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 chƣa đƣợc công bố cơng trình nghiên cứu khác HƢỚNG 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 2021 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 .1 Mục đích, đối tƣợng, phạm vi nghiên cứu 2.1 Mục đích nghiên cứu 2.2 Đối tƣợng phạm vi nghiên cứu 3 Phƣơng 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 .5 CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ GIA CÔNG XUNG ĐIỆN (EDM) VÀ GIA CÔNG XUNG ĐIỆN CÓ TRỘN BỘT (PMEDM) .6 1.1 Khái quát phƣơng pháp xung định hình 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 .9 1.2.1 Tình hình nghiên cứu PMEDM giới: 1.2.1.1 PMEDM với mục tiêu nâng cao suất bóc tách vật liệu 1.2.1.2 Giảm mòn điện cực dụng cụ (EWR) PMEDM 13 iii 1.2.1.3 Hƣớng khảo sát PMEDM 14 1.2.1.4 Ảnh hƣởng vật liệu bột nồng độ bột đến PMEDM .16 1.2.2 Tình hình nghiên cứu PMEDM nƣớc 17 1.3 Ứng dụng phƣơng pháp gia công xung PMEDM 19 1.4 Nâng cao chất lƣợng bề mặt xung định hình với phƣơng pháp rung 20 Kết luận chƣơng .21 CHƢƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT CỦA PHƢƠNG PHÁP 23 GIA CÔNG 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 cơng nghệ phƣơng pháp xung định hình 23 2.1.1.1 Điện áp phóng tia lửa điện 23 2.1.1.2 Cƣờng 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 hƣởng 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 hƣởng bột đến độ bền cách điện dung dịch điện môi 30 2.2.3 Ảnh hƣởng bột đến độ lớn khe hở phóng điện 30 2.2.4 Ảnh hƣởng bột đến điện dung 32 2.2.5 Ảnh hƣởng bột đến đƣờng kính plasma hồ quang 33 2.3 Ảnh hƣởng 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 vòi phun EDM với rung động gán vào phôi 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 phôi 40 CHƢƠNG 3: THỰC NGHIỆM KHẢO SÁT ẢNH HƢỞNG 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 hƣởng nồng độ bột gia công PMEDM 47 3.4 Nghiên cứu ảnh hƣởng áp suất dòng phun dung môi gia công PMEDM 49 3.5 Nghiên cứu ảnh hƣởng PMEDM tích hợp rung động đến chi tiết gia công 51 3.5.1 Ảnh hƣởng V-PMEDM đến suất bóc tách độ mịn điện cực .51 3.5.1.1 Ảnh hƣởng tần số F biên độ A rung động đến suất MRR 53 3.5.1.2 Ảnh hƣởng tần số F biên độ A đến độ mòn điện cực EWR .56 3.5.2 Ảnh hƣởng V-PMEDM đến chất lƣợng bề mặt sau gia công 57 v 3.5.2.1 Ảnh hƣởng V-PMEDM đến nhám bề mặt gia công (Ra) 57 3.5.2.2 Ảnh hƣởng V-PMEDM đến độ cứng tế vi bề mặt gia công (HV) 59 3.6 So sánh ảnh hƣởng rung động đến EDM PMEDM 61 3.6.1 Ảnh hƣởng đến suất gia công 61 3.6.2 Ảnh hƣởng đến nhám bề mặt gia công (Ra) 62 3.7 Kết luận: .63 CHƢƠNG 4: XÁC ĐỊNH BỘ THÔNG SỐ CÔNG NGHỆ HỢP LÝ TRONG PMEDM VỚI RUNG ĐỘNG GÁN TRÊN PHÔI 65 4.1 Phƣơng pháp nghiên cứu 65 4.1.1 Phƣơng pháp xác định thông số công nghệ toán đơn mục tiêu 65 4.1.2 Phƣơng pháp xác định thơng số cơng nghệ tốn đa mục tiêu 69 4.1.2.1 Phƣơng pháp Topsis 69 4.1.2.2 Phƣơng 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 hƣởng thông số đến suất gia công 76 4.3.1.2 Xác định thông số công nghệ hợp lý suất gia cơng 79 4.3.2 Tỷ lệ mịn điện cực 80 4.3.2.1 Ảnh hƣởng thông số đến tỷ lệ mòn điện cực suất gia công 80 4.3.2.2 Xác định thơng số cơng nghệ hợp lý mịn điện cực 83 4.3.3 Nhám bề mặt chi tiết gia công 83 4.3.3.1 Ảnh hƣởng thông số đến nhám bề mặt chi tiết gia công (Ra) 83 4.3.3.2 Xác định thông số công nghệ hợp lý nhám bề mặt 86 vi 4.3.4 Độ cứng bề mặt gia công 86 4.3.4.1 Ảnh hƣởng thông số đến độ cứng bề mặt gia công (HV) .86 4.3.4.2 Xác định thông số công nghệ hợp lý độ cứng bề mặt gia công 89 4.3.5 Lớp trắng bề mặt gia công (WLT) 89 4.3.5.1 Ảnh hƣởng 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 chiều dày lớp trắng 92 4.4 Bài toán đa mục tiêu Topsis 93 4.4.1 Kết tính tốn Topsis-Taguchi 93 4.4.2 Kết tối ƣu dựa vào hệ số S/N 98 4.4.3: Chất lƣợng bề mặt điều kiện tối ƣu 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 chƣơng 4: 106 KẾT LUẬN CHUNG VÀ HƢỚNG NGHIÊN CỨU 109 Kết luận chung 109 Hƣớng nghiên cứu: 109 TÀI LIỆU THAM KHẢO 111 vii DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU Ký hiệu Ton Tof I Thời gian phát xung Thời gian ngừng phát xung Cƣờng độ dòng điện U Điện áp phóng tia lửa điện C Nồng độ bột titan dung dịch P Áp suất dòng phun dung dịch F Tần số rung động A Biên độ rung động Ra t  D d d ip  i 0  hp S Wc g/cm3 V/m s HRC HV SKD61 Inconel Hz micro-EDM TOPSIS, GRAY, AHP, ANOVA Ý nghĩa Nhấp nhô bề mặt gia công Thời gian thực thí nghiệm Khối lƣợng riêng phơi Đƣờng kính lỗ Đƣờng kính điện cực Lƣợng cắt Mật độ dịng điện Độ nhớt dung dịch điện mơi Hằng số điện môi dung dịch điện môi Hằng số điện mơi chân khơng Kích thƣớc khe hở phóng điện Chiều cao nhấp nhơ Diện tích bề mặt điện cực Năng lƣợng điện dung Thứ nguyên khối lƣợng riêng Thứ nguyên cƣờng độ điện trƣờng Thứ nguyên thời gian Thang đo độ cứng Hardness Rockwell C Thang đo độ cứng Vickers Tên gọi Thép làm khuôn theo tiêu chuẩn Nhật Bản Tên vật liệu siêu hợp kim Thứ nguyên tần số rung động Gia công tia lửa điện với chi tiết có kích thƣớc nhỏ Tên gọi phƣơng pháp tối ƣu đa mục tiêu Phân tích phƣơng sai 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 AHP EDS 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 Lƣợng mòn điện cực theo khối Tool wear rate lƣợng Độ mòn điện cực theo tỉ lệ Electrode wear rate khối lƣợng mòn điện cực khối lƣợng 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 lƣợng tia X Scanning electron microscopy Kính hiển vi điện tử quét Analysis of variance Phân tích phƣơng sai Physical Vapor Deposition Phủ bay vật lý Chemical Vapor Deposition Phủ bay hóa học Computer Numerical Control Điều khiển máy tính Lựa chọn phƣơng án tối ƣu Analytical Hierarchy Pricess sở phân tích tiêu so sánh Chụp EDS đánh giá thành phần Energy Dispersive hàm lƣợng nguyên tố cấu Spectrometry thành vật liệu ix DANH MỤC HÌNH VẼ Hình 1.1 Quá 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 hƣởng kích thƣớc hạt nồng độ đến MRR dòng điện khác [13] 11 Hình Ảnh hƣởng 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 hƣởng nồng độ bột đến tốc độ bóc tách vật liệu .18 Hình 11 Ảnh hƣởng nồng độ bột đến lƣợng mòn điện cực 18 Hình Sự thay đổi U I trình hình thành tia lửa điện [29] 23 Hình 2 Ảnh hƣởng 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 môi [30] 28 Hình Quỹ đạo dịch chuyển bột dung mơi [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 bề mặt gia cơng, Hình 20a Ti kết hợp với vật liệu thép C đƣợc ―bẻ b) EDX gãy‖ từ dung dịch điện môi dầu, chúng tạo siêu hợp kim Ti nhƣ Hình 20b Điều góp phần cải thiện đáng kể tính bề mặt gia cơng Hình 19 Phân tích EDS EDX bề mặt sau EDM a) EDS 105 b) EDX Hình 20 Phân tích EDS EDX bề mặt gia công sau PMEDM Kết luận chƣơng 4: Sự ảnh hƣởng số thông số công nghệ chế độ hợp lý gia công thép SKD61 phƣơng pháp V_PMEDM đƣợc ra: * Bài toán đơn mục tiêu: - Đối với suất gia công (MRR): + Mức độ ảnh hƣởng thơng số: Cƣờng độ dịng điện (I) thơng số ảnh hƣởng mạnh đến MRR, theo thứ tự giảm dần lần lƣợt 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 đƣợc xác định theo công thức (4 18) MRRtoiuu = 31,29mm3/phút - Đối với tỷ số MRR TWR (EWR): + Mức độ ảnh hƣởng thông số: Nồng độ bột C thông số ảnh hƣởng mạnh đến EWR, theo thứ tự giảm dần lần lƣợt thời gian phát xung Ton, cƣờng độ dòng điện I, tần số rung F, áp suất P nhỏ biên độ A 106 + 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 đƣợc xác định theo công thức (4 19) EWRtoiuu = 7,97% - Đối với nhám bề mặt gia công (Ra): + Mức độ ảnh hƣởng thông số đến Ra tƣơng tự nhƣ EWR, tức là: Nồng độ bột C thông số ảnh hƣởng mạnh đến Ra, theo thứ tự giảm dần lần lƣợt thời gian phát xung Ton, cƣờng độ dòng điện I, tần số rung F, áp suất P nhỏ biên độ A + Bộ thông số công nghệ hợp lý theo tiêu Ra lớn I = 3A, Ton=18µs, C = 4g/l, P = 60kPa, F = 600Hz, A = 2,0µm Với giá trị Ra đƣợc xác định theo công thức (4 20) Ratoiuu = 1,03µm - Đối với độ cứng bề mặt gia công (HV): + Mức độ ảnh hƣởng thông số đến HV nhƣ sau: Nồng độ bột C thông số ảnh hƣởng mạnh đến HV, theo thứ tự giảm dần lần lƣợt tần số F, áp suất P, biên độ A, thời gian phát xung Ton nhỏ cƣờng độ dịng điện I + Bộ thơng số cơng 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 đƣợc xác định theo công thức (4 21) HVtoiuu = 1127,3 - Đối với chiều dày lớp phủ (WLT): + Mức độ ảnh hƣởng thông số đến WLT nhƣ sau: Nồng độ bột C thông số ảnh hƣởng mạnh đến HV, theo thứ tự giảm dần lần lƣợt cƣờng độ dòng điện I, thời gian phát xung Ton, biên độ A, tần số F nhỏ áp suất P + 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 đƣợc xác định theo công thức (4 22) WLTtoiuu = 35,23µm * Bài tốn đa mục tiêu: - Sự kết hợp Taguchi – Topsis định đƣợc toán đa mục tiêu V-PMEDM, kết tốn có độ xác tốt 107 - 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 lƣợng điểu kiện hợp lý nhƣ sau: - Chất lƣợng bề mặt gia công điều kiện tối ƣu đƣợc cải thiện đáng kể: Cơ tính đƣợc cải thiện đáng kể, nứt tế vi giảm, hạt bám dính với kích thƣớc số lƣợng giảm đáng kể, tổ chức pha hình thành bề mặt sau gia cơng V-PMEDM có lợi cho q trình làm việc khn 108 KẾT LUẬN CHUNG VÀ HƢỚNG NGHIÊN CỨU Kết luận chung Trong nghiên cứu này, tác giả thực nghiên cứu khảo sát ảnh hƣởng lƣợng 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 đƣa đƣợc số kết luận sau: Khảo sát mức độ ảnh hƣởng nồng độ bột Titan thấp (1-8g/l) tần số rung động thấp (