Nghiên cứu mòn biên dạng điện cực và chất lượng bề mặt gia công bằng phương pháp xung tia lửa điện (tt)

MỞ ĐẦU Tính cấp thiết đề tài Phương pháp gia công tia lửa điện phương pháp gia công phi truyền thống sử dụng rộng dãi Phương pháp thể khả ưu việt gia công vật liệu sau nhiệt luyện [1] Các nghiên cứu lựa chọn cặp vật liệu phù hợp gia công xung định hình cho kết khả quan với mục tiêu đặt thời điểm Gia công tia lửa điện q trình gia cơng với thời gian dài Vì hướng nghiên cứu nhằm nâng cao suất, chất lượng phương pháp gia công quan tâm [8, 10, 11, 30, 31, 32] Mòn điện cực vấn đề lớn trình xung tia lửa điện EDM Mòn điện cực ảnh hưởng trực tiếp đến độ xác chi tiết gia cơng Do cần nghiên cứu để xác định lượng mòn q trình gia cơng Kết nghiên cứu trước nhiều yếu cơng nghệ ảnh hưởng đến độ mòn điện cực [9,13,37,41] Mòn điện cực nghiên cứu theo nhiều hướng khác như: mòn hình dáng hình học điện cực, mòn điện cực theo khối lượng… thay đổi yếu tố công nghệ đầu vào ảnh hưởng đến độ mòn điện cực kể đến như: Ảnh hưởng thời gian phóng xung, thời gian ngừng phóng xung, ảnh hưởng điện áp đầu vào, ảnh hưởng cường độ dòng điện đầu vào, ảnh hưởng chất lượng dầu xung, ảnh hưởng hướng phun dầu ảnh hưởng chất trộn thêm trình xung [8,13,41,43] Các hướng nghiên cứu nêu tập trung vào vài yếu tố đầu vào Bên cạnh chưa thấy nghiên cứu đề cập đến ảnh hưởng mật độ dòng điện đến độ mòn điện cực Với lý trên, tác giả chọn đề tài: “Nghiên cứu mòn biên dạng điện cực chất lượng bề mặt gia công phương pháp xung tia lửa điện” làm đề tài luận án tiến sỹ Mục tiêu luận án Đánh giá mòn biên dạng điện cực chất lượng bề mặt chi tiết gia công phương pháp xung tia lửa điện, tìm chế độ cơng nghệ tối ưu để đạt lượng mòn điện cực, độ nhám bề mặt gia công nhỏ Nội dung nghiên cứu - Nghiên cứu tổng quan phương pháp xung tia lửa điện; - Nghiên cứu mối quan hệ mòn điện cực chất lượng bề mặt với thông số cơng nghệ; - Nghiên cứu xây dựng mơ hình thực nghiệm ảnh hưởng cường độ dòng điện, thời gian phát xung thời gian ngừng phát xung đến mòn điện cực, độ nhám bề mặt gia cơng; - Tối ưu hóa thơng số cơng nghệ theo tiêu mòn điện cực, độ nhám bề mặt chi tiết khe hở bề mặt chi tiết điện cực, sau tối ưu hóa đa mục tiêu; - Nghiên cứu biện pháp để giảm độ mòn điện cực cách lựa chọn vật liệu biên dạng điện cực phù hợp, giảm độ nhám bề mặt chi tiết giảm khe hở bề mặt chi tiết điện cực Đối tƣợng phạm vi nghiên cứu Đối tượng nghiên cứu: - Mòn điện cực đồng đỏ điện cực đồng đỏ mạ crom - Độ nhám bề mặt chi tiết với vật liệu thép SKD11; - Khe hở bề mặt chi tiết gia công bề mặt điện cực xung với cặp nhôm – C45, đồng đỏ - SKD11 đồng đỏ mạ crom – SKD11 Phạm vi nghiên cứu: Trong cơng trình chất lượng bề mặt chi tiết đánh giá hai thông số bao gồm độ nhám bề mặt chiều dày lớp ảnh cứng Đường kính điện cực từ 10 đến 20 mm, vật liệu điện cực kim loại Phƣơng pháp nghiên cứu - Nghiên cứu sở lý thuyết, kế thừa kết nghiên cứu cơng trình cơng bố - Nghiên cứu thực nghiệm để xây dựng mô hình mòn điện cực chất lượng bề mặt chi tiết gia công máy xung tia lửa điện - Nghiên cứu phương pháp thiết kế thực nghiệm Taguchi để đánh giá ảnh hưởng thông số tối ưu mục tiêu đa mục tiêu Ý nghĩa khoa học thực tiễn đề tài - Ý nghĩa khoa học: Đề tài nhằm làm rõ ảnh hưởng mật độ dòng điện, thời gian phát xung, thời gian ngừng phát xung đến độ mòn điện cực chất lượng bề mặt số loại thép làm khuôn gia công phương pháp xung định hình, giúp nhà cơng nghệ lựa chọn chế độ gia công tối ưu gia cơng máy xung định hình - Ý nghĩa thực tiễn: Các kết nghiên cứu để giảm mòn điện cực giúp nhà sản xuất tiết kiệm chi phí, kết nghiên cứu giảm độ nhám bề mặt khe hở phóng điện góp phần tăng chất lượng sản phẩm Những kết khoa học đạt đƣợc đóng góp luận án - Đã xây dựng mơ hình thực nghiệm nghiên cứu ảnh hưởng số thông số cơng nghệ đến mòn sử dụng loại điện cực nhôm, điện cực đồng đỏ điện cực đồng đỏ mạ crom; - Đã nghiên cứu thực nghiệm ảnh hưởng biên dạng điện cực đến lượng mòn giúp nhà cơng nghệ lựa chọn biên dạng phù hợp gia cơng; - Đã xây dựng mơ hình độ nhám bề mặt phụ thuộc vào thông số công nghệ đầu vào; - Xác định thông số tối ưu đơn mục tiêu độ mòn, độ nhám bề mặt khe hở bề mặt chi tiết điện cực xác định thông số tối ưu đa mục tiêu; - Đề xuất giảm độ mòn tăng chất lượng bề mặt mạ thêm crom vào điện cực đồng đỏ Bố cục luận án Chƣơng TỔNG QUAN VỀ PHƢƠNG PHÁP GIA CÔNG TIA LỬA ĐIỆN 1.1 Tổng quan phƣơng pháp gia công tia lửa điện 1.1.1 Giới thiệu Phương pháp gia công tia lửa điện (EDM) phát triển vào năm 1943 Liên Xô hai vợ chồng người Nga trường Đại học Moscow Giáo sư - Tiến sĩ Boris Lazarenko Tiến sĩ Natalya Lazarenko Cho đến nay, phương pháp gia công sử dụng phổ biến rộng rãi giới Nguyên tắc phương pháp bắn phá chi tiết để tách vật liệu nguồn lượng nhiệt lớn sinh cho hai điện cực tiến gần Trong hai điện cực này, điện cực đóng vai trò dao điện cực đóng vai trò phơi q trình gia cơng [1, 27,46] Phương pháp EDM ứng dụng rộng rãi ngành cơng nghiệp gia cơng khí Có hai phương pháp gia công tia lửa điện chủ yếu xung định hình cắt dây tia lửa điện Cả hai phương pháp ứng dụng rộng rãi có đóng góp đáng kể cho phát triển khoa học kỹ thuật nhân loại[4, 16, 45] Xung định hình phương pháp dùng điện cực tạo hình sẵn để in hình (âm bản) lên bề mặt phơi Phương pháp dùng để chế tạo khn có hình dạng phức tạp, khn ép định hình, khn ép nhựa, khn đúc áp lực, lỗ không thông v.v EDM thường dùng gia cơng khn mẫu sản phẩm khí đòi hỏi độ xác cao, có biên dạng phức tạp, có độ bền độ cứng cao mà việc gia công máy công cụ thông thường không hiệu không đáp ứng Tuy nhiên EDM có số nhược điểm như: Chỉ gia cơng loại vật liệu dẫn điện; suất chất lượng bề mặt gia công thấp, tăng suất bóc tách vật liệu độ nhám bề mặt gia cơng tăng; q trình gia cơng xảy tượng cắt mòn điện cực làm ảnh hưởng khơng tốt đến độ xác gia cơng; khó xác định xác khe hở phóng điện thông số công nghệ tối ưu 1.1.2 Nguyên lý gia cơng Hình 1.3 Sơ đồ ngun lý gia cơng tia lửa điện (Nguồn: [1]) Nguyên lý gia công EDM chuyển đổi lượng điện thành lượng nhiệt thông qua chuỗi tia lửa điện gián đoạn sinh khe hở hai điện cực (trong điện cực dụng cụ điện cực chi tiết gia công) ngâm dung dịch điện mơi hình 1.3 Tại khe hở nhỏ dụng cụ chi tiết gia công, điện áp cao đặt vào đánh thủng cách điện dung dịch điện môi làm xuất tia lửa điện gây nóng chảy, bay vật liệu dụng cụ chi tiết gia công [24,27,40] Hình 1.4 Thống kê phương pháp gia cơng tia lửa điện (Nguồn: [12]) 1.2 Tình hình nghiên cứu ngồi nƣớc 1.2.1 Tình hình nghiên cứu nƣớc Trong cơng trình nghiên cứu [8, 44] đưa phương pháp thực nghiệm để nghiên cứu ảnh hưởng cường độ dòng điện, thời gian phát xung, thời gian ngừng phát xung, vật liệu điện cực nồng độ bột đến suất chất lượng bề mặt thép làm khuôn gia công phương pháp xung định hình có trộn bột Ti dung dịch điện mơi theo tiêu suất bóc tách vật liệu, lượng mòn điện cực, chất lượng bề mặt gia công, nghiên cứu rằng: Độ cứng tế vi lớp bề mặt gia công phương pháp PMEDM hầu hết cao so với độ cứng tế vi lớp bề mặt gia công phương pháp EDM chế độ công nghệ Tại chế độ dòng phóng tia lửa điện nhỏ thời gian phát xung nhỏ thường có độ cứng cao so với dòng phóng tia lửa điện lớn thời gian phát xung lớn dải nồng độ khảo sát Xác đinh mối quan hệ độ cứng tế vi bề mặt với thông số đầu vào : Dòng phóng tia lửa điện, thời gian phát xung, nồng độ bột theo công thức hồi quy 1.2.2 Tình hình nghiên cứu ngồi nƣớc Nghiên cứu Ali Ozgedik đề cập tới ảnh hưởng dung dịch điện mơi tới độ mòn điện cực Tác giả quan tâm đến hướng phun dung dịch điện môi thường dùng để thực nghiên cứu Kết nghiên cứu cho ta thấy ảnh hưởng hướng phun dung dịch điện mơi đến độ mòn điện cực [13] Hình 1.5 Mòn điện cực với hướng phun dung dịch điện môi bên cạnh (Nguồn: [13]) Với sơ đồ hình 1.5 thấy vị trí trực tiếp bị phun dòng chất điện mơi chịu mòn lớn dẫn đến tượng mòn khơng đều, để khắc phục tượng điều chỉnh hướng phun dung dịch điện mơi hình 1.6 Hình 1.6 Mòn điện cực với hướng phun dung dịch điện môi (Nguồn: [13]) Tác giả Y Ziada cơng trình nghiên cứu [59] phân tích mòn góc với điện cực hình đa giác Tác giả cho thêm chuyển động quay điện cực nhằm giảm ảnh hưởng độ mòn góc kết thu có ăn mòn khơng đồng chi tiết gia cơng Hình 1.7 Chuyển động điện cực bám theo hình đa giác (Nguồn: [59]) Đối với nghiên cứu tác giả Yin Qingfeng [60], ông lại đưa ảnh hưởng từ ăn mòn bề mặt điện cực hạn chế q trình ăn mòn mặt bên cách đưa vào nhựa bảo vệ hình 1.8 Hình 1.8 Phương pháp xung có nhựa bảo vệ (Nguồn: [60]) KẾT LUẬN Từ cơng trình nghiên cứu ngồi nước cho thấy thấy có nhiều tác nhân gây ảnh hưởng đến độ mòn điện cực chất lượng bề mặt chi tiết xung Tuy vậy, hướng nghiên cứu mòn chất lượng gia cơng phương pháp xung tia lửa điện chưa đề cập nghiên cứu sử dụng loại điện cực có vật liệu khác (điện cực nhôm, điện cực đồng đỏ điện cực đồng đỏ mạ crom) biên dạng mặt cắt ngang điện cực thay đổi (từ số cạnh cạnh, cạnh, cạnh hình tròn) giúp lựa chọn điện cực phù hợp gia cơng để giảm mòn đạt chất lượng bề mặt tốt Hướng nghiên cứu đề tài tiếp cận kết nghiên cứu có, xây dựng mơ hình thực nghiệm đưa kết mang tính mới, có khả ứng dụng vào thực tiễn sản xuất để cải thiện chất lượng chi tiết sau gia công giảm mòn cho điện cực, nâng cao hiệu kinh tế doanh nghiệp Chƣơng NGHIÊN CỨU MỐI QUAN HỆ GIỮA MÕN ĐIỆN CỰC VÀ CHẤT LƢỢNG BỀ MẶT GIA CÔNG VỚI CÁC THÔNG SỐ ĐẦU VÀO 2.1 Mối quan hệ đại lƣợng trình gia công tia lửa điện Gia công tia lửa điện trình phức tạp kết trình phụ thuộc vào nhiều yếu tố Sơ đồ phân tích phụ thuộc lẫn đại lượng đầu vào, đại lượng trung gian đại lượng đầu Có thể thấy kết q trình gia cơng EDM phụ thuộc vào nhiều yếu tố máy, chi tiết, dụng cụ, chế công nghệ v.v Các yếu tố đầu vào nguyên nhân gây nên tượng xảy q trình gia cơng mòn điện cực, rung động, biến dạng nhiệt v.v Tất có ảnh hưởng định đến mục tiêu cuối Tùy thuộc vào phương pháp gia cơng mục tiêu quan trọng Với EDM đảm bảo tính kinh tế lượng mòn điện cực, độ xác chất lượng bề mặt tiêu quan trọng sản phẩm gia công 2.2 Đại lƣợng đầu vào 2.2.1 Đại lƣợng hệ thống 2.2.1.1 Dụng cụ (điện cực) a) Hình dạng điện cực Khi gia cơng tia lửa điện hình dáng điện cực chép qua vật gia công Điều gần điện cực bị hao mòn phần việc quan trọng thiết kế cơng nghệ xác định kích thước điện cực b) Vật liệu điện cực Trong gia công tia lửa điện, dụng cụ (điện cực) đóng vai trò quan trọng độ xác gia cơng mặt phụ thuộc vào độ xác điện cực Điện cực thường gia công phương pháp cắt gọt, đúc, ép, phun kim loại, mạ điện phân v.v Vật liệu làm điện cực phải đảm bảo u cầu: - Có tính dẫn điện tốt - Nhiệt lượng riêng lớn - Có nhiệt độ nóng chảy cao - Có tính dẫn nhiệt tốt Vật liệu làm điện cực thường đồng đỏ, đồng thau, bạc hay kẽm * Các tính chất vật liệu điện cực: - Tính dẫn điện Dòng điện đóng vai trò “dao” gia cơng EDM nên thơng thường vật liệu điện cực có tính dẫn điện cao hiệu suất cắt cao - Các tính chất hóa học Các đặc tính hóa học vật liệu điện cực có ảnh hưởng đáng kể đến hiệu suất gia công EDM, thể chủ yếu qua tốc độ gia cơng độ mòn điện cực - Tính đồng cấu trúc Nếu vật liệu có tính đồng q trình mòn điện cực xảy không đều, ảnh hưởng đến độ xác gia cơng nhám bề mặt - Cơ tính Các tính chất học thường đo vật liệu điện cực là: độ bền kéo, độ cứng, giới hạn bền kéo theo phương ngang độ hạt - Khả chế tạo Các yếu tố ảnh hưởng đến khả chế tạo điện cực bao gồm: khả gia công, độ bền, khả tạo bóc ba via 2.2.1.2 Chất điện mơi a) Nhiệm vụ chất điện môi - Cách điện: Nhiệm vụ chất lỏng điện mơi cách điện điện cực phơi Nó phải đảm bảo cách ly điện cực với phôi khe hở chưa đủ hẹp Chỉ có khoảng cách nhỏ có điện cực phơi cho phép dong tia lửa điện qua - Ion hóa: Chất điện môi phỉa tạo nên điều kiện tối ưu cho phóng tia lửa điện, nghĩa phải ion hóa vào thời điểm chuẩn bị phóng tia lửa điện, tức phải có khả tạo nên cầu phóng điện - Làm nguội: Ở kênh phóng điện, khoảng thời gian cực ngắn, nhiệt độ lên tới 10.0000C Nhiệt xuất cần phải chuyển đi, khơng độ mòn điện cực tăng lên, đồng thời bề mặt phôi bị hư hại nhiệt Bản thân chất điện môi không phép bị nhiệt Sự nhiệt làm cho chất điện môi dễ bị phân hủy thành khí cacbon tự Khí làm mở rộng khơng mong muốn kênh phóng điện làm giảm lượng hớt vật liệu Đồng thời cặn cacbon lắng xuống bề mặt điện cực gây ngắn mạch Vì vậy, cần tạo dỏng chảy qua khe hở bề mặt chi tiết điện cực để làm nguội điện cực phôi - Vận chuyển phoi: Nếu chất điện môi bị bẩn gây in hình khơng xác khuyết tật trình Sự bẩn chất điện môi chủ yếu phần tử bị ăn mòn lơ lửng lắng đọng khe hở bề mặt chi tiết điện cực Chính lý mà cần phải có hệ thống dòng chảy chất điện mơi để vận chuyển phần tử bị ăn mon (phoi) khỏi khe hở bề mặt chi tiết điện cực đảm bảo chất điện môi cho khe hở b) Các loại chất điện mơi Hiện có hai loại chất điện mơi chủ yếu dùng cho hai phương pháp gia công tia lửa điện khác nhau, là: - Hydrocacbon: Chủ yếu dùng cho xung định hình - Dung dịch điện mơi có trộn bột: Khả cách điện đồng dung dịch điện môi EDM tạo miền phân bố điện trường với cường độ không đổi dẫn đến khe hở bề mặt chi tiết điện cực nhỏ tia lửa điện xuất vài điểm 2.2.2 Đại lƣợng điều chỉnh Đại lượng điều chỉnh thơng số cơng nghệ cần đưa vào từ đầu q trình gia cơng, bao gồm điện áp đánh lửa (U0), cường độ dòng phóng xung tia lửa điện (Ie), thời gian phát xung (ton), thời gian ngừng phát xung (toff) khe hở bề mặt chi tiết điện cực () 2.3 Đại lƣợng trung gian Các đại lượng q trình q trình ăn mòn kim loại tác động điện nhiệt để tạo khe hở điện cực chi tiết, nghiên cứu cho thấy trình ăn mòn xung gia cơng trải qua giai đoạn: Giai đoạn 1: Hình thành kênh dẫn điện Giai đoạn 2: phóng tia lửa điện làm bốc vật liệu Giai đoạn 3: hoá rắn vật liệu phục hồi 2.3.1 Tác động điện Các ion điện tử điện trường lớn khe hở phóng điện nên bị hút phía cực trái dấu Trên đường di chuyển, gia tốc nhờ lượng điện trường nên có động lớn làm ion hố phân tử trung hồ dung dịch điện môi để tạo thêm ion điện tử tự Các ion điện tử va đập vào bề mặt điện cực làm tách điện tử ion vật liệu điện cực tạo nên mòn điện cực 2.3.2 Tác động nhiệt Khi tia lửa điện phóng qua kênh dẫn điện, nhiệt độ kênh dẫn điện đạt tới khoảng 10000oC làm cho vật liệu điện cực nơi tiếp giáp với kênh dẫn điện bị bốc 2.3.3 Khe hở bề mặt chi tiết điện cực Điện cực điều khiển chạy tự động để điều chỉnh khe hở bề mặt chi tiết điện cực không thay đổi ứng với điều kiện gia công xác định Hệ thống điều chỉnh chuyển động điện cực phải đảm bảo yêu cầu: Điều chỉnh kích thước khe hở ổn định tốc độ thích nghi nhanh để đáp ứng với ngắn mạch kích thước khe hở 2.4 Đại lƣợng đầu 2.4.1 Mòn điện cực Để giữ cho độ mòn điện cực nhỏ cách chọn vật liệu điện cực phù hợp với phơi Việc chọn tham số ăn mòn điện cực tác động lên độ mòn điện cực Chính mòn điện cực gây ta khơng xác gia cơng Độ mòn tương đối  điện cực xác định theo công thức [14]:  VE 100% VW Trong đó: VE thể tích vật liệu bị điện cực VW thể tích vật liệu phơi lấy Ảnh hưởng lên độ mòn tương đối  điện cực bao gồm yếu tố sau: + Sự phối hợp điện cực/phơi + Dòng điện Ie hay bước dòng điện (2.4) + Độ kéo dài xung + Sự đấu cực 2.4.2 Chất lƣợng bề mặt biến đổi cấu trúc Trong gia cơng xung định hình, điện cực đóng vai trò quan trọng chất lượng bề mặt gia cơng phụ thuộc vào độ xác điện cực Việc lựa chọn hợp lý vật liệu điện cực yếu tố quan trọng Chất lượng bề mặt gia công mà đặc trưng độ nhám phụ thuộc vào lượng lần phóng điện Một phần diện tích tụ tạo nên vết lõm nên thể tích vết lõm tỉ lệ với lượng phóng tụ 2.5 Ảnh hƣởng đại lƣợng đầu vào đến đại lƣợng trình đại lƣợng đầu 2.5.1 Ảnh hƣởng thông số công nghệ Các kết khảo sát với điện cực Cu vật liệu gia công thép SKD61 cho thấy: Khi tăng cường độ dòng điện làm suất bóc tách vật liệu (MRR), Lượng mòn điện cực (TWR) độ nhám bề mặt (Ra) tăng nhanh, thời gian phát xung tăng dẫn đến MRR Ra tăng TWR giảm (hình 2.14 2.15) Và ảnh hưởng cường độ dòng điện đến tiêu đánh giá mạnh so với thời gian phát xung [52, 56] Hình 2.14 Ảnh hưởng thời gian phát xung (Nguồn: [52]) Hình 2.15 Ảnh hưởng cường độ dòng điện (Nguồn: [52]) 2.5.2 Ảnh hƣởng số lƣợng tia lửa điện lần phát xung Thông thường EDM tạo tia lửa điện cho lần phát xung Để tạo nhiều tia lửa điện lần phát xung điện cực chia thành hai nhiều phần điện cực nhỏ [27, 31] Các phần điện cực nhỏ cách điện chúng kết nối với phận phát xung để tạo nhiều tia lửa điện đồng thời lần phát xung làm tăng suất bóc tách vật liệu Điện tiêu thụ EDM thơng thường với EDM có điện cực chia nhỏ tương tự nhau, công suất tia lửa điện EDM có điện cực chia nhỏ “n” lần so với EDM thông thường lần phát xung [18] Hình 2.16 Quan hệ MRR với số phần chia điện cực (Nguồn: [58]) 2.5.3 Ảnh hƣởng thành phần dung dịch điện môi Dung dịch điện môi sử dụng EDM dạng: lỏng, khí hỗn hợp lỏng khí Vật liệu dung dịch điện mơi loại dầu cách điện, nước khử ion khí ga 2.5.4 Nghiên cứu điều khiển điện cực EDM Điều khiển chuyển động điện cực điều khiển quan trọng định đến trình gia cơng EDM Trong thực tế khơng thiết tia lửa điện có cường độ tốt với hai lần phát xung liên tục khe hở bề mặt chi tiết điện cực không đổi Điều đỉnh đáy nhấp nhô bề mặt phôi, hạt tạp chất dung môi làm thay đổi đặc trưng dẫn điện khe hở bề mặt chi tiết điện cực 2.5.5 Nghiên cứu điều khiển dạng xung EDM Xung EDM thường phân thành dạng: Xung hở, xung tia lửa điện, xung ngắn mạch, xung hồ quang xung trễ [48] Các dạng xung khác có cơng suất gia cơng khác 2.5.6 Nghiên cứu tối ƣu hóa thơng số cơng nghệ EDM Các thông số công nghệ EDM thường xác định thông qua kinh nghiệm sổ tay công nghệ Tuy nhiên, việc lựa chọn không đảm bảo chắn kết gia công tối ưu xấp xỉ trị số tối ưu KẾT LUẬN Đã phân tích mối quan hệ đại lượng đầu vào, đại lượng trung gian, đại lượng đầu lựa chọn thông số sau để nghiên cứu: - Đại lượng đầu vào bao gồm biên dạng vật liệu điện cực thông số công nghệ q trình gia cơng cường độ phóng điện, thời gian phát xung thời gian ngừng phát xung - Đại lượng trung gian đặc trưng khe hở bề mặt chi tiết điện cực tạo trình lấy vật liệu tác động điện nhiệt - Đại lượng đầu bao gồm mòn biên dạng điện cực chất lượng bề mặt chi tiết sau gia cơng Chƣơng XÂY DỰNG MƠ HÌNH THỰC NGHIỆM 3.1 Sơ đồ mơ hình thí nghiệm Trên sở lý thuyết phân tích, phạm vi nghiên cứu đề tài tập trung nghiên cứu mòn điện cực chất lượng bề mặt (đại diện độ nhám bề mặt khe hở phóng điện) tác dụng đại lượng đầu vào máy xung EDM, dung dịch điện môi, vật liệu, nghệ hình dạng điện cực chế độ cơng ta xây dựng sơ đồ mơ hình thí nghiệm 3.2 Trang thiết bị vật liệu thí nghiệm 3.2.1 Trang thiết bị a) Máy thí nghiệm Máy thí nghiệm sử dụng cơng trình máy xung tia lửa điện EDM EPRESS Đài Loan b) Thiết bị đo - Thiết bị đo độ nhám: Sử dụng thiết bị đo độ nhám SURFTEST SJ-210 Nhật với thông số kỹ thuật bảng 3.2 - Thiết bị đo mòn: Sử dụng cân phân tích MW-P Series độ xác 1/1000 - Thiết bị đo kích thước: Sử dụng Panme TESA CAPA μ SYSTEM IP54 3.2.2 Vật liệu a) Vật liệu chi tiết Bảng 3.5 Thành phần thép SKD11 Mo Thép C Si Mn Cr V SKD11 1,5 0,25 0,45 12,0 1,0 0,35 Đối với điện cực gia công nhôm, sử dụng vật liệu chi tiết thép C45 có thành phần vật liệu sau: Bảng 3.6 Thành phần thép C45 Thép C Si Mn Cr Ni Tạp chất khác C45 0,45 0,40-0,80 0,70 0,40 0,40 0,05-0,15 Các mẫu thí nghiệm SKD11 C45 chế tạo hình 3.5 với mục đích thoát phoi hạn chế tối đa ảnh hưởng phoi đến q trình gia cơng b) Vật liệu điện cực - Điện cực đồng đỏ: Bảng 3.7 Thành phần đồng đỏ Đồng Cu P Tạp chất C12200 99,90 0,015 – 0,040 - Điện cực nhôm: Bảng 3.8 Thành phần hợp kim nhôm 6061 HK Al Mg Si Fe Mn Zn Cu Cr Ti Tạp chất nhôm 6061 99,8 0,8÷1,2 0,40÷0,80 0,30 0,10 0,25 0,50÷0,30 0,50÷0,30 0,15 0,05÷0,15 3.3 Khảo sát khe hở phóng điện độ nhám bề mặt với điện cực hợp kim nhôm 6061 Trong khảo sát lấy vật liệu nhôm để làm điện cực, nhơm có tính dẫn điện tốt, nhiệt độ nóng chảy thấp, giá thành tương đối rẻ dễ gia công 3.3.1 Điều kiện thực nghiệm - Máy gia công: Máy xung EDM EPRESS - Vật liệu điện cực: Hợp kim nhơm 6061 - Hình dáng kích thước điện cực: Trụ tròn - Vật liệu chi tiết: Thép C45 - Cường độ dòng điện: Ie khoảng 2,5A đến 15A - Chất điện môi dầu Shell EDM Fluid - Độ sâu gia công: 5mm 3.2.2 Khảo sát khe hở phóng điện Khe hở phóng điện xác định theo công thức: 2Δ = p – đc (3.1) Trong đó: 10 Δ: Khe hở phóng điện (mm) p : Đường kính lỗ chi tiết sau xung (mm) đc: Đường kính điện cực sau xung (mm) Khảo sát thực nghiệm với Ie thay đổi theo mức, ta kết bảng 3.9 Bảng 3.9 Khe hở phóng điện phụ thuộc cường độ dòng điện TT Ie 2Δ p đc 2,5 10,45 10,21 0,24 10,56 10,24 0,32 7,5 10,53 10,24 0,29 10 10,54 10,28 0,26 12,5 10,56 10,27 0,29 15 10,58 10,26 0,32 Hình 3.8 Đồ thị khoảng cách khe hở điện cực chi tiết xung phụ thuộc vào cường độ dòng điện Độ tăng kích thước điện cực sau xung xác định theo công thức: Δđc = đctrước xung– đcsau xung (3.2) Trong đó: Δđc : Độ tăng kích thước điện cực (mm) đctrước xung : Đường kính điện cực trước xung (mm) đcsau xung: Đường kính điện cực sau xung (mm) Bảng 3.10 Kích thước điện cực vị trí trước sau xung Δđc TT đctrước xung đcsau xung 10,195 10,21 0,015 10,188 10,24 0,052 10,187 10,24 0,053 10,192 10,28 0,088 10,195 10,27 0,075 10,190 10,26 0,070 Hình 3.9 Kích thước điện cực trước, sau xung 11 3.3.2 Khảo sát độ nhám bề mặt Bảng 3.11 Bảng thông số Ra thay đổi cường độ dòng điện xung 2,5 7,5 10 12,5 15 Ie (A) 2,54 2,6 2,58 2,78 3,03 3,07 Ra (µm) Hình 3.11 Đồ thị ảnh hưởng cường độ dòng điện xung đến độ nhám bề mặt chi tiết 3.3.3 Kết bàn luận Từ đồ thị biểu diễn ảnh hưởng thông số cường độ dòng điện Ie đến khoảng cách khe hở  (Hình 3.7) độ tăng kích thước điện cực gia cơng xung tia lửa điện (Hình 3.8, Hình 3.9), nhận thấy: - Khoảng cách khe hở phóng điện có xu hướng tăng cường độ dòng điện Ie tăng Giải thích cho nhận xét sau: Khi cường độ dòng điện Ie giảm lượng kích thước tia bắn phá nhỏ dẫn đến khoảng cách khe hở nhỏ - Kích thước điện cực tăng cường độ dòng điện Ie tăng Đây kết khác với dùng vật liệu đồng đỏ graphite Ngun nhân nhơm dễ nóng chảy tạo thành miệng núi lửa to hơn, sần sùi có tia lửa điện Từ đồ thị biểu diễn ảnh hưởng thông số cường độ dòng điện Ie đến độ nhám bề mặt chi tiết xung (hình 3.10), ta thấy: - Độ nhám chi tiết xung tăng cường độ dòng điện Ie tăng Khi cường độ dòng điện Ie nhỏ cơng suất xung nhỏ, khả cơng phá bề mặt ion điện tử va đập vào mặt phôi bị giảm Đồng thời, Ie nhỏ nhiệt sinh kênh phóng điện bị giảm xuống làm cho khả ăn mòn bề mặt phơi giảm xuống Tuy độ nhám bề mặt nhỏ điện cực bị mòn lớn, kích thước điện cực bị thay đổi khơng đồng đều, số bị chỗ mòn (tức kích thước điện cực giảm đi) vị trí tiếp giáp phần xung không xung điện cực lại tăng kích thước, dẫn đến khơng kiểm sốt sai số hình dáng hình học chi tiết Do đó, ta thấy điện cực nhơm khơng phù hợp để gia công phương pháp xung tia lửa điện 3.4 Khảo sát khe hở phóng điện độ nhám bề mặt với điện cực đồng đỏ Đồng đỏ loại vật liệu đắt, khó gia cơng tính dẫn điện dẫn nhiệt tốt nên dùng gia cơng tinh xung định hình 3.4.1 Điều kiện thực nghiệm - Vật liệu điện cực: Đồng đỏ 3.4.2 Khảo sát khe hở phóng điện Tiến hành khảo sát thực nghiệm với Ie thay đổi theo mức, ta kết bảng 3.12 Bảng 3.12 Khe hở phóng điện phụ thuộc cường độ dòng điện TT Ie 2Δ p đc 12 2,5 7,5 10 12,5 15 10,29 10,31 10,35 10,36 10,5 10,52 10,20 10,21 10,24 10,23 10,25 10,25 0,09 0,095 0,11 0,13 0,25 0,27 Hình 3.13 Khoảng cách khe hở điện cực chi tiết xung phụ thuộc cường độ dòng điện 3.4.3 Khảo sát độ nhám bề mặt Bảng 3.13 Bảng thông số Ra thay đổi cường độ dòng điện xung 2,5 7,5 10 12,5 15 Ie (A) 2,23 2,61 3,32 3,567 6,82 7,316 Ra (µm) Hình 3.14 Đồ thị ảnh hưởng cường độ dòng điện xung đến độ nhám bề mặt chi tiết KẾT LUẬN Đã xây dựng mơ hình thực nghiệm với đầy đủ máy thí nghiệm, thiết bị đo đảm bảo độ xác theo yêu cầu kết nối với máy thí nghiệm, điện cực mẫu thí nghiệm đảm bảo thành phần hóa học hình dạng theo yêu cầu Đã khảo sát khe hở phóng điện độ nhám bề mặt với điện cực nhơm thay đổi cường độ dòng điện Ie từ 2,5 đến 15A, thấy khe hở phóng điện tăng cường độ dòng điện tăng số vị trí kích thước điện cực khơng bị mòn mà lại tăng lên so với kích thước ban đầu Độ nhám bề mặt chi tiết tăng tăng cường độ dòng điện khơng đồng số vị trí kích thước điện cực tăng lên dẫn đến khơng kiểm sốt chất lượng Khi gia cơng xung định hình với điện cực nhơm, vật liệu chi tiết gia cơng C45 Khi giảm dòng phóng điện Ie, khe hở phóng điện giảm, độ nhám bề mặt chi tiết xung giảm Với số điều kiện tăng Ie lại làm tăng kích thước điện cực dẫn tới xảy tắc nghẽn trình phóng điện Do điện cực nhơm phù hợp với trường hợp gia công thô Khác với điện cực nhơm, điện cực đồng đỏ có giá thành đắt, khó gia cơng lại cho độ nhám bề mặt nhỏ ổn định Do vậy, điện cực đồng đỏ phù hợp với gia công tinh Các kết tối ưu với điện cực đồng đỏ trình bày chương 13 CHƢƠNG TỐI ƢU HÓA THEO CHỈ TIÊU GIẢM MÕN ĐIỆN CỰC VÀ TĂNG CHẤT LƢỢNG BỀ MẶT Phương pháp Taguchi giải toán tối ưu đa mục tiêu cơng trình đề xuất mục tiêu giảm mòn điện cực, giảm khe hở phóng điện giảm độ nhám bề mặt 4.1 Phƣơng pháp thiết kế thực nghiệm Taguchi 4.1.1 Giới thiệu phƣơng pháp thiết kế thực nghiệm Taguchi Để đánh giá mức độ ảnh hưởng thơng số dùng phân tích phương sai (ANOVA) Với phân tích phương sai, để so sánh sai khác giá trị kết nghiên cứu (yij) thay đổi mức nghiên cứu (Ai) nhân tố A, dùng chuẩn Fisher để so sánh phương sai thay đổi mức nghiên cứu với sai số nghiên cứu (phương sai sai số nghiên cứu) có khác đáng tin cậy hay khơng Nếu khác không đáng tin cậy, nhân tố A không ảnh hưởng lên kết nghiên cứu, khác đáng tin cậy chứng tỏ nhân tố A ảnh hưởng lên kết nghiên cứu 4.1.2 Các bƣớc tiến hành thực nghiệm Thiết lập mối quan hệ đối tượng nghiên cứu Lựa chọn thông số cần thiết để khảo sát Xác định thông số Lựa chọn mức cho thơng số Tính số bậc tự cần thiết cho thiết kế thực nghiệm Lựa chọn bảng tiêu chuẩn (bảng OA) Gán thông số mức vào cột Tiến hành thí nghiệm Phân tích kết 10 Kiểm chứng kết thí nghiệm 4.1.3 Cơ sở phƣơng pháp Taguchi Theo phương pháp thiết kế thực nghiệm Taguchi giá trị khe hở phóng điện () nhỏ khả tạo hình sản phẩm tốt 4.2 Thiết kế thực nghiệm Taguchi với điện cực đồng đỏ 4.2.1 Điều kiện thực nghiệm - Vật liệu điện cực: đồng đỏ - Vật liệu chi tiết: Thép SKD11 nhiệt luyện đạt độ cứng 58HRC - Cường độ dòng điện: Ie khoảng 5A đến 15A - Thời gian phóng xung: ton khoảng µs đến 20 µs - Thời gian ngừng xung: toff khoảng 50 µs đến 70 µs - Chất điện môi dầu Shell EDM Fluid - Độ sâu gia công: 10 mm 4.2.2 Đánh giá mức độ ảnh hƣởng thông số công nghệ đến khe hở phóng điện xung với điện cực đồng đỏ Hình 4.2 Điện cực chi tiết sau xung a) Thiết kế thực nghiệm Taguchi + Các mức thí nghiệm: 14 Bảng 4.2 Các hệ số cấp độ (mức) thí nghiệm Cấp độ Các hệ số A (ton (µs)) 20 10 B (toff (µs)) 60 70 50 C (Ie (A)) 10 15 Ta có kết thí nghiệm sau: Bảng 4.4 Kết theo thiết kế thực nghiệm Taguchi Các hệ số Khe hở phóng điện () TT A (ton (µs)) B (toff (µs)) C (Ie (A)) i (mm) Giá trị 1(5) 1(60) 1(5) 0,34 9,37 1(5) 2(70) 2(10) 0,445 7,03 1(5) 3(50) 3(15) 0,425 7,43 2(20) 1(60) 2(10) 0,51 5,85 2(20) 2(70) 3(15) 0,58 4,73 2(20) 3(50) 1(5) 0,495 6,11 3(10) 1(60) 3(15) 0,76 2,38 3(10) 2(70) 1(5) 0,69 3,22 3(10) 3(50) 2(10) 0,545 5,27 + Mức độ ảnh hưởng thơng số đến khe hở phóng điện : Phân tích ANOVA  thể bảng 4.4 bảng 4.5 Kết bảng 4.5 cho thấy thời gian phát xung (F = 10,52), thời gian ngừng phát xung (F = 0,95) cường độ dòng điện (F = 1,27) ảnh hưởng đến  mức độ khác nhau, thời gian phát xung ảnh hưởng mạnh Bảng 4.5 Bảng phân tích ANOVA trị số  TT Thông số dof SS V F P A(ton) 28,079 14,039 10,52 0,087 B(toff) 2,548 1,274 0,95 0,512 C (Ie) 3,395 1,698 1,27 0,44 Nhiễu 2,668 1,334 Total 36,691 Bảng 4.6 Bảng phân tích mức độ ảnh hưởng thông số đầu vào đến  Mức A B C 7,945* 6,271* 6,234* 3,626 5,868 6,051 5,563 4,996 4,849 4,319 1,275 1,385  Thứ tự ảnh hưởng b) Kết bàn luận Mức độ ảnh hưởng cấp độ cho tham số rõ bảng 4.4, 4.5 hình 4.3, 4.4 Theo Taguchi giá trị lớn cho khả tạo hình tốt hệ số nên lựa chọn với cấp độ cao Bộ thông số tối ưu để khe hở phóng điện nhỏ q trình gia cơng xung định hình A1B1C1 nghĩa ton = µs, toff = 60 µs Ie = A Ta thực lại thí nghiệm điều kiện ton = µs, toff = 60 µs Ie = A thu khe hở phóng điện Δ = 0,33 mm 15 4.2.3 Đánh giá mức độ ảnh hƣởng thông số công nghệ đến độ nhám bề mặt chi tiết xung tia lửa điện với điện cực đồng đỏ a) Thiết kế thực nghiệm Taguchi Bảng 4.8 Kết theo thiết kế thực nghiệm Taguchi Các hệ số Độ nhám bề mặt Điều A (ton (µs)) B (toff (µs)) C (Ie (A)) i (mm) kiện Giá trị 1(5) 1(60) 1(5) 2,42 -7,66 1(5) 2(70) 2(10) 7,74 -17,77 1(5) 3(50) 3(15) 5,57 -14,91 2(20) 1(60) 2(10) 3,51 -10,90 2(20) 2(70) 3(15) 7,08 -17,00 2(20) 3(50) 1(5) 2,21 -6,90 3(10) 1(60) 3(15) 7,76 -17,80 3(10) 2(70) 1(5) 6,35 -16,05 3(10) 3(50) 2(10) 6,61 -16,40 Bảng 4.9 Ảnh hưởng tham số đến độ nhám bề mặt Giá trị trung bình η cấp độ Tổng bình Hệ số Phân bố phƣơng A (ton (µs)) -13,447 -11,061* -16,752 40,8658 27,70% B (toff (µs)) -12,122* -16,941 -12,738 41,2613 27,97% C (Ie (A)) -10,206* -14,908 -16,571 65,4009 44,33% Tất 147,528 100,00% * Cấp độ tối ưu b) Kết bàn luận Giá trị η (dB) cấp độ cho tham số rõ bảng 4.9 Theo Taguchi giá trị lớn η cho khả tạo hình tốt hệ số nên lựa chọn với cấp độ cao η Các điều kiện để cải thiện độ nhám bề mặt chi tiết gia cơng q trình gia cơng xung định hình A2B1C1 nghĩa ton = 20µs, toff = 60µs Ie = 5A Ta thực lại thí nghiệm điều kiện ton = 20µs, toff = 60µs Ie = 5A thu độ nhám bề mặt chi tiết gia cơng Ra* = 2,188µm độ nhám bề mặt nhỏ trình thực thí nghiệm 4.2.4 Đánh giá mức độ ảnh hƣởng thơng số cơng nghệ đến độ mòn điện cực xung tia lửa điện với điện cực đồng đỏ a) Thiết kế thực nghiệm Taguchi + Các mức thí nghiệm: Bảng 4.10 Các hệ số cấp độ (mức) thí nghiệm Cấp độ Các hệ số A (ton (µs)) 20 10 B (toff (µs)) 60 70 50 C (Ie (A)) 10 15 Bảng 4.11 Bậc tự ma trận thí nghiệm Hệ số A B C Tổng DOF 2 + Tỷ số S/N: 16 Khi tỷ số S/N lớn độ mòn điện cực nhỏ Các ảnh hưởng cường độ dòng điện đầu vào Ie, thời gian phóng xung ton, thời gian ngừng xung toff đến khe hở phóng điện khảo sát: i (mm)  10log10 (TWR ) (4.29) Ta có kết thí nghiệm sau: Bảng 4.12 Kết theo thiết kế thực nghiệm Taguchi Các hệ số Độ mòn điện cực (TWR) TT A (ton (µs)) B (toff (µs)) C (Ie (A)) i (mm) Giá trị 1(5) 1(60) 1(5) 0,095 20,44 1(5) 2(70) 2(10) 0,13 17,72 1(5) 3(50) 3(15) 0,15 16,49 2(20) 1(60) 2(10) 0,16 15,92 2(20) 2(70) 3(15) 0,19 14,42 2(20) 3(50) 1(5) 0,16 15,92 3(10) 1(60) 3(15) 0,27 11,37 3(10) 2(70) 1(5) 0,23 12,76 3(10) 3(50) 2(10) 0,18 14,89 + Mức độ ảnh hưởng thông số đến khe độ mòn điện cực TWR Phân tích S/N TWR thể bảng 4.12 bảng 4.13 Kết bảng 4.13 cho thấy thời gian phát xung ảnh hưởng mạnh nhất, sau đến cường độ dòng điện thời gian ngừng phát xung ảnh hưởng ba thông số Bảng 4.13 Bảng phân tích S/N Mức A B C 18,21 15,76 16,38 13,01 15,91 16,18 15,42 14,97 14,09 5,20 0,94 2,28  Thứ tự ảnh hưởng Bảng 4.14 Bảng phân tích mức độ ảnh hưởng thông số đầu vào đến TWR Mức A B C 0,1250* 0,1633* 0,1617 0,2267 0,1750 0,1567* 0,1700 0,1833 0,2033 0,1017 0,0200 0,0467  Thứ tự ảnh hưởng Kết phân tích (ANOVA) cho giá trị độ mòn điện cực bảng 4.14 cho thấy thông số tối ưu ton = s, toff = 60 s Ie = 5A b) Kết bàn luận Mức độ ảnh hưởng cấp độ cho tham số rõ bảng 4.13, 4.14 hình 4.6 Theo Taguchi giá trị lớn cho khả tạo hình tốt hệ số nên lựa chọn với cấp độ cao Bộ thơng số tối ưu để độ mòn điện cực nhỏ q trình gia cơng xung định hình A2B3C3 nghĩa ton = 20 µs, toff = 50 µs Ie = 15 A 4.2.5 Tối ƣu hóa đa mục tiêu Phương pháp thiết kế thực nghiệm Taguchi thông thường tối ưu đơn mục tiêu (một mục tiêu nhất), kết hợp với phân tích Grey phân tích Taguchi 17 ta giải toán tối ưu đa mục tiêu (lớn hai mục tiêu) Trong nghiên cứu này, kết hợp phân tích Grey – Taguchi để tối ưu đồng thời mục tiêu là: Độ mòn điện cực (TWR), khe hở phóng điện () độ nhám bề mặt (Ra) a) Các bƣớc tối ƣu đa mục tiêu Bước 1: Tiền xử lý liệu Ở bước tỷ số S/N kết đầu chuyển đổi thành chuỗi so sánh đại lượng khơng thứ ngun Các kết thí nghiệm chuẩn hóa khoảng (0÷1) Dữ liệu chuyển sang liệu gốc để so sánh Bước 2: Xác định hệ số quan hệ Grey Hệ số miêu tả mối quan hệ kết lý tưởng (tốt nhất) với tỷ số S/N chuẩn hóa thực nghiệm Bước 3: Xác định cấp quan hệ Grey Cấp quan hệ Grey trọng số tổng hệ số quan hệ Grey Bước 4: Tối ưu hóa cấp quan hệ Grey Trị số tối ưu cấp quan hệ Grey số cá kết quản đầu thông số ảnh hưởng mạnh sử dụng để tính tốn Cấp quan hệ Grey tối ưu xác định theo công thức sau: q toiuu  m   (i  m ) (4.35) i 1 Trong đó: m: Giá trị trung bình cấp quan hệ Grey i: Giá trị trung bình cấp quan hệ Grey trạng thái tối ưu q: Số lượng thông số ảnh hưởng mạnh đến kết đầu Tiến hành tối ưu hóa đồng thời mục tiêu khe hở phóng điện, độ nhám bề mặt độ mòn điện cực theo phân tích Grey – Taguchi, ta có bảng 4.15 với S/N cho mục tiêu Trong nghiên cứu tỷ số S/N chuẩn hóa theo kiểu “lớn tốt hơn” Do phương trình (4.30) sử dụng để chuẩn hóa liệu Sử dụng tỷ số S/N m = 9, n = cho tỷ số S/N chuẩn hóa bảng 4.15 Tỷ số S/N chuẩn hóa lớn cho chất lượng tốt Bảng 4.15 Hệ số S/N cho mục tiêu chuẩn hóa S/N cho Ra S/N cho TWR S/N cho  C:Ie A:ton B:toff TT [A] [µs] [µs] Y (dB) Y (dB) Ra Y (dB) TWR  1 1 -9,370 0,34 -7,676 2,42 20,446 0,095 2 -7,033 0,445 -17,775 7,74 17,721 0,130 3 -7,432 0,425 -14,917 5,57 16,478 0,150 2 -5,849 0,51 -10,906 3,51 15,918 0,160 2 -4,731 0,58 -17,001 7,08 14,425 0,190 -6,108 0,495 -6,888 2,21 15,918 0,160 3 -2,384 0,76 -17,797 7,76 11,373 0,270 -3,223 0,69 -16,055 6,35 12,765 0,230 3 -5,272 0,545 -16,404 6,61 14,895 0,180 Để xác định hệ số quan hệ Grey ta sử dụng kết S/N chuẩn hóa bảng 4.15 để xác định 0,i (k ) Kết 0,i (k ) cho bảng Với  max  min  Bảng 4.16 Bảng hệ số sai lệch 0,i (k ) Hệ số quan hệ Grey, 0,i (k ) TT Khe hở (dB) Ra (dB) mòn (dB) 18 0,333 1,000 1,000 0,429 0,316 0,421 0,409 0,392 0,333 0,502 0,591 0,305 0,598 0,333 0,248 0,484 1,204 0,305 1,000 0,315 0,179 0,806 0,357 0,205 0,547 0,348 0,263 Thay vào phương trình (4.33) xác định  0,i (k ) , cấp quan hệ Grey xác định trị số trung bình  0,i (k ) , thể bảng 4.17 Bảng 4.17 Bảng giá trị trung bình hệ số cấp quan hệ Grey Cấp quan hệ Grey A: B: C: ton toff Ie  TT Xếp hạng 1 1 0,778 1 2 0,389 3 0,378 2 0,466 2 0,393 6 0,664 3 0,498 3 0,456 3 0,386 Hình 4.7 Đồ thị cấp quan hệ Grey Hệ số cấp quan hệ Grey lớn cho kết đầu tốt Hình 4.7 hệ số cấp quan hệ Grey lớn 0,778 Theo phương trình (4.34) ta có cấp quan hệ Grey  0,i bảng 4.18 Bảng 4.18 Cấp quan hệ Grey  0,i Bảng cấp quan hệ Grey Cấp quan hệ Grey  0,i Ký Thông Max-min Xếp hạng hiệu số A ton 0,515 0,508 0,447 -0,061 B toff 0,581 0,413 0,476 0,168 C Ie 0,633 0,414 0,423 0,210 Bảng 4.19 Mức độ ảnh hưởng thông số đầu vào đến tỷ số S/N Grey Ký hiệu Thông số Bậc tự Tổng bình phương Bình phương trung bình Phần trăm 19 A B C Total ton toff Ie 0,0028 0,0014 5,812 0,0144 0,0072 30,052 0,0307 0,0153 64,136 0,0478 0,0239 100,000 Trên bảng 4.19 thấy Ie ảnh hưởng lớn đến tỷ số S/N Grey với 64,136%, tiếp đến toff với 30,052% ton ảnh hưởng với 5,812% Căn cư vào ảnh hưởng thông số đến tỷ số S/N Grey xác định trị số hợp lý đồng thời cho mục tiêu (, Ra, TWR) Giá trị tối ưu kết đầu xác định theo công thức 4.17:  A ,B ,C  T  ( A2  T )  ( B3  T )  (C3  T ) 3 Ta có kết dự báo sau:  = 0,38 m, Ra = 2,75 m, TWR = 0,15 g/phút 4.2.6 Ảnh hƣởng mật độ dòng điện đến độ mòn điện cực độ nhám bề mặt chi tiết Với thông số tối ưu xác định được, ta tiến hành khảo sát ảnh hưởng mật độ dòng điện đến độ mòn điện cực với mục tiêu kiểm sốt mật độ dòng điện a) Điều kiện thực nghiệm - Vật liệu điện cực: đồng đỏ - Hình dáng kích thước điện cực: Trụ tròn với đường kính 10, 12, 15 20 mm - Vật liệu chi tiết: Thép SKD11 nhiệt luyện đạt độ cứng 58HRC - Cường độ dòng điện: Ie khoảng 6A đến 10A - Thời gian phóng xung: ton = 10 µs - Thời gian ngừng xung: toff = 50 µs - Chất điện mơi dầu Shell EDM Fluid - Thời gian gia cơng: 180 phút Hình 4.9 Điện cực chi tiết gia công sau xung Bảng 4.21 Mối quan hệ mòn mật độ dòng điện Lượng mòn Diện tích Mật độ Lượng mòn ĐC/ STT Dđc Ie TWR CT ĐC (cm ) dòng điện Lượng mòn CT 10 0,01 8,30 0,79 7,64 0,120482 12 0,03 22,39 1,13 5,31 0,133988 14 0,03 20,02 1,54 4,55 0,149820 15 0,03 17,71 1,77 3,96 0,169396 18 10 0,02 9,07 2,54 3,93 0,220460 20 10 0,02 7,29 3,14 3,18 0,274348 Từ kết bảng 4.20, 4.21 ta xây dựng phương trình: y = -0,0043x3 + 0,0843x2 - 0,5436x + 1,2925 (4.37) Với phương sai R² = 0,9293 Từ phương trình (4.37) ta thấy mật độ dòng điện tăng tỷ lệ lượng mòn điện cực với lượng mòn chi tiết giảm Bảng 4.22 Mối quan hệ độ nhám bề mặt với mật độ dòng điện STT Dđc Ie Diện tích ĐC (cm2) Mật độ dòng điện Ra 10 0,79 7,64 6,991 12 1,13 5,31 6,715 20 14 1,54 4,55 5,534 15 1,77 3,96 5,469 18 10 2,54 3,93 4,167 20 10 3,14 3,18 2,865 Từ kết bảng 4.22 ta xây dựng phương trình: y = 0,0287x3 - 0,8241x2 + 7,1734x - 12,518 (4.38) Với phương sai R² = 0,9304 Từ phương trình (4.38) mật độ dòng điện tăng độ nhám bề mặt tăng Như thấy độ mòn điện cực độ nhám bề mặt bị ảnh hưởng q trình gia cơng kiểm sốt tốt mật độ dòng điện 4.2.7 Ảnh hƣởng hình dạng điện cực tới mòn điện cực a) Điều kiện thực nghiệm - Vật liệu điện cực: đồng đỏ - Hình dáng kích thước điện cực: tam giác, vng, lục giác, bát giác trụ tròn có diện tích mặt cắt b) Khảo sát thay đổi góc độ điện cực tới mòn điện cực Tiến hành thực nghiệm với chế độ công nghệ, kết thí nghiệm thể hình 4.15 bảng 4.16 xây dựng đồ thị phụ thuộc lượng mòn theo góc độ điện cực hình 4.16 Hình 4.15 Hình dáng hình học điện cực, phơi sau thí nghiệm Bảng 4.24 Bảng quan hệ góc điện cực với lượng mòn điện cực STT Góc 60 90 120 135 180 TWR 0,032 0,024 0,018 0,015 0,019 Lượng mòn CT 1,870 2,010 1,890 1,760 2,150 TWR /Lượng mòn CT 1,711230 1,194030 0,952381 0,852273 0,883721 Hình 4.16 Lượng mòn tương đối theo góc điện cực Từ kết bảng 4.24 ta xây dựng phương trình: y = 0.0001x2 - 0.031x + 3.196 (4.39) Với phương sai R² = 0.997 c) Kết bàn luận Từ phương trình (4.39) ta thấy góc độ điện cực từ 600 đến 1200 tỷ lệ mòn điện cực so với mòn chi tiết cao, điện cực từ 1200 đến 1800 tỷ lệ giảm rõ rệt lượng mòn tiến đến ổn định 21 Trong q trình xung mật độ dòng điện khơng nên dẫn đến mòn khơng tồn điện cực, đặc biệt góc rãnh có tập trung mật độ dòng điện xảy mòn lớn nhất, để khắc phục nên chọn hình dạng điện cực tránh góc nhọn, nên chọn góc điện cực từ 120 đến 180 4.3 Thiết kế thực nghiệm Taguchi với điện cực đồng đỏ mạ crom 4.3.1 Điều kiện thực nghiệm - Vật liệu điện cực: đồng đỏ mạ crom 4.3.2 Đánh giá mức độ ảnh hƣởng thông số công nghệ đến khe hở bề mặt chi tiết điện cực xung tia lửa điện với điện cực đồng đỏ mạ crom Bảng 4.26 Bảng phân tích ANOVA trị số  Thơng số dof SS V F P A 0,102772 0,051386 10,70 0,7493 B 0,010506 0,005253 1,09 0,0766 C 0,014272 0,007136 1,49 0,1041 Nhiễu 0,009606 0,004803 Tổng 0,137156 Theo Taguchi giá trị lớn cho khả tạo hình tốt hệ số nên lựa chọn với cấp độ cao Các điều kiện để cải thiện khe hở bề mặt chi tiết điện cực trình gia cơng xung định hình A2B2C3 nghĩa ton = 20 µs, toff = 70 µs Ie = 15 A Ta thực lại thí nghiệm điều kiện ton = 20 µs, toff = 70 µs Ie = 15 A thu khe hở bề mặt chi tiết điện cực Δ = 0,11 mm 4.3.5 Tối ƣu hóa đa mục tiêu Tiến hành tối ưu hóa đồng thời mục tiêu khe hở phóng điện, độ nhám bề mặt độ mòn điện cực theo phân tích Grey – Taguchi, ta có bảng 4.37 với S/N cho mục tiêu Trong nghiên cứu tỷ số S/N chuẩn hóa theo kiểu “lớn tốt hơn” Bảng 4.37 Hệ số S/N cho mục tiêu chuẩn hóa TT C: Ie[A] 1 2 3 A: ton [µs] 3 B: toff [µs] 3 S/N cho  Y (dB)  -6.651 0.465 -3.742 0.65 -2.270 0.77 -2.499 0.75 -0.220 0.975 -3.479 0.67 -2.975 0.71 -4.437 0.6 -1.993 0.795 S/N cho Y (dB) -6.717 -13.487 -15.520 -11.293 -16.193 -7.959 -14.559 -11.725 -13.813 Ra Ra 2.167 4.724 5.970 3.669 6.451 2.5 5.345 3.857 4.905 S/N cho TWR Y (dB) TWR 34.425 0.019 33.152 0.022 33.979 0.020 30.173 0.031 29.630 0.033 30.752 0.029 28.636 0.037 29.370 0.034 29.630 0.033 Để xác định hệ số quan hệ Grey ta sử dụng kết S/N chuẩn hóa bảng 4.38 để xác định 0,i (k ) Kết 0,i (k ) cho bảng Với  max  min  Thay vào phương trình (4.33) xác định  0,i (k ) , cấp quan hệ Grey xác định trị số trung bình  0,i (k ) , thể bảng 4.39 Bảng 4.39 Bảng giá trị trung bình hệ số cấp quan hệ Grey A: ton 1 B: toff C: Ie TT 22 Cấp quan hệ Grey Xếp hạng  0.778 0.518 0.604 2 2 3 3 3 0.489 0.559 0.566 0.406 0.417 0.463 Hình 4.19 Đồ thị cấp quan hệ Grey Hệ số cấp quan hệ Grey lớn cho kết đầu tốt Hình 4.19 hệ số cấp quan hệ Grey lớn 0,778 Theo phương trình (4.34) ta có cấp quan hệ Grey  0,i bảng 4.40 Bảng 4.40 Cấp quan hệ Grey  0,i Bảng cấp quan hệ Grey Cấp quan hệ Grey  0,i Ký Thông Max-min Xếp hạng hiệu số A Ie 0.633 0.538 0.429 -0.109 B ton 0.558 0.498 0.544 0.059 C t0ff 0.587 0.490 0.523 0.064 Bảng 4.41 Mức độ ảnh hưởng thông số đầu vào đến tỷ số S/N Grey Tổng bình Bình phương Ký hiệu Thơng số Bậc tự Phần trăm phương trung bình A Ie 0.0209 0.0104 75.460 B ton 0.0019 0.0010 7.016 C t0ff 0.0048 0.0024 17.525 Total 0.0276 0.0138 100.000 Trên bảng 4.41 thấy Ie ảnh hưởng lớn đến tỷ số S/N Grey với 75,46%, tiếp đến toff với 17,525% ton ảnh hưởng với 7,016% Căn vào ảnh hưởng thông số đến tỷ số S/N Grey xác định trị số hợp lý đồng thời cho mục tiêu (, Ra, TWR) Giá trị tối ưu kết đầu xác định theo công thức 4.17:  A ,B ,C  T  ( A2  T )  ( B3  T )  (C3  T ) 3 Ta có kết dự báo sau:  = 0,33 m, Ra = 2,32 m, TWR = 0,024 g/phút KẾT LUẬN Đã xác định thông số tối ưu để khe hở bề mặt chi tiết điện cực nhỏ q trình gia cơng xung định hình điện cực đồng đỏ ton = 5µs, toff = 60µs Ie = 5A thu khe hở bề mặt chi tiết điện cực Δ = 0,33mm Cũng với điện cực đồng đỏ, xác định thông số tối ưu để độ nhám bề mặt chi tiết gia cơng q trình gia cơng xung định hình nhỏ ton = 20µs, toff = 23 60µs Ie = 5A Thực nghiệm lại với thông số tối ưu thu độ nhám bề mặt chi tiết gia cơng Ra* = 2,188µm Đã khảo sát ảnh hưởng mật độ dòng điện hình dạng đến độ mòn điện cực, thấy mật độ dòng điện tăng độ nhám bề mặt tăng góc độ điện cực từ 600 đến 1200 tỷ lệ mòn điện cực so với mòn chi tiết cao, điện cực từ 1200 đến 1800 tỷ lệ giảm rõ rệt lượng mòn tiến đến ổn định Xác định thông số tối ưu để độ mòn điện cực nhỏ q trình gia cơng xung định hình với điện cực đồng đỏ ton = 20 µs, toff = 50 µs Ie = 15 A Với điện cực đồng đỏ mạ crom, điều kiện để cải thiện khe hở bề mặt chi tiết điện cực q trình gia cơng xung định hình ton = 20 µs, toff = 50 µs Ie = 15 A Thực lại thí nghiệm điều kiện ton = 20 µs, toff = 50 µs Ie = 15 A thu khe hở bề mặt chi tiết điện cực Δ = 0,11 mm, khe hở bề mặt chi tiết điện cực nhỏ nhiều so với gia công điện cực đồng đỏ Các điều kiện để cải thiện độ nhám bề mặt chi tiết gia cơng q trình gia cơng xung định hình điện cực đồng đỏ mạ crom ton = 20µs, toff = 60µs Ie = 5A Ta thực lại thí nghiệm điều kiện ton = 20µs, toff = 60µs Ie = 5A thu độ nhám bề mặt chi tiết gia cơng Ra* = 2,167µm, độ nhám cải thiện so với sử dụng điện cực đồng đỏ Các kết tối ưu đa mục tiêu với điện cực đồng đỏ cho  = 0,38 m, Ra = 2,75 m, TWR = 0,15 g/giờ Các kết cải thiện đáng kể với điện cực đồng đỏ mạ crom  = 0,33 mm, Ra = 2,32 m, TWR = 0,024 g/giờ Ngoài ra, độ cứng chi tiết gia công tăng sử dụng điện cực đồng đỏ mạ crom với lý q trình gia cơng phần lớp mạ crom bốc thẩm thấu vào bề mặt chi tiết gia công Điều làm tăng tính chống mòn độ cứng cho chi tiết gia công KẾT LUẬN CHUNG Với điện cực đồng đỏ, xác định thông số tối ưu để đạt khe hở bề mặt chi tiết điện cực nhỏ nhất, độ nhám bề mặt nhỏ độ mòn nhỏ q trình gia cơng xung định hình  = 0,38 mm, Ra = 2,75 m, TWR = 0,15 g/giờ Các kết cải thiện đáng kể với điện cực đồng đỏ mạ crom với  = 0,33 mm, Ra = 2,32 m, TWR = 0,024 g/giờ Đã khảo sát ảnh hưởng mật độ dòng điện đến mòn điện cực độ nhám bề mặt thấy rằng: Khi tăng mật độ dòng điện tỷ lệ lượng mòn điện cực với lượng mòn chi tiết giảm độ nhám bề mặt tăng Như thấy độ mòn điện cực độ nhám bề mặt bị ảnh hưởng q trình gia cơng kiểm sốt tốt mật độ dòng điện Nếu khơng làm tăng độ mòn điện cực độ nhám bề mặt chi tiết Ngoài biên dạng điện cực có ảnh hương nhiều đến mòn điện cực ảnh hưởng đến chất lượng bề mặt Các kết khảo sát cho thấy góc độ điện cực từ 600 đến 1200 tỷ lệ mòn điện cực so với mòn chi tiết cao, điện cực từ 1200 đến 1800 tỷ lệ giảm rõ rệt lượng mòn tiến đến ổn định Trong q trình xung mật độ dòng điện khơng nên dẫn đến mòn khơng tồn điện cực, đặc biệt góc rãnh có tập trung mật độ dòng điện xảy mòn lớn nhất, để khắc phục nên chọn hình dạng điện cực tránh góc nhọn, nên chọn góc điện cực từ 120 đến 180 24 ... độ mòn điện cực chất lượng bề mặt chi tiết xung Tuy vậy, hướng nghiên cứu mòn chất lượng gia công phương pháp xung tia lửa điện chưa đề cập nghiên cứu sử dụng loại điện cực có vật liệu khác (điện. .. liệu, lượng mòn điện cực, chất lượng bề mặt gia công, nghiên cứu rằng: Độ cứng tế vi lớp bề mặt gia công phương pháp PMEDM hầu hết cao so với độ cứng tế vi lớp bề mặt gia công phương pháp EDM chế... thước điện cực b) Vật liệu điện cực Trong gia công tia lửa điện, dụng cụ (điện cực) đóng vai trò quan trọng độ xác gia cơng mặt phụ thuộc vào độ xác điện cực Điện cực thường gia công phương pháp cắt