Bộ giáo dục và đào tạo
Trường đại học bách khoa hà nội
--------------------------------Nguyễn đình đại

Luận văn thạc sỹ khoa học
Ngành: Công nghệ chế tạo máy

công nghệ chế tạo máy

Nghiên cứu ảnh hưởng
của một số yếu tố công nghệ đến chất lượng
chi tiết gia công
bằng phương pháp tia lửa điện

Nguyễn đình đại

2004 - 2006

Hµ Néi - 2006


1

Cộng hoà xà hội chủ nghĩa Việt nam

Độc lập - Tự do - Hạnh phúc

lời cam đoan

Tôi là: Nguyễn Đình Đại
Nơi công tác: Viện nghiên cứu và phát triển cơ khí xây dựng.

Mục lục

2

Mở đầu

6

Chương I: tổng quan về gia công tia lửa điện
tình hình nghiên cứu và sử dụng
1.1

Tình hình nghiên cứu và ứng dụng gia công tia lửa điện

10

1.2

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

11

1.2.1

Khả năng công nghệ của phương pháp gia công bằng tia lửa điện.

12

1.2.2



Kết luận chương 1.

20


3

chương II - nghiên cứu bản chất của phương
pháp gia công bằng tia lửa điện.
2.1

Bản chất vật lý và cơ chế hớt kim loại bằng tia lửa điện.

22

2.2

Cơ cấu tách vật liệu

24

2.3

Đặc tính về điện của sự phóng tia lửa điện

25

2.4


3.1.1

Dòng phóng tia lửa điện, bước xung điện.

34

3.1.2

Độ kéo dài xung t i.

35

3.1.3

Khoảng cách xung t 0.

36

3.1.4

Điện áp đánh lửa u z.

37

3.1.5

Khe hở phóng điện.

37


3.3

Điện cực và vật liệu điện cực.

44

3.3.1

Yêu cầu của vật liệu điện cực.

44

3.3.2

Các loại vật liệu điện cực.

44


4

3.3.3

Quy trình chế tạo vật liệu graphit.

45

3.3.4

Kích thước điện cực.


53

3.3.10

Các sai số hình học khi gia công xung định hình.

54

chương IV: hệ thống thí nghiệm đánh giá chất
lượng bề mặt khi gia công tia lửa điện
4.1

Thiết kế thí nghiệm.

56

4.1.1

Các giới hạn khi thiết kế thí nghiệm.

57

4.1.2

Điều kiện thực nghiệm thí nghiệm.

57

4.2


5.2.2

Các bước tiến hành quy hoạch thực nghiệm.

67

5.2.3

Lựa chọn và phân tích mô hình thống kê.

68

5.4

Kết luận chương v.

78

5.5

Kết luận chung.

79

5.6

Tóm tắt luận văn b»ng tiÕng ViÖt

83

để gia công các loại vật liệu cứng, siêu cứng, lâu mòn hoặc gia công bề mặt có
hình dáng phức tạp (các hốc, các đường biên). Khó hoặc không thể gia công được
bằng các phương pháp cắt gọt thông thường, gia công bằng tia lửa điện là phương
pháp được sử dụng rộng rÃi nhất trong nhóm công nghệ gia công không truyền
thống.
Vào khoảng năm 50 của Thế kỷ XX, thiết bị gia công bằng tia lửa điện đÃ
có mặt trên thế giới. Đến năm 1980. Kỹ thuật điều khiển số và tự động hoá đà tạo
cho phương pháp gia công bằng tia lửa điện có tính công nghệ vượt trội.
1- Tính cấp thiết của đề tài
Là một phương pháp gia công kim loại, công nghệ gia công bằng tia lửa
điện với những ưu điểm nổi trội, đà và đang được sử dụng rộng rÃi để thay thế
một số quá trình gia công truyền thống trong nhiều ngành công nghệ khác nhau
như công nghệ hàng không vũ trụ, điện tử v.v. đặc biệt trong ngành chế tạo
khuôn mẫu.


7

Phương pháp gia công tia lửa điện được sử dụng rộng rÃi, nhưng quá trình
ăn mòn tia lửa điện còn nhiều yếu tố chưa rõ. Điều đó thể hiện bằng những tác
động liên quan đến tia lửa điện được phóng ra trong quá trình gia công chưa được
hiểu biết đầy đủ.
Vấn đề nâng cao chất lượng chi tiết và năng suất gia công đà tiêu tốn công
sức của nhiều nhà nghiên cứu trên thế giới trong một thời gian dài đến nay vẫn
còn là vấn đề thời sự.
Phương pháp gia công tia lửa điện tuy đà được phổ biến rộng rÃi trên thế
giới, đối với Việt Nam không còn là phương pháp xa lạ nữa. Nhưng kiến thức
chuyên ngành của công nghệ này chưa được phổ cập cho lực lượng sử dụng thiết
bị cũng như cán bộ nghiên cứu, ứng dụng công nghệ này.
Các thông số công nghệ, các thông số điều chỉnh máy như: điện áp xung,

3- Đối tượng và phương pháp nghiên cứu:
Nghiên cứu ảnh hưởng của một số yếu tố công nghệ đến chất lượng chi tiết
được gia công bằng xung điện định hình (EDM) trên máy xung Hurco Spark 900
tại Trung tâm khuôn mẫu của Viện máy và dụng cụ công nghiệp. (IMI).
+ Điện cực bằng đồng thau.
+ Vật liệu gia công gồm 3 loại: - ThÐp 45 th­êng
- ThÐp 45 nhiƯt lun
- ThÐp hỵp kim CM55 thường.
Các thông số công nghệ được nghiên cứu bằng thực nghiệm. Các kết quả
thí nghiệm trên mẫu được đo đạc và xử lý bằng các thiết bị đo và phần mềm
chuyên dụng, hiện đại tại các phòng thí nghiệm của Trường ĐHBK Hà nội và
Viện IMI.


9

Kết quả nghiên cứu được áp dụng thử nghiệm tại phân xưởng sản xuất của
Viện IMI trong gia công các loại khuôn mẫu, qua đó đánh giá được hiệu quả,
mức độ tin cậy cũng như khả năng mở rộng phạm vi nghiên cứu
4- ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài.
+ ý nghĩa khoa học:
- Đánh gía được ảnh hưởng của các yếu tố công nghệ đến chất lượng bề
mặt chi tiết được gia công bằng xung định hình.
- Mô hình hoá quá trình gia công bằng tia lửa điện được rút ra từ quá trình
thực nghiệm và sản xuất, từ đó xây dựng mối quan hệ toán học về các yếu tố của
chất lượng bề mặt với các thông số công nghệ gia công.
+ ý nghĩa thực tiễn:
- Kết quả nghiên cứu của đề tài về chế độ gia công đà giúp các cơ sở
nghiên cứu, sản xuất khuôn mẫu sử dụng máy gia công bằng tia lửa điện được tốt
hơn, trong những điều kiện gia công cơ thĨ.


Gia công tia lửa điện là nguyên lý tác động ăn mòn vật liệu kim loại bởi tia
lửa điện, nguyên lý này đà được biết cách đây gần 200 năm khi nhà nghiên cứu
khoa học tự nhiên người Anh Zosept 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 người Nga năm 1940 đà bắt đầu sử dụng tia lửa điện
hớt kim loại mà không phụ thuộc vào độ cứng của kim loại đó. Từ đó đến nay
quá trình hớt kim loại trong gia công tia lửa điện vẫn được coi là phức tạp, liên
quan đến khoảng cách khe hở phóng tia lửa ®iƯn trong m«i tr­êng chÊt ®iƯn m«i,
®Õn th«ng tin vỊ 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 v.v
1.2 - Đặc điểm của phương pháp gia công bằng tia lửa điện:
Gia công kim loại và hợp kim bằng tia lửa điện là một trong các phương
pháp gia công bằng phóng điện ăn mòn trên cơ sở tác dụng nhiệt của xung điện
được tạo thành do sự phóng điện giữa hai điện cực, trong đó điện cực âm là dụng
cụ, điện cực dương là chi tiết gia công bằng phóng điện ăn mòn trên cơ sở tác
dụng nhiệt của xung điện được tạo thành do sự phóng điện giữa hai điện cực,
trong đó điện cực âm là dụng cụ, điện cực dương là chi tiết gia công.
Đặc điểm của phương pháp này là:
- Vật liệu phôi và dụng cụ đều phải dẫn điện.
- Dụng cụ gia công (điện cực) không yêu cầu có độ cứng cao hơn vật liệu
gia công, khả năng gia công không phụ thuộc vào độ cứng của vật liệu gia công
mà phụ thuộc và các thông số nhiệt điện và tính chất hoá lý của chúng. Tức là khi
gia công phải sử dụng một chất lỏng điện môi, đó là một dung dịch không dẫn
điện ở điều kiện bình thường.
- Chế độ gia công thay đổi được trong phạm vi rộng, từ thô đến tinh.
- Điện cực dụng cụ bị mòn nhanh.


12

tia lửa điện để phủ các bánh mài sau thời gian sử dụng nghiền sơ các vật liệu rắn.
Trong quá trình này, bánh mài phủ có tính dẫn điện.
+ Gia công EDM rung siêu âm (ultrasonic Aided EDM) là phương pháp
hớt vật liệu bằng tia lửa điện kết hợp với việc rung điện cực dụng cụ (theo
phương pháp di chuyển của điện cực dụng cụ) với tần số rung bằng tần số siêu
âm. Rung điện cực với tần số siêu âm giúp nâng cao khả năng công nghệ và tăng
đáng kể tốc độ gia công khi xung các lỗ nhỏ hoặc siêu nhỏ.
+ Mài mòn bằng phóng tia lửa điện (Abrasive Electrical Discharge
Grinding-AEDG) là phương pháp lai, trong đó vật liệu được bóc tách nhờ tác
dụng kết hợp của ăn mòn tia lửa điện và mài cơ khí. Phương pháp này được sử
dụng trong gia công các loại vật liệu siêu cứng và đặc biệt có hiệu quả để mài vật
liệu kim cương đa tinh thể. Trong quá trình gia công, sự phóng tia lửa điện giúp
tăng nhanh tốc độ bóc tách vật liệu và mài cơ tạo nên một bề mặt tinh và mịn.
+ Gia công xung định hình siêu nhỏ (MEDM) là dạng xung định hình đặc
biệt, trong đó điện cực được quay với tốc độ tới 10.000 vòng/phút. Điện cực sử
dụng trong MEDN có kích thước nhỏ đến 5 àm . Và được chế tạo theo phương
pháp gia công tia lửa điện chuyên dụng khác như mài kết hợp cắt dây WEDG.
Bằng phương pháp MEDM cho phép chế tạo các lỗ siêu nhỏ hoặc có hình dạng
rất phức tạp trong CNCTM với các vật liệu siêu dẫn.
Kích thước lỗ gia công bằng phương pháp MEDM thường từ 25 àm đến 250 àm
với độ chính xác 1 àm ữ 2 àm . Gia công MEDM thường được thực hiện với sự
trợ giúp của kính hiển vi điện tử.
+ Cắt dây tia lửa điện siêu nhỏ (MWEDM) là phương pháp cắt dây sử dụng
dây điện cực tungsten, đường kính dây nhỏ dưới 10 àm . Phương pháp MWEDM


14

chủ yếu được sử dụng trong gia công các chi tiÕt cã kÝch th­íc nhá 0,11mm.
VËt liƯu khã gia c«ng, chiều dầy nhỏ.

ti
tp

Ie

I

t

Trong đó:
te: Thời gian kéo dài xung.
td: Thời gian trễ đánh lửa.
ti: Thời gian kéo dài xung máy phát.
t0: Khoảng cách xung.
tp: Khoảng cách xung.
Ui: Điện áp mở máy.
Ue: Điện áp phóng tia lửa điện.
Ie: Dòng phóng tia lửa điện.

0

t
Hình 1.1: Xung điển hình trong gia công EDM
Đây là đồ thị điển hình của chu kỳ xung trong gia công tia lửa điện EDM.

Ta nhận thấy dòng xung điện I e luôn xuất hiện trễ hơn một khoảng thời gian t d
(độ trễ đánh lửa). So với thời điểm bắt đầu có điện áp máy pháp (U i ). U e và I e là
các giá trị trung bình của điện áp và dòng xung điện khi xảy ra phóng tia lửa
điện.
Các thông số điều chỉnh có ảnh hưởng nhiều đến quá trình gia công bằng



17

lửa điện và các kết luận về sự ảnh hưởng của các thông số công nghệ đến chất
lượng bề mặt gia công. Bao gồm những nghiên cứu như:
- Nghiên cứu của ADAM MIERNIKIEWICZ năm 1997 về bản chất vật lý
của quá trình phóng tia lửa điện trong EDM.
- Nghiên cứu của INDRAJIT BASAK và AMITABHA năm 1996 về công
nghệ và vật liệu trong gia công bằng tia lửa điện.
- Nghiên cứu về các phương pháp ứng dụng gia công bằng tia lửa điện của
ERLE SHOBERT (Hannover University Gernany).
- Giải pháp tối ưu hoá quá trình gia công EDM của Barz, năm 1976.
- Nghiên cứu về ảnh hưởng tham số công nghệ đến chất lượng gia công
của Rainer Wilhelm Lenze năm 1990.
Một cách tổng quát, các nghiên cứu đà nhận định: Trong cùng điều kiện
công nghệ gia công. (Cặp vật liệu điện cực - phôi, chất điện môi, dòng chảy, cách
đấu điện cực) thì lượng hớt vật liệu phôi (V w ) tỷ lệ thuận với điện áp U e , dòng I e
và thời gian phóng tia lửa điện t e . Độ mòn điện cực (V 0 ) thì ngược lại, Độ nhám
bề mặt gia công (R a ) tû lƯ thn víi I e . Thêi gian xung t i ảnh hưởng đến tốc độ
bóc tách vật liệu, mòn điện cực và chất lượng bề mặt gia công.
Những máy gia công bằng tia lửa điện EDM điều khiển thủ công xuất hiện
vào năm 1955. Đến cuối thập niên 80 của thế kỷ 20, các máy gia công tia lửa
điện theo phương pháp xung định hình điều khiển NC, CNC đầu tiên được giới
thiệu. Từ đó đến nay xung định hình luôn được quan tâm nghiên cứu làm cơ sở
cho việc nghiên cứu công nghệ gia công bằng tia lửa điện nói chung.
1.3- Hướng nghiên cứu của đề tài
Sau hơn 50 năm nghiên cứu và phát triển, ngày nay phương pháp gia công
xung định hình không còn được coi thc nhãm gia c«ng “Kh«ng trun thèng”



19

1- Lựa chọn phương pháp xung định hình EDM, đại diện của phương pháp
gia công tia lửa điện để thực hiện nghiên cứu và đánh giá.
Nghiên cứu tổng quan về EDM, tìm hiểu các phương pháp sử dụng tia lửa điện để
bóc tách vật liệu kim loại, khảo sát và đánh giá ảnh hưởng của các yếu tố công
nghệ đến chất lượng gia công, thông qua:
- Thiết kế thí nghiệm
- Thực hiện các thí nghiệm.
- Khảo sát, đánh giá kết quả thí nghiệm.
2- Thiết lập các thuật toán và phát triển phương pháp giải quyết bài toán
tối ưu hoá chế độ công nghệ gia công thông qua mô hình hoá quá trình gia công
bằng tia lửa điện với các tham số đầu vào (Một số thông số công nghệ như dòng
xung điện I e , thời gian xung t i thông số phi công nghệ như dòng sục chất điện
môi) hàm đầu ra (hàm mục tiêu - chất lượng bề mặt, năng suất gia công) và
một số giới hạn nhiễu (nhiễu hệ thống và nhiễu ngẫu nhiên). được coi là không
đổi hoặc tác động không đáng kể đến quá trình, để đánh giá kết quả thí nghiệm.
3- Thiết kế, chế tạo thiết bị nhận dạng xung, các đại lượng đặc trưng của
dòng xung điện, đặc biệt là hình dáng xung. Đánh giá ảnh hưởng của chúng đến
chất lượng gia công trong mối quan hệ với dạng xung được nhận dạng và hiển
thị.


20

Tóm tắt mục tiêu nghiên cứu của đề tài được thể hiện trên hình 1.3.
Các phuơng pháp bóc tách kim loại bằng tia lửa điện.

Dụng cụ đo

Timer lift.

Vật liệu phôi
Thép 45
- Tính dẫn điện.
- Nhiệt độ nóng chảy.
- Bền va đập nhiệt.

Kết quả trên chi tiết

Hiệu suất gia công

- Nhám bề mặt.
- ảnh hửơng kết cấu tế vi.
- Độ chính xác vĩ mô.
- Các ảnh hửơng khác.

- Năng suất.
- Chất lựơng.
- Các vấn đề khác.

Kết luận
Chất lựơng gia công

Hình 1.3: Sơ đồ mục tiêu nghiên cứu.


21

1.4- Kết luận chương 1:

vào nhóm gia công vật liệu nhờ nhiệt và được định nghĩa là hớt vật liệu nhờ tia
lửa điện. Vậy vật liệu được tách ra như thế nào?
R

Điện cực
C

Phôi
Hình 2.1: Sơ đồ nguyên lý gia công tia lửa điện.

Một điện áp được đặt giữa điện cực và phôi, không gian giữa 2 điện cực đó
được điền đầy đủ bởi một chất lỏng cách điện gọi là chất điện môi (Dielectnic).
Cho 2 điện cực áp lại gần nhau, đến một khoảng cách nào đó thì xảy ra sự
phóng tia lửa điện - một dòng ®iƯn xt hiƯn tøc thêi.
Khi phãng tia lưa ®iƯn, c¸c điện cực không tiếp xúc với nhau. Nếu chúng
chạm vào nhau thì sẽ không có tia lửa điện mà sẽ xảy ra ngắn mạch, có hại trong
quá trình gia công. Nếu khe hở quá lớn thì không xảy ra quá trình phóng tia lửa
điện, làm giảm năng suất gia công.
Hiện tượng vật lý của quá trình này được giải thích nh­ sau:


23

Pha1: Đánh lửa.
U

Máy phát tăng điện áp khởi động qua một khe hở (đóng điện áp máy phát
U i ). Dưới ảnh hưởng của điện trường, từ cực âm (Ca tốt) bắt đầu phát ra các điện
tử và chúng bị hút về phía cực dương (a nốt). Sự phát điện tử gây ra sự tăng cục
bộ tính dẫn điện của chất điện môi ở khe hở.


số vật lý phụ thuộc vào sự phối hợp vật liệu anốt/ catốt và bằng 25V đối với cặp
vật liệu đồng/ thép.
Chất điện môi giữa kênh plasma và cũng là giữ cho năng lượng có một độ
tập trung cục bộ. Sự va chạm của các điện tử lên anốt và của các iôn hoá lên catốt
làm nóng chảy và bốc hơi các điện cực.
Máy phát sẽ ngắt dòng điện sau khi đà diễn ra một xung có hiệu quả . Điện
áp bị ngắt đột ngột - Kênh phóng điện bị biến mất. áp suất cũng bị mất đột ngột.
Điều này khiến cho kim loại nóng chảy bất ngờ, bị đẩy ra khỏi kênh phóng điện
và bốc hơi.
2.2. Cơ cấu tách vật liệu:
Các đặc tính tách vật liệu đầu tiên phụ thuộc vào năng lượng tách vật liệu.
Nếu gọi năng lượng tách vật liệu là W e , thì ta có ®¼ng thøc sau:
W e =U e .I e .t e .
Trong đó: U e ,I e là các giá trị trung bình của điện áp và dòng tia lửa điện được
lấy trong khoảng thời gian xung. ở đây U e là một hằng số vật lý phụ
thuộc vào cặp vật liệu điện cực/phôi nên về thực chất, năng lượng tách
vật liệu chỉ phụ thuộc vào dòng điện và thời gian xung.
Dòng điện tổng cộng trong kênh plasma qua khe hở phóng điện là tổng của
dòng các điện trở chạy tới cực dương (anốt) và dòng các iôn hoá chạy tới cực âm
(catốt). Do khối lượng của các iôn hoá lớn hơn trên 100 lần so với khối lượng của
các điện tử, nên có thể bỏ qua tốc độ của cá iôn hoá khi xuất phát các xung điện
so với tốc ®é cđa ®iƯn tư. VËt liƯu ®iƯn cùc khi tiÕp xúc với plasma này ở một pha
có áp lực cao tới 1 kbar và nhiệt độ cực cao tốc 10.000 0 c trong kênh plasma làm
cho vật liệu bị bốc h¬i.