NGHIÊN cứu ẢNH HƯỞNG của điện áp ĐÁNH lửa và CƯỜNG độ DÒNG PHÓNG TIA lửa điện đến độ NHÁM bề mặt CHI TIẾT KHI GIA CÔNG THÉP 40cr TRÊN máy CHMEREDM CW 420HS THE EFFECTS OF BREAKDOWN POTENTIAL PARAMETER AND SPARK DISCHARGE POWER ON SURFACE

NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA ĐIỆN ÁP ĐÁNH LỬA VÀ CƯỜNG ĐỘ DÒNG PHÓNG TIA LỬA ĐIỆN ĐẾN ĐỘ NHÁM BỀ MẶT CHI TIẾT KHI GIA CÔNG THÉP 40Cr TRÊN MÁY CHMEREDM CW 420HS THE EFFECTS OF BREAKDOWN POT

NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA ĐIỆN ÁP ĐÁNH LỬA VÀ CƯỜNG ĐỘ DÒNG PHÓNG TIA LỬA ĐIỆN ĐẾN ĐỘ NHÁM BỀ MẶT CHI TIẾT KHI GIA

CÔNG THÉP 40Cr TRÊN MÁY CHMEREDM CW 420HS

THE EFFECTS OF BREAKDOWN POTENTIAL PARAMETER AND SPARK

DISCHARGE POWER ON SURFACE ROUGHNESS OF 40Cr STEEL WHEN

PROCESSING BY CHMER EDM CW 420 HS MACHINE

S Nguyễn Mai Anh 1 , Nguyễn Mai Anh 1 , Hoàng Xuân Thịnh 1 ,

Phạm Văn Bổng 2 , Phạm Văn Đông 2a

1,2Trường Đại học Công nghiệp Hà Nội, Việt Nam

a phamvandong07@gmail.com

TÓM TẮT

Bài báo trình bày kết quả nghiên cứu ảnh hưởng của điện áp đánh lửa (Uz) và cường độ dòng phóng tia lửa điện (Ie)đến độ nhám bề mặt chi tiết khi gia công thép 40Cr trên máy cắt dây Kết quả nghiên cứu là cơ sở cho các nhà công nghệ lựa chọn chế độ công nghệ tối ưu nhằm nâng cao chất lượng độ nhám bề mặt chi tiết, độ chính xác và năng suất gia công khi gia

Từ khóa: độ nhám, nhá nđộ nh́t, CHMER EDM CW 420 HS

ABSTRACT

This paper reports on the effects of breakdown potential parameter (Uz) and spark discharge power (Ie) on surface roughness of the 40Cr steel product processed by EDM wire cutting machine Results are the bases for technologists to choose the optimum cutting parameters in order to improve the quality of the surface along with the increase in accuracy and

Keywords: Roughness, Cutting parameters, CHMER EDM CW 420 HS

1 ĐẶT VẤN ĐỀ

Chất lượng độ nhám bề mặt chi tiết sau khi gia công bằng phương pháp cắt dây tia lửa điện phụ thuộc vào rất nhiều yếu tố [1] như: điện áp đánh lửa (Uz), dòng phóng tia lửa điện (Ie), độ dài xung (ti), khoảng cách xung (t0), thời gian trễ đánh lửa (td), chiều dày phôi (h), vật liệu gia công, vật liệu làm điện cực,… Khi điều kiện và thiết bị gia công không đổi, để nâng cao năng suất, chất lượng độ nhám bề mặt chi tiết và độ chính xác sau khi gia công thì việc lựa chọn thông số công nghệ là hết sức cần thiết

Các nghiên cứu đã chỉ ra mối quan hệ giữa điện áp đánh lửa (Uz), cường độ dòng phóng tia lửa điện (Ie) và độ nhám bề mặt chi tiết (Ra) tuân theo quy luật hàm số mũ [2]:

Trong đó: C là hằng số; a, b là các số mũ Hằng số Cvà các số mũ a, b được xác định bằng thực nghiệm Trong điều kiện gia công chi tiết cụ thể, việc xác định các giá trị C, a, b sẽ giúp nhà công nghệ tính toán, lựa chọn thông số công nghệ hợp lý theo yêu cầu của chi tiết gia công

2 THỰC NGHIỆM

2.1 Vật liệu và trang thiết bị thí nghiệm

2.1.1 Vật liệu gia công

Vật liệu dùng để chế tạo các chi tiết máy chịu tải trọng lớn, chống mài mòn tốt thường hay sử dụng vật liệu thép hợp kim có độ bền cao Ở đây, đối với chi tiết “đệm của dao gia công bánh răng côn cong” nhóm tác giả sử dụng vật liệu thí nghiệm là 40Cr đã qua xử lý nhiệt, tôi đạt 54-58 HRC

Kết quả phân tích thành phần mác thép làm thí nghiệm bằng phương pháp chụp quang phổ được thể hiện trong bảng 2.1

Bảng 2.1 Kết quả phân tích thành phần hóa học mác thép Vật

liệu

Thành phần hóa học trung bình các nguyên tố chính (%)

Bản vẽ chế tạo chi tiết Đệm của Dao gia công bánh răng côn cong được thể hiện trên hình 2.1

A

B

Vât liêu: 40Cr

ÐÊM DAO GIA CÔNG BÁNH RANG CÔN CONG

Ty lê: 4:1 SL: 16

Nguoi ve Kiêm tra

2015

Khoa Co khi Truong ÐHCN Ha Nôi

Nguyên Mai Anh

2.5

17±0.1

Ø10+ 0.1

2.5 0.01 A

34±0,1

Hình 2.1 Bản vẽ chi tiết đệm của dao gia công bánh răng côn cong

Bề mặt gia công là hai mặt song song, độ nhám Ra = 2,5µm, chiều dày gia công là 34

mm, chiều dài gia công là 19,5 mm

2.1.2 Vật liệu làm điện cực

Vật liệu làm điện cực là vật liệu có khả năng dẫn điện, dẫn nhiệt và độ bền cơ học tốt Căn cứ vào yêu cầu và điều kiện thực tế, nhóm tác giả chọn vật liệu làm điện cực là dây đồng;

ký hiệu vật liệu CuZn35, đường kính Ф = 0,2 mm, độ bền kéo căng cơ học 750 ÷ 790N/mm2,

2.1.3 Trang thiết bị thí nghiệm

- Máy gia công cắt dây CHMEREDM CW420 HS hình 2.2

- Máy đo độ nhám Mitutoyo SJ - 400 hình 2.3

Hình 2.2 Máy CHMER EDM CW420 HS Hình 2.3 Máy đo độ nhám Mitutoyo SJ - 400

2.2 Phương pháp thực nghiệm

Nghiên cứu được thực hiện trên 06 mẫu, sau khi vật liệu được xác định mác thép, phôi được tôi thể tích đạt độ cứng 54-58 HRC, rồi tiến hành gia công; sử dụng phương pháp quy hoạch thực nghiệm, chọn dạng phương trình hồi quy, xác định thông số thí nghiệm và tiến hành thực nghiệm Đo, kiểm tra đánh giá độ nhám, xây dựng công thức xác định mối quan hệ giữa điện áp đánh lửa, dòng phóng tia lửa điện với chất lượng độ nhám bề mặt chi tiết sau khi

gia công

2.3 Tiến hành thực nghiệm

2.3.1 Xác định số thí nghiệm và dạng phương trình hồi quy

Nhóm tác giả đã sử dụng phương pháp bình phương nhỏ nhất với biến số đầu vào k để xác định số lượng thí nghiệm [3,4]:

Trong đó: N - số thí nghiệm;

k - thông số (biến) đầu vào

Các biến đầu vào Xi điều khiển được:

X1: điện áp đánh lửa Uz (V);

X2: cường độ dòng phóng tia lửa điện Ie (A)

Biến đầu ra bị điều khiển:

y: độ nhám bề mặt Ra (µm)

Với biến đầu vào k = 2 ta có số thí nghiệm N = 4 Để nâng cao độ chính xác, nhóm tác giả thêm 02 thí nghiệm ở tâm nên tổng số thí nghiệm N = 4 + 2 = 6

Theo lý thuyết quy hoạch thực nghiệm, bằng phương pháp bình phương nhỏ nhất ta có dạng phương trình hồi quy thực nghiệm [3,5]:

2.3.2 Thông số và điều kiện thí nghiệm

* Thông số thí nghiệm:

Qua nghiên cứu lý thuyết về quá trình cắt, các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình cắt [1], thông số công nghệ của máy, vật liệu chế tạo, độ dày của phôi khi cắt; căn cứ vào khuyến cáo của nhà sản xuất điện cực Nhóm tác giả lựa chọn miền thông số dùng cho thực nghiệm như sau:

+ Cường độ dòng phóng tia lửa điện (Ie): 6 (A) ≥ Ie ≥ 2 (A)

Một số thông số công nghệ khác được thể hiện trong bảng 2.2

Bảng 2.2 Một số thông số công nghệ khác

Thông

Mối quan hệ giữa điện áp đánh lửa (Uz) và dòng phóng tia lửa điện (Ie) đến độ nhám bề mặt (Ra) chi tiết thể hiện qua công thức (1) là hàm phi tuyến, khi tính toán ta chuyển sang hàm logarit nên các thông số thực nghiệm xác định như sau:

Mức trên: xi(t) = lnxi max;

Mức dưới: xi(d) = lnxi min;

Mức cơ sở: xi(0) = 1/2 (lnxi max + lnxi min)

X1(0) = 1/2 (lnx1 max + lnx1 min) =1/2 (ln95 + ln75) = 4,436

X2(0) = 1/2 (lnx2 max + lnx2 min) = 1/2(ln6 + ln2) = 1,243 Khoảng biến thiên: i = 1/2(lnxi max - lnxi min)

1= 1/2(lnx1 max – lnx1 min) = 1/2(ln95 – ln75) = 0,118

2= 1/2(lnx2 max – lnx2 min) = 1/2(ln6 – ln2) = 0,549 Kết quả tính toán các giá trị thể hiện trong bảng 2.3

Bảng 2.3 Giá trị các yếu tố trong thực nghiệm

* Điều kiện thí nghiệm:

- Chất lượng và dòng chảy dung môi không thay đổi;

- Nhiệt độ môi trường thí nghiệm: 22oC ÷ 25oC;

- Rung động và nhiễu coi như không đáng kể và ổn định trong suốt quá trình thí nghiệm;

- Các điều kiện khác coi như tiêu chuẩn

2.4 Kết quả thực nghiệm

Các mẫu sau khi gia công được thể hiện trong hình 2.4;

Hình 2.4 Mẫu thí nghiệm sau khi gia công

Sau khi cắt dây các mẫu được làm sạch bởi dầu hỏa, tiến hành đo độ nhám trên máy

Mitutoyo SJ - 400 ta được kết quả thể hiện trong bảng 2.4

Bảng 2.4 Kết quả đo độ nhám STT

Mẫu

Biến mã hóa Biến thực nghiệm Giá trị độ nhám

R a (µm)

X 1 X 2 U Z (V) I e (A)

2.4.1 Quy hoạch số liệu thực nghiệm

Mối quan hệ giữa UZ,Ie và độ nhám (Ra) tuân theo quy luật hàm số mũ ta có:

Ra = C × (Uz)a × (Ie)b Logarit hai vế phương trình (1) ta được:

Đặt: y = ln(Ra); a0 = ln(C); a1 = a;

x1 = ln(Uz); x2 = ln(Ie); a2 = b;

Ta được phương trình:

Áp dụng quy hoạch thực nghiệm, sử dụng phương pháp bình phương nhỏ nhất, trên cơ sở hỗ trợ của phần mềm Microsoft Excel, Matlab ta thu được kết quả như trong bảng 2.5

Bảng 2.5 Kết quả tính toán các giá trị logarit STT U Z (V) I e (A) R a (µm) ln(U z ) ln(I e ) ln(R a )

Với:      A  X Y

Trong đó:

 X : ma trận biến số đầu vào thực nghiệm;

 Y : ma trận cột giá trị đo được của độ nhám;

 A : ma trận hệ số tương ứng với a0, a1, a2

Sau khi tính toán ta được ma trận hệ số:   0, 05020, 2292

0, 3800

A



Ta có: Ra = e-0,2292 × Uz0,0502 × Ie0,3800 = 0,795 × Uz0,0502 × Ie0,3800 (7)

Đồ thị biểu diễn mối quan hệ giữa điện áp đánh lửa, cường độ dòng phóng tia lửa điện với độ nhám bề mặt chi tiết thể hiện trên hình 2.5 và 2.6

I e (A)

R a (µm)

1 2 3 4 5 6 7 1.1

1.2

1.3

1.4

1.5

1.6

1.7

1.8

1.9

1

2

70 75 80 85 90 95 100 U z (V) 1.1

1.2 1.3 1.4 1.5 1.6 1.7 1.8 1.9

1

2

R a (µm)

Hình 2.5 Đồ thị mô tả mối quan hệ

giữa R a với I e

Hình 2.6 Đồ thị mô tả mối quan hệ

giữa R a với U i

Nhận xét:

Từ công thức (7) và đồ thị hình 2.5, 2.6 ta thấy ảnh hưởng của cường độ dòng phóng tia lửa điện (Ie) lớn hơn so với điện áp đánh lửa (Uz) đến giá trị độ nhám bề mặt chi tiết sau khi gia công Kết quả nghiên cứu thực nghiệm phù hợp với kết quả nghiên cứu lý thuyết

2.4.2 Đánh giá độ tin cậy của hàm hồi quy thực nghiệm

Độ tin cậy được đánh giá bằng công thức [3,5]:

2

y





Trong đó:

2 2

1

2

1 1 1 1

N

N

y y N

y y N













y : logarit cơ số e giá trị độ nhám Ra thực nghiệm;

i

y : giá trị trung bình logarit cơ số e độ nhám Ra thực nghiệm;

,

i

y : logarit độ nhám Ra theo hàm hồi quy thực nghiệm

N: số thí nghiệm Sử dụng phần mềm Excel ta tính được kết quả độ tin cậy như trong bảng 2.6

Bảng 2.6 Kết quả tính toán độ tin cậy STT U z

(V)

I e

(A)

y i

(µm)

y’ i

(µm) y iy i2  ,

i i

y y 2

Trung bình

i

y =1,62

0, 4704

Độ tin cậy: r = 93,1 %

2.4.3 Kiểm tra sự tồn tại của các tham số a i

Ta có phương sai dư Sdư được tính theo công thức [5]:

 

2

1

du

S a S



Trong đó: N là số thử nghiệm; m là các thông số cần xác định, trừ a0

Tổng dư bình phương:

T

2



0, 010723

du

Xác định sự tồn tại của ai

1,1 / 2

a

Mii là ma trận thứ ii của ma trận nghịch đảo M-1 (ma trận nghịch đảo của ma trận M = XT.X)

Với: 1

M



Ta được:

0,104 4196, 706

tinh

0,104 12,159

tinh

0,104 7736,962

tinh

Với độ tin cậy r = 0,931 tra bảng phân phối Student [5] có tbang(N-m-1; r) = 0,09

Vậy ti

tinh> tbang. Như vậy, các hệ số ai thực sự tồn tại nên tồn tại mối quan hệ giữa độ nhám bề mặt với điện áp đánh lửa, cường độ dòng phóng tia lửa điện thể hiện như sau:

3 KẾT LUẬN

Kết quả nghiên cứu thực nghiệm đã xác định được mối quan hệ toán học giữa dòng phóng tia lửa điện (Ie) và điện áp đánh lửa (Uz)đến độ nhám bề mặt chi tiết (Ra) khi gia công thép 40Cr đã tôi trên máy CHMEREDM CW420 HS Mối quan hệ đó được thể hiện qua công thức:

Ra = 0,795 × Uz0,0502 × Ie0,3800

Kết quả nghiên cứu giúp các nhà công nghệ tính toán, lựa chọn chế độ công nghệ hợp

lý, nâng cao năng suất, chất lượng bề mặt chi tiết và độ chính xác gia công

TÀI LIỆU THAM KHẢO

[1] Vũ Hoài Ân, Gia nhôhg ntia nlửa nđiệh, Viện Máy và Dụng cụ công nghiệp, Hà Nội, 1994 [2] Đặng Hùng Thắng, Taốhg nkê nvà nứhg ndụhg, NXB Giáo dục Hà Nội, 1997

[3] Nguyễn Doãn Ý, Quy naoạha ntaựh nhgaiệm,, NXB Khoa học và Kỹ thuật, Hà Nội, 2003 [4] Hoàng Vĩnh Sinh, Trần Xuân Tùy, Lưu Đức Bình, Ngaiêh n hứu n ảha n aưởhg n hủa n haiều n

dày npaôi nvà nđộ ndài nxuhg nđ́h nđộ nhám, nbề nm,ặt nkai ngia nhôhg nhai ntít nbằhg nh́t ndây ntia nlửa n điệh, Tạp chí Khoa học và Công nghệ, Đại học Đà Nẵng - Số 1/2011

[5] Trần Văn Địch, Ćh npaươhg npáp nx́h nđịha nđộ nhaíha nx́h ngia nhôhg, NXB Khoa học và

Kỹ thuật, Hà Nội, 1997

[6] Didier Staufer, “Machining and measurement of Sculotured Surface”, The newest

achievement in electrical discharge machining, Krakow, 1997

[7] Erle, Shobert, Electrical discharge machining Tooling, method and application,

Hannover university, Germany, 2001

[8] Erik L.J Bohez, Electrical Discharge Machining School of advanced Technology, 1995 [9] E.C.Jameson, Electrical Discharge Machining – Tooling, Methods And Application,

Dearborn Michigan, USA (1983)

[10] Indrajit Basak, Amitabha, Jounal of Materials Processing Technology, Krakow, 1997