Đang tải... (xem toàn văn)
Bài báo này trình bày việc tối ưu hóa năng suất bóc tách vật liệu MRR (Material removal rate) bằng phương pháp Taguchi với 4 thông số công nghệ đầu vào là: cường độ dòng điện (I); điện áp khe hở phóng điện (U); thời gian phóng điện (Ton); thời gian ngừng phóng điện (Toff), một thông số đầu ra là năng suất bóc tách vật liệu (MRR)
KHOA HỌC CÔNG NGHỆ P-ISSN 1859-3585 E-ISSN 2615-9619 NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA THÔNG SỐ CÔNG NGHỆ ĐẾN NĂNG SUẤT BĨC TÁCH VẬT LIỆU, KHI GIA CƠNG BẰNG TIA LỬA ĐIỆN TRÊN MÁY XUNG ĐIỆN BẰNG ĐIỆN CỰC ĐỒNG INVESTIGATION IN INFLUENCE OF TECHNOLOGY PARAMETERS ON MATERIAL REMOVAL RATE, PROCCESSING BY ELECTRIC DISCHARGEMACHINING USINGCOPPER ELECTRODE Nguyễn Văn Đức*, Vũ Đình Tồn TĨM TẮT Gia cơng tia lửa điện (Electrical Discharge Machining - EDM) công nghệ quan trọng phổ biến giới [1, 5], ứng dụng gia công vật liệu cứng qua nhiệt luyện ngành sản xuất khuôn mẫu Tối ưu hóa thơng số cơng nghệ nhận quan tâm chuyên gia lĩnh vực EDM Bài báo trình bày việc tối ưu hóa suất bóc tách vật liệu MRR (Material removal rate) phương pháp Taguchi với thông số công nghệ đầu vào là: cường độ dòng điện (I); điện áp khe hở phóng điện (U); thời gian phóng điện (Ton); thời gian ngừng phóng điện (Toff), thơng số đầu suất bóc tách vật liệu (MRR) Ma trận trực giao L25 phương pháp Taguchi sử dụng để thiết kế thí nghiệm Kết rằng, thơng số tối ưu tốn đơn mục tiêu gia công thép SKD11 EDM I = 5A; Ton = 18µs, Toff = 37µs; U = 60V làm giảm đáng kể thời gian chi phí làm thí nghiệm Từ khóa: Máy xung điện, thép SKD11, suất bóc tách vật liệu ĐẶT VẤN ĐỀ Gia công tia lửa điện EDM phương pháp gia công vật liệu dẫn điện cách sử dụng lượng nhiệt tia lửa điện để làm nóng chảy bốc vật liệu gia cơngcó độ cứng cao Phương pháp có suất khơng cao, để lại bề mặt chi tiết gia công lớp trắng có độ cứng khác với lớp kim loại Bài báo trình bày nghiên cứu sử dụng tiêu suất bóc tách vật liệu để tối ưu hóa thông số công nghệ đầu vào gồm I, U, Ton, Toff Phương pháp Taguchi sử dụng để thiết kế thí nghiệm tối ưu hóa gia cơng EDM, gia công thép SKD11 nhiệt luyện, sử dụng điện cực đồng THIẾT BỊ THỰC NGHIỆM ABSTRACT Electrical Discharge Machining (EDM) is one of the most important and popular technologies in the world today [1, 5], applyingin machining the hard materials with heat treatment in the mold manufacturing industry Optimization of technology parameters receives the attention of experts in the EDM field This paper presents the material removal rate (MRR) optimization by Taguchi method with input technology parameters: amperage (I); discharge gap voltage (U); discharge on time (Ton); discharge off time (Toff), one output parameter is material removal rate (MRR) Orthogonal matrix L25 in Taguchi method was used to design the experiment The results showed that, the optimal parameter of SKD11 steel processing single-goal problem in EDM is I = 5A; Ton = 18µs, Toff = 37µs; U = 60V significantly reduces the time and cost of doing the experiment Keywords: EDM, SKD11 toolsteel, material removal rate Trường Đại học Công nghiệp Hà Nội * Email: nguyenvanduc197@gmail.com Ngày nhận bài: 05/01/2021 Ngày nhận sửa sau phản biện: 05/3/2021 Ngày chấp nhận đăng: 25/4/2021 58 Tạp chí KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ ● Tập 57 - Số (4/2021) Hình Máy xung điện CM 323C Thí nghiệm thực máy xung điện CM 323C (Đài Loan), Trung tâm Hồng Hải, Đại học Công nghiệp Hà Nội (hình 1) Thép làm khn SKD11 nhiệt luyện đạt độ cứng 58 - 62HRC có kích thước 20x20x20mm (hình 2) Điện cực đồng đường kính Ø16, chiều dài 35mm (hình 2) Dung dịch điện mơi dầu D323 Đo khối lượng Website: https://tapchikhcn.haui.edu.vn SCIENCE - TECHNOLOGY P-ISSN 1859-3585 E-ISSN 2615-9619 phôi trước sau gia công cân điện tử AJ 203, Nhật Bản sản xuất (hình 3), khối lượng lớn mà cân cân 200g, độ xác 0,001g Thực lần đo mẫu phôi kết giá trị trung bình lần đo Xác định lượng bóc tách vật liệu khối lượng trước gia công trừ khối lượng sau gia cơng Hình Phơi điện cực dùng thí nghiệm Hình Cân điện tử AJ 203 XÂY DỰNG QUY HOẠCH THỰC NGHIỆM Việc lựa chọn ma trận thiết kế thí nghiệm Taguchi phụ thuộc vào số lượng thơng số cơng nghệ mức khảo sát [2, 3] Trong nghiên cứu này, bốn thông số công nghệ (U, I, Ton Toff) ảnh hưởng lớn đến suất gia công lựa chọn với mức thông số (bảng 1) Bậc tự ma trận thí nghiệm 16 Như vậy, bảng thiết kế thí nghiệm Taguchi phù hợp với nghiên cứu L25 Quá trình thực nghiệm tiến hành với ma trận thực nghiệm bảng 2; thông số ma trận bảng Các thông số thực nghiệm: thông số đầu vào; mức Bảng Các thông số đầu vào mức thông số A B C D I (A) U (V) Ton(µs) Toff(µs) 1 30 18 2 40 25 12 3 50 37 18 4 60 50 25 5 70 75 37 Mức Website: https://tapchikhcn.haui.edu.vn Bảng Ma trận thí nghiệm TT A B C D I (A) U (V) Ton(µs) Toff (µs) 1 1 2 2 3 3 4 4 5 5 2 2 10 11 3 12 13 3 14 15 16 4 17 18 4 19 4 20 21 5 22 5 23 24 25 5 Bảng Thông số ma trận thí nghiệm A B C D I (A) U (V) Ton(µs) Toff (µs) 1 30 18 40 25 12 50 37 18 60 50 25 70 75 37 30 25 18 40 37 25 50 50 37 60 75 10 70 18 12 11 30 37 37 12 40 50 13 50 75 12 TT Vol 57 - No (Apr 2021) ● Journal of SCIENCE & TECHNOLOGY 59 KHOA HỌC CÔNG NGHỆ P-ISSN 1859-3585 E-ISSN 2615-9619 14 60 18 18 15 70 25 25 16 30 50 12 17 40 75 18 18 50 18 25 19 60 25 37 20 70 37 21 30 75 25 22 40 18 37 23 50 25 24 60 37 12 25 70 50 18 Bảng Kết thí nghiệm Exp I (A) U (V) Ton(µs) 1 30 40 Hình Đồ thị thống kê số dư cho tỷ số S/N MRR a) So sánh với phân bố chuẩn b) Sự phân bố số dư c) Tần suất xuất d) Số dư thí nghiệm Toff (µs) MRR(mg/ph) 18 1,450 25 12 0,983 50 37 18 1,022 60 50 25 0,722 70 75 37 0,744 30 25 18 9,083 40 37 25 6,416 50 50 37 5,366 60 75 3,500 10 70 18 12 6,750 Hình Đồ thị thống kê số dư trung bình MRR 11 30 37 37 12,225 Nhận xét kết từ hình 5: 12 40 50 4,375 13 50 75 12 3,800 14 60 18 18 14,475 15 70 25 25 12,733 16 30 50 12 9,133 17 40 75 18 9,500 18 50 18 25 34,739 19 60 25 37 31,250 20 70 37 16,300 21 30 75 25 17,600 22 40 18 37 41,700 23 50 25 25,900 24 60 37 12 25,300 25 70 50 18 26,300 KIỂM TRA ĐỘ TIN CẬY CỦA SỐ LIỆU THÍ NGHIỆM Dữ liệu thí nghiệm phải kiểm tra độ sai lệch mức độ phù hợp chúng Kết kiểm tra số liệu thể hình (sử dùng phần mềm Minitab18[4] để phân tích) 60 Tạp chí KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ ● Tập 57 - Số (4/2021) - Các hình a so sánh với phân bố chuẩn cho thấy điểm số liệu phân bố theo đường thẳng, có giá trị ngoại lai không đáng kể Điều chứng tỏ số liệu phân bố bình thường khơng có sai lệch số liệu - Các hình b phân bố số dư ngẫu nhiên số liệu hai phía đường 0, điểm phân bố ngẫu nhiên, không theo quy luật chứng tỏ liệu y nhận không bị ảnh hưởng yếu tố điều khiển có quy luật khác ngồi x - Các hình c thể tần suất xuất số dư Phần nhô cao cột phân bố hình độ sai lệch kết Khoảng cách cột phân bố giá trị ngoại lai kết xuất giá trị thực nghiệm sơ đồ liệu xu hướng phân bố chuẩn Vì vậy, giá trị số liệu khảo sát theo mơ hình thiết kế thí nghiệm Taguchi phù hợp - Các hình d sơ đồ số dư thí nghiệm, khảo sát theo thứ tự thí nghiệm để tìm lỗi khơng ngẫu nhiên Các điểm phân bố ngẫu nhiên không theo quy luật, chứng tỏ liệu y nhập không bị ảnh hưởng yếu tố thời gian Website: https://tapchikhcn.haui.edu.vn SCIENCE - TECHNOLOGY P-ISSN 1859-3585 E-ISSN 2615-9619 PHÂN TÍCH ẢNH HƯỞNG CỦA CÁC THƠNG SỐ ĐẾN NĂNG SUẤT BĨC TÁCH VẬT LIỆU gian không thay đổi, mà Ton tăng làm cho khả rửa thoát phoi dẫn đến MRR giảm; Phân tích ANOVA suất bóc tách MRR với độ tin cậy 90% thể bảng Thơng số có giá trị F lớn có ảnh hưởng mạnh đến kết đầu Bảng cho thấy cường độ dòng điện (F = 381,86) ảnh hưởng mạnh đến MRR, sau đến thời gian phóng điện Ton (F = 38,77), tiếp đến Toff (F = 9,35), ảnh hưởng yếu đến MRR U (F = 1,52) Bảng có ảnh hưởng thông số đến MRR là: I = 67%; Ton = 19,5%; Toff = 9,5%; U = 4% Bảng ANOVA giá trị MRR - Thời gian ngừng phóng điện tăng từ đến 37µs MRR tăng khả rửa thoát phoi tăng lên; Thông số I (A) U (B) Ton (C) Toff (D) Lỗi Tổng cộng DF 4 4 24 SS 2486,75 9,90 252,49 60,88 13,02 2823,05 V 621,688 2,475 63,123 15,221 1,628 F 381,86 1,52 38,77 9,35 P 0,000 0,284 0,000 0,004 Bảng Mức độ ảnh hưởng thông số đầu vào đến MRR Mức I U Ton Toff -0,4261 17,6519 21,2490 15,8876 15,4741 16,1546 19,8555 15,0615 18,2942 17,0920 18,0771 18,1039 24,7448 17,8448 14,4389 18,2282 28,4081 17,7518 12,8746 19,2138 Chênh lệch 28,8342 1,6902 8,3743 4,1523 Xếp hạng ảnh hưởng Main Effects Plot for SN ratios of SNbình ratiostỷ lệ S/N Giá Mean trị trung Ảnh hưởng tỷ số S/N Data Means I U Ton Toff 30 25 20 - Điện áp khe hở ảnh hưởng đến MRR TỐI ƯU HÓA MRR THEO PHƯƠNG PHÁP TAGUCHI Đặc trưng tỷ số S/N MRR là: “Cao tốt hơn”, xác định cơng thức [3]: (S/N)HB = -10log(MSDHB) (1) r Trong đó: MSD HB 12 r i1 yi MSDHB: Sai lệch bình phương trung bình; r: Số lần kiểm tra thí nghiệm (số lần lặp); yi: Các giá trị thí nghiệm Bảng ANOVA trị số tỷ số S/N MRR Thông số DF SS V F P I (A) 2300,63 575,16 32,13 0,000 U (B) 77,13 19,28 1,08 0,428 Ton (C) 530,98 132,75 7,41 0,008 Toff (D) 261,09 65,27 3,65 0,050 Lỗi 143,22 17,90 Tổng cộng 24 3313,05 Bảng Mức độ ảnh hưởng thông số đầu vào đến tỷ số S/N MRR Mức I U Ton Toff 0,9842 9,8982 19,8228 10,3050 6,2230 12,5948 15,9898 9,1932 9,5216 14,1654 12,2526 12,0760 20,1844 15,0494 9,1792 14,4420 27,3600 12,5654 7,0288 18,2570 Chênh lệch 26,3758 5,1512 12,7940 9,0638 Xếp hạng ảnh hưởng 15 10 5 30 40 50 60 70 18 25 37 50 75 12 18 25 37 Signal-to-noise: Larger is better Lớn tốt Hình Ảnh hưởng thông số đầu vào đến MRR Ảnh hưởng thông số đến MRR thể hình 6: - MRR tăng I tăng từ đến 5A, cường độ dòng điện tăng dẫn đến lượng xung tăng, phơi bị nóng chảy bốc tăng MRR lớn I = 5A; - Thời gian phóng điện tăng từ 18 đến 75µs MRR giảm đều, chu kỳ gia cơng khơng thay đổi (Ton /(Ton + Toff)) tổng thời gian phóng điện đơn vị thời Website: https://tapchikhcn.haui.edu.vn Hình Ảnh hưởng thơng số đầu vào đến tỷ số S/N MRR Bảng kết ANOVA trị số S/N MRR với khoảng tin cậy 90% So sánh trị số F tính tốn Vol 57 - No (Apr 2021) ● Journal of SCIENCE & TECHNOLOGY 61 KHOA HỌC CƠNG NGHỆ P-ISSN 1859-3585 E-ISSN 2615-9619 thơng số với trị số F bảng cho thấy: cường độ dòng điện (F = 32,13), Ton (F = 7,41), Toff (F = 3,65) thơng số có ảnh hưởng mạnh đến tỷ số S/N MRR (bảng 8) Thông số cịn lại có ảnh hưởng yếu đến tỷ số S/N MRR (hình 7) Giá trị tối ưu ước tính thơng số có ảnh hưởng mạnh xác định theo công thức [3]: MRRtối ưu = A5 + C1 + D5 – 2T (2) Trong đó: T: Trị số trung bình đặc trưng khảo sát (lượng bóc tách vật liệu MRR); A5, C1, D5: Trị số trung bình mức A5, C1, D5; A5: MRR với cường độ dòng điện 5A, A5 = 27,36 mg/phút (bảng 8); C1: MRR với thời gian phát xung, C1 = 19,823 mg/phút (bảng 8); D5: MRR với thời gian ngừng phát xung, D5 = 18,257 mg/phút (bảng 8) = ∑ ∑ ∑ =12,855 mg/phút TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Vũ Hồi Ân, 2005 Gia cơng tia lửa điện CNC Nhà xuất Khoa học Kỹ thuật [2] Nguyễn Doãn Ý, 2003 Quy hoạch thực nghiệm NXB Khoa học kỹ thuật [3] Ranjit Roy, 1990 A-Primer-on-the-Taguchi-Method Library of Congress Catalog Card Number89-14736 ISBN 0-442-23729-4, Printed in the United States of America [4] Minitab18 Internet:https://www.minitab.com/en-us/, 18/7/2017 [5] Elman C.Jameson, 2001 Electrical Discharge Machining International Standard BookNumber: 0-87263-521-X Printed in the United States of America AUTHORS INFORMATION Nguyen Van Duc, Vu Dinh Toan Hanoi University Of Industry (3) Thay số: MRRtối ưu= 27,36 + 19,823 + 18,257 – 2.12,855 = 39,73 mg/phút - Thực nghiệm kiểm chứng tiến hành với phôi SKD11 nhiệt luyện, với cường độ dịng điện 5A; Ton = 18µs, Toff = 37µs; U = 60V Kết MRR = 37,49 mg/phút Vậy trị số sai lệch kết tính tốn kết thực nghiệm 5,6% Chứng tỏ mơ hình tính tốn hồn tồn dự đốn MRR KẾT LUẬN Trong nghiên cứu này, thông số công nghệ xung tia lửa điện thép SKD11, điện cực đồng tối ưu hóa đơn mục tiêu, với tiêu suất bóc tách vật liệu MRR Bộ thông số công nghệ tối ưu I = 5A; Ton = 18µs, Toff = 37µs; U = 60V Trị số tối ưu MRR = 39,73 mg/phút Kết chứng tỏ phương pháp Taguchi để thiết kế thí nghiệm tối ưu hóa đơn mục tiêu hữu hiệu lĩnh vực EDM 62 Tạp chí KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ ● Tập 57 - Số (4/2021) Website: https://tapchikhcn.haui.edu.vn ... phụ thuộc vào số lượng thông số công nghệ mức khảo sát [2, 3] Trong nghiên cứu này, bốn thông số công nghệ (U, I, Ton Toff) ảnh hưởng lớn đến suất gia công lựa chọn với mức thông số (bảng 1) Bậc... 2615-9619 PHÂN TÍCH ẢNH HƯỞNG CỦA CÁC THƠNG SỐ ĐẾN NĂNG SUẤT BĨC TÁCH VẬT LIỆU gian không thay đổi, mà Ton tăng làm cho khả rửa thoát phoi dẫn đến MRR giảm; Phân tích ANOVA suất bóc tách MRR với độ... Vậy trị số sai lệch kết tính tốn kết thực nghiệm 5,6% Chứng tỏ mơ hình tính tốn hồn tồn dự đoán MRR KẾT LUẬN Trong nghiên cứu này, thông số công nghệ xung tia lửa điện thép SKD11, điện cực đồng