nguyên lý gia công tia lửa điện

Khi năng lượng tập trung đủ lớn, một dòng điện hình thành do sự chuyển dịch của các ion và điện tử trong dung dịch điện môi - gọi là kênh dẫn điện - kèm theo sự xuất hiện của tia lửa điệ

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN

1.1 Lý thuyết gia cụng tia lửa điện

1.1.1 Nguyờn lý gia cụng bằng tia lửa điện

Hỡnh 1.1 Nguyờn lý gia cụng tia lửa điện

Đặt một điện áp một chiều giữa 2 tấm kim loại khác nhau, một được gọi là điện cực và một gọi là chi tiết Điện áp này thường nằm trong khoảng 80V đến 200V Cả 2 tấm kim loại này được nhúng ngập trong 1 dung dịch cách điện đặc biệt - gọi là dung dịch điện môi Khi đưa 2 điện cực tiến lại gần nhau, đến một khoảng cách δ 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/mm) dẫn đến việc iôn hoá dung dịch điện môi và nó trở thành dẫn

điện Khi năng lượng tập trung đủ lớn, một dòng điện hình thành do sự chuyển dịch của các ion và điện tử trong dung dịch điện môi - gọi là kênh dẫn điện - kèm theo sự xuất hiện của tia lửa điện do hiện tượng ion hoá mãnh liệt dung dịch điện môi Nhiệt độ ở vùng này lên đến khoảng

10000oC làm bốc hơi vật liệu các điện cực Nguồn điện được ngắt đột ngột làm cho tia lửa điện biến mất Dung dịch lạnh từ ngoài tràn vào kênh dẫn

điện do sự chênh lệch áp suất tạo ra tiếng nổ nhỏ và làm hoá rắn hơi vật liệu thành các hạt ô-xít kim loại Sau đó, nguồn điện được cung cấp lại và tia lửa

điện lại xuất hiện

Có thể thấy những điểm chính của phương pháp gia công tia lửa điện

là nguồn cung cấp, vật liệu của các điện cực, dung dịch điện môi và khe hở giữa các điện cực

Nguồn cung cấp điện áp dạng xung: thời gian ngắt nguồn điện là

khoảng thời gian cần thiết để dung dịch điện môi 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 môi 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 điện cực

Các điện cực làm bằng 2 loại vật liệu dẫn điện khác nhau và được nhúng ngập trong dung dịch điện môi: dung dịch này không dẫn điện ở

trạng thái bình thường nhưng có chức năng chính là môi trường hình thành kênh dẫn điện ở điện trường cao

Giữa các điện cực luôn có 1 khe hở nhỏ được gọi là kênh 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

1.1.2 Bản chất vật lý của quỏ trỡnh ăn mũn xung tia lửa điện

Các nghiên cứu được nêu ở [88] [115] [116] đã cho thấy quá trình ăn mòn của 1 xung gia công được trải qua 3 giai đoạn:

1.1.2.1 Giai đoạn 1: hỡnh thành kờnh dẫn điện

Hỡnh 1.2 Sự hỡnh thành kờnh dẫn điện

Giai đoạn này được xác định trong khoảng thời gian khi bắt đầu có

điện áp cấp bởi nguồn điện và kết thúc khi điện áp bắt đầu giảm: bắt đầu xuất hiện tia lửa điện

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 môi 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 là dung dịch điện môi trở nên dẫn điện ở cuối giai đoạn này

1.1.2.2 Giai đoạn 2: phúng tia lửa điện làm bốc hơi vật liệu

Hỡnh 1.3 Sự phúng điện qua kờnh dẫn điện Thời gian của giai đoạn này được tính từ khi điện áp bắt đầu giảm

đến một trị số xác định (cuối giai đoạn 1) và giữ nguyên cho đến khi giảm

về 0V (ngắt nguồn)

Dòng điện đi qua 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 khoảng 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 1 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 1 xung gia công: ăn mòn vật liệu tạo thành hình dáng chi tiết theo yêu cầu

1.1.2.3 Giai đoạn 3: hoỏ rắn hơi vật liệu và phục hồi

Hỡnh 1.4 Sự phục hồi Nguồn xung bị ngắt đột ngột, dung dịch điện môi ở nhiệt độ thường xung quanh tràn vào gây nên sự thay đổi áp suất đột ngột tạo nên tiếng nổ nhỏ Hơi của vật liệu của các điện cực bị hoá rắn do việc giảm nhiệt độ đột ngột tạo nên các hạt ô-xít kim loại có kích thước nhỏ (cỡ vài chục àm) Các hạt ô-xít này không dẫn điện hoặc dẫn điện rất kém tuỳ thuộc vào vật liệu các điện cực

Kết thúc giai đoạn này, dung dịch điện môi 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

Trong quá trình gia công EDM, vật liệu của chi tiết bị mòn dần và sẽ dần có hình dạng là hình dạng của điện cực Điện cực cũng bị mòn trong quá trình gia công này nên nó thường được được làm bằng các loại vật liệu

có tính chịu mòn nhiệt cao như đồng, graphite,

Theo kết quả phân tích các giai đoạn trên, có 02 nguyên nhân chính tạo nên sự ăn mòn vật liệu của các điện cực: nguyên nhân điện và nguyên nhân nhiệt

a Nguyên nhân về điện

Các ion và điện tử do điện trường lớn giữa khe hở phóng điện nên bị hút về phía cực trái dấu Trên đường di chuyển, chúng được gia tốc nhờ năng lượng của điện trường nên có được động năng rất lớn làm ion hoá các phân tử trung hoà của dung dịch điện môi để tạo thêm các ion và điện tử tự

do Các ion và điện tử này va đập vào bề mặt các điện cực làm tách các điện

tử và ion vật liệu của các điện cực tạo nên sự mòn của các điện cực Các nghiên cứu đã cho thấy nguyên nhân gây nên sự mòn này cho dù rất nhỏ nhưng lại là nguyên nhân chính gây nên sự mòn không mong muốn ở điện cực dẫn đến sai số về mặt hình dáng và kích thước của chi tiết sau khi gia công EDM

b.Nguyên nhân về nhiệt

Khi tia lửa điện phóng qua kênh dẫn điện, nhiệt độ ở kênh dẫn điện

có thể đạt tới khoảng 10000oC làm cho vật liệu của các điện cực tại nơi tiếp giáp với kênh dẫn điện bị bốc hơi

Bề mặt của chi tiết sau khi bị ăn mòn bằng tia lửa điện có hình dạng những hố nhỏ giống miệng núi lửa:

Hỡnh 1.5 Bề mặt chi tiết sau khi gia

cụng tia lửa điện

(Nguồn: KUL, Bỉ)

Bề mặt của các điện cực luôn có những nhấp nhô (nhám) Khi đưa chúng đến gần nhau, sẽ luôn có 1 cặp nhấp nhô đối diện có khoảng cách nhỏ nhất (trên hình 1.6 là điểm A) Tại đó, mật độ cường độ điện trường là lớn nhất (do khe hở là bé nhất) dẫn đến tia lửa điện sẽ xuất hiện và ăn mòn cặp nhấp nhô này (hình 1.7)

Hỡnh 1.6 Mụ hỡnh bề mặt của

điện cực-chi tiết

Hỡnh 1.7 Cặp nhấp nhụ bị ăn mũn tạo hố cú

hỡnh dạng miệng nỳi lửa

(Nguồn: KUL, Bỉ)

Cặp nhấp nhô A biến mất sau 1 xung ở xung kế tiếp, cặp nhấp nhô

B lại trở thành cặp nhấp nhô gần nhất Tia lửa điện sẽ xuất hiện ở đó và

"miệng núi lửa" thứ 2 được tạo ra Hệ thống điều khiển có nhiệm vụ đưa dần cặp điện cực đến gần nhau để bù lượng vật liệu đã bị ăn mòn tại các

điểm A, B,

Cứ như vậy, tia lửa điện sẽ được xuất hiện tại từng điểm và sẽ lan dần trên toàn bộ bề mặt đối diện nhau của cặp điện cực Kết quả sẽ được bề mặt chi tiết như hình 1.5

Việc mòn của vật liệu điện cực là không mong muốn Mục đích chính của các nghiên cứu về quá trình gia công EDM là tìm cách tăng lượng ăn mòn chi tiết, giảm lượng mòn của điện cực

1.1.3 Chỉ tiờu đỏnh giỏ

Để có thể đánh giá được quá trình gia công EDM, các nhà nghiên cứu về gia công EDM đã đưa ra một số các chỉ tiêu Các chỉ tiêu này không những được áp dụng trong thiết kế và tính toán thông thường mà còn được các bộ điều khiển CNC dùng làm tiêu chí để điều khiển tự động quá trình gia công EDM Các ký hiệu và ý nghĩa các thông số công nghệ được trình bày ở mục 1.1.4

a Năng suất gia công (mm3/phút hay g/phút)

Năng suất gia công là lượng hớt vật liệu chi tiết trong 1 khoảng thời gian (tính bằng phút hoặc giờ) Năng suất tỷ lệ thuận với cường độ dòng

điện và khoảng thời gian gia công có ích (thời gian giai đoạn 2)

Thực tế, một đại lượng khác tương tự năng suất thường được dùng

trong quá trình điều khiển là hiệu suất gia công ([86]) Hiệu suất gia công

)tt(

100.V

VV

w

e

với Vw là lượng mòn của chi tiết (g) sau khi gia công Các phương pháp

điều khiển thường có mục đích là làm giảm Ve và tăng Vw hay nói cách khác là giảm V

c Chất lượng chi tiết gia công

Chất lượng bao gồm độ chính xác hình dạng hình học, độ chính xác kích thước, độ nhám bề mặt và chất lượng lớp bề mặt sau khi gia công (ứng suất dư tồn tại ở lớp bề mặt, độ dày lớp vật liệu bị hư hại, độ cứng ) Chỉ

tiêu này thường được dùng nhất để giải bài toán tối ưu vì có ảnh hưởng trực tiếp đến chất lượng các chi tiết sau khi gia công EDM

1.1.4 Cỏc thụng số cụng nghệ cơ bản

1.1.4.1 Điện ỏp khởi tạo U i (V)

Ui là điện áp cần thiết để dẫn tới sự phóng tia lửa điện, còn gọi là

điện áp mồi Nó cung cấp cho điện cực và phôi khi máy phát được đóng

điện, gây ra sự phóng tia lửa điện để đốt cháy vật liệu Điện áp khởi tạo Uicàng lớn thì thời gian xuất hiện hiện tượng phóng điện càng nhanh và cho phép khe hở phóng điện càng lớn

Điện áp Ui phụ thuộc nhiều vào vật liệu của dung dịch điện môi và chế độ gia công Với các thế hệ thiết bị thế hệ cũ, điện áp này thường vào

khoảng 80-120V; còn với thiết bị thế hệ mới thì lại có giá trị khoảng 250V Điện áp cao thường dùng với gia công tinh vì khi đó ti nhỏ nên với

150-điện áp cao thì khoảng thời gian ion hoá (thời gian giai đoạn 1) được rút ngắn dẫn đến hiệu suất tăng

Khi bắt đầu phóng tia lửa điện thì điện áp tụt xuống từ Ui đến 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 nên Ue không điều chỉnh được Ue tồn tại trong suốt thời gian xảy ra giai đoạn 2 của quá trình phóng điện Các nghiên cứu đã cho thấy Ue của cặp đồng và thép trong khoảng 35 45V

1.1.4.3 Thời gian kộo dài xung t i (às)

ti được định nghĩa là khoảng thời gian cấp điện áp của một chu kỳ phóng tia lửa điện Khoảng thời gian này được tính cho thời gian của giai

đoạn 1 và 2 của một xung gia công EDM

Độ kéo dài xung ti ảnh hưởng đến nhiều yếu tố quan trọng và có liên quan trực tiếp đến chất lượng và năng suất gia công

a t i ảnh hưởng đến lượng ăn mũn vật liệu

Thực nghiệm cho thấy khi giữ nguyên dòng điện Ie và khoảng cách xung to, nếu tăng ti thì ban đầu Vw tăng nhưng chỉ tăng đến giá trị cực đại ở

ti nhất định nào đó sau đó Vw giảm đi

1.1.4.4 Khoảng cỏch xung t o (às)

to là khoảng cách xung đ−ợc đo bằng thời gian giữa hai lần ngắt-đóng của máy phát xung thuộc 2 chu kỳ phóng điện kế tiếp nhau (thời gian của giai đoạn 3) to còn đ−ợc gọi là độ kéo dài nghỉ của xung

Khoảng cách to càng lớn thì hiệu suất càng nhỏ và ng−ợc lại

to nhỏ để có thể đạt hiệu suất gia công tối đa Nh−ng khoảng cách xung to phải đủ lớn để có đủ thời gian phục hồi trạng thái của dung dịch

điện môi trong khe hở phóng điện (thôi i-ôn hoá), tránh đ−ợc hiện t−ợng hồ quang, ngắn mạch và đủ để đẩy các hạt ô-xít ra khỏi khe hở phóng điện

Do vậy, tuỳ thuộc vào tính chất của dung dịch điện môi và trường hợp gia công cụ thể mà lựa chọn to, ti phù hợp thông qua tỉ số ti/to ([88]

[210])

Khi gia công rất thô chọn : ti/to > 10

Khi gia công thô chọn : ti/to = 10

Khi gia công tinh chọn : ti/to = 5 ữ 10

Khi gia công rất tinh chọn : ti/to < 5 (thường chọn = 0.4)

Trị số của 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 (kết thúc giai

đoạn 1), dòng điện tăng lên từ 0 đến giá trị Ie Ie ảnh hưởng lớn nhất đến lượng hớt vật liệu, độ mòn điện cực và chất lượng bề mặt gia công Thực nghiệm cho thấy Ie càng lớn thì lượng hớt vật liệu càng lớn, độ nhám bề mặt càng lớn nhưng độ mòn tương đối giảm

1.1.4.6 Thời gian trễ đỏnh lửa t d (às)

Thời gian trễ này được xác định là thời gian của giai đoạn 1 Thời gian trễ này phụ thuộc vào vật liệu dung dịch điện môi và điện áp Ui Một

đặc tính quan trọng của thông số này là cho biết trạng thái đang gia công Các hệ điều khiển hiện nay sử dụng td như là một thông số để kiểm tra trạng thái gia công hiện nay là tia lửa điện hay hồ quang Với trường hợp hồ quang thì giá trị td<500ns ([86])

δ là khe hở phóng điện là khoảng cách giữa 2 điện cực mà tại đó phát sinh tia lửa điện Khe hở này luôn được điền đầy bởi dung dịch điện môi Trong suốt quá trình gia công, do việc mòn vật liệu mà khoảng cách này luôn có xu thế tăng lên làm cho tia lửa điện không ổn định Để có thể đảm

bảo việc tính ổn định thì vấn đề là phải duy trì khe hở tại một trị số xác

định Quá trình đó gọi là sự điều chỉnh khe hở phóng điện

Trong các máy gia công EDM hiện nay, theo nghiên cứu ở [13] [14] [74] [81] [86] việc điều chỉnh khe hở là do bộ điều khiển thực hiện tự động thông qua một trị số Uref , còn gọi là điện áp servo hay điện áp so sánh

1.1.4.8 Phõn nhúm cỏc thụng số

Để thuận tiện cho việc nghiên cứu về sau, các thông số công nghệ

được phân ra thánh các nhóm khác nhau tuỳ đặc tính Cách phân nhóm thông dụng nhất là 2 nhóm: thông số độc lập và thông số phụ thuộc

a Nhúm thụng số độc lập

Nhóm những thông số có thể xác định trước Các thông số này thường do người vận hành thiết lập trước khi gia công Trong quá trình gia công, một số thông số sẽ được bộ điều khiển CNC thay đổi để có thể phù hợp với điều kiện gia công thực tế Các thông số nhóm này bao gồm:

+ Đặc tính của vật liệu điện cực, vật liệu cần gia công và thành phần của dung dịch điện môi

+ Đặc tính cơ bản của xung:

- Cường độ dòng điện gia công Ie, thời gian kéo dài xung ti, thời gian nghỉ to

- Điện áp khởi tạo Ui, điện áp servo Uref

- Sự đấu cực giữa các điện cực: thường điện cực nối với cực dương của nguồn điện, chi tiết - cực âm Với một số loại vật liệu và mục đích gia công khác thì sự đấu cực có thể khác + Kích thước hình học của điện cực và chi tiết

+ Vận tốc và lưu lượng của dòng phun dung dịch điện môi: dùng để thổi ô-xít kim loại khỏi vùng gia công

+ Chương trình NC cho bộ điều khiển

+ Đặc tính của thiết bị

- Đặc tính của bộ điều khiển động cơ servo, độ chính xác của hệ thống

- Độ cứng vững và khả năng chấp hành của hệ thống (tốc độ phản ứng)

b Nhúm thụng số phụ thuộc

Các thông số ở nhóm này phụ thuộc vào nhiều yếu tố và các thông số khác Thường để xác định được chúng thì phải có những nghiên cứu và thực nghiệm

+ Lượng mòn của chi tiết Vw

1.2 Cỏc nghiờn cứu ở trong và ngoài nước về gia cụng EDM

Cỏc thiết bị gia cụng tia lửa điện hiện nay đang dần phổ biến ở cỏc nhà mỏy Cơ khớ Với phương phỏp gia cụng này, người thiết kế và chế tạo

cú thể làm ra được cỏc sản phẩm cú kết cấu, hỡnh dỏng phức tạp và hơn hết

là giảm cỏc nguyờn cụng khi gia cụng và lắp rỏp, đơn giản cỏc kết cấu chi tiết Ở nước ngoài, những nhà nghiờn cứu về gia cụng phi truyền thống núi chung và EDM núi riờng đó thành lập những hiệp hội nhằm trao đổi cỏc kết quả nghiờn cứu và họ cú những hội thảo hàng năm (ISEM của Chõu Âu, CIRP của Nhật Bản, ) Cỏc hiệp hội này đều tổ chức những cuộc hội thảo lớn hằng năm để trao đổi cỏc thụng tin và giới thiệu cỏc kết quả nghiờn cứu, ứng dụng mới nhất