Nghiên cứu ảnh hưởng của chế độ công nghệ đến năng suất và chất lượng bề mặt khi gia công bằng phương pháp cắt dây tia lưả điện

Để nâng cao chất lượng sản phẩm và tăng năng suất khi gia công bằng phương pháp cắt dây tia lửa điện cần phải làm sáng tỏ mối quan hệ giữa các thông số công nghệ... Xuất phát từ nhu cầu

Bộ giáo dục và đào tạo Tr-ờng đại học bách khoa hà nội

-

Vũ QUANG Hà

Nghiên cứu ảnh h-ởng của chế độ công nghệ đến năng suất và chất l-ợng bề mặt khi gia công bằng ph-ơng pháp cắt dây

tia lửa điện

luận án Tiến sĩ kỹ thuật

Hà Nội - 2012

Bộ giáo dục và đào tạo Tr-ờng đại học bách khoa hà nội

-

VŨ QUANG HÀ

Nghiên cứu ảnh h-ởng của CHế Độ CÔNG NGHệ ĐếN NĂNG SUấT Và CHấT L-ợng bề mặt khi gia công bằng ph-ơng pháp cắt dây

tia lửa điện

Chuyên ngành: Công nghệ chế tạo máy Mã số: 62.52.04.01

luận án Tiến sĩ kỹ thuật

ng-ời h-ớng dẫn khoa học:

1 PGS.TS nguyễn trọng bình

2 TS nguyễn huy ninh

Cộng hòa xã hội chủ nghĩa Việt Nam

Độc lập – Tự do – Hạnh phúc

-o0o -

LỜI CAM ĐOAN

Luận án này được hoàn thành trong thời gian tôi là nghiên cứu sinh hệ chính quy tại

bộ môn Công Nghệ Chế Tạo Máy thuộc Viện Cơ Khí trường Đại Học Bách Khoa Hà Nội

Tôi xin cam đoan những nội dung khoa học trong luận án này là công trình nghiên cứu của tôi Nội dung khoa học của luận án là trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất kỳ một tài liệu nào khác ở trong và ngoài nước Các số liệu được đo kiểm tại các phòng thí nghiệm có uy tín với các thiết bị được kiểm chuẩn Các tài liệu tham khảo được trích dẫn đã được ghi chú rõ ràng

Hà Nội, ngày 27 tháng 7 năm 2012

Người cam đoan

VŨ QUANG HÀ

LỜI CẢM ƠN

Trước hết tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới PGS TS Nguyễn Trọng Bình, người thầy đã dẫn dắt tôi vào con đường nghiên cứu khoa học và đã cho tôi những chỉ dẫn mang tính định hướng trong quá trình nghiên cứu

Tôi xin cảm ơn TS Nguyễn Huy Ninh đã luôn động viên khích lệ tôi trong quá trình nghiên cứu

Tiếp đến, tôi xin cảm ơn TS Nguyễn Trọng Hiếu đã định hướng giúp tôi trong quá trình giải bài toán tối ưu để đạt được kết quả mong muốn

Tôi cũng xin cảm ơn các thầy cô giáo ở Bộ môn Công nghệ chế tạo máy, Viện cơ khí trường ĐH Bách Khoa Hà Nội, trường ĐH Công nghiệp Hà Nội, Công ty TNHH Công nghiệp Quang Nam đã tạo điều kiện và giúp đỡ tôi trong suốt quá trình nghiên cứu

Cuối cùng tôi xin bày tỏ lòng biết ơn tới cha mẹ, hai anh trai ruột và vợ tôi, những người thân và đồng nghiệp đã luôn động viên, khích lệ và giúp đỡ tôi hoàn thành công trình này

MỤC LỤC

1.2 Đặc điểm và khả năng công nghệ của chế độ gia công tia lửa điện 23

1.2.2 Khả năng công nghệ của phương pháp gia công tia lửa điện 23

1.4 Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình gia công tia lửa điện 27

1.4.5 Ảnh hưởng của sự ăn mòn điện cực 34

1.5.4 Các loại dòng chảy chất điện môi và các lỗi của dòng chảy 40

2.2 Cơ chế bóc kim loại và sự thoát phoi khi cắt dây tia lửa điện 46

2.3 Các thông số điều khiển quá trình gia công cắt dây tia lửa điện 48

2.3.1.2 Dòng phóng tia lửa điện I e và bước của dòng điện 48

2.3.2.1 Tốc độ dây cắt 49

2.5.1 Các đại lượng đặc trưng cho độ chính xác gia công khi cắt dây 57 2.5.2 Các yếu tố ảnh hưởng đến độ chính xác gia công khi cắt dây 57 2.5.3 Các sai số cố hữu của profin trong cắt dây tia lửa điện 59

2.6.1 Các đại lượng đặc trưng cho chất lượng bề mặt khi cắt dây tia lửa điện 60

CHƯƠNG 3: NGHIÊN CỨU QUÁ TRÌNH GIA CÔNG CẮT DÂY

TIA LỬA ĐIỆN BẰNG THỰC NGHIỆM

65

3.2 Điều kiện thí nghiệm 67

3.6.1 Ảnh hưởng của năng lượng bóc tách W tới năng suất gia công V khi

gia công thép SKD61 ở các chế độ xử lý nhiệt khác nhau

79

3.6.2 Ảnh hưởng của năng lượng bóc tách W đến chất lượng bề mặt 83

3.6.2.1 Ảnh hưởng của năng lượng bóc tách W đến độ nhám bề mặt R a 83

3.6.2.2 Ảnh hưởng của năng lượng bóc tách W đến cấu trúc tế vi và cơ tính

lớp bề mặt khi gia công thép SKD61 ở các chế độ xử lý nhiệt

3.6.4 Các mô hình toán học rút ra từ thực nghiệm 93

3.7.2 Xây dựng bài toán tối ưu khi gia công cắt dây tia lửa điện 94

3.7.3.1 Chọn chiều cao nhấp nhô bề mặt cho phép [R a ] 95

DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH NGHIÊN CỨU ĐÃ ĐƢỢC

CÔNG BỐ CỦA TÁC GIẢ CÓ LIÊN QUAN ĐẾN LUẬN ÁN

103

DANH MỤC CÁC THUẬT NGỮ, KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT

1 AEDG Abrasive Electrical Discharge Grinding

9 ISO International System Organization

10 MEDM Micro Electrical Discharge Machining

11 MWEDM Micro Wire Electrical Discharge Machining

13 WEDM Wire Electrical Discharge Machining

27 gtr Khe hở phóng điện mặt trước (µm)

31 Iehl Dòng phóng tia lửa điện hợp lý (A)

44 Sn Tốc độ tiến ngang của bàn máy (mm/ph)

48 te Thời gian phóng tia lửa điện (TIME ON) (µs)

49 tehl Thời gian phóng tia lửa điện hợp lý (µs)

52 T1 Thời gian tích điện của tụ điện (s)

53 Tm Nhiệt độ nóng chảy của vật liệu ( 0

C)

55 cd Thời gian gia công cắt dây tia lửa điện (ph)

56 gct Thời gian gia công tinh sau cắt dây (ph)

57 min Thời gian gia công nhỏ nhất (ph)

59 Ui Điện áp ban đầu giữa 2 điện cực (V)

60 Ue Điện áp phóng tia lửa điện (V)

61 Uehl Điện áp phóng tia lửa điện hợp lý (V)

63 Uopt Điện áp tối ưu (V)

68 We Năng lượng bóc tách vật liệu (Jun)

69 Wtu Năng lượng bóc tách tối ưu (Jun)

3.14 Xử lý số liệu thu được với thép SKD61 chưa xử lý nhiệt 76

3.16 Xử lý số liệu thu được với thép SKD61 tôi cải thiện 77

3.19 Số liệu về độ cứng bề mặt khi gia công thép SKD61 chưa xử lý

3.20 Số liệu về độ cứng bề mặt khi gia công thép SKD61 tôi cải thiện 88 3.21 Số liệu về độ cứng bề mặt khi gia công thép SKD61 tôi cứng 88 3.22 Các mô hình toán học tổng hợp được sau xử lý số liệu 93

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ

1.6 Mối quan hệ giữa năng suất Vw và độ kéo dài xung ti 29 1.7 Mối quan hệ giữa độ mòn điên cực tương đối θ và độ kéo dài xung ti 30

1.8 Mối quan hệ giữa chiều cao nhấp nhô bề mặt Ra và độ kéo dài xung

2.3 Khe hở phóng điện trong gia công cắt dây tia lửa điện 53

2.5 Khe hở phóng điện trong gia công cắt dây tia lửa điện 60

3.1 Sơ đồ nghiên cứu quá trình cắt dây tia lửa điện bằng thực nghiệm 65

3.3 Sơ đồ quy hoạch thực nghiệm với 3 thông số công nghệ (Ui, Ie, te) 73 3.4 Mối quan hệ giữa năng suất gia công V và năng lượng bóc tách W 80

khi cắt thép SKD61 ở chế độ thường

3.5 Mối quan hệ giữa năng suất gia công V và năng lượng bóc tách W

3.6 Mối quan hệ giữa năng suất gia công V và năng lượng bóc tách W

3.7 Mối quan hệ giữa chiều cao nhấp nhô bề mặt Ra và năng lượng bóc

3.8 Mối quan hệ giữa chiều cao nhấp nhô bề mặt Ra và năng lượng bóc

3.9 Mối quan hệ giữa chiều cao nhấp nhô bề mặt Ra và năng lượng bóc

3.10 Mối quan hệ giữa lượng bù dây và năng lượng bóc tách W khi cắt

3.11 Mối quan hệ giữa lượng bù dây và năng lượng bóc tách W khi cắt

3.12 Mối quan hệ giữa lượng bù dây và năng lượng bóc tách W khi cắt

MỞ ĐẦU

Đổi mới công nghệ luôn luôn là nhu cầu cấp bách đối với mọi nền sản xuất của tất

cả các quốc gia Không chỉ các nước trên thế giới mà cả Việt Nam muốn xây dựng đất nước giàu mạnh và bền vững đều cần phải đổi mới công nghệ mạnh mẽ Kinh nghiệm cho thấy để đạt được điều đó, mỗi quốc gia không thể không phát triển nền sản xuất của mình Trong thế kỷ 21, khi mà sự toàn cầu hóa ngày càng phát triển, để không bị tụt hậu thì việc đổi mới công nghệ là điều bắt buộc Các doanh nghiệp cũng không nằm ngoài xu thế đó Trước sức ép của nền kinh tế thị trường, để nâng cao hiệu quả hoạt động sản xuất kinh doanh và phát triển một cách bền vững buộc các doanh nghiệp phải luôn đổi mới công nghệ để tồn tại

Trong lĩnh vực cơ khí, các phương pháp gia công truyền thống như đúc, gia công

áp lực, gia công cắt gọt v.v… nhiều khi không đáp ứng được yêu cầu ngày càng cao của sự phát triển sản phẩm Trong thực tế ngày càng xuất hiện nhiều sản phẩm có hình dạng phức tạp hoặc các sản phẩm được chế tạo từ các vật liệu có độ cứng, độ bền cao, khó hoặc không gia công được bằng cắt gọt Để đáp ứng đòi hỏi đó, các phương pháp gia công phi truyền thống đã ra đời, trong đó có phương pháp gia công tia lửa điện (EDM – Electrical Discharge Machining) Phương pháp gia công tia lửa điện ra đời và đã được áp dụng trong chế tạo cơ khí từ hơn nửa thế kỷ qua Ngày nay nhờ sự phát triển của điều khiển số và công nghệ thông tin, công nghệ này đã được hiện đại hoá cao và được trang bị các hệ thống điều khiển số CNC

Trong khoảng một thập kỷ trở lại đây, công nghệ gia công EDM đã thâm nhập vào Việt Nam Rất nhiều doanh nghiệp trong nước đã trang bị các loại máy, thiết bị sử dụng công nghệ EDM nhằm cải tiến phương pháp gia công, nâng cao chất lượng sản phẩm Bên cạnh những kết quả đạt được về mặt công nghệ thì một số doanh nghiệp cũng gặp khó khăn khi sử dụng các máy và thiết bị này do các nguyên nhân chủ yếu sau:

- Việc chuyển giao công nghệ chưa đầy đủ (vì bí quyết công nghệ là của riêng mỗi hãng sản xuất máy, do đó việc khai thác thiết bị kém hiệu quả)

- Dạng sản xuất thường là loạt vừa hoặc nhỏ

- Chưa chủ động được về bảo dưỡng, bảo trì máy v.v

- Đầu tư thiếu đồng bộ và phần lớn thiết bị không rõ nguồn gốc

Để nâng cao chất lượng sản phẩm và tăng năng suất khi gia công bằng phương pháp cắt dây tia lửa điện cần phải làm sáng tỏ mối quan hệ giữa các thông số công nghệ

điều khiển được với năng suất và độ chính xác gia công Xuất phát từ nhu cầu thực tế đó, với mục đích nghiên cứu sâu hơn về ảnh hưởng của các thông số công nghệ nhằm xác định chế độ cắt hợp lý và tiến tới tối ưu hoá chế độ công nghệ cho quá trình cắt dây góp phần vào việc nâng cao hiệu quả khai thác, sử dụng máy cắt dây EDM trong sản xuất cơ khí và

là cơ sở để nghiên cứu cho các máy khác, tác giả đã chọn đề tài:

“Nghiên cứu ảnh hưởng của chế độ công nghệ đến năng suất và chất lượng bề mặt khi

gia công bằng phương pháp cắt dây tia lửa điện”

I Mục đích nghiên cứu của đề tài

Đề tài tập trung nghiên cứu bản chất của quá trình gia công bằng phương pháp cắt dây tia lửa điện, từ đó xây dựng các mô hình thể hiện mối quan hệ của độ chính xác gia công, năng suất gia công với các thông số công nghệ của quá trình gia công Từ đó, xác định được chế độ gia công hợp lý tương ứng với điều kiện công nghệ cụ thể để ứng dụng vào thực tiễn sản xuất

II Đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu

Đối tượng nghiên cứu của đề tài là quá trình gia công cắt dây tia lửa điện

Để thuận lợi cho quá trình nghiên cứu và để triển khai ứng dụng các kết quả nghiên cứu vào sản xuất, tác giả tiến hành nghiên cứu trong các điều kiện công nghệ cụ thể sau đây:

1 Thiết bị gia công

Máy cắt dây tia lửa điện CHMER của hãng Ching Hung Machinery & Electrical Ind Co., Ltd – China

2 Điện cực gia công

Điện cực gia công là dây đồng ký hiệu vật liệu CuZn35, đường kính dây cắt 0,25

mm

3 Vật liệu gia công

Vật liệu gia công là thép SKD61, có chiều dày 15mm, được thí nghiệm ở cả ba chế độ

là nhiệt luyện cứng (55 58 HRC), chế độ nhiệt luyện cải thiện (32 35 HRC) và chế độ chưa qua xử lý nhiệt

Nếu nghiên cứu mang lại hiệu quả kinh tế cao cho quá trình sản xuất, thì sẽ áp dụng phương pháp nghiên cứu này cho các điều kiện công nghệ cụ thể khác (Ví dụ: mở rộng cho các nhóm vật liệu gia công khác trên cùng thiết bị hoặc trên chủng loại thiết bị khác)

III Phương pháp nghiên cứu

Trong quá trình nghiên cứu, tác giả dùng phương pháp nghiên cứu lý thuyết kết hợp với nghiên cứu bằng thực nghiệm để khảo sát quá trình cắt dây EDM theo các nội dung sau:

- Nghiên cứu lý thuyết, phân tích và lựa chọn các thông số công nghệ có ảnh hưởng quyết định đến năng suất và chất lượng nguyên công

- Nghiên cứu bằng thực nghiệm nhằm xây dựng các mô hình toán học biểu diễn các mối quan hệ giữa các đại lượng như năng suất, chất lượng bề mặt, độ chính xác gia công với các thông số công nghệ của quá trình gia công

IV Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài

1 Ý nghĩa khoa học

Đánh giá được ảnh hưởng của một số yếu tố công nghệ chính đến quá trình gia công cắt dây tia lửa điện Trên cơ sở đó tiến hành mô hình hóa quá trình gia công ứng với các điều kiện công nghệ cụ thể, nhằm tạo cơ sở cho việc thực hiện tối ưu hóa nguyên công cắt dây tia lửa điện

2 Ý nghĩa thực tiễn

Các kết quả nghiên cứu đem lại các lợi ích sau:

- Dựa trên các mô hình đã xây dựng có thể rút ngắn được quá trình chuẩn bị sản xuất, xác định được chế độ công nghệ hợp lý tương ứng với các điều kiện công nghệ cụ thể nhằm hạ giá thành chế tạo sản phẩm trên cơ sở đảm bảo chất lượng yêu cầu, góp phần nâng cao năng lực cạnh tranh, duy trì sự tồn tại và phát triển của doanh nghiệp

- Do quá trình chuẩn bị sản xuất được rút ngắn nên 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

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ GIA CÔNG TIA LỬA ĐIỆN

Năm 1943, thông qua các nghiên cứu về tuổi bền của các thiết bị phóng điện, hai vợ chồng người Nga Lazarenko [47],[48] đã tìm ra phương pháp gia công bằng tia lửa điện Dưới tác dụng của tia lửa điện một lớp vật liệu trên bề mặt phôi sẽ bị lấy đi bởi quá trình điện – nhiệt thông qua sự nóng chảy và bốc hơi kim loại Quá trình hớt vật liệu trong gia công tia lửa điện liên quan đến khoảng cách khe hở phóng điện, kênh plasma, sự hình thành của cầu phóng điện giữa hai điện cực, sự ăn mòn của cả hai điện cực v.v… Các nghiên cứu về hiện tượng phóng điện của các nhà khoa học đã làm cho công nghệ gia công tia lửa điện có những bước phát triển lớn trong những năm gần đây và đã ra đời thêm một

số phương pháp gia công “lai” theo phương pháp gia công tia lửa điện

1.1 Phương pháp gia công tia lửa điện

1.1.1 Bản chất vật lý

Thực chất của phương pháp gia công tia lửa điện là sự tách vật liệu ra khỏi bề mặt phôi nhờ năng lượng của quá trình phóng điện giữa hai điện cực Sơ đồ nguyên lý của phương pháp gia công bằng tia lửa điện được mô tả ở hình 1.1 [44],[46]:

1 2

3

4 (-)

(+)

Hình 1.1: Sơ đồ nguyên lý gia công tia lửa điện

Quá trình tách vật liệu ra khỏi bề mặt phôi được hình thành như sau:

Một điện áp được đặt vào giữa điện cực và phôi, không gian giữa hai điện cực được điền đầy bằng một chất lỏng cách điện gọi là chất điện môi (Dielectric) Điện cực tiến lại gần phôi cho đến khi khoảng cách giữa chúng đạt đến một giá trị tới hạn nào đó thì xẩy ra hiện tượng phóng điện, một dòng điện được hình thành giữa hai điện cực mà không hề có

sự tiếp xúc giữa hai điện cực Quá trình phóng điện đó đã tạo ra năng lượng làm nóng chảy

rồi đốt cháy lớp vật liệu trên bề mặt phôi, tạo nên vết gia công Chu kỳ phóng điện diễn ra theo ba pha như sau [1],[41],[42],[54]:

Pha I: Pha đánh lửa:

Điện áp khởi động giữa điện

cực và phôi (đóng điện áp máy

phát ui) Dưới sự tác động của điện

trường, từ cực âm (điện cực) bắt

đầu phát ra các điện tử (electron)

và chúng bị hút về phía cực dương

(phôi), mật độ electron tăng gây ra

tính dẫn điện cục bộ của dung dịch

chất điện môi tại khe hở giữa hai

điện cực Do bề mặt của điện cực và phôi không hoàn toàn phẳng nên điện trường sẽ mạnh nhất tại hai điểm trên điện cực và phôi có khoảng cách gần nhất Mặt khác do chất điện môi bị ion hoá nên một kênh phóng điện đột nhiên được hình thành và sự phóng tia lửa điện bắt đầu xảy ra

Pha II: Sự hình thành kênh phóng

điện:

Ở thời điểm phóng điện, điện áp

bắt đầu giảm, số lượng các phần tử dẫn

điện (các electron và các ion dương)

tăng lên dữ dội và bắt đầu xuất hiện

một dòng điện chạy qua các điện cực

Dòng điện này cung cấp một năng

lượng khổng lồ làm cho dung dịch

điện môi bốc hơi cục bộ tạo ra bọt khí,

áp suất trong các bong bóng hơi sẽ đẩy chất điện môi sang hai bên nhưng do chất điện môi

có độ nhớt nên đã tạo ra sự cản trở và hạn chế sự lớn lên của kênh phóng điện giữa các điện cực

Pha III: Sự nóng chảy và bốc hơi vật liệu:

Giữa hai điện cực hình thành kênh Plasma Plasma này là một chất khí có chứa các điện tử và các ion dương ở áp suất cao và nhiệt độ cực lớn (áp suất khoảng 1 kbar và nhiệt

độ khoảng 10.0000C) Khi kênh plasma được tạo thành đầy đủ thì điện áp qua khe hở giữa hai điện cực đạt tới giá trị của điện áp phóng điện U

liệu anot/catot Chất

điện môi bao quanh

kênh plasma và tạo ra

một sự tập trung năng

lượng cục bộ, mặt khác

sự va chạm của các

electron lên phôi và các

ion dương lên điện cực

làm nóng chảy và bốc

hơi vật liệu trên bề mặt phôi và điện cực Sau khi diễn ra một xung, máy phát sẽ ngắt dòng điện Điện áp kênh phóng điện và áp suất bị ngắt đột ngột cho nên kim loại nóng chảy bị đẩy ra ngoài

Chu kỳ phóng tia lửa điện để lại các “vết” gia công trên phôi và có thể tóm tắt thông qua các đại lượng sau:

- td là thời gian trễ thuộc khoảng thời gian cho phép chất điện môi ion hoá và hình thành kênh phóng điện

- te là thời gian thực hiện phóng điện (từ một vài đến vài trăm s) thuộc pha II làm kim loại nóng chảy

Tổng thời gian ti = td + te là thời gian xung

Thời gian chất điện môi ngừng ion hóa và chuẩn bị cho chu kỳ phóng điện tiếp theo được gọi là thời gian ngắt xung t0 Chính trong thời gian ngắt xung t0 phoi được vận chuyển ra khỏi vùng khe hở phóng điện

Hình 1.4: Pha III - Sự hình thành và bốc hơi vật liệu.

Hình 1.5: Đồ thị điện áp và dòng điện trong một xung phóng điện

Trong đó:

- te là thời gian phóng tia lửa điện hay độ kéo dài xung

- td là thời gian trễ đánh lửa

- ti là độ kéo dài xung của máy phát xung

- t0 là khoảng cách giữa hai xung

- tp là chu kỳ xung

- Ui là điện áp ban đầu giữa hai điện cực

- Ue là điện áp phóng tia lửa điện

- Ie là dòng phóng tia lửa điện

Hình 1.5 biểu diễn diễn biến của điện áp và dòng điện ở một máy gia công tia lửa điện được sinh ra bởi một máy phát tĩnh trong một chu kỳ 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 máy phát Ui Ue và Ie là các giá trị trung bình của điện áp và dòng điện khi phóng tia lửa điện

Các nghiên cứu cho thấy tại các vùng lân cận các điện cực, plasma có nhiệt độ rất cao

từ 60000

C 100000C Tốc độ của dòng chuyển dịch điện tử và ion phụ thuộc vào năng lượng điện và đặc tính của chất điện môi Quán tính cơ của chất điện môi đã cản trở sự bành trướng của kênh plasma làm cho áp suất trong kênh rất lớn (có thể lên tới 1kbar) Khi khoảng không của kênh plasma càng hẹp thì mật độ năng lượng càng tăng (lượng hớt vật

liệu tỉ lệ thuận với độ nhớt động học và tỉ lệ nghịch với điện trở dẫn suất của chất điện môi) Đồng thời với sự phát triển kênh plasma theo thời gian có sự chuyển đổi năng lượng điện thành nhiệt năng tại các điểm, còn được gọi là các “nguồn nhiệt” Các điện tử gần anốt tích tụ đủ lớn sẽ phóng điện sinh ra nhiệt làm nóng chảy và bốc hơi vật liệu Các ion dương di chuyển đến catốt và nung nóng các điểm trên catốt Tuy nhiên, do khối lượng của các ion dương lớn hơn của các điện tử nhiều lần (khoảng 103 lần) nên chúng sẽ tới catốt chậm hơn các điện tử tới anốt Chính sự cơ động khác nhau của chúng đã tạo ra sự tập trung nhiệt khác nhau tại anốt và catốt, điều này dẫn đến sự ăn mòn rất khác nhau tại hai điện cực Thực tế điện cực dương sẽ bị ăn mòn nhanh hơn nhiều so với điện cực âm Chính

vì vậy người ta bố trí phôi là cực dương Điều này không phải luôn luôn cố định Nó còn phụ thuộc vào chế độ phóng điện, vào việc chọn cặp vật liệu và sự đấu cực

1.1.2 Cơ chế bóc kim loại bằng gia công tia lửa điện

Trước hết, muốn tách vật liệu ra khỏi phôi thì phải có năng lượng bóc tách vật liệu We Theo giáo sư Lierath [22]:

Trong đó Ue và Ie là điện áp và dòng điện trung bình của tia lửa điện, te là thời gian xung (thời gian phóng tia lửa điện) 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 trong 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 lớn hơn 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 trong khi mức độ tăng của dòng điện khi bắt đầu có sự phóng điện là rất lớn, điều này gây ra sự nóng chảy mạnh ở cực dương

Khi dòng điện bị ngắt kênh plasma đột ngột biến mất Ngay tức khắc áp suất giữa hai điện cực tụt xuống bằng áp suất xung quanh nhưng nhiệt độ của chất lỏng giữa hai điện cực lại không tụt nhanh như vậy, dẫn đến sự nổ và bốc hơi vật liệu nóng chảy đang tồn tại giữa hai điện cực Tốc độ cắt dòng điện và mức độ sụt của xung dòng điện sẽ quyết định

tốc độ sụt áp và sự bắt buộc nổ vật liệu chảy lỏng Thời gian sụt của dòng điện là yếu tố quyết định đối với độ nhám bề mặt gia công

1.2 Đặc điểm và khả năng công nghệ của gia công tia lửa điện

Gia công tia lửa điện là phương pháp gia công bằng phương pháp phóng điện ăn mòn trên cơ sở tác dụng nhiệt của xung điện được tạo ra do sự phóng điện giữa hai điện cực

1.2.1 Đặc điểm của phương pháp gia công tia lửa điện

Phương pháp gia công tia lửa điện có các đặc điểm như sau [1],[42],[43]:

- 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 chất dẫn điện tốt

- Gia công được vật liệu có độ cứng thấp và cả các loại vật liệu có độ cứng rất cao như các 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

1.2.2 Khả năng công nghệ của phương 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 bề mặt có profile phức tạp v.v… với độ bóng bề mặt tương đối cao (Ra = 1,25 µm ÷ 5 µm) và độ chính xác kích thước tới 3 µm [48]

1.3 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 [45],[57]

1.3.1 Phương pháp gia công xung định hình

1.3.1.1 Bản chất của phương pháp

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

1.3.1.2 Ưu, nhược điểm của phương pháp xung định hình

Phương pháp xung định hình có các ưu nhược điểm như sau [63]:

a Ưu điểm:

- Gia công được vật liệu có độ cứng thấp và vật liệu có độ cứng rất cao

- Gia công được các chi tiết cơ khí (chủ yếu là khuôn ép định hình, khuôn nhựa, khuôn đúc áp lực, lỗ không thông hoặc thông v.v…) có hình dạng phức tạp

b Nhược điểm:

- Năng suất gia công thấp

- Chi phí chế tạo cao

- Chỉ gia công được các vật liệu là kim loại, không gia công được vật liệu phi kim

1.3.1.3 Phạm vi ứng dụng

Phương pháp xung định hình thường được sử dụng trong các trường hợp sau [43]:

- 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…

1.3.2 Phương pháp gia công cắt dây tia lửa điện

1.3.2.1 Bản chất của phương pháp

Phương pháp gia công 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 [56] 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…

1.3.2.2 Ưu, nhược điểm của phương pháp

Phương pháp cắt dây tia lửa điện có các ưu, nhược điểm như sau [63]:

a Ưu điểm

Phương pháp cắt dây tia lửa điện có các ưu điểm sau:

- Độ chính xác kích thước cao (có thể tới 1 m),

- Kết cấu máy đơn giản

- Có khả năng tự động hoá quá trình gia công, đơn giản, dễ vận hành

Gia công cắt dây tia lửa điện hớt đi lớp vật liệu kim loại trên vật gia công nhờ hiệu ứng của quá trình điện – nhiệt, do đó có thể gia công được vật liệu có độ cứng bất kỳ Điều

này hạn chế rủi ro gặp phải khi gia công những chi tiết có giá trị cao so với gia công bằng các phương pháp cắt gọt truyền thống rồi mới xử lý nhiệt luyện

b Nhược điểm:

Bên cạnh những ưu điểm trên phương pháp gia công cắt dây tia lửa điện cũng có những nhược điểm sau:

- Phôi và dụng cụ đều phải dẫn điện, do đó chỉ gia công được các vật liệu kim loại

- Do nhiệt độ tại vùng gia công rất cao nên dễ gây biến dạng nhiệt

- Đối với phôi gia công có chiều dày lớn (> 100 mm) hoặc trong trường hợp chất điện môi bị bẩn thì việc bơm chất điện môi vào vùng gia công sẽ rất khó khăn Do

đó chất điện môi cần được bơm vào với áp suất cao, điều này gây ra các rung động cho điện cực dẫn tới giảm độ chính xác gia công [1],[42],[63]

- Trong điều kiện gia công bình thường không thể dùng điện cực nhiều lần do khi đã

sử dụng điện cực bị mòn dẫn đến sai số cho quá trình cắt Để khắc phục tình trạng này người ta có thể sử dụng dây cắt một lần để gia công các chi tiết cần độ chính xác cao hoặc sử dụng dây đã được phủ, mạ một lớp kim loại đặc biệt để có thể sử dụng nhiều lần [1],[42],[63]

- Dây điện cực có kích thước nhỏ (từ 0,1 0,3 mm), vật liệu dây thường có độ bền kéo thấp nên trong quá trình gia công (đặc biệt khi gia công các chi tiết có chiều dày lớn) thì dây điện cực sẽ bị uốn cong làm ảnh hưởng tới độ chính xác gia công Thậm chí có thể bị đứt dây dẫn đến sai số gia công và giảm năng suất gia công

- Các chỉ tiêu công nghệ của quá trình này phụ thuộc vào thông số xung điện, hằng

số vật liệu, chiều dày chi tiết gia công, tính chất của chất điện môi, vật liệu dây điện cực, hướng và tốc độ cuốn dây điện cực v.v

1.3.2.3 Phạm vi ứng dụng

Do đặc điểm của thiết bị là dây điện cực phải có chuyển động dọc trục liên tục giữa các con lăn nên phương pháp gia công cắt dây tia lửa điện chủ yếu được dùng để gia công các sản phẩm sau [43]:

- Chế tạo các điện cực chính xác cho gia công xung định hình

- Gia công các rãnh hẹp, gấp khúc trong các chi tiết của thiết bị điện tử

- Chế tạo các chi tiết có độ chính xác cao, tham gia vào các mối lắp ghép có độ dôi của các bộ phận chính của các khuôn dập, khuôn đúc áp lực và các loại dưỡng kiểm

- Chế tạo chi tiết có rãnh của xanga (chấu kẹp đàn hồi), bề mặt làm việc của các dao định hình, các lỗ nhỏ trong các chi tiết đặc biệt v.v…

- Gia công các chi tiết bằng vật liệu thép đã nhiệt luyện, các kim loại khó gia công, các hợp kim quý hiếm cần hạn chế lượng dư gia công

- Ngoài ra, ngày nay phương pháp gia công cắt dây tia lửa điện còn được dùng để chế tạo các đĩa ly hợp bằng hợp kim cứng, dưỡng calip, dưỡng cối, dưỡng chày phức tạp, các chày đột lỗ của lưới có độ chính xác cao v.v…

1.3.3 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],[42],[43],[51]:

- 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 không cần 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 bàn 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 thành hốc dễ thoát

ra ngoài mà không cần vòi sục rửa, phương pháp này được ứng dụng trong trường hợp gia công hốc sâu và đòi hỏi hình dáng hốc chính xác cao

- Gia công EDM kết hợp với rung siêu âm (Ultrasonic Aided EDM)

Gia công EDM kết hợp với rung siêu âm là phương pháp hớt vật liệu bằng tia lửa điện trong đó điện cực dụng cụ được rung động với tần số rung bằng tần số siêu âm Điện cực rung động với tần số siêu âm tạo điều kiện thoát phoi dễ dàng giúp nâng cao khả năng công nghệ và tăng đáng kể năng suất gia công khi gia công các lỗ nhỏ và siêu nhỏ [60]

- Mài kết hợp với gia công tia lửa điện (Abrasive Electrical Discharge Grinding - AEDG)

Mài kết hợp với gia công tia lửa điện 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 các lỗ siêu nhỏ (hay bắn lỗ tia lửa điện)(MEDM)

Gia công xung định hình lỗ siêu nhỏ là một dạng xung định hình đặc biệt trong đó điện cực có kích thước nhỏ được quay với tốc độ lớn (tới 10.000 vòng/ph) Phương pháp này dùng để gia công các lỗ siêu nhỏ với độ chính xác rất cao

- Cắt dây tia lửa điện bằng điện cực dây có đường kính siêu nhỏ (MWEDM)

Cắt dây tia lửa điện siêu nhỏ là phương pháp cắt dây sử dụng điện cực Tungsten, Wolfram có đường kính dây nhỏ dưới 10 m Phương pháp này dùng để gia công cắt dây

các lỗ siêu nhỏ có kích thước từ 0,1 1mm trên 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

- Xung định hình với 2 điện cực quay

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

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

1.4.1 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 điện cực - phôi, 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 đối với năng suất và đặc biệt là đối với chất lượng bề mặt gia công Các tài liệu nghiên cứu đã đưa ra các kết luận và đã trở thành các kiến thức cơ bản về gia công tia lửa điện [42],[49] 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 năng suất, độ mòn điện cực và chất lượng bề mặt gia công

Ie càng lớn thì năng suất hớt vật liệu VW càng lớn, chiều cao nhấp nhô bề mặt 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 diện Phụ thuộc vào kiểu máy, Ie được điều chỉnh theo 18 hoặc 21 bước, thay đổi nằm trong khoảng từ 0,5A 80A, trong đó các bước nhỏ được chọn để gia công tinh, bước lớn để gia công thô

Theo [42],[49], thời gian 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…

Các đặc tính về điện 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 một máy phát xung tĩnh Loại máy này có ưu điểm là dễ điều chỉnh các thông số công nghệ khi gia công 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 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 :

Điện áp đánh tia lửa điện là điện áp cần thiết để có thể tạo ra hiện tượng phóng điện, điện áp đánh lửa Ui càng lớn thì phóng điện càng mạnh và cho phép khe hở phóng điện càng lớn

- Thời gian trễ đánh lửa t d :

Thời gian trễ đánh lửa td là khoảng thời gian từ lúc 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” tăng vọt lên giá trị Ie

- Điện áp phóng tia lửa điện U e :

Điện áp phóng tia lửa điện Ue 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 :

Dòng phóng tia lửa điện 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 trước đây 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, Ie càng tăng thì tốc độ hớt vật liệu tăng, độ nhám gia công lớn nhưng độ ăn mòn điện cực giảm

- Độ kéo dài xung t i :

Độ kéo dài xung ti 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:

ti ( s)

510

50100

10005000

Vw(mm /ph)

Hình 1.6: Mối quan hệ giữa năng suất V w và độ kéo dài xung t i

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 ứng với giá trị độ kéo dài xung 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 độ kéo dài xung ti

được biểu thị ở hình 1.6 [49]

+ 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 tại bề mặt dụng cụ (cực âm), trong khi mức độ tăng của dòng điện lại rất lớn, do vậy mà độ mòn điện cực ngày càng giảm Mối quan hệ giữa độ mòn điện cực tương đối θ với độ kéo dài xung ti

được biểu thị ở hình 1.7 [49]

t i ( s) 10

0,5

50 100 500 1000 5000 1

5 10 50

Hình 1.7: Mối quan hệ giữa độ mòn điên cực tương đối θ và độ kéo dài xung t i

+ Độ nhám bề mặt:

Khi tăng độ kéo dài xung ti thì chiều cao nhấp nhô Rmax 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 chiều cao nhấp nhô bề mặt Ra và độ kéo dài xung ti được biểu thị ở hình 1.8 [49]

R amax ( m)

t i ( s)

50 75 100 125

để có đủ thời gian ngừng ion hoá chất điện môi trong khe hở phóng điện Nhờ đó sẽ tránh được lỗi của các quá trình như tạo hồ quang hoặc làm ngắn mạch Cũng trong thời gian nghỉ của các xung điện, dòng chảy sẽ đẩy các vật liệu đã bị phá hủy 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 Các công trình nghiên cứu đã công bố cho thấy tỷ lệ giữa thời gian xung ti với thời gian ngắt xung t0 cần đảm bảo các giá trị phù hợp như sau:

+ Khi gia công rất thô: ti/t0 > 10

+ Khi gia công thô: ti/t0 10 Tuy nhiên, giá trị của t0 không nên quá nhỏ để tránh các khuyết tật của quá trình

+ Khi gia công tinh: ti/t0 5 10 Lý do là khi gia công tinh, khe hở phóng điện giảm, nguy cơ tạo ra các lỗi quá trình sẽ nhiều hơn Do đó cần tăng khoảng cách xung t0 nên làm giảm tỷ lệ ti/t0

+ Khi gia công siêu tinh ti/t0 < 1 (thường chọn ti/t0=0,4)

Hình 1.9: Ảnh hưởng của độ kéo dài xung t i và khoảng cách xung t 0 đến lượng hớt vật liệu

1.4.2 Ảnh hưởng của khe hở phóng điện

- Điện áp phóng tia lửa điện Ue được xác định theo biểu thức sau [1],[22],[49]:

+ C là điện dung của tụ điện (µF)

- Nếu nhỏ thì Um axe cũng nhỏ, tần số xung lớn do:

Lượng hớt vật liệu

f =

C U

Do tần số f tăng cho nên thời gian phóng tia lửa điện te nhỏ

Như vậy, nhỏ dẫn đến Ue giảm và te giảm, cho dù Ie có lớn thì năng lượng xung điện We (năng lượng tách vật liệu theo công thức 1.1) vẫn nhỏ, do đó năng suất bóc phoi giảm

Như vậy việc chọn hợp lý sao cho sự phóng tia lửa điện diễn ra đều đặn để có được một năng suất gia công phù hợp là rất cần thiết

- Công suất gia công [1],[22],[49]:

NC =

1

0 1

1

z i

dt e ) e 1 ( T

I U

T e

e

e U

i

)1

1ln(

2

2

Trong đó: ap =

) 1

1 ln(

22

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 1.10) 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

ap

0,040,080,120,160,200,24

Hình 1.10: Mối quan hệ giữa hệ số công suất a p và hệ số điện tích η

1.4.3 Ảnh hưởng của điện dung C

Ảnh hưởng của điện dung C được mô tả như sau (hình 1.11) [1]

a) b)

Hình 1.11: Ảnh hưởng của điện dung C tới năng suất hớt vật liệu V w

Biểu đồ hình 1.11 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 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

1.4.4 Ảnh hưởng của diện tích gia công F

Đồ thị trên hình 1.12 mô tả ảnh hưởng của diện tích vùng gia công F đến năng suất hớt vật liệu Vw và độ mòn điện cực [1],[46],[55] Hình 1.12 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 cũng 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

Fgh

Vw

Vw,

F

Hình 1.12: Ảnh hưởng của diện tích vùng gia công F đến năng suất V w

và độ mòn điện cực tương đối θ

Hình 1.12 cũng cho thấy khi tăng diện tích F, ban đầu lượng mòn điện cực giảm mạnh, sau đó nếu tiếp tục tăng diện tích F lượng mòn điện cực hầu như không thay đổi

1.4.5 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 sự va đập của 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 Người ta xác định độ mòn tương đối của điện cực bằng công thức sau [46],[55],[61]:

% 100

x V

V

w e

Trong đó:

Ve là tốc độ 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

1.4.6 Các hiện tƣợng xấu khi gia công tia lửa điện

Với mục đích nâng cao hiệu quả gia công và nâng cao chất lượng sản phẩm, ta phải tiến hành nghiên cứu và tìm hiểu 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:

1.4.6.1.Hồ quang

Hình 1.13: Hiện tượng hồ quang điện

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

Trong quá trình gia công, do sự phóng điện mà xuất hiện trong chất điện môi (khu vực nằm giữa hai điện cực) những phần tử vật liệu đã bị lấy đi từ hai điện cực và các ion dương chưa bị dòng chảy chất điện môi đẩy ra khỏi khe hở phóng điện Chính các phần tử vật liệu

và 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 đốt cháy cùng một điểm với xung trước Khi đó, điểm ăn mòn sẽ bị khoét thành một hố sâu và không đều trên

bề mặt gia công

Đồ thị ở hình 1.13 thể hiện sự phóng điện lý tưởng và sự phóng điện không có thời gian trễ do có hồ quang [1],[22],[49]

1.4.6.2.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), được gọi là hiện tượng ngắn mạch, hiện tượng ngắn mạch được mô tả trên hình 1.14 [1],[22],[49] Sự ngắn mạch không chỉ ngăn cản quá trình hớt vật liệu phôi mà dòng điện ngắn mạch lớn tạo ra nhiệt lớn gây ra ảnh hưởng xấu tới cấu trúc, do đó ảnh hưởng đến tính chất vật liệu của phôi

Các nguyên nhân của hiện tượng ngắn mạch gồm:

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

- Phoi bị kẹt trong khe hở phóng điện

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

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 1.15) [1],[22],[49]

i

t

t u

Hình 1.15: Hiện tượng xung mạch hở

Các nguyên nhân xung mạch mở 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

1.4.6.4 Sự quá nhiệt của chất điện môi

Khi vùng 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 bị phân hủy rất 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 bởi hồ quang thường xuyên Nếu các phần tử cacbon bị lắng đọng trên mặt điện cực thì sẽ gây ra sự không ổn định do ngắn mạch [1],[22],[49]

1.4.7 Các yếu tố không điều khiển đƣợc

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

1.4.7.1 Nhiễu hệ thống

Nhiễu hệ thống bao gồm:

- Các yếu tố thuộc về thiết bị như độ ổn định của thiết bị, độ rung, ổn định nhiệt, độ chính xác của các thước đo, khả năng và độ chính xác truyền động, lắp đặt bố trí máy và các thành phần thuộc đồ gá kẹp chặt v.v…

- Sai lệch thuộc hệ thống điều khiển

1.4.7.2 Nhiễu ngẫu nhiên

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… Nhiễu ngẫu nhiên ảnh hưởng đến quá trình gia công tia lửa điện Khả năng thích 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

1.5 Chất điện môi trong gia công tia lửa điện

1.5.1 Nhiệm vụ của chất điện môi

Trong gia công bằng tia lửa điện ngoài hai yếu tố chính là dụng cụ và phôi được nối với hai cực thì còn một yếu tố không thể thiếu để tạo ra sự bóc phoi và vận chuyển phoi ra khỏi vùng cắt đó là dung dịch chất điện môi Nhiệm vụ chính của chất điện môi trong quá trình gia công tia lửa điện là 65]:

- Cách điện giữa hai cực (giữa điện cực dụng cụ và phôi), đảm bảo không có dòng điện chạy qua khe hở giữa hai cực, khi khoảng cách giữa hai cực chưa đủ nhỏ Khi khoảng cách này đạt tới một giới hạn nhất định nào đó thì bắt đầu xuất hiện sự phóng điện giữa hai

điện cực Khi khe hở càng bé thì lượng vật liệu hớt đi càng tăng và độ chính xác hình học càng tăng Trong thực tế sau một thời gian làm việc thì trong dung dịch chất điện môi tồn tại những phần tử kim loại phoi bị bóc ra khỏi bề mặt phôi nên làm giảm khả năng cách điện của chất điện môi Để khắc phục hiện tượng này người ta thực hiện lọc bỏ phần tử tế

vi này bằng cách dẫn chất điện môi qua hệ thống lọc, tuy nhiên vẫn không thể đảm bảo lọc tuyệt đối nên sau một thời gian sử dụng cần phải thay thế dung dịch chất điện môi

- Ion hoá:

Như đã trình bày ở phần đầu, khi điện cực tiến tới gần sát phôi thì xuất hiện hiện tượng phóng điện, sau đó phải gây ra hiện tượng ion hoá chất điện môi nằm ở giữa hai điện cực để tạo thành các ion dương và các phần tử tích điện âm (tức là có khả năng tạo ra một cầu phóng điện) Điều này tạo ra sự tập trung năng lượng rất lớn ở kênh plasma Khi có sự phóng điện các electron bay với tốc độ cực lớn hướng tới bề mặt phôi cần gia công Khi va chạm lên bề mặt phôi cần gia công thì phần động năng của electron sẽ chuyển thành nhiệt năng làm nóng chảy kim loại trên bề mặt phôi Khi ngắt xung thì hiện tượng ion hoá chất điện môi phải ngừng kịp thời để tạo điều kiện cho sự phóng điện xảy ra ở vị trí khác khi xảy ra xung tiếp theo

- Làm nguội:

Khi diễn ra sự phóng điện trong một khoảng thời gian cực ngắn, ở kênh phóng điện nhiệt độ có thể lên tới 10.0000C Nhiệt ở đây cần phải được chuyển đi nhằm tránh ảnh hưởng đến bề mặt phôi, bản điện cực cũng như chất điện môi Khi ngừng phóng điện (ngắt xung) thì dòng chảy chất điện môi có tác dụng làm nguội khu vực trên (và thôi ion hoá đã nói ở trên) chuẩn bị cho chu kỳ phóng điện sau

1.5.2 Các loại chất điện môi

Như đã phân tích, gia công tia lửa điện chủ yếu gồm hai phương pháp: gia công xung định hình và gia công cắt dây tia lửa điện Mỗi phương pháp gia công sử dụng các chất điện môi khác nhau [1],[65]:

- Xung định hình chủ yếu sử dụng chất Hydrocacbon

- Cắt dây tia lửa điện chủ yếu dùng nước khử khoáng

Ngoài ra, ngày nay trên thế giới còn xuất hiện một loại chất điện môi mới mà thành phần chủ yếu là nước Nó có độ nhớt cao hơn nước, hiệu quả làm mát cao hơn dầu, được dùng chủ yếu cho gia công xung định hình với điện cực graphit lớn và bước dòng điện lớn

Vì chất điện môi này có thành phần chính là nước nên dòng điện Ie khi xung rất lớn do đó khó nhận được bề mặt tinh và độ nhám Rmax < 10 µm

Riêng đối với chất Hydrocacbon còn được chia làm 3 nhóm dựa trên cơ sở đặc tính hoá học, đó là:

- Parafin

- Dầu khoáng

- Các dẫn xuất của xăng

Các yếu tố như thành phần hoá học, độ nhớt v.v… sẽ quyết định chất lượng và khả năng sử dụng của chất điện môi Dầu khoáng có chất lượng cao nhờ kỹ thuật tinh chế đặc biệt Còn các dẫn xuất của xăng cũng cho hiệu quả cao nếu dùng làm chất điện môi, tuy nhiên không được sử dụng do có tác hại xấu đến sức khoẻ con người và môi trường

1.5.3 Các tiêu chuẩn đánh giá chất điện môi

Đánh giá chất điện môi được dựa trên các tiêu chuẩn sau:

- Bền lâu, hao phí ít

- Vệ sinh, không độc, không khó ngửi

- Có điểm cháy cao ( khó cháy)

- Có mật độ, độ đậm đặc phù hợp

- Có độ trong suốt để dễ quan sát vùng gia công

- Có độ nhớt phù hợp

- Cách điện ở điều kiện bình thường

- Có khả năng truyền điện áp

- Có khả năng bị ion hoá