Mọi người trên mạng thường nói rằng đối với một khuôn ép phun bóng gương, tất cả những gì bạn cần là gia công thô bằng EDM thông thường, và sau đó một thợ đánh bóng lành nghề có thể giảm giá trị Ra bằng tay. Kết luận đó là sai. Đây là một vấn đề vật lý đơn giản.
Bề mặt gương không được tạo ra bằng cách đánh bóng sau gia công. Nó được quyết định ngay tại thời điểm gia công tia lửa điện (EDM). Đó là logic cơ bản của quy trình.
Trong mộtKhuôn ép phun hoàn thiện bóng gương, độ nhám bề mặt lòng khuôn thường cần duy trì trong khoảng Ra 0.1 μm. Các bộ phận quang học chính xác cần phải đạt dưới 0.05 μm. Ở mức độ đó, máy EDM thông thường (EDM xung định hình) không thể đạt được. Cả hai quy trình đều được gọi là EDM, nhưng các bề mặt được tạo ra bởi máy EDM thông thường (EDM xung định hình) và máy EDM độ bóng gương khác nhau không chỉ ở độ nhám. Chúng tuân theo hai logic phóng điện khác nhau.
Các phần dưới đây sẽ phân tích nơi EDM thông thường gặp khó khăn, lý do máy EDM hoàn thiện gương hoạt động hiệu quả, cách thiết lập các thông số quy trình chính, cách Moldsteells thực hiện quy trình này và những gì người mua nên kiểm tra trong quá trình nghiệm thu. Sau khi đọc, sẽ rõ ràng loại nhà cung cấp nào có thể xử lý các bộ phận hoàn thiện gương.
Những hạn chế của EDM thông thường đối với hoàn thiện gương
Ra cấp độ gương thường yêu cầu ≤0.1 μm. Giới hạn thực tế của EDM thông thường trong gia công tinh là Ra 0.4-1 μm. Một số máy cao cấp, khi được đẩy đến giới hạn, có thể đạt 0.2-0.4 μm. Chúng không thể xuống thấp hơn.
Nút thắt cổ chai không phải là kỹ năng của người vận hành. Đó là vật lý. Đây không phải là vấn đề về ngân sách hay nỗ lực của công nhân. Đó là về các giới hạn vật lý cứng nhắc. Có hai ngõ cụt, và không thể vượt qua cả hai.
Ngõ cụt đầu tiên là miệng hố phóng điện.
Bề mặt gia công tia lửa điện (EDM) được tạo thành từ vô số đặc điểm miệng hố phóng điện siêu nhỏ mà mắt thường không thể nhìn thấy. Trong máy EDM thông thường (EDM ăn mòn), năng lượng trong mỗi xung cao, do đó mỗi miệng hố lớn và sâu. Bề mặt tổng thể phải thô ráp. Đây là con số then chốt: để đạt được bề mặt cấp độ gương, năng lượng phóng điện một xung phải được giảm xuống dưới một phần trăm so với máy thông thường. Mỗi miệng hố phải trở nên nhỏ hơn bước sóng của ánh sáng nhìn thấy để ánh sáng có thể phản xạ một cách có trật tự. Đó là logic cơ bản đằng sau việc hoàn thiện bề mặt gương.
Ngõ cụt thứ hai là lớp vật liệu nóng chảy lại.
Tại thời điểm phóng điện, nhiệt độ cục bộ tăng lên vài nghìn độ. Kim loại nóng chảy sau đó được làm nguội nhanh chóng bằng chất điện môi, tạo thành một lớp tái đúc cứng và giòn trên bề mặt. Trong ngành, nó còn được gọi là lớp trắng. Lớp này chứa đầy các vết nứt siêu nhỏ và ứng suất kéo dư. Dựa trên dữ liệu được kiểm tra chéo từ nhiều phòng thí nghiệm thử nghiệm luyện kim và tài liệu học thuật, độ dày lớp tái đúc điển hình sau gia công EDM thông thường nằm trong khoảng 5-50 μm. Gia công tinh để lại lớp mỏng hơn, trong khi gia công thô để lại lớp dày hơn. Bên dưới nó là một vùng ảnh hưởng nhiệt (HAZ) thường dày hơn 2-5 lần.
Đối với khuôn ép phun hoàn thiện gương, lớp này chính là nguyên nhân gây ra rắc rối. Nó làm cho việc đánh bóng khó khăn hơn nhiều. Nếu quá trình diễn ra không đúng, các vết nứt siêu nhỏ có thể xâm nhập vào vật liệu nền. Dưới nhiệt độ và áp suất sản xuất, chúng có thể xuất hiện sau này dưới dạng vết chảy/phân tán hoặc vỏ cam trên các bộ phận đúc. Đây là lý do tại sao một số nhà cung cấp đưa ra báo cáo RA hấp dẫn, nhưng khuôn bị lỗi khi bắt đầu sản xuất hàng loạt. Nguyên nhân gốc rễ nằm ở đây.
Thiết bị thông thường cũng không thể hỗ trợ hoàn thiện bề mặt gương ở cấp độ phần cứng. Ba yếu tố kết hợp lại với nhau:
Nguồn điện xung không thể tạo ra các xung nhỏ và siêu ngắn. Bộ truyền động servo dựa vào vít me bi, do đó khe hở phóng điện dao động qua lại trong dải 20-100 μm và không thể duy trì ở mức dưới micron. Trong quá trình gia công tinh, việc loại bỏ phoi vẫn phụ thuộc vào việc xả lưu lượng cao, điều này lại làm nhiễu loạn sự ổn định phóng điện. Kết hợp ba yếu tố này, việc ép một máy thông thường đạt Ra 0.2 có thể mất thời gian gấp bốn đến năm lần so với máy EDM hoàn thiện gương. Trong khuôn nhiều lòng, độ đồng nhất giữa các lòng khuôn hoàn toàn không thể đảm bảo.
Tại sao máy EDM hoàn thiện gương có thể tạo ra bề mặt gương
Máy EDM hoàn thiện gương giải quyết hai bế tắc đó như thế nào? Nó phụ thuộc vào ba điều. Nếu thiếu một, giá trị Ra sẽ không giảm xuống.
Đầu tiên, bộ nguồn xung kỹ thuật số.
Máy EDM gia công bề mặt gương có thể xuất các xung ngắn năng lượng cực thấp trong dải nanosecond đến microsecond. Năng lượng phóng điện xung đơn được giảm xuống dưới một phần trăm so với máy thông thường. Năng lượng thấp hơn có nghĩa là hình thành các miệng hố phóng điện nông hơn. Khi hàng triệu miệng hố nông được phân bố đều, kết quả là một bề mặt gương. Đây là cốt lõi của máy EDM gia công bề mặt gương.
Thứ hai, bộ truyền động servo sử dụng động cơ tuyến tính.
Máy EDM hoàn thiện gương cao cấp sử dụng động cơ tuyến tính phẳng thay vì vít me bi truyền thống. Không có tiếp xúc cơ học và không có mòn vít. Sodick công khai tuyên bố rằng độ chính xác định vị không bị trôi trong mười năm, và độ mòn điện cực có thể giữ dưới 0.06%. Đó là con số cần nhớ: độ mòn điện cực dưới 0.06%. Chỉ khi khe hở ổn định, máy mới có thể tránh được các tia lửa điện lớn bất thường làm cháy các hố trên phôi.
Thứ ba, hoàn thiện nhiều giai đoạn.
Từ gia công thô đến bán tinh, gia công tinh và siêu tinh, quy trình giảm dòng điện và thời gian xung từng bước. Mỗi giai đoạn tự động liên kết với giai đoạn tiếp theo thông qua bảng thông số tích hợp sẵn. Ngoài ra còn có một tùy chọn gọi là EDM trộn bột (PMEDM), trong đó bột silicon hoặc bột nhôm được treo trong dung môi điện môi dầu hỏa với nồng độ vài gram mỗi lít. Bột lơ lửng này phân tán sự phóng điện tập trung thành nhiều sự kiện phóng điện nhỏ. Khe hở phóng điện trở nên rộng hơn, năng lượng được phân bố đều hơn và giá trị Ra có thể giảm xuống thấp hơn.
Đây là một phương pháp cải tiến, không phải là nguyên tắc duy nhất. Các máy EDM hoàn thiện gương thương mại phổ biến chủ yếu dựa vào nguồn điện xung siêu mịn. EDM pha bột là một con đường bổ sung để cải thiện. Một nhà cung cấp không nên tuyên bố rằng hoàn thiện gương là không thể nếu không có EDM pha bột. Đó là một vấn đề khác.
Vật liệu điện cực EDM cũng cần thay đổi. Đồng nguyên chất phù hợp cho gia công thô. Trong các giai đoạn gia công tinh và đánh bóng gương, cần hợp kim đồng-vonfram (CuW70-CuW80). Nó mang lại độ mài mòn thấp, phóng điện ổn định và ổn định nhiệt tốt, trở thành lựa chọn tiêu chuẩn cho công việc cấp độ gương. Cao hơn nữa là hợp kim bạc-vonfram, được sử dụng cho các ứng dụng siêu gương, nhưng nó đắt tiền. Một chi tiết khác thường bị bỏ qua là độ nhám bề mặt điện cực EDM truyền trực tiếp sang phôi. Nếu điện cực không được đánh bóng, phôi cũng không thể được đánh bóng. Điều này có vẻ nhỏ nhặt, nhưng không thể bỏ qua.
Với năng lượng phóng điện xung đơn thấp hơn và lượng nhiệt đầu vào thấp hơn, lớp tái đúc được tạo ra bởi máy EDM hoàn thiện gương mỏng hơn nhiều so với lớp từ EDM thông thường. Một máy thông thường có thể dễ dàng để lại một lớp trắng dày hàng chục micron. Một máy EDM hoàn thiện gương có thể giảm nó xuống chỉ còn vài micron, với ít vết nứt vi mô hơn. Điều này ảnh hưởng trực tiếp đến việc đánh bóng sau này dễ dàng đến mức nào và tuổi thọ của khuôn trong sản xuất.
| Kích thước | EDM thông thường | Máy EDM tạo độ bóng gương |
|---|---|---|
| Năng lượng phóng điện xung đơn | Cao (miệng hố sâu) | Ít hơn 1/100 so với máy thông thường |
| Giới hạn Ra | Ra 0.4-1 μm khi gia công tinh; 0.2-0.4 μm ở giới hạn | Ra 0.05-0.2 μm |
| Lớp tái đúc | Thông thường 5-50 μm, với các vết nứt vi mô. | Chỉ vài micron, với ít vết nứt vi mô hơn. |
| Điều khiển khe hở | Vít me bi, khe hở không ổn định | Động cơ tuyến tính, ổn định ở cấp độ dưới micron |
| Chất lỏng điện môi | Dầu hỏa tiêu chuẩn | Tuần hoàn kiểm soát nhiệt độ, EDM trộn bột tùy chọn. |
| Các ứng dụng điển hình | Khoang kết cấu, các bộ phận không yêu cầu về ngoại quan. | Bề mặt gương, khuôn ép phun độ bóng cao, chi tiết quang học |
Máy EDM hoàn thiện bề mặt gương không đơn thuần là một phiên bản chính xác hơn của máy EDM thông thường (máy EDM xung định hình). Đó là một logic phóng điện khác biệt. Nếu câu hỏi là liệu một xưởng có thể đạt Ra 0.1 hay không, một nhà cung cấp có máy EDM hoàn thiện bề mặt gương sẽ nhận đơn hàng. Một nhà cung cấp không có máy này chỉ có thể buộc thiết bị thông thường cố gắng thực hiện một cách chậm chạp và không nhất quán. Đó là lý do tại sao việc sở hữu máy này quyết định liệu công việc có thể được thực hiện hay không.
Cách thiết lập các thông số chính
Bề mặt gương không đạt được chỉ trong một lần gia công. Quá trình này diễn ra từng bước, từ gia công thô đến gia công tinh. Nhịp điệu của trình tự đó và việc kiểm soát một số thông số chính trực tiếp quyết định liệu độ nhám bề mặt Ra mục tiêu có thể đạt được hay không. Có ba điểm chính.
Đầu tiên, dòng điện đỉnh.
Quá trình bắt đầu với gia công thô ở cường độ dòng điện hơn mười ampe, giảm xuống vài ampe trong gia công bán tinh, và sau đó giảm xuống còn một phần nhỏ của ampe ở giai đoạn đánh bóng gương. Đồng thời, thời lượng xung được giảm từ vài trăm micro giây xuống chỉ còn vài micro giây. Khoảng thời gian giữa các xung được tăng lên để cho phép chất điện môi có thời gian khử ion. Ở giai đoạn đánh bóng gương, chiều cao nhảy của điện cực cần được giảm xuống dưới 0.5 mm. Chuyển động lùi định kỳ của điện cực EDM loại bỏ các mảnh vụn bị ăn mòn. Nếu không có bước nhảy điện cực, mảnh vụn không thể được loại bỏ, và phóng điện thứ cấp tạo ra rỗ thay vì bề mặt bóng gương. Ngày nay, chuỗi thông số này được ghi vào thư viện quy trình của máy. Nó không còn phụ thuộc vào thử nghiệm và sai sót của người vận hành.
Thứ hai, kiểm soát nhiệt độ chất lỏng điện môi.
Phóng điện tạo độ bóng gương rất nhạy cảm với nhiệt độ. Nếu nhiệt độ dao động, độ nhớt của chất lỏng điện môi và khe hở phóng điện đều thay đổi, và sự thay đổi Ra sẽ xuất hiện ngay lập tức trên phôi. Các xưởng sản xuất bề mặt gương cần hệ thống tuần hoàn chất lỏng điện môi được kiểm soát nhiệt độ, thường được duy trì trong phạm vi hẹp khoảng 20-25 °C theo thực tiễn ngành. Vào mùa hè, một xưởng không có điều hòa sẽ thấy sự suy giảm Ra rõ rệt. Đây là một vấn đề đã biết trong sản xuất thực tế.
Thứ ba, lựa chọn mác thép phù hợp.
Việc lựa chọn vật liệu rất quan trọng đối với khuôn ép phun có độ bóng gương. Không phải loại thép nào cũng có thể tạo ra bề mặt gương thực sự.
NAK80 là lựa chọn hàng đầu cho các ứng dụng yêu cầu độ bóng gương vì cấu trúc vi mô của nó đủ đồng nhất ở trạng thái tiền tôi cứng. S136 nên là phiên bản nấu lại điện xỉ (ESR) và được tôi cứng đạt 48-52 HRC. Đó là lúc hiệu suất độ bóng gương của nó thể hiện rõ, cùng với khả năng chống ăn mòn tốt, làm cho nó phù hợp với các bộ phận PVC và y tế. 718H mang lại giá trị tốt, mặc dù nó chứa nhiều tạp chất hơn một chút và phù hợp cho các bộ phận có độ bóng cao thông thường. P20 chỉ có khả năng đánh bóng ở mức trung bình và không nên được sử dụng cho công việc yêu cầu độ bóng gương. H13 là thép công cụ làm việc nóng chủ yếu được sử dụng choKhuôn đúc áp lực, không phải là lựa chọn hàng đầu cho các ứng dụng khuôn ép phun độ bóng gương. Nó vẫn có thể được gia công bằng EDM, nhưng sự phân tách cacbua của nó tương đối rõ rệt hơn, do đó việc đạt được độ bóng gương cực cao sẽ không hiệu quả về chi phí.
Cách Moldsteells triển khai quy trình này
Việc một máy EDM hoàn thiện gương có thực sự cần thiết hay không phụ thuộc vào danh mục thiết bị của nhà cung cấp. Sau nhiều năm sản xuất các chi tiết hoàn thiện gương, một điều rõ ràng tại Moldsteells là: hai máy EDM hoàn thiện gương Sodick đó không thể thay thế được. Một số công việc đơn giản là không thể đạt yêu cầu RA nếu không có chúng.
Moldsteells vận hành tổng cộng 11 máy EDM. Hai máy EDM Sodick hoàn thiện bề mặt gương, được mua vào năm 2022, chuyên dùng cho công việc đánh bóng gương. Chúng hoạt động cùng với các máy như Charmilles F0350 và Diemeng CNC-B40 cho các công đoạn gia công thô và bán tinh. Các điện cực và insert EDM được gia công bằng máy cắt dây EDM Sodick. Kích thước cuối cùng được kiểm tra trên máy đo tọa độ (CMM) SEREIN sử dụng hệ thống Hexagon. Độ chính xác gia công được duy trì ổn định ở mức ±0.005-0.01 mm.
Một chuỗi quy trình điển hình cho khuôn ép phun hoàn thiện bề mặt gương trông như thế này: Máy CNC gia công thô khoang khuôn trước. Sau khiXử lý nhiệt, máy cắt dây EDM/EDM cắt dây gia công các chi tiết lòng khuôn (insert) và bề mặt chuẩn của điện cực EDM. Máy mài hoàn thiện các điện cực EDM. Sau đó, máy EDM thông thường (EDM xung định hình) loại bỏ vật liệu, và máy EDM Sodick gia công bề mặt gương thực hiện gia công tinh nhiều giai đoạn để tạo bề mặt gương. Kiểm tra toàn bộ cuối cùng được thực hiện bằng CMM, sau đó là đánh bóng thủ công nhẹ nếu cần.
Trong chuỗi này, máy EDM tạo độ bóng gương chỉ xử lý một bước duy nhất: chính bề mặt gương. Các bước khác có thể được thay thế. Bước này thì không. Nó giống như muối trong món ăn. Nếu muối sai, cả món ăn sẽ hỏng.
Cách kiểm tra và nghiệm thu khuôn ép phun hoàn thiện gương
Giá trị Ra không có giá trị chỉ vì nhà cung cấp báo cáo. Việc chấp nhận bề mặt gương có các phương pháp, cấp độ và rủi ro tiềm ẩn.
Bắt đầu với việc phân loại.
Đối với các bộ phận có bề mặt tiêu chuẩn, Ra 0.4-0.8 μm thường là đủ, không có hoa văn EDM rõ ràng có thể nhìn thấy bằng mắt thường. Các bộ phận khuôn ép phun có độ bóng cao thường cần Ra 0.2-0.4 μm. Để thực sự đạt tiêu chuẩn hoàn thiện gương, giá trị cần nằm trong Ra 0.1 μm. Cấp độ thấu kính quang học cần dưới 0.05 μm. Một quy tắc chung trong ngành là: nếu Ra nằm trong dải 0.1-0.2 μm, phản xạ hình ảnh rõ ràng và việc đánh bóng thủ công thêm không mang lại cải thiện rõ rệt, thì mức độ gương được coi là chấp nhận được.
Sau đó hãy xem xét cách nó được đo lường.
Không nên chỉ dựa vào một giá trị Ra duy nhất. Các loại thiết bị khác nhau và cài đặt chiều dài lấy mẫu khác nhau có thể tạo ra các kết quả đo khác nhau tới 20-30%. Một hợp đồng chính thức nên quy định rõ loại thiết bị, cho dù là máy đo biên dạng đầu dò hay máy đo giao thoa ánh sáng trắng được sử dụng, cũng như chiều dài lấy mẫu và chiều dài đánh giá. Chiều dài lấy mẫu điển hình là 0,08 mm hoặc 0,25 mm. Đối với công việc cấp độ gương và cao hơn, máy đo giao thoa ánh sáng trắng là lựa chọn tốt hơn. Đối với các bộ phận quang học, kính hiển vi lực nguyên tử (AFM) nên được sử dụng làm trọng tài cuối cùng. Trong một khuôn nhiều lòngKhuôn ép phun, mỗi lòng khuôn phải được lấy mẫu riêng biệt theo cấp độ. Đừng để nhà cung cấp gửi dữ liệu chỉ từ lòng khuôn dễ nhất.
Có một vấn đề tiềm ẩn nữa cần lưu ý.
Một nhà cung cấp có thể giao một báo cáo cho thấy Ra 0.05, nhưng các chi tiết đúc sau đó lại xuất hiện vết chảy/vết bắn hoặc hiệu ứng vỏ cam trong sản xuất hàng loạt. Dựa trên kinh nghiệm trong ngành, điều đó thường không có nghĩa là độ nhám quá cao. Nó có nghĩa là lớp tái đúc không được loại bỏ sạch sẽ, và các vết nứt vi mô cùng với ứng suất kéo dư xuất hiện dưới nhiệt độ và áp suất sản xuất. Đây là tiếng vọng ở giai đoạn sản xuất của cùng một ngõ cụt đã thảo luận trước đó. Vì vậy, việc nghiệm thu không thể dừng lại ở chỉ số RA. Nó phải bao gồm đánh giá mẫu thử nghiệm thực tế.
Tóm lại trong một câu: một giá trị Ra đạt yêu cầu kiểm tra không tự động có nghĩa là khuôn sẽ đạt yêu cầu sản xuất.
Một điểm nữa: EDM gương không thay thế hoàn toàn việc đánh bóng thủ công. Đối với các bề mặt gương cấp quang học cực kỳ tinh xảo ở Ra ≤0.05, việc đánh bóng nhẹ vẫn có thể cần thiết sau EDM, và trong một số trường hợp, đánh bóng bằng chùm ion hoặc đánh bóng từ lưu biến được sử dụng để hiệu chỉnh cuối cùng. Mặc dù vậy, EDM gương có một số lợi thế rõ ràng so với đánh bóng thủ công thuần túy: độ đồng nhất đa khoang, trong đó sự biến thiên giữa các khoang có thể được kiểm soát trong vòng vài micron; hình học phức tạp, chẳng hạn như các rãnh sâu hẹp và bề mặt tự do mà dụng cụ thủ công không thể tiếp cận; không biến dạng do đánh bóng, vì gia công không tiếp xúc không tác dụng lực đánh bóng và sẽ không làm sập thành mỏng hoặc góc sắc; và khả năng lặp lại, vì các thông số cố định mang lại các lô ổn định thay vì phụ thuộc vào kinh nghiệm của thợ đánh bóng lành nghề. Trong sản xuất hàng loạt, các bề mặt phức tạp và các ứng dụng yêu cầu độ đồng nhất cao, EDM gương rõ ràng vượt trội so với đánh bóng thủ công. Đối với các chi tiết đơn giản, phẳng, đơn lẻ trong lô nhỏ, đánh bóng thủ công có thể không tốn kém hơn nhiều.
Cuối cùng, độ bóng gương không phải là thứ được đánh bóng sau này. Nó được quyết định ngay tại thời điểm phóng điện. Đó là câu đáng nhớ.
Lần tới khi bản vẽ yêu cầu một chi tiết hoàn thiện bóng gương với Ra 0.05, hãy hỏi nhà cung cấp ba câu hỏi trước khi yêu cầu báo giá: họ có máy EDM hoàn thiện bóng gương phù hợp không, họ sẽ sử dụng mác thép nào, và họ có thể cung cấp dữ liệu kiểm tra Ra thực tế cùng với kết quả mẫu đúc thử nghiệm không? Chỉ khi cả ba câu hỏi được trả lời rõ ràng thì mới nên tiếp tục.
Nếu công cụ sai, nỗ lực sẽ lãng phí. Câu hỏi thực sự là: bước nào đang cản trở chi tiết hoàn thiện gương bây giờ?
