Gia công tia lửa điện . CHƯƠNG 2:

Chia sẻ: Nguyen Thi Ngoc Hoa | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:32

1
256
lượt xem
132
download

Gia công tia lửa điện . CHƯƠNG 2:

Mô tả tài liệu
  Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Nguyên lý gia công tia lửa điện Đặt một điện áp một chiều giữa 2 điện cực (một được gọi là dụng cụ và một gọi là phôi chi tiết). Chúng được nhúng ngập trong 1 dung dịch cách điện đặc biệt (gọi là dung dịch điện ly). Điện áp này thường nằm trong khoảng 80V đến 200V. Khi đưa 2 điện cực tiến lại gần nhau, đến một khoảng cách đủ nhỏ thì xảy ra sự phóng tia lửa điện. Điều này có thể giải thích là do điện trường giữa khe hở đủ lớn (đạt khoảng...

Chủ đề:
Lưu

Nội dung Text: Gia công tia lửa điện . CHƯƠNG 2:

  1. Đồ án tốt nghiệp Lớp CTM8 – K47 CHƯƠNG 2: GIA CÔNG TIA LỬA ĐIỆN DÙNG ĐIỆN CỰC ĐỊNH HÌNH 2.1. Nguyên lý gia công tia lửa điện H×nh 2.1. Nguyªn lý gia c«ng tia löa ®iÖn Đặt một điện áp một chiều giữa 2 điện cực (một được gọi là dụng cụ và một gọi là phôi - chi tiết). Chúng được nhúng ngập trong 1 dung dịch cách điện đặc biệt (gọi là dung dịch điện ly). Điện áp này thường nằm trong khoảng 80V đến 200V. Khi đưa 2 điện cực tiến lại gần nhau, đến một khoảng cách  đủ nhỏ thì xảy ra sự phóng tia lửa điện. Điều này có thể giải thích là do điện trường giữa khe hở đủ lớn (đạt khoảng 104 V/m) dẫn đến việc iôn hoá dung dịch điện ly và nó trở thành dẫn điện. Tia lửa điện phóng qua khe hở này và hình thành kênh dẫn điện, nhiệt độ lên đến khoảng 10000oC làm bốc hơi vật liệu các điện cực. Áp suất vùng này sẽ cao hơn các vùng khác. Nguồn điện được ngắt đột ngột làm cho tia lửa điện biến mất. Do sự chênh lệch áp suất và do dung dịch lạnh từ ngoài tràn vào kênh dẫn điện gây ra tiếng nổ nhỏ và làm hoá rắn hơi vật liệu thành các hạt ô-xít kim loại. Sau đó, dung dịch điện ly được khôi phục trạng thái cũ của nó: không dẫn điện. Nguồn điện được cung cấp lại và tia lửa điện lại xuất hiện. Có thể thấy những điểm mấu chốt của phương pháp gia công tia lửa điện gồm: Nguồn cung cấp điện áp dạng xung: thời gian ngắt nguồn điện là khoảng thời gian cần thiết để dung dịch điện ly có thể khôi phục lại trạng thái không dẫn điện của nó và sẵn sàng cho xung gia công tiếp theo. Nếu thời gian này không có hay nhỏ quá sẽ làm dung dịch điện ly luôn ở trạng thái dẫn điện. Điều này làm cho tia lửa điện phát triển thành hồ quang gây hỏng bề mặt chi tiết và dụng cụ. Đỗ toàn Thắng & Nguyễn hữu Tú 10
  2. Đồ án tốt nghiệp Lớp CTM8 – K47 Các điện cực làm bằng 2 loại vật liệu khác nhau và được nhúng ngập trong dung dịch điện ly: dung dịch này có chức năng chính là môi trường hình thành kênh dẫn điện. Giữa các điện cực luôn có 1 khe hở nhỏ được gọi là khe hở phóng điện. Khe hở này cần được đảm bảo trong suốt quá trình gia công để duy trì sự ổn định của tia lửa điện. 2.2. Bản chất vật lý của quá trình ăn mòn tia lửa điện Quá trình ăn mòn của một xung gia công được trải qua 3 giai đoạn: giai đoạn hình thành kênh dẫn điện, giai đoạn phóng tia lửa điện làm bốc hơi vật liệu và giai đoạn phục hồi. 2.2.1. Giai đoạn 1: hình thành kênh dẫn điện Các đặc điểm chính của giai đoạn này là: Giai đoạn này được xác định trong khoảng thời gian khi bắt đầu có điện áp (cấp bởi nguồn) và kết thúc khi điện áp bắt đầu giảm. Mô tả hiện tượng: khi điện trường giữa 2 điện cực tăng lên do việc đưa chúng đến gần nhau làm cho vận tốc của các ion và điện tử tự do (có trong lớp dung dịch điện ly ở giữa các điện cực) tăng lên và bị hút về phía cực trái dấu. Trong quá trình di chuyển, chúng va đập với các phân tử trung hoà và làm tách ra các ion và điện tử mới. Cứ như vậy, khi khoảng cách càng nhỏ làm từ trường và động năng của các ion và điện tử càng lớn dẫn đến hình thành một dòng chuyển dịch có hướng của ion và điện tử tạo nên dòng điện. Kết quả: dung dịch điện ly trở nên dẫn điện ở cuối giai đoạn này. Hình 2.2. Sự hình thành kênh dẫn điện Đỗ toàn Thắng & Nguyễn hữu Tú 11
  3. Đồ án tốt nghiệp Lớp CTM8 – K47 2.2.2. Giai đoạn 2: phóng điện và làm bốc hơi vật liệu Hình 2.3. Sự phóng điện qua kênh dẫn điện Thời gian của giai đoạn này được tính từ khi điện áp bắt đầu giảm đến một trị số xác định và giữ nguyên cho đến khi giảm về 0V (ngắt nguồn) Mô tả hiện tượng: dòng điện xuất hiện trong kênh dẫn điện kèm theo sự xuất hiện tia lửa điện. Tại kênh dẫn điện, năng lượng tập trung rất lớn (đạt cỡ 105 đến 107 W/mm2) làm cho nhiệt độ tại đó đạt tới 10000o C. Vật liệu của các điện cực tại nơi xuất hiện tia lửa điện bị bốc hơi bởi nhiệt độ cao. Bên cạnh đó còn có một lượng nhỏ vật liệu bị tách khỏi bề mặt các điện cực do sự va đập của các ion và điện tử lên bề mặt của chúng. Giai đoạn này chính là giai đoạn có ích trong cả một xung gia công: ăn mòn vật liệu tạo thành hình dáng chi tiết theo yêu cầu. 2.2.3. Giai đoạn 3: hoá rắn hơi vật liệu và phục hồi Hình 2.4. Sự phục hồi Thời gian ngắt nguồn điện là khoảng thời gian của giai đoạn này. Mô tả hiện tượng: nguồn xung bị ngắt đột ngột, dung dịch điện ly lạnh ở xung quanh tràn vào gây nên sự thay đổi áp suất đột ngột tạo nên tiếng nổ nhỏ. Hơi của vật liệu điện cực Đỗ toàn Thắng & Nguyễn hữu Tú 12
  4. Đồ án tốt nghiệp Lớp CTM8 – K47 hoá rắn do việc giảm nhiệt độ đột ngột tạo nên các hạt ô-xít kim loại có kích thước nhỏ (cỡ vài trăm micro mét). Các hạt ô-xít này không dẫn điện hoặc dẫn điện rất kém (tuỳ vào vật liệu các điện cực). Kết thúc giai đoạn này, dung dịch điện ly lấy lại trạng thái ban đầu của nó: không dẫn điện. Một xung gia công kết thúc. Các giai đoạn trên được lặp lại cho các xung gia công kế tiếp theo. Sau hàng loạt xung gia công có ích, vật liệu của các điện cực bị ăn mòn dần theo từng lớp. Người ta thường chọn vật liệu dụng cụ có khả năng chịu ăn mòn hơn (bằng đồng hay graphite) nên chi tiết dần bị ăn mòn nhiều và sẽ mang hình dáng của dụng cụ. 2.2.4. Thiết bị gia công Electrode Dielectric Pulse generator Workpiece Hình 2.5. Mô hình máy xung tia lửa điện _ NC-controller generator: bộ điều khiển số _ Servo drive: bộ điều khiển động cơ servo _ Machine head: trục chính của máy (thường dùng để gắn dụng cụ). Nó đóng vai trò là trục Z _ Dielectric tank: thùng chứa dung dịch điện ly (ngập các điện cực) _ Workpiece: phôi – chi tiết cần gia công _ Electrode: dụng cụ Đỗ toàn Thắng & Nguyễn hữu Tú 13
  5. Đồ án tốt nghiệp Lớp CTM8 – K47 _Dielectric unit: hệ thống thùng và bơm dung dịch điện ly lên thùng chứa _ Machine table: bàn máy có thể di chuyển theo 2 phương X, Y _Gap: khe hở phóng điện. Khe hở này cần phải được đảm bảo không đổi trong suốt quá trình phóng tia lửa điện. _Dielectric: dung dịch điện ly _Pulse generator: nguồn cung cấp điện áp công suất một chiều dạng xung Với các thiết bị gia công EDM khác có cấu tạo tương tự, chỉ có 1 số điểm khác nhau cơ bản để phù hợp với ứng dụng thực tế của thiết bị đó: - Yêu cầu về dịch chuyển bàn máy như WEDM - Loại dung dịch điện ly: trong phay và xung là dầu, còn WEDM là nước - Loại dụng cụ - Công suất thiết bị,.... 2.2.5. Ưu, nhược điểm Từ nguyên lý gia công tia lửa điện, có thể thấy những ưu điểm và hạn chế của phương pháp gia công này: 2.2.5.1. Ưu điểm Một trong những điểm đặc sắc nhất của quá trình gia công bằng tia lửa điện là không có lực cắt trong quá trình gia công. Không có lực cắt đồng nghĩa với việc tính toán đồ gá, bàn máy sẽ đơn giản hơn rất nhiều, công suất của động cơ điều khiển các trục cũng sẽ không cần lớn như trước. Đó cũng là lý do vì sao các hãng chế tạo máy xung đẩy mạnh nghiên cứu gia công máy phay, máy khoan tia lửa điện bởi nếu thành công, họ sẽ có thể chế tạo được các chi tiết phức tạp không thua gì các phương pháp gia công truyền thống mà công suất có thể thấp hơn nhiều. Chất lượng chi tiết gia công tốt, độ chính xác kích thước và độ nhám bề mặt không thua kém gì các phương pháp gia công truyền thống. Ngày càng có nhiều đóng góp trong lĩnh vực gia công khuôn mẫu với tổng số sản phẩm tăng dần theo hàng năm Đỗ toàn Thắng & Nguyễn hữu Tú 14
  6. Đồ án tốt nghiệp Lớp CTM8 – K47 2.2.5.2. Nhược điểm Không gia công được những chi tiết phức tạp. Rõ ràng nơi phôi bị ăn mòn, hình dáng chi tiết sẽ có hình dáng giống như điện cực. Vì vậy, nếu cần phải gia công những chi tiết phức tạp, việc thiết kế điện cực sẽ trở nên khó khăn hơn rất nhiều lần. Tốc độ gia công chậm. Sau mỗi xung, bề dày lượng kim loại bị ăn mòn chỉ khoảng vài µm và chỉ giới hạn trong một diện tích nhỏ. Tốc độ gia công chậm đồng nghĩa với năng suất chế tạo thấp. Các nghiên cứu nhằm tăng tốc độ gia công bằng tia lửa điện cũng là một mối quan tâm lớn của các hãng chế tạo máy xung trên thế giới. 2. 3. Cơ chế tách vật liệu Sự đồng đều khi hớt vật liêu: Trên thực tế bề mặt phôi và bề mặt điện cực không phẳng như ta tưởng tượng mà nó có các nhấp nhô. Khoảng cách giữa hai bề mặt điện cực trong toàn bề mặt thực tế là không cố định mà nó thay đổi do các nhấp nhô. Nếu trên bề mặt phôi xuất hiện một miệng núi lửa rất nhỏ ở điểm A nào đó và có khoảng cách gần nhất tới điện cực. Khi một điện áp thích hợp được đặt giữa hai điện cực (dụng cụ và phôi), một trường tĩnh điện có cường độ lớn được sinh ra nó gây ra sự tách các electron từ cực âm A. Các electron được giải phóng này được tăng tốc về phía cực dương, sau khi đạt được tốc độ đủ lớn các electron này va đập với các phần tử điện môi, bắn phá các phần tử đó thành các electron và các ion dương. Các electron vừa sinh ra lại được tăng tốc và nó lại đánh bật các electron khác từ các phần tử dung dịch điện môi. Cứ như vậy, một cột hẹp các phần tử dung dịch điện môi bị ion hoá được sinh ra tại điểm A nối hai điện cực lại với nhau (sinh ra một dòng thác điện tử, cột phần tử bị ion hoá tăng lên và có tính dẫn điện mạnh-tia lửa điện). Kết quả là tia lửa điện này là một sóng chèn ép lớn được sinh ra và có nhiệt độ rất lớn tăng lên trên các điện cực (10000120000C). Nhiệt độ lớn này làm nóng chảy và bốc hơi vật liệu điện cực, vật liệu nóng chảy bị dòng dung môi cuốn đi và một vết lõm trên hai bề mặt đựơc sinh ra. Ngay lúc đó thì khoảng cách giữa hai điện cực tại A tăng lên và vị trí tiếp theo có khoảng cách ngắn nhất giữa hai điện cực là một vị trí khác (ví dụ tại B). Tương tự khi nguồn điện áp đựơc đóng ngắt một lần nữa, chu kỳ trên được lặp lại, tia lửa điện tiếp theo được sinh ra tại vị trí B. Cứ như vậy khi máy phát đóng ngắt liên tục thì sự phóng tia lửa điện sẽ sản sinh ra một loạt miệng Đỗ toàn Thắng & Nguyễn hữu Tú 15
  7. Đồ án tốt nghiệp Lớp CTM8 – K47 núi lửa kế tiếp nhau trên toàn bề mặt điện cực. Kết quả là vật liệu được hớt đi một cách đồng đều trên toàn bề mặt điện cực (phôi). Bề mặt được gia công tia lửa điện sẽ hình thành do sự tạo nên các “miệng núi lửa” li ti đó. Nếu năng lượng do phóng tia lửa điện được giảm một cách hợp lý thì các “miệng núi lửa” sẽ có kích thứơc cực nhỏ và ta nhận được một bề mặt có độ bóng cao. A A B C A B Hình 2.6 Các “miệng núi lửa” được hình thành liên tiếp. Các đặc tính tách vật liệu đầu tiên phụ thuộc vào năng lượng tách vật liệu We 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 khoảng thời gian xung. Do Ue là một hằng số vật lý phụ thuộc vào cặp vật liệu điện cực/phôi nên về thực chất, năng lượng tách vật liệu chỉ phụ thuộc vào dòng điện và thời gian xung. Dòng điện tổng cộng trong kênh plasma qua khe hở phóng điện là tổng của dòng các điện tử chạy tơi cực dương (canôt) và dòng các ion dương chạy tới cực âm (anôt). Do khối lượng của 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 tới bề mặt cực dương (anôt) cao hơn nhiều lần so với mật độ ion dương tập trung tới bề mặt cực âm (anôt) 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 (canôt) trong chu kỳ này. Dòng ion dương chỉ đạt tới cực âm (catôt) trong micro giây đầu tiên. Chính các ion dương này gây ra sự nóng chảy và bốc hơi của vật liệu điện cực catôt. Do đó có hiện tượng điện cực bị mòn. Sở dĩ vật liệu lỏng được tống ra khỏi khe hở giữa hai điện cựclà : Do vật liệu điện cực khi tiếp xúc với plasma ở một pha có áp lực cao tới 1kbar và nhiệt độ cực cao tới 100000C trong kênh plasma. Đỗ toàn Thắng & Nguyễn hữu Tú 16
  8. Đồ án tốt nghiệp Lớp CTM8 – K47 Do 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 dòng 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 dòng điện và mức độ sụt của xung dòng điện sẽ quyết định tốc độ sụt áp suất và sự bắt buộc nổ vật liệu chảy lỏng. Thời gian sụt của dòng điện là yếu tố quyết định đối với độ nhám bề mặt gia công. 2.4. Năng suất gia công – chất lượng bề mặt khi gia công bằng EDM 2.4.1. Năng suất gia công N¨ng suÊt gia c«ng (mm3/phót hay g/phót): là lượng hớt vật liệu chi tiết trong một khoảng thời gian. Năng suất tỷ lệ thuận với cường độ dòng điện và khoảng thời gian gia công có ích (thời gian của giai đoạn 2). Trên thực tế, một đại lượng khác tương tự năng suất thường được dùng trong quá trình điều khiển là hiệu suất gia công. Hiệu suất gia công được tính theo công thức. N t e( k )  k 1 (t i  t o ) (k ) Với N là số chu kỳ lấy mẫu. Mỗi chu kỳ gia công được tính trong khoảng thời gian ( ti + to ) (s). Theo công thức trên, hiệu suất được tính cho một quá trình gia công hay một khoảng thời gian xác định. Thông thường, các hệ điều khiển hiện đại như AGIE, Charmill, Mitsubishi lấy N=1000. Năng suất gia công tia lửa điện phụ thuộc vào nhiều yếu tố, quan trọng nhất là các yếu tố cơ bản sau: - Khe hở phóng tia lửa điện . - Cường độ dòng điện I. - Tần số xung f. - Điện dung C. - Diện tích bề mặt gia công F. - Chất lượng điện cực và chất lượng điện môi. -........ 2.4.1.1. ảnh hưởng của : Đỗ toàn Thắng & Nguyễn hữu Tú 17
  9. Đồ án tốt nghiệp Lớp CTM8 – K47  ảnh hưởng đến điện áp của tụ đã được tích điện Uc T1  U C  U i (1  e RC ) Trong đó: T1 thời gian tích điện (s) * Nếu  nhỏ thì Ucmax cũng nhỏ nên tần số xung lớn, bởi vì ta có quan hệ: 1 I f    UC   f  RC U C .C Do f cho nên thời gian phóng tia lửa điện te nhỏ. Như vậy,  nhỏ  Uc ; te , cho dù Ie có lớn thì năng lượng tích lũy trong xung điện We (năng lượng tách vật liệu) vẫn nhỏ: We = Ue.Ie.te Dấn đến năng suất cũng thấp. * Nếu  lớn thì Uemax lớn  f nhỏ. Nhưng theo đồ thị trên thì dòng điện Ie cũng nhỏ làm cho năng suất vẫn thấp. Như vậy, việc chọn tối ưu sao cho sự phóng điện diễn ra đều đặn để có được một năng suất gia công phù hợp là rất cần thiết. T 1 1 T1  Công suất gia công: Ne = U c .It.dt 0 Với: T1  T1  U C  U i (1  e RC ) (4) It = I Z .e RC (5) IZ = Ui/R (6) R: điện trở trong mạch RC C: điện dụng của mạch RC T1: thời gian tích điện Thay (4) và (5) vào (3), ta được: T1 T1  T1 U i .I Z NC  T1  (1  e RC ).e RC .dt 0 max T UC 1 Đặt    1  e RC (7), gọi là hệ số tích điện. Thay lên trên và sau khi tính toán UC phân tích ta được: 2 N c = U i .I z .  U i .I z .a p (8) 1 2 ln( ) 1  Đỗ toàn Thắng & Nguyễn hữu Tú 18
  10. Đồ án tốt nghiệp Lớp CTM8 – K47 2 Với ap = ,gọi là hệ số công suất. 1 2 ln( ) 1  Đồ thị bên cho ta mối quan hệ giữa  và ap trong gia công tia lửa điện, qua đồ thị đó ta thấy rằng ap đạt max khi  = 0,6  0,8. phải giữ ổn định trong khoảng cách đó. Vậy phải điều chỉnh khoảng cách điện cực phù hợp với trị số  trên và bộ phận điều khiển 2.4.1.2. Ảnh hưởng của điện dung C Ta cũng có kết quả theo đồ thị sau. Trong đó chỉ ra rằng điện áp tối ưu Uopt = 0.7Ui sẽ đạt được một lượng hớt vật liệu lớn nhất đồng thời lượng mòn điện cực là nhỏ nhất. Khi giữ Uopt = const, ta thay đổi điện dung C thì được kết quả như hình vẽ. Ta xác định được điện dung giới hạn Cgh, nếu C < Cgh thì sẽ gây ra hiện tượng hồ quang làm giảm năng suất gia công. V0,f V0,f V0 f V0 Hå quang f Vïng ng¾n m¹ch Ui Uopt Cgh C V0,T V0 T Fgh F Hình 2.7 Đồ thị phụ thuộc năng suất gia công vào diện tích gia công Đỗ toàn Thắng & Nguyễn hữu Tú 19
  11. Đồ án tốt nghiệp Lớp CTM8 – K47 2.4.1.3. Ảnh hưởng của điện tích vùng gia công F. Theo đồ thị bên thì: sau đoạn tăng lên gần như tuyến tính của Vo thì đến đoạn giảm dần khi diện tích đạt giá trị tới hạn Fgh. Điều này do khi đã quá Fgh thì cũng có nghĩa là vượt qua dòng điện tới hạn. Việc lấy phoi ra khỏi khe hở điện cực khó khăn hơn. Điều này ảnh hưởng đến năng suất gia công. 2.4.2. Chất lượng bề mặt Chất lượng bề mặt là một khái niệm tổng hợp, bao gồm: + Độ nhám bề mặt. + Vết nứt tế vi trên bề mặt. + Các ảnh hưởng nhiệt ở lớp bề mặt. 2.4.2.1 Về độ nhám bề mặt: sau khi gia công bề mặt gia công không hoàn toàn phẳng mà nó để lại nhưng nhấp nhô, chính là độ nhám bề mặt. Điều này làm giảm đặc tính chống mài mòn và tăng nguy cơ bị ăn mòn hoá học. Khi gia công thô sẽ có độ nhám rất lớn, tạo ra bề mặt thô và ngược lại khi gia công tinh. Bề mặt càng thô thì tính chống mài mòn càng kém và nguy cơ bị ăn mòn hoá học càng cao. D S R Rmax Hình 2.8 Câu trúc tế vi của chi tiết gia công bằng xung định hình Theo lý thuyết thì bề mặt bị ăn mòn tạo ra những viết lõm hình vòm bán cầu chồng mép lên nhau. Nhưng trong thực tế thì không có sự đều đặn như hình vẽ, mà hình dạng của chúng thay đổi đi nhiều do hơi kim loại ngưng tụ lại. Hình trên cho ta thấy cấu trúc tế vi của bề mặt gia công bằng tia lửa điện. Nó không đồng đều, nhiều nghiên cứu chứng minh rằng tỉ số của đường kính vết lõm và chiều sâu lõm và chiều sâu lõm dao động giữa 0,1 0,3. Đỗ toàn Thắng & Nguyễn hữu Tú 20
  12. Đồ án tốt nghiệp Lớp CTM8 – K47 Độ nhám đầu tiên phụ thuộc vào năng lượng của một lần phóng điện, một phần điện tích của tụ tạo ra vết lõm, do vậy thể tích của vết lõm tỉ lệ với năng lượng phóng ra của tụ: 1 2 Q= U .C 2 Trong đó: Q: là điện tích của tụ U: là điện áp giữa 2 điện cực. C: là điện dung của tụ. Như vậy, thể tích của vết lõm: V = K.U2.C Trong đó: K là hệ số phụ thuộc vào vật liệu và điều kiện gia công. Giả sử V tỉ lệ với lập phương của chiều sâu (R) thì: RMax = K1. 3 V = K2. U2/3.C1/3 = m.C1/3. Từ thực nghiệm ta có mối quan hệ giữa U,C, và RMax như đồ thị trên. Đồ thị phản ánh đúng biểu thức trên, ta nhận thấy muốn đạt R nhỏ thì phải dùng tụ có điện dung C nhỏ. Qua nghiên cứu lý thuyết cũng như thực nghiệm, người ta chứng minh được: - Điện áp giữa hai điện cực tăng ( tăng) thì độ nhám bề mặt R tăng. - Công suất gia công tăng R tăng. - Vật liệu càng cứng thì độ nhám càng nhỏ. Độ kéo dài xung t1 cũng nó ảnh hưởng đến độ nhám bề mặt gia công. Đồ thị bên chỉ ra sự ảnh hưởng của t1 đến độ nhám bề mặt gia công. 2.4.2.2. Về vết nứt tế vi và lớp ảnh hưởng nhiệt sau khi gia công có thể được mô tả như hình sau: Đỗ toàn Thắng & Nguyễn hữu Tú 21
  13. Đồ án tốt nghiệp Lớp CTM8 – K47 400 600 800 1000 Hv 1- Líp tr¾ng 1 2- Líp t«i cóng 3- Líp ¶nh huëng 2 nhiÖt 3 4- Líp kh«ng ¶nh huëng 4 Sô kh¸c biÖt ®é cóng ®iÓn h×nh trong líp bÒ mÆt. Vïng ¶nh huëng nhiÖt cña bÒ mÆt ph«i. Hình 2.9 Cấu trúc bề mặt phôi Hình trên cho thấy rõ cấu trúc lớp bề mặt phôi và sự thay đổi độ cứng của chúng theo chiều sâu. Ta phân biệt được các lớp và các cấu trúc sau đây: 1-Lớp trắng: đó là lớp kết tinh lại, với các vết nứt tế vi do ứng suất dư vì nóng lạnh đột lặp lại. Độ kéo dài xung te càng lớn thì lớp này càng dày. 2-Lớp bị tôi cứng: với cấu trúc dòn, lớp này có độ cứng tăng vọt (trên 1000 HV) so với kim loại nền. 3-Lớp bị ảnh hưởng nhiệt: do nhiệt độ ở đây đã vượt quá nhiệt độ ostenit(Fe-Fe3C) trong một thời gian ngắn. Độ cứng của lớp này giảm so với lớp tôi cứng, khoảng dưới 800HV. Dưới cùng là lớp không bị ảnh hưởng nhiệt. Nó trở lại độ cứng bình thường của vật liệu nền. Nhiệt độ cao sinh ra do sự phóng điện gây ra nóng chảy và bốc hơi vật liệu, rõ ràng là nhiệt độ này tác dụng lên tính chất của lớp mỏng (2.5-150  m) của bề mặt gia công. Lớp ngoài cùng bị nguội nhanh, đó là nguyên nhân làm lớp này rất cứng, lớp sát trong lớp này ở trong điều kiện như ram. Độ cứng lớp bề mặt sau khi gia công sẽ làm cho độ bền mòn tăng lên. Tuy nhiên, độ bền mỏi giảm do các vết nứt tế vi tăng trên bề mặt trong quá trình làm nguội nhanh. Hình trên chỉ ra sự so sánh của độ bền mỏi giữa phương pháp phay và gia công tia lửa điện. Tính chất của lớp mỏng bề mặt không ảnh hưởng nhiều đến độ bền kéo. Cấu trúc của vật liệu đã bị thay đổi do tia lửa gây ra. Tính chất hoá học cũng thay đổi. Những tính chất này làm tăng sự mài mòn. 2.5. Sự mòn điện cực Đỗ toàn Thắng & Nguyễn hữu Tú 22
  14. Đồ án tốt nghiệp Lớp CTM8 – K47 Quá trình gia công xung định hình không được thực hiện với sự hớt vật liệu riêng lẻ. Vật liệu được hớt đi từ phôi cho đến khi khe hở giữa điện cực và phôi lớn đến mức không thể xảy ra sự phóng điện nữa. Nếu điện cực tịnh tiến đều để duy trì được chiều rộng khe hở ban đầu thì nó sẽ gia công ngày càng sâu hơn vào vật liệu phôi tạo ra một âm bản của điện cực ở trong phôi. Tuy nhiên trong qua trình gia công, chính điện cực cũng bị hớt đi một lớp mỏng vật liệu của nó, tuy rất nhỏ so với lượng hớt vật liệu của phôi. Sự hớt vật liệu từ điện cực này là không mong muốn vì nó gây ra sự mòn điện cực. Có thể giữ cho độ mòn điện cực là nhỏ nhất bằng cách chọn vật liệu điện cực phù hợp và phôi, và xác định sự đấu cực phù hợp. Việc chọn các tham số ăn mòn điện cực cũng tác động lên độ mòn điện cực. Chính do sự mòn điện cực mà nó gây ra sự không chính xác khi gia công. Độ mòn tương đối  của điện cực : VE  .100% V¦W Trong đó: VE: Thể tích vật liệu bị mất đi ở điện cực. VW: Thể tích vật liệu phôi được hớt đi. Ảnh hưởng lên độ mòn tương đối  của điện cực có các yếu tố sau: _ Sự phối hợp điện cực/phôi. _ Dòng điện Ie, hay bước dòng điện. _ Độ kéo dài xung _ Sự đấu cực. Giá trị độ mòn được xác định chủ yếu bởi sự phối hợp vật liệu điện cực/phôi Thông thường khi gia công các loại khuôn khác nhau người ta chọn các vật liệu cho điện cực và phôi theo bảng sau: Bảng 2.1 Vật liệu và gia công điện cực Tình trạng gia công Vật liệu điện cực Các Các Kiểu Vật liệu Bề mặt Đồng Than bít bít khuôn gia công Đồng Bạc Đỗ toàn Thắng & Nguyễn hữu Tú 23
  15. Đồ án tốt nghiệp Lớp CTM8 – K47 Khuôn Thép Thô A A B B đúc nhôm Thép Tinh B B A A Các bít Thô C C A A Các bít Tinh D D A A Khuôn Thép Thô A B A B thiêu kết Thép Tinh B C A A Các bít Thô C C A A Các bit Tinh D D A A Khuôn Thép 5-10 μR ma B D A B đúc và Thép 10-20 A C A B khuôn Thép 20-30 A B B E nhựa Thép 30-50 A A E E Thép 50-100 B A E E Thép 100-200 C A E E Khuôn ép Thép 10-20 A C B E Thép 20-30 A B E E Thép 30-50 A A E E Thép 50-100 B A E E Thép 100-200 C A E E Thép Hơn 200 D A E E Bề mặt tinh: 530 Rmax Bề mặt thô: 30200 Rmax A: Tốt B: Bình thường khá tốt C: Xấu kém (mòn điện cực lớn) D: Tồi tệ (mòn điện cực lớn nhất) E : Điện cực đắt tiền Chú thích cho các thông tin ở trên: A: Điện cực đồng là tốt hơn điện cực Grafit khi gia công bề mặt tinh nhưng với gia công bề mặt thô điện cực Grafit tốt hơn điện cực đồng. B: Khi gia công với dòng điện có cường độ (cắt thô) bằng điện Đỗ toàn Thắng & Nguyễn hữu Tú 24
  16. Đồ án tốt nghiệp Lớp CTM8 – K47 cực đồng sẽ gây ra ăn mòn lớn: Khi gia công với dòng điện có cường độ thấp (gia công tinh) bằng điện cực Grafit thì điện cực sẽ bị ăn mòn thấp C: Với cường dòng điện cao thì thu được bề mặt thô hơn và dòng điện thấp hơn sẽ thu được bề mặt tinh hơn. D: Với vật liệu của miếng gia công là cứng như các bít thì điện cực bằng các bít đồng và các bít bạc sẽ tốt hơn điện cực đồng và grafit. Nếu vật gia công không quá cứng ví dụ như thép thì điện cực đồng , grafit là tốt hơn. 2.6. Các thông số công nghệ của EDM. Dựa vào các đặc tính thời gian của sự phóng tia lửa điện người ta có thể nhận ra các đặc tính về điện. Các đặc tính này chính là các thông số điều chỉnh quan trọng nhất của quá trình gia công. Mỗi máy phát của thiết bị gia công tia lửa điện đều có nhiệm vụ là cung cấp năng lượng làm việc cần thiết. Trước đây người ta dùng các máy phát có tụ bù. Nhược điểm của loại máy này là 50% năng lượng tích trữ trong điện trở nạp bị biến thành nhiệt. Vì vậy, loại máy này có hiệu suất khoảng 50%. Ngày nay do sự phát triển của khoa học kỹ thuật các máy phát hiện đại của một thiết bị gia công tia lửa điện là một máy phát xung tĩnh. ở đây năng lượng được điều khiển bằng điện tử như phát xung tĩnh có ưu việt lớn ở độ linh hoạt của các thông số điều chỉnh. Qua đó mỗi trường hợp gia công có thể được giải quyết dưới quan điểm là điện cực phải ít mòn nhất và chất lượng bề mặt gia công là tối ưu. Muốn vậy, tất cả các thông số của quá trình gia công phải được điều chỉnh phù hợp. Các thông số đó gồm: 2.6.1. Điện áp đánh lửa Uz. Đây là điện áp cần thiết để dẫn tới sự phóng tia lửa điện. Nó được cung cấp cho điện cực và phôi khi máy phát đựơc đóng điện, gây ra sự phóng tia lửa điện để đốt cháy vật liệu. Điện áp đánh lửa Uz càng lớn thì phóng điện càng nhanh và cho phép khe hở phóng điện càng lớn. 2.6.2. Thời gian trễ đánh lửa td. Đỗ toàn Thắng & Nguyễn hữu Tú 25
  17. Đồ án tốt nghiệp Lớp CTM8 – K47 Đó là thời gian lúc đóng điện máy phát và lúc xảy ra phóng tia lửa điện. Khi đóng điện máy phát, lúc đầu chưa xảy ra điều gì. Điện áp duy trì ở giá trị của điện áp đánh lửa Uz, dòng điện vẫn bằng không. Sau một thời gian trễ td mới xảy ra sự phóng tia lửa điện. Dòng điện từ không vọt lên giá trị Ie. 2.6.3. Điện áp phóng tia lửa điện Ue. Khi bắt đầu phóng tia lửa điện thì điện áp sụt tử Uz xuống giá trị Ue. Đây là điện áp trung bình trong suốt thời gian phóng tia lửa điện. Ue là một hằng số vật lý phụ thuộc vào cặp vật liệu điện cực/phôi. Ue không điều chỉnh được. 2.6.4. Dòng phóng tia lửa điện Ie. Dòng điện Ie là giá trị trung bình của dòng điện từ khi bắt đầu phóng tia lửa điện đến khi ngắt điện. Khi bắt đầu phóng tia lửa điện, dòng điện từ không tăng vọt lên 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 công. Nhìn chung khi Ie càng lớn thì lượng hớt vật liệu càng lớn, độ nhám gia công càng lớn nhưng độ mòn điện cực giảm. 2.6.5. Thời gian phóng tia lửa điện te. te là khoảng thời gian giữa lúc bắt đầu phóng tia lửa điện và lúc ngắt điện, tức thời gian có dòng Ie trong một lần phóng điện. 2.6.6. Độ kéo dài xung ti. Đây là khoảng thời gian giữa hai lần đóng-ngắt của máy phát trong cùng một chu kỳ phóng tia lửa điện. Độ kéo dài xung ti là tổng của thời gian trễ đánh lửa Id và thời gian phóng tia lửa điện te: ti = td + te Độ kéo dài xung ảnh hưởng lên: _ Tỷ lệ hớt vật liệu _ Độ mòn điện cực _ Chất lượng bề mặt gia công. 2.6.7. Khoảng cách xung to. Đây là khoảng thời gian giữa hai lần đóng ngắt của máy phát giữa hai chu kỳ xung kế tiếp nhau, t0 còn được gọi là độ kéo dài nghỉ của xung. Đỗ toàn Thắng & Nguyễn hữu Tú 26
  18. Đồ án tốt nghiệp Lớp CTM8 – K47 Ta phải giữ cho t0 nhỏ nhất có thể được để đạt được một lượng hớt vật liệu tối đa, nhưng đồng thời phải đảm bảo khoảng cách xung t0 phải đủ lởn để có đủ thời gian thôi ion hoá chất điện môi trong khe hở phóng điện. Nhờ đó sẽ tránh được các lỗi của quá trình như sự tạo thành hồ quang hoặc đóng ngắn mạch. Cũng trong khoảng thời gian t0, dòng chảy sẽ đẩy các phoi liệu bị ăn mòn ra khỏi khe hở phóng điện. 2.7. Chất điện môi: 2.7.1. Nhiệm vụ của chất điện môi. Chất điện môi (Dielectric) có bốn nhiệm vụ chính sau đây: _ Cách điện _ Ion hoá _ Làm nguội _ Vận chuyển phoi. 2.7.1.1. Cách điện: Nhiệm vụ bao trùm của chất lỏng điện môi là cách điện giữa điện cực và phôi. Nó phải đảm bảo sự cách ly giữa điện cực với phôi khi khe hở chưa đủ hẹp. Chỉ có một khoảng cách nhỏ nhất có thể có giữa điện cực và phôi mới cho phép dòng tia lửa điện đi qua. Nếu khe hở nhỏ thì lượng hớt vật liệu và độ chính xác in hình tăng. Tuy nhiên, lượng hớt vật liệu cũng tăng khi khoảng cách xung ngắn. Chất điện môi phải được thôi ion hoá nhanh như có thể được sau xung này. Chất điện môi được dùng trong thực tế ít khi là nguyên chất. Vì vậy, trước tiên phải cho chất điện môi đi qua một hệ thống lọc. Mặc dù vậy vẫn luôn luôn còn xót lại các phần tử tế vi của vật liệu. Điều này phải được tính đến khi chọn chất điện môi. 2.7.1.2 Ion hoá: Chất điện môi phải tạo nên những điều kiện tối ưu cho sự phóng tia lửa điện, nghĩa là nó phải được ion hoá ở vào thời điểm chuẩn bị phóng tia lửa điện, tức là phải có khả năng tạo nên một cầu phóng điện. Điều này giúp cho sự tập trung năng lượng ở kênh plasma, giúp cho sự hớt vật liệu khi phóng tia lửa điện. Đỗ toàn Thắng & Nguyễn hữu Tú 27
  19. Đồ án tốt nghiệp Lớp CTM8 – K47 Nếu xung ngắt thì chất điện môi phải được thôi ion hoá, tạo điều kiện để cho sự phóng điện tiếp theo xảy ra ở một vị trí khác. chất điện môi cũng bao trùm kênh phóng điện, nhờ đó có thể đạt được mật độ năng lượng cao, tăng hiệu quả phóng điện. 2.7.1.3 Làm nguội: Ở kênh phóng điện, trong khoảng thời gian cực ngắn nhiệt độ có thể lên tới 100000C. Nhiệt xuất hiện ở đây cần phải được chuyển đi, nếu không thì độ mòn điện cực sẽ tăng lên, đồng thời bề mặt phôi cũng bị hư hại do quá nhiệt. Bản thân chất điện môi cũng không được phép bị quá nhiệt. Sự quá nhiệt làm cho chất điện môi dễ bị phân huỷ thành khí và cacbon tự do. Khí này sẽ làm mở rộng không mong muốn kênh phóng điện điện và làm giảm lượng hớt vật liệu. Đồng thời cặn cacbon lắng xuống trên bề mặt điện cực sẽ gây ra sự ngắn mạch. Vì vậy, cần tạo ra một dòng chảy đi qua khe hở phóng điện để làm nguội cả điện cực và phôi. 2.7.1.4. Vận chuyển phoi. Nếu chất điện môi bị bẩn sẽ gây ra sự in hình không chính xác và các khuyết tật quá trình. Sự bẩn của chất điện môi chủ yếu là do các phần tử đã bị ăn mòn còn lơ lửng hoặc lắng đọng trong khe hở phóng điện. Một tỷ lệ lớn của các phần tử này dẫn đến sự phóng điện thất thường và gây sai số in hình, nguy cơ tạo hồ quang và ngắn mạch tăng lên. Chính vì các lý do trên mà cần phải có một hệ thống dòng chảy của chất điện môi để vận chuyển các phần tử đã bị ăn mòn (phoi) đi ra khỏi khe hở phóng điện và đảm bảo chất điện môi sạch cho khe hở. 2.7.2. Các loại chất điện môi và tiêu chuẩn đánh giá chúng 2.7.2.1. Các loại chất điện môi: Hiện nay có hai loại chất điện môi chủ yếu dùng cho hai pháp gia công tia lửa điện khác nhau, đó là: - Hydrocacbon: chủ yếu dùng cho xung định hình. Nó lại được chia ra làm ba nhóm trên cơ sở đặc tính hoá học: -Parafin - Dầu khoáng. - Các dẫn xuất của xăng. Đỗ toàn Thắng & Nguyễn hữu Tú 28
  20. Đồ án tốt nghiệp Lớp CTM8 – K47 - Nước khử khoáng: chủ yếu dùng cho cắt dây. Ngoài ra, trên thị trường thế giới vừa xuất hiện một loại chất điện môi mới nhất dựa trên thành phần chính là nước. Nó có độ nhớt cao hơn hẳn nước và hiệu quả tốt hơn dầu. Nó được dùng chủ yếu cho xung định hình với cực là graphit lớn và bước dòng điện lớn. Do đó lượng hớt vật liệu rất cao.Vì chất điện môi này có thành phần chính là nước nên dòng điện đó là rất lớn khi gia công tinh. Nó làm cho khó nhận được bề mặt tinh và độ nhám Rmax  10m. 2.7.2.2. Các tiêu chuẩn đánh giá chất điện môi: Chất điện môi được đánh giá dựa trên một loạt các tiêu chuẩn sau: _ Bền lâu, ít hao mòn. _ Vệ sinh, không hại da, không độc, không khó ngửi. _ Có điểm cháy tương đối cao (khó cháy). _ Có mật độ, độ đậm đặc nhất định. _ Có độ trong suốt để dễ quan sát vùng gia công. _ Có độ nhớt nhất định. _ Có khả năng dẫn điện với điều kiện nhất định. _ Cách điện ở điều kiện bình thường. _ Có khả năng truyền điện áp. _ Có khả năng bị ion hoá. _ Có khả năng được lọc sạch. _ Giá cả phải chăng. Trong các tiêu chuẩn trên, thì độ nhớt của chất điện môi là đáng quan tâm hàng đầu, vì nó ảnh hưởng trực tiếp lên kênh phóng điện. Độ nhớt đặc trưng cho “ma sát trong”, là trở lực của chất lỏng đối với sự cháy. Độ nhớt quyết định sự mở rộng kênh phóng điện. Độ nhớt của chất điện môi càng cao thì kênh phóng điện càng được tập trung hơn, hiệu quả phóng điện cao hơn. 2.7.2.3. Các yếu tố an toàn của chất điện môi: Vì nhiệt độ trong khe hở phóng điện rất cao, bản thân chất điện môi cũng trở nên rất nóng nên cần tránh dùng các chất điện môi có điểm cháy thấp. Mặt khác phải chắc chắn rằng khi bốc hơi và các sản phẩm lắng cặn của chất điện môi phải không có hại cho sức khoẻ. Đỗ toàn Thắng & Nguyễn hữu Tú 29
Đồng bộ tài khoản