3. Nội dung chính của đồ án:
2.3 Đặc tính về điện của sự phóng điện
Điện áp đánh lửa là điện áp cần thiết để tạo sự phóng điện ban đầu. Uz đƣợc cung cấp khi máy phát đóng dòng điện, gây ra sự phóng tia lửa điện để đốt cháy vật liệu. Điện áp Uz càng lớn cho phép sự phóng điện càng nhanh và cho phép khe hở phóng điện càng lớn. Ảnh hƣởng của điện áp đánh lửa nhỏ hơn ảnh hƣởng của độ dài xung và khoảng cách xung.
34
2.3.2 Điện áp phóng tia lửa điện Ue
Khi bắt đầu phóng tia lửa điện thì điện áp tụt từ Uz xuống đến Ue.Đây là điện áp trung bình trong suốt thời gian phóng tia lửa điện. Điện áp Ue là một hằng số vật lý không điều chỉnh đƣợc mà phụ thuộc vào hằng số vật lý của cặp điện cực phôi.
2.3.3 Dòng phóng tia lửa điện Ie
Dòng điện Ie là giá trị trung bình của dòng điện từ khi bắt đầu phóng tia lửa điện đến khi ngắt điện. Khi bắt đầu phóng dòng điện tăng mạnh từ 0 đến Ie. Dòng Ie ảnh hƣởng lớn đến năng suất bóc vật liệu, độ mòn điện cực và chất lƣợng bề mặt gia công.Ta có thể khẳng định Ie càng lớn thì năng suất bóc vật liệu càng lớn, độ nhám bề mặt gia công càng lớn nhƣng độ mòn điện cực càng giảm.
2.3.4 Độ dài xung ti
Đây là khoảng thời gian giữa hai lần đóng-ngắt của máy phát trong cùng một chu kỳ phóng điện. Độ kéo dài xung ti là tổng của thời gian trễ đánh lửa td và thời gian phóng tia lửa điện te:
ti= td + te
Thời gian phóng tia lửa điện te ảnh hƣởng lên: + Tỷ lệ hớt vật liệu
+ Độ mòn điện cực
+ Chất lƣợng bề mặt gia công
Quan hệ giữa thời gian phóng tia lửa điện với năng suất bóc vật liệu MRR, độ mòn tƣơng đối của điện cực dụng cụ θ và nhám bề mặt Ra đƣợc thể hiện trong hình 2.15.
Hình 2.15:Ảnh hưởng của thời gian phóng tia lửa điện te đến năng suất Vw.
Hình 2.15 cho thấy rằng năng suất bóc vật liệu khi Ie=2A và 4A thì thấp hơn nhiều so với Ie = 8A. Đối với dòng phóng tia lửa điện Ie = 4A năng suất bóc vật liệu Vw đạt tối đa là 0.8 mm3/phút tại thời gian phóng điện te=50µs. Điều này đƣợc lý giải bởi năng suất bóc
35
vật liệu Vw là tỷ lệ thuận với năng lƣợng W=Ue.Ie.te [J], tăng năng lƣợng của W dẫn đến tăng giá trị năng suất bóc vật liệu Vw. Liên quan đến quá trình của tốc độ cắt bỏ vật liệu Vw với Ie=8A, có thể chỉ ra từ hình a đó là thời gian te tăng đồng thời Vw cũng tăng lên đến một giá trị tối đa te tối ƣu cụ thể. Ngoài điểm này Vw bắt đầu giảm. Điều này giải thích do thời gian te dài hơn làm giảm áp lực và năng lƣợng của các kênh plasma trên kim loại nóng chảy điện cực. Nhƣ một hệ quả, hiện tƣợng này mang đến sự bất ổn định vào quá trình này. Đối với ba dòng phóng tia lửa điện Ie tức là (2, 4, 8A) thử nghiệm khi thời gian phóng điện te>100 µs sẽlàm giảm Vw, mặc dù kết quả này không có mặt trong các đồ thị.
Hình 2.16:Ảnh hưởng của thời gian phóng tia lửa điện te đến độ nhám bề mặt Ra.
Các kết quả của độ nhám bề mặt Ra so với thời gian xả te đƣợc mô tả trong Hình 2.16. Độ nhám thấp nhất Ra=0,9 đạt đƣợc khi Ie = 2A tại te=3,2ms. Tuy nhiên, hai đặc điểm quan trọng chúng ta có thể nhận thấy: Khi EDM với Ie=4A và 8A thì độ nhám bề mặt tăng theo thời gian te. Điều này đƣợc giải thích bởi năng lƣợng cao W=Ue.Ie.te [J], sự gia tăng của năng lƣợng W dẫn đến tăng giá trị của Vw. Vì vậy, những hố sâu hơn và lớn hơn đƣợc tạo ra trên bề mặt của các mẫu. Đặc điểm thứ hai là cho Ie=2A sự biến đổi của thời gian te từ 3,2 đến 50 µs không thay đổi đáng kể các giá trị của độ nhám bề mặt Ra. Nó có thể liên quan đến thực tế là thời gian xả rất dài te gây ra tăng quá nhanh đƣờng kính kênh plasma, làm giảm áp lực của plasma trong khoang nóng chảy. Kết quả là do khoảng cách làm việc nhỏ các hạt bị xói mòn không sơ tán đƣợc, thay vào đó các nguyên tử đƣợc tích lũy trong miệng núi lửa và môi trƣờng xung quanh. Hiện tƣợng này có thể dùng để sản xuất bề mặt nhẵn trong gia công, nhƣ đã trình bày bởi Amorim & Weingaertner (2005).
36
Hình 2.17:Ảnh hưởng của thời gian phóng tia lửa điện te đến độ hao mòn dụng cụ θ.
Từ Hình 2.17 ta thấy rằng các độ hao mòn tƣơng đối θ là khoảng 2,0% và 2,6% tƣơng ứng với Ie = 4 và 8 A tại thời gian tối ƣu te=50 ms. Tuy nhiên đối với Ie = 2 A và te = 50 ms, thì θ là khoảng 6%. Điều này có nghĩa là độ mòn tƣơng đối của điện cực θ (Ve / Vw) cao hơn khi dòng phóng tia lửa điện Ie thấp hơn khi EDM với điện cực CuW. Kết quả cho thấy thể tích vật liệu điện cực bị bóc đi Ve và thể tích vật liệu chi tiết bị bóc đi Vw gây giảm độ mòn tƣơng đối của điện cực θ (Ve/Vw) khi dòng điện Ie tăng. Mặt khác cho EDM bằng đồng nguyên chất là vật liệu điện cực thì xảy ra một hiện tƣợng ngƣợc lại tức là tăng dòng điện Ietức là làm tăng θ, nhƣ nhận xét của Amorim & Weingaertner (2004). Điều này đƣợc giải thích bởi điểm nóng chảy (10830C) của đồng.
2.3.5 Khoảng cách xung to
Đây là khoảng thời gian giữa hai lần đóng ngắt của máy phát thuộc 2 chu kỳ xung kế tiếp nhau, to còn đƣợc gọi là độ kéo dài nghỉ của xung.
2.3.6 Tần số phóng điện
Tùy thuộc vào dạng gia công mà sử dụng tầ số phát xung khác nhau. Khi gia công thô, sử dụng tần số thấp, độ dài xung lớn, năng suất bóc vật liệu cao tuy nhiên chiều sâu lớp nóng chảy đông rắn lớn. Khi gia công tinh, sử dụng tần số cao, độ bóng bề mặt cao, các miệng núi lửa nhỏ hơn, lớp nóng chảy đông rắn mỏng hơn và vùng ảnh hƣởng nhiệt mỏng hơn.
37 Trong đó : to khoảng cách xung
ti độ dài xung
Hình 2.18:Ảnh hưởng tần số đến bề mặt gia công.
2.4 Nguyên Lý Gia Công Máy EDM2.4.1 Nguyên lý gia công điện cực thỏi 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