Nghiên cứu ảnh hưởng của các thông số công nghệ tới quá trình gia công tia lửa điện bằng phương pháp xung điện

Nghiên cứu ảnh hưởng của các thông số công nghệ tới quá trình gia công tia lửa điện bằng phương pháp xung điện Trình bày tổng quan về gia công tia lửa điện. Nghiên cứu ảnh hưởng của một số thông số công nghệ đến chất lượng bề mặt chi tiết được gia công bằng phương pháp xung tia lửa điện. Tiến hành các thí nghiệm và xử lý số liệu.

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

-

TRẦN QUỐC THOẠI

NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA CÁC THÔNG SỐ CÔNG NGHỆ TỚI QUÁ

TRÌNH GIA CÔNG TIA LỬA ĐIỆN BẰNG

PHƯƠNG PHÁP XUNG ĐIỆN

Chuyên ngành : CHẾ TẠO MÁY

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC

CHẾ TẠO MÁY

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC :

PGS.TS NGUYỄN TRỌNG BÌNH

Hà Nội – Năm 2011

Cộng hòa xã hội chủ nghĩa Việt Nam Độc lập – Tự do – Hạnh phúc LỜI CAM ĐOAN

Tên tôi là: Trần Quốc Thoại

Nơi công tác: Trường Cao đẳng kinh tế kỹ thuật Vĩnh Phúc

Tên đề tài: “Nghiên cứu ảnh hưởng của các thông số công nghệ tới quá trình gia công tia lửa điện bằng phương pháp xung điện”

Chuyên ngành: Công nghệ chế tạo máy

Tôi xin cam đoan, đây là luận văn của tôi Các số liệu đo và thực nghiệm một cách chính xác tại Trường Cao đẳng kinh tế kỹ thuật Vĩnh Phúc

Vĩnh Phúc, ngày 11 tháng 9 năm 2011

Người viết

TRẦN QUỐC THOẠI

1.1 Đặc điểm của phương pháp gia công bằng tia lửa điện 13 1.1.1 Đặc điểm chính của phương pháp gia công bằng tia lửa điện 13 1.1.2 Khả năng công nghệ của phương pháp gia công bằng tia lửa điện 14 1.2 Các phương pháp gia công bằng tia lửa điện 15

1.3 Một số nghiên cứu trên thế giới về gia công tia lửa điện 19 1.4 Cấu tạo chung của máy gia công tia lửa điện 20

Chương 2 NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA MỘT SỐ THÔNG SỐ

CÔNG NGHỆ ĐẾN CHẤT LƯỢNG BỀ MẶT CHI TIẾT ĐƯỢC GIA

CÔNG BẰNG PHƯƠNG PHÁP XUNG TIA LỬA ĐIỆN (EDM)

22

2.1 Bản chất vật lý của quá trình phóng tia lửa điện 22 2.2 Các thông số ảnh hưởng đến quá trình gia công bằng tia lửa điện 25 2.2.1 Các yếu tố có thể điều khiển được 25 2.2.2 Các yếu tố không thể điều khiển được 32 2.2.3 Các yếu tố liên quan trong quá trình gia công tia lửa điện 33

2.3 Kết luận chương 2 59 Chương 3 TIẾN HÀNH CÁC THÍ NGHIỆM VÀ SỬ LÝ SỐ LIỆU 60

3.1.1 Các tính năng kỹ thuật cơ bản của máy 60

3.1.3 Giới thiệu về máy đo độ nhám bề mặt 61

3.2.1 Các giới hạn khi thiết kế thí nghiệm 62

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CÁC CHỮ VIẾT TẮT

1 AEDG Abrasive Electrical Discharge Grinding

4 CIM Computer Integrated Manufacturing

6 EDM Electrical Discharge Machining

8 FMS Flexible Manufacturing System

9 MEDM Micro Electrical Discharge Machining

11 WEDM Wire Electrical Discharge Machining

12 MWEDM Micro Wire Electrical Discharge Machining

13 UR z Điện áp đánh lửa

14 tR d Thời gian đánh lửa trễ

15 UR e Điện áp đánh lửa

16 IR e Dòng phóng tia lửa điện

17 tR e Thời gian phóng tia lửa điện (time on)

18 tR 0 Khoảng cách xung (time off)

19 Timer-dwell Thời gian dừng điện cực ở vị trí khe hở sau loạt xung

20 Timer-lift Thời gian nhấc điện cực ở vị trí ngoài khu vực công tác

22 VR w Lượng tách vật liệu phôi

25 WR e Năng lượng tách vật liệu

27 η Hệ số tích điện

29 CR gh Điện dung giới hạn

30 UR opt Điện áp tối ưu

32 FR gh Điện tích vùng gia công giới hạn

36 HR tong Nhiệt lượng tổng

37 HR m Nhiệt lượng tiêu hao

3

P)

39 HR c R(z) Chiều sâu vết lõm

40 W Năng lượng phóng tia lửa điện

41 θR m Nhiệt độ nóng chảy của vật liệu (P

o

PC)

50 ER vbez Năng lượng bốc hơi riêng (j/mmP

3

P)

51 CR w Năng lượng riêng (Kj/kg grd)

52 ΘR v Nhiệt độ sôi của vật liệu (P

o

PC)

53 ΘR s Nhiệt độ nóng chảy của vật liệu (P

o

PC)

54 ζ Tỉ trọng của vật liệu (g/cmP

3

P)

DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU

2.1 So sánh độ bền mỏi giữa phương pháp phay và phương pháp

gia công tia lửa điện

35

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ

1.1 Các vật liệu có thể gia công bằng tia lửa điện 14 1.2 Sơ đồ nguyên lý của máy gia công tia lửa điện dùng điện cực

định hình

17

1.3 Điện áp và dòng điện trong một xung phóng điện 18

2.2 Các pha khác nhau trước và sau khi phóng tia lửa điện 24

2.14 Biến thiên của chiều sâu vết lõm Z và thể tích VR 0 Rphụ thuộc và

tR d

36

2.15 Biến thiên của thể tích vết lõm theo tR d Rvới các mức năng lượng 36 2.16 Tác dụng của vết nứt đến tốc độ hớt vật liệu 36 2.17 Tác dụng lực của chu kỳ dòng dung dịch điện môi lên tốc độ

hớt vật liệu

37

2.22 Dòng chảy hút qua điện cực 48

2.29 Cấu trúc vi mô và cấu trúc vĩ mô bề mặt trong EDM 57

3.4 Đồ thị thể hiện mối quan hệ giữa RR z R và IR e 64 3.5 Đồ thị thể hiện mối quan hệ giữa RR z R và tR i 64

MỞ ĐẦU

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

để có thể tự động hóa, linh hoạt hóa một quá trình gia công kim loại, việc nghiên cứu ảnh hưởng của các yếu tố công nghệ đến các quá trình đó, đặc biệt đến chất lượng và

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

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

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

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

đã tạo cho phương pháp gia công tia lửa điện một sự chuyển biến đáng kể về mặt công

nghệ Những năm gần đây, nhiều phương pháp lai, trên cơ sở kết hợp nguyên lý gia công tia lửa điện với các phương pháp gia công cơ, khai thác lợi thế của từng phương pháp thành phần đã tạo nên những kỹ thuật hớt kim loại mới trên cơ sở công nghệ gia công bằng tia lửa điện

1 Tính cấp thiết của đề tài

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

là trong ngành chế tạo khuôn mẫu

Mặc dù phương pháp gia công tia lửa điện đã được sử dụng rộng rãi, nhưng quá trình ăn mòn tia lửa điện vẫn được coi là còn nhiều yếu tố chưa rõ khi phân tích khảo sát theo phương pháp giải tích Điều đó thể hiện rằng những tác động liên quan đến tia lửa điện được phóng ra trong quá trình gia công chưa được hiểu biết đầy đủ Vấn đề nâng cao chất lượng chi tiết và năng suất gia công mặc dù đã tiêu tốn nhiều công sức của các nhà nghiên cứu trên thế giới trong một thời gian dài đến nay vẫn còn là vấn đề thời sự

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

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

Nhằm tìm hiểu thêm về công nghệ gia công tia lửa điện và xem xét đánh giá các yếu tố ảnh hưởng, nâng cao năng suất, chất lượng và hạ giá thành sản xuất, tác giả đã lựa chọn đề tài:

“Nghiên cứu ảnh hưởng của các thông số công nghệ tới quá trình gia công tia lửa điện bằng phương pháp xung điện”

2 Đối tựng và phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu ảnh hưởng của một số yếu tố công nghệ đến chất lượng chi tiết được gia công bằng xung định hình (EDM) trên máy xung ZNC-EDM tại Trường Cao đẳng kinh tế kỹ thuật Vĩnh Phúc

+ Điện cực đồng đỏ

+ Vật liệu gia công là thép 50

Các thông số công nghệ được nghiên cứu bằng thực nghiệm, các kết quả thí nghiệm trên mẫu được đo đạc và sử lý bằng các thiết bị đo tại phòng thí nghiệm của Trường Cao đẳng kinh tế kỹ thuật Vĩnh Phúc

3 Ý nghĩa của đề tài

+ Đánh giá được ảnh hưởng của các yếu tố công nghệ đến chất lượng bề mặt chi tiết gia công bằng xung điện trong điều kiện gia công cụ thể, đặc biệt có xét đến ảnh

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

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

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

4 Cấu trúc luận văn

Nội dung luận văn được chia thành 3 chương, cuối luận văn là kết luận chung và kiến nghị cho hướng nghiên cứu tiếp theo, cụ thể gồm:

Phần mở đầu

Chương 1 Tổng quan về gia công tia lửa điện

Chương 2 Nghiên cứu ảnh hưởng của một số yếu tố công nghệ đến chất lượng

bề mặt chi tiết được gia công bằng phương pháp tia lửa điện (EDM)

Chương 3 Thí nghiệm, đánh giá kết quả thí nghiệm

Kết luận chung, kiến nghị hướng nghiên cứu tiếp theo

Tài liệu tham khảo

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ GIA CÔNG TIA LỬA ĐIỆN

Nguyên lý tác động ăn mòn vật liệu kim loại bởi tia lửa điện và cấu trúc cơ sở của quá trình đã được biết cách đây gần 200 năm khi nhà nghiên cứu khoa học tự nhiên người Anh Joseph Priestley trong thí nghiệm của mình ông đã nhận thấy hiệu quả của

sự ăn mòn vật liệu bởi sự phóng tia lửa điện (1733 ÷ 1809) Vợ chồng Lazarenko người Nga (1940s) đã khái quát hóa hiện tượng nêu trên thành công nghệ gia công qua một loạt thí nghiệm sử dụng các mạch điện trở - tụ điện để thu được tác động phóng điện hớt vật liệu kim loại khi mỗi lần cho điện cực dụng cụ tiến gần đến điện cực phôi Từ

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

đã thu hút nhiều nhà khoa học quan tâm nghiên cứu để hoàn thiện bản chất của quá trình, phát triển các phương pháp gia công “lai”, cải tiến phát triển thiết bị nhằm mục đích nâng cao chất lượng cũng như năng suất gia công của phương pháp này

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

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

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

+ Chỉ gia công được các loại vật liệu dẫn điện

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

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

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

+ Điện cực dụng cụ bị mòn nhanh

+ Khi gia công phải sử dụng một chất lỏng điện môi, đó là một dung dịch không dẫn điện trong điều kiện bình thường

Độ dẫn điện riêng s/cm

Điện trở riêng Ω.cm

Hình 1.1 Các vật liệu có thể gia công bằng tia lửa điện

Như vậy muốn gia công bằng tia lửa điện được thì điều kiện quan trọng nhất là vật liệu gia công phải có tính dẫn điện Các vật liệu dẫn điện kém như gốm và kim cương cũng có thể gia công được Với kim cương, khi gia công tự nó tổng hợp một lớp các bon dẫn điện trên bề mặt gia công

Sơ đồ hình 1.1 cho ta một cái nhìn tổng quát về các vật liệu có thể gia công bằng tia lửa điện Trong quá trình phóng điện có sự ion hóa rất mạnh ở vùng tác dụng là tạo nên áp lực va đập lớn đưa hạt kim loại bị phá hỏng ra khỏi vùng gia công, tạo nên vết lõm trên điện cực Quá trình trên sảy ra trong một thời gian rất ngắn và mạch lại ở trạng thái nạp điện chuẩn bị cho lần phóng điện tiếp theo Hiện tượng phóng điện sảy

ra đến khi khoảng cách giữa hai điện cực đủ lớn không còn khả năng phóng điện thì dừng lại, muốn quá trình tiếp tục thì phải cho hai điện cực tiến lại gần nhau đến khe hở phóng điện Bản chất tia lửa điện là dòng xung điện, để tạo ra dòng xung điện thì giai đoạn đầu phải thực hiện tích điện và sau đó là quá trình phóng điện

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

Phương pháp gia công bằng tia lửa điện có thể tạo được các mặt định hình đường thẳng, mặt định hình không gian, các rãnh định hình, … Có thể đạt được độ

chính xác từ cấp 8 đến cấp 9 và độ nhám RR a R= 5 ÷ 1.25 μm, đôi khi trong trường hợp đặc biệt có thể đạt tới 0,32 μm

Chất lượng và năng suất gia công tỷ lệ nghịch với nhau và phụ thuộc vào vật liệu gia công, vật liệu làm dụng cụ, chất điện môi và chế độ gia công

1.2 Các phương pháp gia công bằng tia lửa điện

Từ hiện tượng vật lý trên, các nhà nghiên cứu đã khái quát thành nhiều phương pháp gia công bằng tia lửa điện mà ngày nay được sử dụng rộng rãi trong công nghiệp Nhưng phải kể đến hai phương pháp chính là: Xung định hình (EDM) và phương pháp cắt bằng điện cực dây (WEDM)

Ngoài ra, nhiều phương pháp khác mà cơ sở là ứng dụng tia lửa điện cũng được nghiên cứu và ứng dụng

+ Gia công tia lửa điện dạng phay (Milling EDM) là phương pháp sử dụng điện cực chuẩn, hình trụ quay để thực hiện ăn mòn tia lửa điện theo kiểu phay Hốc khuôn được hình thành bởi sự di chuyển xuống liên tục của điện cực tới độ sâu yêu cầu Tỷ lệ hớt vật liệu tương đương với gia công xung định hình Đặc điểm của phương pháp này

là gia công các chi tiết có hình dạng phức tạp

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

+ Gia công EDM rung siêu âm (ultrasionic Aided EDM) là phương pháp hớt vật liệu bằng tia lửa điện kết hợp với việc rung điện cực dụng cụ (theo phương di chuyển điện cực) 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 xung các lỗ nhỏ hoặc siêu âm

+ Mài mòn bằng phóng tia lửa điện (Abrasive Electrical Distrarge Gringding – AEDG) là phương pháp lai, trong đó vật liệu được bóc tách nhờ tác dụng kết hợp của

ăn mòn tia lửa điện và mài cơ khí Phương pháp này được sử dụng trong gia công các

loại vật liệu siêu cứng và đặc biệt hữu hiệu để mài vật liệu kim cương đa tinh thể Trong quá trình gia công, sự phóng tia lửa điện giúp cho việc tăng nhanh tốc độ bóc tách vật liệu và mài cơ tạo một bề mặt tinh và mịn

+ Gia công xung định hình siêu nhỏ (MEDM) là dạng xung định hình đặc biệt, trong đó điện cực được quay với vận tốc 10.000 (vòng/phút) Điện cực được sử dụng trong MEDM có kích thước nhỏ và được chế tạo theo phương pháp gia công tia lửa điện chuyên dụng khác như “mài kết hợp với cắt dây WEDM” bằng phương pháp MEDM cho phép chế tạo các lỗ sâu siêu nhỏ hoặc có hình dạng rất phức tạp trong công nghệ chế tạo máy với các vật liệu siêu dẫn Kích thước lỗ gia công bằng phương pháp MEDM thường từ 25μm ÷ 250μm với độ chính xác ±1 μm ÷ ± 2 μm, thường được kết hợp với trợ giúp của kính hiển vi

+ Cắt dây tia lửa điện siêu nhỏ (MWEDM) là phương pháp cắt dây sử dụng điện cực tungsten, đường kính dây nhỏ tới 10 μm Phương pháp MWEDM chủ yếu được sử dụng trong gia công các chi tiết có kích thước nhỏ từ 0,1 ÷ 1 mm, vật liệu khó gia công, chiều dầy nhỏ… hoặc dùng trong công nghệ chế tạo các chi tiết bán dẫn

+ Gia công tia lửa điện theo kiểu đe chắn (Mole EDM) là một quá trình gia công đặc biệt, cho phép gia công các hốc, rãnh dạng đường cong hoặc đường xuyến trong chi tiết Hình dáng điện cực của máy Mole EDM tương tự với một thanh dẫn có thể uốn cong và một hệ thống nhận dạng, ghi nhớ hình dạng được sử dụng như là bộ kích thích Sử dụng sóng siêu âm để nhận dạng các đường hầm gia công trong chi tiết

+ Xung định hình với hai điện cực quay là phương pháp sử dụng một điện cực quay để ăn mòn một phôi quay Bằng phương pháp này có thể tạo ra được những chi tiết có hình dạng khác nhau khi phối hợp vị trí giữa hai điện cực cũng như vận tốc góc của điện cực và của phôi Khả năng công nghệ của phương pháp này có thể đạt được: sai số đường kính nhỏ hơn 0,0004 mm, độ không tròn nhỏ hơn 0,002 mm và độ nhám

bề mặt RR a R = 0,063 μm

Ngoài ra còn nhiều phương pháp lai khác đang được nghiên cứu và phát triển Tuy nhiên, để có được những nghiên cứu về bản chất của công nghệ gia công bằng tia lửa điện, trong khuôn khổ luận văn này chỉ nêu tổng quan hai phương pháp là: xung định hình (EDM) và cắt dây (WEDM)

1.2.1 Gia công xung định hình

Gia công tia lửa điện dùng điện cực định hình (Diesinking) hay còn gọi là gia công xung định hình cho ra sản phẩm thường là các lòng khuôn hoặc bề mặt có hình dạng của điện cực Điện thế sử dụng trong máy điện cực định hình từ 60 ÷ 300V Điện cực bằng đồng, graphit, tungsten Động cơ điều khiển điện cực là động cơ servo, động

cơ thủy lực hoặc động cơ điện Hình 1.2 dưới đây thể hiện sơ đồ nguyên lý của máy gia công tia lửa điện dùng điện cực định hình

Hình 1.2 Sơ đồ nguyên lý của máy gia công

tia lửa điện

Đặc tính điện của sự phóng tia lửa điện trong EDM Sơ đồ hình 1.3 sẽ cho ta thấy diễn biến của điện áp và dòng điện ở một máy xung định hình, được sinh ra bởi một máy phát xung tĩnh trong những khoảng thời gian xác định của một chu kỳ xung

Các thông số điều chỉnh có ảnh hưởng nhiều đến quá trình gia công bằng

phương pháp xung định hình

1.2.2 Gia công cắt bằng điện cực dây

Cắt tia lửa điện bằng điện cực dây (EDM Wire cutting) là phương pháp gia công bằng tia lửa điện trong đó điện cực là một sợi dây nhỏ được cuốn liên tục và chạy theo một công tua cho trước, khi gia công nó sẽ cắt phôi theo đúng công tua đó

Gia công tia lửa điện bằng cắt dây cho ra các biên dạng phức tạp tùy theo yêu cầu công việc Điểm khác nhau cơ bản giữa máy cắt dây và máy dùng điện cực định hình là ở máy cắt dây dùng sợi dây kim loại mảnh có đường kính 0,1 ÷ 0,3 mm bằng đồng thau hoặc tungsten để làm điện cực dụng cụ Vật liệu của phôi gia công bị bóc tách ra do tác động không tiếp xúc, không có tác dụng lực của điện cực dây Hàng nghìn lần phóng điện giữa hai điện cực (dụng cụ, phôi) trong một thời gian là một giây làm nóng chảy và bốc hơi những phần vật liệu gia công nhỏ nhất Các phoi cực nhỏ đó

sẽ lắng đọng trong một dung dịch điện môi và được hút ra ngoài Chất điện môi được

dùng ở đây là nước đã được khử ion, có tác dụng tạo ra trở kháng chuyển tiếp cho các lần phóng điện giữa hai điện cực, cuốn phoi cắt ra khỏi vùng gia công, làm nguội phôi gia công và cải thiện điều kiện di trượt của điện cực dây

1.3 Một số nghiên cứu trên thế giới về gia công tia lửa điện

Trên thế giới đã có nhiều công trình lý thuyết và thực nghiệm đưa ra mối quan

hệ giữa các đại lượng đặc trưng của quá trình phóng tia lửa điện và đưa ra kết luận sự ảnh hưởng của các thông số công nghệ đến chất lượng bề mặt chi tiết máy Bao gồm các nghiên cứu sau:

- Nghiên cứu về ảnh hưởng tham số công nghệ đến chất lượng gia công của Rainer Wilhelm Lenze, năm 1900

- Nghiên cứu về bản chất của quá trình phóng tia lửa điện trong EDM năm 1997 của Adam Miernikiewicz

- Nghiên cứu về các phương pháp ứng dụng gia công bằng tia lửa điện của Eril Shobert, Hanover University Gemenny

Các nghiên cứu đã nhận định: Trong điều kiện công nghệ gia công (cặp vật liệu điện cực phôi, chất điện môi, dòng chảy, cách dấu điện cực) thì lượng hớt vật liệu phôi (VR w R) tỉ lệ thuận với điện áp UR e R, dòng điện IR e Rvà thời gian phóng tia lửa điện tR e R; Độ mòn của điện cực VR 0 Rthì ngược lại Độ nhám bề mặt RR a R tỷ lệ thuận với IR e R; thời gian xung tR i Rảnh hưởng đến tốc độ bóc tách vật liệu, mòn điện cực và chất lượng bề mặt gia công Thiết bị gia công bằng tia lửa điện được EDM điều khiển thủ công xuất hiện từ những năm 1955 đến những năm cuối thập niên 80 của thế kỷ 20, các máy gia công tia lửa điện được điều khiển bằng NC, CNC Từ đó đến nay phương pháp gia công bằng tia lửa điện được nhiều nhà khoa học qua tâm và nghiên cứu tạo ra các phương pháp gia công lai mới

1.4 Cấu tạo chung của máy gia công tia lửa điện

Một cách khái quát thì máy gia công tia lửa điện cắt dây gồm 3 phần chính như sau:

- Phần cơ khí:

+ Khung máy tổng hợp

+ Thùng chứa chất điện môi

+ Bàn kẹp phôi

+ Hệ thống dẫn dây phía trên, phía dưới và dây điện cực

+ Các bàn trượt để tạo chuyển động cần thiết

- Hệ thống tủ điện và điều khiển điện tử:

+ Máy phát xung

+ Hệ thống điều khiển quá trình phóng điện

+ Hệ thống điều khiển CNC

- Cụm dung dịch điện môi:

Dung dịch điện môi là dầu hoặc nước đã khử ion và là dung dịch cách điện trong điều kiện thường Dung dịch này chỉ cho phép dẫn điện ở những điều kiện nhất định

Hãng Charmilles, sodisk … đã cho ra đời các máy cắt dây trên thị trường mà chúng được khép kín hoàn toàn, tự động hóa với khả năng lập trình CNC Và xu hướng ngày nay là các nhà sản xuất máy muốn làm cho máy cắt dây gọn nhẹ hơn và có khả năng phối hợp trong môi trường CIM (Computer Integrated Manufacturing)

1.5 Kết luận chương 1

Trong điều kiện còn có những hạn chế nhất định về thiết bị phục vụ nghiên cứu

và thí nghiệm thì một trong những nghiên cứu tổng quan về gia công tia lửa điện, tìm hiểu các phương pháp bóc tách vật liệu (kể cả các phương pháp lai mới), để từ đó có các giải pháp cải tiến thiết bị, ứng dụng nhiều hơn trong thực tế sản xuất

Trong chương này tác giả đã đề cập tới những vấn đề sau đây:

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

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

- Phương pháp gia công tia lửa điện xung định hình

- Phương pháp gia công tia lửa điện bằng điện cực dây

- Một số nghiên cứu trên thế giới về gia công tia lửa điện

Để có những nghiên cứu và ứng dụng về phương pháp gia công tia lửa điện tác giả đã định hướng nghiên cứu theo hướng sau:

- Đánh giá ảnh hưởng của các thông số công nghệ chính đến chất lượng bề mặt chi tiết máy khi gia công bằng phương pháp tia lửa điện, cụ thể là phương pháp xung định hình (EDM)

- Ứng dụng thí nghiệm gia công trên máy xung định hình và đo kết quả thí

nghiệm trên máy đo độ nhám bề mặt SJ-400 của hãng Mitutoyo (Japan)

CHƯƠNG 2 NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA MỘT SỐ THÔNG SỐ CÔNG NGHỆ ĐẾN CHẤT LƯỢNG BỀ MẶT CHI TIẾT ĐƯỢC GIA CÔNG BẰNG PHƯƠNG PHÁP XUNG TIA LỬA ĐIỆN (EDM)

2.1 Bản chất vật lý của quá trình phóng tia lửa điện

Hiệp hội kỹ sư Đức định nghĩa sự phóng tia lửa điện là “sự tách vật liệu nhờ tia lửa điện” Vậy vật liệu được tách ra như thế nào?

Một điện áp đặt giữa điện cực và phôi như hình vẽ 2.1

Hình 2 1 Sơ đồ nguyên lý gia công tia lửa điện

1 – Thùng chứa chất điện môi

Khi phóng tia lửa điện, các điện cực không tiếp xúc với nhau, bởi vì nếu chúng chạm vào nhau thì sẽ không có tia lửa điện mà sẽ sảy ra hiện tượng ngắn mạch, có hại đối với quá trình gia công Còn nếu khe hở quá lớn thì lại không thể sảy ra sự phóng tia lửa điện nên làm giảm năng suất ra công Để cụ thể hơn ta sẽ chỉ ra 3 pha phân biệt trong một chu kỳ phóng điện trên hình 2.2

Các bề mặt của hai cực không hoàn toàn phẳng, điện trường sẽ mạnh nhất ở hai điểm gần nhau nhất, chất điện môi bị ion hóa Tất cả các phần tử dẫn điện bao gồm điện tử và ion dương đều hội tụ quanh điểm này trong khoảng không gian giữa hai điện cực và chúng tạo nên một cầu Một kênh phóng điện đột nhiên được hình thành ngang qua cầu và sự phóng điện được bắt đầu

Pha II: Sự hình thành kênh phóng điện

Ở thời điểm phóng điện, điện áp bắt đầu giảm như mô tả trong hình 1.3 Số lượng các phần tử dẫn điện bao gồm điện tử và ion dương sẽ tăng lên một cách đột ngột và dòng điện bắt đầu chạy giữa các điện cực Dòng điện này cung cấp một năng lượng lớn làm cho dung dịch điện môi bốc hơi cục bộ Áp suất trong các bong bóng hơi

sẽ đẩy chất lỏng điện môi sang hai bên, nhưng do có độ nhớt nên chất điện môi tạo ra sự cản trở, nó hạn chế sự lớn lên của kênh phóng điện giữa hai điện cực

Pha III: Sự nóng chảy và bốc hơi vật liệu

Lõi của bọt hơi bao gồm một kênh plasma Plasma này chính là một chất khí có lẫn điện tử và ion dương ở áp suất cao (khoảng 1 kbar) và có nhiệt độ rất lớn (khoảng 10000°C) Khi kênh plasma được hình thành đầy đủ thì điện áp qua khe hở đạt tới mức điện áp phóng tia lửa điện UR e R Giá trị của điện áp UR e R là một hằng số vật lý mà nó phụ thuộc vào sự phối hợp vật liệu anot – catot Với cặp vật liệu đồng – thép thì UR e R = 25 V

Chất điện môi tồn tại trong kênh plasma và cũng là đồng thời giữ cho năng lượng có mật độ tập trung cục bộ Do có sự va chạm của các điện tử lên anot và của các ion lên catot làm nóng chảy và bốc hơi các điện cực

Pha I

Sự đánh lửa

Pha II

Sự hình thành kênh phóng điện

Pha III

Sự nóng chảy và bốc hơi vật liệu

Hình 2.2 Các pha khác nhau trước và sau khi phóng tia lửa điện

Máy phát sẽ ngắt dòng điện sau khi đã diễn ra một xung có hiệu quả, điện áp bị ngắt đột ngột, kênh phóng điện biến mất Điều này khiến cho kim loại nóng chảy bất ngờ bị đẩy ra khỏi kênh phóng điện và bốc hơi

Sự phóng điện có thể kéo dài từ vài micro giây đến vài trăm micro giây tùy thuộc vào công dụng Giữa các xung có một độ trễ thời gian (là thời gian giữa các xung) cho phép chất điện môi thôi ion hóa và để có thời gian vận chuyển phoi ra khỏi khe hở giữa các điện cực nhờ dòng chảy của chất điện môi Ở đây, chất điện môi vật liệu điện cực bị tách ra Mỗi bề mặt điện cực đều để lại một “miệng núi lửa” bị ăn mòn, nhưng sự ăn mòn này không giống nhau Thường thì cực dương bị ăn mòn sẽ được dành cho phôi Tuy nhiên điều này không luôn luôn đúng, nó còn phụ thuộc vào chế độ phóng điện và việc chọn cặp vật liệu và cách đấu cực

2.2 Các thông số ảnh hưởng đến quá trình gia công bằng tia lửa điện

2.2.1 Các yếu tố có thể điều khiển được

Khác với những phương pháp gia công cắt gọt truyền thống, bên cạnh các tham

số công nghệ như vật liệu cặp điện cực, sự đấu cực, điều kiện dòng chảy của chất điện môi … thì tham số điều khiển về xung thời gian, điện áp, dòng xung IR e Rđóng vai trò rất quan trọng trong gia công tia lửa điện, đặc biệt ảnh hưởng trực tiếp đến chất lượng bề mặt gia công Hàng loạt tài liệu nghiên cứu đưa ra các kết luận đã trở thành kiến thức

cơ bản về gia công tia lửa điện, như điện áp xung UR e R 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 IR e R 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 IR e Rcàng lớn thì lượng hớt vật liệu

VR w Rcàng lớn, độ nhám gia công càng tăng và độ mòn điện cực càng giảm Giá trị trung bình IR e R có thể đọc trên bảng điều khiển trong suốt quá trình gia công Ở một số máy xung định hình, IR e R thường được thể hiện theo bước dòng điện Phụ thuộc vào bộ điều khiển máy, IR e R được điều chỉnh theo 18 hoặc 21 bước, xác định tương đương với 0,5 ÷

80 A, trong đó bước nhỏ được chọn để gia công tinh, bước lớn để gia công thô Thời gian xung là khoảng cách ngắt xung tR i R và tR 0 R 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 tR i R lớn thì có lợi cho năng suất do lượng hớt vật liệu cao, tuy nhiên bề mặt gia công lại thô, có thể chất điện môi sẽ không đủ thời gian để thôi oxi hóa, 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, trong các báo cáo khoa học các tác giả đã chỉ ra rằng tỷ lệ tR i R/tR 0 R

≈ 10 phù hợp cho gia công thô, ≈ 5 ÷ 10 cho gia công tinh và < 1 cho bề mặt gia công siêu tinh Tài liệu sử dụng máy “Huco 900” cũng đưa ra gợi ý lựa chọn hệ số công suất (tỷ số giữa thời gian xung với thời gian chu kỳ xung tR i R/tR p R) bằng 0,5 và chỉ ra rằng nếu chọn cao sẽ gây nên khả năng ngắn mạch khi xung điện Đồng thời đã lập thành bảng kết quả thí nghiệm về lượng bóc tách kim loại, độ mài mòn điện cực (%) cho hệ số công suất

Dưới đây ta nghiên cứu sâu hơn về sự ảnh hưởng của từng thông số công nghệ đến chất lượng bề mặt và năng suất gia công

* Điện áp đánh lửa UR i R: Là điện áp cần thiết để dẫn tới sự phóng tia lửa điện UR i R

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

* Thời gian trễ đánh lửa tR d R: Là thời gian giữa lúc đóng điện máy phát và lúc sảy

ra phóng tia lửa điện Ngay khi phóng điện máy phát, chưa sảy ra hiện tượng phóng điện Điện áp được duy trì ở giá trị của điện áp đánh lửa UR i R, dòng điện bằng 0 Sau một thời gian trễ tR d Rmới sảy ra sự phóng tia lửa điện, dòng điện từ giá trị 0 vọt lên IR e R

* Điện áp phóng tia lửa điện UR e R: Khi bắt đầu sảy ra phóng tia lửa điện thì điện

áp tụt xuống từ UR i Rđến UR e R Đây là điện áp trung bình trong suốt thời gian phóng tia lửa điện UR e R là một hằng số vật lý phụ thuộc vào cặp vật liệu điện cực phôi UR e R không điều chỉnh được

* Dòng phóng tia lửa điện IR e R: Là giá trị trung bình của dòng điện từ khi bắt đầu phóng tia lửa điện đến khi ngắt điện Khi bắt đầu phóng tia lửa điện dòng điện tăng lên

từ 0 đến giá trị IR e R, kèm theo sự đốt cháy và bốc hơi vật liệu IR e Rảnh hưởng lớn nhất đến lượng hớt vật liệu, độ mòn điện cực và chất lượng bề mặt gia công IR e R càng lớn thì lượng hớt vật liệu càng lớn, độ nhám bề mặt càng lớn nhưng độ mòn điện cực giảm

* Độ mòn tương đối của điện cực: Độ mòn tương đối của điện cực được định nghĩa là 0 100 %

w V

V

=

θ

Trong đó: VR 0 R: Thể tích vật liệu bị hớt đi ở điện cực

VR w R: Thể tích vật liệu phôi bị hớt đi

* Dòng điện và diện tích bề mặt bị ăn mòn: Mật độ dòng điện lớn sẽ sinh ra nhiệt lượng lớn và gây mòn điện cực nhanh hơn Do đó, gia công bề mặt nhỏ ta chọn dòng điện nhỏ và ngược lại

Như vậy, khi gia công chỉ có một điện cực hay có nhiều điện cực để thay thế thì phải chú ý lựa chọn dòng điện xung phù hợp nhằm đạt được lượng hớt vật liệu lớn nhất trong khi vẫn duy trì độ nhẵn bóng và độ mòn điện cực trong giới hạn yêu cầu

* Độ kéo dài xung tR i R: Là khoảng thời gian giữa hai lần đóng ngắt của máy phát trong cùng một chu kỳ phóng tia lửa điện Nó bằng thời gian trễ tR d R và thời gian phóng tia lửa điện tR e R:

Độ kéo dài xung tR i Rảnh hưởng đến nhiều yếu tố quan trọng có liên quan trực tiếp đến chất lượng và năng suất gia công, bao gồm:

+ tR i R ảnh hưởng lớn đến lượng hớt vật liệu: Thực nghiệm cho thấy khi giữ

nguyên dòng điện IR e R và khoảng cách xung tR 0 R, nếu tăng thì ban đầu VR w R tăng nhưng chỉ tăng đến giá trị cực đại ở tR i Rnhất định nào đó sau đó VR w Rgiảm đi, nếu vẫn tiếp tục tăng tR i Rthì năng lượng phóng điện không còn được sử dụng thêm nữa để hớt vật liệu phôi mà

nó lại làm tăng nhiệt độ của các điện cực và dung dịch điện môi Hình 2.3 thể hiện mối quan hệ giữa VR w R và tR i R

Hình 2.3 Mối quan hệ giữa VRwR và tRi Hình 2.4 Mối quan hệ giữa θ và tRi

+ tR i Rvà độ mòn điện cực: Độ mòn θ của điện cực sẽ giảm đi khi tăng tR i Rthậm chí

cả sau khi đạt lượng hớt vật liệu cực đại hình 2.4 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 μs đầu tiên mà thôi Do vậy mà θ ngày càng giảm

+ tR i Rvà độ nhám bề mặt: Khi tăng tR i Rthì độ nhám RR max Rcũng tăng do tác dụng của dòng điện được duy trì lâu hơn làm cho lượng hớt vật liệu tăng lên ở một vị trí và làm cho RR max Rtăng lên Hình 2.5 thể hiện mối quan hệ giữa RR max R và tR i R

Hình 2.5 Mối quan hệ giữa RRmaxR và tRi

* Khoảng cách xung tR 0 R: Là thời gian giữa hai lần ngắt, đóng của máy phát xung thuộc hai chu kỳ phóng tia lửa điện kế tiếp nhau, tR 0 Rcòn được gọi là độ kéo dài nghỉ của xung

Cùng với tỷ lệ tR i R/tR 0 R, tR 0 Rcó ảnh hưởng rất lớn đến lượng hớt vật liệu Khoảng cách

tR 0 R càng lớn thì lượng hớt vật liệu VR w R càng nhỏ và ngược lại Hình 2.6 thể hiện ảnh hưởng của tR 0 Rtới năng suất

Hình 2.6 ảnh hưởng của tR0Rtới năng suất

Phải chọn tR 0 R nhỏ như có thể được, nhằm đạt một lượng hớt vật liệu tối đa Nhưng ngược lại, khoảng cách xung tR 0 Rphải đủ lớn để có đủ thời gian thôi ion hóa 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 nhiệt, dòng chảy sẽ đẩy các vật liệu đã bị ăn mòn ra khỏi khe hở phóng điện

Do đó, tùy thuộc vào kiểu máy, mục đích gia công cụ thể mà người ta lựa chọn

tR 0 R, tR i Rphù hợp thông qua việc lựa chọn tỷ lệ giữa thời gian xung và thời gian nghỉ tR i R/tR 0 R,

cụ thể là:

+ Khi gia công rất thô chọn: tR i R/tR 0 R > 10

+ Khi gia công thô chọn: ti/t0 = 10

+ Khi gia công tinh chọn: tR i R/tR 0 R = 5 ÷ 10

+ Khia gia công rất tinh chọn: tR i R/tR 0 R < 5

* Khe hở phóng điện δ : Khe hở phóng tia lửa điện δ liên quan đến điện áp của

tụ được tích điện UR e R, tính theo công thức sau:

e

i e U

I RC

f

e

=

= 1 → UR e R↓ thì f ↑ (2.2)

Do tần số f tăng cho nên thời gian phóng tia lửa điện tR e Rnhỏ Như vậy, δ nhỏ dẫn đến

UR e Rgiảm và tR e Rgiảm, cho dù IR e Rcó lớn thì năng lượng tích lũy trong xung điện WR e R(năng lượng tách vật liệu) vẫn nhỏ

Ta có được quan hệ sau: WR e R = UR e R IR e R.tR e R (2.3)

điều đó dẫn đến năng suất cũng bị thấp

Nếu δ lớn thì max

e

U lớn dẫn đến f nhỏ Nhưng theo đồ thị dưới đây dòng điện IR e Rcũng nhỏ làm cho năng suất vẫn 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

Hình 2.7 Ảnh hưởng của δ

Công suất ra công:

∫

0 1

.

1T

e

c U It dt T

z e I It

1

C: điện dung của mạch RC

TR 1 R: thời gian tích điện

Thay (2.5) và (2.6) vào (2.4), ta được:

T z

i

T

I U N

0 1

.1

e

i

e U

1ln2

2

p

a gọi là hệ số công suất

Đồ thị hình 2.8 cho ta thấy mối quan hệ giữa η và a ptrong gia công tia lửa điện, qua nhận thấy a p đạt max khi η = 0.6 ÷ 0.8 Vì vậy phải điều chỉnh khoảng cách điện cực phù hợp với trị số η trên và bộ phận điều khiển phải được giữ ổn định trong khoảng cách đó

Hình 2.8 Quan hệ giữa η và a p

* Điện dung C

Biểu đồ hình 2.9 mô tả ảnh hưởng của điện dung C, trong đó chỉ ra rằng khi điện áp tối ưu UR 0pt R = 0.7UR i R, sẽ đạt được một lượng hớt vật liệu lớn nhất đồng thời lượng mòn điện cực là nhỏ nhất

Hình 2.9 Ảnh hưởng của điện dung C

Khi giữ UR 0pt R = const và thay đổi điện dung C ta xác định được điện dung giới hạn CR gh R Nếu C < CR gh Rsẽ gây ra hiện tượng hồ quang làm giảm năng suất gia công

* Ảnh hưởng của điện tích vùng gia công F

Theo đồ thị hình 2.10 sau đoạn tăng lên gần như tuyến tính của VR 0 R, khi diện tích đạt giá trị tới hạn FR gh R thì đến đoạn VR 0 R giảm dần Lý do là khi đã quá FR gh R thì cũng có nghĩa là vượt quá dòng tới hạn Khi đó việc lấy phôi ra khỏi vùng khe hở điện cực trở nên khó khăn hơn Điều này đã ảnh hưởng đến năng suất gia công tia lửa điện

Hình 2.10 Ảnh hưởng của điện tích

vùng gia công F

2.2.2 Các yếu tố không thể điều khiển được

Các tham số không thể kiểm soát được có thể coi là các nhiễu sảy ra trong quá trình gia công tia lửa điện Nhiễu có thể được chia làm hai loại:

* Nhiễu hệ thống: Sai lệch thuộc thiết bị ví dụ như độ ổn định của máy, độ rung,

độ ổn định nhiệt, độ chính xác của thước đo, khả năng và độ chính xác chuyển động, lắp đặt bố trí máy và các thành phần thuộc đồ gá kẹp chặt, … sai lệch thuộc hệ thống điều khiển

* Nhiễu ngẫu nhiên: Các tham số thuộc môi trường ví dụ như: Nhiệt độ phòng, nhiệt độ dung dịch điện môi, độ ẩm, độ sạch không khí môi trường làm việc … gây ra những sự cố ngẫu nhiên ảnh hưởng đến quá trình gia công tia lửa điện Khả năng thích ứng của chương trình điều khiển NC cũng có thể coi như yếu tố nhiễu ngẫu nhiên Cụ thể là việc chọn chuẩn hệ tọa độ để gia công cho chương trình NC … đều là những yếu

tố có khả năng ảnh hưởng đến độ chính xác gia công tia lửa điện (độ chính xác lập trình không những phụ thuộc vào người sử dụng mà còn phụ thuộc vào nhà sản xuất máy vì khả năng lập trình phụ thuộc rất nhiều vào bộ điều khiển được cung cấp)

Trên thực tế các tham số thuộc nhiễu cũng ảnh hưởng nhất định đến quá trình gia công tia lửa điện Tuy nhiên chưa có một báo cáo khoa học nào đề cập một cách chi tiết đến ảnh hưởng của các tham số này Có thể vì hai lý do:

+ Các ảnh hưởng này là không đáng kể

+ Các quá trình gia công trong công nghiệp tại cơ sở sản xuất luôn thực hiện trên cùng một thiết bị (với bộ điều khiển cụ thể), người ta sử dụng hai phương pháp để giám sát các tham số ngẫu nhiên:

Thống kê hiện tượng để rút ra được quy luật biến thiên của các loại nhiễu, kiểm soát và khống chế nhiễu không làm ảnh hưởng đến quá trình gia công Mỗi khi sản

xuất loạt lớn có thể thực hiện thí nghiệm mẫu theo các tiêu chí đề ra để điều khiển quá trình theo thời gian thực

Tuy nhiên, tùy loại sản phẩm mà các vấn đề đặt ra trên là cần thiết hoặc không cần thiết Nhiều trường hợp nghiên cứu riêng về ảnh hưởng của nhiễu là không cần thiết vì các ảnh hưởng này không đáng kể Ngày nay, với các bộ điều khiển CNC kết hợp với điều khiển fuzzi logic có thể giải quyết triệt tiêu những sai lệch do các loại nhiễu này gây nên

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

* Độ nhám bề mặt: Độ nhám đầu tiên phụ thuộc vào năng lượng của một lần phóng điện, một phần điện tích của tụ tạo ra vết lõm, do vậy thể tích của vết lõm tỷ lệ thuận với thể tích của tụ: Q U2C

2

1

Trong đó: Q: là điện tích của tụ

U: là điện áp giữa hai điện cực

C: là điện dung của tụ

Như vậy thể tích của vết lõm: V =K.U2.C (2.12) Trong đó K là hệ số phụ thuộc vào vật liệu và điều kiện gia công Giả sử V tỷ lệ với lập phương của chiều sâu (RR z R) thì:

3 1 3

1 3 2 2 3

tR i R, dòng điện xung được duy trì lâu hơn, nên chiều cao nhấp nhô RR z R tăng, ngay cả sau thời điểm được lượng hớt vật liệu cực đại

Hình 2.11 Ảnh hưởng của tRiRđến RRz Hình 2.12 Ảnh hưởng của URiR và C

* Độ cứng lớp bề mặt gia công: Nhiệt độ cao sinh ra do sự phóng điện gây ra sự nóng chảy và bốc hơi vật liệu, rõ ràng là nhiệt độ này có tác dụng lên tính chất cơ lý của lớp mỏng (2,5 ÷ 150 μm) trên bề mặt gia công Lớp vật liệu bên ngoài cũng bị nguội nhanh sau mỗi chu kỳ phóng tia lửa điện, đó là nguyên nhân làm lớp này rất cứng, lớp sát trong lớp này ở trong điều kiện như được ram

Hình 2.13 Tác dụng của EDM lên độ cứng bề mặt

Sơ đồ hình 2.13 chỉ ra mối liên hệ của độ cứng với chiều sâu lớp ảnh hưởng nhiệt trên bề mặt phôi thép sau khi gia công Qua đó ta nhận thấy, khi gia công tinh độ cứng không thay đổi nhiều, tuy nhiên với gia công thô lớp ngoài cùng được ram và độ cứng giảm dần theo chiều sâu Độ cứng lớp bề mặt sau khi gia công sẽ làm cho độ bền mòn tăng lên Tuy nhiên, độ bền mỏi giảm do các vết nứt tế vi tăng trên bề mặt trong quá trình làm nguội nhanh Bảng 2.1 chỉ ra sự so sánh của độ bền mỏi giữa phương pháp phay và phương pháp gia công tia lửa điện

Bảng 2.1

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

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

Giả thiết:

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

và có đường kính 2a được giữ không đổi

- Xem bề mặt điện cực là nửa mặt phẳng vô hạn

- Trừ phần nguồn nhiệt, còn lại bề mặt điện cực được giữ cách điện

- Tốc độ nguồn nhiệt đầu vào được giữ không đổi trong thời gian tia lửa điện

- Tính chất của vật liệu không đổi theo nhiệt độ

- Sự bốc hơi của vật liệu được bỏ qua

Hình 2.14 mô tả giá trị lý thuyết của z phụ thuộc vào tR d R, với vật liệu làm bằng điện cực là Cu, Al, Zn khi đường kính tia lửa không đổi

Hình 2.15 mô tả bản chất sự biến thiên của thể tích vết lõm theo tR d R với các mức năng lượng khác nhau Qua hai đồ thị trên ta nhận thấy hình dạng hai đồ thị gần giống nhau Một điều quan trọng là lượng vật liệu bị bào mòn rất bé với thời gian phóng điện

bé và tăng dần theo td Khi đạt đến giá trị cực đại, cả Z và V0 đều tụt xuống giá trị bằng