Giáo trình Gia công tia lửa điện (Nghề: Vẽ và thiết kế trên máy tính - Cao đẳng): Phần 1 - Trường CĐ nghề Việt Nam - Hàn Quốc thành phố Hà Nội

Chia sẻ: Hoatudang09 | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:47

Thêm vào BST

Báo xấu

36
lượt xem 7
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

(NB) Cấu trúc giáo trình được chia thành 4 bài như sau: Cơ sở công nghệ gia công tia lửa điện; Gia công trên máy cắt dây Môlipden; Gia công trên máy cắt dây đồng; Gia công trên máy xung định hình. Mời các bạn cùng tham khảo nội dung giáo trình phần 1 dưới đây.

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Giáo trình Gia công tia lửa điện (Nghề: Vẽ và thiết kế trên máy tính - Cao đẳng): Phần 1 - Trường CĐ nghề Việt Nam - Hàn Quốc thành phố Hà Nội

ỦY BAN NHÂN DÂN THÀNH PHỐ HÀ NỘI TRƯỜNG CAO ĐẲNG NGHỀ VIỆT NAM - HÀN QUỐC THÀNH PHỐ HÀ NỘI LƯU HUY HẠNH (Chủ biên) NGUYỄN VĂN CHÍN–NGÔ DUY HIỆP GIÁO TRÌNH GIA CÔNG TIA LỬA ĐIỆN Nghề: Vẽ và thiết kế trên máy tính Trình độ: Cao đẳng (Lưu hành nội bộ) Hà Nội - Năm 2021
LỜI GIỚI THIỆU Trong chiến lược phát triển và đào tạo nguồn nhân lực chất lượng cao phục vụ cho sự nghiệp công nghiệp hóa và hiện đại hóa đất nước. Nhất là trong lĩnh vực cơ khí – Vẽ và thiết kế trên máy tính là một nghề đào tạo ra nguồn nhân lực tham gia thiết kế và chế tạo các chi tiết máy đòi hỏi các sinh viên học trong trường cần được trang bị những kiến thức, kỹ năng cần thiết để làm chủ các công nghệ sau khi ra trường tiếp cận được các điều kiện sản xuất của các doanh nghiệp trong và ngoài nước. Khoa Cơ khí trường Cao đẳng nghề Việt Nam – Hàn Quốc thành phố Hà Nội đã biên soạn cuốn giáo trình mô đun Gia công tia lửa điện nhằm mục đích cung cấp cho sinh viên kiến thức về một phương pháp gia công mới trong lĩnh vực gia công cơ khí, qua đo sinh viên hiểu được thêm về các phương án công nghệ trong gia công. Phục tốt cho quá trình thiết kế các chi tiết máy Cấu trúc giáo trình được chia thành 4 bài như sau: Bài 1: Cơ sở công nghệ gia công tia lửa điện. Bài 2: Gia công trên máy cắt dây Môlipden. Bài 3: Gia công trên máy cắt dây đồng. Bài 4: Gia công trên máy xung định hình. Mặc dù đã rất cố gắng trong quá trình biên soạn, song không tránh khỏi những sai sót. Chúng tôi rất mong nhận được những đóng góp ý kiến của các bạn và đồng nghiệp để cuốn giáo trình hoàn thiện hơn. Địa chỉ đóng góp về khoa Cơ khí, Trường Cao Đẳng Nghề Việt Nam – Hàn Quốc TP Hà Nội, Đường Uy Nỗ – Đông Anh – Hà Nội. Hà Nội, ngày tháng năm 2021 Nhóm biên soạn 1
MỤC LỤC LỜI GIỚI THIỆU ............................................................................................... 1 MỤC LỤC ............................................................................................................ 2 Bài 1 Cơ sở công nghệ gia công tia lửa điện ..................................................... 5 1.1. Bản chất vật lý của quá trình phóng tia lửa điện. ....................................... 5 1.2. Đặc tính về điện của sự phóng tia lửa điện. ............................................. 12 1.3. Lượng hớt vật liệu. ................................................................................... 14 1.4. Chất lượng bề mặt khi gia công tia lửa điện. ........................................... 15 1.5. Sự mòn của điện cực. ............................................................................... 18 Bài 2 Gia công trên máy cắt dây Molipden .................................................... 21 2.1. Cấu tạo, nguyên lý và vận hành máy cắt dây Molipden. ......................... 21 2.2. Thực hành trên phần mềm cắt dây. .......................................................... 25 2.3. Thực hành nối dây và thiết lập điểm gốc phôi. ........................................ 42 2.4. Thiết lập quy trình gia công chi tiết và hiệu chỉnh thông số làm việc. .... 42 Bài 3 Gia công trên máy cắt dây đồng ............................................................ 47 3.1. Cấu tạo, nguyên lý và vận hành máy cắt dây đồng. ................................. 47 3.2. Thực hành trên phần mềm cắt dây. .......................................................... 53 3.3. Thực hành nối dây và thiết lập điểm gốc phôi. ........................................ 64 3.4. Thiết lập quy trình gia công chi tiết và hiệu chỉnh thông số làm việc. .... 73 Bài 4 Gia công trên máy xung định hình ........................................................ 94 4.1. Cấu tạo, nguyên lý và vận hành máy xung điện. ..................................... 94 4.2. Thực hành trên phần mềm máy xung điện. ............................................ 104 4.3. Thiết lập quy trình gia công chi tiết và hiệu chỉnh thông số làm việc. .. 105 TÀI LIỆU THAM KHẢO .............................................................................. 119 2
CHƯƠNG TRÌNH MÔ ĐUN Tên mô đun 36: Gia công tia lửa điện Mã số của mô đun: MĐ 36 Thời gian của mô đun: 60 giờ. (LT: 10 giờ; BT: 46 giờ; KT:04giờ) I. VỊ TRÍ, TÍNH CHẤT MÔ ĐUN - Vị trí: + Trước khi học mô đun này học sinh đã hoàn thành MH09, MH12, MH13, MH14, MH15, MH16,MĐ20, MĐ21, MĐ22, MĐ 25, MĐ32, MĐ33. - Tính chất: + Là mô đun bắt buộc II. MỤC TIÊU MÔ ĐUN: - Kiến thức: + Trình bày được nguyên lý hoạt động, độ chính xác, khả năng công nghệ và công dụng của máy gia công tia lửa điện; + Trình bày được cấu tạo, chức năng các bộ phận chính của máy; + Phân tích được ngôn ngữ máy, cấu trúc lệnh và cấu trúc chương trình gia công trên máy gia công tia lửa điện; + Vận dụng được các phương pháp lập trình để giải quyết được các bài toán lập trình gia công các sản phẩm cơ bản. - Kỹ năng: + Vận hành thành thạo máy gia công tia lửa điện để gia công sản phẩm đạt yêu cầu kỹ thuật của bản vẽ, đảm bảo an toàn tuyệt đối cho người và thiết bị; + Tuân thủ đúng quy trình, quy phạm kỹ thuật khi lập trình gia công và vận hành máy gia công tia lửa điện. - Năng lực tự chủ và trách nhiệm: + Có ý thức tuân thủ tốt các nội quy; + Yêu nghề, có ý thức giữ gìn và bảo vệ tài sản, thiết bị. III. NỘI DUNG MÔ ĐUN: 1. Nội dung tổng quát và phân phối thời gian: 3
Thời gian (giờ) Số Thực hành, Tên các bài trong mô đun Tổng Lý thí nghiệm, Thi/Kiểm TT số thuyết thảo luận, tra* bài tập 1 Bài 1: Cơ sở công nghệ gia 05 02 03 0 công tia lửa điện 2 Bài 2: Gia công trên máy cắt 15 02 12 01 dây Molipden 3 Bài 3: Gia công trên máy cắt 15 02 12 01 dây đồng 4 Bài 4: Gia công trên máy xung 25 04 19 02 điện Cộng 60 10 46 04 * Ghi chú: Thời gian kiểm tra lý thuyết được tính vào giờ lý thuyết, kiểm tra thực hành được tính bằng giờ thực hành. 4
Bài 1 Cơ sở công nghệ gia công tia lửa điện Mục tiêu - Trình bày được bản chất vật lý và cơ cấu tách vật liệu trong gia công tia lửa điện; - Trình bày được đặc tính về điện của sự phóng tia lửa điện; - Trình bày được chất lượng bề mặt gia công và ảnh hưởng của các thông số đến chắt lượng bề mặt gia công. - Rèn luyện tính kỷ luật, kiên trì, cẩn thận, nghiêm túc, chủ động và tích cực sáng tạo trong học tập. Nội dung 1.1. Bản chất vật lý của quá trình phóng tia lửa điện. 1.1.1. Tổng quan về gia công tia lửa điện a) Lịch sử phát triển Phương pháp gia công tia lửa điện (Electric Discharge Machining – EDM) được phát triển vào năm 1943 ở Liên Xô bởi hai vợ chồng người Nga tại trường Đại học Moscow là Giáo sư – Tiến sĩ Boris Lazarenko và Tiến sĩ Natalya Lazarenko. Cho đến nay, phương pháp gia công này đã được phổ biến rộng rãi khắp nơi trên thế giới. Nguyên tắc của phương pháp này là bắn phá chi tiết để tách vật liệu bằng nguồn năng lượng nhiệt rất lớn được sinh ra khi cho hai điện cực tiến gần nhau. Trong hai điện cực này, một đóng vai trò là dao và một đóng vai trò là phôi trong quá trình gia công. Trong thập niên 1960 đã có nhiều nghiên cứu sâu rộng về gia công EDM và đã giải quyết được nhiều vấn đề liên quan đến mô hình tính toán quá trình gia công EDM. Trong thập niên 1970 đã xảy ra cuộc cách mạng về gia công trên máy cắt dây EDM nhờ vào việc phát triển các máy phát xung công suất lớn, các loại dây cắt và các phương pháp sục chất điện môi hữu hiệu. Hiện nay, các máy EDM đã được thiết kế khá hoàn chỉnh và quá trình gia công được điều khiển theo chương trình số. Hình 1.1: Gia công tia lửa điện 5
b) Nguyên lý gia công 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 100000C 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. Hình 1.2: nguyên lý của gia công tia lửa điện 6
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. 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. Phôi của quá trình gia công là các giọt kim loại bị tách ra khỏi các điện cực và đông đặc lại thành những hạt nhỏ hình cầu. Khi các hạt này bị đẩy ra khỏi vùng gia công, khe hở giữa hai điện cực lớn lên, sự phóng điện không còn nữa. Để đảm bảo quá trình gia công liên tục, người ta điều khiển điện cực dụng cụ đi xuống sao cho khe hở giữa hai điện cực là không đổi và ứng với điện áp nạp vào tụ C. 1.1.2. Bản chất vật lý của quá trình phóng tia lửa điện Có một câu hỏi được dạt gia quá trình gia công tia lửa điện thì vật liệu được tách ra thế nào? Hình 1.3: Sơ đồ nguyên lý 7
Theo sơ đồ nguyên lý: Một điện áp được đặt giữa điện cực và phôi. Không gian giữa hai điện cực đó được điền đầy bởi một chất lỏng cách điện gợi là chất điện môi (Dielectric). Cho hai điện cực áp lại gần nhau, đến một khoảng cách nào đó thì xảy ra sự phóng tia lửa điện. Một dòng điện xuất hiện một cách tức thời. Khi phóng tia lửa điện, các điện cực không tiếp xúc với nhau. Nếu chúng chạm vào nhau thì sẽ không có tia lửa điện mà sẽ xảy ra một dòng ngắn mạch, có hại đối với quá trình gia công. Nếu khe hở quá lớn thì lại không thể xảy ra sự phóng tia lửa điện, làm giảm năng suất gia công. Sơ đồ trên cho ta 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 một chu kỳ xung. 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 xuát hiện trễ hơn một 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 dòng điện khi phóng 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: a) 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 1.4: Sự hình thành kênh dẫn điện 8
b) Giai đoạn 2: phóng điện và làm bốc hơi vật liệu 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) Hình 1.5: Sự phóng điện qua kênh dẫn điện 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. c) Giai đoạn 3: hóa rắn hơi vật liệu và phục hồi Hình 1.6: 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 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). 9
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. 1.1.3. Thiết bị gia công tia lửa điện a) Gia công EDM có thể được phân loại như sau: + Gia công xung định hình EDM (Die Sinking EDM hay Ram-EDM) + Gia công vi EDM (Micro EDM) + Gia công EDM bằng dây cắt (Wire-cut EDM hoặc Wire EDM) + Khoan EDM (EDM drilling) + Máy lấy mũi tarô bị gãy (Broken Tap Remover) + Máy xung định hình (trên) và máy cắt dây (dưới) + Máy EDM dùng điện cực thỏi còn được gọi là máy xung định hình. Điện cực trên máy này có dạng thỏi được chế tạo sao cho biên dạng của nó giống với bề mặt cần gia công. Máy này có thể được điều khiển bằng tay, ZNC hay CNC. Loại điều khiển bằng tay có độ chính xác kém nên hiện nay ít dùng. + Máy EDM dùng điện cực dây (hay còn gọi là máy cắt dây). Điện cực trên máy này là một dây mảnh được cuốn liên tục và được chạy theo một biên dạng cho trước. Loại máy cắt dây EDM truyền thống được điều khiển bằng tay, kém chính xác. Hiện nay, chủ yếu người ta sử dụng máy cắt dây CNC. b) Điện cực dụng cụ Trong gia công xung định hình, điện cực dụng cụ đóng vai trò cực kì quan trọng vì độ chính xác gia công một phần phụ thuộc vào độ chính xác của điện cực. Việc lựa chọn hợp lý vật liệu điện cực là một yếu tố quan trọng. Điều này không những ảnh hưởng đến độ chính xác gia công, mà còn ảnh hưởng đến tính kinh tế thông qua năng suất và độ hao mòn điện cực trung bình. Giá của điện cực có thể chiếm 80% chi phí gia công. Các loại vật liệu có thể dùng làm điện cực cho gia công xung định hình thường là đồng đỏ, đồng – volfram, bạc-volfram, đồng thau, volfram, nhôm, môlipđen, hợp kim cứng, thép… Trong đó đồng đỏ và đồng-volfram là thường 10
dùng nhất. Các loại vật liệu volfram, nhôm, môlipđen, hợp kim cứng, thép… chỉ được sử dụng trong một số trường hợp đặc biệt. Trên máy cắt dây người ta thường sử dụng dây cắt làm bằng đồng đỏ, đồng thau, môlipđen, volfram, bạc hay kẽm có đường kính dây cắt thường từ 0,1 – 0,3mm. Các dây cắt có thể được phủ một lớp kẽm, oxyt kẽm hoặc graphit… để nâng cao độ bền của dây cũng như cải thiện khả năng sục chất điện môi vào khu vực cắt. 1.1.4. Khả năng công nghệ. Bề mặt chi tiết được gia công EDM có thể đạt Ra = 0,63µm khi gia công thô và Ra = 0,16µm khi gia công tinh. Thông thường độ chính xác gia công vào khoảng 0,01mm. Ở các máy khoan tọa độ EDM độ chính xác gia công đạt đến 0,0025mm. Phương pháp này có thể gia công những vật liệu khó gia công mà các phương pháp gia công không truyền thống không làm được như thép tôi, thép hợp kim khó gia công, hợp kim cứng. Nó cũng gia công được các chi tiết hệ lỗ có hình dáng phức tạp. 1.1.5. Ưu, nhược điểm + Ưu điểm:  Gia công được các loại vật liệu có độ cứng tùy ý  Điện cực có thể sao chép hình dạng bất kì, chế tạo và phục hồi các khuôn dập bằng thép đã tôi.  Chế tạo các lưới sàn, rây bằng cách gia công đồng thời các lỗ bằng những điện cực rất mảnh.  Gia công các lỗ có đường kính rất nhỏ, các lỗ sâu với tỉ số chiều dài trên đường kính lớn.  Do không có lực cơ học nên có thể gia công hầu hết các loại vật liệu dễ vỡ, mềm… mà không sợ bị biến dạng.  Do có dầu trong vùng gia công nên bề mặt gia công được tôi trong dầu. + Nhược điểm:  Phôi và dụng cụ (điện cực) đều phải dẫn điện  Vì tốc độ cắt gọt thấp nên phôi trước gia công EDM thường phải gia công thô trước.  Do vùng nhiệt độ tại vùng làm việc cao nên gây biến dạng nhiệt. 11
1.1.6. Ứng dụng Có thể sử dụng phương pháp này trong một số trường hợp sau: + Biến cứng bề mặt chi tiết làm tăng khả năng mài mòn + Chế tạo và phục hồi các khuôn dập đã tôi và khuôn bằng hợp kim cứng + Các lưới sàng bằng cách gia công đồng thời các lỗ bằng điện cực rất mảnh + Mài phẳng, mài tròn, mài sắc hoặc làm rộng lỗ + Gia công các lỗ có đường kính nhỏ Ø 0,15mm của các vòi phun cao áp có năng suất cao (từ 15 đến 30s/chiếc), gia công lỗ sâu từ 60mm cho sai số 5µm. Các lỗ Ø 0,05mm – 1mm với chiều sâu lớn như các lỗ làm mát trong cánh tuabin làm bằng hợp kim siêu cứng, các lỗ sâu với tỉ số chiều dài trên đường kính lên đến 67. + Lấy các dụng cụ bị gãy và kẹp trong chi tiết (bulông, tarô…) + Gia công khuôn mẫu và các chi tiết cần độ chính xác cao bằng vật liệu hợp kim cứng 1.2. Đặc tính về điện của sự phóng tia lửa điện. 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: a) 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. 12
b) Thời gian trễ đánh lửa td. 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. c) 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. U e là một hằng số vật lý phụ thuộc vào cặp vật liệu điện cực/phôi. Ue không điều chỉnh được. d) 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. e) 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 giancó dòng Ie trong một lần phóng điện. f) 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. g) 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. 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 t 0 phải đủ lởn để có đủ thời gian thôi ion hoá chất điện môi trong khe hở phóng điện. Nhờ đó sẽ 13
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. 1.3. Lượng hớt vật liệu. Sự đồng đều khi hớt vật liệu: 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 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. Hình 1.7: Các ”miệng núi lửa” được hình thành liên tiếp 14
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 (catôt) 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 cực là :  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.  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. 1.4. Chất lượng bề mặt khi gia công tia lửa điện. 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. 15
a) 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. Hình 1.8: Cấu 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. 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: Điện tích của tụ. U: Điện áp giữa hai điện cực. C: Điện dung của tụ. Như vậy, thể tích của vế lõm: V  K .U 2 .C 16
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: 2 1 1 RMax  K1. V  K 2 .U .C  m.C 3 3 3 3 Từ thực nghiệm 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 (δ 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. b) Về vết nứt tế vi và lớp ảnh hưởng nhiệt sau khi gia công có thể được mô tả như hình sau: Hình 1.9: 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 ngột 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. 17
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. 1.5. Sự mòn của điện cực. 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% VW 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 θ của điện cực có các yếu tố sau:  Sự phối hợp điện cực/phôi. 18
 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: Tình trạng gia công Vật liệu điện cực Vật liệu Các bít Các bít Kiểu khuôn gia công Bề mặt Đồng Than Đồng Bạc Thép Thô A A B B khuôn đúc Thép Tinh B B A A nhôm Các bít Thô C C A A Các bít Tinh D D A A Thép Thô A B A B Khuôn thiêu Thép Tinh B C A A kết Các bít Thô C C A A Các bít Tinh D D A A Thép 5÷10 μRmax B D A B Thép 10÷20 A C A B khuôn đúc Thép 20÷30 A B B E và khuôn nhựa Thép 30÷50 A A E E Thép 50÷100 B A E E Thép 100÷200 C A E E Thép 10÷20 A C B E Thép 20÷30 A B E E Thép 30÷50 A A E E khuôn ép Thép 50÷100 B A E E Thép 100÷200 C A E E Thép Hơn 200 D A E E 19