Nghiên cứu ảnh hưởng của chế độ gia công đến độ nhám bề mặt của máy gia công tia lửa điện

i
NHẬN XÉT CỦA CÁN BỘ HƯỚNG DẪN
Họ và tên sinh viên: Phan Văn Hiếu Lớp: 50CKCT1
Ngành: Công nghệ Chế tạo máy Khoa: Cơ khí
Tên Đề tài: “Nghiên cứu ảnh hưởng của chế độ gia công đến độ nhám bề mặt
của máy gia công tia lửa điện”
Số trang: 75 Số chương: 06 Số tài liệu kham khảo: 06
Hiện vật: 02 quyển đồ án; 01CD

NHẬN XÉT CỦA CÁN BỘ HƯỚNG DẪN

Kết luận:





ĐIỂM CHUNG
Bằng chữ Bằng số

Nha Trang, ngày … tháng … năm 2012
CÁN BỘ HƯỚNG DẪN
(Ký và ghi rõ họ tên)




TS.Đặng Xuân Phương
ii
PHIẾU ĐÁNH GIÁ CHẤT LƯỢNG ĐỀ TÀI TỐT NGHIỆP

Họ và tên sinh viên: Phan Văn Hiếu Lớp: 50CKCT1
Ngành: Công nghệ Chế tạo máy Khoa: Cơ khí
Tên Đề tài: “Nghiên cứu ảnh hưởng của chế độ gia công đến độ nhám bề mặt
của máy gia công tia lửa điện”
Số trang: 75 Số chương: 06 Số tài liệu kham khảo: 06
Hiện vật: 02 quyển đồ án; 01CD

NHẬN XÉT CỦA CÁN BỘ PHẢN BIỆN

Đánh giá chung:





ĐIỂM
Bằng chữ Bằng số



ĐIỂM CHUNG

Bằng chữ Bằng số



Nha Trang, ngày … tháng … năm 2012
CÁN BỘ PHẢN BIỆN
(Ký và ghi rõ họ tên)

Nha Trang, ngày … tháng … năm 2012
CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG
(Ký và ghi rõ họ tên)

iii
LỜI CẢM ƠN
Lời đầu tiên tôi xin được cảm ơn Thầy giáo TS. Đặng Xuân Phương – Thầy
đã hướng dẫn tôi về sự định hướng đề tài, cách tiếp cận và nghiên cứu đề tài, cách
khai thác sử dụng tài liệu tham khảo cũng như sự chỉ bảo trong quá trình tôi làm đề tài.
Tôi muốn bày tỏ lời cảm ơn các thầy giáo công tác tại Phòng thí nghiệm thực
hành CNC, Phòng thực hành kỹ thuật đo - Trường Đại học Nha Trang đã tạo điều
kiện và tận tình giúp đỡ, hướng dẫn sử dụng các trang thiết bị thí nghiệm trong quá
trình tôi làm đề tài.
Cuối cùng tôi muốn bày tỏ lòng cảm ơn đối với gia đình, các thầy giáo, cô
giáo, bạn bè đã ủng hộ, động viên giúp đỡ tôi trong suốt quá trình học tập, nghiên
cứu và làm đề tài này.

Sinh viên thực hiện

Phan Văn Hiếu

iv
MỤC LỤC
Trang
NHẬN XÉT CỦA CÁN BỘ HƯỚNG DẪN i
PHIẾU ĐÁNH GIÁ CHẤT LƯỢNG ĐỀ TÀI TỐT NGHIỆP ii
LỜI CẢM ƠN iii
MỤC LỤC iv

DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU viii
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ ix
LỜI NÓI ĐẦU 1
CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ GIA CÔNG TIA LỬA ĐIỆN 3
1.1. Đặc điểm của phương 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 phương pháp gia công tia lửa điện 4
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. 5
1.3. Cơ chế của phương pháp gia công tia lửa điện 7

1.3.1. Bản chất vật lý. 7
1.3.2. Cơ chế bóc tách vật liệu. 15
1.4. Lượng hớt vật liệu khi gia công tia lửa điện 16
1.5. Độ chính xác tạo hình khi gia công tia lửa điện. 17
1.6. Các hiện tượng xấu khi gia công tia lửa điện. 18
1.6.1. Hồ quang. 18
1.6.2. Ngắn mạch, sụt áp. 19
1.6.3. Xung mạch hở, không có dòng điện. 20
1.6.4. Sự quá nhiệt của chất điện môi. 20
1.7. Các yếu tố không điều khiển được. 20
v
1.7.1. Nhiễu hệ thống. 21

1.7.2. Nhiễu ngẫu nhiên. 21
1.8. Chất điện môi trong gia công tia lửa điện. 21
1.8.1. Nhiệm vụ của chất điện môi. 21
1.8.1.1. Cách điện 21
1.8.1.2. Ion hóa. 22
1.8.1.3. Làm nguội. 22
1.8.1.4. Vận chuyển phoi 22
1.8.2. Các loại chất điện môi. 23
1.8.3. Các tiêu chuẩn đánh giá chất điện môi. 23
1.8.4. Các loại dòng chảy của chất điện môi. 25
1.8.5. Hệ thống lọc chất điện môi. 29
CHƯƠNG 2: CÁC YẾU TỐ ẢNH HƯỞNG ĐẾN CHẤT LƯỢNG BỀ MẶT

GIA CÔNG EDM 31
2.1. Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình gia công tia lửa điện. 31
2.1.1. Các đặc tính về điện của sự phóng tia lửa điện . 31
2.1.2. Dòng điện và bước của dòng điện. 35
2.1.3. Ảnh hưởng của khe hở phóng điện δ . 36
2.1.4. Ảnh hưởng của điện dung C. 38
2.1.5. Ảnh hưởng của diện tích vùng gia công. 39
2.1.6. Ảnh hưởng của sự ăn mòn điện cực. 39
2.2. Chất lượng bề mặt. 40
2.2.1. Độ nhám bề mặt. 40
2.2.2. Vết nứt tế vi và các ảnh hưởng về nhiệt. 40
2.3. Nhám bề mặt khi gia công tia lửa điện. 42

CHƯƠNG 3: QUY HOẠCH THỰC NGHIỆM 44
3.1. Cơ sở lý thuyết quy hoạch thực nghiệm. 44
3.1.1. Những khái niệm cơ bản của quy hoạch thực nghiệm. 44
3.1.1.1. Định nghĩa quy hoạch thực nghiệm 44
vi
3.1.1.2. Đối tượng của quy hoạch thực nghiệm trong các ngành công nghệ 44
3.1.1.3. Các phương pháp quy hoạch thực nghiệm. 46
3.1.1.4. Kế hoạch thực nghiệm. 46
3.1.1.5. Các mức yếu tố. 47
3.1.1.6. Giá trị mã hóa. 47
3.1.1.7. Ma trận kế hoạch thực nghiệm. 48
3.1.2. Các nguyên tắc cơ bản của quy hoạch thực nghiệm. 48

3.1.2.1. Nguyên tắc không lấy toàn bộ trạng thái đầu vào. 48
3.1.2.2. Nguyên tắc phức tạp dần mô hình toán học. 49
3.1.2.3. Nguyên tắc đối chứng với nhiễu. 49
3.1.2.4. Nguyên tắc ngẫu nhiên hóa. 49
3.1.2.5. Nguyên tắc tối ưu. 50
3.1.3. Các bước quy hoạch thực nghiệm cực trị. 50
3.1.3.1. Chọn thông số nghiên cứu. 50
3.1.3.2. Lập kế hoạch thực nghiệm. 51
3.1.3.3. Tiến hành thí nghiệm nhận thông tin. 51
3.1.3.4. Xây dựng và kiểm tra mô hình thực nghiệm. 51
3.2. Quy hoạch thực nghiệm đề tài. 52
3.2.1. Mô hình định tính quá trình gia công tia lửa điện. 52

3.2.2. Các thông số đầu vào thí nghiệm. 53
CHƯƠNG 4: THÍ NGHIỆM 55
4.1. Vật liệu gia công. 55
4.2. Vật liệu điện cực. 55
4.3. Thiết bị thí nghiệm. 56
4.4 Thiết bị đo. 58
4.5 Các giả thiết của thí nghiệm. 60
CHƯƠNG 5: XÁC ĐỊNH QUY LUẬT ẢNH HƯỞNG CỦA CHẾ ĐỘ GIA
CÔNG ĐẾN ĐỘ NHÁM BỀ MẶT 61
5.1. Giải bài toán thực nghiệm. 61
vii
5.2. Phân tích hồi quy để xác định ảnh hưởng của chế độ gia công đến độ

nhám. 65
5.3. Ảnh hưởng của các tham số đối với độ nhám bề mặt trong quá trình gia
công tia lửa điện. 70
CHƯƠNG 6: KẾT LUẬN CHUNG 74
TÀI LIỆU THAM KHẢO
PHỤ LỤC



viii
DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU
Bảng 3.1 Bảng các thông số cho thực nghiệm. 54

Bảng 4.1 Thông số kỹ thuật của máy TopEDM CNC430/X-600. 56
Bảng 4.2 Thông số kỹ thuật của máy đo độ nhám SJ-301. 58
Bảng 5.1 Các thông số. 61
Bảng 5.2 Kết quả thí nghiệm 62
Bảng 5.3 Hệ số của đa thức. 67



ix
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ
Hình 1.1 Sơ đồ gia công xung định hình. 4
Hình 1.2 Sơ đồ gia công cắt bằng dây. 5

Hình 1.3 Sơ đồ nguyên lý gia công tia lửa điện. 7
Hình 1.4 Bước 1. 7
Hình 1.5 Bước 2. 8
Hình 1.6 Bước 3. 9
Hình 1.7 Bước 4. 9
Hình 1.8 Bước 5. 10
Hình 1.9 Bước 6. 11
Hình 1.10 Bước 7. 11
Hình 1.11 Bước 8. 12
Hình 1.12 Bước 9. 12
Hình 1.13 Đồ thị điện áp và dòng điện trong một xung phóng điện. 14
Hình 1.14 Các thông số ảnh hưởng đến năng suất khi gia công EDM. 17

Hình 1.15 Hiện tượng hồ quang điện. 19
Hình 1.16 Hiện tượng ngắn mạch, sụt áp. 19
Hình 1.17 Hiện tượng xung mạch hở. 20
Hình 1.18 Dòng chảy bên ngoài. 26
Hình 1.19 Dòng chảy áp lực qua điện cực. 26
Hình 1.20 Dòng chảy áp lực qua phôi. 27
Hình 1.21 Dòng chảy hút qua điện cực 27
Hình 1.22 Dòng chảy hút qua phôi 28
Hình 1.23 Dòng chảy nhắp 29
Hình 2.1 Mối quan hệ giữa V
w
và t

i
. 33
Hình 2.2 Mối quan hệ giữa θ và t
i
. 33
Hình 2.3 Mối quan hệ giữa R
max
và t
i
(với t
i
= t

d
+ t
e
). 34
Hình 2.4 Ảnh hưởng của t
i
và t
0
đến năng suất gia công. 35
x
Hình 2.5 Ảnh hưởng của khe hở phóng điện δ. 36
Hình 2.6 Quan hệ giữa η và a

p
38
Hình 2.7 Ảnh hưởng của điện dung C. 38
Hình 2.8 Ảnh hưởng của diện tích vùng gia công F. 39
Hình 2.9 Vùng ảnh hưởng nhiệt của bề mặt phôi. 41
Hình 2.10 Nhám bề mặt khi gia công tia lửa điện. 42
Hình 3.1 Sơ đồ đối tượng nghiên cứu. 44
Hình 3.2 Sơ đồ đối tượng nghiên cứu với nhiễu e có tính cộng. 45
Hình 3.3 Mô hình quá trình gia công tia lửa điện. 52
Hình 4.1 Điện cực đồng thau. 55
Hình 4.2 Sơ đồ nguyên lý của máy gia công tia lửa điện điện cực định hình. 57
Hình 4.3 Máy TopEDM CNC430/X-600. 57

Hình 4.4 Máy đo độ nhám SJ-301. 58
Hình 4.5. Thông tin hiển thị được in trên giấy. 59
Hình 4.6 Thông tin hiển thị trên màn hình LCD. 60
Hình 5.1 Nhập dữ liệu đầu vào và đầu ra. 66
Hình 5.2 Chọn dạng mô hình là mô hình phi tuyến bậc hai. 66
Hình 5.3 Kết quả mô hình. 68
Hình 5.4 Các thống kê về mô hình. 68
Hình 5.5 Sai số giữa giá trị quan sát (thí nghiệm) và giá trị hội quy. 69
Hình 5.6 Phân bố của sai số. 70
Hình 5.7 Ảnh hưởng của dòng điện đến độ nhám. 70
Hình 5.8 Ảnh hưởng của chu kỳ dòng điện. 71
Hình 5.9 Ảnh hưởng của hiệu điện thế. 71

Hình 5.10 Ảnh hưởng của chu kỳ dòng điện và hiệu điện thế. 72
Hình 5.11 Ảnh hưởng của dòng điện và hiệu điện thế. 72
Hình 5.12 Ảnh hưởng của dòng điện và chu kỳ dòng điện 73


1
LỜI NÓI ĐẦU
Ứng dụng công nghệ mới luôn luôn là nhu cầu cấp bách của mọi nền sản
xuất và mọi quốc gia. Đối với nền sản xuất cơ khí, các phương pháp gia công truyền
thống như: đúc, rèn, dập, tiện, phay, mài, và những công nghệ như phay, tiện CNC
đôi khi không còn đáp ứng được yêu cầu ngày càng cao của sự phát triển sản phẩm
trong thời kỳ hiện đại nữa. Thực tế đó đòi hỏi phải phát triển các công nghệ mới,

trong đó có gia công tia lửa điện. Phương pháp này gọi là gia công EDM (Electrical
Discharge Machine). Thực ra phương pháp gia công tia lửa điện không phải là công
nghệ mới đối với thế giới vì nó được áp dụng hơn một nửa thế kỷ qua.
Từ cuối thập niên 80 của thế kỷ XX đến nay, rất nhiều doanh nghiệp trong
nước đã trang bị các loại máy, thiết bị sử dụng công nghệ EDM nhằm cải tiến
phương pháp gia công, nâng cao giá trị của sản phẩm. Bên cạnh những kết quả đạt
được về mặt công nghệ thì nói chung còn gặp những khó khăn nhất định về kỹ thuật
và hiệu quả kinh tế khi sử dụng các máy và thiết bị này bởi vì các nguyên nhân sau:
- Việc chuyển giao công nghệ chưa đầy đủ.
- Đầu tư thiếu đồng bộ và phần lớn thiết bị không rõ nguồn gốc.
- Giá thành đầu tư lớn nên mức khấu hao cao.
- Số lượng sản xuất trên máy thường theo loạt vừa và nhỏ…

Vấn đề đặt ra là làm thế nào để nâng cao hiệu quả khai thác, sử dụng loại
máy này?
Đề tài “Nghiên cứu ảnh hưởng của chế độ gia công đến độ nhám bề mặt
của máy gia công tia lửa điện” được lựa chọn để nghiên cứu nhằm mục đích xác
định chế độ công nghệ hợp lý trên máy gia công tia lửa điện xung định hình là một
việc cần thiết, góp phần vào việc nâng cao hiệu quả khai thác, sử dụng máy EDM
trong sản xuất cơ khí nói riêng và là cơ sở để nghiên cứu cho các máy khác và các
vật liệu khác nhau.
Đề tài được trình bày với các nội dung chính sau:
Chương 1: Tổng quan về gia công tia lửa điện.
2
Chương 2: Các yếu tố ảnh hưởng đến chất lượng bề mặt gia công EDM.

Chương 3: Quy hoạch thực nghiệm.
Chương 4: Thí nghiệm.
Chương 5: Xác định quy luật ảnh hưởng của chế độ gia công đến độ
nhám bề mặt.
Chương 6: Kết luận chung.
Do trình độ của bản thân và thời gian còn hạn chế nên đề tài không tránh
khỏi thiếu sót. Em rất mong nhận được sự góp ý tận tình của các thầy để đề tài được
hoàn thiện hơn .

Nha Trang, ngày 18 tháng 6 năm 2012
Phan Văn Hiếu

3
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ GIA CÔNG TIA LỬA ĐIỆN
Gia công tia lửa điện được phát triển vào năm 1943 ở Liên Xô bởi hai vợ
chồng người Nga tại trường đại học Moscow là Giáo sư, Tiến sĩ Boris Lazarenko và
Tiến sĩ Natalya Lazarenko. 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 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 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.
1.1. Đặc điểm của phương 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 2 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 loại hợp kim cứng. vật liệu điện cực thường là đồng, grafit . . .
- Vật liệu dụng cụ cắt và vật liệu phôi đều phải có tính chất 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 bề mặt tương đối cao (Ra = 1,6 ÷ 0,8µm) và độ chính xác cao (IT5).
4
1.2. Các phương pháp gia công tia lửa điện
Ngày nay, trong gia công cơ khí trên thế giới có 2 phương pháp gia công tia
lửa điện chủ yếu, được ứng dụng rộng rãi và đã có những 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 EDM.
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

Hình 1.1 Sơ đồ gia công xung định hình.
1.2.2. Phương pháp gia công cắt dây bằng tia lửa điện.
Là phương pháp dùng 1 dây dẫn điện có đường kính nhỏ (0,1 – 0,3mm) cuốn
liên tục và chạy theo 1 biên dạng định trước để tạo thành 1 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,
5

Hình 1.2 Sơ đồ gia công cắt bằng dây.
1.2.3. Các phương pháp khác.
Ngoài 2 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 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 chế
tạo điện cực phức tạp (để xung) mà sử dụng điện cực chuẩn sau đó điều khiển cho

điện cực cắt theo chương trình.
- 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 bánh 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.
- 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
6

công nghệ và tăng đáng kể tốc độ gia công khi 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 10.000vg/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 10µm. Phương pháp này
dùng để gia công cắt dây các lỗ siêu nhỏ có kích thước từ 0,1 ÷ 1mm, 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.

7
1.3. Cơ chế của phương pháp gia công tia lửa điện.
1.3.1. Bản chất vật lý.

Hình 1.3 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 của phương pháp gia công bằng tia
lửa điện được mô tả như hình 1.3.
Quá trình gia công tia lửa điện có thể chia làm 9 bước và mối quan hệ giữa
hiệu điện thế và cường độ dòng điện được thể hiện như sau:
Bước 1:

Hình 1.4 Bước 1.
8
Hai điện cực được tiến lại gần nhau. Giữ điện cực và bề mặt chi tiết là một
lớp dầu cách điện (dung dịch điện môi). Mặc dù dung dịch điện môi này có tính
cách điện rất tốt, nhưng với một hiệu điện thế đủ lớn có thể làm cho dung dịch bị
phá vỡ để chuyển thành những hạt ion, cho phép dòng điện đi qua từ điện cực dụng
cụ đến bề mặt chi tiết. Sự hiện diện của những phần tử kim loại và graphit lơ lửng
trong dung dịch có thể giúp cho dòng điện truyền đi trong dung dịch bằng hai cách:
những phần tử dẫn điện giúp ion hóa chất điện môi và có thể truyền điện trực tiếp
và những phần tử dẫn điện có thể xúc tác đánh thủng điện.
Do bề mặt của hai điện cực không hoàn toàn bằng phẳng, vùng điện trường
mạnh nhất ở hai điểm gần nhau nhất. Trong bước này hiệu điện thế tăng còn cường

độ dòng điện bằng 0.
Bước 2:
Khi số lượng hạt ion tăng, tính chất cách điện của dung dịch điện môi bắt
đầu giảm dọc theo một kênh hẹp chính giữa trong vùng điện trường mạnh nhất bắt
đầu giảm mạnh. Điện áp tăng tối đa nhưng cường độ dòng điện vẫn bằng 0.


Hình 1.5 Bước 2.

9
Bước 3:
Một dòng điện được thiết lập khi dung dịch điện môi trở nên kém cách điện.

Điện áp bắt đầu giảm.

Hình 1.6 Bước 3.
Bước 4:
Nhiệt hình thành một cách nhanh chóng ngay khi dòng điện tăng lên và điện
áp tiếp tục giảm. Lượng nhiệt này làm bốc hơi dung dịch, chi tiết và điện cực dụng
cụ, và một kênh phóng điện bắt đầu hình thành giữa điện cực và bề mặt chi tiết.

Hình 1.7 Bước 4.
10
Bước 5:
Một bọt hơi nước bắt đầu giãn ra, nhưng sự giãn này bị giới hạn bởi một

luồng ion hướng về kênh phóng tia lửa điện. Những hạt ion này bị hút bởi vùng điện
trường cao mãnh liệt đã được hình thành. Dòng điện tiếp tục tăng, điện áp giảm.

Hình 1.8 Bước 5.
Bước 6:
Gần đến cuối thời điểm phóng điện, dòng điện và điện áp đã được thiết lập,
nhiệt độ và áp suất bên trong bọt hơi nước đạt cực đại, và một số kim loại bị bóc ra.
Lớp kim loại ngay bên dưới cột tia lửa điện ở trạng thái nóng chảy, nhưng nó vẫn
còn được giữ trên bè mặt bởi áp suất của bọt hơi nước. Kênh phóng điện bây giờ
bao gồm một kênh plasma cực nóng được tạo bởi kim loại, chất điện môi và carbon
với dòng điện cực lớn đi qua nó.
11

Hình 1.9 Bước 6.
Bước 7:
Lúc bắt đầu thời điểm phóng điện, dòng điện và điện áp giảm xuống tới
không. Nhiệt đọ giảm xuống rất nhanh, bọt hơi nước vỡ tan và phần kim loại nóng
chảy hóa hơi bị bật ra khỏi chi tiết gia công.

Hình 1.10 Bước 7.
Bước 8:
Dung môi mới được đưa vào bằng tia và mang đi những mảnh vụn trên bề
mặt chi tiết, đồng thời dung môi cũng tôi bề mặt chi tiết, mang đi những mảnh kim
loại hóa hơi bị đông đặc. Phần kim loại nóng chảy không bị bong tách đông cứng lại

hình thành một lớp như lớp kết tinh lại (recast layer).
12

Hình 1.11 Bước 8.
Bước 9:
Những phần kim loại bị bóc ra đông đặc lại thành những hạt hình cầu nhỏ
được dung dịch điện môi mang đi với một ít carbon của điện cực. Những hơi nước
còn lại nổi lên mặt. Các mảnh vụn có thể tập hợp tạo nên sự phóng điện không
mong muốn. Trong trường hợp này có thể tạo nên hồ quang một chiều có thể gây
hại đến bề mặt chi tiết và điện cực.

Hình 1.12 Bước 9.

13
Chu kỳ phóng tia lửa điện để lại các “vết” bóc tách vật liệu có thể tóm tắt
thôngqua các đại lượng điện sau:
- Thời gian trễ t
d
: 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 hoá 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 µs) làm kim loại nóng chảy.

- 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 của thời gian trễ đánh
lửa t
d
và thời gian phóng tia lửa điện t
e
. Đây còn là khoảng thời để chất điện môi
thôi ion hoá, 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 kế tiếp nhau, t
o
còn được gọi là độ kéo dài nghỉ của xung.
Hình 1.13 biểu diễn diễn biến của điện áp và dòng điện trong 1 máy gia công
tia lửa điện được sinh ra bởi 1 máy phát tĩnh trong 1 xung. Đặc điểm của đồ thị này
cho thấy dòng điện xung bao giờ cũng xuất hiện trễ hơn 1 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.
14

Hình 1.13 Đồ thị điện áp và dòng điện trong một xung phóng điện.

Trong đó:
t

e
: Thời gian kéo dài xung hay còn gọi là độ kéo dài xung.
t
d
: 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 áp máy phát mở.
U
e
: Điện áp phóng tia lửa điện.
I
e
: Dòng phóng tia lửa điện.
15

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 tới 1kbar). 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 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 của các điện tử nhiều lần (khoảng 103
lần) nên chúng sẽ tới catốt chậm hơn các điện tử tại atốt. Chính sự cơ động khác
nhau của chúng đã tạo ra sự phân nhiệt khác nhau tại anốt và catốt, điều này dẫn
đến sự ăn mòn rất khác nhau tại 2 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 gian 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 Catốt.
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 huỷ nội lực của các kênh plasma làm bung các phần tử kim loại đã bị
nóng chảy ra khỏi bề mặt. Lượng vật liệu bị hớt đi trên bề mặt của các điện cực phụ
thuộc vào quá trình chuyển đổi năng lượng nhiệt và cơ thẩm nhiệt.
1.3.2. Cơ chế bóc tách vật liệu.
Trước hết, muốn tách vật liệu ra khỏi phôi thì phải có năng lượng tách vật
liệu W
e
[theo 1, Tr. 14].
We = 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, t
e
là