§6. Các phương pháp gia công đặc biệt

1§6. Các phương pháp gia công đặc biệt General Mechanical Engineering 4.143 Có thể chia ra làm 5 nhóm chính sau - Phương pháp gia công bằng phóng điện ăn mòn: tia lửa điện, xung điện, … HCM City Univ. of Technology, Mechanical Engineering Department Nguyen Tan Tien - Phan Hoang Long - Phương pháp gia công bằng siêu âm - Phương pháp gia công bằng chùm tia: chùm tia điện tử, tia laser, plasma, ... - Phương pháp gia công bằng điện hoá học - Phương pháp gia công bằng cách phối hợp giữa các phương pháp nói trên với nhau, giữa các phương pháp nói trên với phương pháp gia công cơ thuần túy (ví dụ: mài điện hoá) I. Phương pháp gia công bằng tia lửa điện (Electrical-Discharge Machining) General Mechanical Engineering 4.144 HCM City Univ. of Technology, Mechanical Engineering Department Nguyen Tan Tien - Phan Hoang Long Một số sản phẩm của phương pháp gia công bằng tia lửa điện 2General Mechanical Engineering 4.145 - Đặc điểm HCM City Univ. of Technology, Mechanical Engineering Department Nguyen Tan Tien - Phan Hoang Long + Gia công kim loại bằng tia lửa điện là một dạng gia công bằng phóng tia lửa điện để ăn mòn vật liệu gia công, khi truyền năng lượng qua rãnh dẫn điện + Chất lượng gia công không phụ thuộc tính chất cơ lý của vật liệu mà chỉ phụ thuộc các thông số về nhiệt - Nguyên lý gia công + Dòng điện một chiều từ nguồn qua biến trở R nạp vào tụ C + Khi khe hở giữa hai điện cực đủ bé→ xuất hiện tia lửa điện, chọc thủng lớp cách điện giữa hai điện cực, tạo nên rãnh dẫn điện. Nhiệt độ ở vùng này lên đến hàng ngàn độ làm chảy lỏng, đốt cháy phần kim loại trên bề mặt gia công (cực dương) và tạo nên hình dạng cần thiết tùy theo hình dạng của điện cực dụng cụ (cực âm) General Mechanical Engineering 4.146 HCM City Univ. of Technology, Mechanical Engineering Department Nguyen Tan Tien - Phan Hoang Long + Trong quá trình phóng điện, xuất hiện sự ion hoá cực mạnh ở vùng tác dụng và tạo nên áp lực va đập rất lớn, hắt kim loại bị phá hỏng ra khỏi vùng gia công dưới dạng những hạt nhỏ hình cầu + Toàn bộ quá trình trên xảy ra trong thời gian rất ngắn. Sau thời gian phóng điện, mạch trở lại trạng thái ban đầu và khi điện áp của tụ được nâng lên đến mức đủ để phóng điện, quá trình trên lại xảy ra ở điểm có khoảng cách gần nhất + Để đảm bảo cho quá trình gia công là liên tục, điều khiển điện cực dụng cụ đi xuống sao cho khe hở giữa hai điện cực là không đổi và ứng với điện áp nạp vào tụ C 3General Mechanical Engineering 4.147 HCM City Univ. of Technology, Mechanical Engineering Department Nguyen Tan Tien - Phan Hoang Long + Quá trình phóng điện ở vùng gia công như sau Dưới tác dụng của điện trường, các ion dương tự do và các electron được gia tốc, tạo nên một kênh dẫn điện. Tia lửa điện hình thành tại đây do va chạm của các ion (+) và electron (-) dẫn đến hình thành dòng plasma Việc va chạm giữa các ion và electron tạo ra nhiệt độ cao trên cả hai cực của dòng khí. Đồng thời, nhiệt độ cao tại hai cực làm chảy và hoá hơi các phần của vật liệu Sự phóng điện chấm dứt, dòng plasma tắt. Điện cực hoà tan trong dung dịch cách điện và được đưa ra ngoài General Mechanical Engineering 4.148 - Khả năng công nghệ HCM City Univ. of Technology, Mechanical Engineering Department Nguyen Tan Tien - Phan Hoang Long + Chỉ có thể gia công được những vật liệu dẫn điện (kim loại, hợp kim, …). Có thể tạo nên những hình dạng phức tạp tùy thuộc và hình dạng tương ứng của diện cực dụng cụ + Độ bóng bề mặt gia công thông thường đạt Ra = 6,3~3,2 µm, với hợp kim cứng có thể đạt Ra = 1,6~0,8 µm. Vật liệu điện cực dụng cụ hay dùng là đồng thau, đồng đỏ, nhôm, gang tùy theo vật liệu gia công và chất lượng, năng suất yêu cầu 4General Mechanical Engineering 4.149 HCM City Univ. of Technology, Mechanical Engineering Department Nguyen Tan Tien - Phan Hoang Long - Một số phương pháp gia công EDM General Mechanical Engineering 4.150 HCM City Univ. of Technology, Mechanical Engineering Department Nguyen Tan Tien - Phan Hoang Long II. Phương pháp gia công bằng chùm tia laser (laser beam machining) - Đặc điểm + Tia laser là chùm tia ánh sáng đơn sắc, có tính định hướng cao, bước sóng rất ngắn nên có thể dùng hệ thống quang học tập trung nó trên một diện tích rất nhỏ, có mật độ năng lượng rất cao → nhiệt độ lên đến hàng ngàn độ, có thể nung nóng, làm chảy và đốt cháy kim loại ở vùng nó tác dụng vào + Bản chất: Trong vật liệu laser có những ion hoạt tính. Khi những ion này được kích thích lên mức năng lượng cao và tụt xuống mức năng lượng cơ sở→ phát ra những lượng tử, những lượng tử này bắn vào các ion khác và các ion khác này cũng phát ra các lượng tử cứ như một dây chuyền phản ứng làm tăng rất nhanh số hạt lượng tử. Nếu dùng thêm những bộ cộng hưởng quang học thì tốc độ tăng của những hạt lượng tử càng nhanh, lớn hơn và phát ra tia laser 5General Mechanical Engineering 4.151 HCM City Univ. of Technology, Mechanical Engineering Department Nguyen Tan Tien - Phan Hoang Long Bộ phận cung cấp và điều khiển 1 2 3 4 5 6 7 8 9 1. Bộ phận cung cấp và điều khiển 2. Bộ phận phản xạ ánh sáng 3. Đèn phát xung 4. Thanh hồng ngọc 5,6. Gương phản xạ 7. Thấu kính hội tụ 8. Chi tiết gia công 9. Bàn gá chi tiết - Nguyên lý gia công + Nguồn điện cấp qua biến thế và nắn dòng nạp vào hệ thống tụ. Điện áp tối đa của tụ là 2kV để điều khiển sự phóng điện tới đèn phát xung 3 đặt ở một trong hai tâm của bộ phận phản xạ ánh sáng 2 (tiết diện ngang hình ellipse) + Khi đèn phát sáng, toàn bộ năng lượng sẽ tập trung vào vị trí đặt thanh hồng ngọc 4 + Các ion của thanh hồng ngọc bị kích lên mức năng lượng cao, khi tụt xuống sẽ phát ra những lượng tử 3+Cr + Hệ quang học 7 tập trung chùm tia và tác dụng lên vật gia công 8 đặt trên bàn máy 9 + Nhờ hệ dao động gương phẳng 5 và 6, những lượng tử này sẽ đi lại nhiều lần qua thanh hồng ngọc và kích thích các ion khác để rồi cùng phóng ra chùm tia lượng tử 3+Cr General Mechanical Engineering 4.152 HCM City Univ. of Technology, Mechanical Engineering Department Nguyen Tan Tien - Phan Hoang Long + Quá trình tác dụng của chùm tia laser vào vị trí gia công như sau
Vật liệu gia công hút năng lượng của chùm tia laser và chuyển năng lượng này thành nhiệt năng
Đốt nóng vật liệu gia công đến nhiệt độ có thể phá hỏng vật liệu đó
Phá hỏng vật liệu gia công và đẩy chúng ra khỏi vùng gia công
Vật liệu gia công nguội dần sau khi chùm tia laser tác dụng xong - Khả năng công nghệ + Rất hiệu quả khi dùng để gia công lỗ nhỏ. Đường kính nhỏ nhất có thể đạt đến 4µm + Gia công được các loại vật liệu khác nhau như kim loại, thạch anh, kim cương, rubi, … + Chiều sâu lỗ có thể đạt 12,7mm 6General Mechanical Engineering 4.153 HCM City Univ. of Technology, Mechanical Engineering Department Nguyen Tan Tien - Phan Hoang Long III. Phương pháp gia công bằng siêu âm (ultrasonic machining) - Đặc điểm + Gia công kim loại bằng siêu âm là một dạng của gia công cơ + Bản chất là dùng năng lượng va đập đồng thời của một số rất lớn các hạt mài có tần số va đập cao lên mặt gia công để tách những hạt kim loại rất nhỏ, có kích thước vài µm - Nguyên lý gia công 1 2 3 4 5 6 7 + Dao động có tần số cao (16~20KHz) từ máy phát siêu âm truyền đến biến tử. Ở đây dao động điện được biến thành dao động cơ học cùng tần số, biên độ dao động khoảng 5~10µm + Thanh truyền sóng truyền dao động cần thiết từ biến tử đến dụng cụ để gia công kim loại + Dung dịch hạt mài được đưa vào vùng gia công dưới đầu dụng cụ + Tổng hợp chuyển động dao động của đầu dụng cụ và tác dụng của hạt mài sẽ chép lại hình thù của dụng cụ trên vật gia công được gá đặt trên bàn máy General Mechanical Engineering 4.154 HCM City Univ. of Technology, Mechanical Engineering Department Nguyen Tan Tien - Phan Hoang Long - Khả năng công nghệ + Gia công được cả vật liệu kim loại lẫn vật liệu bán dẫn và vật liệu phi kim loại + Khi chi tiết gia công cố định, có thể gia công được lỗ thông hay không thông, lỗ định hình thẳng hoặc cong, cắt rãnh, cắt đứt, … + Khi cung cấp cho phôi hay dụng cụ thêm một chuyển động phụ thì có thể thực hiện được các nguyên công phay, mài, tiện, cắt đứt, cắt ren, … - Vật liệu chế tạo dụng cụ + Thép carbon như C45, thép dụng cụ như Y8A, YA, thép hợp kim như 40X, 60Γ, … + Hạt mài thường dùng: cacbit bo, cacbit silic, korun điện, bột kim cương + Chất lỏng trong dạng huyền phù có ý nghĩa rất quan trọng trong việc gia công. Chất lỏng thường là nước, dầu mazút, dầu hoả, cồn, dầu máy, dầu gai, dầu biến thế và dầu grixêrin + Độ chính xác gia công bằng siêu âm phụ thuộc nhiều yếu tố trong đó những yếu tố cơ bản là độ đồng nhất của hạt mài, sự tồn tại dao động ngang của dụng cụ, chế độ gia công, độ mòn của dụng cụ, … - Nhược điểm: dụng cụ mòn khá nhanh 7General Mechanical Engineering 4.155 HCM City Univ. of Technology, Mechanical Engineering Department Nguyen Tan Tien - Phan Hoang Long IV. Phương pháp gia công điện hoá (electrochemical machining) - Đặc điểm + Có thể gia công được nhiều dạng bề mặt phức tạp + Khả năng gia công không phụ thuộc vào cơ tính của vật liệu mà phụ thuộc vào thành phần hoá học của nó + Điện cực dụng cụ nói chung không bị mòn + Có thể đạt năng suất cao so với các phương pháp gia công khác trong nhóm phương pháp điện vật lý và điện hoá + Khi nâng cao năng suất thì độ bóng tăng. Đây là đặc điểm mà chỉ phương pháp này mới có General Mechanical Engineering 4.156 HCM City Univ. of Technology, Mechanical Engineering Department Nguyen Tan Tien - Phan Hoang Long - Nguyên lý gia công + Thực chất của phương pháp này là quá trình hoà tan điện cực dương trong môi trường chất điện phân khi có dòng điện đi qua + Điện cực dương là vật gia công và điện cực âm là dụng cụ. Dụng cụ có dạng âm bản của mặt gia công + Cường độ dòng điện đi qua hai điểm tương ứng trên chi tiết gia công và vật liệu gia công tỉ lệ nghịch với khoảng cách giữa hai điểm đó → Như vậy ở các điểm khác nhau trên cực dương có khoảng cách tới điểm tương ứng trên cực âm mà khác nhau thì tốc độ hoà tan vật liệu của cực dương vào chất điện phân sẽ khác nhau. Do đó, có thể tạo nên được hình thù bất kỳ tương ứng với hình thù của điện cực âm 8General Mechanical Engineering 4.157 HCM City Univ. of Technology, Mechanical Engineering Department Nguyen Tan Tien - Phan Hoang Long - Yêu cầu về dung dịch điện phân và hình thức gia công + Chất điện phân dùng trong gai công điện hoá có nhiều loại khác nhau miễn là dễ hoà tan trong nước và dễ kết hợp với kim loại gia công tạo thành một hợp chất dễ tách khỏi vật liệu gia công - Khả năng công nghệ + Chỉ có thể gia công được những vật liệu dẫn điện (kim loại, hợp kim, …) + Gia công các bề mặt phức tạp, độ chính xác chi tiết phụ thuộc vào độ chính xác chế tạo điện cực dụng cụ General Mechanical Engineering 4.158 HCM City Univ. of Technology, Mechanical Engineering Department Nguyen Tan Tien - Phan Hoang Long V. Phương pháp gia công mài điện hoá (electrochemical grinding machining) - Đặc điểm + Là phươngpháp tổng hợp các tác dụng của phương pháp gia công điện hóa và phương pháp cơ học của hạt mài + Khả năng gia công không phụ thuộc vào cơ tính của vật liệu mà phụ thuộc vào thành phần hoá học của nó + Điện cực dụng cụ nói chung không bị mòn + Có thể đạt năng suất cao so với các phương pháp gia công khác trong nhóm phương pháp điện vật lý và điện hoá + Có thể đạt năng suất cao so với các phương pháp gia công khác trong nhóm phương pháp điện vật lý và điện hoá 9General Mechanical Engineering 4.159 HCM City Univ. of Technology, Mechanical Engineering Department Nguyen Tan Tien - Phan Hoang Long - Nguyên lý gia công 1 2 3 4 5 6 Sơ đồ mài điện hoá mặt trụ ngoài + Khi gia công, đá mài là điện cực âm, chi tiết gia công là cực dương + Các hạt mài nhô lên tạo khe hở giữa chi tiết và đá. Khe hở này chứa đầy dung dịch chất điện phân. Khi có dòng điện một chiều chạy qua, quá trình điện hoá – hoà tan điện cực dương sẽ xảy ra trong vùng này + Vật liệu bị hoà tan được tách khỏi bề mặt gia công nhờ tác dụng cơ học của hạt mài khi đá mài chuyển động + Vật liệu bị hoà tan cùng với chất điện phân được những hạt mài chuyển động cuốn ra ngoài, đồng thời chất điện phân mới được phun vào chứa đầy vùng khe hở + Khi sử dụng phương pháp này, vận tốc đá mài 20~30m/s, điện thế làm việc 6~8V, cường độ dòng có thể đến 2000A General Mechanical Engineering 4.160 HCM City Univ. of Technology, Mechanical Engineering Department Nguyen Tan Tien - Phan Hoang Long - Tính chất của đá và dung dịch điện phân + Đá mài phải dẫn điện, thông thường đá mài có thành phần là graphit hạt mài và chất kết dính - Khả năng công nghệ + Có thể gia công mặt phẳng, mặt trụ, mặt định hình hoặc mài sắc lưỡi cắt của dụng cụ cắt + Dung dịch chất điện phân thường dùng là nước thủy tinh hoặc dung dịch CaNO3