Luận án tiến sĩ 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

LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan nội dung luận án cơng trình nghiên cứu riêng tơi Tất số liệu kết nghiên cứu luận án trung thực chưa công bố cơng trình nghiên cứu khác HƯỚNG DẪN KHOA HỌC NGHIÊN CỨU SINH GS.TSKH Bành Tiến Long Lê Quang Dũng i LỜI CẢM ƠN Tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành sâu sắc tới GS.TSKH.NGND Bành Tiến Long , người Thầy tận tình hướng dẫn, động viên tơi, giúp đỡ tơi vượt qua khó khăn để hồn thành luận án Tôi xin chân thành cảm ơn Ban lãnh đạo Trường Đại học Bách khoa Hà Nội, Phòng Đào tạo, Viện Cơ khí, Bộ mơn Gia cơng vật liệu Dụng cụ công nghiệp tạo điều kiện thuận lợi giúp đỡ tơi hồn thành luận án Tơi xin chân thành cảm ơn Khoa Cơ khí, Trung tâm Hồng Hải – Foxconn, Trường Đại học Công nghiệp Hà Nội tạo điều kiện thuận lợi giúp đỡ tơi hồn thành thực nghiệm luận án Tơi xin gửi lời cảm ơn tới Ban lãnh đạo Trường, Khoa Cơ khí, Bộ mơn Cơ điện tử, Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Hưng Yên tạo điều kiện giúp đỡ tơi hồn thành luận án Tôi xin cảm ơn bạn bè, đồng nghiệp động viên, giúp đỡ tơi Tơi xin bày tỏ lịng biết ơn sâu sắc tới gia đình ln bên cạnh, động viên, giúp đỡ tơi, chia sẻ khó khăn để tơi hồn thành luận án Hà Nội, ngày… tháng… năm Nghiên cứu sinh Lê Quang Dũng ii MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN i LỜI CẢM ƠN ii MỤC LỤC .iii DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU .viii DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT .ix DANH MỤC HÌNH VẼ x DANH MỤC BẢNG BIỂU xiii PHẦN MỞ ĐẦU 1 Tính cấp thiết đề tài nghiên cứu Mục đích, đối tượng, phạm vi nghiên cứu 2.1 Mục đích nghiên cứu 2.2 Đối tượng phạm vi nghiên cứu .3 Phương pháp nghiên cứu .3 Ý nghĩa khoa học ý nghĩa thực tiễn đề tài Những đóng góp luận án Cấu trúc nội dung luận án CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ GIA CÔNG XUNG ĐIỆN (EDM) VÀ GIA CƠNG XUNG ĐIỆN CĨ TRỘN BỘT (PMEDM) 1.1 Khái quát phương pháp xung định hình .6 1.1.1 Nguyên lý gia công EDM 1.1.2 Nguyên lý gia công PMEDM 1.2 Sự phát triển công nghệ nghiên cứu lĩnh vực PMEDM 1.2.1 Tình hình nghiên cứu PMEDM giới: 1.2.1 PMEDM với mục tiêu nâng cao suất bóc tách vật liệu .9 1.2.1.2 Giảm mòn điện cực dụng cụ (EWR) PMEDM 13 iii 1.2.1.3 Hướng khảo sát PMEDM 14 1.2.1.4 Ảnh hưởng vật liệu bột nồng độ bột đến PMEDM 16 1.2.2 Tình hình nghiên cứu PMEDM nước 17 1.3 Ứng dụng phương pháp gia công xung PMEDM 19 1.4 Nâng cao chất lượng bề mặt xung định hình với phương pháp rung .20 Kết luận chương 21 CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT CỦA PHƯƠNG PHÁP GIA CƠNG XUNG ĐIỆN CĨ TRỘN BỘT TÍCH HỢP RUNG ĐỘNG 23 2.1 Các thơng số cơng nghệ PMEDM có tích hợp rung động .23 2.1.1 Các thông số công nghệ phương pháp xung định hình 23 2.1.1.1 Điện áp phóng tia lửa điện 23 2.1.1.2 Cường độ dòng điện 23 2.1.1.3 Thời gian phát xung thời gian ngừng phát xung 24 2.1.1.4 Dạng sóng xung 25 2.1.1.5 Sự phân cực 26 2.1.1.6 Khe hở phóng điện() .26 2.1.1.7 Dung dịch điện môi 26 2.1.1.8 Điện cực (dụng cụ) 27 2.2 Ảnh hưởng bột trộn dung dịch điện môi EDM (PMEDM) 28 2.2.1 Lực tác động lên hạt bột dung dịch điện môi .28 2.2.2 Ảnh hưởng bột đến độ bền cách điện dung dịch điện môi .30 2.2.3 Ảnh hưởng bột đến độ lớn khe hở phóng điện .30 2.2.4 Ảnh hưởng bột đến điện dung 32 2.2.5 Ảnh hưởng bột đến đường kính plasma hồ quang 33 2.3 Ảnh hưởng rung động gán vào phôi EDM .34 2.3.1 Mơ hình tốn học rung động 34 iv 2.3.2 Khoảng cách khe hở áp suất vịi phun EDM với rung động gán vào phơi 35 2.3.3 Mơ hình hóa thay đổi áp suất dung dịch điện môi khe hở điện cực – phơi có hỗ trợ rung động 37 2.3.4 Tích hợp rung động siêu âm vào điện cực 38 2.3.5 Tích hợp rung động tần số thấp vào phơi 40 CHƯƠNG 3: THỰC NGHIỆM KHẢO SÁT ẢNH HƯỞNG CỦA BỘT VÀ RUNG ĐỘNG ĐẾN HIỆU QUẢ GIA CÔNG XUNG ĐIỆN .42 3.1 Mục đích 42 3.2 Điều kiện thực nghiệm khảo sát 42 3.2.1 Vật liệu thí nghiệm 42 3.2.2 Dung dịch điện môi .43 3.2.3 Thiết bị thực nghiệm 43 3.2.3.1 Máy xung định hình 43 3.2.3.2 Thiết bị tạo rung .44 3.2.3.3 Sơ đồ gán rung động xung định hình .45 3.2.4 Thiết bị đo 46 3.2.4.1 Cân điện tử .46 3.2.4.2 Máy đo độ nhám 46 3.3 Nghiên cứu ảnh hưởng nồng độ bột gia công PMEDM 47 3.4 Nghiên cứu ảnh hưởng áp suất dịng phun dung mơi gia cơng PMEDM 49 3.5 Nghiên cứu ảnh hưởng PMEDM tích hợp rung động đến chi tiết gia cơng 51 3.5.1 Ảnh hưởng V-PMEDM đến suất bóc tách độ mòn điện cực .51 3.5.1.1 Ảnh hưởng tần số F biên độ A rung động đến suất MRR.53 3.5.1.2 Ảnh hưởng tần số F biên độ A đến độ mòn điện cực EWR 56 3.5.2 Ảnh hưởng V-PMEDM đến chất lượng bề mặt sau gia công 58 v 3.5.2.1 Ảnh hưởng V-PMEDM đến nhám bề mặt gia công (Ra) 58 3.5.2.2 Ảnh hưởng V-PMEDM đến độ cứng tế vi bề mặt gia công (HV) 59 3.6 So sánh ảnh hưởng rung động đến EDM PMEDM 61 3.6.1 Ảnh hưởng đến suất gia công 61 3.6.2 Ảnh hưởng đến nhám bề mặt gia công (Ra) 62 3.7 Kết luận: 63 CHƯƠNG 4: XÁC ĐỊNH BỘ THÔNG SỐ CÔNG NGHỆ HỢP LÝ TRONG PMEDM VỚI RUNG ĐỘNG GÁN TRÊN PHÔI 65 4.1 Phương pháp nghiên cứu 65 4.1.1 Phương pháp xác định thông số cơng nghệ tốn đơn mục tiêu 65 4.1.2 Phương pháp xác định thông số công nghệ toán đa mục tiêu 69 4.1.2.1 Phương pháp Topsis 69 4.1.2.2 Phương pháp xác định trọng số AHP .71 4.2 Thực nghiệm nghiên cứu 74 4.2.1 Xây dựng thông số đầu vào 74 4.2.2 Xây dựng ma trận thực nghiệm 74 4.3 Bài toán đơn mục tiêu .76 4.3.1 Năng suất gia công 76 4.3.1.1 Ảnh hưởng thông số đến suất gia công 76 4.3.1.2 Xác định thông số công nghệ hợp lý 79 4.3.2 Tỷ lệ mòn điện cực 80 4.3.2.1 Ảnh hưởng thông số đến tỷ lệ mịn điện cực suất gia cơng 80 4.3.2.2 Xác định thông số công nghệ hợp lý 82 4.3.3 Nhám bề mặt chi tiết gia công .83 4.3.3.1 Ảnh hưởng thông số đến nhám bề mặt chi tiết gia công (R a) .83 4.3.3.2 Xác định thông số công nghệ hợp lý 86 vi 4.3.4 Độ cứng bề mặt gia công .86 4.3.4.1 Ảnh hưởng thông số đến độ cứng bề mặt gia công (HV) .86 4.3.4.2 Xác định thông số công nghệ hợp lý 89 4.3.5 Lớp trắng bề mặt gia công (WLT) 89 4.3.5.1 Ảnh hưởng thông số đến chiều dày lớp trắng bề mặt gia công(WLT) 90 4.3.5.2 Xác định thông số công nghệ hợp lý 92 4.4 Bài toán đa mục tiêu Topsis 93 4.4.1 Kết tính tốn Topsis-Taguchi .93 4.4.2 Kết tối ưu dựa vào hệ số S/N 98 4.4.3: Chất lượng bề mặt điều kiện tối ưu 99 4.4.3.1 Hình thái bề mặt gia cơng 99 4.4.3.2 Hạt bám dính bề mặt gia cơng 101 4.4.3.3 Nứt tế vi bề mặt gia công 102 4.4.3.4 Sự thay đổi tổ chức pha 103 Kết luận chương 4: 106 KẾT LUẬN CHUNG VÀ HƯỚNG NGHIÊN CỨU 109 Kết luận chung 109 Hướng nghiên cứu: 110 TÀI LIỆU THAM KHẢO 111 vii DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU Ký hiệu Ton Tof Ra t  D d d ip  i 0  hp S Wc g/cm3 V/m s HRC HV Ý nghĩa Thời gian phát xung Thời gian ngừng phát xung Nhấp nhô bề mặt gia công Thời gian thực thí nghiệm Khối lượng riêng phơi Đường kính lỗ Đường kính điện cực Lượng cắt Mật độ dòng điện Độ nhớt dung dịch điện môi Hằng số điện môi dung dịch điện mơi Hằng số điện mơi chân khơng Kích thước khe hở phóng điện Chiều cao nhấp nhơ Diện tích bề mặt điện cực Năng lượng điện dung Thứ nguyên khối lượng riêng Thứ nguyên cường độ điện trường Thứ nguyên thời gian Thang đo độ cứng Hardness Rockwell C Thang đo độ cứng Vickers viii DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT Viết tắt EDM PMEDM VPMEDM WLT SR MRR TWR EWR PCA dof S/N XRD EDX SEM ANOVA PVD CVD CNC Tiếng Anh Tiếng Việt Electrical dischagre machining Gia công tia lửa điện Powder mixed electrical Gia cơng tia lửa điện có trộn dischagre machining bột vào dung dịch điện môi Gia công tia lửa điện có trộn VibrationPowder mixed bột vào dung dịch điện mơi tích electrical dischagre machining hợp rung động White layer thinkness Chiều dày lớp trắng bề mặt Surface Roughness Độ nhám bề mặt Material removal rate Năng suất bóc tách vật liệu Lượng mịn điện cực theo khối Tool wear rate lượng Độ mòn điện cực theo tỉ lệ Electrode wear rate khối lượng mòn điện cực khối lượng bóc tách vật liệu (%) Principal component analysis Phân tích thành phần degree of freedom Bậc tự Signal to Noise ratio Tỷ số tín hiệu/nhiễu X-Ray diffraction Nhiễu xạ nhờ X - Ray Energy-dispersive X-ray Phổ tán xạ lượng tia X Scanning electron microscopy Kính hiển vi điện tử quét Analysis of variance Phân tích phương sai Physical Vapor Deposition Phủ bay vật lý Chemical Vapor Deposition Phủ bay hóa học Computer Numerical Control Điều khiển máy tính ix DANH MỤC HÌNH VẼ Hình 1.1 Q trình hình thành tia lửa điện EDM [4] Hình Sự hình thành tia lửa điện [1] Hình Sơ đồ gia cơng xung điện có trộn bột Hình Phân loại lĩnh vực nghiên cứu PMEDM Hình Ảnh hưởng kích thước hạt nồng độ đến MRR dòng điện khác [13] .11 Hình Ảnh hưởng loại bột nồng độ hạt khác đến MRR [15] 11 Hình Dạng sóng xung phụ thuộc điện áp dịng điện [3] .14 Hình Mức độ sử dụng bột PMEDM [3] 14 Hình Ảnh SEM bề mặt thép H13 sau EDM [7] 16 Hình 10 Ảnh hưởng nồng độ bột đến tốc độ bóc tách vật liệu 18 Hình 11 Ảnh hưởng nồng độ bột đến lượng mòn điện cực 18 Hình Sự thay đổi U I trình hình thành tia lửa điện [29] 23 Hình 2 Ảnh hưởng thời gian phát xung đến tốc độ bác tách vật liệu 25 Hình Dạng sóng xung chữ nhật [3] 25 Hình Sơ đồ lực tác động lên hạt bột dung mơi [30] .28 Hình Quỹ đạo dịch chuyển bột dung môi [15] 30 Hình Sơ đồ hạt bột vùng khe hở phóng điện [15] 31 Hình Bột chất điện môi 32 Hình Sơ đồ xác định điện dụng [15] .33 Hình Vị trí dịch chuyển gán rung động .34 Hình 10 Rung động gán với phôi .36 Hình 11 Sự thay đổi vị trí phơi, khe hở điện cực – phơi áp suất dung môi EDM với rung động gán vào phôi 36 Hình 12 Sơ đồ biểu diễn áp lực tác động đến phân tử chất lỏng 37 x đáng kể vào bề mặt gia cơng, Hình 20a Ti kết hợp với vật liệu thép C b) EDX cracking từ dung dịch điện môi dầu, chúng tạo siêu hợp kim Ti Hình 20b Điều góp phần cải thiện đáng kể tính bề mặt gia Hình 19 Phân tích EDS EDX bề mặt sau EDM cơng a) EDS 110 b) EDX Hình 20 Phân tích EDS EDX bề mặt gia công sau PMEDM Kết luận chương 4: Sự ảnh hưởng số thông số công nghệ chế độ hợp lý gia công thép SKD61 phương pháp V_PMEDM ra: * Bài toán đơn mục tiêu: - Đối với suất gia công (MRR): + Mức độ ảnh hưởng thơng số: Cường độ dịng điện (I) thông số ảnh hưởng mạnh đến MRR, theo thứ tự giảm dần nồng độ bột C, tần số rung F, áp suất P, biên độ A nhỏ thời gian phát xung Ton + Bộ thông số công nghệ hợp lý theo tiêu MRR lớn I = 6A, Ton=37µs, C = 4g/l, P = 15kPa, F = 400Hz, A = 1,5µm Với giá trị MRR xác định theo cơng thức (4 5) MRRtoiuu = 31,29mm3/phút - Đối với tỷ số MRR TWR (EWR): + Mức độ ảnh hưởng thông số: Nồng độ bột C thông số ảnh hưởng mạnh đến EWR, theo thứ tự giảm dần thời gian phát 111 xung Ton, cường độ dòng điện I, tần số rung F, áp suất P nhỏ biên độ A + Bộ thông số công nghệ hợp lý theo tiêu EWR lớn I = 5A, Ton=50µs, C = 3g/l, P = 5kPa, F = 300Hz, A = 1,5µm Với giá trị EWR xác định theo công thức (4 5) EWRtoiuu = 7,97% - Đối với nhám bề mặt gia công (Ra): + Mức độ ảnh hưởng thông số đến R a tương tự EWR, tức là: Nồng độ bột C thông số ảnh hưởng mạnh đến R a, theo thứ tự giảm dần thời gian phát xung T on, cường độ dòng điện I, tần số rung F, áp suất P nhỏ biên độ A + Bộ thông số công nghệ hợp lý theo tiêu R a lớn I = 3A, Ton=18µs, C = 4g/l, P = 60kPa, F = 600Hz, A = 2,0µm Với giá trị R a xác định theo công thức (4 5) Ratoiuu = 1,03µm - Đối với độ cứng bề mặt gia công (HV): + Mức độ ảnh hưởng thông số đến HV sau: Nồng độ bột C thông số ảnh hưởng mạnh đến HV, theo thứ tự giảm dần tần số F, áp suất P, biên độ A, thời gian phát xung T on nhỏ cường độ dòng điện I + Bộ thông số công nghệ hợp lý theo tiêu HV lớn I = 6A, Ton=25µs, C = 3g/l, P = 60kPa, F = 200Hz, A = 1,5µm Với giá trị HV xác định theo công thức (4 5) HVtoiuu = 1127,3HV - Đối với chiều dày lớp phủ (WLT): + Mức độ ảnh hưởng thông số đến WLT sau: Nồng độ bột C thông số ảnh hưởng mạnh đến HV, theo thứ tự giảm dần cường độ dòng điện I, thời gian phát xung Ton, biên độ A, tần số F nhỏ áp suất P 112 + Bộ thông số công nghệ hợp lý theo tiêu HV lớn I = 6A, Ton=37µs, C = 0g/l, P = 45kPa, F = 200Hz, A = 1,5µm Với giá trị WLT xác định theo công thức (4 5) WLTtoiuu = 35,23µm * Bài tốn đa mục tiêu: - Sự kết hợp Taguchi – Topsis định toán đa mục tiêu V-PMEDM, kết tốn có độ xác tốt - Bộ thơng số hợp lý toán định đa mục tiêu gồm: Cu(+),I = 3A, Ton=18µs, C = 4g/l, P = 15kPa, F = 200Hz, A = 1,5µm Kết tiêu chất lượng điểu kiện hợp lý sau: - Chất lượng bề mặt gia công điều kiện tối ưu cải thiện đáng kể: Cơ tính cải thiện đáng kể, nứt tế vi giảm, hạt bám dính với kích thước số lượng bị giảm đáng kể, tổ chức pha hình thành bề mặt sau gia cơng V-PMEDM có lợi cho q trình làm việc khn 113 KẾT LUẬN CHUNG VÀ HƯỚNG NGHIÊN CỨU Kết luận chung Trong nghiên cứu này, tác giả thực nghiên cứu khảo sát ảnh hưởng lượng nhỏ nồng độ bột titan trộn dung dịch điện mơi rung động tích hợp vào phơi đến q trình gia cơng xung định hình thép SKD61 Từ kết nghiên cứu đưa số kết luận sau: Khảo sát mức độ ảnh hưởng nồng độ bột Titan thấp (1-8g/l) tần số rung động thấp (