Nghiên cứu ảnh hưởng của một số yếu tố công nghệ tới chất lượng bề mặt chi tiết gia công bằng phương pháp tia lửa điện xung định hình

Nhằm tìm hiểu thêm về công nghệ gia công tia lửa điện và xem xét đánh giá các yêu tố ảnh hưởng, nâng cao năng suất, chất lượng và hạ giá thành sản xuất, với sự gợi ý của PGS.TS Tăng Huy,

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

-

NGUYỄN TRẦN QUANG TRUNG

NGHI ÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA MỘT SỐ YẾU TỐ CÔ NG NGHỆ TỚI CHẤT LƯỢNG BỀ MẶT CHI TIẾT GIA CÔNG BẰNG PH ƯƠNG PHÁP

TIA LỬA ĐIỆN XUNG ĐỊNH HÌNH

Lời cam đoan

Tôi xin cam đoan rằng đây là công trình nghiên cứu luận văn khoa học của tôi Các kết quả nghiên cứu đ−ợc đo đạc tính toán là hoàn toàn chính xác và trung thực, ch−a đ−ợc công bố ở bất cứ một công trình nào khác

Tác giả

Nguyễn Trần Quang Trung

Chương 1 : Tổng quan về gia công tia lửa điện 18

1.1.1 Những đặc điểm chính của phương pháp gia công bằng tia lửa

Chương 2 - nghiên cứu bản chất của phương pháp

2.1 Bản chất vật lý và cơ chế hớt kim loại bằng tia lửa điện 27

2.3 Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình gia công tia lửa điện 34

2.3.1.4 ảnh hưởng của diện tích vùng gia công F 41

2.3.2 Các yếu tố liên quan trong quá trình gia công tia lửa điện 41

Chương 3 - hệ thống thí nghiệm đánh giá chất

lượng bề mặt trong gia công bằng tia lửa điện. 77

3.1.2 Điều kiện thực hiện thí nghiệm 77

3.3.2.2 Mô tả quá trình thực hiện thí nghiệm gia công trên máy 87

3.4.2.3 ảnh hưởng của Timer-Dwell và Timer-Lift. 98

Chương 4 - Mô hình hoá quá trình gia công bằng

tia lửa điện 103

4.1 Mô hình định tính của quá trình xung định hình 104

4.2.2 C¸c b−íc tiÕn hµnh quy ho¹ch thùc nghiÖm 109

kÕt luËn chung

Tãm t¨t luËn v¨n tiÕng viÖt

Tãm t¾t luËn v¨n tiÕng anh

118

phô lôc

Danh môc c¸c thuËt ng÷, ký hiÖu, c¸c tõ viÕt t¾t

19 Timer – Dwell Thêi gian dõng ®iÖn cùc ë vÞ trÝ khe hë sau lo¹t xung

t¸c

ψ

24 δ Khe hë phãng ®iÖn

52 Θv Nhiệt độ sôi vật liệu (oC)

Danh mục các bảng biểu

pháp gia công tia lửa điện

4.3 Đặc tính của các loại thép đ−ợc chọn làm thí nghiệm

timer-lift đến chất l−ợng bề bặt gia công

Danh mục các hình vẽ , đồ thị

Số

hình

1.2 Sơ đồ mục tiêu nghiên cứu của đề tài

2.1 Sơ đồ nguyên lí gia công tia lửa điện

2.2 Các chuyển biến pha trong quá trình phóng tia lửa điện

2.3 Tỉ lệ hớt vật liệu ở anốt và catốt trong thời gian xung

2.4 Cơ chế hớt kim loại bằng tia lửa điện

2.5 Mối quan hệ giữa Vw & ti

2.6 Mối quan hệ giữa θ & ti

2.7 Mối quan hệ giữa Rmax & ti

2.8 ảnh hưởng của to đến năng suất gia công

2.9 ảnh hưởng của khe hở phóng tia lửa điện δ

2.10 Đồ thị quan hệ η- ap

2.12 ảnh hưởng của diện tích vùng gia công F

2.13 ảnh hưởng của Ui&C

2.14 ảnh hưởng của ti dến Rmax

2.16 Nguồn nhiệt lý tưởng trong EDM

2.17 Biến thiên của chiều sâu vết lõm z và thể tích Vc phụ thuộc vào

td

2.18 Biến thiên của thể tích vết lõm theo td với các mức năng lượng

2.19 Tác dụng của vết nứt đến tốc độ hớt vật liệu

vật liệu

2.21 Phạm vi vật liệu ứng dụng gia công tia lửa điện

2.22 Biểu đồ sử dụng chất điện môi

2.25 Dòng chảy áp lực qua điện cực

2.26 Dòng chảy hút qua điện cực

4.6 Sơ đồ nguyên lý hoạt động của hệ thông đo lớp ảnh hưởng nhiệt

4.8 Kết cấu tế vi mẫu thí nghiệm - vật liệu C45

4.9 Kết cấu tế vi của mẫu thí nghiệm 1,2,3

4.10 ảnh hưởng của dòng sục đến chất lượng bề mặt

4.11 Bề mặt bị phá hỏng khi timer-dwell = 0

5.1 Mô hình hoá quá trình gia công xung định hình

Mở đầu

Trong thiên niên kỷ thứ 3, thiên niên kỷ mà nền khoa học công nghệ sẽ phát triển nhanh khó đoán trước được diễn biến, nguồn tài nguyên thiên nhiên trở nên khan hiếm, nguồn lực và môi trường trở thành mối quan tâm của mỗi quốc gia, các vấn đề của nền kinh tế tri thức được bàn và thống kê chưa đủ tính hệ thống, thì sự thừa nhận công nghệ gia công kim loại luôn là nền tảng của mọi ngành công nghiệp

đã thúc ép phải có nhiều đầu tư nghiên cứu về các quá trình gia công kim loại hơn nữa Tiếp theo, để có thể tự động hoá, linh hoạt hoá một quá trình gia công kim loại, việc nghiên cứu ảnh hưởng của các yếu tố công nghệ đến các quá trình đó, đặc biệt

đến chất lượng và độ chính xác gia công là không thể thiếu được Gia công kim loại bằng tia lửa điện cũng không nằm ngoại lệ

Được xem là phương pháp hữu hiệu gia công các loại vật liệu cứng, siêu cứng, lâu mòn hoặc gia công các hốc, các đường biên, các vật thể có hình dáng hình học phức tạp, khó hoặc không thể gia công được bằng các phương pháp cắt gọt thông thường, gia công bằng tia lửa điện là phương pháp được sử dụng rộng rãi nhất trong nhóm công nghệ gia công không truyền thống

Vào những năm 50 của Thế kỷ XX, thiết bị gia công tia lửa điện thương mại đã

có mặt trên thị trường thế giới Đến năm 1980, kỹ thuật điều khiển số và tự động hoá

đã tạo cho phương pháp gia công tia lửa điện một sự chuyển biến đáng kể về mặt công nghệ Những năm gần đây, nhiều phương pháp lai, trên cơ sở kết hợp nguyên

lý gia công tia lửa điện với các phương pháp gia công cơ, khai thác lợi thế của từng phương pháp thành phần đã tạo nên những kỹ thuật hớt kim loại mới trên cơ sở công nghệ gia công bằng tia lửa điện

1- Tính cấp thiết của đề tài

Là một phương pháp gia công kim loại, công nghệ gia công bằng tia lửa điện với những ưu điểm nổi trội, đã và đang được sử dụng rộng rãi để thay thế một số quá trình gia công truyền thống trong nhiều ngành công nghiệp khác nhau như công nghiệp hàng không vũ trụ, điện tử, công nghiệp dược liệu, công nghiệp dân

Mặc dù phương pháp gia công tia lửa điện đã được sử dụng rộng rãi, nhưng quá trình ăn mòn tia lửa điện vẫn được coi là còn nhiều yếu tố chưa rõ khi phân tích khảo sát theo phương pháp giải tích Điều đó thể hiện rằng những tác động liên quan

đến tia lửa điện được phóng ra trong quá trình gia công chưa được hiểu biết đầy đủ Vấn đề nâng cao chất lượng chi tiết và năng suất gia công mặc dù đã tiêu tốn nhiều công sức của các nhà nghiên cứu trên thế giới trong một thời gian dài đến nay vẫn còn là vấn đề thời sự

Các thông số công nghệ, các thông số điều chỉnh máy như: điện áp xung , dòng xung điện, thời gian xung, thời gian nghỉ , thời gian dừng điện cực tại vị trí gia công, thời gian nhấc dừng điện cực tại vị trí ngoài vùng gia công … trên các máy xung nhập từ nước ngoài đã được các hãng sản xuất tích hợp và cài đặt sẵn trên máy Điều

đó đã gây khó khăn cho người sử dụng lựa chọn hoặc giải các bài toán tối ưu chế độ công nghệ gia công bằng tia lửa điện trong điều kiện sản xuất cụ thể

Các thông số đặc trưng cho chất lượng bề mặt tuy đã được nghiên cứu nhưng mới tập trung nhiều vào độ chính xác kích thước, độ nhám bề mặt , trong khi các yếu tố khác như chiều sâu lớp biến cứng, lớp ảnh hưởng nhiệt, nứt tế vi bề mặt … chưa được nghiên cứu đầy đủ

Nhằm tìm hiểu thêm về công nghệ gia công tia lửa điện và xem xét đánh giá các yêu tố ảnh hưởng, nâng cao năng suất, chất lượng và hạ giá thành sản xuất, với

sự gợi ý của PGS.TS Tăng Huy,Bộ môn Công nghệ chế tạo máy- Viện cơ khí

ĐHBK Hà nội thì tác giả đã lựa chọn đề tài:

“Nghiên cứu ảnh hưởng của một số yếu tố công nghệ tới chất lượng bề mặt chi tiết gia công bằng phương pháp tia lửa điện xung định hình ”

2- Đối tượng và phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu ảnh hưởng của một số yếu tố công nghệ đến chất lượng chi tiết

được gia công bằng xung điện định hình (EDM) trên máy xung Hurco Spark 900 tại Viện máy và dụng cụ công nghiệp (IMI)

+ Điện cực đồng thau

+ Vật liệu gia công gồm 3 loại : thép C45 thường, thép C45 nhiệt luyện, thép hợp kim CM55

Các thông số công nghệ được nghiên cứu bằng thực nghiệm , các kết quả thí nghiệm trên mẫu được đo đạc và xử lý bằng các thiết bị đo và phần mềm chuyên dụng, hiện đại tại các phòng thí nghiệm của Trường đại học Bách khoa Hà nội và Viện IMI

3- ý nghĩa của đề tài

+ Đánh giá được ảnh hưởng của các yếu tố công nghệ đến chất lượng bề mặt

chi tiết khi gia công bằng xung điện trong điều kiện gia công cụ thể, đặc biệt có xét

đến ảnh hưởng của các yếu tố phi công nghệ như diện tích bề mặt, chiều sâu gia công, dung dịch chất điện môi và một số thông số điều chỉnh máy khác

+ Thiết lập được mô hình toán học tạo điều kiên tối ưu hoá các thông số công nghệ trong gia công xung định hình

+ Kết quả nghiên cứu của đề tài là cơ sở cho các hướng nghiên cứu mở rộng, nâng cao hơn trong công nghệ gia công bằng tia lửa điện nhằm nâng cao chất lượng

Chương 1- Tổng quan về gia công bằng tia lửa điện

Chương 2- Nghiên cứu bản chất của phương pháp gia công tia lửa điện

Chương 3- Hệ thống thí nghiệm nghiên cứu ảnh hưởng của các yếu tố công nghệ

đến chất lượng bề mặt trong gia công bằng tia lửa điện

Chương 4: Mô hình thực nghiệm, đánh giá kết quả thực nghiệm khi gia công bằng tia lửa điện

Kết luận chung, kiến nghị hướng nghiên cứu tiếp theo

Tài liệu tham khảo

Phần phụ lục

Chương 1

Tổng quan về gia công tia lửa điện

Nguyên lý tác động ăn mòn vật liệu kim loại bởi tia lửa điện và cấu trúc cơ sở của quá trình đã được biết cách đây gần 200 năm khi nhà nghiên cứu khoa học tự nhiên người Anh Joseph Priestley trong thí nghiệm của mình ông đã nhận thấy hiệu quả của sự ăn mòn vật liệu bởi sự phóng tia lửa điện (1733-1809) Vợ chồng Lazarenko người Nga (1940s) đã khái quát hoá hiện tượng nêu trên thành công nghệ gia công qua một loạt thí nghiệm sử dụng các mạch điện trở - tụ điện để thu được tác động phóng điện hớt vật liệu kim loại khi mỗi lần cho điện cực dụng cụ tiến gần

đến điện cực phôi Từ đó đến nay quá trình hớt vật liệu trong gia công tia lửa điện vẫn được coi là rất phức tạp, liên quan đến khoảng cách khe hở phóng tia lửa điện trong môi trường chất điện môi, đến thông tin về kênh Plasma và sự hình thành cầu phóng tia lửa điện giữa điện cực phôi và điện cực dụng cụ , đến sự ăn mòn vật liệu trên hai điện cực vv Lợi thế gia công và tính phức tạp về hiện tượng vật lý của quá trình gia công bằng tia lửa điện đã thu hút nhiều nhà khoa học quan tâm nguyên cứu

để hoàn thiện bản chất của quá trình, phát triển các phương pháp gia công “lai”, cải tiến phát triển thiết bị nhằm mục đích năng cao chất luợng cũng như năng suất gia công của phương pháp này

1.1- Đặc điểm của phương pháp gia công bằng tia lửa điện

Gia công kim loại và hợp kim bằng tia lửa điện là một trong các phương pháp gia công bằng phóng điện ăn mòn trên cơ sở tác dụng nhiệt của xung điện được tách thành do sự phóng điện giữa hai điện cực, trong đó điện cực âm là điện cực dụng cụ còn điện cực dương là chi tiết gia công

1.1.1- Đặc điểm chính của phương pháp gia công bằng tia lửa điện

+ Chỉ gia công được các loại vật liệu dẫn điện

+ Khả năng gia công không phụ thuộc vào độ cứng của vật liệu gia công mà phụ thuộc vào các thông số nhiệt, điện của nó

+ Dụng cụ gia công không yêu cầu có độ cứng cao hơn vật liệu gia công

+ Chế độ gia công thay đổi được trong phạm vi rộng, từ thô đến tinh

+ Điện cực dụng cụ bị mòn nhanh

1.1.2- Khả năng công nghệ của phương pháp gia công bằng tia lửa điện

Phương pháp gia công bằng tia lửa điện có thể tạo được các mặt định hình

đường thẳng, mặt định hình không gian, các rãnh định hình Có thể đạt được độ chính xác từ cấp 8 đến cấp 9 và độ nhám Ra = 5 ữ1.25 àm, đôi khi trong trường hợp

So với các phương pháp gia công cắt gọt truyền thống, gia công tia lửa điện rất phù hợp với công nghệ chế tạo khuôn mẫu và chế tạo dụng cụ đo Bởi vì bề mặt của khuôn mẫu và dụng cụ đo có yêu cầu độ nhám cần thiết là Ra=1,5ữ5àm, tương

đương với cấp độ K24ữK30 theo VDI 3400 (Ra=1,6ữ5,15 àm) Nếu độ nhám thấp hơn, khả năng hớt vật liệu sẽ giảm, tương ứng thời gian gia công sẽ tăng đáng kể

1.2- Các phương pháp gia công bằng tia lửa điện

Hiện nay với sự phát triển của khoa học kỹ thuật thì công nghệ gia công bằng tia lửa điện có rất nhiều phương pháp tuy nhiên phải kể tới hai phương pháp cơ bản

là: xung định hình (EDM) và phuơng pháp cắt bằng điện cực dây (WEDM)

Ngày nay nhiều phương pháp lai ứng dụng tia lửa điện cũng đang được nghiên cứu và phát triển trên thế giới, bao gồm:

+ Gia công tia lửa điện dạng phay (Milling EDM) là phương pháp sử dụng

điện cực chuẩn, hình trụ quay để thực hiện ăn mòn tia lửa điện theo kiểu phay Hốc khuôn được hình thành bởi sự đi xuống liên tục của điện cực tới độ sâu yêu cầu Tỉ

lệ hớt vật liệu tương đương với gia công xung định hình Đặc điểm của phương pháp

này là khi chi tiết gia công có hình dáng phức tạp thì thay vì phải chế tạo điện cực dụng cụ phức tạp theo phôi người ta đã sử dụng điện cực chuẩn để giảm giá thành chế tạo, tuy nhiên gía thành của hệ điều khiển của máy lại cao hơn do phải điều khiển chuyển động quỹ đạo điện cực

+ Phủ bằng tia lửa điện (EDD) là phương pháp sử dụng hiệu quả ăn mòn tia

lửa điện để phủ các bánh mài sau thời gian sử dụng nghiền cơ các vật liệu rắn Trong quá trình này, bánh mài phải có tính dẫn điện Bánh mài kim cương liên kết kim loại thường được làm theo phương pháp này Đặt điện áp xung vào giữa điện cực và bánh mài, trong bánh mài tia lửa điện sinh ra sẽ bóc tách các cạnh sắc trên bánh mài Quá trình này cũng được sử dụng để chế tạo bánh mài có hình dáng đặc biệt

+ Gia công EDM rung siêu âm (ultrasonic Aided EDM) là phương pháp hớt vật

liệu bằng tia lửa điện kết hợp với việc rung điện cực dụng cụ (theo phương di chuyển của điện cực) với tần số rung bằng tần số siêu âm Sự rung siêu âm giúp tăng cường

độ ổn định gia công và tăng đáng kể tốc độ gia công khi khoan lỗ nhỏ hoặc siêu nhỏ

+ Mài mòn bằng phóng tia lửa điện (Abrasive Electrical Discharge

Grinding-AEDG) là phương pháp lai, trong đó vật liệu được tách bởi tác dụng kết hợp của ăn

mòn tia lửa điện và mài cơ khí , phương pháp này dùng trong gia công các loại vật liệu siêu cứng Phương pháp này đặc biệt hữu hiệu để mài vật liệu kim cương đa tinh thể Sự phóng tia lửa điện giúp tăng cường tốc độ tách vật liệu và mài cơ tạo nên một

bề mặt tinh và mịn

+ Gia công xung định hình siêu nhỏ (MEDM), là dạng xung định hình đặc biệt,

trong đó điện cực được quay với vận tốc tới 10.000 vòng/phút, đường kính điện cực nhỏ có thể đến 5 àm Phương pháp này cho phép chế tạo các lỗ siêu nhỏ hoặc có hình dạng rất phức tạp trong công nghệ chế tạo máy với các vật liệu siêu dẫn Điện cực dùng trong MEDM được chế tạo theo phương pháp gia công tia lửa điện chuyên dụng khác như “mài kết hợp cắt dây WEDG” Kích thước lỗ gia công theo xung siêu nhỏ MEDM thường từ 25àm đến 250 àm và với độ chính xác ±1àm ữ ±2 àm Gia công MEDM thường được thực hiện với sự trợ giúp của kính hiển vi điện tử

+ Cắt dây tia lửa điện siêu nhỏ (MWEDM) là phương pháp cắt dây sử dụng dây

điện cực tungsten, đường kính dây nhỏ dưới 10àm Phương pháp MWEDM chủ yếu

được sử dụng trong gia công các chi tiết kích thước nhỏ 0,1 ữ1mm , vật liệu khó gia công, chiều dầy nhỏ vv hoặc dùng trong công nghệ gia công chế tạo các chi tiết bán dẫn. Thiết bị này sử dụng một hệ thống chuyển động dây đặc biệt, máy phát xung và hệ thống giám sát MWEDM có khả năng phân tích và điều khiển các chức năng bên ngoài

+ Gia công tia lửa điện theo kiểu đê chắn (Mole EDM) là một quá trình đặc

biệt, có khả năng gia công các đường cong hoặc một đường xuyên kín qua phôi Hình dáng của các máy Mole EDM tương tự với một thanh có thể uốn cong và một

hệ thống nhận dạng, ghi nhớ hình dạng được sử dụng như là bộ kích thích Việc nhận dạng đường hầm gia công được sử dụng bằng sóng siêu âm Phương pháp này

do bộ phận kỹ thuật trường đại học Tổng hợp Tokyo và hãng Mitsubishi Electric Corporation - Nhật bản nghiên cứu phát triển

+ Xung định hình với hai điện cực quay là phương pháp sử dụng một điện cực

quay để ăn mòn một phôi quay, tạo ra những hình dạng chi tiết khác nhau khi phối hợp các vị trí tương đối giữa hai điện cực cũng như vận tốc góc của điện cực và phôi Bằng cách giữ tốc độ góc của hai trục trùng nhau, các nhà phát triển phương pháp này cho rằng độ chính xác gia công đường spiral với sai số đường kính nhỏ hơn 0.0004mm, độ không tròn nhỏ hơn 0.002mm và độ nhám Ra đạt được 0.063àm Nhằm có được những nghiên cứu về bản chất của công nghệ gia công bằng tia lửa điện, trong khuôn khổ đề tài này tác giả chỉ nêu tổng quan phương pháp gia công bằng tia lửa điện là phương pháp xung định hình (EDM)

1.2.1- Gia công xung định hình

Gia công tia lửa điện dùng điện cực “định hình”, có hình không gian bất kỳ,

in hình âm bản của điện cực dụng cụ vào phôi trong quá trình gia công tạo thành

một lòng khuôn được gọi là phương pháp xung định hình (EDM)

Đặc tính điện của sự phóng tia lửa điện

Sơ đồ hình 1.1 dưới đây cho ta thấy diễn biến của điện áp và dòng điện ở một

máy xung định hình, được sinh ra bởi một máy phát tĩnh, trong những khoảng thời gian xác định của một chu kỳ xung

Đây là đồ thị điển hình của chu kỳ xung trong gia công tia lửa điện, đặc điểm của đồ thị này là dòng điện Ie của xung bao giờ cũng xuất hiện trễ hơn một khoảng thời gian td (độ trễ đánh lửa) so với thời điểm bắt đầu có điện áp máy phát Ui , Ue và

Ie là các giá trị trung bình của điện áp và dòng điện khi xảy ra phóng tia lửa điện

Đặc tính điện là các thông số điều chỉnh quan trọng trong quá trình gia công bằng phương pháp xung định hình, bao gồm:

1.2.1.1- Điện áp đánh lửa U z : điện áp cần thiết để dẫn đến sự phóng tia lửa điện là

điện áp đặt giữa phôi và điện cực dụng cụ khi máy phát đóng điện Tia lửa điện phóng và khe hở phóng điện là hàm số tỉ lệ thuận của Uz

1.2.1.2- Thời gian đánh lửa trễ t d: là khoảng thời gian từ lúc đóng điện máy phát đến khi có sự phóng tia lửa điện, trong thời gian ( td) này điện áp duy trì ở mức Uz và dòng bằng zero

1.2.1.3- Điện áp phóng tia lửa điện Ue: khi bắt đầu phóng tia lửa điện, điện áp sụt từ

Uz xuống Ue và là giá trị trung bình trong suốt thời gian phóng tia lửa điện Ue là hằng số vật lí phụ thuộc cặp vật liệu phôi- điện cực, là giá trị không điều chỉnh được

1.2.1.4- Dòng phóng tia lửa điện Ie: là giá trị trung bình của dòng từ khi bắt đầu phóng tia lửa điện đến khi ngắt điện Khi bắt đầu phóng tia lửa điện, dòng điện từ

te: Thời gian kéo dài xung

t d : Thời gian trễ đánh lửa

ti: Thời gian kéo dài xung máy phát

t o : khoảng cách xung

tp : Chu kỳ xung

Ui: điện áp mở máy Ue: điện áp phóng tia lửa điện Ie: dòng phóng tia lửa điện

Hình1.1-Xung điển hình trong gia công EDM

zero tăng nhanh đến giá trị Ie kèm theo sự đốt cháy Ie ảnh hưởng lớn nhất đến lượng bóc tách vật liệu (Vw) , độ mòn điện cực (Vo) và chất lượng bề mặt gia công (Ra) Vw

và Ra tỉ lệ thuận với Ie còn Vo thì ngược lại

1.2.1.5- Thời gian phóng tia lửa điện te: là khoảng thời gian từ khi bắt đầu phóng tia lửa điện đến khi ngắt điện Trong thời gian này dòng điện bằng Ie

1.2.1.6- Thời gian xung ti: là khoảng thời gian giữa lần đóng và ngắt của máy phát trong cùng một chu kỳ phóng tia lửa điện ti là tổng của thời gian trễ đánh tia lửa

điện td và thời gian phóng tia lửa điện te xung kế tiếp

1.2.1.7- Khoảng cách xung t0: là khoảng thời gian nghỉ của máy phát, thể hiện khoảng không điện giữa hai chu kỳ xung kế tiếp

Đến nay đã có rất nhiều nghiên cứu và thực nghiệm đưa ra mối quan hệ giữa các đại lượng công nghệ và các kết luận về sự ảnh hưởng của các đại lượng điện đến chất lượng bề mặt gia công như : Trong cùng điều kiện công nghệ gia công (cặp vật liệu điện cực-phôi, chất điện môi, dòng chảy, cách đấu điện cực) thì lượng tách vật liệu phôi (Vw ) tỉ lệ thuận với điện áp Ue, dòng Ie và thời gian phóng tia lửa điện te ;

Độ mòn điện cực (VE) thì ngược lại Và độ nhám bề mặt gia công (Ra) tỉ lệ thuận với Ie , còn thời gian xung ảnh hưởng đến tốc độ tách vật liệu, mòn điện cực và chất lượng bề mặt gia công

Điện cực

Phôi

C R

Hình 2.1: Sơ đồ nguyên lý gia công tia lửa điện

Chương 2 nghiên cứu bản chất của phương pháp gia công tia lửa điện

2.1- Bản chất vật lý và cơ chế hớt kim loại bằng tia lửa điện

Gia công bằng tia lửa điện được xếp vào nhóm gia công vật liệu nhờ nhiệt và

được định nghĩa là “hớt vật liệu nhờ tia lửa điện” Nguyên lý gia công bằng tia lửa

điện được mô tả như trên hình 2.1 Ngay từ khi bắt đầu hình thành phương pháp gia công tia lửa điện, đã có nhiều mô hình và lí thuyết mô tả cơ chế hớt kim loại được phát triển

Đến nay bản chất vật lí của hiện tượng này vẫn được công nhận là một quá trình bóc tách với 3 giai đoạn: đánh lửa ; hình thành kênh phóng điện ; nóng chảy và bốc hơi vật liệu Chi tiết hơn, người ta chia quá trình phóng tia lửa điện thành 4 giai

đoạn: ion hoá ; hình thành kênh phóng điện, mở rộng kênh , nóng chảy và bốc hơi vật liệu ứng với 4 pha mô tả sự tương quan giữa điện áp và dòng điện trong một chu

kì xung phóng điện, được thể hiện trên hình 2.2 Như vậy, khi đặt một điện áp đánh

lửa Ui vào cặp điện cực- phôi, áp chúng lại gần nhau trong môi trường chất điện môi

đến khoảng khe hở đánh lửa sẽ có sự phóng tia lửa điện, khi đó một dòng điện Ie

thời, kèm theo là sự bóc tách vật liệu điện cực

Hiện tượng vật lí của quá trình này được giải thích như sau:

Pha I: Dưới ảnh hưởng của điện trường sinh ra bởi điện áp tại đôi cực, từ cực

âm (catốt) bắt đầu phát ra các điện tử, chúng bị hút về cực dương Trong vùng khe

hở làm việc đủ nhỏ, tại những vị trí đỉnh nhấp nhô gần nhau nhất của đôi điện cực, chất điện môi bị ion hoá, hình thành dòng in on, di chuyển trong dung dịch điện môi Dòng điện trong pha này rất nhỏ, thường dưới 1àA Khoảng thời gian kéo dài pha I được gọi là thời gian trễ đánh lửa td , nó phụ thuộc không chỉ vào các tác động của tham số điện để ion hoá mà còn phụ thuộc vào sự phân cực của cặp điện cực

Pha II: Khi dòng điện tăng, dòng di chuyển ion tăng tốc, va chạm nhau dẫn đến

sinh ra các ion, các điện tử mới Sự va đập của các ion, sự di chuyển điện tử đến

điện cực dương, các ion đến điện cực âm hình thành một kênh plasma (là một hỗn hợp, trong đó điện tử và ion dương chiếm 2% lượng nguyên tử đã được ion hoá, còn lại là nguyên tử trung gian) nối liền hai điện cực Trong điều kiện phóng tia lửa điện tối ưu, pha này tồn tại trong khoảng 10- 8 đến 10- 6 giây Tại pha này đã có sự chuyển

đổi điện năng thành nhiệt năng, làm bốc hơi cục bộ chất điện môi tạo nên các bong bóng hơi áp suất trong bong bóng hơi đẩy chất lỏng điện môi sang hai bên, nhưng

độ nhớt của chất điện môi cản lại đã hạn chế sự lớn lên của kênh plasma Sự va chạm của điện tử lên cực dương và ion dương lên cực âm làm nóng chảy các phần tử vật liệu điện cực hình thành sự bóc tách vật liệu điện cực, tuy rất mỏng chỉ khoảng 5ữ10 àm Sự chuyển tải tại pha này được thực hiện bởi các điện tử

Pha III: Kênh plasma được mở rộng và hình thành hoàn chỉnh Khi ấy sự truyền

năng lượng giữa điện cực dụng cụ và phôi dưới áp suất cao và nhiệt độ cực lớn làm nóng chảy vật liệu điện cực tương ứng Năng lượng này được xác định thông qua dòng phóng tia lửa điện I e , thời gian phóng tia lửa điện te và điện áp qua khe hở phóng tia lửa điện Ue

Pha IV: Khi ngắt điện, kênh phóng điện biến mất, áp suất cũng đột ngột không

còn, các búi khí hơi nổ tung khiến các phần tử vật liệu nóng chảy của điện cực bất

mở rộng kênh phóng điện

nổ túi khí và bóc tách

Thời gian

Thời gian

U e Dòng điện

Điện áp

Hình 2.2- Thể hiện các pha phóng tia lửa điện

Chu kỳ phóng tia lửa điện, để lại “vết “ bóc tách vật liệu điện cực có thể tóm tắt thông qua các đại lượng điện như sau: tại thời gian trễ đánh lửa td, trường điện từ là lớn nhất (max) Nó đóng vai trò quan trọng trong việc ion hoá chất điện môi, hình thành kênh phóng điện Sự phóng điện thực hiện trong thời gian te (từ một vài às đến vài trăm às) thuộc pha 2 và 3 (có nhiều tác giả coi đây là cùng một pha) làm kim loại nóng chảy Tổng của td và te gọi là thời gian xung ti Dòng sục chất điện môi vận chuyển phoi ra khỏi vùng khe hở phóng điện trong thời gian ngắt xung to Chu kì xung tp (= td+te+to ) được lặp lại cho đến khi gia công xong chi tiết yêu cầu

Diễn biến trong quá trình hình thành và phóng tia lửa điện rất phức tạp, đến nay vẫn được coi là chưa rõ ràng Những nghiên cứu lí thuyết để miêu tả qúa trình vật lí trong một chu kì xung đơn được biết đến từ thời kì đầu là: “lí thuyết nhiệt” , sau đó

là “ Lí thuyết- trường phát điện tử” và tiếp theo là một số mô hình về quá trình phóng tia lửa điện được xây dựng

Các nghiên cứu ở đây thường được xây dựng cho cặp điện cực cụ thể Nhận xét chung của các nghiên cứu trên là: tại vùng lân cận các điện cực, plasma có nhiệt độ rất cao từ 6.000 ữ10.0000C, tốc độ của dòng chuyển dịch điện tử và ion phụ thuộc vào năng lượng điện và đặc tính của chất điện môi, có thể đạt đến 1000m/s Quán tính cơ của chất điện môi đã cản trở sự bành trướng của kênh Plasma làm cho áp suất trong kênh có thể lớn hơn 100 Mpa

Khoảng không của kênh Plasma càng hẹp thì mật độ năng lượng càng tăng (lượng hớt vật liệu tỉ lệ thuận với độ nhớt động học và tỉ lệ nghịch với điện trở dẫn suất của chất điện môi) Đồng thời với sự phát triển kênh Plasma theo thời gian có sự chuyển

đổi năng lượng điện thành nhiệt năng taị các điểm gọi là “nguồn nhiệt” Các điện tử cận Anôt di chuyển, dẫn nhiệt tới làm nóng chảy và bốc hơi vật liệu Các Ion dương hướng đến catốt, nung nóng điểm vuông góc của catốt thuộc kênh Plasma Tuy nhiên, do khối lượng của ion dương cao hơn điện tử khoảng 103 lần, nên chúng sẽ tới catốt chậm hơn là điện tử tới anốt Sự cơ động khác nhau của vật mang nhiệt dẫn

đến sự phân nhiệt khác nhau tại catốt và anôt, lúc này cực dương nóng chảy rất mạnh

Sau đó lượng ion dương tăng nhanh trong luồng di chuyển tổng Chỉ trong khoảng thời gian ngắn, tỉ lệ chia nhiệt đã trở nên cân bằng và với sự kéo dài thời gian phóng tia, ion dương gây nóng chảy và bốc hơi vật liệu catốt Phân chia nhiệt theo thời gian xung liên quan đến lượng hớt vật liệu điện cực catôt và anôt được thể

hiện trên hình 2.3

Kết thúc pha phóng điện, sự mất điện đột ngột đồng thời với sự tụt áp tạo chênh lệch làm vỡ kênh Plasma và các túi khí Lúc này lực và áp lực tạo nên bởi sự phá

vỡ nội lực của các kênh plasma làm bung các phần tử kim loại nóng chảy khỏi “hốc”

bề mặt nền Lượng vật liệu bị hớt đi trên bề mặt của các điện cực phụ thuộc chính vào quá trình chuyển đổi năng lượng nhiệt và cơ thẩm nhiệt Bên cạnh quá trình nóng chảy và bốc hơi vật liệu, sự phóng tia lửa điện còn gây nên ứng suất cảm ứng

nhiệt, có thể phân biệt với hai dạng: ứng suất cảm ứng vì nhiệt và ứng suất cảm ứng sinh ra trong các pha vật liệu do hệ số giãn nở khác nhau của các thành phần vật liệu

_Cực dụng cụ: Đồng _Điện cực phôi: Thép _Dòng phóng tia: 10A _Chất điện môi: dầu

Hình 2.3-tỷ lệ bóc tách vật liệu ở anốt và Katốt trong thời gian xung

Các ứng suất này là nguyên nhân góp phần gây ra nứt lớp bề mặt cũng như bóc tách vật liệu

Giả thiết cho rằng trong quá trình phóng tia lửa điện , một số nguồn nhiệt bị phân rã , trong khi một số mới được hình thành

Các công trình nghiên cứu đã xây dựng mô hình vật lí hoặc mô hình toán học hoặc cả hai loại mô hình trên cơ sở lí thuyết truyền nhiệt và đưa ra kết quả thí nghiệm cho cặp điện cực dụng cụ (cực dương)

– phôi thép (cực âm) Thông qua kết quả giải phương trình

vi phân truyền nhiệt không tuyến tính và phổ plasma phóng tia lửa điện đã kết luận rằng: các kênh plasma phụ thuộc vào vật liệu điện cực dụng cụ, xẩy ra đồng thời tại nhiều vị trí và tạo nên nhiều “lỗ ăn mòn” trên cực âm Một số kết quả nghiên cứu

Hình 2.4- Cơ chế hớt kim loại bằng tia

được thể hiện đưới dạng đồ thị hiệu

suất năng lượng của quá trình nóng

chảy và bốc hơi của các nguồn năng

lượng khác nhau

– phôi thép (cực âm) Thông qua

kết quả giải phương trình

vi phân truyền nhiệt không tuyến

tính và phổ plasma phóng tia lửa

điện đã kết luận rằng: các kênh

plasma phụ thuộc vào vật liệu điện

cực dụng cụ, xẩy ra đồng thời tại nhiều vị trí và tạo nên nhiều “lỗ ăn mòn” trên cực

âm Một số kết quả nghiên cứu được thể hiện đưới dạng đồ thị hiệu suất năng lượng của quá trình nóng chảy và bốc hơi của các nguồn năng lượng khác nhau

Bằng các thí nghiệm của mình Jerzy Kozak đã đo kích thước của “ lỗ ăn mòn ”

và so sánh với kết quả theo tính toán lý thuyết, ông đã hình thành một giả thiết khác

về cơ chế và tiến trình ăn mòn tia lửa điện Tác giả cho rằng trong quá trình phóng tia lửa điện có đến 60 % kích thước “lỗ” bị điền lại bởi vật liệu đã nóng chảy kết tinh trở lại Cơ chế bóc tách kim loại tương ứng với các pha trong gia công bằng tia

lửa điện theo quan điểm của Ông được thể hiện trong hình 2.4

2.2- Thiết bị và hệ điều khiển gia công tia lửa điện

Thông thường một máy EDM gồm 3 phần chính: phần máy công cụ, hệ thống

tủ điện và điều khiển điện tử, cụm cung cấp dung dịch chất điện môi

a-) Phần máy công cụ của máy xung định hình có kết cấu gồm: bàn trượt đứng (dịch chuyển điện cực dụng cụ), bàn trượt theo hai phương ngang (dịch chuyển điện cực phôi) Mỗi phương trượt được trang bị một động cơ riêng Một số máy xung được phát triển để có thể xung định hình với chuyển động hành tinh

b-) Cụm cung cấp dung dịch chất điện môi, bao gồm hệ thống bơm cấp và bơm tuần hoàn chất điện môi, hệ thống sục rửa, hệ thống lọc và hệ thống làm mát dung dịch Những thành phần của cụm cung cấp dung dịch chất điện môi tham gia trong quá

lại nhờ hệ điều khiển CNC Hệ thống cung cấp dung dịch chất điện môi không mang

đặc điểm riêng biệt của quá trình gia công tia lửa điện ngoại trừ hệ thống sục rửa Vì vậy hệ thống sục rửa chất điện môi đóng vai trò trọng tâm cho các nghiên cứu, phát triển của cụm này

c-) Phần hệ thống tủ điện và điều khiển điện tử bao gồm các bộ phận như: máy phát xung, các hệ thống truyền động, hệ thống điều khiển chuyển động, điều khiển hệ thống tuần hoàn dung dịch chất điện môi và đặc biệt là hệ thống điều khiển phối hợp

- bộ điều khiển CNC

2.2.1- Máy phát xung : Nhiệm vụ chính của máy phát xung là cung cấp năng lượng

công tác cho quá trình gia công với điện áp thấp (45-300V) Máy phát xung phải có khả năng đóng/ngắt điện nhanh để tao ra xung điện Những thông số quan trọng của quá trình xung do máy phát tạo ra là: ti - thời gian xung , to – thời gian ngắt đến lần xung tiếp theo, ie - dòng điện trung bình, Ui- điện áp không tải của xung đơn Giá trị

đầu ra của các đại lượng điện thuộc tia lửa điện phụ thuộc vào kết cấu và sự điều khiển của máy phát xung, vào khả năng đóng ngắt của máy

2.2.2- Hệ thống dịch chuyển điện cực: Các máy EDM trước đây thường sử dụng hệ

thống dịch chuyển cơ khí - thuỷ lực - điện , ngày nay chúng được thay thế bởi các loại động cơ một chiều hoặc động cơ điều khiển servo, dễ điều khiển NC hoặc CNC Trong quá trình gia công, bước tiến điện cực được thực hiện với tốc độ không

cố định Điều quan trọng là chúng phải đảm bảo được khe hở phóng điện tối ưu Do

đó hệ thống điều khiển dịch chuyển điện cực phải đảm bảo chức năng sao cho việc cung cấp điện nguồn thích hợp với sự tiến lùi của điện cực, tức đảm bảo điều khiển thích nghi Tham số để điều khiển thường là Ue (điện áp trung bình phóng tia lửa

điện) Hệ điều khiển điện tử phải biết chính xác điện áp phóng điện (tức điện áp khe hở) nào tương ứng với một khe hở rộng bao nhiêu là tối ưu Trong quá trình gia công, khe hở luôn được giữ tại điện áp không đổi Khi điện áp tăng lên hoặc giảm xuống, hệ thống xử lí điện tử nhận biết khoảng khe hở đã trở nên rộng hơn hoặc hẹp hơn , nó điều khiển động cơ servo để hạ hoặc nâng điện cực dụng cụ lên nhằm duy trì khe hở phóng điện Bên cạnh đó hệ thống điều khiển dịch chuyển điện cực phải

có khả năng điều khiển cả quá trình gia công nhằm thay đổi các tham số để gia công

từ thô cho đến gia công tinh

2.3- Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình gia công tia lửa điện

2.3.1 Các yếu tố có điều khiển

2.3.1.1 - Các đại lượng điện (Hình 1.1)

Khác với những phương pháp gia công cắt gọt tuyền thống, bên cạnh các tham số công nghệ như vật liệu cặp điện cực, sự đấu cực, điều kiện dòng chảy của chất điện môi …thì tham số điều khiển về xung như thời gian, điện áp, dòng xung (ie) đóng vai trò rất quan trọng trong gia công tia lửa điện, đặc biệt ảnh hưởng trực tiếp đến chất lượng bề mặt gia công Hàng loạt tài liệu nghiên cứu đưa ra các kết luận đã trở thành kiến thức cơ bản về gia công tia lửa điện, như điện áp xung Ue có tác động đến lượng bóc tách vật liệu, là hằng số vật lý phụ thuộc vào cặp vật liệu

điện cực phôi Dòng xung |e ảnh hưởng lớn nhất đến lượng hớt vật liệu phôi, độ mòn điện cực và chất lượng bề mặt gia công Trong mối quan hệ với lượng bóc tách vật liệu Ie càng lớn thì lượng hớt vật liệu VW càng lớn, độ nhám gia công càng tăng

và độ mòn điện cực càng giảm Giá trị trung bình Ie có thể đọc trên bảng điều khiển

điện trong suốt quá trình gia công ở một số máy xung định hình, Ie thường được thể hiện theo bước dòng điện Phụ thuộc vào kiểu máy, Ie được điều chỉnh theo 18 hoặc

21 bước, xác định tương đương với 0,5A ữ 80A, trong đó các bước nhỏ được chọn

để gia công tinh, lớn để gia công thô

Thời gian xung và khoảng ngắt xung ti và to cũng là những tham số điều khiển

có ảnh hưởng đáng kể đến chất lượng bề mặt gia công Vấn đề là thời gian xung ti lớn thì có lợi cho năng suất do lượng hớt vật liệu cao, tuy nhiên bề mặt gia công lại thô (tương tự xẩy ra với to nhỏ) Ngoài ra, nếu khoảng ngắt xung to quá nhỏ, có thể chất điện môi sẽ không đủ thời gian để thôi ô xi hoá, phần tử vật liệu bóc tách do

điện và nhiệt không kịp được đẩy ra khỏi vùng khe hở, điều đó có thể gây nên các lỗi phóng điện như ngắn mạch, hồ quang, các lỗ gia công bị ngậm xỉ vv

Về mối quan hệ thời gian xung /khoảng ngắt, tỉ lệ ti/to ≈10 phù hợp cho gia công thô, ≈ 5 ữ10 cho gia công tinh và <1 cho bề mặt siêu tinh Tài liệu sử dụng

xung với thời gian chu kì xung ti/tp) bằng 0.5 và chỉ ra rằng nếu chọn cao (tức to nhỏ) sẽ gây nên khả năng ngắn mạch khi xung điện Đồng thời đã lập thành bảng kết quả thí nghiệm về lượng bóc tách kim loại MRR (inch3), độ mài mòn điện cực (%) cho một số hệ số công suất

Dưới đây ta nghiên cứu sâu hơn về sự ảnh hưởng của từng thông số công nghệ

đến chất lượng bề mặt và năng suất gia công

• Điện áp đánh lửa U i : là điện áp cần thiết để dẫn tới sự phóng tia lửa điện.Ui là

điện áp cung cấp cho điện cực và phôi khi máy phát được đóng điện, gây ra sự phóng tia lửa điện để đốt cháy vật liệu Điện áp đánh lửa Ui càng lớn thì thời gian phóng điện càng nhanh và cho phép khe hở phóng điện càng lớn

• Thời gian trễ đánh lửa t d : là thời gian giữa lúc đóng điện máy phát và lúc xảy

ra phóng tia lửa điện Ngay khi đóng điện máy phát, chưa xảy ra hiện tượng phóng

điện Điện áp được duy trì ở giá trị của điện áp đánh lửa Ui, dòng điện bằng 0 Sau một thời gian trễ td mới xảy ra sự phóng tia lửa điện, dòng điện từ giá trị 0 vọt lên Ie

• Điện áp phóng tia lửa điện U e : khi bắt đầu xảy ra phóng tia lửa điện thì điện áp

tụt xuống từ Ui đến Ue Đây là điện áp trung bình trong suốt thời gian phóng tia lửa

điện Ue là một hằng số vật lý phụ thuộc vào cặp vật liệu điện cực/phôi Ue không

điều chỉnh được

• Dòng phóng tia lửa điện I e : là giá trị trung bình của dòng điện từ khi bắt đầu

phóng tia lửa điện đến khi ngắt điện Khi bắt đầu phóng tia lửa điện dòng điện tăng lên từ 0 đến giá trị Ie, kèm theo sự đốt cháy và bốc hơi vật liệu Ie ảnh hưởng lớn nhất

đến lượng hớt vật liệu, độ mòn điện cực và chất lượng bề mặt gia công Ie càng lớn thì lượng hớt vật liệu càng lớn, độ nhám bề mặt càng lớn nhưng độ mòn điện cực giảm

• Độ mòn tương đối của điện cực:

Độ mòn tương đối của điện cực được định nghĩa là θ = Vo/Vw

Trong đó: Vo: thể tích vật liệu bị hớt ở điện cực

Vw: thể tích vật liệu phôi bị hớt đi

50

500 1000

100

10 5 10 100

sinh ra nhiệt lượng lớn và gây mòn

điện cực nhanh hơn Do đó, gia

công bề mặt nhỏ ta chọn dòng điện

nhỏ và ngược lại

Như vậy, khi gia công chỉ có một

điện cực cần phải chú ý lựa chọn

dòng điện xung phù hợp nhằm đạt

được lượng hớt vật liệu lớn nhất trong khi vẫn duy trì độ nhẵn bóng và độ mòn điện cực trong giới hạn yêu cầu

• Độ kéo dài xung t i : là khoảng thời gian giữa hai lần đóng ngắt của máy phát

trong cùng một chu kỳ phóng tia lửa điện Nó bằng thời gian trễ (td) và thời gian phóng tia lửa điện te :

Độ kéo dài xung ti ảnh hưởng đến nhiều yếu tố quan trọng có liên quan trực tiếp

đến chất lượng và năng suất gia công , bao gồm:

+ t i ảnh hưởng lớn đến lượng hớt vật liệu: thực nghiệm cho thấy khi giữ nguyên

dòng điện Ie và khoảng cách xung to, nếu tăng ti thì ban đầu Vw tăng nhưng chỉ tăng

đến giá trị cực đại ở ti nhất định nào đó sau đó Vw giảm đi, nếu vẫn tiếp tục tăng ti thì năng lượng phóng điện không còn được sử dụng thêm nữa để hớt vật liệu phôi

mà nó lại làm tăng nhiệt độ của các điện cực và dung dịch điện môi (hình 2.5)

+ t i và độ mòn điện cực: Độ mòn θ của điện cực sẽ giảm đi khi tăng ti thậm chí

cả sau khi đạt lượng hớt vật liệu cực đại (hình 2.6) Nguyên nhân do mật độ điện tử

tập trung ở bề mặt phôi (cực dương) cao hơn nhiều lần so với mật độ iôn dương tập trung tới bề mặt dụng cụ (cực âm), trong khi mức độ tăng của dòng điện lại rất lớn

Đặc biệt là dòng iôn dương chỉ đạt tới cực (+) trong những às đầu tiên mà thôi Do vậy mà θ ngày càng giảm

+ t i và độ nhám bề mặt: khi tăng ti thì độ nhám Rmax cũng tăng do tác dụng của dòng điện được duy trì lâu hơn làm cho lượng hớt vật liệu tăng lên ở một vị trí và làm cho Rmax tăng lên (hình 2.7)

• Khoảng cách xung t o : là thời gian giữa hai lần ngắt-đóng của máy phát xung

thuộc 2 chu kỳ phóng tia lửa điện kế tiếp nhau, to còn được gọi là độ kéo dài nghỉ của xung

Cùng với tỉ lệ ti/to, to có ảnh hưởng rất lớn đến lượng hớt vật liệu Khoảng cách

to càng lớn thì lượng hớt vật liệu Vw càng nhỏ và ngược lại , hình 2.8

Phải chọn to nhỏ như có thể được nhằm đạt một lượng hớt vật liệu tối đa Nhưng ngược lại khoảng cách xung to phải đủ lớn để có đủ thời gian thôi iôn hoá chất điện môi trong khe hở phóng điện Nhờ đó sẽ tránh được lỗi của quá trình như tạo hồ quang hoặc dòng ngắn mạch Cũng trong thời gian nghỉ của các xung điện, dòng chảy sẽ đẩy các vật liệu đã bị ăn mòn ra khỏi khe hở phóng điện

100

t i

75 100 125

Rz

Hình 2.6 : Mối quan hệ giữa θ & ti Hình 2.7: Mối quan hệ giữa R max & ti

Hình 2.8: ảnh hưởng của t 0 đến năng suất

Do đó, tuỳ thuộc vào kiểu máy và mục đích gia công cụ thể mà người ta lựa chọn to, ti phù hợp thông qua việc lựa chọn tỉ lệ giữa thời gian xung và thời gian nghỉ ti/to , cụ thể như sau :

+ Khi gia công rất thô chọn : ti/to > 10

+ Khi gia công thô chọn : ti/to = 10

+ Khi gia công tinh chọn : ti/to = 5 ữ 10

+ Khi gia công rất tinh chọn : ti/to < 5

2.3.1.2- ảnh hưởng của khe hở phóng điện δ:

Điện áp phóng tia lửa điện Ue được xác định theo biểu thức sau:

1

RC T

Trong đó : + T1 - thời gian tích điện (s) của tụ điện

+ C - điện dung của tụ điện

• Nếu δ nhỏ thì Uemax cũng nhỏ nên tần số xung lớn, bởi vì ta có quan hệ:

C U

I RC

f

e.

1 =

Do tần số f tăng cho nên thời gian phóng tia lửa điện te nhỏ

Như vậy, δ nhỏ dẫn đến Ue giảm và te giảm , cho dù Ie có lớn thì năng lượng tích luỹ trong xung điện We (năng lượng tách vật liệu) vẫn nhỏ

Ta có được quan hệ sau:

điều đó dẫn đến năng suất cũng bị thấp

• Nếu δ lớn thì Uemax lớn dẫn đến f nhỏ Nhưng theo đồ thị dưới đây thì dòng điện

Ie cũng nhỏ làm cho năng suất vẫn thấp Như vậy, việc chọn δtối ưu sao cho sự phóng tia lửa điện diễn ra đều đặn để có được một năng suất gia công phù hợp là rất cần

thiết (hình 2.9)

- C«ng suÊt gia c«ng: Nc = ∫1

0 1

.

1 T

e It dt U

T1

e1

∫ − − −

= 1

1 1

0 1

) 1 (

. T

RC T RC

T z

i

T

I U

1 ln(

1ln(

Đồ thị hình 2.10 - cho ta mối quan hệ

giữa η và ap trong gia công tia lửa điện,

qua đồ thị trên ta nhận thấy ap đạt max khi

η= 0,6 ữ 0,8 Vì vậy phải điều chỉnh

khoảng cách điện cực phù hợp với trị số η

trên và bộ phận điều khiển phải giữ được δ ổn định trong khoảng cách đó

2.3.1.3- ảnh hưởng của điện dung C

Biểu đồ hình 2.11 mô tả ảnh hưởng của điện dung C , trong đó chỉ ra rằng khi

điện áp tối ưu Uopt = 0.7Ui sẽ đạt được một lượng hớt vật liệu lớn nhất đồng thời lượng mòn điện cực là nhỏ nhất

Khi giữ Uopt = const và thay đổi điện dung C ta xác định được điện dung giới hạn Cgh Nếu C < Cgh sẽ gây ra hiện tượng hồ quang làm giảm năng suất gia công

2.3.1.4 - ảnh hưởng của diện tích vùng gia công F

V D

U , f

, f

Hồ quang

f VD

Hình 2.11 - ảnh hưởng của điện dung C.

Theo đồ thị hình 2.12

sau đoạn tăng lên gần như

tuyến tính của Vo , khi diện tích đạt giá trị tới hạn Fgh thì đến đoạn Vo giảm dần Lý

do là khi đã quá Fgh thì cũng có nghĩa là vượt quá dòng điện tới hạn Khi đó việc lấy phoi ra khỏi vùng khe hở điện cực trở nên khó khăn hơn Điều này đã ảnh hưởng đến năng suất gia công tia lửa điện

2.3.2- Các yếu tố liên quan trong quá trình gia công tia lửa điện

2.3.2.1- Độ nhám bề mặt

Độ nhám đầu tiên phụ thuộc vào năng lượng của một lần phóng điện, một phần

điện tích của tụ tạo ra vết lõm, do vậy thể tích của vết lõm tỉ lệ với năng lượng phóng ra của tụ:

C.U

2

1

U: là điện áp giữa 2 điện cực C: là điện dung của tụ

Trong đó: K là hệ số phụ thuộc vào vật liệu và điều kiện gia công

Giả sử V tỉ lệ với lập phương của chiều sâu (R) thì :

3 1 3

1 3 2 2 3

K

Từ thực nghiệm ta có mối quan hệ giữa U, C, và Rz như đồ thị hình 2.13 dưới

đây Đồ thị phản ánh đúng biểu thức trên, ta nhận thấy muốn đạt Rz nhỏ thì phải

Bằng lý thuyết cũng như thực nghiệm, người ta chứng minh được:

- Điện áp giữa hai điện cực tăng (δ tăng) thì độ nhám bề mặt Rz tăng

vật liệu ngoài cùng bị nguội nhanh

sau mỗi chu kỳ phóng tia lửa điện,

đó là nguyên nhân làm lớp này rất

cứng, lớp sát trong lớp này ở trong

điều kiện như được ram Sơ đồ

hình 2.15, chỉ ra mối liên hệ của

100

t i

75 100 125

Qua đó ta nhận thấy, khi gia công tinh độ cứng không thay đổi nhiều, tuy nhiên với gia công thô lớp ngoài cùng được ram và độ cứng giảm dần theo chiều sâu lớp bề mặt

Độ cứng lớp bề mặt sau khi gia công sẽ làm cho độ bền mòn tăng lên Tuy nhiên, độ bền mỏi giảm do số lượng các vết nứt tế vi trên bề mặt tăng trong quá trình làm nguội nhanh Bảng 2.1 chỉ ra sự so sánh của độ bền mỏi giữa phương pháp phay và phương pháp gia công bằng tia lửa điện

Bảng 2.1

Vật liệu

Titan

Thép không gỉ Nhôm

Độ bền mỏi tại nhiệt độ phòng (N/mm )21x105 2x105 3x105 4x1050

EDM Phay

Tính chất của lớp mỏng bề mặt không ảnh hưởng nhiều đến độ bền kéo của chi tiết gia công Cấu trúc vật lý của lớp vật liệu bề mặt đã bị thay đổi do tia lửa điện gây ra Tính chất hoá học cũng thay đổi Những thay đổi này đã làm tăng sự mài mòn của vật liệu

2.3.2.3- Lượng hớt vật liệu gia công

Lượng vật liệu được lấy đi sau một lần phóng tia lửa điện có thể được xác định bởi đường kính, chiều sâu vết lõm và nhiệt độ nóng chảy của vật liệu

Người ta đưa ra các giả thiết

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

và có đường kính 2a được 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 được giữ cách điện

4 Tốc độ nguồn nhiệt đầu vào được giữ không đổi trong thời gian phóng tia lửa

điện

5 Tính chất của vật liệu không đổi theo nhiệt độ

6 Sự bốc hơi của vật liệu được bỏ qua

Hình 2.16, mô tả nguồn nhiệt lý tưởng trong gia công xung điện

Ta có H là lượng 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

∂

θ

∂+

∂

θ

∂α

2

zrr

1r

H z

Hình 2.16 - Nguồn nhiệt lý tưởng trong EDM

d

Kat

H2

ưαξ

2

zerfceajaj

0

d d

z 1

Gọi z là chiều sâu nhiệt độ nóng chảy đạt tới, ta có:

θm =

d 2 d

tKa

tH2

azierfct

2

zierfc (2.16)

2 m tong

ta

zaHH

hc(z) - Chiều sâu vết lõm (cm)

Đồ thị hình 2.17 mô tả giá trị lý thuyết của z phụ thuộc vào td, với vật liệu làm

điện cực là Cu, Al, Zn, khi đường kính tia lửa không đổi: