CHƯƠNG 11: CÁC PHƯƠNG PHÁP GIA CÔNG TIÊN TIẾN
11.3. Các phương pháp gia công theo nguyên lý điện
11.3.1 Gia công điện hóa (ECM – Electrochemical Machining)
Gia công điện hoá là sự loại bỏ kim loại có điều khiển bằng sự hoà tan anôt trong một hệ thống điện phân ở đó phôi là anôt và dụng cụ là katôt. Chất điện phân được bơm qua khe giữa dụng cụ và phôi, trong khi dòng điện một chiều đi qua hệ thống với điện áp thấp để hoà tan kim loại của phôi.
TOOL WORKPIECE TOOL WORKPIECE
Hình 11.8. Sơ đồ nguyên lý của ECM
Hình 11.9. Sơ đồ hệ thống của phương pháp ECM.
b. Điều khiển quá trình.
Tốc độ tách bỏ vật liệu trong ECM được điều khiển bởi định luật Pharaday. Các biến cơ bản tác động đến mật độ dòng điện và tốc độ tách bỏ vật liệu là: điện áp, tốc độ tiến dao, tính dẫn điện của chất điện phân, lưu lượng chất điện phân, thành phần chất điện phân, vật liệu phôi.
* Vật liệu phôi: vật liệu phôi cũng ảnh hưởng đến tốc độ tách bỏ vật liệu và mật độ dòng điện. Tốc độ tách bỏ vật liệu lý thuyết với các kim loại khác nhau được liệt kê ở bảng sau. Tốc độ này được suy ra từ định luật Faraday.
* Lưu tốc chất điện phân: là một thông số trong việc điều khiển quá trình ECM.
Nhiệt độ của chất điện phân tăng khi chẩy qua khe hở gia công phụ thuộc vào lưu lượng. Thêm vào đó, tốc độ ở đó các bong bóng Hydrô được mang đi do đó ảnh hưởng đến tính dẫn điện. Điều khiển áp lực là một phương pháp điều khiển lưu tốc (đặc biệt khi sử dụng bơm ly tâm). Lưu tốc cũng ảnh hưởng đến mức độ chảy rối của chất điện phân khi nó đi qua khe hở gia công và điều này ảnh hưởng đến chất lượng bề mặt. Lưu tốc cũng phải đủ lớn để rửa trôi lớp “bùn” sinh ra trong quá trình gia công.
* Tính dẫn điện của chất điện phân: ảnh hưởng đến trở kháng ở khe hở gia công.
Việc tăng mức đậm đặc của chất điện phân sẽ làm độ dẫn điện tăng lên, do đó làm
giảm trở kháng. Nhiệt độ của chất điện môi tăng cũng làm tăng độ dẫn điện. Vì vậy nồng độ chất điện phân và nhiệt độ của nó cần được kiểm soát.
* Tốc độ tiến dao : Ở một điện áp không đổi cả khoảng hở mặt bên và mặt trước đều tỷ lệ nghịch với tốc độ ăn dao, ảnh hưởng tác động lên khoảng hở mặt bên khoảng 60%. Khe hở ở mặt trước là hàm của tốc độ tiến dao vì khi katốt tiến gần anốt với tốc độ cao hơn, khe hẹp hơn dẫn đến trở kháng giảm. Khi trở kháng giảm, dòng điện tăng do đó tốc độ gia công tăng đến khi cân bằng được thiết lập. Tốc độ tiến dao giảm, tốc độ gia công giảm khi khe hở tăng vì katốt không gần bề mặt phôi. Khi khe hở tăng, trở kháng tăng và dòng giảm.
* Điện áp: giữa khe hở gia công ảnh hưởng đến dòng điện và tốc độ cắt bỏ vật liệu, nó được điều khiển trong phần lớn các hoạt động ECM, trong gia công điện hoá U ≈ 8
÷20V. Tuy nhiên với một điện áp không đổi, dòng điện cũng phụ thuộc vào trở kháng ở khe hở gia công. Trở kháng khó điều khiển hơn nhiều vì nó phụ thuộc vào tính dẫn điện của chất điện phân và chiều rộng của khe hở.
Kim loại Tốc độ tách bỏ vật liệu
Tỷ trọng (g/cm3) Khối lượng (Kg/h) Thể tích (mm3x103/ph)
Nhôm 2,7 0,34 2,1
Beryllium 1,9 0,17 1,5
Đồng 9,0 2,37 4,4
Gang 7,9 1,04 2,3
Molipden 10,2 1,19 2,0
Niken 8,9 1,09 2,1
WC 19,3 1,14 1,0
c. Chất điện phân.
Chất này có 3 chức năng trong ECM:
- Truyền dòng điện giữa dụng cụ và phôi.
- Mang các sản phẩm phản ứng khỏi vùng gia công.
- Tản nhiệt tạo ra trong quá trình gia công.
d. Dụng cụ (Katôt).
* Vật liệu dụng cụ: ngoài tính dẫn điện, nhiệt và trơ đối với các chất điện phân nên có độ cứng cần thiết và dễ gia công. Đồng, đồng thau, đồng thanh, thép không gỉ là các vật liệu hay dùng nhất làm dụng cụ ECM. Đồng thau hay đồng thanh thường là lựa chọn tối ưu, ngoại trừ các trường hợp yêu cầu độ cứng cao hơn. Titan đặc biệt có hiệu quả khi trong gia công chất điện phân axit anôt hoá nó (ví dụ: axit sunfuric). Dòng điện khi đó có thể đảo chiều định kỳ để loại bỏ các chất lắng đọng mà không làm ảnh hưởng đến katôt
* Thiết kế dụng cụ: thường được tạo hình giống như hình ảnh tương phản của vùng được gia công của chi tiết đã hình thành.
Chức năng của dụng cụ là cung cấp một đường đi xác định trước cho dòng điện ECM.
Nhà thiết kế phải xác định bản chất và phạm vi của độ lệch yêu cầu và khe hở cho phép từ cấu trúc hình ảnh ngược (khe hở trước thường vào khoảng 0,1 ÷ 0,8mm và khe hở bên 0,5 ÷ 1,3mm), trong khi vẫn cho phép lưu tốc dòng chảy chất điện phân đều và hiệu quả ở khe gia công để có một tốc độ tách bỏ vật liệu chấp nhận được.
* Kiểu dụng cụ. Kiểu chung của thiết kế dụng cụ thay đổi theo các ứng dụng ECM khác nhau.Các thiết kế thông dụng nhất của dụng cụ là kiểu dòng chảy hở, ở đó chất điện phân đi vào khe thông qua một kênh ở tâm của dụng cụ và thoát ra phía xung quanh phía ngoài của dụng cụ. Các dụng cụ dùng trong gia công mặt ngoài có thể là loại chảy ngang trong đó chất điện phân đi vào khe từ một phía của phôi và đi ra ở phía bên kia.
Hình 12.10. Các loại dụng cụ dùng trong ECM e. Một số chú ý:
- Các bề mặt của dụng cụ phải nhẵn mịn. Bất cứ một khuyết tật trên dụng cụ có thể ảnh hưởng đến việc gia công điện hoá và để lại các vết trên bề mặt gia công. Khía, vết xước, lỗ nhỏ, bavia và các đường có thể gây ra các khuyết tật gia công trên sản phẩm. Bất cứ vết nứt nào trên dụng cụ cản trở dòng chảy của chất điện phân có thể gây ra các đường chẩy hay kiểu chảy ảnh hưởng đến sản phẩm.
- Cách điện là vấn đề quan trọng trong việc điều khiển dòng điện. Dụng cụ có thể được cách điện theo một số cách tuỳ thuộc vào hình dạng của nó.
- Phôi: phần lớn các vật liệu dẫn điện có thể gia công điện hoá.
- Cấu trúc tế vi: Cỡ hạt lớn có thể có chất lượng bề mặt thô hơn sơ với hạt nhỏ.
+ Các hạt không tan (VD: grafit trong gang đúc) có thể làm bề mặt thô và gây ảnh hưởng xấu đến gia công .
+ Sự thay đổi trong thành phần như thép hoá cứng, bề mặt có thể gây ra sự khác nhau trong gia công.
+ Sự tập trung của các hợp chất giữa các kim loại tại các biên giới hạt như trong vùng nhạy nhiệt của một vài loại thép không gỉ, có thể gây ra các xâm hại giữa các hạt nghiêm trọng.
- Độ cứng: ECM có thể dùng để cắt thép đã tôi. Mặc dù tốc độ tách bỏ kim loại không liên quan trực tiếp đến độ cứng của kim loại, nó có thể bị ảnh hưởng bởi sự xử lý nhiệt và các biện pháp tăng cứng khác do sự thay đổi cấu trúc tế vi của vật liệu. Vì sự phụ thuộc của tốc độ tách bỏ vật liệu vào cấu trúc tế vi, điện áp không đổi và tốc độ tiến dụng cụ gia công không thể đảm bảo cho dung sai khắt khe và chất lượng bề mặt cao, vật liệu phôi đồng nhất cũng là yếu tố quan trọng. CLBM và dung sai có thể cũng thay đổi theo độ cứng của vật liệu.
-Làm sạch: làm sạch phôi gần như là việc cần thiết sau khi gia công điện hoá.
Thép và gang đúc thường được xử lý trong dung dịch kiềm sạch (với nước rửa hay không có nước rửa) hay trong hỗn hợp tách nước, lại có thể để lại một lớp bảo vệ trên phôi. Dung dịch đặc HCl thường được sử dụng trước khi dùng nước rửa. Trong một số ứng dụng có thể phun hạt thuỷ tinh tăng cứng bề mặt hay phun hơi.
- Hiện tượng giảm tính dẻo dai do hydro của bề mặt sản phẩm xảy ra trong gia công điện hoá, vì hydro được sinh ra ở dụng cụ chứ không phải ở phôi. Tuy nhiên sự xâm nhập của hydro có thể xảy ra khi phôi ở trong dung dịch axit mà không có dòng điện. Phôi nhạy cảm với hydro không nên nhúng trong chất điện phân axit mà không có dòng điện chạy qua và ngay sau khi gia công điện hoá, cần tiến hành xúc rửa cẩn thận. Các chất điện phân trung tính như các dung dịch muối, không có xu hướng gây ra hiện tượng giảm tính dẻo dai.
f. Độ chính xác và chất lượng bề mặt:
1. Chất lượng bề mặt:
Chất lượng bề mặt của các chi tiết gia công bằng điện hoá thường từ 0,03 ÷ 1,9 àm khi cắt theo mặt trước và khoảng 5 àm hay lớn hơn ở cạnh bờn. Cỏc biến quan trọng ảnh hưởng đến chất lượng bề mặt là mật độ dòng điện, tốc độ tiến dụng cụ gia công, kích thước khe hở gia công, thành phần chất điện phân, độ nhớt, nhiệt độ, dòng chảy (lưu lượng) và cấu trúc tế vi của phôi.
2. Độ chính xác:
Dung sai kích thước thông thường của ECM là ± 0,13 mm ở khe gia công trước và ±0,25 mm ở khe hở bên. Tuy nhiên, có khả năng điều khiển để đạt được ± 0,025 mm. Khó có thể gia công bán kính trong nhỏ hơn 0,8 mm, bán kính ngoài có thể là 0,5 mm hay lớn hơn. Cắt quá, côn và bán kính góc phụ thuộc vào cấu trúc của katốt, mức cắt quá là 0,5 mm và bán kính góc là 2,5 mm. Đường biên của bán kính trong có thể
g. Ứng dụng của ECM:
Hình 11.11. Các ứng dụng của ECM.
a) đường biên đáy của một lỗ sâu.
b) đuôi máy bay được gia công trực tiếp bằng đĩa nén.
c) gia công tinh lỗ côn trong đầu phun nhiên liệu.
d) gia công thành mỏng vật đúc có vấu lồi.
e) gia công theo đường biên các bề mặt cánh tuốc bin.
f) cắt các lỗ trong một đĩa van.
g) cắt các rãnh xoắn ốc trong một đĩa ma sát.
h) cắt nhiều hốc nhỏ trên inconel 718.