Giới thiệu về Máy cắt dây tia lửa điện – Wire cut EDM
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.
Tuy nhiên, vài chục năm gần đây, công nghệ WEDM đã phát triển vượt bậc. Các máy WEDM ngày càng tinh vi thể hiện ở hiệu năng và đạt độ chính xác cao.
1.Nguyên lý gia công
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 (10−4 đến 10−8 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
2. 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
Tùy theo tiêu chí,có thể chia máy cắt dây tia lửa điện thành 2 loại: Máy WEDM truyền thống và máy WEDM CNC
Máy WEDM truyền thống là loại máy đầu tiên dùng dây cắt điều khiển bằng tay. Loại này có kết cấu đơn giản, khả năng công nghệ và độ chính xác kém. Chất lượng khi gia công trên máy này phụ thuộc vào tay nghề công nhân. Hơn nữa chỉ gia công những dạng hình học đơn giản, không gia công được bề mặt côn, bánh răng…
Máy WEDM CNC là loại EDM điều khiển chương trình số. Loại này có kết cấu phức tạp hơn, tuy nhiên lại có rất nhiều ứng dụng. Nó có thể gia công được các bề mặt phức tạp với độ chính xác cao.
Bên cạnh quá trình gia công WEDM bình thường, quá trình gia công WEDM 5 trục “thực” cũng đang dần trở nên phổ biến. Gia công WEDM 5 trục “thực” có sự khác biệt với gia công CNC 5 trục. Thông thường người ta nghĩ rằng khi nghiêng bộ dẫn dây cắt sẽ thành gia công 5 trục.
Trong thực tế, gia công WEDM 5 trục “thực” phải có hệ thống bàn xoay (kiểu indexing) để làm xoay chi tiết gia công. Chi tiết khi gá lên bàn xoay này có thể được xoay đồng thời trong quá trình gia công. Phổ biến hơn, các bàn xoay được dùng để phân độ chi tiết gia công với gia số định trước, đặc biệt hữu dụng khi yêu cầu gia công chi tiết với dung sai nghiêm ngặt. Gia công WEDM 5 trục thường được áp dụng để chế tạo các chi tiết phức tạp trong hàng không, y học và trong kỹ nghệ truyền thông
3. Dây cắt
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.
4.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.
5.Chất lượng bề mặt khi gia công WEDM
Dạng nhám bề mặt khi gia công bằng WEDM hoàn toàn khác so với các phương pháp gia công truyền thống. Trên bề mặt chi tiết được gia công bằng WEDM có nhiều chỗ lồi hình cầu và lòng chảy. Người ta gọi chúng là các đỉnh và miệng “núi lửa”. Chúng thay thế cho các đường đỉnh và đáy của profile nhám bề mặt gia công bằng phương pháp truyền thống. Giữa các chỗ lồi và lòng chảo là vùng bằng phẳng chuyển tiếp, trong khi đó bề mặt được gia công bằng phương pháp truyền thống chỉ xuất hiện vết dao cắt thông thường. Do đó, bề mặt gia công bằng cắt dây EDM ít bị tập trung ứng suất hơn, bề mặt đa hướng chứ không theo mẫu định hướng như gia công truyền thống.
Giá trị của độ nhám bề mặt phụ thuộc vào nhiều yếu tố trong đó có cường độ dòng điện. Cường độ dòng điện càng lớn thì trên bề mặt càng xuất hiện nhiều miệng núi lửa càng lớn. Để đạt được độ bóng cao thì sau khi cắt thô phải cắt tinh thêm một số lần.
6.Ứng dụng
Nói chung, WEDM có đầy đủ những ưu nhược điểm của một phương pháp gia công EDM. WEDM có thể gia công nhiều dạng bề mặt khác nhau với độ chính xác cao như:
– Gia công các lỗ trong khuôn đột, khuôn ép kim loại…
– Gia công điện cực cho máy xung EDM
– Cắt các đường biên dạng phức tạp: biên dạng thân khai của bánh răng, biên dạng cam, cắt đường có biên dạng spline…
– Cắt các mặt 3 chiều đặc biệt như bề mặt bánh răng nghiêng, bề mặt cánh tuabin, các khối nón, khối xoắn ốc, khối parabol, khối elip…
Ngoài những ứng dụng của gia công EDM nói chung, WEDM còn có ứng dụng đáng chú ý là nó có thể gia công các vật liệu siêu cứng như kim cương đa tinh thể (PCD), nitrit bo lập phương (CBN) và một số loại vật liệu composite có tính dẫn điện.
Video 1: Máy cắt dây Sodick với trục thứ 6
Các hãng máy máy cắt dây đồng phổ biến trên thj trường Việt Nam hiện này có thể kể đến Sodick, Makino, Misubishi, Fanuc, Seibu (Nhật bản) hoặc Agie Charmilles (Thụy Sỹ); CHMER, ARISTECH, JSEDM (Đài Loan).
