3. Nội dung chính của đồ án:
2.1 Bản chất vật lý của quá trình phóng điện
Gia công tia lửa điện hay ăn mòn điện là sự ăn mòn kim loại bằng tia lửa điện. Trong quá trình gia công, dụng cụ và chi tiết là hai điện cực, trong đó dụng cụ là catốt, chi tiết là anốt của một nguồn điện một chiều có tấn số 50†500kHz, điện áp 50†300V và cƣờng độ dòng điện 0.1†500A.
Hai điện cực này đƣợc đặt trong dung dịch cách điện đƣợc gọi là chất điện môi. Khi cho hai điện cực tiến lại gần nhau tới một khoảng cách nhất định thì giữa chúng có điện trƣờng. Khi điện áp tăng lên thì từ bề mặt cực âm có các điện tử phóng ra, tiếp tục tăng điện áp thì chất điện môi giữa hai điện cực bị ion hóa làm cho chúng trở nên dẫn điện, làm xuất hiện tia lửa điện giữa hai điện cực. Nhiệt độ ở vùng có tia lửa điện lên rất cao, có thể đạt đến 12.000o C, làm nóng chảy, đốt cháy phần kim loại trên cực dƣơng.
Trong quá trình phóng điện, xuất hiện sự ion hóa cực mạnh và tạo nên áp lực va đập lớn, đẩy phoi ra khỏi vùng gia công. Toàn bộ quá trình trên xảy ra trong thời gian rất ngắn từ 10-4÷10-7s. Sau đó mạch trở lại trạng thái ban đầu và khi điện áp của tụ đƣợc nâng lên đến mức đủ để phóng điện thì quá trình trên lại diễn ra ở điểm có khoảng cách gấn nhất.
Phoi của quá trình gia công là các hạt kim loại bị tách ra khỏi các điện cực và đông đặc lại thành những hạt nhỏ hình cầu. Khi các hạt này bị đẩy ra khỏi vùng gia công, khe hở giữa hai điện cực lớn lên, sự phóng điện không còn nữa. Để đảm bảo quá trình gia công liên tục, ngƣời ta điều khiển điện cực dụng cụ đi xuống sao cho khe hở giữa hai điện là không đổi và ứng với điện áp nạp vào tụ C.
Mạch điện trong gia công EDM phải cung cấp dòng điện “ xung” một chiều qua khe hở điện cực. Có nhiều kiểu mạch điện khác nhau để tạo dòng “xung”. Hầu hết các kiểu mạch đều có một tụ điện để nạp điện, tích điện trƣớc khi phóng điện. Hình 2.1 là sơ đồ máy phát xung RC đơn giản. Nguyên lý hoạt động của nó nhƣ sau: Điện áp cung cấp Uo qua điện trở R nạp điện cho tụ C. Khi điện áp của tụ tích lên đến Uo bằng điện áp mồi tia lửa điện thì quá trình phóng điện bắt đầu và duy trì đến lúc Uo giảm xuống đến trị số điện áp tắt. Sau đó tiếp diễn lại quá trình nạp điện cho tụ lặp lại nhƣ trƣớc.
25
Hình 2.1:Sơ đồ nguyên lý gia công tia lửa điện.
Quá trình gia công tia lửa điện đƣợc trình bày qua 9 bƣớc và mối quan hệ giữa hiệu điện thế và cƣờng độ dòng điện trong khi gia công.
Bƣớc 1:Ngƣời ta đặt điện cực và chi tiết trong dung dịch điện môi. Khi hai điện cực tiến lại gần nhau. Mặc dù chất điện môi là một chất cách điện tốt, nhƣng khi có hiệu điện thế đủ lớn có thể gây ra để phá vỡ chất lỏng thành các hạt ion (hạt mang điện), cho phép dòng điện đi từ điện cực đến phôi. Sự có mặt của graphit và hạt kim loại lơ lửng trong chất lỏng có thể giúp dòng điện truyền đi theo hai cách những phần tử dẫn điện giúp ion hóa chất điện môi và có thể truyền điện trực tiếp và những phần tử dẫn điện có thể xúc tác đánh thủng điện.
Vùng điện trƣờng mạnh nhất tại thời điểm mà khoảng cách giữa điện cực và phôi là nhỏ nhất, nhƣ đƣợc biểu thị trên hình 2.2. Trong bƣớc này hiệu điện thế tăng còn cƣờng độ dòng điện bằng 0.
26
Bƣớc 2:Khi số lƣợng hạt ion tăng, thì tính chất cách điện của dung dịch điện môi bắt đầu giảm dọc theo một kênh hẹp chính giữa trong vùng điện trƣờng mạnh nhất bắt đầu giảm mạnh. Điện áp tăng tối đa nhƣng cƣờng độ dòng điện vẫn bằng 0.
Hình 2.3:Bước 2.
Bƣớc 3: Một dòng điện đƣợc thiết lập khi dung dịch điện môi trở nên kém cách điện. Điện áp bắt đầu giảm.
Hình 2.4:Bước 3.
Bƣớc 4: Nhiệt hình thành một cách nhanh chóng ngay khi dòng điện tăng lên và điện áp tiếp tục giảm. Lƣợng nhiệt này làm bốc hơi dung dịch, chi tiết và điện cực dụng cụ, và một kênh phóng điện bắt đầu hình thành giữa điện cực và bề mặt chi tiết.
27
Hình 2.5:Bước 4.
Bƣớc 5: Một bọt hơi nƣớc bắt đầu giãn ra, nhƣng sự giãn này bị giới hạn bởi một luồng ion hƣớng về kênh phóng tia lửa điện. Những hạt ion này bị hút bởi vùng điện trƣờng cao mãnh liệt đã đƣợc hình thành. Dòng điện tiếp tục tăng, điện áp giảm.
Hình 2.6:Bước 5.
Bƣớc 6: Gần cuối thời điểm phóng điện, dòng điện và điện áp đã đƣợc thiết lập, nhiệt độ và áp suất bên trong bọt hơi nƣớc đạt cực đại, và một số kim loại bị bóc ra.
28
Hình 2.7:Bước 6.
Lớp kim loại ngay bên dƣới cột tia lửa điện ở trạng thái nóng chảy, nhƣng nó vẫn còn đƣợc giữ trên bề mặt bởi áp suất của bọt hơi nƣớc. Kênh phóng điện bây giờ bao gồm một kênh dẫn plasma cực nóng đƣợc tạo bởi hơi kim loại, chất điện môi và cacbon với dòng điện cực lớn đi qua nó.
Bƣớc 7: Lúc bắt đầu thời điểm kết thúc phóng điện, dòng điện và điện áp giảm xuống tới không. Nhiệt độ giảm xuống rất nhanh, bọt hơi nƣớc vỡ tan và phần kim loại nóng chảy hóa hơi bị bật ra khỏi bề mặt chi tiết gia công.
Hình 2.8:Bước 7.
Bƣớc 8: Dung môi mới đƣợc đƣa vào bằng tia và mang đi những mảnh vụn trên bề mặt chi tiết, đồng thời dung môi cũng tôi bề mặt chi tiết. Mang đi những kim loại hóa hơi bị đông đặc. Phần kim loại nóng chảy không bị bong tách đông cứng lại hình thành một lớp nhƣ đúc lại.
29
Hình 2.9:Bước 8.
Bƣớc 9: Những kim loại bị bóc ra đông đặc lại thành những hạt hình cầu nhỏ đƣợc dung dịch điện môi mang đi với một ít cacbon điện cực. Những hơi nƣớc còn lại nổi lên mặt.
Hình 2.10:Bước 9.
Các mảnh vụn có thể tập hợp tạo nên sự phóng điện không mong muốn. Trƣờng hợp này có thể tạo nên hồ quang một chiều có thể gây hại đến bề mặt chi tiết và điện cực.
Trình tự đóng/tắt này đại diện cho một chu kỳ EDM, nó có thể đạt tới 500.000 lần trong một giây. Có thể chỉ có một chu kỳ xảy ra tại bất kì thời điểm nào đã cho.
Tùy thuộc vào tình trạng khe hở phóng điện giữa hai điện cực mà có bốn dạng xung điện chủ yếu sau:
30 - Phóng điện hiệu quả ( phóng thực). - Hồ quang.
- Ngắn mạch.
Ảnh hƣởng của các dạng xung đến tốc độ bóc vật liệu và mòn khác nhau đáng kể. Trƣờng hợp hở mạch xảy ra khi khoảng cách giữa hai điện cực quá lớn, dĩ nhiên lúc này quá trình không xảy ra sự bóc vật liệu và điện cực không bị mòn. Khi hai điện cực chạm vào nhau thì xảy ra ngắn mạch, quá trình không xảy ra sự bóc vật liệu và cực dƣơng không bị mòn. Dải khoảng cách giữa hai trƣờng hợp trên là khe hở làm việc thực có thể xảy ra phóng tia lửa điện hoặc hồ quang. Đặc điểm của hai loại xung này là điện áp giảm từ bên này sang bên kia khe hở trong thời gian một xung.
Hình 2.11:Các loại xung khác nhau.
Hồ quang chính là sự phóng điện xảy ra cùng một chỗ mà không có thời gian trễ, đây là một hiện tƣợng xấu, nó gây hại cho dụng cụ và chi tiết. Hồ quang xảy ra khi kênh plasma của xung trƣớc không đƣợc ion hóa hoàn toàn, dòng điện của xung tiếp theo sẽ chạy theo cùng đƣờng dẫn với xung trƣớc. Nói chung khi dòng chảy chất điện môi quá yếu hoặc khoảng cách xung quá ngắn sẽ xảy ra hồ quang. Ngƣời ta tin rằng chỉ phóng tia lửa điện mới có thể bóc vật liệu theo chế độ yêu cầu.
Hình 2.12 trình bày quan hệ của điện áp và dòng điện ở một máy xung định hình trong khoảng thời gian xác định của một chu kì xung. Trong đồ thị này ta thấy dòng điện ie của xung bao giờ cũng xuất hiện trễ hơn một khoảng thời gian td (độ đánh lửa trễ) so với thời điểm bắt đầu có điện áp máy phát ui. Ue và Ie là giá trị điện áp trung bình và dòng điện trung bình khi phóng tia lửa điện.
31
Hình 2.12:Quan hệ giữa điện áp và dòng điện trong một xung
Trong thời gian phóng điện tùy thuộc vào công dụng. Giữa các xung có một độ trễ to, cho phép chất điện môi thôi ion hóa và để có thời gian vận chuyển phoi ra khỏi khe hở giữa hai điện cực.
Trong quá trình gia công có sự ăn mòn ở cả hai điện cực nhƣng không đều nhau. Bằng cách lựa chọn một cách thích hợp các thông số nhƣ độ phân cực, tính dẫn điện, nhiệt độ nóng chảy của vật liệu, thời gian kéo dài xung điện…ta có thể đạt độ mòn 99.5% cho điện cực chi tiết và 0.05% cho điện cực dụng cụ.