nguyên lý gia công tia lửa điện

13
CHNG 1. TNG QUAN
1.1. Lý thuyt gia cụng tia la in
1.1.1. Nguyờn lý gia cụng bng tia la in

Hỡnh 1.1. Nguyờn lý gia cụng tia la in
Đặt một điện áp một chiều giữa 2 tấm kim loại khác nhau, một đợc
gọi là điện cực và một gọi là chi tiết. Điện áp này thờng nằm trong khoảng
80V đến 200V. Cả 2 tấm kim loại này đợc nhúng ngập trong 1 dung dịch
cách điện đặc biệt - gọi là dung dịch điện môi. Khi đa 2 điện cực tiến lại
gần nhau, đến một khoảng cách đủ nhỏ thì xảy ra sự phóng tia lửa điện.
Điều này có thể giải thích là do điện trờng giữa khe hở đủ lớn (đạt khoảng
10
4
V/mm) dẫn đến việc iôn hoá dung dịch điện môi và nó trở thành dẫn
điện. Khi năng lợng tập trung đủ lớn, một dòng điện hình thành do sự
chuyển dịch của các ion và điện tử trong dung dịch điện môi - gọi là kênh
dẫn điện - kèm theo sự xuất hiện của tia lửa điện do hiện tợng ion hoá
mãnh liệt dung dịch điện môi. Nhiệt độ ở vùng này lên đến khoảng
10000
o
C làm bốc hơi vật liệu các điện cực. Nguồn điện đợc ngắt đột ngột
làm cho tia lửa điện biến mất. Dung dịch lạnh từ ngoài tràn vào kênh dẫn
điện do sự chênh lệch áp suất tạo ra tiếng nổ nhỏ và làm hoá rắn hơi vật liệu
thành các hạt ô-xít kim loại. Sau đó, nguồn điện đợc cung cấp lại và tia lửa
điện lại xuất hiện.

14
Có thể thấy những điểm chính của phơng pháp gia công tia lửa điện
là nguồn cung cấp, vật liệu của các điện cực, dung dịch điện môi và khe hở

giữa các điện cực.
Nguồn cung cấp điện áp dạng xung: thời gian ngắt nguồn điện là
khoảng thời gian cần thiết để dung dịch điện môi có thể khôi phục lại trạng
thái không dẫn điện của nó và sẵn sàng cho xung gia công tiếp theo. Nếu
thời gian này không có hay nhỏ quá sẽ làm dung dịch điện môi luôn ở trạng
thái dẫn điện. Điều này làm cho tia lửa điện phát triển thành hồ quang gây
hỏng bề mặt chi tiết và điện cực.
Các điện cực làm bằng 2 loại vật liệu dẫn điện khác nhau và đợc
nhúng ngập trong dung dịch điện môi: dung dịch này không dẫn điện ở
trạng thái bình thờng nhng có chức năng chính là môi trờng hình thành
kênh dẫn điện ở điện trờng cao.
Giữa các điện cực luôn có 1 khe hở nhỏ đợc gọi là kênh phóng điện.
Khe hở này cần đợc đảm bảo trong suốt quá trình gia công để duy trì sự ổn
định của tia lửa điện.
1.1.2. Bn cht vt lý ca quỏ trỡnh n mũn xung tia la in
Các nghiên cứu đợc nêu ở [88] [115] [116] đã cho thấy quá trình ăn mòn
của 1 xung gia công đợc trải qua 3 giai đoạn:
1.1.2.1. Giai on 1: hỡnh thnh kờnh dn in

Hỡnh 1.2. S hỡnh thnh kờnh dn in

15
Giai đoạn này đợc xác định trong khoảng thời gian khi bắt đầu có
điện áp cấp bởi nguồn điện và kết thúc khi điện áp bắt đầu giảm: bắt đầu
xuất hiện tia lửa điện.
Khi điện trờng giữa 2 điện cực tăng lên do việc đa chúng đến gần
nhau làm cho vận tốc của các ion và điện tử tự do có trong lớp dung dịch
điện môi ở giữa các điện cực tăng lên và bị hút về phía cực trái dấu. Trong
quá trình di chuyển, chúng va đập với các phân tử trung hoà và làm tách ra
các ion và điện tử mới. Cứ nh vậy, khi khoảng cách càng nhỏ làm từ

trờng và động năng của các ion và điện tử càng lớn dẫn đến hình thành
một dòng chuyển dịch có hớng của ion và điện tử tạo nên dòng điện.
Kết quả là dung dịch điện môi trở nên dẫn điện ở cuối giai đoạn này.
1.1.2.2. Giai on 2: phúng tia la in lm bc hi vt liu

Hỡnh 1.3. S phúng in qua kờnh dn in
Thời gian của giai đoạn này đợc tính từ khi điện áp bắt đầu giảm
đến một trị số xác định (cuối giai đoạn 1) và giữ nguyên cho đến khi giảm
về 0V (ngắt nguồn)
Dòng điện đi qua kênh dẫn điện kèm theo sự xuất hiện tia lửa điện.
Tại kênh dẫn điện, năng lợng tập trung rất lớn (đạt cỡ 10
5
đến 10
7
W/mm
2
)
làm cho nhiệt độ tại đó đạt tới khoảng 10000
o
C. Vật liệu của các điện cực
tại nơi xuất hiện tia lửa điện bị bốc hơi bởi nhiệt độ cao. Bên cạnh đó còn
có 1 lợng nhỏ vật liệu bị tách khỏi bề mặt các điện cực do sự va đập của
các ion và điện tử lên bề mặt của chúng.

16
Giai đoạn này chính là giai đoạn có ích trong cả 1 xung gia công: ăn
mòn vật liệu tạo thành hình dáng chi tiết theo yêu cầu.
1.1.2.3. Giai on 3: hoỏ rn hi vt liu v phc hi

Hỡnh 1.4. S phc hi

Nguồn xung bị ngắt đột ngột, dung dịch điện môi ở nhiệt độ thờng
xung quanh tràn vào gây nên sự thay đổi áp suất đột ngột tạo nên tiếng nổ
nhỏ. Hơi của vật liệu của các điện cực bị hoá rắn do việc giảm nhiệt độ đột
ngột tạo nên các hạt ô-xít kim loại có kích thớc nhỏ (cỡ vài chục àm). Các
hạt ô-xít này không dẫn điện hoặc dẫn điện rất kém tuỳ thuộc vào vật liệu
các điện cực.
Kết thúc giai đoạn này, dung dịch điện môi lấy lại trạng thái ban đầu
của nó: không dẫn điện.
Một xung gia công kết thúc. Các giai đoạn trên đợc lặp lại cho các
xung gia công kế tiếp theo.
Trong quá trình gia công EDM, vật liệu của chi tiết bị mòn dần và sẽ
dần có hình dạng là hình dạng của điện cực. Điện cực cũng bị mòn trong
quá trình gia công này nên nó thờng đợc đợc làm bằng các loại vật liệu
có tính chịu mòn nhiệt cao nh đồng, graphite,
Theo kết quả phân tích các giai đoạn trên, có 02 nguyên nhân chính
tạo nên sự ăn mòn vật liệu của các điện cực: nguyên nhân điện và nguyên
nhân nhiệt.

17
a. Nguyên nhân về điện
Các ion và điện tử do điện trờng lớn giữa khe hở phóng điện nên bị
hút về phía cực trái dấu. Trên đờng di chuyển, chúng đợc gia tốc nhờ
năng lợng của điện trờng nên có đợc động năng rất lớn làm ion hoá các
phân tử trung hoà của dung dịch điện môi để tạo thêm các ion và điện tử tự
do. Các ion và điện tử này va đập vào bề mặt các điện cực làm tách các điện
tử và ion vật liệu của các điện cực tạo nên sự mòn của các điện cực. Các
nghiên cứu đã cho thấy nguyên nhân gây nên sự mòn này cho dù rất nhỏ
nhng lại là nguyên nhân chính gây nên sự mòn không mong muốn ở điện
cực dẫn đến sai số về mặt hình dáng và kích thớc của chi tiết sau khi gia
công EDM.

b.Nguyên nhân về nhiệt
Khi tia lửa điện phóng qua kênh dẫn điện, nhiệt độ ở kênh dẫn điện
có thể đạt tới khoảng 10000
o
C làm cho vật liệu của các điện cực tại nơi tiếp
giáp với kênh dẫn điện bị bốc hơi.
Bề mặt của chi tiết sau khi bị ăn mòn bằng tia lửa điện có hình dạng
những hố nhỏ giống miệng núi lửa:


Hỡnh 1.5. B mt chi tit sau khi gia
cụng tia la in
(Ngun: KUL, B)


Bề mặt của các điện cực luôn có những nhấp nhô (nhám). Khi đa
chúng đến gần nhau, sẽ luôn có 1 cặp nhấp nhô đối diện có khoảng cách
nhỏ nhất (trên hình 1.6 là điểm A). Tại đó, mật độ cờng độ điện trờng là
lớn nhất (do khe hở là bé nhất) dẫn đến tia lửa điện sẽ xuất hiện và ăn mòn
cặp nhấp nhô này (hình 1.7)

18

Hỡnh 1.6. Mụ hỡnh b mt ca
in cc-chi tit


Hỡnh 1.7. Cp nhp nhụ b n mũn to h cú
hỡnh dng ming nỳi la

(Ngun: KUL, B)

Cặp nhấp nhô A biến mất sau 1 xung. ở xung kế tiếp, cặp nhấp nhô
B lại trở thành cặp nhấp nhô gần nhất. Tia lửa điện sẽ xuất hiện ở đó và
"miệng núi lửa" thứ 2 đợc tạo ra. Hệ thống điều khiển có nhiệm vụ đa
dần cặp điện cực đến gần nhau để bù lợng vật liệu đã bị ăn mòn tại các
điểm A, B,
Cứ nh vậy, tia lửa điện sẽ đợc xuất hiện tại từng điểm và sẽ lan dần
trên toàn bộ bề mặt đối diện nhau của cặp điện cực. Kết quả sẽ đợc bề mặt
chi tiết nh hình 1.5.
Việc mòn của vật liệu điện cực là không mong muốn. Mục đích
chính của các nghiên cứu về quá trình gia công EDM là tìm cách tăng
lợng ăn mòn chi tiết, giảm lợng mòn của điện cực.
1.1.3. Ch tiờu ỏnh giỏ
Để có thể đánh giá đợc quá trình gia công EDM, các nhà nghiên
cứu về gia công EDM đã đa ra một số các chỉ tiêu. Các chỉ tiêu này không
những đợc áp dụng trong thiết kế và tính toán thông thờng mà còn đợc
các bộ điều khiển CNC dùng làm tiêu chí để điều khiển tự động quá trình
gia công EDM. Các ký hiệu và ý nghĩa các thông số công nghệ đợc trình
bày ở mục 1.1.4.

19
a. Năng suất gia công (mm
3
/phút hay g/phút)
Năng suất gia công là lợng hớt vật liệu chi tiết trong 1 khoảng thời
gian (tính bằng phút hoặc giờ). Năng suất tỷ lệ thuận với cờng độ dòng
điện và khoảng thời gian gia công có ích (thời gian giai đoạn 2).
Thực tế, một đại lợng khác tơng tự năng suất thờng đợc dùng
trong quá trình điều khiển là hiệu suất gia công ([86]). Hiệu suất gia công

đợc tính theo công thức:

=
+
=
N
1k
)k(
oi
)k(
e
)tt(
t
(1.1)
N là số chu kỳ lấy mẫu. Mỗi chu kỳ gia công đợc tính trong khoảng
thời gian (t
i
+t
o
) (às).
Theo công thức trên, hiệu suất đợc tính cho một quá trình gia công
hay một khoảng thời gian xác định. Thông thờng, các hệ điều khiển hiện
đại nh AGIE, Charmill, Mitsubishi lấy N=1000.
b. Lợng mòn của điện cực V
e
(g)
Khi gia công, bên cạnh vật liệu chi tiết bị mòn thì điện cực cũng bị
mòn theo. Độ mòn này sẽ ảnh hởng trực tiếp đến kích thớc và hình dáng
của chi tiết sau khi gia công. Một đại lợng khác cũng hay đợc dùng là độ
mòn tơng đối V:

100.
V
V
V
w
e
= (%) (1.2)
với V
w
là lợng mòn của chi tiết (g) sau khi gia công. Các phơng pháp
điều khiển thờng có mục đích là làm giảm V
e
và tăng V
w
hay nói cách
khác là giảm V.
c. Chất lợng chi tiết gia công
Chất lợng bao gồm độ chính xác hình dạng hình học, độ chính xác
kích thớc, độ nhám bề mặt và chất lợng lớp bề mặt sau khi gia công (ứng
suất d tồn tại ở lớp bề mặt, độ dày lớp vật liệu bị h hại, độ cứng ). Chỉ

20
tiêu này thờng đợc dùng nhất để giải bài toán tối u vì có ảnh hởng trực
tiếp đến chất lợng các chi tiết sau khi gia công EDM.
1.1.4. Cỏc thụng s cụng ngh c bn
t
i
t
e
t

o
t
d
U
i
U
e
U
tb
I
tb
I
e
U (V)
I (A)
t (
s)
t (
s)

Hỡnh 1.8. th in ỏp v cng dũng in
Các thông số công nghệ đợc xem xét ở đây là những thông số chính.
Trong thực tế, còn có một số thông số công nghệ khác nhằm mục đích đảm
bảo quá trình gia công đợc tốt, ví dụ nh: độ nhạy cảm, thời gian lên
xuống của điện cực gia công theo phơng pháp nhắp, Các thông số khác
này sẽ đợc trình bày thêm ở chơng 2.
1.1.4.1. in ỏp khi to U
i
(V)
U

i
là điện áp cần thiết để dẫn tới sự phóng tia lửa điện, còn gọi là
điện áp mồi. Nó cung cấp cho điện cực và phôi khi máy phát đợc đóng
điện, gây ra sự phóng tia lửa điện để đốt cháy vật liệu. Điện áp khởi tạo U
i

càng lớn thì thời gian xuất hiện hiện tợng phóng điện càng nhanh và cho
phép khe hở phóng điện càng lớn.
Điện áp U
i
phụ thuộc nhiều vào vật liệu của dung dịch điện môi và
chế độ gia công. Với các thế hệ thiết bị thế hệ cũ, điện áp này thờng vào

21
khoảng 80-120V; còn với thiết bị thế hệ mới thì lại có giá trị khoảng 150-
250V. Điện áp cao thờng dùng với gia công tinh vì khi đó t
i
nhỏ nên với
điện áp cao thì khoảng thời gian ion hoá (thời gian giai đoạn 1) đợc rút
ngắn dẫn đến hiệu suất tăng.
1.1.4.2. in ỏp phúng tia la in U
e
(V)
Khi bắt đầu phóng tia lửa điện thì điện áp tụt xuống từ U
i
đến U
e
.
Đây là điện áp trung bình trong suốt thời gian phóng tia lửa điện. U
e

là một
hằng số vật lý phụ thuộc vào cặp vật liệu điện cực - phôi nên U
e
không điều
chỉnh đợc. U
e
tồn tại trong suốt thời gian xảy ra giai đoạn 2 của quá trình
phóng điện. Các nghiên cứu đã cho thấy U
e
của cặp đồng và thép trong
khoảng 35 45V.
1.1.4.3. Thi gian kộo di xung t
i
(
à
s)
t
i
đợc định nghĩa là khoảng thời gian cấp điện áp của một chu kỳ
phóng tia lửa điện. Khoảng thời gian này đợc tính cho thời gian của giai
đoạn 1 và 2 của một xung gia công EDM.
Độ kéo dài xung t
i
ảnh hởng đến nhiều yếu tố quan trọng và có liên
quan trực tiếp đến chất lợng và năng suất gia công.
a. t
i
nh hng n lng n mũn vt liu
Thực nghiệm cho thấy khi giữ nguyên dòng điện I
e

và khoảng cách
xung t
o
, nếu tăng t
i
thì ban đầu V
w
tăng nhng chỉ tăng đến giá trị cực đại ở
t
i
nhất định nào đó sau đó V
w
giảm đi.


Hỡnh 1.9. mũn V
w
ph thuc t
i
([88] [118])

W
50
500
1000
10050 500 1000 5000
(às)
10
5
10

100
ti
V
(mm /min)
3


22
50
25
10010 50 500 1000
(às)
5000
ti
75
100
125
(àm)
Rz
Nếu vẫn tiếp tục tăng t
i
thì năng lợng phóng điện không còn đợc sử
dụng thêm nữa để hớt vật liệu phôi mà nó lại làm tăng nhiệt độ của các điện
cực và dung dịch điện môi.
b. t
i
v nhỏm b mt
Khi tăng t
i
, do tác dụng của dòng điện đợc duy trì lâu hơn làm cho

lợng hớt vật liệu ở một vị trí tăng lên dẫn đến R
max
cũng tăng lên.



Hỡnh 1.10. nhỏm ph thuc t
i

([35] [139])



c. t
i
v mũn in cc
Độ mòn V
e
của điện cực sẽ giảm đi khi tăng t
i
thậm chí cả sau khi đạt
lợng ăn mòn vật liệu cực đại. Chơng 4 sẽ nghiên cứu kỹ hơn về ảnh
hởng này.
1.1.4.4. Khong cỏch xung t
o
(
à
s)
t
o

là khoảng cách xung đợc đo bằng thời gian giữa hai lần ngắt-đóng
của máy phát xung thuộc 2 chu kỳ phóng điện kế tiếp nhau (thời gian của
giai đoạn 3). t
o
còn đợc gọi là độ kéo dài nghỉ của xung.
Khoảng cách t
o
càng lớn thì hiệu suất càng nhỏ và ngợc lại.
t
o
nhỏ để có thể đạt hiệu suất gia công tối đa. Nhng khoảng cách
xung t
o
phải đủ lớn để có đủ thời gian phục hồi trạng thái của dung dịch
điện môi trong khe hở phóng điện (thôi i-ôn hoá), tránh đợc hiện tợng hồ
quang, ngắn mạch và đủ để đẩy các hạt ô-xít ra khỏi khe hở phóng điện.

23
Do vậy, tuỳ thuộc vào tính chất của dung dịch điện môi và trờng
hợp gia công cụ thể mà lựa chọn t
o
, t
i
phù hợp thông qua tỉ số t
i
/t
o
([88]
[210])
Khi gia công rất thô chọn : t

i
/t
o
> 10
Khi gia công thô chọn : t
i
/t
o
= 10
Khi gia công tinh chọn : t
i
/t
o
= 5 ữ 10
Khi gia công rất tinh chọn : t
i
/t
o
< 5 (thờng chọn = 0.4).
1.1.4.5. Dũng phúng tia la in I
e
(A)
Trị số của 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 tia lửa điện (kết thúc giai
đoạn 1), dòng điện tăng lên từ 0 đến giá trị I
e
. I
e

ảnh hởng lớn nhất đến
lợng hớt vật liệu, độ mòn điện cực và chất lợng bề mặt gia công. Thực
nghiệm cho thấy I
e
càng lớn thì lợng hớt vật liệu càng lớn, độ nhám bề mặt
càng lớn nhng độ mòn tơng đối giảm.
1.1.4.6. Thi gian tr ỏnh la t
d
(
à
s)

Thời gian trễ này đợc xác định là thời gian của giai đoạn 1. Thời
gian trễ này phụ thuộc vào vật liệu dung dịch điện môi và điện áp U
i
. Một
đặc tính quan trọng của thông số này là cho biết trạng thái đang gia công.
Các hệ điều khiển hiện nay sử dụng t
d
nh là một thông số để kiểm tra trạng
thái gia công hiện nay là tia lửa điện hay hồ quang. Với trờng hợp hồ
quang thì giá trị t
d
<500ns ([86])
1.1.4.7. Khe h phúng in

(àm)
là khe hở phóng điện là khoảng cách giữa 2 điện cực mà tại đó phát
sinh tia lửa điện. Khe hở này luôn đợc điền đầy bởi dung dịch điện môi.
Trong suốt quá trình gia công, do việc mòn vật liệu mà khoảng cách này

luôn có xu thế tăng lên làm cho tia lửa điện không ổn định. Để có thể đảm

24
bảo việc tính ổn định thì vấn đề là phải duy trì khe hở tại một trị số xác
định. Quá trình đó gọi là sự điều chỉnh khe hở phóng điện.
Trong các máy gia công EDM hiện nay, theo nghiên cứu ở [13] [14]
[74] [81] [86] việc điều chỉnh khe hở là do bộ điều khiển thực hiện tự động
thông qua một trị số U
ref
, còn gọi là điện áp servo hay điện áp so sánh.
1.1.4.8. Phõn nhúm cỏc thụng s
Để thuận tiện cho việc nghiên cứu về sau, các thông số công nghệ
đợc phân ra thánh các nhóm khác nhau tuỳ đặc tính. Cách phân nhóm
thông dụng nhất là 2 nhóm: thông số độc lập và thông số phụ thuộc.
a. Nhúm thụng s c lp

Nhóm những thông số có thể xác định trớc. Các thông số này
thờng do ngời vận hành thiết lập trớc khi gia công. Trong quá trình gia
công, một số thông số sẽ đợc bộ điều khiển CNC thay đổi để có thể phù
hợp với điều kiện gia công thực tế. Các thông số nhóm này bao gồm:
+ Đặc tính của vật liệu điện cực, vật liệu cần gia công và thành phần
của dung dịch điện môi
+ Đặc tính cơ bản của xung:
- Cờng độ dòng điện gia công I
e
, thời gian kéo dài xung t
i
, thời
gian nghỉ t
o

- Điện áp khởi tạo U
i
, điện áp servo U
ref

- Sự đấu cực giữa các điện cực: thờng điện cực nối với cực
dơng của nguồn điện, chi tiết - cực âm. Với một số loại vật
liệu và mục đích gia công khác thì sự đấu cực có thể khác.
+ Kích thớc hình học của điện cực và chi tiết
+ Vận tốc và lu lợng của dòng phun dung dịch điện môi: dùng để
thổi ô-xít kim loại khỏi vùng gia công
+ Chơng trình NC cho bộ điều khiển
+ Đặc tính của thiết bị

25
- Đặc tính của bộ điều khiển động cơ servo, độ chính xác của hệ
thống
- Độ cứng vững và khả năng chấp hành của hệ thống (tốc độ
phản ứng)
b. Nhúm thụng s ph thuc

Các thông số ở nhóm này phụ thuộc vào nhiều yếu tố và các thông số
khác. Thờng để xác định đợc chúng thì phải có những nghiên cứu và thực
nghiệm.
+ Lợng mòn của chi tiết V
w

+ Lợng mòn của điện cực V
e

+ Chất lợng của lớp bề mặt chi tiết sau khi gia công: độ nhám, độ
cứng bề mặt, ứng suất d, vết nứt tế vi,
+ Độ chính xác về mặt hình dáng và kích thớc hình học của chi tiết
sau khi gia công.
1.2. Cỏc nghiờn cu trong v ngoi nc v gia cụng EDM
Cỏc thit b gia cụng tia la in hin nay ang dn ph bin cỏc
nh mỏy C khớ. Vi phng phỏp gia cụng ny, ngi thit k v ch to
cú th lm ra c cỏc sn phm cú kt cu, hỡnh dỏng phc tp v hn ht
l gim cỏc nguyờn cụng khi gia cụng v lp rỏp, n gin cỏc kt cu chi
tit. nc ngoi, nhng nh nghiờn cu v gia cụng phi truyn thng núi
chung v EDM núi riờng ó thnh lp nhng hip h
i nhm trao i cỏc kt
qu nghiờn cu v h cú nhng hi tho hng nm (ISEM ca Chõu u,
CIRP ca Nht Bn, ). Cỏc hip hi ny u t chc nhng cuc hi tho
ln hng nm trao i cỏc thụng tin v gii thiu cỏc kt qu nghiờn
cu, ng dng mi nht.

26
Cỏc nghiờn cu v EDM trong v ngoi nc u tp trung vo 5
hng: b iu khin CNC, vt liu in cc, vt liu dung dch in mụi,
ti u hoỏ cỏc thụng s cụng ngh v cỏc ng dng mi ca gia cụng EDM.
1.2.1. Nghiờn cu v b iu khin cho mỏy EDM
Cỏc nghiờn cu tp trung vo vic ng dng cụng ngh mi v in
t v tin hc thit k, ch to v ng dng vo nhng h thng iu
khin cho thit b gia cụng EDM. Núi chung cỏc h iu khin CNC hin
nay u hin i: iu khin qu o v iu khin cỏc thụng s cụng ngh,
cú tớnh tin dng cao v cú th thay
i linh hot nh cỏc ngụn ng lp
trỡnh mm do. Cỏc nghiờn cu ni bt cú th nờu ra l [2] [19] [21] [115]

vi cỏc kt qu cú th túm tt nh sau:
Nâng cao độ chính xác trong điều khiển khe hở phóng điện. áp dụng
các phơng pháp điều khiển hiện đại: điều khiển mờ - fuzzy, điều khiển tự
thích ứng - adaptive.
Tăng cờng khả năng lập trình mềm dẻo, những công cụ lập trình cao
hơn nh macro, tham số, và có nhiều công cụ nh dò cạnh, rà tâm, để
tạo thuận lợi cho ngời sử dụng.
Tra cứu thông số công nghệ tự động theo yêu cầu kỹ thuật của chi
tiết gia công. Việc nghiên cứu ở đây là đa ra Cơ sở dữ liệu các bảng tra
thông số công nghệ theo điều kiện gia công.
Cứng hoá các mô đun phần mềm làm tăng tốc độ xử lý của bộ điều
khiển. Nâng cao khả năng thay thế và sửa đổi của bộ điều khiển. Đa ra các
tiêu chuẩn chung trong việc thiết kế và chế tạo bộ điều khiển.
Nghiên cứu loại xung tần số cao (khoảng 10MHz) kết hợp với
khoảng thời gian nghỉ hợp lý nhằm nâng cao công suất và độ bóng bề mặt.
Các nghiên cứu này mới cho kết quả bớc đầu

27
Ứng dụng những loại động cơ hiện đại như động cơ tuyến tính để
nâng cao khả năng gia công: gia công không có dòng sục điện môi, tốc độ
cao, giảm được các rung động và ảnh hưởng xấu của dòng sục điện môi,
Trong nước, hiện có một vài doanh nghiệp tiến hành nghiên cứu và
chế tạo các thiết bị điều khiển CNC dùng cho máy phay, tiện, EDM như
Viện máy IMI, công ty HAMECO, công ty SINCO Hầu hế
t các công ty
trong nước đều có xu hướng nhập bộ điều khiển từ nước ngoài (Trung
Quốc, Đài Loan, Đức) rồi lắp ráp. Việc nghiên cứu để ứng dụng công nghệ
mới về điều khiển, tự động hoá trong gia công EDM mới bắt đầu được
nghiên cứu ở trong nước.
1.2.2. Nghiên cứu về dung dịch điện môi

Dung dịch điện môi là môi trường để hình thành, duy trì sự ổn định
của quá trình phóng tia lửa điện nên thành phần của nó có một ý nghĩa quan
trọng. Một số yêu cầu chính về dung dịch điện môi là: không dẫn điện ở
trạng thái bình thường mà dẫn điện ở điện trường cao, có độ nhớt phù hợp,
không độc hại. Các kết quả nghiên cứu đã cho ra được rất nhi
ều loại dung
dịch điện môi khác nhau với mục đích gia công các loại vật liệu chi tiết
khác nhau
([38] [40] [53] ). Hiện tại, có một số loại dung dịch được pha
thêm các hạt kim loại có kích thước rất nhỏ (cỡ nm) nhằm tăng khả năng
dẫn điện khi gia công các chi tiết phức tạp có rãnh nhỏ, sâu trong điều kiện
gia công khó khăn.
Trong nước hiện vấn đề này chưa được đặt ra để nghiên cứu mà chủ
yếu là ứng dụng một số loại dung dịch điện môi có sẵ
n như nước cất, dầu
([212]).
1.2.3. Nghiên cứu về vật liệu làm điện cực.
Có 2 loại vật liệu làm điện cực chủ yếu hiện nay là đồng và graphite.
Tuy nhiên, một số loại vật liệu mới như ZnBr2/Cu có khả năng giảm mòn

28
cao cng ó c a vo ng dng [88]. Mt phng phỏp tng kh
nng gim mũn ca in cc l s dng cỏc in cc ng c ph cỏc
kim loi khỏc nh W hay Zn hin ang c nghiờn cu ó cho kt qu tt
([41] [88] [63]). Cỏc nghiờn cu theo hng ny vn cha c trin khai
trong nc.
1.2.4. Nghiờn cu ti u hoỏ cỏc thụng s cụng ngh
Nghiờn cu nh hng ca cỏc thụng s cụng ngh n cht lng
v nng sut gia cụng EDM t ú, ti u hoỏ mt s thụng s cụng ngh
nhm nõng cao nng sut v cht lng quỏ trỡnh gia cụng. Mc tiờu chớnh

l ỏp ng ngy cng cao cỏc ch tiờu ca quỏ trỡnh gia cụng EDM.
Có thể kể một vài các nghiên cứu nổi bật nh sau:
1. Điều khiển các thông số công nghệ U
ref
và t
o
([86] [116] [124])
nhằm nâng cao hiệu suất gia công bằng hệ thống điều khiển thích nghi và
mờ. Hiện tại, hiệu suất này đã đạt vào khoảng 60-65%, thờng mới chỉ đạt
vào khoảng 30-40%. Hai hãng chế tạo thiết bị gia công EDM lớn là
Charmill và Mitsubishi đã có những thành công lớn trong việc áp dụng
nghiên cứu này trong các sản phẩm máy EDM của họ.
2. Phát hiện và ngăn chặn hồ quang dựa vào thông số t
d
([32] [86]
[116] [132]). Các nghiên cứu đã khẳng định: khi có tia lửa điện (tức là có
dòng I
e
), nếu t
d
có giá trị nhỏ hơn 500ns thì đợc xác định là hồ quang. Để
có thể đo đợc t
d
, phần cứng đợc chế tạo phức tạp dẫn đến giá thành của
hệ thống có phát hiện hồ quang khá đắt tiền. Phơng pháp thờng đợc
dùng để ngăn chặn hồ quang một cách tự động là tăng giá trị t
o
để tăng thời
gian phục hồi của dung dịch điện môi (giai đoạn 3) - điều này làm giảm
hiệu suất của quá trình gia công một cách đáng kể.

Cỏc nghiờn cu [32] [86] v [116] ó cho thy cú mt s trng thỏi
chớnh trong quỏ trỡnh gia cụng EDM v chỳng c xỏc nh nh vo t
d
v
cỏc tớn hiu phn hi U v I nh bng sau:

29

Bng 1.1. Cỏc dng tớn hiu phn hi v ý ngha ca chỳng
([32] [86] [116])

3. Giảm mòn điện cực bằng phơng pháp đảo cực tính ([27] [32]).
td = 0
0
25
U(V)
U < U
0
25
t
U(V)
t1
0
e
t1o t 1o t
en
U(V)
Kiểu 3
25
50

100
r
t < t
r n
Kiểu 4
25
0
50
không nhiễu
t
t
t
t
U(V)
25
Kiểu 1
U(V)
100
0
Kiểu 2
en
U = U
e
nhiễu
t
50
d
100
t = t
r

r n
U
0
25
50
i
t
U(V)
100
1 o
t
t
t
Hình dạn
g
xun
g
điện á
p
Đặc tính điện

U = U
i
trong suốt
thời gian gia công
Hay: i = 0

t
d
= t

i



0 < t
d
< t
i

U
e
= U
en

t
r
= t
rn


Kiểu 1
: t
d
= 0

Kiểu 2
: U
e

noisefree

Kiểu 3
: U
e
< U
en


Kiểu 4
: t
r
< t
rn


t
d
= 0

U

= U
e
trong thời
gian nghỉ xung

Đặc tính
g
ia
công

- Không hớt vật
liệu


- Có hớt vật liệu
và mòn điện cực


- Lợng hớt vật
liệu thấp
- Mòn điện cực
lớn hơn
- Phá hủy phôi
và tăng khe hở


- Không hớt vật
liệu
- Phá hủy phôi
và dụng cụ



- Không hớt vật
liệu
Xung
đi

ệ
n á
p



Có






Có


Có


Có
không
Xung
d.đi
ệ
n
Không

Có

Có


Có

Có
Kiểu
xung


Xung
mạch
hở


Xung
điện
chuẩn





Hồ
quang

Hồ
quang

tĩnh




Ngắn
mạch

30








Hỡnh 1.11. Dng xung cụng sut
Ưu điểm của phơng pháp này là ngoài việc giảm mòn điện cực, nó
có thể dùng để hạn chế hồ quang vì có thể thay đổi thời gian đảo cực tính
nhằm dập tắt hồ quang mà không cần thay đổi t
o
- vì khi tăng t
o
sẽ làm cho
hiệu suất giảm.
Nhợc điểm chính là việc thiết kế và chế tạo phần cứng. Phần cứng
đòi hỏi phải có những thiết kế đặc biệt, linh kiện đặc chủng có tốc độ cao
cỡ vài chục đến vài trăm MHz, chịu đợc dòng điện khi gia công lớn để
đảm bảo việc đổi cực tính không ảnh hởng gì đến dạng xung gia công.

Việc nghiên cứu về bản chất của quá trình mòn điện cực, giải
thích đợc cơ chế mòn và đa ra một phơng pháp giảm mòn điện cực
mới có hiệu quả và áp dụng đợc trong điều kiện hiện có tại Việt Nam
mang cả ý nghĩa khoa học và thực tiễn.
4. Thiết lập các các công thức thực nghiệm với hàm số là các chỉ tiêu
đánh giá nh năng suất, độ nhám bề mặt, độ chính xác, và đối số là các
thông số công nghệ t
i
, t
o
, I
e
, và dùng chúng để tối u hoá quá trình gia
công EDM: tìm một vài các thông số công nghệ tối u hay phù hợp với một
số thông số đã biết trớc. Các nghiên cứu theo hớng này đều có ở trong và
ngoài nớc và đã có đợc nhiều kết quả tốt. Các kết quả này đợc thể hiện
dới 2 dạng: công thức thực nghiệm [35] [86] [139] hoặc dạng bảng tra

31
cứu [2] [115] [155]. Hầu hết các thiết bị EDM đợc sản xuất hiện nay đều
có các bảng tra để thuận tiện cho ngời công nhân vận hành máy.
Trong các nghiên cứu theo hớng này, vấn đề đợc quan tâm nhiều
nhất là chất lợng bề mặt sản phẩm sau khi gia công EDM. Chất lợng bao
gồm: độ nhám, độ chính xác hình học, độ chính xác về hình dáng, cấu trúc
tế vi các lớp bề mặt và ứng suất d trên bề mặt (gồm các nghiên cứu [23]
[54][87][88] [97] [92] [102] [108] [129] [139] [144] [162] [165] [168]).
Kết quả chung của hầu hết các nghiên cứu ở trên đều đa ra đợc các bảng
tra và một số công thức thực nghiệm với hàm số là các chỉ tiêu cần nghiên
cứu và tham số là các thông số công nghệ.
Riêng về ứng suất d, hiện tại đã có một số các nghiên cứu cho kết

quả ([88] [97]). Tuy nhiên, các nghiên cứu trên mới chỉ dừng lại khảo sát
chi tiết sau khi gia công cắt dây EDM với một bộ thông số công nghệ khi
gia công tinh.
Việc nghiên cứu một cách đầy đủ về ứng suất d đợc tạo bởi các
phơng pháp gia công EDM khác nhau, ảnh hởng của các thông số
công nghệ cũng nh của dung dịch điện môi, ảnh hởng của ứng suất
d theo chiều sâu các lớp trên bề mặt và giải thích đợc các nguyên nhân
tạo ra ứng suất d có các trị số khác nhau ở các phơng pháp gia công
khác nhau là một vấn đề cần đợc quan tâm nghiên cứu tiếp.
5. Mô phỏng quá trình gia công EDM. Một số kết quả nghiên cứu về
mô phỏng quy luật mòn về hình dáng [78] [96]. Phơng pháp chính là sử
dụng các công thức thực nghiệm: đo sai số về mặt hình học phụ thuộc I
e
để
làm điều kiện biên và giải bài toán mòn do nhiệt theo phơng pháp phần tử
hữu hạn với mục tiêu là tính đợc lợng mòn theo hình dạng của điện cực,
chủ yếu là tại các góc nhọn. Tuy nhiên, mô phỏng mòn theo hình dáng vẫn
đang là một bài toán khó giải quyết hiện nay cần đợc tiếp tục nghiên cứu.

32
1.2.5. Nghiờn cu nhng ng dng mi ca EDM
1.2.5.1. Phay EDM
Theo [18] [112], một ứng dụng mới hiện đang đợc hãng Charmill
nghiên cứu là phay EDM. Chức năng giống một máy phay CNC nhng điện
cực là 1 điện cực đồng và quá trình cắt là bằng tia lửa điện. Điện cực là một
ống đồng có lỗ thông suốt để dung dung dịch điện môi phun qua với áp suất
cao nhằm thổi các hạt ô-xít kim loại ra khỏi vùng gia công.

Hỡnh 1.12. Phay EDM theo tng lp, theo contour 3 chiu v chi tit
sau khi gia cụng phay EDM

Hỡnh 1.13. Thit b phay EDM ca hóng Charmill (Ngun: KUL, B)
Một bài toán quan trọng khi nghiên cứu phay EDM là việc bù lợng
mòn của điện cực khi gia công hiện vẫn đang đợc nghiên cứu [18] [112]
[166]. Tốc độ mòn tơng đối có thể đạt tới 30%-100% (tức là hiện tợng
mòn điện cực khốc liệt). Chuyển dịch của điện cực lúc này là phối hợp của
2 chuyển động: 1 theo đờng điện cực lý thuyết (toolpath) và 1 đi xuống để
bù lợng mòn điện cực. Hợp của 2 chuyển động này sẽ đợc chuyển động
thực của điện cực trong không gian để gia công đợc biên dạng định trớc.

33
Hỡnh 1.14. Hng di chuyn ca in cc
W: lợng mòn của điện cực
D: khoảng di chuyển cần đi của điện cực
M: khoảng di chuyển thực của điện cực

Lợi thế khi gia công phay EDM là không có lực lớn nh phay truyền
thống nên điện cực có thể nhỏ (đến cỡ 0.3mm).
1.2.5.2. Gia cụng microEDM



Hỡnh 1.15. Mụ hỡnh gia cụng microEDM

Hỡnh 1.16. in cc gia cụng microEDM
(Ngun: KUL, B)

Các nghiên cứu có thể kể đến là [46]
[77] [109] [166] tập trung vào các vấn đề
về vật liệu điện cực, điều khiển bù mòn điện cực vì điện cực có kích thớc
rất nhỏ nên mòn nhanh và tìm kiếm hớng ứng dụng mới của microEDM.
ứng dụng chủ yếu của microEDM hiện nay là gia công các chi tiết nhỏ, có
độ chính xác cao dùng trong công nghệ chế tạo đồng hồ, y sinh,
in cc Vonfram
Vũng gi bng Silicon
Phun dung
dch in mụi
Trc chớnh quay nhanh
(30000 vũng/phỳt)
D
M
W

9 àm
150 àm
27 àm
150 àm

34
1.2.5.3. Mt s ng dng khỏc
Khoan EDM ([50] [94]): dùng để tạo các lỗ nhỏ hoặc gia công lỗ

trên các hợp kim và kim loại đã nhiệt luyện.
Mài và đánh bóng bề mặt bằng EDM ([51] [109] [138] [140]
[152]): sử dụng quá trình ăn mòn tia lửa điện để giảm lực khi mài, tăng độ
bóng bề mặt. Tần số phát xung công suất trong khi mài EDM có thể đạt đến
10MHz với cờng độ dòng điện nhỏ.
Dùng xung EDM để phủ các lớp giảm mòn, chịu ma sát, lên các
loại điện cực và chi tiết máy nh Ti, W ([52] [144]): khi điện cực làm bằng
kim loại cần phủ nh Titan bị bốc hơi và bị tách ra khỏi bề mặt, do nhiệt độ
cao, chúng sẽ đợc kết hợp với các kim loại ở bề mặt chi tiết tạo thành các
lớp phủ cứng có tác dụng cải thiện tính chất của chi tiết (dụng cụ cắt) trong
quá trình hoạt động về sau.

1.4. Kt lun
Qua cỏc phõn tớch tỡnh hỡnh nghiờn cu v ng dng EDM trong
nc v trờn th gii, mt s cỏc kt lun quan trng sau c rỳt ra:
1. Cú 02 nguyờn nhõn chớnh gõy nờn s mũn in cc v chi tit:
Nguyờn nhõn in: di tỏc ng ca in trng (~10
4
V/mm), cỏc
ion+, ion-, e- t do trong dung dch in mụi chuyn ng vi vn tc ln
v phớa cc trỏi du v va p vo b mt cỏc in cc lm tỏch cỏc e-,
nguyờn t ca in cc gõy nờn mũn.
Nguyờn nhõn nhit: nhit ca kờnh dn in khi cú tia la in lờn
ti ~10.000
o
C lm cho vt liu ca cỏc in cc b bc hi gõy nờn s mũn.
2. Quỏ trỡnh t núng v lm bc hi vt liu nhit cao bng tia
la in v lm ngui nhanh khi ngt ngun xung dn n s hỡnh thnh
ng sut d trờn b mt chi tit sau khi gia cụng EDM.

35
3. Tín hiệu phản hồi U và I khi gia công EDM được bộ điều khiển
dùng để đánh giá trạng thái quá trình gia công.
4. Do khe hở phóng điện luôn có xu hướng tăng lên vì có sự mòn ở
điện cực và chi tiết nên khe hở này cần được giữ không đổi bằng hệ thống
điều khiển tự động để ổn định quá trình phóng tia lửa điện.
5. Có 5 hướng nghiên cứu hiện nay ở nước ngoài về gia công EDM:
nghiên cứu v
ề hệ điều khiển, dung dịch điện môi, vật liệu làm điện cực, tối
ưu hoá các thông số công nghệ và tìm kiếm những ứng dụng mới của gia
công EDM. Ở trong nước, các nghiên cứu tập trung chủ yếu vào hướng tối
ưu hoá các thông số công nghệ để đạt được các tiêu chí về năng suất và
chất lượng chi tiết sau khi gia công. Các hướng nghiên cứu khác chỉ mới
được bắt đầ
u trong các nghiên cứu về EDM ở trong nước.

Tại Việt Nam, thiết bị gia công EDM mới được đưa vào sử dụng
trong một vài năm gần đây nên việc nghiên cứu phương pháp gia công này
ở trong nước cũng mới chỉ là bước đầu, chủ yếu là ứng dụng. Các kết quả
này còn hạn chế do nhiều nguyên nhân khách quan: dụng cụ đo lường và
thiết bị thí nghiệm thiếu. Việc kế thừa các kết qu
ả nghiên cứu ở nước ngoài
nhằm giải quyết các vấn đề còn tồn tại có ý nghĩa thực tiễn cao trong điều
kiện hiện có trong nước.