Dòng phóng tia lửa điện Ie có ảnh hưởng lớn nhất lên chất lượng bề mặt và lượng hớt vật liệu (năng suất). Dòng Ie càng mạnh thì lượng hớt vật liệu càng lớn và độ nhám bề mặt cũng càng lớn (độ bóng càng nhỏ).
Bước của dòng điện và độ mòn điện cực: cùng với sự phối hợp vật liệu điện cực phôi thì bước của dòng điện có ảnh hưởng rất lớn đến độ mòn của điện cực. 2.5.2 Độ kéo dài xung ti
Là khoảng thời gian giữa hai lần đóng của máy phát trong cùng một chu kỳ phóng điện.
ti = td + te (Trích công thức 2.3,[1]) Trong đó:
td: thời gian trễ đánh lửa (s). te: thời gian phóng tia lửa điện (s).
Độ kéo dài xung ảnh hưởng tới: + Lượng hớt vật liệu (năng suất). + Độ mòn điện cực.
+ Độ nhám bề mặt gia công. 2.5.3 Khoảng cách xung t0
Là khoảng thời gian giữa hai lần ngắt-đóng của máy phát thuộc chu kỳ phóng điện kế tiếp nhau. Khoảng cách xung t0 thường chọn để phản ánh một tỷ lệ đã cho đối với độ kéo dài xung.
Khoảng cách xung t0 càng lớn thì lượng hớt vật liệu We càng nhỏ và ngược lại. Tuy nhiên t0 phải đủ lớn để chất điện môi có đủ thời gian thôi ion hoá và các phoi đã bị ăn mòn được đưa ra khỏi vùng có tia lửa điện. Người ta chọn khoảng cách xung theo nguyên tắc sau:
+ Chọn đúng tỷ lệ ti/t0.
+ Chọn t0 đủ nhỏ để có thể hớt được một lượng vật liệu phôi lớn. + Chọn t0 đủ lớn để tránh các lỗi của quá trình.
2.5.4 Điện áp đánh lửa Ui
Dùng điện áp đánh lửa Ui để khởi đầu sự phóng tia lửa điện. Cùng bước của dòng điện, Ui có ý nghĩa quyết định tới chiều rộng khe hở phóng điện.
2.5.5 Khe hở phóng điện
Các yếu tố Ui, Ie, ti, t0 chỉ ảnh hưởng tới yếu tố phóng tia lửa điện, còn với tia lửa điện như thế để bóc đi một lượng phôi là nhiều hay ít phụ thuộc vào khe hở phóng điện. Vấn đề chính là làm sao để có duy trì được khe hở tối ưu đó. Việc đó được thực hiện bằng sự điều khiển khe hở phóng điện.
+ Để đo được khe hở phóng điện người ta thực hiện việc đo điện áp phóng điện Ue. Nếu Ue càng tăng thì khe hở phóng điện càng tăng và ngược lại.
+ Điện áp khe hở (Ue) và khe hở phóng điện. Để duy trì một chiều rộng khe hở phóng điện là hằng số thì điện áp khe hở giữa điện cực và phôi cần phải được điều chỉnh.
+ Năng lượng phóng tia lửa điện: We = Ue.Ie.te (Trích công thức 2.4) [1]
Khi vận hành máy các thông số Ui ,Ie , ti, to, đã được lựa chọn phù hợp với nhu cầu gia công. Hệ điều khiển sẽ tự động điều chỉnh khe hở để phù hợp với bước của dòng điện và Uz, đó là trên lý thuyết. Tuy nhiên trên thực tế gia công các rãnh sâu cần có khe hở phóng điện lớn hơn lý thuyết một chút để các phoi bị ăn mòn có thể bị thổi ra khỏi khe hở phóng điện do đó thường khe hở phóng điện này được đặt trước khi gia công.
2.6 Các vấn đề liên quan đến điện cực.
2.6.1. Yêu cầu của vật liệu điện cực.
Mọi vật liệu dẫn điện và dẫn nhiệt đều có thể dùng làm điện cực. Nhưng để sử dụng chúng một cách kinh tế và hiệu quả thì chúng phải thỏa mãn các yêu cầu sau:
+ Có tính dẫn điện tốt.
+ Có các tính chất nhiệt vật lý tốt như độ dẫn nhiệt, khả năng nhận nhiệt, có điểm nóng chảy và điểm sôi cao.
+ Có tính gia công tốt, nghĩa là phải dễ gia công. Đồng thời vật liệu điện cực phải rẻ, có khối lượng riêng nhỏ để có thể chế tạo các điện cực lớn nhưng không quá nặng làm ảnh hưởng đến khả năng chịu tải của máy.
2.6.2. Các loại vật liệu điện cực.
Người ta phân biệt ba nhóm vật liệu điện cực:
+ Nhóm vật liệu kim loại: Đồng điện phân, đồng-volfram, bạc-volfram, đồng thau và thép.
+ Nhóm vật liệu phi kim loại: Graphit.
Ngoài ra, các vật liệu như: thép, volfram, nhôm, molipđen, hợp kim cứng.... chỉ
được sử dụng làm điện cực trong một số ứng dụng đặc biệt. Dưới đây ta đi tìm hiểu một vài vật liệu điện cực phổ biến nhất trong gia công tia lửa điện.
Trong nhóm vật liệu kim loại, thường dùng đồng điện phân và đồng- volfram. Sau đây là một số vật liệu thông thường dùng làm điện cực:
+ Đồng điện phân:
Đồng điện phân chứa ít nhất 99,92% Cu và tối đa 0,005% O2. Khối lượng riêng: 8,9g/cm3.
Điểm nóng chảy: 1083 °C.
Điện trở riêng: 0,0178 Ωmm2/m.
Đồng điện phân phù hợp để gia công thép. Nó có thể được dùng nhiều lần để gia công thô hoặc gia công tinh. Việc gia công đồng điện phân hầu như không có khó khăn gì nhưng khó hơn graphit. Điện cực đồng điện phân cần được khử ứng suất nội để tránh bị biến dạng do sự giải phóng ứng suất nội trong khi gia công tia lửa điện.
Ưu điểm:
+ Điện cực đồng điện phân có độ hớt vật liệu cao và độ mòn nhỏ. Nhược điểm:
+ Điện cực bằng đồng điện phân nặng và có độ dãn nở vì nhiệt lớn.
+ Điện cực bằng đồng điện phân dễ bị biến dạng nên khi làm các điện cực mảnh dẻ thì điện cực không ổn định về hình dáng.
- Đồng - Volfram:
+ Đồng-volfram gồm (65 - 80)% W, còn lại là đồng. + Khối lượng riêng: (15 - 18) g/cm3.
+Điểm nóng chảy: khoảng 2500 °C.
+Điện trở riêng: (0,045 - 0,055) Ωmm2/m.
Điện cực bằng đồng- volfram có độ bền mòn cao là nhờ có mặt của volfram, có tính dẫn điện cao là nhờ có đồng. Điện bằng đồng- volfram đạt được chất lượng bề mặt gia công tia lửa điện tương đương với điện cực đồng điện phân, nhưng đồng- volfram có độ bền cao hơn. Lượng hớt vật liệu tốt hơn đồng điện phân, nhưng tính gia công kém hơn.
Nhược điểm lớn của đồng- volfram là khối lượng riêng lớn và giá thành cao nên kích thước của điện cực bị giới hạn.
- Graphit:
+ Graphit là cacbon tinh khiết với 0,1% tro.
+ Khối lượng riêng: (1,6 - 1,85) g/cm3.
+
Điện trở riêng: (8 - 15) Ωmm2/m.
+ Độ bền gẫy: (200 - 700) kg/cm2
Graphit có cấu trúc gốm nên nó có độ bền hình dáng-nhiệt rất cao và hơn nữa, nó rất bền nóng. Graphit cũng thích hợp để gia công thép. Khi gia công thép, nếu graphit đấu cực dương sẽ có độ mòn ít hơn so với đồng. Với đồng điện phân, nếu tăng cường độ phóng điện thì luôn luôn gắn với việc điện cực bị mòn nhiều hơn. Nhưng ở graphit thì khác, nếu tăng cường độ phóng tia lửa điện thì sự mòn điện cực không đổi, chỉ khi dòng phóng tia lửa điện rất cao (trên 200A) thì mới có sự thay đổi độ mòn điện cực.
Ưu điểm:
+ Graphit có thể được gia công cơ một cách rất dễ dàng, và được chế tạo nhanh
hơn đồng 10 lần.
+ Do khối lượng riêng thấp nên graphit trở thành vật liệu lý tưởng để làm các điện cực lớn.
+Graphit có độ bền nhiệt cực kỳ cao, không bị nóng chảy ngay cả ở 36000 °C.
+ Graphit có độ bền xung nhiệt.
+ Graphit có độ dẫn nhiệt cao hơn nhiều kim loại.
+ Độ giãn nở nhiệt rất thấp, bằng 3.10-6/K và chỉ bằng 1/6 độ giãn nở nhiệt của đồng điện phân 17.10-6/K.
+ Dưới tác dụng của nhiệt trong quá trình gia công tia lửa điện các điện cực graphit vẫn giữ được hình dáng ngay cả khi các điện cực có thành mỏng và phức tạp.
Nhược điểm:
+ Graphit dòn, làm yếu đôi chút quan hệ mài mòn ở góc điện cực.
+ Graphit không thích hợp khi gia công tinh, do đạt độ nhám thấp. Graphit có độ hạt càng nhỏ thì càng đắt.
- Đồng-graphit:
Khối lượng riêng: (2,4 - 3,2) g/cm3
Điện trở riêng: (3 - 5) Ωmm2/m.
Độ bền gẫy: (700 - 900) kg/cm2. Chú ý 1:
Điện cực đồng gia công hợp kim siêu cứng. “+” Điện cực sử dụng để cắt thô.
“-” Điện cực sử dụng để cắt tinh. Chú ý 2:
Điện cực Graphit gia công thép.
“+” Điện cực sử dụng với kiểu làm khuôn lỗ. “-” Điện cực sử dụng với kiểu làm khuôn cắt đứt.
2.7 Lập trình gia công trên máy cắt dây tia lửa điện.
Lập trình gia công tia lửa điện cũng sử dụng ngôn ngữ ISO-CNC trên cơ sở các mã “G”. Trong chương trình gia công trên máy cắt dây có thể tồn tại 02 loại chương trình là chương trình chính (Main Program) và chương trình con (Sub Program).
Thường khi có những đoạn gia công lặp đi lặp lại trong chương trình chính thì sử dụng chương trình con để đơn giản hoá và rút gọn chương trình gia công. Nếu trong chương trình chính có lệnh “Execute Sub Program” thì chương trình sẽ tự động chuyển sang chương trình con, ở cuối chương trình con thường có dòng lệnh “Return to Main Program” để quay trở lại chương trình chính.
Các trục điều khiển và hệ toạ độ:
Máy cắt dây sử dụng cấu hình trục X,Y,Z,U,V.
Trục X do bàn trượt phía trên mang đầu máy dịch chuyển theo phương ngang, từ trái sang phải (chiều +X).
Trục Y do bàn trượt phía dưới mang phôi dịch chuyển trong phương nằm ngang, từ phía trước ra phía sau (chiều +Y).
Trục Z do bộ dẫn dây phía trên dịch chuyển thẳng đứng từ dưới lên (chiều +Z).
Ở bộ dẫn dây phía trên có các bàn trượt lắp trong đầu máy, chúng được mang trong các truyền động của trục X. bên trong bàn trượt X có bố trí các bàn trượt nhỏ có thể di chuyển độc lập theo các phương U//Xvà V//Y, đó là các trục U và V để điều chỉnh khi cắt côn. Thực tế, trong khi lập trình ta phải quan niệm rằng chỉ có dây điện cực chuyển động còn phôi thì đứng yên. Trong lập trình gia công trên máy cắt dây tia lửa điện cũng có 02 dạng hệ toạ độ có thể được sử dụng:
+ Hệ toạ độ tương đối: lập trình với các giá trị toạ độ thực hiện theo gia số của toạ độ trước đó.
Sử dụng lệnh G91.
+ Hệ toạ độ tuyệt đối: sử dụng lệnh G90, các giá trị toạ độ được tính theo toạ độ điểm gốc của phôi W.
Kết luận Chương 2
Cắt dây bằng tia lửa điện (EDM) là phương pháp chủ yếu đựơc sử dụng để chế tạo các lỗ định hình trong khuôn đột dập, các điện cực dùng cho gia công xung định hình, các dưỡng kiểm, các hình dáng 3D, các côngtua phức tạp,...
Khi gia công bằng cắt dây nói chung có ưu điểm là: độ chính xác cao, thao tác vận hành đơn giản. Tuy nhiên, chất lượng bề mặt và năng suất gia công phụ thuộc rất nhiều vào các yếu tố công nghệ. Vì vậy cần nghiên cứu và thiết lập những mối quan hệ cụ thể giữa các yếu tố đó với năng suất và chất lượng bề mặt khi gia công.
Ở nước ta, các công trình nghiên cứu về sự ảnh hưởng của các thông số công nghệ đến quá trình gia công trên máy cắt dây còn ít, chưa theo kịp với sự phát triển của máy móc và nhu cầu sản xuất. Đây cũng chính là nguyên nhân để tác giả lựa chọn hướng đề tài này.
Máy cắt dây có thể gia công nhiều dạng bề mặt khác nhau với độ chính xác cao
như:
+ Gia công các lỗ trong khuôn đột, khuôn ép kim loại… + Gia công điện cực cho máy cắt dây điện cực thỏi.
+ Cắt các đường biên dạng phức tạp: biên dạng thân khai của bánh răng, biên dạng cam, cắt đường có biên dạng spline,…
+ Cắt các mặt ba chiều đặc biệt như bề mặt bánh răng nghiêng, bề mặt cánh tuabin, các khối nón, khối xoắn ốc, khối parabol, khối elip,…Ngoài ra, còn được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực như hàng không, hạt nhân, ôtô, công nghiệp hóa
chất,…
Nhóm chúng em ứng dụng một phần vào gia công các chi tiết và thiết bị cơ khí:
Chương 3: CẤU TẠO MÁY CẮT DÂY EDM
3.1 Giới thiệu
Các thành phần cơ bản tạo nên một máy cắt dây khá khác so với những máy xung định hình.
Hình 3.1: Minh họa một máy cắt dây với một vị trí bàn làm việc cố định [13]
Ở đây phôi di chuyển trên bàn máy theo 2 phương X-Y, với các dây điện cực được tổ chức ở một vị trí cố định. Bàn máy di chuyển được nhờ động cơ sevo, được điều khiển bởi hệ thống máy tính được lập trình (CNC). Một máy cắt dây muốn gia công chính xác cần phải chú ý tới hệ thống dịch chuyển - dây - ống dẫn. Điều này bao gồm các hướng dẫn dây trên và dưới, các cơ chế căng dây, và tình trạng của dây.
Việc cung cấp dây theo các kiểu khác nhau, tùy thuộc vào thiết kế và vật liệu. Người điều khiển cần phải đánh giá được khả năng gia công của các dây, từ đó có thể chắc chắn khả năng gia công đạt độ chính xác tốt nhất trong một khoảng thời gian dài
Có hai bộ phận quan trọng không được hiển thị trong hình 3.1. Đây là bộ phát tia lửa điện với dây điện cực và các cơ chế nâng cao để điều chỉnh khoảng cách thẳng đứng giữa các hướng dẫn dây để có thể chứa chiều cao phôi khác nhau. Để máy cắt
dây làm việc có hiệu quả tốt, các điểm tiếp xúc điện cần phải sạch. Một số chỗ bị bẩn sẽ gây ra các vấn đề trong quá trình gia công.
Các dây dẫn đầu là bình thường có thể điều chỉnh cho chiều cao phôi, các dây dẫn dưới được cố định ở gần bề mặt đáy của phôi. Dây cắt phải được kiểm tra định kỳ và cũng cần được kiểm tra cho sạch sẽ. Nếu bị mòn hoặc bẩn hướng dẫn điện cực có thể gây ra gia công không chính xác và máy làm việc thất thường. Các hướng dẫn trên của cơ chế nâng cao phải được thiết lập đúng cách để các cơ cấu cơ khí sẽ không tiếp xúc với bề mặt của các phôi trong quá trình hoạt động.
3.2 Cơ cấu máy cắt dây
Một hệ thống dây EDM gồm bốn thành phần chính : Bộ phận điều khiển (CNC )
Nguồn cung cấp: Cung cấp năng lượng cho các tia lửa điện
Hệ thống điện môi: Các hồ chứa nước, nơi lọc, điều kiện của nước (điện trở suất / dẫn ) và nhiệt độ của nước được cung cấp và duy trì.
Phần Cơ: Bàn làm việc, đơn vị côn, và cơ chế ổ dây 3.2.1 Hệ thống điều khiển
Máy cắt dây kèm theo là một module khép kín, thiết kế để bảo vệ các thành phần tử điện tử từ việc tiếp xúc với chất điện môi.Tại khu vực làm việc và vị trí nguồn cung cấp dây đều có cửa bảo vệ. Trong quá trình gia công thường có một cửa sổ xem để quan sát phôi trong chu kỳ đánh điện. Tuy nhiên, với tỷ lệ chất điện môi chảy cao được sử dụng, ta rất khó để nhìn thấy rõ quá trình gia công , do khối lượng của chất lỏng chảy vào cửa sổ xem. Hệ thống máy tính điều khiển của các loại máy này theo dõi tất cả các điều kiện gia công, và trong hầu hết trường hợp, nó hiển thị trực quan các hình dạng được gia công.
Máy cắt dây cung cấp cho các hoạt động gia công hai, bốn, và năm trục. Các trục được xác định là trục X, trục Y,trục U, V trục và trục Z. Trong hoạt động, trục X và U là song song theo hướng hoạt động, các trục Y và V là song song trong hoạt động của người điêu khiển, trong khi trục Z là vuông góc với trục X-U và Y-V. U và
V trục bù đắp dây cắt từ vị trí thẳng đứng. Điều này cho phép máy cắt dây gia công các bề mặt theo chiều dọc trên phôi khi trục U và V định vị trí các dây dẫn đầu trực tiếp trên dây dẫn phía dưới.