Chương 2. NGHIÊN CỨU MỐI QUAN HỆ GIỮA MÒN ĐIỆN CỰC VÀ CHẤT LƯỢNG BỀ MẶT GIA CÔNG VỚI CÁC THÔNG SỐ ĐẦU VÀO
2.3. Đại lượng trung gian
Các đại lượng quá trình chính là quá trình ăn mòn kim loại dưới tác động của điện và nhiệt để tạo ra khe hở giữa điện cực và chi tiết, các nghiên cứu cho thấy quá trình ăn mòn của 1 xung gia công được trải qua 3 giai đoạn:
Giai đoạn 1: Hình thành kênh dẫn điện
Hình 2.4 Sự hình thành kênh dẫn điện (Nguồn: [9])
Giai đoạn này được xác định trong khoảng thời gian khi bắt đầu có điện áp cấp bởi nguồn điện và kết thúc khi điện áp bắt đầu giảm: bắt đầu xuất hiện tia lửa điện.
Khi điện trường giữa 2 điện cực tăng lên do việc đưa chúng đến gần nhau làm cho vận tốc của các ion và điện tử tự do có trong lớp dung dịch điện môi ở giữa các điện cực tăng lên và bị hút về phía cực trái dấu. Trong quá trình di chuyển, chúng va đập với các phân tử trung hoà và làm tách ra các ion và điện tử mới. Cứ như vậy, khi khoảng cách càng nhỏ làm từ trường và động năng của các ion và điện tử càng lớn dẫn đến hình thành một dòng chuyển dịch có hướng của ion và điện tử tạo nên dòng điện. Kết quả là dung dịch điện môi trở nên dẫn điện ở cuối giai đoạn này.
Giai đoạn 2: Phóng tia lửa điện làm bốc hơi vật liệu
Hình 2.5 Sự phóng điện qua kênh dẫn điện (Nguồn: [9])
Thời gian của giai đoạn này được tính từ khi điện áp bắt đầu giảm đến một trị số xác định (cuối giai đoạn 1) và giữ nguyên cho đến khi giảm về 0V (ngắt nguồn).
Dòng điện đi qua kênh dẫn điện kèm theo sự xuất hiện tia lửa điện. Tại kênh dẫn điện, năng lượng tập trung rất lớn (đạt cỡ 105 đến 107 W/mm2) làm cho nhiệt độ
tại đó đạt tới khoảng 10.000o C. Vật liệu của các điện cực tại nơi xuất hiện tia lửa điện bị bốc hơi bởi nhiệt độ cao. Bên cạnh đó còn có 1 lượng nhỏ vật liệu bị tách khỏi bề mặt các điện cực do sự va đập của các ion và điện tử lên bề mặt của chúng.
Giai đoạn này chính là giai đoạn có ích trong cả 1 xung gia công: ăn mòn vật liệu tạo thành hình dáng chi tiết theo yêu cầu.
Giai đoạn 3: Hoá rắn hơi vật liệu và phục hồi
Hình 26 Sự phục hồi (Nguồn: [9])
Nguồn xung bị ngắt đột ngột, dung dịch điện môi ở nhiệt độ thường xung quanh tràn vào gây nên sự thay đổi áp suất đột ngột tạo nên tiếng nổ nhỏ. Hơi của vật liệu của các điện cực bị hoá rắn do việc giảm nhiệt độ đột ngột tạo nên các hạt ô-xít kim loại có kích thước nhỏ (cỡ vài chục m). Các hạt ô-xít này không dẫn điện hoặc dẫn điện rất kém tuỳ thuộc vào vật liệu các điện cực.
Kết thúc giai đoạn này, dung dịch điện môi lấy lại trạng thái ban đầu của nó:
không dẫn điện.
Một xung gia công kết thúc. Các giai đoạn trên được lặp lại cho các xung gia công kế tiếp theo.
Trong quá trình gia công EDM, vật liệu của chi tiết bị mòn dần và sẽ dần có hình dạng là hình dạng của điện cực. Điện cực cũng bị mòn trong quá trình gia công này nên nó thường được được làm bằng các loại vật liệu có tính chịu mòn nhiệt cao như đồng, graphite, v.v.
Theo kết quả phân tích các giai đoạn trên, có 02 nguyên nhân chính tạo nên sự ăn mòn vật liệu của các điện cực: nguyên nhân điện và nguyên nhân nhiệt.
2.3.1 Tác động của điện
Các ion và điện tử do điện trường lớn giữa khe hở giữa bề mặt chi tiết và
phân tử trung hoà của dung dịch điện môi để tạo thêm các ion và điện tử tự do. Các ion và điện tử này va đập vào bề mặt các điện cực làm tách các điện tử và ion vật liệu của các điện cực tạo nên sự mòn của các điện cực. Các nghiên cứu đã cho thấy nguyên nhân gây nên sự mòn này cho dù rất nhỏ nhưng lại là nguyên nhân chính gây nên sự mòn không mong muốn ở điện cực dẫn đến sai số về mặt hình dáng và kích thước của chi tiết sau khi gia công EDM [9,10].
2.3.2 Tác động của nhiệt
Khi tia lửa điện phóng qua kênh dẫn điện, nhiệt độ ở kênh dẫn điện có thể đạt tới khoảng 10.000oC làm cho vật liệu của các điện cực tại nơi tiếp giáp với kênh dẫn điện bị bốc hơi.
Bề mặt của chi tiết sau khi bị ăn mòn bằng tia lửa điện có hình dạng những hố nhỏ giống miệng núi lửa:
Hình 2.7 Bề mặt chi tiết sau khi gia công tia lửa điện (Nguồn:[9])
Bề mặt của các điện cực luôn có những nhấp nhô (nhám). Khi đưa chúng đến gần nhau, sẽ luôn có 1 cặp nhấp nhô đối diện có khoảng cách nhỏ nhất (trên hình 2.8 là điểm A). Tại đó, mật độ cường độ điện trường là lớn nhất (do khe hở là bé nhất) dẫn đến tia lửa điện sẽ xuất hiện và ăn mòn cặp nhấp nhô này (hình 2.9)
Hình 2.8 Mô hình bề mặt của điện cực-chi tiết (Nguồn:[9])
Hình 2.9 Cặp nhấp nhô bị ăn mòn tạo hố có hình dạng miệng núi lửa (Nguồn:[9]) Cặp nhấp nhô A biến mất sau 1 xung. Ở xung kế tiếp, cặp nhấp nhô B lại trở thành cặp nhấp nhô gần nhất. Tia lửa điện sẽ xuất hiện ở đó và "miệng núi lửa" thứ 2 được tạo ra. Hệ thống điều khiển có nhiệm vụ đưa dần cặp điện cực đến gần nhau để bù lượng vật liệu đã bị ăn mòn tại các điểm A, B,....
Cứ như vậy, tia lửa điện sẽ được xuất hiện tại từng điểm và sẽ lan dần trên toàn bộ bề mặt đối diện nhau của cặp điện cực. Kết quả sẽ được bề mặt chi tiết như hình 2.7.
Việc mòn của vật liệu điện cực là không mong muốn. Mục đích chính của các nghiên cứu về quá trình gia công EDM là tìm cách tăng lượng ăn mòn chi tiết, giảm lượng mòn của điện cực [9].
2.3.3 Khe hở giữa bề mặt chi tiết và điện cực
Điện cực được điều khiển chạy tự động để điều chỉnh khe hở giữa bề mặt chi tiết và điện cực không thay đổi ứng với mỗi điều kiện gia công xác định. Hệ thống điều chỉnh chuyển động điện cực phải đảm bảo các yêu cầu: Điều chỉnh kích thước khe hở ổn định và tốc độ thích nghi nhanh để đáp ứng với sự ngắn mạch hoặc kích thước khe hở. Độ rộng của khe hở không thể đo lường trực tiếp nhưng có thể được suy ra bởi điện áp trung bình tại khe hở [13].