Luận văn thạc sĩ nghiên cứu sự ảnh hưởng của một số thông số chế độ cắt tới ứng suất dư và chất lượng bề mặt

LỜI CẢM ƠN
Trong thời gian học tập và nghiên cứu tại trường Đại học Lâm Nghiệp Việt
Nam, em đã tiếp thu được nhiều kiến thức bổ ích cho chun mơn của mình. Với đề
tài nghiên cứu dưới hình thức luận văn thạc sỹ, em đã vận dụng những kiến thức đã
được học của mình để giải quyết một vấn đề thực tế. Đề tài của em là nghiên cứu và
giải quyết vấn đề mới trong lĩnh vực gia công bằng tia lửa điện và kiểm tra không
phá hủy, nghiên cứu lý thuyết và làm thực nghiệm, trong quá trình nghiên cứu em
gặp rất nhiều khó khăn.
Với sự hướng dẫn tận tình của thầy PGS. TS. Lê Chí Cương cùng với sự hỗ trợ
của của đồng nghiệp tại Trường Cao Đẳng nghề Tỉnh Bà Rịa Vũng Tàu.Cho đến
thời điểm này luận văn của em củng đạt được những kết quả như mong muốn. Qua
đây cho phép em gửi lời cảm ơn đến
- Ban Giám Hiệu trường Đại học lâm nghiệp Việt Nam.
- Thầy PGS. TS. Lê Chí Cương – Trường Đại học sư phạm kỹ thuật TP.HCM.
- Quý thầy, cô giảng dạy tại khoa Cơ khí Chế tạo máy, phịng Đào tạo – bộ
phận sau đại học – Trường Đại học Lâm Nghiệp đã giúp đỡ em trong thời gian học
tập và nghiên cứu tại trường.
- Kính gửi lời cảm tạ tới BGH trường Đại học Lâm Nghiệp đã tạo điều kiện
thuận lợi cho cho các học viên tại trường được học tập và nghiên cứu.
- Trung tâm Hạt Nhân TP. HCM
- Công ty TNHH VIETUBES đã hỗ trợ đo kiểm mẫu.
- Một lần nữa, em xin chân thành cảm ơn sự giúp đỡ, sự hỗ trợ động viên quý
báu của tất cả mọi người. Xin trân trọng cảm ơn.
Học Viên Thực Hiện

Nguyễn Hàm Hòa


TÓM TẮT
Đề tài: “Nghiên cứu sự ảnh hưởng của một số thông số chế độ cắt tới ứng
suất dư và chất lượng bề mặt khi gia công khuôn trên máy cắt dây JSEDM”là đề tài

thực hiện việc khảo sát, tính toán ứng suất dư trên bề mặt của chi tiết có nhiều tiến
bộ hơn so với các phương pháp xác định ứng suất dư khác, bởi vì nó khơng phá hủy
cấu trúc của vật liệu và chúng ta có thể thực hiện ngay trên chi tiết đang làm việc.
Điều này thuận lợi cho công việc chế tạo, sửa chữa và bảo dưỡng các chi tiết khuôn
dập.
Kết quả đạt được của luận văn đã khảo sát được ứng suất dư và độ nhám bề
mặt trên vật liệu SKD11 đã qua nhiệt luyện khi được cắt với các vận tốc cắt khác
nhau trên máy cắt dây.
y. Từ kết quả này cho phép chúng ta chọn lựa được vận tốc cắt tối ưu để ứng suất
dư sinh ra trên bề mặt sản phẩm trong quá trình cắt là nhỏ nhất mà vẫn đảm bảo
được độ chính xác và độ nhám bề mặt.Ứng suất càng nhỏ, độ nhám càng cao thì
làm cho chất lượng và tuổi thọ của sản phẩm tang độ bền trong quá trình làm việc.
Kết quả đạt được của đề tài là:
Phương pháp xác định ứng suất dư cho các bề mặt mà khơng phá hủy sản
phẩm
Độ chính xác và chất lượng bề mặt chi tiết
Học viên

Nguyễn Hàm Hòa


SUMMARY
"Optimizing some technological parameters of wire-cut EDM machine when
machining steel SKD11 - Studying affections to stress and surface quality" is the
theme of which surveys and risidual stress calculations carried out on surfaces of
details. This method is considered having more advantages than others because it
doesn't destroy the structure of materials while can be done on the on-being
fabricated details An advantage to the fabrication, repair and maintenance of details
of dies.
The achievement of the thesis is getting the residual stress and surface

roughness of heat treated SKD 11 material when being cut with different cutting
speeds by JS EDM CNC wire cutter. This result allows us to choose optimum
cutting speeds in order to minimize the risidual stress on the surface of product
during cutting process while still ensure accuracy and surface roughness. The
smaller the stress, the higher the roughness will increase the quality and life span as
well as the durability of product during work. List ofachievements
- Method of determining the residual stress to the surface without destroying
the product
- The accuracy and quality of surface details
Author

Nguyen Ham Hoa


LỜI CAM ĐOAN
Tơi xin cam đoan đây là cơng trình nghiên cứu của riêng tôi, các số liệu, kết
quả trong luận văn là trung thực và chưa từng được công bố trong bất kỳ cơng trình
nào khác.
Nếu nội dung nghiên cứu của tơi trùng lặp với bất kỳ cơng trình nghiên cứu
nào đã cơng bố, tơi xin hồn tồn chịu trách nhiệm và tuân thủ kết luận đánh giá
luận văn của Hội đồng khoa học.
Đồng Nai, ngày 15 tháng 5 năm 2016
Tác giả luận văn

Nguyễn Hàm Hòa


MỤC LỤC
LỜI CẢM ƠN .............................................................................................................................................
TÓM TẮT .....................................................................................................................................................

LỜI CAM ĐOAN......................................................................................................................................
DANH MỤC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ,
DANH MỤC CÁC BẢNG

.................................................................................................

..................................................................................................................

MỞ ĐẦU .................................................................................................................................................... 17
1. Lý do chọn đề tài.................................................................................................................................. 1
2. Mục đích nghiên cứu .......................................................................................................................... 2
3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu ................................................................................................ 3
4. Phương pháp nghiên cứu đề tài...................................................................................................... 3
5. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài ................................................................................... 3
Chƣơng 1: TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU .................................................. 5
1.1 Tổng quan phương pháp gia công bằng tia lửa điện. [2]. ................................................ 5
1.1.1. Đặc điểm của gia công tia lửa điện. .................................................................................... 5
1.1.2. Bản chất vật lý của quá trình phóng điện phóng tia lửa điện. ................................. 6
1.1.3. Cơ cấu bóc tách vật liệu. .......................................................................................................... 9
1.1.4. Vết nứt tế vi bề mặt sau khi gia công tia lửa điện. ........................................................ 9
1.2. Độ chính xác tạo hình khi gia cơng tia lửa điện và các yếu tố ảnh hưởng ............ 11
1.2.1. Độ chính xác khi gia cơng bằng tia lửa điện phụ thuộc vào nhiều yếu tố như 11
1.2.2. Các yếu tố ảnh hưởng đến q trình gia cơng bằng tia lửa điện.......................... 11
2.2. Gia công cắt dây tia lửa điện..................................................................................................... 15
2.3. Nguyên lí cắt dây tia lửa điện ................................................................................................... 16
Chƣơng 2: GIỚI THIỆU VỀ MÁY CẮT DÂY JSEDM ................................................. 19


2.1. Máy cắt dây tia lửa điện. ............................................................................................................. 19
2.2. Công dụng của máy cắt dây....................................................................................................... 19

2.3. Đặc điểm của phương pháp gia công cắt dây tia lửa điện ............................................ 20
Chƣơng 3: MUC TIÊU NỘI DUNG VÀ ĐỐI TƢỢNG NGHIÊN CỨU ............... 22
3.1. Mục tiêu nghiên cứu...................................................................................................................... 22
3.2. Nội dung nghiên cứu ..................................................................................................................... 22
3.2.1. Nghiên cứu lý thuyết ................................................................................................................. 22
3.2.2. Nghiên cứu thực nghiệm ......................................................................................................... 22
3.3. Đối tượng nghiên cứu................................................................................................................... 22
3.3.1. Thiết bị nghiên cứu. ................................................................................................................... 23
3.3.2. Vật liệu thí nghiệm ..................................................................................................................... 24
3.4. Phương pháp nghiên cứu ............................................................................................................ 24
3.4.1. Phương pháp nghiên cứu lý thuyết ..................................................................................... 24
3.4.2. Phương pháp nghiên cứu thực nghiệm ............................................................................. 24
Chƣơng 4: NGHIÊN CỨU LÝ THUYẾT ............................................................................... 25
4.1. Nghiên cứu cắt dây tia lửa điện. .............................................................................................. 25
4.1.1. Nguyên lí cắt dây bằng tia lửa điện ................................................................................... 26
4.1.2. tia lửa điện giữa hai điện cực ............................................................................................... 27
4.2. Độ chính xác khi gia cơng cắt dây tia lửa điện. .............................................................. 28
4.2.1. Điện cực và vật liệu điện cực ................................................................................................ 30
4.2.1.1. Yêu cầu của vật liệu điện cực ............................................................................................ 30
4.2.1.2. Các loại dây điện cực ........................................................................................................... 31
4.2.2. Sự thoát phoi trong cắt dây tia lửa điện ........................................................................... 32
4.2.3. Nhám bề mặt khi cắt dây ......................................................................................................... 33


4.2.4. Các thông số về điện trong điều khiển máy cắt dây tia lửa điện. ......................... 33
4.2.4.1. Dịng phóng tia lửa điện ie và bước của dòng điện ................................................ 33
4.2.4.2. Độ kéo dài xung ti ................................................................................................................... 33
4.2.4.3. Khoảng cách xung t0 ............................................................................................................. 34
4.2.4.4. Điện áp đánh lửa ui ............................................................................................................... 34
4.2.4.5. Khe hở phóng điện ................................................................................................................. 34

4.2.4.6. Các loại dịng chảy của chất điện môi .......................................................................... 35
4.2.4.7. Các lỗi thường gặp do dòng chảy gây ra: ................................................................... 36
4.2.4.8. Hệ thống lọc chất điện môi ................................................................................................ 36
4.2.5. Độ nhám bề mặt chi tiết máy ................................................................................................. 37
4.2.5.1. Khái niệm ................................................................................................................................... 37
4.2.5.2. Chỉ tiêu đánh giá .................................................................................................................... 38
4.2.5.3. Phương pháp đánh giá độ nhám bề mặt ...................................................................... 41
4.3. Cơ sở đo lường ứng suất bằng nhiễu xạ ............................................................................... 41
4.3.1. Khái niệm nhiễu xạ x – quang .............................................................................................. 41
4.3.1.1. Lịch sử phát triển tia x. ........................................................................................................ 42
4.3.1.2. Ứng dụng tia x. ........................................................................................................................ 42
4.3.1.3. Tạo tia x. ..................................................................................................................................... 43
4.3.2. Sự hấp thụ của tia x ................................................................................................................... 43
4.3.3. Sự phát tán tia x .......................................................................................................................... 44
4.3.4. Nguyên lý nhiễu xạ - công thức braggs ............................................................................ 45
4.3.5. Các phương pháp đo trên máy nhiễu xạ:......................................................................... 46
4.3.5.1. Phương pháp đo kiểu : ..................................................................................................... 47
4.3.5.2. Phương pháp đo kiểu  cố định  : ............................................................................... 47


4.3.5.3. Phương pháp đo kiểu  cố định o ............................................................................... 48
4.3.6. Hệ số hấp thụ ............................................................................................................................... 48
4.3.7. Chiều sâu thấm của tia x ......................................................................................................... 50
4.4. Cơ sở đo lường ứng suất bằng nhiễu xạ ............................................................................... 50
4.4.1. Phương trình cơ bản ................................................................................................................. 51
4.4.2. Quan hệ d,– sin2 ............................................................................................................... 53
2.4.2.1. Tách góc  ................................................................................................................................ 53
4.4.2.2. Quan hệ tuyến tính dψ – sin2ψ (khơng tách góc ψ) ............................................. 54
4.4.2.3. Tính ứng suất ............................................................................................................................ 54
4.4.3. Ứng suất phẳng - phương pháp “ sin2ψ” ....................................................................... 57

2.4.4. Ứng suất khối ............................................................................................................................... 57
2.4.5. Xác định khoảng cách mặt tinh thể không ứng suất (do) ......................................... 59
4.5. Phương pháp đo ứng suất dư và kiểm tra độ nhám bề mặt.[7]................................... 59
4.5.1. Phương pháp đo độ nhám: ..................................................................................................... 59
4.5.1.1. Phương pháp so sánh bằng ngoại quan ....................................................................... 59
2.5.1.2. Phương pháp sử dụng máy đo độ nhám. ...................................................................... 60
4.6. Phương pháp so sánh .................................................................................................................... 60
Chƣơng 5: NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM....................................................................... 62
5.1. Mục đích ............................................................................................................................................ 62
5.2. Bố trí thí nghiệm ................................................................................................ 62
5.2.1. Chuẩn bị mẫu .................................................................................................. 62
5.2.1.1. Vật liệu thí nghiệm ....................................................................................... 63
5.2.1.2. Giả thiết thí nghiệm ...................................................................................... 63
5.2.1.3. Điều kiện thực hiện mẫu làm thí nghiệm ..................................................... 63


5.2.2. Thiết bị đo ....................................................................................................... 63
5.2.2.1. Máy đo độ cứng ............................................................................................ 63
5.2.2.2. Máy đo độ nhám sj-301 của mitutoyo .......................................................... 65
5.2.2.3. Thước so sánh độ nhám (nigata japan) ....................................................... 66
5.2.2.4. Máy nhiễu xạ x-ray của viện năng lượng nguyên tử TP.HCM. ................... 66
5.3. Tiến trình thí nghiệm .......................................................................................... 66
5.3.1. Mơ hình định tính q trình cắt dây tia lửa điện ............................................ 66
5.3.2 Các thơng số đầu vào thí nghiệm. .................................................................... 67
5.4. Nghiên cứu quy hoạch thực nghiệm để xác định độ nhám bề mặt và năng suất
trong quá trình gia công cắt dây bằng tia lửa điện. ................................................... 69
5.5. Kết luận chương 5 .............................................................................................. 75
5.6. Phương pháp đo ứng suất dư trong q trình gia cơng cắt dây bằng tia lửa điện76
5.6.1. Lựa chọn phương pháp đo: phương pháp kiểu đo kiểu  cố định . ............. 76
5.6.2. Đo mẫu gốc M0 (mẫu trước khi gia công cắt dây). ........................................ 76

5.7. Kết quả thí nghiệm ............................................................................................. 78
5.7.1. Kết quả mẫu 0 (khi chưa cắt). ......................................................................... 78
5.7.2. Kết quả các mẫu còn lại. ................................................................................. 81
5.7.2.1. Đường nhiễu xạ của mẫu M1 được nội suy bằng hàm gauss ...................... 81
2
5.7.2.2. Đồ thị d- sin  của mẫu M1 ...................................................................... 81

5.7.2.3. Đường nhiễu xạ của mẫu M2 được nội suy bằng hàm gauss ..................... 82
2
5.7.2.4. Đồ thị d  sin  mẫu M2 ............................................................................. 82

5.7.2.5. Đường nhiễu xạ của mẫu M3 được nội suy bằng hàm gauss ...................... 83
2
5.7.2.6. Đồ thị d- sin  của các mẫu M3................................................................ 83

5.7.2.7. Đường nhiễu xạ của mẫu M4 được nội suy bằng hàm gauss ...................... 84


2
5.7.2.8. Đồ thị d  sin  mẫu M4 ............................................................................. 84
2
5.7.2.8. Đồ thị d  sin  mẫu M4 ............................................................................. 85

5.7.2.9. Đường nhiễu xạ của mẫu M5 được nội suy bằng hàm gauss ...................... 85
2
5.7.2.10. Đồ thị d  sin  mẫu M5 ........................................................................... 86

5.7.2.11. Đường nhiễu xạ của mẫu m6 được nội suy bằng hàm gauss ..................... 86
2
5.7.2.12. Đồ thị d  sin  mẫu M6 ........................................................................... 87

5.7.2.13. Đường nhiễu xạ của mẫu M7 được nội suy bằng hàm gauss .................... 87
2
5.7.2.14. Đồ thị d  sin  mẫu M7 ........................................................................... 88

5.7.2.15. Đường nhiễu xạ của mẫu M8 được nội suy bằng hàm gauss .................... 88
2
5.7.2.16. Đồ thị d  sin  mẫu M8 ........................................................................... 89

5.8. Đồ thị mỗi quan hệ vận tốc cắt (v) với ứng suất dư trên bề mặt cắt. ................ 90
Kết luận kiến nghị ................................................................................................... 91
1. Kết luận ................................................................................................................. 91
2. Kiến nghị ............................................................................................................... 91
Tài Liệu Tham Khảo ................................................................................................. 93


DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT
Ký hiệu

Tên

We

Năng lượng tách vật liệu

Ue

Điện áp

Đơn vị

vol

te

Thời gian phóng điện

Ie

Tia lửa điện

λ

Là hệ số dẫn nhiệt



Là khối lượng riêng

c

Làn hiệt riêng

tm

Là nhiệt độ nóng chảy của vật liệu

( C)

ti

Độ kéo dài xung

mm

Khoảng cách xung

mm

Độ nhám

μm

t0
Rz, Ra
X

Tia

m

Khốilượng của electron

c

Tốc độ ánh sáng

e

Điện tích electron

2

I0


s

(W / (m . K))
(g/mm 2 )
(j/kg.),(g/mm 2 )
0

m/s

Góc giữa EP và chùm tia tới

Độ

Cường độ của chùm tia tới;

vol

Bước sóng chùm tia X.




Hằng số hấp thụ X

Si

Hệ tọa độ gắn liền với mẫu

Cijkl

Là ten xơ độ cứng đàn hồi hạng tư, đã được
chuyển đến hệ tọa độ Si.

ami anj
Sijkl

Côsin chỉ phương
Ten xơ kết hợp đơn tinh thể hạng tư

JIS - SKD11 Ký hiệu vật liệu theo tiêu chuẩn Nhật


DANH MỤC CÁC CÁC BẢNG
Ký hiệu

Tên

Trang

1.1

Bảng thông số kỹ thuật máy cắt dây

21

1.2

Các thông số kỹ thuật của máy cắt dây JSEDM W- B430

24

1.3

Thành phần hóa học thép SKD11

25

1.4

Bảng cơ tính vật liệu

38

1.5

Các giá trị thơng số độ nhám bề mặt (TCVN 2511 - 78)

40

1.6

Các giá trị tiêu chuẩn của Ravà Rz

49

1.7

Bảng hằng số hấp thu  phụ thuộc vào kim loại và đặc

50

tính tia X
1.8

Kết quả đo độ cứng

52

1.9

Thơng số kỹ thuật Máy đo độ nhám Mitutoyo SJ-301

65

1.10

Các yếu tố đầu vào

69

1.11

Thông số biến đầu vào

71

1.12

Thực nghiệm và thông số độ nhám

71

1.13

Các số liệu quy hoạch trực giao

74

1.14

Kết quả dữ liệu đo trong khoảng góc 2 từ 135.98o đến

76

137.54o của mẫu M0 với góc  = 0
1.15

Dữ liệu đường nội suy hàm Gauss mẫu M0

71

1.16

Dữ liệu Sin 2 /2  Max /d của mẫu M0

80

1.17

Bảng tổng hợp kết quả của các mẫu.

89


DANH MỤC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ
Kýhiệu

Tên

Trang

1.1

Thể hiện các vật liệu có thể gia cơng được bằng tia lửa điện.

6

1.2

Sơ đồ nguyên lý gia công Tia lửa điện

6

1.3

Đồ thị điện áp và dịng điện trong một xung

7

1.4

Sự đánh lửa

8

1.5

Sự hình thành kênh phóng điện

8

1.6

Sự nóng chảy và bốc hơi vật liệu

9

1.7

Vùng ảnh hưởng nhiệt bề mặt

11

1.8

14
Mỗi quan hệ giữa Vw và ti

1.9

15
Mỗi quan hệ giữa to và ti

1.10
1.11

Mỗi quan hệ giữa Rmax và ti (ti = td – te )
Sơ đồ nguyên lí cắt dây tia lửa điện

1.13, 14

Máy cắt dây JSEDM W- B430.

1.15, 16

Sơ đồ nguyên lý gia công tia lửa điện

1.17

Sự cân bằng về lực khi cắt thẳng và sai số hình học khi cắt

15
17
25

26, 27
31

góc
1.18

Các trường hợp khó khăn đối với dòng chảy đồng trục

33

1.20

Sơ đồ nguyên lý gia cơng tia lửa điện

34

1.21

Dịng chảy bên ngồi

37

1.22

Chiều cao nhấp nhô bề mặt

39

1.23

Chiều cao nhấp nhô bề mặt

39

1.24

Sơ đồ giới thiệu các thành phần chính của ống phát tia X

43


1.25

Sự cố dính phát tán từ một electron đến điểm P

44

1.26

Nhiễu xạ tia X, khi tia X va chạm vào tinh thể

45

1.27

Cường độ nhiễu xạ

47

1.28

Phương pháp đo kiểu 

47

1.29

Phương pháp đo kiểu  cố định 

47

1.30

Phương pháp đo kiểu  cố định o

48

1.31

Cường độ nhiễu xạ trên mặt phẳng

48

1.32

Các hệ tọa độ sử dụng trong nhiễu xạ

52

1.33

Dạng tuyến tính của dψ – sin2ψ

52

1.34

Dạng tách đơi góc ψ

53

1.35
1.36

Dạng dao động của

d ,  sin 2 

Trục tinh thể (Ci) và hướng của nó đối với hệ trục tọa độ mẫu

53
56

ví dụ (Si)
1.37

Thước đo độ nhám

61

1.38

Mẫu sau khi gia công

63

1.39

Máy đo độ cứng

65

1.40

Đồ thị quan hệ độ cứng và điện áp

65

1.41

Máy đo độ nhám Mitutoyo SJ-301

65

1.42

Thước đo độ nhám (NIGATA JAPAN)

65

1.43

Máy đo nhiễu xạ X-ray Viện năng lượng hạt nhân TP.HCM

66

1.44

Mô tả q trình gia cơng

67

1.45

Đường nhiễu xạ của mẫu M0 được nội suy bằng hàm Gauss

78

1.46

Đồ thị d  sin 2  mẫu M0

81


1.47

Đường nhiễu xạ của mẫu M1 được nội suy bằng hàm Gauss

81

1.48

Đồ thị d  sin 2  mẫu M1

81

1.49

Đường nhiễu xạ của mẫu M2 được nội suy bằng hàm Gauss

82

1.50

Đồ thị d  sin 2  mẫu M2

82

1.51

Đường nhiễu xạ của mẫu M3 được nội suy bằng hàm Gauss

83

1.52

Đồ thị d  sin 2  mẫu M3

83

1.53

Đường nhiễu xạ của mẫu M4 được nội suy bằng hàm Gauss

84

1.54

Đồ thị d  sin 2  mẫu M4

85

1.55

Đường nhiễu xạ của mẫu M5 được nội suy bằng hàm Gauss

85

1.56

Đồ thị d  sin 2  mẫu M5

86

1.57

Đường nhiễu xạ của mẫu M6 được nội suy bằng hàm Gauss

86

1.58

Đồ thị d  sin 2  mẫu M6

87

1.59

Đường nhiễu xạ của mẫu M7 được nội suy bằng hàm Gauss

87

1.60

Đồ thị d  sin 2  mẫu M7

89

1.61

Đường nhiễu xạ của mẫu M8 được nội suy bằng hàm Gauss

88

1.62

Đồ thị d  sin 2  mẫu M8

89

1.63

Ảnh hưởng của vận tốc cắt tới ứng suất

90


MỞ ĐẦU
1. Lý do chọn đề tài
Hiện nay công nghệ ngày càng phát triển và luôn được cải tiến công nghệ để
tạo ra các chi tiết có độ chính xác cao. Các phương pháp gia công truyền thống như,
không thể đáp ứng ứng các yêu cầu của những sản phẩm có độ chính xác cao, hình
dáng hình học phức tạp. Độ cứng vật liệu cao, việc gia công trên các máy truyền
thống, hoặc máy CNC găp rất nhiều khó khăn, độ chính xác của chi tiết khơng
đạt.Trong thực tế cơng nghệ mới cho ra đời những loại máy đáp ứng được u cấu
đó, máy gia cơng Tia lửa điện.Phương pháp này gọi là gia công EDM (Electrical
Discharge Machine).Phương pháp gia công tia lửa điện đã được áp dụng rộng rãi
đối với các nước phát triển.Ngày nay nhờ sự phát triển của điều khiển số và công
nghệ thông tin, công nghệ này đã được hiện đại hóa và được trang bị hệ thống điều
khiển số CNC.
Từ cuối thập niên 80 của thế kỷ XX đến nay,nhiều doanh nghiệp trong nước
đã trang bị máy EDM nhằm cải tiến phương pháp gia công những vật liệu có độ
cứng cao trong khn dập nguội. Bên cạnh những kết quả đạt được về mặt công
nghệ nói chung cịn gặp những khó khăn nhất định về kỹ thuật và hiệu quả kinh tế
khi sử dụng.
Vấn đề đặt ra là làm thế nào để nâng cao hiệu quả khai thác, sử dụng loại
máy EDM, qua tìm hiểu các doanh nghiệp sản xuất khuôn mẫu, sử dụng các máy và
thiết bị gia công tia lửa điện EDM CNC, xét về mặt xác định chế độ cơng nghệ thì
thấy có một số vấn đề sau:

Các doanh nghiệp và cơ sở trong nước sử dụng máy EDM việc lập trình gia cơng
do người lập trình thực hiện. Chế độ cơng nghệ để đạt được chất lượng bề mặt gia
công (độ bóng và ứng suất dư bề mặt), được xác định bằng cách dựa vào các tài liệu


2
kèm theo máy hoặc được cài đặt vận hành theo kinh nghiệm của người vận hành
máy điều chỉnh thông số. Chính vì lẽ đó, chế độ cơng nghệ gia cơng trên máy chưa
thể khẳng định là hợp lý. Vì vậy hiệu quả khai thác, sử dụng máy có nhiều hạn chế,
chế độ công nghệ khi gia công trên máy cắt dây EDM CNC phụ thuộc rất nhiều vào
vật liệu chi tiết gia cơng (bề dày vật liệu, tính dẫn điện, tốc độ cắt, bước tiến và tích
chất vật liệu….).
Thép SKD11 là loại thép có hàm lượng hợp kim cao, gia cơng bằng phương pháp
truyền thống gặp nhiều khó khăn. Chính vì lẽ đó gia cơng bằng tia lửa điện (EDM),
do thành phần hóa học, tính dẫn điện và nhiệt của thép SKD khác so với các thép
carbon, làm cho năng suất và chất lượng gia cơng thay đổi. Vì vậy cần nghiên cứu
và tìm ra các giá trị cơng nghệ tối ưu để đảm bảo năng suất và chất lượng (độ nhám
bề mặt, cũng như ứng suất dư trên bề mặt) khi gia công thép SKD11 trên máy cắt
dây EDM CNC.
Do đó, việc nghiên cứu xác định chế độ gia công bằng EDM CNC đối với thép
SKD11 nhằm đạt chất lượng bề mặt gia công, thể hiện qua các tiêu chí độ nhám, và
ứng suất dư bề mặt là cần thiết. Với những lý do đã được trình bày ở trên chúng tôi
chọn và thực hiện đề tài:
“Nghiên cứu sự ảnh hưởng của một số thông số chế độ cắt tới ứng suất dư và
chất lượng bề mặt khi gia công khuôn trên máy cắt dây JSEDM » là cần thiết; nó tạo
tiền đề cho việc nghiên cứu hồn thiện tiếp theo nhằm mục đích xác định chế độ cắt
hợp lý không anhe hưởng đến ứng suất dư và chất lượng bề mặt trên cơ sở dó tiến
tới tối ưu hố chế độ cắt khi cắt thép SKD11 góp phần nâng cao hiệu quả khai thác,
sử dụng máy cắt dây trong sản xuất khuân mẫu và là cơ sở để nghiên cứu cho các
vật liệu khác, trên cơ sở nghiên cứu bằng lý thuyết và thực nghiệm tạo ra một chế

độ cắt cụ thể ứng với bề dày vật cắt khi cắt thép SKD11.
2. Mục đích nghiên cứu
Xuất phát từ những lý do thực hiện đề tài đã nêu ở trên chúng tơi đặt mục đích
nghiên cứu là:
- Nghiên cứu chế độ cắt của máy cắt dây EDM khi cắt thép SKD11 xét đến
ảnh hưởng của nó đến ứng suất dư và độ nhám bề mặt.


3
- Đề xuất một chế độ cắt phù hợp khi cắt thép SKD11 bằng EDM. Từ đó có
những khuyến cáo khi sử dụng công nghệ cắt thép SKD11 bằng điện cực EDM với
các tấm thép có chiều dày khác nhau.
3. Đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu
Trong phạm vi và thời gian thực hiện đề tài nghiên cứu sự ảnh hưởng của một
số thông số chế độ cắt tới ứng suất dư và chất lượng bề mặt trên may cắt dây jsedm ,
đối với thép SKD11 có bề dày 17mm được lựa chọn để nghiên cứu chế độ cắt dây
điện cực với mơi trường dung mơi, qui trình cắt tự động. Phạm vi ứng dụng khi cắt
các thép SKD11 được mở rộng đến các vật liệu có chiều dày 20mm và độ cứng
khác nhau. Các thông số được quan tâm đến gồm:
- Tốc độ chạy dây trong quá trình cắt, điện áp U.
- Thời gian trễ td khoảng thời gian dòng điện tăng từ 0 đến l
- Khoảng các xung tq khoangr thời gian giữa 2 xung liền kề, nó giúp cho phôi
được làm mát và không xẩy ra hiện tượng hồ quang điện tại vùng gia công
4. Phƣơng pháp nghiên cứu đề tài
- Phương pháp nghiên cứu lý thuyết
+ Nghiên cứu lý thuyết để có được kết quả phân tích, tính tốn dựa vào lý
thuyết gia cơng bằng EDM để thiết lập điều kiện phóng điện
+ Dựa vào lý thuyết ứng dụng nhiễu xạ Tia x phân tích ảnh hưởng của vận
tốc cắt tới ứng suất dư bề mặt trên máy cắt dây EDM
- Phương pháp nghiên cứu thực nghiệm

+ Sử dụng phương pháp nghiên cứu thực nghiệm trong để xác định hàm mục
tiêu, trên cơ sở đó thiết lập được tương quan giữa hàm mục tiêu với tham số ảnh
hưởng.
- Sử dụng phương pháp giải bài toán tối ưu để tìm ra chế độ cắt sử dụng hợp lý
của máy cắt dây CNC.
- So sánh kết quả đo và kết quả tính để khẳng định độ tin cậy của kết quả tính
theo lý thuyết điều kiện phóng điện.
5. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài
- Xác định được ảnh hưởng của một số thông số đến chất lượng sản phẩm khi


4
cắt thép SKD11 bằng điện cực dây
- Xác định được ứng suất dư và độ nhám trên bề mặt sau khi cắt.
- Cung cấp các khuyến cáo, hướng dẫn khi sử dụng công nghệ cắt bằng EDM
để đạt hiệu quả cao trong thực tiễn sản xuất, chế tạo.

Chƣơng 1
TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU
1.1 Tổng quan phƣơng pháp gia công bằng tia lửa điện
Năm 1943, thông qua các nghiên cứu về tuổi bền của các thiết bị phóng điện,
hai vợ chồng người Nga Lazarenko đã tìm ra phương pháp gia công bằng Tia lửa
điện. Họ sử dụng tia lửa điện để hớt đi 1 lớp vật liệu mà không phụ thuộc vào độ
cứng của vật liệu đó.Khi các tia lửa điện phóng ra thì một lớp vật liệu trên bề mặt
phơi sẽ bị hớt đi bởi 1 q trình điện - nhiệt thơng qua sự nóng chảy và bốc hơi Kim
loại. Từ đó đến nay q trình hớt vật liệu trong gia công tia lửa điện vẫn được coi là
phức tạp liên quan đến khoảng cách khe hở phóng điện, đến thơng tin về kênh
plasma, về sự hình thành của cầu phóng điện giữa 2 điện cực, sự ăn mòn của cả 2
điện cực, ....các nghiên cứu về hiện tượng phóng điện của các nhà khoa học đã làm
cho cơng nghệ gia cơng tia lửa điện có những phát triển lớn trong những năm gần

đây và đã ra đời thêm một số phương pháp gia công dùng nguyên lý của phương
pháp gia công tia lửa điện [2].
1.1.1. Đặc điểm của gia công tia lửa điện.
Gia công bằng tia lửa điện là phương pháp gia cơng bằng cách phóng điện ăn
mòn trên cơ sở tác dụng nhiệt của xung điện tạo ra do sự phóng điện, đặc điểm của
phương pháp này đó là:
- Điện cực (đóng vai trị dụng cụ) lại có độ cứng thấp hơn nhiều lần so với độ
cứng của phơi.Điện cực là đồng, graphit, cịn phơi là thép đã tôi hoặc hợp Kim
cứng.
- Vật liệu dụng cụ và vật liệu phôi đều phải dẫn điện.


5
- Khi gia công phải sử dụng một chất lỏng điện mơi, đó là nước hoặc một
dung dịch khơng dẫn điện ở điều kiện bình thường.
Có hai phương pháp gia công tia lửa điện được sử dụng rộng rãi trong cơng
nhiệp đó là gia cơng tia lửa điện dùng cực định hình và gia cơng tia lửa điện bằng
cắt dây.
Phương pháp gia công bằng tia lửa điện tạo được các bề mặt định hình phức
tạp là đường thẳng, đường cong, bề mặt profin phức tạp,…độ bóng bề mặt cao (Ra
= 1.25µm) và độ chính xác cao (IT5).

Hình 2.1. Các vật liệu có thể gia cơng bằng tia lửa điện
Hình 1.1. Thể hiện các vật liệu có thể gia cơng được bằng tia lửa điện.
1.1.2. Bản chất vật lý của quá trình phóng điện phóng tia lửa điện.

Hình 1.2.Sơ đồ ngun lý gia công tia lửa điện
Một điện áp được đặt giữa điện cực và phôi.Không gian giữa 2 điện cực đó
được điền đầy bởi một chất lỏng cách điện gọi là chất điện môi. (Dielectric)

6
Cho 2 điện cực áp lại gần nhau, đến một khoảng cách nào đó thì xảy ra sự
phóng Tia lửa điện.Một dịng điện xuất hiện 1 cách tức thời.
Khi phóng Tia lửa điện, các điện cực không tiếp xúc với nhau.Nếu chúng
chạm vào nhau thì sẽ khơng có tia lửa điện mà sẽ xảy ra một dịng ngắn mạch, có
hại đối với q trình gia cơng.Nếu khe hở lớn q thì lại khơng thể xảy ra sự phóng
điện, làm giảm năng suất gia cơng.
Đồ thị ở hình 1.3 cho thấy diễn biến của điện áp và dòng điện ở một máy xung
định hình, được sinh ra bởi một máy phát tĩnh, trong những khoảng thời gian xác
định của chu kỳ xung. Đặc điểm của đồ thị này là dòng điện ie của xung bao giờ
cũng xuất hiện trễ hơn một khoảng thời gian t d (độ trễ đánh lửa) so với thời điểm
bắt đầu có điện áp máy phát u i . u e và ie là các giá trị trung bình của điện áp và dịng
điện khi phóng tia lửa điện.

t e - Dộ kéo dài xung
t d - Độ trễ đánh lửa
t i - Độ kéo dài xung máy xung máy
phát
t 0 - Khoảng cách xung
t p - Thời gian chu kỳ xung
U i - Điện áp máy phát mở
U e - Điện áp phóng tia lửa điện
i e - Dịng phóng tia lửa điện
Hình 1.3. Đồ thị điện áp và dịng điện trong một xung phóng
Trong một chu kì phóng điện được phân biệt 3 pha:
-

Pha I: Đánh lửa.

Máy phát tăng điện áp khởi động qua khe hở. Dưới ảnh hưởng của điện
trường, từ cực âm (catot) bắt đầu phát các điện tử và chúng bị hút vế phía cực
dương (anot). Sự phát điện tử gây ra sự tăng cục bộ tính dẫn điện của chất điện môi
ở khe hở.


7
Các bề mặt 2 bên điện cực hoàn toàn phẳng.Điện trường sẽ mạnh nhất ở hai
điểm gần nhau nhất.Chất điện mơi bị ion hóa. Tất cả các phần tử dẫn điện (điện tử
và ion dương) đều hội tụ quanh điểm này trong khoảng không gian ở giữa hai điện
cực và chúng tạo nên một cái cầu. Một kênh phóng điện đột nhiên được hình thành
ngang qua cầu.Sự phóng điện được bắt đầu.

Hình 1.4. Sự đánh lửa
-

Pha II: Sự hình thành kênh phóng điện.

Ở thời điểm phóng điện, điện áp bắt đầu giảm (hình 1.5). Số lượng các phần tử
dẫn điện tăng lên một cách khủng khiếp và dòng điện bắt đầu chạy giữa các điện
cực. Dòng điện này cung cấp một mật độ năng lượng khổng lồ làm cho dung dịch
điện môi bốc hơi cục bộ. Áp suất trong các bong bong hơi sẽ đẩy chất lỏng điện môi
sang hai bên. Nhưng do có độ nhớt nên chất điện mơi tạo ra một sự cản trở, hạn chế
sự lớn lên của kênh phóng điện giữa các cực.

Hình 1.5. Sự hình thành kênh phóng điện
-

Pha III: Nóng chảy và bốc hơi vật liệu

8
Lõi của bọt hơi bao gồm một kênh plasma.Plasma này là một chất khí có lẫn
các điện tử và ion dương ở áp suất rất cao (khoảng 1kbar) và nhiệt độ cực lớn
(10.000 0 C).Kênh plasma này được tạo thành đầy đủ thì điện áp U e là một hằng số
vật lý phụ thuộc vào sự phối hợp vật liệu anot/catot và bằng 25V đối với cặp vật
liệu đồng/thép.
Chất điện môi giữ kênh plasma và cũng là giữ cho năng lượng có một độ tập
trung cục bộ.Sựva 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 một xung có hiệu quả.Điện áp bị
ngắt đột ngột.Kênh phóng điện biến mất.Áp suất cũng bị mất đột ngột. Điều này
khiến cho kim loại nóng chảy bất ngờ, bị đẩy ra khỏi kênh phóng điện và bốc hơi.
Sự phóng điện có thể kéo dài từ vài micro giây đến vài trăm micro giay, tùy
thuộc vào cơng dụng. Giữa các xung có một độ trễ t 0 (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 dịng chảy của chất điện mơi.Ở đây, chất điện môi của vật
liệu điện cực bị tách ra. Mỗi bề mặt điện cực đều để lại một “miệng núi lửa” bị ăn
mòn, nhưng sự ăn mòn này khơng như nhau. Cực nào ăn mịn nhiều hơn (thường là
cực dương) thì sẽ dành cực đó cho phơi. Cực nào ít ăn mịn sẽ được dành cho điện
cực.

Hình 1.6. Sự nóng chảy và bốc hơi vật liệu
1.1.3. Cơ cấu bóc tách vật liệu
Các đặc tính tách vật liệu đầu tiên phụ thuộc vào năng lượng tách vật liệu. Nếu
gọi năng lượng tách vật liệu là W e thì ta có đẳng thức sau:


9
W e = U e . I e .t e

(1.1)

Trong đó: U e , I e , t e là các giá trị trung bình của điện áp và dịng tia lửa điện
được lấy trong khoảng thời gian xung. Do U e là một hằng số vật lý phụ thuộc vào
cặp vật liệu điện cực/phôi nên về thực chất, năng lượng tách vật liệu chỉ phụ thuộc
vào dòng điện và thời gian xung.
Dòng điện tổng cộng trong kênh plasma qua khe hở phóng điện là tổng của
dịng các điện tử chạy tới cực dương (anot) và dòng các ion dương chạy tới cực âm
(catot). Do khối lượng các ion dương lớn hơn trên 100 lần so với khối lượng của các
điện tử, nên 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 tử tập trung với 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 nóng chảy rất mạnh ở cực dương (anot) trong chu kỳ này.
Dòng ion dương chỉ đạt tới cực âm (catot) trong micro giây đầu tiên.Các ion
dương gây ra sự nóng chảy và bốc hơi của vật liệu catot. Do đó có hiện tượng điện
cực bị mòn.
Vật liệu điện cực khi tiếp xúc với plasma này ở một pha có áp lực cao hơn tới
1kbar và nhiệt độ cực cao tới 10.000 0 C trong kênh plasma.
Một lý do quan trọng của sự tống ra vật liệu bị nóng chảy lỏng là sự đột ngột
biến mất của kênh plasma khi dòng điện bị ngắt. Ngay tức khắc áp suất tụt xuống
bằng áp suất xung quanh sau khi ngắt dòng điện.Nhưng nhiệt độ của chất lỏng lại
không tụt nhanh như thế.Điều này gây ra sự nổ và bốc hơi của chất lỏng nóng chảy
hiện có.Tốc độ cắt dòng điện và mức độ sụt của xung dòng điện sẽ quyết định tốc
độ sụt áp và sự bắt buộc nổ vật liệu chảy lỏng.
Vì lượng hớt vật liệu phụ thuộc vào điện áp, cường độ dòng điện và thời gian
nên người ta có thể nghiên cứu một cách chính xác tuần tự theo thời gian của điện
áp và dịng điện trong lúc phóng tia lửa điện. Người ta đo điện áp và dòng điện ở

các khoảng thời điểm đóng điện (t = 0) đến thời điểm ngắt điện.
1.1.4. Vết nứt tế vi bề mặt sau khi gia công tia lửa điện