Nghiên cứu ảnh hưởng của một số yếu tố công nghệ đến chất lượng chi tiết gia công bằng phương pháp tia lửa điện

Bộ giáo dục và đào tạo
Trường đại học bách khoa hà nội
--------------------------------Nguyễn đình đại

Luận văn thạc sỹ khoa học
Ngành: Công nghệ chế tạo máy

công nghệ chế tạo máy

Nghiên cứu ảnh hưởng
của một số yếu tố công nghệ đến chất lượng
chi tiết gia công
bằng phương pháp tia lửa điện

Nguyễn đình đại

2004 - 2006

Hµ Néi - 2006


1

Cộng hoà xà hội chủ nghĩa Việt nam

Độc lập - Tự do - Hạnh phúc

lời cam đoan

Tôi là: Nguyễn Đình Đại
Nơi công tác: Viện nghiên cứu và phát triển cơ khí xây dựng.

Tên đề tài: Nghiên cứu ảnh hưởng của một số yếu tố công nghệ đến chất
lượng chi tiết gia công bằng phương pháp tia lửa điện.
Chuyên ngành: Công nghệ chế tạo máy.
MÃ số:
Tôi xin cam đoan đây là luận văn của riêng tôi. Các số liệu trong luận văn
được đo đạc một cách trung thực và chính xác tại các phòng thí nghiệm có uy tín.
Các kết quả của luận văn chưa từng được công bố trong bất kỳ một tài liệu nào.
Hà Nội, ngày

tháng

Người viết

năm 2006


2

Mục lục
Mục

Nội dung

Trang

Trang bìa luận văn
Lời cam đoan

1

Mục lục

2

Mở đầu

6

Chương I: tổng quan về gia công tia lửa điện
tình hình nghiên cứu và sử dụng
1.1

Tình hình nghiên cứu và ứng dụng gia công tia lửa điện

10

1.2

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

11

1.2.1

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

12

1.2.2

Các phương pháp gia công bằng tia lửa điện.

12

1.2.3

Gia công xung định hình.

14

- Điện áp đánh lửa U z.
- Thời gian đánh lửa trễ t d .
- Điện áp phóng tia lửa điện U e.
- Dòng phóng tia lửa điện I e.
- Thời gian phãng tia lưa ®iƯn t e.
- Thêi gian xung t i.
- Khoảng cách xung t 0.
1.2.4

Một số nghiên cứu trên thế giới về gia công bằng tia lửa điện.

16

1.3

Hướng nghiên cứu của đề tài.

17

1.4

Kết luận chương 1.

20


3

chương II - nghiên cứu bản chất của phương
pháp gia công bằng tia lửa điện.
2.1

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

22

2.2

Cơ cấu tách vật liệu

24

2.3

Đặc tính về điện của sự phóng tia lửa điện

25

2.4

Lượng hớt vật liệu

27

2.5

Chất lượng bề mặt khi gia công tia lửa điện

28

2.6

Độ chính xác tạo hình khi gia công tia lửa điện

30

2.7

Sự mòn điện cực

31

2.8

Các hiện tượng xấu khi gia công tia lửa điện

32

Chương III - các thông số điều chỉnh quá
trình xung điện

3.1.1

Dòng phóng tia lửa điện, bước xung điện.

34

3.1.2

Độ kéo dài xung t i.

35

3.1.3

Khoảng cách xung t 0.

36

3.1.4

Điện áp đánh lửa u z.

37

3.1.5

Khe hở phóng điện.

37

3.2

Chất điện môi và hệ thống dòng chảy.

39

3.2.1

Nhiệm vụ của chất điện môi.

39

3.2.2

Các loại chất điện môi và tiêu chuẩn đánh giá chúng.

40

3.2.3

Các loại dòng chảy chất điện môi.

41

3.2.4

Các lỗi của dòng chảy.

43

3.3

Điện cực và vật liệu điện cực.

44

3.3.1

Yêu cầu của vật liệu điện cực.

44

3.3.2

Các loại vật liệu điện cực.

44


4

3.3.3

Quy trình chế tạo vật liệu graphit.

45

3.3.4

Kích thước điện cực.

46

3.3.5

G/c xung đ/ h theo nhiều giai đoạn, có thể thực hiện bằng 2 cách

47

3.3.6

Gia công xung định hình với chức năng hành tinh.

48

3.3.7

Gia công xung định hình theo công tua (đường viền).

50

3.3.8

Xác định các khe hở phóng điện.

52

3.3.9

Bề mặt điện cực phía trước.

53

3.3.10

Các sai số hình học khi gia công xung định hình.

54

chương IV: hệ thống thí nghiệm đánh giá chất
lượng bề mặt khi gia công tia lửa điện
4.1

Thiết kế thí nghiệm.

56

4.1.1

Các giới hạn khi thiết kế thí nghiệm.

57

4.1.2

Điều kiện thực nghiệm thí nghiệm.

57

4.2

Nhóm thí nghiệm.

57

4.2.1

Thí nghiệm khảo sát chế độ gia công tối ưu.

57

chương V - mô hình hoá quá trình gia công
bằng tia lửa điện .
5.1

Mô hình định tính của quá trình xung định hình.

62

5.2

Mô hình toán học.

66

5.2.1

Kiểm tra tính đồng nhất của thí nghiệm.

66

5.2.2

Các bước tiến hành quy hoạch thực nghiệm.

67

5.2.3

Lựa chọn và phân tích mô hình thống kê.

68

5.4

Kết luận chương v.

78

5.5

Kết luận chung.

79

5.6

Tóm tắt luận văn b»ng tiÕng ViÖt

83

5

5.7

Tóm tắt luận văn bằng tiếng Anh

85

5.8

Tài liệu tham khảo

88


6

Mở đầu
Ngày nay nền khoa học công nghệ phát triển nhanh như vũ bÃo, khó đoán
trước được diễn biến. Trong các lĩnh vực khoa học khác, thì khcn luôn luôn
được tôn trọng ở mỗi quốc gia, Vì rằng công nghệ gia công kim loại luôn luôn là
nền tảng của mọi ngành công nghiệp, do đó đà thúc ép phải có nhiều đầu tư
nghiên cứu về các quá trình gia công kim loại hơn nữa. Để có thể tự động hoá,
linh hoạt hoá một quá trình gia công kim loại, việc nghiên cứu ảnh hưởng của các
yếu tố công nghệ đến các quá trình đó, đặc biệt đến chất lượng và độ chính xác
gia công là không thể thiếu được. Trong đó gia công kim loại bằng tia lửa điện là
một phương pháp.
Phương pháp gia công kim loại bằng tia lửa điện là phương pháp hữu hiệu

để gia công các loại vật liệu cứng, siêu cứng, lâu mòn hoặc gia công bề mặt có
hình dáng phức tạp (các hốc, các đường biên). Khó hoặc không thể gia công được
bằng các phương pháp cắt gọt thông thường, gia công bằng tia lửa điện là phương
pháp được sử dụng rộng rÃi nhất trong nhóm công nghệ gia công không truyền
thống.
Vào khoảng năm 50 của Thế kỷ XX, thiết bị gia công bằng tia lửa điện đÃ
có mặt trên thế giới. Đến năm 1980. Kỹ thuật điều khiển số và tự động hoá đà tạo
cho phương pháp gia công bằng tia lửa điện có tính công nghệ vượt trội.
1- Tính cấp thiết của đề tài
Là một phương pháp gia công kim loại, công nghệ gia công bằng tia lửa
điện với những ưu điểm nổi trội, đà và đang được sử dụng rộng rÃi để thay thế
một số quá trình gia công truyền thống trong nhiều ngành công nghệ khác nhau
như công nghệ hàng không vũ trụ, điện tử v.v. đặc biệt trong ngành chế tạo
khuôn mẫu.


7

Phương pháp gia công tia lửa điện được sử dụng rộng rÃi, nhưng quá trình
ăn mòn tia lửa điện còn nhiều yếu tố chưa rõ. Điều đó thể hiện bằng những tác
động liên quan đến tia lửa điện được phóng ra trong quá trình gia công chưa được
hiểu biết đầy đủ.
Vấn đề nâng cao chất lượng chi tiết và năng suất gia công đà tiêu tốn công
sức của nhiều nhà nghiên cứu trên thế giới trong một thời gian dài đến nay vẫn
còn là vấn đề thời sự.
Phương pháp gia công tia lửa điện tuy đà được phổ biến rộng rÃi trên thế
giới, đối với Việt Nam không còn là phương pháp xa lạ nữa. Nhưng kiến thức
chuyên ngành của công nghệ này chưa được phổ cập cho lực lượng sử dụng thiết
bị cũng như cán bộ nghiên cứu, ứng dụng công nghệ này.
Các thông số công nghệ, các thông số điều chỉnh máy như: điện áp xung,

dòng điện xung, thêi gian xung, thêi gian nghØ, thêi gian dõng ®iƯn cực tại vị trí
gia công, thời gian nhấc dừng điện cực tại vị trí ngoài vùng gia côngtrên máy
xung nhập từ nước ngoài đà được các hÃng sản xuất tích hợp và cài đặt sẵn trong
máy. Điều đó gây khó khăn cho người sử dụng lựa chọn hoặc giải các bài toán tối
ưu cho chế độ công nghệ gia công bằng tia lửa điện trong điều kiện sản xuất cụ
thể.
Những thông số đặc trưng cho chất lượng bề mặt tuy đà được nghiên cứu
nhưng mới tập trung nhiều vào độ chính xác kích thước, độ nhám bề mặt, trong
khi các yếu tố khác như chiều sâu lớp biến cứng, lớp ảnh hưởng nhiệt, nứt tế vi
bề mặt chưa được nghiên cứu đầy đủ.
Việc cung cấp thêm kiến thức chuyên ngành về công nghệ gia công tia lửa
điện cho các cơ sở nghiên cứu và sản xuất trong nước, khai thác hiệu quả các
máy gia công tia lửa điện, nâng cao năng suất, chất lượng và hạ giá thành sản


8

xuất, đáp ứng phần nào các đòi hỏi trên đây, tác giả tập trung nghiên cứu và giải
quyết vấn đề:
Nghiên cứu ảnh hưởng của một số yếu tố công nghệ đến chất lượng
chi tiết gia công bằng phương pháp tia lửa điện.
2- Mục đích nghiên cứu.
Đề tài tập trung nghiên cứu về công nghệ gia công tia lửa điện nhằm đánh
giá ảnh hưởng của các thông số công nghệ đến chất lượng gia công, xác định chế
độ tối ưu trong những điều kiện gia công cụ thể (bằng xung định hình).
Kết quả nghiên cứu sẽ được ứng dụng trong thực tế sản xuất nhằm nâng
cao chất lượng sản phẩm năng suất gia công và hạ giá thành sản phẩm.
Phương pháp nghiên cứu trong gia công xung định hình này có thể được
ứng dụng cho nhiều nghiên cứu khác trong công nghệ gia công đặc biệt bằng tia
như Laser, Plasma

3- Đối tượng và phương pháp nghiên cứu:
Nghiên cứu ảnh hưởng của một số yếu tố công nghệ đến chất lượng chi tiết
được gia công bằng xung điện định hình (EDM) trên máy xung Hurco Spark 900
tại Trung tâm khuôn mẫu của Viện máy và dụng cụ công nghiệp. (IMI).
+ Điện cực bằng đồng thau.
+ Vật liệu gia công gồm 3 loại: - ThÐp 45 th­êng
- ThÐp 45 nhiƯt lun
- ThÐp hỵp kim CM55 thường.
Các thông số công nghệ được nghiên cứu bằng thực nghiệm. Các kết quả
thí nghiệm trên mẫu được đo đạc và xử lý bằng các thiết bị đo và phần mềm
chuyên dụng, hiện đại tại các phòng thí nghiệm của Trường ĐHBK Hà nội và
Viện IMI.


9

Kết quả nghiên cứu được áp dụng thử nghiệm tại phân xưởng sản xuất của
Viện IMI trong gia công các loại khuôn mẫu, qua đó đánh giá được hiệu quả,
mức độ tin cậy cũng như khả năng mở rộng phạm vi nghiên cứu
4- ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài.
+ ý nghĩa khoa học:
- Đánh gía được ảnh hưởng của các yếu tố công nghệ đến chất lượng bề
mặt chi tiết được gia công bằng xung định hình.
- Mô hình hoá quá trình gia công bằng tia lửa điện được rút ra từ quá trình
thực nghiệm và sản xuất, từ đó xây dựng mối quan hệ toán học về các yếu tố của
chất lượng bề mặt với các thông số công nghệ gia công.
+ ý nghĩa thực tiễn:
- Kết quả nghiên cứu của đề tài về chế độ gia công đà giúp các cơ sở
nghiên cứu, sản xuất khuôn mẫu sử dụng máy gia công bằng tia lửa điện được tốt
hơn, trong những điều kiện gia công cơ thĨ.

10

Chương I
Tổng quan về gia công tia lửa điện
Tình hình nghiên cứu và sử dụng
1.1 - Tình hình nghiên cứu và ứng dụng gia công tia lửa điện
Hiện nay các nước có nền công nghiệp pháp triển, đà có một bước nhảy
vọt trong việc chế tạo các máy gia công tia lửa điện. Riêng Nhật bản là một trong
những nước sản xuất, sử dụng và đưa ra tiêu thụ trên thị trường nhiều nhất các
máy gia công tia lửa điện CNC chiÕm tíi 35% thÞ tr­êng cđa ThÕ Giíi, tiÕp theo
là Châu âu 30%, sau đó là Mỹ 15%, và Châu á với 12% tổng số máy. Các công
trình nghiên cứu về công nghệ tia lửa điện viết tắt theo tiếng Anh là EDM
Electrical Discharge Machining. Tại các nước này có qui mô lớn và đầu tư rất
nhiều bởi những ưu điểm của nó, cũng như có nền công nghiệp hiện đại trợ giúp.
Các chuyên gia chế tạo máy tại các nước này đà có rất nhiều công trình nghiên
cứu qui mô và chuyên sâu về công nghệ gia công tia lửa điện. Đặc biệt là các
chuyên gia Nhật và Đức có công trình nghiên cứu và các tài liệu ứng dụng đÃ
được dịch qua tiếng Việt cũng như máy của họ đà được chủ yếu nhập vào Việt
nam.
Từ 10 năm trở lại đây, đà có nhiều máy gia công tia lửa điện nhập vào
nước ta. Điều đó đà tạo điều kiện cho các chuyên gia tập trung nghiên cứu áp
dụng hiệu quả của các máy hiện đại này vào gia công chế tạo máy móc, khuôn
mẫu, thiết bị vv
Các máy gia công tia lửa điện bắt đầu thật sự trở thành những máy không thể
thiếu được trong các nhà m¸y.


11

Gia công tia lửa điện là nguyên lý tác động ăn mòn vật liệu kim loại bởi tia
lửa điện, nguyên lý này đà được biết cách đây gần 200 năm khi nhà nghiên cứu
khoa học tự nhiên người Anh Zosept 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 người Nga năm 1940 đà bắt đầu sử dụng tia lửa điện
hớt kim loại mà không phụ thuộc vào độ cứng của kim loại đó. Từ đó đến nay
quá trình hớt kim loại trong gia công tia lửa điện vẫn được coi là phức tạp, liên
quan đến khoảng cách khe hở phóng tia lửa ®iƯn trong m«i tr­êng chÊt ®iƯn m«i,
®Õn th«ng tin vỊ 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 v.v
1.2 - Đặc điểm của phương pháp gia công bằng tia lửa điện:
Gia công kim loại và hợp kim bằng tia lửa điện là một trong các phương
pháp gia công bằng phóng điện ăn mòn trên cơ sở tác dụng nhiệt của xung điện
được tạo thành do sự phóng điện giữa hai điện cực, trong đó điện cực âm là dụng
cụ, điện cực dương là chi tiết gia công bằng phóng điện ăn mòn trên cơ sở tác
dụng nhiệt của xung điện được tạo thành do sự phóng điện giữa hai điện cực,
trong đó điện cực âm là dụng cụ, điện cực dương là chi tiết gia công.
Đặc điểm của phương pháp này là:
- Vật liệu phôi và dụng cụ đều phải dẫn điện.
- Dụng cụ gia công (điện cực) không yêu cầu có độ cứng cao hơn vật liệu
gia công, khả năng gia công không phụ thuộc vào độ cứng của vật liệu gia công
mà phụ thuộc và các thông số nhiệt điện và tính chất hoá lý của chúng. Tức là khi
gia công phải sử dụng một chất lỏng điện môi, đó là một dung dịch không dẫn
điện ở điều kiện bình thường.
- Chế độ gia công thay đổi được trong phạm vi rộng, từ thô đến tinh.
- Điện cực dụng cụ bị mòn nhanh.


12

1.2.1- Khả năng công nghệ của phương pháp gia công tia lửa điện:
Phương pháp gia công bằng tia lửa điện có thể tạo được các mặt định hình
đường thẳng, mặt định hình không gian, các rÃnh định hìnhCó thể đạt được độ
chính xác từ cấp 8 đến cấp 9. Và độ nhám Ra = 5ữ1,25 àm , đôi khi trong trường
hợp đặc biệt có thể đạt tới 0,32 àm .
Chất lượng 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.
1.2.2 - Các phương pháp gia công bằng tia lửa điện:
Có hai phương pháp công nghệ gia công tia lửa điện được sử dụng rộng rÃi
trong công nghiệp là:
- Gia công tia lửa điện dùng điện cực định hình, gọi tắt là phương pháp
xung định hình theo đó, cực điện là một hình không gian bất kỳ mà nó in hình
của mình trên phôi tạo thành một lòng khuôn. Thuật ngữ tiếng Anh của phương
pháp này là EDM- Die sinking
- Gia công tia lửa điện bằng cắt dây, ở đây điện cực là một dây mảnh có
d ( 0,1ữ0,3) được cuốn liên tục (dây mô líp đen) và cắt không dùng lại (dây
đồng) và được chạy theo hình cho trước. Nó sẽ cắt theo đúng hình đà vẽ sẵn (có
trợ giúp của máy tính). Thuật ngữ tiếng Anh: EDM - Wire Cutting.
Ngoài ra, nhiều phương pháp lai trên cơ sở ứng dụng tia lửa điện cũng
đang được nghiên cứu và phát triển trên thế giới, bao gồm:
+ Gia công tia lửa điện dạng phay (Milling EDM) là phương pháp sử dụng
điện cực chuẩn hình trụ quay để thực hiện ăn mòn tia lửa điện theo kiểu phay.
Hốc khuôn được hình thành bởi sự đi xuống liên tục của điện cực tới độ sâu yêu
cầu. Tỷ lệ hớt vật liệu tương đương với xung định hình.


13

+ Phủ bằng tia lửa điện (EDD) là phương pháp sử dụng hiệu quả ăn mòn

tia lửa điện để phủ các bánh mài sau thời gian sử dụng nghiền sơ các vật liệu rắn.
Trong quá trình này, bánh mài phủ có tính dẫn điện.
+ Gia công EDM rung siêu âm (ultrasonic Aided EDM) là phương pháp
hớt vật liệu bằng tia lửa điện kết hợp với việc rung điện cực dụng cụ (theo
phương pháp di chuyển của điện cực dụng cụ) với tần số rung bằng tần số siêu
âm. Rung điện cực với tần số siêu âm giúp nâng cao khả năng công nghệ và tăng
đáng kể tốc độ gia công khi xung các lỗ nhỏ hoặc siêu nhỏ.
+ Mài mòn bằng phóng tia lửa điện (Abrasive Electrical Discharge
Grinding-AEDG) là phương pháp lai, trong đó vật liệu được bóc tách nhờ tác
dụng kết hợp của ăn mòn tia lửa điện và mài cơ khí. Phương pháp này được sử
dụng trong gia công các loại vật liệu siêu cứng và đặc biệt có hiệu quả để mài vật
liệu kim cương đa tinh thể. Trong quá trình gia công, sự phóng tia lửa điện giúp
tăng nhanh tốc độ bóc 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 được quay với tốc độ tới 10.000 vòng/phút. Điện cực sử
dụng trong MEDN có kích thước nhỏ đến 5 àm . Và được chế tạo theo phương
pháp gia công tia lửa điện chuyên dụng khác như mài kết hợp cắt dây WEDG.
Bằng phương pháp MEDM cho phép chế tạo các lỗ siêu nhỏ hoặc có hình dạng
rất phức tạp trong CNCTM với các vật liệu siêu dẫn.
Kích thước lỗ gia công bằng phương pháp MEDM thường từ 25 àm đến 250 àm
với độ chính xác 1 àm ữ 2 àm . Gia công MEDM thường được thực hiện với sự
trợ giúp của kính hiển vi điện tử.
+ Cắt dây tia lửa điện siêu nhỏ (MWEDM) là phương pháp cắt dây sử dụng
dây điện cực tungsten, đường kính dây nhỏ dưới 10 àm . Phương pháp MWEDM


14

chủ yếu được sử dụng trong gia công các chi tiÕt cã kÝch th­íc nhá 0,11mm.
VËt liƯu khã gia c«ng, chiều dầy nhỏ.

+ Còn một số phương pháp khác
Để có được những nghiên cứu về bản chất của công nghệ gia công tia lửa điện,
trong khuôn khổ đề tài, Tác giả chỉ đi sâu vào phương pháp xung định hình
(EDM) là chính.
1.2.3- 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 lòng khuôn được gọi là phương pháp xung định hình (EDM).
Đặc tính của sự phóng điện tia lửa điện trong xung định hình:
Sơ đồ hình 1.1 cho ta thấy diễn biến của điện áp và dòng điện ở một máy xung
định hình được sinh ra bởi một máy phát xung tĩnh, trong những khoảng thời
gian xác định của một chu kỳ xung.


15

Ue

Ui

u

0

td

te

t0

ti
tp

Ie

I

t

Trong đó:
te: Thời gian kéo dài xung.
td: Thời gian trễ đánh lửa.
ti: Thời gian kéo dài xung máy phát.
t0: Khoảng cách xung.
tp: Khoảng cách xung.
Ui: Điện áp mở máy.
Ue: Điện áp phóng tia lửa điện.
Ie: Dòng phóng tia lửa điện.

0

t
Hình 1.1: Xung điển hình trong gia công EDM
Đây là đồ thị điển hình của chu kỳ xung trong gia công tia lửa điện EDM.

Ta nhận thấy dòng xung điện I e luôn xuất hiện trễ hơn một khoảng thời gian t d
(độ trễ đánh lửa). So với thời điểm bắt đầu có điện áp máy pháp (U i ). U e và I e là
các giá trị trung bình của điện áp và dòng xung điện khi xảy ra phóng tia lửa
điện.
Các thông số điều chỉnh có ảnh hưởng nhiều đến quá trình gia công bằng

phương pháp xung định hình, bao gồm:
- Điện áp đánh lửa U i : là điện áp cần thiết để dẫn đến sự phóng tia lửa
điện, đặt giữa phôi và điện cực dụng cụ khi máy pháp xung đóng điện. Dòng
phóng tia lửa điện và khe hở phóng điện là các hàm số tỷ lệ thuËn cña U i .


16

- Thời gian trễ đánh lửa t d : Là khoảng thời gian từ lúc đóng máy phát đến
khi xuất hiƯn sù phãng tia lưa ®iƯn. Trong thêi gian t d , điện áp được duy trì ở
mức U i và dòng điện bằng O.
- Điện áp phóng tia lửa điện U e : khi bắt đầu phóng tia lửa điện, điện áp
sụt từ U i xuống U e và là giá trị trung bình trong suốt thời gian, phóng tia lửa
điện U e là một hằng số phụ thuộc vào tính chất hoá - lý của cặp vật liệu phôi điện cực dụng cụ và là giá trị không điều chỉnh được.
- Dòng phóng tia lửa điện I e : là giá trị trung bình của dòng điện kế kể lúc
bắt đầu phóng tia lửa điện đến khi ngắt điện, khi bắt đầu phóng tia lửa điện, dòng
điện từ O tăng nhanh đến giá trị I e kèm theo sự đốt cháy và bốc hơi vật liệu tại
vùng gia công. I e ảnh hưởng lớn nhất đến lượng bóc tách vật liệu (Vw) độ mòn
điện cực của (V o ) và chất lượng bề mặt gia công (R a ). Hai đại lượng V u và R a
tỷ lệ thuận với I e còn V o thì ngược lại.
- Thời gian phóng tia lửa điện t e : là khoảng thời gian từ khi bắt đầu phóng
tia lửa điện đến khi ngắt điện. Trong thời gian này dòng điện b»ng I e .
- Thêi gian xung t i : là khoảng thời gian giữa lần đóng và ngắt của máy
phát trong cùng một chu kỳ phóng tia lửa điện. t i là tổng thời gian trễ đánh tia
lửa điện t d và thời gian phóng tia lửa điện t e .
- Khoảng cách xung t 0 : là khoảng thời gian nghỉ của máy phát, thể hiện
khoảng không điện gi÷a hai chu kú xung kÕ tiÕp.
1.2.4: - Mét sè nghiên cứu trên thế giới về gia công tia lửa điện
Đến nay, trên thế giới đà có nhiều công trình nghiên cứu lý thuyết và thực
nghiệm đưa ra mối quan hệ giữa các đại lượng đặc trưng của quá trình phãng tia

17

lửa điện và các kết luận về sự ảnh hưởng của các thông số công nghệ đến chất
lượng bề mặt gia công. Bao gồm những nghiên cứu như:
- Nghiên cứu của ADAM MIERNIKIEWICZ năm 1997 về bản chất vật lý
của quá trình phóng tia lửa điện trong EDM.
- Nghiên cứu của INDRAJIT BASAK và AMITABHA năm 1996 về công
nghệ và vật liệu trong gia công bằng tia lửa điện.
- Nghiên cứu về các phương pháp ứng dụng gia công bằng tia lửa điện của
ERLE SHOBERT (Hannover University Gernany).
- Giải pháp tối ưu hoá quá trình gia công EDM của Barz, năm 1976.
- Nghiên cứu về ảnh hưởng tham số công nghệ đến chất lượng gia công
của Rainer Wilhelm Lenze năm 1990.
Một cách tổng quát, các nghiên cứu đà nhận định: Trong cùng điều kiện
công nghệ gia công. (Cặp vật liệu điện cực - phôi, chất điện môi, dòng chảy, cách
đấu điện cực) thì lượng hớt vật liệu phôi (V w ) tỷ lệ thuận với điện áp U e , dòng I e
và thời gian phóng tia lửa điện t e . Độ mòn điện cực (V 0 ) thì ngược lại, Độ nhám
bề mặt gia công (R a ) tû lƯ thn víi I e . Thêi gian xung t i ảnh hưởng đến tốc độ
bóc tách vật liệu, mòn điện cực và chất lượng bề mặt gia công.
Những máy gia công bằng tia lửa điện EDM điều khiển thủ công xuất hiện
vào năm 1955. Đến cuối thập niên 80 của thế kỷ 20, các máy gia công tia lửa
điện theo phương pháp xung định hình điều khiển NC, CNC đầu tiên được giới
thiệu. Từ đó đến nay xung định hình luôn được quan tâm nghiên cứu làm cơ sở
cho việc nghiên cứu công nghệ gia công bằng tia lửa điện nói chung.
1.3- Hướng nghiên cứu của đề tài
Sau hơn 50 năm nghiên cứu và phát triển, ngày nay phương pháp gia công
xung định hình không còn được coi thc nhãm gia c«ng “Kh«ng trun thèng”

18

gia công Không chuẩn hoá nữa. Hiện nay trên thị trường máy gia công, xung
định hình chiếm vị trí thứ 4 sau phay, tiện, mài.
Về công nghệ, xung định hình được coi là ổn định về mặt phương pháp.
Cùng với phương pháp, thiết bị gia công xung định hình CNC ngày nay đà được
pháp triển tới mức khi gia công chỉ cần chọn một tham số điều khiển (Ví dụ chọn
dòng xung I e ), những tham số điều khiển tương ứng khác được tự động lựa chọn
để tạo nên chất lượng bề mặt R 2 và thời gian gia công t gia công theo yêu cầu.
Các tham số này (có thể coi là tối ưu) là kết quả nghiên cứu của mỗi hÃng và
được tích hợp trong bộ thư viện tham số kèm theo máy.
Tuy nhiên, các giá trị hiển thị cho đầu ra này chỉ mang tính chất thông tin,
là các đại lượng tham khảo được nhập bởi hệ thư viện. Dù đà được điều khiển
vòng lặp, các kết quả này vẫn có sự chênh lệch so với các đại lượng thực, bởi
chúng còn phụ thuộc vào các đại lượng gia công thực tế.
Các đại lượng đầu ra chính là hàm mục tiêu của qúa trình gia công. Trong
thực tế, bài toán tối ưu đặt ra phụ thuộc vào hàm mục tiêu. Ví dụ, đối với loại sản
phẩm A độ nhám bề mặt được đặt lên hàng đầu, năng suất được coi là thứ yếu,
ngược lại với loạt sản phẩm B độ bóng chỉ cần đạt tối thiểu, còn năng suất được
đặt lên hàng đầu, trong khi loạt sản phẩm C yêu cầu độ nhám thấp (như có thể)
và năng suất cao (như có thể).
Như vậy với 3 bài toán tối ưu này đà đặt ra vấn đề gia công theo 3 tiêu chí
khác nhau.
Để xây dựng và giải được các bài toán nên trên ta cần có một phương pháp
tích hợp. Có khả năng ứng dụng nhanh nhất các phương án gia công và đề xuất
được phương án tối ưu.
Như vậy nhằm nghiên cứu khả năng công nghệ của phương pháp gia công
bằng tia lửa điện, đề tài được thực hiện theo hướng nghiên cứu sau đây:

19

1- Lựa chọn phương pháp xung định hình EDM, đại diện của phương pháp
gia công tia lửa điện để thực hiện nghiên cứu và đánh giá.
Nghiên cứu tổng quan về EDM, tìm hiểu các phương pháp sử dụng tia lửa điện để
bóc tách vật liệu kim loại, khảo sát và đánh giá ảnh hưởng của các yếu tố công
nghệ đến chất lượng gia công, thông qua:
- Thiết kế thí nghiệm
- Thực hiện các thí nghiệm.
- Khảo sát, đánh giá kết quả thí nghiệm.
2- Thiết lập các thuật toán và phát triển phương pháp giải quyết bài toán
tối ưu hoá chế độ công nghệ gia công thông qua mô hình hoá quá trình gia công
bằng tia lửa điện với các tham số đầu vào (Một số thông số công nghệ như dòng
xung điện I e , thời gian xung t i thông số phi công nghệ như dòng sục chất điện
môi) hàm đầu ra (hàm mục tiêu - chất lượng bề mặt, năng suất gia công) và
một số giới hạn nhiễu (nhiễu hệ thống và nhiễu ngẫu nhiên). được coi là không
đổi hoặc tác động không đáng kể đến quá trình, để đánh giá kết quả thí nghiệm.
3- Thiết kế, chế tạo thiết bị nhận dạng xung, các đại lượng đặc trưng của
dòng xung điện, đặc biệt là hình dáng xung. Đánh giá ảnh hưởng của chúng đến
chất lượng gia công trong mối quan hệ với dạng xung được nhận dạng và hiển
thị.


20

Tóm tắt mục tiêu nghiên cứu của đề tài được thể hiện trên hình 1.3.
Các phuơng pháp bóc tách kim loại bằng tia lửa điện.

Dụng cụ đo

nhận dạng xung.

Xung định hình

Các tham số công
nghệ:
Dòng dung dịch.
Ie: Dòng điện xung.
te: Thời gian xung.
tf : thời gian ngắt.

Quá trình phóng tia lửa điện
Lực cơ
học

Lực điện
tử - điện từ

Phụ tải
nhiệt

Phụ tải
hoá học

Các tham số phi
công nghệ.
Chất dung môi.
Điện cực.
Dòng dung dịch.
Timer dwell.

Timer lift.

Vật liệu phôi
Thép 45
- Tính dẫn điện.
- Nhiệt độ nóng chảy.
- Bền va đập nhiệt.

Kết quả trên chi tiết

Hiệu suất gia công

- Nhám bề mặt.
- ảnh hửơng kết cấu tế vi.
- Độ chính xác vĩ mô.
- Các ảnh hửơng khác.

- Năng suất.
- Chất lựơng.
- Các vấn đề khác.

Kết luận
Chất lựơng gia công

Hình 1.3: Sơ đồ mục tiêu nghiên cứu.


21

1.4- Kết luận chương 1:

U

U

Trong điều kiện có những hạn chế nhất về thế hệ thiết bị gia công, thiết bị sử
dụng cho công tác nghiên cứu thí nghiệm thì một nghiên cứu tổng quan về công
nghệ gia công tia lửa điện, tìm hiểu các phương pháp sử dụng tia lửa điện để bóc
tách vật liệu kim loại (kể cả các phương pháp lai) sẽ giúp các nhà đầu tư am hiểu
và có thể làm chủ được thiết bị, tìm những giải pháp thích hợp để cải tiến thiết bị,
trợ giúp các giải pháp ứng dụng trong thực tế sản xuất.
Những nghiên cứu mới để ứng dụng trong thực tế sản xuất của phương pháp
này, tác giả đà định hướng nghiên cứu theo các mục tiêu sau đây:
-Đánh giá sự ảnh hưởng của các thông số công nghệ chính đến năng suất, chất
lượng và độ chính xác gia công .
-ứng dụng các phần mềm sử lý số liệu, các phương pháp quy hoạch thực
nghiệm tiên tiến và các nghiên cứu về gia công tia lửa điện để đánh giá và mô
hình hoá quá trình gia công bằng xung định hình theo hàm mục tiêu nâng cao
chất lượng bề mặt chi tiết gia công.
-ứng dụng các kết quả nghiên cứu của đề tài tại trung tâm khuôn mẫu - Viện
IMI và mục đích kiểm tra khả năng ứng dụng và thực tế sản xuất của các sản
phẩm này.


22

Chương II
Nghiên cứu bản chất của
phương pháp gia công tia lửa điện.
2.1- Bản chất vật lý của quá trình phóng tia lửa điện:
Hiệp hội kỹ sư Đức (VDI) định nghĩa gia công bằng tia lửa điện được xếp

vào nhóm gia công vật liệu nhờ nhiệt và được định nghĩa là hớt vật liệu nhờ tia
lửa điện. Vậy vật liệu được tách ra như thế nào?
R

Điện cực
C

Phôi
Hình 2.1: Sơ đồ nguyên lý gia công tia lửa điện.

Một điện áp được đặt giữa điện cực và phôi, không gian giữa 2 điện cực đó
được điền đầy đủ bởi một chất lỏng cách điện gọi là chất điện môi (Dielectnic).
Cho 2 điện cực áp lại gần nhau, đến một khoảng cách nào đó thì xảy ra sự
phóng tia lửa điện - một dòng ®iƯn xt hiƯn tøc thêi.
Khi phãng tia lưa ®iƯn, c¸c điện cực không tiếp xúc với nhau. Nếu chúng
chạm vào nhau thì sẽ không có tia lửa điện mà sẽ xảy ra ngắn mạch, có hại trong
quá trình gia công. Nếu khe hở quá lớn thì không xảy ra quá trình phóng tia lửa
điện, làm giảm năng suất gia công.
Hiện tượng vật lý của quá trình này được giải thích nh­ sau:


23

Pha1: Đánh lửa.
U

Máy phát tăng điện áp khởi động qua một khe hở (đóng điện áp máy phát
U i ). Dưới ảnh hưởng của điện trường, từ cực âm (Ca tốt) bắt đầu phát ra các điện
tử và chúng bị hút về phía cực dương (a nốt). Sự phát điện tử gây ra sự tăng cục
bộ tính dẫn điện của chất điện môi ở khe hở.

Các bề mặt của hai điện cực không hoàn toàn phẳng. Điện trường sẽ mạnh
nhất ở hai điểm gần nhau nhất. Chất điện môi bị iôn hoá. Tất cả các phần tử dẫn
điện (điện tử và iôn hoá) đều hội tụ quanh điểm này trong khoảng không gian ở
giữa hai điện cực và chúng tạo nên một cái cầu. Một kênh phóng điện đột nhiên
được hình thành ngang qua cầu.
Sự phóng điện được bắt đầu.
Pha 2: Sự hình thành kênh phóng điện:
U

U

ở thời điểm phóng điện, điện áp bắt đầu giảm. Số lượng các phần tử dẫn
điện (điện tử và iôn hoá) Tăng lên một cách khủng khiếp và dòng điện bắt đầu
chạy giữa các điện cực.
Dòng điện này cung cấp một mật độ năng lượng khổng lồ làm cho dung
dịch điện môi bốc hơi cục bộ. áp suất trong các bong bóng hơi sẽ đẩy chất lỏng
điện môi sang 2 bên. Nhưng do có độ nhớt nên chất điện môi tạo ra một sự cản
trở, hạn chế sự lớn lên của kênh phóng điện giữa các điện cực.
Pha 3: Nóng chảy và bốc hơi vật liệu:
U

U

Lõi của bọt hơi bao gồm một kênh plasma. Plasma này là một chất khí có
lẫn các điện tử và các iôn hoá ở áp suất cao (khoảng 1 Kbar) và nhiệt độ cực lớn
(10.000 0 c). Khi kênh plasma này được tạo thành đầy đủ thì điện áp qua khe hở
đạt tới mức của điện áp phóng tia lửa điện U e . Giá trị của điện áp U e lµ mét h»ng


24

số vật lý phụ thuộc vào sự phối hợp vật liệu anốt/ catốt và bằng 25V đối với cặp
vật liệu đồng/ thép.
Chất điện môi giữa kênh plasma và cũng là giữ cho năng lượng có một độ
tập trung cục bộ. Sự va chạm của các điện tử lên anốt và của các iôn hoá lên catốt
làm nóng chảy và bốc hơi các điện cực.
Máy phát sẽ ngắt dòng điện sau khi đà diễn ra một xung có hiệu quả . Điện
áp bị ngắt đột ngột - Kênh phóng điện bị biến mất. áp suất cũng bị mất đột ngột.
Điều này khiến cho kim loại nóng chảy bất ngờ, bị đẩy ra khỏi kênh phóng điện
và bốc hơi.
2.2. Cơ cấu tách vật liệu:
Các đặc tính tách vật liệu đầu tiên phụ thuộc vào năng lượng tách vật liệu.
Nếu gọi năng lượng tách vật liệu là W e , thì ta có ®¼ng thøc sau:
W e =U e .I e .t e .
Trong đó: U e ,I e là các giá trị trung bình của điện áp và dòng tia lửa điện được
lấy trong khoảng thời gian xung. ở đây U e là một hằng số vật lý phụ
thuộc vào cặp vật liệu điện cực/phôi nên về thực chất, năng lượng tách
vật liệu chỉ phụ thuộc vào dòng điện và thời gian xung.
Dòng điện tổng cộng trong kênh plasma qua khe hở phóng điện là tổng của
dòng các điện trở chạy tới cực dương (anốt) và dòng các iôn hoá chạy tới cực âm
(catốt). Do khối lượng của các iôn hoá lớn hơn trên 100 lần so với khối lượng của
các điện tử, nên có thể bỏ qua tốc độ của cá iôn hoá khi xuất phát các xung điện
so với tốc ®é cđa ®iƯn tư. VËt liƯu ®iƯn cùc khi tiÕp xúc với plasma này ở một pha
có áp lực cao tới 1 kbar và nhiệt độ cực cao tốc 10.000 0 c trong kênh plasma làm
cho vật liệu bị bốc h¬i.