Nghiên cứu ảnh hưởng của công nghệ gia công bằng tia lửa điện

Các nước có nền công nghiệp phát triển đã có bước nhảy vọt trong việc chế tạo máy gia công tia lửa điện. Nhật Bản là một trong những nước sản xuất, sử dụng và đưa ra thị trường nhiều nhất các máy gia công tia lửa điện CNC, chiếm tới 35% thị trường thế giới. Châu Âu chiếm 30%, Mỹ 15% và Châu Á 12%. Các công trình nghiên cứu về công nghệ tia lửa điện (EDM) tại các nước này có quy mô lớn và đầu tư rất nhiều. Gia công tia lửa điện là nguyên lý tác động ăn mòn vật liệu kim loại bởi tia lửa điện, nguyên lý này đã được biết cách đây gần 200 năm.

Công nghệ gia công tia lửa điện với những ưu điểm nổi trội, đã và đang được sử dụng rộng rãi để thay thế một số quá trình gia công truyền thống trong nhiều ngành công nghệ khác nhau như công nghệ hàng không vũ trụ, điện tử và đặc biệt trong ngành chế tạo khuôn mẫu. Phương pháp này có thể gia công các vật liệu có độ cứng cao mà các phương pháp truyền thống gặp khó khăn. Ngoài ra, gia công EDM cho phép tạo ra các hình dạng phức tạp với độ chính xác cao. Độ chính xác và độ nhám bề mặt là hai yếu tố quan trọng mà EDM có thể kiểm soát tốt. Tuy nhiên, quá trình này vẫn còn nhiều yếu tố chưa rõ, cần tiếp tục nghiên cứu và tối ưu hóa.

Quá trình ăn mòn tia lửa điện chịu ảnh hưởng bởi nhiều yếu tố, bao gồm: thông số điện, vật liệu điện cực, chất điện môi, và điều kiện môi trường. Các yếu tố này tác động đến sự hình thành và phát triển của kênh plasma, ảnh hưởng trực tiếp đến lượng vật liệu bị loại bỏ và chất lượng bề mặt. Nghiên cứu sâu hơn về các yếu tố này là cần thiết để tối ưu hóa quá trình gia công và giảm thiểu các hiện tượng không mong muốn như tạo ứng suất dư và nứt tế vi. Ứng suất dư và nứt tế vi là hai vấn đề cần được kiểm soát chặt chẽ trong gia công EDM.

Kiến thức chuyên ngành về công nghệ gia công tia lửa điện chưa được phổ cập cho lực lượng sử dụng thiết bị cũng như cán bộ nghiên cứu, ứng dụng công nghệ này. Các thông số công nghệ, các thông số điều chỉnh máy như: điện áp xung, dòng điện xung, thời gian xung, thời gian nghỉ, thời gian dừng điện cực tại vị trí gia công, thời gian nhấc dừng điện cực tại vị trí ngoài vùng gia công…trên máy xung nhập từ nước ngoài đã được các hãng sản xuất tích hợp và cài đặt sẵn trong máy. Điều đó gây khó khăn cho người sử dụng lựa chọn hoặc giải các bài toán tối ưu cho chế độ công nghệ gia công bằng tia lửa điện trong điều kiện sản xuất cụ thể.

Những thông số đặc trưng cho chất lượng bề mặt tuy đã được nghiên cứu nhưng mới tập trung nhiều vào độ chính xác kích thước, độ nhám bề mặt, trong khi các yếu tố khác như chiều sâu lớp biến cứng, lớp ảnh hưởng nhiệt, nứt tế vi bề mặt…chưa được nghiên cứu đầy đủ. Nghiên cứu cần tập trung vào chiều sâu lớp biến cứng, lớp ảnh hưởng nhiệt, và nứt tế vi bề mặt để đánh giá toàn diện chất lượng bề mặt gia công EDM. Việc kiểm soát các yếu tố này giúp nâng cao độ bền và tuổi thọ của sản phẩm.

Nghiên cứu ảnh hưởng của một số yếu tố công nghệ đến chất lượng chi tiết được gia công bằng xung điện định hình (EDM) trên máy xung Hurco Spark 900 tại Trung tâm khuôn mẫu của Viện máy và dụng cụ công nghiệp. + Điện cực bằng đồng thau. + Vật liệu gia công gồm 3 loại: - Thép 45 thường - Thép 45 nhiệt luyện - Thép hợp kim CM55 thường. Các thông số công nghệ được nghiên cứu bằng thực nghiệm.

Các kết quả thí nghiệm trên mẫu được đo đạc và xử lý bằng các thiết bị đo và phần mềm chuyên dụng, hiện đại tại các phòng thí nghiệm của Trường ĐHBK Hà nội và Viện IMI. Kết quả nghiên cứu được áp dụng thử nghiệm tại phân xưởng sản xuất của Viện IMI trong gia công các loại khuôn mẫu, qua đó đánh giá được hiệu quả, mức độ tin cậy cũng như khả năng mở rộng phạm vi nghiên cứu. Các thông số công nghệ được nghiên cứu bằng thực nghiệm.

Cần xác định các yếu tố đầu vào (như dòng điện, điện áp, thời gian xung) và các yếu tố đầu ra (như độ nhám bề mặt, tốc độ ăn mòn vật liệu). Các yếu tố này cần được kiểm soát và đo lường một cách chính xác. Đồng thời các thông số cần có độ tin cậy cao. Điều này giúp đảm bảo tính khách quan và chính xác của kết quả nghiên cứu. Phương pháp thực nghiệm cho phép thu thập dữ liệu thực tế, cung cấp cái nhìn sâu sắc về quá trình gia công EDM.

Nghiên cứu này giúp đánh giá một cách định lượng ảnh hưởng của các yếu tố công nghệ như cường độ dòng điện, điện áp, thời gian xung, và vật liệu điện cực đến chất lượng bề mặt. Từ đó, các nhà sản xuất có thể điều chỉnh các thông số này để đạt được chất lượng bề mặt mong muốn. Ví dụ, việc tăng cường độ dòng điện có thể làm tăng tốc độ gia công, nhưng cũng có thể làm tăng độ nhám bề mặt. Cần tìm ra sự cân bằng giữa các yếu tố này để đạt được hiệu quả tốt nhất. Cường độ dòng điện, điện áp, thời gian xung, và vật liệu điện cực là những yếu tố quan trọng cần được xem xét.

Mô hình hóa quá trình gia công EDM bằng các phương trình toán học cho phép dự đoán kết quả gia công dựa trên các thông số đầu vào. Điều này giúp giảm thiểu số lượng thí nghiệm cần thiết và tiết kiệm thời gian và chi phí. Mô hình toán học cũng cho phép tối ưu hóa quá trình gia công để đạt được hiệu suất cao nhất. Tối ưu hóa quá trình là mục tiêu quan trọng của việc xây dựng mô hình toán học.

Các kết quả nghiên cứu có thể được áp dụng trực tiếp vào quá trình sản xuất khuôn mẫu, giúp nâng cao chất lượng và giảm thời gian sản xuất. Ví dụ, việc lựa chọn vật liệu điện cực phù hợp và điều chỉnh các thông số gia công có thể giúp tạo ra các khuôn mẫu với độ chính xác cao và bề mặt mịn. Điều này đặc biệt quan trọng trong sản xuất các khuôn mẫu phức tạp. Độ chính xác và bề mặt mịn là hai yêu cầu quan trọng trong sản xuất khuôn mẫu.

Điện áp đánh lửa U i: là điện áp cần thiết để dẫn đến sự phóng tia lửa điện, đặt giữa phôi và điện cực dụng cụ khi máy pháp xung đóng điện. Dòng phóng tia lửa điện và khe hở phóng điện là các hàm số tỷ lệ thuận của U i. Thời gian trễ đánh lửa t d: Là khoảng thời gian từ lúc đóng máy phát đến khi xuất hiện sự phóng tia lửa điện. Trong thời gian t d , điện áp được duy trì ở mức U i và dòng điện bằng “O”.

Dòng phóng tia lửa điện I e: là giá trị trung bình của dòng điện kể từ lúc bắt đầu phóng tia lửa điện đến khi ngắt điện, khi bắt đầu phóng tia lửa điện, dòng điện từ “O” tăng nhanh đến giá trị I e kèm theo sự đốt cháy và bốc hơi vật liệu tại vùng gia công. I e ảnh hưởng lớn nhất đến lượng bóc tách vật liệu (Vw) độ mòn điện cực của (V o ) và chất lượng bề mặt gia công (R a ). Thời gian xung t i: là khoảng thời gian giữa lần đóng và ngắt của máy phát trong cùng một chu kỳ phóng tia lửa điện. t i là tổng thời gian trễ đánh tia lửa điện t d và thời gian phóng tia lửa điện t e .

Các nghiên cứu đã chỉ ra rằng các thông số công nghệ gia công ảnh hưởng đáng kể đến chất lượng bề mặt. Việc kiểm soát các thông số này giúp tạo ra các sản phẩm với độ chính xác cao và bề mặt mịn. Tuy nhiên, cần tiếp tục nghiên cứu để hiểu rõ hơn về các yếu tố ảnh hưởng đến chất lượng bề mặt và phát triển các phương pháp gia công EDM hiệu quả hơn.

Công nghệ gia công EDM tiếp tục phát triển với sự ra đời của các phương pháp mới như EDM vi mô và EDM sử dụng laser. Các phương pháp này cho phép gia công các chi tiết nhỏ và phức tạp với độ chính xác cao. Nghiên cứu về các vật liệu điện cực mới và chất điện môi hiệu quả hơn cũng đang được tiến hành để nâng cao hiệu suất và chất lượng gia công EDM. EDM vi mô và EDM laser là hai hướng phát triển đầy hứa hẹn.