Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

1

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
TRƢỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP
LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

NGÀNH: CÔNG NGHỆ CHẾ TẠO MÁY
NGHIÊN CỨU ẢNH HƢỞNG CỦA CÁC THÔNG SỐ
CÔNG NGHỆ TỚI ĐỘ CHÍNH XÁC GIA CÔNG, KHI
GIA CÔNG CẮT DÂY CÁC VẬT LIỆU KHÓ
GIA CÔNG
Cuối cùng tôi muốn bày tỏ lòng cảm ơn đối với gia đình, các thầy giáo, cô
giáo, các bạn đồng nghiệp đã ủng hộ, động viên giúp đỡ tôi trong suốt quá trình học
tập, nghiên cứu và làm luận văn này.

Tác giả

Nguyễn Tiến Nga

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

3
MỤC LỤC

Trang
Lời cam đoan
Lời cảm ơn
Mục lục 2
Danh mục các bảng biểu 6

1.3
Cơ sở của phƣơng pháp gia công tia lửa điện
20
1.3.1
Bản chất vật lý
20
1.3.2
Cơ chế bóc tách vật liệu
25
1.4
Các yếu tố ảnh hƣởng đến quá trình gia công tia lửa điện
26
1.4.1
Các đặc tính về điện của sự phóng tia lửa điện
26
1.4.2
Dòng điện và bƣớc của dòng điện
30
1.4.3
Ảnh hƣởng của khe hở phóng điện δ
30
1.4.4
Ảnh hƣởng của điện dung C
33

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

4
1.4.5
Ảnh hƣởng của diện tích vùng gia công

40
1.8.4
Sự quá nhiệt của chất điện môi
40
1.9
Các yếu tố không điều khiển đƣợc
40
1.9.1
Nhiễu hệ thống
41
1.9.2
Nhiễu ngẫu nhiên
41
1.10
Dung dịch chất điện môi trong gia công tia lửa điện
41
1.10.1
Nhiệm vụ của dung dịch chất điện môi
41
1.10.2
Các loại chất điện môi
43
1.10.3
Các tiêu chuẩn đánh giá chất điện môi
43
1.10.4
Các loại dòng chảy của chất điện môi
45
1.10.5
Hệ thống lọc chất điện môi

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

5
2.3.2
Các loại dây điện cực
55
2.4
Sự thoát phoi trong cắt dây tia lửa điện
55
2.5
Nhám bề mặt khi cắt dây
56
2.6
Các thông số về điện trong điều khiển máy cắt dây tia lửa điện
57
2.6.1
Dòng phóng tia lửa điện I
e
và bƣớc của dòng điện
57
2.6.2
Độ kéo dài xung t
i

57
2.6.3
Khoảng cách xung t
0

57

Điều kiện thực hiện thí nghiệm
71
3.1.2.1
Thiết bị thí nghiệm
71
3.1.2.2
Vật liệu gia công
73
3.1.2.3
Các thiết bị đo
74
3.2
Nhóm thí nghiệm
76
3.2.1
Mô hình định tính quá trình cắt dây tia lửa điện
76
3.2.2
Các thông số đầu vào của thí nghiệm
77
3.3
Khảo sát độ chính xác gia công
78
3.3.1
Phƣơng pháp đánh giá
79
3.3.2
Nghiên cứu ảnh hƣởng đơn của U
i
; I

3.3.4
Nghiên cứu độ chính xác công tua
110

Kết luận chƣơng 3
113

Kết luận chung
114

Tài liệu tham khảo
116

Phụ lục
117

Hình 1.7. Mối quan hệ giữa θ và t
i
[1]
Hình 1.8. Mối quan hệ giữa R
max
và t
i
(với t
i
= t
d
+ t
e
).

[1]
Hình 1.9- Ảnh hƣởng của t
i
và t
0
đến năng suất gia công [1]
Hình 1.10- Ảnh hƣởng của khe hở phóng điện δ
Hình 1.11. Quan hệ giữa η và a
p
[1]
Hình 1.12. Ảnh hƣởng của điện dung C [1]
Hình 1.13. ảnh hƣởng của diện tích vùng gia công F [1]
Hình 1.14. Các thông số ảnh hƣởng đến năng suất khi gia công EDM
Hình 1.15. Vùng ảnh hƣởng nhiệt của bề mặt phôi
Hình 1.16. Hiện tƣợng hồ quang điện [1]

Hình 3.3.2.1.5 Ảnh hƣởng của thời gian ngừng phóng tia lửa điện t
0
đến chiều rộng
rãnh cắt, đo theo chiều dài lỗ hình chữ nhật.
Hình 3.3.2.1.6 Ảnh hƣởng của thời gian ngừng phóng tia lửa điện t
0
đến chiều rộng
rãnh cắt, đo theo chiều rộng lỗ hình chữ nhật.
Hình 3.3.2.1.7 Ảnh hƣởng của điện áp phóng điện Ui đến chiều rộng rãnh cắt của lỗ
hình tròn.
Hình 3.3.2.1.8 Ảnh hƣởng của dòng phóng tia lửa điện Ie đến chiều rộng rãnh cắt
của lỗ hình tròn.
Hình 3.3.2.1.9 Ảnh hƣởng của thời gian ngừng phóng tia lửa điện t
o
đến chiều rộng
rãnh cắt của lỗ hình tròn.

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

9
Hình 3.3.2.2.1 Ảnh hƣởng của điện áp phóng điện Ui đến chiều rộng rãnh cắt, đo
theo chiều dài lỗ hình chữ nhật.
Hình 3.3.2.2.2 Ảnh hƣởng của điện áp phóng điện Ui đến chiều rộng rãnh cắt, đo
theo chiều rộng lỗ hình chữ nhật.
Hình 3.3.2.2.3 Ảnh hƣởng của dòng phóng tia lửa điện I
e
đến chiều rộng rãnh cắt,
đo theo chiều dài lỗ hình chữ nhật.
Hình 3.3.2.2.4 Ảnh hƣởng của dòng phóng tia lửa điện I
e

Hình 3.3.2.2.5 Ảnh hƣởng của thời gian ngừng phóng tia lửa điện t
0
đến chiều rộng
rãnh cắt, đo theo chiều dài lỗ hình chữ nhật. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

10
Hình 3.3.2.2.6 Ảnh hƣởng của thời gian ngừng phóng tia lửa điện t
0
đến chiều rộng
rãnh cắt, đo theo chiều rộng lỗ hình chữ nhật.
Hình 3.3.2.3.7 Ảnh hƣởng của điện áp phóng điện Ui đến chiều rộng rãnh cắt của lỗ
hình tròn.
Hình 3.3.2.3.8 Ảnh hƣởng của dòng phóng tia lửa điện đến chiều rộng rãnh cắt
của lỗ hình tròn.
Hình 3.3.2.3.9 Ảnh hƣởng của thời gian ngừng phóng tia lửa điện t
o
đến chiều rộng
rãnh cắt của lỗ hình tròn.
Hình 3.3.3.1.1 Quan hệ giữa khe hở rãnh cắt với độ chính xác kích thƣớc, đo theo
chiều dài lỗ hình chữ nhật, dƣới ảnh hƣởng của điện áp đánh lửa U
i
.
Hình 3.3.3.1.2 Quan hệ giữa chiều rộng rãnh cắt với độ chính xác kích thƣớc, đo
theo chiều rộng lỗ hình chữ nhật, dƣới ảnh hƣởng của điện áp đánh lửa U
i
.
Hình 3.3.3.1.3 Quan hệ giữa chiều rộng rãnh cắt với độ chính xác kích thƣớc, đo

.

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

11
Hình 3.3.3.2.2 Quan hệ giữa khe hở rãnh cắt với độ chính xác kích thƣớc, đo theo
chiều rộng lỗ hình chữ nhật, dƣới ảnh hƣởng của điện áp đánh lửa U
i
.
Hình 3.3.3.2.3 Quan hệ giữa chiều rộng rãnh cắt với độ chính xác kích thƣớc, đo
theo chiều dài lỗ hình chữ nhật, dƣới ảnh hƣởng của dòng phóng tia lửa điện I
e
.
Hình 3.3.3.2.4 Quan hệ giữa chiều rộng rãnh cắt với độ chính xác kích thƣớc, đo
theo chiều rộng lỗ hình chữ nhật, dƣới ảnh hƣởng của dòng phóng tia lửa điện I
e
.
Hình 3.3.3.2.5 Quan hệ giữa chiều rộng rãnh cắt với độ chính xác kích thƣớc, đo
theo chiều dài lỗ hình cắt, dƣới ảnh hƣởng của thời gian ngừng phóng điện t
0

Hình 3.3.3.2.6 Quan hệ giữa chiều rộng rãnh cắt với độ chính xác kích thƣớc, đo
theo chiều rộng lỗ hình cắt, dƣới ảnh hƣởng của thời gian ngừng phóng điện t
0

Hình 3.3.3.2.7 Quan hệ giữa chiều rộng rãnh cắt đến độ chính xác kích thƣớc của lỗ
tròn, dƣới ảnh hƣởng điện áp đánh lửa U
i
.
Hình 3.3.3.2.8 Quan hệ giữa chiều rộng rãnh cắt đến độ chính xác kích thƣớc của lỗ
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

12
Hình 3.3.3.3.7 Quan hệ giữa chiều rộng rãnh cắt đến độ chính xác kích thƣớc của lỗ
tròn, dƣới ảnh hƣởng điện áp đánh lửa U
i
.
Hình 3.3.3.3.8 Quan hệ giữa chiều rộng rãnh cắt đến độ chính xác kích thƣớc của lỗ
tròn, dƣới ảnh hƣởng của dòng phóng tia lửa điện I
e
.
Hình 3.3.3.3.9 Quan hệ giữa chiều rộng rãnh cắt với độ chính xác kích thƣớc của lỗ
tròn, dƣới ảnh hƣởng của thời gian ngừng phóng lửa điện t
0
.
Hình 3.3.4.1 Các hình dáng biên dạng gia công thƣờng gặp
Hình 3.3.4.2 Ảnh hƣởng của lực điện trƣờng và lực phóng điện lên dây
Hình 3.3.4.3 Hình dáng của dây trong vùng gia công


nhƣng ít tự động hóa. Ngày nay nhờ sự phát triển của điều khiển số và công nghệ
thông tin mà phƣơng pháp này đã đƣợc hiện đại hóa rất cao và đó trang bị điều
khiển số CNC trên các máy WEDM.
Ƣu điểm của phƣơng pháp này là:
- Có khả năng cắt hầu hết các loại vật liệu dẫn điện.
- Độ chính xác cao (độ bóng Ra = 1,6 † 0,8 μm).
- Chi tiết gia công có độ dầy lớn (có thể đạt tới 500 mm).
- Gia công đƣợc những lỗ, rãnh định hình có kích thƣớc rất nhỏ.
- Cắt đƣợc các hình dạng 3D đặc biệt.
- Cắt các công tua phức tạp.
Từ những năm 80 của thế kỷ XX đến nay, rất nhiều doanh nghiệp trong nƣớc
đó trang bị các loại máy, thiết bị sử dụng công nghệ WEDM nhằm cải tiến phƣơng
pháp gia công, nâng cao giá trị sản phẩm. Bên cạnh những kết quả đạt đƣợc về mặt

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

14
công nghệ thì nói chung cũng gặp những khó khăn nhất định về kỹ thuật và hiệu
quả kinh tế khi sử dụng các máy và thiết bị này cũng chƣa cao bởi các nguyên nhân
sau:
- Việc chuyển giao công nghệ chƣa đầy đủ.
- Đầu tƣ trang thiết bị không đồng bộ, thiết bị không rõ nguồn gốc.
- Giá thành đầu tƣ lớn nên mức khấu hao cao.
- Số lƣợng sản phẩm sản xuất trên máy thƣờng theo loạt vừa và nhỏ.
- Chƣa chủ động đƣợc về bảo dƣỡng, bảo trễ máy…
Vấn đề đặt ra là làm thế nào để nâng cao hiệu quả khai thác, sử dụng loại máy này?
- Để nâng cao hiệu quả sử dụng loại máy này có nhiều cách nhƣng theo hƣớng
công nghệ thì ta cần thiết lập chế độ công nghệ hợp lý để đạt đƣợc độ chính xác
kích thƣớc cũng nhƣ năng suất gia công và chất lƣợng sản phẩm cao nhất. Điều này
các doanh nghiệp trong nƣớc thƣờng xác định dựa theo tài liệu kèm theo máy hoặc

để nghiên cứu nhằm mục đích tìm ra các thông số ảnh hƣởng và mức độ ảnh hƣởng
của các thông số công nghệ đó tới quá trình gia công các loại vật liệu khi gia công
là cần thiết, gúp phần nâng cao hiệu quả khai thác và sử dụng máy cắt dây, đồng
thời cũng là cở sở để nghiên cứu cho các máy khác và các vật liệu khác.
II. MỤC ĐÍCH VÀ ĐỐI TƢỢNG NGHIÊN CỨU
- Tìm ra mức độ ảnh hƣởng của các thông số công nghệ chính đến độ chính xác
kích thƣớc cũng nhƣ độ chính xác công tua khi gia công vật liệu khó gia công trên
máy cắt dây. Thông qua đó có thể xác định đƣợc những điều kiện gia công tối ƣu
nhất, nhằm đảm bảo độ chính xác về kích thƣớc cũng nhƣ độ chính xác về công tua
của chi tiết gia công với thời gian gia công là ngắn nhất.
III. PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
Dùng phƣơng pháp nghiên cứu lý thuyết kết hợp với nghiên cứu thực nghiệm.
- Nghiên cứu lý thuyết để tìm hiểu mối quan hệ giữa các chế độ công nghệ với
độ chính xác kích thƣớc.
- Thực nghiệm để kiểm chứng cơ sở lý thuyết về mối quan hệ giữa các chế độ
công nghệ với độ chính xác gia công thông qua việc xây dựng các đồ thị, các hàm
toán học biểu diễn mối quan hệ giữa chế độ công nghệ với chiều rộng khe hở rãnh
cắt và mối quan hệ giữa chiều rộng khe hở rãnh cắt với độ chính xác kích thƣớc.

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

16
IV. PHẠM VI NGHIÊN CỨU.
- Vật liệu thí nghiệm: Thép hợp kim khó gia công SKD61.
- Vật liệu điện cực làm bằng dây CuZn 0,25 mm.
- Đối tƣợng gia công: các biên dạng là đƣờng thẳng và cung tròn.
- Các thông số công nghệ nghiên cứu là: Điện áp ban đầu, cƣờng độ dòng
điện trung bình, thời gian kéo dài phát xung, thời gian trễ đánh lửa khoảng cách
xung, tốc độ tiến.
- Đo độ chính xác (độ chính xác kích thƣớc và độ chính xác công tua)

, I
e
, t
0
) khi gia công trên
máy cắt dây EDM –CNC, để cải thiện độ chính xác gia công có ý nghĩa thực tiễn
trong nghiên cứu khoa học cũng nhƣ trong sản xuất nhƣ sau:
- Giúp cho việc lựa chọn chế độ công nghệ khi viết chƣơng trình gia công
NC trong quá trình chuẩn bị sản xuất đƣợc hợp lý hơn, hiệu quả khai thác, sử dụng
máy cắt dây EDM-CNC tốt hơn. Đây là một yếu tố có ý nghĩa quan trọng đối với sự
phát triển của doanh nghiệp trong môi trƣờng sản xuất kinh doanh luôn phải đối mặt
với sự cạnh tranh khốc liệt hiện nay trên thị trƣờng cũng nhƣ trong quá trình hội
nhập.
đƣờng thẳng, đƣờng cong, các rãnh định hình, các bề mặt có profin phức tạp,… với
độ bóng tƣơng đối cao (Ra = 1,6 † 0,8 μm) và độ chính xác cao (IT5).

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

19
1.2. Các phƣơng pháp gia công tia lửa điện
Ngày nay, trong gia công cơ khí trên thế giới có hai phƣơng pháp gia công
tia lửa điện chủ yếu, đƣợc ứng dụng rộng rãi và đã có đóng góp đáng kể cho sự phát
triển về khoa học kỹ thuật của nhân loại đó là: phƣơng pháp gia công xung định
hình và phƣơng pháp gia công cắt dây bằng tia lửa điện WEDM.
1.2.1. Phƣơng pháp gia công xung định hình
Đây là phƣơng pháp dùng các điện cực đã đƣợc tạo hình sẵn để in hình (âm
bản) của nó lên bề mặt phôi. Phƣơng pháp này đƣợc dùng để chế tạo khuôn có hình
dạng phức tạp, các khuôn ép định hình, khuôn ép nhựa, khuôn đúc áp lực, lỗ không
thông…
1.2.2. Phƣơng pháp gia công cắt dây bằng tia lửa điện
Là phƣơng pháp dùng một dây dẫn điện có đƣờng kính nhỏ (0,1 - 0,3 mm)
cuốn liên tục và chạy theo một biên dạng định trƣớc để tạo thành một vết cắt trên
phôi. Phƣơng pháp này thƣờng dùng để gia công các lỗ suốt có biên dạng phức tạp
nhƣ các lỗ trên khuôn dập, khuôn ép, khuôn đúc áp lực, chế tạo các điện cực dùng
cho gia công xung định hình, gia công các rãnh hẹp, gấp khúc, các dƣỡng kiểm,…
1.2.3. Các phƣơng pháp khác:
Ngoài hai phƣơng pháp gia công chủ yếu trên, ngày nay trên thế giới còn có một
số phƣơng pháp gia công sử dụng nguyên lý gia công bằng cắt dây tia lửa điện nhƣ
sau:
- Gia công tia lửa điện dạng phay (Milling EDM): Là phƣơng pháp sử dụng một
điện cực chuẩn, hình trụ quay để thực hiện ăn mòn tia lửa điện theo kiểu phay. Sử
dụng phƣơng pháp này để gia công các hình dáng phức tạp do không phải chể tạo
điện cực phức tạp (để xung) mà sử dụng điện cực chuẩn sau đó điều khiển cho điện

công đặc biệt cho phép gia công các hốc, rãnh dạng đƣờng cong hoặc đƣờng xuyến.
Hình dáng điện cực đƣợc sử dụng trong phƣơng pháp này giống nhƣ một thanh dẫn
có thể uốn cong và một hệ thống nhận dạng. Ngƣời ta sử dụng sóng siêu âm để
nhận dạng các đƣờng hầm gia công trong chi tiết.
- Xung định hình với 2 điện cực quay: Là phƣơng pháp sử dụng một điện cực
quay để ăn mòn một phôi quay. Khi phối hợp chuyển động của điện cực và phôi sẽ
tạo ra các hình dạng chi tiết khác nhau theo yêu cầu. Phƣơng pháp này là phƣơng
pháp gia công siêu chính xác và độ bóng siêu cao.

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

21
1.3. Cơ sở của phƣơng pháp gia công tia lửa điện
1.3.1. Bản chất vật lý Hình 1.1. Sơ đồ nguyên lý gia công tia lửa điện

Thực chất của phƣơng pháp gia công tia lửa điện là sự tách vật liệu ra khỏi bề
mặt phôi nhờ tia lửa điện. Sơ đồ nguyên lý gia công bằng tia lửa điện đƣợc mô tả
nhƣ hình 1.1.
Quá trình tách vật liệu ra khỏi bề mặt phôi cụ thể nhƣ sau:
Một điện áp đƣợc đặt vào giữa điện cực và phôi, không gian giữa hai điện cực
đƣợc điền đầy bằng một chất lỏng cách điện gọi là chất điện môi (Dielectric). Khi

Ở thời điểm phóng điện, điện áp bắt đầu giảm, số lƣợng các pha dẫn điện (các
electron và các ion dƣơng) tăng lên một cách chớp nhoáng và bắt đầu xuất hiện một
dòng điện chạy qua các điện cực. Dòng điện này cung cấp một năng lƣợng khổng lồ
làm cho dung dịch điện môi bốc hơi cục bộ tạo ra bọt khí, các bọt khí này do áp suất
đẩy chất điện môi sang hai bên. Nhƣng do có độ nhớt của chất điện môi nên đã tạo
ra sự cản trở và hạn chế sự lớn lên của kênh phóng điện giữa các điện cực.

Pha II:
Hình 1.3. Sự hình thành kênh phóng điện Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

23
Pha III: Sự nóng chảy và bốc hơi vật liệu
Ở trung tâm của vùng bọt khí bao gồm một kênh plasma, plasma này là một
chất khí có lẫn các điện tử và các ion dƣơng ở áp suất cao và nhiệt độ cực lớn (áp
suất khoảng 1 kbar và nhiệt độ khoảng 10.000
0
C). Khi kênh plasma tới mức tới hạn
(điện áp qua giữa hai điện cực đạt cực đại tới một giá trị của điện áp phóng điện U
e
,
U


24
- Độ kéo dài xung t
i
: Là khoảng thời gian giữa hai lần đóng ngắt của máy phát
trong một chu kỳ phóng tia lửa điện. Độ kéo dài xung là tổng thời gian trễ đánh lửa
t
đ
và thời gian phóng tia lửa điện t
e
. Đây còn là thời gian để chất điện môi ion hóa,
chuẩn bị cho một chu kỳ phóng điện tiếp theo cho đến khi đạt kích thƣớc gia công
yêu cầu.
- Khoảng cách xung t
o
: Là khoảng thời gian giữa hai lần đóng ngắt của máy
phát giữa hai chu kỳ xung liên tiếp nhau, t
o
còn đƣợc gọi là độ kéo dài nghỉ của
xung.
Hình 1.5 biểu diễn diễn biến của điện áp và dòng điện trong máy gia công tia
lửa điện đƣợc sinh ra bởi một máy phát tĩnh trong một xung. Đặc điểm của đồ thị
này cho thấy dòng điện xung bao giờ cũng xuất hiện trễ hơn một khoảng thời gian t
d

so với thời điểm bắt đầu có điện áp máy phát U
i
. U
e
và I

: Độ kéo dài xung của máy phát xung.
t
0
: khoảng cách xung.
t
p
: Chu kỳ xung.
U
i
: Điện máy phát mở.
U
e
: Điện áp phóng tia lửa điện.
I
e
: Dòng phóng tia lửa điện.
Các nghiên cứu cho thấy tại các vùng lân cận các điện cực, plasma có nhiệt độ
rất cao từ 6000
0
C ÷ 10.000
0
C. Tốc độ của dòng chuyển dịch điện tử và ion phụ
thuộc vào năng lƣợng điện và đặc tính của chất điện môi. Quán tính cơ của chất
điện môi đã cản trở sự bành trƣớng của kênh plasma làm cho áp suất trong kênh rất
lớn (có thể lên đến 1 kbar). Khi khoảng không của kênh plasma càng hẹp thì mật độ
năng lƣợng càng tăng (lƣợng hớt vật liệu tỉ lệ thuận với độ nhớt động học và tỉ lệ
nghịch với điện trở dẫn suất của chất điện môi). Đồng thời với sự phát triển kênh
plasma theo thời gian có sự chuyển đổi năng lƣợng điện thành năng lƣợng nhiệt
năng tại các điểm, còn đƣợc gọi là các “nguồn nhiệt”. Các điện tử cận anốt di
chuyển và dẫn nhiệt tới làm nóng chảy và bốc hơi hơi vật liệu. Các ion dƣơng đi