CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ GIA CÔNG TIA LỬA ĐIỆN 1.1 Khái quát về phương pháp gia công tia lửa điện (EDM) Phương pháp gia công tia lửa điện là phương pháp gia công không truyền thống và được sử dụng rất rộng rãi trong ngành chế tạo máy, đặc biệt trong công nghệ chế tạo khuôn mẫu. Phương pháp này sử dụng nguồn năng lượng nhiệt cao từ các tia lửa điện xuất hiện trong khe hở giữa phôi và dụng cụ để gia công kim loại dưới dạng nóng chảy và bay hơi. Ưu điểm nổi bật của phương pháp này so với các phương pháp gia công truyền thống là có thể gia công được tất cả các loại vật liệu dẫn điện có độ bền và độ cứng bất kỳ, các bề mặt có hình dạng rất phức tạp như: khuôn dập, khuôn đúc, các chi tiết máy quan trọng trong ngành hàng không vũ trụ, ngành công nghiệp ôtô và các dụng cụ dùng trong phẫu thuật. Tuy nhiên phương pháp gia công tia lửa điện vẫn tồn tại một số hạn chế như: Chất lượng bề mặt sau gia công chưa cao, năng suất gia công còn thấp và bị hạn chế về phạm vi ứngdụng.Lịch sử ra đời và phát triển của phương pháp gia công tia lửa điện Nhà vật lý người Anh Joseph Priestley (1733 – 1809) là người đầu tiên đã phát hiện ra khả năng ăn mòn của kim loại bởi sự phóng điện.
Tiếp sau đó, vào năm 1943, hai vợ chồng nhà khoa học Lazarenko người Nga đã tìm ra công nghệ “Gia công tia lửa điện” hay “Electrical Discharge Machining (EDM)”. Công nghệ này sử dụng tia lửa điện để hớt đi một lớp vật liệu mà không phụ thuộc độ cứng của vật liệu đó. Khi các tia lửa điện phóng ra năng lượng nhiệt từ các tia này sẽ làm nóng chảy và bay hơi vật liệu gia công từ đó làm vật liệu trên bề mặt phôi sẽ bị hớt đi. Quá trình gia công EDM rất phức tạp do liên quan đến rất nhiều yếu tố như: Khoảng cách khe phóng điện(δ), đến thông tin kênh plasma, về sự hình thành của cầu phóng điện giữa hai điện cực… Chính những yếu tố đó đã làm tốc độ của việc ứng dụng phương pháp gia công mới này vào ngành công nghệ chế tạo vẫn còn nhiều hạn chế.
Tiếp những năm sau,nhờ sự tiến bộ của khoa học kỹ thuật đã giúp việc đưa công nghệ gia công EDM vào trong cuộc sống và ngày càng phát triển. Đặc LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com 5 biệt những năm gần đây, với sự phát triển như vũ bão của các công nghệ mới, sự trợ giúp đắc lực của máy tính và hệ điều hành CNC,các máy gia công tia lửa điện đầu tiên bán tự động và không tiện dụng đã được thay thế bởi các máy gia công tia lửa điện CNC. Những máy này đã tỏ rõ được khả năng rất lớn của mình trong việc điều khiển chính xác quỹ đạo, gia công được các vật liệu dẫn điện có độ bền và độ cứng bất kỳ, hình dạng rất phức tạp. Chính sự đột phá trong công nghệ này đã giải quyết rất nhiều vấn đề trong thực tiễn và đưa nhóm máy mới này trở thành một trong các công cụ gia công đặc biệt hữu hiệu.2 Đặc điểm của phương pháp gia công tia lửa điện - Điện cực (đóng vai trò là dụng cụ cắt) có độ cứng thấp hơn nhiều so với vật liệu phôi.
Vật liệu điện cực thường là đồng, graphite, đồng-vonfram, bạc- vonfram… - Vật liệu phôi thường là những vật liệu cứng và đã qua nhiệt luyện như: thép đã qua tôi, các hợp kim cứng… - Vật liệu dụng cụ cắt và vật liệu phôi đều phải có tính dẫn điệntốt. - Môi trường gia công là một chất lỏng điện môi. Đây là dung dịch không dẫn điện ở điều kiện làm việc bình thường. Dung dịch điện môi thường là: nước cất, nước máy, dầu biến thế, dầu hỏa có thêm bột nhôm… 1.3 Khả năng công nghệ của phương pháp gia công tia lửa điện Phương pháp gia công tia lửa điện có thể gia công được các bề mặt có hình dạng phức tạp như: bề mặt các lỗ, hốc phức tạp (lỗ định hình, khuôn rèn, khuôn dập…) và các chi tiết có độ bền, độ cứng rất cao (chi tiết máy sử dụng trong ngành hàng không, lò phản ứng hạt nhân…)[15].
Bề mặt chi tiết được gia công bằng phương pháp EDM có thể đạt độ nhám thấp: Ra= 0,63µm khi gia công thô và Ra= 0,16µm khi gia công tinh. Thông thường độ chính xác kích thước gia công vào khoảng 0,01mm. Ở các máy khoan tọa độ sử dụng tia lửa điện để gia công thì độ chính xác đạt đến 0,0025mm. Phương pháp này có thể gia công những vật liệu khó gia công mà các phương pháp gia công truyền thống khó hoặc không thể thực hiện được như: thép đã qua tôi, thép hợp kim khó gia công, hợp kim cứng.
LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com 6 Mặc dù việc bóc tách vật liệu phôi bằng năng lượng nhiệt rất lớn, tuy nhiên những ảnh hưởng của nhiệt tác động lên vật liệu gia công là không lớn. Các vấn đề như: biến dạng, ứng suất cơ học không xuất hiện trong suốt quá trình gia công do không có sự tiếp xúc giữa phôi và dụng cụ (điện cực). Điều này rất có lợi trong việc gia công các chi tiết mỏng làm bằng các vật liệu dòn.2 Các phương pháp gia công tia lửa điện Hiện nay có hai phương pháp gia công tia lửa điện chủ yếu trong gia công cơ khí trên thế giới là: phương pháp gia công xung định hình và phương pháp gia công cắt dây tia lửa điện (WEDM). Các phương pháp này được ứng dụng rộng rãi và góp phần đáng kể cho sự phát triển về khoa học kỹ thuật của nhân loại.1 Phương pháp gia công xung định hình Phương pháp gia công xung định hình là phương pháp dùng các điện cực đã được tạo hình sẵn để in hình (âm bản) của nó lên bề mặt phôi.
Phương pháp này được dùng để chế tạo bề mặt các khuôn có hình dạng phức tạp như: các khuôn ép định hình, khuôn ép nhựa, khuôn đúc áp lực, lỗ không thông… 1.2 Phương pháp gia công cắt dây tia lửa điện WEDM là phương pháp dùng một dây dẫn điện có đường kính nhỏ (0,1- 0,3 mm) cuốn liên tục và chạy theo một biên dạng định trước để tạo thành một vết cắt trên phôi. Phương pháp này thường dùng để gia công các lỗ thông suốt có biên dạng phức tạp như: lỗ trên khuôn dập, lỗ trên khuôn ép, lỗ khuôn đúc áp lực… Ngoài ra, phương pháp này còn được ứng dụng khá rộng rãi trong việc chế tạo các chi tiết có biên dạng rất phức tạp và đòi hỏi độ chính xác cao như các điện cực dùng cho gia công xung định hình, gia công các rãnh hẹp, gấp khúc, các dưỡng kiểm… 1.3 Một số phương pháp sử dụng nguyên lý gia công tia lửa điện Ngoài hai phương pháp gia công chủ yếu trên, ngày nay trên thế giới còn có một số phương pháp gia công sử dụng nguyên lý gia công tia lửa điện như sau: - Gia công tia lửa điện dạng phay (milling EDM): là phương pháp sử dụng một điện cực chuẩn, hình trụ quay để thực hiện ăn mòn tia lửa điện theo LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com 7 kiểu phay. Phương pháp này thường dung để gia công các hình dáng phức tạp do không phải chể tạo điện cực phức tạp (để xung) mà sử dụng điện cực để gia công theo chương trình giacông. - Gia công EDM trợ giúp của siêu âm (ultrasonic aided edm): là phương pháp bóc tách vật liệu bằng tia lửa điện kết hợp với việc rung điện cực dụng cụ với tần số rung bằng tần số siêu âm.Việc rung điện cực với tần số siêu âm giúp nâng cao khả năng công nghệ và tăng đáng kể tốc độ gia công các lỗ nhỏ và siêu nhỏ.
- Mài xung điện (abrasive electrical discharge grinding-AEDG): là phương pháp gia công trong đó vật liệu được bóc tách nhờ tác dụng kết hợp của ăn mòn tia lửa điện và ăn mòn cơ khí. - Gia công xung định hình siêu nhỏ (MEDM): là một dạng xung định hình đặc biệt trong đó điện cực được quay với tốc độ lớn (tới 10. điện cực sử dụng trong MEDM có kích thước nhỏ và được chế tạo bằng các phương pháp gia công tia lửa điện khác. Phương pháp này dùng để gia công các lỗ siêu nhỏ với độ chính xác rất cao.
- Cắt dây tia lửa điện siêu nhỏ (MWEDM): là phương pháp cắt dây sử dụng điện cực vonfram có đường kính dây nhỏ dưới 10 µm. Phương pháp này dùng để gia công cắt dây các lỗ siêu nhỏ có kích thước từ (0,1 - 1)mm, các vật liệu khó gia công, các chi tiết có chiều dày mỏng,… hoặc dùng trong công nghệ chế tạo các chi tiết bán dẫn. - Gia công tia lửa điện theo kiểu đê chắn (mole EDM): là một quá trình gia công đặc biệt cho phép gia công các hốc, rãnh dạng đường cong hoặc đường xuyến. Hình dáng điện cực được sử dụng trong phương pháp này giống như một thanh dẫn có thể uốn cong và một hệ thống nhận dạng.
Người ta sử dụng sóng siêu âm để nhận dạng các đường hầm gia công trong chitiết. - Xung định hình với 2 điện cực quay: là phương pháp sử dụng một điện cực quay để ăn mòn một phôi quay. Khi phối hợp chuyển động của điện cực và phôi sẽ tạo ra các hình dạng chi tiết khác nhau theo yêu cầu. Đây là phương pháp gia công siêu chính xác và cho độ bóng siêu cao.3 Nguyên lý của phương pháp gia công tia lửa điện.
LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.Sơ đồ nguyên lý gia công tia lửa điện [15] Sơ đồ nguyên lý của gia công tia lửa điện được mô tả trên hình 1.Một điện áp một chiều (80V – 200V) được đặt vào vào giữa điện cực và phôi ngâmtrong dung dịch cách điện (dung dịch điện môi), hình 1. Khi đưa điện cực vàphôi tiến lại gần nhau đến một khoảng cách đủ nhỏ thì xuất hiện sự phóng tia lửađiện. Nhiệt độ của vùng này tăng lên rất lớn (khoảng 10.000oC) làm nóng chảyvà bay hơi vật liệu của cả điện cực và phôi. Điều này được giải thích qua 2 bước: Bước 1: Giai đoạn đánh thủng dung dịch điện môi.
Ở giai đoạn này do điện trường trong khe hở đủ lớn (khoảng 104 V/mm) làm ion hóa dung dịch điện môi và biến nó thành dung dịch dẫn điện.Quá trình ion hóa dung dịch điện môi Bước 2: Khi năng lượng tập trung đủ lớn một dòng điện hình thành do LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.