Nghiên cứu mòn biên dạng điện cực và chất lượng bề mặt gia công bằng phương pháp xung tia lửa điện

Nhằm cải thiện các vấn đề này các nhà khoa học đã thực hiện nhiều nghiêncứu để nâng cao các tiêu chí về chất lượng, kỹ thuật, kinh tế của phương pháp giacông EDM như tối ưu hóa thông số

LỜI CẢM ƠN

Trong quá trình học tập và hoàn thành luận án tiến sĩ, tác giả luôn nhận được

sự giúp đỡ, động viên của gia đình, người thân và sự dạy bảo của các thầy cô giáoTrường Đại học Bách khoa Hà nội

Tác giả xin chân thành cảm ơn các thầy cô giáo trong Viện cơ khí - TrườngĐại học Bách khoa Hà Nội đã tận tình dạy bảo trong suốt khoá học Đặc biệt, tác giảxin chân thành cảm ơn PGS.TS Hoàng Vĩnh Sinh và TS Trần Văn Khiêm đãhướng dẫn và giúp đỡ tác giả hoàn thành luận án

Cuối cùng, tác giả xin cảm ơn những người thân trong gia đình, bạn bè vàđồng nghiệp tại Trường Đại học Sư phạm kỹ thuật Nam Định đã động viên, hỗ trợ

và giúp đỡ tác giả trong suốt khoá học

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan nội dung luận án là công trình nghiên cứu của riêng tôi Các kết quả nêu trong luận án là trung thực và chƣa từng đƣợc tác giả khác công bố

MỤC LỤC

Lời cảm ơn i

Lời cam đoan ii

Mục lục iii

Danh mục các ký hiệu và chữ viết tắt vi

Danh mục các bảng vii

Danh mục các hình ảnh, hình vẽ, đồ thị vii

MỞ ĐẦU 1

1 Tính cấp thiết của đề tài 1

2 Mục tiêu của luận án 2

3 Nội dung nghiên cứu 2

4 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu 3

5 Phương pháp nghiên cứu 3

6 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài 3

7 Những kết quả khoa học đạt được và đóng góp mới của luận án 4

Chương 1 TỔNG QUAN VỀ PHƯƠNG PHÁP GIA CÔNG TIA LỬA ĐIỆN 5

1.1 Tổng quan về phương pháp gia công tia lửa điện 5

1.1.1 Giới thiệu 5

1.1.2 Nguyên lý gia công 8

1.2 Tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước 8

1.2.1 Tình hình nghiên cứu trong nước 8

1.2.2 Tình hình nghiên cứu ngoài nước 11

KẾT LUẬN 16

Chương 2 NGHIÊN CỨU MỐI QUAN HỆ GIỮA MÕN ĐIỆN CỰC VÀ CHẤT LƯỢNG BỀ MẶT GIA CÔNG VỚI CÁC THÔNG SỐ ĐẦU VÀO 17

2.1 Sơ đồ mối quan hệ giữa các đại lượng trong quá trình gia công tia lửa điện 17 2.2 Đại lượng đầu vào 18

2.2.1 Đại lượng hệ thống 18

2.2.2 Đại lượng điều chỉnh 25

2.3 Đại lượng trung gian 26

2.3.1 Tác động của điện 28

2.3.2 Tác động của nhiệt 29

2.3.3 Khe hở giữa bề mặt chi tiết và điện cực 30

2.4 Đại lượng đầu ra 30

2.4.1 Mòn điện cực 30

2.4.2 Chất lượng bề mặt và sự biến đổi cấu trúc 33

2.5 Ảnh hưởng của các đại lượng đầu vào đến các đại lượng quá trình và đại

lượng đầu ra 34

2.5.1 Ảnh hưởng của các thông số công nghệ 34

2.5.2 Ảnh hưởng của số lượng tia lửa điện trong mỗi lần phát xung 35

2.5.3 Ảnh hưởng của thành phần dung dịch điện môi 36

2.5.4 Nghiên cứu điều khiển các điện cực trong EDM 37

2.5.5 Nghiên cứu điều khiển dạng xung trong EDM 38

2.5.6 Nghiên cứu tối ưu hóa thông số công nghệ trong EDM 39

KẾT LUẬN 40

Chương 3 XÂY DỰNG MÔ HÌNH THỰC NGHIỆM 41

3.1 Sơ đồ mô hình thí nghiệm 41

3.2 Trang thiết bị và vật liệu thí nghiệm 41

3.2.1 Trang thiết bị 41

3.2.2 Vật liệu 45

3.3 Khảo sát lựa chọn điện cực 46

3.3.1 Khảo sát khe hở và độ nhám bề mặt với điện cực hợp kim nhôm 6061 47

3.3.2 Điều kiện thực nghiệm 47

3.3.3 Khảo sát khe hở giữa bề mặt chi tiết và điện cực 47

3.3.4 Khảo sát độ nhám bề mặt 50

3.3.5 Kết quả và bàn luận 50

3.4 Khảo sát khe hở giữa bề mặt chi tiết và điện cực và độ nhám bề mặt với điện cực đồng đỏ 51

3.4.1 Điều kiện thực nghiệm 51

3.4.2 Khảo sát khe hở giữa bề mặt chi tiết và điện cực 52

3.4.3 Khảo sát độ nhám bề mặt 53

3.4.4 Kết quả và bàn luận 53

KẾT LUẬN 54

CHƯƠNG 4 TỐI ƯU HÓA THEO CHỈ TIÊU GIẢM MÕN ĐIỆN CỰC VÀ TĂNG CHẤT LƯỢNG BỀ MẶT 55

4.1 Phương pháp thiết kế thực nghiệm Taguchi 56

4.1.1 Giới thiệu phương pháp thiết kế thực nghiệm Taguchi 56

4.1.2 Các bước tiến hành thực nghiệm 56

4.1.3 Cơ sở của phương pháp Taguchi 57

4.2 Thiết kế thực nghiệm Taguchi với điện cực đồng đỏ 60

4.2.1 Điều kiện thực nghiệm 60

4.2.2 Đánh giá mức độ ảnh hưởng của các thông số công nghệ đến khe hở giữa bề mặt chi tiết và điện cực khi xung với điện cực đồng đỏ 60

4.2.3 Đánh giá mức độ ảnh hưởng của các thông số công nghệ đến độ nhám bề

mặt của chi tiết khi xung tia lửa điện với điện cực đồng đỏ 64

4.2.4 Đánh giá mức độ ảnh hưởng của các thông số công nghệ đến độ mòn điện cực khi xung tia lửa điện với điện cực đồng đỏ 67

4.2.5 Tối ưu hóa đa mục tiêu 69

4.2.6 Ảnh hưởng của mật độ dòng điện đến độ mòn điện cực và độ nhám bề mặt chi tiết 74

4.2.7 Ảnh hưởng của hình dạng điện cực tới mòn điện cực 78

4.3 Thiết kế thực nghiệm Taguchi với điện cực đồng đỏ mạ crom 81

4.3.1 Điều kiện thực nghiệm 82

4.3.2 Đánh giá mức độ ảnh hưởng của thông số công nghệ đến khe hở giữa bề mặt chi tiết và điện cực khi xung tia lửa điện với điện cực đồng đỏ mạ crom 82

4.3.3 Đánh giá mức độ ảnh hưởng của các thông số công nghệ đến độ nhám bề mặt của chi tiết khi xung tia lửa điện với điện cực đồng đỏ mạ crom 85

4.3.4 Đánh giá mức độ ảnh hưởng của các thông số công nghệ đến độ mòn điện cực khi xung tia lửa điện với điện cực đồng đỏ mạ crom 88

4.3.5 Tối ưu hóa đa mục tiêu 90

KẾT LUẬN 94

KẾT LUẬN CHUNG 95

TÀI LIỆU THAM KHẢO 96

DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ CỦA LUẬN ÁN 101

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT

DANH MỤC CÁC BẢNG

Bảng 2.1 Tiết diện tròn nhỏ nhất điện cực có thể dùng trên máy Erosimat C30 18

Bảng 2.2 Vật liệu làm điện cực 32

Bảng 3.1 Thông số kỹ thuật của máy xung EDM EXPRESS 503 42

Bảng 3.2 Thông số kỹ thuật của thiết bị đo SURFTEST SJ-210 43

Bảng 3.3 Thông số kỹ thuật của cân phân tích MW-P Series 44

Bảng 3.4 Thông số kỹ thuật TESA CAPA μ SYSTEM IP54 45

Bảng 3.5 Thành phần của thép C45 45

Bảng 3.6 Thành phần của thép SKD11 45

Bảng 3.7 Thành phần đồng đỏ 46

Bảng 3.8 Thành phần của hợp kim nhôm 6061 46

Bảng 3.9 Khe hở phụ thuộc cường độ dòng điện 48

Bảng 3.10 Kích thước của điện cực tại cùng một vị trí trước và sau khi xung 49

Bảng 3.11 Bảng thông số Ra khi thay đổi cường độ dòng điện khi xung 50

Bảng 3.12 Khe hở giữa bề mặt chi tiết và điện cực phụ thuộc cường độ dòng điện 52

Bảng 3.13 Bảng thông số Ra khi thay đổi cường độ dòng điện khi xung 53

Bảng 4.1 Tỷ số S/N của các đặc trưng 58

Bảng 4.2 Các hệ số và cấp độ (mức) thí nghiệm 61

Bảng 4.3 Bậc tự do của ma trận thí nghiệm 61

Bảng 4.4 Kết quả theo thiết kế thực nghiệm Taguchi 61

Bảng 4.5 Bảng phân tích ANOVA trị số của  .62

Bảng 4.6 Bảng phân tích mức độ ảnh hưởng của các thông số đầu vào đến  .62

Bảng 4.7 Các hệ số và cấp độ của chúng trong mô hình thực nghiệm 65

Bảng 4.8 Kết quả theo thiết kế thực nghiệm Taguchi 65

Bảng 4.9 Ảnh hưởng của các tham số đến độ nhám bề mặt 66

Bảng 4.10 Các hệ số và cấp độ (mức) thí nghiệm 67

Bảng 4.11 Kết quả theo thiết kế thực nghiệm Taguchi 67

Bảng 4.12 Bảng phân tích S/N 68

Bảng 4.13 Bảng phân tích mức độ ảnh hưởng của các thông số đầu vào đến TWR 68

Bảng 4.14 Hệ số S/N cho 3 mục tiêu chuẩn hóa 72

Bảng 4.15 Bảng hệ số sai lệch  0,i ( k 72)

Bảng 4.16 Bảng giá trị trung bình hệ số cấp quan hệ Grey 73

Bảng 4.17 Cấp quan hệ Grey  0,i 74

Bảng 4.18 Mức độ ảnh hưởng của các thông số đầu vào đến tỷ số S/N của Grey 74

Bảng 4.19 Khối lượng điện cực và phôi 76

Bảng 4.20 Mối quan hệ giữa mòn và mật độ dòng điện 76

Bảng 4.21 Mối quan hệ giữa độ nhám bề mặt với mật độ dòng điện 77

Bảng 4.22 Diện tích và cạnh của các hình tương ứng 79

Bảng 4.23 Bảng quan hệ góc điện cực với lượng mòn điện cực 80

Bảng 4.24 Các hệ số và cấp độ của chúng trong mô hình thực nghiệm 82

Bảng 4.25 Kết quả theo thiết kế thực nghiệm Taguchi 83

Bảng 4.26 Bảng phân tích ANOVA trị số của  .83

Bảng 4.27 Bảng phân tích mức độ ảnh hưởng của các thông số đầu vào đến  .84

Bảng 4.28 Các hệ số và cấp độ của chúng trong mô hình thực nghiệm 86

Bảng 4.29 Kết quả theo thiết kế thực nghiệm Taguchi 86

Bảng 4.30 Ảnh hưởng của các tham số đến độ nhám bề mặt 87

Bảng 4.31 Các hệ số và cấp độ (mức) thí nghiệm 88

Bảng 4.32 Kết quả theo thiết kế thực nghiệm Taguchi 89

Bảng 4.33 Bảng phân tích S/N 89

Bảng 4.34 Bảng phân tích mức độ ảnh hưởng của các thông số đầu vào đến TWR 90

Bảng 4.35 Hệ số S/N cho 3 mục tiêu chuẩn hóa 91

Bảng 4.36 Bảng hệ số sai lệch  0,i ( k 91)

Bảng 4.37 Bảng giá trị trung bình hệ số cấp quan hệ Grey 92

Bảng 4.38 Cấp quan hệ Grey  0,i 93

Bảng 4.39 Mức độ ảnh hưởng của các thông số đầu vào đến tỷ số S/N của Grey 93

DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH, HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ

Hình 1.1 Cắt dây tia lửa điện 6

Hình 1.2 Xung định hình 6

Hình 1.3 Sơ đồ nguyên lý gia công tia lửa điện 8

Hình 1.4 Thống kê về các phương pháp gia công tia lửa điện 11

Hình 1.5 Mòn điện cực với hướng phun dung dịch điện môi bên cạnh 12

Hình 1.6 Mòn điện cực với hướng phun dung dịch điện môi ở giữa 12

Hình 1.7 Chuyển động của điện cực bám theo hình đa giác 13

Hình 1.8 Phương pháp xung có tấm nhựa bảo vệ 13

Hình 1.9 Điện cực sau khi xung với tấm nhựa bảo vệ và không có tấm bảo vệ 13

Hình 1.10 Sơ đồ phóng điện 14

Hình 1.11 Mối liên hệ về động học giữa điện cực với phôi ) 14

Hình 1.12 Sơ đồ gá đặt phôi trong từ trường 15

Hình 1.13 Sơ đồ quá trình thoát phoi 15

Hình 2.1 Sơ đồ mối quan hệ phụ thuộc trong quá trình gia công EDM 17

Hình 2.2 Chiều dài của một thanh điện cực 19

Hình 2.3 Gia công lỗ cụt bằng nhiều điện cực liên tiếp nhau 20

Hình 2.4 Sự hình thành kênh dẫn điện 27

Hình 2.5 Sự phóng điện qua kênh dẫn điện 27

Hình 26 Sự phục hồi 28

Hình 2.7 Bề mặt chi tiết sau khi gia công tia lửa điện 29

Hình 2.8 Mô hình bề mặt của điện cực-chi tiết 29

Hình 2.9 Cặp nhấp nhô bị ăn mòn tạo hố có hình dạng miệng núi lửa 30

Hình 2.10 Năng suất và độ mòn trung bình của điện cực bằng hợp kim đồng – grafit trong trường hợp gia công thô trên thép hợp kim Cr-Ni-Mo-V31 Hình 2.11 Tỉ lệ giữa độ mòn và các vật liệu làm điện cực 32

Hình 2.12 Đồ thị phụ thuộc của mòn điện cực và năng suất bóc tách vật liệu vào thời gian phát xung (a) và thời gian ngừng phát xung (b) 33 Hình 2.13 Vùng ảnh hưởng nhiệt của bề mặt phôi 34

Hình 2.14 Ảnh hưởng của thời gian phát xung 35

Hình 2.15 Ảnh hưởng của cường độ dòng điện 35

Hình 2.16 Quan hệ giữa MRR với số phần chia của điện cực 36

Hình 2.17 Ảnh hưởng của vật liệu chất điện môi đến chất lượng lớp bề mặt và hiệu

Hình 2.18 Ảnh hưởng của rung động đến MRR, TWR và Ra 37

Hình 2.19 Ảnh hưởng của dạng xung đến công suất gia công 38

Hình 2.20 Ảnh hưởng của phương pháp điều khiển chuyển động điện cực đến thời gian gia công bằng EDM 38 Hình 2.21 Sự phân bố nghiên cứu về EDM 39

Hình 3.1 Sơ đồ mô hình thí nghiệm 41

Hình 3.2 Máy xung EDM EXPRESS của Đài Loan 42

Hình 3.3 Thiết bị đo SURFTEST SJ-210 của Nhật bản 43

Hình 3.4 Cân phân tích MW-P Series 44

Hình 3.5 Panme TESA CAPA μ SYSTEM IP54 44

Hình 3.6 Hình dạng của mẫu thí nghiệm 45

Hình 3.7 Công thức tính toán khe hở khi xung EDM 48

Hình 3.8 Đồ thị khoảng cách khe hở giữa điện cực và chi tiết xung phụ thuộc vào cường độ dòng điện48 Hình 3.9 Kích thước điện cực trước, sau xung 49

Hình 3.10 Độ tăng kích thước của điện cực 49

Hình 3.11 Đồ thị ảnh hưởng của cường độ dòng điện khi xung đến độ nhám bề mặt chi tiết50 Hình 3.12 Sự tăng kích thước của điện cực 51

Hình 3.13 Đồ thị khoảng cách khe hở giữa điện cực và chi tiết xung phụ thuộc vào cường độ dòng điện52 Hình 3.14 Đồ thị ảnh hưởng của cường độ dòng điện khi xung đến độ nhám bề mặt chi tiết53 Hình 4.1 Sơ đồ khối giải bài toán tối ưu khi xung tia lửa điện 55

Hình 4.2 Điện cực và chi tiết sau khi xung 60

Hình 4.3 Giá trị thực nghiệm xung quanh đường chuẩn 63

Hình 4.4 Mức độ ảnh hưởng của các thông số 63

Hình 4.5 Ảnh đo khe hở giữa bề mặt chi tiết và điện cực khi xung với chế độ tối ưu 64 Hình 4.6 Mức độ ảnh hưởng của các thông số 69

Hình 4.7 Đồ thị cấp quan hệ Grey 73

Hình 4.8 Điện cực, chi tiết gia công trước xung 75

Hình 4.9 Điện cực và chi tiết gia công sau xung 75

Hình 4.10 Đồ thị mối quan hệ giữa lượng mòn điện cực và mật độ dòng điện 77

Hình 4.11 Đồ thị mối quan hệ giữa độ nhám bề mặt với mật độ dòng điện 78

Hình 4.12 Hình dáng hình học điện cực 79

Hình 4.13 Điện cực đồng đỏ với các hình dạng khác nhau 79

Hình 4.14 Hình dáng hình học phôi 80

Hình 4.15 Hình dáng hình học điện cực, phôi sau thí nghiệm 80

Hình 4.16 Lượng mòn tương đối theo góc điện cực 81

Hình 4.17 Giá trị thực nghiệm xung quanh đường chuẩn 84

Hình 4.18 Mức độ ảnh hưởng của các thông số 85

Hình 4.19 Chiều dày lớp trắng và lớp tôi cứng của chi tiết sau xung 88

Hình 4.20 Đồ thị cấp quan hệ Grey 92

MỞ ĐẦU

1 Tính cấp thiết của đề tài

Phương pháp gia công tia lửa điện là một trong những phương pháp giacông phi truyền thống đang được sử dụng rộng rãi hiện nay Phương pháp này đangthể hiện được khả năng ưu việt khi gia công các vật liệu sau nhiệt luyện [1]

Trong quá trình gia công không xuất hiện lực cắt, rung động khi cắt, tiếng ồncũng nhỏ hơn so với các phương pháp gia công cắt gọt thông thường Đặc biệtkhông xuất hiện ứng suất cơ học sau khi gia công Tuy nhiên vẫn tồn tại một ứngsuất dư trên bề mặt gây ra các vết nứt tế vi ở lớp trắng [1,2,13]

Phương pháp gia công tia lửa điện có một số hạn chế đó là: tốc độ bóc táchvật liệu thấp, chất lượng bề mặt sau khi gia công thường không cao và đặc biệt xảy

ra mòn điện cực trong quá trình gia công khiến hình dáng hình học của sản phẩm bịthay đổi [9] Do đó, các sản phẩm gia công bằng phương pháp gia công xung tia lửađiện (EDM) thường có giá thành cao [1,3]

Nhằm cải thiện các vấn đề này các nhà khoa học đã thực hiện nhiều nghiêncứu để nâng cao các tiêu chí về chất lượng, kỹ thuật, kinh tế của phương pháp giacông EDM như tối ưu hóa thông số công nghệ đầu vào, chọn cặp vật liệu giữa điệncực và phôi, trộn thêm các bột dẫn vào dung dịch điện môi và nghiên cứu về mònđiện cực [3,4,10,13]

Trong các hướng nghiên cứu như đã nêu ở trên, nghiên cứu về mòn điện cựcnhằm dự báo được thời điểm mòn và lượng mòn là một hướng nghiên cứu đạtđược nhiều triển vọng [9]

Các máy gia công tia lửa điện (cắt dây, xung định hình) đang được sử dụngrộng rãi tại các xưởng gia công cơ khí của nước ta Tuy nhiên, khi vận hành giacông chỉ thực hiện theo hướng dẫn sử dụng hoặc theo kinh nghiệm vận hành củangười thợ dẫn đến không đạt được năng suất cũng như chất lượng mong muốn.Công nghệ gia công tia lửa điện có nhiều thông số công nghệ đầu vào, dải thay đổicủa các thông số này rộng Do đó việc gia công theo kinh nghiệm thường không đạthiệu quả cao và có tính ổn định thấp [46,48]

Để khai thác ổn định được công nghệ gia công EDM nâng cao các chỉ tiêu

về kinh tế, kỹ thuật trong quá trình gia công tia lửa điện rất cần các nghiên cứuchuyên sâu nhằm cải thiện hiệu quả của quá trình gia công [50,52]

Các nghiên cứu về lựa chọn cặp vật liệu phù hợp khi gia công xung định hìnhcho kết quả khả quan với từng mục tiêu đặt ra tại từng thời điểm Gia công tia lửađiện là một quá trình gia công với thời gian khá dài Vì vậy hướng nghiên cứu

nhằm nâng cao năng suất, chất lượng của phương pháp gia công hiện đang rấtđược quan tâm [8, 10, 11, 30, 31, 32].

Mòn điện cực là một trong những vấn đề lớn trong quá trình xung tia lửađiện EDM Mòn điện cực ảnh hưởng trực tiếp đến độ chính xác của chi tiết giacông Do đó rất cần những nghiên cứu để xác định được lượng mòn trong quá trìnhgia công Kết quả nghiên cứu trước đó chỉ ra rất nhiều yếu công nghệ ảnh hưởngđến độ mòn của điện cực [9,13,37,41]

Mòn điện cực được nghiên cứu theo nhiều hướng khác nhau như: mòn hìnhdáng hình học của điện cực, mòn điện cực theo khối lượng… khi thay đổi yếu tốcông nghệ đầu vào đều ảnh hưởng đến độ mòn điện cực có thể kể đến như: Ảnhhưởng của thời gian phóng xung, thời gian ngừng phóng xung, ảnh hưởng của điện

áp đầu vào, ảnh hưởng của cường độ dòng điện đầu vào, ảnh hưởng của chấtlượng dầu xung, ảnh hưởng của hướng phun dầu và ảnh hưởng của các chất trộnthêm trong quá trình xung [8,13,41,43] Các hướng nghiên cứu nêu trên đều tậptrung vào một vài yếu tố đầu vào cơ bản Bên cạnh đó cũng chưa thấy nghiên cứu

đề cập đến ảnh hưởng của mật độ dòng điện đến độ mòn của điện cực

Nghiên cứu nâng cao chất lượng bề mặt gia công trong xung tia lửa điện làlĩnh vực phức tạp bởi các yếu tố công nghệ đầu vào là khá nhiều, và ảnh hưởng củachúng đến các tiêu chí tối ưu là rất khác nhau [38]

Với những lý do trên, tác giả đã chọn đề tài: “Nghiên cứu mòn biên dạngđiện cực và chất lượng bề mặt gia công bằng phương pháp xung tia lửa điện” làm

đề tài luận án tiến sỹ

2 Mục tiêu của luận án

Đánh giá được mòn biên dạng của điện cực và chất lượng bề mặt của chi tiếtkhi gia công bằng phương pháp xung tia lửa điện, tìm ra chế độ công nghệ tối ưu

để đạt lượng mòn điện cực, độ nhám bề mặt gia công nhỏ nhất

3 Nội dung nghiên cứu

- Nghiên cứu tổng quan về phương pháp xung tia lửa điện;

- Nghiên cứu mối quan hệ giữa mòn điện cực và chất lượng bề mặt với các thông số công nghệ;

- Nghiên cứu xây dựng mô hình thực nghiệm về ảnh hưởng của cường độdòng điện, thời gian phát xung và thời gian ngừng phát xung đến mòn điện cực, độnhám bề mặt gia công;

- Tối ưu hóa các thông số công nghệ theo từng chỉ tiêu mòn điện cực, độnhám bề mặt của chi tiết và khe hở giữa bề mặt chi tiết và điện cực, sau đó tối ưuhóa đa mục tiêu;

- Nghiên cứu biện pháp để giảm độ mòn điện cực bằng cách lựa chọn vật liệu

và biên dạng điện cực phù hợp, giảm độ nhám bề mặt chi tiết và giảm khe hở giữa

bề mặt chi tiết và điện cực

4 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

Đối tượng nghiên cứu:

- Mòn điện cực đồng đỏ và điện cực đồng đỏ mạ crom

- Độ nhám bề mặt chi tiết với vật liệu thép SKD11;

- Khe hở giữa bề mặt chi tiết gia công và bề mặt điện cực khi xung với cặp nhôm – C45, đồng đỏ - SKD11 và đồng đỏ mạ crom – SKD11

Phạm vi nghiên cứu:

Trong công trình này chất lượng bề mặt chi tiết chỉ đánh giá bởi hai thông sốbao gồm độ nhám bề mặt và chiều dày lớp ảnh tôi cứng Đường kính điện cực từ 10đến 20 mm, vật liệu điện cực là kim loại

5 Phương pháp nghiên cứu

- Nghiên cứu cơ sở lý thuyết, kế thừa kết quả nghiên cứu của các công trình

6 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài

- Ý nghĩa khoa học: Đề tài nhằm làm rõ ảnh hưởng của cường độ dòng điện,thời gian phát xung, thời gian ngừng phát xung đến độ mòn của điện cực và chấtlượng bề mặt của một số loại thép làm khuôn được gia công bằng phương phápxung định hình, giúp các nhà công nghệ lựa chọn được chế độ gia công tối ưu khigia công trên máy xung định hình

- Ý nghĩa thực tiễn: Các kết quả nghiên cứu để giảm mòn điện cực sẽ giúpcác nhà sản xuất tiết kiệm được chi phí, các kết quả nghiên cứu giảm độ nhám bề

mặt và khe hở giữa bề mặt chi tiết và điện cực sẽ góp phần làm tăng chất lượng của sản phẩm.

7 Những kết quả khoa học đạt được và đóng góp mới của luận án

- Đã xây dựng được mô hình thực nghiệm về nghiên cứu ảnh hưởng của một

số thông số công nghệ đến mòn khi sử dụng các loại điện cực nhôm, điện cực đồng

- Đề xuất giảm độ mòn và tăng chất lượng bề mặt bằng mạ thêm crom vàođiện cực đồng đỏ

Chương 1 TỔNG QUAN VỀ PHƯƠNG PHÁP GIA CÔNG

TIA LỬA ĐIỆN

1.1 Tổng quan về phương pháp gia công tia lửa điện

1.1.1 Giới thiệu

Phương pháp gia công tia lửa điện (EDM) được phát triển vào năm 1943 ở Liên

Xô bởi hai vợ chồng người Nga tại trường Đại học Moscow là Giáo sư - Tiến sĩ BorisLazarenko và Tiến sĩ Natalya Lazarenko Cho đến nay, phương pháp gia công này đãđược sử dụng phổ biến rộng rãi trên thế giới Nguyên tắc của phương pháp này là bắnphá chi tiết để tách vật liệu bằng nguồn năng lượng nhiệt rất lớn được sinh ra khi chohai điện cực tiến gần nhau Trong hai điện cực này, một điện cực đóng vai trò là dao vàmột điện cực đóng vai trò là phôi trong quá trình gia công [1, 27,46]

Trong thập niên 1960 đã có nhiều nghiên cứu sâu rộng về gia công EDM và

đã giải quyết được nhiều vấn đề liên quan đến mô hình tính toán quá trình gia côngEDM Trong thập niên 1970 đã xảy ra cuộc cách mạng về gia công trên máy cắt dâyEDM nhờ vào việc phát triển các máy phát xung công suất lớn, các loại dây cắt vàcác phương pháp sục chất điện môi hữu hiệu Hiện nay, các máy EDM đã đượcthiết kế khá hoàn chỉnh và quá trình gia công được điều khiển theo chương trình số.Với các thuật toán điều khiển mới, các hệ thống điều khiển CNC cho phép gia côngđạt năng suất và chất lượng cao Các máy gia công tia lửa điện ngày nay được đặctrưng bởi mức độ tự động hóa cao Các hệ điều khiển CNC trên thị trường hiện nay

đã có những bước tiến vượt bậc và rất phổ biến Với sự cải tiến liên tục, máy EDM

đã trở nên ổn định với việc vận hành của máy đã được giám sát bởi hệ thống điềukhiển thích nghi và EDM đã được sử dụng rộng rãi ở các công ty, tập đoàn trên thếgiới nói chung và ở Việt Nam nói riêng

Phương pháp EDM được ứng dụng rộng rãi trong ngành công nghiệp giacông cơ khí Có hai phương pháp gia công tia lửa điện chủ yếu là xung định hình vàcắt dây tia lửa điện Cả hai phương pháp trên được ứng dụng rộng rãi và đã cónhững đóng góp đáng kể cho sự phát triển về khoa học kỹ thuật của nhân loại.Ngoài ra còn một số phương pháp khác đang trong quá trình nghiên cứu phát triểnhoặc chuyên dùng cho chế tạo các sản phẩm đặc chủng [4, 16, 45]

Có hai phương pháp công nghệ gia công tia lửa điện được sử dụng rộng rãihiện nay là: gia công xung tia lửa điện hay còn gọi là xung định hình với từ gọi tắttiếng Anh là “EDM- Die sinking” và gia công cắt đây tia lửa điện với từ gọi tắttiếng Anh là “EDM- Wire cutting”

Cắt dây tia lửa điện là phương pháp dùng một dây dẫn điện có đường kínhnhỏ (0,1 đến 0,3 mm) cuốn liên tục và chạy theo một biên dạng định trước để tạo

thành một vết cắt trên phôi Phương pháp này thường dùng để gia công các lỗ suốt

có biên dạng phức tạp như các lỗ trên khuôn dập, khuôn ép, khuôn đúc áp lực, chếtạo các điện cực dùng cho gia công xung định hình, gia công các rãnh hẹp, gấpkhúc, các dưỡng kiểm v.v

Hình 1.1 Cắt dây tia lửa điện (Nguồn: [1])

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 tạokhuôn có hình dạng phức tạp, các khuôn ép định hình, khuôn ép nhựa, khuôn đúc áplực, lỗ không thông v.v

Hình 1.2 Xung định hình (Nguồn: [1])

Nền khoa học kỹ thuật ngày càng hiện đại thì phương pháp gia công tia lửađiện càng được áp dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực khác nhau Cho đến thời điểmnày ngoài hai phương pháp gia công tia lửa điện nêu trên còn nhiều phương phápgia công tia lửa điện có thể kể ra như:

Gia công tia lửa điện dạng phay (Milling EDM): Là phương pháp sử dụng

Sử dụng phương pháp này để gia công các hình dáng phức tạp do không phải chểtạo điện cực phức tạp (để xung) mà sử dụng điện cực chuẩn sau đó điều khiển chođiện cực cắt theo chương trình gia công.

Phủ bằng tia lửa điện (EDD): Là phương pháp sử dụng hiệu quả của sự ănmòn tia lửa điện để phủ lên các bánh mài sau thời gian sử dụng nghiền cơ khí cácvật liệu rắn Trong quá trình này, bánh mài phải có tính dẫn điện, bánh mài kimcương liên kết kim loại thường được làm theo phương pháp này Điện áp xungđược đặt vào giữa điện cực và bành mài, trong quá trình mài, tia lửa điện sinh ra sẽbóc tách các cạnh sắc trên bánh mài Quá trình này cũng được sử dụng để chế tạobánh mài có hình dạng đặc biệt

Gia công EDM trợ giúp của siêu âm (Ultrasonic Aided EDM): Là phươngpháp hớt vật liệu bằng tia lửa điện kết hợp với việc rung điện cực dụng cụ với tần sốrung bằng tần số siêu âm Rung điện cực với tần số siêu âm giúp nâng cao khả năngcông nghệ và tăng đáng kể tốc độ gia công các lỗ nhỏ và siêu nhỏ

Mài xung điện (Abrasive Electrical Discharge Grinding- AEDG): Làphương pháp gia công trong đó vật liệu được bóc tách nhờ tác dụng kết hợp của ănmòn tia lửa điện và ăn mòn cơ khí

EDM thường dùng trong gia công khuôn mẫu và các sản phẩm cơ khí đòi hỏi

độ chính xác cao, có biên dạng phức tạp, có độ bền và độ cứng cao mà việc gia côngtrên các máy công cụ thông thường không hiệu quả hoặc không đáp ứng được

So với các phương pháp gia công truyền thống thì EDM có những ưu điểm

cơ bản sau: Không yêu cầu dụng cụ phải có độ cứng cao hơn độ cứng của chi tiếtgia công; không gây biến dạng chi tiết gia công do không có sự tiếp xúc giữa dụng

cụ và phôi trong suốt quá trình gia công, điều này tạo nên tính đa năng của phươngpháp; năng lượng nhiệt được sử dụng để bóc tách vật liệu phôi nhưng lượng nhiệttruyền vào chi tiết gia công là không lớn nên ít gây biến dạng nhiệt cho chi tiết giacông; bề mặt phôi sau EDM không có các vết cào xước mà là tập hợp của các vếtlõm nhỏ phân bố ngẫu nhiên nên giúp lưu giữ dầu bôi trơn tốt hơn và tăng độ bềnmỏi của chi tiết khi làm việc; có khả năng gia công được các bề mặt có kích thướcnhỏ với hình dạng phức tạp; dễ dàng tự động hóa do các chuyển động khi gia côngkhá đơn giản

Tuy nhiên EDM cũng có một số nhược điểm như: Chỉ gia công được cácloại vật liệu dẫn điện; năng suất và chất lượng bề mặt gia công thấp, khi tăng năngsuất bóc tách vật liệu thì độ nhám bề mặt gia công cũng tăng; trong quá trình giacông xảy ra hiện tượng quá cắt và mòn điện cực làm ảnh hưởng không tốt đến độchính xác gia công; khó xác định chính xác khe hở giữa bề mặt chi tiết và điện cực

và các thông số công nghệ tối ưu

1.1.2 Nguyên lý gia công

Hình 1.3 Sơ đồ nguyên lý gia công tia lửa điện (Nguồn: [1])

Nguyên lý gia công của EDM là chuyển đổi năng lượng điện thành nănglượng nhiệt thông qua chuỗi các tia lửa điện gián đoạn sinh ra tại khe hở giữa haiđiện cực (trong đó một điện cực là dụng cụ và một điện cực là chi tiết gia công)ngâm trong dung dịch điện môi như trên hình 1.3 Tại khe hở nhỏ nhất giữa dụng cụ

và chi tiết gia công, một điện áp cao được đặt vào sẽ đánh thủng sự cách điện củadung dịch điện môi và làm xuất hiện tia lửa điện gây nóng chảy, bay hơi vật liệu của

cả dụng cụ và chi tiết gia công Sau mỗi lần phóng điện, tụ điện trong mạch điện sẽđược nạp điện từ nguồn thông qua một cuộn cảm và tia lửa điện tiếp theo lại đượchình thành Các tia lửa điện xuất hiện trên toàn bộ bề mặt của chi tiết gia công làmhình thành bề mặt cần gia công với độ chính xác xấp xỉ độ chính xác hình dạng củadụng cụ [24,27,40]

1.2 Tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước

1.2.1 Tình hình nghiên cứu trong nước

Gia công tia lửa điện ngày càng được áp dụng nhiều trong gia công sản xuấtcác sản phẩm cơ khí, đặc biệt là đối với các sản phẩm khuôn mẫu Hầu hết cácxưởng gia công khuôn mẫu đều xuất hiện máy gia công tia lửa điện Gia công tialửa điện đang vươn lên thành một trong số những phương pháp gia công cơ khí ưachuộng hiện nay Có thể đưa ra một số ví dụ tiêu biểu như: Công ty TNHH khuônmẫu Hà Nội là một trong những cơ sở gia công khuôn mẫu hàng đầu tại Việt Nam,thiết bị dùng để gia công cơ khí của họ có tới 1/3 là các thiết bị gia công tia lửađiện Công ty trách nhiệm hữu hạn CNS AMURA PRECISION là công ty liêndoanh giữa Việt Nam, Nhật Bản và Anh là một trong những công ty lớn tại thànhphố Hồ Chí Minh Tổng số máy gia công EDM của họ chiếm đến gần 50% số máymóc gia công cơ khí

Tuy gia công xung tia lửa điện ngày càng phát triển tại Việt Nam nhưng hầuhết các công ty với máy móc thiết bị không hiện đại, và hầu hết mọi sản phẩm đềuđược gia công dựa trên kinh nghiệm Các nghiên cứu để tối ưu quy trình công trìnhcông nghệ trên các thiết bị này gần như rất ít hoặc chưa có.

Qua khảo sát thấy rằng, tại Việt Nam đã có một số đề tài nghiên cứu liênquan đến phương pháp gia công xung tia lửa điện Trong công trình nghiên cứu [5,9] có đề cập đến vấn đề ứng suất dư có ảnh hưởng trực tiếp đến chất lượng bề mặtcủa chi tiết sau gia công Các nghiên cứu về ứng suất dư trên bề mặt chi tiết đãchứng minh được sự tồn tại của ứng suất dư sau khi gia công EDM Công trình đã

đi sâu nghiên cứu các đồ thị thực nghiệm và đã giải thích được các hiện tượng xảy

ra trên bề mặt chi tiết sau khi gia công và ảnh hưởng của chúng đến ứng suất dư.Lớp trắng là nơi tồn tại ứng suất dư lớn nhất vì có các vết nứt tế vi và vì có các cấutrúc khác như mactensit (do vật liệu nền bị đốt nóng và làm lạnh đột ngột), các bít(do cácbon từ dung dịch điện môi kết hợp với kim loại của chi tiết ở nhiệt độ cao)

Bề dày của lớp trắng (hay bề dày tồn tại ứng suất dư có trị số lớn) thay đổi theotừng phương pháp gia công (tăng dần từ cắt dây, xung định hình và cuối cùng làphay EDM) và thay đổi theo chế độ gia công (gia công càng thô - ti (thời gian kéodài xung công suất) và Ie (cường độ dòng điện khi phóng tia lửa điện ổn định) cànglớn - thì bề dày lớp trắng càng lớn)

Ngoài ra, tác giả cũng đề xuất một phương pháp giảm mòn điện cực đã chứngminh hiệu quả của phương pháp này Việc sử dụng cuộn cảm mắc nối tiếp trong mạchphát xung công suất được áp dụng trong mô đun điều khiển BK01A dùng cho máyxung định hình EDM và đã cho các kết quả tốt: cải thiện rõ rệt độ mòn tương đối Tácgiả cũng đã làm thực nghiệm và tìm ra được một công thức xác định độ mòn dựa vào 3

Trong các công trình nghiên cứu [8, 44] đưa ra phương pháp thực nghiệm đểnghiên cứu ảnh hưởng của cường độ dòng điện, thời gian phát xung, thời gianngừng phát xung, vật liệu điện cực và nồng độ bột đến năng suất và chất lượng bềmặt thép làm khuôn được gia công bằng phương pháp xung định hình có trộn bột

Ti trong dung dịch điện môi theo các chỉ tiêu năng suất bóc tách vật liệu, lượngmòn điện cực, chất lượng bề mặt gia công, nghiên cứu này chỉ ra rằng:

Biện pháp trộn bột Titan vào dung dịch điện môi đã nâng cao năng suất vàchất lượng bề mặt gia công của phương pháp gia công bằng tia lửa điện (EDM).Kết quả so sánh khi gia công thép SKD61 bằng EDM sử dụng bột Titan với không

sử dụng bột cho thấy năng suất bóc tách vật liệu tăng, lượng mòn điện cực giảm, độnhám bề mặt gia công giảm, độ cứng lớp bề mặt gia công tăng, số lượng và kíchthước của các nứt tế vi trên bề mặt gia công nhỏ hơn Số lượng các vết lõm tăng lênnhưng đường kính và chiều sâu giảm xuống, các vết lõm phân bố đều hơn Chiều

dày lớp trắng đồng đều hơn và đặc biệt là giảm mạnh với điện cực graphite Cơ tínhcủa lớp bề mặt được nâng cao do: Các nguyên tố Cu (từ điện cực), Ti (từ bột) xâmnhập vào lớp trắng với hàm lượng tương đối lớn (nhưng chưa chỉ rõ được tổ chứccủa cacbit Titan); hàm lượng C trong lớp trắng giảm xuống Với điện cực Gr: Năngsuất và chất lượng lớp bề mặt gia công tăng lên, lượng mòn điện cực giảm xuống

đã mở ra triển vọng sử dụng loại điện cực này trong gia công tinh bằng EDM

Khi nghiên cứu ảnh hưởng của các thông số đến các chỉ tiêu năng suất vàchất lượng bề mặt gia công bằng EDM sử dụng bột Titan, tác giả đã chỉ ra rằng:Năng suất bóc tách vật liệu bị ảnh hưởng mạnh bởi vật liệu điện cực, thời gian phátxung, cường độ dòng điện, sự phân cực điện cực, thời gian ngừng phát xung vànồng độ bột Tất cả các thông số được khảo sát đều có ảnh hưởng mạnh đến lượngmòn điện cực Độ nhám bề mặt gia công bị ảnh hưởng mạnh bởi vật liệu điện cực,

sự phân cực điện cực, thời gian phát xung và cường độ dòng điện

Trong công trình nghiên cứu [11] đưa ra phương pháp thực nghiệm đểnghiên cứu ảnh hưởng của các thông số công nghệ EDM, nồng độ bột Cacbítvonfram trộn trong dung môi cách điện đến độ nhám bề mặt của chi tiết sau giacông bằng phương pháp trộn bột có tính dẫn điện vào trong dung môi cách điện(PMEDM) Đánh giá so sánh ảnh hưởng của các thông số công nghệ gia công EDMtới độ nhám bề mặt khi có sự tham gia của bột Cacbít vonfram so với gia côngEDM thông thường Sau đó, tác giả đã nghiên cứu bằng thực nghiệm ảnh hưởngcủa các thông số công nghệ EDM và nồng độ bột Cacbít vonfram trộn trong dungmôi cách điện tới sự xâm nhập vonfram vào bề mặt, độ cứng tế vi bề mặt Đánh giá

so sánh độ cứng tế vi bề mặt khi có sự tham gia của bột - PMEDM so với EDMthông thường tại cùng thông số công nghệ EDM Các kết quả cụ thể của công trình[11] đưa ra như sau:

Khi trộn bột hợp kim Cacbít vonfram với các dải nồng độ 20g/l; 40g/l; 60g/lvào dung môi dầu cách điện, kết quả thực nghiệm cho thấy: Độ nhám bề mặt củaphương pháp PMEDM thay đổi tốt hơn (giảm) so với độ nhám bề mặt của phươngpháp EDM trong cùng chế độ thông số công nghệ EDM Khi nồng độ bột thay đổi

từ 20g/l; 40g/l; 60g/l thì độ nhám bề mặt giảm dần, nghĩa là quan hệ giữa nồng độbột và độ nhám bề mặt tỉ nghịch với nhau Tác giả cũng đã xác định được mối quan

hệ giữa độ nhám bề mặt với các thông số đầu vào như : Dòng phóng tia lửa điện,thời gian phát xung, nồng độ bột theo công thức hồi quy

Tại các chế độ thực nghiệm hầu hết đều có sự xâm nhập của Vonfram vào bềmặt Ở những chế độ có dòng phóng tia lửa điện nhỏ và thời gian phát xung nhỏ,hàm lượng Vonfram xâm nhập vào bề mặt lớn hơn so với những chế độ có dòngphóng tia lửa điện lớn và thời gian phát xung lớn trong vùng khảo sát khi nồng độ

mặt với các thông số đầu vào như : Dòng phóng tia lửa điện, thời gian phát xung,nồng độ bột theo công thức hồi quy.

Độ cứng tế vi lớp bề mặt được gia công bằng phương pháp PMEDM hầu hếtcao hơn so với độ cứng tế vi lớp bề mặt được gia công bằng phương pháp EDM tạicùng chế độ công nghệ Tại chế độ dòng phóng tia lửa điện nhỏ và thời gian phát xungnhỏ thường có độ cứng cao hơn so với dòng phóng tia lửa điện lớn và thời gian phátxung lớn trong các dải nồng độ được khảo sát Xác đinh được mối quan hệ giữa độcứng tế vi bề mặt với các thông số đầu vào như: Dòng phóng tia lửa điện, thời gianphát xung, nồng độ bột theo công thức hồi quy Thông qua việc phân tích này, tác giả

đã lựa chọn vùng thông số công nghệ EDM và nồng độ bột trong vùng khảo sát phùhợp để làm nghiên cứu thực nghiệm Trong vùng các thông số công nghệ EDM và nồng

độ bột được khảo sát ảnh hưởng tới độ nhám bề mặt và độ cứng tế vi bề mặt, thôngqua thực nghiệm đã chứng minh được độ nhám bề mặt và độ cứng tế vi bề mặt củaphương pháp có trộn bột Cabít vonfram (PMEDM) cải thiện tốt hơn so với bề mặt giacông bằng phương pháp EDM trên nền vật liệu thép SKD61

1.2.2 Tình hình nghiên cứu ngoài nước

Xung tia lửa điện được phát triển rộng dãi trên thế giới bởi những tính ưuviệt mà phương pháp gia công này mang lại Có rất nhiều những nghiên cứu củacác nhà khoa học xoay quanh vấn đề xung tia lửa điện Trong công trình [12], tácgiả Abbas G N M chỉ ra rằng phương pháp xung tia lửa điện chiếm 34% trongtổng số các phương pháp gia công tia lửa điện như hình 1.4

Hình 1.4 Thống kê về các phương pháp gia công tia lửa điện (Nguồn: [12])

Trong công trình nghiên cứu [52], tác giả Sharma S có đề cập đến vấn đềmòn điện cực khi xung Trong nghiên cứu ông có đề cập đến quá trình phóng tia lửađiện dẫn đến ăn mòn điện cực khi xung Công trình giải quyết được vấn đề khi thay

đổi chiều sâu của điện cực độ mòn tăng và ông đưa ra được công thức tính với điệncực đồng.

Trong nghiên cứu [20,21,22,25] các tác giả có trộn bột Ti, Mo vào trongdung dịch chất điện môi, làm cho phân tử Ti, Mo khuếch tán vào bề mặt chi tiết giacông nhằm cải thiện chất lượng bề mặt, năng suất gia công Trong công trình[28,35] trộn bột W vào trong dung dịch điện môi làm tăng độ cứng bề mặt nhưngcũng làm tăng độ nhám bề mặt

Nghiên cứu của Ali Ozgedik đề cập tới ảnh hưởng của dung dịch điện môitới độ mòn của điện cực Tác giả đã quan tâm đến các hướng phun dung dịch điệnmôi thường dùng để thực hiện các nghiên cứu Kết quả của nghiên cứu cho ta thấyảnh hưởng của hướng phun dung dịch điện môi đến độ mòn điện cực [13]

Hình 1.5 Mòn điện cực với hướng phun dung dịch điện môi bên cạnh (Nguồn:

[13])

Với sơ đồ như hình 1.5 có thể thấy rằng vị trí trực tiếp bị phun dòng chất điệnmôi sẽ chịu mòn lớn hơn dẫn đến hiện tượng mòn không đều, để khắc phục hiện tượngnày có thể điều chỉnh hướng phun dung dịch điện môi ở giữa như hình 1.6

Hình 1.6 Mòn điện cực với hướng phun dung dịch điện môi ở giữa (Nguồn: [13])

Tác giả Y Ziada trong công trình nghiên cứu [59] đã phân tích về mòn tạicác góc với điện cực là hình đa giác Tác giả cho thêm chuyển động quay của điệncực nhằm giảm ảnh hưởng của độ mòn tại các góc và kết quả thu được là vẫn có sự

Hình 1.7 Chuyển động của điện cực bám theo hình đa giác (Nguồn: [59])

Đối với nghiên cứu của tác giả Yin Qingfeng [60], ông lại đưa ra ảnh hưởng

từ sự ăn mòn của bề mặt điện cực khi hạn chế quá trình ăn mòn của các mặt bênbằng cách đưa vào các tấm nhựa bảo vệ như hình 1.8

Hình 1.8 Phương pháp xung có tấm nhựa bảo vệ (Nguồn: [60])

Đây cũng là phương án tích cực nhằm giảm sự ăn mòn tại các góc của điệncực và đặc biệt hạn chế tối đa quá trình đốt cháy bề mặt không mong muốn

Hình 1.9 Điện cực sau khi xung với tấm nhựa bảo vệ và không có tấm bảo vệ

Hình 1.10 Sơ đồ phóng điện (Nguồn: [62])

Từ đó xây dựng được phương trình mòn của điện cực theo thời gian để xây dựng phương án bù điện cực theo chiều dài như hình 1.12

Hình 1.11 Mối liên hệ về động học giữa điện cực với phôi (Nguồn: [62])

Trong công trình nghiên cứu [63] nghiên cứu về gia công tia lửa điện với điện

thấy, thời gian gia công được giảm xuống và nâng cao khả năng thoát phoi như hình 1.13 và hình 1.14.

Hình 1.12 Sơ đồ gá đặt phôi trong từ trường (Nguồn: [63])

Hình 1.13 Sơ đồ quá trình thoát phoi (Nguồn: [63])

Như vậy, có thể thấy rằng trên thế giới và ở Việt Nam đã có khá nhiều nghiên cứu về phương pháp gia công tia lửa điện, Tuy vậy chưa có nghiên cứu nào

giải quyết vấn đề mòn điện cực và chất lượng bề mặt khi thay đổi vật liệu điện cực.với việc chọn điện cực đồng mạ crom sẽ giúp tăng chất lượng bề mặt gia công vàgiảm độ mòn cho điện cực.

KẾT LUẬN

Từ các công trình nghiên cứu trong và ngoài nước cho thấy thấy có rất nhiềutác nhân gây ảnh hưởng đến độ mòn của điện cực và chất lượng bề mặt của chi tiếtkhi xung Tuy vậy, hướng nghiên cứu về mòn và chất lượng khi gia công bằngphương pháp xung tia lửa điện vẫn chưa được đề cập nghiên cứu khi sử dụng cácloại điện cực có vật liệu khác nhau (điện cực nhôm, điện cực đồng đỏ và điện cựcđồng đỏ mạ crom) và biên dạng mặt cắt ngang của điện cực thay đổi (từ số cạnh là 3cạnh, 4 cạnh, 6 cạnh và hình tròn) sẽ giúp lựa chọn được điện cực phù hợp khi giacông để giảm mòn và đạt được chất lượng bề mặt tốt Hướng nghiên cứu của đề tài

sẽ tiếp cận các kết quả nghiên cứu đã có, xây dựng các mô hình thực nghiệm và đưa

ra các kết quả mang tính mới, có khả năng ứng dụng vào thực tiễn sản xuất để cảithiện chất lượng của chi tiết sau gia công và giảm mòn cho điện cực, do đó nângcao hiệu quả kinh tế của doanh nghiệp

Chương 2 NGHIÊN CỨU MỐI QUAN HỆ GIỮA MÕN ĐIỆN CỰC VÀ CHẤT LƯỢNG BỀ MẶT GIA CÔNG VỚI CÁC

THÔNG SỐ ĐẦU VÀO

2.1 Sơ đồ mối quan hệ giữa các đại lượng trong quá trình gia công tia lửa điện

Gia công bằng tia lửa điện là một quá trình phức tạp và kết quả của quá trìnhphụ thuộc vào rất nhiều yếu tố Sơ đồ dưới đây phân tích sự phụ thuộc lẫn nhaugiữa các đại lượng đầu vào, đại lượng trung gian và đại lượng đầu ra

Đại lượng đầu vào

Lấy vật liệu với tác động của điện và nhiệt Mòn dưới tác động của điện

và nhiệt Khe hở giữa bề mặt chi tiết và điện cực

Các đại lượng nhiễu:

Rung động Biến dạng nhiệt

Đại lượng đầu ra

Tính công nghệ

Chi tiết:

- Độ chính xác hình dạng

- Độ chính xác kích thước

- Chất lượng bề mặt

- Ảnh hưởng ở khu vực bên cạnh

Dụng cụ:

- Mòn

- Sự biến đổi cấu trúc

Dung dịch điện môi:

- Bẩn

Tính kinh tế

- Hiệu suất gia công

- Chi phí sản xuất

Hình 2.1 Sơ đồ mối quan hệ phụ thuộc trong quá trình gia công EDM

Có thể thấy rằng kết quả của quá trình gia công EDM phụ thuộc vào rấtnhiều yếu tố như máy, chi tiết, dụng cụ, chế độ công nghệ v.v Các yếu tố đầu vàonày chính là nguyên nhân gây nên những hiện tượng xảy ra trong quá trình gia côngnhư mòn điện cực, rung động, biến dạng nhiệt v.v Tất cả đều có những ảnh hưởng

nhất định đến mục tiêu cuối cùng Tùy thuộc vào mỗi phương pháp gia công thìmục tiêu nào là quan trọng hơn Với EDM ngoài đảm bảo tính kinh tế thì lượngmòn điện cực và chất lượng bề mặt gia công chính là những chỉ tiêu quan trọng.Trong công trình này chỉ đề cập nghiên cứu các đại lượng đầu vào bao gồm:

Trên cơ sở gia công thì phải chọn điện cực có kích thước nhỏ hơn lỗ cần giacông:

Cũng có thể sử dụng phần chày của khuôn dập để làm điện cực, nếu kíchthước cần thiết của khe hở bằng với khoảng cách tia lửa điện Kể cả độ côn của lỗcũng có lợi, nếu chúng ta bắt đầu gia công từ mặt dưới của khuôn dập

Bảng 2.1 Tiết diện tròn nhỏ nhất của điện cực có thể dùng trên máy Erosimat C30

Đối với chiều dài điện cực, trong trường hợp gia công lỗ thông và cụt thì chiều dài điện cực được chọn theo cách khác nhau.

- Trường hợp gia công lỗ suốt: Để có thể đảm bảo được kích thước tiết diện thì đầu điện cực phải vượt quá lỗ Chiều dài hữu ích của điện cực gồm 4 đoạn:

+ Đoạn bị mòn hoàn toàn

Hình 2.2 Chiều dài của một thanh điện cực (Nguồn: [2])

Quan hệ về kích thước: Hệ số nhú ra cho ta biết cách tính được đoạn nhú rabằng phần mấy chiều dài của chi tiết gia công lm Hệ số này phụ thuộc vào độ haomòn tương đối của điện cực, kích thước của vật gia công, cũng như hình dáng của

nó được biểu hiện bằng hệ số hình dáng a Trị số của a biến thiên từ 3 đến 8, ví dụ:

ở điện cực tiết diện tròn a = 3 Chiều dài an toàn l được chọn khoảng 10% đến 20%của lt Đoạn điện cực để gá lắp có thể viết:

l sz = l b + l c’ + l m - l (2.3)

Tùy theo cách gá lắp, trị số l b được chọn từ 15 ÷ 30 mm Trị số l c’ lớn hơnchiều cao của miệng chấu 1÷ 3 mm

- Trường hợp gia công lỗ cụt: Không thể khắc phục sự méo mó do điện cực

bị ăn mòn bằng cách cho điện cực nhú thêm Do đó phải cấu tạo điện cực sao chokhi gia công đến độ sâu cần thiết thì cũng có được lỗ cần thiết Hiện nay chưa cónhững hiểu biết chính xác về vấn đề này Do đó phải dùng nhiều điện cực tiếp nhau

để gia công đến độ sâu giống nhau thể hiện trên hình 2.3

Hình 2.3 Gia công lỗ cụt bằng nhiều điện cực liên tiếp nhau (Nguồn: [2])

b) Vật liệu điện cực

Trong gia công tia lửa điện, dụng cụ (điện cực) đóng vai trò cực kỳ quantrọng vì độ chính xác gia công một mặt phụ thuộc vào độ chính xác của điện cực.Điện cực thường được gia công bằng phương pháp cắt gọt, đúc, ép, phun kim loại,

mạ điện phân v.v Vật liệu làm điện cực phải đảm bảo các yêu cầu:

- Có tính dẫn điện tốt

- Nhiệt lượng riêng lớn

- Có nhiệt độ nóng chảy cao

- Có tính dẫn nhiệt tốt

Vật liệu làm điện cực thường là đồng đỏ, đồng thau, bạc hay kẽm

* Các tính chất của vật liệu điện cực:

- Tính dẫn điện

Dòng điện đóng vai trò như “dao” trong gia công EDM nên thông thườngcác vật liệu điện cực có tính dẫn điện càng cao thì hiệu suất cắt càng cao

Nhiệt độ nóng chảy Gia công EDM thực chất là một quá trình gia công nhiệt,

do đó vật liệu điện cực nào có nhiệt độ nóng chảy càng cao thì tỉ số mòn giữa điệncực và chi tiết càng bé

thì quá trình mòn điện cực sẽ xảy ra không đều, ảnh hưởng đến độ chính xác gia công và nhám bề mặt.

Việc lựa chọn vật liệu điện cực phụ thuộc nhiều yếu tố như sau:

- Giá thành vật liệu điện cực

- Mức độ khó hay dễ gia công của vật liệu

- Nguyên công (bước) gia công

- Độ mòn điện cực

- Số lượng điện cực cần thiết để hoàn thành công việc gia công

- Kiểu điện cực thích hợp nhất cho việc gia công

- Số lượng lỗ sục dung dịch điện môi (nếu có yêu cầu)

Vật liệu điện cực kim loại thường rất thích hợp cho gia công các chi tiết cóđiểm nóng chảy thấp như nhôm, đồng đỏ, đồng thau Tuy nhiên đối với thép và hợpkim của nó thì graphite thích hợp hơn Quy luật chung để lựa chọn là:

Điện cực kim loại dùng để gia công các chi tiết làm bằng hợp kim có nhiệt

độ nóng chảy thấp

Điện cực graphite dùng để gia công các chi tiết làm bằng hợp kim có nhiệt độnóng chảy cao

Tuy nhiên cũng có những ngoại lệ Ví dụ, mặc dù wolfram, cobalt, molipden

có nhiệt độ nóng chảy cao nhưng điện cực làm bằng đồng đỏ lại thích hợp hơn đểgia công vì quá trình gia công EDM các vật liệu này cần tần số dòng điện cao hơn

- Điện cực kim loại

Trước đây, vào thời kỳ đầu của EDM, điện cực kim loại được sử dụng trênhầu hết các máy xung điện Ngày nay điện cực kim loại chỉ được dùng khoảng 10%trong các ứng dụng gia công xung điện (trừ khoan lỗ nhỏ)

Ưu điểm chính của điện cực kim loại là tính dẫn điện cao và vật liệu có độđồng nhất cao Nhược điểm chính của chúng là khó chế tạo và tốc độ gia công thấp

+ Đồng thau: Đồng thau là loại vật liệu kim loại đầu tiên được dùng làm

điệncực EDM Nó không đắt và dễ gia công Tuy nhiên các máy xung điện hiện đại ngày nay ít dùng loại vật liệu này vì chúng bị mòn nhanh

Trong những ứng dụng cụ thể và ở các máy cũ thì đồng thau vẫn còn được

sử dụng một cách hạn chế

Tuy nhiên đồng thau được sử dụng phổ biến trên các máy khoan lỗ nhỏ cao tốc

+ Đồng đỏ: Với sự phát triển của các hệ thống cung cấp điện kiểu xung, transitor hóa, đồng đỏ tinh khiết đã được lựa chọn làm vật liệu điện cực EDM Bởi vì

sự kết hợp của đồng đỏ và các thiết lập chế độ nguồn nhất định cho phép giảm haomòn Nhờ độ đồng nhất về cấu trúc cao mà điện cực đồng đỏ có thể tạo được bề mặtchi tiết gia công với độ bóng cao Tuy nhiên đồng đỏ có những bất lợi đáng kể sau:

Tốc độ ăn mòn chi tiết gia công chỉ bằng một nửa so với

graphit Mềm nên khó mài

Khó làm sạch ba via, thời gian làm sạch ba via có thể dài hơn thời gian chếtạo điện cực

Mặc dù có những nhược điểm lớn nhưng do tính dễ chế tạo của nó mà nhiềuphân xưởng vẫn sử dụng đồng đỏ Ngoài ra nó còn được sử dụng phổ biến trên cácmáy khoan lỗ cao tốc, các ứng dụng khoan cao tốc các lỗ hợp kim hoặc carbide

+ Bạc: Bạc thỉnh thoảng cũng được sử dụng làm điện cực EDM vì tính dẫn

điện cao, độ tinh khiết và tính đồng nhất cao Chúng được sử dụng để gia công khuôn làm tiền kim loại Dĩ nhiên, do chi phí quá cao nên bạc ít được sử dụng

+ Wonfram: Wonfram có điểm nóng chảy cao, độ bền cao nên nó được lựa

chọn cho một số ứng dụng nhất định Chú ý rằng loại vật liệu này có tính dẫn điệnkém, tốc độ gia công chậm hơn đồng đỏ và đồng thau Vì wolfram khá đắt và khógia công nên nó cũng ít được sử dụng

+ Đồng - wolfram: Loại vật liệu này kết hợp nhiều ưu điểm của 2 loại vật

liệu thành phần đó là tính dẫn điện cao của đồng và nhiệt độ nóng chảy cao củawolfram Loại này có tính chống mòn rất tốt, rất thích hợp để gia công carbide Tuynhiên, loại vật liệu này cắt chỉ nhanh bằng một nửa so với đồng đỏ

+ Bạc – wolfram: Loại này kết hợp đặc tính chống mòn của wolfram và tính

dẫn điện cao của bạc Khi sử dụng chúng làm vật liệu điện cực EDM thì điện cựclâu mòn và bề mặt chi tiết gia công đạt độ bóng cao Rất thích hợp cho các ứngdụng có độ chính xác cao Tuy nhiên, do tính hiếm và chi phí cao nên loại này chỉđược dùng rất hạn chế

+ Wolfram- carbide: Nhờ độ cứng vững cực cao và tính chống mài mòn cao

nên wolfram- carbide thường được sử dụng để gia công hốc hoặc lỗ nhỏ Một đặcđiểm cần lưu ý là loại vật liệu này rất giòn

- Điện cực graphite

Graphite được sử dụng khá nhiều trong 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 kimloại Sau đây là một số đặc điểm so với điện cực đồng đỏ:

+ Về tốc độ gia công: Tốc độ cao hơn điện cực đồng đỏ cả gia công thô lẫn

gia công tinh, thông thường tỉ lệ về tốc độ là 2:1

Bụi graphite khi gia công dẫn đến ảnh hưởng sức khỏe của con người

Bụi graphite cũng là nguyên nhân chính dẫn đến mòn băng máy nhanh hơnDung dịch trơn nguội khi bị pha trộn bụi graphite sẽ làm giảm nhanh chấtlượng của dung dịch Bên cạnh đó việc xử lý những tác động chất thải từ nhữngdung dịch này ảnh hưởng nhiều đến môi trường và kinh tế

Điện cực Đồng đỏ-graphite (composite) là sự kết hợp giữa đồng đỏ vàgraphite, 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 (vấn đề môi trường).Điện cực này chứng tỏ những ưu việt khi áp dụng gia công các chi tiết hàng không,

vũ trụ như titan, inconel và một số hợp kim chịu nhiệt cao ngành hàng không

2.2.1.2 Chất điện môi

a) Nhiệm vụ cơ bản của chất điện môi

- Cách điện

Nhiệm vụ chính của chất lỏng điện môi là cách điện giữa điện cực và phôi

Nó phải đảm bảo sự cách ly giữa điện cực với phôi khi khe hở chưa đủ hẹp Chỉ cómột khoảng cách nhỏ nhất có thể có giữa điện cực và phôi mới cho phép dong tialửa điện đi qua Nếu khe hở nhỏ thì lượng hớt vật liệu và độ chính xác in hình tăng.Tuy nhiên, lượng hợt vật liệu cũng tăng khi khoảng cách xung ngắn Chất điện môiphải được thôi ion hóa nhanh sau một xung Chất điện môi được dùng trong thực tế

ít khi là nguyên chất Vì vậy, trước tiên phải cho chất điện môi đi qua một hệ thốnglọc Mặc dù vậy vẫn luôn còn xót lại các phần tử tế vi của vật liệu

- Ion hóa

Chất điện môi phỉa tạo nên những điều kiện tối ưu cho sự phóng tia lửa điện,nghĩa là nó phải được ion hóa ở vào thời điểm chuẩn bị phóng tia lửa điện, tức là

phải có khả năng tạo nên một cầu phóng điện Điều này giúp cho sự tập trung nănglượng ở kênh plasma, giúp cho sự hớt vật liệu khi phóng tia lửa điện Nếu xungngắt thì chất điện môi phải được thôi ion hóa, tạo điều kiện để cho sự phóng điệntiếp theo xảy ra ở một vị trí khác Chất điện môi cũng bao trùm kênh phóng điện,nhờ đó có thể đạt được mật độ năng lượng cao, tăng thêm hiệu quả phóng điện.

- Làm nguội

Ở kênh phóng điện, trong khoảng thời gian cực ngắn, nhiệt độ có thể lên tới10.000C Nhiệt xuất hiện ở đây cần phải được chuyển đi, nếu không thì độ mònđiện cực sẽ tăng lên, đồng thời bề mặt phôi cũng bị hư hại do quá nhiệt

Bản thân chất điện môi cũng không được phép bị quá nhiệt Sự quá nhiệtlàm cho chất điện môi dễ bị phân hủy thành khí và cacbon tự do Khí này sẽ làm mởrộng không mong muốn kênh phóng điện và làm giảm lượng hớt vật liệu Đồng thờicặn cacbon lắng xuống trên bề mặt điện cực sẽ gây ra sự ngắn mạch Vì vậy, cần tạo

ra một dỏng chảy đi qua khe hở giữa bề mặt chi tiết và điện cực để làm nguội cảđiện cực và phôi

cơ tạo hồ quang và ngắn mạch tăng lên

Chính vì các lý do trên mà cần phải có một hệ thống dòng chảy của chất điệnmôi để vận chuyển các phần tử đã bị ăn mon (phoi) đi ra khỏi khe hở giữa bề mặtchi tiết và điện cực và đảm bảo chất điện môi sạch cho khe hở

b) Các loại chất điện môi

Hiện nay có hai loại chất điện môi chủ yếu dùng cho hai phương pháp giacông tia lửa điện khác nhau, đó là:

- Hydrocacbon: Chủ yếu dùng cho xung định hình Nó được chia ra làm ba

nhóm trên cơ sở đặc tính hóa học:

+ Parafin

+ Dầu khoáng

+ Các dẫn xuất của xăng

- Nước khử khoáng: Chủ yếu dùng cho cắt dây.

- Dung dịch điện môi có trộn bột: Khả năng cách điện đồng nhất của dung

dịch điện môi trong EDM đã tạo ra miền phân bố điện trường với cường độ không

đổi dẫn đến khe hở giữa bề mặt chi tiết và điện cực nhỏ và tia lửa điện chỉ xuất hiệntại một vài điểm Việc trộn bột dẫn điện vào dung dịch điện môi gây ra sự sai lệchđiện trường trong vùng khe hở giữa bề mặt chi tiết và điện cực Như vậy, PMEDMtạo điều kiện cho việc phóng tia lửa điện có thể xảy ra dễ dàng và làm tăng kíchthước khe hở giữa bề mặt chi tiết và điện cực so với EDM Hiện tượng phóng điệngiữa các hạt bột dẫn đến số lượng tia lửa điện tăng nên cường độ của chúng sẽ bịgiảm, điều này tạo ra bề mặt gia công có số lượng vết lõm tăng nhưng đường kính

và chiều sâu lại giảm, dẫn đến trị số nhám bề mặt gia công giảm theo Độ rộng củavùng phóng tia lửa điện cũng tăng lên và làm tăng diện tích gia công Việc trộn bộtvào dung dịch điện môi không chỉ tạo ra bề mặt gia công đồng nhất mà còn ngăncản sự xuất hiện hiện tượng phóng hồ quang điện tại một vài vị trí Kích thước khe

hở giữa bề mặt chi tiết và điện cực phụ bột tăng quá giới hạn cho phép sẽ làm kíchthước khe hở không tăng mà có thể làm xuất hiện các hiện tượng: Ngắn mạch, sụt

áp, dung môi bị quá nhiệt [8]

2.2.2 Đại lượng điều chỉnh

Đại lượng điều chỉnh chính là các thông số công nghệ cần đưa vào ngay từđầu của quá trình gia công, bao gồm điện áp đánh lửa (U0), cường độ dòng phóngxung tia lửa điện (Ie), thời gian phát xung (ton), thời gian ngừng phát xung (toff) vàkhe hở giữa bề mặt chi tiết và điện cực ()

2.2.2.1 Điện áp đánh lửa (U 0 )

Điện áp trong EDM có liên quan đến khe hở giữa bề mặt chi tiết và điện cực

và sự cách điện của dung dịch điện môi [50,53] Điện áp tại khe hở giữa bề mặt chitiết và điện cực tăng liên tục đến khi xuất hiện dòng ion đánh thủng sự cách điệncủa dung dịch điện môi, khi dòng điện bắt đầu xuất hiện thì điện áp lớn nhất (U0)giảm xuống và giữ ở trạng thái ổn định (Ud) tại khe hở giữa bề mặt chi tiết và điệncực Giá trị điện áp được xác định theo kích thước khe hở nhỏ nhất giữa điện cực

và phôi Điện áp càng cao càng làm tăng khe hở giữa bề mặt chi tiết và điện cực,điều này sẽ tạo điều kiện cho dòng dung môi chảy qua và làm ổn định quá trình giacông Năng suất bóc tách vật liệu, lượng mòn điện cực và độ nhám bề mặt tăng khiđiện áp tăng [27]

2.2.2.2 Cường độ dòng phóng tia lửa điện (I e )

Cường độ dòng điện là thông số công nghệ quan trọng nhất đặc trưng chohiệu quả gia công bằng EDM [27] Cường độ dòng điện tăng đến một giá trị lớnnhất xác định (Ie), trị số của được xác định thông qua diện tích bề mặt gia công vàchế độ gia công (thô: Ie ≥ 15A; bán tinh: Ie= 8÷15A; tinh: Ie≤ 8A) [27] Cường độdòng điện lớn sử dụng để gia công thô và các bề mặt có diện tích lớn Cường độ

dòng điện cao sẽ làm tăng tốc độ bóc tách vật liệu nhưng cũng làm lượng mòn điệncực tăng và chất lượng bề mặt gia công giảm [9].

2.2.2.3 Thời gian phát xung (t on )

Thời gian phát xung ton bao gồm thời gian trễ tde, thời gian phóng tia lửa điện

td và số chu kỳ xung tp Năng suất bóc tách vật liệu tỷ lệ thuận với trị số năng lượngđược sử dụng trong ton [9] Năng lượng này được điều khiển bởi cường độ dòngđiện cực đại và ton Lượng vật liệu bị nóng chảy và bay hơi sẽ tăng khi ton tăng lên.Tuy nhiên nếu kéo dài ton sẽ làm tăng cường độ và tốc độ lan truyền của nhiệt xungvào bề mặt phôi dẫn đến tác động của nó đến lớp bề mặt gia công sẽ rộng và sâuhơn, khiến dung dịch điện môi bị ion hóa trở thành dẫn điện và tia lửa điện sẽ pháttriển thành hồ quang gây cháy bề mặt gia công Mặt khác, khi ton quá dài còn có thểdẫn đến lượng bóc tách vật liệu giảm và điện cực có thể không bị hao mòn [9] Khi

ton ngắn tạo ra các vết lõm trên bề mặt phôi có đường kính và chiều sâu lớn hơn làmtăng độ nhám bề mặt gia công

2.2.2.4 Thời gian ngừng phát xung (t off )

trình gia công sẽ càng nhanh nhưng nếu nó quá ngắn sẽ không có đủ thời gian để vậnchuyển phoi và dung dịch điện môi không kịp hồi phục trạng thái cách điện Đây chính

hơn thời gian phục hồi của dung môi để không làm xuất hiện hiện tượng phóng tia lửa

xác sẽ xuất hiện nhiều xung lỗi gây tổn thất hiệu suất gia công [9]

2.3 Đại lượng trung gian

Các đại lượng quá trình chính là quá trình ăn mòn kim loại dưới tác độngcủa điện và nhiệt để tạo ra khe hở giữa điện cực và chi tiết, các nghiên cứu cho thấyquá trình ăn mòn của 1 xung gia công được trải qua 3 giai đoạn:

Giai đoạn 1: Hình thành kênh dẫn điện

Hình 2.4 Sự hình thành kênh dẫn điện (Nguồn: [9])

Giai đoạn này được xác định trong khoảng thời gian khi bắt đầu có điện áp cấpbởi nguồn điện và kết thúc khi điện áp bắt đầu giảm: bắt đầu xuất hiện tia lửa điện

Khi điện trường giữa 2 điện cực tăng lên do việc đưa chúng đến gần nhau làmcho vận tốc của các ion và điện tử tự do có trong lớp dung dịch điện môi ở giữa cácđiện cực tăng lên và bị hút về phía cực trái dấu Trong quá trình di chuyển, chúng vađập với các phân tử trung hoà và làm tách ra các ion và điện tử mới Cứ như vậy, khikhoảng cách càng nhỏ làm từ trường và động năng của các ion và điện tử càng lớn dẫnđến hình thành một dòng chuyển dịch có hướng của ion và điện tử tạo nên dòng điện.Kết quả là dung dịch điện môi trở nên dẫn điện ở cuối giai đoạn này

Giai đoạn 2: Phóng tia lửa điện làm bốc hơi vật liệu

Hình 2.5 Sự phóng điện qua kênh dẫn điện (Nguồn: [9])

Thời gian của giai đoạn này được tính từ khi điện áp bắt đầu giảm đến một trị

số xác định (cuối giai đoạn 1) và giữ nguyên cho đến khi giảm về 0V (ngắt nguồn)

Dòng điện đi qua kênh dẫn điện kèm theo sự xuất hiện tia lửa điện Tại kênh dẫn

tại đó đạt tới khoảng 10000o C Vật liệu của các điện cực tại nơi xuất hiện tia lửađiện bị bốc hơi bởi nhiệt độ cao Bên cạnh đó còn có 1 lượng nhỏ vật liệu bị táchkhỏi 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 1 xung gia công: ăn mòn vậtliệu tạo thành hình dáng chi tiết theo yêu cầu

Giai đoạn 3: Hoá rắn hơi vật liệu và phục hồi

Hình 26 Sự phục hồi (Nguồn: [9])

Nguồn xung bị ngắt đột ngột, dung dịch điện môi ở nhiệt độ thường xungquanh tràn vào gây nên sự thay đổi áp suất đột ngột tạo nên tiếng nổ nhỏ Hơi củavật liệu của các điện cực bị hoá rắn do việc giảm nhiệt độ đột ngột tạo nên các hạtô-xít kim loại có kích thước nhỏ (cỡ vài chục m) Các hạt ô-xít này không dẫnđiện hoặc dẫn điện rất kém tuỳ thuộc vào vật liệu các điện cực

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

Một xung gia công kết thúc Các giai đoạn trên được lặp lại cho các xung giacông kế tiếp theo

Trong quá trình gia công EDM, vật liệu của chi tiết bị mòn dần và sẽ dần cóhình dạng là hình dạng của điện cực Điện cực cũng bị mòn trong quá trình gia côngnày nên nó thường được được làm bằng các loại vật liệu có tính chịu mòn nhiệt caonhư đồng, graphite, v.v

Theo kết quả phân tích các giai đoạn trên, có 02 nguyên nhân chính tạo nên

sự ăn mòn vật liệu của các điện cực: nguyên nhân điện và nguyên nhân nhiệt

2.3.1 Tác động của điện

Các ion và điện tử do điện trường lớn giữa khe hở giữa bề mặt chi tiết vàđiện cực nên bị hút về phía cực trái dấu Trên đường di chuyển, chúng được gia tốc

phân tử trung hoà của dung dịch điện môi để tạo thêm các ion và điện tử tự do Cácion và điện tử này va đập vào bề mặt các điện cực làm tách các điện tử và ion vậtliệu của các điện cực tạo nên sự mòn của các điện cực Các nghiên cứu đã cho thấynguyên nhân gây nên sự mòn này cho dù rất nhỏ nhưng lại là nguyên nhân chínhgây nên sự mòn không mong muốn ở điện cực dẫn đến sai số về mặt hình dáng vàkích thước của chi tiết sau khi gia công EDM [9,10].

2.3.2 Tác động của nhiệt

Khi tia lửa điện phóng qua kênh dẫn điện, nhiệt độ ở kênh dẫn điện có thểđạt tới khoảng 10000oC làm cho vật liệu của các điện cực tại nơi tiếp giáp với kênhdẫn điện bị bốc hơi

Bề mặt của chi tiết sau khi bị ăn mòn bằng tia lửa điện có hình dạng những

hố nhỏ giống miệng núi lửa:

Hình 2.7 Bề mặt chi tiết sau khi gia công tia lửa điện (Nguồn:[9])

Bề mặt của các điện cực luôn có những nhấp nhô (nhám) Khi đưa chúngđến gần nhau, sẽ luôn có 1 cặp nhấp nhô đối diện có khoảng cách nhỏ nhất (trênhình 2.8 là điểm A) Tại đó, mật độ cường độ điện trường là lớn nhất (do khe hở là

bé nhất) dẫn đến tia lửa điện sẽ xuất hiện và ăn mòn cặp nhấp nhô này (hình 2.9)

Hình 2.8 Mô hình bề mặt của điện cực-chi tiết (Nguồn:[9])