(Luận văn thạc sĩ) Nghiên cứu xác định chế độ cắt tối ưu khi cắt dây tia lửa điện lỗ hình rãnh then thép 9CrSi đã qua tôi

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP

NGUYỄN THỊ HOA

NGHIÊN CỨU XÁC ĐỊNH CHẾ ĐỘ CẮT TỐI ƯU KHI
CẮT DÂY TIA LỬA ĐIỆN LỖ HÌNH RÃNH THEN
THÉP 9CrSi ĐÃ QUA TÔI

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC
CHUYÊN NGÀNH: KỸ THUẬT CƠ KHÍ

THÁI NGUYÊN, 2019

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN
1




LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan các số liệu và kết quả nêu trong Luận văn là trung thực và
chưa từng được ai công bố trong bất kỳ một công trình nào khác. Trừ các phần
tham khảo đã được nêu rõ trong Luận văn.
Tác giả

NGUYỄN THỊ HOA

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN
2

LỜI CẢM ƠN
Tác giả xin chân thành cảm ơn Thầy giáo – PGS.TS Vũ Ngọc Pi, người đã
hướng dẫn và giúp đỡ tận tình từ định hướng đề tài, tổ chức thực nghiệm đến quá
trình viết và hoàn chỉnh Luận văn.
Tác giả cũng chân thành cảm ơn TS. Đỗ Thị Tám, phòng KHCN và Hợp tác quốc tế
và Th.s Nguyễn Mạnh Cường, Ths. Lưu Anh Tùng, giảng viên khoa Cơ khí, Trường Đại
học Kỹ thuật Công nghiệp đã tận tình giúp đỡ tác giả trong quá trình thực hiện và phân
tích các kết quả thí nghiệm. Xin chân thành cám ơn sự hỗ trợ của Trường ĐH Kỹ thuật
Công nghiệp, ĐH Thái Nguyên thông qua đề tài KHCN mã số T2018-B13 của Nhà
trường.
Tác giả bày tỏ lòng biết ơn đối với các thầy, cô giáo và các bạn bè đồng nghiệp
đã tạo điều kiện thuận lợi để tác giả hoàn thành Luận văn này.
Do năng lực bản thân còn nhiều hạn chế nên Luận văn không tránh khỏi sai sót,
tác giả rất mong nhận được sự đóng góp ý kiến của các Thầy, Cô giáo, các nhà khoa
học và các bạn đồng nghiệp.
Tác giả

NGUYỄN THỊ HOA

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN
3




MỤC LỤC
Nội dung

Trang

Lời cam đoan

3

Lời cảm ơn

4

Mở đầu

7

I. Tính cấp thiết của đề tài

7

II. Mục đích và đối tượng và phương pháp nghiên cứu

8

III. Ý nghĩa đề tài

8

IV. Nội dung của đề tài

9

CHƯƠNG I

TỔNG QUAN VỀ GIA CÔNG TIA LỬA ĐIỆN

10

1.1 Giới thiệu

10

1.2 Hệ thống gia công tia lửa điện

10

1.2.1 Bộ tạo xung

10

1.2.2 Cơ cấu servo

10

1.2.3 Điện cực

11

1.2.4 Dung dịch điện môi

12

1.3 Bản chất quá trình gia công xung điện

13

1.4 Kết luận chương 1

16

CHƯƠNG II
MÁY CẮT DÂY VÀ CÁC THÔNG SỐ ĐIỀU
CHỈNH TRONG QUÁ TRÌNH GIA CÔNG

17

2.1 Giới thiệu về máy cắt dây tia lửa điện

18

2.2 Ưu nhược điểm của phương pháp gia công cắt dây tia lửa điện

19

2.3 Độ chính xác khi gia công tia lửa điện

19

2.4 Dây cắt và vật liệu điện cực

20

2.5 Sự thoát phoi trong cắt dây tia lửa điện

20

2.6 Độ nhám bề mặt gia công

21

2.7 Các thông số về điện trong điều khiển máy cắt dây tia lửa điện

22

2.8 Kết luận chương 2

23

24
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN
4




CHƯƠNG III
THỰC NGHIỆM NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA MỘT SỐ
THÔNG SỐ CÔNG NGHỆ ĐẾN ĐỘ NHÁM BỀ MẶT VÀ NĂNG
SUẤT GIA CÔNG TRONG GIA CÔNG CẮT DÂY TIA LỬA ĐIỆN
THÉP 90CrSi SAU KHI TÔI.

3.1 Thiết kế thí nghiệm

25

3.1.1 Các giả thiết của thí nghiệm

25

3.1.2 Điều kiện thực hiện thí nghiệm.

25

3.1.2.1 Thiết bị thí nghiệm.

25

3.1.2.2 Vật liệu gia công

26

3.1.2.3 Các dụng cụ đo kiểm

27

3.2 Xây dựng hàm mục tiêu tối ưu hóa một số thông số công nghệ trong gia

28

công cắt dây tia lửa điện thép 9CrSi sau khi tôi.
3.2.1 Mô hình định tính quá trình cắt dây tia lửa điện.

28

3.2.2 Các thông số đầu vào của thí nghiệm

31

3.3 Ảnh hưởng của các thông số gia công đến nhám bề mặt và vận tốc cắt 32
khi cắt thẳng
3.4 Ảnh hưởng của các thông số gia công đến nhám bề mặt và vận tốc cắt 48
khi cắt cong
CHƯƠNG IV

63

KẾT LUẬN CHUNG VÀ KHUYẾN NGHỊ.
TÀI LIỆU THAM KHẢO

65

BÀI BÁO ĐÃ XUẤT BẢN

66

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN
5




PHẦN MỞ ĐẦU

I. TÍNH CẤP THIẾT CỦA ĐỀ TÀI
- Gia công bằng cắt dây tia lửa điện (gọi tắt là gia công cắt dây) là một trong
các phương pháp gia công tiên tiến được sử dụng khá rộng rãi. Trong gia công cắt dây,
một dây cắt chuyển động liên tục như là một điện cực được sử dụng để cắt vật liệu dẫn
điện. Gia công cắt dây được sử dụng rộng rãi để gia công chi tiết dạng lỗ thông như
khuôn đùn, ép kim loại, các loại cối đột thép, cối đột định hình, cối dập viên định hình
cho ngành dược vv… . Phương pháp này đặc biệt hiệu quả khi gia công các lỗ nhỏ và
sâu, các lỗ, rãnh có thành rất mỏng trên vật liệu dẫn điện khó gia công như thép không
rỉ, thép đã tôi cứng… Vì thế cho nên cho đến nay đã có khá nhiều các nghiên cứu
trong và ngoài nước về lĩnh vực này. Có thể nêu một số nghiên cứu điển hình về tối ưu
hóa trong gia công cắt dây như sau:
Trong [1] đã trình bày những tiến bộ mới nhất mà công nghệ cắt dây đã đạt
được. Dao động của dây cắt cũng đã được khảo sát trong [2, 3] nhằm nâng cao độ
chính xác khi gia công. Trong [4] nghiên cứu các nguyên nhân gây đứt dây khi cắt và
phương pháp điều khiển để hạn chế đứt dây. Trong [5] đưa ra kết quả nghiên cứu xác
định các giá trị tối ưu của các tham số của quá trình cắt thép SKD11 như thời gian
đóng và thời gian ngắt xung, tốc độ di chuyển bàn, lực căng dây.
Trong gia công cắt dây, có rất nhiều các thông số công nghệ ảnh hưởng đến
chất lượng bề mặt, năng suất gia công, độ chính xác gia công. Chất lượng bề mặt và
năng suất gia công là hai yếu tố được quan tâm nhiều nhất. Do vậy, có khá nhiều
nghiên cứu tập trung vào xác định thông số tối ưu để nâng cao chất lượng bề mặt và
năng suất cắt [6, 7, 8, 9, 10], các nghiên cứu về tối ưu ở dạng đơn mục tiêu [8, 11],
cũng có các về tối ưu ở dạng đa mục tiêu [6, 7, 9, 10] ]. Bên cạnh đó, các nghiên cứu
cũng tập trung vào việc xác định chế độ cắt tối ưu cho các loại vật liệu khác nhau như
chế độ tối ưu khi gia công hợp kim ti tan, vonfram… [11, 12].
Ở nước ta đến nay cũng đã có một số nghiên cứu về tối ưu hóa khi cắt dây tia
lửa điện. Cụ thể, trong [13] đã khảo sát ảnh hưởng của thời gian đóng, ngắt xung và
điện áp đánh lửa đến năng suất gia công và độ nhám bề mặt khi gia công thép 9CrSi.
Trong [14] trình bày kết quả nghiên cứu ảnh hưởng của điện áp phóng điện và cường
độ dòng điện đến năng suất gia công và độ nhám bề mặt gia công khi cắt dây vật liệu

SKD61.
Từ các phân tích trên, có thể nói cho đến nay đã có không ít nghiên cứu về gia
công cắt dây tia lửa điện. Các nghiên cứu này đã đề cập đến nhiều vấn đề của quá trình
cắt dây trong đó có xác định các thông số tối ưu của quá trình cắt dây nhằm nâng cao
độ chính xác hoặc tăng năng suất cắt. Bài toán tối ưu hóa quá trình cắt dây cũng đã
được nghiên cứu khi gia công nhiều loại vật liệu khác nhau.

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN
6




Trên thực tế sản xuất ở nước ta, có nhiều sản phẩm và sản phẩm chính xác cần
sử dụng nguyên công cắt dây để chế tạo như các loại khuôn đùn, ép kim loại, khuôn
cối đột, cắt kim loại, khuôn cối dập viên vv... Tại Doanh nghiệp tư nhân cơ khí chính
xác Thái Hà đang gia công sản phẩm là chi tiết lỗ hình rãnh then vật liệu 9CrSi, chiều
sâu 22mm nhưng chế độ cắt đang sử dụng là chưa tối ưu. Như đã phân tích ở trên, mặc
dù đã có khá nhiều nghiên cứu về xác định các thông số tối ưu khi cắt dây nhưng vẫn
chưa có nghiên cứu nào về xác định chế độ cắt tối ưu khi cắt dây tia lửa điện lỗ hình
rãnh then thép 9CrSi. Chính vì vậy “Nghiên cứu xác định chế độ cắt tối ưu khi cắt
dây tia lửa điện lỗ hình rãnh then thép 9CrSi đã qua tôi” là cấp thiết.
II. MỤC ĐÍCH, ĐỐI TƯỢNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
2.1. Mục đích của đề tài
- Nghiên cứu xác định ảnh hưởng của các thông số quá trình (Thời gian đóng
xung Ton, thời gian ngắt xung Toff, điện áp phóng điện SV, điện áp đánh tia lửa điện
VM, vận tốc dây WF, vận tốc cắt SPD) đến độ nhám bề mặt và năng suất gia công khi
cắt dây vật liệu 9CrSi sau khi tôi.
- Nghiên cứu xác định chế độ cắt tối ưu khi cắt dây tia lửa điện lỗ hình rãnh
then thép 9CrSi đã qua tôi.

2.2. Đối tượng nghiên cứu
Máy: Máy cắt dây Fanus Robotcut α-1iA (của Doanh nghiệp tư nhân Cơ khí
Chính xác Thái Hà);
Vật liệu gia công: thép 9CrSi sau khi tôi đạt độ cứng 5562HRC.
Dây: Dây đồng có đường kính 0,25mm.
2.3. Phương pháp nghiên cứu
Nghiên cứu lý thuyết kết hợp với thực nghiệm
III.

Ý NGHĨA CỦA ĐỀ TÀI

3.1. Ý nghĩa khoa học
- Từ kết quả nghiên cứu thực nghiệm, đề tài sẽ đưa ra hàm toán học mô tả mối
quan hệ giữa nhám bề mặt và năng suất cắt với các thông số của quá trình gia công với
thời gian phóng điện Ton, thời gian ngắt xung Toff, điện áp phóng điện SV, điện áp
đánh tia lửa điện VM, vận tốc dây WF, vận tốc cắt SPD khi gia công thép 9CrSi sau
khi tôi. Từ đó đưa ra các tham số tối ưu khi gia công cũng như có thể làm cơ sở phục
vụ cho các nghiên cứu khác.
- Đề tài góp phần hiểu rõ hơn ảnh hưởng của các thông số quá trình đến năng
suất và chất lượng gia công. Thêm vào đó, nó sẽ xác định các thông số tối ưu cho quá
trình cắt dây lỗ hình then thép 9CrSi nói riêng.
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN
7




3.2. Ý nghĩa thực tiễn
Gia công tia lửa điện bằng cắt dây ngày càng được sử dụng rộng rãi ở nhiều
nước trên thế giới. Vì vậy, đề tài này có ý nghĩa trong thực tiễn gia công các khuôn

dập, khuôn ép, cối dập thuốc….
Áp dụng gia công sản phẩm tại Doanh nghiệp cơ khí Thái Hà.
IV. NỘI DUNG ĐỀ TÀI
Xuất phát từ đề tài nghiên cứu, ngoài phần mở đầu, kết luận chung và các phụ
lục luận văn này trình bày nội dung như sau:
Chương 1. Tổng quan về gia công tia lửa điện
Nghiên cứu tổng quan về EDM.
Chương 2. Máy cắt dây và các thông số điều chỉnh trong quá trình gia công
- Nghiên cứu cơ sở lý thuyết về quá trình cắt và các hiện tượng xảy ra trong quá
trình cắt.
- Nghiên cứu sự ảnh hưởng của các yếu tố công nghệ đến quá trình cắt.
Chương 3. Thực nghiệm nghiên cứu ảnh hưởng của một số thông số công
nghệ đến độ nhám bề mặt và năng suất gia công trong gia công cắt dây tia lửa
điện thép 9CrSi sau khi tôi
- Thiết lập thí nghiệm.
- Xây dựng hàm mục tiêu tối ưu hóa một số thông số công nghệ trong gia công
cắt dây tia lửa điện thép 9CrSi sau khi tôi.
- Nghiên cứu thực nghiệm xác định hàm toán học biểu diễn mối quan hệ giữa
một số thông số công nghệ với nhám bề mặt và năng suất gia công khi gia công cắt
dây thép 9CrSi sau khi tôi.
- Tối ưu hóa hai mục tiêu xác định chế độ gia công đảm bảo năng suất và nhám
bề mặt theo yêu cầu.
Chương 4: Kết luận chung và khuyến nghị

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN
8

CHƯƠNG I
TỔNG QUAN VỀ GIA CÔNG TIA LỬA ĐIỆN
1.1.

Giới thiệu

Nguyên lý của gia công tia lửa điện
được phát hiện ra bởi nhà nghiên cứu
người Anh Toseph Priestley (1733-1809)
vào năm 1770. Tuy nhiên, mãi đến năm
1943 của vợ chồng Lazarenko (người Nga)
mới giới thiệu phương pháp gia công bằng
tia lửa điện. Quá trình gia công bằng tia
lửa điện (tiếng anh là Electrical Discharge
Machining (viết tắt là EDM)) là quá trình
bóc tách vật liệu nhờ các tia lửa điện
phóng ra thông qua một quá trình điện nhiệt làm nóng chảy và bốc hơi kim loại.
Tiếp đó, sự phát triển của công nghệ điều
khiển CNC đã tạo ra những bước phát triển lớn trong gia công tia lửa điện và phương
pháp này trở thành phương pháp gia công không truyền thống được ứng dụng nhiều
nhất trong gia công cơ.
Phương pháp gia công tia lửa điện có các đặc điểm chính sau:
- Điện cực (hay dụng cụ cắt): Có độ cứng thấp hơn nhiều so với vật liệu phôi.
Vật liệu điện cực thường là đồng, grafit…
- Vật liệu phôi: phải là vật liệu dẫn điện; thường là vật liệu khó gia công như
thép không gỉ, các loại thép khó gia công, thép đã tôi cứng, hợp kim cứng vv...
- Trong gia công tia lửa điện phải sử dụng một chất lỏng điện môi làm môi trường
gia công. Đây là dung dịch không dẫn điện ở điều kiện làm việc bình thường.
Phạm vi sử dụng: Phương pháp gia công tia lửa điện thường dùng để tạo được
các mặt trụ, mặt côn có biên dạng định hình, phức tạp; để gia công các mặt đòi hỏi độ

chính xác cao như biên dạng cam, biên dạng răng thân khai, răng cycloid… Phương
pháp này đặc biệt hiệu quả khi gia công các lỗ nhỏ và sâu, các lỗ, rãnh có thành rất
mỏng với độ bóng tương đối cao (Ra = 1,6 ÷ 0,8 μm) và độ chính xác cao thông
thường khoảng ±0.013mm.
1.2.

Hệ thống gia công tia lửa điện

Hình 1.1 [13] biểu diễn sơ đồ hệ thống gia công tia lửa điện. Hệ thống này gồm có bộ
tạo xung, cơ cấu điều khiển chạy dao servo, điện cực và dung dịch điện môi.

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN
9




1.2.1. Bộ tạo xung
Bộ tạo xung nhằm tạo xung điện một chiều đóng ngắt theo thời gian nhất định
với điện áp và cường độ dòng điện xác định. Bộ tạo xung có các kiểu RC, RLC và
kiểu CC trong đó kiểu RC (mạch điện trở - tụ điện) (Hình 1.2) là được sử dụng phổ
biến nhất [14].
1.2.2. Cơ cấu servo
Cơ cấu servo nhằm đảm bảo khoảng cách nhất định giữa hai điện cực để duy trì
sự phóng điện. Thông thường khoảng cách này từ 0,01 đến 0,02 mm [14]. Việc điều
khiển chuyển động của điện cực được thực hiện bởi mạch điều khiển tự động. Các
mạch này có thể là mạch điều khiển cuộn dây hình ống hoặc kiểu điện động [14].

Hình 2.1. Sơ đồ hệ thống gia công xung điện [13]

Hình 2.2: Mạch tạo xung RC [14]

1.2.3. Điện cực
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN
10




Điện cực trong gia công xung điện có thể sử dụng các loại vật liệu sau:
Graphite, đồng đỏ, đồng graphite, đồng vonfram, đồng thau, thép, vonfram vv… [14].
Trong đó graphite và đồng đỏ là 2 loại vật liệu được dùng phổ biến nhất. Điện cực làm
bằng graphite chịu mòn tốt và dễ gia công. Tuy nhiên, vật liệu này rất giòn và có bụi
bẩn khi gia công nên cần chú ý hút bụi khi chế tạo điện cực. Đồng đỏ có độ dẫn điện
và độ chịu mòn tốt. Thêm vào đó vật liệu này có giá thành rẻ. Tuy nhiên, gia công vật
liệu này không dễ như gia công graphite hay đồng thau.
Trong gia công xung điện mòn của điện cực được đánh giá qua mòn góc, mòn
mặt bên, mòn mặt đầu và mòn thể tích [15]. Điện cực được coi là mòn không đáng kể
khi tỉ số mòn của điện cực/chi tiết gia công nhỏ hơn 1%. Do các điện cực thường mòn
ở các góc trước nên mòn góc thường dùng để đánh giá tuổi bền của điện cực.
Các điện cực trong gia công xung điện có thể được chế tạo bằng nhiều phương
pháp khác nhau như: phương pháp cắt gọt truyền thống (phay, tiện, mài…), phương
pháp cắt dây tia lửa điện, phương pháp đùn, ép, phương pháp thiêu kết… Việc lựa
chọn phương pháp gia công điện cực tùy thuộc vào vật liệu điện cực, cấu tạo và kích
thước của điện cực cũng như điều kiện trang thiết bị của cơ sở sản xuất.

Hình 1.3: Các dạng mòn trong gia công tia lửa điện [15]

1.2.4. Dung dịch điện môi
Trong gia công xung điện dung dịch điện môi làm nhiệm vụ là môi trường cách

ly giữa điện cực và chi tiết gia công và để hình thành kênh phóng điện. Thêm vào đó,
nó còn làm nhiệm vụ dẫn nhiệt, làm mát điện cực và chi tiết. Ngoài ra, nó còn phải làm
nhiệm vụ thoát phoi sinh ra trong quá trình gia công.
Để thực hiện các chức năng nêu trên, dung dịch điện môi cần đáp ứng các yêu
cầu sau [15]:
- Có độ bền cách điện cao;
- Dẫn nhiệt tốt;
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN
11




- Ít bị bay hơi, bị phân hủy do nhiệt;
- Có khả năng phục hồi nhanh sau khi bị các tia lửa điện đánh thủng;
- Dễ điền đầy các khe hở, các hốc cạnh;
- Giá thành rẻ.
Có nhiều loại dung dịch điện môi khác nhau như dầu hỏa, Kerosene, dầu
silicone và dung dịch điện môi trên cơ sở nước. Trong các loại này thì dầu hỏa được
sử dụng phổ biến nhất vì nó cách điện tốt, độ nhớt nhỏ và dễ điền đầy các khe hỏ gia
công.

Hình 1. 4: Các kiểu lưu thông chất điện môi [15]

Trong gia công dung điện cần quan tâm đến việc lưu thông chất điện môi vì nó
ảnh hưởng lớn đến chất lượng và năng suất của quá trình gia công. Việc thiết kế lưu
thông chất điện môi cần theo các nguyên tắc sau [15]:
- Nên lưu thông qua lòng điện cực;
- Lưu thông qua nhiều lỗ nhỏ tốt hơn qua một lỗ lớn;
- Nên tạo dòng chảy chất điện môi ổn định và bao trùm cả điện cực và chi tiết

gia công;
- Nên có lỗ thông cho các hàm ếch.
Hình 1.4 trình bày một số phương pháp lưu thông chất điện môi.

1.3. Bản chất của quá trình gia công xung điện
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN
12




Bản chất của phương pháp gia công xung điện là sự bóc tách vật liệu ra khỏi bề
mặt phôi nhờ tia lửa điện. Sơ đồ nguyên lý gia công bằng tia lửa điện được thể hiện
trên hình 1.1. Quá trình bóc tách vật liệu cụ thể như sau:
Một điện áp được đặt vào giữa điện cực và phôi mà giữa chúng được điền đầy
chất lỏng cách điện (gọi là chất điện môi). Khi cho hai điện cực tiến sát vào nhau đến
một khoảng cách nào đó thì giữa chúng sẽ xảy ra hiện tượng phóng ra tia lửa điện. Do
có tia lửa điện nên tạo ra nhiệt độ cực lớn làm nóng chảy và bốc hơi vật liệu gia công –
tạo ra sự bóc tách vật liệu (Hình 1.5). Năng lượng một chiều đặt vào mạch xung với
điện áp từ 30 đến 250 V và tần số 50 đến 500 KHz tạo ra giữa 2 điện cực 1 xung
vuông (Hình 1.6). Khi sử dụng bộ tạo xung RC, các xung điện sẽ làm nhiệm vụ bóc
tách vật liệu (Hình 1.7) [15]. Do tác dụng của các xung áp (Hình 1.7) nên gây nên hiện
tượng ngắt dòng trong chất điện phân trong 1 kênh có bán kính 10 µm. Hiện tượng
ngắt dòng tăng do các electron gia tốc về điện cực dương. Các electron này va chạm
với các nguyên tử nơtron của chất điện môi và tạo nên các ion dương và electron và
chúng sẽ gia tốc về phía anot và catot.

Hình 1.5: Cơ chế bóc tách vật liệu [14]

Hình 1.6: Chuỗi xung điển hình trong gia công xung điện [16]

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN
13




Hình 1.7: Sự thay đổi điện áp theo thời gian khi sử dụng bộ tạo xung RC [14]

Do các electron và các ion dương tiến về phía anot và catot nên làm động năng của
chúng biến thành nhiệt năng. Nhiệt độ này lên tới 8000 đến 10000 độ C làm tỏa ra
nhiệt lượng 1017 W/m2 làm các điện cực bay hơi. Sự bay hơi của điện cực làm áp suất
kênh plasma tăng nhanh lên khoảng 200 atmotphe [14]. Vào cuối chu kỳ xung, áp xuất
giảm đột ngột làm kim loại bị nung nóng bay hơi khốc liệt và dẫn đến kim loại được
bóc tách khỏi điện cực. Nhờ chất điện môi được cung cấp liên tục vào mà phoi được
lấy đi và bề mặt gia công được làm mát. Thêm vào đó, một chút kim loại nóng chảy do
không được cuốn đi nên đã tạo ra một lớp đúc lại trên bề mặt (Hình 1.5).
Chu kỳ phóng tia lửa điện để bóc tách vật liệu được đặc trưng các đại lượng
điện như sau (Hình 1.8):
- Thời gian trễ Tđ: Là khoảng thời gian giữa lúc đóng điện máy phát đến lúc xảy
ra phóng tia lửa điện, là thời gian cho phép chất điện môi ion hóa và hình thành kênh
phóng điện.
- Thời gian phóng điện Te: Là khoảng thời gian từ lúc bắt đầu phóng tia lửa điện và
lúc ngắt điện (từ một vài đến vài trăm s) phụ thuộc pha II làm kim loại nóng chảy.
- Độ kéo dài xung Ton: Là khoảng thời gian giữa hai lần đóng ngắt của máy phát
trong một chu kỳ phóng tia lửa điện. Độ kéo dài xung là tổng thời gian trễ đánh lửa Tđ và
thời gian phóng tia lửa điện Te. Đây còn là thời gian để chất điện môi ion hóa, chuẩn bị
cho một chu kỳ phóng điện tiếp theo cho đến khi đạt kích thước gia công yêu cầu.

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN

14




Hình 1.8. Đồ thị điện áp và dòng điện trong một xung phóng điện.
- Khoảng cách xung Toff: Là khoảng thời gian giữa hai lần đóng ngắt của máy
phát giữa hai chu kỳ xung liên tiếp nhau, to còn được gọi là độ kéo dài nghỉ của xung.
Hình 1.5 biểu diễn diễn biến của điện áp và dòng điện trong máy gia công tia lửa điện
được sinh ra bởi một máy phát tĩnh trong một 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 VM. SV và Ie là các giá trị trung bình của điện áp và
dòng điện khi phóng tia lửa điện.
Trong đó:
Te: Thời gian kéo dài xung hay còn gọi là độ kéo dài xung.
Tđ: Thời gian trễ đánh lửa.
Ton: Độ kéo dài xung của máy phát xung.
Toff: khoảng cách xung.
Tp: Chu kỳ xung.
VM: Điện máy phát mở.
SV: Điện áp phóng tia lửa điện.
Ie: Dòng phóng tia lửa điện.
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN
15




1.4. Kết luận chương 1
- Bản chất của quá trình gia công tia lửa điện là quá trình điện – nhiệt tạo ra sự

nóng chảy và làm bốc hơi kim loại.
- Phương pháp gia công xung điện cho phép gia công các vật liệu dẫn điện khó
gia công, các loại thép đã tôi cứng… Nó hay sử dụng để gia công các chi tiết như
khuôn mẫu, các chi tiết có thành mỏng, các chi tiết có profin phức tạp…
- Gia công xung điện được sử dụng ngày càng rộng rãi do sự phát triển của kỹ
thuật điều khiển CNC;
- Các thông số công nghệ cơ bản của quá trình gia công xung điện gồm điện áp
phóng điện, cường độ dòng điện, thời gian đóng và ngắt xung, điện cực, chất điện
môi… Các thông số này có ảnh hưởng lớn đến năng suất và chất lượng quá trình xung.
Vì vậy cần tiến hành nghiên cứu tìm ra ảnh hưởng của các yếu tố đó cũng như xác
định chế độ xung tối ưu khi gia công các loại vật liệu khác nhau nhằm nâng cao năng
suất và chất lượng của quá trình xung. Cụ thể áp dụng gia công chi tiết lỗ thủng hình
rãnh then thép 9CrSi đã qua tôi.

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN
16




CHƯƠNG 2
MÁY CẮT DÂY VÀ CÁC THÔNG SỐ CƠ BẢN CỦA QÚA TRÌNH GIA CÔNG
2.1. Giới thiệu về máy cắt dây tia lửa điện
Máy cắt dây tia lửa điện (Wire EDM machine) là một thiết bị gia công tia lửa
điện hoạt động bằng cách sử dụng điện cực là một dây mảnh có đường kính từ 0,1mm
đến 0,3mm chạy liên tục theo một quỹ đạo cho trước được lập trình sẵn. Sơ đồ máy cắt
dây tia lửa điện có dạng như sau [13]:

Hình 2.1. Sơ đồ máy cắt dây tia lửa điện [13]
Trong đó các cụm thiết bị chính là:

1- Thân máy

7- Bàn công tác

2- Phần thân máy

8- Dẫn hướng bàn công tác

3- Bộ phận tạo góc nghiêng cắt

9- Thùng chứa chất điện môi

4- Dẫn hướng dây trên

10- Bệ máy

5- Lô quấn dây

11- Bảng điện

6- Bể làm việc

12- Tủ điều khiển

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN
17

Phương pháp gia công cắt dây tia lửa điện hay dùng để gia công các sản phẩm
như các điện cực dùng cho gia công xung định hình, các rãnh hẹp, gấp khúc, các chi
tiết lỗ dạng lưới phức tạp, các loại bánh răng, dưỡng kiểm, lỗ cối định hình vv… (Hình
2.2). Phương pháp này đặc biệt hiệu quả khi gia công các loại vật liệu khó gia công,
thép đã tôi vv…

Hình 2.2: Các dạng chi tiết gia công bằng cắt dây [15]

2.2. Ưu nhược điểm của phương pháp gia công cắt dây tia lửa điện
Phương pháp cắt dây tia lửa điện có ưu điểm sau:
- Độ chính xác gia công cao (có thể tới 1μm);
- Kết cấu máy đơn giản;
- Có khả năng tự động hóa quá trình gia công, đơn giản, dễ vận hành.
Tuy nhiên, phương pháp này có các nhược điểm:
- Khi gia công có chiều dày lớn (>100mm) sẽ rất khó khăn do việc cung cấp
chất điện môi khó;
- Chi phí điện cực (dây cắt) khá cao;
- Độ bền của dây điện cực không cao do dây có kích thước nhỏ (từ 0,1 ÷ 0,3mm).
Vì thế cho nên khi cắt chi tiết chiều dầy lớn dây điện cực sẽ bị uốn cong làm ảnh hưởng
tới độ chính xác gia công và dễ bị đứt dây nên giảm năng suất gia công.
2.3. Độ chính xác khi gia công tia lửa điện
Độ chính xác của phương pháp cắt dây tia lửa điện từ ±(0,002÷0,003)mm. Có
nhiều thông số có thể ảnh hưởng đến độ chính xác này như độ chính xác của máy, độ
chính xác của thiết bị đo, độ cứng vững của hệ thống công nghệ, của bàn kẹp, ảnh
hưởng do rung động của dây cắt vv… Ngoài ra, độ chính xác gia công còn bị ảnh
hưởng bởi độ chính xác của dây cắt, dung dịch điện môi (bị bẩn) …
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN
18

2.4. Dây cắt và vật liệu làm dây
2.4.1. Yêu cầu của vật liệu làm dây cắt
Nói chung, mọi vật liệu dẫn điện và dẫn nhiệt tốt đều có thể làm dây cắt (điện
cực) trong gia công tia lửa điện. Tuy nhiên, để quá trình cắt hiệu quả thì vật liệu làm
dây cắt cần phải thỏa mãn các yêu cầu sau:
- Có tính dẫn điện và dẫn nhiệt tốt. Yêu cầu dẫn điện tốt để có thể tạo ra điện
cực phục vụ cho việc phóng điện tạo vết cắt trên chi tiết gia công. Yêu cầu dẫn nhiệt
tốt để có khả năng tản nhiệt nhanh, tránh gây ra các sai số trong quá trình gia công.
- Có các tính chất vật lý tốt như độ dẫn nhiệt, khả năng nhận nhiệt, có điểm
nóng chảy và điểm sôi cao.
- Có độ bền mòn cao, tức là độ bền vững trong gia công tia lửa điện phải cao.
- Có độ bền cơ học tốt, tức là phải có độ bền vững về hình dáng hình học khi gia
công tia lửa điện. Phải có ứng suất riêng nhỏ, hệ số dãn nở nhiệt nhỏ, độ bền kéo lớn.
- Vật liệu điện cực giá phải rẻ và có tính chất gia công cao, dễ chế tạo.
2.4.2. Các loại dây điện cực
Đặc tính của dây điện cực bao gồm:
- Đường kính dây: Thường dòng loại dây có đường kính d = 0,1 ÷ 0,3mm.
- Vật liệu dây: Tùy thuộc vào vật liệu gia công mà người ta có thể chọn vật liệu
dây cho phù hợp. Thường vật liệu dây là đồng, đồng thanh, molpđen, Volfram, và các
loại dây có lớp phủ. Các loại dây có lớp phủ thường có độ bền kéo căng cơ học cao và
độ thoát nhiệt cao. Ví dụ dây HSW-25X bao gồm lõi bằng đồng thau (CuZn30) được
phủ một lớp oxít kẽm nên có độ bền kéo từ 750 ÷ 790N/mm2 và khả năng thoát nhiệt
tốt. Đặc biệt khi gia công các chi tiết có chiều dày lớn thì đòi hỏi độ căng dây phải lớn
để giảm sai số hình học do độ trùng dây gây ra.
Vì vậy, cần phải nghiên cứu và ứng dụng các loại dây cho thích hợp với điều
kiện sản xuất và bảo đảm các điều kiện kinh tế.
2.5. Sự thoát phoi trong gia công cắt dây tia lửa điện
Trong quá trình gia công sự thoát phoi là rất cần thiết với mục đích làm tăng

khả năng cách điện của chất điện môi, làm nguội điện cực và chi tiết gia công. Các kỹ
thuật thoát phoi trong gia công cắt dây tia lửa điện gồm có:

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN
19




- Thổi chiều trục dưới áp lực (dòng chảy chiều trục): Chất điện môi được đưa
vào khe hở phóng điện với áp lực cao (từ 15 ÷ 20 bar) qua một bộ dẫn. Ở đây đòi hỏi
phải có tiếp xúc tốt giữa bộ dẫn dây và phôi để có được áp lực cao trong khe hở.
- Dòng chảy tuần hoàn tự nhiên: sử dụng trong trường hợp phôi được nhấn
chìm trong chất điện môi.

Hình 2.3. Các trường hợp khó gia công đối với dòng chảy đồng trục

- Trong trường hợp chiều cao phôi lớn thì dòng chảy đồng trục dưới áp lực cao
được sử dụng cho gia công thô, còn dòng chảy phía bên, dưới áp lực được dùng cho
gia công tinh. Khi phôi lớn, đòi hỏi cụm điện môi đảm bảo độ chính xác và giá thành
vừa phải. Một hệ thống phun được sử dụng để duy trì nhiệt độ thùng phôi là hằng số.
- Đối với dòng chảy đồng trục dưới áp lực, các điều kiện không luôn luôn là tối
ưu. Nếu chiều cao thay đổi thường xuyên hoặc độ nghiêng của dây lớn thì không thể
sử dụng áp lực cao. Hình 2.3 thể hiện một vài trường hợp khó khăn trong việc sử dụng
dòng áp lực cao đồng trục.
2.6. Độ nhám bề mặt gia công
Trong gia công cắt dây tia lửa điện khi xét mặt cắt vuông góc với dây điện cực
tại mặt phẳng cắt ta có thể dễ dàng nhận thấy có 2 kiểu khe hở phóng điện tồn tại đồng
thời như sau (Hình 2.4):
- Khe hở phóng điện mặt trước gf - là khoảng cách giữa dây và phôi được đo

theo hướng tiến dây;
- Khe hở phóng điện mặt bên gls - là khoảng cách giữa dây và phôi được đo
theo chiều vuông góc với hướng tiến dây.

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN
20




Hình 2.4 Khe hở phóng điện trong gia công cắt dây tia lửa điện

Mặt bên sau khi gia công có đặc điểm là không đồng đều do vật liệu bị chảy
lỏng ở khe hở phía trước (ở cuối mỗi xung), các bọt khí, các phần tử vật liệu phoi,… bị
dính vào bề mặt. Điều này là một phần quan trọng gây ra nhám bề mặt. Giá trị càng
lớn thì gây ra độ nhám càng lớn trên bề mặt, tuy nhiên năng suất cắt lại tăng.
2.7. Các thông số về điện trong điều khiển máy cắt dây tia lửa điện
2.7.1. Dòng phóng tia lửa điện Ie và bước của dòng điện
Dòng phóng tia lửa điện Ie có ảnh hưởng lớn nhất đến chất lượng bề mặt và
lượng hớt vật liệu (năng suất). Dòng Ie càng mạnh thì lượng hớt vật liệu càng lớn và
độ nhám bề mặt cũng càng lớn (độ bóng càng nhỏ). [13] [15]
Bước của dòng điện và độ mòn điện cực: cùng với sự phối hợp vật liệu điện
cực-phôi thì bước của dòng điện có ảnh hưởng rất lớn đến độ mòn của điện cực.
2.7.2. Độ kéo dài xung Ton:
Là khoảng thời gian giữa hai lần đóng của máy phát trong cùng một chu kỳ
phóng điện. Độ kéo dài xung ảnh hưởng tới:
- Tốc độ bóc tách vật liệu (năng suất).
- Độ mòn điện cực.
- Độ nhám bề mặt gia công. [13] [15]
2.7.3. Khoảng cách xung Toff

Là khoảng thời gian giữa hai lần ngắt – đóng của máy phát thuộc chu kỳ phóng
điện kế tiếp nhau. Khoảng cách xung Toff thường chọn để phản ánh một tỷ lệ đã cho
đối với độ kéo dài xung.
Khoảng cách xung Toff càng lớn thì lượng hớt vật liệu We càng nhỏ và ngược lại.
Tuy nhiên, Toff phải đủ lớn để chất điện môi có đủ thời gian thôi ion hóa và các
phoi đã bị ăn mòn được đưa ra khỏi vùng có tia lửa điện. Người ta chọn khoảng cách
xung theo nguyên tắc sau:
- Chọn đúng tỷ lệ Ton/ Toff.
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN
21




- Chọn Toff đủ nhỏ để có thể hớt được một lượng vật liệu phôi lớn.
- Chọn Toff đủ lớn để tránh các lỗi của quá trình.
2.7.4. Điện áp đánh lửa VM [13]
Dùng điện áp đánh lửa VM để khởi đầu sự phóng tia lửa điện. Cùng bước của
dòng điện, VM có ý nghĩa quyết định tới chiều rộng khe hở phóng điện. [13]
2.7.5. Khe hở phóng điện
Các yếu tố VM, Ie, Ton, Toff chỉ có ảnh hưởng tới yếu tố phóng tia lửa điện, còn
với tia lửa điện như thế để bóc đi một lượng phôi là nhiều hay ít phụ thuộc vào khe hở
phóng điện. Vấn đề chính là làm sao để có duy trì được khe hở tối ưu đó. Việc đó
thường được thể hiện bằng sự điều khiển khe hở phóng điện.
- Để đo được khe hở phóng điện người ta thực hiện việc chọn điện áp phóng
điện SV. Nếu SV càng tăng thì khe hở phóng điện càng tăng và ngược lại.
- Điện áp khe hở (SV) và khe hở phóng điện. Để duy trì một chiều rộng khe
hở phóng điện là hằng số thì điện áp khe hở giữa hai điện cực và phôi cần phải
được điều chỉnh.
Hệ điều chỉnh được cài sẵn để biết chính xác điện áp khe hở nào ứng với khe hở

rộng bao nhiêu. Vì vậy với việc điều chỉnh điện áp khe hở cũng như đo được độ chính
xác điện áp khe hở thì hệ điều chỉnh cần so sánh số liệu đo được với một giá trị chuẩn
và điều chỉnh điện áp khe hở cho phù hợp để có được khe hở phóng điện là không đổi.
Khi vận hành máy các thông số VM, Ie, Ton, Toff đã được lựa chọn phù hợp với nhu
cầu gia công. Hệ điều khiển sẽ tự động điều chỉnh khe hở để phù hợp với bước của dòng
điện và Uz, đó là trên lý thuyết. Tuy nhiên trên thực tế gia công các rãnh sâu cần có khe
hở phóng điện lớn hơn lý thuyết một chút để các phoi bị ăn mòn có thể bị thổi ra khỏi khe
hở phóng điện do đó thường khe hở phóng điện này được đặt trước khi gia công. [13]
2.8. Kết luận chương 2
- Gia công cắt dây tia lửa điện (WEDM) là phương pháp gia công được sử dụng
rộng rãi để cắt các lỗ định hình như khuôn dập, cối dập thuốc viên, các điện cực để
xung định hình, dưỡng kiểm….
- Gia công cắt dây tia lửa điện cho độ chính xác cao, thao tác và vận hành đơn
giản. Tuy nhiên, chất lượng bề mặt gia công và năng suất cắt phụ thuộc rất nhiều vào
các thông số công nghệ. Vì thế cho nên cần tiến hành nghiên cứu ảnh hưởng các thông

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN
22




số đó với năng suất và chất lượng của bề mặt gia công khi gia công lỗ hình rãnh then
thép 9CrSi đã qua tôi.
- Ở nước ta, các công trình nghiên cứu về sự ảnh hưởng của các thông số công
nghệ đến quá trình cắt ứng với mỗi loại vật liệu khác nhau trên máy cắt dây còn ít,
chưa theo kịp sự phát triển của máy móc và sản suất. Do đó, tác giả lựa chọn hướng đi
đề tài này.

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN

23




CHƯƠNG III
THỰC NGHIỆM NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA MỘT SỐ THÔNG SỐ
CÔNG NGHỆ ĐẾN ĐỘ NHÁM BỀ MẶT VÀ NĂNG SUẤT GIA CÔNG
TRONG GIA CÔNG CẮT DÂY TIA LỬA ĐIỆN THÉP 90CrSi SAU KHI TÔI.

3.1. Thiết kế thí nghiệm
Mục tiêu của thực nghiệm là xây dựng thí nghiệm nghiên cứu ảnh hưởng của
các thông số công nghệ đến độ nhám bề mặt và thời gian gia công (năng suất cắt).
3.1.1. Các giả thiết của thí nghiệm
Thí nghiệm được xây dựng theo những giả thiết sau:
- Chất lượng chất dung môi và điều kiện dòng chảy chất điện môi trong tất cả
các thí nghiệm là như nhau.
- Tiết diện dây coi như không đổi trong suốt quá trình thực hiện thí nghiệm.
- Nhiệt độ môi trường gia công luôn luôn ổn định và bằng nhiệt độ trong phòng
gia công.
- Tổng hợp các nhiễu ảnh hưởng tới độ chính xác kích thước là ổn định và
không thay đổi trong suốt quá trình thực hiện thí nghiệm.
3.1.2. Điều kiện thực hiện thí nghiệm.
Thí nghiệm được thực hiện tại Doanh nghiệp tư nhân Cơ khí Chính xác Thái
Hà, dưới những điều kiện cố định sau:
3.1.2.1. Thiết bị thí nghiệm.
- Thiết bị để thực hiện thí nghiệm là Máy cắt dây Fanus Robotcut α-1iA (Hình
3.1). Máy có những đặc tính như sau (Bảng 3.1):

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN

24




Hình 3.1. Máy cắt dây Fanus Robotcut α-1iA
Bảng 3.1 Các thông số kỹ thuật của máy
Đặc tính kỹ thuật của máy

Giá trị

Chiều rộng bàn máy

520x370 mm

Kích thước phôi lớn nhất

790x730x300 mm

Khối lượng phôi lớn nhất

1000 Kg

Hành trình trục X

520 mm

Hành trình trục Y

370 mm

Hành trình trục Z

410 mm

Góc côn cắt được lớn nhất

±30°/80mm

Đường kính dây điện cực

0.1÷0.3 mm

Tốc độ lớn nhất của dây

300 mm/s

Các thông số về điện

3 pha 220V±10%, 13kVA

Kích thước toàn máy

2800x2940x2170

Khối lượng máy

2600 Kg

3.1.2.2. Vật liệu gia công

Thép 9CrSi là loại thép hợp kim dụng cụ hiện được sử dụng rất phổ biến. Trong
trường hợp làm khuôn dập, khuôn ép, cối dập thuốc, dụng cụ cắt gọt … một số bề mặt
sử dụng thép 9CrSi khi đã tôi cứng. Nhờ tính tôi và thấm tôi tốt nên sau khi tôi, thép
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN
25