Cách thức hoạt động - Cán ren chính xác
Tại Horst Engineering & Manufacturing Co., các trung tâm tiện Citizen Swiss đa trục đã một năm tuổi và máy tiện đa trục Eurotech sản xuất ra các bộ phận gia công hoàn chỉnh có độ chính xác cao. Họ tiện, họ khoan, họ phay và thậm chí họ còn xâu chuỗi. Tuy nhiên, trong cùng một nhà máy nhỏ ở East Hartford, Connecticut, công ty chị em của Horst Engineering, Thread Rolling Inc., sử dụng máy ren cuộn Waterbury, Hartford và Reed đã 50 năm tuổi để tạo ren ngoài bằng quy trình phụ chuyên dụng nhưng đơn giản và trang nhã..Không phải tất cả máy móc của họ đều là đồ cổ. Phần lớn thiết bị đã được tân trang lại và máy móc mới hơn được trộn lẫn với máy cũ. Vì vậy, thật phù hợp khi họ đặt ngôi nhà của mình ở khu vực lịch sử nhất của nhà máy cũ, nơi sàn nhà bằng gỗ 55 năm tuổi tượng trưng cho hoạt động kinh doanh của gia đình 60 năm tuổi.
Cán sợi là một quá trình đã tồn tại hơn một trăm năm và có những máy móc được sử dụng có thể so sánh với những chiếc máy năm mươi tuổi trông trẻ hơn. Con lăn ren có nhiều loại và kích cỡ khác nhau, nhưng chúng đều sử dụng cơ chế trong đó các khuôn thép cứng được khớp với nhau và được thiết lập để xuyên qua bằng lực nhằm định hình lại bề mặt vật liệu có đường kính tròn thành dạng ren. Một phôi hoặc phôi hình trụ được đưa vào máy (thủ công hoặc tự động) và khuôn quay (khuôn hình trụ) hoặc chuyển động qua lại (khuôn phẳng) để tạo ra ren trong quy trình tạo hình “không chip”. Mỗi dạng, hình dạng và kích thước ren đều có một bộ khuôn duy nhất thường được mài từ thép công cụ đã qua xử lý nhiệt (thường là Rockwell C 58-62) và được mua thay vì tự sản xuất.
Cán ren chủ yếu là quá trình tạo hình nguội được thực hiện ở nhiệt độ phòng, nhưng vẫn có một niche dành cho cán nóng khi vật liệu lớn hơn Rockwell C 45, vì tuổi thọ của khuôn sẽ bị ảnh hưởng nghiêm trọng. Giống như mài vô tâm, quy trình chị em của nó, quy trình cán ren có thể tiến vào hoặc tiến tới. Cán ren là phương pháp được lựa chọn cho các ứng dụng ren sản xuất khối lượng lớn. Máy ren cuộn khuôn hành tinh có khả năng tạo ren trên hàng chục nghìn bộ phận mỗi giờ. Máy pittông khuôn phẳng nghiêng hoặc thẳng đứng tốc độ cao cũng có thể tạo ra năng suất cao, và máy hai khuôn hình trụ nằm ngang có thể nhanh chóng tạo ra thanh ren dài hàng nghìn feet.
Rất nhiều thứ bạn mua ở cửa hàng phần cứng địa phương, như vít gỗ, bu lông trễ và vít máy, được sản xuất hàng loạt với sự trợ giúp của máy cán ren. Ren Acme, ren trụ, ren sâu, ren vuông và ren ống chỉ là một số dạng ren độc đáo có thể được tạo ra bằng cách cán ren; tuy nhiên, ren loại vít máy là loại ren quen thuộc nhất với những người làm trong ngành gia công chính xác.
Ở một đầu của quang phổ, việc cán ren tự động khối lượng lớn rất thú vị vì tốc độ và độ ổn định kích thước của quy trình, nhưng việc sản xuất các bộ phận và ốc vít cấp thương mại là một hoạt động tương đối bình thường. Ở đầu bên kia của quang phổ, có một lĩnh vực rất chuyên biệt là cán ren có độ chính xác cao, chủ yếu trên các lô bộ phận nhỏ. Một số ngành công nghệ cao, bao gồm hàng không vũ trụ và đua xe thể thao, yêu cầu các sợi có dung sai cực kỳ chặt chẽ với độ hoàn thiện bề mặt siêu cao và độ bền cao vốn có của các bộ phận được tạo ra trong quá trình tạo hình. Thread Rolling Inc. sử dụng kết hợp máy ba khuôn hình trụ thẳng đứng, máy chuyển động tịnh tiến khuôn phẳng nằm ngang và máy hai khuôn hình trụ nằm ngang để tạo ra các sợi chính xác.
Trọng tâm là sản xuất nhiều loại ren kiểu trục vít máy có độ chính xác cao, tập trung vào các dạng ren hệ mét và thống nhất 60° tiêu chuẩn phổ biến nhất trong ngành hàng không vũ trụ. Các luồng phổ biến nhất được đưa ra ở đây là Loại 2A và Loại 3A ở dạng UNF, UNC, UNJF và UNJC. Ren dạng “J” có bán kính gốc được kiểm soát lớn hơn để tăng thêm độ bền ở vùng ứng suất cao của ren và phổ biến trong ngành hàng không vũ trụ. Kiểm tra kích thước của sợi chất lượng cao khác với loại sợi thương mại. Các thông số kỹ thuật khác nhau, nhưng các tiêu chuẩn hàng không vũ trụ và quân sự yêu cầu sử dụng thước đo ren loại chỉ thị để kiểm tra đường kính bước và các kích thước liên quan.
Việc kiểm tra đường kính bước được thực hiện bằng cả loại đồng hồ đo loại chỉ thị dạng đầy đủ và phần tử đơn được thiết lập bằng bộ ren chủ. Các thiết bị đo vòng ren đi/không đi chỉ được sử dụng để tham khảo. Các micromet đường kính ngoài tiêu chuẩn được sử dụng để kiểm tra các đường kính chính và bộ so sánh quang học được sử dụng để kiểm tra các đường kính phụ và bán kính gốc. Với tất cả các máy đo này có sẵn tại xưởng, người vận hành cán ren có thể theo dõi quá trình và điều chỉnh nhanh chóng. Độ mòn khuôn và các biến số khác có thể ảnh hưởng đến quá trình cán, nhưng một khi máy đã được cài đặt, quy trình sẽ nhất quán và có thể lặp lại.
Các sợi định hình được ưu tiên sử dụng cho các ứng dụng quan trọng và có độ bền cao như các ứng dụng trong ngành hàng không vũ trụ. Các sợi được cuộn, đặc biệt là trên các bộ phận được xử lý nhiệt, có độ căng, độ cắt và độ bền mỏi cao hơn. Không có vật liệu nào bị loại bỏ trong quá trình cán, loại bỏ một trong những điểm yếu cố hữu của ren cắt hoặc ren nền. Các đặc tính được tạo hình nguội bao gồm mật độ hạt vật liệu hoặc phân tử cao hơn, đặc biệt là ở những nơi chúng được nén dọc theo sườn dưới của mỗi bước ren và ở gốc của sợi.
Kim loại hàng không vũ trụ có thể khó gia công và tạo hình, do đó, các phụ kiện ren phổ biến được sử dụng trên máy trục vít và máy tiện để gia công khối lượng lớn hơn gặp khó khăn trong việc đáp ứng các yêu cầu về chất lượng của ren chính xác. Lực cần thiết để tạo ren trên thép hợp kim đã qua xử lý nhiệt hoặc trên các bộ phận hợp kim kỳ lạ được làm từ Inconel® hoặc Titanium không thể đạt được một cách hiệu quả nếu không sử dụng thiết bị chuyên dụng. Thread Rolling Inc. tập trung vào các sợi có đường kính dưới 1.500 inch, nhưng các sợi cán được sản xuất trên các ốc vít có đường kính lên tới 5,00 inch và thậm chí lớn hơn. Cần phải có một lực rất lớn, áp lực lăn lên tới ba mươi hoặc bốn mươi tấn do những cỗ máy rất lớn tạo ra mới có thể di chuyển được lượng vật liệu đó. Một số sợi được coi là quan trọng đến mức cần phải có quy trình lấy mẫu thử nghiệm phá hủy để kiểm tra bằng kính hiển vi từng bước của sợi ở 500X.
Các ren được tạo hình đúng yêu cầu các khuôn phải được xếp thẳng hàng hoặc “khớp”. Cho dù quy trình sử dụng hai hay ba khuôn, chúng phải theo dõi đúng cách để tránh các khuyết tật bên trong, chẳng hạn như chồng chéo, vết nứt, nếp gấp, đường nối và vết lõm. Phương pháp kiểm tra ren phá hủy được sử dụng để xác định các khuyết tật bên trong và để xác minh rằng dòng hạt vật liệu thích hợp đã đạt được. Các mẫu đại diện được kiểm tra vào lúc bắt đầu mỗi cơ sở mới và định kỳ trong suốt quá trình sản xuất.
Quá trình thử nghiệm yêu cầu các sợi chỉ được cắt khỏi phần còn lại của bộ phận, chia đôi theo chiều dọc, gắn trong nhựa epoxy, mài và mài thành lớp hoàn thiện 3 micron, khắc để lộ cấu trúc vi mô và kiểm tra bằng kính hiển vi. Toàn bộ quá trình mất hơn một giờ một chút, nhưng đòi hỏi thiết bị kiểm tra và chuẩn bị kim loại chuyên dụng. Do quá trình sản xuất tạm dừng để thử nghiệm nên cần có nhiều loại máy móc, do đó, các thợ máy phải làm nhiều công việc cùng lúc, xen kẽ giữa các quy trình mài, tiện ren và thử nghiệm.
Nhiều khi, các bộ phận được nhận để phục vụ trong bao bì số lượng lớn, nhưng khi chúng được trả lại với các đường ren chính xác sáng bóng, chúng sẽ được đóng gói riêng lẻ với các tấm bảo vệ để tránh hư hỏng trong quá trình vận chuyển. Vào một ngày gần đây, một nhân viên bán hàng đang đóng gói một chiếc hộp màu xanh có lót đệm xốp.
Tấm đệm xốp đã được cắt khuôn cho một trục nguyên mẫu duy nhất. Phần mười tám inch này được cuộn chỉ ở cả hai đầu. Bộ phận này đã được thiết kế và chế tạo để chứa các sợi cuộn. Điều đó có nghĩa là đường kính ren trước khi cuộn được vát đúng cách và được mài theo đường kính bước chính xác, đường kính giả định nằm giữa đường kính chính và đường kính phụ, được sử dụng để xác định kích thước ren. Công việc cụ thể này không yêu cầu thử nghiệm phá hủy, nhưng các bộ phận lắp đặt được sản xuất từ vật liệu tương tự để lắp đặt máy. Với quy mô lô một chiếc, không có chỗ cho sai sót và những người thợ máy có tay nghề cao biết điều này.
Các sợi cuộn chất lượng cao nhất được sản xuất từ các phôi chất lượng tốt nhất. Vì lý do đó, hầu hết các bộ phận được gửi đến Thread Rolling Inc. đều có kích thước quá lớn để quá trình định cỡ cuối cùng có thể được kiểm soát bằng cách mài không tâm. Khi kích thước chính xác đã được mài, thường là do bộ phận ren và bộ phận mài làm việc cùng nhau, các bộ phận sẽ được mài đến kích thước cuối cùng trong phạm vi 0,0004 inch trong khi vẫn giữ độ tròn trong phạm vi 0,000050. Trước khi cán ren, bề mặt hoàn thiện trên đường kính luôn tốt hơn 32 micro inch. Nhờ hoạt động đánh bóng của khuôn, độ hoàn thiện sau khi cán, đặc biệt là ở các mặt bên, có thể đạt tới 4 micro inch, tùy thuộc vào vật liệu và độ cứng. Kết thúc là một lý do khác để chọn cuộn qua các quy trình tạo luồng khác.
Việc thiếu bộ điều khiển CNC trên hầu hết các thiết bị có nghĩa là quy trình này không thân thiện với người dùng như gia công trục vít, tiện hoặc phay. Thật khó để giải thích cho khách hàng rằng đường kính chính thực sự tăng kích thước khi cán. Một số người không muốn tin rằng họ có thể biến phôi của mình xuống dưới đường kính chính và các bộ phận của họ sẽ không phải là phế liệu. Ví dụ: ren 0,250-28 UNF-3A có đường kính bước là 0,2268-0,2243 và đường kính chính là 0,2500-0,2435. Kích thước phôi trước khi ren cuộn sẽ gần với đường kính bước tối đa và vật liệu bị dịch chuyển bởi khuôn sẽ hình thành nằm trong dung sai đường kính chính.
Những người ở Thread Rolling Inc. thường xuyên nghe nói rằng khách hàng đã tránh xa những công việc đòi hỏi phải cuộn chỉ vì quá trình này có vẻ khó khăn, bí ẩn hoặc nằm ngoài tầm kiểm soát của họ. Quá trình này là duy nhất, nhưng trong ngành tạo hình chính xác, có rất nhiều chuyên gia trong lĩnh vực này. Quá trình này không thể được thực hiện dễ dàng như người ta mong đợi trong môi trường ngày nay, nơi các máy đa trục “làm tất cả” tự động thực hiện công việc của chúng. Cần phải có nhiều “cảm giác” để trở thành một người vận hành cán ren thành công. Cán chỉ có độ chính xác cao là một quy trình thực hành thích hợp vẫn còn tồn tại.