Nghiên cứu thiết lập duy trì và dẫn xuất chuẩn quốc gia về chuẩn điện áp một chiều tại trung tâm đo lường việt nam

Nghiên cứu thiết lập duy trì và dẫn xuất chuẩn quốc gia về chuẩn điện áp một chiều tại trung tâm đo lường việt nam Nghiên cứu thiết lập duy trì và dẫn xuất chuẩn quốc gia về chuẩn điện áp một chiều tại trung tâm đo lường việt nam Nghiên cứu thiết lập duy trì và dẫn xuất chuẩn quốc gia về chuẩn điện áp một chiều tại trung tâm đo lường việt nam Nghiên cứu thiết lập duy trì và dẫn xuất chuẩn quốc gia về chuẩn điện áp một chiều tại trung tâm đo lường việt nam luận văn,luận văn thạc sĩ,luận văn đại học,luận văn tốt nghiệp,luận văn cơ khí

-

LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT

NGÀNH: MÁY VÀ DỤNG CỤ CÔNG NGHIỆP

NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA XUNG CÔNG SUẤT VÀ CƯỜNG ĐỘ DÒNG ĐIỆN ĐẾN ĐỘ NHÁM BỀ MẶT VÀ ĐỘ MÒN TƯƠNG ĐỐI KHI GIA CÔNG TRÊN MÁY XUNG ĐIỆN

EDM BK01A-V2.0

NGUYỄN ĐỨC TOÀN

HÀ NỘI 2006

-

LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT

NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA XUNG CÔNG SUẤT VÀ CƯỜNG ĐỘ DÒNG ĐIỆN ĐẾN ĐỘ NHÁM BỀ MẶT VÀ ĐỘ MÒN TƯƠNG ĐỐI KHI GIA CÔNG TRÊN MÁY XUNG ĐIỆN

NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA XUNG CÔNG SUẤT VÀ CƯỜNG ĐỘ DÒNG ĐIỆN ĐẾN ĐỘ NHÁM BỀ MẶT VÀ ĐỘ MÒN TƯƠNG ĐỐI KHI GIA CÔNG TRÊN MÁY XUNG ĐIỆN

1.2 Bản chất vật lý của quỏ trỡnh ăn mũn xung tia lửa điện 7

1.2.1 Giai đoạn 1: hỡnh thành kờnh dẫn điện 7

1.2.2 Giai đoạn 2: phúng tia lửa điện làm bốc hơi vật liệu 8

1.2.3 Giai đoạn 3: hoỏ rắn hơi vật liệu và phục hồi 98

1.3 Thiết bị gia cụng, chỉ tiờu đỏnh giỏ và phạm vi ứng dụng 12

1.3.1 Thiết bị gia cụng 12

1.3.2 Ưu, nhược điểm 13

1.3.3 Chỉ tiờu đỏnh giỏ quỏ trỡnh gia cụng EDM 14

1.4 Cỏc thụng số cụng nghệ cơ bản 15

1.4.1 Điện ỏp khởi tạo Ui (V) 16

1.4.2 Điện ỏp phúng tia lửa điện Ue (V) 17

1.4.3 Thời gian kộo dài xung ti (us) 17

1.4.4 Khoảng cỏch xung to (us) 18

1.4.5 Dũng phúng tia lửa điện Ie (A) 19

1.4.6 Thời gian trễ đỏnh lửa td (às) 19

1.4.7 Khe hở phúng điện δ (àm) 20

1.4.8 Phõn nhúm cỏc thụng số 20

1.5 Các hướng nghiên cứu trong và ngoài nước 21

1.5.1 Hướng nghiờn cứu về bộ điều khiển 22

1.5.2 Hướng nghiờn cứu về dung dịch điện mụi 23

1.5.3 Hướng nghiờn cứu về vật liệu làm điện cực 24

1.5.4 Hướng nghiờn cứu về tối ưu húa cỏc thụng số cụng nghệ 25 1.5.5 Nghiờn cứu những ứng dụng mới của EDM 28

1.6 Kết luận 28

CHƯƠNG 2 Mễ HèNH ĐIỀU KHIỂN CNC CHO MÁY XUNG TIA LỬA ĐIỆN (MODEL BK01A-V2) 30

2.1 Nguyên tắc thiết kế bộ điều khiển 30

2.2 Các chức năng của bộ điều khiển máy xung EDM 30

2.2.1 Sơ đồ khối chức năng của hệ thống điều khiển 30

2.2.2 Phõn chia cỏc khối chức năng 31

2.2.3 Khối phỏt xung cụng suất 33

2.2.4 Khối điều khiển động cơ 37

2.2.5 Khối giao tiếp và hiển thị 39

2.2.6 Phần mềm trung tõm và tối ưu hoỏ phần mềm 39

2.3 Kết luận 40

3.1.1 Mô hình điều khiển máy 41

3.1.2 Sơ đồ nguyên lý bộ điều khiển dùng vi điều khiển 89C52 42 3.1.3 Sơ đồ khối gồm các module 43

3.1.4 Hệ thống các mạch điện 44

3.1.5 Động cơ bước (Step Motor - SM ) 46

3.2 Qu¸ tr×nh ®iÒu khiÓn vµ tèi ­u ho¸ trong EDM 56

3.2.1 Giới thiệu chung 56

3.2.2 Các tham số trong EDM 56

3.2.3 Tối ưu hoá trong gia công EDM 59

3.3 Đánh giá quá trình gia công thực trong EDM 65

3.3.1 Các vấn đề về tín hiệu phản hồi 65

3.3.2 Các dạng xung 66

3.3.3 Khe hở điện cực 68

3.3.4 Bảo vệ khe hở điện cực 68

3.3.5 Độ nhám bề mặt 71

3.4 Kết luận 71

CHƯƠNG 4 THỰC NGHIỆM ĐO VÀ XỬ LÝ SỐ LIỆU 73

4.1 Đặt vấn đề 73

4.2 Giải quyết vấn đề 75

4.3 Xây dựng các bộ thông số thực nghiệm 75

4.3.1 Thực nghiệm ảnh hưởng ti, Ie tới độ nhám bề mặt Ra 75

4.3.2 Thực nghiệm ảnh hưởng của xung ngược đến lượng mòn tương đối 79

4.4 Các kết luận, giới hạn và hướng phát triển của luận văn 83

4.4.1 Các kết luân 83

4.4.2 Giới hạn nghiên cứu 84

4.4.3 Hướng phát triển của luận văn 84

TÀI LIỆU THAM KHẢO

PHỤ LỤC

TÓM TẮT LUẬN VĂN

phÇn më ®Çu

-  - Cùng với sự phát triển lớn mạnh của các ngành khoa học và kỹ thuật

có tác động đến hầu hết mọi lĩnh vực trong các ngành công nghiệp, ngành công nghệ chế tạo do đó cũng đòi hỏi phải phát triển mạnh mẽ để đưa được

ra những sản phẩm chất lượng và có độ tin cậy cao

Ngoài các phương pháp gia công truyền thống thì các phương pháp gia công phi truyền thống đóng một vai trò quan trọng trong việc tạo ra các sản phẩm có hình dang phức tạp, vật liệu cơ tính cao mà các phương pháp gia công truyền thống khó hoặc không thể thực hiện được Một trong các phương pháp gia công phi truyền thống đó là gia công bằng tia lửa điện hay thường được gọi là gia công EDM (Electrical Discharge Machining)

Ngày nay các thiết bị gia công theo nguyên lý tia lửa điện được phát triển theo nhiều hướng khác nhau: gia công bằng điện cực định hình, cắt dây, khoan và hiện nay có cả phay tia lửa điện Hệ thống điều khiển cũng dần được thay đổi cả về chất: đầu tiên là hệ thống dùng tụ điện đến nay là hệ thống phát xung điều khiển bằng CNC (Computer Numerical Control)

Hầu hết các doanh nghiệp Cơ khí ở Việt Nam đều được trang bị các máy gia công tia lửa điện Phần đóng góp của chúng trong một sản phẩm cơ khí có thể lên đến 20%-50%

Nội dung của luận văn này là nghiên cứu về vấn đề gia công tia lửa điện và đã có những kết quả tốt và ứng dụng trong thực tế với nội dung chính

là "Nghiên cứu ảnh hưởng của xung công suất và cường độ dòng điện đến

độ nhám bề mặt và độ mòn tương đối khi gia công trên máy xung điện EDM BK01A-V2.0"

Luận văn gồm 4 chương Nội dung chính có thể tóm tắt như sau:

Chương 1: Nghiên cứu tổng quan về phương pháp gia công tia lửa điện Nội dung chính là tóm tắt nguyên lý gia công EDM, tìm hiểu các nghiên cứu, kết quả đã có và xu hướng phát triển ở trong nước và trên thế giới Từ đó đưa ra phương hướng nghiên cứu của đề tài

Chương 2: Trình bày các vấn đề có liên quan đến việc thiết kế bộ điều khiển dùng cho máy xung tia lửa điện Giới thiệu các môđun chính Kết quả của chương này là bộ điều khiển CNC dùng cho máy gia công định hình tia lửa điện phục vụ cho các nghiên cứu ở sau

Chương 3: Nghiên cứu các ảnh hưởng và các phương pháp tối ưu hoá khi gia công trên máy xung Trong chương này trình bày các vấn đề và giải pháp trong quá trình tối ưu hoá, các nghiên cứu về ảnh hưởng của các tham

số đến năng suất và chất lượng bề mặt để từ đó lựa chọn phương pháp nghiên cứu hợp lý

Chương 4: Thiết lập các dữ liệu thực nghiệm và xử lý số liệu đo; đưa

ra được ảnh hưởng của xung công suất và cường độ dòng điện đến độ nhám

bề mặt và độ mòn tương đối phù hợp với bộ điều khiển Từ đó rút ra các kết luận từ luận văn, đánh giá những hạn chế và những định hướng phát triển tiếp theo về nghiên cứu EDM

Các phụ lục quan trọng có liên quan đến kết quả của luận văn gồm các bảng kết quả thí nghiệm, hướng dẫn vận hành, hướng dẫn sử dụng, được trình bày ở cuối của bản thuyết minh

Do trình độ còn hạn chế, thông tin thu thập còn chưa đầy đủ nên luận văn không thể tránh khỏi những sai sót Tác giả mong muốn được các thầy cô

và bạn đồng nghiệp góp ý để luận văn đạt được kết quả tốt hơn và để có thể đưa ra ứng dụng trong điều kiện thực tế

Tác giả xin gửi đến TS Hoàng Vĩnh Sinh, các thầy cô và bạn bè đồng nghiệp trong bộ môn Gia công V ật liệu và Dụng cụ Công nghiệp - Khoa

C ơ khí trường ĐHBK Hà nội, toàn thể các cán bộ trong Trung tâm Đào tạo và Bồi dưỡng Sau đại học trường ĐHBK Hà nội đã tham gia đóng góp

ý kiến để bản luận văn của tôi hoàn thiện hơn

Hà nội tháng 11 năm 2006

Tác giả

MỞ ĐẦU 1

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN 6

1.1 Nguyên lý gia công bằng tia lửa điện 6

1.2 Bản chất vật lý của quỏ trỡnh ăn mũn xung tia lửa điện 7

1.2.1 Giai đoạn 1: hỡnh thành kờnh dẫn điện 7

1.2.2 Giai đoạn 2: phúng tia lửa điện làm bốc hơi vật liệu 8

1.2.3 Giai đoạn 3: hoỏ rắn hơi vật liệu và phục hồi 98

1.3 Thiết bị gia cụng, chỉ tiờu đỏnh giỏ và phạm vi ứng dụng 12

1.3.1 Thiết bị gia cụng 12

1.3.2 Ưu, nhược điểm 13

1.3.3 Chỉ tiờu đỏnh giỏ quỏ trỡnh gia cụng EDM 14

1.4 Cỏc thụng số cụng nghệ cơ bản 15

1.4.1 Điện ỏp khởi tạo Ui (V) 16

1.4.2 Điện ỏp phúng tia lửa điện Ue (V) 17

1.4.3 Thời gian kộo dài xung ti (us) 17

1.4.4 Khoảng cỏch xung to (us) 18

1.4.5 Dũng phúng tia lửa điện Ie (A) 19

1.4.6 Thời gian trễ đỏnh lửa td (às) 19

1.4.7 Khe hở phúng điện δ (àm) 20

1.4.8 Phõn nhúm cỏc thụng số 20

1.5 Các hướng nghiên cứu trong và ngoài nước 21

1.5.1 Hướng nghiờn cứu về bộ điều khiển 22

1.5.2 Hướng nghiờn cứu về dung dịch điện mụi 23

1.5.3 Hướng nghiờn cứu về vật liệu làm điện cực 24

1.5.4 Hướng nghiờn cứu về tối ưu húa cỏc thụng số cụng nghệ 25

1.5.5 Nghiờn cứu những ứng dụng mới của EDM 28

1.6 Kết luận 28

CHƯƠNG 2 Mễ HèNH ĐIỀU KHIỂN CNC CHO MÁY XUNG TIA LỬA ĐIỆN (MODEL BK01A-V2) 30

2.1 Nguyên tắc thiết kế bộ điều khiển 30

2.2 Các chức năng của bộ điều khiển máy xung EDM 30

2.2.1 Sơ đồ khối chức năng của hệ thống điều khiển 30

2.2.2 Phõn chia cỏc khối chức năng 31

2.2.3 Khối phỏt xung cụng suất 33

2.2.4 Khối điều khiển động cơ 37

2.2.5 Khối giao tiếp và hiển thị 39

2.2.6 Phần mềm trung tõm và tối ưu hoỏ phần mềm 39

2.3 Kết luận 40

CHƯƠNG 3 NGHIÊN CỨU CÁC ẢNH HƯỞNG VÀ TỐI ƯU HOÁ KHI

GIA CÔNG TRÊN MÁY XUNG (MODEL BK01A-V2) 41

3.1 Khảo sát bộ điều khiển máy 41

3.1.1 Mô hình điều khiển máy 41

3.1.2 Sơ đồ nguyên lý bộ điều khiển dùng vi điều khiển 89C52 42 3.1.3 Sơ đồ khối gồm các module 43

3.1.4 Hệ thống các mạch điện 44

3.1.5 Động cơ bước (Step Motor - SM ) 46

3.2 Qu¸ tr×nh ®iÒu khiÓn vµ tèi ­u ho¸ trong EDM 56

3.2.1 Giới thiệu chung 56

3.2.2 Các tham số trong EDM 56

3.2.3 Tối ưu hoá trong gia công EDM 59

3.3 Đánh giá quá trình gia công thực trong EDM 65

3.3.1 Các vấn đề về tín hiệu phản hồi 65

3.3.2 Các dạng xung 66

3.3.3 Khe hở điện cực 68

3.3.4 Bảo vệ khe hở điện cực 68

3.3.5 Độ nhám bề mặt 71

3.4 Kết luận 71

CHƯƠNG 4 THỰC NGHIỆM ĐO VÀ XỬ LÝ SỐ LIỆU 73

4.1 Đặt vấn đề 73

4.2 Giải quyết vấn đề 75

4.3 Xây dựng các bộ thông số thực nghiệm 75

4.3.1 Thực nghiệm ảnh hưởng ti, Ie tới độ nhám bề mặt Ra 75

4.3.2 Thực nghiệm ảnh hưởng của xung ngược đến lượng mòn tương đối 79

4.4 Các kết luận, giới hạn và hướng phát triển của luận văn 83

4.4.1 Các kết luân 83

4.4.2 Giới hạn nghiên cứu 84

4.4.3 Hướng phát triển của luận văn 84

TÀI LIỆU THAM KHẢO PHỤ LỤC

TÓM TẮT LUẬN VĂN

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ PHƯƠNG PHÁP GIA

CÔNG TIA LỬA ĐIỆN

1.1 Nguyên lý gia công tia lửa điện

H×nh 1.1 Nguyªn lý gia c«ng tia löa ®iÖn

- Đặt một điện áp một chiều giữa 2 điện cực (một được gọi là dụng cụ và một gọi là phôi - chi tiết) Chúng được nhúng ngập trong 1 dung dịch cách điện đặc biệt (gọi là dung dịch điện ly) Điện áp này thường nằm trong khoảng 80V đến 200V

- Khi đưa 2 điện cực tiến lại gần nhau, đến một khoảng cách δ đủ nhỏ thì xảy ra sự phóng tia lửa điện Điều này có thể giải thích là do điện trường giữa khe hở đủ lớn (đạt khoảng 104 V/m) dẫn đến việc iôn hoá dung dịch điện ly và nó trở thành dẫn điện Tia lửa điện phóng qua khe hở này và hình thành kênh dẫn điện, nhiệt độ lên đến khoảng 10000oC làm bốc hơi vật liệu các điện cực Áp suất vùng này sẽ cao hơn các vùng khác

- Nguồn điện được ngắt đột ngột làm cho tia lửa điện biến mất Do sự chênh lệch áp suất và do dung dịch lạnh từ ngoài tràn vào kênh dẫn điện gây ra tiếng nổ nhỏ và làm hoá rắn hơi vật liệu thành các hạt ô-xít kim

loại Sau đo, dung dịch điện ly được khụi phục trạng thỏi cũ của nú: khụng dẫn điện

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

Cú thể thấy những điểm mấu chốt của phương phỏp gia cụng tia lửa điện gồm:

• Nguồn cung cấp điện ỏp dạng xung: thời gian ngắt nguồn điện là khoảng thời gian cần thiết để dung dịch điện ly cú thể khụi phục lại trạng thỏi khụng dẫn điện của nú và sẵn sàng cho xung gia cụng tiệp theo Nếu thời gian này khụng cú hay nhỏ quỏ sẽ làm dung dịch điện ly luụn ở trạng thỏi dẫn điện Điều này làm cho tia lửa điện phỏt triển thành hồ quang gõy hỏng bề mặt chi tiết và dụng cụ

• Cỏc điện cực làm bằng 2 loại vật liệu khỏc nhau và được nhỳng ngập trong dung dịch điện ly: dung dịch này cú chức năng chớnh là mụi trường hỡnh thành kờnh dẫn điện

• Giữa cỏc điện cực luụn cú 1 khe hở nhỏ được gọi là khe hở phúng điện Khe hở này cần được đảm bảo trong suốt quỏ trỡnh gia cụng để duy trỡ

sự ổn định của tia lửa điện

1.2 Bản chất vật lý của quỏ trỡnh ăn mũn tia lửa điện

Các nghiên cứu được nêu ở [12] đã cho thấy Quỏ trỡnh ăn mũn của một xung gia cụng được trải qua 3 giai đoạn: giai đoạn hỡnh thành kờnh dẫn điện, giai đoạn phúng tia lửa điện làm bốc hơi vật liệu và giai đoạn phục hồi

1.2.1 Giai đoạn 1: hỡnh thành kờnh dẫn điện

Cỏc đặc điểm chớnh của giai đoạn này là:

• Giai đoạn này được xỏc định trong khoảng thời gian khi bắt đầu cú điện

ỏp (cấp bởi nguồn) và kết thỳc khi điện ỏp bắt đầu giảm

• Mô tả hiện tượng: khi điện trường giữa 2 điện cực tăng lên do việc đưa chúng đến gần nhau làm cho vận tốc của các ion và điện tử tự do (có trong lớp dung dịch điện ly ở giữa các điện cực) tăng lên và bị hút về phía cực trái dấu Trong quá trình di chuyển, chúng va đập với các phân

tử trung hoà và làm tách ra các ion và điện tử mới Cứ như vậy, khi khoảng cách càng nhỏ làm từ trường và động năng của các ion và điện

tử càng lớn dẫn đến hình thành một dòng chuyển dịch có hướng của ion

và điện tử tạo nên dòng điện

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

Hình 1.2 Sự hình thành kênh dẫn điện

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

Hình 1.3 Sự phóng điện qua kênh dẫn điện

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

• Mô tả hiện tượng: dòng điện xuất hiện trong kênh dẫn điện kèm theo sự xuất hiện tia lửa điện Tại kênh dẫn điện, năng lượng tập trung rất lớn (đạt cỡ 105 đến 107 W/mm2) làm cho nhiệt độ tại đó đạt tới 10000o C Vật liệu của các điện cực tại nơi xuất hiện tia lửa điện bị bốc hơi bởi nhiệt độ cao Bên cạnh đó còn có 1 lượng nhỏ vật liệu bị tách khỏi bề mặt các điện cực do sự va đập của các ion và điện tử lên bề mặt của chúng

• Giai đoạn này chính là giai đoạn có ích trong cả 1 xung gia công: ăn mòn vật liệu tạo thành hình dáng chi tiết theo yêu cầu

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

Hình 1.4 Sự phục hồi

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

• Mô tả hiện tượng: nguồn xung bị ngắt đột ngột, dung dịch điện ly lạnh ở xung quanh tràn vào gây nên sự thay đổi áp suất đột ngột tạo nên tiếng

nổ nhỏ Hơi của vật liệu điện cực hoá rắn do việc giảm nhiệt độ đột ngột tạo nên các hạt ô-xít kim loại có kích thước nhỏ (cỡ vài trăm micro mét) Các hạt ô-xít này không dẫn điện hoặc dẫn điện rất kém (tuỳ vào vật liệu các điện cực)

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

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

Sau hàng loạt xung gia công có ích, vật liệu của các điện cực bị ăn mòn dần theo từng lớp Người ta thường chọn vật liệu dụng cụ có khả năng chịu ăn mòn hơn (bằng đồng hay graphite) nên chi tiết dần bị ăn mòn nhiều và sẽ mang hình dáng của dụng cụ

Theo kết quả phân tích ở trên, có 02 nguyên nhân chính tạo nên sự ăn mòn vật liệu của các điện cực:

• Nguyên nhân về điện: do sự va chạm của các ion và điện tử (trong dung dịch điện ly) có động năng lớn lên bề mặt của điện cực làm tách các vật liệu ra khỏi bề mặt

• Nguyên nhân về nhiệt: năng lượng tập trung lớn ở kênh dẫn điện tạo nên nhiệt độ cao (cỡ 10000 độ C) dẫn đến việc hoá hơi các lớp vật liệu ở mặt ngoài điện cực

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 1.5 Bề mặt chi tiết sau khi gia công tia lửa điện Điều này có thể giải thích như sau:

• Bề mặt của các điện cực luôn có những nhấp nhô (nhám) Khi đưa chúng đến gần nhau, sẽ luôn có 1 cặp nhấp nhô đối diện có khoảng cách nhỏ nhất (trên hình 1.6 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 1.7)

Hình 1.6 Mô hình bề mặt của dụng cụ-chi tiết

Hình 1.7 Cặp nhấp nhô bị ăn mòn tạo hố có hình dạng miệng núi lửa

• Cặp nhấp nhô A biến mất sau 1 xung ở xung kế tiếp, cặp nhấp nhô B lại trở thành cặp nhấp nhô gần nhất Tia lửa điện sẽ xuất hiện ở đó và

"miệng núi lửa" thứ 2 được tạo ra Hệ thống điều khiển có nhiệm vụ đưa dần cặp vật liệu đến gần nhau để bù lượng vật liệu đã bị ăn mòn tại các điểm A, B,

• Cứ như vậy, tia lửa điện sẽ được xuất hiện tại từng điểm và sẽ lan dần trên toàn bộ bề mặt đối diện nhau của cặp điện cực Kết quả sẽ được bề mặt chi tiết như hình 1.5

1.3 Thiết bị gia công, chỉ tiêu đánh giá và phạm vi ứng dụng

1.3 1 Thiết bị gia công

Hình 1.8 Mô hình máy xung tia lửa điện

- NC-controller generator: bộ điều khiển số

- Servo drive: bộ điều khiển động cơ servo

- Machine head: trục chính của máy (thường dùng để gắn dụng cụ) Nó đóng vai trò là trục Z

- Dielectric tank: thùng chứa dung dịch điện ly (ngập các điện cực)

- Workpiece: phôi - chi tiết cần gia công

- Electrode: dụng cụ

- Dielectric unit: hệ thống thùng và bơm dung dịch điện ly lên thùng chứa

- Machine table: bàn máy có thể di chuyển theo 2 phương X, Y

- Gap: khe hở phóng điện Khe hở này cần phải được đảm bảo không đổi trong suốt quá trình phóng tia lửa điện

- Dielectric: dung dịch điện ly

- Pulse generator: nguồn cung cấp điện áp công suất một chiều dạng xung

Dielectric

Electrode

Workpiece

Pulse generator

Với các thiết bị gia công EDM khác có cấu tạo tương tự, chỉ có 1 số điểm khác nhau cơ bản để phù hợp với ứng dụng thực tế của thiết bị đó:

- Yêu cầu về dịch chuyển bàn máy như WEDM

- Loại dung dịch điện ly: trong phay và xung là dầu, còn WEDM là nước

- Loại dụng cụ

- Công suất thiết bị,

1.3.2 Ưu, nhược điểm

Từ nguyên lý gia công tia lửa điện, có thể thấy những ưu điểm và hạn chế của phương pháp gia công này:

1.3.2.1 Ưu điểm

Một trong những điểm đặc sắc nhất của quá trình gia công bằng tia lửa điện là không có lực cắt trong quá trình gia công Không có lực cắt đồng nghĩa với việc tính toán đồ gá, bàn máy sẽ đơn giản hơn rất nhiều, công suất của động cơ điều khiển các trục cũng sẽ không cần lớn như trước Đó cũng là

lý do vì sao các hãng chế tạo máy xung đẩy mạnh nghiên cứu gia công máy phay, máy khoan tia lửa điện bởi nếu thành công, họ sẽ có thể chế tạo được các chi tiết phức tạp không thua gì các phương pháp gia công truyền thống

mà công suất có thể thấp hơn nhiều

Chất lượng chi tiết gia công tốt, độ chính xác kích thước và độ nhám

bề mặt không thua kém gì các phương pháp gia công truyền thống

Ngày càng có nhiều đóng góp trong lĩnh vực gia công khuôn mẫu với tổng số sản phẩm tăng dần theo hàng năm

Không gia công được những chi tiết phức tạp Rõ ràng nơi phôi bị ăn mòn, hình dáng chi tiết sẽ có hình dáng giống như điện cực Vì vậy, nếu cần

phải gia cụng những chi tiết phức tạp, việc thiết kế điện cực sẽ trở nờn khú khăn hơn rất nhiều lần

Tốc độ gia cụng chậm Sau mỗi xung, bề dày lượng kim loại bị ăn mũn chỉ khoảng vài um và chỉ giới hạn trong một diện tớch nhỏ Tốc độ gia cụng chậm đồng nghĩa với năng suất chế tạo thấp Cỏc nghiờn cứu nhằm tăng tốc

độ gia cụng bằng tia lửa điện cũng là một mối quan tõm lớn của cỏc hóng chế tạo mỏy xung trờn thế giới

1.3.3 Ch ỉ tiờu đỏnh giỏ quỏ trỡnh gia cụng EDM

Để cú thể đỏnh giỏ được chất lượng quỏ trỡnh gia cụng EDM, cỏc nhà nghiờn cứu về gia cụng EDM, đó đưa ra một số cỏc chỉ tiờu Cỏc chỉ tiờu này khụng những được ỏp dụng trong thiết kế và tớnh toỏn thụng thường mà cũn được dựng làm tiờu chớ để điều khiển tự động quỏ trỡnh gia cụng trong cỏc bộ điều khiển CNC Cỏc chỉ tiờu đỏnh giỏ gồm cú: Năng suất gia cụng, lượng mũn điện cực và chất lượng chi tiết gia cụng

- Năng suất gia công (mm3/phút hay g/phút): là lượng hớt vật liệu chi tiết trong 1 khoảng thời gian Năng suất tỷ lệ thuận với cường độ dòng điện

và khoảng thời gian gia công có ích (thời gian của giai đoạn 2)

Trờn thực tế, một đại lượng khỏc tương tự năng suất thường được dựng trong quỏ trỡnh điều khiển là hiệu suất gia cụng Hiệu suất gia cụng được tớnh theo cụng thức

k e

t t

t

1

) (

) (

) ( ηVới N là số chu kỳ lấy mẫu Mỗi chu kỳ gia cụng được tớnh trong khoảng thời gian ( ti + to ) (às)

Theo công thức trên, hiệu suất được tính cho một quá trình gia công hay một khoảng thời gian xác định Thông thường, các hệ điều khiển hiện đại như AGIE, Charmill, Mitsubishi lấy N=1000

bị mòn thì dụng cụ cũng bị mòn theo Độ mòn này sẽ ảnh hưởng trực tiếp đến kích thước và hình dáng của chi tiết sau khi gia công Một đại lượng khác cũng hay được dùng là độ mòn tương đối V:

%100.V

VV

bề mặt Ra, Rz và chất lượng lớp bề mặt sau khi gia công (ứng suất dư tồn tại ở lớp bề mặt, độ dày lớp vật liệu bị hư hại, độ cứng ) Chỉ tiêu này thường được dùng nhất để giải bài toán tối ưu và có ảnh hưởng trực tiếp đến chất lượng các chi tiết sau khi gia công EDM

1.4 Các thông số công nghệ cơ bản

Các thông số công nghệ ở mục này có tính chất tổng quát cơ bản Trong thực tế, còn có một số thông số công nghệ khác nhằm mục đích đảm bảo quá trình gia công được tốt (ví dụ: độ nhạy cảm, thời gian lên xuống của điện cực gia công theo phương pháp nhắp, )

Hình 1.9 Đồ thị điện áp và cường độ dòng điện

1.4.1 Điện ỏp đỏnh lửa Ui

Đõy là điện ỏp cần thiết để dẫn tới sự phúng tia lửa điện Nú cung cấp cho điện cực và phụi khi mỏy phỏt được đúng điện, gõy ra sự phúng tia lửa điện để đốt chỏy vật liệu Điện ỏp đỏnh lửa Ui càng lớn thỡ phúng điện càng nhanh và cho phộp khe hở phúng điện càng lớn

Điện ỏp Ui phụ thuộc nhiều vào vật liệu của dung dịch điện mụi và chế

độ gia cụng Với cỏc thế hệ thiết bị thế hệ cũ, điện ỏp này thường vào khoảng

80 – 120V; với thiết bị thế hệ mới thỡ lại cú giỏ trị khoảng 150V – 250V Điện ỏp cao thường dựng với gia cụng tinh vỡ khi đú ti nhỏ lờn với điện ỏp cao thỡ khoảng thời gian ion húa (thời gian giai đoạn 1) được rỳt ngắn dẫn đến hiệu suất tăng

1.4.2 Điện ỏp phúng tia lửa điện Ue

Khi bắt đầu phúng tia lửa điện thỡ điện ỏp tụt xuống từ Ui đến Ue Đõy

là điện ỏp trung bỡnh trong suốt thời gian phúng tia lửa điện Ue là một hằng

số vật lý phụ thuộc vào cặp vật liệu điện cực/phụi Ue khụng điều chỉnh được

Ue tồn tại trong suốt thời gian xảy ra giai đoạn 2 của quỏ trỡnh phúng điện Cỏc nghiờn cứu đú cho thấy Ue của cặp đồng và thộp trong khoảng 35…45

V

1.4.3 Th ời gian kộo dài xung ti

ti được định nghĩa là khoảng thời gian cấp điện ỏp của một chu kỳ phúng tia lửa điện Khoảng thời gian này được tớnh cho thời gian của giai đoạn 1 và 2 của một xung gia cụng EDM

Độ kéo dài xung ti ảnh hưởng đến nhiều yếu tố quan trọng có liên quan trực tiếp đến chất lượng và năng suất gia công như độ mũn vật liệu, độ nhỏm

bề mặt và độ mũn điện cực

Các yếu tố bị ảnh hưởng:

Thực nghiệm cho thấy khi giữ nguyờn dũng điện Ie và khoảng cỏch xung to, nếu tăng ti thỡ ban đầu Vw tăng nhưng chỉ tăng đến giỏ trị cực đại ở ti nhất định nào đú sau đú Vw giảm đi

Hình 1.10 Độ mòn tương đối phụ thuộc ti

Nếu vẫn tiếp tục tăng ti thỡ năng lượng phúng điện khụng cũn được sử dụng thờm nữa để hớt vật liệu phụi mà nú lại làm tăng nhiệt độ của cỏc điện cực và dung dịch điện mụi

1.4.3.2 t i và độ nhỏm bề mặt: khi tăng ti thỡ độ nhỏm Rmax cũng tăng do tỏc dụng của dũng điện được duy trỡ lõu hơn làm cho lượng hớt vật liệu tăng lờn

ở một vị trớ ⇒ Rmax tăng lờn

W

50

500 1000

100

10 5 10 100

t i

(µm ) Rz

Hình 1.11 Độ nhám phụ thuộc ti

1.4.3.3 t i và độ mòn điện cực

Độ mòn Ve của điện cực sẽ giảm đi khi tăng ti thậm chí cả sau khi đạt lượng

ăn mòn vật liệu cực đại

1.4.4 Kho ảng cách xung to

Được đo bằng thời gian giữa hai lần ngắt-đóng của máy phát xung thuộc 2 chu kỳ phóng điện kế tiếp nhau (thời gian của giai đoạn 3) to còn được gọi là

độ kéo dài nghỉ của xung

• Khoảng cách to càng lớn thì lượng hớt vật liệu Vw càng nhỏ và ngược lại

• to nhỏ như có thể được để nó có thể đạt một lượng hớt vật liệu tối đa Nhưng khoảng cách xung to phải đủ lớn để có đủ thời gian phục hồi trạng thái của dung dịch điện ly trong khe hở phóng điện, tránh được hiện tượng hồ quang, ngắn mạch và đủ để đẩy các hạt ô-xít ra khỏi khe

+ Khi gia công thô chọn : ti/to = 10

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

+ Khi gia công rất tinh chọn : ti/to < 5 (thường chọn = 0,4)

1.4.5 Dòng phóng tia l ửa điện Ie

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 (kết thúc giai đoạn 1), dòng điện tăng lên từ 0 đến giá trị Ie Ie ảnh hưởng lớn nhất đến lượng hớt vật liệu, độ mòn điện cực và chất lượng bề mặt gia công Nhìn chung Ie càng lớn thì lượng hớt vật liệu càng lớn, độ nhám bề mặt càng lớn nhưng độ mòn điện cực giảm

1.4.6 Thời gian trễ đánh lửa t d

Thời gian này được xác định là thời gian của giai đoạn 1 Thời gian trễ này phụ thuộc vào vật liệu dung dịch điện ly và điện áp Ui Một đặc tính quan trọng của thông số này là cho biết trạng thái đang gia công Các hệ điều khiển hiện nay sử dụng td như là một thông số để kiểm tra trạng thái gia công hiện nay là tia lửa điện hay hồ quang Với trường hợp hồ quang thỡ giỏ trị

td<500ns

Bảng 1.1 Trị số của td và trạng thái của quá trình gia công [13]

TT Giá trị của td Trạng thái

1.4.7 Khe h ở phóng điện δ

Khe hở phóng điện là khoảng cách giữa 2 điện cực mà tại đó phát sinh tia lửa điện Khe hở này luôn được điền đầy bởi dung dịch điện ly Trong suốt quá trình gia công, do việc mòn vật liệu mà khoảng cách này luôn có xu thế tăng lên làm cho tia lửa điện không ổn định Để có thể đảm bảo việc tính

ổn định thì vấn đề là phải duy trì khe hở tại một trị số xác định Quá trình đó gọi là sự điều chỉnh khe hở phóng điện

Trong các máy gia công EDM hiện nay, việc điều chỉnh khe hở là do

bộ điều khiển làm tự động thông qua một trị số Uref (gọi là điện áp servo hay còn gọi là điện áp so sánh)

1.4 8 Phân nhóm thông số

Để thuận tiện cho việc nghiên cứu về sau, các thông số công nghệ được phân ra làm 2 nhóm: nhóm thông số độc lập, nhóm thông số phụ thuộc

Nhóm những thông số có thể xác định trước Các thông số này thường

do người vận hành thiết lập trước khi gia công Trong quá trình gia công, một

số thông số sẽ được bộ điều khiển CNC thay đổi để có thể phù hợp với điều kiện gia công thực tế Các thông số nhóm này bao gồm:

• Đặc tính của vật liệu dụng cụ, chi tiết cần gia công và của dung dịch điện ly

• Đặc tính cơ bản của xung:

- Cường độ dòng điện gia công Ie, thời gian kéo dài xung ti, thời gian nghỉ to

- Điện áp khởi tạo Ui, điện áp servo Uref

- Cực tính giữa các điện cực (thường dụng cụ nối với cực dương của nguồn điện, chi tiết - cực âm)

• Kích thước hình học của dụng cụ và chi tiết

• Vận tốc và lưu lượng của dòng phun dung dịch điện ly (dùng để thổi ôxít kim loại khỏi vùng gia công)

• Chương trình NC cho bộ điều khiển

• Đặc tính của thiết bị

- Đặc tính của bộ điều khiển động cơ servo, độ chính xác của hệ thống

- Độ cứng vững và khả năng chấp hành của hệ thống (tốc độ phản ứng)

1.4.8.2 Nhóm thông số phụ thuộc

Các thông số ở nhóm này phụ thuộc vào nhiều yếu tố và các thông số khác Thường để xác định được chúng thì phải có những nghiên cứu và thực nghiệm

• Lượng mòn của chi tiết Vw

• Lượng mòn của điện cực Ve

• Chất lượng của lớp bề mặt chi tiết sau khi gia công: độ nhám, độ cứng

bề mặt, ứng suất dư, vết nứt tế vi,

• Độ chính xác về mặt hình dáng và kích thước hình học của chi tiết sau khi gia công

1.5 Các hướng nghiên cứu trong và ngoài nước về gia công EDM

Các thiết bị gia công tia lửa điện hiện nay đang dần phổ biến ở các nhà máy cơ khí Với phương pháp gia công này, người thiết kế và chế tạo có thể làm ra đựợc các sản phẩm có kết cấu, hình dáng phức tạp và hơn hết là giảm các nguyên công khi gia công và lắp ráp, đơn giản các kết cấu chi tiết Ở

nước ngoài, những nhà nghiên cứu về gia công phi truyền thông nói chung và EDM nói riêng đã thành lập những hiệp hội nhằm trao đổi các kết quả nghiên cứu và họ có những hội thảo hàng năm (ISEM của Châu Âu, CIRP của Nhật Bản,…) Các hiệp hội này đều tổ chức những cuộc hội thảo lớn hàng năm để trao đổi các thông tin và giới thiệu các kết quả nghiên cứu, ứng dụng mới nhất

Các nghiên cứu về EDM ở trong và ngoài nước đều tập trung vào 5 hướng: bộ điều khiển CNC, vật liệu điện cực, vật liệu dung dịch điện môi, tối

ưu hoá các thông số công nghệ và các ứng dụng mới của gia công EDM

1.5.1 Hướng nghiên cứu về bộ điều khiển

Các nghiên cứu tập trung vào việc ứng dụng công nghệ mới về điện tử

và tin học để thiết kế, chế tạo và ứng dụng vào những hệ thống điều khiển cho thiết bị gia công EDM Nói chung các hệ điều khiển CNC hiện nay đều hiện đại: điều khiển quỹ đạo và điều khiển các thông số công nghệ, có tính tiện dụng cao và có thể thay đổi linh hoạt nhờ các ngôn ngữ lập trình mềm dẻo Các nghiên cứu nổi bật có thể nêu ra là với các kết quả có thể tóm tắt như sau:

- Nâng cao độ chính xác trong điều khiển khe hở phóng điện, áp dụng các phương pháp điều khiển hiện đại: điều khiển mờ - fuzzy, điều khiển thích nghi - adaptive

- Tăng cường khả năng lập trình mềm dẻo, những công cụ lập trình cao hơn như macro, tham số,… và có nhiều công cụ như dò cạnh, rà tâm,… để tạo thuận lợi cho người sử dụng

- Tra cứu thông số công nghệ tự động theo yêu cầu kỹ thuật của chi tiết gia công Việc nghiên cứu ở đây là đưa ra cơ sở dữ liệu các bảng tra thông số công nghệ theo điều kiện gia công

- Cứng hoá các module phần mềm làm tăng tốc độ xử lý của bộ điều khiển Nâng cao khả năng thay thế và sửa đổi của bộ điều khiển Đưa

ra các tiêu chuẩn chung trong việc thiết kế và chế tạo bộ điều khiển

- Nghiên cứu loại xung tần số cao (khoảng 10MHz) kết hợp với khoảng thời gian nghỉ hợp lý nhằm nâng cao công suất và độ bóng bề mặt Các nghiên cứu này mới cho kết quả bước đầu

- Ứng dụng những loại động cơ hiện đại như động cơ tuyến tính để nâng cao khả năng gia công: gia công không có dòng sục điện môi, tốc độ cao, giảm được các rung động và ảnh hưởng xấu của dòng sục điện môi,…

Trong nước hiện đã có một vài doanh nghiệp tiến hành nghiên cứu và chế tạo các thiết bị điều khiển CNC dung cho máy phay, tiện, EDM như Viện máy IMI, công ty HAMECO, công ty SINCO,… Hầu hết các công ty trong nước đều có xu hướng nhập bộ điều khiển từ nước ngoài (Trung Quốc, Đài Loan, Đức) rồi lắp ráp Việc nghiên cứu để ứng dụng công nghệ mới về điều khiển, tự động hoá trong gia công EDM mới bắt đầu được nghiên cứu ở trong nước

1.5.2 Hướng nghiên cứu về dung dịch điện môi

Dung dịch điện môi là môi trường để hình thành, duy trì sự ổn định của quá trình phóng tia lửa điện nên thành phần của nó có một ý nghĩa quan trọng Một số yêu cầu chính về dung dịch điện môi là: không dẫn điện ở trạng thái bình thường mà dẫn điện ở điện trường cao, có độ nhớt phù hợp, không độc hại Các kết quả nghiên cứu đã cho ra được rất nhiều loại dung dịch điện môi khác nhau với mục đích gia công các loại vật liệu chi tiết khác nhau Hiện tại, có một số loại dung dịch được pha thêm các hạt kim loại có kích

thước rất nhỏ (cỡ nm) nhằm tăng khả năng dẫn điện khi gia công các chi tiết

phức tạp có rãnh nhỏ, sâu trong điều kiện gia công khó khăn

Trong nước hiện vấn đề này chưa được đặt ra để nghiên cứu mà chủ yếu là ứng dụng một số loại dung dịch điện môi có sẵn như nước cất, dầu

1.5.3 Hướng nghiên cứu về vật liệu làm điện cực

Có 2 loại vật liệu làm điện cực chủ yếu hiện nay là đồng và graphite Tuy nhiên, một số loại vật liệu mới như ZnBr2/Cu có khả năng giảm mòn cao cũng đã được đưa vào ứng dụng Một phương pháp để tăng khả năng giảm mòn của điện cực là sử dung các điện cực đồng được phủ các kim loại khác như W hay Zn hiện đang được nghiên cứu đã cho kết quả tốt Các nghiên cứu theo hướng này vẫn chưa được triển khai ở trong nước

1.5.4 Hướng nghiên cứu về tối ưu hóa các thông số công nghệ

Nghiên cứu ảnh hưởng của các thông số công nghệ đến chất lượng và năng suất gia công EDM để từ đó, tối ưu hoá một số thông số công nghệ nhằm nâng cao năng suất và chất lượng quá trình gia công Mục tiêu chính là đáp ứng ngày càng cao các chi tiêu của quá trình gia công EDM

Có thể kể một vài các nghiên cứu nổi bật như sau:

- Điều khiển các thông số công nghệ Uref và to nhằm nâng cao hiệu suất gia công bằng hệ thống điều khiển thích nghi và mờ Hiện tại, hiệu suất này

đã đạt vào khoảng 60-65%, thường mới chỉ đạt vào khoảng 30-40% Hai

hãng chế tạo thiết bị gia công EDM lớn là Charmil và Mitsubishi đã có những thành công lớn trong việc áp dụng nghiên cứu này trong các sản phẩm máy EDM của họ

- Phát hiện và ngăn chặn hồ quang dựa vào thông số td Các nghiên cứu

đã khẳng định: khi có tia lửa điện (tức là có dòng Ie), nếu td có giá trị nhỏ hơn

500ns thì được xác định là hồ quang Để có thể đo được td, phần cứng được chế tạo phức tạp dẫn đến giá thành của hệ thống có phát hiện hồ quang khá đắt tiền Phương pháp thường được dung để ngăn chặn hồ quang một cách tự động là tăng giá trị to để tăng thời gian phục hồi của dung dịch điện môi (giai đoạn 3) - điều này làm giảm hiệu suất của quá trình gia công một cách đáng

kể

- Giảm mòn điện cực bằng phương pháp đảo cực tính: nguyên tắc chính của phương pháp này là điện áp được đảo chiều trong thời gian trong một khoảng thời gian Hình 1.12 là dạng xung điện áp khi gia công có sử dụng phương pháp đảo cực tính Kết quả đạt được là cách xác định thời gian đảo cực tính phụ thuộc vào cặp vật liệu

Hình 1.12 Phương pháp đảo cực tính để giảm độ mòn điện cực

Ưu điểm chính của phương pháp này là ngoài việc giảm mòn điện cực

nó có thể áp dụng để hạn chế hồ quang vì có thể thay đổi thời gian đảo cực tính nhằm dập tắt hồ quang mà không cần thay đổi t0 – vì khi thay đổi t0 sẽ làm cho hiệu suất giảm

Nhược điểm chính là việc thiết kế chế tạo phần cứng Phần cứng đòi hỏi phải có những thiết kế đặc biệt, linh kiện đặc chủng có tốc độ cao cỡ vài

chục đến vài trăm MHz, chịu được dòng điện khi gia công lớn để đảm bảo việc thay đổi cực tính không ảnh hưởng gì đến dạng xung gia công

Thiết lập các công thức thực nghiệm với hàm số là các chỉ tiêu đánh giá như năng suất, độ nhám bề mặt, độ chính xác,… và các đối số là các thông số công nghệ ti, t0, Ie, … và dùng chúng để tối ưu hoá quá trình gia công EDM: tìm một vài các thông số công nghệ tối ưu hay phù hợp với một

số thông số đã biết trước Các nghiên cứu theo hướng này đều có ở trong và ngoài nước và đã có được nhiều kết quả tốt Các kết quả được thể hiện dưới 2 dạng: công thức thực nghiệm hoặc dạng bảng tra cứu Hầu hết các thiết bị sản xuất hiện nay đều có các bảng tra để thuận tiện cho người công nhân vận hành máy

Trong các nghiên cứu theo hướng này, vấn đề được quan tâm nhiều nhất là chất lượng sản phẩm sau khi gia công EDM Chất lượng bao gồm: Độ nhám, độ chính xác hình học, độ chính xác về hình dáng, cấu trúc tế vi các lớp bề mặt và ứng suất dư trên bề mặt Kết quả chung của hầu hết các nghiên cứu ở trên đều đưa ra được các bảng tra và một số công thức thực nghiệm với hàm số là các chỉ tiêu cần nghiên cứu và tham số là các thông số công nghệ

Mô phỏng quá trình gia công EDM Môt số kết quả nghiên cứu về mô phỏng quy luật mòn về hình dáng Phương pháp chính là sử dụng các công thức thực nghiệm: đo sai số về mặt hình học phụ thuộc Ie để làm điều kiện biên và giải quyết bài toán mòn do nhiệt theo phương pháp phần tử hữu hạn với mục tiêu là tính được lượng mòn theo hình dạng của điện cực, chủ yếu là tại các góc nhọn Tuy nhiên, mô phỏng mòn theo hình dáng vẫn đang là một bài toán khó giải quyết hiện nay cần được tiếp tục nghiên cứu

1.5.5 Nghiờn cứu những ứng dụng mới của EDM

Cho đến nay quá trình EDM đã được phát triển khá rộng rãi ở các nước Nhiều loại máy hoạt động trong lĩnh vực EDM đã được sản xuất với nhiều kiểu khác nhau để phục vụ những mục đích khác nhau:

Hình 1.13 Cắt dây (WEDM) - Xung (EDM DS) - Phay (MEDM)

1.5.5.1 Phay EDM

Một ứng dụng mới hiện đang được hóng Charmill nghiờn cứu là phay EDM Chức năng giống một mỏy phay CNC nhưng điện cực là điện cực đồng và quỏ trỡnh cắt bằng tia lửa điện Điện cực là một ống đồng cú lỗ thụng suốt để dung dịch điện mụi phun qua với ỏp suất cao nhằm thổi cỏc hạt oxit kim loại ra khỏi vựng gia cụng

Một bài toỏn quan trọng khi nghiờn cứu mỏy phay EDM là việc bự lượng mũn của điện cực khi gia cụng hiện vẫn đang được nghiờn cứu Tốc độ mũn tương đối cú thể đạt tới 30%-100% (tức là hiện tượng mũn điện cực khốc liệt) Chuyển dịch của điện cực lỳc này là phối hợp của 2 chuyển động:

1 theo đường điện cực lý thuyết (toolpath) và 1 đi xuống để bự lượng mũn điện cực Hợp của 2 chuyển động này sẽ được chuyển động thực của điện cực trong khụng gian để gia cụng được biờn dạng định trước

Hình 1.14 Hướng di chuyển của dụng cụ

W: lượng mòn của dụng cụ D: khoảng di chuyển cần đi của dụng cụ M:khoảng di chuyển thực của dụng cụ (toolpath)

D

M W

Lợi thế khi gia công phay EDM là không có lực lớn như phay truyền thống nên điện cực có thể nhỏ (đến cỡ 0.3mm)

1.5.5.2 Gia công trên microEDM

Các nghiên cứu tập trung vào các vấn đề vật liệu điện cực, điều khiển

bù mòn điện cực vì điện cực có kích thước rất nhỏ nên mòn nhanh và tìm kiếm hướng ứng dụng mới của microEDM Ứng dụng chủ yếu của microEDM hiện nay là gia công các chi tiết nhỏ, có độ chính xác cao dùng trong công nghệ chế tạo đồng hồ, y sinh, …

- Khoan EDM: Dùng để tạo các lỗ nhỏ hoặc gia công lỗ trên các hợp kim và kim loại đã nhiệt luyện

lửa điện để giảm lực khi mài, tăng độ bóng bề mặt Tần số phát xung công suất trong khi mài EDM có thể đạt đến 10MHz với cường độ dòng điện nhỏ

loại điện cực và chi tiết máy như Ti, W: Khi điện cực làm bằng kim loại cần

phủ như Tintan bị bốc hơi và tách khỏi bề mặt, do nhiệt độ cao, chúng sẽ được kết hợp với các kim loại ở bề mặt chi tiết tạo thành các lớp phủ cứng có tác dụng cải thiện tính chất của chi tiết (dụng cụ cắt) trong quá trình hoạt động về sau

nhằm giải quyết các vấn đề còn tồn tại có ý nghĩa thực tiễn cao trong điều kiện hiện có trong nước

Máy EDM cũng có nguyên lý hoạt động giống như các loại máy CNC khác, chỉ khác ở nguyên lý gia công vật liệu Vì vậy, bên cạnh những nghiên cứu mang tính lý thuyết xung quanh quá trình gia công này (như nghiên cứu

về độ mòn, ứng suất dư bề mặt), việc bước đầu thực hiện thiết kế và chế tạo các loại máy EDM có công suất vừa và nhỏ là hoàn toàn nằm trong khả năng Thiết kế và chế tạo các bộ điều khiển cho các loại máy CNC nói chung và máy gia công tia lửa điện EDM nói riêng hiện cũng đang là những dự án đầy triển vọng được nhiều doanh nghiệp và tổ chức theo đuổi Bên cạnh đó việc tối ưu hóa các thông số công nghệ nhằm đảm bảo các chỉ tiêu: năng suất, chất lượng bề mặt (độ nhám bề mặt, ứng suất lớp bề mặt )…là những vấn đề cần quan tâm nghiên cứu và giải quyết

CHƯƠNG 2 MÔ HÌNH ĐIỀU KHIỂN CNC CHO MÁY XUNG TIA LỬA ĐIỆN (MODEL BK01A-V2)

2.1 Nguyên t ắc thiết kế bộ điều khiển

Do khả năng thiết kế và chế tạo phần cứng trong nước còn có nhiều hạn chế, song hệ thống điều khiển EDM lại phức tạp nên các nguyên tắc chủ đạo của

việc thiết kế và chế tạo bộ điều khiển CNC cho máy xung trong luận văn này là: “Đơn giản về phần cứng, để dành phần phức tạp cho phần mềm" Phần mềm (ở đây gồm phần mềm cho vi điều khiển và phần mềm cho máy tính) sẽ đảm nhận các chức năng mà phần cứng không đáp ứng được Nguyên tắc này phù hợp trong điều kiện còn thiếu thốn về thiết bị, kinh phí ở Việt Nam hiện nay

2.2 Các ch ức năng của bộ điều khiển máy xung EDM

2.2.1 Sơ đồ khối chức năng của hệ thống điều khiển

Hình 2.1 Sơ đồ khối chức năng của hệ thống điều khiển Trong đó, những module cần thực hiện gồm có :

cơ

Khối giao tiếp với công nhân

Khối phản hồi vị trí

Khối hiển thị

Khối khác

Giao tiếp song song

RS 232 RS232

• Khối điều khiển động cơ: điều khiển động cơ theo phương thức “nhắp” Tính năng này tạo thời gian nhấc điện cực lên để dòng chất điện ly phun vào nơi gia công cuốn trôi phoi chi tiết và điện cực ra khỏi vùng gia công, tránh hiện tượng hồ quang Tham số công nghệ cơ bản là Tup (thời gian đi lên) và Tdown (thời gian giữ khoảng cách ở điện áp Ue)

• Khối phát xung công suất: điều khiển thay đổi tần số xung điện áp Ui

(chính là thay đổi ti và to) Tần số này cần thay đổi để phù hợp với điều kiện gia công thực tế (gia công thô/tinh, vật liệu phôi/điện cực, điều kiện của dung dịch chất điện ly, )

• Khối xử lý tín hiệu phản hồi: thu thập tín hiệu phản hồi điện áp U và cường độ dòng gia công I Nhờ nó mà hệ thống điều khiển có thể tối ưu được quá trình gia công bằng cách thay đổi các thông số công nghệ

• Hệ thống xác định vị trí giữa phôi và điện cực Tính năng này rất quan trọng vì nó quyết định đến độ chính xác về kích thước của chi tiết sau khi gia công

• Khối hiển thị thông số trạng thái

• Phần mềm điều khiển trong máy tính trung tâm

• Khối giao tiếp với công nhân

• Một số hệ thống khác như: bơm dầu, báo cháy,

2.2.2 Phân chia các khối chức năng

Mô hình hệ thống cần xây dựng có hoạt động như sau :

- Người công nhân vận hành máy điều khiển máy nhập các thông số vào bằng bàn phím

- Khối giao tiếp bàn phím gửi các tín hiệu vừa nhập vào máy tính hay khối xử lý trung tâm

- Khối xử lý trung tâm xử lý các tín hiệu vừa nhận được, tính toán ra các thông số hệ thống như cường độ dòng điện phát xung, ti , to , các thông số về toạ độ, vận tốc cho động cơ và truyền các thông số đó cho các khối tương ứng

- Khối điều khiển động cơ trục chính kết hợp với khối phát xung để điều khiển trục chính chuyển động lên xuống hợp lý để gia công

- Khối tín hiệu phản hồi gửi các toạ độ về khối xử lý trung tâm để hiển thị đồng thời gửi về khối điều khiển động cơ để điều khiển chính xác vị trí

2.2.3 Khối phát xung công suất

2.2.3.1 Nhiệm vụ của hệ phát xung công suất

Thời gian tạo xung ti và thời gian nghỉ to đóng một vai trò quan trọng trong quá trình gia công EDM Có thể nêu ra một số các phân tích dựa vào các kết

quả thực nghiệm đã có [12, 13]:

• Với thời gian xung ti nếu có giá trị lớn có ưu điểm là năng suất gia công sẽ cao song nó cũng sẽ dẫn đến sự phát triển mạnh của kênh dẫn điện làm cho tia lửa điện phát triển thành hồ quang gây hư hỏng bề mặt Điều này được giải thích là do sự i-ôn hoá trở nên mãnh liệt theo thời gian, kênh phóng điện mở rộng dẫn đến xuất hiện hồ quang Nếu ti

nhỏ sẽ dẫn đến năng suất gia công giảm vì thời gian có ích để tồn tại tia lửa điện sẽ bị ngắn đi

• Với thời gian nghỉ to: nếu to lớn thì năng suất gia công sẽ giảm vì thời gian không có tia lửa điện sẽ bị dài ra Còn nếu nhỏ quá sẽ dẫn đến thời gian khôi phục của dung dịch điện ly không đủ làm cho khả năng xuất hiện hồ quang và ngắn mạch tăng lên

Như vậy, việc tạo ra xung công suất có các đặc tính ti và to phù hợp có một ý nghĩa quan trọng

2.2.3.2 Các hệ phát xung hiện nay

Từ chiếc máy xung đầu tiên (1944) do vợ chồng Lazarenco chế tạo đến nay, các thế hệ mạch phát xung công suất được thay đổi khá nhiều Có thể chia ra làm 3 nhóm chính căn cứ vào bản chất mạch điện:

• Mạch tạo xung bằng RC (điện trở - tụ điện)

• Mạch tạo xung có hỗ trợ tụ điện

• Mạch tạo xung độc lập (ứng dụng kỹ thuật số - NC)

1 Bộ phát xung dùng RC (điện trở - tụ điện)

Điện áp cung cấp Ui qua R nạp điện cho C, khi điện áp tụ C đạt đến Ui bằng điện áp mồi tia lửa điện thì quá trình phóng điện bắt đầu, tụ điện phóng điện

ra R cho đến khi Ui giảm xuống đến điện áp tắt sau đó lại tiếp tục quá trình nạp và lặp lại như trên Quá trình chuyển đổi năng lượng R ⇔ C tạo ra dao động hình thành xung

1T

1f

+

=

=

Dùng R để điều chỉnh tần số f sao cho phù hợp với điều kiện gia công

Thực tế đã chỉ ra những ưu điểm cơ bản của loại mạch phát xung RC:

+ Cấu tạo đơn giản, dễ thay đổi tần số

+ Chất lượng bề mặt khá tốt

Song nó cũng có rất nhiều nhược điểm:

- Việc điều chỉnh đúng tần số gặp nhiều khó khăn do việc điều chỉnh R khó chính xác

- Khó áp dụng tự động hoá nên dẫn đến việc tối ưu các thông số công nghệ một cách tự động không áp dụng được

- Năng suất gia công không cao (do thời gian te nhỏ), thường không vượt quá 20%-30%

2 Bộ phát xung có hỗ trợ của tụ điện

Ở nửa chu kỳ đầu tiên, điểm A dương so với B, tụ điện C được nạp điện thông qua đi-ốt D (lúc này D dẫn điện) Ở nửa chu kỳ tiếp theo, B dương so với A, tụ điện sẽ phóng điện qua đi-ốt để góp thêm năng lượng vào chu kỳ

này của máy phát đến cung cấp điện áp giữa điện cực và phôi Việc đảo chiều điện áp nhờ đảo chiều đi-ốt D và thay đổi vị trí tụ điện C

Hình 2.3 Mạch điện phát xung có hỗ trợ tụ điện

Ở sơ đồ này, đồ thị điện áp có dạng hình sin nên khoảng thời gian te được kéo rộng hơn so với mạch RC Sơ đồ này có ưu điểm là:

- Dễ điều chỉnh tần số thông qua việc điều khiển tốc độ động cơ

- Hiệu suất gia công khá cao

- Chất lượng bề mặt không được cao như khi dùng mạch RC

Ngoài ra có 1 nguyên nhân khiến mạch này ít được dùng là chi phí đắt (do phải thêm vào máy phát điện và động cơ công suất lớn), hiệu suất không vượt quá 50% vì việc điều chỉnh te sẽ dẫn đến thay đổi cả to (to luôn bằng te)

3 Mạch phát xung độc lập

Để khắc phục các nhược điểm trên, mạch tạo xung dùng kỹ thuật số (NC) được sử dụng trên hầu hết các máy xung hiện nay

Hình 2.4 Mạch phát xung độc lập