Nghiên cứu ảnh hưởng của chế độ công nghệ đến năng suất và chất lượng bề mặt khi gia công bằng phương pháp cắt dây tia lưả điện

Bộ giáo dục và đào tạo
Tr-ờng đại học bách khoa hà nội
-----------------------------

Vũ QUANG Hà

Nghiên cứu ảnh h-ởng của chế độ công
nghệ đến năng suất và chất l-ợng bề mặt
khi gia công bằng ph-ơng pháp cắt dây
tia lửa điện

luận án Tiến sĩ kỹ thuật

Hà Nội - 2012


Bộ giáo dục và đào tạo
Tr-ờng đại học bách khoa hà nội
-----------------------------

V QUANG H

Nghiên cứu ảnh h-ởng của CHế Độ CÔNG
NGHệ ĐếN NĂNG SUấT Và CHấT L-ợng bề mặt
khi gia công bằng ph-ơng pháp cắt dây
tia lửa điện
Chuyên ngành: Công nghệ chế tạo máy
Mã số:
62.52.04.01

luận án Tiến sĩ kỹ thuật

ng-ời h-ớng dẫn khoa học:
1. PGS.TS nguyễn trọng bình
2. TS nguyễn huy ninh

Hà Nội - 2012
1


Cộng hòa xã hội chủ nghĩa Việt Nam
Độc lập – Tự do – Hạnh phúc.
------o0o-----LỜI CAM ĐOAN
Luận án này được hoàn thành trong thời gian tôi là nghiên cứu sinh hệ chính quy tại
bộ môn Công Nghệ Chế Tạo Máy thuộc Viện Cơ Khí trường Đại Học Bách Khoa Hà Nội.
Tôi xin cam đoan những nội dung khoa học trong luận án này là công trình nghiên
cứu của tôi. Nội dung khoa học của luận án là trung thực và chưa từng được ai công bố
trong bất kỳ một tài liệu nào khác ở trong và ngoài nước. Các số liệu được đo kiểm tại các
phòng thí nghiệm có uy tín với các thiết bị được kiểm chuẩn. Các tài liệu tham khảo được
trích dẫn đã được ghi chú rõ ràng.
Hà Nội, ngày 27 tháng 7 năm 2012
Người cam đoan

VŨ QUANG HÀ

2


LỜI CẢM ƠN
Trước hết tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới PGS. TS. Nguyễn Trọng Bình,
người thầy đã dẫn dắt tôi vào con đường nghiên cứu khoa học và đã cho tôi những chỉ dẫn

mang tính định hướng trong quá trình nghiên cứu.
Tôi xin cảm ơn TS. Nguyễn Huy Ninh đã luôn động viên khích lệ tôi trong quá
trình nghiên cứu.
Tiếp đến, tôi xin cảm ơn TS. Nguyễn Trọng Hiếu đã định hướng giúp tôi trong quá
trình giải bài toán tối ưu để đạt được kết quả mong muốn.
Tôi cũng xin cảm ơn các thầy cô giáo ở Bộ môn Công nghệ chế tạo máy, Viện cơ
khí trường ĐH Bách Khoa Hà Nội, trường ĐH Công nghiệp Hà Nội, Công ty TNHH Công
nghiệp Quang Nam đã tạo điều kiện và giúp đỡ tôi trong suốt quá trình nghiên cứu.
Cuối cùng tôi xin bày tỏ lòng biết ơn tới cha mẹ, hai anh trai ruột và vợ tôi, những
người thân và đồng nghiệp đã luôn động viên, khích lệ và giúp đỡ tôi hoàn thành công
trình này.

3


MỤC LỤC
Mục

Nội dung

Trang

Trang bìa luận án

1

Lời cam đoan

2

Lời cảm ơn

3

Mục lục

4

Danh mục các thuật ngữ, ký hiệu và chữ viết tắt

9

Danh mục các bảng biểu

12

Danh mục các hình vẽ, đồ thị

13

MỞ ĐẦU

15

CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ GIA CÔNG TIA LỬA ĐIỆN

18

1.1.

Phương pháp gia công tia lửa điện

18

1.1.1.

Bản chất vật lý

18

1.1.2.

Cơ chế bóc kim loại bằng gia công tia lửa điện

22

1.2.

Đặc điểm và khả năng công nghệ của chế độ gia công tia lửa điện

23

1.2.1.

Đặc điểm của phương pháp gia công tia lửa điện

23

1.2.2.

Khả năng công nghệ của phương pháp gia công tia lửa điện

23

1.3.

Các phương pháp gia công tia lửa điện

23

1.3.1.

Phương pháp gia công xung định hình

23

1.3.1.1. Bản chất của phương pháp

23

1.3.1.2. Ưu, nhược điểm của phương pháp

24

1.3.1.3. Phạm vi ứng dụng

24

1.3.2.

Phương pháp gia công cắt dây tia lửa điện

24

1.3.2.1. Bản chất của phương pháp

24

1.3.2.2. Ưu, nhược điểm của phương pháp

24

1.3.2.3. Phạm vi ứng dụng

25

1.3.3.

Các phương pháp gia công tia lửa điện khác

26

1.4.

Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình gia công tia lửa điện

27

1.4.1.

Các đặc tính về điện của sự phóng điện

27

1.4.2.

Ảnh hưởng của khe phóng điện

31

1.4.3.

Ảnh hưởng của điện dung C

33

1.4.4.

Ảnh hưởng của diện tích vùng gia công

34

4


1.4.5.

Ảnh hưởng của sự ăn mòn điện cực

34

1.4.6.

Các hiện tượng xấu khi gia công tia lửa điện

35

1.4.6.1. Hồ quang

35

1.4.6.2. Ngắn mạch, sụt áp

36

1.4.6.3. Xung mạch mở không có dòng điện

36

1.4.6.4. Sự quá nhiệt của chất điện môi

37

1.4.7.

Các yếu tố không điều khiển được

37

1.4.7.1. Nhiễu hệ thống

37

1.4.7.2. Nhiễu ngẫu nhiên

37

1.5.

Chất điện môi trong gia công tia lửa điện

37

1.5.1.

Nhiệm vụ của chất điện môi

37

1.5.2.

Các loại chất điện môi

38

1.5.3.

Các tiêu chuẩn đánh giá chất điện môi

39

1.5.4.

Các loại dòng chảy chất điện môi và các lỗi của dòng chảy

40

1.5.5.

Hệ thống lọc chất điện môi

42

KẾT LUẬN CHƢƠNG 1

43

CHƢƠNG 2: GIA CÔNG TIA LỬA ĐIỆN BẰNG CẮT DÂY

44

2.1.

Máy cắt dây tia lửa điện

44

2.1.1.

Giới thiệu máy cắt dây

45

2.1.2.

Điện cực và vật liệu điện cực

45

2.1.2.1. Yêu cầu của vật liệu điện cực

46

2.1.2.2. Các loại dây điện cực

46

2.2.

Cơ chế bóc kim loại và sự thoát phoi khi cắt dây tia lửa điện

46

2.2.1.

Cơ chế bóc kim loại

47

2.2.2.

Các yếu tố ảnh hưởng tới sự thoát phoi

48

2.3.

Các thông số điều khiển quá trình gia công cắt dây tia lửa điện

48

2.3.1.

Các thông số về điện

48

2.3.1.1. Điện áp đánh lửa Uz

48

2.3.1.2. Dòng phóng tia lửa điện Ie và bước của dòng điện

48

2.3.1.3. Độ kéo dài xung ti

48

2.3.1.4. Khoảng cách xung t0

48

2.3.1.5. Khe hở phóng điện

49

Các thông số về cơ

49

2.3.2.

5


2.3.2.1. Tốc độ dây cắt

49

2.3.2.2. Tốc độ tiến của bàn máy

49

2.3.2.3. Lực căng của dây

49

2.4.

Lập trình gia công trên máy cắt dây

50

2.4.1.

Các trục điều khiển và hệ tọa độ

50

2.4.2.

Các chức năng “G”

51

2.4.2.1. Nhóm các lệnh dịch chuyển mã “G”

51

2.4.2.2. Nhóm các lệnh dịch chuyển đường kính G41 hoặc G42

52

2.4.2.3. Các lệnh định vị tự động

53

2.4.3.

Các phép copy dịch chuyển

54

2.4.4.

Các chức năng M

55

2.4.5.

Các lệnh cắt côn

56

2.4.6.

Gia công côn góc lượn

56

2.5.

Độ chính xác gia công khi cắt dây tia lửa điện

57

2.5.1.

Các đại lượng đặc trưng cho độ chính xác gia công khi cắt dây

57

2.5.2.

Các yếu tố ảnh hưởng đến độ chính xác gia công khi cắt dây

57

2.5.3.

Các sai số cố hữu của profin trong cắt dây tia lửa điện

59

2.6.

Chất lượng bề mặt khi gia công cắt dây tia lửa điện

60

2.6.1.

Các đại lượng đặc trưng cho chất lượng bề mặt khi cắt dây tia lửa điện

60

2.6.1.1. Độ nhám bề mặt

61

2.6.1.2. Vết nứt tế vi trên bề mặt

61

2.6.2.

Các yếu tố ảnh hưởng đến chất lượng bề mặt khi cắt dây tia lửa điện

62

2.7.

Năng suất và độ mòn điện cực khi gia công cắt dây tia lửa điện

63

2.7.1.

Năng suất gia công

63

2.7.2.

Độ mòn điện cực

64

KẾT LUẬN CHƢƠNG 2

64

CHƢƠNG 3: NGHIÊN CỨU QUÁ TRÌNH GIA CÔNG CẮT DÂY

65

TIA LỬA ĐIỆN BẰNG THỰC NGHIỆM
3.1.

Sơ đồ nghiên cứu quá trình cắt dây tia lửa điện

65

3.1.1.

Các đại lượng đầu vào

66

3.1.2.

Các đại lượng đầu ra

66

3.1.3.

Các đại lượng cố định

66

3.1.4.

Các đại lượng nhiễu

66

6


3.2.

Điều kiện thí nghiệm

67

3.2.1.

Máy cắt dây tia lửa điện

67

3.2.2.

Vật liệu tiến hành thí nghiệm

68

3.2.2.1. Vật liệu thí nghiệm

68

3.2.2.2. Mẫu tiến hành thí nghiệm

68

3.2.3.

Vật liệu điện cực và chất điện môi

69

3.2.4.

Các thông số cố định khác

69

3.3.

Các thiết bị đo

70

3.3.1.

Thiết bị đo chiều cao nhấp nhô bề mặt

70

3.3.2.

Thiết bị đo kích thước gia công

70

3.3.3.

Thiết bị đo độ cứng bề mặt

71

3.3.4.

Thiết bị chụp cấu trúc lớp tế vi

71

3.4.

Xây dựng quy hoạch thực nghiệm

72

3.5.

Quá trình tiến hành thí nghiệm và thu thập số liệu

75

3.5.1.

Tiến hành thí nghiệm

75

3.5.2.

Thu thập số liệu thí nghiệm

75

3.6.

Xử lý số liệu

79

3.6.1.

Ảnh hưởng của năng lượng bóc tách W tới năng suất gia công V khi

79

gia công thép SKD61 ở các chế độ xử lý nhiệt khác nhau
3.6.1.1. Thép SKD61chưa xử lý nhiệt

79

3.6.1.2. Thép SKD61 tôi cải thiện

80

3.6.1.3. Thép SKD61 tôi cứng

81

3.6.1.4. Phân tích các mô hình toán học

83

3.6.2.

Ảnh hưởng của năng lượng bóc tách W đến chất lượng bề mặt

83

3.6.2.1. Ảnh hưởng của năng lượng bóc tách W đến độ nhám bề mặt Ra

83

3.6.2.2. Ảnh hưởng của năng lượng bóc tách W đến cấu trúc tế vi và cơ tính

87

lớp bề mặt khi gia công thép SKD61 ở các chế độ xử lý nhiệt
3.6.3.

Ảnh hưởng của năng lượng bóc tách W lượng bù dây

khi gia công

89

thép SKD61 ở các chế độ xử lý nhiệt khác nhau
3.6.3.1. Thép SKD61 chưa xử lý nhiệt

89

3.6.3.2. Thép SKD61 tôi cải thiện

90

3.6.3.3. Thép SKD61độ tôi cứng

91

3.6.3.4. Phân tích các mô hình toán học

92

7


3.6.4.

Các mô hình toán học rút ra từ thực nghiệm

93

3.7.

Lựa chọn chế độ công nghệ hợp lý khi cắt dây

94

3.7.1.

Các chỉ tiêu cần tối ưu

94

3.7.2.

Xây dựng bài toán tối ưu khi gia công cắt dây tia lửa điện

94

3.7.3.

Lựa chọn các điều kiện ràng buộc

95

3.7.3.1. Chọn chiều cao nhấp nhô bề mặt cho phép [Ra]

95

3.7.3.2. Chọn lượng bù dây cho phép [ε]

95

3.7.4.

Xác định chế độ công nghệ hợp lý

96

3.7.5.

Sơ đồ thuật giải

97

KẾT LUẬN CHƢƠNG 3

99

KẾT LUẬN CHUNG VÀ KIẾN NGHỊ

101

DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH NGHIÊN CỨU ĐÃ ĐƢỢC

103

CÔNG BỐ CỦA TÁC GIẢ CÓ LIÊN QUAN ĐẾN LUẬN ÁN
TÀI LIỆU THAM KHẢO

104

CÁC PHỤ LỤC CỦA LUẬN ÁN

109

8


DANH MỤC CÁC THUẬT NGỮ, KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT
STT

KÝ HIỆU

DIỄN GIẢI NỘI DUNG

1

AEDG

2

CAD

Computer Aided Design

3

CAM

Computer Aided Manufacturing

4

CNC

Computer Numerical Control

5

CIM

Computer Integrated Manufacturing

6

EDM

Electrical Discharge Machining

7

EPS

Easy Productivity System

8

FMS

Flexible Manufacturing Systems

9

ISO

International System Organization

10

MEDM

11

MWEDM

12

NC

13

WEDM

14

ap

Hệ số công suất

15

b

Bề rộng rãnh cắt (mm)

16

C

Điện dung của tụ điện (µF)

17

Cgh

Điện dung giới hạn (µF)

18

c1

Nhiệt riêng (J/kg.0C)

19

dd

Đường kính dây cắt (mm)

Abrasive Electrical Discharge Grinding

Micro Electrical Discharge Machining
Micro Wire Electrical Discharge Machining
Numerical Control
Wire Electrical Discharge Machining

20

Khe hở phóng điện (µm)

21

Khe hở mạch cắt (µm)

22

E

Độ bền ăn mòn
Sai lệch lượng bù dây (µm)

23
24

f

Tần số dòng điện (Hz)

25

F

Diện tích vùng gia công (mm2)

26

Fgh

Diện tích vùng gia công giới hạn (mm2)

27

gtr

Khe hở phóng điện mặt trước (µm)

28

gb

Khe hở phóng điện mặt bên (µm)

29

h

Chiều cao phôi (mm)

30

Ie

Dòng phóng tia lửa điện (A)

9


31

Iehl

Dòng phóng tia lửa điện hợp lý (A)
Hệ số dẫn nhiệt

32
33

m1

Thể tích mòn của điện cực (mm3/ph)

34

m2

Thể tích kim loại được bóc từ phôi (mm3/ph)

35

N

Số điểm thí nghiệm

36

n

Số thông số công nghệ

37

Nc

Công suất gia công (W)

38

Hệ số tích điện

39

Khối lượng riêng (g/mm3)

40

Ra

Độ nhám bề mặt (µm)

41

R

Điện trở ( )

42

S

Chiều dài cắt (mm)

43

Sd

Tốc độ tiến dọc của bàn máy (mm/ph)

44

Sn

Tốc độ tiến ngang của bàn máy (mm/ph)

45

ti

Độ kéo dài xung của máy phát (s)

46

td

Thời gian đánh lửa trễ (µs)

47

t0

Khoảng cách xung (TIME OFF) (µs)

48

te

Thời gian phóng tia lửa điện (TIME ON) (µs)

49

tehl

Thời gian phóng tia lửa điện hợp lý (µs)

50

tp

Chu kỳ xung (s)

51

t

Thời gian cắt (phút)

52

T1

Thời gian tích điện của tụ điện (s)

53

Tm

Nhiệt độ nóng chảy của vật liệu ( 0C)
Tổng thời gian gia công (ph)

54
55

cd

Thời gian gia công cắt dây tia lửa điện (ph)

56

gct

Thời gian gia công tinh sau cắt dây (ph)

57

min

Thời gian gia công nhỏ nhất (ph)
Độ mòn tương đối

58
59

Ui

Điện áp ban đầu giữa 2 điện cực (V)

60

Ue

Điện áp phóng tia lửa điện (V)

61

Uehl

Điện áp phóng tia lửa điện hợp lý (V)

62

Uz

Điện áp đánh lửa (V)

10


Điện áp tối ưu (V)

63

Uopt

64

vp

Tốc độ tiến phôi (mm/ph)

65

Vw

Năng suất hớt vật liệu từ phôi (mm2/ph, mm3/ph)

66

Ve

Tốc độ mòn điện cực (mm3/ph)

67

V

Năng suất cắt dây (mm2/ph)

68

We

Năng lượng bóc tách vật liệu (Jun)

69

Wtu

Năng lượng bóc tách tối ưu (Jun)

11


DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU
Số bảng

Nội dung bảng biểu

Trang

2.1

Các lệnh dịch chuyển

54

3.1

Đặc tính kỹ thuật của máy cắt dây

67

3.2

Thành phần hóa học thép SKD61

68

3.3

Bảng chế độ xử lý nhiệt của thép SKD61

68

3.4

Tính năng kỹ thuật của máy SJ-400

70

3.5

Tính năng kỹ thuật của máy Beyound Crystal C544

70

3.6

Đầu đo tay MH20I

71

3.7

Cảm biến chạm TP-20

71

3.8

Thông số kỹ thuật máy HAR-J-150A

71

3.9

Thông số kỹ thuật kính hiển vi ZST3-IIII

71

3.10

Bảng mã hóa các điểm thực hiện thí nghiệm

73

3.11

Các giá trị cho phép của thông số công nghệ

74

3.12

Các điểm thí nghiệm

74

3.13

Số liệu thu được với thép SKD61 chưa xử lý nhiệt

76

3.14

Xử lý số liệu thu được với thép SKD61 chưa xử lý nhiệt

76

3.15

Số liệu thu được với thép SKD61 tôi cải thiện

77

3.16

Xử lý số liệu thu được với thép SKD61 tôi cải thiện

77

3.17

Số liệu thu được với thép SKD61 tôi cứng

78

3.18

Xử lý số liệu thu được với thép SKD61 tôi cứng

78

3.19

Số liệu về độ cứng bề mặt khi gia công thép SKD61 chưa xử lý
nhiệt

87

3.20

Số liệu về độ cứng bề mặt khi gia công thép SKD61 tôi cải thiện

88

3.21

Số liệu về độ cứng bề mặt khi gia công thép SKD61 tôi cứng

88

3.22

Các mô hình toán học tổng hợp được sau xử lý số liệu

93

12


DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ
Số hình

Nội dung hình vẽ, đồ thị

Trang

1.1

Sơ đồ nguyên lý gia công tia lửa điện

18

1.2

Pha I – Sự đánh lửa

19

1.3

Pha II – Sự hình thành kênh phóng điện

19

1.4

Pha III – Sự hình thành và bốc hơi vật liệu

20

1.5

Đồ thị điện áp và dòng điện trong một xung

21

1.6

Mối quan hệ giữa năng suất Vw và độ kéo dài xung ti

29

1.7

Mối quan hệ giữa độ mòn điên cực tương đối θ và độ kéo dài xung ti

30

1.8

Mối quan hệ giữa chiều cao nhấp nhô bề mặt Ra và độ kéo dài xung
ti

30
31

1.10

Ảnh hưởng của độ kéo dài xung ti và khoảng cách xung t0 đến lượng
hớt vật liệu.
Mối quan hệ giữa hệ số công suất ap và hệ số điện tích η

1.11

Ảnh hưởng của điện dung C tới năng suất hớt vật liệu Vw.

33

1.9

33

1.13

Ảnh hưởng của diện tích vùng gia công F đến năng suất Vw và độ
mòn điện cực tương đối θ
Hiện tượng hồ quang điện

1.14

Hiện tượng ngắn mạch, sụt áp

36

1.15

Hiện tượng xung mạch hở

36

1.16

Dòng chảy bên ngoài

40

1.17

Dòng chảy áp lực

41

2.1

Sơ đồ máy cắt dây tia lửa điện

44

2.2

Các trường hợp khó khăn đối với dòng chảy đồng trục

47

2.3

Khe hở phóng điện trong gia công cắt dây tia lửa điện

53

2.4

Sự cân bằng về lực khi cắt thẳng và sai số khi cắt

59

2.5

Khe hở phóng điện trong gia công cắt dây tia lửa điện

60

2.6

Sự hình thành nhám bề mặt

61

2.7

Cấu trúc lớp bề mặt sau khi cắt dây tia lửa điện

62

3.1

Sơ đồ nghiên cứu quá trình cắt dây tia lửa điện bằng thực nghiệm

65

3.2

Mẫu tiến hành thí nghiệm

69

3.3

Sơ đồ quy hoạch thực nghiệm với 3 thông số công nghệ (Ui, Ie, te)

73

3.4

Mối quan hệ giữa năng suất gia công V và năng lượng bóc tách W

80

1.12

13

34
35


3.5

3.6

3.7

3.8

3.9

3.10

3.11

3.12

khi cắt thép SKD61 ở chế độ thường
Mối quan hệ giữa năng suất gia công V và năng lượng bóc tách W
khi cắt thép SKD61 ở chế độ tôi cải thiện
Mối quan hệ giữa năng suất gia công V và năng lượng bóc tách W
khi cắt thép SKD61 ở chế độ tôi cứng
Mối quan hệ giữa chiều cao nhấp nhô bề mặt Ra và năng lượng bóc
tách W khi cắt thép SKD61 ở chế độ thường
Mối quan hệ giữa chiều cao nhấp nhô bề mặt Ra và năng lượng bóc
tách W khi cắt thép SKD61 ở chế độ tôi cải thiện
Mối quan hệ giữa chiều cao nhấp nhô bề mặt Ra và năng lượng bóc
tách W khi cắt thép SKD61 ở chế độ tôi cứng
Mối quan hệ giữa lượng bù dây

và năng lượng bóc tách W khi cắt

thép SKD61 ở chế độ thường
Mối quan hệ giữa lượng bù dây

và năng lượng bóc tách W khi cắt

thép SKD61 ở chế độ tôi cải thiện
Mối quan hệ giữa lượng bù dây

và năng lượng bóc tách W khi cắt

thép SKD61 ở chế độ tôi cứng

81

82

84

85

86

90

91

92

3.13

Sơ đồ phân bố thời gian gia công khuôn

95

3.14

Sơ đồ thuật giải xác định chế độ công nghệ hợp lý

97

3.15

Giao diện 1 của phần mềm QN EDM

98

3.16

Giao diện 2 của phần mềm QN EDM

99

14


MỞ ĐẦU
Đổi mới công nghệ luôn luôn là nhu cầu cấp bách đối với mọi nền sản xuất của tất
cả các quốc gia. Không chỉ các nước trên thế giới mà cả Việt Nam muốn xây dựng đất
nước giàu mạnh và bền vững đều cần phải đổi mới công nghệ mạnh mẽ. Kinh nghiệm cho
thấy để đạt được điều đó, mỗi quốc gia không thể không phát triển nền sản xuất của mình.
Trong thế kỷ 21, khi mà sự toàn cầu hóa ngày càng phát triển, để không bị tụt hậu thì việc
đổi mới công nghệ là điều bắt buộc. Các doanh nghiệp cũng không nằm ngoài xu thế đó.
Trước sức ép của nền kinh tế thị trường, để nâng cao hiệu quả hoạt động sản xuất kinh
doanh và phát triển một cách bền vững buộc các doanh nghiệp phải luôn đổi mới công
nghệ để tồn tại.
Trong lĩnh vực cơ khí, các phương pháp gia công truyền thống như đúc, gia công
áp lực, gia công cắt gọt v.v… nhiều khi không đáp ứng được yêu cầu ngày càng cao của sự
phát triển sản phẩm. Trong thực tế ngày càng xuất hiện nhiều sản phẩm có hình dạng phức
tạp hoặc các sản phẩm được chế tạo từ các vật liệu có độ cứng, độ bền cao, khó hoặc
không gia công được bằng cắt gọt. Để đáp ứng đòi hỏi đó, các phương pháp gia công phi

truyền thống đã ra đời, trong đó có phương pháp gia công tia lửa điện (EDM – Electrical
Discharge Machining) . Phương pháp gia công tia lửa điện ra đời và đã được áp dụng trong
chế tạo cơ khí từ hơn nửa thế kỷ qua. Ngày nay nhờ sự phát triển của điều khiển số và công
nghệ thông tin, công nghệ này đã được hiện đại hoá cao và được trang bị các hệ thống điều
khiển số CNC.
Trong khoảng một thập kỷ trở lại đây, công nghệ gia công EDM đã thâm nhập vào
Việt Nam. 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 chất lượng sản phẩm. Bên
cạnh những kết quả đạt được về mặt công nghệ thì một số doanh nghiệp cũng gặp khó
khăn khi sử dụng các máy và thiết bị này do các nguyên nhân chủ yếu sau:
-

Việc chuyển giao công nghệ chưa đầy đủ (vì bí quyết công nghệ là của riêng
mỗi hãng sản xuất máy, do đó việc khai thác thiết bị kém hiệu quả).

-

Dạng sản xuất thường là loạt vừa hoặc nhỏ.

-

Chưa chủ động được về bảo dưỡng, bảo trì máy v.v...

-

Đầu tư thiếu đồng bộ và phần lớn thiết bị không rõ nguồn gốc.

Để nâng cao chất lượng sản phẩm và tăng năng suất khi gia công bằng phương
pháp cắt dây tia lửa điện cần phải làm sáng tỏ mối quan hệ giữa các thông số công nghệ

15


điều khiển được với năng suất và độ chính xác gia công. Xuất phát từ nhu cầu thực tế đó,
với mục đích nghiên cứu sâu hơn về ảnh hưởng của các thông số công nghệ nhằm xác định
chế độ cắt hợp lý và tiến tới tối ưu hoá chế độ công nghệ cho quá trình cắt dây góp phần
vào việc nâng cao hiệu quả khai thác, sử dụng máy cắt dây EDM trong sản xuất cơ khí và
là cơ sở để nghiên cứu cho các máy khác, tác giả đã chọn đề tài:
“Nghiên cứu ảnh hưởng của chế độ công nghệ đến năng suất và chất lượng bề mặt khi
gia công bằng phương pháp cắt dây tia lửa điện”.

I.

Mục đích nghiên cứu của đề tài

Đề tài tập trung nghiên cứu bản chất của quá trình gia công bằng phương pháp cắt dây
tia lửa điện, từ đó xây dựng các mô hình thể hiện mối quan hệ của độ chính xác gia công,
năng suất gia công với các thông số công nghệ của quá trình gia công. Từ đó, xác định
được chế độ gia công hợp lý tương ứng với điều kiện công nghệ cụ thể để ứng dụng vào
thực tiễn sản xuất.

II.

Đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu

Đối tượng nghiên cứu của đề tài là quá trình gia công cắt dây tia lửa điện.
Để thuận lợi cho quá trình nghiên cứu và để triển khai ứng dụng các kết quả nghiên
cứu vào sản xuất, tác giả tiến hành nghiên cứu trong các điều kiện công nghệ cụ thể sau
đây:
1. Thiết bị gia công

Máy cắt dây tia lửa điện CHMER của hãng Ching Hung Machinery & Electrical
Ind. Co., Ltd – China
2. Điện cực gia công
Điện cực gia công là dây đồng ký hiệu vật liệu CuZn35, đường kính dây cắt 0,25
mm.
3. Vật liệu gia công
Vật liệu gia công là thép SKD61, có chiều dày 15mm, được thí nghiệm ở cả ba chế độ
là nhiệt luyện cứng (55 58 HRC), chế độ nhiệt luyện cải thiện (32 35 HRC) và chế độ
chưa qua xử lý nhiệt.
Nếu nghiên cứu mang lại hiệu quả kinh tế cao cho quá trình sản xuất, thì sẽ áp dụng
phương pháp nghiên cứu này cho các điều kiện công nghệ cụ thể khác. (Ví dụ: mở rộng
cho các nhóm vật liệu gia công khác trên cùng thiết bị hoặc trên chủng loại thiết bị khác).

16


III.

Phƣơng pháp nghiên cứu

Trong quá trình nghiên cứu, tác giả dùng phương pháp nghiên cứu lý thuyết kết hợp
với nghiên cứu bằng thực nghiệm để khảo sát quá trình cắt dây EDM theo các nội dung
sau:
- Nghiên cứu lý thuyết, phân tích và lựa chọn các thông số công nghệ có ảnh hưởng
quyết định đến năng suất và chất lượng nguyên công.
- Nghiên cứu bằng thực nghiệm nhằm xây dựng các mô hình toán học biểu diễn các
mối quan hệ giữa các đại lượng như năng suất, chất lượng bề mặt, độ chính xác gia công
với các thông số công nghệ của quá trình gia công.

IV.

Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài

1. Ý nghĩa khoa học
Đánh giá được ảnh hưởng của một số yếu tố công nghệ chính đến quá trình gia
công cắt dây tia lửa điện. Trên cơ sở đó tiến hành mô hình hóa quá trình gia công ứng với
các điều kiện công nghệ cụ thể, nhằm tạo cơ sở cho việc thực hiện tối ưu hóa nguyên công
cắt dây tia lửa điện.
2. Ý nghĩa thực tiễn
Các kết quả nghiên cứu đem lại các lợi ích sau:
- Dựa trên các mô hình đã xây dựng có thể rút ngắn được quá trình chuẩn bị sản
xuất, xác định được chế độ công nghệ hợp lý tương ứng với các điều kiện công nghệ cụ thể
nhằm hạ giá thành chế tạo sản phẩm trên cơ sở đảm bảo chất lượng yêu cầu, góp phần
nâng cao năng lực cạnh tranh, duy trì sự tồn tại và phát triển của doanh nghiệp.
- Do quá trình chuẩn bị sản xuất được rút ngắn nên kết quả nghiên cứu sẽ được áp
dụng ngay cả cho dạng sản xuất đơn chiếc, đặc biệt trong gia công khuôn mẫu và cơ khí
chính xác.

17


CHƢƠNG 1
TỔNG QUAN VỀ GIA CÔNG TIA LỬA ĐIỆN
Năm 1943, thông qua các nghiên cứu về tuổi bền của các thiết bị phóng điện, hai vợ
chồng người Nga Lazarenko [47],[48] đã tìm ra phương pháp gia công bằng tia lửa điện.
Dưới tác dụng của tia lửa điện một lớp vật liệu trên bề mặt phôi sẽ bị lấy đi bởi quá trình
điện – nhiệt thông qua sự nóng chảy và bốc hơi kim loại. Quá trình hớt vật liệu trong gia
công tia lửa điện liên quan đến khoảng cách khe hở phóng điện, kênh plasma, sự hình
thành của cầu phóng điện giữa hai điện cực, sự ăn mòn của cả hai điện cực v.v… 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 bước phát triển lớn trong những năm gần đây và đã ra đời thêm một
số phương pháp gia công “lai” theo phương pháp gia công tia lửa điện.

1.1. Phƣơng pháp gia công tia lửa điện
1.1.1. Bản chất vật lý
Thực chất của phương pháp gia công tia lửa điện là sự tách vật liệu ra khỏi bề mặt
phôi nhờ năng lượng của quá trình phóng điện giữa hai điện cực. Sơ đồ nguyên lý của
phương pháp gia công bằng tia lửa điện được mô tả ở hình 1.1 [44],[46]:
1
2

3

1. Điện cực.

(-)
4

2. Chất điện môi.
3. Khe hở giữa điện
cực và phôi.
4. Phôi.

(+)

Hình 1.1: Sơ đồ nguyên lý gia công tia lửa điện.

Quá trình tách vật liệu ra khỏi bề mặt phôi được hình thành như sau:
Một điện áp được đặt vào giữa điện cực và phôi, không gian giữa hai điện cực được
điền đầy bằng một chất lỏng cách điện gọi là chất điện môi (Dielectric). Điện cực tiến lại

gần phôi cho đến khi khoảng cách giữa chúng đạt đến một giá trị tới hạn nào đó thì xẩy ra
hiện tượng phóng điện, một dòng điện được hình thành giữa hai điện cực mà không hề có
sự tiếp xúc giữa hai điện cực. Quá trình phóng điện đó đã tạo ra năng lượng làm nóng chảy

18


rồi đốt cháy lớp vật liệu trên bề mặt phôi, tạo nên vết gia công. Chu kỳ phóng điện diễn ra
theo ba pha như sau [1],[41],[42],[54]:
Pha I: Pha đánh lửa:
Điện áp khởi động giữa điện
cực và phôi (đóng điện áp máy
phát ui). Dưới sự tác động của điện
trường, từ cực âm (điện cực) bắt
đầu phát ra các điện tử (electron)
và chúng bị hút về phía cực dương

u

u
t

i

u
t

i

t

i

(phôi), mật độ electron tăng gây ra
Hình 1.2: Pha I - Sự đánh lửa.

tính dẫn điện cục bộ của dung dịch
chất điện môi tại khe hở giữa hai

điện cực. Do bề mặt của điện cực và phôi không hoàn toàn phẳng nên điện trường sẽ mạnh
nhất tại hai điểm trên điện cực và phôi có khoảng cách gần nhất. Mặt khác do chất điện
môi bị ion hoá nên một kênh phóng điện đột nhiên được hình thành và sự phóng tia lửa
điện bắt đầu xảy ra.
Pha II: Sự hình thành kênh phóng
điện:
Ở thời điểm phóng điện, điện áp
bắt đầu giảm, số lượng các phần tử dẫn
điện (các electron và các ion dương)
tăng lên dữ dội và bắt đầu xuất hiện
một dòng điện chạy qua các điện cực.
Dòng điện này cung cấp một năng

u
i

u
t

u
t

i

i

t

Hình 1.3: Pha II - Sự hình thành kênh

lượng khổng lồ làm cho dung dịch

phóng điện.

điện môi bốc hơi cục bộ tạo ra bọt khí,

áp suất trong các bong bóng hơi sẽ đẩy chất điện môi sang hai bên nhưng do chất điện môi
có độ nhớt nên đã tạo ra sự cản trở và hạn chế sự lớn lên của kênh phóng điện giữa các
điện cực.
Pha III: Sự nóng chảy và bốc hơi vật liệu:
Giữa hai điện cực hình thành kênh Plasma. Plasma này là một chất khí có chứa các
điện tử và các ion dương ở áp suất cao và nhiệt độ cực lớn (áp suất khoảng 1 kbar và nhiệt
độ khoảng 10.0000C). Khi kênh plasma được tạo thành đầy đủ thì điện áp qua khe hở giữa
hai điện cực đạt tới giá trị của điện áp phóng điện Ue, Ue là hằng số phụ thuộc vào cặp vật
19


liệu

anot/catot.

Chất

điện môi bao quanh
kênh plasma và tạo ra
một sự tập trung năng

phoi

lượng cục bộ, mặt khác
sự va chạm của các

u

u
t

i

i

plasma

u
t

i

t

electron lên phôi và các

ion dương lên điện cực

Hình 1.4: Pha III - Sự hình thành và bốc hơi vật liệu.

làm nóng chảy và bốc
hơi vật liệu trên bề mặt phôi và điện cực. Sau khi diễn ra một xung, máy phát sẽ ngắt dòng
điện. Điện áp kênh phóng điện và áp suất bị ngắt đột ngột cho nên kim loại nóng chảy bị
đẩy ra ngoài.
Chu kỳ phóng tia lửa điện để lại các “vết” gia công trên phôi và có thể tóm tắt thông
qua các đại lượng sau:
- td là thời gian trễ thuộc khoảng thời gian cho phép chất điện môi ion hoá và hình
thành kênh phóng điện.
- te là thời gian thực hiện phóng điện (từ một vài đến vài trăm s) thuộc pha II làm
kim loại nóng chảy.
Tổng thời gian ti = td + te là thời gian xung.
Thời gian chất điện môi ngừng ion hóa và chuẩn bị cho chu kỳ phóng điện tiếp theo
được gọi là thời gian ngắt xung t0. Chính trong thời gian ngắt xung t0 phoi được vận
chuyển ra khỏi vùng khe hở phóng điện.

20


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

Trong đó:
-

te là thời gian phóng tia lửa điện hay độ kéo dài xung

-

td là thời gian trễ đánh lửa

-

ti là độ kéo dài xung của máy phát xung

-

t0 là khoảng cách giữa hai xung

-

tp là chu kỳ xung

-

Ui là điện áp ban đầu giữa hai điện cực

-

Ue là điện áp phóng tia lửa điện

-

Ie là dòng phóng tia lửa điện

Hình 1.5 biểu diễn diễn biến của điện áp và dòng điện ở một máy gia công tia lửa điện
được sinh ra bởi một máy phát tĩnh trong một chu kỳ xung. Đặc điểm của đồ thị này cho
thấy dòng điện xung bao giờ cũng xuất hiện trễ hơn một khoảng thời gian td 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.
Các nghiên cứu cho thấy tại các vùng lân cận các điện cực, plasma có nhiệt độ rất cao
từ 60000C

100000C. 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
21


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 nhiệt năng tại các điểm, còn được gọi là các “nguồn nhiệt”. Các điện tử gần
anốt tích tụ đủ lớn sẽ phóng điện sinh ra nhiệt làm nóng chảy và bốc hơi vật liệu. Các ion
dương di chuyển đến catốt và nung nóng các điểm trên catốt. 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 tới anốt. Chính sự cơ động khác nhau của chúng đã tạo ra sự tập
trung nhiệt khác nhau tại anốt và catốt, điều này dẫn đến sự ăn mòn rất khác nhau tại hai
điện cực. Thực tế điện cực dương sẽ bị ăn mòn nhanh hơn nhiều so với điện cực âm. Chính
vì vậy người ta bố trí phôi là cực dương. Điều này không phải luôn luôn cố định. Nó còn
phụ thuộc vào chế độ phóng điện, vào việc chọn cặp vật liệu và sự đấu cực.
1.1.2. Cơ chế bóc kim loại bằng gia công tia lửa điện
Trước hết, muốn tách vật liệu ra khỏi phôi thì phải có năng lượng bóc tách vật liệu We.
Theo giáo sư Lierath [22]:
We = Ue.Ie.te (Jun)

(1.1)

Trong đó Ue và Ie là điện áp và dòng điện trung bình của tia lửa điện, te là thời gian
xung (thời gian phóng tia lửa điện). Ue là hằng số phụ thuộc vào cặp vật liệu điện cực và
phôi nên thực chất We chỉ phụ thuộc vào Ie và te.
Thực tế dòng điện tổng cộng trong kênh plasma qua khe hở phóng điện là tổng của các
dòng điện tử chạy tới điện cực dương và dòng các ion dương chạy tới điện cực âm. Tuy
nhiên do khối lượng của các ion dương lớn hơn nhiều lần so với khối lượng electron cho
nên tốc độ của các electron lớn hơn nhiều lần so với tốc độ của các ion dương. Vì vậy thực
chất dòng điện do các ion dương chuyển động về cực âm là rất nhỏ so với dòng các
electron chuyển động về cực dương. Do đó có thể bỏ qua dòng điện do sự chuyển động của
các ion dương gây ra. Do tốc độ của các electron lớn hơn nhiều lần so với các ion dương
nên mật độ các electron tập trung tại cực dương cao hơn nhiều so với mật độ của ion
dương tại cực âm trong khi mức độ tăng của dòng điện khi bắt đầu có sự phóng điện là rất
lớn, điều này gây ra sự nóng chảy mạnh ở cực dương.
Khi dòng điện bị ngắt kênh plasma đột ngột biến mất. Ngay tức khắc áp suất giữa hai
điện cực tụt xuống bằng áp suất xung quanh nhưng nhiệt độ của chất lỏng giữa hai điện
cực lại không tụt nhanh như vậy, dẫn đến sự nổ và bốc hơi vật liệu nóng chảy đang tồn tại
giữa hai điện cực. Tốc độ cắt dòng điện và mức độ sụt của xung dòng điện sẽ quyết định

22


tốc độ sụt áp và sự bắt buộc nổ vật liệu chảy lỏng. Thời gian sụt của dòng điện là yếu tố
quyết định đối với độ nhám bề mặt gia công.

1.2. Đặc điểm và khả năng công nghệ của gia công tia lửa điện
Gia công tia lửa điện là phương pháp gia công bằng phương pháp phóng điện ăn mòn
trên cơ sở tác dụng nhiệt của xung điện được tạo ra do sự phóng điện giữa hai điện cực.
1.2.1. Đặc điểm của phƣơng pháp gia công tia lửa điện
Phương pháp gia công tia lửa điện có các đặc điểm như sau [1],[42],[43]:

- Điện cực (đóng vai trò là dụng cụ cắt) có độ cứng thấp hơn nhiều so với vật liệu
phôi. Vật liệu điện cực thường là đồng, grafit v.v...
- Vật liệu dụng cụ và vật liệu phôi đều phải có tính chất dẫn điện tốt.
- Gia công được vật liệu có độ cứng thấp và cả các loại vật liệu có độ cứng rất cao như
các thép hợp kim đã qua nhiệt luyện. Điều này góp phần thay đổi cả quá trình công nghệ
khi gia công các chi tiết phức tạp có yêu cầu độ cứng cao, nâng cao hiệu quả của quá trình
sản xuất.
- Quá trình gia công được thực hiện trong môi trường chất lỏng được gọi là chất điện
môi. Đây là dung dịch không dẫn điện ở điều kiện làm việc bình thường.
Phương pháp gia công tia lửa điện có nhiều ưu điểm như đã nêu nhưng năng suất
thường không cao.
1.2.2. Khả năng công nghệ của phƣơng gia công tia lửa điện
Phương pháp gia công tia lửa điện có thể tạo được các mặt định hình là các mặt thẳng,
mặt cong, các rãnh định hình, các bề mặt có profile phức tạp v.v… với độ bóng bề mặt
tương đối cao (Ra = 1,25 µm ÷ 5 µm) và độ chính xác kích thước tới 3 µm [48].

1.3. Các phƣơng pháp gia công tia lửa điện
Ngày nay, có hai phương pháp gia công tia lửa điện chủ yếu được ứng dụng rộng rãi
trong gia công cơ khí, đó là phương pháp xung định hình và phương pháp cắt dây tia lửa
điện [45],[57].
1.3.1. Phƣơng pháp gia công xung định hình
1.3.1.1. Bản chất của phương pháp
Phương pháp gia công xung định hình 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

23


tạo khuôn có hình dạng phức tạp, các khuôn ép định hình, khuôn ép nhựa, khuôn đúc áp
lực, lỗ không thông ...

1.3.1.2. Ưu, nhược điểm của phương pháp xung định hình
Phương pháp xung định hình có các ưu nhược điểm như sau [63]:
a. Ưu điểm:
-

Gia công được vật liệu có độ cứng thấp và vật liệu có độ cứng rất cao.

-

Gia công được các chi tiết cơ khí (chủ yếu là khuôn ép định hình, khuôn nhựa,
khuôn đúc áp lực, lỗ không thông hoặc thông v.v…) có hình dạng phức tạp.

b. Nhược điểm:
-

Năng suất gia công thấp.

-

Chi phí chế tạo cao.

-

Chỉ gia công được các vật liệu là kim loại, không gia công được vật liệu phi kim.

1.3.1.3. Phạm vi ứng dụng
Phương pháp xung định hình thường được sử dụng trong các trường hợp sau [43]:
-

Sử dụng được trong chế tạo cơ khí chính xác.

-

Chế tạo khuôn mẫu phục vụ các ngành sản xuất nhựa, đúc áp lực v.v…

1.3.2. Phƣơng pháp gia công cắt dây tia lửa điện
1.3.2.1. Bản chất của phương pháp
Phương pháp gia công cắt dây tia lửa điện là phương pháp dùng một dây dẫn điện
có đường kính nhỏ (0,1 – 0,3mm) cuốn liên tục và chạy theo một biên dạng (contour) định
trước (lập trình) để tạo thành mạch cắt trên phôi [56]. Phương pháp này thường dùng để
gia công các lỗ thông 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 v.v…
1.3.2.2. Ưu, nhược điểm của phương pháp
Phương pháp cắt dây tia lửa điện có các ưu, nhược điểm như sau [63]:
a. Ưu điểm
Phương pháp cắt dây tia lửa điện có các ưu điểm sau:
-

Độ chính xác kích thước cao (có thể tới 1 m),

-

Kết cấu máy đơn giản.

-

Có khả năng tự động hoá quá trình gia công, đơn giản, dễ vận hành.

Gia công cắt dây tia lửa điện hớt đi lớp vật liệu kim loại trên vật gia công nhờ hiệu

ứng của quá trình điện – nhiệt, do đó có thể gia công được vật liệu có độ cứng bất kỳ. Điều

24