Nghiên cứu ảnh hưởng của các thông số công nghệ đến chất lượng bề mặt khi gia công hợp kim cứng BK8 bằng phương pháp cắt dây

Việc gia công vật liệu hợp kim cứng bằng các phương pháp thông thường đòi hỏi chi phí lớn, năng suất và chất lượng gia công không cao, nhưng sử dụng phương cắt dây tia lửa điện thì rất h

PHẦN I: MỞ ĐẦU

1 Tính cấp thiết của đề tài

Trong chế tạo máy hiện nay có nhiều chi tiết chế tạo từ vật liệu khó gia công

có độ cứng và độ bền cao Trong đó vật liệu hợp kim cứng được sử dụng rộng rãilàm dao cắt, khuôn kéo sợi, khuôn dập và chi tiết máy

Từ những năm 80 của thế kỷ XX đến nay, rất nhiều doanh nghiệp trongnước đã trang bị các loại máy, thiết bị sử dụng công nghệ EDM nhằm cải tiếnphương pháp gia công, nâng cao giá trị của sản phẩm

- Để nâng cao hiệu quả sử dụng loại máy này có nhiều cách nhưng theo hướngcông nghệ thì ta cần thiết lập chế độ công nghệ hợp lý để đạt được độ chính xác kích thước cũng như năng suất gia công và chất lượng sản phẩm cao nhất Điều này các doanh nghiệp trong nước thường xác định dựa theo tài liệu kèm theo máy hoặc theo kinh nghiệm Do đó chưa thấy ra được ảnh hưởng của các thông số công nghệ đến độ chính xác, năng suất và chất lượng gia công Vì vậy mà hiệu quả khai thác,

sử dụng máy cũng hạn chế

- Chế độ công nghệ gia công trên máy cắt dây phụ thuộc rất nhiều thành phần hóa học của vật liệu chi tiết gia công cũng như tính dẫn điện và dẫn nhiệt Do đó đốivới những loại vật liệu chi tiết gia công khác nhau (có độ cứng khác nhau) sẽ có chế

độ công nghệ gia công khác nhau Trong đó vật liệu hợp kim cứng đang được sử dụng rộng rãi làm dao cắt, khuôn kéo sợi, khuôn dập và chi tiết máy

Việc gia công vật liệu hợp kim cứng bằng các phương pháp thông thường đòi hỏi chi phí lớn, năng suất và chất lượng gia công không cao, nhưng sử dụng phương

cắt dây tia lửa điện thì rất hiệu quả Do vậy việc tiến hành nghiên cứu “Nghiên cứu ảnh hưởng của các thông số công nghệ đến chất lượng bề mặt khi gia công hợp kim cứng BK8 bằng phương pháp cắt dây” là rất cần thiết.

2 Mục đích, đối tượng và phương pháp nghiên cứu

2.1 Mục đích của đề tài

Xác định ảnh hưởng của các thông số ( Điện áp đánh lửa Ui,độ kéo dài xung

Ton và khoảng cách xung toff ) khi cắt dây với vật liệu hợp kim cứng BK8 để đảmbảo độ nhám theo yêu cầu

2.2 Đối tượng nghiên cứu

Máy: máy cắt dây CW322S

Vật liệu gia công: Hợp kim cứng BK8

Dây: Dây đồng có đường kính 0,25mm

Đối tượng gia công: các biên dạng là đường thẳng và cung tròn Các thông số công nghệ nghiên cứu là: Điện áp đánh lửa Ui, độ kéo dài xung

Ton và khoảng cách xung Toff

2.3 Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu lý thuyết kết hợp với thực nghiệm

3 Ý nghĩa của đề tài

3.1 Ý nghĩa khoa học

Bằng cách nghiên cứu cơ sở lý thuyết kết hợp với thực nghiệm, đề tài đã đưa

ra được các hàm toán học mô tả mối quan hệ giữa điện áp đánh lửa Ui, cường độdòng điện Ie, độ kéo dài xung Ton và khoảng cách xung Toff với độ nhám bề mặt khigia công hợp kim cứng BK8, từ đó đưa ra cơ sở cho việc tối ưu hoá quá trình cắtcũng như cho các nghiên cứu khác của quá trình cắt

Làm cơ sở cho việc nghiên cứu các khía cạnh khác của quá trình gia công bằngtia lửa điện

Đề tài góp phần vào việc hoàn thiện việc xác định và điều chỉnh các thông sốcông nghệ khi gia công trên máy cắt dây nói chung và gia công hợp kim cứng BK8trên máy cắt dây nói riêng

3.2 Ý nghĩa thực tiễn

Kết quả nghiên cứu xây dựng chế độ cắt tối ưu khi gia công trên máy cắtdây EDM -CNC có ý nghĩa thực tiễn trong nghiên cứu khoa học cũng như trong sảnxuất như sau:

- Giúp cho việc lựa chọn chế độ công nghệ khi gia công hợp kim cứng trên máycắt dây được hợp lý hơn, hiệu quả khai thác, sử dụng máy tốt hơn Góp phần vàoviệc nâng cao chất lượng và hạ giá thành sản phẩm Đây là một yếu tố có ý nghĩa rấtlớn đối với sự phát triển của doanh nghiệp trong môi trường sản xuất kinh doanhluôn phải đối mặt với sự cạnh tranh khốc liệt hiện nay trên thị trường cũng nhưtrong quá trình hội nhập

- Đạt được khả năng cho năng suất cao nhưng vẫn đảm bảo chất lượng bề mặttheo yêu cầu khi gia công hợp kim cứng trong sản xuất, ngay cả khi số lượng sảnphẩm không nhiều.

4 Nội dung luận văn

Xuất phát từ đề tài nghiên cứu, ngoài phần mở đầu, kết luận chung và cácphụ lục luận văn này có nội dung như sau:

Chương 1 Tổng quan về gia công tia lửa điện

- Nghiên cứu tổng quan về kỹ thuật EDM

Chương 2 Nghiên cứu ảnh hưởng các thông số công nghệ đến năng suất, chất lượng bề mặt khi gia công trên máy cắt dây.

- Nghiên cứu cơ sở lý thuyết về quá trình cắt và các hiện tượng xảy ratrong quá trình cắt

- Nghiên cứu sự ảnh hưởng của các yếu tố công nghệ đến quá trình cắt

Chương 3 Thực nghiệm nghiên cứu ảnh hưởng của một số thông số công nghệ đến chất lượng bề mặt khi gia công hợp kim cứng BK8 trên máy cắt dây EDM

PHẦN II: NỘI DUNG Chương 1 TỔNG QUAN VỀ GIA CÔNG TIA LỬA ĐIỆN

1.1 Đặc điểm của phương pháp gia công tia lửa điện.

Gia công tia lửa điện là phương pháp gia công bằng cách phóng điện ăn mòntrên cơ sở tác dụng nhiệt của xung điện được tạo ra do sự phóng điện giữa 2 điệncực

1.2 Các phương pháp gia công tia lửa điện

Ngày nay, trong gia công cơ khí trên thế giới có 2 phương pháp gia công tia lửađiện chủ yếu, được ứng dụng rộng rãi và đã có những đóng góp đáng kể cho sự pháttriển về khoa học kỹ thuật của nhân loại đó là: phương pháp gia công xung địnhhình và phương pháp gia công cắt dây bằng tia lửa điện EDM

1.3 Cơ sở của phương pháp gia công tia lửa điện

1.4 Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình gia công tia lửa điện

1.5 Lượng hớt vật liệu khi gia công tia lửa điện

Các yếu tố tác đông lên lượng hớt vật liệu là:

- Điện áp phóng tia lửa điện Ue

- Dòng phóng tia lửa điện Ie

- Thời gian phóng tia lửa điện te

Từ đẳng thức của năng lượng phóng tia lửa điện: We=Ue.Ie.te

Ta thấy rằng, dưới điều kiện bình thường thì khi Ue, Ie, te càng lớn thì năng lượngphóng tia lửa điện càng lớn

Trong thực tế, lượng hớt vật liệu có thể được xác định thông qua các thông sốđiều chỉnh là: I, ti, to, và Ui

- Các ảnh hưởng về nhiệt của lớp bề mặt

1.7 Độ chính xác tạo hình khi gia công tia lửa điện

Độ chính xác khi gia công bằng tia lửa điện phụ thuộc vào nhiều yếu tố như:

- Độ chớnh xỏc của mỏy (bao gồm: độ ổn định về cơ, độ cứng vững của hệthống cụng nghệ, độ chớnh xỏc về vị trớ, hệ thống dẫn hướng, cỏc contrượt, ) Điều này chủ yếu phụ thuộc vào thiết bị mà khụng chịu ảnh hưởngcủa cỏc yếu tố bờn ngoài khỏc Do đú, người sử dụng ớt cần quan tõm tới yếu

tố này, chủ yếu chỉ quan tõm tới việc sử dụng chất dung mụi thớch hợp để giữnhiệt độ gia cụng được ổn định trong quỏ trỡnh gia cụng

1.8 Cỏc hiện tượng xấu khi gia cụng tia lửa điện

Với mục đớch nõng cao hiệu quả gia cụng và nõng cao chất lượng sản phẩm, taphải tiến hành nghiờn cứu và tỡm hiểu cỏc hiện tượng xấu và nguyờn nhõn của nútrong quỏ trỡnh gia cụng tia lửa điện Cỏc hiện tượng chủ yếu thường gặp là:

1.9 Cỏc yếu tố khụng điều khiển được

Ngoài cỏc yếu tố đó nờu ở trờn ảnh hưởng tới quỏ trỡnh gia cụng tia lửa điện thỡcũn cú cỏc yếu tố khỏc khụng điều khiển được trong quỏ trỡnh gia cụng Đú là cỏcyếu tố nhiễu như:

1.10 Chất điện mụi trong gia cụng tia lửa điện

1.11 Hợp kim cứng và gia cụng hợp kim cứng

Các HKC đợc chế tạo bằng phơng pháp luyện kim bột (hợp kim bột) nghĩa làloại hợp kim không qua nấu chảy Thành phần HKC gồm: Các loại bột cácbít kimloại (cácbít Volfram, cácbít titan, cácbít tantan, cacbít Hafini (HfC)… và chất dính và chất dínhkết (thờng là côban) Các loại bột đợc trộn theo tỷ lệ sau đó đợc ép thành các dạngkhác nhau rồi thiêu kết trong môi trờng không có ôxy

Hiện nay, hợp kim cứng đợc dùng nhiều và phổ biến trong công nghiệp Sovới các loại vật liệu dụng cụ thông dụng thì hợp kim cứng là loại vật liệu có độ cứngcao nhất (80-90 HRA) và chịu nhiệt độ cao (80010000C) Do đó, dụng cụ bằnghợp kim cứng có thể cắt với tốc độ cắt cao (Vc > 100m /ph)

KẾT LUẬN CHƯƠNG I

- Gia công tia lửa điện là sự tách vật liệu nhờ tia lửa điện, khi các tia lửa điệnđược phóng ra, vật liệu mặt phôi sẽ bị hớt đi bởi một quá trình điện - nhiệtthông qua sự nóng chảy và bốc hơi kim loại

- Phương pháp này đã xuất hiện trên thế giới trong nửa thế kỷ qua, nó ra đời đãđáp ứng được những yêu cầu về sự phát triển của sản phẩm trong thời đại ngàynay Khi nhu cầu về các vật liệu cứng, lâu mòn và siêu cứng sử dụng cho cáctuabin máy điện, động cơ máy bay, dụng cụ, khuôn mẫu, không ngừng tănglên mà việc gia công những vật liệu đó bằng công nghệ cắt gọt thông thường

là vô cùng khó, đôi khi là không thể thực hiện được

- Các yếu tố công nghệ sử dụng trong gia công tia lửa điện như dòng điện, điện

áp, thời gian tác dụng của dòng điện, điện cực, chất điện môi, có ảnh hưởngrất lớn và phức tạp đến hiệu quả của quá trình cắt Vì vậy cần phải nghiên cứu

và thiết lập các ảnh hưởng đó đối với từng loại vật liệu, từng máy gia công gópphần nâng cao hiệu quả khai thác và sử dụng các thiết bị, đặc biệt làm nâng caonăng suất và chất lượng gia công

- Gia công hợp kim cứng bằng phương pháp cắt dây tia lửa điện là phươngpháp gia công tiến tiến Vì hợp kim cứng là vật liệu gia công có độ cứng cao

và khó gia công Do vậy việc tiến hành nghiên cứu “Nghiên cứu ảnh hưởng của các thông số công nghệ đến chất lượng bề mặt khi gia công hợp kim cứng BK8 bằng phương pháp cắt dây” là rất cần thiết và có khả năng ứng

dụng vào thực tiễn cao

Chương 2

MÁY CẮT DÂY VÀ CÁC THÔNG SỐ ĐIỀU CHỈNH

TRONG QUÁ TRÌNH GIA CÔNG 2.1 Sơ bộ về máy cắt dây tia lửa điện

Máy cắt dây tia lửa điện (EDM Wire Cutting) là một thiết bị gia công tia lửa điệnbằng cách sử dụng điện cực là một dây mảnh có đường kính từ 0,1mm đến 0,3mmchạy liên tục theo một contour cho trước theo một chương trình lập sẵn Sơ đồ mộtmáy gia công tia lửa điện có dạng như sau:

7 6 5

9 8

10

1

4 3 2

11 12

Hình 2.1- Sơ đồ máy cắt dây

Trong đó các cụm thiết bị chính gồm:

1- Phần đầu máy

2- Phần thân máy

3- Bộ phận tạo góc nghiêng cắt

4- Dẫn hướng dây trên

5- Lô quấn dây

6- Bàn công tác

6- Dẫn hướng bàn công tác7- Thùng chứa chất điện môi8- Bệ máy

9- Bảng điện10- Tủ điều khiển 11-Bể làm việc

2.3 Điện cực và vật liệu điện cực

2.4 Sự thoát phoi trong cắt dây tia lửa điện

Trong quá trình gia công sự thoát phoi là rất cần thiết với mục đích làm tăng khảnăng cách điện của chất điện môi, làm nguội điện cực và chi tiết gia công

2.5 Nhám bề mặt khi cắt dây

Trong gia công cắt dây tia lửa điện khi xét mặt cắt vuông góc với dây điện cựctại mặt phẳng cắt ta có thể dễ dàng nhận thấy có 2 kiểu khe hở phóng điện tồn tạiđồng thời

2.6 Các thông số về điện trong điều khiển máy cắt dây tia lửa điện

Dòng phóng tia lửa điện Ie có ảnh hưởng lớn nhất lên chất lượng bề mặt và lượnghớt vật liệu (năng suất) Dòng Ie càng mạnh thì lượng hớt vật liệu càng lớn và độnhám bề mặt cũng càng lớn (độ bóng càng nhỏ)

KẾT LUẬN CHƯƠNG II

- Cắt dây bằng tia lửa điện (EDM) là phương pháp chủ yếu đựơc sử dụng để chếtạo các lỗ định hình trong khuôn đột dập, các điện cực dùng cho gia công xung địnhhình, các dưỡng kiểm, các hình dáng 3D, các côngtua phức tạp,

- Khi gia công bằng cắt dây nói chung có ưu điểm là: độ chính xác cao, thao tácvận hành đơn giản Tuy nhiên, chất lượng bề mặt và năng suất gia công phụ thuộcrất nhiều vào các yếu tố công nghệ Vì vậy cần nghiên cứu và thiết lập những mốiquan hệ cụ thể giữa các yếu tố đó với năng suất và chất lượng bề mặt khi gia công

- Ở nước ta, các công trình nghiên cứu về sự ảnh hưởng của các thông số côngnghệ đến quá trình gia công trên máy cắt dây còn ít, chưa theo kịp với sự phát triểncủa máy móc và nhu cầu sản xuất Đây cũng chính là nguyên nhân để tác giả lựachọn hướng đề tài này

- Các ảnh hưởng của các thông số đầu vào

Mục tiêu của thí nghiệm là nghiên cứu ảnh hưởng của ba thông số Ton, Toff,

U trong gia công cắt dây tia lửa điện

+ Điện áp đánh tia lửa điện U: Đây là điện áp cần thiết để có thể dẫn đếnphóng tia lửa điện, điện áp đánh lửa U càng lớn thì phóng điện càng nhanh và khe

hở phóng điện càng lớn

+ Độ kéo dài xung Ton (on time): thời gian kéo dài xung cũng ảnh hưởng lớnđến năng suất và chất lượng bề mặt gia công Lượng hớt vật liệu tăng lên khi độ kéodài xung tăng, nhưng đến một mức độ nào đó rồi sẽ giảm cho dù độ kéo dài xungvẫn tăng và kéo theo nó nhám bề mặt sẽ tăng lên

+ Khoảng cách xung T0ff (off time): Đây là tham số có ảnh hưởng không nhỏđến năng suất, chất lượng bề mặt cũng như độ chính xác kích thước

Chương 3 THỰC NGHIỆM NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA CÁC THÔNG SỐ CÔNG NGHỆ ĐẾN NĂNG SUẤT VÀ CHẤT LƯỢNG BỀ MẶT KHI GIA

CÔNG HỢP KIM CỨNG TRÊN MÁY CẮT DÂY EDM

3.1 Thiết kế thí nghiệm

Mục đích của việc xây dựng thí nghiệm là nghiên cứu ảnh hưởng của các yếu tốcông nghệ đến chất lượng bề măt và ảnh hưởng của chúng tới khe hở phóng điệnnhằm mục đích tăng năng suất, tăng độ chính xác gia công

3.1.1 Các giả thiết của thí nghiệm

Các thí ngiệm được thiết kế với những giả thiết sau đây:

- Chất lượng chất dung môi và điều kiện dòng chảy chất điện môi trong tất cảcác thí nghiệm là như nhau

- Tiết diện dây coi như không đổi trong suốt quá trình thực hiện thí nghiệm

- Nhiệt độ môi trường gia công luôn luôn ổn định và bằng nhiệt độ trongphòng gia công

- Tổng hợp các nhiễu ảnh hưởng đến chất lượng bề mặt gia công là ổn định vàkhông đổi trong suốt quá trình thực hiện thí nghiệm

3.1.2 Lý thuyết thí nghiệm

Để khảo sát chi tiết ảnh hưởng của các thông số thí nghiệm đến hàm mụctiêu, một phương pháp thực nghiệm “bề mặt chỉ tiêu” (Response SurfaceMethodology-RSM) đã được áp dụng Phương pháp bề mặt chỉ tiêu (RSM) là cáchthức khảo sát và tìm vùng cực trị hoặc vùng đáp ứng các giá trị xác định cho hàmmục tiêu bằng cách xây dựng các bề mặt chỉ tiêu Kế hoạch thực nghiệm Box-Behnken dạng tâm xoay-mặt (Face-centered Design) được lựa chọn do các ưu việtcủa nó, bao gồm:

- Số điểm thí nghiệm cho mỗi thông số là 5, đủ mịn để xây dựng hàm hồiquy bậc cao cho quan hệ vào-ra;

- Số thí nghiệm cho mỗi lần lặp ít;

- Không có điểm thí nghiệm vượt ra ngoài khoảng giữa hai mức đã thiết lậpcho mỗi biến Nguyên nhân là do RSM được thiết kế với mục đích tối ưu hóa,

nhưng vị trí điểm cực trị lại chưa biết trước Thiết kế tâm xoay-mặt đảm bảo cơ hộingang bằng cho các dự đoán về vị trí điểm cực trị theo mọi phương

3.1.3 Điều kiện thực hiện thí nghiệm

Tất cả các thí nghiệm đều được thực hiện tại trung tâm thí nghiệm của trường ĐạiHọc KTCN Thái Nguyên, dưới những điều kiện cố định sau:

3.1.4 Thiết bị thí nghiệm

Thiết bị sử dụng cho thí nghiệm là máy cắt dây có ký hiệu CW322S do hãngCHMER EDM - CHING HUNG MECHINERY & ELECTRIC INDUSTRIAL CO.LTD - TAIWAN sản xuất với các đặc tính kỹ thuật như sau (Bảng 3.1):

115

126

78910

2341

Hình 3.1- Máy cắt dây CW322S

Trong đó:

1- Cụm điều chỉnh trên

2- Cụm điều chỉnh dưới

3- Block tạo lực căn dây

4- Cụm lô quấn dây

5- Bộ phận dẫn động lô quấn dây

6- Động cơ điều chỉnh bước dây

7- Khoá trục Z8- Điều chỉnh chuyển động trục Z9- Bánh xe dẫn hướng trên

10- Giới hạn biên độ trên11- Giới hạn biên độ dưới12- Bánh xe dẫn hướng dưới

3.1.5 Vật liệu gia công

♦ Máy đo độ nhám SJ-201 của hãng Mitutoyo Trung tâm Thí nghiệm trường Đạihọc Kỹ thuật Công nghiệp.

3.2 Triển khai thí nghiệm

3.2.1 Mô hình định tính quá trình cắt dây tia lửa điện

Quá trình cắt dây tia lửa điện được mô tả bao gồm các thông số đầu vào là cácthông số về điện như dòng điện Ie, điện áp xung Ui, độ kéo dài xung Ton, khoảngcách xung T0ff … và các thông số điện cực, về dung dịch điện môi, chương trình giacông và các loại nhiễu trong quá trình gia công Đầu ra là các yếu tố như kích thướcgia công, độ bóng bề mặt, năng suất gia công

3.2.2 Các thông số đầu vào của thí nghiệm

Mục tiêu của thí nghiệm là nghiên cứu ảnh hưởng của cả ba thong số Ton,

Toff, U trong gia công cắt dây tia lửa điện

Mỗi mẫu thí nghiệm được gia công trong một chế độ gia công (với các thông

số điều khiển) nhất định, các thông số điều khiển này sẽ thay đổi trong khoảng điềuchỉnh cho phép của thiết bị thí nghiệm và được tập hợp để tính toán, từ đó đánh giá

được ảnh hưởng của các yếu tố đó đến nhám bề mặt, năng suất cắt và sai số biêndạng

Nhóm thí nghiệm này được thiết kế với 3 thông số có ảnh hưởng lớn tới độnhám và năng suất gia công đó là: thời gian đóng xung (Ton), thời gian ngắt xung(Toff) và hiệu điện thế phóng điện (U)

- Điện áp đánh tia lửa điện U: Đây là điện áp cần thiết để có thể dẫn đếnphóng tia lửa điện, điện áp đánh lửa U càng lớn thì phóng điện càng nhanh và khe

hở phóng điện càng lớn Trong thí nghiệm ta chọn U với các trị số là:

Umin = 40V÷Umax = 50V

- Độ kéo dài xung Ton (on time): thời gian kéo dài xung cũng ảnh hưởng lớnđến năng suất và chất lượng bề mặt gia công Lượng hớt vật liệu tăng lên khi độ kéodài xung tăng, nhưng đến một mức độ nào đó rồi sẽ giảm cho dù độ kéo dài xungvẫn tăng và kéo theo nó nhám bề mặt sẽ tăng lên Thực tế sản xuất thường dùng1μm Máy sửs≤ Ton ≤ 2μm Máy sửs

- Khoảng cách xung T0ff (off time): Đây là tham số có ảnh hưởng không nhỏđến năng suất, chất lượng bề mặt cũng như độ chính xác kích thước Khi khoảngcách xung càng lớn thì lượng hớt vật liệu phôi càng nhỏ và ngược lại Tuy nhiên,nếu khoảng cách xung phải đủ lớn để dung dịch chất điện môi có đủ thời gian thôiion hóa và dòng chảy điện môi có đủ thời gian vận chuyển hết phoi ra khỏi vùng giacông cũng như làm nguội bề mặt gia công Thực tế trên máy chỉ sử dụng15μm Máy sửs≤Toff≤25μm Máy sửs

- Vật liệu gia công: vật liệu gia công cũng có những ảnh hưởng lớn tới năngsuất và độ bóng bề mặt Tuy nhiên, để đơn giản hoá bài toán tác giả đã chọn mộtloại vật liệu gia công trong chế tạo máy để nghiên cứu đó là hợp kim cứng (BK8)chiều dày 4 mm

- Điện cực và dòng chảy chất điện môi: Để tập trung nghiên cứu ảnh hưởngcủa các thông số công nghệ Ton, Toff, U, đến độ nhám và năng suất cắt Ở đây tácgiả giả thiết các thí nghiệm được thực hiện ở cùng một điện cực gia công Đó làđiện cực đồng, đường kính d = 0,25mm và được ngâm trong dung dịch điện môi.Các điều kiện này phù hợp với điều kiện thực tế tại phòng thí nghiệm Bảng 3.4 thểhiện phạm vi khảo sát các biến thực nghiệm: