Nghiên cứu thiết kế mô phỏng máy gia công tia lửa điện loại nhỏ

§ CHƯƠNG 1: TỔNG QUANĐể giải quyết vấn đề gia công thô, bán tinh, hay tinh các chi tiết được làm bằng vật liệu có độ cứng cao như: thép hợp kim cứng, thép gió hay cần gia công các hình d

Cán bộ hướng dẫn khoa học: PGS.TS PHAN ĐÌNH HUẤN

Cán bộ chấm nhận xét 1:

Cán bộ chấm nhận xét 2:

Luận văn thạc sĩ được bảo vệ tại HỘI ĐỒNG CHẤM BẢO VỆ LUẬN VĂN THẠC SĨ

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA, ngày tháng năm 2005

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ Họ tên học viên: NGUYỄN THANH SƠN Phái: Nam

Ngày, tháng, năm sinh: 12 /03 /1974 Nơi sinh: TX Cao Lãnh – Đồng Tháp

Chuyên ngành: Cơ khí chế tạo máy MSHV: 00403094

I TÊN ĐỀ TÀI: NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ - MÔ PHỎNG MÁY GIA

CÔNG TIA LỬA ĐIỆN LOẠI NHỎ

II NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG:

1 Tìm hiểu, nghiên cứu công nghệ gia công tia lửa điện dạng xung định hình hay

còn gọi là (EDM die sinking)

2 Thiết kế máy gia công tia lửa điện dạng xung định hình

3 Tính toán, mô phỏng sự ảnh hưởng của các thông số gia công đến độ nhám bề

mặt chi tiết

III NGÀY GIAO NHIỆM VỤ : 17/01/2005

IV NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ : 30/09/2005

V HỌ VÀ TÊN CÁN BỘ HƯỚNG DẪN: PGS TS PHAN ĐÌNH HUẤN

CÁN BỘ HƯỚNG DẪN CHỦ NHIỆM NGÀNH BỘ MÔN QUẢN LÝ CHUYÊN NGÀNH

Nội dung và đề cương luận văn thạc sĩ đã được Hội Đồng Chuyên Ngành thông qua

Ngày tháng năm 2005

PHÒNG ĐÀO TẠO SĐH KHOA QUẢN LÝ NGÀNH

¾ Tìm hiểu, nghiên cứu công nghệ gia công tia lửa điện dạng xung định hình hay còn gọi là (EDM die sinking)

¾ Thiết kế máy gia công tia lửa điện dạng xung định hình

¾ Tính toán, mô phỏng máy EDM (phần cơ và phần điện) phân tích sự ảnh hưởng của các thông số gia công đến độ nhám bề mặt chi tiết, viết chương trình tính toán các thông số gia công theo độ nhám yêu cầu

-oOo -

Trước hết, em vô cùng biết ơn về sự quan tâm và tận tình hướng dẫn của Thầy PGS.TS PHAN ĐÌNH HUẤN trong suốt thời gian thực hiện luận văn

Em chân thành cám ơn Quý Thầy, Cô trường Đại học Bách khoa Tp Hồ Chí Minh đặc biệt là Quý Thầy, Cô trong Khoa Cơ Khí đã truyền đạt cho em nhiều kiến thức quý báo trong quá trình học tập và nghiên cứu thực hiện luận văn

Cuối cùng em xin chân thành cám ơn Quý Thầy, Cô, Anh, Chị ở Trung tâm bảo dưỡng Công nghiệp đặc biệt là KS

Trương Công Tiển đã tận tình giúp đỡ em trong quá trình

thực hiện luận văn

Luận văn nghiên cứu thiết kế – mô phỏng máy gia công tia lửa điện (EDM) dạng xung định hình loại nhỏ có thể tóm tắt như sau:

- Giới thiệu sơ lược về các công trình nghiên cứu, các công ty, tập đoàn sản xuất máy EDM trên thị trường, bao gồm các thông số kỹ thuật và hình dạng máy, giá thành của một số máy ngoại, … được trình bày ở chương 1 của luận văn

- Nghiên cứu về nguyên lý gia công, cơ sở vật lý của quá trình gia công EDM: quá trình bóc tách kim loại, chất lượng bề mặt gia công, độ chính xác, và các yếu tố ảnh hưởng đến chất lượng bề mặt gia công, ….v v cụ thể được trình bày ở chương 2

- Phân tích, thiết kế phần động học máy EDM loại nhỏ, được trình bày ở chương 3

- Nghiên cứu thiết kế bộ phận tạo xung công suất để gia công ứng với điện áp: 60, 150, 240 volt DC; dòng điện cực đại là 30 Ampe Thiết kế hệ thống điều khiển khe hở gia công, mô phỏng kết quả bằng phần mềm workbench, … được trình bày trong chương 4

- Chương trình tính các thông số gia công: Ton, Toff, I, … Theo độ nhám bề mặt

- Chế tạo mô hình máy gia công EDM để đánh giá chất lượng bề mặt gia công theo các chế độ khác nhau

- Kết luận và hướng phát triển tiếp của đề tài

-oOo -

MỤC LỤC

oOo

Lời nói đầu ……… 8

Chương 1: Tổng quan

1.1 – Một số công trình nghiên cứu về máy EDM 10

1.1.a – Công ty, viện, trung tâm nghiên cứu EDM trong nước 11 1.1.b - Các trung tâm, viện nghiên cứu EDM trên thế giới 11 1.2- Giới thiệu một số máy EDM dạng xung định hình 12 1.3- Mục tiêu của đề tài 18

Chương 2: Nghiên cứu công nghệ gia công EDM 19

2.1- Cấu tạo tổng quát của máy EDM 20 2.2- Tính chất vật lý của quá trình gia công 21 2.3- Mô tả quá trình bóc tách kim loại khi gia công 26 2.4- Các đặc tính về điện trong quá trình gia công 27

2.5- Chất lượng bề mặt khi gia công bằng EDM 29

2.5.a: Độ nhám bề mặt 2.5.b Vết nứt tế vi và các lớp ảnh hưởng nhiệt 2.6- Các yếu tố ảnh hưởng đến chất lượng gia công 30 2.7- Độ chính xác khi gia công bằng EDM 31

2.8- Các vấn đề liên quan đến điện cực 32 2.9- Các vấn đề liên quan đến dung dịch điện môi 35 2.10- Khe hở phóng điện 38

Chương 3: Thiết kế phần cơ 39 3.1: Phân tích và chọn phương án thiết kế: 39

3.2- Tính toán bộ truyền động vitme – đai ốc bi 42 3.3- Mang cá dẫn hướng 46

3.4- Thiết kế thân trên máy

3.5- Thiết kế thân giữa máy 3.6- Thiết kế thân dưới máy

Chương 4: Phần điện và điều khiển

4.2- Phần điều khiển

4.2.2 – Điều khiển khe hở phóng điện 63

Chương 5: Chương trình tính các thông số & mô hình máy

5.1- Khảo sát sự ảnh hưởng các thông số gia công đến độ nhám bề mặt 67

5.2 - Phần mô hình cơ khí có mô phỏng quá trình hoạt động bằng chương

LỜI NÓI ĐẦU

Do nhu cầu công nghiệp hoá, hiện đại hoá đất nước, việc đầu tư và phát triển trang thiết bị có công nghệ mới và hiện đại là rất cần thiết Những năm gần đây việc đầu tư các thiết bị, máy gia công …… có công nghệ mới và hiện đại ở nước ta ngày càng nhiều

Các doanh nghiệp, công ty sản xuất trong nước, đã và đang cạnh tranh ngày càng khóc liệt để tồn tại và phát triển trong nền kinh tế thị trường, do đó việc đầu tư máy, thiết bị có công nghệ mới và hiện đại nhầm tăng năng suất và

chất lượng là rất cần thiết Ví dụ: Trong lĩnh vực khuôn mẫu, để sản xuất được

sản phẩm có chất lượng cao đáp ứng nhu cầu thị trường thì việc đầu tư máy gia công trung tâm, CNC, máy tia lửa điện,… là không tránh khỏi

Hiện tại máy, thiết bị có công nghệ hiện đại mà các doanh nghiệp trong nước đầu tư đều được nhập từ nước ngoài như: Đài Loan, Trung quốc, Nhật hay

EU, … tùy theo mức độ tự động hóa và mức độ hiện đại mà có giá khác nhau vậy việc nghiên cứu và chế tạo thiết bị, máy có công nghệ hiện đại để đáp ứng nhu cầu trong nước là có ý nghĩa thực tiễn

Trong đời sống thực tiễn ngày càng có nhiều sản phẩm hay chi tiết có hình dáng phức tạp hay được làm từ vật liệu cứng rất khó gia công cắt gọt theo phương pháp truyền thống Từ những thực tế đó đòi hỏi phải nghiên cứu và phát triển những phương pháp gia công mới, trong các phương pháp này có phương pháp gia công tia lửa điện

Trong điều kiện thực tế hiện nay của nước ta thì việc nghiên cứu chế tạo máy gia công tia lửa điện mang một ý nghĩa thực tiễn Trong đề tài chúng tôi tập

trung nghiên cứu “Máy gia công tia lửa điện dạng xung định hình” còn gọi là

§ CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN

Để giải quyết vấn đề gia công thô, bán tinh, hay tinh các chi tiết được làm bằng vật liệu có độ cứng cao như: thép hợp kim cứng, thép gió hay cần gia công các hình dạng phức tạp, thì phương pháp gia công bằng tia lửa điện được

ra đời và ngày càng phát triển và hiện đại hóa cũng như mức độ sử dụng ngày

càng phổ thông hơn trong các nhà máy, xưởng sản xuất

Ở nước ta, hiện tại có nhiều công ty, xưởng sản xuất đã đầu tư máy gia công tia lửa điện bởi vì tính hiệu quả gia công của nó Hầu hết các máy tia lửa điện ở nước ta đều được nhập từ: Nhật Bản, Châu Aâu, Mỹ, Đài Loan, Trung Quốc,… với sự phát triển của đất nước ngày càng lớn mạnh thì nhu cầu sử dụng máy gia công tia lửa điện ở nước ta càng nhiều Do đó việc nghiên cứu và chế tạo máy gia công tia lửa điện ở nước ta có một ý nghĩa thực tiển

Định nghĩa gia công tia lửa điện (EDM): Là qui trình bóc kim loại

ra khỏi chi tiết gia công bởi một quá trình điện nhiệt, thông qua sự nóng chảy và bóc hơi kim loại cần bóc ra Năng lượng nhiệt phát ra bởi sự phóng điện gọi là

“gia công tia lửa điện” hay gia công EDM

Hệ thống gia công EDM có 2 dạng gia công chính:

ƒ Máy cắt dây (wire EDM): ở dạng gia công này, điện cực được làm bằng dây kim loại thường là đồng, molipden, volfram hay các dây có lớp phủ, có đường kính d= 0.1 – 0.3 mm, dây điện cực được chuyển động tương đối liên tục đối với phôi theo một hành trình cho trước, từ đó phôi cần gia công được cắt theo hành trình đó

Hình 1.1: sơ đồ gia công bằng wire EDM

ƒ Máy xung định hình (EDM die sinking): dạng này, điện cực là

một hình không gian, sau khi gia công thì chi tiết cần gia công có hình dạng giống với điện cực hay còn gọi là âm bản của điện cực (Như hình 1.2)

¾ “Nghiên cứu phương pháp ổn định quá trình gia công xung tia

lửa điện” do Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội đăng trên Tạp

chí Khoa học & Công Nghệ các Trường Đại học Kỹ Thuật số 46+47/2004

¾ “Thiết kế chế tạo hệ điều khiển bằng μC cho máy xung tia

lửa điện” đăng trên Tạp chí Khoa học & Công Nghệ các Trường

Đại học Kỹ Thuật số 38+39/2004

¾ …

1.1.b Các Viện, Công ty nghiên cứu về máy gia công tia lửa

điện trên thế giới:

¾ Trung tâm nghiên cứu và sản xuất máy không truyền thống của

trường Đại học Nebraska-Lincohn-USA Đã có các dự án nghiên cứu

ƒ Nghiên cứu sự phân bố phóng tia lửa trong die sinking EDM:

mục đích của dự án này là nghiên cứu sự ảnh hưởng của các thông số gia công

ƒ Các hệ thống điều khiển tối ưu: mục đích chính của dự án là

nghiên cứu phát triển các hệ thống điều khiển tối ưu để tăng chất lượng gia công, tránh hư hỏng và ngắn mạch

¾ “ Mô phỏng và điều khiển hệ thống gia công tia lửa điện” của A

.Yahya và C.D Manning trường đại học Loughborough, LE11 3TU,

UK

§ 1 2 Giới thiệu một số máy EDM được sản xuất trên thế giới:

¾ Công ty MITSUBISHI Electric Corporation –Nhật Bản:

Các model máy EDM như sau: EA8, EA 12, EA 22, EA 30, … có các

thông số kỹ thuật của máy như bảng sau:

EA8 EA12 EA22 EA30

Kích thước bể chứa dung dịch 770x500x250 950x600x350 1100x750x400 1280x850x450

Kích thước chi tiết max (mm) 740x470x150 900x550x250 1050x700x300 1230x800x350

Khối lượng chi tiết max (kg) 550 700 1000 2000

Kích thước bàn máy (mm) 550 x 350 700 x 500 850 x 600 1100 x 750

Kích thước của máy (WxDxH) 1460x1717x2000 1740x1860x2265 1985x2200x2375 2170x2635x2495

Thể tích bể chứa dung dịch (l) 196 340 570 800

MITSUBISHI NC EDM Model: EA8Kích thước gia công (X,Y,Z):

500 x 400 x 350mm

Hình H1.3 c

¾ Công ty JS EDM (JIANN SHENG Machinery & Electric Industrial

Co., Ltd) Đài Loan đã sản xuất các model máy EDM như sau:

Model: NC-F 304N, F 606N, F707N, F 808N, F 909N, …với các thông số kỹ thuật của máy như bảng sau:

NC F304N NC F606N NC F707N NC F808N

Kích thước bể chứa dung dịch 800x500x350 1100x600x400 1550x880x500 1700x1050x700

Kích thước bàn máy (mm) 600x300 700x400 1000x500 1100x700

Kích thước của máy (WxDxH) 1860x1080x2200 2240x1410x2245 2170x3080x2490 1670x1430x2180

Công suất gia công (mm 3 /min) 150,200,400 200,400,600 400,600,800 600,800

JS EDM Model: NC-F304N

Kích thước gia công (X,Y,Z):

300 x 200 x 200mm

Hình H1.4 a

550 x 450 x 300mm

JS EDM Model: NC-F606N Kích thước gia công (X,Y,Z):

400 x 300 x 250mm

Khối lượng điện cực max (kg) 60 60 80 80

Kích thước bể chứa dung dịch 900x800x350 880x500x330 1090x640x360 1050x620x400

Kích thước của máy (LxWxH) 1460x1500x2245 1350x1500x2240 1750x1750x2790 1750x2000x2240

Độ mòn điện cực (%) < 0.3% < 0.3% < 0.3% < 0.3%

Độ nhám bề mặt (μmRa) 0.3 0.3 0.3 0.3 Output Voltage (VDC) 90 - 260 90 - 260 90 - 260 90 – 260

Trọng lượng tủ điều khiển (kg) 160 160 160 160

GOLD SAN NC EDM Model: GS-320a Kích thước gia công (X,Y,Z):

300 x 250 x 200mm

GOLD SAN NC EDM Model: GS-540 Kích thước gia công (X,Y,Z):

500 x 400 x 250mm

GOLD SAN NC EDM Model: GS-320b Kích thước gia công (X,Y,Z):

400 x 300 x 200mm

Hình H1 5 d

¾ Ngoài ra còn nhiều tập đoàn, công ty khác từ Mỹ, EU, sản xuất máy EDM như: MAKINO, HITACHI – Japan, … Tùy theo mức độ tự động hóa của từng kiểu máy, công suất máy và độ chính xác, … mà có giá khác nhau ví dụ như:

ƒ Máy NC-F606N của hãng JS EDM – Đài Loan hiện nay có giá khoảng 17,000Usd, Máy model GS 430A của hãng Gold San-Trung Quốc có giá:

12,500 Usd, … Còn các máy EDM của Mitsubishi, Makino, Hitachi, … thì có

giá cao hơn nhiều ví dụ: máy gia công tia lửa điện EDGE3 của hãng Makino hiện tại có giá là 150,000 Usd

§ 1 3 Mục tiêu của đề tài:

ƒ Nghiên cứu thiết kế máy gia công tia lửa điện dạng xung

định hình loại nhỏ

ƒ Mô phỏng sự ảnh hưởng của các thông số gia công đến dộ

nhám bề mặt gia công

ƒ Gia công một số mẫu trên máy mô hình Dựa vào các thông số kỹ thuật của các máy đã khảo sát được ở trên, chúng ta có thể chọn các thông số sơ bộ để thiết kế máy EDM loại nhỏ như sau:

Cường độ đòng điện : I max là 30A Điện áp nguồn : Uz = 60, 150, 240 volt Kích thước bàn máy : 500mmL x 400mmW Hành trình dịch chuyển của điện cực theo trục z = 200mm Bể chứa dung dịch : 600 x 500 x 250 mm

Khối lượng cực đại của điện cực: 25 Kg Khối lượng chi tiết gia công: 60 Kg

-oOo -

§ CHƯƠNG 2:

NGHIÊN CỨU CÔNG NGHỆ GIA CÔNG EDM

Chương này trình bày:

ƒ 2.1 Cấu tạo tổng quát của máy gia công tia lửa điện

ƒ 2.2 Tính chất vật lý của gia công tia lửa điện

ƒ 2.3 Mô tả quá trình bóc tách kim loại khi gia công

ƒ 2.4 Chất lượng bề mặt gia công EDM

ƒ 2.5 Các yếu tố ảnh hưởng đến chất lượng gia công

ƒ 2.6 Độ chính xác khi tạo hình bằng EDM

ƒ 2.7 Các vấn đề liên quan đến điện cực

™ 2.1 Cấu tạo tổng quát của máy gia công tia lửa điện

Hình H 2.1 1 Cấu tạo tổng quát của máy EDM

1: Màn hình điều khiển 2: Động cơ tạo chuyển động theo trục z 3: Điện cực 4: Thùng chứa dung dịch điện môi

5: Động cơ tạo chuyển động ngang 6: Động cơ tạo chuyển động dọc

¾ Về cơ bản, máy xung định hình gồm có 3 phần chính:

ƒ Phần cơ khí: (khung máy, bàn trượt trục X, trục Y, Trục Z, bộ phận kẹp phôi, đầu mang điện cực, thùng chứa dung dịch điện môi….)

ƒ Hệ thống điện: điều khiển toàn bộ quá trình gia công: tạo xung, cường độ dòng điện, điều khiển sự di chuyển của điện cực, …

ƒ Dung dịch điện môi:

Hình H2.1.2

Chú thích:

1 Đầu mang điện cực 2 Điện cực

3 Dung dịch điện môi (cách điện) 4 Bộ phận kẹp phôi

5 Phôi cần gia công

¾ Nguyên lý hoạt động:

Cho điện cực tiến gần đến chi tiết cần gia công và cách một khoảng a (như hình) nào đó thì giữa chúng phát sinh ra tia lửa điện, tia lửa này có nhiệt độ rất cao có thể lên đến 10,000 o C Do đó sẽ làm bóc hơi kim loại của phôi tại vị trí sinh ra tia lửa

™ 2 2 Tính chất vật lý của quá trình gia công

Chúng ta xét quá trình tạo tia lửa trong một chu kỳ xung:

Œ Trong chu kỳ xung có hiện tượng trễ dòng (sau một khoảng thời gian t d

so với thời điểm bắt đầu có điện áp thì mới xuất hiện dòng điện) như hình

H2.2.1

Hình H2 2 1 Đồ thị dòng điện I và điện áp U trong một chu kỳ xung,

Trích từ tài liệu 1 trang 12

Chu kỳ xung là Tp = Ti + To

Với Ti , To như hình H2 2.1

Ta thấy dòng điện sẽ bị trễ một khoảng Td so với điện áp, thời gian tạo ra tia lửa điện chính là Te (còn gọi là thời gian làm bóc lớp kim loại gia công) với giá trị cường độ dòng điện trung bình là Ie

Năng lượng sinh ra giữa điện cực và chi tiết là:

(2.2.1)

e e e

Ue : Là giá trị trung bình của điện áp

Te : còn gọi là thời gian kéo dài xung, Ie: Cường độ dòng điện

Ư Ta có thể tóm tắt phần xung cung cấp cho máy gia công tia lửa điện

như hình H2.2.2:

Hình H2.2.2 dạng xung công suất để gia công

Œ Đặc điểm của phương pháp gia công tia lửa điện:

¾ Vật liệu cần gia công và điện cực phảøi có tính chất dẫn điện

¾ Dung dịch điện môi phải là dung dịch không dẫn điện ở điều

kiện bình thường

¾ Điện cực có độ cứng thấp hơn nhiều so với vật liệu gia công,

thí dụ: điện cực đồng, chi tiết gia công là thép gió, thép hợp

kim cứng…

Œ Ta có thể chia quá trình tạo tia lửa của một xung thành 3 giai đoạn:

a Giai đoạn thứ nhất (đánh lửa): hình H2.2.3

Khi giữa điện cực và phôi có điện áp Ui từ máy phát thì sinh

ra điện trường ở khe hở này, từ đó ở catôt phát sinh ra các điện tử và bị hút về anốt sự xuất hiện các điện tử làm tăng cục bộ tính dẫn điện của chất điện môi ở khe hở và bắt đầu hình thành kênh phóng điện

u

Hình H2 2.3 Giai đoạn đánh lửa

b Giai đoạn 2: Hình thành kênh phóng điện (Hình 2.2.4) Ngay lúc bắt đầu phóng điện thì điện áp bắt đầu giảm xuống Số

lượng điện tử và iôn dương tăng lên rất nhiều làm xuất hiện dòng điện giữa chi tiết và điện cực Ư sinh ra năng lượng cực lớn làm bóc hơi dung dịch điện môi cục bộ hình thành kênh phóng điện, nhờ độ nhớt của dung dịch điện môi mà làm hạn chế sự phát triển của kênh này

u

Hình H2.2.4

c Giai đoạn 3: Bóc tách kim loại (Hình H2.2.5)

Kênh phóng điện (kênh plasma) này là hỗn hợp chất khí có chứa điện tử và iôn dương ở áp suất cao khoảng 1Kbar và nhiệt độ lớn (∼10, 000oC), lúc này điện áp qua khe hở là Ue, và dòng điện là Ie

Chất điện môi có tác dụng giữ cho năng lượng kênh plasma này tập

trung cục bộ Các điện tử va chạm lên chi tiết và iôn dương va chạm lên điện cực

làm chi tiết và điện cực nóng chảy và bóc hơi

Quá trình phóng điện kéo dài từ vài chục μs đến vài trăm μs tuỳ

theo công dụng Sau thời gian xung Te, đến thời điểm To cho phép chất điện môi ngưng iôn hóa và đồng thời vận chuyển phoi ra khỏi khe hở

Sau chu kỳ phóng điện thì cả điện cực và chi tiết đều bị bóc vật liệu, thường thì vật liệu của cực dương bị bóc ra nhiều hơn vật liệu của cực âm nên chọn cực dương là chi tiết gia công và điều này còn phụ thuộc vào chế độ phóng điện, chọn điện cực và vật liệu gia công

Chú thích:

Có thể tóm tắt như sơ đồ hình H2.2.6 sau:

Hình H2.2.6

™ 2 3 Mô tả quá trình bóc tách kim loại khi gia công

Bóc tách kim loại trong gia công EDM cũng giống như các phương pháp gia công khác là hoàn toàn phụ thuộc vào năng lượng sinh ra trong quá trình gia công, gọi We là năng lượng bóc vật liệu, ta có:

(2 3 1)

e e e

Ue: là hằng số vật lý phụ thuộc vào cặp vật liệu (điện cực/chi tiết), thí dụ:

cặp vật liệu (đồng/Thép) thì U e = 25 Volt tài liệu 1 trang 13

Ư We chỉ phụ thuộc vào cường độ dòng điện I e và thời gian xung T e

Dòng điện tổng trong kênh plasma là tổng các dòng điện tử chạy đến cực dương và iôn dương đến cực âm, vì khối lượng các iôn dương lớn hơn 100 lần khối lượng điện tử nên ta có thể bỏ qua tốc độ của iôn dương

Mật độ của điện tử tập trung trên cực dương cao hơn nhiều so với iôn dương trên bề mặt cực âm đây là nguyên nhân gây ra nóng chảy ở cực dương nhiều hơn Iôn dương chỉ đến tới cực âm trong μs đầu tiên

Khi dòng điện bị ngắt thì dòng plasma đột ngột biến mất, điều này làm áp suất cân bằng với môi trường xung quanh nhưng nhiệt độ thì không thể cân bằng được Ư có hiện tượng nổ và bóc hơi chất lỏng nóng chảy

Vật liệu điện cực khi tiếp xúc với dòng plasma ở một pha có áp lực 1Kbar

và nhiệt độ 10,000 o C

Từ công thức (2.3.1) ta thấy Ue là không đổi, nên khi Ie tăng hay Te tăng thì năng lượng bóc tách vật liệu tăng Ư năng suất gia công lớn, nhưng ngược lại làm tăng độ nhám bề mặt

Ư Thời gian Te của dòng điện quyết định đến độ nhám bề mặt gia công

™ 2 4 Các đặc tính về điện trong quá trình gia công

Như khảo sát ở trên ta dựa vào đặc tính thời gian của sự phóng tia lửa điện trong quá trình gia công thì ta biết được đặc tính về điện Các đặc tính này chính là các thông số điều chỉnh quan trọng trong quá trình gia công

Các thông số gồm có:

Œ Điện áp đánh lửa (U z ): Là điện áp cung cấp cho điện cực và chi tiết

ngay khi máy phát đóng điện, điện áp này gây ra sự phóng tia lửa điện để đốt cháy vật liệu, Điện áp Uz càng lớn thì phóng điện càng nhanh và khe hở phóng điện càng lớn

Œ Thời gian trễ (T d ):Là khoảng thời gian từ lúc đóng điện đến lúc xảy ra tia lửa điện Trong khoảng thời gian này dòng điện tăng từ 0 lên Ie

Œ Điện áp phóng tia lửa điện (U e): Khi phóng điện, điện áp từ Uz xuống

Ue và không đổi trong quá trình phóng điện, là hằng số không thay đổi

Œ Dòng phóng tia lửa điện (I e ): là giá trị trung bình của dòng điện từ lúc

phóng điện đến khi ngắt điện, Ie có ảnh hưởng lớn nhất đến lượng bóc vật liệu, Ie càng lớn thì bóc vật liệu càng nhiều, độ nhám càng cao, nhưng độ mòn điện cực càng giảm

Œ Thời gian phóng tia lửa điện T e: Là thời gian từ lúc bắt đầu phóng tia lửa điện đến lúc ngắt

Œ Độ kéo dài xung T i: Là khoảng thời gian giữa 2 lần đóng – ngắt của máy phát trong một chu kỳ phóng tia lửa điện = Td+Te Ti ảnh hưởng đến: lượng hớt vật liệu, độ mòn điện cực, chất lượng bề mặt, …

Œ Khoảng cách xung T o: khoảng thời gian giữa 2 lần ngắt – đóng hay còn gọi là độ kéo dài thời gian nghĩ của xung

Để có năng suất gia công cao hay lượng hớt vật liệu lớn thì To phải nhỏ nhưng To phải đủ lớn để thôi iôn hóa chất điện môi, To nhỏ quá sẽ xãy ra hiện tượng tạo hồ quang hay ngắn mạch như hình 2.9

u

t

i

t Phóng điện lý tưởng

u

t

i

t Hồ quang

Hình H2.4

™ 2 5 Chất lượng bề mặt khi gia công EDM

Chất lựơng bề mặt gia công bao gồm:

ƒ Độ nhám bề mặt

ƒ Vết nứt tế vi

ƒ Các ảnh hưởng nhiệt ở lớp bề mặt

2.5.a Độ nhám bề mặt:

Khi gia công thô, nghĩa là gia công với cường độ dòng điện Ie hay Te lớn khi đó thì We tăng như công thức (2.3.1) Ư năng suất gia công tăng nhưng bề mặt

có độ nhám lớn (có mẫu gia công minh họa)

Khi gia công với Ie hay Te nhỏ thì We giảm nên năng suất gia công thấp

nhưng lại có độ nhám nhỏ hay độ nhấp nhô bề mặt thấp, có mẫu minh họa

2.5.b Vết nứt tế vi và các lớp ảnh hưởng nhiệt:

Do bị ảnh hưởng nhiệt khi gia công nên trên bề mặt gia công có các vết

ƒ Lớp trắng (do kết tinh lại): do sự thay đổi nhiệt độ đột ngột

(nóng – lạnh) lập đi lập lại Ư sinh ra ứng suất dư và xãy ra các vết nứt tế vi trên bề mặt, chiều dày của lớp này phụ thuộc vào độ kéo dài của Te

ƒ Lớp tôi cứng: lớp này có cấu trúc là các hạt hình tròn và độ

cứng tăng cao so với kim loại nền

ƒ Lớp ảnh hưởng nhiệt: ở lớp này chỉ bị ảnh hưởng nhiệt trong

thời gian ngắn nên độ cứng hay cấu trúc cũng ít bị thay đổi

ƒ Lớp không bị ảnh hưởng nhiệt: đây là lớp hoàn toàn không

bị thay đổi cả độ cứng và cấu trúc

Hình H2.5 Các lớp bị ảnh hưởng nhiệt

Trích từ tài liệu 2

™ 2.6 Các yếu tố ảnh hưởng đến chất lượng gia công

Chất lượng bề mặt gia công bằng phương pháp EDM phụ thuộc vào các yếu tố sau:

ƒ Các thông số điều chỉnh trong quá trình gia công như: Ie, Te, To, … đều ảnh hưởng rất lớn đến chất lượng bề mặt gia công, I càng lớn thì

lượng hớt vật liệu càng lớn Ư bề mặt càng thô Độ kéo dài xung Te: nếu giữ cố định thì ban đầu lượng hớt vật liệu tăng nhưng sau đó giảm đi To ngắn dễ sinh ra hồ quang và làm chất lượng bề mặt giảm

Hình H2.6

Fig 1: Quan hệ giữa độ nhám và t i ; Fig 3: Quan hệ giữa tốc bộ bóc kim loại và t i

ƒ Khe hở phóng điện: Trong gia công bằng tia lửa điện thì quan trọng

nhất là đảm bảo khe hở giữa điện cực và chi tiết luôn không đổi trong quá trình gia công, Khe hở quá nhỏ thì bị ngắn mạch làm hại cấu trúc của phôi và ảnh hưởng nhiệt sâu hơn

ƒ Chất lượng chất điện môi: Chất điện môi có nhiều tạp chất hay dòng

chảy quá yếu cũng sinh ra ngắn mạch hay tạo hồ quang làm chất lượng bề mặt kém

ƒ Điện cực: Điện cực bị mòn hay chọn vật liệu làm điện cực không phù

hợp cũng làm giảm chất lượng gia công

™ 2.7 Độ chính xác khi gia công bằng EDM:

Khi gia công bằng phương pháp xung định hình thực ra là phương pháp gia công in hình hay còn gọi là âm bản, độ chính xác gia công phụ thuộc vào:

ƒ Độ chính xác của máy: thường thì do nhà sản xuất quyết định, mỗi nhà sản xuất có độ chính xác khác nhau gồm: độ ổn định của máy, độ chính xác của hệ thống đo, hệ thống bàn trượt, ….v v

ƒ Các thông số điều chỉnh khi gia công: Ie, Te, To, … các thông số này chọn không phù hợp thì ảnh hưởng đến độ chính xác gia công như: gia công thô thì Ie lớn, To nhỏ, khi gia công tinh thì ngược lại

ƒ Điện cực: Các vấn đề điện cực như: độ chính xác về kích thước, vật liệu làm điện cực, độ mòn, … cũng điều ảnh hưởng đến độ chính xác

ƒ Lập trình:

ƒ Hệ thống dung dịch điện môi: dòng dung dịch điện môi hay độ ổn định của dung dịch càng cao thì quá trình gia công càng chính xác, ví dụ khi dung dịch điện môi có tạp chất nhiều hay phoi trong dung dịch nhiều thì dễ sinh ra hồ quang trong gia công và khe hở gia công phải lớn

ƒ Ngoài ra: nhiệt độ môi trường, độ ổn định nhiệt của máy, của điện cực, bộ phận kẹp điện cực, … cũng góp phần ảnh hưởng đến độ chính xác khi gia công

™ 2.8 Các vấn đề liên quan đến điện cực:

Gia công tia lửa điện dạng xung định hình thì điện cực có vai trò rất quan trọng trong việc tạo ra sản phẩm chất lượng cao, vì hình dạng

in trên chi tiết là âm bản của điện cực (hình H2.8), các vấn đề về điện

cực như:

Hình H2.8 Mẫu gia công có hình dáng là điện thoại

Trích từ tài liệu 3

ƒ Vật liệu làm điện cực:

Các yêu cầu của vật liệu làm điện cực:

- Có tính dẫn điện tốt (không dẫn điện thì không sinh ra tia

lửa điện)

- Có độ dẫn nhiệt tốt

- Có độ bền ăn mòn E cao (độ bền vững trong gia công), E

thể hiện bởi công thức (2.8.1)

- Độ bền cơ học tốt, có ứng suất riêng nhỏ, hệ số giản nở nhiệt nhỏ

- Đặc biệt là tính dễ gia công, khối lượng riêng nhỏ

(2.8 1)

2

C Tm

E = λς

λ : Hệ số dẫn nhiệt

ζ : Khối lượng riêng

C: Nhiệt riêng

+ Đồng điện phân: Đồng (Cu) = 99.92%, khối lượng riêng (ζ) =8.9

(g/cm3), Tm=1083oC; phù hợp cho gia công chi tiết thép nhưng lại gia công đơn giản, có độ mòn nhỏ, nhưng có nhược điểm là nặng và độ dãn nở nhiệt lớn

+ Đồng –Volfram: Thành phần gồm (65 – 80)% Volfram, còn lại là

đồng (20 – 35%); khối lượng riêng (ζ) = 15 -18 (g/cm3); Tm= 2500oC, Điện cực đồng – volfram có độ bền ăn mòn cao, nhưng khả năng gia công thì kém hơn đồng điện phân, khối lượng riêng lớn nên chỉ phù hợp với điện cực có kích thước nhỏ

+ Graphit: Là dạng cacbon tinh khiết, khối lượng riêng (ζ) = 1,6

-1,85 (g/cm3); có độ bền về hình dáng và nhiệt rất cao, thích hợp để gia công thép, độ mòn điện cực không thay đổi khi tăng dòng, độ dãn nở nhiệt nhỏ, dễ gia công nhưng có nhược điểm là dòn Do có trọng lượng riêng nhỏ nên thường được dùng làm điện cực có kích thước lớn

ƒ Độ mòn điện cực: như đã trình bày, trong quá trình gia công thì cả chi tiết và điện cực đều bị hớt đi vật liệu, vì thế mà điện cực bị mòn đều này làm ảnh hưởng đến chất lượng và độ chính xác của chi tiết gia công Độ mòn này được xác định bằng công thức:

θ : độ mòn tương đối

VE : Thể tích vật liệu bị mất đi ở điện cực (bị mòn)

VW : Thể tích của phoi bị hớt đi

Các yếu tố ảnh hưởng đến độ mòn tương đối θ như sau:

¾ Chọn vật liệu làm điện cực (sự phối hợp điện cực và phôi)

¾ Dòng điện Ie, hay bước dòng điện

¾ Độ kéo dài xung Te

¾ Cách đấu điện cực

Giá trị θ được chọn chủ yếu là đựa vào sự phối hợp giữa vật liệu điện cực/ phôi, cách đấu điện cực

Ví dụ: Cập điện cực/phôi = đồng/thép có độ mòn θ thấp hơn

graphit/thép

Chế độ gia công cũng ảnh hưởng đến θ: gia công thô thì θ nhỏ hơn gia công tinh, Với cặp đồng/ thép thì khi gia công thô θ = 0.5 – 3%; gia công tinh θ = 5 – 10%

™2.9 Các vấn đề liên quan đến dung dịch điện môi:

Vai trò của chất điện môi gồm:

ƒ Cách điện (đây là vai trò quan trọng nhất)

ƒ Ion hóa

ƒ Làm nguội chi tiết gia công và điện cực

ƒ Vận chuyển phoi ra khỏi vùng gia công

a Cách điện: đây là nhiệm vụ quan trọng nhất của dung dịch điện

môi, phải đảm bảo sự cách ly giữa điện cực và phôi khi khe hở này chưa đủ nhỏ, đến khi khe hở này nhỏ nhất nếu có thể thì mới có sự phóng tia lửa điện đi qua Khe hở càng nhỏ thì gia công hớt vật liệu càng chính xác

b Iôn hóa: Chọn chất điện môi sao cho có khả năng tạo điều kiện

tối ưu cho quá trình phóng điện, phải có hiện tượng iôn hóa ở

dòng bị ngắt (chu kỳ T0), và bao trùm kênh phóng điện điều này giúp sự tập trung năng lượng Ư làm tăng hiệu quả bóc kim loại

c Làm nguội: trong kênh phóng điện nhiệt độ tăng lên đến

10,000oC trong thời gian ngắn (vài μs), do đó chất dung dịch điện môi phải tải lượng nhiệt này đi nếu không thì sẽ làm mòn điện cực và bề mặt phôi dễ bị hỏng do quá nhiệt Bản thân chất điện môi phải không bị quá nhiệt vì quá nhiệt sẽ làm tăng vùng plasma Ư giảm năng suất hớt kim loại

d Vận chuyển phoi: Chất lỏng điện môi ngoài các nhiệm vụ như

trên thì việc vận chuyển phoi ra khỏi vùng gia công cũng là nhiệm vụ nhất thiết vì nếu không thì cặn phoi sẽ tập trung ở giữa khe hở (chi tiết và điện cực) sẽ dễ sinh ra hồ quang hoặc ngắn mạch Thường thì người ta thiết kế có hệ thống dòng chảy chất điện môi để vận chuyển các phần tử bị ăn mòn và hệ thống lọc

∗ Các loại chất điện môi:

Có hai loại chất điện môi thường được dùng cho 2 dạng gia công tia lửa điện:

- Hydrocacbon: dùng cho máy tia lửa điện xung định hình

- Nước khử khoáng: dùng cho máy cắt dây

Loại Hydrocacbon chia ra làm 3 nhóm dựa vào thành phần hóa học:

- Paraphin

- Dầu khoáng

- Dẫn xuất của xăng Thường người ta dựa vào các đặt tính về thành phần hóa học, lý tính, chất lượng chi tiết cần gia công mà quyết định chọn loai chất điện môi cho phù hợp

∗ Các tiêu chí để đánh giá dung dịch điện môi

- Độ bền, ít hao

- Vệ sinh, không độc

- Điểm cháy cao

- Mật độ, độ đậm đặc ổn định

- Độ trong suốt để dễ quang sát

- Có khả năng bị iôn hóa

- Độ nhớt ổn định

- Ở điều kiện bình thường phải cách điện

- …

-

∗ Các loại dòng chảy của dung dịch chất điện môi:

Để chất lượng gia công đạt được tối ưu thì cần thiết phải có dòng chất điện môi chảy qua khe hở giữa chi tiết và điện cực để vận chuyển phoi ra khỏi khu vực gia công nên tránh được ngắn mạch hay hồ quang Có các dạng dòng chảy như sau:

- Dòng chảy ở bên ngoài (sử dụng phổ biến nhất) hình 2-12

- Dòng chảy áp lực

- Dòng chảy hút

- Dòng chảy phối hợp

dòng chảy từ bên ngoài chi tiết

Điện cực Vòi phun chất điện môi

Hình H2.9 Dòng chảy ở bên ngoài

Thường thì người ta thiết kế dòng chảy hồi lưu và có bố trí bộ lọc cặn (thô và tinh) để làm sạch hoàn toàn dung dịch điện môi

™ 2.10 Khe hở phóng điện:

I Te To Uz

Gia công xung định hình

(Sơ đồ gia công EDM)

Như ta đã biết để tạo nên sự phóng tia lửa điện thì do các thông số điều chỉnh: I, Te, To, Uz, còn muốn hớt được vật liệu từ đầu đến cuối của quá trình phóng tia lửa điện thì cần phải duy trì khe hở với một khoảng cách tối ưu trong suốt quá trình phóng điện gọi là sự điều khiển khe hở phóng điện

∗ Cách đo khoảng cách của khe hở phóng điện:

Đo khe hở phóng điện được thực hiện gián tiếp thông qua điện áp Ue, điện áp Ue tăng thì khe hở tăng và ngược lại khe hở càng nhỏ thì Ue

càng nhỏ Vậy để khe hở không đổi thì ta đo điện áp giữa điện cực và chi tiết liên tục và phải được điều chỉnh để điện áp này không đổi Điện áp đo được so sánh với một giá trị danh nghĩa và điều chỉnh một lượng phù hợp

Nếu điện áp đo được giảm xuống nghĩa là lúc đó khe hở bị thu hẹp, hệ điều khiển điều chỉnh cho điện cực đi lên một lượng tương ứng phù hợp, ngược lại điện áp tăng lên thì điều khiển điện cực đi xuống một lượng

-oOo

CHƯƠNG 3 : THIẾT KẾ PHẦN CƠ KHÍ

™ 3.1: Phân tích và chọn phương án thiết kế:

Sau khi nghiên cứu và khảo sát các dạng kết cấu của máy gia công EDM trên thị trường, chúng tôi thấy có hai dạng phổ biến như sau:

♦ Dạng thứ nhất: đây là dạng phổ biến nhất, hầu hết các máy EDM có

xuất xứ từ Trung Quốc, Đài Loan,… đều có dạng tương tự

Hình H3.1

1: Phần dẫn hướng di động 5: Đai ốc bi

2: Phần dẫn hướng cố định 6: Phần thân trên

3: Động cơ 7: Phần thân giữa

4: Vit me bi (ball Screw) 8: Phần thân dưới

L2: Khoảng cách giữa thân dưới và điểm thấp nhất cùa bộ phận dẫn hướng L1: Khoảng cách giữa đầu kẹp điện cực và điểm thấp nhất cùa bộ phận dẫn

hướng

♦ Dạng thứ hai:

Hình H3.2 Dạng này được áp dụng trong máy gia công EDM của hãng Mitsubishi

∗ Phân tích và chọn dạng thiết kế phù hợp:

Ta thấy khi tác động lực F lên đầu mang điện cực thì tạo ra một chuyện vị δ

δ = K L1 L2 (3.1)

với K là hệ số phụ thuộc vào lực F

Dựa vào hai dạng trên ta thấy với K không đổi, thì L1 L2 của mô hình dạng thứ nhất lớn hơn L1.L2 ở dạng thứ hai, nên về chuyển vị của đầu mang diện cực khi tác động lực F ở dạng 1 lớn hơn dạng 2 Ư độ cứng vững của dạng 1 không tốt bằng dạng 2 (δ1 > δ2)

Biểu đồ so sánh chuyển vị giữa 2 dạng được thể hiện ở Hình H3.3