Nghiên cứu ảnh hưởng của khe hở tới độ chính xác kích thước của

Trong những năm gần đây ngành cơ khí Việt Nam nói chung và các cơ sở công nghiệp quốc phòng nói riêng đều được đầu tư các máy gia công hiện đại điều khiển theo chương trình số NC, CNC nh

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi

Các số liệu, kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chƣa từng đƣợc ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác

Tác giả

Trần Đình Minh

MỤC LỤC

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT 5

DANH MỤC CÁC BẢNG 6

DANH MỤC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ 7

PHẦN MỞ ĐẦU 9

CHƯƠNG 1 : TỔNG QUAN VỀ PHƯƠNG PHÁP GIA CÔNG BẰNG TIA LỬA ĐIỆN 12

1.1.Lịch sử phương pháp 12

1.2 Phương pháp gia công tia lửa điện 12

1.2.1 Bản chất vật lý 12

1.2.2.Cơ chế bóc kim loại bằng gia công tia lửa điện 16

1.3.Đặc điểm và khả năng công nghệ của gia công tia lửa điện 17

1.3.1.Đặc điểm của phương pháp gia công tia lửa điện 17

1.3.2 Khả năng công nghệ của phương pháp gia công tia lửa điện 18

1.4 Các phương pháp gia công tia lửa điện 18

1.4.1.Phương pháp gia công xung định hình 18

1.4.2.Phương pháp gia công cắt dây tia lửa điện 19

1.4.3 Các phương pháp gia công tia lửa điện khác 21

1.5.Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình gia công tia lửa điện 23

1.5.1 Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình gia công tia lửa điện 23

1.5.2 Ảnh hưởng của khe hở phóng điện  28

1.5.3 Ảnh hưởng của điện dung C 30

1.5.4 Ảnh hưởng của diện tích gia công F 31

1.5.5 Ảnh hưởng của sự ăn mòn điện cực 31

1.5.6 Các hiện tượng xấu khi gia công tia lửa điện 32

1.5.7 Các yếu tố không điều khiển được 34

1.6 Chất điện môi trong gia công tia lửa điện 35

1.6.1 Nhiệm vụ của chất điện môi 35

1.6.2 Các loại chất điện môi 37

1.6.3 Các tiêu chuẩn đánh giá chất điện môi 37

1.6.4 Các loại dòng chảy chất điện môi và các lỗi của dòng chảy 39

1.6.5 Hệ thống lọc chất điện môi 41

CHƯƠNG 2: MÁY CẮT DÂY VÀ CÁC THÔNG SỐ ĐIỀU CHỈNH TRONG QUÁ TRÌNH GIA CÔNG 43

2.1.Giới thiệu máy cắt dây tia lửa điện 43

2.1.1.Công dụng của máy cắt dây 44

2.1.2.Ưu nhược điểm của phương pháp gia công cắt dây tia lửa điện 44

2.2 Độ chính xác khi gia công cắt dây tia lửa điện 45

2.3 Điện cực và vật liệu điện cực 49

2.3.1 Yêu cầu của vật liệu điện cực 49

2.3.2 Các loại dây điện cực 50

2.4 Sự thoát phoi trong cắt dây tia lửa điện 50

2.5 Nhám bề mặt khi cắt dây 51

2.6 Các thông số về điện trong điều khiển máy cắt dây tia lửa điện 52

2.6.1 Dòng phóng tia lửa điện Ie và bước của dòng điện 52

2.6.2 Độ kéo dài xung ti 52

2.6.3 Khoảng cách xung to 53

2.6.4 Điện áp đánh lửa Uz 53

2.6.5 Khe hở phóng điện 53

2.7 Lập trình gia công trên máy cắt dây 54

2.7.1 Các trục điều khiển và hệ tọa độ 54

2.7.2 Các chức năng “G” 55

CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ THÍ NGHIỆM VÀ XỬ LÝ SỐ LIỆU 67

3.1.Sơ đồ nghiên cứu quá trình cắt dây tia lửa điện 67

3.1.1.Các đại lượng đầu vào 68

3.1.2.Các đại lượng đầu ra 69

3.1.3.Các đại lượng cố định 69

3.1.4.Các đại lƣợng nhiễu 70

3.2.Vật liệu thí nghiệm 70

3.2.1.Mẫu tiến hành thí nghiệm 70

3.2.2.Vật liệu điện cực và chất điện môi 71

3.2.3.Các thông số cố định khác 72

3.3.Thiết bị thí nghiệm 72

3.4.Xây dựng mô hình toán học 74

3.5.Thiết kế thí nghiệm 75

3.6 Xử lý số liệu thực nghiệm 78

3.6.1 Vật liệu 3X13 ở chế độ chƣa qua xử lý nhiệt 78

3.6.2.Phân tích các mô hình toán học 79

KẾT LUẬN – KIẾN NGHỊ 82

TÀI LIỆU THAM KHẢO 84

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT

AEDG Abrasive Electrical Discharge Grinding

MWEDM Micro Wire Electrical Discharge Machining

DANH MỤC CÁC BẢNG

Bảng 2.1.Danh mục các mã G 56

Bảng 2.2.Danh mục các mã M 58

Bảng 2.3.Các lệnh dịch chuyển 62

Bảng 3.1 Bảng thông số kỹ thuật của máy cắt dây GS40B 72

Bảng 3.2.Tính năng kĩ thuật của máy Beyond crystaC544 73

Bảng 3.3.Đầu đo tay MH20I 73

Bảng 3.4.Cảm biến chạm TP-20 73

Bảng 3.5.Bảng mã hóa các điểm thực hiện thí nghiệm 76

Bảng 3.6.Bảng kết quả thí nghiệm: 77

Bảng 3.7.Bảng tính toán độ chính xác công thức thực nghiệm 81

DANH MỤC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ

Hình 1.1:Sơ đồ nguyên lý gia công tia lửa điện 12

Hình 1.2: Pha I - Sự đánh lửa 13

Hình 1.3: Pha II - Sự hình thành kênh phóng điện 13

Hình 1.4: Pha III - Sự hình thành và bốc hơi vật liệu 14

Hình 1.5: Đồ thị điện áp và dòng điện trong một xung phóng điện 15

Hình 1.6: Mối quan hệ giữa năng suất Vw và độ kéo dài xung ti 25

Hình 1.7: Mối quan hệ giữa độ mòn điên cực tương đối θ và độ kéo dài xung ti 26

Hình 1.8: Mối quan hệ giữa chiều cao nhấp nhô bề mặt Ra và độ kéo dài xung ti 26

Hình 1.9: Ảnh hưởng của độ kéo dài xung ti và khoảng cách xung t0 đến lượng hớt vật liệu 28

Hình 1.10: Mối quan hệ giữa hệ số công suất ap và hệ số điện tích η 30

Hình 1.11: Ảnh hưởng của điện dung C tới năng suất hớt vật liệu Vw 30

Hình 1.12: Ảnh hưởng của diện tích vùng gia công F đến năng suất Vw 31

Hình 1.13: Hiện tượng hồ quang điện 32

Hình 1.14: Hiện tượng ngắn mạch sụt áp 33

Hình 1.15: Hiện tượng xung mạch hở 34

Hình 1.16: Dòng chảy bên ngoài 39

Hình 1.17: Dòng chảy áp lực 40

Hình 2.1.Sơ đồ máy cắt dây 43

Hình 2.2.Sự cân bằng về lực khi cắt thẳng và sai số hình học khi cắt góc 48

Hình 2.3.Các trường hợp khó khăn đối với dòng chảy đồng trục 51

Hình 2.4.Khe hở phóng điện trong gia công cắt dây tia lửa điện 51

Hình 2.5.Khe hở phóng điện trong gia công cắt dây tia lửa điện 61

Hình 3.1.Khe hở A trong quá trình cắt dây tia lửa điện 67

Hình 3.2.Sơ đồ nghiên cứu quá trình cắt dây tia lửa điện bằng thực nghiệm 68 Hình 3.3.Mẫu tiến hành thí nghiệm 71 Hình 3.4.Đồ thị điện áp và dòng điện trong một xung phóng điện 75 Hình 3.5.Sơ đồ quy hoạch thực nghiệm với 3 thông số công nghệ (Ui, Ie, te) 77 Hình 3.6.Mối quan hệ giữa năng suất gia công V và U, I, t khi gia công thép 3X13 ở chế độ thường 79

PHẦN MỞ ĐẦU

1 Lý do chọn đề tài

Các chi tiết máy có độ chính xác, chất lượng bề mặt và độ bền cao là cơ

sở cho sự ra đời của các loại thiết bị máy móc, thiết bị hiện đại, chất lượng cao Tại Việt Nam trong những năm gần đây do có sự hòa nhập sâu rộng với nền kinh tế thế giới nên đòi hỏi các sản phẩm cơ khí phải đạt được các tiêu chuẩn quốc tế để đủ sức cạnh tranh trên thị trường Trong nền công nghiệp quốc phòng Việt Nam hiện nay việc sản xuất ra các sản phẩm vũ khí, khí tài đáp ứng yêu cầu chiến tranh hiện đại là một đòi hỏi tất yếu Máy móc thiết bị hiện đại đã được trang bị ở hầu hết các cơ sở sản xuất Việc chọn chế độ gia công hợp lý là một trong những yếu tố quan trọng để đảm bảo chất lượng và hạ giá thành sản phẩm

Những thông tin khoa học phần lớn mang tính lý thuyết và định hướng, để

có các thông tin mang tính định lượng, chi tiết cụ thể có thể áp dụng vào thực tế sản xuất của doanh nghiệp thì ta phải làm rất nhiều thí nghiệm, tốn nhiều thời gian và tiền bạc nên rất khó để các trung tâm nghiên cứu trong và ngoài nước công bố Hiện nay cũng có rất nhiều tài liệu, sổ tay với các số liệu từ các công trình nghiên cứu cũ nhưng không chứa đủ thông tin do điều kiện thí nghiệm khác xa với công nghệ hiện nay Để có đủ cơ sở dữ liệu mang tính định lượng về chế độ công nghệ có thể áp dụng trong sản xuất tại đơn vị thì cần thiết phải làm thực nghiệm với thiết bị công nghệ hiện có

Trong những năm gần đây ngành cơ khí Việt Nam nói chung và các cơ sở công nghiệp quốc phòng nói riêng đều được đầu tư các máy gia công hiện đại điều khiển theo chương trình số (NC, CNC) như máy tiện, máy phay, đặc biệt là công nghệ gia công bằng tia lửa điện …

Trong quá trình gia công cắt dây tia lửa điện, việc nghiên cứu ảnh hưởng của các thông số công nghệ: Điện áp U, cường độ dòng điện I, tần số F đến khe

hở mạch cắt có vai trò rất quan trọng, ảnh hưởng trực tiếp tới độ chính xác kích

thước gia công Nó liên quan đến chất lượng cũng như khả năng làm việc của sản phẩm

Xuất phát từ những đặc điểm tình hình trên tác giả chọn đề tài “ Nghiên

cứu ảnh hưởng của khe hở tới độ chính xác kích thước của quá trình cắt dây tia lửa điện”

2 Đối tượng nghiên cứu và phương pháp nghiên cứu

Đối tượng nghiên cứu của đề tài là quá trình cắt dây bằng tia lửa điện Đối tượng gia công là thép 3X13 có chiều dầy 10mm đã được nhiệt luyện độ cứng đạt 56- 60HRC Các thông số công nghệ được đặt theo các chế độ có trên thiết

bị, các kết quả được hiển thị trên máy tính của thiết bị và được đo kiểm tại phòng Kiểm nghiệm của công ty cơ khí 17

Thiết bị đo là thiết bị đo độ nhám của hãng Mitutoyo- Nhật Bản

Đề tài được thực hiện bằng phương pháp nghiên cứu lý thuyết kết hợp với thực nghiệm:

- Nghiên cứu cơ sở lý thuyết

- Tiến hành thí nghiệm và xử lý số liệu thí nghiệm

- Phân tích và đánh giá kết quả

3 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài

Để hoàn thành luận văn này tôi xin bầy tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới thầy giáo TS Nguyễn Chí Hưng về sự quan tâm, tận tình hướng dẫn và tạo mọi điều kiện để tôi nghiên cứu vào hoàn thành luận văn này

Tôi cũng chân thành cảm ơn Ban Giám đốc, Xí nghiệp 3- 17, Phòng Kiểm nghiệm công ty cơ khí 17- BQP, đã tạo điều kiện giúp đỡ cũng như cho phép tôi thực hiện các nghiên cứu và ứng dụng các kết quả đó vào thực tế sản xuất của công ty Rất mong các kết quả nghiên cứu này sẽ đóng góp một phần nhỏ trong việc nâng cao chất lượng, giảm giá thành sản phẩm của công ty tăng sức cạnh tranh trên thị trường

CHƯƠNG 1 : TỔNG QUAN VỀ PHƯƠNG PHÁP GIA CÔNG BẰNG TIA

LỬA ĐIỆN

1.1.Lịch sử phương pháp

Năm 1943, thông qua các nghiên cứu về tuổi bền của các thiết bị phóng điện, hai vợ chồng người Nga Lazarenko đã tìm ra phương pháp gia công bằng tia lửa điện Dưới tác dụng của tia lửa điện một lớp vật liệu trên bề mặt phôi sẽ bị lấy đi bởi quá trình điện – nhiệt thông qua sự nóng chảy và bốc hơi kim loại Quá trình hớt vật liệu trong gia công tia lửa điện liên quan đến khoảng cách khe hở phóng điện, kênh plasma, sự hình thành của cầu phóng điện giữa hai điện cực, sự ăn mòn của cả hai điện cực v.v… Các nghiên cứu về hiện tượng phóng điện của các nhà khoa học đã làm cho công nghệ gia công tia lửa điện có những bước phát triển lớn trong những năm gần đây và đã ra đời thêm một số phương pháp gia công “lai” theo phương pháp gia công tia lửa điện

1.2 Phương pháp gia công tia lửa điện

1.2.1 Bản chất vật lý

Thực chất của phương pháp gia công tia lửa điện là sự tách vật liệu ra khỏi bề mặt phôi nhờ năng lượng của quá trình phóng điện giữa hai điện cực Sơ đồ nguyên lý của phương pháp gia công bằng tia lửa điện được mô tả ở hình 1.1:

Hình 1.1:Sơ đồ nguyên lý gia công tia lửa điện

1

2

3

4 (-)

Quá trình tách vật liệu ra khỏi bề mặt phôi được hình thành như sau:

Một điện áp được đặt vào giữa điện cực và phôi, không gian giữa hai điện cực được điền đầy bằng một chất lỏng cách điện gọi là chất điện môi (Dielectric) Điện cực tiến lại gần phôi cho đến khi khoảng cách giữa chúng đạt đến một giá trị tới hạn nào đó thì xẩy ra hiện tượng phóng điện, một dòng điện được hình thành giữa hai điện cực mà không hề có sự tiếp xúc giữa hai điện cực Quá trình phóng điện đó đã tạo ra năng lượng làm nóng chảy rồi đốt cháy lớp vật liệu trên bề mặt phôi, tạo nên vết gia công Chu kỳ phóng điện diễn ra theo

ba pha như sau:

Pha I: Pha đánh lửa:

Điện áp khởi động giữa điện

cực và phôi (đóng điện áp máy

phát ui) Dưới sự tác động của

điện trường, từ cực âm (điện

cực) bắt đầu phát ra các điện tử

(electron) và chúng bị hút về

phía cực dương (phôi), mật độ

electron tăng gây ra tính dẫn điện cục bộ của dung dịch chất điện môi tại khe hở giữa hai điện cực Do bề mặt của điện cực và phôi không hoàn toàn phẳng nên điện trường sẽ mạnh nhất tại hai điểm trên điện cực và phôi có khoảng cách gần nhất Mặt khác do chất điện môi bị ion hoá nên một kênh phóng điện đột nhiên được hình thành và sự phóng tia

lửa điện bắt đầu xảy ra

Pha II: Sự hình thành kênh

Ở thời điểm phóng điện, điện áp bắt đầu giảm, số lượng các phần tử dẫn điện (các electron và các ion dương) tăng lên dữ dội và bắt đầu xuất hiện một dòng điện chạy qua các điện cực Dòng điện này cung cấp một năng lượng khổng lồ làm cho dung dịch điện môi bốc hơi cục bộ tạo ra bọt khí, áp suất trong các bong bóng hơi sẽ đẩy chất điện môi sang hai bên nhưng do chất điện môi có

độ nhớt nên đã tạo ra sự cản trở và hạn chế sự lớn lên của kênh phóng điện giữa các điện cực

Pha III: Sự nóng chảy và bốc hơi vật liệu:

Giữa hai điện

suất cao và nhiệt độ

cực lớn (áp suất khoảng 1 kbar và nhiệt độ khoảng 10.0000C) Khi kênh plasma được tạo thành đầy đủ thì điện áp qua khe hở giữa hai điện cực đạt tới giá trị của điện áp phóng điện Ue, Ue là hằng số phụ thuộc vào cặp vật liệu anot/catot Chất điện môi bao quanh kênh plasma và tạo ra một sự tập trung năng lượng cục bộ, mặt khác sự va chạm của các electron lên phôi và các ion dương lên điện cực làm nóng chảy và bốc hơi vật liệu trên bề mặt phôi và điện cực Sau khi diễn ra một xung, máy phát sẽ ngắt dòng điện Điện áp kênh phóng điện và áp suất bị ngắt đột ngột cho nên kim loại nóng chảy bị đẩy ra ngoài

Chu kỳ phóng tia lửa điện để lại các “vết” gia công trên phôi và có thể tóm tắt thông qua các đại lượng sau:

- td là thời gian trễ thuộc khoảng thời gian cho phép chất điện môi ion hoá

- te là thời gian thực hiện phóng điện (từ một vài đến vài trăm s) thuộc pha

II làm kim loại nóng chảy

Tổng thời gian ti = td + te là thời gian xung

Thời gian chất điện môi ngừng ion hóa và chuẩn bị cho chu kỳ phóng điện tiếp theo đƣợc gọi là thời gian ngắt xung t0 Chính trong thời gian ngắt xung t0

phoi đƣợc vận chuyển ra khỏi vùng khe hở phóng điện

Hình 1.5: Đồ thị điện áp và dòng điện trong một xung phóng điện

Trong đó:

- te là thời gian phóng tia lửa điện hay độ kéo dài xung

- td là thời gian trễ đánh lửa

- ti là độ kéo dài xung của máy phát xung

- t0 là khoảng cách giữa hai xung

- tp là chu kỳ xung

- Ui là điện áp ban đầu giữa hai điện cực

- Ue là điện áp phóng tia lửa điện

- Ie là dòng phóng tia lửa điện

Hình 1.5 biểu diễn diễn biến của điện áp và dòng điện ở một máy gia công tia lửa điện được sinh ra bởi một máy phát tĩnh trong một chu kỳ xung Đặc điểm của đồ thị này cho thấy dòng điện xung bao giờ cũng xuất hiện trễ hơn một khoảng thời gian td 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 phóng tia lửa điện

Các nghiên cứu cho thấy tại các vùng lân cận các điện cực, plasma có nhiệt

độ rất cao từ 60000

C  100000C Tốc độ của dòng chuyển dịch điện tử và ion phụ thuộc vào năng lượng điện và đặc tính của chất điện môi Quán tính cơ của chất điện môi đã cản trở sự bành trướng của kênh plasma làm cho áp suất trong kênh rất lớn (có thể lên tới 1kbar) Khi 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 tại các điểm, còn được gọi là các “nguồn nhiệt” Các điện tử gần anốt tích tụ đủ lớn sẽ phóng điện sinh ra nhiệt làm nóng chảy và bốc hơi vật liệu Các ion dương di chuyển đến catốt và nung nóng các điểm trên catốt Tuy nhiên, do khối lượng của các ion dương lớn hơn của các điện tử nhiều lần (khoảng 103 lần) nên chúng sẽ tới catốt chậm hơn các điện tử tới anốt Chính sự cơ động khác nhau của chúng đã tạo ra sự tập trung nhiệt khác nhau tại anốt và catốt, điều này dẫn đến sự ăn mòn rất khác nhau tại hai điện cực Thực tế điện cực dương sẽ bị ăn mòn nhanh hơn nhiều so với điện cực âm Chính vì vậy người ta

bố trí phôi là cực dương Điều này không phải luôn luôn cố định Nó còn phụ thuộc vào chế độ phóng điện, vào việc chọn cặp vật liệu và sự đấu cực

1.2.2.Cơ chế bóc kim loại bằng gia công tia lửa điện

Trước hết, muốn tách vật liệu ra khỏi phôi thì phải có năng lượng bóc tách vật liệu We Theo giáo sư Lierath [I]:

We = Ue.Ie.te (Jun)

Trong đó Ue và Ie là điện áp và dòng điện trung bình của tia lửa điện, te là thời gian xung (thời gian phóng tia lửa điện) Ue là hằng số phụ thuộc vào cặp vật liệu điện cực và phôi nên thực chất We chỉ phụ thuộc vào Ie và te

Thực tế dòng điện tổng cộng trong kênh plasma qua khe hở phóng điện là tổng của các dòng điện tử chạy tới điện cực dương và dòng các ion dương chạy tới điện cực âm Tuy nhiên do khối lượng của các ion dương lớn hơn nhiều lần

so với khối lượng electron cho nên tốc độ của các electron lớn hơn nhiều lần so với tốc độ của các ion dương Vì vậy thực chất dòng điện do các ion dương chuyển động về cực âm là rất nhỏ so với dòng các electron chuyển động về cực dương Do đó có thể bỏ qua dòng điện do sự chuyển động của các ion dương gây ra Do tốc độ của các electron lớn hơn nhiều lần so với các ion dương nên mật độ các electron tập trung tại cực dương cao hơn nhiều so với mật độ của ion dương tại cực âm trong khi mức độ tăng của dòng điện khi bắt đầu có sự phóng điện là rất lớn, điều này gây ra sự nóng chảy mạnh ở cực dương

Khi dòng điện bị ngắt kênh plasma đột ngột biến mất Ngay tức khắc áp suất giữa hai điện cực tụt xuống bằng áp suất xung quanh nhưng nhiệt độ của chất lỏng giữa hai điện cực lại không tụt nhanh như vậy, dẫn đến sự nổ và bốc hơi vật liệu nóng chảy đang tồn tại giữa hai điện cực Tốc độ cắt dòng điện và mức độ sụt của xung dòng điện sẽ quyết định tốc độ sụt áp và sự bắt buộc nổ vật liệu chảy lỏng Thời gian sụt của dòng điện là yếu tố quyết định đối với độ nhám bề mặt gia công

1.3.Đặc điểm và khả năng công nghệ của gia công tia lửa điện

1.3.1.Đặc điểm của phương pháp gia công tia lửa điện

Phương pháp gia công tia lửa điện có các đặc điểm như sau:

- Điện cực (đóng vai trò là dụng cụ cắt) có độ cứng thấp hơn nhiều so với vật liệu phôi Vật liệu điện cực thường là đồng, grafit v.v

- Vật liệu dụng cụ và vật liệu phôi đều phải có tính chất dẫn điện tốt

- Gia công được vật liệu có độ cứng thấp và cả các loại vật liệu có độ cứng rất cao như các thép hợp kim đã qua nhiệt luyện Điều này góp phần thay đổi cả quá trình công nghệ khi gia công các chi tiết phức tạp có yêu cầu độ cứng cao, nâng cao hiệu quả của quá trình sản xuất

- Quá trình gia công được thực hiện trong môi trường chất lỏng được gọi là chất điện môi Đây là dung dịch không dẫn điện ở điều kiện làm việc bình thường

Phương pháp gia công tia lửa điện có nhiều ưu điểm như đã nêu nhưng năng suất thường không cao

1.3.2 Khả năng công nghệ của phương pháp gia công tia lửa điện

Phương pháp gia công tia lửa điện có thể tạo được các mặt định hình là các mặt thẳng, mặt cong, các rãnh định hình, các bề mặt có profile phức tạp v.v… với độ bóng bề mặt tương đối cao (Ra = 1,25 µm ÷ 5 µm) và độ chính xác kích thước tới 3 µm

1.4 Các phương pháp gia công tia lửa điện

1.4.1.Phương pháp gia công xung định hình

1.4.1.1.Bản chất của phương pháp

Phương pháp gia công xung định hình là phương pháp dùng các điện cực đã được tạo hình sẵn để in hình (âm bản) của nó lên bề mặt phôi Phương pháp này được dùng để chế tạo khuôn có hình dạng phức tạp, các khuôn ép định hình, khuôn ép nhựa, khuôn đúc áp lực, lỗ không thông

1.4.1.2 Ưu, nhược điểm của phương pháp xung định hình

Phương pháp xung định hình có các ưu nhược điểm như sau:

a Ưu điểm:

- Gia công được vật liệu có độ cứng thấp và vật liệu có độ cứng rất cao

- Gia công được các chi tiết cơ khí (chủ yếu là khuôn ép định hình, khuôn nhựa, khuôn đúc áp lực, lỗ không thông hoặc thông v.v…) có hình dạng phức tạp

b Nhược điểm:

- Năng suất gia công thấp

- Chi phí chế tạo cao

- Chỉ gia công được các vật liệu là kim loại, không gia công được vật liệu phi kim

Phạm vi ứng dụng

Phương pháp xung định hình thường được sử dụng trong các trường hợp sau:

- Sử dụng được trong chế tạo cơ khí chính xác

- Chế tạo khuôn mẫu phục vụ các ngành sản xuất nhựa, đúc áp lực v.v…

1.4.2.Phương pháp gia công cắt dây tia lửa điện

Bản chất của phương pháp

Phương pháp gia công cắt dây tia lửa điện là phương pháp dùng một dây dẫn điện có đường kính nhỏ (0,1 – 0,3mm) cuốn liên tục và chạy theo một biên dạng (contour) định trước (lập trình) để tạo thành mạch cắt trên phôi Phương pháp này thường dùng để gia công các lỗ thông suốt có biên dạng phức tạp như các lỗ trên khuôn dập, khuôn ép, khuôn đúc áp lực, chế tạo các điện cực dùng cho gia công xung định hình, gia công các rãnh hẹp, gấp khúc, các dưỡng kiểm v.v…

Ưu, nhược điểm của phương pháp

Phương pháp cắt dây tia lửa điện có các ưu, nhược điểm như sau:

a Ưu điểm

Phương pháp cắt dây tia lửa điện có các ưu điểm sau:

- Độ chính xác kích thước cao (có thể tới 1m),

- Kết cấu máy đơn giản

- Có khả năng tự động hoá quá trình gia công, đơn giản, dễ vận hành

Gia công cắt dây tia lửa điện hớt đi lớp vật liệu kim loại trên vật gia công nhờ hiệu ứng của quá trình điện – nhiệt, do đó có thể gia công được vật liệu có

độ cứng bất kỳ Điều này hạn chế rủi ro gặp phải khi gia công những chi tiết có giá trị cao so với gia công bằng các phương pháp cắt gọt truyền thống rồi mới

- Do nhiệt độ tại vùng gia công rất cao nên dễ gây biến dạng nhiệt

- Đối với phôi gia công có chiều dày lớn (> 100 mm) hoặc trong trường hợp chất điện môi bị bẩn thì việc bơm chất điện môi vào vùng gia công sẽ rất khó khăn Do đó chất điện môi cần được bơm vào với áp suất cao, điều này gây ra các rung động cho điện cực dẫn tới giảm độ chính xác gia công

- Trong điều kiện gia công bình thường không thể dùng điện cực nhiều lần

do khi đã sử dụng điện cực bị mòn dẫn đến sai số cho quá trình cắt Để khắc phục tình trạng này người ta có thể sử dụng dây cắt một lần để gia công các chi tiết cần độ chính xác cao hoặc sử dụng dây đã được phủ, mạ một lớp kim loại đặc biệt để có thể sử dụng nhiều lần

- Dây điện cực có kích thước nhỏ (từ 0,1  0,3 mm), vật liệu dây thường có

độ bền kéo thấp nên trong quá trình gia công (đặc biệt khi gia công các chi tiết có chiều dày lớn) thì dây điện cực sẽ bị uốn cong làm ảnh hưởng tới độ chính xác gia công Thậm chí có thể bị đứt dây dẫn đến sai số gia công và giảm năng suất gia công

- Các chỉ tiêu công nghệ của quá trình này phụ thuộc vào thông số xung điện, hằng số vật liệu, chiều dày chi tiết gia công, tính chất của chất điện môi, vật liệu dây điện cực, hướng và tốc độ cuốn dây điện cực v.v

Phạm vi ứng dụng

Do đặc điểm của thiết bị là dây điện cực phải có chuyển động dọc trục liên tục giữa các con lăn nên phương pháp gia công cắt dây tia lửa điện chủ yếu được dùng để gia công các sản phẩm sau:

- Chế tạo các điện cực chính xác cho gia công xung định hình

- Gia công các rãnh hẹp, gấp khúc trong các chi tiết của thiết bị điện tử

- Chế tạo các chi tiết có độ chính xác cao, tham gia vào các mối lắp ghép có

độ dôi của các bộ phận chính của các khuôn dập, khuôn đúc áp lực và các loại dưỡng kiểm

- Chế tạo chi tiết có rãnh của xanga (chấu kẹp đàn hồi), bề mặt làm việc của các dao định hình, các lỗ nhỏ trong các chi tiết đặc biệt v.v…

- Gia công các chi tiết bằng vật liệu thép đã nhiệt luyện, các kim loại khó gia công, các hợp kim quý hiếm cần hạn chế lượng dư gia công

- Ngoài ra, ngày nay phương pháp gia công cắt dây tia lửa điện còn được dùng để chế tạo các đĩa ly hợp bằng hợp kim cứng, dưỡng calip, dưỡng cối, dưỡng chày phức tạp, các chày đột lỗ của lưới có độ chính xác cao v.v…

1.4.3 Các phương pháp gia công tia lửa điện khác

Ngoài hai phương pháp gia công chủ yếu trên, ngày nay trên thế giới còn có một số phương pháp gia công sử dụng nguyên lý gia công bằng tia lửa điện như sau:

- Gia công tia lửa điện dạng phay (Milling EDM)

Gia công tia lửa điện dạng phay là phương pháp sử dụng một điện cực chuẩn, hình trụ quay để thực hiện ăn mòn tia lửa điện theo kiểu phay Sử dụng phương pháp này để gia công các hình dáng phức tạp không cần phải chế tạo điện cực phức tạp mà sử dụng điện cực chuẩn sau đó điều khiển cho điện cực cắt theo chương trình Hiện nay trên thế giới đã xuất hiện thế hệ mới các máy gia công tia lửa điện có gắn các động cơ tuyến tính cho các bàn trượt và đầu điện cực Điều đó giúp cho trục Z chuyển động tịnh tiến lên xuống với tốc độ cao tạo

ra hiệu ứng bơm hút - đẩy làm cho các phoi nhỏ li ti ở khe hở thành hốc dễ thoát

ra ngoài mà không cần vòi sục rửa, phương pháp này được ứng dụng trong trường hợp gia công hốc sâu và đòi hỏi hình dáng hốc chính xác cao

- Gia công EDM kết hợp với rung siêu âm (Ultrasonic Aided EDM)

Gia công EDM kết hợp với rung siêu âm là phương pháp hớt vật liệu bằng tia lửa điện trong đó điện cực dụng cụ được rung động với tần số rung bằng tần

số siêu âm Điện cực rung động với tần số siêu âm tạo điều kiện thoát phoi dễ dàng giúp nâng cao khả năng công nghệ và tăng đáng kể năng suất gia công khi gia công các lỗ nhỏ và siêu nhỏ

- Mài kết hợp với gia công tia lửa điện (AEDG)

Mài kết hợp với gia công tia lửa điện là phương pháp gia công trong đó vật liệu được bóc tách nhờ tác dụng kết hợp của ăn mòn tia lửa điện và gia công cắt gọt bằng hạt mài

- Gia công xung định hình các lỗ siêu nhỏ (hay bắn lỗ tia lửa điện)(MEDM)

Gia công xung định hình lỗ siêu nhỏ là một dạng xung định hình đặc biệt trong đó điện cực có kích thước nhỏ được quay với tốc độ lớn (tới 10.000 vòng/ph) Phương pháp này dùng để gia công các lỗ siêu nhỏ với độ chính xác rất cao

- Cắt dây tia lửa điện bằng điện cực dây có đường kính siêu nhỏ (MWEDM)

Cắt dây tia lửa điện siêu nhỏ là phương pháp cắt dây sử dụng điện cực Tungsten, Wolfram có đường kính dây nhỏ dưới 10m Phương pháp này dùng

để gia công cắt dây các lỗ siêu nhỏ có kích thước từ 0,11mm trên các vật liệu khó gia công, các chi tiết có chiều dày mỏng v.v… hoặc dùng trong công nghệ chế tạo các chi tiết bán dẫn

- Xung định hình với 2 điện cực quay

Xung định hình với 2 điện cực quay là phương pháp sử dụng một điện cực quay để ăn mòn một phôi quay Khi phối hợp chuyển động của điện cực và phôi

sẽ tạo ra các hình dạng chi tiết khác nhau theo yêu cầu Phương pháp này là phương pháp gia công siêu chính xác và độ bóng siêu cao

1.5.Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình gia công tia lửa điện

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

Khác với những phương pháp gia công cắt gọt truyền thống, phương pháp gia công bằng tia lửa điện bên cạnh các tham số công nghệ như cặp vật liệu điện cực - phôi, sự đấu cực, điều kiện dòng chảy chất điện môi v.v thì tham số điều khiển về xung như thời gian, điện áp, dòng điện cũng đóng vai trò rất quan trọng đối với năng suất và đặc biệt là đối với chất lượng bề mặt gia công Các tài liệu nghiên cứu đã đưa ra các kết luận và đã trở thành các kiến thức cơ bản về gia công tia lửa điện 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 Ie ảnh hưởng lớn nhất đến năng suất, độ mòn điện cực và chất lượng bề mặt gia công

Ie càng lớn thì năng suất hớt vật liệu VW càng lớn, chiều cao nhấp nhô bề mặt 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 diện Phụ thuộc vào kiểu máy, Ie

được điều chỉnh theo 18 hoặc 21 bước, thay đổi nằm trong khoảng từ 0,5A 

80A, trong đó các bước nhỏ được chọn để gia công tinh, bước lớn để gia công thô

Thời gian xung ti và khoảng ngắt xung t0 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 xảy ra với t0 nhỏ) Ngoài ra, nếu khoảng thời gian ngắt xung t0 quá nhỏ, có thể chất điện môi sẽ không đủ thời gian để thôi ion 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 v.v…

Các đặc tính về điện chính là các thông số điều chỉnh quan trọng nhất của quá trình gia công Mỗi máy phát của thiết bị gia công tia lửa điện đều có nhiệm

vụ là cung cấp năng lượng làm việc cần thiết Máy phát hiện đại của một thiết bị gia công tia lửa điện là một máy phát xung tĩnh Loại máy này có ưu điểm là dễ điều chỉnh các thông số công nghệ khi gia công Với mỗi trường hợp gia công

cụ thể phải điều chỉnh các thông số công nghệ sao cho điện cực mòn ít nhất, năng suất gia công cao nhất trên cơ sở đảm bảo chất lượng bề mặt gia công theo yêu cầu Muốn vậy, tất cả các thông số của quá trình gia công phải được lựa chọn hợp lý Các thông số đó bao gồm:

- Điện áp đánh tia lửa điện U i :

Điện áp đánh tia lửa điện là điện áp cần thiết để có thể tạo ra hiện tượng phóng điện, điện áp đánh lửa Ui càng lớn thì phóng điện càng mạnh và cho phép khe hở phóng điện càng lớn

- Thời gian trễ đánh lửa t d :

Thời gian trễ đánh lửa td là khoảng thời gian từ lúc đóng máy phát tới lúc bắt đầu xuất hiện sự phóng 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” tăng vọt lên giá trị Ie

- Điện áp phóng tia lửa điện U e :

Điện áp phóng tia lửa điện Ue là điện áp trung bình trong suốt quá trình phóng điện Ue là hệ số vật lý phụ thuộc vào cặp vật liệu điện cực-phôi Ue

không điều chỉnh được Khi bắt đầu xảy ra phóng tia lửa điện thì điện áp Ui tụt xuống đến giá trị Ue

- Dòng phóng tia lửa điện I e :

Dòng phóng tia lửa điện là giá trị trung bình của dòng điện từ khi bắt đầu phóng ra tia lửa điện đến khi ngắt điện Khi bắt đầu phóng điện dòng điện tăng

từ 0 đến Ie kèm theo sự bốc cháy kim loại Theo các nghiên cứu trước đây thì Ie

có ảnh hưởng lớn nhất đến ăn mòn vật liệu, độ ăn mòn điện cực và đến chất lượng bề mặt gia công Nhìn chung, Ie càng tăng thì tốc độ hớt vật liệu tăng, độ nhám gia công lớn nhưng độ ăn mòn điện cực giảm

- Độ kéo dài xung t i :

Độ kéo dài xung ti là khoảng thời gian giữa hai lần đóng ngắt của máy phát trong cùng một chu kỳ phóng tia lửa điện 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 như:

+ Tỷ lệ hớt vật liệu:

Hình 1.6: Mối quan hệ giữa năng suất Vw và độ kéo dài xung ti

Thực nghiệm cho thấy khi giữ nguyên dòng điện Ie và khoảng cách xung t0, nếu tăng độ kéo dài xung ti thì ban đầu năng suất hớt vật liệu Vw tăng nhưng chỉ tăng đến giá trị cực đại ứng với giá trị độ kéo dài xung ti nhất định nào đó sau đó năng suất hớt vật liệu Vw giảm đi, nếu vẫn tiếp tục tăng độ kéo dài xung ti thì năng lượng phóng điện không còn được sử dụng để hớt vật liệu phôi mà nó lại làm tăng nhiệt độ của các điện cực và dung dịch chất điện môi Mối quan hệ giữa năng suất hớt vật liệu Vw với độ kéo dài xung ti được biểu thị ở hình 1.6

50 100

1000 5000

V w (mm /ph)3

dương tập trung tại bề mặt dụng cụ (cực âm), trong khi mức độ tăng của dòng điện lại rất lớn, do vậy mà độ mòn điện cực  ngày càng giảm Mối quan hệ giữa

độ mòn điện cực tương đối θ với độ kéo dài xung ti được biểu thị ở hình 1.7 [2]

Hình 1.7: Mối quan hệ giữa độ mòn điên cực tương đối θ và độ kéo dài xung ti+ Độ nhám bề mặt:

Khi tăng độ kéo dài xung ti thì chiều cao nhấp nhô Rmax cũng tăng do tác dụng của dòng điện được duy trì lâu hơn, ngay cả sau điểm đạt được tốc độ hớt vật liệu cực đại Mối quan hệ giữa chiều cao nhấp nhô bề mặt Ra và độ kéo dài xung ti được biểu thị ở hình 1.8

Hình 1.8: Mối quan hệ giữa chiều cao nhấp nhô bề mặt Ra và độ kéo dài xung ti



t i (  s) 10

0,5

1 5 10 50

Ramax (m)

ti (s)

10 50 100 500 1000 5000

5075100125

25

- Khoảng cách xung t 0 :

Khoảng cách xung t0 là khoảng thời gian giữa hai lần đóng ngắt của máy phát giữa hai chu kỳ phóng tia lửa điện kế tiếp nhau, t0 còn được gọi là độ kéo dài nghỉ của xung Cùng với tỷ lệ ti/t0, t0 có ảnh hưởng rất lớn đến lượng hớt vật liệu [49] Khoảng cách t0 càng lớn thì năng suất hớt vật liệu VW càng nhỏ và ngược lại Phải chọn t0 nhỏ như có thể được nhằm đạt một lượng hớt vật liệu tối

đa Nhưng ngược lại khoảng cách xung t0 phải đủ lớn để có đủ thời gian ngừng ion hoá chất điện môi trong khe hở phóng điện Nhờ đó sẽ tránh được lỗi của các quá trình như tạo hồ quang hoặc làm ngắn mạch Cũng trong thời gian nghỉ của các xung điện, dòng chảy sẽ đẩy các vật liệu đã bị phá hủy ra khỏi khe hở phóng điện Do đó, tuỳ thuộc vào kiểu máy và mục đích gia công cụ thể mà người ta lựa chọn t0, ti phù hợp thông qua việc lựa chọn tỷ lệ giữa thời gian xung và thời gian nghỉ ti/t0 hợp lý

Các công trình nghiên cứu đã công bố cho thấy tỷ lệ giữa thời gian xung ti

với thời gian ngắt xung t0 cần đảm bảo các giá trị phù hợp như sau:

+ Khi gia công rất thô: ti/t0 > 10

+ Khi gia công thô: ti/t0 10 Tuy nhiên, giá trị của t0 không nên quá nhỏ để tránh các khuyết tật của quá trình

+ Khi gia công tinh: ti/t0  5  10 Lý do là khi gia công tinh, khe hở phóng điện giảm, nguy cơ tạo ra các lỗi quá trình sẽ nhiều hơn Do đó cần tăng khoảng cách xung t0 nên làm giảm tỷ lệ ti/t0

+ Khi gia công siêu tinh ti/t0 < 1 (thường chọn ti/t0=0,4)

Hình 1.9: Ảnh hưởng của độ kéo dài xung ti và khoảng cách xung t0 đến lượng hớt vật liệu

1.5.2 Ảnh hưởng của khe hở phóng điện 

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

+ T1 là thời gian tích điện (s) của tụ điện

+ Ui là điện áp đánh lửa (V)

+ C là điện dung của tụ điện (µF)

- Nếu  nhỏ thì Um axe cũng nhỏ, tần số xung lớn do:

f =

C U

I

Do đó Ue giảm thì f tăng

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

Như vậy,  nhỏ dẫn đến Ue giảm và te giảm, cho dù Ie có lớn thì năng lượng xung điện We (năng lượng tách vật liệu theo công thức 1.1) vẫn nhỏ, do đó năng suất bóc phoi giảm

Như vậy việc chọn hợp lý 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

Lượng hớt vật liệu

- Công suất gia công:

NC = 1

0 1

.

1 T

t

e I dt U

1

z

i (1 e )e dtT

I.U

i

) 1

1 ln(

1ln(

22

Hình 1.10: Mối quan hệ giữa hệ số công suất ap và hệ số điện tích η

1.5.3 Ảnh hưởng của điện dung C

Ảnh hưởng của điện dung C được mô tả như sau (hình 1.11)

a) b)

Hình 1.11: Ảnh hưởng của điện dung C tới năng suất hớt vật liệu Vw Biểu đồ hình 1.11 chỉ ra rằng khi điện áp tối ưu Uopt = 0,7Ui thì sẽ đạt được năng suất hớt vật liệu lớn nhất, đồng thời lượng mòn điện cực là nhỏ nhất Khi giữ điện áp tối ưu Uopt không đổi và thay đổi điện dung C ta xác định được điện dung giới hạn Cgh Nếu C < Cgh thì sẽ gây ra hiện tượng hồ quang làm giảm năng suất gia công

a p



0 0,2 0,4 0,6 0,8 1

0,04 0,08 0,12 0,16 0,20 0,24

ng¾n m¹ch

1.5.4 Ảnh hưởng của diện tích gia công F

Đồ thị trên hình 1.12 mô tả ảnh hưởng của diện tích vùng gia công F đến năng suất hớt vật liệu Vw và độ mòn điện cực  Hình 1.12 cho thấy giai đoạn đầu năng suất hớt vật liệu Vw tăng gần như tuyến tính khi tăng diện tích F, tới khi diện tích F đạt giá trị diện tích giới hạn Fgh thì Vw = Vwmax Sau đó nếu tiếp tục tăng diện tích F thì năng suất hớt vật liệu Vw giảm dần do diện tích gia công

F vượt quá giới hạn cũng có nghĩa là dòng điện vượt quá giới hạn, khi đó việc vận chuyển phoi ra khỏi vùng gia công khó khăn hơn và làm giảm năng suất gia công

Hình 1.12: Ảnh hưởng của diện tích vùng gia công F đến năng suất Vw

và độ mòn điện cực tương đối θ

Hình 1.7 cũng cho thấy khi tăng diện tích F, ban đầu lượng mòn điện cực 

giảm mạnh, sau đó nếu tiếp tục tăng diện tích F lượng mòn điện cực  hầu như không thay đổi

1.5.5 Ảnh hưởng của sự ăn mòn điện cực

Phương pháp gia công tia lửa điện là phương pháp dùng điện cực âm để hớt

đi một lượng vật liệu trên điện cực dương (phôi) Song song với quá trình trên là quá trình điện cực âm cũng bị hớt đi một lượng vật liệu trên bề mặt do sự va đập của các ion dương gây ra Mặc dù lượng vật liệu bị hớt đi trên điện cực âm là rất nhỏ so với lượng vật liệu bị hớt đi trên điện cực dương nhưng khi quá trình gia công diễn ra trong một khoảng thời gian dài thì kích thước điện cực cũng bị thay

đổi và do đó sẽ ảnh hưởng tới độ chính xác gia công Nói chung, độ mòn của điện cực phụ thuộc vào cặp vật liệu điện cực – phôi và các thông số điều chỉnh khác trong quá trình gia công Người ta xác định độ mòn tương đối  của điện cực bằng công thức sau:

%100

x V

Vw là năng suất hớt vật liệu ở phôi (mm3/ph)

Độ mòn tương đối  chịu ảnh hưởng của các yếu tố sau:

- Sự phối hợp của cặp vật liệu điện cực – phôi

- Dòng điện Ie

- Độ kéo dài xung te và sự đấu cực

1.5.6 Các hiện tượng xấu khi gia công tia lửa điện

Với mục đích nâng cao hiệu quả gia công và nâng cao chất lượng sản phẩm,

ta phải tiến hành nghiên cứu và tìm hiểu các hiện tượng xấu xảy ra trong quá trình gia công tia lửa điện và nguyên nhân của chúng Các hiện tượng xấu chủ yếu thường gặp là:

1.5.6.1 Hồ quang

Hình 1.13: Hiện tượng hồ quang điện

Hồ quang là hiện tượng phóng điện không có thời gian trễ td

Trong quá trình gia công, do sự phóng điện mà xuất hiện trong chất điện môi (khu vực nằm giữa hai điện cực) những phần tử vật liệu đã bị lấy đi từ hai điện cực và các ion dương chưa bị dòng chảy chất điện môi đẩy ra khỏi khe hở phóng điện Chính các phần tử vật liệu và các ion này gây ra hồ quang trước khi chúng mất điện và bị đẩy ra khỏi khe hở phóng điện Hồ quang xảy ra giữa các xung

Do đó, nếu trong quá trình gia công mà điều chỉnh khoảng cách xung quá ngắn thì sẽ xảy ra hiện tượng xung tiếp theo sẽ đốt cháy cùng một điểm với xung trước Khi đó, điểm ăn mòn sẽ bị khoét thành một hố sâu và không đều trên bề mặt gia công

Đồ thị ở hình 1.13 thể hiện sự phóng điện lý tưởng và sự phóng điện không

có thời gian trễ do có hồ quang

1.5.6.2 Ngắn mạch, sụt áp

Hiện tượng không có sự phóng điện mà chỉ xuất hiện dòng điện chạy từ điện cực sang phôi (khi đó điện áp là rất nhỏ và dòng điện là cực đại), được gọi là hiện tượng ngắn mạch, hiện tượng ngắn mạch được mô tả trên hình 1.14 Sự ngắn mạch không chỉ ngăn cản quá trình hớt vật liệu phôi mà dòng điện ngắn mạch lớn tạo ra nhiệt lớn gây ra ảnh hưởng xấu tới cấu trúc, do đó ảnh hưởng đến tính chất vật liệu của phôi

Các nguyên nhân của hiện tượng ngắn mạch gồm:

- Do sự tiếp xúc trực tiếp của điện cực với phôi

- Phoi bị kẹt trong khe hở phóng điện

- Chiều rộng khe hở quá nhỏ, dòng chảy chất điện môi quá yếu

Hình 1.14: Hiện tượng ngắn mạch sụt áp

u

t u

t

1.5.6.3 Xung mạch hở không có dòng điện

Xung mạch hở không có dòng điện là hiện tượng các xung không gây ra hiện tượng phóng điện, do đó làm giảm hiệu quả phóng điện (hình 1.15)

Hình 1.15: Hiện tượng xung mạch hở Các nguyên nhân xung mạch mở không có dòng điện:

- Chiều rộng khe hở phóng điện quá lớn

- Dòng chảy chất điện môi quá mạnh nên đã thổi hết các ion ra khỏi vùng gia công

1.5.6.4 Sự quá nhiệt của chất điện môi

Khi vùng gia công rất rộng nhưng chiều rộng khe hở phóng điện lại quá nhỏ (gia công tinh khuôn lớn), chất điện môi trở nên nóng đến mức bị phân hủy rất mạnh thành cacbon Các phần tử cacbon này sẽ làm tăng tính dẫn điện của chất điện môi khiến cho quá trình gia công bị nhiễu loạn bởi hồ quang thường xuyên Nếu các phần tử cacbon bị lắng đọng trên mặt điện cực thì sẽ gây ra sự không ổn

định do ngắn mạch

1.5.7 Các yếu tố không điều khiển được

Ngoài các yếu tố ảnh hưởng tới quá trình gia công tia lửa điện đã nêu ở trên còn có các yếu tố khác không điều khiển được cũng ảnh hưởng tới quá trình gia công Đó là các yếu tố nhiễu như:

i

t

t u

Nhiễu hệ thống

Nhiễu hệ thống bao gồm:

- Các yếu tố thuộc về thiết bị như độ ổn định của thiết bị, độ rung, ổn định nhiệt, độ chính xác của các thước đo, khả năng và độ chính xác truyền động, lắp đặt bố trí máy và các thành phần thuộc đồ gá kẹp chặt v.v…

- Sai lệch thuộc hệ thống điều khiển

Nhiễu ngẫu nhiên

Nhiễu ngẫu nhiên là các nhiễu thuộc về điều kiện môi trường như nhiệt độ làm việc, nhiệt độ dung môi, độ ẩm, rung động của các máy khác truyền tới v.v… Nhiễu ngẫu nhiên ảnh hưởng đến quá trình gia công tia lửa điện Khả năng thích ứng của chương trình điều khiển cũng có thể coi là một yếu tố ngẫu nhiên Cụ thể như việc chọn chuẩn hệ toạ độ để gia công cho chương trình, độ chính xác điều khiển cắt, phương pháp lập trình v.v đều là các yếu tố ảnh hưởng đến độ chính xác gia công tia lửa điện

1.6 Chất điện môi trong gia công tia lửa điện

1.6.1 Nhiệm vụ của chất điện môi

Trong gia công bằng tia lửa điện ngoài hai yếu tố chính là dụng cụ và phôi được nối với hai cực thì còn một yếu tố không thể thiếu để tạo ra sự bóc phoi và vận chuyển phoi ra khỏi vùng cắt đó là dung dịch chất điện môi Nhiệm vụ chính của chất điện môi trong quá trình gia công tia lửa điện là:

- Cách điện giữa hai cực (giữa điện cực dụng cụ và phôi), đảm bảo không

có dòng điện chạy qua khe hở giữa hai cực, khi khoảng cách giữa hai cực chưa

đủ nhỏ Khi khoảng cách này đạt tới một giới hạn nhất định nào đó thì bắt đầu xuất hiện sự phóng điện giữa hai điện cực Khi khe hở càng bé thì lượng vật liệu hớt đi càng tăng và độ chính xác hình học càng tăng Trong thực tế sau một thời gian làm việc thì trong dung dịch chất điện môi tồn tại những phần tử kim loại phoi bị bóc ra khỏi bề mặt phôi nên làm giảm khả năng cách điện của chất điện môi Để khắc phục hiện tượng này người ta thực hiện lọc bỏ phần tử tế vi này

bằng cách dẫn chất điện môi qua hệ thống lọc, tuy nhiên vẫn không thể đảm bảo lọc tuyệt đối nên sau một thời gian sử dụng cần phải thay thế dung dịch chất điện môi

- Ion hoá:

Như đã trình bày ở phần đầu, khi điện cực tiến tới gần sát phôi thì xuất hiện hiện tượng phóng điện, sau đó phải gây ra hiện tượng ion hoá chất điện môi nằm

ở giữa hai điện cực để tạo thành các ion dương và các phần tử tích điện âm (tức

là có khả năng tạo ra một cầu phóng điện) Điều này tạo ra sự tập trung năng lượng rất lớn ở kênh plasma Khi có sự phóng điện các electron bay với tốc độ cực lớn hướng tới bề mặt phôi cần gia công Khi va chạm lên bề mặt phôi cần gia công thì phần động năng của electron sẽ chuyển thành nhiệt năng làm nóng chảy kim loại trên bề mặt phôi Khi ngắt xung thì hiện tượng ion hoá chất điện môi phải ngừng kịp thời để tạo điều kiện cho sự phóng điện xảy ra ở vị trí khác khi xảy ra xung tiếp theo

- Làm nguội:

Khi diễn ra sự phóng điện trong một khoảng thời gian cực ngắn, ở kênh phóng điện nhiệt độ có thể lên tới 10.0000

C Nhiệt ở đây cần phải được chuyển

đi nhằm tránh ảnh hưởng đến bề mặt phôi, bản điện cực cũng như chất điện môi Khi ngừng phóng điện (ngắt xung) thì dòng chảy chất điện môi có tác dụng làm nguội khu vực trên (và thôi ion hoá đã nói ở trên) chuẩn bị cho chu kỳ phóng điện sau

- Vận chuyển phoi:

Vật liệu được tách ra khỏi bề mặt chi tiết cần gia công chính là phoi, các phần tử kim loại này lơ lửng trong chất điện môi làm cho khả năng cách điện của chất điện môi giảm và có nguy cơ gây ra sự phóng điện bất thường, nguy cơ tạo hồ quang và ngắn mạch tăng lên làm giảm độ chính xác và năng suất cắt Vì vậy cần tạo ra dòng chảy chất điện môi hợp lý vận chuyển lượng phoi này ra

khỏi vùng cắt Chất điện môi được đưa qua hệ thống lọc để làm sạch trước khi đưa trở lại vùng gia công

1.6.2 Các loại chất điện môi

Như đã phân tích, gia công tia lửa điện chủ yếu gồm hai phương pháp: gia công xung định hình và gia công cắt dây tia lửa điện Mỗi phương pháp gia công

sử dụng các chất điện môi khác nhau:

- Xung định hình chủ yếu sử dụng chất Hydrocacbon

- Cắt dây tia lửa điện chủ yếu dùng nước khử khoáng

Ngoài ra, ngày nay trên thế giới còn xuất hiện một loại chất điện môi mới

mà thành phần chủ yếu là nước Nó có độ nhớt cao hơn nước, hiệu quả làm mát cao hơn dầu, được dùng chủ yếu cho gia công xung định hình với điện cực graphit lớn và bước dòng điện lớn Vì chất điện môi này có thành phần chính là nước nên dòng điện Ie khi xung rất lớn do đó khó nhận được bề mặt tinh và độ nhám Rmax < 10 µm

Riêng đối với chất Hydrocacbon còn được chia làm 3 nhóm dựa trên cơ sở đặc tính hoá học, đó là:

- Parafin

- Dầu khoáng

- Các dẫn xuất của xăng

Các yếu tố như thành phần hoá học, độ nhớt v.v… sẽ quyết định chất lượng

và khả năng sử dụng của chất điện môi Dầu khoáng có chất lượng cao nhờ kỹ thuật tinh chế đặc biệt Còn các dẫn xuất của xăng cũng cho hiệu quả cao nếu dùng làm chất điện môi, tuy nhiên không được sử dụng do có tác hại xấu đến sức khoẻ con người và môi trường

1.6.3 Các tiêu chuẩn đánh giá chất điện môi

Đánh giá chất điện môi được dựa trên các tiêu chuẩn sau:

- Bền lâu, hao phí ít

- Vệ sinh, không độc, không khó ngửi

- Có điểm cháy cao ( khó cháy)

- Có mật độ, độ đậm đặc phù hợp

- Có độ trong suốt để dễ quan sát vùng gia công

- Có độ nhớt phù hợp

- Cách điện ở điều kiện bình thường

- Có khả năng truyền điện áp

- Có khả năng bị ion hoá

- Khả năng làm sạch dễ dàng

- Giá cả phù hợp

Trong tất cả các tiêu chuẩn trên thì tiêu chuẩn về độ nhớt là quan trọng nhất

vì nó ảnh hưởng trực tiếp đến kênh phóng điện và mở rộng kênh phóng điện Độ nhớt đặc trưng cho "ma sát trong", là trở lực của chất lỏng đối với sự cháy Độ nhớt chất điện môi càng cao thì kênh phóng điện càng tập trung hơn, hiệu quả phóng điện cao hơn

Để gia công thô cần độ nhớt cao hơn (để bóc được lượng vật liệu lớn hơn,

độ nhớt khoảng 4 mm2

/s)

Để gia công tinh cần độ nhớt thấp hơn khoảng 2 mm2

/s (khi gia công tinh cho chất điện môi chảy qua khe hở rất nhỏ nên đòi hỏi độ nhớt của chất điện môi cũng phải nhỏ)

Trên thực tế để tránh phải thay chất điện môi khi gia công thô và gia công tinh nên thường chọn chất điện môi có độ nhớt trung bình để gia công cho cả hai trường hợp

- Các yếu tố an toàn của chất điện môi được xét dựa trên các tiêu chí sau:

+ Do nhiệt độ trong quá trình phóng điện tại khe hở là rất cao nên đòi hỏi chất điện môi phải có điểm cháy cao (do khi đó nhiệt độ của chất điện môi cũng tăng cao)

+ Thành phần hoá học của chất điện môi cũng phải thích hợp do khi nhiệt độ ở khe hở cao sẽ làm bốc hơi và lắng cặn Do đó đòi hỏi khi bốc hơi và sự lắng cặn không ảnh hưởng tới sức khoẻ con người và môi trường xung quanh

+ Mặt khác, cơ sở chủ yếu của chất điện môi là nước nên khi gia công sẽ tồn tại dòng dò Dòng này ảnh hưởng lớn đến độ bóng và độ chính xác khi gia công

Trong gia công cắt dây tia lửa điện chất điện môi là nước khử khoáng, khi

đó do khe hở nhỏ nên ít liên quan đến sự bốc hơi của các bọt khí được tạo ra trong chất điện môi Gia công xung định hình không thể dùng nước khử khoáng

do bề mặt điện cực lớn nên dòng dò cũng lớn

1.6.4 Các loại dòng chảy chất điện môi và các lỗi của dòng chảy

Như các phân tích ở trên, chất

điện môi là một yếu tố không thể

thiếu được trong quá trình gia công

tia lửa điện Chất điện môi không

Trong quá trình gia công tia lửa điện người ta sử dụng các dòng chảy chất điện môi sau đây:

- Dòng chảy bên ngoài:

Vòi sục rửa chất điện môi

Phôi

Hình 1 16: Dòng chảy bên ngoài

Hình 1.17: Dòng chảy áp lực

Chất điện môi

Phôi Điện cực

Dòng chảy bên ngoài là phương pháp sục rửa phổ biến nhất Nó được sử dụng khi hình học của điện cực và phôi không cho phép tạo lỗ khoan cho dòng chảy (thường dùng ở cắt dây) Chất điện môi được đưa trực tiếp đến khe hở bằng một vòi dẫn Vấn đề là cần phải chọn góc đường dẫn chất điện môi sao cho phù hợp để dòng chảy chất điện môi tạo thuận lợi cho việc vận chuyển phoi dễ dàng (hình 1.16)

- Dòng chảy áp lực:

Dòng chảy áp lực là phương pháp

chất điện môi được đưa cưỡng bức vào

khe hở qua các lỗ ở điện cực hoặc phôi

Phương pháp này được sử dụng khi

xung bằng điện cực rỗng, do đó để lại

một lõi trên phôi (hình 1.17) Sau khi gia công cần phải cắt lõi đi

- Dòng chảy do chuyển động điện cực:

Dòng chảy do chuyển động điện cực là dòng chảy do chuyển động của điện cực tác động trực tiếp vào chất điện môi trong khe hở phóng điện tạo ra Khi gia công các lòng khuôn sâu và hẹp, sự tiến lùi đều đặn của điện cực sẽ đẩy chất điện môi sạch vào khe hở phóng điện

- Dòng chảy hút:

Dòng chảy hút là dòng chảy được tạo ra bằng cách hút chất điện môi có chứa phoi qua một lỗ hút trên phôi hoặc trên điện cực (ngược lại với phương pháp dòng chảy áp lực) ra khỏi khe hở vùng gia công

- Dòng chảy phối hợp:

Dòng chảy phối hợp là dòng chảy phối hợp cả dòng chảy áp lực và dòng chảy hút qua hai lỗ trên phôi hoặc trên điện cực Một đầu bơm chất điện môi đã qua lọc sạch vào vùng gia công, một đầu hút chất điện môi có chứa phoi ra khỏi vùng gia công Đây là phương pháp có thể khắc phục được các nhược điểm của hai phương pháp trên

- Dòng chảy nhắp: