TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA -
NGUYỄN VĂN TRỌNG ÂN
NGHIÊN CỨU CÁC THÔNG SỐ CÔNG NGHỆ ẢNH HƯỞNG ĐẾN ĐỘ NHÁM VÀ ĐỘ CHÍNH XÁC
CỦA CHI TIẾT DẠNG REN GIA CÔNG BẰNG PHƯƠNG PHÁP EDM
A STUDY OF THE EFFECTS OF MACHINING PARAMETERS ON SURFACE ROUGHNESS AND ACCURACY OF THE PART WITH THREAD SHAPE
BY USING DIE-SINKING EDM
LUẬN VĂN THẠC SỸ
Trang 2Công trình được hoàn thành tại: Trường Đại học Bách Khoa – ĐHQG-HCM Cán bộ hướng dẫn khoa học: TS TÔN THIỆN PHƯƠNG
Cán bộ chấm nhận xét 1: TS TRẦN NGUYÊN DUY PHƯƠNG Cán bộ chấm nhận xét 2: PGS.TS LÊ THỂ TRUYỀN
Luận văn thạc sĩ được bảo vệ tại Trường Đại học Bách Khoa ĐHQG Tp.HCM ngày 02 tháng 07 năm 2022
Thành phần Hội đồng đánh giá luận văn thạc sĩ gồm:
Xác nhận của Chủ tịch Hội đồng đánh giá LV và Trưởng Khoa quản lý chuyên ngành sau khi luận văn đã được sửa chữa (nếu có)
Trang 3NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ
NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG:
Nghiên cứu tổng quan về phương pháp gia công tia lửa điện Nghiên cứu lý thuyết về các thông số ảnh hưởng đến quá trình này, trong đó tập trung nghiên cứu ảnh hưởng của các thông số cường độ dòng điện, thời gian xung điện, thời gian nâng điện cực ảnh hưởng đến độ nhám và độ chính xác trong quá trình gia công Thiết kế mẫu thí nghiệm kiểm tra Tiến hành thực nghiệm, phân tích trên phần mềm phân tích số liệu Minitab để đưa ra thông số ảnh hưởng và phương trình hồi quy
II NGÀY GIAO NHIỆM VỤ : 14/02/2022
III NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: 13/06/2022 IV CÁN BỘ HƯỚNG DẪN: TS TÔN THIỆN PHƯƠNG
Trang 4LỜI CẢM ƠN
Tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành đến TS Tôn Thiện Phương người đã tận tâm
hướng dẫn và tạo động lực cho tôi trong suốt quá trình hoàn thành luận văn
Tôi chân thành cảm ơn trưởng phòng quản lý và các thành viên của Phòng thí
nghiệm Công nghệ thiết kế và gia công tiên tiến, Khoa Cơ khí, Trường Đại Học Bách Khoa TP Hồ Chí Minh đã tạo mọi điều kiện thuận lợi nhất trong quá trình làm thí nghiệm
Cảm ơn các thầy cô bộ môn Khoa Cơ Khí đã nhiệt tình hướng dẫn trong suốt
quá trình học tập và nghiên cứu
Mặc dù đã cố gắng rất nhiều nhưng không thể tránh được thiếu sót rất mong được sự góp ý từ các thầy cô và đồng nghiệp
TP.HCM, ngày 13 tháng 6 năm 2022 Học viên thực hiện
Nguyễn Văn Trọng Ân
Trang 5TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ
Gia công tia lửa điện là một trong những phương pháp gia công tiên tiến được sử dụng rộng rãi hiện nay Phương pháp này có thể gia công nhiều chi tiết có hình dạng phức tạp và độ cứng cao mà các phương pháp gia công truyền thống không thể thực hiện được Luận văn được thực hiện để ra những phân tích ảnh hưởng đến độ nhám bề mặt chi tiết, độ chính xác và độ mòn điện cực trong gia công chi tiết dạng ren trên vật liệu làm khuôn ép nhựa 2083 Phương pháp thực nghiệm Taguchi được sử dụng để khảo sát ảnh hưởng của các yếu tố cường độ dòng điện, thời gian xung điện và thời gian xuống điện cực ảnh hưởng đến độ nhám bề mặt, độ chính xác, độ mòn điện cực và thời gian gia công được gia công trên máy bắn điện Sodick AD300L Sử dụng phần mềm phân tích số liệu Minitab để đưa ra các thông số ảnh hưởng và phương trình hồi quy
ABSTRACT
Electrical Discharge Machining (EDM) is one of the advanced machining techniques that are widely used today This technique can machine numerous components with high hardness as well as parts with complex shapes that conventional machining can not perform The thesis was studied to analysis effects for an surface roughness, accuracy and electrode wear of the part with thread shape on 2083 injection mold material by using Die Sinking EDM The Taguchi design of experiments was used to study the effect of variables such as current, pules on time, down time on surface roughness, accuracy, electrode wear and cutting time when machining on a Sodick AD300L Die sinking EDM Minitab data analysis software is used to data analysis and generate regression
Trang 6LỜI CAM ĐOAN CỦA TÁC GIẢ
Tôi xin cam đoan đề tài “Nghiên cứu các thông số công nghệ ảnh hưởng đến độ nhám và độ chính xác của chi tiết dạng ren gia công bằng phương pháp EDM” là công trình nghiên cứu của tôi Các kết quả trong luận văn chưa từng công bố trên bất kỳ tạp chí cũng như tài liệu nào Các số liệu đo được trên những thiết bị được kiểm định rõ ràng từ phòng thí nghiệm uy tín Các tài liệu tham khảo được trích dẫn rõ ràng Tôi xin chịu hoàn toàn trách nhiệm nếu những điều trên là sai sự thật
TP.HCM, ngày 13 tháng 6 năm 2022 Học viên thực hiện
Nguyễn Văn Trọng Ân
Trang 7MỤC LỤC
NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ ii
LỜI CẢM ƠN iii
1.4 Tính cấp thiết của đề tài 8
CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 9
2.1 Nguyên lý hoạt động 9
Trang 82.2 Sơ đồ của máy EDM 11
2.3 Các ảnh hưởng của thông số công nghệ đến chất lượng gia công chi tiết 12
2.3.1 Thời gian phóng xung điện 12
2.3.2.Thời gian ngắt xung điện 13
2.3.3 Cường độ dòng điện 13
2.3.4 Thời gian di chuyển lên Up 14
2.3.5.Thời gian di chuyển xuống DN 14
2.3.6 Độ mòn điện cực 15
2.3.7 Áp lực phun của dầu 16
2.3.8 Vật liệu 16
2.4 Các hiện tượng lỗi trong quá trình gia công EDM 16
CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ THÍ NGHIỆM 18
3.1.Phương pháp và thiết kế thí nghiệm 18
3.2 Mẫu thí nghiệm 21
3.2.1 Vật liệu mẫu thí nghiệm 21
3.2.2 Thiết kế mẫu thí nghiệm 22
3.2.3 Thiết kế điện cực thí nghiệm 23
Trang 93.4.5 Gia công cắt dây điện cực 41
3.5 Thiết lập phương án đo kiểm 42
3.5.1 Đo kiểm độ nhám 42
3.5.2 Đo kiểm đường kính đỉnh ren 43
3.5.3 Đo kiểm độ mòn góc đỉnh ren 43
3.5.4 Đo kiểm độ mòn điện cực 45
3.5.5 Ghi nhận thời gian gia công 47
KẾT QUẢ VÀ PHÂN TÍCH 49
4.1 Kết quả đo kiểm 49
4.1.1 Đo kiểm độ nhám 49
4.1.2 Đo kiểm đường kính đỉnh ren 50
4.1.3 Đo kiểm góc mòn đỉnh ren 51
4.1.4 Đo kiểm độ mòn điện cực 52
4.1.5 Ghi nhận thời gian công 54
4.3.5 Thời gian gia công 66
4.4 Phương trình hồi quy bậc 2 71
4.4.1 Độ nhám 71
4.4.2 Sai lệch đường kính đỉnh ren 72
4.4.3.Độ mòn góc đỉnh ren 73
4.4.4.Độ mòn điện cực 75
Trang 10CHƯƠNG 5: KẾT LUẬN 79
TÀI LIỆU THAM KHẢO 80
PHỤ LỤC 82
TÓM TẮT LÝ LỊCH KHOA HỌC 83
Trang 11DANH MỤC HÌNH ẢNH
Hình 1.1 Phân Loại EDM 3
Hình 1.2 Phân tích tỉ số S/N 7
Hình 2.1 Quá trình gia công edm [9] 9
Hình 2.2 Sự hình thành từ trường và kênh plasma 10
Hình 2.3 Sự mở rộng của bong bóng khí 10
Hình 2.4 Quá trình time off 11
Hình 2.5 Sơ đồ máy EDM 11
Hình 2.6 Chu kỳ phóng điện 14
Hình 2.7 Chu kì di chuyển của điện cực 15
Hình 3.1 Thiết kế mẫu thí nghiệm 22
Hình 3.3 Máy EDM Sodịck –AD30L 24
Hình 3.4 Máy cắt dây Sodick VZ300L 26
Hình 3.5: Máy đo Microscope SomeTech-SV 55 27
Hình 3.6 Máy đo dao Zoller-smille 400 28
Hình 3.7 Máy đo độ nhám Mitutoyo - SJ200 29
Hình 3.8 Các bước gia công mẫu 30
Hình 3.9 Chuẩn bị mẫu thí nghiệm 30
Hình 3.10 Đo kiểm mẫu trước thí nghiệm 30
Hình 3.11 Các bước gia công điện cực 31
Hình 3.12 Chuẩn bị điện cực 31
Hình 3.13 Xử lý nguội điện cực 32
Hình 3.14 Đo biên dạng ren trên máy đo Zoller 32
Hình 3.15 Gá đặt mẫu thí nghiệm 33
Hình 3.16 Rà gá điện cực lên máy gia công 34
Hình 3.17 Điều chỉnh xoay góc cho trục U 34
Hình 3.18 Thiết lập hệ tọa độ gia công 35
Hình 3.19 Khai báo thông số gia công undercut 36
Trang 12Hình 3.21 Gia công thí nghiệm 38
Hình 3.22 Ghi nhận thời gian gia công 38
Hình 3.23 Gá đặt chi tiết cắt dây 39
Hình 3.24 Di chuyển dây tới vị trí chuẩn bị gia công 39
Hình 3.33 Vị trí đo kiểm góc mòn đỉnh ren 44
Hình 3.34 Bố trí đo độ mòn góc đỉnh ren của mẫu 45
Hình 3.35 Biên dạng ren cắt ngang của điện cực 45
Hình 3.36 Bố trí vị trị đo biên dạng ren điện cực 46
Hình 3.37 Đo biên dạng ren trước gia công 46
Hình 3.38 Đo biên dạng ren sau gia công 47
Hình 3.39 Ghi nhận thời gian gia công 48
Hình 4.1 Đo độ nhám cho mẫu thí nghiệm 49
Hình 4.2 Đo đường kính đỉnh ren 50
Hình 4.3 Đo góc mòn kính đỉnh ren của mẫu thí nghiệm 52
Hình 4.4 Tiết diện cắt của bên dạng ren điện cực 53
Hình 4.5 Ghi nhận thời gian công 54
Hình 4.6 Dạng phân phối chuẩn của độ nhám Ra 56
Hình 4.7 Dạng phân phối chuẩn của sai lệch đường kính đỉnh ren 56
Hình 4.8 Dạng phân phối chuẩn của độ mòn góc đỉnh ren 57
Hình 4.9 Dạng phân phối chuẩn của độ mòn điện cực 57
Trang 13Hình 4.10 Dạng phân phối chuẩn của thời gian gia công 58
Hình 4.11Biểu đồ tỉ số S/N cho độ nhám 59
Hình 4.12 Biểu đồ mức độ ảnh hưởng đến độ nhám 60
Hình 4.13 Biểu đồ tỉ số S/N đường kính đỉnh ren 61
Hình 4.14 Biểu đồ mức độ ảnh hưởng đến đường kính đỉnh ren 62
Hình 4.15 Biểu đồ tỉ số S/N cho độ mòn góc đỉnh ren 63
Hình 4.16 Biểu đồ mức độ ảnh hưởng đến độ mòn góc đỉnh ren 64
Hình 4.17 Biểu đồ tỉ số S/N 65
Hình 4.18 Biểu đồ mức độ đến độ mòn điện cực 65
Hình 4.19 Biểu đồ tỉ số S/N thời gian gia công 67
Hình 4.20 Biểu đồ mức độ ảnh hưởng 68
Hình 4.21 Tổng hợp thông số đầu vào ảnh hưởng đến thông số đầu ra 69
Hình 4.22 Biểu đồ Pareto cho độ nhám 72
Hình 4.23 Biểu đồ Pareto cho sai lệch đường kính đỉnh ren 73
Hình 4.24 Biểu đồ Pareto cho độ mòn góc đỉnh ren 74
Hình 4.25 Biểu đồ Pareto cho độ mòn điện cực 76
Hình 4.26 Biểu đồ Pareto cho thời gian gia công 77
Trang 14DANH MỤC BẢNG BIỂU
Bảng 2.1 Sự ảnh hưởng của thời gian phóng xung 12
Bảng 2.2 Sự ảnh hưởng của thời gian ngắt xung 13
Bảng 2.3 Sự ảnh hưởng của cường độ dòng điện 14
Bảng 3.1 Các thông số khảo sát ảnh hưởng đến quá trình bắn điện 18
Bảng 3.2 Thông số đầu vào với các mức giá trị 19
Bảng 3.3 Thông số đầu ra với các quy ước 19
Bảng 3.4 Quy hoạch thực nghiệm Taguchi L9 19
Bảng 3.5 Thông số kỹ thuật thép 2083 21
Bảng 3.6: Thành phần hóa học thép 2083[11] 21
Bảng 3.7 Thông số kỹ thuật đồng [11] 21
Bảng 3.8 Thông số kỹ thuật máy EDM Sodick-AD30L [12] 25
Bảng 3.9 Thông số phóng đại của thấu kính 28
Bảng 3.10 Bảng đo mẫu trước thí nghiệm 31
Bảng 3.11 Khai báo thông lập trình undercut 35
Bảng 4.1 Bảng đo độ nhám Ra (µm) 49
Bảng 4.2 Giá trị đường kính đỉnh ren của mẫu thí nghiệm 51
Bảng 4.3 Giá trị bán kính góc mòn đỉnh ren của mẫu thí nghiệm 52
Bảng 4.4 Dện tích cắt ngang biên dạng ren của điện cực 53
Bảng 4.5 Độ mòn điện cực của 9 mẫu thí nghiệm 54
Bảng 4.6 Thời gian gia công 54
Bảng 4.7 Kết quả đo thực nghiệm 55
Trang 15Bảng 4.22 Bảng phân tích ảnh hưởng đến thời gian gia công 68
Bảng 4.23 Tổng hợp phần trăm ảnh hưởng các thông số đầu vào 70
Bảng 4.24 Phân tích phương sai cho độ nhám 71
Bảng 4.25 Phân tích phương sai cho sai lệch đường kính đỉnh ren 72
Bảng 4.26 Phân tích phương sai cho độ mòn góc đỉnh ren 74
Bảng 4.27 Phân tích phương sai cho độ mòn góc đỉnh ren 75
Bảng 4.28 Phân tích phương sai cho thời gian gia công 76
Trang 16DANH SÁCH CÁC TỪ VIẾT TẮT
Trang 17CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ EDM 1.1.Lịch sử hình thành
Trong nửa đầu thế kỷ 20, nhu cầu sử dụng các vật liệu cứng và lâu mòn sử dụng cho các tuabin máy điện, máy bay, dụng cụ, khuôn mẫu,… tăng lên không ngừng ở các nước công nghiệp phát triển Việc gia công những vật liệu đó bằng phương pháp gia công truyền thống (tiện, phay, mài ) rất khó khăn và đôi khi
Cách đây gần 200 năm, nhà nghiên cứu tự nhiên người Anh Joseph Priestley (1733 - 1809), trong các thí nghiệm của mình đã nhận thấy có một hiệu quả ăn mòn vật liệu gây ra bởi sự phóng điện Năm 1943, hai vợ chồng người Nga là Giáo sư - Tiến sĩ Boris Lazarenko và Tiến sĩ Natalya Lazarenko thông qua hàng loạt các nghiên cứu về tuổi bền của các thiết bị đóng điện đã tìm ra cánh cửa dẫn tới công nghệ gia công tia lửa điện Họ bắt đầu sử dụng tia lửa điện để làm một quá trình hớt kim loại mà không phụ thuộc vào độ cứng của vật liệu đó [1]
Trong thập niên 1960 đã có nhiều nghiên cứu sâu rộng về gia công EDM và đã giải quyết được nhiều vấn đề liên quan đến mô hình tính toán quá trình gia công EDM Trong thập niên 1970 đã xảy ra cuộc cách mạng về gia công trên máy cắt dây EDM nhờ vào việc phát triển các máy phát xung công suất lớn, các loại dây cắt và các phương pháp sục chất điện môi hữu hiệu Hiện nay, các máy EDM đã được thiết kế khá hoàn chỉnh và quá trình gia công được điều khiển theo chương trình số
1.2.Tổng quan về EDM 1.2.1 Nguyên lý hoạt động
Khi các tia lửa điện được phóng ra, vật liệu mặt phôi sẽ bị hớt đi bởi một quá trình điện - nhiệt thông qua sự nóng chảy và bốc hơi kim loại, nó thay cho tác động cơ học của dụng cụ vào phôi Quá trình tách kim loại bằng điện nhiệt bởi sự phóng điện được gọi là "gia công tia lửa điện" (nguyên gốc tiếng Anh là "Electrical Discharge Machining" gọi tắt là gia công EDM) [1]
Trang 18Trong quá trình gia công, dụng cụ và chi tiết là hai điện cực, trong đó dụng cụ là catốt, chi tiết là anốt của một nguồn điện một chiều có tần số 50 – 500kHz, điện áp 50 – 300V và cường độ dòng điện 0,1 – 500A Hai điện cực này được đặt trong dung dịch cách điện được gọi là chất điện môi Khi cho hai điện cực tiến lại gần nhau thì giữa chúng có điện trường Khi điện áp tăng lên thì từ bề mặt cực âm có các điện tử phóng ra, tiếp tục tăng điện áp thì chất điện môi giữa hai điện cực bị ion hóa làm cho chúng trở nên dẫn điện, làm xuất hiện tia lửa điện giữa hai điện cực Nhiệt độ ở vùng có tia lửa
cực dương Trong quá trình phóng điện, xuất hiện sự ion hóa cực mạnh và tạo nên áp lực va đập rất lớn, đẩy phoi ra khỏi vùng gia công Toàn bộ quá trình trên xảy ra trong thời gian rất ngắn từ 10-4 đến 10-7s Sau đó mạch trở lại trạng thái ban đầu và khi điện áp của tụ được nâng lên đến mức đủ để phóng điện thì quá trình trên lạị diễn ra ở điểm có khoảng cách gần nhất Phôi của quá trình gia công là các giọt kim loại bị tách ra khỏi các điện cực và đông đặc lại thành những hạt nhỏ hình cầu Khi các hạt này bị đẩy ra khỏi vùng gia công, khe hở giữa hai điện cực lớn lên, sự phóng điện không còn nữa Để đảm bảo quá trình gia công liên tục, người ta điều khiển điện cực dụng cụ đi xuống sao cho khe hở giữa hai điện cực là không đổi và ứng với điện áp nạp vào tụ C
1.2.2 Đặc điểm của gia công tia lửa điện
Điện cực (đóng vai trò là dụng cụ): có độ cứng thấp hơn nhiều lần so với phôi Điện cực là đồng, graphit Phôi là thép đã tôi cứng hoặc hợp kim cứng
Vật liệu dụng cụ và vật liệu phôi đều phải dẫn điện
Điện cực và phôi luôn luôn có khoảng cách với nhau trong suốt quá trình gia công Khi gia công phải sử dụng một dung dịch điện môi, đó là dung dịch không dẫn điện ở điều kiện bình thường
Trang 19Gia công tia lửa điện bằng cắt dây Điện cực là môt sợi dây mảnh ( có đường kính từ 0.05 đến 0.3 mm) được cuốn liên tục và được chạy theo một biên dạng cho trước Thuật ngữ tiếng Anh của phương pháp này là EDM Wire Cutting
a) xung định hình b) cắt bằng dây
Hình 1.1 Phân Loại EDM
1.2.4 Sự phát triển của các máy gia công tia lửa điện
Các máy đầu tiên trong những năm 50-60 của thế kỷ XX ít được tự động hóa và không tiện sử dụng Ngày nay, với các thuật toán điều khiển mới, với các hệ thống điều khiển CNC cho phép gia công đạt năng suất và chất lượng cao Các máy gia công tia lửa điện ngày nay được đặc trưng bởi mức độ tự động hóa cao Các hệ thống điều khiển CNC đã áp dụng nhiều trên máy xung định hình Các chuyển động hành tinh và chuyển động
Trang 20theo biên dạng của một điện cực đơn giản cho phép gia công xung định hình các hình dạng phức tạp
1.2.5 Khả năng công nghệ
Bề mặt chi tiết được gia công EDM có thể đạt Ra = 0,63µm khi gia công thô và Ra = 0,16µm khi gia công tinh Thông thường độ chính xác gia công vào khoảng 0,01mm Phương pháp này có thể gia công những vật liệu khó gia công mà các phương pháp gia công không truyền thống không làm được như thép tôi, thép hợp kim khó gia công, hợp kim cứng Nó cũng gia công được các chi tiết hệ lỗ có hình dáng phức tạp
1.2.6 Ưu và nhược điểm
Ưu điểm:
- Gia công được các vật liệu dẫn điện không phân biệt độ cứng
- Điện cực có thể sao chép hình dạng bất kì, chế tạo và phục hồi các khuôn dập bằng thép đã tôi
- Không có lực cơ học nên lực kẹp chi tiết nhỏ
- Gia công các lỗ có đường kính rất nhỏ, các lỗ sâu với tỉ số chiều dài trên đường kính lớn
- Do có dầu trong vùng gia công nên bề mặt gia công được tôi trong dầu
- Biến cứng bề mặt chi tiết làm tăng khả năng mài mòn
- Chế tạo và phục hồi các khuôn dập đã tôi và khuôn bằng hợp kim cứng - Các lưới sàng, rây bằng cách gia công đồng thời các lỗ bằng điện cực rất mảnh
- Mài phẳng, mài tròn, mài sắc hoặc làm rộng lỗ
Trang 21- Gia công các lỗ có đường kính nhỏ Ø 0,15mm của các vòi phun cao áp có năng suất cao (từ 15 đến 30s/chiếc), gia công lỗ sâu từ 60mm cho sai số 5µm Các lỗ Ø 0,05mm – 1mm với chiều sâu lớn như các lỗ làm mát trong cánh tuabin làm bằng hợp kim siêu cứng, các lỗ sâu với tỉ số chiều dài trên đường kính lên đến 67
- Lấy các dụng cụ bị gãy và kẹp trong chi tiết (bulông, tarô…)
- Gia công những chi tiết có độ cứng cao yêu cầu gia công chính xác trong sản xuất khuôn mẫu
1.3.Tình hình nghiên cứu
Nghiên cứu các thông số công nghệ ảnh hưởng đến chất lượng và chi phí gia công bằng tia lửa điện được các nhà nghiên cứu trong và ngoài nước đặc biệt quan tâm Các nhà nghiên cứu đã tiến hành nghiên cứu trên nhiều vật liệu khác nhau để phân tích xu hướng ảnh hưởng của các thông số Các nghiên cứu được trình bày bên dưới
Tác giả V Verma, R Sahu và các cộng sự [2] đã tiến hành nghiên cứu trên vật liệu Ti6Al4-V và sử dụng điện cực đồng Với thông số đầu vào của thí nghiệm như cường độ dòng điện, hiệu điện thế, thời gian xung, áp lực phun dung môi Các kết luận đưa ra từ thí nghiệm: năng suất gia công (MRR) và độ nhám tăng lên khi tăng các yếu tố theo thứ tự ảnh hưởng cường độ dòng điện, hiệu điện thế, thời gian xung và áp suất phun Tỉ lệ bốc tách vật liệu giảm khi tăng áp suất phun dung môi
Bên cạnh đó, tác giả I Puertas và các cộng sự [2] đã phân tích các thông số EDM ảnh hưởng đến chất lượng bề mặt, tốc độ bốc tách vật liệu (MRR) và nghiên cứu thêm độ mòn điện cực (EW), đã được tiến hành thực nghiệm trên vật liệu 94WC–6Co và sử dụng vật liệu đồng làm điện cực Với thông số đầu vào của thí nghiệm: cường độ dòng điện, thời gian xung (Ton), hệ số chu kì làm việc (Duty Cycle) Các kết luận đưa ra từ thí nghiêm: Đối với độ nhám, cường độ dòng điện ảnh hưởng lớn nhất, tiếp theo là thời gian xung, hệ số chu kỳ làm việc không ảnh hưởng Tỉ lệ bóc tách vật liêu cao khi tăng cường độ dòng điện và hệ số chu lỳ làm việc Độ mòn điện cực tăng cường độ dòng điện và thời gian xung lớn
Trang 22Khía cạnh khác, tác giả T R Ablyaz và các cộng sự [3] đã nghiên cứu ảnh hưởng của năng lượng phóng điện EDM tương quan đến độ sâu vùng ảnh hưởng nhiệt (HAZ) , đã tiến hành thực nghiệm trên hợp kim thép 40CrNi sử dụng điện cực đồng Với thông số đầu vào: cường độ dòng điện (Amper), thời gian xung (Ton), hiệu điện thế (V) Các kết luận đưa ra: cường độ dòng điện và hiệu điện thể ảnh hưởng đến chiều sâu vùng ảnh hưởng nhiệt, cường độ dòng điện cao dẫn đến năng lượng tia lửa điện cao và hiệu quả trong bốc tách vật liệu
Tác giả M A Ali và các cộng sự [4] đã nghiên cứu ảnh hưởng của các thông số EDM đến tốc độ bốc tách vật liệu đối với vật liệu BeCu sử dụng điện cực đồng Với các thông số đầu vào của thí nghiệm: cường độ dòng điện, điện áp, thời gian xung (Ton), thời gian ngắt xung (Toff) Các kết luận đưa ra từ thí nghiệm: Điện áp là yếu tố ít quan trọng hơn, cường độ dòng điện là yếu tố quan trọng nhất Giá trị MRR cao hơn có thể đạt được khi kết hợp cài đặt mức cao của dòng điện và xung thời gian Tia lửa lưu trữ có năng lượng cao hơn được tạo ra khi tăng dòng điện cực đại, sau đó nhiệt lượng được tạo ra nhiều hơn và lượng nhiệt đáng kể được sử dụng để loại bỏ vật liệu
hợp kim titanium (Ti-13Nb-13Zr) sử dụng điện cực graphite làm dụng cụ Với các thông số đầu vào như: điện áp, cường độ dòng điện, thời gian xung (Ton), Thời gian ngắt xung (Toff) Các kết luận đưa ra từ thí nghiệm này: tăng tỉ lệ bốc vật liêu (MRR) khi tăng cường độ dòng điện, điện áp và thời gian xung; độ mòn điện cực bị ảnh hưởng bởi cường độ dòng điện, thời gian xung (Ton), thời gian ngắt xung (Toff), trong khi đó điện áp không ảnh hưởng; Độ nhám bề mặt ảnh hưởng bởi các yếu tố: cường độ dòng điện, điện áp, thời gian xung (Ton), còn thời gian ngắt xung (Toff) không ảnh hưởng đến độ nhám bề mặt
Tác giả Nguyễn Phan Hữu và các cộng sự [6] đã tiến hành nghiên cứu trên vật liệu SKD61 sử dụng điện cực đồng làm dụng cụ,để nghiên cứu sự ảnh hưởng của cường dòng điện, thời gian xung (Ton), thời gian ngắt xung (Toff), Tần số (f) tác động lên tỉ lệ bóc tách vật liệu (MRR) và độ nhám bề mặt Các kết luận đưa ra: Cường độ dòng điện,
Trang 23thời gian xung và tần số ảnh hưởng tỉ lệ thuận đến MRR và độ nhám; Thời gian ngắt xung tỉ lệ nghịch với MRR nhưng không ảnh hưởng đến độ nhám
Tác giả Prasanna và các cộng sự [7] đã tiến hành nghiên cứu trên vật liệu nhôm 7075 sử dụng điện cực đồng làm dụng cụ, để tối ưu hóa các thông số trong quá trình gia công EDM Với các thông số đầu vào: cường độ dòng điện, thời gian xung (Ton), thời gian ngắt xung (Toff), hiệu điện thế Các kết luận đưa ra: dòng điện và thời gian xung tăng tỉ lệ bóc tách vật liệu (MRR), độ mòn điện cực (EW) và độ nhám bề mặt tăng đáng kể; thời gian ngắt xung tăng thì MRR giảm Quan sát Hình 1.2 thấy rằng, độ nhám bề mặt tỷ lệ với dòng điện Khi dòng điện tăng lên không đổi điện áp, chiều cao của miệng núi lửa tăng lên do sự gia tăng năng lượng của xung và do đó nó dẫn đến sự gia tăng bề mặt độ nhám
Trang 24kết quả có thể đạt được cho sự kết hợp các tham số đầu vào Sử dụng điện cực vonfram – thori để gia công EDM cho mẫu thí nghiệm thép AISI M2, kết luận của công việc nghiên cứu này sẽ giúp cải thiện chất lượng cho quy trình công nghiệp
Qua các nghiên cứu trên các tạp chí khoa học đã có nhiều nghiên cứu tìm ảnh hưởng của các thông số khác nhau đối với các vật liệu khác nhau trong gia công EDM Phần lớn các nghiên cứu tập trung trên những chi tiết có biên dạng mặt phẳng đơn giản Bên cạnh, chưa có bài báo nào nghiên cứu biên dạng ren undercut trên vật liệu làm khuôn ép nhựa 2083 Vì vậy việc nghiên cứu đối với vật liệu thép 2083 ứng dụng rộng rãi trong ngành khuôn mẫu là một yêu cầu rất thiết thực Việc nghiên cứu các thông số công nghệ ảnh hưởng đến độ nhám, độ chính xác của chi tiết dạng ren undercut gia công bằng phương pháp EDM là chưa được thực hiện
1.4 Tính cấp thiết của đề tài
Trong lĩnh vực gia công cơ khí khuôn mẫu, việc gia công các chi tiết ren sản phẩm nhựa là rất phổ biến Các ren sản phẩm thường có độ phức tạp: đường kính đỉnh ren nhỏ, chiều sâu của ren lớn, bề rộng ren nhỏ, việc áp dụng phương pháp gia công cắt gọt thông thường như tiện, phay là không thể gia công hoặc năng suất gia công thấp, tăng chi phí sản xuất và chất lượng gia công không ổn định Gia công bằng phương pháp EDM có thể gia công định hình được các ren có độ phức tạp, các chi tiết có độ cứng cao với độ chính xác và chất lượng bề mặt cao Tuy nhiên, gia công EDM sẽ tốn nhiều thời gian, tăng chi phí và ảnh hưởng đến chất lượng của chi tiết nếu không tính toán lựa chọn chế độ gia công hợp lý Với các lý do nêu trên, việc phân tích xu hướng ảnh hưởng của các thông số công nghệ và đưa ra phương trình hồi quy để các nhà công nghệ tính toán và lựa chọn phù hợp với các mục tiêu đầu ra là vô cùng cần thiết
Trang 25CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2.1 Nguyên lý hoạt động
Gia công EDM là phương pháp gia công phi truyền thống, dựa trên quá trình điện nhiệt, là quá trình phóng điện tạo ra dòng plasma sinh ra nhiệt tác động lên bề mặt vật liệu gia công, làm cho lớp vật liệu bị lấy đi bị nóng chảy hoặc bốc hơi ra khỏi vùng gia công, được thể hiện ở Hình 2.1
Hình 2.1 Quá trình gia công edm [9]
+ Nguyên lý gia công tia lửa điện (EDM) hay ăn mòn điện là sự ăn mòn kim loại bằng tia lửa điện Một chu kỳ phóng điện được tóm tắt qua 9 bước: [10]
+ Điện cực di chuyển tới phôi trong trạng thái dò tìm bề mặt phôi Lúc này hiệu điện thế cao, dòng điện bằng 0
+ Xuất hiện điện trường giữa khe hở của điện cực và phôi Các bề mặt của điện cực và phôi không hoàn toàn phẳng, điện trường sẽ mạnh nhất ở hai điểm gần nhau nhất Lúc này chất điện môi bị ion hóa, trở nên phân cực khi điện trở giảm Hiệu điện thế mất đi
+ Bắt đầu “On Time” Khi khe hở giữa điện cực và phôi đủ bé, xuất hiện tia lửa phóng điện từ điện cực qua dung môi đến bề mặt phôi, làm bốc hơi phôi Lúc này điện áp tăng, dòng điện tăng
Trang 26Từ trườngKênh plasma
Hình 2.2 Sự hình thành từ trường và kênh plasma
+ Sự phóng điện tạo thành kênh plasma được bao bọc bởi lớp khí được miêu tả ở Hình 2.2 Sự bay hơi của phôi tiếp tục diễn ra
+ Bong bóng khí tiếp tục mở rộng nhanh chóng (áp suất hơi), như Hình 2.3 Tại một điểm nhất định sự hóa hơi sẽ ngưng và bắt đầu nổ ra Điện môi trở nên bẩn dần do các các hạt kim loại bị nóng chảy
Bong bóng khí
Hình 2.3 Sự mở rộng của bong bóng khí
+ Cường độ dòng điện và điện áp sẽ mất đi khi độ bẩn và nhiệt độ dung môi tăng Lúc này điện môi bị tổn hại nghiêm trọng và điện trở suất của nó tiếp tục tăng Nếu tiếp tục sẽ gây hiện tượng hồ quang hoặc đứt dây
Trang 27+ Năng lượng không cung cấp trong quá trình “time off” như hình 2.4 Dòng điện bằng 0 Bong bóng khí sẽ vỡ khi loại bỏ nguồn nhiệt, các bong bóng sẽ trở lại thành các giọt dung môi
Hình 2.4 Quá trình time off
+ Khí và chất bẩn sẽ phân tán tự nhiên nhưng tốt nhất sử dụng áp lực phun để loại bỏ các hạt kim loại ra khỏi vùng gia công làm tăng tốc độ cắt
+ Các hạt kim loại và điện môi hỏng được đẩy ra khỏi vùng gia công Điện môi bắt đầu tái tạo để chu kỳ bắn điện được lặp lại
2.2 Sơ đồ của máy EDM
Hình 2.5 Sơ đồ máy EDM
Trang 28Máy EDM có 3 phần chính: phần cơ khí, hệ thống tủ điện và điện tử điều khiển, cụm dung dịch điện môi như Hình 2.5
Phần hệ thống điện, điện tử điều khiển, bao gồm:
2.3 Các ảnh hưởng của thông số công nghệ đến chất lượng gia công chi tiết
Dựa vào các đặc tính thời gian của sự phóng tia lửa điện, ta có thể nhận ra các đặc tính về điện và về chuyển động Các đặc tính này được điều chỉnh qua nhiều thông số trong quá trình gia công sẽ được tìm hiểu và phân tích bên dưới
2.3.1 Thời gian phóng xung điện
Thời gian phóng xung điện (Time on) là khoảng thời gian từ lúc phóng tia lửa điện đến lúc kết thúc trong một lần phóng điện Bảng 2.1 so sánh sự ảnh hưởng của thời gian phóng xung điện đến quá trình gia công tia lửa điện
Bảng 2.1 Sự ảnh hưởng của thời gian phóng xung
Thời gian phóng xung T on
Trang 29Độ mòn điện cực Nhiều Ít
2.3.2.Thời gian ngắt xung điện
Thời gian ngắt xung điện (Time off) là khoảng thời gian nghỉ từ lúc kết thúc quá trình phóng điện đến thời gian bắt đầu phóng điện của chu kỳ tiếp theo Như Bảng 2.2 so sánh sự ảnh hưởng của thời gian xung ngắt xung trong quá trình gia công tia lửa điện, thời gian ngắt xung ngắn thì tốc độ gia công nhanh và thời gian ngưng để đẩy phoi ra khỏi vùng gia công bị ngắn lại, nếu phoi đưa ra ngoài không hết sẽ gây hại cho bề mặt chi tiết như bị khuyết tật kẹt than, hiện tượng hồ quang Ngược lại, thời gian ngắt xung dài thì sẽ có thời gian nhiều để đẩy phoi ra, bề mặt gia công được sạch than, nhưng thời gian gia công kéo dài
Bảng 2.2 Sự ảnh hưởng của thời gian ngắt xung
Thời gian ngắt xung T off
2.3.3 Cường độ dòng điện
Cường độ dòng điện (Current) là giá trị trung bình của dòng điện từ khi bắt đầu phóng tia lửa điện đến khi ngắt điện, được trình bày ở Hình 2.6 Khi bắt đầu phóng tia lửa điện, dòng điện từ 0 tăng lên giá trị I kèm theo sự đốt cháy vật liệu Dòng điện lớn ảnh hưởng lớn đến lượng bóc tách vật liệu, độ mòn điện cực và chất lượng bề mặt gia công, trình bày ở Bảng 2.3
Trang 30Bảng 2.3 Sự ảnh hưởng của cường độ dòng điện
Cường độ dòng điện Current
Hình 2.6 Chu kỳ phóng điện
2.3.4 Thời gian di chuyển lên Up
Thời gian di chuyển lên Up (giây) là thông số chỉ định khoảng thời gian chuyển động di chuyển lên được dùng khi dời các phoi vụn từ khe hở bằng cách di chuyển các trục trong suốt quá trình gia công, được trình bày ơ Hình 2.7
2.3.5.Thời gian di chuyển xuống DN
Thời gian di chuyển xuống là DN (giây) là thông số để xác định thời gian
phóng điện giữa sự chuyển động di chuyển xuống và sự chuyển động di chuyển lên kế tiếp được trình bày ở Hình 2.7
Trang 31Hình 2.7 Chu kì di chuyển của điện cực
2.3.6 Độ mòn điện cực
Trong quá trình gia công EDM sự bóc tách vật liệu không thực hiện một lớp riêng lẻ Vật liệu được tách đi từ phôi cho đến khi khe hở giữa điện cực và phôi lớn đến mức không thể xảy ra sự phóng điện nửa Tuy nhiên, trong quá trình gia công chính điện cực cũng bị bóc tách đi một lớp mỏng vật liệu của nó, tuy rất nhỏ so với lượng vật liệu phôi Sự bóc tách vật liệu từ điện cực này là không mong muốn vì nó gây ra độ mòn điện cực
Trong luận văn, độ mòn điện cực được tính bằng cách diện tích cắt ngang biên dạng ren trước gia công trừ đi diện tích cắt ngang biên dạng ren sau gia công
Các yếu tố tố ảnh hưởng đến độ mòn điện cực: + Sự phối hợp vật liệu điện cực và phôi
+ Cường độ dòng điện + Thời gian xung + Độ kéo dài xung + Sự đấu điện cực
Trang 322.3.7 Áp lực phun của dầu
Áp lực phun của dầu dùng để đẩy các hạt phoi than trong quá trình bắn điện sinh ra ra khỏi vùng gia công
Có 3 dạng phun dầu để lấy phoi ra ngoài:
+ Dùng vòi tưới từ ngoài tạo lực đẩy phoi ra ngoài vùng gia công + Dùng vòi tạo lực hút dầu ra ngoài
+ Ngâm hoàn toàn trong dầu
Dạng ngâm hoàn toàn kết hợp với vòi tưới cho hiệu suất tốt nhất lấy phoi than ra khỏi vùng gia công tốt nhất
2.3.8 Vật liệu
Bất kỳ vật liệu nào dẫn điện được đều có thể gia công bắn điện được Độ dẫn điện và điểm chảy của vật liệu là hai nhân tố lớn nhất ảnh hưởng đến quá trình bắn điện Cacbit được xem là một trong những vật liệu khó gia công cắt dây nhất bởi độ dẫn điện thấp và điểm chảy cao
2.4 Các hiện tượng lỗi trong quá trình gia công EDM
Hồ quang là sự phóng tia lửa điện sớm mà không có thời gian trễ đánh lửa Hồ
quang xảy ra khi chất điện môi không đủ thời gian để thổi dung dịch ion hóa vào hoặc khe hở quá sát gần với các phần tữ đã bị ăn mòn điện, tạo ra sự phóng điện nhiều lần lặp đi lặp lại ở cùng một điểm, làm hư hại bề mặt phôi và mặt điện cực
Khắc phục hiện tượng hồ quang:
+ Kéo dài thời gian ngắt xung (Time off) để chất điện môi có thời gian ion hóa + Giảm thời gian phóng xung (Time on)
+ Tăng yếu đố điều chỉnh khe hở phóng điện + Cải thiện dòng chảy
Ngắn mạch là sự giảm điện áp khe hở đến một giá trị cực thấp, xấp xỉ không,
cường độ dòng điện tăng đến tối đa Sự ngắn mạch xảy ra khi điện cực va chạm vào phôi
Trang 33hoặc bị dính vào các hạt kim đã bị ăn mòn điện có trong khe hở phóng điện Sự ngắn mạch làm hư hại vùng mép cạnh của phôi và làm giảm lượng bóc tách vật liệu
Khắc phục hiện tượng ngắn mạch:
+ Tăng yếu tố điều chỉnh khe hở phóng điện + Giảm thời gian phóng xung (Time on) + Tăng thời gian ngừng phóng (Time off) + Tăng thơig gian di chuyển điện cực lên (Up) + Giảm thời gian di chuyển điện cực (Down) + Cải thiện dòng chảy
Trang 34CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ THÍ NGHIỆM 3.1.Phương pháp và thiết kế thí nghiệm
Qua việc phân tích những ảnh hưởng của các thông số công nghệ đến chất lượng gia công chi tiết ở Chương 2 và những nghiên cứu trước đó luận văn đã đưa ra các thông số ảnh hưởng đến độ nhám và độ chính xác của chi tiết, trong đó có ba thông số đầu vào như: cường độ dòng điện, thời gian xung điện, thời gian xuống điện cực và 5 thông số đầu ra như: độ nhám, sai lệch đường kính đỉnh ren, độ mòn góc đỉnh ren, độ mòn điện cực, thời gian gia công được thể hiện trong Bảng 3.1
Bảng 3.1 Các thông số khảo sát ảnh hưởng đến quá trình bắn điện
Mô hình thực nghiệm, sử dụng quy hoạch Taguchi để khảo sát tác động của 3
nghiệm, được trình bày chi tiết ở Bảng 3.2 thông số đầu vào với 3 mức giá trị đươc khảo sát, Bảng 3.3 các thông số đầu ra và Bảng 3.4 Quy hoạch thực nghiệm Taguchi L9
STT Thông số đầu vào
Trang 35Bảng 3.2 Thông số đầu vào với các mức giá trị
ước
Mức giá trị Thấp
1
Cơ sở 2
Cao 3 Cường độ dòng điện-
Bảng 3.3 Thông số đầu ra với các quy ước
Bảng 3.4 Quy hoạch thực nghiệm Taguchi L9
Trang 36Xử lý dữ liệu bằng phương pháp quy hoạch thực nghiệm:
- Chứng minh giả định là phân phối chuẩn
- Sử dụng phương pháp thực nghiệm Taguchi kết hợp phân tích ANOVA trên phần mềm hỗ trợ Minitab-version18
Phương pháp Taguchi sử dụng tín hiệu/nhiễu (signal to noise) S/N được chuyển đổi từ hàm số mất mát L Việc đánh giá tỷ lệ S/N giúp các nhà công nghệ biết xu hướng và mức độ ảnh hưởng của từng thông số đến độ nhám, đường kính đính ren, độ mòn điện cực và thời gian gia công Từ các nhận biết đó giúp các nhà nghiên cứu nhanh chóng tìm ra các thông số chế độ bắn điện và phạm vi cần tác động để tìm thông số công nghệ gia công là tốt nhất Đồng thời từ đó cũng đánh giá riêng lẻ các ảnh hưởng của các thông số công nghệ
Trong phân tích tín hiệu hiệu/nhiễu tỷ số S/N thường có 3 mức:
Trang 373.2 Mẫu thí nghiệm
3.2.1 Vật liệu mẫu thí nghiệm
Mẫu được chọn để tiến hành thí nghiệm là vật liệu thép làm khuôn ép nhựa với mã thép 2083 đã được nhiệt luyện sẵn có độ cứng 32 HRC Thông số kỹ thuật của mã thép được thể hiện tại Bảng 3.5 và Bảng 3.6
Trang 383.2.2 Thiết kế mẫu thí nghiệm
Đối với các sản phẩm bao bì nhựa như nắp, chai nhựa, phôi PET,…các lắp ghép ren giữa các chi tiết với nhau có biên dạng ren hình thang được sử dụng phổ biến Bên cạnh đó, khi gia công EDM với tạo hình undercut gặp nhiều khó khăn hơn các tạo hình thông thường, do vùng gia công kín phoi than khó đẩy ra ngoài hơn dẫn đến quá trình phóng điện gặp nhiều khó khăn, ảnh hưởng đến chất lượng gia công, kéo dài thời gian công và tăng chi phí Do đó để đánh giá mức ảnh hưởng của các thông số công nghệ ta chọn biên dạng ren undercut với thông số ren: biên dạng ren hình thang, đường kính đỉnh ren 16 mm, đường kính chân ren 14mm, chiều sâu ren 1 mm, ren 1 đầu mối bước ren 3.5 mm như Hình 3.1 để làm mẫu thí nghiệm
Vùng khảo sát
Trang 393.2.3 Thiết kế điện cực thí nghiệm
Dựa vào bản vẽ chi tiết của mẫu thí nghiệm ở Hình 3.1, ta tiến hành thiết kế điện cực thí nghiệm như Hình 3.2
Cạnh chống xoay
Vùng gia công nhámVùng gia công ren
Trang 403.3.1 Thiết bị gia công
Máy khảo sát thí nghiêm là máy EDM Sodick AD30L như Hình 3.3
Hình 3.3 Máy EDM Sodịck –AD30L
Các thông số kỹ thuật của máy EDM Sodick-AD30L được trình bày chi tiết ở Bảng 3.8