CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ GIA CÔNG TIA LỬA ĐIỆN 1.1 Lịch sử phát triển EDM Người đầu tiên phát triển máy phóng tia lửa điện với một mạch điện tương tự như hệ thống đánh lửa trên ô tô là Lazarenko (người Nga) vào năm 1943. Hệ thống này đã trở thành hệ thống EDM (Electrical Discharge Machining) tiêu chuẩn đầu tiên được sử dụng trên toàn thế giới (mạch điện trở - tụ điện (R-C) cho máy EDM (hình 1. Những năm sau đó Lazarenko tiếp tục phát triển hệ thống và thiết kế một hệ thống tự động duy trì khoảng cách phóng điện từ điện cực tới phôi trong chu kỳ gia công EDM. Nhiều máy EDM do Lazarenko thiết kế đã được sản xuất trong chiến tranh thế giới thứ II, cho phép gia công kim loại như Vonfram và Vonfram cacbua.
Từ mô hình này, các máy gia công tia lửa điện được phát triển ở các quốc gia bên ngoài nước Nga, đó là châu Âu và Nhật Bản [73]. Động cơ servo điều khiển điện cực tự động Điện trở (R) Điện cực Khe hở đánh lửa Chất điện môi Thùng chứa Nguồn điện 1 chiều Tụ điện (C) Phôi (vật liệu dẫn điện) Hình 1.1 Sơ đồ nguyên lý gia công tia lửa điện sử dụng mạch điện R-C của Lazarenko [73] Năm 1967, một máy cắt dây EDM sản xuất tại Liên Xô đã được trưng bày tại một triển lãm máy tại Montreal, Quebec, Canada. Máy này đặc trưng điều khiển số chuyển động bằng động cơ bước, độ chính xác gia công là 0,02 mm. Thời gian cần thiết để cắt một vết cắt dài 127 mm thép dày 12,7 mm là 180 phút [73].
Điện cực dùng cho máy cắt dây EDM là dây có đường kính nhỏ (d = 0,1 - 0,3 mm) được quấn thành cuộn. Quá trình 5 phóng điện ăn mòn xảy ra trong môi trường chất điện môi (nước đã khử ion). Sơ đồ máy gia công EDM điện cực dây được trình bày ở hình 1. Bộ điều khiển Bộ quấn Bàn máy có điện cực dây tấm bảo vệ Tủ điện Động cơ di chuyển bàn máy Thúng chứa và bộ lọc chất điện môi Bàn máy Đế máy Hình 1.2 Sơ đồ máy gia công tia lửa điện, điện cực dây [73] Cho đến nay, phương pháp gia công này đã được phổ biến rộng rãi khắp nơi trên thế giới.
Nguyên tắc của phương pháp này là bắn phá chi tiết để tách vật liệu bằng nguồn năng lượng nhiệt rất lớn được sinh ra khi cho hai điện cực tiến gần nhau. Trong hai điện cực này, một đóng vai trò là dao và một đóng vai trò là phôi trong quá trình gia công. Trong thập niên 1960 đã có nhiều nghiên cứu sâu rộng về gia công EDM và đã giải quyết được nhiều vấn đề liên quan đến mô hình tính toán quá trình gia công EDM. Trong thập niên 1970 đã xảy ra cuộc cách mạng về gia công trên máy cắt dây EDM nhờ vào việc phát triển các máy phát xung công suất lớn, các loại dây cắt và các phương pháp sục chất điện môi hữu hiệu [21].
Máy gia công tia lửa điện ngày nay sử dụng động cơ tuyến tính có chuyển động chính xác cao, cập nhật công nghệ điều khiển mới nhất.2 Đặc điểm gia công tia lửa điện * Ưu điểm của gia công tia lửa điện So với gia công cắt gọt truyền thống thì gia công tia lửa điện có các tính năng độc đáo: - Gia công tia lửa điện sử dụng năng lượng nhiệt để gia công nên không có lực cắt gọt; - Điện cực dụng cụ dùng trong gia công có độ cứng thấp hơn nhiều so với chi tiết gia công; - Có thể gia công vật liệu dẫn điện với độ cứng cao mà phương pháp gia công truyền thống khó thực hiện; - Có thể gia công những vị trí hốc khuôn có hình dạng góc hộp vuông kín mà phương pháp truyền thống không hoặc rất khó gia công được. * Nhược điểm của gia công tia lửa điện - Cả phôi và điện cực đều phải dẫn điện; - Sử dụng chất điện môi khi gia công, chất này không dẫn điện ở điều kiện bình thường; - Năng suất gia công không cao; - Để lại trên bề mặt chi tiết gia công lớp trắng có cấu trúc, độ cứng, ứng suất dư khác lớp kim loại nền.3 Ứng dụng gia công tia lửa điện Do nguyên lý gia công khác với gia công truyền thống, năng suất bóc tách kim loại thấp nên phương pháp gia công bằng tia lửa điện hiện nay thường ứng dụng để gia công các chi tiết, bộ phận máy, đặc biệt trong sản xuất khuôn mẫu, chi tiết ô tô, hàng không vũ trụ và các dụng cụ phẫu thuật.4 Một số khái niệm trong gia công tia lửa điện 1.1 Chu kỳ gia công Thông thường, khi gia công xung có thời gian phóng điện và thời gian ngắt khác nhau và rất ít khi bằng nhau. Để đánh giá hay xác định công suất trung bình trong một chu kỳ người ta thường sử dụng khái niệm “chu kỳ gia công”. Chu kỳ gia công là khoảng thời gian thực hiện phóng xung và ngắt xung điện.
Tuy nhiên trong chu kỳ ấy, việc đốt cháy chỉ được thực hiện khi phóng xung nên có thể xem xét tính hiệu quả trong một chu 7 kỳ được xác định bằng tỷ lệ thời gian phóng xung ON trên tổng thời gian phóng xung ON và ngừng xung OFF. Chu kỳ gia công = ON / (ON + OFF) (1.1) Trong đó: ON - thời gian phóng tia lửa điện (s); OFF - thời gian ngừng phóng tia lửa điện (s).2 Điện áp và cường độ dòng điện gia công Để thực hiện được việc phóng tia lửa điện thì giữa hai điện cực (điện cực dụng cụ và phôi) phải được duy trì một dòng điện. Khi dòng điện chạy qua một chất điện môi, điện áp giữa điện cực dụng cụ và phôi được giảm gần như ngay lập tức từ điện áp mạch 100 V xuống (20 ÷ 50) V, Điện áp trong vùng phóng tia lửa điện (hình 1.3) này được gọi là điện áp gia công. Điện áp gia công phụ thuộc vào rất nhiều yếu tố trong đó độ nhớt của chất điện môi và đặc tính điện của chất điện môi khi ion hóa ảnh hưởng lớn đến giá trị thực tế của điện áp giảm này.
Điểm ion hóa Điện áp mạch điện Điện ápmáy Vùng điện áp xuất hiện tia lửa điện Thời gian phóng điện Thời gian Hình 1.3 Vùng điện áp xuất hiện tia lửa điện [73] Khi điện áp được áp dụng giữa điện cực và phôi, sau đó chất điện môi được ion hóa, dòng điện chạy qua khoảng cách phát ra tia lửa.4 minh họa điện áp và cường độ dòng điện trong một lần phóng tia lửa bình thường. 8 Điểm ion hóa Điện áp Điện áp Điện áp máy Ton Thời gian Đồ thị điện áp Cường độ dòng điện I Thời gian Đồ thị I Hình 1.4 Điện áp và dòng điện khi xuất hiện tia lửa điện [73] Quá trình ion hóa điện môi diễn ra bất cứ lúc nào trong khoảng thời gian có điện áp, thời gian phóng điện thay đổi, dựa trên điểm ion hóa của chất lỏng điện môi.5 minh họa quá trình này.5 Dòng điện và điện áp trong chu kỳ xung [73] 9 1.3 Thời gian phóng tia lửa điện Ton Sự trễ trong điểm ion hóa chất điện môi sẽ làm giảm thời gian phóng tia lửa. Việc giảm thời gian phóng này làm giảm lượng vật liệu được loại bỏ bởi tia lửa điện. Tuy nhiên, nguồn cung cấp năng lượng EDM luôn tạo ra tia lửa với thời gian bằng nhau.5 cho thấy các tia lửa với thời gian bằng nhau, dựa trên điểm ion hóa chất điện môi.4 Thời gian ngừng phóng tia lửa điện Toff Thời gian ngừng phóng điện phải đủ để vận chuyển phoi ra khỏi vùng gia công và đủ thời gian chất điện môi ngừng ion hóa, làm ổn định quá trình gia công, nếu Toff quá dài làm giảm năng suất bóc tách vật liệu.
Thời gian phóng điện và thời gian ngừng phóng điện tạo thành chu kỳ gia công.5 Sự ion hóa Sự ion hóa là quá trình mà một electron bị loại bỏ khỏi nguyên tử, phân tử hoặc ion. Quá trình này rất quan trọng để dẫn điện trong chất lỏng. Khi các chất lỏng điện môi không ion hóa, điện áp được áp dụng cho khoảng cách phát ra tia lửa giữa phôi và điện cực. Tuy nhiên, không có dòng điện giữa điện cực và phôi thông qua chất lỏng điện môi.
Ở đây, dạng sóng vuông tăng từ 0 đến điểm 100 V. Nó vẫn còn đó cho đến khi ngắt điện làm cho điện áp giảm xuống 0, và được gọi là điện áp mạch hở, điện áp mạch hở cho hầu hết các nguồn điện EDM là khoảng 100 V. Với khoảng cách giữa điện cực và phôi nhỏ hơn, chất điện môi ion hóa, xuất hiện tia lửa điện giữa điện cực và phôi. Khi dòng điện chạy qua chất lỏng, điện áp giữa điện cực và phôi được giảm gần như ngay lập tức từ điện áp mạch hở 100 V xuống khoảng 20 đến 50 V, là dải điện áp nơi tia lửa xảy ra.
Điện áp này được gọi là điện áp gia công. Độ bền điện môi và các đặc tính điện của chất lỏng điện môi trong quá trình ion hóa thiết lập giá trị thực tế của điện áp giảm này.6 Sự trễ của ion hóa Quá trình ion hóa điện môi không phải lúc nào cũng xảy ra vào đầu thời gian có điện áp. Nó có thể xảy ra bất cứ lúc nào trong khoảng thời gian có điện áp.5 minh họa dạng sóng điển hình cho sự ion hóa điện môi bình thường và trễ, sau khi điện áp mạch hở được áp dụng cho khoảng cách phát ra tia lửa.7 Vật liệu điện cực Vật liệu điện cực phải có tính dẫn điện và có các tính năng như: điểm nóng chảy cao; dễ dàng gia công; chi phí thấp. Không có vật liệu điện cực duy nhất cung cấp tất cả các tính năng mong muốn cho bất kỳ ứng dụng cụ thể.
Các loại vật liệu sau đây [73, 14] có thể coi như là một khuyến cáo về vật liệu điện cực thường được sử dụng cho các máy EDM: - Đồng vàng (Brass) Đồng vàng sẵn có, thường sử dụng gia công EDM là bằng đồng thau. Loại vật liệu này dùng làm điện cực có một tỷ lệ hao mòn thấp khi gia công thép, và tỷ lệ hao mòn rất cao khi gia công vonfram cacbua. Đồng vàng thường không được khuyến cáo sử dụng với nguồn cung cấp điện R-C. - Đồng đỏ (Copper) Đồng đỏ sẵn có và có thể được coi là đồng nguyên chất (đồng điện phân), thường dùng để gia công thép.
Đồng đỏ rất khó mài, nhưng có đặc điểm chống mòn tốt, thường được sử dụng cho các máy EDM với nguồn cung cấp điện R-C.