Nghiên cứu ứng dụng máy gia công tia lửa điện CNC FO 550s để gia công

Phương pháp nghiên cứu lý thuyết kết hợp với thực nghiệm được trình bày trong luận văn không chỉ phù hợp với đối tượng nghiên cứu của đề tài mà còn có thể sử dụng khi nghiên cứu nhiều lo

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan các số liệu và kết quả nêu trong Luận văn là do bản thân Tôi thực hiện dưới sự hướng dẫn của thầy giáo PGS.TS NGUYỄN HUY NINH Ngoài các phần tài liệu tham khảo đã được liệt kê và nêu rõ trong Luận văn, các số liệu và kết quả thực nghiệm là trung thực, chưa từng được ai công bố trong bất kỳ một công trình nào khác

LỜI CẢM ƠN

Tác giả xin chân thành cảm ơn PGS.TS: Nguyễn Huy Ninh, người đã hướng dẫn và giúp đỡ tận tình từ định hướng đề tài, tổ chức thực nghiệm đến quá trình viết và hoàn chỉnh Luận văn

Tác giả bày tỏ lòng biết ơn đối với Ban lãnh đạo và Viện đào tạo Sau đại học, Viện

Cơ khí của trường Đại học Bách Khoa Hà Nội đã tạo điều kiện thuận lợi để hoàn thành bản Luận văn này

Tác giả cũng chân thành cảm ơn Trung tâm CAD/CAM/CNC BK và các giáo viên thuộc trung tâm đã tạo điều kiện về thiết bị và giúp đỡ trong quá trình sự dụng thiết

bị để thực hiện luận văn

Tác giả cũng rất lấy làm cảm kích trước những ý kiến đóng góp của các thầy, cô giáo thuộc Viện Cơ khí và các đồng nghiệp đã tạo điều kiện thuận lợi giúp đỡ tác giả tháo gỡ những vướng mắc trong thời gian thực hiện Luận văn

Do năng lực bản thân còn nhiều hạn chế nên Luận văn không tránh khỏi sai sót, tác giả rất mong nhận được sự đóng góp ý kiến của các Thầy, Cô giáo, các nhà khoa học và các bạn đồng nghiệp để Luận văn được hoàn thiện hơn và có ý nghĩa trong

MỤC LỤC

LỜI CAM ĐOAN 1

LỜI CẢM ƠN 2

PHẦN MỞ ĐẦU 9

CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ GIA CÔNG TIA LỬA ĐIỆN 11

1.1.GIACÔNGBẰNGPHƯƠNGPHÁPTIALỬAĐIỆN(EDM) 11

1.1.1 Các phương pháp gia công tia lửa điện 11

1.1.1.1 Phương pháp gia công xung điện 11

1.1.1.2 Phương pháp gia công cắt dây bằng tia lửa điện 12

1.1.1.3 Các phương pháp khác 12

1.1.2.Đặc điểm của phương pháp gia công tia lửa điện 14

1.1.2.1 Các đặc điểm chính của phương pháp gia công tia lửa điện 14

1.2.PHƯƠNGPHÁPGIACÔNGXUNGĐIỆN 15

1.2.1.Nguyên lý gia công tia lửa điện 15

1.2.2.Bản chất vật lý của quá trình ăn mòn tia lửa điện 16

1.2.3.Thiết bị gia công 19

1.2.4 Đặc tính của sự phóng điện 19

1.2.5 Cơ chế bóc tách vật liệu 21

1.3.CHẤTLƯỢNGBỀMẶTKHIGIACÔNGTIALỬAĐIỆN 23

1.3.1 Chất lượng bề mặt gia công 23

1.3.2 Độ chính xác tạo hình khi gia công tia lửa điện 25

1.4CÁCYẾUTỐCÔNGNGHỆẢNHHƯỞNGTỚIQUÁTRÌNHGIACÔNG XUNGĐIỆN 27

1.4.1 Đặc tính của sự phóng điện khi xung điện định hình 27

1.4.2 Một số yếu tố công nghệ ảnh hưởng khi gia công xung điện 28

1.4.3 Các yếu tố liên quan trong quá trình gia công xung điện 46

1.4.4 Các hiện tượng không tốt khi gia công xung điện 48

CHƯƠNG 2 :ĐIỀU KHIỂN GIA CÔNG TIA LỬA ĐIỆN 53

2.1.GIA CễNG XUNG ĐỊNH HèNH NHIỀU GIAI ĐOẠN 53

2.2.GIA CễNG XUNG ĐỊNH HèNH VỚI CHỨC NĂNG HÀNH TINH 53

2.3.ĐÁNH BểNG BẰNG XUNG ĐỊNH HèNH 56

2.4.GIỚI THIỆU CHUNG VỀ ĐIỀU KHIỂN THEO BIấN DẠNG 57

2.4.1 Đặc điểm điều khiển biờn dạng (điều khiển contour) 57

2.4.2 Cỏc loại điều khiển biờn dạng Contour 58

2.5.GIA CễNG XUNG ĐỊNH HèNH THEO CONTOUR (BIấN DẠNG) 60

2.5.1 Đặc điểm khi gia cụng xung định hỡnh theo contour 60

2 5.2 Xỏc định khe hở phúng điện 61

2.5.3 Bề mặt điện cực phớa trước 62

2.5.6 Cỏc sai số hỡnh học khi gia cụng xung định hỡnh 65

2.6.PHƯƠNG PHÁP PHAY TIA LỬA ĐIỆN ( GIA CễNG THEO CONTOUR) 68

Ch-ơng III : công nghệ gia công xung định hình trên

máy Fo 550s 75

3.1 Giới thiệu chung về gia cụng xung định hỡnh trờn mỏy FO550S 75

3.2.ĐIỆN MễI 75

3.3.ỨNG DỤNG CỦA GIA CễNG BẰNG PHƯƠNG PHÁP XUNG ĐỊNH HèNH 77

3.3.1 Gia cụng bề mặt cú diện tớch lớn nhưng độ sõu nhỏ 77

3.3.2 Đỏnh búng 78

3.3.3 Gia cụng micro 78

3.3.4 Xung lỗ 78

3.3.5 Gia cụng cổng phun ngầm (Submarine gate) 79

33.6 Gia cụng hốc khuụn lớn 79

3.3.7 Khoan 79

3.3.8 Cỏc đường cong cụng nghệ 79

3.4.V DỤ:TH C HIỆN GIA CễNG ĐƠN GIẢN VỚI M T PHễI VÀ M T HỐC 87

CHƯƠNG IV: SỬ DỤNG PHẦN MỀM CAD/CAM/CNC VÀO THIẾT KẾ VÀ GIA CễNG KHUễN 96

4.1.ĐẶC ĐIỂM CỦA NỀN CễNG NGHIỆP CHẾ TẠO KHUễN MẪU 96

4.1.1 Đặc điểm của quy trình chế tạo khuôn mẫu theo công nghệ truyền thống96 4.1.2 Đặc điểm quy trình chế tạo khuôn mẫu theo công nghệ CAD/CAM-CNC: 96 4.1.3 Đặc điểm của công nghệ sản xuất khuôn mẫu ở Việt Nam 97 4.2.ỨNG DỤNG CÁC PHẦN MỀM TRONG THIẾT KẾ VÀ GIA CÔNG KHUÔN 98 4.2.1 Ứng dụng 2 phần mềm SplitWorks và MoldWorks trong thiết kế khuôn 98 4.2.2 Ứng dụng MoldFlow để mô phỏng quá trình ép phun nhựa 106 TÀI LIỆU THAM KHẢO 120

CÁC CHỮ VIẾT TẮT

CNC (Computer Numerical Control) – Điều khiển số có sự trợ giúp của máy tính CAE (Computer Aided Engineering) – Công nghệ có sự trợ giúp của máy tính CAD (Computer Aided Design) – Thiết kế có sự trợ giúp của máy tính

CAM (Computer Aided Manufacturing) – Sản xuất có sự trợ giúp của máy tính

RP (rapid prototyping) – Tạo mẫu nhanh

EDM(Electric Discharge Machining)- Gia công tia lửa điện

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ

Hình 1.1.Gia công Milling EDM 12

Hình 1.2 Nguyên lý gia công tia lửa điện 15

Hình 1.3 Sự hình thành kênh dẫn điện 17

Hình 1.4 Sự phóng điện qua kênh dẫn điện 17

Hình 1.5 Sự phục hồi 18

Hình 1.6.Thiết bị gia công tia lửa điện(xung định hình) 19

Hình 1.7 Điện áp và dòng điện trong một xung phóng điện 19

Hình 1.8: Các thông số ảnh hưởng đến năng suất khi gia công 23

Hình 1.9 : Vùng ảnh hưởng nhiệt của bề mặt phôi 24

Hình 1.10 Mối quan hệ giữa Vw và ti 30

Hình 1.11 Mối quan hệ giữa θ(Độ mòn tương đối giữa điện cực) và ti 30

Hình 1.12 Mối quan hệ giữa Rmax và ti 31

Hình 1.13 Ảnh hưởng của ti và t0 31

Hình 1.14.Ảnh hưởng của δ 32

Hình 1.15 Đồ thị mối quan hệ giữa η và ap 34

Hình 1.16 Ảnh hưởng của điện dung C 35

Hình 1.17 Ảnh hưởng của diện tích vùng gia công F 35

Hình 1.18 Dòng chảy bên ngoài 44

Hình 1.19 Dòng chảy áp lực 44

Hình 1.20 Ảnh hưởng của Ui &C 47

Hình 1.21 Tác dụng của xung điện lên độ cứng bề mặt 48

Hình 1.22 Hiện tượng hồ quang 49

Hình 1.22 Hiện tượng ngắn mạch, sụt áp 50

Hình 1.23 Hiện tượng xung mạch hở 50

Hình 2.1.Chuyển động hành tinh gia công khuôn 54

Hình 2.2.Các kiểu khác nhau của chuyển động hành tinh 55

Hình: 2.3 Độ lệch tâm Sai số Error! Bookmark not defined Hình 2.4: a) Điểu khiển theo contour trên máy tiện, b) trên máy phay 58

Hình:2.5 Điều khiển contour 3D 58

Hình 2.6: Xung đình hình một contour 60

Hình 2.7: Xung định hình profin (a), hốc (b), rãnh (c) 61

Hình 2.8: Xác định khe hở phóng điện khi gia công hốc và rãnh 62

Hình 2.9: Xác định bề mặt điện cực phía trước khi gia công rãnh 63

Hình 2.10: Lượng hớt vật liệu là hàm số của bề mặt điện cực phía trước Sf 64

Hình 2.11: Mức độ hớt vật liệu phụ thuộc vào diện tích bề mặt điện cực phía trước

Sf (gia công rãnh) 64

Hình 2.12: Các sai số hình học khi gia công định hình một hốc 66

Hình 2.13: Gia công tinh góc lượn bằng điện cực đường kính nhỏ 67

Hình 2.14: Phương pháp sai khi gia công tinh hốc 67

Hình 2.15: Một số dạng đường chạy dao phay tia lửa điện cơ bản 70

Hình 2.17: Một số dạng đường chạy dao phay tia lửa điện có điện cực dạng ống 72

Hình 2.18: Một số hình ảnh điện cực bị mòn khi gia công phay tia lửa điện 72

Hình 2.19: Các máy phay tia lửa điện 73

Hình 3.1: Gia công bề mặt có độ sâu nhỏ 77

Hình 3.3: Gia công micro 78

Hình 3.7 Xung lỗ 78

Hình 3.8.Gia công cổng phun ngầm 79

Hình 3.9.Sơ đồ thiết lập đường cong 80

Hình 3.10.Sơ đồ mô tả giá trị khe hở 81

Hình 3.11 Đường công nghệ 83

Hình 4.1.Xác định lòng khuôn trên và dưới 99

Hình 4.2.Tạo mặt phân khuôn 100

Hình 4.4.Hoàn thành hộp khuôn 102

Hình: 4.5.Đường dẫn nước làm mát trong khuôn ép 105

Hình 4.6 Hộp thoại Import – Create Project 106

DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng 3.2 Bảng giá trị các khe hở 86

Bảng 3.1: Đặc tính một số chất điện môi 75

PHẦN MỞ ĐẦU

1 Lý do chọn đề tài

Sự phát triển của gia công khuôn đúc, gia công cơ khí càng ngày càng quan trọng trong công nghiệp, mà phát triển hướng với tốc độ cao, tự động hoá và độ chính xác cao Phạm vi gia công cũng mở rộng không ngừng, nhu cầu gia công khuôn có độ chính xác cao ngày càng rộng, nhưng gia công cơ khí truyền thống không thể đáp ứng được Trong tình hình này, sự vận dụng và phát triển của gia công xung điện bù đắp khiếm khuyết này

Gia công xung điện là phương pháp gia công trực tiếp lợi dụng năng lượng điện tiến hành phóng điện(gọi tắt là gia công phóng điện hoặc gia công tia lửa điện) xảy ra ở nhiệt độ cao, năng lượng cao làm nóng chảy vật liệu gia công Hiện nay chia thành

2 loại: gia công xung điện cắt dây và gia công xung điênh định hình, nguyên lý gia công của hai phương pháp này giống nhau, sự khác biệt là công cụ sử dụng khác nhau

Gia công xung điện lợi dụng điện cực thành hình(công cụ) gia công vật liệu, vật liệu

sẽ bị gia công thành hình dáng âm bản của sản phẩm, do đó để giải quyết khó khăn

mà máy móc truyền thống khó gia công đạt được vị trí gia công yêu cầu

Ở Việt Nam, gia công xung điện chưa có vị trí xứng đáng trong đào tạo và trong thực tiễn sản xuất Vì thế có rất ít công trình nghiên cứu về gia công tia lửa điện Việc sử dụng gia công tia lửa điện trong thực tế sản xuất còn hạn chế Vì vậy việc nghiên cứu sâu sắc và ứng dụng hiệu quả quá trình gia công tia lửa điện, góp phần nâng cao chất lượng các sản phẩm cơ khí là một vấn đề rất cấp thiết hiện nay ở nước ta

Để nâng cao hơn nữa hiệu quả của các trung tâm gia công vào chương trình đào tạo Đai học, Sau đại học, nghiên cứu khoa học, chuyển giao công nghệ và khai thác trong quá trình sản xuất và gia công các sản phẩm có độ phức tạp và độ chính xác gia công cao

Vì vậy tác giả chọn đề tài:

“Nghiên cứu ứng dụng máy gia công tia lửa điện CNC FO 550S để gia công khuôn cho sản phẩm có bề mặt phức tạp”

2 Mục đích nghiên cứu của luân văn, đối tương, phạm vi nghiên cứu

- Mục đích nghiên cứu

Nghiên cứu khai thác sử dụng máy gia công tia lửa điện CNC FO 550S, ứng dụng

nó để gia công lòng khuôn cho máy ép phun nhựa

- Đối tượng nghiên cứu và phạm vi nghiên cứu

Nghiên cứu máy gia công tia lửa điện CNC FO 550S (lý thuyêt và thực nghiệm)

3 Tóm tắt nội dung thực hiện và đóng góp mới của tác giả

Nội dung nghiên cứu gồm:

- Nghiên cứu bản chất của quá trình gia công tia lửa điện

- Biên tập tài liệu về máy gia công tia lửa điện CNC FO 550S dùng trong học tập,nghiên cứu và ứng dụng

- Thiết kế khuôn ép phun cho sản phẩm nhựa Lập chương trình gia công bề mặt lòng khuôn Gia công sản phẩm mẫu trên máy gia công tia lửa điện CNC FO 550S

Ý nghĩa đề tài:

- Gia công tia lửa điện là một quá trình phức tạp với lớn các thông số ảnh hưởng và chỉ tiêu đánh giá Phương pháp nghiên cứu lý thuyết kết hợp với thực nghiệm được trình bày trong luận văn không chỉ phù hợp với đối tượng nghiên cứu của đề tài mà còn có thể sử dụng khi nghiên cứu nhiều loại máy gia công tia lửa điện với các điều kiện gia công khác nhau

4 Phương pháp nghiên cứu

- Nghiên cứu cơ sở lý thuyết về gia công tia lửa điện

- Nghiên cứu và thực nghiệm quá trình gia công trên máy CNC FO550S

CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ GIA CÔNG TIA LỬA ĐIỆN

Cách đây gần 200 năm khi nhà nghiên cứu người Anh là Joseph Priestley trong thí nghiệm của mình ông đã nhận thấy sự hiệu quả của sự ăn mòn vật liệu bởi sự phóng tia lửa điện

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 Họ

sử dụng tia lửa điện để hớt đi 1 lớp vật liệu mà không phụ thuộc vào độ cứng của vật liệu đó Khi các tia lửa điện phóng ra thì một lớp vật liệu trên bề mặt phôi sẽ bị hớt đi bởi 1 quá trình điện – nhiệt thông qua sự nóng chảy và bốc hơi kim loại Từ

đó đến nay quá trình hớt vật liệu trong gia công tia lửa điện vẫn được coi là phức tạp liên quan đến khoảng cách khe hở phóng điện, đến thông tin về kênh plasma, về

sự hình thành của cầu phóng điện giữa 2 điện cực, sự ăn mòn của cả 2 điện cực, 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 phát triển lớn trong những năm gần đây và đã

ra đời thêm một số phương pháp gia công dùng nguyên lý của phương pháp gia công tia lửa điện

1.1 GIA CÔNG BẰNG PHƯƠNG PHÁP TIA LỬA ĐIỆN (EDM)

1.1.1 Các phương pháp gia công tia lửa điện

Ngày nay, trong gia công cơ khí trên thế giới có 2 phương pháp gia công tia lửa điện chủ yếu, được ứng dụng rộng rãi và đã có những đóng góp đáng kể cho sự phát triển về khoa học kỹ thuật của nhân loại Có rất nhiều phương pháp gia công bằng tia lửa điện nhưng chủ yếu và được sử dụng rộng rãi đó là:

+ Phương pháp gia công xung định hình (EDM)

+ Phương pháp gia công cắt dây bằng tia lửa điện (WEDM)

1.1.1.1 Phương pháp gia công xung điện

Đây 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

1.1.1.2 Phương pháp gia công cắt dây bằng tia lửa điện

Là phương pháp dùng 1 dây dẫn điện có đường kính nhỏ (0,1 – 0,3mm) cuốn liên tục và chạy theo 1 biên dạng định trước để tạo thành 1 vết 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,

1.1.1.3 Các phương pháp khác

Ngoài 2 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):

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 dạng phức tạp do không phải chế tạo điện cực phức tạp (để xung) mà sử dụng điện cực chuẩn sau đó điều khiển cho điện cực cắt theo chương trình

Ưu điểm : Khi chi tiết gia công có hình dạng phức tạp thì thay vì phải chế tạo

điện cực dụng cụ phức tạp theo phôi mà người ta đã sử dụng điện cực chuẩn để giảm giá thành chế tạo

Hình 1.1.Gia công Milling EDM + Phủ bằng tia lửa điện (EDD):

Là phương pháp sử dụng hiệu quả của sự ăn mòn tia lửa điện để phủ lên các bánh mài sau thời gian sử dụng nghiền cơ khí 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 Điện áp xung được đặt vào giữa điện cực và bánh mài, trong quá trình 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 dạng đặc biệt

+ Gia công xung định hình siêu nhỏ (MEDM):

Là một dạng xung định hình đặc biệt trong đó điện cực được quay với tốc độ lớn (tới 10.000vg/ph) Điện cực sử dụng trong MEDM có kích thước nhỏ và được chế tạo bằng các phương pháp gia công tia lửa điện khác Phương pháp này dùng để gia công các lỗ siêu nhỏ với độ chính xác rất cao

Ưu điểm : Kích thước gia công lỗ siêu nhỏ từ 25µm đến 250 µm với độ chính

xác là

±1 µm đến ± 2 µm

+ Cắt dây tia lửa điện siêu nhỏ (MWEDM):

Là phương pháp cắt dây sử dụng điện cực Tungsten, Wolfram có đường kính dây nhỏ dưới 10 µm

Ưu điểm : Phương pháp này dùng để gia công cắt dây các lỗ siêu nhỏ có kích

thước từ 0,1 ÷ 1mm, các vật liệu khó gia công, các chi tiết có chiều dày mỏng, hoặc dùng trong công nghệ chế tạo các chi tiết bán dẫn

+ Gia công EDM rung của siêu âm (Ultrasonic Aided EDM):

Là phương pháp hớt vật liệu bằng tia lửa điện kết hợp với việc rung điện cực dụng cụ với tần số rung bằng tần số siêu âm Rung điện cực với tần số siêu âm giúp nâng cao khả năng công nghệ và tăng đáng kể tốc độ gia công khi gia công các lỗ nhỏ và siêu nhỏ

+ Mài xung điện (Abrasive Electrical Discharge Grinding - AEDG):

Là phương pháp gia công trong đó vật liệu được bóc tách nhờ tác dụng kết hợp của ăn mòn tia lửa điện và ăn mòn cơ khí

Ưu điểm : Phương pháp này dùng để gia công vật liệu siêu cứng như : Kim

cương đa tinh thể

+ Gia công tia lửa điện theo kiểu đê chắn (Mole EDM):

Là một quá trình gia công đặc biệt cho phép gia công các hốc, rãnh dạng đường cong hoặc đường xuyến Hình dáng điện cực được sử dụng trong phương pháp này giống như một thanh dẫn có thể uốn cong và một hệ thống nhận dạng Người ta sử dụng sóng siêu âm để nhận dạng các đường hầm gia công trong chi tiết

+ 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

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

Gia công tia lửa điện là phương pháp gia công bằng cách phóng điện ăn mòn vật liệu

1.1.2.1 Các đặc điểm chính của phương pháp gia công tia lửa điện

+ Vật liệu điện cực và vật liệu phôi đều phải có tính chất dẫn điện

+ Điện cực (dụng cụ cắt): có độ cứng thấp hơn nhiều so với vật (chi tiết gia công) Vật liệu điện cực thường là đồng, hợp kim của đồng, grafit

+ Có thể gia công được rất nhiều kim loại, hợp kim khác nhau (kể cả vật liệu

đã qua nhiệt luyện)

+ Chế độ gia công thay đổi trong phạm vi rộng

+ Điện cực (dụng cụ cắt) không tiếp xúc với chi tiết gia công Chính vì điều

này phương pháp gia công bằng tia lửa điện hầu như không có lực cắt

1.1.2.2 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 đường thẳng, đường cong, các rãnh định hình, các bề mặt có profile phức tạp, với độ bóng bề mặt tương đối cao và đạt độ nhám Ra = 0,63µm ÷ 2,5µm, đôi khi trong trường hợp có thể đạt tới 0.32 µm và độ chính xác cao từ cấp 7 đến cấp 9

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

Chất lượng và năng suất gia công tỷ lệ nghịch với nhau

1.2 PHƯƠNG PHÁP GIA CÔNG XUNG ĐIỆN

1.2.1.Nguyên lý gia công tia lửa điện

Hình 1.2 Nguyên lý gia công tia lửa điện

Đặt một điện áp một chiều giữa 2 điện cực (một được gọi là dụng cụ và một gọi là phôi - chi tiết) Chúng được nhúng ngập trong 1 dung dịch cách điện đặc biệt (gọi

là dung dịch điện ly) Điện áp này thường nằm trong khoảng 80V đến 200V

Khi đưa 2 điện cực tiến lại gần nhau, đến một khoảng cách đủ nhỏ thì xảy ra sự phóng tia lửa điện Điều này có thể giải thích là do điện trường giữa khe hở đủ lớn (đạt khoảng 104 V/m) dẫn đến việc iôn hoá dung dịch điện ly và nó trở thành dẫn điện Tia lửa điện phóng qua khe hở này và hình thành kênh dẫn điện, nhiệt

độ lên đến khoảng 10000oC làm bốc hơi vật liệu các điện cực Áp suất vùng này

sẽ cao hơn các vùng khác

Nguồn điện được ngắt đột ngột làm cho tia lửa điện biến mất Do sự chênh lệch

áp suất và do dung dịch lạnh từ ngoài tràn vào kênh dẫn điện gây ra tiếng nổ nhỏ

và làm hoá rắn hơi vật liệu thành các hạt ô-xít kim loại Sau đó, dung dịch điện ly được khôi phục trạng thái cũ của nó: không dẫn điện

Nguồn điện được cung cấp lại và tia lửa điện lại xuất hiện

Có thể thấy những điểm mấu chốt của phương pháp gia công tia lửa điện gồm:

Nguồn cung cấp điện áp dạng xung: thời gian ngắt nguồn điện là khoảng thời gian cần thiết để dung dịch điện ly có thể khôi phục lại trạng thái không dẫn điện của nó và sẵn sàng cho xung gia công tiếp theo Nếu thời gian này không có hay nhỏ quá sẽ làm dung dịch điện ly luôn ở trạng thái dẫn điện Điều này làm cho tia lửa điện phát triển thành hồ quang gây hỏng bề mặt chi tiết và dụng cụ Các điện cực làm bằng 2 loại vật liệu khác nhau và được nhúng ngập trong dung dịch điện ly: dung dịch này có chức năng chính là môi trường hình thành kênh dẫn điện Giữa các điện cực luôn có 1 khe hở nhỏ được gọi là khe hở phóng điện Khe hở này cần

được đảm bảo trong suốt quá trình gia công để duy trì sự ổn định của tia lửa điện

1.2.2.Bản chất vật lý của quá trình ăn mòn tia lửa điện

Quá trình ăn mòn của một xung gia công được trải qua 3 giai đoạn: giai đoạn hình thành kênh dẫn điện, giai đoạn phóng tia lửa điện làm bốc hơi vật liệu và giai đoạn phục hồi

1.2.2.1.Giai đoạn 1: hình thành kênh dẫn điện

Các đặc điểm chính của giai đoạn này là:

Giai đoạn này được xác định trong khoảng thời gian khi bắt đầu có điện áp (cấp bởi nguồn) và kết thúc khi điện áp bắt đầu giảm

Trong quá trình di chuyển, chúng va đập với các phân tử trung hoà và làm tách

ra các ion và điện tử mới Cứ như vậy, khi khoảng cách càng nhỏ làm từ trường

và động năng của các ion và điện tử càng lớn dẫn đến hình thành một dòng chuyển dịch có hướng của ion và điện tử tạo nên dòng điện

Kết quả: dung dịch điện ly trở nên dẫn điện ở cuối giai đoạn này

Hình 1.3 Sự hình thành kênh dẫn điện

1.2.2.2.Giai đoạn 2: phóng điện và làm bốc hơi vật liệu

Hình 1.4 Sự phóng điện qua kênh dẫn điện

Thời gian của giai đoạn này đƣợc tính từ khi điện áp bắt đầu giảm đến một trị số xác định và giữ nguyên cho đến khi giảm về 0V (ngắt nguồn)

Mô tả hiện tƣợng: dòng điện xuất hiện trong kênh dẫn điện kèm theo sự xuất hiện tia lửa điện Tại kênh dẫn điện, năng lƣợng tập trung rất lớn (đạt cỡ 105 đến

107 W/mm2) làm cho nhiệt độ tại đó đạt tới 10000o C Vật liệu của các điện cực tại nơi xuất hiện tia lửa điện bị bốc hơi bởi nhiệt độ cao Bên cạnh đó còn có một lƣợng nhỏ vật liệu bị tách khỏi bề mặt các điện cực do sự va đập của các ion

và điện tử lên bề mặt của chúng

Giai đoạn này chính là giai đoạn có ích trong cả một xung gia công: ăn mòn vật liệu tạo thành hình dáng chi tiết theo yêu cầu

1.2.2.3.Giai đoạn 3: hoá rắn hơi vật liệu và phục hồi

Hình 1.5 Sự phục hồi

Thời gian ngắt nguồn điện là khoảng thời gian của giai đoạn này

Mô tả hiện tượng: nguồn xung bị ngắt đột ngột, dung dịch điện ly lạnh ở xung quanh tràn vào gây nên sự thay đổi áp suất đột ngột tạo nên tiếng nổ nhỏ Hơi của vật liệu điện cực hoá rắn do việc giảm nhiệt độ đột ngột tạo nên các hạt ô-xít kim loại có kích thước nhỏ (cỡ vài trăm micro mét) Các hạt ô-xít này không dẫn điện hoặc dẫn điện rất kém (tuỳ vào vật liệu các điện cực)

Kết thúc giai đoạn này, dung dịch điện ly lấy lại trạng thái ban đầu của nó: không dẫn

1.2.3.Thiết bị gia công

Hình 1.6.Thiết bị gia công tia lửa điện(xung định hình)

1.2.4 Đặc tính của sự phóng điện

Hình 1.7 Điện áp và dòng điện trong một xung phóng điện

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

Trong đó:

te : Thời gian kéo dài xung hay còn gọi là thời gian xung

td : Thời gian trễ đánh lửa

ti : Độ kéo dài xung của máy phát xung

t0 : Khoảng cách xung

tp : Chu kỳ xung

Ui: Điện áp máy phát mở

Ue: Điện áp phóng tia lửa điện

I : Dòng phóng tia lửa điện

+ Thời gian phóng điện t e : Là khoảng thời gian từ lúc bắt đầu phóng tia lửa điện

và lúc ngắt điện (từ một vài giây đến vài trăm giây) thuộc pha II làm kim loại nóng chảy

+ Thời gian trễ t d : Là khoảng thời gian giữa lúc đóng điện máy phát đến lúc xảy

ra phóng tia lửa điện, là thời gian cho phép chất điện môi ion hoá và hình thành kênh phóng điện

+ Độ kkéo dài xung t i : Là hoảng thời gian giữa hai lần đóng ngắt của máy phát trong một chu kỳ phóng tia lửa điện Độ kéo dài xung là tổng của thời gian trễ đánh lửa td và thời gian phóng tia lửa điện te Đây còn là khoảng thời để chất điện môi thôi ion hoá, chuẩn bị cho một chu kỳ phóng điện tiếp theo cho đến khi đạt kích thước gia công yêu cầu

+ Khoảng cách xung t o : Là khoảng thời gian giữa hai lần đóng ngắt của máy phát giữa hai chu kỳ xung kế tiếp nhau, to còn được gọi là độ kéo dài nghỉ của xung

+ Điện áp đánh lửa U z : là 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 phóng điện Tia lửa điện phóng và khe hở phóng điện là hàm số tỷ lệ thuận của Uz

+ Điện áp phóng tia lửa điện U e : Khi bắt đầu phóng tia lửa điện, điện áp sẽ sụt

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

+ Điện áp 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

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

Các nghiên cứu cho thấy tại các vùng lân cận các điện cực, plasma có nhiệt độ rất cao từ 6000ºC ÷ 10000ºC 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 năng lượng nhiệt năng tại các điểm, còn được gọi là các ― nguồn nhiệt‖ Các điện tử cận anốt di chuyển và dẫn tới làm nóng chảy và bốc hơi vật liệu Các ion dương đi đến catốt và nung nóng điểm trên catốt ở điểm đối diện thuộc kênh plasma 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 tại anốt Chính sự cơ động khác nhau của chúng đã tạo ra sự phân nhiệt khác nhau tại anốt và catốt, điều này dẫn đến sự ăn mòn rất khác nhau tại 2 điện cực (thực tế là điện cực dương sẽ nóng chảy lớn hơn nhiều so với điện cực âm)

Lượng ion dương tăng nhanh trong luồng di chuyển tổng, chỉ trong một khoảng thời gian ngắn tỷ lệ chia nhiệt trở nên cân bằng và với sự kéo dài thời gian phóng tia thì các ion dương sẽ gây ra hiện tượng nóng chảy và bốc hơi catốt

Khi kết thúc pha phóng điện, sự mất điện đột ngột đồng thời với sự sụt áp tạo ra

sự chênh lệch làm vỡ các kênh plasma và các túi khí Các lực này và áp lực tạo nên bởi sự phá huỷ nội lực của các kênh plasma làm bung các phần tử kim loại đã bị nóng chảy ra khỏi bề mặt Lượng vật liệu bị hớt đi trên bề mặt của các điện cực phụ thuộc vào quá trình chuyển đổi năng lượng nhiệt và cơ thẩm nhiệt

1.2.5 Cơ chế bóc tách vật liệu

Trước hết, muốn tách vật liệu ra khỏi phôi thì phải có năng lượng tách vật liệu

We:

We = Ue.Ie.te

Trong đó:

Ue : Là điện áp trung bình của tia lửa điện

Ie : Là dòng điện trung bình của tia lửa điện

te : Là thời gian xung

Ue : Là hằng số phụ thuộc vào cặp vật liệu điện cực và phôi

Vậy We chỉ phụ thuộc vào Ie và te

Thực tế dòng điện tổng cộng qua 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 có tốc độ 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 Khi đó mức độ tăng của dòng điện khi bắt đầu có sự phóng điện là rất lớn, điều này là gây

ra sự nóng chảy mạnh ở cực dương Trong khi đó do dòng các ion dương tới cực âm

là nhỏ nên không gây ra hiện tượng ăn mòn ở cực âm

Một lý do quan trọng để tách vật liệu nóng chảy ra khỏi bề mặt là do sự biến mất đột ngột của kênh plasma điều này dẫn đến sự sụt giảm áp suất đột ngột xuống bằng áp suất môi trường xung quanh trong khi đó nhiệt độ không giảm nhanh như vậy dẫn đến sự nổ và bốc hơi khối lượng kim loại nóng chẩy đó Tốc độ cắt dòng điện và mức độ sụt giảm áp suất quyết định đến sự nổ và bốc hơi của lớp kim loại nóng chảy Trong đó thời gian sụt của dòng điện là yếu tố quyết định tới độ nhám gia công

Hình 1.8: Các thông số ảnh hưởng đến năng suất khi gia công

Ngoài ra, trong gia công tia lửa điện lượng hớt vật liệu còn phụ thuộc vào vật liệu phôi và vật liệu điện cực dụng cụ Trên Hình 1.7 ta có thể thấy sự phụ thuộc này Với những vật liệu có nhiệt độ nóng chảy thấp thì khi gia công sẽ cho năng suất cao nhưng bề mặt sẽ thô Thông thường lượng hớt vật liệu nằm trong khoảng 0,1- 400 mm3 /phút

1.3 CHẤT LƯỢNG BỀ MẶT KHI GIA CÔNG TIA LỬA ĐIỆN

1.3.1 Chất lượng bề mặt gia công

Chất lượng bề mặt là một khái niệm tổng hợp bao gồm :

Độ nhám bề mặt

Vết nứt tế vi trên bề mặt

Các ảnh hưởng nhiệt ở lớp bề mặt

Hình 1.9 : Vùng ảnh hưởng nhiệt của bề mặt phôi

Về độ nhám bề mặt, khi gia công thô sẽ có độ nhám lớn, tạo ra bề mặt thô xù xì Khi gia công tinh sẽ nhận được bề mặt có độ nhám nhỏ, bề mặt tinh, nhẵn Bề mặt tinh nhẵn Bề mặt càng thô thì càng giảm đặc tính chống mài mòn cơ học và tăng nguy cơ bị ăn mòn hóa học

Để xác định độ nhám, người ta đo giá trị độ nhám cực đại Rmax ( tức chiều cao lớn nhất giữa các đỉnh và các thung lũng của nhấp nhô bề mặt) và độ nhám trung bình R

a ( tức là giá trị trung bình số học của tất cả các nhấp nhô bề mặt) Cần chú ý rằng, không bao giờ được nhầm lẫn giữa R a và Rmax

Về vết nứt tế vi và các lớp ảnh hưởng nhiệt, người ta có thể mài một mặt cắt của mẫu thử để soi và chụp ảnh trên kính hiển vi và một vùng bị ảnh hưởng nhiệt ( hình 1.9)

Phân biệt các lớp và các cấu trúc sau đây:

+ Lớp trắng, đó là lớp kết tinh lại, với các vết nứt tế vi do ứng suất dư vì nóng lạnh đột ngột lặp đi lặp lại Độ kéo dài xung t e càng lớn thì lớp này càng dày

+ Lớp bị tôi cứng, với cấu trúc tròn, lớp này có độ cứng tăng vọt (trên 1000HV) so với kim loại nền

+ Lớp bị ảnh hưởng nhiệt, do nhiệt độ ở đây đã vượt quá nhiệt độ ostenit (Fe – Fe

3C ) trong một thời gian ngắn Độ cứng của lớp này giảm so với lớp tôi cứng, còn khoảng dưới 800 HV

+ Dưới cùng là lớp không bị ảnh hưởng nhiệt Nó trở lại độ cứng bình thường của vật liệu nền

Các lớp ở vùng 1 và vùng 2 (hình 3.1) có ảnh hưởng rất xấu như:

+ Các vết nứt tế vi và ứng suất dư làm giảm độ bền mỏi của vật liệu chi tiết

+ Lớp trắng gây khó khăn để lắng đọng một lớp phủ dính bám, ví dụ, phủ TiN + Lớp tôi cứng với cấu trúc dòn dễ phá hỏng chi tiết khi làm việc chịu tải trọng va đập

Để khắc phục các ảnh hưởng xấu nói trên của lớp bề mặt, khi gia công tia lửa điện nên sử dụng nhiều bước gia công kế tiếp nhau: gia công thô, bán tinh và tinh Nhờ

đó, không những giảm được độ nhám bề mặt, mà còn lấy đi được vùng nhiệt với các lớp trắng và lớp tôi cứng

Ngay trong lúc gia công thô người ta cũng có thể giảm được vùng ảnh hưởng nhiệt

do sử dụng các xung có hình dáng đặc biệt hoặc sử dụng kỹ thuật tổng hợp như gia công tia lửa điện kết hợp với gia công bằng siêu âm

1.3.2 Độ chính xác tạo hình khi gia công tia lửa điện

Gia công tia lửa điện điều khiển xung định hình là một phương pháp gia công in hình Độ chính xác in hình phụ thuộc vào nhiều yếu tố:

+ Độ chính xác của máy (độ ổn định về cơ, độ chính xác vị trí, hệ thống chạy dao các bàn trượt)

+ Các thông số điều chỉnh về điện khi gia công (Uc, Ic, tc,…)

+ Tính chất của điện cực (vật liệu điện cực, độ chính xác kích thước…)

+ Độ chính xác lập trình ( độ chính xác của quỹ đạo dụng cụ được lập trình…)

Về độ chính xác của máy, trước hết nhà chế tạo phải quan tâm bố trí máy cho tối

ưu Điều này nhà chế tạo chỉ có thế ảnh hưởng ở mức độ giới hạn vì phải quan tâm đến quan hệ về giá thành, công suất hoặc độ lớn chấp nhận được của máy Người

sử dụng cũng cần quan tâm những điều kiện phù hợp như nhiệt độ trong phòng và việc giữ cho nhiệt độ của chất điện môi là hằng số

Người sử dụng phải chịu trách nhiệm về các thông số điều chỉnh Vì gia công xung định hình là phương pháp in hình nên độ chính xác của điện cực sẽ được sẽ được in lên phôi Không bao giờ đạt được dộ chính xác của phôi cao hơn độ chính xác của điện cực

Bên cạnh ảnh hưởng của sai số vị trí, của độ mòn điện cực và sự phát triển nhiệt thì khe hở phóng điện có ảnh hưởng quan trọng lên độ chính xác gia công Chiều rộng khe hở phóng điện thường được kiểm tra bằng cách so sánh điện áp trung bình được

đo qua khe hở phóng điện với một điện áp gốc đặt trước Nếu có sự khác nhau trong hai điện áp này thì cơ cấu servo sẽ điều chỉnh khoảng cách khe hở phóng điện Tình trạng của chất điện môi cũng ảnh hưởng quan trọng lên điện áp được đo Với một mật độ của vật liệu được hót đi có mặt trong khe hở phóng điện lớn hơn so với khi chất điện môi loãng, thì sự có mặt của các phần tử dẫn điện sẽ làm tăng cường

độ từ trường đối với cùng một chiều rộng khe hở phóng điện Từ đó đưa đến sự khác nhau giữa chiều rộng khe hở phóng điện mặt bên và mặt trước

Khe hở phóng điện mặt bên là khoảng cách giữa phôi và mặt bên của điện cực, nơi

mà chỉ có sự phóng điện rời rạc Định nghĩa đầy đủ và rõ ràng về các loại khe hở phóng điện được trình bày ở chương 5

Độ chính xác lập trình không chỉ phụ thuộc vào người sử dụng mà còn phụ thuộc vào nhà sản xuất máy Ví dụ khi lập trình cho gia công theo một đường cong nào

đó, người lập trình phải tận dụng mọi khả năng điều khiển của máy để miêu tả đường cong đó đúng như nó có thể có được Mặt khác, nhiệm vụ của nhà chế tạo là phải cung cấp một hệ điều khiển có khả năng thực hiện chính xác các đường cong cho trước một cách hiệu quả

Tóm lại độ chính xác khi gia công xung định hình được tổng hợp trong bảng sau:

Độ chính xác của máy Thông số làm việc

 Nhiệt độ trong phòng  Điều chỉnh chạy dao

 Nhiệt độ dung dịch điện

1.4.1 Đặc tính của sự phóng điện khi xung điện định hình

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, sự đấu cực, điều kiện dòng chảy chất điện môi, thì tham số điều khiển về xung như thời gian,

điện áp, dòng điện cũng đóng vai trò rất quan trọng đến năng suất và đặc biệt là đến chất lượng bề mặt gia công Các tài liệu nghiên cứu đã đưa ra các kết luận đã trở thành các 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 Ie 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 ÷ 80A, trong đó các bước nhỏ được chọn để gia công tinh, lớn để gia công thô

Thời gian xung và khoảng ngắt xung te và 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 te

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,

Về mối quan hệ thời gian xung/khoảng ngắt ta có tỉ lệ ti /t0 ~ 10 phù hợp cho gia công thô, tỉ lệ ti /t0 ~ 5 ÷ 10 cho gia công tinh và ti/t0 < 1 cho gia công bề mặt siêu tinh

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

1.4.2 Một số yếu tố công nghệ ảnh hưởng khi gia công xung điện

1.4.2.1 Ảnh hưởng của điện áp đánh lửa U i

Đây là điện áp cần thiết để có thể dẫn đến phóng tia lửa điện, điện áp đánh lửa

Ui càng lớn thì phóng điện càng nhanh và cho phép khe hở phóng điện càng lớn

1.4.2.2 Ảnh hưởng của thời gian trễ phóng tia lửa điện t d

Là khoảng thời gian đóng máy phát và 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‖ vọt lên Ie

1 4.2.3 Ảnh hưởng của điện áp phóng tia lửa điện U e

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 tụt xuống từ Ui đến Ue

1.4.2.4 Ảnh hưởng của dòng phóng tia lửa điện I e

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 Nói chung là khi Ietăng thì lượng hớt vật liệu tăng và độ nhám gia công lớn và độ ăn mòn điện cực

giảm

1.4.2.5 Ảnh hưởng của thời gian phóng tia lửa điện t e.

Là khoảng thời gian giữa lúc bắt đầu phóng tia lửa điện và lúc ngắt điện, tức là thời gian có dòng điện Ie trong một lần phóng điện

1.4.2.6 Ảnh hưởng của độ kéo dài xung t i

Là khoảng thời gian giữa hai lần đóng ngắt của máy phát trong cùng 1 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: Thực nghiệm cho thấy khi giữ nguyên dòng điện Ie và khoảng cách xung t0, 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 chất điện môi Mối quan hệ giữa lượng hớt vật liệu với ti được biểu thị ở đồ thị 1.2

Hình 1.10 Mối quan hệ giữa V w và t i + Độ mòn điện cực: Độ mòn của điện cực sẽ giảm đi khi ti tăng thậm trí cả sau khi đạt lượng hớt vật liệu cực đại Nguyên nhân do mật độ điện tử tập trung ở bề mặt phôi (cực dương) cao hơn nhiều lần so với mật độ ion 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 ion dương chỉ đạt tới cực (+) trong những θ đầu tiên mà thôi Do vậy mà ngày

càng giảm Mối quan hệ giữa độ mòn điện cực với t i được biểu thị ở hình 4.2

Hình 1.11 Mối quan hệ giữa θ(Độ mòn tương đối giữa điện cực) và t i

+ Độ mòn điện cực : Khi tăng ti thì độ nhám Ra cũng tăng do tác dụng của dòng điện được duy trì lâu hơn làm cho lượng hớt vật liệu tăng lên ở một số vị trí và làm

cho Ra tăng lên Mối quan hệ giữa ti với độ nhám bề mặt gia công được biểu thị ở hình 4.3

Hình 1.12 Mối quan hệ giữa R max và t i 1.4.2.7 Ảnh hưởng của khoảng cách ngừng xung t 0.

Là khoảng thời gian ngừng phóng điện giữa 2 chu kỳ phóng tia lửa điện kế tiếp nhau, t0 còn được gọi là độ kéo dài nghỉ của xung

Hình 1.13 Ảnh hưởng của t i và t 0

Cùng với tỷ lệ ti/t0, t0 có ảnh hưởng rất lớn đến lượng hớt vật liệu Khoảng cách

t0 càng lớn thì lượng hớt vật liệuVw 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 đến có đủ thời gian thôi ion 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 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 Cụ thể như sau:

+ Khi gia công rất thô chọn: ti /t0 >10

+ Khi gia công thô chọn: ti /t0 = 10

+ Khi gia công tinh chọn: ti /t0 = 5 ÷ 10

+ Khi gia công rất tinh chọn: ti /t0 < 5

1.4.2.8 Ảnh hưởng của khe hở phóng điện δ

Hình 1.14.Ảnh hưởng của δ

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

Ue = Ui.(1- e

-T1 RC

)

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

+ Ui là điện áp đánh lửa

+ C là điện dung của tụ điện

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

Chính vì điều này dẫn đến năng suất bị thấp

- Nếu δ lớn thì Uemax lớn dẫn đến f nhỏ Nhưng theo đồ thị dưới đâythì dòng điện Ie cũng nhỏ làm cho năng suất cũng thấp Như vậy, việc chọn δ tối ưu sao cho sự phóng tia lửa điện diễn ra đều đặn để có một năng suất gia công phù hợp là rất cần thiết

Công suất gia công được xác định bằng công thức sau :

Với: R là điện trở trong mạch RC

C là điện dung trong mạch RC

T1 là thời gian tích điện

Thay số ta được: Nc =

Ui.Iz

T1 0

T1 (1- e

-T1 RC

).e

-T1 RC .dt

Đặt η = Uemax

Ue

= 1- e

-T1 RC

Vậy Nc = Ui.Iz.ap

Hình 1.15 Đồ thị mối quan hệ giữa η và a p

Qua đồ thị cho ta thấy ap đạt giá trị max khi η = 0,6 - 0,8 Vì vậy phải điều chỉnh khoảng cách điện cực phù hợp với trị số η trên nhưng cũng phải giữ được δ ổn định trong khoảng đó

1.4.2.9 Ảnh hưởng của điện dung C

Ảnh hưởng của điện dung C được mô tả như sau:

Hình 1.16 Ảnh hưởng của điện dung C

Biểu đồ chỉ ra rằng khi điện áp tối ưu Uopt = 0,7Ui thì 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 thì sẽ gây ra hiện tượng hồ quang làm giảm năng suất gia công

1 4.2.10 Ảnh hưởng của diện tích vùng gia công

Hình 1.17 Ảnh hưởng của diện tích vùng gia công F

Đồ thị sau biều thị ảnh hưởng của diện tích vùng gia công đến quá trình gia công tia lửa điện Ta thấy, sau khi tăng gần như tuyến tính của V0 đến khi đạt tới giá trị tới hạn của diện tích Fgh thì V0 sẽ giảm dần Nguyên nhân bởi vì khi đã vượt quá

Fgh thì cũng có nghĩa là vượt quá giới hạn của dòng điện, khi đó việc vận chuyển

phoi ra khỏi vùng gia công khó khăn hơn và làm giảm năng suất gia công

1.4.2.11 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 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:

θ = Ve

Vw x.100%

Trong đó: + Ve là thể tích vật liệu bị mất ở điện cực

+ Vw là thể tích vật liệu bị mất ở phôi

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

+ Độ kéo dài xung te và sự đấu cực

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

+ Dòng điện Ie và bước của dòng điện

1.4.2.12 Ảnh hưởng của vật liệu phôi

Một trong những phương pháp nâng cao hiệu quả hớt vật liệu là sử dụng phù hợp cặp điện cực dụng cụ - phôi gia công Trong gia công EDM phôi thường đặt là cực dương, điện cực thường được đặt là cực âm nhằm đảm bảo tốc độ hớt vật liệu phôi là cao nhất Tuy nhiên tại những nguyên công gia công có yêu cầu thời gian phóng tia lửa điện cực ngắn hoặc gia công các loại hợp kim cứng và hợp kim Titan thì lại cần sự đấu cực ngược lại có nghĩa là điện cực lúc này là cực dương còn phôi gia công là cực âm Bằng EDM có thể gia công được mọi kim loại do tính dẫn điện của chúng Đối với kim loại, đa số có tính dẻo cao, nhiệt độ nóng chảy và bốc hơi thấp thì tốc độ hớt kim loại phụ thuộc chủ yếu vào chế độ nhiệt của chúng Tham số ảnh hưởng trước hết là điểm nóng chảy của vật liệu và khả năng dẫn nhiệt của

chúng Đối với những vật liệu cứng và dòn, có nhiệt độ nóng chảy cao thì mối quan

hệ giữa tốc độ hớt vật liệu và đặc tính nhiệt không còn tuân theo quy luật đó Bởi vì với nhiều vật liệu dòn, cơ chế hớt vật liệu và đặc tính nhiệt bị ảnh hưởng bởi các tác động khác mà chủ yếu phụ thuộc vào vật liệu

Ví dụ: Với vật liệu là Titanborit sự hớt vật liệu đuợc thực hiện do va đập nhiệt, với SiSiC sự hớt vật liệu được thực hiện thông qua sự khuếch tán tại toàn bộ các pha liên kết kim loại …

Với thép có thành phần cacbon thấp như thép xây dựng thì không phù hợp trong gia công xung điện, vì bên cạnh tính kinh tế thì với cùng chế độ gia công, sử dụng thép cacbon thấp có khả năng cho ta một bề mặt mịn như khi sử dụng kim loại cứng hơn Trong gia công xung điện, các loại thép này nên được cung cấp ở trạng thái đã tôi Nhiều hợp kim cứng, như WC-Co, các loại hợp kim Titan… dường như cũng không phù hợp với gia công xung điện vì chúng có tính dẫ điện kém chứ không phải

do tính cứng của chúng Các nghiên cứu cũng đã chỉ ra rằng tốc độ hớt vật liệu đối với một số loại vật liệu cụ thể như kim loại cứng, hợp kim bền nhiệt thực tế không phụ thuộc vào độ cứng của chúng

1.4.2.13 Ảnh hưởng của vật liệu điện cực

Vật liệu điện cực bao gồm 2 nhóm chính là kim loại và graphit với 5 loại phổ

biến là: đồng đỏ, đồng thau, wolfram, kẽm và graphit Thêm vào đó, người ta còn kết hợp một vài vật liệu điện cực với các kim loại khác để tạo ra loại điện cực

composite nhằm tăng hiệu quả cắt gọt (tạo thành nhóm thứ 3)

Độ chính xác gia công và nhám bề mặt khi gia công xung điện phụ thuộc vào nhiều yếu tố trong đó có vật liệu điện cực Do đó việc chọn vật liệu điện cực thích hợp nhất đóng vai trò quan trọng trong quá trình lập quy trình công nghệ gia công xung điện

a Chọn vật liệu điện cực dựa vào các yếu tố sau

+ Có tính dẫn điện tốt

+ Có tính nhiệt tốt

+ Tính vật lý tốt

+ Kiểu điện cực thích hợp nhất cho việc gia công

b Các loại vật liệu thường dùng

Những loại vật liệu thường được dùng như: Cu, đồng thau, hợp kim nhôm, hợp kim Cu-W, Ag-W, grafit, đồng điện phân … và được phân làm 3 nhóm:

+ Nhóm vật liệu kim loại: Đồng điện phân, Cu-W, Ag-W, đồng thau và thép + Nhóm vật liệu phi kim: Grafit

+ Nhóm vật liệu pha trộn kim loại – phi kim loại: Đồng-Grafit

• Nhóm vật liệu kim loại: Hai vật liệu được dùng chủ yếu trong nhóm này là

đồng điện phân và hỗn hợp Cu-W

+ Đồng điện phân : - Phần trăm Cumin = 99,92%

- Khi cường độ dòng điện gia công lớn thì dẫn đến điện cực mòn nhanh

+ Hỗn hợp Cu-W: - Có khoảng 60% ÷ 85% W, còn lại là Cu

• Nhóm vật liệu phi kim loại: Trong nhóm này thì vật liệu dùng chủ yếu làm

điện cực là Grafite Graphite được sử dụng cho phần lớn (khoảng 90%) các ứng dụng gia công xung điện Sở dĩ chúng được sử dụng rộng rãi là vì chúng có nhiều

ưu điểm so với điện cực kim loại

- Nhám bề mặt: có thể đạt độ bóng tương đương so với khi sử dụng điện cực đồng đỏ ở những trường hợp nhất định

Nhược điểm:

- Độ dòn cao nên rất dễ sứt mẻ các cạnh góc của điện cực

- Các vấn đề liên quan đến môi trường

• Nhóm vật liệu kim loại: Trong nhóm này điển hình là đồng Grafit Loại vật

liệu này là sự kết hợp giữa đồng đỏ và graphite, dẫn tới tăng tính dẫn điện và tăng

độ bền Đồng thời nó cũng kết hợp các ưu điểm là dễ chế tạo của graphite và tính

―an toàn‖ của đồng

1.4.2.14 Ảnh hưởng của chất điện môi

a Tác dụng của chất điện môi

+ Cách điện

+ Ion hóa

+ Làm nguội chi tiết gia công

+ Vận chuyển các bột cácbon (phoi)

• Cách điện: Nhiệm vụ đầu tiên của chất điện môi là cách điện giữa điện cực và

phôi, đảm bảo không có dòng điện chạy qua khe hở giữa hai cực, khi khoảng cách giữa 2 cực chưa đủ nhỏ Khi khoảng cách này đạt tới 1 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