CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ PHƯƠNG PHÁP GIA CÔNG XUNG TIA LỬA ĐIỆN CÓ TRỘN BỘT 1. Khái quát về phương pháp gia công xung tia lửa điện 1. Lịch sử phát triển phương pháp gia công xung tia lửa điện Hiệu quả ăn mòn vật liệu gây ra bởi sự phóng điện lần đầu tiên được phát hiện bởi nhà nghiên cứu của Joseph Priestley (1733-1809) người Anh vào năm 1770.
Tuy nhiên, sau gần 200 năm, vào năm 1943, thông qua hàng loạt các nghiên cứu về tuổi bền của các thiết bị phóng điện, hai vợ chồng Lazarenko người Nga mới phát minh ra mạch RC (điện trở - tụ điện) còn được gọi là mạch Lazarenko [1, 9]. Kể từ những năm 1940, gia công xung tia lửa điện (Electrical Discharge Machining – EDM) hay còn gọi là gia công xung điện đã được cải tiến bằng cách sử dụng máy phát xung, áp dụng các công nghệ điều khiển số và các hệ thống điều khiển thích nghi. Trong những năm 1960, các nghiên cứu về mô hình toán của quá trình xung điện được giải quyết. Đến những năm 1970, công nghệ cắt dây (Wire Electrical Discharge Machining - WEDM) được phát triển do sự ra đời của các máy phát điện công suất lớn, của vật liệu điện cực mới và các bộ điều khiển giúp cho quá trình phóng điện đạt hiệu suất lớn hơn.
Với những cải tiến đáng kể về mặt công nghệ, tốc độ gia công xung điện đã tăng đến 20 lần, giá thành giảm 30% và chất lượng bề mặt gia công được cải thiện [10]. Nguyên lý bóc tách vật liệu của quá trình gia công xung tia lửa điện Trong phương pháp gia công xung điện, vật liệu được bóc tách dựa trên nguyên lý mòn do phóng điện của tia lửa điện xảy ra giữa hai điện cực được ngăn cách bởi chất lỏng điện môi. Quá trình loại bỏ kim loại diễn ra do nhiệt độ rất cao (từ 8000 đến 12000oC) được hình thành do phóng tia lửa điện làm nóng chảy và bay hơi vật liệu ở hai điện cực. Nguyên lý gia công xung điện như được nêu trong Hình 1.
Nguyên lý gia công xung tia lửa điện [10]. Sơ đồ hệ thống gia công xung tia lửa điện [10]. Hệ thống gia công xung tia lửa điện được mô tả trên Hình 1.2 bao gồm: Bộ phận điều khiển servo có nhiệm vụ duy trì khoảng cách giữa điện cực và phôi để đảm bảo quá trình phóng điện tích cực giữa hai điện cực; bộ nguồn có nhiệm vụ cung cấp xung điện ở một điện áp, dòng điện, điều khiển thời gian phát xung và ngừng phát xung. Dung dịch điện môi được bơm tuần hoàn vào khe hở giữa phôi và chi tiết gia công sau khi được lọc qua hệ thống lọc.
Đặc điểm và ứng dụng của phương pháp gia công xung tia lửa điện Phương pháp gia công tia lửa điện có nhiều ưu điểm, trong đó nổi bật nhất là khả năng gia công các vật liệu khó gia công so với khi gia công bằng các phương pháp truyền thống khác do nó không phụ thuộc vào độ cứng của vật liệu gia công, có thể gia công được các chi tiết dạng hốc với bề mặt phức tạp… Tuy nhiên, hạn chế của phương pháp này là năng suất thấp, việc nâng cao năng suất gặp nhiều khó khăn do ảnh hưởng đến chất lượng bề mặt gia công, mòn điện cực tăng cũng làm ảnh hưởng tới độ chính xác. Với các đặc điểm như vậy, hiện nay có hai phương pháp gia công xung tia lửa điện được sử dụng rộng rãi nhất là gia công xung tia lửa điện (EDM) hay còn gọi là xung định hình - để gia công các hốc khuôn, các lỗ nhỏ không thông có chiều sâu lớn và gia công tia lửa điện cắt dây (WEDM) để gia công các lỗ thông có biên dạng định hình phức tạp, khó gia công. Ngoài ra, xung điện còn được sử dụng kết hợp với các phương pháp gia công truyền thống như phay bằng tia lửa điện, mài bằng tia lửa điện, cưa tia lửa điện… 8 Ngày nay, để nâng cao năng suất và chất lượng của phương pháp gia công xung, nhiều nghiên cứu đã sử dụng bột nano/micro trộn lẫn vào dung dịch điện môi, phương pháp này gọi là gia công xung điện có trộn bột (PMEDM). Các hướng nghiên cứu chủ yếu của phương pháp gia công xung tia lửa điện Từ các đặc điểm của phương pháp gia công xung tia lửa điện đã đặt ra các yêu cầu cấp thiết trong việc nghiên cứu các biện pháp nâng cao năng suất và chất lượng của quá trình này.
Hiện nay, các nghiên cứu về EDM chủ yếu tập trung vào các hướng như sau: - Nghiên cứu phương pháp xung tia lửa điện sử dụng các loại vật liệu điện cực như điện cực đồng, graphit, hợp kim Cu-W… [11], các loại dung dịch điện môi khác nhau như dầu điện môi và dầu diesel sinh học, nước và nước trộn phụ gia… [12]. - Nghiên cứu tối ưu hóa chế độ công nghệ xung tia lửa điện sử dụng các phương pháp mô hình hóa như xây dựng mô hình toán mô phỏng quá trình xung [13], hay áp dụng các phương pháp điều khiển quá trình, và quy hoạch tối ưu hóa trong nghiên cứu thực nghiệm [14]. - Nghiên cứu sử dụng bột nano/micro trộn vào dung dịch điện môi (Powder Mixed Electrical Discharge Machining - PMEDM) để cải thiện năng suất, chất lượng, hợp kim hóa lớp bề mặt chi tiết gia công. - Nghiên cứu ứng dụng rung siêu âm trong quá trình xung điện và rung siêu âm có trộn bột nano/micro trong dung dịch điện môi.
Trong các hướng nghiên cứu đó, cùng với sự phát triển của công nghệ vật liệu đã xuất hiện ngày càng nhiều loại vật liệu nano/micro, việc ứng dụng vật liệu nano/micro trong dung dịch điện môi khi gia công tia lửa điện có nhiều kết quả khả quan trong nâng cao năng suất và chất lượng gia công. Tổng quan về phương pháp gia công xung điện có trộn bột Xu hướng sử dụng các loại bột nano/miro trong các phương pháp gia công đang ngày càng được đẩy mạnh và cho thấy hiệu quả nâng cao hiệu suất gia công tốt trong đó có gia công xung điện. Hơn nữa trong gia công xung điện, kim loại lớp bề mặt gia công bị nóng chảy dưới nhiệt độ rất cao và làm nguội đột ngột khi ngắt xung, điều này tạo ra lớp đúc lại trên bề mặt của chi tiết gia công. Do làm nguội nhanh nên trong lớp kim loại này tồn tại các vết nứt tế vi làm giảm độ bền mỏi, tính chịu ăn mòn và chịu mài mòn của bề mặt chi tiết gia công.
Thông thường, chúng ta cần đến các 9 phương pháp gia công sau xung điện để loại bỏ lớp bề mặt này nhằm khôi phục tính chất của bề mặt chi tiết. Với việc phát triển công nghệ chế tạo các hạt nano/micro thì một hướng công nghệ tiên tiến hiện nay đó là trộn các các loại bột nano/micro vào dung dịch điện môi khi gia công xung điện nhằm giảm tối đa tác hại nhiệt trên lớp bề mặt, nâng cao năng suất gia công và cải thiện tính chất của lớp bề mặt. Hệ thống kết hợp này được gọi là gia công xung điện có trộn bột - PMEDM. Nguyên lý gia công xung điện có trộn bột Cơ chế gia công của PMEDM khác với quá trình gia công xung điện truyền thống.
Trong PMEDM, chất phụ gia có tính dẫn điện phù hợp dưới dạng bột được trộn vào dung dịch điện môi. Để đảm bảo cho các hạt không bị dính lại vào nhau và lưu thông tốt và đều hơn, hệ thống khuấy được vận hành trong suốt quá trình gia công (Hình 1. Sơ đồ hệ thống gia công xung tia lửa điện có trộn bột [15]. Việc trộn bột vào trong dung dịch điện môi có tác dụng nâng cao hiệu suất của quá trình xung điện, tuy nhiên cũng làm phức tạp hóa quá trình xung.
Do đó, việc nghiên cứu để xác định chế độ xung có trộn bột phù hợp để phát huy các ưu điểm của phương pháp này vào thực tế sản xuất đã và đang thu hút nhiều sự quan tâm của các nhà nghiên cứu trong và ngoài nước. Tình hình nghiên cứu về phương pháp PMEDM trên thế giới 1. Nghiên cứu nâng cao hiệu suất của quá trình xung điện Trong gia công xung điện, hiệu suất gia công được đánh giá qua các chỉ tiêu tốc độ bóc tách vật liệu (Material Removal Rate – MRR), tốc độ mòn điện cực (Tool 10 Wear Rate – TWR) hoặc tỉ số giữa mòn điện cực và tốc độ bóc tách (Wear Ratio – WR). Nghiên cứu sự phóng điện giữa hai điện cực đồng thanh và đồng thau khi trộn các loại bột đồng, nhôm, sắt và carbon trong dung dịch điện môi khi lần đầu tiên được thực hiện bởi Erden và Bilgin.
Quan sát kết quả nhận được cho thấy tốc độ bóc tách vật liệu tăng khi tăng nồng độ các hạt phụ gia. Sự gia tăng tốc độ bóc tách vật liệu này nhận được do quan hệ giữa sự giảm thời gian trễ với nồng độ các chất phụ gia. Nghiên cứu cũng chỉ ra rằng quá trình xung trở nên không ổn định khi nồng độ các hạt tăng cao và tạo ra hiện tượng ngắn mạch [16]. Trong nghiên cứu của Jeswani về ảnh hưởng của bột graphit kích thước hạt 10 µm trong chất điện môi khi gia công tia lửa điện cho thấy, ở nồng độ 4 g/l trộn trong dung môi dầu hỏa làm tăng sự ổn định của quá trình xung và cho hiệu suất cao nhất với tốc độ bóc tách vật liệu tăng 60% và độ mòn điện cực giảm 15%, tỉ số mòn giảm 28% so với phương pháp xung thông thường (Hình 1.
Nghiên cứu cũng chỉ ra tác động của bột làm tăng số lượng các điểm phóng điện và giảm điện áp đánh thủng của dung dịch điện môi, tuy nhiên khi tiếp tục tăng nồng độ bột thì điện áp đánh thủng giảm không đáng kể (Hình 1. Đồ thị ảnh hưởng của nồng độ bột graphit trong dầu hỏa đến tốc độ bóc tách vật liệu (MRR), tốc độ mòn điện cực (TWR) và tỉ số độ mòn (WR) khi xung [17]. Đồ thị ảnh hưởng của bột graphit trong dầu hỏa đến điện áp đánh thủng (breakdown voltage) (MS, Mild Steel – Thép các bon thấp) [17]. Tzeng và Lee nghiên cứu sử dụng các loại bột khác nhau gồm bột Al, Cr, Cu và SiC trộn trong dung dịch điện môi dầu hỏa khi xung thép SKD11 bằng điện cực đồng.
Các kết quả nghiên cứu chỉ ra ở những chế độ trộn các loại bột kể trên đều có tác động làm tăng khe hở phóng điện, tăng tốc độ bóc tách vật liệu và giảm mòn điện cực. Cụ thể, MRR đạt giá trị lớn nhất khi sử dụng bột Cr kích thước hạt 10-15 µm ở nồng độ nhỏ hơn 1,0 cm3/l và cường độ dòng điện là 4 A (Hình 1.