GIA COÂNG BAÈNG TIA LÖÛA ĐIỆN

1. Nguyễn ĐìnhCường_hua_ckdl51 GIA COÂNG BAÈNG TIA LÖÛA ĐIỆN

2. LÒCH SÖÛ PHAÙT TRIỂN Cách đây gần 200 năm, nhà nghiên cứu người Anh Toseph Priestley (1733 - 1809) trong thí nghiệm của mình đã phát hiện thấy có một hiệu quả ăn mòn vật liệu gây ra bởi sự phóng điện. Trong nửa đầu thế kỷ 20, nhu cầu về các vật liệu lâu mòn tăng lên không ngừng ở các nước công nghiệp phát triển. Nhưng vấn đề là gia công những vật liệu đó bằng công nghệ thông thường thì rất khó khăn, nhiều khi không thực hiện được

3. LÒCH SÖÛ PHAÙT TRIỂN Phương pháp gia công tia lửa điện (Electric Discharge Machining – EDM) được phát triển vào năm 1943 ở Liên Xô bởi hai vợ chồng người Nga tại trường Đại học Moscow là Giáo sư - Tiến sĩ Boris Lazarenko và Tiến sĩ Natalya Lazarenko 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.

4. LÒCH SÖÛ PHAÙT TRIỂN Cho đến nay quá trình EDM đã được phát triển khá rộng rãi ở các nước phát triển. Nhiều loại máy hoạt động trong lĩnh vực EDM đã được sản xuất với nhiều kiểu khác nhau để phục vụ những mục đích khác nhau. Nó đưa quy về 2 dạng sau: + Gia công tia lửa điện dùng điện cực định hình: Gọi tắt là phương pháp “xung định hình”. Điện cực là một hình không gian bất kì, nó sẽ in hình của mình lên phôi tạo ra lòng khuôn thường dùng để tạo hình những chi tiết đục lỗ nhưng không thông. + Gia công tia lửa điện bằng cắt dây: Điện cực là một sợi dây kim loại mảnh được quấn liên tục và chạy dọc theo một contour xác định.

5. NGUYEÂN LÍ GIA COÂNG Trong quá trình gia công, dụng cụ và chi tiết là hai điện cực, trong đó dụng cụ là catốt, chi tiết là anốt của một nguồn điện một chiều có tần số 50 – 500kHz, điện áp 50 – 300V và cường độ dòng điện 0,1 – 500A. Hai điện cực này được đặt trong dung dịch cách điện được gọi là chất điện môi. Khi cho hai điện cực tiến lại gần nhau thì giữa chúng có điện trường. Khi điện áp tăng lên thì từ bề mặt cực âm có các điện tử phóng ra, tiếp tục tăng điện áp thì chất điện môi giữa hai điện cực bị ion hóa làm cho chúng trở nên dẫn điện, làm xuất hiện tia lửa điện giữa hai điện cực.

6. NGUYEÂN LÍ GIA COÂNG Nhiệt độ ở vùng có tia lửa điện lên rất cao, có thể đạt đến 12.0000C, làm nóng chảy, đốt cháy phần kim loại trên cực dương. Trong quá trình phóng điện, xuất hiện sự ion hóa cực mạnh và tạo nên áp lực va đập rất lớn, đẩy phoi ra khỏi vùng gia công. Toàn bộ quá trình trên xảy ra trong thời gian rất ngắn từ 10-4 đến 10-7s. Sau đó mạch trở lại trạng thái ban đầu và khi điện áp của tụ được nâng lên đến mức đủ để phóng điện thì quá trình trên lại diễn ra ở điểm có khoảng cách gần nhất.

7. NGUYEÂN LÍ GIA COÂNG Phoi cuûa quaù trình gia coâng laø nhöõng gioït kim loaïi bò taùch khoûi caùc ñieän cöïc vaø ñoâng ñaëc laïi thaønh nhöõng haït nhoû hình caàu vaø bò ñaåy ra khoûi vuøng gia coâng baèng luoàng dung moâi coù aùp suaát cao. Khi caùc haït naøy bò ñaåy ra khoûi vuøng gia coâng, khe hôû giöõa hai ñieän cöïc lôùn ra vaø söï phoùng ñieän khoâng coøn nöõa. Ñeå tieáp tuïc gia coâng caàn di chuyeån hai ñieän cöïc laïi gaàn nhau vaø quaù trình laëp laïi lieân tuïc.

8. NGUYEÂN LÍ GIA COÂNG Gia coâng baèng tia löûa ñieän, EDM (Electrical Discharge Machining), laø moät quaù trình taùch kim loaïi baèng moät tia löûa ñieän trong thôøi gian raát ngaén vôùi cöôøng ñoä doøng đñieän lôùn giöõa duïng cuï caét vaø chi tieát. Quaù trình EDM coù theå so saùnh vôùi moät phaàn thu nhoû cuûa moät tia seùt va vaøo moät beà maët taïo neân vuøng taäp trung nhieät lôùn laøm noùng chaûy beà maët gia coâng.

9. NGUYEÂN LÍ GIA COÂNG Thiết bị gia công tia lửa điện Gia công EDM có thể được phân loại như sau: - Gia công xung định hình EDM (Die Sinking EDM hay Ram-EDM) - Gia công vi EDM (Micro EDM) - Gia công EDM bằng dây cắt (Wire-cut EDM hoặc Wire EDM) - Khoan EDM (EDM drilling) - Máy lấy mũi tarô bị gãy (Broken Tap Remover)

10. NGUYEÂN LÍ GIA COÂNG Thiết bị gia công tia lửa điện Gia công xung định hình EDM Gia công EDM bằng dây cắt

11. NGUYEÂN LÍ GIA COÂNG Thiết bị gia công tia lửa điện Máy lấy mũi ta rô gãy Máy khoan EDM

12. NGUYEÂN LÍ GIA COÂNG XUNG ÑÒNH HÌNH

13. NGUYEÂN LÍ GIA COÂNG XUNG ÑÒNH HÌNH

14. NGUYEÂN LÍ GIA COÂNG XUNG ÑÒNH HÌNH Chi tiết gia công lắp trên bàn máy công cụ, còn điện cực thì gắn với đầu máy. Một động cơ servo DC hoặc xylanh thủy lực để điều khiển điện cực theo phương thẳng đứng và duy trì một vị trí thích hợp của điện cực so với chi tiết gia công. Vị trí này được điều chỉnh một cách tự động với sự chính xác cực kỳ nhờ hệ thống servo và nguồn cung cấp. Trong quá trình vận hành máy thông thường điện cực không bao giờ chạm bề mặt chi tiết, giữa chúng có một khe hở phóng điện nhỏ.

15. NGUYEÂN LÍ GIA COÂNG XUNG ÑÒNH HÌNH Cả chi tiết và điện cực đều ngâm chìm trong dung dịch điện môi. Dung dịch này đóng vai trò như chất cách điện để điều khiển sự phóng tia lửa điện. Trong gia công EDM chất điện môi cũng thực hiện chức năng của môi trường làm nguội và làm giảm nhiệt độ cực kỳ cao trong khe hở phóng điện. Quan trọng hơn, dung dịch điện môi được bơm vào theo khe hở hình cung để đẩy đi những hạt bị xói mòn giữa chi tiết và điện cực. Sự sục rửa thích hợp làm cho quá trình bóc vật liệu đạt hiệu quả cao.

16. NGUYEÂN LÍ GIA COÂNG CAÉT DAÂY Daãn höôùng treân Dụng cụ (daây) Dung moâi Chi tieát Bieân daïng gia coâng Daãn höôùng döôùi Höôùnd di chuyeån

17. NGUYEÂN LÍ GIA COÂNG CAÉT DAÂY Cắt dây tia lửa điện là một hình thức đặc biệt của gia công tia lửa điện. Điểm khác nhau cơ bản giữa cắt dây tia lửa điện và xung điện (gia công bằng điện cực thỏi) là thay vì sử dụng những điện cực thỏi có hình dạng phức tạp thì trong WEDM điện cực là một sợi dây có đường kính từ 0,1 – 0,3mm. Dây này được cuốn liên tục và chạy theo một biên dạng cho trước, cắt được bề mặt 2D và 3D phức tạp.

18. NGUYEÂN LÍ GIA COÂNG CAÉT DAÂY A Dây cắt được dẫn hướng thông qua hai cơ cấu dẫn hướng bằng kim cương. Tùy vào đường kính của dây mà đường kính trong của lỗ cơ cấu dẫn hướng có giá trị phù hợp. Thường nhà cung cấp kèm theo máy chính một số bộ cơ cấu dẫn hướng thích hợp cho vài loại cỡ đường kính dây cắt.

19. SO SAÙNH GIA COÂNG XUNG ÑÒNH HÌNH VAØ CAÉT DAÂY Giữa gia công bằng điện cực thỏi và gia công bằng dây cắt có một số khác biệt như 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 điện cực. Còn vùng phóng điện khi gia công bằng dây cắt chỉ bao gồm mặt 180o của dây cực khi nó tiến đến cắt chi tiết gia công.

20. NGUYEÂN LÍ GIA COÂNG

21. NGUYEÂN LÍ GIA COÂNG

22. KHả NĂNG CÔNG NGHệ Bề mặt chi tiết được gia công EDM có thể đạt Ra = 0,63µm khi gia công thô và Ra = 0,16µm khi gia công tinh. Thông thường độ chính xác gia công vào khoảng 0,01mm. Ở các máy khoan tọa độ EDM độ chính xác gia công đạt đến 0,0025mm. Phương pháp này có thể gia công những vật liệu khó gia công mà các phương pháp gia công không truyền thống không làm được như thép tôi, thép hợp kim khó gia công, hợp kim cứng. Nó cũng gia công được các chi tiết hệ lỗ có hình dáng phức tạp.

23. NGUYEÂN LÍ GIA COÂNG

24. KHả NĂNG CÔNG NGHệ Bề mặt chi tiết được gia công EDM có thể đạt Ra = 0,63µm khi gia công thô và Ra = 0,16µm khi gia công tinh. Thông thường độ chính xác gia công vào khoảng 0,01mm. Ở các máy khoan tọa độ EDM độ chính xác gia công đạt đến 0,0025mm. Phương pháp này có thể gia công những vật liệu khó gia công mà các phương pháp gia công không truyền thống không làm được như thép tôi, thép hợp kim khó gia công, hợp kim cứng. Nó cũng gia công được các chi tiết hệ lỗ có hình dáng phức tạp.

25. Ưu nhược điểm Ưu điểm - Gia công được các loại vật liệu có độ cứng tùy ý - Điện cực có thể sao chép hình dạng bất kì, chế tạo và phục hồi các khuôn dập bằng thép đã tôi - Chế tạo các lưới sàn, rây bằng cách gia công đồng thời các lỗ bằng những điện cực rất mảnh. - Gia công các lỗ có đường kính rất nhỏ, các lỗ sâu với tỉ số chiều dài trên đường kính lớn. - Do không có lực cơ học nên có thể gia công hầu hết các loại vật liệu dễ vỡ, mềm… mà không sợ bị biến dạng - Do có dầu trong vùng gia công nên bề mặt gia công được tôi trong dầu

26. Ưu nhược điểm Ưu điểm Bởi vì EDM ăn mòn kim loại bằng việc phóng tia lửa điện thay cho các dụng cụ cắt gọt tạo phoi nên độ cứng vật liệu không trở thành nhân tố quyết định xem vật liệu đó có thể gia công bằng EDM hay không. Các điện cực kim loại hoặc than chì mềm có thể gia công các loại thép dụng cụ đã tôi hoặc tungsten carbide (cacbít vonfram). Đây là một trong những lợi ích hấp dẫn của việc sử dụng phương pháp EDM. Có thể nhiệt luyện chi tiết trước rồi sau đó có thể gia công bằng EDM. Điều này loại bỏ rủi ro của những hư hại và biến dạng có thể biến những chi tiết đắt tiền thành phế liệu trong khi xử lý nhiệt

27. Ưu nhược điểm Nhược điểm - Phôi và dụng cụ (điện cực) đều phải dẫn điện - Vì tốc độ cắt gọt thấp nên phôi trước gia công EDM thường phải gia công thô trước. - Do vùng nhiệt độ tại vùng làm việc cao nên gây biến dạng nhiệt.

28. PHAÏM VI ÖÙNG DUÏNG Có thể sử dụng phương pháp này trong một số trường hợp sau: - Biến cứng bề mặt chi tiết làm tăng khả năng mài mòn - Chế tạo và phục hồi các khuôn dập đã tôi và khuôn bằng hợp kim cứng - Các lưới sàng, rây bằng cách gia công đồng thời các lỗ bằng điện cực rất mảnh - Mài phẳng, mài tròn, mài sắc hoặc làm rộng lỗ

29. PHAÏM VI ÖÙNG DUÏNG - Gia công các lỗ có đường kính nhỏ Ø 0,15mm của các vòi phun cao áp có năng suất cao (từ 15 đến 30s/chiếc), gia công lỗ sâu từ 60mm cho sai số 5µm. Các lỗ Ø 0,05mm – 1mm với chiều sâu lớn như các lỗ 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. - Lấy các dụng cụ bị gãy và kẹp trong chi tiết (bulông, tarô…) - Gia công khuôn mẫu và các chi tiết cần độ chính xác cao bằng vật liệu hợp kim cứng….

30. Saûn xuaát duïng cuï Gia coâng chi tieát khoù gia coâng Phaïm vi khaùc Da o caét Voøng gaêng Coái Maøi duïng cuï Laáy dao, duïng cuï bò gaõy trong chi tieát Khoan loã nhoû Caét chi tieát PHAÏM VI ÖÙNG DUÏNG • Gia coâng kim loaïi coù ñoä cöùng khoâng giôùi haïn (vì döïa vaøo tính chaát vaät lyù). • Coù theå thay theá cho caùc phöông phaùp caét goït truyeàn thoáng trong nhöõng tröôøng hôïp maø phöông phaùp naøy khoâng kinh teá hoaëc khoâng ñaït ñoä chính xaùc mong muoán. • Trong moät soá tröôøng hôïp, noù coù theå giuùp loaïi boû nhöõng qui trình trung gian naøo ñoù nhö : nhieät luyeän, naén thaúng, söûa bavia, laép chi tieát, dao..

31. ÑOÄ CHÍNH XAÙC GIA COÂNG Ñoä chính xaùc phuï thuoäc vaøo nhöõng yeáu toá sau : - Ñoä chính xaùc cuûa maùy. - Duïng cuï. - Khe hôû phoùng ñieän. - Ñoä nhaùm beà maët phuï thuoäc vaøo naêng löôïng moät laàn phoùng ñieän.

32. ÑOÄ CHÍNH XAÙC GIA COÂNG Dụng cụ Trong gia công xung định hình, điện cực dụng cụ đóng vai trò cực kì quan trọng vì độ chính xác gia công một phần phụ thuộc vào độ chính xác của điện cực. Việc lựa chọn hợp lý vật liệu điện cực là một yếu tố quan trọng. Điều này không những ảnh hưởng đến độ chính xác gia công, mà còn ảnh hưởng đến tính kinh tế thông qua năng suất và độ hao mòn điện cực trung bình. Giá của điện cực có thể chiếm 80% chi phí gia công.

33. ÑOÄ CHÍNH XAÙC GIA COÂNG Dụng cụ Các loại vật liệu có thể dùng làm điện cực cho gia công xung định hình thường là đồng đỏ, đồng – volfram, bạc-volfram, đồng thau, volfram, nhôm, môlipđen, hợp kim cứng, thép… Trong đó đồng đỏ và đồng-volfram là thường dùng nhất. Các loại vật liệu volfram, nhôm, môlipđen, hợp kim cứng, thép… chỉ được sử dụng trong một số trường hợp đặc biệt.

34. ÑOÄ CHÍNH XAÙC GIA COÂNG Dụng cụ Trên máy cắt dây người ta thường sử dụng dây cắt làm bằng đồng đỏ, đồng thau, môlipđen, volfram, bạc hay kẽm có đường kính dây cắt thường từ 0,1 – 0,3mm. Các dây cắt có thể được phủ một lớp kẽm, oxyt kẽm hoặc graphit… để nâng cao độ bền của dây cũng như cải thiện khả năng sục chất điện môi vào khu vực cắt.

35. ÑOÄ CHÍNH XAÙC GIA COÂNG Nhám bề mặt khi gia công bằng tia lửa điện Trong quá trình gia công, do phóng điện mà một lượng vật liệu trên bề mặt chi tiết gia công bị bóc đi, để lại trên bề mặt những vết nhỏ li ti chồng mép lên nhau. Kích thước của các vết này phụ thuộc chủ yếu vào năng lượng sinh ra trong một lần phóng. Theo lý thuyết thì độ nhám bề mặt được hình thành như trên hình

36. ÑOÄ CHÍNH XAÙC GIA COÂNG Nhám bề mặt khi gia công bằng tia lửa điện Độ nhám trước hết phụ thuộc vào năng lượng của một lần phóng điện. Một phần diện tích của tụ tạo nên vết lõm nên thể tích của vết lõm tỉ lệ với năng lượng phóng ra của tụ

37. ÑOÄ CHÍNH XAÙC GIA COÂNG Nhám bề mặt khi gia công bằng tia lửa điện Ngoài ra độ nhám còn phụ thuộc vào cường độ dòng điện và tần số dòng điện Ngoài những yếu tố trên còn có những yếu tố khác cũng có ảnh hưởng đến độ nhám như: vật liệu điện cực, chất lượng của dung dịch điện môi, …