Luận án nghiên cứu xác định chế độ công nghệ tối ưu khi gia công xung tia lửa điện bằng điện cực đồng

Các nghiên cứu về EDM ngoài nước đã có nhiều công trình khoa học [50 - 72] nghiên cứu sử dụng phương pháp Taguchi để thiết kế thực nghiệm, kết hợp với các phương pháp khác để tối ưu hóa,

PHẦN MỞ ĐẦU

1 Tính cấp thiết của đề tài

Ngày nay gia công Xung điện (Electrical Discharge Machining - EDM) là một trong những công nghệ quan trọng và phổ biến trên thế giới [1] Phương pháp EDM là giải pháp gia công các vật liệu cứng và siêu cứng các chi tiết trong tua bin máy phát điện, động cơ máy bay, dụng cụ cắt, khuôn mẫu, đặc biệt là các bề mặt có hình dáng phức tạp mà các phương pháp gia công cắt gọt truyền thống như Tiện, Phay, Mài… rất khó thực hiện hoặc không thể thực hiện được [73] EDM sử dụng năng lượng nhiệt để gia công các bộ phận máy với vật liệu dẫn điện, phương pháp này không có lực cắt và trong quá trình gia công không có rung động Tuy vậy EDM còn tồn tại những nhược điểm như năng suất gia công không cao [3, 4], không gia công được vật liệu không dẫn điện, để lại trên bề mặt chi tiết gia công lớp trắng có cấu trúc, độ cứng, ứng suất dư khác lớp kim loại nền Ở Việt Nam hiện nay khu vực sản xuất cũng được trang bị khá nhiều máy gia công EDM Tuy nhiên giá thành khá đắt và việc chuyển giao công nghệ không đầy đủ nên việc khai thác thiết bị chưa hiệu quả và triệt để Đã có nhiều công trình nghiên cứu ở nước ngoài và trong nước về EDM, nhưng do tính phức tạp của nó mà cho đến nay vẫn còn nhiều câu hỏi liên quan đến lĩnh vực này cần phải giải đáp

Các nghiên cứu về EDM ngoài nước đã có nhiều công trình khoa học [50 - 72] nghiên cứu sử dụng phương pháp Taguchi để thiết kế thực nghiệm, kết hợp với các phương pháp khác để tối ưu hóa, sử dụng các loại vật liệu điện cực và vật liệu chi tiết gia công khác nhau, nhằm nâng cao năng suất và chất lượng bề mặt chi tiết gia công sử dụng phương pháp gia công EDM Tuy nhiên, chưa có nhiều nghiên cứu tối ưu hóa các thông

số đầu vào trên máy xung điện để đạt năng suất và chất lượng bề mặt chi tiết gia công,

sử dụng điện cực đồng nguyên chất (copper), gia công vật liệu SKD11 Trên cơ sở đó,

đề tài khoa học “Nghiên cứu xác định chế độ công nghệ tối ưu khi gia công xung tia

lửa điện bằng điện cực đồng” là cấp thiết

2 Nội dung nghiên cứu

- Nghiên cứu tổng quan về gia công tia lửa điện

- Cơ sở lý thuyết

- Thực nghiệm nghiên cứu ảnh hưởng của các thông số đầu vào là cường độ dòng điện; điện áp khe hở phóng điện; thời gian phóng điện và thời gian ngừng phóng điện đến năng suất và chất lượng bề mặt thép làm khuôn được gia công bằng phương pháp Xung tia lửa điện EDM, với các chỉ tiêu đánh giá là độ cứng tế vi lớp trắng; chiều dày lớp trắng; mòn điện cực; nhám bề mặt và năng suất bóc tách vật liệu của chi tiết gia công

- Tối ưu hóa đơn mục tiêu và đa mục tiêu các thông số công nghệ đầu vào với các chỉ tiêu đầu ra là năng suất và chất lượng bề mặt chi tiết gia công

3 Phương pháp nghiên cứu

Sử dụng phương pháp nghiên cứu lý thuyết kết hợp với thực nghiệm:

- Nghiên cứu lý thuyết kết hợp với thực nghiệm khảo sát để phân tích tác động của các thông số công nghệ đến chất lượng bề mặt; mòn điện cực và năng suất gia công Kế thừa và phát triển kết quả nghiên cứu trong và ngoài nước về EDM;

- Thực nghiệm gia công để xây dựng hàm quan hệ thông số công nghệ với hàm mục tiêu: Độ cứng tế vi lớp trắng; chiều dày lớp trắng; nhám bề mặt; mòn điện cực và năng suất bóc tách vật liệu, gồm các bước:

+ Xây dựng hệ thống thí nghiệm;

+ Tiến hành thực nghiệm;

+ Phân tích kết quả và tối ưu hóa

- Áp dụng phương pháp Taguchi và phương pháp Taguchi - AHP - Deng’s cho các bài toán tối ưu hóa đơn và đa mục tiêu

4 Đối tượng nghiên cứu

Nghiên cứu ảnh hưởng của các thông số công nghệ gồm: cường độ dòng điện (I); điện áp khe hở phóng điện (U); thời gian phóng điện (Ton); thời gian ngừng phóng điện (Toff) đến các chỉ tiêu đầu ra là: Độ cứng tế vi bề mặt (HV); chiều dày lớp trắng (WLT) nhám bề mặt (Ra); mòn điện cực (TWR) và năng suất bóc tách vật liệu (MRR) Trên cơ

sở thực nghiệm gia công bằng công nghệ gia công xung tia lửa điện (EDM), sử dụng điện cực đồng đỏ (copper) trên bề mặt của chi tiết mẫu từ thép SKD11 đã xử lý nhiệt đạt độ cứng 58 - 62 HRC

5 Giới hạn nghiên cứu

- Chi tiết gia công xung: SKD11 đã xử lý nhiệt, độ cứng đạt 58 - 62 HRC;

- Điện cực: Đồng đỏ (copper);

- Công nghệ gia công: Xung tia lửa điện;

- Giới hạn các thông số đầu vào:

+ Cường độ dòng điện: I = (1, 2, 3, 4, 5) A;

+ Điện áp khe hở: U = (30, 40, 50, 60, 70) V;

+ Thời gian phóng điện: Ton = (18, 25, 37, 50, 75) µs;

+ Thời gian ngừng phóng điện: Toff = (9, 12, 18, 25, 37) µs

7 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài

a Ý nghĩa khoa học

Bằng nghiên cứu thực nghiệm và áp dụng phương pháp Taguchi - AHP - Deng’s

để tối ưu hóa, đã xác định được ảnh hưởng của bộ thông số công nghệ đầu vào gồm cường độ dòng điện (I); điện áp khe hở phóng điện (U); thời gian phóng điện (Ton); thời gian ngừng phóng điện (Toff) đến độ cứng tế vi bề mặt (HV); chiều dày lớp trắng (WLT); mòn điện cực (TWR); nhám bề mặt (Ra) và năng suất bóc tách vật liệu (MRR)

b Ý nghĩa thực tiễn

- Kết quả của đề tài luận án có thể áp dụng vào thực tiễn sản xuất khi gia công EDM;

- Phương pháp nghiên cứu của đề tài luận án có thể làm tài liệu tham khảo trong công tác nghiên cứu và lựa chọn bộ thông số tối ưu khi gia công EDM

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ GIA CÔNG TIA LỬA ĐIỆN

1.1 Lịch sử phát triển EDM

Người đầu tiên phát triển máy phóng tia lửa điện với một mạch điện tương tự như

hệ thống đánh lửa trên ô tô là Lazarenko (người Nga) vào năm 1943 Hệ thống này đã trở thành hệ thống EDM (Electrical Discharge Machining) tiêu chuẩn đầu tiên được sử dụng trên toàn thế giới (mạch điện trở - tụ điện (R-C) cho máy EDM (hình 1.1)) Những năm sau đó Lazarenko tiếp tục phát triển hệ thống và thiết kế một hệ thống tự động duy trì khoảng cách phóng điện từ điện cực tới phôi trong chu kỳ gia công EDM Nhiều máy EDM do Lazarenko thiết kế đã được sản xuất trong chiến tranh thế giới thứ II, cho phép gia công kim loại như Vonfram và Vonfram cacbua Từ mô hình này, các máy gia công tia lửa điện được phát triển ở các quốc gia bên ngoài nước Nga, đó là châu Âu và Nhật

Bản [73]

Năm 1967, một máy cắt dây EDM sản xuất tại Liên Xô đã được trưng bày tại một triển lãm máy tại Montreal, Quebec, Canada Máy này đặc trưng điều khiển số chuyển động bằng động cơ bước, độ chính xác gia công là 0,02 mm Thời gian cần thiết để cắt một vết cắt dài 127 mm thép dày 12,7 mm là 180 phút [73] Điện cực dùng cho máy cắt dây EDM là dây có đường kính nhỏ (d = 0,1 - 0,3 mm) được quấn thành cuộn Quá trình

Động cơ servo điều khiển điện cực tự động

Điện cực Khe hở đánh lửa Chất điện môi

Thùng chứa

Phôi (vật liệu dẫn điện)

Tụ điện (C) Nguồn điện 1 chiều

Điện trở (R)

Hình 1.1 Sơ đồ nguyên lý gia công tia lửa điện

sử dụng mạch điện R-C của Lazarenko [73]

phóng điện ăn mòn xảy ra trong môi trường chất điện môi (nước đã khử ion) Sơ đồ máy gia công EDM điện cực dây được trình bày ở hình 1.2

Cho đến nay, phương pháp gia công này đã được phổ biến rộng rãi khắp nơi trên thế giới Nguyên tắc của phương pháp này là bắn phá chi tiết để tách vật liệu bằng nguồn năng lượng nhiệt rất lớn được sinh ra khi cho hai điện cực tiến gần nhau Trong hai điện cực này, một đóng vai trò là dao và một đóng vai trò là phôi trong quá trình gia công Trong thập niên 1960 đã có nhiều nghiên cứu sâu rộng về gia công EDM và đã giải quyết được nhiều vấn đề liên quan đến mô hình tính toán quá trình gia công EDM Trong thập niên 1970 đã xảy ra cuộc cách mạng về gia công trên máy cắt dây EDM nhờ vào việc phát triển các máy phát xung công suất lớn, các loại dây cắt và các phương pháp sục chất điện môi hữu hiệu [21] Máy gia công tia lửa điện ngày nay sử dụng động cơ tuyến tính có chuyển động chính xác cao, cập nhật công nghệ điều khiển mới nhất

Bộ điều khiển

Bộ quấn điện cực dây Bàn máy có

tấm bảo vệ

Tủ điện Động cơ di chuyển bàn máy

Bàn máy

Đế máy

Thúng chứa và bộ lọc chất điện môi

Hình 1.2 Sơ đồ máy gia công tia lửa điện, điện cực dây [73]

1.2 Đặc điểm gia công tia lửa điện

* Ưu điểm của gia công tia lửa điện

So với gia công cắt gọt truyền thống thì gia công tia lửa điện có các tính năng độc đáo:

- Gia công tia lửa điện sử dụng năng lượng nhiệt để gia công nên không có lực cắt gọt;

- Điện cực dụng cụ dùng trong gia công có độ cứng thấp hơn nhiều so với chi tiết gia công;

- Có thể gia công vật liệu dẫn điện với độ cứng cao mà phương pháp gia công truyền thống khó thực hiện;

- Có thể gia công những vị trí hốc khuôn có hình dạng góc hộp vuông kín mà phương pháp truyền thống không hoặc rất khó gia công được

* Nhược điểm của gia công tia lửa điện

- Cả phôi và điện cực đều phải dẫn điện;

- Sử dụng chất điện môi khi gia công, chất này không dẫn điện ở điều kiện bình thường;

- Năng suất gia công không cao;

- Để lại trên bề mặt chi tiết gia công lớp trắng có cấu trúc, độ cứng, ứng suất dư khác lớp kim loại nền

1.3 Ứng dụng gia công tia lửa điện

Do nguyên lý gia công khác với gia công truyền thống, năng suất bóc tách kim loại thấp nên phương pháp gia công bằng tia lửa điện hiện nay thường ứng dụng để gia công các chi tiết, bộ phận máy, đặc biệt trong sản xuất khuôn mẫu, chi tiết ô tô, hàng không vũ trụ và các dụng cụ phẫu thuật

1.4 Một số khái niệm trong gia công tia lửa điện

1.4.1 Chu kỳ gia công

Thông thường, khi gia công xung có thời gian phóng điện và thời gian ngắt khác nhau và rất ít khi bằng nhau Để đánh giá hay xác định công suất trung bình trong một chu kỳ người ta thường sử dụng khái niệm “chu kỳ gia công” Chu kỳ gia công là khoảng thời gian thực hiện phóng xung và ngắt xung điện Tuy nhiên trong chu kỳ ấy, việc đốt cháy chỉ được thực hiện khi phóng xung nên có thể xem xét tính hiệu quả trong một chu

kỳ được xác định bằng tỷ lệ thời gian phóng xung ON trên tổng thời gian phóng xung

ON và ngừng xung OFF

Chu kỳ gia công = ON / (ON + OFF) (1.1) Trong đó: ON - thời gian phóng tia lửa điện (s);

OFF - thời gian ngừng phóng tia lửa điện (s)

1.4.2 Điện áp và cường độ dòng điện gia công

Để thực hiện được việc phóng tia lửa điện thì giữa hai điện cực (điện cực dụng

cụ và phôi) phải được duy trì một dòng điện Khi dòng điện chạy qua một chất điện môi, điện áp giữa điện cực dụng cụ và phôi được giảm gần như ngay lập tức từ điện áp mạch

100 V xuống (20 ÷ 50) V, Điện áp trong vùng phóng tia lửa điện (hình 1.3) này được gọi là điện áp gia công Điện áp gia công phụ thuộc vào rất nhiều yếu tố trong đó độ nhớt của chất điện môi và đặc tính điện của chất điện môi khi ion hóa ảnh hưởng lớn đến giá trị thực tế của điện áp giảm này

Khi điện áp được áp dụng giữa điện cực và phôi, sau đó chất điện môi được ion hóa, dòng điện chạy qua khoảng cách phát ra tia lửa Hình 1.4 minh họa điện áp và cường độ dòng điện trong một lần phóng tia lửa bình thường

Hình 1.3 Vùng điện áp xuất hiện tia lửa điện [73]

Thời gian

Thời gian phóng điện

Vùng điện áp xuất hiện tia lửa điện

Điểm ion hóa

Quá trình ion hóa điện môi diễn ra bất cứ lúc nào trong khoảng thời gian có điện

áp, thời gian phóng điện thay đổi, dựa trên điểm ion hóa của chất lỏng điện môi Hình 1.5 minh họa quá trình này

Điện áp máy

Đồ thị điện áp

Đồ thị I

I Thời gian

Thời gian

Hình 1.4 Điện áp và dòng điện khi xuất hiện tia lửa điện [73]

1.4.3 Thời gian phóng tia lửa điện T on

Sự trễ trong điểm ion hóa chất điện môi sẽ làm giảm thời gian phóng tia lửa Việc giảm thời gian phóng này làm giảm lượng vật liệu được loại bỏ bởi tia lửa điện Tuy nhiên, nguồn cung cấp năng lượng EDM luôn tạo ra tia lửa với thời gian bằng nhau Hình 1.5 cho thấy các tia lửa với thời gian bằng nhau, dựa trên điểm ion hóa chất điện môi

1.4.4 Thời gian ngừng phóng tia lửa điện Toff

Thời gian ngừng phóng điện phải đủ để vận chuyển phoi ra khỏi vùng gia công

và đủ thời gian chất điện môi ngừng ion hóa, làm ổn định quá trình gia công, nếu Toff quá dài làm giảm năng suất bóc tách vật liệu Thời gian phóng điện và thời gian ngừng phóng điện tạo thành chu kỳ gia công

1.4.5 Sự ion hóa

Sự ion hóa là quá trình mà một electron bị loại bỏ khỏi nguyên tử, phân tử hoặc ion Quá trình này rất quan trọng để dẫn điện trong chất lỏng Khi các chất lỏng điện môi không ion hóa, điện áp được áp dụng cho khoảng cách phát ra tia lửa giữa phôi và điện cực Tuy nhiên, không có dòng điện giữa điện cực và phôi thông qua chất lỏng điện môi Ở đây, dạng sóng vuông tăng từ 0 đến điểm 100 V Nó vẫn còn đó cho đến khi ngắt điện làm cho điện áp giảm xuống 0, và được gọi là điện áp mạch hở, điện áp mạch hở cho hầu hết các nguồn điện EDM là khoảng 100 V Với khoảng cách giữa điện cực và phôi nhỏ hơn, chất điện môi ion hóa, xuất hiện tia lửa điện giữa điện cực và phôi Khi dòng điện chạy qua chất lỏng, điện áp giữa điện cực và phôi được giảm gần như ngay lập tức từ điện áp mạch hở 100 V xuống khoảng 20 đến 50 V, là dải điện áp nơi tia lửa xảy ra Điện áp này được gọi là điện áp gia công Độ bền điện môi và các đặc tính điện của chất lỏng điện môi trong quá trình ion hóa thiết lập giá trị thực tế của điện áp giảm này

1.4.6 Sự trễ của ion hóa

Quá trình ion hóa điện môi không phải lúc nào cũng xảy ra vào đầu thời gian có điện áp Nó có thể xảy ra bất cứ lúc nào trong khoảng thời gian có điện áp Hình 1.5 minh họa dạng sóng điển hình cho sự ion hóa điện môi bình thường và trễ, sau khi điện

áp mạch hở được áp dụng cho khoảng cách phát ra tia lửa

- Đồng vàng (Brass)

Đồng vàng sẵn có, thường sử dụng gia công EDM là bằng đồng thau Loại vật liệu này dùng làm điện cực có một tỷ lệ hao mòn thấp khi gia công thép, và tỷ lệ hao mòn rất cao khi gia công vonfram cacbua Đồng vàng thường không được khuyến cáo sử dụng với nguồn cung cấp điện R-C

- Đồng đỏ (Copper)

Đồng đỏ sẵn có và có thể được coi là đồng nguyên chất (đồng điện phân), thường dùng để gia công thép Đồng đỏ rất khó mài, nhưng có đặc điểm chống mòn tốt, thường được sử dụng cho các máy EDM với nguồn cung cấp điện R-C

- Đồng vonfram là một vật liệu thiêu kết làm từ đồng và vonfram, với tỷ lệ chung

là 70 % vonfram và 30 % đồng Nó có đặc tính chống mòn rất tốt Gia công khó khăn (trừ mài), đồng vonfram thường được sử dụng để gia công hợp kim cứng (cacbit vonfram)

- Than chì (Graphite)

Than chì có mật độ hạt khác nhau phụ thuộc vào kích thước hạt (tính bằng micro mét) của bột được sử dụng làm điện cực Cỡ hạt 100 microns cho gia công thô, 1 micron cho gia công tinh Than chì có khả năng chống mòn tốt, dễ gia công tạo hình nhưng rất bụi, than chì khi đạt đến nhiệt độ nóng chảy nó chuyển từ trạng thái đặc sang trạng thái khí (không qua trạng thái chảy loãng), nhiệt độ nóng chảy của than chì rất cao, xấp xỉ bằng nhiệt độ nóng chảy của vonfram, than chì không được khuyến cáo gia công hợp kim cứng Nó cũng không được khuyến cáo sử dụng cho các máy với nguồn cung cấp điện R-C

- Đồng than chì là hạt tinh than chì được thâm nhập vào với đồng, có những phẩm chất của than chì, cộng với độ dẫn điện của đồng

- Hợp kim kẽm có thể được sử dụng như một vật liệu điện cực, nhưng có đặc tính chống mòn kém

1.4.8 Phoi EDM

EDM là một quá trình mà các mảnh phoi (chip) được tạo ra bởi năng lượng nhiệt phát sinh từ sự bắn phá của phôi và điện cực bằng các ion và electron dương Hình 1.6 minh họa việc tạo thành phoi từ việc bắn phá bề mặt

Sự hình thành phoi: Với điện cực âm, các ion dương bị hút vào bề mặt điện cực

Các ion va vào bề mặt này với lực và nhiệt làm bốc hơi bề mặt Đồng thời, các electron

bị hút mạnh về phía phôi gia công kết quả cũng làm bốc hơi bề mặt phôi Sự hóa hơi từ

bề mặt điện cực và phôi gia công hình thành các hình cầu rỗng trong chất lỏng điện môi tạo thành phoi Các mảnh phoi EDM chứa vật liệu từ cả điện cực và phôi gia công Khi cực điện được phân cực dương, điện cực bị bắn phá bởi các electron và các phôi phân cực âm được bắn phá bởi các ion dương Mỗi tia lửa tạo ra một mảnh phoi và có từ 2.000 đến 500.000 tia lửa được phóng ra sau mỗi giây Các mảnh phoi rất nhỏ, nếu các mảnh phoi không được loại bỏ với cùng tốc độ chúng được tạo ra, chúng sẽ ở trong khe

hở phóng điện ảnh hưởng đến quá trình phát ra tia lửa [73]

Dòng chảy của chất điện môi: sẽ đảm nhiệm việc loại bỏ phoi trong khe hở phóng

điện bằng áp lực dòng chảy, khe hở dòng chảy chảy qua, dòng chảy phía ngoài, chuyển động lên xuống của điện cực.v.v…

Điện cực

Cực âm

Chất điện môi

Bắn phá của electron Đám mây khí

Cột tia lửa điện

Bắn phá của ion dương

Cực dương Chi tiết (phôi)

Mảnh phoi

Hình 1.6 Quá trình tạo thành phoi EDM [73]

Hình 1.7 minh họa dòng áp suất qua điện cực và phôi gia công Sử dụng dòng chảy

áp lực, dẫn điện môi chảy qua khoảng cách phát ra tia lửa đối với điện cực và phôi gia công Dòng chảy ngoài loại bỏ phoi EDM Thông thường, một vòi phun bên ngoài được

sử dụng để dẫn chất lỏng đến khu vực gia công, dòng chảy này sẽ loại bỏ phoi ra khỏi khu vực phát ra tia lửa một cách dễ dàng

1.4.9 Loại mạch điện của máy xung

Máy EDM sử dụng các loại tia lửa điện khác nhau phụ thuộc vào các mạch điện

tử được cung cấp Tia lửa thường được tạo ra bởi một trong hai loại mạch điện EDM:

- Mạch điện trở - tụ điện (R-C);

- Mạch công tắc ON/OFF điện tử

Cả hai loại mạch công tắc ON/OFF điện tử và mạch R-C được sử dụng trong gia công xung và cắt dây Nhìn chung, mạch R-C ứng dụng cho chi tiết đòi hỏi có bề mặt mịn cao hoặc cho khoan lỗ nhỏ, lỗ chính xác Loại mạch công tắc ON/OFF điện tử cung cấp khả năng gia công với điện cực than chì hoặc các điện cực kim loại với cường độ dòng điện cao hơn

Dòng chảy với chip EDM

Vòi phun có

áp lực

Dòng chảy tràn vào khu vực gia công khi điện cực rút lên Phoi được đưa ra ngoài cùng dòng chảy

Chi tiết Điện cực

Điện cực

Vòi phun có

áp lực Dòng chảy phun vào khu vực gia công

Phoi được tạo ra từ khu vực phóng tia lửa

điện

Chi tiết

Điện cực Rút lên

Điện cực

Đi xuống

Hình 1.7 Dòng chảy khi điện cực rút lên [73]

1.5 Tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước về EDM

1.5.1 Tình hình nghiên cứu ngoài nước

EDM là một phương pháp gia công không truyền thống [1, 73] được sử dụng phổ biến để tạo các bề mặt định hình ở các thép đã qua nhiệt luyện Phương pháp này sử dụng các tia lửa điện sinh ra trong khe hở phóng điện giữa điện cực và phôi được ngâm trong dung dịch điện môi, làm nóng chảy và bay hơi vật liệu gia công để hình thành dạng bề mặt theo yêu cầu [7] Năng suất và chất lượng của bề mặt gia công có ảnh hưởng trực tiếp đến giá thành sản phẩm Khuôn mẫu là dạng sản phẩm được tạo hình bằng EDM là chủ yếu [8, 14], là dạng sản phẩm có giá trị kinh tế cao

Hiện nay, việc lựa chọn các thông số công nghệ trên máy EDM tại các doanh nghiệp thường dựa vào kinh nghiệm thực tiễn, các khuyến nghị của sổ tay hoặc tài liệu hướng dẫn đi kèm với máy Điều này dẫn tới hiệu quả sử dụng của máy EDM chưa cao Nghiên cứu tối ưu hóa các thông số công nghệ trong EDM bằng các mô hình thực nghiệm là một giải pháp tiên tiến và phù hợp để khắc phục những hạn chế trên [12, 22, 24]

Có nhiều đề xuất giải pháp mới để cung cấp dòng dung dịch điện môi trong gia công EDM bằng điện cực dây Trong nghiên cứu của mình, tác giả Bharat C Khatri và các cộng sự [20] đã đề xuất một phương pháp mới sử dụng dòng chảy đồng tâm của chất điện môi dạng khí cho quá trình WEDM Điện cực dây vonfram, phôi gia công là hợp kim titan dạng tấm mỏng Ti-6Al-4V, đã được sử dụng cho các thí nghiệm với chế độ dòng chảy bên và dòng chảy đồng tâm với một luồng khí nén làm điện môi Dòng điện,

áp suất khí nén, thời gian phát xung và thời gian ngừng phát xung đã được chọn làm tham số quá trình và các tác động lên tốc độ cắt, chiều rộng rãnh cắt và tốc độ loại bỏ vật liệu (MRR) đã được nghiên cứu Kết quả dòng chảy khí đồng tâm có tốc độ cắt cao hơn 18 %, chiều rộng rãnh cắt nhỏ hơn 7 %, MRR cao hơn 10 % so với dòng chảy bên Hạn chế của phương pháp này là chế tạo hệ thống phức tạp và tốn kém hơn

Nghiên cứu tối ưu hóa các thông số công nghệ trong EDM bằng các mô hình thực nghiệm là một giải pháp tiên tiến và phù hợp Bằng nghiên cứu thực nghiệm gia công thép hợp kim 718 trên máy lai xung điện và mài bằng đá mài kim cương, dung dịch điện môi trộn hạt mài, tác giả Deepak Rajendra Unune và các cộng sự [21] dựa trên phương pháp phản hồi bề mặt để tối ưu hóa đa mục tiêu cho năng suất bóc tách vật liệu đạt được

cao nhất là 13,90 mm3/phút và nhám bề mặt Ra thấp nhất là 2,484 µm Nghiên cứu này cho thấy việc bổ sung các hạt mài trong chất lỏng điện môi giúp tăng cường đáng kể hiệu suất của quá trình

Taguchi và RSM là hai kỹ thuật tối ưu được sử dụng phổ biến trong EDM và các công nghệ gia công không truyền thống khác [23, 26] Trong tài liệu này tác giả thống

kê các nghiên cứu sử dụng phương pháp Taguchi và RSM, kết hợp với các phương pháp tối ưu hóa như: mạng nhân tạo ANN; tối ưu hóa bầy đàn PSO; phân tích quan hệ xám GRA; giải thuật di truyền GA

Phương pháp Taguchi khá dễ dàng khi kết hợp với các phương pháp tối ưu đa mục tiêu khác [26] Trong nghiên cứu [25] Taguchi kết hợp với Topsis để tối ưu hóa khi gia công EDM, dung dịch điện môi kết hợp giữa dầu EDM và dầu cọ, thép mangan được chọn làm chi tiết gia công, các thông số đầu vào được chọn là: I; Ton; Toff, phần mềm Minitab17 được dùng để phân tích, kết quả tối ưu cho hai chỉ tiêu đầu ra là MRR và Ra

là bộ thông số đầu vào: I = 15 A, Ton = 100 µs và Toff = 50 µs

Taguchi được kết hợp với ANN và RSM để xác định giá trị MRR và Ra trong WEDM cho Ti50Ni40Co10 [27], thiết kế thí nghiệm mảng trực giao L25 Kết quả cho thấy Taguchi - ANN cho độ chính xác cao hơn và giá trị lỗi nhỏ hơn so với Taguchi - RSM

Sử dụng kỹ thuật kết hợp của RSM với Fuzzy và Topsis để tối ưu hóa đồng thời

4 chỉ tiêu chất lượng trong EDM cho vật liệu Ti-6Al-4V, và bộ thông số công nghệ tối

ưu đã được xác định [28] Tuy nhiên, so với phương pháp Taguchi thì số lượng thí nghiệm rất lớn và mức được khảo sát của mỗi thông số ít hơn

Các phương pháp Taguchi - Triangular Fuzzy - Topsis đã được kết hợp để tối ưu hóa đồng thời 5 chỉ tiêu chất lượng trong EDM, điện cực đồng và thép các bon crom được đưa vào thí nghiệm Kết quả đã cho thấy sự kết hợp này có hiệu quả trong bài toán

đa mục tiêu [29]

MRR lớn hơn và TWR nhỏ hơn, đây là các kết quả nhận được trong bài toán tối

ưu đa mục tiêu trong EDM cho silicon nitride - Titanium nitride bằng Taguchi - Topsis

và Taguchi - GRA Đây là hai giải pháp phù hợp với bài toán đa mục tiêu trong lĩnh vực này [30]

Taguchi - GRA đã được kết hợp để giải bài toán tối ưu hóa đồng thời 3 chỉ tiêu chất lượng (MRR, EWR và OC) trong EDM cho Cp Titanium [31] Kết quả phân tích

đã cho thấy bộ thông số tối ưu nhận được bằng tính toán khác với bộ thông số trong phân tích ANOVA tỷ số S/N của quan hệ xám

Nghiên cứu thực hiện tính toán có sự kết hợp Taguchi - Topsis để xác định bộ thông số công nghệ tối ưu trong bài toán đa mục tiêu của WEDM [32], ba thực nghiệm được đưa vào để nghiên cứu chứng minh ứng dụng của phương pháp Topsis Kết quả cho thấy Topsis có thể là giải pháp hiệu quả để giải bài toán đa mục tiêu trong EDM và các lĩnh vực công nghệ khác

MRR và Ra là các chỉ tiêu chất lượng đã được tối ưu hóa đồng thời trong WEDM bằng hai giải pháp Taguchi - Topsis và Taguchi - GRA [33], thép EN31 được đưa vào thí nghiệm với mảng trực giao Taguchi L27 Kết quả được phân tích và so sánh giữa hai

sự kết hợp này, cho thấy rằng Topsis có hiệu quả lớn hơn

ANOVA trong bài toán đa mục tiêu của WEDM cho thép trắng bằng Taguchi và GRA được thực hiện [34], chỉ tiêu chất lượng là nhám bề mặt và chiều rộng rãnh được đưa vào làm chỉ tiêu đánh giá ANOVA cho Taguchi và GRA đã được thực hiện, bộ thông số tối ưu đã được xác định bằng hai phương pháp trên có sai khác không đáng kể

Ngoài ra tối ưu hóa đa mục tiêu cho nhôm 7075 khi khoan EDM bằng lý thuyết quan hệ xám Taguchi, chất lượng bề mặt cũng được phân tích là tốt [35] Bằng sự kết hợp Taguchi - Topsis với ANOVA để tối ưu hóa, được thực hiện với thép M2, mảng trực giao Taguchi L36 được đưa vào thực nghiệm Kết quả đánh giá hiệu quả gia công trong EDM đã được cải thiện xấp xỉ 10,47 % [36]

Phân tích tỷ số S/N của chỉ số tối ưu (C*) trong Taguchi - Fuzzy - Topsis đã được

sử dụng để xác định bộ thông số tối ưu trong bài toán tối ưu đa mục tiêu trong EDM [37], với vật liệu thép trắng 304, mảng trực giao Taguchi L9

Tính toán bài toán đa mục tiêu bằng Taguchi - Topsis đã cho bộ thông số tối ưu khác với kết quả nhận được bằng phân tích ANOVA tỷ số S/N cho chỉ số tối ưu C* trong EDM sử dụng điện cực ống đồng nano [38], gia công thép công cụ AISI D2

Khi sử dụng Taguchi - Fuzzy để tối ưu hóa đa mục tiêu trong EDM cho inconel

825 [39] Cho thấy MRR tăng 103,25 % và Ra giảm 32,11 % Đây là giải pháp kỹ thuật với hiệu quả tốt cho các kỹ thuật viên và nhà nghiên cứu trong lĩnh vực này

Sự kết hợp của ANOVA và Taguchi - Topsis để giải bài toán tối ưu đa mục tiêu trong EDM khoan thép trắng 304, mảng trực giao L27 được thiết kế, với các thông số

đầu vào là: U; I; Ton; Toff Kết quả tối ưu đã cho hiệu quả tốt hơn ( 37 %) Đây có thể

là giải pháp tốt trong thực tiễn sản xuất [40]

Phương pháp Topsis - Simos đã được sử dụng để tối ưu hóa đồng thời 7 chỉ tiêu chất lượng, với mảng trực giao L27, trong EDM khoan thép AISI 304 [41] Bộ thông số tối ưu bao gồm: U; I; Ton; tốc độ cấp điện cực đã được xác định

Kỹ thuật ANOVA tỷ số S/N cho chỉ tiêu tối ưu () trong Taguchi - GRA đã xác định được bộ thông số tối ưu trong WEDM [42], mảng trực giao L16, cho bốn tham số gia công ở bốn mức được chọn để tiến hành các thí nghiệm cho vật liệu chi tiết gia công AA7178-10 wt.% ZrB2

MRR và Ra được sử dụng là các chỉ tiêu tối ưu Sự kết hợp Taguchi - AHP - Topsis đã được sử dụng trong bài toán tối ưu đa mục tiêu của công nghệ gia công không truyền thống [43] Sự kết hợp này đã dẫn đến việc lựa chọn trọng số của các chỉ tiêu chất lượng đơn giản Lỗi xuất hiện trong phương pháp này rất ít, cán bộ kỹ thuật không cần thiết phải có trình độ quá cao

Nghiên cứu cấu trúc lớp bề mặt tối ưu sau khi gia công WEDM trên thép 2205 DSS đã được các nhà khoa học thực hiện [47]

Lớp trắng trên bề mặt gia công sau quá trình WEDM đã được phân tích và đánh giá một cách khá sâu sắc thông qua nhiều yếu tố như thành phần hóa học, trạng thái hợp kim, cơ tính và môdul đàn hồi E cho vật liệu gia công là hợp kim tổng hợp X140

CrMoV5-4-4PM và Inconel 825[48, 51] Tuy nhiên, vẫn cần phải có những phân tích

và xem xét kỹ hơn nữa để xác định được sự phù hợp của lớp trắng với yêu cầu làm việc của các loại khuôn mẫu

Nhiều thuật toán tối ưu đã được nghiên cứu để tối ưu hóa đa mục tiêu trong EDM như: GRA, ANN, PSO, Topsis [49, 50] Tuy nhiên, các kết quả nhận được từ các phương pháp này là khác nhau trong nhiều bài toán tối ưu cụ thể, điều này đã gây khó khăn với việc lựa chọn bộ thông số tối ưu và kết quả tối ưu Đây là một vấn đề cần được quan tâm nghiên cứu

1.5.2 Tình hình nghiên cứu trong nước

Ở trong nước, một số kết quả nghiên cứu được công bố về quá trình gia công xung điện Trong các nghiên cứu đó, các tác giả đã đánh giá sự ảnh hưởng của chế độ công nghệ khi xung gồm 3 thông số chính là điện áp đánh lửa U, cường độ dòng phóng

tia lửa điện I, thời gian phóng xung Ton đến chất lượng bề mặt là độ nhám, đến độ chính xác tạo hình [7] Trên cơ sở nghiên cứu sự ảnh hưởng của chế độ công nghệ, các tác giả [12] đã thực hiện bài toán tối ưu hóa với hàm mục tiêu là độ mòn tương đối của điện cực

Cũng bằng nghiên cứu thực nghiệm, tác giả Hoàng Vĩnh Sinh [9] đã thực hiện tối ưu hóa quá trình gia công kim loại trên máy xung tia lửa điện theo hướng đơn mục tiêu Tác giả Vũ Quang Hà đã nghiên cứu ảnh hưởng của chế độ công nghệ đến năng suất và chất lượng bề mặt khi gia công bằng phương pháp cắt dây tia lửa điện [10]

Nguyễn Hữu Phấn [11] sử dụng Taguchi thiết kế thực nghiệm, với bột Titan trộn vào dung dịch điện môi, sử dụng điện cực đồng và graphit, chi tiết gia công SKD11, SKD61, SKT4; phương pháp Taguchi - GRA được sử dụng để tối ưu hóa với kết luận nồng độ bột 10g/l cho năng suất và chất lượng bề mặt gia công cao

Khoa học công nghệ phát triển, các dạng bài toán tối ưu hóa được đặt ra Giải pháp để thực hiện bài toán tối ưu hóa không chỉ đơn mục tiêu mà còn hướng tới đa mục tiêu Trên cơ sở nghiên cứu lý thuyết, các tác giả [4, 9] đã thực hiện bài toán tối ưu hóa theo phương pháp bầy đàn (PSO) và giải thuật di truyền (GA) Đây là một giải pháp tích cực giúp cho việc thực hiện bài toán đa mục tiêu hài hòa hơn

Việc lựa chọn các trọng số của các chỉ tiêu chất lượng tối ưu trong EDM rất phức tạp, và trong rất nhiều trường hợp chỉ được lựa chọn theo kinh nghiệm Giá trị trọng số của các chỉ tiêu chất lượng được lựa chọn thông qua ý kiến của các chuyên gia thường cho kết quả với độ tin cậy không cao, bởi vậy việc đề xuất các giải pháp lý thuyết để xác định kết quả của bài toán đa mục tiêu là rất cần thiết [44] AHP - Topsis và AHP - GRA đã được giới thiệu và có thể ứng dụng trong nhiều lĩnh vực khác nhau Sự kết hợp của Taguchi - AHP - Deng’s đã được đề xuất để tối ưu hóa đa mục tiêu trong gia công EDM điện cực dây (WEDM) [45], mảng trực giao L18 được thiết kế cho vật liêu gia công là nhôm 6061 Tuy nhiên, nghiên cứu này chưa thực hiện phân tích ANOVA hệ số S/N cho Pi để xác định bộ thông số công nghệ tối ưu Trong nhiều trường hợp, Deng’s

là giải pháp có thể cải thiện được những lỗi của Topsis trong giải các bài toán đa mục tiêu [46]

Từ các nghiên cứu trong và ngoài nước, các kết quả đã đạt được của các nghiên cứu trên, kế thừa những ưu điểm của phương pháp AHP - Deng’s, kết hợp với yêu cầu

dụng phương pháp Taguchi để thiết kế thí nghiệm, các chỉ tiêu chất lượng gồm độ cứng

tế vi lớp trắng (HV); chiều dày lớp trắng (WLT); nhám bề mặt (Ra); mòn điện cực (TWR) và năng suất bóc tách vật liệu (MRR) trong EDM được sử dụng đưa vào nghiên cứu, các thông số công nghệ gồm điện áp khe hở phóng điện (U); cường độ dòng điện (I); thời gian phóng điện (Ton); thời gian ngừng phóng điện (Toff) được chọn là các thông

số đầu vào Phương pháp taguchi được sử dụng để tối ưu hóa đơn mục tiêu; Phương pháp Taguchi - AHP - Deng’s được sử dụng để tối ưu hóa 5 mục tiêu chất lượng trong EDM để gia công thép SKD11, sử dụng điện cực đồng (copper)

KẾT LUẬN CHƯƠNG 1

Thông qua việc nghiên cứu tổng quan về gia công tia lửa điện có thể kết luận:

1 Gia công bằng tia lửa điện đã được phát triển mạnh trong hàng chục năm qua, góp phần nâng cao khả năng gia công vật liệu trong chế tạo máy;

2 Mặc dù đã có nhiều nghiên cứu về EDM đặc biệt tại Việt Nam phần cần được đưa vào nghiên cứu sâu là ảnh hưởng của chế độ công nghệ đến đặc tính lớp trắng bề mặt gia công;

3 Trên cơ sở đó định hướng nghiên cứu của đề tài luận án là: Nghiên cứu xác định chế độ công nghệ tối ưu khi gia công xung tia lửa điện bằng điện cực đồng với 4 thông số công nghệ được lựa chọn là thông số đầu vào là: cường độ dòng điện (I); điện

áp khe hở phóng điện (U); thời gian phóng điện (Ton); thời gian ngừng phóng điện (Toff);

5 chỉ tiêu đánh giá được lựa chọn là thông số đầu ra là: Độ cứng tế vi bề mặt (HV); chiều dày lớp trắng (WLT); nhám bề mặt (Ra); mòn điện cực (TWR); năng suất bóc tách vật liệu (MRR)

CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT

2.1 Cơ sở lý thuyết gia công tia lửa điện

Theo tài liệu [1, 18] cơ sở lý thuyết gia công tia lửa điện được tìm hiểu trên các khía cạnh: bản chất vật lý; cơ chế tách vật liệu; đặc tính về điện; lượng hớt vật liệu; chất lượng bề mặt; mòn điện cực; chất điện môi

2.1.1 Bản chất vật lý của quá trình phóng tia lửa điện

Gia công tia lửa điện là một quá trình gia công hớt đi một phần vật liệu trên chi tiết gia công dựa trên sự phóng điện giữa điện cực và phôi trong chất điện môi (thường

là hydrocarbon) làm nóng chảy và bốc hơi bề mặt phôi và điện cực, điện cực thường đóng vai trò là dụng cụ cắt

Khi gia công tia lửa điện, điện cực không tiếp xúc vật lý với phôi để loại bỏ vật liệu như sự tiếp xúc của dụng cụ cắt với phôi trong gia công truyền thống, do vậy không

có lực cắt do điện cực tạo ra Điện cực luôn luôn có khoảng cách cần thiết so với phôi

để duy trì khe hở phóng điện Có khoảng 2.000 đến 500.000 tia lửa điện xuất hiện đồng thời trong một giây trong quá trình gia công Tia lửa điện được phóng ra từ điểm gần nhất giữa điện cực và phôi, việc bóc tách vật liệu xảy ra ở cả điện cực và phôi, nên khoảng cách giữa điện cực và phôi tại điểm đó tăng lên, tia lửa tiếp theo sẽ xuất hiện tại điểm gần nhất kế tiếp, cứ như thế tia lửa sẽ xuất hiện trên khắp bề mặt gia công của phôi

Chất điện môi

Phôi

Tia lửa xuất hiện khi chất điện môi ion hóa

Điện cực

Hiệu điện thế

Hình 2.1 Sơ đồ nguyên lý gia công tia lửa điện [73]

và điện cực [73] Xung điện là một dạng gia công tia lửa điện mà điện cực làm dụng cụ gia công có hình dạng tương ứng với hình dạng của chi tiết gia công Cắt dây tia lửa điện sử dụng điện cực dây chuyển động liên tục, phóng tia lửa điện cắt đứt phôi tạo ra hình dáng chi tiết

Nguyên lý: Điện áp một chiều được thiết lập giữa điện cực và phôi, khe hở giữa

phôi và điện cực được điền đầy chất điện môi (hình 2.1) Khi điện cực tiến đến gần phôi,

ở khoảng cách nhất định, chất điện môi bị ion hóa và xuất hiện tia lửa điện đốt nóng, làm tan chảy và bốc hơi vật liệu Khi dòng điện bị ngắt đột ngột, quả bóng hơi vỡ ra tạo thành phoi [73] Quá trình này bao gồm 3 pha được tạo thành theo một chu kỳ được mô

tả như sau (hình 2.2):

Pha 1: Điện áp 1 chiều giữa điện cực và phôi ở điểm gần nhau nhất tạo ra điện

trường mạnh nhất làm chất điện môi bị ion hóa, tia lửa xuất hiện

Pha 1: Ion hóa

Pha 2: Kênh phóng điện được hình thành, cường độ dòng điện thể hiện năng suất

gia công, tương ứng với 1Ampere có 6.25 × 1018 điện tử đi qua điện cực và phôi trong một giây Một điều lý thú là tốc độ của tia lửa điện di chuyển với vận tốc gần với vận tốc ánh sáng, bằng 299,274 km/giây, tốc độ này bằng khoảng 7 lần chu vi trái đất tính ở đường xích đạo trong một giây Trong mỗi lần phóng điện, hàng triệu điện tử di chuyển

dễ dàng trong cột chất điện môi đã được Ion hóa giữa điện cực và phôi với vận tốc ánh sáng Trong quá trình ấy, các điện tử được giải phóng và được phân cực, các điện tử mang điện tích dương bị hút về điện cực âm, các điện tử mang điện tích âm bị hút về điện cực dương (điện cực và phôi có thể đấu cực âm hoặc dương) Các điện tử có nhiệt

độ 8000oC đến 12000oC bắn phá làm nóng chảy và bốc hơi bề mặt phôi và điện cực Cần lưu ý rằng chất điện môi không phải luôn luôn ion hóa tại điểm bắt đầu của chu kỳ

ON (chu kỳ phóng điện) Nó có thể xảy ra bất cứ lúc nào trong khoảng thời gian điện

áp ON giữa điện cực và phôi, khi ion hóa chất điện môi diễn ra, dòng điện chạy qua khe

hở phóng điện dưới hình thức tia lửa điện Sự trễ của ion hóa chậm phát ra tia lửa trong thời gian ON khiến cho thời gian phóng điện giảm, dẫn đến làm giảm số lượng vật liệu

bị loại bỏ bởi các tia lửa Tuy nhiên, nguồn cung cấp điện trong EDM luôn luôn tạo ra thời gian phóng tia lửa điện bằng nhau Thời gian phóng điện của các lần phóng tia lửa điện như nhau mặc dù thời điểm ion hóa khác nhau, điều đó đảm bảo lượng bóc tách vật liệu như nhau và đồng đều trên bề mặt chi tiết [73]

Pha 3: Máy phát ngắt dòng điện, giữa điện cực phôi và điện cực dụng cụ không

còn điện áp, kênh phóng điện biến mất, quả bóng hơi bị làm nguội đột ngột nên vỡ ra tạo thành phoi Trong phoi này có cả vật liệu của phôi và điện cực nhưng chủ yếu là vật liệu của phôi

Đồ thị dòng điện và điện áp trong các chu kỳ xung được mô tả như hình 2.3

5 tp: Thời gian chu kỳ xung;

6 Ui: Điện áp máy phát mở;

7 Ue: Điện áp phóng tia lửa điện;

8 Ie: Dòng phóng tia lửa điện

2.1.2 Cơ chế tách vật liệu

Các đặc tính tách vật liệu đầu tiên phụ thuộc vào năng lượng tách vật liệu Nếu gọi năng lượng tách vật liệu là We, theo tài liệu [1]:

We = Ue.Ie.te (J) (2.1) Trong đó: Ue, Ie là các giá trị trung bình của điện áp và dòng điện được lấy trong khoảng thời gian phát xung te Dòng điện tổng cộng trong kênh plasma qua khe hở phóng điện là tổng của các dòng điện tử chạy tới cực dương (a-nốt) và dòng các ion dương chạy tới cực âm (ca-tốt) Do khối lượng của các ion dương lớn hơn trên 100 lần so với khối lượng các điện tử, nên có thể bỏ qua tốc độ của các ion dương khi xuất phát các xung điện so với tốc độ của điện tử Mật độ điện tử tập trung tới bề mặt cực dương (a-nốt) cao hơn nhiều lần so với mật độ ion dương tập trung tới bề mặt cực âm (ca-tốt) trong khi mức độ tăng của dòng điện rất lớn trong khoảnh khắc đầu tiên của sự phóng điện Điều này là nguyên nhân gây ra sự nóng chảy rất mạnh cực dương (a-nốt) trong chu kỳ này Dòng ion dương chỉ đạt tới cực âm (ca-tốt) trong micrô giây đầu tiên Các ion dương gây ra sự nóng chảy và bốc hơi của vật liệu ca-tốt 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 1 kbar và nhiệt độ cực cao tới 10.000°C trong kênh plasma Một lý do quan trọng của việc thoát ra vật liệu bị chảy lỏng là sự đột ngột biến mất của của kênh plasma khi dòng điện

bị ngắt Ngay lập tức áp suất tụt xuống bằng áp suất xung quanh sau khi ngắt dòng điện Nhưng nhiệt độ của dòng chất lỏng lại không hạ nhanh như thế nên gây ra sự nổ và bốc hơi của chất lỏng hiện có Tốc độ cắt của dòng điện và mức độ sụt của xung dòng điện

sẽ quyết định tốc độ sụt áp suất và sự bắt buộc nổ vật liệu chảy lỏng Thời gian sụt của

dòng điện là yếu tố quyết định đối với độ nhám bề mặt gia công

Vì lượng vật liệu được hớt đi phụ thuộc vào điện áp, cường độ dòng điện và thời gian nên các nhà nghiên cứu đã nghiên cứu một cách chính xác tuần tự theo thời gian của điện áp và dòng điện trong lúc phóng tia lửa điện, đo điện áp và dòng điện ở các khoảng thời gian đã cho từ thời điểm phóng điện (t = 0) đến thời điểm ngắt điện (nghĩa

là vào khoảng t = 300 μs) theo mô tả trên hình 2.4 [1]

2.1.3 Đặc tính về điện của sự phóng tia lửa điện

Dựa vào các đặc tính thời gian của sự phóng tia lửa điện có thể nhận ra các đặc tính

về điện [1] Các đặc tính này chính là thông số điều chỉnh quan trọng nhất của quá trình gia công Mỗi máy phát của thiết bị gia công tia lửa điện đều có nhiệm vụ là cung cấp năng lượng làm việc cần thiết Trước đây thường sử dụng các máy phát có tụ bù Nhược điểm của loại máy này là 50 % năng lượng tích trữ trong điện trở bị biến thành nhiệt, vì vậy loại máy này chỉ có hiệu suất khoảng 50 % Ngày nay các tụ bù này chỉ được sử dụng trong các bộ ngắt xung để thực hiện tối ưu việc gia công đơn giản

Máy phát điện hiện đại của một thiết bị gia công tia lửa điện là một máy phát xung tĩnh Ở đây năng lượng được điều khiển bằng điện tử nhưng không có yếu tố bù Nguyên

Hình 2.4 Diễn biến của một quá trình phóng tia lửa điện [1]

các sản phẩm điện tử hiện đại Máy phát xung tĩnh có ưu việt lớn ở độ linh hoạt của các thông số điều chỉnh Qua đó, mỗi trường hợp gia công có thể được giải quyết dưới quan điểm là điện cực phải mòn ít nhất và chất lượng bề mặt gia công tối ưu Muốn vậy tất

cả các thông số của quá trình gia công phải được điều chỉnh phù hợp Các thông số của điện áp đó bao gồm:

- Điện áp đánh lửa Uz: Đây là điện áp cần thiết để dẫn tới sự đánh lửa 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: Đó là thời gian giữa lúc đóng điện máy phát và lúc xảy

ra phóng tia lửa điện Khi đóng điện máy phát lúc đầu chưa xảy ra hiện tượng gì Điện

áp duy trì ở điện áp đánh lửa Uz, dòng điện vẫn bằng 0 Sau khoảng thời gian trễ td mới xảy ra hiện tượng phóng tia lửa điện, dòng điện từ không tăng vọt lên giá trị Ie

- Điện áp phóng tia lửa điện Ue: Khi bắt đầu phóng tia lửa điện thì điện áp sụt từ Uz xuống giá trị Ue

- 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 tăng mạnh từ không đến giá trị Ie, kèm theo là sự đốt cháy Ie ảnh hưởng lớn nhất lên lượng hớt vật liệu, lên độ mòn điện cực và chất lượng bề mặt gia công Nhìn chung Ie càng lớn thì lượng hớt vật liệu càng lớn, độ nhám càng lớn nhưng độ mòn điện cực giảm

- Thời gian phát xung te: Là khoảng thời gian giữa lúc bắt đầu phóng tia lửa điện và lúc ngắt điện (thời gian có dòng điện Ie trong 1 lần phóng điện)

- Độ kéo dài xung ti: Là khoảng thời gian giữa hai lần đóng ngắt của máy phát trong cùng 1 chu kỳ phóng tia lửa điện Độ kéo dài xung ti là tổng của thời gian trễ đánh lửa

td và thời gian phát xung te theo tài liệu [1]:

ti = td + te (µs) (2.2)

Độ kéo dài xung ảnh hưởng đến:

+ Tỷ lệ bóc tách vật liệu (MRR);

+ Độ mòn điện cực (TWR);

+ Chất lượng bề mặt gia công

- Khoảng cách xung t0: Là khoảng thời gian giữa hai lần đóng ngắt của máy phát giữa 2 chu kỳ xung kế tiếp nhau, t0 còn được gọi là độ kéo dài nghỉ của xung Phải giữ

cho t0 nhỏ để có thể đạt được lượng hớt vật liệu tối đa Nhưng khoảng cách xung t0 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 tạo hồ quang hoặc dòng điện ngắn mạch Trong thời gian của khoảng cách xung t0 dòng chảy sẽ đẩy phoi EDM ra khỏi khe hở phóng điện

2.1.4 Lượng hớt vật liệu

- Năng lượng phóng tia lửa điện và hớt vật liệu, trong đó các yếu tố tác động lên lượng hớt vật liệu là [18]:

+ Điện áp phóng tia lửa điện;

+ Dòng phóng tia lửa điện;

+ Thời gian phát xung

Từ đẳng thức của năng lượng phóng tia lửa điện (2.1) ta nhận thấy rằng dưới điều kiện bình thường thì khi Ue, Ie, te càng lớn thì năng lượng phóng tia lửa điện càng lớn Trong thực tế lượng hớt vật liệu có thể được xác định thông qua các thông số điều chỉnh

là Ie, ti, t0, và Uz

- Sự đồng đều khi hớt vật liệu: Khi xảy ra sự phóng điện, trên bề mặt phôi xuất hiện một “miệng núi lửa” rất nhỏ ở điểm A nào đó (hình 2.5) có khoảng cách gần nhất tới điện cực (vì thực tế là bề mặt phôi không bao giờ bằng phẳng tuyệt đối) Khi nguồn điện

áp được đóng ngắt một lần nữa, chu kỳ trên được lặp lại, tia lửa điện tiếp theo được sinh

ra tại vị trí B Cứ như vậy khi máy phát đóng ngắt liên tục thì sự phóng tia lửa điện sẽ sản sinh ra một loạt “miệng núi lửa” kế tiếp nhau trên toàn bề mặt điện cực Kết quả là vật liệu được hớt đi một cách đồng đều trên toàn bề mặt phôi, theo mô tả trên hình 2.5

- Bề mặt được gia công tia lửa điện sẽ hình thành do sự tạo nên các “miệng núi lửa” li ti đó Nếu năng lượng do phóng tia lửa điện được giảm một cách hợp lý thì các

“miệng núi lửa” sẽ có kích thước cực nhỏ và ta nhận được một bề mặt có độ bóng cao

Hình 2.5 Các miệng hố lõm được hình thành liên tiếp [18]

2.1.5 Lớp trắng sau gia công

Lớp trắng là lớp không mong muốn để lại sau khi gia công EDM, giống như lớp biến cứng bề mặt sau khi gia công cắt gọt, lớp trắng có độ cứng tế vi; chiều dày; ứng suất dư, vết nứt…phụ thuộc vào các thông số công nghệ đầu vào

Bề mặt lớp trắng được tạo ra bởi tia lửa EDM không có hướng và được tạo thành từ nhiều “miệng núi lửa” Sau khi gia công EDM bề mặt chi tiết được tạo thành các lớp như hình 2.6 [73]:

+ Vùng nhiệt đốt nóng và bay hơi vật liệu (vùng A);

+ Vùng nhiệt làm nóng chảy vật liệu (vùng B);

+ Vùng nhiệt làm ảnh hưởng đến cấu trúc vật liệu của phôi (vùng C);

+ Vùng nhiệt không đủ lớn để ảnh hưởng đến cấu trúc vật liệu của phôi (vùng D)

- Vùng A:

Có nhiệt độ đủ cao để làm bốc hơi vật liệu phôi, trong đó có cả vật liệu từ điện cực

và chất điện môi Hầu hết các vật liệu bốc hơi từ phôi trong đám mây và trở thành phoi EDM khi đám mây hơi bị làm nguội đột ngột (ngừng phóng tia lửa điện), nhưng một phần nhỏ của hơi vẫn còn trên bề mặt phôi, nó tự tạo thành lớp có chứa các thành phần của vật liệu điện cực và chất điện môi, nó được gọi là lớp kết tinh lại Lớp này rất cứng, giòn và có ứng suất cao, do bị làm nguội nhanh chóng khi tia lửa điện bị ngắt đột ngột

Nó cũng chứa một lượng lớn carbon bị phá vỡ từ chất điện môi trong quá trình phóng tia lửa điện Việc làm nguội nhanh và hàm lượng carbon cao tạo ra một lớp màu trắng (martensite)

Hình 2.6 Các lớp bề mặt sau khi gia công [73]

Chiều dày khoảng 0.05mm

Vùng A Vùng B Vùng C Vùng D Vùng E

Chi tiết gia công

Mặt EDM

- Vùng B:

Vùng B thực sự là một phần của vùng A gồm các hạt hình cầu bám trên mặt vùng

A Những hạt này là một lượng nhỏ hơi tách ra khỏi đám mây hơi chính và ở lại gần mặt phôi Khi tia lửa tắt và quá trình làm mát bắt đầu, phần nhỏ hơi này tiếp xúc với vùng A

và cùng kết tinh lại, những hạt này rất nhỏ và xuất hiện như vết đốm trên bề mặt phôi

- Vùng C:

Nhiệt độ tại vùng C đủ để cho vật liệu trên mặt phôi nóng chảy, nhưng chưa tách khỏi bề mặt (chưa bốc hơi), khi tia lửa tắt, các vật liệu nóng chảy trở về trạng thái rắn (recast), lớp này kết hợp với lớp A được gọi là lớp trắng

- Vùng D:

Nhiệt vùng này thấp hơn so với nhiệt ở nhiệt độ vùng nóng chảy, nhưng nó có thể

đủ để gây ra thay đổi đặc tính của vật liệu

Bên dưới vùng D có thể gọi là Vùng E, vùng này đủ xa để nhiệt không ảnh hưởng đến các đặc tính vật liệu, vật liệu vùng này giống như là vật liệu gốc

Tóm lại khi gia công Xung điện, các lớp bề mặt phôi phân ra làm 3 vùng:

• Vùng A: lớp bốc hơi và lắng lại;

• Vùng C: lớp tan chảy và đông đặc lại;

• Vùng D: lớp ảnh hưởng nhiệt có thay đổi đặc tính của vật liệu

Tổng độ dày của các lớp này khoảng 0,05 mm khi gia công tinh bằng EDM [73] Như vậy có thể thấy rằng lớp trắng bề mặt của chi tiết sau gia công xung bao gồm vùng A + vùng B + vùng C có các đặc trưng sau:

Mòn cạnh

Mòn góc

Mòn thể tích

Chiều dài nguyên bản

Điện cực

Mòn mặt bên

2.1.7 Chất điện môi

Chất điện môi sử dụng trong gia công cắt dây thường sử dụng là nước khử ion, còn trong gia công xung điện thường sử dụng dầu hydrocarbon, khi chịu tác động của nhiệt

sẽ giải phóng thành hydro và carbon

Đặc điểm chính của chất điện môi là một chất cách điện cho đến khi điện áp đủ để làm cho chất điện môi ion hóa thành chất dẫn điện ở vị trí phóng điện; khi dòng điện bị ngắt đột ngột, lập tức chất điện môi trở thành chất cách điện Chất điện môi chuyển từ cách điện sang dẫn điện sau đó lại trở thành cách điện xảy ra khoảng 500.000 lần mỗi giây (500 kHz) [73]

Chất điện môi được sử dụng trong máy EDM cung cấp các chức năng quan trọng trong quá trình EDM Đó là:

- Là chất cách điện giữa các điện cực và phôi, khi ion hóa trở thành chất dẫn điện;

- Làm nguội cho các điện cực và phôi;

- Làm nguội cho các vật liệu bốc hơi mà trở thành mảnh phoi EDM;

- Vận chuyển phoi EDM ra khỏi vùng phóng điện

Khi tia lửa phóng ra, một lượng nhỏ của điện cực và phôi bị nóng chảy và bốc hơi Các vật liệu bốc hơi ở khoảng cách giữa các điện cực và phôi được mô tả như một đám mây Khi các tia lửa tắt, các đám mây bốc hơi vỡ ra và đặc lại tạo thành các mảnh phoi Mỗi tia lửa tạo ra một mảnh phoi EDM hoặc phoi có hình dạng một quả cầu rỗng rất nhỏ [16] Để gia công hiệu quả, phoi phải được lấy ra khỏi khu vực phóng điện Việc này thực hiện bằng dòng chảy chất điện môi qua khu vực phóng điện

2.2 Cơ sở lý thuyết tối ưu hóa

2.2.1 Khái niệm về tối ưu hóa

Tối ưu hóa quá trình cắt gọt là vấn đề phức tạp đã được quan tâm và triển khai nghiên cứu từ những thập niên 70 của thế kỷ trước ở các nước công nghiệp phát triển [19] Tối ưu hóa quá trình cắt gọt là việc xác định chế độ công nghệ tối ưu thông qua việc xây dựng mối quan hệ giữa hàm mục tiêu chất lượng với một số thông số của chế

độ công nghệ tương ứng với một hệ thống các giới hạn về mặt kinh tế, kỹ thuật và tổ chức của doanh nghiệp Quá trình đó gồm 3 bước:

- Bước 1: Xây dựng hàm mục tiêu;

- Bước 2: Xác định miền giới hạn của bài toán tối ưu (xác định các điều kiện biên ràng buộc);

- Bước 3: Giải và biện luận kết quả

2.2.2 Các dạng bài toán tối ưu hóa

Để thực hiện bài toán tối ưu, trong thực tế hiện nay tồn tại hai dạng bài toán tối ưu hóa tĩnh và tối ưu hóa động

2.2.2.1 Tối ưu hóa tĩnh

Tối ưu hóa tĩnh là tối ưu hóa trước quá trình gia công Là quá trình nghiên cứu và giải quyết bài toán tối ưu dựa trên mô hình tĩnh của quá trình gia công Để thực hiện bài toán này phải dựa trên các giả thiết:

- Lượng dư gia công trong lát cắt không thay đổi;

- Vật liệu gia công có độ bền, độ cứng đồng nhất;

- Trong giai đoạn mòn ổn định, lượng mòn của dao thay đổi theo thời gian với mối quan

hệ là tuyến tính

Sau khi xây dựng bài toán và xác định được chế độ gia công tối ưu, người ta tiến hành điều chỉnh máy làm việc theo chế độ đó trong suốt quá trình gia công Ưu điểm của phương pháp tối ưu này là đơn giản, dễ thực hiện Tuy nhiên phương pháp này cũng

có rất nhiều hạn chế như không chú ý đến động lực học của quá trình gia công, nghĩa là

bỏ qua các yếu tố mang tính ngẫu nhiên xảy ra trong quá trình gia công Hơn nữa các giả thiết trên trong thực tế là không đúng Vì vậy độ chính xác của bài toán tối ưu tĩnh không cao

2.2.2.2 Tối ưu hóa động

Tối ưu hóa động là tối ưu hóa trong quá trình gia công, nhằm khai thác tối đa tiềm năng của hệ thống công nghệ Quá trình nghiên cứu và giải quyết bài toán dựa trên mô hình động của quá trình cắt, quá trình cắt luôn giữ được trạng thái cân bằng nhờ kỹ thuật điều khiển bằng cách liên tục xác định giá trị tối ưu của các đại lượng theo hàm mục tiêu đã định theo thời gian và điều kiện gia công thực Với hình thức tối ưu này, chế độ gia công tối ưu không những được điều chỉnh trước mà còn tự động được điều chỉnh trong khi gia công Để thực hiện được điều này thì máy phải được trang bị các thiết bị

có mức độ tự động hóa cao như thiết bị đo nhám, đo kích thước, hệ thống xử lý thông tin [19]

2.2.3 Phương pháp tối ưu hóa đơn mục tiêu theo Taguchi

2.2.3.1 Tỷ số S/N

Taguchi sử dụng sự thay đổi giá trị trung bình của các chỉ tiêu để đánh giá ảnh hưởng của các thông số công nghệ đến các đặc trưng chất lượng được nghiên cứu Để xác định thông số công nghệ tối ưu, Taguchi sử dụng tỷ số S/N Trị số của S/N càng lớn thì kết quả của các chỉ tiêu càng gần trị số tối ưu Vì vậy, trị số của S/N là cao nhất sẽ cho kết quả tối ưu Trị số S/N được xác định như sau [76]:

- Cao hơn là tốt hơn:

MSDHB: Sai lệch bình phương trung bình;

r: Số lần kiểm tra trong một thí nghiệm (số lần lặp);

yi: Các giá trị của thí nghiệm

- Giá trị tiêu chuẩn:

(S/N)NB = -10log(MSDNB) (2.4)

1

0 NB

y0: Giá trị tiêu chuẩn hoặc giá trị mục tiêu

1

2 LB

r

1 MSD

MSDLB: Sai lệch bình phương trung bình;

= (2.7) Trong đó MSdk: trung bình bình phương điều kiện;

2.2.3.3 Phân tích phương sai

- Tổng các bình phương SS T: đo độ lệch của dữ liệu thí nghiệm từ giá trị trung bình của

dữ liệu, được xác định theo công thức:

n: Số lượng giá trị được kiểm tra;

T: Giá trị trung bình các kết quả kiểm tra yi của đối tượng thứ i

- Tổng bình phương của hệ số A (SS A ): SSA xác định theo công thức:

A i: Giá trị tại mức i của thí nghiệm;

T: Tổng các giá trị kiểm tra;

T: Trị số trung bình của các kết quả khảo sát;

n Ai: Số kết quả khảo sát ở điều kiện Ai

- Tổng bình phương các lỗi (SSe ): Là phân bố bình phương của các giá trị khảo sát từ

giá trị trung bình của trạng thái A:

= (2.11)

- Tối ưu hóa kết quả đầu ra

Giá trị tối ưu (µ) được ước tính bởi các thông số có ảnh hưởng mạnh và được xác định theo công thức:

A ,C1,D5: Trị số trung bình của các biến ở mức có ảnh hưởng mạnh nhất A5, C1, D5

2.2.4 Tối ưu hóa đa mục tiêu bằng AHP - Deng’s

2.2.4.1 Phương pháp AHP

Trọng số đa mục tiêu sử dụng phương pháp AHP

Việc nghiên cứu tìm kiếm phương pháp quyết định đa tiêu chí là quan trọng và rất có giá trị ứng dụng trong khoa học và kỹ thuật Giá trị trọng số của các chỉ tiêu trong các bài toán tối ưu đa mục tiêu có thể xác định bằng phương pháp tính toán hoặc nghiên cứu thực nghiệm Tuy nhiên, phương pháp nghiên cứu thực nghiệm thường ít được sử dụng do bị hạn chế về phạm vi ứng dụng và chi phí của nó là lớn AHP cung cấp một cách tiếp cận thuận tiện để giải quyết các vấn đề phức tạp trong kỹ thuật AHP là phương pháp tương đối đơn giản dễ hiểu và dễ sử dụng Phương pháp này có thể kết hợp các tiêu chí định tính và đinh lượng AHP là phương pháp được chấp nhận rộng rãi và đáng tin cậy Đặc điểm quan trọng nhất trong AHP là mức độ ưu tiên của các chỉ tiêu được xác định bằng sự kết hợp hợp lý của kiến thức, kinh nghiệm, ý kiến cá nhân và tầm nhìn Trong AHP, giá trị của các trọng số được xác định bằng cách xây dựng ma trận so sánh giữa các cặp chỉ tiêu được lựa chọn Các bước xác định trọng số bằng AHP như sau:

Bước 1 Cặp so sánh được xây dựng trên cơ sở sự hiểu biết sâu về vấn đề nghiên

cứu và mục tiêu của nó, đồng thời xem xét tất cả các yếu tố mục tiêu và kết quả của nó Điều này sẽ giúp xác định yếu tố (tiêu chí) có tác động trực tiếp hoặc gián tiếp đến quá trình ra quyết định phân cấp các vấn đề nghiên cứu Để gán xếp hạng cho so sánh một tiêu chí này với các tiêu chí khác thông qua thang đo của Saaty, bảng 2.2 [54] Số lượng của cặp so sánh được xác định theo bảng 2.3 [54]

Mức độ quan trọng Định nghĩa

1 Quan trọng như nhau

2 Quan trọng yếu hoặc nhẹ

3 Quan trọng vừa phải

Bảng 2.3 Số lượng so sánh [54]

Bước 2 Xây dựng ma trận so sánh: Ma trận so sánh được tạo ra sau khi các mục

tiêu, tiêu chí xây dựng cấu trúc phân cấp được quyết định Nó được hình thành bởi tiêu chí chính và tiêu chí phụ bằng cách so sánh từng tiêu chí với mỗi tiêu chí chính và tiêu chí phụ khác với tiêu chí phụ mức cao hơn

Bước 3 Tính toán độ đồng nhất: Xây dựng ma trận để xác định trị số của trọng

số ưu tiên Để xác định xem trọng số được xác định có phù hợp không bằng tỷ lệ thống nhất (CR) Hệ số CR được tính toán như sau:

- Tính toán chỉ số thống nhất (CI): Nhân mỗi cột của cặp trong ma trận so sánh với trọng số tương ứng Chia tổng các hàng cho trọng số tương ứng Tính trung bình các giá trị từ bước 3, biểu thị bằng max giá trị CI được tính bằng công thức 2.13:

max

1

n CI

Trong AHP, các so sánh cặp trong ma trận phán đoán được coi là phù hợp đầy

đủ nếu tỷ lệ thống nhất tương ứng (CR) nhỏ hơn 10% [54]

2.2.4.2 Tối ưu hóa đa mục tiêu bằng phương pháp Deng’s

Hepu Deng (năm 2007) đã đề xuất một cách tiếp cận mới để tìm ra giải pháp thay thế tốt nhất cho vấn đề quyết định đa tiêu chí Ông đã cho rằng, so sánh sẽ hiệu quả hơn, nếu độ lớn và xung đột giữa giải pháp thay thế và lý tưởng được xem xét Gradients của các biến cho biết các xung đột và từ thứ hạng của chỉ số xung đột, lựa chọn tốt nhất có thể được xác định Bên cạnh đó, kết quả tối ưu đa mục tiêu trong EDM bằng phương pháp Deng’s đã được so sánh với một số phương pháp khác để đánh giá hiệu quả của phương pháp này Kết quả nghiên cứu đã chỉ ra rằng phương pháp kết hợp Taguchi - AHP - Deng’s là giải pháp tốt để giải bài toán tối ưu đa mục tiêu Nó có thể giảm chi phí thực nghiệm, đồng thời nó cũng khắc phục được các hạn chế của một số phương pháp tối ưu khác [46]

Bước 1 Sắp xếp các chỉ tiêu được lựa chọn dưới dạng ma trận 2.15:

RCI 0 0 0.58 0.9 1.12 1.24 1.32 1.41 1.49

Bảng 2.4 Chỉ số ngẫu nhiên (RCI) [54]

Bước 2 Chuẩn hóa ma trận, chuyển đổi các phản hồi thành dạng không thay đổi để

so sánh giữa các giá trị phản hồi Ma trận chuẩn hóa được thiết lập thông qua các giá trị được tiêu chuẩn hóa 𝑥𝑖𝑗′ (0 ≤ 𝑥𝑖𝑗′ ≤ 1) Xác định ma trận chuẩn hóa với giá trị xij' trong

ma trận (2.17):

'ij ij

2 ij i=1

Bước 4 Ma trận chất lượng được tính toán bằng cách gán trọng số của các chỉ tiêu

chất lượng vào ma trận chuẩn hóa Ma trận chất lượng được xác định như sau:

- J được kết hợp với các chỉ tiêu tốt;

- J′ được kết hợp với các chỉ tiêu kém

Bước 6 Tính mức độ xung đột giữa mỗi phương án

Mức độ xung đột giữa giải pháp lý tưởng thay thế và tích cực và giải pháp lý tưởng tiêu cực có thể được tính như sau:

, cos

A A = A A   (2.26) ,

ij 1

0.5 ,2 ij 1

n j i

=

=   (2.28)

0.5 2 ij 1

n + ij

n -

Bước 7 Mức độ tương đồng và xung đột giữa các giải pháp thay thế và giải pháp lý

tưởng tích cực và tiêu cực được tính như sau:

Mức độ xung đột:

C =cosi i−+ A i

(2.32)Mức độ tương tự:

2 1 2 1

coscos

S =

n ij i

i

n j i

Bước 8 Tính chỉ số hiệu suất tổng thể:

Chỉ số hiệu suất tổng thể cho mỗi phương án thay thế được tính như sau:

Giá trị chỉ mục càng lớn thì càng được ưu tiên hơn

Bước 9 Xếp hạng theo Deng’s, trị số Pi lớn hơn sẽ cho giải pháp Ai chất lượng tốt

KẾT LUẬN CHƯƠNG 2

Từ nội dung chương 2 có thể kết luận:

1 Đã nghiên cứu cơ sở lý thuyết ảnh hưởng của cường độ dòng điện (I); điện áp khe hở phóng điện (U); thời gian phóng điện (Ton); thời gian ngừng phóng điện (Toff)

đến độ cứng tế vi bề mặt (HV); chiều dày lớp trắng (WLT); nhám bề mặt (Ra); mòn điện cực (TWR); năng suất bóc tách vật liệu (MRR)

2 Đã nghiên cứu phương pháp tối ưu hóa đơn mục tiêu Taguchi và phương pháp tối ưu hóa đa mục tiêu Taguchi - AHP - Deng’s

3 Cơ sở lý thuyết trên là các căn cứ để nghiên cứu thực nghiệm trong chương 3

và chương 4

CHƯƠNG 3: TRANG THIẾT BỊ VÀ THỰC NGHIỆM XÁC ĐỊNH ẢNH HƯỞNG CỦA MỘT SỐ THÔNG SỐ CÔNG NGHỆ ĐẾN CÁC CHỈ TIÊU

CHẤT LƯỢNG VÀ ĐỘ MÒN ĐIỆN CỰC

3.1 Trang thiết bị phục vụ thực nghiệm

Xuất phát từ điều kiện thực tế trong nước và sự cần thiết cho khu vực sản xuất nên

mô hình nghiên cứu được thực hiện trong điều kiện cụ thể như sau:

3.1.1 Máy Xung điện

Máy xung điện dùng trong thực nghiệm là máy CNC 3 trục CM323C (hình 3.1) có các thông số kỹ thuật như sau:

- Kích thước máy 1200 x 1350 x 2250 mm;

- Chuyển động tạo hình điều khiển CNC 3 trục X; Y; Z;

- Dòng điện lớn nhất 50 A, công suất 4 KVA;

- Năng suất gia công lớn nhất 350 mm3/phút;

- Độ nhám bề mặt gia công nhỏ nhất có thể đạt Ra = 0.45 µm

- Phạm vi điều chỉnh U; I; Ton; Toff:

+ U = 30 - 100 V (điện áp khe hở theo khuyến cáo của nhà sản xuất máy nên chọn từ 30 - 90 V);

+ I = 1 - 50 A (cường độ dòng điện theo khuyến cáo của nhà sản xuất máy nên chọn từ 1 - 10 A);

+ Ton; Toff = 3 - 2400 µs (thời gian phóng điện theo khuyến cáo của nhà sản xuất máy nên chọn từ 9 - 150 µs; thời gian dừng phóng điện nên chọn từ 9 - 75 µs)

- Kích thước bàn máy 500 x 350 mm, dịch chuyển X = 300 mm, dịch chuyển Y = 200mm, dịch chuyển Z = 300 mm;

- Trọng lượng điện cực lớn nhất 60 kg, trọng lượng chi tiết gia công lớn nhất 500 kg;

- Hãng sản xuất máy: Ching Hung Machinery & Electric Industrial, Co., LTD (Đài Loan, sản xuất năm 2008)

- Dung dịch điện môi D323

3.1.2 Vật liệu và phôi thí nghiệm

CheHaron và cộng sự (năm 2001) đã kiểm tra hiệu suất của điện cực đồng và than chì trên EDM bằng thép công cụ XW42 và chứng minh rằng đồng mang lại tốc độ loại bỏ vật liệu cao hơn (MRR), với độ mài mòn giảm trong khi than chì mang lại chất lượng gia công tốt hơn [82] Singh và cộng sự (năm 2004) đã phân tích gia công thép công cụ En-31 bằng các vật liệu điện cực khác nhau như đồng, than chì, đồng - vonfram

và nhôm, nghiên cứu cho thấy đồng là vật liệu điện cực tốt dựa trên mức độ hoàn thiện

bề mặt tối ưu, năng suất bóc tách vật liệu (MRR) và tốc độ mòn điện cực (TWR) [81]

Từ những kết luận trên, đồng nguyên chất (copper) đường kính 16mm được lựa chọn là vật liệu điện cực dùng trong các thí nghiệm ở đề tài nghiên cứu này (hình 3.2a) (đồng

đỏ copper, độ tinh khiết 99,99% do Nhật Bản sản xuất, được nhập khẩu bởi công ty AZ Việt Nam)

SKD11 là vật liệu phổ biến được sử dụng rộng rãi trong chế tạo khuôn mẫu, khuôn dập nguội, các chi tiết chịu mài mòn, có hàm lượng các bon và crom cao, có khả năng chịu mài mòn cao trong môi trường làm việc có nhiệt độ thông thường, có độ thấm tôi tốt [5, 14] SKD11 được sử dụng với phương pháp EDM để tạo hình bề mặt khuôn Trong đề tài nghiên cứu này, vật liệu SKD11 đã xử lý nhiệt đạt độ cứng 58 - 62 HRCđược chọn để thực nghiệm gia công xung EDM, kích thước 20 x 20 x 20 mm (hình

Hình 3.1 Máy xung điện CNC 3 trục CM323C