TRƯỜNG ĐẠI HỌC PHẠM VĂN ĐỒNG
KHOA KỸ THUẬT CÔNG NGHỆ
----------***----------

BÀI GIẢNG

CÁC PHƯƠNG PHÁP GIA CÔNG ĐẶC BIỆT
(Bậc Đại học ngành Công nghệ kỹ thuật cơ khí)

Biên soạn: Nguyễn Vĩnh Phối
Nguyễn Hoàng Lĩnh

Quảng Ngãi, 2016


MỤC LỤC
Lời nói đầu
Chƣơng 1. PHƢƠNG PHÁP GIA CÔNG TIA LỬA ĐIỆN

Trang
1
2

1.1. Giới thiệu

2

1.2. Gia công dùng điện cực thỏi

3


41

Chƣơng 3. PHƢƠNG PHÁP GIA CÔNG LASER

43

3.1. Khái niệm

43

3.2. Gia công bằng tia laser

43

3.3. Ưu, nhược điểm và ứng dụng

55

Chƣơng 4. PHƢƠNG PHÁP GIA CÔNG ĐIỆN HÓA

58

4.1. Tổng quan

58

4.2. Phương pháp gia công điện hóa

60


86

5.2.1. Nguyên lý gia công

86

5.2.2. Các thông số cơ bản và thiết bị

87

5.2.3. Các thông số công nghệ và khả năng công nghệ

96


5.2.4. Ưu điểm và so sánh với các phương pháp khác
Chƣơng 6. PHƢƠNG PHÁP GIA CÔNG PLASMA

98
102

6.1. Khái niệm

102

6.2. Cắt bằng tia plasma

104

6.3. Tiện bằng tia plasma

Tuy đã cố gắng hoàn chỉnh khi biên soạn nhưng thời gian và trình độ còn hạn
chế nên không thể tránh khỏi những thiếu sót. Nhóm tác giả rất mong nhận được
những ý kiến đóng góp của đồng nghiệp và bạn đọc để lần sau bài giảng được hoàn
chỉnh hơn. Chúng tôi xin chân thành cảm ơn.
Quảng Ngãi, ngày 02 tháng 12 năm 2016
Nhóm tác giả

BG: Các phương pháp gia công đặc biệt

-1-


Chương 1

Chương 1. PHƯƠNG PHÁP GIA CÔNG TIA LỬA ĐIỆN
(Electric Discharge Machining – EDM)
1.1. Giới thiệu
Gia công tia lửa điện 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.
Phương pháp gia công tia lửa điện là phương pháp phóng các tia lửa điện lên
bề mặt vật liệu gia công, làm cho lớp vật liệu cần hớt đi bị nóng chảy hoặc bốc hơi bởi
một quá trình điện nhiệt.
1.1.1. Phân loại:
1. Theo loại máy:
Có hai loại máy với dụng cụ khác nhau:
- Máy EDM dùng điện cực thỏi (hay còn gọi là máy xung định hình). Điện cực
trên máy này có dạng thỏi được chế tạo sao cho biên dạng của nó giống với bề mặt cần
gia công. Thuật ngữ tiếng Anh của phương pháp này là EDM Die Sinking hoặc RamEDM.
- Máy EDM dùng điện cực dây (hay còn gọi là máy cắt dây). Điện cực trên máy

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. 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 bô quá trình trên xảy ra trong thời
gian rất ngắn từ 10-4  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.
Phoi của quá trình gia công là các giọt kim loại bị tách ra khỏi các điện cực và
đông đặc lại thành những hạt nhỏ hình cầu. Khi các hạt này bị đẩy ra khỏi vùng gia
BG: Các phương pháp gia công đặc biệt

-3-


Chương 1

công, khe hở giữa hai điện cực lớn lên, sự phóng điện không còn nữa. Để quá trình gia
công liên tục, người ta điều khiển điện cực dụng cụ đi xuống sao cho khe hở giữa hai
điện cực là không đổi và ứng với điện áp nạp vào tụ C. Nguyên lý gia công được thể
hiện như hình sau:

Hình 1.2 Sơ đồ nguyên lý gia công tia lửa điện
1.2.2. Thiết bị

Việc lựa chọn hợp lý vật liệu điện cực là một yếu tố quan trọng. Vì nó ảnh hưởng
đến độ chính xác gia công và 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.
Những yêu cầu đối với vật liệu điện cực là:
- Có tính dẫn điện tốt.
- Có tính dẫn nhiệt cao, nhiệt độ nóng chảy và nhiệt độ sôi cao.
- Có độ bền cơ học cao, hệ số giãn nở nhiệt nhỏ.
- Có độ bền ăn mòn cao.
- Có khối lượng riêng nhỏ để có thể chế tạo các điên cực lớn nhưng không quá
nặng làm ảnh hưởng đến khả năng chịu tải của máy.
- Dễ gia công, giá thành rẻ.
BG: Các phương pháp gia công đặc biệt

-5-


Chương 1

1.2.3.2 Các loại vật liệu điện cực
Khi gia công thô, phổ biến nhất là dùng điện cực đồng thau và zamak, với chi tiết
có tiết diện nhỏ thì dùng đồng và vonfram, ở nhà máy lớn thì dùng dura.
Khi gia công tinh thì dùng điện cực đồng, cũng có trường hợp dùng điện cực thép
(đặc biệt khi dùng làm dao cắt).
Khi gia công hợp kim cứng thì dùng điện cực đồng, đồng thau, đồng vonfram. Ở
một số nước dùng điện cực đồng ép với bột cacbít silic.
Có 3 nhóm vật liệu điện cực như sau:
- Vật liệu kim loại: đồng đỏ, đồng–vonfram, bạc–vonfram, đồng thau, vonfram,
nhôm, môlipđen, hợp kim cứng, thép… Trong đó đồng đỏ và đồng–vonfram là thường
dùng nhất. Các loại vật liệu vonfram, nhôm, molypden, hợp kim cứng, thép… chỉ
được sử dụng trong một số trường hợp đặc biệt.


12.740

20.000

22.680

16.900

Tính dẫn nhiệt, Ag = 100

94,3

30,0

29,6

16,2

Tính dẫn điện, Ag = 100

95,6

0,1

48,1

16,2

Độ giãn nhiệt, 0C.10-6

từ nhiệt độ phòng, cal/cm3

- Vật liệu phi kim loại: Trong nhóm này chỉ có graphit là vật liệu được sử dụng
phổ biến là điện cực. Đây là cácbon tinh khiết với 0,1% tro. Khối lượng riêng từ 1,6 
1,85g/cm 3, điện trở riêng 8  15mm2/m, độ bền gẫy từ 200  700 kg/cm2.
- Vật liệu composite: Trong nhóm này phổ biến là đồng–graphit. Đây là graphit
đã được thẩm thấu với đồng. Khối lượng riêng từ 2,4  3,2g/cm3, điện trở riêng 3 
5mm2/m, độ bền gẫy từ 700  900 kg/cm2. Loại này có những tính chất tốt của
graphit và đồng. Tính dẫn điện cao hơn graphit nhưng độ mòn ở góc không tốt bằng
graphit nguyên chất.
BG: Các phương pháp gia công đặc biệt

-6-


Chương 1

Gang

Dura

Graphit

Kim loại
bột
thép

Hợp kim
bột


gia công

Zamak

Dạng
gia
công

Đồng
thau

Bảng 1.2 Lựa chọn vật liệu điện cực

0
+

-

0
0

+
-

+
+

+
+



-

-

+
+

0

+ : Nên dùng.
- : Không nên dùng.
0: Chỉ nên dùng trong trường hợp đặc biệt.
1.2.3.3. Kích thước điện cực

Hình 1.5 Tính kích thước điện cực hình trụ
Đường kính d của điện cực phụ thuộc vào các yếu tố sau:
- Đường kính D của lòng khuôn.
- Khe hở FS giữa lòng khuôn và điện cực.
- Chiều cao nhấp nhô lớn nhất Rmax.
Khi gia công thô thì đường kính d được tính theo công thức sau:
BG: Các phương pháp gia công đặc biệt

-7-


Chương 1

dthô = D – 2FS – 2Rmax


-8-


Chương 1

- Gia công bề mặt chi tiết bằng nhiều điện cực đơn giản trong nhiều giai đoạn.
Nếu so sánh chi phí sản xuất một điện cực phức tạp với nhiều điện cực đơn giản
thì việc chế tạo nhiều điện cực đơn giản thường kinh tế hơn.

Hình 1.7 Một số điện cực thường dùng trong gia công tia lửa điện.
1.2.4. Chất điện môi
1.2.4.1. Nhiệm vụ của chất điện môi
- Tạo thành môi trường cách điện giữa điện cực và phôi
- Tạo môi trường ion hóa
- Làm nguội các bô phận gia công và vận chuyển phoi ra khỏi khu vực gia công
1.2.4.2. Yêu cầu của dung dịch điện môi
- Cách điện và ổn định để cách ly điện cực và phôi cho đến khi đạt đến điện áp
đánh thủng.
- Phải có khả năng bị ion hóa nhanh chóng sau khi sự phóng điện xảy ra.
- Phải có độ nhớt thích hợp và khả năng thấm ướt tốt làm nguội và vận chuyển
phoi ra khỏi khu vực gia công.
- Trung tính về hóa học để không gây mòn điên cực, phôi, thùng chứa và bàn
máy.
- Điểm cháy tương đối cao.
- Không độc, không hại da, không tạo mùi khó ngửi.
- Giữ tính chất trong thời gian dài, ít hao phí.
- Kinh tế.
Có nhiều chất lỏng đáp ứng được các yêu cầu trên. Phổ biến nhất là hydro
cacbon, dầu silicon, và nước khử ion hóa. Dầu hỏa (kerosene) và nước với glycol
thường được sử dụng.

1.2.5. Các thông số công nghệ và khả năng công nghệ
1.2.5.1 Các thông số điện
1. Dòng phóng tia lửa điện Ie:
Dòng điện Ie là giá trị trung bình của dòng điện từ khi bắt đầu phóng đến khi ngắt
điện. Ie ảnh hưởng lớn đến năng suất bóc vật liệu, độ mòn điện cực và chất lượng bề
mặt gia công. Nói chung Ie càng lớn thì năng suất bóc vật liệu càng lớn, độ nhám bề
mặt gia công càng lớn nhưng độ mòn điện cực càng giảm.
2. Độ dài xung ti:
Độ dài xung là khoảng thời gian giữa hai lần đóng-ngắt của máy phát trong cùng
một chu kỳ phóng tia lửa điện. Độ dài xung bằng tổng thời gian trễ đánh lửa td và thời
gian phóng điện te.
ti = td + te

(1-3)

Độ dài xung ảnh hưởng đến năng suất bóc vật liệu, độ mòn điện cực và chất
lượng bề mặt gia công
3. Khoảng cách xung t0:
Là thời gian giữa hai lần ngắt và đóng của máy phát thuộc hai chu kỳ phóng điện
kế tiếp nhau. Khoảng cách xung càng lớn thì năng suất bóc vật liệu càng nhỏ và ngược
lại, nếu quá ngắn thì chất điện môi không có đủ thời gian thôi ion hóa, các phần tử đã
bị ăn mòn và nhiệt của dung dịch điện môi không tải ra ngoài được. Kết quả là gây ra
hồ quang và ngắn mạch. Thông thường chọn t0 theo ti như sau:
- Khi gia công rất thô thì ti/t0 > 10.
- Khi gia công thô thì ti/t0  10. Giá trị t0 không nên qúa nhỏ để tránh xảy ra
khuyết tật.
- Khi gia công tinh thì chọn ti/t0 = (5  10). Vì khi gia công tinh thì khe hở phóng
BG: Các phương pháp gia công đặc biệt

-10-

- Khe hở phóng điện mặt đầu.
1.2.5.2. Năng suất bóc vật liệu MRR(Material Removal Rate)
Năng suất bóc vật liệu trong quá trình EDM phụ thuộc vào những thông số sau:
- Dòng điện trong mỗi lần phóng tia lửa điện.
- Tần số phóng điện.
BG: Các phương pháp gia công đặc biệt

-11-


Chương 1

- Vật liệu điện cực.
- Vật liệu chi tiết gia công.
- Điều kiện phun dung dịch điện môi.

Hình 1.8 Ảnh hưởng của cường độ dòng điện trong mỗi lần phóng tia lửa điện
Tuy nhiên, giảm cường độ dòng điện trong mỗi lần phóng tia lửa điện và tăng tần
số sẽ cải thiện độ bóng bề mặt bởi vì kích thước vùng bị phá huỷ do phóng tia lửa điện
nhỏ. Nhưng tại cùng thời điểm năng suất bóc vật liệu có thể được duy trì bằng cách
tăng tần số.

Hình 1.9 Ảnh hưởng của tần số phóng điện đến độ bóng
Năng suất bóc vật liệu khi gia công bằng EDM có thể tính theo công thức:
MRR = 4.104.I. TW1,23 , mm3/ph

(1-4)

Trong đó:
I : Cường độ dòng điện, A.

 100%
VW

(1-7)

Trong đó:
VE : Thể tích vật liệu điện cực bị bóc đi.
VW : Thể tích vật liệu chi tiết bị bóc đi.
Độ mòn tương đối của điện cực phụ thuộc những yếu tố sau:
- Vật liệu điện cực và vật liệu chi tiết gia công: Khi gia công vật liệu cacbít bằng
điện cực graphit thì độ mòn điện cực lớn hơn so với trường hợp điên cực bằng
volfram-đồng.
- Dòng điện Ie: Khi gia công thép bằng điện cực đồng hoặc graphit người ta nhận
thấy tăng Ie thì độ mòn tương đối giảm.
- Độ dài xung: Khi gia công thép bằng điện cực đồng hoặc graphit thì khi tăng độ
dài xung thì dộ mòn tương đối sẽ giảm.
- Sự đấu cực: Bằng cách đấu cực hợp lý ta sẽ nhận được độ mòn điện cực nhỏ
nhất. Khi gia công thép bằng điện cực graphit, nếu Ie tăng thì nên thay đổi sự đấu cực
để tăng lượng bóc vật liệu: điện cực đấu vào cực âm khi gia công thô và đấu vào
dương khi gia công tinh.
1.2.5.4. Chất lượng bề mặt khi gia công bằng EDM
1. Độ nhám bề mặt
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.
1 2
Q  .U SZ
.C
2


, Ta có: R
Với K  3
 m. C 3
max
2

(1-11)

Với điện áp giữa 2 điện cực không đổi thì:
Biểu thức (1.11) cho thấy độ nhám tăng theo điện áp giữa hai điện cực. Điều này
có nghĩa là độ nhám tăng theo năng suất.

Hình 1.10 Nhám bề mặt khi gia công tia lửa điện
Mối quan hệ giữa Ra vào năng suất bóc vật liệu được biểu diễn bởi công thức
gần đúng sau:
Ra  1,11.MRR0,843, mm.

(1-12)
3

Trong đó năng suất bóc vật liệu được tính theo mm /ph.

Hình 1.11 Ảnh hưởng của năng suất bóc vật liệu đến Ra
Ngoài ra độ nhám còn phụ thuộc vào cường độ dòng điện và tần số dòng điện
BG: Các phương pháp gia công đặc biệt

-14-


Chương 1

0,25
1
6
8

Hợp kim cứng
VD,mm 3/phút
hq, mm

0,7  0,8
1,3  1,5
2,4  2,7
4  4,5
4,7  5,7

0,1
0,2
0,6
2,5
3

0,6 0,7
1  1,1
1,5  1,7
1,8  2,2
2,5  3

Bề mặt gia công tia lửa điện có thể được đánh bóng tốt (tốt hơn bề mặt được
mài), thuận lợi cho việc bôi trơn (trong trường hợp áp lực lớn cũng không làm bắn dầu
ra khỏi lõm cầu).

Độ chính xác kích thước phụ thuộc nhiều vào cấu tạo của máy và được ghi trong
catalog của máy. 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.

Hình 1.14 Độ côn khi gia công
1.2.5.6. Các dạng bề mặt được gia công bằng điện cực thỏi
Gia công bằng điện cực thỏi, nhờ hình dạng của điện cực có thể tạo ra nhiều dạng
bề mặt khác nhau như các hốc trong khuôn, các lỗ, đặc biệt là lỗ nhỏ và sâu, các rãnh
hẹp, cánh tua bin và nhiều hình dáng phức tạp khác.
BG: Các phương pháp gia công đặc biệt

-16-


Chương 1

(a)

Khuôn

(b) Dạng rãnh hẹp

Hình 1.15 Một số biên dạng gia công bằng EDM

Hình 1.16 Gia công hốc bên trong với điện cực đặc biệt

Hình 1.17 Gia công ren trong lỗ bằng phương pháp EDM
1.3. Gia công tia lửa điện bằng dây cắt
1.3.1. Nguyên lý gia công
Về cơ bản, phương pháp cắt dây EDM cũng giống như phương pháp gia công

dây cắt với chi tiết gia công.

Vùng phóng điện khi gia công bằng Vùng phóng điện chỉ bao gồm mặt
điện cực bao gồm mặt đầu và góc của 1800 của dây cực khi tiến đến cắt chi
điện cực

BG: Các phương pháp gia công đặc biệt

tiết

-18-


Chương 1

Điện cực thỏi

(a)

(b)

Cắt dây

Hình 1.19 Sự phóng điện trong quá trình gia công
1.3.2. Các bộ phận chính của máy cắt dây
Có hai loại máy cắt dây EDM sau:
- Máy cắt dây EDM truyền thống
- Máy cắt dây EDM CNC
Cũng giống như máy gia công điện cực thỏi, máy cắt dây EDM bao gồm các bộ
phận chính sau:

- Loại không có lớp phủ:
Dây cắt truyền thống sử dụng trong máy cắt dây EDM là một kim loại đơn thành
phần như đồng đỏ, đồng thau và molipden. Đồng đỏ được sử dụng đầu tiên vì nó có
tính dẫn điện cao và dễ chế tạo thành những dây có đường kính nhỏ. Sau này dây đồng
đỏ được thay thế bằng đồng thau để cải thiện tốc độ gia công. Vì tác dụng làm nguội
của Zn và sự tạo thành ôxít kẽm có xu hướng giảm sự đứt dây. Hàm lượng Zn cao hơn
cho phép điện áp servo thấp hơn do đó khó tạo sự ngắn mạch.
- Loại dây có lớp phủ:
Các dây cắt có lớp phủ có độ bền kéo cao và độ thoát nhiệt cao trong quá trình
gia công. Lớp phủ có thể là kẽm, ôxýt kẽm, graphit, đồng đỏ với lõi là đồng thau…
Phủ kẽm cải thiện đáng kể khả năng cho sục chất điện môi hơn dây đồng thau không
phủ.

a)

b)

c)

Hình 1.22 Dây cắt có lớp phủ đường kính 0,25mm phóng đại 200 lần
a. Dây lõi hợp kim đồng có độ bền cao phủ đồng thau.
b. Dây lõi hợp kim đồng có độ bền cao phủ hợp kim kẽm chữa 50% kẽm.
c. Dây lõi đồng thau phủ kẽm.

BG: Các phương pháp gia công đặc biệt

-21-


Chương 1

1100
1200

Đồng thau
Đường kính dây
cắt
(mm)
0,05
0,07
0,1
0,12
0,15
0,17
0,2
0,22
0,25
0,27
0,6

Khối lượng
(g)
100
150
200
250
300
350
400
450
500