Nghiên cứu máy gia công xung tia lửa điện FO 550s để gia công tinh khuôn cho sản phẩm có bề mặt phức tạp
Bạn đang xem bản rút gọn của tài liệu. Xem và tải ngay bản đầy đủ của tài liệu tại đây (2.25 MB, 101 trang )
..
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
-----------------------------------------------
BÙI MẠNH HÙNG
NGHIÊN CỨU MÁY GIA CÔNG XUNG TIA LỬA ĐIỆN FO 550S
ĐỂ GIA CÔNG TINH KHUÔN CHO SẢN PHẨM CĨ BỀ MẶT
PHỨC TẠP
NGÀNH: CƠNG NGHỆ CHẾ TẠO MÁY
LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC
NGÀNH: CÔNG NGHỆ CHẾ TẠO MÁY
NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:
TS NGUYỄN HUY NINH
HÀ NỘI - 2010
LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan các số liệu và kết quả nêu trong luận văn là trung thực
và chưa từng được ai công bố trong bất kỳ một công trình khác. Trừ những
phần tham khảo đã được ghi rõ trong luận văn.
Tác giả
Bùi Mạnh Hùng
1
MỤC LỤC
Mục
Nội dung
Trang
Trang phụ bìa
Lời cam đoan
1
Mục lục
2
Danh mục các từ viết tắt, ký hiệu
6
Danh mục các bảng biểu
8
Danh mục các hình vẽ đồ thị
9
Mở đầu
10
CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VÊ GIA CÔNG TIA LỬA ĐIỆN
1.1
Đặc điểm của phương pháp gia cơng tia lửa điện
14
1.1.1
Các đặc điểm chính của phương pháp gia công tia lửa điện
14
1.1.2
Khả năng công nghệ của phương pháp gia công tia lửa điện
15
1.2
Các phương pháp gia công tia lửa điện
15
1.2.1
Phương pháp gia cơng xung định hình
15
1.2.2
Phương pháp gia công cắt dây tia lửa điện
15
1.2.3
Các phương pháp khác
15
1.3
Nghiên cứu bản chất của phương pháp gia công tia lửa điện
17
1.3.1
Bản chất vật lý
17
1.3.2
Cơ chế tách vật liệu bằng tia lửa điện
22
1.4
Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình gia cơng tia lửa điện
23
1.4.1
Các đặc tính về điện của sự phóng tia lửa điện
23
1.4.2
Ảnh hưởng của khe hở phóng điện δ
28
1.4.3
Ảnh hưởng của điện dung C
29
1.4.4
Ảnh hưởng của diện tích vùng gia cơng
29
1.4.5
Ảnh hưởng của ăn mịn điện cực
30
1.4.6
Các hiện tượng xấu khi gia công tia lửa điện
30
1.4.6.1
Hồ quang
30
1.4.6.2
Ngắn mạch, sụt áp
32
2
1.4.6.3
Xung mạch hở, khơng có dịng điện
32
1.4.7
Các yếu tố khơng điều khiển được
31
1.4.7.1
Nhiễu hệ thống
31
1.4.7.2
Nhiễu ngẫu nhiên
31
1.5
Chất lượng khi gia công tia lửa bề mặt
32
1.5.1
Chất lượng bề mặt
32
1.5.2
Vết nứt tế vi và các ảnh hưởng về nhiệt
32
1.5.3
Độ chính xác tạo hình khi gia cơng tia lửa điện
34
1.6
Chất điện mơi khi gia công tia lửa điện
34
1.6.1
Nhiệm vụ của chất điện môi
34
1.6.2
Các loại chất điện môi
36
1.6.3
Các tiêu chuẩn đánh giá chất điện mơi
37
1.6.4
Các loại dịng chảy của chất điện mơi
38
1.6.5
Hệ thống lọc của chất điện môi
41
1.6.6
Vật liệu điện cực
42
CHƯƠNG II: NGHIÊN CỨU KHAI THÁC SỬ DỤNG MÁY XUNG TIA LỬA
ĐIỆN FO 550S
2.1
Cấu tạo chung của máy xung định hình
47
2.2
Sơ bộ về máy xung tia lửa điện FO 550S
48
2.3
Nghiên cứu khai thác sử dụng máy xung tia lửa điện FO550S
52
2.3.1
Chất điện môi
52
2.3.2
Tiêu chuẩn độ nhám theo quy ước Charmills
54
2.3.3
Các kiểu ứng dụng khác nhau
55
2.3.3.1
Gia cơng bề mặt có diện tích lớn và độ sâu thấp
55
2.3.3.2
Gia cơng rãnh
56
2.3.3.2
Đánh bóng
56
2.3.3.4
Gia cơng micro
56
2.3.3.5
Đột dập
57
2.3.3.6
Kht
57
3
2.3.3.7
Gia công hốc lớn
57
2.3.3.8
Khoan
58
2.3.4
Thiết kế bảng công nghệ
58
2.3.5
Cách sử dụng đường cong công nghệ
59
2.3.5.1
Thuật ngữ với đường cong công nghệ
59
2.3.5.2
Mô tả đường cong
60
2.3.6
Cài đặt chế độ gia công
61
2.3.7
Giá trị khe hở và khe hở mặt bên điện cực
63
2.3.8
Quỹ đạo khe hở
64
2.3.10
Điện cực đồng / thép
65
2.4
Lập trình gia cơng trên máy xung định hình
80
CHƯƠNG 3: MƠ HÌNH THÍ NGHIỆM VÀ KẾT LUẬN
3.1
Thiết kế thí nghiệm
82
3.1.1
Các giả thiết của thí nghiệm
82
3.1.2
Điều kiện thực hiện thí nghiệm
82
3.2
Mơ hình thí nghiệm
83
3.3
Các thơng số thí nghiệm
84
3.3.1
Các thơng số đầu vào thí nghiệm
84
3.3.2
Thiết bị đo độ bóng chi tiết sau khi gia cơng.
86
3.3.3
Mơ tả q trình thực hiện thí nghiệm gia cơng trên máy
86
3.4
Tiến trình thí nghiệm
88
3.4.1
Kết quả thực nghiệm Ra
89
3.4.1.1
Khử sai số thô
89
3.4.1.2
Chọn công thức thực nghiệm
89
3.5
Kết quả thí nghiệm và thảo luận
94
3.6
Biểu diễn bằng đồ thị
94
3.7
Kết luận
96
Tài liệu tham khao
99
4
DANH MỤC CÁC THUẬT NGỮ, KÝ HIỆU, CÁC TỪ VIẾT TẮT
STT
KÝ HIỆU
DIỄN GIẢI NỘI DUNG ĐẦY ĐỦ
1
AEDG
2
CAD
Computer Aided Design.
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
Điện áp đánh lửa.
14
td
Thời gian đánh lửa trễ.
15
ti
Độ kéo dài xung của máy phát
16
Ui
Điện áp máy phát mở
17
Ue
Điện áp phóng tia lửa điện.
18
P, Ie
Dịng phóng tia lửa điện.
19
A, ti
Thời gian phóng tia lửa điện
20
B, t0
Khoảng cách xung
21
θ
Độ mịn điện cực
22
Vw
Lượng tách vật liệu phơi
23
Ve
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.
Abrasive Electrical Discharge Grinding.
Micro Electrical Discharge Machining.
Numerical Control.
Wire Electrical Discharge Machining.
Micro Wire Electrical Discharge Machining.
5
27
η
Hệ số tích điện.
28
C
Điện dung tụ điện.
29
Cgh
Điện dung giới hạn.
30
Uopt
Điện áp tối ưu.
31
F
32
Fgh
Diện tích vùng gia cơng giới hạn.
33
Q
Điện tích của tụ.
34
R
Chiều cao nhấp nhô.
35
Z
Chiều cao ảnh hưởng nhiệt.
36
Hc(z)
37
W
Năng lượng phóng tia lửa điện.
38
θm
Nhiệt độ nóng chảy của vật liệu (oC).
Diện tích vùng gia cơng.
Chiều sâu vết lõm.
6
DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU
SỐ BẢNG
NỘI DUNG BẢNG
1.1
Bảng các nhóm vật liệu điện cực
2.1
Các loại điện mơi chính cho máy xung đinh hình FO 550S
2.2
Độ nhám theo quy ước cơng nghệ Charmilles
2.3
Lựa chọn độ giãn
2.4
Bảng xác định giá trị nhỏ nhất CHf
2.5
Bảng thành phần thép sử dụng cho cho đánh bóng
2.6
Bảng xác định chế độ gia cơng khi đột dập
2.7
Bảng lựa chọn độ dày điện cực
2.8
Bảng khe hở trung bình đường viền
3.1
Điều kiện thí nghiệm
3.2
Thơng số của thép làm khn S55C theo tiêu chuẩn JIS
3.3
Bảng các tham số điều khiển
3.4
Điều kiện quy hoạch thực nghiệm ba yếu tố (N = 23 = 8)
3.5
Kết quả thực nghiệm R¬a
3.6
Ma trận thực nghiệm
3.7
Hệ số các phương trình hồi quy.
3.8
Giá trị phương sai
3.9
Quy đổi các đại lượng đầu vào
3.10
Bảng giá trị hàm số của vật liệu
7
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ
HÌNH VẼ NỘI DUNG BẢNG BIỂU
1.1
Sơ đồ nguyên lý gia công tia lửa điện
1.2
Pha 1 – Sự đánh lửa
1.3
Pha 2 – Sự hình thành kênh phóng điện
1.4
Pha 3 Sự nóng chảy và bốc hơi của vật liệu
1.5
Xung điển hình trong gia cơng EDM
1.6
Mối quan hệ giữa A với Vw
1.7
Mối quan hệ giữa θ và A
1.8
Mối quan hệ giữa Rmax và A
1.9
Khoảng cách xung to lượng hớt vật liệu
1.10
Cấu trúc tế vi và độ cứng bề mặt
1.11
Dịng chảy bên ngồi
1.12
Dịng chảy áp lực
1.13
Dịng chảy hút
1.14
Dịng chảy phối hợp
1.15
Dòng chảy do chuyển động điện cực
2.1
Cấu tạo một máy xung định hình
2.2
Máy xung định hình CNC FO 550S
2.3
Gia cơng bề mặt có diện tích lớn và độ sâu thâp
2.4
Gia công rãnh
2.5
Gia công Micro
2.6
Gia công đột dập
2.7
Gia công khoét
2.8
Đường cong công nghệ
2.9
Đường cong khe hở mặt bên
2.10
Vùng ăn mòn Iso
2.11
Đường cong dòng điện P
8
2.12
Biểu đồ lựa chọn khe hở mặt bên
2.13
Khoảng cách W và H
2.14
Biểu đồ xác định độ dày điện cực
2.15
Biểu đồ Chọn các chế độ gia cơng
2.16
Màn hình hiển thị chế độ Gamma TEC
2.17
Đồ thị thời gian gia công và diện tích bề mặt trong Gamma
TEC
3.1
Mơ hình hóa q trình xung định hình
3.2
Đồng hồ đo độ phẳng ORION
3.3
Máy đo độ bóng Mitutoyo SJ-201P
3.4
Đầu đo thực hiện đo độ bóng bề mặt.
3.5
Gia công sản phẩm mẫu trên máy
3.6
Cây điều khiển FO 550S
3.7
Màn hình hiển thị
3.8
Ảnh hưởng của P, A lên Ra khi B = 25µs.
3.9
Ảnh hưởng của P, A lên Ra khi B = 100µs.
9
MỞ ĐẦU
Trong thiên nhiên kỷ thứ 13, thiên nhiên 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 công 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 hóa, linh hoạt hóa 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 cơng là khơng
thể thiếu được. Gia cơng 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 hóa đã tạo cho phương pháp gia công tia lửa điện một sự chuyển biến đáng
kể về mặt công nghệ. Những năm gần đây, những 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.
Tính cấp thiết của đề tài
Là một phương pháp gia công lim 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 một số
q trình gia cơng truyền thống 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.
10
Ngày nay khoa học kỹ thuật không ngừng phát triển, các máy công cụ điều
khiển số (NC và CNC) hiện đang được sử dụng phổ biến tại các nước phát triển.
Trong những năm gần đây các máy CNC được nhập vào Việt Nam với số lượng
ngày càng phát triển. Máy CNC ngày càng cải tiến hiện đại, chức năng ngày một
nhiều lên. Việc tìm hiểu khai thác sử dụng hết khả năng công nghệ gia công trên
máy CNC cũng như trên trung tâm gia công nhằm đạt hiệu quả kinh tế cao đang là
nhiệm vụ cấp bách.
Vì vậy tác giả chọn đề tài:
“Nghiên cứu ứng dụng máy gia công tia lửa điện FO 550S để gia công tinh
khuôn cho sản phẩm có bề mặt phức tạp”
Nội dung nghiên cứu
- Nghiên cứu bản chất của q trình gia cơng tia lửa điện
- Nghiên cứu, khai thác công nghệ của máy và vận hành máy gia công tia lửa
điện CNC FO 550S.
- Nghiên cứu sự ảnh hưởng của các yếu tố chế độ đến q trình cắt
- Xây dựng mơ hình tốn học xác định quan hệ giữa độ nhám bề mặt và các
thơng số cơng nghệ xung định hình EDM
Nghiên cứu thực nghiệm xây dựng hàm toán học biểu diễn mối quan hệ giữa
chế độ cắt, độ nhám bề mặt, khi gia cơng xung định hình EDM nhằm xác lập một
điều kiện giới hạn ( độ nhám bề mặt gia công) để tiến tới xác định chế độ cắt tối
ưu cho quá trình xung định hình EDM theo hàm mục tiêu cụ thể.
Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
Đối tượng nghiên cứu là tìm hiểu, khai thác sử dụng máy gia cơng tia lửa điện
CNC FO 550S. Tìm hiểu sự ảnh hưởng của các chế độ cơng nghệ bước dịng điện
P, độ kéo dài xung A, khoảng cách xung B … với q trình xung định hình nói
chung và mối quan hệ giữa chế độ công nghệ (P, A, B) và độ nhám bề mặt.
Phương pháp nghiên cứu
Dùng phương pháp nghiên cứu lý thuyết kết hợp với nghiên cứu thực nghiệm
để khảo sát quá trình xung định hình với nội dung như sau:
11
- Thực nghiệm gia công thử để kiểm chứng cơ sở lý thuyết về mối quan hệ
của các chế độ cắt và độ nhám bề mặt.
- Thực nghiệm trên máy để xây dựng hàm toán học biểu diễn mối quan hệ
giữa chế độ cắt với độ nhám bề mặt.
Ngoài ra, trong q trình nghiên cứu cịn trao đổi với Giáo viên hướng dẫn
và các nhà khoa học chuyên ngành.
Ý nghĩa của đề tài
Bằng cách nghiên cứu cơ sở lý thuyết kết hợp với thực nghiệm, luận án đã đưa
ra được các hàm tốn học mơ tả mối quan hệ giữa dòng điện P, độ kéo dài xung
A, khoảng cách xung B với độ nhám bề mặt từ đó làm cơ sở cho việc tối ưu hóa
q trình cắt cũng như cho các nghiên cứu khác của quá trình cắt
Khai thác sử dụng máy gia công tia lửa điện CNC FO 550S giúp người sử
dụng máy hiểu rõ hơn về công nghệ của máy và sử dụng tối đa khả năng của máy,
đảm bảo chất lượng và năng suất gia công cũng như lợi ích về kinh tế. Ngồi ra
cịn trách sai lầm trong cách vận hành máy.
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, năng suất gia công và sử dụng máy hiệu quả hơn.
Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn chân thành tới thầy giáo hướng dẫn:
TS Nguyễn Huy Ninh đã giúp đỡ tận tình để tơi hồn thành luận văn này. Tơi xin
cảm ơn lãnh đạo nhà trường và các thầy cô khoa Cơ khí Trường Đại học Bách
Khoa Hà Nội đã tạo điều kiện giúp đỡ tôi trong thời gian thực hiện luận văn.
Xin chân thành cảm ơn!
Hà nội, ngày 27 tháng 10 năm 2010
Tác giả
Bùi Mạnh Hùng
12
CHƯƠNG 1
TỔNG QUAN VỀ GIA CÔNG TIA LỬA ĐIỆN
Trong nửa thế kỷ qua, nhu cầu về các vật liệu cứng, lâu mòn và siêu cứng sử
dụng cho turbin máy điện, động cơ máy bay, dụng cụ, khuôn mẫu… tăng lên
không ngừng ở các nước công nghiệp phát triển. Việc gia cơng những vật liệu đó
bằng cơng nghệ cắt gọt thơng thường (tiện, phay, mài v.v…) là vơ cùng khó khăn,
đơi khi không thể thực hiện được.
Cách đây gần 200 năm, nhà nghiên cứu tự nhiên người Anh Joseph Priestley
(1973 – 1809) , trong các thí ngiệm của mình đã nhận thấy có một hiệu quả ăn
mịn vật liệu gây ra bởi sự phóng xạ điện. Nhưng mãi đến năm 1943 thông qua
hàng loạt các nghiên cứu về tuổi bền của các thiết bị đóng điện, hai vợ chồng
Lazarenco người Nga mới tìm ra tia lửa điện để làm 1 quá trình hớt kim loại mà
khơng phụ thuộc vào độ cứng của vật liệu.
Khi các tia lửa điện được phóng ra vật liệu mặt phôi sẽ bị hớt đi bởi 1 q
trình điện - nhiệt thơng qua sự nóng chảy và bốc hơi kim loại, nó thay cho tác
động cơ học của dụng cụ vào phơi. Q trình “gia cơng tia lửa điện’’- (nguyên
gốc tiếng Anh là “ Electrical Discharage Machining’’, gọi tắt là gia công EDM)
1.1 Đặc điểm của phương pháp gia công tia lửa điện
Gia công tia lửa điện là một trong các phương pháp gia cơng bằng phóng điện
ăn mòn 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, cịn điện cực dương
là chi tiết gia cơng.
1.1.1 Các đặc điểm chính của phương pháp gia cơng tia lửa điện
- Điện cực (đóng vai trị dụng cụ) lại có độ cứng thấp hơn nhiều lần so với độ
cứng của phơi. Nói tóm lại: lấy cái mềm để cắt cái cứng. Điện cực là đồng,
graphit, cịn phơi là thép đã tôi hoặc hợp kim cứng
- Vật liệu dụng cụ là vật liệu phôi đều phải dẫn điện.
13
-Khi gia công phải sử dụng một chất liệu lỏng điện mơi, đó là một dung dịch
khơng dẫn điện ở điều kiện bình thường .
-Chế độ gia cơng thay đổi được trong phạm vi rộng, từ thô đến tinh.
1.1.2 Khả năng công nghệ của phương pháp gia công bằng tia lửa điện
Phương pháp gia cơng 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 9 và nhỏm Ra = 1,25 ữ 5 àm, ụi khi trong trường hợp
đặc biệt có thể đạt tới 0,32 µm.
1.2 Các phương pháp gia công bằng tia lửa điện
Hiện nay với với sự phát triển của khoa học kỹ thuật thì cơng nghệ gia cơng tia
lửa điện có rất nhiều phương pháp tuy nhiên phải kể tới hai phương pháp cơ bản
là: xung định hình (EDM) và phương pháp cắt bằng điện cực dây (WEDM).
1.2.1 Phương pháp gia công bằng xung định hình
Gia cơng tia lửa điện dùng điện cực định hình gọi tắt là phương pháp “xung
định hình”, mà theo đó điện cực là 1 khơng gian bất kỳ mà nó in hình của mình
lên phơi tạo thành 1 lịng khn. Thuật ngữ tiếng Anh của phương pháp này là
“EDM- die sinking’’. Phương pháp này được dùng để chế tạo khn có hình dạnh
phức tạp, các khn ép định hình, khn ép nhựa, khn đúc áp lực, lỗ khơng
thơng ….
1.2.2 Phương pháp gia công bằng cắt dây tia lửa điện
Gia công tia lửa điện bằng cắt dây. Ở đây, điện cực là 1 dây mảnh (d=0,1÷0.3)
được cuốn liên tục và được chạy theo một cơngtua cho trước. Nó sẽ cắt phơi theo
đúng cơngtua đó. Thuật ngữ tiếng Anh của gia công tia lửa điện cắt dây là “EDM
–wire cutting”. Phương pháp này dùng để gia công các lỗ thông suốt có biên dạng
phức tạp như các lỗ trên khn dập, khuôn ép, khuôn đúc áp lực, chế tạo các điện
cực dùng cho gia cơng xung định hình, gia cơng các rãnh hẹp, gấp khúc…
1.2.3 Các phương pháp gia công khác
Ngồi hai phương pháp gia cơng chính trên, ngày nay trên thế giới cịn một số
phương pháp gia cơng sử dụng tia lửa điện như sau:
14
- Gia công tia lửa điện dạng phay (Milling EDM): là phương pháp sử dụng
một điện cực chuẩn, hình trụ quay để thực hiện ăn mòn tia lửa điện theo kiểu
phay. Sử dụng phương pháp này để gia công các hình dáng phức tạp do khơng
phải chế tạo điện cực phức tạp (để xung) mà sử dụng điện cực cắt theo chương
trình.
- Phủ bằng tia lửa điện (EDD):là phương pháp sử dụng hiệu quả của sự ăn
mòn tia lửa điện để phủ lên các bánh mài sau thời gian sử dụng nghiền cơ khí các
vật liệu rắn. Trong q trình này, bánh mài phải có tính dẫn điện. Bánh mài kim
cương liên kết kim loại thường được làm theo phương pháp này. Điện áp xung
được đặt vào giữa điện cực và bánh mài. Quá trình này cũng được dùng để chế tạo
bánh mài có hình dạng đặc biệt.
- Gia cơng 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 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 gia gia công các lỗ nhỏ và siêu
nhỏ.
- Mài bằng phóng tia lửa điện (Abrasive Electrical Discharge Grinding –
AEDG): là phương pháp gia công trong đó vật liệu được bóc tách nhờ tác dụng
kết hợp của ăn mòn tia lửa điện và ăn mòn cơ khí.
- Gia cơng xung định hình siêu nhỏ (MEDM): là một dạng xung định hình đặc
biệt trong đó điện cực được quay với tốc độ lớn (tới 10.000vg/ph). Điện cực sử
dụng trong MEDM có kích thước nhỏ và được chế tạo bằng các phương pháp gia
công tia lửa điện khác. Phương pháp này dùng để gia công các lỗ siêu nhỏ với độ
chính xác rất cao.
- Cắt dây tia lửa điện siêu nhỏ (MWEDM):là phương pháp cắt dây sử dụng
điện cực Tungsten hoặc Wolfram có đường kính dây nhỏ dưới 10 µm. Phương
pháp này dùng để gia cơng cắt dây các lỗ siêu nhỏ có kích thước từ 0,1÷1mm, các
vật liệu khó gia cơng, các chi tiết có chiều dày mỏng, …hoặc dùng trong công
nghệ chế tạo các chi tiết bán dẫn.
15
- Gia công tia lửa điện theo kiểu đê chắn (Mole EDM): là một q trình gia
cơng đặc biệt cho phép gia công các hốc, rãnh dạng đường cong hoặc đường
xuyến. Hình dáng điện cực được sử dụng trong phương pháp này giống như một
thanh dẫn có thể uốn cong và một hệ thống nhận dạng. Người ta sử dụng sóng
siêu âm để nhận dạng các đường hầm gia cơng trong chi tiết.
- Xung định hình với 2 điện cực quay: là phương pháp sử dụng một điện cực
quay để ăn mịn một phơi quay. Khi phối hợp chuyển động của điện cực và phơi
sẽ tạo ra các hình dạng chi tiết khác nhau theo yêu cầu. Phương pháp này là
phương pháp gia cơng siêu chính xác và độ bóng siêu cao.
1.3 Nghiên cứu bản chất của phương pháp gia cơng tia lửa điện
1.3.1 Bản chất vật lý
Hình 1.1: Sơ đồ nguyên lý gia công tia lửa điện
Thực chất của phương pháp gia công tia lửa điện là phương pháp gia công tách
vật liệu ra khỏi bề mặt phôi nhờ tia lửa điện. Sơ đồ nguyên lý của phương pháp
gia cơng bằng tia lửa điện được mơ tả như hình vẽ 1.1
Q trình bóc tách vật liệu ra khỏi bề mặt phôi cụ thể như sau: Một điện cực
được đặt giữa điện cực và phôi, không gian giữa 2 điện cực đó được điền đầy bởi 1
chất lỏng cách điện được gọi là chất điện môi (Dielectric). Khi cho 2 điện cực lại
gần nhau, đến một khoảng cách nào đó thì xảy ra sự phóng tia lửa điện. Một dịng
16
điện được hình thành giữa hai điện cực mà khơng hề có sự tiếp xúc giữa hai điện
cực. Do đó có sự xuất hiện của tia lửa điện đó đã bóc đi 1 lớp vật liệu trên bề mặt
phơi tạo thành một vết cắt. Xét cụ thể diễn biến của 1 chu kỳ phóng điện diễn ra ở 3
pha như sau:
Pha 1 : Pha đánh lửa
Máy phát tăng điện áp khởi động qua 1 khe hở (đóng điện áp máy phát Ui).
Dưới ảnh hưởng của điện trường, từ cực âm (catot) bắt đầu phát ra các điện tử và
chúng bị hút về phía cực dương (anot) sự phát điện tử gây ra sự tăng cục bộ tính
dẫn điện của chất điện môi ở khe hở.
Các bề mặt của 2 điện cực khơng hồn tồn phẳng. Điện trường sẽ rất
mạnh ở 2 điểm gần nhau nhất. Chất điện môi bị ion hóa tất cả các phần tử dẫn
điện (điện tử và ion dương) đều hội tụ
quanh điểm này quanh không gian ở giữa
2 điện cực và chúng tạo lên 1 cái cầu .
Một kênh phóng điện đột nhiên được
hình thành ngang qua cầu . Sự phóng điện
được bắt đầu .
Hình 1.2: Pha 1 – Sự đánh lửa
Pha 2 : Sự hình thành kênh phóng điện
Ở thời điểm phóng điện, điện áp bắt đầu giảm.Số lượng các phần tử dẫn
điện (điện tử ion dương) tăng lên 1 cách khủng khiếp và dòng điện bắt đầu chạy
giữa các điện cực. Dòng điện này cung cấp 1 mật độ năng lượng khổng lồ mà nó
làm cho dung dịch điện mơi bốc hơi cục bộ
áp suất trong các bong bóng hơi sẽ đẩy
chất lỏng sang 2 bên. Nhưng do độ nhớt
nên chất điện môi tạo ra 1 sự cản trở. Nó
hạn chế sự lớn lên của kênh phóng điện
giữa các điện cực.
Hình 1.3: Pha 2 – Sự hình thành kênh phóng điện
17
Pha 3 : Sự nóng chảy và sự bốc hơi vật liệu:
Lõi của bọt hơi bao gồm một kênh plasma. Plasma này là 1 chất khí có lẫn các
điện tử và các ion dương ở áp suất rất cao (khoảng 1 Kbar) và nhiệt độ cực lớn
(10000oC) khi kênh plasma này được tạo thành đầy đủ thì điện áp qua khe hở đạt
tới mức lí tưởng mà nó phụ thuộc vào sự phối hợp giữa vật liệu anot/catot. Nó
bằng 25 vol với các cặp vật liệu đồng/thép
Chất điện môi giữ kênh plasma và cũng là giữ cho năng lượng có 1 độ tập
trung cực bộ. Sự va chạm của các điện tử lên anot và của các ion dương lên catot
làm nóng chảy và bốc hơi các điện cực.
Máy phát sẽ ngắt dòng điện sau khi đã diễn ra 1 xung có hiệu quả. Điện áp bị
ngắt đột ngột. Điều này khiến cho kim loại nóng chảy bất ngờ bị đẩy ra khỏi kênh
phóng điện bốc hơi .
Sự phóng điện có thể kéo dài từ vài micro giây đến vài trăm micro giây , tùy
thuộc vào công dụng. Giữa các xung có 1 độ trễ to (là thời gian giữa các xung) cho
phép chất điện mơi thơi ion hóa và để có thời gian vận chuyển phoi ra khỏi khe hở
giữa các điện cực nhờ dòng chảy của chất điện môi . Ở đây chất điện môi của vật
liệu điện cực bị tách ra. Mỗi điện cực đều để lại 1 “miệng núi lửa” bị ăn mòn ,
nhưng sự ăn mịn này khơng như nhau .
cực nào ăn mịn nhiều hơn (thường là cực
dương) thì sẽ dành cực đó cho phơi. Ln
ln cố định nó cịn phụ thuộc vào chế độ
phóng điện, vào việc chọn cặp vật liệu đấu
cực.
Hình 1.4: Pha 3 - Sự nóng chảy và bốc hơi của vật liệu
Chu kỳ phóng tia lửa điện để lại các “vết” bóc tách vật liệu có thể tóm tắt thơng
qua các đại lượng đại diện sau:
Thời gian trễ td là khoảng thời gian cho phép chất điện mơi ion hóa và hình thành kênh
phóng điện.
Sự phóng điện thực hiện trong thời gian te (từ một vài đến vài trăm µs) thuộc
pha II làm kim loại nóng chảy.
18
Tổng của td và te = ti là thời gian xung. Dịng sục chất điện mơi vận chuyển phoi
ra khỏi vùng khe hở phóng điện trong thời gian ngắt xung to. Đây cịn là khoảng
thời để chất điện mơi thơi ion hóa, chuẩn bị cho một chu kỳ phóng điện tiếp theo
cho đến khi đạt kích thước gia cơng u cầu.
Hình1.5 : Xung điển hình trong gia cơng EDM
Đây là đồ thị điển hình của chu kỳ xung trong gia công tia lửa điện. Đặc điểm
của đồ thị này là dòng điện Ie của xung bao giờ cũng xuất hiện trễ hơn 1 khoảng
thời gian td (độ trễ đánh lửa) so với thời điểm bắt đầu có điện áp máy phát Ui, Ue
và Ie là các giá trị trung bình của điện áp và dịng điện khi phóng tia lửa điện
Hình 1.5 biểu diễn diễn biến của điện áp và dịng điện trong một máy gia cơng
tia lửa điện được sinh ra bởi một máy phát tĩnh trong 1 xung.đặc điểm của đồ thị
này cho thâý dòng điện xung bao giờ cũng xuất hiện trễ hơn 1 khoảng thời gian t so
với thời điểm bắt đầu có điện áp máy phát u, U và I là các giá trị trung bình của điện
áp và dịng điện khi phóng tia lửa điện.
Trong đó:
te: thời gian kéo dài xung hay cịn gọi là độ kéo dài xung
td: thời gian trễ đánh lửa
19
ti =A: Độ kéo dài xung của máy phát xung
to = B: khoảng cách xung
tp: Chu kỳ xung
Ui: Điện áp máy phát mở
Ue: Điện áp phóng tia lửa điện
Ie: Dịng phóng tia lửa điện
Các nghiên cứu cho thấy tại các vùng lân cận tại các điện cực, plasma có
nhiệt độ rất cao từ 6000oC ÷ 10000oC. Tốc độ của dịng chuyển dịch điện tử và
ion phụ thuộc vào năng lượng điện và dặc tính của chất điện mơi. Qn tính cơ
của chất điện môi đã cản trở sự bành trướng của kênh plasma làm cho áp xuất
trong kênh rất lớn (có thể lên tới 1 Kbar). Khi khoảng khơng của kênh plasma
càng hẹp thì mật độ năng lượng càng tăng ( lượng hớt vật liệu tỉ lệ thuận với độ
nhớt động học và tỉ lệ nghịch với điện trở dẫn suất của chất điện môi). Đồng thời
với sự phát triển kênh plasma theo thời gian có sự chuyển đổi năng lượng điện
thành năng lượng nhiệt năng tại các điểm, còn được gọi là các “nguồn nhiệt”. Các
điện tử cận Anốt di chuyển và dẫn nhiệt tới làm nóng chảy và bốc hơi vật liệu.
Các ion dương đi đến catốt và nung nóng điểm trên catốt ở điểm đối điện thuộc
kênh plasma. Tuy nhiên, do khối lượng của các ion dương lớn hơn của các điện tử
nhiều lần (khoảng 103 lần) nên chúng sẽ tới catốt chậm hơn các điện tử tại anốt.
Chính sự cơ động khác nhau tại anốt và catốt, điều này dẫn đến sự ăn mòn rất
khác nhau tại 2 điện cực ( thực tế là điện cực dương sẽ nóng chảy lớn hơn nhiều
so với điện cực âm).
Lượng ion dương tăng nhanh trong luồng di chuyển tổng, chỉ trong một
khoảng thời gian ngắn tỉ lệ chia nhiệt trở nên cân bằng và với sự kéo dài thời gian
phóng tia thì các ion dương sẽ gây ra hiện tượng nóng chảy và bốc hơi catơt.
Khi kết thúc pha phóng điện, sự mất điện đột ngột đồng thời với sự sụt áp tạo
ra sự chênh lệch làm vỡ các kênh plasma và các túi khí. Các lực này và áp lực tạo
nên bởi sự phá hủy nội lực của kênh plasma làm bung các phần tử kim loại đã bị
20
nóng chảy ra khỏi bề mặt. Lượng vật liệu bị hớt đi trên bề mặt của các điện cực
phụ thuộc vào quá trình chuyển đổi năng lượng nhiệt và cơ thẩm nhiệt.
1.3.2 Cơ cấu tách vật liệu
Cách tính vật liệu đầu tiên phụ thuộc vào cách tính năng lượng tách vật liệu ,
nếu gọi năng lượng tách vật liệu là We thì ta có đẳng thức sau:
We= Ue .Ie.te
Trong đó : Ue,Ie là các giá trị trung bình của điện áp và dòng tia lửa điện được
lấy trong thời gian xung. do Ue là 1 hằng số vật lí 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
các dịng các điện chạy từ cực dương (anot) và các dòng ion dương chạy tới cực
âm (catot) Do khối lượng của các ion dương lớn hơn trên 100 lần so với khối
lượng của các điện tử, nên ta có thể bỏ qua tốc độ của các ion dương khi xuất phát
các xung điện so với tốc độ của điện tử.
Mật độ điện tập trung tới bề mặt cực dương (anot) cao hơn nhiều lần so với
mật độ ion dương tập trung tới bề mặt cực âm (catot) trong khi mức độ tăng của
dòng điện rất lớn trong khoảnh khắc đầu tiên của sự phóng điện. Điều này là
nguyên nhân gây ra sự nóng chảy rất mạnh ở cực dương (anot) trong chu kì này.
Dịng ion dương chỉ đạt tới cực âm (catot) trong µs đầu tiên. Các ion dương
gây ra sự nóng chảy và bốc hơi của vật liệu catot. Do đó có hiện tượng cực bị ăn
mịn.
Vật liệu điện cực trong sự tiếp xúc với plasma này ở 1 pha có áp lực cao tới 1
Kbar và nhiệt độ cao tới hơn 10000 oC trong kênh plasma
Một lí do quan trọng của sự tống ra vật liệu bị chảy lỏng là sự đột ngột biến
mất của kênh plasma khi dòng điện bị ngắt. Ngay tức khắc, áp suất sẽ tụt xuống
bằng áp suất xung quanh sau khi ngắt dòng điện. Nhưng nhiệt độ của chất lỏng
không tụt nhanh như thế điều này gây ra sự nổ và bốc hơi của chất lỏng nóng chảy
hiện có. Tốc độ cắt dịng điện và mức độ sụt xung dòng điện sẽ quyết định mức độ
21
sụt áp suất và sự bắt buộc nổ vật liệu chảy lỏng. Thời gian sụt của dòng điện là
yếu tố quyết định đối với độ nhám bề mặt gia cơng.
Vì lượng vật liệu được hớt đi phụ thuộc vào điện áp, cường độ dòng điện và
thời gian nên người ta có thể nghiên cứu 1 cách chính xác tuần tự theo thời gian
của điện áp và dịng điện lúc phóng tia lửa điện. Người ta đo điện áp và dòng điện
ở các khoảng thời gian đã cho từ thời điểm phóng điện (t=0) đến thời điểm ngắt
dịng điện (nghĩa là vào khoảng t = 300 µs)
1.4 Các yếu tố ảnh hưởng đến q trình gia cơng tia lửa điện
1.4.1 Các đặc tính về điện của sự phóng tia lửa điện
Khác với những phương pháp gia công cắt gọt truyền thống, phương pháp gia
công bằng tia lửa điện bên cạnh các tham số công nghệ cao như cặp vật liệu, sự
đấu cực, điều kiện dịng chảy chất điện mơi,… thì tham số điều khiển về xung như
thời gian, điện áp, dòng điện cũng đóng vai trị rất quan trọng đến năng suất và
đặc biệt là đến chất lượng bề mặt gia công. Các tài liệu nghiên cứu đưa ra kết luận
đã trở thành các kiến thức cơ bản về gia công tia lửa điện như điện áp xung Ue có
tác động đến lượng bóc tách vật liệu, là hằng số vật lý phụ thuộc vào cặp vật liệu
điện cực –phơi. Dịng xung Ie ảnh hưởng lớn nhất đến lượng hớt vật liệu phơi, độ
mịn điện cực và chất lượng bề mặt gia cơng. Trong mối quan hệ với lượng bóc
tách vật liệu, Ie càng lớn thì càng thì chất lượng hớt vật liệu Vw càng lớn, độ nhám
gia công càng tăng và độ mòn điện cực càng giảm. Giá trị trung bình Ie có thể đọc
trên bảng điều khiển điện trong suốt q trình gia cơng. Ở một số máy xung định
hình, Ie thường được thể hiện theo bước dịng điện. Phụ thuộc vào kiểu máy, Ie
được điều chỉnh theo 18 hoặc 21 bước, xác định tương đương với 0.5 A÷ 80 A,
trong đó các bước nhỏ được chọn để gia công tinh, lớn để gia công thô.
Thời gian xung và khoảng ngắt xung ti và to cũng là những tham số điều khiển
có ảnh hưởng đáng kể đến chất lượng bề mặt gia công, vấn đề thời gian xung ti
lớn thì có lợi cho năng suất do lượng hớt vật liệu cao, tuy nhiên bề mặt gia công
lại thô tương tự xảy ra với to nhỏ. Ngoài ra, nếu khoảng thời gian ngắt xung to quá
nhỏ, có thể chất điện môi sẽ không đủ thời gian để thôi ion a, phần tử vật liệu bóc
22
tách do điện và nhiệt không kịp được đẩy ra khỏi vùng khe hở, điều đó có thể gây
nên các lỗi phóng điện như ngắn mạch, hồ quang, các lỗ gia công bị ngậm xỉ,
…Về mối quan hệ thời gian xung/khoảng ngắt ta có tỉ lệ ti/to ≈ 10 phù hợp cho gia
cơng thơ, tỉ lệ ti/to ≈ 5 ÷ 10 cho gia công tinh và ti/to < 1 cho gia công bề mặt siêu
tinh
Dưới đây ta nghiên cứu sâu hơn về sự ảnh hưởng của từng thông số công nghệ
đến chất lượng bề mặt và năng suất gia công. Các thơng số gồm có:
- Điện áp đánh tia lửa điện Ui: Đây là điện áp cần thiết để dẫn tới sự phóng
tia lửa điện. Nó được cung cấp cho điện cực và phơi khi máy phát được dịng
điện, gây ra sự phóng tia lửa điện để đốt cháy vật liệu. Điện áp đánh lửa Ui, càng
lớn thì dịng điện càng nhanh và cho phép khe hở phóng điện càng lớn .
- Thời gian trễ đánh lửa td : là thời gian giữa lúc đóng dịng điện máy phát và
lúc xảy ra phóng tia lửa điện. khi đóng máy phát, lúc đầu chưa xảy ra điều gì.
Điện áp duy trì ở chế độ điện áp Ui, dòng điện vẫn bằng 0. Sau 1 thời gian trễ td
mới sảy ra sự phóng tia lửa điện dịng 0 vọt lên giá trị Ie.
- Điện áp phóng tia lửa điện Ue:: Khi bắt đầu phóng tia lửa điện thì điện áp
bắt đầu xụt từ Ui suống Ue. Đây là điện áp trung bình trong suốt thời gian phóng
tia lửa điện. Ue là 1 hằng số vật lý phụ thuộc vào cặp vật liệu điện cực/phơi . Ue
khơng điều chỉnh được.
- Dịng phóng tia lửa điện Ie: Dịng Ie là giá trị trung bình của dịng điện từ
khi bắt đầu phóng tia lừa điện đến khi ngắt điện. Khi bắt đầu phóng tia lửa điện,
dòng điện từ 0 mạnh lên bằng giá trị Ie, kèm theo sự đốt cháy. Ie ảnh hưởng lớn
nhất lên lượng hớt vật liệu, lên độ mòn điện cực và chất lượng bề mặt gia cơng.
Nhìn chung Ie càng lớn thì lượng hớt vật liệu càng lớn, độ nhám gia cơng càng
lớn, nhưng độ mịn điện cực giảm.
- Thời gian phóng tia lửa điện te: là khoảng thời gian từ lúc bắt đầu phóng tia
lửa điện và lúc ngắt điện, tức thời gian có dịng điện Ie trong 1 lần phóng điện.
- Độ mịn tương đối của điện cực:
Độ mịn tương đối của điện cực được định nghĩa là θ = V0/VW
23
Trong đó: V0: thể tích vật liệu bị hớt ở điện cực
VW: thể tích vật liệu phơi bị hớt đi
- Dịng điện và diện tích bề mặt ăn mịn:
Mật độ dòng điện lớn sẽ sinh ra nhiệt lớn và gây ra ăn mịn điện cực nhanh
hơn. Do đó, gia cơng bề mặt nhỏ ta có thể chọn dịng điện nhỏ và ngược lại. Như
vậy khi gia cơng chỉ có một điện cực phải chú ý lựa chọn dòng điện phù hợp
nhằm đạt được lượng hớt vật liệu lớn nhất trong khi vẫn duy trì độ nhẵn bóng và
độ ăn mịn điện cực trong giới hạn yêu cầu.
- Độ dài kéo xung A (= ti):
Độ dài kéo xung là khoảng thời gian giữa hai lần đóng – ngắt của máy phát
trong 1 chu kỳ phóng điện. Độ kéo dài xung ti ảnh hưởng:
+ Lượng hớt vật liệu
+ Độ mòn điện cực
+ Độ nhám bề mặt gia công.
* Tỷ lệ hớt vật liệu: Nếu độ dài kéo xung được tăng lên trong khi bước dòng
điện và khoảng cách xung giữ nguyên bằng hằng số thì tác động của dịng phóng
tia lửa điện sẽ lâu hơn. Ban đầu Vw tăng nhưng chỉ tăng đên một giá trị cực đại ở ti
nhất định nào đó sau đó giảm đi. Nếu vẫn tiếp tục tăng ti thì năng lượng phóng
điện khơng cịn được sử dụng thêm nữa để hớt vật liệu phơi mà nó lại làm tăng
nhiệt độ của các điện cực và dung dịch chất điện môi. Mối quan hệ giữa lượng hớt
vật liệu với ti được biểu thị ở hình 1.6
Hình 1.6: Mối quan hệ giữa ti với VW
24
