..

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
-------------------------------------------------------

LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT
NGÀNH: MÁY VÀ DỤNG CỤ CÔNG NGHIỆP

NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA XUNG CÔNG SUẤT VÀ
CƯỜNG ĐỘ DÒNG ĐIỆN ĐẾN ĐỘ NHÁM BỀ MẶT VÀ ĐỘ
MỊN TƯƠNG ĐỐI KHI GIA CƠNG TRÊN MÁY XUNG ĐIỆN
EDM BK01A-V2.0

NGUYỄN ĐỨC TOÀN

HÀ NỘI 2006


BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
-------------------------------------------------------

LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT

NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA XUNG CƠNG SUẤT VÀ
CƯỜNG ĐỘ DỊNG ĐIỆN ĐẾN ĐỘ NHÁM BỀ MẶT VÀ ĐỘ
MỊN TƯƠNG ĐỐI KHI GIA CƠNG TRÊN MÁY XUNG ĐIỆN
EDM BK01A-V2.0
NGÀNH: MÁY VÀ DỤNG CỤ CÔNG NGHIỆP
MÃ SỐ:

NGUYỄN ĐỨC TOÀN

Người hướng dẫn: TS. HOÀNG VĨNH SINH

HÀ NỘI 2006


LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT
NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA XUNG CƠNG SUẤT VÀ
CƯỜNG ĐỘ DỊNG ĐIỆN ĐẾN ĐỘ NHÁM BỀ MẶT VÀ ĐỘ
MỊN TƯƠNG ĐỐI KHI GIA CƠNG TRÊN MÁY XUNG ĐIỆN
EDM BK01A-V2.0
NGÀNH: MÁY VÀ DỤNG CỤ CÔNG NGHIỆP
MÃ SỐ:
NGUYỄN ĐỨC TOÀN

HÀ NỘI 2006


MỤC LỤC

MỞ ĐẦU ........................................................ Error! Bookmark not defined.
CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN .......................................................................... 6
1.1. Nguyên lý gia công bằng tia lửa ®iƯn .............................................. 6
1.2. Bản chất vật lý của q trình ăn mòn xung tia lửa điện .......... 7
1.2.1. Giai đoạn 1: hình thành kênh dẫn điện ................................. 7
1.2.2. Giai đoạn 2: phóng tia lửa điện làm bốc hơi vật liệu ........... 8
1.2.3. Giai đoạn 3: hoá rắn hơi vật liệu và phục hồi .................... 98
1.3. Thiết bị gia công, chỉ tiêu đánh giá và phạm vi ứng dụng .... 12

1.3.1. Thiết bị gia công ................................................................. 12
1.3.2. Ưu, nhược điểm ................................................................. 13
1.3.3. Chỉ tiêu đánh giá q trình gia cơng EDM......................... 14
1.4. Các thông số công nghệ cơ bản ............................................. 15
1.4.1. Điện áp khởi tạo U i (V) ..................................................... 16
1.4.2. Điện áp phóng tia lửa điện U e (V) ...................................... 17
1.4.3. Thời gian kéo dài xung t i (us) ............................................ 17
1.4.4. Khoảng cách xung t o (us) ................................................... 18
1.4.5. Dịng phóng tia lửa điện I e (A) ........................................... 19
1.4.6. Thời gian trễ đánh lửa t d (µs) ............................................. 19
1.4.7. Khe hở phóng điện δ (µm) ................................................. 20
1.4.8. Phân nhóm các thơng s ..................................................... 20
1.5. Các hướng nghiên cứu trong và ngoài n­íc .................................. 21
1.5.1. Hướng nghiên cứu về bộ điều khiển .................................. 22
1.5.2. Hướng nghiên cứu về dung dịch điện môi ......................... 23
1.5.3. Hướng nghiên cứu về vật liệu làm điện cực....................... 24
1.5.4. Hướng nghiên cứu về tối ưu hóa các thông số công nghệ . 25
1.5.5. Nghiên cứu những ứng dụng mới của EDM ...................... 28
1.6. KÕt luËn ......................................................................................... 28
CHƯƠNG 2. MƠ HÌNH ĐIỀU KHIỂN CNC CHO MÁY XUNG TIA LA
IN (MODEL BK01A-V2) ....................................................................... 30
2.1. Nguyên tắc thiết kế bộ điều khiển ................................................. 30
2.2. Các chức năng của bộ điều khiĨn m¸y xung EDM ....................... 30
2.2.1. Sơ đồ khối chức năng của hệ thống điều khiển .................. 30
2.2.2. Phân chia các khối chức năng ............................................ 31
2.2.3. Khối phát xung công suất .................................................. 33
2.2.4. Khối điều khiển động cơ .................................................... 37
2.2.5. Khối giao tiếp và hiển thị ................................................... 39
2.2.6. Phần mềm trung tâm và tối ưu hoá phần mềm ................... 39
2.3. Kết luận ......................................................................................... 40



CHƯƠNG 3. NGHIÊN CỨU CÁC ẢNH HƯỞNG VÀ TỐI ƯU HỐ KHI
GIA CƠNG TRÊN MÁY XUNG (MODEL BK01A-V2) .............................. 41

3.1. Khảo sát bộ điều khiển máy .......................................................... 41
3.1.1. Mơ hình điều khiển máy ..................................................... 41
3.1.2. Sơ đồ nguyên lý bộ điều khiển dùng vi điều khiển 89C52 42
3.1.3. Sơ đồ khối gồm các module ............................................... 43
3.1.4. Hệ thống các mạch điện ..................................................... 44
3.1.5. Động cơ bước (Step Motor - SM ) ..................................... 46
3.2. Quá trình điều khiển và tối ưu ho¸ trong EDM ............................. 56
3.2.1. Giới thiệu chung ................................................................. 56
3.2.2. Các tham số trong EDM ..................................................... 56
3.2.3. Tối ưu hoá trong gia cơng EDM ........................................ 59
3.3. Đánh giá q trình gia công thực trong EDM ............................... 65
3.3.1. Các vấn đề về tín hiệu phản hồi ......................................... 65
3.3.2. Các dạng xung .................................................................... 66
3.3.3. Khe hở điện cực .................................................................. 68
3.3.4. Bảo vệ khe hở điện cực ...................................................... 68
3.3.5. Độ nhám bề mặt.................................................................. 71
3.4. Kết luận ......................................................................................... 71
CHƯƠNG 4. THỰC NGHIỆM ĐO VÀ XỬ LÝ SỐ LIỆU .......................... 73
4.1. Đặt vấn đề...................................................................................... 73
4.2. Giải quyết vấn đề........................................................................... 75
4.3. Xây dựng các bộ thông số thực nghiệm ........................................ 75
4.3.1. Thực nghiệm ảnh hưởng t i , I e tới độ nhám bề mặt R a ....... 75
4.3.2. Thực nghiệm ảnh hưởng của xung ngược đến lượng mòn tương
đối ................................................................................................. 79
4.4. Các kết luận, giới hạn và hướng phát triển của luận văn .............. 83

4.4.1. Các kết luân ........................................................................ 83
4.4.2. Giới hạn nghiên cứu ........................................................... 84
4.4.3. Hướng phát triển của luận văn ........................................... 84
TÀI LIỆU THAM KHẢO ................................................................................
PHỤ LỤC
TÓM TẮT LUẬN VĂN


1

phần mở đầu
------------------- ----------------Cựng vi s phỏt trin ln mạnh của các ngành khoa học và kỹ thuật
có tác động đến hầu hết mọi lĩnh vực trong các ngành cơng nghiệp, ngành
cơng nghệ chế tạo do đó cũng địi hỏi phải phát triển mạnh mẽ để đưa được
ra những sản phẩm chất lượng và có độ tin cậy cao.
Ngồi các phương pháp gia cơng truyền thống thì các phương pháp gia
cơng phi truyền thống đóng một vai trị quan trọng trong việc tạo ra các sản
phẩm có hình dang phức tạp, vật liệu cơ tính cao mà các phương pháp gia
cơng truyền thống khó hoặc khơng thể thực hiện được. Một trong các phương
pháp gia công phi truyền thống đó là gia cơng bằng tia lửa điện hay thường
được gọi là gia công EDM (Electrical Discharge Machining).
Ngày nay các thiết bị gia công theo nguyên lý tia lửa điện được phát
triển theo nhiều hướng khác nhau: gia công bằng điện cực định hình, cắt dây,
khoan và hiện nay có cả phay tia lửa điện. Hệ thống điều khiển cũng dần
được thay đổi cả về chất: đầu tiên là hệ thống dùng tụ điện đến nay là hệ
thống phát xung điều khiển bằng CNC (Computer Numerical Control).
Hầu hết các doanh nghiệp Cơ khí ở Việt Nam đều được trang bị các
máy gia cơng tia lửa điện. Phần đóng góp của chúng trong một sản phẩm cơ
khí có thể lên đến 20%-50%
Nội dung của luận văn này là nghiên cứu về vấn đề gia cơng tia lửa

điện và đã có những kết quả tốt và ứng dụng trong thực tế với nội dung chính
là "Nghiên cứu ảnh hưởng của xung cơng suất và cường độ dòng điện đến
độ nhám bề mặt và độ mịn tương đối khi gia cơng trên máy xung điện
EDM BK01A-V2.0"


2

Luận văn gồm 4 chương. Nội dung chính có thể tóm tắt như sau:
Chương 1: Nghiên cứu tổng quan về phương pháp gia cơng tia lửa
điện. Nội dung chính là tóm tắt ngun lý gia cơng EDM, tìm hiểu các
nghiên cứu, kết quả đã có và xu hướng phát triển ở trong nước và trên thế
giới. Từ đó đưa ra phương hướng nghiên cứu của đề tài.
Chương 2: Trình bày các vấn đề có liên quan đến việc thiết kế bộ điều
khiển dùng cho máy xung tia lửa điện. Giới thiệu các mơđun chính. Kết quả
của chương này là bộ điều khiển CNC dùng cho máy gia cơng định hình tia
lửa điện phục vụ cho các nghiên cứu ở sau.
Chương 3: Nghiên cứu các ảnh hưởng và các phương pháp tối ưu hố
khi gia cơng trên máy xung. Trong chương này trình bày các vấn đề và giải
pháp trong quá trình tối ưu hố, các nghiên cứu về ảnh hưởng của các tham
số đến năng suất và chất lượng bề mặt để từ đó lựa chọn phương pháp nghiên
cứu hợp lý.
Chương 4: Thiết lập các dữ liệu thực nghiệm và xử lý số liệu đo; đưa
ra được ảnh hưởng của xung cơng suất và cường độ dịng điện đến độ nhám
bề mặt và độ mòn tương đối phù hợp với bộ điều khiển. Từ đó rút ra các kết
luận từ luận văn, đánh giá những hạn chế và những định hướng phát triển tiếp
theo về nghiên cứu EDM.
Các phụ lục quan trọng có liên quan đến kết quả của luận văn gồm các
bảng kết quả thí nghiệm, hướng dẫn vận hành, hướng dẫn sử dụng,..... được
trình bày ở cuối của bản thuyết minh.

Do trình độ cịn hạn chế, thơng tin thu thập cịn chưa đầy đủ nên luận
văn khơng thể tránh khỏi những sai sót. Tác giả mong muốn được các thầy cơ
và bạn đồng nghiệp góp ý để luận văn đạt được kết quả tốt hơn và để có thể
đưa ra ứng dụng trong điều kiện thực tế.

Nguyễn Đức Toàn - Luận văn thạc sỹ kỹ thuật - Khoa Cơ khí - ĐHBK Hà nội


3

Tác giả xin gửi đến TS. Hoàng Vĩnh Sinh, các thầy cô và bạn bè đồng
nghiệp trong bộ môn Gia công Vật liệu và Dụng cụ Công nghiệp - Khoa
Cơ khí trường ĐHBK Hà nội, tồn thể các cán bộ trong Trung tâm Đào
tạo và Bồi dưỡng Sau đại học trường ĐHBK Hà nội đã tham gia đóng góp
ý kiến để bản luận văn của tơi hồn thiện hơn.
Hà nội tháng 11 năm 2006
Tác giả

Nguyễn Đức Toàn - Luận văn thạc sỹ kỹ thuật - Khoa Cơ khí - ĐHBK Hà nội


4

MỞ ĐẦU ................................................................................................... 1
CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN ..................................................................... 6
1.1. Nguyªn lý gia công bằng tia lửa điện .............................................. 6
1.2. Bn chất vật lý của q trình ăn mịn xung tia lửa điện .......... 7
1.2.1. Giai đoạn 1: hình thành kênh dẫn điện ................................. 7
1.2.2. Giai đoạn 2: phóng tia lửa điện làm bốc hơi vật liệu ............ 8
1.2.3. Giai đoạn 3: hoá rắn hơi vật liệu và phục hồi ..................... 98

1.3. Thiết bị gia công, chỉ tiêu đánh giá và phạm vi ứng dụng..... 12
1.3.1. Thiết bị gia công ................................................................. 12
1.3.2. Ưu, nhược điểm ................................................................. 13
1.3.3. Chỉ tiêu đánh giá q trình gia cơng EDM ......................... 14
1.4. Các thơng số công nghệ cơ bản ............................................. 15
1.4.1. Điện áp khởi tạo U i (V) ...................................................... 16
1.4.2. Điện áp phóng tia lửa điện U e (V) ...................................... 17
1.4.3. Thời gian kéo dài xung t i (us) ............................................. 17
1.4.4. Khoảng cách xung t o (us) .................................................... 18
1.4.5. Dịng phóng tia lửa điện I e (A) ............................................ 19
1.4.6. Thời gian trễ đánh lửa t d (µs) .............................................. 19
1.4.7. Khe hở phóng điện δ (µm) .................................................. 20
1.4.8. Phân nhóm các thơng số ..................................................... 20
1.5. C¸c hướng nghiên cứu trong và ngoài nước ................................... 21
1.5.1. Hng nghiên cứu về bộ điều khiển ................................... 22
1.5.2. Hướng nghiên cứu về dung dịch điện môi.......................... 23
1.5.3. Hướng nghiên cứu về vật liệu làm điện cực ....................... 24
1.5.4. Hướng nghiên cứu về tối ưu hóa các thơng số cơng nghệ .. 25
1.5.5. Nghiên cứu những ứng dụng mới của EDM....................... 28
1.6. KÕt ln .......................................................................................... 28
CHƯƠNG 2. MƠ HÌNH ĐIỀU KHIỂN CNC CHO MÁY XUNG TIA LỬA
ĐIỆN (MODEL BK01A-V2) .................................................................. 30
2.1. Nguyên tắc thiết kế bộ điều khiển ................................................. 30
2.2. Các chức năng của bộ điều khiển máy xung EDM........................ 30
2.2.1. Sơ đồ khối chức năng của hệ thống điều khiển .................. 30
2.2.2. Phân chia các khối chức năng ............................................. 31
2.2.3. Khối phát xung công suất .................................................. 33
2.2.4. Khối điều khiển động cơ ..................................................... 37
2.2.5. Khối giao tiếp và hiển thị .................................................... 39
2.2.6. Phần mềm trung tâm và tối ưu hoá phần mềm ................... 39

2.3. Kết luận .......................................................................................... 40

Nguyễn Đức Toàn - Luận văn thạc sỹ kỹ thuật - Khoa Cơ khí - ĐHBK Hà nội


5

CHƯƠNG 3. NGHIÊN CỨU CÁC ẢNH HƯỞNG VÀ TỐI ƯU HỐ KHI
GIA CƠNG TRÊN MÁY XUNG (MODEL BK01A-V2) ..................... 41
3.1. Khảo sát bộ điều khiển máy........................................................... 41
3.1.1. Mơ hình điều khiển máy ..................................................... 41
3.1.2. Sơ đồ nguyên lý bộ điều khiển dùng vi điều khiển 89C52 . 42
3.1.3. Sơ đồ khối gồm các module................................................ 43
3.1.4. Hệ thống các mạch điện ...................................................... 44
3.1.5. Động cơ bước (Step Motor - SM ) ...................................... 46
3.2. Quá trình điều khiển và tối ưu hoá trong EDM ............................. 56
3.2.1. Giới thiệu chung.................................................................. 56
3.2.2. Các tham số trong EDM ..................................................... 56
3.2.3. Tối ưu hoá trong gia cơng EDM ......................................... 59
3.3. Đánh giá q trình gia cơng thực trong EDM ............................... 65
3.3.1. Các vấn đề về tín hiệu phản hồi .......................................... 65
3.3.2. Các dạng xung..................................................................... 66
3.3.3. Khe hở điện cực .................................................................. 68
3.3.4. Bảo vệ khe hở điện cực ....................................................... 68
3.3.5. Độ nhám bề mặt .................................................................. 71
3.4. Kết luận .......................................................................................... 71
CHƯƠNG 4. THỰC NGHIỆM ĐO VÀ XỬ LÝ SỐ LIỆU ................... 73
4.1. Đặt vấn đề ...................................................................................... 73
4.2. Giải quyết vấn đề ........................................................................... 75
4.3. Xây dựng các bộ thông số thực nghiệm ........................................ 75

4.3.1. Thực nghiệm ảnh hưởng t i , I e tới độ nhám bề mặt R a ........ 75
4.3.2. Thực nghiệm ảnh hưởng của xung ngược đến lượng mòn tương
đối .................................................................................................. 79
4.4. Các kết luận, giới hạn và hướng phát triển của luận văn .............. 83
4.4.1. Các kết luân ......................................................................... 83
4.4.2. Giới hạn nghiên cứu ............................................................ 84
4.4.3. Hướng phát triển của luận văn ............................................ 84
TÀI LIỆU THAM KHẢO ...........................................................................
PHỤ LỤC
TĨM TẮT LUẬN VĂN

Nguyễn Đức Tồn - Luận văn thạc sỹ kỹ thuật - Khoa Cơ khí - ĐHBK Hà nội


6

CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ PHƯƠNG PHÁP GIA
CÔNG TIA LỬA IN
1.1. Nguyờn lý gia cụng tia la in

Hình 1.1. Nguyên lý gia công tia lửa điện
- t mt in ỏp một chiều giữa 2 điện cực (một được gọi là dụng cụ và
một gọi là phôi - chi tiết). Chúng được nhúng ngập trong 1 dung dịch
cách điện đặc biệt (gọi là dung dịch điện ly). Điện áp này thường nằm
trong khoảng 80V đến 200V.
- Khi đưa 2 điện cực tiến lại gần nhau, đến một khoảng cách δ đủ nhỏ thì
xảy ra sự phóng tia lửa điện. Điều này có thể giải thích là do điện trường
giữa khe hở đủ lớn (đạt khoảng 104 V/m) dẫn đến việc iôn hố dung
dịch điện ly và nó trở thành dẫn điện. Tia lửa điện phóng qua khe hở
này và hình thành kênh dẫn điện, nhiệt độ lên đến khoảng 10000oC làm

bốc hơi vật liệu các điện cực. Áp suất vùng này sẽ cao hơn các vùng
khác.
- Nguồn điện được ngắt đột ngột làm cho tia lửa điện biến mất. Do sự
chênh lệch áp suất và do dung dịch lạnh từ ngoài tràn vào kênh dẫn điện
gây ra tiếng nổ nhỏ và làm hố rắn hơi vật liệu thành các hạt ơ-xít kim

Nguyễn Đức Toàn - Luận văn thạc sỹ kỹ thuật - Khoa Cơ khí - ĐHBK Hà nội


7

loại. Sau đo, dung dịch điện ly được khôi phục trạng thái cũ của nó:
khơng dẫn điện.
- Nguồn điện được cung cấp lại và tia lửa điện lại xuất hiện.
Có thể thấy những điểm mấu chốt của phương pháp gia cơng tia lửa điện
gồm:
• Nguồn cung cấp điện áp dạng xung: thời gian ngắt nguồn điện là
khoảng thời gian cần thiết để dung dịch điện ly có thể khơi phục lại
trạng thái khơng dẫn điện của nó và sẵn sàng cho xung gia công tiệp
theo. Nếu thời gian này không có hay nhỏ q sẽ làm dung dịch điện ly
ln ở trạng thái dẫn điện. Điều này làm cho tia lửa điện phát triển
thành hồ quang gây hỏng bề mặt chi tiết và dụng cụ.
• Các điện cực làm bằng 2 loại vật liệu khác nhau và được nhúng ngập
trong dung dịch điện ly: dung dịch này có chức năng chính là mơi
trường hình thành kênh dẫn điện.
• Giữa các điện cực ln có 1 khe hở nhỏ được gọi là khe hở phóng điện.
Khe hở này cần được đảm bảo trong suốt q trình gia cơng để duy trì
sự ổn định của tia lửa điện.

1.2. Bản chất vật lý ca quỏ trỡnh n mũn tia la in

Các nghiên cứu được nêu ở [12] đà cho thấy Quỏ trỡnh n mịn của một
xung gia cơng được trải qua 3 giai đoạn: giai đoạn hình thành kênh dẫn điện,
giai đoạn phóng tia lửa điện làm bốc hơi vật liệu và giai đoạn phục hồi.

1.2.1. Giai đoạn 1: hình thành kênh dẫn điện
Các đặc điểm chính của giai đoạn này là:
• Giai đoạn này được xác định trong khoảng thời gian khi bắt đầu có điện
áp (cấp bởi nguồn) và kết thúc khi điện áp bắt đầu giảm.

Nguyễn Đức Toàn - Luận văn thạc sỹ kỹ thuật - Khoa Cơ khí - ĐHBK Hà nội


8

• Mơ tả hiện tượng: khi điện trường giữa 2 điện cực tăng lên do việc đưa
chúng đến gần nhau làm cho vận tốc của các ion và điện tử tự do (có
trong lớp dung dịch điện ly ở giữa các điện cực) tăng lên và bị hút về
phía cực trái dấu. Trong quá trình di chuyển, chúng va đập với các phân
tử trung hoà và làm tách ra các ion và điện tử mới. Cứ như vậy, khi
khoảng cách càng nhỏ làm từ trường và động năng của các ion và điện
tử càng lớn dẫn đến hình thành một dịng chuyển dịch có hướng của ion
và điện tử tạo nên dịng điện.
• Kết quả: dung dịch điện ly trở nên dẫn điện ở cuối giai đoạn này.

Hình 1.2. Sự hình thành kênh dẫn điện

1.2.2. Giai đoạn 2: phóng điện và làm bốc hơi vật liệu

Hình 1.3. Sự phóng điện qua kênh dẫn điện
• Thời gian của giai đoạn này được tính từ khi điện áp bắt đầu giảm đến

một trị số xác định và giữ nguyên cho đến khi giảm về 0V (ngắt nguồn)

Nguyễn Đức Toàn - Luận văn thạc sỹ kỹ thuật - Khoa Cơ khí - ĐHBK Hà nội


9

• Mơ tả hiện tượng: dịng điện xuất hiện trong kênh dẫn điện kèm theo sự
xuất hiện tia lửa điện. Tại kênh dẫn điện, năng lượng tập trung rất lớn
(đạt cỡ 105 đến 107 W/mm2) làm cho nhiệt độ tại đó đạt tới 10000o C.
Vật liệu của các điện cực tại nơi xuất hiện tia lửa điện bị bốc hơi bởi
nhiệt độ cao. Bên cạnh đó cịn có 1 lượng nhỏ vật liệu bị tách khỏi bề
mặt các điện cực do sự va đập của các ion và điện tử lên bề mặt của
chúng.
• Giai đoạn này chính là giai đoạn có ích trong cả 1 xung gia cơng: ăn
mịn vật liệu tạo thành hình dáng chi tiết theo yêu cầu.

1.2.3. Giai đoạn 3: hoá rắn hơi vật liệu và phục hồi

Hình 1.4. Sự phục hồi
• Thời gian ngắt nguồn điện là khoảng thời gian của giai đoạn này.
• Mơ tả hiện tượng: nguồn xung bị ngắt đột ngột, dung dịch điện ly lạnh ở
xung quanh tràn vào gây nên sự thay đổi áp suất đột ngột tạo nên tiếng
nổ nhỏ. Hơi của vật liệu điện cực hoá rắn do việc giảm nhiệt độ đột ngột
tạo nên các hạt ơ-xít kim loại có kích thước nhỏ (cỡ vài trăm micro
mét). Các hạt ơ-xít này khơng dẫn điện hoặc dẫn điện rất kém (tuỳ vào
vật liệu các điện cực).

Nguyễn Đức Toàn - Luận văn thạc sỹ kỹ thuật - Khoa Cơ khí - ĐHBK Hà nội



10

• Kết thúc giai đoạn này, dung dịch điện ly lấy lại trạng thái ban đầu của
nó: khơng dẫn điện.
Một xung gia công kết thúc. Các giai đoạn trên được lặp lại cho các xung gia
công kế tiếp theo.
Sau hàng loạt xung gia cơng có ích, vật liệu của các điện cực bị ăn mòn dần
theo từng lớp. Người ta thường chọn vật liệu dụng cụ có khả năng chịu ăn
mòn hơn (bằng đồng hay graphite) nên chi tiết dần bị ăn mịn nhiều và sẽ
mang hình dáng của dụng cụ.
Theo kết quả phân tích ở trên, có 02 ngun nhân chính tạo nên sự ăn mịn
vật liệu của các điện cực:
• Nguyên nhân về điện: do sự va chạm của các ion và điện tử (trong dung
dịch điện ly) có động năng lớn lên bề mặt của điện cực làm tách các vật
liệu ra khỏi bề mặt.
• Nguyên nhân về nhiệt: năng lượng tập trung lớn ở kênh dẫn điện tạo nên
nhiệt độ cao (cỡ 10000 độ C) dẫn đến việc hố hơi các lớp vật liệu ở
mặt ngồi điện cực.
Bề mặt của chi tiết sau khi bị ăn mịn bằng tia lửa điện có hình dạng những
hố nhỏ (giống miệng núi lửa):

Hình 1.5. Bề mặt chi tiết sau khi gia cơng tia lửa điện
Điều này có thể giải thích như sau:

Nguyễn Đức Tồn - Luận văn thạc sỹ kỹ thuật - Khoa Cơ khí - ĐHBK Hà nội


11


• Bề mặt của các điện cực ln có những nhấp nhô (nhám). Khi đưa
chúng đến gần nhau, sẽ luôn có 1 cặp nhấp nhơ đối diện có khoảng cách
nhỏ nhất (trên hình 1.6 là điểm A). Tại đó, mật độ cường độ điện trường
là lớn nhất (do khe hở là bé nhất) dẫn đến tia lửa điện sẽ xuất hiện và ăn
mịn cặp nhấp nhơ này (hình 1.7)

Hình 1.6. Mơ hình bề mặt của dụng cụ-chi tiết

Hình 1.7. Cặp nhấp nhơ bị ăn mịn tạo hố có hình dạng miệng núi lửa
• Cặp nhấp nhơ A biến mất sau 1 xung. ở xung kế tiếp, cặp nhấp nhô B lại
trở thành cặp nhấp nhô gần nhất. Tia lửa điện sẽ xuất hiện ở đó và
"miệng núi lửa" thứ 2 được tạo ra. Hệ thống điều khiển có nhiệm vụ đưa
dần cặp vật liệu đến gần nhau để bù lượng vật liệu đã bị ăn mịn tại các
điểm A, B,....
• Cứ như vậy, tia lửa điện sẽ được xuất hiện tại từng điểm và sẽ lan dần
trên toàn bộ bề mặt đối diện nhau của cặp điện cực. Kết quả sẽ được bề
mặt chi tiết như hình 1.5.

Nguyễn Đức Tồn - Luận văn thạc sỹ kỹ thuật - Khoa Cơ khí - ĐHBK Hà nội


12

1.3. Thiết bị gia công, chỉ tiêu đánh giá và phạm vi ứng dụng
1.3.1. Thiết bị gia cơng

Electrode

Dielectric
Pulse

generator
Workpiece

Hình 1.8. Mơ hình máy xung tia lửa điện
- NC-controller generator: bộ điều khiển số
- Servo drive: bộ điều khiển động cơ servo
- Machine head: trục chính của máy (thường dùng để gắn dụng cụ). Nó
đóng vai trị là trục Z
- Dielectric tank: thùng chứa dung dịch điện ly (ngập các điện cực)
- Workpiece: phôi - chi tiết cần gia công
- Electrode: dụng cụ
- Dielectric unit: hệ thống thùng và bơm dung dịch điện ly lên thùng chứa
- Machine table: bàn máy có thể di chuyển theo 2 phương X, Y
- Gap: khe hở phóng điện. Khe hở này cần phải được đảm bảo khơng đổi
trong suốt q trình phóng tia lửa điện.
- Dielectric: dung dịch điện ly
- Pulse generator: nguồn cung cấp điện áp cơng suất một chiều dạng xung

Nguyễn Đức Tồn - Luận văn thạc sỹ kỹ thuật - Khoa Cơ khí - ĐHBK Hà nội


13

Với các thiết bị gia cơng EDM khác có cấu tạo tương tự, chỉ có 1 số điểm
khác nhau cơ bản để phù hợp với ứng dụng thực tế của thiết bị đó:
- Yêu cầu về dịch chuyển bàn máy như WEDM
- Loại dung dịch điện ly: trong phay và xung là dầu, còn WEDM là nước
- Loại dụng cụ
- Công suất thiết bị,....


1.3.2. Ưu, nhược điểm
Từ nguyên lý gia cơng tia lửa điện, có thể thấy những ưu điểm và hạn chế của
phương pháp gia công này:
1.3.2.1. Ưu điểm
Một trong những điểm đặc sắc nhất của quá trình gia cơng bằng tia lửa
điện là khơng có lực cắt trong q trình gia cơng. Khơng có lực cắt đồng
nghĩa với việc tính tốn đồ gá, bàn máy sẽ đơn giản hơn rất nhiều, công suất
của động cơ điều khiển các trục cũng sẽ khơng cần lớn như trước. Đó cũng là
lý do vì sao các hãng chế tạo máy xung đẩy mạnh nghiên cứu gia công máy
phay, máy khoan tia lửa điện bởi nếu thành cơng, họ sẽ có thể chế tạo được
các chi tiết phức tạp khơng thua gì các phương pháp gia cơng truyền thống
mà cơng suất có thể thấp hơn nhiều.
Chất lượng chi tiết gia công tốt, độ chính xác kích thước và độ nhám
bề mặt khơng thua kém gì các phương pháp gia cơng truyền thống.
Ngày càng có nhiều đóng góp trong lĩnh vực gia cơng khuôn mẫu với
tổng số sản phẩm tăng dần theo hàng năm
1.3.2.2. Nhược điểm
Không gia công được những chi tiết phức tạp. Rõ ràng nơi phơi bị ăn
mịn, hình dáng chi tiết sẽ có hình dáng giống như điện cực. Vì vậy, nếu cần

Nguyễn Đức Toàn - Luận văn thạc sỹ kỹ thuật - Khoa Cơ khí - ĐHBK Hà nội


14

phải gia công những chi tiết phức tạp, việc thiết kế điện cực sẽ trở nên khó
khăn hơn rất nhiều lần
Tốc độ gia công chậm. Sau mỗi xung, bề dày lượng kim loại bị ăn mòn
chỉ khoảng vài um và chỉ giới hạn trong một diện tích nhỏ. Tốc độ gia công
chậm đồng nghĩa với năng suất chế tạo thấp. Các nghiên cứu nhằm tăng tốc

độ gia công bằng tia lửa điện cũng là một mối quan tâm lớn của các hãng chế
tạo máy xung trên thế giới.

1.3.3. Chỉ tiêu đánh giá q trình gia cơng EDM
Để có thể đánh giá được chất lượng q trình gia cơng EDM, các nhà
nghiên cứu về gia công EDM, đã đưa ra một số các chỉ tiêu. Các chỉ tiêu này
không những được áp dụng trong thiết kế và tính tốn thơng thường mà cịn
được dùng làm tiêu chí để điều khiển tự động q trình gia cơng trong các bộ
điều khiển CNC. Các chỉ tiêu đánh giá gồm có: Năng suất gia cơng, lượng
mịn điện cực và chất lượng chi tiết gia cụng.
- Năng suất gia công (mm3/phút hay g/phút): là lượng hớt vật liệu chi tiết
trong 1 khoảng thời gian. Năng suất tỷ lệ thuận với cường độ dòng điện
và khoảng thêi gian gia c«ng cã Ých (thêi gian cđa giai ®o¹n 2).
Trên thực tế, một đại lượng khác tương tự năng suất thường được dùng
trong quá trình điều khiển là hiệu suất gia cơng. Hiệu suất gia cơng được
tính theo công thức.
t e( k )
(k )
k =1 (t i + t o )
N

η =∑

Với N là số chu kỳ lấy mẫu. Mỗi chu kỳ gia cơng được tính trong
khoảng thời gian ( t i + t o ) (µs).

Nguyễn Đức Toàn - Luận văn thạc sỹ kỹ thuật - Khoa Cơ khí - ĐHBK Hà nội


15


Theo cơng thức trên, hiệu suất được tính cho một q trình gia cơng hay
một khoảng thời gian xác định. Thông thường, các hệ điều khiển hiện
đại như AGIE, Charmill, Mitsubishi lấy N=1000.
- Lượng mòn của dụng cụ V e (g): khi gia công, bên cạnh vật liệu chi tiết
bị mịn thì dụng cụ cũng bị mịn theo. Độ mịn này sẽ ảnh hưởng trực
tiếp đến kích thước và hình dáng của chi tiết sau khi gia công. Một đại
lượng khác cũng hay được dùng là độ mòn tương đối V:

V=

Ve
.100%
Vw

(%)

với V w là lượng mòn của chi tiết (g) sau khi gia c«ng. Các phương pháp
điều khiển thường có mục đích là làm giảm V e và tăng V w hay nói cách
khác là giảm V.
- Chất lượng bề mặt: bao gồm độ chính xác hình dạng hình học, độ nhám
bề mặt Ra, Rz và chất lượng lớp bề mặt sau khi gia công (ứng suất dư
tồn tại ở lớp bề mặt, độ dày lớp vật liệu bị hư hại, độ cứng...) Chỉ tiêu
này thường được dùng nhất để giải bài tốn tối ưu và có ảnh hưởng trực
tiếp đến chất lượng các chi tiết sau khi gia công EDM.

1.4. Các thông số công nghệ cơ bản
Các thông số cơng nghệ ở mục này có tính chất tổng qt cơ bản.
Trong thực tế, cịn có một số thơng số cơng nghệ khác nhằm mục đích đảm
bảo q trình gia cơng được tốt (ví dụ: độ nhạy cảm, thời gian lên xuống của

điện cực gia công theo phương pháp nhắp,...).

Nguyễn Đức Toàn - Luận văn thạc sỹ kỹ thuật - Khoa Cơ khí - ĐHBK Hà nội


16

Hình 1.9. Đồ thị điện áp và cường độ dòng ®iÖn

1.4.1. Điện áp đánh lửa Ui
Đây là điện áp cần thiết để dẫn tới sự phóng tia lửa điện. Nó cung cấp
cho điện cực và phôi khi máy phát được đóng điện, gây ra sự phóng tia lửa
điện để đốt cháy vật liệu. Điện áp đánh lửa U i càng lớn thì phóng điện càng
nhanh và cho phép khe hở phóng điện càng lớn.
Điện áp U i phụ thuộc nhiều vào vật liệu của dung dịch điện môi và chế
độ gia công. Với các thế hệ thiết bị thế hệ cũ, điện áp này thường vào khoảng
80 – 120V; với thiết bị thế hệ mới thì lại có giá trị khoảng 150V – 250V.
Điện áp cao thường dùng với gia cơng tinh vì khi đó ti nhỏ lên với điện áp
cao thì khoảng thời gian ion hóa (thời gian giai đoạn 1) được rút ngắn dẫn
đến hiệu suất tăng.

1.4.2. Điện áp phóng tia lửa điện Ue
Khi bắt đầu phóng tia lửa điện thì điện áp tụt xuống từ U i đến U e . Đây
là điện áp trung bình trong suốt thời gian phóng tia lửa điện. U e là một hằng
số vật lý phụ thuộc vào cặp vật liệu điện cực/phôi. U e không điều chỉnh được.
U e tồn tại trong suốt thời gian xảy ra giai đoạn 2 của q trình phóng điện.
Các nghiên cứu đó cho thấy U e của cặp đồng và thép trong khoảng 35…45
V.

Nguyễn Đức Toàn - Luận văn thạc sỹ kỹ thuật - Khoa Cơ khí - ĐHBK Hà nội



17

1.4.3. Thời gian kéo dài xung ti
t i được định nghĩa là khoảng thời gian cấp điện áp của một chu kỳ
phóng tia lửa điện. Khoảng thời gian này được tính cho thời gian của giai
đoạn 1 và 2 của mt xung gia cụng EDM.
Độ kéo dài xung t i ảnh hưởng đến nhiều yếu tố quan trọng có liên quan
trực tiếp đến chất lượng và năng suất gia công như độ mòn vật liệu, độ nhám
bề mặt và độ mũn in cc.
Các yếu tố bị ảnh hưởng:
1.4.3.1. ti nh hưởng đến lượng ăn mòn vật liệu
Thực nghiệm cho thấy khi giữ nguyên dòng điện I e và khoảng cách xung t o ,
nếu tăng t i thì ban đầu V w tăng nhưng chỉ tăng đến giá trị cực đại ở t i nhất
định nào đó sau đó V w gim i.
(m m 3 / m in)

VW
1000
500

100
50

10
5

ti


10

50 100

500 1000

5000

(às)

Hình 1.10. Độ mòn tương đối phụ thuộc ti
Nu vn tip tục tăng t i thì năng lượng phóng điện khơng cịn được sử dụng
thêm nữa để hớt vật liệu phơi mà nó lại làm tăng nhiệt độ của các điện cực và
dung dịch điện môi.
1.4.3.2. t i và độ nhám bề mặt: khi tăng t i thì độ nhám R max cũng tăng do tác
dụng của dòng điện được duy trì lâu hơn làm cho lượng hớt vật liệu tăng lên
ở một vị trí ⇒ R max tăng lên.

Nguyễn Đức Toàn - Luận văn thạc sỹ kỹ thuật - Khoa Cơ khí - ĐHBK Hà nội


18

(µm )

Rz
125
100
75
50

25

ti

10

50 100

500 1000

5000

(µs)

Hình 1.11. Độ nhám phụ thuộc ti
1.4.3.3. ti và độ mòn điện cực
Độ mòn V e của điện cực sẽ giảm đi khi tăng t i thậm chí cả sau khi đạt lượng
ăn mịn vật liệu cực đại.

1.4.4. Khoảng cách xung to
Được đo bằng thời gian giữa hai lần ngắt-đóng của máy phát xung thuộc 2
chu kỳ phóng điện kế tiếp nhau (thời gian của giai đoạn 3). t o còn được gọi là
độ kéo dài nghỉ của xung.
• Khoảng cách t o càng lớn thì lượng hớt vật liệu V w càng nhỏ và ngược
lại.
• t o nhỏ như có thể được để nó có thể đạt một lượng hớt vật liệu tối đa.
Nhưng khoảng cách xung t o phải đủ lớn để có đủ thời gian phục hồi
trạng thái của dung dịch điện ly trong khe hở phóng điện, tránh được
hiện tượng hồ quang, ngắn mạch và đủ để đẩy các hạt ơ-xít ra khỏi khe
hở phóng điện.

Do vậy, tuỳ thuộc vào kiểu máy và trường hợp gia công cụ thể mà lựa chọn
t o , t i phù hợp thông qua tỉ số t i /t o :
+ Khi gia công rất thô chọn

:

t i /t o > 10

Nguyễn Đức Toàn - Luận văn thạc sỹ kỹ thuật - Khoa Cơ khí - ĐHBK Hà nội


19

+ Khi gia công thô chọn

:

t i /t o = 10

+ Khi gia công tinh chọn

:

t i /t o = 5 ÷ 10

+ Khi gia cơng rất tinh chọn

:

t i /t o < 5 (thường chọn = 0,4).


1.4.5. Dịng phóng tia lửa điện Ie
Giá trị trung bình của dịng điện từ khi bắt đầu phóng tia lửa điện đến khi
ngắt điện. Khi bắt đầu phóng tia lửa điện (kết thúc giai đoạn 1), dòng điện
tăng lên từ 0 đến giá trị I e . I e ảnh hưởng lớn nhất đến lượng hớt vật liệu, độ
mòn điện cực và chất lượng bề mặt gia cơng. Nhìn chung I e càng lớn thì
lượng hớt vật liệu càng lớn, độ nhám bề mặt càng lớn nhưng độ mòn điện cực
giảm.

1.4.6. Thời gian trễ đánh lửa td
Thời gian này được xác định là thời gian của giai đoạn 1. Thời gian trễ
này phụ thuộc vào vật liệu dung dịch điện ly và điện áp U i . Một đặc tính
quan trọng của thơng số này là cho biết trạng thái đang gia công. Các hệ điều
khiển hiện nay sử dụng t d như là một thông số để kiểm tra trạng thái gia công
hiện nay là tia lửa điện hay hồ quang. Với trường hợp hồ quang thỡ giỏ trị
t d <500ns.
Bảng 1.1. Trị số của t d và trạng thái của quá trình gia cơng [13]
TT

Giá trị của t d

Trạng thái

1

t d =0

Hở mạch

2


5%t i
Gia công tốt

3

0
Hồ quang

4

20%t i
Gia công không tốt

5

80%t i
Ngắn mạch

Nguyễn Đức Toàn - Luận văn thạc sỹ kỹ thuật - Khoa Cơ khí - ĐHBK Hà nội


20

1.4.7. Khe hở phóng điện δ
Khe hở phóng điện là khoảng cách giữa 2 điện cực mà tại đó phát sinh

tia lửa điện. Khe hở này luôn được điền đầy bởi dung dịch điện ly. Trong
suốt q trình gia cơng, do việc mịn vật liệu mà khoảng cách này ln có xu
thế tăng lên làm cho tia lửa điện khơng ổn định. Để có thể đảm bảo việc tính
ổn định thì vấn đề là phải duy trì khe hở tại một trị số xác định. Q trình đó
gọi là sự điều chỉnh khe hở phóng điện.
Trong các máy gia cơng EDM hiện nay, việc điều chỉnh khe hở là do
bộ điều khiển làm tự động thông qua một trị số U ref (gọi là điện áp servo hay
còn gọi là điện áp so sánh).

1.4.8. Phân nhóm thơng số
Để thuận tiện cho việc nghiên cứu về sau, các thông số công nghệ
được phân ra làm 2 nhóm: nhóm thơng số độc lập, nhóm thơng số phụ thuộc.
1.4.8.1. Nhóm thơng số độc lập
Nhóm những thơng số có thể xác định trước. Các thông số này thường
do người vận hành thiết lập trước khi gia cơng. Trong q trình gia cơng, một
số thơng số sẽ được bộ điều khiển CNC thay đổi để có thể phù hợp với điều
kiện gia cơng thực tế. Các thơng số nhóm này bao gồm:
• Đặc tính của vật liệu dụng cụ, chi tiết cần gia công và của dung dịch
điện ly
• Đặc tính cơ bản của xung:
- Cường độ dịng điện gia cơng I e , thời gian kéo dài xung t i , thời
gian nghỉ t o
- Điện áp khởi tạo U i , điện áp servo U ref

Nguyễn Đức Toàn - Luận văn thạc sỹ kỹ thuật - Khoa Cơ khí - ĐHBK Hà nội