Gia công bằng siêu âm (USM – UltraSonic Machining)

CHƯƠNG 11: CÁC PHƯƠNG PHÁP GIA CÔNG TIÊN TIẾN

11.2. Các phương pháp gia công theo nguyên lý cơ

11.2.3 Gia công bằng siêu âm (USM – UltraSonic Machining)

a. Bản chất

Gia công siêu âm là một phương pháp gia công sử dụng rung động siêu âm (∼ 20 kHz) của một dụng cụ để gia công các vật liệu phi kim (thuỷ tinh, gốm, sứ...), chất bán dẫn, kim loại, hợp kim cứng và giòn. Phương pháp USM bao gồm hai loại:

* Gia công bằng siêu âm sử dụng hạt mài: Sử dụng chất nhão chứa hạt mài và rung động siêu âm của dụng cụ không quay.

Trong mài siêu âm, một dòng chất nhão chứa hạt mài chảy qua khoảng trống giữa phôi và dụng cụ rung động. Sự cắt bỏ vật liệu xuất hiện khi các hạt mài nằm lẫn

trong chất nhão bị đập vào trong hành trình đi xuống của dụng cụ rung động. Tốc độ được truyền đến các hạt mài gây ra mẻ ở thang micro và xói mòn khi các hạt đập vào phôi. Biên độ dao động của dụng cụ gia công động trong mài rung động siêu âm thay đổi từ (0,015 ÷ 0,09)mm. Phương pháp này tạo ra những hốc có hình dạng của dụng cụ.

* Gia công siêu âm quay: Sử dụng sự rung động siêu âm của một dụng cụ quay bằng kim cương để khoan hoặc phay.

Tương tự như phương pháp khoan kính hoặc gốm thông thường với mũi khoan kim cương, ngoại trừ mũi khoan quay bị rung động ở tần số siêu âm. Gia công siêu âm quay không sử dụng dòng chất mài nhão chảy qua khoảng trống giữa phôi và dụng cụ.

Thay vào đó dụng cụ tiếp xúc, cắt phôi và dung dịch làm nguội, thường là nước được ép qua lỗ trong dụng cụ để làm lạnh và đẩy phoi đi. Biên độ của rung động trong gia công siêu âm quay thường khoảng (0,025 ÷ 0,05) mm.

Hình 11.5. Sơ đồ nguyên lý của USM.

Sự rung động của đầu mũi khoan nâng cao khả năng khoan bằng cách:

- Giảm ma sát giữa dụng cụ và tại điểm cắt

- Ngăn cản hiện tượng kẹt phoi của dụng cụ kim cương.

-Tốc độ khoan tăng trong khi giảm áp lực khoan tác động lên dụng cụ và giảm mòn của dụng cụ.

b. Cơ chế quá trình siêu âm.

Hình 11.6. Sơ đồ nguyên lý gia công bằng siêu âm.

Các nguyên nhân của quá trình tách lớp vật liệu khỏi bề mặt chi tiết gia công bằng phương pháp USM được cho là:

Dụng cụ rung với tần số siêu âm, dưới tác dụng của sóng siêu âm, các phần tử chất lỏng chuyển động theo đúng chuyển động của âm trường, sau đó dưới tác dụng cọ sát của chất lỏng, các hạt mài nhỏ, mịn có cạnh sắc lơ lửng sẽ chuyển động theo âm trường, các phần tử hạt mài đập vào bề mặt gia công làm vỡ các phần tử vật liệu phôi cứng và giòn.

- Dụng cụ siêu âm đập trực tiếp vào phần tử hạt mài, rồi hạt mài lại đập vào bề mặt gia công.

- Sự sói mòn bề mặt khi dòng bột nhão đi qua.

- Tác động hoá học của chất lỏng được dùng.

* Vật liệu dụng cụ thường dùng là: thép 45, Y8A,Y10A, 40X...

* Vật liệu hạt mài: Thường dùng là oxit nhôm, cácbít bo, cácbít silíc, bột kim cương...

Chất nhão chứa hạt mài bao gồm 50% khối lượng hạt mài và 50% khối lượng nước hoặc benzen, dầu nhờn... Nó được bơm thông qua một đầu phun gần vùng tiếp xúc phôi – dụng cụ với tốc độ 25L/ph.

Ngoài việc thực hiện cắt, nó làm mát dụng cụ và phôi. Chất nhão chứa hạt mài sẽ trở lên kém hiệu quả khi các hạt bị mòn và vỡ. Tuổi thọ trung bình (của hạt mài) vào khoảng 150 ÷ 200 giờ làm việc.

Hình 11.7. Các phương pháp phun dung dịch sệt chứa hạt mài.

c. Những nhân tố ảnh hưởng tới tốc độ bóc tách vật liệu.

* Dao động của dụng cụ (biên độ và tần số):

- Biên độ dao động siêu âm được thay đổi từ 0.025 ÷ 0.09 mm cho hầu hết các ứng dụng.

- Tần số dao động có ảnh hưởng lớn tới năng suất gia công. Nhìn chung khi tần số dao động tăng thì năng suất tăng, nhưng khi tần số dao động tăng tới 5KHz thì năng suất tăng chậm và đến khi f = 16 ÷26KHz thì năng suất tăng không đáng kể do đó thường dùng f = 20KHz.

* Hạt mài: với hạt mài kích thước hạt nhỏ thì biên độ dao động nhỏ cho năng suất cao, ngược lại khi biên độ dao động lớn dùng kích thước hạt lớn cho năng suất cao hơn.

Các kết quả tối ưu đạt được khi biên độ lớn hơn kích thước hạt.

* Độ cứng của phôi: tốc độ gia công ảnh hưởng bởi tỷ số độ cứng của dụng cụ và độ cứng của phôi, tỷ số cao hơn tốc độ gia công thấp hơn. Do đó dụng cụ mềm và bền được đề cập để làm dụng cụ siêu âm.

* Phụ tải tĩnh giữa dụng cụ và phôi:

- Phụ tải tĩnh ảnh hưởng tới cường độ xung lực của hạt mài đập vào bề mặt gia công, ảnh hưởng tới nồng độ bột nhão, trạng thái của hạt mài.

- Phụ tải tĩnh tối ưu cho năng suất tối đa phụ thuộc chủ yếu vào: tiết diện dụng cụ, biên độ dao động, độ hạt mài, hình dạng dụng cụ, tính chất cơ lý vật liệu gia công...

* Hình dáng của dụng cụ: Tăng diện tích dụng cụ thì tốc độ gia công giảm.

* Tốc độ bóc tách vật liệu (MRR – Material Removal Rate) trong gia công có thể xác định theo công thức sau:

5 , 0 5 , 0 0

9 ,

5 R Y

H F S

MRR 



= (mm/ph) Trong đó: F – tần số của dao động.

S – áp lực tĩnh lên dụng cụ, kg/mm2.

H0 – độ bền phá hủy bề mặt, số độ cứng Brinell.

R – bán kính trung bình hạt mài, mm.

Y – biên độ của rung động, mm.

d. Độ chính xác và chất lượng bề mặt.

1/ Độ chính xác: Phụ thuộc vào nhiều yếu tố như mòn cạnh bên dụng cụ, mòn hạt mài, chạy dao không chính xác, cung cấp dung dịch sệt chứa hạt mài không đúng mực và không đều.

- Độ chính xác về kích thước: ± 0,05mm

- Độ côn: khi gia công lỗ thường bị côn (độ côn 0,20 khi khoan lỗ đường kính 20mm, sâu 10mm, vật liệu graphit).

+ Phun trực tiếp dung dịch sệt vào vùng gia công.

+ Sử dụng dụng cụ có độ côn ngược.

+ Dùng áp lực tĩnh cao, hạt mài mịn hơn.

+ Sử dụng vật liệu dụng cụ chịu mài mòn.

+ Dùng dụng cụ cắt thô và cắt tinh

- Độ khụng trũn: thụng thường (40ữ140)àm

2/ Chất lượng bề mặt: Độ nhẵn bề mặt phụ thuộc vào vật liệu chi tiết gia công, thông số của dao động, vật liệu và độ hạt của hạt mài… ngoài ra còn phụ thuộc vào vị trí tương đối của bề mặt gia công với phương của dao động siêu âm.

Hạt mài Gia cụng thủy tinh (àm) Gia cụng HKC (àm)

Mặt bên Mặt đầu Mặt bên Mặt đầu

M10 RZ = 40 Ra = 2,5 RZ = 20÷10 Ra = 1,25÷0,63

M5 Ra = 2,5 Ra = 1,25 Ra = 2,5 Ra = 0,63

M4 Ra = 1,25 Ra = 0,63 Ra = 1,25 Ra = 0,16 e. Ưu, nhược điểm của gia công bằng siêu âm.

* Ưu điểm: gia công được cả vật liệu kim loại và phi kim. Phương pháp này phát huy hiệu quả rất cao khi gia công các loại vật liệu dòn như thuỷ tinh.

* Nhược điểm:

- Năng suất thấp.

- Độ sâu lỗ gia công bị hạn chế . - Hiệu suất sử dụng năng lượng thấp.

- Chỉ phù hợp gia công những vật liệu cứng, giòn.

f. Ứng dụng của gia công bằng siêu âm.

1. Ứng dụng của gia công bằng siêu âm quay.

Phương pháp này chỉ áp dụng cho các phi kim như kính, alumina, gốm, ferit, thạch anh, oxit zircony, ruby, saphia, ôxit bery. Các loại vật liệu mềm hơn làm kẹt dụng cụ kim cương và gây cản trở quá trình cắt.

Ưu điểm của phương pháp này là có tốc độ cắt bỏ vật liệu cao hơn, áp lực tác động lên các vật liệu nhỏ hơn, nâng cao chất lượng khoan lỗ sâu, giảm vỡ trong các lỗ xuyên và không kẹt lõi khi khoan lấy lõi.

Gia công quay có siêu âm cũng cho phép khoan ở áp lực thấp, điều này đặc biệt có lợi khi khoan hoặc gia công các chi tiết yếu. Lực gia công nhỏ cho phép khoan các

lỗ không gây ra vỡ và nếu cần có thể gia công vài phần nghìn mm. Các lỗ có thể được khoan gần một cạnh hoặc góc mà không gây ra vỡ.

Phương pháp này còn cho phép khoan liên tục các lỗ đường kính nhỏ, trong khi khoan không siêu âm thường xuyên phải rút mũi khoan ra để lấy phoi khoan. Việc lùi mũi khoan này làm tăng thời gian khoan.

2. Ứng dụng của siêu âm sử dụng hạt mài.

Khả năng của phương pháp này khác với phương pháp gia công siêu âm quay.

Dụng cụ gia công không có chuyển động quay, mài rung động siêu âm có thể cắt các bề mặt bất kỳ hay khoan nhiều lỗ nhỏ. Mặc dù các lỗ đơn có thể khoan nhanh hơn bằng phương pháp siêu âm quay, phương pháp gia công bằng siêu âm sử dụng hạt mài có thể khoan lỗ nhỏ hơn (tới 0,1 mm). Nó có thể khoan các lỗ có đường kính nhỏ đồng thời.