CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU 1. Tính cấp thiết của đề tài Gia công phóng điện EDM là một phương pháp gia công hiện đại được sử dụng rộng rãi để gia công các vật liệu cứng và các hình dạng phức tạp khó gia công bằng các phương pháp thông thường tuy vậy không thể dùng phương pháp này để gia công các vật liệu không dẫn điện. Hiện tại EDM dây trở thành một công cụ thiết yếu trong đa lĩnh vực như chế tạo công cụ, công nghiệp khuôn mẫu, ô tô và công nghiệp hàng không vũ trụ, v. Trong quá trình gia công, không có sự tiếp xúc giữa vật liệu gia công và điện cực của máy, do đó độ cứng của vật liệu phôi không phải yếu tố ảnh hưởng.
Trong quá trình gia công, việc loại bỏ vật liệu được thực hiện bằng vật liệu dẫn điện như đồng, vonfram hoặc đồng thau bằng cách tạo ra tia lửa giữa điện cực của máy và phôi [1].Đây được coi là kiểu gia công độc đáo của quy trình EDM, sử dụng điện cực để tạo quá trình phát tia lửa điện. WEDM dùng điện cực với dây chuyển động liên tục với bán kính 0,025–0,15 mm, có khả năng tạo góc bán kính siêu nhỏ [2] .Trong quá trình gia công EDM có rất nhiều thông số ảnh hưởng đến quá trình gia công và có nhiều hướng nghiên cứu để tối ưu hóa quá trình gia công. Các thông số chính của EDM chủ yếu được phân thành hai loại: thông số quy trình và thông số hiệu suất hay còn gọi là thông số đầu vào và thông số đầu ra [3]. Thông số đầu vào: Các thông số quá trình trong EDM được sử dụng để kiểm soát và điều khiển các quá trình chạy của máy.
Các thông số quá trình là các yếu tố đầu vào, có thể kiểm soát chung giúp xác định các điều kiện gia công. Những điều kiện gia công này sẽ ảnh hưởng đến hiệu suất kết quả được đo bằng nhiều cách khác nhau bằng các biện pháp thực nghiệm. Thông số đầu vào gồm thông số điện (Ton, Toff, SV, WF,…), thông số phi điện (thời gian nâng điện cực, thời gian làm việc, xả vòi phun, loại điện môi), thông số dựa trên điện cực (vật liệu điện cực, kích thước điện cực, hình dạng điện cực) [3]. Thông số đầu ra: các thông số này đo lường hiệu suất các quá trình khác nhau của kết quả EDM.
Thông số này bao gồm: Tỷ lệ loại bỏ vật liệu (MRR), tốc độ mài mòn điện cực (TWR), tỷ lệ hao mòn giữa điện cực và phôi (WR), độ nhám bề mặt (SR), Vùng ảnh hưởng nhiệt (HAZ), chất lượng bề mặt (SQ) được đánh giá bằng độ nhám bề mặt và vùng ảnh hưởng nhiệt [3]. Về cơ bản EDM có hai loại là EDM xung định hình và EDM cắt dây. EDM xung định hình: bao gồm một điện cực và phôi được ngâm trong chất lỏng cách điện. Nguồn điện tạo ra một điện thế giữa điện cực và phôi.
Khi điện cực đến gần phôi, quá trình phóng điện xảy ra trong chất lỏng, tạo thành kênh plasma và một tia lửa điện nhỏ phóng ra. Những tia lửa này thường đánh ra từng tia một vì rất khó có khả năng các vị trí khác nhau trong không gian giữa các điện cực có cùng điểm giống nhau. Khi kim loại bị ăn mòn và khe hở tia lửa tăng lên, điện cực sẽ được máy điều chỉnh hạ xuống để quá trình có thể tiếp tục mà không xảy ra sự gián đoạn. Hàng trăm nghìn tia lửa điện xuất hiện mỗi giây, với chu kỳ hoạt động được điều khiển bởi các thông số thiết lập [3].1: Sơ đồ của máy xung định hình [4] EDM cắt dây: Gia công cắt dây EDM (còn gọi là Spark EDM) là một quy trình sản xuất trong đó sợ dây kim loại mỏng (thường là đồng thau) kết hợp với nước khử ion (dùng để cách điện) cho phép dây cắt xuyên qua kim loại bằng cách sử dụng nhiệt từ tia lửa điện.
Một dây kim loại sợi đơn mỏng đưa qua phôi, ngâm trong bể chất lỏng điện môi. EDM cắt dây thường được sử dụng để cắt các tấm dày tới 300mm và để chế tạo các loại dụng cụ và khuôn dập từ các kim loại cứng rất khó gia công bằng các phương pháp khác. EDM cắt dây thường được sử dụng khi cần đạt ứng suất dư thấp vì nó không yêu cầu lực cắt cao để loại bỏ vật liệu. EDM cắt dây có thể dễ dàng gia công các bộ phận phức tạp và các bộ phận chính xác từ vật liệu dẫn điện [3].2: Sơ đồ của máy cắt dây [4] Nghiên cứu về EDM có những hướng đi như tối ưu hóa các thông số đầu vào để đạt hiệu quả gia công [5], phân tích cấu trúc của điện cực [6], lập mô hình hóa quy trình EDM [7], nghiên cứu hiệu suất của quy trình EDM [8], nghiên cứu về dụng cụ hỗ trợ rung siêu âm trong quy trình EDM [8].
Các bài nghiên cứu gần đây về EDM và WEDM [1 – 22], nhiều loại vật liệu được sử dụng như là các vật liệu làm khuôn D2 [1], [9], SKD61 [10], D3 [2], P20 [11], các mác thép EN-31 steel [12], STAVAX steel [13], hợp kim Ti6Al4V [14], [15], EN41B 2 [16], các loại hợp kim nhôm Al-Al3Fe [17], Al-SiC-B4C [18], Al2O3-TiC [19], Al alloy[14], [15], và các vật liệu khác như Composite [18], [20]. Những bài báo cáo này nghiên cứu về các vấn đề gồm tối ưu các thông số [1], [2], [11–20], [25], [26], Cải thiện tính toàn diện của bề mặt [24]. Nghiên cứu thực nghiệm về ảnh hưởng của dòng phóng điện dạng sóng [13], Gia công biên dạng cong của hợp kim Ti6Al4V và điều tra về lỗi hình học [14], Nghiên cứu tạo rãnh siêu nhỏ trên hợp kim Titan [15]. Phân tích độ sai lệch của góc cắt [20].
Phương pháp nghiên cứu được sử dụng trong các báo cáo gồm Taguchi [1–5], [11–17], [18–23], [24–26], ANOVA [1–11], [14–17], [18–23], [25], [26], và phương pháp Grey relation analysis [1–5], [11], [23], [25]. Các phương pháp nghiên cứu sẽ có những ưu điểm và nhược điểm khác nhau, tùy theo mục đích nghiên cứu để có thể chọn phương pháp phù hợp hoặc có thể kết hợp giữa các phương pháp nghiên cứu. Các nghiên cứu trên thường sử dụng phương pháp Taguchi, ANOVA và Grey system để tối ưu các thông số nhằm cho ra những kết quả và kết luận một cách chính xác nhất. Trong các nghiên cứu trên không có nhiều nghiên cứu về cải thiện thông số gia công trên WEDM để ứng dụng làm khuôn mẫu, vì vậy nghiên cứu này sẽ tập trung về WEDM.
Trước khi triển khai phương pháp nghiên cứu việc xác định các tham số đầu vào và mục đích nghiên cứu nghĩa là xác định yếu tố đầu ra cần được thực hiện trước. Thông số đầu vào của các báo cáo đã đề cập ở trên gồm Ton, Toff, SV, WF [1–5], [8], [10], [14] [19–22], Ip [1], [16], [17], [21]. Theo thống kê trong những công trình này Ton nằm trong khoảng từ 12 – 120(μs), Toff từ 5,5 – 55(μs), SV từ 10 – 70(V). Mỗi thông số ảnh hưởng đến những yếu tố khác nhau nên cần thực hiện nhiều thí nghiệm để thấy được sự ảnh hưởng của những tham số.
Nghiên cứu tối ưu hóa thông số WEDM về độ nhám bề mặt của thép EN41B [16] chỉ ra rằng trong quá trình gia công, người ta thấy rằng việc tăng thời lượng xung và Ip sẽ làm tăng độ nhám bề mặt. Gia công tối ưu trong WEDM đạt được nhờ sự kết hợp khác nhau của các cấp độ khác nhau Ton1, Toff1, Ip1 và WF3. Phương pháp Max-min (S/N) nhận thấy Ton, Ip là thông số hiệu quả nhất của SR. Trong nghiên cứu tối ưu hóa tham số quy trình WEDM của vật liệu tổng hợp Al- Al3Fe [17] cho thấy MRR tối đa (16,41 mm3 phút-1) cho tổ hợp yếu tố của VR = 0 vol%, Ton = 125 µs, Sv = 40V và Ip = 150A.
Trong khi giá trị tối thiểu của MRR (1,99 mm3 phút 1) thu được từ thí nghiệm (VR = 20 vol%, Ton = 105µs, Sv = 80V và Ip = 110A). Trong phạm vi điều tra của họ, MRR tối đa xảy ra đối với hợp kim cơ bản khi SV thấp nhất nhưng cả Ton và Ip đều cao nhất. MRR được tìm thấy là nhỏ nhất đối với cốt thép hỗn hợp có phần trăm khối lượng hạt tại chỗ cao nhất khi Ton thấp nhất nhưng SV là lớn nhất. Trong trường hợp SR, giá trị tối thiểu của nó đạt được là 3,39µm so với thí nghiệm (VR = 20 thể tích%, Ton = 105µs, Sv = 60V và Ip = 70A).
Trong khi đó, thử nghiệm (VR = 0 thể tích%, Ton = 115 ls, Sv = 80 V và Ip = 70 A) cung cấp giá trị SR cao nhất (6,58µm). Nói cách khác, chất lượng bề mặt gia công tệ nhất đối với hợp kim cơ bản ở IP thấp nhất và SV cao nhất. Tuy nhiên, tốt nhất là dùng composite có cốt thép 20% thể tích khi được gia công bằng cách sử dụng Sv trung gian và giá trị thấp nhất của cả Ton và Ip. 3 Kết quả thu được từ các thí nghiệm khảo sát các thông số quá trình WEDM của vật liệu composite Al-SiC-B4C [18] để loại bỏ vật liệu của điện cực ở cùng tốc độ.
Giới hạn MMR so với điện cực đồng là 27,391 đến 84,355 g/phút, với đường dây điện phạm vi từ 10 đến 42 A, phạm vi Ton từ 100 đến 200 µs và phạm vi Toff từ 4s đến 25 µs, MRR cao nhất đạt được là 84,355 g/phút với dòng điện 42 A,Ton 100 µs và Toff 25 µs. Tương tự, đối tác đồng, MRR dao động từ 18.243 g/phút, với dải công suất từ 10 đến 42 A, Ton phạm vi từ 100 đến 200 µs và phạm vi Toff từ 4 đến 25 µs. MRR cao nhất 43,243 g/phút với đường dây điện 42 A, Ton = 100 µs và s Toff = 25 µs. Trong nghiên cứu về gia công phóng điện Al2O3-TiC trong dầu và khoáng [19] chỉ ra rằng giá trị độ nhám cao có thể là do điện trở nóng chảy của dây thấp, do đó các mạch nước phun có khoảng cách gần nhau với kích thước khoảng 0,3 μm được hình thành.
Để có được độ nhám chấp nhận được khi sử dụng trong sản xuất của việc cắt chèn, cần phải tăng độ nóng chảy nhiệt độ của điện cực ít nhất ba lần, đó là được cho là có độ nhám Ra là 0,08 μm.