các phương pháp gia công đặc biệt phương pháp nhiệt

3/31/2013
o Vn Hip, Hc vin KTQS
1
Các phơng pháp nhiệt
(Thermal Processes)
GS. TS. Đào Văn Hiệp
Khoa Hàng không vũ trụ, Học viện KTQS
1. Cắt bằng tia lửa điện (Electro-Discharge Machining)
2. Cắt dây (Wire Electro-Discharge Machining)
3. Cắt bằng tia laser (Laser Beam Machining)
4. Cắt bằng tia điện tử (Electron Beam Machining)
5. Cắt bằng plasma (Plasma Arc Machining)
3/31/2013
Đào Văn Hiệp, Học viện KTQS
2
1. Gia c«ng tia löa ®iÖn
(Electro-Discharge machining)
PGS. TS. §µo V¨n HiÖp
Khoa Hµng kh«ng vò trô, Häc viÖn KTQS
3/31/2013
o Vn Hip, Hc vin KTQS
3
1.1. EDM - Nguyên lý
Nung chảy hoặc làm bay hơi vật liệu dn
in (kim loại) do nhiệt năng của tia lửa điện
(8000-12000
o
C). Tia lửa điện phóng từ dụng
cụ (cực âm) qua dung dịch điện môi sang
phôi (cực dơng). Chỗ phóng điện hình thành
"hố bom" (Crater);

Dung dịch đợc bơm qua khe hở giữa dụng
cụ và phôi, có 3 tác dụng:
Khi điện áp thấp, cách điện. Khi điện áp
đủ cao, bị ion hóa, cho tia lửa điện
phóng qua;
Tải phế liệu khỏi vùng gia công;
Tải nhiệt, làm nguội vùng gia công.
Hình dạng của phôi đợc chép từ hình dạng
dụng cụ nhng kích thớc lớn hơn (phải có
khe hở); Tiết diện phôi (và lỗ) có thể phức
tạp;
Vật liệu phôi phải dẫn điện;
3/31/2013
o Vn Hip, Hc vin KTQS
4
1.2. EDM - Thiết bị
Các bộ phận chính
Tạo xung tia lửa điện;
Bơm dung dịch điện môi;
Di chụyển điện cực;
Phụ trợ: lọc tạp chất, điều
khiển áp suất,
3/31/2013 o Vn Hip, Hc vin KTQS 5
Điện áp V
s
: 80-100 V DC, xung khoảng 5kHZ. Quá
trình nh sau:
Đầu tiên tụ tích điện, chất điện môi cha dẫn điện nên
cha có dòng điện giữa 2 cực;
Khi đạt đến điện áp nhất định, chất điện môi bị đánh

thủng (điện áp phóng V
b
), dòng điên xuất hiện.
Điện tử phóng từ cực âm sang cực dơng, trên đờng đi
va vào các phân tử chất điện môi (dầu, nớc), ion hóa
chúng. Số lợng điện tử phóng sang cực dơng, ion d-
ơng sang cực âm tăng, dòng in tăng lên;
Động năng của các hạt biến thành nhiệt năng, nung
chảy hoặc làm bốc hơi vật liệu các điện cực.
Ngay sau khi phóng, điện áp giảm nhanh, tia lửa bị
tắt,
Quá trình tiếp diễn, khiến dòng điện có dạng xung.
Bán kính tia lửa rất nhỏ (0,1-0,2mm) nhng năng l-
ợng tập trung rất cao, khiến vật liệu phôi bị nung
chảy hoặc bốc hơi, tạo thành hố (Crater);
Số tia lửa phóng lớn, tần số cao (đến hàng nghìn
xung/giây), khiến quá trình cắt xảy ra nhanh.
V
s
- điện áp cung cấp; V
b
- điện áp
phóng; V
i
- điện áp tức thời
3/31/2013
o Vn Hip, Hc vin KTQS
6
Các thông số công nghệ quan trọng:
Dòng điện phóng (I);

Tần số phóng tia lửa điện (hàng trăm đến hàng ngàn lần trong 1 giây).
Năng suất gia công phụ thuộc dòng điện và nhiệt độ móng chảy của vật liệu phôi:
MRR=410
4
IT
w
-1,23
(mm
3
/ph);
Tốc độ tiêu hao vật liệu dụng cụ: W
t
=1110
3
IT
t
-2,38
(mm
3
/ph);
Tỷ số tiêu hao phôi - dụng cụ: R=MRR/W
t
dao động trong khoảng 1,0-100, tùy thuộc cặp đôi
vật liệu.
Mô hình khác:
Kích thớc của hố là hàm số của năng lợng xung:
Thể tích của hố:
Năng suất gia công:
trong đó, f- tần số xung; - hiệu suất.
1.3. EDM - Đặc điểm công nghệ

22
c
3
V h( D h )
64


2 2 3n
c 1 2 1
3
V K ( K K )W
64


c
MRR V f


nn
12
h K W ; D K W
3/31/2013
Đào Văn Hiệp, Học viện KTQS
7
1.3. EDM - §Æc ®iÓm c«ng nghÖ
3/31/2013 o Vn Hip, Hc vin KTQS 8
1.3. EDM - Đặc điểm công nghệ
Khả năng công nghệ:
MRR trong khoảng 2-400mm
3

/ph. Năng suất cao đi kèm với cấu trúc thô và cơ
tính thấp;
Độ chính xác kích thớc phụ thuộc vật liệu phôi: 0,005-0,125mm;
Độ nhám bề mặt phụ thuộc mật độ dòng điện và vật liệu phôi: Ra=0,05-12,5m
công nghệ mới, dùng dụng cụ dao động cho độ bóng cao hơn.
Vật liệu dụng cụ thờng là graphit, đồng, đồng - volfram, bạc - volfram,
Ưu đểm
Lực cắt nhỏ, không gây biến dạng, phá hỏng chi tiết, dụng cụ và lực kẹp nhỏ;
Chính xác cao (có thể đạt 0,0001" hay 0,0025mm);
Cho phép gia công bề mặt phức tạp;
Mòn dụng cụ không ảnh hởng (luôn luôn đợc cấp và bù);
Không khó khăn khi gia công vật liệu cứng;
Dễ dàng cắt chi tiết rất dày, lỗ sâu, rãnh hẹp.
Nhợc điểm:
Tạo ra bề mặt cứng, cấu trúc thô; lớp dới bề mặt có thể bị mềm; lỗ bị côn.
3/31/2013
Đào Văn Hiệp, Học viện KTQS
9
1.4. C¸c d¹ng gia c«ng EDM
3/31/2013
Đào Văn Hiệp, Học viện KTQS
10
1.4. VÝ dô øng dông
3/31/2013
Đào Văn Hiệp, Học viện KTQS
11
1.4. VÝ dô øng dông
Khu«n
Y tª
Hµng kh«ng

VÖ tinh
3/31/2013
o Vn Hip, Hc vin KTQS
12
1.4. Khoan EDM lỗ nhỏ
Khoan lỗ sâu, đờng kính nhỏ
- Dụng cụ quay giống nh khoan thông thờng,
đồng thời đợc cấp xung điện áp tạo tia lửa điện;
- Dung dịch điện môi đợc bơm qua lõi dụng cụ,
ăn mòn phôi thành hàng triệu hốc nhỏ, tạo
thành lỗ;
- Kích thớc lỗ đợc điều khiển thông qua đờng
kính của dụng cụ. Dụng cụ đợc thay bằng hệ
thống thay dao tự động, nh máy CNC. Vị trí và
chiều sâu lỗ đợc điều khiển bằng hệ CNC;
- Khoan EDM có nhiều điểm tơng tự nh khoan
thông thờng, nhng kết hợp đợc các u điểm của
EDM: gia công vật liệu cứng, lỗ sâu, không có
ba via,
- Có thể khoan lỗ đờng kính nhỏ đến 0,02-mm,
sâu đến 500mm, độ chính xác 0,002.
3/31/2013 Đào Văn Hiệp, Học viện KTQS 13
2. C¾t d©y tia löa ®iÖn
(Wire Electro-Discharge machining)
GS. TS. §µo V¨n HiÖp
Khoa Hµng kh«ng vò trô, Häc viÖn KTQS
3/31/2013 Đào Văn Hiệp, Học viện KTQS 14
2.1. Nguyªn lý c¾t
3/31/2013 o Vn Hip, Hc vin KTQS 15
Điện cực dạng dây, chạy liên

tục. Vùng gia công đợc tới hoặc
ngâm trong dung dịch điện môi.
Đờng kính dây khoảng 0,003-
0,012 in (0,076-0,3mm);
Vật liệu dây có thể là đồng,
volfram, molipden;
Dung dịch điện môi có thể là n-
ớc hoặc dầu.
Bàn máy mang chi tiết chuyển
động theo trục X, Y, tạo thành
khe cắt hẹp;
2.1. Nguyên lý cắt
3/31/2013
Đào Văn Hiệp, Học viện KTQS
16
2.1. Nguyªn lý ®iÒu khiÓn
3/31/2013
Đào Văn Hiệp, Học viện KTQS
17
2.2. S¶n phÈm cña WEDM
3/31/2013
Đào Văn Hiệp, Học viện KTQS
18
3. gia c«ng b»ng tia laser
(Laser Beam machining)
GS. TS. §µo V¨n HiÖp
Khoa Hµng kh«ng vò trô, Häc viÖn KTQS
3/31/2013
o Vn Hip, Hc vin KTQS
19

3.1. Nguyên lý
Cấp năng lợng từ đèn Flash, điện tử nhảy từ
mức năng lợng cơ bản lên mức năng lợng
cao. Khi nhảy về, phát ra các photon (laser);
2 gơng phản chiếu, khiến các photon chạy
đi chạy lại, kích hoạt thêm các điện tử khác;
1 gơng chỉ phản chiếu 1 phần, cho một số
photon lọt qua, hội tụ vào vùng gia công.
3/31/2013 o Vn Hip, Hc vin KTQS 20
Nhờ khả năng hội tụ cao của laser, quang
năng đợc tập trung rất cao, sinh nhiệt, làm
bốc hơi, ăn mòn vật liệu phôi;
Lọai laser:
Khí (CO
2
);
Rắn: hồng ngọc tổng hợp, YAG (Ytri - Nhôm -
Granat),
Bán dẫn: Ge, Si, Ga,
Luồng khí áp suất cao đợc dùng để tăng hiệu
quả cho quá trình: thổi nguội và các hạt xỉ
tạo ra.
Các yếu tố ảnh hởng đến hiệu quả gia công:
Độ phản quang của gơng;
Tính chất nhiệt (độ dẫn, nhiệt dung) của vật
liệu phôi;
Nhiệt độ nóng chảy của vật liệu phôi
3.1. Nguyên lý
3/31/2013 o Vn Hip, Hc vin KTQS 21
Khả năng công nghệ

Tốc độ cắt có thể đến 4m/ph; năng suất thờng đạt 5mm
3
/ph;
Độ chính xác: 0,015-0,125;
Độ nhám bề mặt Ra khoảng 0,4-6,3m
Ưu điểm
Khoan lỗ sâu hoặc lỗ trên các tấm mỏng;
Cắt rãnh có tiết diện phức tạp;
Gia công các vật liệu cứng hoặc khó gia công;
Nhợc điểm
Sinh vùng ảnh hởng nhiệt trên bề mặt: oxy hóa, ứng suất d, kết tinh lại,
Không thuận lợi khi gia công các vật liệu dễ cháy: vải, giấy, cao su, chất
dẻo, (cần dùng khí trơ bảo vệ);
Khả năng cắt trên tấm vật liệu dày thay đổi do khả năng hội tụ của tia laser.
ứng dụng
Gia công các vật liệu cứng hoặc khó gia công;
Gia công các lỗ, rãnh có tiết diện đặc biệt;
Cắt đứt, pha, vạch dấu, đánh dấu vật liệu.
3.2. Khả năng công nghệ và ứng dụng
3/31/2013 Đào Văn Hiệp, Học viện KTQS 22
4. gia c«ng b»ng tia ®iÖn tö
(Electron beam machining)
GS. TS. §µo V¨n HiÖp
Khoa Hµng kh«ng vò trô, Häc viÖn KTQS
3/31/2013 Đào Văn Hiệp, Học viện KTQS 23
4.1. Nguyªn lý
3/31/2013 o Vn Hip, Hc vin KTQS 24
Tia điện tử sinh ra nhờ hiệu điện áp giữa cathode và lới, hội tụ do lới có
dạng cầu lõm;
Khi bay trong điện trờng giữa cathode và anode, các điện tử tăng tốc (tới

khoảng 3/4C) và qua van.
Qua thấu kính từ (Magnetic Len), tia hội tụ trên bề mặt phôi, năng lợng tập
trung mật độ cao, đủ nung chảy và làm bốc hơi vật liệu.
Vùng gia công phải đặt trong chân không để tránh các điện tử khỏi bị cản
trở và va đập bởi các phân tử không khí (tia laser không cần vì kích thớc và
khối lợng của các photon rất nhỏ so với điện tử);
4.1. Nguyên lý
3/31/2013 o Vn Hip, Hc vin KTQS 25
Cơ chế bóc vật liệu: nung chảy, bốc hơi;
Cần môi trờng chân không;
Dụng cụ cắt: tia điện tử vận tốc cao;
Năng suất lớn nhất: MRR=10mm
3
/ph;
Suất tiêu thụ năng lợng cao: 450W/mm
3
/ph;
Các thông số công nghệ quan trọng: điện thế tăng tốc, đờng kính tia,
tốc độ ăn dao, nhiệt độ nóng chảy;
Vật liệu: gần nh mọi vật liệu (không sợ cháy nh laser vì cắt trong chân
không);
Dạng bề mặt gia công: lỗ sâu, đờng cong trên tấm phẳng, rãnh hẹp;
Độ chính xác và chất lợng bề mặt gia công tốt hơn LBM.
Thiết bị đắt tiền.
4.2. Đặc điểm công nghệ và ứng dụng