Machining principle (nguyên lý gia công)
Chemical machining is a non-traditional method that removes material through reactions with strong corrosive substances This technique emerged in aircraft manufacturing technology after World War II Various chemicals are employed to effectively separate material from the workpiece using different methods.
Gia công hóa là một phương pháp gia công không truyền thống, trong đó vật liệu được tách ra bằng cách tiếp xúc trực tiếp với một chất khắc hóa mạnh Phương pháp này lần đầu tiên được áp dụng sau Chiến Tranh Thế Giới Thứ Hai trong ngành sản xuất máy bay Nhiều loại hóa chất khác nhau được sử dụng để tách vật liệu từ các chi tiết gia công thông qua nhiều phương pháp khác nhau.
Technology method and technology ability (Các phương pháp công nghệ và khả năng công nghệ)
Clean the workpiece (Làm sạch chi tiết gia công)
The first step is a part cleaning operation to ensure that material is evenly peeled from the work surface.
Bước đầu tiên là nguyên công làm sạch chi tiết để đảm bảo cho vật liệu được bóc đi đồng đều từ mặt gia công.
Create a layer of protection (Tạo một lớp bảo vệ)
A protective coating is applied to specific surfaces of parts to safeguard against acid corrosion, utilizing materials such as Neoprene, Polyvinyl Chloride, and various polymers This coating is specifically designed for areas that do not require machining There are several methods for applying this protective layer, including cut and peel, optical resistance, and grid capacity resistance.
Lớp phủ bảo vệ được áp dụng lên các bề mặt của chi tiết nhằm chống lại tác động ăn mòn của chất khắc axit Lớp bảo vệ này thường được sử dụng cho những bề mặt không cần gia công và được làm từ các vật liệu như Neoprene, Polivinil, Chloride và các Polymer khác Các phương pháp thực hiện lớp bảo vệ bao gồm cắt và bóc, kháng quang và kháng dung lưới.
Peel the workpiece (bóc chi tiết gia công)
The material removal process involves immersing the workpiece in a corrosive liquid, which chemically affects areas without a protective layer This method typically transforms the workpiece material into a soluble salt within the corrosive solution, effectively removing material from the surface Once the desired amount of material has been removed, the workpiece is taken out of the corrosive liquid and thoroughly washed.
The choice of corrosive chemicals depends on the material of the work piece, the desired depth and material removal rate, the surface roughness requirements
Corrosive chemicals must also be matched to the type of protectant to ensure that the coating material is not chemically affected by the crossive substance.
Việc chọn lựa chất khắc hóa cần dựa vào vật liệu của chi tiết gia công, độ sâu mong muốn, tốc độ bóc vật liệu và yêu cầu về độ nhám bề mặt Đồng thời, chất khắc hóa cũng phải tương thích với loại chất bảo vệ để đảm bảo rằng lớp bảo vệ không bị ảnh hưởng hóa học bởi chất khắc hóa.
Remove the protective layer (Loại lớp bảo vệ)
The protective layer is separated from the part surface.
Lớp bảo vệ được tách ra khỏi bề mặt chi tiết.
The two steps in chemical machining have a significant influence on the material method, the machining parameters being the the protective layer
Hai bước quan trọng trong gia công hóa là tạo lớp bảo vệ và khắc hóa, có ảnh hưởng lớn đến phương pháp, vật liệu và các thông số gia công.
In chemical machining, the material removal rate is typically measured as the penetration rate in mm/min, reflecting how quickly the chemical action interacts with the workpiece material as the abrasive targets the surface directly Notably, the infiltration rate remains unaffected by the surface area of the workpiece Table 1.1 provides typical penetration rates for specific workpieces and corrosive liquids used in the process.
Tốc độ bóc vật liệu trong gia công hóa được đo bằng tốc độ thấm mm/phút, phản ánh mức độ tác động hóa học lên vật liệu chi tiết gia công khi chất khắc được chiếu thẳng vào bề mặt Đáng lưu ý, tốc độ thấm không bị ảnh hưởng bởi diện tích bề mặt Các giá trị tốc độ thấm tiêu biểu cho vật liệu gia công và chất khắc đã được trình bày trong bảng 1.1.
Magnesium and alloys Silicon Medium steel Titanium Titanium alloy
Table 1.1: corrosive substances corresponding to the work material in machining.
Bảng 1.1: các chất khắc hóa tương ứng với vật liệu gia công trong gia công hóa
The machining depth of cut for aircraft metal part plates can reach up to 12.5mm, but in many applications, only a few thousandths of a millimeter is necessary Corrosion can occur beneath the protective layer due to seepage, leading to an effect known as undercut, which must be accounted for in the design of the protection layer to ensure the final cut maintains its intended dimensions The corrosion coefficient, a constant ratio for the material, is used to determine these effects accurately.
Chiều sâu cắt trong gia công hóa có thể đạt tới 12.5mm cho các chi tiết kim loại của máy bay, nhưng trong nhiều ứng dụng, yêu cầu chiều sâu chỉ vài phần nghìn mm hoặc hơn Quá trình khắc hóa có thể xảy ra bên dưới bề mặt lớp bảo vệ, gây ra hiện tượng cắt lẹm, cần được tính toán khi thiết kế lớp bảo vệ để đảm bảo kích thước phần cắt phát sinh là xác định Hệ số khắc, hằng số tỉ lệ đối với vật liệu này, được xác định để tối ưu hóa quá trình gia công.
Fe=U/d Fe: Corrosive coefficient (hệ số khắc) U: Lower cut length (mm) (độ dài cắt dưới) d: cutting depth (mm) (chiều sâu cắt)
Figure 1.1: cropping phenomenon in machining
Hình 1.1: Hiện tượng cắt lẹm trong gia công hóa
METHODS OF CHEMICAL PROCESSING (CÁC PHƯƠNG PHÁP GIA CÔNG HÓA HỌC)
Chemical Milling (Phay hóa)
Chemical milling (CHM) involves the precise chemical dissolution of a workpiece material through interaction with a potent reagent To safeguard specific areas from metal removal, specialized coatings known as maskants are applied This process enables efficient material shaping and surface finishing.
The edge of the protective layer is essential for creating pockets and contours while efficiently removing materials from components with a high strength-to-weight ratio The process of CHM involves several key steps that enhance precision and effectiveness in material handling.
Phay hóa là quá trình hòa tan hóa học có kiểm soát của vật liệu phôi khi tiếp xúc với chất hóa học phản ứng mạnh, trong đó các lớp phủ đặc biệt gọi là lớp bảo vệ được sử dụng để bảo vệ các khu vực kim loại không bị loại bỏ Quy trình này nhằm tạo ra các rãnh, đường và loại bỏ những phần cần gia công trên phôi được làm từ vật liệu bền vững Phay hóa (CHM) bao gồm nhiều bước quan trọng để đảm bảo hiệu quả và độ chính xác trong gia công.
1 Preparing and precleaning the workpiece surface This provides good adhesion of the masking material and assures the absence of contaminants that might interfere with the machining process
Trước khi tiến hành gia công, việc chuẩn bị và làm sạch bề mặt phôi là rất quan trọng Điều này không chỉ giúp tăng cường độ bám dính của lớp vật liệu bảo vệ mà còn đảm bảo rằng không có tạp chất nào gây cản trở quá trình gia công.
2 Masking using readily strippable mask, which is chemically impregnable and adherent enough to stand chemical abrasion during etching
Sử dụng lớp bảo vệ có thể tách rời giúp ngăn ngừa sự thấm nhập của hóa chất ăn mòn, đồng thời đảm bảo độ dính cần thiết để chịu đựng mài mòn hóa học trong quá trình khắc.
3 Scribing of the mask, which is guided by templates to expose the areas that receive CHM The type of mask selected depends on the size of the workpiece, the number of parts to be made, and the desired resolution of details.Silk-screen masks are preferred for shallow cuts requiring close dimensional tolerances. Đánh dấu lên lớp bảo vệ để biểu diễn những phần cần được gia công phay hóa (CHM) Loại lớp bảo được chọn phụ thuộc vào kích thước của phôi, số lượng các bộ phận được chế tạo và độ ăn mòn mong muốn của các chi tiết Lớp bảo vệ được chọn ưu tiên cho các vết cắt yêu cầu dung sai kích thước gần nhau.
4 The workpiece is then etched and rinsed, and the mask is removed before the part is finished.
Phôi được khắc và rửa sạch và lớp bảo vệ được loại bỏ trước khi hoàn thành gia công.
During Chemical Machining (CHM), the etch depth is determined by the immersion time, necessitating the use of fresh, corrosive chemicals to ensure even machining Proper safety precautions are essential when handling these chemicals, and both vapors and effluents must be managed to protect the environment While agitation of the workpiece and fluid is common, excessive flow can lead to channeling, grooves, or ridges on the surface.
Trong quá trình phay hóa, độ sâu khắc phụ thuộc vào thời gian ngâm của chi tiết gia công, do đó cần đảm bảo các hóa chất bề mặt sử dụng là mới để tránh gia công không đồng đều Các hóa chất này rất dễ ăn mòn, vì vậy cần thực hiện các biện pháp phòng ngừa an toàn đầy đủ Hơi và nước thải cũng cần được kiểm soát để bảo vệ môi trường Mặc dù sự kích động của phôi và chất lỏng là bình thường, nhưng nếu dòng dung dịch quá nhiều có thể gây ra hiện tượng tạo rãnh hoặc gờ.
Figure 2.1: CHM setup Hình 2.1: lắp đặt cho quá trình phay hóa
Workpiece: chi tiết gia công.
Mask: Mặt nạ (lớp bảo vệ).
Hanger: Móc treo (giữ chi tiết tiết gia công)
Chemical reagent: Dung dịch hóa học
The machining action occurs both inwardly through the mask opening and laterally beneath the mask, resulting in the etch factor depicted in Fig 3.2 This etch factor represents the ratio of the undercut (d) to the depth of etch (T).
Dù đã có lớp mặt nạ bảo vệ, sự ăn mòn trong quá trình gia công vẫn có thể xảy ra ở các mặt bên của phần cần gia công, dẫn đến sự hình thành hệ số ăn mòn như được thể hiện trong Hình 2.2 Hệ số ăn mòn này được xác định bằng tỷ lệ giữa độ cắt xén d và độ sâu khắc T.
Figure 2.2: Etch factor after CHM Hình 2.2: Hệ số ăn mòn sau khi Phay Hóa.
CHM will not eliminate surface irregularities, dents, scratches, or waviness
Successive steps of mask removal and immersion as shown in Fig 3.3 can achieve stepped cuts.
Quá trình gia công phay hóa (CHM) không khắc phục được các khuyết điểm bề mặt như vết lõm, vết xước hay đường vân Các bước tiếp theo bao gồm việc loại bỏ và ngâm phần mặt nạ bảo vệ, như được minh họa trong Hình 2.3.
Chiều sâu mòn T Góc dao
Figure 2.3: Contour cuts by CHM Hình 2.3: đường cắt rãnh tạo bởi phay hóa
2 Tooling for CHM (Công cụ cho phay hóa)
Tooling for CHM is relatively inexpensive and simple to modify Four different types of tools are required: maskants, etchants, scribing templates, and accessories.
Công cụ cho phay hóa (CHM) là một giải pháp tiết kiệm chi phí và dễ dàng thay đổi Để thực hiện phay hóa hiệu quả, cần có bốn loại công cụ chính: lớp phủ bảo vệ, vật liệu khắc, mẫu vẽ và các phụ kiện đi kèm.
Maskants are essential for safeguarding areas of a workpiece where CD action is unnecessary, typically made from synthetic or rubber-based materials Table 3.1 lists various maskants and etchants for different materials, detailing their etch rates and factors It is crucial for maskants to exhibit specific properties to ensure effective protection.
Khắc lần đầu và lần 2 Đánh dấu mặt nạ bảo vệ nhắc lại Khắc lần đầu
1 Be tough enough to withstand handling
2 Adhere well to the workpiece surface
4 Be inert to the chemical reagent used
5 Be able to withstand the heat generated by etching
6 Be removed easily and inexpensively after etching
Mặt nạ được sử dụng để bảo vệ các bộ phận của phôi khỏi tác động của gia công phay hóa, thường làm từ đế tổng hợp hoặc cao su Bảng 2.1 trình bày các loại mặt nạ tương ứng với nhiều vật liệu khác nhau, kèm theo tỷ lệ và hệ số ăn mòn Để đạt hiệu quả bảo vệ tối ưu, mặt nạ cần có những đặc tính nhất định.
1 Đủ cứng rắn, bền vững để chịu được việc xử lý.
2 Kết dính tốt với bề mặt phôi.
3 Viết, đánh dấu một cách dễ dang.
4 Trơ với chất hóa học ăn mòn được sử dụng.
5 Có thể chịu được nhiệt sinh ra do ăn mòn.
6 Được loại bỏ dễ dàng sau khi khắc.
Table 2.1: Markants and Etchants for Different Workpiece Materials. Bảng 2.1: Các loại lớp bảo vệ và các chất ăn mòn với các vật liệu khác nhau.
Etchants (see Table 3.1) are acid or alkaline solutions maintained within a controlled range of chemical composition and temperature Their main technical goals are to achieve the following:
Chất ăn mòn, được định nghĩa là dung dịch axit hoặc kiềm, cần được duy trì trong phạm vi thành phần hóa học và nhiệt độ được kiểm soát Mục tiêu kỹ thuật của chúng là đạt được các tiêu chuẩn cụ thể nhằm đảm bảo hiệu quả sử dụng.
3 Control of selective and intergranular attack
4 Control of hydrogen absorption in the case of titanium alloys
6 Best price and reliability for the materials to be used in the construction of the process tank
7 Maintainance of air quality and avoidance of possible environmental problems.
8 Low cost per unit weight dissolved
9 Ability to regenerate the etchant solution and/or readily neutralize and dispose of its waste products
1 Hoàn thiện bề mặt tốt.
2 Có tính chất đồng nhất của việc loại bỏ kim loại.
3 Kiểm soát tốt việc phản ứng có chọn lọc giữa các hạt.
4 Kiểm soát sự hấp thu Hydro trong trường hợp dùng với hợp kim titan
5 Bảo đảm an toàn sử dụng.
6 Giá thành và độ tin cậy tốt cho các vật liệu được sử dụng trong việc xây dựng bể xử lý
7 Duy trì chất lượng không khí và tránh các vấn đề về môi trường có thể xảy ra trong quá trình phản ứng hóa học.
8 Chi phí thấp cho mỗi đơn vị trọng lượng hòa tan.
9 Khả năng tái tạo của chất hòa tan và/hoặc sẵn cho việc trung hòa cũng như xử lý các chất thải của nó.
Sribing templates (Mẫu vẽ/kẻ):
Photochemical Machining (Gia công quang hóa)
Photochemical milling (PCM) is a specialized form of chemical milling (CHM) that employs photographic techniques to apply a chemically resistant mask to the workpiece Both processes share similarities, as they utilize chemicals to remove metal through controlled dissolution (CD action), and many of their procedural steps overlap.
Hoàn thành gia công bởi phay hóa
Photochemical machining (PCM) is a process used to create new parts from thin materials, particularly three-dimensional components initially formed through methods like forging and casting Similar to photochemical machining, areas not intended for machining are masked from the chemical solution's action This technique, often referred to as photochemical blanking (PCB), allows for the high-precision machining of flat, thin gauge parts with thicknesses ranging from 0.013 to 1.5 mm Additionally, PCM can be employed to surface-etch components with specific lettering or graphics, where the etchant penetrates only to a predetermined depth The etching depth is regulated by the immersion duration in the etchant It's important to note that PCM and chemical milling are distinct from photo forming (PF), which involves electroplating metals over a mandrel, with the photo-formed components being removed after achieving the desired material thickness.
Gia công quang hóa (PCM) là một biến thể của gia công phay hóa (CHM), trong đó lớp mặt nạ chống hóa chất được áp dụng cho phôi bằng kỹ thuật chụp ảnh Cả hai quá trình đều sử dụng hóa chất để loại bỏ kim loại thông qua tác động của chất ăn mòn (CD) và có nhiều bước tiến hành tương tự Gia công phay hóa thường được áp dụng cho các bộ phận có hình dạng bất thường, trong khi gia công quang hóa tạo ra các bộ phận từ vật liệu mỏng, không chỉ làm mịn mà còn thay đổi hình dạng của chúng Quá trình này, đôi khi gọi là tẩy trắng quang hóa (PCB), cho phép gia công với độ chính xác cao từ 0.013 đến 1.5mm Gia công quang hóa cũng được sử dụng để tạo ra bề mặt có chữ hoặc đồ họa, với độ sâu khắc xác định bởi thời gian ngâm trong chất ăn mòn Cần phân biệt giữa gia công quang hóa (PCB) và phay hóa (CHM) với quá trình tạo ảnh (PF), là quá trình mạ điện kim loại trên một trục gá.
2 Process description (Miêu tả quá trình gia công)
The PCM process begins with the creation of a photo-tool, which is a photographic film or glass plate that defines the required shape of the part through computer-aided design (CAD) artwork The sheet metal is then chemically cleaned and coated with a light-sensitive photoresist film that serves as a stencil resist during the etching process In some instances, a liquid photoresist is used, requiring dip coating and drying of the part Typically, photo-tools are employed in registered pairs, one on the top and one on the bottom, with the material to be machined placed in between This dual-sided approach allows for etching from both sides, reducing undercutting of the photoresist and resulting in straighter sidewalls.
Quy trình gia công quang hóa (PCM) bắt đầu bằng việc sản xuất hình dạng thiết kế trên phim ảnh hoặc tấm kính, được gọi là công cụ chụp ảnh, với sự hỗ trợ của phần mềm CAD Hình ảnh chính được tạo ra cho công cụ ảnh, trong khi tấm kim loại được làm sạch hóa chất và phủ lớp phim cảm quang nhạy sáng Chất cản quang được thêm lên bề mặt bộ phận, hoạt động như lớp bảo vệ trong quá trình khắc Đôi khi, chất cản quang ở dạng lỏng và bộ phận cần gia công sẽ được nhúng, tráng và làm khô Thông thường, các công cụ ảnh được sử dụng theo cặp, với một công cụ ở trên và một ở dưới, kẹp vật liệu ở giữa, cho phép khắc từ cả hai mặt, giảm thiểu việc cắt xén chất cản quang và tạo ra các thành bên thẳng hơn.
Figure 2.8: PCM flow diagram Hình 2.8: Sơ đồ quy trình gia công quang hóa (PCM)
The metal is subjected to an acid etch process, either through spraying or dipping, which selectively dissolves specific areas The selection of etchants varies based on the material and is influenced by factors such as cost, desired quality, etch depth, and material removal rate Figure 2.9 illustrates the key stages involved in photochemical machining.
Phần bảng vẽ/dữ liệu CAD
Kim loại đã được chọn và làm sạch
Applying a photomask on metal corrosion involves removing the anti-reflective layer After completing the etching process through spraying or immersion, the components are thoroughly rinsed and dried The protective resist is then stripped from the machined parts using chemical methods or mechanical techniques combined with chemicals.
Kim loại được xử lý qua quá trình phun axit ăn mòn hoặc ngâm để hòa tan một cách có chọn lọc Việc lựa chọn chất ăn mòn phù hợp phụ thuộc vào chi phí, chất lượng, độ sâu khắc và tỷ lệ loại bỏ vật liệu Sau khi thực hiện các quy trình phun hoặc ngâm, các bộ phận sẽ được rửa sạch và làm khô Cuối cùng, chất phản vệ sẽ được loại bỏ bằng phương pháp hóa học hoặc cơ khí.
Chống ánh sáng tiếp xúc qua âm bản (2 mặt)
Kim loại được làm sạch
Kim loại được phủ lớp cản quang cả hai mặt Ánh sáng Được khắc 1 phần Ảnh âm bản Được khắc toàn phần
Figure 2.9: PCM steps Hình 2.9: Các bước chính gia công quang hóa (PCM)
Photochemical machining (PCM) is an effective process for materials such as aluminum, copper, zinc, steel, lead, nickel, titanium, molybdenum, zirconium, glass, ceramics, and certain plastics, particularly those that are brittle or highly tempered, as traditional machining can cause breakage PCM is also suitable for springy materials that are challenging to punch, making it ideal for the decorative and graphics industries for producing signs and labels The materials used in PCM must be thin, ranging from 0.013 to 1.5 mm, and flat to facilitate bending and assembly into components Common applications include etching fold lines for fabricating boxes and enclosures Products manufactured through PCM are prevalent in sectors such as electronics, automotive, aerospace, telecommunications, computers, and medical fields, with typical components including filters, gaskets, lead frames, connectors, probes, and flat springs.
Gia công quang hóa (PCM) là một phương pháp hiệu quả cho nhiều loại vật liệu như nhôm, đồng, kẽm, thép, và một số chất dẻo, đặc biệt là những vật liệu có độ giòn cao hoặc được tôi luyện kỹ Quá trình này giúp giảm thiểu các điểm tập trung ứng suất thường gặp trong gia công truyền thống và cũng hoạt động tốt trên các vật liệu dẻo dai, khó đục lỗ PCM thường được ứng dụng trong ngành trang trí và đồ họa, sản xuất bảng hiệu và nhãn mác, với yêu cầu vật liệu có độ dày từ 0.013 đến 1.5mm và phải phẳng để dễ dàng uốn cong và lắp ráp Các sản phẩm từ gia công quang hóa thường xuất hiện trong các lĩnh vực như điện tử, ô tô, hàng không vũ trụ, viễn thông, máy tính và y tế, bao gồm các thành phần như bộ lọc, màn hình, vòng đệm, khung dẫn, và đầu nối.
Figure 2.10: PCM of decorative and artistic designs
Hình 2.10: Thiết kế đồ trang trí và tác phẩm nghệ thuật dùng gia công quang hóa (PCM)
Figure 2.11: Typical PCM blanks Hình 2.11: Những thành phẩm thông thường của phương pháp quang hóa
Figure 2.12: Samples of PCM machined patterns Hình 2.12: Các mẫu hoa văn gia công bởi phương pháp quang hóa (PCM)
In addition to the general advantages of CHM, PCM ensures the following merits:
A relatively low cost per unit, especially at low production volumes of complex designs because the tooling used is very inexpensive compared to shearing punches and dies
Lead times are often small compared to that required by processes that require hard tooling.
Design modifications may necessitate straightforward adjustments to the photochemical machining process, including variations in etching duration or the selection of etchants, which can impact features like hole size and etching depth.
Final parts are produced in the same manner as the prototypes.
The process is burr-free
It does not change the hardness, grain structure, or ductility of metals, while metal shearing imparts stresses in the components and laser machining creates a heat-affected zone
Because tooling is made by photographic techniques, patterns can be reproduced easily
Ngoài những ưu điểm chung với gia công phay hóa (CHM), PCM đảm bảo những ưu điểm sau:
Chi phí sản xuất cho mỗi đơn vị sản phẩm tương đối thấp, đặc biệt trong trường hợp sản xuất với khối lượng nhỏ và thiết kế phức tạp Điều này là do dụng cụ sử dụng trong quá trình sản xuất có giá thành rẻ hơn nhiều so với các phương pháp cắt đột dập và khuôn dập.
Thời gian thực hiện thường nhỏ so với yêu cầu của các quy trình dùng dụng cụ cứng.
Một số yêu cầu thiết kế trong quá trình gia công quang hóa đã được đơn giản hóa, bao gồm thời gian khắc và chế độ khắc, ảnh hưởng đến các yếu tố như kích thước lỗ và độ sâu khắc.
Các bộ phận cuối cùng được sản xuất tương tự như nguyên mẫu.
Quá trình cắt kim loại bằng laser không ảnh hưởng đến độ cứng, cấu trúc hạt hay độ dẻo của kim loại Tuy nhiên, việc cắt kim loại sẽ truyền tải ứng suất vào các thành phần, trong khi vùng ảnh hưởng nhiệt được tạo ra bởi tia laser gia công.
Bởi vì dụng cụ được tạo ra bằng kỹ thuật chụp ảnh, các mẫu có thể được sao chép dễ dàng.
III Electropolishing (Đánh bóng điện hóa)
Mechanical polishing involves using abrasive particles on resilient wheels made of wood, felt, leather, canvas, or fabric to create smooth surfaces for aesthetic finishes However, this method disrupts the surface structure, resulting in scratches, strains, metal debris, and embedded abrasives that compromise mechanical strength Although additional finishing techniques like lapping or buffing can reduce surface roughness, they fail to eliminate the debris and damaged layer left by mechanical polishing These limitations can be addressed through nonconventional electropolishing (EP), a process that reverses electroplating by treating the workpiece as the anode Electropolishing, which dates back to 1935, was first successfully applied to copper and zinc by German engineers.
