Xây dựng phương pháp tối ưu hóa chế độ cắt của phương pháp gia công cắt dây tia lửa điện

- 1 - PHẦN MỞ ĐẦU 1. Tính cấp thiết của đề tài - Nhu cầu dùng vật liệu cứng, vật liệu siêu cứng, vật liệu có độ bền cao không ngừng tăng. - Gia công những vật liệu này bằng phương pháp gia công cắt gọt thông thường là rất khó. - Một số hình thức gia công mới ra đời: gia công bằng siêu âm, bằng tia nước… - Gia công tia lửa điện có nhiều ưu điểm: + Năng suất cao + Chất lượng bề mặt tốt + Khả năng gia công không phụ thuộc vào độ cứng của vật liệu. - Cơ tính của thép gió: Độ cứng cao, tính chống mài mòn tốt, độ cứng nóng cao Việc gia công thép gió bằng các phương pháp gia công truyền thống gặp nhiều khó khăn. - Khi gia công bằng phương pháp cắt dây tia lửa điện, chất lượng gia công thay đổi nhiều so với các vật liệu khác khi được gia công với cùng một phương pháp. - Đề tài “Tối ưu hóa chế độ cắt của phương pháp gia công cắt dây tia lửa điện - ứng dụng gia công lòng khuôn trên của bộ khuôn dập sản phẩm vòng đệm hãm 7 cánh trên máy cắt dây CW – 322S” được chọn với các mục đích: + Xác định chế độ công nghệ hợp lý - 2 - + Tối ưu hóa chế độ công nghệ. 2. Đối tượng, mục đích và phương pháp nghiên cứu 2.1. Đối tượng nghiên cứu Ba thông số công nghệ của phương pháp gia công cắt dây tia lửa điện: điện áp phóng tia lửa điện (U e ), dòng phóng tia lửa điện (I e ) và tốc độ dịch chuyển của dây điện cực (v d ). Hai thông số đầu ra là chất lượng bề mặt và năng suất gia công. 2.2. Mục đích nghiên cứu Xây dựng phương pháp tối ưu hóa chế độ cắt của phương pháp gia công cắt dây tia lửa điện. 2.3. Phương pháp nghiên cứu Phương pháp nghiên cứu thực nghiệm. 3. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài 3.1. Ý nghĩa khoa học Đề tài góp phần vào việc tối ưu hóa chế độ cắt khi gia công trên máy cắt dây nói chung và gia công thép gió P18 trên máy cắt dây CW-322S nói riêng 3.2. Ý nghĩa thực tiễn + Đề tài giúp cho việc lựa chọn chế độ gia công khi gia công thép gió trên máy cắt dây được hợp lý hơn, nâng cao hiệu quả khai thác và sử dụng máy cắt dây. + Đạt được năng suất cao mà vẫn đảm bảo được độ chính xác yêu cầu khi gia công thép gió trên máy cắt dây. Chương 1 TỔNG QUAN VỀ GIA CÔNG TIA LỬA ĐIỆN - 3 - 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 mòn trên cơ sở tác dụng nhiệt của xung điện được tạo ra do sự phóng điện giữa hai điện cực [18]. 1.1.1. Các đặc điểm chính của phương pháp gia công tia lửa điện 1.1.2. Khả năng công nghệ của phương pháp gia công tia lửa điện. 1.2. Các phương pháp gia công tia lửa điện 1.2.1. Phương pháp gia công xung định hình 1.2.2. Phương pháp gia công cắt dây bằng tia lửa điện 1.2.3. Các phương pháp khác - Gia công tia lửa điện dạng phay (Milling EDM) - Phủ bằng tia lửa điện (EDD) - Gia công EDM trợ giúp của siêu âm (Ultrasonic Aided EDM) - Mài xung điện (Abrasive Electrical Discharge Grinding- AEDG) - Gia công xung định hình siêu nhỏ (MEDM) - Cắt dây tia lửa điện siêu nhỏ (MWEDM) 1.3. Cơ sở của phương pháp gia công tia lửa điện 1.3.1. Bản chất vật lý Pha I: Pha đánh lửa [18] Pha II: Sự hình thành kênh phóng điện [18] Pha III: Sự nóng chảy và bốc hơi vật liệu [18] 1.3.2. Cơ chế bóc tách vật liệu 1.4 Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình gia công tia lửa điện 1.4.1. Các đặc tính về điện - 4 - - Điện áp đánh tia lửa điện U z (V) - Thời gian trễ đánh lửa t d (µs) - Điện áp phóng tia lửa điện U e (V) - Dòng phóng tia lửa điện I e (A) - Thời gian phóng tia lửa điện t e (µs) - Độ kéo dài xung t i (µs) 1.4.2. Các yếu tố khác - Tốc độ di chuyển của dây v d - Ảnh hưởng của sự ăn mòn điện cực 1.5 Lượng hớt vật liệu khi gia công tia lửa điện 1.6 Chất lượng bề mặt - Độ nhám bề mặt Ra. - Vết nứt tế vi trên bề mặt. - Các ảnh hưởng về nhiệt của lớp bề mặt. 1.6.1 Độ nhám bề mặt 1.6.2 Vết nứt tế vi và các ảnh hưởng về nhiệt 1.7 Độ chính xác tạo hình khi gia công tia lửa điện 1.8 Các hiện tượng xấu khi gia công tia lửa điện 1.8.1 Hồ quang 1.8.2 Ngắn mạch, sụt áp 1.8.3 Xung mạch hở, không có dòng điện 1.8.4 Sự quá nhiệt của chất điện môi 1.9 Các yếu tố không điều khiển được 1.9.1 Nhiễu hệ thống 1.9.2 Nhiễu ngẫu nhiên 1.10 Dung dịch chất điện môi trong gia công tia lửa điện - 5 - 1.10.1 Nhiệm vụ của dung dịch chất điện môi 1.10.2. Các loại chất điện môi 1.10.3 Các tiêu chuẩn đánh giá chất điện môi 1.10.4 Các loại dòng chảy của chất điện môi 1.10.5 Hệ thống lọc chất điện môi KẾT LUẬN CHƯƠNG I - Phương pháp gia công tia lửa điện ra đời nhằm đáp ứng nhu cầu cần sử dụng các vật liệu cứng, có cơ tính cao, độ bền mòn cao, các vật liệu siêu cứng… Tuy nhiên việc gia công các vật liệu đó bằng các phương pháp gia công truyền thống là rất khó khăn và đôi khi không thực hiện được. - Các thông số công nghệ được sử dụng trong gia công tia lửa điện như: hiệu điện thế phóng tia lửa điện, dòng phóng tia lửa điện, tốc độ di chuyển của điện cực, chất điện môi… có ảnh hưởng lớn và phức tạp đến năng suất cắt và nhám bề mặt. Vì vậy cần tiến hành nghiên cứu tìm ra ảnh hưởng của các yếu tố đó khi gia công ứng với mỗi loại vật liệu, với mỗi máy gia công nhằm nâng cao hiệu quả trong việc khai thác và sử dụng các thiết bị và đặc biệt là nâng cao năng suất và chất lượng của quá trình gia công. - 6 - Chương 2 CHƯƠNG II MÁY CẮT DÂY CW – 322S VÀ CÁC THÔNG SỐ ĐIỀU CHỈNH TRONG QUÁ TRÌNH GIA CÔNG 2.1 Cấu trúc của máy cắt dây CW – 322S 2.1.1 Công dụng của máy cắt dây CW – 322S 2.1.2. Ưu nhược điểm của phương pháp gia công cắt dây tia lửa điện 2.1.2.1. Ưu điểm [16,18] - Độ chính xác cao (có thể tới 1μm). - Kết cấu máy đơn giản. - Có khả năng tự động hóa quá trình gia công, đơn giản, dễ vận hành. 2.1.2.2. Nhược điểm - Đối với vật gia công có chiều dày lớn (>100mm) hoặc trong trường hợp chất điện môi bị bẩn thì việc bơm chất điện môi vào vùng gia công sẽ rất khó khăn. - Khi dây cắt đã được sử dụng, nó sẽ bị mòn dẫn đến sai số cho quá trình cắt, vì vậy không thể sử dụng được nhiều lần. - Dây điện cực có kích thước nhỏ (từ 0,1 ÷ 0,3mm). 2.2. Độ chính xác khi gia công tia lửa điện trên máy cắt dây CW – 322S - Sai số do kiểm nghiệm - Sai số do biến dạng nhiệt của các chi tiết và các cụm của thiết bị. - 7 - - Sai số do biến dạng dãn dài của chi tiết gia công và của bộ phận đo lường bị nóng do gia công lâu. 2.3. Điện cực và vật liệu làm điện cực 2.3.1. Yêu cầu của vật liệu làm điện cực - Dẫn điện tốt - Có nhiệt độ nóng chảy cao - Có độ giãn dài cao - Có tính dẫn nhiệt tốt 2.3.2. Các loại dây điện cực Đặc tính của dây điện cực bao gồm: - Đường kính dây: Thường dùng loại dây có đường kính d = 0,1 ÷ 0,3mm. - Vật liệu dây. Đối với máy cắt dây CW – 322S, dây điện cực được sử dụng là dây đồng, đường kính dây d = 0,1 ÷ 0,3mm, dây được sử dụng 1 lần. 2.4. Sự thoát phoi trong quá trình cắt dây - Thổi chiều trục dưới áp lực (dòng chảy chiều trục) - Dòng chảy tuần hoàn tự nhiên: sử dụng trong trường hợp phôi được nhấn chìm trong chất điện môi. 2.5. Nhám bề mặt khi cắt dây trên máy cắt dây CW – 322S 2.6. Các thông số điều chỉnh trong quá trình gia công trên máy cắt dây CW – 322S 2.6.1. Dòng phóng tia lửa điện I e - 8 - Dòng phóng tia lửa điện I e có ảnh hưởng lớn nhất đến chất lượng bề mặt và lượng hớt vật liệu (năng suất gia công). Dòng I e càng mạnh thì lượng hớt vật liệu càng lớn và độ nhám bề mặt cũng càng lớn (độ bóng càng nhỏ) [18]. Dòng phóng tia lửa điện I e trên máy cắt dây CW – 322S được điều chỉnh trong khoảng A101÷ [21]. 2.6.2. Độ kéo dài xung t i Là khoảng thời gian giữa hai lần đóng của máy phát trong cùng một chu kỳ phóng điện [18]. Độ kéo dài xung ảnh hưởng tới: - Tốc độ bóc tách vật liệu (năng suất). - Độ mòn điện cực. - Độ nhám bề mặt gia công. Độ kéo dài xung trên máy cắt dây CW – 322S được điều chỉnh trong khoảng s µ 505÷ [21]. 2.6.3. Khoảng cách xung t 0 Là khoảng thời gian giữa hai lần ngắt - đóng của máy phát thuộc chu kỳ phóng điện kế tiếp nhau [18]. Người ta chọn khoảng cách xung theo nguyên tắc sau [18]: - Chọn đúng tỷ lệ t i /t 0 . - Chọn t 0 đủ nhỏ để có thể hớt được một lượng vật liệu phôi lớn. - Chọn t 0 đủ lớn để tránh các lỗi của quá trình. - 9 - 2.6.4. Điện áp đánh lửa U z Dùng điện áp đánh lửa U z để khởi đầu sự phóng tia lửa điện. Cùng với bước của dòng điện, U z có ý nghĩa quyết định tới chiều rộng khe hở phóng điện. 2.6.5. Khe hở phóng điện 2.6.6. Tốc độ dịch chuyển của dây điện cực Tốc độ dịch chuyển của dây v d : Tốc độ di chuyển của dây v d là vận tốc dây điện cực dịch chuyển dọc theo đường dẫn của dây, dây được di chuyển liên tục [18]. Tốc độ di chuyển của dây điện cực trên máy cắt dây CW -322S trong khoảng 1÷15 m/ph. Khi tốc độ lớn thì quá trình gia công ổn định hơn, tốc độ cắt tăng nhẹ. 2.7. Lập trình gia công trên máy cắt dây CW – 322S Lập trình gia công tia lửa điện trên máy cắt dây CW – 322S cũng sử dụng ngôn ngữ ISO-CNC trên cơ sở các mã “G”. Trong chương trình gia công trên máy cắt dây CW- 322S có thể tồn tại 2 loại chương trình là chương trình chính (Main Program) và chương trình con (Sub Program) [21]. Thường khi có những đoạn gia công được lặp đi lặp lại trong chương trình chính thì sử dụng chương trình con sẽ đơn giản hóa và rút gọn được chương trình gia công. Nếu trong chương trình chính có lệnh “Execute Sub Program” thì chương trình sẽ tự động chuyên sang chương trình con, ở cuối chương trình con thường có dòng lệnh “Return to Main Program” để quay lại chương trình chính [18]. - 10 - 2.7.1. Các trục điều khiển và hệ tọa độ của máy cắt dây CW- 322S Máy cắt dây CW – 322S sử dụng cấu hình trục X, Y, Z, U, V [21]. - Trục X do bàn trượt phía trên mang đầu máy dịch chuyển theo phương ngang, từ trái sang phải (chiều +X). - Trục Y do bàn trượt phía dưới mang phôi dịch chuyển trong phương nằm ngang, từ trước ra phía sau (chiều +Y). - Trục Z do bộ dẫn dây phía trên dịch chuyển thẳng đứng từ dưới lên (chiều +Z). 2.7.2. Các chức năng “G” Chữ “G” trong các câu lệnh có 2 dạng (tùy theo giá trị của con số phía sau mà có ý nghĩa ở dạng nào). - Mã G chỉ có ý nghĩa trong 01 block. - Mã G hình thức (modal): là mã được duy trì cho đến khi một mã G khác trong cung nhóm được viết lệnh. Trong mỗi block, khi kết thúc câu lệnh phải có dấu “;”. 2.7.3. Các chức năng “M” Các chức năng M được viết lệnh với một chữ cái địa chỉ M cùng với một giá trị bằng số có hai chữ số. Đó là những số cố định đã được mã hóa, chúng mang một ý nghĩa nhất định được trình bày trong bảng 2.2. Nếu lệnh mã M được cho cùng một block dịch chuyển thì nó sẽ có tác dụng sau khi hoàn thành dịch chuyển bù đường kính dây hoặc đang có phương thức cắt côn thì nó cho phép viết lệnh M với một block đơn. Tuy nhiên, việc cho liên tiếp các lệnh mã M của nhiều hơn 2 block là không thể được. [...]... P18 Nội dung của phương pháp: Bước 1: Thí nghiệm khởi đầu Bước 2: Leo dốc tìm vùng cực trị Bước 3: Thí nghiệm bề mặt chỉ tiêu 3.2 Tối ưu hóa chế độ cắt của phương pháp cắt dây tia lửa điện 3.2.1 Mô hình bài toán tối ưu hóa chế độ cắt của phương pháp cắt dây tia lửa điện Hình 3.14: Mô hình hóa quá trình gia công cắt dây tia lửa điện Thông số đầu vào: máy, dây điện cực, phôi, yêu cầu kỹ thuật của chi tiết,... lựa chọn chế độ gia công tối ưu nhằm nâng cao hiệu quả của quá trình gia công Cụ thể là: - Điện áp phóng tia lửa điện Ue: Là yếu tố ảnh hưởng lớn đến năng suất và chất lượng bề mặt gia công Điều này hoàn toàn phù hợp với các nghiên cứu về gia công bằng dây cắt tia lửa điện - Dòng phóng tia lửa điện Ie: Là yếu tố ảnh hưởng trực tiếp đến tỷ lệ bóc tách vật liệu, nhám bề mặt và độ chính xác gia công Khi... bề mặt gia công - 12 CHƯƠNG 3 TỐI ƯU HÓA CHẾ ĐỘ CẮT CỦA PHƯƠNG PHÁP CẮT DÂY 3.1 Tổng quan về tối ưu hóa và phương pháp bề mặt chỉ tiêu 3.1.1 Tổng quan về tối ưu hóa a Bài toán tối ưu tổng quát b Bài toán quy hoạch tuyến tính (QHTT) c Bài toán vận tải d Bài toán cái túi 3.1.2 Phương pháp bề mặt chỉ tiêu (Response Surface Methodology – RSM) [20] Nội dung chính của RSM là sử dụng một chuỗi thí nghiệm... điểm: Phương pháp bề mặt chỉ tiêu rất hữu ích trong việc phát triển, nâng cao hiệu quả và tối ưu hóa quá trình sản xuất Nó cũng có các ứng dụng quan trọng trong việc thiết kế và phát triển các sản phẩm mới cũng như cải thiện các sản phẩm hiện có - 13 Với những ưu điểm của phương pháp bề mặt chỉ tiêu, tác giả sẽ sử dụng phương pháp này để tối ưu hóa thông số công nghệ trong gia công cắt dây tia lửa điện. .. phóng tia lửa điện, tỷ lệ bóc tách vật liệu tăng, nhám bề mặt gia công cũng tăng - 29 - Tốc độ di chuyển của dây vd: Tốc độ di chuyển của dây vd ảnh hưởng ít đến lượng hớt vật liệu và nhám bề mặt Tốc độ di chuyển của dây vd lớn thì quá trình gia công ổn định hơn, tốc độ cắt tăng nhẹ 2 Xây dựng thành công mô hình toán học về mối quan hệ giữa lượng hớt vật liệu và nhám bề mặt với các thông số công nghệ... số công nghệ Ue, Ie, vd… Đầu ra: Năng suất gia công đạt cao nhất 3.2.2 Các giả thiết và điều kiện thí nghiệm Các giả thiết Điều kiện thực hiện thí nghiệm Thiết bị thí nghiệm: Máy cắt dây CW – 322S tại trung tâm thí nghiệm của trường Đại học Kỹ thuật công nghiệp - 14 Vật liệu gia công: Thép gió P18 Các dụng cụ đo kiểm 3.2.3 Ứng dụng phương pháp RSM tối ưu hóa chế độ cắt khi gia công lòng khuôn trên của. .. máy cắt dây CW – 322S 3.2.3.1 Các thông số đầu vào của thí nghiệm Nhóm thí nghiệm này được thiết kế với 3 thông số có ảnh hưởng tới lượng hớt vật liệu và nhám bề mặt đó là: điện áp phóng tia lửa điện Ue, dòng phóng tia lửa điện Ie, tốc độ di chuyển của dây vd - 15 Bảng 3.6: Phạm vi khảo sát các biến thực nghiệm Mức Thấp nhất -1 Trung bình 0 Điện áp phóng tia lửa điện Ue 40 50 60 Dòng phóng tia lửa điện. .. tập trung vào nghiên cứu ảnh hưởng hưởng của Ue, Ie, vd đến lượng hớt vật liệu và độ nhám bề mặt trong gia công dây cắt tia lửa điện khi gia công thép gió P18 Tất cả các thí nghiệm thực hiện trong điều kiện sản xuất thực tế tại trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp – Đại học Thái Nguyên Thu được kết quả như sau: - Xây dựng được mô hình định tính của quá trình gia công xuất phát từ các thông số đầu vào... bộ thông số công nghệ tối ưu, lượng hớt vật liệu lớn hơn và nhám bề mặt nhỏ hơn khi gia công với bộ thông số công nghệ không tối ưu 4.5 Đánh giá hiệu quả của vấn đề tối ưu 1 Đã xây dựng một cách có hệ thống các tham số công nghệ đơn cũng như kết hợp các yếu tố công nghệ khác nhau ảnh hưởng đến lượng hớt vật liệu và nhám bề mặt Tác giả đã đưa ra các kết luận về ảnh hưởng của các thông số công nghệ đến... (12), 2010, Page 7729-7739 [17] John E.Bringas, Sổ tay tra mác thép thế giới, [18] Vũ Hoài Ân, Gia công tia lửa điện - Nhà xuất bản khoa học kỹ thuật 2007 [19] Lưu Đức Bình, Xác định ảnh hưởng của các thông số công nghệ đến độ nhám bề mặt khi gia công chi tiết bằng cắt dây tia lửa điện, Tạp chí Khoa học và Công nghệ, Đại học Đà Nẵng – Số 2(43).2011 [20] Nguyễn Văn Dự, Nguyễn Đăng Bình, Quy hoạch thực . 3.2. Tối ưu hóa chế độ cắt của phương pháp cắt dây tia lửa điện 3.2.1. Mô hình bài toán tối ưu hóa chế độ cắt của phương pháp cắt dây tia lửa điện Hình 3.14: Mô hình hóa quá trình gia công cắt. công nghệ của phương pháp gia công tia lửa điện. 1.2. Các phương pháp gia công tia lửa điện 1.2.1. Phương pháp gia công xung định hình 1.2.2. Phương pháp gia công cắt dây bằng tia lửa điện 1.2.3 khi gia công thép gió trên máy cắt dây. Chương 1 TỔNG QUAN VỀ GIA CÔNG TIA LỬA ĐIỆN - 3 - 1.1. Đặc điểm của phương pháp gia công tia lửa điện Gia công tia lửa điện là phương pháp gia công