Nghiên cứu ảnh hưởng của một số yếu tố công nghệ tới chất lượng bề mặt chi tiết gia công bằng phương pháp tia lửa điện xung định hình

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
--------------------------------------NGUYỄN TRẦN QUANG TRUNG

NGHI ÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA MỘT SỐ YẾU TỐ CÔ NG NGHỆ TỚI
CHẤT LƯỢNG BỀ MẶT CHI TIẾT GIA CÔNG BẰNG PH ƯƠNG PHÁP
TIA LỬA ĐIỆN XUNG ĐỊNH HÌNH

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC
NGÀNH: CÔNG NGHỆ CƠ KHÍ

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC :
PGS.TS T ĂNG HUY

HÀ NỘI – 2010


Lời cam đoan
Tôi xin cam đoan rằng đây là công trình nghiên cứu luận văn khoa học của
tôi. Các kết quả nghiên cứu đợc đo đạc tính toán là hoàn toàn chính xác và trung
thực, cha đợc công bố ở bất cứ một công trình nào khác.

Tác giả

Nguyễn Trần Quang Trung

2


Mục lục
Mục

Nội dung

Trang

Trang bìa

1

Lời cam đoan

2

Mục lục

3

Danh mục các thuật ngữ, ký hiệu, từ viết tắt .

7

Danh mục các bảng biểu .

10

Danh mục các hình vẽ, đồ thị .

11

Mở đầu

14

Chơng 1 : Tổng quan về gia công tia lửa điện

18

1.1

Đặc điểm của phơng pháp gia công bằng tia lửa điện..

18

1.1.1

Những đặc điểm chính của phơng pháp gia công bằng tia lửa

18

điện .
1.1.2

Khả năng công nghệ của phơng pháp gia công bằng tia lửa

19

điện.
1.2

Các phơng pháp gia công bằng tia lửa điện.

19

1.2.1

Gia công xung định hình.

21

1.2.1.1

Điện áp đánh lửa Uz .

22

1.2.1.2

Thời gian đánh lửa trễ td.

23

1.2.1.3

Điện áp phóng tia lửa điện Ue.

23

1.2.1.4

Dòng phóng tia lửa điện Ie.

23

1.2.1.5

Thời gian phóng tia lửa điện te.

23

1.2.1.6

Thời gian xung ti.

23

1.2.1.7

Khoảng cách xung t0.

23

1.3

Hớng nghiên cứu của đề tài.

24

1.4

Kết luận chơng 1.

26

3


Chơng 2 - nghiên cứu bản chất của phơng pháp
gia công tia lửa điện.

27

2.1

Bản chất vật lý và cơ chế hớt kim loại bằng tia lửa điện.

27

2.2

Thiết bị và hệ điều khiển gia công tia lửa điện.

32

2.2.1

Máy phát xung.

33

2.2.2

Hệ thống dịch chuyển điện cực.

33

2.3

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

34

2.3.1

Các yếu tố có thể điều khiển.

34

2.3.1.1

Các đại lợng điện.

34

2.3.1.2

ảnh hởng của khe hở phóng điện .

38

2.3.1.3

ảnh hởng của điện dung C.

40

2.3.1.4

ảnh hởng của diện tích vùng gia công F.

41

2.3.2

Các yếu tố liên quan trong quá trình gia công tia lửa điện.

41

2.3.2.1

Độ nhám bề mặt .

41

2.3.2.2

Độ cứng lớp bề mặt gia công .

43

2.3.2.3

Lợng hớt vật liệu gia công.

44

2.3.2.4

Khe hở phóng tia lửa điện.

48

2.3.2.5

Vật liệu phôi.

49

2.3.2.6

Vật liệu điện cực.

51

2.3.2.7

Chất điện môi.

55

2.3.2.8

Các loại dòng chảy chất điện môi.

58

2.4

Kết luận chơng 2.

62

Chơng 3 - hệ thống thí nghiệm đánh giá chất
lợng bề mặt trong gia công bằng tia lửa điện.

77

3.1

Thiết kế thí nghiệm .

77

3.1.1

Các giới hạn khi thiết kế thí nghiệm.

77

4

3.1.2

Điều kiện thực hiện thí nghiệm.

77

3.2

Các thông số thí nghiệm.

78

3.3

Các thiết bị dùng trong quá trình thí nghiệm.

82

3.3.1

Phôi thí nghiệm.

82

3.3.2

Thiết bị thực hiện thí nghiệm.

83

3.3.2.1

Máy xung HURCO SPARK 900.

83

3.3.2.2

Mô tả quá trình thực hiện thí nghiệm gia công trên máy.

87

3.3.3

Phơng pháp đo và hệ thống đo.

88

3.3.3.1

Thiết bị đo nhám.

89

3.3.3.2

Thiết bị đo lớp ảnh hởng nhiệt.

90

3.3.3.3

Phần mềm EDM-IMI1.0.

91

3.4

Khảo sát chất lợng và năng suất gia công.

92

3.4.1

ảnh hởng đơn của các yếu công nghệ.

92

3.4.1.1

ảnh hởng của dòng điện xung.

92

3.4.1.2

ảnh hởng của thời gian xung.

93

3.4.1.3

ảnh hởng của khoảng cách xung.

94

3.4.2

ảnh hởng của yếu tố phi công nghệ.

96

3.4.2.1

ảnh hởng của vật liệu.

96

3.4.2.2

ảnh hởng của dòng dung dịch sục.

97

3.4.2.3

ảnh hởng của Timer-Dwell và Timer-Lift.

98

3.5

Kết luận chơng 4.

101

Chơng 4 - Mô hình hoá quá trình gia công bằng

103

tia lửa điện

4.1

Mô hình định tính của quá trình xung định hình.

104

4.2

Mô hình toán học.

108

4.2.1

Kiểm tra tính đồng nhất của thí nghiệm.

108

5


4.2.2

Các bớc tiến hành quy hoạch thực nghiệm.

109

4.2.3

Lựa chọn và phân tích mô hình thông kê.

109

4.3

Kết kuận chơng 4.

117

kết luận chung

118

Tóm tăt luận văn tiếng việt
Tóm tắt luận văn tiếng anh

123

tài liệu tham khảo.
phụ lục

6


Danh mục
các thuật ngữ, ký hiệu, các từ viết tắt

Stt

Ký hiệu

1

AEDG

a2

CAD

Computer Aided Design.

3

CAM

Computer Aided Manufacturing

4

CIM

Computer Integrated Manufacturing

5

CNC

Computer Numerical Control.

6

EDM

Electrical Discharge Machining.

7

EPS

Easy Productivity System.

8

FMS

Flexible Manufacturing Systems.

9

MEDM

10

NC

11

WEDM

12

MWEDM

13

Uz

14

td

Thời gian đánh lửa trễ.

15

Ue

Điện áp phóng tia lửa điện.

16

Ie

Dòng phóng tia lửa điện.

17

te

Thời gian phóng tia lửa điện (TIME ON).

18

t0

Khoảng cách xung (TIME OFF).

19
20

Diễn giải Nội dung đầy đủ
Abrasive Electrical Discharge Grinding.

Micro Electrical Discharge Machining.
Numerical Control.
Wire Electrical Discharge machining.
Micro Wire Electrical Discharge machining.

Điện áp đánh lửa.

Timer Dwell Thời gian dừng điện cực ở vị trí khe hở sau loạt xung.
Timer - lift

Thời gian nhấc điện cực giữ ở vị trí ngoài khu vực công
tác.

21

Vo

Độ mòn điện cực.

22

Vw

Lợng tách vật liệu phôi.

23



Độ mòn tơng đối của điện cực.

7


24

25

We

Năng lợng tách vật liệu.

26

ap

Hệ số công suất.

27



Hệ số tích điện.

28

C

Điện dung tụ điện .

29

Cgh

Điện dung giới hạn.

30

Uopt

Điện áp tối u.

31

F

Diện tích vùng gia công .

32

Fgh

Diện tích vùng gia công tới hạn.

33

Q

Điện tích của tụ.

34

R

Chiều cao nhấp nhô .

35

z

Chiều sâu ảnh hởng nhiệt.

36

Htổng:

37

Hm

38



39

hc(z)

40

W

Năng lợng phóng tia lửa điện.

41

m

Nhiệt độ nóng chảy của vật liệu ( 0 C ).

42

E

Độ bền ăn mòn.

43



Hệ số dẫn nhiệt.

44

Tm

Nhiệt độ nóng chảy.

45

TS

Trở va đập nhiệt.

46



ứng suất gẫy .

47

à

Số poisson.

48



Hệ số giãn nở nhiệt.

49



Mô dun Biot (không đơn vị).

50

EVbez

51

cw

Khe hở phóng điện .

Nhiệt lợng tổng.
Nhiệt lợng tiêu hao.
Khối lợng riêng (g/cm3).
Chiều sâu vết lõm.

Năng lợng bốc hơi riêng (j/mm3).
Nhiệt năng riêng (kJ/kg grd).

8


52

Θv

NhiÖt ®é s«i vËt liÖu (oC).

53

ΘS

NhiÖt ®é ch¶y vËt liÖu (oC).

54

ξ

Tû träng vËt liÖu(g/cm3).

9


Danh mục các bảng biểu

Số bảng

Nội dung bảng biểu

2.1

So sánh độ bền mỏi giữa phơng pháp phay và phơng
pháp gia công tia lửa điện.

2.2

Vật liệu sử dụng làm điện cực trong EDM.

3.1

Phân lọai nhám theo VDI 3400.

4.1

Các điều kiện cố định trong thí nghiệm gia công EDM.

4.2

Tham số và mức điều khiển trong thực nghiệm EDM.

4.3

Đặc tính của các loại thép đợc chọn làm thí nghiệm.

4.4

Bảng TN ảnh hởng của hai tham số timer-dwell và timerlift đến chất lợng bề bặt gia công.

4.5

Đặc tính của máy sung Hurco Spark 900.

4.6

Bảng đánh giá tỉ lệ phần trăm ảnh hởng của timer-dwell
và timer-lift đến chất lợng bề mặt.

4.7

Bảng tổ hợp ảnh hởng của các thông số công nghệ đến
năng suất và chất lợng bề mặt.

5.1

Bảng trực giao tổng quát với 7 tham số điều khiển , theo
Taguchi 18.

5.2

Bảng thông số công nghệ của thí nghiệm theo Taguchi 18.

5.3

Bảng quy hoạch thực nghiệm theo 2 thông số Ie và ti.

5.4

Bảng thông số thực nghiệm đối với độ nhám.

5.5

Bảng các tham số mô hình thống kê.

5.6

Bảng ma trận Ln() các tham số tối u.

10

trang


Danh mục các hình vẽ , đồ thị

Số

Nội dung hình vẽ, đồ thị

hình
1.1

Dạng xung điển hình trong gia công EDM.

1.2

Sơ đồ mục tiêu nghiên cứu của đề tài.

2.1

Sơ đồ nguyên lí gia công tia lửa điện.

2.2

Các chuyển biến pha trong quá trình phóng tia lửa điện.

2.3

Tỉ lệ hớt vật liệu ở anốt và catốt trong thời gian xung.

2.4

Cơ chế hớt kim loại bằng tia lửa điện.

2.5

Mối quan hệ giữa Vw & ti.

2.6

Mối quan hệ giữa & ti.

2.7

Mối quan hệ giữa Rmax & ti.

2.8

ảnh hởng của to đến năng suất gia công.

2.9

ảnh hởng của khe hở phóng tia lửa điện .

2.10

Đồ thị quan hệ - ap.

2.11

ảnh hởng của điện dung C.

2.12

ảnh hởng của diện tích vùng gia công F

2.13

ảnh hởng của Ui&C.

2.14

ảnh hởng của ti dến Rmax.

2.15

Tác dụng của EDM lên độ cứng bề mặt.

2.16

Nguồn nhiệt lý tởng trong EDM.

2.17

Biến thiên của chiều sâu vết lõm z và thể tích Vc phụ thuộc vào
t d.

2.18

Biến thiên của thể tích vết lõm theo td với các mức năng lợng.

2.19

Tác dụng của vết nứt đến tốc độ hớt vật liệu.

2.20

Tác dụng lực chu kỳ của dòng dung dịch điện môi lên tốc độ hớt

11

trang


vật liệu.
2.21

Phạm vi vật liệu ứng dụng gia công tia lửa điện.

2.22

Biểu đồ sử dụng chất điện môi.

2.23

Dòng dung dịch sục dạng chảy bên ngoài.

2.24

Dòng chảy áp lực qua phôi.

2.25

Dòng chảy áp lực qua điện cực.

2.26

Dòng chảy hút qua điện cực.

2.27

Dòng chảy hút qua phôi.

2.28

Dòng chảy phối hợp.

3.1

Mô hình cấu trúc tế vi lớp bề mặt trong EDM.

3.2

Chuẩn bề mặt căn cứ theo VDI-3400.

3.3

Các lớp tế vi bề mặt và độ cứng tế vi.

3.4

Kết quả đo lực khởi nguyên từ kênh Plasma.

3.5

ảnh chụp kim tơng tổ chức tế vi bề mặt.

3.6

Đồ thị phần vật liệu.

3.7

Cấu truc vĩ mô

4.1

Mẫu phôi thí nghiệm.

4.2

Máy HurcoSpark900EDM.

4.3

Các thành phần của hệ thống HURCO-900.

4.4

Sơ đồ gá mẫu thí nghiệm.

4.5

Đo độ nhám trên thiết bị quang học BM11

4.6

Sơ đồ nguyên lý hoạt động của hệ thông đo lớp ảnh hởng nhiệt

4.7

Kính hiển vi điện tử AXIOVERT-100A

4.8

Kết cấu tế vi mẫu thí nghiệm - vật liệu C45.

4.9

Kết cấu tế vi của mẫu thí nghiệm 1,2,3.

4.10

ảnh hởng của dòng sục đến chất lợng bề mặt .

4.11

Bề mặt bị phá hỏng khi timer-dwell = 0.

5.1

Mô hình hoá quá trình gia công xung định hình.

5.2

Mô hình Hộp đen quá trình xung định

12


Mở đầu

Trong thiên niên kỷ thứ 3, thiên niên kỷ mà nền khoa học công nghệ sẽ phát
triển nhanh khó đoán trớc đợc diễn biến, nguồn tài nguyên thiên nhiên trở nên
khan hiếm, nguồn lực và môi trờng trở thành mối quan tâm của mỗi quốc gia, các
vấn đề của nền kinh tế tri thức đợc bàn và thống kê cha đủ tính hệ thống, thì sự
thừa nhận công nghệ gia công kim loại luôn là nền tảng của mọi ngành công nghiệp
đã thúc ép phải có nhiều đầu t nghiên cứu về các quá trình gia công kim loại hơn
nữa. Tiếp theo, để có thể tự động hoá, linh hoạt hoá một quá trình gia công kim loại,
việc nghiên cứu ảnh hởng của các yếu tố công nghệ đến các quá trình đó, đặc biệt
đến chất lợng và độ chính xác gia công là không thể thiếu đợc. Gia công kim loại
bằng tia lửa điện cũng không nằm ngoại lệ.
Đợc xem là phơng pháp hữu hiệu gia công các loại vật liệu cứng, siêu cứng,
lâu mòn hoặc gia công các hốc, các đờng biên, các vật thể có hình dáng hình học
phức tạp, khó hoặc không thể gia công đợc bằng các phơng pháp cắt gọt thông
thờng, gia công bằng tia lửa điện là phơng pháp đợc sử dụng rộng rãi nhất trong
nhóm công nghệ gia công không truyền thống.
Vào những năm 50 của Thế kỷ XX, thiết bị gia công tia lửa điện thơng mại đã
có mặt trên thị trờng thế giới. Đến năm 1980, kỹ thuật điều khiển số và tự động hoá
đã tạo cho phơng pháp gia công tia lửa điện một sự chuyển biến đáng kể về mặt
công nghệ. Những năm gần đây, nhiều phơng pháp lai, trên cơ sở kết hợp nguyên
lý gia công tia lửa điện với các phơng pháp gia công cơ, khai thác lợi thế của từng
phơng pháp thành phần đã tạo nên những kỹ thuật hớt kim loại mới trên cơ sở công
nghệ gia công bằng tia lửa điện.
1- Tính cấp thiết của đề tài.
Là một phơng pháp gia công kim loại, công nghệ gia công bằng tia lửa điện
với những u điểm nổi trội, đã và đang đợc sử dụng rộng rãi để thay thế một số quá

trình gia công truyền thống trong nhiều ngành công nghiệp khác nhau nh công
nghiệp hàng không vũ trụ, điện tử, công nghiệp dợc liệu, công nghiệp dân
dụng.và đặc biệt là trong ngành chế tạo khuôn - mẫu.

13


Mặc dù phơng pháp gia công tia lửa điện đã đợc sử dụng rộng rãi, nhng quá
trình ăn mòn tia lửa điện vẫn đợc coi là còn nhiều yếu tố cha rõ khi phân tích
khảo sát theo phơng pháp giải tích. Điều đó thể hiện rằng những tác động liên quan
đến tia lửa điện đợc phóng ra trong quá trình gia công cha đợc hiểu biết đầy đủ.
Vấn đề nâng cao chất lợng chi tiết và năng suất gia công mặc dù đã tiêu tốn nhiều
công sức của các nhà nghiên cứu trên thế giới trong một thời gian dài đến nay vẫn
còn là vấn đề thời sự.
Các thông số công nghệ, các thông số điều chỉnh máy nh: điện áp xung , dòng
xung điện, thời gian xung, thời gian nghỉ , thời gian dừng điện cực tại vị trí gia công,
thời gian nhấc dừng điện cực tại vị trí ngoài vùng gia công trên các máy xung
nhập từ nớc ngoài đã đợc các hãng sản xuất tích hợp và cài đặt sẵn trên máy. Điều
đó đã gây khó khăn cho ngời sử dụng lựa chọn hoặc giải các bài toán tối u chế độ
công nghệ gia công bằng tia lửa điện trong điều kiện sản xuất cụ thể.
Các thông số đặc trng cho chất lợng bề mặt tuy đã đợc nghiên cứu nhng
mới tập trung nhiều vào độ chính xác kích thớc, độ nhám bề mặt , trong khi các
yếu tố khác nh chiều sâu lớp biến cứng, lớp ảnh hởng nhiệt, nứt tế vi bề mặt
cha đợc nghiên cứu đầy đủ.
Nhằm tìm hiểu thêm về công nghệ gia công tia lửa điện và xem xét đánh giá
các yêu tố ảnh hởng, nâng cao năng suất, chất lợng và hạ giá thành sản xuất, với
sự gợi ý của PGS.TS Tăng Huy,Bộ môn Công nghệ chế tạo máy- Viện cơ khí
ĐHBK Hà nội thì tác giả đã lựa chọn đề tài:
Nghiên cứu ảnh hởng của một số yếu tố công nghệ tới chất lợng bề mặt
chi tiết gia công bằng phơng pháp tia lửa điện xung định hình .

2- Đối tợng và phơng pháp nghiên cứu.
Nghiên cứu ảnh hởng của một số yếu tố công nghệ đến chất lợng chi tiết
đợc gia công bằng xung điện định hình (EDM) trên máy xung Hurco Spark 900 tại
Viện máy và dụng cụ công nghiệp (IMI).
+ Điện cực đồng thau.
+ Vật liệu gia công gồm 3 loại : thép C45 thờng, thép C45 nhiệt luyện, thép
hợp kim CM55

14


Các thông số công nghệ đợc nghiên cứu bằng thực nghiệm , các kết quả thí
nghiệm trên mẫu đợc đo đạc và xử lý bằng các thiết bị đo và phần mềm chuyên
dụng, hiện đại tại các phòng thí nghiệm của Trờng đại học Bách khoa Hà nội và
Viện IMI.
3- ý nghĩa của đề tài
+ Đánh giá đợc ảnh hởng của các yếu tố công nghệ đến chất lợng bề mặt
chi tiết khi gia công bằng xung điện trong điều kiện gia công cụ thể, đặc biệt có xét
đến ảnh hởng của các yếu tố phi công nghệ nh diện tích bề mặt, chiều sâu gia
công, dung dịch chất điện môi và một số thông số điều chỉnh máy khác.
+ Thiết lập đợc mô hình toán học tạo điều kiên tối u hoá các thông số công
nghệ trong gia công xung định hình
+ Kết quả nghiên cứu của đề tài là cơ sở cho các hớng nghiên cứu mở rộng,
nâng cao hơn trong công nghệ gia công bằng tia lửa điện nhằm nâng cao chất lợng
và năng suất gia công.
5- Cấu trúc luận án.
Nội dung luận án đợc chia thành 5 chơng , cuối luận án là kết luận chung và
kiến nghị cho hớng nghiên cứu tiếp theo, cụ thể gồm:
Phần mở đầu.
Chơng 1- Tổng quan về gia công bằng tia lửa điện.

Chơng 2- Nghiên cứu bản chất của phơng pháp gia công tia lửa điện.
Chơng 3- Hệ thống thí nghiệm nghiên cứu ảnh hởng của các yếu tố công nghệ
đến chất lợng bề mặt trong gia công bằng tia lửa điện.
Chơng 4: Mô hình thực nghiệm, đánh giá kết quả thực nghiệm khi gia công bằng
tia lửa điện
Kết luận chung, kiến nghị hớng nghiên cứu tiếp theo.
Tài liệu tham khảo.
Phần phụ lục

15


Chơng 1
Tổng quan về gia công tia lửa điện

Nguyên lý tác động ăn mòn vật liệu kim loại bởi tia lửa điện và cấu trúc cơ sở
của quá trình đã đợc biết cách đây gần 200 năm khi nhà nghiên cứu khoa học tự
nhiên ngời Anh Joseph Priestley trong thí nghiệm của mình ông đã nhận thấy hiệu
quả của sự ăn mòn vật liệu bởi sự phóng tia lửa điện (1733-1809). Vợ chồng
Lazarenko ngời Nga (1940s) đã khái quát hoá hiện tợng nêu trên thành công nghệ
gia công qua một loạt thí nghiệm sử dụng các mạch điện trở - tụ điện để thu đợc
tác động phóng điện hớt vật liệu kim loại khi mỗi lần cho điện cực dụng cụ tiến gần
đến điện cực phôi. Từ đó đến nay quá trình hớt vật liệu trong gia công tia lửa điện
vẫn đợc coi là rất phức tạp, liên quan đến khoảng cách khe hở phóng tia lửa điện
trong môi trờng chất điện môi, đến thông tin về kênh Plasma và sự hình thành cầu
phóng tia lửa điện giữa điện cực phôi và điện cực dụng cụ , đến sự ăn mòn vật liệu
trên hai điện cực vv.. . Lợi thế gia công và tính phức tạp về hiện tợng vật lý của quá
trình gia công bằng tia lửa điện đã thu hút nhiều nhà khoa học quan tâm nguyên cứu
để hoàn thiện bản chất của quá trình, phát triển các phơng pháp gia công lai, cải
tiến phát triển thiết bị nhằm mục đích năng cao chất luợng cũng nh năng suất gia

công của phơng pháp này.
1.1- Đặc điểm của phơng pháp gia công bằng tia lửa điện.
Gia công kim loại và hợp kim bằng tia lửa điện là một trong các phơng pháp
gia công bằng phóng điện ăn mòn trên cơ sở tác dụng nhiệt của xung điện đợc tách
thành do sự phóng điện giữa hai điện cực, trong đó điện cực âm là điện cực dụng cụ
còn điện cực dơng là chi tiết gia công.
1.1.1- Đặc điểm chính của phơng pháp gia công bằng tia lửa điện.
+ Chỉ gia công đợc các loại vật liệu dẫn điện.
+ Khả năng gia công không phụ thuộc vào độ cứng của vật liệu gia công mà
phụ thuộc vào các thông số nhiệt, điện của nó.
+ Dụng cụ gia công không yêu cầu có độ cứng cao hơn vật liệu gia công.

16


+ Chế độ gia công thay đổi đợc trong phạm vi rộng, từ thô đến tinh.
+ Điện cực dụng cụ bị mòn nhanh.
1.1.2- Khả năng công nghệ của phơng pháp gia công bằng tia lửa điện
Phơng pháp gia công bằng tia lửa điện có thể tạo đợc các mặt định hình
đờng thẳng, mặt định hình không gian, các rãnh định hình.... Có thể đạt đợc độ
chính xác từ cấp 8 đến cấp 9 và độ nhám Ra = 5 ữ1.25 àm, đôi khi trong trờng hợp
đặc biệt có thể đạt tới 0.32àm.
Chất lợng và năng suất gia công tỷ lệ nghịch với nhau và phụ thuộc vào vật
liệu gia công, vật liệu làm dụng cụ, chất điện môi và chế độ gia công.
u điểm của phơng pháp gia công tia lửa điện là nó không chỉ gia công đợc
các vật liệu cứng, mà chất lợng bề mặt đạt đợc cũng rất cao. Ví dụ độ nhám Rmax
khi gia công kim loại bằng tia lửa điện có thể đạt 2 3 àm, kim loại đã tôi cứng có
thể đạt tới 1 àm , bề mặt gia công dễ mài bóng hơn .
So với các phơng pháp gia công cắt gọt truyền thống, gia công tia lửa điện
rất phù hợp với công nghệ chế tạo khuôn mẫu và chế tạo dụng cụ đo. Bởi vì bề mặt

của khuôn mẫu và dụng cụ đo có yêu cầu độ nhám cần thiết là Ra=1,5ữ5àm, tơng
đơng với cấp độ K24ữK30 theo VDI 3400 (Ra=1,6ữ5,15 àm). Nếu độ nhám thấp
hơn, khả năng hớt vật liệu sẽ giảm, tơng ứng thời gian gia công sẽ tăng đáng kể .
1.2- Các phơng pháp gia công bằng tia lửa điện
Hiện nay với sự phát triển của khoa học kỹ thuật thì công nghệ gia công bằng
tia lửa điện có rất nhiều phơng pháp tuy nhiên phải kể tới hai phơng pháp cơ bản
là: xung định hình (EDM) và phuơng pháp cắt bằng điện cực dây (WEDM) .
Ngày nay nhiều phơng pháp lai ứng dụng tia lửa điện cũng đang đợc nghiên
cứu và phát triển trên thế giới, bao gồm:
+ Gia công tia lửa điện dạng phay (Milling EDM) là phơng pháp sử dụng
điện cực chuẩn, hình trụ quay để thực hiện ăn mòn tia lửa điện theo kiểu phay. Hốc
khuôn đợc hình thành bởi sự đi xuống liên tục của điện cực tới độ sâu yêu cầu. Tỉ
lệ hớt vật liệu tơng đơng với gia công xung định hình. Đặc điểm của phơng pháp

17


này là khi chi tiết gia công có hình dáng phức tạp thì thay vì phải chế tạo điện cực
dụng cụ phức tạp theo phôi ngời ta đã sử dụng điện cực chuẩn để giảm giá thành
chế tạo, tuy nhiên gía thành của hệ điều khiển của máy lại cao hơn do phải điều
khiển chuyển động quỹ đạo điện cực.
+ Phủ bằng tia lửa điện (EDD) là phơng pháp sử dụng hiệu quả ăn mòn tia
lửa điện để phủ các bánh mài sau thời gian sử dụng nghiền cơ các vật liệu rắn. Trong
quá trình này, bánh mài phải có tính dẫn điện. Bánh mài kim cơng liên kết kim loại
thờng đợc làm theo phơng pháp này. Đặt điện áp xung vào giữa điện cực và bánh
mài, trong bánh mài tia lửa điện sinh ra sẽ bóc tách các cạnh sắc trên bánh mài. Quá
trình này cũng đợc sử dụng để chế tạo bánh mài có hình dáng đặc biệt.
+ Gia công EDM rung siêu âm (ultrasonic Aided EDM) là phơng pháp hớt vật
liệu bằng tia lửa điện kết hợp với việc rung điện cực dụng cụ (theo phơng di chuyển
của điện cực) với tần số rung bằng tần số siêu âm. Sự rung siêu âm giúp tăng cờng

độ ổn định gia công và tăng đáng kể tốc độ gia công khi khoan lỗ nhỏ hoặc siêu
nhỏ.
+ Mài mòn bằng phóng tia lửa điện (Abrasive Electrical Discharge GrindingAEDG) là phơng pháp lai, trong đó vật liệu đợc tách bởi tác dụng kết hợp của ăn
mòn tia lửa điện và mài cơ khí , phơng pháp này dùng trong gia công các loại vật
liệu siêu cứng. Phơng pháp này đặc biệt hữu hiệu để mài vật liệu kim cơng đa tinh
thể. Sự phóng tia lửa điện giúp tăng cờng tốc độ tách vật liệu và mài cơ tạo nên một
bề mặt tinh và mịn.
+ Gia công xung định hình siêu nhỏ (MEDM), là dạng xung định hình đặc biệt,
trong đó điện cực đợc quay với vận tốc tới 10.000 vòng/phút, đờng kính điện cực
nhỏ có thể đến 5 àm. Phơng pháp này cho phép chế tạo các lỗ siêu nhỏ hoặc có
hình dạng rất phức tạp trong công nghệ chế tạo máy với các vật liệu siêu dẫn. Điện
cực dùng trong MEDM đợc chế tạo theo phơng pháp gia công tia lửa điện chuyên
dụng khác nh mài kết hợp cắt dây WEDG. Kích thớc lỗ gia công theo xung siêu
nhỏ MEDM thờng từ 25àm đến 250 àm và với độ chính xác 1àm ữ 2 àm. Gia
công MEDM thờng đợc thực hiện với sự trợ giúp của kính hiển vi điện tử.

18


+ Cắt dây tia lửa điện siêu nhỏ (MWEDM) là phơng pháp cắt dây sử dụng dây
điện cực tungsten, đờng kính dây nhỏ dới 10àm. Phơng pháp MWEDM chủ yếu
đợc sử dụng trong gia công các chi tiết kích thớc nhỏ 0,1 ữ1mm , vật liệu khó gia
công, chiều dầy nhỏ vv.... hoặc dùng trong công nghệ gia công chế tạo các chi tiết
bán dẫn. Thiết bị này sử dụng một hệ thống chuyển động dây đặc biệt, máy phát
xung và hệ thống giám sát MWEDM có khả năng phân tích và điều khiển các chức
năng bên ngoài.
+ Gia công tia lửa điện theo kiểu đê chắn (Mole EDM) là một quá trình đặc
biệt, có khả năng gia công các đờng cong hoặc một đờng xuyên kín qua phôi.
Hình dáng của các máy Mole EDM tơng tự với một thanh có thể uốn cong và một
hệ thống nhận dạng, ghi nhớ hình dạng đợc sử dụng nh là bộ kích thích. Việc

nhận dạng đờng hầm gia công đợc sử dụng bằng sóng siêu âm. Phơng pháp này
do bộ phận kỹ thuật trờng đại học Tổng hợp Tokyo và hãng Mitsubishi Electric
Corporation - Nhật bản nghiên cứu phát triển.
+ Xung định hình với hai điện cực quay là phơng pháp sử dụng một điện cực
quay để ăn mòn một phôi quay, tạo ra những hình dạng chi tiết khác nhau khi phối
hợp các vị trí tơng đối giữa hai điện cực cũng nh vận tốc góc của điện cực và phôi.
Bằng cách giữ tốc độ góc của hai trục trùng nhau, các nhà phát triển phơng pháp
này cho rằng độ chính xác gia công đờng spiral với sai số đờng kính nhỏ hơn
0.0004mm, độ không tròn nhỏ hơn 0.002mm và độ nhám Ra đạt đợc 0.063àm.
Nhằm có đợc những nghiên cứu về bản chất của công nghệ gia công bằng tia
lửa điện, trong khuôn khổ đề tài này tác giả chỉ nêu tổng quan phơng pháp gia
công bằng tia lửa điện là phơng pháp xung định hình (EDM)
1.2.1- Gia công xung định hình.
Gia công tia lửa điện dùng điện cực định hình, có hình không gian bất kỳ,
in hình âm bản của điện cực dụng cụ vào phôi trong quá trình gia công tạo thành
một lòng khuôn đợc gọi là phơng pháp xung định hình (EDM).
Đặc tính điện của sự phóng tia lửa điện

19


Sơ đồ hình 1.1 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.

Ue

Ui

U

td

ti

t

to

tp

Ie

I

te

Trong đó:
te: Thời gian kéo dài xung
td: Thời gian trễ đánh lửa
ti: Thời gian kéo dài xung máy
phát
to: khoảng cách xung.
tp : Chu kỳ xung.
Ui: điện áp mở máy
Ue: điện áp phóng tia lửa điện
Ie: dòng phóng tia lửa điện

t

Hình1.1-Xung điển hình trong gia công EDM

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 xảy ra phóng tia lửa điện.
Đặc tính điện là các thông số điều chỉnh quan trọng trong quá trình gia công
bằng phơng pháp xung định hình, bao gồm:
1.2.1.1- Điện áp đánh lửa Uz : điện áp cần thiết để dẫn đến sự phóng tia lửa điện là
điện áp đặt giữa phôi và điện cực dụng cụ khi máy phát đóng điện. Tia lửa điện
phóng và khe hở phóng điện là hàm số tỉ lệ thuận của Uz
1.2.1.2- Thời gian đánh lửa trễ td: là khoảng thời gian từ lúc đóng điện máy phát đến
khi có sự phóng tia lửa điện, trong thời gian ( td) này điện áp duy trì ở mức Uz và
dòng bằng zero.
1.2.1.3- Điện áp phóng tia lửa điện Ue: khi bắt đầu phóng tia lửa điện, điện áp sụt từ
Uz xuống Ue và là giá trị trung bình trong suốt thời gian phóng tia lửa điện. Ue là
hằng số vật lí phụ thuộc cặp vật liệu phôi- điện cực, là giá trị không điều chỉnh đợc.
1.2.1.4- Dòng phóng tia lửa điện Ie: là giá trị trung bình của dòng từ khi bắt đầu
phóng tia lửa điện đến khi ngắt điện. Khi bắt đầu phóng tia lửa điện, dòng điện từ

20


zero tăng nhanh đến giá trị Ie kèm theo sự đốt cháy. Ie ảnh hởng lớn nhất đến lợng
bóc tách vật liệu (Vw) , độ mòn điện cực (Vo) và chất lợng bề mặt gia công (Ra). Vw
và Ra tỉ lệ thuận với Ie còn Vo thì ngợc lại.
1.2.1.5- Thời gian phóng tia lửa điện te: là khoảng thời gian từ khi bắt đầu phóng tia
lửa điện đến khi ngắt điện. Trong thời gian này dòng điện bằng Ie.
1.2.1.6- Thời gian xung ti: là khoảng thời gian giữa lần đóng và ngắt của máy phát
trong cùng một chu kỳ phóng tia lửa điện. ti là tổng của thời gian trễ đánh tia lửa

điện td và thời gian phóng tia lửa điện te. xung kế tiếp.
1.2.1.7- Khoảng cách xung t0: là khoảng thời gian nghỉ của máy phát, thể hiện
khoảng không điện giữa hai chu kỳ xung kế tiếp.
Đến nay đã có rất nhiều nghiên cứu và thực nghiệm đa ra mối quan hệ giữa
các đại lợng công nghệ và các kết luận về sự ảnh hởng của các đại lợng điện đến
chất lợng bề mặt gia công nh : Trong cùng điều kiện công nghệ gia công (cặp vật
liệu điện cực-phôi, chất điện môi, dòng chảy, cách đấu điện cực) thì lợng tách vật
liệu phôi (Vw ) tỉ lệ thuận với điện áp Ue, dòng Ie và thời gian phóng tia lửa điện te ;
Độ mòn điện cực (VE) thì ngợc lại. Và độ nhám bề mặt gia công (Ra) tỉ lệ thuận
với Ie , còn thời gian xung ảnh hởng đến tốc độ tách vật liệu, mòn điện cực và chất
lợng bề mặt gia công.

21


Chơng 2
nghiên cứu bản chất của
phơng pháp gia công tia lửa điện

2.1-

Bản chất vật lý và cơ chế hớt kim loại bằng tia lửa điện.

R

Điện cực
C

Phôi

Hình 2.1: Sơ đồ nguyên lý gia công tia lửa điện
Gia công bằng tia lửa điện đợc xếp vào nhóm gia công vật liệu nhờ nhiệt và
đợc định nghĩa là hớt vật liệu nhờ tia lửa điện. Nguyên lý gia công bằng tia lửa
điện đợc mô tả nh trên hình 2.1. Ngay từ khi bắt đầu hình thành phơng pháp gia
công tia lửa điện, đã có nhiều mô hình và lí thuyết mô tả cơ chế hớt kim loại đợc
phát triển.
Đến nay bản chất vật lí của hiện tợng này vẫn đợc công nhận là một quá
trình bóc tách với 3 giai đoạn: đánh lửa ; hình thành kênh phóng điện ; nóng chảy và
bốc hơi vật liệu. Chi tiết hơn, ngời ta chia quá trình phóng tia lửa điện thành 4 giai
đoạn: ion hoá ; hình thành kênh phóng điện, mở rộng kênh , nóng chảy và bốc hơi
vật liệu ứng với 4 pha mô tả sự tơng quan giữa điện áp và dòng điện trong một chu
kì xung phóng điện, đợc thể hiện trên hình 2.2. Nh vậy, khi đặt một điện áp đánh
lửa Ui vào cặp điện cực- phôi, áp chúng lại gần nhau trong môi trờng chất điện môi
đến khoảng khe hở đánh lửa sẽ có sự phóng tia lửa điện, khi đó một dòng điện Ie
xuất hiện tức

22


thời, kèm theo là sự bóc tách vật liệu điện cực.
Hiện tợng vật lí của quá trình này đợc giải thích nh sau:
Pha I: Dới ảnh hởng của điện trờng sinh ra bởi điện áp tại đôi cực, từ cực
âm (catốt) bắt đầu phát ra các điện tử, chúng bị hút về cực dơng. Trong vùng khe
hở làm việc đủ nhỏ, tại những vị trí đỉnh nhấp nhô gần nhau nhất của đôi điện cực,
chất điện môi bị ion hoá, hình thành dòng in on, di chuyển trong dung dịch điện
môi. Dòng điện trong pha này rất nhỏ, thờng dới 1àA. Khoảng thời gian kéo dài
pha I đợc gọi là thời gian trễ đánh lửa td , nó phụ thuộc không chỉ vào các tác động
của tham số điện để ion hoá mà còn phụ thuộc vào sự phân cực của cặp điện cực.
Pha II: Khi dòng điện tăng, dòng di chuyển ion tăng tốc, va chạm nhau dẫn đến
sinh ra các ion, các điện tử mới. Sự va đập của các ion, sự di chuyển điện tử đến

điện cực dơng, các ion đến điện cực âm hình thành một kênh plasma (là một hỗn
hợp, trong đó điện tử và ion dơng chiếm 2% lợng nguyên tử đã đợc ion hoá, còn
lại là nguyên tử trung gian) nối liền hai điện cực. Trong điều kiện phóng tia lửa điện
tối u, pha này tồn tại trong khoảng 10- 8 đến 10- 6 giây. Tại pha này đã có sự chuyển
đổi điện năng thành nhiệt năng, làm bốc hơi cục bộ chất điện môi tạo nên các bong
bóng hơi. áp suất trong bong bóng hơi đẩy chất lỏng điện môi sang hai bên, nhng
độ nhớt của chất điện môi cản lại đã hạn chế sự lớn lên của kênh plasma. Sự va
chạm của điện tử lên cực dơng và ion dơng lên cực âm làm nóng chảy các phần tử
vật liệu điện cực hình thành sự bóc tách vật liệu điện cực, tuy rất mỏng chỉ khoảng
5ữ10 àm. Sự chuyển tải tại pha này đợc thực hiện bởi các điện tử.
Pha III: Kênh plasma đợc mở rộng và hình thành hoàn chỉnh. Khi ấy sự truyền
năng lợng giữa điện cực dụng cụ và phôi dới áp suất cao và nhiệt độ cực lớn làm
nóng chảy vật liệu điện cực tơng ứng. Năng lợng này đợc xác định thông qua
dòng phóng tia lửa điện I e , thời gian phóng tia lửa điện te và điện áp qua khe hở
phóng tia lửa điện Ue.
Pha IV: Khi ngắt điện, kênh phóng điện biến mất, áp suất cũng đột ngột không
còn, các búi khí hơi nổ tung khiến các phần tử vật liệu nóng chảy của điện cực bất
ngờ bị đẩy ra khỏi vật liệu nền, gây ra sự hớt vật liệu kim loại.

23


ion hoá chất
điện môi

+

-

hình thành kênh

phóng điện

+

mở rộng kênh
phóng điện

-

+

-

nổ túi khí và
bóc tách

-

+

+

+

Điện áp

Thời gian
Dòng điện

Ue

Thời gian

Hình 2.2- Thể hiện các pha phóng tia lửa điện
Chu kỳ phóng tia lửa điện, để lại vết bóc tách vật liệu điện cực có thể tóm tắt
thông qua các đại lợng điện nh sau: tại thời gian trễ đánh lửa td, trờng điện từ là
lớn nhất (max). Nó đóng vai trò quan trọng trong việc ion hoá chất điện môi, hình
thành kênh phóng điện. Sự phóng điện thực hiện trong thời gian te (từ một vài às đến
vài trăm às) thuộc pha 2 và 3 (có nhiều tác giả coi đây là cùng một pha) làm kim
loại nóng chảy. Tổng của td và te gọi là thời gian xung ti. Dòng sục chất điện môi vận
chuyển phoi ra khỏi vùng khe hở phóng điện trong thời gian ngắt xung to. Chu kì
xung tp (= td+te+to ) đợc lặp lại cho đến khi gia công xong chi tiết yêu cầu.
Diễn biến trong quá trình hình thành và phóng tia lửa điện rất phức tạp, đến nay
vẫn đợc coi là cha rõ ràng. Những nghiên cứu lí thuyết để miêu tả qúa trình vật lí
trong một chu kì xung đơn đợc biết đến từ thời kì đầu là: lí thuyết nhiệt , sau đó

24


là Lí thuyết- trờng phát điện tử và tiếp theo là một số mô hình về quá trình
phóng tia lửa điện đợc xây dựng
Các nghiên cứu ở đây thờng đợc xây dựng cho cặp điện cực cụ thể. Nhận xét
chung của các nghiên cứu trên là: tại vùng lân cận các điện cực, plasma có nhiệt độ
rất cao từ 6.000 ữ10.0000C, tốc độ của dòng chuyển dịch điện tử và ion phụ thuộc
vào năng lợng điện và đặc tính của chất điện môi, có thể đạt đến 1000m/s. Quán
tính cơ của chất điện môi đã cản trở sự bành trớng của kênh Plasma làm cho áp
suất trong kênh có thể lớn hơn 100 Mpa.
Khoảng không của kênh Plasma càng hẹp thì mật độ năng lợng càng tăng (lợng
hớt vật 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 lợng điện thành nhiệt năng taị các điểm gọi là nguồn nhiệt. Các điện tử

cận Anôt di chuyển, dẫn nhiệt tới làm nóng chảy và bốc hơi vật liệu . Các Ion dơng
hớng đến catốt, nung nóng điểm vuông góc của catốt thuộc kênh Plasma. Tuy
nhiên, do khối lợng của ion dơng cao hơn điện tử khoảng 103 lần, nên chúng sẽ
tới catốt chậm hơn là điện tử tới anốt . Sự cơ động khác nhau của vật mang nhiệt dẫn
đến sự phân nhiệt khác nhau tại catốt và anôt, lúc này cực dơng nóng chảy rất
mạnh.
Sau đó lợng ion dơng tăng nhanh trong luồng di chuyển tổng. Chỉ trong
khoảng thời gian ngắn, tỉ lệ chia nhiệt đã trở nên cân bằng và với sự kéo dài thời
gian phóng tia, ion dơng gây nóng chảy và bốc hơi vật liệu catốt. Phân chia nhiệt
theo thời gian xung liên quan đến lợng hớt vật liệu điện cực catôt và anôt đợc thể
hiện trên hình 2.3 .
Kết thúc pha phóng điện, sự mất điện đột ngột đồng thời với sự tụt áp tạo chênh
lệch làm vỡ kênh Plasma và các túi khí . Lúc này lực và áp lực tạo nên bởi sự phá
vỡ nội lực của các kênh plasma làm bung các phần tử kim loại nóng chảy khỏi hốc
bề mặt nền. Lợng vật liệu bị hớt đi trên bề mặt của các điện cực phụ thuộc chính
vào quá trình chuyển đổi năng lợng nhiệt và cơ thẩm nhiệt. Bên cạnh quá trình
nóng chảy và bốc hơi vật liệu, sự phóng tia lửa điện còn gây nên ứng suất cảm ứng

25