Gia công không truyền thống trong gia công cơ khí

CÁC PHƢƠNG PHÁP GIA CÔNG CẮT GỌT
KHÔNG TRUYỀN THỐNG
NỘI DUNG
6.1 CÁC QUÁ TRÌNH GIA CÔNG CƠ NĂNG
6.2 CÁC QUÁ TRÌNH GIA CÔNG CẮT GỌT ĐIỆN HÓA
6.3 CÁC QUÁ TRÌNH GIA CÔNG NHIỆT NĂNG
6.4 GIA CÔNG CẮT GỌT HÓA HỌC
6.5 NHỮNG VẤN ĐỀ CẦN CHÚ Ý TRONG CÁC ỨNG DỤNG

Các quá trình gia công cắt gọt thông thƣờng (nghĩa là tiện, khoan,
phay) sử dụng một dao cắt sắc để hình thành phoi từ vật gia công bằng
sự biến dạng cắt.
Ngoài những phƣơng pháp thông thƣờng này ra, có một nhóm các
quá trình sử dụng các cơ chế khác để cắt gọt vật liệu gọi là gia công cắt
gọt không truyền thống (nontraditional machining, trong nhóm các
quá trình này sẽ cắt gọt vật liệu dƣ gia công bằng những kỹ thuật khác
nhau liên quan đến cơ năng, nhiệt năng, điện năng hoặc hóa năng (hoặc
các dạng kết hợp của các loại năng lƣợng này). Về bản chất chúng không
sử dụng một dao cắt sắc nhƣ thông thƣờng.
Các quá trình không truyền thống đã đƣợc phát triển mạnh từ
chiến tranh thế giới lần thứ II tƣơng ứng với những yêu cầu gia công cắt
gọt mới và không thƣờng thấy và không thể thực hiện đƣợc bằng các
phƣơng pháp truyền thống. Các yêu cầu này và tầm quan trọng về
thƣơng mại, công nghệ của các quá trình không truyền thống bao gồm:
 Nhu cầu gia công các vật liệu kim loại và phi kim loại mới đƣợc phát
triển. Những vật liệu mới này thƣờng có những tính chất đặc biệt (ví
dụ, độ bền cao, độ cứng cao và độ bền chắc cao) làm cho chúng khó
có thể hoặc không thể gia công cắt gọt bằng các phƣơng pháp thông
thƣờng.
 Nhu cầu dùng cho các hình dáng hình học không bình thƣờng và/hoặc
phức tạp của chi tiết mà không thể thực hiện đƣợc dễ dàng hoặc

không thể đạt đƣợc bằng gia công cắt gọt thông thƣờng.
 Nhu cầu để tránh hƣ hại bề mặt thƣờng đi kèm theo các ứng suất
đƣợc tạo ra bởi phƣơng pháp gia công cắt gọt thông thƣờng.


Nhiều yêu cầu này liên quan tới các ngành công nghiệp hàng
không và điện tử đã tăng trƣờng đáng kể trong những thập kỷ gần đây.
Các quá trình không truyền thống thƣờng đƣợc phân loại tƣơng
ứng với dạng năng lƣợng cơ bản đƣợc sử dụng có tác dụng cắt gọt vật
liệu. bằng sự phân loại này, có bốn loại:
1. Cơ năng (mechanical): cơ năng trong một số dạng khác với hành
động dao cắt thông thƣờng đƣợc sử dụng trong các quá trình không
truyền thống này. Sự bào mòn vật liệu gia công bởi một dòng các bột
mài hoặc dung dịch có vận tốc cao (hoặc cả hai) là dạng điển hình tác
động cơ học trong các quá trình này.
2. Điện năng (electrical): Các quá trình không truyền thống sử dụng
năng lƣợng điện hóa để cắt gọt vật liệu; cơ chế là ngƣợc lại với mạ
điện.
3. Nhiệt năng (thermal): các quá trình này sử dụng nhiệt năng để cắt
hoặc tạo hình chi tiết gia công. Nhiệt năng nói chung đƣợc áp dụng
cho một phần rất nhỏ bề mặt gia công, làm cho phần đó bị cắt gọt đi
bằng sự nóng chảy và/hoặc bốc hơi vật liệu. Nhiệt năng đƣợc tạo ra
bởi sự chuyển đổi của điện năng.
4. Hóa năng (chemical): đa số các vật liệu (đặc biệt là các kim loại)
nhạy cảm với sự tấn công hóa học bởi một số a xít hoặc các chất tẩm
thực nhất định. Trong gia công cắt gọt hóa học, các hóa chất cắt gọt
có lựa chọn vật liệu khỏi những phần nhất định của chi tiết gia công,
còn những phần khác của bề mặt đƣợc bảo vệ bởi sự che đậy.

6.1 CÁC QUÁ TRÌNH GIA CÔNG CƠ NĂNG

Trong phần này, chúng ta xem xét nhiều quá trình gia công cơ
năng không truyền thống: (1) gia công cắt gọt bằng siêu âm, (2) cắt bằng
tia nƣớc, (3) cắt bằng tia nƣớc bột mài, và (4) gia công cắt gọt bằng tia
bột mài.
6.1.1 Gia công cắt gọt bằng siêu âm
Gia công cắt gọt bằng siêu âm (Ultrasonic machining) (USM) là
một quá trình gia công cắt gọt không truyền thống trong đó các hạt bột
mài có trong dung dịch hỗn hợp vật liệu mài đƣợc điều khiển ở vận tốc


cao so với vật gia công bằng một loại dao rung động ở biên độ thấp –
khoảng 0,075 mm (0,003 in) và tần số cao – khoảng 20.000 Hz. Dao
rung động theo hƣớng vuông góc với bề mặt vật gia công, và nó đƣợc
chạy chậm vào vật gia công, sao cho hình dáng dao đƣợc hình thành
trong chi tiết nhờ tác động của các bột mài, bắn phá vào bề mặt gia công,
hình thành nên động tác cắt.
Sự bố trí tổng quát của quá trình USM đƣợc minh hoạt trong hình
26.1.

Hình 26.1 Gia công cắt gọt bằng siêu âm
Các vật liệu dao thông dụng đƣợc sử dụng trong USM bao gồm
thép mềm và thép không gỉ. Các vật liệu mài trong USM bao gồm bo
nitrit, bo carbide, nhôm ôxít, silic cảbide, và kim cƣơng. Kích thƣớc hạt
(phần 16.1.1) có phạm vi từ 100 đến 200. Biên độ rung sẽ đƣợc thiết lập
xấp xỉ bằng với kích thƣớc hạt, kích thƣớc khe hở sẽ đƣợc duy trì ở gấp
hai lần kích thƣớc hạt. Với một mức độ đáng kể, kích thƣớc hạt sẽ xác
định độ bóng bề mặt trên bề mặt gia công mới.
Ngoài độ bóng bề mặt ra, tốc độ cắt gọt vật liệu là một biến số
chất lƣợng quan trọng trong gia công cắt gọt bằng siêu âm. Đối với một
vật liệu gia công nhất định, tốc độ cắt gọt vật liệu trong USM tăng với

việc tăng tần số và biên độ rung, nhƣ đƣợc trình bày trong hình 26.2.
Hỗn hợp vật liệu trong USM gồm hỗn hợp của nƣớc với các hạt
bột mài. Nồng độ các bột mài trong nƣớc có phạm vi từ 20% đến 60% .
Hỗn hợp vật liệu phải đƣợc chuyển động tuần hoàn để mang các hạt mới
vào hoạt động tại khe hở giữa dao và vật gia công. Nó cũng rửa sạch các
phoi và bào mòn các hạt đƣợc tạo ra bởi quá trình cắt.


Hình 26.2 Ảnh hưởng của tần số dao động và biên độ lên tốc độ cắt gọt
vật liệu trong USM
6.1.2 Các quá trình gia công sử dụng tia nƣớc và tia bột mài
Các quá trình đã đƣợc mô tả trong phần này sẽ cắt gọt vật liệu
bằng các tia nƣớc, bột mài hoặc sự kết hợp cả hai với vận tốc và áp lực
cao.
Cắt bằng tia nước: cắt bằng tia nước water jet cutting – WJC)
sử dụng một tia nƣớc mảnh, áp lực cao và vận tốc lớn trực tiếp vào bề
mặt gia công để gây ra cắt vật gia công, nhƣ đƣợc minh họa trong hình
26.3. Tên gọi gia công cắt gọt thủy lực động (hydrodynamic
machining) cũng còn đƣợc sử dụng cho quá trình này, nhƣng cắt bằng
tia nƣớc dƣờng nhƣ là thuật ngữ đƣợc sử dụng thông dụng trong ngành
công nghiệp.


Để có đƣợc tia nƣớc mảnh, cần sử dụng một vòi phun nhỏ có độ
mở đƣờng kính từ 0,1 đến 0,4 mm (0,004 đến 0,016 in). Để đƣa ra tia
nƣớc có năng lƣợng vừa đủ dùng để cắt, cần có áp lực lên tới 400 MPa
(60,000 lb/in2), và tia sẽ có vận tốc lên tới 900 m/s (3000 ft/sec). Dung
dịch đƣợc điều áp tới mức mong muốn bằng một máy bơm thủy lực.
Khối vòi phun gồm một bộ kẹp đƣợc chế tạo bằng thép không gỉ và vòi
phun đƣợc chế tạo bằng đá quí saphia, hồng ngọc hoặc kim cƣơng. Kim

cƣơng có tuổi thọ dài nhất nhƣng giá thành lại đắt nhất. Các hệ thống lọc
phải đƣợc sử dụng trong WJC để tách biệt các mạt kim loại đƣợc tạo ra
trong lúc cắt.
Các tham số quan trọng của quá trình bao gồm khoảng cách làm
việc, đƣờng kính độ mở vòi phun, áp lực nƣớc và tốc độ chạy dao cắt.
Nhƣ trong hình 26.3, khoảng cách làm việc (standoff distance) là
sự cách biệt giữa lỗ mở vòi phun và bề mặt gia công. Nói chung ngƣời ta
muốn dùng khoảng cách này là nhỏ để tối thiểu hóa sự phân tán luồng
dung dịch trƣớc khi nó bắn phá bề mặt. Một khoảng cách làm việc điển
hình là 3,2 mm (0,125 in). Kích thước của lỗ mở vòi phun ảnh hƣởng
đến độ cắt chính xác; các lỗ mở nhỏ hơn đƣợc sử dụng để cho cắt mịn
hơn trên các vật liệu mỏng hơn. Để cắt nguyên liệu dày hơn, cần có các
tia dày hơn và áp lực lớn hơn. Tốc độ chạy dao cắt là vận tốc mà tại đó
vòi phun WJC cắt ngang đƣờng cắt.
Các tốc độ chạy dao điển hình có phạm vi từ 5 mm/s (12 in/min)
đến 500 mm/s (1200 in/min), phụ thuộc vào vật liệu gia công và độ dày
của nó.
Quá trình WJC thƣờng đƣợc tự động hóa sử dụng điều khiển số
bằng máy tính hoặc các rô bốt công nghiệp để thao tác khối vòi phun dọc
theo quĩ đạo mong muốn.
Cắt bằng tia nƣớc có thể đƣợc sử dụng hiệu quả để cắt các đƣờng
cắt hẹp trong nguyên liệu phẳng chẳng hạn nhƣ chất dẻo, hàng dệt,
compozit, gạch lát, thảm, da và bìa cứng. Các trạm ngƣời máy đƣợc lắp
đặt các vòi phun WJC nhƣ là công cụ của rô bốt tuân theo các mẫu cắt
không phân bố đều theo ba chiều, chẳng hạn nhƣ cắt và hoàn thiện các
bảng điều khiển ô tô trƣớc khi lắp ráp.
Trong các ứng dụng này, những ƣu điểm này của WJC bao gồm
(1) không có vỡ nát hoặc đốt cháy bề mặt gia công nhƣ thƣờng có trong
các quá trình gia công cơ học và nhiệt khác, (2) Tối thiểu hóa tổn thất vật

liệu do khe hở cắt hẹp, (3) không gây ô nhiễm môi trƣờng và (4) dễ dàng
tự động hóa quá trình sử dụng điều khiển số hoặc các rô bốt công nghiệp.
Hạn chế của WJC là quá trình không phù hợp để cắt các vật liệu
giòn (ví dụ thủy tinh) do dễ bị nứt vỡ trong trong quá trình cắt.
Cắt bằng tia nước bột mài: khi WJC đƣợc sử dụng dựa trên các
chi tiết gia công kim loại, các hạt mài thƣờng phải đƣợc bổ sung thêm
cho luồng phun để cắt một cách dễ dàng. Quá trình này do đó đƣợc gọi
là cắt tia nước bột mài (abrasive warter jet cutting – AWJC). Việc đƣa
các hạt mài vào luồng sẽ làm phức tạp quá trình bởi bổ sung thêm số
lƣợng các tham số là loại bột mài, kích thƣớc hạt và tốc độ luồng phun.
Nhôm ôxít, silic điôxít và garnet (khoáng chất silicat) là những vật liệu
mài điển hình đƣợc sử dụng, ở kích thƣớc hạt có phạm vi từ 60 đến 120.
Các hạt mài đƣợc bổ sung vào tia nƣớc với tốc độ xấp xỉ là 0,25 kg/phút
(0,5 lb/min) sau khi nó đi ra khỏi vòi phun WJC.
Các tham số của quá trình còn lại bao gồm những tham số thông
thƣờng với WJC: đƣờng kính lỗ mở vòi phun, áp lực nƣớc và khoảng
cách làm việc. Các đƣờng kính lỗ mở vòi phun là từ 0,25 – 0,63 mm
(0,010 – 0,025 in) – lớn hơn một chút so với trong cắt bằng tia nƣớc để
cho phép các tốc độ luồng cao hơn và nhiều năng lƣợng hơn đƣợc chứa
trong luồng trƣớc khi phun bột mài. Các áp lực nƣớc thì gần giống nhƣ
trong WJC. Các khoảng cách làm việc ít hơn một chút để tối thiểu hóa
ảnh hƣởng phân tán của dung dịch cắt hiện đang chứa các hạt bột mài.
Các khoảng cách làm việc điển hình nằm giữa ¼ đến ½ so với các
khoảng cách trong WJC.
Gia công cắt gọt bằng tia bột mài: Không nên nhầm lẫn AWJC
với quá trình đƣợc gọi là gia công cắt gọt bằng tia bột mài. Gia công cắt
gọt bằng tia bột mài (abrasive jet machining – AJM) là một quá trình
cắt gọt vật liệu nhờ tác động của luồng khí vận tốc cao chứa những hạt
bột mài nhỏ, như được trình bày trong hình 26.4. Khí là khô và các áp

lực từ 0,2 đến 1,4 MPa (25 – 200 lb/in2) được sử dụng để đẩy đi đẩy tới
khí qua các lỗ mở của vòi phun có đường kính 0,075 – 1,0 mm (0,003 0,040 in) ở các vận tốc là 2,5 – 5,0 m/s (500-1000 ft/min). Các chất khi
bao gồm không khí khô, ni tơ, các bon đi ôxít và hê li.
Quá trình thƣờng đƣợc thực hiện bởi một ngƣời thợ vận hành điều
khiển vòi phun vào vật gia công. Các khoảng cách điển hình giữa đầu


vòi phun và bề mặt gia công có phạm vi từ 3 mm đến 75 mm (0,125 in
đến 3 in). Trạm làm việc phải đƣợc thiết lập để cung cấp thông khí thích
hợp hơn cho ngƣời thợ vận hành.
AJM thƣờng đƣợc sử dụng nhƣ là một quá trình đánh bóng hơn là
một quá trình cắt trong sản xuất. Các ứng dụng bao gồm mài nhẵn (vạt
ba via), cắt tỉa và làm nguội, làm sạch và đánh bóng.
Cắt đƣợc thực hiện thành công trên những vật liệu cứng, giòn (ví
dụ thủy tinh, silic, mi ca, và các loại gốm) ở dạng nguyên liệu phẳng,
mỏng.
Các bột mài điển hình đƣợc sử dụng trong AJM bao gồm nhôm
ôxít (dùng cho nhôm và đồng thau), silic carbide (dùng cho thép không
gỉ và các loại gốm) và bi thủy tinh (dùng để đánh bóng). Kích thƣớc hạt
rất nhỏ, đƣờng kính là 15-40 µm (0,0006 – 0,0016 in) và phải đồng dạng
về kích thƣớc với một ứng dụng đã cho.
Điều quan trọng không thể tái chế lại các bột mài vì các hạt đã
đƣợc sử dụng đã bị gãy (do đó sẽ có kích thƣớc nhỏ hơn), bị mòn đi và
đã bị nhiễm bẩn.

Hình 26.4 gia công cắt gọt tia bột mài (AJM)


6.2 CÁC QUÁ TRÌNH GIA CÔNG CẮT GỌT ĐIỆN HÓA
Một nhóm các quá trình không truyền thống quan trọng sử dụng

điện năng để cắt gọt vật liệu. Nhóm này có tên gọi là các quá trình điện
hóa (electrochemical processe), vì điện năng đƣợc sử dụng kết hợp với
các phản ứng hóa học để thực hiện cắt gọt vật liệu. Thực tế, các quá trình
này là ngƣợc với quá trình mạ điện (phần 29.1.1). Vật liệu gia công phải
là vật dẫn điện trong quá trình gia công cắt gọt điện hóa.
6.2.1 Gia công cắt gọt điện hóa
Quá trình cơ bản trong nhóm này là gia công cắt gọt điện hóa
(ECM). Gia công cắt gọt điện hóa (electrochemical machining) cắt gọt
kim loại khỏi một chi tiết gia công dẫn điện bằng phương pháp hòa tan
anốt, trong đó hình dáng của chi tiết gia công thu được bằng một công
cụ tạo hình thành điện cực.
ECM về cơ bản là một quá trình tan mòn. Nhƣ đƣợc minh họa
trong hình 26.5, chi tiết gia công là cực anốt, và công cụ là cực catốt.
Nguyên lý cơ bản của quá trình là vật liệu đƣợc tan mòn khỏi điện cực
anốt (cực điện dƣơng) và kết tủa bám ở cực catốt (cực điện âm) trong
một bể điện phân (phần 4.5). Sự khác nhau trong ECM là trong bể điện
phân dòng dung dịch điện ly chảy nhanh giữa hai điện cực để vận
chuyển lƣơng vật liệu tan mòn sao cho nó không bị phủ lên công cụ.

Hình 26.5 gia công cắt gọt điện hóa (ECM)
Công cụ điện cực thƣờng đƣợc chế tạo bằng đồng, đồng thau hoặc
thép không gỉ, đƣợc thiết kế để gần giống nhƣ âm bản của hình dáng
cuối cùng mong muốn của chi tiết. Dung sai trong kích thƣớc công cụ


phải đƣa ra đƣợc khe hở giữa công cụ và vật gia công. Để hoàn thành
việc cắt gọt kim loại, điện cực đƣợc chạy vào vật gia công ở tốc độ bằng
với tốc độ cắt gọt kim loại từ vật gia công.
Tốc độ cắt gọt kim loại đƣợc xác định theo Định luật thứ nhất của
Pha-ra-đây (Faraday), nó xác định rằng độ lớn biến đổi hóa học đƣợc

tạo ra bởi dòng điện (nghĩa là số lƣợng kim loại hòa tan) tỷ lệ với điện
lƣợng đi qua (dòng điện x thời gian):

V = C.i.t

(26.1)
3

3

Trong đó V = thể tích kim loại bị cắt gọt, mm (in ); C = một hằng
số đƣợc gọi là tốc độ cắt gọt riêng phụ thuộc vào trọng lƣợng nguyên tử,
hóa trị, và khối lƣợng riêng của vật liệu gia công, mm3/A-s (in3-min); I =
dòng điện, A (ampe); và t = thời gian, s (phút, min).
Dựa trên định luật Ôm, dòng điện I = E/R, trong đó E = điện áp và
R = điện trở. Dƣới những điều kiện của quá trình ECM, điện trở đƣợc
cho bởi:
(26.2)
Trong đó g – khe hở giữa điện cực và vật gia công, mm (in); r =
điện trở suất của chất điện phân, Ω-m (Ω-in); và A = diện tích bề mặt
giữa vật gia công và công cụ trong khe hở chính diện đang gia công,
mm2 (in2). Thay biểu thức này cho R trong định luật Ôm, chúng ta có

(26.3)
Và thay thế phƣơng trình này trở lại vào phƣơng trình định nghĩa
định luật Faraday,

(26.4)
Sẽ là thuận tiện để chuyển đổi phƣơng trình này thành một biểu
thức dùng cho tốc độ chuyển động mà tại đó điện cực (công cụ) có thể

tiến trƣớc vào vật gia công. Sự chuyển đổi này có thể đƣợc thực hiện
theo hai bƣớc. Thứ nhất, chúng ta hãy chia phƣơng trình (26.4) cho At
(diện tích x thời gian) để chuyển đổi thể tích kim loại đƣợc cắt gọt thành
tốc độ dịch chuyển tuyến tính:


(26.5)
Trong đó fr = tốc độ chuyển động chạy công cụ, mm/s (in/min).
Thứ hai, chúng ta hãy thay thế I/A vào E/(gr), nhƣ đƣợc đƣa ra bởi
phƣơng trình (26.3). Do vậy, tốc độ chuyển động trong ECM là:

(26.6)
2

2

Trong đó A = diện tích mặt trƣớc của điện cực, mm (in ). Đây là
diện tích nhô ra của công cụ theo hƣớng tiến vào vật gia công. Các giá trị
tốc độ cắt gọt riêng C đƣợc đƣa ra trong bảng 26.1 dùng cho những vật
liệu gia công khác nhau.
Chúng ta cần chú ý rằng phƣơng trình này giả sử hiệu suất cắt gọt
kim loại là 100%. Hiệu suất thực tế có giá trị khoảng từ 90 – 100% và
phụ thuộc vào hình dáng công cụ, điện áp và cƣờng độ dòng điện, những
yếu tố khác.
Gia công cắt gọt điện hóa nói chung đƣợc sử dụng trong các ứng
dụng mà kim loại gia công rất cứng hoặc khó thực hiện gia công cắt gọt
cơ học, hoặc nơi mà hình dáng hình học chi tiết gia công sẽ khó khăn
(hoặc không thể) để thực hiện bằng các phương pháp gia công cắt gọt
truyền thống.
Các ứng dụng: điển hình của ECM gồm (1) gia công mặt cong

khuôn (die sinking), liên quan tới gia công cắt gọt các hình dạng không
đều và các đƣờng viền bao trong rèn các khuôn, các khuôn dẻo, và
những công cụ tạo hình khác; (2) Khoan nhiều lỗ, trong đó nhiều lỗ có
thể đƣợc khoan đồng thời với ECM và nếu theo phƣơng pháp khoang
thông thƣờng thì cần phải khoan các lỗ kế tiếp nhau; (3) Các lỗ không
phải là hình tròn, vì ECM không sử dụng mũi khoan quay tròn; và (4)
mài nhẵn.
Những ưu điểm của ECM bao gồm (1) ít hƣ hại bề mặt chi tiết
gia công, (2) không làm cháy nhƣ gia công cắt gọt thông thƣờng, (3)
mòn dao thấp (chỉ mòn công cụ từ chất điện phân đang chảy), và (4) tốc


độ cắt gọt kim loại tƣơng đối cao đối với các kim loại cứng và khó gia
công cắt gọt bằng máy.
Nhược điểm của ECM là: (1) chi phí đáng kể về điện năng để
điều khiển quá trình, (2) các vấn đề khử chất bột nhão điện phân.

6.2.2 Mài nhẵn và mài điện hóa
Mài nhẵn điện hóa (electrochemical deburring – ECD) là một sự
điều chỉnh của ECM đƣợc thiết kế để loại bỏ các ba via hoặc để làm tròn
các góc nhọn trên các chi tiết gia công kim loại bằng sự hòa tan anốt.
Một thiết lập khả thi dùng cho ECD đƣợc trình bày trong hình 26.6. Lỗ
trong chi tiết gia công có một ba via nhọn đƣợc tạo ra trong một quá
trình khoan thông lỗ thông thƣờng. Công cụ điện cực đƣợc thiết kế để
tập trung động tác cắt gọt kim loại vào ba via. Các phần công cụ không
đƣợc sử dụng để gia công cắt gọt sẽ đƣợc cách điện. Chất điện phân chảy
qua lỗ mang đi khỏi các hạt của ba via . Các nguyên lý giống nhau của
ECM thuộc quá trình cũng áp dụng cho ECD. Tuy nhiên, do ít vật liệu
hơn bị cắt bỏ trong mài nhẵn bằng điện hóa nên thời gian chu trình ngắn
hơn nhiều. Một chu trình thời gian điển hình trong ECD ít hơn là một

phút. Thời gian có thể tăng lên nếu ngƣời ta muốn làm tròn góc ngoài
việc loại bỏ ba via ra.
Mài bằng điện hóa (electrochemical grinding – ECG) là một
dạng đặc biệt của ECM mà trong đó một bánh mài quay tròn với vật liệu
liên kết dẫn điện đƣợc sử dụng để làm tăng sự phân giải anốt của bề mặt
chi tiết gia công kim loại, nhƣ đƣợc minh họa trong hình 26.7. Các bột
mài đƣợc sử dụng trong ECG bao gồm nhôm ôxít và kim cƣơng. Vật liệu
liên kết là kim loại (dùng cho các bột mài bằng kim cƣơng) hoặc keo
nhựa đƣợc bão hòa với các hạt kim loại để làm cho nó dẫn điện (dùng
cho nhôm ôxít). Các hạt mài nhô lên từ bánh mài khi tiếp xúc với chi tiết
gia công sẽ thiết lập khoảng cách khe hở trong ECG. Chất điện phân
chảy qua khe hở giữa các hạt đóng vai trò của nó trong điện phân.
Bóc lớp phủ (deplating) có trách nhiệm loại bỏ 95% hoặc nhiều
hơn kim loại trong ECG, và động tác mài của bánh mài sẽ loại bỏ đi 5%
hoặc ít hơn phần kim loại còn lại, hầu nhƣ ở dạng các màng muối mỏng
đƣợc hình thành trong các phản ứng điện hóa trên bề mặt vật gia công.


Vì hầu hết gia công cắt gọt đƣợc thực hiện bằng hoạt động điện hóa nên
bánh mài trong ECG có tuổi thọ lâu hơn bánh mài trong mài thông
thƣờng. Kết quả là tỷ số mài cao hơn nhiều. Ngoài ra, bào nhẵn bánh mài
sẽ ít phải làm thƣờng xuyên hơn. Đây là những ƣu điểm đáng kể của quá
trình. Các ứng dụng của ECG gồm mài sắc các công cụ bằng hợp kim
cứng và mài các kim khâu phẫu thuật, các ống có thành mỏng khác, và
những chi tiết dễ vỡ.

Hình 26.6 Mài nhẵn bằng điện hóa (ECD)

Hình 26.7 Mài bằng điện hóa (ECG)

6.3 CÁC QUÁ TRÌNH GIA CÔNG NHIỆT NĂNG
Các quá trình cắt gọt vật liệu đƣợc dựa trên nhiệt năng đƣợc đặc
trƣng bởi nhiệt độ cục bộ rất cao, đủ nóng để cắt gọt vật liệu bằng sự
nóng chảy hoặc bốc hơi. Do nhiệt độ cao nên những quá trình này gây ra
hƣ hại vật lý hoặc tổ chức tƣơng kim tới bề mặt gia công mới. Trong một


số trƣờng hợp, độ bóng cuối cùng kém đến nỗi mà cần phải gia công tiếp
theo để làm nhẵn bề mặt. Trong phần này, chúng ta sẽ xem xét nhiều quá
trình nhiệt năng có tầm quan trọng về mặt thƣơng mại: (1) gia công cắt
gọt bằng tia lửa điện và cắt dây bằng tia lửa điện, (2) gia công cắt gọt
bằng chùm tia điện tử, (3) gia công cắt gọt bằng chùm tia laze, (4) gia
công cắt gọt bằng hồ quang plasma, và (5) cắt bằng nhiệt thông thƣờng
6.3.1 Các quá trình gia công bằng tia lửa điện
Các quá trình cắt gọt vật liệu bằng phóng điện sẽ loại bỏ vật liệu
bởi hàng loạt các tia phóng điện rời rạc gây ra nhiệt độ đủ cao cục bộ để
làm nóng chảy hoặc bốc hơi kim loại trong vùng phụ cận của vùng
phóng điện ngay lập tức. Hai quá trình chính trong loại này là (1) gia
công cắt gọt bằng tia lửa điện và (2) gia công cắt gọt dây bằng tia lửa
điện. Các quá trình này chỉ có thể đƣợc sử dụng dựa trên các vật liệu gia
công dẫn điện.
Vi-đê-ô clip về gia công cắt gọt bằng phóng điện minh họa các
loại khác nhau của EDM.
VI-ĐÊ-Ô CLIP Electric Discharge Machining (gia công cắt gọt
bằng phóng điện). Clip này gồm hai phần: (1) quá trình EDM, (2)
EDM dạng búa dập và (3) EDM dạng dây.
Gia công cắt gọt bằng phóng điện (Electric Discharge
Machining -EDM): gia công cắt gọt cắt gọt bằng phóng điện là một
trong những quá trình không truyền thống đƣợc sử dụng rộng rãi nhất.
Một thiết lập EDM đƣợc minh họa trong hình 26.8. Hình dáng của bề

mặt vật gia công cuối cùng đƣợc tạo ra bởi một công cụ tạo hình bằng
điện cực. Các tia lửa điện xuất hiện qua một khe nhỏ giữa công cụ và bề
mặt gia công. Quá trình EDM phảu xảy ra khi có mặt dung dịch điện
môi, tạo ra một đƣờng dẫn để phóng điện khi dung dịch bị iôn hóa trong
khe hở. Phóng điện đƣợc sinh ra bởi việc cung cấp dòng điện công suất
một chiều lớn đột ngột đƣợc nối đến vật gia công và công cụ.


Hình 26.8 Gia công cắt gọt bằng phóng điện (EDM): (a)Sơ đồ tổng quát,
và (b) hình chiếu nhìn phóng đại của khe hở, chỉ ra sự phóng điện và
loại bỏ kim loại
Hình 26.8(b) trình bày một hình chiếu cận cảnh của khe hở giữa
công cụ và vật gia công. Phóng điện xảy ra tại vị trí mà hai bề mặt là gần
nhau nhất. Dung dịch điện môi i ôn hóa ở vị trí này sẽ tạo ra một đƣờng
đi để phóng điện. Vùng mà trong đó phóng điện xảy ra đƣợc nóng lên
đến nhiệt độ cực cao, sao cho một phần nhỏ bề mặt gia công bị nóng
chảy đột ngột và bị loại bỏ đi. Chất điện môi đang chảy sau đó sẽ vứt bỏ
hạt nhỏ (gọi là “phoi”). Vì bề mặt của vật gia công tại vị trí lần phóng
điện trƣớc bây giờ bị cách xa với công cụ nên vị trí này ít giống nhƣ vị
trí của tia lửa điện khác cho đến khi các vùng xung quanh bị giảm tới
cùng mức hoặc thấp hơn. Mặc dù những lần phóng điện riêng rẽ loại bỏ
kim loại ở những điểm rất cục bộ, chúng xảy ra ra hàng trăm hoặc hàng
nghìn lần mỗi giây đến nỗi vẫn xảy ra sự bào mòn từ từ của toàn bộ bề
mặt trong vùng khe hở.
Hai tham số quan trọng của quá trình trong EDM là dòng điện
phóng và tần số phóng điện. Khi một trong hai tham số này tăng lên, tốc
độ cắt gọt kim loại tăng lên. Độ nhám bề mặt cũng bị ảnh hƣởng bởi
dòng điện và tần số, nhƣ đƣợc trình bày trong hình 26.9(a). Độ bóng bề
mặt tốt nhất thu đƣợc trong EDM bởi hoạt động ở tần số cao và dòng
điện phóng nhỏ. Khi công cụ đóng vai trò điện cực đi vào vật gia công,

sự cắt quá mức xảy ra. Cắt quá mức (overcut) trong EDM là khoảng
cách mà bởi nó, hốc gia công bằng máy trong chi tiết gia công bị vƣợt
quá kích thƣớc công cụ trên mỗi cạnh của công cụ, nhƣ đƣợc minh họa
trong hình 26.8(a). Điều này đƣợc tạo ra bởi những lần phóng điện xảy
ra ở các bên của công cụ cũng nhƣ ở vùng chính diện của nó. Cắt quá


mức nhƣ là một hàm của dòng điện và tần số, nhƣ thấy trong hình
26.9(b), và có thể lên tới vài phần trăm mm.

Hình 26.9 (a) Độ bóng bề mặt trong EDM như là một hàm của dòng
điện phóng và tần số phóng điện. (b) Cắt quá mức trong EDM như là
một hàm của dòng điện phóng và tần số phóng điện
Nhiệt độ cao của tia lửa điện sẽ làm nóng chảy vật gia công cũng
làm nóng chảy công cụ, tạo ra một hốc nhỏ trong bề mặt đối diện với hốc
đƣợc tạo ra trong vật gia công. Mài mòn công cụ thƣờng đƣợc đo nhƣ là
tỷ số vật liệu gia công bị loại bỏ với vật liệu công cụ bị loại bỏ (tƣơng tự
với tỷ số mài). Tỷ số mài mòn nay có phạm vi từ 1,0 đến 100 hoặc hơn
một chút, phụ thuộc vào sự kết hợp của vật liệu gia công và vật liệu làm
cực. Các điện cực đƣợc chế tạo bằng graphit, đồng, đồng thau, đồng
vônfram, bạc vonfram, và những vật liệu khác. Sự lựa chọn phụ thuộc
vào loại mạch cung cấp điện có thể dùng trên máy EDM, loại vật liệu gia
công cần đƣợc gia công cắt gọt, và độ nhám hoặc độ bóng đƣợc thực
hiện hay không. Graphit đƣợc ƣa dùng cho nhiều ứng dụng vì các đặc
tính nóng chảy của nó. Thực tế, graphit không nóng chảy. Nó bốc hơi ở
nhiệt độ rất cao và hốc đƣợc tạo ra bởi tia lửa điện nói chung là nhỏ hơn
đối với đa số vật liệu làm điện cực EDM khác. Kết quả là, tỷ số vật liệu
gia công bị loại bỏ với mài mòn dao thƣờng là lớn với các công cụ làm
bằng graphit.
Độ cứng và độ bền của vật liệu gia công không phải là những yếu

tố trong EDM, vì quá trình không phải là một cuộc đua về độ cứng giữa
công cụ và vật gia công. Điểm nóng chảy của vật liệu gia công là một
tính chất quan trọng, và tốc độ cắt gọt kim loại có thể liên quan tới điểm
nóng chảy phần nào bởi công thức bằng thực nghiệm sau đây, dựa trên
một phƣơng trình đã đƣợc mô tả trong Weller [16]:


(26.7)
Trong đó RMR = tốc độ cắt gọt kim loại, mm3/s (in3/min); K = hằng
số tỷ lệ mà giá trị = 664 trong hệ đơn vị SI (5,08 trong các đơn vị đo của
Mỹ); I = dòng điện phóng, A; và Tm = nhiệt độ nóng chảy của kim loại
gia công, oC (oF). Điểm nóng chảy của các kim loại đã chọn đƣợc liệt kê
trong Bảng 4.1.
Ví dụ 26.2 gia công cắt gọt bằng phóng điện
Một hợp kim nhất định mà điểm nóng chảy của nó là 1100oC đƣợc
gia công cắt gọt trong một quá trình EDM. Nếu dòng điện phóng = 25 A,
tốc độ cắt gọt kim loại đƣợc kỳ vọng là bao nhiêu?
Bài giải: sử dụng phƣơng trình (26.7), tốc độ cắt gọt kim loại dự
đoán trƣớc là

Các dung dịch điện môi đƣợc sử dụng trong EDM bao gồm các
loại dầu hydrocarbon, dầu lửa, và nƣớc cất hoặc nƣớc khử iôn. Dung
dịch điện môi hoạt động nhƣ là một chất cách điện trong khe hở trừ khi
sự iôn hóa xảy ra khi có tia lửa điện. Các chức năng khác của nó là đẩy
các chất cặn ra khỏi khe hở và loại bỏ nhiệt khỏi công cụ và chi tiết gia
công.
Các ứng dụng của gia công cắt gọt bằng phóng điện gồm cả trong
chế tạo công cụ và sản xuất các chi tiết. Công cụ dùng cho các quá trình
cơ học đƣợc thảo luận trong cuốn sách này thƣờng đƣợc chế tạo bằng
EDM, gồm các loại khuôn dùng cho phun ép chất dẻo, các khuôn đúc ép,

các khuôn kéo dây, các khuôn rèn và khuôn tán mũ đinh, và các khuôn
dập kim loại tấm. Nhƣ trong ECM, thuật ngữ gia công mặt cong khuôn
(die sinking) đƣợc sử dụng cho các quá trình mà trong đó một hốc khuôn
đƣợc tạo ra và quá trình EDM đôi khi đƣợc dẫn chiếu đến nhƣ là EDM
dạng búa (ram EDM). Đối với nhiều ứng dụng, các vật liệu đƣợc sử
dụng để chế tọa làm công cụ thƣờng khó khăn (hoặc không thể) gia công
bằng mày bằng các phƣơng pháp thông thƣơng. Các chi tiết sản xuất
nhất định cũng cần đến ứng dụng của EDM. Các ví dụ bao gồm các chi
tiết chuyên dụng mà không đủ cứng để chịu đƣợc các lực cắt thông
thƣờng, khoan lỗ nơi mà trục của lỗ là ở một góc nhọn với bề mặt đến


nỗi mà một mũi khoan thông thƣờng sẽ không thể bắt đầu khoan lỗ, và
gia công cắt gọt trong sản xuất các kim loại cứng và độc.
Cắt dây bằng phóng điện: Cắt dây bằng phóng điện (electric
discharge wire cutting – EDWC), đƣợc gọi chung là EDM dây (wire
EDM), là một dạng đặc biệt của gia công cắt gọt bằng phóng điện sử
dụng một dây dƣờng kính nhỏ nhƣ là một điện cực để cắt một vết cắt hẹp
trong vật gia công. Động tác cắt trong EDM dây đạt đƣợc bằng nhiệt
năng từ những lần phóng điện giữa dây điện cực và chi tiết gia công.
EDM dây đƣợc minh họa trong hình 26.10. Chi tiết gia công đƣợc cấp
liên tục và đi qua chầm chậm dây để đạt đƣợc đƣờng cắt mong muốn,
phần nào theo cách của quá trình cƣa đai (band saw operation). Điều
khiển số đƣợc sử dụng để điều khiển những chuyển động của chi tiết gia
công trong lúc cắt. Khi cắt, dây đƣợc tiến lên phía trƣớc liên tục giữa
một ống dây cung cấp và ống dây quận lại để đƣa ra một điện cực luôn
luôn mới có đƣờng kính không đổi tới vật gia công. Điều này giúp để
duy trì một độ rộng vết cắt (kerf) không đổi trong khi cắt. Nhƣ trong
EDM, EDM dây phải đƣợc thực hiện trong chất điện môi. Điều này đƣợc
áp dụng bằng các vòi phun trực tiếp ở bề mặt chuyển tiếp công cụ-vật

gia công nhƣ trong hình vẽ, hoặc chi tiết gia công đƣợc nhận chìm trong
bề điện môi.

Hình 26.10 Cắt dây bằng phóng điện (EDWC), cũng còn được gọi là
EDM dây.
Các đƣờng kính dây có phạm vi từ 0,076 đến 0,30 mm (0,003 –
0,012 in), phụ thuộc vào độ rộng rãnh cần thiết. Các vật liệu đƣợc sử
dụng làm dây bao gồm đồng, vônfram, và môlipđen. Các dung dịch điện
môi bao gồm nƣớc khử iôn hoặc dầu. Nhƣ trong EDM, cắt quá mức tồn
tại trong EDM dây làm cho vết cắt có độ rộng lớn hơn đƣờng kính dây,
nhƣ đƣợc trình bày trong hình 26.11. Cắt quá mức này nằm trong phạm


vi từ 0,020 – 0,050 mm (0,0008 đến 0,002 in). Mỗi lần chế độ cắt đƣợc
thiết lập cho một lần cắt nhất định, cắt quá mức sẽ duy trì gần nhƣ không
đổi và có thể dự tính trƣớc.

Hình 26.11 Định nghĩa vết cắt và cắt quá mức trong kỹ thuật cắt dây
bằng phóng điện
Mặc dù EDWC dƣờng nhƣ tƣơng tự với quá trình cƣa đai, độ
chính xác của nó vƣợt xa so với độ chính xác của quá trình cƣa đai. Vết
cắt hẹp hơn, các góc có thể đƣợc chế tạo nhọn hơn và các lực cắt lên vật
gia công là bằng không. Ngoài ra, độ cứng và độ bền chắc của vật liệu
gia công không ảnh hƣởng đến chất lƣợng cắt. Yêu cầu duy nhất là vật
liệu gia công phải có tính dẫn điện.
Những tính năng đặc biệt của EDM dây làm cho nó lý tƣởng để
tạo ra những cấu kiện cho các khuôn dập. Do vết cắt hẹp nhƣ vậy, nó
thƣờng có khả năng để chế tạo búa đột và khuôn trong một lần cắt đơn,
nhƣ đƣợc giả định trong hình 26.12. Các công cụ và chi tiết khác với các
hình dáng bên ngoài phức tạp chẳng hạn nhƣ các công cụ tạo hình của

máy tiện, các khuôn đúc ép và các mẫu phẳng, đƣợc chế tạo với phƣơng
pháp cắt dây bằng phóng điện.


Hình 26.12 Cắt đường bao không đều từ một bản kim loại rộng cứng
bằng kỹ thuật EDM dây (ảnh của LeBlond Makino, Công ty Machine
Tool),
6.3.2 Gia công cắt gọt tia điện tử
Gia công cắt gọt bằng tia điện tử (EBM) là một trong những quá
trình công nghiệp sử dụng các tia điện tử. Gia công cắt gọt bằng tia điện
tử (electron beam machining – EBM) sử dụng luồng điện tử vận tốc lớn
hội tụ vào bề mặt chi tiết gia công để cắt gọt vật liệu bằng nóng chảy và
bốc hơi. Một lƣợc đồ của quá trình EBM đƣợc minh họa trong hình
26.13.


Một khẩu súng bắn tia điện tử sẽ tạo ra một luồng điện tử liên tục
mà sẽ tăng tốc lên tới gần 75% tốc độ ánh sáng và đƣợc hội tụ ua một
ống kính điện từ lên bề mặt gia công. Ống kính có khả năng làm giảm
diện tích tia điện tử đến một đƣờng kính nhỏ 0,025 mm (0,001 in). Dựa
trên sự bắn phá bề mặt, động năng của các điện tử đƣợc chuyển đổi
thành nhiệt năng có mật độ cực cao làm nóng chảy hoặc bốc hơi vật liệu
trong một diện tích rất hẹp.
Gia công cắt gọt bằng tia điện tử đƣợc sử dụng cho hàng loạt các
ứng dụng cắt có độ chính xác cao trên bất kỳ một vật liệu đã biết nào.
Các ứng dụng bao gồm khoan các lỗ có đƣờng kính cực nhỏ, xuống còn
0,05 mm (0,002 in), khoan các lỗ với các tỷ số độ sâu-với-đƣờng kính
cực cao – hơn 100:1 và cắt các khe có độ rộng chỉ khoảng 0,001 in
(0,025 mm). Các công việc cắt này có thể đƣợc thực hiện với các dung
sai rất nhỏ mà không cần có các lực cắt hoặc mài mòn dao. Quá trình là

lý tƣởng cho gia công cắt gọt vi mô và thƣờng bị hạn chế cho các quá
trình cắt các chi tiết mỏng (dày khoảng từ 0,25 – 6,3 mm (0,010 – 0,250
in)). EBM phải đƣợc thực hiện trong phòng chân không để loại trừ sự va
chạm các điện tử với các phân tử khí. Các hạn chế khác bao gồm cần có
năng lƣợng lớn và thiết bị đắt tiền.

6.3.3 Gia công cắt gọt chùm tia laze
Các chùm tia laze đang đƣợc sử dụng cho hàng loạt các ứng dụng
công nghiệp, bao gồm xử lý nhiệt, hàn, đo lƣờng, cũng nhƣ vạch dấu, cắt
và khoan. Thuật ngữ laser là chữ viết tắt của light amplification by
stimulated emission of radiation (khuếch đại ánh sáng bằng phát xạ kích
thích). Một máy phát laze là bộ chuyển đổi quang để chuyển đổi điện
năng thành chùm ánh sáng kết hợp mật độ cao. Chùm ánh sáng laze có
nhiều tính chất khác biệt với các dạng ánh sáng khác. Nó là dạng đơn sắc
(theo lý thuyết, ánh sáng có một bƣớc sóng duy nhất) và chuẩn trực cao
(các tia ánh sáng trong chùm hầu nhƣ song song với nhau một cách hoàn
chỉnh). Các tính chất này cho phép ánh sáng đƣợc tạo ra bằng một máy
phát laze sẽ đƣợc hội tụ (bằng cách sử dụng các thấu kính quang học
thông thƣờng) lên một điểm rất nhỏ với mật độ năng lƣợng cao. Tùy
thuộc vào độ lớn năng lƣợng có trong chùm ánh sáng và mức độ tập
trung của nó vào một điểm, các quá trình chiếu sáng laze khác nhau
đƣợc chỉ ra ở trên có thể đƣợc thực hiện.


Gia công cắt gọt bằng chùm tia laze (laser beam machining –
LBM) sử dụng năng lƣợng ánh sáng từ một chùm tia laze để cắt gọt vật
liệu bằng hiện tƣợng bốc hơi và sự khắc mòn. Thiết lập dùng LBM đƣợc
minh họa trong hình 26.14. Các loại laze đƣợc sử dụng trong LBM là các
chùm tia laze khí bon điôxít và các chùm tia laze trạng thái rắn (trong số
rất nhiều loại). Trong gia công cắt gọt bằng chùm tia laze, năng lƣợng

của chùm ánh sáng kết hợp đƣợc tập trung không chỉ về quang mà còn
cả về mặt thời gian. Chùm ánh sáng đƣợc dao động xung sao cho năng
lƣợng phát ra dẫn đến một xung lƣợng chống lại bề mặt gia công tạo ra
sự kết hợp của bốc hơi và nóng chảy, với vật liệu nóng chảy đi khỏi bề
mặt có vận tốc cao.

Hình 26.14 gia công cắt gọt bằng chùm tia laze (LBM)
LBM đƣợc sử dụng để thực hiện các loại khác nhau về các quá
trình khoan, xẻ rãnh, tạo khe, vạch dấu và đánh dấu. Khoan các lỗ có
đƣờng kính nhỏ là có thể - đƣờng kính nhỏ chỉ khoảng 0,025 mm (0,001
in). Đối với những lỗ có đƣờng kính lớn hơn, trên 0,50 mm (0,020 in),
chùm tia laze đƣợc điều khiển để cắt đƣờng viền của lỗ. LBM không
đƣợc xem nhƣ là một quá trình sản xuất lớn, và nó nói chung đƣợc sử
dụng trên nguyên liệu mỏng. Phạm vi vật liệu gia công có thể đƣợc gia
công cắt gọt bằng LBM là gần nhƣ không bị giới hạn. Các tính chất lý
tƣởng của một vật liệu đối với LBM gồm hấp thụ năng lƣợng ánh sáng
cao, phản xạ kém, dẫn nhiệt tốt, nhiệt dung riêng thấp, nhiệt nóng chảy


thấp và nhiệt bay hơi thấp. Tất nhiên, không có vật liệu nào có sự kết
hợp các tính chất lý tƣởng nhƣ thế này. Danh mục các vật liệu gia công
thực tế đƣợc gia công bằng LBM gồm các kim loại có độ cứng và độ bền
cao, các kim loại mềm, các loại gốm, thủy tinh và nhựa thủy tinh epoxy,
chất dẻo, cao su, vải dệt và gỗ.

6.3.4 Các quá trình gia công cắt bằng hồ quang điện
Nguồn nhiệt lớn từ một tia hồ quang điện có thể đƣợc sử dụng để
làm nóng chảy gần nhƣ bất kỳ kim loại nào dùng cho mục đích hàn hoặc
cắt. Đa số các quá trình cắt bằng hồ quang điện sử dụng nhiệt đƣợc sinh
ra bởi một hồ quang điện giữa một điện cực và một chi tiết gia công

bằng kim loại (thƣờng là một đĩa hoặc tấm phẳng) để làm nóng chảy một
khe rãnh nhỏ phân cách các phần. Đa số các quá trình cắt bằng hồ quang
điện là (1) cắt bằng hồ quang plasma và (2) cắt bằng hồ quang các bon
khí .
Cắt bằng hồ quang plasma (plasma arc cutting): plasma đƣợc
định nghĩa nhƣ là một chất khí quá nhiệt đƣợc iôn hóa. Cắt băng hồ
quang plasma (plasma arc cutting – PAC) là sử dụng một dòng plasma
hoạt động ở nhiệt độ trong phạm vi từ 10.000oC đến 14.000oC (18.000oF
– 25.000oF) để cắt kim loại bằng kỹ thuật nóng chảy, nhƣ đƣợc trình bày
trong hình 26.15. Hành động cắt hoạt động bằng cách điều khiển trực
tiếp luồng plasma vận tốc cao vào vật gia công, do vậy làm nóng chảy nó
và thổi kim loại nóng chảy đi qua khe rãnh. Hồ quang plasma đƣợc sinh
ra giữa một điện cực bên trong mỏ hàn và chi tiết gia công là anốt.
Plasma chuyển động qua một vòi phun đƣợc làm mắt bằng nƣớc, vòi
phun sẽ thu hẹp và điều khiển trực tiếp luồng plasma đến vị trí mong
muốn trên vật gia công. Do đó tia plasma là một dòng nhiệt có tốc độ
cao, chuẩn trực với tâm của luồng, đủ nóng để cắt qua kim loại trong
một số trƣờng hợp dày lên tới 150 mm (6 in).


Hình 26.15 Cắt bằng tia hồ quang plasma (PAC)
Các chất khí đƣợc sử dụng để tạo ra plasma trong PAC gồm ni tơ,
argon, hydro, hoặc hỗn hợp các chất khí này. Những chất khí này đƣợc
dẫn chiếu đến nhƣ là những chất khí sơ cấp trong quá trình. Những chất
khí thứ cấp hoặc nƣớc thƣờng đƣợc điều khiển trực tiếp đến xung quanh
tia plasma để hỗ trợ hạn chế hồ quang và làm sạch khe rãnh kim loại
nóng chảy khi nó hình thành.
Ƣu điểm của PAC NC trong những ứng dụng này là hiệu suất cao.
Các tốc độ chuyển động dọc theo đƣờng dẫn cắt có thể cao tới 200 mm/s
(450 om/min) đối với đĩa nhôm dày 6 mm (0,25 in) và vận tốc 85 mm/s

(200 in/min) đối với đĩa thép dày 6 mm (0,25 in) [7]. Các tốc độ chuyển
động phải đƣợc giảm đi đối với những nguyên liệu dày hơn. Ví dụ, tốc
độ chuyển động cực đại để cắt nguyên liệu nhôm dày 100 mm (4 in) là
khoảng 8 mm/s (20 in/min) .
Những nhƣợc điểm của PAC là (1) bề mặt cắt là thô, và (2) hƣ hại
luyện kim ở bề mặt là hầu nhƣ nghiêm trọng trong số các quá trình gia
công kim loại không truyền thống.
Cắt bằng hồ quang các bon không khí (air carbon arc cutting):
trong quá trình này, hồ quang đƣợc sinh ra giữa một điện cực carbon và
vật gia công bằng kim loại, tia không khí vận tốc cao đƣợc sử dụng để
thổi đi phần kim loại đã nóng chảy. Qui trình này có thể đƣợc sử dụng để


hình thành một khe rãnh dùng để trợ giúp chi tiết hoặc để tạo ra một hốc
trong chi tiết. Tạo khe đƣợc sử dụng để chuẩn bị các rìa cạnh của đĩa
dùng để hàn, ví dụ để tạo ra một đƣờng rãnh chữ U trong một mối ghép
nối. Cắt bằng hồ quang các bon không khí đƣợc sử dụng trên nhiều loại
kim loại, gồm cả gang, thép các bon, hợp kim thấp và các loại thép
không gỉ, các hợp kim màu khác nhau. Tia lửa của kim loại nóng chảy là
một mối nguy hiểm và là nhƣợc điểm của quá trình.
Các quá trình cắt bằng hồ quang khác: nhiều quá trình hồ
quang điện khác đƣợc sử dụng cho các ứng dụng cắt, mặc dù không rộng
rãi nhƣ cắt bằng hồ quang plasma và cắt bằng hồ quang các bon không
khí. Những quá trình khác này gồm (1) cắt bằng hồ quang kim loại khí,
(2) cắt bằng hồ quang kim loại đƣợc che chắn, (3) cắt bằng hồ quang
vonfram khí, và (4) cắt bằng hồ quang các bon. Các công nghệ đều giống
nhƣ các công nghệ đƣợc sử dụng trong hàn bằng hồ quang, trừ việc nhiệt
của hồ quang điện đƣợc sử dụng để cắt.

6.3.5 Các quá trình gia công cắt bằng khí nhiên liệu ô xy

Một họ quá trình cắt bằng nhiệt đƣợc sử dụng rộng rãi, phổ cập
đƣợc biết nhƣ là cắt bằng đèn xì (flame cutting), sử dụng nhiệt đốt cháy
của các chất khí nhiên liệu đƣợc kết hợp với phản ứng tỏa nhiệt của kim
loại với ô xy. Mỏ hàn cắt đƣợc sử dụng trong các quá trình này đƣợc
thiết kế để phân phối một hỗn hợp khí nhiên liệu và ô xy theo độ lớn
thích hợp và điều khiển trực tiếp luồng khí ô xy tới vùng cắt. Cơ chế cơ
bản loại bỏ vật liệu trong cắt bằng khí nhiên liệu ô xy (OFC – oxyfuel
cutting) là phản ứng hóa học của ô xy với kim loại cơ bản. Mục đích của
đốt cháy khi nhiên liệu ô xy là để tăng nhiệt độ trong vùng cắt nhằm hỗ
trợ cho phản ứng. Các quá trình này đƣợc sử dụng thông dụng cho cắt
các đĩa tấm kim loại đen, trong đó ô xy hóa nhanh chóng sắt xảy ra
tƣơng ứng với các phản ứng sau đây [10]:
Fe + O → FeO + nhiệt

(26.8a)

3Fe + 2O2 → Fe3O4 + nhiệt

(26.8b)

2Fe + 1,5O2 → Fe2O3 + nhiệt

(26.8c)

Phản ứng thứ hai trong số các phản ứng này, phƣơng trình (26.8b)
là phản ứng đáng kể nhất về dạng sinh nhiệt.


Cơ chế cắt dùng cho các kim loại màu khác một chút. Các kim
loại này đặc trƣng tổng quát là nhiệt độ nóng chảy thấp hơn so với các

kim loại đen, và chúng chống lại ô xy hóa nhiều hơn. Trong các trƣờng
hợp này, nhiệt đốt cháy của hỗn hợp khí ô xy nhiên liệu đóng một vai trò
quan trọng trong việc tạo ra khe rãnh. Cũng vậy, để thúc đẩy phản ứng ô
xy hóa kim loại, các dung dịch hóa học hoặc các bột kim loại thƣờng
đƣợc bổ sung thêm vào luồng khí ô xy.
Các nhiên liệu đƣợc sử dụng trong OFC gồm axetylen (C2H2).
MAPP (methylacetylene – propandiene – C3H4), propylene (C3H6) và
propane (C3H8). Nhiệt độ lửa cháy và nhiệt đốt cháy dùng cho các nhiên
liệu này đƣợc liệt kê tỏng bảng 31.2 trong chƣơng 31. Axetylen cháy ở
nhiệt độ lửa cháy cao nhất và là nhiên liệu đƣợc sử dụng rộng rãi nhất để
hàn và cắt. Tuy nhiên, có những mối nguy hiểm nhất định với việc lƣu
giữ và xử lý axetylen cần đƣợc xem xét lƣu ý (phần 31.3.1).
Các quá trình OFC đƣợc thực hiện hoặc bằng tay hoặc bằng máy.
Các mỏ hàn hoạt động cầm tay đƣợc sử dụng để sửa vật gia công, cắt
kim loại phế liệu, cắt xén các cổ hạt từ các vật đúc bằng cát, và những
quá trình tƣơng tự thƣờng yêu cầu độ chính xác nhỏ. Đối với hoạt động
sản xuất, cắt bằng máy đèn xì cho phép tốc độ cắt nhanh hơn và chính
xác lớn hơn. Thiết bị này thƣờng đƣợc điều khiển bằng kỹ thuật số cho
phép cắt các hình dáng tạo hình.

6.4 GIA CÔNG CẮT GỌT HÓA HỌC
Gia công cắt gọt hóa học (chemical machining – CHM) là một quá
trình không truyền thống trong đó cắt gọt vật liệu xảy ra thông qua tiếp
xúc với một chất ăn mòn hóa học mạnh.
Các ứng dụng đƣợc bắt đầu sau Chiến tranh thế giới thứ II trong
ngành công nghiệp hàng không. Sử dụng các hóa chất để loại bỏ vật liệu
không mong muốn khỏi chi tiết gia công có thể đƣợc áp dụng theo nhiều
cách, đã đƣợc phát triển để phân biệt các ứng dụng bao gồm phay hóa
học, cắt phôi, khắc hình hóa học và gia công cắt gọt bằng quang hóa
(photochemical machining – PCM).

6.4.1 Lý thuyết cơ học và hóa học về gia công cắt gọt hóa
học