KHẢO sát độ NHÁM bề mặt sản PHẨM, KHE hở PHÓNG điện và KÍCH THƯỚC điện cực SAU KHI XUNG TIA lửa điện BẰNG điện cực NHÔM

Kỷ yếu hội nghị khoa học và công nghệ toàn quốc về cơ khí - Lần thứ IV

KHẢO SÁT ĐỘ NHÁM BỀ MẶT SẢN PHẨM, KHE HỞ PHÓNG ĐIỆN VÀ
KÍCH THƯỚC ĐIỆN CỰC SAU KHI XUNG TIA LỬA ĐIỆN BẰNG ĐIỆN
CỰC NHÔM
A STUDY ON SURFACE ROUGHNESS OF WORKPIECE AND DISCHARGED
GAPAND ELECTRODE DIMENSION IN EDM MACHINING BY ALUMINUM
ALLOY ELECTRODE
PGS. TS. Hoàng Vĩnh Sinh1a,
TS. Trần Văn Khiêm 2b, ThS. Trần Quang Huy2c
1
Trường ĐH Bách Khoa Hà Nội
2
Trường ĐH Sư phạm Kỹ thuật Nam Định
a
; ; c
TÓM TẮT
Điện cực được dùng khi xung thông thường là đồng đỏ và graphit.Tuy nhiên, các loại
vật liệu trên thường đắt và khó gia công. Trong khuôn khổ bài báo này, tác giả nghiên cứu và
khảo sát khi gia công xung tia lửa điện (EDM) bằng điện cực hợp kim nhôm 6061 để đánh giá
khả năng thay thế hai loại vật liệu điện cực thông dụng trên. Tiêu chí khảo sát là độ nhám bề
mặt chi tiết sau khi gia công EDM và khe hở phóng điện với thông số đầu vào được xem xét
là cường độ dòng điện I e
Từ khóa: gia công tia lửa điện, điện cực nhôm hợp kim, khe hở phóng điện, độ nhám
bề mặt.

ABSTRACT
The material of electrode in EDM machining usually are copper and special graphite.
However, those materials are difficulty on machining and expensive. In this paper, the authors
study and do experiments to find if aluminum alloy 6061 could be used as electrode in EDM
machining. Discharged gap and surface roughness of workpiece will be defined as a function

of machining current I e.
Keywords: EDM die sinking, aluminum alloy electrode, discharged gap, surface
roughness.
1. ĐẶT VẤN ĐỀ
Đồng đỏ và graphite là hai loại vật liệu thường được dùng làm điện cực khi gia công
xung tia lửa điện (EDM). Tuy nhiên, cả hai loại vật liệu đều có giá thành cao và khó gia công.
Với đồng đỏ, do tính dẻo cao nên khi gia công dễ bị gãy dao và năng suất gia công thấp
(thường tốc độ cắt dưới 150m/phút, tốc độ dịch dao dưới 1.000mm/phút). Graphite lại là loại
vật liệu được chế tạo với các đặc tính đặc biệt để tránh bị vỡ và rỗ sau khi gia công. Thiết bị
để gia công graphite cũng có những yêu cầu cao như tốc độ quay của trục chính lớn (thường
hơn 40.000 vòng/phút), yêu cầu về đảm bảo môi trường bụi sẽ không gây hại tới sức khỏe
công nhân, độ kín khít của máy phải tốt để tránh các hạt graphite rơi vào làm mòn các chi tiết
máy gia công đó.
Đã có nhiều nghiên cứu về gia công tia lửa điện với các loại điện cực bằng đồng đỏ,
graphite như xác định hiệu suất của điện cực đồng, crôm [3], nghiên cứu tính toán thời gian
bù mòn điện cực trong quá trình phay xung tia lửa điện [6], ảnh hưởng của cường độ dòng
điện đến độ chính xác bề mặt chi tiết gia công [2].
502


Kỷ yếu hội nghị khoa học và công nghệ toàn quốc về cơ khí - Lần thứ IV
Nhôm hợp kim là loại vật liệu dễ gia công, có năng suất gia công rất cao với tốc độ cắt
trên 200m/phút, lượng dịch dao có thể đạt 2.500mm/phút, giá thành rẻ chỉ bằng 25-30% của
đồng đỏ và bằng 10-12% của graphite. Cũng đã có một số nghiên cứu về khả năng xung EDM
bằng điện cực hợp kim nhôm như mòn điện cực khi xung với điện cực nhôm [4], cải thiện
chất lượng bề mặt chi tiết gia công khi kết hợp xung tia lửa điện với siêu âm [5].
Bài báo này nghiên cứu ảnh hưởng của cường độ dòng điện khi xung EDM đến độ chính
xác hình học và độ nhám của chi tiết sau khi gia công bằng điện cực hợp kim nhôm 6061.
Bảng 1. Thành phần của hợp kim nhôm 6061
Hợp

kim
nhôm

Al

Mg

Si

Fe

Mn

Zn

Cu

Cr

Ti

Tạp
chất
khác

6061

99,8

0,8-1,2

0,40-0,80

0,30

0,10

0,25

0,50-0,30

0,50-0,30

0,15

0,05-0,15

2. THÍ NGHIỆM
2.1. Điều kiện thí nghiệm
Để đánh giá độ chính xác hình học của chi tiết, điện cực 6061 được chế tạo là một hình
trụ có đường kính là ϕ 10,21-10,28mm. Vật liệu chi tiết là thép C45 có thành phần vật liệu như
sau:
Bảng 2. Thành phần của thép C45
Mn
Cr
Ni

Thép

C

Si

C45

0,45

0,40-0,80

0,70

0,40

0,40

Tạp chất khác
0,05-0,15

Hình 1. Hình dạng của phôi thép C45
Phôi thép C45 ban đầu được chế tạo như hình 1 với mục đích thoát phoi và hạn chế tối
đa ảnh hưởng của phoi đến quá trình gia công.
Các điều kiện thí nghiệm:
- Vật liệu điện cực: hợp kim nhôm 6061
- Hình dáng và kích thước điện cực: trụ tròn
- Vật liệu chi tiết: thép C45
- Cường độ dòng điện: Ie trong khoảng 2,5A đến 15A
- Chất điện môi là dầu Shell EDM Fluid
- Độ sâu gia công: 5mm
503

Kỷ yếu hội nghị khoa học và công nghệ toàn quốc về cơ khí - Lần thứ IV

Hình 2. Thiết bị thí nghiệm (máy xung EDM EXPRESS của Đài Loan) và thiết bị đo
(SURFTEST SJ-210 của Nhật bản)
2Δ = ϕ p – ϕ đc
Δ: khe hở phóng điện (mm)
ϕ p : đường kính lỗ chi tiết sau xung (mm)
ϕ đc : đường kính điện cực sau xung (mm)
Hình 3. Công thức tính toán khe hở phóng điện khi xung EDM
2.2. Kết quả thí nghiệm
STT

Bảng 3. Khe hở phóng điện phụ thuộc cường độ dòng điện
ϕp
ϕ đc
Ie

2Δ

1

2,5

10,45

10,21

0,24

2

5

10,56

10,24

0,32

3

7,5

10,53

10,24

0,29

4

10

10,54

10,28

0,26

5

12,5

10,56

10,27

0,29

6

15

10,58

10,26

0,32

Khoảng cách khe hở
GAP

2Δ
0.4
0.3
0.2
0.1
0
0

2.5

5

7.5

10

12.5

15

Cường độ dòng điện xung

Hình 3. Khoảng cách khe hở giữa điện cực và chi tiết xung
Δ đc = φ đctrước xung – φ đc sau xung
Δ đc : độ tăng kích thước điện cực (mm)
φ đctrước xung : đường kính điện cực trước xung (mm)
φ đc sau xung : đường kính điện cực sau xung (mm)
504


Kỷ yếu hội nghị khoa học và công nghệ toàn quốc về cơ khí - Lần thứ IV
Bảng 4. Kích thước của điện cực tại cùng một vị trí trước và sau khi xung
φ đc sau xung
Δ đc
φ đc trước xung
STT
1

10,195

10,21

0,015

2

10,188

10,24

0,052

3

10,187

10,24

0,053

4

10,192

10,28

0,088

5

10,195

10,27

0,075

6

10,190

10,26

0,070

Kích thước điện cực trước, sau xung
φđc trước xung

φđc sau xung

2

4

10.300
10.280
10.260
10.240

10.220
10.200
10.180
10.160
10.140
1

3

5

6

Hình 4. Kích thước điện cực trước, sau xung

Sự thay đổi kích thước của điện cực
0.1
0.09
0.08
0.07
0.06
0.05
0.04
0.03
0.02
0.01
0
0

1

2

3

4

5

6

7

Hình 5. Độ tăng kích thước của điện cực
Bảng 5. Ảnh hưởng của cường độ dòng điện khi xung Ie đến độ nhám bề mặt chi tiết
2,5
5
7,5
10
12,5
15
Ie (A)
Ra (µm)

2,54

2,6

2,58

505

2,78

3,03

3,07


Độ nhám bề mặt chi tiết

Kỷ yếu hội nghị khoa học và công nghệ toàn quốc về cơ khí - Lần thứ IV
3.5
3
2.5
2
1.5
1
0.5
0
0

2.5

5

7.5

10

12.5

15

Cường độ dòng điện xung
Hình 6. Ảnh hưởng của cường độ dòng điện khi xung Ie đến độ nhám bề mặt chi tiết
2.3. Đánh giá và nhận xét kết quả
Từ đồ thị biểu diễn sự ảnh hưởng của thông số cường độ dòng điện I e đến khoảng cách
khe hở GAP (Hình 3) và độ tăng kích thước của điện cực khi gia công bằng xung tia lửa điện
(Hình 4, Hình 5), nhận thấy:
- Khoảng cách khe hở phóng điện có xu hướng tăng khi cường độ dòng điện Ie tăng.
Giải thích cho nhận xét này như sau: Khi cường độ dòng điện I e giảm năng lượng và
kích thước của tia bắn phá nhỏ dẫn đến khoảng cách khe hở nhỏ hơn.
- Kích thước điện cực tăng khi cường độ dòng điện Ie tăng
Đây là một kết quả khác với dùng vật liệu đồng đỏ và graphite. Nguyên nhân chính là
do nhôm dễ nóng chảy hơn và tạo thành miệng núi lửa to hơn, sần sùi hơn khi có tia lửa điện.

Hình 7. Sự tăng kích thước của điện cực
Từ đồ thị biểu diễn sự ảnh hưởng của thông số cường độ dòng điện I e đến độ nhám bề
mặt chi tiết xung (Hình 6), ta thấy:
- Độ nhám chi tiết xung tăng khi cường độ dòng điện Ie tăng
Khi cường độ dòng điện Ie nhỏ thì công suất xung sẽ nhỏ, do đó khả năng công phá bề
mặt của các ion và các điện tử va đập vào về mặt phôi bị giảm đi. Đồng thời, khi Ie nhỏ thì
nhiệt sinh ra trong kênh phóng điện cũng sẽ bị giảm xuống và làm cho khả năng ăn mòn bề
mặt phôi cũng được giảm xuống.
506


Kỷ yếu hội nghị khoa học và công nghệ toàn quốc về cơ khí - Lần thứ IV
Tuy nhiên, sự giảm của độ nhám rất nhỏ nên có thể đây là một đặc tính tốt để sử dụng

nhôm hợp kim làm điện cực xung trong quá trình gia công sản xuất.
3. KẾT LUẬN
Từ các kết quả nghiên cứu nêu trên, có thể rút ra một số kết luận:
Khi giảm dòng phóng điện I e , thì khe hở phóng điện giảm, độ nhám bề mặt chi tiết xung
giảm rất ít. Với một số điều kiện thì khi tăng Ie lại làm tăng kích thước điện cực.
Hướng phát triển: Tiếp tục nghiên cứu ảnh hưởng của các thành phần % các nguyên tố
có ảnh hưởng gì đến quá trình xung EDM bằng điện cực hợp kim nhôm.
TÀI LIỆU THAM KHẢO
[1] Hoàng Vĩnh Sinh, Luận án Tiến sĩ kỹ thuật, Tối ưu hoá quá trình gia công kim loại trên
máy xung tia lửa điện, 2003.
[2] Allen, P and Chen, X Process simulation of micro electro-discharge machining on
molybdenum, Journal of Processing Technology, 2007, Vol. 186 (3), p. 346–355.
[3] H.C Tsai, B.H Yan; EDM performance of Cr/Cu-based composite electrodes,
International Journal of Machine Tools and Manufacture, 2003, Vol. 43 (3), p. 245–252.
[4] A. A. Khan, Electrode wear and material removal rate during EDM of aluminum and
mild steel using copper and brass electrodes, The International Journal of Advanced
Manufacturing Technology, 2008, Vol. 39 (5), p. 482-487.
[5] Yan Cherng Lin, Surface modification of Al-Zn-Mg aluminum alloy using the combined
process of EDM with USM. J Mater Process Technol, Journal of Materials Processing
Technology, 2001, Vol. 115 (3), p. 359-366.
[6] P. Bleys,J.-P. Kruth, Real-time Tool Wear Compensation in Milling EDM, CIRP Annals
- Manufacturing Technology, 2002, Vol. 51 (1), p. 157-160.
THÔNG TIN TÁC GIẢ
1.

PGS. TS. Hoàng Vĩnh Sinh, Trường ĐHBK Hà Nội
Email: , 0962926611.

2.

TS. Trần Văn Khiêm, Trường ĐHSPKT Nam Định
Email: , 0913290074.

3.

ThS. Trần Quang Huy, Trường ĐHSPKT Nam Định
Email: , 0985367665.

507