BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
--------------------------------------NGUYỄN TRẦN QUANG TRUNG

NGHI ÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA MỘT SỐ YẾU TỐ CÔ NG NGHỆ TỚI
CHẤT LƯỢNG BỀ MẶT CHI TIẾT GIA CÔNG BẰNG PH ƯƠNG PHÁP
TIA LỬA ĐIỆN XUNG ĐỊNH HÌNH

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC
NGÀNH: CÔNG NGHỆ CƠ KHÍ

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC :
PGS.TS T ĂNG HUY

HÀ NỘI – 2010


Lời cam đoan
Tôi xin cam đoan rằng đây là công trình nghiên cứu luận văn khoa học của
tôi. Các kết quả nghiên cứu đợc đo đạc tính toán là hoàn toàn chính xác và trung
thực, cha đợc công bố ở bất cứ một công trình nào khác.

Tác giả

Nguyễn Trần Quang Trung

2


Mục lục
Mục


14

Chơng 1 : Tổng quan về gia công tia lửa điện

18

1.1

Đặc điểm của phơng pháp gia công bằng tia lửa điện..

18

1.1.1

Những đặc điểm chính của phơng pháp gia công bằng tia lửa

18

điện .
1.1.2

Khả năng công nghệ của phơng pháp gia công bằng tia lửa

19

điện.
1.2

Các phơng pháp gia công bằng tia lửa điện.


23

1.2.1.5

Thời gian phóng tia lửa điện te.

23

1.2.1.6

Thời gian xung ti.

23

1.2.1.7

Khoảng cách xung t0.

23

1.3

Hớng nghiên cứu của đề tài.

24

1.4

Kết luận chơng 1.


Hệ thống dịch chuyển điện cực.

33

2.3

Các yếu tố ảnh hởng đến quá trình gia công tia lửa điện .

34

2.3.1

Các yếu tố có thể điều khiển.

34

2.3.1.1

Các đại lợng điện.

34

2.3.1.2

ảnh hởng của khe hở phóng điện .

38

2.3.1.3


Lợng hớt vật liệu gia công.

44

2.3.2.4

Khe hở phóng tia lửa điện.

48

2.3.2.5

Vật liệu phôi.

49

2.3.2.6

Vật liệu điện cực.

51

2.3.2.7

Chất điện môi.

55

2.3.2.8


3.1.2

Điều kiện thực hiện thí nghiệm.

77

3.2

Các thông số thí nghiệm.

78

3.3

Các thiết bị dùng trong quá trình thí nghiệm.

82

3.3.1

Phôi thí nghiệm.

82

3.3.2

Thiết bị thực hiện thí nghiệm.

83


3.3.3.3

Phần mềm EDM-IMI1.0.

91

3.4

Khảo sát chất lợng và năng suất gia công.

92

3.4.1

ảnh hởng đơn của các yếu công nghệ.

92

3.4.1.1

ảnh hởng của dòng điện xung.

92

3.4.1.2

ảnh hởng của thời gian xung.

93


3.5

Kết luận chơng 4.

101

Chơng 4 - Mô hình hoá quá trình gia công bằng

103

tia lửa điện

4.1

Mô hình định tính của quá trình xung định hình.

104

4.2

Mô hình toán học.

108

4.2.1

Kiểm tra tính đồng nhất của thí nghiệm.

108


tài liệu tham khảo.
phụ lục

6


Danh mục
các thuật ngữ, ký hiệu, các từ viết tắt

Stt

Ký hiệu

1

AEDG

a2

CAD

Computer Aided Design.

3

CAM

Computer Aided Manufacturing


9

MEDM

10

NC

11

WEDM

12

MWEDM

13

Uz

14

td

Thời gian đánh lửa trễ.

15

Ue


Điện áp đánh lửa.

Timer Dwell Thời gian dừng điện cực ở vị trí khe hở sau loạt xung.
Timer - lift

Thời gian nhấc điện cực giữ ở vị trí ngoài khu vực công
tác.

21

Vo

Độ mòn điện cực.

22

Vw

Lợng tách vật liệu phôi.

23



Độ mòn tơng đối của điện cực.

7


24


Điện dung giới hạn.

30

Uopt

Điện áp tối u.

31

F

Diện tích vùng gia công .

32

Fgh

Diện tích vùng gia công tới hạn.

33

Q

Điện tích của tụ.

34

R


41

m

Nhiệt độ nóng chảy của vật liệu ( 0 C ).

42

E

Độ bền ăn mòn.

43



Hệ số dẫn nhiệt.

44

Tm

Nhiệt độ nóng chảy.

45

TS

Trở va đập nhiệt.


cw

Khe hở phóng điện .

Nhiệt lợng tổng.
Nhiệt lợng tiêu hao.
Khối lợng riêng (g/cm3).
Chiều sâu vết lõm.

Năng lợng bốc hơi riêng (j/mm3).
Nhiệt năng riêng (kJ/kg grd).

8


52

Θv

NhiÖt ®é s«i vËt liÖu (oC).

53

ΘS

NhiÖt ®é ch¶y vËt liÖu (oC).

54


4.2

Tham số và mức điều khiển trong thực nghiệm EDM.

4.3

Đặc tính của các loại thép đợc chọn làm thí nghiệm.

4.4

Bảng TN ảnh hởng của hai tham số timer-dwell và timerlift đến chất lợng bề bặt gia công.

4.5

Đặc tính của máy sung Hurco Spark 900.

4.6

Bảng đánh giá tỉ lệ phần trăm ảnh hởng của timer-dwell
và timer-lift đến chất lợng bề mặt.

4.7

Bảng tổ hợp ảnh hởng của các thông số công nghệ đến
năng suất và chất lợng bề mặt.

5.1

Bảng trực giao tổng quát với 7 tham số điều khiển , theo
Taguchi 18.

Nội dung hình vẽ, đồ thị

hình
1.1

Dạng xung điển hình trong gia công EDM.

1.2

Sơ đồ mục tiêu nghiên cứu của đề tài.

2.1

Sơ đồ nguyên lí gia công tia lửa điện.

2.2

Các chuyển biến pha trong quá trình phóng tia lửa điện.

2.3

Tỉ lệ hớt vật liệu ở anốt và catốt trong thời gian xung.

2.4

Cơ chế hớt kim loại bằng tia lửa điện.

2.5

Mối quan hệ giữa Vw & ti.


ảnh hởng của Ui&C.

2.14

ảnh hởng của ti dến Rmax.

2.15

Tác dụng của EDM lên độ cứng bề mặt.

2.16

Nguồn nhiệt lý tởng trong EDM.

2.17

Biến thiên của chiều sâu vết lõm z và thể tích Vc phụ thuộc vào
t d.

2.18

Biến thiên của thể tích vết lõm theo td với các mức năng lợng.

2.19

Tác dụng của vết nứt đến tốc độ hớt vật liệu.

2.20


Dòng chảy hút qua điện cực.

2.27

Dòng chảy hút qua phôi.

2.28

Dòng chảy phối hợp.

3.1

Mô hình cấu trúc tế vi lớp bề mặt trong EDM.

3.2

Chuẩn bề mặt căn cứ theo VDI-3400.

3.3

Các lớp tế vi bề mặt và độ cứng tế vi.

3.4

Kết quả đo lực khởi nguyên từ kênh Plasma.

3.5

ảnh chụp kim tơng tổ chức tế vi bề mặt.


Sơ đồ nguyên lý hoạt động của hệ thông đo lớp ảnh hởng nhiệt

4.7

Kính hiển vi điện tử AXIOVERT-100A

4.8

Kết cấu tế vi mẫu thí nghiệm - vật liệu C45.

4.9

Kết cấu tế vi của mẫu thí nghiệm 1,2,3.

4.10

ảnh hởng của dòng sục đến chất lợng bề mặt .

4.11

Bề mặt bị phá hỏng khi timer-dwell = 0.

5.1

Mô hình hoá quá trình gia công xung định hình.

5.2

Mô hình Hộp đen quá trình xung định


trình gia công truyền thống trong nhiều ngành công nghiệp khác nhau nh công
nghiệp hàng không vũ trụ, điện tử, công nghiệp dợc liệu, công nghiệp dân
dụng.và đặc biệt là trong ngành chế tạo khuôn - mẫu.

13


Mặc dù phơng pháp gia công tia lửa điện đã đợc sử dụng rộng rãi, nhng quá
trình ăn mòn tia lửa điện vẫn đợc coi là còn nhiều yếu tố cha rõ khi phân tích
khảo sát theo phơng pháp giải tích. Điều đó thể hiện rằng những tác động liên quan
đến tia lửa điện đợc phóng ra trong quá trình gia công cha đợc hiểu biết đầy đủ.
Vấn đề nâng cao chất lợng chi tiết và năng suất gia công mặc dù đã tiêu tốn nhiều
công sức của các nhà nghiên cứu trên thế giới trong một thời gian dài đến nay vẫn
còn là vấn đề thời sự.
Các thông số công nghệ, các thông số điều chỉnh máy nh: điện áp xung , dòng
xung điện, thời gian xung, thời gian nghỉ , thời gian dừng điện cực tại vị trí gia công,
thời gian nhấc dừng điện cực tại vị trí ngoài vùng gia công trên các máy xung
nhập từ nớc ngoài đã đợc các hãng sản xuất tích hợp và cài đặt sẵn trên máy. Điều
đó đã gây khó khăn cho ngời sử dụng lựa chọn hoặc giải các bài toán tối u chế độ
công nghệ gia công bằng tia lửa điện trong điều kiện sản xuất cụ thể.
Các thông số đặc trng cho chất lợng bề mặt tuy đã đợc nghiên cứu nhng
mới tập trung nhiều vào độ chính xác kích thớc, độ nhám bề mặt , trong khi các
yếu tố khác nh chiều sâu lớp biến cứng, lớp ảnh hởng nhiệt, nứt tế vi bề mặt
cha đợc nghiên cứu đầy đủ.
Nhằm tìm hiểu thêm về công nghệ gia công tia lửa điện và xem xét đánh giá
các yêu tố ảnh hởng, nâng cao năng suất, chất lợng và hạ giá thành sản xuất, với
sự gợi ý của PGS.TS Tăng Huy,Bộ môn Công nghệ chế tạo máy- Viện cơ khí
ĐHBK Hà nội thì tác giả đã lựa chọn đề tài:
Nghiên cứu ảnh hởng của một số yếu tố công nghệ tới chất lợng bề mặt
chi tiết gia công bằng phơng pháp tia lửa điện xung định hình .

Chơng 2- Nghiên cứu bản chất của phơng pháp gia công tia lửa điện.
Chơng 3- Hệ thống thí nghiệm nghiên cứu ảnh hởng của các yếu tố công nghệ
đến chất lợng bề mặt trong gia công bằng tia lửa điện.
Chơng 4: Mô hình thực nghiệm, đánh giá kết quả thực nghiệm khi gia công bằng
tia lửa điện
Kết luận chung, kiến nghị hớng nghiên cứu tiếp theo.
Tài liệu tham khảo.
Phần phụ lục

15


Chơng 1
Tổng quan về gia công tia lửa điện

Nguyên lý tác động ăn mòn vật liệu kim loại bởi tia lửa điện và cấu trúc cơ sở
của quá trình đã đợc biết cách đây gần 200 năm khi nhà nghiên cứu khoa học tự
nhiên ngời Anh Joseph Priestley trong thí nghiệm của mình ông đã nhận thấy hiệu
quả của sự ăn mòn vật liệu bởi sự phóng tia lửa điện (1733-1809). Vợ chồng
Lazarenko ngời Nga (1940s) đã khái quát hoá hiện tợng nêu trên thành công nghệ
gia công qua một loạt thí nghiệm sử dụng các mạch điện trở - tụ điện để thu đợc
tác động phóng điện hớt vật liệu kim loại khi mỗi lần cho điện cực dụng cụ tiến gần
đến điện cực phôi. Từ đó đến nay quá trình hớt vật liệu trong gia công tia lửa điện
vẫn đợc coi là rất phức tạp, liên quan đến khoảng cách khe hở phóng tia lửa điện
trong môi trờng chất điện môi, đến thông tin về kênh Plasma và sự hình thành cầu
phóng tia lửa điện giữa điện cực phôi và điện cực dụng cụ , đến sự ăn mòn vật liệu
trên hai điện cực vv.. . Lợi thế gia công và tính phức tạp về hiện tợng vật lý của quá
trình gia công bằng tia lửa điện đã thu hút nhiều nhà khoa học quan tâm nguyên cứu
để hoàn thiện bản chất của quá trình, phát triển các phơng pháp gia công lai, cải
tiến phát triển thiết bị nhằm mục đích năng cao chất luợng cũng nh năng suất gia

của khuôn mẫu và dụng cụ đo có yêu cầu độ nhám cần thiết là Ra=1,5ữ5àm, tơng
đơng với cấp độ K24ữK30 theo VDI 3400 (Ra=1,6ữ5,15 àm). Nếu độ nhám thấp
hơn, khả năng hớt vật liệu sẽ giảm, tơng ứng thời gian gia công sẽ tăng đáng kể .
1.2- Các phơng pháp gia công bằng tia lửa điện
Hiện nay với sự phát triển của khoa học kỹ thuật thì công nghệ gia công bằng
tia lửa điện có rất nhiều phơng pháp tuy nhiên phải kể tới hai phơng pháp cơ bản
là: xung định hình (EDM) và phuơng pháp cắt bằng điện cực dây (WEDM) .
Ngày nay nhiều phơng pháp lai ứng dụng tia lửa điện cũng đang đợc nghiên
cứu và phát triển trên thế giới, bao gồm:
+ Gia công tia lửa điện dạng phay (Milling EDM) là phơng pháp sử dụng
điện cực chuẩn, hình trụ quay để thực hiện ăn mòn tia lửa điện theo kiểu phay. Hốc
khuôn đợc hình thành bởi sự đi xuống liên tục của điện cực tới độ sâu yêu cầu. Tỉ
lệ hớt vật liệu tơng đơng với gia công xung định hình. Đặc điểm của phơng pháp

17


này là khi chi tiết gia công có hình dáng phức tạp thì thay vì phải chế tạo điện cực
dụng cụ phức tạp theo phôi ngời ta đã sử dụng điện cực chuẩn để giảm giá thành
chế tạo, tuy nhiên gía thành của hệ điều khiển của máy lại cao hơn do phải điều
khiển chuyển động quỹ đạo điện cực.
+ Phủ bằng tia lửa điện (EDD) là phơng pháp sử dụng hiệu quả ăn mòn tia
lửa điện để phủ các bánh mài sau thời gian sử dụng nghiền cơ các vật liệu rắn. Trong
quá trình này, bánh mài phải có tính dẫn điện. Bánh mài kim cơng liên kết kim loại
thờng đợc làm theo phơng pháp này. Đặt điện áp xung vào giữa điện cực và bánh
mài, trong bánh mài tia lửa điện sinh ra sẽ bóc tách các cạnh sắc trên bánh mài. Quá
trình này cũng đợc sử dụng để chế tạo bánh mài có hình dáng đặc biệt.
+ Gia công EDM rung siêu âm (ultrasonic Aided EDM) là phơng pháp hớt vật
liệu bằng tia lửa điện kết hợp với việc rung điện cực dụng cụ (theo phơng di chuyển
của điện cực) với tần số rung bằng tần số siêu âm. Sự rung siêu âm giúp tăng cờng

nhận dạng đờng hầm gia công đợc sử dụng bằng sóng siêu âm. Phơng pháp này
do bộ phận kỹ thuật trờng đại học Tổng hợp Tokyo và hãng Mitsubishi Electric
Corporation - Nhật bản nghiên cứu phát triển.
+ Xung định hình với hai điện cực quay là phơng pháp sử dụng một điện cực
quay để ăn mòn một phôi quay, tạo ra những hình dạng chi tiết khác nhau khi phối
hợp các vị trí tơng đối giữa hai điện cực cũng nh vận tốc góc của điện cực và phôi.
Bằng cách giữ tốc độ góc của hai trục trùng nhau, các nhà phát triển phơng pháp
này cho rằng độ chính xác gia công đờng spiral với sai số đờng kính nhỏ hơn
0.0004mm, độ không tròn nhỏ hơn 0.002mm và độ nhám Ra đạt đợc 0.063àm.
Nhằm có đợc những nghiên cứu về bản chất của công nghệ gia công bằng tia
lửa điện, trong khuôn khổ đề tài này tác giả chỉ nêu tổng quan phơng pháp gia
công bằng tia lửa điện là phơng pháp xung định hình (EDM)
1.2.1- Gia công xung định hình.
Gia công tia lửa điện dùng điện cực định hình, có hình không gian bất kỳ,
in hình âm bản của điện cực dụng cụ vào phôi trong quá trình gia công tạo thành
một lòng khuôn đợc gọi là phơng pháp xung định hình (EDM).
Đặc tính điện của sự phóng tia lửa điện

19


Sơ đồ hình 1.1 dới đây cho ta thấy diễn biến của điện áp và dòng điện ở một
máy xung định hình, đợc sinh ra bởi một máy phát tĩnh, trong những khoảng thời
gian xác định của một chu kỳ xung.

Ue

Ui

U

Hình1.1-Xung điển hình trong gia công EDM

Đây là đồ thị điển hình của chu kỳ xung trong gia công tia lửa điện, đặc điểm
của đồ thị này là dòng điện Ie của xung bao giờ cũng xuất hiện trễ hơn một khoảng
thời gian td (độ trễ đánh lửa) so với thời điểm bắt đầu có điện áp máy phát Ui , Ue và
Ie là các giá trị trung bình của điện áp và dòng điện khi xảy ra phóng tia lửa điện.
Đặc tính điện là các thông số điều chỉnh quan trọng trong quá trình gia công
bằng phơng pháp xung định hình, bao gồm:
1.2.1.1- Điện áp đánh lửa Uz : điện áp cần thiết để dẫn đến sự phóng tia lửa điện là
điện áp đặt giữa phôi và điện cực dụng cụ khi máy phát đóng điện. Tia lửa điện
phóng và khe hở phóng điện là hàm số tỉ lệ thuận của Uz
1.2.1.2- Thời gian đánh lửa trễ td: là khoảng thời gian từ lúc đóng điện máy phát đến
khi có sự phóng tia lửa điện, trong thời gian ( td) này điện áp duy trì ở mức Uz và
dòng bằng zero.
1.2.1.3- Điện áp phóng tia lửa điện Ue: khi bắt đầu phóng tia lửa điện, điện áp sụt từ
Uz xuống Ue và là giá trị trung bình trong suốt thời gian phóng tia lửa điện. Ue là
hằng số vật lí phụ thuộc cặp vật liệu phôi- điện cực, là giá trị không điều chỉnh đợc.
1.2.1.4- Dòng phóng tia lửa điện Ie: là giá trị trung bình của dòng từ khi bắt đầu
phóng tia lửa điện đến khi ngắt điện. Khi bắt đầu phóng tia lửa điện, dòng điện từ

20


zero tăng nhanh đến giá trị Ie kèm theo sự đốt cháy. Ie ảnh hởng lớn nhất đến lợng
bóc tách vật liệu (Vw) , độ mòn điện cực (Vo) và chất lợng bề mặt gia công (Ra). Vw
và Ra tỉ lệ thuận với Ie còn Vo thì ngợc lại.
1.2.1.5- Thời gian phóng tia lửa điện te: là khoảng thời gian từ khi bắt đầu phóng tia
lửa điện đến khi ngắt điện. Trong thời gian này dòng điện bằng Ie.
1.2.1.6- Thời gian xung ti: là khoảng thời gian giữa lần đóng và ngắt của máy phát
trong cùng một chu kỳ phóng tia lửa điện. ti là tổng của thời gian trễ đánh tia lửa

Hình 2.1: Sơ đồ nguyên lý gia công tia lửa điện
Gia công bằng tia lửa điện đợc xếp vào nhóm gia công vật liệu nhờ nhiệt và
đợc định nghĩa là hớt vật liệu nhờ tia lửa điện. Nguyên lý gia công bằng tia lửa
điện đợc mô tả nh trên hình 2.1. Ngay từ khi bắt đầu hình thành phơng pháp gia
công tia lửa điện, đã có nhiều mô hình và lí thuyết mô tả cơ chế hớt kim loại đợc
phát triển.
Đến nay bản chất vật lí của hiện tợng này vẫn đợc công nhận là một quá
trình bóc tách với 3 giai đoạn: đánh lửa ; hình thành kênh phóng điện ; nóng chảy và
bốc hơi vật liệu. Chi tiết hơn, ngời ta chia quá trình phóng tia lửa điện thành 4 giai
đoạn: ion hoá ; hình thành kênh phóng điện, mở rộng kênh , nóng chảy và bốc hơi
vật liệu ứng với 4 pha mô tả sự tơng quan giữa điện áp và dòng điện trong một chu
kì xung phóng điện, đợc thể hiện trên hình 2.2. Nh vậy, khi đặt một điện áp đánh
lửa Ui vào cặp điện cực- phôi, áp chúng lại gần nhau trong môi trờng chất điện môi
đến khoảng khe hở đánh lửa sẽ có sự phóng tia lửa điện, khi đó một dòng điện Ie
xuất hiện tức

22


thời, kèm theo là sự bóc tách vật liệu điện cực.
Hiện tợng vật lí của quá trình này đợc giải thích nh sau:
Pha I: Dới ảnh hởng của điện trờng sinh ra bởi điện áp tại đôi cực, từ cực
âm (catốt) bắt đầu phát ra các điện tử, chúng bị hút về cực dơng. Trong vùng khe
hở làm việc đủ nhỏ, tại những vị trí đỉnh nhấp nhô gần nhau nhất của đôi điện cực,
chất điện môi bị ion hoá, hình thành dòng in on, di chuyển trong dung dịch điện
môi. Dòng điện trong pha này rất nhỏ, thờng dới 1àA. Khoảng thời gian kéo dài
pha I đợc gọi là thời gian trễ đánh lửa td , nó phụ thuộc không chỉ vào các tác động
của tham số điện để ion hoá mà còn phụ thuộc vào sự phân cực của cặp điện cực.
Pha II: Khi dòng điện tăng, dòng di chuyển ion tăng tốc, va chạm nhau dẫn đến
sinh ra các ion, các điện tử mới. Sự va đập của các ion, sự di chuyển điện tử đến

phóng điện

+

mở rộng kênh
phóng điện

-

+

-

nổ túi khí và
bóc tách

-

+

+

+

Điện áp

Thời gian
Dòng điện

Ue

cận Anôt di chuyển, dẫn nhiệt tới làm nóng chảy và bốc hơi vật liệu . Các Ion dơng
hớng đến catốt, nung nóng điểm vuông góc của catốt thuộc kênh Plasma. Tuy
nhiên, do khối lợng của ion dơng cao hơn điện tử khoảng 103 lần, nên chúng sẽ
tới catốt chậm hơn là điện tử tới anốt . Sự cơ động khác nhau của vật mang nhiệt dẫn
đến sự phân nhiệt khác nhau tại catốt và anôt, lúc này cực dơng nóng chảy rất
mạnh.
Sau đó lợng ion dơng tăng nhanh trong luồng di chuyển tổng. Chỉ trong
khoảng thời gian ngắn, tỉ lệ chia nhiệt đã trở nên cân bằng và với sự kéo dài thời
gian phóng tia, ion dơng gây nóng chảy và bốc hơi vật liệu catốt. Phân chia nhiệt
theo thời gian xung liên quan đến lợng hớt vật liệu điện cực catôt và anôt đợc thể
hiện trên hình 2.3 .
Kết thúc pha phóng điện, sự mất điện đột ngột đồng thời với sự tụt áp tạo chênh
lệch làm vỡ kênh Plasma và các túi khí . Lúc này lực và áp lực tạo nên bởi sự phá
vỡ nội lực của các kênh plasma làm bung các phần tử kim loại nóng chảy khỏi hốc
bề mặt nền. Lợng vật liệu bị hớt đi trên bề mặt của các điện cực phụ thuộc chính
vào quá trình chuyển đổi năng lợng nhiệt và cơ thẩm nhiệt. Bên cạnh quá trình
nóng chảy và bốc hơi vật liệu, sự phóng tia lửa điện còn gây nên ứng suất cảm ứng

25