Nghiên cứu quá trình xung tia lửa điện thép SKD11 qua tôi dạng trụ vuông sử dụng dung dịch điện môi có trộn bột SiC với kích thước hạt khác nhau

Nghiên cứu quá trình xung tia lửa điện thép SKD11 qua tôi dạng trụ vuông sử dụng dung dịch điện môi có trộn bột SiC với kích thước hạt khác nhauNghiên cứu quá trình xung tia lửa điện thép SKD11 qua tôi dạng trụ vuông sử dụng dung dịch điện môi có trộn bột SiC với kích thước hạt khác nhauNghiên cứu quá trình xung tia lửa điện thép SKD11 qua tôi dạng trụ vuông sử dụng dung dịch điện môi có trộn bột SiC với kích thước hạt khác nhauNghiên cứu quá trình xung tia lửa điện thép SKD11 qua tôi dạng trụ vuông sử dụng dung dịch điện môi có trộn bột SiC với kích thước hạt khác nhauNghiên cứu quá trình xung tia lửa điện thép SKD11 qua tôi dạng trụ vuông sử dụng dung dịch điện môi có trộn bột SiC với kích thước hạt khác nhauNghiên cứu quá trình xung tia lửa điện thép SKD11 qua tôi dạng trụ vuông sử dụng dung dịch điện môi có trộn bột SiC với kích thước hạt khác nhauNghiên cứu quá trình xung tia lửa điện thép SKD11 qua tôi dạng trụ vuông sử dụng dung dịch điện môi có trộn bột SiC với kích thước hạt khác nhauNghiên cứu quá trình xung tia lửa điện thép SKD11 qua tôi dạng trụ vuông sử dụng dung dịch điện môi có trộn bột SiC với kích thước hạt khác nhauNghiên cứu quá trình xung tia lửa điện thép SKD11 qua tôi dạng trụ vuông sử dụng dung dịch điện môi có trộn bột SiC với kích thước hạt khác nhauNghiên cứu quá trình xung tia lửa điện thép SKD11 qua tôi dạng trụ vuông sử dụng dung dịch điện môi có trộn bột SiC với kích thước hạt khác nhauNghiên cứu quá trình xung tia lửa điện thép SKD11 qua tôi dạng trụ vuông sử dụng dung dịch điện môi có trộn bột SiC với kích thước hạt khác nhauNghiên cứu quá trình xung tia lửa điện thép SKD11 qua tôi dạng trụ vuông sử dụng dung dịch điện môi có trộn bột SiC với kích thước hạt khác nhauNghiên cứu quá trình xung tia lửa điện thép SKD11 qua tôi dạng trụ vuông sử dụng dung dịch điện môi có trộn bột SiC với kích thước hạt khác nhauNghiên cứu quá trình xung tia lửa điện thép SKD11 qua tôi dạng trụ vuông sử dụng dung dịch điện môi có trộn bột SiC với kích thước hạt khác nhauNghiên cứu quá trình xung tia lửa điện thép SKD11 qua tôi dạng trụ vuông sử dụng dung dịch điện môi có trộn bột SiC với kích thước hạt khác nhauNghiên cứu quá trình xung tia lửa điện thép SKD11 qua tôi dạng trụ vuông sử dụng dung dịch điện môi có trộn bột SiC với kích thước hạt khác nhauNghiên cứu quá trình xung tia lửa điện thép SKD11 qua tôi dạng trụ vuông sử dụng dung dịch điện môi có trộn bột SiC với kích thước hạt khác nhauNghiên cứu quá trình xung tia lửa điện thép SKD11 qua tôi dạng trụ vuông sử dụng dung dịch điện môi có trộn bột SiC với kích thước hạt khác nhauNghiên cứu quá trình xung tia lửa điện thép SKD11 qua tôi dạng trụ vuông sử dụng dung dịch điện môi có trộn bột SiC với kích thước hạt khác nhauNghiên cứu quá trình xung tia lửa điện thép SKD11 qua tôi dạng trụ vuông sử dụng dung dịch điện môi có trộn bột SiC với kích thước hạt khác nhauNghiên cứu quá trình xung tia lửa điện thép SKD11 qua tôi dạng trụ vuông sử dụng dung dịch điện môi có trộn bột SiC với kích thước hạt khác nhauNghiên cứu quá trình xung tia lửa điện thép SKD11 qua tôi dạng trụ vuông sử dụng dung dịch điện môi có trộn bột SiC với kích thước hạt khác nhauNghiên cứu quá trình xung tia lửa điện thép SKD11 qua tôi dạng trụ vuông sử dụng dung dịch điện môi có trộn bột SiC với kích thước hạt khác nhauNghiên cứu quá trình xung tia lửa điện thép SKD11 qua tôi dạng trụ vuông sử dụng dung dịch điện môi có trộn bột SiC với kích thước hạt khác nhauNghiên cứu quá trình xung tia lửa điện thép SKD11 qua tôi dạng trụ vuông sử dụng dung dịch điện môi có trộn bột SiC với kích thước hạt khác nhauNghiên cứu quá trình xung tia lửa điện thép SKD11 qua tôi dạng trụ vuông sử dụng dung dịch điện môi có trộn bột SiC với kích thước hạt khác nhauNghiên cứu quá trình xung tia lửa điện thép SKD11 qua tôi dạng trụ vuông sử dụng dung dịch điện môi có trộn bột SiC với kích thước hạt khác nhauNghiên cứu quá trình xung tia lửa điện thép SKD11 qua tôi dạng trụ vuông sử dụng dung dịch điện môi có trộn bột SiC với kích thước hạt khác nhauNghiên cứu quá trình xung tia lửa điện thép SKD11 qua tôi dạng trụ vuông sử dụng dung dịch điện môi có trộn bột SiC với kích thước hạt khác nhau

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ CÔNG THƯƠNG

VIỆN NGHIÊN CỨU CƠ KHÍ

Mã số: 9520103

Hà Nội – 2024

Công trình được hoàn thành tại:

Viện Nghiên cứu Cơ khí - Bộ Công Thương

Luận án được bảo vệ trước Hội đồng đánh giá luận án tiến sĩ cấp Viện

Họp tại: Viện Nghiên cứu Cơ khí - Bộ Công Thương

Tòa nhà trụ sở chính: số 4 đường Phạm Văn Đồng, quận Cầu Giấy, TP Hà Nội Vào hồi ……… giờ ………, ngày …… tháng …… năm ……

Có thể tìm hiểu luận án tại:

1 Thư viện Quốc gia Việt Nam

2 Thư viện Viện Nghiên cứu Cơ khí

1

MỞ ĐẦU

1 Tính cấp thiết của đề tài nghiên cứu

Gia công xung tia lửa điện (Electrical Discharge Machining - EDM) là công nghệ gia công sử dụng cơ chế phóng tia lửa điện để hình thành nên kênh plasma có nhiệt độ cao nhằm làm nóng chảy và bốc hơi kim loại Đây là công nghệ gia công tiên tiến đang được sử dụng ngày càng rộng rãi để gia công các chi tiết dạng hốc, khe hẹp có chiều sâu lớn, … đặc biệt là gia công lòng khuôn mẫu Với đặc điểm của phương pháp gia công này là độ cứng của điện cực không yêu cầu phải lớn hơn

độ cứng của chi tiết gia công nên có thể gia công được các vật liệu dẫn điện khó gia công, có độ bền, độ cứng cao mà các phương pháp gia công khác khó thực hiện Tuy nhiên, qua nhiều cải tiến về máy phát xung và quy trình công nghệ, nhưng phương pháp EDM truyền thống tồn tại các nhược điểm là tốc độ bóc tách vật liệu thấp, chất lượng bề mặt chi tiết gia công không cao, mòn điện cực ảnh hưởng đến

độ chính xác và hình dạng của bề mặt chi tiết gia công

Có nhiều giải pháp đã được đưa ra nhằm cải thiện các hiệu suất gia công như xung tia lửa điện có trộn bột trong dung dịch điện môi, gia công xung tia lửa điện kết hợp rung động Trong đó, gia công xung tia lửa điện sử dụng dung dịch điện môi có trộn bột (Powder Mixed Electrical Discharge Machining - PMEDM) là biện pháp cho hiệu quả cải thiện tốt Chính vì vậy mà PMEDM đang là xu hướng được ngày càng nhiều khoa học quan tâm

Đối với phương pháp EDM nói chung và

PMEDM nói riêng từ trước tới nay, trong các

nghiên cứu hầu hết đều được thực hiện trên các

dạng bề mặt hốc có biên dạng định hình như

lòng khuôn, hay các lỗ sâu có kích thước nhỏ

Trên thực tế, có nhiều chi tiết dạng trụ định

hình ngoài như chày dập thuốc viên, các chày

đột lỗ thép tấm định hình, chày dập định hình…

được làm bằng các vật liệu khó gia công, đặc

biệt là những chi tiết có biên dạng định hình

phức tạp (chày dập thuốc viên hình Đô-re-mon,

hình khúc xương hay chày đột lỗ thép hình…)

(Hình 1.1) Các chi tiết dạng này thông thường

được gia công bằng phương pháp phay tốc độ siêu cao nhưng chi phí cao và bị hạn chế bởi đường kính dao với những biên dạng định hình phức tạp có các góc lượn nhỏ, nên thường được gia công bằng phương pháp nguội có năng suất thấp và chất lượng không đồng đều, phụ thuộc vào tay nghề người thợ Do vậy, áp dụng phương pháp gia công xung tia lửa điện để gia công các bề mặt dạng trụ định hình là một hướng khả thi cao

Đã có một vài nghiên cứu về xung tia lửa điện các chi tiết có bề mặt dạng trụ định hình ngoài Tuy nhiên, chưa có công bố nào về PMEDM khi xung chi tiết dạng này làm bằng vật liệu thép dụng cụ SKD11, đặc biệt là về mòn điện cực và cơ chế mòn Trong khi đó, mòn điện cực là chỉ tiêu rất quan trọng trong gia công xung

Hình 1.1 Chầy dập thuốc

thuốc viên hình Đô-re-mon

2 tia lửa điện do mòn có ảnh hưởng lớn đến độ chính xác về kích thước và hình dạng

chi tiết gia công Chính vì vậy, nghiên cứu sinh đã lựa chọn đề tài luận án: “Nghiên cứu quá trình xung tia lửa điện thép SKD11 qua tôi dạng trụ vuông sử dụng dung dịch điện môi có trộn bột SiC với kích thước hạt khác nhau”

2 Mục tiêu nghiên cứu

Nghiên cứu tính hiệu quả của phương pháp gia công xung tia lửa điện có trộn bột (PMEDM) trong gia công chi tiết dạng trụ định hình ngoài bằng thép SKD11 qua tôi sử dụng bột SiC thông qua các chỉ tiêu về năng suất và chất lượng của quá trình gia công Trong đó ảnh hưởng của các thông số công nghệ đầu vào của PMEDM bao gồm cường độ dòng điện (IP), điện áp (SV), thời gian phát xung (Ton), thời gian ngừng phát xung (Toff), nồng độ bột SiC (Cp) và kích cỡ hạt (Sp) đến các chỉ tiêu đầu ra gồm tốc độ mòn điện cực (EWR), nhám bề mặt (Ra) và tốc độ bóc tách vật liệu (MRR) được đưa vào khảo sát Từ đó xác định bộ thông số công nghệ hợp lý để đạt được các chỉ tiêu đầu ra là tốt nhất

3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

Đối tượng nghiên cứu là quá trình gia công xung điện có trộn bột (PMEDM) các chi tiết dạng trụ vuông Phạm vi nghiên cứu được giới hạn ở loại bột SiC có dải kích cỡ hạt 100 nm, 500 nm và 1000 nm, chi tiết gia công bằng thép SKD11 và sử dụng điện cực đồng đỏ

4 Phương pháp nghiên cứu

Sử dụng phương pháp nghiên cứu lý thuyết về phương pháp EDM, PMEDM kết hợp với nghiên cứu thực nghiệm

Phương pháp quy hoạch thực nghiệm Taguchi được sử dụng trong nghiên cứu

để thiết kế thí nghiệm Phương pháp phân tích phương sai để xác định ảnh hưởng của các thông số công nghệ PMEDM đến các chỉ tiêu đầu ra Nghiên cứu tối ưu hóa đa mục tiêu được thực hiện bằng các phương pháp lựa chọn đa tiêu chí như TOPSIS, MARCOS, MAIRCA kết hợp với phương pháp tính trọng số Entropy và MEREC; phương pháp phân tích quan hệ xám (Grey Relational Analysis – GRA)

5 Ý nghĩa khoa học và ý nghĩa thực tiễn của đề tài

* Ý nghĩa khoa học:

Đã xác định được ảnh hưởng của các thông số công nghệ PMEDM khi xung các chi tiết định hình vuông và chế độ xung hợp lý để đạt được các đơn mục tiêu là tốt nhất gồm nhám bề mặt, tốc độ mòn điện cực và tốc độ bóc tách vật liệu

Bài toán đa mục tiêu cũng được giải quyết cho thấy tác dụng của bột SiC trong dung dịch điện môi và xác định chế độ PMEDM hợp lý để nâng cao đồng thời chất lượng và năng suất gia công

Đưa ra mô hình dạng mòn của điện cực khi gia công các chi tiết dạng trụ vuông nói riêng làm cơ sở để đảm bảo độ chính xác trong gia công xung tia lửa điện các chi tiết dạng trụ định hình nói chung Đồng thời đã khảo sát được ảnh hưởng của chế độ công nghệ PMEDM sử dụng bột SiC đến mòn và dạng mòn điện cực khi gia công thép SKD11 qua tôi

* Ý nghĩa thực tiễn:

Kết quả của luận án có thể được sử dụng để tham khảo và áp dụng vào các cơ

sở sản xuất khi gia công các chi tiết có dạng trụ định hình như chầy dập thuốc viên

3 định hình, các chầy đột dập định hình có biên dạng phức tạp và khó gia công bằng các phương pháp truyền thống nhằm nâng cao hiệu quả kinh tế - kỹ thuật Luận án

có thể sử dụng để tham khảo cho các nghiên cứu khoa học cũng như đào tạo trong lĩnh vực EDM nói chung và PMEDM nói riêng

6 Những đóng góp mới của luận án

Khẳng định tính khả thi và hiệu quả của phương pháp gia công PMEDM khi gia công các chi tiết dạng trụ định hình vuông bằng vật liệu SKD11 qua tôi sử dụng dung dịch điện môi có trộn bột SiC và điện cực đồng

Đã chỉ ra ảnh hưởng của các thông số về kích cỡ hạt SiC và nồng độ bột trong dung dịch điện môi đến từng đơn mục tiêu đầu ra và hàm đa mục tiêu cho thấy hiệu quả của bột trong nâng cao chất lượng và hiệu suất gia công

Đưa ra mô hình dạng mòn của điện cực khi gia công các chi tiết dạng trụ định hình ngoài khi xung là cơ sở để áp dụng phương pháp này vào thực tế trong việc đảm bảo độ chính xác hình dạng và kích thước gia công và giảm chi phí điện cực

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ PHƯƠNG PHÁP GIA CÔNG XUNG TIA

LỬA ĐIỆN CÓ TRỘN BỘT 1.1 Khái quát về phương pháp gia công xung tia lửa điện

Nguyên lý gia công xung tia lửa điện

Trong phương pháp gia công

xung điện, vật liệu được bóc tách

dựa trên nguyên lý mòn do phóng

điện của tia lửa điện xảy ra giữa hai

điện cực được ngăn cách bởi chất

lỏng điện môi Quá trình loại bỏ kim

loại diễn ra do nhiệt độ rất cao (từ

8000 đến 12000oC) được hình thành

do phóng tia lửa điện làm nóng chảy

và bay hơi hai điện cực

Hệ thống gia công xung tia lửa

điện được mô tả trên Hình 1.1 bao

gồm: Bộ phận điều khiển servo có

nhiệm vụ duy trì khoảng cách giữa

điện cực và phôi để đảm bảo quá trình phóng điện tích cực giữa hai điện cực; bộ nguồn có nhiệm vụ cung cấp xung điện ở một điện áp, dòng điện, điều khiển thời gian phát xung và ngừng phát xung Dung dịch điện môi được bơm tuần hoàn vào khe hở giữa phôi và chi tiết gia công sau khi được lọc qua hệ thống lọc

Đặc điểm và ứng dụng của phương pháp gia công xung tia lửa điện

Phương pháp gia công tia lửa điện là phương pháp có nhiều ưu điểm, trong đó nổi bật nhất là khả năng gia công các vật liệu khó gia công khi gia công bằng các phương pháp truyền thống khác do nó không phụ thuộc vào độ cứng của vật liệu gia công, có thể gia công được các chi tiết dạng hốc với bề mặt phức tạp… Tuy nhiên, hạn chế của phương pháp này là năng suất thấp, việc nâng cao năng suất gặp nhiều khó khăn do ảnh hưởng đến chất lượng bề mặt gia công, mòn điện cực tăng

Hình 1.1 Sơ đồ hệ thống gia công xung

tia lửa điện

4 cũng làm ảnh hưởng tới độ chính xác Với các đặc điểm như vậy, hiện nay có hai phương pháp gia công xung tia lửa điện được sử dụng rộng rãi nhất là gia công xung tia lửa điện (EDM) hay còn gọi là xung định hình - để gia công các hốc khuôn, các lỗ nhỏ không thông có chiều sâu lớn và gia công tia lửa điện cắt dây (WEDM) để gia công các lỗ thông có biên dạng định hình phức tạp, khó gia công Ngoài ra, xung điện còn được sử dụng kết hợp với các phương pháp gia công truyền thống như phay tia lửa điện, mài tia lửa điện, cưa tia lửa điện…

Các hướng nghiên cứu chủ yếu của phương pháp gia công xung tia lửa điện

Hiện nay, các nghiên cứu về EDM chủ yếu tập trung vào các hướng như sau:

- Nghiên cứu phương pháp xung tia lửa điện sử dụng các loại vật liệu điện cực, các loại dung dịch điện môi khác nhau

- Tối ưu hóa chế độ công nghệ xung tia lửa điện sử dụng các phương pháp mô hình hóa, áp dụng các phương pháp quy hoạch trong nghiên cứu thực nghiệm

- Nghiên cứu sử dụng bột nano/micro trộn vào dung dịch điện môi (PMEDM)

để cải thiện năng suất, chất lượng, hợp kim hóa lớp bề mặt chi tiết gia công

- Nghiên cứu ứng dụng rung siêu âm vào trong quá trình xung điện và rung siêu

âm có trộn bột nano/micro trong dung dịch điện môi

1.2 Tổng quan về phương pháp gia công xung điện có trộn bột

Tình hình nghiên cứu về phương pháp PMEDM trên thế giới

* Nghiên cứu nâng cao hiệu suất của quá trình xung điện

Trong nghiên cứu của Jeswani về ảnh hưởng của bột graphit cỡ hạt 10 µm trong chất điện môi khi gia công tia lửa điện cho thấy, ở nồng độ 4 g/l trộn trong dung môi dầu hỏa làm tăng sự ổn định của quá trình xung và cho hiệu suất cao nhất với tốc độ bóc tách vật liệu tăng 60% và độ mòn điện cực giảm 15%, tỉ số mòn giảm 28% so với phương pháp xung thông thường Nghiên cứu cũng chỉ ra tác động của bột làm tăng

số lượng các điểm phóng điện và giảm điện áp đánh thủng của dung dịch điện môi, tuy nhiên khi tiếp tục tăng nồng độ bột thì điện áp đánh thủng giảm không đáng kể Tzeng và Lee nghiên cứu sử dụng các loại bột khác nhau gồm bột Al, Cr, Cu và SiC trộn trong dung dịch điện môi dầu hỏa khi xung thép SKD11 bằng điện cực đồng Các kết quả nghiên cứu chỉ ra ở những chế độ trộn các loại bột kể trên đều có tác động làm tăng khe hở phóng điện, tăng tốc độ bóc tách vật liệu và giảm mòn điện cực Cụ thể, MRR đạt giá trị lớn nhất khi sử dụng bột Cr cỡ hạt 10-15 µm ở nồng độ nhỏ hơn 1,0 cm3/l và cường độ dòng điện là 4 A Đối với tốc độ mòn điện cực cũng đạt giá trị nhỏ nhất khi sử dụng bột Cr với nồng độ 0,5 cm3/l và cường độ dòng điện 1,5 A Cỡ hạt cũng có ảnh hưởng đáng kể tới hiệu suất gia công: với cỡ hạt 70 – 80 nm cho MRR lớn nhất, tiếp đến là cỡ hạt 10 – 15 µm và 100 µm Đối với TWR thì có xu hướng ngược lại, cỡ hạt nhỏ sẽ giảm mòn điện

Trong nghiên cứu của Kumar khi sử dụng bột SiC trong dung dịch điện môi khi xung thép làm khuôn H-11 bằng điện cực đồng cho thấy, ảnh hưởng của nồng độ bột và cường độ dòng điện đến tốc độ bóc tách vật liệu và mòn điện cực cũng như nhám bề mặt là lớn nhất Chế độ xung có trộn bột có năng suất cải thiện đáng kể so với xung thông thường Đối với vật liệu gia công là thép AISI D2, kết quả nghiên cứu cũng chỉ ra chế độ xung có trộn bột với nồng độ bột 4 g/l cho tốc độ bóc tách vật liệu là lớn nhất

5 Tuy nhiên, trong nghiên cứu Jamadar khi sử dụng bột Al với cỡ hạt 10-18 μm, vật liệu gia công là thép khuôn mẫu AISI D3 không cho thấy sự cải thiện đối với tốc độ bóc tách vật liệu nhưng mòn điện cực giảm đáng kể khi trộn bột và TWR đạt giá trị tốt nhất ở nồng độ bột 6 g/l

* Nghiên cứu nâng cao chất lượng bề mặt chi tiết gia công

+ Giảm độ nhám bề mặt

Các kết quả nghiên cứu cho thấy tác động của bột có hiệu quả tốt trong việc cải thiện chất lượng bề mặt chi tiết, trong đó có giảm nhám bề mặt

Nghiên cứu của Biing Hwa Yan khi sử dụng bột Al, Cr (cỡ hạt: 1 µm; 10 µm;

50 µm) trộn vào dung môi dầu hỏa với nồng độ 6 g/l khi xung thép SKD61 cho kết quả nhám bề mặt giảm rõ rệt so với khi xung không trộn bột Kết quả nghiên cứu cũng chỉ ra cỡ hạt nhỏ hơn cho chất lượng bề mặt tốt hơn

Trong nghiên cứu khác của Sravankumar Gudur sử dụng bột SiC trong dung dịch khi gia công xung thép SS316L cũng cho thấy tác động của bột trong việc giảm nhám bề mặt so với EDM thông thường, với chế độ xung tối ưu cho nhám bề mặt nhỏ nhất xác định được là ở nồng độ bột 5 g/l, cường độ dòng điện 4 A và thời gian phát xung 50 µs

Việc kết hợp hai loại bột trong dung dịch điện môi cũng cho hiệu quả khả quan trong tác dụng giảm nhám bề mặt như trong nghiên cứu của Sugunakar Tác giả đã

sử dụng các chế độ gia công xung điện có trộn bột Al, bột Gr và bột Al kết hợp với

Gr theo tỉ lệ 1:1 cho thấy: chế độ PMEDM có trộn bột kết hợp Al và Gr cho nhám

bề mặt nhỏ nhất ở nồng độ 4,5 g/l

+ Nâng cao cơ tính lớp bề mặt

Trong nghiên cứu của F Klocke cho thấy tác động của bột trong dung dịch điện môi khi xung có tác dụng làm năng lượng xung điện được phân bố rộng hơn trên bề mặt chi tiết gia công Kênh plasma được mở rộng hơn so với khi sử dụng dung dịch điện môi thông thường, kết quả sau khi xung điện cho thấy, sử dụng bột Al cho vùng ảnh hưởng nhiệt có bề dầy nhỏ nhất

Nghiên cứu của Wu và các cộng sự cũng cho thấy khi kết hợp trộn bột nhôm và chất hoạt động bề mặt (surfactant) vào dung dịch điện môi có hiệu quả trong việc phân tán năng lượng kênh plasma làm cho bề dầy lớp đúc lại giảm rõ rệt (1-2 μm)

so với sử dụng dung dịch điện môi thông thường (5-8 μm)

+ Hợp kim hóa lớp bề mặt

Nghiên cứu của Furutani và các cộng sự khi sử dụng bột TiC trộn vào dung dịch điện môi đã tạo ra lớp TiC dày 150 nm có độ cứng 1600 HV trên bề mặt thép cacbon Hay sự lắng đọng của MoS2 trên bề mặt chi tiết bằng thép cacbon sau khi xung tinh được thực hiện bằng việc sử dụng bột MoS2 trộn vào dung dịch điện môi dưới điều kiện xung ở dòng điện thấp, thời gian xung ngắn, điện áp cao và thời gian ngừng phát xung trung bình

Simao và các cộng sự cũng đưa ra kết quả nghiên cứu cho thấy sự hình thành lớp bề mặt được hợp kim hóa khi sử dụng điện cực chế tạo bằng phương pháp luyện kim bột Các loại bột được trộn vào dung dịch điện môi như bột Al, Ni, Ti… Các điện cực được làm bằng hợp kim WC/Co đã thay đổi tính chất lớp bề mặt sau khi gia công xung điện với lớp bề mặt đồng đều, có ít vết nứt tế vi và chiều dày

6 trung bình lên tới 30 μm Phân tích thành phần hóa học lớp bề mặt sau khi xung cũng cho thấy sự xuất hiện của các nguyên tố hợp kim

Tình hình nghiên cứu về phương pháp PMEDM trong nước

Nghiên cứu của tác giả Bành Tiến Long sử dụng bột Ti cỡ hạt 45 µm trộn vào dung dịch điện môi là dầu xung HD-1 (nồng độ 15 g/l) để xung thép SKD61 cho thấy: trộn bột Ti có tác động tích cực đến chất lượng lớp bề mặt gia công như giảm

độ nhám bề mặt Ra, giảm chiều dày vùng ảnh hưởng nhiệt và thành phần hóa học lớp bề mặt thay đổi theo hướng tích cực với độ cứng tế vi lớp bề mặt tăng Khi xung thép SKD61 với điện cực đồng phân cực ngược cũng cho thấy nồng độ bột Ti

là thông số có ảnh hưởng lớn đến năng suất và chất lượng gia công đặc biệt là năng suất bóc tách tăng lên đến 147% Cũng trong nghiên cứu của nhóm tác giả Bành Tiến Long và các cộng sự đối với gia công thô vật liệu thép H13 bằng điện cực graphit khi trộn bột Ti (cỡ hạt 45 µm) thì nồng độ bột tăng làm cho tốc độ bóc tách cũng tăng lên rất lớn, đạt tới 475% ở nồng độ bột 20 g/l

Nghiên cứu của tác giả Nguyễn Hữu Phấn đã khảo sát ảnh hưởng của loại điện cực gồm đồng và graphit khi gia công thép SKD61 bằng phương pháp xung điện có trộn bột Ti cho thấy: ngoài tác dụng nâng cao năng suất bóc tách vật liệu, đồng thời giảm mòn điện cực và nhám bề mặt, việc trộn thêm bột Ti làm tăng độ cứng tế vi lớp bề mặt gia công, số lượng và kích thước các lớp nứt tế vi trên bề mặt gia công nhỏ hơn, số lượng các vết lõm tăng nhưng đường kính và chiều sâu giảm, đồng thời

sự phân bố các vết lõm cũng đồng đều hơn Chiều dày lớp biến trắng cũng đồng đều hơn đặc biệt giảm mạnh khi gia công bằng điện cực graphit

Nghiên cứu của tác giả Lê Văn Tạo khi trộn bột cacbít vônphram vào dung dịch điện môi khi gia công thép SKD61 cũng cho thấy độ nhám bề mặt chi tiết gia công khi trộn bột giảm so với phương pháp EDM truyền thống, độ nhám bề mặt giảm lớn nhất là 57,98% Khảo sát lớp bề mặt trong nghiên cứu này cho thấy có sự xâm nhập của vônphram, ở chế độ dòng phóng tia lửa điện nhỏ và thời gian phát xung ngắn thì hàm lượng vônphram xâm nhập vào bề mặt lớn hơn Độ cứng tế vi lớp bề mặt đo được cho thấy ở hầu hết các chế độ gia công bằng phương pháp PMEDM có

độ cứng tế vi cao hơn so với gia công bằng phương pháp EDM tương ứng

Kết luận Chương 1

Các nghiên cứu được công bố về phương pháp PMEDM cho thấy việc trộn bột vào dung dịch điện môi giúp cải thiện đáng kể tính chất của lớp bề mặt gia công, nhám bề mặt giảm, độ cứng tế vi lớp bề mặt và khối lượng bóc tách vật liệu tăng, mòn điện cực giảm, tuy nhiên các nghiên cứu về cơ chế mòn điện cực vẫn còn rất hạn chế

Qua tổng hợp các nghiên cứu cho thấy PMEDM là một hướng ứng dụng khả thi với nhiều tác dụng trong cải thiện quá trình gia công xung Tuy nhiên, các nghiên cứu về công nghệ PMEDM hiện nay mới chỉ dừng lại ở gia công các chi tiết dạng hốc với các hình dạng khác nhau, các lỗ có chiều sâu lớn và kích thước nhỏ Mới chỉ có các nghiên cứu với cỡ hạt nhỏ (< 100 nm) và cỡ hạt lớn (1 µm đến 100 µm) Việc phân tích các cơ chế trong gia công PMEDM còn hạn chế và chưa có nghiên cứu nào về gia công xung các chi tiết dạng trụ định hình ngoài thép SKD11 Do vậy, nhiệm vụ của đề tài luận án này là nghiên cứu ảnh hưởng của các chế độ công

7 nghệ trong quá trình xung có trộn bột khi gia công các chi tiết dạng trụ định hình ngoài Và dựa trên cơ sở lý thuyết của phương pháp PMEDM xác định tác động của bột trong dung dịch điện môi đến các chỉ tiêu năng suất và chất lượng gia công

CHƯƠNG 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT CỦA PHƯƠNG PHÁP GIA CÔNG XUNG TIA LỬA ĐIỆN CÓ TRỘN BỘT VÀ LỰA CHỌN PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN

CỨU 2.1 Các thông số công nghệ cơ bản của quá trình xung tia lửa điện có trộn bột

Cường độ dòng điện (I P )

Đây là thông số có ảnh hưởng lớn nhất đến chất lượng bề mặt gia công và lượng bóc tách vật liệu Cường độ dòng điện xung càng lớn đồng nghĩa với dòng phóng tia lửa điện càng lớn làm tăng lượng bóc tách vật liệu nhưng bề mặt gia công càng thô

Điện áp (SV)

Điện áp trong dòng điện có thể được coi là áp suất dòng điện, lực hay lực điện động Điện áp trong gia công tia lửa điện là áp lực làm cho dòng điện hình thành dưới dạng tia lửa điện Đây là thông số ảnh hưởng đến quá trình ion hóa chất lỏng điện môi từ đó ảnh hưởng tới dòng điện và sự hình thành tia lửa điện và ổn định quá trình xung điện

Thời gian phát xung (T on ) và thời gian ngừng phát xung (T off )

Với thời gian phát xung càng dài thì khu vực bị bắn phá càng sâu và rộng hơn

so với thời gian phát xung ngắn Về lý thuyết, thời gian ngừng phát xung càng ngắn thì thời gian gia công càng ngắn, tuy nhiên điều này sẽ ảnh hưởng tới việc loại bỏ vật liệu ra khỏi vùng gia công và ảnh hưởng tới việc khử ion cho chu kỳ xung tiếp theo và mất ổn định quá trình xung

Loại bột nano/micro

Các loại bột khác nhau có ảnh hưởng khác nhau đến hiệu suất của quá trình xung Một số đặc tính của bột ảnh hưởng đến hiệu suất bao gồm: Độ dẫn điện, độ dẫn nhiệt, từ tính…

2.2 Ảnh hưởng của bột trong dung dịch điện môi đến quá trình xung tia lửa điện

Ảnh hưởng đến điện áp đánh thủng

Những nghiên cứu về tác dụng của bột nano trong dung dịch điện môi cho thấy điện áp đánh thủng của dung dịch điện môi giảm giúp cho việc hình thành tia lửa điện được dễ dàng hơn Với nồng độ bột tăng làm cho độ bền cách điện giảm và quá trình phóng điện xảy ra dễ dàng hơn

8

Ảnh hưởng đến khe hở phóng điện

Hạt bột được tích điện và tách ra khỏi anốt được sơ đồ hóa như trong Hình 2.1

Do kích thước hạt bột rất nhỏ, nên điện tích của hạt bột rất nhỏ nên bỏ qua tác động này, khi đó khe hở phóng điện khi trộn bột d2 được tính:

khe hở phóng điện khi trộn bột (d2) lớn hơn

khe hở phóng điện khi không trộn bột (d1)

Phân tán năng lượng xung điện và dạng

sóng xung

Nghiên cứu phân tích dạng sóng xung khi

gia công tia lửa điện cho thấy, với xung điện

thông thường với một chu kỳ xung chỉ có một

điểm phóng điện Tuy nhiên, với dung dịch

điện môi có trộn bột xuất hiện hiệu ứng phóng

điện nhiều lần trong một xung Điều này được

giải thích do bột trong dung dịch điện môi làm phân tán năng lượng phóng điện, do

đó tạo ra nhiều đường phóng điện trong một xung và tạo ra nhiều điểm phóng điện

Truyền tải nhiệt lượng ra khỏi vùng gia công

Sự có mặt của bột trong dung dịch điện môi làm cho kênh phóng điện được mở rộng giúp cho nhiệt lượng phân tán đều ra mọi hướng, từ đó nâng cao hiệu quả truyền nhiệt

Ảnh hưởng đến điện dung

Khi khoảng khe hở giữa điện cực và chi tiết gia công rất nhỏ, hiệu ứng giảm điện dung được tăng cường và có ảnh hưởng đáng kể tới độ ổn định xung điện

2.3 Xác định phương pháp nghiên cứu và quy hoạch thực nghiệm

Phương pháp nghiên cứu

Quá trình xung là quá trình phức tạp diễn ra ngẫu nhiên và khó điều chỉnh một cách chính xác, chịu ảnh hưởng của nhiều yếu tố công nghệ và nhiễu khác nhau

Do vậy, việc mô hình hóa gặp nhiều khó khăn Trong nghiên cứu này sử dụng phương pháp thực nghiệm để đánh giá ảnh hưởng của các thông số công nghệ đến các chỉ tiêu đầu ra khác nhau, kết hợp với nghiên cứu lý thuyết và những công bố trước đây về phương pháp gia công xung điện

Xác định phương pháp quy hoạch thực nghiệm

Nghiên cứu này sử dụng phương pháp quy hoạch thực nghiệm Taguchi Đây là phương pháp sử dụng các dãy trực giao trong quy hoạch thực có thể nghiên cứu ảnh hưởng của cả các biến đầu vào liên tục và biến rời rạc

Trong phương pháp Taguchi, tỉ số tín hiệu trên nhiễu (Signal to noise ratio) S/N được chuyển đổi từ hàm tổn thất L = k(y-m)2, trong đó L là tổn thất do sai lệch giá trị của đầu ra y nhận được so với giá trị đầu ra mong muốn m, k là hằng số Tỉ số S/N được xây dựng và chuyển đổi để tính toán như sau:

- Nếu đầu ra mong muốn y cần đạt "Lớn hơn tốt hơn" thì:

Hình 2.1 Sơ đồ mô hình hóa

hạt bột trong khe hở phóng điện

n i i

sự xuất hiện của bột cũng có tác động không mong muốn là gây hiệu ứng giảm điện dung và ảnh hưởng đến độ ổn định xung điện

Ảnh hưởng của các loại bột khác nhau đến quá trình xung là không giống nhau

do tính chất nhiệt lý của bản thân loại bột Ngoài ra, các yếu tố khác cũng có ảnh hưởng đến quá trình xung như hình dạng hạt bột, kích cỡ hạt, nồng độ bột… Tuy nhiên, hiện nay vẫn chưa có nghiên cứu nào thực hiện việc mô hình hóa cũng như đánh giá đầy đủ các yếu tố này đến quá trình xung điện

Các thông số của bột có ảnh hưởng đáng kể tới quá trình xung và có thể điều chỉnh được là nồng độ bột và kích cỡ hạt Vì vậy, trong nghiên cứu này nghiên cứu sinh tập trung vào đánh giá ảnh hưởng của nồng độ và kích cỡ hạt trong gia công xung điện khi xung bề mặt dạng trụ vuông Đây là dạng chi tiết gia công chưa được

đề cập đến trong các nghiên cứu trước đây

Đã xác định phương pháp nghiên cứu và quy hoạch thực nghiệm cụ thể cho bài toán xác định ảnh hưởng của các thông số công nghệ PMEDM đến các chỉ tiêu đầu

ra, làm cơ sở cho việc thực hiện nghiên cứu thực nghiệm

CHƯƠNG 3 THỰC NGHIỆM XÁC ĐỊNH ẢNH HƯỞNG CỦA CÁC THÔNG SỐ CÔNG NGHỆ XUNG CÓ TRỘN BỘT SiC ĐẾN NĂNG SUẤT

VÀ CHẤT LƯỢNG KHI GIA CÔNG CHI TIẾT DẠNG TRỤ VUÔNG

BẰNG THÉP SKD11 3.1 Xây dựng hệ thống thí nghiệm

Vật liệu thí nghiệm

Vật liệu chi tiết gia công

Vật liệu gia công được sử dụng trong nghiên cứu này là thép SKD11 qua tôi (độ cứng 55 – 62 HRC) có hình dạng và kích thước như trong Hình 3.1a

Vật liệu điện cực

Vật liệu điện cực được sử dụng trong nghiên cứu này là điện cực bằng đồng đỏ

có kích thước như trong Hình 3.1c

Dung dịch điện môi

Dung dịch điện môi sử dụng trong thí nghiệm là dầu xung Diel MS7000 của hàng Total

Thiết bị đo kiểm

Nghiên cứu sử dụng các thiết bị đo kiểm gồm: cân điện tử chính xác WT3003NE; máy đo nhám bề mặt SJ-201 của hãng Mitutoyo – Nhật Bản; kính hiển vi kỹ thuật số VHX-7000 (Keyence – Nhật Bản); Kính hiển vi soi nổi Stemi

2000 (Carl Zeiss - Đức)

Thiết kế thí nghiệm

Dựa trên các nghiên cứu trước về PMEDM, các thông số đầu vào được lựa chọn đưa vào khảo sát trong nghiên cứu này là các thông số có ảnh hưởng đáng kể tới quá trình xung và có thể điều chỉnh được bao gồm các thông số về xung điện như:

IP, SV, Ton, Toff và các thông số của bột gồm: Sp và Cp Các thông số đầu vào và mức khảo sát như trong Bảng 3.1 Các chỉ tiêu đánh giá bao gồm: EWR, Ra và

11

Bảng 3.1 Thông số công nghệ đầu vào và các mức khảo sát

Để tiến hành lập ma trận thí nghiệm và sử

dụng phần mềm Minitab R19 để lập ma trận thí

nghiệm Với số lượng thông số đầu vào và các

mức khảo sát như trên, ma trận thí nghiệm được

thiết kế kiểu hỗn hợp với số lượng 18 thí

nghiệm: L18 (1^6 + 5^3) Ma trận thí nghiệm

được mô tả trong Bảng 3.2

3.2 Ảnh hưởng của các thông số công nghệ

đến tốc độ mòn điện cực

Các kết quả đo tốc độ mòn điện cực và tỉ số

S/N tính toán được của các thí nghiệm được mô

tả trong Bảng 3.3

Phân tích kết quả thí nghiệm

Từ kết quả phân tích thí nghiệm trong Bảng

3.4 cho thấy các thông số đầu vào đều có ảnh

hưởng đáng kể tới EWR Trong đó: thông số IP

là thông số có ảnh hưởng lớn nhất tới EWR với

thông số đầu vào đến tốc độ mòn điện

cực được mô tả cụ thể trong kết quả

phân tích ở Hình 3.3

Ảnh hưởng của nồng độ bột (Cp)

đến EWR cũng được thể hiện trong

biểu đồ Hình 3.4 So với khi không

trộn bột thì EWR giảm nhiều nhất tại

nồng độ 4 g/l đạt tới 62,55% Ảnh

Bảng 3.3 Kết quả đo tốc độ mòn điện cực và

tỉ số S/N của các thí nghiệm

Bảng 3.2 Ma trận thí nghiệm