CHƯƠNG I TỔNG QUAN 1.1 Gia công hỗn hợp. Với sự tiến bộ của các ngành như hàng không vũ trụ, y sinh, điện tử, môi trường, truyền thông và ô tô, ngày càng nhiều vật liệu tiên tiến đang được phát triển. Ngành sản xuất ngày nay đang phải đối mặt với những thách thức từ những vật liệu tiên tiến và khó gia công đó như Inconel-718, Ti6Al4V, PCD, aluminide γ-Ti, Al2O3, Si3N4, ZrO2,. Những vật liệu này đang được gia công không phải bằng các quy trình gia công truyền thống hay bất kỳ quy trình gia công phi truyền thống nào một cách hiệu quả.
Các nhà khoa học sản xuất đã phát triển một số quy trình gia công, có thể được sử dụng để gia công những vật liệu tiên tiến như đã đề cập nhưng những quy trình đó không có tính kinh tế. Điều này đòi hỏi sự phát triển của quy trình gia công mới hơn bằng cách tận dụng các cơ chế loại bỏ vật liệu của hai hoặc nhiều quy trình gia công. Những nỗ lực của các nhà khoa học đã cho ra đời nhận thức mới về công nghệ gia công, hiện được biết đến với tên gọi quy trình gia công hỗn hợp (Hybrid Machining Process-HMP) Các lý do để phát triển quy trình gia công hỗn hợp (HMP) không chỉ để tận dụng các lợi thế kết hợp hoặc tăng cường lẫn nhau mà còn để tránh hoặc giảm một số tác động bất lợi đến các quá trình gia công khi chúng được áp dụng riêng lẻ. Gần đây, các nhà nghiên cứu đã mô tả các khả năng gia công, những ưu điểm, nhược điểm, những nỗ lực và phát triển có thể có trong tương lai của quy trình gia công hỗn hợp hiện đại có thể phân thành hai hạng mục chính: kỹ thuật hỗ trợ (Assisted Techniques) và kỹ thuật kết hợp (Combined Techniques): ✓ Kết hợp: trong đó tất cả các quy trình cấu thành đều trực tiếp tham gia vào loại bỏ vật liệu.
✓ Hỗ trợ: trong đó chỉ một trong các quy trình tham gia trực tiếp loại bỏ 1 vật liệu trong khi những quy trình khác chỉ hỗ trợ trong việc loại bỏ.1 Phân loại cơ bản của gia công hỗn hợp [1]. Trong cả hai kỹ thuật trên, ảnh hưởng của các quá trình chảy dẻo, mài mòn cơ học, gia nhiệt, nóng chảy, bay hơi và hòa tan diễn ra và làm thay đổi các điều kiện hóa lý của quá trình gia công và tính chất vật liệu của phôi. Bằng cách sử dụng các tương tác khác nhau, các quy trình gia công hỗn hợp chính đang được phát triển trên khắp thế giới. Chủ yếu có ba loại tương tác: Tương tác cơ học (Mechanical Interaction), Tương tác nhiệt (Thermal Interaction) và Hóa chất và Điện hóa Chemical and Electro-chemical Interaction).
• Tương tác cơ học: Tất cả các phương pháp hoàn thiện cắt, mài và mài mòn đều dựa trên tương tác cơ học của lưỡi cắt của dụng cụ cắt và vật liệu mài mòn với vật liệu phôi. Dòng mài mòn và mài mòn tạo ra sự mài mòn trên phôi. Tiện, phay và khoan, … tạo ra tác động cắt do biến dạng dẻo của phôi. Tia nước áp suất cao, tia nước treo áp suất thấp,.
tạo ra dòng chảy chất lỏng tác động trên phôi. Tuy nhiên, những tương tác cơ học này có một số nhược điểm như nó tạo ra lực cắt cao hơn làm phát sinh nhiệt, mài mòn dụng cụ, các hiệu ứng cơ và nhiệt khác nhau trên bề mặt. Độ cứng của các cấu trúc động 2 học của máy công cụ nên cao hơn để vượt qua lực cắt. • Tương tác nhiệt: Gia công bằng tia Laser (Laser Beam Machining_LBM), Gia công bằng tia điện tử (Electron Beam Machining_EBM), Gia công chùm tia Plasma (Plasma Beam Machining_PBM), Gia công tia lửa điện (Electrical Discharge Machining_EDM) và các quá trình nhiệt trong đó vật liệu được loại bỏ qua sự thay đổi pha, bằng cách nấu chảy hoặc hóa hơi vật liệu.
Việc dẫn hướng và điều khiển chùm tia điện tử, chùm tia laser, chùm tia plasma và điện phóng điện tạo ra các hiệu ứng nhiệt trên bề mặt làm việc để loại bỏ vật liệu để đạt được hình dạng mong muốn. Tuy nhiên, hiện tượng thứ cấp liên quan đến chất lượng bề mặt xảy ra trong quá trình gia công, chẳng hạn như nứt vi mô, hình thành vùng ảnh hưởng nhiệt và hình thành các vân do tác động nhiệt là những hạn chế chính. • Tương tác hóa học và điện hóa học: Gia công hóa học (Chemical Machining_CM), Gia công điện hóa (Electrochemical Machining_ECM), Xung gia công điện hóa (Pulse electrochemical machining_PECM), Đánh bóng điện (Electropolishing_EP) là các quá trình định hình và hoàn thiện dựa trên ứng dụng của sự hòa tan vật liệu sử dụng năng lượng hóa học hoặc điện hóa. Là một quá trình loại bỏ kim loại phi cơ học, các quá trình này có khả năng gia công bất kỳ vật liệu dẫn điện nào bất kể chúng là gì các tính chất cơ học, chẳng hạn như độ bền, độ cứng, độ dai và độ giòn.
Tuy nhiên, những tương tác này không thể loại bỏ vật liệu trơ về mặt hóa học, độ chính xác gia công cũng là một hạn chế.2 Gia công có hỗ trợ rung động. Gia công hỗ trợ rung là một phần của gia công hỗn hợp trong đó sử dụng rung động từ tần số thấp đến cao với biên độ nhỏ hỗ trợ cho việc gia công các vật liệu cứng hoặc giòn. Rung siêu âm cũng được sử dụng trực tiếp trong nhiều gia công tiên tiến ứng dụng để hỗ trợ cơ chế loại bỏ vật liệu. Ưu điểm của gia công hỗ trợ rung là giảm 3 mài mòn và hư hỏng dụng cụ cắt, giảm lực cắt, cải thiện chất lượng bề mặt của sản phẩm, chất lượng hình học tốt hơn và cải thiện năng suất quy trình.
Có hai phương pháp tạo rung thường dùng dựa trên hai hiện tượng vật lí là hiện tượng từ giảo và hiện tượng áp điện. Phương pháp tạo rung bằng hiệu ứng áp điện được sử dụng phổ biến hơn so với phương pháp từ giảo do có nhiều ưu điểm: tần số làm việc không bị hạn chế và thay đổi dễ dàng, hiệu suất chuyển đổi năng lượng điện- cơ cao (khoảng 95 %) và không gây tiếng ồn khi làm việc. Trong khi đó, đầu rung từ giảo có tần số làm việc bị hạn chế (< 30 kHz) và khó thay đổi, hiệu suất chuyển đổi điện-cơ thấp (< 50 %) và gây tiếng ồn lớn khi làm việc (> 85 dB). Hiệu ứng áp điện được mô tả như sau: khi tác dụng một lực lên một tấm vật liệu áp điện sẽ sinh ra một điện áp tại hai cực của tấm.
Ngược lại, nếu đặt một điện áp đổi lên hai mặt của tấm sẽ gây nên sự thay đổi về biến dạng (hình 1.2 Hiệu ứng xảy ra khi việc nén một vật liệu áp điện. Có hai dạng kết cấu phổ biến tạo rung bằng hiệu ứng áp điện là: kết cấu sử dụng gốm PZT dạng tấm mỏng xếp chồng (hình 1.3a) và kết cấu sử dụng gốm PZT dạng đĩa (hình 1.3 Cơ cấu rung: PZT dạng màng tấm mỏng (a), PZT dạng đĩa (b) 1.2 Gia công cơ khí có hỗ trợ rung động. Trong nỗ lực để nâng cao hiệu suất gia công đã cho thấy rằng chất lượng gia công có thể được cải thiện bằng cách sử dụng rung động cho dụng cụ cắt hoặc phôi. Gia công có hỗ trợ rung (Vibration Assisted Machining-VAM) được giới thiệu lần đầu vào cuối những năm 1950 và đã được áp dụng trong các quy trình gia công khác nhau, bao gồm cả gia công truyền thống như: tiện, khoan, mài và gần đây là phay… và gia công phi truyền thống như: gia công bằng laser, in 3D, gia công tia lửa điện, và gia công điện hóa… Hiện nay VAM thường được sử dụng trong cơ khí chính xác để sản xuất các bộ phận làm từ các vật liệu có độ cứng cao.
Gia công hỗ trợ rung động bổ sung năng lượng bên ngoài vào quá trình gia công và tạo ra rung động biên độ thấp, tần số cao cho dụng cụ cắt hoặc phôi, có thể đạt được sự phân tách tuần hoàn giữa phôi chưa cắt và dụng cụ. Điều này có thể làm giảm lực cắt gia công trung bình và tạo ra phoi mỏng hơn, do đó dẫn đến hiệu quả xử lý cao, kéo dài tuổi thọ dụng cụ cắt, nâng cao chất lượng bề mặt và độ chính xác, đồng thời giảm sự tạo ra gờ trên bề mặt phôi [2-7]. Hơn nữa, khi vật liệu cứng và giòn, chẳng hạn như hợp kim titan, gốm và thủy tinh quang học, có thể tăng chiều sâu cắt [8]. Do đó, hiệu suất cắt có thể được cải thiện đồng thời tránh được các quá trình xử lý không cần thiết sau gia công, điều này cho phép sản xuất các chi tiết có hình dạng phức tạp hơn [9].4 Sơ đồ hệ thống VAM điển hình.
Chất lượng bề mặt tốt hơn có thể đạt được với rung siêu âm. Các phoi ngắn hoặc thậm chí không liên tục có thể được tạo ra do vỡ phoi do cắt hỗ trợ rung động. Ngoài ra, lợi thế của việc cắt hỗ trợ rung là giảm các cạnh và gờ tích hợp trong quá trình cắt hoạt động cắt. Tiện hỗ trợ rung cũng có khả năng tạo ra các vi cấu trúc bề mặt được xác định trước mà không cần sử dụng bất kỳ công cụ tạo kết cấu bổ sung nào [10] trong đó, rung động nên được áp dụng theo hướng xuyên tâm hoặc theo hướng tiến dao.
Việc khoan được hỗ trợ rung cũng có thể được thực hiện bằng rung dao hoặc phôi. Do động học rung động, lực cắt thấp hơn, phá vỡ phoi tốt hơn và loại bỏ phoi nói chung là đạt được [11]. Lực khoan giảm tới 20% đối với biên độ rung cao ở nhiệt độ cao hơn so với khoan thông thường của Ti6Al4V. Khoan lỗ sâu có hỗ trợ rung của Inconel 738LC tạo ra lực khoan thấp hơn, độ nhám bề mặt tốt hơn do vỡ phoi [12].
Kết quả lực và mômen cũng được giảm bớt trong quá trình khoan có hỗ trợ rung. Phay và mài có hỗ trợ rung ít được áp dụng hơn vì sự phức tạp trong động học cấu trúc máy cần thiết cho dạng hình học phức tạp của phôi. Biên độ của dao động là một thông số quan trọng cần được tối ưu hóa để đạt được độ nhám bề mặt tốt [13] 6 1.3 Gia công tia lửa điện có hỗ trợ rung động. Trong phương pháp gia công tia lửa điện, phoi được tạo ra, chúng tích lũy trong khe hở giữa điện cực và phôi.
Nếu số lượng phoi trong khe hở gia công quá lớn, tính dẫn điện của chất lỏng điện môi tăng lên và xảy ra sự phóng điện bất thường, dẫn đến việc hao mòn điện cực nhanh và làm chậm tốc độ loại bỏ vật liệu (Material Removal Rate- MRR) [14].