Nghiên cứu nâng cao hiệu quả gia công của phương pháp tia lửa điện bằng biện pháp trộn bột Titan vào dung dịch điện môi (LV thạc sĩ)

Nghiên cứu nâng cao hiệu quả gia công của phương pháp tia lửa điện bằng biện pháp trộn bột Titan vào dung dịch điện môi (LV thạc sĩ)Nghiên cứu nâng cao hiệu quả gia công của phương pháp tia lửa điện bằng biện pháp trộn bột Titan vào dung dịch điện môi (LV thạc sĩ)Nghiên cứu nâng cao hiệu quả gia công của phương pháp tia lửa điện bằng biện pháp trộn bột Titan vào dung dịch điện môi (LV thạc sĩ)Nghiên cứu nâng cao hiệu quả gia công của phương pháp tia lửa điện bằng biện pháp trộn bột Titan vào dung dịch điện môi (LV thạc sĩ)Nghiên cứu nâng cao hiệu quả gia công của phương pháp tia lửa điện bằng biện pháp trộn bột Titan vào dung dịch điện môi (LV thạc sĩ)Nghiên cứu nâng cao hiệu quả gia công của phương pháp tia lửa điện bằng biện pháp trộn bột Titan vào dung dịch điện môi (LV thạc sĩ)Nghiên cứu nâng cao hiệu quả gia công của phương pháp tia lửa điện bằng biện pháp trộn bột Titan vào dung dịch điện môi (LV thạc sĩ)Nghiên cứu nâng cao hiệu quả gia công của phương pháp tia lửa điện bằng biện pháp trộn bột Titan vào dung dịch điện môi (LV thạc sĩ)Nghiên cứu nâng cao hiệu quả gia công của phương pháp tia lửa điện bằng biện pháp trộn bột Titan vào dung dịch điện môi (LV thạc sĩ)

0

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi Các số liệu, kết quả nghiên cứu của Luận án là khách quan, trung thực và chưa từng được ai công

bố trong bất kỳ công trình khoa học nào khác

Người viết cam đoan

Nguyễn Hữu Phấn

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP

NGUYỄN HỮU PHẤN

NGHIÊN CỨU NÂNG CAO HIỆU QUẢ GIA CÔNG

CỦA PHƯƠNG PHÁP TIA LỬA ĐIỆN BẰNG BIỆN PHÁP

TRỘN BỘT TITAN VÀO DUNG DỊCH ĐIỆN MÔI

LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT

THÁI NGUYÊN – 2016

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP

NGUYỄN HỮU PHẤN

NGHIÊN CỨU NÂNG CAO HIỆU QUẢ GIA CÔNG CỦA PHƯƠNG PHÁP TIA LỬA ĐIỆN BẰNG BIỆN PHÁP TRỘN BỘT TITAN VÀO DUNG DỊCH ĐIỆN MÔI

Chuyên ngành : Kỹ thuật cơ khí

LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT

Người hướng dẫn khoa học:

1 GS.TSKH Bành Tiến Long

2 TS Ngô Cường

THÁI NGUYÊN - 2016

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi Các số liệu, kết quả nghiên cứu của luận án là khách quan, trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất kỳ công trình khoa học nào khác

Người viết cam đoan

Nguyễn Hữu Phấn

LỜI CẢM ƠN

Để có được những kết quả như ngày hôm nay, tôi xin trân trọng cảm ơn Đảng ủy, Ban Giám hiệu, Phòng Đào tạo, Khoa cơ khí và Trung tâm thực nghiệm Trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp Thái Nguyên - Đại học Thái Nguyên đã tạo mọi điều kiện giúp đỡ tôi trong suốt quá trình học tập, nghiên cứu và hoàn thành Luận án

Với lòng kính trọng và biết ơn sâu sắc, tôi xin được bày tỏ lòng biết ơn chân

thành tới GS.TSKH Bành Tiến Long – Nguyên Thứ trưởng Bộ giáo dục & Đào tạo; TS Ngô Cường – Phó Hiệu trưởng trường Cao đẳng Kinh tế - Kỹ thuật, Đại học

Thái Nguyên là những người thầy đã dành nhiều thời gian hướng dẫn, tận tình chỉ

bảo tôi trong suốt quá trình nghiên cứu Tôi xin trân trọng cảm ơn PGS.TS Nguyễn

Đình Mãn – Hiệu trưởng Trường Cao đẳng Kinh tế - Kỹ thuật; Ban Giám hiệu; Khoa

Kỹ thuật Công nghiệp; Trung tâm Tuyển sinh, Tư vấn & Hỗ trợ HSSV của Trường Cao đẳng Kinh tế - Kỹ thuật, Đại học Thái Nguyên nơi tôi đang công tác đã tạo mọi điều kiện tốt nhất để tôi được học tập và nghiên cứu Tôi xin trân trọng cảm ơn Ban Giám đốc và các đơn vị thuộc Công ty TNHH Nhà nước một thành viên Diesel Sông Công – Thái Nguyên, Công ty Cổ phần Cơ khí Phổ Yên – Thái Nguyên, Công ty Cổ phần Phụ tùng máy số 1 – Thái Nguyên, Công ty Cổ phần Meinfa – Thái Nguyên, Trung tâm đánh giá hư hỏng vật liệu thuộc Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam, Viện cơ khí Việt Nam đã nhiệt tình hợp tác và giúp đỡ tôi trong hỗ trợ vật

tư, thiết bị thực nghiệm và thu thập số liệu nghiên cứu

Tôi xin được trân thành cảm ơn sự cộng tác hiệu quả của ThS Nguyễn Văn

Phú - Trường Cao đẳng nghề Bắc Giang, ThS Nguyễn Mạnh Linh - Trường CĐ

Cơ khí Luyện kim – Thái Nguyên, ThS Nguyễn Văn Minh và Ths Trần Xuân

Hoàng - Trường CĐ Nghề Kỹ thuật Công nghệ Tuyên Quang, ThS Dương Minh

Toán và ThS Phạm Việt Hùng - Trường CĐ Kinh tế - Kỹ thuật, Đại học Thái

Nguyên, Dr Pichai Janmanee - Đại học Công nghệ Rajamangala - Thái Lan và

Dr Vijaykumar S Jatti -Đại học Quốc tế SIU - Ấn Độ

Tôi xin được bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới gia đình, những người luôn bên cạnh tôi, đã động viên, chia sẻ, giúp đỡ tôi trong suốt quá trình học tập, nghiên cứu

để hoàn thành Luận án

Xin trân trọng cảm ơn!

Thái Nguyên, tháng 12 năm 2016

Nguyễn Hữu Phấn

MỤC LỤC

Trang

Chương 1 TỔNG QUAN VỀ PHƯƠNG PHÁP GIA CÔNG BẰNG TIA

LỬA ĐIỆN 5

1.1 Phương pháp gia công bằng tia lửa điện (EDM) 5

1.1.1 Lịch sử phát triển 5

1.1.2 Nguyên lý gia công 5

1.1.3 Các ứng dụng EDM trong gia công cơ khí 7

1.1.4 Các thông số công nghệ 9

1.1.5 Năng suất, chất lượng bề mặt và độ chính xác gia công 11

1.1.6 Các hướng nghiên cứu trong EDM 14

1.2 Biện pháp trộn bột vào dung dịch điện môi trong EDM 22

1.2.1 Sơ đồ gia công 22

1.2.2 Bột trộn trong dung dịch điện môi 23

1.2.3 Những thay đổi của quá trình EDM khi bột trộn vào dung dịch điện môi 26 1.2.4 Tổng quan các hướng nghiên cứu về PMEDM 29

1.3 EDM và công nghệ chế tạo khuôn 36

1.4 Nhận xét 37

1.5 Xác định hướng nghiên cứu 37

1.6 Một số giả thiết khoa học 37

Chương 2 THỰC NGHIỆM KHẢO SÁT GIA CÔNG BẰNG EDM 39

2.1 Khảo sát chất lượng lớp bề mặt khuôn dập nóng sau EDM 39

2.1.1 Mục đích 39

2.1.2 Đối tượng khảo sát 39

2.1.3 Điều kiện khảo sát 40

2.1.3.1 Thiết bị, thông số công nghệ và điều kiện gia công 40

2.1.3.2 Thiết bị đo, kiểm tra 40

2.1.4 Kết quả và thảo luận 41

2.1.4.1 Cấu trúc của lớp bề mặt gia công 41

2.1.4.2 Thành phần hóa học và tổ chức tế vi của lớp bề mặt gia công 44

2.1.4.3 Topography của bề mặt gia công 46

2.2 Khảo sát ảnh hưởng nồng độ bột đến quá trình gia công bằng EDM 47

2.2.1 Mục đích 47

2.2.2 Hệ thống thí nghiệm 48

2.2.3 Thiết bị đo, kiểm tra 49

2.2.4 Kết quả và thảo luận 52

2.2.4.1 Kết quả 52

2.2.4.2 Ảnh hưởng của nồng độ bột Ti đến năng suất và chất lượng bề mặt gia công bằng PMEDM 54

2.2.4.3 Phương trình hồi quy thực nghiệm 64

Kết luận chương 2 73 Chương 3 THỰC NGHIỆM XÁC ÐỊNH ẢNH HƯỞNG CỦA MỘT SỐ YẾU TỐ ÐẾN NĂNG SUẤT VÀ CHẤT LƯỢNG BỀ MẶT GIA CÔNG BẰNG TIA LỬA ÐIỆN CÓ TRỘN BỘT TITAN VÀO DUNG DỊCH ÐIỆN MÔI 75

3.1 Thiết kế thí nghiệm 75

3.1.1 Lựa chọn phương pháp thiết kế thí nghiệm 75

3.1.2 Lựa chọn các thông số đầu vào 76

3.1.3 Xây dựng quy hoạch thực nghiệm 78

3.2 Điều kiện thí nghiệm 85

3.3 Kết quả và thảo luận 85

3.3.1 Kết quả thí nghiệm 85

3.3.2 Kiểm tra độ tin cậy của dữ liệu 87

3.3.3 Phân tích kết quả 87

3.3.3.1 Năng suất bóc tách vật liệu (MRR) 87

3.3.3.2 Lượng mòn điện cực (TWR) 95

3.3.3.3 Độ nhám bề mặt gia công (Ra) 103

3.3.3.4 Độ cứng tế vi lớp bề mặt (HV) 110

3.3.3.5 Chất lượng lớp bề mặt gia công 119

3.4 Tối ưu hóa đa mục tiêu 124

3.4.1 Các bước tiến hành 124

3.4.2 Kết quả và thảo luận 126

3.4.2.1 Kết hợp Taguchi và GRA 126

3.4.2.2 Kết quả tối ưu 132

3.4.2.3 Thực nghiệm kiểm chứng 133

Kết luận chương 3 135 Chương 4 ỨNG DỤNG KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀO THỰC TIỄN SẢN XUẤT CHẾ TẠO KHUÔN DẬP NÓNG PHÔI BÁT PHỐT XE MÁY 137

4.1 Mục đích 137

4.2 Sản phẩm ứng dụng 137

4.3 Các chỉ tiêu đánh giá 137

4.4 Một số thông tin về khuôn 53211 137

4.4.1 Điều kiện làm việc 137

4.4.2 Vật liệu chế tạo khuôn 138

4.4.3 Dạng hỏng của khuôn 138

4.5 Chế tạo bề mặt khuôn dập 53211 139

4.5.1 Chế tạo đối chứng bằng phương pháp EDM ở Công ty 139

4.5.2 Chế tạo khuôn thử nghiệm bằng PMEDM theo các thông số lấy từ kết

quả nghiên cứu 140

4.6 Kết quả thử nghiệm và thảo luận 141

4.6.1 Tuổi bền của khuôn 141

4.6.2 Một số chỉ tiêu kinh tế - kỹ thuật 143

Kết luận chương 4 143 KẾT LUẬN CHUNG VÀ HƯỚNG NGHIÊN CỨU TIẾP THEO 144

DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ LIÊN QUAN ĐẾN ĐỀ TÀI 147

TÀI LIỆU THAM KHẢO 150

PHỤ LỤC 161

DANH MỤC CÁC CỤM TỪ VIẾT TẮT

EDM – Electrical dischagre machining Gia công bằng tia lửa điện

PMEDM – Powder mixed electrical

dischagre machining

Gia công bằng tia lửa điện có trộn bột vào dung dịch điện môi

MRR – Material removal rate Năng suất bóc tách vật liệu

RSM - Response Surface Methodology Phương pháp mặt đáp ứng

ANN - Artificial Neural Network Mạng nhân tạo

GRA - Grey relational analysis Phân tích quan hệ xám

PSO - Particle swarm optimization Tối ưu hóa bầy đàn

PCA - Principal component analysis Phân tích thành phần chính

S/N - Signal to Noise ratio Tỷ số tín hiệu/nhiễu

EDX – (Energy-dispersive X-ray) Phổ tán xạ năng lượng tia X

SEM - Scanning electron microscopy Kính hiển vi điện tử

ANOVA - Analysis of variance Phân tích phương sai

PVD - Physical Vapor Deposition Phủ bay hơi vật lý

CVD - Chemical Vapor Deposition Phủ bay hơi hóa học

CNC - Computer Numerical Control Điều khiển bằng máy tính

DANH MỤC CÁC KÍ HIỆU

Ei Điện trường đánh thủng sự cách điện của dung dịch điện

môi khi không có bột

V/m

1 Kích thước khe hở phóng điện khi không có bột m

DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU

Bảng 2.6 Kết quả thực nghiệm MRR, TWR, Ra và độ cứng tế vi lớp bề mặt 53

Bảng 2.8 Kết quả sai lệch của y1,y2,y3 với giá trị thực nghiệm của Cu+ 67 Bảng 2.9 Kết quả sai lệch của y1,y2,y3 với giá trị thực nghiệm của Cu- 70 Bảng 2.10 Kết quả sai lệch của y1,y2,y3 với giá trị thực nghiệm của Gr+ 72

Bảng 3.16 Mức độ ảnh hưởng của các thông số vào đến R a 104

Bảng 3.22 Mức độ ảnh hưởng của thông số vào đến tỷ số S/N của HV 115

Bảng 4.5 Kết quả kiểm tra mòn kích thước lòng khuôn sau khi làm việc 141 Bảng 4.6 Lượng mòn trung bình của kích thước lòng khuôn sau khi làm việc 142 Bảng 4.7 Một số chỉ tiêu đạt được khi gia công bề mặt khuôn bằng PMEDM và EDM

143

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ

Hình 1.10 Ảnh hưởng của vật liệu chất điện môi đến chất lượng lớp bề mặt và hiệu quả gia công

16

Hình 1.15 Ảnh hưởng của phương pháp điều khiển chuyển động điện cực đến năng suất gia công bằng EDM

20

Hình 1.19 Số liệu thống kê về sử dụng bột trong các nghiên cứu PMEDM 25

Hình 1.22 Ảnh hưởng của điện áp và dòng điện đến dạng sóng xung 29

Hình 1.25 Các dạng dịch chuyển của bột trong dung dịch điện môi 31

Hình 1.27 Chiều dày lớp đúc lại trên bề mặt phôi sau PMEDM 32

Hình 1.28 Tạo hình bề mặt khuôn bằng EDM và PMEDM 33

Hình 2.4 Độ cứng tế vi theo chiều sâu lớp bề mặt khuôn dập sau EDM 43 Hình 2.5 Thành phần C và Cu trong lớp bề mặt khuôn dập sau EDM 45

Hình 2.11 Lắp thùng chứa dung dịch điện môi trên máy thí nghiệm 51

Hình 2.20 Biểu đồ quan hệ giữa nồng độ bột với TWR của điện cực Cu 62

Hình 2.28 Quan hệ giữa nồng độ bột với Ra của Cu- 68

Hình 3.5 Ảnh hưởng của tương tác giữa các thông số vào đến MRR 89 Hình 3.6 Ảnh hưởng của các thông số vào đến tỷ số S/N của MRR 93 Hình 3.7 Ảnh hưởng của tương tác giữa các thông số vào đến tỷ số S/N của MRR 93

Hình 3.9 Ảnh hưởng của tương tác giữa các thông số vào đến TWR 97 Hình 3.10 Ảnh hưởng của các thông số vào đến tỷ số S/N của TWR 101 Hình 3.11 Ảnh hưởng của tương tác giữa các thông số vào đến tỷ số S/N của TWR 101

Hình 3.13 Ảnh hưởng của tương tác giữa các thông số vào đến Ra 105 Hình 3.14 Ảnh hưởng của các thông số vào đến tỷ số S/N của Ra 108 Hình 3.15 Ảnh hưởng của tương tác giữa các thông số vào đến tỷ số S/N của Ra 108

Hình 3.17 Ảnh hưởng của tương tác giữa các thông số vào đến HV 112 Hình 3.18 Ảnh hưởng của các thông số vào đến tỷ số S/N của HV 116 Hình 3.19 Ảnh hưởng của tương tác giữa các thông số đến tỷ số S/N của HV 116

Hình 3.25 Cấu trúc lớp bề mặt thép SKD11 sau PMEDM 122

Hình 4.2 Hình dạng bề mặt khuôn dập nóng phôi bát phốt xe máy 138

PHẦN MỞ ĐẦU

1 Tính cấp thiết của đề tài

Phương pháp gia công bằng tia lửa điện (EDM) là phương pháp gia công phi truyền thống, được ứng dụng ngày càng nhiều trong gia công các chi tiết có hình dáng phức tạp, từ các vật liệu khó gia công, đặc biệt là các lòng, lõi của khuôn dập

và khuôn đúc [13] Phương pháp này không bị ràng buộc bởi quan hệ độ cứng giữa phôi và dụng cụ, các vấn đề như rung động, ứng suất cơ học, tiếng ồn không xuất hiện trong suốt quá trình gia công [34] Tuy nhiên, EDM cũng tồn tại một số hạn chế như: Năng suất bóc tách vật liệu thấp, điện cực dụng cụ bị mòn và chất

lượng bề mặt gia công không cao (phải có thêm nguyên công gia công tinh) [19]

Điều này dẫn đến việc tăng giá thành chế tạo của phương pháp EDM [103] Trong những năm gần đây, nhiều giải pháp nghiên cứu được đưa ra nhằm cải thiện các chỉ tiêu kinh tế, kỹ thuật của quá trình như: Tối ưu hóa thông số công nghệ, lựa chọn cặp vật liệu điện cực - phôi hợp lý, vật liệu điện cực đặc biệt và bột bằng vật liệu dẫn điện trộn vào dung dịch điện môi Trong những giải pháp trên, EDM có sử dụng bột dẫn điện trộn vào dung dịch điện môi (PMEDM) là biện pháp cho kết quả rất khả quan [18], [64], [89] Và đây là biện pháp đang rất được quan tâm trong nhiều nghiên cứu

Các nghiên cứu về PMEDM đã chỉ ra rằng: Sử dụng biện pháp này có thể làm tăng đồng thời cả năng suất và chất lượng quá trình gia công [34], [39] Tuy nhiên, PMEDM là biện pháp công nghệ mới, các thông tin về công nghệ này hiện nay chưa

nhiều (do bí mật hoặc bản quyền công nghệ) và vẫn còn nhiều vấn đề cần được làm

rõ (vật liệu – kích thước – nồng độ của bột, nguyên lý gia công, thông số công

nghệ, ) trước khi được ứng dụng rộng rãi trong thực tiễn sản xuất [89] Vì vậy, củng

cố cơ sở lý thuyết và phát triển ứng dụng biện pháp công nghệ này là hướng nghiên cứu được quan tâm

Hiện nay, các máy EDM như: Máy xung định hình, máy cắt dây được nhập khẩu từ Trung Quốc, Đài Loan, có giá thành không quá cao nên đây là thiết bị đang được sử dụng phổ biến ở nước ta Mặc dù vậy, EDM là phương pháp có số lượng thông số công nghệ lớn với phạm vi thay đổi rộng Việc lựa chọn các thông

số công nghệ trong sản xuất thường dựa vào tài liệu hướng dẫn của máy (ít được

chuyển giao khi mua máy) hoặc theo kinh nghiệm thực tế nên hiệu quả ứng dụng

EDM bị hạn chế Bên cạnh đó, những nghiên cứu chuyên sâu về lĩnh vực EDM ở nước ta chưa nhiều và chủ yếu là nghiên cứu chuyển giao công nghệ Vì vậy, để khai thác hiệu quả kinh tế - kỹ thuật các thiết bị EDM, giảm giá thành chế tạo và nâng cao năng suất gia công, tăng khả năng cạnh tranh của sản phẩm cơ khí trong bối cảnh hội nhập và cạnh tranh khốc liệt, đòi hỏi cấp thiết các công trình nghiên cứu theo hướng nâng cao hiệu quả gia công của EDM

Nhiều loại vật liệu bột (Si, Al, W, Gr, Cu, Ti, ) đã được sử dụng trong

nghiên cứu PMEDM [56], [64] Với mục tiêu nghiên cứu tập trung vào một số

hướng: Nâng cao năng suất, chất lượng bề mặt gia công (bột Al, Gr, Cu, Si,

Al 2 O 3 , ) hoặc nâng cao cơ tính bề mặt gia công (bột W, WC, Ti, TiC, Cr, ) Một số

nghiên cứu đã cho thấy: Sử dụng vật liệu bột hợp lý trong PMEDM có thể đồng thời nâng cao năng suất gia công, giảm độ nhám và cải thiện cơ tính của bề mặt gia công Đặc biệt, năng suất và chất lượng bề mặt gia công có thể đồng thời được cải thiện ngay trong quá trình tạo hình bề mặt sản phẩm bằng PMEDM nên đã làm giảm thời gian chế tạo sản phẩm Cho đến nay các nghiên cứu với bột Ti trong PMEDM mới tập trung vào giảm độ nhám bề mặt và nâng cao cơ tính bề mặt gia công [64], [89]

Nghiên cứu tối ưu hóa PMEDM là lĩnh vực rất phức tạp do số lượng các thông số công nghệ lớn và ảnh hưởng của chúng đến các chỉ tiêu tối ưu là rất khác nhau [19], [88] Nhiều phương pháp và công cụ tối ưu đã được sử dụng trong lĩnh vực này: Bề mặt chỉ tiêu, mạng nhân tạo, Taguchi, với bài toán tối ưu phần lớn là bài toán đơn mục tiêu [33], [78] Tuy nhiên, hiệu quả tối ưu EDM sẽ tốt hơn nếu là tối ưu đa mục tiêu

Ngành chế tạo khuôn mẫu đang được quan tâm phát triển mạnh ở nước ta Chính phủ đã đưa sản phẩm khuôn mẫu vào danh mục sản phẩm công nghiệp hỗ trợ ưu tiên phát triển Các mác thép SKD61, SKD11, SKH54, SKH51, AISI 01, SKT4 được sử dụng rộng rãi để chế tạo các loại khuôn mẫu Vì vậy, nghiên cứu nâng cao năng suất và chất lượng gia công có liên quan trực tiếp với các sản phẩm dạng này sẽ có ý nghĩa thực tiễn với ngành công nghiệp cơ khí nước ta

Những vấn đề trên là định hướng cho tác giả chọn đề tài: “Nghiên cứu nâng

cao hiệu quả gia công của phương pháp tia lửa điện bằng biện pháp trộn bột Titan vào dung dịch điện môi”

2 Đối tượng, mục đích, nội dung và phương pháp nghiên cứu

2.1 Đối tượng nghiên cứu

Đối tượng nghiên cứu của đề tài là 3 loại thép làm khuôn SKD61, SKD11, SKT4 gia công bằng xung định hình với điện cực Đồng (Cu) và Graphit (Gr) sử dụng dung dịch điện môi có trộn bột Titan

2.2 Mục đích nghiên cứu

Mục đích nghiên cứu của đề tài là nâng cao năng suất và chất lượng bề mặt gia công: Nâng cao cơ tính lớp vật liệu bề mặt gia công; giảm độ nhám bề mặt, số lượng và kích thước nứt tế vi bề mặt; tăng năng suất bóc tách vật liệu; giảm lượng mòn điện cực; ứng dụng nâng cao năng suất và chất lượng bề mặt lòng khuôn dập nóng

2.3 Nội dung nghiên cứu

- Nghiên cứu tổng quan về EDM, PMEDM

- Thực nghiệm nghiên cứu ảnh hưởng của cường độ dòng điện, thời gian phát xung, thời gian ngừng phát xung, vật liệu điện cực và nồng độ bột đến năng suất và chất lượng bề mặt thép làm khuôn được gia công bằng phương pháp xung

định hình có trộn bột Ti trong dung dịch điện môi theo các chỉ tiêu năng suất bóc

tách vật liệu, lượng mòn điện cực, chất lượng bề mặt gia công

- Tối ưu hóa các thông số công nghệ theo các chỉ tiêu năng suất và chất lượng bề mặt gia công

- Nghiên cứu ứng dụng kết quả vào thực tiễn sản xuất

- Đo đạc và kiểm chứng bằng thực nghiệm

2.4 Phương pháp nghiên cứu

- Phương pháp tiếp cận: Kế thừa và phát triển từ kết quả nghiên cứu của các tác giả đi trước

- Nghiên cứu cơ sở lý thuyết về EDM, PMEDM và quy hoạch thực nghiệm

- Nghiên cứu bằng thực nghiệm bao gồm các bước:

+ Xây dựng hệ thống thí nghiệm và kế hoạch thực nghiệm

+ Tiến hành thực nghiệm

+ Phân tích kết quả

+ Xác định các thông số tối ưu

+ Kiểm chứng kết quả nghiên cứu trong thực tiễn sản xuất

3 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài

3.1 Ý nghĩa khoa học

- Đề tài nhằm làm rõ ảnh hưởng của cường độ dòng điện, thời gian phát xung, thời gian ngừng phát xung… đến năng suất và chất lượng bề mặt một số loại thép làm khuôn được gia công bằng phương pháp xung định hình có trộn bột Ti trong dung dịch điện môi Đề tài sẽ đóng góp một số kết quả vào hướng nghiên cứu

về PMEDM đang dành được nhiều sự quan tâm của các nhà khoa học

- Phương pháp nghiên cứu lý thuyết kết hợp với thực nghiệm được trình bày trong luận án có thể dùng làm cơ sở để tham khảo cho các nghiên cứu khoa học trong lĩnh vực gia công cơ khí

3.2 Ý nghĩa thực tiễn

Ba mác thép (SKD11, SKD61, SKT4) và hai loại vật liệu điện cực (Cu, Gr)

đang được sử dụng phổ biến trong ngành chế tạo khuôn mẫu bằng phương pháp EDM Kết quả nghiên cứu của luận án về tối ưu hóa các thông số công nghệ có thể

sử dụng để điều khiển các máy gia công EDM Kết quả nghiên cứu được kiểm chứng bằng thực tiễn sản xuất tại các cơ sở chế tạo khuôn mẫu Tất cả những điều

đó sẽ đảm bảo ý nghĩa thực tiễn của đề tài

Chương 1 TỔNG QUAN VỀ PHƯƠNG PHÁP GIA CÔNG

BẰNG TIA LỬA ĐIỆN 1.1 Phương pháp gia công bằng tia lửa điện (EDM)

1.1.1 Lịch sử phát triển

Hiện nay, trong gia công cơ khí thì phương pháp gia công bằng tia lửa điện (EDM) là phương pháp gia công được sử dụng phổ biến nhất trong các phương pháp gia công không truyền thống [1], [34] Năm 1770, nhà khoa học người Anh Joseph Priestly là người đầu tiên phát hiện ra sự ăn mòn vật liệu do hiện tượng phóng điện gây ra, đây được cho là nguồn gốc ra đời của EDM Sau nhiều nghiên cứu, hai nhà khoa học B R Lazarenko và N I Lazarenko của Nga đã điều khiển thành công sự hình thành các tia lửa điện trong gia công kim loại, năm 1943 họ đã đưa ra sơ đồ cấu trúc của máy EDM sử dụng mạch Lazarenko Và loại mạch này đã liên tục cải tiến và được ứng dụng rộng rãi trong bộ nguồn cung cấp của máy EDM Những năm 1950, các kỹ thuật viên của Mỹ sử dụng mạch điện điều khiển servo để điều chỉnh khoảng cách giữa điện cực và phôi khi gia công các ống chân không [79] Tuy nhiên, chỉ tới những năm 1980 với sự xuất hiện của máy EDM - CNC thì hiệu quả của phương pháp này mới được khẳng định Với sự cải tiến liên tục, máy EDM ngày nay đã trở lên ổn định với việc vận hành của máy đã được giám sát bởi

hệ thống điều khiển thích nghi và EDM đã được sử dụng rộng rãi ở các công ty, tập đoàn trên thế giới nói chung và ở Việt Nam nói riêng

1.1.2 Nguyên lý gia công

Hình 1.1 Nguyên lý gia công bằng tia lửa điện (EDM) [1]

Nguyên lý gia công của EDM là chuyển đổi năng lượng điện thành năng lượng nhiệt thông qua chuỗi các tia lửa điện gián đoạn sinh ra tại khe hở giữa hai

điện cực (trong đó một điện cực là dụng cụ và một điện cực là chi tiết gia công

(phôi)) ngâm trong dung dịch điện môi (hình 1.1) Tại khe hở nhỏ nhất giữa dụng cụ

và chi tiết gia công, một điện áp cao được đặt vào sẽ đánh thủng sự cách điện của dung dịch điện môi và làm xuất hiện tia lửa điện gây nóng chảy - bay hơi vật liệu của cả dụng cụ và chi tiết gia công Sau mỗi lần phóng điện, tụ điện trong mạch điện sẽ được nạp điện từ nguồn thông qua một cuộn cảm và tia lửa điện tiếp theo lại được hình thành [34] Các tia lửa điện xuất hiện trên toàn bộ bề mặt của chi tiết gia công làm hình thành bề mặt cần gia công với độ chính xác xấp xỉ độ chính xác hình dạng của dụng cụ

- Dụng cụ: Có nhiều loại vật liệu được sử dụng làm dụng cụ như Cu, Cu-Zn,

Al, Gr, trong đó Cu, Gr là hai loại được sử dụng phổ biến nhất [63] Vật liệu làm dụng cụ trong EDM nói chung đều có đặc điểm là có tính dẫn điện và dễ gia công tạo hình chính xác Việc chọn loại vật liệu dụng cụ phù hợp sẽ cho năng suất bóc tách vật liệu cao, lượng mòn nhỏ, giá thành thấp [63] Điện cực dụng cụ có thể được phân cực âm hoặc dương, việc lựa chọn phân cực phụ thuộc vào ứng dụng cụ thể

(gia công tinh hoặc gia công thô) và các yếu tố như: vật liệu dụng cụ, vật liệu gia

công, cường độ dòng điện và thời gian phát xung [56]

- Chi tiết gia công: Vật liệu chi tiết gia công bằng EDM phải có tính dẫn

điện Khả năng dẫn điện, dẫn nhiệt, điểm nóng chảy, độ cứng của vật liệu chi tiết gia công có ảnh hưởng đến năng suất và chất lượng gia công bằng EDM Vật liệu chi tiết gia công có điểm nóng chảy càng cao và khả năng dẫn nhiệt càng nhỏ thì năng suất bóc tách vật liệu càng thấp [14] Độ cứng của chi tiết gia công cũng có ảnh hưởng đến năng suất và độ nhám bề mặt gia công [65]

- Dung dịch điện môi: Trong gia công bằng EDM, dung dịch điện môi có tác

dụng điều khiển quá trình phóng điện, làm nguội và hóa rắn phoi, cuốn phoi ra khỏi vùng gia công và đi vào hệ thống lọc, hấp thụ và giải phóng năng lượng nhiệt Tính chất cách điện của dung dịch điện môi có ảnh hưởng lớn đến hiện tượng điện phân giữa dụng cụ và phôi trong suốt quá trình gia công Dung dịch điện môi phải đảm bảo các yêu cầu: Có tuổi bền cao, khả năng cách điện thấp, phục hồi nhanh sau khi

bị tia lửa điện đánh thủng, có khả năng làm nguội và cuốn phoi tốt Trong quá trình gia công dung dịch điện môi được phun vào khe hở phóng tia lửa điện, đường kính vòi phun và áp suất phun ảnh hưởng đến khả năng loại bỏ khí, cuốn phoi đi và duy trì nhiệt độ ổn định của dung dịch điện môi dưới điểm cháy [56] Lưu lượng và loại dung dịch điện môi có ảnh hưởng đến lượng mòn điện cực, năng suất bóc tách vật liệu và chất lượng bề mặt gia công [19], [63] Hiện nay loại dung dịch điện môi được sử dụng phổ biến nhất là dầu hoặc nước (hình 1.2)

Hình 1.2 Dung dịch điện môi trong EDM [64]

1.1.3 Các ứng dụng EDM trong gia công cơ khí

Hình 1.3 Sơ đồ máy xung định hình [72]

- Gia công bằng xung định hình là phương pháp EDM mà hình dạng bề mặt điện cực dụng cụ là âm bản của bề mặt gia công (hình 1.3) Hiện nay các máy xung

đã được tự động hóa ở mức cao, các điều kiện để tạo ra khe hở phóng điện, sự đồng

bộ của 2 quá trình di chuyển của điện cực và tạo xung được điều khiển tự động bằng servo Trong quá trình gia công, dung dịch điện môi được lọc để loại bỏ các hạt phoi vụn và vật liệu bị phân hủy tạo ra khi xung Xung định hình được sử dụng rộng rãi trong việc tạo hình bề mặt các khuôn rèn, khuôn dập, khuôn đúc,

- Gia công bằng cắt dây là phương pháp EDM sử dụng dây dẫn điện (có

đường kính từ 0,1÷0,3mm) làm điện cực, chi tiết gia công đặt trên bàn máy được

điều khiển chuyển động theo đường bao theo 2 phương thuộc mặt phẳng nằm ngang (hình 1.4) Gia công bằng cắt dây có thể tạo được bề mặt 2D và 3D phức tạp

Hình 1.4 Sơ đồ phương pháp cắt dây [72]

- Ngoài hai phương pháp trên EDM còn ứng dụng trong gia công cơ khí dưới dạng kết hợp với các phương pháp gia công truyền thống như phay bằng tia lửa điện, mài bằng tia lửa điện,

EDM thường dùng trong gia công khuôn mẫu và các sản phẩm cơ khí đòi hỏi

độ chính xác cao, có biên dạng phức tạp, có độ bền và độ cứng cao mà việc gia công trên các máy công cụ thông thường không hiệu quả hoặc không đáp ứng được

So với các phương pháp gia công truyền thống thì EDM có những ưu điểm

cơ bản sau: Không yêu cầu dụng cụ phải có độ cứng cao hơn độ cứng của chi tiết gia công; không gây biến dạng chi tiết gia công do không có sự tiếp xúc giữa dụng cụ

và phôi trong suốt quá trình gia công, điều này tạo nên tính đa năng của phương pháp;

năng lượng nhiệt được sử dụng để bóc tách vật liệu phôi nhưng lượng nhiệt truyền vào chi tiết gia công là không lớn nên ít gây biến dạng nhiệt cho chi tiết gia công; bề mặt phôi sau EDM không có các vết cào xước mà là tập hợp của các vết lõm nhỏ phân bố ngẫu nhiên nên giúp lưu giữ dầu bôi trơn tốt hơn và tăng độ bền mỏi của chi tiết khi làm việc; có khả năng gia công được các bề mặt có kích thước nhỏ với hình dạng phức tạp; dễ dàng tự động hóa do các chuyển động khi gia công khá đơn giản

Tuy nhiên, EDM cũng có một số nhược điểm như: Chỉ gia công được các loại vật liệu dẫn điện; năng suất và chất lượng bề mặt gia công thấp, khi tăng năng suất bóc tách vật liệu thì độ nhám bề mặt gia công cũng tăng theo; trong quá trình gia công xảy ra hiện tượng quá cắt và mòn điện cực làm ảnh hưởng không tốt đến

độ chính xác gia công; khó xác định chính xác khe hở phóng điện và các thông số công nghệ tối ưu

hiện dòng ion đánh thủng sự cách điện của dung dịch điện môi, khi dòng điện bắt đầu xuất hiện thì điện áp lớn nhất (U0) giảm xuống và giữ ở trạng thái ổn định (Ud) tại khe hở phóng điện (hình 1.5) Giá trị điện áp được xác định theo kích thước khe

hở nhỏ nhất giữa điện cực và phôi Điện áp càng cao càng làm tăng khe hở phóng điện, điều này sẽ tạo điều kiện cho dòng dung môi chảy qua và làm ổn định quá trình gia công Năng suất bóc tách vật liệu, lượng mòn điện cực và độ nhám bề mặt tăng khi điện áp tăng [34]

2 Cường độ dòng phóng tia lửa điện (I d )

Cường độ dòng điện là thông số công nghệ quan trọng nhất đặc trưng cho hiệu quả gia công bằng EDM [56] Cường độ dòng điện tăng đến một giá trị lớn nhất xác định (Id), trị số của Id được xác định thông qua diện tích bề mặt gia công và chế độ gia công (thô: Id  15A; bán tinh: Id = 8÷15A; tinh: Id  8A) [56] Cường độ dòng điện cao sử dụng để gia công thô và các bề mặt có diện tích lớn Cường độ dòng điện cao sẽ làm tăng tốc độ bóc tách vật liệu nhưng cũng làm lượng mòn điện cực tăng và chất lượng bề mặt gia công giảm [79]

3 Thời gian phát xung (t on )

Thời gian phát xung (t on = thời gian trễ (t de ) + thời gian phóng tia lửa điện (t d )) và số chu kỳ xung (tp) trong một giây là đại lượng quan trọng Năng suất bóc tách vật liệu tỷ lệ thuận với trị số năng lượng được sử dụng trong ton [85] Năng lượng này được điều khiển bởi cường độ dòng điện cực đại và ton Lượng vật liệu bị nóng chảy và bay hơi sẽ tăng khi ton tăng lên Tuy nhiên nếu kéo dài ton sẽ làm tăng cường độ và tốc độ lan truyền của nhiệt xung vào bề mặt phôi dẫn đến tác động của

nó đến lớp bề mặt gia công sẽ rộng và sâu hơn Mặt khác, khi ton quá dài còn có thể dẫn đến lượng bóc tách vật liệu giảm và điện cực có thể không bị hao mòn [56] Khi

ton ngắn tạo ra các vết lõm trên bề mặt phôi có đường kính và chiều sâu lớn hơn làm tăng độ nhám bề mặt gia công

4 Thời gian ngừng phát xung (t of )

Một chu kỳ xung sẽ hoàn thành với tof phù hợp trước khi sang chu kỳ tiếp theo Thời gian tof có ảnh hưởng đến năng suất bóc tách vật liệu và độ ổn định của quá trình gia công [85] Về lý thuyết, khi tof càng ngắn thì quá trình gia công sẽ càng nhanh nhưng nếu nó quá ngắn sẽ không có đủ thời gian để vận chuyển phoi và

ion hóa hoàn toàn dung dịch điện môi Đây chính là nguyên nhân gây ra sự mất ổn định của quá trình gia công, xuất hiện những chu kỳ phát xung bất thường và rút ngắn sự dịch chuyển servo của điện cực dẫn đến năng suất gia công giảm Thời gian

tof phải lớn hơn thời gian ngừng ion hóa dung môi để không làm xuất hiện hiện tượng phóng tia lửa điện liên tục tại một điểm, thực tế cho thấy, khi ton và tofkhông được xác định chính xác sẽ xuất hiện nhiều xung lỗi gây tổn thất hiệu suất gia công [85]

5 Khe hở phóng điện

Điện cực được điều khiển chạy tự động để điều chỉnh khe hở phóng điện

không thay đổi ứng với mỗi điều kiện gia công xác định Hệ thống cơ điện (động cơ

bước) và hệ thống thủy lực được sử dụng để điều khiển chuyển động của điện cực

Hệ thống điều chỉnh chuyển động điện cực phải đảm bảo các yêu cầu: Điều chỉnh kích thước khe hở ổn định và tốc độ thích nghi nhanh để đáp ứng với sự ngắn mạch hoặc kích thước khe hở Độ rộng của khe hở không thể đo lường trực tiếp nhưng có thể được suy ra bởi điện áp trung bình tại khe hở [56]

1.1.5 Năng suất, chất lượng bề mặt và độ chính xác gia công

1 Năng suất gia công

Năng suất gia công trong EDM được đánh giá bởi đồng thời 2 chỉ tiêu là

năng suất bóc tách vật liệu và lượng mòn điện cực dụng cụ

- Năng suất bóc tách vật liệu (MRR) được xác định bởi tỷ số giữa khối lượng

vật liệu phôi được gia công với thời gian gia công MRR xác định theo công thức:

Wi: Khối lượng ban đầu của phôi (g)

Wf: Khối lượng phôi sau gia công (g)

t: Thời gian gia công cho mỗi lần chạy thử (phút)

: Khối lượng riêng của vật liệu phôi (g/cm3)

- Lượng mòn điện cực dụng cụ (TWR) là lượng vật liệu điện cực bị hao mòn

trong một khoảng thời gian gia công TWR xác định theo công thức:

Ti: Khối lượng ban đầu của điện cực (g)

Tf: Khối lượng điện cực sau gia công (g)

T: Khối lượng riêng của vật liệu điện cực (g/cm3)

Lượng mòn điện cực có quan hệ với năng suất bóc tách vật liệu phôi, vật liệu gia công, cường độ dòng điện, diện tích bề mặt gia công, khe hở phóng điện và sự phân cực điện cực Vật liệu điện cực có nhiệt độ nóng chảy cao hơn sẽ làm độ bền mòn lớn hơn dẫn đến độ chính xác gia công tăng lên [82]

MRR và TWR phụ thuộc vào thông số công nghệ của EDM Cường độ dòng điện và thời gian phát xung là thông số có ảnh hưởng mạnh nhất đến MRR và TWR [80] Anot sẽ bị mòn lớn hơn với thời gian phát xung ngắn hơn, ngược lại catot sẽ bị mòn lớn hơn khi tăng thời gian phát xung [34] Bên cạnh ảnh hưởng của thời gian phát xung thì các thông số công nghệ khác cũng có ảnh hưởng đến năng lượng tia lửa điện dẫn đến sẽ ảnh hưởng đến MRR và TWR Nhìn chung, MRR của EDM thấp đặc biệt với gia công xung định hình, điều này sẽ làm tăng thời gian gia công

và chi phí tiêu hao vật liệu điện cực, gây ra sai số độ chính xác hình học của bề mặt

gia công [104]

2 Chất lượng bề mặt gia công

Bề mặt gia công bằng EDM được đặc trưng bởi hình dạng, thành phần hóa học, cấu trúc tổ chức tế vi và cơ lý tính của nó Độ nhám bề mặt tăng khi năng lượng xung tăng [60] Nhiệt của các tia lửa điện sẽ tạo ra lớp bề mặt phôi bao gồm nhiều lớp: Lớp trắng, lớp đúc lại và vùng ảnh hưởng nhiệt (hình 1.6) Lớp trắng có thành phần hóa học, cấu trúc tổ chức tế vi và cơ lý tính khác so với lớp nền [105] Chiều dày lớp đúc lại và vùng ảnh hưởng nhiệt có thể được xác định thông qua phân tích sự tác động bởi năng lượng nhiệt của tia lửa điện Lớp trắng là lớp ngoài cùng trên bề mặt gia công nên nó ảnh hưởng trực tiếp đến khả năng làm việc của bề mặt phôi Sau EDM lớp bề mặt gia công thường có cơ tính thấp, độ nhám bề mặt lớn và có nhiều vết nứt tế vi nên ảnh hưởng không tốt đến khả năng làm việc của

chi tiết (nhất là các chi tiết khuôn rèn, khuôn dập, dụng cụ cắt, ) [22]

Hình 1.6 Lớp bề mặt sau EDM [72]

Một số kết quả nghiên cứu về gia công bằng tia lửa điện cho thấy: Ở điều kiện nhất định của quá trình gia công, dưới tác dụng của các tia lửa điện thì vật liệu điện cực bị nóng chảy và bay hơi xâm nhập một lượng đáng kể lên bề mặt phôi [60]; bề mặt của thép không gỉ sau khi gia công bằng tia lửa điện với điện cực Si đã được phủ một lớp vô định hình với sự xuất hiện của lượng lớn Si nóng chảy tách ra

từ điện cực giúp nâng cao đáng kể khả năng chống ăn mòn hóa học và chịu mài mòn [67]; sử dụng điện cực thiêu kết từ bột Ti trong gia công khuôn có thể nâng cao

độ bền của khuôn từ 3 đến 7 lần [25], [31], [96]; với việc trộn bột kim loại hoặc hợp kim thích hợp vào trong dung dịch điện môi (PMEDM) có thể làm xuất hiện vật liệu bột tương ứng trên bề mặt gia công dẫn đến nâng cao đáng kể chất lượng bề mặt gia công [20], [23÷28], Những kết quả đó mở ra hướng nâng cao chất lượng

bề mặt gia công ngay trong quá trình EDM

3 Độ chính xác kích thước gia công

Khi gia công, các tia lửa điện sẽ làm nóng chảy và bay hơi vật liệu của cả phôi và điện cực dụng cụ Điều này sẽ làm hình dáng hình học của bề mặt điện cực

bị thay đổi, dẫn đến bề mặt gia công cũng thay đổi theo Ngoài ra, trong suốt quá trình gia công bằng EDM luôn tồn tại khe hở phóng điện giữa điện cực và phôi Khe

hở này cùng với lượng mòn điện cực đã gây ra những sai số hình dáng hình học của

bề mặt gia công Các sai số sẽ được điều chỉnh thông qua độ chính xác hình dáng hình học của điện cực dụng cụ và các thông số công nghệ Độ chính xác kích thước

gia công được xác định phụ thuộc vào ứng dụng thực tiễn, cụ thể:

- Lượng quá cắt (d) là sự sai khác giữa đường kính lỗ sau gia công với đường

kính điện cực Chỉ tiêu này thường được sử dụng để đánh giá với máy cắt dây hoặc xung định hình các lỗ có kích thước nhỏ hoặc siêu nhỏ d xác định theo công thức:

- Độ chính xác profil bề mặt gia công là độ chính xác hình dạng và kích thước

của các bề mặt sau gia công bằng xung định hình Các bề mặt sử dụng gia công lần cuối bằng EDM thì chỉ tiêu này sẽ ảnh hưởng trực tiếp đến độ chính xác sản phẩm

1.1.6 Các hướng nghiên cứu trong EDM

EDM là phương pháp được sử dụng nhiều nhất so với các phương pháp gia công phi truyền thống khác [34] Tuy nhiên, năng suất bóc tách vật liệu thấp, điện cực liên tục bị mòn đã ảnh hưởng đáng kể đến hiệu quả kinh tế và độ chính xác gia công của EDM [15], [51] Ngoài ra, lớp bề mặt sau gia công EDM có độ nhám bề mặt lớn, nhiều vết nứt tế vi và bị thay đổi đáng kể cấu trúc tế vi và cơ lý tính làm ảnh hưởng không tốt đến khả năng làm việc của chi tiết [61] Chính vì vậy, những nghiên cứu đã được công bố gần đây về EDM tập trung vào việc nghiên cứu ảnh hưởng của các yếu tố đến năng suất và chất lượng bề mặt gia công của của phương pháp này

1 Nghiên cứu về ảnh hưởng của các thông số công nghệ

Khả năng công nghệ của EDM không chỉ bị ràng buộc công suất của máy mà

còn phụ thuộc rất nhiều vào các thông số công nghệ Công suất tiêu thụ, chất lượng

bề mặt và năng suất bóc tách vật liệu của EDM chịu ảnh hưởng bởi rất nhiều thông

số công nghệ như: Điện áp phóng tia lửa điện, cường độ dòng điện, khe hở phóng điện, thời gian phát xung, thời gian ngừng phát xung, sự phân cực điện cực, dòng và đặc trưng của dung dịch điện môi, độ dẫn điện của điện cực - phôi, diện tích gia công, [24], [34], [74], [80] Các kết quả khảo sát với điện cực Cu và vật liệu gia công là thép SKD61 đã cho thấy: Khi tăng cường độ dòng điện đã làm MRR, TWR

và Ra tăng nhanh nhưng khi thời gian phát xung tăng dẫn đến MRR và Ra tăng nhưng TWR giảm (hình 1.7 và 1.8) Và ảnh hưởng của cường độ dòng điện đến các chỉ tiêu đánh giá là mạnh hơn so với thời gian phát xung [80]

a) MRR b) Ra c) TWR

Hình 1.7 Ảnh hưởng của thời gian phát xung [80]

a) MRR b) Ra c) TWR

Hình 1.8 Ảnh hưởng của cường độ dòng điện [80]

2 Nghiên cứu ảnh hưởng của số lượng tia lửa điện trong mỗi lần phát xung

Thông thường trong EDM chỉ tạo ra một tia lửa điện cho mỗi lần phát xung

Để tạo ra nhiều tia lửa điện trong mỗi lần phát xung thì điện cực sẽ được chia thành hai hoặc nhiều phần điện cực nhỏ [31], [27] Các phần điện cực nhỏ này sẽ được cách điện giữa chúng và được kết nối với bộ phận phát xung để tạo ra nhiều tia lửa điện đồng thời trong một lần phát xung làm tăng năng suất bóc tách vật liệu Thông qua thực nghiệm khảo sát ảnh hưởng của số phần chia điện cực Cu đến MRR trong gia công thép dụng cụ, Yang X et al (2016) đã đề xuất giải pháp mới làm tăng số lượng các tia lửa điện [103] Kết quả đã chỉ ra rằng, số lượng các tia lửa điện sẽ phụ thuộc vào số lượng các phần nhỏ của điện cực và khi số phần chia của điện cực tăng lên dẫn đến năng suất bóc tách vật liệu tăng theo (hình 1.9) Số lượng các tia lửa điện sẽ phụ thuộc vào số lượng các phần nhỏ của điện cực Điện năng tiêu thụ của EDM thông thường với EDM có điện cực được chia nhỏ tương tự nhau, nhưng công suất của tia lửa điện trong EDM có điện cực chia nhỏ sẽ bằng ‘n’ lần so với EDM thông thường trong một lần phát xung [19] Do vậy, chất lượng bề mặt và MRR của EDM có điện cực chia nhỏ cao hơn so với EDM thông thường nhưng công suất tiêu

thụ lại nhỏ hơn Tuy nhiên, việc chia nhỏ điện cực và đảm bảo sự cách điện giữa chúng là rất khó, nhất là bề mặt điện cực phức tạp hoặc kích thước nhỏ

Hình 1.9 Quan hệ giữa MRR với số phần chia của điện cực [103]

3 Nghiên cứu về ảnh hưởng của thành phần dung dịch điện môi

Dung dịch điện môi sử dụng trong EDM có thể ở các dạng: lỏng, khí hoặc hỗn hợp lỏng và khí Vật liệu dung dịch điện môi là các loại dầu cách điện, nước khử ion và khí ga Sự ảnh hưởng của vật liệu dung dịch điện môi đến MRR và chất lượng bề mặt của thép làm khuôn 8407 trong EDM đã được Zhen L et al (2014) nghiên cứu tại [109] Kết quả đã cho thấy: Vật liệu dung dịch điện môi có ảnh hưởng mạnh đến hiệu quả gia công bằng EDM, dầu hỏa cho MRR thấp nhất trong 3 dung dịch điện môi được nghiên cứu và chất điện môi lỏng cho hiệu quả cao hơn chất khí (hình 1.10) Dung dịch điện môi có ảnh hưởng rất lớn đến năng suất, chất lượng và độ ổn định quá trình gia công

Hình 1.10 Ảnh hưởng của vật liệu chất điện môi đến chất lượng lớp bề mặt và hiệu

quả gia công trong EDM [109]

Biện pháp trộn bột vào dung dịch điện môi (PMEDM) với các loại bột khác nhau (Al, Cr, Si, Gr, Cu, ) đã được giới thiệu trong nhiều nghiên cứu và cho kết quả rất khả quan về khả năng nâng cao năng suất và chất lượng bề mặt gia công [39], [104] Liew P J et al (2016) đã giới thiệu ảnh hưởng của nồng độ bột nano các bon (C) trong dung dịch điện môi tới kích thước khe hở phóng điện, MRR, TWR và chất lượng bề mặt gia công thép không gỉ SUS304 bằng EDM với điện cực

W [64] Kết quả cho thấy: Việc trộn bột nano C vào dung dịch điện môi đã làm tăng đáng kể kích thước khe hở phóng điện, năng suất gia công, độ cứng tế vi và độ bền mài mòn của bề mặt gia công, đồng thời lượng mòn điện cực giảm (hình 1.11) Kích thước, đặc trưng của bột và loại dung dịch điện môi đóng vai trò quan trọng trong PMEDM [20]

a) Khe hở phóng điện b) MRR c) Ra

Hình 1.11 Ảnh hưởng bột nano C trong EDM [64]

Thống kê số liệu nghiên cứu đã công bố 1981÷2015 cho thấy sự phổ biến các loại dung dịch điện môi trong nghiên cứu về PMEDM được thể hiện trên hình 1.12

Hình 1.12 Chất điện môi trong nghiên cứu PMEDM [64]

4 Nghiên cứu điều khiển các điện cực trong EDM

Điều khiển chuyển động của các điện cực là điều khiển quan trọng nhất quyết định đến quá trình gia công bằng EDM Hiện nay, điều khiển servo được sử dụng để điều khiển chuyển động của các điện cực nhờ đó điều khiển chính xác kích thước khe hở phóng điện, hiệu quả gia công và độ ổn định trong EDM Trong thực

tế, không nhất thiết tia lửa điện có cường độ tốt như nhau với hai lần phát xung liên tục khi khe hở phóng điện không đổi [64] Điều này là do đỉnh và đáy của các nhấp nhô trên bề mặt phôi, hạt tạp chất trong dung môi đã làm thay đổi đặc trưng dẫn điện trong khe hở phóng điện Hệ thống điều khiển thích nghi dùng để duy trì kích thước khe hở mong muốn tạo ra tia lửa điện tốt, ngăn ngừa hiện tượng phóng hồ quang và ngắn mạch [20] Một số kỹ thuật đã được ứng dụng để điều khiển thích nghi chuyển động EDM như: Tích hợp rung động, điều khiển mờ, thiết bị tạo xung

và hệ thống điều khiển servo chuyển động điện cực [19], [31], [104], [106] Ghiculescu D et al (2014) đã nghiên cứu tích hợp rung siêu âm trong điều khiển servo chuyển động điện cực Cu nhằm nâng cao năng suất và chất lượng quá trình gia công xung thép dụng cụ X210Cr12 [30] Kết quả đã cho thấy: Tích hợp rung động trong EDM đã làm MRR tăng, TWR và Ra giảm (hình 1.13) Nghiên cứu các

hệ thống điều khiển tối ưu chuyển động servo của điện cực không chỉ giúp phát hiện những lỗi không mong muốn xuất hiện trong quá trình gia công mà còn tạo ra sự thay đổi thích nghi trước khi các hiện tượng này xảy ra [78] Tuy nhiên, đây là vấn

đề rất phức tạp và cần tiếp tục nghiên cứu trong tương lai

Hình 1.13 Ảnh hưởng của rung động đến MRR, %TWR và Ra [30]

5 Nghiên cứu điều khiển dạng xung trong EDM

Xung trong EDM thường được phân thành các dạng: Xung hở, xung tia lửa điện, xung ngắn mạch, xung hồ quang và xung trễ [72] Các dạng xung khác nhau

sẽ có công suất gia công khác nhau (hình 1.14) Để có thể thực hiện gia công cần tạo ra xung tia lửa điện theo yêu cầu chất lượng bề mặt tốt hơn các xung khác Các xung hồ quang và xung ngắn mạch cho bề mặt gia công có chất lượng thấp, quá trình gia công lại không ổn định do sự xuất hiện của các hạt dẫn điện tồn tại trong khe hở phóng điện và điều này đã ảnh hưởng không có lợi cho quá trình gia công [19] Trong những trường hợp này, người vận hành máy cần thiết phải có những thao tác thích hợp để ổn định quá trình làm việc của máy Chuyển động của điện cực được điều khiển thích nghi đã làm năng suất gia công được cải thiện đáng kể

(tăng 57,5% với tốc độ chuyển động 0,5m/s và 54,95% với 1m/s) so với EDM

được điều khiển servo (hình 1.15) Việc hình thành các dạng xung trong EDM chịu ảnh hưởng của rất nhiều yếu tố trong đó một số yếu tố hiện nay vẫn được coi là nhiễu Vì vậy, nghiên cứu bộ điều khiển thích nghi trực tiếp để hạn chế sự xuất hiện của các dạng xung không mong muốn để ổn định quá trình hoạt động của máy là lĩnh vực rất phức tạp Đây cũng là hướng vẫn đang rất được quan tâm làm rõ

Hình 1.14 Ảnh hưởng của dạng xung đến công suất gia công [72]

Hình 1.15 Ảnh hưởng của phương pháp điều khiển chuyển động điện cực đến thời gian gia công bằng EDM [72]

6 Nghiên cứu tối ưu hóa thông số công nghệ trong EDM

Các thông số công nghệ trong EDM thường được xác định thông qua kinh nghiệm hoặc sổ tay công nghệ Tuy nhiên, việc lựa chọn này sẽ không đảm bảo chắc chắn được kết quả gia công sẽ tối ưu hoặc xấp xỉ trị số tối ưu Để khắc phục vấn đề này, hiện nay hầu hết ảnh hưởng của các thông số công nghệ đều được tối ưu theo các chỉ tiêu TWR nhỏ hơn, chất lượng bề mặt tốt hơn và năng suất bóc tách vật liệu cao hơn [38], [69] Phương pháp được sử dụng trong các nghiên cứu là thực nghiệm nghiên cứu với sự kết hợp của nhiều cặp vật liệu điện cực - phôi khác nhau [44] Sanghani C R et al (2014) đã giới thiệu một số phương pháp và công cụ được sử dụng để giải quyết các bài toán tối ưu hóa các mối quan hệ giữa thông số công nghệ và chỉ tiêu đánh giá trong EDM [78] Các mô hình được thực hiện thực nghiệm kiểm chứng và đã dự đoán được các đặc trưng chất lượng mong muốn [19] Nghiên cứu tối ưu hóa các thông số công nghệ trong EDM rất phức tạp, kết quả nghiên cứu phụ thuộc rất nhiều vào vật liệu điện cực, phôi và máy gia công

EDM đã được ứng dụng khá phổ biến trong sản xuất, tuy nhiên nhiều vấn đề thuộc nguyên lý gia công của phương pháp này vẫn chưa được sáng tỏ như: Thời gian gia công thực tế, kích thước chính xác của khe hở phóng điện, Việc ứng dụng các

hệ thống điều khiển tự động (CAD/CAM, CIM, ) trong tự động hóa vận hành máy EDM chưa nhiều [19] Để có thể sử dụng tối đa hiệu quả kinh tế - kỹ thuật của EDM thì nghiên cứu làm rõ nguyên lý gia công và tự động hóa trong EDM cũng đang rất được quan tâm Thống kê từ năm 1981÷2015 về nghiên cứu đã công bố trong EDM được trình bày trên hình 1.16

Hình 1.16 Sự phân bố nghiên cứu về EDM [19]

Số lượng các nghiên cứu về EDM ở nước ta còn ít, kết quả chủ yếu tập trung cải thiện năng suất và chất lượng gia công của máy cắt dây thông qua điều chỉnh

một số thông số công nghệ [2÷4], [8], [11]

Tóm lại: EDM đã dành được sự quan tâm nghiên cứu của nhiều nhà khoa

học Các nghiên cứu đã công bố tập trung vào làm rõ bản chất của các hiện tượng xảy ra trong quá trình gia công, tìm cách nâng cao năng suất và chất lượng gia công

Có nhiều giải pháp được đưa ra trong đó biện pháp trộn bột vào dung dịch điện môi (PMEDM) đã dành được sự quan tâm lớn của các nhà khoa học (hình 1.16) vì các kết quả nghiên cứu ban đầu cho thấy đây là biện pháp rất khả quan để nâng cao đồng thời cả năng suất và chất lượng gia công

1.2 Biện pháp trộn bột vào dung dịch điện môi trong EDM

1.2.1 Sơ đồ gia công

Hình 1.17 Sơ đồ gia công của PMEDM [89]

Khả năng cách điện đồng nhất của dung dịch điện môi trong EDM đã tạo ra miền phân bố điện trường với cường độ không đổi dẫn đến khe hở phóng điện nhỏ

và tia lửa điện chỉ xuất hiện tại một vài điểm [39] Việc trộn bột dẫn điện vào dung dịch điện môi gây ra sự sai lệch điện trường trong vùng khe hở phóng điện Các điểm ở vị trí gần hai điện cực nhất c, d sẽ có mật độ điện tử cao hơn (hình 1.17b) Các hạt bột a và b có khoảng cách gần nhau nhất, sẽ tạo ra mật độ điện tích lớn nhất dẫn đến dung dịch điện môi sẽ bị đánh thủng sự cách điện dễ dàng nhất Các hạt bột

c và d sau khi nạp và tích điện sẽ làm xuất hiện tia lửa điện giữa chúng và hình

thành các “chuỗi phóng tia lửa điện” [89] Như vậy, PMEDM tạo điều kiện cho

việc phóng tia lửa điện có thể xảy ra dễ dàng và làm tăng kích thước khe hở phóng điện so với EDM Hiện tượng phóng điện giữa các hạt bột dẫn đến số lượng tia lửa điện tăng nên cường độ của chúng sẽ bị giảm (hình 1.17a), điều này tạo ra bề mặt gia công có số lượng vết lõm tăng nhưng đường kính và chiều sâu lại giảm, dẫn đến trị số nhám bề mặt gia công giảm theo [92], [93] Độ rộng của vùng phóng tia lửa điện cũng tăng lên và làm tăng diện tích gia công Việc trộn bột vào dung dịch điện môi không chỉ tạo ra bề mặt gia công đồng nhất mà còn ngăn cản sự xuất hiện hiện tượng phóng hồ quang điện tại một vài vị trí Kích thước khe hở phóng điện phụ thuộc vào nồng độ bột, kiểu bột và các thông số công nghệ khác [92] Nói chung, tăng nồng độ bột làm kích thước khe hở phóng điện tăng theo Tuy nhiên, nồng độ bột tăng quá giới hạn cho phép sẽ làm kích thước khe hở không tăng mà có thể làm xuất hiện các hiện tượng: Ngắn mạch, sụt áp, dung môi bị quá nhiệt,

1.2.2 Bột trộn trong dung dịch điện môi

1 Vật liệu bột

Bột trộn vào dung dịch điện môi phải đảm bảo các yêu cầu: Khả năng dẫn điện

và dẫn nhiệt tốt, không bị hòa tan, khối lượng riêng không quá lớn và đặc biệt phải đảm bảo được mục đích nghiên cứu Số liệu thống kê từ năm 1981÷2015 về mức độ

sử dụng các loại bột trong nghiên cứu PMEDM được trình bày trên hình 1.18

Hình 1.18 Bột trong nghiên cứu PMEDM [64]

2 Đặc trưng của bột trong PMEDM

a Độ dẫn điện của bột đặc trưng bởi mật độ dòng điện (ip) và được xác định bởi công thức (1.4) [35]:

ep: Điện tích tạo bởi một hạt (Coulomb)

: Độ nhớt của dung dịch điện môi (kg.m-1.s-1)

E: Cường độ điện trường tại khe hở (V/m)

dp: Đường kính hạt bột (mm)