TỔNG QUAN VỀ EDM
Lịch sử hình thành (EDM)
Nguồn gốc lịch sử của EDM bắt đầu từ việc phát hiện ra sự phóng điện, liên quan chặt chẽ đến sự phát triển của các nguồn năng lượng điện Các tia lửa điện tự nhiên, như sét, và tia lửa điện nhân tạo đã được nghiên cứu từ thế kỷ 18, với những thí nghiệm đầu tiên về hiện tượng tĩnh điện sử dụng máy ma sát Vào khoảng năm 1745, "lọ Leyden" – một loại tụ điện đầu tiên – được phát minh tại Đức và Hà Lan, cho phép sản xuất các tia lửa điện và xung vòng cung Việc kết hợp nhiều lọ Leyden song song tạo ra một "pin", mặc dù các nhà khoa học thời kỳ này vẫn chưa hiểu hoàn toàn bản chất của các tia lửa điện nhân tạo, họ nhận thấy rằng chúng tương tự như sét Joseph Priestley, một nhà thần học và hóa học người Anh, đã có những khám phá quan trọng trong lĩnh vực này vào cuối thế kỷ 18.
1766 miệng núi lửa ăn mòn bên trái do sự phóng điện trên bề mặt cực âm
Vào ngày 13/6/1766, sau khi thực hiện thí nghiệm phóng điện, tôi nhận thấy một điểm tròn lớn trên bề mặt của một khối đồng nhẵn bóng, với tâm dường như bị tan chảy Ngày hôm sau, 14/6/1766, khi kiểm tra bằng kính hiển vi, tôi phát hiện các chấm sáng trung tâm và các vòng tròn bên ngoài có các miệng núi lửa rõ ràng hơn, tương tự như những miệng núi lửa trên mặt trăng khi quan sát qua kính thiên văn, với các cạnh nhấp nhô rõ rệt dưới ánh sáng mặt trời.
Priestley cũng đã nghiên cứu ảnh hưởng của vật liệu điện cực và dòng phóng tia lửa điện dựa trên kích thước các miệng núi lửa.
Hình 1.1 trình bày các bản phác họa về miệng núi lửa ăn mòn trên bề mặt điện cực âm, được Joseph Priestley quan sát vào năm 1766 Tấm hình này được khắc họa bởi Alessandro Volta và gửi đến Priestley.
Joseph Priestley, cho thấy các tia lửa được tạo ra bằng cách ngắn mạch của một lọ Leyden
Hiện tượng phóng điện, được nghiên cứu bởi Priestley, đã bị rung và dao động do ngắn mạch của lọ Leyden, trong khi phóng điện liên tục chỉ có thể sản xuất bằng pin của các tế bào điện hóa do Alessandro Volta phát minh sau năm 1799 Pin voltaic phát triển rộng rãi, và hồ quang cacbon liên tục đầu tiên được sản xuất bởi Vasily Petrov ở St-Petersburg vào năm 1802, nhưng phát hiện của ông chỉ được công bố ở Nga vào năm 1803 và bị lãng quên trong hơn một thế kỷ Humphry Davy, không biết về nghiên cứu của Petrov, đã độc lập phát hiện ra cung cacbon vào khoảng năm 1808 bằng cách sử dụng pin voltaic lớn của Viện Hoàng gia London Bằng cách tách riêng hai điện cực carbon kết nối với pin, Davy đã tạo ra một tia lửa điện sáng và ổn định, từ đó hình thành tên gọi cho hiện tượng này.
Sự phát triển nhanh chóng của các thiết bị sử dụng cung phóng điện cho mục đích chiếu sáng đã được chứng minh bởi nhà triết học tự nhiên Thụy Sĩ Auguste-Arthur de la Rive vào năm 1820 Ông đã phát hiện ra rằng tia lửa điện hình vòng cung có thể cháy trong chân không thông qua việc tạo ra sự phóng điện trong bình thủy tinh chân không Hình 1.2(a) minh họa các loại đèn hồ quang carbon đầu tiên.
Hình 1.2 trình bày (a) đèn hồ quang carbon đầu tiên trong không khí (trái) và bình thủy tinh chân không (phải), còn được biết đến với tên gọi "mìn điện Davy" hay "de la Rive mìn điện" (b) Công bố chứng minh về phóng điện hồ quang carbon của Humphry Davy tại Viện Hoàng gia London vào đầu thế kỷ 19 Các hình ảnh bên dưới minh họa các tầng hầm với một pin lớn, được sử dụng để tạo ra sự phóng điện.
Với sự phát triển của các nguồn điện và nền công nghiệp hóa, Auguste de Meritens (1834-1898) đã đóng góp vào việc phát triển một ứng dụng quan trọng thứ hai sử dụng hồ quang điện tại Pháp vào năm 1885.
1881 Ông đã sử dụng nhiệt đƣợc tạo ra bởi hồ quang để nối liền các tấm chì, phát minh ra
8 các nguyên tắc hàn hồ quang Ngày nay, hồ quang điện cũng đƣợc sử dụng để tạo lớp phủ kết tủa, chế biến kim loại, phun plasma
Lịch sử của EDM bắt đầu vào năm 1943 khi hai nhà khoa học Nga, Boris và Natalia Lazarenko, phát minh ra nguyên lý phóng điện tại Moscow Chính phủ Liên Xô đã giao nhiệm vụ cho họ điều tra hiện tượng ăn mòn do tia lửa điện giữa các điện cực vonfram, điều này rất quan trọng để duy trì động cơ ô tô trong Thế chiến thứ hai Họ phát hiện ra rằng khi đưa các điện cực vào trong dầu, tia lửa trở nên đồng đều và dễ kiểm soát hơn trong không khí Mặc dù không giải quyết được vấn đề ăn mòn ban đầu, Lazarenkos đã phát triển những máy EDM đầu tiên, hữu ích cho việc ăn mòn các kim loại cứng như vonfram và carbide vonfram "Mạch Lazarenko" đã trở thành tiêu chuẩn cho máy phát điện EDM trong nhiều năm.
Vào những năm 1950, sự hiểu biết về hiện tượng ăn mòn đã thúc đẩy những tiến bộ quan trọng trong ngành công nghiệp chế tạo máy Trong giai đoạn này, các máy EDM đầu tiên đã được sản xuất, với Thụy Sĩ nhanh chóng trở thành một trong những quốc gia tiên phong trong lĩnh vực này AGIE được thành lập năm 1954, trong khi Les Des Ateliers Charmilles ra mắt chiếc máy đầu tiên vào năm 1955 Tuy nhiên, do chất lượng linh kiện điện tử còn kém, hiệu suất của các máy này bị hạn chế đáng kể.
Hình 1.3:50 năm phát triển của máy EDM: Eleroda D1 (1955) và Robofil 2050 TW (2005) từ Charmilles (hình ảnh công nghệ Charmilles)
Vào những năm 1960, sự phát triển của ngành công nghiệp bán dẫn đã nâng cao đáng kể hiệu suất của máy EDM Nhờ đó, máy khuôn dập sâu trở nên tin cậy hơn và chất lượng bề mặt gia công được kiểm soát tốt hơn.
Vào cuối những năm 1960 và đầu những năm 1970, sự phát triển trong việc điều khiển vị trí theo chương trình số đã nâng cao độ chính xác trong chuyển động của điện cực.
Cải tiến lớn trong công nghệ EDM, đặc biệt là cắt bằng điện cực dây, đã nâng cao hiệu suất đáng kể Việc áp dụng hệ thống điều khiển theo chương trình số (CNC) vào giữa những năm 1970 đã cách mạng hóa hiệu suất của máy EDM.
Trong những thập kỷ tiếp theo, nỗ lực chủ yếu tập trung vào thiết kế máy phát xung, quy trình tự động, điều khiển servo và robot Vào những năm 1980, ứng dụng gia công vi mô trở thành chủ đề được quan tâm, trong khi thị trường thế giới về EDM bắt đầu tăng trưởng mạnh mẽ Các nghiên cứu về ứng dụng cụ thể của EDM cũng được khai thác sâu hơn so với nghiên cứu cơ bản Đến những năm 1990, một số phương pháp mới như điều khiển mờ và mạng nơron đã xuất hiện để cải thiện điều khiển EDM.
Ngày nay, gia công điện (EDM) là phương pháp phi truyền thống phổ biến nhất, chủ yếu được áp dụng trong sản xuất khuôn ép và khuôn thông thường cho các sản phẩm hàng loạt Phương pháp này cũng có khả năng tạo ra các chi tiết hoàn thiện, bao gồm dụng cụ cắt và các sản phẩm có hình dạng phức tạp EDM được sử dụng rộng rãi trong nhiều ngành công nghiệp như ô tô, điện tử, đồ gia dụng, máy móc, đóng gói, viễn thông, đồng hồ, hàng không, đồ chơi và dụng cụ phẫu thuật.
Hình 1.4 minh họa các chi tiết được gia công bằng công nghệ EDM, bao gồm tuabin tốc độ cao và khuôn ren của cổ chai được sản xuất từ điện cực thỏi, cùng với khuôn sản xuất nhựa và vi phụ tùng được chế tạo bằng điện cực dây.
Cấu tạo chung của các máy EDM
Sơ đồ máy phát xung định hình
Động cơ servo trục Y, X và Z đóng vai trò quan trọng trong hệ thống điều khiển chính xác của máy Đầu mang điện cực và điện cực giúp thực hiện quá trình gia công trên phôi, trong khi thùng chất điện môi và hệ thống bơm tuần hoàn đảm bảo cung cấp chất điện môi liên tục Các bàn trượt dọc X và ngang Y cho phép di chuyển linh hoạt, kết hợp với màn hình video để theo dõi quá trình Tủ cấp điện và các cầu chì bảo đảm an toàn cho thiết bị, trong khi thùng chứa và xử lý chất điện môi cùng bộ lọc giúp duy trì chất lượng chất điện môi Cuối cùng, máy phát tia lửa điện và khe hở phóng tia lửa điện là yếu tố quyết định trong việc thực hiện các thao tác gia công chính xác.
Hình 1 5:Sơ đồ một máy xung định hình.
Máy xung định hình có 3 phần chính sau:
- Hệ thống tủ điện và điện tử điều khiển
- Cụm dung dịch điện môi
+ Phần cơ khí bao gồm:
- Thùng chất điện môi cho phôi
- Hệ thống lắp điện cực và điện cực
- Các bàn trƣợt và bàn quay để tạo các chuyển động cần thiết + Hệ thống điện, điện tử điều khiển bao gồm:
- Hệ thống điều khiển quá trình phóng điện
- Hệ thống điều khiển CNC
Hãng CHARMILLES đã giới thiệu các máy mới trên thị trường, hoàn toàn khép kín để tuân thủ các quy định của cộng đồng Châu Âu từ năm 1993 Hiện tại, xu hướng thiết kế máy móc đang chuyển sang các sản phẩm gọn nhẹ hơn so với trước đây.
Máy gia công tia lửa điện cắt bằng dây bao gồm ba phần chính, tương tự như máy xung định hình Tuy nhiên, cấu trúc cơ khí của máy cắt bằng dây có những điểm khác biệt nhằm tối ưu hóa việc bố trí và điều khiển điện cực dây.
Phân loại các loại máy EDM
Gia công EDM có thể đƣợc phân loại nhƣ sau:
- Gia công xung định hình EDM (Die Sinking EDM hay Ram-EDM)
- Gia công EDM bằng dây cắt (Wire-cut EDM hoặc Wire EDM)
- Gia công vi EDM (Micro EDM)
1.3.1 Máy EDM điện cực thỏi
Mô hình máy sau đây đƣợc sử dụng để khoan lỗ ở thép dụng cụ để thí nghiệm trong máy gia công tia lửa điện
Nhãn hiệu : Sodick CNC EDM die sink
Nói chung, các máy EDM điện cực thỏi NC, CNC có 3 phần chính sau:
- Phần cơ khí (máy chính), bao gồm:
+ Thùng chứa chất điện môi
+ Hệ thống lắp điện cực và điện cực
+ Các bàn trƣợt và bàn quay để tạo các chuyển động cần thiết cho phôi
Hình 1.6: Máy gia công EDM điện cực thỏi CNC
- Hệ thống điện, điện tử điều khiển, bao gồm:
+ Hệ thống điều khiển quá trình phóng điện
+ Hệ thống điều khiển NC, CNC
- Cụm dung dịch điện môi
1.3.2 Máy EDM điện cực dây
Máy cắt dây EDM là thiết bị gia công tia lửa điện, hoạt động bằng cách sử dụng dây cắt và chuyển động được điều khiển bằng chương trình số để tạo ra các đường bao và hình dạng bề mặt mà không cần điện cực đặc biệt Hiện nay, có hai loại máy cắt dây EDM phổ biến.
Máy cắt truyền thống là loại máy đầu tiên sử dụng dây cắt điều khiển bằng tay, có kết cấu đơn giản và độ chính xác thấp Chất lượng gia công phụ thuộc vào tay nghề của công nhân vận hành, chỉ có khả năng gia công các hình dạng đơn giản, không thể xử lý các bề mặt phức tạp như bề mặt côn hay bánh răng.
- Máy cắt dây EDM CNC:
Máy EDM điều khiển theo chương trình số là loại thiết bị có cấu trúc phức tạp nhưng mang lại khả năng công nghệ cao Nó có thể gia công nhiều dạng bề mặt khác nhau với độ chính xác cao, bao gồm gia công lỗ trong khuôn đột, khuôn ép kim loại, gia công điện cực cho máy EDM điện cực thỏi, cắt các đường biên dạng phức tạp và các mặt 3 chiều đặc biệt Cấu tạo của máy cắt dây EDM tương tự như máy gia công điện cực thỏi, với các bộ phận chính được thiết kế để tối ưu hóa hiệu suất gia công.
+ Cụm cơ khí (máy chỉnh)
+ Cụm điều khiển điện, điện tử
+ Cụm dung dịch điện môi
+ Đồ gá và phụ tùng
Hình 1.7: Sơ đồ máy cắt dây
Các cụm thiết bị chính của máy bao gồm: thân máy, phần thân máy, bộ phận tạo góc nghiêng cắt, dẫn hướng dây trên, lô quấn dây, bể làm việc, bàn công tác, dẫn hướng bàn công tác, thùng chứa chất điện môi, bệ máy và bảng điện.
Máy cắt dây EDM, như trình bày trong hình 1.7, hoạt động bằng cách điều khiển chuyển động của dây cắt theo một đường bao trong hệ tọa độ XY, nhằm tạo ra khe hở nhỏ trên chi tiết gia công Chuyển động này được thiết lập trước với độ chính xác lên đến 0.001mm và được dẫn hướng qua hai cơ cấu dẫn hướng bằng kim cương Đường kính của dây cắt sẽ quyết định kích thước của lỗ trong cơ cấu dẫn hướng, thường nhà cung cấp sẽ kèm theo một số bộ cơ cấu dẫn hướng phù hợp với máy chính.
Hệ điều khiển đảm bảo quỹ đạo cắt chính xác thông qua các điều khiển chuyển động, với chuyển động thứ hai nằm trong mặt phẳng U-V phía trên mặt phẳng X-Y Các bề mặt hình côn và rãnh có độ nghiêng thay đổi đều đặn có thể được tạo ra từ cấu hình trục X, Y, U, V, cũng như từ cấu hình trục X, Y, Q, R Đối với máy có cấu hình trục X, Y, Q, R, độ nghiêng của dây được xác định bởi các giá trị góc Q và R, trong đó R đại diện cho độ nghiêng của dây theo hướng chạy dao, còn Q là độ nghiêng theo hướng vuông góc với hướng chạy dao.
Hình 1.8:Hình dáng bên ngoài của máy cắt dây EDM
1-Phôi; 2- Bể dung dịch; 3- Bơm; 4- Động cơ chạy bơm; 5-Hê ̣ thống điều khiển CNC và tủ điện; 6- Cáp điện; 7- Bàn máy a) b)
Hình 1.9:Cấu hình trục máy cắt dây CNC
1 Dây cắt; 2 Chi tiết gia công; 3,4 Bộ dẫn dây; 5 Mặt phẳng tham chiếu thứ nhất; 6 Mặt phẳng tham chiếu thứ hai
Sau đây là bảng thông số kỹ thuật và hình ảnh ví dụ về máy khoan lỗ nhỏ xung EDM [DB703]:
Bảng 1 1:Thông số kỹ thuật của máy khoan lỗ nhỏ xung EDM [DB703]
Thông số kỹ thuật Thông số chung
Kích thước bàn máy 436x316 mm Chiều sâu khoan 0-300 mm
Bàn máy có kích thước dịch chuyển 400x300 mm và trục Z có khả năng dịch chuyển lên đến 270 + (300) mm Với khả năng chịu tải lên đến 200 Kg, máy có tốc độ khoan tối đa 60 mm²/phút, phù hợp cho các ứng dụng gia công Đường kính điện cực dao động từ 0.3 đến 3.0 mm, trong khi dòng điện gia công tối đa là 30A.
Dung tích bồn nước 25 L Điện comsumtion tối đa 3.5 KVA
Trọng lƣợng máy 600 Kg Điện áp 220-415/50Hz
Kích thước máy 1060x750x1700 mm Dung dịch gia công Nước/xà phòng Kích thước đóng hộp 1300x1040x2030 mm Chức năng thiết lập chiều sâu Có
Loại điều khiển ZNC: Z trục điều khiển
NC Điều khiển di chuyển trục Z: Động cơ điện
Hình 1.10: Máy khoan lỗ nhỏ xung EDM [DB703]
Vi EDM (micro-EDM) là một phương pháp gia công tiên tiến xuất phát từ EDM, chuyên dùng để sản xuất các bộ phận và linh kiện vi mô thông qua các tia lửa điện giữa điện cực dụng cụ và phôi Sự khác biệt chính giữa vi EDM và EDM thông thường nằm ở máy phát xung, độ chính xác của trục chuyển động và kích thước dụng cụ Vi EDM tạo ra các xung rất nhỏ trong khoảng thời gian micro giây hoặc nano giây, sử dụng năng lượng phóng điện thấp để loại bỏ thể tích nhỏ vật liệu Phương pháp này cho phép gia công trên mọi loại vật liệu dẫn điện và bán dẫn với độ chính xác bề mặt cao, đặc biệt hiệu quả với các vật liệu khó gia công.
Sau đây là sơ đồ của hệ thống vi EDM
Hình 1.11:Sơ đồ hệ thống vi EDM
Máy vi EDM của hãng SARIX, Thụy Sỹ, được sử dụng để gia công vi lỗ với máy phát vi xung MPS SR, có khả năng tạo ra các xung từ 50 ns đến 2 μs và dòng điện cực đại lên đến 50 A Nguồn điện cung cấp có thể điều chỉnh từ 50 V đến 250 V Hệ thống máy vi EDM bao gồm các thành phần như đơn vị điều khiển SX-CU, bảng điều khiển SX-MMI và đơn vị SX-DA Đơn vị SX-CU chứa các mạch điện và cơ chế kiểm soát hoạt động của máy, trong khi bảng SX-MMI cho phép người vận hành điều chỉnh các thông số gia công và theo dõi thông tin trên màn hình màu TFT.
Bể chứa dung dịch điện môi
17 chứa dung dịch điện môi có hệ thống nước làm mát và lọc các chất lỏng điện môi đã qua sử dụng để tái sử dụng
Khả năng công nghệ và ứng dụng của máy gia công EDM điện cực thỏi và điện cực dây 17
1.4.1 Khả năng công nghệ và ứng dụng của máy EDM gia công điện cực thỏi
Gia công bằng điện cực thỏi cho phép tạo ra nhiều dạng bề mặt khác nhau, bao gồm hốc trong khuôn, lỗ nhỏ và sâu, rãnh hẹp, cánh tua bin, và nhiều hình dáng phức tạp khác Sự kết hợp của chuyển động trong quá trình gia công giúp tối ưu hóa hiệu suất và độ chính xác của các chi tiết.
Máy EDM sử dụng điện cực thỏi đang ngày càng phổ biến nhờ khả năng tạo ra những bề mặt phức tạp từ hình dáng dụng cụ đơn giản.
- Lợi ích của EDM điện cực thỏi:
Tạo ra các hình dạng và kích thước khác nhau bên trong các lỗ tịt
Kiểm soát rất chính xác và hoàn toàn không có sự ảnh hưởng đến tính toàn vẹn cấu trúc
Các hình dạng bị đốt cháy từ các vật liệu cứng loại bỏ khả năng thay đổi kích thước do xử lý nhiệt
Sản phẩm có tính đồng nhất, tính lặp lại, và hiệu quả hơn
Ít dụng cụ cần thiết có nghĩa là giảm thời gian lắp đặt
Các rãnh xoắn ốc bên trong, các rãnh then không thông suốt, khuôn mẫu
Hexes cho bu lông đặc biệt và các chi tiết & bánh răng cắt xoắn ốc và các loại hình dạng khác
Hình dạng phức tạp mà nếu không sẽ rất khó hoặc không thể sản xuất với dụng cụ cắt thông thường
Gia công đƣợc vật liệu có độ cứng rất cao với dung sai rất nhỏ
Vùnggia công rất nhỏ, nơi các công cụ cắt thông thường có thể làm hỏng chi tiết do áp lực dụng cụ cắt tạo ra ứng suất dƣ
Trong quá trình gia công, không xảy ra sự tiếp xúc trực tiếp giữa dụng cụ cắt và phôi, cho phép gia công các tiết diện cắt mỏng và vật liệu yếu mà không gây ra bất kỳ biến dạng nào.
Hình 1.13:Gia công hốc bên trong với điện cực đặc biệt
1.4.2 Khả năng công nghệ và ứng dụng của máy EDM điện cực dây
Cắt dây EDM mang lại khả năng thực hiện các công việc mà công nghệ cũ không đáp ứng được, với tốc độ nhanh, độ chính xác cao và chi phí thấp Hiện nay, hầu hết các chi tiết có thể được lập trình gia công nguyên khối, thay vì phải gia công từng bộ phận và lắp ráp như trước Công nghệ này cho phép gia công các bề mặt phức tạp như khối nón, khối xoắn ốc, khối parabol và elip, mở ra nhiều cơ hội trong sản xuất.
Hình 1.14:Một số dạng chi tiết được gia công bằng cắt dây EDM
- Lợi ích của EDM điện cực dây:
• Cắt chính xác: độ chính xác gia công cắt dây EDM có thể nằm trong khoảng +/- 0,0003 inch
• Cắt góc cắt ở trong có các cạnh gần nhƣ vuông vuông góc
• Khả năng cắt cuộn dài mà các phương pháp khác không thể gia công
• Sản phẩm và mẫu thử nghiệm chính xác hơn với thời gian ngắn hơn
• Máy có khả năng chạy liên tục, chính xác và phức tạp mà không không lệch
• Gia công điện cực EDM dây không tạo gờ
• Không yêu cầu dụng cụ
• Khả năng để máy cắt mỏng lên đến 12 inch
Quá trình gia công diễn ra sau khi xử lý nhiệt chính giúp đảm bảo kích thước sản phẩm chính xác và không bị ảnh hưởng bởi sự biến dạng trong quá trình xử lý nhiệt.
Hình 1.15:Hình ảnh dây cắt và chi tiết gia công.
- Đặc tính kỹ thuật và khả năng công nghệ của EDM điện cực dây:
• Góc tối đa đối với hình côn là 45°
• Chiều cao cắt tối đa là 16,5inch
• Khoan dung có thể đƣợc duy trì đến 0,0003 inch
• Đường kính dây từ 0.002 – 0.010 inch
• Vật liệu từ đồng đỏ, đồng thau, vonfram, thép cacbon, hợp kim cao, hợp kim Niken gốc Molipđen + crom + sắt, hợp kim hast, thép không gỉ hoặc carbon graphit
• Trọng lƣợng tối đa đối với phôi: 1800 lbs
• Góc tối đa: +/- 10° ở 12 inch độ dày phôi; 30° ở 3,25 inch phôi; 45° ở 1,93 inch phôi
• Lƣợng dịch chuyển tối đa: X = 21,7 inch, Y = 14,6 inch, Z = 12,2 inch
Hình 1.16:Hình ảnh biên dạng cắt của dây cắt
1.4.3 Khả năng công nghệ và ứng dụng của máy khoan EDM
Khoan lỗ EDM sử dụng ống điện cực chi phí thấp, thường là đồng, để khoan lỗ trên vật liệu dẫn điện với tốc độ cao Tỷ lệ đường kính lỗ sâu có thể đạt tới 200, với đường kính lỗ thông thường từ 0.3mm đến 3.0mm Công nghệ này cho phép khoan lỗ ở bất kỳ góc độ nào trên bề mặt phôi nghiêng nhờ vào năm cấu hình trục máy khác nhau Khoan lỗ EDM được ứng dụng rộng rãi trong các ngành công nghiệp như hàng không, năng lượng, công cụ cắt, ô tô, y tế và khuôn mẫu.
Hình 1.17:Hình ảnh khoan EDM
1.4.4 Khả năng công nghệ và ứng dụng của micro EDM
Khả năng gia công của vi-EDM cho phép xử lý vật liệu dẫn điện với độ chính xác cao, đáp ứng nhu cầu sản xuất các chi tiết nhỏ như lỗ, vòi phun và bánh răng Công nghệ micro-EDM được ứng dụng rộng rãi trong các hệ thống vi cơ điện, y sinh học, công nghiệp ô tô và quốc phòng, cũng như trong sản xuất các chi tiết đặc biệt Ngoài việc gia công vi lỗ, vi-EDM cũng có khả năng tạo ra các hình dạng lỗ 2D và 3D khác nhau Hệ thống CAD/CAM, sử dụng phần mềm Catia V5 và Esprit CAM, hỗ trợ việc tạo ra đường di chuyển của dụng cụ trong công nghệ 3D và 2D Các mẫu sản phẩm micro EDM được minh họa trong hình 1.19 đến 1.23.
Hình 1.18:Đầu phun cho động cơ phun diesel; b) Bánh răng nhựa để sản xuất đồng hồ
Hỡnh 1.19:Khuụn bỏnh răng nhỏ cú đường kớnh ngoài 600àm và độ sõu 100àm
Hình 1.20:Một ký hiệu của 'mekatronik' và hình dạng 'M' được gia công
Hình 1.21:Thước micro có độ sâu 1mm được gia công bằng cách sử dụng điện cực có đường kớnh 400àm
Hình 1.22:Lô gô bộ môn Cơ Điện Tử được gia công trên một tấm kim loại có độ sâu
1 Trình bày sơ lƣợc về lịch sử hình thành của công nghệ EDM?
2 Gia công EDM đƣợc chia làm mấy loại?
3 Nêu tên một số bộ phận chính của một máy xung định hình?
4 Nêu tên một số bộ phận chính của một máy cắt dây?
5 Khả năng công nghệ và ứng dụng của công nghệ cắt dây EDM là gì?
6 Trình bày khả năng công nghệ và ứng dụng của công nghệ khoan EDM?
7 Trình bày một số khả năng công nghệ và ứng dụng của công nghệ gia công micro EDM?
CƠ SỞ CÔNG NGHỆ CỦA EDM
Bản chất vật lý của quá trình phóng điện
Gia công tia lửa điện, hay còn gọi là ăn mòn điện, là quá trình ăn mòn kim loại thông qua tia lửa điện Trong quá trình này, dụng cụ và chi tiết hoạt động như hai điện cực, với dụng cụ đóng vai trò là catốt và chi tiết là anốt Quá trình sử dụng nguồn điện một chiều có tần số từ 50 đến 500 kHz, điện áp từ 50 đến 300V và cường độ dòng điện từ 0.1 đến 500A.
Hai điện cực được đặt trong dung dịch cách điện gọi là chất điện môi Khi hai điện cực lại gần nhau, điện trường xuất hiện giữa chúng Khi điện áp tăng, các điện tử từ bề mặt cực âm được phóng ra, và nếu điện áp tiếp tục tăng, chất điện môi bị ion hóa, dẫn đến việc xuất hiện tia lửa điện Nhiệt độ trong vùng tia lửa điện có thể đạt tới 12.000 °C, đủ để làm nóng chảy và đốt cháy phần kim loại trên cực dương.
Trong quá trình phóng điện, ion hóa mạnh mẽ xảy ra cùng với áp lực va đập lớn, giúp đẩy phoi ra khỏi khu vực gia công Tất cả các diễn biến này diễn ra trong khoảng thời gian rất ngắn từ 10^-4 đến 10^-7 giây Sau đó, mạch trở lại trạng thái ban đầu, và khi điện áp của tụ đạt mức cần thiết, quá trình phóng điện sẽ tiếp tục tại điểm có khoảng cách gần nhất.
Trong quá trình gia công, các hạt kim loại được tách ra từ điện cực và hình thành các hạt nhỏ hình cầu Khi các hạt này rời khỏi vùng gia công, khe hở giữa hai điện cực tăng lên, dẫn đến việc ngừng phóng điện Để duy trì quá trình gia công liên tục, cần điều chỉnh điện cực dụng cụ đi xuống sao cho khe hở giữa hai điện cực giữ nguyên và phù hợp với điện áp nạp vào tụ C.
Mạch điện trong gia công EDM cần cung cấp dòng điện “xung” một chiều qua khe hở điện cực, với nhiều kiểu mạch khác nhau để tạo ra dòng “xung” Hầu hết các mạch này đều sử dụng một tụ điện để nạp và tích điện trước khi phóng điện Sơ đồ máy phát xung RC đơn giản hoạt động bằng cách nạp điện cho tụ C qua điện trở R khi điện áp cung cấp Uo đạt đến mức cần thiết Khi điện áp của tụ đạt đến Uo, quá trình phóng điện sẽ bắt đầu và duy trì cho đến khi Uo giảm xuống mức điện áp tắt, sau đó quá trình nạp điện cho tụ sẽ lặp lại.
Hình 2.1:Sơ đồ nguyên lý gia công tia lửa điện
Quá trình gia công tia lửa điện được trình bày qua 9 bước và mối quan hệ giữa hiệu điện thế và cường độ dòng điện trong khi gia công
Trong quá trình điện phân, người ta đặt điện cực vào dung dịch điện môi, và khi hai điện cực tiến lại gần nhau, hiệu điện thế đủ lớn có thể phá vỡ chất lỏng thành các hạt ion, cho phép dòng điện đi qua Mặc dù chất điện môi là chất cách điện tốt, sự hiện diện của graphit và hạt kim loại lơ lửng trong dung dịch có thể cải thiện khả năng dẫn điện Những phần tử dẫn điện này không chỉ giúp ion hóa chất điện môi mà còn có khả năng xúc tác quá trình đánh thủng điện, tạo điều kiện cho dòng điện truyền đi hiệu quả hơn.
Vùng điện trường đạt cường độ mạnh nhất khi khoảng cách giữa điện cực và phôi nhỏ nhất, như thể hiện trong hình 2.2 Trong giai đoạn này, hiệu điện thế gia tăng trong khi cường độ dòng điện vẫn giữ ở mức 0.
Khi số lượng hạt ion trong dung dịch điện môi tăng lên, tính chất cách điện của nó sẽ giảm, đặc biệt là ở khu vực giữa nơi có điện trường mạnh nhất Mặc dù điện áp đạt mức tối đa, nhưng cường độ dòng điện vẫn giữ ở mức 0.
Bước 3: Một dòng điện được thiết lập khi dung dịch điện môi trở nên kém cách điện Điện áp bắt đầu giảm
Khi dòng điện tăng lên, nhiệt độ hình thành nhanh chóng và điện áp tiếp tục giảm Nhiệt lượng này gây bốc hơi dung dịch, chi tiết và điện cực dụng cụ, dẫn đến việc hình thành một kênh phóng điện giữa điện cực và bề mặt chi tiết.
Bước 5: Khi bọt hơi nước giãn ra, sự giãn này bị hạn chế bởi dòng ion hướng về kênh phóng tia lửa điện Các hạt ion bị hút bởi vùng điện trường mạnh mẽ đã hình thành, trong khi dòng điện tiếp tục gia tăng và điện áp giảm.
Gần cuối quá trình phóng điện, dòng điện và điện áp đã ổn định, nhiệt độ và áp suất trong bọt hơi nước đạt mức tối đa, dẫn đến việc một số kim loại bị bóc ra.
Lớp kim loại dưới cột tia lửa điện ở trạng thái nóng chảy nhưng vẫn được giữ lại trên bề mặt nhờ áp suất bọt hơi nước Kênh phóng điện hiện tại bao gồm một kênh dẫn plasma cực nóng, được hình thành từ hơi kim loại, chất điện môi và cacbon, với dòng điện lớn chảy qua.
Khi kết thúc quá trình phóng điện, cả dòng điện và điện áp đều giảm xuống mức không, dẫn đến sự giảm nhiệt độ nhanh chóng Hơi nước bọt vỡ ra và phần kim loại nóng chảy hóa hơi sẽ bị tách ra khỏi bề mặt của chi tiết gia công.
Bước 8: Dung môi được phun lên bề mặt chi tiết, giúp loại bỏ các mảnh vụn và làm sạch bề mặt Đồng thời, dung môi cũng hòa tan các kim loại hóa hơi đã đông đặc Phần kim loại nóng chảy không bị bong tách mà đông cứng lại, tạo thành một lớp bề mặt như được đúc lại.
Bước 9: Các kim loại bị tách ra sẽ đông đặc thành những hạt hình cầu nhỏ, được dung dịch điện môi mang theo cùng với một lượng nhỏ cacbon từ điện cực, trong khi những hơi nước còn sót lại sẽ nổi lên bề mặt.
Cơ cấu tách vật liệu
Hình 2.13:Thời gian xung trong một chu kỳ.
Mỗi chu kỳ xung có độ dài và khoảng cách được đo bằng micro giây, điều này rất quan trọng vì tất cả các công việc diễn ra trong thời gian của chu kỳ xung Thời gian xung và tần số (số chu kỳ mỗi giây) là các yếu tố then chốt trong quá trình này.
Quá trình tách vật liệu tỷ lệ thuận với năng lượng trong suốt chu kỳ xung, với năng lượng tách vật liệu được ký hiệu là W e.
Năng lượng tách vật liệu được xác định bởi công thức W e = U e I e t e, trong đó U e và I e là các giá trị trung bình của điện áp và dòng tia lửa điện trong khoảng thời gian xung Vì U e là một hằng số vật lý phụ thuộc vào cặp vật liệu điện cực và phôi, nên năng lượng tách vật liệu chủ yếu phụ thuộc vào dòng điện và thời gian xung.
Dòng điện trong kênh plasma qua khe hở phóng điện là tổng hợp của dòng điện tử hướng về cực dương (anot) và dòng ion dương hướng về cực âm (catot) Vì khối lượng của ion dương lớn hơn 100 lần so với điện tử, tốc độ của ion dương có thể được coi là không đáng kể so với tốc độ của điện tử khi phát sinh các xung điện.
Mật độ điện tử tại bề mặt cực dương (anot) cao hơn nhiều so với mật độ ion dương tại bề mặt cực âm (catot), dẫn đến sự gia tăng mạnh mẽ của dòng điện trong những giây đầu tiên của quá trình phóng điện Hiện tượng này là nguyên nhân chính gây ra sự nóng chảy đáng kể ở cực dương (anot) trong chu kỳ này.
Quá trình gia công bằng EDM được chia thành ba giai đoạn chính: sử dụng năng lượng điện, phân hóa chất điện môi, và sự đánh lửa cùng ăn mòn ở điện cực Trong đó, quá trình ăn mòn vật liệu xảy ra nhờ tia lửa điện, trong đó năng lượng điện được chuyển đổi thành năng lượng nhiệt thông qua nhiều lần phóng điện liên tiếp giữa điện cực công cụ và điện cực vật liệu.
Năng lượng nhiệt tạo ra kênh plasma giữa hai điện cực với nhiệt độ từ 8000 đến 20.000 độ C Khi nguồn cấp xung đạt 20.000-30.000Hz, dòng điện sẽ tắt, và thời gian sụt của dòng điện ảnh hưởng quyết định đến độ nhám bề mặt gia công Sự cố của kênh plasma dẫn đến giảm nhiệt độ đột ngột, cho phép các chất điện môi luân chuyển và loại bỏ vật liệu nóng chảy dưới dạng mảnh nhỏ Nhiệt độ nóng chảy và bay hơi của vật liệu chi phối quá trình loại bỏ trong gia công EDM, tạo ra các hố nhỏ trên bề mặt Gia công EDM không tiếp xúc và không sử dụng lực, giúp loại bỏ ứng suất cơ học và các vấn đề va đập, rung động thường gặp trong gia công truyền thống.
Lượng vật liệu bị hớt đi phụ thuộc vào điện áp, cường độ dòng điện và thời gian Do đó, có thể nghiên cứu chính xác sự thay đổi của điện áp và dòng điện theo thời gian từ khi đóng điện (t=0) đến khi ngắt điện (t=00às).
Quá trình phóng tia lửa điện có thể được hình dung rõ ràng thông qua các điểm đánh dấu đo lường về thời gian/điện áp và thời gian/dòng điện Cụ thể, tại thời điểm t1 = 0 giây, điện áp u1 là 0V và dòng điện I1 là 0A Sau 30 giây, tại t2, điện áp tăng lên 120V (u2) trong khi dòng điện I2 vẫn giữ nguyên Tại t3 (45 giây), điện áp và dòng điện tiếp tục thay đổi, với các giá trị lần lượt là u3 và I3 Đến t4, điện áp giảm xuống 42V (u4) và dòng điện I4 Tại t5, điện áp còn 30V (u5) và dòng điện trở về 0A Tại t6 (240 giây), cả điện áp và dòng điện đều trở về 0 Cuối cùng, tại t7 và t8, điện áp và dòng điện tiếp tục duy trì ở mức 0V và 0A.
Hình 2.14:Diễn biến của một quá trình phóng tia lửa điện.
Đặc tính về điện của sự phóng điện
2.3.1 Điện áp đánh lửa U z Điện áp đánh lửa là điện áp cần thiết để tạo sự phóng điện ban đầu U z đƣợc cung cấp khi máy phát đóng dòng điện, gây ra sự phóng tia lửa điện để đốt cháy vật liệu Điện áp
Khi điện áp U tăng, tốc độ phóng điện được cải thiện và khe hở phóng điện cũng mở rộng Ảnh hưởng của điện áp đánh lửa ít hơn so với độ dài xung và khoảng cách xung.
2.3.2 Điện áp phóng tia lửa điện U e
Khi phóng tia lửa điện, điện áp giảm từ U z xuống U e, với U e là điện áp trung bình trong suốt quá trình này U e là một hằng số vật lý không thể điều chỉnh, phụ thuộc vào các hằng số vật lý của cặp điện cực phôi.
2.3.3 Dòng phóng tia lửa điện I e
Dòng điện Ie là giá trị trung bình của dòng điện từ khi bắt đầu phóng tia lửa điện đến khi ngắt điện Khi dòng điện bắt đầu phóng, nó tăng mạnh từ 0 đến Ie, và giá trị này ảnh hưởng lớn đến năng suất bóc vật liệu, độ mòn điện cực và chất lượng bề mặt gia công Càng lớn Ie, năng suất bóc vật liệu càng cao và độ nhám bề mặt gia công càng lớn, trong khi độ mòn điện cực lại giảm.
2.3.4 Độ dài xung t i Đây là khoảng thời gian giữa hai lần đóng-ngắt của máy phát trong cùng một chu kỳ phóng điện Độ kéo dài xung ti là tổng của thời gian trễ đánh lửa t d và thời gian phóng tia lửa điện t e : t i = t d + t e
Thời gian phóng tia lửa điện t e ảnh hưởng lên:
+ Tỷ lệ hớt vật liệu
+ Chất lƣợng bề mặt gia công
Mối quan hệ giữa thời gian phóng tia lửa điện, năng suất bóc vật liệu (MRR), độ mòn tương đối của điện cực dụng cụ (θ) và nhám bề mặt (Ra) được minh họa trong hình 2.15.
Hình 2.15:Ảnh hưởng của thời gian phóng tia lửa điện t e đến năng suất V w
Năng suất bóc vật liệu khi dòng điện I e = 4A và 8A có sự chênh lệch rõ rệt, trong đó I e = 4A cho năng suất tối đa V w là 0.8 mm³/phút tại thời gian phóng điện t e Pàs Điều này cho thấy rằng việc điều chỉnh dòng điện có ảnh hưởng lớn đến hiệu suất bóc vật liệu.
Tỷ lệ giữa vật liệu Vw và năng lượng W=Ue.Ie.te [J] cho thấy rằng khi năng lượng W tăng, giá trị năng suất bóc vật liệu Vw cũng tăng theo Qua hình a, có thể thấy rằng khi thời gian te tăng, Vw cũng tăng cho đến một giá trị tối đa te tối ưu Sau thời điểm này, Vw bắt đầu giảm do thời gian te dài hơn làm giảm áp lực và năng lượng của các kênh plasma trên kim loại nóng chảy của điện cực, dẫn đến sự bất ổn định trong quá trình Đối với ba dòng phóng tia lửa điện Ie (2, 4, 8A), khi thời gian phóng điện te > 100 às, Vw sẽ giảm, mặc dù kết quả này không xuất hiện rõ trong các đồ thị.
Hình 2.16:Ảnh hưởng của thời gian phóng tia lửa điện t e đến độ nhám bề mặt R a
Kết quả về độ nhám bề mặt Ra theo thời gian xả te được trình bày trong Hình 2.16 Độ nhám thấp nhất Ra=0,9 đạt được khi I e = 2A tại t e = 3,2ms Hai điểm quan trọng được ghi nhận là: Thứ nhất, khi EDM với I e J và 8A, độ nhám bề mặt tăng theo thời gian t e do năng lượng cao W=U e I e t e [J] làm gia tăng giá trị V w, dẫn đến sự hình thành các hố sâu hơn trên bề mặt mẫu Thứ hai, với I e *, sự thay đổi của thời gian t e từ 3,2 đến 50 ms không làm thay đổi đáng kể giá trị độ nhám Ra, do thời gian xả dài t e làm tăng nhanh đường kính kênh plasma, giảm áp lực plasma trong khoang nóng chảy Kết quả là, do khoảng cách làm việc nhỏ, các hạt không được sơ tán, dẫn đến sự tích lũy nguyên tử trong miệng núi lửa và môi trường xung quanh, hiện tượng này có thể được ứng dụng để sản xuất bề mặt nhẵn trong gia công, như đã đề cập bởi Amorim & Weingaertner (2005).
Hình 2.17:Ảnh hưởng của thời gian phóng tia lửa điện t e đến độ hao mòn dụng cụ θ.
Theo Hình 2.17, độ hao mòn tương đối θ đạt khoảng 2,0% và 2,6% tương ứng với dòng điện I e = 4 và 8 A tại thời gian tối ưu t e P ms Ngược lại, với I e = 2 A và t e 50 ms, θ tăng lên khoảng 6% Điều này cho thấy độ mòn tương đối của điện cực θ (Ve / Vw) cao hơn khi dòng phóng tia lửa điện I e thấp hơn trong quá trình EDM với điện cực CuW Khi dòng điện I e tăng, thể tích vật liệu điện cực bị bóc đi V e và thể tích vật liệu chi tiết bị bóc đi Vw giảm, dẫn đến giảm độ mòn tương đối θ (Ve/Vw) Tuy nhiên, khi sử dụng đồng nguyên chất làm vật liệu điện cực cho EDM, hiện tượng ngược lại xảy ra, tức là khi tăng dòng điện I e, độ mòn θ cũng tăng, như đã được Amorim & Weingaertner (2004) nhận xét Hiện tượng này có thể được giải thích bởi điểm nóng chảy của đồng là 1083 °C.
2.3.5 Khoảng cách xung t o Đây là khoảng thời gian giữa hai lần đóng ngắt của máy phát thuộc 2 chu kỳ xung kế tiếp nhau, t o còn đƣợc gọi là độ kéo dài nghỉ của xung
Tùy thuộc vào phương pháp gia công, tần số phát xung sẽ khác nhau Trong gia công thô, tần số thấp và độ dài xung lớn giúp tăng năng suất bóc vật liệu, nhưng đồng thời cũng tạo ra chiều sâu lớp nóng chảy đông rắn lớn Ngược lại, trong gia công tinh, tần số cao được sử dụng, mang lại độ bóng bề mặt cao hơn, miệng núi lửa nhỏ hơn, và lớp nóng chảy đông rắn mỏng hơn, cùng với vùng ảnh hưởng nhiệt hẹp hơn.
Tần số phóng điện đƣợc xác định bởi:
Trong đó : t o khoảng cách xung t i độ dài xung
Hình 2.18:Ảnh hưởng tần số đến bề mặt gia công.
Nguyên Lý Gia Công Máy EDM
2.4.1 Nguyên lý gia công điện cực thỏi Điện cực dụng cụ đƣợc chế tạo sao cho biên dạng của nó giống với biên dạng bề mặt cần gia công Dụng cụ đƣợc tiến đến chi tiết gia công nhờ dẫn động bởi cơ cấu servo để đảm bảo khoảng cách giữa hai điện cực không đổi, thường là 0,01†0,04 mm (khi gia công thô) Chi tiết gia công đƣợc gắn chặt trên bàn máy trong một thùng chứa dung dịch điện môi Chuyển động đƣợc gắn chặt trên bàn máy trong một thùng chứa dung dịch điện môi Chuyển động của chi tiết được điều khiển theo chương trình số Dung dịch điện môi thường xuyên đƣợc cung cấp nhờ bơm và hệ thống lọc Tần số trong quá trình phóng tia lửa điện có thể lên đến 500.000Hz, điện áp từ 50†300V và cường độ trung bình từ 30†1500A Kết quả là một lƣợng vật liệu bị bóc ra khỏi chi tiết gia công và điện cực dụng cụ chéo hình dáng của nó lên chi tiết
Hệ thống EDM bao gồm các thành phần cơ bản như phôi được gắn trong thùng chứa dung dịch điện môi và các điện cực gắn trên trục máy Một động cơ servo DC hoặc xi lanh thủy lực điều khiển chuyển động thẳng đứng của trục, giữ vị trí chính xác của điện cực so với phôi Định vị được thực hiện tự động với độ chính xác cao nhờ hệ thống servo và nguồn điện Trong quá trình hoạt động, điện cực không tiếp xúc với phôi mà chỉ duy trì khoảng cách bằng tia lửa điện.
Trong quá trình hoạt động, trục di chuyển điện cực hướng về phôi cho đến khi khoảng cách giữa chúng đủ để ion hóa các chất điện môi, cho phép phóng tia lửa điện từ điện cực đến phôi Tần số phóng tia lửa điện có thể đạt tới 500.000Hz, và hiện tượng này ưu tiên xảy ra ở những khoảng cách ngắn nhất, qua những khe hẹp nhất đến điểm cao nhất hoặc gần nhất trên phôi Lượng nguyên liệu lấy ra từ phôi tỷ lệ thuận với năng lượng W.
Mỗi lần phóng tia lửa điện, một khu vực nhỏ trên bề mặt phôi được làm nóng chảy hoặc bốc hơi Kim loại nóng chảy sau đó được làm lạnh trong chất điện môi, hình thành những hạt nhỏ hình cầu bị đẩy ra xa nhờ áp lực của chất điện môi Các tác động của xung điện được giới hạn trong một khu vực nhất định, xác định bởi hình dạng và vị trí của các điện cực Cả phôi và điện cực đều nằm trong chất lỏng điện môi, mà chất này hoạt động như một chất cách điện giúp kiểm soát sự phóng tia lửa.
Chất điện môi không chỉ làm mát mà còn giảm nhiệt độ cực cao trong các khe, đồng thời được bơm qua khe giữa phôi và điện cực để loại bỏ các hạt hình cầu khỏi vùng đánh lửa, từ đó ảnh hưởng đến tỉ lệ kim loại bị bốc ra và tạo điều kiện gia công hiệu quả Quá trình EDM cho phép gia công vật liệu mà không bị ảnh hưởng bởi độ cứng của phôi, cho phép sử dụng điện cực graphite hoặc kim loại mềm để gia công thép dụng cụ cứng hoặc cacbit vonfram Điều này cho thấy lợi ích của việc sử dụng EDM, cho phép gia công phôi sau khi xử lý nhiệt mà không lo lắng về việc phá hủy hoặc biến dạng phôi đắt tiền Nguyên tắc cơ bản của dây cắt EDM tương tự như diesinking EDM đã được mô tả.
Hình 2.19:Nguyên lý gia công điện cực thỏi.
2.4.2 Nguyên lý gia công điện cực dây
Phương pháp cắt dây EDM tương tự như gia công điện cực thỏi, nhưng khác biệt ở chỗ sử dụng một sợi dây có đường kính 0,1÷0,3mm thay vì các điện cực phức tạp Trong quá trình gia công, dây cắt chỉ bị ăn mòn rất ít và được cuốn liên tục theo một contour đã định sẵn, cho phép cắt bề mặt 2D hoặc 3D phức tạp Tốc độ cắt duy trì không đổi từ 0,15 đến 9 m/ph, và thay vì sử dụng chất điện môi, cắt dây EDM sử dụng nước khử khoáng.
Dây cắt thường được làm bằng đồng thau, nhưng để đạt hiệu suất cao hơn, người ta thường chọn dây phủ kẽm nhằm cải thiện bề mặt và tăng tốc độ cắt Đường kính của dây cắt thường dao động từ 0,2 đến 0,3 mm.
Hình 2.20:Sơ đồ nguyên lý gia công điện cực dây.
Hình 2.21:Bề mặt khi gia công bằng dây cắt đồng thau và dây cắt được phủ kẽm
Một số khác biệt giữa gia công bằng điện cực thỏi và gia công bằng dây cắt, xem hình 2.22:
Khi gia công bằng điện cực thỏi, chi tiết gia công và tia lửa điện được ngâm trong chất điện môi Ngược lại, trong gia công bằng cắt dây, nước khử khoáng được phun vào vùng gia công.
EDM thường được sử dụng để gia công các chi tiết 3D, chẳng hạn như lòng khuôn Khi gia công bằng điện cực thỏi, sự phóng điện diễn ra giữa mặt đầu của điện cực và chi tiết gia công Ngược lại, khi sử dụng dây cắt, sự phóng điện xảy ra giữa mặt bên của dây cắt và chi tiết gia công.
Vùng phóng điện trong gia công bằng điện cực thỏi bao gồm mặt đầu và góc của điện cực, trong khi vùng phóng điện khi gia công bằng dây cắt chỉ bao gồm mặt 180 độ của dây trong quá trình gia công.
Hình 2.22:Khác biệt giữa gia công bằng điện cực thỏi và gia công bằng dây cắt.
Lƣợng hớt vật liệu
Như đã trình bày ở phần trước năng lượng phóng tia lửa điện ảnh hưởng đến lượng hớt vật liệu
Năng lƣợng phóng tia lửa điện : We= U e I e t e
Theo công thức, Ue, I e và t e có ảnh hưởng đến năng lượng phóng tia lửa điện Thực nghiệm cho thấy, khi tăng dòng điện I e, lượng hớt vật liệu tăng và tốc độ hớt vật liệu cũng nhanh hơn Khoảng cách xung t o và độ dài xung t i cũng tác động đến lượng hớt vật liệu; cụ thể, khi khoảng cách xung t o giảm, lượng hớt vật liệu tăng, nhưng cần đảm bảo t o nhỏ trong giới hạn an toàn để tránh phóng tia lửa điện Ngoài ra, việc tăng ti cũng làm tăng lượng hớt vật liệu, và các điện cực dụng cụ khác nhau cũng ảnh hưởng đến quá trình này.
Khi xảy ra phóng tia lửa điện, bề mặt phôi xuất hiện các "miệng núi lửa" tại những điểm gần với điện, do bề mặt phôi không bao giờ hoàn toàn phẳng Sự đóng-ngắt liên tục của máy phát tạo ra hàng loạt miệng núi lửa kế tiếp nhau, giúp vật liệu được hớt đi một cách đồng đều trên bề mặt.
Hình 2.23:Miệng núi lửa được hình thành khi gia công.
Bề mặt gia công bằng tia lửa điện tạo ra các miệng núi lửa li ti, từ đó hình thành độ nhám mong muốn Việc điều chỉnh năng lượng phóng điện một cách hợp lý giúp đạt được các thông số bề mặt như ý.
Độ chính xác tạo hình khi gia công tia lửa điện
Độ chính xác khi gia công bằng tia lửa điện phụ thuộc vào nhiều yếu tố nhƣ:
Độ chính xác của máy phụ thuộc vào nhiều yếu tố như độ ổn định cơ học, độ cứng vững của hệ thống công nghệ, độ chính xác vị trí, hệ thống dẫn hướng và các con trượt Những yếu tố này chủ yếu liên quan đến thiết bị và không bị ảnh hưởng bởi các yếu tố bên ngoài Do đó, người sử dụng không cần quá lo lắng về độ chính xác mà nên tập trung vào việc sử dụng chất dung môi phù hợp để duy trì nhiệt độ gia công ổn định trong suốt quá trình.
Các thông số điện như U i, I e, t e, t 0, t d là những yếu tố quan trọng mà người sử dụng cần chú ý khi lựa chọn chế độ gia công cho thiết bị Việc điều chỉnh chính xác các thông số này giúp đảm bảo chất lượng và năng suất gia công đạt mức tối ưu.
Các điện cực có những tính chất quan trọng như vật liệu chế tạo và độ chính xác kích thước, những yếu tố này ảnh hưởng trực tiếp đến độ mài mòn của điện cực Điều này cũng tác động đến chất lượng bề mặt và độ chính xác trong quá trình gia công của các chi tiết.
Độ chính xác trong lập trình gia công chủ yếu phụ thuộc vào nhà sản xuất máy, đặc biệt khi người lập trình chọn cùng một cấp độ chính xác Yếu tố này liên quan mật thiết đến khả năng điều khiển máy cắt để thực hiện đúng theo contour đã được lập trình.
Độ chính xác trong gia công không chỉ phụ thuộc vào kỹ thuật mà còn vào chất lượng của dung môi, vì nó ảnh hưởng đến khe hở phóng điện và khả năng thoát phoi trong quá trình gia công.
Quá trình hình thành lỗ khoan bằng tia lửa điện được mô tả trong hình 2.24, trong đó đường kính lỗ khoan luôn lớn hơn đường kính của điện cực và có hình dạng lỗ côn.
Hình 2.24:Quá trình hình thành lỗ khoan bằng tia lửa điện. Độ côn đƣợc tính bởi công thức sau:
Độ chính xác gia công phụ thuộc vào cấu tạo máy và được ghi trong catalog, với hằng số kinh nghiệm KT Thông thường, độ chính xác đạt khoảng 0,01mm, trong khi các máy khoan tọa độ EDM có thể đạt độ chính xác lên đến 0,0025mm.
Các hiện tƣợng xấu khi gia công tia lửa điện
Hiện tƣợng: Là sự phóng điện không có thời gian trễ t d
Nguyên nhân của hiện tượng này là do sự phóng tia lửa điện trong chất điện môi giữa hai điện cực, nơi mà các phần tử vật liệu bị ăn mòn và các ion dương chưa bị dòng chảy đẩy ra khỏi khe hở phóng điện Những ion này tạo ra hồ quang trước khi mất điện, dẫn đến việc hồ quang xảy ra giữa các xung Nếu khoảng cách giữa các xung quá ngắn trong quá trình gia công, xung tiếp theo sẽ đốt cháy cùng một điểm với xung trước, do không có thời gian trễ cho phóng điện vào các đỉnh nhấp nhô Hậu quả là điểm ăn mòn sẽ bị khoét thành hố sâu và không đều trên bề mặt phôi Hình 2.25 minh họa sự phóng điện lý tưởng và phóng điện không có thời gian đánh trễ do hồ quang.
Hình 2.25:Hiện tượng hồ quang điện.
Tóm lại, hồ quang sẽ xảy ra khi:
- Dòng chảy của chất điện môi quá yếu
- Khoảng cách xung t 0 quá ngắn
Hiện tượng dòng điện ngắn xảy ra khi không có sự phóng điện, mà chỉ xuất hiện dòng điện chạy từ điện cực sang phôi Trong trường hợp này, điện áp rất nhỏ nhưng dòng điện đạt giá trị cực đại.
Sự ngắn mạch không chỉ cản trở quá trình hớt vật liệu phôi mà còn gây hại cho cấu trúc của phôi, do dòng điện tạo ra nhiệt có thể làm ảnh hưởng đến chất lượng của phôi.
- Do sự tiếp xúc trực tiếp của điện cực vào phôi
- Tồn tại 1 phần tử bị kẹt trong khe hở phóng điện
- Chiều rộng khe hở quá nhỏ, dòng chảy chất điện môi quá yếu
Hình 2.26: Hiện tượng ngắn mạch, sụt áp
2.7.3 Xung mạch hở, không có dòng điện
Hiện tƣợng: Các xung không gây ra hiện tƣợng phóng điện Do đó làm giảm hiệu quả phóng điện
- Chiều rộng khe hở phóng điện quá lớn
Dòng chảy chất điện môi mạnh có thể thổi sạch các ion khỏi vùng gia công, trong khi các xung mạch hở không gây hư hại cho bề mặt gia công hay làm hớt vật liệu, nhưng lại làm giảm năng suất gia công.
Hình 2.27:Hiện tượng mạch hở, không có dòng điện
2.7.4 Sự quá nhiệt của chất điện môi
Hiện tượng: Quá trình gia công bị nhiễu loạn bởi hồ quang thường xuyên, ngoài ra còn không ổn định do ngắn mạch
Khi vùng gia công rộng nhưng khe hở phóng điện quá nhỏ, đặc biệt trong gia công tinh các khuôn lớn, chất điện môi sẽ bị nóng lên và phân hủy thành cacbon Sự xuất hiện của các phần tử cacbon này làm tăng tính dẫn điện của chất điện môi, gây ra những vấn đề nghiêm trọng trong quá trình gia công.
Gia công bị nhiễu loạn có thể xảy ra khi cacbon lắng đọng trên mặt điện cực, dẫn đến sự không ổn định do ngắn mạch Để khắc phục tình trạng này, cần tối ưu hóa điều kiện dòng chảy và áp dụng phương pháp gia công nhắp khi chất điện môi bị quá nhiệt.
1 Nêu 9 bước trong quá trình gia công tia lửa điện
2 Trình bày mối quan hệ giữa điện áp và dòng điện trong một xung
3 Các yếu tố ảnh hưởng đến cơ cấu tách vật liệu?
4 Các đặc tính của sự phóng điện là gì?
5 Nguyên lý gia công điện cực thỏi, điện cực dây
6 Nêu sự khác biệt giữa gia công điện cực thỏi và điện cực dây
7 Có bao nhiêu hiện tƣợng xấu trong gia công EDM? Hãy nêu tên các hiện tƣợng
![Bảng 1. 1:Thông số kỹ thuật của máy khoan lỗ nhỏ xung EDM [DB703] - Biên soạn tài liệu môn học gia công tia lửa điện EDM](https://media.store123doc.com/figures/000/882/bang-thong-ky-thuat-may-khoan-lo-nho-882127.png)
