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

i

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


i

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 chun mơn 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, phịng 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

Nguyễn Chí Thức


ii

TÓM TẮT
Đề tài: “Nghiên cứu sự ảnh hưởng của các thơng số cơng 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 tốn 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 khơng 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 khơng phá hủy sản
phẩm
Độ chính xác và chất lượng bề mặt chi tiết
Học viên

Nguyễn Chí Thức


iii

LỜI CAM ĐOAN
Tơi xin cam đoan đây là cơng 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 cơng trình
nào khác.
Nếu nội dung nghiên cứu của tơi trùng lặp với bất kỳ cơng trình nghiên cứu
nào đã cơng bố, tơi xin hồn tồn 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


iv

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 q 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 cơng tia lửa điện và các yếu tố ảnh hưởng ........12
1.2.1. Độ chính xác khi gia cơng 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

v

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 cơng 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


vi

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 dị ...............................................................................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


vii

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 mơ hình tốn học của hàm độ nhám bề mặt Rz ..............................85
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ
TÀI LIỆU THAM KHẢO
PHỤ BIỂU


viii

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT
Ký hiệu

Tên

We

Năng lượng tách vật liệu

Ue

Điện áp

Đơn vị

vol

te

Thời gian phóng điện

Ie

Tia lửa điện

λ

Là hệ số dẫn nhiệt



Là khối lượng riêng

c

Là nhiệt riêng

tm

Là nhiệt độ nóng chảy của vật liệu

( C)

ti

Độ kéo dài xung

mm

Khoảng cách xung

mm

Độ nhám

μm

t0
Rz, Ra
X

Tia

m

Khối lượng của electron

c

Tốc độ ánh sáng

e

Điện tích electron

s

(W / (m . K))
(g/mm 2 )
(j/kg.),(g/mm 2 )
0

m/s

2

Góc giữa EP và chùm tia tới

Độ

I0

Cường độ của chùm tia tới;

vol



Bước sóng chùm tia X.



Hằng số hấp thụ X

Si

Hệ tọa độ gắn liền với mẫu

Cijkl

ami anj
Sijkl

Là ten xơ độ cứng đàn hồi hạng tư, đã được
chuyển đến hệ tọa độ Si.
Côsin chỉ phương
Ten xơ kết hợp đơn tinh thể hạng tư

JIS - SKD11 Ký hiệu vật liệu theo tiêu chuẩn Nhật


ix

DANH MỤC CÁC CÁC BẢNG
Bảng 1.1. Các thông số kỹ thuật của máy cắt dây JSEDM 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 thơng 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 dịng 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 tốn của hàm độ nhám bề mặt..........................69
Bảng 5.8 - Kết quả thí nghiệm xác định ảnh hưởng của cường độ dịng điện phóng tia
lửa đến năng suất gia công Ns ......................................................................................70
Bảng 5.9. Tổng hợp các giá trị tính tốn của hàm năng suất gia cơng .....................71
khi cường độ dịng 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 tốn 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 tốn của hàm năng suất gia cơng ...................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 tốn của hàm độ nhám bề mặt........................79


x

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 tốn của hàm năng suất gia công ...................81
khi vận tốc cắt thay đổi .............................................................................................81
Bảng 5.21- Mã hố và giá trị của các thơng 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


xi

DANH MỤC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ
Hình 1.1. Thể hiện các vật liệu có thể gia cơng được bằng tia lửa điện. ....................6
Hình 1.2.Sơ đồ ngun lý gia cơng tia lửa điện ..........................................................6
Hình 1.3. Đồ thị điện áp và dịng 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 phơi ............................................................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 ngun lí cắt dây tia lửa điện ........................................................17
Hình 1.12 Sơ đồ ngun 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 ngun 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 dịng chảy đồng trục ..........................33
Hình 1.20. Sơ đồ ngun lý gia cơng tia lửa điện .....................................................34
Hình 1.21. Dịng chày bên ngồi ...............................................................................37

Hình 1.22 : Chiều cao nhấp nhơ bề mặt ....................................................................40
Hình 1.23 : Chiều cao nhấp nhơ 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


xii

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– sin2ψ ................................................................52
Hình 1.34. Dạng tách đơi góc ψ ..............................................................................53
Hình 1.35. Dạng dao động

2
của d ,  sin  .................................................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 dịng điện phóng tia lửa
đến độ nhám bề mặt gia cơng .......................................................................................69
Hình 5.4 - Đồ thị biểu diễn sự ảnh hưởng của cường độ dịng điện phóng tia lửa
đến năng suất gia cơng ..............................................................................................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 cơng ....76
Hình 5.7 - Đồ thị sự ảnh hưởng của vận tốc cắt đến độ nhám bề mặt gia cơng ......79
Hình 5.8 - Đồ thị sự ảnh hưởng của vận tốc cắt đến năng suất gia công .................81


1

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 khơng
đạt.Trong thực tế cơng nghệ mới cho ra đời những loại máy đáp ứng được u cấu
đó, máy gia cơng 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 khn dập nguội. Bên cạnh những kết quả đạt được về mặt công
nghệ nói chung cịn 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 cơng 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 cơng
do người lập trình thực hiện. Chế độ cơng 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 thơng 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,


2

chế độ công nghệ khi gia công trên máy cắt dây EDM CNC phụ thuộc rất nhiều vào
vật liệu chi tiết gia cơng (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 cơng bằng phương pháp
truyền thống gặp nhiều khó khăn. Chính vì lẽ đó gia cơng 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 cơng thay đổi. Vì vậy cần nghiên cứu
và tìm ra các giá trị cơng 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 hồn 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 hố 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.
2. Mục đích nghiên cứu
Xuất phát từ những lý do thực hiện đề tài đã nêu ở trên chúng tơi đặt mục đích
nghiên cứu là:
- Nghiên cứu chế độ cắt của máy cắt dây EDM khi cắt thép SKD11 xét đến
ảnh hưởng của nó đến ứng suất dư và độ nhám bề mặt.
- Đề xuất một chế độ cắt phù hợp khi cắt thép SKD11 bằng EDM. Từ đó có
những khuyến cáo khi sử dụng cơng nghệ cắt thép SKD11 bằng điện cực EDM với


3

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 mơi trường dung mơi, 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 tốn dựa vào lý
thuyết gia cơng 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


4

- 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.


5

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 q trình điện - nhiệt thơng qua sự nóng chảy và bốc hơi Kim
loại. Từ đó đến nay quá trình hớt vật liệu trong gia cơng tia lửa điện vẫn được coi là
phức tạp liên quan đến khoảng cách khe hở phóng điện, đến thơng 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
mịn 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 trị dụng cụ) lại có độ cứng thấp hơn nhiều lần so với độ
cứng của phôi.Điện cực là đồng, graphit, cịn phơi là thép đã tơi 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 mơi, đó là nước hoặc một
dung dịch khơng dẫn điện ở điều kiện bình thường.
Có hai phương pháp gia công tia lửa điện được sử dụng rộng rãi trong cơng
nhiệp đó là gia cơng tia lửa điện dùng cực định hình và gia cơng tia lửa điện bằng
cắt dây.


6

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 cơng 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 ngun lý gia công tia lửa điện
Một điện áp được đặt giữa điện cực và phơi.Khơng 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 dịng điện xuất hiện 1 cách tức thời.
Khi phóng Tia lửa điện, các điện cực khơng tiếp xúc với nhau.Nếu chúng
chạm vào nhau thì sẽ khơng có tia lửa điện mà sẽ xảy ra một dịng ngắn mạch, có


7

hại đối với q trình gia cơng.Nếu khe hở lớn q thì lại khơng thể xảy ra sự phóng
điện, làm giảm năng suất gia cơng.
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 ie 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 u i . ue và ie là các giá trị trung bình của điện áp và dịng
điện khi phóng tia lửa điện.

t e - Dộ kéo dài xung
t d - Độ trễ đánh lửa
t i - Độ kéo dài xung máy xung máy
phát
t 0 - Khoảng cách xung
t p - Thời gian chu kỳ xung
U i - Điện áp máy phát mở
U e - Điện áp phóng tia lửa điện

i e - Dịng phóng tia lửa điện
Hình 1.3. Đồ thị điện áp và dịng 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 mơi
ở khe hở.
Các bề mặt 2 bên điện cực hồn toàn phẳng.Điện trường sẽ mạnh nhất ở hai
điểm gần nhau nhất.Chất điện mơi bị ion hóa. Tất cả các phần tử dẫn điện (điện tử


8

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 mơi 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


9

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
(10.000 0 C).Kênh plasma này được tạo thành đầy đủ thì điện áp U e 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 cơng dụng. Giữa các xung có một độ trễ t 0 (là thời gian giữa các xung),
cho phép chất điện mơi thơi ion hóa và để có thời gian vận chuyển phoi ra khỏi khe
hở giữa các điện cực nhờ dịng chảy của chất điện mơi.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 khơng như nhau. Cực nào ăn mịn nhiều hơn (thường là
cực dương) thì sẽ dành cực đó cho phơi. Cực nào ít ăn mịn sẽ được dành cho điện
cực.

Hình 1.6. Sự nóng chảy và bốc hơi vật liệu


10

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 W e thì ta có đẳng thức sau:
W e = U e . I e .t e

(1.1)

Trong đó: U e , I e , t e là các giá trị trung bình của điện áp và dịng tia lửa điện
được lấy trong khoảng thời gian xung. Do U e 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 mịn.
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 10.000 0 C 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 dịng điện.Nhưng nhiệt độ của chất lỏng lại
khơng tụt nhanh như thế.Điều này gây ra sự nổ và bốc hơi của chất lỏng nóng chảy
hiện có.Tốc độ cắt dịng 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.


11

Vì lượng hớt vật liệu phụ thuộc vào điện áp, cường độ dịng điện và thời gian
nên người ta có thể nghiên cứu một cách chính xác tuần tự theo thời gian của điện
áp và dịng 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 phơi
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 t e càng lớn thì lớp này càng dày.
2. Lớp bị tơi cứng, với cấu trúc trịn, 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 Fe 3 C) trong một thời gian ngắn. Độ cứng của lớp này giảm so với lớp tôi cứng,
(khoảng 64 HRC).
4. Dưới cùng là lớp khơng 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 tơi cứng với cấu trúc dịn dễ phá hỏng chi tiết khi làm việc nhiều tải
trọng va đập.


12

- Để khắc phục các ảnh hưởng không tốt trên, khi gia cơng tia lửa điện, người
ta có thể thực hiện gia cơng nhiều bước khác nhau để vừa có thể tăng năng suất gia
cơng vừa có thể giảm đáng kể chiều dày của lớp ảnh hưởng nhiệt và tăng độ bóng
bề mặt gia cơng. Ngày nay, người ta cịn 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 cơng.
1.2. Độ chính xác tạo hình khi gia cơng tia lửa điện và các yếu tố ảnh hưởng
1.2.1. Độ chính xác khi gia cơng bằng tia lửa điện
Độ chính xác của máy (bao gồm: độ ổn định về cơ, độ cứng vững của hệ thống
cơng 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 ngồi
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 mơi thích hợp để giữ nhiệt độ gia công được ổn định trong
quá trình gia cơng.
Các thơng 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
cơng 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 cơng của chi

tiết gia cơng.
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 cơng
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 cơng bằng tia lửa điện
Khác với những phương pháp gia công theo phương pháp truyền thống,
phương pháp gia cơng bằng tia lửa điện, điều kiện dịng chảy chất điện mơi,... thì