Nâng cao độ chính xác biên dạng góc ngoài khi cắt trên máy cắt dây CW-322S

Luận văn thạc sĩ kỹ thuật - 1- Chuyên ngành công nghệ chế tạo máy

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc-tnu.edu.vn

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN

TRƢỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT`

ĐỀ TÀI:

NÂNG CAO ĐỘ CHÍNH XÁC BIÊN DẠNG GÓC NGOÀI

KHI CẮT TRÊN MÁY CẮT DÂY CW-322S

HÀ TOÀN THẮNG

THÁI NGUYÊN - 2011

Luận văn thạc sĩ kỹ thuật - 2- Chuyên ngành công nghệ chế tạo máy

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc-tnu.edu.vn

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN

TRƢỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP

THUYẾT MINH

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

ĐỀ TÀI:

NÂNG CAO ĐỘ CHÍNH XÁC BIÊN DẠNG GÓC NGOÀI

KHI CẮT TRÊN MÁY CẮT DÂY CW-322S

Học viên: Hà Toàn Thắng

Lớp: CHK12

Chuyên ngành: Công nghệ chế tạo máy

Người HD khoa học: PGS.TS Nguyễn Đăng Hòe

KHOA ĐT SAU ĐẠI HỌC NGƯỜI HD KHOA HỌC HỌC VIÊN

PGS.TS Nguyễn Đăng Hòe Hà Toàn Thắng

THÁI NGUYÊN - 2011

Luận văn thạc sĩ kỹ thuật - 3- Chuyên ngành công nghệ chế tạo máy

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc-tnu.edu.vn

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan những kết quả có được trong luận văn là do bản thân tôi

thực hiện dưới sự hướng dẫn của thầy giáo PGS.TS Nguyễn Đăng Hoè. Ngoài tài

liệu tham khảo đã được liệt kê, các số liệu và kết quả thực nghiệm là trung thực và

chưa được ai công bố trong bất cứ công trình nào khác.

Thái Nguyên, ngày 10 tháng 10 năm 2011.

Ngƣời thực hiện

Hà Toàn Thắng

Luận văn thạc sĩ kỹ thuật - 4- Chuyên ngành công nghệ chế tạo máy

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc-tnu.edu.vn

LỜI CẢM ƠN

Cùng với xu thế phát triển của xã hội, các ngành khoa học kỹ thuật cũng có

những bước tiến vượt bậc. Đặc biệt là sản xuất cơ khí hiện đại đã dần dần thay thế

sản xuất truyền thống, các sản phẩm cơ khí ngày càng đòi hỏi độ chính xác, độ tin

cậy cao.

Với mong muốn nâng cao độ chính xác của các sản phẩm gia công trên máy

công cụ nói chung và máy cắt dây nói riêng; dưới sự hướng dẫn của PGS.TS

Nguyễn Đăng Hoè, tác giả đã thực hiện đề tài :“Nâng cao độ chính xác biên dạng

góc ngoài khi cắt trên máy cắt dây CW-322S”. Trong thời gian thực hiện đề tài, tác

giả đã nhận được sự quan tâm rất lớn của nhà trường, các Khoa, các Phòng, Ban

chức năng, các thầy cô giáo và các bạn đồng nghiệp.

Tác giả bày tỏ lời cảm ơn chân thành nhất đến PGS.TS Nguyễn Đăng Hoè,

Trường Đại học Kỹ thuật công nghiệp đã tận tình hướng dẫn trong quá trình thực

hiện luận văn này.

Tác giả xin chân thành cảm ơn Ban Giám hiệu, Khoa Sau đại học, các giáo

viên giảng dạy và các đồng nghiệp.

Tác giả chân thành cảm ơn Trung tâm thí nghiệm và các giáo viên thuộc

trung tâm đã tạo điều kiện về thiết bị và giúp đỡ trong quá trình sử dụng thiết bị để

thực hiện luận văn.

Mặc dù đã cố gắng, song do kiến thức và kinh nghiệm còn hạn chế, nên chắc

chắn luận văn không tránh khỏi thiếu sót. Tác giả mong nhận được những ý kiến

đóng góp từ các thầy cô giáo và các đồng nghiệp để luận văn được hoàn thiện hơn.

Xin chân thành cảm ơn !

Thái Nguyên, ngày 10 tháng 10 năm 2011

Luận văn thạc sĩ kỹ thuật - 5- Chuyên ngành công nghệ chế tạo máy

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc-tnu.edu.vn

MỤC LỤC

Trang

Lời cam đoan 1

Lời cảm ơn 2

Mục lục 3

Danh mục các bảng biểu 7

Danh mục các đồ thị, hình vẽ 7

MỞ ĐẦU 9

1. Tính cấp thiết của đề tài 9

2. Ý nghĩa khoa học và ý nghĩa thực tiễn của đề tài 10

3. Mục đích, đối tượng và phạm vi nghiên cứu 11

4. Nội dung của đề tài 11

CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ GIA CÔNG TIA LỬA ĐIỆN 13

1.1 Đặc điểm của phương pháp gia công tia lửa điện 13

1.1.1 Các đặc điểm chính của phương pháp gia công tia lửa điện 13

1.1.2 Khả năng công nghệ của phương pháp gia công tia lửa điện 14

1.2 Các phương pháp gia công tia lửa điện 14

1.2.1 Phương pháp gia công xung định hình 14

1.2.2 Phương pháp gia công cắt dây tia lửa điện 14

1.2.3 Các phương pháp khác 14

1.3 Các hướng nghiên cứu chính về cắt dây 16

1.3.1 Tối ưu hóa các tham số của quá trình gia công tia lửa điện 16

1.3.2 Giám sát và điều khiển quá trình gia công tia lửa điện 18

1.4 Cơ sở công nghệ của quá trình gia công tia lửa điện 18

1.4.1 Cơ sở công nghệ 18

1.4.1.1 Bản chất vật lý 18

1.4.1.2 Cơ chế bóc tách vật liệu 23

1.4.2 Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình gia công tia lửa điện 24

Luận văn thạc sĩ kỹ thuật - 6- Chuyên ngành công nghệ chế tạo máy

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc-tnu.edu.vn

1.4.2.1 Các đặc tính về điện của sự phóng tia lửa điện 24

1.4.2.2 Dòng điện, bước của dòng điện 28

1.4.2.3 Ảnh hưởng của khe hở phóng điện δ 29

1.4.2.4 Ảnh hưởng của điện dung C 31

1.4.2.5 Ảnh hưởng của diện tích vùng gia công 32

1.4.2.6 Ảnh hưởng của sự ăn mòn điện cực 33

1.5 Lượng hớt vật liệu khi gia công tia lửa điện 33

1.6 Chất lượng bề mặt 34

1.6.1 Độ nhám bề mặt 34

1.6.2 Vết nứt tế vi và các ảnh hưởng về nhiệt 35

1.7 Độ chính xác tạo hình khi gia công tia lửa điện 36

1.8 Các hiện tượng xấu khi gia công tia lửa điện 37

1.8.1 Hồ quang 37

1.8.2 Ngắn mạch, sụt áp 38

1.8.3 Xung mạch hở, không có dòng điện 38

1.8.4 Sự quá nhiệt của chất điện môi 39

1.9 Các yếu tố không điều khiển được 39

1.9.1 Nhiễu hệ thống 39

1.9.2 Nhiễu ngẫu nhiên 39

1.10 Dung dịch chất điện môi trong gia công tia lửa điện 40

1.10.1 Nhiệm vụ của dung dịch chất điện môi 40

1.10.2 Các loại chất điện môi 41

1.10.3 Các tiêu chuẩn đánh giá chất điện môi 42

1.10.4 Các loại dòng chảy của chất điện môi 43

1.10.5 Hệ thống lọc chất điện môi 45

CHƢƠNG 2: MÁY CẮT DÂY VÀ CÁC YẾU TỐ

ẢNH HƢỞNG ĐẾN ĐỘ CHÍNH XÁC GIA CÔNG 48

2.1 Sơ bộ về máy cắt dây tia lửa điện (wire cutting machine) 48

2.1.1 Công dụng của máy cắt dây tia lửa điện 49

2.1.2 Đặc điểm của phương pháp gia công cắt dây tia lửa điện 49

2.1.2.1 Ưu điểm 49

Luận văn thạc sĩ kỹ thuật - 7- Chuyên ngành công nghệ chế tạo máy

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc-tnu.edu.vn

2.1.2.2 Nhược điểm 49

2.2 Điện cực và vật liệu điện cực 50

2.2.1 Yêu cầu của vật liệu làm điện cực 50

2.2.2 Các loại dây điện cực 51

2.3 Sự thoát phoi trong cắt dây tia lửa điện 51

2.4 Nhám bề mặt khi cắt dây 52

2.5 Các thông số về điện trong điều khiển máy cắt dây tia lửa điện 53

2.5.1 Dòng phóng tia lửa điện Ie và bước của xung điện 53

2.5.2 Độ kéo dài xung ti 53

2.5.3 Khoảng cách xung t0 54

2.5.4 Điện áp đánh lửa Ui 54

2.5.5 Khe hở phóng điện 54

2.6 Lập trình gia công trên máy cắt dây 55

2.6.1 Các trục điều khiển và hệ tọa độ 55

2.6.2 Các chức năng “G” 56

2.7 Các yếu tố ảnh hưởng tới độ chính xác gia công 66

CHƢƠNG 3: NGHIÊN CỨU NÂNG CAO ĐỘ CHÍNH XÁC

BIÊN DẠNG KHI GIA CÔNG TRÊN MÁY CẮT DÂY CW-322S 75

3.1 Hiện tượng trễ dây và các biện pháp giảm trễ dây trong gia công tia

lửa điện 75

3.2 Thiết kế thí nghiệm 80

3.2.1 Các giả thiết của thí nghiệm 80

3.2.2 Điều kiện thí nghiệm 80

3.2.2.1 Thiết bị thí nghiệm 80

3.2.2.2 Vật liệu gia công 81

3.2.2.3 Các thiết bị đo 82

3.3 Thực nghiệm 84

3.3.1 Mô hình hóa quá trình cắt dây tia lửa điện 84

3.3.2 Các thông số đầu vào của thí nghiệm 84

3.4 Khảo sát độ chính xác gia công 86

3.5 Phương pháp đánh giá 91

Luận văn thạc sĩ kỹ thuật - 8- Chuyên ngành công nghệ chế tạo máy

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc-tnu.edu.vn

3.6 Phương trình đường tròn đi qua các điểm đo 92

3.6.1 Đường cong 2D trong kỹ thuật 92

3.6.2 Các phương pháp nối trơn các đường cong 93

3.6.3 Ứng dụng xây dựng phương trình đường cong 94

Kết luận chung 106

Tài liệu tham khảo 108

Luận văn thạc sĩ kỹ thuật - 9- Chuyên ngành công nghệ chế tạo máy

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc-tnu.edu.vn

DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU

Bảng 2.1 Danh mục các mã G

Bảng 2.2 Danh mục các mã M

Bảng 3.1 Các thông số kỹ thuật của máy cắt dây CW-322S

Bảng 3.2 Tính năng kỹ thuật của máy đo CMM C544

Bảng 3.3 Kết quả tính sai số khi chưa có lượng bù

Bảng 3.4. Kết quả tính sai số khi có lượng bù sai số

Bảng 3.5 Đối chiếu sai số gia công khi không bù và có bù sai số gia công

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ

Hình 1.1. Sơ đồ nguyên lý gia công tia lửa điện

Hình 1.2. Pha đánh lửa

Hình 1.3. Sự hình thành kênh phóng điện

Hình 1.4. Sự hình thành và bốc hơi vật liệu

Hình 1.5. Đồ thị điện áp và dòng điện trong một xung phóng điện.

Hình 1.6. Mối quan hệ giữa Vw và ti [1]

Hình 1.7. Mối quan hệ giữa θ và ti [1]

Hình 1.8. Mối quan hệ giữa Rmax và ti (với ti = td + te).[1]

Hình 1.9. Ảnh hưởng của ti và t0 đến năng suất gia công [1]

Hình 1.10. Ảnh hưởng của khe hở phóng điện δ

Hình 1.11. Quan hệ giữa η và ap [1]

Hình 1.12. Ảnh hưởng của điện dung C [1]

Hình 1.13. ảnh hưởng của diện tích vùng gia công F [1]

Hình 1.14. Các thông số ảnh hưởng đến năng suất khi gia công EDM

Hình 1.15. Vùng ảnh hưởng nhiệt của bề mặt phôi

Hình 1.16. Hiện tượng hồ quang điện [1]

Hình 1.17. Hiện tượng ngắn mạch sụt áp [1]

Hình 1.18. Hiện tượng xung mạch hở [1]

Luận văn thạc sĩ kỹ thuật - 10- Chuyên ngành công nghệ chế tạo máy

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc-tnu.edu.vn

Hình 1.19. Dòng chảy bên ngoài

Hình 1.20. Dòng chảy áp lực

Hình 2.1. Sơ đồ máy cắt dây tia lửa điện

Hình 2.2. Các trường hợp khó gia công đối với dòng chảy đồng trục

Hình 2.3. Khe hở phóng điện trong gia công cắt dây tia lửa điện

Hình 2.4. Cấu hình trục XYUV

Hình 2.5. Các lệnh dịch chuyển đường kính dây G41/G42

Hình 2.6. Sự cân bằng về lực khi cắt thẳng và sai số hình học khi cắt góc.

Hình 3.1. Hiện tượng trễ dây trong cắt dây khi cắt góc

Hình 3.2. Ảnh hưởng của trễ dây khi cắt góc vuông

Hình 3.3. Phương pháp giảm trễ dây khi cắt góc

Hình 3.4 Phương pháp chạy dây quá đối với đường parabol

Hình 3.5. Hiện tượng trễ dây trong gia công

Hình 3.6. Máy cắt dây CW-322S

Hình 3.7. Ảnh máy đo tọa độ 3 chiều Beyond Crysta C544

Hình 3.8. Sơ đồ qui trình bù sai số

Hình 3.9. Biên dạng chi tiết gia công

Hình 3.10. Lập trình gia công biên dạng và xác định hướng cắt

Hình 3.11. Thiết lập thông số đường kính dây và lượng bù khe hở phóng điện

Hình 3.12. Thiết lập thông số bù G41

Hình 3.13.Mô phỏng quá trình cắt dây 3D

Hình 3.14. Mặt phẳng đo biên dạng

Hình 3.15. Ảnh đo biên dạng trên máy đo CMM

Hình 3.16. Biên dạng chi tiết đo trên máy CMM

Hình 3.17. Chương trình tính sai số bằng phần mềm Matlab cắt khi chưa bù sai số

Hình 3.18. Chương trình tính sai số bằng phần mềm Matlab cắt khi có bù sai số

Hình 3.19.Giới hạn sai số do độ trễ dây gây ra.

PHẦN MỞ ĐẦU

Luận văn thạc sĩ kỹ thuật - 11- Chuyên ngành công nghệ chế tạo máy

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc-tnu.edu.vn

1. Tính cấp thiết của đề tài

Sự phát triển của khoa học kỹ thuật những năm gần đây gắn liền với sự ra

đời của các vật liệu mới, mà chúng có các ưu điểm nổi bật như: độ bền, độ cứng

cao, khả năng chịu nhiệt, chịu mài mòn tốt vv… Những đặc điểm quý báu kể trên là

lý do để các loại vật liệu mới được sử dụng ngày càng rộng rãi trong các ngành

công nghiệp cũng như trong dân dụng, và đặc biệt là trong gia công khuôn mẫu.

Tuy nhiên, chính vì thế mà các đặc điểm này cũng làm cho các vật liệu mới trở nên

rất khó, hoặc thậm chí không thể gia công khi sử dụng các phương pháp gia công

truyền thống.

Vì vậy, song song với việc nghiên cứu nâng cao hiệu quả gia công của các

phương pháp gia công truyền thống, cần phải nghiên cứu tìm ra và hoàn thiện các

phương pháp gia công có cơ chế mới (gia công bằng tia nước có hạt mài, gia công

bằng la-de, gia công tia lửa điện, …) để gia công có hiệu quả hơn các vật liệu mới.

Phương pháp WEDM là một trong những phương pháp gia công được ứng

dụng rộng rãi trong gia công các loại thép hợp kim dụng cụ có độ cứng cao, bởi nó

có ưu điểm là năng suất cắt cao, cắt chiều dày phôi lớn (đến 500mm) với độ chính

xác cao và đạt chất lượng bề mặt như nhau [1]. Nhưng bên cạnh đó, phương pháp

này vẫn còn tồn tại một số nhược điểm, như do cắt với tốc độ cao 500mm2/min

khiến lực tác động lên dây tăng. Lực tác động này cùng với độ cứng của dây thấp

gây ra sự thay đổi hình dáng của bề mặt gia công, độ phẳng và góc cắt [11].

Trong gần hai thập kỷ qua, vấn đề nâng cao độ chính xác hình dáng hình học

của chi tiết khi cắt dây đã là một chủ đề nghiên cứu của các nhà khoa học trên thế

giới. Hầu hết các nghiên cứu trước đây đều tập trung vào hiện tượng lệch dây [14-

16], đã có một số đề xuất phương án sửa đổi các sai số biên dạng trong quá trình gia

công off- line [13-15] hay quá trình gia công on-line [15] nhưng các phương án đã

đề xuất dạng sai lệch hình tang trống của phôi vẫn còn tồn tại, bởi độ trễ dây khi cắt

vẫn chưa được cải thiện đáng kể. Mặc dù các đề tài nghiên cứu đã cố gắng giải

quyết vấn đề bằng các quan điểm khác nhau, nhằm giảm thiểu những sai số hình