Khi gia công bằng máy cắt dây, tốc độ cắt giảm khi chiều dày của chi tiết tăng. Thông thường các máy cắt dây sử dụng một mạch tụ được điều khiển bang transistor, tốc độ cắt được điều khiển bởi một giá trị của tụ. Khi sử dụng một tụ cố định để gia công một phôi dày, tốc độ cắt giảm.
3.3.3.6 Chất lượng bề mặt
Hình 3.42 là hai bề mặt được gia công bằng phưong pháp mài truyền thống và
gia công bằng cắt dây EDM.
3.4. Đặc điểm và phạm vi ứng dụng của gia công bằng tia lửa điện3.4.1 Đặc điểm 3.4.1 Đặc điểm
cực rất mảnh.
- Gia cơng các lỗ có đường kính rất nhỏ, các lỗ sâu với tỷ số chiều dài trên
đường kính lớn.
- Do khơng có lực cơ học nên có thể gia cơng hầu hết các loại vật liệu dễ vỡ, mềm... mà không sợ bị biến dạng.
- Do có dầu trong vùng gia cơng cho nên bề mặt gia công được tôi trong dầu.
3.4.1.2 Khuyết điểm.
- Phôi và dụng cụ (điện cực) đều phải dẫn điện.
- Máy gia công làm việc chậm vì vậy phơi thường phải gia cơng thơ trước.
- Do vùng nhiệt độ tại vùng làm việc cao nên gây biến dạng nhiệt.
3.4.2 Phạm vi ứng dụng
Phạm vi ứng dụng quan trọng nhất của PPGC tia lửa điện là gia cơng kim loại có độ cứng khơng giới hạn. Phương pháp này có lợi thế là tạo hình một cách tự động các
rãnh cắt và rãnh thoát hình cơn, có thể gia cơng chi tiết bộng có hình dạng phức tạp với độ chính xác phù họp.
Có thể thay thế cho phương pháp cắt gọt truyền thống trong những trường hợp
mà phương pháp này không kinh tế hoặc khơng đạt được độ chính xác mong muốn.
Trong một số trường họp, nó có thể giúp bỏ những quy trình trung gian nào đó như nhiệt luyện, nắn thẳng, sửa bavia, lắp chi tiết, dao,...
Có thể sử dụng phương pháp này trong một số trường hợp sau:
1. Biến cứng bề mặt chi tiết làm tăng khả năng mài mòn.
2. Chế tạo và phục hồi các khuôn dập đã tôi và khuôn bằng hợp kim cứng.
3. Các lưới sàng, rây bằng cách gia công đồng thời các lỗ bằng điện cực rất
mảnh.
4. Mài phang, mài tròn, mài sắc, hoặc làm rộng lỗ.
7. Gia công khuôn mẫu và các chi tiết cần độ chính xác cao bằng vật liệu hợp
kim cứng...
Câu hỏi ôn tập:
1) Trình bày bản chất của quá trình phóng tia lửa điện. 2) Hãy nêu các buớc quá trình gia cơng tia lửa điện.
3) Trình bày ngun lý gia cơng của q trình gia cơng tia lửa điện dùng điện cục thỏi.
4) Trình bày các thơng số cơng nghệ của q trình gia cơng tia lửa điện dùng điện
cục thỏi.
5) Trình bày khả năng cơng nghệ của q trình gia cơng tia lửa điện dùng điện cục thỏi.
6) Trình bày nguyên lý gia cơng của q trình gia cơng tia lửa điện bằng cắt dây.
7) Trình bày các thơng số cơng nghệ của q trình gia cơng tia lửa điện bằng cắt dây 8) Trình bày khả năng cơng nghệ của q trình gia cơng tia lửa điện bằng cắt dây
9) Hãy so sánh giữa gia công công tia lửa điện dùng điện cục thỏi và gia công tia lửa
Chưong 4
GIA CÔNG BẰNG TIA ĐIỆN TỬ
Mục tiêu:
Sau khi học xong chưong này học sinh có khả năng:
- Trình bày được nguyên lý gia công kim loại bằng tia điện tử.
- Trình bày được các thơng số làm việc khi gia công bằng bằng tia điện tử. - Xác định được ứng dụng của q trình gia cơng bằng bằng tia điện tử.
4.1. Nguyên ký gia công
Gia công tia điện tử (Electric Beam Machining - EBM) là quá trình gia cơng
nhiệt. Mục đích của cơng nghệ gia cơng tia điện tử là biến đổi động năng của điện tử thành nhiệt năng với tỷ lệ cao hơn và nhờ vậy bằng cách làm nóng cục bộ mà ta có thể
tiến hành nhiều PPGC nhiệt khác nhau. Với ngun lý gia cơng này ta có thể gia cơng những chi tiết khó nếu áp dụng PPGC truyền thống. Khả năng PPGC này không chỉ
trong lĩnh vực gia công bằng cách lấy đi phần vật liệu cần gia cơng mà cịn có thể hàn
các chi tiết lại với nhau, đây là lĩnh vực mới của PPGC tia điện tử. Phương pháp này tỏ ra un việt khi gia công những vật liệu cứng, chịu lửa và vật liệu gốm khác.
PPGC bằng chùm tia điện tử dùng năng lượng của chùm tia điện tử hội tụ tại bề
mặt gia cơng làm nóng chảy và bốc hơi vật liệu. Nguyên lý hoạt động của chùm tia điện tử được trình bày trên hình 4.1.
Đến cáp cao áp (30kV, DC)
1- Catot 2- Anot 3- Van
4- Chùm điện tử
5- Thấu kính điện từ để hội tụ chùm tia 6- Cuộn dây điều khiển chùm tia] 7- Bơm chân không cao
8- Chi tiết gia công 9- Bàn máy
Chùm tia điện tử được phát ra từ catot 1 của đầu phát tia. Catot 1 làm bằng w hoặc Ta, được nung nóng đến 2.500°C. Các điện tử chuyển động với tốc độ rất cao và hội tụ lại nhờ thấu kính điện từ 5 thành vệt rất nhỏ lên bề mặt gia công 8. Chi tiết gia công được đặt trên bàn máy trong buồng chân không (khoảng 10'3 4- 10'6mm77g). Tốc độ của chùm tia đạt đến 504-80% tốc độ ánh sáng. Thời gian của xung từ
0,054-100/775. Các điện tử va đập vào bề mặt gia công và chuyển động năng thành nhiệt năng nung nóng, làm chảy hoặc bốc hơi bất kỳ vật liệu nào. Hốc tạo thành có
đường kính rất nhỏ và sâu, hiệu suất biến đổi năng lượng cao, khoảng 65%. Vì chùm
tia điện tử có thể được điều chỉnh hướng tùy ý bởi cuộn dây 6 nên có thể gia cơng được các hình dáng phức tạp với chất lượng cao.
Đe tạo ra chùm tia điện tử có năng lượng cao người ta sử dụng phương pháp tương tự như tạo chùm tia sáng bằng hệ thống quang học.
Trong hệ thống quang học khi chiếu một nguồn sáng s tại tiêu cự của một thấu
kính thì nó sẽ tạo ra một chùm tia sáng song song và nếu như chùm tia sáng này đi vào một thấu kính khác thì tia sáng sẽ hội tụ tại tiêu điểm của thấu kính thứ hai. Đe điều
chỉnh điểm tập trung nguồn sáng có thể thay đổi vị trí của thấu kính thứ hai. Bằng cách
tương tự như thế, khi nung một dây kim loại, điện tử phóng ra sẽ được trực chuẩn do
tác dụng điện trường của tấm điện cực thứ nhất và sau đó do tác dụng hiệu điện thế
giữa hai tấm điện cực điện tử được gia tốc. Súng điện tử này được đặt trong chân
khơng sẽ phóng ra chùm tia điện tử được hội tụ nhờ cuộn dây điện từ (tương đương lăng kính). Neu thiết kế tốt nguồn phóng điện và hệ thống hội tụ thì tại tiêu cự có thể cho chùm tia rất nhỏ mang năng lượng rất cao.
Tác dụng của tia điện tử diễn ra trong thời gian rất ngắn nên chỉ xảy ra nung nóng cục bộ phụ thuộc vào khả năng dẫn nhiệt của vật liệu gia công. Điện áp gia tốc nhanh từ 304-170£K với dòng điện 504-1000pN, công suất phát ra liên tục đến ỈOkỉT,
tạo ra các điện tử với tốc độ lên đến trên 200.000km/s. Toàn bộ năng luợng này đuợc tập trung thành một điểm có đuờng kính từ 0,0104-0,200mm và có năng luợng có thể đến 6.500GW/mm2.
Có thể điều chỉnh nhanh chóng tia điện tử, nhu vậy trong vịng 106 giây có thể
phóng ra tia điện tử và điều chỉnh cơng suất một cách chính xác.
Trong q trình gia cơng dụng cụ phải di chuyển. Với điện truờng hoặc từ truờng ngồi, tia điện tử có thể phóng với tốc độ 1 OOm/s. Ngồi ra, gia cơng tia điện tử có thể dễ dàng tụ động hóa, điều khiển theo chuơng trình để đạt năng suất cao.
4.2. Cơng nghệ và thiết bị4.2.1 . Hàn 4.2.1 . Hàn
Nguyên công hàn thục hiện nhờ chùm tia điện tử có kích thuớc tiết diện ngang lớn từ vài chục đến vài trăm pm, nhung mật độ năng luợng nhỏ khoảng 1054-107JT7cm2 và công suất tiêu hao năng luợng lại lớn có thể vài trăm đến vài chục
kw. Chùm tia này đuợc chiếu tới mối ghép giữa các chi tiết và đốt nóng nó đến nhiệt
độ nóng chảy. Đuờng hàn bằng chùm tia điện tử sạch, khơng bị lẫn khí và các oxit và tạp chất. Năng luợng hàn nhỏ hơn so với các phuơng pháp hàn khác do sụ tập trung năng luợng cao ở tiêu điểm của chùm tia điện tử.
Thiết bị hàn chùm tỉa điện tử dùng khỉ hàn kim loại có thể được chia làm hai loại:
- Thiết bị điện áp thấp, làm việc với điện áp gia tốc đến 154-20£K - Thiết bị điện áp cao, làm việc với điện áp gia tốc đến 1504-200£K.
Ket cấu thiết bị hàn chùm tia điện tử không khác nhiều so với thiết bị chùm tia
Van trụ Buồng hàn Thấu kính điện từ Hệ thống quan sát Màng chắn quang học Chi tiết gia công ê= Van khí vào Van nhánh Cuộn dây làm lệch tia Ẹ ỉ! Nguồn phát xạ Điện cực xê dịch được Anốt
Bộ phận cách ly
—_ Đến hệ thống chân khơng
Hình 4.3 Sơ đồ ngun lý máy hàn bằng tỉa điện tử
Buồng chân không thường được trang bị hệ thống dẫn nước làm mát, hệ thống cung cấp năng lượng cho catot, cho hệ thống tạo từ trường... Buồng chân khơng được
bố trí các cửa đặc biệt để có thể đưa các chi tiết gia cơng và các dụng cụ phục vụ cho q trình cơng nghệ vào. Ngồi ra, xung quanh buồng cịn lắp các dụng cụ tạo độ
chân không ở các phần khác nhau của buồng.
Thơng thường, chiều sâu lóp kim loại bị chảy lỏng khi hàn bằng chùm tia điện tử có thể đạt tới khoảng 20 lần lớn hơn so với bề rộng vết hàn. Do đó, khả năng bám chắc
thường nhiệt độ ở vùng có vệt hàn mỏng ỉ,5mm khơng lên quá 400°C nên không ảnh hưởng đến biến dạng.
Khi hàn bằng chùm tia điện tử không nhất thiết phải dùng những thiết bị để tránh tác hại của tia Rơnghen với mối hàn có kích thước lớn hon ỉmm. Neu mối hàn nhỏ
hon ỉmm thì điều kiện kỹ thuật sẽ phức tạp hon nên cần có thiết bị phịng tránh tia
Ronghen.
Nói chung hàn kim loại bằng tia điện tử sử dụng năng lượng ít hon so với các
phưong pháp khác. Điều này có thể lý giải bằng khả năng tập trung năng lượng vào vị trí cần hàn. Vì kích thước của mối hàn có thể đạt đến khoảng cách ỈOmm nên mật độ năng lượng có thể lên tới 1074-109R7cm2, nghĩa là cao hon nhiều so với phưong pháp
hàn hồ quang (mật độ vào khoảng 1034-105R7cm2) và hàn hơi (mật độ khoảng
1024-104R7cm2).
4.2.2 Khoan, phay, cắt
Khoan bằng tia điện tử được Karl-Heinz Steigerwald (Đức) phát triển vào đầu
thập niên 50 của thế kỷ 20, để khoan các lỗ trên chân kính cho đồng hồ cơ khí. Q
trình khoan và cắt gọt bằng tia điện tử tương tự như quá trình hàn bằng tia điện tử.
Điểm khác biệt chính ở đây là việc sử dụng xung electron năng lượng cao. Chùm tia điện tử dạng xung làm thay đổi sự tương tác của chùm tia và vật liệu, và làm tăng năng lượng nhiệt tập trung theo hàm mũ khi so sánh với năng lượng chùm tia liên tục.
Có hai kỹ thuật được dùng khi khoan bằng tia điện tử:
- Kiểu khoan môt lần ban (One-shot drilling)
Kiểu này làm bốc hơi vật liệu tạo thành lỗ bằng duy nhất một xung, xuyên qua toàn bộ chiều dày vât liệu. Đe tăng hiệu quả người ta có thể sử dụng một tấm lót (có tính chất đặc biệt) đặt ở dưới chi tiết. Khi chùm tia khoan xuyên qua vật liệu đến tấm lót, vật liệu tấm lót sẽ tác dụng với chùm tia tạo nên một lượng khí lớn với năng lượng cao, tống kim loại nóng chảy ngược trở lại và để lại một lỗ sạch với lóp kết tinh lại bé
- Kiểu khoan bằng nhiều xung (Multiple-pulse drilling)
Kiểu khoan này cho phép khoan những lỗ nhỏ hơn. Các xung nối tiếp nhau sẽ bóc vật liệu cho đến khi lỗ đạt chiều sâu chính xác. Các lỗ khơng thơng cũng có thể đuợc khoan bằng cách tận dụng kỹ thuật này, với kích thuớc lỗ từ 0,025 đến ỉmm. Trong cả hai truờng họp, năng luợng chùm tia có thể đuợc làm chệch huớng, hoặc chi
tiết gia cơng có thể đuợc dịch chuyển dọc theo một trục chuyển động mong muốn.
Chuyển động này đuợc điều khiển bằng máy tính nhu hệ thống CNC hoặc cơ cấu quay
CNC (CNC rotating mechanism}.
a. Lăng kính Wehnelt
b. Chùm tia điện tử
c. Chi tiết gia công d. Bàn máy
1- Lăng kính Wehenelt
2- Hệ làm lệch tia theo tọa độ X -y
3- Tia điện tử
4- Rãnh chữ thập được phay 5- Chi tiết gia cơng
Hình 4.6 Sơ đồ nguyên lý phay bằng tỉa điện tử
Thiết bị khoan và phay cũng tương tự như thiết bị hàn. Nguồn điện áp tối đa
dùng để khoan tia điện tử là 604-15 0£F, công suất tiêu hao chỉ vài chục w, mật độ năng lượng khoảng 1074-109J47cm2. Dung sai độ lệch của điểm được tia điện tử phóng
đến quyết định sự dao động cho phép và sự ổn định bắt buộc của điện áp nguồn. Trong thiết bị khoan và phay, đuờng kính của tia điện tử thơng thường nhỏ hơn IOp/77 và từ đó dao động của điện áp cho phép tối đa bằng l/1034-l/104 của điện áp định mức. Yêu cầu này được giải quyết nhờ có hệ dao động có tần số từ 304-1 ữữkHz và bộ khuếch đại điện áp. Cách này có lợi vì nội trở của nguồn dao động với cường độ
dòng điện phụ tải đã cho sẽ tăng theo hàm mũ. Trường họp có sự cố, sẽ khơng có dịng
điện ngắn mạch kéo dài mà có thể làm hỏng thiết bị hoặc gây tai nạn chết người.
Muốn khoan thì phải tập trung chùm tia vào một điểm. Muốn cắt hoặc phay thì
cho bàn máy di chuyển. Neu đường kính của tia tăng lên thì có thể gia cơng lỗ hoặc
rãnh to hơn.
Đe khoan người ta thường dùng bàn tọa độ đặt trong chân khơng. Nhờ vậy có thể
đặt nhiều vật gia công ở những khoảng cách nhất định. Có thể làm lệch tia điện tử khi
Vì vậy chế độ gia công ở độ chân
không cao chỉ áp dụng trong những
trường họp đặc biệt. Khi vận hành máy
có thể áp dụng hai chế độ khác là: chế độ chân khơng trung bình (ỒẠ-C3PỊ) và
chế độ không chân không. Áp suất trong
buồng làm việc của chế độ chân khơng trung bình được duy trì ở 10 3 đến
25mmHg (torr). Neu áp suất nhỏ hơn 1 torr thì gọi là chân khơng “mềm ”, giữa
1 và 25 torr được gọi là chân không
h(mm)
Hình 4.7
“nhanh
Cỏ hai dãy cơng suất trong gia cơng chùm điện tử. Dải công suất thấp, dùng để
hàn, khoan, cắt những lá kim loại mỏng có độ chính xác cao, tinh tế. Dải mức công
suất cao dùng để hàn và cắt yêu cầu năng suất cao, độ chính xác thấp hơn.
Trong cả hai dải công suất trên đều có thể thực hiện ba chế độ chân khơng nêu
trên khi hàn. Khi hàn ở chế độ chân không cao sẽ đạt được chiều sâu ngấu lớn nhất và bề rộng hàn nhỏ nhất, tỷ số lên đến 50:1 khi hàn giáp mối nhôm dày 450/77/77 và thép
dày 150/77/77. Ở chế độ chân khơng trung bình thì kích thước chùm tia lớn hơn, mật độ năng lượng giảm, chiều sâu ngấu giảm và bề rộng mối hàn tăng. Ở chế độ không chân