Tài liệu Nghiên cứu xác định chế độ cắt tối ưu khi cắt dây tia lửa điện lỗ hình rãnh then thép 9crsi đã qua tôi

.. ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP NGUYỄN THỊ HOA NGHIÊN CỨU XÁC ĐỊNH CHẾ ĐỘ CẮT TỐI ƯU KHI CẮT DÂY TIA LỬA ĐIỆN LỖ HÌNH RÃNH THEN THÉP 9CrSi ĐÃ QUA TÔI LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC CHUYÊN NGÀNH: KỸ THUẬT CƠ KHÍ THÁI NGUYÊN, 2019 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN 1 http://lrc.tnu.edu.vn LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan các số liệu và kết quả nêu trong Luận văn là trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất kỳ một công trình nào khác. Trừ các phần tham khảo đã được nêu rõ trong Luận văn. Tác giả NGUYỄN THỊ HOA Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN 2 http://lrc.tnu.edu.vn LỜI CẢM ƠN Tác giả xin chân thành cảm ơn Thầy giáo – PGS.TS Vũ Ngọc Pi, người đã hướng dẫn và giúp đỡ tận tình từ định hướng đề tài, tổ chức thực nghiệm đến quá trình viết và hoàn chỉnh Luận văn. Tác giả cũng chân thành cảm ơn TS. Đỗ Thị Tám, phòng KHCN và Hợp tác quốc tế và Th.s Nguyễn Mạnh Cường, Ths. Lưu Anh Tùng, giảng viên khoa Cơ khí, Trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp đã tận tình giúp đỡ tác giả trong quá trình thực hiện và phân tích các kết quả thí nghiệm. Xin chân thành cám ơn sự hỗ trợ của Trường ĐH Kỹ thuật Công nghiệp, ĐH Thái Nguyên thông qua đề tài KHCN mã số T2018-B13 của Nhà trường. Tác giả bày tỏ lòng biết ơn đối với các thầy, cô giáo và các bạn bè đồng nghiệp đã tạo điều kiện thuận lợi để tác giả hoàn thành Luận văn này. Do năng lực bản thân còn nhiều hạn chế nên Luận văn không tránh khỏi sai sót, tác giả rất mong nhận được sự đóng góp ý kiến của các Thầy, Cô giáo, các nhà khoa học và các bạn đồng nghiệp. Tác giả NGUYỄN THỊ HOA Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN 3 http://lrc.tnu.edu.vn MỤC LỤC Nội dung Trang Lời cam đoan 3 Lời cảm ơn 4 Mở đầu 7 I. Tính cấp thiết của đề tài 7 II. Mục đích và đối tượng và phương pháp nghiên cứu 8 III. Ý nghĩa đề tài 8 IV. Nội dung của đề tài 9 CHƯƠNG I TỔNG QUAN VỀ GIA CÔNG TIA LỬA ĐIỆN 10 1.1 Giới thiệu 10 1.2 Hệ thống gia công tia lửa điện 10 1.2.1 Bộ tạo xung 10 1.2.2 Cơ cấu servo 10 1.2.3 Điện cực 11 1.2.4 Dung dịch điện môi 12 1.3 Bản chất quá trình gia công xung điện 13 1.4 Kết luận chương 1 16 CHƯƠNG II MÁY CẮT DÂY VÀ CÁC THÔNG SỐ ĐIỀU CHỈNH TRONG QUÁ TRÌNH GIA CÔNG 17 2.1 Giới thiệu về máy cắt dây tia lửa điện 18 2.2 Ưu nhược điểm của phương pháp gia công cắt dây tia lửa điện 19 2.3 Độ chính xác khi gia công tia lửa điện 19 2.4 Dây cắt và vật liệu điện cực 20 2.5 Sự thoát phoi trong cắt dây tia lửa điện 20 2.6 Độ nhám bề mặt gia công 21 2.7 Các thông số về điện trong điều khiển máy cắt dây tia lửa điện 22 2.8 Kết luận chương 2 23 24 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN 4 http://lrc.tnu.edu.vn CHƯƠNG III THỰC NGHIỆM NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA MỘT SỐ THÔNG SỐ CÔNG NGHỆ ĐẾN ĐỘ NHÁM BỀ MẶT VÀ NĂNG SUẤT GIA CÔNG TRONG GIA CÔNG CẮT DÂY TIA LỬA ĐIỆN THÉP 90CrSi SAU KHI TÔI. 3.1 Thiết kế thí nghiệm 25 3.1.1 Các giả thiết của thí nghiệm 25 3.1.2 Điều kiện thực hiện thí nghiệm. 25 3.1.2.1 Thiết bị thí nghiệm. 25 3.1.2.2 Vật liệu gia công 26 3.1.2.3 Các dụng cụ đo kiểm 27 3.2 Xây dựng hàm mục tiêu tối ưu hóa một số thông số công nghệ trong gia 28 công cắt dây tia lửa điện thép 9CrSi sau khi tôi. 3.2.1 Mô hình định tính quá trình cắt dây tia lửa điện. 28 3.2.2 Các thông số đầu vào của thí nghiệm 31 3.3 Ảnh hưởng của các thông số gia công đến nhám bề mặt và vận tốc cắt 32 khi cắt thẳng 3.4 Ảnh hưởng của các thông số gia công đến nhám bề mặt và vận tốc cắt 48 khi cắt cong CHƯƠNG IV 63 KẾT LUẬN CHUNG VÀ KHUYẾN NGHỊ. TÀI LIỆU THAM KHẢO 65 BÀI BÁO ĐÃ XUẤT BẢN 66 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN 5 http://lrc.tnu.edu.vn PHẦN MỞ ĐẦU I. TÍNH CẤP THIẾT CỦA ĐỀ TÀI - Gia công bằng cắt dây tia lửa điện (gọi tắt là gia công cắt dây) là một trong các phương pháp gia công tiên tiến được sử dụng khá rộng rãi. Trong gia công cắt dây, một dây cắt chuyển động liên tục như là một điện cực được sử dụng để cắt vật liệu dẫn điện. Gia công cắt dây được sử dụng rộng rãi để gia công chi tiết dạng lỗ thông như khuôn đùn, ép kim loại, các loại cối đột thép, cối đột định hình, cối dập viên định hình cho ngành dược vv… . Phương pháp này đặc biệt hiệu quả khi gia công các lỗ nhỏ và sâu, các lỗ, rãnh có thành rất mỏng trên vật liệu dẫn điện khó gia công như thép không rỉ, thép đã tôi cứng… Vì thế cho nên cho đến nay đã có khá nhiều các nghiên cứu trong và ngoài nước về lĩnh vực này. Có thể nêu một số nghiên cứu điển hình về tối ưu hóa trong gia công cắt dây như sau: Trong [1] đã trình bày những tiến bộ mới nhất mà công nghệ cắt dây đã đạt được. Dao động của dây cắt cũng đã được khảo sát trong [2, 3] nhằm nâng cao độ chính xác khi gia công. Trong [4] nghiên cứu các nguyên nhân gây đứt dây khi cắt và phương pháp điều khiển để hạn chế đứt dây. Trong [5] đưa ra kết quả nghiên cứu xác định các giá trị tối ưu của các tham số của quá trình cắt thép SKD11 như thời gian đóng và thời gian ngắt xung, tốc độ di chuyển bàn, lực căng dây. Trong gia công cắt dây, có rất nhiều các thông số công nghệ ảnh hưởng đến chất lượng bề mặt, năng suất gia công, độ chính xác gia công. Chất lượng bề mặt và năng suất gia công là hai yếu tố được quan tâm nhiều nhất. Do vậy, có khá nhiều nghiên cứu tập trung vào xác định thông số tối ưu để nâng cao chất lượng bề mặt và năng suất cắt [6, 7, 8, 9, 10], các nghiên cứu về tối ưu ở dạng đơn mục tiêu [8, 11], cũng có các về tối ưu ở dạng đa mục tiêu [6, 7, 9, 10] ]. Bên cạnh đó, các nghiên cứu cũng tập trung vào việc xác định chế độ cắt tối ưu cho các loại vật liệu khác nhau như chế độ tối ưu khi gia công hợp kim ti tan, vonfram… [11, 12]. Ở nước ta đến nay cũng đã có một số nghiên cứu về tối ưu hóa khi cắt dây tia lửa điện. Cụ thể, trong [13] đã khảo sát ảnh hưởng của thời gian đóng, ngắt xung và điện áp đánh lửa đến năng suất gia công và độ nhám bề mặt khi gia công thép 9CrSi. Trong [14] trình bày kết quả nghiên cứu ảnh hưởng của điện áp phóng điện và cường độ dòng điện đến năng suất gia công và độ nhám bề mặt gia công khi cắt dây vật liệu SKD61. Từ các phân tích trên, có thể nói cho đến nay đã có không ít nghiên cứu về gia công cắt dây tia lửa điện. Các nghiên cứu này đã đề cập đến nhiều vấn đề của quá trình cắt dây trong đó có xác định các thông số tối ưu của quá trình cắt dây nhằm nâng cao độ chính xác hoặc tăng năng suất cắt. Bài toán tối ưu hóa quá trình cắt dây cũng đã được nghiên cứu khi gia công nhiều loại vật liệu khác nhau. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN 6 http://lrc.tnu.edu.vn Trên thực tế sản xuất ở nước ta, có nhiều sản phẩm và sản phẩm chính xác cần sử dụng nguyên công cắt dây để chế tạo như các loại khuôn đùn, ép kim loại, khuôn cối đột, cắt kim loại, khuôn cối dập viên vv... Tại Doanh nghiệp tư nhân cơ khí chính xác Thái Hà đang gia công sản phẩm là chi tiết lỗ hình rãnh then vật liệu 9CrSi, chiều sâu 22mm nhưng chế độ cắt đang sử dụng là chưa tối ưu. Như đã phân tích ở trên, mặc dù đã có khá nhiều nghiên cứu về xác định các thông số tối ưu khi cắt dây nhưng vẫn chưa có nghiên cứu nào về xác định chế độ cắt tối ưu khi cắt dây tia lửa điện lỗ hình rãnh then thép 9CrSi. Chính vì vậy “Nghiên cứu xác định chế độ cắt tối ưu khi cắt dây tia lửa điện lỗ hình rãnh then thép 9CrSi đã qua tôi” là cấp thiết. II. MỤC ĐÍCH, ĐỐI TƯỢNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 2.1. Mục đích của đề tài - Nghiên cứu xác định ảnh hưởng của các thông số quá trình (Thời gian đóng xung Ton, thời gian ngắt xung Toff, điện áp phóng điện SV, điện áp đánh tia lửa điện VM, vận tốc dây WF, vận tốc cắt SPD) đến độ nhám bề mặt và năng suất gia công khi cắt dây vật liệu 9CrSi sau khi tôi. - Nghiên cứu xác định chế độ cắt tối ưu khi cắt dây tia lửa điện lỗ hình rãnh then thép 9CrSi đã qua tôi. 2.2. Đối tượng nghiên cứu Máy: Máy cắt dây Fanus Robotcut α-1iA (của Doanh nghiệp tư nhân Cơ khí Chính xác Thái Hà); Vật liệu gia công: thép 9CrSi sau khi tôi đạt độ cứng 5562HRC. Dây: Dây đồng có đường kính 0,25mm. 2.3. Phương pháp nghiên cứu Nghiên cứu lý thuyết kết hợp với thực nghiệm III. Ý NGHĨA CỦA ĐỀ TÀI 3.1. Ý nghĩa khoa học - Từ kết quả nghiên cứu thực nghiệm, đề tài sẽ đưa ra hàm toán học mô tả mối quan hệ giữa nhám bề mặt và năng suất cắt với các thông số của quá trình gia công với thời gian phóng điện Ton, thời gian ngắt xung Toff, điện áp phóng điện SV, điện áp đánh tia lửa điện VM, vận tốc dây WF, vận tốc cắt SPD khi gia công thép 9CrSi sau khi tôi. Từ đó đưa ra các tham số tối ưu khi gia công cũng như có thể làm cơ sở phục vụ cho các nghiên cứu khác. - Đề tài góp phần hiểu rõ hơn ảnh hưởng của các thông số quá trình đến năng suất và chất lượng gia công. Thêm vào đó, nó sẽ xác định các thông số tối ưu cho quá trình cắt dây lỗ hình then thép 9CrSi nói riêng. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN 7 http://lrc.tnu.edu.vn 3.2. Ý nghĩa thực tiễn Gia công tia lửa điện bằng cắt dây ngày càng được sử dụng rộng rãi ở nhiều nước trên thế giới. Vì vậy, đề tài này có ý nghĩa trong thực tiễn gia công các khuôn dập, khuôn ép, cối dập thuốc…. Áp dụng gia công sản phẩm tại Doanh nghiệp cơ khí Thái Hà. IV. NỘI DUNG ĐỀ TÀI Xuất phát từ đề tài nghiên cứu, ngoài phần mở đầu, kết luận chung và các phụ lục luận văn này trình bày nội dung như sau: Chương 1. Tổng quan về gia công tia lửa điện Nghiên cứu tổng quan về EDM. Chương 2. Máy cắt dây và các thông số điều chỉnh trong quá trình gia công - Nghiên cứu cơ sở lý thuyết về quá trình cắt và các hiện tượng xảy ra trong quá trình cắt. - Nghiên cứu sự ảnh hưởng của các yếu tố công nghệ đến quá trình cắt. Chương 3. Thực nghiệm nghiên cứu ảnh hưởng của một số thông số công nghệ đến độ nhám bề mặt và năng suất gia công trong gia công cắt dây tia lửa điện thép 9CrSi sau khi tôi - Thiết lập thí nghiệm. - Xây dựng hàm mục tiêu tối ưu hóa một số thông số công nghệ trong gia công cắt dây tia lửa điện thép 9CrSi sau khi tôi. - Nghiên cứu thực nghiệm xác định hàm toán học biểu diễn mối quan hệ giữa một số thông số công nghệ với nhám bề mặt và năng suất gia công khi gia công cắt dây thép 9CrSi sau khi tôi. - Tối ưu hóa hai mục tiêu xác định chế độ gia công đảm bảo năng suất và nhám bề mặt theo yêu cầu. Chương 4: Kết luận chung và khuyến nghị Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN 8 http://lrc.tnu.edu.vn CHƯƠNG I TỔNG QUAN VỀ GIA CÔNG TIA LỬA ĐIỆN 1.1. Giới thiệu Nguyên lý của gia công tia lửa điện được phát hiện ra bởi nhà nghiên cứu người Anh Toseph Priestley (1733-1809) vào năm 1770. Tuy nhiên, mãi đến năm 1943 của vợ chồng Lazarenko (người Nga) mới giới thiệu phương pháp gia công bằng tia lửa điện. Quá trình gia công bằng tia lửa điện (tiếng anh là Electrical Discharge Machining (viết tắt là EDM)) là quá trình bóc tách vật liệu nhờ các tia lửa điện phóng ra thông qua một quá trình điện nhiệt làm nóng chảy và bốc hơi kim loại. Tiếp đó, sự phát triển của công nghệ điều khiển CNC đã tạo ra những bước phát triển lớn trong gia công tia lửa điện và phương pháp này trở thành phương pháp gia công không truyền thống được ứng dụng nhiều nhất trong gia công cơ. Phương pháp gia công tia lửa điện có các đặc điểm chính sau: - Điện cực (hay dụng cụ cắt): Có độ cứng thấp hơn nhiều so với vật liệu phôi. Vật liệu điện cực thường là đồng, grafit… - Vật liệu phôi: phải là vật liệu dẫn điện; thường là vật liệu khó gia công như thép không gỉ, các loại thép khó gia công, thép đã tôi cứng, hợp kim cứng vv... - Trong gia công tia lửa điện phải sử dụng một chất lỏng điện môi làm môi trường gia công. Đây là dung dịch không dẫn điện ở điều kiện làm việc bình thường. Phạm vi sử dụng: Phương pháp gia công tia lửa điện thường dùng để tạo được các mặt trụ, mặt côn có biên dạng định hình, phức tạp; để gia công các mặt đòi hỏi độ chính xác cao như biên dạng cam, biên dạng răng thân khai, răng cycloid… Phương pháp này đặc biệt hiệu quả khi gia công các lỗ nhỏ và sâu, các lỗ, rãnh có thành rất mỏng với độ bóng tương đối cao (Ra = 1,6 ÷ 0,8 μm) và độ chính xác cao thông thường khoảng ±0.013mm. 1.2. Hệ thống gia công tia lửa điện Hình 1.1 [13] biểu diễn sơ đồ hệ thống gia công tia lửa điện. Hệ thống này gồm có bộ tạo xung, cơ cấu điều khiển chạy dao servo, điện cực và dung dịch điện môi. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN 9 http://lrc.tnu.edu.vn 1.2.1. Bộ tạo xung Bộ tạo xung nhằm tạo xung điện một chiều đóng ngắt theo thời gian nhất định với điện áp và cường độ dòng điện xác định. Bộ tạo xung có các kiểu RC, RLC và kiểu CC trong đó kiểu RC (mạch điện trở - tụ điện) (Hình 1.2) là được sử dụng phổ biến nhất [14]. 1.2.2. Cơ cấu servo Cơ cấu servo nhằm đảm bảo khoảng cách nhất định giữa hai điện cực để duy trì sự phóng điện. Thông thường khoảng cách này từ 0,01 đến 0,02 mm [14]. Việc điều khiển chuyển động của điện cực được thực hiện bởi mạch điều khiển tự động. Các mạch này có thể là mạch điều khiển cuộn dây hình ống hoặc kiểu điện động [14]. Hình 2.1. Sơ đồ hệ thống gia công xung điện [13] Hình 2.2: Mạch tạo xung RC [14] 1.2.3. Điện cực Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN 10 http://lrc.tnu.edu.vn Điện cực trong gia công xung điện có thể sử dụng các loại vật liệu sau: Graphite, đồng đỏ, đồng graphite, đồng vonfram, đồng thau, thép, vonfram vv… [14]. Trong đó graphite và đồng đỏ là 2 loại vật liệu được dùng phổ biến nhất. Điện cực làm bằng graphite chịu mòn tốt và dễ gia công. Tuy nhiên, vật liệu này rất giòn và có bụi bẩn khi gia công nên cần chú ý hút bụi khi chế tạo điện cực. Đồng đỏ có độ dẫn điện và độ chịu mòn tốt. Thêm vào đó vật liệu này có giá thành rẻ. Tuy nhiên, gia công vật liệu này không dễ như gia công graphite hay đồng thau. Trong gia công xung điện mòn của điện cực được đánh giá qua mòn góc, mòn mặt bên, mòn mặt đầu và mòn thể tích [15]. Điện cực được coi là mòn không đáng kể khi tỉ số mòn của điện cực/chi tiết gia công nhỏ hơn 1%. Do các điện cực thường mòn ở các góc trước nên mòn góc thường dùng để đánh giá tuổi bền của điện cực. Các điện cực trong gia công xung điện có thể được chế tạo bằng nhiều phương pháp khác nhau như: phương pháp cắt gọt truyền thống (phay, tiện, mài…), phương pháp cắt dây tia lửa điện, phương pháp đùn, ép, phương pháp thiêu kết… Việc lựa chọn phương pháp gia công điện cực tùy thuộc vào vật liệu điện cực, cấu tạo và kích thước của điện cực cũng như điều kiện trang thiết bị của cơ sở sản xuất. Hình 1.3: Các dạng mòn trong gia công tia lửa điện [15] 1.2.4. Dung dịch điện môi Trong gia công xung điện dung dịch điện môi làm nhiệm vụ là môi trường cách ly giữa điện cực và chi tiết gia công và để hình thành kênh phóng điện. Thêm vào đó, nó còn làm nhiệm vụ dẫn nhiệt, làm mát điện cực và chi tiết. Ngoài ra, nó còn phải làm nhiệm vụ thoát phoi sinh ra trong quá trình gia công. Để thực hiện các chức năng nêu trên, dung dịch điện môi cần đáp ứng các yêu cầu sau [15]: - Có độ bền cách điện cao; - Dẫn nhiệt tốt; Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN 11 http://lrc.tnu.edu.vn - Ít bị bay hơi, bị phân hủy do nhiệt; - Có khả năng phục hồi nhanh sau khi bị các tia lửa điện đánh thủng; - Dễ điền đầy các khe hở, các hốc cạnh; - Giá thành rẻ. Có nhiều loại dung dịch điện môi khác nhau như dầu hỏa, Kerosene, dầu silicone và dung dịch điện môi trên cơ sở nước. Trong các loại này thì dầu hỏa được sử dụng phổ biến nhất vì nó cách điện tốt, độ nhớt nhỏ và dễ điền đầy các khe hỏ gia công. Hình 1. 4: Các kiểu lưu thông chất điện môi [15] Trong gia công dung điện cần quan tâm đến việc lưu thông chất điện môi vì nó ảnh hưởng lớn đến chất lượng và năng suất của quá trình gia công. Việc thiết kế lưu thông chất điện môi cần theo các nguyên tắc sau [15]: - Nên lưu thông qua lòng điện cực; - Lưu thông qua nhiều lỗ nhỏ tốt hơn qua một lỗ lớn; - Nên tạo dòng chảy chất điện môi ổn định và bao trùm cả điện cực và chi tiết gia công; - Nên có lỗ thông cho các hàm ếch. Hình 1.4 trình bày một số phương pháp lưu thông chất điện môi. 1.3. Bản chất của quá trình gia công xung điện Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN 12 http://lrc.tnu.edu.vn Bản chất của phương pháp gia công xung điện là sự bóc tách vật liệu ra khỏi bề mặt phôi nhờ tia lửa điện. Sơ đồ nguyên lý gia công bằng tia lửa điện được thể hiện trên hình 1.1. Quá trình bóc tách vật liệu cụ thể như sau: Một điện áp được đặt vào giữa điện cực và phôi mà giữa chúng được điền đầy chất lỏng cách điện (gọi là chất điện môi). Khi cho hai điện cực tiến sát vào nhau đến một khoảng cách nào đó thì giữa chúng sẽ xảy ra hiện tượng phóng ra tia lửa điện. Do có tia lửa điện nên tạo ra nhiệt độ cực lớn làm nóng chảy và bốc hơi vật liệu gia công – tạo ra sự bóc tách vật liệu (Hình 1.5). Năng lượng một chiều đặt vào mạch xung với điện áp từ 30 đến 250 V và tần số 50 đến 500 KHz tạo ra giữa 2 điện cực 1 xung vuông (Hình 1.6). Khi sử dụng bộ tạo xung RC, các xung điện sẽ làm nhiệm vụ bóc tách vật liệu (Hình 1.7) [15]. Do tác dụng của các xung áp (Hình 1.7) nên gây nên hiện tượng ngắt dòng trong chất điện phân trong 1 kênh có bán kính 10 µm. Hiện tượng ngắt dòng tăng do các electron gia tốc về điện cực dương. Các electron này va chạm với các nguyên tử nơtron của chất điện môi và tạo nên các ion dương và electron và chúng sẽ gia tốc về phía anot và catot. Hình 1.5: Cơ chế bóc tách vật liệu [14] Hình 1.6: Chuỗi xung điển hình trong gia công xung điện [16] Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN 13 http://lrc.tnu.edu.vn Hình 1.7: Sự thay đổi điện áp theo thời gian khi sử dụng bộ tạo xung RC [14] Do các electron và các ion dương tiến về phía anot và catot nên làm động năng của chúng biến thành nhiệt năng. Nhiệt độ này lên tới 8000 đến 10000 độ C làm tỏa ra nhiệt lượng 1017 W/m2 làm các điện cực bay hơi. Sự bay hơi của điện cực làm áp suất kênh plasma tăng nhanh lên khoảng 200 atmotphe [14]. Vào cuối chu kỳ xung, áp xuất giảm đột ngột làm kim loại bị nung nóng bay hơi khốc liệt và dẫn đến kim loại được bóc tách khỏi điện cực. Nhờ chất điện môi được cung cấp liên tục vào mà phoi được lấy đi và bề mặt gia công được làm mát. Thêm vào đó, một chút kim loại nóng chảy do không được cuốn đi nên đã tạo ra một lớp đúc lại trên bề mặt (Hình 1.5). Chu kỳ phóng tia lửa điện để bóc tách vật liệu được đặc trưng các đại lượng điện như sau (Hình 1.8): - Thời gian trễ Tđ: Là khoảng thời gian giữa lúc đóng điện máy phát đến lúc xảy ra phóng tia lửa điện, là thời gian cho phép chất điện môi ion hóa và hình thành kênh phóng điện. - Thời gian phóng điện Te: Là khoảng thời gian từ lúc bắt đầu phóng tia lửa điện và lúc ngắt điện (từ một vài đến vài trăm s) phụ thuộc pha II làm kim loại nóng chảy. - Độ kéo dài xung Ton: 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 Tđ và thời gian phóng tia lửa điện Te. 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 thước gia công yêu cầu. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN 14 http://lrc.tnu.edu.vn Hình 1.8. Đồ thị điện áp và dòng điện trong một xung phóng điện. - Khoảng cách xung Toff: Là khoảng thời gian giữa hai lần đóng ngắt của máy phát giữa hai chu kỳ xung liên tiếp nhau, to còn được 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 được 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 td so với thời điểm bắt đầu có điện áp máy phát VM. SV và Ie là các giá trị trung bình của điện áp và dòng điện khi phóng tia lửa điện. Trong đó: Te: Thời gian kéo dài xung hay còn gọi là độ kéo dài xung. Tđ: Thời gian trễ đánh lửa. Ton: Độ kéo dài xung của máy phát xung. Toff: khoảng cách xung. Tp: Chu kỳ xung. VM: Điện máy phát mở. SV: Điện áp phóng tia lửa điện. Ie: Dòng phóng tia lửa điện. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN 15 http://lrc.tnu.edu.vn 1.4. Kết luận chương 1 - Bản chất của quá trình gia công tia lửa điện là quá trình điện – nhiệt tạo ra sự nóng chảy và làm bốc hơi kim loại. - Phương pháp gia công xung điện cho phép gia công các vật liệu dẫn điện khó gia công, các loại thép đã tôi cứng… Nó hay sử dụng để gia công các chi tiết như khuôn mẫu, các chi tiết có thành mỏng, các chi tiết có profin phức tạp… - Gia công xung điện được sử dụng ngày càng rộng rãi do sự phát triển của kỹ thuật điều khiển CNC; - Các thông số công nghệ cơ bản của quá trình gia công xung điện gồm điện áp phóng điện, cường độ dòng điện, thời gian đóng và ngắt xung, điện cực, chất điện môi… Các thông số này có ảnh hưởng lớn đến năng suất và chất lượng quá trình xung. Vì vậy cần tiến hành nghiên cứu tìm ra ảnh hưởng của các yếu tố đó cũng như xác định chế độ xung tối ưu khi gia công các loại vật liệu khác nhau nhằm nâng cao năng suất và chất lượng của quá trình xung. Cụ thể áp dụng gia công chi tiết lỗ thủng hình rãnh then thép 9CrSi đã qua tôi. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN 16 http://lrc.tnu.edu.vn CHƯƠNG 2 MÁY CẮT DÂY VÀ CÁC THÔNG SỐ CƠ BẢN CỦA QÚA TRÌNH GIA CÔNG 2.1. Giới thiệu về máy cắt dây tia lửa điện Máy cắt dây tia lửa điện (Wire EDM machine) là một thiết bị gia công tia lửa điện hoạt động bằng cách sử dụng điện cực là một dây mảnh có đường kính từ 0,1mm đến 0,3mm chạy liên tục theo một quỹ đạo cho trước được lập trình sẵn. Sơ đồ máy cắt dây tia lửa điện có dạng như sau [13]: Hình 2.1. Sơ đồ máy cắt dây tia lửa điện [13] Trong đó các cụm thiết bị chính là: 1- Thân máy 7- Bàn công tác 2- Phần thân máy 8- Dẫn hướng bàn công tác 3- Bộ phận tạo góc nghiêng cắt 9- Thùng chứa chất điện môi 4- Dẫn hướng dây trên 10- Bệ máy 5- Lô quấn dây 11- Bảng điện 6- Bể làm việc 12- Tủ điều khiển Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN 17 http://lrc.tnu.edu.vn Phương pháp gia công cắt dây tia lửa điện hay dùng để gia công các sản phẩm như các điện cực dùng cho gia công xung định hình, các rãnh hẹp, gấp khúc, các chi tiết lỗ dạng lưới phức tạp, các loại bánh răng, dưỡng kiểm, lỗ cối định hình vv… (Hình 2.2). Phương pháp này đặc biệt hiệu quả khi gia công các loại vật liệu khó gia công, thép đã tôi vv… Hình 2.2: Các dạng chi tiết gia công bằng cắt dây [15] 2.2. Ưu nhược điểm của phương pháp gia công cắt dây tia lửa điện Phương pháp cắt dây tia lửa điện có ưu điểm sau: - Độ chính xác gia công cao (có thể tới 1μm); - Kết cấu máy đơn giản; - Có khả năng tự động hóa quá trình gia công, đơn giản, dễ vận hành. Tuy nhiên, phương pháp này có các nhược điểm: - Khi gia công có chiều dày lớn (>100mm) sẽ rất khó khăn do việc cung cấp chất điện môi khó; - Chi phí điện cực (dây cắt) khá cao; - Độ bền của dây điện cực không cao do dây có kích thước nhỏ (từ 0,1 ÷ 0,3mm). Vì thế cho nên khi cắt chi tiết chiều dầy lớn dây điện cực sẽ bị uốn cong làm ảnh hưởng tới độ chính xác gia công và dễ bị đứt dây nên giảm năng suất gia công. 2.3. Độ chính xác khi gia công tia lửa điện Độ chính xác của phương pháp cắt dây tia lửa điện từ ±(0,002÷0,003)mm. Có nhiều thông số có thể ảnh hưởng đến độ chính xác này như độ chính xác của máy, độ chính xác của thiết bị đo, độ cứng vững của hệ thống công nghệ, của bàn kẹp, ảnh hưởng do rung động của dây cắt vv… Ngoài ra, độ chính xác gia công còn bị ảnh hưởng bởi độ chính xác của dây cắt, dung dịch điện môi (bị bẩn) … Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN 18 http://lrc.tnu.edu.vn 2.4. Dây cắt và vật liệu làm dây 2.4.1. Yêu cầu của vật liệu làm dây cắt Nói chung, mọi vật liệu dẫn điện và dẫn nhiệt tốt đều có thể làm dây cắt (điện cực) trong gia công tia lửa điện. Tuy nhiên, để quá trình cắt hiệu quả thì vật liệu làm dây cắt cần phải thỏa mãn các yêu cầu sau: - Có tính dẫn điện và dẫn nhiệt tốt. Yêu cầu dẫn điện tốt để có thể tạo ra điện cực phục vụ cho việc phóng điện tạo vết cắt trên chi tiết gia công. Yêu cầu dẫn nhiệt tốt để có khả năng tản nhiệt nhanh, tránh gây ra các sai số trong quá trình gia công. - Có các tính chất vật lý tốt như độ dẫn nhiệt, khả năng nhận nhiệt, có điểm nóng chảy và điểm sôi cao. - Có độ bền mòn cao, tức là độ bền vững trong gia công tia lửa điện phải cao. - Có độ bền cơ học tốt, tức là phải có độ bền vững về hình dáng hình học khi gia công tia lửa điện. Phải có ứng suất riêng nhỏ, hệ số dãn nở nhiệt nhỏ, độ bền kéo lớn. - Vật liệu điện cực giá phải rẻ và có tính chất gia công cao, dễ chế tạo. 2.4.2. Các loại dây điện cực Đặc tính của dây điện cực bao gồm: - Đường kính dây: Thường dòng loại dây có đường kính d = 0,1 ÷ 0,3mm. - Vật liệu dây: Tùy thuộc vào vật liệu gia công mà người ta có thể chọn vật liệu dây cho phù hợp. Thường vật liệu dây là đồng, đồng thanh, molpđen, Volfram, và các loại dây có lớp phủ. Các loại dây có lớp phủ thường có độ bền kéo căng cơ học cao và độ thoát nhiệt cao. Ví dụ dây HSW-25X bao gồm lõi bằng đồng thau (CuZn30) được phủ một lớp oxít kẽm nên có độ bền kéo từ 750 ÷ 790N/mm2 và khả năng thoát nhiệt tốt. Đặc biệt khi gia công các chi tiết có chiều dày lớn thì đòi hỏi độ căng dây phải lớn để giảm sai số hình học do độ trùng dây gây ra. Vì vậy, cần phải nghiên cứu và ứng dụng các loại dây cho thích hợp với điều kiện sản xuất và bảo đảm các điều kiện kinh tế. 2.5. Sự thoát phoi trong gia công cắt dây tia lửa điện Trong quá trình gia công sự thoát phoi là rất cần thiết với mục đích làm tăng khả năng cách điện của chất điện môi, làm nguội điện cực và chi tiết gia công. Các kỹ thuật thoát phoi trong gia công cắt dây tia lửa điện gồm có: Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN 19 http://lrc.tnu.edu.vn - Thổi chiều trục dưới áp lực (dòng chảy chiều trục): Chất điện môi được đưa vào khe hở phóng điện với áp lực cao (từ 15 ÷ 20 bar) qua một bộ dẫn. Ở đây đòi hỏi phải có tiếp xúc tốt giữa bộ dẫn dây và phôi để có được áp lực cao trong khe hở. - Dòng chảy tuần hoàn tự nhiên: sử dụng trong trường hợp phôi được nhấn chìm trong chất điện môi. Hình 2.3. Các trường hợp khó gia công đối với dòng chảy đồng trục - Trong trường hợp chiều cao phôi lớn thì dòng chảy đồng trục dưới áp lực cao được sử dụng cho gia công thô, còn dòng chảy phía bên, dưới áp lực được dùng cho gia công tinh. Khi phôi lớn, đòi hỏi cụm điện môi đảm bảo độ chính xác và giá thành vừa phải. Một hệ thống phun được sử dụng để duy trì nhiệt độ thùng phôi là hằng số. - Đối với dòng chảy đồng trục dưới áp lực, các điều kiện không luôn luôn là tối ưu. Nếu chiều cao thay đổi thường xuyên hoặc độ nghiêng của dây lớn thì không thể sử dụng áp lực cao. Hình 2.3 thể hiện một vài trường hợp khó khăn trong việc sử dụng dòng áp lực cao đồng trục. 2.6. Độ nhám bề mặt gia công Trong gia công cắt dây tia lửa điện khi xét mặt cắt vuông góc với dây điện cực tại mặt phẳng cắt ta có thể dễ dàng nhận thấy có 2 kiểu khe hở phóng điện tồn tại đồng thời như sau (Hình 2.4): - Khe hở phóng điện mặt trước gf - là khoảng cách giữa dây và phôi được đo theo hướng tiến dây; - Khe hở phóng điện mặt bên gls - là khoảng cách giữa dây và phôi được đo theo chiều vuông góc với hướng tiến dây. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN 20 http://lrc.tnu.edu.vn