Nghiên cứu ảnh hưởng của các yếu tố công nghệ tới độ nhám bề mặt khi gia công tia lửa điện bằng phương pháp cắt dây cnc

NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM ẢNH HƯỞNG CỦA CÁC YẾU TỐ CÔNG NGHỆ TỚI ĐỘ NHÁM BỀ MẶT KHI GIA CÔNG TIA LỬA ĐIỆN BẰNG PHƯƠNG PHÁP CẮT DÂY CNC .... Nhờ sự phát triển mạnh mẽ của công nghệ thông ti

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

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

Chuyên ngành: KỸ THUẬT CƠ KHÍ

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

KỸ THUẬT CƠ KHÍ

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC

TS PHAN VĂN HIẾU

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan những nội dung khoa học trong Luận văn này là công trình nghiên cứu của tôi, các kết quả của Luận văn chưa từng được công bố trong bất kỳ một tài liệu nào Các số liệu được đo kiểm trung thực, chính xác tại các phòng thực nghiệm có uy tín với các thiết bị đo được kiểm chuẩn Các tài liệu tham khảo được trích dẫn, ghi chú rõ ràng

Hà Nội, ngày 20 tháng 9 năm 2017

Người cam đoan

Nguyễn Thế Mạnh

LỜI CẢM ƠN

Trước tiên tôi xin được bày tỏ lời cảm ơn sâu sắc tới TS Phan Văn Hiếu,

người đã hướng dẫn và chỉ bảo tôi tận tình trong suốt quá trình làm Luận văn

Tôi chân thành cảm ơn Ban lãnh đạo Viện Cơ khí, Viện đào tạo Sau đại học trường Đại học Bách Khoa Hà Nội đã tạo mọi điều kiện cho tôi trong suốt quá trình học tập và nghiên cứu

Tôi cũng chân thành cảm ơn Ban lãnh đạo Trung tâm đào tạo kỹ thuật; Bộ môn Máy và thiết bị, Khoa Cơ khí Trường Đại học Công nghiệp Hà Nội đã giúp đỡ tôi thực hiện nội dung thực nghiệm của Luận văn này

Tác giả

Nguyễn Thế Mạnh

MỤC LỤC

PHẦN MỞ ĐẦU 1

1 Tính cấp thiết của đề tài 1

2 Mục tiêu nghiên cứu 2

3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu 2

4 Phương pháp nghiên cứu 2

6 Nội dung nghiên cứu 3

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ GIA CÔNG TIA LỬA ĐIỆN 5

1.1 Tổng quan công nghệ gia công tia lửa điện 5

1.1.1 Sơ lược và lịch sử phát triển công nghệ gia công tia lửa điện 5

1.1.3 Bản chất vật lý của quá trình phóng tia lửa điện 8

1.1.4 Cơ chế bóc tách kim loại bằng gia công tia lửa điện 11

1.1.5 Đặc điểm của phương pháp gia công tia lửa điện 12

1.1.6 Khả năng công nghệ của phương pháp gia công tia lửa điện 13

1.2 Các phương pháp gia công tia lửa điện 13

1.2.1 Phương pháp gia công xung định hình 13

1.2.2 Phương pháp gia công cắt dây tia lửa điện 13

1.2.3 Các phương pháp gia công tia lửa điện khác 14

1.3 Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình gia công tia lửa điện 15

1.3.1 Các đặc tính về điện của sự phóng tia lửa điện 15

1.3.2 Ảnh hưởng của khe hở phóng điện  20

1.3.3 Ảnh hưởng của điện dung C 21

1.3.4 Ảnh hưởng của diện tích gia công F 22

1.3.5 Ảnh hưởng của sự ăn mòn điện cực 23

1.3.6 Các hiện tượng xấu khi gia công tia lửa điện 23

1.3.6.1 Hồ quang 23

1.3.6.2 Ngắn mạch, sụt áp 24

1.3.6.3 Xung mạch hở không có dòng điện 25

1.3.6.4 Sự quá nhiệt của chất điện môi 25

1.3.7 Các yếu tố không điều khiển được 26

1.3.7.1 Nhiễu hệ thống 26

1.3.7.2 Nhiễu ngẫu nhiên 26

1.4 Chất điện môi trong gia công tia lửa điện 26

1.4.1 Nhiệm vụ của chất điện môi 26

1.4.2 Các loại chất điện môi 28

1.4.3 Các tiêu chuẩn đánh giá chất điện môi 29

1.4.4 Các loại dòng chảy của chất điện môi và các lỗi của dòng chảy 30

1.4.5 Hệ thống lọc chất điện môi 32

KẾT LUẬN CHƯƠNG 1 34

CHƯƠNG 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT VỀ GIA CÔNG TIA LỬA ĐIỆN BẰNG PHƯƠNG PHÁP CẮT DÂY CNC 35

2.1 Tổng quan máy cắt dây tia lửa điện 35

2.1.1 Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của máy cắt dây tia lửa điện 35

2.1.2 Ứng dụng của máy cắt dây 36

2.1.3 Đặc điểm của phương pháp gia công cắt dây tia lửa điện 36

2.2 Các yếu tố công nghệ trong điều khiển máy cắt dây tia lửa điện 37

2.2.1 Điện áp đánh lửa Ui 37

2.2.2 Dòng phóng tia lửa điện Ie và bước của dòng điện 37

2.2.3 Độ kéo dài xung ti 37

2.2.4 Khoảng cách xung t0 38

2.3 Điện cực và vật liệu điện cực 38

2.3.1 Yêu cầu của vật liệu điện cực 38

2.3.2 Các loại dây điện cực 39

2.4 Sự thoát phoi khi cắt dây tia lửa điện 39

2.5 Lập trình gia công trên máy cắt dây tia lửa điện 40

2.5.1 Các trục điều khiển và hệ toạ độ 40

2.5.2 Các chức năng “G” 41

2.5.2.1 Nhóm các lệnh dịch chuyển mã “G” 41

2.5.2.2 Nhóm các lệnh dịch chuyển đường kính G41 hoặc G42 42

2.5.2.3 Các lệnh định vị tự động 43

2.5.2.4 Các phép copy dịch chuyển 44

2.5.2.5 Các lệnh cắt côn 45

KẾT LUẬN CHƯƠNG 2 46

CHƯƠNG 3 CHẤT LƯỢNG BỀ MẶT CHI TIẾT KHI GIA CÔNG TIA LỬA ĐIỆN BẰNG PHƯƠNG PHÁP CẮT DÂY CNC 47

3.1 Độ chính xác hình học của chi tiết sau khi gia công cắt dây CNC 47

3.2 Các sai số profin trong cắt dây tia lửa điện 47

3.3 Chất lượng bề mặt chi tiết sau khi gia công cắt dây CNC 48

3.3.1 Tính chất cơ lý và cấu trúc tế vi 49

3.3.2 Trạng thái ứng suất của lớp bề mặt 50

3.3.3 Trạng thái hình học của lớp bề mặt 53

3.3.3.1 Sóng bề mặt 53

3.3.3.2 Nhám bề mặt 53

3.4 Các phương pháp đo độ nhám bề mặt 55

3.4.1 Phương pháp chép hình 55

3.4.1.1 Phương pháp dùng đầu dò tiếp xúc 55

3.4.1.2 Phương pháp chép hình quang học 57

3.4.1.3 Phương pháp điện dung 59

3.4.2 Phương pháp đo theo mặt 59

3.4.2.1 Phương pháp đo tán xạ quang học 59

3.4.2.2 Phương pháp đo tán xạ tích phân toàn phần 60

3.4.2.3 Phương pháp đo tán xạ theo góc ASI 60

3.4.3 Phương pháp đo dùng kính hiển vi 60

3.4.3.1 Kính hiển vi quét dùng hiệu ứng đường ngầm STM 61

3.4.3.2 Kính hiển vi lực nguyên tử AFM 61

KẾT LUẬN CHƯƠNG 3 63

CHƯƠNG 4 NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM ẢNH HƯỞNG CỦA CÁC YẾU TỐ CÔNG NGHỆ TỚI ĐỘ NHÁM BỀ MẶT KHI GIA CÔNG TIA LỬA

ĐIỆN BẰNG PHƯƠNG PHÁP CẮT DÂY CNC 64

4.1 Lý thuyết về quy hoạch thực nghiệm 64

4.1.1 Vai trò của thực nghiệm 64

4.1.2 Một số khái niệm 65

4.1.3 Qui luật phân bố chuẩn-hàm Gauss 66

4.1.4 Xử lí số liệu bằng phương pháp bình phương cực tiểu 68

4.1.5 Qui hoạch thực nghiệm 69

4.1.5.1 Kiểm tra tính đồng nhất của các thí nghiệm 69

4.1.5.2 Qui hoạch thực nghiệm trực giao 70

4.1.5.3 Phương pháp tối ưu hoá 73

4.2 Phương pháp thực nghiệm 74

4.3 Sơ đồ thực nghiệm 74

4.4 Các trang thiết bị thực nghiệm 75

4.4.1 Máy cắt dây tia lửa điện 75

4.4.2 Vật liệu điện cực và chất điện môi 75

4.4.3 Máy đo độ nhám 76

4.4.4 Phôi và mẫu thực nghiệm 76

4.5 Thiết kế ma trận kế hoạch thực nghiệm 78

4.6 Tiến hành thực nghiệm 79

4.6.1 Thực nghiệm cắt mẫu 79

4.6.2 Thực nghiệm đo nhám bề mặt và kết quả 80

4.7 Xử lý kết quả thực nghiệm đo độ nhám 82

4.8 Mô hình hóa hàm độ nhám Ra theo các tham số công nghệ 84

4.9 Một số giải pháp nâng cao độ bóng bề mặt 88

KẾT LUẬN CHƯƠNG 4 89

KẾT LUẬN CHUNG VÀ KIẾN NGHỊ 90

1 Các kết luận của luận văn 90

2 Kiến nghị 91

TÀI LIỆU THAM KHẢO 92 PHỤ LỤC 94

DANH MỤC CÁC THUẬT NGỮ VÀ CHỮ VIẾT TẮT

4.4 Xác định giá trị các mức, khoảng biến thiên và tâm quy hoạch 78

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ

1.2 Sự phát triển của máy EDM: Eleroda (1955) và Form 30 (2011) 6

1.14 Ảnh hưởng của điện dung C tới năng suất hớt vật liệu Vw 22

2.2 Các trường hợp khó khăn đối với dòng chảy đồng trục 40

3.2 Sự cân bằng về lực khi cắt thẳng và sai số hình học khi cắt góc 48

4.7 Hình ảnh tác giả kiểm tra mẫu trước khi thực nghiệm cắt dây 77

4.13 Biểu đồ ảnh hưởng của ti, Vc đến Ra 86

PHẦN MỞ ĐẦU

Trong thế kỷ 21 khoa học và công nghệ có những phát triển vượt bậc, nguồn tài nguyên thiên nhiên trở nên khan hiếm, khí hậu biến đổi đã gây ra nhiều hậu quả hết sức nghiêm trọng, tài nguyên và môi trường trở thành mối quan tâm của mỗi quốc gia cũng như toàn thế giới Nền kinh tế tri thức đều thừa nhận rằng vật liệu trong đó có kim loại và gia công kim loại là nền tảng của mọi ngành công nghiệp

Vì vậy cần có nhiều đầu tư nghiên cứu về các quá trình gia công kim loại, các vấn

đề tự động hóa trong gia công Để kết hợp có hiệu quả việc tự động hóa gia công và các tham số gia công thì vấn đề nghiên cứu ảnh hưởng của yếu tố công nghệ đến năng suất và chất lượng sản phẩm là không thể thiếu Gia công điện cực dây cũng nằm trong quy luật chung ấy

Nhân loại biết đến khả năng ăn mòn vật liệu kim loại bằng tia lửa điện nhờ nhà bác học người Nga tên là B.R Lazarenco vào năm 1944 Đây là quá trình gia công dựa trên một quá trình nhiệt - điện thông qua sự nóng chảy và bốc hơi vật liệu kim loại và được gọi tắt là gia công EDM (Electrical Discharge Machining) Nhờ sự phát triển mạnh mẽ của công nghệ thông tin, công nghệ điều khiển mà các máy gia công tia lửa điện EDM được phát triển theo nhiều hướng khác nhau như gia công xung định hình, gia công cắt dây, gia công bằng tiếp xúc điện v.v

Vào những năm 50 của thế kỷ 20 trên thế giới đã có bán những máy cắt dây tia lửa điện, đến những năm 80 của thế kỷ này kỹ thuật điều khiển số và tự động hóa

đã tạo cho gia công cắt dây tia lửa điện sự chuyển biến vượt bậc về công nghệ Gia công cắt dây tia lửa điện là phương pháp có nhiều lợi thế trong gia công các vật liệu dẫn điện có tính siêu cứng, siêu bền, các biên dạng có hình dáng phức tạp Đây là loại hình gia công chiếm tỷ trọng lớn, dùng rộng rãi trong số các phương pháp gia công phi truyền thống

1 Tính cấp thiết của đề tài

Hiện nay, ở nước ta ngày càng nhiều các doanh nghiệp đầu tư các thiết bị gia công tia lửa điện nói chung và cắt dây tia lửa điện nói riêng, nhằm mở rộng khả năng sản xuất, đặc biệt là trong lĩnh vực gia công khuôn mẫu Nhờ có những lợi thế

của phương pháp gia công điện cực dây nên nó đã và đang theo kịp và từng bước thay thế một số quá trình gia công truyền thống trong nhiều ngành công nghiệp như công nghiệp hàng không vũ trụ, công nghiệp quân sự, công nghiệp điện tử v.v mà đặc biệt là ngành chế tạo khuôn mẫu

Nghiên cứu ảnh hưởng của các yếu tố công nghệ đến độ nhám bề mặt từ đó nâng cao chất lượng bề mặt khi gia công WEDM trong điều kiện cụ thể luôn là mục tiêu mà các nhà nghiên cứu, các cơ sở sản xuất, các doanh nghiệp đặc biệt quan tâm

Đáp ứng những đòi hỏi trên của thực tế sản suất, cùng với mục đích nghiên

cứu sâu hơn trong lĩnh vực này, tác giả đã chọn đề tài “Nghiên cứu ảnh hưởng của

các yếu tố công nghệ tới độ nhám bề mặt khi gia công tia lửa điện bằng phương pháp cắt dây CNC” làm đề tài nghiên cứu cho luận văn thạc sĩ của mình.

2 Mục tiêu nghiên cứu

Mục tiêu chính của đề tài là nghiên cứu độ nhám bề mặt chi tiết khi gia công cắt dây, mối quan hệ của nó với các yếu tố công nghệ chủ yếu, đây chính là chỉ tiêu

cơ bản của chất lượng bề mặt chi tiết sau khi gia công cắt dây CNC Đề ra biện pháp nâng cao độ bóng bề mặt khi gia công cắt dây CNC

3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

Đối tượng nghiên cứu là độ nhám bề mặt của chi tiết sau khi gia công được thực hiện trên máy cắt dây tia lửa điện CNC Chmer CW 420HS, cặp điện cực là dây đồng với phôi là vật liệu thép SKD11

Phạm vi nghiên cứu là ảnh hưởng của một số yếu tố công nghệ chủ yếu đến

độ nhám bề mặt theo tiêu chuẩn Ra của chi tiết khi cắt dây CNC; cắt mặt phẳng

4 Phương pháp nghiên cứu

Kết hợp nghiên cứu lý thuyết và nghiên cứu thực nghiệm:

- Nghiên cứu lý thuyết để tìm hiểu mối quan hệ giữa các yếu tố công nghệ ảnh hưởng đến độ nhám bề mặt

- Thực nghiệm trên máy để xây dựng các hàm toán học biểu diễn mối quan

hệ giữa các yếu tố công nghệ với độ nhám bề mặt

5 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài

Xác định chế độ gia công cho máy để nhận được giá trị độ bóng bề mặt là cao nhất

Kết quả nghiên cứu sẽ được áp dụng ngay cả cho dạng sản xuất đơn chiếc, đặc biệt trong gia công khuôn mẫu và cơ khí chính xác

6 Nội dung nghiên cứu

Luận văn gồm các chương như sau:

Chương 1: Tổng quan về gia công tia lửa điện

Chương này là góc nhìn tổng quan về gia công tia lửa điện, những thành tựu nghiên cứu đã đạt ở trên thế giới cũng như trong nước Những tồn tại cần giải quyết,

từ đó đưa ra mục tiêu và hướng nghiên cứu tiếp theo

Chương 2: Cơ sở lý thuyết về gia công tia lửa điện bằng phương pháp cắt dây CNC

Chương này trình bày các cơ sở lý thuyết, các đặc điểm công nghệ của phương pháp cắt dây CNC Nghiên cứu ảnh hưởng của các yếu tố công nghệ đến

nhám bề khi gia công tia lửa điện bằng phương pháp cắt dây CNC

Chương 3: Chất lượng bề mặt chi tiết khi gia công tia lửa điện bằng phương pháp cắt dây CNC

Chương này trình bày các vấn đề về độ chính xác hình học của chi tiết sau khi gia công cắt dây CNC, chất lượng bề mặt chi tiết khi gia công cắt dây CNC, các đặc trưng nhám bề mặt, các phương pháp đo độ nhám Đưa ra một số thông tin cần thiết giúp người sử dụng máy cắt dây có biện pháp khắc phục ảnh hưởng không tốt của độ nhám bề mặt khi gia công cắt dây CNC

Chương 4: Nghiên cứu thực nghiệm ảnh hưởng của các yếu tố công nghệ tới độ nhám bề mặt khi gia công tia lửa điện bằng phương pháp cắt dây CNC

Trình bày lý thuyết về quy hoạch thực nghiệm Lựa chọn quy hoạch thực nghiệm trực giao cấp một để thực nghiệm nghiên cứu trong luận văn

Nghiên cứu thực nghiệm ảnh hưởng các thông số công nghệ chính như: ti,

Ui, Vd, Vc khi gia công cắt dây CNC đến độ nhám bề mặt theo chỉ tiêu Ra Dùng các

lý thuyết để xây dựng mô hình toán học, thiết kế thí nghiệm Tiến hành thực nghiệm, xử lý số liệu và đưa ra kết quả Đề xuất biện pháp tăng độ bóng bề mặt khi gia công tia lửa điện

Kết luận chung và kiến nghị: đưa ra những kết quả mới của luận văn trong

lý thuyết và thực tế sản xuất, đề xuất các kiến nghị về hướng nghiên cứu tiếp theo

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ GIA CÔNG TIA LỬA ĐIỆN

1.1 Tổng quan công nghệ gia công tia lửa điện

1.1.1 Sơ lược và lịch sử phát triển công nghệ gia công tia lửa điện

Trong những năm gần đây, công nghệ gia công tia lửa điện (EDM) được phát triển rộng rãi và trở thành quá trình gia công cơ khí quan trọng đặc biệt trong lĩnh vực gia công khuôn mẫu

Gia công bằng tia lửa điện được chia thành hai loại cơ bản: gia công xung

định hình và cắt dây, thể hiện ở Hình 1.1 Gia công xung định hình có điện cực

dạng thỏi, được chế tạo có biên dạng giống bề mặt cần gia công, còn cắt dây thì dùng điện cực dạng dây mảnh (đường kính khoảng 0,01 ÷ 0,3mm) để cắt chi tiết

Hình 1.1- Hai loại gia công tia lửa điện cơ bản

Theo [14], lịch sử gia công tia lửa điện được bắt đầu từ năm 1943 bởi hai nhà khoa học Boris và Natalya Lazarenko ở Matxcova, Liên Xô cũ Khi đó, họ được phân công nghiên cứu sự mòn gây ra bởi tia lửa điện giữa các bản tiếp điểm điện bằng tungsten, vốn là một vấn đề rất nghiêm trọng trong bảo dưỡng các động cơ ô

tô thời kỳ chiến tranh thế giới thứ II Khi đặt các tiếp điểm điện trong dầu, họ kết luận được rằng: các tia lửa điện đồng đều và dự đoán là tốt hơn so với đặt trong không khí Từ đó, họ đề xuất việc đảo chiều hiện tượng trên và sử dụng việc điều khiển tia lửa điện như là một cách để ăn mòn vật liệu Mặc dù vẫn không thể giải quyết vấn đề mòn nhưng hai nhà khoa học đã phát triển được thế hệ máy gia công

tungsten hoặc carbit tungsten, “mạch Lazarenko” vẫn là bộ phát xung EDM tiêu chuẩn cho đến ngày nay

Đến thập niên 1960, cùng với sự phát triển của công nghiệp bán dẫn, các máy xung định hình đã có ổn định, tin cậy, chất lượng bề mặt chi tiết tốt; máy cắt dây tia lửa điện (WEDM) thì chỉ mới bắt đầu phát triển

Đến thập niên 1970, hệ thống điều khiển số ra đời đã giúp nâng cao chất lượng cho các máy EDM Càng về sau, các hệ thống điều khiển tự động, điều khiển Servo, rồi ngày nay là điều khiển mở đã giúp cho các máy gia công EDM càng phát triển mạnh mẽ

Hình 1.2- Sự phát triển của máy EDM: Eleroda (1955) và Form 30 (2011)

1.1.2 Nguyên lý gia công tia lửa điện

Hình 1.3- Nguyên lý gia công EDM

Nguyên lý gia công bằng tia lửa điện được giới thiệu như Hình 1.3 Nếu đặt

một điện áp một chiều (khoảng từ 70 ÷ 200V) giữa hai tấm kim loại khác nhau, một tấm đóng vai trò là phôi, một tấm là điện cực Không gian giữa hai tấm kim loại được bao quanh bởi một dung dịch cách điện đặc biệt, gọi là chất điện môi

Khi đưa hai tấm kim loại tiến gần nhau, đến một khoảng cách đủ nhỏ thì xảy

ra sự phóng tia lửa điện giữa hai tấm kim loại Nhiệt độ ở vùng có tia lửa điện lên rất cao, có thể đến 12.0000C, làm nóng chảy, đốt cháy phần kim loại ở cực dương Nguồn điện được ngắt đột ngột, tia lửa điện biến mất; dung dịch điện môi (nhiệt độ thấp) tràn vào, tạo ra sự chênh lệch áp suất, gây ra áp lực va đập rất lớn, làm hóa rắn hơi vật liệu được đốt cháy thành các hạt oxit kim loại và đẩy chúng ra ngoài Kết quả là, một phần vật liệu trên phôi được bóc tách ra

Mạch điện trong gia công EDM phải được cung cấp điện áp dạng xung một chiều qua khe hở hai điện cực Thời gian ngắt nguồn điện là khoảng thời gian cần thiết để dung dịch điện môi có thể khôi phục lại trạng thái không dẫn điện của nó và sẵn sàng cho xung gia công tiếp theo Giá trị thời gian ngắt này cùng với khe hở giữa hai điện cực sẽ tạo ra bốn trạng thái gia công khác nhau: hở mạch, phóng tia

lửa điện, hồ quang và ngắn mạch như ở Hình 1.4

Hình 1.4- Các trạng thái gia công EDM

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

Bản chất vật lý quá trình gia công EDM được giải thích bởi ba giai đoạn trong một chu kỳ phóng tia lửa điện như sau [1], [12]:

Giai đoạn 1: Hình thành kênh dẫn điện

Khi điện trường giữa hai 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 môi ở giữa các điện cự tăng lên và bị hút về phía cực trái dấu Điện trường sẽ mạnh nhất tại

điểm mà khoảng cách giữa hai điện cực là bé nhất Đồ thị Hình 1.5 minh họa cho

thấy, điện áp thì tăng nhưng dòng điện thì bằng 0

Trong quá trình di chuyển, các ion và điện tử tự do (phần tử mang điện) va đập với các phần tử trung hòa làm tách ra các ion và điện tử mới Cứ như vậy, số lượng các phần tử mang điện tăng lên, tính cách điện của dung dịch điện môi giảm

đi Điện áp đạt đỉnh nhưng dòng điện thì vẫn bằng 0

Khi khoảng cách giữa hai điện cực đủ nhỏ, làm cho từ trường và động năng của các phần tử mang diện đủ lớn dẫn đến hình thành một dòng chuyển dịch có hướng của các ion và điện tử, tức là tạo nên dòng điện Dung dịch điện môi trở thành dẫn điện và điện áp bắt đầu giảm

Hình 1.5- Hình thành kênh dẫn điện

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

Tại kênh dẫn điện, năng lượng tập trung rất lớn, làm cho nhiệt độ tại đó rất cao (khoảng 10.0000C) Dòng điện tăng nhanh còn điện áp tiếp tục giảm, Hình 1.6

Hình 1.6- Phóng tia lửa điện

Dòng điện trên cung cấp một mật độ năng lượng khổng lồ làm cho dung dịch điện môi bốc hơi cục bộ Bong bóng hơi có xu hướng phình ra nhưng do có độ nhớt nên chất điện môi tạo ra sự cản trở, hạn chế sự lớn lên của kênh phóng điện giữa các điện cực Dòng điện tiếp tục tăng và điện áp tiếp tục giảm

Gần cuối của giai đoạn này, nhiệt độ và áp suất của bong bóng hơi đạt giá trị cực đại Vật liệu của các điện cực tại nơi xuất hiện tia lửa điện bị bốc hơi bởi nhiệt

độ cao

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

Máy phát ngắt dòng điện đột ngột, điện áp bị ngắt đột ngột, kênh phóng điện biến mất Dung dịch điện môi ở nhiệt độ thường xung quanh tràn vào gây ra sự thay đổi áp suất đột ngột, nhưng nhiệt độ thì không thể thay đổi đột nhanh như vậy được, điều này khiến cho kim loại nóng chảy bất ngờ và bị bốc hơi khỏi các điện cực, như

Hình 1.7

Hình 1.7- Hóa rắn hơi vật liệu và phục hồi

Dung dịch điện môi lấy lại trạng thái ban đầu không dẫn điện Hơi vật liệu của các điện cực bị hóa rắn và được dòng chảy của dung dịch điện môi đẩy ra khỏi vùng vừa gia công Những phần tử kim loại bị hóa rắn nhưng không bị đẩy ra khỏi lớp bề mặt chi tiết được xem như là lớp đúc lại

Những phần tử kim loại bị hóa rắn được đẩy ra dưới dạng các quả cầu nhỏ li

ti phân tán trong dung dịch chất điện môi và phần hơi còn lại sẽ nổi lên bề mặt của dung dịch điện môi

Một xung đã kết thúc, kết quả là cả hai điện cực đều bị mòn nhưng sự ăn mòn không như nhau Cực nào ăn mòn nhiều hơn (thường là cực dương) thì dành cho phôi, cực ăn mòn ít dành cho điện cực Tuy vậy, điều này còn phụ thuộc vào chế độ phóng điện, cặp vật liệu và sự đấu cực

Chu kỳ phóng tia lửa điện để lại các “vết” bóc tách vật liệu có thể tóm tắt thông qua các đại lượng điện sau:

Hình 1.8- Đồ thị điện áp và dòng điện trong một xung phóng điện

Trong đó:

te: Thời gian kéo dài xung hay còn gọi là độ kéo dài xung

td: Thời gian trễ đánh lửa

ti: Độ kéo dài xung của máy phát xung

to: Khoảng cách xung

tp: Chu kỳ xung

Ui: Điện áp máy phát mở

Ue: Điện áp phóng tia lửa điện

Ie: Dòng phóng tia lửa điện

- Thời gian trễ td là khoảng thời gian giữa lúc đóng điện máy phát đến lúc xảy ra phóng tia lửa điện, là thời gian cho phép chất điện môi ion hoá và hình thành kênh phóng điện

- Thời gian phóng điện te là khoảng thời gian từ lúc bắt đầu phóng tia lửa điện và lúc ngắt điện (từ một vài đến vài trăm µs) thuộc pha II làm kim loại nóng chảy

- Độ kéo dài xung ti là khoảng thời gian giữa hai lần đóng - ngắt của máy phát trong một chu kỳ phóng tia lửa điện Độ kéo dài xung là tổng của thời gian trễ đánh lửa td và thời gian phóng tia lửa điện te Đây còn là khoảng thời để chất điện môi thôi ion hoá, chuẩn bị cho một chu kỳ phóng điện tiếp theo cho đến khi đạt kích thước gia công yêu cầu [1]

- Khoảng cách xung to là khoảng thời gian giữa hai lần đóng ngắt của máy phát giữa hai chu kỳ xung kế tiếp nhau, to còn được gọi là độ kéo dài nghỉ của xung

Đặc điểm của đồ thị này cho thấy dòng điện xung bao giờ cũng xuất hiện trễ hơn một khoảng thời gian td so với thời điểm bắt đầu có điện áp Ui Đại lượng Ue và

Ie là các giá trị trung bình của điện áp và dòng điện khi phóng tia lửa điện

1.1.4 Cơ chế bóc tách kim loại bằng gia công tia lửa điện

Trước hết, muốn tách vật liệu ra khỏi phôi thì phải có năng lượng tách vật liệu We, theo [14]:

Trong đó Ue và Ie là điện áp và dòng điện trung bình của tia lửa điện, te là thời gian xung như đã trình bày ở phần trên, Ue là hằng số phụ thuộc vào cặp vật liệu điện cực và phôi nên thực chất We chỉ phụ thuộc vào Ie và te

Thực tế dòng điện tổng cộng qua kênh plasma qua khe hở phóng điện là tổng của các dòng điện tử chạy tới điện cực dương và dòng các ion dương chạy tới điện cực âm Tuy nhiên do khối lượng của các ion dương lớn hơn nhiều lần so với khối lượng electron cho nên tốc độ của các electron có tốc độ lớn nhiều lần so với tốc độ của các ion dương Vì vậy thực chất dòng điện do các ion dương chuyển động về cực âm là rất nhỏ so với dòng các electron chuyển động về cực dương Do đó có thể

bỏ qua dòng điện do sự chuyển động của các ion dương gây ra Do tốc độ của các electron lớn hơn nhiều lần so với các ion dương nên mật độ các electron tập trung tại cực dương cao hơn nhiều so với mật độ của ion dương tại cực âm Khi đó mức

độ tăng của dòng điện khi bắt đầu có sự phóng điện là rất lớn, điều này là gây ra sự nóng chảy mạnh ở cực dương Trong khi đó do dòng các ion dương tới cực âm là nhỏ nên ít gây ra hiện tượng ăn mòn ở cực âm

Một lý do quan trọng để tách vật liệu nóng chảy ra khỏi bề mặt là do sự biến mất đột ngột của kênh plasma điều này dẫn đến sự sút giảm áp suất đột ngột xuống bằng áp suất môi trường xung quanh trong khi đó nhiệt độ không giảm nhanh như vậy dẫn đến sự nổ và bốc hơi khối lượng kim loại nóng chảy đó Tốc độ cắt dòng điện và mức độ sút giảm áp suất quyết định đến sự nổ và bốc hơi của lớp kim loại nóng chảy Trong đó thời gian sụt của dòng điện là yếu tố quyết định tới độ nhám

bề mặt chi tiết gia công

1.1.5 Đặc điểm của phương pháp gia công tia lửa điện

Phương pháp gia công tia lửa điện có đặc điểm như sau [1], [13]:

- Điện cực (đóng vai trò là dụng cụ cắt) có độ cứng thấp hơn nhiều so với vật liệu phôi Vật liệu điện cực thường là đồng, grafit v.v

- Vật liệu dụng cụ và vật liệu phôi đều phải có tính dẫn điện tốt

- Gia công được những vật liệu có độ cứng thấp và cả các loại vật liệu có độ cứng rất cao như các loại thép hợp kim đã qua nhiệt luyện Điều này góp phần thay đổi cả quá trình công nghệ khi gia công các chi tiết phức tạp có yêu cầu độ cứng cao, nâng cao hiệu quả của quá trình sản xuất

- Quá trình gia công được thực hiện trong môi trường chất lỏng được gọi là chất điện môi Đây là dung dịch không dẫn điện ở điều kiện làm việc bình thường

Phương pháp gia công tia lửa điện có nhiều ưu điểm như đã nêu nhưng năng suất thường không cao

1.1.6 Khả năng công nghệ của phương pháp gia công tia lửa điện

Phương pháp gia công tia lửa điện có thể tạo được các mặt định hình là các mặt thẳng, mặt cong, các rãnh định hình, các mặt có profile phức tạp v.v với độ bóng bề mặt tương đối cao (Ra = 1,25µm÷5µm) và độ chính xác kích thước tới 3µm

1.2 Các phương pháp gia công tia lửa điện

Ngày nay, có hai phương pháp gia công tia lửa điện chủ yếu được ứng dụng rộng rãi trong gia công cơ khí, đó là phương pháp xung định hình và phương pháp cắt dây tia lửa điện

1.2.1 Phương pháp gia công xung định hình

Phương pháp gia công xung định hình là phương pháp dùng các điện cực đã được

tạo hình sẵn để in hình (âm bản) của nó lên bề mặt phôi Phương pháp này được dùng để chế tạo khuôn có hình dạng phức tạp, các khuôn ép định hình, khuôn ép nhựa, khuôn đúc áp lực, lỗ không thông v.v

Phương pháp xung định hình thường được sử dụng trong các trường hợp sau:

- Sử dụng được trong chế tạo cơ khí chính xác

- Chế tạo khuôn mẫu phục vụ các ngành sản xuất nhựa, đúc áp lực v.v

1.2.2 Phương pháp gia công cắt dây tia lửa điện

Phương pháp cắt dây tia lửa điện là phương pháp dùng một dây dẫn điện có đường kính nhỏ (0,1 ÷ 0,3mm) cuốn liên tục và chạy theo một biên dạng (contour) định trước (lập trình) để tạo thành mạch cắt trên phôi Phương pháp này thường dùng để gia công các lỗ thông suốt có biên dạng phức tạp như các lỗ trên khuôn dập, khuôn ép, khuôn đúc áp lực, chế tạo các điện cực dùng cho gia công xung định hình, gia công các rãnh hẹp, gấp khúc, các dưỡng kiểm v.v

1.2.3 Các phương pháp gia công tia lửa điện khác

Ngoài hai phương pháp gia công chủ yếu trên, ngày nay trên thế giới còn có một số phương pháp gia công sử dụng nguyên lý gia công bằng tia lửa điện như sau [1], [4], [13]:

- Gia công tia lửa điện dạng phay (Milling EDM):

Gia công tia lửa điện dạng phay là phương pháp sử dụng một điện cực chuẩn,

hình trụ quay để thực hiện ăn mòn tia lửa điện theo kiểu phay Sử dụng phương pháp này để gia công các hình dáng phức tạp do không phải chế tạo điện cực phức tạp mà sử dụng điện cực chuẩn sau đó điều khiển cho điện cực cắt theo chương trình Hiện nay, trên thế giới đã xuất hiện thế hệ mới các máy gia công tia lửa điện

có gắn các động cơ tuyến tính cho các bản trượt và đầu điện cực Điều đó giúp cho trục Z chuyển động tịnh tiến lên xuống với tốc độ cao tạo ra hiệu ứng bơm hút - đẩy làm cho các phoi nhỏ li ti ở khe hở dễ thoát ra ngoài mà không cần vòi sục rửa, phương pháp này được ứng dụng trong các trường hợp gia công hốc sâu và đòi hỏi hình dáng hốc chính xác cao

- Phủ bằng tia lửa điện (EDD): là phương pháp sử dụng hiệu quả của sự ăn

mòn tia lửa điện để phủ lên các bánh mài sau thời gian sử dụng nghiền cơ khí các vật liệu rắn Trong quá trình này, bánh mài phải có tính dẫn điện Bánh mài kim cương liên kết kim loại thường được làm theo phương pháp này Điện áp xung được đặt vào giữa điện cực và bánh mài, trong quá trình mài, tia lửa điện sinh ra sẽ bóc tách các cạnh sắc trên bánh mài Quá trình này cũng được sử dụng để chế tạo bánh mài có hình dạng đặc biệt

- Gia công EDM trợ giúp của siêu âm (Ultrasonic Aided EDM): là phương

pháp hớt vật liệu bằng tia lửa điện kết hợp với việc rung điện cực dụng cụ với tần số rung bằng tần số siêu âm Rung điện cực với tần số siêu âm giúp nâng cao khả năng công nghệ và tăng đáng kể tốc độ gia công khi gia công các lỗ nhỏ và siêu nhỏ

- Mài xung điện (Abrasive Electrical Discharge Grinding - AEDG): là

phương pháp gia công trong đó vật liệu được bóc tách nhờ tác dụng kết hợp của ăn mòn tia lửa điện và gia công cắt gọt bằng hạt mài

- Gia công xung định hình siêu nhỏ (MEDM): là một dạng xung định hình

đặc biệt trong đó điện cực được quay với tốc độ lớn (tới 10.000vg/ph) Điện cực sử dụng trong MEDM có kích thước nhỏ và được chế tạo bằng các phương pháp gia công tia lửa điện khác Phương pháp này dùng để gia công các lỗ siêu nhỏ với độ chính xác rất cao

- Cắt dây tia lửa điện siêu nhỏ (MWEDM): là phương pháp cắt dây sử dụng

điện cực Tungsten, Wolfram có đuờng kính dây nhỏ duới 10µm Phương pháp này dùng để gia công cắt dây các lỗ siêu nhỏ có kích thuớc từ 0,1 ÷ 1mm, các vật liệu khó gia công, các chi tiết có chiều dày mỏng v.v hoặc dùng trong công nghệ chế tạo các chi tiết bán dẫn

- Gia công tia lửa điện theo kiểu đê chắn (Mole EDM): là một quá trình gia

công đặc biệt cho phép gia công các hốc, rãnh dạng đường cong hoặc đường xuyến Hình dáng điện cực được sử dụng trong phương pháp này giống như một thanh dẫn

có thể uốn cong và một hệ thống nhận dạng Người ta sử dụng sóng siêu âm để nhận dạng các đường hầm gia công trong chi tiết

- Xung định hình với 2 điện cực quay: là phương pháp sử dụng một điện

cực quay để ăn mòn một phôi quay Khi phối hợp chuyển động của điện cực và phôi

sẽ tạo ra các hình dạng chi tiết khác nhau theo yêu cầu Phương pháp này là phương pháp gia công siêu chính xác và độ bóng siêu cao

1.3 Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình gia công tia lửa điện

1.3.1 Các đặc tính về điện của sự phóng tia lửa điện

Khác với những phương pháp gia công cắt gọt truyền thống, phương pháp gia công bằng tia lửa điện bên cạnh các tham số công nghệ như cặp vật liệu, sự đấu cực, điều kiện dòng chảy chất điện môi v.v thì tham số điều khiển về xung như thời gian, điện áp, dòng điện cũng đóng vai trò rất quan trọng đến năng suất và đặc biệt là đến chất lượng bề mặt gia công Các tài liệu nghiên cứu đã đưa ra các kết luận đã trở thành các kiến thức cơ bản về gia công tia lửa điện [16] như điện áp xung Ue có tác động đến lượng bóc tách vật liệu, là hằng số vật lý phụ thuộc vào cặp vật liệu điện cực - phôi Dòng xung Ie ảnh hưởng lớn nhất đến lượng hớt vật

liệu phôi, độ mòn điện cực và chất lượng bề mặt gia công Trong mối quan hệ với lượng bóc tách vật liệu, Ie càng lớn thì lượng hớt vật liệu Vw càng lớn, độ nhám gia công càng tăng và độ mòn điện cực càng giảm Giá trị trung bình Ie có thể đọc trên bảng điều khiển điện trong suốt quá trình gia công, ở một số máy xung định hình, Ie

thường được thể hiện theo bước dòng điện Phụ thuộc vào kiểu máy, Ie được điều chỉnh theo 18 hoặc 21 buớc, thay đổi nằm trong khoảng từ 0,5A÷ 80A, trong đó các buớc nhỏ đuợc chọn để gia công tinh, bước lớn để gia công thô

Thời gian kéo dài xung ti và khoảng ngắt xung t0 cũng là những tham số điều khiển có ảnh hưởng đáng kể đến chất lượng bề mặt gia công Vấn đề là thời gian xung ti lớn thì có lợi cho năng suất do lượng hớt vật liệu cao, tuy nhiên bề mặt gia công lại thô (tương tự xảy ra với t0 nhỏ) Ngoài ra, nếu khoảng thời gian ngắt xung

t0 quá nhỏ, có thể chất điện môi sẽ không đủ thời gian để thôi ion hoá, phần tử vật liệu bóc tách do điện và nhiệt không kịp được đẩy ra khỏi vùng khe hở, điều đó có thể gây nên các lỗi phóng điện như ngắn mạch, hồ quang, các lỗ gia công bị ngậm

xỉ v.v

Về mối quan hệ thời gian kéo dài xung/khoảng cách xung ta có tỉ lệ: ti/t0

<10 phù hợp cho gia công thô, tỉ lệ ti/t0 <5 phù hợp cho gia công tinh và tỉ lệ ti/t0 <1 cho gia công bề mặt siêu tinh

Với mỗi trường hợp gia công cụ thể phải điều chỉnh các thông số công nghệ sao cho điện cực mòn ít nhất, năng suất gia công cao nhất trên cơ sở đảm bảo độ chính xác và chất lượng bề mặt gia công theo yêu cầu Muốn vậy tất cả các thông số của quá trình gia công phải được lựa chọn hợp lý Các thông số đó bao gồm:

- Điện áp đánh tia lửa điện U i: là điện áp cần thiết để có thể dẫn đến phóng tia lửa điện, điện áp đánh lửa Ui càng lớn thì phóng điện càng nhanh và cho phép khe hở phóng điện càng lớn

- Thời gian trễ phóng tia lửa điện t d: là khoảng thời gian đóng máy phát tới lúc bắt đầu xuất hiện sự phóng điện Ngay khi đóng điện máy phát, chưa xảy ra hiện tượng phóng điện Điện áp được duy trì ở giá trị của điện áp đánh lửa Ui, dòng điện bằng “0” Sau một thời gian trễ td mới xảy ra sự phóng tia lửa điện, dòng điện từ giá

trị “0” vọt lên giá trị Ie

- Điện áp phóng tia lửa điện U e : là điện áp trung bình trong suốt quá trình

phóng điện Ue là hệ số vật lý phụ thuộc vào cặp vật liệu điện cực - phôi Ue không điều chỉnh được Khi bắt đầu xảy ra phóng tia lửa điện thì điện áp Ui tụt xuống đến giá trị Ue

- Dòng phóng tia lửa điện I e: là giá trị trung bình của dòng điện từ khi bắt đầu phóng ra tia lửa điện đến khi ngắt điện Khi bắt đầu phóng điện dòng điện tăng

từ 0 đến Ie kèm theo sự bốc cháy kim loại Theo các nghiên cứu thì Ie có ảnh hưởng lớn nhất đến ăn mòn vật liệu, độ ăn mòn điện cực và đến chất lượng bề mặt gia công Nhìn chung, khi Ie càng tăng thì lượng hớt vật liệu tăng và độ nhám gia công lớn nhưng độ ăn mòn điện cực giảm

- Thời gian phóng tia lửa điện t e: là khoảng thời gian giữa lúc bắt đầu phóng tia lửa điện và lúc ngắt điện, tức là thời gian có dòng điện Ie trong một lần phóng điện

- Độ kéo dài xung t i: là khoảng thời gian giữa hai lần đóng ngắt của máy phát trong cùng một chu kỳ phóng tia lửa điện 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:

+ Tỷ lệ hớt vật liệu:

Thực nghiệm cho thấy khi giữ nguyên dòng điện Ie và khoảng cách xung t0, nếu tăng độ kéo dài xung ti thì ban đầu năng suất hớt vật liệu Vw tăng nhưng chỉ tăng đến giá trị cực đại ở ti nhất định nào đó sau đó năng suất hớt vật liệu Vw giảm

đi, nếu vẫn tiếp tục tăng độ kéo dài xung ti thì năng lượng phóng điện không còn được sử dụng để hớt vật liệu phôi mà nó lại làm tăng nhiệt độ của các điện cực và dung dịch chất điện môi Mối quan hệ giữa năng suất hớt vật liệu Vw với ti được

biểu thị ở Hình 1.9

Hình 1.9- Mối quan hệ giữa V w và t i

+ Độ mòn điện cực:

Độ mòn tương đối  của điện cực sẽ giảm đi khi độ kéo dài xung ti tăng thậm chí cả sau khi đạt lượng hớt vật liệu cực đại Nguyên nhân do mật độ điện tử tập trung ở bề mặt phôi (cực dương) cao hơn nhiều lần so với mật độ ion dương tập trung tới bề mặt dụng cụ (cực âm), trong khi mức độ tăng của dòng điện lại rất lớn

Do vậy, độ mòn điện cực  ngày càng giảm Mối quan hệ giữa độ mòn điện cực tương đối  với ti được biểu thị ở Hình 1.10

Hình 1.10- Mối quan hệ giữa độ mòn điện cực tương đối  và t i

+ Độ nhám bề mặt: Khi tăng ti thì độ nhám Ra cũng tăng do tác dụng của dòng điện được duy trì lâu hơn, ngay cả sau điểm đạt được tốc độ hớt vật liệu cực

đại Mối quan hệ giữa ti với độ nhám bề mặt gia công được biểu thị ở Hình 1.11

Hình 1.11- Mối quan hệ giữa R a và độ kéo dài xung t i

+ Năng suất gia công:

Tỷ lệ ti/t0, t0 có ảnh hưởng rất lớn đến lượng hớt vật liệu Khoảng cách t0

càng lớn thì lượng hớt vật liệu Vw càng nhỏ và ngược lại Phải chọn t0 nhỏ nhằm đạt một lượng hớt vật liệu tối đa Nhưng ngược lại khoảng cách xung t0 phải đủ lớn đến

có đủ thời gian thôi ion hoá chất điện môi trong khe hở phóng điện Nhờ đó sẽ tránh được lỗi của quá trình như tạo hồ quang hoặc dòng ngắn mạch Cũng trong thời gian nghỉ của các xung điện, dòng chảy sẽ đẩy các vật liệu đã bị ăn mòn ra khỏi khe

hở phóng điện Do đó, tuỳ thuộc vào kiểu máy và mục đích gia công cụ thể mà người ta lựa chọn t0, ti phù hợp thông qua việc lựa chọn tỷ lệ giữa thời gian xung và thời gian nghỉ ti/t0 hợp lý

Cụ thể như sau [1]:

- Khi gia công rất thô chọn: ti/t0>10

- Khi gia công thô chọn: ti/t0 10

- Khi gia công tinh chọn: ti/t0 = 5÷10

- Khi gia công siêu tinh chọn: ti/t0 < 5 (thường chọn ti/t0  0,4)

Hình 1.12- Ảnh hưởng của t i và t 0 đến năng suất gia công

1.3.2 Ảnh hưởng của khe hở phóng điện 

- Điện áp phóng tia lửa điện Ue được xác định theo biểu thức sau [1], [15]:

Trong đó:

+ T1 là thời gian tích điện (s) của tụ điện

+ Ui là điện áp đánh lửa (V)

+ C là điện dung của tụ điện (µF)

- Nếu  nhỏ thì Uemax cũng nhỏ tần số xung lớn do:

2ln (1−1 ) là hệ số công suất

Ta thấy hệ số công suất ap đạt giá trị lớn nhất khi hệ số điện tích  = 0,6 ÷

0,8 (Hình 1.13) Vì vậy phải điều chỉnh khoảng cách điện cực phù hợp với hệ số

điện tích  trong khoảng trên và phải giữ được khe hở phóng điện  ổn định

Hình 1.13- Mối quan hệ giữa hệ số công suất a p và hệ số điện tích 

1.3.3 Ảnh hưởng của điện dung C

Ảnh hưởng của điện dung C được mô tả như sau:

Hình 1.14- Ảnh hưởng của điện dung C tới năng suất hớt vật liệu Vw

Biểu đồ Hình 1.14 chỉ ra rằng khi điện áp tối ưu Uopt = 0,7Ui thì sẽ đạt được năng suất hớt vật liệu lớn nhất, đồng thời lượng mòn điện cực là nhỏ nhất Khi giữ nguyên điện áp tối ưu Uopt không đổi và thay đổi điện dung C ta xác định được điện dung giới hạn Cgh Nếu C<Cgh thì sẽ gây ra hiện tượng hồ quang làm giảm năng suất gia công

1.3.4 Ảnh hưởng của diện tích gia công F

Đồ thị sau biều thị ảnh hưởng của diện tích vùng gia công đến năng suất hớt vật liệu Vw và độ mòn điện cực  Hình 1.16 cho thấy giai đoạn đầu năng suất hớt

vật liệu Vw tăng gần như tuyến tính khi tăng diện tích F, tới khi diện tích F đạt giá trị diện tích giới hạn Fgh thì Vw = Vwmax Sau đó nếu tiếp tục tăng diện tích F thì năng suất hớt vật liệu Vw giảm dần do diện tích gia công F vượt quá giới hạn, có nghĩa là dòng điện vượt quá giới hạn, khi đó việc vận chuyển phoi ra khỏi vùng gia công khó khăn hơn và làm giảm năng suất gia công [1]

Hình 1.15- Ảnh hưởng của diện tích vùng gia công F đến V W và 

Hình 1.15 cũng cho thấy khi tăng diện tích F, ban đầu điện cực  giảm mạnh, sau đó tiếp tục tăng diện tích F lượng mòn điện cực  hầu như không thay đổi

1.3.5 Ảnh hưởng của sự ăn mòn điện cực

Phương pháp gia công tia lửa điện là phương pháp dùng điện cực âm để hớt

đi một lượng vật liệu trên điện cực dương (phôi) Song song với quá trình trên là quá trình điện cực âm cũng bị hớt đi một lượng vật liệu trên bề mặt do các ion dương gây ra Mặc dù lượng vật liệu bị hớt đi trên điện cực âm là rất nhỏ so với lượng vật liệu bị hớt đi trên điện cực dương nhưng khi quá trình gia công diễn ra trong một khoảng thời gian dài thì kích thước điện cực cũng bị thay đổi và do đó sẽ ảnh hưởng tới độ chính xác gia công Nói chung, độ mòn của điện cực phụ thuộc vào cặp vật liệu điện cực - phôi và các thông số điều chỉnh khác trong quá trình gia công [5] Người ta xác định độ mòn tương đối  của điện cực bằng công thức sau:

 = Ve

Trong đó:

Ve là tốc độ ăn mòn điện cực (mm3/ph)

Vw là năng suất hớt vật liệu ở phôi (mm3/ph)

Độ mòn tương đối  chịu ảnh hưởng của các yếu tố sau:

- Sự phối hợp của cặp vật liệu điện cực – phôi

- Dòng điện Ie

- Độ kéo dài xung te và sự đấu cực

1.3.6 Các hiện tượng xấu khi gia công tia lửa điện

Với mục đích nâng cao hiệu quả gia công và chất lượng sản phẩm, ta phải tiến hành nghiên cứu các hiện tượng xấu xảy ra trong quá trình gia công tia lửa điện

và nguyên nhân của chúng Các hiện tượng xấu chủ yếu thường gặp là:

1.3.6.1 Hồ quang

Hồ quang là hiện tượng phóng điện không có thời gian trễ td

Nguyên nhân: Do sự phóng điện sẽ xuất hiện trong chất điện môi (khu vực nằm giữa hai điện cực) những phần tử vật liệu đã bị ăn mòn và các ion dương chưa

bị dòng chảy chất điện môi đẩy ra khỏi khe hở phóng điện Chính các ion này gây ra

hồ quang trước khi chúng mất điện và bị đẩy ra khỏi khe hở phóng điện Hồ quang xảy ra giữa các xung Do đó, nếu trong quá trình gia công mà điều chỉnh khoảng cách xung quá ngắn thì sẽ xảy ra hiện tượng xung tiếp theo sẽ bị đốt cháy cùng một điểm với xung phía trước (do lúc đó không có khoảng thời gian trễ để phóng điện vào các đỉnh nhấp nhô cao nhất) Do đó, điểm ăn mòn sẽ bị khoét thành một hố sâu

và không đều trên bề mặt phôi

Hình 1.16- Hiện tượng hồ quang điện

Hình 1.16 là đồ thị thể hiện sự phóng điện lý tưởng và sự phóng điện không

có thời gian trễ do có hồ quang [1], [15]

1.3.6.2 Ngắn mạch, sụt áp

Hiện tượng: Không có sự phóng điện mà chỉ xuất hiện dòng điện chạy từ điện cực sang phôi (khi đó điện áp là rất nhỏ và dòng điện là cực đại), còn gọi là dòng điện ngắn mạch Sự ngắn mạch không chỉ ngăn cản sự hớt vật liệu phôi mà còn làm hư hại cấu trúc của phôi do dòng điện ngắn mạch lớn sẽ tạo ra nhiệt lớn do

đó gây ảnh hưởng đến tính chất vật liệu của phôi

Hình 1.17- Hiện tượng ngắn mạch sụt áp

Các nguyên nhân của hiện tượng nắn mạch gồm:

- Do sự tiếp xúc trực tiếp của điện cực vào phôi

- Phoi bị kẹt trong khe hở phóng điện

- Chiều rộng khe hở quá nhỏ, dòng chảy chất điện môi quá yếu

1.3.6.3 Xung mạch hở không có dòng điện

Xung mạch hở không có dòng điện là hiện tượng các xung không gây ra hiện tượng phóng điện, do đó làm giảm hiệu quả phóng điện

Hình 1.18- Hiện tượng xung mạch hở

Các nguyên nhân xung mạch hở không có dòng điện:

- Chiều rộng khe hở phóng điện quá lớn

- Dòng chảy chất điện môi quá mạnh (nên đã thổi hết các ion ra khỏi vùng gia công)

1.3.6.4 Sự quá nhiệt của chất điện môi

Quá trình gia công bị nhiễu loạn bởi hồ quang thường xuyên, ngoài ra còn không ổn định do ngắn mạch

Nguyên nhân: Khi vùng gia công rất rộng nhưng khe hở phóng điện lại quá nhỏ (gia công tinh các khuôn lớn), chất điện môi trở nên nóng đến mức nó bị phân huỷ mạnh thành cacbon Các phần tử cacbon này sẽ làm tăng tính dẫn điện của chất điện môi khiến cho quá trình gia công bị nhiễu loạn Nếu cacbon bị lắng đọng trên mặt điện cực thì nó sẽ gây ra sự không ổn định

1.3.7 Các yếu tố không điều khiển được

Ngoài các yếu tố đã nêu ở trên ảnh hưởng tới quá trình gia công tia lửa điện thì còn có các yếu tố khác không điều khiển được trong quá trình gia công Đó là các yếu tố nhiễu như:

1.3.7.2 Nhiễu ngẫu nhiên

Là các nhiễu thuộc về điều kiện môi trường như nhiệt độ làm việc, nhiệt độ dung môi, độ ẩm, rung động của các máy khác truyền tới v.v những điều kiện này

đã gây ra những sự cố ngẫu nhiên ảnh hưởng đến quá trình gia công tia lửa điện Khả năng thựcch ứng của chương trình điều khiển cũng có thể coi là một yếu tố ngẫu nhiên Cụ thể như việc chọn chuẩn hệ toạ độ để gia công cho chương trình, độ chính xác điều khiển cắt, phương pháp lập trình v.v đều là các yếu tố ảnh hưởng đến độ chính xác gia công tia lửa điện

1.4 Chất điện môi trong gia công tia lửa điện

1.4.1 Nhiệm vụ của chất điện môi

Trong cơ khí nói chung thường dùng một dung dịch để làm nguội khu vực gia công nhằm tránh các ảnh hưởng về nhiệt lên bề mặt chi tiết gia công cũng như dụng cụ gia công Tuy nhiên, trong gia công bằng tia lửa điện thì ngoài hai yếu tố chính là dụng cụ cắt và phôi được nối với hai cực thì một yếu tố không thể thiếu để

có thể tạo ra sự bóc phoi và vận chuyển phoi ra khỏi vùng cắt đó là dung dịch chất