CHƯƠNG 1. CƠ SỞ VẬT LÝ QUÁ TRÌNH TẠO PHOI KHI PHAY CAO TỐC 1.1 Tổng quan chung về gia công cao tốc 1.1 Lịch sử phát triển của gia công cao tốc Gia công cao tốc (HSM) được nghiên cứu từ những năm 1920 và đến đầu năm 1931 tiến sĩ Carl J.Salomon [85, 92] là người đầu tiên đưa ra định nghĩa về gia công cao tốc: “Gia công cao tốc là gia công với tốc cắt nhanh hơn vận tốc cắt khi gia công truyền thống từ 5 đến 10 lần”. Bằng các thí nghiệm và nghiên cứu của mình Carl J.Salomon cho rằng tốc độ cắt càng tăng thì nhiệt cắt càng giảm. Qua các thực nghiệm gia công tốc độ cao cho nhôm, đồng, thép Carl J.Salomon đã chỉ ra được mối quan hệ giữa tốc độ cắt và nhiệt độ sinh ra trong quá trình cắt như trên Hình 1.
Nghiên cứu cho thấy ở tốc độ cắt cao thì quá trình bóc tách vật liệu nhanh hơn tuy nhiên chỉ nên tăng đến một một giới hạn nhất định của tốc độ cắt, vì việc tăng tốc độ cắt cũng tương ứng với việc dụng cụ cắt phải làm việc trong môi trường khốc liệt dẫn đến mài mòn dụng cụ cắt nhanh và tuổi bền giảm.E Merchant cùng với nhóm nghiên cứu nhận thấy rằng tốc độ được cắt gia tăng là do sự phát triển vượt bậc của công nghệ vật liệu làm dụng cụ cắt và thống kê cho thấy từ năm 1900 cứ sau 10 năm thì tốc độ cắt tăng lên gấp 2 lần (Hình 1.1 Nhiệt phụ thuộc vào tốc độ cắt [79]. Xu hướng tăng tốc độ cắt lại được xác nhận lần nữa vào năm 1960 và dự kiến sẽ tiếp tục tăng nữa trong tương lai. Năm 1970 gia công cao tốc một lần nữa được Lockheed công nhận với những lợi ích tiềm năng của nó [55]. Sau đó nghiên cứu về gia công cao tốc của Icks và Schulz cho rằng cắt gọt ở tốc độ cao còn phụ thuộc vào từng loại vật liệu gia công.
Các nghiên cứu tiếp theo về gia công cao tốc đã xét tới các vấn đề liên quan đến thiết bị và điều kiện cụ thể cho từng loại vật liệu như sơ đồ cho trên Hình 1. Ngoài định nghĩa của Carl J.Salomon thì gia công cao tốc cũng có thể được xác định là gia công với tốc độ quay trục chính cao, bước tiến lớn, gia công cho năng suất cao. Tuy 6 nhiên cách hiểu này cũng mang tính chất tương đối do tốc độ trục chính và tốc độ dịch chuyển của bàn máy được coi là nhanh hoặc chậm là ứng với tùy loại vật liệu khác nhau. Hiện nay gia công cao tốc tạm thời được cho là phương pháp cắt gọt sử dụng tốc độ trục chính cao và bước tiến lớn với lượng chạy dao ngang nhỏ và chiều sâu cắt nhỏ.3 Đặc điểm lịch sử gia công tốc độ cao [106].
Tuy nhiên các định nghĩa trên chưa thể hiện hết bản chất của quá trình gia công cao tốc. Gia công cao tốc vẫn là tổng hòa của nhiều yếu tố công nghệ như máy móc, thiết bị, phần mềm lập trình và chế độ cắt để đạt hiệu quả gia công là cao nhất. Gia công cao tốc được so sánh với gia công truyền thống bằng các vùng tốc độ cắt tương ứng với loại vật liệu khác nhau thể hiện trên Hình 1. So với gia công truyền thống thì gia công cao tốc có một số các ưu điểm sau: Tốc độ bóc tách kim loại nhanh, lực cắt thấp, chất lượng bề mặt gia công tốt, gia công được vật liệu có độ cứng cao, gia công được chi tiết 7 thành mỏng và không cần tưới nguội, độ chính xác hình dạng cao, kết hợp được gia công thô và gia công tinh, không gây hư hại bề mặt và giảm thiểu bavia, năng suất gia công tăng.
Xu thế ảnh hưởng của gia công cao tốc đến các yếu tố đầu ra bao gồm lực cắt, năng suất cắt, chất lượng bề mặt, tuổi bền dụng cụ cắt được thể hiện trên hình Hình 1. Tốc độ cắt cao làm tăng năng suất và chất lượng bề mặt chi tiết gia công, làm cho lực cắt, tuổi bền dụng cụ cắt giảm. Bên cạnh đó khi tốc độ cắt tăng, phoi sẽ di chuyển khỏi vùng cắt nhanh làm giảm đáng kể nhiệt sinh ra trong quá trình cắt vì lượng lớn nhiệt là được truyền vào phoi. Gia công cao tốc cũng làm giảm thời gian và chi phí gia công.
a) Phương pháp gia công b) Vật liệu gia công Hình 1.4 Tốc độ cắt và vật liệu gia công của HSM với gia công truyền thống [115]. Kauppinen V [58], đã tiến hành thực nghiệm quá trình phay cao tốc cho các vật liệu khác nhau như thép, nhôm, chì, polymer-matrix … kết quả chỉ ra rằng hầu hết các vật liệu đều có thể cắt với tốc độ cao tuy nhiên cần lựa chọn thận trọng chế độ cắt, dụng cụ cắt và trục chính của máy phải được đảm bảo độ cân bằng động. Bên cạnh những ưu điểm gia công cao tốc cũng có những nhược điểm như: Chi phí ban đầu về thiết bị cao, chi phí cho mài mòn bảo dưỡng máy lớn các lập trình viên phải có trình độ cao, cần phải kiểm tra định kỳ thường xuyên để đảm bảo độ an toàn, gia công phải có quy trình gia công hợp lý, độ chính xác của phôi phải cao.5 Thuộc tính chung của gia công cao tốc [92].2 Đặc điểm chung của phay cao tốc Khi nói đến phay cao tốc thì máy phay CNC là thiết bị được nhắc đến đầu tiên, hiện nay có một số máy CNC lắp thêm đầu phay cao tốc nhưng vẫn không được gọi là máy phay cao tốc, như vậy để có thể gia công cao tốc máy CNC cần có một số các yêu cầu cơ bản sau: Trục chính có công suất và tốc độ vòng lớn, tốc độ bàn máy cao, gia tốc chuyển động lớn. Tốc độ xử lý, tốc độ truyền tải dữ liệu nhanh.
Dung lượng dự trữ, độ cứng vững, độ đồng tâm lớn, có khả năng nội suy đường NURBS, có chức năng điều khiển vượt trước (look-ahead). Độ cứng vững, độ đồng tâm và khả năng ổn định nhiệt của trục chính cao, có khả năng đọc trước chương trình gia công. Bên cạnh đó cần có khả năng làm mát thường xuyên qua trục chính, cấu trúc máy có độ cứng vững cao, thiết bị kẹp chặt dao đạt độ đồng tâm cao và cân bằng tốt …. Trong máy CNC dụng cụ cắt, máy gia công và các thành phần khác đều được tối ưu hóa xung quanh việc sử dụng tốc độ trục chính.
Trục chính của máy gia công cao tốc chỉ có thể cắt được với vận tốc cắt cao khi độ cứng vững của trục chính cần phải đảm bảo. Tuy nhiên với độ quay trục chính trên 8000 vòng/phút sẽ làm rung động và ảnh hưởng xấu đến chất lượng bề mặt gia công, gây hại cho trục chính. Chính vì vậy trong gia công cao tốc việc lựa chọn dụng cụ cắt cần có những yêu cầu nhất định. Thứ nhất là về thông số hình học dụng cụ cắt được thiết kế để đảm bảo gia công với chiều sâu cắt nhỏ.
Hình dạng và số lượng lưỡi cắt có thể tùy chọn theo điều kiện gia công, bên cạnh đó kích thước lưỡi cắt cần phải chính xác để đảm bảo được tính cân bằng và hạn chế rung động, hoặc thiết kế lỗ thông để thổi khí hoặc làm dung dịch làm nguội. Thứ hai là về vật liệu làm dụng cụ cắt phải có yêu cầu về độ cứng và độ bền ở nhiệt độ cao [85]. Hiện nay để đảm bảo độ bền dụng cụ cắt khi gia công cao tốc thì dụng cụ cắt ngoài làm bằng vật liệu siêu cứng như CBN (cacbic boron nitride), PCD (polycrystanlline diamond) còn sử dụng công nghệ lớp phủ trên vật liệu nền để đảm bảo tối đa yêu cầu cắt gọt. Các hợp chất thường làm lớp phủ là TiC (chống mài mòn), TiN (chống dính lưỡi cắt) TiA1N (cách nhiệt và chịu nhiệt…).3 Một số ứng dụng của phay cao tốc Gia công cao tốc được ứng dụng trong rất nhiều lĩnh vực như: Tiện, phay, khoan, doa, mài…) và có thể gia công các vật liệu khác nhau (hợp kim titan, thép, hợp kim nhôm).
Từ những lợi ích của gia công cao tốc, trong ngành gia công cơ khí thì phay cao tốc được ứng dụng ngày càng phổ biến trong hầu hết các lĩnh vực: - Trong ngành hàng không thường ứng dụng phay cao tốc dùng để chế tạo các tuabin máy bay, bộ khung máy bay từ những tảng nhôm lớn. Phay cao tốc các chi tiết bộ phận hạ cánh máy bay với một dụng cụ cắt. - Gia công các linh kiện cho nhiều ngành công nghiệp như: máy tính và thiết bị y tế. Nhóm ngành này yêu cầu việc tâp trung nguyên công tức các dụng cụ được thay đổi thường xuyên cùng với tốc độ cắt.
9 - Gia công cao tốc cho ngành công nghiệp khuôn, chế tạo các chi tiết có độ chính xác cao. Trong ngành này phay cao tốc cần đáp ứng được việc bóc tách kim loại nhanh và gia công tinh với độ chính xác, độ bóng bề mặt cao. Trong ngành chế tạo ô tô phay cao tốc dùng chế tạo các khuôn các phụ tùng gia công động cơ ô tô và thân phân phối nhiên liệu. Một số sản phẩm ứng dụng của hợp kim nhôm bao gồm các sản phẩm gắn linh kiện điện tử (a), sản phẩm vỏ điện thoại (b), đồ gá (c), như trên Hình 1.
a) Linh kiện điện tử b) Vỏ điện thoại c) Đồ gá Hình 1.6 Một số sản phẩm sau khi phay cao tốc của hợp kim nhôm A6061.2 Cơ sở vật lý quá trình phay cao tốc Trong quá trình phay cao tốc thì sự biến dạng của vật liệu gia công khi tạo phoi, lực cắt, ứng suất – biến dạng, rung động, mài mòn, độ nhám bề mặt gia công là các đối tượng được nghiên cứu khảo sát. Thông qua các đối tượng khảo sát đó xác định được các quy luật ảnh hưởng của các thông số công nghệ đến các đặc tính cơ học của quá trình cắt. Sự biến dạng dẻo của vật liệu gia công là yếu tố quan trọng liên quan mật thiết đến các yếu tố khác xảy ra trong quá trình phay cao tốc. Biến dạng dẻo xảy ra miền tạo phoi khi gia công bị ảnh hưởng bởi vùng tiếp xúc của phoi với mặt trước của dao và vùng tiếp xúc của bề mặt gia công với mặt sau của dao.
Ứng suất-biến dạng sinh ra tại các vùng tiếp xúc trên đều có mối quan hệ tương hỗ với nhau, từ đó có thể xác định được quy luật phức tạp của quá trình phay cao tốc.