3. Nội dung chính của đồ án:
2.7 Các hiện tƣợng xấu khi gia công tia lửa điện
2.7.1 Hiện tƣợng hồ quang
Hiện tƣợng: Là sự phóng điện không có thời gian trễ td
Nguyên nhân: Do sự phóng tia lửa điện sẽ xuất hiện trong chất điện môi (khu vực nằm giữa 2 điện cực) những phần tử vật liệu đã bị ăn mòn và các ion dƣơng chƣa bị dòng chảy chất điện môi đẩy ra khỏi khe hở phóng điện. Chính các ion này gây ra hồ quang trƣớc khi chúng mất điện và bị đẩy ra khỏi khe hở phóng điện. Hồ quang xảy ra giữa các xung. Do đó, nếu trong quá trình gia công mà điều chỉnh khoảng cách xung quá ngắn thì sẽ xảy ra hiện tƣợng xung tiếp theo sẽ bị đốt cháy cùng một điểm với xung trƣớc đó (do lúc đó không có khoảng thời gian trễ để phóng điện vào các đỉnh nhấp nhô cao nhất). Do đó, điểm ăn mòn sẽ bị khoét thành một hố sâu và không đều trên bề mặt phôi. Hình 2.25 là đồ thị thể hiện sự phóng điện lý tƣởng và sự phóng điện không có thời gian đánh trễ do có hồ quang.
Hình 2.25:Hiện tượng hồ quang điện.
Tóm lại, hồ quang sẽ xảy ra khi:
- Dòng chảy của chất điện môi quá yếu. - Khoảng cách xung t0 quá ngắn.
2.7.2 Ngắn mạch, sụt áp
Hiện tƣợng: không có sự phóng điện mà chỉ xuất hiện dòng điện chạy từ điện cực sang phôi (khi đó điện áp là rất nhỏ và dòng điện là cực đại), còn gọi là dòng điện ngắn
44
mạch. Sự ngắn mạch không chỉ ngăn cản sự hớt vật liệu phôi mà còn làm hƣ hại cấu trúc của phôi do dòng điện sẽ tạo ra nhiệt làm ảnh hƣởng đến phôi.
Nguyên nhân:
- Do sự tiếp xúc trực tiếp của điện cực vào phôi. - Tồn tại 1 phần tử bị kẹt trong khe hở phóng điện.
- Chiều rộng khe hở quá nhỏ, dòng chảy chất điện môi quá yếu.
Hình 2.26: Hiện tượng ngắn mạch, sụt áp.
2.7.3 Xung mạch hở, không có dòng điện
Hiện tƣợng: Các xung không gây ra hiện tƣợng phóng điện. Do đó làm giảm hiệu quả phóng điện.
Nguyên nhân:
- Chiều rộng khe hở phóng điện quá lớn.
- Dòng chảy chất điện môi quá mạnh (nên thổi hết các ion ra khỏi vùng gia công). Các xung mạch hở không gây ra sự hớt vật liệu và cũng không làm hƣ hại bề mặt gia công. Chúng chỉ làm giảm năng suất gia công.
Hình 2.27:Hiện tượng mạch hở, không có dòng điện.
2.7.4 Sự quá nhiệt của chất điện môi
Hiện tƣợng: Quá trình gia công bị nhiễu loạn bởi hồ quang thƣờng xuyên, ngoài ra còn không ổn định do ngắn mạch.
Nguyên nhân: Khi vùng gia công rất rộng nhƣng khe hở phóng điện lại quá nhỏ(gia công tinh các khuôn lớn), chất điện môi trở nên nóng đến mức nó bị phân hủy mạnh thành cacbon. Các phần tử cacbon này sẽ làm tăng tính dẫn điện của chất điện môi khiến cho quá
45
trình gia công bị nhiễu loạn. Nếu cacbon bị lắng đọng trên mặt điện cực thì nó sẽ gây ra sự không ổn định do ngắn mạch.Khi chất điện môi bị quá nhiệt, phải tìm cách tối ƣu hóa điều kiện dòng chảy và cho gia công theo phƣơng pháp nhắp.
Câu hỏi ôn tập:
1. Nêu 9 bƣớc trong quá trình gia công tia lửa điện.
2. Trình bày mối quan hệ giữa điện áp và dòng điện trong một xung. 3. Các yếu tố ảnh hƣởng đến cơ cấu tách vật liệu?
4. Các đặc tính của sự phóng điện là gì?
5. Nguyên lý gia công điện cực thỏi, điện cực dây.
6. Nêu sự khác biệt giữa gia công điện cực thỏi và điện cực dây.
46
Chƣơng 3 CÁC THÔNG SỐ ĐIỀU CHỈNH KHI GIA CÔNG BẰNG PHƢƠNG PHÁP XUNG ĐỊNH HÌNH
Trong gia công EDM cần điều chỉnh các thông số gia công sao cho phù hợp để đƣợc hiệu quả cao nhất. Chƣơng 3 cung cấp cho sinh viên khái niệm về các thông số điều chỉnh khi gia công bằng phƣơng pháp xung định hình.
Sau khi học xong chƣơng này sinh viên có khả năng:
- Giải thích đƣợc sự ảnh hƣởng của Ie đến năng suất bóc vật liệu.
- Nêu đƣợc độ dài xung ảnh hƣởng lên tỷ lệ hớt vật liệu, độ mòn điện cực và độ nhám bề mặt cũng nhƣ giải thích tầm ảnh hƣởng của độ dài xung lên các yếu tố còn lại qua các biểu đồ biểu diễn mối quan hệ giữa chúng.
- Chọn đƣợc tỷ số ti/t0 trong trƣờng hợp gia công rất thô, gia công thô và gia công tinh để tránh các lỗi có thể xảy ra.
- Giải thích đƣợc sự ảnh hƣởng của điện áp đánh lửa Uz lên khe hở phóng điện trong gia công EDM.
- Thiết lập đƣợc yếu tố điều chỉnh tham khảo REP khi gia công EDM.
- Giải thích đƣợc sự điều chỉnh lại một cách nhạy cảm (VM lớn) và sự điều chỉnh lại một cách không nhạy cảm (VM nhỏ).
- Định nghĩa đƣợc sự phóng điện nốt và giải thích đƣợc tại sao cần có sự phóng điện nốt khi kết thúc gia công.
47
3.1 Dòng phóng tia lửa điện Ie
Theo nhƣ định nghĩa ở mục 2.3.3 (Chƣơng 2) về dòng phóng tia lửa điện Ie. Một thí nghiệm chứng tỏ Ie ảnh hƣởng đến năng suất của vật liệu. Khi cho thay đổi dòng Ie với các giá trị 2A, 4A, 8A khi giữ nguyên giá trị te=50 µs.
Hình 3.1:Điện cực dụng cụ là CuW được tích điện dương. Kết quả khi thay đổi dòng Ie=2, 4, 8 khi te = 50 µs.
Kết quả thí nghiệm hình 3.1 cho thấy đƣợc năng suất ăn mòn vật liệu tỉ lệ thuận với việc tăng dòng Ie.
3.2 Độ dài xung ti:
Định nghĩa về độ dài xung đã nói trong mục 2.3.4 (Chƣơng 2). Độ kéo dài xung ảnh hƣởng lên:
+ Tỷ lệ hớt vật liệu: Thực nghiệm cho thấy khi giữ nguyên dòng điện Ie và khoảng cách xung t0, nếu tăng ti thì ban đầu Vw tăng nhƣng chỉ tăng đến giá trị cực đại ở ti nhất định nào đó sau đó Vwgiảm đi, nếu vẫn tiếp tục tăng ti thì năng lƣợng phóng điện không còn đƣợc sử dụng thêm nữa để hớt vật liệu phôi mà nó lại làm tăng nhiệt độ của các điện cực và dung dịch chất điện môi. Mối quan hệ giữa lƣợng hớt vật liệu với ti đƣợc biểu thị ở Hình 3.2.
48
+ Độ mòn điện cực: Độ mòn θ của điện cực sẽ giảm đi khi ti tăng thậm chí cả sau khi đạt lƣợng hớt vật liệu cực đại. Nguyên nhân do mật độ điện tử tập trung ở bề mặt phôi (cực dƣơng) cao hơn nhiều lần so với mật độ ion dƣơng tập trung tới bề mặt dụng cụ (cực âm), trong khi mức độ tăng của dòng điện lại rất lớn. Đặc biệt là dòng ion dƣơng chỉ đạt tới cực (+) trong những µs đầu tiên mà thôi. Do vậy màθ ngày càng giảm. Mối quan hệ giữa độ mòn điện cực với ti đƣợc biểu thị ở Hình 3.3.
Hình 3.3:Mối quan hệ giữa θ và ti.
+ Độ nhám bề mặt: Khi tăng ti thì độ nhám Ra cũng tăng do tác dụng của dòng điện đƣợc duy trì lâu hơn làm cho lƣợng hớt vật liệu tăng lên ở một số vị trí và làm cho Ra
tăng lên. Mối quan hệ giữa ti với độ nhám bề mặt gia công đƣợc biểu thị ở Hình 3.4.
Hình 3.4:Mối quan hệ giữa Rmax và ti (với ti = td + te).
3.3 Khoảng cách xung to
Theo nhƣ định nghĩa ở mục 2.3.5 (Chƣơng 2).
Phải giữ cho to nhỏ tới mức có thể đƣợc để có thể đạt một lƣợng hớt vật liệu tối đa. Nhƣng khoảng cách xung to lại phải đủ lớn để có đủ thời gian ngừng ion hóa chất điện môi trong khe hở phóng điện. Nhờ đó sẽ tránh đƣợc các lỗi của quá trình nhƣ sự tạo hồ quang hoặc dòng điện ngắn mạch. Cũng trong thời gian của khoảng cách xung to, dòng chảy sẽ đẩy các vật liệu đã bị ăn mòn ra khỏi khe hở phóng điện. Khoảng cách xung càng lớn thì năng
49
suất bóc vật liệu càng nhỏ và ngƣợc lại. Nếu khoảng cách xung quá ngắn thì chất điện môi không đủ thời gian thôi ion hóa, các phần tử đã bị ăn mòn và nhiệt của dung dịch điện môi không thải ra ngoài đƣợc. Kết quả là gây ra hồ quang và ngắn mạch. Thông thƣờng chọn to theo ti nhƣ sau:
- Khi gia công rất thô thì ti/to>10.
- Khi gia công thô thì ti/to=10. Giá trị to không nên quá nhỏ để tránh xảy ra khuyết tật.
- Khi gia công tinh thì chọn ti/to = (5÷ 10). Lý do là khi gia công tinh thì khe hở phóng điện giảm, dễ tạo ra các lỗi quá trình, do đó cần tăng to nên làm giảm tỉ số ti/to.
- Khi gia công rất tinh, khe hở phóng điện rất nhỏ, do đó cần phải tăng to do đó tỉ số ti/to giảm mạnh. Thƣờng chọn ti/to = 0.4.
Hình 3.5:Ảnh hưởng của ti và t0 đến năng suất gia công.
3.4 Điện áp đánh lửa Uz
Đây là điện áp cần thiết để dẫn tới sự phóng tia lửa điện. Nó đƣợc cung cấp cho điện cực và phôi khi máy phát đƣợc đóng điện, gây ra sự phóng tia lửa điện để đốt cháy vật liệu. Điện áp đánh lửa Uz càng lớn thì phóng điện càng nhanh và cho phép khe hở phóng điện càng lớn.
50
3.5 Khe hở phóng điện
Khe hở phóng điện là một trong những thông số quan trọng nhất của hệ thống EDM. Để dự kiến đƣợc lƣợng hớt vật liệu từ đầu đến cuối sau một số lần phóng tia lửa điện thì vấn đề là phải duy trì khe hở với một chiều rộng tối ƣu. Quá trình đó gọi là sự điều chỉnh khe hở phóng điện. Đó là cách để đảm bảo chắc chắn rằng điện cực tiếp tục ăn xuống để thâm nhập vào phôi.
Trên máy xung, việc đo khe hở đƣợc thực nghiệm gián tiếp thông qua việc đo Ue (điện áp phóng tia lửa điện). Điện áp phóng tia lửa điện: Khi bắt đầu phóng tia lửa điện thì điện áp tụt xuống từ Uz 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. Ue không điều chỉnh đƣợc. Ue là một đại lƣợng điện chính xác khi điện cực đã tiến đủ gần đến phôi, Ue tăng thì khe hở cũng tăng. Để duy trì một chiều rộng khe hở phóng điện là hằng số thì tƣơng ứng với nó là một giá trị danh nghĩa của Ue. Trong quá trình gia công, do điện cực và phôi bị ăn mòn làm cho khe hở lớn lên, để điều chỉnh thì Ue đƣợc đo liên tục và đƣợc so sánh với giá trị danh nghĩa. Thông qua hệ điều khiển nó sẽ điều chỉnh khe hở cho phù hợp bởi vì hệ điều khiển biết chính xác Ue nào tƣơng ứng là bao nhiêu.Thông thƣờng trong gia công, ngƣời vận hành máy chọn I, ti, to, Uz phù hợp với yêu cầu năng suất và chất lƣợng bề mặt, lúc đó hệ điều khiển sẽ tự động điều chỉnh (cho phù hợp với I và Uz).
Sơ đồ hình 3.7 cho thấy vai trò quan trọng của sự điều chỉnh quá trình phóng tia lửa điện và tƣơng quan của nó đối với các thông số điều chỉnh quá trình phóng tia lửa điện.
Hình 3.7:Vai trò của việc điều khiển khe hở phóng điện.
- Điều khiển khe hở phóng điện:
Hệ điều khiển điện tử biết chính xác điện áp khe hở nào tƣơng ứng với một khe hở rộng bao nhiêu. Vì vậy, nó cho những áp điện khe hở để thay đổi đƣợc và điều khiển đƣợc. Nó so sánh điện áp này với một giá trị danh nghĩa và điều chỉnh chiều rộng khe hở cho phù hợp.
Nếu điện áp khe hở đƣợc đo giảm xuống (do điện cực hạ xuống quá nhiều) thì hệ điều khiển biết rằng khe hở đã trở nên quá hẹp và nó ra lệnh để động cơ servo nâng điện cực lên một lƣợng phù hợp.
51
Xét một chu kỳ thời gian rộng hơn, hệ điều khiển liên tục hạ điện cực xuống để hớt vật liệu liên tục và đều đặn, có năng suất tốt. Trong thuật ngữ kỹ thuật, sự tự động điều khiển khe hở này đƣợc gọi là “ điều khiển servo” (Hình 3.8).
Hình 3.8: Điều khiển servo.
- Sự điều chỉnh trƣớc khe hở phóng điện.
Ngƣời vận hành máy chọn I, ti, to, và Uz phù hợp với độ tinh yêu cầu của bề mặt gia công và lƣợng hớt vật liệu mong muốn. Hệ điều khiển sẽ tự động điều chỉnh chiều rộng khe hở để làm tƣơng xứng bƣớc dòng điện và điện áp đánh lửa.
Tuy nhiên, việc đặt chiều rộng khe hở bởi hệ thống điều khiển theo cách này có thể không luôn luôn phù hợp một cách lý tƣởng đối với các điều kiện gia công tia lửa điện riêng lẻ. Ví dụ, trong trƣờng hợp gia công một rãnh sâu thì cần khe hở phóng điện có chiều rộng lớn hơn một chút để cho phép các phần tử đã bị ăn mòn điện đƣợc thổi đi dễ dàng khỏi khe hở phóng điện.
Vì vậy, chiều rộng khe hở phóng điện có thể đƣợc điều chỉnh trƣớc từ hệ điều khiển để phù hợp với việc gia công.
3.6 Yếu tố điều chỉnh tham khảo REP
Cùng với sự điều khiển khe hở, yếu tố điều chỉnh tham khảo REP là thông số điều chỉnh dùng cho sự điều chỉnh lại khe hở điện cực “rộng ra” hay “hẹp lại”.
+ REP thấp dùng để điều chỉnh khe hở hẹp lại.
+ REP cao dùng để điều chỉnh khe hở rộng ra (hình 3.9).
Khi I, ti, to, Uz đã cho trƣớc, có thể tối ƣu hóa quá trình gia công bằng phƣơng pháp xung định hình để tuân theo các điều kiện hình học nhƣ hình dáng kích thƣớc điện cực và dòng chảy.
- Sự đặt yếu tố điều chỉnh tham khảo REP:
Với chiều rộng khe hở nhỏ có thể đạt đƣợc hiệu quả gia công cao và do đó lƣợng hớt vật liệu là cao cho cả hai trƣờng hợp: gia công tinh (bƣớc dòng điện áp thấp) và gia công thô (bƣớc dòng điện cao). Vì vậy, yếu tốREP đƣợc giữ cho thấp nhƣ có thể đƣợc trong thực tế để có thể điều chỉnh lại gần sát. Tuy nhiên, nếu yếu tố REP quá thấp thì dễ có các
52
khuyết tật do xảy ra hồ quang và ngắt mạch một cách thƣờng xuyên hơn, do đó giảm hiệu quả gia công.
Ngƣợc lại, nếu yếu tố điều chỉnh tham khảo REP quá cao thì các xung dòng điện mở xảy ra thƣờng xuyên hơn và cũng làm giảm hiệu quả gia công.
Hình 3.9:Yếu tố điều chỉnh tham khảo REP.
- Quy tắc đặt yếu tố điều chỉnh tham khảo REP:
- Khi lập trình các dữ liệu của quá trình gia công xung định hình, cần tuân theo các quy tắc sau đây:
+ Đầu tiên, xác định các thông số của quá trình I, ti, to và Uz.
+ Sau đó đặt yếu tố điều chỉnh tham khảo REP để phối hợp các điều kiện hình học.
- Các yếu tố REP thấp dùng cho gia công thô. - Các yếu tố REP cao dùng cho hốc sâu và hẹp. - Yếu tố REP cao dùng cho gia công tinh.
- Tăng yếu tố REP nếu xảy ra các lỗi quá trình.
3.7 Độ nhạy cảm điều khiển khe hở VM
Đầu tiên, hệ điều khiển đọc lƣớt các điểm đặt và các giá trị thực tế, so sánh chúng và cho các lệnh điều khiển tƣơng ứng tới động cơ servo.
Vì tốc độ hoặc độ nhạy cảm của hệ điều khiển khe hở phóng điện có thể làm yếu hiệu quả trong những trƣờng hợp gia công nhất định, nên hệ điều khiển MULTIFORM- 1 cho phép hiệu chỉnh độ nhạy cảm bằng yếu tố đặc biệt VM.
53
Các nhà chuyên môn coi độ nhạy cảm của hệ điều khiển khe hở phóng điện là “độ nhạy cảm servo”.
Sự điều chỉnh lại một cách nhạy cảm (VM lớn).
Sự điều chỉnh lại một cách nhạy cảm đƣa đến kết quả là có sự tác động vào một số lớn các lệnh trong một đơn vị thời gian. Trong trƣờng hợp xấu nhất, động cơ servo làm chuyển động các bàn trƣợt tiến lên, lùi về nhanh đến mức làm cho điện cực rung động, khiến hiệu quả phóng điện giảm.
Hình 3.10:Độ nhạy cảm điều chỉnh khe hở VM.
Sự điều chỉnh lại một cách không nhạy cảm (VM nhỏ).
Sự điều chỉnh lại một cách không nhạy cảm tức là chỉ tạo ra một ít các lệnh điều khiển trong một đơn vị thời gian. Trong trƣờng hợp xấu nhất, điện cực giữ quá lâu trong