CÁC PHƯƠNG PHÁP GIA CÔNG NHIỆT

CÁC PHƯƠNG PHÁP GIA CÔNG NHIỆT,

CÁC PHƯƠNG PHÁP GIA CÔNG NHIỆT

5.1 PHƯƠNG PHÁP GIA CÔNG TIA LỬA ĐIỆN

5.1.1 khái niệm.

Là phương pháp gia công phi truyền thống,được thực hiện bằng cách phóng tia lửa điện lên bề mặt gia công,làm cho lớp vật liệu bị bóc tách đi do bị nóng chảy hay bay hơi bởi quá trình điện nhiệt

5.1.2 Cơ sở lý thuyết:

Hai điện cực được đặt gần nhau, trong môi trường cách điện,hai điện cực nối với nguồn một chiều,khi tăng điện áp lên,dần khoảng cách giũa hai điện cực bị ion hóa -> có dòng điện chạy qua ->môi trừơng giữa hai điện cực là môi trường dẫn điện.Nếu tiếp tuvj duy trig năg lựong điện thì sẽ có hiện tượng hồ quang điện( )

Để phát sinh tia lửa điện thì sau khi bị "đánh thủng" thì phải ngừng cấp năg lương cho dòng điện

Hệ thống gia công tia lửa điện (Electrical Discharge Machining -EDM) bao gồm có hai bộ phận chủ yếu: máy công cụ và nguồn cung cấp điện Máy công cụ gắn điện cực định hình (đóng vai trò là dao) và điện cực tiến tới bề mặt chi tiết gia công sinh ra một lỗ chép hình hình dạng của dụng cụ Nguồn năng lượng cung cấp sản sinh ra một tần số cao, tạo ra một loạt tia lửa điện giữa điện cực và bề mặt chi tiết và bóc đi một lớp kim loại bởi sự ăn mòn của nhiệt độ và sự hóa hơi

5.1.3.Nguyên lý gia công.

Hình 5.1 Nguyên lý gia công EDM

Trên hình 1, chi tiết gia công lắp trên bàn máy công cụ, còn điện cực thì gắn với đầu máy Một động cơ servo DC hoặc xylanh thủy lực để điều khiển điện cực theo phương thẳng đứng và duy trì một vị trí thích hợp của điện cực so với chi tiết gia công Vị trí này được điều chỉnh một cách

tự động với sự chính xác cực kỳ nhờ hệ thống servo và nguồn cung cấp Trong quá trình vận hành máy thông thường điện cực không bao giờ chạm bề mặt chi tiết, giữa chúng có một khe hở phóng điện nhỏ

Trong quá trình vận hành, đầu máy di chuyển điện cực tiến đến bề mặt chi tiết đến khi giữa chúng tạo thành một khoảng cách mà ở đó điện thế có thể làm ion hoá dung dịch điện môi và cho phép một tia lửa điện đi qua từ điện cực đến bề mặt chi tiết gia công Những tia lửa điện này ở dưới dạng xung, phóng và tắt với tần số cao, và có thể đạt đến 250.000 lần trên một giây Các tia lửa điện luôn di chuyển trong khe hở phóng điện, từ điện cực đến điểm gần nhất hoặc điểm cao nhất trên chi tiết gia công

Lượng kim loại được lấy đi từ chi tiết ứng với mỗi lần phóng điện luôn cân xứng với năng lượng

mà nó chứa đựng Mỗi lần phóng điện sẽ làm nóng chảy hoặc bốc hơi một vùng nhỏ của bề mặt chi tiết Kim loại nóng chảy này được làm nguội sau đó dung dịch điện môi và hóa rắn thành những hạt hình cầu và được làm phẳng đi bởi áp lực/sự chuyển động của chất điện môi Tác động của mỗi xung được giới hạn trong mỗi phạm vi cục bộ Vị trí này được xác định bởi hình dạng và vị trí của điện cực

Cả chi tiết và điện cực đều ngâm chìm trong dung dịch điện môi Dung dịch này đóng vai trò như chất cách điện để điều khiển sự phóng tia lửa điện Trong gia công EDM chất điện môi cũng thực hiện chức năng của môi trường làm nguội và làm giảm nhiệt độ cực kỳ cao trong khe hở phóng điện Quan trọng hơn, dung dịch điện môi được bơm vào theo khe hở hình cung để đẩy đi những

hạt bị xói mòn giữa chi tiết và điện cực Sự sục rửa thích hợp làm cho quá trình bóc vật liệu đạt hiệu quả cao Bởi vì EDM ăn mòn kim loại bằng việc phóng tia lửa điện thay cho các dụng cụ cắt gọt tạo phoi nên độ cứng vật liệu không trở thành nhân tố quyết định xem vật liệu đó có thể gia công bằng EDM hay không Các điện cực kim loại hoặc than chì mềm có thể gia công các loại thép dụng cụ đã tôi hoặc tungsten carbide (cacbít vonfram) Đây là một trong những lợi ích hấp dẫn của việc sử dụng phương pháp EDM Có thể nhiệt luyện chi tiết trước rồi sau đó có thể gia công bằng EDM Điều này loại bỏ rủi ro của những hư hại và biến dạng có thể biến những chi tiết đắt tiền thành phế liệu trong khi xử lý nhiệt Các nguyên tắc cơ bản của phương pháp cắt dây EDM cũng giống như gia công xung định hình EDM được mô tả ở trên Điểm khác biệt cơ bản là thay vì sử dụng những điện cực có hình dạng phức tạp, trong cắt dây EDM điện cực là những sợi dây có hình dạng đơn giản, đường kính từ 0.006-0.012” Thay vì sử dụng chất điện môi như trong gia công xung định hình EDM thì trong cắt dây EDM lại dùng nước ion hóa

Hình 5.2 : Quá trình hình thành sự phóng tia lửa điện

5.1.4 Thiết bị và dụng cụ

a.Thiết bị

+Máy gia công tia lửa điện thẳng đứng

Hình 5.3: Nguyên lý làm việc của máy tia lửa điện

+ Máy gia công tia lửa điện vạn năng

Hình 5.4: Hình dáng chung của máy tia lửa điện vạn năng

Hình 5.5: Mâm cặp sử dụng khoan tia lửa điện

Hình 5.6: Đồ gá lắp khi gia công tia lửa điện

+ Nhiệt lượng riêng lớn

+ Có nhiệt độ nóng chảy cao

Hình 5.8 Một số đầu điện cực côn dùng để khoan tia lửa điện.

5.1.5 Dung dịch gia công tia lửa điện.

Dung dịch có công dụng cách điện trong vùng gia công và bị ion hóa để phóng điện khi hiệu điện thế và cường độ dòng điện lớn,ngoài ra dung dịch còn có tác dụng lấy đi các chất cặn sinh ra trong vùng gia công và chuyển chúng đi chổ khác

Yêu cầu của dung dịch:

+ Độ cách độ cách điện cao

+ Dẫn nhiệt tốt

+ Có độ nhớt nhỏ

+ Không có mùi vị khó chịu

+ Chất lỏng phải trug tính không phá hủy điện cực

5.1.6 Thông số công nghệ.

a.Vận tốc căt(V):

Là lượng kim loại bị boc tách theo thời gian(mm3/s) tỷ lệ với cường độ dòng điện

b.Chế độ gia công:

Các thông số xác định thông số phóng điện:dòng đỉnh

c.Năng suất gia công:

phụ thuộc vào khoảng cách giữa hai điện cực

d.Độ chính xác gia công:

ảnh hưởng bởi các yếu tố sau:độ chính xác của máy gia công.hình dạng độ mòn của dụng cụ

Hình 5.9: Quá trình hình thành lỗ khi khoan bằng tia lửa điện.

e.Chất lượng bề mặt gia công:

Độ nhám là một trong những chỉ tiêu quan trọng để đánh giá chất lượng bề mặt gia công.theo lý thuyết độ nhám được hình thành như hình vẽ

Hình 5.10: Độ nhám bề mặt gia công khi gia công bằng tia lửa điện

Hình 5.11 Cấu trúc tế vi của bề mặt sau khi gia công bằng tia lửa điện.

Hình 5.12 Một số phương pháp gia công bằng tia lửa điện.

Hình 5.13 Nguyên lý mài sắc dao.

Hình 5.14 Nguyên lý máy cắt tia lửa điện.

Hình 5.15 sơ đồ nguyên lý thiết bị làm cứng bề mặt bằng tia lửa điện

Z: Tổ trở; E: Chỉnh lưu; R: điện trở; C: Tụ; Vi: Bộ dao động; M: Vật gia công; T: Bàn máy

5.2 PHƯƠNG PHÁP GIA CÔNG BẰNG DÂY TIA LỬA ĐIỆN

Cắt dây tia lửa điện (WEDM) được giới thiệu vào cuối thập niên 1960 Lúc đó nó là công nghệ mang tính đột phá và độc nhất vô nhị Thời điểm đó, mặc dù nó thể hiện được khả năng gia công các vật liệu cứng nhưng độ chính xác không vượt trội Do vậy, phương pháp gia công này không thu hút được nhiều sự quan tâm Trong vài chục năm trở lại đây, công nghệ WEDM đã có những

sự phát triển vượt bậc Các máy WEDM ngày càng tinh vi hơn và ngày càng thể hiện tính hiệu quả cao và khả năng đạt độ chính xác cao

5.2.1 Nguyên lý gia công

Cắt dây tia lửa điện là một hình thức đặc biệt của gia công tia lửa điện Điểm khác nhau cơ bản giữa cắt dây tia lửa điện và xung điện (gia công bằng điện cực thỏi) là thay vì sử dụng những điện cực thỏi có hình dạng phức tạp thì trong WEDM điện cực là một sợi dây có đường kính từ 0,1 – 0,3mm Dây này được cuốn liên tục và chạy theo một biên dạng cho trước, cắt được bề mặt 2D và 3D phức tạp Chuyển động của dây cắt được điều khiển theo một đường bao nằm trong hệ tọa độ XY Thường thì bàn máy được điều khiển CNC để tạo ra chuyển động theo các phương X

và Y Chuyển động được điều khiển này tạo thành một đường liên tục với độ chính xác khoảng 0,001mm và chuyển động này phải được lập trình bằng các phần mềm CAD/CAM có modul cho máy cắt dây Cũng có thể lập trình bằng tay cho các ứng dụng đơn giản Dây cắt được dẫn hướng thông qua hai cơ cấu dẫn hướng bằng kim cương Tùy vào đường kính của dây mà đường kính trong của lỗ cơ cấu dẫn hướng có giá trị phù hợp Thường nhà cung cấp kèm theo máy chính một

số bộ cơ cấu dẫn hướng thích hợp cho vài loại cỡ đường kính dây cắt

Hình 5.15 Sơ đồ nguyên lý gia công cắt dây tia lửa điện.

Quá trình cắt dây tia lửa điệ,n được thực hiện theo nguyên lý hình 5.15.phôi 1 được gá trên bàn máy có khả năng dịch chuyển theo hai hướng vuông góc với nhau,dây điện cực 3 được chuyển từ cuộn dây 4 sang cuộn dây 5 nhờ một động cơ chuyên dùng,các con lăn dẫn hướng 2 và 7 được dùng để giữ dây điện cực tương đối so với phôi 1 quá trình cắt rãnh prophin được thực hiện theo dưỡng 6 hoặc theo chương trình phần mềm máy.dưỡng 6 có thể kẹp chặt hoặc dán bằng keo trên phôi 1

Giữa gia công bằng điện cực thỏi và gia công bằng dây cắt có một số khác biệt như sau:

- Gia công bằng điện cực thỏi người ta sử dụng dầu làm chất điện môi thì trong WEDM lại dùng nước khử khoáng

- Khi gia công bằng điện cực thỏi, sự phóng điện xảy ra giữa mặt đầu điện cực với chi tiết gia công còn khi gia công bằng dây cắt thì sự phóng điện xảy ra giữa mặt bên dây cắt với chi tiết gia công

- Vùng phóng điện khi gia công bằng điện cực thỏi bao gồm mặt đầu và góc của điện cực Còn vùng phóng điện khi gia công bằng dây cắt chỉ bao gồm mặt 180o của dây cực khi nó tiến đến cắt chi tiết gia công

5.2.2 Thiết bị và dụng cụ gia công.

a.Thiết bị:

Có hai loại máy WEDM:

Máy WEDM truyền thống

Đây là loại máy đầu tiên dùng dây cắt điều khiển bằng tay Loại này có kết cấu đơn giản, khả năng công nghệ kém và độ chính xác kém Chất lượng khi gia công trên máy này phụ thuộc vào tay nghề công nhân vận hành máy và chỉ gia công được những dạng hình học đơn giản, không gia công được bề mặt phức tạp như bề mặt côn, bánh răng…

Máy WEDM CNC

Đây là loại EDM điều khiển chương trình số Loại này có kết cấu phức tạp hơn nhiều, tuy nhiên khả năng công nghệ của nó rất cao Nó có thể gia công được các bề mặt có độ phức tạp cao với

độ chính xác cao

Hình 5.16 sơ đồ máy NC 4532

Bên cạnh quá trình gia công WEDM bình thường, quá trình gia công WEDM 5 trục “thực” cũng đang dần trở nên phổ biến Gia công WEDM 5 trục “thực” có sự khác biệt với gia công CNC 5 trục Thông thường người ta nghĩ rằng khi nghiêng bộ dẫn dây cắt sẽ thành gia công 5 trục Trong thực tế, gia công WEDM 5 trục “thực” phải có hệ thống bàn xoay (kiểu indexing) để làm xoay chi tiết gia công Chi tiết khi gá lên bàn xoay này có thể được xoay đồng thời trong quá trình gia công Phổ biến hơn, các bàn xoay được dùng để phân độ chi tiết gia công với gia số định trước, đặc biệt hữu dụng khi yêu cầu gia công chi tiết với dung sai nghiêm ngặt Gia công WEDM 5 trục thường được áp dụng để chế tạo các chi tiết phức tạp trong hàng không, y học và trong kỹ nghệ truyền thông

- Có nhiệt độ nóng chảy cao

- Có độ giãn dài cao

- Có tính dẫn nhiệt tốt

Dựa vào thành phần của dây cắt người ta chia ra làm hai loại là loại không có lớp phủ (đơn thành phần) và loại có lớp phủ (đa thành phần)

Loại không có lớp phủ

Dây cắt truyền thống sử dụng trong máy cắt dây EDM là một kim loại đơn thành phần như đồng

đỏ, đồng thau và molipđen Đồng đỏ được sử dụng đầu tiên vì nó có tính dẫn điện cao và dễ chế tạo thành những dây có đường kính nhỏ Khoảng năm 1979 thì dây đồng đỏ được thay thế bằng đồng thau để cải thiện tốc độ gia công Vì tác dụng làm nguội của kẽm và sự tạo thành ôxit kẽm

có xu hướng giảm sự đứt dây

Loại dây có lớp phủ

Đồng thau đã chứng minh độ tin cậy của nó cho quá trình EDM vì nó dung hòa giữa độ bền/độ dai, độ dẫn nhiệt và khả năng cho sục chất điện môi Tuy nhiên, các dây cắt không có lớp phủ vẫn còn bị hạn chế bởi một sự dung hòa giữa các tính chất Các dây cắt có lớp phủ đã được sử dụng để thêm vào một số tính chất độc lập Các dây cắt có lớp phủ có độ bền kéo cao và độ thoát nhiệt cao trong quá trình gia công Lớp phủ có thể là kẽm, ôxyt kẽm, graphit, đồng đỏ với lõi là đồng thau… Dây cắt phủ kẽm cải thiện đáng kể khả năng cho sục chất điện môi hơn dây đồng thau không phủ Một lớp phủ graphit làm tăng đột ngột khả năng cho sục chất điện môi của molipđen bằng cách sinh ra các khí CO, CO2 Graphit cũng sinh ra một tia lửa điện nóng hơn cho phép đạt năng lượng cao hơn trong khe hở phóng điện Các lớp phủ thường dày từ 5 - 10µm

* Chất điện môi và cách sử dụng

Chất điện môi và sự sục rửa có các chức năng sau:

- Cách ly khe hở gia công trước khi một lượng lớn năng lượng được tích lũy và tập trung năng lượng phóng điện vào một vùng nhỏ.

- Khôi phục điều kiện khe hở mong muốn bằng cách làm lạnh khe hở và khử ion hóa

- Rửa trôi phoi ra khỏi vùng gia công, làm nguội dây và làm nguội chi tiết gia công

Hầu hết các máy cắt dây EDM sử dụng chất điện môi là nước khử khoáng Thuận lợi cơ bản của nước là chất lượng làm nguội tốt Độ tinh khiết của nước được đánh giá bằng điện trở suất Điện trở suất càng thấp thì năng suất bóc vật liệu càng cao Tuy nhiên không nên sử dụng nước có điện trở suất quá thấp Khi thêm vào một số chất hữu cơ có thể cải thiện tốc độ cắt

Trong gia công WEDM, thường chất điện môi được đưa vào khe hở gia công nhờ một áp cao (15 – 20bar) Dòng chảy này được phun đồng trục với dây cắt Thông thường thì kết hợp phun từ dưới lên và từ trên xuống bằng hai vòi phun

Mặc dù nước có ưu điểm là chất lượng làm nguội tốt, tốc độ cắt cao Nhưng nước có nhược điểm

là ăn mòn chi tiết gia công và các cơ cấu máy Vì thế trong một số trường hợp người ta sử dụng dầu thay cho nước vì dầu không ăn mòn chi tiết gia công Với điện trở suất cao làm phát sinh dễ dàng các tia lửa điện cực nhỏ, tạo nên bề mặt chi tiết có độ bóng cao Vì thế dầu là môi trường lý tưởng để gia công tinh chính xác với dây cực mảnh Không có ăn mòn điện hóa và ăn mòn bề mặt trong dầu nên lượng coban trong hợp kim cứng không bị suy giảm

Chất lượng bề mặt và độ bền lâu sau khi gia công trong dầu cao hơn nhiều so với khi gia công trong nước Khi gia công trong dầu có thể dùng dây điện cực rất mảnh với đường kính 0,025 – 0,03mm

c.Chất lượng bề mặt khi gia công

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

Dạng nhám bề mặt khi gia công bằng WEDM hoàn toàn khác so với các phương pháp gia công truyền thống Trên bề mặt chi tiết được gia công bằng WEDM có nhiều chỗ lồi hình cầu và lòng chảy Người ta gọi chúng là các đỉnh và miệng “núi lửa” Chúng thay thế cho các đường đỉnh và đáy của profile nhám bề mặt gia công bằng phương pháp truyền thống Giữa các chỗ lồi và lòng chảo là vùng bằng phẳng chuyển tiếp, trong khi đó bề mặt được gia công bằng phương pháp truyền thống chỉ xuất hiện vết dao cắt thông thường Do đó, bề mặt gia công bằng cắt dây EDM

ít bị tập trung ứng suất hơn, bề mặt đa hướng chứ không theo mẫu định hướng như gia công truyền thống

Giá trị của độ nhám bề mặt phụ thuộc vào nhiều yếu tố trong đó có cường độ dòng điện Cường

độ dòng điện càng lớn thì trên bề mặt càng xuất hiện nhiều miệng núi lửa càng lớn Để đạt được

độ bóng cao thì sau khi cắt thô phải cắt tinh thêm một số lần

Như đã nêu ở trên, khi cắt trong dầu thì đạt độ bóng vào độ chính xác cao hơn khi cắt trong nước Sau đây là một ví dụ cụ thể khi cắt tungsten carbide, 1 = 3mm với 4 lần cắt, dây cắt bằng