BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC NHA TRANG

VŨ NGỌC CHIÊN

TỐI ƯU HÓA ĐA MỤC TIÊU CÁC THÔNG SỐ
CHẾ ĐỘ GIA CÔNG EDM ĐIỆN CỰC ĐỊNH HÌNH

LUẬN VĂN THẠC SĨ

KHÁNH HÒA - 2017


LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan mọi kết quả của đề tài: “Tối ưu hóa đa mục tiêu các thông
số chế độ gia công EDM điện cực định hình” là công trình nghiên cứu của cá nhân
tôi và chưa từng được công bố trong bất cứ công trình khoa học nào khác cho tới thời
điểm này.
Khánh Hòa, ngày 05 tháng 1 năm 2017
Tác giả luận văn

Vũ Ngọc Chiên

iii


LỜI CẢM ƠN
Trong suốt thời gian thực hiện đề tài, tôi đã nhận được sự giúp đỡ của quý
phòng ban, khoa trường Đại học Nha Trang, khoa Sau đại học, khoa Cơ khí, Trung
tâm Thí nghiệm – Thực hành đã tạo điều kiện tốt nhất cho tôi được hoàn thành đề tài.
Đặc biệt là sự hướng dẫn tận tình của TS. Đặng Xuân Phương đã giúp tôi hoàn thành

tốt đề tài. Qua đây, tôi xin gửi lời cảm ơn sâu sắc đến sự giúp đỡ này
Cuối cùng tôi muốn bày tỏ lòng cảm ơn với gia đình, các thầy cô giáo, đồng
nghiệp và các học viên đã ủng hộ và giúp đỡ tôi trong suốt quá trình học tập, nghiên
cứu và thực hiện đề tài.
Tác giả

Vũ Ngọc Chiên

iv


MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN.......................................................................................................... iii
LỜI CẢM ƠN.................................................................................................................iv
MỤC LỤC .......................................................................................................................v
DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT .................................................................................... vii
DANH MỤC BẢNG BIỂU......................................................................................... viii
DANH MỤC HÌNH ẢNH..............................................................................................ix
TRÍCH YẾU LUẬN VĂN .............................................................................................xi
PHẦN MỞ ĐẦU .............................................................................................................1
1. Lý do chọn đề tài: ....................................................................................................1
2. Mục tiêu nghiên cứu và đối tượng nghiên cứu:.......................................................2
3. Phạm vi nghiên cứu .................................................................................................3
4. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài:................................................................3
CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ GIA CÔNG TIA LỬA ĐIỆN......................................4
1.1 Tổng quan về gia công tia lửa điện: ......................................................................4
1.1.1 Đặc điểm của phương pháp gia công tia lửa điện: .........................................4
1.1.2 Các phương pháp gia công tia lửa điện: .........................................................4
1.2 Cơ sở của phương pháp gia công tia lửa điện: [20] ..............................................6
1.2.1 Bản chất vật lý ................................................................................................6

1.2.2 Cơ chế bóc tách vật liệu: ..............................................................................10
1.2.3 Lượng hớt vật liệu khi gia công tia lửa điện: ...............................................11
1.2.4 Chất lượng bề mặt ........................................................................................12
1.2.5 Độ chính xác tạo hình khi gia công tia lửa điện:..........................................14
1.2.6 Các yếu tố không điều chỉnh được ...............................................................15
1.2.7 Chất điện môi trong gia công tia lửa điện: ...................................................15
1.2.8 Điện cực và vật liệu điện cực: ......................................................................18
1.2.9 Các thông số công nghệ cơ bản ảnh hưởng tới quá trình gia công: .............19
CHƯƠNG 2 PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU............................................................21
2.1 Phương pháp nghiên cứu:....................................................................................21
2.2 Thiết kế thí nghiệm..............................................................................................21
2.2.1 Các giả thiết của thí nghiệm: ........................................................................22
2.3 Nhóm thí nghiệm .................................................................................................27
v


2.3.1 Mô hình định tính quá trình gia công EDM điện cực định hình: ................27
2.3.2 Các thông số đầu vào của thí nghiệm:..........................................................27
2.3.3 Các thông số đầu ra của thí nghiệm: ............................................................28
2.4 Quy hoạch thực nghiệm.......................................................................................28
2.5 Tiến hành thí nghiệm...........................................................................................29
2.5.1 Chuẩn bị thí nghiệm và tiến hành thí nghiệm: .............................................29
2.5.2 Đo, kiểm tra và tính toán các thông số công nghệ đầu ra: ...........................32
KẾT QUẢ VÀ BÀN LUẬN .........................................................................................34
3.1 Kết quả thí nghiệm: .............................................................................................34
3.2 Xây dựng phương trình hồi quy cho các thông số đầu ra: ..................................35
3.3 Giải bài toán tối ưu: .............................................................................................41
CHƯƠNG 4 KẾT LUẬN VÀ ĐỀ XUẤT.....................................................................44
4.1 Kết luận: ..............................................................................................................44
4.2 Đề xuất: ...............................................................................................................44

TÀI LIỆU THAM KHẢO .............................................................................................46

vi


DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT
EDM

Electrical Discharge Machining

DOE

Design of Experiments (Thiết kế thí nghiệm)

CNC

Computer Numerical Control

SR

Ssurface roughness ( Độ nhám bề mặt)

MRR

Material removal rate (Năng suất bóc tách vật liệu)

EWR

Electrode wear rate (Độ mòn điện cực


RSM

Response Surface Methodology

NSGA

Nondominated Sorting Genetic Algorithm

vii


DANH MỤC BẢNG BIỂU
Bảng 2.1: Các thông số của máy TOPEDM CNC430/X600. .................................. 22
Bảng 2.2 Ma trận thực nghiệm với 27 thí nghiệm được thiết kế trên Isight 5.8 ...... 29
Bảng 3.1 Kết quả 27 thí nghiệm thực hiện trên máy TOPEDM .............................. 34

viii


DANH MỤC HÌNH ẢNH
Hình 1.1: Sơ đồ nguyên lý gia công tia lửa điện .............................................................6
Hình 1.2 Pha đánh lửa .....................................................................................................7
Hình 1.3: Sự hình thành kênh phóng điện .......................................................................7
Hình 1.4: Sự hình thành và bốc hơi vật liệu....................................................................8
Hình 1.5: Đồ thị điện áp và dòng điện trong một xung phóng điện................................9
Hình 1.6 - Các thông số ảnh hưởng đến năng suất khi gia công EDM .........................12
Hình 1.7 Vùng ảnh hưởng nhiệt của bề mặt phôi..........................................................13
Hình 2.1 Sơ đồ thể hiện quy trình nghiên cứu...............................................................21
Hình 2.2 : Máy EDM điện cực định hình TOPEDM CNC430/X600 ...........................23
Hình 2.3 Cân điện tử PIONEER của hãng OHAUS .....................................................24

Hình 2.4: Điện cực đồng được gia công trên máy tiện và máy phay CNC VMC 2216.......... 30
Hình 2.5: Phôi thép P20 được gia công trên máy phay vạn năng UM15B và máy
mài FULL MARK 3060 tại Xưởng cơ khí. ...................................................................30
Hình 2.6 :Máy mài từ FULL MARK 3060 và máy phay vạn năng UM15B ................30
Hình 2.7 Thí nghiệm được tiến hành trên máy TOPEDM CNC430/X600...................31
Hình 2.8 Màn hình nhập thông số chế độ gia công và màn hình gia công thí
nghiệm trên máy TOPEDM CNC430/X600. ................................................................31
Hình 2.9: Phôi được gia công 27 thí nghiệm khi hoàn thành........................................32
Hình 2.10: Đo độ nhám bề mặt bằng máy SJ201 – MITUTOYO ................................32
Hình 2.11: Đo độ mòn điện cực bằng cân PIONEER của hãng OHAUS ....................33
Hình 3.1 Kiểm tra sự phù hợp của mô hình thông qua hệ số xác định R2 khi sử
dụng mô hình mặt đáp ứng (RSM) với MMR và SR ....................................................36
Hình 3.2: Kiểm tra sự phù hợp của mô hình Kriging thông qua hệ số xác định R2
của thông số tỉ lệ mòn điện cực EWM ..........................................................................36
Hình 3.3: Đồ thị dạng 2D dạng mặt đáp ứng của các thông số đầu ra ứng...................37
với các biến số có ảnh hưởng quan trọng. .....................................................................37
Hình 3.4: Đồ thị 3D dạng mặt đáp ứng của các thông số đầu ra ứng............................38
với các biến số có ảnh hưởng quan trọng. .....................................................................38
Hình 3.5 Hệ số ảnh hưởng toàn cục của các thông số...................................................39
công nghệ đầu vào đến MRR, SR và EWR...................................................................39
ix


Hình 3.6 Bề mặt gia công trên máy EDM có lớp muội carbon.....................................40
chưa thoát hết khi gia công với dòng điện cao. .............................................................40
Hình 3.7 Minh họa lịch sử lặp lại tìm kiếm giá trị tối ưu..............................................42
Hình 3.8. Biểu đồ Pareto thể hiện mật độ phân tán của EWR và MRR so với giá
trị biên (mục tiêu) khi SR ≤ 17 (hình a) và SR ≥ 12 (hình b).......................................43
Hình 3.9 . Mối quan hệ về sự biến thiên giữa SR và MRR trên 1 đơn vị mòn điện cực ......... 43


x


TRÍCH YẾU LUẬN VĂN
Nghiên cứu này xác định sự ảnh hưởng các thông số công nghệ như cường độ
dòng điện, điện áp đánh lửa, thời gian mở và tắt xung điện đến các thông số đầu ra bao
gồm năng suất bóc tách vật liệu, độ nhám bề mặt gia công và độ mòn điện cực trong
gia công EDM. Nghiên cứu được tiến hành bằng thực nghiệm trên vật liệu nghiên cứu
là thép làm khuôn P20 với điện cực bằng đồng đỏ trên máy TOPEDM CNC 430/X600.
Phương pháp Response Surface Methodology và mô hình Kriging được sử dụng để
xây dựng mối quan hệ phi tuyến giữa các tham số gia công và các thông số đầu ra. Để
giải bài toán tối ưu đa mục tiêu, tác giả sử dụng thuật toán di truyền GA nhằm thu
được giá trị tối ưu toàn cục. Kết quả nghiên cứu cho thấy năng suất bóc kim loại và độ
nhám bề mặt gia tăng lên rất nhiều khi tăng cường độ dòng điện. Tuy nhiên, độ mòn
điện cực có mối quan hệ phức tạp với cường độ dòng điện. Tỉ lệ mòn điện cực có giá
trị bé nhất khi cường độ dòng điện ở mức trung bình. Nghiên cứu này giúp cho người
gia công có thể xác định được chế độ gia công hợp lý ứng với kỳ vọng về năng suất,
độ nhám bề mặt hoặc độ mòn điện cực cho phép. Ngoài ra, dự đoán được độ mòn điện
cực có thể ứng dụng để chủ động bù trừ được sai số gia công do hiện tượng mòn điện
cực dụng cụ.
Từ khóa: Gia công tia lửa điện (EDM), tối ưu hóa, quy hoạch thực nghiệm,
thép P20

xi


PHẦN MỞ ĐẦU
1. Lý do chọn đề tài:
Gia công tia lửa điện (Electric Discharge Machining - EDM) là một phương
pháp gia công phi truyền thống thông dụng trong đó quá trình bóc tách kim loại được

thực hiện nhờ sự phóng điện và ăn mòn giữa điện cực dụng cụ và điện cực chi tiết cần
gia công trong môi trường chất điện môi (Dielectric fluid). EDM thường được ứng
dụng để gia công các vật liệu cứng khó cắt gọt, gia công khuôn mẫu, chế tạo một số
chi tiết trong công nghiệp ô-tô và hàng không. Một trong những nhược điểm của gia
công EDM là năng suất bóc kim loại (Material removal rate - MRR) khá thấp và độ
nhám bề mặt lớn. Tăng cường độ dòng điện đánh lửa có thể cải thiện MRR nhưng
càng làm tăng độ nhám bề mặt (Surface roughness - SR) và tỉ lệ mòn điện cực
(Electrode wear - EWR). Do vậy nghiên cứu về ảnh hưởng của các thông số công nghệ
gia công đến MRR, SR và EWR được một số tác giả thực hiện với nhiều đối tượng vật
liệu như thép carbon dụng cụ hoặc thép carbon cao [1,2], siêu hợp kim nickelchromium [3], thép carbon trung bình [4, 5], thép không gỉ [6] và nhiều vật liệu hợp
kim khác [7, 8].
Trong công nghệ khuôn mẫu, thép P20 (tiêu chuẩn AISI) hoặc 2311 (theo tiêu
chuẩn DIN) thường được sử dụng để chế tạo khuôn nhựa cao cấp hoặc khuôn đúc áp
lực do tính năng gia công cơ và EDM tốt, dễ đánh bóng, độ cứng và độ thấm tôi lớn.
Tuy nhiên chưa có nhiều các nghiên cứu về đặc điểm gia công EDM của loại vật liệu
này. Joshi và Pande [9] nghiên cứu mô hình hóa và tối ưu hóa gia công EDM bằng
phương pháp phần tử hữu hạn (FEM) trong đó lấy ví dụ là vật liệu P20. Tuy nhiên,
phương pháp FEM luôn tồn tại sai số mô hình hóa, sai số xấp xỉ, sai số tính toán và
không thể hiện được các yếu tố ngẫu nhiên. Dewangan và các cộng sự [10] nghiên cứu
tính chất bề mặt (bao gồm lớp biến trắng, nứt tế vi bề mặt và độ nhám) trong quá trình
gia công EDM thép P20 bằng thực nghiệm. Do vậy, phát triển nghiên cứu sự ảnh
hưởng của các thông số công nghệ gia công như cường độ dòng điện, điện áp đánh
lửa, thời gian tồn tại của xung điện đến nhiều thông số kết quả gia công như năng suất
bóc tách kim loại, độ nhám bề mặt và độ mòn điện cực một cách khoa học và có hệ
thống là cần thiết.
Nghiên cứu ảnh hưởng của các thông số công nghệ đến quá trình gia công của
bất kỳ phương pháp gia công nào cũng đi đến mục đích là kiểm soát và tối ưu quá
1



trình công nghệ gia công. Tuy nhiên, đa số các nghiên cứu được đề cập ở trên chỉ dừng
lại ở việc xây dựng các hàm hồi quy biểu diễn mối quan hệ giữa các thông số công
nghệ và các thông số kết quả gia công [11, 12], hoặc chỉ tối ưu đơn mục tiêu, tối thiểu
độ nhám bề mặt [13]. Một số nghiên cứu khác giải bài toán tối ưu đa mục tiêu theo tổ
hợp hai trong ba thông số kết quả gia công phổ biến là MRR và SR, hoặc MRR và
EWR [14-16]. Tuy nhiên nếu bỏ qua độ nhám bề mặt hoặc tỉ lệ mòn điện cực trong
quá trình tối ưu sẽ không đánh giá được hết các yếu tố chất lượng quan trọng của gia
công EDM. Một vài tác giả khác tối ưu hóa cả ba mục tiêu là max MRR, min SR và
min EWR một cách đồng thời [8, 17]. Tối ưu hóa đa mục tiêu cùng một lúc là không
thực tế vì các thông số đầu ra này xung đột lẫn nhau. Hơn nữa, phương pháp luận về
tối ưu hóa đa mục tiêu trong các nghiên cứu nói trên chưa được rõ ràng.
Tình hình nghiên cứu trong nước những năm gần đây, có một số nghiên cứu về
gia công tia lửa điện nhưng chủ yếu là gia công cắt dây EDM [24], hoặc đề tài thiết kế
chế tạo máy gia công tia lửa điện loại nhỏ [27]. Chưa có đề tài nào nghiên cứu về tối
ưu hóa các thông số của phương pháp gia công EDM điện cực định hình. Điều này là
rất cần thiết trong phương pháp gia công EDM điện cực định hình. Vì vậy đề tài “Tối
ưu hóa đa mục tiêu các thông số chế độ gia công EDM điện cực định hình” được tôi
lựa chọn.
2. Mục tiêu nghiên cứu và đối tượng nghiên cứu:
Mục tiêu nghiên cứu:
- Xác định mối quan hệ của các thông số công nghệ cơ bản như dòng điện
(D), điện áp (V), thời gian mở xung T_on, thời gian tắt xung (T_off) với độ mòn điện
cực, năng suất bóc tách vật liệu, và độ nhám bề mặt khi gia công tia lửa điện điện cực
định hình với vật liệu là thép làm khuôn P20.
- Tối ưu hóa các thông số công nghệ đầu ra được đặt ra khi gia công thô, gia
công bán tinh hay gia công tinh.
Đối tượng nghiên cứu:
- Mối quan hệ giữa các thông số chế độ gia công đầu vào như dòng điện (D),
điện áp (V), thời gian mở xung T_on, thời gian tắt xung (T_off) tới các thông số gia
công đầu ra như độ mòn điện cực, năng suất bóc tách vật liệu, và độ nhám bề mặt .

Đối tượng khảo sát: Vật liệu gia công là thép làm khuôn P20.

2


3. Phạm vi nghiên cứu
Nghiên cứu được tiến hành trong phạm vi điều kiện thiết bị tại trường Đại học
Nha Trang.
- Máy thực nghiệm: Máy EDM điện cực định hình TOPEDM CNC430/X600
(75Amp) tại phòng máy CNC.
- Điện cực gia công được làm bằng vật liệu đồng đỏ có đường kính ø 12mm.
- Vật liệu gia công là thép làm khuôn thông dụng P20.
4. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài:
Ý nghĩa khoa học:
- Bằng cách nghiên cứu cơ sở lý thuyết kết hợp thực tiễn, luận văn đã đưa ra
được các hàm toán học mô tả quan hệ giữa các thông số công nghệ đầu vào và các
thông số công nghệ đầu ra khi gia công trên máy EDM điện cực định hình, từ đó đưa
ra cơ sở cho việc tối ưu hóa quá trình gia công cũng như các nghiên cứu khác của quá
trình gia công.
- Xây dựng phương pháp tối ưu hóa đa mục tiêu các thông số chế độ gia công
EDM điện cực định hình.
Ý nghĩa thực tiễn:
Kết quả nghiên cứu tối ưu hóa đa mục tiêu gia công trên máy EDM điện cực
định hình có ý nghĩa thực tiễn trong nghiên cứu khoa học cũng như trong sản xuất như sau:
- Làm cơ sở cho nghiên cứu các khía cạnh khác của quá trình gia công EDM
điện cực định hình.
- Góp phần việc hoàn thiện việc xác định và điều chỉnh các thông số công
nghệ khi gia công trên máy EDM điện cực định hình nói chung và gia công trên thép
P20 trên máy EDM điện cực định hình nói riêng.
- Giúp cho việc lựa chọn chế độ công nghệ khi gia công tên máy EDM điện

cực định hình được hợp lý hơn, hiệu quả khai thác, sử dụng máy tốt hơn. Góp phần
nâng cao chất lượng và hạ giá thành sản phẩm. Đây là một yếu tố có ý nghĩa lớn đối
với sự phát triển của doanh nghiệp trong môi trường sản xuất kinh doanh luôn phải đối
mặt với sự cạnh tranh khốc liệt hiện nay.
- Đạt được năng suất cao nhưng vẫn đảm bảo chất lượng bề mặt theo yêu cầu
khi gia công thép làm khuôn P20 trong sản xuất, ngay cả khi số lượng sản phẩm không nhiều.

3


CHƯƠNG 1
TỔNG QUAN VỀ GIA CÔNG TIA LỬA ĐIỆN
1.1 Tổng quan về gia công tia lửa điện:
1.1.1 Đặc điểm của phương pháp gia công tia lửa điện:
- Điện cực (đóng vai trò là dụng cụ cắt): có độ cứng thấp hơn nhiều so với vật
liệu phôi, vật liệu phôi thường là những vật liệu cứng và đã qua nhiệt luyện như thép
đã tôi, các loại hợp kim cứng, vật liệu điện cực thường là đồng, grafit.
- Vật liệu dụng cụ cắt và vật liệu phôi đều phải có tính chất dẫn điện tốt.
- Môi trường gia công: khi gia công 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.
1.1.2 Các phương pháp gia công tia lửa điện:
Ngày nay, trong gia công cơ khí trên thế giới có 2 phương pháp gia công tia lửa
điện chủ yếu, được ứng dụng rộng rãi và đã có những đóng góp đáng kể cho sự phát
triển về khoa học kỳ thuật của nhân loại đó là: phương pháp gia công xung định hình
và phương pháp gia công cắt dây bằng tia lửa điện EDM.
- Phương pháp gia công xung định hình: Đây là phương pháp dùng các điện
cực đã được tạo hình sẵn để in hình (âm bản) của nó lên bề mặt phôi. Phương pháp
này được dùng để chế tạo khuôn có hình dạng phức tạp, các khuôn ép định hình,
khuôn ép nhựa, khuôn đúc áp lực, lỗ không thông ...
- Phương pháp gia công cắt dây bằng tia lửa điện: Là phương pháp dùng 1

dây dẫn điện có đường kính nhỏ (0,1 - 0,3mm) cuốn liên tục và chạy theo 1 biên
dạng định trước đế tạo thành 1 vết cắt trên phôi, phương pháp này thường dùng để
gia công các lỗ suốt có biên dạng phức tạp như các lỗ trên khuôn dập, khuôn ép,
khuôn đúc áp lực, chế tạo các điện cực dùng cho gia công xung định hình, gia công
các rãnh hẹp, gấp khúc, các dưỡng kiểm,...
- Gia công tia lửa điện dạng phay (Milling EDM): là phương pháp sử dụng
một điện cực chuẩn, hình trụ quay để thực hiện ăn mòn tia lửa điện theo kiểu
phay. Sừ dụng phương pháp này để gia công các hình dáng phức tạp do không
phải chế tạo điện cực phức tạp mà sử dụng điện cực chuẩn sau đó
điều khiển cho điện cực cắt theo chương trình.
- Phủ bằng tia lửa điện (EDD): là phương pháp sử dụng hiệu quả của sự ăn mòn tia
lửa điện để phủ lên các bánh mài sau thời gian sử dụng nghiền cơ khí các vật liệu rắn.
4


Trong quá trình này, bánh mài phải có tính dẫn điện, bánh mài kim cương liên
kết kim loại thường được làm theo phương pháp này. điện áp xung được đặt vào giữa
điện cực và bánh mài, trong quá trình mài, tia lửa điện sinh ra sẽ bóc tách các cạnh sắc
trên bánh mài. Quá trình này cũng được sử dụng để chế tạo bánh mài có hình dạng đặc biệt.
- Gia công EDM trợ giúp của siêu âm (Ultrasonic Aided EDM): là phương
pháp hớt vật liệu bằng tia lửa điện kết hợp với việc rung 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 gia công các lỗ
nhỏ và siêu nhỏ.
- Mài xung điện (Abrasive Electrical Discharge Grinding - AEDG): là phương
pháp gia công trong đó vật liệu được bóc tách nhờ tác dụng kểt hợp của ăn mòn tia lửa
điện và ăn mòn cơ khí.
- Gia công xung định hình siêu nhỏ (MEDM): là một dạng xung định hình đặc
biệt trong đó điện cực được quay với tốc độ lớn (tới 10.000vg/ph). Điện cực
sử dụng trong MEDM có kích thước nhỏ và được chế tạo bằng các phương pháp

gia công tia lửa điện khác. Phương pháp này dùng để gia công các lỗ siêu nhỏ với độ
chính xác rất cao.
- Cắt dây tia lửa điện siêu nhỏ (MWEDM): là phương pháp cắt dây sử dụng
điện cực Tungsten, Wolfram có đường kính dây nhỏ dưới 10 µm . Phương pháp này
dùng để gia công cắt dây các lỗ siêu nhỏ có kích thước từ các vật liệu khó gia công,
các chi tiết có bề dày mỏng,... hoặc dùng trong công nghệ chế tạo các chi tiết bán dẫn.
- Gia công tia lửa điện theo kiểu đê chắn (Mole EDM): là một quá trình gia
công đặc biệt cho phép gia công các hốc, rãnh dạng đường cong hoặc đường
xuyến. Hình dáng điện cực được sử dụng trong phương pháp này giống như
một thanh dẫn có thể uốn cong và một hệ thống nhận dạng. Người ta sử dụng
sóng siêu âm để nhận dạng các đường hầm gia công trong chi tiết.
- Xung định hình với 2 điện cực quay: là phương pháp sử dụng một điện cực
quay để ăn mòn một phôi quay. Khi phối hợp chuyển động của điện cực và phôi
sẽ tạo ra các hình dạng chi tiết khác nhau theo yêu cầu. Đây là phương pháp gia công
siêu chính xác và độ bóng siêu cao.

5


1.2 Cơ sở của phương pháp gia công tia lửa điện: [20]
1.2.1 Bản chất vật lý
Bản chất của phương pháp gia công tia lửa điện là sự tách vật liệu ra khỏi bề
mặt phôi nhờ tia lửa điện. Sơ đồ nguyên lý của phương pháp gia công bằng tia lửa
điện được mô tả như hình

Hình 1.1: Sơ đồ nguyên lý gia công tia lửa điện
Quá trình tách vật liệu ra khỏi bề mặt phôi cụ thể như sau:
Một điện áp được đặt vào giữa điện cực và phôi, không gian giữa 2 điện cực
được điền đầy bằng chất điện môi (Dielectric). Khi hai điện cực tiến lại gần nhau khi
khoảng cách đạt đến 1 giá trị tới hạn nào đó thì xảy ra hiện tượng phóng điện, một

dòng điện được hình thành giữa 2 điện cực mà không hề có sự tiếp xúc giữa hai điện
cực. Do có sự xuất hiện của tia lửa điện đó đã bóc đi 1 lớp vật liệu trên bề mặt phôi tạo
thành 1 vết cắt. Xét cụ thể diễn biến của 1 chu kỳ phóng điện diễn ra ở 3 pha như sau:
Pha I: Pha đánh lửa
Máy phát tăng điện áp khởi động qua 1 khe hở (đóng điện áp máy phát Ui),
dưới ảnh hưởng của điện trường, từ cực âm (điện cực) bắt đầu phát ra các điện tử
(electron) và chúng bị hút về phía cực dương (phôi) mật độ electron tăng gây ra tính
dẫn điện cục bộ của dung dịch chất điện môi tại khe hở giữa 2 điện cực. Do bề mặt của
điện cực và phôi không hoàn toàn phẳng nên điện trường sẽ mạnh nhất tại 2 điểm trên
6


điện cực và phôi có khoảng cách gần nhất. Mặt khác do chất điện môi bị ion hoá nên 1
kênh phóng điện đột nhiên được hình thành và sự phóng ra tia lửa
điện bắt đầu xảy ra.

Hình 1.2 Pha đánh lửa
Pha II: Sự hình thành kênh phóng điện
Ở thời điểm phóng điện, điện áp bắt đầu giảm, số lượng các pha dẫn điện (các
electron và các ion dương) tăng lên 1 cách khủng khiếp và bắt đầu xuất hiện 1 dòng
điện chạy qua các điện cực. Dòng điện này cung cấp 1 năng lượng khổng lồ làm cho
dung dịch điện môi bốc hơi cục bộ tạo ra bọt khí, các bọt khí này do áp suất đẩy chất
điện môi sang 2 bên. Nhưng do có độ nhớt của chất điện môi nên đã tạo ra sự cản trở
và hạn chế sự lớn lên của kênh phóng điện giữa các điện cực.

Hình 1.3: Sự hình thành kênh phóng điện
Pha III: Sự nóng chảy và bốc hơi vật liệu.
Phía trung tâm của vùng bọt khí bao gồm 1 kênh plasma. Plasma này là 1 chất
khí có lẫn các điện tử và các ion dương ở áp suất cao và nhiệt độ cực lớn
(áp suất khoảng lkbar và nhiệt độ khoảng 10000°C). Khi kênh plasma đạt mức tới

7


hạn (điện áp qua giữa hai điện cực đạt tới giá trị của điện áp phóng điện Ue, Ue là
hằng số phụ thuộc vào cặp vật liệu), chất điện môi giữ kênh plasma và tạo ra 1 sự
tập trung năng lượng cục bộ, mặt khác sự va chạm của các electron lên phôi và các ion
dương lên điện cực làm nóng chảy và bốc hơi vật liệu trên bề mặt phôi và điện cực.
Sau khi diễn ra 1 xung, máy phát sẽ ngắt dòng điện. Điện áp kênh phóng điện và
áp suất bị ngắt đột ngột cho nên kim loại nóng chảy bị đẩy ra ngoài và bị bốc hơi.

Hình 1.4: Sự hình thành và bốc hơi vật liệu
Chu kỳ phóng tia lửa điện để lại các “vết” bóc tách vật liệu có thể tóm tắt thông
qua các đại lượng điện sau:
- Thời gian trễ td 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 hoá và hình
thành kênh phóng điện.
- Thời gian phóng điện te là khoảng thời gian từ lúc bắt đầu phóng tia lửa điện
tới lúc ngắt điện thuộc pha II làm kim loại nóng chảy.
- Độ kéo dài xung ti 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 của thời gian trễ
đánh lửa td và thời gian phóng tia lửa điện te. Đây còn là khoảng thời gian đế
chất điện môi thôi ion hóa, chuẩn bị cho một chu kỳ phóng điện tiếp theo cho đến
khi đạt kích thước gia công yêu cầu.
- Khoảng cách xung t0 là khoảng thời gian giữa hai lần đóng ngắt của máy phát
giữa hai chu kỳ xung kế tiếp nhau, t0 còn được gọi là độ kéo dài nghỉ của xung.
Hình sau biểu diễn diễn biến của điện áp và dòng điện trong 1 máy gia công tia
lửa điện được sinh ra bởi 1 máy phát tĩnh trong 1 xung. Đặc điểm của đồ thị này cho
thấy dòng điện xung bao giờ cũng xuất hiện trễ hơn 1 khoảng thời gian td so với thời
8



điểm bắt đầu có điện áp máy phát Ui. Ue và Ie là các giá trị trung hình của điện áp và
dòng điện khi phóng tia lửa điện

Hình 1.5: Đồ thị điện áp và dòng điện trong một xung phóng điện.
Trong đó:
-

te: Thời gian kéo dài xung hay còn gọi là độ kéo dài xung

-

td: Thời gian trễ đánh lửa

-

ti: Độ kéo dài xung của máy phát xung

-

t0: Khoảng cách xung

-

tp: Thời gian chu kỳ xung

-

Ui: Điện áp máy phát mở


-

Ue: Điện áp phóng tia lửa điện

-

Ie: Dòng phóng tia lửa điện

Các nghiên cứu cho thấy tại các vùng lân cận các điện cực, plasma có nhiệt độ
rất cao từ 6000°C → l0000°C. Tốc độ của dòng chuyển dịch điện tử và ion phụ
thuộc vào năng lượng điện và đặc tính của chất điện môi. Quán tính cơ của chất
điện môi đã cản trở sự bành trướng của kênh plasma làm cho áp suất trong kênh rất
lớn (có thể lên tới 1 kbar). Khi khoảng không của kênh plasma càng hẹp thì mật độ
năng lượng càng tăng (lượng hớt vật liệu tỉ lệ thuận với độ nhớt động học và tỉ lệ
nghịch với điện trở dẫn suất của chất điện môi). Đồng thời với sự phát triển kênh
plasma theo thời gian có sự chuyển đổi năng lượng điện thành năng lượng nhiệt
9


năng tại các điểm, còn được gọi là các “nguồn nhiệt”. Các điện từ cận anốt di
chuyển và dẫn nhiệt tới làm nóng chảy và bốc hơi vật liệu. Các ion dương đi đến
catốt và nung nóng điểm trên catốt ở điểm đối diện thuộc kênh plasma. Tuy nhiên,
do khối lượng của các ion dương lớn hơn của các điện tử nhiều lần (khoảng 103
lần) nên chúng sẽ tới catốt chậm hơn các điện tử tại antốt. Chính sự cơ động khác
nhau của chúng đã tạo ra sự phân nhiệt khác nhau tại anốt và catốt, điều này dẫn
đến sự ăn mòn rất khác nhau tại 2 điện cực (thực tế là điện cực dương sẽ nóng chảy
lớn hơn nhiều so với điện cực âm).
Lượng ion dương tăng nhanh trong luồng di chuyển tổng, chỉ trong một
khoảng thời gian ngắn tỷ lệ chia nhiệt trở nên cân bằng và với sự kéo dài thời gian
phóng tia thì các ion dương sẽ gây ra hiện tượng nóng chảy và bốc hơi catốt.

Khi kết thúc pha phóng điện, sự mất điện đột ngột đồng thời với sự sụt áp tạo
ra sự chênh lệch làm vỡ các kênh plasma và các túi khí. Các lực này và áp lực tạo
nên bởi sự phá huỷ nội lực của các kênh plasma làm bung các phần tử kim loại đã bị
nóng chảy ra khỏi bề mặt. Lượng vật liệu bị hớt đi trên bề mặt của các điện cực phụ
thuộc vào quá trình chuyển đổi năng lượng nhiệt và cơ thẩm nhiệt.
1.2.2 Cơ chế bóc tách vật liệu:
Ta cần tìm hiểu về năng lượng bóc tách vật liệu We
We = Ue.Ie.te

(1-1)

[20]

Trong đó: Ue và Ie là điện áp và dòng điện trung bình của tia lửa điện
te là thời gian xung
Ue là hằng số phụ thuộc vào cặp vật liệu điện cực và phôi nên thực chất We chỉ
phụ thuộc vào Ie và te.
Thực tế dòng điện tổng cộng qua kênh plasma qua khe hở phóng điện là tổng
của các dòng điện tử chạy tới điện cực dương và dòng các ion dương chạy tới điện
cực âm. Tuy nhiên do khối lượng của các ion dương lớn hơn nhiều lần so với khối
lượng electron cho nên tốc độ của các electron có tốc độ lớn nhiều lần so với tốc độ
của cảc ion dương. Vì vậy thực chất dòng điện do các ion dương chuyển động về
cực âm là rất nhỏ so với dòng các electron chuyển động về cực dương. Do đó có thể
bỏ qua dòng điện do sự chuyển động của các ion dương gây ra. Do tốc độ của các
electron lớn hơn nhiều lần so với các ion dương nên mật độ các electron tập trung
tại cực dương cao hơn nhiều so với mật độ của ion dương tại cực âm. Khi đó mức
10


độ tăng của dòng điện khi bắt đầu có sự phóng điện là rất lớn, điều này là gây ra sự

nóng chảy mạnh ở cực dương. Trong khi đó do dòng các ion dương tới cực âm là
nhỏ nên không gây ra hiện tượng ăn mòn ở cực âm.
Một lý do quan trọng để tách vật liệu nóng chay ra khỏi bề mặt là do sự biến
mất đột ngột của kênh plasma điều này dẫn đến sự sụt giảm áp suất đột ngột xuống
bằng áp suất môi trường xung quanh trong khi đó nhiệt độ không giảm nhanh như
vậy dẫn đến sự nổ và bốc hơi khối lượng kim loại nóng chảy đó. Tốc độ cắt dòng
điện và mức độ sụt giảm áp suất quyết định đến sự nổ và bốc hơi của lớp kim loại
nóng chảy. Trong đó thời gian sụt của dòng điện là yếu tố quyết định tới độ nhám
gia công.
1.2.3 Lượng hớt vật liệu khi gia công tia lửa điện:
Những yếu tố ảnh hưởng tới lượng hớt vật liệu là:
- Điện áp phóng tia lửa điện Ue
- Dòng phóng tia lửa điện Ie
- Thời gian phóng tia lửa điện te
Từ đẳng thức của năng lượng phóng tia lửa điện: We = Ue.Ie.te
Ta thấy rằng, dưới điều kiện bình thường thì khi Ue, Ie, te càng lớn thì năng
lượng phóng tia lửa điện càng lớn.
Trong thực tế, lượng hớt vật liệu có thể được xác định thông qua các thông số
điều chỉnh là: I, ti, t0 và Ui.
Ngoài ra, trong gia công tia lửa điện lượng hớt vật liệu còn phụ thuộc vào vật
liệu phôi và vật liệu điện cực dụng cụ. Trên hình 1.6 ta có thể thấy sự phụ thuộc
này. Với những vật liệu có nhiệt độ nóng chảy thấp thì khi gia công sẽ cho năng suất
cao nhưng bề mặt sẽ thô. Thông thường lượng hớt vật liệu nằm trong khoảng 0,1 400 mm3/phút .

11


Hình 1.6 - Các thông số ảnh hưởng đến năng suất khi gia công EDM
1.2.4 Chất lượng bề mặt
Chất lượng bề mặt gia công của 1 sản phẩm gia công tia lửa điện được đánh giá

dựa trên các tiêu chí sau:
- Độ nhám bề mặt Rz, Ra.
- Vết nứt tế vi trên bề mặt.
- Các ảnh hưởng về nhiệt của lớp bề mặt.
- Độ nhám bề mặt
Thông thường khi gia công bằng tia lửa điện, người ta sử dụng 2 chế độ gia
công sau:
- Gia công thô: Tạo ra bề mặt gia công có độ nhám cao, bề mặt cắt thô, xù xì
nhưng năng suất cắt cao.
- Gia công tinh: Tạo ra bề mặt gia công nhẵn bóng, độ nhám nhỏ nhưng năng
suất cắt thấp.
Nói chung bề mặt càng thô thì khả năng chống mài mòn càng giảm và tăng
nguy cơ bị ăn mòn hoá học.

12


-

Vết nứt tế vi và các ảnh hưởng về nhiệt của lớp bề mặt:
Để nghiên cứu vết nứt tế vi và các ảnh hưởng về nhiệt trên bề mặt một sản

phẩm gia công bằng tia lửa điện người ta tiến hành cắt một mặt cắt ngang trên
một sản phẩm đã qua gia công tia lửa điện và nghiên cứu qua kính hiển vi
điện tử người ta nhận thấy cấu trúc của lớp bề mặt như sau:
Trong đó:
1.

Lớp trắng: đây là lớp kết tinh lại với các vết nứt tế vi trên bề mặt do tồn tại


ứng suất dư khi vật liệu nóng chảy bị làm lạnh đột ngột, chiều dày của lớp
trắng phụ thuộc vào độ kéo dài xung te (te càng lớn thì chiều dày lớp trắng
càng lớn).
2. Lớp tôi cứng: là lớp có độ cứng tăng vọt so với kim loại nền.
3. Lớp ảnh hưởng nhiệt: do nhiệt độ của vùng này cao hơn nhiệt độ Ostentit
(của giản đồ Fe-C) trong 1 thời gian ngắn. Độ cứng của lớp này thấp hơn độ cứng của
lớp tôi cứng.
4. Lớp không ảnh hưởng nhiệt: có cấu trúc của kim loại nền do không chịu ảnh
hưởng của nhiệt.

Hình 1.7 Vùng ảnh hưởng nhiệt của bề mặt phôi
Các lớp ở vùng 1 và 2 có ảnh hưởng rất xấu tới chất lượng bề mặt như:
- Các vết nứt tể vi và ứng suất dư làm giảm độ bền mỏi của chi tiết.

13


- Lớp trắng gây khó khăn trong việc phủ lên lớp bề mặt sau khi gia công các
lớp phụ gia cần thiết.
- Lớp tôi cứng có cấu trúc dòn nên dễ bị phả hỏng khi làm việc ở chế độ chịu
tải trọng va đập.
Để khắc phục các ảnh hưởng không tốt trên, khi gia công tia lửa điện, người ta
có thể thực hiện gia công nhiều bước khác nhau đế vừa có thể tăng năng suất gia
công vừa có thể giảm đáng kể chiều dày của lớp ảnh hưởng nhiệt và tăng độ bóng
bề mặt gia công. Ngày nay, người ta còn dùng phương pháp sử dụng các dạng xung
đặc biệt kết hợp với kỹ thuật siêu âm để làm giảm ảnh hưởng của nhiệt tới chất
lượng gia công.
1.2.5 Độ chính xác tạo hình khi gia công tia lửa điện:
Gia công tia lửa điện điều khiển xung định hình là một phương pháp gia công in
hình. Độ chính xác khi gia công bằng bằng phương pháp này phụ thuộc vào nhiều yếu

tố như:
- Độ chính xác của máy (bao gồm: độ ổn định về cơ, độ cứng vững của hệ
thống công nghệ, độ chính xác về vị trí, hệ thống dẫn hướng, các con trượt,
...). Điểu này chủ yếu phụ thuộc vào thiết bị mà không chịu ảnh hường của các
yếu tố bên ngoài khác. Do đó, người sử dụng ít cần quan tâm tới yếu tố này,
chủ yếu chỉ quan tâm tới việc sử dụng chất dung môi thích hợp để giữ
nhiệt độ gia công được ổn định trong quá trình gia công.
- Các thông số điều chỉnh về điện khi gia công như Ui, Ie, te, t0, td,..: đây là
phần mà người sử dụng cần phải quan tâm nhất để có thể lựa chọn được chế
độ gia công phù họp cho các thiết bị gia công sao cho đạt được chất lượng và
năng suất là lớn nhất.
- Tính chất của các điện cực: đó là các tính chất như vật liệu điện cực, độ
chính xác kích thước của điện cực,... các yếu tố này ảnh hưởng tới độ mài
mòn của điện cực và ảnh hưởng tới cả chất lượng bề mặt cũng như độ chính
xác gia công của chi tiết gia công.
- Độ chính xác lập trình: yếu tố này chủ yếu phụ thuộc vào nhà sản xuất máy
(trong trường hợp người lập trình lựa chọn cùng một cấp độ chính xác khi gia
công) bởi vì nó phụ thuộc vào khả năng điều khiển máy cắt theo đúng contour
được lập trình.
14


- Ngoài ra, độ chính xác khi gia công còn phụ thuộc vào chất lượng của chất
dung môi vì nó ảnh hưởng tới khe hở phóng điện và khả năng thoát phoi khi
gia công.
1.2.6 Các yếu tố không điều chỉnh được
Ngoài các yếu tố đã nêu ở trên ảnh hưởng tới quá trình gia công tia lửa điện thì
còn có các yếu tổ khác không điều khiển được trong quá trình gia công. Đó là các
yếu tố nhiễu như:
- Nhiễu hệ thống

Là các yểu tố thuộc về thiết bị như độ ổn định của thiết bị, độ rung, ốn định
nhiệt, độ chính xác của các thước đo, khả năng và độ chính xác truyền động, lắp đặt
bổ trí máy và các thành phần thuộc đồ gá kẹp chặt, sai lệch thuộc hệ thống điều
khiển,...
- Nhiễu ngẫu nhiên
Là các nhiễu thuộc về điều kiện môi trường như nhiệt độ làm việc, nhiệt độ
dung môi, độ ẩm,... những điều kiện này đã gây ra những sự cố ngẫu nhiên ảnh
hưởng đến quá trình gia công tia lửa điện. Khả năng thích ứng của chương trình
điều khiển cũng có thể coi là một yếu tố ngẫu nhiên. Cụ thể như việc chọn chuẩn hệ
toạ độ để gia công cho chương trình, độ chính xác điều khiển cắt, phương pháp lập
trình,... đều là các yểu tổ ảnh hưởng đến độ chính xác gia công tia lửa điện.
1.2.7 Chất điện môi trong gia công tia lửa điện:
-

Nhiệm vụ của chất điện môi
Trong cơ khí nói chung thường dùng một dung dịch để làm nguội khu vực gia

công nhằm tránh các ảnh hưởng về nhiệt lên bề mặt chi tiết gia công cũng như dụng
cụ gia công. Tuy nhiên, trong gia công bằng tia lửa điện thì ngoài 2 yếu tố chính là
dụng cụ cắt và phôi cắt được nối với 2 cực thì một yếu tố không thế thiếu để có thể
tạo ra sự bóc phoi và vận chuyển phoi ra khỏi vùng cắt - đó là dung dịch chất điện
môi. Vì vậy, nhiệm vụ chính của chất điện môi trong gia công tia lửa điện đó là:
- Cách điện giữa hai cực ( giữa phôi cắt và dụng cụ cắt).
- Ion hóa.
- Làm nguội.
- Vận chuyển phoi.

15