phương pháp gia công nhiệt

Bản chất Bản chất của gia công tia lửa điện là dùng 2 điện cực bằng kim loại đặt trong mạch điện với 1 khoảng cách xác định.khi các tia lửa điện phóng ra, vật liệu bề mặt phôi sẽ bị hớt

BỘ CÔNG THƯƠNG TRƯỜNG ĐH CÔNG NGHIỆP THỰC PHẨM TP.HCM

Nguyễn Văn Duyễn:

Trương Đại Phong

Nguyễn Đức Minh

Trần Văn Phúc

GVHD:Trần Quốc Nhiệm

I. 3.1 GIA CÔNG TIA LỬA ĐIỆN

3.1.1 Bản chất và phân loại

a. Bản chất

Bản chất của gia công tia lửa điện là dùng 2 điện cực bằng kim loại đặt trong mạch điện với 1 khoảng cách xác định.khi các tia lửa điện phóng ra, vật liệu bề mặt phôi sẽ bị hớt đibởi quá trình điện-nhiệt thông qua sự nóng chảy và bốc hơi kim loại

• Gia công tia lửa điện bằng cắt dây(wire cutting), ở đây điện cực là 1 dây mành có d=(0.1-0.3)mm được cuốn liên tục và chạy theo 1 contour cho trước

Nguyên lý gia công

Là sự ăn mòn kim loại bằng tia lửa điện trong gia công tia lửa điện thì dụng cụ và chi tiết là 2 điện cực, trong đó dụng cụ là catot, chi tiết là anot hai điện cựa này được đặt trong môi trường cách điện

Khi di chuyển 2 điện lại gần thì giữa chúng có từ trường, khi tăng điện áp lên thì

từ bề mặt cực âm có điện trở phóng ra, tiếp tục tăng điện áp thì chất lỏng giữa 2 điện cực

bị ion hóa làm cho khoảng chất lỏng trở nên dẫn điện.hiện tượng này gọi là hiện tượng đánh thủy điện và hình thành kênh dẫn điện để tia lửa điện phóng lên bề mặt chi tiết dướitác dụng của nhiệt độ cao làm chảy và bốc hơi kim loại trong vùng nay

Phôi của quá trình gia công là các giọt kim loại bị tách khỏi các điện cực và đông đặcthành những hạt nhỏ dạng hình cầu

Đặc điểm của gia công tia lửa điện:

• Thời gian phóng tia lửa điện rất ngắn do đó nhiệt truyển tới chi tiết gia công ít và không sâu

• Khi có tia lửa điện nhiệt độ có thể đạt tơi 12000 oc, mật độ trong kênh dẫn điện có thể đạt đến 106a/cm2.

• Quá trình gia công tia lửa điện gồm có 6 ph

Pha 1: dưới tác dụng của từ trường, điện tử phát ra từ catot và gia tốc chạy về anot

Pha 2: do dung dịch bị ion hóa, vầng quang điện tử hình thành xung quanh nó có bọt khí với điện tích dương bao boc

Pha3: những bọt khí có điện tích dương nên làm thu hẹp dòng chảy của điện trở

Pha4: tia điện tử trung đi đến mặt anot

Pha5: dòng xung quanh làm nóng các bề mặt anot trong pham vi bề mặt được giới hạn.Pha 6: xung bi tắt , bọt khí nguội bị biến thành giọt dung dịch, sự tái sinh điện tích lại được xãy ra

3.1.3 dụng cụ và trang thiết bị

Một hệ thống gia công tia lửa điện bao gồm điện cực dụng cụ, chi tiết dụng cụ.được nối với nguồn điện 1 chiều đặt trong môi trường cách điện và được điểu khiển bằng chương trình số

a. Thiết bị

Hiện nay có 2 loại máy tia lửa điện được sử dụng rộng rãi trong công nghiệp

Máy gia công tia lửa điện thẳng đứng

Máy gia công căt dây

Máy cắt dây là máy gia công điện ăn mòn sử dụng các chuyển động được điều khiển theochương trình số để gia công các đường bao theo mong muốn hoặc để tạo hình bề mặt mà không cần dùng các điện cực có hình dạng đặc biệt.máy sử dụng 1 đường dây chuyển động liên tục dưới áp lực của máy như là một điện cực.dây này được làm bằng đồng thau , đồng đỏ với đường kính từ (0.05- 0.3)mm.các chuyển động của dây được cài sẳn trong máy.độ chính xác của máy khoảng 0.001mm

b) Dụng cụ

Trong gia công tia lửa điện, dụng cụ (điện cực) đóng vai trò cực kì quan trọng.chúng được gia công bằng các phương pháp: cắt gọt, đúc(chính xác), ép cắt, phun kim loại, mạ điện phân vv

Để đảm bảo độ chính xác gia công thì vật liệu làm điện cực phải đảm bảo các yêucầu:

• Có tính dẫn điện, dẫn nhiệt tốt, có điểm chảy và điểm sôi cao

• Có độ ăn mòn cao, độ bền cơ học tốt

• Có tính gia công tốt, dễ gia công, vât liệu điện cực phải rẻ, có khối lượng riêng nhỏ để chế tạo các điện cực có khối lượng riêng lớn

 Đối với máy gia công cắt dây, vật liệu làm điên cực phải có tính chất

Dẫn điện tốt , có nhiệt độ nóng chảy cao, có độ dãn dài cao

Có thể bóc kim loại trên bề mặt chi tiết

Vật liệu điện cực chia làm 3 loại:

Nhóm vật liệu kim loại như đồng -vônfram, bạc -vonfram , đồng thau- thép

Nhóm vật liệu phi kim :graphit

Nhóm vật liệu pha trộn kim loại và phi kim như đồng - graphit

a. Dung dịch cách điện:

Hiện nay chất điện môi thường được sử dụng là hydrocacbua và các loại dầu silicon

Công dụng của chất điện môi

Cách điện giữa điện cực và phôi

• Ion hóa : tạo điều kiện tối ưu cho sự phóng điện, nghĩa là phải được ion hóa vào thời điểm chuẩn bị phóng điện tạo nên cầu phóng điện giúp cho sự hớt vật liệu khi phóng tia lửa điện

• Làm nguội do tại vùng phóng điện nhiệt độ rất cao có thể lên tơi 10000oc do đó điện cực phải được làm nguội nếu không độ ăn mòn điện cực sẽ tăng lên

Vận chuyển phôi

Yêu cầu của chất điện môi

• Độ cách điện cao , dẫn nhiệt tốt

• Chất lỏng phải trung tính về hóa học, có độ nhớt nhở, không có mùi khó chịu, không có khí độc, nhiệt độ bốc cháy đủ cao không gây n-guy hiểm

• Có khả năng phục hồi nhanh sau khi bị đánh thủng

• Dễ tìm và giá thành hợp lí

3.1.4 Thông số công nghệ và khả năng công nghệ

a. Vận Tốc Cắt :

Là lượng vật liệu bị bóc đi theo một đơn vị thời gian

Vận tốc gia công phụ thuộc và cường độ dòng điện và năng lượng các xung điện

b. Các chế độ gia công

Các chế độ gia công phụ thuộc vào các thông số liên quan đến năng lượng các xung điệnnhư dòng đỉnh , thời gian xung, phân cực của mạch xung được điểu khiển, giá trị của điệndung và điện thế nạp

Bảng 3.2 một số thông số về chế độ gia công

Dạng gia công Năng lượng xung

dự trữ(j) Cường độ dòng điện (a) Điện dung của tụ c(µf)Thô

Trung bình

Tinh

0.5-50.05-50.005-5

>51-5

<1

>10010-100

<10

>10010-100

<10b) Năng suất gia công

Năng suất gia công phụ thuộc vào nhiều yếu tố, các yếu tố quan trọng nhất là khoảng cách giữa hai điện cực, cường độ dòng điện, tần số tia lửa điện, diện tích bề mặt gia công,chất lượng của điện cực, chất cách điện và loại máy phát xung

c) Độ chính xác gia công chịu ảnh hưởng của các thông số sau:

độ chính xác của máy gia công tia lửa điện( vị trí tương đối giữa dụng cụ và vật gia công

• Các lớp ảnh hưởng nhiệt:gồm lớp trắng, lớp bị tôi cứng, lớp bị ảnh hưởng nhiệt, lớp không bị ảnh hưởng nhiệt.

3.1.5 đặc điểm và phạm vi ứng dụng

a) Đặc điểm:

gia công tia lửa điện được sử dụng để gia công những vật liệu khó gia công mà các phương pháp khác không thực hiện đượcnăng suất gia công phụ thuộc vào vật liệu điện cực và tốc độ tiến của dụng cụ

điện áp làm việc của thiết bị lớn hơn 42v nên rất nguy hiểm

Nhược điểm :

• Năng suất thấp:khoảng (800-900) m3/ph khi gia công thép

• Tiêu hao năng lượng điện lớn(10-17)kw/h trên 1kg trọng lượng kim loại được bóc đi

• Hao mòn dụng cụ lớn

b) Phạm vi ứng dụng

• Có thể gia công tất cả vật liệu có độ cứng không giới hạn, có thể gia công các đường bao có hình dạng phức tạp với độ chính xác cao

• Có thể thay thế các phương pháp truyền thống trong những trường hợp:

• Biến cứng bề mặt chi tiết làm tăng khả năng chịu mài mòn

• Chế tạo và phục hồi các khuôn dập đã tôi và bằng hợp kim cứngmài sẵn , mài mòn , mài sắc hoặc rộng lỗ

• Gia công những đường kính nhỏ 0.15mm của các vòi phun cao áp, gia công lỗ sâu đến 60mm

• Ấy các dụng cụ bị gãy và kệt trong chi tiết, gia công khuôn mẫu ,

Hiện nay phương pháp này dùng để làm cứng các dụng cụ: dao cắt gọt gỗ, dao cắt kim loại, khuôn rèn dao cắt, cánh bơm nước, mũi khoan nhỏ, khoan đá, mũi đục đá

gia công tia lửa điện cắt dây chủ yếu được sử dụng để chế

tạo:

• Các lỗ định hình trong khuôn đột dập , khuôn đùn ,

khuôn kéo

• Điện cực dùng cho gia công xung định hình

• Sản xuất thử, các profin dưỡng dùng trong đo kiểm

• Cắt các hình dáng 3d đặc biệt, cắt các công tua

Để tránh điện tử tốc độ cao va chạm các phân tử không khí nên quá trình gia công bằng chùm tia điện tử được thực hiện trong chân không ( p=10-5 mmHg)

3.2.2 Nguyên lý gia công.

Chi tiết gia công 8 được đặt trong buồng chân không 10 Chùm tia điện tử đc phát ra từ cực âm 1 (catot) của đầu phát tia có tốc độ rất cao, động năng rất lớn và hội tụ hờ thấu kính điện tử 6 thành vệt rất nhỏ hướng vào bề mặ của chi tiết gia công 8.

Nguồn sinh ra điện tử tự do thông thường là một sợi dây vonfram 1 Năng lượng cao của các điện tử đạt được nhờ điện thế cao được tạo bằng cực dương 2( anot) Các điện tử tập trung thành chùm tia hướng tới bề mặt gia công với tốc độ gần bằng tốc độ ánh sáng Cácđiện tử va đập vào bề mặt gia công và chuyển động thành nhiệt năng nung nóng, làm chảy và bốc hơi bất kì vật nào

3.2.3 Dụng cụ và thiết bị

Các loại máy sử dụng tia lửa điện chủ yếu là máy khoan, phay và cắt

Trong các thiết bị khoan, phay đường kính của tia lửa điện thường bé hơn 10 và từ đó tạo dao động của điện áp cho phép tối đa bằng 1/103 ÷ 1/104 của điện áp định mức Yêu cầu này được giải quyết nhờ một hệ thống dao động có tần số từ (30100)kHz và bộ khuếch đại điện áp Cách này có lợi vì nội trở của nguồn dao động với cường độ dòng điện phụ tải đã cho sẽ tăng theo hàm mũ Trường hợp có sự cố, thì không có dòng điện ngắn mạch kéo dài mà có thể làm hư hỏng thiết bị hoặc gây tai nạn chết người

Chu kỳ gia công trên các máy có sử dụng chùm tia lửa điện có thể được tự động hóa hoặcđiều khiển theo chương trìn số

3.2.4 Thông số công nghệ và khả năng công nghệ

3.2.4.1 Các thông số công nghệ

Để gia công bằng tia lửa điện tử cần có thiết bị chuyên dùng để tạo ra chùm tia điện tử vàlàm chúng chuyển động với vận tốc rất cao v ≥ (106÷107)m/s Vận tốc của các điện tử được xác định bởi công thức :

V= 600

Trong đó : Ug – điện thê gí tôc [V]

Công suất của chùm tia lửa điện tử được tuyền đi (không kể sự tiêu hao do phản xạ và bức xạ) tính theo công thức

Wch=IUg

Trong đó : I là cường độ dòng điện của chùm tia điện tử [A]

Động năng của một điện tử trong điện trường là

Vn=m=eU

Trong đó : m- khối lượng của điện tử [g]

v- vận tốc chuyển động của điện tử [m/s]

e- điện tích của điện tử [C]

U- điện thế của môi trường điện tử đi qua [V]

Khi hội tụ chùm tia điện tử trên bề mặt chi tiết gia công, các điện tử va đập lên đó, toàn

bộ động năng của chúng sẽ biến thành nhiệt năng thì công suất của năng lượng đó được xác định gần đúng theo công thức sau:

P = IUg

I = n

Trong đó: I - cường độ dòng điện của chùm tia điện tử [A]

n – Số lượng điện tử trong chùm tia

Có thể phay những rãnh rộng (10 ÷ 20) µm, cách nhau (10 ÷ 20) µm Có cạnh vuông góc

và hoàn toàn song song với nhau Có thể kiểm tra độ chính xác bằng kính hiển vi Độ sau phay được thức hiện bằng cách điều chỉnh năng lượng và cường độ điện tử

Có thể khoan lỗ với độ chính xác cao Nhưng cần chú ý rằng, khi khoan lỗ sâu ( L/d = 2÷ 20) thì ở đoạn giữa bị thắt lại Độ ovan ở lỗ có đường kính (10 ÷ 30)µm từ (1/1000 ÷ 1/100)µm/, độ ovan này không đáng kể so với đường kính của lỗ Đường kính lỗ lớn hơn đường kính của tia điện tử Bề mặt gia công được trơn bóng khi khoan cũng như phay Thời gian gia công vô cùng ngắn, vì vậy bề dày của lớp bề mặt bị biến dạng do tác dụng của nhiệt là rất nhỏ Trong vật liệu cũng không phát sinh phản ứng suất sư nào lớn có ảnhhường xấu đến lớp bề mặt gia công.

Khi sử dụng để thực hiện các nguyên công khác nhau như hàn, nung chảy, gia công đạt kích thước chùm tia điện từ cần pải có mật độ năng lượng cần thiết và được xác định theo công thức:

Wmđ = 3.47Trong đó: Wmđ – Mật độ năng lượng tạo nê sự chảy lỏng trong vùng có đường kính bằng chiều dày của kim loại [W/cm2]

Tc – Nhiệt độ chảy của kim loại [ºC]

λ – Hệ số dẫn nhiệt của kim loại [W/cm2.ºC]

– Đường kính phân nửa trên viền ngoài của nó có nhiệt độ T˳ = 0 và không thay đổi [m.m]

Trị số mật độ năng lương để làm chảy một số kim loại

3.2.5 Đặc điểm và phạm vi ứng dụng

3.2.5.1 Đặc điểm

- Mật độ công suất tập trung cao trên một diện tích nhỏ

Việc cung cấp năng lượng liên tục chỉ kéo dài trong thời gian ngắn

Phối hợp khoảng chắc tác dụng của tia điện tử với điện áp làm gia tốc điện tử thay đổi.Bảo đảm điều khieern và dẫn tia điện tử theo yêu cầu gia công

Phương pháp này có những ưu điểm sau:

Có khả năng điều chỉnh nhuyễn và rộng suất năng lượng trong khu vực đốt nóng

Có công suất riêng lớn (từ vài kW đến vài MW) ở vị trí tác động của chùm tia

Có khả năng điều chỉnh được hướng tác dộng của chù tia nhờ hệ thống tạo ra từ trường

Có khả năng gia công trên một khu vực có kích thước rất bé của chỉ tiết

Nhược điểm của phương pháp này là phải đảm bảo độ chân không cao, quá trình chuẩn bịcho công việc gia công phức tạp, trang thiết bị quá đắt tiền và vận hành phức tạp

3.2.5.2 Phạm vi ứng dụng

Có thể gia công các vật liệu có cấu trúc khác như thép, vonfram, platin, tantan, molipden,silic dó có phạm vi rộng rãi và đa ạng trong lĩnh vực cơ khí chính xác và trong lĩnh vực khác như hàn, nấu chảy kim loại đặc biệt với các vật liệu khó nóng chảy, hóa cứng và phủ

bề mặt kim loại Vì vậy phương pháp này sử dụng rộng rãi để gia công những loại mỏng trong lĩnh vực cơ khí chính xác

Ngoài ra có thể gia công những vật liệu dẫn điện kém như kính, gốm

3.3 Gia công chùm tia lade.

3.3.1 Bản chất và gia công kim loại.

3.3.1.1 Bản chất

Trong đó thông dụng nhất là lade rắn

3.3.2 Nguyên lý gia công.

Gia công bằng tia lade là quá trình xử lý nhiệt, trong đó lade được dùng làm nóng chảy vàbốc hơi vật liệu

1. Gương phản xạ (độ phản xạ 100%)

2. Môi trường hoạt tính

3. Buồng cộng hưởng quang học

4. Gương phản xạ trong suốt (độ phản xạ 50%)

5. Nguồn ánh sáng kích thích.

Nguyên lý hoạt động: Trong không gian quang học 3, ở hai phía là gương phản chiếu 1, 4 và giữa chúng là môi trường hoạt tính 2 ( hay còn gọi là thanh lade), những nguyên tử trong môi trường này được kích thích bởi đèn 5 Ở trạng thái ổn định những proton phóng ra và hướng vào trục quang học của thanh lade, proton này va chạm vào nhau và tiêps tục phóng ra proton khác, các proton này nối tiếp nhau về pha cũng như về hướng Quá trình này tiếp diễn cho đến khi các proton chuyễn động dọc theo trục quang học và sau nhiều lần phản xạ các proton này có

đủ năng lượng để có thể rời khỏi thanh lade qua kính số 4, phần còn lại bị phản xạ

và tiếp tục qua s trình nhân proton Khi tia sáng đã xuyên qua kính phản xạ ở đầu

ra thì hình thành một chùm tia nối tiếp nhau Chùm tia này sẽ đi qua một thấu kínhhội tụ để tập trung năng lượng tại một điểm Nếu đặt vật gia công tại tiêu điểm nàythì nhiệt độ tại đó có thể lên tới 80000C trong 1ms

3.3.3 Dụng cụ và thiết bị gia công.

Bất kỳ máy phát lade nào cũng có các thành phần sau

- Buồng công tác trong đó đặt chất kích thích để tạo ra tia lade

- Hệ thoongd tạ trạng thái kích thích

- Cộng hưởng quang

- Cơ cấu phóng luồng ánh sáng năng lượng ra khỏi bộ cộng hưởng

- Hệ thống điều khiển tập trung năng lượng ánh sáng

- Các hệ thống đặc biệt khác tùy theo mỗi loại kết cấu tạo nên môi truongwfhoatj tính

Sơ đồ máy phát lade hồng ngọc:

Hình 3.20 Sơ đồ nguyên lý làm việc của máy 3M

K-1. Bộ cung cấp và điều khiển điện

8. Chi tiết gia công.

9. Bàn gá

10. Tế bào quang điện

Thanh hồng ngọc 4 đặt trong vòng 4 của bức xạ, được cung cấp bộ điện từ bộ tụ điện Mặt khác thnah hồng ngọc được đặt trong ống thủy tinh, qua đó thường xuyên được làm sạch, thanh hồng ngọc được cố định bằng một lò xo Khi làm việc, do sự kích thích của thanh hồng ngọc, tia sáng phát ra và hướng ra ngoài một đầu của thanh hồng ngọc

Trên cơ sở đó, máy phát lade gồm cps 3 phần chính:

- Đầu phát tia lade

- Bộ phận cung cấp điện và điều khiển

- Bộ phận đặt chi tiết gia công

3.3.4 Thông số công nghệ và khả năng công nghệ.

Do lade có tính định hướng và khả năng hội tụ cao nên có thể dùng gia công các vật liệu rắn như thép không gỉ, titan và hợp kim titan, thủy tinh, sứ

Có thể khoan được các vật liệu có nhiệt độ nóng chảy cao với đường kính (100÷200)µm

Đê khoan lỗ nhỏ hơn phải dùng đến hệ thống lăng kính hội tụ và hệ thống điều chỉnh gia công cơ khí, lỗ gia công có thể đạt 3÷5 µm

Quá trình gia công bằng lade có thể chia làm hai giai đoạn:

- Vật liệu gia công hấp thụ năng lượng của chùm tia lade và chuyển năng lượng này thành nhiệt năng

- Đốt vật liệu gia công tới nhiệt độ có thể phá hỏng vật liệu đó Giai đoạn này ứng với quá trình truyền nhiệt trong vật rắn tuyệt đối bị giới hạn về một phía theo phương tác dungjcuar chùm tia lade kể từ bề mặt tác dụng

- Phá hủy vật liệu gia công và đẩy chúng ra khỏi vùng gia công Giai đoạn này ứng với quá trình truyền nhiệt vào bề mặt gia công luôn luôn thay đổi theo phương tác dụng của chùm tia lade

- Vật liệu gia công nguội dần sau khi chùm tia lade tác dụng xong.Hình 3.23 Quan hệ giữa năng lượng

và thời gia xung

1. Bốc hơi

2. Nóng chảy

3. Nung nóng