Luận án Tiến sĩ Kỹ thuật: Nghiên cứu xác định chế độ công nghệ tối ưu khi gia công xung tia lửa điện bằng điện cực đồng

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:144

Thêm vào BST

Báo xấu

49
lượt xem 5
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Đề tài thực nghiệm nghiên cứu ảnh hưởng của các thông số đầu vào là cường độ dòng điện; điện áp khe hở phóng điện; thời gian phóng điện và thời gian ngừng phóng điện đến năng suất và chất lượng bề mặt thép làm khuôn được gia công bằng phương pháp Xung tia lửa điện EDM, với các chỉ tiêu đánh giá là độ cứng tế vi lớp trắng; chiều dày lớp trắng; mòn điện cực; nhám bề mặt và năng suất bóc tách vật liệu của chi tiết gia công.... Mời các bạn cùng tham khảo.

Chủ đề:

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

Lưu

Nội dung Text: Luận án Tiến sĩ Kỹ thuật: Nghiên cứu xác định chế độ công nghệ tối ưu khi gia công xung tia lửa điện bằng điện cực đồng

BỘ CÔNG THƯƠNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP HÀ NỘI NGUYỄN VĂN ĐỨC NGHIÊN CỨU XÁC ĐỊNH CHẾ ĐỘ CÔNG NGHỆ TỐI ƯU KHI GIA CÔNG XUNG TIA LỬA ĐIỆN BẰNG ĐIỆN CỰC ĐỒNG LUẬN ÁN TIẾN SỸ KỸ THUẬT Hà Nội - 2020
BỘ CÔNG THƯƠNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP HÀ NỘI NGUYỄN VĂN ĐỨC NGHIÊN CỨU XÁC ĐỊNH CHẾ ĐỘ CÔNG NGHỆ TỐI ƯU KHI GIA CÔNG XUNG TIA LỬA ĐIỆN BẰNG ĐIỆN CỰC ĐỒNG CHUYÊN NGÀNH: KỸ THUẬT CƠ KHÍ MÃ SỐ: 9.52.01.03 LUẬN ÁN TIẾN SỸ KỸ THUẬT NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: 1. PGS.TS. PHẠM VĂN BỔNG 2. PGS.TS. TRẦN XUÂN VIỆT Hà Nội - 2020
i LỜI CẢM ƠN Tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành và biết ơn sâu sắc tới thầy hướng dẫn khoa học PGS.TS Phạm Văn Bổng và PGS.TS Trần Xuân Việt đã hướng dẫn và hỗ trợ tận tình tôi trong suốt thời gian học tập và nghiên cứu. Tôi xin trân trọng cảm ơn Đảng ủy, Ban Giám hiệu, Phòng Đào tạo, Khoa Cơ khí và, Bộ môn Công nghệ, Trung tâm Sau Đại học trường Đại học Công nghiệp Hà Nội đã tạo mọi điều kiện giúp đỡ tôi trong suốt quá trình học tập, nghiên cứu và hoàn thành Luận án. Tôi xin chân thành cảm ơn các thầy ở Trung tâm Đào tạo Kỹ thuật HaUI - Foxconn đã giúp đỡ và hỗ trợ tôi hoàn thành thí nghiệm. Xin chân thành cảm ơn Viện Khoa học vật liệu, Trung tâm Đánh giá Hư hỏng Vật liệu đã giúp đỡ tôi đo kiểm các mẫu thí nghiệm. Tôi xin cám ơn TS. Nguyễn Hữu Phấn đã có góp ý và hỗ trợ tôi trong thời gian làm luận án. Tôi xin được bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới gia đình, những người luôn bên cạnh tôi, đã động viên, chia sẻ, giúp đỡ tôi trong suốt quá trình học tập, nghiên cứu để hoàn thành Luận án. Hà Nội, năm 2020 Nguyễn Văn Đức
ii LỜI CAM ĐOAN Tôi cam đoan những nội dung trình bày trong luận án là công trình nghiên cứu của tôi. Ngoài các nội dung tham khảo đã được trích dẫn còn các số liệu, kết quả nêu trong luận án là trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác. Hà Nội, năm 2020 Nguyễn Văn Đức
iii MỤC LỤC TRANG LỜI CẢM ƠN ...................................................................................................................i LỜI CAM ĐOAN ........................................................................................................... ii MỤC LỤC ..................................................................................................................... iii DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU ...................................................................................... vii DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT ............................................................................. viii DANH SÁCH CÁC BẢNG ...........................................................................................ix DANH SÁCH CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ .................................................................xi PHẦN MỞ ĐẦU .............................................................................................................1 1. Tính cấp thiết của đề tài ...........................................................................................1 2. Nội dung nghiên cứu ................................................................................................1 3. Phương pháp nghiên cứu..........................................................................................2 4. Đối tượng nghiên cứu...............................................................................................2 5. Giới hạn nghiên cứu .................................................................................................3 6. Mục đích nghiên cứu ................................................................................................3 7. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài .................................................................3 a. Ý nghĩa khoa học ..................................................................................................3 b. Ý nghĩa thực tiễn...................................................................................................3 CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ GIA CÔNG TIA LỬA ĐIỆN ....................................4 1.1 Lịch sử phát triển EDM..........................................................................................4 1.2 Đặc điểm gia công tia lửa điện ...............................................................................6 1.3 Ứng dụng gia công tia lửa điện ..............................................................................6 1.4 Một số khái niệm trong gia công tia lửa điện ........................................................6 1.4.1 Chu kỳ gia công ...............................................................................................6 1.4.2 Điện áp và cường độ dòng điện gia công ........................................................7 1.4.3 Thời gian phóng tia lửa điện Ton ......................................................................9 1.4.4 Thời gian ngừng phóng tia lửa điện Toff ..........................................................9 1.4.5 Sự ion hóa ........................................................................................................9 1.4.6 Sự trễ của ion hóa ............................................................................................9 1.4.7 Vật liệu điện cực ............................................................................................10 1.4.8 Phoi EDM ......................................................................................................11 1.4.9 Loại mạch điện của máy xung .......................................................................12
iv 1.5 Tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước về EDM ...........................................13 1.5.1 Tình hình nghiên cứu ngoài nước ..................................................................13 1.5.2 Tình hình nghiên cứu trong nước ..................................................................16 Kết luận chương 1 ...................................................................................................18 CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT ..............................................................................19 2.1 Cơ sở lý thuyết gia công tia lửa điện ...................................................................19 2.1.1 Bản chất vật lý của quá trình phóng tia lửa điện ...........................................19 2.1.2 Cơ chế tách vật liệu .......................................................................................22 2.1.3 Đặc tính về điện của sự phóng tia lửa điện ....................................................23 2.1.4 Lượng hớt vật liệu..........................................................................................25 2.1.5 Lớp trắng sau gia công...................................................................................26 2.1.6 Mòn điện cực ................................................................................................ 27 2.1.7 Chất điện môi .................................................................................................29 2.2 Cơ sở lý thuyết tối ưu hóa ....................................................................................29 2.2.1 Khái niệm về tối ưu hóa .................................................................................29 2.2.2 Các dạng bài toán tối ưu hóa .........................................................................30 2.2.2.1 Tối ưu hóa tĩnh ........................................................................................30 2.2.2.2 Tối ưu hóa động ......................................................................................30 2.2.3 Phương pháp tối ưu hóa đơn mục tiêu theo Taguchi .....................................31 2.2.3.1 Tỷ số S/N .................................................................................................31 2.2.3.2 Giá trị hệ số Fisher (F) ............................................................................31 2.2.3.3 Phân tích phương sai ...............................................................................32 2.2.4 Tối ưu hóa đa mục tiêu bằng AHP - Deng’s .................................................32 2.2.4.1 Phương pháp AHP ...................................................................................32 2.2.4.2 Tối ưu hóa đa mục tiêu bằng phương pháp Deng’s ................................ 34 Kết luận chương 2 ...................................................................................................37 CHƯƠNG 3: TRANG THIẾT BỊ VÀ THỰC NGHIỆM XÁC ĐỊNH ẢNH HƯỞNG CỦA MỘT SỐ THÔNG SỐ CÔNG NGHỆ ĐẾN CÁC CHỈ TIÊU CHẤT LƯỢNG VÀ ĐỘ MÒN ĐIỆN CỰC ...................................................................................................39 3.1 Trang thiết bị phục vụ thực nghiệm .....................................................................39 3.1.1 Máy Xung điện ..............................................................................................39 3.1.2 Vật liệu và phôi thí nghiệm ...........................................................................40 3.1.3 Thiết bị đo ......................................................................................................41 3.1.3.1 Cân điện tử AJ 203 ..................................................................................41
v 3.1.3.2 Máy đo độ nhám ......................................................................................42 3.1.3.3 Máy đo độ cứng tế vi HV .......................................................................42 3.1.3.4 Kính hiển vi quang học Leica - DM750 .................................................43 3.2 Thí nghiệm khảo sát ảnh hưởng của thông số công nghệ đến chất lượng ...........43 3.2.1 Thí nghiệm khảo sát 1: Khảo sát ảnh hưởng của thông số công nghệ đến nhám bề mặt của chi tiết gia công ....................................................................................43 3.2.2 Thí nghiệm khảo sát 2: Khảo sát ảnh hưởng của độ nhám điện cực đến độ nhám bề mặt gia công .............................................................................................50 3.2.3 Thí nghiệm khảo sát 3: Khảo sát ảnh hưởng của thông số công nghệ đến năng suất bóc tách vật liệu...............................................................................................53 3.3 Thiết kế thí nghiệm tối ưu hóa .............................................................................59 3.3.1 Lựa chọn phương pháp thiết kế thí nghiệm ...................................................59 3.3.2 Thiết kế thí nghiệm bằng phương pháp Taguchi ...........................................60 3.3.3 Lựa chọn các thông số ...................................................................................61 3.3.3.1 Lựa chọn các thông số đầu vào ...............................................................61 3.3.3.2 Các chỉ tiêu đánh giá đầu ra Y ................................................................ 62 3.3.4 Xây dựng quy hoạch thực nghiệm .................................................................62 3.4 Tiến hành thí nghiệm ...........................................................................................64 3.4.1 Thí nghiệm trên máy xung .............................................................................64 3.4.2 Đo kiểm các chỉ tiêu đầu ra ...........................................................................65 3.5 Xử lý số liệu thí nghiệm .......................................................................................67 3.5.1 Kiểm tra độ tin cậy của số liệu thí nghiệm ....................................................67 3.5.2 Đặc trưng của các chỉ tiêu đầu ra ...................................................................72 Kết luận chương 3 ...................................................................................................72 CHƯƠNG 4: TỐI ƯU HÓA ĐƠN VÀ ĐA MỤC TIÊU XÁC ĐỊNH CHẾ ĐỘ CÔNG NGHỆ XUNG TỐI ƯU .................................................................................................73 4.1 Tối ưu hóa đơn mục tiêu theo phương pháp Taguchi ..........................................73 4.1.1 Độ cứng tế vi lớp bề mặt (HV) ......................................................................73 4.1.1.1 Ảnh hưởng của các thông số đến HV......................................................73 4.1.1.2 Tối ưu hóa HV .........................................................................................74 4.1.2 Chiều dày lớp trắng (WLT) ...........................................................................76 4.1.2.1 Ảnh hưởng của các thông số đến WLT ...................................................76 4.1.2.2 Tối ưu hóa WLT ......................................................................................77 4.1.3 Nhám bề mặt (Ra) ..........................................................................................79 4.1.3.1 Ảnh hưởng của các thông số đến Ra .......................................................79
vi 4.1.3.2 Tối ưu hóa Ra ..........................................................................................80 4.1.4 Mòn điện cực (TWR) .....................................................................................82 4.1.4.1 Ảnh hưởng của các thông số đến TWR ..................................................82 4.1.4.2 Tối ưu hóa TWR......................................................................................84 4.1.5 Năng suất bóc tách vật liệu (MRR) ...............................................................85 4.1.5.1 Ảnh hưởng của các thông số đến MRR ..................................................85 4.1.5.2 Tối ưu hóa MRR......................................................................................87 4.2 Ứng dụng tối ưu hóa đa mục tiêu bằng AHP - Deng’s ........................................89 4.2.1 Tối ưu hóa đa mục tiêu bằng AHP - Deng’s .................................................89 4.2.2 Phân tích ANOVA .........................................................................................95 a. Phân tích ANOVA ...........................................................................................95 b. Ảnh hưởng của các thông số công nghệ đến Pi ..............................................97 4.2.3 Tối ưu hóa đa mục tiêu ................................................................................100 4.2.4 Kết quả đạt được của phương pháp tối ưu hóa đa mục tiêu .......................101 Kết luận chương 4 .................................................................................................101 KẾT LUẬN CHUNG VÀ HƯỚNG NGHIÊN CỨU TIẾP THEO ............................103 TÀI LIỆU THAM KHẢO ...........................................................................................106 CÁC CÔNG TRÌNH KHOA HỌC CÔNG BỐ CỦA TÁC GIẢ ................................115 PHỤ LỤC ....................................................................................................................116
vii DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU Ký hiệu Ý nghĩa Ton (te) Thời gian phát xung (µs) Toff Thời gian ngừng phát xung (µs) Wi Khối lượng phôi ban đầu (mmg) Wf Khối lượng phôi sau gia công (mmg) Ra Nhấp nhô bề mặt gia công (µm) t Thời gian thực hiện 1 thí nghiệm (phút)  Khối lượng riêng của phôi (g/cm3) Ti Khối lượng điện cực ban đầu (mmg) Tf Khối lượng điện cực sau gia công (mmg) D Đường kính lỗ (mm) d Đường kính điện cực (mm) d Lượng cắt quá (mm)  Độ nhớt của dung dịch điện môi (m2/s) i Hằng số điện môi của dung dịch điện môi 0 Hằng số điện môi chân không  Kích thước khe hở phóng điện (µm) hp Chiều cao nhấp nhô (µm) S Diện tích bề mặt điện cực (mm2) Wc Năng lượng của điện dung (J) g/cm3 Thứ nguyên của khối lượng riêng V/m Thứ nguyên của cường độ điện trường V Thứ nguyên của điện áp A Thứ nguyên của cường độ dòng điện s Thứ nguyên của thời gian HRC Thang đo độ cứng HRC HV Thang đo độ cứng HV DF Bậc tự do SS Tổng bình phương sai lệch F Hệ số Fisher P Mức ý nghĩa Ue Điện áp phóng tia lửa điện (V) Ie Dòng phóng tia lửa điện (A) Pi Chỉ số hiệu suất tổng thể C* Chỉ số tối ưu
viii DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT Viết tắt Tiếng Anh Tiếng Việt EDM Electrical dischagre machining Gia công bằng tia lửa điện MRR Material removal rate Năng suất bóc tách vật liệu TWR Tool wear rate Tốc độ mòn điện cực RSM Response Surface Methodology Phương pháp phản hồi bề mặt ANN Artificial Neural Network Mạng nơ ron nhân tạo GA Genetic Algorithm Giải thuật di truyền GRA Grey relational analysis Phân tích quan hệ xám PSO Particle swarm optimization Tối ưu hóa bầy đàn PSI Preference selection index Chỉ số lựa chọn ưu tiên AHP Analytic Hierarchy Process Quy trình phân cấp phân tích Deng’s Deng’s similary based method Phương pháp dựa trên sự tương tự PCA Principal component analysis Phân tích thành phần chính DF 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 lượng tia X SEM Scanning electron microscopy Kính hiển vi điện tử ANOVA Analysis of variance Phân tích phương 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 số bằng máy tính SR Suface roughness Nhám bề mặt WLT White layer thickness Chiều dày lớp trắng MSD Medium squared deviation Sai lệch bình phương trung bình PIS Positive ideal solution Giải pháp lý tưởng tích cực NIS Negative ideal solution Giải pháp lý tưởng tiêu cực
ix DANH SÁCH CÁC BẢNG TRANG Bảng 2.1 Mòn điện cực với điện cực có góc 90 độ [73] ...............................................28 Bảng 2.2 Thang so sánh cặp của Saaty [52] ..................................................................33 Bảng 2.3 Số lượng so sánh [52] ....................................................................................33 Bảng 2.4 Chỉ số ngẫu nhiên (RCI) [59] .........................................................................34 Bảng 3.1 Thành phần hóa học thép SKD11 ..................................................................41 Bảng 3.2 Các thông số đầu vào thí nghiệm khảo sát 1 ..................................................44 Bảng 3.3 Bảng các yếu tố đầu vào thí nghiệm khảo sát 1 và kết quả đo độ nhám .......44 Bảng 3.4 Hệ số hồi quy ước tính cho Ra .......................................................................45 Bảng 3.5 Hệ số hồi quy ước tính cho Ra (sau khi loại bỏ P > 0.05) ..............................46 Bảng 3.6 ANOVA cho Ra ..............................................................................................46 Bảng 3.7 Hệ số hồi quy ước tính cho Ra .......................................................................46 Bảng 3.8 Thí nghiệm xác nhận và mô hình tham số tối ưu ...........................................50 Bảng 3.9 Kết quả thí nghiệm khảo sát 2 ........................................................................51 Bảng 3.10 Tập hợp các giá trị tính toán kết quả thực nghiệm khảo sát 2 .....................51 Bảng 3.11 Các thông số đầu vào và mức của các thông số thí nghiệm 3 .....................53 Bảng 3.12 Các thông số đầu vào, các mức và kết quả của các thí nghiệm 3 ................53 Bảng 3.13 Hệ số hồi quy ước tính cho MRR ................................................................ 54 Bảng 3.14 ANOVA cho MRR.......................................................................................54 Bảng 3.15 Hệ số hồi quy ước tính cho lượng bóc tách vật liệu MRR ..........................54 Bảng 3.16 Thí nghiệm xác nhận và mô hình tham số tối ưu .........................................57 Bảng 3.17 Các thông số đầu vào và mức của các thông số ...........................................62 Bảng 3.18 Ma trận thí nghiệm .......................................................................................63 Bảng 3.19 Các thông số trong ma trận thí nghiệm ........................................................64 Bảng 3.20 Kết quả thí nghiệm .......................................................................................65 Bảng 3.21 Thông số đầu ra và các đặc trưng ................................................................ 72 Bảng 4.1 ANOVA giá trị HV ........................................................................................73 Bảng 4.2 Mức độ ảnh hưởng của các thông số đầu vào đến HV ..................................73 Bảng 4.3 ANOVA trị số tỷ số S/N của HV ...................................................................74 Bảng 4.4 Mức độ ảnh hưởng của các thông số vào đến tỷ số S/N của HV...................75
x Bảng 4.5 ANOVA giá trị WLT .....................................................................................76 Bảng 4.6 Mức độ ảnh hưởng của các thông số đầu vào đến WLT ...............................76 Bảng 4.7 ANOVA trị số tỷ số S/N của WLT ................................................................ 77 Bảng 4.8 Mức độ ảnh hưởng của các thông số vào đến tỷ số S/N của WLT ................78 Bảng 4.9 ANOVA giá trị Ra ..........................................................................................79 Bảng 4.10 Mức độ ảnh hưởng của các thông số đầu vào đến Ra ..................................79 Bảng 4.11 ANOVA trị số tỷ số S/N của Ra ...................................................................81 Bảng 4.12 Mức độ ảnh hưởng của các thông số đầu vào đến tỷ số S/N của Ra ............81 Bảng 4.13 ANOVA giá trị TWR ...................................................................................82 Bảng 4.14 Mức độ ảnh hưởng của các thông số đầu vào đến TWR .............................83 Bảng 4.15 ANOVA trị số tỷ số S/N của TWR ..............................................................84 Bảng 4.16 Mức độ ảnh hưởng của các thông số vào đến tỷ số S/N của TWR .............84 Bảng 4.17 ANOVA giá trị MRR ...................................................................................86 Bảng 4.18 Mức độ ảnh hưởng của các thông số đầu vào đến MRR .............................86 Bảng 4.19 ANOVA trị số tỷ số S/N của MRR ..............................................................87 Bảng 4.20 Mức độ ảnh hưởng các thông số đầu vào đến tỷ số S/N của MRR .............88 Bảng 4.21 Dữ liệu chuẩn hóa ........................................................................................90 Bảng 4.22 Ma trận so sánh theo cặp ..............................................................................91 Bảng 4.23 Ma trận chuẩn hóa các cặp so sánh và tính toán các trọng số ưu tiên .........91 Bảng 4.24 Phân tích tính đồng nhất...............................................................................91 Bảng 4.25 Ma trận hiệu suất có trọng số yij ..................................................................92 Bảng 4.26 Chỉ tiêu chất lượng và đánh giá ...................................................................92 Bảng 4.27 Giải pháp lý tưởng tích cực và giải pháp lý tưởng tiêu cực .........................93 Bảng 4.28 Mức độ xung đột giữa các lựa chọn thay thế ...............................................93 Bảng 4.29 Mức độ tương tự và hiệu suất tổng thể cho các lựa chọn thay thế ..............94 Bảng 4.30 Phân tích ANOVA cho C* ...........................................................................96 Bảng 4.31 Bảng phản hồi cho giá trị trung bình của C* ...............................................97 Bảng 4.32 Phân tích ANOVA cho S/N của Pi ............................................................100 Bảng 4.33 So sánh kết quả tính toán với kết quả bằng thực nghiệm ..........................101
xi DANH SÁCH CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ TRANG Hình 1.1 Sơ đồ nguyên lý gia công tia lửa điện Lazarenko [73].....................................4 Hình 1.2 Sơ đồ máy gia công tia lửa điện, điện cực dây [73] .........................................5 Hình 1.3 Vùng điện áp xuất hiện tia lửa điện [73] ..........................................................7 Hình 1.4 Điện áp và dòng điện khi xuất hiện tia lửa điện [73] .......................................8 Hình 1.5 Dòng điện và điện áp trong chu kỳ xung [73] .................................................8 Hình 1.6 Quá trình tạo thành phoi EDM [73] ...............................................................11 Hình 1.7 Dòng chảy khi điện cực rút lên [73] ...............................................................12 Hình 2.1 Sơ đồ nguyên lý gia công tia lửa điện [73].....................................................19 Hình 2.2 Các pha trong một chu kỳ xung điện [75] ......................................................20 Hình 2.3 Đồ thị dòng điện và điện áp trong một chu kỳ xung [1] ................................ 21 Hình 2.4 Diễn biến của một quá trình phóng tia lửa điện [1]........................................23 Hình 2.5 Các miệng hố lõm được hình thành liên tiếp [18] ..........................................25 Hình 2.6 Các lớp bề mặt sau khi gia công [73] .............................................................26 Hình 2.7 Mòn điện cực [73] ..........................................................................................28 Hình 3.1 Máy xung điện CNC 3 trục CM323C ............................................................40 Hình 3.2 Điện cực và chi tiết xung ................................................................................41 Hình 3.3 Cân điện tử AJ 203 .........................................................................................41 Hình 3.4 Máy đo độ nhám SV - 2100 ...........................................................................42 Hình 3.5 Máy đo độ cứng HV IndentaMet....................................................................42 Hình 3.6 Kính hiển vi quang học Leica - DM750 .........................................................43 Hình 3.7 Biểu đồ phần dư cho Ra ..................................................................................47 Hình 3.8 Biểu đồ cột phần dư cho Ra ............................................................................47 Hình 3.9 Phần dư được chuẩn hóa với giá trị phù hợp ..................................................47 Hình 3.10 Ảnh hưởng của các yếu tố đến Ra ................................................................ 48 Hình 3.11 Ảnh hưởng tương tác của các yếu tố đến Ra ................................................48 Hình 3.12 Mặt phản hồi Ra với I và Ton .......................................................................49 Hình 3.13 2D ảnh hưởng I và Ton lên Ra .......................................................................49 Hình 3.14 Mặt phản hồi Ra với U và Ton .......................................................................49 Hình 3.15 2D ảnh hưởng U và Ton lên Ra ......................................................................49 Hình 3.16 Biểu đồ số dư cho MRR ...............................................................................55 Hình 3.17 Ảnh hưởng của các yếu tố đến MRR ...........................................................56
xii Hình 3.18 Ảnh hưởng tương tác của các yếu tố đến MRR ...........................................56 Hình 3.19 Mặt phản hồi MRR với U và I......................................................................57 Hình 3.20 2D ảnh hưởng U và I lên MRR ....................................................................57 Hình 3.21 Mặt phản hồi MRR với I và Ton ...................................................................57 Hình 3.22 2D ảnh hưởng I và Ton lên MRR ..................................................................57 Hình 3.23 Mặt phản hồi MRR với U và Ton ..................................................................57 Hình 3.24 2D ảnh hưởng U và Ton lên MRR.................................................................57 Hình 3.25 Sơ đồ thí nghiệm trong EDM .......................................................................61 Hình 3.26 Ảnh chụp vết đâm đo độ cứng tế vi lớp trắng HV .......................................66 Hình 3.27 Ảnh chụp mẫu đo kim tương đo chiều dày lớp trắng ...................................66 Hình 3.28 Đồ thị số dư cho tỷ lệ S/N của MRR ............................................................67 Hình 3.29 Đồ thị số dư trung bình của MRR ................................................................ 68 Hình 3.30 Đồ thị số dư cho tỷ lệ S/N của Ra .................................................................68 Hình 3.31 Đồ thị số dư trung bình của Ra .....................................................................69 Hình 3.32 Đồ thị số dư cho tỷ lệ S/N của HV ...............................................................69 Hình 3.33 Đồ thị số dư trung bình của HV ...................................................................70 Hình 3.34 Đồ thị số dư cho tỷ lệ S/N của WLT ............................................................70 Hình 3.35 Đồ thị số dư trung bình của WLT ................................................................ 71 Hình 3.36 Đồ thị số dư cho tỷ lệ S/N của TWR ............................................................71 Hình 3.37 Đồ thị số dư trung bình của TWR ................................................................ 72 Hình 4.1 Ảnh hưởng của các thông số đầu vào đến HV ...............................................74 Hình 4.2 Ảnh hưởng của các thông số vào đến tỷ số S/N của HV ...............................75 Hình 4.3 Ảnh hưởng của các thông số đầu vào đến WLT ............................................77 Hình 4.4 Ảnh hưởng của các thông số đầu vào đến tỷ số S/N của WLT ......................78 Hình 4.5 Ảnh hưởng của các thông số đầu vào đến Ra .................................................80 Hình 4.6 Ảnh hưởng của các thông số đầu vào đến tỷ số S/N của Ra...........................81 Hình 4.7 Ảnh hưởng của các thông số đầu vào đến TWR ............................................83 Hình 4.8 Ảnh hưởng của các thông số vào đến tỷ số S/N của TWR ............................85 Hình 4.9 Ảnh hưởng của các thông số đầu vào đến MRR ............................................86 Hình 4.10 Ảnh hưởng của các thông số đầu vào đến tỷ số S/N của MRR ...................88 Hình 4.11 Phương pháp tương tự của Deng’s ...............................................................95 Hình 4.12 Phân tích kết quả của Pi bằng xác suất thống kê ..........................................96 Hình 4.13 Tỷ lệ % ảnh hưởng của các thông số công nghệ đến Pi. ..............................96 Hình 4.14 Ảnh hưởng của các thông số công nghệ đến Pi............................................99
xiii Hình 4.15 Ảnh hưởng của I đến đặc tính chất lượng ....................................................99 Hình 4.16 Ảnh hưởng của U đến đặc tính chất lượng ...................................................99 Hình 4.17 Ảnh hưởng của Ton đến đặc tính chất lượng.................................................99 Hình 4.18 Ảnh hưởng của Toff đến đặc tính chất lượng ................................................99 Hình 4.19 Phân tích về S/N của chỉ tiêu tối ưu ...........................................................100
1 PHẦN MỞ ĐẦU 1. Tính cấp thiết của đề tài Ngày nay gia công Xung điện (Electrical Discharge Machining - EDM) là một trong những công nghệ quan trọng và phổ biến trên thế giới [1]. Phương pháp EDM là giải pháp gia công các vật liệu cứng và siêu cứng các chi tiết trong tua bin máy phát điện, động cơ máy bay, dụng cụ cắt, khuôn mẫu, đặc biệt là các bề mặt có hình dáng phức tạp mà các phương pháp gia công cắt gọt truyền thống như Tiện, Phay, Mài… rất khó thực hiện hoặc không thể thực hiện được [73]. EDM sử dụng năng lượng nhiệt để gia công các bộ phận máy với vật liệu dẫn điện, phương pháp này không có lực cắt và trong quá trình gia công không có rung động. Tuy vậy EDM còn tồn tại những nhược điểm như năng suất gia công không cao [3, 4], không gia công được vật liệu không dẫn điện, để lại trên bề mặt chi tiết gia công lớp trắng có cấu trúc, độ cứng, ứng suất dư khác lớp kim loại nền. Ở Việt Nam hiện nay khu vực sản xuất cũng được trang bị khá nhiều máy gia công EDM. Tuy nhiên giá thành khá đắt và việc chuyển giao công nghệ không đầy đủ nên việc khai thác thiết bị chưa hiệu quả và triệt để. Đã có nhiều công trình nghiên cứu ở nước ngoài và trong nước về EDM, nhưng do tính phức tạp của nó mà cho đến nay vẫn còn nhiều câu hỏi liên quan đến lĩnh vực này cần phải giải đáp. Các nghiên cứu về EDM ngoài nước đã có nhiều công trình khoa học [50 - 72] nghiên cứu sử dụng phương pháp Taguchi để thiết kế thực nghiệm, kết hợp với các phương pháp khác để tối ưu hóa, sử dụng các loại vật liệu điện cực và vật liệu chi tiết gia công khác nhau, nhằm nâng cao năng suất và chất lượng bề mặt chi tiết gia công sử dụng phương pháp gia công EDM. Tuy nhiên, chưa có nhiều nghiên cứu tối ưu hóa các thông số đầu vào trên máy xung điện để đạt năng suất và chất lượng bề mặt chi tiết gia công, sử dụng điện cực đồng nguyên chất (copper), gia công vật liệu SKD11. Trên cơ sở đó, đề tài khoa học “Nghiên cứu xác định chế độ công nghệ tối ưu khi gia công xung tia lửa điện bằng điện cực đồng” là cấp thiết. 2. Nội dung nghiên cứu - Nghiên cứu tổng quan về gia công tia lửa điện. - Cơ sở lý thuyết.
2 - Thực nghiệm nghiên cứu ảnh hưởng của các thông số đầu vào là cường độ dòng điện; điện áp khe hở phóng điện; thời gian phóng điện và thời gian ngừng phóng điện đến năng suất và chất lượng bề mặt thép làm khuôn được gia công bằng phương pháp Xung tia lửa điện EDM, với các chỉ tiêu đánh giá là độ cứng tế vi lớp trắng; chiều dày lớp trắng; mòn điện cực; nhám bề mặt và năng suất bóc tách vật liệu của chi tiết gia công. - Tối ưu hóa đơn mục tiêu và đa mục tiêu các thông số công nghệ đầu vào với các chỉ tiêu đầu ra là năng suất và chất lượng bề mặt chi tiết gia công. 3. Phương pháp nghiên cứu Sử dụng phương pháp nghiên cứu lý thuyết kết hợp với thực nghiệm: - Nghiên cứu lý thuyết kết hợp với thực nghiệm khảo sát để phân tích tác động của các thông số công nghệ đến chất lượng bề mặt; mòn điện cực và năng suất gia công. Kế thừa và phát triển kết quả nghiên cứu trong và ngoài nước về EDM; - Thực nghiệm gia công để xây dựng hàm quan hệ thông số công nghệ với hàm mục tiêu: Độ cứng tế vi lớp trắng; chiều dày lớp trắng; nhám bề mặt; mòn điện cực và năng suất bóc tách vật liệu, gồm các bước: + Xây dựng hệ thống thí nghiệm; + Tiến hành thực nghiệm; + Phân tích kết quả và tối ưu hóa. - Áp dụng phương pháp Taguchi và phương pháp Taguchi - AHP - Deng’s cho các bài toán tối ưu hóa đơn và đa mục tiêu. 4. Đối tượng nghiên cứu Nghiên cứu ảnh hưởng của các thông số công nghệ gồm: cường độ dòng điện (I); điện áp khe hở phóng điện (U); thời gian phóng điện (Ton); thời gian ngừng phóng điện (Toff) đến các chỉ tiêu đầu ra là: Độ cứng tế vi bề mặt (HV); chiều dày lớp trắng (WLT). nhám bề mặt (Ra); mòn điện cực (TWR) và năng suất bóc tách vật liệu (MRR). Trên cơ sở thực nghiệm gia công bằng công nghệ gia công xung tia lửa điện (EDM), sử dụng điện cực đồng đỏ (copper) trên bề mặt của chi tiết mẫu từ thép SKD11 đã xử lý nhiệt đạt độ cứng 58 - 62 HRC.
3 5. Giới hạn nghiên cứu - Chi tiết gia công xung: SKD11 đã xử lý nhiệt, độ cứng đạt 58 - 62 HRC; - Điện cực: Đồng đỏ (copper); - Công nghệ gia công: Xung tia lửa điện; - Giới hạn các thông số đầu vào: + Cường độ dòng điện: I = (1, 2, 3, 4, 5) A; + Điện áp khe hở: U = (30, 40, 50, 60, 70) V; + Thời gian phóng điện: Ton = (18, 25, 37, 50, 75) µs; + Thời gian ngừng phóng điện: Toff = (9, 12, 18, 25, 37) µs. 6. Mục đích nghiên cứu Mục đích nghiên cứu của đề tài luận án (LA) là: Áp dụng phương pháp tối ưu hóa đơn mục tiêu và đa mục tiêu, tìm ra bộ thông số tối ưu để giảm độ cứng tế vi lớp trắng và giảm chiều dày lớp trắng đến mức nhỏ nhất có thể, nhưng vẫn đảm bảo nâng cao năng suất bóc tách vật liệu, giảm mòn điện cực, giảm độ nhám bề mặt chi tiết gia công trong gia công EDM. 7. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài a. Ý nghĩa khoa học Bằng nghiên cứu thực nghiệm và áp dụng phương pháp Taguchi - AHP - Deng’s để tối ưu hóa, đã xác định được ảnh hưởng của bộ thông số công nghệ đầu vào gồm cường độ dòng điện (I); điện áp khe hở phóng điện (U); thời gian phóng điện (Ton); thời gian ngừng phóng điện (Toff) đến độ cứng tế vi bề mặt (HV); chiều dày lớp trắng (WLT); mòn điện cực (TWR); nhám bề mặt (Ra) và năng suất bóc tách vật liệu (MRR). b. Ý nghĩa thực tiễn - Kết quả của đề tài luận án có thể áp dụng vào thực tiễn sản xuất khi gia công EDM; - Phương pháp nghiên cứu của đề tài luận án có thể làm tài liệu tham khảo trong công tác nghiên cứu và lựa chọn bộ thông số tối ưu khi gia công EDM.
4 CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ GIA CÔNG TIA LỬA ĐIỆN 1.1 Lịch sử phát triển EDM Người đầu tiên phát triển máy phóng tia lửa điện với một mạch điện tương tự như hệ thống đánh lửa trên ô tô là Lazarenko (người Nga) vào năm 1943. Hệ thống này đã trở thành hệ thống EDM (Electrical Discharge Machining) tiêu chuẩn đầu tiên được sử dụng trên toàn thế giới (mạch điện trở - tụ điện (R-C) cho máy EDM (hình 1.1)). Những năm sau đó Lazarenko tiếp tục phát triển hệ thống và thiết kế một hệ thống tự động duy trì khoảng cách phóng điện từ điện cực tới phôi trong chu kỳ gia công EDM. Nhiều máy EDM do Lazarenko thiết kế đã được sản xuất trong chiến tranh thế giới thứ II, cho phép gia công kim loại như Vonfram và Vonfram cacbua. Từ mô hình này, các máy gia công tia lửa điện được phát triển ở các quốc gia bên ngoài nước Nga, đó là châu Âu và Nhật Bản [73]. Động cơ servo điều khiển điện cực tự động Điện trở (R) Điện cực Khe hở đánh lửa Chất điện môi Thùng chứa Nguồn điện 1 chiều Tụ điện (C) Phôi (vật liệu dẫn điện) Hình 1.1 Sơ đồ nguyên lý gia công tia lửa điện sử dụng mạch điện R-C của Lazarenko [73] Năm 1967, một máy cắt dây EDM sản xuất tại Liên Xô đã được trưng bày tại một triển lãm máy tại Montreal, Quebec, Canada. Máy này đặc trưng điều khiển số chuyển động bằng động cơ bước, độ chính xác gia công là 0,02 mm. Thời gian cần thiết để cắt một vết cắt dài 127 mm thép dày 12,7 mm là 180 phút [73]. Điện cực dùng cho máy cắt dây EDM là dây có đường kính nhỏ (d = 0,1 - 0,3 mm) được quấn thành cuộn. Quá trình
5 phóng điện ăn mòn xảy ra trong môi trường chất điện môi (nước đã khử ion). Sơ đồ máy gia công EDM điện cực dây được trình bày ở hình 1.2. Bộ điều khiển Bộ quấn Bàn máy có điện cực dây tấm bảo vệ Tủ điện Động cơ di chuyển bàn máy Thúng chứa và bộ lọc chất điện môi Bàn máy Đế máy Hình 1.2 Sơ đồ máy gia công tia lửa điện, điện cực dây [73] Cho đến nay, phương pháp gia công này đã được phổ biến rộng rãi khắp nơi trên thế giới. Nguyên tắc của phương pháp này là bắn phá chi tiết để tách vật liệu bằng nguồn năng lượng nhiệt rất lớn được sinh ra khi cho hai điện cực tiến gần nhau. Trong hai điện cực này, một đóng vai trò là dao và một đóng vai trò là phôi trong quá trình gia công. Trong thập niên 1960 đã có nhiều nghiên cứu sâu rộng về gia công EDM và đã giải quyết được nhiều vấn đề liên quan đến mô hình tính toán quá trình gia công EDM. Trong thập niên 1970 đã xảy ra cuộc cách mạng về gia công trên máy cắt dây EDM nhờ vào việc phát triển các máy phát xung công suất lớn, các loại dây cắt và các phương pháp sục chất điện môi hữu hiệu [21]. Máy gia công tia lửa điện ngày nay sử dụng động cơ tuyến tính có chuyển động chính xác cao, cập nhật công nghệ điều khiển mới nhất.