CHƯƠNG 11: CÁC PHƯƠNG PHÁP GIA CÔNG TIÊN TIẾN
11.4. Các phương pháp gia công theo nguyên lý nhiệt
11.4.1 Gia công bằng xung điện (EDM - Electrical Discharge Machining) 1/Gia công bằng xung định hình
a. Bản chất
Gia công xung điện là một phương pháp lấy kim loại bằng xung điện. Một điện cực có hình dạng nhất định (thường là đồng hoặc graphit) được dùng để tạo ra một hốc có hình dạng ngược với điện cực. Không có tiếp xúc trực tiếp giữa điện cực và phôi.
Xung điện đi qua dung dịch điện môi (thường là dầu nhẹ), khoảng cách giữa điện cực và phôi được điều khiển. Cả điện cực và phôi phải có tính chất dẫn điện.
Hình 11.16. Sơ đồ của máy gia công xung điện.
Mặc dù một vài máy EDM có khả năng dịch chuyển theo vài trục, máy EDM đơn giản nhất có một trục thẳng đứng dưới sự điều khiển duy nhất của một động cơ servo (hình 11.16). Dấu âm chỉ ra rằng điện cực được nối âm. Giữa bề mặt dụng cụ và chi tiết gia công phải tồn tại một khe hở gọi là khe hở điện cực δ (δ ≈ 0.025 ÷ 0.05mm).
Nếu bàn được phép dịch chuyển không có kiểm soát, sẽ có tiếp xúc trực tiếp giữa điện cực và phôi, điều này sẽ gây ra ngắn mạch. Hiện tượng này được ngăn chặn bằng một cơ cấu servo ở đó điện thế được đo và so sánh với thông tin tham chiếu. Nếu dữ liệu lớn hơn giá trị tham chiếu, bàn tiến lên, nếu nó nhỏ hơn, bàn lùi lại. Dịch chuyển có thể thực hiện bằng một xi lanh thuỷ lực hay một động cơ servo dẫn động trực tiếp. Khi phôi được gia công bằng mài mòn xung, khoảng cách giữa điện cực và phôi tăng lên.
Điện thế tăng lên và bàn tiến lên đến khi điện thế phù hợp với giá trị tham chiếu. Do đó cơ cấu servo duy trì một khe hở không đổi. Sự sói mòn tiếp tục đến khi đạt được chiều sâu đã đặt ra. Tại thời điểm này điện cực được rút ra khỏi phôi.
b. Bề mặt gia công bằng EDM.
Topography: EDM có một dấu hiệu bề mặt riêng biệt. Bề mặt tương tự một bề mặt bị bắn phá với tất cả các hố có cùng kích thước (hình 11.17). Không có kiểu hay hướng sắp xếp bề mặt như các phương pháp gia công thông thường khác. Vì kích thước các hố phụ thuộc vào năng lượng tia lửa điện và nó thay đổi nhiều. Bề mặt gia cụng bằng EDM cú nhấp nhụ Ra ≈ (0,2 ữ12,5) àm.
Hình 11.17: Một bề mặt điển hình sau khi gia công xung điện. Các tham số gia công:
cực điện cực dương. Thời gian nối mạch là 58 às, thời gian off-time 32 àm, dũng điện max 13A. điện cực graphit, phụi thộp dụng cụ. Độ nhỏm bề mặt Ra≈ 3,5àm.
Khi gia công thép có thể xác định gần đúng:
Ra ≈ 1.11 Q8.834 (mm) Trong đó: Q - năng suất gia công. mm3/phút.
Các ảnh hưởng về tổ chức kim loại và hoá học:
Vì hiện tượng tôi rất nhanh do chất điện môi và tác động tản nhiệt của phôi, lớp bề mặt bị tác động trong quá trình EDM khá mỏng – nhỏ hơn 0,13 mm khi gia công thô và 0,01 mm khi gia công tinh. Vì các tiêu chí để đánh giá độ dày của lớp này (thay đổi độ cứng, ứng suất dư, các tác động về tổ chức kim loại), phương pháp cần phải chỉ ra cụ thể. Lớp này có thể chia thành một lớp gọi là lớp bị tái đúc và một lớp bị ảnh hưởng nhiệt. Lớp bị tái đúc được đặc trưng bởi cấu trúc bị tôi nhanh, trong khi lớp bị ảnh hưởng về nhiệt có cấu trúc ủ hay bị ram. Các tác động này phụ thuộc nhiều vào hợp kim được gia công. Vì một phần lớn EDM dùng gia công thép các bon cao để làm khuôn dập và đúc. Lớp tái đúc trên thép dụng cụ cứng hơn vật liệu nguyên khối vì sự hình thành mactenxit, trong khi vùng bị ảnh hưởng nhiệt mềm hơn vì mactenxit bị ram.
Những lượng nhỏ vật liệu điện cực cũng như cácbon từ chất điện môi có thể lắng đọng trên bề mặt EDM. Trong trường hợp gia công thép, lượng cacbon dư trên bề mặt có thể tạo thêm mactenxit và làm tăng nguy cơ nứt.
Hình 11.18.1 Vùng ảnh hưởng nhiệt của phương pháp EDM.
c. Điện cực và các phương pháp gia công điện cực.
Chi phí điện cực thường là phần đắt nhất trong gia công xung điện. Chi phí vật liệu chế tạo, mòn và sửa điện cực phải được đánh giá cẩn thận để xác định vật liệu điện cực và chế độ máy EDM tốt nhất. Điện cực lý tưởng là loại có tính dẫn điện cao, dễ chế tạo và có nhiệt độ nóng chảy cao, nó phải đủ bền để chịu được các phương pháp gia công thông thường để không bị biến dạng. Các loại vật liệu thường dùng:
graphite, đồng, đồng – vonfram và bạc vonfram, đồng – graphit, đồng thau, thép, vonfram...
* Chế tạo điện cực: phương pháp chế tạo điện cực thông dụng nhất là trên các máy tiện, phay và mài. Cắt dây hành trình EDM là một phương pháp tuyệt vời để gia công các điện cực trong EDM.
d. Dung dịch điện môi.
Dung dịch điện môi thực hiện một số chức năng sau:
- là một trường dẫn tia lửa điện mà phải ion hoá ở dưới điện áp đặt vào.
- Là chất làm mát cho phôi và điện cực.
- Là môi trường mang các mảnh phoi sinh ra trong quá trình gia công .
Các tính chất cần có là độ nhớt thấp, điểm bay hơi do tia lửa thấp và giá thành thấp.
Vì khe hở gia công nhỏ ở chế độ gia công tinh, chất điện môi có độ nhớt thấp đặc biệt quan trọng, độ nhớt thấp cũng giúp tách mặt gia công, do đó làm cho chất điện môi sạch. Dung dịch điện môi thông dụng là dầu có thành phần chính là dầu lửa. Kerosene, dầu silicone và dung dịch điện môi trên cơ sở nước. Nước khử ion có một vài đặc tính tốt là an toàn về cháy, giá thành thấp, độ nhớt thấp và không có cácbon nên không tác dụng với phôi. Tuy vậy dầu gốc dầu lửa cho khả năng điều khiển khe hở gia công tốt hơn và được dùng nhiều nhất.
Sự lưu thông dung dịch điện môi là vấn đề riêng rẽ quan trọng nhất đến sự thành công của EDM. Trong nguồn điện nhiều đầu ra các điện cực nhiều đầu là các đơn vị riêng về cơ khí, thậm chí chúng còn riêng biệt với nhau về điện. Các vấn đề lưu thông dung dịch điện môi ở một điện cực có thể làm toàn bộ hệ thống bị lùi lại. Do đó lưu thông dung dịch điện môi tốt thậm chí còn quan trọng hơn khi dùng phương pháp nhiều điện cực.
Một vài quy tắc thông thường áp dụng:
- Nhiều lỗ lưu thông dung dịch điện môi nhỏ tốt hơn một lỗ lớn. Bên cạnh việc phân phối dung dịch tốt hơn, các bột kim loại từ các lỗ lưu thông dung dịch điện môi nhỏ hơn và dễ lấy đi hơn.
- Dòng chảy dung dịch điện môi qua toàn bộ dao diện phôi - điện cực ổn định hơn.
- Nên tránh các điểm chết tạo ra bởi các lỗ lưu thông dung dịch điện môi có áp suất từ phía đối diện của chi tiết.
- Nên có lỗ thông cho các chi tiết dạng vòm để tránh sự tập trung của các khí dễ nổ.
e. Độ chính xác gia công:
Dung sai ± 0.05mm có thể dễ đạt được bằng phương pháp EDM, tuy nhiên việc điều khiển tốt các thông số của quá trình EDM có thể đạt được dung sai ± 0.003mm.
Gia công bằng phương pháp EDM có hiện tượng côn, có bán kính ở các góc bằng khe hở đánh lửa và cắt quá. Độ côn thông thường vào khoảng 0.005 ÷ 0.05mm trên 10mm chiều sâu và có thể được giới hạn nếu sử dụng phương pháp dội hút.
Kích thước cắt quá phụ thuộc vào điều kiện gia công (hình 9.12). Biểu đồ này được xem xét để thiết kế dụng cụ.
f. Ưu nhược điểm và ứng dụng của EMD.
. Ưu điểm của EDM:
- Các hốc có thành mỏng và các chi tiết chính xác có thể gia công được vì không có tiếp xúc giữa điện cực và phôi.
- G/công các dạng hình học khó (khuôn đùn ép nhựa, khuôn kéo, khuôn rèn …) - Mặc dù tốc độ tách bỏ vật liệu liên quan đến điểm nóng chảy của kim loại gia công , việc áp dụng EDM không bị ảnh hưởng bởi độ cứng của phôi. Các vật liệu có tính gia công kém như cácbit vonfram và thép đã tôi có thể cắt bằng phương pháp EDM.
- Gia công không có bavia.
. Nhược điểm.
- Chỉ gia công được vật liệu dẫn điện.
- Độ nhẵn bề mặt khụng cao Ra ≈ 0,2 ữ 12,5 àm.
- Lớp bề mặt mỏng bị thay đổi về tổ chức tế vi, cơ lý tính, so với vật liệu trước gia công – nhỏ hơn 0,13 mm khi gia công thô và 0,01 mm khi gia công tinh – lớp này có thể loại bỏ bằng dánh bóng.
- Tiêu thụ năng lượng lớn.
. Các ứng dụng:
- Mặc dù ứng dụng của EDM chỉ giới hạn trong gia công các vật liệu dẫn điện, phương pháp này có khả năng gia công mà không bị ảnh hưởng bởi độ cứng và độ bền của vật liệu.
- Phương pháp EDM được dùng rộng rãi nhất trong công nghiệp chế tạo khuôn mẫu và dụng cụ, nhưng nó đang được áp dụng ngày càng nhiều để làm các chi tiết mẫu và sản xuất, đặc biệt trong công nghiệp hàng không và điện tử, ở đó các yêu cầu về năng suất tương đối thấp. Việc sản xuất các khuôn dập là một ứng dụng cơ bản của phương pháp này vì hiệu quả kinh tế trong sử dụng nó để làm phù hợp hơn là chế tạo theo cách thông thường. Khuôn đùn, khuôn mặt đầu, khuôn kéo, rèn, đúc, cũng như khuôn nhựa có thể gia công bằng phương pháp EDM.
- EDM đặc biệt phù hợp cho các chi tiết làm từ các vật liệu khó gia công và/ hoặc chứa nhiều lỗ nhỏ hay lỗ có hình dạng đặc biệt, một số lượng lớn các lỗ hay các lỗ có các góc vào nhỏ, các hốc phức tạp, các đường biên phức tạp. Các chi tiết thu nhỏ và các chi tiết quá mỏng hay từ các vật liệu giòn đối với các lực cắt cơ khí thông thường cũng là đối tượng phù hợp của EDM. Các lỗ tròn hoặc bất kỳ có đường kính 0,05 mm có thể gia công với tỷ số L/D khoảng 20/1. Các rãnh hẹp 0,05÷0,3 mm được cắt nhiều bằng EDM.
- Cắt không bavia là một đặc tính của EDM. Nhiều khía cạnh của thiết bị EDM hiện đại, như là điện cực nhiều đầu, sửa điện cực tự động và điều khiển số góp phần mở rộng ứng dụng của nó.