Lựa chọn vật liệu điện cực khi gia công xung điện

Vật liệu điện cực bao gồm 2 nhóm chính là kim loại và graphit với 5 loại phổ biến là: đồng đỏ, đồng thau, wolfram, kẽm và graphit. Thêm vào đó, người ta còn kết hợp một vài vật liệu điện cực với các kim loại khác để tạo ra loại điện cực composite nhằm tăng hiệu quả cắt gọt (tạo thành nhóm thứ 3).

Độ chính xác gia công và nhám bề mặt khi gia công xung điện phụ thuộc vào nhiều yếu tố trong đó có vật liệu điện cực. Do đó việc chọn vật liệu điện cực thích hợp nhất đóng vai trò quan trọng trong quá trình lập quy trình công nghệ gia công xung điện.

Các tính chất của vật liệu điện cực

• Tính dẫn điện

Dòng điện đóng vai trò như “dao” trong gia công EDM nên các vật liệu điện cực có tính dẫn điện càng cao thì hiệu suất cắt càng cao.

• Nhiệt độ nóng chảy Gia công EDM thực chất là một quá trình gia công nhiệt, do đó vật liệu điện cực nào có nhiệt độ nóng chảy càng cao thì tỉ số mòn giữa điện cực và chi tiết càng bé.
• Các tính chất hóa học

Các đặc tính hóa học của vật liệu điện cực cũng có những ảnh hưởng đáng kể đến hiệu suất gia công EDM, thể hiện chủ yếu qua tốc độ gia công và độ mòn điện cực.

• Tính đồng nhất trong cấu trúc Mặc dù quá trình gia công EDM được xem như là quá trình gia công với lực cắt bằng không, nhưng mỗi lần phóng điện lại là một quá trình rất mãnh liệt ở quy mô cực nhỏ, gây nên ứng suất đáng kể trên vật liệu điện cực. Với hàng ngàn điểm phóng điện trên điện cực trên bề mặt điện cực, nếu vật liệu có tính đồng nhất kém thì quá trình mòn điện cực sẽ xảy ra không đều, ảnh hưởng đến độ chính xác gia công và nhám bề mặt.
• Cơ tính

Các tính chất cơ học thường được đo đối với vật liệu điện cực là: độ bền kéo, độ cứng, giới hạn bền kéo theo phương ngang và độ hạt.

• Khả năng chế tạo Các yếu tố ảnh hưởng đến khả năng chế tạo điện cực bao gồm: khả năng gia công, độ bền, khả năng tạo và bóc ba via.

Lựa chọn vật liệu điện cực

Cơ sở lựa chọn

Việc lựa chọn điện cực phụ thuộc nhiều yếu tố như sau:

• Giá thành vật liệu điện cực.
• Mức độ khó hay dễ gia công của vật liệu.
• Nguyên công (bước) gia công.
• Độ mòn điện cực.
• Số lượng điện cực cần thiết để hoàn thành công việc gia công.
• Kiểu điện cực thích hợp nhất cho việc gia công.
• Số lượng lỗ sục dung dịch điện môi (nếu có yêu cầu).

Vật liệu điện cực kim loại thường rất thích hợp cho gia công các chi tiết có điểm nóng chảy thấp như nhôm, đồng đỏ, đồng thau. Tuy nhiên đối với thép và hợp kim của nó thì graphit thích hợp hơn. Quy luật chung để lựa chọn là:

• Điện cực kim loại dùng để gia công các chi tiết làm bằng hợp kim có nhiệt độ nóng chảy thấp.
• Điện cực graphit dùng để gia công các chi tiết làm bằng hợp kim có nhiệt độ nóng chảy cao.

Tuy nhiên cũng có những ngoại lệ. Ví dụ, mặc dù wolfram, cobalt,molipden có nhiệt độ nóng chảy cao nhưng điện cực làm bằng đồng đỏ lại thích hợp hơn để gia công vì quá trình gia công EDM các vật liệu này cần tần số dòng điện cao hơn.

Điện cực kim loại

Trước đây, vào thời kỳ đầu của EDM, điện cực kim loại được sử dụng trên hầu hết các máy xung điện. Ngày nay điện cực kim loại chỉ được dùng khoảng 10% trong các ứng dụng gia công xung điện (trừ khoan lỗ nhỏ).

Ưu điểm chính của điện cực kim loại là tính dẫn điện cao và vật liệu có độ đồng nhất cao. Nhược điểm chính của chúng là khó chế tạo và tốc độ gia công thấp.

• Đồng thau

Đồng thau là loại vật liệu kim loại đầu tiên được dùng làm điệncực EDM. Nó không đắt và dễ gia công. Tuy nhiên các máy xung điện hiện đại ngày nay ít dùng loại vật liệu này vì chúng bị mòn nhanh.

Trong những ứng dụng cụ thể và ở các máy cũ thì đồng thau vẫn còn được sử dụng một cách hạn chế.

Tuy nhiên đồng thau được sử dụng phổ biến trên các máy khoan lỗ nhỏ cao tốc.

• Đồng đỏ

Với sự phát triển của các hệ thống cung cấp điện kiểu xung, transitor hóa, đồng đỏ tinh khiết đã được lựa chọn làm vật liệu điện cực EDM. Bởi vì sự kết hợp của đồng đỏ và các thiết lập chế độ nguồn nhất định cho phép giảm hao mòn. Nhờ độ đồng nhất về cấu trúc cao mà điện cực đồng đỏ có thể tạo được bề mặt chi tiết gia công với độ bóng cao. Tuy nhiên đồng đỏ có những bất lợi đáng kể sau:

• Tốc độ ăn mòn chi tiết gia công chỉ bằng một nửa so với graphit.
• Mềm nên khó mài.
• Khó làm sạch ba via. Thời gian làm sạch ba via có thể dài hơn thời gian chế tạo điện cực.

Mặc dù có những nhược điểm lớn nhưng do tính dễ chế tạo của nó mà nhiều phân xưởng vẫn sẵn lòng sử dụng đồng đỏ. Ngoài ra nó còn được sử dụng phổ biến trên các máy khoan lỗ cao tốc, các ứng dụng khoan cao tốc các lỗ hợp kim trong ngành không gian cũng như carbide.

• Bạc

Bạc thỉnh thoảng cũng được sử dụng làm điện cực EDM vì tính dẫn điện cao, độ tinh khiết và tính đồng nhất cao. Chúng được sử dụng để gia công khuôn làm tiền kim loại. Dĩ nhiên, do chi phí quá cao nên bạc ít được sử dụng.

• Wonfram

Wonfram có điểm nóng chảy cao, độ bền cao nên nó được lựa chọn cho một số ứng dụng nhất định. Chú ý rằng loại vật liệu này có tính dẫn điện kém, tốc độ gia công chậm hơn đồng đỏ và đồng thau. Vì wolfram khá đắt và khó gia công nên nó cũng ít được sử dụng.

• Đồng-wolfram

Loại vật liệu này kết hợp nhiều ưu điểm EDM của 2 loại vật liệu thành phần đó là tính dẫn điện cao của đồng và nhiệt độ nóng chảy cao của wolfram. Loại này có tính chống mòn rất tốt, rất thích hợp để gia công carbide. Cần lưu ý là loại vật liệu này cắt chỉ nhanh bằng một nửa so với đồng đỏ.

• Bạc-wolfram

Loại này kết hợp đặc tính chống mòn của wolfram và tính dẫn điện cao của bạc. Khi sử dụng chúng làm vật liệu điện cực EDM thì điện lâu mòn và bề mặt chi tiết gia công đạt độ bóng cao. Rất thích hợp cho các ứng dụng có độ tinh xảo cao.

Tuy nhiên do tính hiếm và chi phí cao nên loại này chỉ được dùng rất hạn chế.

• Wolfram- carbide

Nhờ độ cứng vững cực cao và tính chống mài mòn cao nên wolfram- carbide thường được sử dụng để gia công hốc hoặc lỗ nhỏ.

Một đặc điểm cần lưu ý là loại vật liệu này rất giòn.

Điện cực graphite

Graphite được sử dụng cho phần lớn (khoảng 90%) các ứng dụng gia công xung điện. Sở dĩ chúng được sử dụng rộng rãi là vì chúng có nhiều ưu điểm so với điện cực kim loại.

Sau đây là một số đặc điểm so với đồng đỏ:

• Về tốc độ gia công: cao hơn đồng đỏ cả gia công thô lẫn gia công tinh, thông thường tỉ lệ về tốc độ là 2:1.
• Độ mòn: thường thì mòn ít hơn đồng đỏ.
• Nhám bề mặt: cố thể đạt độ bóng tương đương so với khi sử dụng điện cực đồng đỏ ở những trường hợp nhất định.
• Khă năng chế tạo : để chế tạo và chế tạo nhanh hơn so vơi đồng đỏ

Tuy nhiên graphite cũng có một số nhược điểm, nhất là các vấn đề liên quan đến môi trường.

Loại graphite đặc biệt mịn (kích thước hạt nhỏ hơn 1 μm) được dùng trong các trường hợp gia công các chi tiết cực kỳ tinh xảo. Loại graphite cực mịn (độ hạt từ 1-5 μm) dùng để gia công hàng loạt các khuôn mẫu có yêu cầu khắt khe về độ chính xác và các chi tiết ngành hàng không. Loại hạt mịn (độ hạt 10-20 μm) dùng để gia công các hốc của khuôn mẫu lớn. Loại hạt vừa (độ hạt 20-100 μm) thường dùng để gia công các khuôn dập

Điện cực Đồng đỏ-graphite (composite)

Loại vật liệu này là sự kết hợp giữa đồng đỏ và graphite, dẫn tới tăng tính dẫn điện và tăng độ bền. Đồng thời nó cũng kết hợp các ưu điểm là dễ chế tạo của graphite và tính “an toàn” của đồng (vấn đề môi trường).

Chúng đã chứng tỏ những ưu việt khi áp dụng cho các chi tiết hàng không không gian như titan, inconel và một số hợp kim chịu nhiệt cao ngành hàng không.

Tài liệu tham khảo

1. Carl Sommer, Steve Sommer and Phil Sommer; The complete

EDM handbook.

2. http://www.edmtodaymagazine.com/TechTipsM-J-8.pdf

3. http://www.bam.com.cn/TungstenCopper.html?gclid=“CMSXq

9fG7pQCFQcUQgodsw-Nqw

4. http://www.moldmakermag.com/0602tech1.html

5. http://www.saturnedm.com/images/Metals2a2.jpg

ThS. Nguyễn Văn Tường – Khoa Cơ khí, Đại học Nha Trang