những cấu trúc vật thể 3D có kích thước ở cấp độ vi mô. Với những kích thước này, các công nghệ gia công truyền thống không thể thực hiện được.
Công nghệ vi gia công đang được ứng dụng hầu hết trong các lĩnh vực công nghiệp như cơ khí chính xác, công nghiệp ôtô, công nghiệp đồng hồ, trong y học, trong những thiết bị cảm biến, điện tử... Với công nghệ vi gia công đem lại năng suất cao và chi phí giá thành thấp. Ngày nay nó đang được nghiên cứu và phát triển mạnh cho những ứng dụng sau: thiết bị về tim mạch, cấy ghép y khoa, thiết bị điện tử cầm tay, camera, thiết bị không dây, pin nhiên liệu vi mô, Lò phản ứng lưu chất vi hóa, các thiết bị vi trộn, vi van, vi bơm, các cơ cấu sợi quang học, vi lỗ phun cho vòi phun nhiệt độ cao, vi khuôn, lắp ráp các thấu kính quang học, kỹ thuật in thạch bản tia X sâu.
Một số công nghệ điển hình:
Micro EDM:
Micro-EDM (Micro Electro Dis-charge Machining) có khả năng sản xuất những cấu trúc vi mô có dạng rỗng bằng những vật liệu và silicon được quét sơn. Độ chính xác của hình dáng chi tiết được xác định thông qua hình dạng của điện cực dụng cụ, quỹ tích di chuyển của nó, khoảng cách phóng điện giữa điện cực và chi tiết gia công. Về bản chất, EDM là một quá trình gia công cơ - nhiệt - điện mà ở đó cho phép sử dụng khả năng xói mòn bằng sự phóng điện, tạo lập giữa điện cực dụng cụ và điện cực chi tiết, để bóc đi vật liệu chi tiết gia công. Micro-EDM có thể sản xuất được các đối tượng có hình dáng hình học 2 hoặc 3D. Đặc biệt, nó có thể đạt được lỗ có đường kính 15 -300µm với dung sai nhỏ hơn +/- 1µm và các dạng bề mặt nhỏ phức tạp nhờ hệ thống CAD/CAM. Tốc độ cắt (tốc độ bóc vật liệu) đạt khoảng 25 triệu µm3/s.
Hình 1.26. Khuôn được phay vi mô với các phần tử micro. (phần tử nhỏ nhất: 0,05mm; nhám bề mặt Ra<0,15µm)
Trong công nghệ Micro-EDM, quan điểm là hạn chế năng lượng trong lúc phóng điện để chế tạo ra những đối tượng vi mô có bề mặt đạt độ chính xác cao. Năng lượng trong mỗi lần phóng điện nên được cực tiểu trong khi tần số phóng điện được tăng lên. Năng lượng trong mỗi lần phóng điện là 10- 6J đến 10-7J. Dưới những điều kiện ấy, nó có thể đạt được những bề mặt có độ bóng Rmax= 0,01mm, bằng những năng lượng điện cực tiểu. Quá trình Micro-EDM sản xuất rất nhiều chi tiết kim loại nhỏ, nhiều chi tiết nhỏ hơn so với qui trình khoan và phay đã từng nhìn thấy.
Quá trình gia công chính xác cao có thể thực hiện được mà không sử dụng lực ép lên trên vật liệu, bao gồm những bề mặt cong, bề mặt nghiêng và những tấm rất mỏng. Micro-EDM có thể dễ dàng thực hiện gia công một lỗ có độ sâu 15 -20 lần đường kính.
Công nghệ MEMS:
Hệ thống vi - cơ - điện cho phép sử dụng công nghệ chế tạo vi gia công bằng cách tích hợp các phần tử cơ khí, những bộ cảm biến, bộ khuếch đại và điện tử trên lớp nền silicon. Thiết bị của MEMS thì rất nhỏ. Hơn nữa, MEMS đã từng chế tạo những sợi dây điện của động cơ nhỏ hơn đường kính
của sợi tóc. Những cổng điện tử được chế tạo bằng cách sử dụng những quá trình mạch tích hợp (IC) liên tiếp như CMOS, Bipolar, hoặc quá trình BICMOS. Những chi tiết vi mạch được chế tạo bằng cách sử dụng những qui trình vi gia công mà ở đó việc bóc ra những phần của tấm mỏng silicon hoặc thêm vào những lớp nền để hình thành nên những thiết bị cơ khí và thiết bị cơ - điện.
Hình 1.27. Bánh răng 2 bậc modun 0.1mm được gia công bằng micro EDM.
Công nghệ MEMS đã được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực khác nhau như công nghệ sinh học, công nghệ thông tin, thiết bị gia tốc kế. MEMS cũng được sử dụng cho một loạt thiết bị từ những vật dụng trong gia đình cho đến các chi tiết trang trí trong ôtô.
Công nghệ phay micro:
Công nghệ phay micro là một dạng công nghệ thu nhỏ của công nghệ phay thông thường mà ở đó sử dụng dụng cụ cắt gọt nhỏ hơn, cứng hơn hoạt động ở tốc độ cao được dùng trên máy có nhiều trục. Phay micro có thể gia công với tốc độ quay của trục chính rất cao. Chẳng hạn như máy phay vi mô Kern có thể sử dụng những lưỡi cắt có đường kính nhỏ 100µm, tốc độ 100.000 vòng/phút. Độ chính xác gia công có thể đạt được dung sai 2 - 4µm.
Khi tỉ lệ giữa diện tích bề mặt với thể tích lớn hơn kích thước vi mô, nhiệt phân tán rất nhanh trên bề mặt vật liệu, dụng cụ và ngay cả trên phoi.
Hình 1.28. Mũi khoan micro có đường kính 0.25mm và ảnh lưỡi cắt phóng to.
Phay vi mô vẫn được phát triển như là một qui trình chế tạo vi mô. Nó có tiềm năng đối với việc chế tạo những chi tiết theo lô với đặc trưng kích thước vi mô, chi phí thấp với việc quay vòng vốn nhanh so với những qui trình vi gia công khác.
Vi Khoan:
Công nghệ vi khoan không chỉ yêu cầu mũi khoan nhỏ mà còn là phương pháp chuyển động quay tròn chính xác của mũi khoan vi mô và có chu kỳ khoan rất đặc biệt, được gọi là chu kỳ khoét (peck cycle), điều này giúp cho quá trình sản xuất những thành lỗ bằng phẳng.
Những mũi khoan vi mô nhỏ nhất (nhỏ hơn 50µm) là một loại dao lạng mà ở đó không có đường rãnh xoắn ốc, khiến cho phôi thoát ra từ lỗ rất khó khăn. Mũi khoan với đường kính 50µm hoặc nhỏ hơn có thể chế được chế tạo như một mũi khoan xoắn. Có nhiều đặc tính hình dạng hình học quan trọng của mũi khoan vi mô dạng dao lạng. Phần cuối cùng của lưỡi cắt của mũi khoan được gọi là lưỡi đục thay thế cho một điểm mũi. Điều này tạo thành 2 mặt phẳng giao nhau, mà ở đó được định nghĩa là 2 lưỡi cắt chính của mũi khoan. Lưỡi đục lấy vật liệu chủ yếu bằng quá trình cắt và đẩy ra
rất lớn so với lưỡi cắt chính của mũi khoan. Do thiếu điểm mũi, mũi khoan có thể trượt trên bề mặt ở vị trí bắt đầu quá trình khoan, kết quả là mũi khoan dễ gãy hoặc tạo thành một lỗ nghiêng so với bề mặt chi tiết gia công. Nhược điểm thứ 2 của lưỡi đục là quá dài so với đường kính mũi khoan, kết quả là lực đẩy dọc theo trục mũi khoan lớn.
Mũi khoan vi mô hầu hết được chế tạo bằng thép cobalt hoặc car-bide tungsten. Mũi khoan thép thì chi phí ít hơn và dễ dàng mài lại nhưng không cứng và bền bằng những dạng carbide tungsten. Góc ở mũi khoan (đỉnh) phụ thuộc vào vật liệu chế tạo ra nó. Thông thường góc ở đỉnh là 118 độ, với những vật liệu cứng thì góc ở đỉnh là 135 độ. Mũi khoan vi mô nên được dùng trong chu kỳ khoét mà ở đó mũi khoan được chuyển động ra vô nhiều lần trong lỗ đang được khoan. Điều này giúp cho việc làm sạch phoi ở bên trong lỗ. Dung dịch làm mát cũng góp phần vào làm sạch phoi. Lưu chất nên được phun vào ở dạng sương mù tốt hơn là ở dạng ứ đọng.
Hầu hết khi khoan kim loại, tốc độ trục chính nằm trong khoảng từ 2000 - 4000 vòng/phút trong khi lượng chạy dao là 1µm cho mỗi vòng quay. Các máy khoan micro CNC hiện nay có số vòng quay trục chính rất cao, ví dụ như máy của hãng Datron (Mỹ) là 65.000 vòng/phút khoan các lỗ nhỏ đến 0,1mm.
CHƢƠNG II: CƠ SỞ LÝ THUYẾT VỀ DẬP NỔI
Có rất nhiều tài liệu trình bày về cơ sở lý thuyết về công nghệ dập tấm hay dập khối. Tuy nhiên về những cơ sở lý thuyết về công nghệ dập nổi thì còn khá hạn chế. Các kết quả nghiên cứu về công nghệ chủ yếu được trình bày trong các bài báo khoa học về hướng nghiên cứu chủ yêu hiện nay trên thế gới là công nghệ dập nổi Micro (Micro Embossing technology).
Đối tượng nghiên cứu trong luận văn này là dập nổi các chi tiết mỹ thuật nên trong phần cơ sở lý thuyết sẽ tập trung xem xét những vấn đề sau: Sơ đồ công nghệ, đặc điểm công nghệ dập nổi, xác định thông số công nghệ cơ bản (lực dập nổi), khuôn dập nổi.
Dập nổi có những đặc điểm sau:
- Biến dạng chỉ xảy ra cục bộ trên bề mặt tại những vị trí có họa tiết tạo hình.
- Mức độ biến dạng tổng thì nhỏ nhưng xét tại một vị trí nào đó trên vùng tạo hình thì mức độ biến dạng có thể rất lớn phụ thuộc vào mức độ phức tạp cho họa tiết.
- Chỉ có kim loại ở vùng tạo hình nổi mới biến dạng, những vùng xung quanh hầu như không có biến dạng, nên trong dập tấm hay dập khối không có sự kéo hay bổ sung kim loại ở những vùng xung quanh vào khu vực tạo hình.
- Tạo hình nổi chi tiết tấm thường xảy ra hiện tượng biến mỏng cục bộ mãnh liệt. Tạo hình khối có thể xảy ra ở phạm vi một vài hạt kim loại ở khu vực tạo hình nếu họa tiết có kích thước chỉ một vài mm trở xuống tới µm.
- Cần tự động hóa quá trình sản xuất nếu chi tiết tạo hình nổi có kích thước nhỏ.
- Chi tiết bằng vật liệu cứng, khó biến dạng (thép) thì việc dập nổi thường chỉ là họa tiết đơn giản (như dập dấu), vật liệu thép tấm mỏng.
- Chi tiết có họa tiết phức tạp (chi tiết mỹ thuật, nghệ thuật, trang trí) thì chủ yếu vật liệu được sử dụng là đồng, kẽm, vàng, bạc để dễ tạo hình.
- Có thể gia nhiệt cục bộ khi tạo hình đối với cả tạo hình nổi tấm lẫn khối.
2.1 Sơ đồ công nghệ dập nổi
Công nghệ dập nổi sử dụng khuôn dập tạo hình được thực hiện theo trình tự: Phôi băng hay phôi cuộn Nắn phẳng Cắt thành phôi chiếc
Dập nổi trong khuôn Tinh chỉnh
Trong trường hợp dập nóng thì phôi trước khi dập trong khuôn sẽ được nung nóng (có thể trong lò hay trực tiếp trong khuôn dập). Trong trường hợp sau khi dập nổi, chi tiết chưa đạt được độ sắc nét cần thiết thì quản qua nguyên công tinh chỉnh. Song trong thực tế các nhà kỹ thuật luôn mong muốn không sử dụng nguyên công tinh chỉnh để tiết kiệm chi phí.
Công nghệ dập nổi đối với những chi tiết có kích thước nhỏ thường được tự động hóa để nâng cao chất lượng sản phẩm và dễ thực hiện (ví dụ đồng tiền, huân huy chương, huy hiệu, logo…). Đối với chi tiết lớn (bức tranh, ảnh) thường sản xuất trên các khuôn đơn và không có cơ cấu cấp phôi tự động. Đối với những chi tiết rất lớn, kích thước bàn máy và không gian thực hiện của máy không đảm bảo thì ta có thể dập nổi từng phần. Khi đó ta có thể cần cơ cấu di chuyển cối hay di chuyển chày.
Khi dập nổi chi tiết tấm lớn, mức độ biến dạng cục bộ lớn có ta có thể gia nhiệt cục bộ ngay trước khi dập.
Trong sơ đồ công nghệ, nguyên công dập nổi trong khuôn có vai trò