Gia công chi tiết khuôn mẫu bằng edm trong môi trường có bột kim loại cứng tungsten

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
-------------- o0o ---------------

HỒNG VĂN TRỌNG,

GIA CƠNG CHI TIẾT KHN MẪU BẰNG EDM TRONG MƠI
TRƢỜNG DUNG DỊCH CĨ BỘT KIM LOẠI CỨNG TUNGSTEN

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT CƠ KHÍ

HÀ NỘI – 2016


BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
-------------- o0o ---------------

HỒNG VĂN TRỌNG,

GIA CƠNG CHI TIẾT KHN MẪU BẰNG EDM TRONG MƠI
TRƢỜNG DUNG DỊCH CĨ BỘT KIM LOẠI CỨNG TUNGSTEN

Chuyên ngành: Kỹ thuât cơ khí

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT CƠ KHÍ

NGƢỜI HƢỚNG DẪN KHOA HỌC:
GS.TSKH.BÀNH TIẾN LONG

HÀ NỘI - 2016

LỜI CAM ĐOAN
Tơi xin cam đoan đây là cơng trình nghiên cứu của riêng tôi. Các số liệu, kết
quả nghiên cứu của luận văn là khách quan, trung thực và chƣa từng đƣợc ai cơng
bố trong bất kỳ cơng trình khoa học nào khác.
Ngƣời viết cam đoan

Hoàng Văn Trọng

i


LỜI CẢM ƠN
Để c đƣợc nh ng kết quả nhƣ ngày hôm nay, tôi xin trân trọng cảm ơn
Đảng ủy, Ban Giám hiệu, Phòng Đào tạo, Viện Đào tạo Sau Đại học, Viện Cơ khí,
các thày cơ tham gia giảng dạy khóa CTM2014B - Đại học Bách Khoa Hà Nội đã
trang bị cho tôi kiến thức, tạo mọi điều kiện giúp đỡ tơi trong suốt q trình học tập,
nghiên cứu và hồn thành Luận văn.
Với lịng kính trọng và biết ơn sâu sắc, tơi xin đƣợc ày tỏ lịng biết ơn chân
thành tới GS. TSKH. Bành Tiến Long - Nguyên Thứ trƣởng Bộ giáo dục & Đào tạo
là ngƣời thầy đã dành nhiều thời gian hƣớng dẫn, tận tình chỉ đạo và định hƣớng
cho tơi trong suốt q trình nghiên cứu và hồn thành Luận văn. Tơi xin trân trọng
cảm ơn Thạc sĩ, NCS Lê Văn Tạo đã giúp đỡ, hƣớng dẫn và tạo điều kiện thuận lợi
cho tôi trong suốt thời nghiên cứu đề tài Luận văn. Tôi xin trân trọng cảm ơn Ban
Lãnh đạo Công ty TNHH MTV Đạm Ninh Bình nơi tơi đang cơng tác đã tạo điều
kiện tốt nhất để tôi đƣợc học tập và nghiên cứu. Tôi xin trân trọng cảm ơn Trung
tâm thực nghiệm Học viện Kỹ thuật Quân sự, Trung tâm đánh giá hƣ hỏng vật liệu
thuộc Viện Hàn Lâm Khoa học và Cơng nghệ Việt Nam, Viện cơ khí Việt Nam đã
nhiệt tình hợp tác và giúp đỡ tơi trong hỗ trợ vật tƣ, thiết bị thực nghiệm và thu thập

số liệu nghiên cứu.
Xin ph p đƣợc ày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới gia đình, anh em, ạn è, đồng
nghiệp và nh ng ngƣời thân đã động viên, chia sẻ, giúp đỡ tơi trong suốt q trình
nghiên cứu hồn thành luận văn.
Xin trân trọng cảm ơn !
Hà Nội, ngày

tháng

năm 2016

Hoàng Văn Trọng

ii


MỤC LỤC

LỜI CAM ĐOAN .............................................................................................. i
LỜI CẢM ƠN ................................................................................................... ii
MỤC LỤC ........................................................................................................ iii
DANH MỤC CÁC CỤM TỪ VIẾT TẮT ..................................................... viii
DANH MỤC BẢNG BIỂU ............................................................................. ix
DANH MỤC HÌNH VẼ ................................................................................... xi
PHẦN MỞ ĐẦU .............................................................................................. 1
1. Tính cấp thiết của đề tài. ........................................................................... 1
2. Đối tƣợng, mục đích, nội dung và phƣơng pháp nghiên cứu. .................. 2
2.1. Đối tƣợng nghiên cứu............................................................................ 2
2.2. Mục đích nghiên cứu .............................................................................. 2
2.3. Nội dung nghiên cứu. ............................................................................. 2

2.4. Phƣơng pháp nghiên cứu........................................................................ 3
3. Ý nghĩa của đề tài. ..................................................................................... 3
Chƣơng 1.NGHIÊN CỨU TỔNG QUAN GIA CÔNG BẰNG TIA LỬA
ĐIỆN ................................................................................................................. 4
1.1. Đặt vấn đề. ............................................................................................ 4
1.2. Lịch sử phát triển .................................................................................. 4
1.3. Nguyên lý gia công của phƣơng pháp gia công ằng Tia lửa điện........ 5
1.3.1. Bản chất phƣơng pháp gia công tia lửa điện. ...................................... 5
1.3.2. Cơ sở lý thuyết gia công tia lửa điện. ................................................. 6
1.3.2.1. Bản chất vật lý của quá trình phóng tia lửa điện. ....................... 6
1.3.2.2. Cơ chế tách vật liệu.................................................................... 12
1.3.2.3. Đặc tính về điện- Các thơng số cơng nghệ của EDM. ............... 13
1.3.2.4. Lượng hớt vật liệu. ..................................................................... 15

iii


1.3.2.5 Chất lượng bề mặt gia công bằng EDM ..................................... 16
1.3.2.6. Sự mịn điện cực. ........................................................................ 19
1.3.2.7. Chất điện mơi. ............................................................................ 22
1.3.2.8. Một số vấn đề liên quan đến điện cực và vật liệu điện cực. ...... 24
1.3.3. Đặc điểm của EDM trong gia cơng cơ khí........................................ 25
1.3.3.1. Ưu điểm. ..................................................................................... 25
1.3.3.2. Nhược điểm. ............................................................................... 26
1.3.4. Ứng dụng của EDM trong gia cơng cơ khí. ..................................... 26
1.3.4.1. Xung định hình. .......................................................................... 26
1.3.4.2. Cắt dây. ...................................................................................... 26
1.3.4.3. Gia cơng kích thước nhỏ bằng EDM (- EDM). ...................... 26
1.3.4.4. Nâng cao cơ tính bề mặt vật liệu .............................................. 27
1.3.5. Nghiên cứu nâng cao năng suất và chất lƣợng gia công bằng EDM. .... 27

1.4. Kết luận chƣơng 1 ................................................................................ 28
Chƣơng 2.GIA CÔNG BẰNG TIA LỬA ĐIỆN VỚI DUNG DỊCH ĐIỆN
MƠI CĨ TRỘN BỘT...................................................................................... 30
(PMEDM- EDM with Powder-Mixed in Dielectric Fluid) ............................ 30
2.1. Đặt vấn đề............................................................................................. 30
2.2. Phƣơng pháp gia công ằng Tia lửa điện với dung dịch điện mơi có bột
trộn . ............................................................................................................ 31
2.2.1. Mơ hình máy gia cơng theo phƣơng pháp PMEDM......................... 31
2.2.2. Bản chất, cơ chế của phƣơng pháp PMEDM. ................................... 31
2.2.3 . Các loại bột hợp kim trộn vào dung môi cách điện. ....................... 33
2.2.4. Nh ng thay đổi của quá trình EDM khi bột trộn vào dung dịch điện
môi. .............................................................................................................. 35
2.2.4.1. Độ bền cách điện của dung dịch điện mơi. ................................ 35
2.2.4.2. Độ lớn khe hở phóng điện. ......................................................... 35

iv


2.2.4.3. Giảm nhấp nhô bề mặt gia công. ............................................... 36
2.2.4.4. Nâng cao năng suất gia công..................................................... 37
2.2.4.5. Đồng thời nâng cao năng suất và giảm nhấp nhô bề mặt gia
công. ........................................................................................................ 39
2.2.4.6. Nâng cao cơ tính của lớp bề mặt gia công ................................ 39
2.3. Kết luận chƣơng 2. ............................................................................... 40
Chƣơng 3.CƠ SỞ LÝ THUYẾT VỀ KHUÔN MẪU, THIẾT KẾ KHUÔN
GIA CÔNG ..................................................................................................... 42
3.1 Đặt vấn đề............................................................................................. 42
3.2. Cơ sở lý thuyết về khuôn ..................................................................... 42
3.2.1. Cấu tạo của khuôn ............................................................................. 43
3.2.2.Thiết kế khuôn.................................................................................... 45

3.2.2.1. Các vấn đề cần quan tâm khi thiết kế khuôn. ............................ 45
3.2.2.2. Đặc điểm công nghệ của sản xuất khuôn. ................................. 45
3.3. Thiết kế khuôn dập vuốt chi tiết dạng cốc. ......................................... 46
3.3.1. Chi tiết. .............................................................................................. 46
3.3.2. Khuôn. ............................................................................................... 48
3.3.2.1.Đặc điểm của khuôn dập vuốt: ................................................... 48
3.3.2.2.Kết cấu phần khuôn dập vuốt: .................................................... 50
3.3.2.3 Vật liệu làm khuôn: ..................................................................... 50
3.3.2.4.Thiết kế khuôn chi tiết. ................................................................ 54
Kết luận chƣơng 3: .......................................................................................... 56
Chƣơng 4.XÂY DỰNG HỆ THỐNG THÍ NGHIỆM KHẢO SÁT ẢNH
HƢỞNG CỦA BỘT TUNGSTEN CARBIDE KHI GIA CÔNG CHI TIẾT
KHUÔN MẪU (THÉP SKD61) ..................................................................... 57
4.1. Sơ đồ thí nghiệm .................................................................................. 57
4.2.Các yếu tố thực nghiệm......................................................................... 57

v


4.2.1. Máy thí nghiệm ................................................................................. 57
4.2.2. Dung dịch điện mơi ........................................................................... 59
4.2.3. Vật liệu phôi ...................................................................................... 59
4.2.4. Vật liệu điện cực ............................................................................... 60
4.2.5. Vật liệu bột Tungsten carbide ........................................................... 60
4.2.5.1. Thành phần hóa học bột tungsten carbide ................................ 60
4.2.5.2.Kích thước hạt bột tungsten carbide. .......................................... 61
4.2.6. Các thông số công nghệ về điện........................................................ 61
4.2.7. Thiết bị đo kiểm ................................................................................ 61
1. Máy đo iên dạng ................................................................................... 61
2. Máy đo độ cứng tế vi .............................................................................. 62

3. Máy hiển vi điện tử quét (SEM) ............................................................ 62
4. Máy quan sát cấu trúc mặt cắt ngang lớp bề mặt................................ 62
5. Máy phân tích thành phần hóa học bề mặt (EDX).................................. 63
4.3. Kết luận chƣơng 4 ................................................................................ 63
Chƣơng 5.KHẢO SÁT CHẤT LƢỢNG BỀ MẶT SAU GIA CÔNG BẰNG
EDM VÀ PMEDM ......................................................................................... 64
5.1. Khảo sát chất lƣợng lớp bề mặt khuôn mẫu sau EDM ........................ 64
5.1.1. Mục đích............................................................................................ 64
5.1.2. Kết quả khảo sát. ............................................................................... 64
5.1.2.1. Cấu trúc của lớp bề mặt gia công. ............................................. 64
5.1.2.2. Thành phần hóa học v t ch c tế vi của lớp bề mặt gia công . 65
5.1.2.3. Khảo sát các vết n t tế vi trên bề mặt gia công. ........................ 66
5.1.2.4. Khảo sát độ nhám trên bề mặt gia công (Ra) . .......................... 67
5.1.3. Nhận xét. ........................................................................................... 68
5.2. Khảo sát chất lƣợng lớp bề mặt khuôn mẫu sau PMEDM sử dụng bột
kim loại Tungsten ........................................................................................ 68

vi


5.2.1. Mục đích............................................................................................ 68
5.2.2. Kết quả khảo sát. ............................................................................... 68
5.2.2.1. Cấu trúc của lớp bề mặt gia công. ............................................. 68
5.2.2.2. Thành phần hóa học v t ch c tế vi của lớp bề mặt gia công . 69
5.2.2.3. Khảo sát các vết n t tế vi trên bề mặt gia công. ........................ 70
5.2.2.4. Khảo sát độ nhám trên bề mặt gia công (Ra) . .......................... 71
5.2.3. Nhận xét. ........................................................................................... 75
5.3. Kết luận chƣơng 5 ................................................................................ 76
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ......................................................................... 78
TÀI LIỆU THAM KHẢO ............................................................................... 80

vii


DANH MỤC CÁC CỤM TỪ VIẾT TẮT
EDM

Gia công ằng tia lửa điện

PMEDM

Gia công ằng tỉa lửa điện c trộn ột vào dung dịch điện mơi

MRR

Năng suất

TWR

Lƣợng mịn điện cực dụng cụ

X-Ray

Phân tích các pha của vật liệu

EDX

Phân tích thành phần % các nguyên tố của vật liệu

SEM

Chụp ảnh ề mặt ằng kính hiển vi điện tử

c tách vật liệu

viii


DANH MỤC BẢNG BIỂU
Bảng 1.1 Vật liệu và gia công điện cực ....................................................................21
Bảng 1.2 Ảnh hƣởng của chất điện môi lên kết quả gia cơng ..................................24
Bảng 3.1 Tính chất của một số mác th p dụng cụ (theo tiêu chuẩn của nhật) ..........51
Bảng 3.2 Sự ảnh hƣởng của các nguyên tố hợp kim .................................................52
Bảng 3.3 Các đặc điểm của một số th p hợp kim làm chày và cối...........................53
Bảng 4.1 thơng số máy EDM CNC-460 ...................................................................58
Bảng 4.2: Đặc tính kỹ thuật của dầu Shell EDM Fluid 2 ........................................59
Bảng 4.3. Ký hiệu tƣơng đƣơng th p SKD61 của các nƣớc. ....................................59
Bảng 4.4. Thành phần của h a học của th p SKD61. ...............................................60
Bảng 4.5. Đặc tính kỹ thuật của vật liệu điện cực ....................................................60
Bảng 4.6. Thành phần h a học theo % trọng lƣợng của ột tungsten car ide .........60
Bảng 4.7. Kích thƣớc hạt ..........................................................................................61
Bảng 4.8. Các thơng số cơng nghệ gia công .............................................................61
Bảng 5.1. Thành phần các nguyên tố trên ề mặt th p SKD61 trƣớc và sau EDM .65
Bảng 5.2.Độ nhám sau gia công EDM......................................................................67
Bảng 5.3. Thành phần các nguyên tố trên ề mặt th p SKD61 ................................69
trƣớc và sau PMEDM ...............................................................................................69
Bảng 5.4. Ra tại I1 và T1 khi PMEDM .....................................................................71
Bảng 5.5. Ra tại I1 và T2 khi PMEDM .....................................................................72
Bảng 5.6. Ra tại I1 và T3 khi PMEDM .....................................................................72
Bảng 5.7. Ra tại I1 và T4 khi PMEDM .....................................................................72

Bảng 5.8. Ra tại I2 và T1 khi PMEDM .....................................................................73
Bảng 5.9. Ra tại I2 và T2 khi PMEDM .....................................................................73
Bảng 5.10. Ra tại I2 và T3 khi PMEDM ...................................................................73
Bảng 5.11. Ra tại I2 và T4 khi PMEDM ...................................................................73
Bảng 5.12. Ra tại I3 và T1 khi PMEDM ...................................................................74
Bảng 5.13. Ra tại I3 và T2 khi PMEDM ...................................................................74

ix


Bảng 5.14. Ra tại I3 và T3 khi PMEDM ...................................................................74
Bảng 5.15. Ra tại I3 và T4 khi PMEDM ...................................................................75

x


DANH MỤC HÌNH VẼ
Hình 1.1: Sơ đồ ngun lý gia cơng tia lửa điện .................................................................. 6
Hình 1.2: Đồ thị điện áp v dịng điện trong 1 xung phóng điện .................................... 8
Hình 1.3: Sự đánh lửa ................................................................................................................. 9
Hinh 1.4: Sự phóng điện qua kênh dẫn điện ....................................................................... 10
Hình 1.5: Nóng chảy v bốc hơi vật liệu .............................................................................. 11
Hình 1.6: Diễn biến của một q trình phóng tia lửa điện. ............................................ 13
Hình 1.7: Các “miệng núi lửa” được hình th nh liên tiếp. ........................................... 16
Hình 1.8: Câu trúc tế vi của chi tiết gia cơng bằng xung định hình. ....................... 17
Hình 1.9: Vùng ảnh hưởng nhiệt của bề mặt phơi............................................................. 18
Hình 1.10: Mối quan hệ giữa độ mòn điện cực θ v ti .................................................... 20
Hình 2.1: Mơ hình thực nghiệm PMEDM............................................................................ 31
Hình 2.2: Ảnh hưởng của hạt bột trong quá trình hình th nh kênh phóng điện của
q trình EDM[20]. ................................................................................................................... 33

Hình 2.3: Thống kê các loại bột hợp kim được sử dụng nghiên c u[24].................... 34
Hình 3.1.Ví dụ một khn ......................................................................................................... 43
Hình 3.2. Bản vẽ thiết kế sơ bộ chi tiết ................................................................................. 48
Hình 3.3.Kết cấu phần khn dập vuốt................................................................................. 50
Hình 3.3.Thiết kế khn sơ bộ................................................................................................. 55
Hình 4.1. Sơ đồ thí nghiệm ....................................................................................................... 57
Hình 4.2: Máy Xung EDM & bể khuấy ch a dầu v bột hợp kim. ............................... 58
Hình 4.3. Hình dạng phơi thí nghiệm .................................................................................... 60
Hình 5.1. Cấu trúc mặt cắt ngang của bề mặt thép SKD61 ............................................ 65
Hình 5.2. Ảnh SEM bề mặt gia công sau EDM với điện cực Cu ................................... 67
Hình 5.3. Cấu trúc mặt cắt ngang của bề mặt thép SKD61sau PMEDM ................... 69
Hình 5.4. Ảnh SEM so sánh bề mặt gia công sau EDM v PMEDM ........................... 71

xi


PHẦN MỞ ĐẦU
1. Tính cấp thiết của đề tài.
EDM là phƣơng pháp gia công không truyền thống, gia công đƣợc các chi
tiết có hình dạng bề mặt rất phức tạp làm bằng cac vật liệu dẫn điện c độ bền và
độc cứng bất kỳ nhƣ: khuôn dập, khuôn đúc, các chi tiết dùng trong máy tự động và
máy ay…. Phƣơng pháp này không c ràng uộc quan hệ về độ cứng gi a phôi và
dụng cụ, các vấn đề nhƣ : rung động, ứng suất cơ học, tiếng ồn không xuất hiện
trong suốt q trình gia cơng. Tuy nhiên, EDM cũng tồn tai một số hạn chế nhƣ:
năng suất gia cơng thấp, điện cực dụng cụ bị mịn và chất lƣợng bề mặt gia cơng
khơng cao ( phải có thêm ngun cơng gia cơng tính). Điều này dẫn đến việc tăng
giá thành chế tạo của phƣơng pháp EDM. Trong nh ng năm gần đây, nhiều giải
pháp nghiên cứu đƣợc đƣa ra nhằm khắc phục nh ng hạn chế của EDM nhƣ: tối ƣu
hóa thơng số cơng nghệ, lựa chọn cặp vật liệu điện cực - phôi hợp lý, vật liệu điện
cực đặc biệt và bột bằng vật liệu dẫn điện trộn vào dung dịch điện môi. Trong

nh ng giải pháp khắc phục trên, EDM c sử dụng ột kim loại hoặc hợp kim trộn
vào dung dịch điện môi (ký hiệu là PMEDM- EDM with Powder-Mixed in
Dielectric Fluid) là phƣơng pháp mới cho kết quả rất tích cực. Đây đang là phƣơng
pháp rất đƣợc quan tâm của nhiều cơng trình nghiên cứu.
Các nghiên cứu về PMEDM chỉ ra rằng: sử dụng phƣơng pháp này sẽ làm
tăng đồng thời cả năng suất và chất lƣợng q trình gia cơng [1]. Điều này góp phần
quan trọng trong việc hạ giá thành sản phẩm. Tuy nhiên, các nghiên cứu về vấn đề
này hiện nay chƣa nhiều, mới ở giai đoạn thử nghiệm và vẫn cịn nhiều vấn đề cần
phải làm rõ trƣớc khi có thể chính thức đƣợc chấp nhận sử dụng trong thực tiễn sản
xuất.
Hiện nay, các máy EDM nhƣ: máy xung định hình, máy căt dây đƣợc nhập
khẩu từ Trung Quốc, Đài Loan,… c giá thành không quá cao nên đây là thiết bị
đang đƣợc sử dụng phổ biến ở nƣớc ta. Mặc dù vậy, EDM là phƣơng pháp c số
lƣợng thông số công nghệ rất lớn với phạm vi thay đổi rộng và ảnh hƣởng của
chúng đến năng suất và chất lƣợng gia công rất khác nhau. Nên việc lựa chọn các

1


thông số công nghệ trong thực tế sản xuất chủ yếu dựa vào tài liệu hƣớng dẫn của
máy hoặc theo kinh nghiệm thực tế nên hiệu quả ứng dụng nó còn hạn chế. Bên
cạnh đ , nh ng nghiên cứu chuyên sâu về lĩnh vực này ở nƣớc ta chƣa nhiều và
chủ yếu là nghiên cứu chuyển giao công nghệ . Vì vậy, đây là hƣớng nghiên cứu
cịn khá mới mẻ ở nƣớc ta.
Khuôn mẫu là một sản phẩm phức tạp nhƣng lại đƣợc sử dụng phổ biến
trong nền công nghiệp. Phƣơng pháp EDM đƣợc sử dụng rất rộng rãi trong ngành
chế tạo khuôn mẫu và dụng cụ [13]. Nên nghiên cứu nâng cao năng suất gia công
và chất lƣợng của các sản phẩm dạng này sẽ c ý nghĩa thực tiễn rất cao.
Nh ng vấn đề nêu trên là định hƣớng cho tác giả chọn đề tài:"Gia công chi
tiết khn mẫu bằng EDM trong mơi trƣờng có bột kim loại cứng Tungsten"

2. Đối tƣợng, mục đích, nội dung và phƣơng pháp nghiên cứu.
2.1. Đối tƣợng nghiên cứu
Đối tƣợng nghiên cứu của xung định hình sử dụng dung dịch điện mơi có
trộn bột Tungsten với điện cực Cu và loại thép làm khn SKD61.
2.2. Mục đích nghiên cứu
1. Xác định ảnh hƣởng các thông số công nghệ đến độ nhám và nứt tế vi lớp
bề mặt sau khi gia công bằng EDM c sử dụng ột Tungsten trộn vào dụng dịch
điện môi.
2. Xác định trị số hợp lý (hoặc tối ƣu) các thông số công nghệ của phƣơng
pháp tia lửa điện với dung dịch điện mơi có trộn bột Tungsten khi gia công thép làm
khuôn SKD61 theo chỉ tiêu chất lƣợng bề mặt khuôn.
3. Ứng dụng kết quả nghiên cứu để nâng cao hiệu quả công nghệ chế tạo
khuôn mẫu trong hƣớng nghiên cứu tiếp theo của đề tài.
2.3. Nội dung nghiên cứu.
1. Nghiên cứu tổng quan về EDM, PMEDM và ứng dụng trong ngành gia
công chế tạo khuôn mẫu.
2.Thực nghiệm nghiên cứu ảnh hƣởng của cƣờng độ dòng điện, thời gian phát
xung, thời gian ngừng phát xung, vật liệu điện cực Cu và nồng độ bột đến hiệu quả

2


chất lƣợng bề mặt sau gia công thép làm khuôn SKD61 bằng phƣơng pháp xung định
hình có trộn bột Tungsten trong dung dịch điện môi theo các chỉ tiêu về chất lƣợng độ
nhám và nứt tế vi bề mặt gia công….
3. Lựa chọn thông số công nghệ tối tƣu để gia công chi tiết khuôn mẫu theo
hƣớng giảm độ nhám bề mặt chi tiết sau gia công.
4. Đo đạc và kiểm chứng bằng thực nghiệm.
5. Nghiên cứu ứng dụng thực tiễn: Kết quả nghiên cứu sẽ đƣợc ứng dụng để
nâng cao khả năng làm việc của khuôn dập n ng. Điều này sẽ làm khẳng định rõ

hơn tính khả thi của PMEDM trong thực tiễn sản xuất.
2.4. Phƣơng pháp nghiên cứu
- Nghiên cứu cơ sở lý thuyết về gia công bằng EDM, PMEDM.
- Nghiên cứu bằng thực nghiệm bao gồm các ƣớc:
Xây dựng hệ thống thí nghiệm và kế hoạch thực nghiệm.
+ Tiến hành thực nghiệm.
+ Phân tích kết quả số liệu thực nghiệm thu đƣợc.
+ Xử lý số liệu và lựa chọn thông số gia công chi tiết khuôn mẫu.
3. Ý nghĩa của đề tài.
- Nghiên cứu nâng cao hiệu quả gia công của EDM bằng cách trộn bột dẫn
điện vào dung dịch điện môi đang trong giai đoạn nghiên cứu thử nghiệm nên cần
đƣợc tiếp tục quan tâm và làm rõ. Đề tài sẽ góp phần làm sáng tỏ thêm các vấn đề
liên quan đến lĩnh vực này.
- Phƣơng pháp nghiên cứu lý thuyết kết hợp với thực nghiệm đƣợc trình ày
trong luận văn c thể sử dụng để nghiên cứu trong EDM với các điều kiện khác
nhau.
- Đề tài sẽ đƣa ra một số chỉ dẫn về mặt công nghệ và lựa chọn hợp lý các
thông số của phƣơng pháp PMEDM.

3


Chƣơng 1.
NGHIÊN CỨU TỔNG QUAN
GIA CÔNG BẰNG TIA LỬA ĐIỆN
1.1. Đặt vấn đề.
Đối với mọi nền sản xuất trên thế giới, nghiên cứu đổi mới và phát triển công
nghệ luôn là một nhu cầu cấp bách. Trong nghành công nghiệp cơ khí, các phƣơng
pháp gia cơng truyền thống nhƣ: tiện, phay, mài,.. khơng cịn đáp ứng đƣợc u cầu
cũng nhƣ nhu cầu các sản phẩm trong thế giới hiện đại; ngay cả khi có sự phục vụ

của các trung tâm gia cơng CNC tiên tiến cũng rất khó hoặc khơng thể gia công
đƣợc các chi tiết từ các vật liệu siêu cứng, lâu mòn,thành mỏng dùng cho máy bay,
tua in máy điện.... Thực tế đ đòi hỏi phải phát triển các phƣơng pháp công nghệ
mới, trong đ gia công tia lửa điện là một phƣơng pháp hiệu quả.
Thực ra gia công tia lửa điện không phải là một phƣơng pháp cơng nghệ q
mới đối với nghành sản xuất cơ khí vì n đã xuất hiện hàng trăm năm và áp dụng
vào sản xuất hơn nửa thế kỷ qua. Ngày nay cơng nghệ này đã đƣợc hiện đại hóa
cao, đến mức các máy gia công tia lửa điện đã đƣợc chế tạo hang loạt và đƣợc trang
bị các hệ thống điều khiển số CNC tối tân.
Một trong nh ng ƣu điểm đặc sắc nhất của phƣơng pháp gia công tia lửa điện là
khơng có lực cắt trong q trình gia cơng. Điều này đồng nghĩa với việc tính tốn
đồ gá, bàn máy sẽ đơn giản hơn rất nhiều, công suất của động cơ điều khiển các trục
cũng không cần lớn nhƣ trƣớc n a.
Trong chƣơng này tìm hiểu lịch sử hình thành, cơ sở lý thuyết của công nghệ
gia công tia lửa điện, đặc điểm công nghệ, xu hƣớng phát triển của các phƣơng pháp
gia công tia lửa điện hiện nay.
1.2. Lịch sử phát triển
Phƣơng pháp gia công tia lửa điện (Electric Discharge Machining —
EDM) là phƣơng pháp gia công không truyền thống đƣợc sử dụng phổ biến hiện
nay [1]. Năm 1770 nhà khoa học ngƣời Anh Joseph Priestly là ngƣời đầu Tiên phát

4


hiện ra sự ăn mòn vật liệu do hiện tƣợng ph ng điện gây ra và đây đƣợc cho là
nguồn gốc ra đời của EDM. Và sau nhiều nghiên cứu, hai nhà khoa học B, R.
Lazarenko và N.I. Lazarenko của Liên Xơ dã thành cơng trong điều khiển sự hình
thành các Tia lửa điện trong gia công kim loại. Năm 1943 họ đã đƣa ra sơ đồ cấu
trúc của máy EDM sử dụng mạch Lazarenko. Loại mạch này đã liên tục đƣợc cải
Tiến và đƣợc ứng dụng rộng rãi trong bộ nguồn cung cấp của máy EDM.

Trong thập niên 1960 đã c nhiều nghiên cứu sâu rộng về gia công EDM và đã
giải quyết đƣợc nhiều vấn đề liên quan đến mơ hình tính tốn q trình gia cơng
EDM. Trong thập niên 1970 đã xảy ra cuộc cách mạng về gia công trên máy cắt dây
EDM nhờ vào việc phát triển các máy phát xung công suất lớn, các loại dây cắt và
các phƣơng pháp sục chất điện môi h u hiệu. Hiện nay, các máy EDM đã đƣợc thiết
kế khá hồn chỉnh và q trình gia cơng đƣợc điều khiển theo chƣơng trình số.
Với các thuật tốn điều khiển mới, các hệ thống điều khiển CNC cho phép
gia công với đạt năng suất và chất lƣợng cao mà không có sự tham gia trực tiếp từ
con ngƣời. Các máy gia công tia lửa điện ngày nay đƣợc đặc trƣng ởi mức độ tự
động hóa cao. Các hệ điều khiển CNC trên thị trƣờng hiện nay đã c nh ng ƣớc
tiến vƣợt bậc và rất phổ biến. Hiện nay, EDM đã c thể thay thế đƣợc các phƣơng
pháp gia công truyền thống và nó trở thành sự lựa chọn của rất nhiều Cơng ty , tập
đồn trên thế giới nói chung và ở Việt Nam n i riêng
1.3. Nguyên lý gia công của phƣơng pháp gia công bằng Tia lửa điện.
1.3.1. Bản chất phƣơng pháp gia công tia lửa điện.
Bản chất của phƣơng pháp gia công tia lửa điện: Là phƣơng pháp gia cơng
bằng cách ph ng điện ăn mịn trên cơ sở tác dụng nhiệt của xung điện đƣợc tạo ra
do sự ph ng điện gi a 2 điện cực. Trong đ :
- Điện cực (đ ng vai trò là dụng cụ cắt): C độ cứng thấp hơn nhiều so với vật
liệu phôi, vật liệu phôi thƣờng là nh ng vật liệu cứng và đã qua nhiệt luyện nhƣ
th p đã tôi, các loại hợp kim cứng, vật liệu điện cực thƣờng là đồng, grafit...
- Vật liệu dụng cụ cắt và vật liệu phơi đều phải có tính chất dẫn điện tốt.

5


- Môi trƣờng gia công: Khi gia công phải sử dụng một chất lỏng điện môi làm
môi trƣờng gia công. Đây là dung dịch không dẫn điện ở điều kiện làm việc bình
thƣờng.
1.3.2. Cơ sở lý thuyết gia cơng tia lửa điện.

1.3.2.1. Bản chất vật lý của q trình phóng tia lửa điện.
Đặt một điện áp 1 chiều gi a 2 điện cực, trong q trình gia cơng dụng cụ và
chi tiết là hai điện cực, trong đ dụng cụ là catốt, chi tiết là anốt của một nguồn điện
một chiều có tần số 20 - 500kHz, khoảng cách khe hở đƣợc xác định là 0,0250,05mm, điện áp 30 - 200V và cƣờng độ dòng điện 0,1 - 500A.
R: điện trở
C: Tụ điện

Hình 1.1: Sơ đồ ngun lý gia cơng tia lửa điện
Lƣợng hớt vật liệu có thể đạt 300 mm3/phút, hai điện cực này đƣợc đặt trong
dung dịch cách điện đƣợc gọi là chất điện môi. Khi cho hai điện cực tiến lại gần
nhau thì gi a chúng c điện trƣờng. Khi điện áp tăng lên thì từ bề mặt cực âm có
các điện tử phóng ra, tiếp tục tăng điện áp thì chất điện mơi gi a hai điện cực bị ion
hóa làm cho chúng trở nên dẫn điện, làm xuất hiện tia lửa điện gi a hai điện cực.
Nhiệt độ ở vùng có tia lửa điện lên rất cao, có thể đạt đến 12.000oC, làm nóng chảy,
đốt cháy phần kim loại trên cực dƣơng. Trong quá trình ph ng điện, xuất hiện sự
ion hóa cực mạnh và tạo nên áp lực va đập rất lớn, đẩy phoi ra khỏi vùng gia cơng.
Tồn bộ q trình trên xảy ra trong thời gian rất ngắn từ 10-4 đến 10-7s. Sau đ mạch
trở lại trạng thái an đầu và khi điện áp của tụ đƣợc nâng lên đến mức đủ để phóng
điện thì q trình trên lại diễn ra ở điểm có khoảng cách gần nhất.

6


Phơi của q trình gia cơng là các giọt kim loại bị tách ra khỏi các điện cực và
đông đặc lại thành nh ng hạt nhỏ hình cầu. Khi các hạt này bị đẩy ra khỏi vùng gia
công, khe hở gi a hai điện cực lớn lên, sự ph ng điện khơng cịn n a. Để đảm bảo
q trình gia công liên tục, ngƣời ta điều khiển điện cực dụng cụ đi xuống liên tục
sao cho khe hở gi a hai điện cực là không đổi và ứng với điện áp nạp vào tụ.
Khi phóng tia lửa điện, các điện cực khơng tiếp xúc với nhau. Nếu chúng chạm
nhau thì sẽ khơng có hiện tƣợng phóng tia lửa điện mà sẽ tạo ra 1 dịng ngắn mạch

có hại đến q trình gia cơng. Nếu khe hở lớn q thì sẽ khơng thể xảy ra sự phóng
điện làm giảm năng suất gia cơng.
Để có thể làm phát sinh tia lửa điện, một điều không thể thiếu đƣợc là một thời
gian ngắn sau khi c dòng điện chạy qua điện cực và xảy ra hiện tƣợng ph ng điện
thì phải ngừng cung cấp năng lƣợng. Để làm đƣợc điều này ngƣời ta dùng 1 máy
xung định hình đƣợc phát ra bởi 1 máy phát tĩnh trong nh ng khoảng thời gian xác
định của 1 chu kỳ xung. Có thể n i điểm mấu chốt của phƣơng pháp gia công tia lửa
điện là nguồn cung cấp năng lƣợng dạng xung. Và trong các máy gia cơng tia lửa
điện thì bộ phận quyết định khả năng hoạt động là máy phát năng lƣợng dạng xung
Nguồn cung cấp dạng xung: Thời gian ngắt nguồn điện là khoảng thời gian
cần tiết để dung dịch điện ly có thể khơi phục lại trạng thái khơng dẫn điện của nó
và sẵn sàng cho xung gia cơng tiếp theo. Nếu thời gian này khơng có hoặc q nhỏ
sẽ làm dung dịch điện ly luôn ở trạng thái dẫn điện. Điều này làm cho tia lửa điện
phát triển thành hồ quang gây hỏng bề mặt chi tiết và dụng cụ, đây là điều khơng
mong muốn trong q trình chế tạo. Do đ nếu trong q trình gia cơng mà điều
chỉnh khoảng cách xung quá ngắn thì sẽ xảy ra hiện tƣợng xung phía sau sẽ đốt
cháy cùng một điểm với xung phía trƣớc vì vậy điểm ăn mịn sẽ kht thành hố sâu
và không đồng đều trên bề mặt phôi.

7


Hình 1.2: Đồ thị điện áp v dịng điện trong 1 xung phóng điện
te: Độ kéo dài xung
tđ: Độ trễ đánh lửa
ti: độ kéo dài xung máy phát xung
to: Khoảng cách xung
tp: Thời gian chu kỳ xung
Ui: điện áp máy phát mở
Ue: điện áp phóng tia lửa điện

Ie: dịng phóng tia lửa điện
Q trình ăn mịn của một xung gia công đƣợc trải qua 3 giai đoạn:
Giai đoạn 1: Đánh lửa

8


Hình 1.3: Sự đánh lửa
Máy phát tăng điện áp khởi động qua 1 khe hở (đ ng điện áp máy phát Ui).
Dƣới tác ảnh hƣởng của điện trƣờng, từ cực âm (catốt) bắt đầu phát ra các điện tử
và bị chúng hút về cực dƣơng (anốt). Sự phát điện gây ra sự tăng cục bộ tính dẫn
điện của chất điện môi khe hở.Các bề mặt của 2 điện cực không hoàn toàn phẳng,
điện trƣờng sẽ mạnh nhất ở hai điểm gần nhau nhất. Chất điện mơi sẽ bị ơxi hóa, tất
cả các phần tử dẫn điện (điện tử và ion dƣơng) đều hội tụ quanh điểm này trong
khoảng thời gian gi a 2 điện cực và chúng tạo ra một cái cầu. Một kênh ph ng điện
đột nhiên đƣợc hình thành ngang qua cầu. Sự ph ng điện đƣợc bắt đầu. Kết quả là
dung dịch điện ly trở nên dẫn điện ở cuối giai đoạn này.
Giai đoạn 2: Sự hình thành kênh ph ng điện

9


Hinh 1.4: Sự phóng điện qua kênh dẫn điện
Ở thời điểm ph ng điện, điện áp bắt đầu giảm. Số lƣợng các phần tử dẫn điện
(điện tử và ion dƣơng) tăng lên khủng khiếp và dòng điện bắt đầu chạy gi a các
điện cực. Dòng điện này cung câp mật độ năng lƣợng khổng lồ (đạt cỡ 105 đến 107
W/mm2) làm cho nhiệt độ tại đ đạt tới 10.000o C và dung dịch chất điện môi bốc
hơi cục bộ, áp suất bong bóng sẽ đẩy chất lỏng điện mơi sang 2 ên. Nhƣng do c
độ nhớt nên chất điện môi tạo ra một sự cản trở hạn chế sự lớn lên của kênh phóng
điện gi a các điện cực.

Giai đoạn 3: Nóng chảy và bốc hơi vật liệu

10


Hình 1.5: Nóng chảy v bốc hơi vật liệu
Lõi của bọt hơi ao gồm 1 kênh plasma, và đây là hợp chất khí c các điện tử
và ion dƣơng ở áp suất rất cao (khoảng 1kbar) và nhiệt độ cực lớn (khoảng
10000oC). Khi kênh plasma này đƣợc tạo thành đầy đủ thì điện áp qua khe hở đạt
tới mức của điện áp phóng tia lửa điện Ue. Giá trị điện áp của Ue là một hằng số vật
lý phụ thuộc vào sự phối hợp vật liệu anôt/catôt và bằng 25V đối với cặp vật liệu
đồng/thép. Chất lƣợng chất điện môi gi kênh Plasma và cũng là gi cho năng
lƣợng có một độ tập trung cục bộ. Sự và chạm của các điện tử lên anôt và của các
ion dƣơng lên catôt làm n ng chảy và bốc hơi các điện cực.
Máy phát sẽ ngắt dòng điện sau khi đã diễn ra 1 xung có hiệu quả và điện áp
này đƣợc ngắt đột ngột. Kênh ph ng điện biến mất, áp suất cũng ị mất đột ngột.
Điều này khiến cho kim loại bị nóng chảy bất ngờ, bị đẩy ra khỏi kênh ph ng điện
và bốc hơi. Sự ph ng điện có thể kéo dài từ vài micrơ giây đến vài trăm micrô giây
tùy thuộc vào công dụng. Gi a các xung c 1 độ trễ to (là thời gian gi a các xung),
cho phép chất điện mơi thơi ion hóa và có thời gian chuyển phoi ra khỏi khe hở gi a
các điện cực nhờ dòng chảy của chất điện môi, ở đây chất điện môi của điện cực bị
tách ra. Mỗi bề mặt điện cực đều để lại một lỗ bị ăn mịn, nhƣng sự ăn mịn này
khơng nhƣ nhau. Cực nào bị ăn mòn nhiều hơn thƣờng là cực dƣơng thì sẽ dành cho
phơi. Cực nào ít bị ăn mịn hơn thì làm điện cực, tuy nhiên điều này khơng phải là
ln ln cố định mà nó cịn tùy vào chế độ phóng điện và việc chọn cặp vật liệu,
đấu cực.
Kết thúc giai đoạn này, dung dịch điện ly lấy lại trạng thái an đầu của nó:
khơng dẫn điện. Một xung gia công kết thúc. Các giai đoạn trên đƣợc lặp lại cho các
xung gia công kế tiếp theo.
Sau hàng loạt xung gia cơng có ích, vật liệu của các điện cực bị ăn mòn dần

theo từng lớp. Ngƣời ta thƣờng chọn vật liệu dụng cụ có khả năng chịu ăn mòn hơn
(bằng đồng hay graphite) nên chi tiết dần bị ăn mịn nhiều và sẽ mang hình dáng của
dụng cụ.

11


1.3.2.2. Cơ chế tách vật liệu.
Các đặc tính của vật liệu đầu tiên phụ thuộc vào năng lƣợng tách vật liệu. Nếu
gọi năng lƣợng tách vật liệu là We thì ta c đẳng thức sau:
We = Ue.Ie.te
Trong đ : Ue, Ie là các giá trị trung bình của điện áp và dòng điện đƣợc lấy
trong khoảng thời gian xung. Do Ue là một hằng số vật liệu phụ thuộc vào cặp vật
liệu điện cực/phôi nên thực chất năng lƣợng tách vật liệu chỉ phụ thuộc vào dòng
điện và thời gian xung.
Dòng điện tổng cộng trong kênh Plasma qua khe hở ph ng điện là tổng của các
dòng điện tử chạy tới cực dƣơng (anơt) và dịng các ion dƣơng chạy tới cực âm
(catốt). Do các dòng ion dƣơng lớn hơn trên 100 lần so với khối lƣợng các điện tử
nên có thể bỏ qua tốc độ của các ion dƣơng khi xuất phát các xung điện so với tốc
độ của điện tử.
Mật độ điện tử tập trung tới các bề mặt cực dƣơng (anôt) cao hơn nhiều lần so
với mật độ ion dƣơng tập trung tới bề mặt cực âm (catơt) trong khi mức độ tăng của
các dịng điện rất lớn trong khoảng đầu tiên của sự ph ng điện. Điều này là nguyên
nhân gây ra sự nóng chảy rất mạnh cực dƣơng (anơt) trong chu kỳ đầu này. Dịng
ion dƣơng chỉ đạt tới cực âm (catôt) trong micrô giây đầu tiên. Các ion dƣơng gây
ra sự nóng chảy và bốc hơi của vật liệu catốt. Do đ c hiện tƣợng điện cực bị mòn.
Vật liệu điện cực khi tiếp xúc với plasma này ở một pha có áp lực cao tới 1kbar
và nhiệt độ cực cao tới 10.000oC trong kênh plasma.
Một lý do quan trọng của việc thoát vật liệu bị chảy lỏng là sự đột ngột biến mất
của của kênh plasma khi dòng điện bị ngắt. Ngay lập tức áp suất tụt xuống bằng áp

suất xung quanh sau khi dòng điện bị ngắt. Nhƣng nhiệt độ của dòng chất lỏng lại
không hạ nhanh nhƣ thế nên gây ra sự nổ và bốc hơi của chất lỏng hiện có. Tốc độ
cắt của dòng điện và mức độ sụt của xung dòng điện sẽ quyết định tốc độ sụt áp suất
và sự bắt buộc nổ vật liệu cháy lỏng. Thời gian sụt của dòng điện là yếu tố quyết
định đối với độ nhám bề mặt gia công.

12