Giới thiệu
Bạn đã bao giờ gặp phải tình huống này chưa: Chương trình chạy trơn tru, đường chạy dao chính xác và các phép đo trên máy công cụ đáp ứng thông số kỹ thuật. Tuy nhiên, khi chi tiết được lấy ra khỏi máy, một góc bị cong lên và phần giữa bị uốn cong. Cuối cùng, chi tiết phải bị loại bỏ.
Hướng dẫn này sẽ phân tích các nguyên nhân gốc rễ: những hình dạng nào dễ bị ảnh hưởng nhất, những vật liệu nào có khả năng gây ra vấn đề nhất và quan trọng nhất là những giải pháp nào thực sự hiệu quả trong hoạt động sản xuất thực tế.
5 nguyên nhân gốc rễ gây cong vênh trong Cơ khí CNC
Tại sao các chi tiết gia công CNC bị cong vênh? Có năm lý do. Hãy cùng tìm hiểu.
1. Ứng suất dư từ quá trình sản xuất vật liệu
Vật liệu có sẵn tiềm ẩn nhiều vấn đề. Cán, rèn, ép đùn—các quy trình này khóa các ứng suất bên trong kim loại hoặc nhựa. Các lực này cân bằng lẫn nhau bên trong khối. Chi tiết nằm phẳng.
Khi quá trình gia công CNC bắt đầu và vật liệu được loại bỏ, sự cân bằng này bị phá vỡ. Các ứng suất dư được giải phóng. Chi tiết bắt đầu chuyển động. Nó sẽ bị cong vênh và biến dạng.
Gia công CNC đóng vai trò như một quá trình giải tỏa ứng suất. Chi tiết được tạo ra chỉ đơn giản là phản ứng với những gì đã có sẵn.
2. Sự giãn nở do nhiệt (Hiệu ứng nhiệt)
Quá trình cắt tạo ra nhiệt. Nhiệt này phân bố không đều và khó dự đoán.
Dụng cụ cọ xát. Mảnh vụn dẫn nhiệt ra ngoài—hoặc không.
Các bộ phận khác nhau của một linh kiện nóng lên với tốc độ khác nhau. Vật liệu ở nhiệt độ cao sẽ giãn nở, trong khi vật liệu ở nhiệt độ thấp thì không. Sự khác biệt về độ giãn nở này tạo ra ứng suất bên trong.
Tình hình còn tồi tệ hơn ở các phần có thành mỏng. Những khu vực này chứa ít vật liệu hơn và không thể hấp thụ và tản nhiệt hiệu quả. Kết quả là, chúng nóng lên nhanh hơn, giãn nở mạnh hơn và bị biến dạng nghiêm trọng hơn.
3. Lực kẹp/giữ phôi
Chi tiết được đặt phẳng trong ê tô và kẹp chặt. Mọi thứ trông bình thường trong quá trình gia công CNC.
Sau khi quá trình gia công hoàn tất, các kẹp được nới lỏng. Phôi trở lại hình dạng tự nhiên. Lúc này, hình dạng của nó không còn phẳng nữa.
Đây là biến dạng đàn hồi. Trong quá trình cắt, lực kẹp làm cho phôi bị uốn cong. Máy CNC sẽ gia công hình dạng uốn cong này. Khi lực kẹp được loại bỏ, phôi sẽ trở lại trạng thái không phẳng ban đầu. Kẹp quá chặt một chiếc vòng mỏng là một ví dụ điển hình. Nó có hình tròn khi được lấy ra khỏi máy, nhưng ngay lập tức bật trở lại thành hình elip.
4. Độ cứng phôi thấp
Một số bộ phận khá mềm nhũn. Những bức tường dài và mỏng. Những mặt sàn lớn, phẳng mà không có điểm tựa. Dụng cụ cắt ấn xuống. Vật liệu phản kháng lại, nhưng không đủ mạnh. Nó bị biến dạng.
Công cụ này cắt bỏ hình dạng bị biến dạng. Sau đó, công cụ tiếp tục di chuyển. Vật liệu bật trở lại vị trí cũ. Tại thời điểm này, bề mặt đáy không còn phẳng và các vách bên cũng không còn thẳng.
Mấu chốt nằm ở tỷ lệ này: độ cứng chia cho lực cắt. Nếu giá trị này thấp, hiện tượng cong vênh gần như không thể tránh khỏi trong gia công CNC.
5. Đường chạy dao và chiến lược cắt không phù hợp
Lập trình không đúng cách có thể gây biến dạng phôi; xét cho cùng, máy CNC không phải là con người - nó chỉ làm theo các lệnh.
Độ sâu cắt quá mức làm tăng lực cắt. Phay xuôi hay phay ngược – lựa chọn sai có thể làm tăng ứng suất. Thiếu các đường cắt đệm khiến phôi không có cơ hội ổn định. Bề mặt gia công thô không đồng đều. Gia công tinh chỉ loại bỏ vật liệu từ một phía. Sự mất cân bằng ứng suất trở nên rõ ràng ngay lập tức.
Năm nguyên nhân này không hoạt động riêng lẻ mà cộng hưởng lẫn nhau. Khi vật liệu chịu ứng suất được gia công ở nhiệt độ cao, kẹp quá chặt, và bản thân phôi dễ bị cong vênh—tất cả cộng thêm việc lập kế hoạch đường chạy dao kém? Một phôi như vậy chắc chắn sẽ bị hỏng. Đây là lý do tại sao
8 hình dạng dễ bị biến dạng
Một số hình dạng đặc biệt dễ bị biến dạng trong quá trình gia công CNC. Do đó, các nhà thiết kế nên tránh những hình dạng này ngay từ đầu.
| Hình dạng | Chế độ lỗi chính | Quick Fix |
| Thành mỏng và gân | Vết cong vênh, vết rung | Các mấu hỗ trợ, giảm sự tiếp xúc hướng tâm. |
| Sàn mỏng và đáy túi | Giác hơi, bật lên | Để nguyên hàng, hoàn thành từng bước. |
| Các bộ phận dài và mảnh (tỷ lệ L/D cao) | Hình dạng xoắn, hình quả chuối | Lật ngược phần, chu kỳ giảm căng thẳng |
| Đĩa phẳng mỏng lớn | Vòm, nâng mép | Bộ gá hút chân không, chỉ dùng để phay leo. |
| Các bộ phận hình chữ C hoặc chữ U không đối xứng | Chân dang rộng hoặc khép lại | Kẹp sau khi gia công thô, các bước gia công còn lại |
| Mặt bích mỏng và phần nhô ra | Rủ xuống, trò chuyện | Lùi xe với hàm mềm, giảm độ nhô ra. |
| Ống và xi lanh thành mỏng | Thành hình bầu dục, thuôn dần về một phía | Giá đỡ trục gá, các đường cắt cân bằng |
| Các bộ phận có túi tiền rủng rỉnh | Sàn nhà bị cong vênh, tường bị nghiêng | Tạo độ dốc xoắn ốc, hoàn thiện phần còn lại |
Bây giờ chúng ta hãy xem xét từng hình dạng chi tiết hơn. Hiểu rõ những hình dạng nào dễ bị cong vênh khi gia công CNC sẽ giúp phát hiện vấn đề trước khi bắt đầu lập trình.
Thành mỏng và gân
Những cấu trúc như vậy thường thấy trong vỏ máy bay và vỏ thiết bị điện tử—những bức tường cao với thành tương đối mỏng. Lực cắt đẩy chúng sang một bên, gây ra rung động và uốn cong.
Sàn mỏng và đáy túi
Khi một dụng cụ cắt rãnh, phần đế ở dưới cùng rất mỏng và không có điểm tựa nào khác ngoài không khí. Lực cắt tác động xuống dưới, làm cho phần đế bị uốn cong. Sau khi dụng cụ cắt đi qua, phần đế sẽ bật trở lại vị trí ban đầu. Kết quả là phần đế không còn phẳng nữa.
Các bộ phận dài và mảnh (Tỷ lệ L/D cao)
Hãy tưởng tượng một trục dài hoặc một thanh mảnh. Trong quá trình gia công, chi tiết bị uốn cong dưới trọng lượng của chính nó. Nó bị lệch ra khỏi dụng cụ cắt. Lượng vật liệu được loại bỏ ít hơn ở giữa so với ở hai đầu. Chi tiết hoàn thiện cuối cùng có hình dạng giống như một quả chuối.
Đĩa phẳng mỏng lớn
Một tấm kim loại lớn, phẳng có vẻ đơn giản, nhưng thực tế không phải vậy. Các ứng suất dư trong tấm kim loại thô được giải phóng không đều. Các cạnh có thể bị cong lên, phần giữa có thể bị phồng lên, và cuối cùng toàn bộ phôi có thể bị biến dạng.
Các bộ phận hình chữ C hoặc chữ U không đối xứng
Những hình dạng này hở một bên. Hai "chân" không được nối với nhau ở đầu hở. Lực kẹp đẩy hai "chân" vào trong để hoàn thành vết cắt. Khi lực kẹp được thả ra, các chân sẽ bật trở lại, làm thay đổi kích thước ở chỗ hở.
Mặt bích mỏng và phần nhô ra
Chi tiết này nhô ra ngoài và chỉ được đỡ ở một phía. Lực cắt tác động lên đầu tự do, làm cho mặt bích bị võng xuống, dẫn đến hiện tượng rung lắc và bề mặt hoàn thiện cực kỳ kém.
Ống và xi lanh thành mỏng
Các chi tiết hình tròn thành mỏng rất dễ gây nhầm lẫn. Sau khi gia công bề mặt ngoài, ứng suất được giải phóng, khiến hình tròn bị kéo giãn và biến dạng thành hình elip, hoặc do chi tiết bị uốn cong ra xa dụng cụ gia công, độ dày thành trở nên không đồng đều.
Các bộ phận có túi tiền rủng rỉnh
Các hốc sâu dẫn đến phần đầu dụng cụ nhô ra quá nhiều. Mặc dù đầu dụng cụ có thể bị uốn cong, vấn đề thực sự nằm ở các bề mặt đáy và thành bên còn lại. Việc cắt không đều gây ra sự mất cân bằng, dẫn đến biến dạng bề mặt đáy và nghiêng các thành bên.
Nhận biết sớm các hình dạng này là biện pháp phòng ngừa đầu tiên chống lại hiện tượng cong vênh trong gia công CNC. Mỗi hình dạng cần một chiến lược khác nhau. Các giải pháp khắc phục nhanh trong bảng sẽ giúp bạn bắt đầu.
Những vật liệu cần được chú ý đặc biệt
Một số vật liệu ổn định, một số thì không. Việc biết được vật liệu nào bị biến dạng trong quá trình gia công CNC giúp tiết kiệm được rất nhiều phế liệu.
Nhôm (6061-T6, 7075-T6) – Ứng suất cán
Quá trình cán tạo ra ứng suất bên trong nhôm. Khi tấm nhôm bị ép giữa các con lăn, bề mặt chịu ứng suất kéo, trong khi lõi vẫn chịu ứng suất nén. Tại thời điểm này, phôi phẳng. Sau đó, quá trình gia công loại bỏ vật liệu từ một phía của phôi. Sự cân bằng bị phá vỡ. Chi tiết bị biến dạng ngay lập tức.
Tấm thép không gỉ (304, 316) – Làm cứng bằng phương pháp gia công
Vật liệu này cứng lại khi bị cắt. Lớp bề mặt cứng lại, còn phần lõi thì không. Sự khác biệt về độ cứng này tạo ra sự khác biệt về ứng suất. Các chi tiết thép không gỉ mỏng thường dễ bị xoắn khi gia công.
Titan (Cấp 5) – Độ cứng thấp + Khả năng đàn hồi trở lại
Titan có mô đun đàn hồi thấp. Nói một cách dễ hiểu hơn, nó dễ bị uốn cong và bật trở lại rất mạnh. Áp lực cắt làm biến dạng chi tiết. Dao cắt sẽ cắt theo hình dạng bị biến dạng đó. Sau đó, chi tiết lại bật trở lại thành một hình dạng mới, sai lệch. Gia công CNC với titan là một cuộc chiến hàng ngày.
Thép dụng cụ tôi cứng – Biến đổi pha do nhiệt
Nhiệt lượng sinh ra từ quá trình cắt có thể làm thay đổi cấu trúc vi mô. Bề mặt biến đổi. Thể tích thay đổi nhẹ. Sự thay đổi nhỏ đó tạo ra ứng suất lớn. Chi tiết bị kéo giãn. Nó bị xoắn. Thép tôi cứng không báo hiệu vấn đề này. Nó chỉ xuất hiện dưới dạng một khối bị biến dạng sau khi gia công.
Đồng thau và đồng dễ gia công – Ứng suất ép đùn
Các vật liệu này thường được ép đùn. Quá trình ép đùn giữ nguyên hướng hạt và ứng suất bên trong. Gia công cơ khí làm phá vỡ ứng suất đó không đồng đều. Chi tiết bị biến dạng. Đôi khi nó biến dạng rất nhiều.
Nhựa (Nylon, Acetal, UHMW) – Nhiệt và Biến dạng dẻo
Nhựa còn tệ hơn kim loại. Chúng dẫn nhiệt kém. Vùng cắt trở nên nóng, trong khi vật liệu xung quanh vẫn mát. Sự chênh lệch nhiệt độ đó tạo ra ứng suất. Sau đó, chi tiết bị biến dạng dần theo thời gian. Nó nằm trên bàn kiểm tra. Kích thước ban đầu vẫn tốt. Nhưng một giờ sau, nó bị cong vênh. Đây là lý do tại sao các chi tiết gia công CNC bằng nhựa bị cong vênh thường xuyên hơn so với dự đoán của người vận hành.
Vật liệu composite sợi carbon – Ứng suất dị hướng
Các sợi định hướng theo một chiều. Chất nền giữ chúng lại. Ứng suất trong chi tiết không đồng đều theo mọi hướng. Gia công cắt xuyên qua các sợi. Cấu trúc còn lại sẽ tái cấu trúc ứng suất của nó. Các chi tiết composite mỏng bị xoắn theo những cách khó dự đoán.
Các sản phẩm đúc bằng magie – Ứng suất làm mát không đồng đều
Vật đúc nguội đi. Phần ngoài đông đặc trước. Phần trong đông đặc sau cùng. Lõi kéo căng lớp vỏ. Áp lực bị khóa đó chờ đến khi gia công. Loại bỏ đủ vật liệu, và sự cân bằng bị phá vỡ. Vật đúc bị biến dạng.
Một chi tiết không ổn định cần được xử lý giảm ứng suất, sử dụng các đường chạy dao khác nhau, hoặc cả hai. Nếu bỏ qua các đặc tính vật liệu, hiện tượng cong vênh trong gia công CNC sẽ trở nên không thể tránh khỏi.
Cách phòng ngừa cong vênh – Các chiến lược thực tiễn
Việc sửa chữa các bộ phận bị cong vênh không chỉ gây rắc rối mà còn tốn kém. Thực hiện các biện pháp phòng ngừa vấn đề trước khi chúng xảy ra có thể giúp chúng ta tiết kiệm thời gian và công sức. Dưới đây là cách ngăn chặn hiện tượng cong vênh khi gia công CNC ở từng giai đoạn của công việc.
Trước khi gia công: Chuẩn bị vật liệu
Thông thường, vật liệu sẽ có ứng suất dư khi nhập kho. Các ứng suất này phải được loại bỏ trước khi cắt.
Phương pháp giảm ứng suất nhiệt bao gồm việc đặt phôi vào lò nung. Phôi được nung nóng, giữ ở nhiệt độ không đổi, sau đó làm nguội từ từ. Điều này cho phép giải phóng các ứng suất bên trong. Phương pháp giảm ứng suất rung bao gồm việc tác động rung động lên phôi. Biên độ rung nhỏ, vừa đủ để các nguyên tử tự sắp xếp lại. Xử lý bằng phương pháp đông lạnh sử dụng nhiệt độ cực thấp. Vật liệu co lại đồng đều, do đó cân bằng các ứng suất dư.
Kiểm soát kích thước gia công thô của phôi cũng giúp giảm ứng suất. Một phôi lớn được gia công thô đến kích thước gần với kích thước cuối cùng, sau đó được để nghỉ trong một khoảng thời gian để trải qua quá trình biến dạng tự nhiên, rồi mới được gia công hoàn thiện. Quá trình biến dạng này xảy ra trong thời gian phôi nghỉ, chứ không phải trong quá trình gia công sản phẩm hoàn thiện.
Giữ chặt & Cố định
Lực kẹp là con dao hai lưỡi. Nếu lực kẹp quá thấp, phôi sẽ dịch chuyển trong quá trình gia công; nếu quá cao, phôi sẽ bị biến dạng đàn hồi. Khi lực kẹp được giải phóng, phôi sẽ bật trở lại và bị cong vênh.
Giải pháp là sử dụng lực kẹp nhẹ. Chỉ cần dùng lực vừa đủ để giữ chắc phôi – không bao giờ dùng lực mạnh hơn mức cần thiết.
Cốc hút chân không thích hợp cho các chi tiết phẳng. Chúng tạo ra lực hút đồng đều mà không tạo ra các điểm áp lực cục bộ. Các mép hút mềm mại ôm sát hình dạng của chi tiết, phân bổ lực trên một diện tích lớn hơn. Sáp nhúng thích hợp cho các chi tiết cần độ chính xác cao hoặc có hình dạng không đều. Chi tiết được nhúng vào sáp và được giữ cố định bởi sáp, loại bỏ nhu cầu sử dụng lực kẹp.
Chiến lược đường chạy dao
Trình tự các cảnh quay quan trọng hơn từng cảnh riêng lẻ.
Trước tiên, gia công thô chi tiết. Để lại lượng vật liệu dư trên tất cả các bề mặt. Sau đó, xử lý giảm ứng suất cho chi tiết. Tiếp theo là gia công tinh. Quá trình gia công thô giải phóng phần lớn ứng suất bên trong. Bước xử lý giảm ứng suất sẽ xử lý phần còn lại. Quá trình gia công tinh chỉ loại bỏ một lớp mỏng. Lớp đó không mang đủ ứng suất để gây ra hiện tượng cong vênh khi gia công CNC.
Gia công phay thích ứng hoặc phay xoắn ốc đã thay đổi hoàn toàn cách thức gia công. Dao cắt thực hiện một vết cắt xuyên tâm nhẹ. Nó di chuyển theo đường tròn. Độ dày phôi không đổi. Lực cắt thấp. Nhiệt lượng thấp. Chi tiết gia công không bị biến dạng.
Phay thuận chiều so với phay thuận chiều? Phay thuận chiều đẩy dao vào chi tiết. Phay thuận chiều kéo dao ra. Để ngăn ngừa cong vênh, phay thuận chiều có ưu thế hơn. Lực cắt hướng xuống, vào bàn máy, chứ không phải hướng sang ngang, vào thành mỏng của chi tiết.
Thông số cắt và làm mát
Chất làm mát giúp loại bỏ nhiệt. Nó cũng tạo ra sốc nhiệt. Vùng cắt trở nên nóng. Chất làm mát tác động vào đó. Bề mặt nguội nhanh. Phần lõi vẫn nóng. Sự chênh lệch nhiệt độ đó tạo ra ứng suất. Luồng khí thổi giúp loại bỏ phoi và làm mát phần nào mà không gây sốc nhiệt.
Tránh chu kỳ nhiệt. Không để chi tiết nóng lên, nguội đi, rồi lại nóng lên. Mỗi chu kỳ đều tạo thêm ứng suất. Giữ điều kiện cắt ổn định từ đầu đến cuối.
Gia công nhiều bước
Hai thiết lập tốt hơn một khi các chi tiết CNC bị biến dạng do quá trình gia công không đều.
Chiến lược cắt lật giúp cân bằng ứng suất. Đầu tiên, gia công thô một mặt, sau đó lật phôi và gia công thô mặt còn lại. Lật lại một lần nữa. Luân phiên loại bỏ vật liệu giữa hai mặt ở mỗi bước. Điều này giúp giữ cho ứng suất được cân bằng.
Các thanh đỡ tạm thời chỉ mang tính chất tạm thời. Thêm các gờ hoặc mấu vào các khu vực thành mỏng trước khi gia công. Loại bỏ các thanh đỡ trong lần gia công cuối cùng. Phôi vẫn giữ được độ cứng trong suốt quá trình gia công. Các thanh đỡ được cắt bỏ mà không để lại dấu vết.
Những chiến lược này phối hợp với nhau. Xử lý sơ bộ vật liệu làm giảm ứng suất ban đầu. Kẹp phôi đúng cách ngăn ngừa hiện tượng đàn hồi bật trở lại. Đường chạy dao thông minh giảm thiểu lực cắt. Làm mát đầy đủ kiểm soát sự tích tụ nhiệt. Trình tự gia công nhiều bước cân bằng việc loại bỏ vật liệu. Kết hợp tất cả chúng lại. Đó là cách để ngăn chặn hiện tượng cong vênh khi gia công CNC một cách triệt để.
NOBLE - Gia công CNC chính xác & Gia công nhựa
Khả năng xử lý cốt lõi của chúng tôi
Các hình dạng và chất liệu từ các phần trước? Chúng tôi sử dụng chúng hàng ngày.
Dịch vụ gia công CNC
- 3 trục, 4 trục và Phay CNC 5 trục
- Máy tiện CNC với công cụ trực tiếp
- Gia công tiện phay cho các hình dạng phức tạp chỉ với một lần gia công.
- Từ khâu tạo mẫu thử nghiệm đến sản xuất hàng loạt.
Dịch vụ gia công nhựa
- Gia công CNC các loại nhựa kỹ thuật: PEEK, POM, ABS, Nylon, UHMW, PTFE
- Ép phun nhựa cho sản xuất số lượng lớn
- Hậu xử lý: loại bỏ bavia, xử lý nhiệt, hoàn thiện bề mặt
Chứng nhận chất lượng – Sự đảm bảo của bạn chống lại sự biến dạng
| Chứng nhận | Phạm vi | Nó có ý nghĩa gì với bạn |
| ISO 9001: 2015 | Hệ thống quản lý chất lượng | Các quy trình nhất quán, các giao thức giảm căng thẳng được ghi chép lại và việc kiểm tra có thể truy vết. |
| ISO 13485: 2016 | Quản lý chất lượng thiết bị y tế | Kiểm soát quy trình nghiêm ngặt – yếu tố then chốt đối với các dụng cụ cấy ghép và dụng cụ phẫu thuật, nơi mà sự biến dạng ở mức micromet là không thể chấp nhận được. |
FAQ
Có thể sửa chữa chi tiết CNC bị cong vênh sau khi gia công không?
Đôi khi. Ép thẳng hoặc làm thẳng bằng nhiệt có hiệu quả với kim loại dẻo. Nhưng việc sửa chữa các chi tiết CNC bị cong vênh sau khi gia công luôn tốn kém hơn so với việc ngăn ngừa nó ngay từ đầu.
Liệu quá trình ủ nhiệt có luôn ngăn ngừa được hiện tượng cong vênh?
Không. Ủ nhiệt làm giảm ứng suất dư nhưng không loại bỏ hoàn toàn. Việc loại bỏ vật liệu không đều sau khi ủ nhiệt vẫn có thể gây ra hiện tượng cong vênh trong quá trình gia công CNC.
Biến dạng có gây hại hơn không? 5 trục So với gia công 3 trục?
Không hẳn vậy. Loại máy ít quan trọng hơn chiến lược gia công và sự cân bằng ứng suất trong quá trình gia công vật liệu. Lập kế hoạch đường chạy dao kém sẽ khiến các chi tiết CNC bị cong vênh trên bất kỳ máy nào.
Tôi có thể gia công thành tường mỏng nhất có độ dày bao nhiêu mà không làm cong vênh?
Không có con số chung nào cả. Nó phụ thuộc vào vật liệu, chiều cao thành, lực cắt và yêu cầu dung sai. Đối với nhôm, quy tắc an toàn ban đầu là độ dày 1mm cho mỗi 20mm chiều cao.
