Gia coâng tia ñieän töû (Electric Beam Machining EBM) laø quaù trình gia coâng nhieät. Muïc ñích cuûa coâng ngheä gia coâng tia ñieän töû laø bieán ñoåi ñoäng naêng cuûa ñieän töû thaønh nhieät naêng vôùi tæ leä cao hôn vaø nhôø vaäy baèng caùch laøm noùng cuïc boä maø ta coù theå tieán haønh nhieàu phöông phaùp gia coâng nhieät khaùc nhau. Vôùi nguyeân lyù gia coâng naøy ta coù theå gia coâng nhöõng chi tieát khoù neáu gia coâng baèng phöông phaùp gia coâng truyeàn thoáng. Khaû naêng phöông phaùp gia coâng naøy khoâng chæ trong laõnh vöïc gia coâng baèng caùch laáy ñi phaàn vaät lieäu caàn gia coâng maø coøn coù theå haøn caùc chi tieát laïi vôùi nhau, ñaây laø lónh vöïc môùi cuûa phöông phaùp gia coâng tia ñieän töû. Phöông phaùp naøy toû ra sieâu vieät khi gia coâng nhöõng vaät lieäu cöùng, chòu löûa vaø vaät lieäu goám khaùc. Gia coâng baèng chuøm tia ñieän töû –EBM, laø duøng naêng löôïng cuûa chuøm tia ñieän töû hoäi tuï taïi beà maët gia coâng laøm noùng chaûy vaø boác hôi vaät lieäu. Nguyeân lyù hoaït ñoäng cuûa chuøm tia ñieän töû ñöôïc trình baøy treân hình 5.16. 5 4 Hình 5.16. Sô ñoà nguyeân lyù taïo ra chuøm tia ñieän töû. 1. Catod bò noùng. 2. Muõi hoäi tuï. 3. Anod. 4. Thaáu kính ñieän töû ñeå hoäi tuï. 5. Tia L. 6. Vaät haøn. Chuøm tia ñieän töû ñöôïc phaùt ra töø catod 1 cuûa ñaàu phaùt tia. Caùc ñieän töû chuyeån ñoäng vôùi toác ñoä raát cao vaø hoäi tuï laïi nhôø thaáu kính ñieän töû 4 thaønh veät raát nhoû leân beà maët gia coâng 5. Caùc ñieän töû va ñaäp vaøo beà maët gia coâng vaø chuyeån ñoäng naêng thaønh nhieät naêng nung noùng, laøm chaûy hoaëc boác hôi baát kyø vaät lieäu naøo. Ñeå taïo ra chuøm tia ñieän töû coù naêng löôïng cao ngöôøi ta söû duïng phöông phaùp töông töï nhö taïo chuøm tia saùng baèng heä thoáng quang hoïc. Moâ hình nguyeân lyù coù theå cho nhö hình 5.17. S A Hình 5.17. Heä thoáng quang hoïc vaø heä thoáng tia ñieän töû. Trong heä thoáng quang hoïc thì khi chieáu moät nguoàn saùng taïi tieâu cöï cuûa moät thaáu kính thì noù seõ taïo ra moät chuøm tia saùng song song vaø neáu nhö chuøm tia saùng naøy ñi vaøo moät thaáu kính khaùc thì tia saùng seõ hoäi tuï taïi tieâu ñieåm cuûa thaáu kính thöù hai. Ñeå ñieàu chænh ñieåm taäp trung nguoàn saùng coù theå thay ñoåi vò trí cuûa göông thöù hai. Baèng caùch töông töï nhö theá, khi nung moät daây kim loaïi, ñieän töû phoùng ra seõ ñöôïc tröïc chuaån do taùc duïng ñieän tröôøng cuûa taám ñieän cöïc thöù nhaát vaø sau ñoù do taùc duïng hieäu ñieän theá giöõa hai taám ñieän cöïc ñieän töû ñöôïc gia toác. Suùng ñieän töû naøy ñöôïc ñaët trong chaân khoâng seõ phoùng ra chuøm tia ñieän töû ñöôïc hoäi tuï nhôø cuoän daây ñieän töø (töông ñöông laêng kính). Neáu thieát keá toát nguoàn phoùng ñieän vaø heä thoáng hoäi tuï thì taïi tieâu cöï coù theå cho chuøm tia raát nhoû mang naêng löôïng raát cao. Maät ñoä tia ñieän töû coù theå cao hôn 108 Wcm2. Taùc duïng cuûa tia ñieän töû dieãn ra trong thôøi gian raát ngaén neân chæ xaûy ra nung noùng cuïc boä phuï thuoäc vaøo khaû naêng daãn nhieät cuûa vaät lieäu gia coâng. Ñieän aùp gia toác nhanh töø 30 ñeán 100 KV, coâng suaát phaùt ra töø 1 ñeán 100 KW. Toaøn boä naêng löôïng naøy ñöôïc taäp trung thaønh moät ñieåm coù ñöôøng kính töø 0,01 0,1 mm vaø coù naêng löôïng raát cao. Coù theå ñieàu chænh nhanh choùng tia ñieän töû, nhö vaäy trong voøng 106 giaây coù theå phoùng ra tia ñieän töû vaø ñieàu chænh coâng suaát moät caùch chính xaùc. Trong quaù trình gia coâng duïng cuï phaûi di chuyeån. Vôùi ñieän tröôøng hoaëc töø tröôøng ngoaøi, tia ñieän töû coù theå phoùng vôùi toác ñoä 100 ms. Ngoaøi ra gia coâng tia ñieän töû coù theå deã daøng töï ñoäng hoùa, ñieàu khieån theo chöông trình ñeå ñaït naêng suaát cao. Nguoàn naêng löôïng trong gia coâng tia ñieän töû chính laø vaän toác cuûa caùc haït electron ñaäp vaøo beà maët gia coâng, chính vì vaäy ñeå traùnh va ñaäp vôùi khoâng khí cho neân vuøng laøm vieäc yeâu caàu coù ñoä chaân khoâng raát cao. Ñaây laø moät baát lôïi cuûa phöông phaùp gia coâng naøy. Coù theå taïo chaân khoâng nhôø moät maùy huùt chaân khoâng côõ lôùn.
CHƯƠNG GIA CÔNG NHIỆT 5.1 GIA CÔNG TIA LỬA ĐIỆN 5.1.1 Nguyên lý gia công Nguyên lý gia công tia lửa điện (Electric Discharge Machining - EDM) hay ăn mòn điện ăn mòn kim loại tia lửa điện Trong gia công tia lửa điện, dụng cụ chi tiết hai điện cực dụng cụ catod chi tiết anod Hai điện cực đặt dung dòch cách điện (xem hình 5.1) Trong dung dòch cách điện có ion di chuyển tự Dưới ảnh hưởng dòng điện chiều có tần số 50 KHz ÷ 500 KHz , điện áp 50 ÷300 V cường độ dòng điện 0,1 ÷ 500 A hai điện cực, ion dòch chuyển Khi cho hai điện cực tiến lại gần chúng có điện trường Khi điện áp tăng lên từ bề mặt cực âm có điện tử phóng ra, tiếp tục tăng điện áp chất lỏng hai điện cực bò ion hóa làm cho khoảng chất lỏng trở nên dẫn điện Hiện tượng gọi tượng đánh thủng điện, vật bò ion hoá gọi kênh dẫn điện Dòng điện tiếp tục chạy điện áp đạt đến trò số “trò số tắt”, trình phóng điện không trì I R Điện cực A Uo V C Vật gia công Hình 5.1 Nguyên lý gia công tia lửa điện Thời gian trình phóng tia lửa điện ngắn từ 2.10–4 đến 4.10–4 giây http://www.ebook.edu.vn 196 Khi có tia lửa điện nhiệt độ đạt đến 12.000 oC, mật độ kênh dẫn điện đạt đến 106A/cm2 Để có tia lửa điện liên tục sau thời gian ngắn dòng điện chạy qua, phải ngưng cung cấp tiếp lượng Yêu cầu thực nhờ máy phát xung RC đơn giản hình 5.1 Nguyên lý hoạt động sau: điện áp cung cấp Uo qua điện trở R nạp điện cho tụ C Khi điện áp tụ tích lên đến Uo điện áp mồi tia lửa điện trình phóng điện bắt đầu trì lúc Uo giảm xuống trò số điện áp tắt Sau tiếp diễn lại trình nạp điện cho tụ lặp lại trước Do thời gian phóng điện ngắn (khoảng 10-4 đến 10-8 giây) nhiệt truyền tới chi tiết gia công không sâu nên chủ yếu tập trung bề mặt với nhiệt độ cao làm chảy bốc kim loại vùng Phôi trình gia công giọt kim loại bò tách khỏi điện cực đông đặc lại thành hạt nhỏ dạng hình cầu Khi hạt bò đẩy khỏi vùng gia công khe hở hai điện cực lớn lên phóng điện không Để tiếp tục gia công cần điều chỉnh hai điện cực lại gần trình lặp lại liên tục Trong trình gia công có ăn mòn hai điện cực (chi tiết gia công dụng cụ) ăn mòn không đối xứng Bằng lựa chọn thông số như: độ phân cực, tính dẫn nhiệt, nhiệt độ nóng chảy vật liệu, thời gian kéo dài cường độ xung điện cách thích hợp ta đạt độ mòn 99,5% cho điện cực chi tiết 0,5% cho điện cực dụng cụ Tóm lại tia lửa điện phân làm pha (hình 5.2) Hình 5.2 Các pha trình gia công tia lửa điện http://www.ebook.edu.vn 197 Do tác dụng điện trường hai điện cực, điện tử phát từ catod gia tốc chạy anod Do dung dòch bò ion hóa, dòng quang điện tử hình thành chung quanh có bọt khí với diện tích dương bao bọc Đám bọt khí có điện tích dương nên làm thu hẹp dòng chạy điện tử Tia điện tử tập trung đến bề mặt anod Dòng xung làm nóng cách bề mặt anod phạm vi bề mặt giới hạn, lực điện động làm bắn hạt kim loại vào bọt khí, nhiệt độ cao mà chúng nổ Điện áp tụ cân Bọt khí nguội đi, biến thành giọt dung dòch, điện tích tái sinh 5.1.2 Dụng cụ thiết bò gia công Một hệ thống tia gia công lửa điện bao gồm điện cực dụng cụ điện cực chi tiết nối với nguồn điện chiều, đặt dung dòch cách điện điều khiển chương trình số a Thiết bò Hiện có hai loại máy tia lửa điện sử dụng công nghiệp máy gia công tia lửa điện thẳng đứng (Vertical EDM Machine) máy gia công cắt dây (Wire-cut EDM Machine) Máy gia công tia lửa điện thẳng đứng cho hình 5.3 máy gia công có điện cực chuyển động Khe hở chi tiết dụng cụ điều khiển động servo cho khoảng cách khe hở khoảng 0,01 ÷ 0,02 mm Hình dạng chi tiết đònh hình dạng dụng cụ Loại máy thích cho gia công bề mặt đònh hình, khoan lỗ thông không thông, gia công loại khuôn mẫu http://www.ebook.edu.vn 198 Động điều chỉnh khe hở Lượng chạy điện cực dụng Bộ lọc Dụng cụ Dụng cụ Dung dòch điện Điện môi Khoảng cách điện cực _ Bồn chứa Dòng Tia lửa điện khe hở Máy phát xung chiều Bàn máy Chi tiết Bơm Hình 5.3 Máy gia công tia lửa điện thẳng đứng Máy gia công cắt dây (hình 5.4) máy gia công điện ăn mòn sử dụng chuyển động điều khiển theo chương trình số để gia công đường bao theo mong muốn, để tạo hình bề mặt mà không cần dùng điện cực có dạng đặc biệt Máy cắt tia lửa điện sử dụng dây chuyển động liên tục điện cực (hình 5.5) Điện cực (hay dây cắt) chế tạo từ đồng thau, đồng đỏ hay vật liệu dẫn điện khác, với đường kính từ 0,05 ÷ 0,3 mm Chuyển động dây cắt điều khiển theo đường bao nằm hệ tọa độ XY, để cắt khe hở nhỏ xuyên qua chi tiết gia công Chuyển động điều khiển tạo thành đường liên tục với độ xác khoảng 0,001 mm chuyển động phải cài đặt sẵn máy http://www.ebook.edu.vn 199 Bộ nguồn điện EDM Hình 5.4 Máy cắt tia lửa điện nguồn Ngoài thiết bò phát xung kiểu RC, có nhiều thiết bò khác phát tia lửa điện nguyên lý khác nhau, phân làm hai loại : máy phát điều chỉnh phụ thuộc máy phát điều chỉnh độc lập Máy phát xung điều chỉnh phụ thuộc loại máy mà dòng điện điện áp điều khiển độc lập với Máy phát xung điều chỉnh độc lập thông số điện điều chỉnh độc lập với Có ba kiểu khác : - Kiểu đổi nối có máy biến xung tạo xung vuông, theo chu kỳ cắt dòng điện đổi nối Cổ góp Biến xung + _ - Kiểu động máy phát có động quay máy phát xung, tạo xung vuông, suất gia công tốt R u Máy phát Động - t Kiểu máy phát đèn điện tử dùng gia công xác http://www.ebook.edu.vn 200 Ở châu u máy phát loại điều chỉnh phụ thuộc sử dụng rộng rãi Nhưng giới loại điều chỉnh độc lập ngày chiếm lónh vò trí sử dụng b Dụng cụ Trong gia công tia lửa điện, dụng cụ (điện cực) đóng vai trò quan trọng độ xác gia công mặt phụ thuộc vào độ xác điện cực • VẬT LIỆU ĐIỆN CỰC Việc lựa chọn hợp lý vật liệu điện cực yếu tố quan trọng Điều ảnh hưởng đến độ xác gia công, mà ảnh hưởng đến tính kinh tế thông qua suất độ hao mòn điện cực trung bình Giá điện cực chiếm 80% chi phí gia công Những yêu cầu vật liệu điện cực là: - Có tính dẫn điện tốt - Có nhiệt độ nóng chảy cao - Nhiệt lượng riêng lớn - Có tính dẫn nhiệt tốt Trên thực tế vật liệu thỏa mãn đầy đủ yêu cầu này, cần phải xem xét chọn vật liệu Thông thường gia công thô gia công tinh người ta dùng vật liệu điện cực khác Khi gia công thô, phổ biến dùng điện cực đồng thau zamak, với chi tiết có tiết diện nhỏ dùng đồng vonfram, nhà máy lớn dùng dura Khi gia công tinh dùng điện cực đồng, có trường hợp dùng điện cực thép (đặc biệt dùng làm dao cắt) Khi gia công hợp kim cứng dùng điện cực đồng, đồng thau, đồng vonfram Ở số nước dùng điện cực đồng ép với bột carbit silic Gần người ta chủ yếu dùng điện cực grafit để gia công tinh bộng kín Bảng 5.1 Vật liệu làm điện cực Loại gia công Thô Bán tinh Tinh Vật liệu chi tiết gia công Thép Hợp kim cứng Thép Hợp kim cứng Thép Hợp kim cứng http://www.ebook.edu.vn Đồng thau Zamak Đồng Thép Gang Dur a Graphit + + + - + - 0 + - + + + - + - + + + + + + + - 0 + + - - + + + + + + - - + + 201 KL HK bột bột thép + + Chú thích ký hiệu + : Nên dùng - : Không nên dùng : Chỉ nên dùng trường hợp đặc biệt • GIA CÔNG ĐIỆN CỰC Việc gia công điện cực đóng vai trò quan trọng gia công tia lửa điện Độ xác gia công mặt phụ thuộc vào độ xác điện cực, mặt khác điện cực gia công bò hư hỏng phải chỉnh lại Chi phí chế tạo điện cực ảnh hưởng lớn đến tính kinh tế trình công nghệ Những phương pháp gia công điện cực chủ yếu là; - Cắt gọt - Đúc (đúc xác) - Ép - Cắt - Phun kim loại - Mạ điện phân Phương pháp cắt gọt: nguyên lý sở việc gia công điện cực cắt gọt chế tạo chi tiết có dạng lồi thường dễ chế tạo chi tiết có dạng lỗ Bên cạnh dao cắt chế tạo từ nhiều phận cạnh, dễ cắt gọt Với điện cực để khoan khoét thí cần ý gia công tránh để sinh đường gân dọc, đường gân in hình lỗ Phương pháp cắt gọt chủ yếu để gia công điện cực có hình dạng đơn giản sử dụng sản suất đơn Cần phải nhớ với phương pháp gia công xác điện cực đồng đỏ Phương pháp đúc: chủ yếu để gia công điện cực có dung sai lớn 0,2mm Trường hợp gia công thô dùng điện cực có kích thước nhỏ Vật liệu điện cực thường đồng thau zamak Nhiều trường hợp sau đúc phải gia công hoàn chỉnh Phương pháp không phổ biến Phương pháp ép: Chủ yếu sử dụng để gia công điện cực dùng gia công lỗ sâu Trong phần lớn trường hợp người ta ép điện cực mà sau sử dụng để gia công khuôn Trường hợp gia công số lượng lớn điện cực, thỉ làm khuôn riêng Nên ý đến độ co điện cực sau ép Phương pháp cắt: dùng để chế tạo điện cực làm dao cắt, cách dùng chày có sẵn để cắt từ kim loại miếng giống nhau, sau ghép chúng thành tán đinh lại Có thể dùng hóa chất để sửa chữa kích thước theo yêu cầu Trong trường hợp gia công lỗ phức tạp dùng loại điện cực chế tạo công nghệ phun kim loại Có thể làm nhiều khuôn từ thạch cao từ điện cực mẫu Bằng phương pháp phun kim loại khuôn thạch cao tạo điện cực Cần phải ý http://www.ebook.edu.vn 202 bề sâu lỗ không lớn hai lần bề rộng Để tránh tượng phát nóng mức, phải tiến hành phun kim loại bước Độ xác tương đương với điện cục làm phương pháp ép Điện cực phun kim loại có độ xốp, dùng vật liệu đặc để chế tạo điện cực có độ mòn Bằng công nghệ điện phân chế tạo điện cực có độ xác từ 0,01÷0,02 mm Nguyên lý phương pháp điện phân, ví dụ đồng làm đầy khuôn thạch cao Vật liệu điện phân tinh nên có lợi cho việc chế tạo điện cực Không phải nhiều công điện phân qua nhiều ngày mà không cần trông coi Ở nước công nghệ phổ biến Đối với máy gia công cắt dây, vật liệu làm điện cực phải có tính chất sau: - Dẫn điện tốt - Có nhiệt độ nóng chảy cao - Có độ giãn dài cao - Có tính dẫn nhiệt tốt Vật liệu làm điện cực thường là: đồng đỏ, đồng thau, bạc hay kẽm Đường kính dây cắt cho bảng 5.2: Bảng 5.2 Đường kính khối lượng dây cắt Đồng đỏ, bạc, kẽm Đồng thau Đường kính dây cắt (mm) Khối lượng (g) Đường kính dây cắt (mm) Khối lượng (g) 0,05 0,07 0,1 0,12 0,15 0,17 0,2 0,22 0,25 0,27 0,6 200 300 400 500 600 700 800 900 1000 1100 1200 0,05 0,07 0,1 0,12 0,15 0,17 0,2 0,22 0,25 0,27 0,6 100 150 200 250 300 350 400 450 500 550 600 http://www.ebook.edu.vn 203 Một số loại điện cực thông dụng: Hình 5.6 Một số điện cực thường dùng gia công tia lửa điện c Dung dòch gia công tia lửa điện Với diện chất lỏng cách điện vùng gia công phóng điện thực theo kênh xác đònh rõ ổn đònh làm cho lượng tập trung tốt dùng với hiệu suất cao để bóc vật liệu gia công Mặt khác chất lỏng gia công phải lấy chất cặn sinh vùng gia công đem chúng nơi khác Để thực tốt nhiệm vụ chất lỏng phải có độ lỏng tốt Tóm lại dung dòch để gia công tia lửa điện có nhiệm vụ chính: - Trực tiếp tham gia vào trình phóng điện, chất cách điện hai điện cực, hình thành kênh phóng điện - Súc rửa phoi kim loại, có độ lỏng tốt Là khối dẫn điện, dung dòch làm vai trò cân nhiệt hai điện cực, nhờ cải thiện độ xác Những yêu cầu kỹ thuật quan trọng dung dòch gia công là: - - Có độ bền cách điện cao (nhờ nâng cao suất) - Dẫn nhiệt tốt (trên 35oC suất giảm nhiều) - Có khả chống ăn mòn hóa học (ít bò phân hủy tia lửa điện chất khí không làm bẩn) - Có khả phục hồi nhanh sau bò đánh thủng tia lửa điện - Độ nhớt nhỏ (để dể làm đầy khe hở điện cực) - Điểm nổ cao sản phẩm phân hủy nhiệt không gây độc http://www.ebook.edu.vn 204 - Chất lỏng phải trung tính hóa học, không phá hủy điện cực chi tiết chi tiết máy - Dễ tìm giá thành hợp lý Dung dòch gia công thường hợp chất cacbon-hydro, phổ biến dầu hỏa cách nhiệt tốt có độ nhớt nhỏ Dùng dầu hỏa có ưu điểm việc mài nhẵn cho phép tạo hình xác Nhược điểm dầu hỏa dễ cháy mang theo phoi kim loại Vì dùng dầu hỏa phải có lọc tốt Dầu biến có độ bền cách điện cao, dùng gia công thô, ưu điểm dễ lọc Ngoài dùng nước nước cất làm dung dòch gia công dùng gia công phụ, ví dụ lấy mảnh dao bò gãy Ở nước có nhiều loại dung dòch khác sử dụng rộng rãi để làm dung dòch gia công, kerosine, dầu thô cất, dầu có gốc silic, cacbontetra-chloride Theo nghiên cứu điện cực kim loại, dung dòch đặc biệt phù hợp hỗp hợp triethyleneglycol-nước-monoethyl-ether Nhưng với điện cực graphit hỗn hợp dung dòch lợi 5.1.2 Các thông số khả công nghệ a Các thông số công nghệ Những thông số công nghệ gia công tia lửa điện là: - Trò số điện dung C ( C≤ 100 μF) - Độ dài xung (tu≤10-4 s) - Điện hai điện cực (U≤ 200 V) - Cường độ dòng nạp (1÷5A), cường độ dòng phóng (10÷100 A) - Tần số tia lửa điện: tức số xung điện giây - Tần số riêng, nghòch đảo thời gian tụ phóng điện - Năng suất gia công VD, thể tích vật liệu lấy đơn vò thời gian (mm3/phút) - Độ hao mòn điện cực VE, thể tích hao mòn điện cực phút (mm3/phút) Độ hao tương đối điện cực γ tỉ số độ hao mòn điện cực với suất gia công: γ = VE / VD 100% • Vận tốc cắt - http://www.ebook.edu.vn 205 Vận tốc cắt lượng vật liệu bò bóc theo đơn vò thời gian Nói cách gần vận tốc cắt tỉ lệ với cường độ dòng điện gia công Ngoài lượng xung điện ảnh hưởng đến vận tốc cắt, lượng xung điện xác đònh nhiều yếu tố, cần thiết ta xét ảnh hưởng riêng lẻ thông số đến tốc độ gia công Một cách tổng quát xung điện phóng có cường độ dòng điện cao cho vận tốc gia công lớn xung điện có cường độ dòng điện yếu • Các chế độ gia công Các thông số xác đònh lượng xung điện phóng là: dòng đỉnh, thời gian xung, phân cực mạch xung điều khiển, giá trò điện dung điện nạp trường hợp máy taọ xung dùng tụ điện Dòng điện trung bình thời gian nghỉ hai lần phóng điện không tham gia trực tiếp vào chế độ gia công Các yếu tố khác vật liệu gia công, vật liệu điện cực, loại dung dòch gia công phương thức lưu thông có nhiều ảnh hưởng Nhưng nói cách tổng quát chế độ gia công phụ thuộc vào thông số liên quan đến lượng xung điện Dưới thông số chế độ gia công: Bảng 5.3 Một số thông số chế độ gia công Dạng Gia công Năng lượng xung dự trữ (J) 0,5 ÷ 0,05 ÷ 0,5 0,005 ÷ 0,05 Thô Trung bình Tinh Cường độ dòng điện (A) Mạch nạp Mạch phóng >5 >100 1÷ 10 ÷ 100