Nghiên cứu phương pháp gia công tia lửa điện thiết kế module đào tạo nguồn nhân lực

Sự hoàn thiện độ phân giải, độ chính xác, chất lượng của quá trình gia công EDM chính là chức năng trực tiếp của việc điều khiển bằng máy tính đối với thiết bị tạo tia lửa điện và hệ thố

bộ giáo dục và đào tạo trường đại học bách khoa hà nội

-

luận văn thạc sĩ khoa học

Nghiên cứu phương pháp gia công tia lửa

điện Thiết kế module đào tạo

M ục lục

Trang Lời nói đầu

Nhiệm vụ Tóm tắt Mục lục CHƯƠNG I TỔNG QUAN DỰ ÁN ĐÀO TẠO NGUỒN NHÂN LỰC

BẬC CAO

5

1.1 Bản chất vật lý của quá trình phóng tia lửa điện 19

III Các thông số điều chỉnh 39

4.2 Các loại chất điện môi và tiêu chuẩn đánh giá chúng 44 4.3 Ảnh hưởng chung của chất điện môi lên kết quả gia công 46

5.2 Gia công xung định hình với chức năng hành tinh 47

Công ty EMCO

Hình1.Công ty EMCO

Công ty hàng đầu của Áo về dao cụ

Trụ sở chính đặt tại Hallein, gần Salzburg

Có các chi nhánh tại Đức, Italy và Mỹ

Thành lập năm 1947

Hơn 500 lao động

Đã bán hơn 1 tỷ máy trên toàn thế giới

II TỔNG QUAN VỀ GIA CÔNG BẰNG TIA LỬA ĐIỆN

2 1 Sự xuất hiện của một công nghệ

Phương pháp gia công tia lửa điện (Electric Discharge Machining — EDM) được phát triển vào năm 1943 ở Liên Xô bởi hai vợ chồng người Nga tại trường Đại học Moscow là Giáo sư - Tiến sĩ Boris Lazarenko và Tiến sĩ Natalya Lazarenko Cho đến nay, phương pháp gia công này đã được phổ biến rộng rãi khắp nơi trên thế giới Nguyên tắc của phương pháp này là bắn phá chi tiết để tách vật liệu bằng nguồn năng lượng nhiệt rất lớn được sinh ra khi cho hai điện cực tiến gần nhau Trong hai điện cực này, một đóng vai trò là dao và một đóng vai trò là phôi trong quá trình gia công

Trong thập niên 1960 đã có nhiều nghiên cứu sâu rộng về gia công EDM

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

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

Các hệ điều khiển CNC trong nhiều năm qua đã có mặt ở các máy xung định hình, nhưng đã mất nhiều thời gian hơn để có thể tận dụng mọi khả năng của chúng Các chuyển động hành tinh và chuyển động theo contour của một điện cực có hình dáng phức tạp Ưu điểm của phương pháp này là ở chỗ việc chế tạo điện cực rẻ hơn và nếu sử dụng điên cực phay thì điều kiện dòng chảy

sẽ tốt hơn và điên cực ăn mòn đều hơn Một trong những đề tài nghiên cứu chính đang được thực hiện ở Tây Âu và Nhật Bản là gia công 3 chiều đạt độ chính xác cao Tuy nhiên vẫn chưa đạt được kết quả mong muốn

Sử dụng tối ưu công nghệ gia công tia lửa điện như một kĩ thuật sản xuất đòi hỏi phải áp dụng rất nhiều bí quyết công nghệ (Know how) Ngày nay có khuynh hướng đưa ra nhiều máy thông minh, chọn máy và điều chỉnh nhiều thông số mà người sử dụng đã đặt từ trước Điều đó làm giảm bớt các dữ liệu đầu vào mà người đứng máy phải quan tâm Khuynh hướng này là mạnh nhất

đã tăng lên rất nhiều

2.3 Khả năng công nghệ

Bề mặt chi tiết được gia công EDM có thể đạt Ra = 0,63µm khi gia công thô và Ra = 0,16µm khi gia công tinh Thông thường độ chính xác gia công vào khoảng 0,01mm Ở các máy khoan tọa độ EDM độ chính xác gia công đạt đến 0,0025mm

Đối với WEDM khi cắt trong dầu thì đạt độ bóng vào độ chính xác cao hơn khi cắt trong nước Sau đây là một ví dụ cụ thể khi cắt tungsten carbide với 4 lần cắt, dây cắt bằng tungsten có đường kính 0,03mm Độ bóng đạt được

là Rmax = 0,92µm (Ra = 0,12µm) Bề mặt vết cắt nhỏ nhất sau 4 lần cắt là 48µm với độ chính xác biên dạng từ 1,5 – 1,5µm

EDM giúp loại bỏ được khâu xử lý nhiệt đối với các sản phẩm và chi tiết kim loại và tránh được sự biến dạng do xử lý nhiệt Công nghệ này đặc biệt hiệu quả đối với các vật liệu cực cứng, hoặc các chi tiết có hình dạng phức

tạp, hoặc hình dạng nhỏ, khác thường, nhiều lỗ, các lỗ khó tiếp cận, các hốc

có hình dạng phức tạp EDM cũng rất hiệu quả để ứng dụng trong trường hợp vật liệu rất mỏng Ví dụ, EDM có thể dùng gia công các lỗ tròn nhỏ, hoặc có hình dạng không bình thường, có kích thước khoảng 0,05mm, với tỷ lệ giữa chiều dài với đường kính là 20:1, và các khía mỏng (0,05-30mm)

EDM có thể được ứng dụng để cắt, khoan, tạo khuôn, dập lỗ Công nghệ này cũng có thể được dùng để thay thế cho các nguyên công phay, cắt và khoan bằng cơ khí, cũng như cắt và khoan bằng laser Tác dụng giảm phế thải chủ yếu của EDM là không để xảy ra gãy dụng cụ Nó có vai trò quan trọng trong những ứng dụng có nhiều nguy cơ gãy dụng cụ

Công nghệ máy tính đã góp phần tinh chỉnh EDM, khiến cho nó trở thành các công cụ tuyệt vời để gia công các hình dạng phức tạp hoặc các chi tiết ở cấp micron hoặc trung bình mà cá quá trình gia công và cắt gọt thông thường không thể nào thực hiện được Sự hoàn thiện độ phân giải, độ chính xác, chất lượng của quá trình gia công EDM chính là chức năng trực tiếp của việc điều khiển bằng máy tính đối với thiết bị tạo tia lửa điện và hệ thống điều khiển chuyển động Các thiết bị EDM hiện đại đều ứng dụng các bộ điều khiển tinh

vi dựa trên logic mờ, có khả năng tích hợp liên tục phản hồi từ quá trình để duy trì sự điều khiển chính xác quy trình phóng tên lửa điện Có 2 loại hình gia công EDM thường dùng là khắc khuôn và dây

Các đổi mới của công nghệ EDM bao gồm tỷ lệ khử bỏ kim loại cao hơn

và tốc độ cắt lớn hơn Các hệ thống điều khiển có độ tin cậy cao hơn và các thiết bị cung cấp điện tinh xảo hơn, trong khi hệ thống truyền động nhanh hơn

và chính xác hơn EDM dây hiện nay có khả năng tạo ra các bề mặt rất sạch, với dư lượng nhiệt rất ít

Các nhà chế tạo máy EDM đang tạo ra tiến bộ lớn trong việc điều khiển

“hình dạng” (shape) của tia lửa, nhờ vậy tăng được tốc độ cắt và hoàn tất bề mặt tốt hơn Các cơ cấu để giảm hoặc loại bỏ các ảnh hưởng của chất điện phân đã được trang bị ở phần lớn các máy EDM dây

Các hệ thống EDM tự động có tiềm năng giảm thiểu được sai sót của người vận hành, giúp tăng khả năng dự đoán về thời gian gia công, làm cho sản lượng gia công ổn định hơn và rút ngắn thời gian phân phối công việc Kỹ thuật tự động máy được kết hợp với phần mềm CAD/CAM 3D đã có một số

ứng dụng để sản xuất điện cực, bao gồm lựa chọn vùng đốt (burn), thiết kế điện cực và chế tạo các dạng hình học lập thể hoặc phẳng Những ứng dụng này kết hợp được việc giảm bớt được thời gian từ khâu thiết kế đến khâu chế tạo, giúp cho công nghệ EDM rất có hiệu quả đối với các hình dạng khuôn phức tạp

2.4 Các hãng cung cấp máy

Hiện nay trên thế giới có rất nhiều hãng cung cấp máy EDM như Agie, Charmilles, Agie-Charmilles, Fanuc, Sodick, Mitsubishi, Seibu, Ona, Japax CHMER, JS EDM, Aristech, Sure first, Accutex, SMK…

Đối với người sử dụng, điều quan trọng là phải xác định các yêu cầu cụ thể phù hợp với sản phẩm và quy mô sản xuất của mình và sau đó cần phân tích các tuỳ chọn sẵn có của các hãng sản xuát máy từ mọi góc độ để đưa ra quyết định đúng đắn nhất trước khi mua máy

Trong khoảng một thập kỉ gần đây, công nghiệp gia công tia lửa điện EDM

đã thâm nhập vào Việt Nam Số lượng các cơ sở sản xuất và nghiên cứu ở nước ta nhập các loại gia công tia lửa điện ngày càng nhiều Tuy nhiên việc đào tạo về công nghệ này thực sự chưa được quan tâm ở các trường Đại học

kỹ thuật và các Viện nghiên cứu Ngày nay máy gia công tia lửa điện xuất hiện rất nhiều ở Việt Nam Tại các Viện nghiên cứu và các xưởng gia công đã

sử dụng máy gia công tia lửa điện để gia công các chi tiết phức tạp Các doanh nghiệp Cơ khí ở Việt Nam được trang bị các máy gia công EDM, chủ yếu là trong lĩnh vực chế tạo khuôn mẫu, chiếm khoảng 20%-50% tùy theo độ phức tạp về kết cấu của sản phẩm Một số cơ sở gia công khuôn mẫu có trang bị các máy EDM ở nước ta như: Xưởng gia công cơ khí trường ĐHBK, công ty chế tạo khuôn mẫu Trung Việt …

Các hãng máy cắt dây EDM khả phổ biến ở VN là:

- Dòng máy Trung quốc cắt dây dùng lại : Goldsun

- Dòng máy cắt dây đồng Đài loan : CHMER, JS EDM, Aristech, Sure

- Dòng máy cao cấp Sodick, Misubishi, Fanuc, Hitachi , Agie-Charmilles (Nhìn chung các hãng máy này đều đã chuyển giao công nghệ sang nước thư

3 để giảm giá thành sản phẩm)

Máy cắt dây hãng Goldsun WEDM made in China

Máy cắt dây đồng SureFirst Đài Loan

Máy cắt dây cỡ lớn của Sodick (chiều dầy cắt tới 400mm)

Phân loại máy EDM

Gia công EDM có thể được phân loại như sau:

Gia công xung định hình EDM (Die Sinking EDM hay Ram-EDM)

Gia công vi EDM (Micro EDM)

Gia công EDM bằng dây cắt (Wire-cut EDM hoặc Wire EDM)

Khoan EDM (EDM drilling)

Máy lấy mũi tarô bị gãy (Broken Tap Remover)

Máy xung định hình (trái) và máy cắt dây (phải) Máy EDM dùng điện cực thỏi còn được gọi là máy xung định hình Điện cực trên máy này có dạng thỏi được chế tạo sao cho biên dạng của nó giống

với bề mặt cần gia công Máy này có thể được điều khiển bằng tay, ZNC hay CNC Loại điều khiển bằng tay có độ chính xác kém nên hiện nay ít dùng Máy EDM dùng điện cực dây (hay còn gọi là máy cắt dây) Điện cực trên máy này là một dây mảnh được cuốn liên tục và được chạy theo một biên dạng cho trước Loại máy cắt dây EDM truyền thống được điều khiển bằng tay, kém chính xác Hiện nay, chủ yếu người ta sử dụng máy cắt dây CNC

Máy lấy mũi ta rô gãy

Các thông số của các máy thuộc hãng Agie Charmilles của dự án EMCO

Kích thước Max của Phôi 1200 x 850 x 400 mm

CHƯƠNG 2: GIA CÔNG TIA LỬA ĐIỆN DÙNG ĐIỆN CỰC ĐỊNH HÌNH

1.1 B ản chất vật lý của quá trình phóng tia lửa điện

Hình 2.1 Nguyên lý gia công tia lửa điện

Đặt một điện áp một chiều giữa 2 điện cực (một được gọi là dụng cụ và một gọi là phôi - chi tiết) Chúng được nhúng ngập trong 1 dung dịch cách điện đặc biệt (gọi là dung dịch điện ly) Điện áp này thường nằm trong khoảng 80V đến 200V

Khi đưa 2 điện cực tiến lại gần nhau, đến một khoảng cách δ đủ nhỏ thì xảy

ra sự phóng tia lửa điện Điều này có thể giải thích là do điện trường giữa khe

hở đủ lớn (đạt khoảng 104 V/m) dẫn đến việc iôn hoá dung dịch điện ly và nó trở thành dẫn điện Tia lửa điện phóng qua khe hở này và hình thành kênh dẫn điện, nhiệt độ lên đến khoảng 10000oC làm bốc hơi vật liệu các điện cực Áp suất vùng này sẽ cao hơn các vùng khác

Nguồn điện được cung cấp lại và tia lửa điện lại xuất hiện

Có thể thấy những điểm mấu chốt của phương pháp gia công tia lửa điện gồm:

Nguồn cung cấp điện áp dạng xung: thời gian ngắt nguồn điện là khoảng thời gian cần thiết để dung dịch điện ly có thể khôi phục lại trạng thái không dẫn điện của nó và sẵn sàng cho xung gia công tiếp theo Nếu thời gian này không có hay nhỏ quá sẽ làm dung dịch điện ly luôn ở trạng thái dẫn điện Điều này làm cho tia lửa điện phát triển thành hồ quang gây hỏng bề mặt chi tiết và dụng cụ

Các điện cực làm bằng 2 loại vật liệu khác nhau và được nhúng ngập trong dung dịch điện ly: dung dịch này có chức năng chính là môi trường hình thành kênh dẫn điện

Giữa các điện cực luôn có 1 khe hở nhỏ được gọi là khe hở phóng điện Khe

hở này cần được đảm bảo trong suốt quá trình gia công để duy trì sự ổn định của tia lửa điện

Quá trình ăn mòn của một xung gia công được trải qua 3 giai đoạn: giai đoạn hình thành kênh dẫn điện, giai đoạn phóng tia lửa điện làm bốc hơi vật liệu và giai đoạn phục hồi

Các đặc điểm chính của giai đoạn này là:

Giai đoạn này được xác định trong khoảng thời gian khi bắt đầu có điện áp (cấp bởi nguồn) và kết thúc khi điện áp bắt đầu giảm

Mô tả hiện tượng: khi điện trường giữa 2 điện cực tăng lên do việc đưa chúng đến gần nhau làm cho vận tốc của các ion và điện tử tự do (có trong lớp dung dịch điện ly ở giữa các điện cực) tăng lên và bị hút về phía cực trái dấu Trong quá trình di chuyển, chúng va đập với các phân tử trung hoà và làm

tách ra các ion và điện tử mới Cứ như vậy, khi khoảng cách càng nhỏ làm từ trường và động năng của các ion và điện tử càng lớn dẫn đến hình thành một dòng chuyển dịch có hướng của ion và điện tử tạo nên dòng điện

Kết quả: dung dịch điện ly trở nên dẫn điện ở cuối giai đoạn này

Hình 2.2 Sự hình thành kênh dẫn điện

Hình 2.3 Sự phóng điện qua kênh dẫn điện Thời gian của giai đoạn này được tính từ khi điện áp bắt đầu giảm đến một trị số xác định và giữ nguyên cho đến khi giảm về 0V (ngắt nguồn)

Mô tả hiện tượng: dòng điện xuất hiện trong kênh dẫn điện kèm theo sự xuất hiện tia lửa điện Tại kênh dẫn điện, năng lượng tập trung rất lớn (đạt cỡ 105

đến 107 W/mm2) làm cho nhiệt độ tại đó đạt tới 10000o C Vật liệu của các điện cực tại nơi xuất hiện tia lửa điện bị bốc hơi bởi nhiệt độ cao Bên cạnh đó

Thời gian ngắt nguồn điện là khoảng thời gian của giai đoạn này

Mô tả hiện tượng: nguồn xung bị ngắt đột ngột, dung dịch điện ly lạnh ở xung quanh tràn vào gây nên sự thay đổi áp suất đột ngột tạo nên tiếng nổ nhỏ Hơi của vật liệu điện cực hoá rắn do việc giảm nhiệt độ đột ngột tạo nên các hạt ô-xít kim loại có kích thước nhỏ (cỡ vài trăm micro mét) Các hạt ô-xít này không dẫn điện hoặc dẫn điện rất kém (tuỳ vào vật liệu các điện cực) Kết thúc giai đoạn này, dung dịch điện ly lấy lại trạng thái ban đầu của nó: không dẫn điện

Một xung gia công kết thúc Các giai đoạn trên được lặp lại cho các xung gia công kế tiếp theo

Sau hàng loạt xung gia công có ích, vật liệu của các điện cực bị ăn mòn dần theo từng lớp Người ta thường chọn vật liệu dụng cụ có khả năng chịu ăn mòn hơn (bằng đồng hay graphic) nên chi tiết dần bị ăn mòn nhiều và sẽ mang hình dáng của dụng cụ

1.2 Sơ đồ chung của thiết bị gia công

Hình 2.5 Mô hình máy xung tia lửa điện

- NC-controller generator: bộ điều khiển số

- Servo drive: bộ điều khiển động cơ servo

- Machine head: trục chính của máy (thường dùng để gắn dụng cụ) Nó đóng vai trò là trục Z

- Dielectric tank: thùng chứa dung dịch điện ly (ngập các điện cực)

- Workpiece: phôi – chi tiết cần gia công

- Electrode: dụng cụ

- Dielectric unit: hệ thống thùng và bơm dung dịch điện ly lên thùng chứa

- Machine table: bàn máy có thể di chuyển theo 2 phương X, Y

- Gap: khe hở phóng điện Khe hở này cần phải được đảm bảo không đổi trong suốt quá trình phóng tia lửa điện

- Dielectric: dung dịch điện ly

- Pulse generator: nguồn cung cấp điện áp công suất một chiều dạng xung Với các thiết bị gia công EDM khác có cấu tạo tương tự, chỉ có 1 số điểm khác nhau cơ bản để phù hợp với ứng dụng thực tế của thiết bị đó:

- Yêu cầu về dịch chuyển bàn máy như WEDM

Dielectric

Electrode

Workpiece

Pulse generator

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

có hình dáng phức tạp

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

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

- Chế tạo các lưới sàn, rây bằng cách gia công đồng thời các lỗ bằng những điện cực rất mảnh

- Gia công các lỗ có đường kính rất nhỏ, các lỗ sâu với tỉ số chiều dài trên đường kính lớn

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

vỡ, mềm… mà không sợ bị biến dạng

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

Từ nguyên lý gia công tia lửa điện, có thể thấy những ưu điểm và hạn chế của phương pháp gia công này:

Ưu điểm

Một trong những điểm đặc sắc nhất của quá trình gia công bằng tia lửa điện

là không có lực cắt trong quá trình gia công Không có lực cắt đồng nghĩa với

việc tính toán đồ gá, bàn máy sẽ đơn giản hơn rất nhiều, công suất của động

cơ điều khiển các trục cũng sẽ không cần lớn như trước Đó cũng là lý do vì sao các hãng chế tạo máy xung đẩy mạnh nghiên cứu gia công máy phay, máy khoan tia lửa điện bởi nếu thành công, họ sẽ có thể chế tạo được các chi tiết phức tạp không thua gì các phương pháp gia công truyền thống mà công suất

có thể thấp hơn nhiều

Chất lượng chi tiết gia công tốt, độ chính xác kích thước và độ nhám bề mặt không thua kém gì các phương pháp gia công truyền thống

Ngày càng có nhiều đóng góp trong lĩnh vực gia công khuôn mẫu với tổng

số sản phẩm tăng dần theo hàng năm

Nhược điểm

Không gia công được những chi tiết phức tạp Rõ ràng nơi phôi bị ăn mòn, hình dáng chi tiết sẽ có hình dáng giống như điện cực Vì vậy, nếu cần phải gia công những chi tiết phức tạp, việc thiết kế điện cực sẽ trở nên khó khăn hơn rất nhiều lần

Tốc độ gia công chậm Sau mỗi xung, bề dày lượng kim loại bị ăn mòn chỉ khoảng vài µm và chỉ giới hạn trong một diện tích nhỏ Tốc độ gia công chậm đồng nghĩa với năng suất chế tạo thấp Các nghiên cứu nhằm tăng tốc độ gia công bằng tia lửa điện cũng là một mối quan tâm lớn của các hãng chế tạo máy xung trên thế giới

Phạm vi ứng dụng

- Gia công các lỗ có đường kính nhỏ Ø 0,15mm của các vòi phun cao áp có năng suất cao (từ 15 đến 30s/chiếc), gia công lỗ sâu từ 60mm cho sai số 5µm Các lỗ Ø 0,05mm – 1mm với chiều sâu lớn như các lỗ làm mát trong cánh tuabin làm bằng hợp kim siêu cứng, các lỗ sâu với tỉ số chiều dài trên đường kính lên đến 67

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

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

Gia công kim loại có độ cứng không giới hạn (vì dựa vào tính chất vật lý)

Có thể thay thế cho các phương pháp cắt gọt truyền thống trong những trường hợp mà phương pháp này không kinh tế hoặc không đạt độ chính xác mong muốn

Trong một số trường hợp, nó có thể giúp loại bỏ những qui trình trung gian nào đó như : nhiệt luyện, nắn thẳng, sửa bavia, lắp chi tiết, dao

1 4 Cơ chế tách vật liệu

Sự đồng đều khi hớt vật liêu:

Trên thực tế bề mặt phôi và bề mặt điện cực không phẳng như ta tưởng tượng mà nó có các nhấp nhô Khoảng cách giữa hai bề mặt điện cực trong toàn bề mặt thực tế là không cố định mà nó thay đổi do các nhấp nhô

Nếu trên bề mặt phôi xuất hiện một miệng núi lửa rất nhỏ ở điểm A nào đó

và có khoảng cách gần nhất tới điện cực Khi một điện áp thích hợp được đặt giữa hai điện cực (dụng cụ và phôi), một trường tĩnh điện có cường độ lớn được sinh ra nó gây ra sự tách các electron từ cực âm A Các electron được giải phóng này được tăng tốc về phía cực dương, sau khi đạt được tốc độ đủ lớn các electron này va đập với các phần tử điện môi, bắn phá các phần tử đó thành các electron và các ion dương Các electron vừa sinh ra lại được tăng tốc và nó lại đánh bật các electron khác từ các phần tử dung dịch điện môi Cứ như vậy, một cột hẹp các phần tử dung dịch điện môi bị ion hoá được sinh ra tại điểm A nối hai điện cực lại với nhau (sinh ra một dòng thác điện tử, cột phần tử bị ion hoá tăng lên và có tính dẫn điện mạnh-tia lửa điện) Kết quả là tia lửa điện này là một sóng chèn ép lớn được sinh ra và có nhiệt độ rất lớn tăng lên trên các điện cực (10000÷120000C) Nhiệt độ lớn này làm nóng chảy

và bốc hơi vật liệu điện cực, vật liệu nóng chảy bị dòng dung môi cuốn đi và một vết lõm trên hai bề mặt đựơc sinh ra Ngay lúc đó thì khoảng cách giữa hai điện cực tại A tăng lên và vị trí tiếp theo có khoảng cách ngắn nhất giữa hai điện cực là một vị trí khác (ví dụ tại B) Tương tự khi nguồn điện áp đựơc

đóng ngắt một lần nữa, chu kỳ trên được lặp lại, tia lửa điện tiếp theo được sinh ra tại vị trí B Cứ như vậy khi máy phát đóng ngắt liên tục thì sự phóng tia lửa điện sẽ sản sinh ra một loạt miệng núi lửa kế tiếp nhau trên toàn bề mặt điện cực Kết quả là vật liệu được hớt đi một cách đồng đều trên toàn bề mặt điện cực (phôi)

Bề mặt được gia công tia lửa điện sẽ hình thành do sự tạo nên các “miệng núi lửa” li ti đó Nếu năng lượng do phóng tia lửa điện được giảm một cách hợp lý thì các “miệng núi lửa” sẽ có kích thứơc cực nhỏ và ta nhận được một

bề mặt có độ bóng cao

Hình 2.6 Các “miệng núi lửa” được hình thành liên tiếp

Các đặc tính tách vật liệu đầu tiên phụ thuộc vào năng lượng tách vật liệu

We

We = Ue.Ie.te

Trong đó: Ue, Ie là các giá trị trung bình của điện áp và dòng tia lửa điện được lấy trong khoảng thời gian xung Do Ue là một hằng số vật lý 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 dòng các điện tử chạy tơi cực dương (canôt) và dòng các ion dương chạy tới cực âm (anôt) Do khối lượng của các ion dương lớn hơn trên 100 lần so với khối lượng của các điện tử, nên 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 tử tập trung tới bề mặt cực dương (anôt) cao hơn nhiều lần

so với mật độ ion dương tập trung tới bề mặt cực âm (anôt) 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 (canôt) trong chu kỳ này Dòng ion dương chỉ đạt tới cực âm (catôt) trong micro giây đầu tiên Chính các ion dương này gây ra sự nóng chảy và bốc hơi của vật liệu điện cực catôt Do đó có hiện tượng điện cực bị mòn

Sở dĩ vật liệu lỏng được tống ra khỏi khe hở giữa hai điện cựclà :

Do vật liệu điện cực khi tiếp xúc với plasma ở một pha có áp lực cao tới 1kbar và nhiệt độ cực cao tới 100000C trong kênh plasma

Do sự đột ngột biến mất của kênh plasma khi dòng điện bị ngắt Ngay tức khắc áp suất tụt xuống bằng áp suất xung quanh sau khi ngắt dòng điện Nhưng nhiệt độ của dòng 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 của xung dòng điện sẽ quyết định tốc 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

1.5 Năng suất gia công – chất lượng bề mặt khi gia công bằng EDM

trong một khoảng thời gian Năng suất tỷ lệ thuận với cường độ dòng điện và khoảng thời gian gia công có ích (thời gian của giai đoạn 2)

Trên thực tế, một đại lượng khác tương tự năng suất thường được dùng trong quá trình điều khiển là hiệu suất gia công Hiệu suất gia công được tính theo công thức

k e t t

t

1

) (

) (

) ( ηVới N là số chu kỳ lấy mẫu Mỗi chu kỳ gia công được tính trong khoảng thời gian ( ti + to ) (µs)

Theo công thức trên, hiệu suất được tính cho một quá trình gia công hay một khoảng thời gian xác định Thông thường, các hệ điều khiển hiện đại như AGIE, Charmill, Mitsubishi lấy N=1000

Năng suất gia công tia lửa điện phụ thuộc vào nhiều yếu tố, quan trọng nhất là các yếu tố cơ bản sau:

- Diện tích bề mặt gia công F

- Chất lượng điện cực và chất lượng điện môi

Trong đó: T1thời gian tích điện (s)

* Nếu δ nhỏ thì Ucmaxcũng nhỏ nên tần số xung lớn, bởi vì ta có quan hệ:

C U

I RC

f

C.

1 =

= ⇒ UC ↓ → f ↑

Do f↑ cho nên thời gian phóng tia lửa điện te nhỏ

Như vậy, δ nhỏ ⇒ Uc ↓; te ↓, cho dù Ie có lớn thì năng lượng tích lũy trong xung điện We (năng lượng tách vật liệu) vẫn nhỏ:

We = Ue.Ie.te

Dấn đến năng suất cũng thấp

* Nếu δ lớn thì Uemax lớn ⇒ f nhỏ Nhưng theo đồ thị trên thì dòng điện Ie cũng nhỏ làm cho năng suất vẫn thấp Như vậy, việc chọn δtối ưu sao cho sự phóng điện diễn ra đều đặn để có được một năng suất gia công phù hợp là rất cần thiết

Công suất gia công: Ne = ∫1

0 1

.

1 T

c It dt U T

Với:

) 1

(

1

RC T i

U = − − (4) It = RC

T

Z e I

1

− (5) IZ = Ui/R (6) R: điện trở trong mạch RC

C: điện dụng của mạch RC

T1: thời gian tích điện

Thay (4) và (5) vào (3), ta được:

= 1 1 1

0 1

).

1 ( Z T RC T RC T

1 ln(

1 ln(

Đồ thị bên cho ta mối quan hệ giữa η và aptrong gia công tia lửa điện, qua

đồ thị đó ta thấy rằng ap đạt max khi η = 0,6 ÷ 0,8 phải giữ ổn định trong khoảng cách đó Vậy phải điều chỉnh khoảng cách điện cực phù hợp với trị số

η trên và bộ phận điều khiển

1.5 2 Ảnh hưởng của điện dung C

Ta cũng có kết quả theo đồ thị sau Trong đó chỉ ra rằng điện áp tối ưu Uopt

= 0.7Ui sẽ đạt được một lượng hớt vật liệu lớn nhất đồng thời lượng mòn điện cực là nhỏ nhất

Khi giữ Uopt = const, ta thay đổi điện dung C thì được kết quả như hình vẽ

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

công F

Theo đồ thị bên thì: sau đoạn tăng lên

gần như tuyến tính của Vo thì đến đoạn

giảm dần khi diện tích đạt giá trị tới hạn

Fgh Điều này do khi đã quá Fghthì cũng có

nghĩa là vượt qua dòng điện tới hạn Việc

lấy phoi ra khỏi khe hở điện cực khó khăn

hơn Điều này ảnh hưởng đến năng suất gia công

Về độ nhám bề mặt: sau khi gia công bề mặt gia công không hoàn toàn

phẳng mà nó để lại nhưng nhấp nhô, chính là độ nhám bề mặt Điều này làm giảm đặc tính chống mài mòn và tăng nguy cơ bị ăn mòn hoá học

Khi gia công thô sẽ có độ nhám rất lớn, tạo ra bề mặt thô và ngược lại khi gia công tinh Bề mặt càng thô thì tính chống mài mòn càng kém và nguy cơ

bị ăn mòn hoá học càng cao

f

V 0 ,f

Hå quang

vẽ, mà hình dạng của chúng thay đổi đi nhiều do hơi kim loại ngưng tụ lại Hình trên cho ta thấy cấu trúc tế vi của bề mặt gia công bằng tia lửa điện

Nó không đồng đều, nhiều nghiên cứu chứng minh rằng tỉ số của đường kính vết lõm và chiều sâu lõm và chiều sâu lõm dao động giữa 0,1÷ 0,3

Độ nhám đầu tiên phụ thuộc vào năng lượng của một lần phóng điện, một phần điện tích của tụ tạo ra vết lõm, do vậy thể tích của vết lõm tỉ lệ với năng lượng phóng ra của tụ:

U: là điện áp giữa 2 điện cực

C: là điện dung của tụ

Như vậy, thể tích của vết lõm:

V = K.U2.C Trong đó:

K là hệ số phụ thuộc vào vật liệu và điều kiện gia công

Giả sử V tỉ lệ với lập phương của chiều sâu (R) thì:

Qua nghiờn cứu lý thuyết cũng như thực nghiệm, người ta chứng minh được:

- Điện ỏp giữa hai điện cực tăng (δ tăng) thỡ độ nhỏm bề mặt R tăng

- Cụng suất gia cụng tăng R tăng

1-Lớp trắng: đú là lớp kết tinh lại, với cỏc vết nứt tế vi do ứng suất dư vỡ

núng lạnh đột lặp lại Độ kộo dài xung tecàng lớn thỡ lớp này càng dày

2-Lớp bị tụi cứng: với cấu trỳc dũn, lớp này cú độ cứng tăng vọt (trờn 1000

HV) so với kim loại nền

3-Lớp bị ảnh hưởng nhiệt: do nhiệt độ ở đõy đó vượt quỏ nhiệt độ

ostenit(Fe-Fe3C) trong một thời gian ngắn Độ cứng của lớp này giảm so với lớp tụi cứng, khoảng dưới 800HV

Dưới cựng là lớp khụng bị ảnh hưởng nhiệt Nú trở lại độ cứng bỡnh thường của vật liệu nền

Sụ khác biệt độ cúng điển hình trong lớp bề mặt.

Hv

Vùng ảnh huởng nhiệt của bề mặt phôi.

Nhiệt độ cao sinh ra do sự phóng điện gây ra nóng chảy và bốc hơi vật liệu, rõ ràng là nhiệt độ này tác dụng lên tính chất của lớp mỏng (2.5-150µm) của bề mặt gia công Lớp ngoài cùng bị nguội nhanh, đó là nguyên nhân làm lớp này rất cứng, lớp sát trong lớp này ở trong điều kiện như ram

Độ cứng lớp bề mặt sau khi gia công sẽ làm cho độ bền mòn tăng lên Tuy nhiên, độ bền mỏi giảm do các vết nứt tế vi tăng trên bề mặt trong quá trình làm nguội nhanh Hình trên chỉ ra sự so sánh của độ bền mỏi giữa phương pháp phay và gia công tia lửa điện

Tính chất của lớp mỏng bề mặt không ảnh hưởng nhiều đến độ bền kéo Cấu trúc của vật liệu đã bị thay đổi do tia lửa gây ra Tính chất hoá học cũng thay đổi Những tính chất này làm tăng sự mài mòn

2 ĐIỆN CỰC VÀ VẬT LIỆU ĐIỆN CỰC

2.1 Yêu cầu của vật liệu điện cực:

Mọi vật liệu dẫn điện và dẫn nhiệt đều có thể dùng làm điện cực Nhưng

để sử dụng chúng một cách kinh tế và hiệu quả thì chúng phải thoả mãn các yêu cầu sau:

λTrong đó:

_ Có tính gia công tốt, nghĩa là phải dễ gia công Đồng thời vật liệu điện cực phải rẻ, có khối lượng riêng nhỏ để có thể chế tạo các điện cực lớn nhưng không quá nặng làm ảnh hưởng đến khả năng chịu tải của máy

2.2 Các loại vật liệu điện cực

Người ta phân biệt ba nhóm vật liệu điện cực:

o Nhóm vật liệu kim loại: Đồng điện phân, đồng-volfram, bạc-volfram, đồng thau và thép

o Nhóm vật liệu phi kim loại: Graphit

o Nhóm vật liệu pha trộn kim loại-phi kim loại: Đồng-graphit

Ngoài ra, các vật liệu như: thép, volfram, nhôm, molipđen, hợp kim cứng chỉ đựơc sử dụng làm điện cực trong một số ứng dụng đặc biệt

Dưới đây ta đi tìm hiểu một vài vật liệu điện cực phổ biến nhất trong gia công tia lửa điện

Trong nhóm vật liệu kim loại, thường dùng đồng điện phân và volfram

đồng-Sau đây là một số vật liệu thông thường để làm điện cực:

- Đồng điện phân:

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

Khối lượng riêng:8,9g/cm3

Điểm nóng chảy: 10830C

Điện trở riêng: 0,0178 Ωmm2/m

Đồng điện phân phù hợp để gia công thép Nó có thể được dùng nhiều lần

để gia công thô hoặc gia công tinh Việc gia công đồng điện phân hầu như không có khó khăn gì nhưng khó hơn graphit Điện cực đồng điện phân cần được khử ứng suất nội để tránh bị biến dạng do sự giải phóng ứng suất nội

trong khi gia công tia lửa điện

Khối lượng riêng: 15÷18 g/cm3

Điểm nóng chảy: khoảng 25000C

Điện trở riêng: 0,045÷0,055 Ωmm2/m

Điện cực bằng đồng-volfram có độ bền mòn cao là nhờ có mặt của volfram, có tính dẫn điện cao là nhờ có đồng Điện bằng đồng-volfram đạt được chất lượng bề mặt gia công tia lửa điện tương đương với điện cực đồng điện phân, nhưng đồng-volfram có độ bền cao hơn Lượng hớt vật liệu tốt hơn đồng điện phân, nhưng tính gia công kém hơn

Nhược điểm lớn của đông-volfram là khối lượng riêng lớn và giá thành cao nên kích thước của điện cực bị giới hạn

- Graphit:

Graphit là cácbon tinh khiết với 0,1% tro

Khối lượng riêng: 1,6÷1,85 g/cm3

Điện trở riêng: 8÷15Ωmm2/m

Độ bền gẫy: 200÷700 kg/cm2

Graphit có cấu trúc gốm nên nó có độ bền hình

dáng-nhiệt rất cao và hơn nữa, nó rất bền nóng Graphit cũng thích hợp để gia công thép Khi gia công thép, nếu graphit đấu cực dương sẽ có độ mòn ít hơn

so với đồng

Với đồng điện phân, nếu tăng cường độ phóng điện thì luôn luôn gắn với việc điện cực bị mòn nhiều hơn Nhưng ở graphit thì khác, nếu tăng cường độ phóng tia lửa điện thì sự mòn điện cực không đổi, chỉ khi dòng phóng tia lửa điện rất cao (trên 200A) thì mới có sự thay đổi độ mòn điện cực

+ Graphit có độ bền xung nhiệt

+ Graphit có tính dẫn điện tốt, độ dẫn điện là 10 µΩm

+ Graphit có độ dẫn nhiệt cao hơn nhiều kim loại

+ Độ giãn nở nhiệt rất thấp, bằng 3.10-6/K và chỉ bằng 1/6 độ giãn nở nhiệt của

đồng điện phân (17.10-6/K)

+ Dưới tác dụng của nhiệt trong quá trình gia công tia lửa điện các điện cực graphit vẫn giữ được hình dáng ngay cả khi các điện cực có thành mỏng và phức tạp

Nhược điểm:

+ Graphit dòn, làm yếu đôi chút quan hệ mài mòn ở góc điện cực

+ Graphit không thích hợp khi gia công tinh, do đạt độ nhám thấp Graphit có độ hạt càng nhỏ thì càng đắt

công tia lửa điện, đồng có xu hướng chảy ra khỏi các lỗ hổng của graphit nên chất lượng bề mặt gia công không được tốt như graphit

Vật liệu điện cực đồng-graphit chỉ dùng cho những nhiệm vụ đặc biệt vì

nó rất đắt, nhưng nó có độ bền vững tốt hơn so với graphit nên thường được dùng làm các điện cực nhỏ cho các chi tiết tinh xảo

Vật liêu siêu cứng

Thép Đồng Cácbít đồng Cácbít bạc Nhôm Đồng thau Vật liệu siêu cứng

Thép Đồng Cácbít đồng Cácbít bạc Nhôm Đồng thau

+ + + + + + +

-

- + + +

- +

-

-

- + +

-

-

Thấp Cao Thấp Thấp Thấp Cao(chú ý 1) Thấp

Cao Cao Cao Thấp Thấp Cao Thấp Cao Cao Cao Thấp Thấp Cao Cao