Quy trình sản xuất trục CNC tùy chỉnh

Trục tùy chỉnh được gia công tốt là biểu hiện của công việc sản xuất CNC (Điều khiển số máy tính) chính xác. Mặc dù có dạng hình trụ có vẻ đơn giản, nhưng trục là một trong những thành phần chính của cơ cấu phức tạp như hệ thống truyền động ô tô - trong đó bao gồm động cơ, hộp số, trục truyền động, trục và bộ vi sai; tất cả chúng đều yêu cầu trục được thiết kế phù hợp để truyền công suất và mô-men xoắn tới các bánh xe. Ở hầu hết các loại xe đốt trong, trục truyền động còn phải chịu trọng lượng của toàn bộ xe đồng thời đóng vai trò là cầu nối giữa động cơ và các trục xe. Đối với bộ vi sai, các trục của nó phải quản lý việc cung cấp lực để cho phép một số bánh xe quay với tốc độ khác nhau khi vào cua.

Xem xét các chức năng phức tạp của chúng, việc lập kế hoạch tỉ mỉ và lập trình chính xác là điều quan trọng nhất trong quy trình sản xuất trục CNC. Mỗi bước trong suốt quy trình làm việc, từ ý tưởng thiết kế ban đầu đến hoàn thiện bề mặt, đều đòi hỏi sự chú ý đến từng chi tiết.

Quy trình sản xuất trục tùy chỉnh

tiện CNC có thể là phương pháp phổ biến nhất để sản xuất trục tùy chỉnh, nhưng cũng có thể sử dụng các quy trình thay thế như mài CNC hoặc EDM (Gia công phóng điện) tiên tiến hơn. Tuy nhiên, bất kể phương pháp nào, mục tiêu vẫn giống nhau: sản xuất trục tùy chỉnh được chế tạo theo mục đích phù hợp với thông số kỹ thuật được xác định trước theo cách hiệu quả nhất. Mọi phương pháp cũng ít nhiều tuân theo quy trình làm việc cơ bản giống nhau.

Thiết kế

Quy trình sản xuất trục CNC bắt đầu bằng việc tìm hiểu các thông số kỹ thuật, ứng dụng dự định của sản phẩm, điều kiện vận hành và các yêu cầu để được nhóm đánh giá nội bộ hoặc tổ chức bên thứ ba độc lập phê duyệt (nếu được yêu cầu). Sau khi tất cả các bên liên quan đã đạt được thỏa thuận, bước đầu tiên của quy trình làm việc sẽ xoay quanh việc thiết kế và lập trình.

Người thợ máy phải xác định kích thước, bao gồm chiều dài và đường kính, cũng như vật liệu được lựa chọn. Là một phần của bước thiết kế, nhóm kỹ thuật sẽ ghi lại và xác minh các thông số kỹ thuật. Trong trường hợp khách hàng không cung cấp bản vẽ kỹ thuật, nhà sản xuất phải tạo tệp CAD (Thiết kế có sự hỗ trợ của máy tính) của các trục tùy chỉnh sẽ được chế tạo. Tùy thuộc vào yêu cầu của dự án, các nhà thiết kế và kỹ sư có thể phải làm việc cùng nhau để tiến hành kiểm tra độ bền mô phỏng và phân tích lỗi trên máy tính.

Nếu mọi thứ được xác minh và phê duyệt, bước tiếp theo bao gồm việc tạo đường dẫn dao cho máy CNC bằng phần mềm CAM (Computer-aided Manufacturing). Các đường dẫn về cơ bản là các hướng dẫn có thể đọc được bằng máy, chi phối cách thức hoạt động của CNC. Các hướng dẫn như vậy bao gồm các mã hình học để cho máy biết cách di chuyển trong hệ tọa độ Descartes (trục X, Y và Z) và có thể bao gồm tốc độ quay, thứ tự chuyển động, điểm bắt đầu, tốc độ tiến dao, điểm dừng, góc, chờ thời gian, v.v. Sau đó, thợ máy sẽ tải mã vào bộ điều khiển CNC.

Cài đặt máy CNC

Ngoài việc tạo đường dẫn dao, nhà sản xuất còn phải tự thiết lập máy đúng cách. Rất ít điều quan trọng hơn việc chuẩn bị đúng loại máy, ví dụ như máy tiện hoặc máy phay và dụng cụ cắt. Phôi (vật liệu được chuyển thành trục) phải được cố định chắc chắn vào các đồ gá thích hợp. Trừ khi nhà sản xuất sử dụng các dụng cụ cắt mới, người thợ máy phải đảm bảo rằng tất cả chúng đều sắc bén nhất có thể hoặc ít nhất là đủ sắc nét để tạo hình phôi.

Gia công

Tiện CNC là tùy chọn tiêu chuẩn để sản xuất trục tùy chỉnh. Thợ máy hoặc quy trình tự động đảm bảo rằng phôi được gắn vào máy. Khi phôi quay ở tốc độ cao, các dụng cụ cắt sẽ trừ/loại bỏ một phần vật liệu nhất định khỏi phôi cho đến khi đạt được hình dạng mong muốn. Nhiều loại dụng cụ cắt chuyên dụng có thể được triển khai liên tiếp và sẽ tiếp xúc với phôi từ nhiều điểm và góc độ khác nhau.

Ưu điểm lớn nhất của tiện CNC trong sản xuất trục là hiệu quả và độ chính xác cao khi gia công chi tiết hình trụ. Và gần như mọi trục tùy chỉnh đều được chế tạo từ một thanh kim loại hình trụ. Các đường cắt chính xác liên tiếp trở nên dễ dàng một cách tự nhiên bằng tiện CNC vì trên thực tế, máy được thiết kế để xử lý bất kỳ phôi nào có hình trụ. Với các đường dẫn dao chính xác và các công cụ cắt chính xác, máy có thể tạo ra ít nhất một trục tùy chỉnh gần như hoàn chỉnh trong một phiên duy nhất. Cần phải giám sát liên tục trong suốt quá trình cắt để đảm bảo chất lượng.

hoàn thiện

Một số phương pháp hoàn thiện (đối với trục tùy chỉnh) có sẵn như anodizing, thụ động hóa và phun hạt. Mục đích chính của việc hoàn thiện bề mặt là cải thiện hình thức vật lý, nhưng đồng thời nó cũng tăng cường chức năng bằng cách làm phẳng các cạnh thô và loại bỏ mọi vật liệu còn sót lại trong quá trình cắt. Ngoài những điều đó, việc hoàn thiện còn bao gồm việc kiểm tra lần cuối để đảm bảo rằng trục được sản xuất chính xác theo kích thước yêu cầu, đến từng milimet nhỏ nhất.

Phương pháp sản xuất trục CNC

Phương pháp ưa thích thường là tiện CNC, nhưng đó không phải là lựa chọn duy nhất mà nhà sản xuất có thể sử dụng. Trên thực tế, một trục tùy chỉnh có thiết kế phức tạp có thể được sản xuất bằng cách sử dụng một số quy trình khác nhau để đạt được độ hoàn thiện bề mặt chất lượng và dung sai chặt chẽ. Một số phương pháp sản xuất trục phổ biến nhất bao gồm:

tiện CNC

Miễn là phôi có dạng hình trụ, tiện CNC là kỹ thuật sản xuất trừ lý tưởng. Trong quá trình này, một thanh phôi rắn được cố định vào mâm cặp và quay ở tốc độ cao trong khi các dụng cụ cắt chuyên dụng loại bỏ chính xác các vật liệu không cần thiết khỏi nó. Tốc độ quay cao đảm bảo rằng mọi vết cắt được thực hiện đồng đều trên toàn bộ chu vi của phôi hình trụ. Tiện CNC là một loại máy hiệu quả để đạt được đường kính quy định và độ hoàn thiện mịn chỉ trong một lần. Đây cũng là lựa chọn thích hợp hơn cho sản xuất số lượng lớn.

mài CNC

Nếu tiện CNC cắt một khối lượng vật liệu lớn khỏi phôi, quá trình mài CNC sẽ loại bỏ vật liệu bằng cách sử dụng bánh xe mài mòn. Ngoài ra, các quy trình cơ bản trong cả hai phương pháp về cơ bản là giống nhau. Chúng cũng đáng tin cậy như nhau về mặt chất lượng, mặc dù quá trình mài chậm hơn một chút về tốc độ sản xuất. Trong hầu hết các trường hợp, mài CNC được sử dụng cho nhiệm vụ hoàn thiện bề mặt của trục đã được gia công.

Khoan CNC

Một số trục không chỉ là thanh kim loại hình trụ mà còn được trang bị các lỗ và rãnh để có thể lắp vào các bánh răng và các bộ phận quay khác. khoan cũng tạo ra các rãnh có độ sâu và chiều rộng khác nhau để chứa các bánh răng có kích thước khác nhau. Trục gia công hoặc dụng cụ khoan có thể quay và di chuyển tùy theo góc, hình dạng và vị trí của các rãnh.

Phay CNC

Khi trục gia công cần có rãnh then, chốt hoặc mặt phẳng ở các vị trí nhất định, phay CNC là tùy chọn phù hợp để chế tạo các tính năng. Dụng cụ cắt/phay quay với tốc độ cao và loại bỏ vật liệu khỏi trục để tạo ra hình dạng mong muốn. Trong quá trình thực hiện, trục có thể đứng yên hoặc di chuyển và nghiêng nhẹ để điều chỉnh vị trí.

EDM

Không có công cụ cắt, khoan và phay trong EDM. Bên trong hệ thống, phôi được cố định và gắn vào cực dương (cực dương), trong khi dụng cụ “tạo hình” được nối với cực âm. Khi chúng được đặt gần nhau, dòng điện sinh ra sẽ tạo ra tia lửa điện. Nhiệt độ cực cao do tia lửa tạo ra có thể làm nóng chảy và bay hơi các vật liệu khỏi phôi. EDM thường được sử dụng khi trục gia công yêu cầu những vết cắt nhỏ phức tạp.

Tùy thuộc vào loại và mục đích sử dụng, trục tùy chỉnh có thể được sản xuất bằng hai hoặc nhiều phương pháp gia công. Phân tích luyện kim có thể xác định phương pháp nào hoạt động tốt nhất đối với một số vật liệu nhất định.

Các loại và ứng dụng phổ biến của trục tùy chỉnh

Ý tưởng chính đằng sau việc sản xuất theo yêu cầu là sản xuất tất cả các loại trục khác nhau cho nhiều mục đích cụ thể. Trong số các loại phổ biến nhất và ứng dụng của chúng như sau.

Trục rỗng

Đúng như tên gọi, trục rỗng về cơ bản là các ống hình trụ để cho phép không khí, nước, dầu, dây điện và các thành phần/vật thể khác đi qua. Nhờ khoảng trống ở trung tâm, chúng nhẹ hơn so với các vật thể rắn có cùng đường kính và chiều dài. Các ứng dụng điển hình bao gồm thiết bị y tế, hệ thống băng tải, hệ thống ống nước và máy bơm. Nếu được sản xuất từ vật liệu có độ bền cao, trục rỗng có thể được sử dụng để chế tạo các bộ phận cho ô tô và máy bay hiệu suất cao nhằm giúp giảm trọng lượng.

Trục xoay

Một đặc điểm nổi bật của trục xoay là chúng có các rãnh dọc hoặc cắt dọc theo chiều dài của chúng. Các rãnh này vừa với bánh răng, ròng rọc hoặc bất kỳ bộ phận tương ứng nào khác để tạo thành một kết nối chắc chắn và đảm bảo chuyển động quay trơn tru. Việc lắp ráp như vậy được quan sát thấy trong các ứng dụng yêu cầu định vị chính xác như khớp nối và hộp số ô tô.

Trục ren

Một số trục yêu cầu ren ngoài hoặc ren trong để tạo thành kết nối chắc chắn với các bộ phận cơ khí khác như bu lông hoặc ốc vít. Trục ren được sử dụng trong các ứng dụng yêu cầu gắn và tháo rời nhiều bộ phận một cách dễ dàng nhưng an toàn.

Trục côn

Thường thấy nhất trong hệ thống ròng rọc ô tô, trục bánh xe và bánh răng, trục côn có đường kính giảm dần dọc theo chiều dài của chúng. Sự khác biệt về đường kính giữa đầu này và đầu kia đảm bảo việc lắp đặt an toàn khi các điểm được kết nối của cơ cấu – được bắc cầu bằng trục – có kích thước khác nhau.

Trục có khóa

Rãnh ở trục có khóa tương ứng với một chốt (hoặc răng) của các bộ phận khác, giúp trục không bị trượt khỏi vị trí hoặc quay độc lập. Nó thường được tìm thấy trong cơ cấu có đĩa xích, bánh răng và ròng rọc. Trục có khóa thường được sử dụng cho các ứng dụng đòi hỏi phải duy trì kết nối chắc chắn giữa các bộ phận trong cơ cấu mô-men xoắn cao, ví dụ như máy bơm và động cơ.

Vật liệu trục CNC

Nhôm và thép không gỉ có thể là những vật liệu phổ biến nhất để sản xuất trục CNC, nhưng các kim loại khác hoặc thậm chí hợp kim cũng hoạt động cho một số mục đích nhất định.

Titan

Nó là vật liệu tuyệt vời được lựa chọn cho các trục chính xác được sử dụng cho các ứng dụng hạng nặng. Nhờ đặc tính chống ăn mòn tuyệt vời và tỷ lệ độ bền trên trọng lượng đặc biệt, trục titan được sử dụng thường xuyên nhất cho ô tô hiệu suất cao và trong ngành công nghiệp hàng không vũ trụ.

Thép không gỉ

Có thể cho rằng vật liệu được sử dụng rộng rãi nhất để sản xuất trục CNC, thép không gỉ là kim loại đáng tin cậy toàn diện với khả năng chống ăn mòn, độ bền và độ bền tốt. Vật liệu này có nhiều loại và chất lượng khác nhau, được thiết kế cho nhiều ứng dụng từ xử lý hóa chất và thiết bị y tế đến lĩnh vực tự động hóa và môi trường biển.

Thép carbon

Thép carbon loại 1045 là một vật liệu mẫu mực; đủ mềm để gia công hiệu quả nhưng vẫn có thể chịu được xử lý nhiệt để tăng độ cứng. Thép carbon có thể không chống ăn mòn như thép không gỉ nhưng nó vẫn là vật liệu đặc biệt cho trục động cơ hoặc trục máy bơm.

Nhôm

Là kim loại nhẹ và chống ăn mòn, nhôm tương đối mềm và do đó có khả năng gia công cao. Đây là vật liệu trục lý tưởng khi việc giảm trọng lượng là rất quan trọng đối với các ứng dụng dự định.

Thép hợp kim

Điều đầu tiên, thép hợp kim và thép hợp kim là hai thứ khác nhau. Thành phần của thép hợp kim có khoảng 5% nguyên tố hợp kim có thể bao gồm crom, niken, vonfram, vanadi và mangan. Nếu khả năng chống ăn mòn và khả năng gia công là không thể thiếu thì rất ít vật liệu tốt hơn thép hợp kim 4340 hoặc 4140.

Hợp kim niken

Với khả năng chống ăn mòn đặc biệt và độ bền vượt trội, hợp kim niken là vật liệu phù hợp để sử dụng trục chính xác trong các ứng dụng nhiệt độ cao và tua-bin hạng nặng.

Hiệu suất cuối cùng của trục bị ảnh hưởng lớn bởi ít nhất ba yếu tố khác nhau bao gồm trọng lượng, khả năng chống ăn mòn và độ bền kéo. Độ cứng cũng đóng một vai trò quan trọng nhưng hầu hết các kim loại nhìn chung đều đủ cứng cho mọi ứng dụng, mặc dù một số kim loại dễ uốn/gia công hơn các kim loại khác. Mặc dù titan và thép carbon vượt trội hơn nhôm và thép không gỉ về khả năng giảm trọng lượng và độ bền/độ bền, nhưng chúng cũng đắt hơn.

Ghi chú cuối

Sản xuất trục CNC bao gồm một loạt các quy trình định hướng chi tiết từ khái niệm thiết kế ban đầu đến hoàn thiện bề mặt và kiểm soát chất lượng. Do đó, tốt nhất bạn nên hiểu rõ các yêu cầu của dự án, điều kiện làm việc và các ứng dụng dự định của trục hoàn thiện ngay từ đầu, vì cuối cùng chúng sẽ ảnh hưởng đến việc lựa chọn vật liệu, phương pháp gia công và chất lượng tổng thể của thành phẩm. Hãy nhớ rằng mỗi vật liệu đều có điểm mạnh và điểm yếu riêng, mọi phương pháp gia công cũng vậy. Như vậy, nguyên tắc chung là đạt được sự cân bằng tốt giữa chất lượng và ngân sách.