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

Trang 1

ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

KHOA CƠ KHÍ - -

NGUYỄN THỊ BÍCH NHUNG

NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG THÔNG SỐ CÔNG NGHỆ ĐẾN CHẤT LƯỢNG BỀ MẶT CỦA PHƯƠNG PHÁP

GIA CÔNG ĐIỆN HÓA (ECM)

Chuyên ngành: Kỹ thuật Cơ khí

Mã số: 60.52.01.03

LUẬN VĂN THẠC SĨ

TP HỒ CHÍ MINH, tháng 08 năm 2018

Trang 2

Cán bộ hướng dẫn khoa học:TS.Trương Quốc Thanh

Cán bộ chấm nhận xét 1:TS.Lưu Phương Minh

Cán bộ chấm nhận xét 2:TS.Phạm Sơn Minh

Luận văn thạc sĩ được bảo vệ tại Trường Đại học Bách Khoa, ĐHQG Tp HCM ngày 13 tháng 07 năm 2018

Thành phần Hội đồng đánh giá luận văn thạc sĩ gồm:

1 GS.TS Nguyễn Thanh Nam (Chủ Tịch)

2 TS.Trần Anh Sơn (Thư Kí)

3 PGS.TS Nguyễn Ngọc Hà (Ủy Viên)

4 TS.Lưu Phương Minh (Phản Biện 1)

5 TS.Phạm Anh Sơn (Phản Biện 2)

Xác nhận của Chủ tịch Hội đồng đánh giá LV và Trưởng Khoa quản lý chuyên ngành sau khi luận văn đã được sửa chữa (nếu có)

CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG TRƯỞNG KHOA

GS.TS Nguyễn Thanh Nam PGS.TS Nguyễn Hữu Lộc

Trang 3

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ Họ tên học viên: Nguyễn Thị Bích Nhung MSHV:1570815

Ngày, tháng, năm sinh: 10/06/1989 Nơi sinh: Hà Tĩnh

Chuyên ngành: Kỹ Thuật Cơ Khí Mã số : 60.52.01.03

I TÊN ĐỀ TÀI: Nghiên cứu ảnh hưởng thông số công nghệ đến chất lượng bề mặt của phương pháp gia công điện hóa (ECM)

II NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG:

- Nghiên cứu lý thuyết liên quan đến phương pháp gia công điện hóa

- Tìm hiểu thông số hiệu chỉnh trên máy gia công điện hóa

- Những thông số gia công ảnh hưởng đến chất lượng bề mặt

- Thực nghiệm trên mẫu thực tế (lựa chọn thông số đầu vào) ảnh hưởng đến chất lượng bề mặt và năng suất bóc vật liệu

Nội dung dự kiến :

Chương I : Tổng quan phương pháp gia công điện hóa

Chương II : Cơ chế tạo hình bề mặt chi tiết

Chương III : Các yếu tố ảnh hưởng đến bề mặt chi tiết

Chương IV : Thực nghiệm một vài thông số ảnh hưởng đến chất lượng bề mặt

Trang 4

III NGÀY GIAO NHIỆM VỤ : 07/03/2018

IV NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: 25/03/2019

V CÁN BỘ HƯỚNG DẪN : TS.Trương Quốc Thanh

Học vị : Tiến Sĩ

Tp HCM, ngày tháng năm 2018 CÁN BỘ HƯỚNG DẪN (Họ tên và chữ ký) TS.Trương Quốc Thanh

CHỦ NHIỆM BỘ MÔN ĐÀO TẠO

(Họ tên và chữ ký)

TS.Trần Anh Sơn

TRƯỞNG KHOA CƠ KHÍ

(Họ tên và chữ ký)

PGS.TS Nguyễn Hữu Lộc

Trang 5

LỜI CÁM ƠN

Trước hết Tôi bày tỏ lòng biết ơn tới gia đình luôn là chỗ dựa tinh thần to lớn để Tôi vững tin thực hiện Luận văn

Tiếp đến, trong suốt thời gian dài thực hiện luận văn, Tôi bày tỏ lòng biết

ơn sâu sắc tới TS.Trương Quốc Thanh – Giảng viên bộ môn Chế Tạo Máy

trường Đại học Bách Khoa Tp.HCM Thầy đã hỗ trợ rất nhiều về chuyên môn cũng như những vấn đề liên quan tới thiết bị thí nghiệm phục vụ hoàn thành những hạng mục trong luận văn

Gửi lời cảm ơn chân thành tới ban giám hiệu Đại học Bách Khoa Tp.HCM, Phòng đào tạo sau đại học, Khoa cơ khí và bộ môn Chế Tạo Máy và các Cô / Thầy giảng dạy đã truyền kiến thức và tạo điều kiện thuận lợi cho Tôi trong quá trình học tập, nghiên cứu và thực hiện luận văn

Gửi lời cảm ơn tới bạn bè, cơ quan và đồng nghiệp đã giúp đỡ Tôi trong suốt thời gian qua về tinh thần và hỗ trợ trong công việc

Xin trân trọng cảm ơn

Tác giả

Nguyễn Thị Bích Nhung

Trang 6

This thesis aims to investigate the effects of process parameters of an electrochemical machining process which are voltage applied to the machine, concentration electrolyte, Inter – Electro Gap and feed rate of tool The design of the system is based on the Taguchi method Here, the signal-to-noise (S/N) model, and are applied to determine optimal levels and to investigate the effects of these parameters on surface quality Finally, the experiments that use the optimal levels of machining parameters are conducted to verify the effects of the process parameters to the surface quality of the products The results pointed a set of optimal parameters of the ECM process

Trang 7

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan toàn bộ luận văn do chính bản thân tôi thực hiện với sự hướng dẫn của TS.Trương Quốc Thanh

Nếu sai tôi xin chịu mọi hình thức kỉ luật về đạo đức khoa học

Tác giả

Nguyễn Thị Bích Nhung Điện thoại: 098 6200 570 Email: bichnhung07107@gmail.com

Trang 8

MỤC LỤC

LỜI CÁM ƠN 2

TÓM TẮT LUẬN VĂN 3

LỜI CAM ĐOAN 4

Danh mục các bảng số liệu 8

Danh mục kí hiệu và chữ viết tắt 8

Danh mục các hình vẽ, đồ thị, ảnh chụp 8

PHẦN MỞ ĐẦU 13

1.1 Tính cấp thiết đề tài 13

1.2 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn đề tài 14

1.2.1 Ý nghĩa khoa học 14

1.2.2 Ý nghĩa thực tiễn 15

1.3 Phương pháp nghiên cứu 15

1.4 Nội dung nghiên cứu 15

1.4.1 Đối tượng nghiên cứu 15

1.4.2 Nội dung nghiên cứu 16

CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ PHƯƠNG PHÁP GIA CÔNG ĐIỆN HÓA 17

1.1 Lịch sử phát triển phương pháp gia công điện hóa [2] 17

1.2 Những nghiên cứu trên thế giới về gia công điện hóa 21

1.2.1 Điện cực dụng cụ [5] 21

1.2.2 Chất lượng bề mặt chi tiết 23

1.2.3 Nồng độ chất điện phân 31

1.2.4 Những nghiên cứu khác 32

1.3 Tổng quan về phương pháp gia công điện hóa 35

1.3.1 Nguyên lý gia công điện hóa [30] 35

1.3.2 Đặc điểm gia công điện hóa 38

1.3.3 Tốc độ bóc vật liệu 39

1.3.4 Độ chính xác gia công [30][32] 45

1.3.5 Chất lượng bề mặt gia công 47

Trang 9

1.4 Các phương pháp gia công điện hóa [30] 50

1.4.1 Đánh bóng điện hóa 50

1.4.2 Gia công lỗ điện hóa 52

1.4.3 Mài điện hóa 53

1.5 Ứng dụng phương pháp gia công điện hóa 55

1.6 Ưu nhược điểm phương pháp gia công điện hóa [1] 57

1.6.1 Ưu điểm 57

1.6.2 Nhược điểm 58

KẾT LUẬN CHƯƠNG I 59

CHƯƠNG II: CƠ CHẾ TẠO HÌNH BỀ MẶT CHI TIẾT CỦA PHƯƠNG PHÁP GIA CÔNG ĐIỆN HÓA 60

2.1 Nguyên lý tạo hình điện hóa 60

2.2 Phân bố dòng điện [20] 67

2.3 Sự phân cực 73

2.5 Mô hình toán học của quá trình gia công điện hóa 74

CHƯƠNG III: CÁC YẾU TỐ ẢNH HƯỞNG ĐẾN CHẤT LƯỢNG BỀ MẶT CHI TIẾT PHƯƠNG PHÁP GIA CÔNG ĐIỆN HÓA 76

3.1 Tốc độ tiến catot 76

3.2 Điện áp 77

3.3 Nguồn cung cấp điện và xung gia công 79

3.4 Thành phần chất điện phân, nồng độ và dòng chảy 79

3.5 Kích thước, hình dạng và vật liệu dụng cụ 81

3.6 Khe hở giữa hai điện cực 83

3.7 Mối quan hệ giữa cường độ dòng điện và chất điện phân 84

CHƯƠNG IV: THỰC NGHIỆM MỘT VÀI THÔNG SỐ CÔNG NGHỆ ẢNH HƯỞNG ĐẾN CHẤT LƯỢNG BỀ MẶT VÀ NĂNG SUẤT GIA CÔNG 86

4.1 Đối tượng thực nghiệm 86

4.2 Thiết bị thực hiện 86

4.3 Thiết kế thực nghiệm 92

4.3.1 Cơ sở lý thuyết phương pháp thực nghiệm Taguchi 92

Trang 10

4.3.2 Kết quả thực nghiệm và đánh giá 98

KẾT LUẬN 114

TÀI LIỆU THAM KHẢO 115

PHẦN LÝ LỊCH TRÍCH NGANG 118

Trang 11

Danh mục các bảng số liệu

1 Bảng 1.1 Các thông số điển hình gia công điện hóa

2 Bảng 1.2 Giá trị K của một số vật liệu

3 Bảng 3.1 Một số thông số của vật liệu làm điện cực và ứng dụng

4 Bảng 4.1 Thông số máy gia công điện hóa

5 Bảng 4.2 Nhân tố và thông số đầu ra thí nghiệm

6 Bảng 4.3 Nhân tố và các mức thí nghiệm

7 Bảng 4.4 Ma trận trực giao Tagichi L27

8 Bảng 4.5 Bảng quy đổi thực của nhân tố bố trí thí nghiệm

9 Bảng 4.6 Kết quả thực nghiệm theo ma trận trực giao Taguchi L27

10 Bảng 4.7 Bảng đánh giá kết quả theo phần mềm Minitab 16

11 Bảng 4.8 Bảng thông số tối ưu theo Taguchi cho MRR

12 Bảng 4.9 Bảng đánh giá kết quả theo phần mềm Minitab 16

Danh mục kí hiệu và chữ viết tắt

ECM Electrochemical Machining

EDM Electrical Discharge Machining

DC Direct Current

STEM Shaped tube Electrochemical Machining

(Jet-ECM) Jet Electrochemical Machining

IEG Inter Electrode Gap

RSM Response Surface Methodology

IKBS Intelligent Knowledge-Based System

CE Concurrent Engineering

Danh mục các hình vẽ, đồ thị, ảnh chụp

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

2 Hình 1.2 Sơ đồ nguyên lý gia công Jet – ECM

Trang 12

3 Hình 1.3 Bề mặt của điện cực dụng cụ (Catot), Phôi và chi tiết

4 Hình 1.4 Bề mặt sau gia công a) sử dụng dòng điện phân thường b) sử dụng dòng điện phân chảy rối với 10Hz và 0,2MPa

5 Hình 1.5 Hình dạng bề mặt mô phỏng 3D trên phần mềm a) sử dụng dòng điện phân thường b) sử dụng dòng điện phân chảy rối 10Hz và 0,2MPa

6 Hình 1.6 Ảnh hưởng của dòng điện phân lên cả độ nhám bề mặt và năng suất gia công

ở I = 0,2 MPa

7 Hình 1.7 Ảnh hưởng của dòng điện phân lên độ nhám bề mặt và năng suất ở tần số 5Hz

8 Hình 1.8 Ảnh hưởng của dòng điện phân lên độ nhám và năng suất

9 Hình 1.9 Ảnh hưởng của áp suất lên độ nhám và năng suất

10 Hình 1.10 Bề mặt vùng gia công khi sử dụng dung dịch muối NaNO3

11 Hình 1.11 Ảnh hưởng thông số công nghệ lên độ chính xác gia công a)ảnh hưởng của hiệu điện thế và nồng độ chất điện phân

12 Hình 1.12 Quá trình điện phân

13 Hình 1.13 Sơ đồ phản ứng điện phân của sắt trong dung dịch NaCl

14 Hình 1.14 Ảnh hưởng hiệu điện thế, nồng độ, tốc độ dòng điện phân và khe hở đến MRR

15 Hình 1.15 Hiệu điện thế và cường độ dòng điện khi gia công ECM của hợp kim TB6

sử dụng dung dịch điện phân NaCl và NaNO3

16 Hình 1.16 Quan hệ giữa tốc độ tiến dụng cụ và mật độ dòng điện

17 Hình 1.17 Quan hệ giữa khả năng dẫn điện của dung dịch và nhiệt độ [30]

18 Hình 1.18 Quan hệ giữa mật độ dòng điện và lưu lượng dung dịch điện phân

19 Hình 1.19 Hình dạng lỗ gia công bằng điện hóa

20 Hình 1.20 Quan hệ giữa khe hở điện cực và độ sâu lỗ với các tốc độ tiến dụng cụ

21 Hình 1.21 Hình dạng lỗ gia công bằng điện cực cách điện mặt bao quanh

Trang 13

22 Hình 1.22 Độ nhám bề mặt chi tiết đường kính 20mm sử dụng ECM lưỡng cực, Ra (0,0025); Rz (0,05)

23 Hình 1.23 Mức độ nhẵn bề mặt trong các bước đánh bóng điện hóa

24 Hình 1.24 Sơ đồ đánh bóng điện hóa

25 Hình 1.25 Nguyên lý gia công mài điện hóa

26 Hình 1.26 Một số chi tiết điển hình gia công điện hóa [30] a) Cánh tuabin làm từ hợp kim Nickel

27 Hình 2.1 Nguyên lý gia công điện hóa

28 Hình 2.2 Quá trình tạo hình điện hóa

29 Hình 2.3 a) đồ thị Kv và mật độ dòng I; b) đồ thị Vn và mật độ dòng i

30 Hình 2 4 a) ảnh hưởng của nhiệt độ đến Kv b) ảnh hưởng của vận tốc chảy lên Kv

31 Hình 2.5 Sơ đồ tạo hình điện hóa

32 Hình 2.6 Điều kiện biên

33 Hình 3.1: Ảnh hưởng của tốc độ ăn dao lên độ nhám bề mặt Ra

34 Hình 3.2 Đường con phân cực của Ti-6Al-4V khi sử dụng dung dịch NaNO3 10%

35 Hình 3.3 Mối quan hệ mật độ dòng điện và hiệu suất gia công

36 Hình 3.4 Hình dạng 3D và tình trạng bề mặt chi tiết trong gia công ECM

37 Hình 3.5 Ảnh hưởng của cách điện đến hình dạng chi tiết

38 Hình 4.1 Nguyên lý máy gia công điện hóa

39 Hình 4.2 Máy gia công điện hóa

40 Hình 4.3 Động cơ bước

41 Hình 4.4 Cân điện tử

41 Hình 4.7 Thiết bị đo nhám bề mặt Mitutoyo SJ-210

42 Hình 4.8 Dụng cụ và điện cực (a) chi tiết; (b) điện cực dụng cụ

43 Hình 4.9 Dụng cụ điện cực đồng

44 Hình 4.10 Các bước thiết kế và quy hoạch thực nghiệm theo Taguchi

Trang 14

45 Hình 4.11 Ảnh hưởng các nhân tố nồng độ NaCl, Tốc độ tiến Catot, Điện áp, Khe

hở hai điện cực lên MRR

46 Hình 4.12 Ảnh hưởng các nhân tố nồng độ NaCl, Tốc độ tiến Catot, Điện áp, Khe hở hai điện cực lên Ra

47 Hình 4.13 Mẫu 1 a) trước khi gia công b) sau khi gia công

Trang 15

Trang 16

PHẦN MỞ ĐẦU

1.1 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

Trang 17

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

1.2 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn đề tài

- 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

Trang 18

1.2.2 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

1.3 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;

- Đưa ra kết luận

1.4 Nội dung nghiên cứu

1.4.1 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:

- Chất lượng bề mặt;

- Thông số điều chỉnh gia công;

- Máy gia công điện hóa;

Trang 19

- Phương pháp Taguchi

1.4.2 Nội dung nghiên cứu

Nội dung chính của luận văn tập trung vào các thông số công nghệ ảnh hưởng đến chất lượng bề mặt

- 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

Trang 20

CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ PHƯƠNG PHÁP GIA CÔNG

ĐIỆN HÓA

Mục đích chính của chương này là tìm hiểu tổng quan phương pháp gia công điện hóa ECM Đi từ lịch sử hình thành phương pháp gia công, tình hình nghiên cứu của một vài tác giả trong lĩnh vực để liên hệ với thực tế phát triển của ECM ở các nước cũng như thực tiễn Việt Nam Tiếp theo trình bày cơ sở lý thuyết về ECM như nguyên lý hoạt động, đặc điểm nổi bật, ứng dụng trong một số lĩnh vực, những ưu điểm và nhược điểm phương pháp gia công

1.1 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

Thế kỷ 19

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

Trang 21

điện nhỏ nằm trong khoảng 10 - 40A/cm2, và khoảng cách giữa các điện cực từ 0,3mm, và theo đó không đạt được độ chính xác và chất lượng bề mặt như mong muốn

0,05-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 nhám bề mặt đạt đến 0,2 – 0,5µm

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 đó là khoảng cách giữa hai điện cực làm việc vô cùng nhỏ dao động từ 2–10µ và mật

độ dòng điện đạt 102 – 10A/cm2 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 kính Micro, kết quả độ nhám bề mặt R đạt từ 0,1– 0,01µ, và đi kèm năng suất cao hơn khi so sánh với những kỹ thuật gia công khác

Trang 22

Thế kỷ 20

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]

Trang 23

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 (<100 nm)

Bên cạnh đó phương pháp rung động siêu âm hỗ trợ quá trình kết thúc gia công nhằm cải thiện chất lượng bề mặt khi so sánh với gia công điện hóa thông thường

Trang 24

1.2 Những nghiên cứu trên thế giới về gia công điện hóa

1.2.1 Điện cực dụng cụ [5]

D Zhu et al [6] đề xuất một phương pháp phần tử hữu hạn để xác định chính xác những biên dạng điện cực dụng cụ Phương pháp đề xuất không yêu cầu thiết kế lại dụng cụ, do đó đem hiệu quả trong quá trình thiết kế điện cực Thiết kế điện cực dụng cụ trong ECM chủ yếu tập trung vào giải quyết dự đoán hình dạng chi tiết Bởi vì tầm quan trọng của dụng cụ điện cực đó là quyết định hình dạng chi tiết, và hơn hết quyết định độ chính xác gia công, trong nghiên cứu này nhóm tác giả sử dụng dung dịch điện phân NaCl 150g/l và anot là thép cacbon thấp Kết quả cho thấy, độ lệch trung bình nhỏ hơn 4% giữa kết quả thực nghiệm

áp dụng vào thiết kế điện cực dụng cụ trong quá trình gia công điện hóa áp dụng

từ thực nghiệm vào thực tế sản xuất

C S Chang et al [8] trình bày ảnh hưởng của các đặc tính chất điện phân trong mô phỏng hình dạng điện cực dụng cụ để đạt hình dạng chi tiết của phương pháp gia công điện hóa Một mô hình dòng điện phân truyền thống, một mô hình dòng điện phân chảy rối đã được áp dụng để dự đoán Kết quả cho thấy rằng tỉ lệ hốc là nhân tố quan trọng nhất trong việc xác định độ dẫn điện chất điện phân và

Trang 25

hình dạng chi tiết Ảnh hưởng của những đặc tính chất điện phân được xem xét trong bài toán nghịch đảo và sai số gia công giảm xuống còn 0,002 với điều kiện gia công được lựa chọn hợp lý

Cải thiện độ chính xác gia công trong ECM bằng cách sử dụng điện cực dụng cụ rung với tần số thấp đã được nghiên cứu bởi S J Ebeid et al [9] Nghiên cứu nhấn mạnh việc phát triển mô hình toán để mô tả mối quan hệ tương quan

giữa các thông số gia công khác nhau như: hiệu điện thế, tốc độ ăn dao, nồng độ chất điện phân, áp suất, biên độ rung khi cắt để đạt được độ chính xác cao, bằng

cách sử dụng phương pháp đáp ứng bề mặt - Response Surface Methodology (RSM) Kết quả khi áp dụng điện cực rung dung cụ:

- Phá vỡ bề mặt oxit và kiểm soát được quá trình gia công ECM;

- Chất điện phân chảy tuần hoàn qua bề mặt tạo ra mật độ dòng điện gia công cao nhằm cải thiện bề mặt chi tiết

P S Pa [10] đã nghiên cứu về thiết kế điện cực trong công đoạn làm nhẵn

bề mặt gia công sau khi tiện

Chunhua Sun et al [11] đề xuất một phương pháp sử dụng phương pháp phần tử hữu hạn - Finite Element Method (FEM) cho thiết kế dụng cụ trong ECM Phương pháp này cho phép thiết kế dụng cụ trong không gian 3 chiều từ dữ liệu được quét của chi tiết, dựa vào công thức Laplace, phương pháp có thể giải quyết thiết kế dụng cụ ba kích thước và hiệu suất tính toán cao, độ chính xác gia công tốt Bên cạnh đó phương pháp này cũng kết hợp với CAD/CAM làm cho quy trình thiết kế dụng cụ tiết chi phí và rút ngắn thời gian hơn

J A Westley et al [12] và cộng sự đã nghiên cứu về dòng điện phân, các vấn đề xảy ra trong quá trình gia công điện hóa cũng như đưa ra giải pháp khắc

Trang 26

phục Bên cạnh đó một yêu cầu đặt ra đó là xem xét các yếu tố khác liên quan tới điện cực dụng cụ như cách nhiệt, nhân tố ảnh hưởng đến bề mặt gia công

Amalnik và McGeough [13] đã trình bày hệ thống dựa vào hiểu biết -

Intelligent Knowledge-Based System (IKBS) để đánh giá quá trình gia công điện

hóa, trong môi trường kỹ thuật đồng thời - Concurrent Engineering (CE) và dựa trên công cụ định hướng đối tượng Mười đặc tính kỹ thuật khác nhau được thu thập: 72 loại vật liệu, tám mảnh kim loại điện cực dụng cụ, hai loại chất điện phân, bảy kích thước khác nhau và các loại máy điện hóa được lưu trữ trong cơ sở dữ liệu Đối với mỗi tính năng thiết kế, thông tin cần thiết trong sản xuất, chẳng hạn như thời gian chu kỳ gia công và chi phí, tỷ lệ thâm nhập, hiệu quả sản xuất, tiêu thụ điện năng, lắp đặt máy và khấu hao được ước tính Cuối cùng, đối với cùng một đặc điểm kỹ thuật thiết kế, thời gian gia công được so sánh và đặt hàng, đối với các quy trình độc đáo thay thế của gia công điện hóa, điện và xả điện hóa

1.2.2 Chất lượng bề mặt chi tiết

Trong thực tế, chất lượng bề mặt gia công điện hóa liên quan đến dòng điện phân Dung dịch điện phân trong gia công điện hóa được bơm với vận tốc từ

10 – 30 m/s vào khe hở giữa hai điện cực để loại bỏ tạp chất (khí và cation kim loại) và nhiệt Joule Sự phân bố khí và nhiệt Joule ảnh hưởng đến độ dẫn điện và

độ nhám bề mặt Do đó, nhiều nghiên cứu đã tập trung vào việc xử lý khí và nhiệt Joule để có được độ nhám bề mặt thấp [3] Fan et al đã trình bày rằng quá trình chế tạo composite điện-từ có thể hiệu quả trong việc giảm độ nhám bề mặt [14] Ruszaj et al đã thu được bề mặt sau gia công tốt hơn bằng cách sử dụng xung điện cùng với rung động điện cực âm kết hợp sự trộn lẫn dung dịch điện phân – bột mài [15] El-Taweel et al [16] đã nghiên cứu tính khả thi của việc cải thiện chất lượng bề mặt thông qua kết hợp tiện điện hóa với ugia công con lăn sử dụng công cụ tối ưu Taguchi và kết quả cho thấy độ nhám bề mặt được cải thiện [16]

Trang 27

Ngoài ra có rất nhiều nghiên cứu về ảnh hưởng các thông số công nghệ khác nhau lên độ nhám bề mặt trong ECM, cũng như những nghiên cứu liên quan tới ECM trên thế giới, có thể kể đến một vài nghiên cứu gần đây như:

N.S.Qu et al [3] đã sử dụng dòng điện phân chảy rối, là một dòng chảy dao động theo chu kỳ của vận tốc và áp suất, lần đầu tiên được đưa vào quá trình gia công điện hóa để đưa ra kết quả thực nghiệm độ nhám bề mặt của Ti-6A1-4V Quá trình gia công điện hóa bị ảnh hưởng bởi dòng điện phân chảy rối bởi vì nó

có thể thay đổi sự truyền nhiệt trong quá trình gia công Độ nhám bề mặt thấp và tốc độ kim loại cao hơn nếu sử dụng dòng điện phân chảy rối với tần số và biên

độ thích hợp Hình 1.3 thể hiện bề mặt của dụng cụ, phôi và chi tiết:

Hình 1.3 Bề mặt của điện cực dụng cụ (Catot), phôi và chi tiết [3]

Trang 28

Hình 1.4 Bề mặt sau gia công a) dòng điện phân chảy đều b) sử dụng dòng điện phân chảy rối với tần số 10Hz và áp suất 0,2MPa [3]

Bề mặt sau gia công mịn hơn khi sử dụng dòng điện phân chảy rối ở tần

số 10Hz và 0,2 MPa được thể hiện ở hình 1.4

Hình 1.5 Hình dạng bề mặt mô phỏng 3D trên phần mềm a) sử dụng dòng điện phân thường b) sử dụng dòng điện phân chảy rối tần số 10Hz và áp

suất 0,2MPa [3]

Hình 1.5 Biên dạng bề mặt được mô phỏng 3D với dòng điện phân với tần

số 10 Hz và áp suất 0,2 MPa bề mặt ít nhấp nhô hơn dùng dòng điện phân truyền thống, kết quả chất lượng bề mặt tốt hơn

Trang 29

Hình 1.6 Ảnh hưởng của dòng điện phân lên cả độ nhám bề mặt và

năng suất gia công tại áp suất 0,2 MPa [3]

Ở hình 1.6 cho thấy ảnh hưởng của áp suất tới cả độ nhám bề mặt Ra và MRR Tại áp suất 0,1 MPa, độ nhám bề mặt Ra và MRR xấp xỉ 4,69 μm và 0,85 g/phút Khi áp suất tăng lên 0,2 MPa, độ nhám bề mặt giảm xuống còn 3,91 μm

và MRR tăng lên 0,90 g / phút Với áp suất tăng từ 0,2 đến 0,4 MPa, độ nhám bề mặt tăng lên và MRR giảm [3]

Hình 1.7 Ảnh hưởng của dòng điện phân lên độ nhám bề mặt và năng suất ở

tần số 5Hz [3]

Hình 1.7 cho thấy gia công điện hóa ECM với dòng điện một chiều độ

nhám bề mặt đạt Ra = 5,7μm, tốc độ bóc kim loại 0,85g/phút khi sử dụng dòng

Trang 30

điện phân ổn định, độ nhám bề mặt thấp nhất là 3,69μm và MRR là 0,92g/phút, kết quả này đạt được khi thực hiện thí nghiệm ở tần số 10Hz và áp suất 0,2MPa Trong gia công ECM với dòng điện xung, độ nhám bề mặt và tốc độ loại bỏ vật liệu đạt lần lượt 0,67μm và 0,38g/phút với dòng điện ổn định, theo thứ tự định sẵn, và cả hai có độ nhám bề mặt nhỏ nhất 0,53μm; độ nhám bề mặt tối ưu ở 0,39g/phút với tần số và áp suất thích hợp

Hình 1.8 Ảnh hưởng của dòng điện phân lên độ nhám và năng suất [3]

Hình 1.8 cho thấy sự thay đổi của độ nhám bề mặt Ra và MRR ở các tần

số dao động khác nhau Với một áp suất không đổi 0,4 MPa, độ nhám bề mặt Ra

và MRR thứ tự là 0,67 μm và 0,38 g/phút Khi tần số 1Hz và áp suất 0,2 MPa được đưa vào ECM thay vì dòng điện phân bơm đều, độ nhám bề mặt Ra tăng lên 0,98 μm và MRR giảm xuống 0,36 g/phút Khi tần số tăng lên 2Hz, độ nhám bề mặt Ra đột ngột giảm xuống 0,64 μm trong khi MRR vẫn ở mức 0,36 g/phút Khi tần số thay đổi từ 5 đến 10 Hz, đường cong thể hiện độ nhám bề mặt và MRR đều phẳng Ngoài ra, cả độ nhám bề mặt tối thiểu Ra 0,53 μm và MRR tối đa là 0,39 g/phút được quan sát ở tần số 10 Hz Khi tần số tiếp tục tăng lên 20 Hz, độ nhám

bề mặt Ra tăng lên 0,75 μm và MRR giảm xuống 0,37 g/phút

Trang 31

Hình 1.9 Ảnh hưởng của áp suất lên độ nhám và năng suất

Hình 1.9 thể hiện áp suất dòng chảy rối lên cả độ nhám bề mặt và năng

suất Ở áp suất của 0,1 MPa, độ nhám bề mặt Ra và MRR là 0,75 μm và 0,34 g/phút Khi khi áp suất lên 0,2 MPa, độ nhám bề mặt Ra đột ngột giảm xuống 0,54μm và MRR tăng lên 0,38 g/phút Độ nhám bề mặt tăng dần dần và MRR giảm dần khi áp suất dòng tăng lên 0,4 MPa

Weidong Liu et al [4] đã giới thiệu hợp kim TB6 (Ti-10V-2Fe-3Al) là vật liệu có xu hướng thay thế hợp kim Titan truyền thống trong ngành hàng không do nhiều tính chất ưu việt Tuy nhiên việc gia công hợp kim TB6 theo phương pháp gia công truyền thống lại đem lại hiệu suất làm việc thấp, độ mài mòn dụng cụ cao, độ chính xác gia công giảm, và độ nhám bề mặt kém Do đó, gia công điện hóa ECM là một trong những phương pháp gia công phi truyền thống thích hợp cho hợp kim Titan, nhưng hầu như chưa có nghiên cứu nào thực hiện trên TB6 Bài báo này nhằm mục đích nghiên cứu tính khả thi và lựa chọn các thông số công nghệ tối ưu cho quá trình gia công Jet-ECM của hợp kim Titan TB6 Hoạt tính tan của hợp kim TB6 trong Natri Nitrat (NaNO3) và chất điện phân Natri Clorua (NaCl) với nồng độ và nhiệt độ khác nhau được đưa ra phân tích Sau đó, xem xét ảnh hưởng các thông số công nghệ chính, bao gồm: nồng độ chất điện phân, điện

Trang 32

áp gia công, tốc độ dòng điện phân, khe hở giữa hai điện cực - Inter Electrode Gap (IEG), và hiệu suất gia công Từ thí nghiệm, các thông số tối ưu với điện áp 24V, khe hở giữa hai điện cực 0,6mm (IEG), 2,1lít/phút, và 15% Natri Clorid Các kết quả thí nghiệm bằng cách sử dụng các thông số tối ưu cho thấy rằng hiệu suất gia công đạt tốt, năng suất đạt 10,062g/phút, độ nhám bề mặt 0,231μm, độ nghiêng đạt 20,5, cắt lẹm 1,01mm

Hình 1.10 Bề mặt vùng gia công khi sử dụng dung dịch muối NaNO 3

Như đã thấy trong hình 1.11a, với điện áp tăng, vết lõm bề mặt giảm và

cắt lẹm – Average Overcut (AO) tăng dần Điều này là do điện trường tăng có thể gây ra sự ăn mòn bề mặt Ngoài ra, mặt cắt ngang của các vết lõm gia công với

nồng độ điện phân khác nhau được thể hiện trong hình 1.11b thu được bằng cách

quét đường dọc theo đường kính bằng cách sử dụng kính hiển vi laser đo 3D

Trang 33

(Olympus OLS4100) So sánh hình 1.11a, b, có thể thấy rằng nồng độ điện phân

cao đưa lại kết quả như khi hiệu điện thế tăng cao, dẫn đến AO lớn hơn và độ lún

nhỏ hơn Trong hình 1.11c cho thấy khe hở giữa hai điện cực lần lượt là 0,6mm

và 0,8mm thì độ lún và AO hầu như không đổi Nhưng khi sử dụng một khe hở quá nhỏ (0,4 mm), độ lún và AO đều tăng nhanh Kết quả này gây ra bởi tăng điện

trường và tốc độ dòng chảy giữa khe hở quá nhỏ Hình 1.11d cho thấy ảnh hưởng

của tốc độ dòng chảy lên độ chính xác gia công, ở tốc độ bơm quá nhanh 2,8 lít/phút có thể gây ra phá hủy bề mặt, nhưng ở mức dòng chảy thấp hơn 0,7 – 1,4 – 2,1 lít / phút thì độ chính xác gia công cao hơn

Hình 1.11 Ảnh hưởng thông số công nghệ lên độ chính xác gia công a)ảnh hưởng của hiệu điện thế và nồng độ chất điện phân b) ảnh hưởng của kích thướctrong (lỗ dung dịch điện phân chảy qua) của dụng cụ với nồng độ chất điện phân khác nhau c) ảnh hưởng khe hở hai điện cực d) ảnh hưởng

của tốc độ dòng khác nhau

Trang 34

1.2.3 Nồng độ chất điện phân

A K M De Sllva và cộng sự [17] nghiên cứu về quá trình gia công chính xác ECM, độ nhám bề mặt đạt Ra = 0,01 µm, độ chính xác gia công đạt ±2 µm, khe hở giữa hai điện cực gia công (< 50µm ) để gia công chi tiết có kích thước bề mặt 100 mm2 Các đặc tính của chất điện phân, đặc biệt là nồng độ đóng một vai trò quan trọng trong việc kiểm soát độ chính xác gia công Trong thí nghiệm, khoảng cách giữa hai điện cực thay đổi từ 10 – 200µm và nồng độ chất điện phân

từ 47 đến 229 g/l Với chất điện phân có nồng độ thấp mức độ hòa tan tốt hơn, đem lại độ chính xác cao hơn chất điện phân có nồng độ cao, điều này được xác nhận lại bằng hai mô hình gia công chính xác ECM

Petr Novak et al [18] nghiên cứu ảnh hưởng thành phần chất điện phân lên sự tương tác giữa các hạt những hợp kim Nickel và thép không gỉ Những hợp kim có gốc Nickel vẫn không bị ảnh hưởng khi pha tỉ lệ 15% + 20% + 65% , đồng thời không có dấu hiệu cho thấy thép không gỉ có sự va chạm giữa các hạt dù điều kiện gia công ECM như thế nào Chỉ có hợp kim E1617 có sự ăn mòn giữa các hạt khi gia công ECM

M.A Bejar và F Gutierrez [19] đưa ra những kết quả nghiên cứu về sự ảnh hưởng của cường độ dòng điện khi gia công thép gió bằng phương pháp ECM sử dụng chất điện phân Natri Nitrat Các thực nghiệm được tiến hành với dụng cụ điện cực đứng yên và hiệu điện thế là hằng số Khe hở giữa hai điện cực và cường

độ dòng là các đại lượng biến thiên theo thời gian Ảnh hưởng của mật độ dòng điện, nồng độ chất điện phân và nhiệt độ, lưu lượng dòng điện phân cũng được đưa vào xem xét Thí nghiệm được thực hiện với vật liệu chi tiết thép gió (điện cực dương), dụng cụ là thanh đồng (cực âm) với nồng độ chất điện phân với 3 mức khác nhau 2,5; 5 và 10% (tỉ lệ muối/nước) Kết quả thực nghiệm cho thấy rằng hiệu suất gia công phụ thuộc vào mật độ dòng điện, nồng độ, nhiệt độ và lưu lượng dòng điện phân

Trang 35

M.A Bejar và F Eterovich [20] đã nghiên cứu cắt dây điện hóa trên vật liệu thép ít cacbon, sử dụng chất điện phân NaNO3, thông số đầu vào tốc độ tiến điện cực và khe hở giữa hai điện cực Kết quả thực nghiệm cho phép kết luận rằng tốc

độ tiến điện cực tăng và độ chính xác gia công tốt hơn khi sử dụng dung dịch điện phân NaCl Nghiên cứu thực nghiệm được tiến hành khi sử dụng catot một dây đồng tròn cố định, đường kính trong d là 1,1 hoặc 0,55 mm Chất điện phân Natri Nitrat ở nhiệt đô 30oC, nồng độ 20% w/w Kết quả mức độ bóc vật liệu ở mặt sau nhưng mặt trước thì hầu như không loại bỏ lượng vật liệu Do đó, khoảng cách bên thu được với chất điện giải Natri Nitrat là hẹp hơn nhiều so với khoảng cách bên thu được với chất điện phân Natri Clorua

T Haisch et al [21] nghiên cứu ứng dụng gia công điện hóa trong công nghệ microsystem xem xét những khóa cạnh thông qua kính hiển vi bề mặt không đồng nhất của thép Mật độ dòng điện cao lên tới 70A/cm2 và dòng điện phân chảy rối được sử dụng trong thực nghiệm Tồn tại những hạt cacbua không được hòa tan, những hạt này làm cặn dung dịch điện phân và khi quét qua kính hiển vi và bị loại

Trang 36

quả đó cũng xác nhận tính hợp lệ và tính chính xác của mô hình toán mà tác giả đưa ra về sự ảnh hưởng của thông số công nghệ khác nhau về năng suất gia công

và hiện tượng cắt lẹm Sự kết hợp tối ưu các thông số công nghệ có thể được sử dụng để đạt lượng MRR tối đa và những ảnh hưởng cắt lẹm nhỏ nhất cho độ chính xác tối ưu về đặc điểm hình dạng

Purcar et al [24] đã đề xuất một mô hình phương pháp số chung áp dụng cho sự thay đổi hình dạng điện cực 3D thu được trong quá trình gia công điện hóa dựa vào phương pháp “đánh dấu” Thay đổi hình dạng điện cực được xác định bằng cách thay đổi tỉ lệ mỗi điểm nút và mật độ dòng điện theo định luật Faraday

Tỉ lệ tăng quỹ tích đạt được bằng sử dụng phương pháp phân tích bề mặt - Boundary Element Method (BEM)

Hewidy et al [25] trình bày một cách tiếp cận phân tích để thiết lập mô hình toán trong việc giá cơ chế bóc kim loại cho kỹ thuật kết hợp phương pháp gia công Ảnh hưởng của những thông số công nghệ đầu vào và sự rung động điện cực dụng cụ trong suốt quá trình gia công điện hóa Mô hình phân tích cho thấy rằng có mối quan hệ phức tạp giữa biên độ rung của dụng cụ và khe hở giữa hai điện cực, có thể dẫn đến thiệt hại về dụng cụ, nếu vấn đề chưa được xem xét

kỹ lưỡng

Xu Zhengyang et al [26] nghiên cứu tính khả thi của việc sử dụng gia công điện hóa để tạo ra các chi tiết trong động cơ máy bay từ một hợp kim Titan chống cháy (Ti40), mục đích giảm chi phí và nâng cao hiệu quả so với gia công

cơ truyền thống Thông qua nghiên cứu, chất điện phân bao gồm một hỗn hợp dung dịch Natri Clorua và Kali bromide (KBr), chất lượng bề mặt của phôi Ti40 được cải thiện bằng cách sử dụng dòng xung 1kHz hơn là dòng điện một chiều Hơn nữa, chất lượng các lỗ hổng được sản xuất bởi ECM và tốc độ bóc kim loại phụ thuộc vào tối ưu các thông số điện áp, áp suất đầu vào của chất điện phân, tốc

Trang 37

độ tiến catot và nồng độ chất điện phân Bằng cách tối ưu các thông số này, đã đạt được độ nhám bề mặt là 0,371 l/phút, tốc độ bóc kim loại hơn 3,1mm3/A.phút

Jerzy Kozak và Maria Zybura-Skrabalak [27] trình bày một số đặc điểm của ECM, như ảnh hưởng của cấu trúc không đồng nhất của vật liệu gia công và

sự không ổn định thủy động lực lớp bề mặt anot lên độ nhám bề mặt Một mô hình toán được thiết lập để mô phỏng hình dạng bề mặt trong quá trình gia công của hợp kim với cấu trúc không đồng nhất Kết quả mô phỏng máy tính và phân tích ảnh hưởng của các yếu tố công nghệ ECM khác nhau của vật liệu gia công, đối với độ nhám bề mặt và các thông số công nghệ hợp lý

Milan Kumar Das et al [28] nghiên cứu ảnh hưởng của thông số công nghệ lên tốc độ bóc vật liệu MRR và đặc tính độ nhám bề mặt (Ra; Rq; Rsk; Rku; Rsm)

và tối ưu thông số công nghệ trong gia công ECM của thép dụng cụ EN31 sử dụng phân tích quan hệ xám - Grey Relation Analysis (GRA) Thực nghiệm được tiến hành dựa vào ma trận trực giao - Orthogonal Array (OA) L27 của phương pháp phân tích Taguchi cùng với bốn thông số nồng độ chất điện phân, tốc độ tiến catot, điện áp và khe hở giữa hai điệc cực Phân tích phương sai một yếu tố - Analysis of Variance (ANOVA) được thực hiện và cho kết quả nồng độ chất điện phân là một thông số quan trọng ảnh hưởng đến quá trình gia công Kết quả thực nghiệm kết hợp tối ưu các thông số cho ra kết quả nồng độ chất điện phân 10%, điện áp 10V, tốc độ tiến điện cực 0,25mm/phút và khoảng cách giữa hai điện cực 0,2mm với MRR đạt tối đa và độ nhám bề mặt nhỏ nhất Sử dụng kính hiển vi điển tử (SEM) được sử dụng để quan sát Cuối cùng, hình ảnh kính hiển vi quét điện tử (SEM) được sử dụng để quan sát hình dạng và cấu trúc bề mặt

M Sankar et al [29] trình bày ứng dụng phương pháp bề mặt đáp ứng bề mặt - Response Surface Methodology (RSM) để tối ưu hóa các thông số gia công với nhiều phản ứng trong quá trình gia công điện hóa (ECM) của vật liệu

Trang 38

composite kim loại 7075 Al/B4C Các thí nghiệm đã được tiến hành trên thiết bị ECM METATECH và ma trận trực giao L Những thông số công nghệ cụ thể: điện áp, tốc độ tiến catot, cường độ dòng điện được tối ưu hóa dựa trên nhiều thí nghiệm Tối ưu các thông số công nghệ sử dụng phương pháp bề mặt đáp ứng và phân tích ANOVA Kết quả cho thấy tốc độ tiến điện cực và điện áp là hai thông

số ảnh hưởng nhất đến quá trình gia công

1.3 Tổng quan về phương pháp gia công điện hóa

1.3.1 Nguyên lý gia công điện hóa [30]

Phương pháp gia công điện hóa - Electrochemical machining (ECM) dựa trên cơ

sở hòa tan điện cực dương trong quá trình điện hóa (điện phân) trong một pin điện Hiện tượng điện phân là tên gọi của một quá trình xảy ra khi một dòng điện được truyền qua hai điện cực được nhúng trong một dung dịch điện phân Hệ thống bao gồm các điện cực

và dung dịch điện phân được gọi là pin điện, phản ứng hóa học xảy ra tại các điện cực

gọi là phản ứng catot hoặc phản ứng anot Hình 1.12 là ví dụ một điện cực sắt được nối

vào nguồn điện một chiều, hai điện cực đặt trong bể dung dịch NaCl

Hình 1.12 Quá trình điện phân [30]

Trang 39

Một ampe kế trong mạch sẽ cho ta biết dòng điện hiện tại Với một số dòng điện xác định, người ta biết được tính dẫn điện của dung dịch NaCl

Hình 1.12 cho thấy phản ứng hòa tan sắt trong dung dịch NaCl:

Tại anot: FeFe2e

Tại catot: phản ứng tương tự tạo ra khí hydro và ion hydroxyl

2

Hình 1.13 Sơ đồ phản ứng điện phân của sắt trong dung dịch NaCl [33]

Mặc dù được hình thành từ dung dịch điện phân nhưng các muối trong dung dịch không mất đi, chỉ một phần nước bị phản ứng trong quá trình điện phân nhưng để giữ nồng độ dung dịch là hằng số, cần phải thêm nước vào Với dung dịch điện phân tổng hợp, quá trình điện phân là một quá trình phức tạp trong đó sắt bị hòa tan tại anot, và khí hydro được tạo ra ở catot

Trang 40

Phương pháp gia công điện hóa lấy kim loại bằng cách hòa tan anot có nhiều thuận tiện so với phương pháp khác Kim loại được lấy đi tương tự như hình dáng điện cực dụng cụ, thậm chí có những hình dáng đặc biệt, kích thước và

bề mặt hoàn tất

Bảng 1.1 Các thông số điển hình gia công điện hóa [30]

Nguồn điện Loại DC – một chiều

Chi tiết dạng khối 0,1mm

Độ nhám bề mặt Ra 0,1-2,5mm

Một hệ thống gia công điện hóa thường bao gồm bốn thành phần chính sau:

- Máy gia công điện hóa

Định dạng
Số trang	121
Dung lượng	4,01 MB