Nghiên cứu ảnh hưởng của một số thông số công nghệ tới năng suất và độ nhám bề mặt khi gia công bằng điện cực dây

Để góp phần nghiên cứu phát triển phương pháp gia công cắt dây tia lửa điện, tác giả đã tập chung vào nghiên cứu một số ảnh hưởng của các thông số công nghệ cụ thể là điện áp đánh lửa và

KHI GIA CÔNG BẰNG ĐIỆN CỰC DÂY

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

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

- PHẠM NGỌC PHA

NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA MỘT SỐ THÔNG SỐ CÔNG NGHỆ

TỚI NĂNG SUẤT VÀ ĐỘ NHÁM BỀ MẶT KHI GIA CÔNG

MỤC LỤC

DANH MỤC CÁC THUẬT NGỮ VÀ CÁC CHỮ VIẾT TẮT 6

DANH M ỤC CÁC BẢNG 7

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ 8

Lời nói đầu 9

Ch ương 1 TỔNG QUAN VỀ GIA CÔNG TIA LỬA ĐIỆN 12

1.1 Sự xuất hiện và đặc điểm của gia công tia lửa điện 12

1.2 Sự phát triển phương pháp gia công điện cực dây và yêu cầu thực tế cần giải quyết 13

1.3 Kh ả năng công nghệ khi gia công tia lửa điện 13

1.4 Một số phương pháp gia công bằng tia lửa điện 16

1.5 Bản chất của phương pháp gia công tia lửa điện 18

1.5.1 B ản chất vật lý 18

1.5.2 Cơ chế của quá trình tách kim loại bằng tia lửa điện 20

1.5.3 Các hiện tượng xấu khi gia công tia lửa điện 21

1.5.3.1 H ồ quang 21

1.5.3.2 Ngắn mạch, sụt áp 22

1.5.3.3 Xung mạch mở không có dòng điện 22

1.5.3.4 S ự quá nhiệt của chất điện môi 23

1.5.3.5 Các yếu tố không điều khiển được 23

1.6 Các thông số đặc trưng của xung điện 23

1.6.1 Điện áp khởi tạo U i (V) 24

1.6.2 Điện áp phóng tia lửa điện U e (V) 24

1.6.3 Thời gian kéo dài xung t i (µs) 25

1.6.4 Kho ảng cách xung t 0 (µs) 25

1.6.5 Thời gian trễ đánh lửa td (µs) 25

1.6.6 Khe hở phóng điện δ 25

1.7 Chất lượng bề mặt 26

1.7.1 Độ nhám bề mặt 26

1.7.2 Vết nứt tế vi và các ảnh hưởng về nhiệt 26

1.7.3 Độ chính xác tạo hình khi gia công tia lửa điện 28

1.8 Chất điện môi trong gia công tia lửa điện 29

1.8.1 Nhiệm vụ của chất điện môi 29

1.8.1.1 Cách điện 29

1.8.1.2 Ion hóa. 29

1.8.1.3 Làm nguội 30

1.8.1.4 V ận chuyển phoi 30

1.8.2 Các lo ại chất điện môi 30

1.8.3 Các tiêu chuẩn đánh giá chất điện môi 31

1.8.4 Các lo ại dòng chảy chất điện môi và các lỗi của dòng chảy 32

1.8.5 H ệ thống lọc chất điện môi 34

KẾT LUẬN CHƯƠNG 1: 35

Chương 2 MÁY CẮT DÂY VÀ CÁC THÔNG SỐ ĐIỀU CHỈNH TRONG QUÁ TRÌNH GIA CÔNG 36

2.1 Sơ bộ về máy cắt dây tia lửa điên 36

2.1.1 Công dụng của máy cắt dây 39

2.1.2 Ưu, nhược điểm của phương pháp gia công cắt dây tia lửa điện 40

2.1.2.1 Ưu điểm 40

2.1.2.2 Nhược điểm 40

2.2 Độ chính xác gia công cắt dây tia lửa điện 41

2.3 Điện cực và vật liệu điện cực 44

2.3.1 Yêu cầu của vật liệu điện cực 44

2.3.2 Các lo ại dây điện cực 44

2.4 Sự thoát phoi trong cắt dây tia lửa điện 45

2.5 Nhám bề mặt khi cắt dây 46

2.6 Các thông số về điện trong điều khiển máy cắt dây tia lửa điện 46

2.6.1 Dòng phóng tia lửa điện Ie và bước của dòng điện 46

2.6.2 Độ kéo dài xung t i 47

2.6.3 Kho ảng cách xung t 0. 47

2.6.4 Điện áp đánh lửa U z (hay Ui) 47

2.6.5 Khe hở phóng điện 47

2.7 Lập trình gia công trên máy cắt dây 48

2.7.1 Các trục điều khiển và hệ tọa độ 48

2.7.2 Các chức năng “G” 49

KẾT LUẬN CHƯƠNG 2 58

Ch ương 3 NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA MỘT SỐ THÔNG SỐ CÔNG NGHỆ KHI GIA CÔNG CẮT DÂY TIA LỬA ĐIỆN 59

1 Mục tiêu và phương pháp tiến hành thí nghiệm 59

2 Thiết kế thí nghiệm 59

3 Điều kiện tiến hành thí nghiệm 60

3.1 Máy gia công. 60

3.2 Phôi li ệu gia công 63

3.3 Các dụng cụ đo kiểm 65

4 Ảnh hưởng của điện áp đánh lửa tới năng suất và độ nhám bề mặt 66

4.1 Ảnh hưởng của điện áp đánh lửa tới năng suất cắt 66

4.2 Ảnh hưởng của điện áp đánh lửa tới độ nhám bề mặt 68

5 Ảnh hưởng của dòng phóng tia lửa điện đến năng suất và nhám bề mặt 71

5.1 Ảnh hưởng của dòng phóng tia lửa điện đến năng suất cắt 72

5.2 Ảnh hưởng của dòng phóng tia lửa điện đến độ nhám bề mặt 74

6 Ảnh hưởng tổng hợp của U i và I e t ới năng suất cắt và độ nhám bề mặt 77

6.1 Ảnh hưởng tổng hợp của U i và Ie t ới năng suất cắt V 78

6.2 Ảnh hưởng tổng hợp của U i và Ie tới độ nhám bề mặt R a 81

K ẾT LUẬN CHƯƠNG 3 86

KẾT LUẬN CHUNG 87

TÀI LIỆU THAM KHẢO 89

L ỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan, đây là luận văn của riêng tôi Các số liệu trong luận văn được đo đạc một cách trung thực và chính xác tại các phòng thí nghiệm

có uy tín Các kết quả của luận văn chưa từng được công bố trong bất kỳ một tài liệu nào

Hà Nội, ngày 16 tháng 8 năm 2010

Người cam đoan

Phạm Ngọc Pha

L ỜI CẢM ƠN

Tôi xin chân trọng cảm ơn Bộ môn Công nghệ Chế tạo máy – Viện Cơ khí – Trường Đại học Bách khoa Hà Nội, công ty cơ khí Sao Mai, phòng đo lường – Trung tâm Emco – Trường Đại học Bách khoa Hà Nội đã tạo mọi điều kiện và giúp đỡ tôi trong suốt quá trình học tập và nghiên cứu

Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến GS.TS.Trần Văn Địch, người hướng dẫn khoa học cho tôi Tôi cũng xin chân thành cảm ơn các thầy cô giáo, các bạn đồng nghiệp đã đóng góp nhiều ý kiến quý báu và giúp đỡ tận tình để luận văn được hoàn thành

DANH M ỤC CÁC THUẬT NGỮ VÀ CÁC CHỮ VIẾT TẮT

1 NC Numerical Control

2 CNC Computer Numerical Control

3 EDM Electrical Discharge Machining

4 WEDM Wire Electrical Discharge Machining

5 CAD Computer Aided Design

6 CAM Computer Aided Manufacturing

7 We Năng lượng tách vật liệu

8 Ue Điện áp phóng tia lửa điện

9 Ie Dòng phóng tia lửa điện

3.9 Ảnh hưởng tổng hợp của Ui và Ie tới V và R a 78 3.10 Ảnh hưởng tổng hợp của Ui và Ie tới V 78 3.11 Bảng logarit hóa các thông số ảnh hưởng tới V 79 3.12 Bảng ma trận quy hoạch thực nghiệm cho V 79 3.13 Ảnh hưởng tổng hợp của Ui và Ie tới Ra 81 3.14 Bảng logarit hóa các thông số ảnh hưởng tới Ra 83 3.15 Bảng ma trận quy hoạch thực nghiệm cho Ra 83

DANH M ỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ

1.1 Một số chi tiết được gia công tia lửa điện 14

1.4 Đồ thị dòng điện và điện áp trong một xung điện 24

1.5 Cấu trúc tế vi lớp kim loại bề mặt sau khi gia công EDM 27

2.6 Sự cân bằng về lực khi cắt thẳng và sai số hình học khi cắt góc 43

2.7 Các trường hợp khó khăn đối với dòng chảy đồng trục 45

2.8 Khe hở phóng điện trong gia công cắt dây tia lửa điện 46

2.9 Các lệnh dich chuyển đường kính dây G41/G42 54

3.9 Đồ thị thực nghiệm biểu diễn quan hệ giữa V và Ui 67

3.10 Đồ thị biểu diễn đường lý thuyết và các điểm thực nghiệm của U i và

V

68

3.11 Kết quả đo độ nhám của các mẫu thí nghiệm (1.1 ÷ 1.4) 69

3.12 Đồ thị thực nghiệm biểu diễn mối quan hệ giữa Ui và Ra 70

3.13 Đồ thị biểu diễn đường lý thuyết , các điểm thực nghiệm của U i và R a 71

3.14 Đồ thị thực nghiệm biểu diễn mối quan hệ giữa Ie và V 72

3.15 Đồ thị biểu diễn đường lý thuyết và các điểm thực nghiệm của I e và V 74

3.16 Kết quả đo độ nhám của các mẫu thí nghiệm (2.1 ÷ 2.4) 75

3.17 Đồ thị thực nghiệm biểu diễn mối quan hệ giữa Ie và Ra 76

3.18 Đồ thị biểu diễn đường lý thuyết và các điểm thực nghiệm của I e và

R a

77

3.19 Đồ thị 3D biểu diễn mối quan hệ giữa V với Ui và Ie 81

3.20 Kết quả đo độ nhám của các mẫu thí nghiệm (3.1 ÷ 3.4) 82

3.21 Đồ thị 3D biểu diễn mối quan hệ giữa Ra với Ui và Ie 85

L ời nói đầu

Ngày nay, đổi mới công nghệ là một nhu cầu cấp thiết của mọi nền sản

xuất và của mọi quốc gia Cùng với sự phát triển mạnh mẽ của khoa học và công nghệ, công nghệ vật liệu cũng phát triển rất mạnh mẽ Chúng mang đến những đặc tính mới về vật liệu, tăng độ cứng, độ bền Các loại vật liệu mới này nhiều khi không thể gia công được bằng các công nghệ gia công truyền

thống Do đó, các phương pháp gia công phi truyền thống ngày càng thể hiện được vai trò quan trọng của nó

Gia công tia lửa điện nói chung và gia công cắt dây tia lửa điện nói riêng xuất hiện cách đây hơn nửa thế kỷ, tuy nhiên các phương pháp này mới chỉ được áp dụng vào sản xuất ở Việt Nam trong thời gian ngắn Vì là phương pháp gia công tiên tiến nên nhiều nhà sản xuất chỉ bán máy chứ không bán công nghệ cho chúng ta, hoặc khi phải gia công các vật liệu mới không có trong thư viện thông số kỹ thuật của máy Trong những trường hợp như vậy việc xác định thông số công nghệ tối ưu để vừa đạt được chất lượng gia công theo yêu cầu, vừa đạt được năng suất gia công cao nhất là điều hết sức khó khăn

Để góp phần nghiên cứu phát triển phương pháp gia công cắt dây tia lửa điện, tác giả đã tập chung vào nghiên cứu một số ảnh hưởng của các thông

số công nghệ (cụ thể là điện áp đánh lửa và dòng phóng tia lửa điện) đối với năng suất và độ nhám bề mặt của chi tiết gia công Tác giả đã xác định được các phương trình và các đồ thị diễn tả quan hệ giữa các thông số công nghệ

với năng suất và độ nhám bề mặt Từ các phương trình và các đồ thị đó, người làm công nghệ có thể xác định được một bộ thông số để đảm bảo được năng suất và chất lượng chi tiết gia công theo yêu cầu Chính vì vậy tác giả

đã chọn nghiên cứu đề tài:

“Nghiên c ứu ảnh hưởng của một số thông số công nghệ tới năng suất

và độ nhám bề mặt khi gia công bằng điện cực dây”

1 M ục tiêu nghiên cứu của đề tài

Mục tiêu chính của đề tài là nghiên cứu độ nhám bề mặt và năng suất cắt khi gia công bằng điện cực dây, mối quan hệ của nó với một số thông số công nghệ Đây chính là hai yêu cầu quan trọng nhất đối với phương pháp

cắt dây

2 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

Đối tượng nghiên cứu là phương pháp gia công cắt dây tia lửa điện Cụ thể tiến hành thí nghiệm cắt các mẫu thử bằng máy cắt dây Goldsun – GS40B của Trung Quốc Máy cắt dây này của công ty cơ khí Sao Mai Phôi liệu dùng để gia công là thép tấm có kích thước 200 × 30 × 10 mm Mác thép

là 65Γ

Phạm vi nghiên cứu là xác định ảnh hưởng điện áp đánh lửa (Ui) và dòng phóng tia lửa điện (Ie) đối với năng suất cắt và độ nhám bề mặt của chi tiết gia công bằng điện cực dây

3 Phương pháp nghiên cứu

Dùng phương pháp nghiên cứu lý thuyết kết hợp với nghiên cứu thực nghiệm để khảo sát quá trình cắt dây tia lửa điện theo các nội dung sau:

- Nghiên cứu tổng quan về gia công tia lửa điện và cắt dây tia lửa điện

- Tiến hành cắt thử các mẫu với các thông số công nghệ cần khảo sát thay đổi Đo độ nhám và xác định năng suất cắt

- Xử lý số liệu thực nghiệm, xây dựng công thức toán học và đồ thị để

diễn tả mối quan hệ giữa các thông số thay đổi với năng suất và độ nhám bề

mặt

Trong quá trình nghiên cứu, tác giả phải đọc các tài liệu, sách báo có liên quan, trao đổi với giáo viên hướng dẫn và các nhà khoa học chuyên ngành để tìm được phương pháp nghiên cứu phù hợp nhất

4 Ý nghĩa khoa học và ý nghĩa thực tiễn của đề tài

Ý nghĩa thực tiến

Bằng các công thức và đồ thị diễn tả quan hệ giữa các thông số công nghệ với năng suất cắt và độ nhám bề mặt khi gia công cắt dây trên máy Goldsun – GS40B, người sử dụng máy có thể tìm được một bộ thông số công nghệ điều khiển máy để đạt được năng suất cao nhất và chất lượng sản phẩm đạt yêu cầu Do đó góp phần vào nâng cao năng suất và hạ giá thành sản phẩm

Chương 1 TỔNG QUAN VỀ GIA CÔNG TIA LỬA ĐIỆN

1.1 S ự xuất hiện và đặc điểm của gia công tia lửa điện

Nửa cuối thế kỷ 20, nhu cầu về vật liệu cứng, lâu mòn và siêu cứng sử

dụng cho tuabin máy điện, động cơ máy bay, dụng cụ cắt, khuôn mẫu … tăng lên không ngừng ở các nước công nghiệp phát triển Việc gia công các

vật liệu này bằng công nghệ truyền thống là rất khó khăn, đôi khi không giải quyết được Do vậy, một nhu cầu thực tế đặt ra là có một phương pháp gia công mới để đáp ứng được sự phát triển không ngừng của vật liệu Tới những năm 1943, hai vợ chồng nhà bác học Lazarenco người Nga mới tìm được phương pháp gia công tia lửa điện Phương pháp gia công mới này sử

dụng tia lửa điện để hớt kim loại mà không phụ thuộc vào độ cứng của vật liệu phôi Quá trình hớt kim loại như vậy được gọi là gia công tia lửa điện (Electrical Discharge Machining – EDM)

Gia công tia lửa điện có 3 đặc điểm lớn như sau:

- Điện cực ( đóng vai trò dụng cụ) có độ cứng thấp hơn nhiều lần so với

độ cứng của phôi

- 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 một dung dịch không dẫn điện ở điều kiện bình thường

Trong công nghiệp thường sử dụng 2 phương pháp gia công tia lửa điện:

- Gia công tia lửa điện bằng xung định hình (EDM – Die sinking) là phương pháp mà điện cực là một hình không gian là âm bản của chi tiết cần gia công

- Gia công tia lửa điện bằng cắt dây (EDM – Wire Cutting) là phương pháp mà điện cực là một dây mảnh ( Ф = 0,1 – 0,3 mm) được cuốn liên tục và được chạy theo một côngtua cho trước Nó sẽ cắt phôi theo đường côngtua đó Gia công bằng điện cực dây thường được áp dụng trong các trường hợp sau:

• Điện cực dùng trong xung định hình

• Các rãnh định hình trong khuôn đột dập

• Các dưỡng đo kiểm

• Cắt các hình dán 3D đặc biệt

• Cắt các côngtua phức tạp

1.2 S ự phát triển phương pháp gia công điện cực dây và yêu cầu thực tế

và máy cắt dây nói riêng đòi hỏi khá nhiều bí quyết công nghệ Ngày nay có khuynh hướng đưa ra nhiều máy thông minh, một số thông số công nghệ tối

ưu đã được cài đặt từ trước Điều đó làm giảm bớt các dữ liệu đầu vào mà người đứng máy phải quan tâm

Ở Việt Nam hiện nay vẫn sử dụng chủ yếu các loại máy cắt dây thế hệ cũ, các thông số công nghệ cần phải được thiết lập bởi người lập trình Có nhiều máy cắt dây không được chuyển giao các thông số công nghệ tối ưu, hoặc sử

dụng các loại vật liệu khác so với trong tài liệu công nghệ Do vậy việc xác định ảnh hưởng của các thông số công nghệ đến năng suất và chất lượng của chi tiết được gia công bằng điện cực dây là vấn đề cần phải được giải quyết

để đáp ứng với nhu cầu thực tế trong nước

1.3 Kh ả năng công nghệ khi gia công tia lửa điện

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,

1 = 3mm 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 xá 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)

Hình 1.1.M ột số chi tiết được gia công tia lửa điện

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

1.4 M ột số phương pháp gia công bằng tia lửa điện

Dựa vào bản chất vật lý người ta chia gia công tia lửa điện ra hai loại chính là gia công xung định hình (gia công xung) và gia công điệnc cực dây (gia công cắt dây), hai loại hình gia công này đang được dùng rộng rãi trong các ngành công nghiệp Ngoài ra còn một số loại hình gia công tia lửa điện mang tính kết hợp nhiều phương pháp:

- Phay tia lửa điện (Milling EDM): loại hình gia công này dùng điện cực chuẩn hình trụ quay để thực hiện ăn mòn tia lửa điện theo cách dùng dao phay thông thường Lỗ khuôn được hình thành nhờ sự đi xuống của điện cực

để đạt độ sâu mong muốn Năng suất gia công bằng phay tia lửa điện tương đương năng suất gia công xung định hình

- Phủ bằng tia lửa điện (EDD): đây là phương pháp dùng hiệu quả ăn mòn tia lửa điện phủ các bánh mài sau khi nó bị mòn do mài các vật liệu rắn Yêu

cầu bánh mài cũng phải dẫn được điện Bánh mài kim cương liên kết kim loại thường làm theo phương pháp này Đặt điện áp xung vào giữa điện cực

và bánh mà, tia lửa điện sinh ra sẽ bóc chất kết dính đệ lộ ra các hạt mài, do

đó làm sắc đá

- Gia công tia lửa điện kết hợp siêu âm (Ultrasonic Aided EDM): dùng điện cực dụng cụ rung theo tần số của siêu âm kết hợp phóng tia lửa điện để bóc tách kim loại, sự rung của siêu âm giúp tăng cường sự ổn định và tăng năng suất gia công

- Mài bằng tia lửa điện (Abrasive EDM): đây là một cách gia công kết

hợp giữa mài truyền thống với gia công tia lửa điện Loại hình này đặc biệt

hữu hiệu với vật liệu siêu cứng và vật liệu kim cương đa tinh thể

- Gia công xung định hình siêu nhỏ (MEDM): là loại gia công xung định hình với điện cực quay nhanh khoảng 10000 vòng/phút Đường kính điện cực nhỏ khoảng 5 µm Cách làm này có thể gia công được các lỗ siêu nhỏ hoặc có hình dáng phức tạp Các điện cực được chế tạo theo phương pháp

kết hợp mài – cắt dây Khả năng của phương pháp cho gia công lỗ từ 25 µm đến 250µm với độ chính xác 1 – 2 µm Việc gia công phải được thực hiện dưới kính hiển vi

- Gia công cắt dây siêu nhỏ (MWEDM): là phương pháp cắt dây dùng tungsten có đường kính nhỏ khoảng 10 µm Loại hình này được áp dụng cho

gia công chi tiết có kích thước từ 0,1 đến 1 mm Vật liệu khó gia công, chi

- Gia công xung định hình: Đó là gia công tia lửa điện dùng điện cực định hình, máy gia công thường được gọi là máy xung, điện cực có hình không gian, in hình âm bản của điện cực dụng cụ vào phôi tạo thành một lòng khuôn Điện cực dụng cụ có 3 nhóm vật liệu là: Nhóm vật liệu kim loại như đồng điện phân, đồng volfram, đồng thau, thép; nhóm vật liệu phi kim loại như graphit; nhóm vật liệu pha trộn như đồng – graphit Gia công xung định hình có năng suất lớn, độ chính xác cao, tuy nhiên điện cực bị mòn, sau một thời gian cần thay điện cực Điện cực dụng cụ được tạo ra trong quá trình gia công cắt dây hoặc tạo ra bằng graphit

- Gia công điện cực dây (gia công cắt dây): dùng dây cắt là một điện cực, điện cực kia là phôi, phôi phải dẫn điện Dây có thể dùng một lần hoặc quấn

đi quấn lại nhiều lần trên một rulo Bộ dẫn dây quấn chạy tại chỗ còn chi tiết

có các chuyển động cần thiết để tạo hình Khi cắt còn cần có sự tham gia của

bộ dẫn dây tạo ra độ nghiêng cần thiết cho gia công Gia công điện cực dây

có năng suất cắt cao, độ chính xác tạo hình trong khoảng 0,002 đến 0,003

mm, sai lệch profin trung bình Ra = 0,63µm khi gia công thô và Ra = 0,18µm khi gia công tinh Ảnh hưởng đến độ chính xác chi tiết là hàng loạt các yếu tố sai số ban đầu: sai số kết cấu máy, hệ thống đo, độ không thẳng, không vuông góc giữa các phương chuyển động của bàn máy, sai số do rung động, do biến dạng của bộ đỡ dây … Để hạn chế các sai số, cần khởi động máy chạy ổn định trước khi đi vào gia công; chọn vật liệu phù hợp về độ biến dạng dài cũng như biến dạng nhiệt Khi cắt phôi có bề dày lớn, hoặc cắt

có độ bóng cao cần tăng lực căng dây

1.5 B ản chất của phương pháp gia công tia lửa điện

Thực chất của phương pháp gia công tia lửa điện là sự 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 1.2

Hình 1.2 Sơ đồ nguyên lý gia công tia lửa điện

Quá trình tách vật liệu ra khỏi bề mặt phôi cụ thể như sau:

Một điện áp đặt vào giữa điện cực và phôi (như ở hình 1.2) Không gian

giữa 2 điện cực 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 một 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 tia lửa điện Do có sự xuất hiện của tia lửa điện đó đã bóc đi một lớp vật liệu trên bề mặt phôi tạo thành 1 vết cắt Xét cụ thể diễn biến của

một chu kỳ phóng điện diễn ra ở 3 pha như sau:

_

+

1

2 3

Pha 1: Pha đánh lửa

Máy phát tăng điện áp khởi động qua một khe hở (đóng điện áp máy phát

ui) Dưới ảnh hưởng của điện trường, từ cực âm (catốt) bắt đầu phát ra các điện tử và chúng bị hút về phía cực dương (anốt) 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 mạnh

nhất 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 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 1.3 Các pha trong m ột chu kỳ phóng điện

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 và ion dương) 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

bóng hơi sẽ đẩy chất lỏng điện môi sang 2 bên Nhưng có độ nhớt nên chất điện môi tạo ra một sự cản trở, hạn chế sự lớn lên của kênh phóng điện giữa

các điện cực

Lõi của bọt hơi bao gồm một kênh plasma Plasma này là một chất khí có

lẫn các điện tử và các ion dương ở áp suất cao (khoảng 1kbar) và nhiệt độ

cực lớn (10.000oC) Khi kênh plasma này được tạo thành đầy đủ thì điện áp qua khe hở đạt tới mức của điện áp phóng tia lửa điện Ue Giá trị của điện áp

Ue là một hằng số vật lý phụ thuộc vào sự phối hợp vật liệu anốt/catốt (Ví dụ cặp vật liệu đồng/thép thì Ue = 40V)

Chất điện môi giữ kênh plasma và cũng là giữ cho năng lượng có một độ

tập trung cục bộ Sự va chạm của các điện tử lên anốt và của các ion dương lên catốt 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 kim loại nóng chảy bị đẩy ra khỏi kênh phóng điện và

bốc hơi

Sự phóng điện có thể kéo dài từ vài µs đến vài trăm µs, tùy thuộc vào công dụng Giữa các xung có thời gian trễ t0 (là thời gian giữa các xung), cho phép chất điện môi thôi ion hóa và có thời gian để vận chuyển phôi ra

khỏi khe hở giữa các điện cực nhờ dòng chảy của chất điện môi 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 Điều này không phải là luôn luôn cố định Nó còn phụ thuộc vào chế độ phóng điện, vào việc chọn cặp vật liệu và sự đấu cực

1.5.2 Cơ chế của quá trình tách kim loại bằng tia lửa điện

Trước hết, muốn tách vật liệu ra khỏi phôi thì phải có năng lượng tách vật

liệu

We = Ue.Ie.te Trong đó Ue và Ie là các giá trị trung bình của điện áp và dòng tia lửa điện được lấy trong khoảng thời gian xung; te là thời gian xung, U e là hằng

số phụ thuộc vào cặp vật liệu điện cực và phôi nên thực chất We chỉ phụ

thuộc vào Ie và te Thực tế dòng điện tổng cộng qua kênh plasma qua khe hở phóng điện là tổng của các dòng điện tử chạy tới điện cực dương và các dòng ion dương chạy tới điện cực âm Tuy nhiên do khối lượng của các ion dương lớn hơn nhiều lần so với khối lượng của các electron cho nên tốc độ của các electron có tốc độ lớn nhiều lần so với tốc độ của các ion dương Vì vậy thực

chất dòng điện do các ion dương chuyển động về cực âm là rất nhỏ so với dòng các electron chuyển động về cực dương Do đó có thể bỏ qua dòng điện

do chuyển động của các ion dương nên mật độ các electron tập trung tại cực dương cao hơn nhiều so với mật độ của ion dương tại cực âm Khi đó mức

độ tăng của dòng điện khi bắt đầu có sự phóng điện là rất lớn, điều này gây

ra sự nóng chảy mạnh ở cực dương Trong khi đó do dòng các ion dương tới

cực âm là nhỏ nên không gây ra hiện tượng ăn mòn ở cực âm

Một lý do quan trọng để tách vật liệu nóng chảy ra khỏi bề mặt là do sự biến mất đột ngột của kênh plasma điều này dẫn đến sự sụt giảm áp suất đột ngột xuống bằng áp suất môi trường xung quanh, trong khi đó nhiệt độ không giảm nhanh như vậy dẫn đến sự nổ và bốc hơi khối lượng kim loại nóng chảy đó Tốc độ cắt dòng điện và mức độ sụt giảm áp suất quyết định đến sự nổ và bốc hơi của lớp kim loại nóng chảy Trong đó thời gian sụt của dòng điện là yếu tố quyết định tới độ nhám gia công

1.5.3 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 trình gia công tia lửa điện Các hiện tượng chủ

khỏi khe hở phóng điện Hồ quang xảy ra ở khoảng cách giữa các xung

Nếu khoảng cách xung quá ngắn thì một cầu tia lửa điện được tập hợp

bởi các ion và các phần tử bị ăn mòn điện vẫn được duy trì, xung tiếp theo sẽ

xảy ra lập tức và đốt cháy ở cùng một điểm với xung có trước Như vậy một

sự phóng điện liên tiếp lặp đi lặp lại sẽ xảy ra ở cùng một điểm của phôi Khi

đó sẽ không xảy ra các miệng “núi lửa” ăn mòn liên tiếp bên cạnh nhau, mà

sẽ tạo ra một lỗ sâu trên bề mặt phôi Cả điện cực và phôi đều bị hư hại và chúng không thể sử dụng được nữa

Tóm lại, hồ quang sẽ xảy ra khi:

- Dòng chảy của chất điện môi quá yếu

- Khoảng cách xung t0 quá ngắn

1.5.3.2 Ngắn mạch, sụt áp

Dòng điện chạy từ điện cực qua phôi mà không có sự phóng tia lửa điện được gọi là dòng ngắn mạch Các phép đo và kiểm tra bằng điện tử sẽ phát hiện được dòng ngắn mạch khi điện áp sụt tới một giá trị rất thấp, xấp xỉ 0, trong khi dòng điện đạt giá trị max

Sự ngắn mạch không chỉ ngăn cản sự hớt vật liệu mà còn làm hư hại cấu trúc của phôi Dòng điện mạnh khi ngắn mạch sẽ tạo ra nhiệt ảnh hưởng sâu vào phôi Tóm lại dòng ngắn mạch bị gây ra bởi:

- Sự tiếp xúc trực tiếp của điện cực vào phôi

- Các phần tử bị kẹt trong khe hở phóng điện

- Chiều rộng khe hở quá nhỏ và dòng chảy quá yếu

Điều kiện mà trong đó các xung không gây ra sự phóng tia lửa điện thì được gọi là các xung mạch mở Các phép đo điện tử sẽ xác nhận rằng có 1 xung mạch mở khi điện áp đánh lửa không sụt giảm Sự tăng số lượng các xung mạch mở sẽ làm giảm hiệu quả phóng điện

Các xung mạch mở bị gây ra bởi:

- Chiều rộng khe hở phóng điện quá lớn

- Dòng chảy quá mạnh, thổi hết ion ra khỏi vùng gia công

Các xung mạch mở không gây ra sự hớt vật liệu và cũng không làm hư hại bề mặt gia công Chúng chỉ làm giảm năng suất gia công

1.5.3.4 S ự quá nhiệt của chất điện môi

Khi vùng gia công rất rộng nhưng chiều rộng khe hở phóng điện lại quá

nhỏ (gia công tinh khuôn lớn), chất điện môi trở nên nóng đến mức nó bị phân hủy rất mạnh thành cacbon

Các phân tử cacbon này khi được tạo nên sẽ tăng tính dẫn điện của chất điện môi khiến cho quá trình gia công bị nhiễu loạn bởi hồ quang thường xuyên

Nếu cacbon cũng bị lắng đọng trên bề mặt điện cực thì nó sẽ gây ra sự không ổn định do ngắn mạch

Khi chất điện môi bị quá nhiệt, phải tìm cách tối ưu hóa điều kiện dòng chảy

Ngoài các yếu tố đã nêu ở trên ảnh hưởng tới quá trình gia công tia lửa điện thì còn các yếu tố khác không điều khiển được trong quá trình gia công

Đó là các yếu tố nhiễu như:

- Nhiễu hệ thống: Là các yếu tố thuộc về thiết bị như độ ổn định của thiết

bị, độ rung, ổn định nhiệt, độ chính xác của các thước đo, khả năng và độ chính xác truyền động, lắp đặt bố trí máy và các thành phần thuộc đồ gá, …

Và sai lệch thuộc hệ thống điều khiển

- 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 kiện 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

1.6 Các thông s ố đặc trưng của xung điện

Các thông số đặc trưng của xung điện bao gồm: điện áp khởi tạo Ui (hoặc

Uz), điện áp phóng tia lửa điện Ue, thời gian kéo dài xung ti, khoảng cách xung t0, dòng phóng tia lửa điện Ie, thời gian trễ đánh lửa td, khe hở phóng điện δ

t e – độ kéo dài xung

Hình 1.4 mô tả đặc tính điện áp và dòng điện trong một xung phóng điện Trên hình vẽ, đường đặc tính điện áp xung điện có giá trị ban đầu là điện áp

khởi tạo Ui (hoặc Uz), với các máy trước đây điện áp khởi tạo thường từ 80vôn đến 110 vôn, máy thế hệ mới thì giá trị điện áp khởi tạo thường là 150 vôn đến 350 vôn Khi gia công tinh người ta hay dùng điện áp cao vì nhanh chóng tạo ra một xung điện nhưng diện tích bên dưới đường cong đặc tính nhỏ, công suất xung nhỏ và độ nhấp nhô bề mặt nhỏ

Khe hở phóng điện luôn tỷ lệ thuận với điện áp khởi tạo Ui

Khi bắt đầu phóng tia lửa điện, điện áp tụt từ Ui đến Ue (dòng điện tăng

từ 0 đến Ie), đây là giá trị trung bình trong suốt thời gian phóng tia lửa điện Điện áp phóng tia lửa điện là một hằng số vật lý phụ thuộc vào cặp vật liệu phôi – dây, giá trị này không điều chỉnh được (Ví dụ với cặp vật liệu đồng – thép thì Ue = 40V)

Giá trị Ue là một giá trị trung bình, dải làm việc của Ue đi từ Uemax đến Uemin được điều khiển bởi hệ điều khiển Hiệu số (Uemax – Uemin) gọi là độ

nhạy của hệ thống điều khiển Hiệu số càng nhỏ thì độ nhạy càng cao, máy

kém ổn định, hiệu số càng lớn thì độ nhạy nhỏ, máy ổn định nhưng có thể

dẫn đến hiện tượng đứt dây do hồ quang Thông thường trên bảng điều khiển

có núm điều chỉnh độ nhạy hệ thống trong những trường hợp cần thiết

Đây là khoảng thời gian của một xung điện, nó được tính từ khi được cấp điện áp cho đến khi ngắt điện áp, nó bao gồm td (độ trễ phóng điện) và te (thời gian có dòng Ie) Thời gian kéo dài xung có ảnh hưởng trực tiếp đến độ nhám bề mặt và năng suất gia công Thời gian ti càng dài thì năng suất gia công tăng, độ nhám cũng có xu hướng tăng, xu hướng thất thoát nhiệt tăng lên, khả năng đứt dây cũng tăng lên tương ứng

Thời gian này là thời gian điện áp giảm từ Ui xuống U e, nó cho ta biết trạng thái gia công, trạng thái gia công hiện nay là hồ quang điện hay tia lửa điện nhờ vào thông số này Độ trễ đánh lửa là cần thiết đối với một xung điện

Thời gian trễ đánh lửa td nhỏ hơn 500 ns thì được coi là hồ quang, không tốt cho gia công

1.6.6 Khe hở phóng điện δ

Khe hở giữa hai điện cực mà tại đó diễn ra sự phóng tia lửa điện gọi là khe hở phóng điện δ Khe hở luôn được phun đầy chất điện môi làm mát và vận chuyển phôi Khe hở phóng điện luôn có xu hướng tăng lên do kim loại

của phôi bị hớt dần đi làm cho sự phóng điện mất ổn định Để phóng điện được ổn định thì phải duy trì khe hở phóng điện là không đổi trong quá trình gia công Đây là quá trình điều khiển khe hở phóng điện thông qua tham số

phản hồi Khe hở phóng điện có sự liên hệ chặt chẽ với điện áp khởi tạo Ui Thông thường khe hở này khoảng 0,11mm đến 0,13mm Để dự kiến được lượng hớt vật liệu từ đầu đến cuối sau một số lần phóng điện thì cần duy trì khe hở phóng điện có một khoảng rộng tối ưu Việc đo chiều rộng khe hở được thực hiện một cách gián tiếp thông qua đo điện áp Ue, điện áp này là đại diện chính xác khi điện cực tiến gần đến phôi để phóng tia lửa điện

Khi tăng Ue thì chiều rộng khe hở cũng tăng lên do đó người ta còn gọi điện áp này là điện áp khe hở

Trong quá trình gia công, do phóng điện mà một lượng vật liệu trên bề

mặt chi tiết gia công bị bóc đi để lại trên bề mặt những vết nhỏ li ti chồng mép lên nhau Kích thước của các vết này phụ thuộc chủ yếu vào năng lượng sinh ra trong một lần phóng, ngoài ra còn chịu ảnh hưởng của một số nhân tố khác như: vật liệu điện cực, dung dịch chất điện môi, … từ đó tạo nên độ nhám bề mặt

Thông thường khi gia công bằng tia lửa điện người ta sử dụng 2 chế độ gia công sau:

- Gia công thô: tạo ra bề mặt gia công có độ nhám cao, bề mặt cắt thô, xù

xì nhưng năng suất cắt cao

- Gia công tinh: tạo ra bề mặt gia công nhẵn bóng, độ nhám nhỏ nhưng năng suất cắt thấp

Nói chung bề mặt càng thô thì khả năng chống mài mòn càng giảm và tăng nguy cơ bị ăn mòn hóa học

Để nghiên cứu vết nứt tế vi và các ảnh hưởng về nhiệt trên bề mặt một sản phẩm gia công cắt dây tia lửa điện người ta tiến hành cắt một mặt cắt

ngang trên một sản phẩm đã qua gia công cắt dây tia lửa điện và nghiên cứu qua kính hiển vi điện tử người ta nhận thấy cấu trúc của lớp bề mặt như hình 1.5

Hình 1.5 C ấu trúc tế vi lớp kim loại bề mặt sau khi gia công EDM

Trong đó:

1 Lớp trắng: đây là lớp kết tinh lại với các vết nứt tế vi trên bề mặt do

tồn tại ứng suất dư khi vật liệu nóng chảy bị làm lạnh đột ngột Chiều dày của lớp trắng phụ thuộc vào độ kéo dài xung te (te càng lớn thì chiều dày lớp trắng càng lớn)

2 Lớp tôi cứng: là lớp có độ cứng tăng vọt (trên 1000HV) so với kim loại

nền

3 Lớp bị ảnh hưởng nhiệt: do nhiệt độ của vùng này cao hơn nhiệt độ ostenit (của giản đồ Fe-C) trong một thời gian ngắn Độ cứng của lớp này thấp hơn độ cứng của lớp tôi cứng

4 Lớp không ảnh hưởng nhiệt: có cấu trúc của kim loại nền do không

chịu ảnh hưởng của nhiệt

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

- Lớp trắng gây khó khăn trong việc phủ lên lớp bề mặt sau khi gia công các lớp phụ gia cần thiết

- Lớp tôi cứng có cấu trúc dòn nên dễ bị phá hỏng khi làm việc ở chế độ

chịu 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

1.7.3 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:

1 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

2 Các thông số điều chỉnh về điện khi gia công như Ue, Ie, te, t0, td …: đay 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

3 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

4 Độ chính xác lập trình: yếu tố này không chỉ phụ thuộc vào người sử dụng mà còn phụ thuộc vào nhà sản xuất máy bởi vì khi người sử dụng lập trình gia công, nhà sản xuất máy có nhiệm vụ là phải cung cấp hệ điều khiển

thực hiện chính xác quá trình gia công được lập trình

5 Ngoài ra, độ chính xác khi gia công còn phụ thuộc vào tình trạng của

chất điện môi vì nó ảnh hưởng tới khe hở phóng điện và khả năng thoát phoi khi gia công

1.8 Ch ất điện môi trong gia công tia lửa điện

Trong cơ khí nói chung thường dùng 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 2 cực (giữa phôi cắt và dụng cụ cắt)

giữa hai điện cực chưa đủ nhỏ Khi khoảng cách này đạt tới một giới hạn

nhất định nào đó thì bắt đầu xuất hiện sự phóng điện giữa hai điện cực Khi khe hở càng bé thì lượng vật liệu hớt đi càng tăng và độ chính xác hình học càng tăng Trong thực tế sau một thời gian làm việc thì trong dung dịch chất điện môi tồn tại những phần tử kim loại phoi bị bóc ra khỏi bề mặt phôi nên làm giảm cách điện của chất điện môi Để khắc phục hiện tượng này người

ta thực hiện lọc bỏ phần tử tế vi này bằng cách dẫn chất điện môi qua hệ

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

1.8.1.2 Ion hóa

Như đã trình bày ở phần đầu, khi điện cực tiến tới gần sát phôi thì gây ra 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 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 một phần bề mặt phôi Khi ngắt xung thì chất điện môi phải được thôi

ion hóa kịp thời để tạo điều kiện cho sự phóng điện xảy ra ở vị trí khác khi

xảy ra xung tiếp theo

1.8.1.3 Làm nguội

Khi diễn ra sự phóng điện trong một khoảng thời gian cực ngắn, ở kênh phóng điện nhiệt độ có thể lên tới 10.000oC Nhiệt ở đây cần phải được chuyển đi nhằm tránh ảnh hưởng tới bề mặt phôi, bản điện cực cũng như chất điện môi Khi ngừng phóng điện (ngắt xung) thì dòng chảy chất điện môi có tác dụng làm nguội khu vực trên (và thôi ion hóa đã nói ở trên) chuẩn

bị cho chu kỳ phóng điện sau

1.8.1.4 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 trong chất điện môi làm cho khả năng cách điện của chất điện môi giảm và có nguy cơ gây ra sự phóng điện bất thường, nguy cơ tạo hồ quang và ngắn mạch tăng lên làm giảm độ chính xác và năng suất cắt Vì chất điện môi có nhiệm vụ vận chuyển lượng phoi này ra khỏi vùng cắt bằng cách tạo ra dòng chảy chất điện môi hợp lý Chất điện môi này được đưa vào hệ thống lọc để làm sạch trước khi đưa trở lại tiếp tục làm các nhiệm vụ của nó

Như đã trình bày ở phần đầu luận văn, ngày nay phương pháp gia công tia lửa điện được ứng dụng chủ yếu vào hai phương pháp gia công đó là gia công xung định hình và gia công cắt dây tia lửa điện Ở mỗi phương pháp gia công được sử dụng các chất điện môi khác nhau, cụ thể như sau:

- Chất Hydrocacbon: chủ yếu dùng cho xung định hình

- Nước khử khoáng: chủ yếu dùng cho cắt dây

Ngoài ra, ngày nay trên thế giới còn xuất hiện một loại chất điện môi mới

mà thành phần chủ yếu là nước Nó có độ nhớt cao hơn nước, hiệu quả làm mát cao hơn dầu Nó được dùng chủ yếu cho gia công xung định hình với điện cực graphit lớn và bước dòng điện lớn

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

và 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

1.8.3 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 da, 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, nó quyết định mở rộng kênh phóng điện Độ nhớt đặc trưng cho “ma sát trong”, là trở lực của chất

lỏng đối với sự cháy Độ nhớt chất điện môi càng cao thì kênh phóng điện càng tập trung hơn, hiệu quả phóng điện cao hơn

Để gia 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 đẻ gia công cho cả

2 trường hợp

* Các y ếu 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 đó 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

- Mặt khác cơ sở chủ yếu của chất điện môi là nước nên khi gia công sẽ tồn tịa dòng dò Dòng này ảnh hưởng lớn đến độ bóng và độ chính xác khi gia công

Trong gia công cắt dây tia lửa điện, chất điện môi là nước khử khoáng khi

đó do khe hở nhỏ nên ít có vấn đề hơn liên quan đến sự bốc hơi của các bọt khí được tạo ra trong chất điện môi Tuy nhiên nước khử khoáng đòi hỏi các 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

Như các phân tích ở trên, chất điện môi là một yếu tố không thể thiếu được trong gia công tia lửa điện mà ở đó chất điện môi không những đóng vai trò là môi trường gây ra sự phóng điện mà còn đóng vai trò hết sức quan trọng đến năng suất cũng như bề mặt gia công Nếu chất điện môi có 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 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

chất điện môi gây ra

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

- Dòng chảy bên ngoài

Dòng ch ảy bên ngoài:

Là phương pháp sục rửa phổ biến nhất Nó được sử dụng khi hình học của điện cực dây và phôi không cho phép tạo lỗ khoan cho 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

Dòng chảy áp lực:

Phương pháp này 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 một lõi trên phôi Do đó sau khi gia công bằng tia lửa điện cần phải cắt lõi đi

Là dòng chảy do chuyển động của điện cực có tác động đối với chất điện môi trong khe hở phóng điện là nhờ vào chính chuyển động của điện cực Ở các lòng khuôn sâu và hẹp, sự tiến lùi của điện cực sẽ đều đặn bơm chất điện môi sạch vào khe hở phóng điện

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

Là phương pháp kết hợp cả dòng chảy áp lực và cả dòng chảy hút qua hai

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 nhược điểm của hai phương pháp trên

Là phương pháp thường dùng cho gia công xung định hình ở đó sau một 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

- Lỗi do áp lực cao và sự rung động: Do áp lực cao của dòng chảy đã tạ ra

một áp lực tác dụng lên điện cực làm xê dịch vị trí của điện cực cũng như gây ra rung động điện cực làm mất độ chính xác chi tiết gia công

- Lỗi do sự giảm áp lực dòng chảy: Đối với dòng chảy áp lực và dòng

chảy hút thì áp lực bị giảm khi khe hở hẹp và dài không đủ sức tạo ra dòng chảy đủ lớn để cuốn sạch phoi Các phần tử đã bị ăn mòn điện làm tắc nghẽn khe hở gây ra biến dạng hình dáng lòng khuôn

Chất điện môi tồn tại nhiều phần tử phoi trong đó sẽ gây ra tác dụng xấu như dòng ngắn mạch, gây ra hồ quang Mặt khác nếu nhiệt độ chất điện môi cao cũng ảnh hưởng tới độ chính xác gia công Với mục đích tiết kiệm chất điện môi bằng cách tái sử dụng chất điện môi đã qua sử dụng, người ta dùng một hệ thống lọc chất điện môi, một hệ thống lọc chất điện môi phải có các chức năng sau:

- Có bể chứa dự trữ dung dịch

- Làm nguội dung dịch

- Có đủ lượng dung dịch cần thiết chứa sẵn trong bể để có thể sử dụng liên tục trong quá trình gia công

Có 3 kiểu lọc sau đây:

bộ làm nguội Phần tử lọc là một mâm giấy hình tròn có lỗ ở giữa, khi mâm

lọc bị bẩn thì áp lực lọc sẽ lớn và khi đó cần phải thay mâm lọc, việc thay đổi bộ lọc được thực hiện bằng tay

B ộ lọc khe hở:

Đây là bộ lọc có chất lượng lọc rất cao và ngày càng được sử dụng nhiều Thiết bị này gồm nhiều ống lọc trong một thùng chịu áp lực Trên các ống lọc có các đĩa lọc đặc biệt không dẻo, dung dịch chất điện môi đã bẩn được nén áp lực từ ngoài vào trong Dưới áp lực cao đó chất điện môi đã được lọc

sẽ theo các ống lọc chảy ra ngoài và giữ lại các tạp chất bẩn trên ống

K ẾT LUẬN CHƯƠNG 1:

Trong chương 1, tác giả đã tập trung tìm hiểu các vấn đề như sau:

- Giới thiệu chung về sự xuất hiện, đặc điểm của gia công tia lửa điện

- Giới thiệu về các phương pháp gia công tia lửa điện, khả năng công nghệ của gia công tia lửa điện

- Tìm hiểu về bản chất của phương pháp gia công tia lửa điện

- Tìm hiểu về các thông số đặc trưng của xung điện

- Tìm hiểu về chất lượng gia công và cấu trúc bề mặt sau khi gia công bằng phương pháp gia công tia lửa điện

- Tìm hiểu về chất điện môi trong gia công tia lửa điện

Chương 2 MÁY CẮT DÂY VÀ CÁC THÔNG SỐ ĐIỀU CHỈNH

TRONG QUÁ TRÌNH GIA CÔNG

2.1 Sơ bộ về máy cắt dây tia lửa điên

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 0,1 đến 0,3mm chạy liên tục theo một contour cho trước theo một chương trình

lập sẵn

Sơ đồ gia công cắt dây tia lửa điện như hình vẽ 2.1

Hình 2.1 Sơ đồ gia công cắt dây tia lửa điện

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

- Dòng máy Trung quốc cắt dây dùng lại : Goldsun

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

- Dòng máy cao cấp Sodick, Misubishi, Fanuc, Hitachi , Charmilles (Nhìn chung các hãng máy này đều đã chuyển giao công nghệ sang nước thư 3 để giảm giá thành sản phẩm)

Agie-Hình 2.2 Máy c ắt dây hãng Goldsun Trung Quốc

Hình 2.3 Máy c ắt dây đồng SureFirst Đài Loan

Hình 2.4 Máy c ắt dây cỡ lớn của Sodick (chiều dầy cắt tới 400mm)

Hình 2.5 Máy cắt dây FI 440CCS (của dự án Emco – ĐHBKHN)