Các nhà nghiên cứu cho rằng các quy trình gia công hỗ trợ năng lượng phi truyền thống (Nontraditional energy-assisted mechanical machining) (1) có thể hỗ trợ trong quy trình sản xuất thiết bị hàng không, vũ trụ.

(1) Gia công cơ học hỗ trợ năng lượng phi truyền thống: là một quy trình kết hợp sử dụng các năng lượng phi truyền thống (rung, laser, điện, v.v.) để cải thiện khả năng gia công của vật liệu tại chỗ và tăng năng suất gia công cơ học.

Gia công cơ học hỗ trợ năng lượng phi truyền thống có thể cải thiện tốc độ loại bỏ vật liệu và chất lượng bề mặt, giảm lực gia công và kéo dài tuổi thọ dụng cụ khi gia công các vật liệu khó cắt.

Các vật liệu khó cắt như hợp kim titan, hợp kim chịu nhiệt độ cao, vật liệu composite kim loại (2)/ gốm composite (3)/ nhựa polymer matrix composites (4), vật liệu cứng và giòn, cũng như các thành phần phức tạp về mặt hình học như cấu trúc mỏng, nhỏ và bề mặt phức tạp, được sử dụng rộng rãi trong ngành sản xuất hàng không vũ trụ.

(2) Composite kim loại (metal composite): Tạo thành từ nhựa composite kết hợp với kim loại.
(3) Gốm composite (ceramic composite): Là loại gốm được sản xuất theo mô hình ma trận đan xen nhau. Gốm composite bền bỉ hơn gốm sứ thông thường nhờ khả năng chống gãy, chống sốc nhiệt tốt.
(4) Nhựa polymer matrix composites: là vật liệu tổng hợp bao gồm nhiều loại sợi ngắn hoặc liên tục được liên kết với nhau bằng một ma trận các polyme hữu cơ.

Tuy nhiên, vẫn tồn tại nhiều vấn đề trong gia công cơ học, như hiện tượng máy công cụ nhanh bị mòn, hiệu quả gia công thấp và chất lượng bề mặt kém.

Một nghiên cứu được công bố trên tạp chí International Journal of Extreme Manufacturing của các nhà nghiên cứu từ trường đại học Nanjing University of Aeronautics and Astronautics, giải thích về lĩnh vực gia công cơ khí hỗ trợ năng lượng phi truyền thống, một công nghệ đầy hứa hẹn cho kỹ thuật hàng không vũ trụ.

Dự án nghiên cứu “Non-traditional energy-assisted mechanical machining of difficult-to-cut materials and components in aerospace community: a comparative analysis” (tạm dịch là ‘Phân tích về gia công cơ học hỗ trợ năng lượng phi truyền thống đối với các vật liệu và linh kiện khó cắt trong ngành hàng không, vũ trụ) của Giáo sư Wenfeng Ding và những đồng nghiệp gồm Giáo sư Guolong Zhao, Tiến sĩ Biao Zhao, Lianjia Xin, Zhiwen Nian, Jianhao Peng, Ning He và Jiuhua Xu, đã giúp khách hàng hiểu được phương pháp lai (hybrid) sáng tạo này sẽ ảnh hưởng đến quá trình sản xuất các bộ phận hàng không vũ trụ như thế nào.

Cụ thể, dự án này nghiên cứu các nguyên tắc xử lý, phản ứng của vật liệu dưới sự tác động của năng lượng phi truyền thống, lực và nhiệt độ, cơ chế loại bỏ vật liệu và ứng dụng của các quy trình lai này. Dự án cung cấp thông tin toàn diện về cả ưu điểm và những hạn chế của từng quy trình lai cũng như quan điểm tương lai về thiết kế, phát triển thiết bị và tính bền vững.

Gia công có năng lượng hỗ trợ
Gia công cơ học hỗ trợ năng lượng phi truyền thống là một quy trình kết hợp sử dụng các năng lượng phi truyền thống (rung, laser, điện) để cải thiện khả năng gia công vật liệu tại chỗ và tăng năng suất của gia công cơ học.

Trong quá trình này, gia công cơ học là kỹ thuật chính để loại bỏ vật liệu, được hỗ trợ bởi các nguồn năng lượng phi truyền thống có tác động tích cực đáng kể đến quá trình loại bỏ vật liệu.

Công nghệ này cung cấp một giải pháp khả thi và đầy hứa hẹn nhằm cải thiện tốc độ loại bỏ vật liệu và chất lượng bề mặt, giảm lực gia công và kéo dài tuổi thọ dụng cụ khi gia công các vật liệu và linh kiện khó cắt.

Sự chuyển đổi từ “khó cắt” sang “dễ cắt” đạt được bằng cách sử dụng năng lượng phi truyền thống để thay đổi điều kiện tiếp xúc giữa dụng cụ và phôi như trong gia công có sự hỗ trợ bằng lực rung, làm mềm hoặc sửa đổi vật liệu tại chỗ như trong gia công có tia laser hỗ trợ, kiểm soát động học của dụng cụ như trong gia công có sự hỗ trợ bởi từ tính và hóa học hoặc cải thiện nhiệt độ như trong gia công có sự hỗ trợ bởi chất làm mát.

Có thể đạt được kết quả tối ưu bằng cách áp dụng năng lượng phi truyền thống thích hợp để hỗ trợ gia công cơ học thông qua các đặc tính của cả vật liệu và năng lượng.

Giáo sư Guolong Zhao nói rằng: “Ví dụ, chúng tôi đề xuất một quy trình lai mới về gia công cơ học có sự hỗ trợ oxy hóa bằng laser, trong đó laser xung được sử dụng để tạo ra phản ứng oxy hóa giữa vật liệu phôi được chiếu xạ và oxy. Điều này dẫn đến sự hình thành các oxit rời và xốp, có thể dễ dàng loại bỏ bằng dụng cụ cắt. Tuy nhiên, không phải tất cả các vật liệu đều có thể được xử lý bằng phương pháp này; ví dụ, một số gốm oxit không thể oxy hóa thêm nữa và thủy tinh có tỷ lệ hấp thụ laser rất thấp”.

Mặc dù công nghệ gia công cơ học hỗ trợ năng lượng phi truyền thống đã có nhiều tiến bộ, nhưng vẫn còn một số vấn đề chưa được giải quyết.

Giáo sư Guolong Zhao cho biết: “Vẫn còn một vấn đề trong việc thúc đẩy ứng dụng rộng rãi công nghệ này trong ngành hàng không, vũ trụ. Ví dụ, hiện tại vẫn còn vấn đề khi áp dụng gia công cơ học hỗ trợ bằng laser để xử lý các cấu trúc hình học phức tạp. Cần cân nhắc sự kết hợp giữa quét laser và chuyển động của dụng cụ cắt”.

Tiến sĩ Biao Zhao nói rằng: “Đối với gia công cơ khí có hỗ trợ lực rung, điều quan trọng là cần nâng cao hiệu suất của thiết bị xử lý rung và cung cấp các công cụ cải tiến tương thích với rung siêu âm”.

Để khắc phục những vấn đề này, cách hiệu quả và sáng tạo nhất là tiến hành thiết kế theo quy trình và phát triển thiết bị thông minh.

Giáo sư Wenfeng Ding nói rằng: “Thuật ngữ ‘hybrid’ ở đây không chỉ là sự kết hợp đơn giản giữa năng lượng phi truyền thống với gia công cơ học, hướng tới sự phù hợp tối ưu giữa công nghệ và nhu cầu gia công về mặt hiệu quả, chất lượng và chi phí. Bên cạnh đó, việc phát triển thiết bị thông minh cho gia công cơ học hỗ trợ năng lượng phi truyền thống là điều kiện bắt buộc để thúc đẩy ứng dụng rộng rãi các công nghệ này”.

Ngành hàng không vũ trụ đang tiếp tục thúc đẩy quá trình thiết kế các bộ phận làm từ vật liệu khó cắt có khả năng hoạt động trong môi trường cực kỳ khắc nghiệt. Điều này đòi hỏi sự phát triển trong cách sản xuất các bộ phận này.

Giáo sư Wenfeng Ding nói tiếp: “Phương pháp lai này vẫn còn một chặng đường dài để đi từ phòng thí nghiệm đến nhà máy. Cần có các công trình nghiên cứu cơ bản, đột phá kỹ thuật và phát triển thiết bị trong tương lai. Đây là một ngành học giao thoa hàng đầu, bao gồm nhiều lĩnh vực như cơ học, vật lý, hóa học và khoa học vật liệu. Cần có sự hợp tác liên ngành rộng rãi để thúc đẩy ứng dụng rộng rãi công nghệ gia công cơ học hỗ trợ năng lượng phi truyền thống trong ngành hàng không, vũ trụ”.

Để xem các tin bài khác về “Gia công cơ học”, hãy nhấn vào đây.

 

Nguồn: Canadian Metalworking