3. Nội dung chính của đồ án:
6.2 Các loại vật liệu điện cực
Vật liệu điện cực bao gồm 2 nhóm chính là kim loại và graphit với 5 loại phổ biến là: đồng đỏ, đồng thau, volfram, kẽm và graphit. Thêm vào đó, ngƣời ta còn kết hợp một vài vật liệu điện cực với các kim loại khác để tạo ra loại điện cực composit nhằm tăng hiệu quả cắt gọt (tạo thành nhóm thứ 3).
88
Hình 6.1:Hình ảnh điện cực.
6.2.1Nhóm vật liệu kim loại
Trƣớc đây, vào thời kỳ đầu của EDM, điện cực kim loại đƣợc sử dụng trên hầu hết các máy xung điện. Ngày nay điện cực kim loại chỉ đƣợc dùng khoảng 10% trong các ứng dụng gia công xung điện (trừ khoan lỗ nhỏ).
Ƣu điểm chính của điện cực kim loại là tính dẫn điện cao và vật liệu có độ đồng nhất cao. Nhƣợc điểm chính của chúng là khó chế tạo và tốc độ gia công thấp.
Đồng đỏ, đồng–volfram, bạc–volfram, đồng thau, volfram, nhôm, môlipđen, hợp kim cứng, thép...Trong đó đồng đỏ và đồng–volfram là thƣờng dùng nhất. Các loại vật liệu volfram, nhôm, môlipđen, hợp kim cứng, thép…chỉ đƣợc sử dụng trong một số trƣờng hợp đặc biệt.
- Đồng đỏ
Với sự phát triển của các hệ thống cung cấp điện kiểu xung, transitor hóa, đồng đỏ tinh khiết đã đƣợc lựa chọn làm vật liệu điện cực EDM. Bởi vì sự kết hợp của đồng đỏ và các thiết lập chế độ nguồn nhất định cho phép giảm hao mòn. Nhờ độ đồng nhất về cấu trúc cao mà điện cực đồng đỏ có thể tạo đƣợc bề mặt chi tiết gia công với độ bóng cao. Đồng đỏ chứa ít nhất 99.92% Cu và tối đa 0.005%O2. Khối lƣợng riêng là 8.9g/cm3, điểm nóng chảy là 1083oC, điện trở riêng là 0.0178 Ωmm2/m. Đồng đỏ phù hợp để gia công thép. Nó có thể dùng đƣợc nhiều lần để gia công thô và tinh. Đồng đỏ đƣợc gia công dễ dàng, tuy nhiên khó gia công hơn so với graphit. Điện cực bằng đồng đỏ cần đƣợc khử nội ứng suất để tránh bị biến dạng do sự giải phóng ứng suất nội khi phóng tia lửa điện.
Đồng đỏ có những nhƣợc điểm đáng chú ý sau:
- Tốc độ ăn mòn chi tiết gia công chỉ bằng một nửa so với graphit. - Mềm nên khó mài.
- Khó làm sạch ba via. Thời gian làm sạch ba via có thể dài hơn thời gian chế tạo điện cực.
89
Mặc dù có những nhƣợc điểm lớn nhƣng do tính dễ chế tạo của nó mà nhiều phân xƣởng vẫn thƣờng sử dụng đồng đỏ. Ngoài ra nó còn đƣợc sử dụng phổ biến trên các máy khoan lỗ cao tốc, các ứng dụng khoan cao tốc các lỗ hợp kim trong ngành không gian cũng nhƣ cacbit
Đồng – volfram
Loại vật liệu này kết hợp nhiều ƣu điểm EDM của 2 loại vật liệu thành phần đó là tính dẫn điện cao của đồng và nhiệt độ nóng chảy cao của wolfram. Loại này có tính chống mòn rất tốt, rất thích hợp để gia công cacbit. Cần lƣu ý là loại vật liệu này cắt chỉ nhanh bằng một nửa so với đồng đỏ.Đồng – volfram chứa 65†80%W, có khối lƣợng riêng tử 15† 18g/cm3, điểm nóng chảy khoảng 2500oC, điện trở riêng 0.045†0.055 Ωmm2/m. Loại vật liệu này đƣợc tạo ra nhờ sử dụng công nghệ luyện kim bột. Điện cực làm bằng đồng – volfram có độ bền ăn mòn cao là nhờ sự có mặt của W và tính dẫn điện cao là nhờ Cu. Chất lƣợng bề mặt khi gia công bằng đồng–volfram bằng đồng điện phân nhƣng đồng–volfram có độ bền cao hơn. Lƣợng bóc vật liệu cao hơn so với đồng đỏ tuy nhiên khó chế tạo hơn. Nhƣợc điểm lớn của đồng–volfram là khối lƣợng riêng lớn và giá thành cao.
Teclua–đồng
Vấn đề chính của đồng đỏ là trong quá trình mài để gia công tinh thì phoi sẽ bám vào đá mài gây lì đá, trong trƣờng hợp đó có thể thay thế đồng đỏ bằng tectua – đồng. Teclua – đồng có khả năng gia công tƣơng tự nhƣ đồng thau dễ gia công. Tính chất gia công EDM của nó tƣơng tự nhƣ đồng đỏ. Điều bất lợi duy nhất của teclua – đồng là rất khan hiếm.
Đồng thau
Đồng thau dễ gia công (có pha chì) có thuận lợi chính là dễ tìm và có thể gia công dễ dàng. Tỉ số mòn giữa điện cực và chi tiết từ 1÷6 đối với điện cực nhỏ. Nó thƣờng đƣợc sử dụng để tạo các điện cực hình ống khi khoan lỗ trong trƣờng hợp chấp nhận mài mòn cao. Đồng thau thƣờng đƣợc sử dụng để làm điện cực gia công một số hợp kim của titan trong điều kiện khó thoát phoi. Tuy nhiên nó không đƣợc sử dụng để gia công cacbit volfram vì độ mòn lớn.
Thép
Thép không phải là loại vật liệu điện cực ƣa thích. Tuy nhiên ứng dụng của nó thì giới hạn để hợp với mặt phân khuôn khi nửa khuôn kia dùng nhƣ một điện cực và nửa khuôn kia đƣợc dùng nhƣ chi tiết gia công. Năng suất bóc vật liệu thấp và tỉ số mòn vật liệu chỉ phù hợp cho sự kết hợp nhất định của thép.
Volfram
Volfram có độ cứng cao và tỉ số mòn tốt. Dùng để gia công các lỗ nhỏ, đƣờng kính nhỏ hơn 0.2mm cho những điện cực không thể chế tạo những lỗ để chất điện môi chảy qua. Nhƣợc điểm của loại điện cực này là giá thành cao.
90 Hợp kim kẽm
Loại này chủ yếu dùng để gia công trong trƣờng hợp sản lƣợng lớn, ở đó yêu cầu một số lƣợng lớn điện cực giống nhau đƣợc chế tạo bằng đúc áp lực hoặc dập. Các điện cực có hình dáng phức tạp có thể đƣợc đúc một cách dễ dàng. Chi phí cho điện cực thấp trong khi đó loại điện cực này là tỉ số mòn kém, các góc bị mòn nhanh.
Bạc
Bạc thỉnh thoảng cũng đƣợc sử dụng làm điện cực EDM vì tính dẫn điện cao, độ tinh khiết và tính đồng nhất cao. Chúng đƣợc sử dụng để gia công khuôn làm tiền kim loại. Dĩ nhiên, do chi phí quá cao nên bạc ít đƣợc sử dụng.
Bạc-volfram
Loại này kết hợp đặc tính chống mòn của wolfram và tính dẫn điện cao của bạc. Khi sử dụng chúng làm vật liệu điện cực EDM thì điện lâu mòn và bề mặt chi tiết gia công đạt độ bóng cao. Rất thích hợp cho các ứng dụng có độ tinh xảo cao.Tuy nhiên do tính hiếm và chi phí cao nên loại này chỉ đƣợc dùng rất hạn chế.
6.2.2Vật liệu phi kim loại
Trong nhóm này chỉ có graphit là vật liệu đƣợc sử dụng phổ biến là điện cực. Đây là cacbon tinh khiết với 0.1% tro. Khối lƣợng riêng từ 1.6†1.85g/cm3, điện trở riêng 8÷15mm2/m, độ bền gẫy từ 200†700kg/cm2. Có nhiều loại graphit khác nhau. Dựa vào công dụng ngƣời ta chia thành: gia công thô, gia công tinh hoặc đa năng. Dựa vào kích thƣớc hạt ngƣời ta chia thành 6 loại sau:
- Đặc biệt mịn Angstrom: nhỏ hơn 1µmđƣợc dùng trong các trƣờng hợp gia công các chi tiết cực kỳ tinh xảo.
- Cực mịn: 6-10µmdùng để gia công hàng loạt các khuôn mẫu có yêu cầu khắt khe về độ chính xác và các chi tiết ngành hàng không.
- Mịn: 11-20 µmdùng để gia công các hốc của khuôn mẫu lớn. - Vừa: 21-100 μmthƣờng dùng để gia công các khuôn dập. - Thô: 100 μm.
Ưu điểm của loại vật liệu này là:
- Độ bền nhiệt của graphit cao, thích hợp cho gia công thép. Độ mòn của graphit sẽ ít hơn so với đồng nếu đấu điện cực dụng cụ với cực dƣơng.
- Dễ gia công cơ. Nó đƣợc chế tạo nhanh hơn đồng 10 lần tuy nhiên tạo nhiều bụi gây ô nhiễm.
- Tính dẫn điện tốt, độ dẫn điện là 10μΩm.
- Tính dẫn nhiệt cao hơn nhiều kim loại. Độ dẫn nhiệt giảm khi nhiệt độ tăng. - Độ giãn nở nhiệt thấp, bằng 3.10-6/K và chỉ bằng 1/6 độ giãn nở nhiệt của đồng. Vì vậy graphit giữ đƣợc kích thƣớc chính xác khi gia công. Với những ƣu
91
điểm trên nên graphit ngày càng đƣợc sử dụng rộng rãi để làm điện cực với những kích thƣớc lớn nhỏ khác nhau và hình dáng phức tạp.
Nhược điểm
Tuy nhiên graphite cũng có một số nhƣợc điểm, nhất là các vấn đề liên quan đến môi trƣờng.
Bảng 6.1: Các loại Graphit của các nhà chế tạo khác nhau
Chỉ số Mác Graphit Độ hạt µm Uốn gãy N/mm2 Mật độ g/cm3 Độ cứng Shore Độ rỗng % Đạt đƣợc Graphit nhóm C < 5 75-90 1.8 – 1.9 70-80 5-10 1 ProcoEDM 3 Alectro G1700 2.5 91 1.83 70 6 VDI 21 2 Ringsdorf V940/V1364 3 90 1.90 80 11 3 Carbone Ellor + 35 3 95 1.88 85 7 4 Alectro G1818 3 95 1.90 80 8 5 Novotec Technograph 45 3 95 1.90 90 10 6 Ringsdorf V1354 7 65 1.85 85 10 Graphit nhóm B < 20 50 - 70 1.85 60 -75 10-15 VDI 25 1 Ringsdorf EK 88 10 50 1.85 58 10 2 Novotec Technograph 20/25 10 50 1.85 58 10 3 Erograph 70/ Alectro G700 15 50 1.85 60 12 4 Cacbone Ellor 10/12 20 - 1.85 65 71/10 5 Ringsdorf V135 15 45 1.73 85 15 Graphit nhóm A >10 <50 <1.85 <65 10 - 20
1 Cacbone Ellor +25 20 - 1.82 65 10 VDI
30
92 15 3 Alectro G500/erograph 50 10 42 1.78 54 20 4 Ringsdorf EK 86/85 10 33 1.75 55 12.5 6.2.3Vật liệu composit
Trong nhóm này phổ biến là đồng–graphit. Đây là graphit đã đƣợc thẩm thấu với đồng. Khối lƣợng riêng từ 2.4†3.2g/cm3, điện trở riêng 3÷5Ωmm2/m, độ bền gẫy từ 700÷900 kg/cm2. Nhờ có đồng mà độ bền gãy cao hơn graphit 200 đơn vị, điện trở riêng giảm 3 lần. Loại này có những tính chất tốt của graphit và đồng. Tính dẫn điện cao hơn graphit nhƣng độ mòn ở góc không tốt bằng graphit nguyên chất.
Bảng 6.2: Tính chất vật lý của một số vật liệu làm điện cực
Tính chất Đồng đỏ Graphit Volfram Thép
Điểm nóng chảy, oC 1.080 - 3.395 1.535
Điểm sôi, oC 2.580 >4.000 5.930 2.800
Nhiệt lƣợng để hóa hơi 1cm3 từ
nhiệt độ phòng, cal/cm3 12.740 20.000 22.680 16.900 Tính dẫn nhiệt, Ag = 100 94.3 30.0 29.6 16.2 Tính dẫn điện, Ag = 100 95.6 0.1 48.1 16.2 Độ giãn nhiệt, o C.10-6 16.0 4.5 4.6 15.0 Độ bền, Mpa 241 34 4,137 276
Modun đàn hồi, Mpa.103
124 5.9 352 186
Bảng 6.3:Lựa chọn vật liệu điện cực
Dạng gia công
Vật liệu chi
tết gia công Đồng thau
Zamak Đồng Thép Gang Dura
Graphit Kim lo ại b ột thép H ợp kim bột Thô Thép + + 0 - 0 + + + - Hợp kim cứng + - + - 0 - + + 0 Bán tinh Thép + + + + + + 0 + - Hợp kim - - + + + - 0 + 0
93 cứng Tinh Thép - - + + + - - + - Hợp kim cứng - - + + + - - + 0 Kí hiệu bảng 6.3: +: Nên dùng. -: Không nên dùng.
0: Chỉ nên dùng trong trƣờng hợp đặc biệt.