Nghiên cứu ảnh hưởng của chế độ công nghệ đến năng suất và chất lượng khi gia công bằng xung điện

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TrÇn nh­ hiÕu

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
*****

TRẦN NHƯ HIẾU

NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA CHẾ ĐỘ
CÔNG NGHỆ ĐẾN NĂNG SUẤT VÀ CHẤT
LƯỢNG KHI GIA CễNG BNG XUNG IN
Công nghệ cơ khí

LUN VN THC S KHOA HỌC
NGÀNH: CƠNG NGHỆ CƠ KHÍ

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:
TS. TRẦN VĂN ĐỊCH

2006-2008
HÀ NỘI - 2008


3

Mục lục
Mục

Nội dung

Tra

ng

Trang bìa

1

Lời cam đoan

2

Mục lục

3

Danh mục các thuật ngữ, ký hiệu, từ viết

7

tắt .

1.1

Danh mục các bảng biểu .

10

Danh mục các hình vẽ, đồ thị .

11

Mở đầu

18

Chương 1 : Tổng quan về gia công tia lửa điện

18

Đặc điểm của phương pháp gia công bằng

18

tia lửa điện..
1.1.1

Những đặc điểm chính của phương pháp gia

18

công bằng tia lửa điện .
1.1.2

Khả năng công nghệ của phương pháp gia

19

công bằng tia lửa điện.
1.2

Các phương pháp gia công bằng tia lửa

19

điện.
1.2.1

Gia công xung định hình.

21

1.2.1.1

Điện áp đánh lửa Uz .

22

1.2.1.2

Thời gian đánh lửa trÔ td.

23


4
1.2.1.3

Điện áp phóng tia lửa điện Ue.

23

1.2.1.4

Dòng phóng tia lửa ®iƯn Ie.

23

1.2.1.5

Thêi gian phãng tia lưa ®iƯn te.

23

1.2.1.6

Thêi gian xung ti.

23

1.2.1.7

Khoảng cách xung t0.

23

1.3

Hướng nghiên cứu của đề tài.

24

1.4

Kết luận chương 1.

26

Chương 2 - nghiên cứu bản chất của phương pháp

2.1

gia công tia lửa điện.

27

Bản chất vật lý và cơ chế hớt kim loại

27

bằng tia lửa điện.
2.2

Thiết bị và hệ điều khiển gia công tia lửa

32

điện.
2.2.1

Máy phát xung.

33

2.2.2

Hệ thống dịch chuyển điện cực.

33

2.3

Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình gia

34

công tia lửa điện .
2.3.1

Các yếu tố có thể điều khiển.

34

2.3.1.1

Các đại lượng điện.

34

2.3.1.2

ảnh hưởng của khe hở phóng điện .

38

2.3.1.3

ảnh hưởng của điện dung C.

40

2.3.1.4

ảnh hưởng của diện tích vùng gia công F.

41

2.3.2

Các yếu tố liên quan trong quá tr×nh gia

41


5
công tia lửa điện.
2.3.2.1

Độ nhám bề mặt .

41

2.3.2.2

Độ cứng lớp bề mặt gia công .

43

2.3.2.3

Lượng hớt vật liệu gia công.

44

2.3.2.4

Khe hở phóng tia lửa điện.

48

2.3.2.5

Vật liệu phôi.

49

2.3.2.6

Vật liệu điện cực.

51

2.3.2.7

Chất điện môi.

55

2.3.2.8

Các loại dòng chảy chất điện môi.

58

2.4

Kết luận chương 2.

62

Chương 3 -Chất lượng bề mặt và các phương pháp
đánh giá chất lượng bề mặt trong gia công bằng
tia lửa điện

63

3.1

Chất lượng bề mặt gia công.

63

3.2

Các chỉ tiêu đánh giá trong gia công bằng

68

tia lửa điện.
3.2.1

Đánh giá tính chất quá trình.

68

3.2.2

Đánh giá chất lượng bề mặt gia công.

70

3.2.3

Năng suất và cách đánh giá năng suất gia

75

công.
3.3

Kết luận chương 3.

76

Chương 4 - hệ thống thí nghiệm đánh giá chất
lượng bề mặt trong gia công bằng tia lửa điện.

77


6
4.1

Thiết kế thí nghiệm .

77

4.1.1

Các giới hạn khi thiết kế thí nghiệm.

77

4.1.2

Điều kiện thực hiện thí nghiệm.

77

4.2

Các thông số thí nghiệm.

78

4.3

Các thiết bị dùng trong quá trình thí

82

nghiệm.
4.3.1

Phôi thí nghiệm.

82

4.3.2

Thiết bị thực hiện thí nghiệm.

83

4.3.2.1

Máy xung HURCO SPARK 900.

83

4.3.2.2

Mô tả quá trình thực hiện thí nghiệm gia công

87

trên máy.
4.3.3

Phương pháp đo và hệ thống đo.

88

4.3.3.1

Thiết bị đo nhám.

89

4.3.3.2

Thiết bị đo lớp ảnh hưởng nhiệt.

90

4.3.3.3

Phần mềm EDM-IMI1.0.

91

4.4

Khảo sát chất lượng và năng suất gia

92

công.
4.4.1

ảnh hưởng đơn của các yếu công nghệ.

92

4.4.1.1

ảnh hưởng của dòng điện xung.

92

4.4.1.2

ảnh hưởng của thời gian xung.

93

4.4.1.3

ảnh hưởng của khoảng cách xung.

94

4.4.2

ảnh hưởng của yếu tố phi công nghệ.

96

4.4.2.1

ảnh hưởng của vật liệu.

96


7
4.4.2.2

ảnh hưởng của dòng dung dịch sục.

97

4.4.2.3

ảnh hưởng của Timer-Dwell và Timer-Lift.

98

4.5

Kết luận chương 4.

101

Chương 5 - Mô hình hoá quá trình gia công bằng
tia lửa điện

5.1

Mô hình định tính của quá trình xung định

103
104

hình.

5.2

Mô hình toán học.

108

5.2.1

Kiểm tra tính đồng nhất của thí nghiệm.

108

5.2.2

Các bước tiến hành quy hoạch thực nghiệm.

109

5.2.3

Lựa chọn và phân tích mô hình thông kê.

109

5.3

Kết kuận chương 5.

117

kết luận chung

118

Tóm tăt luận văn tiếng việt
Tóm tắt luận văn tiếng anh
tài liệu tham khảo.
phụ lục

123


2
Lời cam đoan
Tôi xin cam đoan rằng đây là công trình nghiên cứu luận văn khoa học
của tơi. Các kết quả nghiên cứu được đo đạc tính tốn là hồn tồn chính xác

và trung thực, chưa được cơng bố ở bất cứ một cơng trình nào khác.

Tác giả

Trần Như Hiếu


3

Mục lục
Mục

Nội dung

Trang

Trang bìa

1

Lời cam đoan

2

Mục lục

3

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

7

Danh mục các bảng biểu .

10

Danh mục các hình vẽ, đồ thị .

11

Mở đầu

18

Chương 1 : Tổng quan về gia công tia lửa điện

18

1.1

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

18

1.1.1

Những đặc điểm chính của phương pháp gia cơng bằng tia lửa

18

điện .
1.1.2

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

19

điện.
1.2

Các phương pháp gia công bằng tia lửa điện.

19

1.2.1

Gia cơng xung định hình.

21

1.2.1.1

Điện áp đánh lửa Uz .

22

1.2.1.2

Thời gian đánh lửa trễ td.

23

1.2.1.3

Điện áp phóng tia lửa điện Ue.

23

1.2.1.4

Dịng phóng tia lửa điện Ie.

23

1.2.1.5

Thời gian phóng tia lửa điện te.

23

1.2.1.6

Thời gian xung ti.

23

1.2.1.7

Khoảng cách xung t0.

23

1.3

Hướng nghiên cứu của đề tài.

24

1.4

Kết luận chương 1.

26

Chương 2 - nghiên cứu bản chất của phương pháp gia


4
công tia lửa điện.

27

2.1

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

27

2.2

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

32

2.2.1

Máy phát xung.

33

2.2.2

Hệ thống dịch chuyển điện cực.

33

2.3

Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình gia cơng tia lửa điện .

34

2.3.1

Các yếu tố có thể điều khiển.

34

2.3.1.1

Các đại lượng điện.

34

2.3.1.2

ảnh hưởng của khe hở phóng điện δ.

38

2.3.1.3

ảnh hưởng của điện dung C.

40

2.3.1.4

ảnh hưởng của diện tích vùng gia cơng F.

41

2.3.2

Các yếu tố liên quan trong q trình gia cơng tia lửa điện.

41

2.3.2.1

Độ nhám bề mặt .

41

2.3.2.2

Độ cứng lớp bề mặt gia công .

43

2.3.2.3

Lượng hớt vật liệu gia cơng.

44

2.3.2.4

Khe hở phóng tia lửa điện.

48

2.3.2.5

Vật liệu phơi.

49

2.3.2.6

Vật liệu điện cực.

51

2.3.2.7

Chất điện mơi.

55

2.3.2.8

Các loại dịng chảy chất điện môi.

58

2.4

Kết luận chương 2.

62

Chương 3 -Chất lượng bề mặt và các phương pháp đánh
giá chất lượng bề mặt trong gia công bằng tia lửa điện
63
3.1

Chất lượng bề mặt gia công.

63

3.2

Các chỉ tiêu đánh giá trong gia công bằng tia lửa điện.

68

3.2.1

Đánh giá tính chất q trình.

68

3.2.2

Đánh giá chất lượng bề mặt gia công.

70

3.2.3

Năng suất và cách đánh giá năng suất gia công.

75


5
3.3

Kết luận chương 3.

76

Chương 4 - hệ thống thí nghiệm đánh giá chất lượng bề
mặt trong gia công bằng tia lửa điện.

77

4.1

Thiết kế thí nghiệm .

77

4.1.1

Các giới hạn khi thiết kế thí nghiệm.

77

4.1.2

Điều kiện thực hiện thí nghiệm.

77

4.2

Các thơng số thí nghiệm.

78

4.3

Các thiết bị dùng trong q trình thí nghiệm.

82

4.3.1

Phơi thí nghiệm.

82

4.3.2

Thiết bị thực hiện thí nghiệm.

83

4.3.2.1

Máy xung HURCO SPARK 900.

83

4.3.2.2

Mơ tả q trình thực hiện thí nghiệm gia cơng trên máy.

87

4.3.3

Phương pháp đo và hệ thống đo.

88

4.3.3.1

Thiết bị đo nhám.

89

4.3.3.2

Thiết bị đo lớp ảnh hưởng nhiệt.

90

4.3.3.3

Phần mềm EDM-IMI1.0.

91

4.4

Khảo sát chất lượng và năng suất gia công.

92

4.4.1

ảnh hưởng đơn của các yếu cơng nghệ.

92

4.4.1.1

ảnh hưởng của dịng điện xung.

92

4.4.1.2

ảnh hưởng của thời gian xung.

93

4.4.1.3

ảnh hưởng của khoảng cách xung.

94

4.4.2

ảnh hưởng của yếu tố phi công nghệ.

96

4.4.2.1

ảnh hưởng của vật liệu.

96

4.4.2.2

ảnh hưởng của dòng dung dịch sục.

97

4.4.2.3

ảnh hưởng của Timer-Dwell và Timer-Lift.

98

4.5

Kết luận chương 4.

101

Chương 5 - Mơ hình hố q trình gia cơng bằng
tia lửa điện
5.1

Mơ hình định tính của quá trình xung định hình.

103
104


6
5.2

Mơ hình tốn học.

108

5.2.1

Kiểm tra tính đồng nhất của thí nghiệm.

108

5.2.2

Các bước tiến hành quy hoạch thực nghiệm.

109

5.2.3

Lựa chọn và phân tích mơ hình thơng kê.

109

5.3

Kết kuận chương 5.

117

kết luận chung

118

Tóm tăt luận văn tiếng việt
Tóm tắt luận văn tiếng anh
tài liệu tham khảo.

123

phụ lục

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

hiệu

Diễn giải Nội dung đầy đủ

1

AEDG

2

CAD

Abrasive Electrical Discharge Grinding.
Computer Aided Design.


7
3

CAM

Computer Aided Manufacturing

4

CIM

Computer Integrated Manufacturing

5

CNC

Computer Numerical Control.

6

EDM

Electrical Discharge Machining.

7

EPS

Easy Productivity System.

8

FMS

Flexible Manufacturing Systems.

9

MEDM

10

NC

11

WEDM

12

MWEDM

13

Uz

14

td

Thời gian đánh lửa trễ.

15

Ue

Điện áp phóng tia lửa điện.

16

Ie

Dịng phóng tia lửa điện.

17

te

Thời gian phóng tia lửa điện (TIME ON).

18

t0

Khoảng cách xung (TIME OFF).

19

Timer –

Micro Electrical Discharge Machining.
Numerical Control.
Wire Electrical Discharge machining.
Micro Wire Electrical Discharge machining.
Điện áp đánh lửa.

Thời gian dừng điện cực ở vị trí khe hở sau loạt xung.

Dwell
20

Timer - lift

Thời gian nhấc điện cực giữ ở vị trí ngồi khu vực
cơng tác.

21

Vo

Độ mịn điện cực.

22

Vw

Lượng tách vật liệu phơi.

23

ψ

Độ mịn tương đối của điện cực.

24

δ

Khe hở phóng điện .

25

We

Năng lượng tách vật liệu.

26

ap

Hệ số cơng suất.

27

η

Hệ số tích điện.

28

C

Điện dung tụ điện .


8
29

Cgh

Điện dung giới hạn.

30

Uopt

Điện áp tối ưu.

31

F

Diện tích vùng gia cơng .

32

Fgh

Diện tích vùng gia cơng tới hạn.

33

Q

Điện tích của tụ.

34

R

Chiều cao nhấp nhô .

35

z

Chiều sâu ảnh hưởng nhiệt.

36

Htổng:

37

Hm

38

ρ

39

hc(z)

40

W

Năng lượng phóng tia lửa điện.

41

θm

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

42

E

Độ bền ăn mòn.

43

λ

Hệ số dẫn nhiệt.

44

Tm

Nhiệt độ nóng chảy.

45

∆TS

Trở va đập nhiệt.

46

σ

ứng suất gẫy .

47

µ

Số poisson.

48

α

Hệ số giãn nở nhiệt.

49

β

Mô dun Biot (không đơn vị).

50

EVbez

51

cw

Nhiệt năng riêng (kJ/kg grd).

52

Θv

Nhiệt độ sôi vật liệu (oC).

53

ΘS

Nhiệt độ chảy vật liệu (oC).

54

ξ

Tỷ trọng vật liệu(g/cm3).

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

Năng lượng bốc hơi riêng (j/mm3).


9

Danh mục các bảng biểu
. Số bảng
2.1

Nội dung bảng biểu
So sánh độ bền mỏi giữa phương pháp phay và
phương pháp gia công tia lửa điện.

2.2

Vật liệu sử dụng làm điện cực trong EDM.

3.1

Phân lọai nhám theo VDI 3400.

4.1

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

4.2

Tham số và mức điều khiển trong thực nghiệm EDM.

4.3

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

4.4

Bảng TN ảnh hưởng của hai tham số timer-dwell và
timer-lift đến chất lượng bề bặt gia cơng.

4.5

Đặc tính của máy sung Hurco Spark 900.

4.6

Bảng đánh giá tỉ lệ phần trăm ảnh hưởng của timerdwell và timer-lift đến chất lượng bề mặt.

4.7

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

5.1

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

5.2

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

5.3

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

5.4

Bảng thông số thực nghiệm đối với độ nhám.

5.5

Bảng các tham số mơ hình thống kê.

5.6

Bảng ma trận Ln() các tham số tối ưu.

trang


10

Danh mục các hình vẽ , đồ thị

. Số hình

Nội dung hình vẽ, đồ thị

1.1

Dạng xung điển hình trong gia công EDM.

1.2

Máy cắt bằng điện cực dây tia lửa điện thế hệ mới.

1.3

Sơ đồ mục tiêu nghiên cứu của đề tài.

2.1

Sơ đồ ngun lí gia cơng tia lửa điện.

2.2

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

2.3

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

2.4

Cơ chế hớt kim loại bằng tia lửa điện.

2.5

Điều khiển NC khe hở phóng điện trong EDM.

2.6

Mối quan hệ giữa Vw & ti.

2.7

Mối quan hệ giữa θ & ti.

2.8

Mối quan hệ giữa Rmax & ti.

2.9

ảnh hưởng của to đến năng suất gia cơng.

2.10

ảnh hưởng của khe hở phóng tia lửa điện δ.

2.11

Đồ thị quan hệ η- ap.

2.12

ảnh hưởng của điện dung C.

2.13

ảnh hưởng của diện tích vùng gia cơng F

2.14

ảnh hưởng của Ui&C.

2.15

ảnh hưởng của ti dến Rmax.

2.16

Tác dụng của EDM lên độ cứng bề mặt.

2.17

Nguồn nhiệt lý tưởng trong EDM.

2.18

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

2.19

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


11
2.20

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

2.21

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

2.22

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

2.23

Biểu đồ sử dụng chất điện mơi.

2.24

Dịng dung dịch sục dạng chảy bên ngồi.

2.25

Dịng chảy áp lực qua phơi.

2.26

Dịng chảy áp lực qua điện cực.

2.27

Dịng chảy hút qua điện cực.

2.28

Dịng chảy hút qua phơi.

2.29

Dịng chảy phối hợp.

3.1

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

3.2

Chuẩn bề mặt căn cứ theo VDI-3400.

3.3

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

3.4

Kết quả đo lực khởi nguyên từ kênh Plasma.

3.5

ảnh chụp kim tương kết cấu tế vi bề mặt.

3.6

Cấu trúc vĩ mô và vi mô trong gia công tia lửa điện.

3.7

Mối

quan

hệ

giữa

dạng

prôphin

và

đường

cong

thành phần vật liệu.
3.8

Đồ thị phần vật liệu.

3.9

Cấu trúc vĩ mô trong EDM.

4.1

1.1.1.1 Sơ đồ khối Card A/D.

4.2

1.1.1.2 Xung vuônglý thuyết trong gia công tia lửa điện.

4.3

1.1.1.3 Dạng xung vuông thực tế trong gia công tia lửa điện.

4.4

4.1.2Dạng xung đặc trưng trong gia công tia lửa điện.

4.5

4.2 Dạng xung điện khi gia công với các thông số:
Ie = 7 (A) , ti = 100 (µs) , t0 = 16 µs , tốc độ dịng phun 15ml/s (chảy
thuận).


12
4.6

4.3 Dạng xung điện khi gia công với các thông số:
Ie = 7 (A) , ti = 100 (µs) , t0 = 16 µs , tốc độ dịng phun 8 ml/s (chảy
thuận).

4.7

Bản vẽ chi tiết và điện cực gia công.

4.8

ảnh mẫu thí nghiệm.

4.9

Máy HurcoSpark900EDM.

4.10

Các thành phần của hệ thống HURCO-900.

4.11

Sơ đồ gá mẫu thí nghiệm.

4.12

Màn hình chung của bộ điều khiển CNC HURCO-900.

4.13

Đo độ nhám trên thiết bị quang học BM11

4.14

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

4.15

Kính hiển vi điện tử AXIOVERT-100A.

4.16

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

4.17

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

4.18

ảnh hưởng của dịng sục đến chất lượng bề mặt .

4.19

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

4.20

Mẫu gia cơng lỗ sâu thí nghiệm 25.

5.1

Mơ hình hố q trình gia cơng xung định hình.

5.2

Mơ hình “Hộp đen” q trình xung định hình.


13
Mở đầu
Trong thiên niên kỷ thứ 3, thiên niên kỷ mà nền khoa học cơng nghệ sẽ
phát triển nhanh khó đoán trước được diễn biến, nguồn tài nguyên thiên
nhiên trở nên khan hiếm, nguồn lực và môi trường trở thành mối quan tâm
của mỗi quốc gia, các vấn đề của nền kinh tế tri thức được bàn và thống kê
chưa đủ tính hệ thống, thì sự thừa nhận cơng nghệ gia công kim loại luôn là

nền tảng của mọi ngành cơng nghiệp đã thúc ép phải có nhiều đầu tư nghiên
cứu về các q trình gia cơng kim loại hơn nữa. Tiếp theo, để có thể tự động
hố, linh hoạt hố một q trình gia cơng kim loại, việc nghiên cứu ảnh
hưởng của các yếu tố công nghệ đến các q trình đó, đặc biệt đến chất
lượng và độ chính xác gia công là không thể thiếu được. Gia công kim loại
bằng tia lửa điện cũng không nằm ngoại lệ.
Được xem là phương pháp hữu hiệu gia công các loại vật liệu cứng, siêu
cứng, lâu mịn hoặc gia cơng các hốc, các đường biên, các vật thể có hình dáng
hình học phức tạp, khó hoặc khơng thể gia cơng 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 cơng nghệ gia cơng khơng truyền thống.
Vào những năm 50 của Thế kỷ XX, thiết bị gia cơng tia lửa điện thương
mại đã có mặt trên thị trường thế giới. Đến năm 1980, kỹ thuật điều khiển số và
tự động hoá đã tạo cho phương pháp gia công tia lửa điện một sự chuyển biến
đáng kể về mặt công nghệ. Những năm gần đây, nhiều phương pháp lai, trên cơ
sở kết hợp nguyên lý gia công tia lửa điện với các phương pháp gia công cơ,
khai thác lợi thế của từng phương pháp thành phần đã tạo nên những kỹ thuật
hớt kim loại mới trên cơ sở cơng nghệ gia cơng bằng tia lửa điện.
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, đã và đang được sử dụng rộng rãi để thay thế


14
một số q trình gia cơng truyền thống trong nhiều ngành công nghiệp khác
nhau như công nghiệp hàng không vũ trụ, điện tử, công nghiệp dược liệu, công
nghiệp dân dụng….và đặc biệt là trong ngành chế tạo khuôn - mẫu.
Mặc dù phương pháp gia công tia lửa điện đã được sử dụng rộng rãi,
nhưng q trình ăn mịn tia lửa điện vẫn được coi là còn nhiều yếu tố chưa rõ
khi phân tích khảo sát theo phương pháp giải tích. Điều đó thể hiện rằng những

tác động liên quan đến tia lửa điện được phóng ra trong q trình gia công chưa
được hiểu biết đầy đủ. Vấn đề nâng cao chất lượng chi tiết và năng suất gia
công mặc dù đã tiêu tốn nhiều công sức của các nhà nghiên cứu trên thế giới
trong một thời gian dài đến nay vẫn cịn là vấn đề thời sự.
Các thơng số cơng nghệ, các thông số điều chỉnh máy như: điện áp xung ,
dòng xung điện, thời gian xung, thời gian nghỉ , thời gian dừng điện cực tại vị
trí gia cơng, thời gian nhấc dừng điện cực tại vị trí ngồi vùng gia công … trên
các máy xung nhập từ nước ngồi đã được các hãng sản xuất tích hợp và cài đặt
sẵn trên máy. Điều đó đã gây khó khăn cho người sử dụng lựa chọn hoặc giải
các bài toán tối ưu chế độ công nghệ gia công bằng tia lửa điện trong điều kiện
sản xuất cụ thể.
Các thông số đặc trưng cho chất lượng bề mặt tuy đã 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.
Nhằm tìm hiểu thêm về cơng nghệ gia công tia lửa điện và xem xét đánh
giá các yêu tố ảnh hưởng, nâng cao năng suất, chất lượng và hạ giá thành sản
xuất, với sự gợi ý của GS.TS Trần Văn Địch, khoa cơ khí ĐHBK Hà nội thì
tác giả đã lựa chọn đề tài:
“Nghiên cứu ảnh hưởng của chế độ công nghệ đến năng suất và chất
lượng chi tiết gia công bằng phương pháp xung điện ” .
2- Đối tượng và phương pháp nghiên cứu.


15
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 Viện máy và dụng cụ công nghiệp (IMI).
+ Điện cực đồng thau.
+ Vật liệu gia công gồm 3 loại : thép C45 thường, thép C45 nhiệt luyện,

thép hợp kim CM55
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
chun dụng, hiện đại tại các phịng thí nghiệm của Trường đại học Bách khoa
Hà nội và Viện IMI.
3- ý nghĩa của đề tài
+ Đánh giá được ảnh hưởng của các yếu tố công nghệ đến chất lượng bề
mặt chi tiết khi gia công bằng xung điện trong điều kiện gia cơng cụ thể, đặc
biệt có xét đến ảnh hưởng của các yếu tố phi cơng nghệ như diện tích bề mặt,
chiều sâu gia công, dung dịch chất điện môi và một số thông số điều chỉnh máy
khác.
+ Thiết lập được mơ hình tốn học tạo điều kiên tối ưu hố các thơng số
cơng nghệ trong gia cơng xung định hình
+ Kết quả nghiên cứu của đề tài là cơ sở cho các hướng nghiên cứu mở
rộng, nâng cao hơn trong công nghệ gia công bằng tia lửa điện nhằm nâng cao
chất lượng và năng suất gia công.
5- Cấu trúc luận án.
Nội dung luận án được chia thành 5 chương , cuối luận án là kết luận
chung và kiến nghị cho hướng nghiên cứu tiếp theo, cụ thể gồm:
Phần mở đầu.
Chương 1- Tổng quan về gia công bằng tia lửa điện.
Chương 2- Nghiên cứu bản chất của phương pháp gia công tia lửa điện.
Chương 3- Chất lượng bề mặt và các phương pháp đánh giá chất lượng bề mặt
trong gia công bằng tia lửa điện.


16
Chương 4- Hệ thống thí nghiệm nghiên cứu ảnh hưởng của các yếu tố công
nghệ đến chất lượng bề mặt trong gia cơng bằng tia lửa điện.
Chương 5: Mơ hình hố q trình gia cơng bằng tia lửa điện

Kết luận chung, kiến nghị hướng nghiên cứu tiếp theo.
Tài liệu tham khảo.
Phần phụ lục


17

Chương 1
Tổng quan về gia công tia lửa điện

Nguyên lý tác động ăn mòn vật liệu kim loại bởi tia lửa điện và cấu trúc cơ
sở của quá trình đã được biết cách đây gần 200 năm khi nhà nghiên cứu khoa
học tự nhiên người Anh Joseph Priestley trong thí nghiệm của mình ơng đã
nhận thấy hiệu quả của sự ăn mịn vật liệu bởi sự phóng tia lửa điện (17331809). Vợ chồng Lazarenko người Nga (1940s) đã khái quát hố hiện tượng
nêu trên thành cơng nghệ gia cơng qua một loạt thí nghiệm sử dụng các mạch
điện trở - tụ điện để thu được tác động phóng điện hớt vật liệu kim loại khi mỗi
lần cho điện cực dụng cụ tiến gần đến điện cực phơi. Từ đó đến nay q trình
hớt vật liệu trong gia cơng tia lửa điện vẫn được coi là rất phức tạp, liên quan
đến khoảng cách khe hở phóng tia lửa điện trong mơi trường chất điện môi, đến
thông tin về kênh Plasma và sự hình thành cầu phóng tia lửa điện giữa điện cực
phôi và điện cực dụng cụ , đến sự ăn mòn vật liệu trên hai điện cực vv.. . Lợi
thế gia cơng và tính phức tạp về hiện tượng vật lý của q trình gia cơng bằng
tia lửa điện đã thu hút nhiều nhà khoa học quan tâm nguyên cứu để hồn thiện
bản chất của q trình, phát triển các phương pháp gia công “lai”, cải tiến phát
triển thiết bị nhằm mục đích năng cao chất luợng cũng như năng suất gia công
của phương pháp này.
1.1- 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 cơng bằng phóng điện ăn mịn trên cơ sở tác dụng nhiệt của xung điện
được tách thành do sự phóng điện giữa hai điện cực, trong đó điện cực âm là

điện cực dụng cụ còn điện cực dương là chi tiết gia cơng.
1.1.1- Đặc điểm chính của phương pháp gia công bằng tia lửa điện.


18
+ Chỉ gia công được các loại vật liệu dẫn điện.
+ Khả năng gia công không phụ thuộc vào độ cứng của vật liệu gia công
mà phụ thuộc vào các thơng số nhiệt, điện của nó.
+ Dụng cụ gia cơng khơng u cầu có độ cứng cao hơn vật liệu gia công.
+ Chế độ gia công thay đổi được trong phạm vi rộng, từ thô đến tinh.
+ Điện cực dụng cụ bị mịn nhanh.
1.1.2- Khả năng cơng nghệ của phương pháp gia công bằng tia lửa điện
Phương pháp gia công bằng tia lửa điện có thể tạo được các mặt định hình
đường thẳng, mặt định hình khơng gian, các rãnh định hình.... Có thể đạt được
độ chính xác từ cấp 8 đến cấp 9 và độ nhám Ra = 5 ÷1.25 µm, đơi khi trong
trường hợp đặc biệt có thể đạt tới 0.32µm.
Chất lượng và năng suất gia cơng 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- Các phương pháp gia công bằng tia lửa điện
Hiện nay với sự phát triển của khoa học kỹ thuật thì cơng nghệ gia cơng
bằng tia lửa điện có rất nhiều phương pháp tuy nhiên phải kể tới hai phương
pháp cơ bản là: xung định hình (EDM) và phuơng pháp cắt bằng điện cực dây
(WEDM) .
Ngày nay nhiều phương pháp lai 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 khn được hình thành bởi sự đi xuống liên tục của điện cực tới độ
sâu yêu cầu. Tỉ lệ hớt vật liệu tương đương với gia công xung định hình. Đặc
điểm của phương pháp này là khi chi tiết gia cơng có hình dáng phức tạp thì

thay vì phải chế tạo điện cực dụng cụ phức tạp theo phôi người ta đã sử dụng
điện cực chuẩn để giảm giá thành chế tạo, tuy nhiên gía thành của hệ điều
khiển của máy lại cao hơn do phải điều khiển chuyển động quỹ đạo điện cực.


19
+ 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 cơ các vật liệu
rắn. Trong quá trình này, bánh mài phải có tính dẫn điện. Bánh mài kim cương
liên kết kim loại thường được làm theo phương pháp này. Đặt điện áp xung vào
giữa điện cực và bánh mài, trong bánh mài tia lửa điện sinh ra sẽ bóc tách các
cạnh sắc trên bánh mài. Quá trình này cũng được sử dụng để chế tạo bánh mài
có hình dáng đặc biệt.
+ 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 di chuyển của điện cực) với tần số rung bằng tần số siêu âm. Sự rung
siêu âm giúp tăng cường độ ổn định gia công và tăng đáng kể tốc độ gia cơng
khi khoan lỗ nhỏ hoặc siêu nhỏ.
+ Mài mịn bằng phóng tia lửa điện (Abrasive Electrical Discharge
Grinding-AEDG) là phương pháp lai, trong đó vật liệu được tách bởi tác dụng
kết hợp của ăn mòn tia lửa điện và mài cơ khí , phương pháp này dùng trong
gia cơng các loại vật liệu siêu cứng. Phương pháp này đặc biệt hữu hiệu để mài
vật liệu kim cương đa tinh thể. Sự phóng tia lửa điện giúp tăng cường tốc độ
tách vật liệu và mài cơ tạo nên một bề mặt tinh và mịn.
+ Gia cơng xung định hình siêu nhỏ (MEDM), là dạng xung định hình đặc
biệt, trong đó điện cực được quay với vận tốc tới 10.000 vịng/phút, đường kính
điện cực nhỏ có thể đến 5 µm. Phương pháp này cho phép chế tạo các lỗ siêu
nhỏ hoặc có hình dạng rất phức tạp trong công nghệ chế tạo máy với các vật
liệu siêu dẫn. Điện cực dùng trong MEDM được chế tạo theo phương pháp gia
công tia lửa điện chuyên dụng khác như “mài kết hợp cắt dây WEDG”. Kích

thước lỗ gia cơng theo xung siêu nhỏ MEDM thường từ 25µm đến 250 µm và
với độ chính xác ±1µm ÷ ±2 µm. Gia cơng 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 10µm. Phương pháp


20
MWEDM chủ yếu được sử dụng trong gia công các chi tiết kích thước nhỏ 0,1
÷1mm , vật liệu khó gia công, chiều dầy nhỏ vv.... hoặc dùng trong công nghệ
gia công chế tạo các chi tiết bán dẫn. Thiết bị này sử dụng một hệ thống chuyển
động dây đặc biệt, máy phát xung và hệ thống giám sát MWEDM có khả năng
phân tích và điều khiển các chức năng bên ngồi.
+ Gia cơng tia lửa điện theo kiểu đê chắn (Mole EDM) là một q trình
đặc biệt, có khả năng gia công các đường cong hoặc một đường xuyên kín qua
phơi. Hình dáng của các máy Mole EDM tương tự với một thanh có thể uốn
cong và một hệ thống nhận dạng, ghi nhớ hình dạng được sử dụng như là bộ
kích thích. Việc nhận dạng đường hầm gia cơng được sử dụng bằng sóng siêu
âm. Phương pháp này do bộ phận kỹ thuật trường đại học Tổng hợp Tokyo và
hãng Mitsubishi Electric Corporation - Nhật bản nghiên cứu phát triển.
+ Xung định hình với hai điện cực quay là phương pháp sử dụng một điện
cực quay để ăn mịn một phơi quay, tạo ra những hình dạng chi tiết khác nhau
khi phối hợp các vị trí tương đối giữa hai điện cực cũng như vận tốc góc của
điện cực và phơi. Bằng cách giữ tốc độ góc của hai trục trùng nhau, các nhà
phát triển phương pháp này cho rằng độ chính xác gia cơng đường spiral với sai
số đường kính nhỏ hơn 0.0004mm, độ khơng trịn nhỏ hơn 0.002mm và độ
nhám Ra đạt được 0.063µm.
Nhằm có được những nghiên cứu về bản chất của công nghệ gia công bằng
tia lửa điện, trong khuôn khổ đề tài này tác giả chỉ nêu tổng quan phương pháp
gia công bằng tia lửa điện là phương pháp xung định hình (EDM)

1.2.1- Gia cơng xung định hình.
Gia cơng tia lửa điện dùng điện cực “định hình”, có hình khơng gian bất
kỳ, in hình âm bản của điện cực dụng cụ vào phơi trong q trình gia cơng tạo
thành một lịng khn được gọi là phương pháp xung định hình (EDM).
Đặc tính điện của sự phóng tia lửa điện