nguyên lý gia công tia lửa điện

13 CHNG 1. TNG QUAN 1.1. Lý thuyt gia cụng tia la in 1.1.1. Nguyờn lý gia cụng bng tia la in Hỡnh 1.1. Nguyờn lý gia cụng tia la in Đặt một điện áp một chiều giữa 2 tấm kim loại khác nhau, một đợc gọi là điện cực và một gọi là chi tiết. Điện áp này thờng nằm trong khoảng 80V đến 200V. Cả 2 tấm kim loại này đợc nhúng ngập trong 1 dung dịch cách điện đặc biệt - gọi là dung dịch điện môi. Khi đa 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 trờng giữa khe hở đủ lớn (đạt khoảng 10 4 V/mm) dẫn đến việc iôn hoá dung dịch điện môi và nó trở thành dẫn điện. Khi năng lợng 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 tợng ion hoá mãnh liệt dung dịch điện môi. Nhiệt độ ở vùng này lên đến khoảng 10000 o C làm bốc hơi vật liệu các điện cực. Nguồn điện đợc 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 đợc cung cấp lại và tia lửa điện lại xuất hiện. 14 Có thể thấy những điểm chính của phơng 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 đợc nhúng ngập trong dung dịch điện môi: dung dịch này không dẫn điện ở trạng thái bình thờng nhng có chức năng chính là môi trờng hình thành kênh dẫn điện ở điện trờng cao. Giữa các điện cực luôn có 1 khe hở nhỏ đợc gọi là kênh phóng điện. Khe hở này cần đợc đảm bảo trong suốt quá trình gia công để duy trì sự ổn định của tia lửa điện. 1.1.2. Bn cht vt lý ca quỏ trỡnh n mũn xung tia la in Các nghiên cứu đợc nêu ở [88] [115] [116] đã cho thấy quá trình ăn mòn của 1 xung gia công đợc trải qua 3 giai đoạn: 1.1.2.1. Giai on 1: hỡnh thnh kờnh dn in Hỡnh 1.2. S hỡnh thnh kờnh dn in 15 Giai đoạn này đợc 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 trờng giữa 2 điện cực tăng lên do việc đa 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 nh vậy, khi khoảng cách càng nhỏ làm từ trờng và động năng của các ion và điện tử càng lớn dẫn đến hình thành một dòng chuyển dịch có hớng 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 on 2: phúng tia la in lm bc hi vt liu Hỡnh 1.3. S phúng in qua kờnh dn in Thời gian của giai đoạn này đợc 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 lợng tập trung rất lớn (đạt cỡ 10 5 đến 10 7 W/mm 2 ) làm cho nhiệt độ tại đó đạt tới khoảng 10000 o 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 lợng 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. 16 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 on 3: hoỏ rn hi vt liu v phc hi Hỡnh 1.4. S phc hi Nguồn xung bị ngắt đột ngột, dung dịch điện môi ở nhiệt độ thờng 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 thớc 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 đợc 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 thờng đợc đợc làm bằng các loại vật liệu có tính chịu mòn nhiệt cao nh 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. 17 a. Nguyên nhân về điện Các ion và điện tử do điện trờng lớn giữa khe hở phóng điện nên bị hút về phía cực trái dấu. Trên đờng di chuyển, chúng đợc gia tốc nhờ năng lợng của điện trờng nên có đợc 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 nhng 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 thớc 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 10000 o C 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. B mt chi tit sau khi gia cụng tia la in (Ngun: KUL, B) Bề mặt của các điện cực luôn có những nhấp nhô (nhám). Khi đa 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 cờng độ điện trờng 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) 18 Hỡnh 1.6. Mụ hỡnh b mt ca in cc-chi tit Hỡnh 1.7. Cp nhp nhụ b n mũn to h cú hỡnh dng ming nỳi la (Ngun: KUL, B) 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 đợc tạo ra. Hệ thống điều khiển có nhiệm vụ đa dần cặp điện cực đến gần nhau để bù lợng vật liệu đã bị ăn mòn tại các điểm A, B, Cứ nh vậy, tia lửa điện sẽ đợc xuất hiện tại từng điểm và sẽ lan dần trên toàn bộ bề mặt đối diện nhau của cặp điện cực. Kết quả sẽ đợc bề mặt chi tiết nh 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 lợng ăn mòn chi tiết, giảm lợng mòn của điện cực. 1.1.3. Ch tiờu ỏnh giỏ Để có thể đánh giá đợc quá trình gia công EDM, các nhà nghiên cứu về gia công EDM đã đa ra một số các chỉ tiêu. Các chỉ tiêu này không những đợc áp dụng trong thiết kế và tính toán thông thờng mà còn đợc 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 đợc trình bày ở mục 1.1.4. 19 a. Năng suất gia công (mm 3 /phút hay g/phút) Năng suất gia công là lợng hớt vật liệu chi tiết trong 1 khoảng thời gian (tính bằng phút hoặc giờ). Năng suất tỷ lệ thuận với cờng độ dòng điện và khoảng thời gian gia công có ích (thời gian giai đoạn 2). Thực tế, một đại lợng khác tơng tự năng suất thờng đợc dùng trong quá trình điều khiển là hiệu suất gia công ([86]). Hiệu suất gia công đợc tính theo công thức: = + = N 1k )k( oi )k( e )tt( t (1.1) N là số chu kỳ lấy mẫu. Mỗi chu kỳ gia công đợc tính trong khoảng thời gian (t i +t o ) (às). Theo công thức trên, hiệu suất đợc tính cho một quá trình gia công hay một khoảng thời gian xác định. Thông thờng, các hệ điều khiển hiện đại nh AGIE, Charmill, Mitsubishi lấy N=1000. b. Lợng mòn của điện cực V e (g) Khi gia công, bên cạnh vật liệu chi tiết bị mòn thì điện cực cũng bị mòn theo. Độ mòn này sẽ ảnh hởng trực tiếp đến kích thớc và hình dáng của chi tiết sau khi gia công. Một đại lợng khác cũng hay đợc dùng là độ mòn tơng đối V: 100. V V V w e = (%) (1.2) với V w là lợng mòn của chi tiết (g) sau khi gia công. Các phơng pháp điều khiển thờng có mục đích là làm giảm V e và tăng V w hay nói cách khác là giảm V. c. Chất lợng chi tiết gia công Chất lợng bao gồm độ chính xác hình dạng hình học, độ chính xác kích thớc, độ nhám bề mặt và chất lợng lớp bề mặt sau khi gia công (ứng suất d tồn tại ở lớp bề mặt, độ dày lớp vật liệu bị h hại, độ cứng ). Chỉ 20 tiêu này thờng đợc dùng nhất để giải bài toán tối u vì có ảnh hởng trực tiếp đến chất lợng các chi tiết sau khi gia công EDM. 1.1.4. Cỏc thụng s cụng ngh c bn t i t e t o t d U i U e U tb I tb I e U (V) I (A) t ( s) t ( s) Hỡnh 1.8. th in ỏp v cng dũng in Các thông số công nghệ đợc xem xét ở đây là những thông số chính. Trong thực tế, còn có một số thông số công nghệ khác nhằm mục đích đảm bảo quá trình gia công đợc tốt, ví dụ nh: độ nhạy cảm, thời gian lên xuống của điện cực gia công theo phơng pháp nhắp, Các thông số khác này sẽ đợc trình bày thêm ở chơng 2. 1.1.4.1. in ỏp khi to U i (V) U i 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 đợc đóng điện, gây ra sự phóng tia lửa điện để đốt cháy vật liệu. Điện áp khởi tạo U i càng lớn thì thời gian xuất hiện hiện tợng phóng điện càng nhanh và cho phép khe hở phóng điện càng lớn. Điện áp U i 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 thờng vào 21 khoảng 80-120V; còn với thiết bị thế hệ mới thì lại có giá trị khoảng 150- 250V. Điện áp cao thờng dùng với gia công tinh vì khi đó t i nhỏ nên với điện áp cao thì khoảng thời gian ion hoá (thời gian giai đoạn 1) đợc rút ngắn dẫn đến hiệu suất tăng. 1.1.4.2. in ỏp phúng tia la in U e (V) Khi bắt đầu phóng tia lửa điện thì điện áp tụt xuống từ U i đến U e . 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 nên U e không điều chỉnh đợc. U e tồn tại trong suốt thời gian xảy ra giai đoạn 2 của quá trình phóng điện. Các nghiên cứu đã cho thấy U e của cặp đồng và thép trong khoảng 35 45V. 1.1.4.3. Thi gian kộo di xung t i ( à s) t i đợc định nghĩa là khoảng thời gian cấp điện áp của một chu kỳ phóng tia lửa điện. Khoảng thời gian này đợc tính cho thời gian của giai đoạn 1 và 2 của một xung gia công EDM. Độ kéo dài xung t i ảnh hởng đến nhiều yếu tố quan trọng và có liên quan trực tiếp đến chất lợng và năng suất gia công. a. t i nh hng n lng n mũn vt liu Thực nghiệm cho thấy khi giữ nguyên dòng điện I e và khoảng cách xung t o , nếu tăng t i thì ban đầu V w tăng nhng chỉ tăng đến giá trị cực đại ở t i nhất định nào đó sau đó V w giảm đi. Hỡnh 1.9. mũn V w ph thuc t i ([88] [118]) W 50 500 1000 10050 500 1000 5000 (às) 10 5 10 100 ti V (mm /min) 3 22 50 25 10010 50 500 1000 (às) 5000 ti 75 100 125 (àm) Rz Nếu vẫn tiếp tục tăng t i thì năng lợng phóng điện không còn đợc sử dụng thêm nữa để hớt vật liệu phôi mà nó lại làm tăng nhiệt độ của các điện cực và dung dịch điện môi. b. t i v nhỏm b mt Khi tăng t i , do tác dụng của dòng điện đợc duy trì lâu hơn làm cho lợng hớt vật liệu ở một vị trí tăng lên dẫn đến R max cũng tăng lên. Hỡnh 1.10. nhỏm ph thuc t i ([35] [139]) c. t i v mũn in cc Độ mòn V e của điện cực sẽ giảm đi khi tăng t i thậm chí cả sau khi đạt lợng ăn mòn vật liệu cực đại. Chơng 4 sẽ nghiên cứu kỹ hơn về ảnh hởng này. 1.1.4.4. Khong cỏch xung t o ( à s) t o là khoảng cách xung đợc 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). t o còn đợc gọi là độ kéo dài nghỉ của xung. Khoảng cách t o càng lớn thì hiệu suất càng nhỏ và ngợc lại. t o nhỏ để có thể đạt hiệu suất gia công tối đa. Nhng khoảng cách xung t o 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 đợc hiện tợng hồ quang, ngắn mạch và đủ để đẩy các hạt ô-xít ra khỏi khe hở phóng điện. [...]... dung dịch điện môi và trờng 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 (thờng chọn = 0.4) 1.1.4.5 Dũng phúng tia la in Ie (A) Trị số của Ie là giá trị trung bình của dòng điện từ khi bắt đầu phóng tia lửa điện đến... công Trong quá trình gia công, một số thông số sẽ đợc 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: - Cờng 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 -... 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 hởng lớn nhất đến lợng hớt vật liệu, độ mòn điện cực và chất lợng bề mặt gia công Thực nghiệm cho thấy Ie càng lớn thì lợng hớt vật liệu càng lớn, độ nhám bề mặt càng lớn nhng độ mòn tơng đối giảm 1.1.4.6 Thi gian tr ỏnh la td (às) Thời gian trễ này đợc xác định là thời gian của giai đoạn... mà tại đó phát sinh tia lửa điện Khe hở này luôn đợc 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 23 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... 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 nh là một thông số để kiểm tra trạng thái gia công hiện nay là tia lửa điện hay hồ quang Với trờng hợp hồ quang thì giá trị td . định nghĩa là khoảng thời gian cấp điện áp của một chu kỳ phóng tia lửa điện. Khoảng thời gian này đợc tính cho thời gian của giai đoạn 1 và 2 của một xung gia công EDM. Độ kéo dài xung t i . trình gia công EDM là tìm cách tăng lợng ăn mòn chi tiết, giảm lợng mòn của điện cực. 1.1.3. Ch tiờu ỏnh giỏ Để có thể đánh giá đợc quá trình gia công EDM, các nhà nghiên cứu về gia công EDM. 13 CHNG 1. TNG QUAN 1.1. Lý thuyt gia cụng tia la in 1.1.1. Nguyờn lý gia cụng bng tia la in Hỡnh 1.1. Nguyờn lý gia cụng tia la in Đặt một điện áp một chiều giữa 2 tấm kim