Home > Nghiên cứu & Thảo luận > Gia công siêu hàn – Cryogenic Machining

Gia công siêu hàn – Cryogenic Machining

1. Gia công siêu hàn

                 Gia công siêu hàn là thuật ngữ chỉ việc ứng dụng dòng lưu chất nhiệt độ cực thấp (hỗn hợp sinh hàn) trong quá trình cắt gọt kim loại để làm giảm hoặc triệt tiêu hiệu ứng nhiệt sinh ra trên bề mặt dụng cụ cắt. Trong một  vài trường hợp, nó còn được dùng làm chất mài mòn trong gia công. Khi sử dụng, hỗn hợp sinh hàn có thể được phun thành tia để thực hiện việc làm mát theo phương pháp dẫn nhiệt và đối lưu hoặc chỉ làm mát gián tiếp theo phương pháp truyền nhiệt trong quá trình gia công.

                Việc dùng lưu chất siêu hàn để làm mát có một số ưu điểm như giúp giảm đáng kể độ mòn và do đó, kéo dài tuổi thọ dụng cụ cắt. Khi ứng dụng làm mát siêu hàn gián tiếp, chất lượng bề mặt sản phẩm sau gia công với nitơ lỏng (1) tốt hơn nhiều so với cách làm mát thông thường trong cùng một chiều dài cắt. Nguyên nhân là do nitơ lỏng tạo ra một lớp bôi trơn tiếp xúc có hệ số ma sát thấp hơn so với ma sát trượt khô và ma sát trượt sinh ra do dung dịch tưới nguội thông thường. Theo một số nhà nghiên cứu, làm mát bằng lưu chất siêu hàn không làm thay đổi lực cắt khi gia công những loại vật liệu khác nhau. Tuy nhiên, vì năng lượng tiêu tốn trong quá trình cắt gọt có quan hệ với ma sát và lực cắt, nếu lực ma sát thấp thì lực cắt cần thiết cũng thấp hơn.

2. Các phương pháp gia công siêu hàn

                 Một cách tổng quát, gia công siêu hàn có thể chia thành bốn dạng : làm lạnh phôi, làm mát gián tiếp, phun  sương và tưới trực tiếp. Làm lạnh phôi thay đổi tính chất của vật liệu từ dai sang giòn khiến phoi dễ cắt gọt hơn. Điều này có thể thực hiện bằng cách tưới nitơ lỏng liên tục lên phôi. Tuy nhiên, cách làm này cần rất nhiều nitơ lỏng và kích thước phôi có thể bị thay đổi.

                Làm mát gián tiếp còn gọi là làm mát dẫn nhiệt từ xa sẽ hạ nhiệt độ vùng cắt thông qua hiện tượng dẫn nhiệt. Trong phương pháp này, nitơ lỏng sẽ làm mát phần chuôi của dụng cụ cắt thay vì phần mũi, tránh việc tiếp xúc trực tiếp với phôi và đạt được một tác dụng nhiệt ổn định hơn. Tuy nhiên, hiệu quả của phương pháp này phụ thuộc rất lớn vào khả năng dẫn nhiệt của vật liệu dùng làm dụng cụ cắt, chiều dày vật liệu và khoảng cách đến nguồn nitơ.

                Trong phương pháp phun và xịt nitơ, vùng cắt đặc biệt là vùng tiếp xúc giữa mũi dụng cụ cắt và phoi được làm mát bằng nitơ lỏng thông qua một vòi phun. Phương pháp này có thể duy trì một vùng nhiệt ổn định mà không làm giảm độ chính xác về kích thước cũng như sai lệch về mặt hình học của chi tiết gia công. Việc làm mát cục bộ như trên giúp giảm nhiệt độ bề mặt dụng cụ cắt, tăng cường độ cứng, kết quả là làm giảm tốc độ mòn dụng cụ cắt. Ngoài ra, việc nhiệt độ được giữ ổn định trong phương pháp này làm phoi giòn và dễ bẻ hơn với những dụng cụ cắt có cơ cấu bẻ phoi. Nó cũng triệt tiêu hiện tượng phoi bám (Build Up Edge – BUE) trên dụng cụ cắt vì nhiệt độ thấp làm giảm khả năng phoi nóng chảy trên lưỡi cắt và áp suất cao của dòng lưu chất lạnh sẽ đẩy phoi ra khỏi vùng cắt.

Hình 1 : Các phương pháp gia công siêu hàn

3. Ứng dụng trong thực tế

                 Trong một hệ thống siêu hàn, nitơ lỏng được đưa đến tâm dụng cụ cắt thông qua trục chính để giải phóng nhiệt lượng tỏa ra khi cắt gọt, giảm thiểu ma sát trên dụng cụ cắt và hiện tượng phoi bám. Phương pháp này duy trì phần lớn nitơ ở trạng thái lỏng và khi hóa hơi ở gần lưỡi cắt, nó đẩy nhanh tốc độ phân tán nhiệt, vốn là tác nhân làm mềm và mòn nhanh dụng cụ cắt. Tùy từng ứng dụng cụ thể, nitơ lỏng có thể được kết hợp với một lượng nhỏ chất bôi trơn.

             Trên thực tế, kỹ thuật làm mát siêu hàn này đã được áp dụng thành công khi gia công titan. Nhóm nghiên cứu Creare Incorporated của công ty HM Dum và Mag Ias đã hợp tác với Lockheed Martin trong chương trình US Navy Small Business Innovation Research (SBIR) và chương trình F35- Joint Progran Office (JPO) trong nhiều năm để phát triển phương pháp gia công siêu hàn với lưu lượng dòng chảy thấp dùng cắt gọt titan. Kết quả, tuổi thọ dụng cụ cắt tăng 10 lần với cùng tốc độ cắt. JPO cùng với F-35 Fracture Control Board (FCB) đã kiểm nghiệm và chứng nhận đây là điều kiện gia công tiêu chuẩn sẽ được áp dụng cho những nguyên công cắt thô (thường tốn rất nhiều thời gian và chi phí) để chế tạo chi tiết máy bằng titan. Khi được ứng dụng rộng rãi, kỹ thuật này giúp nâng cao hiệu quả quá trình sản xuất F35, loại máy bay mà titan chiếm đến 25% trọng lượng.

Hình 2 : Máy bay chiến đấu F-35 Fighter

4. Nâng cao tốc độ cắt

Hình 3 : Tốc độ cắt khi gia công siêu hàn

                Khi so sánh với gia công không tưới nguội và gia công có tưới nguội kiểu truyền thống, đặc điểm đáng chú ý nhất của gia công siêu hàn là cải thiện đáng kể tuổi thọ dụng cụ cắt, độ chính xác kính thước cũng như chất lượng bề mặt sau gia công. Điều này đạt được thông qua việc giảm mòn dụng cụ cắt nhờ khả năng kiểm soát nhiệt độ tai vùng gia công.

                Air Product và Hoeganaes Corp đã tiến hành một nghiên cứu trong đó vật liệu cứng (đã thiêu kết) được gia công với bốn phương pháp làm mát khác nhau : không tưới nguội, tưới bình thường, tưới nitơ từ trên xuống (Liquid Nitrogen Top Cooling – LINTC) và tưới nitơ lỏng từ dưới lên (Liquid Nitrogen Bottom Cooling – LINBC). Nhóm nghiên cứu nhận thấy trong bốn phương pháp nói trên, LINBC cho ra kết quả khả quan nhất khi tăng tuổi thọ dụng cụ cắt lên 135% so với gia công không tưới nguội. Trong phương pháp LINBC, nitơ lỏng được phun ra từ bên dưới mảnh hợp kim ghép thông qua một rãnh dẫn trên miếng đệm (shim) và không hề tiếp xúc với vùng gia công. Ưu điểm của cách làm này là có thể giữ được độ cứng và độ bền của mảnh ghép mà không làm ảnh hưởng xấu đến tính chất của phôi.

                Điều này rất có ý nghĩa vì tốc độ mòn dụng cụ cắt khi gia công vật liệu luôn ở mức khá cao. Nguyên nhân chính là do hàm lượng martensite cao sinh ra trong quá trình thiêu kết. Do đó, nghiên cứu này khẳng định rằng gia công siêu hàn có thể tăng tốc độ cắt nhưng vẫn không làm dụng cụ cắt bị quá nhiệu và nhanh mòn. Nó giúp giảm chi phí gia công, nâng cao độ chính xác gia công và cho phép nhà sàn xuất duy trì một mức giá cạnh tranh so với các đối thủ.

Hình 4 : Ảnh hưởng của tưới nguội đến hiện tượng mòn dụng cụ cắt

5. Tương lai của gia công siêu hàn

                 Gia công siêu hàn có nhiều khả năng trong việc cắt giảm chi phí sản xuất và nâng cao tính cạnh tranh. Ngày nay, hiệu suất gia công được cải thiện không ngừng thông qua việc sử dụng máy và dụng cụ cắt cũng như chế độ gia công tốt hơn làm gia tăng đáng kể tốc độ cắt gọt. Tuy nhiên có một kết quả không mong muốn khi nâng cao tốc độ gia công, đó là nhiệt lượng sinh ra quá nhiều trong quá trình bóc tách kim loại. Cho đến nay, gia công siêu hàn đã chứng tỏ mình là phương pháp kiểm soát nhiệt độ tốt nhất để nâng cao hiệu suất gia công và lợi nhuận nhờ vào khả năng cắt gọt vật liệu khó gia công với khối lượng lớn và ít tạo ra phế phẩm. Trong điều kiện giá gia công được giữ không đổi và chi phí dụng cụ cắt chiếm tỉ trọng ngày càng lớn, gia công siêu hàn được xem như một giải pháp tốt để cải thiện hiệu suất và chất lượng khi so sánh với những phương pháp gia công truyền thống khác

 (1) Nitơ lỏng có nhiệt độ sôi là -196oC

Bạn có biết ?

                Gia công siêu hàn được thực hiện đầu tiên trong phòng thí nghiệm và được ứng dụng vào sản xuất. Một trong những ứng dụng được biết đầu tiên của gia công siêu hàn là sử dụng cacbon dioxit lỏng trong gia công vào những năm đầu thập niên 50.

                Việc làm mát bằng nitơ lỏng được ghi nhận lần đầu tiên vào khoảng giữa thập niên 60. Tuy nhiên, vì chi phí của gia công siêu hàn cao, tính chất của vật liệu gia công bị thay đổi ở nhiệt độ thấp cũng như việc thiếu những hệ thống phân phối lưu chất lạnh hiệu quả đã cản trở việc gia công theo phương pháp này và do đó, các nghiên cứu, ứng dụng nó cũng giảm rất nhiều trong những năm 1970 đến đầu những năm 1980.

                Về sau, sự cần thiết đối với những phương pháp cắt gọt mới có tính hiệu quả cao để gia công các loại vật liệu khó gia công cũng như mong muốn hạn chế sử dụng nước và dầu làm dung dịch tưới nguội đã thúc đẩy việc nghiên cứu trở lại các phương pháp gia công siêu hàn. Điều này cũng đồng thời mở ra hướng phát triển cho những phương pháp gia công siêu hàn mới.

Hoàng Khương

(Theo Cryogenic Machining : A Sub Zero Performer – Tạp chí Equipment News tháng 4 năm 2012)

  1. No comments yet.
  1. No trackbacks yet.

Leave a Reply

Fill in your details below or click an icon to log in:

WordPress.com Logo

You are commenting using your WordPress.com account. Log Out / Change )

Twitter picture

You are commenting using your Twitter account. Log Out / Change )

Facebook photo

You are commenting using your Facebook account. Log Out / Change )

Google+ photo

You are commenting using your Google+ account. Log Out / Change )

Connecting to %s

%d bloggers like this: