Các bộ phận có thành mỏng-có độ chính xác cao bằng hợp kim titan-được sử dụng rộng rãi cho các giá đỡ cấu trúc máy bay, ống dẫn động cơ, bình xử lý hóa học và dụng cụ phẫu thuật, trong đó độ dày thành có thể chỉ từ 0,5 đến 2 mm so với đường kính bộ phận lớn hơn nhiều lần. Trong những điều kiện này, độ chính xác gia công của bộ phận không còn chỉ được quyết định bởi máy công cụ: độ cứng của phôi, sơ đồ kẹp, lực cắt, nhiệt cắt và ứng suất dư tương tác với nhau và một sai lệch nhỏ ở bất kỳ một trong số chúng sẽ được khuếch đại thành độ dày thành-vượt quá{6}}cho phép hoặc độ lệch không thể chấp nhận-. Kinh nghiệm sản xuất đã công bố về-gia công titan tường mỏng cho rằng khoảng 30 % đến 50 % tổng số lỗi gia công là do quy trình kẹp, đó là lý do tại sao đồ gá thường được thiết kế lại trước khi chạm vào các thông số cắt.
Tại sao-Các bộ phận bằng titan có thành mỏng lại rất nhạy cảm với lỗi gia công
Bản thân phôi là yếu tố ảnh hưởng đầu tiên và cơ bản nhất. Các hợp kim titan như Ti-6Al-4V (Cấp 5, UNS R56400), được cung cấp dưới dạng tấm theo tiêu chuẩn ASTM B265 và dưới dạng thanh theo tiêu chuẩn ASTM B348, kết hợp cường độ riêng cao với mô đun đàn hồi khoảng 110 GPa, gần bằng một nửa so với thép cacbon. Mô đun thấp có nghĩa là tường sẽ lệch hơn nữa dưới cùng một tải cắt và bật trở lại sau khi dụng cụ đi qua, do đó bề mặt hoàn thiện được tạo ra từ một vật thể đàn hồi, chuyển động chứ không phải từ một vật cứng.
| Tài sản | Giá trị điển hình, Ti-6Al-4V | Hậu quả của việc gia công-tường mỏng |
|---|---|---|
| mô đun đàn hồi | khoảng 110 GPa | Khả năng phục hồi đàn hồi lớn và đàn hồi-phía sau lưỡi cắt |
| Tỉ trọng | khoảng 4,43 g/cm3 | Quán tính thấp nên dễ bị kích thích rung khi tải trước nhẹ |
| Độ dẫn nhiệt | khoảng 6,7 W/(m*K) ở 20 C | Nhiệt tập trung ở lưỡi cắt và bề mặt hoàn thiện |
| Nhiệt dung riêng | khoảng 0,53 kJ/(kg*K) | Nhiệt độ cục bộ tăng nhanh ở tốc độ cắt vừa phải |
| Sự giãn nở nhiệt | khoảng 8,6 x 10-6 /K | Sự gia nhiệt không đồng đều tạo ra độ lệch chiều có thể đo được |
Yếu tố thứ hai là toàn bộ hệ thống gia công. Độ cứng của dụng cụ, trạng thái động của trục chính và đồ gá cũng như độ cứng hình học của tường đều quyết định mức độ tải trọng cắt danh nghĩa được chuyển thành độ võng thay vì loại bỏ phoi.
Sơ đồ kẹp: Điểm kẹp, lực kẹp và hiệu ứng khớp nối
Kẹp là một trong những thao tác cốt lõi trong toàn bộ trình tự gia công tường mỏng và đối với bất kỳ phương pháp gia công nào, việc kẹp này trực tiếp xác định chất lượng của bộ phận hoàn thiện. Ba biến số kiểm soát kết quả: chương trình kẹp, vị trí của các điểm kẹp và lực kẹp.
Chương trình kẹpBố cục tuân theo hình dạng bộ phận và phân bổ hỗ trợ dưới bức tường giúp giữ độ cứng cục bộ cao trong suốt đường chuyền; bố cục tập trung tải vào một trang web cho phép bức tường cúi xuống.
Vị trí điểm kẹp.Các điểm phải nằm trên các gân, phần lồi hoặc gần mép bị bó, không bao giờ ở giữa phần mỏng không được hỗ trợ, vì độ cứng tiếp xúc cục bộ ở đó là thấp nhất.
Lực kẹp.Một lực quá lớn sẽ đóng bộ phận trong vật cố định và nó sẽ mở ra sau khi thả ra; lực quá thấp sẽ gây ra rung lắc và dịch chuyển dưới tải trọng cắt.
Trong quá trình gia công, lực kẹp dao động và lực cắt tác động cùng nhau. Khớp nối này phân phối lại cả ứng suất dư ban đầu của phôi và ứng suất dư gia công do các bước trước tạo ra, do đó bộ phận tiếp tục chuyển động sau khi đồ gá được giải phóng ngay cả khi phép đo trong-quy trình có thể chấp nhận được.
Lực cắt, khả năng phục hồi đàn hồi và độ bền của dụng cụ
Các thông số cắt chuyển trực tiếp thành lực và nhiệt truyền tới tường. Bởi vì các thành mỏng bằng hợp kim titan có mô đun đàn hồi thấp, bề mặt được gia công sẽ bật lại đáng kể phía sau dụng cụ, làm tăng diện tích tiếp xúc giữa bề mặt hoàn thiện và mặt nổi của dụng cụ. Kết quả là tuổi thọ dụng cụ bị giảm nhanh chóng cùng với sự giảm mạnh về độ chính xác về kích thước và chất lượng bề mặt.
Nếu lực cắt vượt quá giới hạn đàn hồi của vật liệu thì sẽ dẫn đến biến dạng dẻo và biến dạng vĩnh viễn của tường.
Sự tiếp xúc xuyên tâm lớn trên một bức tường mỏng sẽ làm tăng độ lệch; thay vào đó, các đường trục nhẹ nhàng, lặp đi lặp lại sẽ phân phối tải trọng.
Sự mài mòn của dụng cụ làm thay đổi bán kính lưỡi cắt hiệu quả, và do đó làm thay đổi thành phần lực ép và ma sát, từ phần đầu tiên đến phần cuối cùng.
Do đó, việc giữ lực ở mức thấp và ổn định là đòn bẩy chính cho độ chính xác và đạt được điều này bằng cách cân bằng tốc độ cắt, bước tiến trên mỗi răng, độ sâu hướng tâm và hình dạng dụng cụ thay vì tối đa hóa tốc độ loại bỏ.
Cắt nhiệt và biến dạng nhiệt
Nhiệt cắt được tạo ra bởi ma sát giữa phoi và mặt trước cũng như giữa bề mặt được gia công và mặt sườn. Bởi vì titan có độ dẫn nhiệt thấp nên phần lớn nhiệt này vẫn tồn tại trong phôi và dụng cụ thay vì bị chip mang đi. Do đó, nhiệt độ của thành không-đồng đều: một dải nóng hình thành gần vùng cắt trong khi phần còn lại của bộ phận vẫn ở gần môi trường xung quanh.
Nhiệt độ không-đồng đều có nghĩa là sự giãn nở không-đồng đều, làm trầm trọng thêm sự biến dạng và làm suy giảm tính toàn vẹn bề mặt của bộ phận. Việc cung cấp nhiều chất làm mát áp suất cao-tuyến vào vùng cắt, tốc độ cắt vừa phải và cung cắt liên tục ngắn đều làm giảm lượng nhiệt phải tiêu tán qua thành mỏng.
Các biện pháp kiểm soát quy trình và phân phối lại ứng suất dư
Ứng suất dư trong phần có thành mỏng-có hai phần. Đầu tiên là ứng suất ban đầu được thừa hưởng từ quá trình tạo hình, chẳng hạn như cán, rèn, ép đùn hoặc nối phôi tổng hợp; ảnh hưởng của nó đặc biệt rõ rệt trong các cấu trúc ghép lớn. Thứ hai là ứng suất trong lớp bề mặt gia công, được tạo ra bởi tác động cơ học kết hợp của dụng cụ, tải nhiệt và sự phục hồi đàn hồi của kim loại bên dưới.
Quá trình gia công loại bỏ vật liệu đang cân bằng trường ứng suất đó, do đó trạng thái cân bằng bên trong bị phá vỡ và ứng suất phân phối lại, làm cong bộ phận. Các biện pháp đối phó thực tế bao gồm:
Ủ giảm ứng suất của phôi trước khi gia công hoàn thiện và cho phép gia công thô sau đó là khoảng thời gian nghỉ cân bằng.
Loại bỏ vật liệu đối xứng để trường ứng suất được cân bằng trên cả hai mặt của tường.
Hỗ trợ cố định theo vết cắt, luôn giữ khoảng cách không được hỗ trợ ngắn.
Lực kẹp giảm kết hợp với dung sai gia công được thực hiện trong một số lần di chuyển nhẹ.
Kiểm tra bằng máy đo tọa độ sau khoảng thời gian thư giãn xác định, không phải ngay sau khi thả ra.
Khi độ cứng, lực kẹp, lực, nhiệt và ứng suất được giải quyết cùng nhau, các bộ phận có thành mỏng bằng hợp kim titan có thể được tạo ra với độ dày thành ổn định và hình dạng có thể dự đoán được thay vì bằng cách thử và sai.
Câu hỏi thường gặp: Gia công các bộ phận có thành mỏng bằng hợp kim titan{0}}
Hỏi: Nguyên nhân lớn nhất gây ra lỗi gia công ở các bộ phận titan có thành mỏng là gì?
Thực hành kẹp. Tùy thuộc vào bộ phận và thiết kế đồ gá, khoảng 30% đến 50% tổng sai số gia công là do sơ đồ kẹp, vị trí điểm kẹp và lực kẹp.
Hỏi: Tại sao titan đàn hồi lại nhiều hơn thép dưới cùng một tải trọng cắt?
Mô-đun đàn hồi của nó gần bằng một nửa mô-đun đàn hồi của thép carbon, do đó, bức tường sẽ lệch xa hơn dưới một tải trọng bằng nhau và khả năng phục hồi đàn hồi phía sau lưỡi cắt lớn hơn tương ứng.
Hỏi: Nên xử lý nhiệt cắt trong một bức tường mỏng như thế nào?
Cung cấp chất làm mát ngập nước hoặc áp suất cao-trực tiếp đến vùng cắt, giữ tốc độ cắt vừa phải và tránh cắt liên tục trong thời gian dài để nhiệt không thể tích tụ trong một dải hẹp của tường.
Hỏi: Ứng suất dư trên phôi hay trên bề mặt gia công quan trọng hơn?
Cả hai đều quan trọng. Ứng suất ban đầu từ việc lăn, rèn hoặc nối gây ra chuyển động khối, trong khi ứng suất ở lớp bề mặt gia công kiểm soát độ biến dạng cục bộ và tính toàn vẹn bề mặt. Chúng phải được quản lý theo cùng một kế hoạch quy trình.
Hỏi: Các biện pháp quy trình đầu tiên cần áp dụng khi độ chính xác không ổn định là gì?
Hỗ trợ tường gần điểm cắt hơn, giảm và ổn định lực kẹp, sau đó giảm độ bám hướng tâm và lấy các tia sáng đối xứng trước khi điều chỉnh tốc độ cắt.
Hỏi: Một phần được chấp nhận nên được xác minh như thế nào?
Đo trên máy đo tọa độ sau một khoảng thời gian giãn xác định sau khi nhả thiết bị cố định và so sánh kết quả với các kích thước trong-quy trình để xác nhận rằng quá trình phân phối lại ứng suất đã ổn định.
