Luận văn thạc sĩ Kỹ thuật cơ khí: Nghiên cứu ảnh hưởng thông số công nghệ đến chất lượng bề mặt của phương pháp gia công điện hóa (ECM)

Vì vậy đề tài “Nghiên cứu thông số công nghệ ảnh hưởng đến chất lượng bề mặt của phương pháp gia công điện hóa ECM” được thực hiện để đánh giá ảnh hưởng các thông số công nghệ lên chất

Tính cấp thiết đề tài

Gia công điện hóa - Electrochemical Machining (ECM) là một trong những phương pháp gia công thuộc nhóm gia công tiên tiến:

- Gia công siêu âm - Gia công tia nước và gia công tia nước có hạt mài - Các phương pháp gia công hóa

- Các phương pháp gia công điện hóa - Phương pháp gia công tia lửa điện - Phương pháp gia công cắt dây tia lửa điện - Phương pháp gia công chùm tia điện tử - Phương pháp gia công chùm tia laser - Phương pháp cắt hồ quang

Mục đích của các phương pháp gia công tiên tiến giải quyết vấn đề cấp bách là các phương pháp gia công thông thường (tiện, phay, khoan khoét – doa – Taro, chuốt, mài…) không đáp ứng nhu cầu gia công các loại vật liệu và hợp kim mới khó cắt gọt

Quá trình gia công điện hóa được cấp bằng sáng chế bởi Gusseff vào năm 1929 và trong suốt thập niên 1950-1960 gia công điện hóa đã có những đóng góp to lớn trong ngành hàng không vũ trụ để gia công hợp kim có độ bền cao[1][2] Kể từ đó đến nay, gia công điện hóa được đưa vào ứng dụng trong nhiều ngành như ô tô, hàng không, hạt nhân, quốc phòng, dụng cụ, hóa dầu, y tế và điện – điện tử bởi vì khả năng gia công không phụ thuộc vào độ cứng vật liệu, độ mài mòn dụng cụ thấp, tỉ lệ bóc vật liệu cao và gia công những chi tiết có hình dạng phức tạp [1] Năng suất, chất lượng bề mặt, độ chính xác là ba thông số quan trọng mong muốn đạt được khi gia công Độ nhám bề mặt, được sử dụng để xác định và đánh giá chất lượng của một sản phẩm, là một trong những thuộc tính chất lượng của một sản phẩm gia công cơ điện Độ

Nguyễn Thị Bích Nhung 14 nhám bề mặt trở nên quan trọng vì nhu cầu chất lượng tăng lên Bởi vì, ngay cả khi kích thước của chi tiết nằm trong dung sai cho phép, chi tiết vẫn có thể trở thành phế phẩm do không đảm bảo độ nhám bề mặt [3]

Nghiên cứu về ảnh hưởng của các thông số công nghệ gia công khác nhau đối với độ nhám bề mặt đã được thực hiện làm cơ sở phân tích tối ưu các thông số công nghệ để đạt được độ nhám bề mặt mong muốn

Trong rất các tài liệu trên thế giới về lĩnh vực gia công điện hóa, có rất nhiều nghiên cứu có liên quan đến ảnh hưởng thông số công nghệ khác nhau lên độ nhám bề mặt thấp trong quá trình ECM Ngược lại ở Việt Nam gia công điện hóa vẫn còn là một phương pháp gia công mới cũng như những nghiên cứu về lĩnh vực này chưa được chú trọng Vì vậy đề tài “Nghiên cứu thông số công nghệ ảnh hưởng đến chất lượng bề mặt của phương pháp gia công điện hóa (ECM)” được thực hiện để đánh giá ảnh hưởng các thông số công nghệ lên chất lượng bề mặt sau khi gia công ECM, cũng như sự kết hợp tối ưu các thông số công nghệ để có chất lượng bề mặt tốt nhất trong gia công điện hóa.

Ý nghĩa khoa học và thực tiễn đề tài

Ý nghĩa khoa học

khi gia công bằng ECM trong điều kiện gia công cụ thể;

- Xác lập được chế độ công nghệ tối ưu trong gia công ECM kết hợp lý thuyết và sử dụng phương pháp quy hoạch thực nghiệm mảng trực giao Taguchi;

- Kết quả nghiên cứu của đề tài mở ra hướng nghiên cứu những khía cạnh khác về ECM, nâng cao không chỉ trong ECM mà còn trong các phương pháp gia công khác về kiểm soát quá trình gia công, công đoạn tối ưu thông số nhằm nâng cao năng suất gia công

Ý nghĩa thực tiễn

- Kết quả luận văn đưa ra chế độ công nghệ khi gia công trên máy gia công điện hóa hợp lý, hiệu quả khai thác, sử dụng hiệu suất máy tốt hơn giúp nâng cao chất lượng và hạ giá thành sản phẩm;

- Đạt được năng suất cao nhưng vẫn đảm bảo chất lượng bề mặt nhờ quá trình tối ưu thông số công nghệ gia công trước khi tiến hành ECM.

Phương pháp nghiên cứu

Dùng phương pháp nghiên cứu lý thuyết kết hợp với thực nghiệm và phân tích tiến hành:

- Nghiên cứu tổng quan về phương pháp gia công điện hóa;

- Nghiên cứu lý thuyết để tìm hiểu về mối quan hệ giữa các thông số công nghệ đối với chất lượng bề mặt;

- Phân tích và chọn thông số thí nghiệm;

- Chọn phương pháp thiết kế thực nghiệm;

- Chọn phương pháp phân tích kết quả;

- Chọn phương pháp đánh giá kết quả;

Nội dung nghiên cứu

Đối tượng nghiên cứu

Đối tượng nghiên cứu là tìm hiểu sự ảnh hưởng của các thông số công nghệ nói chung và mối quan hệ giữa chế độ công nghệ với các yếu tố của quy trình cắt cụ thể là:

- Thông số điều chỉnh gia công;

- Máy gia công điện hóa;

Nội dung nghiên cứu

- Đi từ tổng quan những vấn đề liên quan đến ECM như: cơ sở lý thuyết, nguyên lý gia công điện hóa, những phương pháp gia công ECM, lĩnh vực ứng dụng, ưu nhược điểm v.v);

- Dựa trên nghiên cứu ngoài nước liên quan đến gia công điện hóa làm cơ sở lý thuyết cũng như tình hình phát triển của phương pháp gia công này;

- Phân tích những thông số ảnh hưởng đến chất lượng bề mặt gia công;

- Thiết kế thực nghiệm (phân tích và chọn thông số thí nghiệm, xây dựng mô hình thí nghiệm, lựa chọn phương pháp phân tích, đánh giá kết quả);

- Phân tích và chọn thông số thí nghiệm;

- Dựa vào kết quả thực nghiệm kết hợp lý thuyết đưa ra kết luận và đánh giá các kết quả đạt được sau khi thực hiện luận văn và những phần chưa thực hiện được

TỔNG QUAN VỀ PHƯƠNG PHÁP GIA CÔNG ĐIỆN HÓA

Lịch sử phát triển phương pháp gia công điện hóa [2]

Trải qua nhiều giai đoạn phát triển từ thế kỷ 19 cho đến nay, gia công điện hóa đã có những bước tiến mới trong ứng dụng các lĩnh vực Lịch sử phát triển phương pháp gia công điện hóa được tóm lược trong những giai đoạn dưới đây

Năm 1911, nhà hóa học nổi tiếng người Nga E Shpitalsky đề xuất phương pháp đánh bóng điện hóa sự kiện này phần nào đặt nền móng cho (ECM), và từ đó ECM được coi như một phương pháp gia công kỹ thuật

Năm 1928, các kỹ sư người Nga V.N.Gusev và L.Rozhkov đã cải tiến công nghệ ECM bằng cách thấm dung dịch điện phân giữa hai điện cực và di chuyển điện cực trong gia công tia lửa điện - Electrical Discharge Machining (EDM) với vận tốc bằng tốc độ giải phóng anot Khoảng cách giữa hai điện cực giảm làm mật độ dòng điện cao hơn, do đó làm tăng các thông số công nghệ trong gia công ECM (năng suất đạt cao hơn, chất lượng bề mặt tốt, độ chính xác) Dòng điện một chiều – Direct Current (DC) trong gia công điện hóa truyền thống được sử dụng cùng với điện cực tiến liên tục và dung dịch điện phân (sử dụng những muối tương ứng của kim loại Kali – KBr, KCl, NaCl …)

Trong thực tế khi thực hiện quá trình ECM các nhà khoa học đã nhận thấy mật độ dòng

Nguyễn Thị Bích Nhung 18 điện nhỏ nằm trong khoảng 10 - 40A/cm 2 , và khoảng cách giữa các điện cực từ 0,05- 0,3mm, và theo đó không đạt được độ chính xác và chất lượng bề mặt như mong muốn

Năm 1959, Công ty kỹ thuật Anocut – Hoa Kỳ lần đầu tiên ứng dụng mô hình truyền thống của ECM sử dụng dòng điện một chiều cho các thiết bị sản xuất

Thập niên 1960 – 1970 ở Liên Xô và các nước Tây Âu đã có những ứng dụng của gia công điện hóa vào ngành công nghiệp hàng không, sản xuất dụng cụ (rèn dập) Gia công điện hóa phát triển mạnh trong thời gian này và nhiều công ty lớn đưa vào áp dụng để sản xuất hàng hóa điển hình như: Mitsubishi, Hitachi, Philips, AEG Eloteherm, Amchem

Thập niên 80 – 90 việc áp dụng phương pháp gia công điện hóa tiến hơn thêm một bậc khi những muối có gốc oxygen (NaNO, KNO, NaClO, NaSO) được dùng làm dung dịch điện phân Kết quả đạt được cho phép giảm sai số gia công xuống còn 0,02 – 0,06 mm và độ nhỏm bề mặt đạt đến 0,2 – 0,5àm

Tuy nhiên cùng với sự phát triển của các ngành công nghiệp công nghệ cao như sản xuất động cơ máy bay, dụng cụ chính xác, thiết bị y tế, thuốc men là những ngành đòi hỏi chất lượng lớp bề mặt cao, nhóm vật liệu có công suất cao và cứng bao gồm cả vật liệu có cấu trúc nano, từ nhu cầu đó dẫn tới đòi hỏi những công nghệ mới trong gia công ECM Năm 1998 – 2011 một phương pháp gia công điện hóa được gọi là điện cực rung ra đời

Một đặc điểm quan trọng của những phương pháp gia công điện hóa trước thế kỷ 20 đú là khoảng cỏch giữa hai điện cực làm việc vụ cựng nhỏ dao động từ 2–10à và mật độ dòng điện đạt 10 2 – 10A/cm 2 Khi thực hiện phương pháp gia công trong điều kiện này có sai số gia công nhỏ 0,001 – 0,005mm cho những chi tiết có tiết diện Macro và đường kớnh Micro, kết quả độ nhỏm bề mặt R đạt từ 0,1– 0,01à, và đi kốm năng suất cao hơn khi so sánh với những kỹ thuật gia công khác

Bắt đầu từ thế kỷ 20 đã chứng kiến sự ra đời của các nhà nghiên cứu ở Nga, Tây Âu và Hoa Kỳ sử dụng nhiều kỹ thuật cách khác nhau trong ứng dụng gia công điện hóa áp dụng cho các chi tiết chính trong chuốt đẩy lỗ

Hiện nay vẫn dựa trên gia công truyền thống ECM nhưng đã có những phương pháp gia công khác nhau, trước hết phải kể đến:

Gia công lỗ điện hóa hay còn gọi là khoan điện hóa – Shaped tube Electrochemical machining (STEM) sử dụng chất điện phân axit và phương pháp này ứng dụng để khoan những lỗ sâu, nhỏ, có chức năng làm mát trong turbine của động cơ phản lực Quá trình gia công điện hóa cùng với dòng điện phân được vận hành thông qua thiết bị đổi chiều của STEM, kết quả độ bền và độ chính xác gia công được cải thiện Sự rung động dụng cụ điện cực với tần số thấp đem lại kết quả trong việc cải thiện tốc độ và độ chính xác gia công do có sự gia tăng các điều kiện trong dòng điện phân [2]

Hình 1.1 Sơ đồ nguyên lý gia công lỗ điện hóa [1]

Gia công điện hóa vòi phun - Jet Electrochemical Machining (JECM) là phương pháp gia công mới của ECM, chất điện phân trong phương pháp gia công này được bơm bằng voi phun Dòng DC giữa phôi và vòi phun và chất điện phân phun ra thành tia thông qua voi phun

Hình 1.2 Sơ đồ nguyên lý gia công Jet – ECM [4]

Kết hợp phương pháp gia công điện hóa ECM với những phương pháp gia công khác để nâng cao các đặc tính gia công

Một phương pháp kết hợp 3 phương pháp gia công bao gồm phương pháp gia công điện hóa (ECM), gia công tia lửa điện (EDM) với phương pháp phay được kết hợp với nhau Quá trình pha trộn ba phương pháp gia công nhằm tăng cường những ưu điểm của 3 phương pháp đồng thời bổ sung những yếu điểm của từng phường pháp để sản suất những vật liệu cấu trúc micro khó gia công kết quả đạt ứng suất dư thấp, hiệu quả cao và độ nhám bề mặt thấp (