Gia Công Tia Lửa Điện EDM Và Cắt Dây Wire Cut

Máy bắn tia lửa điện EDM hay còn gọi xung điện:

Còn được gọi là máy CNC EDM, EDM, máy bắn điện, v.v ... Nó là một thiết bị xử lý điện. Khi Liên Xô cũ Lazarenko nghiên cứu hiện tượng và nguyên nhân khiến các tiếp điểm công tắc bị hỏng do ăn mòn tia lửa, người ta thấy rằng nhiệt độ cao tức thời của tia lửa có thể khiến kim loại cục bộ tan chảy, oxy hóa và bị ăn mòn, do đó tạo ra và phát minh ra phương pháp EDM. 

 

Trong quá trình gia công, dụng cụ và chi tiết là hai điện cực trái dấu, trong đó dụng cụ là catốt, chi tiết là anốt của một nguồn điện một chiều có tần số 50 – 500kHz, điện áp 50 – 300V và cường độ dòng điện 0,1 – 500A. Hai điện cực này được đặt trong dung dịch cách điện được gọi là chất điện môi. Khi cho hai điện cực tiến lại gần nhau thì giữa chúng có điện trường. Khi điện áp tăng lên thì từ bề mặt cực âm có các điện tử phóng ra, tiếp tục tăng điện áp thì chất điện môi giữa hai điện cực bị ion hóa làm cho chúng trở nên dẫn điện, làm xuất hiện tia lửa điện giữa hai điện cực. Nhiệt độ ở vùng có tia lửa điện lên rất cao, có thể đạt đến 12.000oC, làm nóng chảy, đốt cháy phần kim loại trên cực dương. Trong quá trình phóng điện, xuất hiện sự ion hóa cực mạnh và tạo nên áp lực va đập rất lớn, đẩy phoi ra khỏi vùng gia công. Toàn bộ quá trình trên xảy ra trong thời gian rất ngắn từ 10-4 đến 10-7s. Sau đó mạch trở lại trạng thái ban đầu và khi điện áp của tụ được nâng lên đến mức đủ để phóng điện thì quá trình trên lại diễn ra ở điểm có khoảng cách gần nhất.

Phôi của quá trình gia công là các giọt kim loại bị tách ra khỏi các điện cực và đông đặc lại thành những hạt nhỏ hình cầu. Khi các hạt này bị đẩy ra khỏi vùng gia công, khe hở giữa hai điện cực lớn lên, sự phóng điện không còn nữa. Để đảm bảo quá trình gia công liên tục, người ta điều khiển điện cực dụng cụ đi xuống sao cho khe hở giữa hai điện cực là không đổi và ứng với điện áp nạp vào tụ C.

Vai trò của điện cực.

Trong gia công xung điện, điện cực đóng vai trò quan trọng bởi kết quả gia công một phần phụ thuộc vào độ chính xác của điện cực. Việc lựa chọn đúng vật liệu điện cực cũng là yếu tố quan trọng. Điều này còn ảnh hưởng đến tính kinh tế thông qua năng suất và độ hao mòn điện cực. Giá của điện cực có thể chiếm 80% chi phí gia công.

Các loại vật liệu có thể dùng làm điện cực cho máy xung là đồng đỏ, đồng – volfram, Graphite (Điện cực Than chì), bạc-volfram, đồng thau, volfram, nhôm, môlipđen, hợp kim cứng, thép… Trong đó Đồng đỏ và Graphite là thông dụng nhất. Các loại vật liệu volfram, nhôm, môlipđen, hợp kim cứng, thép… được sử dụng trong một vài trường hợp đặc biệt.

Ưu nhược điểm và khả năng công nghệ.

Bề mặt chi tiết được gia công EDM có thể đạt Ra = 0,63µm khi gia công thô và Ra = 0,16µm khi gia công tinh. Thông thường độ chính xác gia công vào khoảng 0,01mm.

Phương pháp này có thể gia công những vật liệu khó gia công mà các phương pháp gia công truyền thống khó thực hiện như thép tôi, thép hợp kim khó gia công, hợp kim cứng. Đồng thời còn gia công được các chi tiết hệ lỗ có hình dáng phức tạp.

Máy cắt dây, hay  còn được gọi là máy wire cut.

Cắt dây tia lửa điện (Wire cut electric discharge machining – WEDM) được giới thiệu vào cuối thập niên 1960. Lúc đó đây là công nghệ mang tính đột phá và độc nhất vô nhị. Dù thể hiện được khả năng gia công các vật liệu cứng nhưng độ chính xác không cao. Do vậy, phương pháp gia công này không thu hút được nhiều sự quan tâm.

 

 

Nguyên lý cắt

Gia công tia lửa điện (Electrical discharge machining) là sự ăn mòn kim loại bằng tia lửa điện. Trong đó, dụng cụ và chi tiết là hai điện cực, dung cụ là Cathod còn chi tiết là Anod. Chúng được đặt trong dung dịch cách điện luôn có các ion di chuyển tự do. Khi điện áp tăng lên, bề mặt âm có điện tử phóng ra. Tiếp tục tăng điện áp, chất lỏng giữa hai điện cực bị ion hóa làm cho vùng chất lỏng đó trở nên dẫn điện. Đây chính là là hiện tượng đánh thủng điện môi. Dòng điện tiếp tục tăng đạt đến “trị số tắt”, ở đó quá trình phóng điện không còn duy trì nữa.

 Do thời gian phóng điện ngắn từ ( 0.0001 đến 0.00000001 giây) nên nhiệt truyền tới chi tiết gia công ít và không sâu. Chủ yếu tập trung tại bề mặt với nhiệt độ rất cao làm chảy và bốc hơi kim loại trong vùng này. Phoi của quá trình gia công là các giọt kim loại bị tách khỏi các điện cực và đông đặc lại thành những hạt nhỏ dạng hình cầu. Khi các hạt bị đẩy ra khỏi vùng gia công, khe hở giữa hai điện cực lớn lên và sự phóng điện không còn nữa. Do vậy, để tiếp tục cần điều chỉnh hai điện cực lại gần nhau và quá trình trên cứ thế lặp lại liên tục.

Trong quá trình gia công có sự ăn mòn ở cả hai điện cực (chi tiết gia công và dụng cụ). Tuy nhiên, sự ăn mòn này không bằng nhau. Việc lựa chọn các thông số như: độ phân cực, tính dẫn nhiệt, nhiệt độ nóng chảy của vật liệu, thời gian kéo dài cường độ xung điện hợp lý ta có thể đạt được độ mòn 99,5% cho chi tiết và 0,5% cho dụng cụ.

Cắt dây tia lửa điện là một hình thức đặc biệt của gia công tia lửa điện. Có một số điểm khác nhau cơ bản giữa cắt dây và xung điện (Die-sinker EDM). Thay vì sử dụng điện cực thỏi có dạng nhất định thì trong WEDM điện cực là sợi dây kim loại có đường kính từ 0,03 – 0,3mm. Dây này được cuốn liên tục và chạy theo một biên dạng cho trước, cắt được bề mặt 2D và 3D phức tạp.

Chuyển động của dây cắt được điều khiển theo đường bao trong hệ tọa độ XY. Thông thường, bàn máy được điều khiển CNC để tạo ra chuyển động theo các phương X và Y. Kết hợp dịch chuyển đầu dẫn dây trên và dưới theo trục U, V tạo ra các góc nghiêng giúp máy gia công các góc côn từ 20-30 độ tùy vào chiều dầy phôi.

Chuyển động này tạo thành một đường liên tục với độ chính xác khoảng 0,001mm và cần được lập trình bằng phần mềm CAD/CAM riêng cho máy cắt dây. Tuy nhiên cũng có thể lập trình bằng tay với các ứng dụng đơn giản.

Dây cắt được dẫn thông qua hai cơ cấu dẫn hướng (wire guilde) bằng kim cương. Tùy vào đường kính của dây mà đường kính trong của lỗ dẫn hướng dây có giá trị phù hợp. Nhà cung cấp thường kèm theo máy một số bộ cơ cấu dẫn hướng thích hợp cho vài cỡ đường kính dây cắt.

Phần lớn các máy cắt dây đời mới đều đều trang bị hệ thống xỏ dây tự động (Auto wire threading – AWT)

Giữa gia công xung điện (Die-siker EDM) và gia công bằng cắt dây (Wire cut EDM) có một số khác biệt sau:

– Gia công Xung điện sử dụng dầu làm chất điện môi còn WEDM dùng nước khử khoáng. (Một số máy cắt dây WEDM có độ chính xác cao cũng sử dụng điện môi là dầu)

– Khi gia công xung điện, sự phóng điện xảy ra giữa mặt điện cực với chi tiết. Bên cạnh đó, gia công dây cắt thì sự phóng điện xảy ra giữa mặt bên dây cắt với chi tiết gia công

– Vùng phóng điện khi gia công xung điện gồm mặt và góc của điện cực. Khác với vùng phóng điện khi gia công cắt dây chỉ là mặt 180 độ của dây khi tiến đến cắt chi tiết

Máy cắt dây tia lửa điện

Máy cắt dây tia lửa điện thường được chia thành 4 phần :

-Hệ thống cơ khí: Thân máy, bàn máy, hệ thống dẫn dây.

-Hệ thống điện môi: Thùng chứa điện môi, hệ thống lọc, hệ thống trao đổi ion.

-Hệ thống phóng điện: Tủ điện, bo mạch phóng điện, bộ nguồn phóng điện

-Hệ điều khiển số CNC

Dây cắt

 

 

Hình 4: Dây đồng dùng cho máy cắt dây

 

Các dây cắt thường chỉ sử dụng một lần, nhưng cũng có loại được sử dụng nhiều lần. Đối với gia công cắt dây, vật liệu làm điện cực phải có các tính chất sau:

– Dẫn điện tốt

– Có nhiệt độ nóng chảy cao

– Có độ giãn dài cao

– Có tính dẫn nhiệt tốt

Dựa vào thành phần của dây cắt người ta chia ra làm hai loại là loại không có lớp phủ (đơn thành phần) và loại có lớp phủ (đa thành phần).

Loại không có lớp phủ (Dây cắt Sodick Tsubame Plus)

Dây cắt truyền thống sử dụng trong máy cắt dây EDM là một kim loại đơn thành phần như đồng đỏ, đồng thau và molipđen. Đồng đỏ được sử dụng đầu tiên vì nó có tính dẫn điện cao và dễ chế tạo thành những dây có đường kính nhỏ. Khoảng năm 1979 thì dây đồng đỏ được thay thế bằng đồng thau để cải thiện tốc độ gia công. Vì tác dụng làm nguội của kẽm và sự tạo thành ôxit kẽm có xu hướng giảm sự đứt dây.

Loại dây có lớp phủ - coated wire (Dây cắt Sodick Hayabusa 200 P5-5)

Đồng thau đã chứng minh độ tin cậy của nó cho quá trình EDM. Nhờ vào khả năng dung hòa giữa độ bền, độ dẫn nhiệt và khả năng sục chất điện môi. Tuy nhiên, các dây cắt không có lớp phủ vẫn còn hạn chế bởi sự dung hòa giữa các tính chất. Các dây cắt có lớp phủ đã được sử dụng để thêm vào một số tính chất độc lập. Các dây cắt có lớp phủ có độ bền kéo cao và độ thoát nhiệt cao trong quá trình gia công. Lớp phủ có thể là kẽm, ôxyt kẽm, graphit, đồng đỏ với lõi là đồng thau… Dây cắt phủ kẽm cải thiện đáng kể khả năng cho sục chất điện môi hơn dây đồng thau không phủ. Một lớp phủ graphit làm tăng đột ngột khả năng cho sục chất điện môi của molipđen bằng cách sinh ra các khí CO, CO2. Graphit cũng sinh ra một tia lửa điện nóng hơn cho phép đạt năng lượng cao hơn trong khe hở phóng điện. Các lớp phủ thường dày từ 5 – 10µm.

Chất điện môi

Chất điện môi và sự sục rửa có các chức năng sau:

– Cách ly khe hở gia công trước khi một lượng lớn năng lượng được tích lũy và tập trung năng lượng phóng điện vào một vùng nhỏ.

– Khôi phục điều kiện khe hở mong muốn bằng cách làm lạnh khe hở và khử ion hóa.

– Rửa trôi phoi ra khỏi vùng gia công, làm nguội dây và làm nguội chi tiết gia công.

Hầu hết các máy cắt dây EDM sử dụng chất điện môi là nước khử khoáng. Thuận lợi cơ bản của nước là chất lượng làm nguội tốt. Độ tinh khiết của nước được đánh giá bằng điện trở suất. Điện trở suất càng thấp thì năng suất bóc vật liệu càng cao. Tuy nhiên không nên sử dụng nước có điện trở suất quá thấp. Khi thêm vào một số chất hữu cơ có thể cải thiện tốc độ cắt.

Trong gia công WEDM, thường chất điện môi được đưa vào khe hở gia công dưới áp suất cao (15 – 20bar). Dòng chảy này được phun đồng trục với dây cắt. Thông thường thì kết hợp phun từ dưới lên và từ trên xuống bằng hai vòi phun.

Mặc dù nước có ưu điểm là chất lượng làm nguội tốt, tốc độ cắt cao. Nhưng nước có nhược điểm là ăn mòn chi tiết gia công và các cơ cấu máy. Vì thế trong một số trường hợp máy cắt dây có thể sử dụng dầu thay cho nước vì dầu không ăn mòn chi tiết gia công. Với điện trở suất cao làm phát sinh dễ dàng các tia lửa điện cực nhỏ, tạo nên bề mặt chi tiết có độ bóng cao. Vì thế dầu là môi trường lý tưởng để gia công tinh chính xác với dây cực mảnh. Không có ăn mòn điện hóa và ăn mòn bề mặt trong dầu nên lượng coban trong hợp kim cứng không bị suy giảm.

Chất lượng bề mặt và độ bền lâu sau khi gia công trong dầu cao hơn nhiều so với khi gia công trong nước. Khi gia công trong dầu có thể dùng dây điện cực rất mảnh với đường kính 0,025 – 0,03mm.

Xem thêm:

• Tổng Hợp Lệnh Code Trển Máy Cắt Dây Sodick