Nghiên cứu ảnh hưởng của khe hở tới độ chính xác kích thước của

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi.
Các số liệu, kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chƣa từng đƣợc ai
công bố trong bất kỳ công trình nào khác.

Tác giả

Trần Đình Minh

1


MỤC LỤC

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT....................................... 5
DANH MỤC CÁC BẢNG................................................................................... 6
DANH MỤC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ ....................................................................... 7
PHẦN MỞ ĐẦU .................................................................................................. 9
CHƢƠNG 1 : TỔNG QUAN VỀ PHƢƠNG PHÁP GIA CÔNG BẰNG TIA
LỬA ĐIỆN ......................................................................................................... 12
1.1.Lịch sử phƣơng pháp .................................................................................... 12
1.2. Phƣơng pháp gia công tia lửa điện .............................................................. 12
1.2.1. Bản chất vật lý ...................................................................................... 12
1.2.2.Cơ chế bóc kim loại bằng gia công tia lửa điện .................................... 16
1.3.Đặc điểm và khả năng công nghệ của gia công tia lửa điện ........................ 17
1.3.1.Đặc điểm của phƣơng pháp gia công tia lửa điện ................................. 17
1.3.2. Khả năng công nghệ của phƣơng pháp gia công tia lửa điện .............. 18
1.4. Các phƣơng pháp gia công tia lửa điện ....................................................... 18
1.4.1.Phƣơng pháp gia công xung định hình ................................................. 18
1.4.2.Phƣơng pháp gia công cắt dây tia lửa điện ........................................... 19

1.4.3. Các phƣơng pháp gia công tia lửa điện khác ....................................... 21
1.5.Các yếu tố ảnh hƣởng đến quá trình gia công tia lửa điện ........................... 23
1.5.1. Các yếu tố ảnh hƣởng đến quá trình gia công tia lửa điện ................... 23
1.5.2. Ảnh hƣởng của khe hở phóng điện  ................................................... 28
1.5.3. Ảnh hƣởng của điện dung C ................................................................ 30
1.5.4. Ảnh hƣởng của diện tích gia công F .................................................... 31
1.5.5. Ảnh hƣởng của sự ăn mòn điện cực ..................................................... 31
1.5.6. Các hiện tƣợng xấu khi gia công tia lửa điện ....................................... 32
1.5.7. Các yếu tố không điều khiển đƣợc ....................................................... 34
1.6. Chất điện môi trong gia công tia lửa điện ................................................... 35
1.6.1. Nhiệm vụ của chất điện môi................................................................. 35
2


1.6.2. Các loại chất điện môi .......................................................................... 37
1.6.3. Các tiêu chuẩn đánh giá chất điện môi ................................................ 37
1.6.4. Các loại dòng chảy chất điện môi và các lỗi của dòng chảy ............... 39
1.6.5. Hệ thống lọc chất điện môi .................................................................. 41
CHƢƠNG 2: MÁY CẮT DÂY VÀ CÁC THÔNG SỐ ĐIỀU CHỈNH TRONG
QUÁ TRÌNH GIA CÔNG ................................................................................. 43
2.1.Giới thiệu máy cắt dây tia lửa điện .............................................................. 43
2.1.1.Công dụng của máy cắt dây .................................................................. 44
2.1.2.Ƣu nhƣợc điểm của phƣơng pháp gia công cắt dây tia lửa điện ........... 44
2.2. Độ chính xác khi gia công cắt dây tia lửa điện ........................................... 45
2.3. Điện cực và vật liệu điện cực ...................................................................... 49
2.3.1. Yêu cầu của vật liệu điện cực .............................................................. 49
2.3.2. Các loại dây điện cực ........................................................................... 50
2.4. Sự thoát phoi trong cắt dây tia lửa điện. ..................................................... 50
2.5. Nhám bề mặt khi cắt dây. ............................................................................ 51
2.6. Các thông số về điện trong điều khiển máy cắt dây tia lửa điện ................ 52

2.6.1 Dòng phóng tia lửa điện Ie và bƣớc của dòng điện. .............................. 52
2.6.2. Độ kéo dài xung ti ................................................................................ 52
2.6.3. Khoảng cách xung to ............................................................................ 53
2.6.4. Điện áp đánh lửa Uz ............................................................................. 53
2.6.5. Khe hở phóng điện ............................................................................... 53
2.7. Lập trình gia công trên máy cắt dây ............................................................ 54
2.7.1. Các trục điều khiển và hệ tọa độ .......................................................... 54
2.7.2. Các chức năng “G” ............................................................................... 55
CHƢƠNG 3:

THIẾT KẾ THÍ NGHIỆM VÀ XỬ LÝ SỐ LIỆU ................... 67

3.1.Sơ đồ nghiên cứu quá trình cắt dây tia lửa điện ........................................... 67
3.1.1.Các đại lƣợng đầu vào ........................................................................... 68
3.1.2.Các đại lƣợng đầu ra ............................................................................. 69
3.1.3.Các đại lƣợng cố định ........................................................................... 69
3


3.1.4.Các đại lƣợng nhiễu .............................................................................. 70
3.2.Vật liệu thí nghiệm ....................................................................................... 70
3.2.1.Mẫu tiến hành thí nghiệm ..................................................................... 70
3.2.2.Vật liệu điện cực và chất điện môi ........................................................ 71
3.2.3.Các thông số cố định khác .................................................................... 72
3.3.Thiết bị thí nghiệm ....................................................................................... 72
3.4.Xây dựng mô hình toán học ......................................................................... 74
3.5.Thiết kế thí nghiệm ...................................................................................... 75
3.6. Xử lý số liệu thực nghiệm ........................................................................... 78
3.6.1. Vật liệu 3X13 ở chế độ chƣa qua xử lý nhiệt ...................................... 78
3.6.2.Phân tích các mô hình toán học ............................................................ 79

KẾT LUẬN – KIẾN NGHỊ ............................................................................... 82
TÀI LIỆU THAM KHẢO .................................................................................. 84

4


DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT
NC
CNC
BQP
EDM
AEDG
MEDM
MWEDM
ISO

Numerical Control
Computer Numerical Control
Bộ Quốc Phòng
Electrical Discharge Machining
Abrasive Electrical Discharge Grinding
Micro Electrical Discharge Machining
Micro Wire Electrical Discharge Machining
International System Organization

5


DANH MỤC CÁC BẢNG
Bảng 2.1.Danh mục các mã G ......................................................................... 56

Bảng 2.2.Danh mục các mã M ........................................................................ 58
Bảng 2.3.Các lệnh dịch chuyển ....................................................................... 62
Bảng 3.1. Bảng thông số kỹ thuật của máy cắt dây GS40B ........................... 72
Bảng 3.2.Tính năng kĩ thuật của máy Beyond crystaC544............................. 73
Bảng 3.3.Đầu đo tay MH20I ........................................................................... 73
Bảng 3.4.Cảm biến chạm TP-20 ..................................................................... 73
Bảng 3.5.Bảng mã hóa các điểm thực hiện thí nghiệm................................... 76
Bảng 3.6.Bảng kết quả thí nghiệm: ................................................................. 77
Bảng 3.7.Bảng tính toán độ chính xác công thức thực nghiệm ...................... 81

6


DANH MỤC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ

Hình 1.1:Sơ đồ nguyên lý gia công tia lửa điện. ............................................. 12
Hình 1.2: Pha I - Sự đánh lửa. ......................................................................... 13
Hình 1.3: Pha II - Sự hình thành kênh phóng điện. ........................................ 13
Hình 1.4: Pha III - Sự hình thành và bốc hơi vật liệu. .................................... 14
Hình 1.5: Đồ thị điện áp và dòng điện trong một xung phóng điện. .............. 15
Hình 1.6: Mối quan hệ giữa năng suất Vw và độ kéo dài xung ti .................... 25
Hình 1.7: Mối quan hệ giữa độ mòn điên cực tƣơng đối θ và độ kéo dài xung ti
......................................................................................................................... 26
Hình 1.8: Mối quan hệ giữa chiều cao nhấp nhô bề mặt Ra và độ kéo dài xung ti
......................................................................................................................... 26
Hình 1.9: Ảnh hƣởng của độ kéo dài xung ti và khoảng cách xung t0 đến lƣợng
hớt vật liệu. ...................................................................................................... 28
Hình 1.10: Mối quan hệ giữa hệ số công suất ap và hệ số điện tích η ............ 30
Hình 1.11: Ảnh hƣởng của điện dung C tới năng suất hớt vật liệu Vw. .......... 30
Hình 1.12: Ảnh hƣởng của diện tích vùng gia công F đến năng suất Vw ....... 31

Hình 1.13: Hiện tƣợng hồ quang điện. ............................................................ 32
Hình 1.14: Hiện tƣợng ngắn mạch sụt áp........................................................ 33
Hình 1.15: Hiện tƣợng xung mạch hở ............................................................. 34
Hình 1.16: Dòng chảy bên ngoài..................................................................... 39
Hình 1.17: Dòng chảy áp lực .......................................................................... 40
Hình 2.1.Sơ đồ máy cắt dây. ........................................................................... 43
Hình 2.2.Sự cân bằng về lực khi cắt thẳng và sai số hình học khi cắt góc. .... 48
Hình 2.3.Các trƣờng hợp khó khăn đối với dòng chảy đồng trục................... 51
Hình 2.4.Khe hở phóng điện trong gia công cắt dây tia lửa điện. .................. 51
Hình 2.5.Khe hở phóng điện trong gia công cắt dây tia lửa điện. .................. 61
Hình 3.1.Khe hở A trong quá trình cắt dây tia lửa điện..................................67
7


Hình 3.2.Sơ đồ nghiên cứu quá trình cắt dây tia lửa điện bằng thực nghiệm . 68
Hình 3.3.Mẫu tiến hành thí nghiệm ............................................................... 71
Hình 3.4.Đồ thị điện áp và dòng điện trong một xung phóng điện ................ 75
Hình 3.5.Sơ đồ quy hoạch thực nghiệm với 3 thông số công nghệ (Ui, Ie, te)..77
Hình 3.6.Mối quan hệ giữa năng suất gia công V và U, I, t khi gia công thép
3X13 ở chế độ thƣờng ..................................................................................... 79

8


PHẦN MỞ ĐẦU
1. Lý do chọn đề tài
Các chi tiết máy có độ chính xác, chất lƣợng bề mặt và độ bền cao là cơ
sở cho sự ra đời của các loại thiết bị máy móc, thiết bị hiện đại, chất lƣợng cao.
Tại Việt Nam trong những năm gần đây do có sự hòa nhập sâu rộng với nền
kinh tế thế giới nên đòi hỏi các sản phẩm cơ khí phải đạt đƣợc các tiêu chuẩn

quốc tế để đủ sức cạnh tranh trên thị trƣờng. Trong nền công nghiệp quốc phòng
Việt Nam hiện nay việc sản xuất ra các sản phẩm vũ khí, khí tài đáp ứng yêu cầu
chiến tranh hiện đại là một đòi hỏi tất yếu. Máy móc thiết bị hiện đại đã đƣợc
trang bị ở hầu hết các cơ sở sản xuất. Việc chọn chế độ gia công hợp lý là một
trong những yếu tố quan trọng để đảm bảo chất lƣợng và hạ giá thành sản phẩm.
Những thông tin khoa học phần lớn mang tính lý thuyết và định hƣớng, để
có các thông tin mang tính định lƣợng, chi tiết cụ thể có thể áp dụng vào thực tế
sản xuất của doanh nghiệp thì ta phải làm rất nhiều thí nghiệm, tốn nhiều thời
gian và tiền bạc nên rất khó để các trung tâm nghiên cứu trong và ngoài nƣớc
công bố. Hiện nay cũng có rất nhiều tài liệu, sổ tay với các số liệu từ các công
trình nghiên cứu cũ nhƣng không chứa đủ thông tin do điều kiện thí nghiệm
khác xa với công nghệ hiện nay. Để có đủ cơ sở dữ liệu mang tính định lƣợng về
chế độ công nghệ có thể áp dụng trong sản xuất tại đơn vị thì cần thiết phải làm
thực nghiệm với thiết bị công nghệ hiện có.
Trong những năm gần đây ngành cơ khí Việt Nam nói chung và các cơ sở
công nghiệp quốc phòng nói riêng đều đƣợc đầu tƣ các máy gia công hiện đại
điều khiển theo chƣơng trình số (NC, CNC) nhƣ máy tiện, máy phay, đặc biệt là
công nghệ gia công bằng tia lửa điện …
Trong quá trình gia công cắt dây tia lửa điện, việc nghiên cứu ảnh hƣởng
của các thông số công nghệ: Điện áp U, cƣờng độ dòng điện I, tần số F đến khe
hở mạch cắt có vai trò rất quan trọng, ảnh hƣởng trực tiếp tới độ chính xác kích

9


thƣớc gia công. Nó liên quan đến chất lƣợng cũng nhƣ khả năng làm việc của
sản phẩm.
Xuất phát từ những đặc điểm tình hình trên tác giả chọn đề tài “ Nghiên
cứu ảnh hưởng của khe hở tới độ chính xác kích thước của quá trình cắt dây tia
lửa điện”.

2. Đối tƣợng nghiên cứu và phƣơng pháp nghiên cứu.
Đối tƣợng nghiên cứu của đề tài là quá trình cắt dây bằng tia lửa điện Đối
tƣợng gia công là thép 3X13 có chiều dầy 10mm đã đƣợc nhiệt luyện độ cứng
đạt 56- 60HRC. Các thông số công nghệ đƣợc đặt theo các chế độ có trên thiết
bị, các kết quả đƣợc hiển thị trên máy tính của thiết bị và đƣợc đo kiểm tại
phòng Kiểm nghiệm của công ty cơ khí 17.
Thiết bị đo là thiết bị đo độ nhám của hãng Mitutoyo- Nhật Bản.
Đề tài đƣợc thực hiện bằng phƣơng pháp nghiên cứu lý thuyết kết hợp với thực
nghiệm:
- Nghiên cứu cơ sở lý thuyết.
- Tiến hành thí nghiệm và xử lý số liệu thí nghiệm.
- Phân tích và đánh giá kết quả.
3. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài
3.1 Ý nghĩa khoa học
- Xác định đƣợc ảnh hƣởng của một số yếu tố công nghệ chính tới khe hở, cũng
nhƣ độ chính xác kích thƣớc của quá trình gia dây tia lửa điện.
3.2 Ý nghĩa thực tiễn
- Các kết quả nghiên cứu sẽ đƣợc ứng dụng vào thực tiễn trong sản xuất tại
Công ty cơ khí 17 để chế tạo các bộ khuôn dập cắt hình. Các kết quả này chỉ áp
dụng đƣợc trong các điều kiện gia công cụ thể tƣơng tự nhƣ điều kiện nghiên
cứu. Với kết quả này sẽ giúp cho việc gia công các chi tiết sẽ nhanh hơn cũng
nhƣ tăng đƣợc độ chính xác gia công, từ đó làm giảm giá thành sản phẩm tăng
sức cạnh tranh trên thị trƣờng.

10


Để hoàn thành luận văn này tôi xin bầy tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới thầy
giáo TS. Nguyễn Chí Hƣng về sự quan tâm, tận tình hƣớng dẫn và tạo mọi điều
kiện để tôi nghiên cứu vào hoàn thành luận văn này.

Tôi cũng chân thành cảm ơn Ban Giám đốc, Xí nghiệp 3- 17, Phòng Kiểm
nghiệm công ty cơ khí 17- BQP, đã tạo điều kiện giúp đỡ cũng nhƣ cho phép tôi
thực hiện các nghiên cứu và ứng dụng các kết quả đó vào thực tế sản xuất của
công ty. Rất mong các kết quả nghiên cứu này sẽ đóng góp một phần nhỏ trong
việc nâng cao chất lƣợng, giảm giá thành sản phẩm của công ty tăng sức cạnh
tranh trên thị trƣờng

11


CHƢƠNG 1 : TỔNG QUAN VỀ PHƢƠNG PHÁP GIA CÔNG BẰNG TIA
LỬA ĐIỆN

1.1.Lịch sử phƣơng pháp
Năm 1943, thông qua các nghiên cứu về tuổi bền của các thiết bị phóng điện,
hai vợ chồng ngƣời Nga Lazarenko đã tìm ra phƣơng pháp gia công bằng tia lửa
điện. Dƣới 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 tƣợng phóng điện của các
nhà khoa học đã làm cho công nghệ gia công tia lửa điện có những bƣớc phát
triển lớn trong những năm gần đây và đã ra đời thêm một số phƣơng pháp gia
công “lai” theo phƣơng pháp gia công tia lửa điện.
1.2. Phƣơng pháp gia công tia lửa điện
1.2.1. Bản chất vật lý
Thực chất của phƣơng pháp gia công tia lửa điện là sự tách vật liệu ra khỏi bề
mặt phôi nhờ năng lƣợng của quá trình phóng điện giữa hai điện cực. Sơ đồ
nguyên lý của phƣơng pháp gia công bằng tia lửa điện đƣợc mô tả ở hình 1.1:
1

2

3

1. Điện cực.

(-)

2. Chất điện môi.

4

3. Khe hở giữa điện
cực và phôi.
4. Phôi.
(+)

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

12


Quá trình tách vật liệu ra khỏi bề mặt phôi đƣợc hình thành nhƣ sau:
Một điện áp đƣợc đặt vào giữa điện cực và phôi, không gian giữa hai điện
cực đƣợc 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 tƣợng phóng điện, một dòng điện
đƣợc 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 lƣợng làm nóng chảy rồi đốt cháy lớp
vật liệu trên bề mặt phôi, tạo nên vết gia công. Chu kỳ phóng điện diễn ra theo

ba pha nhƣ sau:
Pha I: Pha đánh lửa:
Điện áp khởi động giữa điện
cực và phôi (đóng điện áp máy
phát ui). Dƣới sự tác động của
điện trƣờng, từ cực âm (điện
cực) bắt đầu phát ra các điện tử

u

u
t

i

(electron) và chúng bị hút về

u
t

i

t

i

Hình 1.2: Pha I - Sự đánh lửa.

phía cực dƣơng (phôi), mật độ
electron tăng gây ra 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 trƣờng 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
đƣợc hình thành và sự phóng tia
lửa điện bắt đầu xảy ra.
Pha II: Sự hình thành kênh
phóng điện:
u

u
t

i

Hình 1.3:

13

i

u
t

i

Pha II - Sự hình thành kênh phóng điện

t

Ở thời điểm phóng điện, điện áp bắt đầu giảm, số lƣợng các phần tử dẫn
điện (các electron và các ion dƣơng) tăng lên dữ dội và bắt đầu xuất hiện một
dòng điện chạy qua các điện cực. Dòng điện này cung cấp một năng lƣợng
khổng lồ làm cho dung dịch 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 nhƣng 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
phoi

là một chất khí có
chứa các điện tử và

u

u
t

i

i

plasma

u
t

i

t

các ion dƣơng ở áp
suất cao và nhiệt độ

Hình 1.4:

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

cực lớn (áp suất khoảng 1 kbar và nhiệt độ khoảng 10.0000C). Khi kênh plasma
đƣợc 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 liệu anot/catot. Chất
điện môi bao quanh kênh plasma và tạo ra một sự tập trung năng lƣợng cục bộ,
mặt khác sự va chạm của các electron lên phôi và các ion dƣơng lên điện cực
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 lƣợng sau:
- td là thời gian trễ thuộc khoảng thời gian cho phép chất điện môi ion hoá
và hình thành kênh phóng điện.
14


- 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 đƣợc gọi là thời gian ngắt xung t0. Chính trong thời gian ngắt xung t0
phoi đƣợc vận chuyển ra khỏi vùng khe hở phóng điện.

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
15


- 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 đƣợc 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 lƣợng điện và đặc tính của chất điện môi. Quán tính cơ của
chất điện môi đã cản trở sự bành trƣớng 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 lƣợng càng tăng (lƣợng 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 lƣợng điện thành
nhiệt năng tại các điểm, còn đƣợc 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 dƣơng di chuyển đến catốt và nung nóng các điểm trên catốt. Tuy nhiên, do
khối lƣợng của các ion dƣơng 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
dƣơng sẽ bị ăn mòn nhanh hơn nhiều so với điện cực âm. Chính vì vậy ngƣời ta
bố trí phôi là cực dƣơng. 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.
1.2.2.Cơ chế bóc kim loại bằng gia công tia lửa điện
Trƣớc hết, muốn tách vật liệu ra khỏi phôi thì phải có năng lƣợng bóc tách
vật liệu We. Theo giáo sƣ Lierath [I]:
We = Ue.Ie.te (Jun)
16


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 dƣơng và dòng các ion dƣơng chạy
tới điện cực âm. Tuy nhiên do khối lƣợng của các ion dƣơng lớn hơn nhiều lần
so với khối lƣợng electron cho nên tốc độ của các electron lớn hơn nhiều lần so
với tốc độ của các ion dƣơng. Vì vậy thực chất dòng điện do các ion dƣơng
chuyển động về cực âm là rất nhỏ so với dòng các electron chuyển động về cực
dƣơng. Do đó có thể bỏ qua dòng điện do sự chuyển động của các ion dƣơng
gây ra. Do tốc độ của các electron lớn hơn nhiều lần so với các ion dƣơng nên
mật độ các electron tập trung tại cực dƣơng cao hơn nhiều so với mật độ của ion
dƣơng 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 dƣơng.

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 nhƣng nhiệt độ của chất
lỏng giữa hai điện cực lại không tụt nhanh nhƣ 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 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.
1.3.Đặc điểm và khả năng công nghệ của gia công tia lửa điện
1.3.1.Đặc điểm của phƣơng pháp gia công tia lửa điện
Phƣơng pháp gia công tia lửa điện có các đặc điểm nhƣ sau:
- Điện cực (đóng vai trò là dụng cụ cắt) có độ cứng thấp hơn nhiều so với
vật liệu phôi. Vật liệu điện cực thƣờng là đồng, grafit v.v...
- Vật liệu dụng cụ và vật liệu phôi đều phải có tính chất dẫn điện tốt.

17


- Gia công đƣợc vật liệu có độ cứng thấp và cả các loại vật liệu có độ cứng
rất cao nhƣ 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 đƣợc thực hiện trong môi trƣờng chất lỏng đƣợc gọi là
chất điện môi. Đây là dung dịch không dẫn điện ở điều kiện làm việc bình
thƣờng.
Phƣơng pháp gia công tia lửa điện có nhiều ƣu điểm nhƣ đã nêu nhƣng
năng suất thƣờng không cao.
1.3.2. Khả năng công nghệ của phƣơng pháp gia công tia lửa điện
Phƣơng pháp gia công tia lửa điện có thể tạo đƣợc 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 tƣơng đối cao (Ra = 1,25 µm ÷ 5 µm) và độ chính xác kích thƣớc

tới 3 µm
1.4. Các phƣơng pháp gia công tia lửa điện
1.4.1.Phƣơng pháp gia công xung định hình
1.4.1.1.Bản chất của phương pháp
Phƣơng pháp gia công xung định hình là phƣơng pháp dùng các điện cực đã
đƣợc tạo hình sẵn để in hình (âm bản) của nó lên bề mặt phôi. Phƣơng pháp này
đƣợc dùng để chế tạo khuôn có hình dạng phức tạp, các khuôn ép định hình,
khuôn ép nhựa, khuôn đúc áp lực, lỗ không thông ...
1.4.1.2. Ưu, nhược điểm của phương pháp xung định hình
Phƣơng pháp xung định hình có các ƣu nhƣợc điểm nhƣ sau:
a. Ưu điểm:
- Gia công đƣợc vật liệu có độ cứng thấp và vật liệu có độ cứng rất cao.

18


- Gia công đƣợc 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 đƣợc các vật liệu là kim loại, không gia công đƣợc vật liệu
phi kim.
Phạm vi ứng dụng
Phƣơng pháp xung định hình thƣờng đƣợc sử dụng trong các trƣờng hợp sau:
- Sử dụng đƣợc trong chế tạo cơ khí chính xác.
- Chế tạo khuôn mẫu phục vụ các ngành sản xuất nhựa, đúc áp lực v.v…
1.4.2.Phƣơng pháp gia công cắt dây tia lửa điện
Bản chất của phương pháp

Phƣơng pháp gia công cắt dây tia lửa điện là phƣơng pháp dùng một dây
dẫn điện có đƣờng kính nhỏ (0,1 – 0,3mm) cuốn liên tục và chạy theo một biên
dạng (contour) định trƣớc (lập trình) để tạo thành mạch cắt trên phôi. Phƣơng
pháp này thƣờng dùng để gia công các lỗ thông suốt có biên dạng phức tạp nhƣ
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 dƣỡng kiểm
v.v…
Ưu, nhược điểm của phương pháp
Phƣơng pháp cắt dây tia lửa điện có các ƣu, nhƣợc điểm nhƣ sau:
a. Ưu điểm
Phƣơng pháp cắt dây tia lửa điện có các ƣu điểm sau:
- Độ chính xác kích thƣớc 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.
19


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 đƣợc vật liệu có
độ cứng bất kỳ. Điều này hạn chế rủi ro gặp phải khi gia công những chi tiết có
giá trị cao so với gia công bằng các phƣơng pháp cắt gọt truyền thống rồi mới
xử lý nhiệt luyện.
b. Nhược điểm:
Bên cạnh những ƣu điểm trên phƣơng pháp gia công cắt dây tia lửa điện cũng
có những nhƣợc điểm sau:
- Phôi và dụng cụ đều phải dẫn điện, do đó chỉ gia công đƣợc các vật liệu
kim loại.
- Do nhiệt độ tại vùng gia công rất cao nên dễ gây biến dạng nhiệt.
- Đối với phôi gia công có chiều dày lớn (> 100 mm) hoặc trong trƣờng
hợp chất điện môi bị bẩn thì việc bơm chất điện môi vào vùng gia công sẽ

rất khó khăn. Do đó chất điện môi cần đƣợc bơm vào với áp suất cao, điều
này gây ra các rung động cho điện cực dẫn tới giảm độ chính xác gia
công.
- Trong điều kiện gia công bình thƣờng không thể dùng điện cực nhiều lần
do khi đã sử dụng điện cực bị mòn dẫn đến sai số cho quá trình cắt. Để
khắc phục tình trạng này ngƣời ta có thể sử dụng dây cắt một lần để gia
công các chi tiết cần độ chính xác cao hoặc sử dụng dây đã đƣợc phủ, mạ
một lớp kim loại đặc biệt để có thể sử dụng nhiều lần.
- Dây điện cực có kích thƣớc nhỏ (từ 0,1  0,3 mm), vật liệu dây thƣờng có
độ bền kéo thấp nên trong quá trình gia công (đặc biệt khi gia công các
chi tiết có chiều dày lớn) thì dây điện cực sẽ bị uốn cong làm ảnh hƣởng
tới độ chính xác gia công. Thậm chí có thể bị đứt dây dẫn đến sai số gia
công và giảm năng suất gia công.
- Các chỉ tiêu công nghệ của quá trình này phụ thuộc vào thông số xung
điện, hằng số vật liệu, chiều dày chi tiết gia công, tính chất của chất điện
môi, vật liệu dây điện cực, hƣớng và tốc độ cuốn dây điện cực v.v...
20


Phạm vi ứng dụng
Do đặc điểm của thiết bị là dây điện cực phải có chuyển động dọc trục liên
tục giữa các con lăn nên phƣơng pháp gia công cắt dây tia lửa điện chủ yếu đƣợc
dùng để gia công các sản phẩm sau:
- Chế tạo các điện cực chính xác cho gia công xung định hình
- Gia công các rãnh hẹp, gấp khúc trong các chi tiết của thiết bị điện tử.
- Chế tạo các chi tiết có độ chính xác cao, tham gia vào các mối lắp ghép có
độ dôi của các bộ phận chính của các khuôn dập, khuôn đúc áp lực và các loại
dƣỡng kiểm.
- Chế tạo chi tiết có rãnh của xanga (chấu kẹp đàn hồi), bề mặt làm việc của
các dao định hình, các lỗ nhỏ trong các chi tiết đặc biệt v.v…

- Gia công các chi tiết bằng vật liệu thép đã nhiệt luyện, các kim loại khó
gia công, các hợp kim quý hiếm cần hạn chế lƣợng dƣ gia công.
- Ngoài ra, ngày nay phƣơng pháp gia công cắt dây tia lửa điện còn đƣợc
dùng để chế tạo các đĩa ly hợp bằng hợp kim cứng, dƣỡng calip, dƣỡng cối,
dƣỡng chày phức tạp, các chày đột lỗ của lƣới có độ chính xác cao v.v…
1.4.3. Các phƣơng pháp gia công tia lửa điện khác
Ngoài hai phƣơng pháp gia công chủ yếu trên, ngày nay trên thế giới còn có
một số phƣơng pháp gia công sử dụng nguyên lý gia công bằng tia lửa điện nhƣ
sau:
- Gia công tia lửa điện dạng phay (Milling EDM)
Gia công tia lửa điện dạng phay là phƣơng pháp sử dụng một điện cực
chuẩn, hình trụ quay để thực hiện ăn mòn tia lửa điện theo kiểu phay. Sử dụng
phƣơng pháp này để gia công các hình dáng phức tạp không cần phải chế tạo
điện cực phức tạp mà sử dụng điện cực chuẩn sau đó điều khiển cho điện cực cắt
theo chƣơng trình. Hiện nay trên thế giới đã xuất hiện thế hệ mới các máy gia
công tia lửa điện có gắn các động cơ tuyến tính cho các bàn trƣợt và đầu điện
cực. Điều đó giúp cho trục Z chuyển động tịnh tiến lên xuống với tốc độ cao tạo
21


ra hiệu ứng bơm hút - đẩy làm cho các phoi nhỏ li ti ở khe hở thành hốc dễ thoát
ra ngoài mà không cần vòi sục rửa, phƣơng pháp này đƣợc ứng dụng trong
trƣờng hợp gia công hốc sâu và đòi hỏi hình dáng hốc chính xác cao.
- Gia công EDM kết hợp với rung siêu âm (Ultrasonic Aided EDM)
Gia công EDM kết hợp với rung siêu âm là phƣơng pháp hớt vật liệu bằng
tia lửa điện trong đó điện cực dụng cụ đƣợc rung động với tần số rung bằng tần
số siêu âm. Điện cực rung động với tần số siêu âm tạo điều kiện thoát phoi dễ
dàng giúp nâng cao khả năng công nghệ và tăng đáng kể năng suất gia công khi
gia công các lỗ nhỏ và siêu nhỏ.
- Mài kết hợp với gia công tia lửa điện (AEDG)

Mài kết hợp với gia công tia lửa điện là phƣơng pháp gia công trong đó vật
liệu đƣợc bóc tách nhờ tác dụng kết hợp của ăn mòn tia lửa điện và gia công cắt
gọt bằng hạt mài.
- Gia công xung định hình các lỗ siêu nhỏ (hay bắn lỗ tia lửa điện)(MEDM)
Gia công xung định hình lỗ siêu nhỏ là một dạng xung định hình đặc biệt
trong đó điện cực có kích thƣớc nhỏ đƣợc quay với tốc độ lớn (tới 10.000
vòng/ph). Phƣơng pháp này dùng để gia công các lỗ siêu nhỏ với độ chính xác
rất cao.
- Cắt dây tia lửa điện bằng điện cực dây có đường kính siêu nhỏ (MWEDM)
Cắt dây tia lửa điện siêu nhỏ là phƣơng pháp cắt dây sử dụng điện cực
Tungsten, Wolfram có đƣờng kính dây nhỏ dƣới 10m. Phƣơng pháp này dùng
để gia công cắt dây các lỗ siêu nhỏ có kích thƣớc từ 0,11mm trên các vật liệu
khó gia công, các chi tiết có chiều dày mỏng v.v… hoặc dùng trong công nghệ
chế tạo các chi tiết bán dẫn.
- Xung định hình với 2 điện cực quay
Xung định hình với 2 điện cực quay là phƣơng pháp sử dụng một điện cực
quay để ăn mòn một phôi quay. Khi phối hợp chuyển động của điện cực và phôi
sẽ tạo ra các hình dạng chi tiết khác nhau theo yêu cầu. Phƣơng pháp này là
phƣơng pháp gia công siêu chính xác và độ bóng siêu cao.
22


1.5.Các yếu tố ảnh hƣởng đến quá trình gia công tia lửa điện
1.5.1. Các yếu tố ảnh hƣởng đến quá trình gia công tia lửa điện
Khác với những phƣơng pháp gia công cắt gọt truyền thống, phƣơng pháp
gia công bằng tia lửa điện bên cạnh các tham số công nghệ nhƣ cặp vật liệu điện
cực - phôi, sự đấu cực, điều kiện dòng chảy chất điện môi v.v... thì tham số điều
khiển về xung nhƣ thời gian, điện áp, dòng điện cũng đóng vai trò rất quan trọng
đối với năng suất và đặc biệt là đối với chất lƣợng bề mặt gia công. Các tài liệu
nghiên cứu đã đƣa ra các kết luận và đã trở thành các kiến thức cơ bản về gia

công tia lửa điện. Điện áp xung Ue có tác động đến lƣợng bóc tách vật liệu, là
hằng số vật lý phụ thuộc vào cặp vật liệu điện cực – phôi. Dòng xung Ie ảnh
hƣởng lớn nhất đến năng suất, độ mòn điện cực và chất lƣợng bề mặt gia công.
Ie càng lớn thì năng suất hớt vật liệu VW càng lớn, chiều cao nhấp nhô bề mặt gia
công càng tăng và độ mòn điện cực càng giảm. Giá trị trung bình Ie có thể đọc
trên bảng điều khiển điện trong suốt quá trình gia công. Ở một số máy xung định
hình, Ie thƣờng đƣợc thể hiện theo bƣớc dòng diện. Phụ thuộc vào kiểu máy, Ie
đƣợc điều chỉnh theo 18 hoặc 21 bƣớc, thay đổi nằm trong khoảng từ 0,5A 
80A, trong đó các bƣớc nhỏ đƣợc chọn để gia công tinh, bƣớc lớn để gia công
thô.
Thời gian xung ti và khoảng ngắt xung t0 cũng là những tham số điều khiển
có ảnh hƣởng đáng kể đến chất lƣợng bề mặt gia công. Vấn đề là thời gian xung
ti lớn thì có lợi cho năng suất do lƣợng hớt vật liệu cao, tuy nhiên bề mặt gia
công lại thô (tƣơng tự xảy ra với t0 nhỏ). Ngoài ra, nếu khoảng thời gian ngắt
xung t0 quá nhỏ, có thể chất điện môi sẽ không đủ thời gian để thôi ion hoá,
phần tử vật liệu bóc tách do điện và nhiệt không kịp đƣợc đẩy ra khỏi vùng khe
hở, điều đó có thể gây nên các lỗi phóng điện nhƣ ngắn mạch, hồ quang, các lỗ
gia công bị ngậm xỉ v.v…
Các đặc tính về điện chính là các thông số điều chỉnh quan trọng nhất của
quá trình gia công. Mỗi máy phát của thiết bị gia công tia lửa điện đều có nhiệm
23


vụ là cung cấp năng lƣợng làm việc cần thiết. Máy phát hiện đại của một thiết bị
gia công tia lửa điện là một máy phát xung tĩnh. Loại máy này có ƣu điểm là dễ
điều chỉnh các thông số công nghệ khi gia công. Với mỗi trƣờng hợp gia công
cụ thể phải điều chỉnh các thông số công nghệ sao cho điện cực mòn ít nhất,
năng suất gia công cao nhất trên cơ sở đảm bảo chất lƣợng bề mặt gia công theo
yêu cầu. Muốn vậy, tất cả các thông số của quá trình gia công phải đƣợc lựa
chọn hợp lý. Các thông số đó bao gồm:

- Điện áp đánh tia lửa điện Ui :
Điện áp đánh tia lửa điện là điện áp cần thiết để có thể tạo ra hiện tƣợng
phóng điện, điện áp đánh lửa Ui càng lớn thì phóng điện càng mạnh và cho phép
khe hở phóng điện càng lớn.
- Thời gian trễ đánh lửa td :
Thời gian trễ đánh lửa td là khoảng thời gian từ lúc đóng máy phát tới lúc bắt
đầu xuất hiện sự phóng điện. Ngay khi đóng điện máy phát, chƣa xảy ra hiện
tƣợng phóng điện. Điện áp đƣợc duy trì ở giá trị của điện áp đánh lửa Ui, dòng
điện bằng “0”. Sau một thời gian trễ td mới xảy ra sự phóng tia lửa điện, dòng
điện từ giá trị “0” tăng vọt lên giá trị Ie.
- Điện áp phóng tia lửa điện Ue :
Điện áp phóng tia lửa điện Ue là điện áp trung bình trong suốt quá trình
phóng điện. Ue là hệ số vật lý phụ thuộc vào cặp vật liệu điện cực-phôi. Ue
không điều chỉnh đƣợc. Khi bắt đầu xảy ra phóng tia lửa điện thì điện áp Ui tụt
xuống đến giá trị Ue.
- Dòng phóng tia lửa điện Ie :
Dòng phóng tia lửa điện là giá trị trung bình của dòng điện từ khi bắt đầu
phóng ra tia lửa điện đến khi ngắt điện. Khi bắt đầu phóng điện dòng điện tăng
từ 0 đến Ie kèm theo sự bốc cháy kim loại. Theo các nghiên cứu trƣớc đây thì Ie
có ảnh hƣởng lớn nhất đến ăn mòn vật liệu, độ ăn mòn điện cực và đến chất
lƣợng bề mặt gia công. Nhìn chung, Ie càng tăng thì tốc độ hớt vật liệu tăng, độ
nhám gia công lớn nhƣng độ ăn mòn điện cực giảm.
24


- Độ kéo dài xung ti :
Độ kéo dài xung ti là khoảng thời gian giữa hai lần đóng ngắt của máy phát
trong cùng một chu kỳ phóng tia lửa điện. Độ kéo dài xung ti ảnh hƣởng đến
nhiều yếu tố quan trọng có liên quan trực tiếp đến chất lƣợng và năng suất gia
công nhƣ:

+ Tỷ lệ hớt vật liệu:
Vw (mm3/ph)
5000
1000

100
50

10
5
10

50 100

500 1000

5000 ti (s)

Hình 1.6: Mối quan hệ giữa năng suất Vw và độ kéo dài xung ti
Thực nghiệm cho thấy khi giữ nguyên dòng điện Ie và khoảng cách xung t0,
nếu tăng độ kéo dài xung ti thì ban đầu năng suất hớt vật liệu Vw tăng nhƣng chỉ
tăng đến giá trị cực đại ứng với giá trị độ kéo dài xung ti nhất định nào đó sau đó
năng suất hớt vật liệu Vw giảm đi, nếu vẫn tiếp tục tăng độ kéo dài xung ti thì
năng lƣợng phóng điện không còn đƣợc sử dụng để hớt vật liệu phôi mà nó lại
làm tăng nhiệt độ của các điện cực và dung dịch chất điện môi. Mối quan hệ
giữa năng suất hớt vật liệu Vw với độ kéo dài xung ti đƣợc biểu thị ở hình 1.6.
+ Độ mòn điện cực:
Độ mòn tƣơng đối  của điện cực sẽ giảm đi khi độ kéo dài xung ti tăng
thậm chí cả sau khi đạt lƣợng hớt vật liệu cực đại. Nguyên nhân do mật độ điện
tử tập trung ở bề mặt phôi (cực dƣơng) cao hơn nhiều lần so với mật độ ion

25