CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ GIA CÔNG XUNG ĐIỆN (EDM) VÀ GIA CÔNG XUNG ĐIỆN CÓ TRỘN BỘT (PMEDM). Gia công xung điện – trong tiếng Anh là Electrical Discharge Machining (EDM) là một phương pháp gia công đặc biệt được sử dụng để gia công các vật liệu dẫn điện có độ cứng cao và khó gia công. Quá trình EDM được sử dụng rộng rãi để sản xuất khuôn, cấu trúc hay biên dạng vật thể phức tạp. Khái quát về phương pháp xung định hình Năm 1770, Joseph Priestly là người đầu tiên phát hiện ra sự xói mòn vật liệu do hiện tượng phóng điện gây ra, và đây cũng được cho là nguồn gốc ra đời của phương pháp xung định hình.
Tiếp đó, hai nhà khoa học B.Lazarenko của Liên Xô đã nghiên cứu sử dụng hiệu quả các tia lửa điện để bóc tách kim loại, đồng thời đưa ra phương pháp điều khiển quá trình xuất hiện của các tia lửa điện trong gia công kim loại. Đến năm 1943, sơ đồ cấu trúc mạch điều khiển và máy phát tia lửa điện sử dụng mạch Lazarenko đã được tạo ra, và loại mạch này được cải tiến liên tục cùng với sự phát triển của máy xung định hình[3]. Ba kỹ thuật viên người Mỹ đã có ý tưởng sử dụng hiện tượng tia lửa điện để gia công ống chân không vào những năm 1950, đồng thời họ cũng giới thiệu hệ thống điều khiển servo khoảng cách giữa điện cực và phôi[4]. Tuy nhiên, chỉ tới những năm 1980 với sự ra đời của máy gia công bằng tia lửa điện CNC thì hiệu quả của phương pháp này mới được khẳng định.
Bằng những cải tiến liên tục, máy xung định hình ngày nay đã trở lên ổn định, và quá trình vận hành của máy cũng đã được giám sát bằng các hệ thống điều khiển thích nghi theo thời gian. Điều này góp phần nâng cao năng suất và chất lượng sản phẩm của phương pháp xung định hình trong gia công. Hiện nay, phương pháp xung định hình được ứng dụng vào sản xuất thực tiễn đã mang lại nhiều hiệu quả kinh tế trong ngành chế tạo cơ khí, đặc biệt là chế tạo dụng cụ và khuôn mẫu. Bởi vậy, nó vẫn tạo ra sự quan tâm của nhiều nghiên cứu.
Nguyên lý gia công EDM Nguyên lý cơ bản của phương pháp xung định hình là chuyển đổi năng lượng điện thành năng lượng nhiệt thông qua chuỗi các tia lửa điện được hình thành gián 6 đoạn tại khe hở giữa điện cực (dụng cụ) và điện cực (phôi) ngâm trong dung dịch điện môi (Hình 1. Tại khe hở nhỏ nhất giữa điện cực - phôi, một điện áp cao được đặt vào sẽ đánh thủng độ bền cách điện của dung dịch điện môi làm xuất hiện tia lửa điện, các tia lửa điện này sẽ gây xói mòn lớp vật liệu bề mặt của cả điện cực và phôi (Hình 1.1 Quá trình hình thành tia lửa điện trong EDM [4] Hình 1. 2 Sự hình thành tia lửa điện [1] 7 Sau mỗi lần dung dịch điện môi bị đánh thủng sự cách điện, tụ điện sẽ được nạp năng lượng từ nguồn bởi cuộn dây trở kháng và tia lửa điện tiếp theo được hình thành. Các tia lửa điện xuất hiện trên toàn bộ bề mặt của phôi dẫn đến dạng bề mặt cần gia công được hình thành.
Độ chính xác hình dạng của bề mặt gia công xấp xỉ độ chính xác của điện cực. Nhìn chung, nguyên lý làm việc của EDM là rất phức tạp do thời gian và khoảng cách hình thành của các tia lửa điện không rõ ràng. Và đây cũng là vấn đề vẫn đang tiếp tục được quan tâm trong nhiều nghiên cứu 1. Nguyên lý gia công PMEDM Phương pháp gia công bằng tia lửa điện có sử dụng bột kim loại, bột có khả năng dẫn điện được trộn trong dung dịch điện môi (PMEDM - Powder Mixed Electric Discharge) tăng cường khả năng của hiện tượng phóng điện trong quá trình gia công (Hình 1.
Trong quá trình này, một chất bột mịn phù hợp được pha trộn đúng tỷ lệ vào dung dịch các chất điện môi. Hiệu quả gia công cao hơn và độ nhám bề mặt gia công của phương pháp PMEDM giảm hơn nhiều phương pháp gia công bằng EDM. 3 Sơ đồ gia công xung điện có trộn bột 8 1. Sự phát triển công nghệ và những nghiên cứu trong lĩnh vực PMEDM Bột là phụ gia vào chất lỏng điện môi.
Kích thước của bột là micro và nano. Sự phát triển công nghệ và nghiên cứu trong lĩnh vực PMEDM được thể hiện trong Hình 1. 4 Phân loại các lĩnh vực nghiên cứu chính của PMEDM Khảo sát tài liệu đầy đủ về PMEDM được phân loại thành các phần khác nhau với mục tiêu nâng cao năng suất bóc tách vật liệu MRR, giảm độ mòn dụng cụ, độ nhám bề mặt thấp, hiệu chỉnh bề mặt, tối ưu hóa các tham số công nghệ, mô hình hóa quá trình và mô phỏng và các ứng dụng của PMEDM. Tình hình nghiên cứu PMEDM trên thế giới: 1.
PMEDM với mục tiêu nâng cao năng suất bóc tách vật liệu. Erden và Bilgin [5] gần như là những người đầu tiên đưa ra khái niệm EDM hỗn hợp bột vào năm 1980. Nội dung chính của nghiên cứu này bao gồm ảnh hưởng của việc thêm bột đồng, sắt, carbon và nhôm vào chất điện môi dầu hỏa. Đồng thau và thép đồng được chọn làm vật liệu phôi.
Nghiên cứu đã cho thấy rằng việc bổ sung bột giúp cải thiện các đặc tính phá vỡ của chất lỏng điện môi EDM. Nồng độ bột tăng khả năng phóng dẫn đến tăng tốc độ gia công. Đồng thời hiện tượng ngắn mạch xuất hiện làm gia công không hiệu quả và không ổn định. 9 Sau đó, Jeswani đã xác định ảnh hưởng của việc trộn bột than chì mịn vào dầu hỏa và đạt được sự cải thiện 60% trong MRR [6].
Việc bổ sung bột than chì mịn 4g/l làm tăng khoảng cách cho việc bắt đầu phóng điện và hạ thấp điện áp ngắn mạch dẫn đến cải thiện độ ổn định của quá trình gia công. Trong một nghiên cứu khác, việc bổ sung bột nhôm vào chất điện môi giúp cải thiện đáng kể MRR của SKD11 [7]. Ảnh hưởng của các loại bột khác nhau (như crôm, đồng, nhôm và silic cacbua) đối với MRR của vật liệu SKD11 được thực hiện bởi Tzeng và Lee[8]. Nồng độ bột, kích thước, mật độ, điện trở suất và độ dẫn nhiệt là các thông số quan trọng ảnh hưởng đến hiệu suất.
Ảnh hưởng của kích thước của hạt bột được thêm vào và nồng độ bột tới MRR ở các dòng điện khác nhau được thể hiện trong Hình 1. MRR tối đa đạt được với bột crom có kích cỡ hạt 70-80 µm. Trong khi đó, bột đồng có độ đậm đặc cao có ảnh hưởng đến hiệu suất EDM. Kansal và cộng sự dùng bột silicon là phụ gia khi xung PMEDM để gia công thép AISI D2 đã chứng minh rằng dòng điện cực đại và nồng độ bột là yếu tố ảnh hưởng lớn nhất để tăng MRR [9].
Sự gia tăng dòng điện cực đại và nồng độ bột tạo ra nhiều điểm phóng điện trên mỗi đơn vị thời gian trên bề mặt phôi, do đó MRR tăng cao. Kung và cộng sự [10] chỉ ra rằng sự gia tăng kích thước hạt và nồng độ bột của bột nhôm trong xung điện PMEDM của cacbua vonfram liên kết coban (WC-Co) dẫn đến cải thiện MRR. Mối quan tâm chính liên quan đến PMEDM là chi phí cao và chi phí xử lý lọc điện môi khi có bột. Để giải quyết những vấn đề này, Wu và cộng sự đã thêm một chất hoạt động bề mặt Span 20 (30g/l) vào dầu hỏa để gia công SKD61 [12].
Độ dẫn của dầu hỏa được tăng lên và thời gian đánh lửa , tăng khoảng cách cho việc đánh bằng cách trộn chất hoạt động bề mặt, nhờ đó cải thiện 40% MRR. Sau đó, ảnh hưởng của bột than chì đã được phân tích bởi Anil và cộng sự [12]. Inconel 718 được sử dụng làm vật liệu phôi. Việc bổ sung 12g/l bột than chì vào chất điện môi của EDM đã tăng 26,85% MRR.
Trong một nghiên cứu khác, Anil và cộng sự tiếp tục khám phá rằng nồng độ và kích thước hạt là các thông số quan trọng trong việc nâng cao hiệu quả gia công. Kết quả là phù hợp tốt với các nghiên cứu trước đây. Họ cho rằng các hạt bột nhôm có kích thước 325 lưới (tương 10 đương 44 µm) ở nồng độ 6 g/l tạo ra tốc độ gia công tối đa. Người ta cũng đã kết luận rằng kích thước hạt của bột nhôm có mối quan hệ trực tiếp với kích thước của khoảng cách tia lửa.
Việc tăng kích thước hạt dẫn đến tăng kích thước khe hở phóng tia lửa dẫn đến khả năng gia công tốt hơn, do đó tốc độ gia công được cải thiện. 5 Ảnh hưởng của kích thước hạt và nồng độ đến MRR ở các dòng điện khác nhau [13] Hình 1. 6 Ảnh hưởng của các loại bột và nồng độ hạt khác nhau đến MRR [15] 11 Gurule và Nandurkar đã nghiên cứu ảnh hưởng của bột nhôm cùng với điện cực quay vòng đến MRR trong PMEDM của thép nhiệt luyện [13,14]. Họ phát hiện ra rằng dòng điện cực đại, xung đúng thời gian, vật liệu dụng cụ, tốc độ quay của dụng cụ và nồng độ hạt bột ảnh hưởng đáng kể đến MRR.
Hơn nữa, điện cực bằng đồng khi quay ở tốc độ 900 vòng/phút và nồng độ bột nhôm 4 g/l cho MRR tối đa. Gần đây, Jabbaripour và cộng sự [16] đã thực hiện hai loạt thí nghiệm gia công trong PMEDM của hợp chất ϒ-TiAl. Trước hết, các loại bột khác nhau như nhôm, crôm, silic cacbua, than chì và sắt đã được trộn vào chất điện môi của EDM để khảo sát MRR. Ảnh hưởng của các loại bột và nồng độ hạt bột khác nhau lên MRR được mô tả rõ ràng trong (Hình 1.
Từ kết quả cuối cùng, bột nhôm đã được chọn là loại bột thích hợp nhất. Sau đó, nhôm được trộn vào chất điện môi của EDM, đồng thời dòng điện xung, nhịp xung, kích thước bột và nồng độ bột được thay đổi ở các mức khác nhau để so sánh các đặc tính đầu ra của EDM và PMEDM. Người ta đã kết luận rằng sự gia tăng dòng điện cực đại và nhịp xung theo thời gian dẫn đến tăng năng lượng điện, do đó năng lượng nhiệt được tạo ra nhiều hơn trong kênh phóng điện và được chuyển đến phôi, do đó làm tăng MRR. Tuy nhiên, sự gia tăng nồng độ bột làm tăng MRR đến giới hạn nhất định và sau đó ở nồng độ bột cao hơn MRR giảm do mất ổn định phóng điện.
Đã có kết luận của nhiều nghiên cứu được báo cáo về các loại bột dẫn điện như đồng, crôm, nhôm, than chì và silicon carbide, v.