Bài viết xây dựng được phương trình hồi quy và các kết luận thể hiện mối quan hệ giữa cường độ dòng điện xung và thời gian phóng tia lửa đến năng suất và độ nhám bề mặt thông qua thực nghiệm và sử dụng phương pháp phân tích phương sai ANOVA.
Trang 1Nghiên cứu ảnh hưởng của cường độ dòng điện xung và thời gian phóng tia lửa điện đến năng suất và nhám bề mặt thép SKD11 nhiệt luyện bằng xung định hình với điện cực graphit
Study on influence of the electric spark intensity and on time and the pulse on productivity and surface roughness for the heat treatment
of SKD11 steel using pulse shaping with graphite electrodes
Email: macvgiang@gmail.com
Trường Đại học Sao Đỏ Ngày nhận bài: 10/01/2020 Ngày nhận bài sửa sau phản biện: 22/3/2020
Ngày chấp nhận đăng: 30/3/2020
Tóm tắt
Nội dung bài báo trình bày kết quả nghiên cứu ảnh hưởng của cường độ dòng điện xung (LVI) và thời gian phóng tia lửa điện (Ton) khi sử dụng điện cực than chì trên máy xung điện CNC-EDM P36+E50, đến năng suất (Q) và độ nhám bề mặt gia công (Ra) đối với thép SKD11 nhiệt luyện Bài báo xây dựng được phương trình hồi quy và các kết luận thể hiện mối quan hệ giữa cường độ dòng điện xung và thời gian phóng tia lửa đến năng suất và độ nhám bề mặt thông qua thực nghiệm và sử dụng phương pháp phân tích phương sai ANOVA Kết quả nghiên cứu dùng để xác định được bộ thông số để đảm bảo năng suất
và độ nhám bề mặt gia công theo yêu cầu
Từ khóa: Nhám bề mặt; máy xung điện CNC-EDM; thép SKD11 nhiệt luyện; cường độ dòng điện xung;
thời gian phóng tia lửa điện.
Abstract
The paper presents the results of research of the electric spark intensity (LVI) and on time and the pulse (Ton) when using graphite electrodes on the P36+E50 electrical pulse generatoron productivity and surface roughness for heat-treated SKD11 steel The paper identified equations regression and the conclusions and the conclusions the relationship between the electric spark intensity and on time and the pulse to the pulse on productivity and surface roughness through experiment with using ANOVA variance analysis method Research results enable used to define a set of parameters ensuring the productivity and surface roughness of the machined parts required
Keywords: Roughness; CNC-EDM electrical impulse generator; steel material SKD11 heat treatment; the electric spark intensityl; on time and the pulse.
1 ĐẶT VẤN ĐỀ
Trong những năm gần đây tại Việt Nam nhu cầu sử
dụng các mác vật liệu có độ cứng và độ bền cao
như: SKD11, SKH40, SKH51, BK15, BK20, BK25
hoặc một số mác thép thay thế như 160Cr12Mo,
Người phản biện: 1 PGS.TS Hoàng Văn Gợt
2 TS Nguyễn Văn Hinh
130Cr12V, 210Cr12 làm khuôn dập, khuôn ép, chày dập trong chế tạo roto và stato của động cơ điện không ngừng tăng Thép SKD 11 có độ thấm tôi tốt và ứng suất tôi thấp thường sử dụng trong gia công khuôn mẫu, các chi tiết chịu mài mòn cao, rất phù hợp với phương pháp gia công tia lửa điện nói chung và xung điện nói riêng Thực trạng việc xác định chế độ công nghệ để gia công thường xác
Trang 2định dựa theo tài liệu kèm theo máy hoặc theo kinh
nghiệm do đó hiệu quả khai thác và sử dụng máy
bị hạn chế, liên quan đến việc giải quyết các vấn đề
còn tồn tại như trên, một số công trình khoa học đã
được công bố
Công trình nghiên cứu “Ứng dụng sự kết hợp của
Taguchi và PSI để tối ưu hóa đa mục tiêu các thông
số công nghệ trong xung định hình thép SKD11”
của nhóm tác giả Nguyễn Văn Đức, Phạm Văn
Bổng, Nguyễn Hữu Phấn đã đưa ra được bộ thông
số tối ưu: U = 50 V, Ton = 18 μs, Tof = 25 μs, I = 4 A
khi xung định hình thép SKD11, vật liệu điện cực
đồng đỏ trên máy xung định hình CM323C
Luận án tiến sĩ “Ảnh hưởng của một số yếu tố công
nghệ đến chất lượng chi tiết được gia công bằng
phương pháp tia lửa điện” của tác giả Đỗ Văn Vũ
đã nghiên cứu và đưa ra các kết luận về ảnh hưởng
của cường độ dòng điện xung, thời gian xung và
thời gian ngắt xung đến năng suất, độ nhám bề
mặt Ảnh hưởng của cường độ dòng điện xung đến
năng suất lớn hơn 90%, ảnh hưởng đến độ nhám
lớn hơn 60% Ảnh hưởng của thời gian xung đến
độ nhám bề mặt trên 29%
Nghiên cứu ảnh hưởng của hai thông số quan trọng
là cường độ dòng điện xung và thời gian phóng tia
lửa điện khi gia công thép SKD11 đã nhiệt luyện sử
dụng điện cực than chì trên máy xung điện
CNC-EDM P36 + E50 trong điều kiện gia công cụ thể có
ý nghĩa quan trọng để đạt được năng suất và độ
nhám theo yêu cầu
2 HỆ THỐNG THÍ NGHIỆM
2.1 Thiết bị thực nghiệm
Là máy xung điện CNC-EDM P36 + E50 hiện có tại
Trung tâm công nghệ cao khoa Cơ khí Trường Đại
học Sao Đỏ (hình 1)
Hình 1 Máy xung điện CNC-EDM P36+E50
2.2 Phôi thực nghiệm
Kết quả phân tích thành phần hóa học của mẫu
thép thực nghiệm như bảng 1
Bảng 1 Kết quả phân tích thành phần hóa học của
thép SKD11
Kích thước phôi: phôi hộp 200 × 120 × 50 mm
Hình 2 Phôi thực nghiệm
2.3 Dụng cụ đo
Dụng cụ đo độ nhám Mitutoyo SJ-201P
Hình 3 Máy đo độ nhám
2.4 Điều kiện và các giả thiết thực nghiệm
Thực nghiệm được thực hiện với các điều kiện và giả thiết sau:
- Các yếu tố phi công nghệ [4÷6]
+ Chất lượng và dòng chảy dung môi không
thay đổi
+ Tiết diện cực graphit là không đổi trong suốt quá
trình thực nghiệm
+ Vật liệu phôi có tính đồng nhất
Trang 3Bảng 2 Quy hoạch thực nghiệm thông số đầu vào
Vị trí TN
Biến thức
mã hóa LVI
(A)
T ON (S)
HVI (V)
T OFF (S)
∆ (mm)
h (mm)
X 1 X 2
Hình 5 Chi tiết sau khi xung tại 5 vị trí
+ Năng suất gia công Năng suất gia công được tính toán gián tiếp
3
Q= (mm /ph) T
V
(2) Trong đó:
V là thể tích kim loại được xung: V= 140,6(mm /ph)3 T(ph) là tổng thời gian gia công xong 1 vị trí + Đo độ nhám
Tại một vị trí thực hiện 4 lần đo
Bảng 3 Kết quả đo độ nhám R a (μm)
Lần đo Vị trí
1
Vị trí 2
Vị trí 3
Vị trí 4
Vị trí 5
Bảng 4 Kết quả thực nghiệm
Vị trí TN
Biến thức mã hóa LVI T ON R a T V Q
X 1 X 2 (A) (s) (m) (ph) (mm 3 ) (mm ph) 3 /
+ Nhiệt độ môi trường ổn định trong suốt quá trình
thực nghiệm
+ Rung động và nhiễu coi như không đáng kể và ổn
định trong suốt quá trình thực nghiệm
+ Bỏ qua nhiễu hệ thống và nhiễu ngẫu nhiên
- Các thông số công nghệ khác
Các thông số có mức ảnh hưởng tới năng suất gia
công và độ nhám thấp, chọn theo khuyến cáo của
nhà sản xuất thiết bị:
+ Điện áp xung: Chọn theo cặp vật liệu điện cực và
phôi: HVI = 80(V)
+ Thời gian ngắt xung: TOFF = 25 (μs)
+ Khe hở điện cực: ∆ = 0,05 (mm)
+ Chiều dày vết xung: h = 0,04 (mm)
2.5 Thực nghiệm và phân tích kết quả
- Mô hình thực nghiệm
Hình 4 Mô hình thực nghiệm
Thông số công nghệ trong thực nghiệm:
+ Cường độ dòng điện xung trong thực nghiệm:
LVI = 31 ÷ 45(A)
+ Thời gian xung: TOFF = 50 ÷ 70μs
Đặt: X =LVI; X = T1 2 ON
1max
X = 45(A) X1min= 31(A) X = 38(A)1tb
TONmax = 70(μs) TONmin = 50(μs) TONtb = 60(μs)
Mã hóa giá trị:
1max
X = +1 X = -11min X = 01tb
ONmax
T = +1 TONmin= -1 TONtb= 0
- Thực nghiệm
+ Số lần thực nghiệm tối thiểu [4]:
Trong đó:
k số biến đầu vào: k = 2 [4]
Để nâng cao độ chính xác, thêm 1 lần thực nghiệm,
tổng số lần thực nghiệm n = 5
Yếu tố
phi công nghệ
Độ nhám bề mặt (R a ) Năng suất gia công Q
TOF
TON
Kích thước 1 vị trí
1
5
Trang 4- Xây dựng phương trình hồi quy độ nhám bề
mặt phụ thuộc cường độ dòng điện xung và
thời gian phóng tia lửa điện
+ Theo phân tích phương sai ANOVA [3], ta có:
(3) Trong đó:
i
y : giá trị đo trong thí nghiệm;
y: giá trị trung bình sau n lần đo;
ˆy: giá trị của hàm thực nghiệm
Số thực nghiệm: n = 5
+ Nghiệm của (3) có dạng:
b
y = a + X + c.X (4)
+ Sử dụng công cụ Regression xác định các hệ số
hồi quy: a = -0,2237, b = 0.0111, c = 0.0048 và thay
vào (4), được phương trình hồi quy:
0,0111
y = -0,2237 + X + 0,0048.X (5)
+ Đánh giá độ tin cậy của hàm hồi quy thực nghiệm:
Kiểm nghiệm độ chính xác của công thức thực
nghiệm dùng chỉ tiêu:
(6)
Trong đó:
σyTN: Sai lệch bình phương trung bình của các giá
trị thực nghiệm;
σy: Sai lệch bình phương trung bình khi đo
Bảng 5 Các thành phần khi tính sai lệch bình
phương trung bình của các giá trị thực nghiệm
Vị trí TN y y TN (y-y TN ) 2
yTN: Được xác định bằng cách thay các biến số
vào [4];
k = 2: Hằng số thực nghiệm [4]
(7)
Thay số vào (7) được: σy TN = 0,0017
Bảng 6 Sai lệch bình phương trung bình khi đo
Vị trí TN y y dn y tb y = y - y1i dn (y -y )1i tb 2
Trong đó:
Vậy công thức thực nghiệm (5) đã xác định chấp nhận được
Đồ thị quan hệ độ nhám bề mặt phụ thuộc cường
độ dòng điện xung và thời gian phóng tia lửa điện
Hình 6 Đồ thị biểu diễn quan hệ giữa R a
với LVI và T ON
Nhận xét:
Khi tăng cường độ dòng điện xung và thời gian phóng tia lửa điện thì độ nhám tăng và ngược lại, trong đó ảnh hưởng của cường độ dòng điện xung
có vai trò lớn vì hệ số hồi quy lớn hơn xo với hệ số hồi quy của thời gian phóng tia lửa điện khoảng 2,3 lần và đã phù hợp với kết luận của [1]
- Xây dựng phương trình hồi quy năng suất gia công phụ thuộc cường độ dòng điện xung và thời gian phóng tia lửa điện
+ Theo phân tích phương sai ANOVA với dữ liệu trong bảng 4, được phương trình hồi quy:
(8) + Đánh giá độ tin cậy của hàm hồi quy thực nghiệm:
i=1 ( y - y ) = i=1 ( y - y )ˆ + i=1 ( y - y )ˆ
TN
σ £σ
TN
y
(y - y ) (y - y )
dn y y 0,61 0,36
n dn i=1 tb
( y-y )
n
å
n
2
i=1
σ = å(y -y ) =0,182
£
TN
σ = 0,0017 σ = 0,182
y =-0,288 + 0,0375.X + 0,00575.X
Trang 5Bảng 7 Các thành phần khi tính sai lệch bình
phương trung bình của các giá trị thực nghiệm
Vị trí TN y y TN (y-y TN ) 2
yTN: Được xác định bằng cách thay các biến số vào
(7)
k = 2: Hằng số thực nghiệm [4]
(9)
Thay số vào (9) được: σyTN = 0,0031
Bảng 8 Sai lệch bình phương trung bình khi đo
Vị trí TN y ydn ytb y = y - y1i dn (y -y )1i tb 2
Trong đó:
Vậy công thức thực nghiệm (8) đã xác định chấp
nhận được
Đồ thị quan hệ năng suất gia công phụ thuộc cường
độ dòng điện xung và thời gian phóng tia lửa điện
Hình 7 Đồ thị biểu diễn quan hệ giữa Q
với LVI và T ON
Nhận xét: Khi tăng cường độ dòng điện xung và thời gian phóng tia lửa điện thì độ năng suất tăng
và ngược lại, tuy nhiên ảnh hưởng của cường độ dòng điện xung có vai trò lớn hơn vì có hệ số hồi quy lớn hơn so với hệ số hồi quy của thời gian phóng tia lửa điện khoảng 6,5 lần và đã phù hợp với kết luận của [1]
3 KẾT LUẬN
Nội dung bài báo đã nghiên cứu ảnh hưởng của cường độ dòng điện xung (LVI) và thời gian phóng tia lửa điện (TON) khi sử dụng điện cực than chì trên máy xung điện CNC-EDM P36+E50, đến năng suất (Q) và độ nhám bề mặt gia công (Ra) đối với thép SKD11 nhiệt luyện, đã xây dựng được hai phương trình hồi quy
Phương trình hồi quy độ nhám bề mặt phụ thuộc cường độ dòng điện xung và thời gian phóng tia lửa điện
O
a 0,0111.LVI + N
R = -0,2237 + 0,0048.T (4*) Phương trình hồi quy năng suất gia công phụ thuộc cường độ dòng điện xung và thời gian phóng tia lửa điện
Q = - 0,288 + 0,0375.LVI + 0,00575.TON (7*)
Căn cứ vào hai phương trình hồi quy thực nghiệm trên có thể lựa chọn hợp lý LVI và TONđể đồng thời đảm bảo năng suất và độ nhám bề mặt chi tiết gia
công trên máy xung điện CNC - EDM P36 + E50
với điện cực graphit
TÀI LIỆU THAM KHẢO
[1] Đỗ Văn Vũ (2013), Nghiên cứu ảnh hưởng
của một số yếu tố công nghệ đến chất lượng chi tiết được gia công bằng phương pháp tia lửa điện, Viện Máy và Dụng cụ Công nghiệp,
Luận án tiến sĩ
[2] Vũ Hoài Ân (2005), Gia công tia lửa điện
CNC, Nhà xuất bản Khoa học và Kỹ thuật
[3] Lý thuyết thực hành gia công xung điện, tài
liệu trung tâm đào tạo Đại học Công nghiệp
Hà Nội - Tập đoàn Khoa học Kỹ thuật Hồng Hải, 2007
[4] Nguyễn Doãn Ý (2009), Xử lý số liệu thực
nghiệm trong kỹ thuật, Nhà xuất bản Khoa
học và Kỹ thuật
[5] Tô Cẩm Tú, Trần Văn Diễn, Nguyễn Đình
Hiên, Phạm Chí Thành (1999), Thiết kế và
phân tích thí nghiệm, Nhà xuất bản Khoa học
và Kỹ thuật
TN
y
(y - y ) (y - y )
max min
dn
n
dn
i=1
tb
( y-y )
n
å
n
2
y 1i tb
i=1
£
TN
σ = 0,0031 σ = 0,158
Trang 6THÔNG TIN TÁC GIẢ
Mạc Văn Giang
- Tóm tắt quá trình đào tạo, nghiên cứu (thời điểm tốt nghiệp và chương trình đào tạo, nghiên cứu):
+ Năm 2004: Tốt nghiệp Đại học ngành Chế tạo máy, Trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp Thái Nguyên
+ Năm 2010: Tốt nghiệp Thạc sĩ ngành Công nghệ kỹ thuật cơ khí, Trường Đại học Bách khoa Hà Nội
- Tóm tắt công việc hiện tại: Giảng viên khoa Cơ khí, Trường Đại học Sao Đỏ
- Lĩnh vực quan tâm: Tính toán, thiết kế máy, công nghệ chế tạo máy, lập trình và gia công trên máy CNC
- Điện thoại: 0971953180
- Email: macvgiang@gmail.com
