Đồ án Thiết kế và chế tạo máy cắt dây CNC
Bạn đang xem bản rút gọn của tài liệu. Xem và tải ngay bản đầy đủ của tài liệu tại đây (1.69 MB, 96 trang )
BỘ CƠNG THƯƠNG
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CƠNG NGHIỆP TP HỒ CHÍ MINH
KHOA CƠ KHÍ
––o0o—
ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC
CHUYÊN NGÀNH CƠ KHÍ
THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO MÁY CẮT DÂY
CNC
GVHD: Th.S Hồng Long Vương – Th.S Nguyễn Hữu Quân
SVTH: Nguyễn Đông Minh
LỚP: Cơ khí
Thành phố Hồ Chí Minh, Tháng 4 năm 2022
NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN
.............................................................................................................................................
.............................................................................................................................................
.............................................................................................................................................
.............................................................................................................................................
.............................................................................................................................................
.............................................................................................................................................
.............................................................................................................................................
.............................................................................................................................................
.............................................................................................................................................
.............................................................................................................................................
.............................................................................................................................................
.............................................................................................................................................
.............................................................................................................................................
.............................................................................................................................................
.............................................................................................................................................
.............................................................................................................................................
.............................................................................................................................................
.............................................................................................................................................
NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN PHẢN BIỆN
.............................................................................................................................................
.............................................................................................................................................
.............................................................................................................................................
.............................................................................................................................................
.............................................................................................................................................
.............................................................................................................................................
.............................................................................................................................................
.............................................................................................................................................
.............................................................................................................................................
.............................................................................................................................................
.............................................................................................................................................
.............................................................................................................................................
.............................................................................................................................................
.............................................................................................................................................
.............................................................................................................................................
.............................................................................................................................................
.............................................................................................................................................
LỜI CẢM ƠN
Trước hết, nhóm đồ án chúng em vơ cùng biết ơn về sự quan tâm và tận tình
hướng dẫn của Ths. Hoàng Long Vương và Ths. Nguyễn Hữu Quân trong suốt thời
gian thực hiện đồ án.
Nhóm đồ án chúng em chân thành cám ơn quý Thầy, Cô của Trường Đại Học
Cơng Nghiệp Tp.Hồ Chí Minh đặc biệt là q Thầy, Cơ trong khoa Cơ Khí đã truyền
đạt nhiều kiến thức quý báu trong quá trình học tập và nghiên cứu thực hiện đồ án.
Mặc dù trong thời gian qua chúng em đã cố gắng tìm hiểu thực tế, nghiên cứu
tài liệu để thực hiện đồ án. Nhưng vấn đề còn khá mới, cùng với sự hạn chế về kiến
thức chun mơn cho nên nội dung trình bày trong đồ án khơng tránh khỏi những
sai sót và hạn chế. Rất mong sự đóng góp ý kiến của các Thầy trong khoa cùng các
bạn để đồ án nghiên cứu của chúng em được hồn thiện hơn.
Cuối cùng, nhóm đồ án chúng em xin chân thành cám ơn quý Thầy (Cô) đã
giúp đỡ chúng em trong suốt quá trình thực hiện đồ án.
Sinh viên thực hiện
Nguyễn Đông Minh
LỜI CAM KẾT
Tôi xin cam đoan những kết quả trong luận văn này là của riêng tơi, khơng có bất cứ sự
sao chép nào và cũng chưa từng được công bố trong bất kỳ tài liệu của tác giả nào khác.
Tác giả
Nguyễn Đông Minh
LỜI NĨI ĐẦU
Do nhu cầu cơng nghiệp hóa, hiện đại hóa đất nước, việc đầu tư và phát triển
trang thiết bị có cơng nghệ mới và hiện đại rất cần thiết. Những năm gần đây việc
đầu tư các thiết bị, máy gia cơng... có cơng nghệ mới và hiện đại ở nước ta ngày
càng nhiều.
Các doanh nghiệp, công ty sản xuất trong nước, đã và đang cạnh tranh khốc
liệt để tồn tại và phát triển trong nền kinh tế thị trường. Do đó, đầu tư máy, thiết bị
có cơng nghệ mới và hiện đại nhầm tăng năng suất và chất lượng là rất cần thiết. Ví
dụ: trong lĩnh vực gia cơng khn mẫu, để sản xuất được sản phẩm có chất lượng
cao đáp ứng được nhu cầu thị trường thì việc đầu tư máy gia công trung tâm, CNC,
máy tia lửa điện ,… là không tránh khỏi và tất yếu.
Năm 1944 nhà khoa học người Nga B.R. Lasarenko (1909 – 1979) phát hiện
ra khả năng làm mòn của tia lửa điện. Khi tia lửa điện xuất hiện, vật liệu trên bề mặt
phơi bị làm mịn đi bởi một q trình điện, nhiệt thơng qua sự nóng chảy và bốc hơi
của kim loại. Đó là q trình gia cơng bằng tia lửa điện, gọi là gia công EDM
(Electrical Discharge Machining). Kể từ đó đến nay, các thiết bị gia cơng theo
ngun lý EDM ngày càng được phát triển theo các hướng khác nhau: gia cơng
bằng điện cực định hình, cắt dây, phay EDM ,…
Hiện nay, đã có rất nhiều doanh nghiệp cơ khí ở Việt Nam đã được trang bị các
máy gia cơng EDM. Phần đóng góp của chúng trong một sản phẩm cơ khí, chủ yếu là
lĩnh vực chế tạo khn mẫu có thể lên đến vài trăm tùy theo mức độ phức tạp và kết
cấu của sản phẩm. Với những ưu điểm so với các phương pháp gia công truyền thống
như gia công được các vật liệu sau khi nhiệt luyện, khơng có lực cắt, gia cơng định
hình các kết cấu có kích thước nhỏ... Phương pháp gia cơng EDM ngày nay có một vị
trí quan trọng và làm thay đổi một số các biện pháp công nghệ truyền thống khi chết
tạo các sản phẩm cơ khí phức tạp. Do vậy, việc nghiên cứu về phương pháp gia công
EDM hiện nay đang là một vấn đề quan tâm của cả trong và ngoài nước đặc biệt là
nghiên cứu về bản chất của q trình gia cơng EDM, hiện tượng mòn của điện cực và
hướng ứng dụng của EDM trong các lĩnh vực khác nhau trong công nghiệp.
Nội dung của đồ án gồm 6 chương có nội dung như sau:
Chương 1: TỔNG QUAN VÀ MỤC TIÊU CỦA ĐỀ TÀI
Chương 2: NGHIÊN CỨU CÔNG NGHỆ EDM
Chương 3: CẤU TẠO MÁY CẮT DÂY EDM
Chương 4 : TÍNH TỐN CÁC CƠ CẤU TRONG MÁY CẮT DÂY
Chương 5: GIA CÔNG THỰC NGHIỆM
Chương 6: KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG CẢI TIẾN CỦA ĐỀ TÀI
MỤC LỤC
NHIỆM VỤ LUẬN VĂN
LỜI NÓI ĐẦU
LỜI CẢM ƠN
NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN
MỤC LỤC
DANH SÁCH CÁC HÌNH
DANH SÁCH CÁC BẢNG
Chương 1: TỔNG QUAN VÀ MỤC TIÊU CỦA ĐỀ TÀI .................................... 1
1.1 Sự xuất hiện của công nghệ mới. ....................................................................... 1
1.1.1 Sự tiến bộ của các máy gia công tia lửa điện................................................. 1
1.1.2 Thị trường máy gia công tia lửa điện trên thế giới. ....................................... 3
1.1.3 Tình hình gia công tia lửa điện ở Việt Nam. ................................................. 3
1.1.4 Một số đặc tính của máy cắt dây dùng tia lửa điện. ...................................... 4
1.2 Các bộ phận của máy cắt dây bằng tia lửa điện. .............................................. 5
1.3 Một số ứng dụng của máy cắt dây bằng tia lửa điện. ...................................... 5
Chương 2 : CƠ SỞ LÝ THUYẾT CÔNG NGHỆ GIA CÔNG EDM ..................
7
2.1 Cấu tạo tổng quan của máy cắt dây EDM ........................................................
7
2.2 Độ chính xác khi gia cơng cắt dây EDM. .......................................................... 8
2.3 Điện cực và vật liệu ........................................................................................... 11
2.4 Chất lượng bề mặt khi gia công bằng EDM. .................................................. 12
2.5 Các thông số về điện trong điều khiển máy cắt dây tia lửa điện. ................. 13
2.5.1 Dịng phóng tia lửa điện Ie và bước của dòng điện ...................................... 13
2.5.2 Độ kéo dài xung ti ........................................................................................ 13
2.5.3 Khoảng cách xung t0 .................................................................................... 14
2.5.4 Điện áp đánh lửa Ui ..................................................................................... 14
2.5.5 Khe hở phóng điện ....................................................................................... 14
2.6 Các vấn đề liên quan đến điện cực. ................................................................. 15
2.6.1. Yêu cầu của vật liệu điện cực. .................................................................... 15
2.6.2. Các loại vật liệu điện cực. ........................................................................... 15
2.7 Lập trình gia cơng trên máy cắt dây tia lửa điện. .......................................... 18
Kết luận Chương 2 .................................................................................................. 19
Chương 3: CẤU TẠO MÁY CẮT DÂY EDM .................................................... 21
3.1 Giới thiệu ........................................................................................................... 21
3.2 Cơ cấu máy cắt dây .......................................................................................... 22
3.2.1 Hệ thống điều khiển ..................................................................................... 22
3.2.2 Nguồn cung cấp ........................................................................................... 24
3.2.3 Chất điện môi và bộ lọc ............................................................................... 25
3.2.4 Phần cơ khí .................................................................................................. 27
3.3 Hệ thống tia lửa trong q trình gia công ...................................................... 29
3.3.1 Tia lửa xảy ra ở điểm gần nhất .................................................................... 29
3.3.2 Các loại nguồn cung cấp năng lượng ........................................................... 30
3.3.3 Nguồn cung cấp dạng sóng .......................................................................... 31
3.3.4 Thời gian bật và tắt của tia lửa điện ............................................................. 32
3.4 Hệ thống tùy động của máy cắt dây ................................................................ 32
3.5 Chất điện môi cung cấp cho máy ..................................................................... 34
3.5.1 Chức năng của chất điện môi ....................................................................... 34
3.5.2 Hệ thống chứa chất điện mơi ....................................................................... 36
Chương 4 : TÍNH TỐN CÁC CƠ CẤU TRONG MÁY CẮT DÂY CNC ...... 40
4.1 Tìm hiểu hệ dẫn động bàn máy CNC. ............................................................. 40
4.1.1 Chọn động cơ. .............................................................................................. 41
4.1.2. Tính tốn cơ cấu vít me đai ốc bi. ............................................................... 43
4.2. Thiết kế bộ truyền bánh răng. ........................................................................ 48
4.2.1 Tìm hiểu hộp giảm tốc khai triển hai cấp răng trụ răng thẳng. .................... 48
4.2.2. Phân phối tỉ số truyền, hiệu suất và momen trên trục vít me cơng tác. ...... 48
4.2.3 Thiết kế bộ truyền bánh răng. ...................................................................... 49
4.2.4 Xác thơng số hình học cho bộ truyền. ......................................................... 53
4.3 Thiết kế sống lăn. ............................................................................................... 60
4.3.1 Tính theo độ bền. ......................................................................................... 60
4.3.2 Tính theo độ cứng vững ............................................................................... 61
4.4 Cơ cấu dẫn dây. ................................................................................................. 62
4.4.1 Chọn động cơ. .............................................................................................. 62
4.4.2 Xác định thông số cơ bản của bộ truyền. ..................................................... 63
4.4.3 Thiết kế bộ truyền đai răng .......................................................................... 64
4.5 Thiết kế bộ truyền vít - đai ốc với truyền động trượt: ................................... 67
Chương 5 : GIA CÔNG SẢN PHẨM THỰC NGHIỆM ..................................... 70
5.1 Thực nghiệm gia cơng sản phẩm Colet32 µm .................................................
70
5.1.1 Chuẩn bị bản vẽ, phôi, máy gia công........................................................... 70
5.1.2 Các bước gia công. ...................................................................................... 71
Chương 6 : KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG CẢI TIẾN CỦA ĐỀ TÀI ....................... 78
6.1 Kết luận .............................................................................................................. 78
6.2 Đề xuất ý kiến cải tiến máy............................................................................... 80
TÀI LIỆU THAM KHẢO ...................................................................................... 81
DANH MỤC HÌNH
Hình 1.1: Mơ tả sơ bộ q trình gia cơng chi tiết.[7]................................................. 4
Hình 1.2: Các bộ phận chính của máy gia cơng bằng tia lửa điện.[8]........................5
Hình 2.1: Cấu tạo tổng quan của máy cắt dây EDM [9]............................................ 7
Hình 2.2: Sự cân bằng về lực khi cắt thẳng và sai số hình học khi cắt góc.[10]......11
Hình 2.3: Khe hở phóng điện trong gia cơng cắt dây tia lửa điện.[11]....................13
Hình 3.2: Cấu tạo cơ bản máy cắt dây [13]............................................................. 22
Hình 3.3: Hệ thống cung cấp điện và hệ thống điều khiển [13]............................... 24
Hình 3.4: Hệ thống điện mơi ion hóa nước điển hình. [14]..................................... 26
Hình 3.5: Phần cơ khí điển hình [14]...................................................................... 28
Hình 3.6: Minh họa cho điểm gần nhất [13]............................................................ 30
Hình 3.7: Thể hiện các trục và hệ thơng tùy động [13]........................................... 34
Hình 4.1: Sơ đồ động.............................................................................................. 40
Hình 4.2: Động cơ bước 75BC340-00..................................................................... 41
Hình 4.3: Biểu đồ momen động cơ bước theo dải xung.......................................... 42
Hình 4.3a. Bộ truyền vít me đai ốc bi – hình ảnh trích từ trang 168 [4]..................43
Hình 4.4: Bán kính rãnh lăn ( Trang 168 [4] )......................................................... 45
Hình 4.5: Sơ đồ xác định khe hở hướng tâm - Trang 168 [4]..................................46
Hình 4.6: Đồ thị xác định ứng suất lớn nhất σmax – trang 170 [4]............................................................................................................................................................47
Hình 4.7: Sơ đồ động.............................................................................................. 48
Hình 4.8. Sơ dồ động cơ cấu dẫn dây...................................................................... 62
Hình 5.1: Bản vẽ chi tiết.......................................................................................... 70
Hình 5.2: Hình thiết kế 3D...................................................................................... 71
Hình 5.3: Màn hình chính ứng dụng phần mềm HL................................................ 72
Hình 5.4: Giao diện màn hình gia cơng................................................................... 74
Hình 5.5: Q trình gia cơng chi tiết....................................................................... 75
Hình 5.6: Sản phầm sau khi gia cơng...................................................................... 76
Hình 6.1: Thiết kế tổng thể máy bằng phần mềm NX............................................. 78
Hình 6.2: Hình ảnh tổng thể máy đã chế tạo........................................................... 79
DANH SÁCH CÁC BẢNG
Bảng 4.1. Thông số động cơ.................................................................................... 42
Bảng 4.2. Thông số động cơ.................................................................................... 43
Bảng 4.3. Số liệu thiết kế cơ cấu vít me đai ốc bi.................................................... 44
Bảng 4.4a. Vật liệu làm vít...................................................................................... 44
Bảng 4.4b. Vật liệu làm đai ốc................................................................................ 44
Bảng 4.5 Mác động cơ............................................................................................ 63
Bảng 4.6 Thông số bộ truyền.................................................................................. 64
Bảng 5.1: Dung sai các lần gia công....................................................................... 76
Thiết kế và chế tạo máy cắt dây CNC
Chương 1: TỔNG QUAN VÀ MỤC TIÊU CỦA ĐỀ TÀI
1.1 Sự xuất hiện của công nghệ mới.
Trong nửa thế kỷ qua, nhu cầu về các vật liêu cứng, lâu mòn và siêu cứng sử
dụng cho tuabin máy điện, động cơ máy bay, dụng cụ, khuôn mẫu... tăng lên không
ngừng ở các nước công nghiệp phát triển. Việc gia công những vật liệu đó bằng
những cơng nghệ cắt gọt thơng thường ( tiện, phay, mài v.v…) là vơ cùng khó, đơi
khi khơng thể thực hiện được.
Cách đây gần 200 năm, nhà nghiên cứu tự nhiên người Anh Joseph Priestley
(1733-1809), trong các thí nghiệm của mình đã nhận thấy có một hiệu quả ăn mịn
vật liệu gây ra bởi sự phóng điện. Nhưng mãi đến năm 1943, thông qua hàng loạt
các nghiên cứu về tuổi bền của các thiết bị đóng điện, hai vợ chồng Lazarenko
người nga mới tìm ra cánh cửa dẫn tới công nghệ gia công tia lửa điện. Họ bắt đầu
sử dụng tia lửa điện để làm một quá trình hớt kim loại mà không phụ thuộc vào độ
cứng của vật liệu đó.
Khi các tia lửa điên được phóng ra, vật liệu mặt phơi sẽ bi hớt đi bởi một q
trình điện - nhiệt thơng qua sự nóng chảy và bốc hơi kim loại, nó thay cho các tác
động cơ học của dụng cụ vào phơi. Q trình ăn mịn kim loại bằng điện nhiệt bởi
sự phóng điện được gọi là “gia công tia lửa điện” ( gốc tiếng Anh là “ Electrical
Discharge Machining”, gọi tắt là gia công EDM ).
Định nghĩa gia cơng tia lửa điện EDM: Là quy trình bóc kim loại ra khỏi chi
tiết gia cơng bởi một q trình điện nhiệt, thơng qua sự nóng chảy và bóc hơi kim
loại cần bóc ra. Năng lượng nhiệt phát ra bởi sự phóng điện gọi là “gia cơng tia lửa
điện” hay EDM.
1.1.1 Sự tiến bộ của các máy gia công tia lửa điện.
Các máy đầu tiên của thời kỳ những năm 50-60 của thế kỷ 20 ít tự động hố và
khơng tiện dùng lắm.
Ngày nay, với các thuật tốn điều khiển mới, với các hệ thống điều khiển CNC
cho phép gia công đạt năng suất và chất lượng cao mà khơng cần đến sự tham gia
GVHD : Th.S Hồng Long Vương – Th.S Nguyễn Hữu Quân
1
Thiết kế và chế tạo máy cắt dây CNC
trực tiếp của con người. Các máy gia công tia lửa điện ngày nay được đặc trưng bởi
mức độ tự động hoá cao.
Các hệ thống điều khiển CNC trên thị trường đã có tiến bộ rất nhiều, đặc biệt
là máy cắt dây.
Các hệ điều khiển CNC trong nhiều năm qua đã có mặt ở các máy xung định
hình, nhưng đã mất nhiều thời gian hơn để có thể tận dụng mọi khả năng của chúng.
Các chuyển động hành tinh và chuyển động theo cơng-tua của một điện cực có hình
dáng phức tạp. Ưu điểm của phương pháp này là ở chỗ việc chế tạo điện cực rẻ hơn
và nếu sử dụng điên cực phay thì điều kiện dịng chảy sẽ tốt hơn và điên cực ăn mòn
đều hơn. Một trong những đề tài nghiên cứu chính đang được thực hiện ở Tây Âu và
Nhật Bản là gia công 3 chiều đạt độ chính xác cao. Tuy nhiên vẫn chưa đạt được kết
quả mong muốn.
Sử dụng tối ưu công nghệ gia công tia lửa điện như một kỹ thuật sản xuất đòi
hỏi phải áp dụng rất nhiều bí quyết cơng nghệ (Know how). Ngày nay có khuynh
hướng đưa ra nhiều máy thơng minh, chọn máy và điều chỉnh nhiều thông số mà
người sử dụng đã đặt từ trước. Điều đó làm giảm bớt các dữ liệu đầu vào mà người
đứng máy phải quan tâm. Khuynh hướng này là mạnh nhất đối với các máy cắt dây,
ở đó các thuật tốn điều khiển tạo được một lượng hớt vật liệu tối ưu và làm giảm
bớt nguy cơ đứt dây.
Ở các máy xung định hình, nhờ có hệ thống điều khiển CNC nên khơng cần phải
dùng người đứng máy có kinh nghiệm mà vẫn đạt được hiệu quả và chất lượng gia
công cao. Điều kiện gia cơng (như sự thốt phoi) thay đổi rất nhiều trong gia cơng xung
định hình, đến mức rất khó phát triển chiến lược điều khiển tuỳ chọn phù hợp với tất cả
các hoàn cảnh. Một số nhà chế tạo máy (như MITSUBISHI) cung cấp những hệ thống
điều khiển liên hệ ngược mà trong những điều kiện khó khăn nhất (như gia cơng lỗ tịt
mà khơng có thốt phoi cưỡng bức) cũng cho kết quả tốt hơn so với kết quả nhận được
do sự điều chỉnh các thông số của một người đứng máy có kinh nghiệm. Trong mọi
trường hợp, hầu hết các máy đều có mức độ tự động hố cho phép
làm việc rất lâu khơng có người đứng máy, dù rằng không phải luôn luôn trong điều
kiện tối ưu. Cùng với sự xâu dây tự động ở máy cắt dây, sự tách phôi, thay pallet
(thường được cung cấp bởi các hãng chế tạo phụ tùng như hãng EROWA) và khả
GVHD : Th.S Hoàng Long Vương – Th.S Nguyễn Hữu Quân
2
Thiết kế và chế tạo máy cắt dây CNC
năng lập trình thì mức độ tự động tự động hố trong gia công tia lửa điện đã tăng
lên rất nhiều.
1.1.2 Thị trường máy gia công tia lửa điện trên thế giới.
Việc bán các máy gia công tia lửa điện trên phạm vi thế giới tăng 6% mỗi năm
và vào cuối những năm 90 là khoảng 12.000 máy một năm.
Nhật Bản là nước sản xuất và sử dụng nhiều máy gia công tia lửa điện nhất,
chiếm 35% tổng số máy trên thị trường thế giới. Thứ hai là châu Âu với 30%, sau
đó là Mỹ với 15% và châu Á với 12% tổng số máy.
Phạm vi của các máy được buôn bán trên thị trường thế giới là rất rộng và đa
dạng: từ những máy rất lớn (như máy NASSOVIA) đến máy rất nhỏ và đặc biệt để
gia công tế vi, từ máy rẻ tiền, ít tự động hố cỡ (10.000 – 15.000) USD/ máy của
Trung Quốc, Đài Loan, đến cỡ vài trăm ngàn USD/ máy của Tây Âu và Nhật Bản
hoàn tồn tự động hố với các hệ thống CAD/CAM hiện đại.
Đối với người sử dụng, điều quan trọng là phải xác định các yêu cầu cụ thể
phù hợp với sản phẩm và quy mơ sản xuất của mình và sau đó cần phân tích các tuỳ
chọn sẵn có của các hãng sản xuát máy từ mọi góc độ để đưa ra quyết định đúng
đắn nhất trước khi mua máy.
1.1.3 Tình hình gia cơng tia lửa điện ở Việt Nam.
Trong khoảng một thập kỉ gần đây, công nghiệp gia công tia lửa điện EDM đã
thâm nhập vào Việt Nam. Số lượng các cơ sở sản xuất và nghiên cứu ở nước ta nhập
các loại gia công tia lửa điện ngày càng nhiều. Tuy nhiên việc đào tạo về công nghệ này
thực sự chưa được quan tâm ở các trường Đại học kỹ thuật và các Viện nghiên cứu.
Ngày nay máy gia công tia lửa điện xuất hiện rất nhiều ở Việt Nam. Hiện nay ở nước ta
đã có nhiều đề tài nghiên cứu về gia công EDM như: Luận án tiến sĩ kỹ thuật của tiến sĩ
Hoàng Vĩnh Sinh trường ĐHBK …Tại các Viện nghiên cứu và các xưởng gia công đã
sử dụng máy gia công tia lửa điện để gia cơng các chi tiết phức tạp.
Các doanh nghiệp Cơ khí ở Việt Nam được trang bị các máy gia công EDM,
chủ yếu là trong lĩnh vực chế tạo khuôn mẫu, chiếm khoảng 20%- 50% tùy theo độ
phức tạp về kết cấu của sản phẩm. Một số cơ sở gia công khn mẫu có trang bị các
GVHD : Th.S Hồng Long Vương – Th.S Nguyễn Hữu Quân
3
Thiết kế và chế tạo máy cắt dây CNC
máy EDM ở nước ta như: Xưởng gia cơng cơ khí trường ĐHBK, công ty chế tạo
khuôn mẫu Duy Khanh, Duy Tân …v.v…. [15]
1.1.4 Một số đặc tính của máy cắt dây dùng tia lửa điện.
Là phương pháp cắt chi tiết trong đó có sự chuyển động tương đối giữa dây và
phơi. Điện cực là một sợi dây kim loại d = (0.1 – 0.3) mm được quấn liên tục và
chay dọc trục theo một đường đi xác định.
Vật liệu làm dây có thể bằng đồng đỏ, đồng thau molipđen, bạc…
Các dây cắt có thể phủ một lớp kẽm, oxit kẽm hoặc grafit để nâng cao độ bền
của dây cũng như cải thiện khả năng sục chất điện môi vào khu vực cắt.
Hình 1.1: Mơ tả sơ bộ q trình gia cơng chi tiết.[7]
Giữa gia công bằng điện cực thỏi và gia cơng bằng dây cắt có một số khác biệt sau:
Gia công bằng điện cực thỏi người ta sử dụng dầu làm chất điện mơi thì trong
WEDM lại dùng nước khử khống.
Khi gia cơng bằng điện cực thỏi, sự phóng điện xảy ra giữa mặt đầu điện cực
với chi tiết gia cơng cịn khi gia cơng bằng dây cắt thì sự phóng điện xảy ra giữa
mặt bên dây cắt với chi tiết gia cơng.
Vùng phóng điện khi gia cơng bằng điện cực thỏi bao gồm mặt đầu và góc của
o
điện cực. Cịn vùng phóng điện khi gia cơng bằng dây cắt chỉ bao gồm mặt 180 của
dây cực khi nó tiến đến cắt chi tiết gia công.
Đặc điểm lớn của công nghệ này là:
GVHD : Th.S Hoàng Long Vương – Th.S Nguyễn Hữu Quân
4
Thiết kế và chế tạo máy cắt dây CNC
Điện cực (đóng vai trị dụng cụ) lại có độ cứng thấp hơn nhiều lần so với độ
cứng của phơi.
Nói nơm na là lấy cái mềm để cắt cái cứng.
Vật liệu dụng cụ và vật liệu phôi đều phải dẫn điện.
Khi gia cơng phải sử dụng một chất lỏng điện mơi, đó là một dung dịch khơng
dẫn điện ở điều kiện bình thường.
1.2 Các bộ phận của máy cắt dây bằng tia lửa điện.
Hình 1.2: Các bộ phận chính của máy gia công bằng tia lửa điện.[8]
1.3 Một số ứng dụng của máy cắt dây bằng tia lửa điện.
Phương pháp gia công bằng tia lửa điện có thể gia cơng được rất nhiều các
sản phẩm khác nhau. Sản phẩm của chúng thì rất đa dạng và phong phú. Có thể
dung phương pháp này để gia công chi tiết trong các trường hợp sau:
+ Chế tạo và phục hồi các khuôn dập đã tôi và khuôn bằng hợp kim cứng.
+ Mài phẳng, mài trịn, mài sắc hoặc làm rộng lỗ.
5µm.
+ Gia cơng các lỗ có đường kính nhỏ ∅1,5 của các vịi phun cao áp có năng suất cao (từ 15 đến 30s/chiếc), gia công lỗ sâu từ 60 mm cho sai số
GVHD : Th.S Hoàng Long Vương – Th.S Nguyễn Hữu Quân
5
Thiết kế và chế tạo máy cắt dây CNC
+ Gia công hệ thống làm mát trong cánh tuabin làm bằng hợp kim siêu cứng,
các lỗ sâu với tỉ số chiều dài trên đường kính lên đến 67 mm.
+ Lấy các dụng cụ bị gãy và kẹp trong chi tiết (bulông, taro…).
+ Gia công khuôn mẫu và các chi tiết cần độ chính xác cao bằng vật liệu hợp
kim cứng…
GVHD : Th.S Hoàng Long Vương – Th.S Nguyễn Hữu Quân
6
Thiết kế và chế tạo máy cắt dây CNC
Chương 2 : CƠ SỞ LÝ THUYẾT CÔNG NGHỆ GIA CÔNG EDM
2.1 Cấu tạo tổng quan của máy cắt dây EDM
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 cơng tia lửa điện có dạng như sau:
Hình 2.1: Cấu tạo tổng quan của máy cắt dây EDM [9]
- Trong đó có các cụm thiết bị chính gồm:
1.Phần đầu máy.
7. Dẫn hướng bàn công tác.
2.Phần thân máy.
8. Bể làm việc.
3.Bộ phận tạo góc nghiêng cắt.
9. Thùng chứa và xử lý chất điện môi
4.Dẫn hướng dây trên.
10. Bệ máy.
5.Lô quấn dây.
11. Bảng điện.
6.Bàn công tác.
12. Tủ điều khiển.
- Đặc điểm của phương pháp gia công cắt dây tia lửa điện:
GVHD : Th.S Hoàng Long Vương – Th.S Nguyễn Hữu Quân
7
Thiết kế và chế tạo máy cắt dây CNC
+ Ưu điểm:
- Độ chính xác cao.
- Kết cấu máy đơn giản.
- Có khả năng tự động hố q trình gia cơng, đơn giản, dễ vận hành.
+ Nhược điểm:
- Đối với vật gia cơng có chiều dầy lớn (>100mm) hoặc trong trường hợp chất
điện mơi bị bẩn thì việc bơm chất điện mơi vào vùng gia cơng sẽ rất khó khăn. Do
đó, chất điện môi cần được bơm vào với áp suất cao, điều này gây ra các rung động
cho điện cực và gây ra độ mất chính xác cho chi tiết gia cơng.
- Trong điều kiện gia cơng bình thường khơng 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 q trình gia cơng 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
cơng. Thậm chí có thể bị đứt dây dẫn đến sai số gia công và giảm năng suất gia công.
- Các chỉ tiêu cơng nghệ của q trình này phụ thuộc vào thông số xung điện,
hằng số vật liệu, chiều dày chi tiết gia cơng, tính chất của chất lỏng điện mơi, vật
liệu dây điện cực, hướng và tốc độ cuốn dây điện cực,…
2.2 Độ chính xác khi gia cơng cắt dây EDM.
- Nhóm sai số được xác định bởi các yếu tố cơng nghệ gồm có: +
Sai lệch đường kính điện cực so với đường kính danh nghĩa.
+ Sai số khơng vng góc giữa điện cực và bề mặt chi tiết gia
công. + Sai số do chất điện môi bị bẩn.
+ Sai số do rung điện cực.
GVHD : Th.S Hoàng Long Vương – Th.S Nguyễn Hữu Quân
8
Thiết kế và chế tạo máy cắt dây CNC
+ Sai số do thay đổi khe hở hoặc thay đổi độ dẫn điện của môi trường giữa các
điện cực (chất điện môi).
- Bề rộng của rãnh cắt nhận được khi sử dụng dây có đường kính dnp và có khe
hở một bên là a được xác định bằng công thức:
b = dnp + 2a ( Trích cơng thức 2.1, [1] )
Trong đó:
b: bề rộng của rãnh (mm).
dnp: đường kính của dây (mm).
a: khe hở một phía giữa dây điện cực và mặt rãnh (mm).
Cần nhớ rằng khi gia công chi tiết có chiều dài lớn hơn 30mm, rãnh ở giữa có
bề rộng lớn hơn ở hai đầu, nghĩa là xuất hiện sai số hình dánh, được gọi là độ tang
trơng. Sai số này có thể được giảm nhờ điều chỉnh dụng cụ đúng hướng kéo căng
dây điện cực.
- Ảnh hưởng đến độ chính xác này là các sai số ban đầu đặc biệt là các sai số của
thiết bị như sai số của thiết bị đo, độ không thẳng, độ không vng góc của các phương
chuyển động, sai số do rung, độ cứng vững của hệ thống công nghệ, của bàn kẹp,... ảnh
hưởng thực đến tổng các sai số là sai số kiểm nghiệm của bản thân q
trình gia cơng bằng tia lửa điện. Thông thường các giá trị sai số đó nằm trong các
khoảng giá trị sau:
+ Sai số kiểm nghiệm đến 0,03mm, rung động ngoài đến 0,02mm, thiết bị đo
đến 0,005mm, độ không cứng vững của hệ dẫn dây đến 0,015mm.
+ Sai số do biến dạng nhiệt của các chi tiết và các cụm của thiết bị là 0,035mm.
+ Sai số do biến dạng dãn dài của chi tiết gia cơng và của bộ phận đo lường bị
nóng do gia cơng lâu (đến 0,006mm khi kích thước chi tiết dày tới 50mm). Sai số
dạng thứ nhất được giảm từng phần bằng cách khởi động thiết bị chạy không tải và
thực tế sẽ giảm khi làm mát bằng quạt gió, đặc biệt là thiết bị làm việc trong điều
kiện nhiệt độ ổn định.
GVHD : Th.S Hoàng Long Vương – Th.S Nguyễn Hữu Quân
9
Thiết kế và chế tạo máy cắt dây CNC
- Khi gia cơng các chi tiết có chiều dày lớn, các rãnh cắt ở phần giữa có thể
lớn hơn so với hai đầu do biến dạng của dây điện cực. Điều đó dẫn đến các sai số
hình dạng gia cơng, sai số này được gọi là sai số “dạng cạnh bên”. Sai số này làm
giảm độ chính xác của chi tiết khi gia cơng chi tiết có chiều dày lớn như các rãnh
dẫn hướng. Khắc phục hiện tượng này bằng cách điều chỉnh đúng bộ phận dẫn dây
cũng như tăng độ căng dây điện cực. Một số lỗi xuất hiện các vết cắt tại các chỗ
thốt dây hoặc tại các góc trong của các chi tiết được cắt theo dưỡng. Nguyên nhân
xuất hiện vết cắt này được chia làm 3 nhóm nguyên nhân như sau:
+ Nguyên nhân ngẫu nhiên phụ thuộc vào các thao tác máy.
+ Nguyên nhân do tình trạng của thiết bị (như khe hở trong vít me đai ốc, trong
các đường dẫn hướng của các ụ và giá đỡ, độ căng dây thấp, độ rộng rãnh không phù
hợp với đường kính dây,...
+ Dây điện cực bị mịn,...
- Ngồi ra, độ căng dây của điện cực cũng có ảnh hưởng trực tiếp đến độ ổn
định của chế độ gia công, tức là đến năng suất và chất lượng gia công, ta cần đặt độ
căng dây điện cực là tối đa so với mức chịu được của dây nhằm tăng năng suất cũng
như chất lượng gia công. Điều này thường được thực hiện bằng cách điều chỉnh để
tốc độ cuốn dây vào lớn hơn tốc độ quay của các con lăn. Việc cuốn dây không
đúng cách cũng làm mất ổn định tốc độ và lực căng dây, do đó nó cũng ảnh hưởng
đến độ ổn định của chế độ gia công khi cắt dây tia lửa điện.
- Các sai số cố hữu của profin trong cắt dây tia lửa điện:
+ Khi gia công cắt dây tia lửa điện, các lực xuất hiện trong khe hở phóng điện
là rất nhỏ so với các lực xuất hiện trong các kỹ thuật cắt gọt thơng thường. Tuy
nhiên, nó vẫn có những ảnh hưởng rất lớn tới độ chính xác gia cơng bởi các lực này
làm xê dịch dây khỏi vị trí của nó gây ra các sai số. Các lực này được sinh ra do
trường tĩnh điện và trường điện từ, áp suất trong kênh plasma, các bọt khí bốc hơi
và dịng chảy của chất điện mơi.
+ Tất cả các lực nói trên được cân bằng bởi các lực chiều trục bên ngoài. Do đó,
trong gia cơng cắt thẳng thường khơng gây ra các sai số, chỉ có trong các trường hợp
GVHD : Th.S Hoàng Long Vương – Th.S Nguyễn Hữu Quân
10
Thiết kế và chế tạo máy cắt dây CNC
cắt góc thì mới ảnh hưởng tới độ chính xác hình học. Cụ thể được thể hiện trên các
hình vẽ sau so sánh ảnh hưởng của các lực đến độ chính xác khi cắt góc và khi cắt
thẳng.
Hình 2.2: Sự cân bằng về lực khi cắt thẳng và sai số hình học khi cắt góc.[10]
2.3 Điện cực và vật liệu
- Yêu cầu của vật liệu:
Mọi vật liệu dẫn điện và dẫn nhiệt tốt đều có thể sử dụng làm điện cực trong
gia công tia lửa điện. Nhưng để sử dụng chúng một kinh tế và đạt hiệu quả cao thì
chúng cần phải thoả mãn các u cầu sau:
+ Có tính dẫn điện và dẫn nhiệt tốt. Yêu cầu dẫn điện tốt để có thể tạo ra điện cực
phục vụ cho việc phóng điện tạo vết cắt trên chi tiết cần gia công. Yêu cầu dẫn nhiệt tốt
để có khả năng tản nhiệt nhanh, tránh gây các sai số trong quá trình gia cơng.
+ Có các tính chất nhiệt vật lý tốt như độ dẫn nhiệt, khả năng nhận nhiệt, có
điểm nóng chảy và điểm sơi cao.
+ Có độ bền ăn mịn cao, tức là độ bền vững trong gia công tia lửa điện phải
cao. Tiêu chuẩn này là tiêu chuẩn quan trọng nhất trong gia cơng tia lửa điện, nó
được thể hiện bởi cơng thức về độ bền ăn mịn E như sau:
E = . .c.tm (Trích cơng thức 2.2 ) [1]
Trong đó:
: là hệ số dẫn nhiệt.
GVHD : Th.S Hồng Long Vương – Th.S Nguyễn Hữu Quân
11
Thiết kế và chế tạo máy cắt dây CNC
3
: là khối lượng riêng (g/mm ).
0
c: là nhiệt dung riêng (J/Kg. C).
0
tm: là nhiệt độ nóng chảy của vật liệu ( C).
+ Có độ bền cơ học tốt, tức là phải có độ bền vững về hình dáng hình học khi
gia cơng tia lửa điện. Phải có ứng suất riêng nhỏ, hệ số dãn nở nhiệt nhỏ, độ bền kéo
lớn.
+ Vật liệu điện cực giá phải rẻ và có tính gia công cao, dễ chế tạo.
- Các loại dây điện cực:
Đặc tính của dây điện cực gồm:
+ Đường kính dây: thường dùng loại dây có đường kính d = (0,1 - 0,3)mm.
+ Vật liệu dây: tuỳ thuộc vào vật liệu gia cơng mà người ta có thể chọn vật liệu
dây cho phù hợp. Thường vật liệu dây là đồng, đồng thanh, mơlipđen volfram, và các
loại dây có lớp phủ. Các dây có lớp phủ thường có độ bền kéo căng cơ học cao và
độ thốt nhiệt cao. Ví dụ dây HSW-25X bao gồm lõi bằng đồng thau (CuZn30)
2
được phủ một lớp oxít kẽm nên có độ bền kéo từ 750 - 790N/mm và khả năng
thoát nhiệt tốt. Đặc biệt khi gia cơng các chi tiết có chiều dày lớn thì địi hỏi độ căng
dây phải lớn để giảm sai số hình học do độ trùng dây gây ra.
Vì vậy, cần phải nghiên cứu và ứng dụng các loại dây cho thích hợp với điều
kiện sản xuất và đảm bảo các điều kiện kinh tế.
2.4 Chất lượng bề mặt khi gia công bằng EDM.
- Trong gia công cắt dây tia lửa điện khi xét mặt cắt vng góc với dây điện
cực tại mặt phẳng cắt ta có thể dễ dàng nhận thấy có 2 kiểu khe hở phóng điện tồn
tại đồng thời như sau:
+
Khe hở phóng điện mặt trước gf
+
Khe hở phóng điện mặt bên gls.
GVHD : Th.S Hoàng Long Vương – Th.S Nguyễn Hữu Quân
12
