Nghiên cứu sự ảnh hưởng của các thông số công nghệ đến năng suất và chất lượng sản phẩm khi gia công thép không gỉ trên máy cắt dây EDM

TÓM TẮT Đề tài: “Nghiên cứu sự ảnh hưởng của các thông số công nghệ đến chi phí điện năng riêng và chất lượng sản phẩm khi gia công thép không gỉ trên máy cắt dây EDM”là đề tài thực hiện

BỘ GIÁ DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ NÔNG NGHIỆP VÀ PTNT TRƯỜNG ĐẠI HỌC LÂM NGHIỆP

Tên đề tài

NGHIÊN CỨU SỰ ẢNH HƯỞNG CỦA CÁC THÔNG SỐ CÔNG NGHỆ

ĐẾN NĂNG SUẤT VÀ CHẤT LƯỢNG SẢN PHẪM KHI GIA CÔNG THÉP

KHÔNG GỈ TRÊN MÁY CẮT DÂY EDM

Người hướng dẫn khoa học : PGS.TS Lê Văn Thái

Học viên thực hiện: Nguyễn Chí Thức

Đồng Nai, năm 2018

LỜI CẢM ƠN

Trong thời gian học tập và nghiên cứu tại trường Đại học Lâm Nghiệp Việt Nam, em đã tiếp thu được nhiều kiến thức bổ ích cho chuyên môn của mình Với đề tài nghiên cứu dưới hình thức luận văn thạc sỹ, em đã vận dụng những kiến thức đã được học của mình để giải quyết một vấn đề thực tế Đề tài của em là nghiên cứu và giải quyết vấn đề mới trong lĩnh vực gia công bằng tia lửa điện và kiểm tra không phá hủy, nghiên cứu lý thuyết và làm thực nghiệm, trong quá trình nghiên cứu em gặp rất nhiều khó khăn

Với sự hướng dẫn tận tình của thầy PGS TS Lê Văn Thái cùng với sự hỗ trợ của của đồng nghiệp tại Trường Cao Đẳng KTCN Tỉnh Bà Rịa Vũng Tàu.Cho đến thời điểm này luận văn của em củng đạt được những kết quả như mong muốn Qua đây cho phép em gửi lời cảm ơn đến

- Ban Giám Hiệu trường Đại học lâm nghiệp Việt Nam

- Thầy PGS TS Lê Văn Thái – Trường Đại học Lâm Nghiệp

- Quý thầy, cô giảng dạy tại khoa Cơ khí Chế tạo máy, phòng Đào tạo – bộ phận sau đại học – Trường Đại học Lâm Nghiệp đã giúp đỡ em trong thời gian học tập và nghiên cứu tại trường

- Kính gửi lời cảm tạ tới BGH trường Đại học Lâm Nghiệp đã tạo điều kiện thuận lợi cho cho các học viên tại trường được học tập và nghiên cứu

- Công ty TNHH ÁNH DƯƠNG đã hỗ trợ đo kiểm mẫu

- Một lần nữa, em xin chân thành cảm ơn sự giúp đỡ, sự hỗ trợ động viên quý báu của tất cả mọi người Xin trân trọng cảm ơn

Học Viên Thực Hiện

TÓM TẮT

Đề tài: “Nghiên cứu sự ảnh hưởng của các thông số công nghệ đến chi phí điện năng riêng và chất lượng sản phẩm khi gia công thép không gỉ trên máy cắt dây EDM”là đề tài thực hiện việc khảo sát, tính toán ứng suất dư trên bề mặt của chi tiết có nhiều tiến bộ hơn so với các phương pháp xác định ứng suất dư khác, bởi

vì nó không phá hủy cấu trúc của vật liệu và chúng ta có thể thực hiện ngay trên chi tiết đang làm việc Điều này thuận lợi cho công việc chế tạo, sửa chữa và bảo dưỡng các chi tiết khuôn dập

Kết quả đạt được của luận văn đã khảo sát được ứng suất dư và độ nhám bề mặt trên vật liệu SKD11 đã qua nhiệt luyện khi được cắt với các vận tốc cắt khác nhau trên máy cắt dây

y Từ kết quả này cho phép chúng ta chọn lựa được vận tốc cắt tối ưu để ứng suất

dư sinh ra trên bề mặt sản phẩm trong quá trình cắt là nhỏ nhất mà vẫn đảm bảo được độ chính xác và độ nhám bề mặt.Ứng suất càng nhỏ, độ nhám càng cao thì làm cho chất lượng và tuổi thọ của sản phẩm tang độ bền trong quá trình làm việc

Kết quả đạt được của đề tài là:

Phương pháp xác định ứng suất dư cho các bề mặt mà không phá hủy sản phẩm

Độ chính xác và chất lượng bề mặt chi tiết

Học viên

Nguyễn Chí Thức

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi, các số liệu, kết quả trong luận văn là trung thực và chưa từng được công bố trong bất kỳ công trình nào khác

Nếu nội dung nghiên cứu của tôi trùng lặp với bất kỳ công trình nghiên cứu nào đã công bố, tôi xin hoàn toàn chịu trách nhiệm và tuân thủ kết luận đánh giá luận văn của Hội đồng khoa học

Đồng Nai, ngày 15 tháng 6 năm 2018

Tác giả luận văn

Nguyễn Chí Thức

MỤC LỤC

LỜI CẢM ƠN i

TÓM TẮT ii

LỜI CAM ĐOAN iii

MỤC LỤC iv

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT viii

DANH MỤC CÁC CÁC BẢNG ix

DANH MỤC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ xi

MỞ ĐẦU 1

1 Lý do chọn đề tài 1

2 Mục đích nghiên cứu 2

3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu 3

4 Phương pháp nghiên cứu đề tài 3

5 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài 3

Chương 1 4

TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU 5

1.1 Tổng quan phương pháp gia công bằng tia lửa điện 5

1.1.1 Đặc điểm của gia công tia lửa điện 5

1.1.2 Bản chất vật lý của quá trình phóng điện phóng tia lửa điện 6

1.1.3 Cơ cấu bóc tách vật liệu 9

1.1.4 Vết nứt tế vi bề mặt sau khi gia công tia lửa điện 11

1.2 Độ chính xác tạo hình khi gia công tia lửa điện và các yếu tố ảnh hưởng 12

1.2.1 Độ chính xác khi gia công bằng tia lửa điện 12

1.2.2 Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình gia công bằng tia lửa điện 12

1.3 Gia công cắt dây tia lửa điện 16

1.4 Nguyên lí cắt dây tia lửa điện 17

Chương 2 20

GIỚI THIỆU VỀ MÁY CẮT DÂY JSEDM 20

2.1 Máy cắt dây tia lửa điện 20

2.2 Công dụng của máy cắt dây 20

2.3 Đặc điểm của phương pháp gia công cắt dây tia lửa điện 21

Chương 3 23

MỤC TIÊU, NỘI DUNG, ĐỐI TƯỢNGVÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 23

3.1 Mục tiêu nghiên cứu 23

3.2 Nội dung nghiên cứu 23

3.2.1 Nghiên cứu lý thuyết 23

3.2.2 Nghiên cứu thực nghiệm 23

3.3 Đối tượng nghiên cứu 23

3.3.1 Thiết bị nghiên cứu 24

3.3.2 Vật liệu thí nghiệm 25

3.4 Phương pháp nghiên cứu 25

3.4.1 Phương pháp nghiên cứu lý thuyết 25

3.4.2 Phương pháp nghiên cứu thực nghiệm 25

Chương 4 26

NGHIÊN CỨU LÝ THUYẾT 26

4.1 Nghiên cứu cắt dây tia lửa điện 26

4.1.1 Nguyên lí cắt dây bằng Tia lửa điện 27

4.1.2 Tia lửa điện giữa hai điện cực 28

4.2 Độ chính xác khi gia công cắt dây Tia lửa điện 29

4.2.1 Điện cực và vật liệu điện cực 32

4.2.2 Sự thoát phoi trong cắt dây tia lửa điện 33

4.2.3 Nhám bề mặt khi cắt dây 34

4.2.4 Các thông số về điện trong điều khiển máy cắt dây Tia lửa điện 34

4.2.5 Độ nhám bề mặt chi tiết máy 39

4.3 Cơ sở đo lường ứng suất bằng nhiễu xạ 41

4.3.1 Khái niệm nhiễu xạ X – quang 41

4.3.2 Sự hấp thụ của tia X 44

4.3.3 Sự phát tán tia X 44

4.3.4 Nguyên lý nhiễu xạ - Công thức Braggs 45

4.3.5 Các phương pháp đo trên máy nhiễu xạ: 47

4.3.6 Hệ số hấp thụ 48

4.3.7 Chiều sâu thấm của tia X 50

4.4 Cơ sở đo lường ứng suất bằng nhiễu xạ 50

4.4.1 Phương trình cơ bản 51

4.4.2 Quan hệ d,– sin2 53

4.4.3 Ứng suất phẳng - Phương pháp “ sin2ψ” 58

4.4.4 Ứng suất khối 58

4.4.5 Xác định khoảng cách mặt tinh thể không ứng suất (do) 60

4.5 Phương pháp đo ứng suất dư và kiểm tra độ nhám bề mặt.[7] 60

4.5.1 Phương pháp đo độ nhám: 60

4.6 Phương pháp so sánh 61

Chương 5: 62

KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM 62

5.1 Mục tiêu thực nghiệm và các tham số điều khiển 62

5.1.1 Mục tiêu thực nghiệm 62

5.1.2 Các tham số điều khiển và khoảng giới hạn của chúng 62

5.2 Thiết bị đo và phương pháp đo 62

5.3 Kết quả thí nghiệm thăm dò 63

5.3.1 Xét đại lượng nghiên cứu là độ nhám bề mặt gia công Rz 63

5.3.2 Xét đại lượng nghiên cứu là năng suất gia công Ns 65

5.4 Kết quả thực nghiệm đơn yếu tố 67

5.4.2 Ảnh hưởng của cường độ dòng điện phóng tia lửa đến năng suất 69

5.4.3 Ảnh hưởng của thời gian phát xung đến độ nhám bề mặt gia công 72

5.4.4 Ảnh hưởng của thời gian phát xung đến năng suất gia công 74

5.4.6 Ảnh hưởng của vận tốc cắt đến năng suất gia công 79

Kết luận: 81

5.5 Kết quả thực nghiệm đa yếu tố 83

5.5.1 Vùng nghiên cứu và các giá trị biến thiên của các yếu tố ảnh hưởng 83 5.5.2 Thành lập ma trận thí nghiệm 83 5.5.3 Tiến hành thí nghiệm theo ma trận Harley với số lần lặp lại của mỗi thí nghiệm m = 3 84 5.5.4 Xác định mô hình toán học của hàm độ nhám bề mặt Rz 85KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ

TÀI LIỆU THAM KHẢO

PHỤ BIỂU

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT

We Năng lượng tách vật liệu

Ie Tia lửa điện

S i Hệ tọa độ gắn liền với mẫu

Là ten xơ độ cứng đàn hồi hạng tư, đã được

chuyển đến hệ tọa độ S i Côsin chỉ phương Ten xơ kết hợp đơn tinh thể hạng tư JIS - SKD11 Ký hiệu vật liệu theo tiêu chuẩn Nhật

DANH MỤC CÁC CÁC BẢNG

Bảng 1.1 Các thông số kỹ thuật của máy cắt dây JS EDM W- B430 24

Bảng 1.3 Thành phần hóa học thép SKD11 25

Bảng 1.4 Bảng cơ tính vật liệu 25

Bảng 1.5 : Các giá trị thông số độ nhám bề mặt (TCVN 2511 - 78) 40

Bảng 1.6: Các giá trị tiêu chuẩn của Ravà Rz 41

Bảng 1.7: Bảng hằng số hấp thu  phụ thuộc vào kim loại và đặc tính tia X 49

Bảng 5.1 Tổng hợp kết quả phân bố thực nghiệm của Rz 64

Bảng 5.2 Các đặc trưng của phân bố thực nghiệm 64

Bảng5.3 Tổng hợp kết quả phân bố thực nghiệm của Ns 65

Bảng 5.4 Các đặc trưng của phân bố thực nghiệm 66

Bảng 5.5 - Kết quả thí nghiệm xác định ảnh hưởng của cường độ dòng điện phóng tia lửa đến độ nhám bề mặt gia công Rz 67

Bảng 5.6 - Đánh giá đồng nhất của phương sai 68

Bảng 5.7 Tổng hợp các giá trị tính toán của hàm độ nhám bề mặt 69

Bảng 5.8 - Kết quả thí nghiệm xác định ảnh hưởng của cường độ dòng điện phóng tia lửa đến năng suất gia công Ns 70

Bảng 5.9 Tổng hợp các giá trị tính toán của hàm năng suất gia công 71

khi cường độ dòng điện phóng tia lửa thay đổi 71

Bảng 5.10 - Kết quả thí nghiệm xác định ảnh hưởng của thời gian phát xung 72

Bảng 5.11 - Đánh giá đồng nhất của phương sai 73

Bảng 5.12 Tổng hợp các giá trị tính toán của hàm độ nhám bề mặt 74

Bảng 5.13 - Kết quả thí nghiệm xác định ảnh hưởng của thời gian phát xung 74

Bảng 5.14 Tổng hợp các giá trị tính toán của hàm năng suất gia công 76

khi thời gian phát xung thay đổi 76

Bảng 5.15 - Kết quả thí nghiệm xác định ảnh hưởng của vận tốc cắt 77

đến độ nhám bề mặt gia công Rz 77

Bảng 5.16 - Đánh giá đồng nhất của phương sai 78

Bảng 5.17 Tổng hợp các giá trị tính toán của hàm độ nhám bề mặt 79

khi vận tốc cắt cắt thay đổi 79

Bảng 5.18 - Kết quả thí nghiệm xác định ảnh hưởng của vận tốc cắt 79

đến năng suất gia công Ns 79

Bảng 5.20 Tổng hợp các giá trị tính toán của hàm năng suất gia công 81

khi vận tốc cắt thay đổi 81

Bảng 5.21- Mã hoá và giá trị của các thông số đầu vào 83

Bảng 5.22 - Ma trận thí nghiệm theo Hartley 84

Bảng 5.23 - Đánh giá đồng nhất phương sai 85

Bảng 5.24 - Tổng hợp các giá trị xử lý được của hàm chi phí điện năng riêng 87

DANH MỤC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ

Hình 1.1 Thể hiện các vật liệu có thể gia công được bằng tia lửa điện 6

Hình 1.2.Sơ đồ nguyên lý gia công tia lửa điện 6

Hình 1.3 Đồ thị điện áp và dòng điện trong một xung phóng 7

Hình 1.4 Sự đánh lửa 8

Hình 1.5 Sự hình thành kênh phóng điện 8

Hình 1.6 Sự nóng chảy và bốc hơi vật liệu 9

Hình 1.7 Vùng ảnh hưởng nhiệt bề mặt phôi 11

Hình 1.8 Mỗi quan hệ giữa Vw và ti 14

Hình 1.10 Mỗi quan hệ giữa Rmax và ti (ti = td – te) 15

Hình 1.11 Sơ đồ nguyên lí cắt dây tia lửa điện 17

Hình 1.12 Sơ đồ nguyên lí cắt dây tia lửa điện 17

Hình 1.13 Sơ đồ một máy cắt dây 20

Hình 1.14 Máy cắt dây JSEDM W- B430 24

Hình 1.15 Sơ đồ nguyên lí cắt dây tia lửa điện 26

Hình 1.16 Sơ đồ nguyên lí cắt dây tia lửa điện 27

Hình 1.17 Sự cân bằng về lực khi cắt thẳng và sai sốhình học khi cắt góc 31

Hình 1.18 Các trường hợp khó khăn đối với dòng chảy đồng trục 33

Hình 1.20 Sơ đồ nguyên lý gia công tia lửa điện 34

Hình 1.21 Dòng chày bên ngoài 37

Hình 1.22 : Chiều cao nhấp nhô bề mặt 40

Hình 1.23 : Chiều cao nhấp nhô bề mặt 40

Hình 1.24 Sơ đồ giới thiệu các thành phần chính của ống phát tia X 43

Hình 1.25 Sự cố dính phát tán từ một electron đến điểm P 44

Hình 1.26 Nhiễu xạ tia X, khi tia X va chạm vào tinh thể 45

Hình 1.27 Cường độ nhiễu xạ 46

Hình 1.28 Phương pháp đo kiểu  47

Hình 1.29 Phương pháp đo kiểu  cố định  47

Hình 1.30 Phương pháp đo kiểu  cố định o 48

Hình 1.31 Cường độ nhiễu xạ trên mặt phẳng 48

Hình 1.32 Các hệ tọa độ sử dụng trong nhiễu xạ 51

Hình 1.33.Dạng tuyến tính của d ψ– sin 2ψ 52

Hình 1.34 Dạng tách đôi góc ψ 53

Hình 1.35 Dạng dao động của 53

Hình 1.36 Trục tinh thể (Ci) và hướng của nó đối với hệ trục tọa độ mẫu ví dụ (Si) cùng hệ trục đo (Li) 56

Hình 1.37 Thước đo độ nhám 61

Hình 5.1 - Thiết bị đo độ nhám TR200 63

Hình 5.3 - Đồ thị biểu diễn sự ảnh hưởng của cường độ dòng điện phóng tia lửa đến độ nhám bề mặt gia công 69

Hình 5.4 - Đồ thị biểu diễn sự ảnh hưởng của cường độ dòng điện phóng tia lửa đến năng suất gia công 71

Hình 5.5 - Đồ thị sự ảnh hưởng của thời gian phát xung đến độ nhám bề mặt 74

Hình 5.6 - Đồ thị sự ảnh hưởng của thời gian phát xung đến năng suất gia công 76

Hình 5.7 - Đồ thị sự ảnh hưởng của vận tốc cắt đến độ nhám bề mặt gia công 79

Hình 5.8 - Đồ thị sự ảnh hưởng của vận tốc cắt đến năng suất gia công 81

2 , sin

MỞ ĐẦU

1 Lý do chọn đề tài

Hiện nay công nghệ ngày càng phát triển và luôn được cải tiến công nghệ để tạo ra các chi tiết có độ chính xác cao Các phương pháp gia công truyền thống như, không thể đáp ứng ứng các yêu cầu của những sản phẩm có độ chính xác cao, hình dáng hình học phức tạp Độ cứng vật liệu cao, việc gia công trên các máy truyền thống, hoặc máy CNC găp rất nhiều khó khăn, độ chính xác của chi tiết không đạt.Trong thực tế công nghệ mới cho ra đời những loại máy đáp ứng được yêu cấu

đó, máy gia công Tia lửa điện.Phương pháp này gọi là gia công EDM (Electrical Discharge Machine).Phương pháp gia công tia lửa điện đã được áp dụng rộng rãi

đối với các nước phát triển.Ngày nay nhờ sự phát triển của điều khiển số và công nghệ thông tin, công nghệ này đã được hiện đại hóa và được trang bị hệ thống điều khiển số CNC

Từ cuối thập niên 80 của thế kỷ XX đến nay,nhiều doanh nghiệp trong nước

đã trang bị máy EDM nhằm cải tiến phương pháp gia công những vật liệu có độ cứng cao trong khuôn dập nguội Bên cạnh những kết quả đạt được về mặt công nghệ nói chung còn gặp những khó khăn nhất định về kỹ thuật và hiệu quả kinh tế khi sử dụng

Vấn đề đặt ra là làm thế nào để nâng cao hiệu quả khai thác, sử dụng loại máy EDM, qua tìm hiểu các doanh nghiệp sản xuất khuôn mẫu, sử dụng các máy và thiết bị gia công tia lửa điện EDM CNC, xét về mặt xác định chế độ công nghệ thì thấy có một số vấn đề sau:

Các doanh nghiệp và cơ sở trong nước sử dụng máy EDM việc lập trình gia công

do người lập trình thực hiện Chế độ công nghệ để đạt được chất lượng bề mặt gia công (độ bóng và ứng suất dư bề mặt), được xác định bằng cách dựa vào các tài liệu kèm theo máy hoặc được cài đặt vận hành theo kinh nghiệm của người vận hành máy điều chỉnh thông số Chính vì lẽ đó, chế độ công nghệ gia công trên máy chưa thể khẳng định là hợp lý Vì vậy hiệu quả khai thác, sử dụng máy có nhiều hạn chế,

chế độ công nghệ khi gia công trên máy cắt dây EDM CNC phụ thuộc rất nhiều vào vật liệu chi tiết gia công (bề dày vật liệu, tính dẫn điện, tốc độ cắt, bước tiến và tích chất vật liệu….).

Thép SKD11 là loại thép có hàm lượng hợp kim cao, gia công bằng phương pháp truyền thống gặp nhiều khó khăn Chính vì lẽ đó gia công bằng tia lửa điện (EDM),

do thành phần hóa học, tính dẫn điện và nhiệt của thép SKD khác so với các thép carbon, làm cho năng suất và chất lượng gia công thay đổi Vì vậy cần nghiên cứu

và tìm ra các giá trị công nghệ tối ưu để đảm bảo năng suất và chất lượng (độ nhám

bề mặt, cũng như ứng suất dư trên bề mặt) khi gia công thép SKD11 trên máy cắt dây EDM CNC

Do đó, việc nghiên cứu xác định chế độ gia công bằng EDM CNC đối với thép SKD11 nhằm đạt chất lượng bề mặt gia công, thể hiện qua các tiêu chí độ nhám, và ứng suất dư bề mặt là cần thiết Với những lý do đã được trình bày ở trên chúng tôi chọn và thực hiện đề tài:

“Nghiên cứu sự ảnh hưởng của các thông số công nghệ đến năng suất và chất lượng sản phẩm khi gia công thép không gỉ trên máy cắt dây EDM » là cần thiết; nó tạo tiền đề cho việc nghiên cứu hoàn thiện tiếp theo nhằm mục đích xác định chế độ cắt hợp lý không anhe hưởng đến ứng suất dư và chất lượng bề mặt trên cơ sở dó tiến tới tối ưu hoá chế độ cắt khi cắt thép SKD11 góp phần nâng cao hiệu quả khai thác, sử dụng máy cắt dây trong sản xuất khuân mẫu và là cơ sở để nghiên cứu cho các vật liệu khác, trên cơ sở nghiên cứu bằng lý thuyết và thực nghiệm tạo ra một

chế độ cắt cụ thể ứng với bề dày vật cắt khi cắt thép SKD11

các tấm thép có chiều dày khác nhau

3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

Trong phạm vi và thời gian thực hiện đề tài nghiên cứu sự ảnh hưởng của một

số thông số chế độ cắt tới ứng suất dư và chất lượng bề mặt trên may cắt dây jsedm , đối với thép SKD11 có bề dày 17mm được lựa chọn để nghiên cứu chế độ cắt dây điện cực với môi trường dung môi, qui trình cắt tự động Phạm vi ứng dụng khi cắt các thép SKD11 được mở rộng đến các vật liệu có chiều dày 20mm và độ cứng khác nhau Các thông số được quan tâm đến gồm:

- Tốc độ chạy dây trong quá trình cắt, điện áp U

- Thời gian trễ td khoảng thời gian dòng điện tăng từ 0 đến l

- Khoảng các xung tq khoangr thời gian giữa 2 xung liền kề, nó giúp cho phôi được làm mát và không xẩy ra hiện tượng hồ quang điện tại vùng gia công

4 Phương pháp nghiên cứu đề tài

- Phương pháp nghiên cứu lý thuyết

+ Nghiên cứu lý thuyết để có được kết quả phân tích, tính toán dựa vào lý thuyết gia công bằng EDM để thiết lập điều kiện phóng điện

+ Dựa vào lý thuyết ứng dụng nhiễu xạ Tia x phân tích ảnh hưởng của vận tốc cắt tới ứng suất dư bề mặt trên máy cắt dây EDM

- Phương pháp nghiên cứu thực nghiệm

+ Sử dụng phương pháp nghiên cứu thực nghiệm trong để xác định hàm mục tiêu, trên cơ sở đó thiết lập được tương quan giữa hàm mục tiêu với tham số ảnh hưởng

- Sử dụng phương pháp giải bài toán tối ưu để tìm ra chế độ cắt sử dụng hợp lý của máy cắt dây CNC

- So sánh kết quả đo và kết quả tính để khẳng định độ tin cậy của kết quả tính theo lý thuyết điều kiện phóng điện

5 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài

- Xác định được ảnh hưởng của một số thông số đến chất lượng sản phẩm khi cắt thép SKD11 bằng điện cực dây

- Xác định được ứng suất dư và độ nhám trên bề mặt sau khi cắt

- Cung cấp các khuyến cáo, hướng dẫn khi sử dụng công nghệ cắt bằng EDM

để đạt hiệu quả cao trong thực tiễn sản xuất, chế tạo

Chương 1 TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU 1.1 Tổng quan phương pháp gia công bằng 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 đã tìm ra phương pháp gia công bằng Tia lửa điện Họ sử dụng tia lửa điện để hớt đi 1 lớp vật liệu mà không phụ thuộc vào độ cứng của vật liệu đó.Khi các tia lửa điện phóng ra thì một lớp vật liệu trên bề mặt phôi sẽ bị hớt đi bởi 1 quá trình điện - nhiệt thông qua sự nóng chảy và bốc hơi Kim loại Từ đó đến nay quá trình hớt vật liệu trong gia công tia lửa điện vẫn được coi là phức tạp liên quan đến khoảng cách khe hở phóng điện, đến thông tin về kênh plasma, về sự hình thành của cầu phóng điện giữa 2 điện cực, sự ăn mòn của cả 2 điện cực, 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 phát triển lớn trong những năm gần đây và đã ra đời thêm một số phương pháp gia công dùng nguyên lý của phương pháp gia công tia lửa điện [2]

1.1.1 Đặc điểm của gia công tia lửa điện

Gia công bằng tia lửa điện là phương pháp gia công bằng cách phóng điện ăn mòn trên cơ sở tác dụng nhiệt của xung điện tạo ra do sự phóng điện, đặc điểm của phương pháp này đó là:

- Điện cực (đóng vai trò dụng cụ) lại có độ cứng thấp hơn nhiều lần so với độ cứng của phôi.Điện cực là đồng, graphit, còn phôi là thép đã tôi hoặc hợp Kim cứng

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

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

Có hai phương pháp gia công tia lửa điện được sử dụng rộng rãi trong công nhiệp đó là gia công tia lửa điện dùng cực định hình và gia công tia lửa điện bằng cắt dây

Phương pháp gia công bằng tia lửa điện tạo được các bề mặt định hình phức tạp là đường thẳng, đường cong, bề mặt profin phức tạp,…độ bóng bề mặt cao (Ra

= 1.25µm) và độ chính xác cao (IT5)

Hình 1.1 Thể hiện các vật liệu có thể gia công được bằng tia lửa điện

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

Hình 1.2.Sơ đồ nguyên lý gia công tia lửa điện

Một điện áp được đặt giữa điện cực và phôi.Không gian giữa 2 điện cực đó được điền đầy bởi một chất lỏng cách điện gọi là chất điện môi (Dielectric)

Cho 2 điện cực áp lại gần nhau, đến một khoảng cách nào đó thì xảy ra sự phóng Tia lửa điện.Một dòng điện xuất hiện 1 cách tức thời

Khi phóng Tia lửa điện, các điện cực không tiếp xúc với nhau.Nếu chúng chạm vào nhau thì sẽ không có tia lửa điện mà sẽ xảy ra một dòng ngắn mạch, có

hại đối với quá trình gia công.Nếu khe hở lớn quá thì lại không thể xảy ra sự phóng điện, làm giảm năng suất gia công

Đồ thị ở hình 1.3 cho thấy diễn biến của điện áp và dòng điện ở một máy xung định hình, được sinh ra bởi một máy phát tĩnh, trong những khoảng thời gian xác định của chu kỳ xung Đặc điểm của đồ thị này là dòng điện i e của xung bao giờ cũng xuất hiện trễ hơn một khoảng thời gian t d (độ trễ đánh lửa) so với thời điểm bắt đầu có điện áp máy phát ui.u evài e là các giá trị trung bình của điện áp và dòng điện khi phóng tia lửa điện

t e - Dộ kéo dài xung

U e - Điện áp phóng tia lửa điện

i e - Dòng phóng tia lửa điện

Hình 1.3 Đồ thị điện áp và dòng điện trong một xung phóng

Trong một chu kì phóng điện được phân biệt 3 pha:

- Pha I: Đánh lửa

Máy phát tăng điện áp khởi động qua khe hở Dưới ảnh hưởng của điện trường, từ cực âm (catot) bắt đầu phát các điện tử và chúng bị hút vế 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 2 bên điện cực hoàn toàn phẳng.Điện trường sẽ mạnh nhất ở hai 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 trong khoảng không gian ở giữa hai điện cực và chúng tạo nên một cái cầu Một kênh phóng điện đột nhiên được hình thành ngang qua cầu.Sự phóng điện được bắt đầu

Hình 1.4 Sự đánh lửa

- Pha II: Sự hình thành kênh phóng điện

Ở thời điểm phóng điện, điện áp bắt đầu giảm (hình 1.5) Số lượng các phần tử dẫn điện tăng lên một cách khủng khiếp và dòng điện bắt đầu chạy giữa các điện cực Dòng điện này cung cấp một mật độ năng lượng khổng lồ làm cho dung dịch điện môi bốc hơi cục bộ Áp suất trong các bong bong hơi sẽ đẩy chất lỏng điện môi sang hai bên Nhưng do có độ nhớt nên chất điện môi tạo ra một sự cản trở, hạn chế

sự lớn lên của kênh phóng điện giữa các cực

Hình 1.5 Sự hình thành kênh phóng điện

- Pha III: Nóng chảy và bốc hơi vật liệu

Lõi của bọt hơi bao gồm một kênh plasma.Plasma này là một chất khí có lẫn các điện tử và ion dương ở áp suất rất cao (khoảng 1kbar) và nhiệt độ cực lớn (10.0000C).Kênh plasma này được tạo thành đầy đủ thì điện áp Ue là một hằng số vật lý phụ thuộc vào sự phối hợp vật liệu anot/catot và bằng 25V đối với cặp vật liệu đồng/thép

Chất điện môi giữ kênh plasma và cũng là giữ cho năng lượng có một độ tập trung cục bộ.Sựva 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 một xung có hiệu quả.Điện áp bị ngắt đột ngột.Kênh phóng điện biến mất.Áp suất cũng bị mất đột ngột Điều này khiến cho kim loại nóng chảy bất ngờ, bị đẩy ra khỏi kênh phóng điện và bốc hơi

Sự phóng điện có thể kéo dài từ vài micro giây đến vài trăm micro giay, tùy thuộc vào công dụng Giữa các xung có một độ trễ t0 (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 bề mặt điện cực đều để lại một “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 Cực nào ít ăn mòn sẽ được dành cho điện cực

Hình 1.6 Sự nóng chảy và bốc hơi vật liệu

1.1.3 Cơ cấu bóc tách vật liệu

Các đặc tính tách vật liệu đầu tiên phụ thuộc vào năng lượng tách vật liệu Nếu gọi năng lượng tách vật liệu là We thì ta có đẳng thức sau:

Trong đó: Ue, Ie, te 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 tới cực dương (anot) và dòng các ion dương chạy tới cực âm (catot) Do khối lượng 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 với 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 nóng chảy rất mạnh ở cực dương (anot) trong chu kỳ này

Dòng ion dương chỉ đạt tới cực âm (catot) trong micro giây đầu tiên.Các ion dương gây ra sự nóng chảy và bốc hơi của vật liệu catot Do đó có hiện tượng điện cực bị mòn

Vật liệu điện cực khi tiếp xúc với plasma này ở một pha có áp lực cao hơn tới 1kbar và nhiệt độ cực cao tới 10.0000C trong kênh plasma

Một lý do quan trọng của sự tống ra vật liệu bị nóng chảy lỏng là 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 chất lỏng lại 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 và sự bắt buộc nổ vật liệu chảy lỏng

Vì lượng hớt vật liệu phụ thuộc vào điện áp, cường độ dòng điện và thời gian nên người ta có thể nghiên cứu một cách chính xác tuần tự theo thời gian của điện

áp và dòng điện trong lúc phóng tia lửa điện Người ta đo điện áp và dòng điện ở các khoảng thời điểm đóng điện (t = 0) đến thời điểm ngắt điện

1.1.4 Vết nứt tế vi bề mặt sau khi gia công tia lửa điện

1- Lớp trắng 2- Lớp tôi cứng 3- Lớp ảnh hưởng nhiệt 4- Lớp không ảnh hưởng

Hình 1.7 Vùng ảnh hưởng nhiệt bề mặt phôi

1 Lớp trắng đó là lớp kết tinh lại, với các 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 tròn, lớp này có độ cứng tăng vọt (trên 69 HRC) so với kim loại nền

3 Lớp bị ảnh hưởng nhiệt, do nhiệt độ ở đây đã vượt quá nhiệt độ ôstênit (Fe -

Fe3C) trong một thời gian ngắn Độ cứng của lớp này giảm so với lớp tôi cứng, (khoảng 64 HRC)

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

Các lớp vùng 1 và vùng 2 có ảnh hưởng rất xấu đến sản phẩm như:

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

- Lớp tôi cứng với cấu trúc dòn dễ phá hỏng chi tiết khi làm việc nhiều tải trọng va đập

- Để khắc phục các ảnh hưởng không tốt trên, khi gia công tia lửa điện, người

ta có thể thực hiện gia công nhiều bước khác nhau để vừa có thể tăng năng suất gia công vừa có thể giảm đáng kể chiều dày của lớp ảnh hưởng nhiệt và tăng độ bóng

bề mặt gia công Ngày nay, người ta còn dùng phương pháp sử dụng các dạng xung đặc biệt kết hợp với kỹ thuật siêu âm để làm giảm ảnh hưởng của nhiệt tới chất lượng gia công

1.2 Độ chính xác tạo hình khi gia công tia lửa điện và các yếu tố ảnh hưởng

1.2.1 Độ chính xác khi gia công bằng tia lửa điện

Độ chính xác của máy (bao gồm: độ ổn định về cơ, độ 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 chỉ 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 Ui Ie, te, t0, td,… Đây là phần

mà người vạn hành máy 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 là lớn nhất

Tính chất của các điện cực: 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 theo kinh nghiệm) bởi vì nó phụ thuộc vào khả năng điều khiển máy cắt theo đúng contour được lập trình

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

Khác với những phương pháp gia công theo phương pháp truyền thống, phương pháp gia công bằng tia lửa điện, 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 quan trọng ảnh hưởng đến năng suất cũng như chất lượng bề mặt gia công Các tài liệu nghiên cứu đã đưa ra 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 lượng hớt vật liệu Vw càng lớn, độ nhám bề mặt gia gia công càng tăng và độ mòn điện cực càng giảm Giá trị trung bình Ie có thể đọc trên bảng điều khiển điện trong suốt quá trình gia công, ở một số máy xung định hình, Ie thường được thể hiện theo bước dòng điện Phụ thuộc vào kiểu máy, Ie được điều chỉnh theo 18 hoặc 21 bước, xác định tương đương với 0.5 A 80A, trong

đó các bước nhỏ được chọn để gia công tinh, lớn để gia công thô

Thời gian mở xung và khoảng ngắt xung ti và t0 cũng là những tham số điều khiển có ảnh hưởng đến chất lượng bề mặt gia công Vấn đề là thời gian mở 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 10 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 thoát 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

15 và 4 cho gia công tinh và ti/to < 1 cho gia công bề mặt siêu tinh

Ở đây ta đi nghiên cứu sự ảnh hưởng của từng thông số công nghệ đến chất lượng bề mặt và năng suất trong quá trình gia công EDM

Điện áp đánh tia lửa điện U Đây là điện áp cần thiết để có thể dẫn đến phóng

tia lửa điện, điện áp đánh lửa Ui càng lớn thì phóng điện càng nhanh và cho phép khe hở phóng điện càng lớn

Thời gian trễ phóng tia lửa điện t d là khoảng thời gian đóng máy phát và 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 lên Ie

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 vật liệu điện cực/phôi Ue không điều chỉnh được Khi bắt đầu xảy ra phóng tia lửa điện thì điện áp tụt xuống từ Ui đến Ue Dòng phóng tia lửa điện Ie: 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 ảnh hưởng chất lượng bề mặt gia công Nói chung là khi Ie tăng thì lượng hớt vật liệu tăng và độ nhám gia công lớn và độ ăn mòn điện cực giảm

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

Độ kéo dài xung ti: là khoảng thời gian giữa hai lần đóng ngắt của máy phát trong cùng 1 chu kỳ phóng tia lửa điện Độ kéo dài xung t i ảnh hưởng đến nhiều yếu tố quan trọng có liên quan trực tiếp đến chất lượng và năng suất gia công như

Tỷ lệ hớt vật liệu Thực nghiệm cho thấy khi giữ nguyên dòng điện Ie và khoảng cách xung t0, nếu ta tăng ti thì ban đầu Vw tăng nhưng chỉ tăng đến giá trị cực đại ở

ti nhất định nào đó sau đó Vw giảm đi, nếu vẫn tiếp tục tăng ti thì năng lượng phóng điện không còn được sử dụng thêm nữa 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 lượng hớt vật liệu với tị được biểu thị ở hình 1.8

Hình 1.8 Mỗi quan hệ giữa Vw và ti

Độ mòn điện cực: Độ mòn của điện cực sẽ giảm đi khi ti tăng dẫn đến lượng hớt vật liệu cực đại Nguyên nhân do mật độ điện tử tập trung ở bề mặt phôi (+) cao hơn nhiều lần so với mật độ ion dương tập trung tới bề mặt dụng cụ (-), trong khi mức độ tăng của dòng điện lại rất lớn Đặc biệt là dòng ion dương chỉ đạt tới cực (+) Do vậy Mối quan hệ giữa độ mòn điện cực với ti được biểu thị ở Hình 1.9

Hình 1.9 Mỗi quan hệ giữa to và ti

Độ nhám bề mặt: Khi tăng ti thì độ nhám Ra cũng tăng do tác dụng của dòng điện được duy trì lâu hơn làm cho lượng hớt vật liệu tăng lên ở một số vị trí và làm cho Ra tăng lên Mối quan hệ giữa ti với độ nhám bề mặt gia công được biểu thị ở Hình 1.10

Hình 1.10 Mỗi quan hệ giữa Rmax và ti (ti = td – te)

Khoảng cách xung t0: là khoảng thời gian giữa hai lần đóng ngắt của máy phát giữa hai chu kỳ phóng tia lửa điện kế tiếp nhau, t0 còn được gọi là độ kéo dài và nghỉ của xung Cùng với tỷ lệ ti/t0, t0 có ảnh hưởng rất lớn đến lượng hớt vật liệu

Khoảng cách t0 càng lớn thì lượng hớt vật liệu Vw càng nhỏ và ngược lại Phải chọn t0 nhỏ như có thể được nhằm đạt một lượng hớt vật liệu tối đa Nhưng ngược lại khoảng cách xung 14 phải đủ lớn đến có đủ thời gian thôi ion hoá chất điện môi trong khe hở phóng điện Nhờ đó sẽ tránh được lỗi của quá trình như tạo hồ quang hoặc dòng ngắn mạch Cũng trong thời gian nghỉ của các xung điện, dòng chảy sẽ đẩy các vật liệu đã bị ăn mòn ra khỏi khe hở phóng điện Do đó, tuỳ thuộc vào kiểu máy và mục đích gia công cụ thể mà người ta lựa chọn t0, ti phù hợp thông qua việc lựa chọn tỷ lệ giữa thời gian xung và thời gian nghỉ ti /to Cụ thể là:

+ Khi gia công rất thô chọn: ti/to>14 + Khi gia công thô chọn: ti/t0 = 10

+ Khi gia công tinh chọn: ti/to = 15/4

+ Khi gia công rất tinh chọn: ti/to < 11

1.3 Gia công cắt dây tia lửa điện

Cắt dây tia lửa điện (WEDM) được giới thiệu vào cuối thập niên 1960 Lúc

đó nó là công nghệ mang tính đột phá và độc nhất vô nhị Thời điểm đó, mặc dù nó thể hiện được khả năng gia công các vật liệu cứng nhưng độ chính xác không vượt trội Do vậy, phương pháp gia công này không thu hút được nhiều sự quan tâm Trong vài chục năm trở lại đây, công nghệ WEDM đã có những sự phát triển vượt bậc Các máy WEDM ngày càng tinh vi hơn và ngày càng thể hiện tính hiệu quả cao và khả năng đạt độ chính xác cao Điểm khác nhau cơ bản giữa cắt dây tia lửa điện hoặc xung định hình sử dụng những điện cực thỏi có hình dạng phức tạp thì trong WEDM điện cực là một sợi dây có đường kính từ 0,1 – 0,3mm

Trong quá trình cắt dây, ngoài sự phối hợp các chuyển động tương đối giữa dây và phôi để tạo ra công tua được cắt, bản thân dây phải có chuyển động dọc trục, được tạo ra do sự cuốn dây liên tục giữa các con lăn Tuỳ theo loại dây điện cực và tuỳ thuộc kiểu máy cắt dây, dây chỉ có thể chỉ được dùng một lần hoặc dùng đi dùng lại nhiều lần do được cuốn qua cuốn lại liên tục trong quá trình gia công

Hình 1.11 Sơ đồ nguyên lí cắt dây tia lửa điện

- WEDM có thể gia công nhiều dạng bề mặt khác nhau với độ chính xác cao như:

- Gia công các lỗ trong khuôn đột, khuôn ép kim loại…

- Gia công điện cực cho máy EDM điện cực thỏi

- Cắt các đường biên dạng phức tạp: biên dạng thân khai của bánh răng, biên dạng cam, cắt đường có biên dạng spline…

- Cắt các mặt 3 chiều đặc biệt như bề mặt bánh răng nghiêng, bề mặt cánh tuabin, các khối nón, khối xoắn ốc, khối parabol, khối elip…

Hình 1.12 Sơ đồ nguyên lí cắt dây tia lửa điện

1.4 Nguyên lí cắt dây tia lửa điện

Trong quá trình gia công, dụng cụ và chi tiết là hai điện cực, trong đó dụng

cụ là catốt, chi tiết là anốt của một nguồn điện một chiều có tần số 50 –500kHz, điện áp 50 – 300V và cường độ dòng điện 0,1 – 500A Hai điện cực này được đặt trong dung dịch cách điện được gọi là chất điện môi

Khi cho hai điện cực tiến lại gần nhau thì giữa chúng có điện trường Khi điện áp tăng lên thì từ bề mặt cực âm có các điện tử phóng ra, tiếp tục tăng điện áp thì chất điện môi giữa hai điện cực bị ion hóa làm cho chúng trở nên dẫn điện, làm xuất hiện tia lửa điện giữa hai điện cực

Nhiệt độ ở vùng có tia lửa điện lên rất cao, có thể đạt đến 12.0000C, làm nóng chảy, đốt cháy phần Kim loại trên cực dương Trong quá trình phóng điện, xuất hiện sự ion hóa cực mạnh và tạo nên áp lực va đập rất lớn, đẩy phoi ra khỏi vùng gia công

Toàn bộ quá trình trên xảy ra trong thời gian rất ngắn từ 10-4 đến 10-7s Sau

đó mạch trở lại trạng thái ban đầu và khi điện áp của tụ được nâng lên đến mức đủ

để phóng điện thì quá trình trên lại diễn ra ở điểm có khoảng cách gần nhất

Phoi của quá trình gia công là những giọt kim loại bị tách khỏi các điện cực và đông đặc lại thành những hạt nhỏ hình cầu và bị đẩy ra khỏi vùng gia công bằng luồng dung môi có áp suất cao Khi các hạt này bị đẩy ra khỏi vùng gia công, khe hở giữa hai điện cực lớn ra và sự phóng điện không còn nữa Để tiếp tục gia công cần di chuyển hai điện cực lại gần nhau và quá trình lặp lại liên tục Gia công bằng tia lửa điện, EDM (Electrical Discharge Machining) là một quá trình tách kim loại bằng một tia lửa điện trong thời gian rất ngắn với cường độ dòng điện lớn giữa dụng cụ cắt và chi tiết.Quá trình EDM có thể so sánh với một phần thu nhỏ của một tia sét

va vào một bề mặt tạo nên vùng tập trung nhiệt lớn làm nóng chảy bề mặt gia công Bản chất vật lý

Đặt một điện áp giữa điện cực và phôi.- Không gian giữa điện cực và phôi phải được điền đầy bởi một chất điện môi.- Cho 2 điện cực tiến lại gần nhau, đến một khoảng cách ( nào đó thì xảy ra sự phóng tia lửa điện, xuất hiện một dòng điện tức thời

Nếu 2 điện cực chạm nhau thì sẽ không có tia lửa điện mà sẽ sảy ra ngắn mạch có hại cho quá trình gia công.- Nếu khe hở quá lớn thì sẽ không thể xảy ra sự phóng tia lửa điện điều đó làm giảm năng suất gia công

Để có thể làm phát sinh tia lửa điện, một điều không thể thiếu được là một thời gian ngắn sau khi đã có dòng điện chạy qua 2 điện cực thì phải ngừng cung cấp năng lượng Đơn giản người ta dùng bộ phát xung RC như trên để cung cấp xung răng cưa

Gia công bằng cắt dây tia lửa điện dễ dàng đạt được dung sai ±0.05mm Trường hợp các thông số của quá trình xung được điều khiển tốt thì có thể đạt được dung sai ±0.003mm

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

Gia công tia lửa điện là sự bóc tách vật liệu nhờ tia lửa điện, khi các tia lửa điện được phóng ra, vật liệu sẽ bị hớt đi bởi một quá trình điện - nhiệt thông qua sự nóng chảy và bốc hơi kim loại Phương pháp này đã xuất hiện trên thế giới trong nửa thế kỷ qua, nó ra đời đã đáp ứng được những yêu cầu về sự phát triển của sản phẩm trong thời đại ngày nay Khi nhu cầu về các vật liệu cứng, lâu mòn và siêu cứng sử dụng cho các tuabin máy điện, động cơ máy bay, dụng cụ, khuôn mẫu, không ngừng tăng lên mà việc gia công những vật liệu đó bằng công nghệ cắt gọt thông thường là vô cùng khó, đôi khi là không thể thực hiện được

Các yếu tố công nghệ sử dụng trong gia công tia lửa điện như dòng điện, điện

áp, thời gian tác dụng của dòng điện, điện cực, chất điện môi, có ảnh hưởng rất lớn

và phức tạp đến hiệu quả của quá trình cắt Vì vậy cần phải nghiên cứu và thiết lập các ảnh hưởng đó đối với từng loại vật liệu, từng máy gia công góp phần nâng cao hiệu quả khai thác và sử dụng các thiết bị, đặc biệt làm nâng cao năng suất và chất lượng gia công

Chương 2 GIỚI THIỆU VỀ MÁY CẮT DÂY JSEDM

2.1 Máy cắt dây tia lửa điện

Máy cắt dây tia lửa điện (EDM Wire Cutting) là một thiết bị gia công tia lửa điện bằng cách sử dụng điện cực là một dây mảnh có đường kính từ 0,1mm đến 0,3mm chạy liên tục theo một contour cho trước theo một chương trình lập sẵn Sơ

đồ một máy gia công tia lửa điện có dạng như ở hình 1.13

Hình 1.13 Sơ đồ một máy cắt dây 2.2 Công dụng của máy cắt dây

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

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

Mối ghép căng của các bộ phận chính của các khuôn dập, khuôn đúc áp lực

và các loại dưỡng kiểm

Rãnh xanga (chấu bóp), bề mặt làm việc của các dao định hình, các lỗ nhỏ trong các chi tiết đặc biệt,

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 có triển vọng ứng dụng trong việc sản xuất 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

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

Ưu điểm:

- Độ chính xác 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

- 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 đặc biệt để có thể sử dụng nhiều lần

- Dây điện cực có kích thước nhỏ (từ 0,1 0,3mm), vật liệu dây thường có độ bền kéo thấp nên trong quá trình gia công cắt (đặc biệt khi gia công cắt 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 lỏng điện môi, vật liệu dây điện cực, hướng và tốc độ cuốn dây điện cực,

Cắt dây bằng tia lửa điện (EDM) là phương pháp chủ yếu đựơc sử dụng để chế tạo các lỗ định hình trong khuôn đột dập, các điện cực dùng cho gia công xung định hình, các dưỡng kiểm, các hình dáng phức tạp,

Khi gia công bằng cắt dây nói chung có ưu điểm là: độ chính xác cao, thao tác vận hành đơn giản Tuy nhiên, chất lượng bề mặt và năng suất gia công phụ thuộc rất nhiều vào các yếu tố công nghệ Vì vậy cần nghiên cứu và thiết lập những mối quan hệ cụ thể giữa các yếu tố đó với năng suất và chất lượng bề mặt khi gia công

Ở nước ta, các công trình nghiên cứu về sự ảnh hưởng của các thông số công nghệ đến quá trình gia công trên máy cắt dây còn ít, chưa theo kịp với sự phát triển của máy móc và nhu cầu sản xuất Đây cũng chính là nguyên nhân để chúng ta lựa chọn hướng đề tài này

Chương 3 MỤC TIÊU, NỘI DUNG, ĐỐI TƯỢNGVÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 3.1 Mục tiêu nghiên cứu

Xuất phát từ lý do chọn đề tài ở trên chúng tác giả đề xuất mục tiêu nghiên cứu là:

Xá định ảnh hưởng của một số thông số chế độ cắt tới ứng suất dư và chất lượng bề mặt khi gia công cắt dây trên thép SKD11

- Đề xuất chế độ cắt hợp lý khi cắt thép SKD11 bằng máy cắt dây EDM

3.2 Nội dung nghiên cứu

Với phạm vi nghiên cứu đã trình bày ở phần trên Để đạt được mục tiêu của đề tài tác giả tập trung giải quyết những nội dung sau:

3.2.1 Nghiên cứu lý thuyết

Nội dung nghiên cứu lý thuyết cần giải quyết các vấn đề sau:

- Nghiên cứu các thông số về điện trong điều khiển máy cắt dây

- Nghiên cứu ảnh hưởng của dòng phóng tia lửa điện Ie, độ kéo dài xung ti, khoảng cách xung to, … các loại dung môi, vận tốc cắt đến bề rộng của rãnh cắt

- Nghiên cứu hưởng ảnh hưởng của ứng suất du bề mặt tới vận tốc cắt đến kích thước và độ nhám của chi tiết

3.2.2 Nghiên cứu thực nghiệm

Nghiên cứu thực nghiệm, quy hoạch thực nghệm để xác định qui luật ảnh hưởng của một số thông số đến chất lượng sản phẩm cũng như ứng suất dư trên bề mặt trong quá trình cắt dây trên thép SKD11 Từ kết quả nghiên cứu thực nghiệm so sánh với kết quả nghiên cứu lý thuyết để kiểm chứng độ tin cậy của phương pháp tính toán và đưa ra kết luận

3.3 Đối tượng nghiên cứu

Dựa trên cơ sở thiết bị hiện có trong thị trường và hiện đang sử dụng trong các nhà máy xí nghiệp, tác giả sử dụng một thiết bị cắt dây EDM cụ thể để nghiên cứu

từ đó khuyến cáo chung cho các loại máy khác Để thực hiện việc nghiên cứu, tác giả sử dụng cụ thể thiết bị sau và vật liệu sau:

3.3.1 Thiết bị nghiên cứu

Máy cắt dây sử dụng có các thành phần ở hình 1.14 và các thông số như ở bảng 1.1

Hình 1.14 Máy cắt dây JSEDM W- B430

Bảng 1.1 Các thông số kỹ thuật của máy cắt dây JS EDM W- B430

Chiều rộng bàn máy (size of worktable surface) 530x320mm Kích thước phôi lớn nhất (max.size of workpiece) 660x520x3000mm Khối lượng phôi lớn nhất (max.weight of workpiece) 500kg

Góc côn cắt được lớn nhất (max.cutting cone taper) 15/22.5mm Đường kính dây điện cực (dia of applied electrode wire) 0,1mm - 0,3mm Tốc độ của dây max (max wire feed rate) 500mm/s

Hệ thống điều khiển trục ( axis drive system ) AC Secvo Dòng điện lớn nhất (max machining current) 25A

Các thông số về điện (power supply of the machine, volt of power

Kích thước toàn máy( machine dimension) 2380x1855x1830

3.3.2 Vật liệu thí nghiệm

Chọn vật liệu làm thí nghiệm là thép làm khuôn dập nguội dạng tấm, mác thép theo tiêu chuẩn JIS - SKD11 (theo tiêu chuẩn ASTM - D2), thành phần hóa học như sau:

Độ giãn dài tương đối (%)

Mô đun đàn hồi E (MPa)

Hệ số ponsion 

Độ cứng sau nhiệt luyện (HRC)

Giá trị 797 Không xuất

3.4 Phương pháp nghiên cứu

3.4.1 Phương pháp nghiên cứu lý thuyết

Dựa vào lý thuyết về điều kiện phóng điên, nhiễu xạ tia X [1],[2],[7],[10], để tính toán bề ứng suất và độ nhám trên mặt cắt Lập công thức tính ứng suất dư và độ nhám bề mặt kim loại ,từ đó phân tích ảnh hưởng của các thông số chế độ cắt đền chất lượng sản phẩm cắt khi cắt dây trên thép SKD11

3.4.2 Phương pháp nghiên cứu thực nghiệm

Sử dụng phương pháp nghiên cứu qui hoạch thực nghiệm để xác định hàm mục tiêu, trên cơ sở đó thiết lập được tương quan giữa hàm mục tiêu với tham số ảnh hưởng

Chương 4 NGHIÊN CỨU LÝ THUYẾT 4.1 Nghiên cứu cắt dây tia lửa điện

Cắt dây tia lửa điện (WEDM) được giới thiệu vào cuối thập niên 1960 Lúc

đó nó là công nghệ mang tính đột phá và độc nhất vô nhị Thời điểm đó, mặc dù nó thể hiện được khả năng gia công các vật liệu cứng nhưng độ chính xác không vượt trội Do vậy, phương pháp gia công này không thu hút được nhiều sự quan tâm Trong vài chục năm trở lại đây, công nghệ WEDM đã có những sự phát triển vượt bậc Các máy WEDM ngày càng tinh vi hơn và ngày càng thể hiện tính hiệu quả cao và khả năng đạt độ chính xác cao Điểm khác nhau cơ bản giữa cắt dây tia lửa điện hoặc xung định hình sử dụng những điện cực thỏi có hình dạng phức tạp thì trong WEDM điện cực là một sợi dây có đường kính từ 0,1 – 0,3mm

Trong quá trình cắt dây, ngoài sự phối hợp các chuyển động tương đối giữa dây và phôi để tạo ra công tua được cắt, bản thân dây phải có chuyển động dọc trục, được tạo ra do sự cuốn dây liên tục giữa các con lăn Tuỳ theo loại dây điện cực và tuỳ thuộc kiểu máy cắt dây, dây chỉ có thể chỉ được dùng một lần hoặc dùng đi dùng lại nhiều lần do được cuốn qua cuốn lại liên tục trong quá trình gia công

Hình 1.15 Sơ đồ nguyên lí cắt dây tia lửa điện

- WEDM có thể gia công nhiều dạng bề mặt khác nhau với độ chính xác cao như:

- Gia công các lỗ trong khuôn đột, khuôn ép kim loại…

- Gia công điện cực cho máy EDM điện cực thỏi

- Cắt các đường biên dạng phức tạp: biên dạng thân khai của bánh răng, biên dạng cam, cắt đường có biên dạng spline…

- Cắt các mặt 3 chiều đặc biệt như bề mặt bánh răng nghiêng, bề mặt cánh tuabin, các khối nón, khối xoắn ốc, khối parabol, khối elip…

Hình 1.16 Sơ đồ nguyên lí cắt dây tia lửa điện

4.1.1 Nguyên lí cắt dây bằng Tia lửa điện

Trong quá trình gia công, dụng cụ và chi tiết là hai điện cực, trong đó dụng

cụ là catốt, chi tiết là anốt của một nguồn điện một chiều có tần số 50 –500kHz, điện áp 50 – 300V và cường độ dòng điện 0,1 – 500A Hai điện cực này được đặt trong dung dịch cách điện được gọi là chất điện môi

Khi cho hai điện cực tiến lại gần nhau thì giữa chúng có điện trường Khi điện áp tăng lên thì từ bề mặt cực âm có các điện tử phóng ra, tiếp tục tăng điện áp thì chất điện môi giữa hai điện cực bị ion hóa làm cho chúng trở nên dẫn điện, làm xuất hiện