Rungđộng với biên độ rất nhỏ tích hợp vào phôi hoặc điện cực trong phương pháp PMEDM làgiải pháp hiệu quả mà nghiên cứu này tập trung giải quyết.. Mục đích, đối tượng, phạm vi nghiên cứ
Trang 1BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
Lê Quang Dũng
NGHIÊN CỨU QUÁ TRÌNH GIA CÔNG TIA LỬA ĐIỆN
TRONG DUNG DỊCH CÓ TRỘN BỘT TITAN KẾT HỢP HỆ THỐNG RUNG ĐỘNG TẦN SỐ THẤP TRÊN CHI TIẾT
Ngành: Kỹ thuật cơ khí
Mã số: 9520103
TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT CƠ KHÍ
Hà Nội – 2021
Trang 2Công trình được hoàn thành tại:
Trường Đại học Bách khoa Hà Nội
Vào hồi …… giờ, ngày … tháng … năm ………
Có thể tìm hiểu luận án tại thư viện:
1 Thư viện Tạ Quang Bửu - Trường ĐHBK Hà Nội
Trang 3MỞ ĐẦU
1 Tính cấp thiết của đề tài nghiên cứu
Vật liệu có độ cứng cao có khả năng chống mài mòn tốt, cơ tính ít thay đổi khi làmviệc ở nhiệt độ cao, được áp dụng rộng rãi Cơ khí, ô tô, vũ trụ, hàng không, quốc phòng,
y tế, điện - điện tử - tự động hóa v.v
EDM là phương pháp xung định hình đang được sử dụng phổ biến do giá thành củathiết bị thấp, tính vạn năng cao và thao tác đơn giản Nên những nghiên cứu theo hướngnâng cao năng suất và chất lượng của xung định hình với các sản phẩm khuôn mẫu là rấtcần được quan tâm
Trong lĩnh vực y tế , nhiễm trùng trong cấy ghép y tế đòi hỏi một quá trình điều trịlâu dài và thường tốn kém, ảnh hưởng đến tâm lý của bệnh nhân và gây tử vong trongnhiều trường hợp Một số phương pháp như cấy ion, lắng đọng hơi vật lý và phun từtrường đã chứng minh hiệu quả của chúng trong lớp phủ kháng khuẩn Tuy nhiên, đây lànhững phương pháp phủ hoàn toàn, không có phương pháp nào có khả năng đồng thờigia công và phủ một lớp kháng khuẩn trên bề mặt của cấy ghép y tế PMEDM là mộtphương pháp đầy hứa hẹn để gia công đồng thời và phủ một lớp kháng khuẩn lên bề mặt.Trong thời gian gần đây, siêu hợp kim gốc niken (Inconel 601, Inconel 625, Inconel
718, … ) được sử dụng rộng rãi trong ngành hàng không vũ trụ, hóa học và hàng hải nhờkhả năng tối ưu của chúng để giữ các tính chất cơ học ở nhiệt độ cao kết hợp với khảnăng chống ăn mòn đáng kể Do đó, mục đích của nghiên cứu mới hiện nay nhằm cảithiện năng suất và tính toàn vẹn bề mặt của bề mặt gia công của Inconel 625 (một siêuhợp kim gốc niken) bằng cách tẩm các hạt bột như than chì, nhôm và silicon thành điệnmôi dầu hỏa trong quá trình gia công phóng điện ( PMEDM)[2]
Nhược điểm của gia công xung là năng suất và chất lượng bề mặt, bởi việc thoátphoi trong quá trình gia công Thiết kế một hệ thống hỗ trợ gia công EDM đảm bảo đượctối ưu cho phương pháp này là một bài toán đang được nghiên cứu trên thế giới Rungđộng với biên độ rất nhỏ tích hợp vào phôi hoặc điện cực trong phương pháp PMEDM làgiải pháp hiệu quả mà nghiên cứu này tập trung giải quyết Rung động kết hợp với bộttrộn trong dung môi giúp quá trình gia công được ổn định hơn từ đó năng suất và chấtlượng được cải thiện Vì vậy, nghiên cứu sinh đã lựa chọn đề tài luận án:
“Nghiên cứu quá trình gia công tia lửa điện trong dung dịch có trộn bột titan kết hợp hệ thống rung động tần số thấp trên chi tiết.”
2 Mục đích, đối tượng, phạm vi nghiên
cứu 2.1 Mục đích nghiên cứu
Nghiên cứu tính hiệu quả của phương pháp PMEDM dưới dòng phun áp lực cao và
so sánh với phương pháp PMEDM thông thường thông qua đánh giá ảnh hưởng của quátrình gia công vật liệu thép SKD61;
Nghiên cứu tính hiệu quả của phương pháp V- PMEDM đặt vào phôi và so sánhvới phương pháp PMEDM thông thường thông qua đánh giá ảnh hưởng của quá trìnhgia công vật liệu thép SKD61;
Nghiên cứu mối quan hệ của các thông số đầu vào (Dòng điện (I), nồng độ bột(C),Thời gian phóng điện(Ton), Áp suất dòng phun(P), Tần số rung động (F),Biên độ rungđộng(A) và các thông số đầu ra (năng suất,mòn điện cực,nhám bề mặt, độ cứng bề mặt,chiều dày lớp trắng) khi gia công thông thường và gia công dưới dòng phun áp lực cao
và tích hợp rung động vào phôi SKD61
Trang 42.2 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
- Đối tượng nghiên cứu : Quá trình gia công xung điện có trộn bột tích hợp rung động và dòng phun dung môi (V- PMEDM) thép SKD61
Nghiên cứu thực nghiệm ảnh hưởng của các tham số đầu vào đến các thông số đầu
ra, sử dụng phương pháp thiết kế thực nghiệm Taguchi và phân tích phương sai ANOVA
2.3 Phương pháp nghiên cứu
Phương pháp nghiên cứu của luận án là nghiên cứu lý thuyết và kết hợp thựcnghiệm đánh giá kết quả nghiên cứu
2.4 Ý nghĩa khoa học và ý nghĩa thực tiễn của đề tài
Đã phân tích và làm rõ tính hiệu quả của phương pháp gia công vật liệu cứng bằngphương pháp xung điện có trộn bột trong dung môi khi gia công thép SKD61 tích hợprung vào phôi Việc chọn bột Ti trộn vào dung dịch điện môi và tích hợp rung vào phôikhông những làm nâng cao năng suất, giảm nhấp nhô bề mặt mà còn cải thiện cơ tính lớp
bề mặt thép SKD61 sau gia công EDM Điều này sẽ nâng cao tuổi bền của các bề mặtkhuôn mẫu
Đã nghiên cứu xây dựng được mối quan hệ của chế độ công nghệ (dòng điện xả,thời gian đánh lửa, nồng độ bột, áp suất dòng phun dung môi, tần số và biên độ rungđộng) với các thông số đầu ra là năng suất bóc tách vật liệu(MRR), độ mòn điện cực(EWR), chất lượng bề mặt (Ra) ,độ cứng bề mặt (HV) chiều dày lớp bề mặt ảnh hưởng
do quá trình EDM (WLT) khi gia công thép SKD61 bằng phương pháp xung điện
Ý nghĩa thực tiễn:
Đề tài là cơ sở để thiết kế một hệ thống hỗ trợ gia công đảm bảo năng suất và chấtlượng cho EDM, đồng thời giúp tăng năng suất và giảm giá thành gia công với các chitiết khó bởi độ cứng cao
5 Những đóng góp mới của luận án
Khảo sát mức độ ảnh hưởng của nồng độ bột Titan thấp (1-8g/l) và tần số rungđộng thấp (<1000Hz) đều có ảnh hưởng đáng kể đến năng suất và chất lượng quá trìnhgia công bằng EDM
Trang 5rung động) đến các chỉ tiêu chất lượng (MRR, EWR, Ra, HV, WLT) trong PMEDM với rung động tích hợp vào phôi;
- Xác định được bộ thông số công nghệ hợp lý và giá trị phù hợp của các chi tiêuchất lượng (MRR, EWR, Ra, HV, WLT) của quá trình gia công bằng PMEDM với rungđộng tích hợp vào phôi trong các bài toán quyết định đơn mục tiêu bằng phương phápTaguchi;
- Xác định được giá trị phù hợp với bộ thông số công nghệ hợp lý trong bài toánquyết đinh đa mục tiêu của quá trình gia công bằng PMEDM với rung động tích hợp vàophôi (5 chỉ tiêu chất lượng) bằng kết hợp phương pháp Taguchi – Topsis;
- Xác định được hiệu quả của PMEDM trong cải thiện cơ tính của bề mặt thép làm khuôn (xuất hiện tổ chức cacbit Titan trong lớp bề mặt) gia công bằng PMEDM
6 Cấu trúc nội dung luận án
Các nội dung nghiên cứu của luận án được trình bày trong 4 chương như sau:
Chương 1: Tổng quan về gia công xung điện (EDM) và gia công xung điện có trộn bột(PMEDM)
Chương 2: Cơ sở lý thuyết của phương pháp gia công xung điện có trộn bột tích hợprung động
Chương 3 Thực nghiệm khảo sát ảnh hưởng của bột và rung động đến hiệu quả gia côngxung điện
Chương 4: Xác định bộ thông số công nghệ hợp lý trong PMEDM với rung động gántrên phôi
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ GIA CÔNG XUNG ĐIỆN (EDM)
VÀ GIA CÔNG XUNG ĐIỆN CÓ TRỘN BỘT (PMEDM).
1.1 Khái quát về phương pháp xung định hình
1.1.1 Nguyên lý gia công EDM
Tia lửa điện được hình thành gián đoạn tại khe hở giữa điện cực (dụng cụ) và điệncực (phôi) ngâm trong dung dịch điện môi (Hình 1 1) Các tia lửa điện này sẽ gây xóimòn lớp vật liệu bề mặt của cả điện cực và phôi Các tia lửa điện xuất hiện trên toàn bộ
bề mặt của phôi dẫn đến dạng bề mặt cần gia công được hình thành Độ chính xác hìnhdạng của bề mặt gia công xấp xỉ độ chính xác của điện cực
Hình 1 1 Quá trình hình thành tia lửa điện trong EDM [4]
1.2 Sự phát triển công nghệ và những nghiên cứu trong lĩnh vực PMEDM
Trang 6Bột là phụ gia vào chất lỏng điện môi Kích thước của bột là micro và nano Sự phát triển công nghệ và nghiên cứu trong lĩnh vực PMEDM được thể hiện trong Hình 1 4.
Mô hình hóa quá trình và mô phỏngHình 1 4 Phân loại các lĩnh vực nghiên cứu chính của PMEDM
Hình 1 1 Ảnh hưởngcủa kích thước hạt và nồng
độ đến MRR ở các dòngđiện khác nhau [14]
Hình 1 2 Ảnh hưởng của các loại bột và nồng độhạt khác nhau đến MRR
[54]
Hình 1 3 Mức độ
sử dụng của bột trongPMEDM [3]
Trang 71.3 Ứng dụng của phương pháp gia công xung PMEDM
Tạo bề mặt sáng bóng ở công đoạn cuối cùng, xử lý và sửa đổi bề mặt PMEDM cóthể ứng dụng để đạt được bề mặt gần như gương PMEDM cũng có thể được sử dụng đểcải thiện khả năng chống ăn mòn và độ cứng siêu nhỏ của bề mặt Để hoàn thiện bề mặttrên phôi SKD 11, các loại bột khác nhau như crom, cacbon silic, nhôm và đồng đã đượcFong và Chen phân tán thành chất điện môi EDM Trong số các loại bột có liên quan, bộtnhôm có kích thước hạt nhỏ tạo ra bề mặt hoàn thiện tốt nhất Bột nano graphit đã đượcJahan và cộng sự thêm vào chất điện môi của EDM để gia công SKH 51
1.4 Nâng cao chất lượng bề mặt xung định hình với phương pháp rung.
Loại bỏ các mảnh vụn từ khe hở điện cực và phôi là một trong những thách thức lớntrong quy trình EDM Do sự nóng chảy của kim loại, các mảnh vụn đó hình thành tích tụtrong khe hở và việc xả nước kém làm cho quá trình không ổn định và ảnh hưởng xấuđến MRR và tính toàn vẹn bề mặt của bề mặt gia công [7] Rung của công cụ hoặc phôitrong quy trình EDM là một trong những phương pháp được sử dụng để cải thiện việcthoát phoi
Kết luận chương 1
Chương 1 đã trình bày về lịch sử phát triển phương pháp gia công xung điện có bộttrộn trong chất điện môi trên thế giới cũng như những lợi ích và khả năng ứng dụng trongnền sản xuất công nghiệp
Ưu điểm, nhược điểm và phạm vi ứng dụng của các phương pháp PMEDM đãđược phân tích Việc lựa chọn phương pháp PMEDM tích hợp rung động và phôi, dễdàng sử dụng và phù hợp với điều kiện thí nghiệm hiện có của nghiên cứu
Nguyên tắc gia công EDM, PMEDM cũng được phân tích làm cơ sở để xây dựng
hệ thống thực nghiệm một cách đúng đắn và hiệu quả
Nghiên cứu tập trung đi sâu phân tích ảnh hưởng của quá trình xung điện có bộttrộn trong chất điện môi và rung tích hợp vào phôi đến tính gia công vật liệu thépSKD61; xây dựng mối quan hệ của chế độ công nghệ (dòng điện xả, thời gian đánh lửa,nồng độ bột, áp suất dòng phun dung môi, tần số và biên độ rung động) với các thông sốđầu ra là năng suất bóc tách vật liệu (MRR), độ mòn điện cực (EWR), chất lượng bề mặt(SR) ,độ cứng bề mặt (HV) chiều dày lớp bề mặt ảnh hưởng do quá trình EDM (WLT)khi gia công thép SKD61 bằng phương pháp xung điện
CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT CỦA PHƯƠNG PHÁP GIA
CÔNG XUNG ĐIỆN CÓ TRỘN BỘT TÍCH HỢP RUNG ĐỘNG 2.1 Các thông số công nghệ trong PMEDM có tích hợp rung động
2.1.1 Các thông số công nghệ của phương pháp xung định hình
2.1.1.1 Điện áp phóng tia lửa điện
Điện áp phóng tia lửa điện(U) trong EDM có liên quan đến kích thước của khe hởphóng điện và độ bền đánh thủng của dung dịch điện môi [2] Ảnh hưởng của U đếnnăng suất và chất lượng gia công là không quá lớn [7]
2.1.1.2 Cường độ dòng điện
Cường độ dòng điện (I) là đại lượng đặc trưng cho hiệu quả gia công của phươngpháp xung định hình, đây cũng là thông số có ảnh hưởng mạnh nhất đến quá trình giacông bằng phương pháp này [6]
Bởi vậy, ảnh hưởng của I đến quá trình gia công xung luôn là mối quan tâm trongcác nghiên cứu của lĩnh vực này [3]
Trang 82.1.1.3 Thời gian phát xung và thời gian ngừng phát xung
Khi Ton quá dài sẽ dẫn đến tốc độ bóc tách vật liệu giảm xuống và có thể đặt điện cực vào trạng thái không bị hao mòn [3]
- Trị số của Tof sẽ ảnh hưởng đến tốc độ bóc tách vật liệu và sự ổn định của quátrình gia công Về lý thuyết Tof càng ngắn thì quá trình gia công sẽ nhanh hơn nhưng nếu
nó quá ngắn thì sẽ không có đủ thời gian để dung dịch điện môi vận chuyển phoi và chấtđiện môi cũng không được phục hồi hoàn toàn Đây chính là nguyên nhân dẫn đến quátrình tạo tia lửa điện không ổn định
2.1.1.6 Khe hở phóng điện( )
Trong suốt quá trình gia công bằng xung định hình, điện cực không tiếp xúc trựctiếp với phôi mà giữa chúng luôn tồn tại một lượng khe hở gọi là khe hở phóng điện ().Trị số phụ thuộc vào tốc độ bóc tách vật liệu, vật liệu của điện cực và phôi
2.2 Ảnh hưởng bột trộn trong dung dịch điện môi trong EDM (PMEDM)
Bột trộn trong dung dịch điện một khi đi vào vùng khe hở phóng điện giữa điệncực và dung môi có thể hình thành ở các dạng như Hình 2 1
Điện cực dụng cụ và phôi được nối với nhau bởi các chuỗi bột này, điều này có thểlàm giảm độ bền cách điện của dung môi và điện áp tại khe hở phóng điện [15,16,17]
Hình 2 1 Quỹ đạo dịchchuyển của bột trong dung môi[6]
1)Chuyển động qua lại trong khe hở
2)Bột bám trên bề mặt điện cực 3) Hình thành các nhóm của bột 4) Chuỗi bám dính các bột
2.2.4 Ảnh hưỏng của bột đến điện dung
Việc tạo ra năng lượng tích trữ sẽ làm tăng cường độ tia lửa điện từ đó ảnh hưởngkhông tốt quá tình nâng cao chất lượng bề mặt
2.3 Ảnh hưởng của rung động gán vào phôi trong EDM
Trong quá trình di chuyển lên của chi tiết gia công, khoảng cách khe hở điện cực phôi tương đương giảm Do đó, có sự gia tăng áp lực của chất lỏng điện môi trong khe
-hở Trong quá trình giảm khoảng cách, áp suất chất điện môi tăng và chất điện môi đượcđẩy ra từ phía của điện cực, do đó giúp đẩy các hạt vụn ra khỏi hốc gia công
2.3.4 Tích hợp rung động siêu âm vào điện cực
Sơ đồ gán rung động siêu âm trong gia công lỗ sâu bằng EDM được công bố vàođầu thập niên 90 và kết quả đã cho thấy chất lượng và hiệu quả gia công được nâng cao
rõ rệt Do đó, rung động siêu âm gán vào điện cực trong quá trình khoan sâu hợp kimtitan bằng EDM đã được giới thiệu bởi Wansheng và các công sự [60] Các kết quả chothấy rằng, rung động siêu âm đã góp phần cải thiện đáng kể điều kiện phun của dòngchảy dung dịch điện môi tại khe hở giữa điện cực và phôi
Trang 9Hình 2 2 Sơ đồ rung độnggán với điện cực
2.3.5 Tích hợp rung động tần số thấp vào phôi
Quá trình gia công EDM với rung động có tần số thấp (F = 100-60Hz) được gánvào phôi đã chỉ ra rằng, rung động với tần số thấp gán vào phôi trong gia công EDM sẽ
có lợi hơn vì nó đơn giản và nhỏ gọn hơn so với rung động gán với điện cực [4]
Hình 2 3 Rung động gán vào phôi trong EDM
Nghiên cứu tích hợp phát triển hệ thống thiết bị PMEDM chuyên dụng để nâng caokhả năng ứng dụng thực tiễn Mặc dù hiệu quả của PMEDM đã được kiểm chứng bởinhiều kết quả nghiên cứu, tuy nhiên cho đến nay, vẫn chưa có thiết bị máy chuyên dụngnào của PMEDM tích hợp rung động được sản xuất và giới thiệu
CHƯƠNG 3: THỰC NGHIỆM KHẢO SÁT ẢNH HƯỞNG CỦA BỘT
VÀ RUNG ĐỘNG ĐẾN HIỆU QUẢ GIA CÔNG BẰNG PMEDM
3.1 Mục đích
Trang 10Nghiên cứu khảo sát một số yếu tố sẽ là cơ sở quan trọng để lựa chọn được bộ thông số vào thí nghiệm trọng điểm tiếp theo.
3.2 Điều kiện thực nghiệm khảo sát
3.2.1 Vật liệu thí nghiệm
Điện cực với kích thước10x35mm.Thép SKD61 được sử dụng phổ biến để làm các khuôn dập nóng
3.2.2 Dung dịch điện môi
Dung dịch được lựa chọn phục vụ cho thí nghiệm là dầu xung D323 Đây là loại dầu được sử dụng phổ biến trong các lĩnh vực gia công xung ở nước ta hiện nay
3.2.3 Thiết bị thực nghiệm
3.2.3.1 Máy xung định hình
3.2.3.2 Thiết bị tạo rung
Hãng sản xuất Brüel & Kjær của Đan Mạch với bộ đo rung 4824 có thể làm việc ổn định, chính xác và tin cậy trong khoảng thời gian dài
Hình 3 1: Bộ tạo rung kiểu Modal Exciter 4824
3.2.3.3 Sơ đồ gán rung động trong xung định hình
Hình 3 2: Sơ đồ tích hợp rung động vào phôi trong EDM
Trang 11Hình 3 3: Ảnh mô hình thực nghiệm
3.3 Nghiên cứu ảnh hưởng của nồng độ bột trong gia công PMEDM
Bảng 3 1 Giá trị đầu vào của thông số công nghệ
10 MRR(mm3
/phút)5
Trang 12Hình 3 6 Ảnh hưởng của nồng độ bột đến SR trong PMEDM
3.4 Nghiên cứu ảnh hưởng của áp suất dòng phun dung môi trong gia công PMEDM
Bảng 3 2 Giá trị đầu vào của thông số công nghệ
Áp suất dung dịch điện môi trong PMEDM đã ảnh hưởng đáng kể đến MRR, EWR
và Ra, Hình 3 7- Hình 3 9 Điều này có thể là do nó ảnh hưởng trực tiếp đến sự tồn tạicủa bột trong khe hở phóng điện, sự tuần hoàn của dung môi và việc đẩy phoi ra khỏivùng gia công
MRR(mm3/phút)
Áp suất (kPa)
Hình 3 7 Ảnh hưởng của áp suất đến MRR trong PMEDM
Trang 13Hình 3 9 Ảnh hưởng của áp suất đến R a trong PMEDM
3.5 Nghiên cứu ảnh hưởng PMEDM tích hợp rung động đến chi tiết gia công
3.5.1 Ảnh hưởng của V_PMEDM đến năng suất bóc tách và độ mòn điện cực
Để đánh giá được sự hiệu quả của bài toán tối ưu trong PMEDM với rung động,các chỉ tiêu chất lượng gồm MRR, EWR Chỉ tiêu MRR và EWR được xác định theocông thức (1) và (2) Khối lượng của phôi và điện cực được xác định bằng cân điện tử AJ
203 (hãng Shinko Denshi– Nhật Bản) với độ chính xác 0.001gam Chất lượng bề mặtđược đo bằng máy đo độ nhám số hiệu SV–2100, hãng Mitutoyocủa Nhật Bản Kết quả
của thí nghiệm được ghi nhận theo Error! Reference source not found
(3 1) (3 2) Bảng 3 3 Kết quả và giá trị đầu vào của thông số công nghệ với F thay đổi
