Gia công tốc độ cao – HSM (Phần 1)

1. Khái niệm

          Cho đến nay trên thế giới vẫn chưa có một định nghĩa thống nhất cho thuật ngữ “Gia công tốc độ cao”. Theo lý thuyết được Salomons đưa ra vào năm 1931 thì “Gia công tốc độ cao là gia công với vận tốc cắt nhanh hơn vận tốc cắt khi gia công truyền thống từ 5 đến 10 lần”. Về sau này có thêm một số cách hiểu khác về HSM như gia công với tốc độ trục chính cao (high spindle speed maching), gia công với bước tiến lớn (high feed machining), gia công năng suất cao (high productive machining). Tuy nhiên, các cách hiểu này chỉ mang tính tương đối vì một tốc độ (của trục chính và bàn máy) được xem là nhanh đối với loại vật liệu này có thể bị xem là chậm với một loại vật liệu khác hoặc được xem là nhanh ngày hôm nay sẽ bị xem là bình thường nếu tốc độ cắt được nâng lên trong tương lai.

         Ngày nay, khái niệm thường được nhắc đến khi nói về HSM là : “Gia công tốc độ cao là phương pháp gia công sử dụng  tốc độ trục chính cao và bước tiến lớn với lượng dịch dao ngang nhỏ và chiều sâu cắt nhỏ”. Khái niệm này trực quan giúp mọi người có thể phân biệt HSM với các phương pháp gia công khác nhưng nó chưa thể hiện hết bản chất của HSM vì HSM là một phương pháp gia công được tổng hợp từ nhiều yếu tố công nghệ như máy móc, thiết bị, phần mềm lập trình và chế độ cắt gọt … để đạt hiệu quả gia công cao nhất.

Hình 1. Tốc độ cắt của HSM so với gia công truyền thống

2. Ưu điểm và ứng dụng của HSM

So với gia công truyền thống, HSM có nhiều ưu điểm như :

– 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 thành rất mỏng

–  Không cần tưới nguội

          Nhờ những ưu điểm này mà HSM được ứng dụng ngày càng phổ biến trong hầu hết các lĩnh vực có liên quan đến gia công cơ khí.

         Khuôn mẫu

Hình 2. Giảm nguyên công với HSM khi gia công khuôn mẫu

         Trong ngành khuôn mẫu (khuôn ép nhựa, khuôn thổi, khuôn dập..), HSM có thể được ứng dụng cả trong gia công thô, gia công bán tinh và gia công tinh. Đối với những tấm khuôn lớn, khối lượng gia công nhiều, người ta dùng HSM trong gia công bán tinh để làm đồng đều lượng vật liệu còn lại sau khi gia công thô bằng những dao có đường kính lớn và chiều sâu cắt dày sau đó gia công tinh để nâng cao chất lượng bề mặt. Đối với các chi tiết nhỏ, HSM có thể được dùng  cho toàn bộ quá trình gia công. Việc sử dụng HSM có thể thay đổi qui trình công nghệ gia công từ đó nâng cao năng suất. Cụ thể, HSM có khả năng thay thế phương pháp gia công bằng tia lửa điện EDM để gia công tinh những tấm khuôn đã được nhiệt luyện (hình 2B), hoặc thậm chí hoàn thành toàn bộ quá trình gia công từ thô đến tinh trên một khối kim loại đã được nhiệt luyện từ trước (hình 2C)

         Tạo mẫu nhanh

        Vòng đời của sản phẩm ngày càng ngắn đồng nghĩa với việc nghiên cứu, thử nghiệm sản phẩm mới cũng phải diễn ra ngày càng nhanh. Hiện nay, công việc này được thực hiện bằng hai phương pháp chính là tạo mẫu nhanh (rapid prototyping) và phay HSM. So với tạo mẫu nhanh, HSM có ưu điểm là gia công được nhiều loại vật liệu với độ bóng bề mặt cao hơnvà thời gian tạo mẫu nhanh hơn nếu tỉ lệ vật liệu phải cắt bỏ không quá lớn.

         Điện tử viễn thông.

         Đặc điểm của sản phẩm trong ngành này là sản lượng thường rất lớn do đó tốc độ gia công chính là yếu tố sống còn đối với nhà sản xuất. Lấy Iphone 5 làm ví dụ. Vỏ của chiếc điện thoại này làm bằng nhôm và được gia công bằng phương pháp phay để bao đảm cơ tính và độ bền. Với kết cấu thành rất mỏng và sản lượng lên đến vài chục triệu chiếc, nếu không sử dụng HSM thì các công ty gia công cơ khí khó có thể trở thành nhà cung cấp của Apple, hãng công nghệ luôn đặt ra yêu cầu rất cao về chất lượng và chi phí khi tìm kiếm đối tác.

         Hàng không

         Nhờ khối lượng riêng nhẹ, nhôm thường được dùng để chế tạo các phụ tùng trong máy bay và tàu vũ trụ. Ví dụ, hãng Boeing dùng phôi nhôm dạng khối để gia công các chi tiết lớn. Cách làm này bảo đảm được cơ tính cho chi tiết máy và không cần tốn thời gian chế tạo đồ gá và lắp ráp các chi tiết nhỏ lại với nhau. Tuy nhiên nếu gia công phương pháo gia công truyền thống khó đạt được độ chính xác cao nhất là đối với những chi tiết dài hoặc thành mỏng vì nhôm khá mềm. Hạn chế này được khắc phục nếu phay bằng phương pháp HSM vì khi đó, lực cắt nhỏ sẽ không làm biến dạng chi tiết gia công.

         Y tế

         Đây cũng là một lĩnh vực ứng dụng HSM rất nhiều vì các dụng cụ y khoa hoặc các chi tiết cấy ghép vào cơ thể người thường rất bé và đòi hỏi độ chính xác cao. Để gia công được chúng phải dùng dụng cụ cắt rất bé và máy HSM có số vòng quay trục chính rất cao.

3. Máy CNC

          Máy CNC là yếu tố thường được nghĩ đến đầu tiên khi bàn về công nghệ HSM. Hiện nay, mặc dù trên thị trường có một số loại đầu phay cao tốc để mở rộng khả năng công nghệ cho máy CNC nhưng những máy CNC được gắn đầu phay cao tốc vẫn không được xem là máy phay HSM bởi máy phay HSM đúng nghĩa phải đáp ứng được những yêu cầu cơ bản sau đây :

         – Trục chính có công suất lớn và số vòng quay cao : > 22 kw & 40.000 v/ph

– Tốc độ bàn máy cao : 40-90 m/s

– Gia tốc chuyển động lớn : > 1g

– Tốc độ xử lí dữ liệu nhanh : 50-2000 block/s

– Tốc độ truyền tải dữ liệu nhanh : 250 kbit/s

– Dung lượng lưu trữ lớn : > 50 MB

– Có khả năng nội suy đường NURBS

– Độ cứng vững, độ đồng tâm và khả năng ổn định nhiệt của trục chính cao

– Có tùy chọn làm mát xuyên qua trục chính

– Có khả năng đọc trước câu lệnh trong chương trình gia công

4. Dụng cụ cắt

          Theo thống kê của hãng dụng cụ cắt Sandvik, có đến 80% – 90% khối lượng gia công HSM được tiến hành bằng dao phay ngón hoặc dao phay cầu đường kính từ 1mm đến 20mm. Hai loại dụng cụ cắt này cũng ở dạng nguyên khối hoặc ghép mảnh (insert) nhưng đặc tính hình học và vật liệu làm ra chúng có sự khác biệt để phù hợp với công nghệ phay HSM.

Bảng 1

         Về hình học, dụng cụ cắt HSM thường được thiết kế để gia công với chiều sâu cắt nhỏ (hình 5A). Hình dạng và số lượng lưỡi cắt có thể được lựa chọn tùy theo điều kiện gia công (cắt vật liệu nào, thô hay tinh, phay phẳng hay hay phay rãnh …) nhưng quan trọng là kích thước các lưỡi cắt phải chính xác để bảo đảm tính cân bằng, hạn chế rung động trong quá trình cắt. Một số loại còn được thiết kế lỗ thông để thổi khí hoặc dung dịch làm nguội.

         Về vật liệu, hai tính chất cơ bản của vật liệu dùng làm dụng cụ cắt là độ bền và độ cứng ở nhiệt độ cao. Thép gió không thỏa mãn được hai yêu cầu này nên hầu như không còn được sử dụng trong gia công HSM, thay vào đó là những loại vật liệu carbide, gốm (ceramic), gốm kim loại (cermet) và đặc biệt là vật liệu siêu cứng như CBN (cubic boron nitride), PCD (polycrystalline diamond). Đặc điểm của những loại vật liệu này là độ cứng càng cao thì càng giòn chính vì vậy, công nghệ phủ bề mặt được sử dụng rất rộng rãi trong chế tạo dụng cụ cắt cho HSM. Sự kết hợp giữa vật liệu nền và lớp phủ đã cho ra đời rất nhiều loại dụng cụ cắt với những đặc tính riêng đáp ứng tối đa yêu cầu cắt gọt. Các hợp chất thường được dùng làm lớp phủ là TiC (chống mài mòn), TiN (chống dính lưỡi cắt), TiAlN (chịu nhiệt cao, cách nhiệt tốt)… Hai phương pháp phủ được sử dụng là lắng đọng vật chất bay hơi (Physical Vapor Deposition – PVD) với chiều dày lớp phủ 2 – 5 µm và lắng đọng hóa học (Chemical Vapor Deposition – CVD) với chiều dày lớp phủ 5 – 10 µm.

         Nhìn chung, giá của dụng cụ cắt dành cho HSM khá cao, tuy nhiên nếu so sánh về khả năng cắt gọt và độ bền, nó rất đáng để đầu tư để khai thác triệt để những ưu điểm của HSM.