3. í nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài
1.8.2. Topography bề mặt
Khi gia cụng bằng phương phỏp tia lửa điện vật liệu phụi được búc tỏch do sự xúi mũn của cỏc tia lửa điện gõy ra, vỡ vậy bề mặt sau ra cụng là tập hợp của rất nhiều cỏc vết lừm do cỏc tia lửa điện tạo ra. Mặt khỏc, lại cú sự xuất hiện của cỏc hạt kim loại bỏm dớnh trờn bề mặt làm cho bề mặt gia cụng cú trị số nhấp nhụ lớn.
1.9. Cỏc hiện tƣợng xấu xuất hiện trong gia cụng tia lửa điện 1.9.1. Hiện tƣợng hồ quang điện
Số húa bởi Trung tõm Học liệu http://lrc.tnu.edu.vn
Sự phúng điện lặp lại ở cựng một chỗ mà khụng cú thời gian trễ đốt chỏy được gọi là hồ quang điện( hỡnh 1.11). Nú được phỏt hiện khi đo và kiểm tra mỏy phỏt bằng hệ thống điện tử dựa vào cỏc đường đặc tớnh thời gian của đường cong điện ỏp. Nguyờn nhõn :
Trong dung dịch chất điện mụi tồn tại những phần tử vật liệu đó bị ăn mũn và cỏc ion dương chưa bị dũng dung dịch điện mụi đẩy ra khỏi khe hở phúng điện. Chớnh cỏc phần tử và ion này là nguyờn nhõn gõy ra hiện tượng hồ quang điện trước khi chỳng mất điện và bị đẩy ra khỏi khe hở phúng điện. Hiện tượng hồ quang điện xảy ra giữa cỏc xung. Do đú, nếu trong quỏ trỡnh gia cụng khoảng cỏch xung quỏ ngắn sẽ xảy ra hiện tượng xung tiếp theo sẽ bị đốt chỏy cựng một điểm với xung phớa trước (sẽ khụng cú khoảng thời gian trễ để phúng điện tại cỏc đỉnh nhấp nhụ cao nhất) dẫn đến điểm xúi mũn sẽ bị khoột sõu và khụng đều trờn bề mặt phụi.
Hỡnh 1.11. Hiện tượng hồ quang điện[1]
Số húa bởi Trung tõm Học liệu http://lrc.tnu.edu.vn
Hỡnh 1.12. Hiện tượng ngắn mạch và sụt ỏp[1]
Hiện tượng: dũng điện chạy từ điện cực sang phụi mà khụng cú sự phúng tia lửa điện được gọi là dũng ngắn mạch. Cỏc phộp đo và kiểm tra bằng điện tử sẽ phỏt hiện được dũng ngắn mạch khi điện ỏp sụt đến một giỏ trị rất thấp(gần bằng khụng) trong khi dũng điện đạt giỏ trị lớn nhất(hỡnh 1.12)
Sự ngắn mạch khụng chỉ ngăn cản sự hớt vật liệu phụi mà cũn làm hư hại cấu trỳc của phụi do dũng điện sẽ tạo ra nhiệt làm ảnh hưởng đến phụi.
Nguyờn nhõn:
- Do sự tiếp xỳc trực tiếp của điện cực vào phụi.
- Tồn tại một phần tử bị kẹt trong khe hở phúng điện.
- Chiều rộng khe hở quỏ nhỏ, dũng chảy chất điện mụi quỏ yếu.
1.9.3. Hiện tƣợng xung mạch hở, khụng cú dũng điện
Hiện tượng: cỏc xung khụng gõy ra hiện tượng phúng điện được gọi là xung mạch hở. Phộp đo điện tử cho thấy xung mạch hở xuất hiện khi điện ỏp đỏnh lửa khụng sụt giảm( hỡnh 1.13). Khi số lượng xung mạch hở tăng sẽ làm giảm hiệu quả phúng điện dẫn đến làm giảm năng suất gia cụng.
Nguyờn nhõn:
Số húa bởi Trung tõm Học liệu http://lrc.tnu.edu.vn
- Dũng chảy chất điện mụi quỏ mạnh (nờn đó thổi hết cỏc ion ra khỏi vựng gia cụng).
Hỡnh 1.13. Hiện tượng xung mạch hở[1]
1.9.4. Hiện tƣợng quỏ nhiệt của dung dịch điện mụi
Hiện tượng: quỏ trỡnh gia cụng bị nhiễu loạn bởi hồ quang thường xuyờn, ngoài ra cũn khụng ổn định do ngắn mạch.
Nguyờn nhõn: khi vựng gia cụng rất rộng nhưng khe hở phúng điện lại quỏ nhỏ (gia cụng tinh cỏc khuụn lớn), chất điện mụi trở nờn núng đến mức nú bị phõn hủy mạnh thành cacbon. Cỏc phần tử cacbon này sẽ làm tăng tớnh dẫn điện của chất điện mụi khiến cho quỏ trỡnh gia cụng bị nhiễu loạn. Nếu cacbon bị lắng đọng trờn mặt điện cực thỡ nú sẽ gõy ra sự khụng ổn định.
1.10. Nõng cao chất lƣợng bề mặt gia cụng bằng phƣơng phỏp tia lửa điện
Phương phỏp gia cụng tia lửa điện rất cần thiết cho việc ứng dụng trong ngành chế tạo mỏy, đặc biệt trong ngành chế tạo khuụn mẫu. Gần đõy đó và đang cú nhiều nghiờn cứu việc sử dụng phương phỏp này để nõng cao chất lượng lớp bề mặt như: nhiệt luyện bề mặt bằng EDM hoặc tạo lớp phủ trờn bề mặt gia cụng bằng EDM.
Hiện nay cỏc nghiờn cứu về gia cụng EDM nhằm nõng cao chất lượng bề mặt thường tập trung vào những vấn đề sau:
Số húa bởi Trung tõm Học liệu http://lrc.tnu.edu.vn
1.10.1. Ảnh hƣởng của vật liệu điện cực đến chất lƣợng bề mặt
Ta biết rằng trong gia cụng xung định hỡnh là dựng cỏc điện đó được tạo hỡnh sẵn để in hỡnh (õm bản) của nú lờn bề mặt phụi và thường được dựng để chế tạo bề mặt cỏc khuụn cú hỡnh dạng phức tạp, yờu cầu độ chớnh xỏc cao như: cỏc khuụn ộp định hỡnh, khuụn ộp nhựa, khuụn đỳc ỏp lực, lỗ khụng thụng[1, 2]…bởi vậy việc lựa chọn vật liệu phự hợp làm điện cực là rất quan trọng vỡ chớnh chất lượng điện cực sẽ quyết định đến chất lượng, độ chớnh xỏc bề mặt chi tiết gia cụng.
Thụng thường vật liệu điện cực được sử dụng là: Graphite, đồng, đồng- vonfram, bạc-vonfram, thộp, đồng thau…Trong đú Graphite là vật liệu thường hay được dựng làm điện cực nhất bởi đặc tớnh mũn ớt và dễ gia cụng, khả năng dẫn điện tốt cú thể khoan cỏc lỗ nhỏ để dẫn điện mụi trờn cỏc điện cực graphite. Tuy nhiờn graphite cú điện trở lớn, cho năng suất thấp, khi gia cụng bị mũn làm bẩn dung dịch điện mụi nờn cần phải cú hệ thống hỳt chõn khụng. Điện cực đồng mũn ớt, cú tớnh dẫn điện tốt hơn graphite và cú tớnh kinh tế. Nú thường được dựng cho gia cụng bề mặt cần chất lượng cao với độ nhỏm khoảng Ra = 0,5àm đặc biệt là khi gia cụng cacbit-vonfram. Tuy nhiờn gia cụng điện cực đồng khú hơn graphite. Đối với điện cực Cu-W; Ag-W là cỏc vật liệu đắt tiền nhưng cho tốc độ gia cụng cao và mũn điện cực ớt tuy nhiờn lại dũn nờn khụng rốn được sau khi thiờu kết. Nhúm này thường chủ yếu ứng dụng để gia cụng cỏc rónh sõu trong điều kiện rửa trụi phoi kộm đặc biệt là khi gia cụng cacbit-vonfram. Đồng-graphite( đồng trộn bột graphite) lại phự hợp với điện cực cú mặt cắt ngang(điện cực cú tiết diện mỏng), loại điện cực này cú tớnh dẫn điện tốt hơn graphite, độ bền uốn cao nhưng lại cú nhược điểm là cỏc gúc dễ bị mũn. Đồng thau rễ gia cụng nhưng lại chịu mũn kộm, thộp chỉ phự hợp với cỏc mặt phẳng phõn khuụn trong cỏc khuụn cú một nửa khuụn là điện cực và một nửa khuụn là phụi. Điện cực vonfram chỉ phự
Số húa bởi Trung tõm Học liệu http://lrc.tnu.edu.vn
hợp trong gia cụng cỏc lỗ nhỏ( < 0,2mm) cho cỏc điện cực khụng cú cỏc lỗ ngang[1, 2].
Qua cỏc phõn tớch trờn ta nhận thấy rằng tất cả cỏc điện cực đó và đang được sử dụng trờn thực tế mặc dự cú rất nhiều ưu điểm để nõng cao chất lượng bề mặt ( nhỏm bề mặt, cấu trỳc tế vi, hỡnh thỏi tế vi, thành phần húa học...). Xong bờn cạnh đú vẫn tồn tại những nhược điểm làm ảnh hưởng trực tiếp đến chất lượng bề mặt gia cụng như: Độ cứng, khả năng chịu mũn cũn hạn chế, bề mặt cũn xuất hiện nhiều vết nứt tế vi khiến cho chi tiết sau gia cụng xung trong một số trường hợp yờu cầu cao về độ nhỏm khụng thể sử dụng được ngay mà phải trải qua cụng đoạn đỏnh búng. Vấn đề đú đó làm ảnh hưởng đến tiến độ, cụng sức và tớnh kinh tế.
Vỡ những nhược điểm đú mà gần đõy đó cú rất nhiều nghiờn cứu của cỏc nhà khoa học trờn thế giới như: Furutani và cộng sự[19, 24], đó quyết định sử dụng một điện cực nhỏ gọn mầu xanh lỏ cõy hoặc bỏn nung làm từ hợp kim titan( Ti) hoặc bột cacbua vonfram( WC). Kết quả cho thấy trờn bề mặt gia cụng xuất hiện một lớp TiC hoặc WC cú độ cứng cao( cú thể đạt 2000HV)và khả năng chịu mài mũn tốt.
1.10.2. Ảnh hƣởng của mụi trƣờng gia cụng đến chất lƣợng bề mặt
Trong gia cụng tia lửa điện ngoài dụng cụ cắt và phụi thỡ yếu tố khụng thể thiếu để cú thể tạo ra sự búc tỏch phoi và vận chuyển phoi ra khỏi vựng cắt đú là mụi trường gia cụng bởi ngoài nhiện vụ chớnh là cỏch điện giữa hai điện cực( phụi và điện cực), ion húa, làm nguội và vận chuyển phoi mà nú cũn đúng vai trũ là mụi trường gõy ra sự phúng điện ảnh hưởng đến năng suất và chất lượng bề mặt gia cụng. Hơn nữa sau thời gian gia cụng trong dung dịch điện mụi cũn lẫn cỏc hạt phoi, điều này gõy ra những ảnh hưởng khụng tốt cho quỏ trỡnh gia cụng như: dũng ngắn mạch, gõy ra hồ quang khi đú nhiệt
Số húa bởi Trung tõm Học liệu http://lrc.tnu.edu.vn
độ chất điện mụi tăng làm ảnh hưởng tới độ chớnh xỏc gia cụng. Bởi vậy để nõng cao chất lượng bề mặt gia cụng thỡ ngoài việc lựa chọn vật liệu điện cực cho phự hợp chỳng ta cũn phải lựa chọn mụi trường gia cụng cho hợp lý.
Trong những năm gần đõy đó cú nhiều nghiờn cứu nhằm nõng cao chất lượng bề mặt gia cụng bằng việc sử dụng bột trộn trong dung dịch điện mụi, nhiều nghiờn cứu cho rằng khi trộn bột kim loại hoặc hợp kim đặc biệt (Si, W, Ti, SiC, WC,…) kết hợp với dung dịch điện mụi hợp lý sẽ giỳp cải thiện chất lượng (hỡnh dạng, trị số nhỏm, độ cứng tế vi bề mặt) và nõng cao hiệu quả gia cụng (năng suất, độ mũn dụng cụ, thời gian gia cụng) [17].
Sử dụng dung dịch điện mụi hydro cỏc bon cao tạo ra lớp bề mặt cú độ cứng cao giỳp nõng cao độ bền mũn của lớp bề mặt… Đõy là hướng nõng cao đó được nghiờn cứu và kết quả được cụng bố ở nhiều đề tài.
Tỏc giả Kun Ling Wu và cộng sự [22] tiến hành thớ nghiệm trờn mỏy EDM cú gắn hệ thống tuần hoàn dung dịch điện mụi. Bột nhụm được trộn với chất hoạt động bề mặt theo một tỷ lệ nhất định và hỗn hợp này được thờm vào dung dịch điện mụi cựng sỏu tham số độc lập bao gồm: phõn cực gia cụng, dũng điện cực đại, thời gian xung, điện ỏp mở, điện ỏp khoảng cỏch và nồng độ chất hoạt động bề mặt. Hai hoặc ba mức giỏ trị đó được cài đặt cho mỗi thụng số. Nhỏ m b ề m ặt Ra ( àm)
Số húa bởi Trung tõm Học liệu http://lrc.tnu.edu.vn
Dầu hỏa Dầu hỏa+Al Dầu hỏa+Al+ chất
hoạt động bề mặt
Hỡnh 1.14. Ảnh hưởng của chất điện mụi đến nhỏm bề mặt [22]
Kết quả trờn đồ thị cho thấy rừ ràng độ nhỏm bề mặt giảm một cỏch đỏng kể khi thờm bột nhụm vào dầu hỏa. Dầu hỏa cú chứa bột nhụm và chất hoạt động bề mặt cú hiệu quả tốt nhất trong việc giảm độ nhỏm bề mặt.
Pecas và Henriques [15] đó sử dụng bột sillicon để đỏnh giỏ mức độ cải thiện thụng qua cỏc chỉ số chất lượng bề mặt và quản lý thời gian gia cụng trờn một loạt cỏc khu vực gia cụng khỏc nhau. Kết quả cho thấy 2g/l nồng độ Si, ta cú thể gia cụng được cỏc khe hở mịn và búng với độ nhỏm bề mặt trung bỡnh (Ra) theo từng khu vực dao động từ 0.09 àm đối với điện cực 1cm2 cho đến 0,57 àm với điện cực 64cm2
. Thời gian đỏnh búng cú ảnh hưởng lớn trong quỏ trỡnh giảm độ nhỏm bề mặt.
Furutani và cộng sự [9] nghiờn cứu một phương phỏp kết tủa của chất bụi trơn trong quỏ trỡnh hoàn thiện gia cụng EDM để sản xuất cỏc bộ phận chõn khụng siờu cao như là mụi trường khụng gian sử dụng gia cụng PMEDM. Ta cú thể thu được bề mặt mịn hơn bằng cỏch thờm bột nhụm vào hỗn hợp bột disulfide molypden (MoS2) và dầu gia cụng. như vậy hỗn hợp cú hệ số ma sỏt nhỏ hơn so với dầu gia cụng bỡnh thường.
Jeswani [6, 8] phỏt hiện ra rằng nếu thờm khoảng 4g/l bột graphite loại tốt vào dầu hỏa thỡ sẽ làm tăng 60% MRR( tỷ lệ gọt bỏ vật liệu) và hao mũn điện cực giảm 15%. ễng cũn so sỏnh hiệu quả của dầu hỏa và nước cất trong phạm vi xung năng lượng 72-288 mJ. Kết quả cho thấy gia cụng trong nước cất khiến tỉ lệ cắt gọt(MRR) cao hơn và tỉ lệ hao mũn điện cực thấp hơn so với dầu hỏa khi những xung năng lượng cao được sử dụng. Với nước cất, độ chớnh xỏc gia cụng thấp, nhưng bề mặt gia cụng lại mịn và tốt hơn.
Tariq Jilani và Pandey [8] nghiờn cứu hiệu quả của việc sử dụng nước làm điện mụi trong gia cụng EDM. Sử dụng nước cất, nước mỏy và hỗn hợp 25% nước mỏy và 75% nước cất. Kết quả cho thấy tỷ lệ gia cụng tốt nhất khi
Số húa bởi Trung tõm Học liệu http://lrc.tnu.edu.vn
sử dụng nước mỏy và gia cụng trong nước cú khả năng khụng gõy ra quỏ trỡnh mài mũn điện cực nếu sử dụng điện cực đồng phõn cực õm.
Bề mặt Ti được biến đổi sau khi gia cụng EDM sử dụng chất điện nụi là dung dịch Urờ trong nước [18] khi đú cỏc phần tử Nitơ bị phõn hủy từ chất điện mụi cú chứa urờ di chuyển đến phụi hỡnh thành một lớp TiN cứng và cú khả năng chịu mài mũn tốt.
Trong một nghiờn cứu khỏc của Kun Ling Wu và cộng sự [16] đó chỉ ra rằng khi thờm bột nhụm và chất hoạt động bề mặt với tỷ lệ lần lượt là 0,1 và 0,25g/l, khi đú độ nhỏm tối ưu( Ra=0,172àm) cú thể đạt được với cỏc tham số sau: phõn cực dương, cường độ dũng điện 0,3(A), thời gian xung 1,5(às), điện thế mở mạch 140(V), khoảng cỏch điện ỏp 90(V). Tỡnh trạng nhỏm bề mặt được cải thiện đến 60% so với độ nhỏm Ra=0,434àm nếu sử dụng dung dịch điện mụi nguyờn chất.
1.10.3. Ảnh hƣởng của chế độ gia cụng đến chất lƣợng bề mặt
Ngoài ảnh hưởng của vật liệu điện cực, mụi trường gia cụng đến chất lượng bề mặt chi tiết thỡ chế độ gia cụng cũng là một trong cỏc thụng số cú ảnh hưởng rất lớn đến chất lượng bề mặt và năng suất gia cụng. Chẳng hạn như: cường độ dũng điện(I) càng lớn dẫn đến lượng hớt vật liệu càng lớn kết quả là năng suất tăng đồng thời nhỏm bề mặt cựng tăng theo. Hoặc với điện ỏp gia cụng cao khi đú khe hở giữa điện cực và khuụn tăng sẽ gõy khú khăn cho quỏ trỡnh phúng tia lửa điện làm dũng điện và tốc độ gia cụng giảm [1]. Bởi vậy nếu chọn điện ỏp quỏ cao thỡ cú thể chập mạch khụng thể phúng điện cũn điện ỏp thấp thỡ cú thể làm cho điện cực bị hỏng. Với thời gian ngừng xung( Toff), đõy là một thụng số ảnh hưởng đến năng suất thổi rửa. Nếu thời gian thổi rửa quỏ ngắn sẽ làm cho vựng gia cụng bị bẩn do quỏ trỡnh cắt phụi và mũn điện cực làm giảm chất lượng bề mặt gia cụng. Trong một nghiờn cứu về tỏc dụng của dũng điện và thời gian xung lờn quỏ trỡnh hội tụ TiC, Katsushi Furutani [19] đó chỉ ra rằng độ dầy của lớp TiC sẽ đạt cực đại tại
Số húa bởi Trung tõm Học liệu http://lrc.tnu.edu.vn
một cường độ dũng điện và thời gian xung nhất định, tốt nhất là thời gian xung trong khoảng (2ữ4) às và cường độ dũng điện đạt từ( 8ữ14)A. Để làm rừ hơn ảnh hưởng của thời gian xung đến chất lượng bề mặt Kun Ling Wu và cộng sự [22] cho thấy rằng khi ta tăng thời gian xung thỡ độ nhỏm bề mặt cũng được tăng theo trong cả ba mụi trường điện mụi bởi khi kộo dài thời gian xung thỡ năng lượng phúng điện sẽ tăng làm tăng khả năng búc tỏch vật liệu dẫn đến bề mặt gia cụng sẽ gồ ghề hơn. Tuy nhiờn ta cũng thấy rằng độ nhỏm bề mặt gia cụng đạt giỏ trị tốt nhất khi điện mụi cú chứa Al và chất hoạt động bề mặt (hỡnh 1.15).
Thời gian xung (às)
Hỡnh 1.15. Ảnh hưởng của thời gian xung đến nhỏm bề mặt trong cỏc mụi trường gia cụng khỏc nhau [22]
1.10.4. Ảnh hƣởng phõn cực của phụi đến chất lƣợng bề mặt:
Phõn cực khỏc nhau của phụi cú thể tạo ra sự khỏc biệt đỏng kể trong việc phõn phối năng lượng xung phúng điện. Hỡnh 1.16 và 1.17 mụ tả độ nhỏm bề mặt với thời gian xung và dũng điện cực đại theo cỏc cỏch phõn cực khỏc nhau. Phõn cực õm của phụi nhỡn chung cú độ nhỏm bề mặt kộm hơn so với phõn cực dương trong gia cụng EDM[22]. Tỷ lệ dũng ion tăng với thời