Gia Công Xung Điện - EDM

Một điện cực có hình dạng nhất định thường là đồng hoặc graphit được dùng để tạo ra một hốc có hình dạng ngược với điện cực.. Xung điện đi qua dung dịch điện môi thường là dầu nhẹ,khoảng

Gia công xung điện

( EDM- electrical discharge machining )

Gia công xung điện (EDM) là một phương pháp lấy kim loại bằng xung điện Một điện cực có hình dạng nhất định (thường

là đồng hoặc graphit) được dùng để tạo ra một hốc có hình dạng ngược với điện cực Không có tiếp xúc trực tiếp giữa

điện cực và phôi Xung điện đi qua dung dịch điện môi (thường là dầu nhẹ),khoảng cách giữa điện cực và phôi được

điều khiển Cả điện cực và phôi phải có tính chất dẫn điện.

Mặc dù một vài máy EDM có khả năng dịch chuyển theo vàitrục, máy EDM đơn giản nhất có một trục thẳng đứng dưới sự điềukhiển duy nhất của một động cơ servo (H1) Dấu âm chỉ ra rằng

điện cực được nối âm Giữa bề mặt dụng cụ và chi tiết gia công phảitồn tại một khe hở gọi là khe hở điện cực δ ( δ ≈ 0.025 ữ 0.05mm ).Nếu bàn được phép dịch chuyển không có kiểm soát, sẽ có tiếp xúctrực tiếp giữa điện cực và phôi, điều này sẽ gây ra ngắn mạch Hiệntượng này được ngăn chặn bằng một cơ cấu servo ở đó điện thế

được đo và so sánh với thông tin tham chiếu Nếu dữ liệu lớn hơngiá trị tham chiếu, bàn tiến lên, nếu nó nhỏ hơn, bàn lùi lại Dịchchuyển có thể thực hiện bằng một xi lanh thuỷ lực hay một động cơservo dẫn động trực tiếp Khi phôi được gia công bằng mài mònxung, khoảng cách giữa điện cực và phôi tăng lên Điện thế tăng lên

và bàn tiến lên đến khi điện thế phù hợp với giá trị tham chiếu Do

đó cơ cấu servo duy trì một khe hở không đổi Sự sói mòn tiếp tục

đến khi đạt được chiều sâu đã đặt ra Tại thời điểm này điện cực

được rút ra khỏi phôi

Hinh1 Sơ đồ của máy gia công xung điện

Cơ chế tách bỏ vật liệu

Năng lượng dòng điện một chiều được đặt vào một mạch xung

ở đó có thể tạo ra xung vuông gần đúng, với tần sồ F ( F ≈ 200.000 ữ500.000 Hz ), điện thế cực V ≈ 30 ữ250V Một cách lý tưởng mỗi xungtạo ra một hồ quang (tia lửa điện ) Mỗi hồ quang xuất hiện nơi mà

điện trở nhỏ nhất, thường là gần chỗ phóng hồ quang trước đó, tạo ranhiệt cục bộ rất lớn trên bề mặt của phôi (10.000 ữ20.000oC), làm kimloại nóng chảy và bốc hơi Hiện tượng trên diễn ra liên tục và chạy khắp bề mặt điện cực, cuối cùng khe hở trở nên đều đặn (hình 5 ) Do

đó tuỳ theo hình thù của Katôt mà anôt được chép lại hình dạng giốngnhư thế

Thông thường cực âm bị mòn ít hơn cực dương do:

- Động lượng gây ra của các e lớn hơn nhiều so với các ion

- Do nhiệt phân của dung môi mà tạo ra màng mỏng các bon bámvào âm cực (các bon có trong chất lỏng )

Do đó cực âm thường được nối với dụng cụ

Sóng vuông biểu diễn quan hệ dòng điện theo thời gian, là mộtthông số kỹ thuật thông thường của nguồn điện của EDM Các biến làthời gian nối mạch, thời gian ngắt mạch và dòng điện đỉnh (H2)

Hình2 Những thông số của một xung EDM, Thời gian ngắt mạch và cường độ dòng điện đỉnh xác định năng lượng của tia lửa.

H×nh3 Profin cña mét xung EDM a – thêi gian ion ho¸; b- thêi gian xung; c – thêi gian khö ion; d – thêi gian nghØ Hçu hÕt qu¸ tr×nh mßn ®iÖn cùc x¶y ra trong suèt thêi gian ion ho¸

Hình 2 có tính chất tham khảo, quá trình phức tạp hơn nhiều Khi điện cực tiếp cận phôi, dung dịch điện môi bắt đầu iôn hoá ở

điểm tiếp cận gần nhất Điện thế rơi xuống mức thấp nhất (khoảng

35 V) khi dòng điện bắt đầu chạy qua Đây là sự phóng điện Nóxẩy ra ở khoảng cách phóng điện từ 0,01 đến 0,4 mm Với mỗi lầnphóng điện vật liệu bị tách ra khỏi phôi do bay hơi và chảy, các lỗxuất hiện trên phôi và điện cực Hình 3 cho một bức tranh rõ hơn,

nó biểu diễn điện áp và dòng điện nh− là hàm của thời gian Thờigian nối mạch ( on – time) có thể đ−ợc chia thành thời gian iôn hoá, thời gian phóng điện và thời gian khử iôn Sự ngắt quãng của dòng

điện ( off – time) cho phép các hạt vật liệu bị tách ra từ các hố tạo

ra do xung bị đẩy đi do dòng chảy của chất điện môi Dung dịch ion hoá đ−ợc bỏ đi và thay bằng dung dịch mới Thời gian off – time phải lớn hơn thời gian khử iôn để ngăn sự phóng điện liên tục tại một điểm Hiện t−ợng này đ−ợc biết là hồ quang điện một chiều

Hinh 5 : Profin bề mặt Hinh : Sơ đồ nguyên lý EDM

Nguồn điện cho EDM được cải

tiến từ mạch điện trở – tụ điện (RC

Hình 6) Gần đây, có xu hướng chuyển

sang thiết bị tranzitor oxit kim loại tác

động trường Chúng hữu ích đối với các

nguồn điện EDM vì khả năng chuyển

mạch nhanh ở công suất cao Một

nguồn điện hiện đại cho phép đặt độc

lập thời gian on – time và off – time

Phạm vi thông thường là 2 đến 1000

micro giây Thường toàn bộ năng lượng

của một xung điện tỷ lệ với thể tích của

khối đồ thị vuông trên 3 trục vuông góc

thời gian, dòng điện và điện áp Chỉ có

thời gian nối mạch ( on – time) tức là

thời gian sau khi iôn hoá là ảnh hưởng

đến việc tách bỏ vật liệu (H4) Như vậy

đường kính của hố (tạo ra do một

xung) tỷ lệ với dòng điện tác động và

chiều sâu tỷ lệ với thời gian nối mạch

Hình 4 : Sơ đồ 3 kích thước của tia lửa xung EDM Năng lượng của tia lửa có hiệu lực để bóc vật liệu tỷ lệ với thời gian đóng mạch hiệu quả, cường độ dòng điện và

điện áp đánh lửa.

Hình 6 Sơ đồ nguyên lý mạch phục hồi

Hình 9.8 :ảnh hưởng của năng lượng xung đến tốc độ

bóc tách vật liệu và độ nhám bề mặt

Thực nghiệm cho thấy tốc độ tách bỏ vật liệu thay đổi từ gần như 0 ởchế độ gia công tinh cho đến 410 mm3/ph với dòng điện 25 A Mộtnguồn 400A có thể gia công tới 4350 mm3/ph Cần phải chú ý rằnggiá trị tăng không tuyến tính Xung tạo ra từ một nguồn điện tiêuchuẩn chỉ tạo ra một tia lửa điện

Năng suất tách bỏ vật liệu có thể xác định qua công thức

ở đây : i là cường độ dòng điện ( A )

Tω là điểm sôi của vật liệu chi tiết gia công ( 0C)

23 1 4

).

10 4

( x i Tϖ ư

Hình 9 : Những thông số ảnh hưởng đến quá trình EDM

Bề mặt gia công bằng EDM

Topography. EDM có một dấu hiệu bề mặt riêng biệt Bề mặttương tự một bề mặt bị bắn phá với tất cả các hố có cùng kích thước(H7) Không có kiểu hay hướng sắp xếp bề mặt như các phươngpháp gia công thông thường khác Vì kích thước các hố phụ thuộcvào năng lượng tia lửa điện và nó thay đổi nhiều Bề mặt gia côngbằng EDM có nhấp nhô Ra từ 0,2 đến 12,5 μm

Hình 7 : Một bề mặt điển hình sau khi gia công xung điện Các tham số gia công : cực điện cực dương Thời gian nối mạch là 58 μgiây, thời gian off-time 32 μm, dòng điện max 13A điện cực graphit, phôi thép dụng cụ

Các ảnh hưởng về tổ chức kim loại và hoá học

Vì hiện tượng tôi rất nhanh do chất điện môi và tác động tảnnhiệt của phôi, lớp bề mặt bị tác động trong quá trình EDM khámỏng – nhỏ hơn 0,13 mm khi gia công thô và 0,01 mm khi gia côngtinh Vì các tiêu chí để đánh giá độ dày của lớp này (thay đổi độcứng, ứng suất dư, các tác động về tổ chức kim loại ), phương phápcần phải chỉ ra cụ thể Lớp này có thể chia thành một lớp gọi là lớp

bị tái đúc và một lớp bị ảnh hưởng nhiệt Lớp bị tái đúc được đặctrưng bởi cấu trúc bị tôi nhanh, trong khi lớp bị ảnh hưởng về nhiệt

có cấu trúc ủ hay bị ram Các tác động này phụ thuộc nhiều vàohợp kim được gia công Vì một phần lớn EDM dùng gia công thépcác bon cao để làm khuôn dập và đúc Lớp tái đúc trên thép dụng

cụ cứng hơn vật liệu nguyên khối vì sự hình thành mactenxit, trongkhi vùng bị ảnh hưởng nhiệt mềm hơn vì mactenxit bị ram

Những lượng nhỏ vật liệu điện cực cũng như cácbon từ chất điệnmôi có thể lắng động trên bề mặt EDM Trong trường hợp gia côngthép, lượng cácbon dư trên bề mặt có thể tạo thêm mactenxit vàlàm tăng nguy cơ nứt

H×nh 9.11 : Vïng ¶nh h−ëng nhiÖt cña ph−¬ng ph¸p EDM

Điện cực vμ các phương pháp gia công điện cực

Chi phí điện cực thường là phần đắt nhất trong gia công xung

điện Chi phí vật liệu chế tạo, mòn và sửa điện cực phải được đánh giácẩn thận để xác định vật liệu điện cực và chế độ máy EDM tốt nhất

Điện cực lý tưởng là loại có tính dẫn điện cao, dễ chế tạo và có nhiệt

độ nóng chảy cao, nó phải đủ bền để chịu được các phương pháp giacông thông thường để không bị biến dạng.Các cực dùng cho các kếthợp khác nhau của cặp điện cực – phôi được trình bày trong bảng 1

Bảng 1 : Cực của điện cực đối với những cặp điện cực – phôi khác nhau.

Vật liệu phôi Vật liệu

-

- +, - +, - +

- +

+, - + +

-

-

được giới hạn nếu sử dụng phương pháp dội hút

Kích thước cắt quá phụ thuộc vào điều kiện gia công (hình9.12) Biểu đồ này được xem xét để thiết kế dụng cụ

Hình 9.11 : Biểu đồ cắt quá

dùng để quyết định khi nào

một điện cực phải bị sửa

Hình 6 Những giá trị đánh giá mòn của

điện cực EDM

Mòn mặt đầu = d/ Le Mòn mặt bên = d/ Ls Mòn góc = d/ Lc

Thể tích phôi bị bóc đi Mòn thể tích =

Thể tích điện cực bị mòn

Vật liệu Trong phần tiếp theo về vật liệu điện cực, các so sánhchi phí được thực hiện bằng cách đặt chi phí của đồng bằng 1 Cácchi phí vật liệu thường nhỏ hơn chi phí chế tạo và thời gian máy EDM

Do đó vật liệu có chi phí nhỏ nhất không nhất thiết cho giá trị giacông tổng nhỏ nhất

Graphite là vật liệu điện cực hay dùng nhất vì tính gia công và các

đặc tính mòn EDM tốt Dễ khoan các lỗ nhỏ bằng nhau Nó dễ chế tạo ở các kích thước và dạng rất khác nhau Cỡ hạt graphite EDM thương phẩm hiện có từ 0,001 đến 0,1 mm, độ bền uốn so với đồng bằng1/5, độ cứng bằng 1/2 Giá thành tăng khi cỡ hạt giảm, độ bền uốn tăng thì độ cứng cũng tăng, hệ số chi phí so với đồng là 1,3 đến 24 Nhược điểm của graphite là nó bẩn và cần có hệ thống hút chân không ở tất cả các ứng dụng nhưng đây là việc dễ thực hiện.

Đồng có tính mòn EDM tốt, độ dẫn điện tốt và kinh tế Nó gia công không dễ như graphite hay đồng thau Tuy vậy nó được dùng nhiều như graphit, đặc biệt tốt khi gia công các bit vonfram Đồng thích hợp cho gia công tinh Ra 0,5 μm Chi phí của đồng được dùng làm chuẩn và được chọn bằng 1 Lựa chọn khác là hợp kim Cu-0,5 Te Nó chỉ đắt hơn đồng một chút (hệ số chi phí 1,2) và nó dễ gia công gần bằng đồng thau.

Đồng – vonfram vμ bạc vonfram là các vật liệu đắt với hệ số chi phí tương ứng là 18 và 100, ứng dụng chủ yếu của chúng là gia công các khe sâu ở điều kiện tải mạt gia công kém Thực tế chúng không phải là các hợp kim Vonfram là bột được nén và thiêu kết được trộn với đồng hay bạc Tính gia công trung bình, nhưng vì nó giòn nên không rèn được sau khi thiêu kết.

Đồng – graphit là một graphit được trộn với đồng Nó đắt hơn 1,5 đến 2 lần graphit nguyên chất, do đó bằng 5 đến 20 lần đồng Độ bền uốn của

nó cao hơn graphit cùng cỡ hạt, do đó nó tốt cho chế tạo điện cực có tiết diện mỏng Tính dẫn điện được cải thiện đáng kể nhưng tính chịu mòn cạnh không tốt như graphit nguyên chất cùng cỡ hạt Nó làm việc tốt khi gia công cácbit vonfram.

Đồng thau không đắt và dễ gia công nhưng chịu mòn kém Nó thường dùng làm điện cực ống trong các máy khoan EDM các lỗ đặc biệt nhỏ, nơi

mà độ mòn điện cực cao có thể chấp nhận được.

Thép không phải là một vật liệu điện cực tốt trong ứng dụng thông thường Nó dùng chủ yếu để phù hợp với các mặt phẳng phân khuôn trong các khuôn của một nửa khuôn là điện cực và một nửa khuôn là phôi.

Vonfram được dùng trong gia công các lỗ nhỏ (<0,2 mm) cho những điện cực không có các lỗ ngang

Chế tạo điện cực. phương pháp chế tạo điện cực thông dụng nhất làtrên các máy tiện, phay và mài Một lý do để graphit trở thành vật liệu

điện cực chính là nó dễ gia công Thiết kế hệ thống dụng cụ EDM dựatrên giả thiết rằng điện cực được gia công trong khi kẹp

Cắt dây hμnh trình EDM là một phương pháp tuyệt vời để gia côngcác điện cực trong EDM Tất cả các vật liệu điện cực kim loại đều cắt tốt Tốc độ cắt trên graphit bằng 1/3 đồng, nhưng gần đây loại graphithạt siêu nhỏ cắt dễ hơn Hiện đã có thể gia công được các thành nhỏ

và chi tiết phức tạp Phương pháp này có thể kết hợp với các phươngpháp khác trong chế tạo điện cực

Các điện cực graphit - được mμi cần vật mẫu có dạng hốc Vật mẫu

được dùng như một dụng cụ để tạo ra hình ảnh nghịch của nó, giốngnhư phương pháp EDM Trong mài siêu âm hạt mài ở dạng nhão đượcbơm ra giữa mẫu và điện cực, mẫu rung với chu kỳ 20.000 lần / giây Mài quỹ đạo dùng cho tốc độ tách bỏ vật liệu cao, trong khi mài siêu

âm dùng khi cần gia công các chi tiết nhỏ Điện cực graphit có thể sửalại nhiều lần bằng cả hai phương pháp Vì chi phí chế tạo mẫu lớnphương pháp này kinh tế nhất là dùng trong các việc lặp đi lặp lại Hệthống dụng cụ để duy trì vị trí giữa máy EDM và máy mài được sửdụng

Đồng vonfram đúc được sản xuất từ vật mẫu làm từ một vật liệunào đó, sau đó dùng để làm khuôn cho điện cực Các vật liệu đồng– vonfram đúc đồng nhất được tạo ra Phương pháp này dùng trongtrường hợp cần phải dùng nhiều điện cực phức tạp

Tạo hình bằng điện phân là một phương pháp ở đó một vật đượctạo hình, phủ bằng sơn dẫn điện và được mạ điện phân Sau khi

được mạ điện phân, mẫu ban đầu được bỏ đi Mẫu thường được làmbằng sáp vật liệu có thể nung chảy, do đó phương pháp giống nhưquá trình ngược của đúc trong khuôn mẫu chảy Các phát triển gần

đây gia công xung điện không mòn đã làm cho việc sử dụng các

điện cực dạng vỏ mỏng trở nên thực tế

Đồng đùn, hoặc ép dùng tính chất dễ tạo hình của đồng để làm

điện cực Đồng được đùn, hoặc ép qua một mặt cắt ngang phức tạp

và đạt được độ chính xác cao về kích thước Các hốc phức tạp làmbằng thép dụng cụ nhiệt luyện hay bằng cácbit vonfram thường đượcgia công bằng xung điện

Dung dịch điện môi.

Dung dịch điện môi thực hiện một số chức năng sau :

- là một trường dẫn tia lửa điện mà phải ion hoá ở dưới điện áp

đặt vào

- Là chất làm mát cho phôi và điện cực

- Là môi trường mang các mảnh phôi (phôi EDM) sinh ra trongquá trình gia công

Các tính chất cần có là độ nhớt thấp, điểm bay hơi do tia lửa thấp vàgiá thành thấp Vì khe hở gia công nhỏ ở chế độ gia công tinh, chất

điện môi có độ nhớt thấp đặc biệt quan trọng, độ nhớt thấp cũng giúptách mặt gia công, do đó làm cho chất điện môi sạch Dung dịch điệnmôi thông dụng là dầu có thành phần chính là dầu lửa Kerosene, dầusilicone và dung dịch điện môi trên cơ sở nước Nước khử ion có mộtvài đặc tính tốt là an toàn về cháy, giá thành thấp, độ nhớt thấp vàkhông có cácbon nên không tác dụng với phôi Tuy vậy dầu gốc dầulửa cho khả năng điều khiển khe hở gia công tốt hơn và được dùngnhiều nhất

Sự lưu thông dung dịch điện môi là vấn đề riêng rẽ quantrọng nhất đến sự thành công của EDM Trong nguồn điện nhiều đầu

ra các điện cực nhiều đầu là các đơn vị riêng về cơ khí, thậm chíchúng còn riêng biệt với nhau về điện Các vấn đề lưu thông dung dịch điện môi ở một điện cực có thể làm toàn bộ hệ thống bị lùi lại Do

đó lưu thông dung dịch điện môi tốt thậm chí còn quan trọng hơn khidùng phương pháp nhiều điện cực

Một vài quy tắc thông thường áp dụng :

*Lưu thông dung dịch điện môi thông qua dụng cụ

*Nhiều lỗ lưu thông dung dịch điện môi nhỏ tốt hơn một lỗ lớn Bêncạnh việc phân phối dung dịch tốt hơn, các bột kim loại từ các lỗ lưuthông dung dịch điện môi nhỏ hơn và dễ lấy đi hơn

*Dòng chảy dung dịch điện môi qua toàn bộ dao diện phôi - điện cực

Ưu điểm của EDM là :

*Các hốc có thành mỏng và các chi tiết chính xác có thể gia công được vì không có tiếp xúc giữa điện cực và phôi.

*Có thể gia công các dạng hình học khó (Khuôn đùn ép nhựa, khuôn kéo, khuôn rèn …)

*Mặc dù tốc độ tách bỏ vật liệu liên quan đến điểm nóng chảy của kim loại gia công , việc áp dụng EDM không bị ảnh hưởng bởi độ cứng của phôi Các vật liệu có tính gia công kém như cácbit vonfram và thép đã tôi có thể cắt bằng phương pháp EDM.

*Gia công không có bavia.