Các phương pháp gia công đặc biệt bài giảng dành cho sinh viên Đại học và cao đẳng

TRƯỜNG ĐẠI HỌC PHẠM VĂN ĐỒNG
KHOA KỸ THUẬT CÔNG NGHỆ
----------***----------

BÀI GIẢNG

CÁC PHƯƠNG PHÁP GIA CÔNG ĐẶC BIỆT
(Bậc Đại học ngành Công nghệ kỹ thuật cơ khí)

Biên soạn: Nguyễn Vĩnh Phối
Nguyễn Hoàng Lĩnh

Quảng Ngãi, 2016


MỤC LỤC
Lời nói đầu
Chƣơng 1. PHƢƠNG PHÁP GIA CÔNG TIA LỬA ĐIỆN

Trang
1
2

1.1. Giới thiệu

2

1.2. Gia công dùng điện cực thỏi

3

1.3. Gia công tia lửa điện bằng dây cắt

17

1.4. Ưu, nhược điểm và phạm vi ứng dụng

26

Chƣơng 2. PHƢƠNG PHÁP GIA CÔNG SIÊU ÂM

28

2.1. Cơ sở lý thuyết

28

2.2. Thiết bị và dụng cụ

32

2.3. Các thông số công nghệ

35

2.4. Một số công nghệ gia công bằng siêu âm

38

2.5. Ưu, nhược điểm, phạm vi ứng dụng

41

Chƣơng 3. PHƢƠNG PHÁP GIA CÔNG LASER

43

3.1. Khái niệm

43

3.2. Gia công bằng tia laser

43

3.3. Ưu, nhược điểm và ứng dụng

55

Chƣơng 4. PHƢƠNG PHÁP GIA CÔNG ĐIỆN HÓA

58

4.1. Tổng quan

58

4.2. Phương pháp gia công điện hóa

60

4.3. Ưu, nhược điểm và ứng dụng

73

Chƣơng 5. PHƢƠNG PHÁP GIA CÔNG TIA NƢỚC

78

5.1. Gia công bằng tia nước

78

5.1.1. Nguyên lý gia công

78

5.1.2. Thiết bị và dụng cụ

78

5.1.3. Các thông số công nghệ

83

5.1.4. Đặc điểm và phạm vi ứng ụng

84

5.2. Gia công bằng tia nước có hạt mài

86

5.2.1. Nguyên lý gia công

86

5.2.2. Các thông số cơ bản và thiết bị

87

5.2.3. Các thông số công nghệ và khả năng công nghệ

96


5.2.4. Ưu điểm và so sánh với các phương pháp khác
Chƣơng 6. PHƢƠNG PHÁP GIA CÔNG PLASMA

98
102

6.1. Khái niệm

102

6.2. Cắt bằng tia plasma

104

6.3. Tiện bằng tia plasma

111

6.4. Hàn kim loại bằng tia plasma

113

Tài liệu tham khảo


LỜI NÓI ĐẦU
Ngày nay, ngành công nghệ vật liệu rất phát triển, đã cho ra đời những vật liệu
có các tính chất đặc biệt như sức bền, độ cứng và độ dẻo cao, ngoài ra do nhu cầu đòi
hỏi các sản phẩm cơ khí có hình dáng hình học phức tạp, bất thường và không bị hỏng
bề mặt do những ứng suất phát sinh vì thế chúng rất khó hoặc không thể gia công bằng
phương pháp gia công thông thường. Để giải quyết vấn đề này, trên thế giới đã nghiên
cứu và đưa ra một họ các phương pháp gia công tách vật liệu dư bằng năng lượng
nhiệt, cơ, điện, hóa hoặc các kết hợp các phương pháp này, những phương pháp này
không sử dụng dao cắt khi gia công như thông thường được gọi là Các phương pháp
gia công không truyền thống hay còn gọi là Các phương pháp gia công đặc biệt.
Các phương pháp gia công đặc biệt được phát triển từ sau thế chiến thứ hai,
hiệu quả rất cao và được các nước tiên tiến trên thế giới áp dụng rộng rãi, mặc dù vậy
chúng còn rất mới ở Việt Nam. Trong hoàn cảnh nước ta đang từng bước cũng cố và
phát triển để hoà nhập với thế giới nên việc vận dụng và triển khai các công nghệ này
vào trong giảng dạy cho sinh viên bậc đại học ngành Công nghệ kỹ thuật cơ khí là hợp
lý và hết sức cần thiết.
Trong bài giảng này tác giả đã đưa ra các nguyên lý gia công, thông số công
nghệ, đặc điểm, phạm vi ứng dụng và giới thiệu một số hình ảnh về những thiết bị và
dụng cụ của các phương pháp gia công đặc biệt được tóm lược trong 6 chương, có thời
lượng là 30 tiết.

Tuy đã cố gắng hoàn chỉnh khi biên soạn nhưng thời gian và trình độ còn hạn
chế nên không thể tránh khỏi những thiếu sót. Nhóm tác giả rất mong nhận được
những ý kiến đóng góp của đồng nghiệp và bạn đọc để lần sau bài giảng được hoàn
chỉnh hơn. Chúng tôi xin chân thành cảm ơn.
Quảng Ngãi, ngày 02 tháng 12 năm 2016
Nhóm tác giả

BG: Các phương pháp gia công đặc biệt

-1-


Chương 1

Chương 1. PHƯƠNG PHÁP GIA CÔNG TIA LỬA ĐIỆN
(Electric Discharge Machining – EDM)
1.1. Giới thiệu
Gia công tia lửa điện được phát triển vào năm 1943 ở Liên Xô bởi hai vợ chồng
người Nga tại trường đại học Moscow là Giáo sư, Tiến sĩ Boris Lazarenko và Tiến sĩ
Natalya Lazarenko.
Phương pháp gia công tia lửa điện là phương pháp phóng các tia lửa điện lên
bề mặt vật liệu gia công, làm cho lớp vật liệu cần hớt đi bị nóng chảy hoặc bốc hơi bởi
một quá trình điện nhiệt.
1.1.1. Phân loại:
1. Theo loại máy:
Có hai loại máy với dụng cụ khác nhau:
- Máy EDM dùng điện cực thỏi (hay còn gọi là máy xung định hình). Điện cực
trên máy này có dạng thỏi được chế tạo sao cho biên dạng của nó giống với bề mặt cần
gia công. Thuật ngữ tiếng Anh của phương pháp này là EDM Die Sinking hoặc RamEDM.
- Máy EDM dùng điện cực dây (hay còn gọi là máy cắt dây). Điện cực trên máy

này là một dây mảnh được cuốn liên tục và được chạy theo một contour cho trước.
Thuật ngữ tiếng Anh của phương pháp này là Wire-cut EDM hoặc Wire EDM.
2. Theo phương pháp gia công:

Hình 1.1 Sơ đồ gia công
- Gia công tia lửa điện dùng điện cực định hình, gọi tắt là phương pháp xung định
hình. Theo đó, điện cực là một hình không gian bất kỳ mà nó in hình của mình lên
phôi tạo thành một lòng khuôn.
BG: Các phương pháp gia công đặc biệt

-2-


Chương 1

- Gia công tia lửa điện bằng cắt dây. Ở đây điện cực là một dây mảnh (d = 0,1 
0,3mm) được cuốn liên tục và được chạy theo một đường viền cho trước, nó sẽ cắt
phôi theo đúng đường viền đó.
Ở các máy xung định hình, nhờ có hệ thống điều khiển CNC nên không cần phải
dùng người đứng máy có kinh nghiệm mà vẫn đạt hiệu quả và chất lượng gia công
cao. Trong mọi trường hợp, hầu hết các máy đều có mức độ tự động hoá cho phép làm
việc rất lâu không có người đứng máy, dù rằng không phải luôn luôn trong điều kiện
tối ưu.
1.1.2. Mục đích:
- Gia công những vật liệu dẫn điện khó gia công như thép tôi, thép hợp kim khó
gia công, hợp kim cứng.
- Tạo hình chi tiết hệ lỗ có hình dáng phức tạp và những ứng dụng khác.
1.2. Gia công tia lửa điện dùng điện cực thỏi
1.2.1. Nguyên lý gia công tia lửa điện
Gia công tia lửa điện hay ăn mòn điện là sự ăn mòn kim loại bằng tia lửa điện.

Trong quá trình gia công, dụng cụ và chi tiết là hai điện cực, trong đó dụng cụ là catốt,
chi tiết là anốt của một nguồn điện một chiều có tần số 50  500kHz, điện áp 50 
300V và cường độ dòng điện 0,1  500A. Hai điện cực này được đặt trong dung dịch
cách điện được gọi là chất điện môi.
Khi cho hai điện cực tiến lại gần nhau thì giữa chúng có điện trường. Khi điện áp
tăng lên thì từ bề mặt cực âm có các điện tử phóng ra, tiếp tục tăng điện áp thì chất
điện môi giữa hai điện cực bị ion hóa làm cho chúng trở nên dẫn điện, làm xuất hiện
tia lửa điện giữa hai điện cực. Nhiệt độ ở vùng có tia lửa điện lên rất cao, có thể đạt
đến 12.0000C, làm nóng chảy, đốt cháy phần kim loại trên cực dương.
Trong quá trình phóng điện, xuất hiện sự ion hóa cực mạnh và tạo nên áp lực va
đập rất lớn, đẩy phoi ra khỏi vùng gia công. Toàn bô quá trình trên xảy ra trong thời
gian rất ngắn từ 10-4  10-7s. Sau đó mạch trở lại trạng thái ban đầu và khi điện áp của
tụ được nâng lên đến mức đủ để phóng điện thì quá trình trên lại diễn ra ở điểm có
khoảng cách gần nhất.
Phoi của quá trình gia công là các giọt kim loại bị tách ra khỏi các điện cực và
đông đặc lại thành những hạt nhỏ hình cầu. Khi các hạt này bị đẩy ra khỏi vùng gia
BG: Các phương pháp gia công đặc biệt

-3-


Chương 1

công, khe hở giữa hai điện cực lớn lên, sự phóng điện không còn nữa. Để quá trình gia
công liên tục, người ta điều khiển điện cực dụng cụ đi xuống sao cho khe hở giữa hai
điện cực là không đổi và ứng với điện áp nạp vào tụ C. Nguyên lý gia công được thể
hiện như hình sau:

Hình 1.2 Sơ đồ nguyên lý gia công tia lửa điện
1.2.2. Thiết bị

a) Truyền thống

b) ZNC

c) CNC

Hình 1.3 Hình dạng máy EDM điện cực thỏi
Máy EDM điện cực thỏi có các loại sau:
- Máy truyền thống: Đây là chủng loại máy đầu tiên dùng điện cực thỏi điều
khiển bằng tay. Loại này kết cấu đơn giản nhưng khả năng công nghê kém và độ chính
xác kém
- Máy EDM điện cực thỏi ZNC: Đây là chủng loại máy EDM điện cực thỏi điều
khiển chương trình số (NC). Trên các máy này thì chỉ có trục Z được tự động hoàn
tòan, còn các chuyển động theo trục X, Y phải thực hiện bằng tay.
- Máy EDM điện cực thỏi CNC: Trên các máy EDM điện cực thỏi CNC, các
BG: Các phương pháp gia công đặc biệt

-4-


Chương 1

chuyển động của theo các phương X, Y, Z được tự động hoàn toàn. Loại máy này có
khả năng công nghệ rất cao, đạt độ chính xác gia công cao. Tuy đắt tiền, nhưng do
hiệu quả cao mà nó mang lại nên loại máy này hiện được sử dụng rất phổ biến.

Hình 1.4 Sơ đồ khối hệ thống máy gia công điện cực thỏi ZNC
1.2.3. Điện cực dụng cụ
1.2.3.1. Yêu cầu của vật liệu điện cực

Việc lựa chọn hợp lý vật liệu điện cực là một yếu tố quan trọng. Vì nó ảnh hưởng
đến độ chính xác gia công và tính kinh tế thông qua năng suất và độ hao mòn điện cực
trung bình. Giá của điện cực có thể chiếm 80% chi phí gia công.
Những yêu cầu đối với vật liệu điện cực là:
- Có tính dẫn điện tốt.
- Có tính dẫn nhiệt cao, nhiệt độ nóng chảy và nhiệt độ sôi cao.
- Có độ bền cơ học cao, hệ số giãn nở nhiệt nhỏ.
- Có độ bền ăn mòn cao.
- Có khối lượng riêng nhỏ để có thể chế tạo các điên cực lớn nhưng không quá
nặng làm ảnh hưởng đến khả năng chịu tải của máy.
- Dễ gia công, giá thành rẻ.
BG: Các phương pháp gia công đặc biệt

-5-


Chương 1

1.2.3.2 Các loại vật liệu điện cực
Khi gia công thô, phổ biến nhất là dùng điện cực đồng thau và zamak, với chi tiết
có tiết diện nhỏ thì dùng đồng và vonfram, ở nhà máy lớn thì dùng dura.
Khi gia công tinh thì dùng điện cực đồng, cũng có trường hợp dùng điện cực thép
(đặc biệt khi dùng làm dao cắt).
Khi gia công hợp kim cứng thì dùng điện cực đồng, đồng thau, đồng vonfram. Ở
một số nước dùng điện cực đồng ép với bột cacbít silic.
Có 3 nhóm vật liệu điện cực như sau:
- Vật liệu kim loại: đồng đỏ, đồng–vonfram, bạc–vonfram, đồng thau, vonfram,
nhôm, môlipđen, hợp kim cứng, thép… Trong đó đồng đỏ và đồng–vonfram là thường
dùng nhất. Các loại vật liệu vonfram, nhôm, molypden, hợp kim cứng, thép… chỉ
được sử dụng trong một số trường hợp đặc biệt.

Bảng 1.1 Tính chất vật lý của một số vật liệu làm điện cực
Tính chất

Đồng đỏ

Graphit

Vonfram

Thép

Điểm nóng chảy, 0C

1.080

-

3.395

1.535

Điểm sôi,0C

2.580

> 4.000

5.930

2.800

12.740

20.000

22.680

16.900

Tính dẫn nhiệt, Ag = 100

94,3

30,0

29,6

16,2

Tính dẫn điện, Ag = 100

95,6

0,1

48,1

16,2

Độ giãn nhiệt, 0C.10-6

16,0

4,5

4,6

15,0

Độ bền, MPa

241

34

4.137

276

Môđun dàn hồi, Mpa.103

124

5,9

352

186

Nhiệt lượng để hóa hơi 1cm3

từ nhiệt độ phòng, cal/cm3

- Vật liệu phi kim loại: Trong nhóm này chỉ có graphit là vật liệu được sử dụng
phổ biến là điện cực. Đây là cácbon tinh khiết với 0,1% tro. Khối lượng riêng từ 1,6 
1,85g/cm 3, điện trở riêng 8  15mm2/m, độ bền gẫy từ 200  700 kg/cm2.
- Vật liệu composite: Trong nhóm này phổ biến là đồng–graphit. Đây là graphit
đã được thẩm thấu với đồng. Khối lượng riêng từ 2,4  3,2g/cm3, điện trở riêng 3 
5mm2/m, độ bền gẫy từ 700  900 kg/cm2. Loại này có những tính chất tốt của
graphit và đồng. Tính dẫn điện cao hơn graphit nhưng độ mòn ở góc không tốt bằng
graphit nguyên chất.
BG: Các phương pháp gia công đặc biệt

-6-


Chương 1

Gang

Dura

Graphit

Kim loại
bột
thép

Hợp kim
bột

Thép
+
+
+
Hợp
kim
cứng
Bán
Thép
+
+
tinh
Hợp
kim
cứng
Tinh
Thép
Hợp
kim
cứng
Chú thích: ký hiệu bảng 1.2

Thép

Thô

Đồng

Vật liệu
chi tiết

gia công

Zamak

Dạng
gia
công

Đồng
thau

Bảng 1.2 Lựa chọn vật liệu điện cực

0
+

-

0
0

+
-

+
+

+
+

0

+
+

+
+

+
+

+
-

0
0

+
+

0

+
+

+
+

+
+

-

-

+
+

0

+ : Nên dùng.
- : Không nên dùng.
0: Chỉ nên dùng trong trường hợp đặc biệt.
1.2.3.3. Kích thước điện cực

Hình 1.5 Tính kích thước điện cực hình trụ
Đường kính d của điện cực phụ thuộc vào các yếu tố sau:
- Đường kính D của lòng khuôn.
- Khe hở FS giữa lòng khuôn và điện cực.
- Chiều cao nhấp nhô lớn nhất Rmax.
Khi gia công thô thì đường kính d được tính theo công thức sau:
BG: Các phương pháp gia công đặc biệt

-7-


Chương 1

dthô = D – 2FS – 2Rmax

(1-1)

Khi gia công tinh, Rmax rất nhỏ so với giá trị khe hở phóng điện FS nên có thể bỏ
qua Rmax. Khi đó đường kính điện cực được tính bởi công thức sau:
dtinh = D – 2FS

(1-2)

1.2.3.4. Gia công điện cực
Việc gia công điện cực đóng vai trò quan trọng trong gia công tia lửa điện. Độ
chính xác gia công một mặt phụ thuộc vào độ chính xác của điện cực, mặt khác điện
cực khi gia công bị hư hỏng phải chỉnh lại. Chi phí chế tạo điện cực ảnh hưởng lớn đến
tính kinh tế của quá trình công nghệ. Những phương pháp gia công điện cực chủ yếu
là:
- Cắt gọt, đúc (đúc chính xác), ép, cắt.
- Phun kim loại, mạ điện phân.
Khi gia công bằng điện cực thỏi, có thể phải gia công theo nhiều giai đoạn mới
hoàn tất. Việc gia công này có thể được tiến hành theo hai cách như sau:
- Dùng một điện cực nhưng trong mỗi giai đoạn sử dụng một chế độ gia công
khác nhau, thường là gia công thô trước rồi đến gia công tinh.
- Sử dụng nhiều điện cực đơn giản cho nhiều giai đoạn để gia công một lòng
khuôn phức tạp.

Hình 1.6 Gia công lòng khuôn phức tạp bằng 3 điện cực trong 3 giai đoạn
Để tiết kiệm thời gian và tiền bạc cần phải tính toán chính xác hình dáng điện
cực. Đây chính là vấn đề của tính hiệu quả trong việc chọn phương án chế tạo điện
cực. Khi chế tạo điện cực người ta phải cân giữa hai phương án:
- Gia công bề mặt chi tiết bằng một điện cực phức tạp trong một bước.
BG: Các phương pháp gia công đặc biệt

-8-


Chương 1

- Gia công bề mặt chi tiết bằng nhiều điện cực đơn giản trong nhiều giai đoạn.
Nếu so sánh chi phí sản xuất một điện cực phức tạp với nhiều điện cực đơn giản
thì việc chế tạo nhiều điện cực đơn giản thường kinh tế hơn.

Hình 1.7 Một số điện cực thường dùng trong gia công tia lửa điện.
1.2.4. Chất điện môi
1.2.4.1. Nhiệm vụ của chất điện môi
- Tạo thành môi trường cách điện giữa điện cực và phôi
- Tạo môi trường ion hóa
- Làm nguội các bô phận gia công và vận chuyển phoi ra khỏi khu vực gia công
1.2.4.2. Yêu cầu của dung dịch điện môi
- Cách điện và ổn định để cách ly điện cực và phôi cho đến khi đạt đến điện áp
đánh thủng.
- Phải có khả năng bị ion hóa nhanh chóng sau khi sự phóng điện xảy ra.
- Phải có độ nhớt thích hợp và khả năng thấm ướt tốt làm nguội và vận chuyển
phoi ra khỏi khu vực gia công.
- Trung tính về hóa học để không gây mòn điên cực, phôi, thùng chứa và bàn
máy.
- Điểm cháy tương đối cao.
- Không độc, không hại da, không tạo mùi khó ngửi.
- Giữ tính chất trong thời gian dài, ít hao phí.
- Kinh tế.
Có nhiều chất lỏng đáp ứng được các yêu cầu trên. Phổ biến nhất là hydro
cacbon, dầu silicon, và nước khử ion hóa. Dầu hỏa (kerosene) và nước với glycol
thường được sử dụng.

BG: Các phương pháp gia công đặc biệt

-9-


Chương 1

Bảng 1.3 So sánh một số dung dịch điện môi
Dung dịch điện môi
Dầu hydro cacbon S.S.U – 50
Nước chưng cất
Nước máy
Triethylene glycol H2O (40%)
Triethylene glycol H2O (30%)

Tốc độ gia công,
mm3/A.ph
4,1
5,7
6,1
10,8
7,0

Tỉ số mòn
2,8
2,7
4,1
6,8
11,3

1.2.5. Các thông số công nghệ và khả năng công nghệ
1.2.5.1 Các thông số điện
1. Dòng phóng tia lửa điện Ie:
Dòng điện Ie là giá trị trung bình của dòng điện từ khi bắt đầu phóng đến khi ngắt
điện. Ie ảnh hưởng lớn đến năng suất bóc vật liệu, độ mòn điện cực và chất lượng bề
mặt gia công. Nói chung Ie càng lớn thì năng suất bóc vật liệu càng lớn, độ nhám bề
mặt gia công càng lớn nhưng độ mòn điện cực càng giảm.
2. Độ dài xung ti:
Độ dài xung là khoảng thời gian giữa hai lần đóng-ngắt của máy phát trong cùng
một chu kỳ phóng tia lửa điện. Độ dài xung bằng tổng thời gian trễ đánh lửa td và thời
gian phóng điện te.
ti = td + te

(1-3)

Độ dài xung ảnh hưởng đến năng suất bóc vật liệu, độ mòn điện cực và chất
lượng bề mặt gia công
3. Khoảng cách xung t0:
Là thời gian giữa hai lần ngắt và đóng của máy phát thuộc hai chu kỳ phóng điện
kế tiếp nhau. Khoảng cách xung càng lớn thì năng suất bóc vật liệu càng nhỏ và ngược
lại, nếu quá ngắn thì chất điện môi không có đủ thời gian thôi ion hóa, các phần tử đã
bị ăn mòn và nhiệt của dung dịch điện môi không tải ra ngoài được. Kết quả là gây ra
hồ quang và ngắn mạch. Thông thường chọn t0 theo ti như sau:
- Khi gia công rất thô thì ti/t0 > 10.
- Khi gia công thô thì ti/t0  10. Giá trị t0 không nên qúa nhỏ để tránh xảy ra
khuyết tật.
- Khi gia công tinh thì chọn ti/t0 = (5  10). Vì khi gia công tinh thì khe hở phóng
BG: Các phương pháp gia công đặc biệt

-10-

Chương 1

điện giảm, dễ tạo ra các lỗi quá trình, do đó cần tăng t0 nên làm giảm tỉ số ti/t0 .
- Khi gia công rất tinh, khe hở phóng điện rất nhỏ, do đó cần phải tăng t0 do đó tỉ
số ti/t0 giảm mạnh. Thường chọn ti/t0 = 0,4.
4. Điện áp đánh lửa UZ
Là điện áp cần thiết để tạo sự phóng điện. UZ càng lớn thì sự phóng điện càng
nhanh và cho phép khe hở phóng điện càng lớn. Anh hưởng của điện áp đánh lửa lên
quá trình gia công nhỏ hơn ảnh hưởng của độ dài xung và khoảng cách xung.
5. Điện áp phóng tia lửa điện Ue
Khi bắt đầu phóng tia lửa điện thì điện áp tụt từ UZ xuống đến Ue. Đây là giá trị
điện áp trung bình trong suốt thời gian phóng điện. Ue là một hằng số phụ thuộc vào
cặp vật liệu điện cực và phôi.
6. Tần số phóng điện
Tùy vào dạng gia công mà sử dụng tần số phát xung khác nhau. Khi gia công thô,
sử dụng tần số thấp, độ dài xung lớn, năng suất bóc vật liệu cao tuy nhiên chiều sâu
lớp nóng chảy đông rắn lớn. Khi gia công tinh, sử dụng tần số cao, độ bóng bề mặt
cao, các vùng bị phá huỷ nhỏ hơn, lớp nóng chảy đông rắn mỏng hơn và vùng ảnh
hưởng nhiệt mỏng hơn.
7. Khe hở phóng điện
Chuyển động của chúng được điều khiển bởi các sensor bề rộng khe hở. Hệ
thống sẽ điều khiển chuyển động của đầu mang điện cực từ đó điều khiển được khe hở
phóng điện. Việc đo bề rộng khe hở phóng điện được thực hiện gián tiếp qua việc đo
điên áp Ue. Ue càng lớn thì khe hở càng lớn. Vì thế người ta còn gọi Ue là điện áp khe
hở.
Khi gia công hốc hoặc rãnh cần phân biệt 3 loại khe hở phóng điện khác nhau:
- Khe hở phóng điện mặt trước.
- Khe hở phóng điện mặt bên.

- Khe hở phóng điện mặt đầu.
1.2.5.2. Năng suất bóc vật liệu MRR(Material Removal Rate)
Năng suất bóc vật liệu trong quá trình EDM phụ thuộc vào những thông số sau:
- Dòng điện trong mỗi lần phóng tia lửa điện.
- Tần số phóng điện.
BG: Các phương pháp gia công đặc biệt

-11-


Chương 1

- Vật liệu điện cực.
- Vật liệu chi tiết gia công.
- Điều kiện phun dung dịch điện môi.

Hình 1.8 Ảnh hưởng của cường độ dòng điện trong mỗi lần phóng tia lửa điện
Tuy nhiên, giảm cường độ dòng điện trong mỗi lần phóng tia lửa điện và tăng tần
số sẽ cải thiện độ bóng bề mặt bởi vì kích thước vùng bị phá huỷ do phóng tia lửa điện
nhỏ. Nhưng tại cùng thời điểm năng suất bóc vật liệu có thể được duy trì bằng cách
tăng tần số.

Hình 1.9 Ảnh hưởng của tần số phóng điện đến độ bóng
Năng suất bóc vật liệu khi gia công bằng EDM có thể tính theo công thức:
MRR = 4.104.I. TW1,23 , mm3/ph

(1-4)

Trong đó:
I : Cường độ dòng điện, A.

TW : Nhiệt độ chảy của chi tiết gia công, 0C.
Khi gia công tinh thì cắt với năng suất bóc vật liệu thấp, hoặc lớp đông rắn được
bóc đi bằng các phương pháp gia công tinh.
1.2.5.3 Độ mòn điện cực
Trong quá trình gia công, một phần vật liệu điên cực bị bốc hơi gây mòn điện
cực. Thông số tỉ số mòn R là tỉ số giữa thể tích vật liệu chi tiết bị bóc đi và thể tích vật
liệu điện cực bị bóc đi. Tỉ số mòn R được tính bởi công thức sau :
R = 2,25. Tr2,3

(1-5)

Trong đó Tr là tỉ số giữa điểm nóng chảy của chi tiết với điện cực. Tỉ số mòn có
giá trị trên một dải rộng, từ 0,2  100.
Tốc độ mòn của điện cực được xác định bằng công thức sau:
BG: Các phương pháp gia công đặc biệt

-12-


Chương 1

Wt = 11.103.I. Tt2,38 , mm3/ph

(1-6)

Trong đó Tt là điểm nóng chảy của vật liệu điện cực.
Độ mòn tương đối của điện cực được xác định bằng công thức :


VE

 100%
VW

(1-7)

Trong đó:
VE : Thể tích vật liệu điện cực bị bóc đi.
VW : Thể tích vật liệu chi tiết bị bóc đi.
Độ mòn tương đối của điện cực phụ thuộc những yếu tố sau:
- Vật liệu điện cực và vật liệu chi tiết gia công: Khi gia công vật liệu cacbít bằng
điện cực graphit thì độ mòn điện cực lớn hơn so với trường hợp điên cực bằng
volfram-đồng.
- Dòng điện Ie: Khi gia công thép bằng điện cực đồng hoặc graphit người ta nhận
thấy tăng Ie thì độ mòn tương đối giảm.
- Độ dài xung: Khi gia công thép bằng điện cực đồng hoặc graphit thì khi tăng độ
dài xung thì dộ mòn tương đối sẽ giảm.
- Sự đấu cực: Bằng cách đấu cực hợp lý ta sẽ nhận được độ mòn điện cực nhỏ
nhất. Khi gia công thép bằng điện cực graphit, nếu Ie tăng thì nên thay đổi sự đấu cực
để tăng lượng bóc vật liệu: điện cực đấu vào cực âm khi gia công thô và đấu vào
dương khi gia công tinh.
1.2.5.4. Chất lượng bề mặt khi gia công bằng EDM
1. Độ nhám bề mặt
Độ nhám trước hết phụ thuộc vào năng lượng của một lần phóng điện. Một phần
diện tích của tụ tạo nên vết lõm nên thể tích của vết lõm tỉ lệ với năng lượng phóng ra
của tụ.
1 2
Q  .U SZ
.C
2

(1-8)

Trong đó:
Q : Điện tích của tụ.
USZ: Điện áp giữa 2 điện cực.
C : Điện dung của tụ.
BG: Các phương pháp gia công đặc biệt

-13-


Chương 1

2 .C
V  K.U sz
V : Thể tích của vết lõm

(1-9)

K : Hệ số phụ thuộc vào vật liệu và điều kiện gia công.
Giả thiết rằng thể tích tỉ lệ với lập phương chiều sâu thì:

2 1
Rmax= K. 3 U2 .C  K .U 3 .C 3
sz

(1-10)

1
3.K

, Ta có: R
Với K  3
 m. C 3
max
2

(1-11)

Với điện áp giữa 2 điện cực không đổi thì:
Biểu thức (1.11) cho thấy độ nhám tăng theo điện áp giữa hai điện cực. Điều này
có nghĩa là độ nhám tăng theo năng suất.

Hình 1.10 Nhám bề mặt khi gia công tia lửa điện
Mối quan hệ giữa Ra vào năng suất bóc vật liệu được biểu diễn bởi công thức
gần đúng sau:
Ra  1,11.MRR0,843, mm.

(1-12)
3

Trong đó năng suất bóc vật liệu được tính theo mm /ph.

Hình 1.11 Ảnh hưởng của năng suất bóc vật liệu đến Ra
Ngoài ra độ nhám còn phụ thuộc vào cường độ dòng điện và tần số dòng điện
BG: Các phương pháp gia công đặc biệt

-14-


Chương 1

Hình 1.12 Quan hệ giữa độ nhám và dòng điện phóng
Độ nhám đạt được khi gia công tương ứng với các loại vật liệu và các thông số
công nghệ khác nhau được trình bày trong bảng 1.4.
Bảng 1.4 Độ nhám đạt được khi gia công EDM
Cấp gia
công

Độ nhám,
RZ
(mm)

1
2
3
4
5

0,003
0,013
0,053
0,5
3

Vật liệu
Thép
VD,mm 3/phút
h q, mm

0,1

0,25
1
6
8

Hợp kim cứng
VD,mm 3/phút
hq, mm

0,7  0,8
1,3  1,5
2,4  2,7
4  4,5
4,7  5,7

0,1
0,2
0,6
2,5
3

0,6 0,7
1  1,1
1,5  1,7
1,8  2,2
2,5  3

Bề mặt gia công tia lửa điện có thể được đánh bóng tốt (tốt hơn bề mặt được
mài), thuận lợi cho việc bôi trơn (trong trường hợp áp lực lớn cũng không làm bắn dầu
ra khỏi lõm cầu).

Ngoài những yếu tố trên còn có những yếu tố khác cũng có ảnh hưởng đến độ
nhám như: vật liệu điện cực, chất lượng của dung dịch gia công
1.2.5.5. Độ chính xác gia công
Độ chính xác gia công chịu ảnh hưởng của các thông số sau:
- Độ chính xác của máy: độ ổn định nhiệt, độ ổn định cơ, vị trí tương đối giữa
dụng cụ và chi tiết công, hệ thống chạy dao các bàn trượt.
- Các thông số điều chỉnh về điện khi gia công.
- Điện cực: hình dạng, kích thước và độ mòn của điện cực, đồ gá điện cực, sự sục
rửa điện cực…
- Dung dịch điện môi.
- Độ chính xác lập trình.
BG: Các phương pháp gia công đặc biệt

-15-


Chương 1

- Khoảng cách phóng tia lửa điện.

Hình 1.13 Quá trình hình thành lỗ khoan bằng tia lửa điện, đường kính lỗ
luôn lớn hơn đường kính điện cực và đồng thời lỗ bị côn
Độ côn của lỗ được tính bởi công thức sau:
Dd
 K T  d2
2H

(1-13)

Trong đó KT hằng số kinh nghiệm.

Độ chính xác kích thước phụ thuộc nhiều vào cấu tạo của máy và được ghi trong
catalog của máy. Thông thường độ chính xác gia công vào khoảng 0,01mm. Ở các
máy khoan tọa độ EDM độ chính xác gia công đạt đến 0,0025mm.

Hình 1.14 Độ côn khi gia công
1.2.5.6. Các dạng bề mặt được gia công bằng điện cực thỏi
Gia công bằng điện cực thỏi, nhờ hình dạng của điện cực có thể tạo ra nhiều dạng
bề mặt khác nhau như các hốc trong khuôn, các lỗ, đặc biệt là lỗ nhỏ và sâu, các rãnh
hẹp, cánh tua bin và nhiều hình dáng phức tạp khác.
BG: Các phương pháp gia công đặc biệt

-16-


Chương 1

(a)

Khuôn

(b) Dạng rãnh hẹp

Hình 1.15 Một số biên dạng gia công bằng EDM

Hình 1.16 Gia công hốc bên trong với điện cực đặc biệt

Hình 1.17 Gia công ren trong lỗ bằng phương pháp EDM
1.3. Gia công tia lửa điện bằng dây cắt
1.3.1. Nguyên lý gia công
Về cơ bản, phương pháp cắt dây EDM cũng giống như phương pháp gia công

bằng điện cực thỏi. Điểm khác nhau là thay vì sử dụng những điện cực có hình dạng
phức tạp, trong cắt dây EDM điện cực là một sợi dây có đường kính từ 0,1  0,3mm.
Nó được cuốn liên tục và chạy theo một contour cho trước, cắt được bề mặt 2D hoặc
BG: Các phương pháp gia công đặc biệt

-17-


Chương 1

3D phức tạp. Các dây cắt thường chỉ sử dụng một lần, nhưng cũng có loại được sử
dụng nhiều lần. Các dây cắt với tốc độ không đổi từ 0,15  9m/ph. Thay vì sử dụng
chất điện môi thì trong cắt dây EDM lại dùng nước khử khoáng.
Chú ý: trong trường hợp dùng dầu hoả thì phôi phải được ngâm vào dầu hoả, còn
trường hợp dùng nước khoáng thì phải phun tia nước vào vùng gia công.

Hình 1.18 Nguyên lý gia công tia lửa điện bằng dây cắt
Một số khác biệt giữa gia công bằng điện cực thỏi và gia công bằng dây cắt:
Gia công bằng điện cực thỏi

Gia công bằng cắt dây

Chi tiết gia công và điện cực được Nước khử khoáng được phun vào
nhấn chìm trong chất điện môi

vùng gia công

Sự phóng điện xảy ra giữa mặt đầu Sự phóng điện xảy ra giữa mặt bên
điện cực với chi tiết gia công

dây cắt với chi tiết gia công.

Vùng phóng điện khi gia công bằng Vùng phóng điện chỉ bao gồm mặt
điện cực bao gồm mặt đầu và góc của 1800 của dây cực khi tiến đến cắt chi
điện cực

BG: Các phương pháp gia công đặc biệt

tiết

-18-


Chương 1

Điện cực thỏi

(a)

(b)

Cắt dây

Hình 1.19 Sự phóng điện trong quá trình gia công
1.3.2. Các bộ phận chính của máy cắt dây
Có hai loại máy cắt dây EDM sau:
- Máy cắt dây EDM truyền thống
- Máy cắt dây EDM CNC
Cũng giống như máy gia công điện cực thỏi, máy cắt dây EDM bao gồm các bộ
phận chính sau:

- Cụm cơ khí (máy chính).
- Cụm điều khiển điện, điện tử.
- Cụm dung dịch điện môi.
- Đồ gá và phụ tùng.
BG: Các phương pháp gia công đặc biệt

-19-


Chương 1

1.3.2.1. Máy chính

Hình 1.20 Sơ đồ máy cắt dây

Hình 1.21 Hình dáng bên ngoài máy cắt dây EDM
BG: Các phương pháp gia công đặc biệt

-20-


Chương 1

1.3.2.2. Dây cắt
Đối với máy gia công cắt dây, vật liệu làm điện cực phải có các tính chất sau:
- Dẫn điện tốt, dẫn nhiệt tốt
- Có độ giãn dài cao, nhiệt độ nóng chảy cao.
Vật liệu làm điện cực thường là đồng đỏ, đồng thau, molipden, volfram, bạc hay
kẽm có đường kính dây cắt thường từ 0,1  0,3mm. Dựa vào thành phần của dây cắt
người ta chia ra làm hai loại:

- Loại không có lớp phủ:
Dây cắt truyền thống sử dụng trong máy cắt dây EDM là một kim loại đơn thành
phần như đồng đỏ, đồng thau và molipden. Đồng đỏ được sử dụng đầu tiên vì nó có
tính dẫn điện cao và dễ chế tạo thành những dây có đường kính nhỏ. Sau này dây đồng
đỏ được thay thế bằng đồng thau để cải thiện tốc độ gia công. Vì tác dụng làm nguội
của Zn và sự tạo thành ôxít kẽm có xu hướng giảm sự đứt dây. Hàm lượng Zn cao hơn
cho phép điện áp servo thấp hơn do đó khó tạo sự ngắn mạch.
- Loại dây có lớp phủ:
Các dây cắt có lớp phủ có độ bền kéo cao và độ thoát nhiệt cao trong quá trình
gia công. Lớp phủ có thể là kẽm, ôxýt kẽm, graphit, đồng đỏ với lõi là đồng thau…
Phủ kẽm cải thiện đáng kể khả năng cho sục chất điện môi hơn dây đồng thau không
phủ.

a)

b)

c)

Hình 1.22 Dây cắt có lớp phủ đường kính 0,25mm phóng đại 200 lần
a. Dây lõi hợp kim đồng có độ bền cao phủ đồng thau.
b. Dây lõi hợp kim đồng có độ bền cao phủ hợp kim kẽm chữa 50% kẽm.
c. Dây lõi đồng thau phủ kẽm.

BG: Các phương pháp gia công đặc biệt

-21-


Chương 1

Bảng 1.5 Đường kính và khối lượng dây cắt
Đồng đỏ, bạc, kẽm
Đường kính dây
cắt (mm)

Khối lượng,
(g)

0,05
0,07
0,1
0,12
0,15
0,17
0,2
0,22
0,25
0,27
0,6

200
300
400
500
600
700
800
900
1000

1100
1200

Đồng thau
Đường kính dây
cắt
(mm)
0,05
0,07
0,1
0,12
0,15
0,17
0,2
0,22
0,25
0,27
0,6

Khối lượng
(g)
100
150
200
250
300
350
400
450
500

550
600

Hình 1.23 Cuộn dây cắt
1.3.2.3. Chất điện môi và cách sử dụng
Chất điện môi và sự sục rửa có các chức năng sau:
- Cách ly khe hở gia công trước khi một lượng lớn năng lượng được tích lũy và
tập trung năng lượng phóng điện vào một vùng nhỏ.
- Khôi phục điều kiện khe hở mong muốn bằng cách làm lạnh khe hở và khử ion
hóa.
- Rửa trôi phoi ra khỏi vùng gia công, làm nguội dây và làm nguội chi tiết gia
công.
1. Phương pháp sục chất điện môi:
Thông thường người ta sử dụng phương pháp ngâm hoặc phun.
Phương pháp ngâm dùng dòng chảy tuần hoàn tự nhiên khi chi tiết gia công được
nhấn chìm trong chất điện môi.
Trong phương pháp phun thì chất điện môi được đưa vào khe hở gia công nhờ
BG: Các phương pháp gia công đặc biệt

-22-