Chương 2. NGHIÊN CỨU MỐI QUAN HỆ GIỮA MÒN ĐIỆN CỰC VÀ CHẤT LƯỢNG BỀ MẶT GIA CÔNG VỚI CÁC THÔNG SỐ ĐẦU VÀO
2.2 Đại lượng đầu vào
2.2.1 Đại lượng hệ thống
a) Hình dạng điện cực
Khi gia công bằng tia lửa điện hình dáng và điện cực được sao chép qua vật gia công. Điều này chỉ có thể gần đúng vì điện cực bị hao mòn vì vậy một phần việc quan trọng nhất khi thiết kế công nghệ đó là xác định kích thước của điện cực.
Trên cơ sở gia công thì phải chọn điện cực có kích thước nhỏ hơn lỗ cần gia công:
De = Dio - 2 (2.1)
Cũng có thể sử dụng phần chày của khuôn dập để làm điện cực, nếu kích thước cần thiết của khe hở bằng với khoảng cách tia lửa điện. Kể cả độ côn của lỗ cũng có lợi, nếu chúng ta bắt đầu gia công từ mặt dưới của khuôn dập.
Bảng 2.1. Tiết diện tròn nhỏ nhất của điện cực có thể dùng trên máy Erosimat C30 (Nguồn: [2])
N4 N3 N2 N1 S5 S4 S3 S2 S1
Đồng thau 1500 600 400 200 50 - - - -
Zamar 1500 600 400 200 50 - - - -
Đồng đỏ 500 200 140 70 15 5 1 2 1
Thép - - - 50 2 7 5
Đối với chiều dài điện cực, trong trường hợp gia công lỗ thông và cụt thì chiều dài điện cực được chọn theo cách khác nhau.
- Trường hợp gia công lỗ suốt: Để có thể đảm bảo được kích thước tiết diện thì đầu điện cực phải vượt quá lỗ. Chiều dài hữu ích của điện cực gồm 4 đoạn:
+ Đoạn bị mòn hoàn toàn
+ Đoạn được làm to lên dần dần
+ Đoạn có tiết diện không bị giảm nhưng có tham gia trong quá trình gia công (có hơi kim loại ngưng tụ đọng trên bề mặt)
+ Đoạn còn nguyên
Chiều dài của phần nhú ra khỏi lỗ:
. . .
t m 100 m
l C l a l
(2.2)
Hình 2.2 Chiều dài của một thanh điện cực (Nguồn: [2])
Quan hệ về kích thước: Hệ số nhú ra cho ta biết cách tính được đoạn nhú ra bằng phần mấy chiều dài của chi tiết gia công lm. Hệ số này phụ thuộc vào độ hao mòn tương đối của điện cực, kích thước của vật gia công, cũng như hình dáng của nó được biểu hiện bằng hệ số hình dáng a. Trị số của a biến thiên từ 3 đến 8, ví dụ:
ở điện cực tiết diện tròn a = 3. Chiều dài an toàn l được chọn khoảng 10% đến 20%
của lt. Đoạn điện cực để gá lắp có thể viết:
lsz = lb + lc’ + lm - l (2.3) Tùy theo cách gá lắp, trị số lb được chọn từ 15 ÷ 30 mm. Trị số lc’ lớn hơn chiều cao của miệng chấu 1÷ 3 mm.
- Trường hợp gia công lỗ cụt: Không thể khắc phục sự méo mó do điện cực bị ăn mòn bằng cách cho điện cực nhú thêm. Do đó phải cấu tạo điện cực sao cho khi gia công đến độ sâu cần thiết thì cũng có được lỗ cần thiết. Hiện nay chưa có những hiểu biết chính xác về vấn đề này. Do đó phải dùng nhiều điện cực tiếp nhau để gia công đến độ sâu giống nhau thể hiện trên hình 2.3.
Hình 2.3 Gia công lỗ cụt bằng nhiều điện cực liên tiếp nhau (Nguồn: [2]) b) Vật liệu điện cực
Trong gia công tia lửa điện, dụng cụ (điện cực) đóng vai trò cực kỳ quan trọng vì độ chính xác gia công một mặt phụ thuộc vào độ chính xác của điện cực.
Điện cực thường được gia công bằng phương pháp cắt gọt, đúc, ép, phun kim loại, mạ điện phân v.v. Vật liệu làm điện cực phải đảm bảo các yêu cầu:
- Có tính dẫn điện tốt - Nhiệt lượng riêng lớn - Có nhiệt độ nóng chảy cao - Có tính dẫn nhiệt tốt.
Vật liệu làm điện cực thường là đồng đỏ, đồng thau, bạc hay kẽm.
* Các tính chất của vật liệu điện cực:
- Tính dẫn điện
Dòng điện đóng vai trò như “dao” trong gia công EDM nên thông thường các vật liệu điện cực có tính dẫn điện càng cao thì hiệu suất cắt càng cao.
Nhiệt độ nóng chảy Gia công EDM thực chất là một quá trình gia công nhiệt, do đó vật liệu điện cực nào có nhiệt độ nóng chảy càng cao thì tỉ số mòn giữa điện cực và chi tiết càng bé.
- Các tính chất hóa học
Các đặc tính hóa học của vật liệu điện cực cũng có những ảnh hưởng đáng kể đến hiệu suất gia công EDM, thể hiện chủ yếu qua tốc độ gia công và độ mòn điện cực.
- Tính đồng nhất trong cấu trúc
Mặc dù quá trình gia công EDM được xem như là quá trình gia công với lực cắt bằng không, nhưng mỗi lần phóng điện lại là một quá trình rất mãnh liệt ở quy mô cực nhỏ, gây nên ứng suất đáng kể trên vật liệu điện cực. Với hàng ngàn điểm phóng điện trên điện cực trên bề mặt điện cực, nếu vật liệu có tính đồng nhất kém
thì quá trình mòn điện cực sẽ xảy ra không đều, ảnh hưởng đến độ chính xác gia công và nhám bề mặt.
- Cơ tính
Các tính chất cơ học thường được đo đối với vật liệu điện cực là: độ bền kéo, độ cứng, giới hạn bền kéo theo phương ngang và độ hạt.
- Khả năng chế tạo
Các yếu tố ảnh hưởng đến khả năng chế tạo điện cực bao gồm: khả năng gia công, độ bền, khả năng tạo và bóc ba via.
Việc lựa chọn vật liệu điện cực phụ thuộc nhiều yếu tố như sau:
- Giá thành vật liệu điện cực
- Mức độ khó hay dễ gia công của vật liệu - Nguyên công (bước) gia công
- Độ mòn điện cực
- Số lượng điện cực cần thiết để hoàn thành công việc gia công - Kiểu điện cực thích hợp nhất cho việc gia công
- Số lượng lỗ sục dung dịch điện môi (nếu có yêu cầu).
Vật liệu điện cực kim loại thường rất thích hợp cho gia công các chi tiết có điểm nóng chảy thấp như nhôm, đồng đỏ, đồng thau. Tuy nhiên đối với thép và hợp kim của nó thì graphite thích hợp hơn. Quy luật chung để lựa chọn là:
Điện cực kim loại dùng để gia công các chi tiết làm bằng hợp kim có nhiệt độ nóng chảy thấp.
Điện cực graphite dùng để gia công các chi tiết làm bằng hợp kim có nhiệt độ nóng chảy cao.
Tuy nhiên cũng có những ngoại lệ. Ví dụ, mặc dù wolfram, cobalt, molipden có nhiệt độ nóng chảy cao nhưng điện cực làm bằng đồng đỏ lại thích hợp hơn để gia công vì quá trình gia công EDM các vật liệu này cần tần số dòng điện cao hơn.
- Điện cực kim loại
Trước đây, vào thời kỳ đầu của EDM, điện cực kim loại được sử dụng trên hầu hết các máy xung điện. Ngày nay điện cực kim loại chỉ được dùng khoảng 10%
trong các ứng dụng gia công xung điện (trừ khoan lỗ nhỏ).
Ưu điểm chính của điện cực kim loại là tính dẫn điện cao và vật liệu có độ đồng nhất cao. Nhược điểm chính của chúng là khó chế tạo và tốc độ gia công thấp.
+ Đồng thau: Đồng thau là loại vật liệu kim loại đầu tiên được dùng làm điệncực EDM. Nó không đắt và dễ gia công. Tuy nhiên các máy xung điện hiện đại ngày nay ít dùng loại vật liệu này vì chúng bị mòn nhanh.
Trong những ứng dụng cụ thể và ở các máy cũ thì đồng thau vẫn còn được sử dụng một cách hạn chế.
Tuy nhiên đồng thau được sử dụng phổ biến trên các máy khoan lỗ nhỏ cao tốc.
+ Đồng đỏ: Với sự phát triển của các hệ thống cung cấp điện kiểu xung, transitor hóa, đồng đỏ tinh khiết đã được 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 được bề mặt chi tiết gia công với độ bóng cao. Tuy nhiên đồng đỏ có những bất lợi đáng kể 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.
Mặc dù có những nhược điểm lớn nhưng do tính dễ chế tạo của nó mà nhiều phân xưởng vẫn sử dụng đồng đỏ. Ngoài ra nó còn được sử dụng phổ biến trên các máy khoan lỗ cao tốc, các ứng dụng khoan cao tốc các lỗ hợp kim hoặc các bít.
+ Bạc: Bạc thỉnh thoảng cũng được sử dụng làm điện cực EDM vì tính dẫn điện cao, độ tinh khiết và tính đồng nhất cao. Chúng được sử dụng để gia công khuôn làm tiền kim loại. Dĩ nhiên, do chi phí quá cao nên bạc ít được sử dụng.
+ Wonfram: Wonfram có điểm nóng chảy cao, độ bền cao nên nó được lựa chọn cho một số ứng dụng nhất định. Chú ý rằng loại vật liệu này có tính dẫn điện kém, tốc độ gia công chậm hơn đồng đỏ và đồng thau. Vì wolfram khá đắt và khó gia công nên nó cũng ít được sử dụng.
+ Đồng - wolfram: Loại vật liệu này kết hợp nhiều ưu điểm 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 các bít. Tuy nhiên, loại vật liệu này cắt chỉ nhanh bằng một nửa so với đồng đỏ.
+ Bạc – wolfram: 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 cực lâu mòn và bề mặt chi tiết gia công đạt độ bóng cao. Rất thích hợp cho các ứng dụng có độ chính xác cao. Tuy nhiên, do tính hiếm và chi phí cao nên loại này chỉ được dùng rất hạn chế.
+ Wolfram- các bít: Nhờ độ cứng vững cực cao và tính chống mài mòn cao nên wolfram- các bít thường được sử dụng để gia công hốc hoặc lỗ nhỏ. Một đặc điểm cần lưu ý là loại vật liệu này rất giòn.
- Điện cực graphite
Graphite được sử dụng khá nhiều trong các ứng dụng gia công xung điện. Sở dĩ chúng được sử dụng rộng rãi là vì chúng có nhiều ưu điểm so với điện cực kim loại. Sau đây là một số đặc điểm so với điện cực đồng đỏ:
+ Về tốc độ gia công: Tốc độ cao hơn điện cực đồng đỏ cả gia công thô lẫn gia công tinh, thông thường tỉ lệ về tốc độ là 2:1.
+ Độ mòn: mòn ít hơn đồng đỏ.
+ Nhám bề mặt: Có thể đạt độ bóng tương đương so với khi sử dụng điện cực đồng đỏ ở những trường hợp nhất định.
Tuy nhiên graphite cũng có một số nhược điểm, nhất là các vấn đề liên quan đến môi trường.
Bụi graphite khi gia công dẫn đến ảnh hưởng sức khỏe của con người Bụi graphite cũng là nguyên nhân chính dẫn đến mòn băng máy nhanh hơn Dung dịch trơn nguội khi bị pha trộn bụi graphite sẽ làm giảm nhanh chất lượng của dung dịch. Bên cạnh đó việc xử lý những tác động chất thải từ những dung dịch này ảnh hưởng nhiều đến môi trường và kinh tế.
Điện cực Đồng đỏ-graphite (composite) là sự kết hợp giữa đồng đỏ và graphite, dẫn tới tăng tính dẫn điện và tăng độ bền. Đồng thời nó cũng kết hợp các ưu điểm là dễ chế tạo của graphite và tính “an toàn” của đồng (vấn đề môi trường).
Điện cực này chứng tỏ những ưu việt khi áp dụng gia công các chi tiết hàng không, vũ trụ như titan, inconel và một số hợp kim chịu nhiệt cao ngành hàng không.
2.2.1.2 Chất điện môi
a) Nhiệm vụ cơ bản của chất điện môi - Cách điện
Nhiệm vụ chính của chất lỏng điện môi là cách điện giữa điện cực và phôi.
Nó phải đảm bảo sự cách ly giữa điện cực với phôi khi khe hở chưa đủ hẹp. Chỉ có một khoảng cách nhỏ nhất có thể có giữa điện cực và phôi mới cho phép phóng tia lửa điện đi qua. Nếu khe hở nhỏ thì lượng hớt vật liệu và độ chính xác in hình tăng.
Tuy nhiên, lượng hớt vật liệu cũng tăng khi khoảng cách xung ngắn. Chất điện môi phải được thôi ion hóa nhanh sau một xung. Chất điện môi được dùng trong thực tế ít khi là nguyên chất. Vì vậy, trước tiên phải cho chất điện môi đi qua một hệ thống lọc. Mặc dù vậy vẫn luôn còn xót lại các phần tử tế vi của vật liệu.
- Ion hóa
Chất điện môi phỉa tạo nên những điều kiện tối ưu cho sự phóng tia lửa điện, nghĩa là nó phải được ion hóa ở vào thời điểm chuẩn bị phóng tia lửa điện, tức là
phải có khả năng tạo nên một cầu phóng điện. Điều này giúp cho sự tập trung năng lượng ở kênh plasma, giúp cho sự hớt vật liệu khi phóng tia lửa điện. Nếu xung ngắt thì chất điện môi phải được thôi ion hóa, tạo điều kiện để cho sự phóng điện tiếp theo xảy ra ở một vị trí khác. Chất điện môi cũng bao trùm kênh phóng điện, nhờ đó có thể đạt được mật độ năng lượng cao, tăng thêm hiệu quả phóng điện.
- Làm nguội
Ở kênh phóng điện, trong khoảng thời gian cực ngắn, nhiệt độ có thể lên tới 10.000C. Nhiệt xuất hiện ở đây cần phải được chuyển đi, nếu không thì độ mòn điện cực sẽ tăng lên, đồng thời bề mặt phôi cũng bị hư hại do quá nhiệt.
Bản thân chất điện môi cũng không được phép bị quá nhiệt. Sự quá nhiệt làm cho chất điện môi dễ bị phân hủy thành khí và cacbon tự do. Khí này sẽ làm mở rộng không mong muốn kênh phóng điện và làm giảm lượng hớt vật liệu. Đồng thời cặn cacbon lắng xuống trên bề mặt điện cực sẽ gây ra sự ngắn mạch. Vì vậy, cần tạo ra một dỏng chảy đi qua khe hở giữa bề mặt chi tiết và điện cực để làm nguội cả điện cực và phôi.
- Vận chuyển phoi
Nếu chất điện môi bị bẩn sẽ gây ra sự in hình không chính xác và các khuyết tật quá trình. Sự bẩn của chất điện môi chủ yếu là do các phần tử đã bị ăn mòn còn lơ lửng hoặc lắng đọng trong khe hở giữa bề mặt chi tiết và điện cực. Một tỉ lệ lớn của các phần tử này dẫn điến sự phóng điện thất thường và dây sai số in hình, nguy cơ tạo hồ quang và ngắn mạch tăng lên.
Chính vì các lý do trên mà cần phải có một hệ thống dòng chảy của chất điện môi để vận chuyển các phần tử đã bị ăn mòn (phoi) đi ra khỏi khe hở giữa bề mặt chi tiết và điện cực và đảm bảo chất điện môi sạch cho khe hở.
b) Các loại chất điện môi
Hiện nay có hai loại chất điện môi chủ yếu dùng cho hai phương pháp gia công tia lửa điện khác nhau, đó là:
- Hydrocacbon: Chủ yếu dùng cho xung định hình. Nó được chia ra làm ba nhóm trên cơ sở đặc tính hóa học:
+ Parafin + Dầu khoáng
+ Các dẫn xuất của xăng.
- Nước khử khoáng: Chủ yếu dùng cho cắt dây.
- Dung dịch điện môi có trộn bột: Khả năng cách điện đồng nhất của dung
đổi dẫn đến khe hở giữa bề mặt chi tiết và điện cực nhỏ và tia lửa điện chỉ xuất hiện tại một vài điểm. Việc trộn bột dẫn điện vào dung dịch điện môi gây ra sự sai lệch điện trường trong vùng khe hở giữa bề mặt chi tiết và điện cực. Như vậy, PMEDM tạo điều kiện cho việc phóng tia lửa điện có thể xảy ra dễ dàng và làm tăng kích thước khe hở giữa bề mặt chi tiết và điện cực so với EDM. Hiện tượng phóng điện giữa các hạt bột dẫn đến số lượng tia lửa điện tăng nên cường độ của chúng sẽ bị giảm, điều này tạo ra bề mặt gia công có số lượng vết lõm tăng nhưng đường kính và chiều sâu lại giảm, dẫn đến trị số nhám bề mặt gia công giảm theo. Độ rộng của vùng phóng tia lửa điện cũng tăng lên và làm tăng diện tích gia công. Việc trộn bột vào dung dịch điện môi không chỉ tạo ra bề mặt gia công đồng nhất mà còn ngăn cản sự xuất hiện hiện tượng phóng hồ quang điện tại một vài vị trí. Kích thước khe hở giữa bề mặt chi tiết và điện cực phụ bột tăng quá giới hạn cho phép sẽ làm kích thước khe hở không tăng mà có thể làm xuất hiện các hiện tượng: Ngắn mạch, sụt áp, dung môi bị quá nhiệt [8].