Bài giảng Phương pháp gia công đặc biệt

Nội dung text: Bài giảng Phương pháp gia công đặc biệt

1. Phương pháp gia cơng đặc biệt
2. I> Mở đầu: Phƣơng pháp gia cơng đặc biệt là phƣơng pháp gia cơng tách phần vật liệu dƣ bằng các kỹ thuật khác nhau liên quan đến năng lƣợng nhiệt, cơ, điện,nhiệt, hĩa hoặc kết hợp các dạng năng lƣợng này. Những phƣơng pháp này khơng sử dụng dao cắt khi gia cơng nhƣ thơng thƣờng. Phƣơng pháp gia cơng đặc biệt đƣợc phát triển từ sau chiến tranh thế giới lần thứ hai nhằm đáp ứng những nhu cầu gia cơng vật liệu khĩ gia cơng; vật liệu mới Phƣơng pháp này ra đời nhằm thay thế giải quyết cho các phƣơng pháp gia cơng cổ điển nhƣ: Tiện, phay, bào Vì các phƣơng pháp gia cơng cổ điển khơng đạt hiệu quả kinh tế- kỹ thuật đối với vật liệu mới cĩ những đặc điểm nhƣ là: Sức bền, độ cứng, độ dẻo rất cao, rất khĩ gia cơng bằng những phững pháp thơng thƣờng. Các chi tiết cĩ hình dạng phức tạp, bất thƣờng, khĩ hoặc khơng thể gia cơng đƣợc bằng các phƣơng pháp truyền thống. Nhu cầu tránh làm hỏng bề mặt chi tiết do sự xuất hiện của ứng suất. Phƣơng pháp gia cơng đặc biệt cĩ khả năng gia cơng tất cả các loại vật liệu mới với bất kì cơ tính nào, gia cơng hầu hết các chi tiết phức tạp, tiết kiệm đƣợc nguyên vật liệu, đạt độ chính xác cao và hồn tồn cơ khí hĩa, tự động hĩa. Một số loại vật liệu khĩ gia cơng nhƣ là: - Kim loại khĩ chảy: Ti (t0=16720C), Cr (t0=18750C ), W (t0=34100C) - Các hợp kim đặc biệt nhƣ hợp kim Wolfram (W) cĩ nhiệt độ làm việc đến 20000 C. - Hợp kim cứng nhĩm WC, Ti-WC cĩ tỷ bền (k=7,5÷ 13) Phƣơng pháp gia cơng đặc biệt đƣợc chia làm 4 nhĩm chinh: CƠ – ĐIỆN – NHIỆT – HĨA. II> Nội dung:
3. 1> GIA CƠNG BẰNG DÕNG HẠT MÀI (Abrasive Jet Machining –AJM) 1.1> Khái quát: Gia cơng bằng dịng hạt mài, các phần tử từ vật liệu đƣợc bĩc đi do sự va đập của các hạt mài cĩ kích thƣớc bé. Các phần tử hạt mài này đƣợc dịch chuyển với tốc độ cao nhờ dịng khơng khí khơ. Hạt mài thƣờng cĩ kích thƣớc khoảng 0.025mm, và dịng khí đƣợc phun với tốc độ 150 ÷ 300 m/s, áp suất 2÷10 at. 1.2> Cấu tạo và nguyên lý làm việc: a: Cấu tạo: + Máy:
4. Hình 1: Sơ đồ hệ thống phun cát Hinh 2: Sơ đồ của một máy gia cơng bằng dịng hạt mài.
5. b: Nguyên lý hoạt động. Khí từ trong bình chứa sau khi lọc đƣợc đƣa đến bộ trộn.Trong bộ trộn cĩ chứa sẵn hạt mài mịn. Bộ trộn đƣợc rung với tần số 50c/s. Từ bộ trộn, dịng khí với các hạt mài với đủ kích thƣớc từ 10 ÷50  m đƣợc dẫn tới vịi phun và đi ra ngồi. Lƣợng khí tiêu thụ khoảng 0,6m3/h. Đầu vịi phun cách chi tiết gia cơng một khoảng nhất định tùy thuộc mục đích gia cơng. Tốc độ nạp hạt mài đƣợc điều khiển bởi biên độ rung của bộ trộn. Mối liên hệ chuyển động giữa vịi phun và chi tiết gia cơng nhận đƣợc từ cam chƣơng trình và máy vẽ truyền để điều khiển hình dáng và kích thƣớc cắt. Thiết bị dọn bụi đƣợc gắn vào để bảo vệ mơi trƣờng. Qúa trình thƣờng đƣợc điều khiển bởi một ngƣời, mà ngƣời này trực tiếp điều khiển vịi phun tại nơi làm việc. Khoảng cách đặc trƣng từ miệng vịi phun và bề mặt gia cơng khoảng từ 3,2 đến 25,4 mm. Khí bao gồm nhiều loại nhƣ khơng khí, CO2, nito, heli +Vịi phun: Hình 3: Hình dạng đầu phun. Vịi phun phải đƣợc làm bằng vật liệu cứng để giảm mài mịn, thƣờng sử dụng WC ( các bít vonfram) và sapphire. Tuổi thọ của vịi phun làm bằng WC từ 12÷30 giờ, cịn vịi phun làm bằng sapphire cĩ tuổi thọ 300 giờ. Lỗ vịi phun cĩ đƣờng kính từ 0,075÷1 mm. Đầu phun cĩ thể thẳng hoặc vuơng gĩc Hình 4: Một số kiểu vịi phun thƣờng gặp.
6. +Hạt mài: Hình 5: Một số loại hạt mài thƣờng dùng. Hạt mài phải cĩ hình dáng khơng điều, bao gồm những cạch ngắn, sắc tốt hơn là hình dáng trịn. Hạt mài thƣờng đƣợc làm từ các vật liệu sau: ơ xit nhơm, các bit silic, bi-các-bo-nát natrri, đolomit và thủy tinh. Để quá trình gia coong đạt hiệu quả thì các hạt mài phải sắc cạnh. Khơng nên sử dụng lại các hạt mài đã mịn các cạnh và kích thƣớc hạt nhỏ hơn. 1.3> Một số thơng số cơng nghệ: Qúa trình gia cơng đƣợc thực hiện trên những vật liệu cứng và giịn (Nhƣ thủy tinh, Silicon, mica, ceramic) ở dạnh mỏng và dẹp. Những hạt maifdduwowcj sử dụng trong gia cơng địng hạt mài bao gồm: Hạt oxit nhơm(AL2O3), Silicon carbide và thủy tinh. Các cỡ hạt cĩ đƣờng kính nằm trong phạm vi 15÷40 mm và phải đồng đều về kích thƣớc cho một lần gia cơng. Điều đĩ rất quan trọng trong việc sử dụng lại những hạt mài sau khi sử dụng cĩ thể bị nứt gãy và nhiễm bẩn.
7. 1.4> Phạm vi ứng dụng: Qúa trình gia cơng dịng hạt mài thƣờng đƣợc sử dụng để thực hiện các cơng việc nhƣ sau. -Cắt những lỗ nhỏ, rãnh, hoặt những mơ hình, hoa văn phức tạp trên vật liệu kim loai rất cứng, giịn hoặc vật liệu phi kim loại. -Tẩy ba via. -Cắt mép, tạo mặt vát. -Tẩy lớp oxit và những màng mỏng tạp chất trên bề mặt. -Làm sạch chi tiết cĩ bề mặt khơng đều. Phƣơng pháp này dùng để gia cơng những vật liệu kim loại cứng và giịn, hợp kim và vật liêu phi kim loại. -Tuy nhiên năng suất bĩc vật liệu thấp, sự cắt tản mát cĩ thể xảy ra làm cho độ chính xác khơng cao, và khơng thể gia cơng vật liệu mềm. Hình 6: Ứng dụng dịng hạt mài làm sạch trong xây dựng.
8. 1.5> Một số hình ảnh chi tiết đƣợc gia cơng bằng dịng hạt mài.
9. Hình 7: Máy phun hạt mài.
10. Hình 8: Máy phun bi tự động 2> PHƢƠNG PHÁP GIA CƠNG BẰNG PHAY HĨA. (Chemical Milling) 2.1> Khái quát về Phay hĩa: Phay hĩa là một kĩ thuật đƣợc dùng để tạo ra hình dạng cho kim loại để đạt đƣợc độ dung sai chính xác nhờ tác dụng hĩa học. Qúa trình gia cơng sẽ lấy đi những lớp kim loại trên những diện tích tƣơng đối lớn để làm giảm trọng lƣợng của những tấm kim loại. Phay hĩa đƣợc dùng cho các chi tiết lớn mà trong quá trình gia cơng cần bĩc đi một lƣợng kim loại khá nhiều. Phƣơng pháp cắt và bĩc lớp bảo vệ thƣờng đƣợc sử dụng. Thƣờng thì ngƣời ta dùng dƣỡng để cắt và phải chú ý đến hiện tƣợng cắt lẹm phát sinh trong quá trình khắc hĩa. Những chi tiết cĩ dạng cơn, chiều sâu cắt đa dạng đều cĩ thể gia cơng đƣợc bằng phƣơng pháp phay hĩa.
11. 2.2> Nguyên lý làm việc. -Phƣơng pháp phay hĩa là một quá trình trong đĩ chi tiết đƣợc nhúng vào trong một chất ăn mịn, khi đĩ nhờ tác dụng của phản ứng hĩa học nĩ sẽ lấy đi những lớp kim loại. - Thời gian nhúng phải đƣợc kiểm tra cẩn thận vì nếu khống đúng thời gian quy định chi tiết tạo ra sẽ khơng nhƣ mong muốn. - Những vùng khơng gia cơng phải dùng vật liệu bảo vệ khơng cĩ tác dụng phản ứng với chất ăn mịn. Hình 1: Nguyên lí gia cơng phay hĩa
12. 1. Làm sạch chi tiết; 2. Tạo lớp bảo vệ; 3. Cắt và bĩc lớp bảo vệ tại vùng cần khắc hĩa; 4. Khắc hĩa; 5. Bĩc lớp bảo vệ và làm sạch bề mặt sản phẩm. Các bƣớc gia cơng: -Lau chùi: Phải lau thật sạch tồn bộ chi tiết. -Tạo lớp bảo vệ: Sau khi lau và để khơ, chi tiết đƣợc phủ một lớp bảo vệ. Bằng cách dùng cọ, con lăn, nhúng hoặc xịt. -Vạch dấu và tẩy rửa: Một chi tiết mẫu đƣợc đặt lên trên chi tiết cần gia cơng và vùng diện tích tiếp xúc với chất ăn mịn sẽ đƣợc đặt nằm ngoại tiếp với lớp vật liệu bảo vệ sẽ đƣợc tẩy bỏ đi. -Ăn mịn: Chi tiết sẽ đƣợc nhúng vào trong chất ăn mịn để thực hiện quá trình gia cơng. -Xả và tẩy dung mơi: Sau khi gia cơng xong, chi tiết đƣợc xả trong nƣớc và sau đĩ để vào trong bồn dung mơi để tẩy lớp màng bảo vệ ra khỏi chi tiết. * Qúa trình nhúng chi tiết vào chất ăn mịn trong phay hĩa: Việc nhúng chìm trong phay hĩa là phƣơng pháp hĩa học làm phân rã vật liệu từ những vùng khơng đƣợc bảo vệ của những phần kim loại nhúng
13. chìm trong thùng chứa chất phản ứng hĩa học đƣợc khuấy động và đun nĩng. Đặt trưng của quá trình: -Những phần đƣợc nhúng vào trong hĩa chất mang tính axit hoặc bazơ. -Cĩ lớp bảo vệ vùng khơng gia cơng. -Khơng địi hỏi bề mặt phơi cần phải làm sạch trƣớc khi gia cơng. -Khơng địi hỏi phải cĩ địn điện để bĩc gỡ vật liệu Hình 2: Chi tiết đƣợc nhúng vào trong dung dịch chất ăn mịn. Độ nhám bề mặt: o Phay hĩa tạo ra độ nhám bề mặt thay đổi theo các vật liệu gia cơng khác nhau. o Bảng sau đây cung cấp cho chúng ta một vài giá trị mẫu. o Độ nhám bề mặt phụ thuộc vào chiều sâu thấm. Khi chiều sâu thấm tăng thì độ nhám sẽ thấp hơn và gần với giá trị lớn hơn của phạm vi cho ở bảng dƣới đây.
14. Bảng 1: Độ nhám bề mặt gia cơng trong phay hĩa. Vật liệu gia cơng Độ nhám bề mặt(  m) Nhơm và hợp kim nhơm 1,8÷4,1 Magnesium 0,8÷1,8 Thép trung bình 0,8÷6,4 Titan và hợp kim titan 0,4÷2,5 Dụng cụ cho quá trình phay hĩa: - Tấm chắn. - Chất ăn mịn. - Các dụng cụ hổ trợ: Bình chứa, quạt, dụng nâng đỡ -Dụng cụ đo, đồ gá và lấy dấu. Nĩi chung các dụng cụ dùng cho quá trình phay hĩa khá đơn giản và rẻ tiền. Một số hĩa chất dùng trong phay hĩa: 2.3> Ƣu, nhƣợc điểm. a> Ƣu điểm. - Cĩ thể gia cơng nhiều chi tiết đồng thời. - Cĩ chi phí cho dụng cụ thấp.
15. - Khơng cĩ sự cong vênh hay méo mĩ. - Cĩ thể gia cơng những đƣờng viền hay tạo hình dạng cho những chi tiết đã gia cơng xong. - Cĩ thể gia cơng đồng thời cả hai cạnh của một chi tiết. - Khơng để lại bavia. - Bất cứ loại vật liệu nào đều cĩ thể gia cơng đƣợc. - Kích thƣớc của chi tiết cĩ thể dựa vào kích thƣớc của bồn nhúng. - Những chi tiết mỏng 0,375 mm khơng cĩ điểm tựa cũng cĩ thể gia cơng. - Khi cắt ở chiều sâu 12 mm dung sai đạt đƣợc là ± 0,075 mm. b> Nhƣợc điểm. - Khơng thể gia cơng lỗ. - Qúa trình cắt chậm, mất nhiều thời gian. - Độ nhám bề mặt ở những chỗ ăn mịn sâu khơng đạt đƣợc nhƣ khi gia cơng bằng máy vạn năng. -Rất khĩ đạt đƣợc kích thƣớc cạnh bên. - Chiều sâu cắt giới hạn(12mm) độ sắt bén bên trong khơng đạt đƣợc. - Địi hỏi vật liệu gia cơng phải cĩ vật liệu đồng nhất. Khĩ đạt đƣợc kết quả cao đối với chi tiết hàn. - Hơi ăn mịn gây ra sự ăn mịn lớn. - Nhơm là vật liệu duy nhất cĩ thể gia cơng dễ dàng bằng phay hĩa. 2.4> Phạm vi ứng dụng. Đƣợc ứng dụng chủ yếu trong ngành hàng khơng. - Các cánh cửa máy bay. - Vỏ của tên lửa. - Cánh của máy bay trực thăng. - Bình áp suất hình cầu. - Các tấm bản kiến trúc. - Những tấm vách ngăn hình cầu, cơn, parabol của tên lửa. 2.5> Một số hình ảnh về ứng dụng phƣơng pháp phay hĩa.
16. Dùng trong thiết kế Dùng trong xây dựng.
17. Dùng trong xây dựng Chề tạo máy bay
18. Hình ảnh một số máy dùng trong phay hĩa. Hệ thống phay hĩa
19. Máy phay hĩa
20. 3> PHƢƠNG PHÁP GIA CƠNG BẰNG TIA LỬA ĐIỆN. (Electric Discharge Machining – EDM) 3.1> Khái quát: Phƣơng pháp gia cơng bằng tia lửa điện là phƣơng pháp phĩng các tia lửa điện lên bề mặt vật liệu gia cơng, làm cho lớp vật liệu cần hớt đi bị nĩng chảy hoặc bốc hơi bởi một quá trình điện nhiệt. 3.2> Cơ sở lý thuyết: Hai điện cực đƣợc đặt gần nhau trong mơi trƣờng cách điện, hai điện cực này đƣợc nối với nguồn điện một chiều, khi tăng điện áp lên, thì từ bề mặt cực âm cĩ điện tử phĩng ra, tiếp tục tăng điện áp thì khoảng cách giữa hai điện cực sẽ bị ion hĩa, dịng điện chạy qua tạo nện hiện tƣợng phĩng tia lửa điện giữa hai điện cực. Nguyên tắc của phƣơng pháp này là bắn phá chi tiết để tách vật liệu bằng nguồn năng lƣợng nhiệt rất lớn sinh ra khi hai điện cực tiến lại gần nhau. Mục đích của phƣơng pháp này là: -Gia cơng những vật liệu dẫn điện khĩ gia cơng nhƣ thép tơi thép hợp kim -Tạo hình chi tiết lỗ cĩ hình dạng phức tạp và những ứng dụng khác. 3.3> Nguyên lý gia cơng: Hệ thống gia cơng tia lửa điện(Electrical Discharge Machining – EDM). Trong quá trình gia cơng, dụng cụ và chi tiết là hai điện cực, trong đĩ dụng cụ mang điện cực âm, chi tiết mang điện cực dƣơng. Đƣợc nối với nguồn điện một chiều cĩ tần số 50-500kHz, điên áp 50- 300v và cƣờng độ dịng điện 0,1-500A. Hai điện cực đƣợc đặt trong dung dịch chất cách điện đƣợc gọi là dung dịch chất điện mơi. Khi hai điện cực tiến lại gần nhau thì giữa chúng cĩ điện trƣờng. Khi điện áp tăng lên thì từ bề mặt cực âm cĩ các điện tử phĩng ra, tiếp tục tăng điện áp thì chất điện mơi giữa hai điện cực bị ion hĩa làm cho chúng trở nên dẫn điện, làm xuất hiện tia lửa điện giữa hai điện cực. Nhiệt độ tại lúc xảy ra hiện tƣợng phĩng điện lến đến 12.000oc, làm nĩng chảy, đốt nĩng phần kim loại trên điện cực dƣơng. Trong quá trình phĩng điện, xuất hiện sự ion hĩa cực mạnh và tạo nên áp lực và va đập lớn, đẩy phoi ra khỏi vùng gia cơng. Thời gian xảy ra hiện tƣơng phĩng điện rất ngắn khoảng 10-4 đến 10- 7s. Sau đĩ mạch trở về trạng thái ban đầu và khi điện áp của tụ đƣợc nâng lên đến mức đủ phĩng điện thì quá trình trên lại tiếp diễn. Để đảm bảo quá trình gia cơng diễn ra liên tục, ngƣời ta điều khiển điện cực dụng cụ đi xuống sao cho khe hở giữa hai điện cực là khơng đổi.
21. Phoi của quá trình gia cơng là các giọt kim loại bị tách ra khỏi điện cực và đơng đặc lại thành những hạt nhỏ hình cầu. Hình 3.1: Sơ đồ nguyên lý gia cơng tia lửa điện. Vài thơng số của quá trình EDM: Tần số phĩng tia lửa điện: Z=200.000 ÷ 500.000 HZ Khe hở điện cực:  =0,025 ÷ 0,05 mm Điện thế: V= 30 ÷250 V Dung mơi thƣờng dùng: Dầu hỏa Vật liệu dụng cụ: Đồng hoặc hợp kim đồng Năng suất cực đại: 300 mm3/ph với năng lƣợng tiêu hao 10 W/mm3/ph Bảng tĩm tắt phƣơng pháp gia cơng bằng EDM: Cơ chế tách vật liệu Nĩng chảy bốc hơi, tạo thành hõm sâu Mơi trƣờng trung gian Dung mơi khơng dẫn điện Vật liệu làm dụng cụ (các Đồng (Cu), đồng thau, hợp kim Cu + W hợp kim Ag + W, cm) graphit Vật liệu chi tiết bị cắt = 0,1  10 Vật liệu dụng cụ bị mòn Khe hở điện cực 0,01  0,125mm
22. Suất cắt vật liệu tối đa 5 x 103 mm3/ph Suất tiêu hao năng lƣợng 1,8W/mm3/ph Các thơng số điều chỉnh Điện thế, điện dung, khe hở điện cực, dịng chảy chất lỏng, nhiệt độ chảy. Vật liệu gia cơng Vật liệu dẫn điện Hình dáng chi tiết Lỗ khơng thơng, hình dáng phức tạp Lỗ nhỏ ở vịi phun, lỗ thơng định hình Hạn chế của quá trình - Tiêu hao năng lƣợng lớn (gấp 50 lần so với các phƣơng pháp gia cơng cơ điện) - Khơng dùng để gia cơng các vật liệu khơng dẫn điện Qúa trình gia cơng tia lửa điện cĩ thể chia làm chín bƣớc và mĩi quan hệ giữa hiêu điện thế và cƣờng độ dịng điện đƣợc thể hiện nhƣ sau: Bƣớc 1: Hai điện cực đƣợc tiến lai gần nhau. Giữa hai điện cực và bề mặt chi tiết là một lớp dầu cách điện. Mặc dù dung dịch điện mơi cĩ tính cách điện rất tốt, nhƣng với một hiệu điện thế đủ lớn cĩ thể làm cho dung dịch bị phá vỡ để chuyển thành những hạt ion, cho phép dịng điên đi qua từ điện cực dụng cụ đến bề mặt chi tiết. Hình 3.2: Bước 1. Bƣớc2 : Khi số lƣợng hạt ion tăng, thì tính chất cách điện của dung dịch điện
23. mơi bắt đầu giảm dọc theo một kênh hẹp chính giữa trong vùng điện trƣờng mạnh nhất bắt đầu giảm mạnh. Điện áp đã tăng tối đa nhƣng cƣờng độ dịng điện vẫn bằng 0. Hình 3.3 Bước 2. Bƣớc3 : Một dịng điện đƣợc thiết laapjkhi dung dịch điện mơi trở nên kém cách điện. Điện áp bắt đầu giảm. Hình 3.4 Bước 3. Bƣớc 4 : Nhiệt hình thành một cách nhanh chĩng ngay khi dịng điện tăng lên và điện áp tiếp tục giảm. Lƣợng nhiệt này làm bốc hơi dung dịch, chi tiết và điện cực dụng cụ và một kênh phĩng điện bắt đầu hình thành giữa điện cực và bề mặt chi tiêt.
24. Hình 3.5 Bước 4. Bƣớc5 : Một bọt hơi nƣớc bắt đầu giãn ra, nhƣng sự giãn này bị giới hạn bởi một luồng ion hƣớng về kênh phĩng tia lửa điện. Những hạt ion này bị hút bởi vùng điện trƣờng cao mãnh liệt và đƣợc hình thành. Dịng điện tiếp tục tăng, điện áp giảm.
25. Hình 3.6 Bước 5. Bƣớc 6 : Gần cuối thời điểm phĩng điện, dịng điện và dịng điện áp đã đƣợc thiết lập, nhiệt độ và áp suất bên trong bọt hơi nƣớc đạt cực đại, và một số kim loại bị bĩc ra. Lớp kim loại ngay bên dƣới cột tia lửa điện ở trạng thái nĩng chảy, nhƣng nĩ cịn giữ trên bề mặt bởi một áp suất của bot hơi nƣớc. Kenh phĩng điện bây giờ bao gồm một kênh plasma cực nĩng đƣợc tạo bởi hơi kim loại, chất điện mơi và cacbon với dịng điện cực lớn đi qua nĩ. Hình 3.7 Bước 6. Bƣớc 7 Lúc bắt đầu thời điểm kết thúc phĩng điện, dịng điện và điện áp giảm xuống tới 0. Nhiệt độ giảm xuống rất nhanh, bọt hơi nƣớc vỡ tan và phần kim loại nĩng chảy hĩa hơi.
26. Hình 3.8 Bước 7. Bƣớc 8 : Dung mơi mới đƣợc đƣa vào bằng tia nƣớc và mang đi những mảnh vụn trên bề mặt chi tiết. Mang đi những kim loại hĩa howibij đơng đặc. Phần kim loại nĩng chảy khơng bị bong tách đơng cứng lại hình thành một lớp nhƣ lớp đúc lại. Hình 3.9 Bước 8. Bƣớc 9 : Những phần kim loại bị bĩc ra đơng cứng lại thành những hạt hình cầu nhỏ đƣợc dung dịch điện mơi mang đi với một ít cacbon của điện cực. Những hơi nƣớc cịn lại nởi lên mặt. Các mảnh vụn cĩ thể tập hợp tạo nên sự
27. phĩng điện khơng mong muốn. Trƣờng hợp này cĩ thể tạo nên hồ quang một chiều cĩ thể gây hại đến bề mặt chi tiết và điện cực. Hình 3.10- Bước 9. Trình tự đĩng/tắt này đại diện cho một chu kỳ EDM, nĩ cĩ thể đạt tới 500.000 lần trong một giây. Cĩ thể chỉ cĩ một chu kỳ xảy ra tại bất kỳ thời điểm nào đã cho. Tùy thuộc vào tình trạng khe hở phĩng điện của hai điện cực mà cĩ bốn dạng xung điện chủ yếu sau: - Mạch hở. - Phĩng điện hiệu quả. - Hồ quang. - Ngắn mạch. Hình 3.11 Các loại xung khác nhau. Ảnh hƣởng của các dạng xung đến tốc độ bĩc vật liệu và mịn khác nhau đán kể. Trƣờng hợp mạch xảy ra khi khoảng cách giữa hai điện cực quá lớn, dĩ nhiên lúc này quá trình khơng xảy ra sự bĩc vật liệu và điện cực
28. khơng bị mịn. Khi hai điện cực chạm vào nhau thì xảy ra ngắn mạch, quá trình khơng xảy ra sự bĩc vật và điện cực khơng bị mịn. Dải khoảng cách giữa hai trƣờng hợp trên là khe hở làm việc thực cĩ thể xảy ra phĩng tia lửa điện hoặc hồ quang. Đặc điểm của hai loại xung này là điện áp giảm từ bên này sang bên kia khe hở trong thời gian một xung. Hồ quang chính là sự phĩng điện xảy ra cùng một chỗ mà khơng cĩ thời gian trễ, đây là một hiện tƣợng xấu, nĩ gây hại cho dụng cụ và chi tiết. Hồ quang xảy ra khi kênh plasmacuar xung trƣớc khơng đƣợc ion hĩa hồn tồn; dịng điện của xung tiếp theo sẽ chạy theo cùng đƣờng dẫn với xung trƣớc. Nĩi chung khi dịng chảy chất điện mơi quá yếu hoặc khoảng cách xung quá ngắn sẽ xảy ra hồ quang. Ngƣời ta tin rằng chỉ cĩ phĩng tia lửa điện mới cĩ thể bĩc vật lieeujtheo chế độ yêu cầu. u Ue td t t0 e t ti tp i Ie t Hình 3.12 Quan hệ giữa điện áp và dịng điện trong một xung. Hình 3.12 trình bày quan hệ của điện áp và dịng điện ở một máy xung định hình trong khoảng thời gian xác định của một chu kỳ xung. Trong đồ thi này ta thấy dịng điện ie của xung bao giờ cũng xuất hiện trễ hơn một khoảng thời gian td so với thời điểm bắt đầucĩ điện áp máy phát ui. Ue và Ie là giá trị điện áp trung bình khi phĩng tia lửa điện. Thời gian phĩng điện tùy thuộc vào cơng dụng. Giữa các xung cĩ một độ trễ t0 cho phép chất điện mơi thổi ion hĩa và để cĩ thời gian vận chuyển phoi ra khỏi khe hở giữa hai điện cực. Trong quá trình gia cơng cĩ sự ăn mịn ở cả hai điện cực nhƣng khơng đều nhau. Bằng cách lựa chọn một cách thích hợp các thơng số nhƣ độ phân cực, tính dẫn điện, nhiệt độ nĩng chảy của vật liệu, thời gian kéo dài xung điện ta cĩ thể đạt độ mịn 99,5% cho điện cực chi tiết và 0,05% cho điện
29. cực dụng cụ. Thiết bị gia cơng tia lửa điện: Hình 3.13: Máy EDM dùng điện cực thỏi. Hình 3.14: Máy EDM Gia cơng EDM cĩ thể đƣợc phân loại nhƣ sau: - Gia cơng xung định hình EDM (Die Sinking EDM hay Ram – EDM) - Gia cơng vi EDM (Micra EDM) - Gia cơng EDM bằng dây cắt (Wire –cut EDM hoặc Wire EDM) - Khoan EDM (EDM drilling) - Máy lấy mũi tảo bị gãy (Broken Tap Remover)
30. Hình 3.15: Máy cắt EDM Hình 3.16: Máy khoan EDM
31. Điện cực dụng cụ: Hình 3.17: Hình dáng của dụng cụ và chi tiết trƣớc khi gia cơng và sau khi gia cơng Trong gia cơng xung định hình, điện cực dụng cụ đĩng vai trị cực kì quan trọng vì độ chính xác gia cơng một phần phụ thuộc vào độ chính xác của điện cực. Việc lựa chọn hợp lý vật liệu điện cực là một yếu tố quan trọng. Điều này khơng những ảnh hƣởng đến tính kinh tế thơng qua năng suất và độ hao mịn điện cực trung bình. Gía của điện cực cĩ thể chiếm 80% chi phí gia cơng. Các loại điện cực cĩ thể dùng cho gia cơng xung định hình đồng đỏ, đồng – wolfram, bạc wolfram, đồng thau trong đĩ đồng đỏ và đồng wolfram là thƣờng dùng nhất. Các loại vật liệu wolfram, nhơm, molipden, hợp kim cứng chỉ đƣợc sử dụng trong một số trƣờng hợp đặc biệt. Những yêu cầu của vật liệu điện cực là: - Cĩ tính dẫn điện tốt. - Cĩ tính dẫn nhiệt cao, nhiệt độ nĩng chảy và nhiệt độ sơi cao. - Cĩ độ bền cơ học cao, hệ số giãn nở nhiệt nhỏ. - Cĩ độ bền ăn mịn cao. - Cĩ khĩi lƣợng riêng nhỏ để cĩ thể chế tạo các điện cực lớn nhƣng khơng quá nặng làm ảnh hƣởng đến khả năng chịu tải của máy. - Dễ gia cơng giá thành rẻ. Các loại vật liêu điện cực. Cĩ 3 nhĩm vật liệu điện cực nhƣ sau: - Vật liêu kim loại: Đồng đỏ, đồng -wolfram, đồng thau Ƣu điểm của điện cực kim loại là tính dẫn điện cao và vật liệu
32. cĩ độ đồng nhất cao. Nhƣợc điểm chính của chúng là khĩ chế tạo và tốc độ gia cơng thấp. + Đồng thau: Đồng thau là loại vật liệu kim loại đầu tiên đƣợc dùng làm điện cực EDM. Nĩ khơng đắt và dễ gia cơng. Tuy nhiên các máy xung điện hiện đai ngày nay ít dùng loại vật liệu này vì chúng bị mịn nhanh. Đồng thau đƣợc dùng phổ biến trên các máy khoan lỗ nhỏ cao tốc. + Đồng đỏ: Với sự phát triển của các hệ thống cung cấp điện kiểu xung, transitor hĩa, đồng đỏ tinh khiết đã đƣợc lựa chọn làm vật liệu điện cực EDM. Bởi sự kết hợp của đồng đỏ và các thiết lập chế độ nguồn nhất định cho phép giảm hao mịn. Nhờ độ đồng nhất về cấu trúc cao mà điện cực đồng đỏ cĩ thể chế tạo đƣợc bề mặt chi tiết gia cơng với độ bĩng cao. Tuy nhiên đồng đỏ cĩ những bất lợi đáng kể sau: Tốc độ ăn mịn chi tiết gia cơng bằng một nữa so với graphit. Mềm nên khĩ mài. Khĩ làm sạch ba via. Thời gian làm sạch ba via cĩ thể dài hơn thời gian chế tạo điện cực. Mặc dù cĩ những nhƣợc điểm lớn nhƣng do tính dễ chế tạo của nĩ mà nhiều phân xƣởng vẫn sẵn lịng sử dụng đồng đỏ. Ngồi ra nĩ cịn đƣợc sử dụng phổ biến trên các máy khoan lỗ cao tốc, các ứng dụng khoan cao tốc các lỗ hợp kim trong ngành khơng gian cũng nhƣ carbide. + Bạc. Bạc thỉnh thoảng cũng đƣợc sử dụng làm điện cực EDM vì tính dẫn điện cao, độ tinh khiết và tính đồng nhất cao. Chúng đƣợc sử dụng để gia cơng khuơn làm trên kim loại. Dĩ nhiên, do chi phí cao nên bạc ít đƣợc sử dụng. + Wolfram. Wolfram cĩ độ nĩng chảy cao, độ bền cao nên đƣợc lựa chọn cho một số ứng dụng nhất định. Chú ý rằng loại vật liệu này cĩ tính dẫn điện kém, tốc độ gia cơng chậm hơn đồng đỏ và đồng thau. Vì Wolfram khá đắt và khĩ gia cơng nên nĩ cũng ít đƣợc sử dụng. + Đồng –Wolfram. Loại vật liêu này kết hợp nhiều ƣu điểm EDM của hai loại vật
33. liệu thành phần đĩ là tính dẫn điện cao của đồng và nhiệt độ nĩng chảy cao của Wolfram. Loại này cĩ tính chống mịn rất tốt, rất thích hợp để gia cơng cabide. Cần lƣu ý loại vật liệu này chỉ nhanh bằng một nửa so với đồng đỏ. + Bạc – Wolfram. Loại này kết hợp đặc tính chống mịn của Wolfram và tính dẫn nhiệt cao của bạc. Khi sử dụng chúng làm vật liệu điện cực EDM thì điện lâu mịn và bề mặt chi tiết gia cơng đạt độ bĩng cao. Rất thích hợp cho các ứng dụng cĩ độ tinh xảo cao. Tuy nhiên do tính hiếm và chi phí cao nên loại này chỉ đƣợc dùng rất hạn chế. + Wolfram – carbide. Nhờ độ cứng vững cao và tính chống mài mịn cao nên wolfram –carbide thƣờng đƣợc sử dụng để gia cơng hốc hoặc lỗ nhỏ. Một đặc điểm rất cần lƣu ý là loại vật liệu này rất giịn. - Điện cực graphit. Graphit đƣơc sử dụng cho các ứng dụng gia cơng xung điện. Sở dĩ chúng đƣợc sử dụng rộng rãi là vì chúng cĩ nhiều ƣu điểm so với điện cực kim loại. Sau đây là một số đặc điểm so với đồng đỏ: - Về tốc độ gia cơng: Cao hơn đồng đỏ cả gia cơng thơ lẫn gia cơng tinh, thơng thƣờng tỉ lệ về tốc độ là 2:1. - Độ mịn: thƣờng thì mịn ít hơn đồng đỏ. - Nhám bề mặt: cĩ thể đạt độ bĩng tƣơng đƣơng so với khi sử dụng điện cực đồng đỏ ở những trƣờng hợp nhất định. - Khả năng chế tạo: để chế tạo và chế tạo nhanh hơn so với đồng đỏ. Tuy nhiên Graphit cũng cĩ một số nhƣợc điểm, nhất là các vấn đề liên quan đến mơi trƣờng. Loại graphit đặc biệt mịn thƣờng dùng trong các trƣờng hợp gia cơng các chi tiết cực kì tinh xảo. Loại graphit cực mịn dùng để gia cơng hàng loạt các khuơn mẫu cĩ yêu cầu khắt khe về độ chính xác và các chi tiết ngành hàng khơng. Loại hạt mịn dùng để gia cơng các hĩc của khuơn mẫu lớn. Loạt hạt vừa thƣờng dùng để gia cơng các khuơn dập. - Vật liệu composite: Trong nhĩm này phổ biến là đồng-graphit. Đây là graphit đã đƣợc thẩm thấu với đồng. Khối lƣợng riêng từ 2,4 ÷4,2g/cm3, điện trở riêng 3÷5  mm2/m, độ bền gẫy từ 700÷900kg/cm2. Nhờ cĩ đồng mà độ bền gẫy cao hơn graphit 200 đơn vị, điện
34. trở riêng giảm 3 lần.Loại này cĩ những tính chất tốt của graphit và đồng. Tính dẫn điện cao hơn graphit nhƣng độ mịn ở gĩc khơng tơt bằng graphit nguyên chất. Hình 3.18. Một số điện cực thƣờng dùng trong gia cơng tia lửa điện. Yêu cầu cả dung dịch điện mơi: - Dung dịch điện mơi phải cĩ đủ độ bền cách điện và ổn định để cách ly điện cực và phơi cho đến khi đạt đến điện áp đánh thủng. - Phải cĩ khả năng bị ion hĩa nhanh chĩng sau khi sự phĩng điện xảy ra. - Phải cĩ độ nhớt thích hợp và khả năng thấm ƣớt tốt làm nguội và vận chuyển phoi ra khỏi khu cực gia cơng. - Trung tính về hĩa học để khơng gây mịn điện cực, phoi, thùng chứa và bàn máy. - Điểm cháy tƣơng đối cao. - Khơng độc, khơng hại da, ít hao phí. - Kinh tế. 3.3> Khả năng cơng nghệ, ƣu nhƣợc điểm và phạm vi ứng dụng. a> Khả năng cơng nghệ: Bề mặt chi tiết đƣợc gia cơng EDM cĩ thể đạt Ra=0,63  m khi gia cơng thơ và Ra=0,16  m khi gia cơng tinh. Thơng thƣờng độ chính xác gia
35. cong vào khoảng 0,01mm. Ở các máy khoan tọa độ EDM độ chính xác gia cơng đạt đến 0,0025mm. Phƣơng pháp gia cơng này cĩ thể gia cơng những vật liệu khĩ gia cơng mà các phƣơng pháp giacoong khơng truyền thống khơng làm đƣợc nhƣ thép tơi, thép hợp kim khĩ gia cơng, hợp kim cứng. Nĩ cũng gia cơng đƣợc các chi tiết hệ lỗ cĩ hình dạng phức tạp. b> Ƣu nhƣợc điểm. Ƣu điểm: - Gia cơng đƣợc các loại vật liệu cĩ độ cứng tùy ý. - Điện cực cĩ thể sao chép hình dạng bất kì, chế tạo và phục hồi các khuơn dập bằng thép đã tơi. - Chế tạo các lƣới sàn, rây bằng cách gia cơng đồng thời các lỗ bằng những điện cực rất mảnh. - Gia cơng các lỗ cĩ đƣờng kính rất nhỏ, các lỗ sâu với tỉ số chiều dài trên đƣờng kính lớn. - Do khơng cĩ lực cơ học nên cĩ thể gia cơng hầu hết các loại vật liệu dễ vỡ,mềm mà khơng sợ bị biếng dạng. - Do cĩ dầu trng vùng gia cơng nên bề mặt gia cơng đƣợc tơi trong dầu. Nhƣợc điểm: - Phơi và dụng cụ đều phải dẫn điện. - Vì tốc độ cắt gọt thấp nên phơi trƣớc gia cơng EDM thƣờng phải gia cơng thơ trƣớc. - Do vùng nhiệt độ tại vùng làm việc cao nên gây biến dạng nhiệt. c> Ứng dụng: Cĩ thể sử dụng phƣơng pháp này trong một số trƣờng hợp sau: - Biến cứng bề mặt chi tiết làm tăng khả năng mài mịn. - Chế tạo và phục hồi các khuơn dập đã tơi và khuơn hợp kim cứng. - Các lƣới sàng, rây bằng cách gia cơng đồng thời các lỗ bằng điện cực rất mảnh. - Mài phẳng, mài trịn, mài sắc hoặc làm rộng lỗ. - Gia cơng các lỗ cĩ đƣờng kính nhỏ Ø0,15mm của các vịi phun cao áp cĩ năng suất cao, gia cơng lỗ sâu từ 60mm cho sai số 5  m. Các lỗ Ø0,005mm- 1mm với chiều sâu lớn nhƣ các lỗ làm mát trong cánh tubin làm bằng hợp kim siêu cứng, các lỗ sâu với tỉ lệ chiều dài trên đƣờng kính lên đến 67. - Lấy các dụng cụ bị gãy và kẹp trong chi tiết.
36. - Gia cơng khuơn mẫu và các chi tiết cần độ chính xác cao bằng vật liệu hợp kim cứng 3.4> Các thơng số cơng nghệ: a> Vận tốc cắt: Là lƣợng vật liệu bị bĩc đi theo đơn vị thời gian. Nĩi một cách gần đúng, tốc độ gia cơng tỉ lệ với cƣờng độ dịng điện gia cơng. Ngồi ra, năng lƣợng các xung ddieeneencungx ảnh hƣởng đến tốc độ gia cơng vì năng lƣợng của xung điện đƣợc xác định bởi nhiều yếu tố, khi cần thiết ta cĩ thể xét ảnh hƣởngriêng lẻ của từng thơng số này đến tốc độ gia cơng. Một cách tổng quát, một xung điện phĩng cĩ cƣờng độ dịng điện cao sẽ cho vận tốc gia cơng lớn hơn xung điện cĩ cƣờng độ dịng điện yếu. c> Chế độ gia cơng: Các thơng số xác định năng lƣợng của xung điện phĩng là: dịng đỉnh, thời gian xung, phân cực của mạch xung đƣợc điều khiển, giá trị của điện dung và điện thế nạp trong trƣờng hợp máy tạo xung dùng tụ điện. Trong cả hai trƣờng hợp, dịng điện trung bình và thời gian nghỉ giữa hai lần phĩng điệnkhơng tham gia trực tiếp vào chế độ gia cơng. Các yếu tố khác nhƣ vật liệu gia cơng, vật liệu điện cực, loại chất cách điện và phƣơng thức lƣu thơng của nĩ cĩ ảnh hƣởng. Nhƣng chúng ta cĩ thể nĩi một cách tổng quát rằng các chế độ gia cơng phụ thuộc vào các thong số liên quan đến năng lƣợng các xung điện. c> Năng suất gia cơng: Năng suất gia cơng phụ thuộc vào rất nhiều yếu tĩ mà quan trọng nhất là khoảng cách giữa hai điện cực, cƣờng độ dịng điện, tần số tia lửa điện, điện dung, diện tích bề mặt gia cơng, chất lƣợng của điện cực, chất cách điện và loại máy phát xung. d> Độ chính xác gia cơng: Độ chính xác gia cơng phụ thuộc vào các thơng số sau: - Độ chính xác của máy gia cơng tia lửa điện. - Hình dạng, kích thƣớc và độ mịn của dụng cụ. - Khoảng cách phĩng tia lửa điện giữa dụng cụ và bề mặt gia cơng. d> Chất lƣợng bề mặt gia cơng: Độ nhám là một trong các chỉ tiêu quan trọng để đánh giá chất lƣợng bề mặt. 3.5> Một số hình ảnh chi tiết gia cơng bằng tia lửa điện.
37. III> Kết luận: Phƣơng pháp gia cơng khơng truyền thống mang lại những hiệu quả kinh tế rất thiết thực, nĩ đã giải quyết đƣơch những khĩ khăn của ngành cơ khí nĩi chung và mang lại những triển vọng to lớn cho sự phát triển của ngành cơ khí trong tƣơng lai. Hiện nay các nƣớc cơng nghiệp phát triển đã chế tạo ra nhiều loại máy chuyên dùng cho từng phƣơng pháp gia cơng và sử dụng rộng rãi trong ngành chế tạo máy. Các phƣơng pháp gia cơng đặc biệt cĩ những đặt điểm nổi bật sau đây: - Cĩ khả năng gia cơng hầu hết các loại vật liệu với bất kỳ tính chất cơ lý nào vì chúng khơng ảnh hƣởng nhiều đến năng suất và chất lƣợng. - Trong quá trình gia cơng, tốc độ, chất lƣợng gia cơng hầu nhƣ khơng phụ thuộc và tính chất cơ lý của vật liệu. - Khơng cần sử dụng dụng cụ chuyên dùng hoặc cacs loại vật liệu mài, khơng cần các dung cụ cĩ độ cứng cao hơn độ cứng của vật liệu gia cơng. - Tiết kiệm rất lớn nguyên vật liệu vì chiều rộng rãnh cắt nhỏ, mức độ chính xác cao. - Đạt độ chính xác gia cơng cao và độ chính xá bề mặt cao. - Gia cơng các bề mặt phức tạp. - Cĩ thể gia cơng cục bộ trên bề mặt chi tiết lớn. - Cĩ khả năng hồn tồn cơ khí hĩa và tự động hĩa. - Năng suất và hiệu quă kinh tế cao, giảm lƣợng phế phẩm, giảm khối lƣợng gia cơng, tăng cƣờng thêm cho các phƣơng pháp gia cơng cắt gọt. Tuy nhiên phƣơng pháp gia cơng đặc biệt vẫn tồn tại một số nhƣợc điểm nhƣ là: Chi phí cho máy mĩc và dụng cụ cao, thiết bị khĩ thay thế và sửa chữa