Báo cáo đồ án môn học: Thiết bị điều khiển logic khả trình (PLC)

Bộ môn gia công vật liệu và DCCN

Đồ án tốt nghiệp

Chơng 1

tổng quan về edm
1.1 EDM và nguyên lý của EDM

Trong nửa đầu thế kỷ 20, nhu cầu về các vật liệu lâu mòn tăng lên không
ngừng ở các nớc công nghiệp phát triển. Nhng vấn đề là gia công những vật
liệu đó bằng công nghệ thông thờng thì rất khó khăn, nhiều khi không thực
hiện đợc.
Thực ra về nguyên lý thì cách đây gần 200 năm, nhà nghiên cứu ngời
Anh Toseph Priestley (1733 - 1809) trong thí nghiệm của mình đã phát hiện
thấy có một hiệu quả ăn mòn vật liệu gây ra bởi sự phóng điện. Nhng mãi đến
năm 1943 gia công bằng tia lửa điện lần đầu tiên mới xuất hiện ở Nga sau
những nghiên cứu của vợ chồng Lazarenko. Khi các tia lửa điện đợc phóng ra,
vật liệu trên bề mặt phôi bị hớt đi bởi một quá trình điện-nhiệt thông qua sự
nóng chảy và bốc hơi kim loại - đó là quá trình gia công bằng tia lửa điện gọi
tắt là gia công EDM (Electrical Discharge Machining).
Cho đến nay quá trình EDM đã đợc phát triển khá rộng rãi ở các nớc phát
triển. Nhiều gam máy hoạt động trong lĩnh vực EDM đã đợc sản xuất với
nhiều kiểu khác nhau để phục vụ những mục đích khác nhau. Nó đa quy về 2
dạng sau:
Gia công tia lửa điện dùng điện cực định hình: Gọi tắt là phơng
pháp xung định hình. Điện cực là một hình không gian bất kì, nó sẽ
in hình của mình lên phôi tạo ra lòng khuôn thờng dùng để tạo hình
những chi tiết đục lỗ nhng không thông.
Gia công tia lửa điện bằng cắt dây: Điện cực là một sợi dây kim loại
mảnh (d= 0,1ữ0,3) đợc quấn liên tục và chạy dao theo một côngtua

xác định.

Trang1


Đồ án tốt nghiệp

Bộ môn gia công vật liệu và DCCN

1.1.1 Bản chất vật lý của quá trình phóng tia lửa điện
R

Điện cực
C

Phôi

Sơ đồ nguyên lí gia công tia lửa điện

- Đặt một điện áp giữa điện cực và phôi.
- Không gian giữa điện cực và phôi phải đợc điền đầy bởi một chất
điện môi.
- Cho 2 điện cực tiến lại gần nhau, đến một khoảng cách nào đó
thì xảy ra sự phóng tia lửa điện, xuất hiện một dòng điện tức thời.
- Nếu 2 điện cực chạm nhau thì sẽ không có tia lửa điện mà sẽ sảy
ra ngắn mạch có hại cho quá trình gia công.
- Nếu khe hở quá lớn thì sẽ không thể xảy ra sự phóng tia lửa điện
điều đó làm giảm năng suất gia công.
Để có thể làm phát sinh tia lửa điện, một điều không thể thiếu đợc là một
thời gian ngắn sau khi đã có dòng điện chạy qua 2 điện cực thì phải ngừng

cung cấp năng lợng. Đơn giản ngời ta dùng bộ phát xung RC nh trên để cung
cấp xung răng ca.
Hoạt động của nó nh sau:
Điện áp cung cấp Ui qua R nạp điện cho C, khi điện áp tụ C đạt đến Ui
bằng điện áp mồi tia lửa điện thì quá trình phóng điện bắt đầu, tụ điện phóng
điện ra R cho đến khi Ui giảm xuống đến điện áp tắt sau đó lại tiếp tục quá
trình nạp và lặp lại nh trên. Quá trình chuyển đổi năng lợng R C tạo ra dao
động hình thành xung răng ca.
+ Thời gian nạp tụ: T1 = RC
+ Thời gian phóng điện T2 rất ngắn vì trị số điện trở rất nhỏ.
Trang2


Đồ án tốt nghiệp

Bộ môn gia công vật liệu và DCCN
+ Chu kỳ phóng điện: T = T1 + T2
+ Tần số phóng tia lửa điện: f =

1
1
=
T RC + T2

Ngời ta dùng R để điều chỉnh tần số f sao cho phù hợp với điều kiện gia
công
Khi sự phóng tia lửa điện đợc sinh ra ở vùng giữa 2 điểm của cực dơng và
cực âm, nhiệt lợng rất lớn đợc sinh ra làm nóng chảy và bốc hơi vật liệu ở
vùng này. Để tăng hiệu quả của phơng pháp gia công, điện cực dụng cụ và
phôi đợc nhấn chìm trong dung dịch điện môi (hyđrôcacbon hoặc dầu

khoáng). Quan sát thấy rằng nếu cả 2 loại điện cực đợc làm cùng một loại vật
liệu thì điện cực đợc nối với cực dơng vật liệu điện cực bị bào mòn với tốc độ
lớn hơn.
Với một khe hở (khe hở phóng điện) thích hợp đợc giữ không đổi giữa 2
bề mặt dụng cụ và phôi, với nguồn một chiều thích hợp dới tần số cao thì xẩy
ra sự phóng tia lửa điện. Tia lửa điện sinh ra tại điểm mà nhấp nhô giữa 2 bề
mặt dụng cụ và phôi gần nhau nhất, điểm này sẽ thay đổi sau khi phóng tia lửa
điện (bởi vì vật liệu đã bị bào mòn sau khi phóng tia lửa điện), tia lửa sẽ sinh
ra trên toàn bộ bề mặt. Kết quả là một lợng vật liệu không đổi đợc hớt đi trên
toàn bê mặt phôi. Việc giữ khe hở phóng điện theo một giá trị xác định trớc
nhờ một bộ điều khiển servo. Khoảng phóng điện đợc nhận biết thông qua
điện áp trung bình giữa khe hở, điện áp này đợc so sánh với một giá trị điện áp
đặt trớc. Sự khác nhau này sẽ điều khiển động cơ servo. Thờng động cơ bớc đợc sử dụng thay thế động cơ servo.
Tần số tia lửa điện khoảng 200-500000Hz, khe hở phóng điện đợc xác
định khoảng 0,025-0,05mm. Điện áp cực đại đợc giữ khoảng 30-250V. Lợng
hớt vật liệu có thể đạt 300mm3/phút, công suất động cơ 10W/mm3/phút. Năng
suất và độ chính xác gia công sẽ tăng lên khi cung cấp một lực chu kỳ của
dòng dung dịch điện môi.

Trang3


Đồ án tốt nghiệp

Bộ môn gia công vật liệu và DCCN

Sơ đồ dới đây cho ta thấy diễn biến của điện áp và dòng điện ở một máy
xung định hình, đợc sinh ra bởi một máy phát tĩnh, trong những khoảng thời
gian xác định của một chu kỳ xung.

U

Ue

Ui

Trong đó:

td

ti

te

to

tp

te: Độ kéo dài xung
td: Độ trễ đánh lửa

ti: Độ kéo dài xung
máy phát
to: khoảng cách xung

Ie

I

t

t

Ui: điện áp mở máy
Ue: điện áp phóng tia
lửa điện
Ie: dòng phóng tia lửa
điện

Đây là đồ thị điển hình của chu kỳ xung trong gia công tia lửa điện. đặc
điểm của đồ thị này là dòng điện Ie của xung bao giờ cũng xuất hiện trễ hơn
một khoảng thời gian td (độ trễ đánh lửa) so với thời điểm bắt đầu có điện áp
máy phát Ui. Ue và Ie là các giá trị trung bình của điện áp và dòng điện khi
phóng tia lửa điện.
Trong một chu kì phóng tia lửa điện ta có thể phân biệt đợc các pha sau
đây:
Pha 1: đánh lửa
Máy phát tăng điện áp khởi động qua một khe hở (đóng điện áp
máy phát Ui). Dới ảnh hởng của điện trờng, từ cực âm (catốt) bắt đầu
phát ra các điện tử và chúng bị hút về cực dơng (anốt). Sự phát điện tử
gây ra sự tăng cục bộ tính dẫn điện của chất điện môi ở khe hở.
Các bề mặt của 2 điện cực không hoàn toàn phẳng. Điện trờng sẽ
mạnh nhất ở 2 điểm gần nhau nhất. Chất điện môi bị iôn hoá. Tất cả các
phần tử dẫn điện (điện tử và iôn dơng) đều hội tụ quanh điểm này trong
khoảng không gian giữa 2 điện cực và chúng tạo nên một cái cầu. Một
kênh phóng điện đợc hình thành ngang qua cầu. Sự phóng điện bắt đầu.
Trang4


Đồ án tốt nghiệp

Bộ môn gia công vật liệu và DCCN

Phoi

u

u

i

i

t

Pla zma

u
i

t

t

Pha 2: sự hình thành kênh phóng điện
ở thời điểm phóng điện, điện áp bắt đầu giảm. Số lợng các phần tử
dẫn điện (điện tử và iôn dơng) tăng lên một cách khủng khiếp và dòng
điện bắt đầu chạy giữa các điện cực. Dòng điện này cung cấp một mật độ
năng lợng khổng lồ mà nó làm cho dung dịch điện môi bốc hơi cục bộ.
áp suất trong các bong bóng bốc hơi sẽ đẩy chất lỏng điện môi sang hai

bên. Nhng do có độ nhớt nên chất điện môi tạo ra một sự cản trở, nó hạn
chế sự lớn lên của kênh phóng điện giữa các điện cực.

u
i

u
t

i

u
t

i

t

Phoi
Pla zma

Pha 3: nóng chảy và bốc hơi vật liệu
Lõi của bọt hơi bao gồm một kênh plazma. Plazma này sẽ là một
chất khí có lẫn Lõi của bọt hơi bao gồm một kênh plazma. Plazma này là
một chất khí có lẫn các điện tử và iôn dơng ở áp suất rất cao (khoảng 1
bar) và nhiệt độ cực lớn (10000 Co ). Khi kênh plazma đợc tạo thành đầy
đủ thì điện áp qua khe hở đạt tới mức của điện áp phóng tia lửa điện Ue.
Giá trị điện áp Ue là một hằng số vật lý phụ thuộc vào sự phối hợp vật
liệu điện cực và phôi.
Trang5

Đồ án tốt nghiệp

Bộ môn gia công vật liệu và DCCN

Chất điện môi giữ kênh plazma và cũng là giữ cho năng lợng có mật
độ tập trung cục bộ. Sự va đập của các điện tử lên cực dơng và các iôn dơng lên cực âm làm nóng chảy và bốc hơi vật liệu các điện cực.
Máy phát sẽ ngắt dòng điện sau khi đã diễn ra một xung có hiệu quả.
Điện áp bị ngắt đột ngột. Kênh phóng điện biến mất. áp suất cũng bị mất
đột ngột. Điều này làm cho kim loại nóng chảy bất ngờ bị đẩy ra khỏi
kênh phóng điện và bốc hơi.

u
i

u
t

i

u
t

i

t

Phoi
Pla zma

Sự phóng điện có thể kéo dài từ vài micrô giây đến vài trăm micrô
giây, tuỳ thuộc vào công dụng. Giữa các xung có một độ trễ To, cho phép
chất điện môi thôi iôn hoá và để có thời gian vận chuyển phoi ra khỏi khe
hở gia các điện cực nhờ dòng chảy chất điện môi. ở đây phoi là vật liệu
điện cực bị tách ra. Mỗi bề mặt điện cực đều để lại một vết lõm bị ăn
mòn, nhng sự ăn mòn không nh nhau, cực nào bị ăn mòn nhiều hơn (thờng là cực dơng) sẽ đợc dùng làm điện cực dụng cụ. Cực bị ăn mòn ít
hơn đợc dùng làm điện cực dụng cụ. Điều này không phải là luôn luôn cố
định. Nó còn phụ thuộc vào chế độ phóng điện, việc chọn cặp vật liệu
điện cực và sự đấu cực.

Trang6


Đồ án tốt nghiệp

Bộ môn gia công vật liệu và DCCN
1.1.2 Cơ chế tách vật liệu

Tool
C

B

D

A

E

Work

Hình trên chỉ ra chi tiết bề mặt của 2 điện cực, thực tế 2 bề mặt nay
không phẳng nh ta tởng tợng mà nó có các nhấp nhô. Khoảng cách giữa 2 bề
mặt điện cực trong toàn bề thực tế không cố định mà nó thay đổi do các nhấp
nhô. Ví dụ tại điểm A khoảng cách giữa 2 điện cực là nhỏ nhất. Khi một điện
áp thích hợp đợc đặt giữa 2 điện cực (dụng cụ và phôi), một trờng tĩnh điện có
cờng độ lớn đợc sinh ra nó gây ra sự tách các electron từ cực âm tại A. Các
electron giải phóng này đợc tăng tốc về phía cực dơng. Sau khi đạt đến vận tốc
đủ lớn, các electron này va đập với các phần tử điện môi, bắn phá các phần tử
đó thành các electron và các ion dơng. Các vừa sinh ra lại đợc tăng tốc và nó
lại đánh bật electron khác từ các phân tử dung dịch điện môi. Cứ nh vậy, một
cột hẹp các phân tử dung dịch điện môi bị iôn hoá đợc sinh ra tại điểm A nối 2
điện cực lại với nhau (sinh ra một dòng thác điện tử, cột phân tử bị iôn hoá
tăng lên và tính dẫn điện mạnh, nó nh một tia lửa). Kết quả tia lửa này là một
sóng chèn ép lớn đợc sinh ra và có nhiệt độ rất lớn tăng lên trên các điện cực
(10000-120000C). Nhiệt độ lớn này làm nóng chảy và bốc hơi vật liệu điện
cực, vật liệu nóng chảy bị sóng thổi đi, và một vết lõm trên 2 bề mặt đợc sinh
ra. Ngay lúc đó thì khoảng cách giữa 2 điện cực tại A tăng lên và vị trí tiếp
theo có khoảng cách giữa 2 điện cực ngắn nhất (ví dụ tại B). Tơng tự, chu kỳ
trên đợc lặp lại, tia lửa tiếp theo đợc sinh ra tại B. Cứ nh vậy tia lửa sẽ sinh ra
trên toàn bề mặt điện cực. Kết quả diễn biến quá trình sẽ sinh ra khoảng cách
không đổi giữa 2 bề mặt điện cực. Phụ thuộc vào hình dạng của âm cực mà dơng cực chép lại hình dạng đó. Việc tách vật liệu phụ thuộc vào năng lợng
tách vật liệu We:
We=Ue.Ie.te.

Trang7


Bộ môn gia công vật liệu và DCCN

Đồ án tốt nghiệp

Trong đó: Ue, Ie là giá trị trung bình của điện áp và dòng tia lửa điện đợc
lấy trong khoảng thời gian xung. Ue là một hằng số vật lý phụ thuộc cặp vật
liệu điện cực/phôi. Vì vậy năng lợng thực chất chỉ phụ thuộc vào Ie và te.
Dòng điện tổng cộng trong kênh plazma qua khe hở phóng điện là tổng
của dòng các điện tử chạy tới cực dơng và dòng các iôn dơng chạy tới cực âm.
Do khối lợng của các iôn dơng lớn hơn trên 100 lần so với khối lợng của các
điện tử, nên ta có thể bỏ qua tốc độ của các iôn dơng khi xuất phát các xung
điện so với tốc độ của điện tử.
Mật độ điện tử tập trung tới bề mặt cực dơng cao hơn nhiều lần so với
mật độ iôn dơng tập trung tới bề mặt cực âm trong khi mức độ tăng của dòng
điện lớn nhất trong khoảnh khắc đầu tiên của sự phóng điện. Điều này là
nguyên nhân gây ra sự nóng chảy rất mạnh ở cực dơng trong chu kỳ này.
Dòng iôn dơng chỉ đạt tới cực âm trong micro giây đầu tiên. Các iôn dơng gây ra sự nóng chảy và bốc hơi của vật liệu catốt (cực âm). Do đó có hiện
tợng điện cực bị mòn.
Vật liệu điện cực trong sự tiếp xúc với plazma này ở một pha có áp lực
cao tới 1 Kbar và nhiệt độ cao tới 10000 oC trong kênh plazma. Một lý do
quan trọng của sự tống ra vật liệu bị chảy lỏng là sự đột ngột biến mất của
kênh plazma khi dòng điện bị ngắt. Ngay tức khắc, áp suất xụt xuống bằng áp
suất xung quanh sau khi ngắt dòng điện. Nhng nhiệt độ của chất lỏng lại
không tụt nhanh nh thế. Điều này gây ra sự nổ và bốc hơi của chất lỏng nóng
chảy hiện có. Tốc độ cắt dòng điện và tốc độ xụt của xung dòng điện sẽ quyết
định tốc độ xụt áp suất và sự bắt buộc nổ vật liệu chảy lỏng. Thời gian xụt của
dòng điện là yếu tố quyết định đối với độ nhám bề mặt gia công.
Vì lợng vật liệu đợc hớt đi phụ thuộc vào điện áp, cờng độ dòng điện và
thời gian nên ngời ta có thể nghiên cứu một cách chính xác tuần tự theo thời
gian của dòng điện và điện áp trong lúc phóng tia lửa điện bằng thực nghiệm
nh sau:

Trang8


 §å ¸n tèt nghiÖp

Bé m«n gia c«ng vËt liÖu vµ DCCN

U

(Von)

120 1

2

t1 = 0 (µ s) U1 = 120 V
t2 = 30 (µ s) U2 = 120 V
t3 = 45 (µ s) U3 = 60 V
t4 = 120 (µ s) U4 = 42 V
t5 = 150 (µ s) U5 = 30 V
t6 = 240 (µ s) U6 = 30 V
t7 = 300 (µ s) U7 = 30 V
t8 = 310 (µ s) U8 = 0 V

3

60
42
30

4

30 45
I

120 150

(Ampe)
4

30
29

20

5

5

6

7

240

8 300 t
300 (µ s)

6

7

t1 = 0 (µ s) I1 = 0 V
t2 = 30 (µ s) I2 = 0 V
t3 = 45 (µ s) I3 = 20 V
t4 = 120 (µ s) I4 = 29 V
t5 = 150 (µ s) I5 = 30 V
t6 = 240 (µ s) I6 = 30 V
t7 = 300 (µ s) I7 = 30 V

3

t8 = 310 (µ s) I8 = 0 V
1

2
30 45

120 150

240

8 300 t
(µ s)
300

Trang9

Bộ môn gia công vật liệu và DCCN

Đồ án tốt nghiệp

1.2 các thông số công nghệ của EDM

1.2.1 Đặc tính về điện của sự phóng tia lửa điện
Các đặc tính về điện đợc nhận ra dựa vào các đặc tính thời gian của sự
phóng tia lửa điện. Các đặc tính này chính là các thông số điều chỉnh
quan trọng nhất của quá trình gia công.
Mỗi máy phát của thiết bị gia công tia lửa điện đều có một nhiệm vụ là
cung cấp năng lợng làm việc cần thiết. Trớc đây ngời ta sử dụng các
máy phát có tụ bù. Nhợc điển của loại máy này là 50% năng lợng tích
trữ trong điện trở nạp biến thành nhiệt. Vì vậy, loại máy này chỉ có hiệu
suất khoảng 50%. Ngày nay các tụ bù chỉ còn đợc sử dụng trong các bộ
ngắt bổ xung để thực hiện tối u việc gia công đơn giản.
Máy phát xung hiện đại của một thiết bị gia công tia lửa điện là một
máy phát xung tĩnh. ở đây năng lợng đợc điều khiển bằng điện tử nhng
không có yếu tố bù. Nguyên lý tác dụng của máy phát xung tĩnh thực
hiện trớc hết thông qua sự phát triển của Transistor mạnh và các sản
phẩm điện tử hiện đại. Máy phát xung tĩnh có u việt lớn ở độ linh hoạt
của các thông số điều chỉnh. Qua đó mỗi trờng hợp gia công có thể đợc
giải quyết dới quan điểm là điện cực ít mòn nhất và chất lợng bề mặt là
tối u. muốn vậy các thông số của quá trình gia công phải đợc điều chỉnh
cho phù hợp.
1.2.2 Các thông số điều chỉnh
a. Điện áp đánh lửa Ui: đây là điện áp cần thiết để dẫn tới sự phóng tia lửa
điện. 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 đánh lửa Ui càng lớn
thì phóng điện càng nhanh và cho phép khe hở phóng điện càng lớn.

b. Thời gian trễ đánh lửa td : đó là thời gian giữa lúc đóng điện máy phát và
lúc xảy ra phóng tia lửa điện. Khi đóng điện máy phát lúc đầu cha xảy ra
điều gì. Điện áp duy trì ở giá trị của điện áp đánh lửa Ui, dòng điện bằng
0. Sau một thời gian trễ td mới xảy ra sự phóng tia lửa điện. Dòng điện từ 0
vọt lên Ie.
Trang10


Đồ án tốt nghiệp

Bộ môn gia công vật liệu và DCCN

c. Điện áp phóng tia lửa điện Ue: khi bắt đầu phóng tia lửa điện thì điện áp
tụt xuống từ Ui đến Ue. đây là điện áp trung bình trong suốt thời gian
phóng tia lửa điện. Ue là một hằng số vật lý phụ thuộc vào cặp vật liệu
điện cực/phôi. Ue không điều chỉnh đợc.
d. Dòng phóng tia lửa điện Ie: 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
dòng điện tăng lên từ 0 đến giá trị Ie, kèm theo sự đốt cháy. Ie ảnh hởng
lớn nhất đến lợng hớt vật liệu, độ mòn điện cực và chất lợng bề mặt gia
công. Nhìn chung Ie càng lớn thì lợng hớt vật liệu càng lớn, độ nhám bề
mặt càng lớn nhng độ mòn điện cực giảm.
Độ mòn tơng đối của vật liệu đợc định nghĩa: = Ve/Vw
Ve: thể tích vật liệu bị mất ở điện cực
Vw: thể tích vật liệu phôi bị hớt đi
Dòng điện và diện tích bề mặt bị ăn mòn: Mật độ dòng điện
(A/mm2) sẽ sinh ra lợng nhiệt lớn làm quá nhiệt điện cực và gây
mòn điện cực nhanh hơn. Do vậy để gia công một vùng nhỏ cần
chọn dòng điện nhỏ và ngợc lại.
Nh vậy, khi gia công chỉ có một điện cực hay có nhiều điện cực

để thay thế thì phải chú ý lựa chọn dòng điện cho phù hợp sao
cho nó cho phép đạt đợc lợng hớt vật liệu lớn nhất có thể đạt đợc
trong khi vẫn duy trì độ nhẵn bóng và độ mòn điện cực trong giới
hạn yêu cầu.
e. Độ kéo dài xung ti: là khoảng thời gian giữa hai lần đóng ngắt của máy
phát trong cùng một chu kỳ phóng tia lửa điện. Nó bằng thời gian trễ (t d)
và thời gian phóng tia lửa điện ie :
ti = t d + t e
Độ kéo dài xung ti ảnh hởng đến nhiều yếu tố quan trọng có liên quan
trực tiếp đến chất lợng và năng suất gia công.
Các yếu tố bị ảnh hởng:

Trang11


Đồ án tốt nghiệp

Bộ môn gia công vật liệu và DCCN


ti ảnh hởng lớn đến lợng hớt vật liệu: thực nghiệm cho thấy khi giữ
nguyên dòng điện Ie và khoảng cách xung t o, nếu tăng ti thì ban đầu
Vw tăng nhng chỉ tăng đến
giá trị cực đại ở ti nhất định
nào đó sau đó Vw giảm đi,
nếu vẫn tiếp tục tăng ti thì
năng

lợng

phóng

điện

VW

(mm3 /min)

1000
500

100
50

10
5

ti

10

50 100

500 1000

5000

(à s)

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.


ti và độ mòn điện cực: độ mòn của điện cực sẽ giảm đi khi tăng ti
thậm chí cả sau khi đạt lợng
hớt vật liệu cực đại. Nguyên
nhân do, mật độ điện tử tập



(%)

50

trung ở bề mặt phôi (+) cao

10
5

1
0.5
10

hơn nhiều lần so với mật độ

ti

50 100

500 1000

5000

(à s)

iôn dơng tập trung tới bề mặt
dụng cụ (-) trong khi mức độ
tăng của dòng điện lại rất lớn. đặc biệt là dòng iôn dơng chỉ đạt tới
cực (+) trong những às đầu tiên mà thôi. Do vậy mà ngày càng
giảm.


ti và độ nhám bề mặt: khi
tăng ti thì độ nhám Rmax cũng
(à m)

Rz

tăng do tác dụng của dòng

125
100

điện đợc duy trì lâu hơn làm
cho lợng hớt vật liệu tăng lên

75
50

25
ti

10

50 100

500 1000

5000

(à s)

ở một vị trí Rmax tăng lên.

Trang12


Đồ án tốt nghiệp

Bộ môn gia công vật liệu và DCCN

f. Khoảng cách xung to: là thời gian giữa hai lần ngắt-đóng của máy phát
xung thuộc 2 chu kỳ phóng điện kế tiếp nhau, t o còn đợc gọi là độ kéo dài
nghỉ của xung.
Cùng với tỉ lệ ti/to, to có ảnh hởng rất lớn đến lợng hớt vật liệu. Khoảng
cách to càng lớn thì lợng hớt vật liệu Vw càng nhỏ và ngợc lại.

ti

ti

ti

to

to

ti

to

ti
to

ti
to

to

Phải giữ to nhỏ nh có thể đợc để nó có thể đạt một lợng hớt vật liệu tối đa.
Nhng khoảng cách xung to phải đủ lớn để có đủ thời gian thôi iôn hoá chất
điện môi trong khe hở phóng điện. Nhờ đó sẽ tránh đợc lỗi của quá trình
nh tạo hồ quang hoặc dòng ngắn mạch. Cũng nh trong thời gian của
khoảng cách xung dòng chảy sẽ đẩy các vật liệu đã bị ăn mòn ra khỏi khe
hở phóng điện.
Do vậy, tuỳ thuộc vào kiểu máy và trờng hợp gia công cụ thể mà lựa chọn
to, ti phù hợp thông qua tỉ số ti/to :
+ Khi gia công rất thô chọn : ti/to > 10
+ Khi gia công thô chọn

: ti/to = 10

+ Khi gia công tinh chọn

: ti/to = 5 ữ 10

+ Khi gia công rất tinh chọn : ti/to < 5 (thờng chọn = 0,4).
g. Khe hở phóng điện: cho tới đây, ta đã có rất nhiều các thông số

điều

chỉnh nh: I, ti, to, U ...mà chúng chỉ tác động lên sự phóng ta lửa điện. Để
dự kiến đợc lợng hớt vật liệu từ đầu đến cuối sau một số lần phóng tia lửa
điện thì vấn đề là phải duy trì khe hở vớ một chiều rộng tối u. Quá trình đó
gọi là sự điều chỉnh khe hở phóng điện. Đó là cách để đảm bảo chắc chắn
rằng điệc cực tiếp tục ăn xuống để thâm nhập vào phôi.

Trang13


Bộ môn gia công vật liệu và DCCN

Đồ án tốt nghiệp

Trên máy xung, việc đo khe hở đợc thực nghiệm gián tiếp thông qua
việc đo Ue. Ue là một đại lợng điện chính xác khi điện cực đã tiến đủ gần
đến phôi, Ue tăng thì khe hở cũng tăng. Để duy trì một chiều rộng khe
hở phóng điện là hằng số thì tơng ứng với nó là một giá trị danh nghĩa của
Ue. Trong quá trình gia công, do điện cực và phôi bị ăn mòn làm cho lớn

lên, để điều chỉnh thì Ue đợc đo liên tục và đợc so sánh với giá trị danh
nghĩa. Thông qua hệ điều khiển nó sẽ điều chỉnh khe hở cho phù hợp bởi
vì hệ điều khiển biết chính xác Ue nào tơng ứng với là bao nhiêu.
Thông tờng trong gia công, ngời vận hành máy chọn I, ti, to, Ui phù hợp
với yêu cầu năng suất và chất lợng bề mặt, lúc đó hệ điều khiển sẽ tự động
điều chỉnh cho phù hợp với I và Ui.

Trang14


Đồ án tốt nghiệp

Bộ môn gia công vật liệu và DCCN

1.3 năng suất gia công - chất lợng bề mặt và độ chính
xác gia công của edm

1.3.1 Năng suất gia công
Năng suất gia công tia lửa điện phụ thuộc vào nhiều yếu tố, quan trọng
nhất là các yếu tố cơ bản sau:
- Khe hở phóng tia lửa điện
- Cờng độ dòng điện I
- Tần số xung f
- Điện dung C
- Diện tích bề mặt gia công F
- Chất lợng điện cực và chất điện môi
- ...
a. ảnh hởng của
ảnh hởng đến điện áp của tụ đã đợc tích điện Uc
T1

Uc = Ui(1 e RC )

(1)

Trong đó : T1 thời gian tích điện (s)
* Nếu nhỏ thì Ucmax cũng nhỏ nên tần số xung lớn, bởi vì ta có quan
hệ:
f=

1
I
=
RC Uc.C

Uc f

(2)

Do f cho nên thời gian phóng tia lửa điện te nhỏ.
Nh vậy, nhỏ Uc ; te , cho dù Ie có lớn thì năng lợng tích
luỹ trong xung điện We (năng lợng tách vật liệu) vẫn nhỏ:
We = Ue.Ie.te
Dẫn đến năng suất cũng thấp
* Nếu lớn thì Uemax lớn f nhỏ. Nhng theo đồ thị dới đây thì dòng
điện Ie cũng nhỏ làm cho năng suất vẫn thấp. Nh vậy, việc chọn tối u

Trang15

Đồ án tốt nghiệp

Bộ môn gia công vật liệu và DCCN

sao cho sự phóng điện diễn ra đều đặn để có đợc một năng suất gia
công phù hợp là rất cần thiết.

UC

UC

t

t

I

Ie

Ie

I

t

1 T1
Uc.It.dt
Nc =
T1 0
nhỏ

-

Công suất gia công:

t

lớn

(3)

Với :
T1

T1

Uc = Ui.( 1 e RC ) (4); It = Iz. e RC

(5); Iz = Ui/R

(6)

R: điện trở trong mạch RC
C: điện dụng của mạch RC
T1: thời gian tích điện
Thay (4) và (5) vào (3), ta đợc :
T1
T1
Ui.Iz T1
RC

NC =
(1 e )e RC dt

0
T1
max

T1
UC
= 1 e RC
Đặt =
UC

(7), gọi là hệ số tích điện. Thay lên trên và

sau khi tính toán phân tích ta đợc:
N C = Ui.Iz.

1
=Ui.Iz.ap
2 ln(
)
1


với ap =

2 ln(

ap

2

0.24

(8)

0.20
0.16
0.12

2

1 , gọi là hệ số công suất.
)
1

0.08
0.04
0 0.2 0.4 0.6 0.8 1

Đồ thị bên cho ta mối quan hệ giữa và ap
trong gia công tia lửa điện, qua đồ thị đó ta thấy rằng a p đạt max khi
Trang16


Đồ án tốt nghiệp

Bộ môn gia công vật liệu và DCCN

= 0,6 ữ 0,8. Vậy phải điều chỉnh khoảng cách điện cực phù hợp với
trị số trên và bộ phận điều khiển phải giữ ổn định trong khoảng
cách đó.
b. ảnh hởng của điện dung C
Ta cũng có kết quả theo đồ thị sau. Trong đó chỉ ra rằng điện áp tối u Uopt
= 0.7Ui sẽ đạt đợc một lợng hớt vật liệu lớn nhất đồng thời lợng mòn
điện cực là nhỏ nhất.
VD , f

VD

f
Vùng
ngắn
mạch

Uopt

Ui
VD , f

VD
Hồ
quang

f

C

Cgh

f: lợng mòn điện cực
Khi giữ Uopt = const, ta thay đổi điện dung C thì đợc kết quả nh hình vẽ.
Ta xác định đợc điện dung giới hạn Cgh, nếu C < Cgh thì sẽ gây ra hiện tợng hồ quang làm giảm năng suất gia công.
c.ảnh hởng của diện tích vùng gia công F
Theo đồ thị bên thì: sau đoạn tăng lên
gần nh tuyến tính của Vo thì đến đoạn
giảm dần khi diện tích đạt giá trị tới

VD,

hạn Fgh. Điều này do khi đã quá F gh thì
cũng có nghĩa là vợt quá dòng điện tới

VD



F gh

F

hạn. Việc lấy phoi ra khỏi khe hở điện
cức khó khăn hơn. Điều này ảnh hởng đến năng suất gia công.
1.3.2 Chất lợng bề mặt và độ chính xác của phơng pháp EDM
1.3.2.1

Chất lợng bề mặt gia công.
Chất lợng bề mặt là một khái niệm tổng hợp ,bao gồm:
+ Độ nhám bề mặt.

+ Vết nứt tế vi trên bề mặt.
Trang17


Đồ án tốt nghiệp

Bộ môn gia công vật liệu và DCCN
+ Các ảnh hởng nhiệt ở lớp bề mặt.

Về độ nhám bề mặt: sau khi gia công bề mặt gia công không hoàn
toàn phẳng mà nó để lại những nhấp nhô, chính là độ nhám bề mặt. Điều
này làm giảm đặc tính chống mài mòn và tăng nguy cơ bị ăn mòn hoá
học.
Khi gia công thô sẽ có độ nhám rất lớn, tạo ra bề mặt thô và ngợc
lại khi gia công tinh. Bề mặt càng thô thì tính chống mài mòn càng kém
và nguy cơ bị ăn mòn hoá học càng cao.
Theo lý thuyết thì bề mặt bị ăn mòn tạo ra những vết lõm hình vòm
bán cầu chồng mép lên nhau. NhD

S

R

ng trong thực tế thì không có sự

Rmax

đều đặn nh hình vẽ, mà hình dạng
của chúng thay đổi đi nhiều do
hơi kim loại ngng tụ lại.

Hình bên cho ta thấy cấu trúc
tế vi của bề mặt gia công bằng tia
lửa điện. Nó không đồng đều,
nhiều nghiên cứu chứng minh
rằng tỉ số của đờng kính vết lõm

R ( à m)

60
50
40
30
20
10
0

1

2

3

4

5

6

L (mm)

và chiều sâu lõm dao động giữa
0.1 ữ 0.3.
Độ nhám đầu tiên phụ thuộc vào năng lợng của một lần phóng điện,
một phần điện tích của tụ tạo ra vết lõm, do vậy thể tích của vết lõm tỉ lệ
với năng lợng phóng ra của tụ:
1
Q = U 2 .C
2
Trong đó:
Q: là điện tích của tụ
U: là điện áp giữa 2 điện cực
C: là điện dung của tụ
Trang18


Đồ án tốt nghiệp

Bộ môn gia công vật liệu và DCCN
Nh vậy, thể tích của vết lõm: V = K.U2.C

Trong đó: K là hệ số phụ thuộc vào vật liệu và điều kiện gia công.
Giả sử V tỉ lệ với lập phơng của chiều sâu (R) thì :
2
3

1
3

R Max = K 1 . V = K 2 .U .C = m.C
3

1
3

Từ thực nghiệm ta có mối quan hệ giữa U, C, và RMax nh đồ thị dới
đây. Đồ thị phản ánh đúng biểu thức trên, ta nhận thấy muốn đạt R nhỏ
thì phải dùng tụ có điện dung C nhỏ.
U = const
log(Rmax)
130V
85V

27V

C (F)

Qua nghiên cứu lý thuyết cũng nh thực nghiệm, ngời ta chứng minh
đợc :
- Điện áp giữa hai điện cực tăng ( tăng) thì độ nhám bề mặt R tăng.
- Công suất gia công tăng thì R tăng.
- Vật liệu càng cứng thì độ nhám càng nhỏ.
Độ kéo dài xung ti cũng nó ảnh hởng đến độ nhám bề mặt gia công.
Đồ thị sau chỉ ra sự ảnh hởng của ti
đến độ nhám bề mặt gia công.
(à m)

Rz

Do tác dụng của dòng điện

125
100

duy trì lâu hơn khi tăng độ kéo dài
xung nên chiều cao nhấp nhô Rmax

75
50
25
ti

10

50 100

500 1000

5000

(à s)

tăng, ngay cả sau điểm đạt đợc lợng
hớt vật liệu cực đại.

Trang19


Đồ án tốt nghiệp

Bộ môn gia công vật liệu và DCCN

Về vết nứt tế vi và lớp ảnh hởng nhiệt sau khi gia công có thể đợc
mô tả nh hình sau:
HV
1. Lớp trắng
400

600

800

1000

U

2. Lớp tôi cứng
t

3. Lớp ảnh hư
ởng nhiệt
4. Lớp không
ảnh hưởng

Vùng ảnh hưởng nhiệt của bề mặt phôi.

Hình trên cho thấy rõ cấu trúc lớp bề mặt phôi và sự thay đổi độ
cứng của chúng theo chiều sâu. Ta phân biệt đợc các lớp và các cấu trúc
sau đây:
1.

Lớp trắng: đó là lớp kết tinh lại, với các vết nứt tế vi do ứng suất d
vì nóng lạnh đột lặp đi lặp lại. Độ kéo dài xung t e càng lớn thì lớp
này càng dày.

2.

Lớp bị tôi cứng: với cấu trúc dòn, lớp này có độ cứng tăng vọt (trên
1000 HV) so với kim loại nền.

3.

Lớp bị ảnh hởng nhiệt: do nhiệt độ ở đây đã vợt quá nhiệt độ
ostenit(Fe-Fe3C) trong một thời gian ngắn. Độ cứng của lớp này
giảm so với lớp tôi cứng, khoảng dới 800HV.
Dới cùng là lớp không bị ảnh hởng nhiệt. Nó trở lại độ cứng
bình thờng của vật liệu nền.
Nhiệt độ cao sinh ra do sự phóng điện gây ra nóng chảy và bốc
hơi vật liệu, rõ ràng là nhiệt độ này tác dụng lên tính chất của lớp
mỏng (2.5-150àm) của bề mặt gia công. Lớp ngoài cùng bị nguội
nhanh, đó là nguyên nhân làm lớp này rất cứng, lớp sát trong lớp
này ở trong điều kiện nh ram, hình sau chỉ ra mối liên hệ của độ
cứng với chiều sâu lớp ảnh hởng nhiệt trên bề mặt phôi thép sau khi
gia công.

Trang20


Đồ án tốt nghiệp

Bộ môn gia công vật liệu và DCCN

60
50
40
30
20

0

125

250

375

500

625

Tác dụng của EDM lên độ cứng bề mặt

Hình này chỉ rõ khi gia công tinh độ cứng không thay đổi nhiều, tuy
nhiên với gia công thô lớp ngoài cùng đợc ram và độ cứng giảm dần theo
chiều sâu.
Độ cứng lớp bề mặt sau khi gia công sẽ làm cho độ bền mòn tăng
lên. Tuy nhiên, độ bền mỏi giảm do các vết nứt tế vi tăng trên bề mặt
trong quá trình làm nguội nhanh. Hình sau chỉ ra sự so sánh của độ bền
mỏi giữa phơng pháp phay và gia công tia lửa điện.
Vật liệu

Độ bền mỏi tại nhiệt độ phòng (N/mm2)

0

1 x 105

2 x 105

3 x 105

4 x 105

Titan
Thép
không gỉ
Phay
Nhôm

EDM

Tác dụng của EDM lên độ bền mỏi của vât liệu phôi

Tính chất của lớp mỏng bề mặt không ảnh hởng nhiều đến độ bền
kéo. Cấu trúc của vật liệu đã bị thay đổi do tia lửa gây ra. Tính chất hoá
học cũng thay đổi. Những tính chất này làm tăng sự mài mòn.
1.3.2.2

Độ chính xác tạo hình khi gia công.
Gia công tia lửa điện kiểu xung định hình là phơng pháp gia công in

hình, độ chính xác in hình phụ thuộc nhiều yếu tố:
Trang21

Bộ môn gia công vật liệu và DCCN

Đồ án tốt nghiệp

Độ chính xác của máy.
Các thông số điều chỉnh về điện khi gia công .
Tính chất của điện cực (vật liệu , độ chính xác kính thớc...)
Độ chính xác lập trình(Độ chính xác quỹ đạo dụng cụ đợc lập
trình)...
Về độ chính xác của máy, trớc hết nhà chế tạo phải quan tâm bố trí
máy cho tối u. Điều này nhà chế tạo chỉ có thể đáp ứng đợc ở mức độ
giới hạn vì phải quan tâm đến giá thành, công suất, độ lớn chấp nhận đợc
của máy.
Ngời sử dụng cũng cần quan tâm đến những điều kiện phù hợp nh
nhiệt độ trong phòng và giữ cho nhiệt độ của chất điện môi là hằng số.
Phải chịu trách nhiệm về thông số điều chỉnh.
Khe hở phóng điện, chất điện môi cũng ảnh hởng quan trọng lên độ
chính xác gia công. Khi chất điện môi đặc thì lợng hớt vật liệu lớn hơn,
do sự có mặt của các phần tử dẫn điện sẽ làm tăng cờng độ từ trờng đối
với cùng một chiều rộng khe hở phóng điện. Từ đó đa đến sự khác nhau
giữa chiều rộng khe hở phóng điện mặt bên và mặt trớc.
Độ chính xác lập trình không chỉ phụ thuộc vào ngời sử dụng mà
còn phụ thuộc vào nhà sản xuất maý. Đó là khả năng đáp ứng các yêu
cầu nh profine có thể thực hiện, độ chính xác...
Độ không chính xác kích thớc của phơng pháp gia công tia lửa điện
gồm :
Độ côn lỗ gia công.
Hiện tợng cắt quá mức.

Sai số do thay đổi hình dáng và kích kỡ dụng cụ.
a. Độ côn lỗ gia công.
Với điện cực dụng cụ thông thờng, hình dạng lỗ gia công đợc chỉ ra
trong hình vẽ bên
Trang22


Đồ án tốt nghiệp

Bộ môn gia công vật liệu và DCCN

Kết quả của độ côn là do phần trên của lỗ chịu tác dụng của số lần
phóng tia lửa điện nhiều hơn phần dới. Độ côn phụ thuộc vào đờng kính
dụng cụ. Nó có thể đợc điều chỉnh bằng cách thay đổi các thông số về
điện.
b. Hiện tợng cắt quá mức.
Cắt quá mức là kích thớc của lỗ gia công vợt quá kích thớc dụng cụ
điện cực. Độ lớn của hiện tợng này phụ thuộc vào chiều dài tia lửa điện,
khe hở phóng điện. Khi trong khe hở có các hạt mài mòn, chiều dài tác
dụng của tia lửa điện tăng lên do dw (đờng kính hạt mài). Đợc chỉ ra trong
dới đây:

dw

Tác dụng của hạt mài lên hiện tượng cắt quá mức.

1.3.3 Lợng hớt vật liệu
Các yếu tố tác động lên lợng hớt vật liệu gồm.
- Điện áp phóng tia lửa điện Ue.
- Dòng phóng tia lửa điện Ie.

- Thời gian phóng tia lửa điện te.
Từ đẳng thức của năng lợng phóng tia lửa điện.
We =Ue Ie te.
Ta thấy rằng dới điều kiện bình thờng thì khi Ue, Ie,te càng lớn thì
năng lợng phóng tia lửa điện càng tăng. Làm tăng tốc độ hớt vật liệu.
Trong thực tế lơng hớt vật liệu có thể đợc xác định thông qua các
thông số điều chỉnh: I, ti, tc, Uz.
Lợng vật liệu đợc lấy đi do một lần phóng tia lửa điện có thể đợc
xác định bởi đờng kính, chiều sâu vết lõm và nhiệt độ nóng chảy vật liệu.
Ta đa ra các giả thiết.
Trang23


Đồ án tốt nghiệp

Bộ môn gia công vật liệu và DCCN

1. Tia lửa là một nguồn nhiệt có chu kỳ không đổi trên toàn bề mặt
điện cực và có đờng kính 2a đợc giữ không đổi.
2. Xem bề mặt điện cực là nửa mặt phẳng vô hạn.
3. Trừ phần nguồn nhiệt, còn lại bề mặt điện cực đợc giữ cách điện.
4. Tốc độ nguồn nhiệt đầu vào đợc giữ không đổi trong lúc phóng
tia lửa điện.
5. Tính chất của vật liệu không đổi theo nhiệt độ.
6. Sự bốc hơi của vật liệu đợc bỏ qua.

Rate of heat
q
input

Hình vẽ sau chỉ ra 1 nguồn nhiệt lý tởng.

a

0

r
r

z

td

0

z

Nguồn nhiệt lý tưởng trong gia công tia lửa điện

Ta có H là lợng nhiệt đầu vào (J), là nhiệt độ ( 0 C ), t là thời gian
(s), K là hệ số dẫn nhiệt (cal/cm.s. 0 C ), độ khuyếch tán (cm2/s), td
khoảng thời gian phóng điện (s), m là nhiệt độ nóng chảy của vật liệu.
Nhiệt độ tại bất kỳ một điểm nào đó phụ thuộc r, z.

2 1 2
= 2 +
+ 2
t

r

r

r
z


(15)

Điều kiện ban đầu và điều kiện biên.
t 0, (r,z,t)=0.
t > 0, r > a


= 0.
z

t > 0, 0 < r a K


H
= 2 .
z a td

Trực quan có thể thấy rằng chiều sâu nhiệt độ nóng chảy lớn nhất
tại tâm r=0. Nhiệt độ tại một điểm trên trục tại thời điểm cuối của sự

Trang24


Đồ án tốt nghiệp

Bộ môn gia công vật liệu và DCCN

phóng tia lửa điện ( giả thiết nhiệt độ lớn nhất tại t=t d và nhiệt lợng đầu
vào lập tức ngừng cung cấp) đợc xác định bởi.
1 H
(0,z,td)=
2 Kat d


z
d
z


(
)
(
)
j

a
j

a
e
erfc

t

d
0 0 1
2 t
d






(16)

Gọi z là chiều sâu nhiệt độ nóng chảy đạt tới.
2 H t d
m =
Ka 2 t d


z
z2 + a2
ierfc
ierfc
2 t d
2 t d

(17)

Trong đó:
Ierfc()=

1 2
e erfc( )


Erfc()=1-erf().


2
2
e x dx
erf()=

0
Lợng nhiệt tiêu hao trong quá trình làm nóng chảy vật liệu xác định
bằng lợng nhiệt đầu vào trừ đi lợng nhiệt làm nóng chảy vật liệu.
Tốc độ lợng nhiệt đầu vào đợc xác định.
H tong H m a 2 z

(cal/cm2.s)

a t d
2

(18)

Htổng: nhiệt lợng tổng.
Hm : nhiệt lợng tiêu hao.


: khối lợng riêng (g/cm3).

Đờng kính vết lõm giả thiết bằng 2a, ở điều kiện lý tởng.

Vc= hc(3a2+hc2)
6

( 20 )

0,032

Vc : Thể tích vết lõm (cm3).
Z (cm)

0,024

Zn

H = 0,5 J
2a = 0,08 cm

Al

0,016

hc(z) : Chiều sâu vết lõm (cm).

Cu

0,008

t d (s)

Đồ thị sau chỉ ra giá trị lý thuyết của z phụ thuộc vào t d, với vật liệu
0
-8
10

10

-7

10

-6

10

-5

10

-4

10

-3

10

-2

làm điện cực là Cu, Al, Zn, đờng kính tia lửa không đổi:
Biến thiên của chiều sâu vết lõm z và
thể tích Vc phụ thuộc vào td.

Trang25