Home > Nghiên cứu & Thảo luận > Gia công thích ứng – Adaptive Machining

Gia công thích ứng – Adaptive Machining

1. Yêu cầu thực tế

Hầu hết chi tiết làm bằng vật liệu composite đều phải gia công lại sau khi tạo hình. Những nguyên công thường gặp là cắt bỏ vật liệu thừa ở mép sản phẩm, gia công hốc định hình hoặc khoan lỗ lắp ghép. Ngành công nghiệp composite thực hiện những nguyên công này bằng các phương pháp gia công truyền thống. Mặc dù những phương pháp này vừa chậm vừa kém chính xác so với những phương pháp được tự động hóa, chúng vẫn được sử dụng phổ biến vì hai nguyên nhân. Thứ nhất, sản lượng của những chi tiết làm bằng composite thường nhỏ hơn rất nhiều so với chi tiết làm bằng kim loại hay bằng nhựa. Điều này khiến người ta e ngại phải bỏ chi phí đầu tư cho những phương pháp tiên tiến hơn. Thứ hai, yêu cầu từ phía khách hàng vẫn chưa cao và việc điều chỉnh từng chi tiết đơn lẻ khi lắp ghép vẫn được chấp nhận.

Tuy nhiên cả hai yếu tố nói trên dần trở nên kém thuyết phục khi sản lượng chi tiết làm bằng composite ngày càng tăng và yêu cầu chất lượng cũng nghiêm ngặt hơn. Việc gia tăng sử dụng composite trong ngành công nghiệp hàng không và ô tô khiến nhu cầu của chúng tăng lên rất nhiều so với trước đây. Cùng lúc này, những công ty nhận được sản phẩm có chất lượng cao hơn (từ những nhà cung cấp sử dụng công nghệ tốt hơn) bắt đầu đặt câu hỏi tại sao họ không nhận được những linh kiện có cùng tiêu chuẩn chất lượng. Điều này càng được coi trọng khi nó liên quan đến việc kiểm soát chất lượng. Khi thời gian giao hàng trở nên chặt chẽ hơn và các công ty cũng bắt đầu nhạy cảm hơn với các vấn đề về chi phí, bất kì kỹ thuật có thể giúp giảm thiểu sai hỏng đều được nhận được sự quan tâm đặc biệt.

Có ba nguyên nhân khiến việc gia tăng mức độ tự động hóa trong gia công vật liệu composite gặp khó khăn. Trước tiên, vật liệu composite có tính linh động cao hơn so với kim loại do đó khó có thể cố định chúng với những đồ gá thông thường, đặc biệt là với những chi tiết lớn dùng trong các ngành công nghiệp hàng không, tàu thủy và đường sắt. Thứ hai, dù được tạo hình trong khuôn kín hay nồi áp suất thì tính đồng nhất trong cùng một loạt sản phẩm làm bằng composite cũng không cao. Sự phân tán này thực sự là một thử thách cho việc đạt được độ chính xác cao khi gia công tinh. Thứ ba, tác động của lực cắt có thể làm biến dạng chi tiết do sự giải phóng ứng suất dư tồn tại bên trong chi tiết. Những nguyên nhân này phải được xem xét ở tất cả các nguyên công để đạt được độ chính xác theo yêu cầu.

Delcam-compositesNguồn http://www.delcam.com)

Hình 1

2. Gia công thích ứng (Adaptive machining)

Theo truyền thống, đầu tiên chi tiết sẽ được gia công trên máy công cụ sau đó chuyển sang thiết bị đo kiểm để kiểm tra và xác nhận tình trạng đạt hay không đạt yêu cầu. Tuy nhiên, khi việc gia công ngày càng trở nên phức tạp và chi tiết cũng trở nên lớn hơn và khó gia công hơn, yêu cầu đặt ra là phải có một hệ thống tích hợp chặt để đạt năng suất tối đa và giảm thiểu vật liệu thừa đến mức thấp nhất. Thay vì dùng một quá trình đơn giản tự đi từ CAD đến CAM đến CNC rồi đến đo kiểm, một loạt tác vụ phức tạp sẽ được thực hiện để bổ sung những thông tin cần thiết cho quá trình gia công. Những tác vụ này được gọi chung bằng thuật ngữ “công nghệ gia công thích ứng”.

Lập trình gia công cho một chi tiết làm bằng kim loại hay composite đều dựa trên 3 thông số đã biết gồm vị trí của phôi trên máy, hình dạng ban đầu của phôi và hình dạng chi tiết cần đạt được sau khi gia công. Gia công thích ứng cho phép gia công đạt yêu cầu ngay cả khi có ít nhất một thông số chưa được xác định nhờ vào kỹ thuật đo trong quá trình (in-process measurement) để bổ sung thông tin cần thiết trong quá trình gia công. Nó cũng cho phép phát hiện lỗi sớm hơn trong quá trình gia công, nhờ vậy vấn đề sẽ được giải quyết sớm hơn với chi phí thấp hơn.

Với phương pháp gia công thích ứng, thông tin bổ sung về hình dạng và vị trí của chi tiết phải được thu thập ngay sau khi gá đặt và trước khi quá trình gia công bắt đầu. Về sau, việc đo kiểm và hiệu chỉnh có thể được tiến hành nếu cần thiết ở bất kì bước nào trong suốt quá trình gia công. Việc kiểm tra có thể được tiến hành ở bước cuối cùng của quá trình gia công để chắc chắn rằng chi tiết gia công nằm trong một giới hạn dung sai cho phép.

Adaptive machining 1                                                                                                                                            (Nguồn http://bernardandcompany.wordpress.com/)

Hình 2

3. Định vị điện tử

Trong hầu hết các trường hợp cần gia công thích ứng, vị trí chính xác của toàn bộ vùng gia công trên phôi không thể xác định được. Với những chi tiết lớn dùng trong hàng không, tàu thủy hay cánh turbin gió, việc xác định đúng hướng và vị trí của chúng trên máy thật sự là một thử thách lớn và phải mất hàng giờ để kiểm và và hiệu chỉnh. Vấn đề này có thể khắc phục bằng cách dùng đồ gá nhưng đồ gá có thể rất đắc tiền và tốn thời gian để chế tạo. Hơn nữa, nếu chi tiết bị thay đổi thiết kế, đồ gá cũng phải điều chỉnh theo thậm chí phải làm lại. Ngay cả đồ gá tốt nhất cũng có thể là nguyên nhân gây ra sai số nếu như không được sử dụng đúng cách. Ví dụ, nếu sử dụng đồ gá dùng cơ cấu kẹp, chi tiết có thể bị biến dạng nếu kẹp không đúng cách. Với những chi tiết có kích thước lớn, vấn đề có thể trở nên nghiêm trọng hơn do tính linh hoạt của vật liệu. Kết quả là tâm của chi tiết có thể bị võng xuống ngay cả khi bốn cạnh của nó được định vị chuẩn.

Khi định vị điện tử, đường chạy dao được điều chỉnh đúng với vị trí thực của toàn bộ bề mặt gia công trên phôi thay vì chỉ cố gắng đạt được kích thước danh nghĩa đã được khai báo trên các phần mềm lập trình CAM. Trước đây, phương pháp này đôi khi cũng được dùng để gia công kim loại. Giờ đây, nó đã được dùng để gia công những chi tiết composite phức tạp để rút ngắn thời gian setup máy và cải thiện được chất lượng gia công.

Bước đầu tiên của phương pháp này là thực hiện một chu trình dò (probing) bằng phần mềm, thường dùng chương trình off-line để không ảnh hưởng đến thời gian gia công. Chu trình này sẽ ghi nhận toàn bộ tọa độ điểm của vùng gia công, có thể dùng để dựng phác đồ bề mặt thực của chi tiết. Bất kì sự khác biệt nào giữa vị trí danh nghĩa dùng để lập trình trên phần mềm CAM và vị trí thực trên phôi đều có thể tính toán được. Sau đó, đường chạy dao sẽ được hiệu chỉnh ngay trong phần mềm CAM cho phù hợp . Việc dò điểmđược thực hiện bằng một đầu dò gắn trên máy nhưng dữ liệu cũng có thể được thu thập bằng một thiết bị thăm dò độc lập. Thường dùng cánh tay gắn đầu dò cho những chi tiết có kích thước trung bình và thiết bị dò quang học cho những chi tiết lớn. Sử dụng thiết bị dò độc lập linh hoạt hơn vì nó có thể được dùng cho nhiều máy công cụ.

Như đã đề cập, cạnh của chi tiết có thể được cố định tại những vị trí cần thiết nhờ đồ gá. Do đó, trong những nguyên công xén cạnh, sự điều chỉnh phải thực hiện trên toàn bộ chi tiết để khử sai số vị trí trên lí thuyết và thực tế giữa đồ gá và chi tiết. Tuy nhiên, những nguyên công độc lập có thể được hiệu chỉnh từng bước một. Trong trường hợp này, vị trí của một bề mặt sẽ được kiểm tra khi gia công từng hốc trên bề mặt đó. Ví dụ, khi gia công lỗ các tấm pano lớn,  vị trí xung quanh lỗ sẽ được kiểm tra và những sai lệnh giữa kích thước danh nghĩa và kích thước thực sẽ được bù trừ thích hợp.

4. Khắc phục sự mất ổn định khi gia công lỗ

Đôi khi chi tiết compposite cần khoan rất nhiều lỗ để lắp ghép. Những lỗ này thường được mở rộng ở phía trên (counterbore) để chứa phần đầu đinh tán. Trong trường hợp này, bất kì sự biến thiên chiều dày nào của vật liệu cũng có thể dẫn đến những sai hỏng cần phải xem xét và giải quyết. Nếu phần khoét rộng không đủ sâu, bề mặt ngoại quan của sản phẩm sẽ xấu. Nếu phần khoét quá sâu thì phần lỗ tán đinh sẽ ngắn lại và độ bền mối ghép sẽ không bảo đảm. Thật không may là trong suốt quá trình gia công, tình trạng mất ổn định về chiều dày này thường xuyên xảy ra do nhiều nguyên nhân, đặc biệt là khi chi tiết được gá đặt bằng tay và lưu hóa trong nồi áp suất.

Những lỗi này còn nghiêm trọng hơn trên mặt sau của chi tiết. Ngay cả trong khuôn đóng, khả năng nhiệt độ và áp suất bị thay đổi cũng rất lớn và là nguyên nhân gây ra những sai lệch về vị trí. Tuy những sai lệch này nhỏ so với kích thước tổng thể của chi tiết lớn nhưng ảnh hưởng lớn đến chiều sâu khi gia công các hệ lỗ và các hốc định hình khác. Như đã trình bày ở phần trên, gia công thích ứng có thể vượt qua những trở ngại này bằng cách cung cấp một phác đồ bề mặt thực của chi tiết (có thể trên toàn bộ bề mặt sản phẩm hoặc chỉ ở tại vị trí cần gia công lỗ). Nhờ vậy, đường chạy dao có thể được điều chỉnh để bù trừ những biến thiên chiều dày và đạt được độ chính xác cả về hình dạng và vị trí của lỗ cần giac công.

Một sai hỏng khác thường gặp là vật liệu composite trở nên kém liên kết khi bị cắt gọt. Vấn đề này không nghiêm trọng như trường hợp đầu vì lỗ thường được gia công có lượng dư và có thể sửa đúng trong những nguyên công tiếp theo. Tuy nhiên, ảnh hưởng này rất khó dự đoán vì vật liệu sợi không hoàn toàn đẳng hướng khi cắt gọt. Điều này có nghĩa là mức độ biến dạng sẽ biến thiên theo nhiều hướng khác nhau. Để khắc phục vấn đề này, nguyên công đầu tiên nên đi theo sự điều hướng của chu trình dò đường (đã trình bày ở phần trên) nhằm nhận biết lượng vật liệu cần bóc tách và điều khiển việc tạo thêm đường chạy so trên các phần mềm CAM. Đối với những chi tiết phức tạp có từ 20 hốc hoặc lỗ trở lên có thể cần thêm chu trình đo kiểm và gia công để đạt được tất cả các kích thước yêu cầu. Tuy nhiên, những chi tiết tương tự trong cùng một nhóm có thể được gia công theo những chương trình mẫu và kết quả chỉ cầnđo kiểm ở lần sau cùng

Vấn đề tương tự có thể nảy sinh khi khoan lỗ do sự kém liên kết trên bề mặt gây ảnh hưởng đến kích thước sau cùng của chi tiết. Sự thay đổi trên những lỗ khoan ở nguyên công trước có thể làm sai lệch vị trí của những lỗ tiếp theo. Giải pháp cho trường hợp này là dùng phương pháp khoan theo giai đoạn. Chương trình khoan đầu tiên sẽ khoan để lại lượng dư, thường chỉ đạt một nữa kích thước cần thiết. Bề mặt lỗ sau đó sẽ được scan và kết quả sẽ được dùng để tạo ra chương trình khoan thứ hai dùng mũi khoan đúng kích thước lỗ yêu cầu. Bất kì sai lệch nào cũng đều được ghi nhận và tâm lỗ sẽ được điều chỉnh tương ứng.

5. Kết luận

Phương pháp gia công thích ứng mô tả trong bài viết này hứa hẹn nhiều khả năng cải thiện chất lượng sản phẩm và giảm thiểu phế phẩm khi gia công nhiều loại vật liệu composite, đặc biệt là những sản phẩm có kích thước lớn. Năng suất và chất lượng là những yếu tố then chốt cho mọi ngành sản xuất nói chung và ngành chế tạo sản phẩm bằng composite nói riêng. Với những hãng mong muốn trở thành đối tác của ngành hàng không, bất cứ kỹ thuật nào có thể giúp làm giảm phế phẩm và nâng cao hiệu suất công việc đều đáng được đầu tư trong tương lai. Tuy nhiên, những công ty muốn đầu tư kỹ thuật gia công thích ứng cần hiểu rằng kỹ thuật này đi theo một qui trình phức tạp hơn rất nhiều so với một hệ thống CAM truyền thống. Hầu hết những dự án trang bị kỹ thuật gia công thích ứng đều cần sự tư vấn đặc biệt và được cấu hình cho từng khách hàng. Nó là một phần công việc mà nhà cung cấp phần mềm phải làm cho khách hàng của họ.

 

(Dịch lại từ bài viết Adapting To Composite của Peter Dickin đăng trên tạp chí Equipment News tháng 10/2013)

 

  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: