Nghiên cứu máy gia công xung tia lửa điện FO 550s để gia công tinh khuôn cho sản phẩm có bề mặt phức tạp

Được xem là phương pháp hữu hiệu gia công các loại vật liệu cứng, siêu cứng, lâu mòn hoặc gia công các hốc, các đường biên, các vật thể có hình dáng hình học phức tạp, khó hoặc không thể

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

-

BÙI MẠNH HÙNG

NGHIÊN CỨU MÁY GIA CÔNG XUNG TIA LỬA ĐIỆN FO 550S

ĐỂ GIA CÔNG TINH KHUÔN CHO SẢN PHẨM CÓ BỀ MẶT

PHỨC TẠP

NGÀNH: CÔNG NGHỆ CHẾ TẠO MÁY

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC NGÀNH: CÔNG NGHỆ CHẾ TẠO MÁY

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:

TS NGUYỄN HUY NINH

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan các số liệu và kết quả nêu trong luận văn là trung thực

và chưa từng được ai công bố trong bất kỳ một công trình khác Trừ những phần tham khảo đã được ghi rõ trong luận văn

Tác giả

Bùi Mạnh Hùng

1.1 Đặc điểm của phương pháp gia công tia lửa điện 14

1.1.1 Các đặc điểm chính của phương pháp gia công tia lửa điện 14

1.1.2 Khả năng công nghệ của phương pháp gia công tia lửa điện 15

1.2.1 Phương pháp gia công xung định hình 15

1.2.2 Phương pháp gia công cắt dây tia lửa điện 15

1.3 Nghiên cứu bản chất của phương pháp gia công tia lửa điện 17

1.3.2 Cơ chế tách vật liệu bằng tia lửa điện 22

1.4 Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình gia công tia lửa điện 23

1.4.1 Các đặc tính về điện của sự phóng tia lửa điện 23

1.4.2 Ảnh hưởng của khe hở phóng điện δ 28

1.4.4 Ảnh hưởng của diện tích vùng gia công 29

1.4.6.3 Xung mạch hở, không có dòng điện 32

1.4.7.1 Nhiễu hệ thống 31

1.5 Chất lượng khi gia công tia lửa bề mặt 32

1.5.1 Chất lượng bề mặt 32

1.5.2 Vết nứt tế vi và các ảnh hưởng về nhiệt 32

1.5.3 Độ chính xác tạo hình khi gia công tia lửa điện 34

1.6 Chất điện môi khi gia công tia lửa điện 34

1.6.3 Các tiêu chuẩn đánh giá chất điện môi 37

1.6.4 Các loại dòng chảy của chất điện môi 38

1.6.6 Vật liệu điện cực 42

CHƯƠNG II: NGHIÊN CỨU KHAI THÁC SỬ DỤNG MÁY XUNG TIA LỬA

ĐIỆN FO 550S

2.1 Cấu tạo chung của máy xung định hình 47

2.2 Sơ bộ về máy xung tia lửa điện FO 550S 48

2.3 Nghiên cứu khai thác sử dụng máy xung tia lửa điện FO550S 52

2.3.3.7 Gia công hốc lớn 57

2.3.4 Thiết kế bảng công nghệ 58

2.3.5.1 Thuật ngữ với đường cong công nghệ 59

2.3.7 Giá trị khe hở và khe hở mặt bên điện cực 63

2.3.8 Quỹ đạo khe hở 64

2.4 Lập trình gia công trên máy xung định hình 80

CHƯƠNG 3: MÔ HÌNH THÍ NGHIỆM VÀ KẾT LUẬN

3.1 Thiết kế thí nghiệm 82

3.3.2 Thiết bị đo độ bóng chi tiết sau khi gia công 86

3.3.3 Mô tả quá trình thực hiện thí nghiệm gia công trên máy 86

DANH MỤC CÁC THUẬT NGỮ, KÝ HIỆU, CÁC TỪ VIẾT TẮT

1 AEDG Abrasive Electrical Discharge Grinding

2 CAD Computer Aided Design

3 CAM Computer Aided Manufacturing

4 CIM Computer Integrated Manufacturing

5 CNC Computer Numerical Control

6 EDM Electrical Discharge Machining

7 EPS Easy Productivity System

8 FMS Flexible Manufacturing Systems

9 MEDM Micro Electrical Discharge Machining

11 WEDM Wire Electrical Discharge Machining

12 MWEDM Micro Wire Electrical Discharge Machining

13 UZ Điện áp đánh lửa

14 td Thời gian đánh lửa trễ

15 ti Độ kéo dài xung của máy phát

16 Ui Điện áp máy phát mở

17 Ue Điện áp phóng tia lửa điện

18 P, Ie Dòng phóng tia lửa điện

19 A, ti Thời gian phóng tia lửa điện

20 B, t0 Khoảng cách xung

21 θ Độ mòn điện cực

22 Vw Lượng tách vật liệu phôi

23 Ve Độ mòn tương đối của điện cực

24 δ Khe hở phóng điện

25 We Năng lượng tách vật liệu

26 ap Hệ số công suất

27 η Hệ số tích điện

28 C Điện dung tụ điện

29 Cgh Điện dung giới hạn

30 Uopt Điện áp tối ưu

31 F Diện tích vùng gia công

32 Fgh Diện tích vùng gia công giới hạn

33 Q Điện tích của tụ

34 R Chiều cao nhấp nhô

35 Z Chiều cao ảnh hưởng nhiệt

36 Hc(z) Chiều sâu vết lõm

37 W Năng lượng phóng tia lửa điện

38 θm Nhiệt độ nóng chảy của vật liệu (oC)

2.6 Bảng xác định chế độ gia công khi đột dập

2.7 Bảng lựa chọn độ dày điện cực

2.8 Bảng khe hở trung bình đường viền

3.1 Điều kiện thí nghiệm

3.2 Thông số của thép làm khuôn S55C theo tiêu chuẩn JIS 3.3 Bảng các tham số điều khiển

3.4 Điều kiện quy hoạch thực nghiệm ba yếu tố (N = 23 = 8) 3.5 Kết quả thực nghiệm R¬a

3.6 Ma trận thực nghiệm

3.7 Hệ số các phương trình hồi quy

3.8 Giá trị phương sai

3.9 Quy đổi các đại lượng đầu vào

3.10 Bảng giá trị hàm số của vật liệu

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ

HÌNH VẼ NỘI DUNG BẢNG BIỂU

1.1 Sơ đồ nguyên lý gia công tia lửa điện

1.2 Pha 1 – Sự đánh lửa

1.3 Pha 2 – Sự hình thành kênh phóng điện

1.4 Pha 3 Sự nóng chảy và bốc hơi của vật liệu

1.5 Xung điển hình trong gia công EDM

1.6 Mối quan hệ giữa A với Vw

1.7 Mối quan hệ giữa θ và A

1.8 Mối quan hệ giữa Rmax và A

1.9 Khoảng cách xung to lượng hớt vật liệu

1.15 Dòng chảy do chuyển động điện cực

2.1 Cấu tạo một máy xung định hình

2.7 Gia công khoét

2.8 Đường cong công nghệ

2.9 Đường cong khe hở mặt bên

2.10 Vùng ăn mòn Iso

2.11 Đường cong dòng điện P

2.12 Biểu đồ lựa chọn khe hở mặt bên

2.13 Khoảng cách W và H

2.14 Biểu đồ xác định độ dày điện cực

2.15 Biểu đồ Chọn các chế độ gia công

2.16 Màn hình hiển thị chế độ Gamma TEC

2.17 Đồ thị thời gian gia công và diện tích bề mặt trong Gamma

TEC 3.1 Mô hình hóa quá trình xung định hình

3.2 Đồng hồ đo độ phẳng ORION

3.3 Máy đo độ bóng Mitutoyo SJ-201P

3.4 Đầu đo thực hiện đo độ bóng bề mặt

3.5 Gia công sản phẩm mẫu trên máy

3.6 Cây điều khiển FO 550S

3.7 Màn hình hiển thị

3.8 Ảnh hưởng của P, A lên Ra khi B = 25µs

3.9 Ảnh hưởng của P, A lên Ra khi B = 100µs

MỞ ĐẦU

Trong thiên nhiên kỷ thứ 13, thiên nhiên kỷ mà nền khoa học công nghệ sẽ phát triển nhanh khó đoán trước được diễn biến, nguồn tài nguyên thiên nhiên trở nên khan hiếm, nguồn lực và môi trường trở thành mối quan tâm của mỗi quốc gia,các vấn đề của nền kinh tế tri thức được bàn và thống kê chưa đủ tính hệ thống, thì sự thừa nhận công nghệ gia công kim loại luôn là nền tảng của mọi ngành công nghiệp đã thúc ép phải có nhiều đầu tư nghiên cứu về các quá trình gia công kim loại hơn nữa Tiếp theo, để có thể tự động hóa, linh hoạt hóa một quá trình gia công kim loại , việc nghiên cứu ảnh hưởng của các yếu tố công nghệ đến các quá trình đó, đặc biệt đến chất lượng và độ chính xác gia công là không

thể thiếu được Gia công kim loại bằng tia lửa điện cũng không nằm ngoại lệ

Được xem là phương pháp hữu hiệu gia công các loại vật liệu cứng, siêu cứng, lâu mòn hoặc gia công các hốc, các đường biên, các vật thể có hình dáng hình học phức tạp, khó hoặc không thể gia công được bằng các phương pháp cắt gọt thông thường, gia công bằng tia lửa điện là phương pháp được sử dụng rộng rãi nhất trong nhóm công nghệ gia công không truyền thống

Vào những năm 50 của Thế kỷ XX, thiết bị gia công tia lửa điện thương mại

đã có mặt trên thị trường thế giới Đến năm 1980, kỹ thuật điều khiển số và tự động hóa đã tạo cho phương pháp gia công tia lửa điện một sự chuyển biến đáng

kể về mặt công nghệ Những năm gần đây, những phương pháp lai, trên cơ sở kết hợp nguyên lý gia công tia lửa điện với các phương pháp gia công cơ, khai thác lợi thế của từng phương pháp thành phần đã tạo nên những kỹ thuật hớt kim loại mới trên cơ sở công nghệ gia công bằng tia lửa điện

Tính cấp thiết của đề tài

Là một phương pháp gia công lim loại, công nghệ gia công bằng tia lửa điện

với những ưu điểm nổi trội, đã và đang được sử dụng rộng rãi để thay thế một số quá trình gia công truyền thống nhiều ngành công nghiệp khác nhau như công nghiệp hàng không vũ trụ, điện tử, công nghiệp dược liệu, công nghiệp dân dụng… và đặc biệt là trong ngành chế tạo khuôn-mẫu

Ngày nay khoa học kỹ thuật không ngừng phát triển, các máy công cụ điều khiển số (NC và CNC) hiện đang được sử dụng phổ biến tại các nước phát triển Trong những năm gần đây các máy CNC được nhập vào Việt Nam với số lượng ngày càng phát triển Máy CNC ngày càng cải tiến hiện đại, chức năng ngày một nhiều lên Việc tìm hiểu khai thác sử dụng hết khả năng công nghệ gia công trên máy CNC cũng như trên trung tâm gia công nhằm đạt hiệu quả kinh tế cao đang là nhiệm vụ cấp bách

Vì vậy tác giả chọn đề tài:

“Nghiên cứu ứng dụng máy gia công tia lửa điện FO 550S để gia công tinh khuôn cho sản phẩm có bề mặt phức tạp”

Nội dung nghiên cứu

- Nghiên cứu bản chất của quá trình gia công tia lửa điện

- Nghiên cứu, khai thác công nghệ của máy và vận hành máy gia công tia lửa điện CNC FO 550S

- Nghiên cứu sự ảnh hưởng của các yếu tố chế độ đến quá trình cắt

- Xây dựng mô hình toán học xác định quan hệ giữa độ nhám bề mặt và các thông số công nghệ xung định hình EDM

Nghiên cứu thực nghiệm xây dựng hàm toán học biểu diễn mối quan hệ giữa chế độ cắt, độ nhám bề mặt, khi gia công xung định hình EDM nhằm xác lập một điều kiện giới hạn ( độ nhám bề mặt gia công) để tiến tới xác định chế độ cắt tối

ưu cho quá trình xung định hình EDM theo hàm mục tiêu cụ thể

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

Đối tượng nghiên cứu là tìm hiểu, khai thác sử dụng máy gia công tia lửa điện CNC FO 550S Tìm hiểu sự ảnh hưởng của các chế độ công nghệ bước dòng điện

P, độ kéo dài xung A, khoảng cách xung B … với quá trình xung định hình nói chung và mối quan hệ giữa chế độ công nghệ (P, A, B) và độ nhám bề mặt

Phương pháp nghiên cứu

Dùng phương pháp nghiên cứu lý thuyết kết hợp với nghiên cứu thực nghiệm

để khảo sát quá trình xung định hình với nội dung như sau:

- Thực nghiệm gia công thử để kiểm chứng cơ sở lý thuyết về mối quan hệ

Ý nghĩa của đề tài

Bằng cách nghiên cứu cơ sở lý thuyết kết hợp với thực nghiệm, luận án đã đưa

ra được các hàm toán học mô tả mối quan hệ giữa dòng điện P, độ kéo dài xung

A, khoảng cách xung B với độ nhám bề mặt từ đó làm cơ sở cho việc tối ưu hóa

quá trình cắt cũng như cho các nghiên cứu khác của quá trình cắt

Khai thác sử dụng máy gia công tia lửa điện CNC FO 550S giúp người sử

dụng máy hiểu rõ hơn về công nghệ của máy và sử dụng tối đa khả năng của máy,

đảm bảo chất lượng và năng suất gia công cũng như lợi ích về kinh tế Ngoài ra

còn trách sai lầm trong cách vận hành máy

Kết quả nghiên cứu của đề tài là cơ sở cho các hướng nghiên cứu mở rộng,

nâng cao hơn trong công nghệ gia công bằng tia lửa điện nhằm nâng cao chất

lượng, năng suất gia công và sử dụng máy hiệu quả hơn

Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn chân thành tới thầy giáo hướng dẫn:

TS Nguyễn Huy Ninh đã giúp đỡ tận tình để tôi hoàn thành luận văn này Tôi xin

cảm ơn lãnh đạo nhà trường và các thầy cô khoa Cơ khí Trường Đại học Bách

Khoa Hà Nội đã tạo điều kiện giúp đỡ tôi trong thời gian thực hiện luận văn

Xin chân thành cảm ơn!

Hà nội, ngày 27 tháng 10 năm 2010

Tác giả

Bùi Mạnh Hùng

CHƯƠNG 1

TỔNG QUAN VỀ GIA CÔNG TIA LỬA ĐIỆN

Trong nửa thế kỷ qua, nhu cầu về các vật liệu cứng, lâu mòn và siêu cứng sử dụng cho turbin máy điện, động cơ máy bay, dụng cụ, khuôn mẫu… tăng lên không ngừng ở các nước công nghiệp phát triển Việc gia công những vật liệu đó bằng công nghệ cắt gọt thông thường (tiện, phay, mài v.v…) là vô cùng khó khăn, đôi khi không thể thực hiện được

Cách đây gần 200 năm, nhà nghiên cứu tự nhiên người Anh Joseph Priestley (1973 – 1809) , trong các thí ngiệm của mình đã nhận thấy có một hiệu quả ăn mòn vật liệu gây ra bởi sự phóng xạ điện Nhưng mãi đến năm 1943 thông qua hàng loạt các nghiên cứu về tuổi bền của các thiết bị đóng điện, hai vợ chồng Lazarenco người Nga mới tìm ra tia lửa điện để làm 1 quá trình hớt kim loại mà không phụ thuộc vào độ cứng của vật liệu

Khi các tia lửa điện được phóng ra vật liệu mặt phôi sẽ bị hớt đi bởi 1 quá trình điện - nhiệt thông qua sự nóng chảy và bốc hơi kim loại, nó thay cho tác động cơ học của dụng cụ vào phôi Quá trình “gia công tia lửa điện’’- (nguyên gốc tiếng Anh là “ Electrical Discharage Machining’’, gọi tắt là gia công EDM)

1.1 Đặc điểm của phương pháp gia công tia lửa điện

Gia công tia lửa điện là một trong các phương pháp gia công bằng phóng điện

ăn mòn trên cơ sở tác dụng nhiệt của xung điện được tách thành do sự phóng điện giữa hai điện cực, trong đó điện cực âm là điện cực dụng cụ, còn điện cực dương

là chi tiết gia công

1.1.1 Các đặc điểm chính của phương pháp gia công tia lửa điện

- Điện cực (đóng vai trò dụng cụ) lại có độ cứng thấp hơn nhiều lần so với độ cứng của phôi Nói tóm lại: lấy cái mềm để cắt cái cứng Điện cực là đồng, graphit, còn phôi là thép đã tôi hoặc hợp kim cứng

- Vật liệu dụng cụ là vật liệu phôi đều phải dẫn điện

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

-Chế độ gia công thay đổi được trong phạm vi rộng, từ thô đến tinh

1.1.2 Khả năng công nghệ của phương pháp gia công bằng tia lửa điện

Phương pháp gia công bằng tia lửa điện có thể tạo được các mặt định hình đường thẳng, mặt định hình không gian, các rãnh định hình … Có thể đạt được độ chính xác từ cấp 8 đến 9 và độ nhám Ra = 1,25 ÷ 5 µm, đôi khi trong trường hợp đặc biệt có thể đạt tới 0,32 µm

1.2 Các phương pháp gia công bằng tia lửa điện

Hiện nay với với sự phát triển của khoa học kỹ thuật thì công nghệ gia công tia lửa điện có rất nhiều phương pháp tuy nhiên phải kể tới hai phương pháp cơ bản là: xung định hình (EDM) và phương pháp cắt bằng điện cực dây (WEDM)

1.2.1 Phương pháp gia công bằng xung định hình

Gia công tia lửa điện dùng điện cực định hình gọi tắt là phương pháp “xung định hình”, mà theo đó điện cực là 1 không gian bất kỳ mà nó in hình của mình lên phôi tạo thành 1 lòng khuôn Thuật ngữ tiếng Anh của phương pháp này là

“EDM- die sinking’’ Phương pháp này được dùng để chế tạo khuôn có hình dạnh phức tạp, các khuôn ép định hình, khuôn ép nhựa, khuôn đúc áp lực, lỗ không thông …

1.2.2 Phương pháp gia công bằng cắt dây tia lửa điện

Gia công tia lửa điện bằng cắt dây Ở đây, điện cực là 1 dây mảnh (d=0,1÷0.3) được cuốn liên tục và được chạy theo một côngtua cho trước Nó sẽ cắt phôi theo đúng côngtua đó Thuật ngữ tiếng Anh của gia công tia lửa điện cắt dây là “EDM –wire cutting” Phương pháp này 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…

1.2.3 Các phương pháp gia công khác

Ngoài hai phương pháp gia công chính trên, ngày nay trên thế giới còn một số phương pháp gia công sử dụng tia lửa điện như sau:

- Gia công tia lửa điện dạng phay (Milling EDM): 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 (để xung) mà sử dụng điện cực cắt theo chương trình

- 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 Quá trình này cũng được dùng để chế tạo bánh mài có hình dạng đặc biệt

- Gia công EDM rung 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 gia công các lỗ nhỏ và siêu nhỏ

- Mài bằng phóng tia lửa 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 ăn mòn cơ khí

- 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 hoặc Wolfram có đường kính dây nhỏ dưới 10 µm Phương pháp này dùng để gia công cắt dây các lỗ siêu nhỏ có kích thước từ 0,1÷1mm, các vật liệu khó gia công, các chi tiết có chiều dày mỏng, …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 Nghiên cứu bản chất của phương pháp gia công tia lửa điện

1.3.1 Bản chất vật lý

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

Thực chất của phương pháp gia công tia lửa điện là phương pháp gia công tách vật liệu ra khỏi bề mặt phôi nhờ tia lửa điện Sơ đồ nguyên lý của phương pháp gia công bằng tia lửa điện được mô tả như hình vẽ 1.1

Quá trình bóc tách vật liệu ra khỏi bề mặt phôi cụ thể như sau: Một điện cực được đặt giữa điện cực và phôi, không gian giữa 2 điện cực đó được điền đầy bởi 1 chất lỏng cách điện được gọi là chất điện môi (Dielectric) Khi cho 2 điện cực lại gần nhau, đến một khoảng cách nào đó thì xảy ra sự phóng tia lửa điện Một dòng

điện được hình thành giữa hai điện cực mà không hề có sự tiếp xúc giữa hai điện cực Do đó có sự xuất hiện của tia lửa điện đó đã bóc đi 1 lớp vật liệu trên bề mặt phôi tạo thành một vết cắt Xét cụ thể diễn biến của 1 chu kỳ phóng điện diễn ra ở 3 pha như sau:

Pha 1 : Pha đánh lửa

Máy phát tăng điện áp khởi động qua 1 khe hở (đóng điện áp máy phát Ui) Dưới ảnh hưởng của điện trường, từ cực âm (catot) bắt đầu phát ra các điện tử và chúng bị hút về phía cực dương (anot) sự phát điện tử gây ra sự tăng cục bộ tính dẫn điện của chất điện môi ở khe hở

Các bề mặt của 2 điện cực không hoàn toàn phẳng Điện trường sẽ rất mạnh ở 2 điểm gần nhau nhất Chất điện môi bị ion hóa tất cả các phần tử dẫn điện (điện tử và ion dương) đều hội tụ

quanh điểm này quanh không gian ở giữa

2 điện cực và chúng tạo lên 1 cái cầu

Một kênh phóng điện đột nhiên được

hình thành ngang qua cầu Sự phóng điện

được bắt đầu Hình 1.2: Pha 1 – Sự đánh lửa

Pha 2 : Sự hình thành kênh phóng điện

Ở thời điểm phóng điện, điện áp bắt đầu giảm.Số lượng các phần tử dẫn điện (điện tử ion dương) tăng lên 1 cách khủng khiếp và dòng điện bắt đầu chạy giữa các điện cực Dòng điện này cung cấp 1 mật độ năng lượng khổng lồ mà nó làm cho dung dịch điện môi bốc hơi cục bộ

áp suất trong các bong bóng hơi sẽ đẩy

chất lỏng sang 2 bên Nhưng do độ nhớt

nên chất điện môi tạo ra 1 sự cản trở Nó

hạn chế sự lớn lên của kênh phóng điện

giữa các điện cực

Hình 1.3: Pha 2 – Sự hình thành kênh phóng điện

Pha 3 : Sự nóng chảy và sự bốc hơi vật liệu:

Lõi của bọt hơi bao gồm một kênh plasma Plasma này là 1 chất khí có lẫn các điện tử và các ion dương ở áp suất rất cao (khoảng 1 Kbar) và nhiệt độ cực lớn (10000oC) khi kênh plasma này được tạo thành đầy đủ thì điện áp qua khe hở đạt tới mức lí tưởng mà nó phụ thuộc vào sự phối hợp giữa vật liệu anot/catot Nó bằng 25 vol với các cặp vật liệu đồng/thép

Chất điện môi giữ kênh plasma và cũng là giữ cho năng lượng có 1 độ tập trung cực bộ Sự va chạm của các điện tử lên anot và của các ion dương lên catot làm nóng chảy và bốc hơi các điện cực

Máy phát sẽ ngắt dòng điện sau khi đã diễn ra 1 xung có hiệu quả Điện áp bị ngắt đột ngột Điều này khiến cho kim loại nóng chảy bất ngờ bị đẩy ra khỏi kênh phóng điện bốc hơi

Sự phóng điện có thể kéo dài từ vài micro giây đến vài trăm micro giây , tùy thuộc vào công dụng Giữa các xung có 1 độ trễ to (là thời gian giữa các xung) cho phép chất điện môi thôi ion hóa và để có thời gian vận chuyển phoi ra khỏi khe hở giữa các điện cực nhờ dòng chảy của chất điện môi Ở đây chất điện môi của vật liệu điện cực bị tách ra Mỗi điện cực đều để lại 1 “miệng núi lửa” bị ăn mòn , nhưng sự ăn mòn này không như nhau

cực nào ăn mòn nhiều hơn (thường là cực

dương) thì sẽ dành cực đó cho phôi Luôn

luôn cố định nó còn phụ thuộc vào chế độ

phóng điện, vào việc chọn cặp vật liệu đấu

cực

Hình 1.4: Pha 3 - Sự nóng chảy và bốc hơi của vật liệu

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

Thời gian trễ t d là khoảng thời gian cho phép chất điện môi ion hóa và hình thành kênh phóng điện

Sự phóng điện thực hiện trong thời gian te (từ một vài đến vài trăm µs) thuộc pha II làm kim loại nóng chảy

Tổng của td và te = ti là thời gian xung Dòng sục chất điện môi vận chuyển phoi

ra khỏi vùng khe hở phóng điện trong thời gian ngắt xung to Đây còn là khoảng thời để chất điện môi thôi ion hóa, chuẩn bị cho một chu kỳ phóng điện tiếp theo cho đến khi đạt kích thước gia công yêu cầu

Hình1.5 : Xung điển hình trong gia công EDM

Đây là đồ thị điển hình của chu kỳ xung trong gia công tia lửa điện Đặc điểm của đồ thị này là dòng điện Ie của xung bao giờ cũng xuất hiện trễ hơn 1 khoảng thời gian td (độ trễ đánh lửa) 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 Hình 1.5 biểu diễn diễn biến của điện áp và dòng điện trong một máy gia công tia lửa điện được sinh ra bởi một máy phát tĩnh trong 1 xung.đặc điểm của đồ thị này cho thâý dòng điện xung bao giờ cũng xuất hiện trễ hơn 1 khoảng thời gian t so với thời điểm bắt đầu có điện áp máy phát u, U và I là các giá trị trung bình của điện

áp và dòng điện khi phóng tia lửa điện

Trong đó:

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

td: thời gian trễ đánh lửa

ti =A: Độ kéo dài xung của máy phát xung

to = B: 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

Các nghiên cứu cho thấy tại các vùng lân cận tại các điện cực, plasma có nhiệt độ rất cao từ 6000oC ÷ 10000oC Tốc độ của dòng chuyển dịch điện tử và ion phụ thuộc vào năng lượng điện và dặc tính của chất điện môi Quán tính cơ của chất điện môi đã cản trở sự bành trướng của kênh plasma làm cho áp xuất trong kênh rất lớn (có thể lên tới 1 Kbar) 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 năng lượng nhiệt năng tại các điểm, còn được gọi là các “nguồn nhiệt” Các điện tử cận Anốt di chuyển và dẫn nhiệt tới làm nóng chảy và bốc hơi vật liệu Các ion dương đi đến catốt và nung nóng điểm trên catốt ở điểm đối điện thuộc kênh plasma 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 tại anốt Chính sự cơ động khác nhau tại anốt và catốt, điều này dẫn đến sự ăn mòn rất khác nhau tại 2 điện cực ( thực tế là điện cực dương sẽ nóng chảy lớn hơn nhiều

so với điện cực âm)

Lượng ion dương tăng nhanh trong luồng di chuyển tổng, chỉ trong một khoảng thời gian ngắn tỉ lệ chia nhiệt trở nên cân bằng và với sự kéo dài thời gian phóng tia thì các ion dương sẽ gây ra hiện tượng nóng chảy và bốc hơi catôt Khi kết thúc pha phóng điện, sự mất điện đột ngột đồng thời với sự sụt áp tạo

ra sự chênh lệch làm vỡ các kênh plasma và các túi khí Các lực này và áp lực tạo nên bởi sự phá hủy nội lực của kênh plasma làm bung các phần tử kim loại đã bị

nóng chảy ra khỏi bề mặt Lượng vật liệu bị hớt đi trên bề mặt của các điện cực phụ thuộc vào quá trình chuyển đổi năng lượng nhiệt và cơ thẩm nhiệt

1.3.2 Cơ cấu tách vật liệu

Cách tính vật liệu đầu tiên phụ thuộc vào cách tính năng lượng tách vật liệu , nếu gọi năng lượng tách vật liệu là We thì ta có đẳng thức sau:

We= Ue Ie.te

Trong đó : Ue,Ie là các giá trị trung bình của điện áp và dòng tia lửa điện được lấy trong thời gian xung do Ue là 1 hằng số vật lí phụ thuộc vào cặp vật liệu điện cực/phôi nên về thực chất năng lượng tách vật liệu chỉ phụ thuộc vào dòng điện và thời gian xung

Dòng điện tổng cộng trong kênh plasma qua khe hở phóng điện là tổng của các dòng các điện chạy từ cực dương (anot) và các dòng ion dương chạy tới cực

âm (catot) Do khối lượng của các ion dương lớn hơn trên 100 lần so với khối lượng của các điện tử, nên ta có thể bỏ qua tốc độ của các ion dương khi xuất phát các xung điện so với tốc độ của điện tử

Mật độ điện tập trung tới bề mặt cực dương (anot) cao hơn nhiều lần so với mật độ ion dương tập trung tới bề mặt cực âm (catot) trong khi mức độ tăng của dòng điện rất lớn trong khoảnh khắc đầu tiên của sự phóng điện Điều này là nguyên nhân gây ra sự nóng chảy rất mạnh ở cực dương (anot) trong chu kì này Dòng ion dương chỉ đạt tới cực âm (catot) trong µs đầu tiên Các ion dương gây ra sự nóng chảy và bốc hơi của vật liệu catot Do đó có hiện tượng cực bị ăn mòn

Vật liệu điện cực trong sự tiếp xúc với plasma này ở 1 pha có áp lực cao tới 1 Kbar và nhiệt độ cao tới hơn 10000 oC trong kênh plasma

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

sụt áp suất 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

Vì lượng vật liệu được hớt đi phụ thuộc vào điện áp, cường độ dòng điện và thời gian nên người ta có thể nghiên cứu 1 cách chính xác tuần tự theo thời gian của điện áp và dòng điện lúc phóng tia lửa điện Người ta đo điện áp và dòng điện

ở các khoảng thời gian đã cho từ thời điểm phóng điện (t=0) đến thời điểm ngắt dòng điện (nghĩa là vào khoảng t = 300 µs)

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 cao như cặp vật liệu, sự đấu cực, điều kiện dòng chảy chất điện môi,… 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 đưa ra kết luận

đã trở thành các kiến thức cơ bản về gia công tia lửa điện 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 càng thì chất 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, Ieđược điều chỉnh theo 18 hoặc 21 bước, xác định tương đương với 0.5 A÷ 80 A, trong đó các bước nhỏ được chọn để gia công tinh, lớn để gia công thô

Thời gian xung và khoảng ngắt xung ti và to cũng là những tham số điều khiển

có ảnh hưởng đáng kể đến chất lượng bề mặt gia công, vấn đề thời gian xung tilớn 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 to nhỏ Ngoài ra, nếu khoảng thời gian ngắt xung to quá nhỏ, có thể chất điện môi sẽ không đủ thời gian để thôi ion a, 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,

…Về mối quan hệ thời gian xung/khoảng ngắt ta có tỉ lệ ti/to ≈ 10 phù hợp cho gia công thô, tỉ lệ ti/to ≈ 5 ÷ 10 cho gia công tinh và ti/to < 1 cho gia công bề mặt siêu

tinh

Dưới đây ta nghiên cứu sâu hơn về sự ảnh hưởng của từng thông số công nghệ đến chất lượng bề mặt và năng suất gia công Các thông số gồm có:

- Điện áp đánh tia lửa điện U i : Đây là điện áp cần thiết để dẫn tới sự phóng

tia lửa điện Nó được cung cấp cho điện cực và phôi khi máy phát được dòng điện, gây ra sự phóng tia lửa điện để đốt cháy vật liệu Điện áp đánh lửa Ui, càng

lớn thì dòng điện càng nhanh và cho phép khe hở phóng điện càng lớn

- Thời gian trễ đánh lửa t d : là thời gian giữa lúc đóng dòng điện máy phát và

lúc xảy ra phóng tia lửa điện khi đóng máy phát, lúc đầu chưa xảy ra điều gì Điện áp duy trì ở chế độ điện áp Ui, dòng điện vẫn bằng 0 Sau 1 thời gian trễ td mới sảy ra sự phóng tia lửa điện dòng 0 vọt lên giá trị Ie

- Điện áp phóng tia lửa điện U e: : Khi bắt đầu phóng tia lửa điện thì điện áp

bắt đầu xụt từ Ui suống Ue Đây là điện áp trung bình trong suốt thời gian phóng tia lửa điện Ue là 1 hằng số vật lý phụ thuộc vào cặp vật liệu điện cực/phôi Ue

không điều chỉnh được

- Dòng phóng tia lửa điện I e: Dòng Ie là giá trị trung bình của dòng điện từ khi bắt đầu phóng tia lừa điện đến khi ngắt điện Khi bắt đầu phóng tia lửa điện, dòng điện từ 0 mạnh lên bằng giá trị Ie, kèm theo sự đốt cháy Ie ảnh hưởng lớn nhất lên lượng hớt vật liệu, lên độ mòn điện cực và chất lượng bề mặt gia công Nhìn chung Ie càng lớn thì lượng hớt vật liệu càng lớn, độ nhám gia công càng lớn, nhưng độ mòn điện cực giảm

- Thời gian phóng tia lửa điện t e : là khoảng thời gian từ lúc bắt đầu phóng tia

lửa điện và lúc ngắt điện, tức thời gian có dòng điện Ie trong 1 lần phóng điện

- Độ mòn tương đối của điện cực:

Độ mòn tương đối của điện cực được định nghĩa là θ = V0/VW

Trong đó: V0: thể tích vật liệu bị hớt ở điện cực

VW: thể tích vật liệu phôi bị hớt đi

- Dòng điện và diện tích bề mặt ăn mòn:

Mật độ dòng điện lớn sẽ sinh ra nhiệt lớn và gây ra ăn mòn điện cực nhanh hơn Do đó, gia công bề mặt nhỏ ta có thể chọn dòng điện nhỏ và ngược lại Như vậy khi gia công chỉ có một điện cực phải chú ý lựa chọn dòng điện phù hợp nhằm đạt được lượng hớt vật liệu lớn nhất trong khi vẫn duy trì độ nhẵn bóng và

độ ăn mòn điện cực trong giới hạn yêu cầu

- Độ dài kéo xung A (= t i ):

Độ dài kéo xung là khoảng thời gian giữa hai lần đóng – ngắt của máy phát trong 1 chu kỳ phóng điện Độ kéo dài xung ti ảnh hưởng:

Hình 1.6: Mối quan hệ giữa t i với V W

• Độ mòn điện cực:

Độ mòn θ của điện cực sẽ giảm đi khi ti tăng thậm trí 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 dòng điện lại rất lớn Đặc biệt là dòng ion dương chỉ đạt tới cực dương trong những µs đầu tiên mà thôi Do vậy mà θ ngày càng giảm Mối quan hệ giữa độ mòn điện cực tới ti được biểu thị ở hình vẽ 1.7

Hình 1.7: Mối quan hệ giữa θ và t i

• Độ nhám bề mặt : Do tác động của dòng điện duy trì lâu hơn khi tăng độ kéo dài xung nên chiều cao nhấp nhô Rmax tăng, ngay cả sau điểm đạt được lượng hớt vật liệu cực đại

Hình 1.8: Mối quan hệ giữa R max và t i

- Khoảng cách xung B = t o : là thời gian giữa hai lần ngắt và đóng máy của

máy phát thuộc hai chu kỳ phóng điện kế tiếp nhau Khoảng cách xung t0 thường

được chọn để phản ánh một tỷ lệ đã cho đối với độ dài kéo xung

Hình 1.9: Khoảng cách xung ti và lượng hớt vật liệu

Nếu khoảng cách xung quá ngắn thì chất điện môi không đủ thời gian để hóa Các phần tử đã bị ăn mòn điện nhiệt và nhiệt của chất điện môi không thể được đưa đi khỏi khe hở phóng điện trong khoảng thời gian ngắn này Kết quả là xảy ra hồ quang và ngắn mạch Chất lượng bề mặt bị giảm và lượng hớt vật liệu

ion-bị xụt

Chọn đúng khoảng cách xung theo nguyên tắc sau :

+ Có tỉ lệ đúng cho độ dài kéo xung

+ Chọn to ngắn như có thể được với lượng hớt vật liệu lớn

+ Chọn to đủ lớn để tránh được các lỗi của quá trình

- Tỉ lệ ti/to :

Trong áp dụng thực tế, độ dài kéo xung ti và khoảng cách xung to được xác định bởi tỉ lệ ti/ to , phụ thuộc vào kiểu máy Tỷ lệ này càng lớn khi gia công càng thô , càng nhỏ khi gia công tinh và rất tinh

Khi gia công rất thô: chọn ti/ to > 10

Khi gia công thô: chọn ti/ to = 10 Tuy nhiên , các giá trị của to không lên quá nhỏ để tránh các khuyết tật của quá trình

Khi gia công tinh , chọn ti/ to (5 ÷10) Lý do là khi gia công trình, khe

hở phóng điện giảm, nguy cơ tạo ra các lỗi quá trình sẽ nhiều hơn Do đó cần tăng khoảng cách giữa các xung to nên làm giảm ti/ to

Khi gia công rất tinh, khe hở còn nhỏ hơn nữa, do đó cần phải tăng to , khiến cho ti/to giảm nhiều thaamh chí ti/ to < 1 (thường chọn ti/ to =0,4)

1.4.2 Ảnh hưởng của khe hở phóng điện δ:

Điện áp phóng tia lửa điện Ue được xác định theo biểu thức sau:

C là điện dung của tụ điện

- Nếu δ nhỏ thì Uemax cũng nhỏ thì tần số xung lớn, bởi vì ta có quan hệ:

C Ue

I RC

f

.

1 =

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

- Nếu δ nhỏ dẫn đến Ue giảm và te giảm, cho dù Ie có lớn thì năng lượng tích lũy trong xung điện We (năng lượng tách vật liệu) vẫn nhỏ

Ta có được quan hệ: We=Ue.Ie.te (1.4) Điều đó dẫn đến năng suất cũng bị thấp

-Nếu δ lớn thì Uemax lớn dẫn đến f nhỏ Nhưng theo đồ thị dưới đây thì dòng điện Ie cũng nhỏ làm cho năng suốt vẫn thấp.Như vậy việc chọn δtối ưu sao cho sự phóng tia lửa điện diễn ra đều đặn để có được một năng suất gia công phu hợp là rất cần thiết

Công suất gia công: = ∫1

0

.

T

dt t I Ue

−

−

=

RC

T

e Iz It

1

.

−

=

R

Ui

Iz=

Trong đó: R là điện trở trong mạch RC

C là điện dung trong mạch RC

T1 là thời gian tích điện

Từ các công thức trên dẫn đến :

dt e e T

Iz Ui

T T

RC

T

.)

1(.1

1 U

2

a ) 1

1 ln(

1 ln(

1.4.3 Ảnh hưởng của điện dung C

Ảnh hưởng của điện dung C được mô tả bởi biểu đồ sau:

Biểu đồ trên chỉ ra rằng khi điện áp tối ưu Uopt= 0,7.Ui thì sẽ đạt một lượng hớt vật liệu lớn nhất, đồng thời lượng mòn điện cực là nhỏ nhất Khi giữ Uopt = const và thay đổi điện dung C ta xác định được điện dung giới hạn Cgh Nếu C <

Cgh thì sẽ gây ra hiên tượng hồ quang làm giảm năng suất gia công

1.4.4 Ảnh hưởng của diện tích vùng gia công

Đồ thị sau biểu thị ảnh hưởng của diện tích vùng gia công đến quá trình gia công tia lửa điện Ta thấy, sau khi tăng gần như tuyến tính của Vo đến khi đạt tới giá trị tới hạn của diện tích Fgh thì Vo sẽ giảm dần Nguyên nhân bởi vì ki đã vượt quá giới hạn của dòng điện, khi đó việc vận chuyển phoi ra khỏi vùng gia công khó khăn hơn và làm giảm năng suất gia công

1.4.5 Ảnh hưởng của sự ăn mòn điện cực

Phương pháp ăn mòn tia lửa điện là phương pháp dung 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 lieu bị hớt đi trên điện cực dương nhưng quá trình gia công xảy ra trong một thời gian dài thì kích thước điện cực cũng thay đổi và do đó ảnh hưởng tới độ chính xác của 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 qúa trình gia công Người ta xác định độ mòn tương đối θ của điện cực bằng công thức sau:

Độ mòn tương đối θ chịu ảnh hưởng cuả các yếu tố sau:

Sự phối hợp của cặp vật liệu điện cực – phôi

Dòng điện Ie và bước của dòng điện

Độ kéo dài xung te và sự đấu cực

1.4.6 Các hiện tượng 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 và nguyên nhân của nó trong quá trinh gia công tia lửa điện Các hiện tượng chủ yếu thường gặp là:

1.4.6.1.Hồ quang

Là hiện tượng có sự phóng điện do không có thời gian trễ td

Nguyên nhân: do sự phóng điện mà xuất hiện trong chất điện môi (khu vực nằm giữa 2 điện cực) những phần tử vật liệu đã bị ăn mòn và các ion dương chưa ị dòng chảy chất điện môi đẩy ra khoi khe hở phóng điện Chính xác ion này gây ra

hồ quang trước khi chúng mất điện và bị đẩy ra khe hở phóng điện Hồ quang xảy

ra giữa các xung Do đó, nếu trong quá trình gia công mà điều chỉnh khoản cách

giữa các xung quá ngắn thì sẽ xảy ra hiện tượng xung tiếp thao bị đốt cháy một điểm với xung 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

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) 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 sẽ tạo ra nhiệt làm ảnh hưởng đến phôi Nguyên nhân:

Do sự tiếp xúc trực tiếp của điện cực vào môi

Tồn tại 1 phần tử bị kẹt trong khe hở phóng điện

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

1.4.6.3.Xung mạch hở, không có dòng điện

Hiện tượng: các xung không gây ra hiện tượng phóng điện Do đó làm giảm hiệu quả phóng điện

Nguyên nhân: chiều rộng khe hở phóng điện quá lớn và chảy chất điện môi quá mạnh (nên đã thổi hết ion ra khỏi vùng công)

1.4.7 Các yếu tố không điều khiển được

Ngoài các yếu tố đã nêu ảnh hưởng tới quá trình gia công tia lửa điện thì còn

có các yếu tố khác không điều khiển được trong quá tring gia công Đó là các yếu

tố như:

1.4.7.1 Nhiễu hệ thống

Là các yếu tố thuộc về thiết bị như ổn định của thiết bị độ rung, ổn định nhiệt,

độ chính xác của thước đo, khả năng và độ chính xác truyền động, lắp đặt bố trí máy và các thành phần thuộc đồ gá kẹp chặt …

Sai lệch thuộc hệ thống điều khiển

1.4.7.2 Nhiễu ngẫu nhiên

Là các nhiễu thuộc về điều kiện môi trường như nhiệt độ làm việc, nhiệt độ dung môi, độ ẩm, … những điều kiên này đã gây ra những sự cố 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 tọa độ để gia công cho chương trình, độ chính xác điều khiển cắt, phương pháp lập trình, …đều là các yếu tố ảnh hưởng đến độ chính xác gia công tia lửa điện

1.5 Chất lượng bề mặt khi gia công tia lửa điện:

Chất lượng bề mặt gia công là một khái niệm tổng hợp, bao gồm:

+ Độ nhám bề mặt Rz, Ra, Rt

+ Vết nứt tế vi trên bề mặt

+ Các ảnh hưởng nhiệt ở lớp bề mặt

1.5.1.Về độ nhám bề mặt: Khi gia công thô sẽ có độ nhám lớn, tạo ra bề mặt

thô, xù xì Khi gia công tinh sẽ nhận được bề mặt có độ nhám nhỏ, bề mặt tinh nhẵn Bề mặt càng thô thì càng giảm được đặc tính chống mài mòn cơ học và tăng nguy cơ bị ăn mòn hóa học

Để xác định độ nhám, người ta đo giá trị độ nhám cực đại Rmax, tức là chiều cao lớn nhất giữa các đỉnh và các thung lũng của nhấp nhô bề mặt và độ nhám trung bình Ra, tức giá trị trung bình số học của tất cả các nhấp nhô bề mặt, cần chú rằng , không bao giờ được nhầm lẫn giữ Ra và Rmax

1.5.2.Vết nứt tế vi và các lớp ảnh hưởng nhiệt: người ta có thể mài một mặt

cắt của mẫu thử để soi và chụp ảnh trên kính hiển vi kim tương Sau khi gia công thô có thể thấy rõ các vết nứt tế vi và một vùng bị ảnh hưởng nhiệt

Hình 1.15 thấy rõ cấu trúc các lớp bề mặt phôi và sự thay đổi độ cứng của chúng theo chiều sau Ta phân biệt được các lớp và các cấu trúc sau đây:

1 – Lớp trắng, đó là lớp kết tinh lại với các vết nứt tế vi do ứng suất dư vì nóng lạnh đột ngột lặp đi lặp lại Độ kéo dài xung te càng lớn thì lớp này càng dày

2 – Lớp bị tôi cứng với cấu trúc ròn, lớp này có độ cứng tăng vọt trên 1000

HV so với kim loại nền

3 – Lớp bị ảnh hưởng nhiệt: do nhiệt độ ở đây đã vượt quá nhiệt độ Ostenit (Fe – Fe3C) trong một thời ngắn Độ cứng của lớp này giảm so với lớp tôi cứng, còn khoảng dưới 800 HV

4 – Dưới cùng là lớp không bị ảnh hưởng nhiệt Nó trở lại độ cứng bình thường của vật liệu nền

Hình 1.10 Cấu trúc tế vi và độ cứng tế vi

* Các lớp ở vùng 1 và vùng 2 có ảnh hưởng rất xấu:

* Các vết nứt tế vi và ứng suất dư làm giảm độ bền mỏi của vật liệu chi tiết

* Lớp trắng gây khó khăn để lắng đọng một lớp phủ dính bám, ví dụ phủ TiN

* Lớp tôi cứng với lớp cấu trúc dòn dễ phá hỏng chi tiết khi làm việc chịu tải trọng va đập

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

Ngay trong lúc gia công thô người ta cũng có thể giảm được vùng ảnh hưởng nhiệt do sử dụng các xung có hình dáng đặc biệt hoặc sử dụng kỹ thuật tổng hợp như gia công tia lửa điện kết hợp với gia công bằng siêu âm

1.5.3 Độ chính xác tạo hình khi gia công tia lửa điện

Độ chính xác khi gia công bằng tia lửa điện phụ thuộc vào nhiều yếu tố như:

Độ chính xác của máy (Bao gồm: độ ổn định về cơ, đọ cứng vững của hệ thống công nghệ, độ chính xác về vị trí, hệ thống dẫn hướng, các con trượt,…) Điều này chủ yếu phụ thuộc vào thiết bị mà không chịu ảnh hưởng của các yếu tố bên ngoài khác Do đó, người sử dụng ít cần quan tâm tới yếu tố này, chủ yếu quan tâm tới việc sử dụng chất dung môi thích hợp để giữ nhiệt độ gia công được

ổn định trong quá trình gia công

Các thông số điều chỉnh về điện khi gia công như Ue, Ie, te, t0, td, …Đây là phần mà người sử dụng cần phải quan tâm nhất để có thể lựa chọn được chế độ gia công phù hợp cho các thiết bị gia công sao cho đạt được chất lượng và năng suất lớn nhất

Tính chất của các cực điện: đó là các tính chất như vật liệu điện cực, độ chính xác kích thước của điện cực,… Các yếu tố này ảnh hưởng tới độ mài mòn của điện cực và ảnh hưởng tới cả chất lượng bề mặt cũng như độ chính xác gia công của chi tiết gia công

Độ chính xác lập trình: Yếu tố này chủ yếu phụ thuộc vào nhà sản xuất máy ( Trong trường hợp người lập trình lựa chọn cùng một cấp độ chính xác khi gia công) bởi vì nó phụ thuộc vào khả năng điều khiển máy cắt theo đúng contour được lập trình

Ngoài ra, độ chính xác khi gia công còn phụ thuộc vào chất lượng của chất dung môi vì nó ảnh hưởng tới khe hở phóng điện và khả năng thoát phoi khi gia công

1.6 Chất điện môi trong gia công tia lửa điện

1.6.1 Nhiệm vụ của chất điện môi: Trong cơ khí nói chung thường dung 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 cắt 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 điện môi Vì vậy nhiệm vụ chính của chất điện môi trong gia công tia lửa điện đó là:

- Cách điện giữa hai cực

tế sau một thời gian làm việc thì trong dung dịch chất điện môi tồn tại những phần

tử kim loại phoi bi bóc ra khỏi bề mặt phôi nên làm giảm 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 dần chất điện môi qua hệ thống lọc, tuy nhiên vẫn không đảm bảo lọc tuyệt đối nên sau một thời gian sử dụng cần phải thay thế dung dịch chất điện môi

+ Ion hóa : Hiện tượng ion hóa chất điện môi ở khoảng cách giữa hai điện cực tức là có khả năng tạo ra một cầu phóng điện Điều này tạo ra một sự tập trung năng lượng rất lớn ở kênh plasma Khi có sự phóng điện ra các electron bay với tốc độ cực lớn 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 chảy mọt phần bề mặt phôi Khi ngắt xung thì chất điện môi phải được thôi ion hóa kịp thời

để tạo điều k iện 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

to tại vị trí phóng điện trên bề mặt phôi tăng lên cực lớn hàng chục ngàn o C Nhiệt

ở đây cần phải 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 tá dụng làm nguội khu vực trên và thôi ion hóa và chuẩn bị cho chu kì phóng điện sau

+ Vận chuyển phoi: sau khi phần vật liệu được tách ra khỏi bề mặt chi tiết cần gia công nó trở thành phoi, các phần tử kim loại này lơ lửng trongchaats điện môi làm cho cách điện của chất điện môi giảm nguy cơ gây ra sự phóng điện bất thường, nguy cơ tạo hồ quang và ngắn mạch tăng lên làm giảm độ chinh xác và năng suất cắt Vì vậy chất điện môi cần phải có nhiệm vụ vận chuyển lượng phoi này ra khỏi vùng cắt bằng cách tạo ra dòng chảy chất điện môi hợp lý dẫn vào hệ thống lọc làm sạch chất điện môi trước khi đưa trở lại tiếp tục làm các nhiệm vụ của mình khi đã được lam sạch

1.6.2 Các loại chất điện môi

Phương pháp gia công tia lửa điện được ứng dụng chủ yếu vào 2 phương pháp gia công đó là gia công xung định hinh và gia công cắt dây tia lửa điện Ở mỗi phương pháp gia công thì sử dụng các chất điện môi khác nhau cụ thể như sau:

- Chất Hydrocacbon: chủ yếu dung cho xung định hình

- Nước khử khoáng : chủ yếu dung cho cắt dây

Ngoài ra, ngayf nay trên thế giới còn xuất hiện 1 chất điện môi mới mà thành phần chủ yếu là nước Nó có độ nhớt cao hon nước, hiệu quả làm mát cao hơn dầu

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

- Parafin

-Dầu khoáng

-Các dẫn xuất của xăng

Các yếu tố như thành phần hóa học, độ nhớt … sẽ quyết định chất lượng khả năng áp 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 sử dụng được do có tác hại xấu đến sức khỏe con người

và môi trường

1.6.3 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 hại dao, 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 hóa

• Khả năng làm sạch dễ dàng

• Giá cả thấp

Trong tất cả các tiêu chuẩn trên thì tiêu chuẩn về độ nhớt là quan trọng nhất vì

nó ảnh hưởng trực tiếp lên kênh phóng điện, mở rộng kênh phóng điện là trở lực của chất lỏng đối với sự cháy, độ nhớt Chất điện môi càng cao thì kênh phóng điện càng tập trung lớn nên hiệu quả phóng điện càng cao

Để ra công thô thì cần độ nhớt cao hơn (để bóc được lượng vật liệu lớn hơn khoảng 4mm2/s)

Để gia công tinh thì cần độ nhớt thấp hơn khoảng 2mm2/s (khi gia công tinh cho chất điện môi chảy qua khe hở rất nhỏ nên đòi hỏi độ nhớt của chất điện môi cũng phải nhỏ)

Trên thực tế để tránh phải thay chất điện môi khi gia công thô và gia công tinh nên thường chọn chất điện môi có độ nhớt trung bình để gia công cho cả 2 trường hợp

* Các yếu tố an toàn của chất điện môi:

- Do nhiệt độ trong quá trình phóng điện tại khe hở là rất cao nên đòi hỏi chất điện môi phải có điểm cháy cao (do khi có nhiệt độ của chất điện môi cũng tăng cao )

- Thành phần hóa học của chất điện môi cũng phải thích hợp do khi nhiệt độ ở khe hở cao sẽ làm bốc hơi và lắng cặn Do đó đòi hỏi khi bốc hơi và sự lắng cặn không ảnh hưởng tới sức khỏe con người và môi trường xung quanh.à nước nên khi gia công sẽ tồn tại dòng dò Dòng này ảnh hưởng lớn đến độ bong và độ chính xác khi gia công

- Trong gia công cắt dây tia lửa điện chất điện môi là chất khử khoáng khi đó

do khe hở nhỏ nên ít có vấn đề liên quan đến bóc hớt của các bọt khi được tạo ra trong chất điện môi Tuy nhiên nước khử khoáng đòi hỏicác chất kiềm chế Gia công xung định hình không thể dùng nước khử khoáng do bề mặt điện cực lớn nên dòng dò cũng lớn

1.6.4 các loại dòng chảy của chất điện môi

Như các phân tích ở trên chất điện môi là 1 yếu tố không thể thiếu được trong giá công tia lửa điện mà ở đó chất điện môi không những đóng vai trò làm môi trường gây ra sự phóng điện mà đóng một vai trò hết sức quan trọng đến năng suất cũng như chất lượng bề mặt gia công Nếu chất điện môi loãng độ nhớt nhỏ thì sức căng bề mặt nhỏ thích hợp với nhiệm vụ sục rửa khe hở Nếu sục rửa không tốt thì khi gia công càng lâu và càng gây ra các lỗi ngắn mạch hay hồ quang làm hư hại phôi và điện cực, do tồn tại các phoi lẫn trong dung dịch trong chất điện môi gây ra

Trong quá trình gia công tia lửa điện có các phương pháp tạo dòng chảy chất điện môi sau:

• Dòng chảy bên ngoài

• Dòng chảy áp lực

• Dòng chảy hút

• Dòng chảy phối hợp

• Dòng chảy nhắp

• Dòng chảy chuyển động của điện cực

+ Dòng chảy bên ngoài: còn gọi là sục rửa bên ngoài được sử dụng khi hình

học của điện cực và phôi không cho phép ra lỗ khoan do dòng chảy (thường dùng

ở cắt dây) Chất điện môi được đưa trực tiếp đến khe hở bằng một vòi dẫn Vấn đề

là cần phải chọn góc bơm chất điện môi sao cho phù hợp để dòng chảy chất điện

môi thuận tiện cho việc vận chuyển phoi dễ dàng

Hình 1.11 Dòng chảy bên ngoài + Dòng chảy áp lực: là phương pháp chất điện môi được đưa cưỡng bức vào

khe hở qua các lỗ ở điện cực hoặc phôi, phương pháp này để lại trên phôi Do đó sau khi gia công bằng tia lửa điện cần phải cắt lõi đi (phù hợp với gia công xung định hình)

Hình 1.12 Dòng chảy áp lực + Dòng chảy hút: là phương pháp mà chất điện môi được hút ra khỏi khe hở

cùng với phoi qua một lỗ hút trên phôi hoặc trên điện cực (ngược lại với phương pháp dòng chảy áp lực)

Hình 1.13 Dòng chảy hút + Dòng chảy phối hợp: là phương pháp kết hợp cả dòng chảy áp lực và dòng

chảy hút qua 2 lỗ trên phôi hoặc trên điện cực Một đầu bơm chất điện môi một đầu hút chất điện môi Đây là phương pháp có thể khắc phục được các nhược điểm của 2 phương pháp trên

Hình 1.14 Dòng chảy phối hợp +Dòng chảy nhắp: là phương pháp thường dùng trong gia công xung định

hình ở đó sau 1 chu kỳ nhất định của thời gian phóng tia lửa điện thì điện cực lại được nâng lên để tạo ra một dòng chảy vận chuyển phoi ra khỏi vùng gia công

+ Dòng chảy do chuyển động điện lực: Dòng chảy do chuyển động điện cực

có tác động đối với chất điện môi trong khe hở phóng điện là nhờ vào chính chuyển động điện cực