Luận án Tiến sĩ Kĩ thuật cơ khí: Nghiên cứu quá trình gia công tia lửa điện trong dung dịch có trộn bột titan kết hợp hệ thống rung động tần số thấp trên chi tiết

Chia sẻ: Dopamine Grabbi | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:132

Thêm vào BST

Báo xấu

17
lượt xem 4
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Mục tiêu của đề tài nhằm nghiên cứu tính hiệu quả của phương pháp PMEDM dưới dòng phun áp lực cao và so sánh với phương pháp PMEDM thông thường thông qua đánh giá ảnh hưởng của quá trình gia công vật liệu thép SKD61; nghiên cứu tính hiệu quả của phương pháp V- PMEDM đặt vào phôi và so sánh với phương pháp PMEDM thông thường thông qua đánh giá ảnh hưởng của quá trình gia công vật liệu thép SKD61. Mời các bạn tham khảo nội dung đề tài!

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Luận án Tiến sĩ Kĩ thuật cơ khí: Nghiên cứu quá trình gia công tia lửa điện trong dung dịch có trộn bột titan kết hợp hệ thống rung động tần số thấp trên chi tiết

LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan nội dung luận án là công trình nghiên cứu của riêng tôi. Tất cả các số liệu và kết quả nghiên cứu trong luận án là trung thực và chƣa từng đƣợc công bố trong bất kỳ công trình nghiên cứu nào khác. HƢỚNG DẪN KHOA HỌC NGHIÊN CỨU SINH GS.TSKH Bành Tiến Long Lê Quang Dũng i
LỜI CẢM ƠN Tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành và sâu sắc nhất tới GS.TSKH.NGND Bành Tiến Long , người Thầy đã tận tình hướng dẫn, động viên tôi, giúp đỡ tôi vượt qua những khó khăn để hoàn thành luận án này. Tôi xin chân thành cảm ơn Ban lãnh đạo Trường Đại học Bách khoa Hà Nội, Phòng Đào tạo, Viện Cơ khí, Bộ môn Gia công vật liệu và Dụng cụ công nghiệp đã tạo mọi điều kiện thuận lợi và giúp đỡ tôi hoàn thành luận án này. Tôi xin chân thành cảm ơn Khoa Cơ khí, Trung tâm Hồng Hải – Foxconn, Trường Đại học Công nghiệp Hà Nội đã tạo mọi điều kiện thuận lợi và giúp đỡ tôi hoàn thành thực nghiệm luận án này. Tôi xin gửi lời cảm ơn tới Ban lãnh đạo Trường, Khoa Cơ khí, Bộ môn Cơ điện tử, Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Hưng Yên đã tạo mọi điều kiện và giúp đỡ tôi hoàn thành luận án. Tôi xin cảm ơn bạn bè, đồng nghiệp đã luôn động viên, giúp đỡ tôi. Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới gia đình đã luôn bên cạnh, động viên, giúp đỡ tôi, chia sẻ những khó khăn để tôi hoàn thành luận án. Hà Nội, ngày…. tháng… năm 2021 Nghiên cứu sinh Lê Quang Dũng ii
MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN ............................................................................................... i LỜI CẢM ƠN.................................................................................................... ii MỤC LỤC ........................................................................................................ iii DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU ........................................................................ viii DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT .................................................................. ix DANH MỤC HÌNH VẼ .....................................................................................x DANH MỤC BẢNG BIỂU ............................................................................ xiii PHẦN MỞ ĐẦU ................................................................................................1 1. Tính cấp thiết của đề tài nghiên cứu .......................................................................1 2. Mục đích, đối tƣợng, phạm vi nghiên cứu ..............................................................2 2.1 Mục đích nghiên cứu .............................................................................................2 2.2 Đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu .........................................................................3 3. Phƣơng pháp nghiên cứu.........................................................................................3 4. Ý nghĩa khoa học và ý nghĩa thực tiễn của đề tài ...................................................3 5. Những đóng góp mới của luận án ...........................................................................4 6. Cấu trúc nội dung luận án .......................................................................................5 CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ GIA CÔNG XUNG ĐIỆN (EDM) VÀ GIA CÔNG XUNG ĐIỆN CÓ TRỘN BỘT (PMEDM). ...................................................6 1.1. Khái quát về phƣơng pháp xung định hình ..........................................................6 1.1.1. Nguyên lý gia công EDM .................................................................................6 1.1.2. Nguyên lý gia công PMEDM ............................................................................8 1.2 Sự phát triển công nghệ và những nghiên cứu trong lĩnh vực PMEDM ..............9 1.2.1 Tình hình nghiên cứu PMEDM trên thế giới: ....................................................9 1.2.1 .1 PMEDM với mục tiêu nâng cao năng suất bóc tách vật liệu. ........................9 1.2.1.2 Giảm mòn điện cực dụng cụ (EWR) trong PMEDM....................................13 iii
1.2.1.3. Hƣớng khảo sát trong PMEDM ...................................................................14 1.2.1.4 Ảnh hƣởng của vật liệu bột và nồng độ bột đến PMEDM............................16 1.2.2 Tình hình nghiên cứu PMEDM trong nƣớc .....................................................17 1.3 Ứng dụng của phƣơng pháp gia công xung PMEDM.........................................19 1.4 Nâng cao chất lƣợng bề mặt xung định hình với phƣơng pháp rung. .................20 Kết luận chƣơng 1 .....................................................................................................21 CHƢƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT CỦA PHƢƠNG PHÁP GIA CÔNG XUNG ĐIỆN CÓ TRỘN BỘT TÍCH HỢP RUNG ĐỘNG .....................................23 2.1. Các thông số công nghệ trong PMEDM có tích hợp rung động ........................23 2.1.1 Các thông số công nghệ của phƣơng pháp xung định hình .............................23 2.1.1.1. Điện áp phóng tia lửa điện ...........................................................................23 2.1.1.2. Cƣờng độ dòng điện .....................................................................................23 2.1.1.3. Thời gian phát xung và thời gian ngừng phát xung .....................................24 2.1.1.4. Dạng sóng xung............................................................................................25 2.1.1.5. Sự phân cực ..................................................................................................26 2.1.1.6. Khe hở phóng điện() ..................................................................................26 2.1.1.7. Dung dịch điện môi ......................................................................................26 2.1.1.8. Điện cực (dụng cụ) .......................................................................................27 2.2 Ảnh hƣởng bột trộn trong dung dịch điện môi trong EDM (PMEDM) .............28 2.2.1 Lực tác động lên hạt bột trong dung dịch điện môi .........................................28 2.2.2 Ảnh hƣởng của bột đến độ bền cách điện của dung dịch điện môi .................30 2.2.3 Ảnh hƣởng của bột đến độ lớn khe hở phóng điện ..........................................30 2.2.4 Ảnh hƣởng của bột đến điện dung ...................................................................32 2.2.5 Ảnh hƣởng của bột đến đƣờng kính plasma hồ quang ....................................33 2.3 Ảnh hƣởng của rung động gán vào phôi trong EDM..........................................34 2.3.1. Mô hình toán học của tấm rung động .............................................................34 iv
2.3.2 Khoảng cách khe hở và áp suất vòi phun trong EDM với rung động gán vào phôi ............................................................................................................................35 2.3.3. Mô hình hóa sự thay đổi của áp suất dung dịch điện môi trong khe hở điện cực – phôi có hỗ trợ rung động .................................................................................37 2.3.4 Tích hợp rung động siêu âm vào điện cực .......................................................38 2.3.5 Tích hợp rung động tần số thấp vào phôi .........................................................40 CHƢƠNG 3: THỰC NGHIỆM KHẢO SÁT ẢNH HƢỞNG CỦA BỘT VÀ RUNG ĐỘNG ĐẾN HIỆU QUẢ GIA CÔNG XUNG ĐIỆN ..................................42 3.1. Mục đích.............................................................................................................42 3.2. Điều kiện thực nghiệm khảo sát .........................................................................42 3.2.1. Vật liệu thí nghiệm ..........................................................................................42 3.2.2. Dung dịch điện môi .........................................................................................43 3.2.3. Thiết bị thực nghiệm .......................................................................................43 3.2.3.1. Máy xung định hình .....................................................................................43 3.2.3.2. Thiết bị tạo rung ...........................................................................................44 3.2.3.3. Sơ đồ gán rung động trong xung định hình..................................................45 3.2.4. Thiết bị đo .......................................................................................................46 3.2.4.1. Cân điện tử ...................................................................................................46 3.2.4.2. Máy đo độ nhám ..........................................................................................46 3.3 Nghiên cứu ảnh hƣởng của nồng độ bột trong gia công PMEDM .....................47 3.4 Nghiên cứu ảnh hƣởng của áp suất dòng phun dung môi trong gia công PMEDM ....................................................................................................................49 3.5. Nghiên cứu ảnh hƣởng PMEDM tích hợp rung động đến chi tiết gia công ......51 3.5.1 Ảnh hƣởng của V-PMEDM đến năng suất bóc tách và độ mòn điện cực .......51 3.5.1.1. Ảnh hƣởng của tần số F và biên độ A của rung động đến năng suất MRR .53 3.5.1.2. Ảnh hƣởng của tần số F và biên độ A đến độ mòn điện cực EWR .............56 3.5.2 Ảnh hƣởng của V-PMEDM đến chất lƣợng bề mặt sau gia công ...................58 v
3.5.2.1. Ảnh hƣởng của V-PMEDM đến nhám bề mặt gia công (Ra) ......................58 3.5.2.2. Ảnh hƣởng của V-PMEDM đến độ cứng tế vi của bề mặt gia công (HV) ..59 3.6 So sánh sự ảnh hƣởng của rung động đến EDM và PMEDM. ...........................61 3.6.1. Ảnh hƣởng đến năng suất gia công .................................................................61 3.6.2. Ảnh hƣởng đến nhám bề mặt gia công (Ra) ....................................................62 3.7. Kết luận: .............................................................................................................63 CHƢƠNG 4: XÁC ĐỊNH BỘ THÔNG SỐ CÔNG NGHỆ HỢP LÝ TRONG PMEDM VỚI RUNG ĐỘNG GÁN TRÊN PHÔI....................................................65 4.1. Phƣơng pháp nghiên cứu....................................................................................65 4.1.1 Phƣơng pháp xác định bộ thông số công nghệ trong bài toán đơn mục tiêu ...65 4.1.2. Phƣơng pháp xác định bộ thông số công nghệ trong bài toán đa mục tiêu ....69 4.1.2.1 Phƣơng pháp Topsis ......................................................................................69 4.1.2.2. Phƣơng pháp xác định trọng số bằng AHP ..................................................71 4.2. Thực nghiệm nghiên cứu....................................................................................74 4.2.1. Xây dựng bộ thông số đầu vào ........................................................................74 4.2.2. Xây dựng ma trận thực nghiệm .......................................................................74 4.3. Bài toán đơn mục tiêu ........................................................................................76 4.3.1. Năng suất gia công ..........................................................................................76 4.3.1.1. Ảnh hƣởng của các thông số đến năng suất gia công ..................................76 4.3.1.2. Xác định bộ thông số công nghệ hợp lý .......................................................79 4.3.2. Tỷ lệ mòn điện cực ..........................................................................................80 4.3.2.1. Ảnh hƣởng của các thông số đến tỷ lệ giữa mòn điện cực và năng suất gia công. ..........................................................................................................................80 4.3.2.2. Xác định bộ thông số công nghệ hợp lý .......................................................82 4.3.3. Nhám bề mặt chi tiết gia công ........................................................................83 4.3.3.1. Ảnh hƣởng của các thông số đến nhám bề mặt chi tiết gia công (Ra) .........83 4.3.3.2. Xác định bộ thông số công nghệ hợp lý .......................................................86 vi
4.3.4. Độ cứng bề mặt gia công ................................................................................86 4.3.4.1. Ảnh hƣởng của các thông số đến độ cứng bề mặt gia công (HV) ...............86 4.3.4.2. Xác định bộ thông số công nghệ hợp lý .......................................................89 4.3.5. Lớp trắng của bề mặt gia công (WLT)............................................................89 4.3.5.1. Ảnh hƣởng của các thông số đến chiều dày lớp trắng bề mặt gia công(WLT) ...................................................................................................................................90 4.3.5.2. Xác định bộ thông số công nghệ hợp lý .......................................................92 4.4. Bài toán đa mục tiêu bằng Topsis ......................................................................93 4.4.1. Kết quả tính toán bằng Topsis-Taguchi ..........................................................93 4.4.2. Kết quả tối ƣu dựa vào hệ số S/N ...................................................................98 4.4.3: Chất lƣợng bề mặt tại điều kiện tối ƣu ............................................................99 4.4.3.1. Hình thái bề mặt gia công ............................................................................99 4.4.3.2. Hạt bám dính trên bề mặt gia công ............................................................101 4.4.3.3. Nứt tế vi của bề mặt gia công.....................................................................102 4.4.3.4. Sự thay đổi tổ chức pha ..............................................................................103 Kết luận chƣơng 4: .........................................................................................106 KẾT LUẬN CHUNG VÀ HƢỚNG NGHIÊN CỨU ....................................109 1. Kết luận chung ....................................................................................................109 2. Hƣớng nghiên cứu: ..............................................................................................110 TÀI LIỆU THAM KHẢO ..............................................................................111 vii
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU Ký hiệu Ý nghĩa Ton Thời gian phát xung Tof Thời gian ngừng phát xung Ra Nhấp nhô bề mặt gia công t Thời gian thực hiện 1 thí nghiệm  Khối lƣợng riêng của phôi D Đƣờng kính lỗ d Đƣờng kính điện cực d Lƣợng quá cắt ip Mật độ dòng điện  Độ nhớt của dung dịch điện môi i Hằng số điện môi của dung dịch điện môi 0 Hằng số điện môi chân không  Kích thƣớc khe hở phóng điện hp Chiều cao nhấp nhô S Diện tích bề mặt điện cực Wc Năng lƣợng của điện dung g/cm3 Thứ nguyên của khối lƣợng riêng V/m Thứ nguyên của cƣờng độ điện trƣờng s Thứ nguyên của thời gian HRC Thang đo độ cứng Hardness Rockwell C HV Thang đo độ cứng Vickers viii
DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT Viết tắt Tiếng Anh Tiếng Việt EDM Electrical dischagre machining Gia công bằng tia lửa điện Powder mixed electrical Gia công bằng tia lửa điện có trộn PMEDM dischagre machining bột vào dung dịch điện môi Gia công bằng tia lửa điện có trộn V- Vibration- Powder mixed bột vào dung dịch điện môi tích PMEDM electrical dischagre machining hợp rung động WLT White layer thinkness Chiều dày lớp trắng bề mặt SR Surface Roughness Độ nhám bề mặt MRR Material removal rate Năng suất bóc tách vật liệu TWR Lƣợng mòn điện cực theo khối Tool wear rate lƣợng EWR Độ mòn điện cực theo tỉ lệ giữa Electrode wear rate khối lƣợng mòn điện cực và khối lƣợng bóc tách vật liệu (%) PCA Principal component analysis Phân tích thành phần chính dof degree of freedom Bậc tự do S/N Signal to Noise ratio Tỷ số tín hiệu/nhiễu XRD X-Ray diffraction Nhiễu xạ nhờ X - Ray EDX Energy-dispersive X-ray Phổ tán xạ năng lƣợng tia X SEM Scanning electron microscopy Kính hiển vi điện tử quét ANOVA Analysis of variance Phân tích phƣơng sai PVD Physical Vapor Deposition Phủ bay hơi vật lý CVD Chemical Vapor Deposition Phủ bay hơi hóa học CNC Computer Numerical Control Điều khiển bằng máy tính ix
DANH MỤC HÌNH VẼ Hình 1.1 Quá trình hình thành tia lửa điện trong EDM [4] ........................................7 Hình 1. 2 Sự hình thành tia lửa điện [1] ......................................................................7 Hình 1. 3 Sơ đồ gia công xung điện có trộn bột .........................................................8 Hình 1. 4 Phân loại các lĩnh vực nghiên cứu chính của PMEDM ..............................9 Hình 1. 5 Ảnh hƣởng của kích thƣớc hạt và nồng độ đến MRR ở các dòng điện khác nhau [13] ...................................................................................................................11 Hình 1. 6 Ảnh hƣởng của các loại bột và nồng độ hạt khác nhau đến MRR [15] ....11 Hình 1. 7 Dạng sóng xung phụ thuộc điện áp và dòng điện [3]. ..............................14 Hình 1. 8 Mức độ sử dụng của bột trong PMEDM [3]. ............................................14 Hình 1. 9 Ảnh SEM bề mặt thép H13 sau EDM [7] .................................................16 Hình 1. 10 Ảnh hƣởng của nồng độ bột đến tốc độ bóc tách vật liệu .......................18 Hình 1. 11 Ảnh hƣởng của nồng độ bột đến lƣợng mòn điện cực ............................18 Hình 2. 1 Sự thay đổi U và I trong quá trình hình thành tia lửa điện [29]. ...............23 Hình 2. 2 Ảnh hƣởng của thời gian phát xung đến tốc độ bác tách vật liệu .............25 Hình 2. 3 Dạng sóng xung chữ nhật [3]. ...................................................................25 Hình 2. 4 Sơ đồ lực tác động lên hạt bột trong dung môi [30] .................................28 Hình 2. 5 Quỹ đạo dịch chuyển của bột trong dung môi [15]. .................................30 Hình 2. 6 Sơ đồ của hạt bột trong vùng khe hở phóng điện [15]. .............................31 Hình 2. 7 Bột trong chất điện môi. ............................................................................32 Hình 2. 8 Sơ đồ xác định điện dụng [15]. .................................................................33 Hình 2. 9 Vị trí dịch chuyển của tấm gán rung động ................................................34 Hình 2. 10 Rung động gán với phôi ..........................................................................36 Hình 2. 11 Sự thay đổi vị trí phôi, khe hở điện cực – phôi và áp suất dung môi trong EDM với rung động gán vào phôi. ............................................................................36 Hình 2. 12 Sơ đồ biểu diễn các áp lực tác động đến phân tử chất lỏng ....................37 x
Hình 2. 13 Sơ đồ rung động gán với điện cực ..........................................................39 Hình 2. 14 Rung động gán vào phôi trong EDM ......................................................40 Hình 2. 15 Chất lƣợng bề mặt lỗ sau EDM ...............................................................40 Hình 3. 1 Phôi và điện cực thực nghiệm......................................................................43 Hình 3. 2: Máy xung thí nghiệm CNC 3 trục CM323C ............................................43 Hình 3. 3: Bộ tạo rung kiểu Modal Exciter 4824 ......................................................44 Hình 3. 4: Sơ đồ tích hợp rung động vào phôi trong EDM ......................................45 Hình 3. 5: Ảnh mô hình thực nghiệm .......................................................................45 Hình 3. 6: Cân điện tử AJ 203...................................................................................46 Hình 3. 7: Máy đo nhám SJ210 .................................................................................46 Hình 3. 8 Ảnh hƣởng của nồng độ bột đến MRR trong PMEDM ...........................48 Hình 3. 9 Ảnh hƣởng của nồng độ bột đến EWR trong PMEDM ............................48 Hình 3. 10 Ảnh hƣởng của nồng độ bột đến Ra trong PMEDM ...............................49 Hình 3. 11 Ảnh hƣởng của áp suất đến MRR trong PMEDM ..................................50 Hình 3. 12 Ảnh hƣởng của áp suất đến EWR trong PMEDM ..................................51 Hình 3. 13 Ảnh hƣởng của áp suất đến Ra trong PMEDM .....................................51 Hình 3. 14: Sơ đồ bố trí thực nghiệm ........................................................................52 Hình 3. 15 Ảnh hƣởng của tần số A, F đến MRR trong PMEDM ...........................54 Hình 3. 16 Ảnh hƣởng của A, F đến EWR trong PMEDM ......................................56 Hình 3. 17 Sự thay đổi của Ra ...................................................................................58 Hình 3. 18 Sự thay đổi của HV .................................................................................59 Hình 3. 19 Tổ chức pha lớp bề mặt phôi sau EDM và PMEDM ..............................60 Hình 3. 20 Sự thay đổi của MRR có gán rung động vào phôi ..................................61 Hình 3. 21 Sự thay đổi của Ra gán rung động vào phôi ............................................63 Hình 4. 1 Sơ đồ quyết định đa mục tiêu Taguchi-AHP-Topsis ................................73 xi
Hình 4. 2 Giao diện trên minitab về ảnh hƣởng của các thông số đến MRR ...........79 Hình 4. 3 Giao diện trên minitab về ảnh hƣởng của thông số công nghệ đến S/N của MRR ..........................................................................................................................79 Hình 4. 4 Giao diện trên minitab về ảnh hƣởng của các thông số đến EWR ...........82 Hình 4. 5 Giao diện trên minitab về ảnh hƣởng của thông số công nghệ đến S/N của EWR ...................................................................................................................83 Hình 4. 6 Giao diện trên minitab về ảnh hƣởng của các thông số đến Ra ................85 Hình 4. 7 Giao diện trên minitab về ảnh hƣởng của thông số công nghệ đến S/N của Ra ..............................................................................................................................86 Hình 4. 8 Ảnh hƣởng của các thông số đến HV .......................................................88 Hình 4. 9 Phân tích EDS và EDX của bề mặt gia công sau PMEDM với bột Titan ...................................................................................................................................88 Hình 4. 10 Ảnh hƣởng của các thông số đến HV .....................................................89 Hình 4. 11 Chiều dày lớp trắng của bề mặt gia công ................................................90 Hình 4. 12 Ảnh hƣởng của các thông số đến WLT ..................................................92 Hình 4. 13 Ảnh hƣởng của các thông số đến WLT ..................................................92 Hình 4. 14 Ảnh hƣởng của các thông số công nghệ đến hệ số S/N của C* ..............99 Hình 4. 15 Topography bề mặt chi tiết ...................................................................100 Hình 4. 16 Hạt bám dính trên bề mặt gia công .......................................................102 Hình 4. 17 Nứt tế vi trên bề mặt gia công ...............................................................103 Hình 4. 18 HV của bề mặt gia công sau EDM và PMEDM ...................................104 Hình 4. 19 Phân tích EDS và EDX của bề mặt sau EDM.......................................105 Hình 4. 20 Phân tích EDS và EDX của bề mặt gia công sau PMEDM ..................106 xii
DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng 2. 1 Lựa chọn vật liệu điện cực [8] ..................................................................27 Bảng 3. 1 Giá trị đầu vào của thông số công nghệ....................................................47 Bảng 3. 2 Giá trị đầu vào của thông số công nghệ....................................................49 Bảng 3. 3 Kết quả và giá trị đầu vào của thông số công nghệ với F thay đổi...........53 Bảng 3. 4 Kết quả và giá trị đầu vào của thông số công nghệ với A thay đổi ..........53 Bảng 4. 1 Thang so sánh của Saaty ...........................................................................72 Bảng 4. 2 Chỉ số đồng nhất ngẫu nhiên (RI) [26] .....................................................73 Bảng 4. 3 Các thông số đầu vào và mức của các thông số .......................................74 Bảng 4. 4 Kết quả thực nghiệm .................................................................................75 Bảng 4. 5 Mức ảnh hƣởng của các thông số công nghệ đến MRR ...........................78 Bảng 4. 6 Ảnh hƣởng của thông số công nghệ đến EWR.........................................82 Bảng 4. 7 Ảnh hƣởng của thông số công nghệ đến Ra ..............................................85 Bảng 4. 8 Ảnh hƣởng của thông số công nghệ đến HV ............................................87 Bảng 4. 9 Ảnh hƣởng của thông số công nghệ đến WLT .........................................91 Bảng 4. 10 Dữ liệu chuẩn hóa ...................................................................................93 Bảng 4. 11 Xác định các cặp so sánh ........................................................................95 Bảng 4. 12 Ma trận chuẩn hóa ..................................................................................95 Bảng 4. 13 Trị số của trọng số của các chỉ tiêu chất lƣợng ......................................95 Bảng 4. 14 Giải pháp tốt nhất và tồi nhất..................................................................96 Bảng 4. 15 Giá trị qui đổi đƣợc tính từ bƣớc 3 đến bƣớc 7 ......................................96 Bảng 4. 16 Giá trị qui đổi đƣợc tính từ bƣớc 3 đến bƣớc 7 ......................................97 Bảng 4. 17 Kết quả của bài toán đa mục ..................................................................99 xiii
PHẦN MỞ ĐẦU 1. Tính cấp thiết của đề tài nghiên cứu Hiện nay, ngành chế tạo khuôn mẫu ở nƣớc ta đang đƣợc quan tâm phát triển. Tuy nhiên, chế tạo khuôn mẫu là ngành công nghiệp công nghệ cao, đòi hỏi độ phức tạp, độ khó rất cao từ thiết kế cho đến gia công chế tạo. Ngoài việc cần đầu tƣ thiết bị máy móc rất tốn kém còn đòi hỏi kinh nghiệm trong lựa chọn vật liệu chế tạo, phƣơng pháp xử lý nhiệt và tăng bền lớp bề mặt khuôn. Vật liệu SKD61, SKD11, SKH54, SKH51, AISI 01 và SKT4 là các thép dụng cụ nhập khẩu từ Nhật Bản, Hàn Quốc, Đài Loan,...đƣợc sử dụng rất phổ biến trong lĩnh vực này. Phƣơng pháp đƣợc các doanh nghiệp ở nƣớc ta đang sử dụng là EDM hoặc phay cao tốc. Trong đó, EDM nói chung đặc biệt là phƣơng pháp xung định hình đang đƣợc sử dụng phổ biến do giá thành của thiết bị thấp, tính vạn năng cao và thao tác đơn giản. Nên những nghiên cứu theo hƣớng nâng cao năng suất và chất lƣợng của xung định hình với các sản phẩm khuôn mẫu là rất cần đƣợc quan tâm. Trong lĩnh vực y tế, nhiễm trùng trong cấy ghép y tế đòi hỏi một quá trình điều trị lâu dài và thƣờng tốn kém, ảnh hƣởng đến tâm lý của bệnh nhân và gây tử vong trong nhiều trƣờng hợp. Một số phƣơng pháp nhƣ cấy ion, lắng đọng hơi vật lý và phun từ trƣờng đã chứng minh hiệu quả của chúng trong lớp phủ kháng khuẩn. Tuy nhiên, đây là những phƣơng pháp phủ hoàn toàn, không có phƣơng pháp nào có khả năng đồng thời gia công và phủ một lớp kháng khuẩn trên bề mặt của cấy ghép y tế. Do đó, gia công phóng điện hỗn hợp bột (PMEDM) đƣợc đề xuất và nghiên cứu trong nghiên cứu này vì đây là phƣơng pháp gia công có tiềm năng biến đổi bề mặt chính xác. Điều này bao gồm việc chuyển vật liệu điện cực dụng cụ cũng nhƣ vật liệu bột lơ lửng trong chất lỏng điện môi vào bề mặt phôi. Trong nghiên cứu về vấn đề này, nồng độ bột nano bạc khác nhau đƣợc thêm vào chất lỏng điện môi gốc hydrocarbon và đƣợc sử dụng để gia công phôi titan[1]. PMEDM là một phƣơng pháp đầy hứa hẹn để gia công đồng thời và phủ một lớp kháng khuẩn nano bạc lên bề mặt [1]. Trong thời gian gần đây, siêu hợp kim gốc niken (Inconel 601, Inconel 625, Inconel 718, … ) đƣợc sử dụng rộng rãi trong ngành hàng không vũ trụ, hóa học và 1
hàng hải nhờ khả năng tối ƣu của chúng để giữ các tính chất cơ học ở nhiệt độ cao kết hợp với khả năng chống ăn mòn đáng kể. Một số tính chất của các hợp kim này nhƣ độ dẫn nhiệt thấp, xu hƣớng làm cứng biến dạng, ái lực hóa học và sự hiện diện của các pha cứng và mài mòn trong cấu trúc vi mô khiến các vật liệu này rất khó cắt bằng các quy trình gia công thông thƣờng. Do đó, mục đích của nghiên cứu mới hiện nay nhằm cải thiện năng suất và chất lƣợng của bề mặt gia công của Inconel 625 (một siêu hợp kim gốc niken) bằng cách tẩm các hạt bột nhƣ than chì, nhôm và silicon thành điện môi dầu hỏa trong quá trình gia công phóng điện ( PMEDM)[2]. Nhƣ vậy, có thể thấy từ EDM truyền thống đã có rất nhiều phƣơng pháp để cải thiện năng suất và chất lƣợng của EDM. Một trong những phƣơng pháp đó là: Trộn bột vào dung môi cách điện để cải thiện quá trình gia công. Trong quá trình này, một chất bột mịn phù hợp đƣợc pha trộn đúng vào dung dịch các chất điện môi. Hiệu quả gia công và độ nhám bề mặt gia công của phƣơng pháp PMEDM giảm hơn nhiều phƣơng pháp gia công bằng EDM. Ngoài ra, việc áp dụng các loại bột khác nhau về vật liệu và kích thƣớc cũng đƣợc quan tâm nghiên cứu và cho kết quả tốt. Tuy nhiên nhƣợc điểm của gia công xung là năng suất và chất lƣợng bề mặt thấp so với các phƣơng pháp gia công truyền thống, bởi việc thoát phoi và bóc tách vật liệu trong quá trình gia công. Thiết kế một hệ thống hỗ trợ gia công EDM đảm bảo đƣợc tối ƣu cho phƣơng pháp này là một bài toán đang đƣợc nghiên cứu trên thế giới. Rung động với biên độ rất nhỏ tích hợp vào phôi hoặc điện cực trong phƣơng pháp PMEDM là giải pháp hiệu quả mà nghiên cứu này tập trung giải quyết. Rung động kết hợp với bột trộn trong dung môi giúp quá trình gia công đƣợc ổn định hơn từ đó năng suất và chất lƣợng đƣợc cải thiện. Vì vậy, nghiên cứu sinh đã lựa chọn đề tài luận án: “Nghiên cứu quá trình gia công tia lửa điện trong dung dịch có trộn bột titan kết hợp hệ thống rung động tần số thấp trên chi tiết.” 2. Mục đích, đối tƣợng, phạm vi nghiên cứu 2.1. Mục đích nghiên cứu 2
Nghiên cứu tính hiệu quả của phƣơng pháp PMEDM dƣới dòng phun áp lực cao và so sánh với phƣơng pháp PMEDM thông thƣờng thông qua đánh giá ảnh hƣởng của quá trình gia công vật liệu thép SKD61; Nghiên cứu tính hiệu quả của phƣơng pháp V- PMEDM đặt vào phôi và so sánh với phƣơng pháp PMEDM thông thƣờng thông qua đánh giá ảnh hƣởng của quá trình gia công vật liệu thép SKD61; Nghiên cứu mối quan hệ của các thông số đầu vào (Dòng điện (I), nồng độ bột(C), Thời gian phóng điện(Ton), Áp suất dòng phun(P), Tần số rung động (F),Biên độ rung động(A) và các thông số đầu ra (năng suất,mòn điện cực,nhám bề mặt, độ cứng bề mặt, chiều dày lớp trắng bề mặt) khi gia công thông thƣờng và gia công dƣới dòng phun áp lực cao và tích hợp rung động vào phôi SKD61. 2.2. Đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu - Đối tƣợng nghiên cứu: Quá trình gia công xung điện có trộn bột tích hợp rung động và dòng phun dung môi (V- PMEDM) thép SKD61. Phạm vi nghiên cứu: Nghiên cứu tổng quan về gia công gia xung điện có trộn bột và tích hợp rung động; Nghiên cứu cơ sở vật lý quá trình gia công V-PMEDM; Nghiên cứu thực nghiệm ảnh hƣởng của quá trình PMEDM tích hợp rung đến năng suất và chất lƣợng gia công của thép SKD61; Nghiên cứu thực nghiệm ảnh hƣởng của các tham số đầu vào đến các thông số đầu ra, sử dụng phƣơng pháp thiết kế thực nghiệm Taguchi và phân tích phƣơng sai ANOVA. 3. Phƣơng pháp nghiên cứu Phƣơng pháp nghiên cứu của luận án là nghiên cứu lý thuyết và kết hợp thực nghiệm đánh giá kết quả nghiên cứu. 4. Ý nghĩa khoa học và ý nghĩa thực tiễn của đề tài Ý nghĩa khoa học: 3
Nghiên cứu đã đóng góp và bổ sung một hƣớng nghiên cứu mới về gia công phi truyền thống với các loại vật liệu cứng có ứng dụng các giải pháp hỗ trợ khi gia công EDM. Đã phân tích và làm rõ tính hiệu quả của phƣơng pháp gia công vật liệu cứng bằng phƣơng pháp xung điện có trộn bột trong dung môi khi gia công thép SKD61 tích hợp rung vào phôi. Việc chọn bột Ti trộn vào dung dịch điện môi và tích hợp rung vào phôi không những làm nâng cao năng suất, giảm nhấp nhô bề mặt mà còn cải thiện cơ tính lớp bề mặt thép SKD61 sau gia công EDM. Điều này sẽ nâng cao tuổi bền của các bề mặt khuôn mẫu. Đã nghiên cứu xây dựng đƣợc mối quan hệ của chế độ công nghệ (dòng điện xả, thời gian đánh lửa, nồng độ bột, áp suất dòng phun dung môi, tần số và biên độ rung động) với các thông số đầu ra là năng suất bóc tách vật liệu(MRR), độ mòn điện cực (EWR), chất lƣợng bề mặt (Ra), độ cứng bề mặt (HV) chiều dày lớp bề mặt ảnh hƣởng do quá trình EDM (WLT) khi gia công thép SKD61 bằng phƣơng pháp xung điện. Ý nghĩa thực tiễn: Đề tài là cơ sở để thiết kế một hệ thống hỗ trợ gia công đảm bảo năng suất và chất lƣợng cho EDM, đồng thời giúp tăng năng suất và giảm giá thành gia công với các chi tiết khó bởi độ cứng cao. Có ý nghĩa là cơ sở tiền đề trong y học khi cần phủ một lớp vật liệu an toàn lên bề mặt các chi tiết cấy ghép. 5. Những đóng góp mới của luận án Đã phân tích và làm rõ tính hiệu quả của phƣơng pháp gia công vật liệu cứng bằng phƣơng pháp xung điện có trộn bột trong dung môi khi gia công thép SKD61 tích hợp rung vào phôi. Khảo sát mức độ ảnh hƣởng của nồng độ bột Titan thấp (1- 8g/l) và tần số rung động thấp (
thông thƣờng thông qua đánh giá ảnh hƣởng của quá trình gia công vật liệu thép SKD61 nhằm nâng cao năng suất và chất lƣợng bề mặt. Đã phân tích đƣợc ảnh hƣởng của chế độ công nghệ (dòng điện xả, thời gian đánh lửa, nồng độ bột, áp suất dòng phun dung môi, tần số và biên độ rung động) với các thông số đầu ra là Năng suất bóc tách vật liệu(MRR), độ mòn điện cực (EWR), chất lƣợng bề mặt (Ra) ,độ cứng bề mặt (HV) chiều dày lớp bề mặt ảnh hƣởng do quá trình EDM(WLT) khi gia công thép SKD61 bằng phƣơng pháp xung điện. Đồng thời xây dựng đƣợc các bộ tham số công nghệ tối ƣu cho các chỉ tiêu đánh giá khác nhau. Xác định đƣợc giá trị phù hợp với bộ thông số công nghệ hợp lý trong bài toán quyết đinh đa mục tiêu của quá trình gia công bằng PMEDM với rung động tích hợp vào phôi (5 chỉ tiêu chất lƣợng) bằng kết hợp phƣơng pháp Taguchi – Topsis. 6. Cấu trúc nội dung luận án Các nội dung nghiên cứu của luận án đƣợc trình bày trong 4 chƣơng nhƣ sau: Chƣơng 1: Tổng quan về gia công xung điện (EDM) và gia công xung điện có trộn bột (PMEDM). Chƣơng 2: Cơ sở lý thuyết của phƣơng pháp gia công xung điện có trộn bột tích hợp rung động. Chƣơng 3. Thực nghiệm khảo sát ảnh hƣởng của bột và rung động đến hiệu quả gia công xung điện. Chƣơng 4: Xác định bộ thông số công nghệ hợp lý trong PMEDM với rung động gán trên phôi. 5
CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ GIA CÔNG XUNG ĐIỆN (EDM) VÀ GIA CÔNG XUNG ĐIỆN CÓ TRỘN BỘT (PMEDM). Gia công xung điện – trong tiếng Anh là Electrical Discharge Machining (EDM) là một phƣơng pháp gia công đặc biệt đƣợc sử dụng để gia công các vật liệu dẫn điện có độ cứng cao và khó gia công. Quá trình EDM đƣợc sử dụng rộng rãi để sản xuất khuôn, cấu trúc hay biên dạng vật thể phức tạp. 1.1. Khái quát về phƣơng pháp xung định hình Năm 1770, Joseph Priestly là ngƣời đầu tiên phát hiện ra sự xói mòn vật liệu do hiện tƣợng phóng điện gây ra, và đây cũng đƣợc cho là nguồn gốc ra đời của phƣơng pháp xung định hình. Tiếp đó, hai nhà khoa học B.R.Lazarenko và N.I.Lazarenko của Liên Xô đã nghiên cứu sử dụng hiệu quả các tia lửa điện để bóc tách kim loại, đồng thời đƣa ra phƣơng pháp điều khiển quá trình xuất hiện của các tia lửa điện trong gia công kim loại . Đến năm 1943, sơ đồ cấu trúc mạch điều khiển và máy phát tia lửa điện sử dụng mạch Lazarenko đã đƣợc tạo ra, và loại mạch này đƣợc cải tiến liên tục cùng với sự phát triển của máy xung định hình[3]. Ba kỹ thuật viên ngƣời Mỹ đã có ý tƣởng sử dụng hiện tƣợng tia lửa điện để gia công ống chân không vào những năm 1950, đồng thời họ cũng giới thiệu hệ thống điều khiển servo khoảng cách giữa điện cực và phôi[4]. Tuy nhiên, chỉ tới những năm 1980 với sự ra đời của máy gia công bằng tia lửa điện CNC thì hiệu quả của phƣơng pháp này mới đƣợc khẳng định. Bằng những cải tiến liên tục, máy xung định hình ngày nay đã trở lên ổn định, và quá trình vận hành của máy cũng đã đƣợc giám sát bằng các hệ thống điều khiển thích nghi theo thời gian. Điều này góp phần nâng cao năng suất và chất lƣợng sản phẩm của phƣơng pháp xung định hình trong gia công. Hiện nay, phƣơng pháp xung định hình đƣợc ứng dụng vào sản xuất thực tiễn đã mang lại nhiều hiệu quả kinh tế trong ngành chế tạo cơ khí, đặc biệt là chế tạo dụng cụ và khuôn mẫu. Bởi vậy, nó vẫn tạo ra sự quan tâm của nhiều nghiên cứu. 1.1.1. Nguyên lý gia công EDM Nguyên lý cơ bản của phƣơng pháp xung định hình là chuyển đổi năng lƣợng điện thành năng lƣợng nhiệt thông qua chuỗi các tia lửa điện đƣợc hình thành gián 6
đoạn tại khe hở giữa điện cực (dụng cụ) và điện cực (phôi) ngâm trong dung dịch điện môi (Hình 1.1). Tại khe hở nhỏ nhất giữa điện cực - phôi, một điện áp cao đƣợc đặt vào sẽ đánh thủng độ bền cách điện của dung dịch điện môi làm xuất hiện tia lửa điện, các tia lửa điện này sẽ gây xói mòn lớp vật liệu bề mặt của cả điện cực và phôi (Hình 1. 2). Hình 1.1 Quá trình hình thành tia lửa điện trong EDM [4] Hình 1. 2 Sự hình thành tia lửa điện [1] 7