Tính cấp thiết của đề tài
Gia công bằng tia lửa điện (tên tiếng Anh là Electrical Discharge Machining
Gia công điện (EDM) đã được phát minh và phát triển trong nhiều thập kỷ qua, trở thành một trong những công nghệ gia công tiên tiến phổ biến nhất hiện nay Phương pháp này đặc biệt hiệu quả trong việc gia công các chi tiết từ vật liệu dẫn điện có độ cứng cao, như trong động cơ máy bay và khuôn mẫu, đặc biệt là những chi tiết có hình dáng phức tạp mà các phương pháp gia công truyền thống khó thực hiện EDM hoạt động dựa trên nguyên lý phóng điện giữa hai điện cực, làm tan chảy và hóa hơi vật liệu bề mặt mà không tạo ra lực cắt, giúp giảm rung động và ứng suất cơ học trong quá trình gia công Tuy nhiên, phương pháp này cũng có nhược điểm như không gia công được vật liệu không dẫn điện, năng suất thấp và độ chính xác bị ảnh hưởng do điện cực bị mòn nhanh Hơn nữa, chất lượng bề mặt gia công thường không cao, cần thêm công đoạn gia công tinh sau khi sử dụng EDM, dẫn đến việc tăng chi phí gia công.
Trong những năm gần đây, nhiều nghiên cứu đã được thực hiện để cải thiện các chỉ tiêu kinh tế và kỹ thuật của quá trình gia công EDM Các giải pháp bao gồm tối ưu hóa thông số công nghệ, lựa chọn cặp vật liệu hợp lý giữa phôi và điện cực, và đặc biệt là sử dụng vật liệu bột có kích thước hạt nhỏ ở mức micro hoặc nano để trộn vào dung dịch điện môi Trong số các giải pháp này, phương pháp EDM với việc trộn bột dẫn điện vào dung dịch điện môi, hay còn gọi là Powder Mixed Electrical Discharge Machining (PMEDM), đã cho thấy kết quả khả quan và đang thu hút sự quan tâm trong các nghiên cứu về EDM.
Nghiên cứu về PMEDM cho thấy phương pháp này có khả năng cải thiện đồng thời năng suất và chất lượng gia công, đồng thời nâng cao tuổi bền của điện cực Mặc dù PMEDM không phải là công nghệ mới, nhưng số lượng công bố về phương pháp này vẫn còn hạn chế so với các phương pháp gia công truyền thống Nhiều vấn đề liên quan đến quá trình gia công như vật liệu, kích thước, nồng độ bột, nguyên lý gia công và các thông số công nghệ vẫn cần được làm rõ Do đó, nghiên cứu về lý thuyết, tối ưu hóa và phát triển ứng dụng của PMEDM đang thu hút sự quan tâm của nhiều nhà khoa học trong và ngoài nước Tại Việt Nam, phương pháp EDM đang được sử dụng phổ biến trong các doanh nghiệp sản xuất cơ khí vừa và nhỏ, với nhiều máy gia công EDM chủ yếu được nhập khẩu từ Đài Loan, Trung Quốc, hoặc là các máy đã qua sử dụng từ Nhật Bản, Đức Quá trình gia công EDM có nhiều thông số công nghệ với phạm vi thay đổi rộng, tạo ra nhiều cơ hội cho nghiên cứu và ứng dụng.
Trong sản xuất, việc lựa chọn thông số công nghệ cho quá trình EDM thường dựa vào tài liệu hướng dẫn hoặc kinh nghiệm thực tế, dẫn đến hiệu quả còn hạn chế Nghiên cứu chuyên sâu về EDM tại Việt Nam còn ít và chủ yếu tập trung vào vật liệu gia công và điện cực Để nâng cao hiệu quả sử dụng thiết bị EDM về kinh tế và kỹ thuật, cũng như tăng khả năng cạnh tranh cho sản phẩm cơ khí, cần thiết phải có các nghiên cứu nhằm cải thiện quy trình gia công EDM trong bối cảnh cạnh tranh hiện nay.
Các nghiên cứu về EDM chủ yếu tập trung vào việc nâng cao năng suất và chất lượng bề mặt gia công, tuổi bền của điện cực, và cơ tính bề mặt Đặc biệt, nghiên cứu về PMEDM đã sử dụng nhiều loại vật liệu bột như Si, SiC, Al, W, C, Cu, Ti, Al2O3, WC, TiC và các loại điện cực như đồng thau, đồng đỏ, hợp kim đồng-vonphram, bít vonphram, graphit, cùng với các vật liệu gia công như SKD61, SKD11, SKH54, SKH51, AISI01, SKT4 Trong đó, bột SiC và điện cực đồng đỏ được sử dụng phổ biến Nghiên cứu cho thấy việc lựa chọn vật liệu bột hợp lý và thông số công nghệ thích hợp có thể nâng cao năng suất gia công, giảm độ nhám bề mặt và cải thiện cơ tính lớp bề mặt.
Nghiên cứu về gia công PMEDM cho thấy đây là một lĩnh vực phức tạp với nhiều thông số công nghệ ảnh hưởng khác nhau đến các hàm mục tiêu Nhiều công cụ và phương pháp tối ưu như mạng nơron nhân tạo và phương pháp bề mặt chỉ tiêu đã được áp dụng Tuy nhiên, phần lớn các nghiên cứu hiện nay tập trung vào các bài toán tối ưu đơn mục tiêu.
[16] Tuy nhiên, hiệu quả tối ưu PMEDM sẽ tốt hơn nếu là tối ưu đa mục tiêu
Trong sản xuất, các chi tiết có bề mặt trụ định hình như chày dập thuốc viên và chày đột thép tấm thường được làm từ các loại thép hợp kim dụng cụ như SKD11, SKD61, SKH51, 90CrSi Những chi tiết này khó gia công bằng phương pháp truyền thống, đặc biệt với bề mặt không lồi Phương pháp phay cao tốc (micro milling) thường được áp dụng trên thế giới, nhưng yêu cầu máy phay có tốc độ trục chính cao và năng suất không cao do tốc độ cắt thấp khi sử dụng dụng cụ cắt nhỏ Tại Việt Nam, gia công nguội thường được sử dụng nhưng có năng suất thấp và chất lượng không ổn định, phụ thuộc vào tay nghề thợ nguội Do đó, gia công chi tiết có bề mặt trụ định hình bằng phương pháp EDM là một giải pháp hiệu quả.
Cho đến nay, nhiều nghiên cứu đã áp dụng gia công EDM cho các chi tiết vật liệu 90CrSi, một loại vật liệu phổ biến trong ngành khuôn mẫu, với bề mặt trụ định hình Các nghiên cứu này đã chứng minh rằng gia công EDM mang lại hiệu quả cao, cải thiện cả năng suất và chất lượng bề mặt gia công Tuy nhiên, hiện tại vẫn chưa có nghiên cứu nào về PMEDM cho các chi tiết dạng này làm từ thép dụng cụ 90CrSi.
NCS đã quyết định nghiên cứu gia công PMEDM cho chi tiết có biên dạng trụ định hình bằng vật liệu thép 90CrSi Đề tài nghiên cứu tập trung vào "Ảnh hưởng của một số thông số công nghệ đến quá trình gia công tia lửa điện bề mặt trụ ngoài thép 90CrSi với dung dịch điện môi trộn bột nano SiC".
Đối tượng, mục tiêu nghiên cứu của đề tài
Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
Nghiên cứu tập trung vào quá trình PMEDM đối với các chi tiết có biên dạng trụ định hình kích thước nhỏ, với kích thước lớn nhất không quá 20 mm Vật liệu được sử dụng là thép dụng cụ 90CrSi đã qua tôi, và điện cực xung được làm từ đồng đỏ Quá trình gia công EDM sử dụng dung dịch điện môi có trộn bột SiC kích thước 500 nm Nghiên cứu được thực hiện trên máy xung tia lửa điện, loại máy phổ biến trong sản xuất thực tế.
Mục tiêu nghiên cứu
Nghiên cứu này tập trung vào việc phân tích ảnh hưởng của các thông số công nghệ trong quá trình PMEDM với bột SiC và điện cực đồng đỏ đến năng suất, bao gồm năng suất bóc tách vật liệu và lượng mòn của điện cực Đồng thời, nghiên cứu cũng xem xét độ nhám bề mặt gia công khi xung chi tiết vật liệu thép 90CrSi đã qua tôi với biên dạng trụ định hình Kết quả nghiên cứu nhằm xác định chế độ xung hợp lý (tối ưu) khi thực hiện PMEDM trên vật liệu 90CrSi bằng điện cực đồng và dung dịch điện môi có trộn bột SiC.
Nghiên cứu này phân tích ảnh hưởng của các thông số công nghệ trong quá trình PMEDM, bao gồm hiệu điện thế (SV), cường độ dòng phóng điện (IP), thời gian phát xung (Ton), thời gian ngừng phát xung (Toff) và nồng độ bột SiC (Cp) đến độ nhám bề mặt gia công (Ra) khi gia công vật liệu 90CrSi với điện cực xung bằng đồng đỏ Mục tiêu là xác định bộ thông số công nghệ tối ưu nhằm đạt được độ nhám bề mặt gia công tốt nhất.
Nghiên cứu này tập trung vào việc phân tích ảnh hưởng của các thông số công nghệ trong quá trình PMEDM đến năng suất bóc tách vật liệu (MRR) Mục tiêu là xác định bộ thông số công nghệ hợp lý để đạt được năng suất bóc tách tối ưu nhất.
Nghiên cứu này phân tích tác động của các thông số công nghệ trong quá trình PMEDM đến tốc độ mòn điện cực (TWR) Mục tiêu là xác định bộ thông số công nghệ tối ưu để đạt được tốc độ mòn điện cực thấp nhất.
Nghiên cứu tối ưu hóa đa mục tiêu trong quá trình PMEDM nhằm đạt được độ nhám bề mặt (Ra) thấp, năng suất bóc tách vật liệu (MRR) cao và tốc độ mòn điện cực (TWR) nhỏ.
Việc trộn bột nano SiC vào dung dịch điện môi có ảnh hưởng đáng kể đến hiệu quả của quá trình PMEDM, đặc biệt trong việc gia công chi tiết biên dạng trụ định hình cỡ nhỏ Nghiên cứu cho thấy sự kết hợp này không chỉ cải thiện độ chính xác mà còn tăng cường hiệu suất cắt, giúp nâng cao chất lượng sản phẩm cuối cùng Sự hiện diện của bột nano SiC trong dung dịch điện môi tạo ra các điều kiện tối ưu cho quá trình gia công, từ đó mang lại kết quả vượt trội trong ngành chế tạo.
Phương pháp nghiên cứu
Phương pháp nghiên cứu lý thuyết kết hợp với thực nghiệm được áp dụng, bao gồm các kỹ thuật phân tích thống kê và phát triển mô hình thực nghiệm để đạt được kết quả chính xác và đáng tin cậy.
Nghiên cứu lý thuyết: nghiên cứu tổng hợp cơ sở lý thuyết về EDM, PMEDM và các kết quả thuộc về lĩnh vực nghiên cứu của đề tài
Nghiên cứu thực nghiệm về gia công PMEDM được thực hiện dựa trên các thông số công nghệ đã xác định, với mục tiêu tối ưu hóa độ nhám bề mặt, năng suất bóc tách vật liệu và lượng mòn điện cực Các bước tiến hành bao gồm việc thiết lập các thông số kỹ thuật và phân tích kết quả để đạt được hiệu quả cao nhất trong quá trình gia công.
- Xây dựng hệ thống thí nghiệm;
- Phân tích kết quả và tối ưu hóa
Sử dụng phương pháp Taguchi và phương pháp phân tích quan hệ xám cho bài toán đơn mục tiêu và đa mục tiêu.
Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài
Ý nghĩa khoa học
Luận án đã nâng cao hiểu biết về quá trình PMEDM, đặc biệt là các khía cạnh chi tiết liên quan đến PMEDM với biên dạng trụ định hình.
Nghiên cứu này làm rõ ảnh hưởng của các thông số công nghệ như hiệu điện thế, cường độ dòng phóng điện, thời gian phát xung, thời gian ngừng phát xung và nồng độ bột đến độ nhám bề mặt gia công, năng suất bóc tách vật liệu, và tốc độ mòn điện cực Thí nghiệm được thực hiện trên bề mặt trụ của chi tiết thép 90CrSi, sử dụng dung dịch điện môi có trộn bột nano SiC.
Các công thức dự đoán nhám bề mặt, tốc độ bóc tách và tốc độ mòn điện cực trong quá trình PMEDM đã được đưa ra với các chế độ xung hợp lý.
- Chỉ ra được hiệu quả của việc PMEDM khi sử dụng bột nano SiC và điện cực đồng để gia công chi tiết có biên dạng trụ định hình.
Ý nghĩa thực tiễn
Phương pháp PMEDM đã được ứng dụng thành công để gia công chi tiết có biên dạng trụ đình hình kích thước nhỏ, sử dụng bột nano SiC và điện cực đồng Kết quả nghiên cứu có thể áp dụng trực tiếp cho các cơ sở sản xuất cơ khí, đặc biệt trong việc gia công các sản phẩm chày dập thuốc viên nén hoặc chày dập thép tấm, nhằm nâng cao hiệu quả của quá trình gia công.
- Kết quả của luận án có thể dùng làm tài liệu tham khảo cho các nghiên cứu khoa học về quá trình PMEDM.
Những đóng góp mới của luận án
Lần đầu tiên, phương pháp PMEDM đã được áp dụng thành công để gia công chi tiết có biên dạng trụ đình hình với kích thước nhỏ, sử dụng bột nano SiC và điện cực đồng.
Nghiên cứu đã phân tích ảnh hưởng của các thông số công nghệ trong quá trình xung tia lửa điện đến độ nhám bề mặt gia công, tốc độ bóc tách vật liệu và độ mòn của điện cực Thí nghiệm được thực hiện trên bề mặt trụ ngoài của vật liệu 90CrSi, sử dụng dung dịch điện môi có trộn bột SiC và điện cực xung bằng đồng Kết quả cho thấy mối liên hệ giữa các yếu tố này có thể tối ưu hóa quá trình gia công.
Đã giải quyết thành công các bài toán tối ưu hóa đơn mục tiêu trong quá trình gia công PMEDM, nhằm xác định bộ thông số công nghệ hợp lý Các thông số bao gồm nồng độ bột, thời gian phát xung, thời gian ngừng phát xung, cường độ dòng điện và hiệu điện thế Mục tiêu đạt được là tối ưu hóa độ nhám bề mặt, tăng tốc độ bóc tách vật liệu và giảm tốc độ mòn điện cực.
Nghiên cứu đã phát triển các công thức thực nghiệm nhằm dự đoán giá trị độ nhám bề mặt, tốc độ bóc tách vật liệu tối ưu và độ mòn điện cực trong quá trình PMEDM, áp dụng các chế độ công nghệ hợp lý.
Bài toán tối ưu hóa đa mục tiêu các thông số công nghệ đã được giải quyết khi xung bề mặt trụ ngoài bằng thép 90CrSi qua quá trình tôi với dung dịch điện môi có trộn bột nano SiC Phương pháp Taguchi và phân tích quan hệ xám đã được áp dụng để xác định ba hàm đơn mục tiêu: tối thiểu hóa độ nhám bề mặt gia công, tối đa hóa tốc độ bóc tách vật liệu và tối thiểu hóa tốc độ mòn điện cực.
Bố cục của luận án
Luận án gồm các phần: Mở đầu; 4 chương; kết luận chung và hướng nghiên cứu tiếp theo; phần phụ lục
Chương 1: Tổng quan về phương pháp gia công bằng tia lửa điện
Chương 2: Mô hình nâng cao hiệu quả quá trình PMEDM và xây dựng hệ thống thí nghiệm
Chương 3 trình bày nghiên cứu thực nghiệm về ảnh hưởng của các thông số công nghệ đến độ nhám bề mặt, năng suất bóc tách và độ mòn điện cực trong quá trình gia công xung điện thép 90CrSi Nghiên cứu này sử dụng dung dịch điện môi có pha trộn bột SiC nhằm tối ưu hóa các chỉ tiêu kỹ thuật Kết quả cho thấy mối quan hệ giữa các thông số công nghệ và hiệu suất gia công, từ đó cung cấp những thông tin giá trị cho việc cải thiện quy trình sản xuất.
Chương 4: Tối ưu hóa đa mục tiêu các thông số công nghệ khi xung thép
90CrSi qua tôi với dung dịch điện môi có trộn bột SiC m
TỔNG QUAN VỀ PHƯƠNG PHÁP GIA CÔNG BẰNG TIA LỬA ĐIỆN
Phương pháp gia công bằng tia lửa điện
Gia công bằng tia lửa điện (EDM) là phương pháp gia công không truyền thống phổ biến trong cơ khí hiện nay, có nguồn gốc từ phát hiện của nhà khoa học Joseph Priestly vào năm 1770 về sự mòn vật liệu do phóng điện Sau đó, B R Lazarenko và N I Lazarenko của Nga đã phát triển thành công công nghệ này và giới thiệu sơ đồ máy EDM vào năm 1943 Trong những năm 1950, kỹ thuật viên Mỹ đã áp dụng mạch servo để điều chỉnh khoảng cách giữa điện cực và phôi Đến những năm 1970, máy cắt dây EDM đã có sự tiến bộ lớn nhờ vào máy phát xung công suất cao và chất điện môi hiệu quả Sự xuất hiện của máy EDM CNC vào những năm 1980 đã khẳng định hiệu quả của phương pháp này Ngày nay, với hệ thống điều khiển thích nghi, máy EDM ngày càng ổn định, nâng cao năng suất và chất lượng gia công, dẫn đến việc sử dụng rộng rãi phương pháp này trong gia công cơ khí toàn cầu và tại Việt Nam.
1.1.2 Nguyên lý gia công tia lửa điện
Hình 1.1 Nguyên lý gia công bằng xung điện [23]
Hình 1.1 là sơ đồ nguyên lý gia công bằng xung điện Sơ đồ gia công này bao gồm:
Trong gia công EDM, các loại vật liệu điện cực thường được sử dụng bao gồm đồng (Cu), hợp kim đồng – kẽm (Cu-Zn), nhôm (Al) và graphite, trong đó Cu và graphite là phổ biến nhất Những vật liệu này đều có tính dẫn điện tốt và dễ gia công, giúp tạo hình chính xác Việc chọn lựa vật liệu điện cực phù hợp không chỉ tăng năng suất bóc tách mà còn giảm thiểu lượng mòn điện cực và chi phí gia công Trong quá trình gia công, điện cực có thể mang điện tích âm hoặc dương, tùy thuộc vào ứng dụng cụ thể và các yếu tố như vật liệu dụng cụ, vật liệu gia công, cường độ dòng điện và thời gian phát xung.
Trong gia công EDM, vật liệu chi tiết cần có tính dẫn điện, vì khả năng dẫn điện, dẫn nhiệt, điểm nóng chảy và độ cứng của vật liệu ảnh hưởng trực tiếp đến năng suất và chất lượng gia công Cụ thể, chi tiết gia công với vật liệu có điểm nóng chảy cao và khả năng dẫn nhiệt thấp sẽ dẫn đến năng suất bóc tách vật liệu giảm Hơn nữa, độ cứng của chi tiết cũng tác động đến năng suất và độ nhám bề mặt của sản phẩm gia công.
Hình 1.2 Dung dịch điện môi sử dụng trong EDM [15]
Dung dịch điện môi trong gia công EDM đóng vai trò quan trọng trong việc điều khiển quá trình phóng điện, làm nguội bề mặt chi tiết và điện cực, cũng như hóa rắn phoi Nó không chỉ giúp cuốn phoi ra khỏi vùng gia công mà còn đưa vào hệ thống lọc, hấp thụ và giải phóng năng lượng nhiệt Tính chất cách điện của dung dịch này ảnh hưởng lớn đến hiện tượng điện phân giữa dụng cụ và phôi Để đảm bảo hiệu quả, dung dịch điện môi cần có tính ổn định lâu dài, khả năng cách điện thấp, phục hồi nhanh sau khi bị tia lửa điện đánh thủng, và khả năng làm nguội cùng cuốn phoi tốt Trong quá trình gia công, dung dịch được phun vào khe hở phóng tia lửa điện, trong đó đường kính vòi phun và áp suất phun ảnh hưởng đến khả năng loại bỏ khí, cuốn phoi và duy trì nhiệt độ ổn định dưới điểm cháy Ngoài ra, lưu lượng và loại dung dịch cũng tác động đến mức độ mòn điện cực, năng suất bóc tách vật liệu và chất lượng bề mặt gia công.
[12, 24] Trong gia công EDM, dung dịch điện môi được sử dụng phổ biến nhất là dầu và nước (hình 1.2) [15]
1.1.3 Các dạng của gia công bằng tia lửa điện
Gia công EDM bao gồm các phương pháp chính như gia công xung điện, cắt dây tia lửa điện, cưa tia lửa điện, mài tia lửa điện và khoan tia lửa điện.
Gia công xung điện chìm, hay còn gọi là die-Sinking EDM, là một phương pháp gia công phổ biến trong lĩnh vực EDM Sơ đồ của quy trình này được thể hiện trong hình 1.1 Phương pháp này sử dụng điện cực có hình dạng âm bản của bề mặt cần gia công, cho phép tạo ra các bề mặt phức tạp như hốc, khuôn rèn, khuôn dập và khuôn đúc.
Hình 1.3 Sơ đồ phương pháp cắt dây tia lửa điện [23]
Gia công cắt dây tia lửa điện : tên tiếng Anh là Wire Electrical Discharge
Machining (viết tắt WEDM) Đây là một dạng đặc biệt của gia công xung điện m
Phương pháp này sử dụng dây cắt chuyển động liên tục, đóng vai trò như một điện cực Chi tiết gia công được đặt trên bàn máy và di chuyển theo đường bao trong mặt phẳng nằm ngang theo hai phương.
Gia công cắt dây cho phép tạo ra bề mặt 2D và 3D phức tạp với độ chính xác cao Dây cắt có đường kính từ 0,05 đến 0,3 mm và được chia thành hai loại: dây phủ và dây không phủ Dây phủ được cấu tạo từ lõi thép và lớp phủ bằng kẽm, đồng hoặc graphite, trong khi dây không phủ thường làm bằng đồng đỏ, molipđen hoặc đồng thau Độ chính xác thông thường của gia công cắt dây là ±0,013 mm, nhưng với các máy cắt dây công nghệ cao, độ chính xác có thể đạt tới ±0,005 mm.
Hình 1.4 Sơ đồ phương pháp mài xung điện [28]
Mài xung điện (Electrical Discharge Grinding - EDG) là một phương pháp gia công tương tự như EDM, sử dụng đá mài làm bằng vật liệu dẫn điện làm điện cực Trong quá trình này, đá mài (cực âm) và phôi (cực dương) được ngâm trong chất điện môi và kết nối với nguồn điện một chiều Chuyển động quay của đá mài giúp đảm bảo lưu thông hiệu quả chất điện môi.
Cơ chế bóc tách vật liệu của EDG tương tự như EDM, nhưng với chuyển động quay của dụng cụ, giúp đẩy vật liệu nóng chảy ra hiệu quả hơn Khác với mài thông thường, EDG không có tiếp xúc trực tiếp giữa dụng cụ và phôi, cho phép gia công các chi tiết mỏng một cách dễ dàng Nghiên cứu cho thấy quá trình mài xung điện kinh tế hơn so với mài kim cương thông thường.
Cưa tia lửa điện, như trình bày trong Hình 1.5, hoạt động dựa trên nguyên lý tương tự như phương pháp cưa truyền thống Phương pháp này bao gồm hai loại: cưa tia lửa điện kiểu cưa vòng (Hình 1.5.a) và cưa tia lửa điện kiểu cưa đĩa (Hình 1.5.b) Đặc biệt, cưa tia lửa điện cho phép tạo ra mạch cưa nhỏ và có năng suất gia công gấp hai lần so với phương pháp cưa truyền thống.
Hình 1.5 Sơ đồ phương pháp cưa tia lửa điện [23]
Khoan tia lửa điện lỗ sâu là phương pháp gia công hiệu quả cho các lỗ nhỏ có chiều dài gấp nhiều lần đường kính Mũi khoan rỗng, hoạt động như một điện cực, quay và sử dụng dung dịch điện môi áp suất cao để đẩy phoi ra khỏi khu vực gia công Phương pháp này có thể gia công lỗ với đường kính từ 0,2 đến 3 mm và chiều sâu lên tới 300 mm, với năng suất đạt từ 30 đến 60 mm/phút.
Hình 1.6 Sơ đồ phương pháp khoan tia lửa điện [29]
Ưu nhược điểm của gia công tia lửa điện
Gia công tia lửa điện nói chung và gia công xung điện nói riêng có những ưu điểm chính sau [23]:
- 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;
Máy gia công có khả năng xử lý các bề mặt nhỏ với hình dạng phức tạp, đồng thời dễ dàng tự động hóa nhờ vào các chuyển động gia công đơn giản.
- Điều chỉnh máy dễ dàng; thao tác máy khi gia công đơn giản m
Năng lượng nhiệt sử dụng trong quá trình bóc tách vật liệu phôi truyền vào chi tiết gia công không lớn, do đó, ít gây ra biến dạng nhiệt cho chi tiết gia công.
Bề mặt phôi sau gia công xung điện có các vết lõm nhỏ phân bố ngẫu nhiên, giúp tối ưu hóa khả năng lưu giữ dầu bôi trơn Điều này không chỉ cải thiện hiệu suất làm việc mà còn tăng cường độ bền mỏi của chi tiết, đảm bảo tuổi thọ và hiệu quả sử dụng trong quá trình vận hành.
- Gia công không có ba via
Tuy nhiên, gia công xung điện cũng có một số nhược điểm như [23]:
- Chỉ gia công được các loại vật liệu dẫn điện;
- Bề mặt lỗ gia công có độ côn nguyên nhân do điện cực bị mòn
- 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 điện cực bị mòn làm ảnh hưởng không tốt đến độ chính xác gia công;
- Thiết bị gia công có giá thành cao;
- Tiêu thụ năng lượng lớn.
Các thông số công nghệ của gia công xung điện
Điện áp đánh lửa U d trong EDM liên quan đến khe hở phóng điện và độ cách điện của dung dịch điện môi Khi điện áp tại khe hở phóng điện tăng, dòng ion sẽ xuất hiện và đánh thủng sự cách điện, dẫn đến điện áp lớn nhất (U0) giảm xuống và ổn định ở mức Ud Giá trị điện áp phụ thuộc vào kích thước khe hở giữa điện cực và phôi; điện áp cao sẽ làm tăng khe hở phóng điện, từ đó tạo điều kiện cho dòng dung môi chảy qua và ổn định quá trình gia công Năng suất bóc tách vật liệu, lượng mòn điện cực và độ nhám bề mặt đều tăng khi điện áp được nâng cao.
Hình 1.7 Sơ đồ mô tả quan hệ điện áp, dòng điện và thời gian xung trong EDM
+) Cường độ dòng phóng tia lửa điện I d :
Cường độ dòng điện là một thông số công nghệ quan trọng trong gia công EDM, được xác định qua chế độ gia công Cụ thể, trong gia công thô, cường độ dòng điện tối thiểu là 15 A; trong gia công bán tinh, cường độ dòng điện dao động từ 8 đến 15 A; và trong gia công tinh, cường độ dòng điện không vượt quá 8 A Cường độ dòng điện cao thường được sử dụng cho gia công thô và các bề mặt lớn, giúp tăng tốc độ bóc tách vật liệu Tuy nhiên, việc sử dụng cường độ dòng điện cao cũng dẫn đến sự gia tăng lượng mòn điện cực và giảm chất lượng bề mặt gia công.
+) Thời gian phát xung T on : m
Thời gian phát xung Ton bao gồm thời gian trễ (Tde) và thời gian phóng tia lửa điện (Td), là yếu tố quan trọng trong gia công xung điện Năng suất bóc tách vật liệu tỷ lệ thuận với năng lượng sử dụng trong thời gian phát xung, được điều khiển bởi cường độ dòng điện cực đại và thời gian phát xung Khi Ton tăng, lượng vật liệu bị nóng chảy và bay hơi cũng tăng theo Tuy nhiên, kéo dài Ton có thể làm tăng cường độ và tốc độ lan truyền của nhiệt vào bề mặt phôi, dẫn đến tác động sâu hơn đến lớp bề mặt gia công.
Khi ton quá lớn, lượng bóc tách vật liệu sẽ giảm, đồng thời điện cực không bị hao mòn Ngược lại, nếu ton ngắn, sẽ xuất hiện các vết lõm trên bề mặt phôi với đường kính và chiều sâu lớn hơn, dẫn đến tăng độ nhám bề mặt gia công.
+) Thời gian ngừng phát xung T off :
Chu kỳ xung hoàn thành với thời gian Toff phù hợp ảnh hưởng đến năng suất bóc tách vật liệu và độ ổn định của quá trình gia công Thời gian Toff ngắn giúp gia công nhanh hơn, nhưng nếu quá ngắn sẽ không đủ thời gian để vận chuyển phoi và ion hóa dung dịch điện môi, dẫn đến sự mất ổn định và giảm năng suất Để tránh hiện tượng phóng tia lửa điện liên tục, thời gian Toff cần lớn hơn thời gian ngừng ion hóa dung môi Thực tế cho thấy, việc xác định không chính xác Ton và Toff sẽ gây ra nhiều xung lỗi, làm giảm hiệu suất gia công.
Trong gia công xung điện, điện cực được điều khiển tự động để duy trì khe hở phóng điện ổn định, có thể điều chỉnh theo từng điều kiện gia công Hệ thống cơ điện và thủy lực, bao gồm động cơ servo, đảm nhận vai trò điều khiển chuyển động của điện cực Việc điều khiển này đảm bảo kích thước khe hở luôn ổn định và có khả năng thích ứng nhanh với các tình huống như ngắn mạch Mặc dù độ lớn khe hở phóng điện không thể đo lường trực tiếp, nhưng có thể suy ra thông qua điện áp trung bình tại khe hở.
Năng suất, chất lượng bề mặt và độ chính xác gia công
+) Năng suất gia công MRR:
Năng suất gia công trong EDM, hay còn gọi là năng suất bóc tách vật liệu (Material Removal Rate - MRR), được xác định bằng tỷ số giữa khối lượng vật liệu phôi được bóc tách và thời gian gia công.
MRR = W i .t −W f 1000 (mm 3 /phút) (1.1) Trong đó:
Wi: Khối lượng ban đầu của phôi (g)
Wf: Khối lượng phôi sau gia công (g) t: Thời gian gia công (phút)
: Khối lượng riêng của vật liệu phôi (g/cm 3 )
+) Lượng mòn điện cực TWR:
Lượng mòn điện cực (Tool Wear Rate - TWR) là chỉ số thể hiện lượng vật liệu của điện cực bị hao mòn trong một đơn vị thời gian gia công TWR được xác định theo công thức: m.
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/cm 3 ) t: Thời gian gia công cho mỗi lần xung (phút)
Lượng mòn điện cực liên quan chặt chẽ đến năng suất bóc tách vật liệu, 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 thường có độ bền mòn lớn hơn, dẫn đến độ chính xác gia công cao hơn MRR và TWR chịu ảnh hưởng mạnh mẽ từ các thông số công nghệ trong EDM, trong đó cường độ dòng điện và thời gian phát xung là hai yếu tố quyết định nhất Anot sẽ bị mòn nhiều hơn với thời gian phát xung ngắn, trong khi catot sẽ mòn nhiều hơn khi thời gian phát xung tăng Ngoài thời gian phát xung, các thông số công nghệ khác cũng ảnh hưởng đến năng lượng tia lửa điện, từ đó tác động đến MRR và TWR.
+) Chất lượng bề mặt gia công
Bề mặt gia công bằng EDM được đặc trưng bởi hình dạng, thành phần hóa học, tổ chức tế vi và cơ lý tính Độ nhám bề mặt gia tăng khi năng lượng xung tăng, và dưới tác dụng nhiệt từ tia lửa điện, bề mặt phôi hình thành nhiều lớp, bao gồm lớp đúc lại, lớp biến cứng và lớp thấm tôi Lớp trắng trên bề mặt có độ dày từ 1 đến 72 µm, với thành phần hóa học và cấu trúc khác biệt so với lớp thấm tôi, ảnh hưởng trực tiếp đến khả năng làm việc của chi tiết Sau quá trình xung điện, lớp bề mặt thường có cơ tính thấp, độ nhám lớn và nhiều vết nứt tế vi, điều này tác động tiêu cực đến khả năng làm việc của các chi tiết như khuôn rèn, khuôn dập và dụng cụ cắt Chiều dày của lớp đúc lại và vùng ảnh hưởng nhiệt có thể được xác định qua phân tích năng lượng nhiệt từ tia lửa điện.
Hình 1.8 Sơ đồ minh họa lớp bề mặt sau EDM [23]
Trong gia công EDM, tia lửa điện làm nóng chảy và bay hơi vật liệu điện cực, dẫn đến việc xâm nhập một lượng đáng kể vào bề mặt phôi.
Bề mặt thép không gỉ sau khi gia công EDM bằng điện cực Si đã được phủ một lớp vô định hình, với lượng lớn Si nóng chảy tách ra từ điện cực, giúp cải thiện đáng kể khả năng chống ăn mòn hóa học và chịu mài mòn Việc sử dụng điện cực thiêu kết từ bột Ti trong gia công khuôn có thể nâng cao độ bền khuôn từ 3 đến 7 lần Hơn nữa, việc trộn bột kim loại hoặc hợp kim vào dung dịch điện môi (PMEDM) tạo ra vật liệu bột trên bề mặt gia công, nâng cao chất lượng bề mặt một cách đáng kể Những kết quả này mở ra hướng đi mới cho việc cải thiện chất lượng bề mặt trong quá trình EDM.
+) Độ chính xác kích thước gia công: m
Trong quá trình gia công bằng điện, tia lửa điện làm nóng chảy và bay hơi vật liệu từ cả phôi và điện cực, dẫn đến sự thay đổi hình dáng bề mặt điện cực và ảnh hưởng đến bề mặt gia công Khe hở phóng điện giữa điện cực và phôi luôn tồn tại, cùng với sự mòn của điện cực, gây ra sai số hình dáng của bề mặt gia công Tuy nhiên, các sai số này có thể được điều chỉnh thông qua độ chính xác hình dáng của điện cực và các thông số công nghệ thích hợp.
Độ chính xác profile bề mặt gia công đề cập đến sự chính xác về hình dạng và kích thước của các bề mặt sau quá trình gia công bằng xung định hình Đặc biệt, đối với các bề mặt được gia công lần cuối bằng công nghệ EDM, chỉ tiêu này có ảnh hưởng trực tiếp đến độ chính xác của sản phẩm.
Phương pháp gia công tia lửa điện có trộn bột - PMEDM
Trong những năm gần đây, nghiên cứu về việc trộn bột kim loại hoặc hợp kim kích thước nano và micro vào dung dịch điện môi trong quá trình EDM (PMEDM) đã trở thành một xu hướng nổi bật nhằm nâng cao năng suất gia công và chất lượng bề mặt chi tiết Sự tham gia của các hạt bột dẫn điện đã làm biến đổi đáng kể quá trình phóng tia lửa điện, từ đó cải thiện cả quá trình gia công và chất lượng bề mặt sản phẩm Sơ đồ gia công của phương pháp PMEDM được thể hiện rõ trong Hình 1.9.
Hình 1.9 Sơ đồ gia công PMEDM [45]
Khi bột được hòa trộn vào dung dịch điện môi, quá trình phóng điện trong các pha xung sẽ bị ảnh hưởng, dẫn đến việc tăng khe hở phóng điện và số lượng tia lửa điện phát ra trong mỗi pha xung Hình 1.10 [45] minh họa rõ sự gia tăng này.
Hình 1.10 Minh họa quá trình phóng điện của phương pháp EDM và PMEDM
Tổng quan tình hình nghiên cứu về EDM và PMEDM
1.6.1 Tình hình nghiên cứu trong nước
Đến nay, đã có nhiều nghiên cứu của các tác giả trong nước về EDM và PMEDM, tập trung chủ yếu vào các hướng nghiên cứu khác nhau.
Nhóm tác giả Bành Tiến Long, Trần Xuân Thái, Hoàng Vĩnh Sinh và Trần Thế Lục đã tiến hành nghiên cứu về bộ điều khiển CNC của máy xung, ứng dụng bộ điều khiển PLC và vi điều khiển 8051 để cải thiện quá trình EDM, nhằm thay thế các bộ điều khiển nhập khẩu từ nước ngoài.
Vào năm 2012, Vũ Quang Hà đã tiến hành nghiên cứu về ảnh hưởng của chế độ công nghệ đến năng suất và chất lượng bề mặt trong gia công cắt dây EDM Tiếp theo, vào năm 2019, Trần Quang Huy đã nghiên cứu mòn biên dạng điện cực và chất lượng bề mặt gia công khi sử dụng hai loại vật liệu điện cực là đồng đỏ và đồng đỏ mạ crom trên chi tiết gia công bằng thép SKD11.
Hình 1.11 Hình ảnh chi tiết gia công có bề mặt trụ định hình được gia công bằng
Nghiên cứu của Nguyễn Văn Đức xác định chế độ công nghệ tối ưu cho gia công EDM, kết hợp giữa các loại điện cực và vật liệu gia công khác nhau Tác giả đã chỉ ra rằng chế độ công nghệ tối ưu khi gia công thép SKD11 sử dụng điện cực đồng mang lại hiệu quả cao.
Trong sản xuất, nhiều chi tiết có bề mặt trụ ngoài định hình như chày dập thuốc viên hay chày đột lỗ thép tấm là những chi tiết khó gia công, đặc biệt với hình dáng bất kỳ và biên dạng không lồi như hình trái tim hay hình Đô-rê-mon Trên thế giới, những chi tiết này thường được gia công bằng phương pháp phay tốc độ siêu cao (micro milling), trong khi ở Việt Nam, phương pháp nguội được sử dụng, dẫn đến năng suất và chất lượng gia công thấp Gần đây, Trần Thị Hồng và các đồng nghiệp đã nghiên cứu về gia công bề mặt trụ ngoài định hình bằng phương pháp EDM với điện cực đồng trên thép 90CrSi, khảo sát ảnh hưởng của các thông số công nghệ đầu vào như Ton, Toff, IP, SV đến các kết quả đầu ra như nhám bề mặt, độ mòn điện cực và năng suất bóc tách vật liệu.
Nghiên cứu về việc trộn bột dẫn điện vào dung dịch điện môi trong quá trình gia công tia lửa điện (PMEDM) tại Việt Nam mới chỉ bắt đầu khoảng 10 năm gần đây Đây là một lĩnh vực nghiên cứu còn mới mẻ và chưa nhận được sự quan tâm đáng kể Một số nghiên cứu về PMEDM của các tác giả trong nước đã được thực hiện, nhưng vẫn cần nhiều nghiên cứu sâu hơn để phát triển lĩnh vực này.
Bành Tiến Long và Nguyễn Hữu Phấn đã nghiên cứu tác động của bột titan đến năng suất bóc tách vật liệu, độ mòn điện cực và chất lượng bề mặt của chi tiết Nghiên cứu thực hiện tối ưu đa mục tiêu với các hàm đơn mục tiêu là năng suất bóc tách, độ mòn điện cực và chất lượng bề mặt Bột titan được trộn vào dung dịch điện môi, sử dụng đồng và graphite làm vật liệu điện cực Kết quả cho thấy việc sử dụng bột titan trong gia công thép SKD61 bằng EDM đã cải thiện rõ rệt năng suất gia công và chất lượng bề mặt Cụ thể, năng suất bóc tách vật liệu (MRR) tăng 474,5%, độ mòn điện cực (TWR) giảm 64,4%, độ nhám bề mặt (Ra) giảm 41,3%, số lượng và kích thước vết nứt tế vi trên bề mặt gia công giảm, chiều dày lớp trắng đồng đều hơn và cơ tính của lớp bề mặt được nâng cao.
Nghiên cứu của tác giả Lê Văn Tạo đã chỉ ra rằng việc sử dụng bột các bít Vonfram trong quá trình PMEDM gia công thép SKD61 có ảnh hưởng tích cực đến chất lượng bề mặt Cụ thể, khi áp dụng chế độ xung IP = 2A, Ton = 16μs, và Cp = 60g/l, độ nhám bề mặt được cải thiện tới 53,3% và độ cứng tế vi của lớp bề mặt tăng đến 81,5% so với phương pháp không sử dụng bột.
Các nghiên cứu về phương pháp EDM và PMEDM đã được thực hiện, với sự gia tăng quan tâm đối với PMEDM từ các nhà khoa học trong nước.
Phương pháp PMEDM đã khắc phục những nhược điểm cơ bản của EDM, nâng cao năng suất bóc tách, giảm độ mòn điện cực và cải thiện độ nhám bề mặt Do đó, nghiên cứu về PMEDM là một hướng đi quan trọng cần được chú trọng tại Việt Nam.
1.6.2 Tình hình nghiên cứu về EDM và PMEDM trên thế giới
EDM và PMEDM là hai phương pháp gia công không truyền thống đang thu hút sự chú ý của các nhà nghiên cứu toàn cầu Các nghiên cứu về EDM và PMEDM chủ yếu tập trung vào những hướng phát triển và ứng dụng mới, nhằm cải thiện hiệu suất gia công và mở rộng khả năng ứng dụng trong các ngành công nghiệp khác nhau.
- Nghiên cứu nâng cao năng suất gia công, chủ yếu để tăng hiệu quả bóc tách vật liệu (MRR), và giảm độ mòn điện cực (TWR)
Nghiên cứu này tập trung vào việc cải thiện chất lượng bề mặt sau gia công của chi tiết thông qua phương pháp EDM và PMEDM, nhằm giảm độ nhám bề mặt (SR), giảm vết nứt tế vi và tăng độ cứng tế vi của lớp bề mặt Đặc biệt, nghiên cứu cũng xem xét khả năng bóc tách vật liệu (MRR) và độ mòn điện cực (TWR) của phương pháp PMEDM để tối ưu hóa quy trình gia công.
Nghiên cứu của Shabgard và các cộng sự về gia công thép SKD61 bằng EDM với điện cực đồng đỏ cho thấy cường độ dòng phóng điện và thời gian phát xung có ảnh hưởng đáng kể đến tốc độ bóc tách vật liệu (MRR), độ mòn điện cực (TWR) và độ nhám bề mặt (Ra) Cụ thể, theo đồ thị trong hình 1.12, khi cường độ dòng điện tăng, MRR, TWR và Ra cũng tăng nhanh chóng.
Hình 1.12 Đồ thì ảnh hưởng của cường độ dòng điện tới MRR, Ra, TWR [5]
Khi thời gian phát xung Ton tăng, MRR và Ra có xu hướng tăng, trong khi TWR lại giảm mạnh Nghiên cứu cho thấy cường độ dòng điện ảnh hưởng lớn hơn đến MRR, TWR và Ra so với thời gian phát xung.
Hình 1.13 Đồ thì ảnh hưởng của thời gian phát xung đến MRR, Ra, TWR [5]
Năm 1980, Erden và Bilgin đã công bố nghiên cứu về ảnh hưởng của các loại hạt bột như đồng, nhôm, sắt và carbon khi trộn vào chất điện môi EDM, sử dụng dầu làm dung môi và thép làm vật liệu gia công Kết quả cho thấy việc thêm bột vào dung môi đã gia tăng tốc độ bóc tách vật liệu Tuy nhiên, nghiên cứu cũng chỉ ra rằng gia công trở nên không ổn định ở nồng độ bột cao do sự xuất hiện của các ngắn mạch.
Hình 1.14 Đồ thị ảnh hưởng của nồng độ bột graphite tới MRR, TWR và WR [57] a) MRR b) Ra c) TWR m
MÔ HÌNH THỰC NGHIỆM GIA CÔNG TIA LỬA ĐIỆN CÓ TRỘN BỘT TRONG DUNG DỊCH ĐIỆN MÔI CHI TIẾT TỪ THÉP 90CrSi QUA TÔI VÀ XÂY DỰNG HỆ THỐNG THÍ NGHIỆM
Mô hình nâng cao hiệu quả quá trình PMEDM
Trong sản xuất gia công cơ khí, sản phẩm cần đảm bảo độ chính xác và dự đoán kết quả để điều khiển quá trình gia công Các yếu tố kỹ thuật quan trọng bao gồm độ chính xác kích thước, chất lượng bề mặt và năng suất chế tạo, bên cạnh tính kinh tế của sản phẩm Nghiên cứu thường tập trung vào nâng cao hiệu quả kỹ thuật qua việc cải thiện độ chính xác, chất lượng bề mặt, giảm nhiệt, lực cắt, rung động và nâng cao năng suất Để cân bằng giữa các yếu tố này, luận án đề xuất một mô hình nhằm nâng cao hiệu quả của quá trình PMEDM.
2.1.1 Sơ đồ và cơ sở của nghiên cứu quá trình gia công tia lửa điện có trộn bột
Gia công xung điện EDM, đặc biệt là PMEDM, là một quá trình phức tạp với nhiều yếu tố đầu vào ảnh hưởng đến kết quả gia công Hiện nay, mô hình được trình bày trong hình 2.1 được xem là mô hình tổng quát và phù hợp cho quá trình EDM.
Hình 2.1: Sơ đồ nghiên cứu thực nghiệm[81] m
Theo [81], sơ đồ nghiên cứu thực nghiệm được thể hiện ở hình 2.1, trong đó:
X là các thông số đầu vào quan trọng, cần được nghiên cứu kỹ lưỡng và xây dựng kế hoạch thực nghiệm phù hợp Các thông số này bao gồm hiệu điện thế (SV), cường độ dòng phóng điện (IP), thời gian phát xung (Ton) và thời gian ngừng phát xung (Toff).
Các thông số đầu ra, hay còn gọi là kết quả, bao gồm nhám bề mặt gia công, tốc độ bóc tách vật liệu (MRR) và lượng mòn điện cực (TWR).
Z là các tham số có thể điều chỉnh, và giá trị của Z có thể được lựa chọn dựa trên mục đích nghiên cứu, chẳng hạn như nồng độ bột kim loại.
Nhiễu, hay còn gọi là các tham số không thể kiểm soát, đóng vai trò quan trọng trong nghiên cứu thực nghiệm Những tham số này rất đa dạng và có thể ảnh hưởng đến kết quả nghiên cứu.
Mục đích của nghiên cứu thực nghiệm là xác định mối quan hệ giữa thông số đầu vào và đầu ra, từ đó cho phép điều khiển quá trình hoặc dự đoán kết quả đầu ra dựa trên thông số đầu vào đã biết Các thí nghiệm có thể được thực hiện trực tiếp trên đối tượng hoặc thông qua mô hình thực nghiệm, vì vậy mô hình cần đảm bảo độ chính xác cần thiết để thu thập thông tin hiệu quả.
2.1.2 Chọn thông số đầu vào
Theo [82], việc lựa chọn thông số đầu vào cần thỏa mãn các yêu cầu sau đây:
Là các biến độc lập, có thể điều chỉnh được, điều này cho phép nhận được các ước lượng riêng biệt của hệ số hồi quy;
- Là các thông số định lượng;
- Có ảnh hưởng đến các hàm mục tiêu lớn hơn nhiều so với mức độ ảnh hưởng của nhiễu m
Việc lựa chọn thông số đầu vào được thực hiện dựa trên nhiều cơ sở, bao gồm quan sát hiện tượng thực tế, tham khảo tài liệu, ý kiến từ các chuyên gia, và nghiên cứu thực nghiệm thăm dò.
Trong gia công xung điện có trộn bột, các thông số được phân chia thành bốn nhóm chính: (1) thông số điện bao gồm sự phân cực, điện áp, cường độ dòng phóng điện, thời gian phát xung và thời gian ngừng phát xung; (2) thông số không điện như thời gian gá đặt, thời gian gia công, lưu lượng dung môi và loại dung môi; (3) thông số điện cực bao gồm vật liệu, hình dạng và kích thước của điện cực; (4) thông số bột với các yếu tố như loại bột, nồng độ, kích thước, mật độ và tính chất vật lý.
Các thông số công nghệ đầu vào quan trọng trong quá trình gia công EDM bao gồm hiệu điện thế (SV), cường độ dòng phóng điện (IP), thời gian phát xung (Ton) và thời gian ngừng phát xung (Toff) Những thông số này có ảnh hưởng lớn đến chất lượng và hiệu suất của quá trình gia công, do đó, chúng được các nhà khoa học nghiên cứu một cách sâu sắc.
Nồng độ bột trong dung dịch điện môi là yếu tố quan trọng ảnh hưởng đến năng suất và chất lượng bề mặt gia công trong quá trình PMEDM Vì lý do này, tác giả đã chọn nồng độ bột làm thông số công nghệ đầu vào để nghiên cứu.
Hệ thống thí nghiệm
Mô hình nghiên cứu được triển khai dựa trên điều kiện thực tế và nhu cầu thiết yếu trong khu vực sản xuất, với trang thiết bị cụ thể được sử dụng để đảm bảo tính khả thi và hiệu quả của nghiên cứu.
Máy xung CNC Sodick model MarkA30 được sử dụng trong thực nghiệm tại Doanh nghiệp Cơ khí Chính xác Thái Hà, tọa lạc tại Tổ 7, Phường Phú Xá, TP Thái Nguyên.
Hình 2.2 Hình ảnh máy xung thí nghiệm Sodick A30
Các đặc tính kỹ thuật của máy:
- Hành trình bàn máy X/Y/Z: 300*250*250 (mm) m
- Kích thước thùng máy: 660*492*250 (mm)
- Mức điện môi (min~max, mm): 100~300
- Khối lượng phôi tối đa: 400 (kg)
- Khối lượng điện cực tối đa: 50 (kg)
Vật liệu thép dụng cụ 90CrSi được tôi với độ cứng bề mặt từ 58-60 HRC Quy trình nhiệt luyện của thép 90CrSi được thực hiện để đạt được độ cứng yêu cầu như trình bày trong Bảng 2.1.
Kích thước phôi được mô tả trong hình 2.3 với chiều dài xung 15 mm và đường kính phôi xung là 10.4 mm, có dung sai cho phép là ±0.01 mm Để đảm bảo độ chính xác cao, phôi được gia công lần cuối bằng phương pháp mài trên máy mài tròn ngoài.
Hình 2.3 Hình ảnh phôi và kích thước của phôi
- Thành phần hóa học của phôi thí nghiệm thép 90CrSi thí nghiệm được cho trong Bảng 2.2 m
Bảng 2.1 Chế độ nhiệt luyện thép 90CrSi [88]
Nhiệt độ ủ ( 0 C) Độ cứng sau ủ (HB) Tôi ( 0 C) Làm nguội Độ cứng sau tôi (HRC)
Ram ( 0 C) Độ cứng sau ram (HRC)
Bảng 2.2 Thành phần hóa học của mẫu thí nghiệm thép 90CrSi [88]
Hình 2.4 Hình ảnh và kích thước của điện cực m
Bảng 2.3 Đặc tính kỹ thuật của vật liệu điện cực đồng [2]
Để nâng cao năng suất và chất lượng bề mặt gia công bằng PMEDM, vật liệu điện cực được chọn cho thí nghiệm là đồng đỏ (Cu), đại diện cho nhóm vật liệu điện cực chủ yếu trong gia công tinh tại các cơ sở sản xuất ở Việt Nam Vật liệu điện cực đồng mang lại chất lượng bề mặt cao và khả năng chống phóng hồ quang tốt, tuy nhiên, năng suất bóc tách vật liệu lại thấp Thông tin chi tiết về đặc tính kỹ thuật của vật liệu điện cực đồng được trình bày trong Bảng 2.3, cùng với hình dạng và kích thước điện cực như thể hiện trong hình 2.4.
2.2.4 Bột trộn vào dung dịch điện môi
Bột SiC (silicon carbide) cỡ hạt 500nm với độ tinh khiết 99% từ Guangzhou Hongwu Material Technology Co., Ltd, Trung Quốc, được trộn vào dung dịch điện môi cho thí nghiệm Loại bột này phổ biến trong gia công và được nghiên cứu nhiều trong PMEDM, mang lại nhiều đặc tính cơ bản quan trọng.
- Độ bền cao (độ dai va đập: 3.5-4.1 MPa.m 1/2 )
- Có khả năng chống ô xi hóa
- Độ cứng cao và chống mòn tốt (độ cứng: 2300-2600 HV(0.3) Kg/mm2 m
- Giãn nở vì nhiệt thấp và khả năng dẫn nhiệt cao (hệ số giãn nở về nhiệt: 60-120 10 -6 /°C)
Hình 2.5 Hình ảnh bột nano SiC kích thước hạt 500 nm
Bảng 2.4 Thông số kỹ thuật của dầu xung điện Total Diel MS7000
Các đặc tính Phương pháp Đơn vị DIEL MS
Tỉ trọng Độ nhớt ở 20 C Điểm chớp cháy Pensky-
Tổng hàm lượng các chất thơm
Bằng mắt ASTM D 156 ISO 3675 ISO 3104 ISO 2719 ISO 3106 TOTAL I L 14(DMSO-
Dung dịch điện môi được chọn cho thí nghiệm là dầu xung Diel MS7000 của hãng Total, nổi bật trong lĩnh vực gia công xung định hình tại Việt Nam nhờ nhiều ưu điểm Dầu này có tính chất lỏng và trong suốt, khả năng chống ô xi hóa tốt, điểm chớp cháy cao, và được chiết xuất từ một phân đoạn chưng cất hẹp với tính bay hơi thấp Ngoài ra, hàm lượng các hợp chất thơm thấp và điểm đông đặc cũng thấp, cho phép bảo quản ngoài trời Thông số kỹ thuật của dầu xung điện Total Diel MS7000 được trình bày trong Bảng 2.4.
2.2.6 Bể chứa dung dịch điện môi
Bể chứa dung dịch điện môi cần đảm bảo sự phân bố đồng đều của bột mà không bị lắng đọng, đồng thời thuận tiện cho việc thay đổi dung dịch và gá đặt điện cực Những yếu tố này ảnh hưởng quyết định đến độ chính xác của kết quả thí nghiệm Hình 2.6 minh họa sơ đồ thí nghiệm và bể chứa dung dịch điện môi, được chế tạo từ khung inox và tôn SUS204 dày 1 mm, với kích thước 320 x 280 x 250 mm.
Trong quá trình thí nghiệm, bể gắn cánh khuấy (100) được quay với tốc độ 100 vòng/phút để ngăn chặn bột SiC lắng đọng Hai bơm A303 với vòi phun 8 được sử dụng, trong đó một bơm tuần hoàn dầu để hỗ trợ khuấy, và một bơm có lưu lượng ổn định 20 lít/phút cung cấp dung dịch điện môi có trộn bột vào vùng khe hở phóng điện, đồng thời đẩy phoi ra khỏi vùng gia công Ngoài ra, nam châm vĩnh cửu trong bể có nhiệm vụ hút phoi, ngăn không cho chúng lẫn vào bột SiC, đảm bảo quá trình phóng tia lửa điện diễn ra hiệu quả.
Hình 2.6 Sơ đồ gia công xung và hình ảnh hệ thống thí nghiệm m
Các thông số điện được lựa chọn dựa vào các kết quả nghiên cứu gần đây [51-
Bài viết đề cập đến việc sử dụng EDM với xung thép 90CrSi, dựa trên catalog khuyến cáo của máy về gia công các cặp vật liệu phôi và điện cực Các thông số điện của máy thí nghiệm Sodick A30 được điều chỉnh như sau: cường độ dòng điện IP từ 4 đến 8 A, thời gian phát xung từ 6 đến 14 µs, thời gian ngừng phát xung từ 14 đến 30 µs, và điện áp từ 3 đến 5 V.
2.2.8 Thông số và nồng bột SiC trộn vào dung dịch điện môi
Thí nghiệm đã sử dụng bột SiC với kích thước hạt 500 nm và các nồng độ khác nhau, từ 0 đến 4.5 g/l, dựa trên các nghiên cứu trong và ngoài nước [51-53] cùng với các thí nghiệm khảo sát đã được thực hiện.
Thiết bị đo, kiểm tra
2.3.1 Cân điện tử Để đánh giá năng suất bóc tách vật liệu và lượng mòn điện cực sử dụng cân điện tử (electronic balance) WT3003NE (Hình 2.7) với độ chính xác 0.001 gram, cân có thể cân được khối lượng lớn nhất là 200 gram Để xác định năng suất bóc tách vật liệu, tác giả tiến hành làm sạch (xịt sạch bằng dòng khí áp suất cao, sau đó ngâm trong dung dịch đồng sun phát 2-3% khoảng
Trong quy trình này, sau khi sấy khô phôi trong 2 giờ, cần cân trọng lượng trước và sau khi xung để xác định khối lượng kim loại đã được bóc tách Tương tự, cũng cần thực hiện bước cân đối với điện cực để tính toán mức độ mòn của điện cực.
Hình 2.7 Hình ảnh cân điện tử WT3003NE
2.3.2 Máy đo độ nhám bề mặt gia công
Trị số độ nhám bề mặt gia công (Ra) được xác định bằng máy đo biên dạng tiếp xúc SV3100 của Mitutoyo, đặt tại phòng KCS của Công ty Cổ phần Phụ Tùng Máy Số 1, địa chỉ đường 3/2, Tổ 10, Phường Mỏ Chè, Thành Phố Sông Công, Tỉnh Thái Nguyên Mỗi lần đo sử dụng chiều dài chuẩn 5 mm và thực hiện 3 lần lặp trên mỗi mẫu thí nghiệm, với kết quả cuối cùng là giá trị trung bình của các lần đo.
Các thông số đặc trưng của máy đo độ nhám bề mặt SV3100:
- Nguyên lý: Phương pháp đầu dò tiếp xúc
- Trục Z: Phạm vi đo: 350 àm; tốc độ đo: 0.25ữ0.5 mm/s
- Trục X: Phạm vi đo: 12.5 mm; tốc độ đo: 0.25÷0.5 mm/s
- Lực đo: 4 mN hoặc 0.75 mN
- Khuếch đại: Đứng 10X đến 100 000X; ngang: 1X đến 1000X
- Thông số: Ra, Ry, Rz, Rt, Rp, Rq, Rv, Sm, S, Pc, R3z m
Hình 2.8 Hình ảnh máy đo độ nhám bề mặt SV3100
2.3.3 Máy đo tọa độ CMM Để kiểm tra độ chính xác kích thước của điện cực và phôi trước khi tiến hành thí nghiệm sử dụng máy đo tọa độ CMM dạng CNC, hãng Mitutoyo, Nhật Bản, model CRYSTA-Apex S544, của Trung tâm thí nghiệm thực hành, khoa Cơ khí, trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp, Đại học Thái Nguyên (Hình 2.9 và phụ lục - hình 1) Các thông số kỹ thuật của máy:
- Độ phân giải (độ chính xác): 0.0001 mm (0.1 μm)
- Tốc độ đo max: 8 mm/s
- Tốc độ di chuyển của trục max: 8-300 mm/s (dạng CNC) m
Hình 2.9 Hình ảnh máy đo tọa độ CMM CRYSTA-Apex S544
Việc sử dụng máy đo tọa độ CMM giúp đo kích thước đường kính phôi và đường kính lỗ của điện cực, đảm bảo rằng lượng dư gia công trong các thí nghiệm là đồng đều và nhất quán.
2.3.4 Kính hiển vi điện tử quét (SEM/EDX) Jeol JMS 6490
Thiết bị phân tích hình thái bề mặt gia công mẫu với độ phóng đại cao là máy SEM/EDX Jeol JMS 6490 của Nhật Bản Phân tích được thực hiện tại Trung tâm đánh giá hư hỏng vật liệu thuộc Viện khoa học Vật liệu, địa chỉ số 18, đường Hoàng Quốc Việt, quận Cầu Giấy, Hà Nội.
Từ các kết quả, phân tích và trình bày trong chương 2, tác giả rút ra các kết luận sau: m
1 Đã phân tích được cơ sở và lựa chọn các thông số đầu vào và kết quả đầu ra của nghiên cứu:
Trong quá trình EDM, bốn thông số công nghệ chính cần chú ý là hiệu điện thế (SV), cường độ dòng phóng điện (IP), thời gian phát xung (Ton) và thời gian ngừng phát xung (Toff) Ngoài ra, nồng độ bột SiC (CP) cũng là yếu tố quan trọng để trộn vào dung dịch điện môi, ảnh hưởng đến hiệu suất của quá trình.
- Thông số đầu ra bao gồm: độ nhám bề mặt gia công (Ra), năng suất bóc tách vật liệu (MRR), tốc độ mòn điện cực (TWR)
2 Đã đề xuất mô hình nâng cao hiệu quả quá trình PMEDM sử dụng bột SiC trong dung dịch điện môi khi xung chi tiết có bề mặt trụ định hình vật liệu 90CrSi
3 Đã xây dựng được hệ thống thí nghiệm, sử dụng các thiết bị đo kiểm tin cậy đáp ứng được yêu cầu của nghiên cứu thực nghiệm m
CHƯƠNG 3 NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM ẢNH HƯỞNG CỦA CÁC THÔNG SỐ CÔNG NGHỆ ĐẾN ĐỘ NHÁM BỀ MẶT, NĂNG SUẤT BÓC TÁCH VÀ ĐỘ MÒN ĐIỆN CỰC KHI GIA CÔNG XUNG ĐIỆN THÉP
90CrSi VỚI DUNG DỊCH ĐIỆN MÔI CÓ TRỘN BỘT SiC
Đặt vấn đề
Chương này đánh giá ảnh hưởng của các thông số đầu vào trong quá trình xung thép 90CrSi với dung dịch điện môi chứa bột nano SiC đến các thông số đầu ra như độ nhám bề mặt Ra, năng suất bóc tách MRR, và tốc độ mòn điện cực TWR Các chế độ xung với thông số đầu vào hợp lý đã được xác định nhằm đạt được độ nhám bề mặt nhỏ nhất, tốc độ bóc tách lớn nhất, và tốc độ mòn điện cực nhỏ nhất Nghiên cứu thực nghiệm sử dụng phương pháp Taguchi để thiết kế và phân tích kết quả thí nghiệm sẽ được trình bày chi tiết trong các phần tiếp theo.
Thí nghiệm
Nghiên cứu xác định ảnh hưởng của các thông số công nghệ quá trình xung đến độ nhám bề mặt, năng suất bóc tách và tốc độ mòn điện cực khi thực hiện xung thép 90CrSi qua quá trình tôi với dung dịch điện môi chứa bột nano SiC Kết quả cho thấy sự tương quan giữa các yếu tố này có thể tối ưu hóa quá trình gia công, nâng cao chất lượng sản phẩm và hiệu suất làm việc của thiết bị.
Đề xuất các chế độ công nghệ xung hợp lý nhằm tối ưu hóa độ nhám bề mặt, tăng cường năng suất bóc tách và giảm thiểu tốc độ mòn của điện cực.
Việc lựa chọn thông số đầu vào như phôi, điện cực, bột nano và dụng cụ đo kiểm đã được trình bày trong chương 2 Các thông số đầu ra bao gồm độ nhám bề mặt (Ra), năng suất bóc tách (MRR) và tốc độ mòn điện cực (TWR), đây cũng là ba hàm đơn mục tiêu cần khảo sát.
Phương pháp quy hoạch thực nghiệm, cụ thể là phương pháp Taguchi, được sử dụng để thiết kế và phân tích kết quả thí nghiệm, mang tên nhà khoa học Nhật Bản đã phát triển nó Phương pháp này sử dụng các ma trận thí nghiệm dựa trên ma trận trực giao, cho phép đưa vào một số lượng lớn các thông số công nghệ (từ 3 đến 50) với các mức khác nhau Điều này giúp xác định ảnh hưởng của hầu hết các thông số đến giá trị trung bình của kết quả đầu ra với số lượng thí nghiệm, thời gian và chi phí tối thiểu Ngoài ra, phương pháp cũng xác định được các thông số có ảnh hưởng mạnh nhất đến kết quả, từ đó hướng dẫn các thử nghiệm tiếp theo và loại bỏ những thông số không đáng kể Mục tiêu là tối ưu hóa các thông số để đảm bảo quá trình hoặc sản phẩm đạt chất lượng tốt nhất, đồng thời giảm thiểu số lượng thí nghiệm cần thiết để nghiên cứu ảnh hưởng của các thông số lên đặc tính của quá trình hoặc sản phẩm.
Phần mềm Minitab 19 kết hợp với thiết kế Taguchi L18 (6^1 3^4) đã được áp dụng để thiết kế và phân tích kết quả thí nghiệm Bảng 3.1 trình bày các thông số đầu vào và mức độ của chúng theo thiết kế Taguchi, trong khi Hình 3.1 mô tả quy trình khai báo biến thí nghiệm Ngoài ra, kế hoạch thí nghiệm cũng được nêu rõ trong Bảng 3.2.
Các bước thực hiện theo phương pháp Taguchi:
Phương pháp Taguchi là một công cụ quan trọng trong tối ưu hóa quy trình, và các bước cơ bản để thực nghiệm theo phương pháp này đã được trình bày chi tiết trong tài liệu [89] Trong luận án này, chúng tôi sẽ tập trung vào một số ứng dụng cụ thể của phương pháp Taguchi để giải quyết các bài toán tối ưu liên quan đến nội dung nghiên cứu, đặc biệt là việc xác định tỷ số S/N.
Trong các thí nghiệm của ma trận thí nghiệm, thí nghiệm có tỉ số S/N cao nhất sẽ mang lại kết quả đáng tin cậy nhất và ít bị ảnh hưởng bởi nhiễu Tỉ số này giúp xác định mức đầu ra tối ưu và được tính toán theo một công thức cụ thể.
(1) Đối với kết quả mong muốn Lớn hơn thì tốt hơn (Larger - the better)
Trong đó: n là số lần lặp ở mỗi thí nghiệm; y ij là giá trị đo được ở lần đo thứ i
Giá trị này được áp dụng cho các mục tiêu quan tâm mà mong muốn tìm kiếm được tối đa hoá các đặc tính chất lượng
(2) Đối với kết quả mong muốn Giá trị tiêu chuẩn (danh nghĩa) là tốt nhất
Vấn đề loại danh nghĩa tốt nhất được định nghĩa bởi công thức 𝑛−1 (3.4), nhằm giảm thiểu sai số bình phương xung quanh giá trị mục tiêu cụ thể.
Chuẩn hóa là quá trình chuyển đổi dữ liệu đầu vào duy nhất nhằm phân phối dữ liệu một cách đồng đều, giúp đưa dữ liệu về một phạm vi chấp nhận được cho các phân tích tiếp theo.
(3) Đối với kết quả mong muốn Nhỏ hơn thì tốt hơn (Smaller - the - better)
Giá trị này được áp dụng cho các mục tiêu quan tâm mà mong muốn tìm kiếm được giá trị tối thiểu b) Phân tích phương sai ANOVA m
Tổng các bình phương (SS) là một chỉ số quan trọng để đo lường độ lệch của dữ liệu thử nghiệm so với giá trị trung bình SST được tính toán theo công thức cụ thể, giúp phân tích sự biến động trong dữ liệu.
𝑆𝑆 = ∑ 𝑛 𝑖=1 (𝑦 𝑖 − 𝑦̅) 2 (3.6) Trong đó: n là số lượng giá trị được kiểm tra; 𝑦̅ là giá trị trung bình các kết quả yi của đối tượng thứ i
- Tổng bình phương của thông số B (SSB)
Trong đó: Bi là giá trị tại mức i của thí nghiệm; nBi là số kết quả khảo sát ở điều kiện Bi; T là tổng các giá trị kiểm tra
- Tổng bình phương các lỗi (SSe): Phân bố bình phương của các giá trị khảo sát từ giá trị trung bình của trạng thái B
- Phần trăm ảnh hưởng của thông số B:
𝑆𝑆 𝑇 100(%) (3.9) c) Tối ưu hóa kết quả đầu ra
Giá trị tối ưu (Em) được ước tính bởi các thông số có ảnh hưởng mạnh và được xác định theo công thức sau:
Công thức tính giá trị tối ưu được biểu diễn như sau: \(E_m = \bar{y} + (\bar{A} - \bar{y}) + (\bar{B_k} - \bar{y}) + (\bar{C_l} - \bar{y})\) Trong đó, \(\bar{y}\) là trị số trung bình của đặc trưng khảo sát, và \(\bar{A}\), \(\bar{B_k}\), \(\bar{C_l}\) lần lượt là giá trị trung bình tại các mức thứ k, l và m Khoảng phân bố của giá trị tối ưu cần được xác định rõ ràng để đảm bảo tính chính xác trong phân tích.
Khoảng phân bố của một tập mẫu CIm xác định bởi công thức:
Trong đó: 𝐹 là hệ số F ở mức tin cậy (1 – ) đối với DF = 1 và DF của lỗi fe; ve là trị số thay đổi của lỗi
Trong đó: DF là bậc tự do tổng của các thông số tính trị số trung bình; N là tổng số thí nghiệm khảo sát
Thí nghiệm xung thép 90CrSi với dung dịch điện môi trộn bột nano SiC đã được thực hiện theo kế hoạch trong Bảng 3.1, với tổng cộng 18 chế độ xung khác nhau Mỗi chế độ xung được lặp lại 3 lần để tăng độ chính xác Trước khi thí nghiệm, khối lượng của các điện cực và phôi được xác định bằng cân điện tử WT3003NE với độ chính xác 0.001 g Thời gian xung được ghi nhận qua thời gian thực trên máy xung CNC Sau quá trình thí nghiệm, độ nhám bề mặt được đánh giá.
Ra (àm) của các phụi được xác định bằng giá trị trung bình qua ba lần đo cho mỗi phụi Khối lượng của các chi tiết gia công và điện cực cũng được xác định sau khi xung Từ khối lượng của phôi và điện cực trước và sau khi xung, ta có thể tính toán năng suất bóc tách vật liệu (MRR) và độ mòn điện cực (TWR) theo các công thức tương ứng.
Trong quá trình gia công, khối lượng phôi được biểu thị bằng mp,t trước khi gia công và mp,s sau khi gia công (đơn vị: gram) Tương tự, khối lượng điện cực được ghi nhận là md,t trước khi gia công và md,s sau khi gia công (đơn vị: gram) Thời gian xung, hay còn gọi là thời gian gia công, được ký hiệu là tx và được đo bằng giây.
Bảng 3.1 Các mức thí nghiệm của các thông số đầu vào C p , T on , T off , IP và SV
Thời gian phỏt xung T on [às] 6 10 14 - - -
Thời gian ngừng phỏt xung T off [às] 14 21 30 - - -
Cường độ dòng phóng điện IP [A] 4 8 12 - - -
Hình 3.1 Khai báo biến thí nghiệm theo phương pháp Taguchi (L18 = 6^1
Bảng 3.2 Kế hoạch thí nghiệm với các thông số đầu vào C p , T on , T off , IP và SV
TT C p T on T off IP SV
Kết quả và nhận xét
3.3.1 Ảnh hưởng của các thông số đầu vào quá trình xung đến độ nhám bề mặt
Bảng 3.3 trình bày các giá trị độ nhám bề mặt từ ba lần đo và trị số nhám trung bình của 18 thí nghiệm Để xác định chế độ đầu vào hợp lý cho quá trình xung nhằm giảm thiểu độ nhám bề mặt, phương pháp Taguchi đã được áp dụng để phân tích tỷ số tín hiệu/nhiễu (S/N) Thí nghiệm có giá trị S/N cao nhất sẽ mang lại kết quả tối ưu với ít ảnh hưởng từ nhiễu Với mục tiêu giảm độ nhám bề mặt, giá trị đặc tính yi được xác định là "càng nhỏ càng tốt", và tỷ số S/N của các kết quả đầu ra được tính theo công thức (3.5).
Với n là số thí nghiệm
Bảng 3.3 Độ nhám bề mặt gia công ứng với các thông số đầu vào khác nhau
TT C p T on T off IP SV
Lần 1 Lần 2 Lần 3 Trung bình S/N
+) Mức độ ảnh hưởng của các thông số đến độ nhám bề mặt Ra
Kết quả tính toán tỉ số S/N ứng với kết quả của 18 phương án thí nghiệm được thể hiện như trong Bảng 3.3
Bảng 3.4 ANOVA giá trị 𝑅𝑎̅̅̅̅ sau khi xung
Analysis of Variance for Means
Source DF Seq SS Adj SS Adj MS F P C%
Kết quả ANOVA cho độ nhám bề mặt trung bình (𝑅𝑎̅̅̅̅) được trình bày trong Bảng 3.4 và Hình 3.2 Thời gian ngừng phát xung đóng góp lớn nhất vào giá trị Ra với tỷ lệ 29.71%, theo sau là nồng độ bột nano m.
(18.65%), hiệu điện thế (15.43%), cường độ dòng phóng điện (11.05%) và cuối cùng là thời gian phát xung (10.79%)
Khi so sánh độ nhám bề mặt giữa dung dịch có trộn bột nano và dung dịch không có bột, kết quả cho thấy độ nhám bề mặt nhỏ hơn khi sử dụng dung dịch có bột nano Nồng độ bột nano cũng đóng vai trò quan trọng trong việc cải thiện tính chất bề mặt.
Khi Cp tăng, độ nhám bề mặt giảm rồi tăng lại, đạt giá trị nhỏ nhất tại mức 5 (4 g/l) Thời gian phát xung dài hơn dẫn đến độ nhám bề mặt tăng, với giá trị nhỏ nhất tại mức 1 (6 às) Tương tự, thời gian ngừng phát xung tăng làm độ nhám bề mặt giảm rồi tăng, đạt giá trị nhỏ nhất tại mức 2 (2 às) Cường độ dòng điện tăng cũng làm độ nhám bề mặt giảm rồi tăng lại, với giá trị nhỏ nhất tại mức 2 (8 A) Cuối cùng, hiệu điện thế phóng điện tăng khiến độ nhám bề mặt giảm rồi tăng, đạt giá trị nhỏ nhất tại mức 2 (4 V).
Bảng 3.5 Mức độ ảnh hưởng của các yếu tố đến 𝑅𝑎̅̅̅̅ khi xung
Level Cp Ton Toff IP SV
Hình 3.2 Đồ thị ảnh hưởng chính của các yếu tố đến 𝑅𝑎̅̅̅̅ khi xung
Hình 3.3 Biểu đồ ảnh hưởng của nồng độ bột SiC đến độ nhám bề mặt khi xung
Nồng độ bột SiC trong dung dịch điện môi có ảnh hưởng rõ rệt đến độ nhám bề mặt gia công Cụ thể, khi trộn bột SiC vào dung dịch, độ nhám bề mặt (Ra) giảm mạnh và tiếp tục giảm khi nồng độ bột tăng lên Điều này cho thấy mối quan hệ giữa nồng độ bột và độ nhám bề mặt là tỉ lệ nghịch.
Khi nồng độ bột trong dung dịch điện môi tăng, năng lượng của tia lửa điện giảm, dẫn đến việc tạo ra các vết lõm nhỏ hơn trên bề mặt gia công và làm giảm độ nhám Ra Sự gia tăng kích thước khe hở phóng điện cũng giúp dòng dung dịch điện môi dễ dàng đẩy phoi ra khỏi khu vực gia công Tuy nhiên, nếu nồng độ bột nano tiếp tục tăng, độ nhám bề mặt lại tăng lên do hiện tượng phóng điện liên tục tại một số vị trí, gây ra sự gia tăng độ nhám bề mặt gia công.
Hình 3.3 cho thấy mối quan hệ giữa nồng độ bột và Ra: khi nồng độ bột tăng từ 2 đến 4 (g/l), độ dốc của đồ thị giảm mạnh, dẫn đến Ra giảm 29.86% từ 3.426 xuống 2.403 Để đánh giá ảnh hưởng của việc trộn bột vào dung dịch điện môi đến chất lượng bề mặt gia công, kỹ thuật phân tích bề mặt gia công bằng kính hiển vi điện tử quét (SEM) đã được áp dụng Các mẫu SEM được chọn bao gồm mẫu không trộn bột với nồng độ nano Cp = 0 (g/l), thời gian phóng xung Ton = 6 (µs), thời gian ngừng phóng xung Toff = 0 (µs), cường độ dòng phóng điện IP (A), hiệu điện thế xung SV = 5 (V), cho ra độ nhám bề mặt trung bình là 2.388 (µm) Mẫu có trộn bột được thử nghiệm với các thông số tương tự.
Thời gian phát xung Ton là 6 (às) và thời gian ngừng phát xung Toff là 14 (às) Cường độ dòng phóng điện IP đạt 8 (A) với hiệu điện thế xung SV là 3 (V) Độ nhám bề mặt trung bình được đo là 2.080 (μm).
Kết quả phân tích SEM cho thấy rằng bề mặt gia công khi sử dụng xung có trộn bột (Hình 3.4b) có nhiều vết lõm hơn so với khi không có trộn bột (Hình 3.4a) Sự khác biệt này xuất phát từ dạng sóng điện áp xung và dòng điện đánh lửa, với xung có trộn bột tạo ra nhiều tia lửa nhỏ hơn, dẫn đến số lượng vết lõm tăng lên Ngoài ra, các vết lõm này nông hơn khi không có trộn bột, khiến độ nhám bề mặt khi có trộn bột (1.6700 μm) thấp hơn so với khi không có trộn bột (2.93933 μm).
Hình 3.4: Hình ảnh topography bề mặt gia công a) b)
Hình 3.5 Dạng sóng điện áp và dòng điện khi xung không trộn bột (a) và trộn bột
Hình 3.6 Hình ảnh các vết nứt tế vi trên bề mặt gia công a) m b)
Hình 3.7 Hình ảnh cấu trúc và chiều dày lớp biến trắng trên bề mặt gia công
Hình 3.6 cho thấy rằng số lượng vết nứt khi xung có trộn bột (2 vết nứt – Hình 3.6b) giảm đáng kể so với khi không trộn bột (5 vết nứt – Hình 3.6a), điều này phù hợp với kết luận trong [90] Khi xung có trộn bột, số lượng tia lửa điện tăng lên, dẫn đến tỷ lệ thời gian ngừng phóng điện (Toff) trên thời gian một chu trình (Tck) nhỏ hơn, giúp giảm thiểu sự thay đổi nhiệt độ đột ngột trên bề mặt gia công Kết quả là, khi xung có trộn bột, số lượng vết nứt tế vi giảm, từ đó tăng cường độ bền mỏi của chi tiết gia công, bởi vì các vết nứt tế vi là nguyên nhân chính làm giảm độ bền mỏi trong quá trình làm việc.
Hình 3.7 minh họa cấu trúc lớp bề mặt gia công với và không có trộn bột Kết quả đo chiều dày lớp biến trắng trên máy SEM được trình bày trong Bảng 3.6 và Bảng 3.7 Kết quả cho thấy lớp biến trắng khi không có bột dày hơn, với chiều dày trung bình tại vị trí 1 là 12.4 μm và tại vị trí 2 là 11.51 μm, so với lớp biến trắng khi có trộn bột (chiều dày trung bình tại vị trí 1 là 6.97 μm và tại vị trí 2 là 7.48 μm) Việc trộn bột vào dung dịch điện môi giúp lớp biến trắng đồng đều hơn, dẫn đến chất lượng bề mặt tốt hơn Kết quả này cũng tương đồng với nghiên cứu về xung thép dụng cụ SKD61.
Bảng 3.6 Chiều dày lớp biến trắng khi xung không trộn bột
Chiều dầy lớp biến trắng (μm) Lần đo 1 Lần đo 2 Lần đo 3 Lần đo 4 Lần đo 5 Trung bình
Bảng 3.7 Chiều dày lớp biến trắng khi xung có trộn bột
Chiều dầy lớp biến trắng (μm) Lần đo 1 Lần đo 2 Lần đo 3 Lần đo 4 Lần đo 5 Trung bình
+) Xác định bộ thông số chế độ xung hợp lý nhằm đạt độ nhám bề mặt nhỏ nhất:
Thí nghiệm số 15 cho thấy hiệu quả tối ưu với chế độ xung, bao gồm nồng độ bột nano Cp = 4 g/l, thời gian phát xung Ton = 6 às, thời gian ngừng phát xung Toff = 30 às, cường độ dòng điện IP = 8 A và hiệu điện thế xung SV = 5.
Kết quả cho thấy độ nhám bề mặt nhỏ nhất đạt được là Ra = 1.67 μm, với tỉ số S/N cao nhất là -4.4587, cho thấy tác động của thí nghiệm này đến độ nhám bề mặt là lớn nhất và ảnh hưởng của nhiễu là nhỏ nhất Tuy nhiên, các thông số hiện tại vẫn chưa đạt mức hợp lý để tối ưu hóa độ nhám bề mặt Để xác định chế độ tối ưu, cần phân tích phương sai tỉ số S/N của Ra nhằm tìm ra các thông số xung phù hợp.
Bảng 3.8 ANOVA tỉ số S/N của 𝑅𝑎̅̅̅̅ khi xung
Analysis of Variance for SN ratios
Source DF Seq SS Adj SS Adj MS F P
Kết quả ANOVA trị số S/N của Ra được trình bày trong Bảng 3.8, Bảng 3.9 và Hình 3.8 Nghiên cứu chỉ ra rằng nồng độ bột nano Cp = 4 g/l (Cp5), thời gian phóng xung Ton = 6 às (Ton1), thời gian ngừng phóng xung Toff = 21 às (Toff2), và cường độ dòng điện IP có ảnh hưởng đáng kể đến kết quả.
Mức điện thế xung SV = 4 V (SV2) và 8 A (IP2) đạt được tỉ số S/N tối ưu, cho thấy đây là các thông số xung hợp lý để giảm độ nhám bề mặt xuống mức tối thiểu.
Bảng 3.9 Mức độ ảnh hưởng của các yếu tố đến tỉ số S/N của Ra khi xung
Response Table for Signal to Noise Ratios
Level Cp Ton Toff IP SV
Hình 3.8 Đồ thị ảnh hưởng chính của các yếu tố đến tỉ số S/N của Ra khi xung
+) Tính toán dự đoán giá trị độ nhám bề mặt:
TỐI ƯU HÓA ĐA MỤC TIÊU CÁC THÔNG SỐ CÔNG NGHỆ KHI
Đặt vấn đề
Chương này tập trung vào tối ưu hóa đa mục tiêu các thông số đầu vào của quá trình xung thép 90CrSi với dung dịch điện môi chứa bột SiC, nhằm cải thiện độ nhám bề mặt Ra, năng suất bóc tách MRR, và tốc độ mòn điện cực TWR Để thực hiện mục tiêu này, một nghiên cứu thực nghiệm đã được tiến hành, với thiết kế và kết quả thí nghiệm chi tiết được trình bày trong chương 3 Phương pháp Taguchi và phân tích quan hệ xám được áp dụng để giải quyết bài toán tối ưu hóa đa mục tiêu với các hàm đơn mục tiêu đã nêu.
Khái quát về phương pháp Taguchi và phân tích quan hệ xám
Tối ưu hóa đơn mục tiêu đạt được mức tối ưu tuyệt đối, với tiêu chí như độ nhám bề mặt nhỏ nhất hoặc tốc độ bóc tách vật liệu lớn nhất Ngược lại, tối ưu hóa đa mục tiêu liên quan đến nhiều tiêu chí, khiến cho nghiệm không thể đạt được đồng thời mức tốt nhất cho tất cả các tiêu chí Ví dụ, không thể vừa có độ nhám bề mặt nhỏ nhất vừa có tốc độ bóc tách vật liệu lớn nhất Trong tối ưu hóa đa mục tiêu, chỉ có thể xác định nghiệm “xám”, nằm giữa mức tốt nhất và tồi nhất Phương pháp tối ưu hóa này dựa trên phân tích quan hệ xám, và phương pháp Taguchi nguyên gốc chỉ áp dụng cho bài toán đơn mục tiêu.
Trong nghiên cứu này, phương pháp Taguchi kết hợp với phân tích quan hệ xám được sử dụng để tối ưu hóa đa mục tiêu Phần mềm Minitab đã hỗ trợ giải quyết bài toán Taguchi và phân tích quan hệ xám, gọi tắt là Taguchi xám Các bước thực hiện để giải bài toán tối ưu đa mục tiêu bằng phương pháp này sẽ được trình bày chi tiết.
- Bước 1: Xây dựng cơ sở dữ liệu dưới dạng mảng trực giao
- Bước 2: Phân tích quan hệ xám
- Bước 3: Tối ưu hóa bằng phương pháp Taguchi và phân tích quan hệ xám
- Bước 4: Thực nghiệm kiểm chứng kết quả.
Tối ưu đa mục tiêu khi xung bề mặt trụ định hình với dung dịch điện môi có trộn bột bằng phương pháp Taguchi và phân tích quan hệ xám
có trộn bột bằng phương pháp Taguchi và phân tích quan hệ xám
Trong bài viết này, chúng tôi trình bày cách giải bài toán tối ưu hóa đa mục tiêu với ba hàm đơn mục tiêu bằng phương pháp Taguchi kết hợp với phân tích quan hệ xám Quy trình tối ưu hóa được thực hiện theo các bước đã được mô tả chi tiết trước đó.
4.3.1 Xây dựng cơ sở dữ liệu dưới dạng mảng trực giao
Trong chương 3, chúng tôi đã thiết kế và thực hiện thí nghiệm cho ba hàm đơn mục tiêu, bao gồm độ nhám bề mặt nhỏ nhất, tốc độ bóc tách vật liệu lớn nhất và tốc độ mòn điện cực nhỏ nhất (xem mục 3.2) Bảng 4.1 cung cấp ma trận trực giao các thông số đầu vào cùng với kết quả đầu ra, bao gồm Ra, MRR và TWR.
Bảng 4.1 Ma trận trực giao các thông số đầu vào và kết quả đầu ra
TT Độ nhám bề mặt Ra ( m) Tốc độ mòn điện cực TWR
Năng suất bóc tách vật liệu MRR
Lần 1 Lần 2 Lần 3 Lần 1 Lần 2 Lần 3 Lần 1 Lần 2 Lần 3
4.3.2 Phân tích quan hệ xám
Việc phân tích quan hệ xám để tối ưu hóa đa được tiến hành như sau:
+) Chuẩn hóa số liệu thí nghiệm m
Để so sánh các dữ liệu đo của các mục tiêu đơn như Ra, MRR và TWR, cần chuẩn hóa dữ liệu do có thứ nguyên, miền giới hạn và chiều biến thiên khác nhau Quá trình chuẩn hóa được thực hiện thông qua giá trị chuẩn hóa Zij (0≤Zij≤1), được xác định theo công thức cụ thể.
𝑍 𝑖𝑗 = 𝑆𝑁 𝑖𝑗 −min (𝑆𝑁 𝑖𝑗 ,𝑗=1,2, 𝑘) max(𝑆𝑁 𝑖𝑗 ,𝑗=1,2, 𝑛)−min (𝑆𝑁 𝑖𝑗 ,𝑗=1,2, 𝑛) (4.1) Với j là số thí nghiệm (j)
Tỉ số S/N và giá trị chuẩn hóa Zij cho từng mục tiêu đầu ra được trình bày trong Bảng 4.2 Tất cả các đại lượng đầu ra đã được điều chỉnh về dạng "càng lớn càng tốt", với giá trị 1 được xem là trị số tham chiếu Do đó, giá trị chuẩn hóa càng gần 1 thì càng thể hiện kết quả tốt.
Bảng 4.2 Tỉ số S/N và giá trị chuẩn hóa Z của Ra, TWR và MRR
+) Tính hệ số quan hệ xám
Hệ số quan hệ xám thể hiện khoảng cách giữa giá trị chuẩn đang xét và giá trị lý tưởng Nó được xác định theo công thức sau:
Trong đó, j=1, 2, n; k=1, 2, ….m; n là số thí nghiệm; k là số mục tiêu đầu ra m
∆ot(k) là giá trị tuyệt đối của sai lệch giữa giá trị chuẩn đang xét Zj(k) (trị số
Z của thí nghiệm thứ j của mục tiêu thứ k) và giá trị lý tưởng Z0(k) (trị số tham chiếu): Δ 0𝑗 (𝑘) = ‖𝑍 0 (𝑘) − 𝑍 𝑗 (𝑘)‖ (4.3)
∀𝑘 ‖𝑍 0 (𝑘) − 𝑍 𝑗 (𝑘)‖ là giá trị nhỏ nhất của 0j
∀𝑘 ‖𝑍 0 (𝑘) − 𝑍 𝑗 (𝑘)‖ là giá trị lớn nhất của 0j
+) là hệ số phân biệt; 0 ≤ K ≤ 1 Hệ số này có thể được điều chỉnh dựa trên yêu cầu thực tế của hệ thống; Trong nghiên cứu này lấy = 0.5
Để xác định trị số quan hệ xám trung bình, các dữ liệu đo ban đầu, mặc dù không thể so sánh trực tiếp, đã được chuyển đổi thành hệ số quan hệ xám có thể so sánh Tuy nhiên, các dữ liệu này vẫn đại diện cho ba tiêu chí khác nhau Để xây dựng một hàm mục tiêu duy nhất từ những tiêu chí này, cần tính trị số quan hệ xám trung bình theo công thức đã được quy định.
𝑘∑ 𝑚 𝑖=1 𝛾 𝑖𝑗 (4.4) Với k là số hàm đơn mục tiêu (k=3)
Bảng 4.3 thể hiện trị số quan hệ xám ứng với các mục tiêu đơn và trị số quan hệ xám trung bình m
Bảng 4.3 Hệ số quan hệ xám và trị số quan hệ xám trung bình
Hệ số quan hệ xám i
+) Xác định mức tối ưu của các thông số đầu vào:
Trị số quan hệ xám cao cho thấy chất lượng sản phẩm tốt hơn, cho phép ước lượng tác động và mức độ tối ưu của các yếu tố có thể kiểm soát Bảng 4.3 trình bày trị số quan hệ xám cho từng thí nghiệm cùng với trị số quan hệ xám tương tác Đặc biệt, thí nghiệm số 15 (Cp5, Ton1, Toff3) cho thấy sự quan trọng của các yếu tố này trong việc cải thiện chất lượng sản phẩm.
IP2, SV3) tương ứng với chế độ xung cú Cp = 4 g/l, Ton = 6 às, Toff = 30 às, IP = 8
A, SV = 5 V, có trị số quan hệ xám tương tác lớn nhất (0,634) Điều đó chỉ ra rằng thí nghiệm số 15 thu được có tỉ số S/N tương ứng gần với tỉ số S/N được chuẩn hóa và nó có nhiều đặc tính tốt trong số 18 thí nghiệm Tuy nhiên, đây chưa phải là mức độ tối ưu của các yếu tố Theo phương pháp của Taguchi, cần xác định trị số quan hệ xám trung bình cho mỗi yếu tố ở các mức khác nhau Sử dụng phần mềm Minitab
19 để phân tích, ta xác định được trị số quan hệ xám trung bình tại các mức của mỗi yếu tố được xác định (Bảng 4.4 và Hình 4.1)
Bảng 4.4 Mức độ ảnh hưởng của các thông số đến hệ số quan hệ xám
Mức Cp Ton Toff IP SV
Hình 4.1 Đồ thị các ảnh hưởng của các thông số chính đến mục tiêu chung m
Trị số quan hệ xám lớn nhất của mỗi thông số đại diện cho mức tối ưu của thông số đó Như thể hiện trong Hình 4.1, các chấm tròn màu đỏ đánh dấu các mức tối ưu của từng thông số Bộ thông số tối ưu cho quá trình xung đáp ứng yêu cầu về độ nhám bề mặt và lượng mòn điện cực, với tiêu chí “nhỏ hơn thì tốt hơn” cho lượng mòn và “lớn hơn thì tốt hơn” cho năng suất gia công.
Cp5/Ton3/Toff2/IP3/SV2 tương ứng với Cp = 4.0 g/l, Ton = 14às, Toff = 21 às, IP = 12
Phần mềm Minitab được sử dụng để phân tích hồi quy phương sai (ANOVA) nhằm xác định các yếu tố quan trọng Phương pháp thống kê này giúp đánh giá ảnh hưởng của từng yếu tố, từ đó xác định tác động của chúng đến mục tiêu của quá trình.
Tỉ lệ đóng góp trong ANOVA sẽ khắc phục việc không đánh giá được ảnh hưởng của các thông số trong toàn bộ quá trình của phương pháp Taguchi.
Bảng 4.5 Kết quả ANOVA của hệ số quan hệ xám
Analysis of Variance for Means
Source DF Seq SS Adj SS Adj MS F P C%
Kết quả phân tích ANOVA trong Bảng 4.5 cho thấy nồng độ bột nano Cp có ảnh hưởng mạnh nhất đến mục tiêu chung với tỷ lệ 39.69% Tiếp theo, thời gian ngừng phát xung Toff chiếm 15.01%, hiệu điện thế SV đạt 13.69%, cường độ dòng phóng điện IP là 13.01%, và cuối cùng là thời gian phát xung Ton.
Trị số quan hệ xám tối ưu được xác định theo công thức sau:
𝛾 𝑜𝑝 ̅̅̅̅ = 𝜂 𝑚 + ∑ 5 𝑖=1 (𝜂̅ − 𝜂 𝑚 )= 𝐶 𝑝5 + 𝑇 𝑜𝑛3 + 𝑇 𝑜𝑓𝑓2 + 𝐼𝑃 3 + 𝑆𝑉 2 − 4 ∗ 𝑇 (4.5) Trong đó, T là trị số quan hệ xám trung bình: T = 0.561, các trị số Cp5, Ton3,
Toff2, IP3, SV2 là trị số quan hệ xám của các thông số ứng với mức tối ưu hóa tương ứng và được lấy từ Bảng 4.3 Theo đó, 𝛾̅̅̅̅ = 0.732 𝑜𝑝
Khoảng tin cậy CI được tính như sau:
Trong đó: 𝐹 ∝ (1, 𝑓 𝑒 ) = 3.776 là hệ số tra bảng với mức ý nghĩa % = 90%, fe
= 6 là bậc tự do của lỗi, Ve = 0.005826 là sai số trung bình của lỗi, Ne là số lần lặp hiệu quả, R = 3 là số lần lặp của một thí nghiệm
1 + tổng bậc tự do của các yếu tố đưa vào tính toán tối ưu
Với mức ý nghĩa = 90%, trị số quan hệ xám được dự đoán hợp lý dựa trên các thông số đầu vào Cp5/Ton3/Toff2/IP3/SV2 như sau:
Dựa trên mức tối ưu của các thông số đầu vào, giá trị tối ưu của hàm đa mục tiêu (𝑅𝑎, 𝑇𝑊𝑅, MRR) được xác định cho ba hàm đơn Ra, MRR và TWR theo công thức sau:
Trong nghiên cứu này, các trị số trung bình được xác định như sau: 𝐶̅̅̅̅̅ 𝑝5 phản ánh độ nhám bề mặt, mòn điện cực hoặc năng suất bóc tách vật liệu tại nồng độ bột nano 5; 𝑇̅̅̅̅̅̅ 𝑜𝑛3 thể hiện các thông số tương tự khi thời gian phát xung ở mức 3; 𝑇̅̅̅̅̅̅̅ 𝑜𝑓𝑓2 cho biết tình trạng khi thời gian ngừng phát xung ở mức 2; 𝐼𝑃̅̅̅̅ 3 liên quan đến cường độ dòng điện ở mức 3; 𝑆𝑉̅̅̅̅̅ 2 là thông số khi hiệu điện thế ở mức 2; và 𝑇̅ đại diện cho giá trị trung bình của toàn bộ thí nghiệm về độ nhám bề mặt, mòn điện cực và năng suất bóc tách vật liệu.
Bảng 4.6 Kết quả so sánh giữa tính toán và thực nghiệm Đặc trưng gia công
Cp5/Ton3/Toff2/IP3/SV2 Cp5/Ton3/Toff2/IP3/SV2 Độ nhám bề mặt Ra
Năng suất bóc tách vật liệu MRR
Giá trị quan hệ xám 0.811 0.701
Để đánh giá độ chính xác của các phép tính, một thí nghiệm đã được thực hiện với bộ thông số công nghệ tối ưu, bao gồm: Cp = 4.0 g/l, Ton = 14 às, Toff = 21 às, IP = 12 A, SV = 4 V, với ba lần lặp Kết quả thực nghiệm cho ra các giá trị: (Ra) op = 2.127 μm, (TWR) op = 55.874 mg/h, và (MRR) op = 265.61 mg/h Kết quả thực nghiệm được so sánh với các kết quả tính toán tối ưu và được trình bày trong Bảng 4.6.
Kết luận chung
Luận án nghiên cứu quá trình xung tia lửa điện trong gia công bề mặt trụ ngoài định hình vật liệu 90CrSi qua tôi với dung dịch điện môi có trộn bột SiC 500 nm Đây là những nghiên cứu đầu tiên về xung điện có trộn bột vào dung dịch điện môi, tập trung vào đối tượng gia công là bề mặt trụ ngoài định hình.
Dựa trên kết quả của luận án, các kết luận dưới đây đã được rút ra, đánh dấu những điểm mới trong nghiên cứu này, vì đây là lần đầu tiên nghiên cứu được thực hiện trong lĩnh vực này.
1 Đã góp phần bổ sung kiến thức về gia công PMEDM nói chung và PMEDM bề mặt trụ ngoài định hình nói riêng
2 Đã xây dựng thành công hệ thống thí nghiệm PMEDM bề mặt trụ ngoài, cho phép thực hiện được các nghiên cứu thí nghiệm đảm bảo yêu cầu
3 Đã nghiên cứu ảnh hưởng của các thông số công nghệ của quá trình xung tia lửa điện đến chất lượng bề mặt gia công thông qua độ nhám bề mặt, tốc độ bóc tách vật liệu, và độ mòn của điện cực khi gia công chi tiết có bề mặt trụ ngoài vật liệu 90CrSi qua tôi với dung dịch điện môi có trộn bột SiC khi sử dụng điện cực đồng
4 Đã đưa ra được bộ các thông thông số công nghệ hợp lý khi xung bao gồm nồng độ bột, thời gian phát xung, thời gian ngừng phát xung, dòng điện, và hiệu điện thế khi gia công bề mặt trụ ngoài nhằm để đạt ba hàm đơn mục tiêu, gồm có: độ độ nhám bề mặt nhỏ nhất, tốc độ bóc tách vật liệu lớn nhất và tốc độ mòn điện cực nhỏ nhất Cụ thể như sau:
- Bộ thông số chế độ xung hợp lý nhằm đạt độ nhám bề mặt nhỏ nhất là: Cp 4 (g/l), Ton = 6 (às), Toff = 21 (às), IP = 8 (A), và SV = 4 (V) m
- Bộ thông số chế độ xung hợp lý nhằm đạt năng suất bóc tách lớn nhất là: Cp
= 3.5 (g/l), Ton = 6 (às), Toff = 30 (às), IP = 12 (A), và SV = 5 (V)
- Bộ thông số chế độ xung hợp lý nhằm đạt tốc độ mòn điện cực nhỏ nhất là:
Cp = 4 (g/l), Ton = 14 (às), Toff = 21 (às), IP = 4 (A), và SV = 3 (V)
5 Đã xây dựng được các công thức dự đoán giá trị độ nhám bề mặt gia công tối ưu (𝑅𝑎̅̅̅̅ 𝑂𝑃 ), tốc độ bóc tách vật liệu tối ưu (𝑀𝑅𝑅̅̅̅̅̅̅̅ 𝑂𝑃 ), và độ mòn điện cực tối ưu (𝐸𝑊𝑅̅̅̅̅̅̅̅ 𝑂𝑃 ) (các công thức (3.15), (3.16) và (3.21))
6 Đã tối ưu hóa đa mục tiêu các thông số công nghệ khi xung bề mặt trụ ngoài bằng thép 90CrSi qua tôi với dung dịch điện môi có trộn bột nano SiC bằng áp dụng phương pháp Taguchi và phân tích quan hệ xám với ba hàm đơn mục tiêu là độ nhám bề mặt gia công nhỏ nhất, tốc độ bóc tách vật liệu lớn nhất và tốc độ mòn điện cực nhỏ nhất Bộ thụng số tối ưu là: Cp = 4.0 (g/l), Ton = 14 (às), Toff = 21 (às),
Hướng nghiên cứu tiếp theo
Luận án đã khảo sát quá trình xung tia lửa điện trong gia công bề mặt trụ ngoài của vật liệu 90CrSi bằng cách sử dụng dung dịch điện môi có trộn bột nano SiC Mặc dù đã đạt được một số kết quả nhất định, vẫn còn nhiều vấn đề cần được nghiên cứu sâu hơn trong tương lai.
1 Nghiên cứu về quá trình PMEDM khi gia công bề mặt trụ ngoài các loại vật liệu gia công khác nhau như thép dụng cụ SKD11, SKD61, thép HARDOX 500,
2 Nghiên cứu về quá trình PMEDM khi gia công bề mặt trụ ngoài khi sử dụng vật liệu điện cực khác nhau như graphite, Các bit vonfram, m
3 Nghiên cứu và đánh giá sâu hơn về ảnh hưởng của các thông số công nghệ khi xung đến chất lượng của lớp bề mặt sau khi gia công như độ cứng tế vi, lớp biến trắng bề mặt, mức độ bám vào bề mặt gia công của các hạt bột
4 Nghiên cứu về gia công PMEDM kết hợp với rung động siêu âm m
DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH KHOA HỌC ĐÃ CÔNG BỐ
1 Electrical Discharge Machining with SiC Powder-Mixed Dielectric: An Effective Application in the Machining Process of Hardened 90CrSi Steel;
Machines (MDPI), July 2020, pp 1-12 (SCIE Q2); https://doi.org/10.3390/machines8030036
2 Multi-objective Optimization of Process Parameters During Electrical
Discharge Machining of Hardened 90CrSi Steel by Applying Taguchi Technique with Grey Relational Analysis; Advances in Engineering Research and Application, 2020, vol 178 Springer, pp 572–583 (SCOPUS Q4); https://doi.org/10.1007/978-3-030-64719-3_63
3 Optimization of PMEDM Parameters for Improving MMR in Machining
90CrSi Steel - A Taguchi Approach; Advances in Engineering Research and
Application - ICERA 2020, vol 178 Springer, pp 648–657 (SCOPUS Q4); https://doi.org/10.1007/978-3-030-64719-3_71
4 A Study on Influence of Input Parameters on Surface Roughness in PMEDM
Cylindrical Shaped Parts; Materials Science Forum (Volume 1018), January
2021, pp 65-70 (SCOPUS Q4) https://doi.org/10.4028/www.scientific.net/MSF.1018.65
5 Effect of Process Parameters on Machining Time in PMEDM Cylindrical
Shaped Parts with Silicon Carbide Powder Suspended Dielectric; Materials
Science Forum (Volume 1018), January 2021, pp 97-102 https://doi.org/10.4028/www.scientific.net/MSF.1018.9 m