NGHIÊN cứu ẢNH HƯỞNG của điện áp ĐÁNH lửa và CƯỜNG độ DÒNG PHÓNG TIA lửa điện đến độ NHÁM bề mặt CHI TIẾT KHI GIA CÔNG THÉP 40cr TRÊN máy CHMEREDM CW 420HS THE EFFECTS OF BREAKDOWN POTENTIAL PARAMETER AND SPARK DISCHARGE POWER ON SURFACE

Kỷ yếu hội nghị khoa học và công nghệ toàn quốc về cơ khí - Lần thứ IV

NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA ĐIỆN ÁP ĐÁNH LỬA VÀ CƯỜNG ĐỘ
DÒNG PHÓNG TIA LỬA ĐIỆN ĐẾN ĐỘ NHÁM BỀ MẶT CHI TIẾT KHI GIA
CÔNG THÉP 40Cr TRÊN MÁY CHMEREDM CW 420HS
THE EFFECTS OF BREAKDOWN POTENTIAL PARAMETER AND SPARK
DISCHARGE POWER ON SURFACE ROUGHNESS OF 40Cr STEEL WHEN
PROCESSING BY CHMEREDM CW 420 HS MACHINE
S. Nguyễn Mai Anh1, Nguyễn Mai Anh1, Hoàng Xuân Thịnh1,
Phạm Văn Bổng2, Phạm Văn Đông2a
1,2
Trường Đại học Công nghiệp Hà Nội, Việt Nam
a

TÓM TẮT
Bài báo trình bày kết quả nghiên cứu ảnh hưởng của điện áp đánh lửa (U z) và cường độ
dòng phóng tia lửa điện (Ie) đến độ nhám bề mặt chi tiết khi gia công thép 40Cr trên máy cắt
dây. Kết quả nghiên cứu là cơ sở cho các nhà công nghệ lựa chọn chế độ công nghệ tối ưu
nhằm nâng cao chất lượng độ nhám bề mặt chi tiết, độ chính xác và năng suất gia công khi gia
công trên máy CHMEREDM CW 420 HS.
Từ khóa: độ nhám, nhá nđộ nh́t, CHMEREDM CW 420 HS.
ABSTRACT
This paper reports on the effects of breakdown potential parameter (Uz) and spark
discharge power (Ie) on surface roughness of the 40Cr steel product processed by EDM wire
cutting machine. Results are the bases for technologists to choose the optimum cutting
parameters in order to improve the quality of the surface along with the increase in accuracy and
productivity when processed by CHMEREDM CW 420 HS machine.
Keywords: Roughness, Cutting parameters, CHMEREDM CW 420 HS.
1. ĐẶT VẤN ĐỀ
Chất lượng độ nhám bề mặt chi tiết sau khi gia công bằng phương pháp cắt dây tia lửa
điện phụ thuộc vào rất nhiều yếu tố [1] như: điện áp đánh lửa (Uz), dòng phóng tia lửa điện

(Ie), độ dài xung (ti), khoảng cách xung (t0), thời gian trễ đánh lửa (td), chiều dày phôi (h), vật
liệu gia công, vật liệu làm điện cực,… Khi điều kiện và thiết bị gia công không đổi, để nâng
cao năng suất, chất lượng độ nhám bề mặt chi tiết và độ chính xác sau khi gia công thì việc
lựa chọn thông số công nghệ là hết sức cần thiết.
Các nghiên cứu đã chỉ ra mối quan hệ giữa điện áp đánh lửa (Uz), cường độ dòng phóng
tia lửa điện (Ie) và độ nhám bề mặt chi tiết (Ra) tuân theo quy luật hàm số mũ [2]:
Ra = C × (Uz)a × (Ie)b

(1)

Trong đó: C là hằng số; a, b là các số mũ. Hằng số C và các số mũ a, b được xác định
bằng thực nghiệm. Trong điều kiện gia công chi tiết cụ thể, việc xác định các giá trị C, a, b sẽ
giúp nhà công nghệ tính toán, lựa chọn thông số công nghệ hợp lý theo yêu cầu của chi tiết
gia công.

561


Kỷ yếu hội nghị khoa học và công nghệ toàn quốc về cơ khí - Lần thứ IV
2. THỰC NGHIỆM
2.1. Vật liệu và trang thiết bị thí nghiệm
2.1.1. Vật liệu gia công
Vật liệu dùng để chế tạo các chi tiết máy chịu tải trọng lớn, chống mài mòn tốt thường
hay sử dụng vật liệu thép hợp kim có độ bền cao. Ở đây, đối với chi tiết “đệm của dao gia
công bánh răng côn cong” nhóm tác giả sử dụng vật liệu thí nghiệm là 40Cr đã qua xử lý
nhiệt, tôi đạt 54-58 HRC.
Kết quả phân tích thành phần mác thép làm thí nghiệm bằng phương pháp chụp quang
phổ được thể hiện trong bảng 2.1.
Bảng 2.1. Kết quả phân tích thành phần hóa học mác thép
Thành phần hóa học trung bình các nguyên tố chính (%)

Vật
liệu

C

Si

Mn

P

S

Cr

Mo

Ni

Cu

40Cr

0,38

0,25

0,55

0,035

0,035

0,95

0,15

0,2

0,3

Bản vẽ chế tạo chi tiết Đệm của Dao gia công bánh răng côn cong được thể hiện trên
hình 2.1
Rz20

34±0,1

( )

9.75±0.1

0.02 B

17±0.1

+ 0.1

0.01 A

2.5

2.5±0.01

19.5-0.05

Ø10

2.5

Nguoi ve

A

Nguyên Mai Anh

Kiêm tra

Khoa Co khi
Truong ÐHCN Ha Nôi

B

2015

ÐÊM DAO GIA CÔNG BÁNH
RANG CÔN CONG

Vât liêu: 40Cr

SL: 16
Ty lê: 4:1

Hình 2.1. Bản vẽ chi tiết đệm của dao gia công bánh răng côn cong
Bề mặt gia công là hai mặt song song, độ nhám Ra = 2,5µm, chiều dày gia công là 34
mm, chiều dài gia công là 19,5 mm.
2.1.2. Vật liệu làm điện cực
Vật liệu làm điện cực là vật liệu có khả năng dẫn điện, dẫn nhiệt và độ bền cơ học tốt.
Căn cứ vào yêu cầu và điều kiện thực tế, nhóm tác giả chọn vật liệu làm điện cực là dây đồng;
ký hiệu vật liệu CuZn35, đường kính Ф = 0,2 mm, độ bền kéo căng cơ học 750 ÷ 790N/mm2,
độ thoát nhiệt cao.
562


Kỷ yếu hội nghị khoa học và công nghệ toàn quốc về cơ khí - Lần thứ IV
2.1.3. Trang thiết bị thí nghiệm
- Máy gia công cắt dây CHMEREDM CW420 HS hình 2.2.
- Máy đo độ nhám Mitutoyo SJ - 400 hình 2.3.

Hình 2.2. Máy CHMEREDM CW420 HS

Hình 2.3. Máy đo độ nhám Mitutoyo SJ - 400

2.2. Phương pháp thực nghiệm
Nghiên cứu được thực hiện trên 06 mẫu, sau khi vật liệu được xác định mác thép, phôi
được tôi thể tích đạt độ cứng 54-58 HRC, rồi tiến hành gia công; sử dụng phương pháp quy
hoạch thực nghiệm, chọn dạng phương trình hồi quy, xác định thông số thí nghiệm và tiến
hành thực nghiệm. Đo, kiểm tra đánh giá độ nhám, xây dựng công thức xác định mối quan hệ
giữa điện áp đánh lửa, dòng phóng tia lửa điện với chất lượng độ nhám bề mặt chi tiết sau khi
gia công.

2.3. Tiến hành thực nghiệm
2.3.1. Xác định số thí nghiệm và dạng phương trình hồi quy
Nhóm tác giả đã sử dụng phương pháp bình phương nhỏ nhất với biến số đầu vào k để
xác định số lượng thí nghiệm [3,4]:
N = 2k

(2)

Trong đó: N - số thí nghiệm;
k - thông số (biến) đầu vào.
Các biến đầu vào Xi điều khiển được:
X1: điện áp đánh lửa Uz (V);
X2: cường độ dòng phóng tia lửa điện Ie (A).
Biến đầu ra bị điều khiển:
y: độ nhám bề mặt Ra (µm).
Với biến đầu vào k = 2 ta có số thí nghiệm N = 4. Để nâng cao độ chính xác, nhóm tác
giả thêm 02 thí nghiệm ở tâm nên tổng số thí nghiệm N = 4 + 2 = 6.
Theo lý thuyết quy hoạch thực nghiệm, bằng phương pháp bình phương nhỏ nhất ta có
dạng phương trình hồi quy thực nghiệm [3,5]:
y = a0 + a1x1 + a2x2 + … + anxn

563

(3)


Kỷ yếu hội nghị khoa học và công nghệ toàn quốc về cơ khí - Lần thứ IV
2.3.2. Thông số và điều kiện thí nghiệm
* Thông số thí nghiệm:
Qua nghiên cứu lý thuyết về quá trình cắt, các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình cắt [1],

thông số công nghệ của máy, vật liệu chế tạo, độ dày của phôi khi cắt; căn cứ vào khuyến cáo
của nhà sản xuất điện cực. Nhóm tác giả lựa chọn miền thông số dùng cho thực nghiệm như
sau:
+ Điện áp đánh lửa (Uz):

95 (V) ≥ UZ ≥ 75 (V)

+ Cường độ dòng phóng tia lửa điện (Ie):

6 (A) ≥ Ie ≥ 2 (A)

Một số thông số công nghệ khác được thể hiện trong bảng 2.2.
Bảng 2.2. Một số thông số công nghệ khác
Thông
số

PW

ON

OFF

AN

AFF

SV

FR

WF

WT

WL

FM

F

Giá trị

D00

4

14

2

14

44

3

3

4

5

0

1

Mối quan hệ giữa điện áp đánh lửa (Uz) và dòng phóng tia lửa điện (Ie) đến độ nhám bề mặt
(Ra) chi tiết thể hiện qua công thức (1) là hàm phi tuyến, khi tính toán ta chuyển sang hàm
logarit nên các thông số thực nghiệm xác định như sau:
Mức trên: xi(t) = lnxi max;
Mức dưới: xi(d) = lnxi min;
Mức cơ sở: xi(0) = 1/2 (lnxi max + lnxi min)
X1(0) = 1/2 (lnx1 max + lnx1 min) =1/2 (ln95 + ln75) = 4,436
X2(0) = 1/2 (lnx2 max + lnx2 min) = 1/2(ln6 + ln2) = 1,243
Khoảng biến thiên: i = 1/2(lnxi max - lnxi min)
1= 1/2(lnx1 max – lnx1 min) = 1/2(ln95 – ln75) = 0,118
2= 1/2(lnx2 max – lnx2 min) = 1/2(ln6 – ln2) = 0,549
Kết quả tính toán các giá trị thể hiện trong bảng 2.3.
Bảng 2.3. Giá trị các yếu tố trong thực nghiệm
Yếu tố
X1

X2

Mức trên

4,554

1,792

Mức dưới

4,318

0,693

Mức cơ sở

4,436

1,243

Khoảng biến thiên

0,118

0,549

* Điều kiện thí nghiệm:
- Chất lượng và dòng chảy dung môi không thay đổi;
- Nhiệt độ môi trường thí nghiệm: 22oC ÷ 25oC;
- Rung động và nhiễu coi như không đáng kể và ổn định trong suốt quá trình thí nghiệm;
- Các điều kiện khác coi như tiêu chuẩn.
2.4. Kết quả thực nghiệm
Các mẫu sau khi gia công được thể hiện trong hình 2.4;
564


Kỷ yếu hội nghị khoa học và công nghệ toàn quốc về cơ khí - Lần thứ IV

Hình 2.4. Mẫu thí nghiệm sau khi gia công
Sau khi cắt dây các mẫu được làm sạch bởi dầu hỏa, tiến hành đo độ nhám trên máy
Mitutoyo SJ - 400 ta được kết quả thể hiện trong bảng 2.4.
Bảng 2.4. Kết quả đo độ nhám
Biến mã hóa
Biến thực nghiệm

STT
Mẫu

X1

X2

UZ (V)

Ie (A)

Giá trị độ nhám
Ra (µm)

1

-1

-1

75

2

1,221

2

+1

-1

95

2

1,235

3

-1

+1

75

6

1,853

4

+1

+1

95

6

1,875

5

0

0

84,436

3,466

1,782

6

0

0

84,436

3,466

1,752

2.4.1. Quy hoạch số liệu thực nghiệm
Mối quan hệ giữa UZ, Ie và độ nhám (Ra) tuân theo quy luật hàm số mũ ta có:
Ra = C × (Uz)a × (Ie)b
Logarit hai vế phương trình (1) ta được:
ln(Ra) = ln(C) + a.ln(Uz) + b.ln(Ie)
Đặt:

y = ln(Ra);

a0 = ln(C);

a1 = a;

x1 = ln(Uz);

x2 = ln(Ie);

a2 = b;

(4)

Ta được phương trình:
y = a0 + a1x1 + a2x2

(5)

Áp dụng quy hoạch thực nghiệm, sử dụng phương pháp bình phương nhỏ nhất, trên cơ sở hỗ

trợ của phần mềm Microsoft Excel, Matlab ta thu được kết quả như trong bảng 2.5.
Bảng 2.5. Kết quả tính toán các giá trị logarit
Ie(A)
Ra(µm)
ln(Uz)
ln(Ie)

STT

UZ (V)

1

75

2

1,221

4,317488

0,693147

0,19967

2

95

2

1,235

4,553877

0,693147

0,211071

3

75

6

1,853

4,317488

1,791759

0,616806

4

95

6

1,875

4,553877

1,791759

0,628609

5

84,436

3,466

1,782

4,435994

1,243001

0,577736

6

84,436

3,466

1,752

4,435994

1,243001

0,560758

565

ln(Ra)


Kỷ yếu hội nghị khoa học và công nghệ toàn quốc về cơ khí - Lần thứ IV

 A   X .Y 

Với:

(6)

Trong đó:

 X  : ma trận biến số đầu vào thực nghiệm;
Y  : ma trận cột giá trị đo được của độ nhám;

 A : ma trận hệ số tương ứng với a0, a1, a2.
 0, 2292 
Sau khi tính toán ta được ma trận hệ số:  A   0, 0502 
 0,3800 

Ta có:

Ra = e-0,2292 × Uz0,0502 × Ie0,3800 = 0,795 × Uz0,0502 × Ie0,3800

(7)

Đồ thị biểu diễn mối quan hệ giữa điện áp đánh lửa, cường độ dòng phóng tia lửa điện với độ
nhám bề mặt chi tiết thể hiện trên hình 2.5 và 2.6.
Ra (µm)

Ra (µm)

2

2

1.9

1.9

1.8

1.8

1.7

1.7

1.6

1.6

1.5

1.5

1.4

1.4

1.3

1.3

1.2

1.2

1.1

1.1

1

1
2

1

3

4

5

6

7 Ie(A)

70

75

80

85

90

95

100

Uz(V)

Hình 2.5. Đồ thị mô tả mối quan hệ

Hình 2.6. Đồ thị mô tả mối quan hệ

giữa Ra với Ie

giữa Ra với Ui

Nhận xét:
Từ công thức (7) và đồ thị hình 2.5, 2.6 ta thấy ảnh hưởng của cường độ dòng phóng tia lửa
điện (Ie) lớn hơn so với điện áp đánh lửa (Uz) đến giá trị độ nhám bề mặt chi tiết sau khi gia
công. Kết quả nghiên cứu thực nghiệm phù hợp với kết quả nghiên cứu lý thuyết.
2.4.2. Đánh giá độ tin cậy của hàm hồi quy thực nghiệm
Độ tin cậy được đánh giá bằng công thức [3,5]:

 y 2   ,2 y
r
 y2

y

2

y

,2

Trong đó:



1 N

. yi  y
N 1 1



(8)

2

1 N

.  yi  yi , 
N 1 1

2

566


Kỷ yếu hội nghị khoa học và công nghệ toàn quốc về cơ khí - Lần thứ IV

yi : logarit cơ số e giá trị độ nhám Ra thực nghiệm;
yi : giá trị trung bình logarit cơ số e độ nhám Ra thực nghiệm;
yi , : logarit độ nhám Ra theo hàm hồi quy thực nghiệm.

N: số thí nghiệm
Sử dụng phần mềm Excel ta tính được kết quả độ tin cậy như trong bảng 2.6.
Bảng 2.6. Kết quả tính toán độ tin cậy
Ie
yi
y’i
yi  yi
(A)
(µm)

(µm)





y  y 2

STT

Uz
(V)

1

75

2

1,221

1,355

0,1592

0,0180

2

95

2

1,235

1,263

0,1482

0,0008

3

75

6

1,853

1,951

0,0543

0,0096

4

95

6

1,875

1,894

0,0650

0,0004

5

84,436

3,466

1,782

1,763

0,0262

0,0004

6

84,436

3,466

1,752

1,693

0,0174

0,0035

0,4704

0,0325

Tổng

9,718

Trung bình
Ta được: r 

2

,

i

i

yi =1,62

0, 4704  0, 0325
= 0,931

0, 4704

Độ tin cậy: r = 93,1 %
2.4.3. Kiểm tra sự tồn tại của các tham số ai
Ta có phương sai dư Sdư được tính theo công thức [5]:

Sdu 2 



S a

(9)

N  m 1

Trong đó: N là số thử nghiệm; m là các thông số cần xác định, trừ a0
Tổng dư bình phương:

 

 



T

S a  Y  X .a . Y  X .a =

Nên

Sdu 2 

m


y

x
a
 i  ij i 

i 1 
j 0

N

2

= 0,03217

0, 03217
 0, 010723 => S du = 0,104
6  2 1

Xác định sự tồn tại của ai
i
ttinh


ai
Sdu . mii

 tbangtra  N  m  1,1   / 2  

(10)

Mii là ma trận thứ ii của ma trận nghịch đảo M-1 (ma trận nghịch đảo của ma trận M = XT.X)
567


Kỷ yếu hội nghị khoa học và công nghệ toàn quốc về cơ khí - Lần thứ IV

M

Với:

1

 4196, 706

  23,568

5, 213


17, 246 

12,159 24,156 
28, 234 7736,962 

5,364

Ta được:
0
ttinh


0, 795
= 0,118
0,104. 4196, 706

2
ttinh


1, 052
= 0,115
0,104. 7736,962

1

; ttinh

1, 462
= 4,031
0,104. 12,159

Với độ tin cậy r = 0,931 tra bảng phân phối Student [5] có tbang(N-m-1; r) = 0,09
Vậy titinh> tbang. Như vậy, các hệ số ai thực sự tồn tại nên tồn tại mối quan hệ giữa độ
nhám bề mặt với điện áp đánh lửa, cường độ dòng phóng tia lửa điện thể hiện như sau:

Ra = 0,795 × Uz0,0502 × Ie0,3800
3. KẾT LUẬN
Kết quả nghiên cứu thực nghiệm đã xác định được mối quan hệ toán học giữa dòng
phóng tia lửa điện (Ie) và điện áp đánh lửa (Uz) đến độ nhám bề mặt chi tiết (Ra) khi gia công
thép 40Cr đã tôi trên máy CHMEREDM CW420 HS. Mối quan hệ đó được thể hiện qua công
thức:
Ra = 0,795 × Uz0,0502 × Ie0,3800
Kết quả nghiên cứu giúp các nhà công nghệ tính toán, lựa chọn chế độ công nghệ hợp
lý, nâng cao năng suất, chất lượng bề mặt chi tiết và độ chính xác gia công.
TÀI LIỆU THAM KHẢO
[1]. Vũ Hoài Ân, Gia nhôhg ntia nlửa nđiệh, Viện Máy và Dụng cụ công nghiệp, Hà Nội, 1994.
[2]. Đặng Hùng Thắng, Taốhg nkê nvà nứhg ndụhg, NXB Giáo dục Hà Nội, 1997.
[3]. Nguyễn Doãn Ý, Quy naoạha ntaựh nhgaiệm,, NXB Khoa học và Kỹ thuật, Hà Nội, 2003.
[4]. Hoàng Vĩnh Sinh, Trần Xuân Tùy, Lưu Đức Bình, Ngaiêh n hứu n ảha n aưởhg n hủa n haiều n
dày npaôi nvà nđộ ndài nxuhg nđ́h nđộ nhám, nbề nm,ặt nkai ngia nhôhg nhai ntít nbằhg nh́t ndây ntia nlửa n
điệh, Tạp chí Khoa học và Công nghệ, Đại học Đà Nẵng - Số 1/2011.
[5]. Trần Văn Địch, Ćh npaươhg npáp nx́h nđịha nđộ nhaíha nx́h ngia nhôhg, NXB Khoa học và
Kỹ thuật, Hà Nội, 1997.
[6]. Didier Staufer, “Machining and measurement of Sculotured Surface”, The newest
achievement in electrical discharge machining, Krakow, 1997.
[7]. Erle, Shobert, Electrical discharge machining Tooling, method and application,
Hannover university, Germany, 2001.
[8]. Erik L.J. Bohez, Electrical Discharge Machining School of advanced Technology, 1995.
[9]. E.C.Jameson, Electrical Discharge Machining – Tooling, Methods And Application,
Dearborn Michigan, USA (1983).
[10]. Indrajit Basak, Amitabha, Jounal of Materials Processing Technology, Krakow, 1997.

568