Thiết kế máy cắt dây tia lửa điện

Trong thập niên 1970 đã xảy ra cuộc cách mạng về gia công trên máy cắt dây EDM nhờ vào việc phát triển các máy phát xung công suất lớn, các loại dây cắt và các phương pháp sục chất điện

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

KHOA CƠ KHÍ

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

ĐỀ TÀI:

THIẾT KẾ MÁY CẮT DÂY TIA LỬA ĐIỆN

Người hướng dẫn: ThS TRẦN MINH CHÍNH

Sinh viên thực hiện: PHAN ĐÌNH QUYÊN

Đà Nẵng, 2018

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA Độc lập - Tự do - Hạnh phúc

KHOA CƠ KHÍ .

NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

Họ tên sinh viên: PHAN ĐÌNH QUYÊN Số thẻ sinh viên: 101130124 Lớp: 13C1B Khoa: Cơ khí Ngành: Công nghệ chế tạo máy

1 Tên đề tài đồ án: THIẾT KẾ MÁY CẮT DÂY TIA LỬA ĐIỆN

2 Đề tài thuộc diện: ☐ Có ký kết thỏa thuận sở hữu trí tuệ đối với kết quả thực hiện

3 Các số liệu và dữ liệu ban đầu:

Có các thông số của máy chuẩn và dựa vào đó để tính toán

❖ Nội dung các phần thuyết minh và tính toán:

Phần 1: Tổng quan về phương pháp gia công bằng tia lửa điện

Phần 2: Cơ sở lý thuyết gia công bằng tia lửa điện

Phần 3: Thiết kế máy cắt dây

Phần 4: Tính toán và thiết kế máy

5 Họ tên người hướng dẫn: ThS TRẦN MINH CHÍNH

6 Ngày giao nhiệm vụ đồ án: / /2018

TÓM TẮT

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

Tên đề tài: THIẾT KẾ MÁY CẮT DÂY TIA LỬA ĐIỆN

Họ và tên SV: PHAN ĐÌNH QUYÊN

Nội dung đồ án tốt nghiệp (ĐATN) bao gồm các vấn đề sau:

1 Nhu cầu thực tế của đề tài:

Hiện nay, máy cắt dây bằng tia lửa điện đang được sử dụng rộng rãi trong các nhà máy, xưởng cơ khí Thay thế dần cho các máy công cụ truyền thống Nó có thể gia công được nhiều loại vật liệu khác nhau mà không cần quan tâm đến độ cứng hay chất lượng vật liệu, nhưng vật liệu phải dẫn điện Vì vậy, nhu cầu của máy cắt dây bằng tia lửa điện hiện nay đang khá cần thiết trong quá trình gia công kim loại

2 Phạm vi nghiên cứu của đề tài tốt nghiệp:

Ứng dụng cho tất cả máy cắt dây bằng tia lửa điện

3 Nội dung đề tài đã thực hiện:

✓ Số trang thuyết minh: 84 trang

✓ Số bản vẽ: 7 Ao

✓ Mô hình:

4 Kết quả đã đạt được:

• Phần lý thuyết đã tìm hiểu

1 Tổng quan về phương pháp gia công bằng tia lửa điện

2 Cơ sở lí thuyết gia công bằng tia lửa điện

3 Sử dụng và bảo quản

• Đã tính toán thiết kế các phần chính như sau:

1 Tính toán các thông số của bàn máy theo phương X

2 Tính toán các thông số của bàn máy theo phương Y

3 Chọn thông số của ru lô

• Không có mô hình nhưng có kèm CD

Đà Nẵng, ngày 18 tháng 5 năm 2018 Sinh viên thực hiện và ghi rõ họ tên SV

Phan Đình Quyên

DUT.LRCC

LỜI NÓI ĐẦU

❖ Đổi mới công nghệ luôn luôn là nhu cầu cấp bách của mọi nền sản xuất và của mọi quốc gia Đối với nền công nghiệp cơ khí, các phương pháp gia công truyền thống như: đúc, rèn, dập, phay, bào, tiện… không còn đáp ứng được nhu cầu ngày càng cao của sự phát triển sản phẩm trong thời đại hiện đại nữa Ngày nay, trong đời sống và sản xuất xuất hiện nhiều sản phẩm hoặc chi tiết có hình dạng phức tạp và được làm từ các vật liệu khó gia công và cắt gọt Thực tế đó đòi hỏi phải phát triển các phương pháp công nghệ mới, trong đó có gia công tia lửa điện Mà cụ thể là gia công bằng máy cắt dây EDM (Electrical Discharge Machining)

❖ Sau thời gian học tập tại trường, được sự chỉ bảo và hướng dẫn nhiệt tình của thầy

cô giáo trong Khoa Cơ khí của trường Đại học Bách Khoa Đà Nẵng, em đã kết thúc khóa học và đã tích lũy được vốn kiến thức nhất định Được sự đồng ý của nhà trường

và thầy cô giáo trong khoa em nhận được đề tài tốt nghiệp: “THIẾT KẾ MÁY CẮT DÂY BẰNG TIA LỬA ĐIỆN”

❖ Đồ án tốt nghiệp của em gồm 5 phần:

Phần 1: TỔNG QUAN VỀ PHƯƠNG PHÁP GIA CÔNG BẰNG TIA LỬA ĐIỆN Phần 2: CƠ SỞ LÍ THUYẾT GIA CÔNG BẰNG TIA LỬA ĐIỆN

Phần 3: THIẾT KẾ MÁY CẮT DÂY

Phần 4: TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ MÁY

Phần 5: SỬ DỤNG VÀ BẢO QUẢN

❖ Bằng sự cố gắng, nỗ lực của bản thân và đặc biệt là sự giúp đỡ tận tình, chu đáo của thầy giáo – ThS Trần Minh Chính, em đã hoàn thành đồ án đúng thời hạn Do thời gian làm đồ án có hạn và kiến thức còn nhiều hạn chế nên không thể tránh khỏi những sai sót Em rất mong nhận được sự đóng góp ý kiến của các thầy cô cũng như là cửa các bạn sinh viên để đồ án này được hoàn thiện hơn nữa Em cũng xin chân thành cảm ơn thầy giáo – ThS Trần Minh Chính, các thầy cô giáo trong khoa Cơ khí – Đại học Bách Khoa Đà Nẵng đã tạo điều kiện giúp đỡ em trong thời gian qua

Đà Nẵng, ngày 18 tháng 5 năm 2018 Sinh viên thực hiện

Phan Đình Quyên

DUT.LRCC

MỤC LỤC

PHẦN 1: TỔNG QUAN VỀ PHƯƠNG PHÁP GIA CÔNG BẰNG TIA LỬA ĐIỆN 6

I Lịch sử và sự phát triển 6

1 Lịch sử 6

2 Sự phát triển 6

II Thị trường máy gia công tia lửa điện trên thế giới 7

III Nguyên lý gia công 7

IV Phân loại các phương pháp gia công bằng EDM 9

1 Gia công xung định hình 9

2 Gia công bằng phương pháp cắt dây 10

V Đặc điểm của gia công tia lửa điện 10

1 Điện cực 11

1.1 Các yêu cầu của điện cực 11

1.2 Các loại vật liệu điện cực 11

2 Chất điện môi 12

2.1 Nhiệm vụ của chất điện môi 12

2.2 Các chất điện môi và tiêu chuẩn đánh giá chung 13

VI Thiết bị gia công tia lửa điện 16

1 Các bộ phận của máy gia công bằng tia lửa điện 16

2 Một số loại máy trên thị trường 17

VII Khả năng công nghệ 18

VIII Ưu và nhược điểm của gia công bằng tia lửa điện 18

IX Một số sản phẩm và ứng dụng 18

PHẦN 2: CƠ SỞ LÍ THUYẾT GIA CÔNG BẰNG TIA LỬA ĐIỆN 20

I Bản chất của quá trình phóng tia lửa điện 20

1 Pha 1: Sự đánh lửa 20

2 Pha 2: Sự hình thành kênh phóng điện 20

3 Pha 3: Nóng chảy và bốc hơi vật liệu 21

II Cơ cấu tách vật liệu 21

III Đặc tính về điện của sự phóng tia lửa điện 22

DUT.LRCC

IV Lượng hớt vật liệu 24

V Chất lượng bề mặt khi gia công tia lửa điện 24

VI Sự mòn điện cực 25

VII Độ chính xác khi gia công tia lửa điện 26

VIII Các hiện tượng xấu khi gia công tia lửa điện 27

PHẦN 3: THIẾT KẾ MÁY CẮT DÂY 29

I Giới thiệu 29

II Cơ cấu máy cắt dây 30

1 Hệ thống điều khiển 30

2 Nguồn cung cấp và máy tính 33

3 Chất điện môi và bộ lọc 35

4 Phần cơ khí 36

III Hệ thống tia lửa trong quá trình gia công 37

1 Tia lửa xảy ra ở điểm gần nhất 37

2 Các loại nguồn cung cấp năng lượng 38

3 Nguồn cung cấp dạng sóng 39

4 Thời gian bật và tắt của tia lửa điện 40

IV Nguồn năng lượng (điện) 40

1 Thời gian các tia lửa bật và tắt 40

2 Sự phát triển của transistor chân không 41

3 Số chỉ ampe 42

4 Tăng năng lượng đầu ra của tia lửa điện 42

5 Chu trình làm việc 44

V Hệ thống tùy động của máy cắt dây 46

VI Chất điện môi cung cấp cho máy 47

1 Chức năng của chất điện môi 47

1.1 Mô tả về chất điện môi 48

1.2 Làm mát điện cực và phôi 48

1.3 Làm mát cho các phoi thoát ra 48

1.4 Loại bỏ các phoi trong khi gia công 49

1.5 Độ nhớt chất điện môi 49

DUT.LRCC

2 Hệ thống chứa chất điện môi 49

2.1 Hệ thống dẫn nước 50

2.2 Nhiệt độ nước 50

2.3 Giám sát hệ thống nước bằng máy tính 51

PHẦN 4: TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ MÁY 53

I Thông số của máy chuẩn 53

II Thiết kế hệ dẫn động của bàn máy 54

1 Một số đặc điểm của bộ truyền 54

2 Cơ sở tính toán cho truyền động của bàn máy 54

2.1 Tính mô men quay 55

2.2 Mô men quán tính 55

3 Tính toán bộ truyền 56

3.1 Chọn bộ truyền 56

3.2 Vật liệu 57

3.3 Các bước tính toán bộ truyền 57

3.4 Tính toán bộ truyền 58

III Tính toán chọn động cơ 63

1 Động cơ dẫn động bàn máy 63

1.1 Các thông số đầu vào 63

1.2 Tính toán momen quy đổi 63

1.3 Tính toán momen quán tính tải quy đổi về trục động cơ 64

1.4 Vận tốc lớn nhất của trục vít 66

1.5 Lựa chọn sơ bộ động cơ 66

2 Động cơ quay ru lô và cơ cấu cuốn dây 67

2.1 Giới thiệu 67

2.2 Thiết kế cơ cấu cuốn dây 67

2.3 Chọn động cơ 68

2.4 Chọn thông số cho ru lô 69

IV Giới thiệu bộ điều khiển 69

1 Hệ thống điều khiển tự động 69

1.1 Điều khiển tự động 69

DUT.LRCC

1.2 Hệ thống điều khiển tự động (Hệ thống ĐKTĐ) 69

1.3 Các thành phần cơ bản của một hệ thống điều khiển tự động 69

1.4 Hệ thống điều khiển vòng hở và vòng kín 70

1.5 Quá trình quá độ và quá trình xác lập 71

2 Mô hình hóa, khảo sát và thiết kế hệ thống điều khiển chuyển động trong máy cắt dây EDM 72

2.1 Mô hình hóa hệ thống điều khiển 72

2.2 Xét tính ổn định của hệ thống 75

3 Thiết kế bộ điều khiển PID 75

3.1 Sơ lược về mô hình điều khiển PID 75

3.2 Tính toán chọn lựa bộ thông số PID 76

PHẦN 5: SỬ DỤNG VÀ BẢO QUẢN 78

I Sử dụng 78

1 Công tác chuẩn bị trước khi làm: 78

a Khởi động công tắc nguồn điện, để máy vận hành không tải, xem các trạng thái làm việc bình thường không 78

2 Điều chỉnh giá dây: 78

3 Kiểm tra bàn thao tác: 78

4 Kẹp linh kiện: 78

5 Điều chỉnh của bánh dẫn: 78

6 Các bước thao tác: 78

7 Cách chọn chế độ điện khi gia công trên máy cắt dây molipden 79

II Một số lỗi 80

1 Các sự cố thường gặp ở bộ phận điện của máy cắt dây và phương pháp loại bỏ 81

2 Các sự cố thường gặp ở mạch cao tần và phương pháp loại bỏ 81

3 Các sự cố thường gặp ở mạch điện khởi động và phương pháp loại bỏ 83

4 Các sự cố thường gặp của máy tính và phương pháp loại bỏ 83

5 Phân tích các nguyên nhân đứt dây khi cắt 84

III Bảo trì máy 84

DUT.LRCC

PHẦN 1: TỔNG QUAN VỀ PHƯƠNG PHÁP GIA CÔNG BẰNG TIA

đã giải quyết được nhiều vấn đề liên quan đến mô hình tính toán quá trình gia công EDM Trong thập niên 1970 đã xảy ra cuộc cách mạng về gia công trên máy cắt dây EDM nhờ vào việc phát triển các máy phát xung công suất lớn, các loại dây cắt và các phương pháp sục chất điện môi hữu hiệu

- Hiện nay, các máy EDM đã được thiết kế khá hoàn chỉnh và quá trình gia công được điều khiển theo chương trình số

- Cho đến nay phương pháp gia công bằng tia lửa điện (Electrical Discharge Machining - EDM) được phát triển khá rộng rãi ở các nước phát triển Nhiều loại máy hoạt động trong lĩnh vực EDM đã được sản xuất với nhiều kiểu khác nhau để phục vụ cho những mục đích khác nhau

- Các hệ thống CNC trên thị trường đã có tiến bộ rất nhiều, đặc biệt là máy cắt dây

- Các hệ thống điều khiển CNC trong nhiều năm qua đã có mặt ở các máy xung định hình, nhưng đã mất nhiều thời gian hơn để có thể tận dụng khả năng của chúng Các chuyển động hành tinh của một điện cực đều có hình dáng đơn giản cho phép gia công xung định hình có hình dáng phức tạp Ưu điểm của phương pháp này là việc chế tạo

DUT.LRCC

điện cực sẽ rẻ hơn và nếu sử dụng điện cực quay thì điều kiện dòng chảy sẽ tốt hơn và điện cực ăn mòn đều hơn

- Sự tối ưu công nghệ gia công tia lửa điện như một kĩ thuật sản xuất đòi hỏi phải áp dụng rất nhiều bí quyết công nghệ Ngày nay có khuynh hướng đưa ra nhiều máy thông minh chọn máy và điều chỉnh nhiều thông số mà người dùng đã đặt trước Điều đó làm giảm bớt lượng dữ liệu đầu vào mà người sử dụng cần quan tâm Khuynh hướng này là mạnh nhất đối với máy cắt dây, ở đó các thuật toán điều khiển tạo được một lượng hớt vật liệu tối ưu mà làm giảm nguy cơ đứt dây

II Thị trường máy gia công tia lửa điện trên thế giới

- Việc bán các máy gia công tia lửa điện trên thế giới tăng 6% mỗi năm và vào cuối những năm 90 là vào khoảng 12000 máy

- Nhật Bản là nước sản xuất và sử dụng máy gia công bằng tia lửa điện nhiều nhất, chiếm 35% tổng số lượng máy trên thế giới Thứ hai là châu Âu với 30%, Mỹ đứng thứ

3 với 15% còn châu Á đạt 12% trong tổng số máy

- Phạm vi của các máy được buôn bán trên thị trường thế giới là rất rộng và đa dạng:

từ những máy rất lớn đến những máy nhỏ và những máy gia công tế vi Từ những máy

rẻ, ít tự động hóa (10000-15000)USD/máy của Trung Quốc, Đài Loan, đến các loại máy lên đến vài trăm nghìn USD/máy của Tây Âu hay Nhật Bản hoàn toàn tự động hóa với

hệ thống CAD/CAM hiện đại

III Nguyên lý gia công

Hình 1.1 Sơ đồ nguyên lí

- Hệ thống gia công tia lửa điện (Electrical Discharge Machining - EDM) bao gồm

có hai bộ phận chủ yếu: máy công cụ và nguồn cung cấp điện

DUT.LRCC

+ Máy công cụ gắn điện cực định hình (đóng vai trò là dao) và điện cực tiến tới

bề mặt chi tiết gia công sinh ra một lỗ chép hình dạng của dụng cụ

+ Nguồn năng lượng cung cấp sản sinh ra một tần số cao, tạo ra một loạt tia lửa điện giữa điện cực và bề mặt chi tiết và bóc đi một lớp kim loại bởi sự ăn mòn của nhiệt độ và sự hóa hơi Trên hình 1.1, chi tiết gia công lắp trên bàn máy công cụ, còn điện cực thì gắn với đầu máy Một động cơ Servo DC hoặc xylanh thủy lực để điều khiển điện cực theo phương thẳng đứng và duy trì một vị trí thích hợp của điện cực so với chi tiết gia công Vị trí này được điều chỉnh một cách tự động với sự chính xác cực kỳ nhờ hệ thống Servo và nguồn cung cấp Trong quá trình vận hành máy thông thường điện cực không bao giờ chạm bề mặt chi tiết, giữa chúng có một khe hở phóng điện nhỏ

- Trong quá trình vận hành, đầu máy di chuyển điện cực tiến đến bề mặt chi tiết đến khi giữa chúng tạo thành một khoảng cách mà ở đó điện thế có thể làm ion hoá dung dịch điện môi và cho phép một tia lửa điện đi qua từ điện cực đến bề mặt chi tiết gia công Những tia lửa điện này ở dưới dạng xung, phóng và tắt với tần số cao,

và có thể đạt đến 250.000 lần trên một giây Các tia lửa điện luôn di chuyển trong khe hở phóng điện, từ điện cực đến điểm gần nhất hoặc điểm cao nhất trên chi tiết gia công

- Lượng kim loại được lấy đi từ chi tiết ứng với mỗi lần phóng điện luôn cân xứng với năng lượng mà nó chứa đựng Mỗi lần phóng điện sẽ làm nóng chảy hoặc bốc hơi một vùng nhỏ của bề mặt chi tiết Kim loại nóng chảy này được làm nguội sau

đó dung dịch điện và cả chi tiết và điện cực đều ngâm chìm trong dung dịch điện môi Dung dịch này đóng vai trò như chất cách điện để điều khiển sự phóng tia lửa điện

- Trong gia công EDM chất điện môi cũng thực hiện chức năng của môi trường làm nguội và làm giảm nhiệt độ cực kỳ cao trong khe hở phóng điện Quan trọng hơn, dung dịch điện môi được bơm vào theo khe hở hình cung để đẩy đi những hạt

bị xói mòn giữa chi tiết và điện cực Sự sục rửa thích hợp làm cho quá trình bóc vật liệu đạt hiệu quả cao Bởi vì EDM ăn mòn kim loại bằng việc phóng tia lửa điện thay cho các dụng cụ cắt gọt tạo phoi nên độ cứng vật liệu không trở thành nhân tố quyết định xem vật liệu đó có thể gia công bằng EDM hay không Các điện cực kim loại

DUT.LRCC

hoặc than chì mềm có thể gia công các loại thép dụng cụ đã tôi hoặc tungsten carbide (cacbit vonfram) Đây là một trong những lợi ích hấp dẫn của việc sử dụng phương pháp EDM Có thể nhiệt luyện chi tiết trước rồi sau đó có thể gia công bằng EDM Điều này loại bỏ rủi ro của những hư hại và biến dạng có thể biến những chi tiết đắt tiền thành phế liệu trong khi xử lý nhiệt

IV Phân loại các phương pháp gia công bằng EDM

- Gia công EDM có thể phân thành các loại sau:

• Gia công xung định hình EDM (die sinking EDM hay ram-EDM)

• Gia công EDM bằng dây cắt (wire-cut EDM hay wire EDM)

• Gia công vi EDM (micro EDM)

• Khoan EDM (EDM drilling)

• Máy lấy mũi taro bị gãy (broken tap remover)

➢ Thế nhưng, trong 5 loại này thì chỉ có 2 loại là được sử dụng rộng rãi hiện nay Đó

là gia công xung định hình và gia công EDM bằng dây cắt

1 Gia công xung định hình

- Phương pháp “xung định hình” là phương pháp mà trong đó chi tiết được chế tạo nhờ điện cực có hình dáng giống như chi tiết sau khi gia công

Hình 1.2 Gia công xung định hình

- Chi tiết gia công lắp trên bàn máy công cụ, còn điện cực thì gắn trên đầu máy Một động cơ servo DC hoặc xilanh thủy lực để điều khiển điện cực theo phương thẳng đứng hoặc duy trì ở một vị trí nhất định

- Cả chi tiết và điện cực đều được ngâm trong dung dịch điện môi Dung dịch này đóng vai trò như chất cách điện để điều khiển sự phóng tia lửa điện

DUT.LRCC

2 Gia công bằng phương pháp cắt dây

- Là phương pháp cắt chi tiết trong đó có sự chuyển động tương đối giữa dây và phôi Điện cực là một sợi dây kim loại (d = 0,1 – 0,3 mm) được quấn liên tục và chạy dọc trục theo một đường đi xác định

- Vật liệu làm dây có thể bằng đồng đỏ, đồng thau, molipđen, bạc…

- Các dây cắt có thể phủ một lớp kẽm, oxit kẽm hoặc graphit để nâng cao độ bền của dây cũng như cải thiện khả năng sục chất điện môi vào khu vực cắt

Hình 1.3 Gia công cắt dây tia lửa điện

- Giữa gia công bằng điện cực thỏi và gia công bằng dây cắt có một số khác biệt sau: + Gia công bằng điện cực thỏi người ta sử dụng dầu làm chất điện môi thì trong WEDM lại dùng nước khử khoáng

+ Khi gia công bằng điện cực thỏi, sự phóng điện xảy ra giữa mặt đầu điện cực với chi tiết gia công còn khi gia công bằng dây cắt thì sự phóng điện xảy ra giữa mặt bên dây cắt với chi tiết gia công

+ Vùng phóng điện khi gia công bằng điện cực thỏi bao gồm mặt đầu và góc của điện cực Còn vùng phóng điện khi gia công bằng dây cắt chỉ bao gồm mặt 180o của dây cực khi nó tiến đến cắt chi tiết gia công

V Đặc điểm của gia công tia lửa điện

- Ba đặc điểm lớn của công nghệ này là:

+ Điện cực (đóng vai trò dụng cụ) lại có độ cứng thấp hơn nhiều lần so với độ cứng của phôi Nói nôm na là lấy cái mềm để cắt cái cứng

+ Vật liệu dụng cụ và vật liệu phôi đều phải dẫn điện

DUT.LRCC

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

1 Điện cực

1.1 Các yêu cầu của điện cực

- Mọi vật liệu dẫn điện và nhiệt đều có thể dùng làm điện cực nhưng để sử dụng hiệu quả thì nó phải thỏa mãn các yêu cầu sau:

+ Có tính gia công tốt nghĩa là phải dễ gia công

+ Có khối lượng riêng nhỏ để không ảnh hưởng đến khả năng chịu tải trọng của máy

1.2 Các loại vật liệu điện cực

- Người ta phân biệt 3 nhóm vật liệu điện cực:

+ Nhóm vật liệu kim loại: đồng điện phân, đồng-volfram, đồng thau…

+ Nhóm vật liêu phi kim loại: graphit

+ Nhóm vật liệu pha trộn kim loại-phi kim loại: đồng-graphit

- Ngoài ra còn có thể sử dụng các vật liệu như: thép volfa, nhôm, molipden, hợp kim cứng… như chỉ sử dụng trong một số trường hợp đặc biệt

❖ Đồng điện phân:

- Đồng điện phân chứa ít nhất 99,92% Cu và tối đa 0,005% O2.

+ Khối lượng riêng: 8,9 g/cm3

- Nhược điểm của đồng điện phân là nặng và có độ giãn nở nhiệt lớn không phù hợp để chế tạo các điện cực lớn

❖ Đồng-volfram:

- Đồng-volfram gồm (65-80%W) còn lại là đồng

+ Khối lượng riêng: 15-18 g/cm3

+ Điểm nóng chảy: khoảng 25000C

+ Điện cực bằng đồng-volfram có độ bền ăn mòn cao là nhờ sự có mặt volfram

Có sự dẫn điện tốt vì có đồng

- Nhược điểm của đồng-volfram là nặng và khối lượng riêng lớn giá thành cao

❖ Graphit:

- Đây là cacbon tinh khiết với 0,1%

+ Khối lượng riêng: 1,6-1,85 g/cm3

+ Điểm nóng chảy: khoảng 25000C

- Đường kích d của điện cực phụ thuộc vào 3 yếu tố:

+ Đường kính D của lòng khuôn cần gia công

+ Khe hở Fs giữa lòng khuôn và điện cực

+ Độ cao nhấp nhô cực đại Rmax và khe hở Fs đều được đưa vào công thức d của điện cực

- Khi gia công tinh có độ nhám Rmax rất nhỏ so với khe hở phóng điện Fs nên có thể bỏ qua Rmax trong công thức tính đường kính d của điện cực chỉ còn lại Fs

2 Chất điện môi

2.1 Nhiệm vụ của chất điện môi

- Chất điện môi có nhiệm vụ chính:

DUT.LRCC

- Chất điện môi dùng trong thực tế ít khi nguyên chất, nên phải qua hệ thống lọc

- Ion hóa: Chất điện môi phải tạo ra nên những điều kiện tối ưu cho sự phóng điện,

nghĩa là nó phải được ion hóa ở vào thời điểm chuẩn bị phóng điện nghĩa là phải tạo

một phóng điện

- Làm nguội: Ở kênh phóng điện trong thời gian cực ngắn nhiệt độ có thể lên đến

100000C Nhiệt ở đây cần được chuyển đi nếu không thì độ mòn điện cực sẽ tăng lên

Bề mặt phôi cũng bị hư hại do quá nhiệt, bản thân chất điện môi cũng không được phép quá nhiệt

- Vận chuyển phoi: Nếu chất điện môi không sạch thì gây ra sự không chính xác

và các khuyết tật quá trình Vì vậy phải có hệ thống dòng chảy của chất điện môi để vận chuyển các phần tử đã ăn mòn đó đi khỏi khe hở phóng điện và đảm bảo chất điện môi sạch cho khe hở

2.2 Các chất điện môi và tiêu chuẩn đánh giá chung

- Có hai loại chất điện môi dùng cho 2 phương pháp gia công tia lửa điện khác nhau:

+ Hydrocacbon chủ yếu dùng cho xung định hình

+ Nước khử khoáng chủ yếu dùng cho cắt dây

➢ Ngoài ra còn có một chất điện môi mới dựa trên thành phần chính là nước Nó

có độ nhớt tốt hơn nước và hiệu quả làm nguội tốt hơn dầu

- Các tiêu chuẩn đánh giá chất điện môi:

+ Bền lâu, ít hao phí

+ Vệ sinh, không hại da, không độc hại, không khó ngửi

+ Có điểm cháy tương đối cao

DUT.LRCC

+ Có mật độ, độ đậm đặc nhất định

+ Có mật độ trong suốt để dễ quan sát vùng gia công

+ Có độ nhớt nhất định

+ Có khả năng dẫn điện với điều kiện nhất định

+ Cách điện ở điều kiện bình thường

+ Có khả năng truyền điện áp

+ Có khả năng bị ôxi hóa

+ Có khả năng được lọc sạch

+ Giá cả phải chăng

➢ Trong các tiêu chuẩn trên, đáng quan tâm hàng đầu là độ nhớt của chất điện môi, vì nó ảnh hưởng trực tiếp lên kênh phóng điện Độ nhớt đặc trưng cho ma sát trong là trợ lực của chất lỏng đối với sự cháy Độ nhớt đo bằng mm2/s, độ nhớt quyết định sự mở rộng kênh phóng điện

- Độ nhớt của chất điện môi càng cao thì kênh phóng điện được tập trung hơn, hiệu quả phóng điện cao hơn

- Để gia công thô, sử dụng chất điện môi có độ nhớt cao với giá trị độ nhớt đến 4

mm2/s để gia công, sử dụng chất điện môi sử dụng chất điện môi có độ nhớt thấp với giá trị độ nhớt độ nhớt đến 2 mm2/s

- Các yếu tố an toàn của chất điện môi:

+ Vì nhiệt độ trong khe phóng điện rất cao, bản thân chất điện môi trở nên rất mỏng nên rất cần tránh dùng các chất điện môi có điển cháy thấp (dễ cháy)

+ Trong các chất điện môi trên cơ sở nước, dòng điện rò rất lớn có hại khi gia công tinh

+ Phù hợp cho gia công tinh vẫn là dầu, vì dầu có khả năng điện môi thấp Trên thị trường cũng có các máy gia công xung định hình cho phép thay thế chất điện môi khi gia công thô và tinh

+ Khi gia công tia lửa điện cắt dây thì dùng nước khử khoáng Khi đó do khe hở nhỏ nên ít có vấn đề liên quan đến sự bốc hơi của của các bọt khí được tạo nên trong chât điện môi Tuy nhiên nước khử khoáng đòi hỏi các chất kiềm chế

- Các loại dòng chảy chất điện môi:

DUT.LRCC

+ Dòng chảy bên ngoài

+ Dòng chảy áp lực từ điện cực hoặc từ phôi

+ Dòng chảy hút qua điện cực hoặc qua phôi

+ Dòng chảy phối hợp

+ Dòng chảy nhắp

+ Dòng chảy chuyển động điện cực

- Ảnh hưởng chung của chất điện môi lên kết quả gia công:

Các ảnh hưởng Lượng hớt vật liệu Chất lượng bề mặt gia công phóng điện Khe hở

Độ nhớt cao gia công thô Tăng khi (gia công thô) Tốt hơn Lớn hơn

➢ Qui trình gia công tia lửa điện có thể chia làm 9 bước và mối quan hệ giữa

hiệu điện thế và cường độ dòng điện được thể hiện như sau:

+ Bước 1: Hai điện cực được tiến lại gần nhau giữa điện cực và bề mặt chi tiết là một lớp dầu cách điện (dung dịch chất điện môi) Dung dịch bị phá vỡ để chuyển thành những hạt ion Vùng điện trường mạnh nhất ở hai điểm gần nhau nhất

+ Bước 2: Khi số lượng hạt tăng thì tính chất cách điện của dung dịch điện môi bắt đầu giảm dọc theo một kênh hẹp chính giữa là vùng điện trường mạnh nhất bắt đầu giảm mạnh Điện áp đã tăng tối đa nhưng cường độ dòng điện vẫn bằng không

+ Bước 3: Một dòng điện được thiết lập khi dung dịch điện môi trở nên kém cách điện

+ Bước 4: Nhiệt hình thành khi dòng điện tăng lên và điện áp tiếp tục giảm Lượng nhiệt làm bốc hơi dung dịch chi tiết và điện cực dụng cụ và một kênh phóng điện bắt đầu hình thành giữa điện cực và bề mặt chi tiết

+ Bước 5: Một bọt hơi nước bắt đầu giãn ra, nhưng sự giãn này bị giới hạn bởi một luồng ion hướng về kênh phóng tia lửa điện Những hạt ion này bị hút bởi vùng điện trường cao mãnh liệt đã được hình thành Dòng điện tiếp tục tăng, điện áp giảm

DUT.LRCC

+ Bước 6: Gần cuối thời điểm phóng điện, dòng điện và điện áp đã được thiết lập, nhiệt độ và áp suất bên trong bọt hơi nước đạt cực đại, và một số kim loại bị bóc ra Lớp kim loại ngay bên dưới cột tia lửa điện ở trạng thái nóng chảy, nhưng

nó vẫn còn được giữ trên bề mặt bởi áp suất của bọt hơi nước Kênh phóng điện bây giờ bao gồm một kênh plasma cực nóng được tạo bởi hơi kim loại, chất điện môi và carbon với dòng điện cực lớn đi qua nó

+ Bước 7: Lúc bắt đầu thời điểm kết thúc phóng điện, dòng điện và điện áp giảm xuống tới không Nhiệt độ giảm xuống rất nhanh, bọt hơi nước vỡ tan và phần kim loại nóng chảy hoá hơi bị bật ra khỏi bề mặt chi tiết gia công

+ Bước 8: Dung môi mới được đưa vào bằng tia và mang đi những mảnh vụn trên

bề mặt chi tiết, đồng thời dung môi cũng tôi bề mặt chi tiết Mang đi những kim loại hoá hơi bị đông đặc Phần kim loại nóng chảy không bị bong tách đông cứng lại hình thành một lớp như lớp kết tinh lại (recast layer)

+ Bước 9: Những phần kim loại bị bóc ra đông đặc lại thành những hạt hình cầu nhỏ được dung dịch điện môi mang đi vơi một ít carbon của điện cực Những hơi nước còn lại nổi lên mặt Trình tự đóng/tắt này đại diện cho một chu kỳ EDM, nó

có thể đạt tới 250.000 lần trong một giây Có thể chỉ có một chu kỳ xảy ra tại bất

kỳ thời điểm nào đã cho

VI Thiết bị gia công tia lửa điện

1 Các bộ phận của máy gia công bằng tia lửa điện

Hình 1.2 Các bộ phận chính của máy gia công xung định hình EDM

DUT.LRCC

Hình 1.4 Các bộ phận chính của máy gia công cắt dây bằng tia lửa điện

2 Một số loại máy trên thị trường

Hình 1.5 Máy xung định hình EDM Hình 1.6 Máy cắt dây EDM

Hình 1.7 Máy khoan EDM Hình 1.8 Máy lấy mũi taro bị gãy

DUT.LRCC

VII Khả năng công nghệ

- Bề mặt chi tiết được gia công EDM có thể đạt Ra = 0,63µm khi gia công thô và Ra

= 0,16µm khi gia công tinh Thông thường độ chính xác gia công vào khoảng 0,01mm

Ở các máy khoan tọa độ EDM độ chính xác gia công đạt đến 0,0025mm

- Phương pháp này có thể gia công những vật liệu khó gia công mà các phương pháp gia công không truyền thống không làm được như thép tôi, thép hợp kim khó gia công, hợp kim cứng Nó cũng gia công được các chi tiết hệ lỗ có hình dáng phức tạp

VIII Ưu và nhược điểm của gia công bằng tia lửa điện

❖ Ưu điểm:

- Gia công được các loại vật liệu có độ cứng tùy ý

- Điện cực có thể sao chép hình dạng bất kì, chế tạo và phục hồi các khuôn dập bằng thép đã tôi

- Chế tạo các lưới sàn, rây bằng cách gia công đồng thời các lỗ bằng những điện cực rất mảnh Gia công các lỗ có đường kính rất nhỏ, các lỗ sâu với tỉ số chiều dài trên đường kính lớn

- Do không có lực cơ học nên có thể gia công hầu hết các loại vật liệu dễ vỡ, mềm…

mà không sợ bị biến dạng

- Do có dầu trong vùng gia công nên bề mặt gia công được tôi trong dầu

❖ Nhược điểm:

- Phôi và dụng cụ (điện cực) đều phải dẫn điện

- Vì tốc độ cắt gọt thấp nên phôi trước gia công EDM thường phải gia công thô trước

- Do vùng nhiệt độ tại vùng làm việc cao nên gây biến dạng nhiệt

IX Một số sản phẩm và ứng dụng

- Phương pháp gia công bằng tia lửa điện có thể gia công được rất nhiều các sản phẩm khác nhau Sản phẩm của chúng thì rất đa dạng và phong phú Có thể dùng phương pháp này để gia công chi tiết trong các trường hợp sau:

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

+ Chế tạo và phục hồi các khuôn dập đã tôi và khuôn bằng hợp kim cứng

+ Các lưới sàng, rây bằng cách gia công đồng thời các lỗ bằng điện cực rất mảnh + Mài phẳng, mài tròn, mài sắc hoặc làm rộng lỗ

DUT.LRCC

+ Gia công các lỗ có đường kính nhỏ Ø0,15mm sâu tới 60mm cho sai số 5µm Các

lỗ Ø0,05mm - 1mm với chiều sâu lớn như các lỗ làm mát trong cánh tuabin làm bằng hợp kim siêu cứng

+ Lấy các dụng cụ bị gãy và kẹp trong chi tiết (bulông, taro…)

+ Gia công khuôn mẫu và các chi tiết cần độ chính xác cao bằng vật liệu hợp kim cứng…

❖ Một số sản phẩm:

Hình 1.10 Một số sản phẩm gia công

DUT.LRCC

PHẦN 2: CƠ SỞ LÍ THUYẾT GIA CÔNG BẰNG TIA LỬA ĐIỆN

I Bản chất của quá trình phóng tia lửa điện

- Hiệp hội kỹ sư Đức (VDI) đã định nghĩa về sự phóng tia lửa điện là “sự tách vật liệu nhờ tia lửa điện” Một điện áp được đặt giữa điện cực và phôi (chèn hình) Cho 2 điện cực áp lại gần nhau, đến một khoảng nào đó thì sẽ xảy ra sự phóng tia lửa điện Một dòng điện xuất hiện một cách tức thời Khi phóng tia lửa điện các điện cực không tiếp xúc với nhau Nếu chúng chạm vào nhau thì sẽ không có tia lửa điện mà xảy ra một dòng ngắn mạch, có hại đối với quá trình gia công Nếu khe hở lớn quá thì sẽ không có hiện tượng phóng tia lửa điện, làm giảm năng suất gia công

- Trong một chu kì phóng tia lửa điện có 3 chu kì như sau:

2 Pha 2: Sự hình thành kênh phóng điện

- Ở thời điểm phóng điện, điện áp bắt đầu giảm Số lượng các phần tử dẫn điện (điện

tử và ion dương) tăng lên một cách khủng khiếp và dòng điện chạy giữa các điện cực Dòng điện này cung cấp một dòng năng lượng khổng lồ làm cho dung dịch điện môi bốc hơi cục bộ Áp suất trong các bong bóng hơi đẩy các dung dịch điện môi sang hai bên Nhưng có độ nhớt nên chất điện môi tạo nên một sự cản trở, hạn chế sự lớn lên của kênh phóng điện giữa các điện cực

DUT.LRCC

3 Pha 3: Nóng chảy và bốc hơi vật liệu

- Lõi của bọt hơi bao gồm một kênh plasma Plasma này là một chất khí có lẫn các điện tử và ion dương ở áp suất cao và nhiệt độ lớn (100000C) Khi kênh plasma này được tạo thành thì điện áp qua khe hở đạt tới điện áp phóng tia lửa điện Ue Giá trị của điện áp Ue là một giá trị hằng số vật lí, phụ thuộc vào sự phối hợp vật liệu katot/anot

- Chất điện môi giữ kênh plasma và cũng là giữ cho năng lượng có một độ tập trung cục bộ Sự va chạm của các điện tử lên anot và của các ion dương lên katot làm nóng chảy và bốc hơi điện cực

- Máy phát sẽ ngắt dòng điện sau khi đã diễn ra một xung có hiệu quả Điện áp bị mất đột ngột Kênh phóng điện biến mất Áp suất cũng bị mất đột ngột 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 xảy ra trong khoảng vài micro giây cho đến vài trăm micro giây, tùy thuộc vào công dụng Giữa các xung có một độ trễ to (là thời gian giữa các xung), cho phép chất điện môi thôi ion hóa và có thời gian dịch chuyển phôi ra khỏi khe

hở giữa các điện cực nhờ dòng chảy của chất điện môi Ở đây, chất điện môi của 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

II Cơ cấu tách vật liệu

- Các đặc tính tách vật liệu đầu tiên phụ thuộc vào năng lượng tách vật liệu Nếu gọi năng lượng tách vật liệu là We thì ta có đẳng thức sau:

We = Ue.Ie.Te

➢ Trong đó: Ue, Ie là các giá trị trung bình của điện áp và dòng tia lửa điện được lấy trong khoảng thời gian xung Do Ue là một hằng số vật lí phụ thuộc vào cặp vật liệu

DUT.LRCC

điện cực/phôi nên về thực tế năng lượng tách vật liệu chỉ phụ thuộc vào dòng điện và thời gian xung

- Mật độ điện tử tập trung tới bề mặt cực dương cao hơn nhiều lần so với mật độ các ion dương tập trung tới bề mặt cực âm Điều này là nguyên nhân gây ra sự nóng chảy rất mạnh ở cực dương trong chu kì này

- Dòng ion dương chỉ đạt tới cực âm (catot) trong vòng vài micro giây đầu tiên Các ion dương gây ra sự nóng chảy và bốc hơi của vật liệu catot Do đó có hiện tượng điện cực bị mòn

- Vật liệu điện cực khi tiếp xúc với plasma ở một pha có áp lực cao tới 1 Kbar và ở nhiệt độ cực cao khoảng 10000oC trong kênh plasma

- Một lí do quan trọng của sự tống ra của vật liệu bị chảy lỏng là sự đột ngột biến mất của kênh plasma khi dòng điện bị ngắt Ngay lập tức, áp suất tụt xuống bằng áp suất xung quanh sau khi ngắt dòng điện Điều này gây ra sự nổ và bốc hơi của chất lỏng nóng chảy hiện có Tốc độ cắt dòng điện và mức độ sụt của xung dòng điện sẽ quyết định tốc

độ sụt áp suất và sự bắt buộc nổ của vật liệu nóng chảy Thời gian sụt của dòng điện là yếu tố quyết định đến độ nhám của bề mặt gia công

III Đặc tính về điện của sự phóng tia lửa điện

- Dựạ vào các đặc tính về thời gian của sự phóng tia lửa điện người ta có thể nhận ra các đặc tính về điện Các đặc tính này chính là các thông số điều chỉnh quan trọng nhất của quá trình gia công

- Mỗi máy phát của thiết bị gia công tia lửa điện đều có nhiệm vụ là cung cấp năng lượng làm việc cần thiết

- Máy phát hiện đại của một thiết bị gia công tia lửa điện là máy phát xung tĩnh Ở đây, năng lượng được điều khiển bằng điện tử, nhưng không có yếu tố bù Nguyên lí tác dụng của máy phát xung tĩnh thực hiện được trước hết thông qua sự phát triển của transistor mạnh và các sản phẩm điện tử hiện đại Máy phát xung tĩnh có ưu điểm lớn ở

độ linh hoạt của các thông số điều chỉnh Qua đó, mỗi trường hợp gia công có thể giải quyết dưới quan điểm là điện cực phải ít mòn nhất và chất lượng bề mặt gia công là tối

ưu

❖ Các thông số đó gồm có:

- Điện áp đánh lửa Uz:

DUT.LRCC

Đây là điện áp cần thiết để dẫn tới sự phóng tia lửa điện Điện áp phóng lửa Uz càng lớn thì phóng điện càng nhanh và cho phép khe hở phóng điện càng lớn

- Thời gian trễ đánh lửa td:

Đó là thời gian giữa lúc đóng điện máy phát và lúc xảy ra phóng tia lửa điện Điện

áp duy trì ở điện áp đánh lửa Uz, dòng điện vẫn bằng không Sau thời gian trễ td mới xảy

ra sự phóng tia lửa điện

- Điện áp phóng tia lửa điện Ue:

Khi bắt đầu phóng tia lửa điện thì điện áp hạ từ giá trị Uz xuống giá trị Ue Đây là điện áp trung bình trong suốt quá trình phóng tia lửa điện Ue là một hằng số vật lí phụ thuộc vào cặp vật liệu điện cực/phôi Ue không điều chỉnh được

- Dòng phóng tia lửa điện Ie:

Dòng điện Ie là giá trị trung bình của dòng điện từ khi bắt đầu phóng tia lửa điện cho đến khi ngắt điện Ie ảnh hưởng lớn nhất tới sự hớt vật liệu, lên độ mòn điện cực và lên chất lượng bề mặt gia công Nhìn chung, Ie càng lớn thì lượng hớt vật liệu càng lớn nhưng độ mòn điện cực giảm

- Thời gian phóng tia lửa điện te:

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

- Độ kéo dài xung ti:

Đây là khoảng thời gian giữa hai lần đóng/ngắt của máy phát trong cùng một chu kì phóng tia lửa điện

• Độ kéo dài xung ảnh hưởng tới:

DUT.LRCC

dòng điện ngắn mạch Cũng trong thời gian của khoảng cách xung to, dòng chảy sẽ đẩy các vật liệu bị ăn mòn ra khỏi khe hở phóng điện

IV Lượng hớt vật liệu

- Các yếu tố ảnh hưởng tới lượng hớt vật liệu là:

+ Điện áp phóng tia lửa điện Ue

+ Dòng phóng tia lửa điện Ie

+ Thời gian phóng tia lửa điện te

❖ Từ đẳng thức: We = Ue.Ie.te , lượng hớt vật liệu được xác định qua I, ti,t o và Uz

- Sự đồng đều khi hớt vật liệu:

+ Khi xảy ra sự phóng tia lửa điện trên bề mặt phôi xuất hiện 1 “miệng núi lửa” rất nhỏ ở 1 điểm A nào đó có khoảng cách gần nhất tới điện cực

+ Khi nguồn điện áp được ngắt một lần nữa sẽ lại xảy ra phóng tia lửa điện nhưng

V Chất lượng bề mặt khi gia công tia lửa điện

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

- Vết nứt tế vi và các lớp ảnh hưởng nhiệt, người ta có thể mài một mặt cắt của mẫu thử để soi và chụp ảnh trên kính hiển vi kim cương Sau khi gia công thô có thể thấy rõ các vết nứt tế vi và một vùng bị ảnh hưởng nhiệt

DUT.LRCC

➢ Để khắc phục các ảnh hưởng xấu nói trên của lớp bề mặt khi gia công tia lửa điện nên sử dụng các bước kế tiếp nhau: gia công thô, bán tinh và tinh Nhờ đó không những giảm được độ nhám bề mặt mà còn lấy đi được vùng bị ảnh hưởng nhiệt với các lớp trắng và lớp tôi cứng

VI Sự mòn điện cực

- Vật liệu được hớt từ phôi cho đến khi khe hở giữa điện cực và phôi lớn đến mức không thể xảy ra phóng điện nữa Nếu điện cực tịnh tiến đều để duy trì được chiều rộng khe hở ban đầu thì nó sẽ gia công càng sâu (rộng) hơn vào phôi gây ra những sai lệch

- Tuy nhiên, trong quá trình gia công, chính điện cực cũng bị hớt đi một lớp vật liệu mỏng, tuy rất nhỏ so với lượng hớt của phôi Sự hớt vật liệu từ điện cực này là điều không mong muốn, vì nó gây ra sự mòn điện cực

- Có thể giữ cho độ mòn điện cực là nhỏ nhất bằng cách chọn phù hợp vật liệu điện cực-phôi và sự đấu cực phù hợp Độ không chính xác trong quá trình gia công cũng thường là kết quả của độ mòn điện cực

- Người ta thường xác định một thông số gọi là “độ mòn tương đối”  của điện cực:

 = 𝑉𝑒

𝑉𝑤.100%

Trong đó: - Ve là thể tích vật liệu điện cực bị mất đi

- Vw là thể tích vật liệu phôi bị mất đi

- Ảnh hưởng tới độ mòn điện cực có những yếu tố sau:

+ Sự phối hợp cặp vật liệu điên cực/phôi

+ Dòng điện Ie hay bước dòng điện

+ Độ kéo dài xung

- Dòng điện Ie hay bước dòng điện cũng tác dụng đến độ mòn điện cực Trong trường hợp của hai sự phối hợp vật liệu thông dụng nhất là đồng/thép và graphit/thép thì độ

DUT.LRCC

mòn tương đối của vật liệu sẽ giảm khi tăng dòng điện Ie hoặc tăng bước dòng điện Độ kéo dài xung te cũng ảnh hưởng đến độ mòn của điện cực

VII Độ chính xác khi gia công tia lửa điện

- Độ chính xác của quá trình gia công tia lửa điện phụ thuộc vào nhiều yếu tố: + Độ chính xác của máy (độ ổn định về cơ, độ chính xác vị trí, hệ thống chạy dao của bàn trượt)

+ Các thông số điều chỉnh về điện khi gia công (Ue, Ie, te …)

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

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

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

ưu, những điều kiện phù hợp về nhiệt độ ở trong phòng và việc giữ cho nhiệt độ của chất điện môi là hằng số

- Tình trạng của chất điện môi cũng ảnh hưởng rất nhiều đến điện áp đo được Với một mật độ của vật liệu được hớt đi có mặt trong khe hở phóng điện lớn hơn so với chất điện môi loãng thì sự có mặt của phần tử dẫn điện sẽ làm tăng cường độ từ trường đối với cùng một chiều của khe hở phóng điện

➢ Tóm lại, độ chính xác gia công tia lửa điện được thể hiện ở bẳng sau:

- Độ ổn định chống rung - Số lượng điện cực

- Độ chính xác các vạch đo - Độ kéo dài xung

- Tư thế của các truyền động - Khoảng cách xung

- Nhiệt độ dung dịch điện môi

DUT.LRCC

- Vật liệu điện cực

- Đồ gá kẹp chặt điện cực

- Lượng dư của điện cực

- Khả năng giữ được kích thước

- Tính chất bề mặt

- Sự sục rửa bề mặt

- Độ chính xác điêu khiển theo đường cong

- Độc chính xác mà nhờ

đó có thể lập trình được một đường cong

- Việc lập chọn chuẩn tọa độ

VIII Các hiện tượng xấu khi gia công tia lửa điện

- Hồ quang (sự phóng điện không có sự đốt cháy):

+ Sự phóng điện lặp lại tại một chỗ mà không có thời gian trễ đốt cháy td được gọi

là hồ quang điện Nó có thể phát hiện khi đo hoặc kiểm tra máy phát nhờ hệ thống điện

tử dựa vào các đường đặc tính thời gian của đường cong điện áp

+ Nguyên nhân: theo sự phóng điện có một số lớn các phần tử vật liệu lơ lửng trong chất điện môi phía trên các “miệng núi lửa” đã bị ăn mòn điện Hơn nữa, có một số ion vẫn còn lơ lững trên “miệng núi lửa” Chính sự tồn tại của các ion này gây ra hồ quang, trước khi chúng bị mất điện và bị đẩy ra khỏi khe hở phóng điện bởi dòng điện chất điện môi Hồ quang xảy ra ở khoảng cách giữa các xung

+ Nếu khoảng cách giữa các xung quá ngắn thì sẽ có một cầu tia lửa điện được tập hợp bởi các ion và các phần tử bị ăn mòn điện vẫn được duy trì, xung tiếp theo sẽ xảy

ra lập tức và đốt cháy ở cùng một điểm với xung có trước Như vậy, một sự phóng điện liên tiếp lặp đi lặp lại sẽ xảy ra ở cùng một điểm của phôi Khi đó, sẽ không xảy

ra các “miệng núi lửa” ăn mòn liên tiếp bên cạnh nhau, mà sẽ tạo ra một lỗ sâu trên bề mặt phôi Cả điện cực và phôi đều bị hư hại và chúng không thể sử dụng được nữa

➢ Tóm lại, hồ quang sẽ xảy ra khi:

+ Dòng chảy của chất điện môi quá yếu

+ Khoảng cách xung to quá ngắn

- Ngắn mạch, sụt áp:

+ Dòng điện chảy từ điện cực qua phôi mà không có sự phóng tia lửa điện thì được gọi là dòng ngắn mạch Các phép đo và kiểm tra bằng điện tử sẽ phát hiện được dòng

DUT.LRCC

ngắn mạch khi điện áp sụt xuống một giá trị thấp, xấp xỉ 0 trong khi dòng điện đạt giá trị max

+ Sự ngắn mạch không chỉ ngăn cản sự hớt vật liệu mà còn làm hư hại cấu trúc phôi Dòng điện mạnh khi ngắn mạch sẽ tạo ra nhiệt ảnh hưởng sâu vào phôi Tóm lại, ngắn mạch xảy ra bởi:

• Sự tiếp xúc trực tiếp giữa điện cực và phôi

• Các phần tử bị kẹt trong khe hở phóng điện

• Chiều rộng khe hở quá nhỏ

- Xung mạch hở không có dòng điện:

+ Điều kiện mà trong đó các xung không gây ra sự phóng tia lửa điện thì được gọi

là các xung mạch hở Các phép đo điện tử sẽ xác nhận rằng có một xung mạch hở khi điện áp đánh lử không sụt giảm Sự tăng số lượng các xung mạch hở sẽ là giảm hiệu quả phóng điện

➢ Các xung mạch hở bị gây ra bởi:

• Chiều rộng khe hở phóng điện quá lớn

• Dòng chảy quá mạch, thổi hết ion ra khỏi vùng ra công

+ Xung mạch hở làm giảm năng xuất gia công

- Sự quá nhiệt của chất điện môi:

+ Khi gia công rất rộng nhưng chiều rộng khe hở phóng điện lại quá nhỏ (gia công tinh khuôn lớn) chất điện môi trở nên nóng đến mức nó bị phân hủy mạnh thành cacbon

+ Các phần tử cacbon này khi tạo thành sẽ làm tăng tính dẫn điện của chất điện môi khiến cho quá trình gia công bị nhiễu loạn bởi hồ quang thường xuyên

DUT.LRCC

PHẦN 3: THIẾT KẾ MÁY CẮT DÂY

I Giới thiệu

➢ Các thành phần cơ bản tạo nên một máy cắt dây khá khác so với những máy xung định hình

Hình 3.1 Minh họa một máy cắt dây với một vị trí bàn làm việc cố định

- Ở đây, các phôi di chuyển trên bàn máy theo 2 phương X-Y, với các dây điện cực được tổ chức ở một vị trí cố định Bàn máy di chuyển được nhờ động cơ Servo, được điều khiển bởi hệ thống máy tính được lập trình (CNC) Một máy cắt dây muốn gia công chính xác cần phải chú ý tới hệ thống dịch chuyển dây - ống dẫn Điều này bao gồm các hướng dẫn dây trên và dưới, các cơ chế căng dây, và tình trạng của dây Dây cắt chỉ được sử dụng một lần, do vật liệu bị loại bỏ khỏi bề mặt dây trong quá trình phát ra tia lửa điện Khi cắt xong một lần, tùy thuộc vào chiều dài dây tham gia cắt mà dây được cắt đi dài hay ngắn và phần dây này bị loại bỏ, không được sử dụng nữa

- Việc cung cấp dây theo các kiểu khác nhau, tùy thuộc vào thiết kế và vật liệu Người điều khiển cần phải đánh giá được khả năng gia công của các dây, từ đó có thể chắc chắn khả năng gia công đạt độ chính xác tốt nhất trong một khoảng thời gian dài

DUT.LRCC

- Các dẫn dây nâng cao cơ chế được thiết lập để cho phép thích hợp với chiều cao phôi, trong phạm vi được yêu cầu của các ứng dụng thực hiện Dẫn dây trên thường có thể điều chỉnh được để thay đổi theo chiều cao phôi Dẫn dây dưới được cố định ở gần

bề mặt đáy của phôi Dẫn hướng dây điện phải được kiểm tra định kỳ và cũng cần được kiểm tra cho sạch sẽ

II Cơ cấu máy cắt dây

- Một hệ thống dây EDM gồm các thành phần chính:

• Bộ phận điều khiển (CNC)

• Nguồn cung cấp: Cung cấp năng lượng cho các tia lửa

• Hệ thống điện môi: Các hồ chứa nước, nơi lọc, điều kiện của nước (điện trở suất/dẫn) và nhiệt độ của nước được cung cấp và duy trì

• Phần cơ: Bàn làm việc, đơn vị côn, và cơ chế ổ dây

1 Hệ thống điều khiển

- Máy cắt dây bằng tia lửa điện ban đầu được chế tạo theo phong cách mở Máy theo phong cách mở được phát triển bằng cách sử dụng thiết bị có sẵn vào thời điểm đó Việc điều khiển máy tính thường được biến đổi từ các loại máy công cụ Máy cắt dây được phát triển do cần phải gia công được các bề mặt có hình dạng phức tạp, mà không sử dụng đến các điện cực gia công cần thiết như cho máy gia công xung định hình Máy cắt dây EDM đại diện cho một bước tiến lớn cho tất cả các ứng dụng gia công lỗ

Hình 3.2 Máy cắt dây theo phong cách mở

DUT.LRCC

- Thiết kế giải quyết những vấn đề này bằng cách cài đặt một lớp bảo vệ trên các đơn

vị dây nguồn cấp và cài đặt bảo vệ xung quanh các khu vực làm việc Phong cách mở này đã trở thành một tiêu chuẩn cho các máy móc cắt dây

- Khi hệ thống máy cắt dây phát triển, người ta nhận thấy rằng, tăng tỷ lệ dòng chảy chất điện môi thì áp lực trong quá trình gia công cũng tăng Với sự gia tăng tỷ lệ dòng chảy chất điện môi và áp lực, máy cắt dây theo phong cách mở không còn phù hợp Một máy cắt dây mới được ra đời

Hình 3.3 Máy cắt dây theo phong cách kín

- Máy dây cắt kèm theo là một module khép kín, thiết kế để bảo vệ các thành phần điện tử từ việc tiếp xúc với chất điện môi Tại khu vực làm việc và vị trí nguồn cung cấp dây đều có cửa bảo vệ Trong quá trình gia công thường có một cửa sổ xem để quan sát phôi trong chu kỳ đánh điện Tuy nhiên, với tỷ lệ chất điện môi chảy cao được sử dụng,

ta rất khó để nhìn thấy rõ quá trình gia công, do khối lượng của chất lỏng chảy vào cửa

sổ xem Hệ thống máy tính điều khiển của các loại máy này theo dõi tất cả các điều kiện gia công, và trong hầu hết trường hợp, nó hiển thị trực quan các hình dạng được gia công

- Máy cắt dây cung cấp cho các hoạt động gia công hai, ba, bốn, và năm trục Các trục được xác định là trục X, trục Y, trục U, trục V và trục Z Trong hoạt động, trục X

và U là song song theo hướng hoạt động, các trục Y và V là song song trong hoạt động của người điêu khiển, trong khi trục Z là vuông góc với trục X-U và Y-V Trục U và V

DUT.LRCC

bù đắp dây cắt từ vị trí thẳng đứng Điều này cho phép các máy cắt dây gia công các bề mặt theo chiều dọc trên phôi

- Hoạt động của trục Z có thể được vận hành bằng tay hoặc máy tính điều khiển Trục này được sử dụng để xác định vị trí các dây dẫn ở gần các bề mặt của phôi

- Các máy tính điều khiển tất cả các chuyển động của máy cắt dây Hướng dẫn sử dụng là có thể cho các hoạt động thiết lập thông qua sự kiểm soát máy tính Tất cả các trục điều khiển bao gồm một hệ thống thông tin phản hồi, cung cấp cho các máy tính của các vị trí của từng bộ phận Mỗi nhà sản xuất cung cấp một hệ thống thông tin phản hồi và máy tính kiểm soát các yêu cầu chính xác trong hoạt động gia công

- Các máy công cụ cũng bao gồm các đơn vị dây nguồn cấp dữ liệu Điều này là cơ

sở để điều khiển tốc độ dây khi nó đi qua các khu vực đánh điện Nếu tốc độ ở đây quá chậm khi qua khu vực này, các tia lửa sẽ làm xói mòn và cuối cùng phá vỡ dây Tốc độ quá nhanh thì các dây nhanh chóng thông qua các tia lửa gây lãng phí Ngoài việc kiểm soát tốc độ dây đi qua, các dây cần phải được giữ cho thật căng và thẳng

Hình 3.4 Các trục trên máy cắt dây

- Nếu không có độ căng thích hợp, hệ thống động cơ Servo sẽ không hoạt động đúng

và các bề mặt gia công sẽ bị bóp méo Các nguyên liệu phôi và độ dày cũng sẽ ảnh hưởng đến tốc độ dây đi qua

DUT.LRCC

Hình 3.5 Phôi di chuyển trên máy cắt dây

➢ Hình trên minh họa một thiết kế mà di chuyển các phôi bằng phương tiện của một

bảng X-Y Dây điện cực là đứng yên ngoại trừ trục U và V được kết hợp trong các cánh tay cung cấp dây dẫn

2 Nguồn cung cấp và máy tính

- Các nguồn cung cấp điện cho máy cắt dây rất khác so với các máy gia công bằng xung định hình Máy cắt dây đòi hỏi có máy tính để giám sát tất cả các giai đoạn của hoạt động Kể từ khi cung cấp điện và máy tính thì các bộ phận điện tử thường được lắp ráp thành một tủ chung

Hình 3.6 Hệ thống cung cấp điện và hệ thống điều khiển

➢ Hình minh họa trên đây chỉ nhằm mục đích xác định các đoạn lắp ráp nhỏ bao gồm dây cắt châm ngòi và hệ thống điều khiển Máy cắt dây cũng có thể có các máy tính và điều khiển điện xung quanh máy như một trung tâm điều khiển

DUT.LRCC

- Hệ thống máy tính điều khiển là một điều cần thiết trong việc gia công trên máy cắt dây Các máy tính kiểm soát cho việc cung cấp điện, mỗi động cơ Servo, hệ thống dây điện, hệ thống điện môi dầu diezel và nước, và hình dạng gia công thành phôi Điều khiển cung cấp điện có thể tách từ bảng điều khiển của máy tính điều hành hoặc nó có thể được bao gồm như là một phần của các điều khiển máy tính Thời gian tự động bật/tắt và cường độ có thể tự nhập vào máy tính hoặc được lập trình sẵn và được nhập bằng các phương tiện của các thiết bị lưu trữ máy tính

- Một số nhà thiết kế máy cắt dây bao gồm một vôn kế và ampe kế được tách biệt từ bảng điều khiển máy tính kiểm soát để theo dõi điều kiện gia công phôi Các nhà chế tạo máy EDM có thể thích hơn để giám sát các điều kiện gia công bằng các máy đo tương tự, chứ không phải là bằng kỹ thuật số

- Hoạt động của động cơ Servo được điều khiển bởi phần mềm máy tính, chứ không phải bằng một bộ phận lắp ráp riêng biệt trong việc cung cấp điện Gia công trên máy cắt dây thường đòi hỏi bốn trục gia công đồng thời Dưới sự kiểm soát của máy tính, mỗi trục phải được theo dõi riêng Các dây đi qua tỷ lệ cũng phải được theo dõi và điều chỉnh bằng máy tính để duy trì một tia lửa, khoảng cách điện áp chấp nhận được giữa các dây điện cực và phôi

- Hệ thống cung cấp điện được đánh giá trong ampe kế Các điện cực của dây, đường kính và vật liệu, cùng với độ dày của phôi, thực tế thì sử dụng ampe kế để xác định

- Việc lắp ráp nguồn điện cung cấp năng lượng cần phải có một hệ thống điện xung quanh cho kết nối tại một điểm của AC - đầu vào cho máy móc Hệ thống này có thể được tách biệt khỏi nguồn điện và gắn trên máy hoặc trên một phần của máy Như một xem xét an toàn, hệ thống khép kín này nên bao gồm một bộ chuyển mạch chủ - ngắt kết nối để loại bỏ tất cả các dòng điện vào khi bảo dưỡng Các máy cũng phải được nối

đất bằng điện, theo khuyến cáo của nhà sản xuất và tất cả các mã điện địa phương

- Môi trường làm việc cần phải được xem xét khi lựa chọn vị trí cho hệ thống điều khiển và năng lượng điện cung cấp Hầu hết các máy cắt dây sử dụng không khí xung quanh cho không khí làm mát

DUT.LRCC

3 Chất điện môi và bộ lọc

- Máy cắt dây có thiết kế một tính năng quan trọng Bởi vì nước khử ion có tính ăn mòn, các thành phần máy kim loại tiếp xúc với nước này thường được xây dựng từ thép không gỉ

Hình 3.7 Hệ thống điện môi ion hóa nước điển hình

- Việc cung cấp chất điện môi cũng được tiếp xúc với các chất ăn mòn của các nước khử ion Các hồ chứa, máy bơm, ống nước và bộ lọc tất cả phải có khả năng hoạt động trong môi trường này Các chất điện môi sử dụng trong máy cắt dây phải lọc các tia lửa, các sản phẩm phụ từ nước sau khi chúng được trở về hồ chứa lưu trữ Ngoài việc lọc, nước phải được xử lý để loại bỏ bất cứ thành phần hòa tan trước khi nó được sử dụng như là một chất điện môi EDM Nước khử ion hóa là một chất điện môi, nhưng nó sẽ trở thành một chất dẫn điện rất nhanh vì nó hòa tan vật liệu từ quá trình đánh điện Để trở về nước với một mức độ tinh khiết có thể chấp nhận và sử dụng được, nó được truyền qua một thùng nhựa để loại bỏ các chất hoà tan và để khử ion hóa nó

- Nước đã qua sử dụng từ các máy công cụ được trả lại cho các hồ chứa chất điện môi

- không lọc Một phân vùng trong bể chứa chất điện môi tách nước lọc và khử ion Nước được bơm từ hồ chứa không được lọc qua các bộ lọc để loại bỏ các chất rắn, các mảnh vụn Sau đó nước được bơm qua bể nhựa và vào hồ chứa nước lọc và khử ion Các bể chứa nước lọc và khử ion bao gồm một cảm biến để theo dõi độ dẫn điện của nước khử ion Nên sự thay đổi độ dẫn điện đển một mức độ không thể chấp nhận, một cảnh báo

sẽ được hiển thị trên màn hình máy tính và nó có thể không thể bắt đầu một chu kỳ đánh điện cho đến khi được chấp nhận thì mới cho bắt đầu

DUT.LRCC

- Một công tắc được làm bằng phao thường là một phần của hồ chứa nước khử ion Điều này chuyển đổi một tín hiệu âm thanh dưới nước ở mức độ thấp và nó có thể hiển thị một cảnh báo trên màn hình video của máy tính Khi một giới hạn dưới nước thấp được chỉ ra, nó có thể không bắt đầu một chu trình gia công

- Nước bốc hơi và bị mất trong suốt chu trình gia công Nước để thay thế có thể được

bổ sung từ các nguồn cung cấp nước của nhà máy, và đầu tiên là phải loại bỏ các tạp chất Nước của nhà máy nên được kiểm tra, chấp nhận trước khi được cho vào máy cắt dây.Và quy định về chất lượng nước thì được nhà sản xuất quy định

- Một đơn vị nước làm mát thường là một phần của một hệ thống điện môi của máy cắt dây Tốc độ cắt dây và gia công bị ảnh hưởng rất nhiều bởi nhiệt độ nước Khi tăng nhiệt độ nước, tốc độ gia công giảm Nhà sản xuất khuyến nghị những vấn đề liên quan đến nhiệt độ hoạt động chất điện môi (nước) nên được theo dõi cẩn thận

4 Phần cơ khí

Máy được chuyển động nhờ bộ truyền ốc vít và truyền động cho tất cả các trục nhờ động cơ AC Trước khi hoạt động, máy được kiểm tra Nếu có bất kì lỗi nào thì sẽ được sửa chữa ngay lập tức Và dữ liệu này sẽ được lưu trữ vào máy

Hình 3.8 Tổng thể cấu trúc cơ khí của máy

❖ Dây:

- Khi dây EDM lần đầu tiên được giới thiệu, dây đồng được sử dụng trên các máy vì

nó dẫn điện là tốt nhất Nhưng do độ bền kéo thấp nên khi làm việc ở tốc độ cao thì dây đồng dễ bị đứt Hiện nay, người ta đã thêm thành phần kẽm và một số hợp chất khác để tăng độ bền kéo cho dây Thành phần chủ yếu: Cu 60%, Zn (35-39)%, Al và một số chất khác

DUT.LRCC

- Đặc trưng chủ yếu của dây:

Nhu cầu đối với luồng tự động dây và độ tin cậy phụ thuộc đã được đáp ứng với thiết

kế mới và cải thiện Dây từ trong cuộn, thông qua nhiều cơ cấu khác nhau để căng dây rồi sau đó mới được đưa xuống cuộn quấn dây Tất cả các việc này đều được thực hiện nhờ chương trình được lập trên máy tính

➢ Tiến bộ trong cắt côn:

Hầu hết các dây EDM được trang bị với một trục "Z" được lập trình cho phép kiểm soát các dẫn hướng một cách chính xác Trục U và V nằm cách xa khu vực làm việc Những trục này cung cấp di chuyển của dây để tạo góc côn lên đến ±30 độ Cả hai hình nón và hình trụ bán kính xiên có thể được lập trình, và kích thước của bán kính trên và dưới của phần cũng có thể được lập trình

III Hệ thống tia lửa trong quá trình gia công

1 Tia lửa xảy ra ở điểm gần nhất

- Một đặc tính của điện là nó chạy dọc theo những con đường ngắn nhất đã có sẵn Đặc điểm này rất quan trọng khi áp dụng cho các nguyên tắc cơ bản của các máy gia công bằng tia lửa điện

- Trong thực tế, các bề mặt được tạo thành từ nhiều sự nhấp nhô rất nhỏ Những sự nhấp nhô này bao gồm các "đỉnh núi" và "thung lũng" Khi các điện cực và phôi đang ở các khoảng cách thích hợp để làm xuất hiện các tia lửa điện, các đỉnh của điện cực và phôi có bề mặt mở rộng hơn các thung lũng và trở thành những điểm mà tia lửa sẽ xuất hiện Sẽ có một đỉnh điện cực và một đỉnh phôi cao mà là gần nhau hơn so với tất cả các đỉnh điện cực và phôi khác Vì các đỉnh điện cực và phôi cụ thể có khoảng cách ngắn nhất giữa chúng, và chảy điện qua khoảng cách ngắn nhất, một tia lửa sẽ xảy ra ở các điểm đỉnh điểm

DUT.LRCC