Giới thiệu về gia công tia lửa điện.

1.Giới thiệu về gia công tia lửa điện. 1.1.Định nghĩa. Gia công tia lửa điện là phương pháp gia công mà sự tách vật liệu dựa vào việc phóng tia lửa điện để bắn phá dương cực (phôi). Trên cơ sở này có 2 loại máy đã được tạo ra để phục vụ cho những mục đích khác nhau ,đó là. Máy gia công xung định hình. Máy gia công tia lửa điện cắt dây. 1.2.Sơ đồ nguyên lý.(chèn) Hình 1a.Sơ đồ cơ bản của gia công định hình.(chèn) Hình 1b.Sơ đồ cơ bản của gia công tia lửa điện cắt dây. Sơ đồ cơ bản của phương pháp gia công tia lửa điện được chỉ ra ở hình 1a,b.khi sự phóng tia lưả điện được sinh ra ở vùng giữa 2 điểm của cực dương và cực âm,nhiệt lượng rất lớn được sinh ra làm nóng chảy và bốc hơi vật liệu ở vùng này.Để tăng hiệu quả của phương pháp gia công,điện cực dụng cụ và phôi được nhấn chìm trong dung dịch điện môi(hyđrôcacbon hoặc dầu khoáng).Quan sát thấy rằng nếu cả 2 loại điện cực được làm cùng một loại vật liệu thì điện cực được nối với cực dương vật liệu điện cực bị bào mòn với tốc độ lớn hơn. Với một khe hở (khe hở phóng điện)thích hợp được giữ không đổi giưã 2 bề mặt dụng cụ và phôi ,với nguồn một chiều thích hợp dưới tần số cao thì xẩy ra sự phóg tia lửa điện.Tia lửa điện sinh ra tại điểm mà nhấp nhô giữa 2 bề mặt dụng cụ và phôi gần nhau nhất,điểm này sẽ thay đổi sau khi phóng tia lữa điện(bởi vì vật liệu đã bị bào mòn sau khi phóng tia lửa điện),tia lửa sẽ sinh ra trên toàn bộ bề mặt.Kết quả là một lượng vật liệu không đổi được hớt đi trên toàn bê mặt phôi.Việc giữ khe hở phóng điện theo một giá trị xác định trước nhờ một bộ điều khiển servo.Khoảng phóng điện được nhận biết thông qua điện áp trung bình giữa khe hở,điện áp này được so sánh với một giá trị điện áp đặt trước.Sự khác nhau này sẽ điều khiển động cơ servo.Thường động cơ bước được sử dụng thay thế động cơ servo. Tần số tia lửa điện khoảng 200500000Hz,khe hở phóng điện được xác định khoảng 0.0250.05mm.Điện áp cực đại được giữ khoảng 30250V.Lượng hớt vật liệu có thể đạt 300mm3phút,công suất động cơ 10Wmm3phút.Năng suất và độ chính xác gia công sẽ tăng lên khi cung cấp một lực chu kỳ của dòng dung dịch điện môi. 2.Máy xung định hình. (Trong đồ án này chúng ta chỉ ngiên cứu máy xung định hình) 2.1.Sơ đồ máy. Chụp ảnh,giới thiệu. Hình 2. 2.2.Sơ đồ các trục chạy dao. Vẽ. Hình 3 3.Cơ sỡ công nghệ gia công tia lữa điện. 3.1.Hiệu ứng phóng tia lữa điện.

1.Giới thiệu về gia công tia lửa điện.

1.1.Định nghĩa

Gia công tia lửa điện là phơng pháp gia công mà sự tách vật liệu dựa vào việc phóng tia lửa điện để bắn phá dơng cực (phôi)

Trên cơ sở này có 2 loại máy đã đợc tạo ra để phục vụ cho những mục đích khác nhau ,đó là

Máy gia công xung định hình

Máy gia công tia lửa điện cắt dây

1.2.Sơ đồ nguyên lý.(chèn)

Hình 1a.Sơ đồ cơ bản của gia công định hình.(chèn)

Hình 1b.Sơ đồ cơ bản của gia công tia lửa điện cắt dây

Sơ đồ cơ bản của phơng pháp gia công tia lửa điện đợc chỉ ra ở hình 1a,b.khi

sự phóng tia lả điện đợc sinh ra ở vùng giữa 2 điểm của cực dơng và cực

âm,nhiệt lợng rất lớn đợc sinh ra làm nóng chảy và bốc hơi vật liệu ở vùng này.Để tăng hiệu quả của phơng pháp gia công,điện cực dụng cụ và phôi đợc nhấn chìm trong dung dịch điện môi(hyđrôcacbon hoặc dầu khoáng).Quan sát thấy rằng nếu cả 2 loại điện cực đợc làm cùng một loại vật liệu thì điện cực

đ-ợc nối với cực dơng vật liệu điện cực bị bào mòn với tốc độ lớn hơn

Với một khe hở (khe hở phóng điện)thích hợp đợc giữ không đổi giã 2 bề mặt dụng cụ và phôi ,với nguồn một chiều thích hợp dới tần số cao thì xẩy ra sự phóg tia lửa điện.Tia lửa điện sinh ra tại điểm mà nhấp nhô giữa 2 bề mặt dụng cụ và phôi gần nhau nhất,điểm này sẽ thay đổi sau khi phóng tia lữa

điện(bởi vì vật liệu đã bị bào mòn sau khi phóng tia lửa điện),tia lửa sẽ sinh ra trên toàn bộ bề mặt.Kết quả là một lợng vật liệu không đổi đợc hớt đi trên toàn bê mặt phôi.Việc giữ khe hở phóng điện theo một giá trị xác định trớc nhờ một bộ điều khiển servo.Khoảng phóng điện đợc nhận biết thông qua điện

áp trung bình giữa khe hở,điện áp này đợc so sánh với một giá trị điện áp đặt trớc.Sự khác nhau này sẽ điều khiển động cơ servo.Thờng động cơ bớc đợc sử dụng thay thế động cơ servo

Tần số tia lửa điện khoảng 200-500000Hz,khe hở phóng điện đợc xác định khoảng 0.025-0.05mm.Điện áp cực đại đợc giữ khoảng 30-250V.Lợng hớt vật liệu có thể đạt 300mm3/phút,công suất động cơ 10W/mm3/phút.Năng suất và

độ chính xác gia công sẽ tăng lên khi cung cấp một lực chu kỳ của dòng dung dịch điện môi

2.Máy xung định hình

(Trong đồ án này chúng ta chỉ ngiên cứu máy xung định hình)

2.1.Sơ đồ máy

Chụp ảnh,giới thiệu

Hình 2

2.2.Sơ đồ các trục chạy dao

Vẽ

Hình 3

3.Cơ sỡ công nghệ gia công tia lữa điện

3.1.Hiệu ứng phóng tia lữa điện

(chèn)

Hình 4.Sơ đồ cơ bản của xung định hình

Không gian giã 2 điện cực điền đầy một lớp chât lỏng cách điện gọi là chất

điện môi

Cho 2 điện cực tiến lại gần nhau đến một khoảng nào đó thì sẽ xẩy ra sự phóng tia lửa điện.Một dòng điện xuất hiện một cách tức thời

Khi phóng tia lửa điện ,các điện cực không tiếp xúc với nhau.Nếu chúng chạm vào nhau thì sẽ không có tia lữa điện mà xẩy ra dòng ngắn mạch ,có hại đối với quá trình gia công.Nếu khe hở lớn quá thì không thể xẩy ra sự phóng tia lửa điện ,làm giảm năng suất gia công

Diễn biến của điện áp và dòng điện ở máy xung định hình,đợc sinh ra bởi một máy phát tĩnh,trong những khoảng thời gian xác định của một chu kỳ xung

đ-ợc diễn tả ở hình sau

(chèn)

Hình 5.Điện áp và dòng điện trong một xung phóng điện

Td:Độ trễ đánh lửa

Te:Độ kéo dài xung

To:Khoảng cách xung

Ti:Độ kéo dài xung máy phát

Tp:Thời gian chu kỳ xung

Ue:Giá trị trung bình của điện áp khi phóng điện

Ie:Giá trị trung bình của dòng điện khi phóng điện

Trong một chu kỳphóng tia lửa điện có thể phân biệt gồm 3 pha

(chèn)

Hình 6.Các pha khác nhau trớc và sau khi phóng tia lửa điện

Pha1:Pha đánh lữa

Máy phát tăng điện áp khởi động qua khe hở(dòng điện áp máy phát Ui).Dới

ảnh hởng của điện trờng từ cực âm bắt đầu phát ra các điện tử và chúng bị hút

về phía cực dơng Sự phát điện tử gây ra sự tăng cục bộ tính dẫn điện của chất

điện môi trong khe hở

Các bề mặt của 2 điện cực không hoàn toàn phẳng.Điện trờng sẽ mạnh nhất ở

2 điểm gần nhau nhất Chất điện môi bị iôn hoá.Tất cả các phần tử dẫn

điện(điện tử và iôn dơng)đều hội tụ quanh điểm này trong khoảng không gian giã 2 điện cực và chúng tạo nên một cái cầu.Một kênh phóng điện đột nhiên

đ-ợc hình thành ngang qua cầu.Sự phóng điện đđ-ợc bắt đầu

Pha2:Sự hình thành kênh phóng điện

ở thời điểm phóng điện,điện áp bắt đầu giảm.Số lợng các phần tử dẫn điện tăng lên một cách khủng khiếp và dòng điện bắt đầu chạy giữa các điện

cực.Dòng điện này cung cấp một mật độ năng lợng khổng lồ mà nó làm cho dung dịch điện môi bốc hơi cục bộ.áp suất trong các bong bóng hơi sẽ đẩy chất lỏng điện môi sang 2 bên.Nhng do có độ nhớt nên chất điện môi tạo ra một sự cản trở,nó hạn chế sự lớn lên của kênh phóng điện giữa các điện cực Pha3:Nóng chảy và bốc hơi vật liệu

Lõi của bọt hơi bao gồm một kênh plazma Plazma này là một chất khí có lẫn các điện tử và iôn dơng ở áp suất rất cao(khoảng 1 bar)và nhiệt độ cực lớn (10000 c).Khi kênh plazma đợc tạo thành đầy đủ thì điện áp qua khe hở đạt tới mức của điện áp phóng tia lả điện Ue.Giá trị điện áp Ue là một hằng số vật lý phụ thuộc vào sự phối hợp vật liệu điện cực và phôi

Chất điện môi giữ kênh plazma và cũng là giữ cho năng lợng có mật độ tập trung cục bộ.Sự va đập của các điện tử lên cực dơng và các iôn dơng lên cực

âm làm nóng chảy và bốc hơi vật liệu các điện cực

Máy phát sẽ ngắt dòng điện sau khi đã diễn ra một xung có hiệu quả.Điện áp

bị ngắt đột ngột.Kênh phóng điện biến mất.áp suất cũng bị mất đột ngột.Điều này làm cho kim loại nóng chảy bất ngờ bị đẩy ra khỏi kênh phóng điện và bốc hơi

Sự phóng điện có thể kéo dài từ vài micrô giây đến vài trăm micrô giây,tuỳ thuộc vào công dụng.Giữa các xung có một độ trễ To,cho phép chất điện môi thôi iôn hoá và để có thời gian vận chuyển phoi ra khỏi khe hở gia các điện cực nhờ dòng chảy chất điện môi.ở đây phoi la vật liệu điện cực bị tách

ra.Mỗi bề mặt điện cực đều để lại một “vết lõm” bị ăn mòn,nhng sự ăn mòn không nh nhau,cực nào bị ăn mòn nhiều hơn (thờng là cực dơng)sẽ đợc dùng làm điện cực dụng cụ.Cực bị ăn mòn ít hơn đợc dùng làm điện cực dụng cụ.Điều này không phải là luôn luôn cố định.Nó còn phụ thuộc vào chế độ phóng điện,việc chọn cặp vật liệu điện cực và sự đấu cực

3.2.Cơ chế tách vật liệu

(chèn)

Hình 7.Profine phóng đại của bề mặt điện cực.

Hình trên chỉ ra chi tiết bề mặt của 2 điện cực,thực tế 2 bề mặt nay không phẳng nh ta tởng tợng mà nó có các nhấp nhô Khoảng cách giữa 2 bề mặt

điện cực trong toàn bề thực tế không cố định mà nó thay đổi do các nhấp nhô.Ví dụ tại điểm A khoảng cách giữa 2 điện cực là nhỏ nhất.Khi một điện áp thích hợp đợc đặt giữa 2 điện cực(dụng cụ và phôi),một trờng tĩnh điện có c-ờng độ lớn đợc sinh ra nó gây ra sự tách các electron từ cực âm tại A.Các electron giải phóng này đợc tăng tốc về phía cực dơng.Sau khi đạt đến vận tốc

đủ lớn,các electron này,va đập với các phần tử điện môi ,bắn phá các phần tử

đó thành các electron và các ion dơng Các vừa sinh ra lại đợc tăng tốc và nó lại đánh bật electron khác từ các phân tử dung dịch điện môi Cứ nh vậy ,một cột hẹp các phân tử dung dịch điện môi bị iôn hoá đợc sinh ra tại điểm A nối 2

điện cực lại với nhau (sinh ra một dòng thác điện tử ,cột phân tử bị iôn hoá tăng lên và tính dẫn điện mạnh ,nó nh một tia lửa).Kết quả tia lửa này là một sóng chèn ép lớn đợc sinh ra và có nhiệt độ rất lớn tăng lên các trên điện cựca(10000-120000C).Nhiệt độ lớn này làm nóng chảy và bốc hơi vật liệu điện cực ,vật liệu nóng chảy bị sóng thổi đi,và một vết lõm trên 2 bề mặt đợc sinh

ra Ngay lúc đó thì khoảng cách giữa 2 điện cực tại A tăng lên và vị trí tiếp theo có khoảng cách giã 2 điện cực ngắn nhất (ví dụ tại B).Tơng tự ,chu kỳ trên đợc lặp lại ,tia lửa tiếp theo đợc sinh ra tại B.Cứ nh vậy tia lữa sẽ sinh ra trên toàn bề mặt điện cực Kết quả diễn biến quá trình sẽ sinh ra khoảng cách không đổi giữa2 bề mặt điện cực Phụ thuộc vào hình dạng cuả âm cực mà

d-ơng cực chép lại hình dạng đó

Việc tách vật liệu phụ thuộc vào năng lợng tách vật liệu We

We=Ue.Ie.te.

Ue,Ie:Giá trị trung bình của điện áp và dòng tia lửa điện đợc lấy trong khoảng thời gian xung.Ue là một hằng số vật lý phụ thuộc cặp vật liệu điện

cực/phôi.Vì vậy năng lợng thực chất chỉ phụ thuộc vào Ie và te

Nói chung ,tốc độ mòn vật liệu trên cực âm nhỏ hơn rất nhiều so với cực dơng bởi vì các lý do sau:

1.Xung lực của dòng electron va đập vào cực dơng lớn hơn rất nhiều so với dòng ion dơng va đập vào cực âm do khối lợng của một electron bé hơn rất nhiều so với khối lợng một iôn dơng nên vận tốc của ion dong rất bé

2.Sự nhiệt phân dung dịch điện môi (thờng là hydrocacbon)sẽ sinh ra một màng mỏng cacbon trên bề mặt cực âm

3.Mật độ điện tử tập trung tới bề cực dơng cao hơn nhiều lần so với mật độ ion dơng tập trung tới bề mặt cực âm,trong khi mức độ tăng của dòng điện rất lớn trong khoảng khắc đầu tiên của sự phóng điện Điều này là nguyên nhân gây

ra sự nóng chảy rất mạnh ở cực dơng

Vì vậy mà dụng cụ đợc nối với cực âm của nguồn một chiều

Nếu dụng cụ không chuyển động so với phôi ,khi khoảng cách giữa 2 điện cực tăng lên do vật liệu điện cực bị mòn đi,cần phải tăng điện áp để gây ra tia lửa Để tránh hiện tợng này ,dụng cụ đợc điều khiển bằng bộ điều khiển servo

nó nhận biết giá trị trung bình của khoảng cách và giữ khoảng cách giữa 2

điện cực không đổi

3.3.Mạch điện của phơng pháp gia công tia lửa điện và nguyên lý hoạt động của nó

Cơ sở chung của các mạch điện khác nhau là sẵn sàng cung cấp nguồn một chiều giữa khe hở phôi và dụng cụ Mặc dù tính chất hoạt động khác

nhau,nh-ng tất cả các tụ điện tronhau,nh-ng mạch đợc sử dụnhau,nh-ng để tích đầy điện trớc khi phónhau,nh-ng

điện giữa khe hở Sự thích hợp của một mạch điện là phụ thuộc vào điều kiện

và yêu cầu gia công.Các loại mạch thờng đợc sử dụng là

1 Mạch hồi phục điện trở tụ điện với nguồn một chiều không đổi

2 Điều khiển mạch xung

3 Mạch sử dụng bộ khuyếch đại

1.Mạch hồi phục điện trở tụ điện với nguồn một chiều không đổi

Hình 8.Mạch hồi phụcRC

Loại mạch hồi phục điện trở-tụ điện đợc sử dụng khi máy gia công tia lữa điện

đang ở thời kỳ phát triển đầu tiên Hình 8 chỉ ra một mạch RC đơn giản Tụ

điện có điện dung thay đổi đợc,nó tích điện thông qua biến trở R và đợc cung cấp bởi nguồn một chiều có điện áp Vo.Điện áp khe hở (bằng điện áp của tụ

điện) ,V thay đổi theo thời gian đợc mô tả theo hệ thức

V=Vo[1-eRC−t ] (1)

Trong đó t là thời gian tính từ lúc bắt đầu tại giá trị tức thời Vo xuất hiện.Vì vậy V sẽ tiến dần đến tiệm cận Vo,đợc chỉ ra ở Hình 8b(lý thuyết).Thực tế với khoảng cách dụng cụ-phôi và dung dịch điện môi thì tia lửa có thể sinh ra khi

điện áp khe hở đạt đến giá trị Vd(điện áp phóng tia lửa điện),một tia lửa sẽ xuất hiện Sự phóng điện của tụ điện sẽ hoàn thành cả ngay khi điện áp khe hở (V) đạt đến giá trị Vd.Thời gian phóng điện nhỏ hơn(khoảng 10) thời gian nạp

điện và tần số tia lửa điện ν đợc tính gần đúng theo phơng trình sau

ν=

tc

1











−Vd Vo

Vo

RC ln

1

(2)

tc:Thời gian tích điện nó bằng thời gian yêu cầu cho điện áp khe hở đạt đến giá trị Vd.Năng lợng 1 lần phóng tia lửa điện đợc xác định

E=

2

1 CVd (3)

Nếu tc=

υ

1 là thời gian chu kỳ thì giá trị trung bình của công suất cung cấp đợc xác định

Wav=

tc

E (5)

Ta có Vd=V0 











− RC−

t

e

1 (6) Thay (6) vào (3) ta đợc

E=

2 2

2

1













− RC−

t

e

CV (7)

Wav=

2 2

2

1













− RC−

t

e CV

c

t

1

(8)

Đặt ξ=

RC

t c

ta đợc

Wav= 02 ( )2

1 2

ξ e

R

V

− Công suất cung cấp lớn nhất đợc xác định

0

=

∂

∂

= opt

av

W

ξ

ξ

ξ (9)

Thay vào (8) ⇒(2 ξopt + 1)e−ξopt = 1 ⇒ ξopt = 1 26

RC

t c

=

ξ đã biết,giá trị hợp lý nhất của

0

V

V d

đợc xác định

d

V

V









0

=1- e− ξopt=1-e− 1 26=0.72

Vậy với công suất cung cấp lớn nhất thì điện áp phóng tia lửa điện =72 0điện

áp cung V0

Nếu giả thiết lợng vật liệu bị mòn trong một lần phóng tia lửa điện tỷ lệ thuận với năng lợng cung cấp thì lợng mòn có thể đợc biểu diễn nh sau

Q=K

d

d

V V V C

V

−

0 0

2

ln

1 2

1

(10)

Q=

d

d

V V

V

V

R

K

−

0

0

2

ln

2 (11)

Rõ ràng từ (10) ⇒với mạch này Q tăng khi R giảm.R không thể giảm dới một giá trị giới hạn.Nếu không sẽ xẩy ra hồ quang.Giá trị tới hạn của điện trở phụ thuộc vào điện cảm L của mạch

Rmin=

C

L (12)

Tuy nhiên R không nên thấp hơn giá trị 30

C

L Trong trờng hợp gia công thép dới điều kiện bình thờng tốc độ mòn vật liệu có thể đợc biểu diễn gần đúng

nh sau

Q=27.4W1.54 (13)

Q(mm3/phút)

W:Công suất đầu vào(kw)

Tính chất chung của tốc độ mòn vật liệu đợc biểu diễn nh sau

(chèn)

Hình9.Tốc độ mòn vật liệu(mrr) trong phơng pháp gia công tia lửa điện sử dụng mạch hồi phục RC

Sự biến thiên của tốc độ mòn vật liệu đợc chỉ ra ở hình 9.Tuy nhiên sự phụ thuộc của mmr vào koảng cách phóng điện cha đợc chỉ ra

3.Mạch sử dụng bộ khuyếch đại

(thêm)

3.4.Chất lợng bề mặt gia công và độ chính xác của phơng pháp gia công 3.4.1Chất lợng bề mặt gia công

Chất lợng bề mặt là một khái niệm tổng hợp ,bao gồm

Độ nhám bề mặt

Vết nứt tế vi trên bề mặt

Các ảnh hởng nhiệt ở lớp bề mặt

Về độ nhám bề mặt,sau khi gia công bề mặt gia công không hoàn toàn phẳng

mà nó để lại những nhấp nhô,chính là độ nhám bề mặt.Điều này làm giảm đặc tính chống mài mòn và tăng nguy cơ bị ăn mòn hoá học

Từ lợng vật liệu lấy đi của phơng pháp gia công tia lửa điện đă đợc mô tả, sự tạo thành các lỗ do sự phóng tia lửa điện, chiều rộng các lỗ ( đặc biệt là chiều sâu ) là nguyên nhân làm nhám bề mặt Kích thớc lỗ phụ thuộc vào năng lợng phóng tia lửa điện, vậy nó sẽ quyết định chất lợng bề mặt Hình sau chỉ ra độ nhám bề mặt phụ thuộc C và V0

(chèn hình )

Hình 10 Độ nhám bề mặt phụ thuộc C

Chiều sâu lỗ đợc xác định gần đúng theo năng lợng nh sau

hc= K1E0.33 (mm) (14)

K1: Hệ số phụ thuộc vật liệu.

E: Năng lợng 1 lần phóng tia lửa điện (J)

Hình sau chỉ ra chất lợng bề mặt phụ thuộc vào năng lợng E và việc so sánh chất lợng bề mặt đạt đợc do phơng pháp gia công tia lửa điện và các phơng pháp gia công thông thờngkhác

(chèn hình 6.63EDM)

Hình11 Sự phụ thuộc của hất lợng bề mặt vào năng lợng E và việc so sánh chất lợng bề mặt đạt đợc do phơng pháp gia công tia lửa điện và các phơng pháp gia công thông thờngkhác

Độ kéo dài xung ti ( là khoảng thời gian giữa 2 lần đóng-ngắt của máy phát trong 1chu kỳ phóng điện ) nó ảnh hởng đến độ nhám bề mặt gia công

Hình 12 chỉ ra sự ảnh hởng của ti đến độ nhám bề mặt gia công

(chèn hình 12c tr34 V VHA)

Hình 12 Quan hệ giữa ti với Rmax

Do tác dụng của dòng điện duy trì lâu hơn khi tăng độ kéo dài xung nên chiều cao nhấp nhô Rmax tăng, ngay cả sau điểm đạt đợc lợng hớt vật liệu cực đại Khoảng cách xung t0 ( là thời gian giữa 2 lần ngắt và đóng của máy phát thuộc

2 chu kỳ phóng điện kế tiếp nhau ) nó ảnh hởng đến chất lợng bề mặt gia công

Nếu khoảng cách xung quá ngắn thì chất điện môi không đủ thời gian để ion hoá Các phần tử đã bị ăn mòn điện và nhiệt của chất điện không thể đợc đa đi khỏi khe hở phóng điện trong khoảng thời gian ngắn này Kết quả là xảy ta hồ quang và ngắn mạch Chất lợng bề mặt bị giảm

Về vết nứt tế vi và lớp ảnh hởng nhiệt sau khi gia công có thể đợc mô tả nh hình sau

(chèn hình 9 tr21VHA)

Hình 13.Vùng ảnh hởng nhiệt của bề mặt phôi

Hình trên cho thấy rõ cấu trúc lớp bề mặt phôi và sự thay đổi độ cứng của chúng theo chiều sâu.Ta phân biệt đợc các lớp và các cấu trúc sau đây

1.Lớp trắng,đó là lớp kết tinh lại,với các vết nứt tế vi do ứng suất d vì nóng lạnh đột lặp đi lặp lại.Độ kéo dài xung te càng lớn thì lớp này càng dày

2.Lớp bị tôi cứng,với cấu trúc dòn,lớp này có độ cứng tăng vọt(trên 1000 HV)

so với kim loại nền

3.Lớp bị ảnh hởng nhiệt,do nhiệt độ ở đây đã vợt quá nhiệt độ

ostenit(Fe-Fe3C) trong một thời gian ngắn Độ cứng của lớp này giảm so với lớp tôi cứng, khoảng dới 800HV

4 Dới cùng là lớp không bị ảnh hởng nhiệt Nó trở lại độ cứng bình thờng của vật liệu nền

Nhiệt độ cao sinh ra do sự phóng điện gây ra nóng chảy và bốc hơi vật liệu, rõ ràng là nhiệt độ này tác dụng lên tính chất của lớp mỏng (2.5-150àm) của bề mặt gia công.Lớp ngoài cùng bị nguội nhanh, đó là nguyên nhân làm lớp này rất cứng , lớp sát trong lớp này ở trong điều kiện nh ram , hình sau chỉ ra mối liên hệ của độ cứng với chiều sâu lớp ảnh hởng nhiệt trên bề mặt phôi thép sau khi gia công

(chèn hình 12)

Hình 14 Tác dụng của EDM lên độ cứng bề mặt

Hình này chỉ rõ khi gia công tinh độ cứng không thay đổi nhiều , tuy nhiên với gia công thô lớp ngoài cùng đợc ram và độ cứng giảm dần theo chiều sâu

Độ cứng lớp bề mặt sau khi gia công sẽ làm cho độ bền mòn tăng lên.Tuy nhiên, độ bền mỏi giảm do các vết nứt tế vi tăng trên bề mặt trong quá trình làm nguội nhanh Hình sau chỉ ra sự so sánh của độ bền mỏi giữa phơng pháp phay và gia công tia lửa điện

(chèn)

Hình 15 Tác dụng của EDM lên độ bền mỏi của vât liệu phôi

Tính chất của lớp mỏng bề mặt không ảnh hởng nhiều đến độ bền kéo Cấu trúc của vật liệu đã bị thay đổi do tia lửa gây ra Tính chất hoá học cũng thay

đổi Những tính chất này làm tăng sự mài mòn

3.4.2 Độ chính xác tạo hình khi gia công

Gia công tia lửa điện kiểu xung định hình là phơng pháp gia công in hình , độ chính xác in hình phụ thuộc nhiều yếu tố:

Độ chính xác của máy

Các thông số điều chỉnh về điện khi gia công

Tính chất của điện cực (vật liệu , độ chính xác kính thớc…)

Độ chính xác lập trình(Độ chính xác quỹ đạo dụng cụ đợc lập trình)…

Về độ chính xác của máy, trớc hết nhà chế tạo phải quan tâm bố trí máy cho tối u Điều này nhà chế tạo chỉ có thể đáp ứng đợc ở mức độ giới hạn vì phải quan tâm đến giá thành, công suất, độ lớn chấp nhận đợc của máy

Ngời sử dụng cũng cần quan tâm đến những điều kiện phù hợp nh nhiệt độ trong phòng và giữ cho nhiệt độ của chất điện môi là hằng số Phải chịu trách nhiệm về thông số điều chỉnh

Khe hở phóng điện, chất điện môi cũng ảnh hởng quan trọng lên độ chính xác gia công Khi chất điện môi đặc thì lợng hớt vật liệu lớn hơn, do sự có mặt của các phần tử dẫn điện sẽ làm tăng cờng độ từ trờng đối với cùng một chiều rộng khe hở phóng điện Từ đó đa đến sự khác nhau giữa chiều rộng khe hở phóng

điện mặt bên và mặt trớc

Độ chính xác lập trình không chỉ phụ thuộc vào ngời sử dụng mà còn phụ thuộc vào nhà sản xuất maý Đó là khả năng đáp ứng các yêu cầu nh profine

có thể thực hiện, độ chính xác…

Độ không chính xác kích thớc của phơng pháp gia công tia lửa điện gồm

1 Độ côn lỗ gia công

2 Hiện tợng cắt quá mức

3 Sai số do thay đổi hình dáng và kích kỡ dụng cụ

1 Độ côn lỗ gia công

Với điện cực dụng cụ thông thờng, hình dạng lỗ gia công đợc chỉ ra trong hình 16

(chèn)

Hình 16 Độ côn lỗ gia công bằng phơng pháp khoan tia lửa điện

Kết quả của độ côn là do phần trên của lỗ chịu tác dụng của số lần phóng tia lửa điện nhiều hơn phần dới Độ côn phụ thuộc vào đờng kính dụng cụ Nó có thể đợc điều chỉnh bằng cách thay đổi các thông số về điện

2 Hiện tợng cắt quá mức

Cắt quá mức là kích thớc của lỗ gia công vợt quá kích thớc dụng cụ điện cực

Độ lớn của hiện tợng này phụ thuộc vào chiều dài tia lửa điện, khoảng phóng

điện Khi trong khe hở có các hạt mài mòn, chiều dài tác dụng của tia lửa điện tăng lên do dw (đờng kính hạt mài) Đợc chỉ ra trong hình 17

(chèn)

Hình 17 Tác dụng của hạt mài lên hiện tợng cắt quá mức

Khi dụng cụ làm bằng đồng thau có đờng kính 10 mm, sự phụ thuộc của độ côn và hiện tợng cắt quá mức phụ thuộc vào năng lợng phóng tia lửa điện đợc chỉ ra trong hình 18

(chèn)

Hình 18 Tác dụng của năng lợng phóng tia lửa điện vào độ côn và hiện tợng cắt quá mức

3.5.Lợng hớt vật liệu

Các yếu tố tác động lên lợng hớt vật liệu gồm

Điện áp phóng tia lửa điện Ue

Dòng phóng tia lửa điện Ie

Thời gian phóng tia lửa điện te

Từ đẳng thức của năng lợng phóng tia lửa điện

We =Ue Ie te.

Ta thấy rằng dới điều kiện bình thờng thì khi Ue, Ie,te càng lớn thì năng lợng phóng tia lửa điện càng tăng Làm tăng tốc độ hớt vật liệu

Trong thực tế lơng hớt vật liệu có thể đợc xác định thông qua các thông số

điều chỉnh:I, ti, tc, Uz

Lợng vật liệu đợc lấy đi do một lần phóng tia lửa điện có thể đợc xác định bởi

đờng kính, chiều sâu vết lõm và nhiệt độ nóng chảy vật liệu

Ta đa ra các giả thiết

1 Tia lửa là một nguồn nhiệt có chu kỳ không đổi trên toàn bề mặt điện cực

và có đờng kính 2a đợc giữ không đổi

2 Xem bề mặt điện cực là nửa mặt phẳng vô hạn

3 Trừ phần nguồn nhiệt, còn lại bề mặt điện cực đợc giữ cách điện

4 Tốc độ nguồn nhiệt đầu vào đợc giữ không đổi trong lúc phóng tia lửa

điện

5 Tính chất của vật liệu không đổi theo nhiệt độ

6 Sự bốc hơi của vật liệu đợc bỏ qua

Hình 19 Chỉ ra 1 nguồn nhiệt lý tởng

(chèn)

Hình 19 Nguồn nhiệt lý tởng trong gia công tia lửa điện

Ta có H là lợng nhiệt đầu vào (J), θ là nhiệt độ (0C), t là thời gian (s), K là hệ

số dẫn nhiệt (cal/cm.s 0C), độ khuyếch tán (cm2/s), td khoảng thời gian phóng

điện (s), θm là nhiệt độ nóng chảy của vật liệu

Nhiệt độ tại bất kỳ một điểm nào đó phụ thuộc r, z









∂

∂ +

∂

∂ +

∂

∂

=

∂

∂

2

2 2

z r r r

t

θ θ θ

α

Điều kiện ban đầu và điều kiện biên

t<=0, θ(r,z,t)=0

t>0, r>a = 0

∂

∂

⇒

z

θ . t>0, 0<r<=a

td a

H z

π

θ =

∂

∂

−

Trực quan có thể thấy rằng chiều sâu nhiệt độ nóng chảy lớn nhất tại tâm r=0 Nhiệt độ tại một điểm trên trục tại thời điểm cuối của sự phóng tia lửa điện ( giả thiết nhiệt độ lớn nhất tại t=td và nhiệt lợng đầu vào lập tức ngừng cung cấp) đợc xác định bởi

θ(0,z,td)=

d

Kat

H

π

2

α ξ

t t

z erfc e a j a

d

z

∫

∞

−

































−

0

1 0

Gọi z là chiều sâu nhiệt độ nóng chảy đạt tới

θm =

d

d

t

Ka

t

H

2

2

π

α















−

d

a z ierfc t

z ierfc

α

2

2 2

(17) Trong đó:

Ierfc(ξ)= ξ ( )ξ

π

ξ erfc

e− 2 −

1

Erfc(ξ)=1-erf(ξ)

erf(ξ)= ∫ξ −

π 0

2

2

dx

e x

Lợng nhiệt tiêu hao trong quá trình làm nóng chảy vật liệu đợc xác định bằng lợng nhiệt đầu vaò trừ đi lợng nhiệt làm nóng chảy vật liệu

Tốc độ lợng nhiệt đầu vào đợc xác định.

d

m

tong

t

a

z a H

H

2

2

π

ρπ

−

(cal/cm2.s) (18)

Htổng: Nhiệt lợng tổng

Hm: Nhiệt lợng tiêu hao

ρ: Kkhối lợng riêng (g/cm3)

Đờng kính vết lõm giả thiết bằng 2a, ở điều kiện lý tởng

2a=K 1 n2

d

n t

W (cm) ( 19 )

W: Năng lợng tổng cộng ( j ), n1, n2, K là hằng số phụ thuộc vào tính chất vật liệu và dung dịch điện môi

Thể tích vết lõm đợc xác định nh sau

Vc=

6

π h

c(3a2+hc2) ( 20 )

Vc: Thể tích vết lõm (cm3)

hc(z): Chiều sâu vết lõm (cm)

Hình 20 chỉ ra giá trị lý thuyết của z phụ thuộc vào td, với vật liệu làm điện cực là Cu, Al,Zn, đờng kính tia lửa không đổi

(chèn)

Hình 20 Biến thiên của chiều sâu vết lõm z và thể tích Vc phụ thuộc vào td Hình 21 mô tả bản chất sự biến thiên của thể tích vết lõm theo td với các mức năng lợng khác nhau

(chèn)

Hình 21 Sự thay đổi của z,Vc theo td

Hình dạng đồ thị gần giống nhau Một điều quan trọng là lợng vật liệu bị bào mòn rất bé với thời gian phóng điện bé và tăng dần theo td Khi đạt đến giá trị cực đại, bỗng nhiên nó tụt xuống giá trị bằng 0 Điều này chứng minh rằng l-ợng vật liệu bị lấy đi mỗi lần phóng điện phụ thuộc vào điểm nóng chảy của vật liệu

Các vết nứt cũng ảnh hởng đến quá trình hớt vật liệu Lợng vật liệu đợc lấy đi trong thời gian phóng điện tiếp theo đợc chỉ ra trong hình 22 Rõ ràng lợng vật liệu bị bóc đi lớn nhất khi áp suất dới 1 giá trị nào đó, điều này chỉ ra sự tác dụng của vết nứt lên tốc độ hớt vật liệu

(chèn)

Hình 22 Tác dụng của vết nứt đến tốc độ bào mòn vật liệu

Độ nhám bề mặt có mối liên hệ thực nghiệm đối với tốc độ bào mòn vật liệu

Từ kích thớc vết lõm phụ thuộc vào năng lợng phóng tia lửa điện ( giả thiết các điều kiện khác đợc giữ không đổi ), chiều sâu và đờng kính vết đợc tính

nh sau

hc=K1W1/3 ( cm ) ( 21a )

2a=K2W1/3 ( cm ) ( 21b )

Trong đó W là năng lợng phóng tia lửa điện ( J ), K1, K2 là các hằng số không

đổi Với điện cực Cu, dung dịch điện môi là dầu hoả, K1=0.4, K2 =0.045 Thay vào ( 20 ) ta đợc

















+











1

2 3 / 1 2 3 / 1

2 3

Ư

K W

K

π







 + 2

1

2 2 1

4

3

Ư

Những mối liên hệ xấp xỉ khác ( ở điều kiện gia công bình thờng ), lợng vật liệu đợc lấy đi tại điểm nóng chảy của phôi đợc tính bởi

Q=4*104 − 1 23

m

θ ( mm3/at-phút )

θm: Nhiệt độ nóng chảy của vật liệu ( 0C )

Trong các hệ thức trên chúng ta có giả thiết phóng điện trong điều kiện bình thờng

Lợng hớt vật liệu phụ thuộc mạnh vào dòng điện môi Khi không có lực chu

kỳ, hạt mài nóng chảy và nối các điện cực lại Hình 23 chỉ ra bản chất lợng vật liệu bị bào mòn khi có và khi không có lực chu kỳ của của dòng dung dịch

điện môi

(chèn hình 6.56 EDM )

Hình 23 Tác dụng của lực chu kỳ của dòng dung dịch điện môi lên tốc độ mòn vật liệu

Sau khi sự phóng điện hoàn thành, dung dịch điện môi xung quanh lần phóng

điện cuối cùng nên đợc tiếp tục khử ion hoá Với trờng hợp nay điện áp khe hở phải đợc giữ dới điện áp phóng điện cho đến khi sự khử ion hoá hoàn thành, nếu không dòng điện sẽ chạy qua khe hở tại vị trí phóng điện đầu tiên Thời gian yêu cầu để hoàn thành sự khử ion hoá phụ thuộc vào năng lợng giải phóng bởi lần phóng điện đầu tiên.Năng lợng giải phóng lớn thì thời gian khử ion hoá tăng

Độ kéo dài xung ti ( là khoảng thời gian giữa 2 lần đóng-ngắt của máy phát xung trong 1 chu kỳ phóng điện ) ảnh hởng đến lợng hớt vật liệu

Hình 24 chỉ ra quy luật ảnh hởng của ti đến lợng hớt vật liệu

( chèn hình 12a tr34VHA )

Hình 24 ảnh hởng của ti đến lợng hớt vật liệu

Nếu độ kéo dài xung đợc tăng lên trong khi bớc dòng điện và khoảng cách xung giữ nguyên thì tác động của dòng phóng tia lửa điện sẽ lâu hơn Ban đầu lợng hớt vật liệu tăng nhng chỉ tăng đến một giá trị cực đại ở một độ kéo dài xung nhất định nào đó sau đó giảm đi

Giá trị cực đại của lợng hớt vật liệu tơng ứng với một độ kéo dài xung tối u Nếu vẫn tiếp tục tăng độ kéo dài xung thì năng lợng phóng điện không còn

đ-ợc sử dụng thêm nữa để hớt vật liệu phôi

Khoảng cách xung t0 ảnh hởng đến lợng hớt vật liệu, khoảng cách xung càng lớn thì lợng hớt vật liệu càng nhỏ, và ngợc lại

Nếu khoảng cách xung quá ngắn thì chất điện môi không đủ thời gian để ion hoá Các phần tử đã bị ăn mòn điện và nhiệt của chất điện không thể đợc đa

đi khỏi khe hở phóng điện trong khoảng thời gian ngắn này Kết quả là xảy ta

hồ quang và ngắn mạch Lợng hớt vật liệu bị giảm

4 Điện cực dụng cụ

Điện cực dụng cụ giữ vai trò quan trọng trong nguyên lý gia công tia lửa điện vì vậy hình dạng chính xác của dụng cụ cần đợc giữ trong điều kiện tốt nhất

để đạt kết quả gia công tốt hơn

4.1 Mòn điện cực dụng cụ

Trong quá trình gia công tia lửa điện , không phải chỉ có vật liệu phôi bị hớt đi

mà chính vật liệu điện cực cũng bị hớt đi một lớp mỏng, tuy rất nhỏ so với l-ợng vật liệu phôi bị hớt đi Việc điện cực bị mòn là không mong muốn do nó

ảnh hởng đến độ chính xác gia công

Hệ số mài mòn rq đợc xác định bởi tỷ lệ giữa lợng vật liệu lấy đi từ phôi và l-ợng vật liệu lấy đi từ điện cực

rθ=Lợng vật liệu lấy đi từ phôi ( Vw )/ Lợng vật liệu lấy đi từ điện cực ( Ve )

rq=2.25 − 2 3

θ

r

4.2 Vật liệu điện cực

4.3.1 Yêu cầu của vật liệu điện cực

Mọi vật liệu dẫn điện và dẫn nhiệt đều có thể dùng làm điện cực Nhng để sử dụng chúng một cách kinh tế và đạt hiệu quả cao thì chúng cần thoả mãn các yêu cầu sau

Có tính dẫn điện tốt, để dòng điện có thể truyền qua điện cực để phóng tia lửa điện

Có tính chất nhiệt vật lý tốt nh độ dẫn nhiệt, khả năng nhận nhiệt, có

điểm nóng chảy và điểm sôi cao