3. Nội dung chính của đồ án:
2.4 Nguyên Lý Gia Công Máy EDM
2.4.1 Nguyên lý gia công điện cực thỏi
Điện cực dụng cụ đƣợc chế tạo sao cho biên dạng của nó giống với biên dạng bề mặt cần gia công. Dụng cụ đƣợc tiến đến chi tiết gia công nhờ dẫn động bởi cơ cấu servo để đảm bảo khoảng cách giữa hai điện cực không đổi, thƣờng là 0,01†0,04 mm (khi gia công thô). Chi tiết gia công đƣợc gắn chặt trên bàn máy trong một thùng chứa dung dịch điện môi. Chuyển động đƣợc gắn chặt trên bàn máy trong một thùng chứa dung dịch điện môi. Chuyển động của chi tiết đƣợc điều khiển theo chƣơng trình số. Dung dịch điện môi thƣờng xuyên đƣợc cung cấp nhờ bơm và hệ thống lọc. Tần số trong quá trình phóng tia lửa điện có thể lên đến 500.000Hz, điện áp từ 50†300V và cƣờng độ trung bình từ 30†1500A. Kết quả là một lƣợng vật liệu bị bóc ra khỏi chi tiết gia công và điện cực dụng cụ chéo hình dáng của nó lên chi tiết.
38
Các thành phần cơ bản của một hệ thống EDM đƣợc minh họa bên dƣới. Cácphôi đƣợc gắn trong một thùng chứa dung dịch điện môi trên bàn máy và các điện cực đƣợc gắn trên trục của máy. Một dộng cơ servo DChoặc xi lanh thủy lực di chuyển trục (điện cực) trong một chuyển động thẳng đứng vàduy trì vị trí thích hợp của điện cựcvới phôi. Cácđịnh vị đƣợc điều khiển tự độngvà với độ chính xác bởi hệ thống servovà hệ thống cung cấp điện. Trong thời gian bình thƣờng hoạt động điện cực không bao giờ chạm phôi, nhƣng bị ngăn cách bởi một khoảng cách đánh tia lửa điện.
Trong thời gian hoạt động, trục di chuyển điện cực hƣớng về phôi cho đến khi không gian giữa chúng làm cho điện áp trong khoảng cách đó có thể ion hóa các chất điện môi và cho phép phóng tia lửa điện từ điện cực đến phôi. Tần số trong quá trình phóng tia lửa điện có thể lên đến 500.000Hz. Việc đánh tia lửa điện luôn ƣu tiên xảy ra nới có khoảng cách ngắn nhất, qua khoảng cách hẹp nhất đến điểm cao nhất hoặc gần nhất trên phôi. Lƣợng nguyên liệu lấy ra từ phôi thì tỷ lệ thuận với năng lƣợng W.
Mỗi lần phóng tia lửa điện làm nóng chảy hoặc bốc hơi một khu vực nhỏ trên bề mặt phôi. Kim loại nóng chảy sau đó đƣợc làm lạnh trong chất điện môi và rắn lại thành nhữnghạt nhỏ hình cầu đƣợc đẩy ra xa bởi áp lực của chất điện môi. Các tác động của xung đƣợc giới hạn trong một khu vực nhất định, các vị trí đó đƣợc xác định bởi hình dạng và vị trí của các điện cực.Cả phôi và điện cực điều gập trong chất lỏng điện môi, chất điện môi có tác nhƣ một chất cách điện để giúp kiểm soát sự phóng tia lửa.
Ngoài ra chất điện môi cũng thực hiện các chức năng làm mát và làm giảm nhiệt độ cực cao trong các khe. Quan trọng hơn, chất điện môi đƣợc bơm qua khe giữa phôi và điện cực đƣa nhƣng hạt hình cầu ra khỏi vùng đánh lửa. Việc này ảnh hƣởng đến tỉ lệ kim loại bị bốc ra khỏi vật liệu phôi và tạo điều kiện gia công tốt. Bởi vì EDM làm mòn kim loại bằng tia lửa điện thay vì dụng cụ cắt bằng kim loại, độ cứng của phôi không ảnh hƣởng đến việc gia công nó bằng máy EDM.Một điện cực graphite hoặc điện cực kim loại tƣơng đối mềm có thể dễ dàng gia công thép dụng cụ đƣợc tôi cứng hoặc Cacbit Vonfram. Đây là một trong những lợi ích hấp dẫn của việc sử dụng quá trình EDM để gia công. Thay vì gia công phôi trƣớc khi xử lý nhiệt, phôi có thể đƣợc gia công bằng EDM sau khi xử lý nhiệt. Điều này giúp loại bỏ nguy cơ phá hủy hoặc biến dạng mà có thể phải bỏ đi một phôi đắt tiền trong xử lý nhiệt.Các nguyên tắc cơ bản của dây cắtEDM cơ bản là giống nhƣ diesinkingEDM mô tả ở trên.
39
Hình 2.19:Nguyên lý gia công điện cực thỏi.
2.4.2 Nguyên lý gia công điện cực dây
Về cơ bản phƣơng pháp cắt dây EDM cũng giống phƣơng pháp gia công điện cực thỏi. Sự khác nhau của chúng đƣợc thấy rõ ở chỗ thay vì sử dụng những điện cực có hình dạng phức tạp, gia công cắt dây EDM dùng điện cực là một sợi dây có đƣờng kính 0,1÷0.3mm. Trong quá trình gia công các dây cắt cũng bị ăn mòn rất ít. Do đó bị loại bỏ bằng nhờ cuốn liên tục và chạy theo một contour cho trƣớc, vì thế cắt đƣợc bề mặt 2D hoặc 3D phức tạp. Dây cắt với tốc độ không đổi 0,15÷9(m/ph). Thay vì sử dụng sử dụng chất điện môi thì cắt dây EDM dùng nƣớc khử khoáng.
Chúng ta có thể nói thêm về dây cắt, thƣờng thì chúng đƣợc làm bằng đồng thau nếu muốn hiệu suất cao hơn ngƣời ta chọn dây phủ kẽm để đƣợc bề mặt tốt hơn xem hình 2.21, đồng thời tăng tốc độ cắt, khi đó đƣờng kính dây 0,2÷0.3 mm.
40
Hình 2.21:Bề mặt khi gia công bằng dây cắt đồng thau và dây cắt được phủ kẽm.
Một số khác biệt giữa gia công bằng điện cực thỏi và gia công bằng dây cắt, xem hình 2.22:
+ Khi gia công bằng điện cực thỏi, chi tiết gia công và tia lửa điện đƣợc nhấn chìm trong chất điện môicòn khi gia công bằng cắt dây thì nƣớc khử khoáng đƣợc phun vào vùng gia công.
+ EDM thông thƣờng dùng để gia công các chi tiết 3D nhƣ lòng khuôn hay + Khi gia công bằng điện cực thỏi, sự phóng diện xảy ra giữa mặt đầu điện cực với chi tiết gia công, hình a. Còn khi gia công bằng dây cắt thì sự phóng điện xảy ra giữa mặt bên dây cắt với chi tiết gia công, hình b.
+ Vùng phóng điện khi gia công bằng điện cực thỏi bao gồm mặt đầu và góc của điện cực, hình c. Còn vùng phóng điện khi gia công bằng dây cắt chỉ bao gồm mặt 1800 của dây khi nó tiến đến khi tiết khi gia công, hình d.
41
Hình 2.22:Khác biệt giữa gia công bằng điện cực thỏi và gia công bằng dây cắt.
2.5 Lƣợng hớt vật liệu
Nhƣ đã trình bày ở phần trƣớc năng lƣợng phóng tia lửa điện ảnh hƣởng đến lƣợng hớt vật liệu.
Năng lƣợng phóng tia lửa điện : We= Ue. Ie .te
Theo công thức ta có thể thấy rằng Ue, Ie ,te ảnh hƣởng đến năng lƣợng phóng tia lửa điện. Nhƣng thực tế khi làm thí nghiệm ngƣời ta đã đƣa ra kết luận rằng. Khi tăng dòng điện Ie thì lƣợng hớt vật liệu tăng theo và tốc độ hớt vật liệu nhanh hơn. Khoảng cách xung to và độ dài xung ti cũng ảnh hƣởng đến lƣợng hớt vật liệu. Cụ thể nhƣ khi khoảng cách xung to càng nhỏ sẽ thì lƣợng hớt vật liệu sẽ tăng, nhƣng cũng cần phải lƣu ý là to cần phải nhỏ trong giá trị phù hợp để tránh hiện tƣợng phóng tia lửa điện. Còn khi tăng ti lƣợng hớt vật liệu sẽ tăng. Lƣợng hớt vật liệu cũng chịu ảnh hƣởng bởi các điện cực dụng cụ khác nhau.
Sự đồng đều khi hớt vật liệu: Khi xảy ra phóng tia lửa điện, trên bề mặt phôi xuất hiện 1 “miệng núi lửa” ở điểm A bất kỳ nào mà khoảng cách gần với điện nhất, vì trên bề mặt phôi có độ nhấp nhô không bao giờ phẳng hoàn toàn, sau đó là điểm B,C bất kỳ xem hình 2.23. Khi máy phát đóng–ngắt liên tục thì sự phóng tia lửa điện sẽ tạo ra hàng loạt các miệng núi lửa kế tiếp nhau. Nhờ đó vật liệu đƣợc hớt đi một cách đều đặn trên bề mặt.
42
Bề mặt đƣợc gia công tia lửa điện sẽ hình thành do sự tạo nên các miệng núi lửa li ti này. Năng lƣợng phóng điện đƣợc điều chỉnh một cách phù hợp ta sẽ dƣợc các độ nhám bề mặt nhƣ ta mong muốn.
2.6 Độ chính xác tạo hình khi gia công tia lửa điện
Độ chính xác khi gia công bằng tia lửa điện phụ thuộc vào nhiều yếu tố nhƣ:
- Độ chính xác của máy (bao gồm: độ ổn định về cơ, độ cứng vững của hệ thống công nghệ, độ chính xác về vị trí, hệ thống dẫn hƣớng, các con trƣợt...). Điều này chủ yếu phụ thuộc vào thiết bị mà không chịu ảnh hƣởng của các yếu tố bên ngoài khác. Do đó, ngƣời sử dụng ít cần quan tâm tới yếu tố này, chủ yếu chỉ quan tâm tới việc sử dụng chất dung môi thích hợp để giữ nhiệt độ gia công đƣợc ổn định trong quá trình gia công.
- Các thông số điều chỉnh về điện khi gia công nhƣ Ui, Ie, te, t0, td...đây là phần mà ngƣời sử dụng cần phải quan tâm nhất để có thể lựa chọn đƣợc chế độ gia công phù hợp cho các thiết bị gia công sao cho đạt đƣợc chất lƣợng và năng suất là lớn nhất.
- Tính chất của các điện cực: đó là các tính chất nhƣ vật liệu điện cực, độ chính xác kích thƣớc của điện cực... các yếu tố này ảnh hƣởng tới độ mài mòn của điện cực và ảnh hƣởng tới cả chất lƣợng bề mặt cũng nhƣ độ chính xác gia công của chi tiết gia công.
- Độ chính xác lập trình: yếu tố này chủ yếu phụ thuộc vào nhà sản xuất máy (trong trƣờng hợp ngƣời lập trình lựa chọn cùng một cấp độ chính xác khi gia công) bởi vì nó phụ thuộc vào khả năng điều khiển máy cắt theo đúng contour đƣợc lập trình.
- Ngoài ra, độ chính xác khi gia công còn phụ thuộc vào chất lƣợng của chất dung môi vì nó ảnh hƣởng tới khe hở phóng điện và khả năng thoát phoi khi gia công.
Trên hình 2.24 trình bày quá trình hình thành lỗ khoan bằng tia lửa điện, đƣờng kính lỗ luôn lớn hơn đƣờng kính điện cực và đồng thời bị lỗ côn.
Hình 2.24:Quá trình hình thành lỗ khoan bằng tia lửa điện. Độ côn đƣợc tính bởi công thức sau:
43 Trong đó KT là hằng số kinh nghiệm.
Độ chính xác kích thƣớc phụ thuộc nhiều vào cấu tạo của máy và đƣợc ghi trong catalog của máy. Thông thƣờng độ chính xác gia công vào khoảng 0,01mm. Ở các máy khoan tọa độ EDM độ chính xác gia công đạt đến 0,0025mm.
2.7 Các hiện tƣợng xấu khi gia công tia lửa điện2.7.1 Hiện tƣợng hồ quang 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.