Đồ án Thiết kế khuôn chế tạo bánh răng Cycloid ăn khớp trong ứng dụng công nghệ gia công tia lửa điện

Mở đầu Lý do chọn đề tài Sự phát triển của công nghiệp đặt ra nhu cầu phải tải năng lượng trên những quãng đường lớn, từ nguồn sản xuất lớn đến nơi tiêu thụ. Tùy theo công suất và khoảng cách vận chuyển người ta có thể áp dụng các loại truyền động khác nhau. Bao gồm ba loại truyền động: truyền động cơ khí, truyền động thủy lực và truyền động điện. Nhưng truyền động thủy lực vượt trội hơn hẳn với các ưu điểm: công suất lớn, truyền động êm, phòng được tình trạng quá tải, độ nhạy và độ chính xác cao, truyền động vô cấp và cho phép đảo chiều chuyển động. Kích thước nhỏ gọn, công suất lớn đã tạo ra ưu thế tuyệt vời và hệ thống truyền động thủy lực đã trở nên rất thịnh hành trong những năm gần đây. Đặc biệt được ứng dụng phổ biến trong các nghành mũi nhọn như: công nghiệp chế tạo máy bay và các thiết bị bay, trong các dây chuyền sản xuất tự động và các hệ thống sản xuất linh hoạt, trong các máy nâng hạ, cần cẩu, máy xây dựng… Tuy nhiên để đạt được những ưu điểm đó thì Bơm thủy lực thể tích lại có yêu cầu rất cao về công nghệ chế tạo và độ chính xác. Vì vậy mà truyền động thủy lực tuy có nhiều ưu điểm nhưng vẫn chưa được ứng dụng rộng rãi trong cuộc sống. Trong những năm gần đây, với sự phát triển của khoa học kỹ thuật, đặc biệt là sự ra đời và ứng dụng máy tính, với các chương trình CAD - trợ giúp trong việc thiết kê, các chương trình CAM - trợ giúp trong chế tạo và các loại máy gia công CNC đời mới đã giúp đáp ứng được yêu cầu gia công các chi tiết phức tạp với độ chính xác cao như các chi tiết trong hệ thống thủy lực. Chính những tiến bộ đó đã thức đẩy và phát huy những thế mạnh của ngành gia công chế tạo khuôn mẫu thêm phát triển. Ngày nay với xu thế phát triển toàn cầu hóa, một dạng sản phẩm được cung cấp và sử dụng trên phạm vi toàn thế giới. Chính vì thế mà số lượng sản phẩm trong mỗi loại sản phẩm là rất lớn. Các sản phẩm khuôn mẫu cũng chính vì thế mà được ứng dụng ngày càng nhiều. Trước tình hình ứng dụng các hệ thống thủy lực còn hạn chế và khả năng to lớn của các phương pháp công nghệ hiện đại, tôi nhận thấy việc ứng dụng các công nghệ mới vào thiết kế, chế tạo các chi tiết đòi hỏi độ chính xác cao là hoàn toàn khả thi và sẽ góp phần thúc đẩy những ứng dụng mới trong ngành công nghiệp còn đang trong giai đoạn hình thành và phát triển ở Việt Nam. Vì vậy tôi đã chọn đề tài: “ Thiết kế khuôn chế tạo bánh răng Cycloid ăn khớp trong ứng dụng công nghệ gia công tia lửa điện ” Mục đích nghiên cứu Áp dụng bơm bánh răng trong truyền động thủy lực. Khảo sát và vẽ đương cong cycloid. Thiết kế bánh răng Cycloid. Nghiên cứu ứng dụng công nghệ tia lửa điện trong chế tạo khuôn. Với thời gian nghiên cứu có hạn, hơn nữa nội dung đề tài bao gồm nhiều kiến thức còn mới mẻ nên đồ án này khó tránh khỏi còn nhiều thiếu xót. Vì vậy em rất mong nhận được sự hướng dẫn, giúp đỡ và góp ý của các thầy cô để đồ án này được hoàn thiện hơn. Em xin chân thành cảm ơn thầy giáo hướng dẫn PGS.TS Tạ Duy Liêm đã tận tình hướng dẫn, giúp đỡ và tạo mọi điều kiện cho em trong suốt quá trình em thực hiện nhiệm vụ của mình. Em cũng xin gửi lời cám ơn tới các thầy, cô giáo trong khoa đã cho em những ý kiến quý báu. Chương 1 Tổng quan về Bơm Thủy lực Bơm thủy lực thể tích thể tích đã được đưa vào sử dụng từ rất lâu. Từ thời văn minh cổ như Hy Lạp cổ, BabyLon hay Trung Quốc, các cột nước có áp suất đã được dùng để truyền nước đi xa hoặc lên cao được coi là các hệ thống truyền động thể tích đầu tiên được con người áp dụng để phục vụ cuộc sống. Đến thời Alexandre Đại Đế đã xuất hiện máy bơm thủy lực đầu tiên phục vụ cho việc chữa cháy và có thể coi đó là máy bơm thủy lực đầu tiên của loài người. Tuy ra đời rất sớm như vậy nhưng mãi đến thế kỷ 19, các hệ thống truyền động thủy lực mới được quan tâm nghiên cứu và ứng dụng nhiều hơn. Ramelli là một trong những nhà vật lý đầu tiên đánh dấu sự phát triển mới của máy bơm thể tích với sự ra đời của máy bơm Roto đầu tiên. Đến đầu thế kỷ 20, với sự phát triển của khoa học công nghệ, công nghệ chế tạo đã dần đáp ứng được những yêu cầu khắt khe của các chi tiết chính xác trong hệ thống thủy lực, các Bơm thủy lực thể tích đã được chú ý hơn rất nhiều và đã có những bước nhảy vọt đánh dấu sự lên ngôi của các ứng dụng truyền động thủy lực trong các nghành mũi nhọn hàng đầu của nền công nghiệp hiện đại. Với bề dày phát triển, hiện nay Bơm thủy lực thể tích đã có một hệ thống phân loại tương đối hoàn chỉnh. Phân loại Bơm thủy lực thể tích thể tích theo nguyên lý tác động: Bơm thủy lực Bơm thủy lực Piston Bơm thủy lực Roto Bơm Piston đơn Bơm Piston dãy phẳng Bơm Piston hướng kính Bơm cánh gạt Bơm bánh răng 1. Bơm thủy lực thể tích Piston: Các bơm Piston làm việc theo nguyên lý là sự thay đổi thể tích làm việc được tạo nên bởi chuyển động tịnh tiến của Piston trong xy lanh. Loại bơm Piston có khả năng tạo được áp suất rất cao. Chúng có thể làm việc trong điều kiện áp suất tới 1000at, nhưng lưu lượng nhỏ từ 200-500 cm3/vg. Tùy theo cách bố trí xy lanh mà nhóm máy Piston được chia thành các loại: bơm Piston đơn, bơm Piston dãy phẳng, bơm Piston hướng kính và bơm Piston hướng trục. Bơm Piston đơn: Dựa vào sự chuyển động của Piston trong xy lanh, làm thay đổi thể tích chứa chất lỏng trong xy lanh mà chất lỏng được chuyển từ van hút qua ống đẩy. Lượng nước được tập trung rất lớn trong ống dẫn trong khi thể tích không thay đổi đã làm tăng áp suất trong buồng đẩy. Hình 1.1: Bơm Pistong đơn Do bơm ½ chu kỳ hút và ½ chu kỳ đẩy nên lượng nước được bơm trong 1 chu kỳ không ổn định. Khi cho piston làm việc cả 2 phía, với 2 cặp van hút và van đẩy, ta có bơm piston đơn tác dụng kép. Bơm piston đơn tác dụng kép có 2 lần hút và đẩy trong 1 chu kỳ làm việc, lưu lượng trong trường hợp này đều hơn trong trường hợp bơm piston tác dụng đơn. Hình 1.2: Bơm Piston đơn tác dụng kép Bơm Piston dãy phẳng: Bơm Piston dãy phẳng là một bơm Piston nhiều lần tác dụng, nó gồm nhiều bộ xy lanh – Piston đơn bố trí song song trong một mặt phẳng. Số lượng Piston thường là ba. Bơm piston dãy phẳng có số cặp piston – xy lanh là lẻ được dùng nhiều hơn bởi vì trong loại bơm này lưu lượng trong mỗi chu kỳ đều hơn. Các cần Piston được nối với một trục khủy làm nhiệm vụ biến đổi chuyển động quay thành chuyển động tịnh tiến của các piston và ngược lại. Bơm piston dãy phẳng thường cho áp suất rất cao từ 200-700 at và lưu lượng không lớn lắm khoảng 300cm3/vg. Hình 1.3: Bơm Piston dãy phẳng 1.3. Bơm Piston hướng kính: Bơm Piston hướng kính là bơm Piston nhiều lần tác dụng có các piston được bố trí hướng tâm với nhau trong 1 block xy lanh. Tùy theo block xy lanh đó quay hay đứng yên mà chia ra 2 loại: Bơm piston hướng kính có block xy lanh quay và bơm piston hướng kính có block xy lanh không quay. Bơm piston hướng kính có block xy lanh không quay Trong loại bơm này, các piston trong block xy lanh được dẫn động nhờ chuyển động quay của một ngõng trục lệch tâm. Trong trường hợp này, các họng hút và họng đẩy được bố trí trên block xy lanh và thực hiện việc phân phối bằng van. Cũng như bơm piston dãy phẳng, áp suất được tạo bởi loại bơm này rất cao. Hình 1.4: Bơm Piston hướng kính có block xy lanh không quay Bơm piston hướng kính có block xy lanh quay Block xy lanh quay trong một vỏ lệch tâm. Chính độ lệch tâm giữa vỏ và block xylanh tạo nên hành trình chuyển động của Piston. Loại kết cấu này thực hiện việc phân phối chất lỏng ở phía tâm, tức phân phối qua trục. Hình 1.5: Bơm Piston hướng kính có block xy lanh quay 1.4. Bơm Piston hướng trục Bơm Piston hướng trục là một loại bơm piston tác dụng nhiều lần với các piston được bố trí song song ( hoặc nghiêng một góc nào đó ) quanh trục của block Xy lanh. Chuyển động tịnh tiến của các Piston trong xy lanh được thực hiện nhờ một cơ cấu đĩa nghiêng làm điểm tig hay nối khớp với một đầu Piston. Đĩa nghiêng này nghiêng một góc a so với trục của block xylanh ( không song song ) nhưng bơm vẫn làm việc theo nguyên lý của bơm Piston hướng trục. Hiện nay, bơm Piston hướng trục là một loại bơm Piston được sử dụng rất rộng rãi vì những ưu điểm sau: + Kích thước nhỏ gọn + Công suất trên một đơn vị trọng lượng lớn + Momem quán tính nhỏ + Tạo được áp suất rất cao vận tốc quay tới 300v/ph + Hiệu suất lưu lượng cao Tuy nhiên đòi hỏi gia công chính xác nên giá thành của bơm này cao. Hình 1.6: Bơm Piston hướng trục 2. Bơm thủy lực thể tích Roto Bơm thủy lực thể tích Roto là những máy trong đó chuyển động chính của máy là chuyển động quay. Bơm thủy lực thể tích Roto xuất hiện vào cuối thế kỷ 19. Đặc điểm của các loại bơm này là kích thước nhỏ gọn, làm việc tin cậy, lưu lượng lớn, có thể làm việc với số vòng quay lớn. Vì vậy chỉ tiêu kinh tế của loại bơm này cao. Tuy nhiên so với các loại bơm Piston, khả năng tạo áp suất của các loại bơm Roto thấp hơn, khoảng áp suất làm việc thông dụng là 20 - 180 at. Bơm thủy lực thể tích Roto bao gồm: Bơm và động cơ bánh răng, bơm và động cơ trục vít, bơm và động cơ cánh gạt. 2.1. Bơm cánh gạt: Bơm cánh gạt là một loại Bơm thủy lực thể tích Roto có kết cấu đơn giản và làm việc ít ồn. Bơm cánh gạt có khả năng điều chỉnh được lưu lượng, phạm vi làm việc của bơm cánh gạt tương đối hẹp. Nó được dùng nhiều trong các hệ thống máy công cụ, trong giao thông vận tải, trong công nghiệp hóa chất... Cấu tạo của bơm cánh gạt bao gồm: Roto, Stato, và các cánh gạt. Trên Roto có xẻ các rãnh để các cánh gạt chuyển động tịnh tiến ở trong. Roto và Stato được đặt lệch tâm nhau để tạo nên sự thay đổi thể tích khoang làm việc khi Roto và Stato có chuyển động tương đối với nhau. 1- Roto 2- Stato 3- Cánh gạt Hình 1.7: Bơm cánh gạt Nguyên lý hoạt động: Khi bơm làm việc, các cánh gạt luôn tì sát vào thành Stato dưới tác dụng của lực đẩy ly tâm hoặc từ lực lò xo. Thể tích V nối thông với khoang hút được mở rộng ra sẽ hút chất lỏng theo khoang hút vào. Khi chuyển sang vùng V’, thể tích này sẽ bị thu hẹp lại và đẩy chất lỏng vào khoang đẩy. 2.2.Bơm thủy lực thể tích bánh răng: Bơm thủy lực thể tích bánh răng là loại bơm Roto làm việc dựa trên nguyên lý của cặp bánh răng ăn khớp. Đây là loại bơm Roto được sử dụng rộng rãi vì những ưu điểm: kết cấu đơn giản, dễ chế tạo, độ tin cậy cao, kích thước nhỏ gọn, số vòng quay và công suất truyền trên một đơn vị trọng lượng lớn. Hình 1.8: Bơm bánh răng Kế cấu chính của bơm bánh răng bao gồm: 1-Bánh răng chủ động 2-Bánh răng bị động 3-Stato 4-Ống hút 5-Ống đẩy 6-Van an toàn. Nguyên lý làm việc: Bánh răng chủ động được nối với trục của bơm quay và kéo theo bánh răng bị động quay. Chất lỏng ở trong các rãnh răng theo chiều quay của bánh răng, được vận chuyển từ khoang hút đến khoang đẩy vòng theo vỏ bơm. Theo nguyên lý ăn khớp của bánh răng mà ta có 2 loạii bơm bánh răng: Bơm bánh răng ăn khớp ngoài và bơm bánh răng ăn khớp trong. 1 – bánh răng chủ động 2 – bánh răng bị động 3 – stator 4 – lưới chắn Hình 1.9: Bơm bánh răng ăn khớp trong Bơm thủy lực thể tích bánh răng ăn khớp ngoài có cấu tạo đơn giản, bền chắc và rẻ tiền. Tuy nhiên nó có một nhược điểm cơ bản là khi làm việc, do áp suất tăng đột ngột ở vùng đẩy nên tiếng ồn rất lớn. Ngoài ra, khi bơm có lưu lượng lớn, số răng nhiều, kích thước hướng kính của máy cũng rất lớn. Để khắc phục những nhược điểm này, người ta sử dụng Bơm thủy lực thể tích bánh răng ăn khớp trong. Bơm bánh răng ăn khớp trong thường được dùng trong những trường hợp yêu cầu độ cứng vững tiếng ồn nhỏ, bền và hoạt động tin cậy. Bơm này luôn có bánh răng chủ động và bánh răng bị động đặt lệch tâm. Bánh răng chủ động được định tâm bởi trục bơm còn bánh răng bị động được định tâm bởi Stato. Để đảm bảo những yêu cầu của bơm loại này thì biên dạng của bánh răng chủ động và bị động thường phức tạp hơn các bơm thông thường khác. Chúng thường có biên dạng: Cycloid, logarit …Lưới chắn chính là bộ phận ngăn khoang hút và khoang đẩy.Chính vì thế mà kết cấu của bơm lại tương đối đơn giản. Lưu lượng của bơm này không cao và áp suất cũng thấp. Nhưng nó đặc biệt hữu hiệu trong những trường hợp cần sụ dẻo dai, bền bỉ và ổn định. Vì vậy phạm vi ứng dụng của bơm không nhiều. Chương 2 Bánh răng Cycloid ăn khớp trong 1.Khái niệm Cơ cấu bánh răng là cơ cấu ăn khớp có độ chính xác cao dùng để truyền chuyển động quay giữa các trục với tỷ số truyền xác định nhờ sự ăn khớp của các bánh răng. So với các truyền động khác, truyền động bánh răng có nhiều ưu điểm nổi bật: + Kích thước bộ truyền nhỏ + Khả năng tải lớn + Tỷ số truyền lớn + Đảm bảo tỷ số truyền không thay đổi + Hiệu suất truyền động cao + Tuổi thọ cao, làm việc tin cậy 2.Công dụng Với những ưu điểm trên nên bộ truyền báng răng được sử dụng rất phổ biến trong các máy, từ đồng hồ, máy công cụ, máy nông nghiệp, ô tô, động cơ đốt trong, cần trục, bơm ... Phạm vi sử dụng của báng răng rất lớn cả về truyền lực và truyền động. Truyền động bánh răng có thể truyền công suât từ nhỏ đến lớn ( 300 MW ). Với vai trò truyền động, tốc độ vòng quay của các bánh răng trong các bánh răng trong các cơ cấu truyền chuyển động có thể đạt tới 200m/s. Các dạng truyền động bánh răng theo công dụng: Tùy theo công dụng của truyền động người ta chia ra truyền vận tốc, động lực, truyền đông số và các truyền động có công dụng khác. + Truyền động tốc độ: bộ truyền này thường được sử dụng để truyền động ở các cơ cấu có tốc độ cao như: máy bay, hộp giảm tốc của tuabin .. + Truyền động lực: Bộ truyền động này thường được sử dụng để truyền lực lớn như trong các máy cán, các ô tô tải, máy kéo, máy xúc .. + Truyền động số: truyền động đảm bảo chính xác góc quay giữa bánh răng chủ động và bị động. Truyền động này được sử dụng trong các máy gia công chính xác.. + Truyền động có công dụng chung: truyền động này được sử dụng rộng rãi trong nghành chế tạo máy, có vận tốc và tải trọng nhỏ. Tùy theo vận tốc truyền động được chia ra: Truyền động rất chậm: v <= 0.5m/s Truyền động chậm: v = 0.5 - 3m/s Truyền động trung bình: v = 3 - 15m/s Truyền động tốc độ cao: v > 15m/s Khả năng đáp ứng nhu cầu truyền động lớn, phạm vi truyền động rộng với nhiều ưu điểm, truyền động bánh răng đang ngày càng được sử dụng rộng rãi hơn trong công nghiệp. Vì vậy nhu cầu sử dụng và sửa chữa bánh răng ngày càng lớn. Ở các nước công nghiệp phát triển đã xây dựng các nhà máy, phân xưởng chuyên sản xuất bánh răng với trình độ cơ khí hóa và tự động hóa cao. Ở Việt Nam chưa có nhà máy sản xuất bánh răng chất lượng cao nhưng nhu cầu sử dụng là rất lớn. Các bộ truyền được nhập ngoại theo các cơ cấu máy và do đó nhu cầu sửa chữa thay thế cũng rất lớn. Với xu thế phát triển, trong tương lai không xa các nhà máy này sẽ hình thành và phát triển trong nước. 3. Phân loại: Do đặc tính truyền động và các yếu tố ảnh hưởng phong phú và đa dạng nên người ta có thể phân loại bánh răng theo nhiều tiêu chí khác nhau: Phân loại theo vị trí tương đối giữa các trục ta có các lạo truyền động: + Truyền động bánh răng trụ: được dùng để truyền chuyển động giữa các trục song song với nhau, đặc điểm của loại truyền động này là giữ nguyên được hướng và phương của chuyển động. + Truyền động bánh răng côn: được dùng để truyền chuyển động giữa các trục vuông góc với nhau, loại truyền động này được sử dụng khi cần thay đổi phương của chuyển động. Phân loại theo phương của răng ta có các bộ truyền: + Bộ truyền răng thẳng: là bộ truyền sử dụng các bánh răng có phương của răng song song với các đường sinh, ưu điểm của bộ truyền này là đơn giản dễ chế tạo. + Bộ truyền răng nghiêng: là bộ truyền sử dụng các bánh răng có phương của răng không song song với các đường sinh, ưu điểm của bộ truyền là khả năng truyền công suất lớn hơn và êm hơn bộ truyền bánh rang thẳng nhưng nhược điểm là khó chế tạo và trong quá trình truyền động luôn sinh ra lực dọc trục. + Bộ truyền răng chữ V: răng của các bánh răng được thiết kế theo hình chữ V đã khắc phục được lực dọc trục nhưng bộ bánh răng chữ V lại khó chế tạo. Phân loại theo vị trí ăn khớp ta có các bộ truyền ăn khớp ngoài và bộ truyền ăn khớp trong. Phân loại theo biên dạng răng ta có các bộ truyền sử dụng các loại biên dạng: biên dạng thân khai, biên dạng Novikov, biên dạng Cycloid. 3. Các dạng ăn khớp 3.1. Ăn khớp dạng thân khai Truyền động bánh răng thân khai, profin răng có dạng thân khai của vòng tròn, được dùng rộng rãi nhất vì cặp răng được gia công bằng dụng cụ cắt có cạnh thẳng, dễ đảm bảo độ chính xác cao, không bị ảnh hưởng bởi sai số khoảng cách trục. Hình 2.1: Cặp bánh răng thân khai Cặp biên dạng thân khai do Euler tìm ra năm 1754. Sự hình thành đường thân khai của một vòng tròn là do một điểm cố định trên một đường thẳng lăn không trượt trên đường tròn vạch ra trên mặt phẳng chứa vòng tròn đó. Đường tròn triển khai được gọi là đường tròn cơ sở. Đường tiếp tuyến dùng xây dựng đường thân khai gọi là đường thẳng dẹt sinh. Hình 2.2: Sự hình thành đường thân khai Các điểm A1, A2, A3 .. là các điểm tiếp theo của điểm A trên đường thẳng dẹt sinh khi nó chuyển động bao hình trên đườg tròn cơ sở. Các điểm C1, C2, C3. . là các tâm của đườn thân khai. Trên một đường tròn cơ sở có bán kính xác định có thể xây dựng nhiều đường thân khai như nhau Các đường thân khai dựng trên các đường tròn cơ sở khác nhau đồng dạng với nhau. Kích thước của đường thân khai chỉ phụ thuộc vào bán kính của đườg tròn cơ sở.Bán kính đường thân khai luôn luôn thay đổi, phụ thuộc vào vị trí của tâm thân khai. Hình 2.3: Nhiều đường thân khai hình thành từ một vòng tròn cơ sở Các tính chất của đường thân khai: + Đường thân khai không có điểm nào nằm trong đường tròn cơ sở. + Pháp tuyến của đường thân khai là tiếp tuyến của đường tròn cơ sở và ngược lại. + Tâm cong C tại điểm nào đó của đường thân khai nằm trên vòng tròn cơ sở. Bán kính cong A1C bằng cung lăn AC. + Các đường thân khai trên cùng một đườn tròn cơ sở là những đường cách đều và có thể chồng khít lên nhau, khoảng cách giữa các đường thân khai bằng cung chắn giữa các đường thân khai đó trên đường tròn cơ sở. Các ưu điểm của truyền động bánh răng thân khai: + Biên dạng không quá phức tạp, dễ đảm bảo độ chính xác nên dễ gia công. + Các biên dạng thân khai đều giống nhau, hình dạng răng phụ thuộc vào bán kính đường tròn cơ sở của bánh răng ăn khớp với nó, vì thế một bánh răng có thể ăn khớp với nhiều bánh răng có đường kính khác nhau. + Tỷ số truyền vẫn được đảm bảo và không ảnh hưởng bởi sai số khoảng cách trục. + Trong quá trình ăn khớp, bán kính vòng lăn, đường ăn khớp và góc ăn khớp luôn luôn cố định. 3.2. Bánh răng ăn khớp Novikov Răng ăn khớp Nivokov có profin răng được chế tạo theo cung tròn, profin răng lõm có bán kíng lớn hơn profin răng lồi. Sự khác nhau giữa ăn khớp Novikov và ăn khớp thân khai là đường ăn khớp không nằm theo chiều ngang mà theo chiều cao tạo thành góc 90o với phương của răng. Hình 2.4: Bánh răng vad sự ăn khớp Novikov Trong quá trình làm việc điểm tiếp xúc của các răng dịch chuyển theo đường thẳng song song với các trục quay của bánh răng. Đường này được gọi là đường ăn khớp. Khoảng cách từ gốc ăn khớp tới đường ăn khớp được gọi là hế số dịch chỉnh e. Hệ số dịch chỉnh e có quan hệ với tốc độ trượt của các bề mặt răng. Khi chạy nhanh các răng ăn khớp với nhau trên toàn bộ chiều cao nên ăn khớp điểm trở thành ăn khớp đường. Ưu điểm của bộ truyền ăn khớp Novikov là có khả năng chịu tải trọng lớn và độ chống mài mòn cao hơn ăn khớp thân khai. Bởi vậy bộ truyền ăn khớp Nivokov luôn là ưu tiên chọn lựa của các may móc phải làm việc trong thòi gian dài và phải đảm bảo tải trọng lớn. Trong ăn khớp Novikov không ăn khớp theo chiều cao cho nên các bánh răng có dạng răng nghiêng, cũng chíng vì vậy mà bộ truyền ăn khớp Novikov chạy êm hơn bộ truyền ăn khớp thân khai. 3.3. Bánh răng ăn khớp Cycloid Đây là dạng ăn khớp không tiêu chuẩn, profin đỉnh răng có dạng Epicycloid, profin chân răng có dạng hypocycloid. Đường Cycloid là tập hợp quỹ đạo chuyển động của một điểm thuộc một đường tròn khi nó lăn không trượt trên một đường thẳng. Đường Epicycloid là tập hợp quỹ đạo chuyển động của một điểm thuộc một đường tròn khi nó lăn không trượt phía ngoài một đường tròn khác. Đường hypocycloid là tập hợp quỹ đạo chuyển động của một điểm thuộc một đường tròn khi nó lăn không trượt phía trong một đường tròn khác. Hình 2.5: Bánh răng Cycloid Các bộ truyền bánh răng biên dạng Cycloid thường được sử dụng trong các bộ truyền yêu cầu độ chính xác cao và làm việc êm như: trong đồng hồ đeo tay, đồng hồ treo tường, đồng hồ so… Các ưu điểm của bộ truyền bánh răng Cycloid: + Độ chính xác cao + Độ ồn cực thấp + Hiệu suất rất cao + Hệ số trùng khớp lớn + Áp suất tiếp xúc cực đại nhỏ vì biên dạng lồi tiếp xúc với biên dạng lõm + Hệ số trượt là hằng số và nhỏ hơn trị số lớn nhất ở cặp bánh răng thân khai tương ứng. + Áp lực riêng, ma sát và độ mài mòn của răng khi tiếp xúc với bề mặt lồi của đàu răng với bề mặt lõm của chân răng nhỏ hơn so với ăn khớp thân khai. + Số răng có thể rất ít và không có hiện tượng cắt chân răng Tuy nhiên loại bánh răng này còn tồn tại các nhược điểm sau: + Không có khả năng dịch tâm + Không có khả năg lắp lẫn + Góc ăn khóp thay đổi trong quá trình chuyển động nên tải trọng ở ổ trục là tải trọng biến thiên + Biên dạng Cycloid là biên dạng phúc tạp nên việc chế tạo gặp nhiều khó khăn. Vì những lý do trên mà bánh răng có biên dạng Cycloid tuy vẫn được dùng nhiều trong kỹ thuật nhưng phạm vi sử dụng còn bị hạn chế. 4. Bộ truyền ăn khớp chốt Là bộ truyền ăn khớp dựa trên nguyên lý ăn khớp Cycloid nhưng profin lý thuyết của một bánh răng biến thành điểm còn profin răng của bánh răng thứ hai là đường Epicycloid. Vì không tồn tại dưới dạng điểm nên có thể thay thế profin của bánh răng thứ nhất bằng các con lăn hoặc chốt trụ với đường kính d và có tâm nằm trên vòng tròn cơ sở. Ăn khớp này cho phép công nghệ chế tạo đơn giản đi rất nhiều ( vì chỉ cần quan tâm đến một biên dạng ) mà vẫn giữ được tất cả các ưu điểm của ăn khớp Cycloid. Hình 2.6: Bộ truyền ăn khớp chốt Ăn khớp chốt có thể sử dụng ở cả ăn khớp trong và ăn khớp ngoài. Ăn khớp chốt trong được sử dụng nhiều trong các cơ cấu đồng hồ, dụng cụ đo, các cơ cấu nâng chuyển… Ăn khớp chốt ngoài được sử dụng trong các hộp giảm tốc với ưu điểm là chỉ cần một cặp bánh răng đã cho tỷ số truyền rất lớn.Chương 3 Bánh răng Cycloid và phương pháp chế tạo 1. Khảo sát đường cong Cycloid 1.1. Phương trình Cycloid Đường cong Cycloid là tập hợp quỹ đạo chuyển động của một điểm thuộc đường tròn lăn không trượt trên một đường thẳng. Vì vậy ta có thể lấy mô hình đường cong Cycloid là hình được vẽ nên bởi một chiếc van gán trên bánh xe lăn không trượt trên mặt phẳng theo đường thẳng. Hình 3.1: Sự hình thành đường Cycloid Xét trong hệ trục chuẩn Oxy, bánh xe có bán kính r, tại thời điểm ban đầu van xe M có tọa độ (0,0). Sau khi lăn một góc t, tọa độ của M là cung PM = OP = rt. Tọa độ của van xe trong hệ trục chuẩn Oxy là: xM = ON = OP – NP = rt – rsin(t). yM = NM = PC – AC = r – rcos(t). Quỹ đạo của van xe chính là đường cong Cycloid: Hình 3.2: Quỹ đạo Cycloid 1.2. Đường Epicycloid Đường Epicycloid là tập hợp quỹ đạo của một điểm thuộc một đường tròn lăn không trượt trên phía ngoài của một đường tròn khác. Hình 3.3: Nguyên lý hình thành đường Epicycloid Phương trình của đường epicycloid: x = (R-r)cost + rcos((r-R)t/r) y = (R-r)sint + rsin((a-R)t/r) Trong đó: R là bán kính vòng tròn cơ sở r là bán kính vòng tròn quay quanh vòng tròn cơ sở t là góc quay. Hình 3.4 Một số đường Epicycloid cơ bản với k = R/r 1.3. Đường hypocycloid Đường hypocycloid là tập hợp quỹ đạo của một điểm cố đinh trên đường tròn lăn không trượt bên trong một đường tròn khác. Hình 3.5: Nguyên lý hình thành đường hypocycloid Phương trình đường hypocycloid X = (R + r)cost – rcos((r + R)t/r) Y= (R + r)sint – rsin((r+R)t/r) Trong đó: R là bán kính vòng tròn cơ sở r là bán kính vòng tròn quay quanh vòng tròn cơ sở t là góc quay. Hình 3.6: Một số đường hypocycloid cơ bản 2. Thiết kế bánh răng Cycloid 2.1. Vẽ các đường cong thuộc họ Cycloid Đường cong Cycloid là một đường cong phức tạp. Hiện nay có rất nhiều phần mềm hỗ trợ vẽ rất tốt, trong đó AutoCad là phần mềm phổ biến và tiện dụng hơn cả. Đường cong Cycloid không phải là một đường cong cơ bản nên không có lệnh vẽ trực tiếp. Nhưng ta có thể dùng ứng dụng đi kèm trợ giúp người dùng của AutoCad là AutoLisp để lập trình lệnh thực hiện công việc này. 2.1.1. Vẽ đường cong Epicycloid Dùng AutoLisp để lập trình lệnh thực hiện vẽ đường cong Epicycloid là quỹ tích những điểm thỏa mãn phương trình: x = (R-r)cost + rcos((r-R)t/r) y = (R-r)sint + rsin((a-R)t/r) Chương trình thực hiện sẽ là: (defun C:CYC ( / bd r0 Z n r p0 p1 p2 a oldos da x y) (initget "E H") (setq bd (getkword "\nBien dang Epicycloid/Hypocycloid :") r0 (getreal "\nBan kinh vong co so: ") Z (getint "\nSo rang: ") n (getint "\nSo khoang chia tren 1 rang :") r (/ r0 Z) p0 (list 0 0) p1 (list r0 0) p2 (polar p0 (/ (* 2 pi) Z) r0) a 0 oldos (getvar "osmode") ) (if (not bd) (setq bd "H")) (if (not n) (setq n 1000)) (if (= bd "H") (setq k (- Z 1) k2 -1) (setq k (+ Z 1) k2 1)) (setq da (/ (* 2 pi) Z n)) (setvar "osmode" 0) (command "circle" p0 r0) (command "spline" p1) (repeat n (setq x (* r k (- (cos a) (/ (cos (* k a)) (* k k2)))) y (* r k (- (sin a) (/ (sin (* k a)) k))) ) (command (list x y)) (setq a (+ a da)) ) (command p2 "" "" "") (command "array" (entlast) "" "P" p0 Z 360 "Y") (setvar "osmode" oldos) (princ) ) 2.1.2. Vẽ đường cong Hypocycloid Chương trình AutoLisp thực hiện vẽ đường cong hypocycloid thỏa mãn theo phương trình: X = (R + r)cost – rcos((r + R)t/r) Y= (R + r)sint – rsin((r+R)t/r) (defun C:CYC ( / bd r0 Z n r p0 p1 p2 a oldos da x y) (initget "E H") (setq bd (getkword "\nBien dang Epicycloid/Hypocycloid :") r0 (getreal "\nBan kinh vong co so: ") Z (getint "\nSo rang: ") n (getint "\nSo khoang chia tren 1 rang :") r (/ r0 Z) p0 (list 0 0) p1 (list r0 0) p2 (polar p0 (/ (* 2 pi) Z) r0) a 0 oldos (getvar "osmode") ) (if (not bd) (setq bd "E")) (if (not n) (setq n 1000)) (if (= bd "E") (setq k (- Z 1) k2 -1) (setq k (+ Z 1) k2 1)) (setq da (/ (* 2 pi) Z n)) (setvar "osmode" 0) (command "circle" p0 r0) (command "spline" p1) (repeat n (setq x (* r k (- (cos a) (/ (cos (* k a)) (* k k2)))) y (* r k (- (sin a) (/ (sin (* k a)) k))) ) (command (list x y)) (setq a (+ a da)) ) (command p2 "" "" "") (command "array" (entlast) "" "P" p0 Z 360 "Y") (setvar "osmode" oldos) (princ) ) 2.2. Thiết kế bánh răng Cycloid Bánh răng Cycloid sử dụng hai đường cong Epicycloid và hypocycloid để đạt được biên dạng chính xác và sự ăn khớp. Hai bánh răng lăn không trượt, đường kính vòng chia của bánh răng được xác định trên vòng tròn ăn khớp của hai bánh răng. Đỉnh răng của bánh răng bị động và chân răng của bánh răng chủ động có cùng một phương trình. Đường kính vòng sinh được tạo ra bởi sự cân bằng về tỷ lệ bán kính của một trong các bánh răng. Để đảm bảo sự ăn khớp thì chân răng của bánh răng bị động và đỉnh răng của bánh răng của bánh răng chủ động có thể là đường thẳng hoặc các đường cong đảm bảo ăn khớp. Khi hai bánh răng ăn khớp sẽ tạo ra đường tròn ăn khớp. Xét bơm GEROTOR của hãng HELLER Đức: Trục dẫn động 1 bánh răng trong 2 vành răng ngoài 3 Thân giữa 4 thân ngoài 5 thân sau 6 Bạc đỡ 7 Đĩa phân phối và ống dẫn ra vào được bố trí trên thân sau Hình 3.7 :Kết cấu bơm GEROTOR Nguyên lý hoạt động: khi quay trục dẫn động. bánh răng trong gắn cứng với trục sẽ quay làm quay vánh răng ngoài. Bánh răng trong quay trùng tâm với trục chính, vành răng ngoài quay theo vành trong vủa thân giữa. Vành này có tâm quay lệch tâm với trục chình một lượng e. Khi đó thể tích khoang làm việc giữa các răng biến thiên liên tục. Theo chiều quay, các khoang bên trái có thể tích giảm dần, đẩy chất lỏng qua đĩa phân phối đi ra, còn các khaong bên phải có thể tích tăng dần sẽ đuợc nối với bể dầu tạo thành khoang hút của bơm. Loại máy này, cả bánh răng trong và bánh răng ngoài cùng tham gia chuyển đông quay nên được gọi là máy hai rotors. 2.2.1. Thông số của bộ truyền Tỷ số truyền t: Chọn tỷ số truyền t = Z1/Z2 = 0,8 Số răng: Chọn số răng Z1 = 4 => Z1/t = 5 Đường kính vòng chia và đường kính vòng lăn: Do biên dạng Epicycloid và hypcloid được hình thình bởi một vòng tròn lăn không trượt trên một vòng tròn cơ sở nên vòng lăn cũng chính là vòng chia và bằng đường kính đỉnh răng DL = d. Với bộ truyền trên ta chọn DL1 = d1 = 40 mm DL2 = d2 = DL1/t = 50 mm Modul: ta có d = m.Z m = d/Z =d1/Z1 = d2/Z2 =10 mm Đường kính vòng sinh: Do tính chất biên dạng nên đường kính vòng sinh bằng với chiều cao chân răng ds = hi. Hơn nữa, đường kính vòng sinh ds ảnh hưởng đến hệ số trượt biên dạng và tuổi thọ của bánh răng. Để đảm bảo độ cứng vững chân răng ta phải chọn đường kính vòng sinh ds phụ thuộc vào đường kíng vòng lăn: ds hi = 5 mm. Đường kính đỉnh răng và chân răng: Ta có: De1 = DL1 + 2ds= 50 mm Di1 = De1 – 2ds = 30 mm De2 = DL2 – 2ds = 40 mm Di2 = DL2 + 2ds= 60 mm Với De1, De2 là đường kính đỉnh răng bánh răng chủ động và bị động. De1, De2 là đường kính chân răng bánh răng chủ động và bị động. Chiều dày bánh răng: Lưu lượng riêng của bơm sẽ được tính:Q = Z1 x S x B x HSTT (cm3/vg)Trong đó:Z1: số răng bánh chủ độngS: diện tích chất lỏng sẽ đi vào cửa xả ở mỗi răng B: chiều dày bánh răng, cmHSTT: hiệu suất thể tích. Theo tài liệu về bơm bánh răng, có thể lấy HSTT = 0.85Bơm có lưu lượng Q = 12 cm3/vòng Theo công thức trên sẽ rút ra được B = 1.5 cm 2.2.2. Chế tạo bánh răng chủ động: Gia công bánh răng chủ động với các thông số sau: Số răng : Z1 =4 mm Modul: m = 10 mm Đường kính đỉnh răng: De1 = 50 mm Đường kính chân răng: Di1 = 30 mm Đường kính vòng lăn: DL1 = 40 mm Đường kính vòng chia: d1 = 40 mm. Chiều cao chân răng hi1 = 5 mm Đường kính trục tâm: d = 14 mm Chân răng của bánh chủ động là đường hypocycloid. Đỉnh răng của bánh chủ động là đường Epicycloid. Dùng AutoCad ta vẽ được biên dạng của bánh chủ động như sau: Hình 3.8: Bánh răng chủ động Tương tự qui trình với bánh răng chủ động, ta có thể tiến hành gia công bánh răng bị động với các thông số sau: Số răng : Z1 =5 mm Modul: m=10 mm Đường kính đỉnh răng: De2 = 40 mm Đường kính chân răng: Di2 = 60 mm Đường kính vòng lăn: DL2 = 50 mm Đường kính vòng chia: d2 = 50 mm. Chiều cao chân răng hi2 = 5 mm Đỉnh răng của bánh bị động là đường hypocycloid. Chân răng của bánh bị động là đường Epicycloid. Dùng AutoCad ta vẽ được biên dạng của bánh chủ động như sau: Hình 3.9: Bánh răng bị động 3. Các phương pháp tạo hình đường cong Cycloid 3.1. Phương pháp phay định hình Là phương pháp dùng dụng cụ cắt có lưỡi dạng rãnh răng cắt từng rãnh răng, sau đó phân độ một góc 360/Z cho đến rãnh cuối cùng . Hình 3.10: Các vị trí của lưỡi cắt trên bánh răng gia công bằng phương pháp bao hình Dụng cụ có thể là dao phay đĩa modul, dao phay ngón modul. Phương pháp này dùng nhiều trên máy vạn năng có trang bị đầu phân độ. Khi phay bánh răng trụ răng thẳng để cắt hết chiều dài thì bàn máy mang ụ phân độ cùng với chi tiết phải thực hiện chạy dao dọc trục của bánh răng. Hình 3.11: Gia công bánh răng bằng dao phay modul Khi phay bánh răng trụ răng xoắn, bánh răng được điều chỉnh bằng cách quay bàn máy đi một góc phù hợp với góc nghiêng của răng. Để tạo ra răng xoắn cần thực hiện đồng bộ chạy dao của bàn máy và chuyển động quay của đầu chia độ. Với phương pháp này có thể gia công được bánh răng hình chữ V. Phương pháp phay định hình được dùng trong các nhà máy nhỏ, sửa chữa nhỏ, ở đó số lượng bánh răng không nhiều, không cần độ chính xác cao. Phương pháp này còn được sử dụng để sản xuất bánh răng có đường kính và modul lớn. Tuy nhiên năng suất và độ chính xác chưa cao, điều chỉnh vị trí tương đối giữa dao và chi tiết khó khăn. Do dạng của rãnh của bánh răng thay đổi dựa theo modul vì thế dụng cụ cắt phức tạp và phải làm theo bộ. Ngoài phương pháp phay định hình còn có phương pháp chuốt định hình, xọc định hình nhưng các phương pháp trên đều cho năng suất thấp, cơ cấu phức tạp nên ít sử dụng. 3.2. Phương pháp bao hình Với phương pháp này dụng cụ cắt được coi như lăn tương đối trên vành của bánh răng gia công, khi đó các lưỡi cắt dụng cụ dần dần chiếm các vị trí trên bánh răng mà đường bao của chúng là profin thân khai của bánh răng gia công. Phay lăn răng là một phương pháp gia công bánh răng bao hình, là một phương pháp phổ biến nhất, cho năg suất và độ chính xác cao. Dụng cụ cắt là dao phay lăn răng, nó có dạng trục vít thân khai profin ở mặt pháp tuyến là thanh răng cơ bản. Với loại dao này có thể gia công răng của bánh răng và răng của trục vít. Phay lăn răng được tiến hành trên máy chuyên dùng. Phay lăn răng thẳng là phương pháp gia công bánh răng bao hình, khi chuyển động bao hình được thực hiện dựa trên nguyên lý ăn khớp giữa dao và phôi, đó là các chuyển động quay của dao và phôi, dao phay lăn còn có chuyển động tịnh tiến dọc trục của phôi nhằm cắt hết chiều dầy bánh răng. Hình 3.12: Sơ đồ phay lăn răng Hiện nay hầu hết các máy phay lăn răng đều làm việc bằng phương pháp phay nghịch vì cắt êm ít gây va đập, ít làm gẫy hoặc vỡ dao. Ở những máy phay hiện đại thường sử dụng phương pháp phay thuận cho tốc độ cắt tăng lên 20- 40% và lượng chạy dao tăng lên 80%. Khi cắt răng có thể tiến dao hướng trục hoặc tiến dao hướng kính và hướng trục. Phay nghịch Phay thuận Hình 3.13: Sơ đồ cắt khi phay lăn răng Ngoài phương pháp phay lăn răng, người ta còn dùng phương pháp xọc răng bao hình. Phương pháp này cho độ chính xác gia công tốt, dao dễ chế tạo, trong một số trường hợp đó là phương pháp duy nhất để gia công, ví dụ như gia công bánh răng tầng, bánh răng trong, bánh răng chữ nhật… Dụng cụ xọc răng là một bánh răng mà mặt đầu được tạo thành mặt trước còn các mặt bên tạo thành các mặt sau của lưỡi cắt. Trong quá trình gia công, dụng cụ chuyển động cắt theo hướng dọc trục của bánh răng và cùng với vật có chuyển động quay cưỡng bức. Xọc răng bằng dao xọc răng dạng bánh răng là dựa trên nguyên tắc chuyển động tương hỗ giữa dao và vật. Dao xọc và vật gia công được quay cưỡng bức xung quanh trục của chúng theo hướng ngược nhau và cùng hướng. Dao thực hiện chuyển động đi lại là chuyển động thẳng và chuyển động xoắn. Khi hành trình của dao theo hướng xuống dưới là thực hiện tách phoi và khi chuyển động trở lại là hành trình chạy không. Hình 3.14: Phương pháp xọc răng Khi gia công không thể một lúc cắt hết chiều sâu rãnh răng bánh răng được, mà phải từ từ tiến dao hướng kính. Khi tiến dao chi tiết quay một cung tương ứng với thời gian tiến dao, rồi sau đó lại quay thêm ít ra là một vòng nữa để dao cắt hết chiều cao răng của cả vòng răng. Thông thường xọc răng dùng gia công bánh răng thẳng, ngoài ra cũng còn có thể dùng để gia công bánh răng nghiêng. Nhược điểm của xọc răng là cho năng suất không cao, khi gia công răng nghiêng dao khó chế tạo, đòi hỏi bạc dẫn chuyên dùng. Tạo hình theo một trong hai phương pháp trên cho độ chính xác thấp, tính toán phức tạp, thường áp dụng gia công bánh răng biên dạng răng thân khai. Với biên dạng Cycloid, nếu sử dụng phương pháp bao hình hay phương pháp phay lăn răng thì không đảm bảo độ chính xác về biên dạng răng, tỷ số truyền, bước răng… 3.3. Phương pháp dập thể tích Phương pháp gia công áp lực có khả năng tạo hình tốt và khắc phục những nhược điểm của các phương pháp trên. Đó là phương pháp tạo hình biến dạng, hình dáng và kích thước của răng được hình thành không phải do hớp kim loại thừa mà do sự phân bố lại lớp kim loại đó. Kim loại sau khi biến dạng có độ bền và độ cứng cao hơn. Ở lớp ngoài cùng xuất hiện ứng suất dư nén, có ảnh hưởng tốt đến điều kiện làm việc với tải trọng của răng. Hơn nữa phương pháp tạo hình này còn làm tăng tính ổn định kích thước của bánh răng, không tạo ra phoi và không cần dung dịch trơn nguội khi gia công. Khi gia công bằng biến dạng dẻo, độ bóng bề mặt răng tăng lên và trên lớp bề mặt răng không có vết do dụng cụ tạo ra. Vì vậy phương pháp tạo hình này ngày càng được dùng nhiều trong gia công cơ khí. Có rất nhiều phương pháp tạo hình bằng biến dạng dẻo, người ta có thể chia ra làm hai loại: Nhóm tạo hình bánh răng dựa trên nguyên tắc chép hình: Trong trường hợp này hình dáng và kích thước bánh răng được tạo ra nhờ quá trình chép hình của dụng cụ. Bao gồm các phương pháp: dập thể tích, dập hướng kính và ép theo khuôn. Nhóm tạo hình bánh răng dựa trên nguyên tắc chuyển động bao hình của dụng cụ và phôi: Trong trường hợp này hình dáng và kích thước của bánh răng được tạo ra nhờ đường sinh của mặt răng dụng cụ ở các vị trí kế tiếp nhau khi nó thực hiện chuyển động gần phôi. Bao gồm các phương pháp cán răng bằng các trục cán hoặc bằng các thanh răng. Trong đó phương pháp dập thể tích là một phương pháp có rất ưu điểm đạt được độ chính xác cao mà không cần phải gia công cơ bổ xung. Nó không chỉ được dùng để chế tạo bánh răng trụ và bánh răng côn răng thẳng mà còn để chế tạo bánh răng côn răng cong và các bánh răng dạng đĩa có biên dạng phức tạp. Nó đặc biệt đạt hiệu quả cao khi dập các bánh răng có modul lớn hơn 5mm. Bởi khả năng giữ độ bền của chày và cối và tiết kiệm nguyên vật liệu của phương pháp này. 1 – Chày dập 2 – đế dưới 3 – bánh răng 4 – cối vành răng 5 – miếng lót 6 – trục đẩy 7 – bạc định vị cối vành răng Hình 3.15: Dập thể tích bánh răng Vì vậy ta chọn phuơng pháp dập nóng để chế tạo bộ truyền. Qui trình công nghệ sẽ là gia công trên máy CNC tia lửa điện để tạo hình lòng khuôn. Sau đó sẽ áp dụng công nghệ gia công dập nóng để gia công các bánh răng. Qui trình trên áp dụng cho cả bánh răng chủ động và bị động. Chương 4 Ứng Dụng công nghệ gia công tia lửa điện để gia công khuôn 1. Tổng quan về phương pháp tia lửa điện 1.1. Giới thiệu chung: Trong lịch sử phát triển của mình, nhiệm vụ tìm ra các vật liệu cứng và bền luôn đặt ra đối với ngành cơ khí. Các chi tiết có độ cứng cao cũng có nghĩa là nó có thể hoạt động và cho năng suất cao hơn. Chúng được sử dụng nhiều trong các ngành yêu cầu độ chính xác cao và độ bền cao như: các thiết bị hàng không, các tuabin máy điện, động cơ máy bay, dụng cụ khuôn mẫu. Đồng thời với nhu cầu về vật liệu là nhu cầu về chế tạo. Chế tạo các thiết bị có độ cứng, tuổi bền và độ chính xác cao là một thử thách rất lớn mà các nhà khoa học không ngừng nghiên cứu để đạt được điều đó. Nhà vật lý người Anh Joseph Priestley (1733 – 1809) là người đầu tiên trong các thí nghiệm của mình đã phát hiện ra khả năng ăn mòn kim loại bởi sự phóng điện. Tiếp nối thành tựu đó, năm 1943, hai vợ chồng nhà khoa học Lazarenko người Nga đã tìm ra cánh cửa dẫn tới công nghệ “gia công tia lửa điện” hay “Electrical Discharge Machining” còn gọi tắt là công nghệ EDM. Công nghệ này sử dụng tia lửa điện để hớt đi một lớp vật liệu mà không phụ thuộc độ cứng của vật liệu đó. Khi các tia lửa điện phóng ra thì một lớp vật liệu trên bề mặt phôi sẽ bị hớt đi bởi quá trình điện nhiệt thông qua sự chảy và bốc hơi của kim loại. Nhưng quá trình gia công còn hết sức phức tạp liên quan đến khoảng cách khe phóng điện, đến thông tin kênh plasma, về sự hình thành của cầu phóng điện giữa hai điện cực… Chính những khó khăn đó đã làm cho ứng dụng của công nghệ mới này còn hết sức hạn chế trong công nghệ chế tạo đương thời. Tiếp những năm sau đó sự tiến bộ không ngừng của khoa học kỹ thuật đã giúp ích rất nhiều trong việc sử dụng công nghệ trong cuộc sống. Đặc biệt những năm gần đây, với sự phát triển như vũ bão của các công nghệ mới, với sự trợ giúp hết sức đắc lực của máy tính, các hệ điều khiển CNC, các máy tia lửa điện đầu tiên ít tự động và không tiện dụng đã được thay thế bởi các máy gia công tia lửa điện CNC. Đây là nhóm máy đã tỏ rõ được khả năng rất lớn của mình trong điều khiển chính xác quỹ đạo và chất lượng gia công. Chính sự đột phá trong công nghệ này đã giải quyết rất nhiều vấn đề trong thực tiễn và đưa nhóm máy mới này trở thành một trong các công cụ cắt hữu hiệu nhất. 1.2. Nguyên lý và bản chất của quá trình phóng điện 1.2.1. Nguyên lý của quá trình phóng điện Hình 4.1 :Nguyên lý quá trình phóng điện Đặt một điện áp một chiều giữa hai tấm kim loại khác nhau, một được gọi là điện cực và một gọi là chi tiết. Điện áp này thường nằm trong khoảng 80V – 200V. Cả hai tấm kim loại này được đặt trong một dung dịch cách điện đặc biệt, gọi là dung dịch điện môi. Khi đưa hai điện cực tiến lại gần nhau, đến một khoảng cách d 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 104V/mm) dẫn đến ion hóa dung dịch điện môi đó và nó trở thành dung dịch dẫn điện. Khi năng lượng tập trung đủ lớn, một dòng điện hình thành do sự chuyển dịch của các ion và điện tử trong dung dịch điện môi – gọi là kênh dẫn điện – kèm theo sự xuất hiện của các tia lửa điện do hiện tượng ion hóa mãnh liệt của dung dịch điện môi. Nhiệt độ của vùng này lên đến khoảng 10.000oC làm bốc hơi vật liệu các điện cực. Nguồn điện được ngắt đột ngột làm cho tia lửa điện biến mất. Dung dịch lạnh từ ngoài tràn vào kênh dẫn điện do sự chênh lệch áp suất tạo ra tiếng nổ nhỏ và làm hóa rắn hơi vật liệu thành các oxít kim loại. Sau đó nguồn nhiệt được cung cấp lại và các tia lửa điện lại xuất hiện. Có thể thấy những điểm chính của phương pháp gia công tia lửa điện là nguồn cung cấp, vật liệu của điện cực, dung dịch điện môi và khe hở giữa các điện cực. Nguồn cung cấp điện áp dạng xung: Thời gian ngắt nguồn điện là khoảng thời gian cần thiết để dung dịch điện môi có thể khôi phục lại trạng thái không dẫn điện của nó và sẵn sàng cho xung gia công tiếp theo. Nếu thời gian này không có hoặc quá nhỏ sẽ làm dung dịch điện môi luôn ở trạng thái dẫn điện. Điều làm cho tia lửa điện phát triển thành hồ quang gây hỏng bề mặt chi tiết và điện cực. Các điện cực làm bằng hai loại vật liệu dẫn điện khác nhau và được nhúng ngập trong dung dịch điện môi, dung dịch này không dẫn điện ở trạng thái bình thường nhưng có chức năng chính là môi trường hình thành kênh dẫn điện ở điện trường cao. Giữa các điện cực luôn có một khe hở nhỏ được gọi là kênh phóng điện. Khe hở này cần được đảm bảo trong suốt quá trình gia công để duy trì sự ổn định của tia lửa điện. 1.2.2. Bản chất của quá trình phóng điện Giai đoạn 1: Đánh lửa Máy phát điện áp khởi động qua một khe hở ( đóng điện áp máy phát). Dưới ảnh hưởng của điện trường, từ cực âm (catốt) bắt đầu phát ra các điện tử và chúng bị hút về phía cực dương (anốt). Sự phát điện tử gây ra sự tăng cục bộ tính dẫn điện của điện môi ở khe hở. Các bề mặt của các điện cực không hoàn toàn phẳng. Điện trường sẽ mạnh nhất ở hai điểm gần nhau nhất. Chất điện môi bị ion hóa. Tất cả các phần tử dẫn điện đều hội tụ quanh điểm này trong khoảng không gian ở giữa hai điện cực và chúng tạo nên một cái cầu. Một kênh phóng điện đột nhiên được hình thành ngang qua cầu. Sự phóng điện được bắt đầu Hình 4.2: Giai đoạn đánh lửa Giai đoạn 2:Hình thành kênh phóng điện. Khi điện trường giữa hai điện cực tăng lên do việc đưa chúng đến gần nhau làm cho vận tốc của các ion và các điện tử tự do có trong lớp dung dịch điện môi 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 hòa 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 dòng chuyển dịch có hướng của các ion và điện tử tạo nên dòng điện. Hình 4.3: Giai đoạn hình thành kênh phóng điện Giai đoạn 3: Phóng tia lửa điện làm bốc hơi vật liệu Lõi của bọt hơi bao gồm một kênh plasma. Plasma này là một chất khí có lẫn các điện tử và các ion dương ở áp suất rất cao (khoảng 1Kbar) và nhiệt độ cực lớn (khoảng 10.000oC). Khi kênh plasma này được tạo thành đầy đủ thì điện áp qua khe hở đạt tới mức của điện áp phóng tia lửa điện Uer. Giá trị của điện áp Ue là một hằng số vật lý phụ thuộc vào sự phối hợp vật liệu anôt và catôt. Chất điện môi giữ kênh plasma và cũng là giữ cho năng lượng có một độ tập trung cục bộ. Sự va chạm của các điện tử lên anôt và các ion dương lên catôt làm nóng chảy và bốc hơi các điện cực. Thời gian của giai đoạn này được tính từ khi điện áp bắt đầu giảm đến một trị số xác định (cuối giai đoạn 1) và được giữ nguyên cho đến khi giảm về 0V (ngắt nguồn). Dòng điện đi qua kênh dẫn điện kèm theo sự xuất hiện của 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 khoảng 10.000oC. Vật liệu của các điện cực tại nơi xuất hiện tia lửa điện bị bốc hơi ở nhiệt độ cao. Bên cạnh đó còn có một lượng 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. Hình 4.4: Giai đoạn phóng tia lửa điện làm bốc hơi vật liệu Giai đoạn này chính là giai đoạn có ích trong cả một xung gia công: Ăn mòn vật liệu tạo thành hình dáng chi tiết theo yêu cầu. Giai đoạn 4: Hóa rắn hơi vật liệu và phục hồi. Nguồn xung bị ngắt đột ngột, dung dịch điện môi ở nhiệt độ thường xung quanh tràn vào gây nên sự thay đổi áp suất đột ngột tạo nên tiếng nổ nhỏ. Hơi của vật liệu của các điện cực bị hóa rắn do việc giảm nhiệt độ đột ngột tạo nên các hạt oxít kim loại có kích thước nhỏ (cỡ vài chục mm). Các hạt oxít này không dẫn điện hoặc dẫn điện kém, rất kém tùy thuộc vào vật liệu các điện cực. Kết thúc giai đoạn này, dung dịch điện môi lấy lại trạng thái ban đầu của nó: Không dẫn điện. Một xung gia công kết thúc. Các giai đoạn trên được lặp lại cho các xung gia công tiếp theo. Trong quá trình gia công tia lửa điện, vật liệu của chi tiết bị mòn dần và sẽ dần có hình dạng là hình dạng của điện cực. Điện cực cũng bị mòn trong quá trình gia công này nên nó thường được làm bằng các loại vật liệu có tính chịu mòn nhiệt cao như: Đồng, Graphit… 1.2.3. Cơ cấu tách vật liệu Các đặc tính tách vật liệu phụ thuộc vào năng lượng tách vật liệu. Gọi We là năng lượng tách vật liệu thì ta có: We = Ue.te.Ie Trong đó: Ue, Ie là các giá trị trung bình của dòng tia lửa điện được lấy trong khoảng thời gian xung. Do Ue là hằng số vật lý phụ thuộc vào cặp vật liệu điện cực/phôi nên về thực chất năng lượng tách vật liệu chỉ phụ thuộc vào dòng điện và thời gian xung. Dòng ion dương chỉ đạt tới cực âm trong micro giây đầu tiên. Các ion dương gây ra sự nóng chảy và bốc hơi của vật liệu catôt. Do đó có hiện tượng điện cực bị mòn. Vật liệu điện cực khi tiếp xúc với plasma này ở một pha có áp lực cao tới 1Kbar và nhiệt độ tới 10000oC. Sự biến mất đột ngột của kênh plasma khi dòng điện bị ngắt làm vật liệu bị chảy lỏng. Ngay tức khắc áp suất tụt xuống bắng áp suất xung quanh. Nhưng nhiệt độ chất lỏng lại không tụt xuống nhanh như vậy. Điều này gây ra sự nổ và bốc hơi của chất lỏng. Thời gian sụt của dòng điện là yếu tố quyết định tới độ nhám bề mặt gia công. 1. 3. Các quá trình trong khi gia công tia lửa điện 1.3.1. Quá trình đánh lửa qua khe hở Quá trình đánh lửa qua khe hở diễn ra nhanh, trong khoảng thời gian 10-8-10-7s. Sau khi diễn ra quá trình đánh lửa, khe hở trở thành cột tia lửa điện. Quá trình này bao gồm 2 bước: Ion hóa va đập: Là quá trình ion hóa do nhiệt giữa hai điện cực. Trong vật liệu luôn tồn tại sẵn những hạt mang điện di chuyển tự do. Dưới tác dụng của điện trường những thành phần này bắt đầu chuyển động và có tốc độ nhanh dần đến khi va đập vào điện tử hoặc ion với nguyên tử vật liệu. Lúc này hạt mang điện tích chuyển nhượng một phần năng lượng cho nguyên tử va chạm và giảm tốc độ, tức là động năng chuyển động của các hạt mang điện chuyển thành nhiệt năng trong quá trình đánh lửa. Ở một điện áp nào đó trên điện cực tạo ra trạng thái mà các điện tử có thể chuyển nhượng năng lượng đủ lớn làm phát sinh quá trình ion hóa. Từ nguyên tử, phân tử dung dịch điện phân bị phá huỷ tạo ra một dung dịch điện tử. Quá trình ion hóa tăng theo cấp số nhân làm cho cả khe hở bị ion hóa, khe hở dẫn điện. Quá trình ăn mòn điện: Các điện tử nhận năng lượng, năng lượng làm phát sinh biến đổi pha, phá hủy một số phần của điện cực vật liệu. 1.3.2. Quá trình phát sinh năng lượng trên điện cực Kênh phóng điện gồm 3 vùng: anôt, catôt và vùng phóng điện. Các vùng khác nhau về Gradien điện áp, dạng và tính chất chuyển động các hạt tích điện: + Vùng anôt: Dòng mang các điện tử + Vùng phóng điện: Mang các điện tử, các ion khuếch tán tới catôt + Vùng catôt: Dòng hình thành nhờ 2 dạng: Các ion chuyển dịch tới catôt, điện tử bứt ra khỏi catôt và vùng phóng điện chuyển động ngược chiều. Dòng điện tạo thành mây nhiệt Khe hở giữa các điện cực kéo dài thời gian phóng điện làm giảm mức tiêu hao năng lượng trong quá trình gia công. 1.3.3. Quá trình thủy khí động học trong khe hở Sự đánh thủng chất lỏng dẫn tới việc hình thành kênh phóng điện mỏng manh, sau thời gian ngắn: từ 10-8-10-7s và tăng với tốc độ siêu âm (3000-5000m/s). Dòng điện tăng đến cực đại, kênh phóng điện tiếp tục được nới rộng. Sau khi dòng qua giá trị lớn nhất, sự nới rộng kênh phóng điện kết thúc. Ở giai đoạn này, xung quanh kênh vùng khí được hình thành và nó được nới rộng nhanh. Quá trình liên quan sự hình thành và mở rộng kênh phóng điện. Sự hình thành và chuyển động của vùng khí trong khe hở giữa các điện cực tạo ra kênh phóng điện được hoàn thành cách xa kênh phóng điện bằng va đập của sóng (3-5km/s) Sau khi xung kết thúc áp lực giảm nhanh, nhỏ hơn áp lực khí quyển làm cho vật liệu đã bị nóng chảy quá sôi bùng lên làm kim loại bị pha lỏng bắn ra và tạo thành hố lõm. 1.4. Lượng hớt vật liệu và chất lượng bề mặt khi gia công tia lửa điện Năng lượng phóng tia lửa điện chính là tác nhân chính gây ra hiện tượng hớt vật liệu: We = Ue.Ie.te Từ đó ta thấy các yếu tố tác động đến lượng hớt vậy liệu là Ue, Ie,te và lượng vật liệu bị hớt đi tỷ lệ thuận với các đại lượng trên. Khi phóng tia lửa điện thì tại các điểm nhô cao nhất của phôi gần với điện cực nhất bị ăn mòn. Và quá trình lặp lại đối với các điểm tiếp theo đến khi đạt được kích thước gia công trên toàn bộ bề mặt phôi. Nếu năng lượng phóng điện ở mức phù hợp thì bề mặt gia công sẽ có độ bóng cao. Hình 4.5: Sự phá vỡ các đỉnh nhấp nhô liên tiếp tạo thành sự hớt vật liệu Chất lượng bề mặt khi gia công tia lửa điện Sau quá trình gia công tia lửa điện ta thu được sản phẩm với chất lượng bề mặt bao gồm các chỉ tiêu chính sau: Độ nhám bề mặt: khi gia công thô sẽ có độ nhám lớn, tạo ra bề mặt thô, xù xì. Khi gia công tinh thi bề mặt có độ nhám nhỏ, bề mặt tinh nhẵn. Vết nứt tế vi và các lớp ảnh hưởng nhiệt: thông qua nghiên cứu mặt cắt bề mặt gia công của một mẫu thử ta thấy, cấu trúc các lớp bề mặt phôi và sự thay đổi độ cứng của chúng theo chiều sâu, bao gồm 4 lớp: Hình 4.6: Các vùng ảnh hưởng của bề mặt phôi 1.Lớp trăng: đó là lớp kết tinh lại, cới các vết nứt tế vi do ứng suất dư vì nóng lạnh đột ngột lặp đi lặp lại 2.Lớp bị tôi cứng, với cấu trúc tròn, lớp này có độ cứng tăng vọt ( khoảng 1000 HV) 3.Lớp bị ảnh hưởng nhiệt, do nhiệt độ ở đây đã vượt quá xa nhiệt độ ôstennit trong thời gian ngắn nên độ cứng của lớp này giảm so với lớp trắng (khoảng 800 HV) 4.Lớp không bị ảnh hưởng nhiệt, là lớp dưới cùng, nó trở lại độ cứng thường của vật liệu. 1.5. Các phương pháp gia công tia lửa điện Hiện nay trên thế giới, trong ngành gia công cơ khí có hai phương pháp gia công tia lửa điện chủ yếu, được ứng dụng rộng rãi, đó là: phương pháp gia công tia lửa điện xung định hình (EDM Die Sinking) và phương pháp gia công cắt dây tia lửa điện (EDM wire cutting). 1.4.1. Phương pháp gia công xung định hình Khái niệm: Đây là phương pháp dùng các điện cực đã được tạo hình sẵn để in hình của nó lên bề mặt phôi. Hình 4.7: sơ đồ gia công tia lủa điện bằng điện cực định hình Phạm vi ứng dụng: Phương pháp này được dùng để chế tạo các khuôn có bề mặt phức tạp, các khuôn ép định hình, các khuôn ép nhựa, khuôn đúc áp lực, lỗ khuôn không thông … Hệ thống máy xung định hình bao gồm: 3 phần chính sau + Phần cơ khí + Hệ thống tủ điện và điện tử điều khiển + Cụm dung dịch điện môi - Phần cơ khí bao gồm: + Khung máy tổng hợp + Thùng chất điện môi cho phôi + Bàn kẹp phôi + Hệ thống lắp đặt điện cực và điện cực + Các bàn trượt và bàn quay để tạo các chuyển động cần thiết - Hệ thông điện, điện tử điều khiển bao gồm: + Máy phát xung + Hệ thống điều khiển quá trình phóng điện + Hệ thống điều khiển CNC Hình 4.8: Sơ đồ của máy phát xung định hình 1.4.2. Phương pháp gia công cắt dây tia lửa điện Khái niệm: Là phương pháp dùng một dây mảnh dẫn điện có đường kính nhỏ cuốn liên tục và chạy theo một biên dạng định trước để tại thành một vết cắt trên phôi. Hình 4.9: sơ đồ gia công tia lủa điện bằng điện cực dây Phạm vi ứng dụng: Phương pháp này thường dùng để gia công các lỗ thông suốt có biên dạng phúc tạp như các lỗ trên khuôn dập, khuôn ép, khuôn đúc áp lực, chế tạo các điện cực cho gia công xung định hình, gia công các rãnh hẹp , các công tua phức tạp, các hình dáng 3D đặc biệt … Hệ thống máy cắt dây bao gồm: 3 phần chính sau + Phần cơ khí + Hệ thống tủ điện và điện tử điều khiển + Cụm dung dịch điện môi - Phần cơ khí bao gồm: + Khung máy tổng hợp + Thùng chất điện môi cho phôi + Bàn kẹp phôi + Hệ thống định vị và điều chỉnh dây dẫn + Các bàn trượt và bàn quay để tạo các chuyển động cần thiết - Hệ thông điện, điện tử điều khiển bao gồm: + Máy phát xung + Hệ thống điều khiển quá trình phóng điện + Hệ thống điều khiển CNC Hình4.10: Sơ đồ máy cắt dây 1.4.3. Các phương pháp khác Ngoài hai phương pháp gia công chủ yếu trên, ngày nay trên thế giới còn các phương pháp khác sử dụng công nghệ gia công bằng tia lửa điện sau: - Gia công phay tia lửa điện (Milling EDM): là phương pháp sử dụng một điện cực chuẩn, hình trụ để thực hiện ăn mòn tia lửa điện theo kiểu phay. Với phương pháp này, ta có thể gia công các hình dang phức tạp mà không phải chế tạo điện cực phức tạp. - Cắt dây tia lửa điện siêu nhỏ (MW EDM): là phương pháp cắt dây sử dụng điện cực là dây đường kính nhỏ dưới 10mm. Phương pháp này dùng để gia công các lỗ siêu nhỏ trrên các vật liệu khó gia công ... - Gia công rung siêu âm (Ultrasonic Aided EDM): là phương pháp hớt vật liệu bằng tia lửa điện kết hợp với việc rung các điện cực với tần số siêu âm. Rung điện cực giúp nâng cao khả năng công nghệ và tăng đáng kể tốc độ gia công khi gia công các lỗ siêu nhỏ … - Với sự phát triển và ứng dụng ngày càng mạnh mẽ phương pháp gia công tia lửa điện, phương pháp này còn được sử dụng nhiều hơn và còn nhiều phương pháp gia công mới được ra đời và sử dụng nhiều trong thực tế. 2. Các đặc điểm của quá trình gia công tia lửa điện 2.1. Các thông số công nghệ cơ bản. Điện áp đánh lửa Uz: Là điện áp cần thiết để dẫn tới sự phóng tia lửa điện. Nó được 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 Uz càng lớn thì phóng điện càng nhanh và cho phép khe hở phóng điện càng lớn. Thời gian trễ đánh lửa td: Là thời gian giữa lúc đóng điện máy phát và lúc xẩy ra phóng tia lửa điện. Khi đóng điện máy phát lúc đầu chưa xảy ra hiện tượng gì. Điện áp duy trì ở giá trị của điện áp đánh lửa Uz, dòng điện vẫn bằng không. Sau một thời gian trễ td mới xảy ra sự phóng tia lửa điện. Dòng điện từ giá trị 0 vượt lên giá trị Ie Điện áp phóng tia lửa điện Ue: Khi bắt đàu phóng thia lửa điện thì điện áp sụt từ Uz tới giá trị Ue. Đây là điện áp trung bình trong suốt quá trình phóng tia lửa điện. Ue là hằng số vật lý phụ thuộc cặp điện cực và phôi. Ue không điều chỉnh được. Dòng phóng tia lửa điện Ie: Là giá trị trung bình của dòng điện từ khi bắt đầu phóng tia lửa điện đến khi ngắt điện. Khi bắt đầu phóng tia lửa điện, dòng điện từ giá trị 0 tăng mạnh đến giá trị Ie, kèm theo sự đốt cháy. Ie ảnh hưởng lớn nhất đến lượng hớt vật liệu, lên độ mòn điện cực và lên chất lượng bề mặt gia công. Nhìn chung Ie càng lớn thì lượng hớt vật liệu càng lớn, độ nhám gia công càng lớn nhưng độ mòn điện cực giảm. Thời gian phóng tia lửa điện te Là khoảng thời gian giữa lúcbắt đàu phóng tia lửa điện và lúc ngắt điện, tức là thời gian có dòng điện Ie trong một lần phóng điện Thời gian kéo dài xung ti Là khoảng thời gian giữa hai lần đóng ngắt của máy phát trong cùng một chu kỳ phóng tia lửa điện. Độ kéo dài xung ti là tổng của thời gian trễ đánh lửa Id và thời gian phóng tia lửa điện te: ti = td + te Độ kéo dài xung ảnh hưởng đến: + Tỷ lệ hớt vật liệu + Độ mòn điện cực + Chất lượng bề mặt gia công Hình 4.11: Ảnh hưởng của ti đến lượng hớt vật liệu Hình 4.12: Ảnh hưởng của ti đến độ mòn điện cực Hình 4.13: Ảnh hưởng của ti đến chất lượng bề mặy gia công Khoảng cách xung to Đây là khoảng thời gian giữa 2 lần đóng ngắt của máy phát giữa hai chu kỳ xung kế tiếp nhau. to còn được gọi là độ kéo dài nghỉ của xung. Phải giữ cho to nhỏ nhất có thể để đạt được lượng hớt vật liệu tối đa. Nhưng khoảng cách xung phải đủ lớn để có đủ thời gian thôi ion hóa chất điện môi trong khe hở phóng điện. Nhờ đó sẽ tránh được các lỗi của quá trình như sự tạo hồ quang hoặc dòng điện ngắn mạch. Cũng trong thời gian của khoảng cách xung to, dòng chảy sẽ đẩy các vật liệu đã bị ăn mòn ra khỏi khe hở phóng điện. Hình 4.14: Ảnh hưởng của khoảng cách xung tới lượng hớt vật liệu Kheo hở phóng điện d: Là khoảng cách giữa hai điện cực mà tại đó phát sinh ra tia lửa điện. Khe hở này luôn được điền đầy bở dung dịch điện môi. Trong suốt quá trình gia công, do việc mòn vật liệu mà khoảng cách này luôn có xu hướng tăng lên làm cho tia lửa điện không ổn định. Để đảm bảo sự ổn định của tia lửa điện thì phải duy trì khe hở ở một giá trị xác định. Quá trình đó được gọi là sự điều chỉnh khe hở phóng điện. Hình 4.15: Ảnh hưởng của khe hở tới lượng hớt vật liệu Hơn nữa khe hở phóng điện còn ảnh hưởng trực tiếp đến Ue và Ie. Đồ thị sau thể hiện mối quan hệ đó: Hình 4.16: Ảnh hưởng của khe hở phóng điện 2.2. Điện môi Chất điện môi có 4 nhiệm vụ chính sau: + Cách điện + Ion hóa + Làm nguội + Vận chuyển 2.2.1. Nhiệm vụ cách điện: Nhiệm vụ chính của điện môi là cách điện giữa điện cực và phôi. Nó phải đảm bảo sự cách ly giữa điện cực và phôi khi khe hở chưa đủ hẹp. Chỉ khoảng cách nhỏ nhất có thể có giữa điện cực và phôi mới cho phép dòng phóng tia lửa điện đi qua. Nếu khe hở nhỏ thì lượng hớt vật liệu và độ chính xác càng tăng. 2.2.2. Nhiệm vụ ion hóa: Chất điện môi phẩi tạo nên những điều kiện tối ưu cho sự phóng điện, nghĩa là nó phải được ion hóa vào thời điểm chuẩn bị phóng điện, nghĩa là có khả năng tạo nên một cầu phóng điện. Điều này giúp cho sụ tập trung năng lượng ở kênh plasma, giúp cho sự hớt vật liệu khi phóng tia lửa điện. Nếu xung bị ngắt thì chất điện môi phải được thôi ion hóa, tạo điều kiện để sự phóng điện tiếp theo xảy ra ở một vị trí khác. Chất điện môi cũng bao trùm kênh phóng điện, nhờ đó có thể đạt đựoc mật độ năng lượng cao, tăng hiệu quả phóng điện. Lượng hớt vật liệu tăng khi khoảng cách xung ngắn. Chất điện môi phải được thôi ion hóa nhanh như có thể được sau xung này. 2.2.3. Nhiệm vụ làm nguội: Ở kênh phóng điện, trong khoảng thời gian cực ngắn ( cỡ phần triệu giây ), nhiệt độ có thể lên tới 10.000oC. Nhiệt xuất hiện ở đây cần phải chuyển đi nếu không độ mòn điện cực sẽ tăng lên. Bề mặt phôi cũng bị hư hại do quá nhiệt. Bản thân chất điện môi cũng không được quá nhiệt. Sự quá nhiệt làm cho chất điện môi dễ bị phân hủy thành khí và cacbon tự do. Khí này đưa đến sụ mở rộng không mong muốn của kênh phóng điện làm giảm lượng hớt vật liệu. Cặn cácbon tăng trên bề mặt điện cực sẽ gây ra sự ngắn mạch. Bởi vậy nhiệm vụ làm nguội là rất quan trọng, nó giúp bảo vệ điện cực, phôi, chất điện môi và tăng lượng hớt vật liệu trong quá trình gia công. 2.2.4. Nhiệm vụ vận chuyển phoi: Nếu chất điện môi bị bẩn sẽ gây ra in hình không chính xác và các khuyết tật của quá trình. Sự bẩn của chất điện môi chủ yếu là do các phân tử bị ăn mòn còn lơ lửng hoặc lắng đọng trong các khe hở phóng điện. Một tỷ lệ quá lớn các phân tử này dẫn đến sự phóng điện thất thường và gây ra sai số in hình, nguy cơ tạo hồ quang và ngắn mạch tăng lên. Khi gia công xung định hình cần có một hệ thống dòng chảy của chất điện môi để vận chuyển các phần tử đã ăn mòn đó đi khỏi khe hở phóng điện và đảm bảo chất điện môi sạch sẽ cho khe hở. Dòng chảy mang theo các phân tử đã bị ăn mòn sẽ đưa tới hệ thống lọc để sau đó lại tiếp tục chất điện môi sạch tới vùng gia công. Để đạt được kết quả gia công tối ưu, một điều tối cần thiết là phải sục rửa tốt vùng khe hở phóng điện bằng cách tạo ra một dòng chảy thường xuyên của chất điện môi. Dòng chảy chất điện môi có ảnh hưởng quyết định đến kết quả gia công. Vì vậy phải tạo ra dòng chảy điện môi để sục rửa làm sạch và tăng hiệu quả làm nguội trong quá trình gia công. Có các phương pháp tạo dòng chảy chất điện môi sau: + Dòng chảy bên ngoài: là phương pháp phổ biến nhất, được áp dụng khi điện cực và phôi không có lỗ khoan cho dùng chảy + Dòng chảy áp lực: là phương pháp dòng chảy rất quan trọng. Chất điện môi được đưa cưỡng bức vào khe hở phóng điện qua các lỗ ở điện cực và phôi + Dòng chảy hút: Chất điện môi đã bẩn được hút ra khỏi khe hở phóng điện qua một lỗ ở điện cực hoặc một lỗ ở phôi. + Dòng chảy phối hợp: Là sự phối hợp của các dòng chảy áp lực và dòng chảy hút sẽ ngăn ngừa các lỗi dòng chảy và các hậu quả xấu của chúng. Trong phương pháp này chất điện môi được dưa cưỡng bức vào một đầu của khe hở phóng điện và hút ra ở đầu kia + Dòng chảy nhắp: là dòng chảy chỉ tác động lên điện cực khi điện cực nâng lên. Dòng chảy nhắp thường được thực hiện khi lòng khuôn sâu, điện cực nhỏ hoặc dùng gia công tinh. Dòng chảy do chuyển động của điện cực: là dòng chảy do chuyển động của điện cực có tác động đối với chất điện môi trong khe hở phóng điện. Khi cắt dây sự thoát phoi là rất cần thiết để lấy đi số phoi từ khe hở và để làm nguội dây. Muốn đạt độ chính xác cao thì phải giữ cho nhiệt độ của phôi và thùng phôi là hằng số. Nhúng chìm phôi trong chất điện môi hoặc phun chất điện môi vào thùng chứa phôi là cần thiết. Các kỹ thuật thoát phoi khác gồm có: + Thổi chiều trục dưới áp lực dòng chảy: chất điện môi được đưa vào khe hở phóng điện qua một bộ dẫn áp lực cao. Ở đây đòi hỏi phỉa có tiếp xúc tốt giữa bộ dây dẫn và phôi để có được áp lực cao tỏng khe hở + Dòng chảy tuần hoàn tự nhiên: sử dụng trong trường hợp phôi được nhấn chìm tỏng chất điện môi Do khi gia công chất điện môi luôn bị tăng thêm các phân tử đã bị ăn mòn nên muốn quá trình ăn mòn hiệu quả ta phải tiến hành làm sạch chất điện môi. Để lọc chất điện môi, người ta sử dụng một trong ba kiểu lọc sau: + Bộ lọc mâm giấy + Bộ lọc phễu đá sỏi + Bộ lọc khe hở. 2.3. Điện cực 2.3.1. Yêu cầu của vật liệu điện cực Những vật liệu dẫn điện có thể dùng làm điện cực nếu thỏa mãn các yêu cầu sau: + Có tính dẫn điện tốt + Có các tính chất vật lý tốt như độ dẫn nhiệt, khả năng nhận nhiệt, có điểm nóng chảy và điểm sôi cao. + Có độ bền mòn cao. Độ bền mòn được tínha theo công thức: E=lrCTm2 Với: l - hệ số dẫn nhiệt r - khối lượng riêng C - Nhiệt dung riêng Tm-Nhiệt độ nóng chảy + Có độ bền cơ học tốt, có ứng suất riêng nhỏ và hệ số dãn nở nhiệt nhỏ. + Có tính gia công tốt, có khối lượng riêng nhỏ để không làm ảnh hưởng đến khả năng chịu tải của máy và dễ điều khiển quỹ đạo trong quá trình gia công + Có tính kinh tế cao 2.3.2. Các loại vật liệu chế tạo điện cực Điện cực xung định hình Dựa trên các yêu cầu của vật liệu chế tạo điện cực, người ta chia các vật liệu chế tạo điện cực theo 3 nhóm: - Nhóm vật liệu kim loại: bao gồm đồng điện phân, đồng – volfram, bạc – volfram, đồng thau và thép. Trong đó vật liệu thường được dùng để chế tạp điện cực là: đồng điện phân và đồng – volfram. Đồng điện phân: thường được dùng để gia công thép, gia công nhiều lần thô và tinh +Ưu điểm: có lượng hớt vật liệu cao, độ mòn nhỏ +Nhược điểm: có độ dãn nở nhiệt lớn, nặng và dễ bị biến dạng Đồng – volfram: là tổng hợp của bột volfram và bột đồng. +Ưu điểm: có độ bền ăn mòn cao, có tính dẫn điện cao, đạt được chất lượng bề mặt cao hơn đồng điện phân nhưng có độ bền cao hơn, lượng hớt vật liêu cao hơn. +Nhược điểm: khối lượng riêng lớn, tính gia công kém hơn đồng điện phân và giá thành cao. - Nhóm vật liệu phi kim : graphit Graphit có cấu trúc dạng gốm nên có độ bền hình dáng – nhiệt rất cao. Graphit cũng thích hợp để gia công thép. Graphit là vật liệu phi kim duy nhất được dùng để làm điện cực và được sử dụng nhiều hơn đồng điện phân và đồng – volfram là do Graphit có những ưu điểm nổi bật sau: Graphit có thể được gia công cơ rất dễ dàng, nó được chế tạo nhanh gấp 10 lần so với đồng. Với khối lượng riêng thấp, graphit trở thành vật liệu lý tưởng để làm các điện cực lớn. Graphit có độ bền nhiệt cực kỳ lớn, nó không bị nóng chảy ngay cả ở 3.600oC. Graphit có độ bền xung nhiêt, ở môi trường không khí xung quanh ngóng tới 480oC Graphit vẫn bền. Graphit có độ đãn điện tốt, khi tăng nhiệt độ số các điện tử tự do tăng lên, nhờ đó tăng độ dẫn điện và quá trình gia công xung định hình sẽ tốt hơn. Độ dẫn nhiệt ở graphit cao hơn ở nhiều kim loại. Một ưu điểm lón nữa của graphit là độ dãn nở nhiệt rất thấp, bằng 1/6 độ giãn nở nhiệt của đồng điện phân. Qua cơ sở đó Graphit ngày càng được dùng nhiều làm điện cực trong gia công xung định hình. Tuy vậy Graphit vẫn có những khuyết điểm nhỏ sau: Graphit có độ giòn tương đối làm cho yếu đôi chút quan hệ mài mòn ở góc điện cực. Graphit không thích hợp với các yêu cầu về độ nhám tinh. Vì vậy các nhà chế tạo Graphit đã phát triển các loại Graphit đặc biệt với các tính chất quan trọng nhất dùng cho gia công tia lửa điện xung định hình là chú trọng tới độ bền mòn cao, độ xốp thấp, kích thước hạt nhỏ, độ đồng nhất và tính đẳng hướng cao. - Nhóm vật liệu pha trộn kim loại – phi kim loại: đồng – graphit, đây là loại vật liệu rất tốt để chế tạo điện cực nhưng giá thành cao. Các loại điện cực dây Tùy thuộc vào các vật liệ gia công khác nhau có thể sử dụng vật liệu dây là đồng, đồng thau CuZn, molipden, Volfram, và các dây có lớp phủ Các dây phủ có độ bền kéo căng cơ học cao và độ thoát nhiệt cao trong quá trình gia công, khả năng đứt dây giảm. Sự bay hơi của lớp phủ trong quá trình gia công làm cải thiện sự hớt phoi trong khe hở và khe hở tăng lên do lớp phủ biến mất. Chiều cao phôi lớn đòi hỏi phải tăng độ căng dây để giữ cho sai số hình học nằm trong phạm vi nhất định. Các đặc tính của dây điện cực gồm: + Đường kính dây: thường dùng d = 0,1 – 0,3 mm + Vật liệu dây và các đặc tính vật liệu 2.3.4. Quá trình cơ nhiệt trên các bề mặt điện cực Xuất hiện các lực phát sinh từ tác động cơ học là do xuất hiện ứng suất nhiệt. Ứng suất nhiệt vượt quá giới hạn chảy và giới hạn bền, xuất hiện biến dạng dẻo và vết nứt tế vi bề mặt. Độ lớn ứng suất nhiệt xuất hiện trong bề mặt điện cực có các yếu tố: + Độ lâu tác dụng của xung + Chiều sâu chiều nhiệt độ ngoài vùng vật liệu bị nóng chảy + Trường nhiệt độ ngoài khối xác định hình dạng vùng tác động của dòng điện + Vật liệu không nhiễm từ chiều sâu vùng ít bị tác động ngoài nhiệt độ khối tăng quá chiều sâu hố lõm một bậc + Độ lớn ứng suất nhiệt tỷ lệ thuận với hệ số dãn nở nhiệt và modun cắt 2.3.5. Sự ăn mòn điện cực Trong quá trình gia công, chính điện cực cũng bị hớt đi một lớp mỏng vật liệu, tuy nó rất nhỏ so với lượng vật liệu phôi bị hớt đi. Nhưng đó là sẹ mài mòn điện cực không mong muốn gây ra sai số trong quá trình gia công. Có hai nguyên nhân chính tạo nên sự ăn mòn vật liệu của các điện cực là: Nguyên nhân điện và nguyên nhân nhiệt. Nguyên nhân điện: Các ion và các điện tử do điện trở lớn giữa khe hở phóng điện luôn bị hút về phía cực trái dấu. Trên đường di chuyển, chúng được gia tốc nhờ năng lượng của điện trường nên có được động năng rất lớn làm ion hóa các phân tử trung hòa của dung dịch điện môi để tạo thêm các ion và điện tử tự do. Các ion và điện tử này va đập vào bề mặt các điện cực làm tách các điện tử và ion vật liệu của các điện cực tạo nên sự mòn không mong muốn ở điện cực dẫn đến sai số về mặt hình dáng và kích thước của chi tiết sau khi gia công. Nguyên nhân nhiệt: Khi tia lửa điện phóng qua kênh dẫn điện, nhiệt độ ở kênh dẫn điện có thể đạt tới khoảng 10.000oC, làm cho vật liệu của các điện tử tại nơi tiếp giáp với kênh dẫn điện. Bề mặt của chi tiết sau khi bị ăn mòn bằng tia lửa điện có hình dạng những hố nhỏ. Bề mặt của các điện cực luôn có những nhấp nhô tại đó mật độ điện trường là lớn nhất dẫn đến tia lửa điện sẽ xuất hiện và ăn mòn các nhấp nhô này. 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 các điện cực. Việc ăn mòn của vật liệu điện cực mà không mong muốn ta phải khắc phục làm giảm quá trình ăn mòn này. 3. Ứng dụng CNC trong gia công tia lửa điện Máy ứng dụng CNC đáp ứng phần lớn về công nghệ, các nhu cầu về gia công các chi tiết có biên dạng phức tạp, giảm nhẹ sức lao động, tiết kiệm năng lượng trong quá trình gia công. Với các thuật toán điều khiển mới, các hệ thông điều khiển CNC cho phép gia công tia lửa điện đạt năng suất và chất lượng cao. Máy gia công tia lửa điện đặc trưng bởi mức độ tự động hóa cao. Máy gia công tia lửa điện xung định hình CNC Là máy gia công tia lửa điện xung định hình mà hệ điều khiển có một computer biến đổi các lệnh sang các mã số và thực hiện các tính toán để đảm bảo các yêu cầu công nghệ. Sau đó biến đổi các kết quả này sang tín hiệu điều khiển chuyến sang các cơ cấu chấp hành và tiến hành gia công. Các chuyển động của bàn máy và điện cực đều được thực hiện bởi động cơ điều khiển vô cấp riêng, trên máy không còn các tay quay điều chỉnh bằng tay nữa. Các yêu cầu đối với máy xung định hình CNC Các yêu cầu về độ chính xác của máy được tực hiện trên máy được thực hiện trên sự ổn định cơ học của nó, đó là: + Phải bù sự giãn nở nhiệt + Phải hấp thụ được các rung động + Phải giữ vững điện cực ở vị trí đã cho, chống lại áp lực cao của dòng chảy 3.1. Các bộ phận cơ bản của máy xung định hình CNC Hệ thống cấp chất lỏng điện môi Hệ thống dòng chảy và hệ thống lọc sẽ đảm bảo cung cấp chất điện môi sạch tới vùng gia công. Hệ thống dòng chảy chất điện môi của máy được trang bị các van điều khiển riêng. Còn hệ thống lọc luôn đảm bảo làm sạch chất điện mối sau khi đã qua quá trình gia công. Hệ thống lọc có thể là một bộ phận gắn liền với thân máy hoặc được tách riêng ra khỏi thân máy. Hệ thống đo lường thẳng Hệ thống đo lường thẳng được gắn trên mỗi bàn trượt của máy để báo cho hệ điều khiển biết được là điện cực đang ở vị trí nào vào bất cứ thời điểm nào. Đây là một hệ thống quan trọng giúp đảm bảo khe hở phóng điện giúp quá trình gia công đạt chất lượng và năng suất cao. Hệ thống các động cơ quay trục Các dịch chuyển theo phương X, Y, Z của máy xung định hình CNC đều được trang bị động cơ riêng nhằm mục đích truyền chuyển động quay có điều khiển chi trục vit me đai ốc làm dịch chuyển bàn trượt. Chúng đảm bảo sự dịch chuyển chính xác của các bộ phận theo hệ điều khiển. Hệ thống điều khiển Hệ thống điều khiển được coi như bộ não của máy gia công xung định hình CNC. Nó sắp xếp tất cả các trình tự gia công và cung cấp các thông số chính xác về vị trí cho hệ thông điều khiển vị trí của máy. Các lệnh điều khiển động cơ được đưa ra từ hệ điều khiển. Đối với các công tua phức tạp, nó tính toán các chuyển động của bàn trượt của máy để đảm bảo điều khiển điện cực đi theo những quỹ đạo cho trước. Nó thực hiện các lệnh đóng ngắt dòng điện gia công và đóng mở các van dòng chảy chất điện môi. Hệ điều khiển nhận dữ liệu một cách liên tục, nó so sánh các giá trị mới nhận và các giá trị hiện hành trong các cơ cấu chấp hành để tiến hành đièu khiển chúng vè các giá trị mới. Máy phát Máy phát cung cấp điện áp và dòng điện cần thiết cho quá trình gia công tia lửa điện. Máy phát xung bấm giờ để ngắt dòng điện tử. Xung bấm giờ là một đặc trưng của máy gia công tia lửa điện. 3.2. Hệ điều khiển số CNC Máy công cụ CNC được điều khiển theo chương trình viết bằng mã kí tự số, chữ cái và các kí tự chuyên dụng khác. Trong hệ thống điều khiển có cài đặt bộ vi xử lý làm việc cới chu kỳ thời gian từ 1- 20 ms và có bộ nhớ tối thiểu 4Kbyte, đảm bảo các chức năng cơ bản của chương trình điều khiển số như: tính toán tọa độ trên các trục điều khiển thời gian thực, giám sát các trạng thái của máy, tính toán các gia trị chỉnh lí dao cụ, thực hiện so sánh giá trị cần và giá trị thực. Trong hệ thống điều khiển CNC chương trình có thể nạp vào bộ nhớ toàn bộ một lúc hoặc từng lệnh bằng tay từ bàn điều khiển. Các lện điều khiển không chỉ được viết cho từng chuyển động riêng lẻ mà còn cho nhiều chuyển động cùng lúc. Điều này cho phép giảm số câu lệnh của chương trình, nâng cao độ tin cậy làm việc của máy. - Vai trò của hệ thống điều khiển số trong máy EDM: + Điều hành máy thông qua các điều khiển, được qui định bởi các nút lệnh hoặc chương trình điều khiển đã được lập trình sẵn. + Từ các bản vẽ chi tiết, các số liệu kỹ thuật, số liệu công nghệ yêu cầu được nạp vào vật mang tin thông qua hệ thống ngôn ngữ lập trình. Các dữ liệu ghi trên vật mang tin được hệ thống giải mã phân phối các hệ lệnh đến bộ vi xử lý. Sau quá trình nội suy, thông tin được chuyển sang tín hiệu tương tự đóng vai trò giá trị cần của vị trí bàn máy trong hệ lệnh dịch chuyển. Qua hệ thống đo lường dịch chuyển kết quả so sánh giá trị cần - thực đưa ra lượng sai khác D, chúng trở thành tín hiệu điều khiển, cung cấp cho hệ thống chuyển động. Quá trình tiếp tục cho đến khi chênh lệch giữa giá trị cần và giá trị thực bằng không, lúc đó vị trí cơ cấu chấp hành của máy mới đạt giá trị mong muốn. - Nhiệm vụ của hệ thống điều khiển số trong máy EDM + Lưu trữ thông tin cần thiết gia công một chi tiết nào đó + Cung cấp các giá trị cần về vị trí cho từng trục + So sánh các giá trị cần và giá trị thực, xác định độ chênh lệch, từ đó đưa ra các lện đièu chỉnh chuyển động tương đối giữa bàn máy và dao cụ. Trong quá trình gia công EDM, bộ điều khiển cập nhật lượng mòn điện cực và so sánh vù kích thước theo nguyên tắc điều khiển số Chuyển động bàn máy mang chi tiết trong máy EDM CNC. Nhiệm vụ của chuyển động chạy dao là chuyển đổi các lệnh về đường dịch chuyển cùng thông số tốc độ trên đường dịch chuyển đã xác định trước trong chương trình gia công chi tiết thành chuyển động phù hợp của bàn chạy dao trên máy công cụ. Mỗi một trục điều khiển số của máy CNC cần có một mạch điều chỉnh vị trí. Từ bộ nội suy mỗi giá trị vị trí cần là đại lượng dẫn được cấp vào mạch điều khiển vị trí. Trong bộ điều chỉnh vị trí, giá trị vị trí thực nhận biết bởi một hệ thống đo vị trí đem trừ đi giá trị cần. Kết quả so sánh cặp giá trị cần – thực lá sai lệch điều chỉnh, cũng đồng thời là đại lượng điều chỉnh cho động cơ dẫn động của hệ thống chạy dao. Mạch điều khiển vị trí phải dẫn bàn máy dịch chuyển đến vị trí có sai lệch so với giá trị cần nhỏ nhất nhưng có thể khử được ảnh hưởng của các đại lượng nhiễu khác 3.3. Điều chỉnh vị trí của bàn máy Điều chỉnh chạy dao trên máy công cụ CNC có thể làm việc theo 2 nguyên tắc: điều khiển vị trí (mạch hở dùng động cơ bước không phản hồi) hoặc điều chỉnh vị trí ( mạch kín có vòng phản hồi của hai hay nhiều đại lượng điều khiển ). - Điều khiển vị trí mạch hở đặc trưng bởi một quá trình tác dụng tuyến tính. Mỗi một xung tác dụng tạo ra một bước chạy dao tương ứng. Điều khiển vị trí kiểu mạch hở có thể ứng dụng trong các trường hợp gặp lực cản trên đường dịch chuyển là ổn định và không đáng kể hoặc không có tác dụng lực cản trong khi chạy dao. Trong các máy công cụ cắt gọt kim loại, điều kiện loại này thường không thể có được vì ở đây tồn tại hàng loạt các đại lượng ảnh hưởng và tác động không thể tính trước được trong quá trình gia công. Độ bền khác nhau của vật liệu gia công, lượng dư gia công khác nhau va trạng thái thay đổi của mảnh cắt giao công cụ … là những yếu tố ảnh hưởng rất lớn đến quá trình điều khiển. Vì vậy trong các máy công cụ CNC chỉ ứng dụng chạy dao điều chỉnh vị trí kiểu mạch kín có phản hồi của ít nhất hai thông số điều khiển. - Điều chỉnh vị trí kiểu mạch kín có phản hồi của ít nhất hai thông số điều khiển: Nhờ có sự giám sát chạy dao tức thời mà có thể so sánh các giá trị về vị trí: cần - thực, có thể nhận biết các sai lệch giữa chúng và điều chỉnh cho cân bằng. Mỗi một trục điều khiển số của máy công cụ CNC cần có một mạch điều chỉnh vị trí. Từ bộ nội suy mỗi giá trị vị trí cần là đại lượng dẫn được cấp vào mạch điều chỉnh vị trí. Trong bộ điều chỉnh vị trí, giá trị vị trí thực nhận biết bởi một hệ thống đo vị trí đem trừ giá trị cần. Kết quả so sánh cặp giá trị cần và thực là sai lệch điều chỉnh, cũng đồng thời là đại lượng điều chỉnh cho động cơ dẫn động của hệ thống chạy dao. Mạch điều chỉnh vị trí phải dẫn bàn máy dịch chuyển đến vị trí thật có sai lệch so với giá trị cần nhỏ nhất nhưng có thể và khử được ảnh hưởng của các đại lượng nhiễu khác, bởi vậy mạch điều khiển cần thỏa mãn các điều kiện sau: + Có độ khuếch đại tốc độ cao để giữ khoảng cách theo sau là thấp nhất. + Có độ giảm chấn cao để loại trừ sự mất ổn định cũng như hiện tượng dao động tại các vị trí đích. + Bộ truyền có hằng số thời gian nhỏ + Momen quán tính khối lượng của các bộ phận chuyển động phải có giá trị nhỏ. + Tấn số tiêng về giao động cơ học cao + Các yếu tố truyền động cơ khí có khe hở nhỏ. Hình 4.17: Mô hình điều khiển bàn máy theo hai trục x, y Các nhiệm vụ của chuyển động chạy dao - Các hệ chuyển động chạy dao chuyển đến các lệnh điều chỉnh trong bộ điều khiển thành các chuyển động tịnh tiến hay quay tròn của những bàn máy mang dao hay mang chi tiết, các chuyển động tịnh tiến là các chuyển động thẳng theo phương thức ba trục tọa độ trong không gian 3 chiều, còn các chuyển động quay tròn là các chuyển động quay xung quanh 3 trục này. - Hệ thống truyền động trong máy công cụ CNC phải thể hiện được những tính chất sau: + Có tính động học cao, nếu đại lượng dần biến đổi thì bàn máy phải theo kịp biến đổi đó trong thời gian ngắn nhất + Có độ vững chắc, sồ vòng quay cao. Khi có các lực cản chạy dao biến đổi cần hạn chế mức thấp nhất những ảnh hưởng của nó đến tốc độ chạy dao. + Phạm vi điều chỉnh số vòng quay cao. Phải giải quyết được cả những lượng gia tăng dịch chuyển nhỏ nhất. + Cấu trúc của một hệ thống truyền động chạy dao gồm: Một động cơ dẫn động quay quanh một cặp truyền bánh răng hoặc đai răng tới trục Vitme - đai ốc bi, biến chuyển động quay thành chuyển động tịnh tiến. Đó là dạng tiêu chuẩn của một hệ truyền động chạy dao hiện đại. 4. Cấu trúc và nguyên lý làm việc của máy công cụ CNC 4.1. Cấu trúc của máy công cụ CNC Mỗi máy công cụ có đặc điểm là nó được chế tạo từ một tổ hợp nhiều trục thẳng và quay. Để có thể điều khiển các trục này bằng kĩ thuật số phải có hai tiền đề. + Mỗi trục cần có một bộ phát động điều chỉnh và điều khiển được + Mỗi trục cần có một hệ thống đo về dịch chuyển điện tử. Trong hệ thống đo về đường dịch chuyển và bộ phát động được nối trực tiếp với hệ điều khiển số, do đó cấu trúc máy công cụ CNC bao gồm: + Hệ thống điều khiển CNC + Cơ cấu phát động + Hệ thống đo + Các khâu truyển động cơ khí: truyền động từ bộ phát động tới dao cụ tạo hình. 4.1.1. Hệ điều khiển số CNC Máy công cụ CNC được điều khiển theo chương trình viết bằng mã kí tự số, chữ cái và các kí tự chuyên dụng khác. Trong hệ thống điều khiển có cài đặt bộ vi xử lý làm việc cới chu kỳ thời gian từ 1- 20 ms và có bộ nhớ tối thiểu 4Kbyte, đảm bảo các chức năng cơ bản của chương trình điều khiển số như: tính toán tọa độ trên các trục điều khiển thời gian thực, giám sát các trạng thái của máy, tính toán các gia trị chỉnh lí dao cụ, thực hiện so sánh giá trị cần và giá trị thực. Trong hệ thống điều khiển CNC chương trình có thể nạp vào bộ nhớ toàn bộ một lúc hoặc từng lệnh bằng tay từ bàn điều khiển. Các lện điều khiển không chỉ được viết cho từng chuyển động riêng lẻ mà còn cho nhiều chuyển động cùng lúc. Điều này cho phép giảm số câu lệnh của chương trình, nâng cao độ tin cậy làm việc của máy. Hệ thống điều khiển CNC bao gồm những mođun phần cứng tiêu chuẩn sau: + Xử lý trung tâm cho quá trình điều khiển trung tâm + Các xử lý cho những nhiệm vụ điều khiển cụ thể khác nhau + Bộ nhớ các dữ liệu điều khiển và dữ liệu máy + Các mođun xử lý hình học trong từng trục riêng lẻ + Các dao diện vào – ra cho xử lý các dữ liệu công nghệ + Các dao diện có tính trình tự để nối ghép các điều khiển ngoại vi 4.1.2. Cơ cấu phát động: Thường sử dụng động cơ dòng một chiều hay xoay chiều, động cơ cổ góp điện tử. - Động cơ dòng một chiều: có thể điều chỉnh vô cấp tốc độ bằng dòng kích từ, có đặc tính động học tốt trong các quá trình gia công và phanh hãm momen giới hạn nhờ độ chính xác điều chỉnh cao cho những đoạn đường dịch chuyển chính xác. - Động cơ xoay chiều: điều chỉnh vô cấp tốc độ bằng bộ biến đổi tần số, làm thay đổi số vòng quay đơn giản. Momen truyền tải cao, khi thay đổi lực tác dụng số vòng quay vẫn không đổi. - Động cơ cổ góp điện tử: có 4 loại được xếp vào nhóm động cơ cổ góp điện tử: + Động cơ bước: cấu tạo tương đối giống động cơ đồng bộ xoay chiều. Có 3 loại: động cơ roto băng nam châm vĩnh cửu, động cơ roto từ trường cưỡng bức, động cơ tổ hợp. + Động cơ thời gian: Động cơ này có mạch điều khiển bên trong đảm bảo cho nó luôn chạy với vận tốc không đổi ( bản htân động cơ đã có hệ servo tốc độ) + Động cơ có bộ nắn dòng bán dẫn SCR: đây là động cơ một chiều nhưng lại dùng nguồn cấp xoay chiều. + Động cơ servo điều chỉnh không chổi than: Động cơ này gióng động cơ SCR ở chỗ cũng dùng nguồn xoay chiều được nắn dòng thành một chiều và thay đổi mức năng lượng theo tín hiệu điều khiển. Động cơ servo có thể có tỉ số momen kéo và quán tính cao làm cho nó có khả năng tăng tốc nhanh. 4.1.3. Hệ thống đo Hệ thống đo có nhiệm vụ thu nhận và truyền tải các kết quả đo về giá trị thật trên các cơ cấu chấp hành. Mỗi một trục chuyển động được điều chỉnh của máy công cụ CNC cần một thiết bị đo, chúng thông báo cho mạch điều chỉnh từng vị trí thật và tức thời của bàn máy hoặc xe dao. Các đại lượng phải đo ở đây là những đoạn đường trong chuyển động thẳng và các góc trong chuyển động quay có điều chỉnh. Cụm điều khiển CNC có thể xác định vị trí nội tại của bàn máy theo hệ thống đo, đường dịch chuyển kiểu gia số hoặc kiểu tuyệt đối - Đường đo dịch chuyển kiểu gia số Mỗi gia số là một đại lượng gia tăng đoạn dịch chuyển nhỏ và dài bằng nhau. Các vạch chia trên thước đo thủy tinh bao gồm những gia số là các vạch sáng tối kế tiếp nhau. Trong một chuyển động chạy dao làm xuất hiện trên bộ đếm các giá trị đo, cứ mỗi một gia số riêng lẻ là một tín hiệu. Tất cả các tín hiệu đó đều giống nhau, nghĩa là giồng như việc đếm các vạch sáng tối. Hình 4.18: Hệ thống đo kiểu gia số Trong các hệ thống đo vị trí kiểu gia số, khi mất điện âm nguồn, các giá trị đo vị trí bàn máy cũng mất theo. Để tái hiện được số đo này, thước đo có thể được trang bị thêm một hay nhiều mốc đo chuẩn. Các tín hiệu đầu ra của hệ thống đo chiều dài theo phương pháp quang điện được khuếch đại trong một bộ tạo xung chữ nhật. - Đo đường dịch chuyển kiểu tuyệt đối Khi đo đường dịch chuyển kiểu tuyệt đối người ta dùng thước đo có các rãnh chia vạch đen trắng, chúng được xếp đặt theo một code mã số. Mỗi đoạn đường gia tăng được đánh số bởi một mã riêng(thước mã số). Khi có kích thích quang điện tử của một thước đo năm rãnh chia sẽ đưa ra ứng với mỗi số đo một tín hiệu đo riêng. Từ tín hiệu này, khoảng cách đo với điểm chuẩn của máy sẽ được nhận biết. Code mã ghi trên mỗi rãnh của thước đo là một lũy thừa cớ số hai. Trên thước mã số, vị trí của bàn máy hoặc của bàn kẹp dao có thể đọc ra bất cứ lúc nào Hình 4.19: đo đường dịch chuyển kiểu tuyệt đối Trong các máy CNC thường ứng dụng các phương pháp đo vị trí bằng đại lượng tương tự đại lượng số. + Đại lượng tương tự là đoạn đường hay góc đo được chuyển đổi thành một đại lượng vật lý tương thích, đó là đại lượng tương tự analog + Đại lượng số là đoạn đường hay góc đo được chia thành các yếu tố đơn vị có độ lớn như nhau. Quá trình đo chính là việc đếm hay cộng lại các yếu tố đơn vị đã đi qua hoặc nhờ sự nhận biết các dấu hiệu riêng của yếu tố đơn vị tại vị trí thật. - Phương pháp đo trực tiếp là phương pháp đo bám sát các giá trị các vị trí cần đo, hay các biến đổi vị trí không cần đến các dẫn động cơ khí trung gian - Phương pháp đo gián tiếp : trong phương pháp đo này, thay cho biến đổi vị trí tịnh tiến cần đo, một chuyển động quay tương ứng sẽ được đo Bộ biến đổi số-tương tự : dùng để biến đổi các thông tin số ở đầu ra khối nội suy thành dạng tương tự ( dòng điện ) để điều khiển động cơ. - Bộ khuếch đại : là mạch điện từ dùng để tạo ra các tín hiệu ra từ các tín hiệu vào với hệ số khuếch đại đủ lớn. Với bộ khuếch đại công suất cung cấp cho động cơ và cho phép điều chỉnh tốc độ động cơ trong một phạm vi rộng. 4.1.4. Cơ cấu truyền dẫn Thực hiện các lệnh để tiến hành quá trình gia công với chất lượng cao, có đặc điểm: + Truyền dẫn độc lập vô cấp tốc độ + Xích truyền động là ngắn nhất + Bộ vitme-đai ốc bi có độ chính xác cao, chịu mòn, ít ma sát và cứng vững nhờ các đai ốc chịu tải lớn, không có khe hở và khắc phục hiện tượng trượt giật khi đảo chiều chuyển động … Đây là bộ phận kết cấu cơ khí tạo thành xích động học nối từ động cơ chạy dao được chuyển đổi thành chuyển động thẳng của bàn máy nhờ bộ truyền vitme – đai ốc bi. Các truyền động trung gian được dùng bằng các bánh răng chết tạo rất chính xác. Để thay thế nó ngày nay người ta sử dụng nhiều cặp truyền đai răng một cấp. Bộ Vitme – đai ốc bi có khả năng biến đổi truyền dẫn dễ dàng, ít masat và không có khe hở khi truyền dẫn với tốc độ cao. Để có thể dịch chuyển chính xác trên các biên dạng, các trục chính truyền dẫn không được cho phép có khe hở và cũng không được phép có hiệu ứng stick – slip ( hiệu ứng trượt lùi do lực cản masat). Do đó bộ truyền vitme – đai ốc bi là giai r pháp kĩ thuật đảm bảo được yêu cầu đó. Phương thức tác dụng của vitme đai ốc bi: Các viên bi nằm trong rãnh vitme và đai ốc đảm bảo truyền lực, ít masat từ trục vitme qua đai ốc vào bàn máy nhờ hai nửa đai ốc lắp theo chiều dài giữa chúng có vòng cách có thể điều chỉnh khử khe hở theo hai chiều ngược nhau. Trong một số giải pháp kết cấu nâng cao của bộ truyền này bước nâng của rãnh vitme trên trục và trên đai ốc có giá trị khác nhau, việc dẫn bi hồi rãnh được thực hiện nhờ các rãnh dẫn hướng bố trí bên trong hoăck bên ngoài. Việ sử dụng truyền dẫn chạy dao kiểu vitme – đai ốc bi trên các máy phay CNC cho phép cắt theo chu kỳ phay thuận vẫn êm. Hình 4.20: Cấu tạo bộ truyền Vitme – đai ốc bi 4.2. Nguyên tắc thiết lập ngôn ngữ điều khiển và nguyên lý hoạt động của máy CNC 4.2.1 Nguyên tắc cơ bản của quá trình thiết lập ngôn ngữ điều khiển số máy công cụ CNC Quá trình thiết lập ngôn ngữ điều khiển số được thực hiện dựa trên cơ sở ba nguyên tắc cơ bản: + Nguyên tắc thiết lập các hệ thống dữ liệu + Nguyên tắc dùng tín hiệu để biểu thị thông tin + Nguyên tắc mã hóa các kí tự thông dụng 4.2.1.1 Nguyên tắc thiết lập các hệ thống dữ liệu Hệ thống thông tin kĩ thuật bao gồm các dữ liệu. Hệ thống dữ liệu được phân tích ở đây là hệ thống dữ liệu để thiết lập một ngôn ngữ điều khiển số. Trong chế tạo máy hệ thống dữ liệu bao gồm: + Dữ liệu về vật liệu gia công, vật liệu cắt : nhằm đưa ra các thông số hay còn gọi là các dữ liệu công nghệ về chế độ gia công như : tốc độ cắt, lượng chạy dao, chiều sâu cắt … ảnh hưởng rất lớn đến tính kinh tế của quá trình gia công + Dữ liệu về máy: bao gồm các số liệu biểu thị các thông số cơ bản về máy như: kích thước không gian gia công, kích thước lớn nhất của các trục mang dao, pham vi công suất của các xích động học, phạm vi điều chỉnh xích chạy dao cũng như công suất truyền động trục chính… + Dữ liệu về dao: đặc điểm quan trọng của máy CNC là có khả năng gia công toàn bộ một bộ phận nào đó trong một thiết bị với số nguyên công cắt gọt ít hơn so với máy thông thường, do đó việc lựa chọn dụng cụ cắt sao cho phù hợp với khả năng trên, đồng thời với việc tăng số lượng dụng cụ cắt tại một vị trí làm việc và được tiêu chuẩn hóa chế tạo chính xác. Đảm tính lắp dẫn và các ưu điểm về hiệu suất hay khả năng dự đoán trước về tuổi thọ, nguyên nhân mòn hỏng dẫn đến việc thay đổi dụng cụ nhanh chóng. Dụng cụ cắt sử dụng trên máy CNC quan hệ hữu cơ với các chương trình gia công tương ứng thông qua các địa chỉ. Do đó các dữ liệu về dao thường được ghi rất chi tết trong các catalog và các dữ liệu cập nhật về dao khác như: hao mòn kích thước, tình trạng gãy, mẻ, vỡ… + Dữ liệu về chi tiết: hình dạng và kích thước của chi tiết cần gia công là một dữ liệu để chọn máy và dụng cụ cắt cho hiệu quả. Để gia công các mặt phẳng, các mặt cong, gia công lỗ… ta cần xác định các loại máy cần sử dụng, số trục máy cần thiết… đồng thời dữ liệu về chi tiết cũng là cơ sở để người lập trình hoạch định kế hoạch gia công theo một trình tự nhất định, tránh được sụ lãng phí không cần thiết về công suất máy, về nhịp sản xuất + Dữ liệu về đồ gá: tập hợp cá dữ liệu về thông số hình học và vùng gá kẹp của đồ gá trên máy CNC. Xác định kích thước đồ gá nhằm tránh sự va chạm với dụng cụ cắt trên đường vận chuyển khi gia công chi tiết ngoài ra có thể lực kẹp làm biến dạng bề mặt gia công. + Dữ liệu hỗ trợ xử lí khác: nhằm tăng tuổi thọ của thiêt bị và dụng cụ cắt như các dữ liệu về bôi trơn, về làm mát. Đóng mở chức năng phụ như thay dao, dừng chương trình gia công… Trong tất cả cá dữ liệu trên, dữ liệu về máy và dữ liệu về dao được gọi là dữ liệu hệ thống và được tập hợp thành phần mềm hệ thống. Còn các dữ liệu khác gọi chung là dữ liệu chi tiết và gọi là phần mềm gia công chi tiết. Từ hệ thống dữ liệu trên ta có nguyên tắc thứ hai. 4.2.1.2. Nguyên tắc dùng tín hiệu để biểu thị thông tin Từ các thông tin kĩ thuật con người phải mã hóa bằng tín hiệu thay cho cả một thông tin dài dòng chỉ bằng một tín hiệu ngắn gọn, tín hiệu trong nghành kĩ thuật chính là bộ điều khiển số ( nhị phân ). Như vậy ở đây ta hiểu tín hiệu là hình thức biểu thị thông tin. Quá trình tạo lập, truyền tải, lưu giữ, phục hồi thông tin luôn xảy ra giữa các giao diện. Giao diện giữa con người với máy chỉ có một ngôn ngữ chung 2 từ vựng biểu thị bằng hai kí tự đối lập L/O. Các thông tin kĩ thuật được máy móc, thiết bị hiểu thông qua trạng thái đối lập này gọi là hệ thống số nhị phân được mã hóa để biểu thị những kí tự cơ bản Từ đây có thể rút ra: Tín hiệu dùng để biểu thị thông tin kĩ thuật là giá trị nhị phân với hai giá trị trạng thái là L và O ( hay dùng hệ nhị phân để mã hóa tín hiệu ) bằng các giải pháp kĩ thuật như cơ khí, quang điện tử… Hệ thống tín hiệu chỉ chấp nhận những giá trị số rời rạc, xác định gọi là các tín hiệu số. Hê điều khiển làm việc vời các tín hiệu số là hệ thống điều khiển số. 4.2.1.3. Nguyên tắc mã hóa các kí tự thông dụng - Các kí tự thông dụng gồm: + Hệ chữ số thập phân gồm 10 chữ số: 0, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9 + Hệ chữ cái gồm 26/27 chữ cái từ A đến Z + Kí tự tính toán từ 6/7 kí tự như: +, -, *, :, %... + Một số kí tự soạn thảo như: END, DEL, cách… - Một số cú pháp như:., !, ;… + Tập hợp các biểu trương và kí tự mở rôngkhác như: Ai cập, La mã … loại này có hàng trăm kí tự. + Tất cả các kí tự này được tập hợp trên bàn phím của máy vi tính. Để biểu diễn số kí tự không trùng lặp nhau người ta dùng các tổ hợp trạng thái L và O trên một bít thông tin nhất định. Khi có 3 nguyên tắc trên ta có thể tiến trình thiết lập ngôn ngữ điều khiển số theo các bước sau. 4.2.2. Các quá trình thiết lập ngôn ngữ điều khiển số - Gán địa chỉ kĩ thuật cho các kí tự đồng nhất với việc qui định cho mỗi kí tự một chức năng kĩ thuật cụ thể, địa chỉ ghi bằng chữ cái tiêu chuẩn. Ví dụ: S( spindel) chỉ tốc độ quay trục chính, chiều S+ khi quay cùng chiều kim đồng hồ và chiều S- khi quay ngược chiều kim đồng hồ. F(feed): Lượng chạy dao (mm/ph). T(tool): Lệnh gọi dao. G(geometric): Điều kiện đường dịch chuyển. X, Y, Z: Các chức năng hiển thị các giá trị tọa độ. - Dùng kí tự số để biểu thị phần định lượng cho chức năng kĩ thuật: Ví dụ: S1500 biểu thị số vòng quay trục chính là 1500 vg/ph. G02: Chạy các vòng theo chiều kim đồng hồ/ F200: Lượng chạy dao là 200 mm/ph. - Ngôn ngữ lập trình APT bao gồm các từ xác định ( khoảng 3000 từ), nó được ghép nối ghép với nhau theo một nguyên tắc cú pháp cho trước. Các chỉ dẫn này được người lập trình tổng kết thành câu và đưa vào trong máy tính. + Cấu trúc của một từ lệnh: được thiết lập thông qua một tập thợp kí tự chữ cái và con số, cho phép lượng hóa một cách chính xác các chức năng hình học và công nghệ hoặc thông tin kĩ thuật của chương trình. Ví dụ: X420 là chuyển động theo trục X 420 (mm). + Cấu trúc một câu lệnh: là tập hợp các từ lệnh viết theo một cú pháp xác định để thực hiện một chuyển động hoặc một chức năng nào đó của máy CNC. + Cú pháp: chính là trình tự bố trí các câu lệnh. Trình tự: N… G… Y, J, K… X… Y… Z… S… F… M… N: số tứ tự câu lệnh là chữ cái N và một con số tự nhiện, giúp ta tìm dễ dàng các câu trong bộ nhớ của hệ điều khiển khi cần thay đổi một câu lệnh. + Điều kiện đường dịch chuyển: ứng với lệnh G và các lệnh hỗ trợ khác, người ta gọic ác chức năng dịch chuyển là chức năng G, gồm các chữ cái địa chỉ và một con số 2 chữ số đứng đằng sau, chức năng dịch chuyển được chuẩn hóa và có trong tiêu chuẩn DIN66025 (Đức) cho cả các lệnh khác trong câu lệnh. Ví dụ: G00 : chạy dao nhanh đến tọa độ đã lập trình. + Tọa độ các điểm đích biên dạng: X… Y… Z… + Các câu lệnh cho trục chính: S + con số ( số vòng quay trục chính) + Các lệnh chạy dao F + con số Ví dụ: Khi tiện N6 G95 ( chọn tốc độ chạy dao theo mm/ph) F01 (Lượng chạy dao 0,1mm/vg) + Các lệnh gọi dao: T + con số ( vị trí chứa dao trên ổ chứa dao) Ví dụ : T01, T02, … T24 + Các lệnh hỗ trợ khác: M dùng để biểu thị chức năng phụ, xuất hiện ngay từ đầu câu lện được lưu vào bộ nhớ Ví dụ: Khi phay M03 là quay trục chính sang trái ( ngược chiều kim đồng hồ ) Các lệnh chú giải kĩ thuật: máy không thực hiện các câu lệnh này. - Cấu trúc của chương trình điều khiển CNC: Là tập hợp các câu lệnh trong đó có 3 phần: + Phần mở đầu: tên chương trình Kí tự mở đầu chương trình với dạng: Dạng % + con số : %9001 Dạng %PM hoặc %MM: trong đó PM ( part memory – bộ nhớ chương trình), MM ( macro memory – chương trình con) Dạng P + con số : P741 + Phần thân chương trình: Là nội dung của qui trình công nghệ gia công chi tiết. * Số thứ tự câu lệnh: N + con số, ví dụ: N1… N30 Thứ tự chương trình là thứ tự logic gia công từ N1… Nn: * Viết các thông tin hình học biểu thị các chức năng dịch chuyển: Ví dụ: G02 X50 Y40 I5 J6 Trong đó G02: chạy dao gia công theo đường tròn X50 Y40: tọa độ điểm đích dao đến. I5 J6: tham số nội suy theo đường tròn. * Viết các thông tin công nghệ về dao cụ, về chế độ gia công: tốc độ cắt, lượng chạy dao… * Chạy điều khiển máy: tắt mở máy, tắt mở dung dịch làm mát… + Phần kết thúc: lệnh dừng chương trình. 4.3. Nguyên lý hoạt động của máy công cụ CNC: Máy công cụ CNC phải được thực hiện tự động các quá trình chuyển động theo các lệnh điều khiển đưa ra và dịch chuyển máy phải đi theo một cách chính xác nhất có thể đó là tọa độ các điểm trên biên dạng. Những vị trí bàn máy đã thực hiện theo các lện dịch chuyển được thu thập một cách tự động bởi một hệ thống đo đường dịch chuyển như các giá trị thực về vị trí và phản hồi vè bộ điều khiển của CNC. Hệ thống điều khiển máy nhận các giá trị đó trong khi chuyển động các vị trí tức thời của bàn máy ( giá trị thực ) và so sánh chúng với các vị trí mong muốn đưa ra từ hệ thống điều khiển số ( giá trị cần ). Hình 4.21: Sơ đồ nguyên lý vận hành CNC Bàn máy chuyển động cho tới khi nào vị trí thực bằng đúng giá trị cần sẽ được chỉnh sửa nhờ các tín hiệu chạy dao, do vậy ta có sự điều chỉnh vị trí theo một mạch chuyển động kín. - Máy công cụ CNC hoạt động dựa vào chương trình gia công chi tiết. Những thông tin cần thiết để gia công một chi tiết nào đó, được tập hợp một cách có hệ thống, gọi là chương trình gia công chi tiết. Chương trình này có thể: + Được soạn thảo và lưu trữ trong vật mang tin và được đưa vào hệ điều khiển số qua cửa nạp tương thích. + Được đưa vào hệ điều khiển số thông qua các nút bấm bằng tay trên bảng điều khiển. Nhờ bảng điều khiển cũng có thể đưa vào hệ điều khiển số các thông tin đặc biệt ( số liệu về dao cụ, các giá trị hiệu chỉnh biên dạng, cá dữ liệu hiệu chỉnh máy ). + Được chuyển trực tiếp từ bộ nhớ của một máy tính điều hành chủ sang hệ điều khiển số của từng trạm gia công ( nguyên tắc vận hành DNC ) - Bộ logic điều khiển xử lý các dữ liệu chương trình nhờ các phần mềm hệ thống nhằm: + Cung cấp các giá trị cần về vị trí cho từng trục riêng lẻ của máy công cụ theo một tần số phụ thuộc vào tốc độ xử lý dữ liệu chương trình. + So sánh các giá trị cần và giá trị thật về vị trí, xác định giá trị sai lệch: D = GTc - GTt + Và cấp lệnh điều khiển tương ứng cho Rơle tốc độ của từng trục chạy dao riêng lẻ. Nhờ vậy, từng trục máy chuyển động độc lập nhưng vẫn phối hợp được với nhau sao cho biên dạng gia công được sinh ra với tốc độ gia công đã được lập trình. - Các chương trình tương thích thông dụng và những dữ liệu điều chỉnh máy: + Nhờ các chương trình này, hệ điều khiển số đảm bảo được sự tương thích với các thông số kĩ thuật chuyên môn của máy công cụ mà nó điều khiển. + Những dữ liệu điều chỉnh máy xác định: tốc độ chạy dao nhanh tối đa, bố trí sự xếp đặt các trục máy, các trạng thái đóng mạch của hệ điều khiển và giới hạn vùng làm việc của hệ thống công nghệ: bàn máy, gá lắp, dao cụ … + Chương trình gia công chi tiết còn bao hàm những thông tin liên quan trực tiếp đến máy: * Lệnh đóng ngắt mạch bơm dung dịch trơn nguội * Lệnh tạo số vòng quay và chiều quay cho trục chính * Lệnh đổi dao cụ Bộ logic điều khiển chuyển tiếp những lệnh này qua một cụm điều khiển tương thích cài đặt trong hệ điều khiển số đến các khâu điều khiển máy tính như: van, rơle, các cầu dao tiếp mạch … Ngược lại, cụm điều chỉnh tương thích cũng tiếp nhận các thông tin phản hồi từ các công tắc ngắt cuối ( cữ chặn ), các bộ cảnh báo áp suất và các bộ phận khác lắp đặt trên máy ( có kèm theo dụng cụ phát tín hiệu ) để chuyển thành các thông báo về tình trạng sẵn sàng hoạt động hoặc trạng thái dừng … cho hệ điều khiển số. Hình 4.22: Sơ đồ nguyên lý hoạt động của máy công cụ CNC Qui trình chế tạo lòng khuôn Vật liệu chế tạo lòng khuôn đòi hỏi cơ tính tốt, chịu nhiệt và chịu mài mòn tốt. Khuôn gồm 2 phần: chày và cối. Chày được chế tạo từ thép 4X2B8F. Cối được chế tạo gồm phần tạo hình lòng khuôn dùng vật liệu 3X2B8F. Chế độ nhiệt luyện và xử lý bề mặt: Chày được chế tạo từ phôi hình trụ được nhiệt luyện đến nhiệt độ từ 1140-1160oC để đạt độ cứng từ 56-58 HRC sau đó sẽ tôi cải thiện ở nhiệt độ 625-640 oC đạt độ cứng từ 48-50 HRC. Khi đó tuổi bền của thép sẽ đạt được giá trị cao nhất. Sau khi gia công định hình ta tiến hành xử lý bề mặt bằng quá trình thấm Nitơ. Quá trình thấm Nitơ diễn ra ở nhiệt độ từ 500-550 oC, độ cứng bề mặt sẽ đạt vào khoảng Hv = 1020 - 1050. Phần tạo hình lòng khuôn được chế tạo từ phôi hình khối chữ nhật. Chế độ nhiệt luyện và xử lý bề mặt cũng tương tự như đối với chày: được nhiệt luyện đến nhiệt độ từ 1100 - 1140 oC để đạt độ cứng từ 54-56 HRC sau đó sẽ tôi cải thiện ở nhiệt độ 600 - 625 oC đạt độ cứng từ 48-50 HRC. Sau khi gia công định hình ta tiến hành xử lý bề mặt bằng quá trình thấm Nitơ ở nhiệt độ từ 500-550 oC, độ cứng bề mặt sẽ đạt vào khoảng Hv = 1020 -1050. Gia công tạo hình: - Cối được gia công bằng phương pháp gia công tia lửa điện xung định hình - Thiết kế chày + Thiết kế chày dập bánh răng chủ động: Đường kính phần làm việc của chày bằng với đường kính đỉnh răng của bánh răng chế tạo: d = 50 Đường kính phần dẫn hướng D = 1,5d = 75 Chiều dài phần làm việc h = 1,2 chiều dầy bánh răng = 1,2 x 15 = 18 Chiều dài phần dẫn hướng l = h + 0,4D + 5 = 53 Bán kính lượn giữa các phần chuyển tiếp R = 0,2d = 10 Đường kính lỗ ren M10 + Thiết kế chày dập bánh răng bị động: Đường kính phần làm việc của chày bằng với đường kính đ