Đánh giá chất lượng bề mặt thép SKD61 khi gia công bằng phương pháp gia công tia lửa điện với điện cực đồng và dung môi dầu

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên


ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
TRƢỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP






LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT



ĐÁNH GIÁ CHẤT LƢỢNG BỀ MẶT THÉP SKD61
KHI GIA CÔNG BẰNG PHƢƠNG PHÁP GIA CÔNG
TIA LỬA ĐIỆN VỚI ĐIỆN CỰC ĐỒNG VÀ DUNG MÔI DẦU




NGUYỄN MẠNH LINH





THÁI NGUYÊN – 2013

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên




ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
TRƢỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP




LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT



ĐÁNH GIÁ CHẤT LƢỢNG BỀ MẶT THÉP SKD61
KHI GIA CÔNG BẰNG PHƢƠNG PHÁP GIA CÔNG
TIA LỬA ĐIỆN VỚI ĐIỆN CỰC ĐỒNG VÀ DUNG MÔI DẦU



Ngành : CÔNG NGHỆ CHẾ TẠO MÁY
Học viên : NGUYỄN MẠNH LINH
Ngƣời HD Khoa học : PGS. TS. NGUYỄN ĐÌNH MÃN

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

THÁI NGUYÊN – 2013


ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM
TRƢỜNG ĐH KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP
***
Độc lập - Tự do - Hạnh phúc




LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT



ĐỀ TÀI:
ĐÁNH GIÁ CHẤT LƢỢNG BỀ MẶT THÉP SKD61
KHI GIA CÔNG BẰNG PHƢƠNG PHÁP GIA CÔNG TIA LỬA ĐIỆN
VỚI ĐIỆN CỰC ĐỒNG VÀ DUNG MÔI DẦU


Học viên : Nguyễn Mạnh Linh

Lớp : CNCTM – K13
Ngành : Công nghệ chế tạo máy
Ngƣời HD Khoa học : PGS.TS. Nguyễn Đình Mãn


NGƢỜI HƢỚNG DẪN



BAN GIÁM HIỆU

HỌC VIÊN



PHÒNG QLĐT SAU ĐẠI HỌC



Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan các số liệu và kết quả nêu trong luận văn là trung thực và
chưa từng được ai công bố trong bất kỳ một công trình nào khác. Trừ các phần tham
khảo đã được nêu rõ trong luận văn.
Tác giả


Nguyễn Mạnh Linh

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên


LỜI CẢM ƠN

Tác giả xin chân thành cảm ơn Thầy giáo – PGS.TS. Nguyễn Đình Mãn,
người đã hướng dẫn và giúp đỡ tận tình từ định hướng đề tài, tổ chức thực hiện đến
quá trình viết và hoàn chỉnh luận văn.
Tác giả bày tỏ lòng biết ơn đối với Ban Giám hiệu và Khoa Sau đại học của
Trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp đã tạo điều kiện thuận lợi để hoàn thành bản
luận văn này.
Tác giả cũng chân thành cảm ơn Công ty cổ phần Diesel Sông Công, Viện
Khoa học vật liệu (thuộc Viện Khoa học Công nghệ) – Hà Nội đã giúp đỡ tác giả
thực hiện luận văn này.
Do năng lực bản thân còn có những hạn chế nên luận văn không tránh khỏi
sai sót, tác giả rất mong nhận được sự đóng góp ý kiến của các Thầy, Cô giáo, các
nhà khoa học và các bạn đồng nghiệp.
Xin trân trọng cảm ơn!
Tác giả


Nguyễn Mạnh Linh

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

MỤC LỤC
Mở đầu 1 1
CHƢƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ GIA CÔNG TIA LỬA ĐIỆN 3
1.1. Đặc điểm của phƣơng pháp gia công tia lửa điện 3
1.1.1. Các đặc điểm chính của phương pháp gia công tia lửa điện 3
1.1.2. Khả năng công nghệ của phương pháp gia công tia lửa điện. 3
1.2. Các phƣơng pháp gia công tia lửa điện 3
1.2.1. Phương pháp gia công xung định hình 4
1.2.2. Phương pháp gia công cắt dây bằng tia lửa điện 4
1.2.3. Các phương pháp khác: 4
1.3. Cơ sở của phƣơng pháp gia công tia lửa điện 6
1.3.1. Bản chất vật lý 6
1.3.2. Cơ chế bóc tách vật liệu 11
1.4. Các yếu tố ảnh hƣởng đến quá trình gia công tia lửa điện 12
1.4.1 Các đặc tính về điện của sự phóng tia lửa điện 12
1.4.2. Dòng điện và bước dòng điện 16
1.4.3. Ảnh hưởng của khe hở phóng điện δ. 16
1.4.4. Ảnh hưởng của điện dung C 19
1.4.5. Ảnh hưởng của diện tích vùng gia công 20
1.4.6. Ảnh hưởng của sự ăn mòn điện cực 20
1.5. Lƣợng hớt vật liệu khi gia công tia lửa điện 21
1.6. Chất lƣợng bề mặt 22
1.6.1. Độ nhám bề mặt 22

1.6.2. Vết nứt tế vi và các ảnh hưởng về nhiệt 23
1.7. Độ chính xác tạo hình khi gia công tia lửa điện 24
1.8. Các hiện tƣợng xấu khi gia công tia lửa điện 25
1.8.1. Hồ quang 25
1.8.2. Ngắn mạch, sụt áp 26
1.8.3. Xung mạch hở, không có dòng điện 26
1.8.4. Sự quá nhiệt của chất điện môi 27


Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

1.9. Các yếu tố không điều khiển đƣợc 27
1.9.1. Nhiễu hệ thống 27
1.9.2. Nhiễu ngẫu nhiên 27
1.10. Dung dịch chất điện môi trong gia công tia lửa điện 28
1.10.1. Nhiệm vụ của dung dịch chất điện môi 28
1.10.2. Các loại chất điện môi 29
1.10.3. Các tiêu chuẩn đánh giá chất điện môi 30
1.10.4 . Các loại dòng chảy của chất điện môi 31
1.10.5. Hệ thống lọc chất điện môi 34
Kết luận chƣơng 1 35
CHƢƠNG 2. MÁY XUNG ĐỊNH HÌNH VÀ CÁC THÔNG SỐ CÔNG NGHỆ
TRONG QUÁ TRÌNH GIA CÔNG 36
2.1. Sơ bộ về máy xung định hình 36
2.2. Ƣu, nhƣợc điểm của phƣơng pháp gia công xung định hình 37
2.2.1. Ưu điểm 37
2.2.2. Nhược điểm 37
2.3. Chất lƣợng bề mặt khi gia công xung định hình 38
2.3.1. Về độ nhám bề mặt: 38
2.3.2. Về vết nứt tế vi và lớp ảnh hưởng nhiệt sau khi gia công 39

2.4. Các thông số công nghệ của khi gia công xung định hình 40
2.4.1. Điện áp đánh lửa U
z
. 41
2.4.2. Thời gian trễ đánh lửa t
d
41
2.4.3. Điện áp phóng tia lửa điện U
e
. 41
2.4.4. Dòng phóng tia lửa điện I
e
. 41
2.4.5. Thời gian phóng tia lửa điện t
e
41
2.4.6. Độ kéo dài xung t
i
. 42
2.4.7. Khoảng cách xung t
o
. 42
2.5. Một số vấn đề liên quan đến điện cực và vật liệu điện cực khi gia công xung
định hình 42
2.5.1. Yêu cầu của vật liệu điện cực: 42


Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

2.5.2. Các loại vật liệu điện cực. 43

Kết luận chƣơng 2 48
CHƢƠNG 3. THỰC NGHIỆM NGHIÊN CỨU ĐÁNH GIÁ CHẤT LƢỢNG
BỀ MẶT KHUÔN DẬP CÒ MỔ ĐỘNG CƠ RV125 49
3.1. Mục đích của thí nghiệm 49
3.2. Mô tả hệ thống thí nghiệm 49
3.2.1. Sơ đồ thí nghiệm 49
3.2.2. Máy thí nghiệm 50
3.2.3. Vật liệu thí nghiệm 50
3.2.4. Điện cực dụng cụ 53
3.2.5. Dung dịch điện môi 53
3.2.6. Các thông số công nghệ gia công 54
3.2.7. Quy trình thí nghiệm 54
3.2.8. Thiết bị đo kiểm kết quả thí nghiệm 54
3.3. Kết quả thí nghiệm và thảo luận 55
3.3.1. Hình dáng bề mặt khuôn 55
3.3.2. Topography bề mặt gia công 56
3.3.3. Cấu trúc của lớp bề mặt gia công 60
3.3.4. Thành phần hóa học và tổ chức pha của lớp bề mặt gia công 65
3.4. Quy trình công nghệ gia công khuôn dập cò mổ động cơ RV125 thực tế tại
công ty Diesel Sông Công Thái Nguyên 71
Kết luận chƣơng 3 72
KẾT LUẬN CHUNG VÀ KIẾN NGHỊ 73
1. Kết luận chung 73
2. Kiến nghị 73
TÀI LIỆU THAM KHẢO 74
PHỤ LỤC: Kết quả phân tích của Viện Khoa học vật liệu- Trung tâm đánh giá hư
hỏng vật liệu 75


Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

DANH MỤC BẢNG BIỂU

Bảng 2.1. Bảng tính cực của điện cực 46
Bảng 3.1. Ký hiệu tương đương thép SKD61 của các nước 51
Bảng 3.2. Thành phần hóa học theo % trọng lượng của thép SKD61 51
Bảng 3.3. Các tính chất cơ, lí của thép SKD61 51
Bảng 3.4. Đặc tính kỹ thuật của đồng 53
Bảng 3.5. Chỉ tiêu kỹ thuật của dầu biến thế 54
Bảng 3.6. Các thông số công nghệ gia công 54
Bảng 3.7. Kết quả nhấp nhô bề mặt 57
Bảng 3.8. Chiều dày lớp biến trắng và lớp chuyển tiếp 63
Bảng 3.9. Sự thay đổi độ cứng lớp bề mặt theo chiều sâu 63
Bảng 3.10. Thành phần của hóa học của các vùng trên lớp bề mặt 65
Bảng 3.11. Thành phần của hóa học của các vùng trên lớp bề mặt 66
Bảng 3.12. Thành phần của hóa học của các vùng trên lớp bề mặt 66
Bảng 3.13. Thành phần của hóa học của các vùng trên lớp bề mặt 67
Bảng 3.14. Thành phần của hóa học của các vùng trên lớp bề mặt 67
Bảng 3.15. Thành phần của hóa học của các vùng trên lớp bề mặt 68


Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ

Hình 1.1. Sơ đồ nguyên lý gia công tia lửa điện 6
Hình 1.2. Pha đánh lửa 7
Hình 1.3. Sự hình thành kênh phóng điện 7
Hình 1.4. Sự hình thành và bốc hơi vật liệu 8
Hình 1.5. Đồ thị điện áp và dòng điện trong một xung phóng điện 9

Hình 1.6. Mối quan hệ giữa Vw và t
i
14
Hình 1.7. Mối quan hệ giữa θ và t
i
14
Hình 1.8. Mối quan hệ giữa Rmax và ti (với t
i
= t
d
+ t
e
). 15
Hình 1.9. Ảnh hưởng của ti và t0 đến năng suất gia công 16
Hình 1.10. Ảnh hưởng của khe hở phóng điện δ 17
Hình 1.11. Quan hệ giữa η và áp 19
Hình 1.12. Ảnh hưởng của điện dung C 19
Hình 1.13. Ảnh hưởng của diện tích vùng gia công F 20
Hình 1.14. Các thông số ảnh hưởng đến năng suất khi gia công EDM 22
Hình 1.15. Vùng ảnh hưởng nhiệt của bề mặt phôi 24
Hình 1.16. Hiện tượng hồ quang điện 25
Hình 1.17. Hiện tượng ngắn mạch sụt áp 26
Hình 1.18. Hiện tượng xung mạch hở 27
Hình 1.19. Dòng chảy bên ngoài 32
Hình 1.20. Dòng chảy áp lực 33
Hình 2.1. Mô hình máy xung định hình 36
Hình 2.2. Câu trúc tế vi của chi tiết gia công bằng xung định hình 38
Hình 2.3. Cấu trúc bề mặt phôi 39

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

Hình 3.1. Sơ đồ thí nghiệm 49
Hình 3.2. Máy xung CNC – EA600L 50
Hình 3.3. Bản vẽ mẫu thí nghiệm 52
Hình 3.4. Bản vẽ chế tạo nửa dưới khuôn dập cò mổ động cơ RV125 52
Hình 3.5. Hình dáng điện cực 53
Hình 3.6. Bản vẽ nửa khuôn dưới dập cò mổ động cơ RV125 56
Hình 3.7. Vị trí kiểm tra trên mẫu 57
Hình 3.8. Vị trí chụp ảnh SEM 57
Hình 3.9. Ảnh SEM bề mặt mẫu 1 vị trí 1 với độ phóng đại 100x 58
Hình 3.10. Ảnh SEM bề mặt mẫu 1 vị trí 1 với độ phóng đại 1000x 58
Hình 3.11. Ảnh SEM bề mặt mẫu 1 vị trí 2 với độ phóng đại 100x 58
Hình 3.12. Ảnh SEM bề mặt mẫu 1 vị trí 2 với độ phóng đại 1000x 58
Hình 3.13. Ảnh SEM bề mặt mẫu 2 vị trí 1 với độ phóng đại 100x 58
Hình 3.14. Ảnh SEM bề mặt mẫu 2 vị trí 1 với độ phóng đại 1000x 58
Hình 3.15. Ảnh SEM bề mặt mẫu 2 vị trí 2 với độ phóng đại 100x 59
Hình 3.16. Ảnh SEM bề mặt mẫu 2 vị trí 2 với độ phóng đại 1000x 59
Hình 3.17. Ảnh SEM bề mặt mẫu 3 vị trí 1 với độ phóng đại 100x 59
Hình 3.18. Ảnh SEM bề mặt mẫu 3 vị trí 1 với độ phóng đại 1000x 59
Hình 3.19. Ảnh SEM bề mặt mẫu 3 vị trí 2 với độ phóng đại 100x 59
Hình 3.20. Ảnh SEM bề mặt mẫu 3 vị trí 2 với độ phóng đại 1000x 59
Hình 3.21. Vị trí phân tích tổ chức tế vi 61
Hình 3.22. Ảnh tổ chức tế vi của mẫu 1 cao, a) 200x; b) 500x 61
Hình 3.23. Ảnh tổ chức tế vi của mẫu 1 thấp, a) 200x; b) 500x 61
Hình 3.24. Ảnh tổ chức tế vi của mẫu 2 cao, a) 200x; b) 500x 62
Hình 3.25. Ảnh tổ chức tế vi của mẫu L2 thấp, a) 200x; b) 500x 62


Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

Hình 3.26. Ảnh tổ chức tế vi của mẫu 3 cao, a) 200x; b) 500x 62
Hình 3.27. Ảnh tổ chức tế vi của mẫu 3 thấp, a) 200x; b) 500x 63
Hình 3.28. Mức năng lượng của các nguyên tố ở lớp biến trắng 65
Hình 3.29. Mức năng lượng của các nguyên tố ở lớp biến trắng 66
Hình 3.30. Mức năng lượng của các nguyên tố ở lớp biến trắng 66
Hình 3.31. Mức năng lượng của các nguyên tố ở lớp biến trắng 67
Hình 3.32. Mức năng lượng của các nguyên tố ở lớp biến trắng 67
Hình 3.33. Mức năng lượng của các nguyên tố ở lớp biến trắng 68
Hình 3.34. Tổ chức các pha hình thành trên bề mặt gia công 68
Hình 3.35. Tổ chức các pha hình thành trên bề mặt gia công 69
Hình 3.36. Tổ chức các pha hình thành trên bề mặt gia công 69
Hình 3.37. Tổ chức các pha hình thành trên bề mặt gia công 70
Hình 3.38. Tổ chức các pha hình thành trên bề mặt gia công 70




Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

- 1 -
MỞ ĐẦU
1. Tính cấp thiết của đề tài
Gia công bằng tia lửa điện (viết tắt là EDM - Electrical Discharge
Machining) là một trong các phương pháp gia công tiên tiến được sử dụng khá rộng
rãi. Phương pháp này có thể gia công được những chi tiết có hình dáng hình học
phức tạp, được làm từ những vật liệu có độ cứng, độ mài mòn cao mà việc gia công
chúng bằng các phương pháp gia công truyền thống như tiện, phay, mài…là vô
cùng khó khăn, đôi khi không thể gia công được. Phương pháp này thường được
dùng để gia công các chi tiết có độ dày lớn, có hình dáng 3D phức tạp như khuôn mẫu

dụng cụ, khuôn đột, khuôn đùn ép kim loại, các loại cối định hình, hay gia công các lỗ
nhỏ và sâu, các lỗ, rãnh có thành rất mỏng v.v Phương pháp này đặc biệt hiệu quả khi gia
công vật liệu cứng, khó gia công (thép khổng rỉ, thép đã tôi…) và cho độ chính xác cao.
Thép SKD61 là loại thép hợp kim dụng cụ hiện được sử dụng rất phổ biến.
Một số chi tiết của khuôn dập, khuôn ép, cối dập thuốc…sử dụng thép SKD61 đã
tôi cứng. Sau khi nhiệt luyện thép SKD61 có thể đạt độ cứng 60-64 HRC, do đó
việc gia công bằng các phương pháp gia công truyền thống đòi hỏi chi phí lớn, năng
suất và chất lượng không cao. Vì vậy việc chế tạo khuôn mẫu bằng phương pháp
gia công bằng tia lửa điện đang được sử dụng rộng rãi.
Chất lượng bề mặt sau khi gia công bằng phương pháp gia công tia lửa điện
phụ thuộc vào nhiều yếu tố, như các thông số công nghệ, vật liệu gia công, vật liệu
điện cực, dung môi…
Việc chế tạo khuôn mẫu bằng phương pháp gia công tia lửa điện đang được
các nhà máy cơ khí sử dụng rộng rãi, nhưng chưa có nhiều nghiên cứu, đánh giá về
chất lượng bề mặt khuôn sau khi gia công.
Xuất phát từ đặc điểm và tình hình trên, tác giả chọn đề tài:
“Đánh giá chất lượng bề mặt thép SKD61 khi gia công bằng phương pháp
gia công tia lửa điện với dung môi dầu và điện cực đồng”

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

- 2 -
2. Mục đích, đối tƣợng và phƣơng pháp nghiên cứu
2.1. Mục đích của đề tài
Đánh giá chất lượng bề mặt thép SKD61 khi gia công bằng phương pháp gia
công tia lửa điện với dung môi dầu và điện cực đồng.
2.2. Đối tượng nghiên cứu
Đối tượng nghiên cứu của đề tài là chất lượng bề mặt gia công (độ nhám bề
mặt, cấu trúc và độ cứng lớp bề mặt, thành phần hóa học và tổ chức pha lớp bề mặt)
của thép SKD61 sau khi gia công bằng phương pháp gia công tia lửa điện với môi

trường gia công là dầu và điện cực đồng.
2.3. Phương pháp nghiên cứu
Nghiên cứu lý thuyết kết hợp với thực nghiệm.
3. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn
3.1. Ý nghĩa khoa học
- Bằng phương pháp nghiên cứu lý thuyết kết hợp với thực nghiệm, đề tài sẽ
làm cơ sở cho việc nghiên cứu các khía cạnh khác của quá trình gia công bằng tia
lửa điện.
- Các phương pháp nâng cao chất lượng bề mặt chi tiết gia công hiện nay vẫn
được các nhà khoa học trong và ngoài nước quan tâm nghiên cứu. Đề tài sẽ đóng
góp một số kết quả của việc nâng cao chất lượng bề mặt chi tiết gia công bằng
phương pháp gia công tia lửa điện.
3.2. Ý nghĩa thực tiễn
Kết quả nghiên cứu có thể ứng dụng khi gia công các khuôn dập, khuôn ép,
cối dập thuốc,…
4. Nội dung luận văn
Nội dung nghiên cứu của luận văn bao gồm:
- Nghiên cứu tổng quan về phương pháp gia công tia lửa điện.
- Nghiên cứu thực nghiệm đánh giá chất lượng bề mặt thép SKD61 sau
khi gia công bằng phương pháp gia công tia lửa điện với điện cực đồng và dung
môi dầu. Trên cơ sở đó kiến nghị với nhà sản xuất cò mổ động cơ RV125 được
chế tạo từ thép SKD61 nhằm nâng cao chất lượng bề mặt khuôn.

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

- 3 -
CHƢƠNG 1
TỔNG QUAN VỀ GIA CÔNG TIA LỬA ĐIỆN

Năm 1943, thông qua việc nghiên cứu tuổi bền của các thiết bị đóng điện, hai

vợ chồng người Nga Lazarenko đã tìm ra phương pháp gia công bằng tia lửa điện.
Họ sử dụng dòng tia lửa điện để làm một quá trình hớt đi một lớp kim loại mà
không phụ thuộc vào độ cứng của vật liệu đó. Khi các tia lửa điện phóng ra thì một
lớp một lớp vật liệu trên bề mặt phôi sẽ bị hớt đi bởi một quá trình điện - nhiệt
thông qua sự nóng chảy và bốc hơi kim loại. Từ đó đến nay quá trình hớt vật liệu
trong gia công tia lửa điện vẫn được coi là phức tạp, liên quan đến khoảng cách khe
hở phóng điện, đến thông tin về kênh plasma, về sự hình thành của cầu phóng điện
giữa hai điện cực, sự ăn mòn của cả hai điện cực,… Các nghiên cứu về hiện tượng
phóng điện có những phát triển lớn trong những năm gần đây và đã đưa ra thêm một
số phương pháp gia công dùng nguyên lý của phương pháp gia công tia lửa điện.
1.1. Đặc điểm của phƣơng pháp gia công tia lửa điện
Gia công tia lửa điện là phương pháp gia công bằng cách phóng điện ăn mòn
trên cơ sở tác dụng nhiệt của xung điện được tạo ra do sự phóng điện giữa hai điện cực.
1.1.1. Các đặc điểm chính của phương pháp gia công tia lửa điện
- Điện cực (đóng vai trò là dụng cụ cắt): Có độ cứng thấp hơn nhiều so với
vật liệu phôi. Vật liệu phôi thường là những vật liệu cứng và đã qua nhiệt luyện như
thép đã tôi, các hợp kim cứng. Vật liệu điện cực thường là đồng, grafit…
- Vật liệu dụng cụ cắt và vật liệu phôi đề phải có tính dẫn điện tốt.
- Môi trường gia công: Khi gia công phải sử dụng một chất lỏng điện môi làm
môi trường gia công. Đây là dung dịch không dẫn điện ở điều kiện làm việc bình thường.
1.1.2. Khả năng công nghệ của phương pháp gia công tia lửa điện.
Phương pháp gia công tia lửa điện có thể tạo được các mặt định hình là
đường thẳng, đường cong, các rãnh định hình, các bề mặt có profin phức tạp,… với độ
bóng tương đối cao (Ra = 1,6  0,8 μm) và độ chính xác cao (IT5).
1.2. Các phƣơng pháp gia công tia lửa điện
Ngày nay, trong gia công cơ khí trên thế giới có hai phương pháp gia công tia

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

- 4 -

lửa điện chủ yếu, được ứng dụng rộng rãi và đã có đóng góp đáng kể cho sự phát triển
về khoa học kỹ thuật của nhân loại đó là: phương pháp gia công xung định hình và
phương pháp gia công cắt dây bằng tia lửa điện WEDM.
1.2.1. Phương pháp gia công xung định hình
Đây là phương pháp dùng các điện cực đã được tạo hình sẵn để in hình (âm bản)
của nó lên bề mặt phôi. Phương pháp này được dùng để chế tạo khuôn có hình dạng
phức tạp, các khuôn ép định hình, khuôn ép nhựa, khuôn đúc áp lực, lỗ không thông…
1.2.2. Phương pháp gia công cắt dây bằng tia lửa điện
Là phương pháp dùng một dây dẫn điện có đường kính nhỏ (0,1 - 0,3 mm)
cuốn liên tục và chạy theo một biên dạng định trước để tạo thành một vết cắt trên
phôi. Phương pháp này thường dùng để gia công các lỗ suốt có biên dạng phức tạp
như các lỗ trên khuôn dập, khuôn ép, khuôn đúc áp lực, chế tạo các điện cực dùng
cho gia công xung định hình, gia công các rãnh hẹp, gấp khúc, các dưỡng kiểm,…
1.2.3. Các phương pháp khác
Ngoài hai phương pháp gia công chủ yếu trên, ngày nay trên thế giới còn có một
số phương pháp gia công sử dụng nguyên lý gia công bằng cắt dây tia lửa điện như sau:
- Gia công tia lửa điện dạng phay (Milling EDM): Là phương pháp sử dụng một
điện cực chuẩn, hình trụ quay để thực hiện ăn mòn tia lửa điện theo kiểu phay. Sử
dụng phương pháp này để gia công các hình dáng phức tạp do không phải chể tạo
điện cực phức tạp (để xung) mà sử dụng điện cực chuẩn sau đó điều khiển cho điện
cực cắt theo chương trình gia công.
- Phủ bằng tia lửa điện (EDD): Là phương pháp sử dụng hiệu quả của sự ăn
mòn tia lửa điện để phủ lên các bánh mài sau thời gian sử dụng nghiền cơ khí các
vật liệu rắn. Trong quá trình này, bánh mài phải có tính dẫn điện, bánh mài kim
cương liên kết kim loại thường được làm theo phương pháp này. Điện áp xung được đặt
vào giữa điện cực và bành mài, trong quá trình mài, tia lửa điện sinh ra sẽ bóc tách
các cạnh sắc trên bánh mài. Quá trình này cũng được sử dụng để chế tạo bánh mài có
hình dạng đặc biệt.

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

- 5 -
- Gia công EDM trợ giúp của siêu âm (Ultrasonic Aided EDM): Là phương
pháp hớt vật liệu bằng tia lửa điện kết hợp với việc rung điện cực dụng cụ với tần số
rung bằng tần số siêu âm. Rung điện cực với tần số siêu âm giúp nâng cao khả năng
công nghệ và tăng đáng kể tốc độ gia công các lỗ nhỏ và siêu nhỏ.
- Mài xung điện (Abrasive Electrical Discharge Grinding- AEDG): Là phương
pháp gia công trong đó vật liệu được bóc tách nhờ tác dụng kết hợp của ăn mòn tia lửa
điện và ăn mòn cơ khí.
- Gia công xung định hình siêu nhỏ (MEDM): Là một dạng xung định
hình đặc biệt trong đó điện cực được quay với tốc độ lớn (tới 10.000 vg/ph). Điện
cực sử dụng trong MEDM có kích thước nhỏ và được chế tạo bằng các phương pháp
gia công tia lửa điện khác. Phương pháp này dùng để gia công các lỗ siêu nhỏ với độ
chính xác rất cao.
- Cắt dây tia lửa điện siêu nhỏ (MWEDM): Là phương pháp cắt dây sử dụng
điện cực Tungsten, Wolfram có đường kính dây nhỏ dưới 10 μm. Phương pháp này
dùng để gia công cắt dây các lỗ siêu nhỏ có kích thước từ 0,1  1 mm, các vật liệu
khó gia công, các chi tiết có chiều dày mỏng,… hoặc dùng trong công nghệ chế tạo các
chi tiết bán dẫn.
- Gia công tia lửa điện theo kiểu đê chắn (Mole EDM): Là một quá trình gia
công đặc biệt cho phép gia công các hốc, rãnh dạng đường cong hoặc đường xuyến.
Hình dáng điện cực được sử dụng trong phương pháp này giống như một thanh dẫn có
thể uốn cong và một hệ thống nhận dạng. Người ta sử dụng sóng siêu âm để nhận
dạng các đường hầm gia công trong chi tiết.
- Xung định hình với 2 điện cực quay: Là phương pháp sử dụng một điện cực
quay để ăn mòn một phôi quay. Khi phối hợp chuyển động của điện cực và phôi sẽ
tạo ra các hình dạng chi tiết khác nhau theo yêu cầu. Phương pháp này là phương
pháp gia công siêu chính xác và độ bóng siêu cao.

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

- 6 -
1.3. Cơ sở của phƣơng pháp gia công tia lửa điện
1.3.1. Bản chất vật lý
Phôi
§iÖn cùc
R
C

Hình 1.1. Sơ đồ nguyên lý 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 gia công bằng tia lửa điện được mô tả
như hình 1.1.
Quá trình tách vật liệu ra khỏi bề mặt phôi cụ thể như sau:
Một điện áp được đặt vào giữa điện cực và phôi, không gian giữa hai điện cực
được điền đầy bằng một chất lỏng cách điện gọi là chất điện môi (Dielectric). Khi
hai điện cực tiến lại gần vào nhau đến một khoảng giá trị tới hạn nào đó thì xảy ra
hiện tượng phóng điện, một dòng điện được hình thành giữa hai điện cực mà không
hề có sự tiếp xúc giữa hai điện cực. Do có sự xuất hiện của tia lửa điện đó đã bóc đi
một lớp vật liệu trên bề mặt phôi tạo thành một vết cắt. Xét cụ thể diễn biến của một
chu kỳ phóng điện diễn ra ở 3 pha như sau:
Pha I: Pha đánh lửa
Máy phát tăng điện áp khởi động qua một khe hở (đóng điện áp máy phát U
i
),
dưới ảnh hưởng của điện trường, từ cực âm (điện cực) bắt đầu phát ra các điện tử
(electron) và chúng bị hút về phía cực dương (phôi) mật độ electron tăng lên gây ra
tính dẫn điện cục bộ của dung dịch chất điện môi tại khe hở giữa hai điện cực. Do
bề mặt của điện cực và phôi không hoàn toàn bằng phẳng nên điện trường sẽ mạnh
nhất tại hai điểm trên điện cực và phôi có khoảng cách gần nhất. Mặt khác do chất

điện

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

- 7 -
môi bị ion hóa nên một kênh phóng điện đột nhiên được hình thành và sự
phóng ra
tia lửa điện bắt đầu xảy ra.
Pha I:
u
i
t
u
i
t
u
i
t
Ph«i
Plasma

Hình 1.2. Pha đánh lửa
Pha II: Sự hình thành kênh phóng điện
Ở thời điểm phóng điện, điện áp bắt đầu giảm, số lượng các pha dẫn điện (các
electron và các ion dương) tăng lên một cách chớp nhoáng và bắt đầu xuất hiện một
dòng điện chạy qua các điện cực. Dòng điện này cung cấp một năng lượng khổng lồ
làm cho dung dịch điện môi bốc hơi cục bộ tạo ra bọt khí, các bọt khí này do áp suất
đẩy chất điện môi sang hai bên. Nhưng do có độ nhớt của chất điện môi nên đã tạo
ra sự cản trở và hạn chế sự lớn lên của kênh phóng điện giữa các điện cực.
Pha II:

u
i
t
u
i
t
u
i
t
Plasma
Ph«i

Hình 1.3. Sự hình thành kênh phóng điện

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

- 8 -
Pha III: Sự nóng chảy và bốc hơi vật liệu
Ở trung tâm của vùng bọt khí bao gồm một kênh plasma, plasma này là một
chất khí có lẫn các điện tử và các ion dương ở áp suất cao và nhiệt độ cực lớn (áp
suất khoảng 1 kbar và nhiệt độ khoảng 10.000
0
C). Khi kênh plasma tới mức tới hạn
(điện áp qua giữa hai điện cực đạt cực đại tới một giá trị của điện áp phóng điện U
e
,
U
e
là hằng số phụ thuộc vào cặp vật liệu), chất điện môi giữ kênh plasma và tạo ra
một sự tập trung năng lượng cục bộ, mặt khác sự va chạm của các electron lên phôi

và các ion dương lên điện cực làm nóng chảy và bốc hơi vật liệu trên bề mặt phôi và
điện cực. Sau khi diễn ra một xung, máy phát sẽ ngắt dòng điện. Điện áp kênh
phóng điện và áp suất bị ngắt đột ngột cho nên kim loại nóng chảy bị đẩy ra ngoài
và bốc hơi (hình 1.4).
Pha III:
u
i
t
u
i
t
u
i
t
Plasma
Ph«i

Hình 1.4. Sự hình thành và bốc hơi vật liệu
Chu kỳ phóng tia lửa điện để lại các “vết” bóc tách vật liệu có thể tóm tắt thông
qua các đại lượng điện như sau:
- Thời gian trễ t
đ
: Là khoảng thời gian giữa lúc đóng điện máy phát đến lúc
xảy ra phóng tia lửa điện, là thời gian cho phép chất điện môi ion hóa và hình thành
kênh phóng điện.
- Thời gian phóng điện t
e
: Là khoảng thời gian từ lúc bắt đầu phóng tia lửa
điện và lúc ngắt điện (từ một vài đến vài trăm
s

) phụ thuộc pha II làm kim loại
nóng chảy.

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

- 9 -
- Độ kéo dài xung t
i
: Là khoảng thời gian giữa hai lần đóng ngắt của máy phát
trong một chu kỳ phóng tia lửa điện. Độ kéo dài xung là tổng thời gian trễ đánh lửa
tđ và thời gian phóng tia lửa điện te. Đây còn là thời gian để chất điện môi ion hóa,
chuẩn bị cho một chu kỳ phóng điện tiếp theo cho đến khi đạt kích thước gia công
yêu cầu.
- Khoảng cách xung t
o
: Là khoảng thời gian giữa hai lần đóng ngắt của máy phát
giữa hai chu kỳ xung liên tiếp nhau, t
o
còn được gọi là độ kéo dài nghỉ của xung.
Hình 1.5 biểu diễn diễn biến của điện áp và dòng điện trong máy gia công tia
lửa điện được sinh ra bởi một máy phát tĩnh trong một xung. Đặc điểm của đồ thị này
cho thấy dòng điện xung bao giờ cũng xuất hiện trễ hơn một khoảng thời gian t
d
so với
thời điểm bắt đầu có điện áp máy phát U
i
. U
e
và I
e

là các giá trị trung bình của điện
áp và dòng điện khi phóng tia lửa điện.

t
t
I
e
t
p
t
i
t
e
t
d
t
0
U
e
U
i
I
U

Hình 1.5. Đồ thị điện áp và dòng điện trong một xung phóng điện.

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

- 10 -
Trong đó:

t
e
: Thời gian kéo dài xung hay còn gọi là độ kéo dài xung.
t
đ
: Thời gian trễ đánh lửa.
t
i
: Độ kéo dài xung của máy phát xung. t
0
: khoảng cách xung.
t
p
: Chu kỳ xung.
U
i
: Điện máy phát mở.
U
e
: Điện áp phóng tia lửa điện.
I
e
: Dòng phóng tia lửa điện.
Các nghiên cứu cho thấy tại các vùng lân cận các điện cực, plasma có nhiệt độ
rất cao từ 6000
0
C ÷ 10.000
0
C. Tốc độ của dòng chuyển dịch điện tử và ion phụ
thuộc vào năng lượng điện và đặc tính của chất điện môi. Quán tính cơ của chất

điện môi đã cản trở sự bành trướng của kênh plasma làm cho áp suất trong kênh rất
lớn (có thể lên đến 1 kbar). Khi khoảng không của kênh plasma càng hẹp thì mật độ
năng lượng càng tăng (lượng hớt vật liệu tỉ lệ thuận với độ nhớt động học và tỉ lệ
nghịch với điện trở dẫn suất của chất điện môi). Đồng thời với sự phát triển kênh
plasma theo thời gian có sự chuyển đổi năng lượng điện thành năng lượng nhiệt
năng tại các điểm, còn được gọi là các “nguồn nhiệt”. Các điện tử cận anốt di
chuyển và dẫn nhiệt tới làm nóng chảy và bốc hơi hơi vật liệu. Các ion dương đi
đến catốt và nung nóng điểm trên catốt ở điểm đối diện thuộc kênh plasma. Tuy
nhiên, do khối lượng của các ion dương lớn hơn khối lượng của các điện tử nhiều
lần (khoảng 103 lần) nên chúng sẽ tới các catốt chậm hơn các điện tử tại anốt.
Chính sự cơ động này dẫn đến sự ăn mòn rất khác nhau tại hai điện cực (thực tế là
điện cực dương sẽ nóng chảy lớn hơn nhiều so với điện cực âm).
Lượng ion dương tăng nhanh trong luồng di chuyển tổng, chỉ trong một
khoảng thời gia ngắn tỷ lệ chia nhiệt trở nên cân bằng và với sự kéo dài thời gian
phóng tia thì các ion dương sẽ gây ra hiện tượng nóng chảy và bốc hơi anốt.
Khi kết thúc pha phóng điện, sự mất điện đột ngột đồng thời với sự sụt áp tạo
ra sự chênh lệch làm vỡ các kênh plasma và các túi khí. Các lực này và áp lực tạo
nên bởi sự phá hủy nội lực của các kênh plasma làm bung các phần tử kim loại đã bị

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

- 11 -
nóng chảy ra khỏi bề mặt. Lượng vật liệu bị hớt đi trên bề mặt của các điện cực phụ
thuộc quá trình chuyển đổi năng lượng nhiệt và cơ thẩm nhiệt
1.3.2. Cơ chế bóc tách vật liệu [1]
Các đặc tính tách vật liệu đầu tiên phụ thuộc vào năng lượng bóc tách
vật liệu W
e
.
W

e
= U
e
.I
e
.t
e
(1.1)
Trong đó U
e
và I
e
là điện áp và dòng điện trung bình của tia lửa điện được lấy
trong khoảng thời gian phát xung, t
e
là thời xung như đã trình bày ở trên. Vì U
e
là
hằng số vật lý phụ thuộc vào cặp vật liệu điện cực/phôi nên thực chất W
e
chỉ phụ
thuộc vào dòng điện và thời gian xung.
Thực tế dòng điện tổng cộng trong kênh plasma qua khe hở phóng điện là tổng
của các dòng điện tử chạy tới cực dương (anốt) và dòng các ion dương chạy tới cực
âm (catốt). 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 lớn hơn 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 điện do các electron chuyển động về cực
dương. Cho nên có thể bỏ qua dòng điện do sự chuyển động của các ion dương gây
ra. Mặt khác do tốc độ của các electron lớn hơn nhiều lần so với chuyển động của

các ion dương nên mật độ các electron tập trung tại cực dương cao hơn nhiều so với
mật độ ion dương tại cực âm. Trong khi mức độ tăng của dòng điện khi bắt đầu có
sự phóng điện là rất lớn, điều này là nguyên nhân gây ra sự nóng chảy mạnh ở cực
dương trong chu kỳ này. Trong khi đó do dòng các ion dương tới cực âm là nhỏ và
trong micrô gây đầu tiên, các ion dương gây ra sự nóng chảy và bốc hơi vật liệu
của catốt gây ra hiện tượng ăn mòn ở cực âm.
Một lý do quan trọng để của sự tách vật liệu ra khỏi phôi là sự đột ngột biến
mất của kênh plasma khi dòng điện bị ngắt điều này dẫn đến sự sụt gảm 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 lượng kim loại nóng chảy đó. Tốc độ cắt
dòng điện và mức độ sụt của xung dòng điện sẽ quyết định tốc độ sụt áp suất và sự

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

- 12 -
bắt buộc nổ vật liệu nóng chảy lỏng. Trong đó thời gian sụt của dòng điện là yếu tố
quyết định đối với độ nhám bề mặt gia công.
1.4 Các yếu tố ảnh hƣởng đến quá trình gia công tia lửa điện
1.4.1 Các đặc tính về điện của sự phóng tia lửa điện
Khác với những phương pháp gia công cắt gọt truyền thống, phương pháp gia
công tia lửa điện bên cạnh các tham số công nghệ như cặp vật liệu điện cực/phôi, sự
đấu cực, điều kiện dòng chảy chất điện môi, thì tham số điều khiển về xung như:
thời gian, điện áp, dòng điện cũng đóng vai trò rất quan trọng đến năng suất và đặc
biệt là đến chất lượng bề mặt gia công. Các tài liệu nghiên cứu đã đưa ra các kết
luận đã trở thành kiến thức cơ bản về gia công tia lửa điện như điện áp xung U
e
có
tác động đến lượng bóc tách vật liệu (U
e
là hằng số vật lý phụ thuộc vào cặp điện

cực/phôi). Dòng xung I
e
ảnh hưởng lớn đến lượng hớt vật liệu phôi, độ mòn điện
cực và chất lượng bề mặt gia công. Trong nhiều mối quan hệ với lượng bóc tách vật
liệu, I
e
càng lớn thì lượng hớt vật liệu V
w
càng lớn, độ nhám bề mặt gia công càng
tăng và độ mòn điện cực càng giảm. Giá trị trung bình I
e
có thể đọc trên các bảng
điều khiển điện trong suốt quá trình gia công, ở một số máy xung định hình, I
e
thường được thể hiện theo bước dòng điện. Phụ thuộc vào kiểu máy, I
e
được điều
chỉnh theo 18 hoặc 21 bước, xác định tương đương với 0,5  0,8A, trong đó các
bước nhỏ thường được chọn để gia công tinh, bước lớn để gia công thô.
Thời gian xung và khoảng ngắt xung t
i
và t
o
cũng là những tham số điều khiển
có ảnh hưởng đáng kể đến chất lượng bề mặt gia công. Vấn đề là thời gian xung t
i
lớn thì có lợi cho năng suất do lượng hớt vật liệu cao, tuy nhiên bề mặt gia công lại
thô (tương tự xảy ra với t
o
nhỏ). Ngoài ra, nếu khoảng thời gian ngắt xung t

o
quá
nhỏ, có thể chất điện môi sẽ không đủ thời gian để thôi ion hóa, phần tử vật liệu bóc
tách do điện và nhiệt không kịp được đẩy ra khỏi vùng khe hở, điều này có thể gây
nên các lỗi phóng điện như ngắn mạch, hồ quang, các lỗ gia công bị ngậm xỉ.
Về mối quan hệ thời gian xung/khoảng ngắt ta có tỷ lệ t
i
/t
o
≈10 phù hợp cho
gia công thô và tỷ lệ t
i
/t
o
≈ 5 cho gia công tinh và t
i
/t
o
< 1 cho gia công bề mặt siêu
tinh [1].

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

- 13 -
Dưới đây là nghiên cứu sâu hơn sự ảnh hưởng của từng thông số công nghệ
đến chất lượng bề mặt và năng suất gia công:
- Điện áp đánh tia lửa điện U
i
: Đây là điện áp cần thiết để có thể dẫn đến phóng
tia lửa điện, điện áp đánh lửa U

i
càng lớn thì phóng điện càng nhanh và cho phép khe
hở phóng điện càng lớn. Điện áp này được cấp cho điện cực và phôi khi máy phát
được đóng điện, gây ra sự phóng tia lửa điện để đốt cháy điện cực.
- Thời gian trễ đánh lửa t
d
: Là khoảng thời gian giữa lúc đóng điện máy phát
và lúc xảy ra phóng tia lửa điện. Khi đóng điện máy phát, lúc đầu chưa xảy ra hiện
tượng gì. Điện áp duy trì ở giá trị điện áp U
i
, dòng điện bằng “0”. Sau thời gian trễ
td mới xảy ra hiện tượng phóng điện, dòng điện từ giá trị “0” vọt lên giá trị I
e
.
- Điện áp phóng tia lửa điện U
e
: Là điện áp trung bình trong suốt quá trình
phóng điện. U
e
là hằng số vật lý phụ thuộc vào cặp vật liệu điện cực/phôi, U
e
không
điều chỉnh được. Khi bắt đầu phóng tia lửa điện thì điện áp ban đầu U
i
giảm đến U
e
.
- Dòng phóng tia lửa điện I
e
: là giá trị trung bình của dòng điện từ khi bắt

đầu
phóng tia lửa điện đến khi ngắt điện. Khi bắt đầu phóng điện, dòng điện tăng từ
0 đến giá trị I
e
kèm theo sự bốc cháy kim loại. Theo nhiều nghiên cứu thì I
e
có ảnh
hưởng lớn nhất đến ăn mòn vật liệu, độ ăn mòn điện cực và đến chất lượng bề mặt gia
công. Nói chung thì I
e
tăng thì lượng hớt vật liệu tăng và độ nhám gia công lớn và độ
ăn mòn điện cực giảm.
- Thời gian phóng tia lửa điện t
e
: Là khoảng thời gian giữa lúc bắt đầu phóng tia
lửa điện và lúc ngắt điện, tức là thời gian có dòng điện I
e
trong một lần phóng điện.
- Độ kéo dài xung t
i
: Là khoảng thời gian giữa hai lần đóng ngắt của máy phát
trong cùng một chu kỳ phóng tia lửa điện. Độ kéo dài xung t
i
ảnh hưởng tới nhiều yếu tố
quan trọng có liên quan trực tiếp đến chất lượng và năng suất gia công như:
* Tỷ lệ hớt vật liệu: Thực nghiệm chứng tỏ rằng khi giữ nguyên dòng điện I
e
và
khoảng cách xung t
o

thì ban đầu V
w
tăng nhưng chỉ tăng đến giá trị cực đại ở t
i
nhất định
nào đó sau đó V
w
giảm đi, nếu tiếp tục tăng t
i
thì năng lượng phóng điện không còn
được sử dụng thêm nữa để hớt vật liệu phôi mà nó lại làm tăng nhiệt độ của các điện
cực và dung dịch chất điện môi. Mối quan hệ giữa lượng hớt vật liệu V
w
với t
i
được