Chương 1: TỔNG QUAN VÀ MỤC TIÊU CỦA ĐỀ TÀI 1.1 Sự xuất hiện của công nghệ mới. Trong nửa thế kỷ qua, nhu cầu về các vật liêu cứng, lâu mòn và siêu cứng sử dụng cho tuabin máy điện, động cơ máy bay, dụng cụ, khuôn mẫu. tăng lên không ngừng ở các nước công nghiệp phát triển. Việc gia công những vật liệu đó bằng những công nghệ cắt gọt thông thường ( tiện, phay, mài v.v…) là vô cùng khó, đôi khi không thể thực hiện được.
Cách đây gần 200 năm, nhà nghiên cứu tự nhiên người Anh Joseph Priestley (1733-1809), trong các thí nghiệm của mình đã nhận thấy có một hiệu quả ăn mòn vật liệu gây ra bởi sự phóng điện. Nhưng mãi đến năm 1943, thông qua hàng loạt các nghiên cứu về tuổi bền của các thiết bị đóng điện, hai vợ chồng Lazarenko người nga mới tìm ra cánh cửa dẫn tới công nghệ gia công tia lửa điện. Họ bắt đầu sử dụng tia lửa điện để làm một quá trình hớt kim loại mà không phụ thuộc vào độ cứng của vật liệu đó. Khi các tia lửa điên được phóng ra, vật liệu mặt phôi sẽ bi hớt đi bởi một quá trình điện - nhiệt thông qua sự nóng chảy và bốc hơi kim loại, nó thay cho các tác động cơ học của dụng cụ vào phôi.
Quá trình ăn mòn kim loại bằng điện nhiệt bởi sự phóng điện được gọi là “gia công tia lửa điện” ( gốc tiếng Anh là “ Electrical Discharge Machining”, gọi tắt là gia công EDM ). Định nghĩa gia công tia lửa điện EDM: Là quy trình bóc kim loại ra khỏi chi tiết gia công bởi một quá trình điện nhiệt, thông qua sự nóng chảy và bóc hơi kim loại cần bóc ra. Năng lượng nhiệt phát ra bởi sự phóng điện gọi là “gia công tia lửa điện” hay EDM.1 Sự tiến bộ của các máy gia công tia lửa điện. Các máy đầu tiên của thời kỳ những năm 50-60 của thế kỷ 20 ít tự động hoá và không tiện dùng lắm.
Ngày nay, với các thuật toán điều khiển mới, với các hệ thống điều khiển CNC cho phép gia công đạt năng suất và chất lượng cao mà không cần đến sự tham gia GVHD : Th.S Hoàng Long Vương – Th.S Nguyễn Hữu Quân 1 Thiết kế và chế tạo máy cắt dây CNC trực tiếp của con người. Các máy gia công tia lửa điện ngày nay được đặc trưng bởi mức độ tự động hoá cao. Các hệ thống điều khiển CNC trên thị trường đã có tiến bộ rất nhiều, đặc biệt là máy cắt dây. Các hệ điều khiển CNC trong nhiều năm qua đã có mặt ở các máy xung định hình, nhưng đã mất nhiều thời gian hơn để có thể tận dụng mọi khả năng của chúng.
Các chuyển động hành tinh và chuyển động theo công-tua của một điện cực có hình dáng phức tạp. Ưu điểm của phương pháp này là ở chỗ việc chế tạo điện cực rẻ hơn và nếu sử dụng điên cực phay thì điều kiện dòng chảy sẽ tốt hơn và điên cực ăn mòn đều hơn. Một trong những đề tài nghiên cứu chính đang được thực hiện ở Tây Âu và Nhật Bản là gia công 3 chiều đạt độ chính xác cao. Tuy nhiên vẫn chưa đạt được kết quả mong muốn.
Sử dụng tối ưu công nghệ gia công tia lửa điện như một kỹ thuật sản xuất đòi hỏi phải áp dụng rất nhiều bí quyết công nghệ (Know how). Ngày nay có khuynh hướng đưa ra nhiều máy thông minh, chọn máy và điều chỉnh nhiều thông số mà người sử dụng đã đặt từ trước. Điều đó làm giảm bớt các dữ liệu đầu vào mà người đứng máy phải quan tâm. Khuynh hướng này là mạnh nhất đối với các máy cắt dây, ở đó các thuật toán điều khiển tạo được một lượng hớt vật liệu tối ưu và làm giảm bớt nguy cơ đứt dây.
Ở các máy xung định hình, nhờ có hệ thống điều khiển CNC nên không cần phải dùng người đứng máy có kinh nghiệm mà vẫn đạt được hiệu quả và chất lượng gia công cao. Điều kiện gia công (như sự thoát phoi) thay đổi rất nhiều trong gia công xung định hình, đến mức rất khó phát triển chiến lược điều khiển tuỳ chọn phù hợp với tất cả các hoàn cảnh. Một số nhà chế tạo máy (như MITSUBISHI) cung cấp những hệ thống điều khiển liên hệ ngược mà trong những điều kiện khó khăn nhất (như gia công lỗ tịt mà không có thoát phoi cưỡng bức) cũng cho kết quả tốt hơn so với kết quả nhận được do sự điều chỉnh các thông số của một người đứng máy có kinh nghiệm. Trong mọi trường hợp, hầu hết các máy đều có mức độ tự động hoá cho phép làm việc rất lâu không có người đứng máy, dù rằng không phải luôn luôn trong điều kiện tối ưu.
Cùng với sự xâu dây tự động ở máy cắt dây, sự tách phôi, thay pallet (thường được cung cấp bởi các hãng chế tạo phụ tùng như hãng EROWA) và khả GVHD : Th.S Hoàng Long Vương – Th.S Nguyễn Hữu Quân 2 Thiết kế và chế tạo máy cắt dây CNC năng lập trình thì mức độ tự động tự động hoá trong gia công tia lửa điện đã tăng lên rất nhiều.2 Thị trường máy gia công tia lửa điện trên thế giới. Việc bán các máy gia công tia lửa điện trên phạm vi thế giới tăng 6% mỗi năm và vào cuối những năm 90 là khoảng 12. Nhật Bản là nước sản xuất và sử dụng nhiều máy gia công tia lửa điện nhất, chiếm 35% tổng số máy trên thị trường thế giới. Thứ hai là châu Âu với 30%, sau đó là Mỹ với 15% và châu Á với 12% tổng số máy.
Phạm vi của các máy được buôn bán trên thị trường thế giới là rất rộng và đa dạng: từ những máy rất lớn (như máy NASSOVIA) đến máy rất nhỏ và đặc biệt để gia công tế vi, từ máy rẻ tiền, ít tự động hoá cỡ (10.000) USD/ máy của Trung Quốc, Đài Loan, đến cỡ vài trăm ngàn USD/ máy của Tây Âu và Nhật Bản hoàn toàn tự động hoá với các hệ thống CAD/CAM hiện đại. Đối với người sử dụng, điều quan trọng là phải xác định các yêu cầu cụ thể phù hợp với sản phẩm và quy mô sản xuất của mình và sau đó cần phân tích các tuỳ chọn sẵn có của các hãng sản xuát máy từ mọi góc độ để đưa ra quyết định đúng đắn nhất trước khi mua máy.3 Tình hình gia công tia lửa điện ở Việt Nam. Trong khoảng một thập kỉ gần đây, công nghiệp gia công tia lửa điện EDM đã thâm nhập vào Việt Nam. Số lượng các cơ sở sản xuất và nghiên cứu ở nước ta nhập các loại gia công tia lửa điện ngày càng nhiều.
Tuy nhiên việc đào tạo về công nghệ này thực sự chưa được quan tâm ở các trường Đại học kỹ thuật và các Viện nghiên cứu. Ngày nay máy gia công tia lửa điện xuất hiện rất nhiều ở Việt Nam. Hiện nay ở nước ta đã có nhiều đề tài nghiên cứu về gia công EDM như: Luận án tiến sĩ kỹ thuật của tiến sĩ Hoàng Vĩnh Sinh trường ĐHBK …Tại các Viện nghiên cứu và các xưởng gia công đã sử dụng máy gia công tia lửa điện để gia công các chi tiết phức tạp. Các doanh nghiệp Cơ khí ở Việt Nam được trang bị các máy gia công EDM, chủ yếu là trong lĩnh vực chế tạo khuôn mẫu, chiếm khoảng 20%- 50% tùy theo độ phức tạp về kết cấu của sản phẩm.
Một số cơ sở gia công khuôn mẫu có trang bị các GVHD : Th.S Hoàng Long Vương – Th.S Nguyễn Hữu Quân 3 Thiết kế và chế tạo máy cắt dây CNC máy EDM ở nước ta như: Xưởng gia công cơ khí trường ĐHBK, công ty chế tạo khuôn mẫu Duy Khanh, Duy Tân …v.4 Một số đặc tính của máy cắt dây dùng tia lửa điện. Là phương pháp cắt chi tiết trong đó có sự chuyển động tương đối giữa dây và phôi. Điện cực là một sợi dây kim loại d = (0.3) mm được quấn liên tục và chay dọc trục theo một đường đi xác định. Vật liệu làm dây có thể bằng đồng đỏ, đồng thau molipđen, bạc… Các dây cắt có thể phủ một lớp kẽm, oxit kẽm hoặc grafit để nâng cao độ bền của dây cũng như cải thiện khả năng sục chất điện môi vào khu vực cắt.1: Mô tả sơ bộ quá trình gia công chi tiết.[7] Giữa gia công bằng điện cực thỏi và gia công bằng dây cắt có một số khác biệt sau: Gia công bằng điện cực thỏi người ta sử dụng dầu làm chất điện môi thì trong WEDM lại dùng nước khử khoáng.
Khi gia công bằng điện cực thỏi, sự phóng điện xảy ra giữa mặt đầu điện cực với chi tiết gia công còn khi gia công bằng dây cắt thì sự phóng điện xảy ra giữa mặt bên dây cắt với chi tiết gia công. Vùng phóng điện khi gia công bằng điện cực thỏi bao gồm mặt đầu và góc của o điện cực. Còn vùng phóng điện khi gia công bằng dây cắt chỉ bao gồm mặt 180 của dây cực khi nó tiến đến cắt chi tiết gia công. Đặc điểm lớn của công nghệ này là: GVHD : Th.S Hoàng Long Vương – Th.S Nguyễn Hữu Quân 4 Thiết kế và chế tạo máy cắt dây CNC Điện cực (đóng vai trò dụng cụ) lại có độ cứng thấp hơn nhiều lần so với độ cứng của phôi.
Nói nôm na là lấy cái mềm để cắt cái cứng. Vật liệu dụng cụ và vật liệu phôi đều phải dẫn điện. Khi gia công phải sử dụng một chất lỏng điện môi, đó là một dung dịch không dẫn điện ở điều kiện bình thường.2 Các bộ phận của máy cắt dây bằng tia lửa điện.2: Các bộ phận chính của máy gia công bằng tia lửa điện.3 Một số ứng dụng của máy cắt dây bằng tia lửa điện. Phương pháp gia công bằng tia lửa điện có thể gia công được rất nhiều các sản phẩm khác nhau.
Sản phẩm của chúng thì rất đa dạng và phong phú. Có thể dung phương pháp này để gia công chi tiết trong các trường hợp sau: + Chế tạo và phục hồi các khuôn dập đã tôi và khuôn bằng hợp kim cứng. + Mài phẳng, mài tròn, mài sắc hoặc làm rộng lỗ. + Gia công các lỗ có đường kính nhỏ ∅1,5 của các vòi phun cao áp có năng suất cao (từ 15 đến 30s/chiếc), gia công lỗ sâu từ 60 mm cho sai số 5µm.S Hoàng Long Vương – Th.S Nguyễn Hữu Quân 5 Thiết kế và chế tạo máy cắt dây CNC + Gia công hệ thống làm mát trong cánh tuabin làm bằng hợp kim siêu cứng, các lỗ sâu với tỉ số chiều dài trên đường kính lên đến 67 mm.
+ Lấy các dụng cụ bị gãy và kẹp trong chi tiết (bulông, taro…).