Nghiên cứu nâng cao hiệu quả gia công của phương pháp tia lửa điện bằng biện pháp trộn bột Titan vào dung dịch điện môi

0

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN

NGUYỄN HỮU PHẤN

NGHIÊN CỨU NÂNG CAO HIỆU QUẢ GIA CÔNG
CỦA PHƢƠNG PHÁP TIA LỬA ĐIỆN BẰNG BIỆN PHÁP
TRỘN BỘT TITAN VÀO DUNG DỊCH ĐIỆN MÔI

LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT

THÁI NGUYÊN - 2016


BỘ GIÁO
DỤC VÀ ĐÀO TẠO
LỜI CAM ĐOAN
ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN

Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi. Các số liệu, kết
quả nghiên cứu của Luận án là khách quan, trung thực và chưa từng được ai công
bố trong bất kỳ công trình khoa học nào khác.
Ngƣời viết cam đoan

NGUYỄN HỮU PHẤN

NGHIÊN CỨU NÂNG CAO HIỆU QUẢ Nguyễn
GIA CÔNG
Hữu Phấn

CỦA PHƢƠNG PHÁP TIA LỬA ĐIỆN BẰNG BIỆN PHÁP
TRỘN BỘT TITAN VÀO DUNG DỊCH ĐIỆN MÔI

Chuyên ngành

: Kỹ thuật cơ khí

Mã số

: 62.52.01.03

LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT

Ngƣời hƣớng dẫn khoa học:
1. GS.TSKH. Bành Tiến Long

2. TS. Ngô Cƣờng

THÁI NGUYÊN - 2016


ii

MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN

i

LỜI CẢM ƠN

ii

MỤC LỤC

iii

DANH MỤC CÁC CỤM TỪ VIẾT TẮT

vi

DANH MỤC CÁC KÍ HIỆU

vii

DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU

x

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ

xii

PHẦN MỞ ĐẦU

1

Chƣơng 1. TỔNG QUAN VỀ PHƢƠNG PHÁP GIA CÔNG

5

BẰNG TIA LỬA ĐIỆN
1.1. Phương pháp gia công bằng tia lửa điện (EDM)........................................ 5
1.1.1. Lịch sử phát triển........................................................................................ 5
1.1.2. Nguyên lý gia công.....................................................................................5
1.1.3. Các ứng dụng EDM trong gia công cơ khí................................................ 7
1.1.4. Các thông số công nghệ .......................................................................... 9
1.1.5. Năng suất, chất lượng bề mặt và độ chính xác gia công ........................... 11
1.1.6. Các hướng nghiên cứu trong EDM......................................................... 14
1.2. Biện pháp trộn bột vào dung dịch điện môi trong EDM ............................

21

1.2.1. Sơ đồ gia công........................................................................................... 21
1.2.2. Bột trộn trong dung dịch điện môi............................................................ 22
1.2.3. Những thay đổi của quá trình EDM khi bột trộn vào dung dịch điện môi

24

1.2.4. Tổng quan các hướng nghiên cứu về PMEDM.......................................... 27
1.3. EDM và công nghệ chế tạo khuôn.............................................................. 34
1.4. Nhận xét........................................................................................................ 34
1.5. Xác định hướng nghiên cứu.......................................................................... 35


iii

1.6. Một số giả thiết khoa học.............................................................................. 35
Chƣơng 2. THỰC NGHIỆM KHẢO SÁT GIA CÔNG BẰNG EDM

36

2.1. Khảo sát chất lượng lớp bề mặt khuôn dập nóng sau EDM.......................... 36
2.1.1. Mục đích.................................................................................................. 36
2.1.2. Đối tượng khảo sát..................................................................................... 36
2.1.3. Điều kiện khảo sát.................................................................................... 37
2.1.3.1. Thiết bị, thông số công nghệ và điều kiện gia công.............................. 37
2.1.3.2. Thiết bị đo, kiểm tra.............................................................................. 37
2.1.4. Kết quả và thảo luận................................................................................. 38
2.1.4.1. Cấu trúc của lớp bề mặt gia công.......................................................... 38
2.1.4.2. Thành phần hóa học và tổ chức tế vi của lớp bề mặt gia công.............. 41
2.1.4.3. Topography của bề mặt gia công........................................................... 43
2.2. Khảo sát ảnh hưởng nồng độ bột đến quá trình gia công bằng EDM.......... 44
2.2.1. Mục đích................................................................................................... 44
2.2.2. Hệ thống thí nghiệm................................................................................. 45
2.2.3. Thiết bị đo, kiểm tra................................................................................. 49
2.2.4. Kết quả và thảo luận................................................................................. 49
2.2.4.1. Kết quả................................................................................................... 49
2.2.4.2. Ảnh hưởng của nồng độ bột Ti đến năng suất và chất lượng bề mặt
gia công bằng PMEDM...................................................................................... 50
2.2.4.3. Phương trình hồi quy thực nghiệm........................................................ 59
Kết luận chương 2

68

Chƣơng 3. THỰC NGHIỆM XÁC ÐỊNH ẢNH HƢỞNG CỦA MỘT SỐ
YẾU TỐ ÐẾN NĂNG SUẤT VÀ CHẤT LƢỢNG BỀ MẶT GIA CÔNG
BẰNG TIA LỬA ÐIỆN CÓ TRỘN BỘT TITAN VÀO DUNG DỊCH
ÐIỆN MÔI

70

3.1. Thiết kế thí nghiệm....................................................................................

70

3.1.1. Lựa chọn phương pháp thiết kế thí nghiệm............................................. 70
3.1.2. Lựa chọn các thông số đầu vào............................................................... 71
3.1.3. Xây dựng quy hoạch thực nghiệm............................................................. 73


iv
3.2. Điều kiện thí nghiệm................................................................................... 80
3.3. Kết quả và thảo luận.................................................................................... 80
3.3.1. Kết quả thí nghiệm..................................................................................... 80
3.3.2. Kiểm tra độ tin cậy của dữ liệu................................................................. 82
3.3.3. Phân tích kết quả.................................................................................... 82
3.3.3.1. Năng suất bóc tách vật liệu (MRR)....................................................... 82
3.3.3.2. Lượng mòn điện cực (TWR)................................................................. 90
3.3.3.3. Độ nhám bề mặt gia công (Ra)............................................................. 98
3.3.3.4. Độ cứng tế vi lớp bề mặt (HV).............................................................. 105
3.3.3.5. Chất lượng lớp bề mặt gia công............................................................ 114
3.4. Tối ưu hóa đa mục tiêu................................................................................ 119
3.4.1. Các bước tiến hành................................................................................... 119
3.4.2. Kết quả và thảo luận................................................................................. 121
3.4.2.1. Kết hợp Taguchi và GRA...................................................................... 121
3.4.2.2. Kết quả tối ưu........................................................................................ 127
3.4.2.3. Thực nghiệm kiểm chứng...................................................................... 128
Kết luận chương 3

130

Chƣơng 4. ỨNG DỤNG KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀO THỰC TIỄN
SẢN XUẤT CHẾ TẠO KHUÔN DẬP NÓNG PHÔI BÁT PHỐT XE
132
MÁY
4.1. Mục đích ..................................................................................................... 132
4.2. Sản phẩm ứng dụng ..................................................................................... 132
4.3. Các chỉ tiêu đánh giá.................................................................................... 132
4.4. Một số thông tin về khuôn 53211................................................................ 132
4.4.1. Điều kiện làm việc.................................................................................... 132
4.4.2. Vật liệu chế tạo khuôn................................................................................ 133
4.4.3. Dạng hỏng của khuôn................................................................................. 133
4.5. Chế tạo bề mặt khuôn dập 53211 ................................................................. 134
4.5.1. Chế tạo đối chứng bằng phương pháp EDM ở Công ty............................ 134
4.5.2. Chế tạo khuôn thử nghiệm bằng PMEDM theo các thông số lấy từ kết
quả nghiên cứu.................................................................................................... 135


v

4.6. Kết quả thử nghiệm và thảo luận................................................................. 136
4.6.1. Tuổi bền của khuôn.................................................................................. 136
4.6.2. Một số chỉ tiêu kinh tế - kỹ thuật............................................................. 138
Kết luận chương 4

138

KẾT LUẬN CHUNG VÀ HƢỚNG NGHIÊN CỨU TIẾP THEO.................. 139
DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ LIÊN QUAN ĐẾN ĐỀ TÀI . 142
DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO........................................................ 145

PHỤ LỤC.......................................................................................................... 156


vi

DANH MỤC CÁC CỤM TỪ VIẾT TẮT
EDM – Electrical dischagre machining

Gia công bằng tia lửa điện

PMEDM – Powder mixed electrical Gia công bằng tia lửa điện có trộn bột vào
dischagre machining

dung dịch điện môi

MRR – Material removal rate

Năng suất bóc tách vật liệu

TWR – Tool wear rate

Lượng mòn điện cực

RSM - Response Surface Methodology

Phương pháp mặt đáp ứng

ANN - Artificial Neural Network

Mạng 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

SA - Simulated annealing

Mô phỏng ủ

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 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 bằng máy tính


vii

DANH MỤC CÁC KÍ HIỆU
ton

Thời gian phát xung

tof

Thời gian ngừng phát xung

Wi

Khối lượng phôi ban đầu

Wf

Khối lượng phôi sau gia công

Ra

Nhấp nhô bề mặt gia công

t

Thời gian thực hiện 1 thí nghiệm



Khối lượng riêng của phôi

Ti

Khối lượng điện cực ban đầu

Tf

Khối lượng điện cực sau gia công

D

Đường kính lỗ

d

Đường kính điện cực

d

Lượng quá cắt

ip

Mật độ dòng điện

Np

Nồng độ bột

ep

Điện tích của hạt bột

dp

Đường kính hạt bột

Ebr

Điện trường đánh thủng sự cách điện của dung dịch điện môi khi có bột

Ei

Điện trường đánh thủng sự cách điện của dung dịch điện môi khi không
có bột

r

Bán kính hạt bột



Độ nhớt của dung dịch điện môi

p

Hằng số điện môi của bột

i

Hằng số điện môi của dung dịch điện môi

0

Hằng số điện môi chân không

dp

Đường kính hạt bột

Nf

Nồng độ bột sau gia công

Ni

Nồng độ bột ban đầu



Kích thước khe hở phóng điện

1

Kích thước khe hở phóng điện khi không có bột


viii
2

Kích thước khe hở phóng điện khi có bột

gp

Khoảng cách giữa điện cực và hạt bột

hp

Chiều cao nhấp nhô

S

Diện tích bề mặt điện cực

Wc

Năng lượng của điện dung

g/cm3

Thứ nguyên của khối lượng riêng

V/m

Thứ nguyên của cường độ điện trường

%/Cm2 Thứ nguyên của mật độ dòng điện tạo bởi các hạt bột
g/l

Thứ nguyên của nồng độ hạt bột

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


ix

DANH MỤC BẢNG BIỂU
Bảng 2.1. Các điều kiện gia công bề mặt khuôn

37

Bảng 2.2. Chiều dày của các lớp trong bề mặt khuôn dập

39

Bảng 2.3. Độ cứng lớp bề mặt khuôn dập theo chiều sâu

40

Bảng 2.4. Thành phần các nguyên tố trên bề mặt khuôn dập

41

Bảng 2.5. Chỉ tiêu ảnh hưởng của nồng độ bột

48

Bảng 2.6. Kết quả thực nghiệm MRR, TWR, Ra và độ cứng tế vi lớp bề mặt

49

Bảng 2.7. Kết quả thực nghiệm %C, Ti và Cu của lớp trắng

50

Bảng 2.8. Kết quả sai lệch của y1,y2,y3 với giá trị thực nghiệm của Cu+

62

Bảng 2.9. Kết quả sai lệch của y1,y2,y3 với giá trị thực nghiệm của Cu-

65

Bảng 2.10. Kết quả sai lệch của y1,y2,y3 với giá trị thực nghiệm của Gr+

67

Bảng 3.1. Mức của các thông số vào

74

Bảng 3.2. Bậc tự do của ma trận thí nghiệm

75

Bảng 3.3. Thiết kế thí nghiệm L27

76

Bảng 3.4. Ma trận thí nghiệm

77

Bảng 3.5. Tỷ số S/N của các đặc trưng

78

Bảng 3.6. Giá trị trung bình và tỷ số S/N của các chi tiêu

81

Bảng 3.7. ANOVA trị số MRR

83

Bảng 3.8. Mức độ ảnh hưởng của các thông số vào đến MRR

83

Bảng 3.9. ANOVA trị số tỷ số S/N của MRR

87

Bảng 3.10. Mức độ ảnh hưởng của thông số vào đến tỷ số S/N của MRR

87

Bảng 3.11. ANOVA trị số TWR

91

Bảng 3.12. Mức độ ảnh hưởng của các thông số vào đến TWR

91

Bảng 3.13. ANOVA trị số tỷ số S/N của TWR

95

Bảng 3.14. Mức độ ảnh hưởng của thông số vào đến tỷ số S/N của TWR

95

Bảng 3.15. ANOVA trị số R a

99


x

Bảng 3.16. Mức độ ảnh hưởng của các thông số vào đến R a

99

Bảng 3.17. ANOVA trị số tỷ số S/N của Ra

102

Bảng 3.18. Mức độ ảnh hưởng của thông số vào đến tỷ số S/N của Ra

103

Bảng 3.19. ANOVA trị số HV

106

Bảng 3.20. Mức độ ảnh hưởng của các thông số vào đến HV

106

Bảng 3.21. ANOVA trị số tỷ số S/N của HV

110

Bảng 3.22. Mức độ ảnh hưởng của thông số vào đến tỷ số S/N của HV

111

Bảng 3.23. Hệ số của các thông số đầu ra chuẩn hóa

122

Bảng 3.24. Độ sai lệch của dãy tham chiếu 0i (k)

123

Bảng 3.25. Hệ số quan hệ xám  0,i (k)

124

Bảng 3.26. ANOVA trị số hệ số cấp độ quan hệ xám

125

Bảng 3.27. Mức độ ảnh hưởng các thông số vào đến hệ số cấp độ quan hệ 126
xám
Bảng 3.28. ANOVA trị số tỷ số S/N của GRG

126

Bảng 3.29. Mức độ ảnh hưởng của các thông số vào đến tỷ số S/N của GRG

127

Bảng 3.30. Kết quả thực nghiệm

128

Bảng 4.1. Độ cứng nóng của thép SKD61

133

Bảng 4.2. Chiều sâu lớp được tăng bền bề mặt thép SKD61

133

Bảng 4.3. Các điều kiện gia công bề mặt khuôn bằng EDM

135

Bảng 4.4. Các điều kiện gia công bề mặt khuôn bằng PMEDM

136

Bảng 4.5. Kết quả kiểm tra mòn kích thước lòng khuôn sau khi làm việc

136

Bảng 4.6. Lượng mòn trung bình của kích thước lòng khuôn sau khi làm việc

137

Bảng 4.7. Một số chỉ tiêu đạt được khi gia công bề mặt khuôn bằng 138
PMEDM và EDM

xi

DANH MỤC HÌNH VẼ
Hình 1.1. Nguyên lý gia công của EDM.

5

Hình 1.2. Dung dịch điện môi trong EDM

7

Hình 1.3. Sơ đồ máy xung định hình

7

Hình 1.4. Sơ đồ phương pháp cắt dây

8

Hình 1.5. Điện áp và dòng điện trong EDM

9

Hình 1.6. Lớp bề mặt sau EDM

12

Hình 1.7. Ảnh hưởng của thời gian phát xung

14

Hình 1.8. Ảnh hưởng của cường độ dòng điện

15

Hình 1.9. Quan hệ giữa MRR với số phần chia của điện cực

15

Hình 1.10. Ảnh hưởng của vật liệu chất điện môi đến chất lượng lớp bề mặt và

16

hiệu quả gia công
Hình 1.11. Ảnh hưởng bột nano C trong EDM

17

Hình 1.12. Chất điện môi trong nghiên cứu PMEDM

17

Hình 1.13. Ảnh hưởng của rung động đến MRR, %TWR và Ra

18

Hình 1.14. Ảnh hưởng của dạng xung đến công suất gia công

19

Hình 1.15. Ảnh hưởng của phương pháp điều khiển chuyển động điện cực 19
đến năng suất gia công bằng EDM
Hình 1.16. Sự phân bố nghiên cứu về EDM

20

Hình 1.17. Sơ đồ gia công của PMEDM

21

Hình 1.18. Bột trong nghiên cứu PMEDM

22

Hình 1.19. Số liệu thống kê về sử dụng bột trong các nghiên cứu PMEDM

24

Hình 1.20. Hạt bột trong khe hở điện cực

24

Hình 1.21. Sơ đồ xác định điện dung

25

Hình 1.22. Ảnh hưởng của điện áp và dòng điện đến dạng sóng xung

27

Hình 1.23. Số lượng nghiên cứu về PMEDM

27

Hình 1.24. Nguyên lý gia công của PMEDM

28

Hình 1.25. Các dạng dịch chuyển của bột trong dung dịch điện môi

29

Hình 1.26. Topography bề mặt thép SKH54 gia công bằng EDM

29

Hình 1.27. Chiều dày lớp đúc lại trên bề mặt phôi sau PMEDM

30


xii

Hình 1.28. Tạo hình bề mặt khuôn bằng EDM và PMEDM

31

Hình 1.29. Lượng mài mòn của lớp bề mặt gia công bằng EDM

32

Hình 1.30. Phương pháp tối ưu hóa trong EDM

33

Hình 2.1. Bề mặt khuôn dập sau EDM

36

Hình 2.2. Cấu trúc lớp bề mặt khuôn dập sau EDM

40

Hình 2.3. Nứt tế vi trên bề mặt khuôn dập sau EDM

40

Hình 2.4. Độ cứng tế vi theo chiều sâu lớp bề mặt khuôn dập sau EDM

41

Hình 2.5. Thành phần C và Cu trong lớp bề mặt khuôn dập sau EDM

42

Hình 2.6. X-ray lớp bề mặt khuôn dập sau EDM

42

Hình 2.7. Topography bề mặt của khuôn dập sau EDM

43

Hình 2.8. Hình dạng điện cực

46

Hình 2.9. Bột Titan

47

Hình 2.10. Sơ đồ thí nghiệm

47

Hình 2.11. Lắp thùng chứa dung dịch điện môi trên máy thí nghiệm

48

Hình 2.12. Biểu đồ quan hệ giữa nồng độ bột với MRR

50

Hình 2.13. Biểu đồ quan hệ giữa nồng độ bột với Ra

52

Hình 2.14. Topography bề mặt gia công

53

Hình 2.15. Cấu trúc tế vi bề mặt gia công

54

Hình 2.16. Cấu trúc lớp bề mặt sau EDM

54

Hình 2.17. Thành phần C, Ti, Cu trong lớp bề mặt gia công

55

Hình 2.18. Sự phân bố Ti trong lớp bề mặt gia công

56

Hình 2.19. X-ray bề mặt gia công với bột Ti (20g/l)

56

Hình 2.20. Biểu đồ quan hệ giữa nồng độ bột với TWR của điện cực Cu

57

Hình 2.21. Topography bề mặt điện cực

58

Hình 2.22. Biểu đồ quan hệ giữa nồng độ bột với độ cứng tế vi lớp bề mặt

59

Hình 2.23. Quan hệ giữa nồng độ bột với MRR của Cu+

60

Hình 2.24. Quan hệ giữa nồng độ bột với Ra của Cu+

60

Hình 2.25. Quan hệ giữa nồng độ bột với TWR của Cu+

61

Hình 2.26. Quan hệ giữa nồng độ bột với HV của Cu+

61

Hình 2.27. Quan hệ giữa nồng độ bột với MRR của Cu-

63


xiii
Hình 2.28. Quan hệ giữa nồng độ bột với Ra của Cu-

63

Hình 2.29. Qquan hệ giữa nồng độ bột với TWR của Cu-

64

Hình 2.30. Quan hệ giữa nồng độ bột với HV của Cu-

64

Hình 2.31. Quan hệ giữa nồng độ bột với MRR của Gr+

66

Hình 2.32. Quan hệ giữa nồng độ bột với Ra của Gr+

66

Hình 2.33. Quan hệ giữa nồng độ bột với HV của Gr+

67

Hình 3.1. Sơ đồ thí nghiệm trong PMEDM

71

Hình 3.2. Tương tác giữa các thông số vào

75

Hình 3.3. Thiết kế thí nghiệm Taguchi

81

Hình 3.4. Ảnh hưởng của các thông số vào đến MRR

84

Hình 3.5. Ảnh hưởng của tương tác giữa các thông số vào đến MRR

84

Hình 3.6. Ảnh hưởng của các thông số vào đến tỷ số S/N của MRR

88

Hình 3.7. Ảnh hưởng của tương tác giữa các thông số vào đến tỷ số S/N của MRR 88
Hình 3.8. Ảnh hưởng của thông số vào đến TWR

92

Hình 3.9. Ảnh hưởng của tương tác giữa các thông số vào đến TWR

92

Hình 3.10. Ảnh hưởng của các thông số vào đến tỷ số S/N của TWR

96

Hình 3.11. Ảnh hưởng của tương tác giữa các thông số vào đến tỷ số S/N của TWR 96
Hình 3.12. Ảnh hưởng của các thông số vào đến Ra

100

Hình 3.13. Ảnh hưởng của tương tác giữa các thông số vào đến Ra

100

Hình 3.14. Ảnh hưởng của các thông số vào đến tỷ số S/N của Ra

103

Hình 3.15. Ảnh hưởng của tương tác giữa các thông số vào đến tỷ số S/N của Ra

103

Hình 3.16. Ảnh hưởng của các thông số vào đến HV

107

Hình 3.17. Ảnh hưởng của tương tác giữa các thông số vào đến HV

107

Hình 3.18. Ảnh hưởng của các thông số vào đến tỷ số S/N của HV

111

Hình 3.19. Ảnh hưởng của tương tác giữa các thông số đến tỷ số S/N của HV

111

Hình 3.20. Topography bề mặt gia công

115

Hình 3.21. Hạt vụn trên bề mặt gia công

115

Hình 3.22. Nứt tế vi trên bề mặt gia công

116

Hình 3.23. Cấu trúc lớp bề mặt sau EDM

116

Hình 3.24. Cấu trúc lớp bề mặt thép SKD61 sau PMEDM

117


xiv

Hình 3.25. Cấu trúc lớp bề mặt thép SKD11 sau PMEDM

117

Hình 3.26. Cấu trúc lớp bề mặt thép SKT4 sau PMEDM

117

Hình 3.27. X- Ray lớp bề mặt thép SKD61

118

Hình 3.28. Quan hệ xám.

124

Hình 3.29. Ảnh hưởng của thông số vào đến tỷ số S/N của cấp quan hệ xám

127

Hình 3.30. Topography bề mặt thép SKD11

128

Hình 3.31. Nứt tế vi trên bề mặt thép SKD11

129

Hình 3.32. Topography bề mặt điện cực Cu-

129

Hình 4.1. Khuôn dập nóng phôi bát phốt xe máy

132

Hình 4.2. Hình dạng bề mặt khuôn dập nóng phôi bát phốt xe máy

134

Hình 4.3. Bản vẽ chế tạo khuôn dập

134

Hình 4.4. Bản vẽ chế tạo điện cực xung

134

Hình 4.5. Điện cực xung.

135

Hình 4.6. Khuôn dập 53211 chế tạo thử

135

Hình 4.7. Lắp ráp khuôn dập trên bệ máy dập

137

Hình 4.8. Sản phẩm thử nghiệm

137

Hình 4.9. Bề mặt khuôn sau khi dập 53211

137


1
PHẦN MỞ ĐẦU
1. Tính cấp thiết của đề tài
Phương pháp gia công bằng tia lửa điện (EDM) là phương pháp gia công phi
truyền thống, được ứng dụng ngày càng nhiều trong gia công các chi tiết có hình
dáng phức tạp, từ các vật liệu khó gia công, đặc biệt là các lòng, lõi của khuôn dập
và khuôn đúc... [13]. Phương pháp này không bị ràng buộc bởi quan hệ độ cứng
giữa phôi và dụng cụ, các vấn đề như rung động, ứng suất cơ học, tiếng ồn không
xuất hiện trong suốt quá trình gia công [34]. Tuy nhiên, EDM cũng tồn tại một số
hạn chế như: Năng suất bóc tách vật liệu thấp, điện cực dụng cụ bị mòn và chất
lượng bề mặt gia công không cao (phải có thêm nguyên công gia công tinh) [19].
Điều này dẫn đến việc tăng giá thành chế tạo của phương pháp EDM [103]. Trong
những năm gần đây, nhiều giải pháp nghiên cứu được đưa ra nhằm cải thiện các chỉ
tiêu kinh tế, kỹ thuật của quá trình như: Tối ưu hóa thông số công nghệ, lựa chọn
cặp vật liệu điện cực - phôi hợp lý, vật liệu điện cực đặc biệt và bột bằng vật liệu
dẫn điện trộn vào dung dịch điện môi. Trong những giải pháp trên, EDM có sử
dụng bột dẫn điện trộn vào dung dịch điện môi (PMEDM) là biện pháp cho kết quả
rất khả quan [18], [64], [89]. Và đây là biện pháp đang rất được quan tâm trong nhiều
nghiên cứu.
Các nghiên cứu về PMEDM đã chỉ ra rằng: Sử dụng biện pháp này có thể làm
tăng đồng thời cả năng suất và chất lượng quá trình gia công [34], [39]. Tuy nhiên,
PMEDM là biện pháp công nghệ mới, các thông tin về công nghệ này hiện nay chưa
nhiều (do bí mật hoặc bản quyền công nghệ) và vẫn còn nhiều vấn đề cần được làm
rõ (vật liệu – kích thước – nồng độ của bột, nguyên lý gia công, thông số công
nghệ,...) trước khi được ứng dụng rộng rãi trong thực tiễn sản xuất [88]. Vì vậy, củng
cố cơ sở lý thuyết và phát triển ứng dụng biện pháp công nghệ này là hướng nghiên
cứu được quan tâm.

Hiện nay, các máy EDM như: Máy xung định hình, máy cắt dây được nhập
khẩu từ Trung Quốc, Đài Loan,... có giá thành không quá cao nên đây là thiết bị
đang được sử dụng phổ biến ở nước ta. Mặc dù vậy, EDM là phương pháp có số
lượng thông số công nghệ lớn với phạm vi thay đổi rộng. Việc lựa chọn các thông
số công nghệ trong sản xuất thường dựa vào tài liệu hướng dẫn của máy (ít được


2
chuyển giao khi mua máy) hoặc theo kinh nghiệm thực tế nên hiệu quả ứng dụng
EDM bị hạn chế. Bên cạnh đó, những nghiên cứu chuyên sâu về lĩnh vực EDM ở
nước ta chưa nhiều và chủ yếu là nghiên cứu chuyển giao công nghệ. Vì vậy, để khai
thác hiệu quả kinh tế - kỹ thuật các thiết bị EDM, giảm giá thành chế tạo và nâng cao
năng suất gia công, tăng khả năng cạnh tranh của sản phẩm cơ khí trong bối cảnh hội
nhập và cạnh tranh khốc liệt, đòi hỏi cấp thiết các công trình nghiên cứu theo hướng
nâng cao hiệu quả gia công của EDM.
Nhiều loại vật liệu bột (Si, Al, W, Gr, Cu, Ti,...) đã được sử dụng trong
nghiên cứu PMEDM [56], [64]. Với mục tiêu nghiên cứu tập trung vào một số
hướng: Nâng cao năng suất, chất lượng bề mặt gia công (bột Al, Gr, Cu, Si,
Al2O3,...) hoặc nâng cao cơ tính bề mặt gia công (bột W, WC, Ti, TiC, Cr,...). Một số
nghiên cứu đã cho thấy: Sử dụng vật liệu bột hợp lý trong PMEDM có thể đồng thời
nâng cao năng suất gia công, giảm độ nhám và cải thiện cơ tính của bề mặt gia
công. Đặc biệt, năng suất và chất lượng bề mặt gia công có thể đồng thời được cải
thiện ngay trong quá trình tạo hình bề mặt sản phẩm bằng PMEDM nên đã làm
giảm thời gian chế tạo sản phẩm. Cho đến nay các nghiên cứu với bột Ti trong
PMEDM mới tập trung vào giảm độ nhám bề mặt và nâng cao cơ tính bề mặt gia
công [64], [89].
Nghiên cứu tối ưu hóa PMEDM là lĩnh vực rất phức tạp do số lượng các
thông số công nghệ lớn và ảnh hưởng của chúng đến các chỉ tiêu tối ưu là rất khác
nhau [19], [88]. Nhiều phương pháp và công cụ tối ưu đã được sử dụng trong lĩnh
vực này: Bề mặt chỉ tiêu, mạng nhân tạo, Taguchi,... với bài toán tối ưu phần lớn là

bài toán đơn mục tiêu [33], [78]. Tuy nhiên, hiệu quả tối ưu EDM sẽ tốt hơn nếu là
tối ưu đa mục tiêu.
Ngành chế tạo khuôn mẫu đang được quan tâm phát triển mạnh ở nước ta.
Chính phủ đã đưa sản phẩm khuôn mẫu vào danh mục sản phẩm công nghiệp hỗ
trợ ưu tiên phát triển. Các mác thép SKD61, SKD11, SKH54, SKH51, AISI 01,
SKT4 được sử dụng rộng rãi để chế tạo các loại khuôn mẫu. Vì vậy, nghiên cứu
nâng cao năng suất và chất lượng gia công có liên quan trực tiếp với các sản phẩm
dạng này sẽ có ý nghĩa thực tiễn với ngành công nghiệp cơ khí nước ta.


3
Những vấn đề trên là định hướng cho tác giả chọn đề tài: “Nghiên cứu nâng
cao hiệu quả gia công của phương pháp tia lửa điện bằng biện pháp trộn bột Titan
vào dung dịch điện môi”.
2. Đối tƣợng, mục đích, nội dung và phƣơng pháp nghiên cứu
2.1. Đối tƣợng nghiên cứu
Đối tượng nghiên cứu của đề tài là 3 loại thép làm khuôn SKD61, SKD11,
SKT4 gia công bằng xung định hình với điện cực Đồng (Cu) và Graphit (Gr) sử dụng
dung dịch điện môi có trộn bột Titan.
2.2. Mục đích nghiên cứu
Mục đích nghiên cứu của đề tài là nâng cao năng suất và chất lượng bề mặt
gia công: Nâng cao cơ tính lớp vật liệu bề mặt gia công; giảm độ nhám bề mặt, số
lượng và kích thước nứt tế vi bề mặt; tăng năng suất bóc tách vật liệu; giảm lượng
mòn điện cực; ứng dụng nâng cao năng suất và chất lượng bề mặt lòng khuôn dập
nóng.
2.3. Nội dung nghiên cứu
- Nghiên cứu tổng quan về EDM, PMEDM.
- Thực nghiệm nghiên cứu ảnh hưởng của cường độ dòng điện, thời gian
phát xung, thời gian ngừng phát xung, vật liệu điện cực và nồng độ bột đến năng
suất và chất lượng bề mặt thép làm khuôn được gia công bằng phương pháp xung

định hình có trộn bột Ti trong dung dịch điện môi theo các chỉ tiêu năng suất bóc
tách vật liệu, lượng mòn điện cực, chất lượng bề mặt gia công.
- Tối ưu hóa các thông số công nghệ theo các chỉ tiêu năng suất và chất
lượng bề mặt gia công.
- Nghiên cứu ứng dụng kết quả vào thực tiễn sản xuất.
- Đo đạc và kiểm chứng bằng thực nghiệm.
2.4. Phƣơng pháp nghiên cứu
- Phương pháp tiếp cận: Kế thừa và phát triển từ kết quả nghiên cứu của các
tác giả đi trước.
- Nghiên cứu cơ sở lý thuyết về EDM, PMEDM và quy hoạch thực nghiệm.
- Nghiên cứu bằng thực nghiệm bao gồm các bước:
+ Xây dựng hệ thống thí nghiệm và kế hoạch thực nghiệm.


4

+ Tiến hành thực nghiệm.
+ Phân tích kết quả.
+ Xác định các thông số tối ưu.
+ Kiểm chứng kết quả nghiên cứu trong thực tiễn sản xuất.
3. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài
3.1. Ý nghĩa khoa học
Đề tài nhằm làm rõ ảnh hưởng của cường độ dòng điện, thời gian phát xung,
thời gian ngừng phát xung… đến năng suất và chất lượng bề mặt một số loại thép
làm khuôn được gia công bằng phương pháp xung định hình có trộn bột Ti trong
dung dịch điện môi. Đề tài sẽ đóng góp một số kết quả vào hướng nghiên cứu về
PMEDM đang dành được nhiều sự quan tâm của các nhà khoa học.
3.2. Ý nghĩa thực tiễn
Ba mác thép (SKD11, SKD61, SKT4) và hai loại vật liệu điện cực (Cu, Gr)
đang được sử dụng phổ biến trong ngành chế tạo khuôn mẫu bằng phương pháp

EDM. Kết quả nghiên cứu của luận án về tối ưu hóa các thông số công nghệ có thể
sử dụng để điều khiển các máy gia công EDM. Kết quả nghiên cứu được kiểm
chứng bằng thực tiễn sản xuất tại các cơ sở chế tạo khuôn mẫu. Tất cả những điều
đó sẽ đảm bảo ý nghĩa thực tiễn của đề tài.


5
Chƣơng 1. TỔNG QUAN VỀ PHƢƠNG PHÁP GIA CÔNG
BẰNG TIA LỬA ĐIỆN
1.1. Phƣơng pháp gia công bằng tia lửa điện (EDM)
1.1.1. Lịch sử phát triển
Hiện nay, trong gia công cơ khí thì phương pháp gia công bằng tia lửa điện
(EDM) là phương pháp gia công được sử dụng phổ biến nhất trong các phương
pháp gia công không truyền thống [1], [34]. Năm 1770, nhà khoa học người Anh
Joseph Priestly là người đầu tiên phát hiện ra sự ăn mòn vật liệu do hiện tượng
phóng điện gây ra, đây được cho là nguồn gốc ra đời của EDM. Sau nhiều nghiên
cứu, hai nhà khoa học B. R. Lazarenko và N. I. Lazarenko của Nga đã điều khiển
thành công sự hình thành các tia lửa điện trong gia công kim loại, năm 1943 họ đã
đưa ra sơ đồ cấu trúc của máy EDM sử dụng mạch Lazarenko, loại mạch này đã
liên tục cải tiến và được ứng dụng rộng rãi trong bộ nguồn cung cấp của máy EDM.
Những năm 1950, các kỹ thuật viên của Mỹ sử dụng mạch điện điều khiển servo để
điều chỉnh khoảng cách giữa điện cực và phôi khi gia công các ống chân không
[79]. Tuy nhiên, chỉ tới những năm 1980 với sự xuất hiện của máy EDM - CNC thì
hiệu quả của phương pháp này mới được khẳng định. Với sự cải tiến liên tục, máy
EDM ngày nay đã trở lên ổn định với việc vận hành của máy đã được giám sát bởi
hệ thống điều khiển thích nghi và EDM đã được sử dụng rộng rãi ở các công ty, tập
đoàn trên thế giới nói chung và ở Việt Nam nói riêng.
1.1.2. Nguyên lý gia công

Hình 1.1. Nguyên lý gia công bằng tia lửa điện (EDM) [1].

6
Nguyên lý gia công của EDM là chuyển đổi năng lượng điện thành năng
lượng nhiệt thông qua chuỗi các tia lửa điện gián đoạn sinh ra tại khe hở giữa hai
điện cực (trong đó một điện cực là dụng cụ và một điện cực là chi tiết gia công
(phôi)) ngâm trong dung dịch điện môi (hình 1.1). Tại khe hở nhỏ nhất giữa dụng cụ
và chi tiết gia công, một điện áp cao được đặt vào sẽ đánh thủng sự cách điện của
dung dịch điện môi và làm xuất hiện tia lửa điện gây nóng chảy - bay hơi vật liệu
của cả dụng cụ và chi tiết gia công. Sau mỗi lần phóng điện, tụ điện trong mạch
điện sẽ được nạp điện từ nguồn thông qua một cuộn cảm và tia lửa điện tiếp theo lại
được hình thành [34]. Các tia lửa điện xuất hiện trên toàn bộ bề mặt của chi tiết gia
công làm hình thành bề mặt cần gia công với độ chính xác xấp xỉ độ chính xác hình
dạng của dụng cụ.
- Dụng cụ: Có nhiều loại vật liệu được sử dụng làm dụng cụ như Cu, Cu-Zn,
Al, Gr,... trong đó Cu, Gr là hai loại được sử dụng phổ biến nhất [63]. Vật liệu làm
dụng cụ trong EDM nói chung đều có đặc điểm là có tính dẫn điện và dễ gia công
tạo hình chính xác. Việc chọn loại vật liệu dụng cụ phù hợp sẽ cho năng suất bóc
tách vật liệu cao, lượng mòn nhỏ, giá thành thấp [63]. Điện cực dụng cụ có thể được
phân cực âm hoặc dương, việc lựa chọn phân cực phụ thuộc vào ứng dụng cụ thể
(gia tinh hoặc gia công thô) và các yếu tố như: vật liệu dụng cụ, vật liệu gia công,
cường độ dòng điện và thời gian phát xung [56].
- Chi tiết gia công: Vật liệu chi tiết gia công bằng EDM phải có tính dẫn
điện, khả năng dẫn điện, dẫn nhiệt, điểm nóng chảy, độ cứng... của vật liệu chi tiết
gia công có ảnh hưởng đến năng suất và chất lượng gia công bằng EDM. Vật liệu
chi tiết gia công có điểm nóng chảy càng cao và khả năng dẫn nhiệt càng nhỏ thì
năng suất bóc tách vật liệu càng thấp [14]. Độ cứng của chi tiết gia công cũng có
ảnh hưởng đến năng suất và độ nhám bề mặt gia công [65].
- Dung dịch điện môi: Trong gia công bằng EDM, dung dịch điện môi có tác
dụng điều khiển quá trình phóng điện, làm nguội và hóa rắn phoi, cuốn phoi ra khỏi

vùng gia công và đi vào hệ thống lọc, hấp thụ và giải phóng năng lượng nhiệt [34].
Tính chất cách điện của dung dịch điện môi có ảnh hưởng lớn đến hiện tượng điện
phân giữa dụng cụ và phôi trong suốt quá trình gia công. Dung dịch điện môi phải
đảm bảo các yêu cầu: Có tuổi bền cao, khả năng cách điện thấp, phục hồi nhanh sau


7
khi bị tia lửa điện đánh thủng, có khả năng làm nguội và cuốn phoi tốt. Trong quá
trình gia công dung dịch điện môi được phun vào khe hở phóng tia lửa điện, đường
kính vòi phun và áp suất phun ảnh hưởng đến khả năng loại bỏ khí, cuốn phoi đi và
duy trì nhiệt độ ổn định của dung dịch điện môi dưới điểm cháy [34]. Lưu lượng và
loại dung dịch điện môi có ảnh hưởng đến lượng mòn điện cực, năng suất bóc tách
vật liệu và chất lượng bề mặt gia công [63], [102]. Hiện nay loại dung dịch điện môi
được sử dụng phổ biến nhất là dầu hoặc nước (hình 1.2).

Hình 1.2. Dung dịch điện môi trong EDM [13].
1.1.3. Các ứng dụng EDM trong gia công cơ khí

Hình 1.3. Sơ đồ máy xung định hình [72].
- Gia công bằng xung định hình là phương pháp EDM mà hình dạng bề mặt
điện cực dụng cụ là âm bản của bề mặt gia công (hình 1.3). Hiện nay các máy xung


8
đã được tự động hóa ở mức cao, các điều kiện để tạo ra khe hở phóng điện, sự đồng
bộ của 2 quá trình di chuyển của điện cực và tạo xung được điều khiển tự động bằng
servo. Trong quá trình gia công, dung dịch điện môi được lọc để loại bỏ các hạt phoi
vụn và vật liệu bị phân hủy tạo ra khi xung. Xung định hình được sử dụng rộng rãi
trong việc tạo hình bề mặt các khuôn rèn, khuôn dập, khuôn đúc, ...
- Gia công bằng cắt dây là phương pháp EDM sử dụng dây dẫn điện (có

đường kính từ 0,1÷0,3mm) làm điện cực, chi tiết gia công đặt trên bàn máy được
điều khiển chuyển động theo đường bao nằm trong hệ tọa độ X-Y (hình 1.4). Gia
công bằng cắt dây có thể tạo được bề mặt 2D và 3D phức tạp.

Hình 1.4. Sơ đồ phương pháp cắt dây [72].
- Ngoài hai phương pháp trên EDM còn ứng dụng trong gia công cơ khí dưới
dạng kết hợp với các phương pháp gia công truyền thống như phay bằng tia lửa
điện, mài bằng tia lửa điện,...
EDM thường dùng trong gia công khuôn mẫu và các sản phẩm cơ khí đòi hỏi
độ chính xác cao, có biên dạng phức tạp, có độ bền và độ cứng cao mà việc gia
công trên các máy công cụ thông thường không hiệu quả hoặc không đáp ứng được.
So với các phương pháp gia công truyền thống thì EDM có những ưu điểm
cơ bản sau: Không yêu cầu dụng cụ phải có độ cứng cao hơn độ cứng của chi tiết
gia công; không gây biến dạng chi tiết gia công do không có sự tiếp xúc giữa dụng cụ
và phôi trong suốt quá trình gia công, điều này tạo nên tính đa năng của phương pháp;
năng lượng nhiệt được sử dụng để bóc tách vật liệu phôi nhưng lượng nhiệt truyền
vào chi tiết gia công là không lớn nên ít gây biến dạng nhiệt cho chi tiết gia công; bề


9
mặt phôi sau EDM không có các vết cào xước mà là tập hợp của các vết lõm nhỏ
phân bố ngẫu nhiên nên giúp lưu giữ dầu bôi trơn tốt hơn và tăng độ bền mỏi của chi
tiết khi làm việc; có khả năng gia công được các bề mặt có kích thước nhỏ với hình
dạng phức tạp; dễ dàng tự động hóa do các chuyển động khi gia công khá đơn giản.
Tuy nhiên EDM cũng có một số nhược điểm như: Chỉ gia công được các loại
vật liệu dẫn điện; năng suất và chất lượng bề mặt gia công thấp, khi tăng năng suất
bóc tách vật liệu thì độ nhám bề mặt gia công cũng tăng; trong quá trình gia công
xảy ra hiện tượng quá cắt và mòn điện cực làm ảnh hưởng không tốt đến độ chính
xác gia công; khó xác định chính xác khe hở phóng điện và các thông số công nghệ
tối ưu.

1.1.4. Các thông số công nghệ

Hình 1.5. Điện áp và dòng điện trong EDM [56].
1. Điện áp đánh lửa
Điện áp trong EDM có liên quan đến khe hở phóng điện và sự cách điện của
dung dịch điện môi [56]. Điện áp tại khe hở phóng điện tăng liên tục đến khi xuất
hiện dòng ion đánh thủng sự cách điện của dung dịch điện môi, khi dòng điện bắt
đầu xuất hiện thì điện áp lớn nhất (U0) giảm xuống và giữ ở trạng thái ổn định (Ud)
tại khe hở phóng điện (hình 1.5). Giá trị điện áp được xác định theo kích thước khe
hở nhỏ nhất giữa điện cực và phôi. Điện áp càng cao càng làm tăng khe hở phóng
điện, điều này sẽ tạo điều kiện cho dòng dung môi chảy qua và làm ổn định quá


10
trình gia công. Năng suất bóc tách vật liệu, lượng mòn điện cực và độ nhám bề mặt
tăng khi điện áp tăng [34].
2. Cường độ dòng phóng tia lửa điện (Id)
Cường độ dòng điện là thông số công nghệ quan trọng nhất đặc trưng cho
hiệu quả gia công bằng EDM [34]. Cường độ dòng điện tăng đến một giá trị lớn
nhất xác định (Id), trị số của được xác định thông qua diện tích bề mặt gia công và
chế độ gia công (thô: Id  15A; bán tinh: Id = 8÷15A; tinh: Id  8A) [56]. Cường độ
dòng điện lớn sử dụng để gia công thô và các bề mặt có diện tích lớn. Cường độ
dòng điện cao sẽ làm tăng tốc độ bóc tách vật liệu nhưng cũng làm lượng mòn điện
cực tăng và chất lượng bề mặt gia công giảm [79].
3. Thời gian phát xung (ton)
Thời gian phát xung (ton= thời gian trễ (tde) + thời gian phóng tia lửa điện
(td)) và số chu kỳ xung (tp) trong một giây là đại lượng quan trọng. Năng suất bóc
tách vật liệu tỷ lệ thuận với trị số năng lượng được sử dụng trong ton [85]. Năng
lượng này được điều khiển bởi cường độ dòng điện cực đại và ton. Lượng vật liệu bị
nóng chảy và bay hơi sẽ tăng khi ton tăng lên. Tuy nhiên nếu kéo dài ton sẽ làm tăng

cường độ và tốc độ lan truyền của nhiệt xung vào bề mặt phôi dẫn đến tác động của
nó đến lớp bề mặt gia công sẽ rộng và sâu hơn. Mặt khác, khi ton quá dài còn có thể
dẫn đến lượng bóc tách vật liệu giảm và điện cực có thể không bị hao mòn [56]. Khi
ton ngắn tạo ra các vết lõm trên bề mặt phôi có đường kính và chiều sâu lớn hơn làm
tăng độ nhám bề mặt gia công.
4. Thời gian ngừng phát xung (tof)
Một chu kỳ xung sẽ hoàn thành với tof phù hợp trước khi sang chu kỳ tiếp
theo. Thời gian tof có ảnh hưởng đến năng suất bóc tách vật liệu và độ ổn định của
quá trình gia công [85]. Về lý thuyết, khi tof càng ngắn thì quá trình gia công sẽ
càng nhanh nhưng nếu nó quá ngắn sẽ không có đủ thời gian để vận chuyển phoi và
ion hóa hoàn toàn dung dịch điện môi. Đây chính là nguyên nhân gây ra sự mất ổn
định của quá trình gia công, xuất hiện những chu kỳ phát xung bất thường và rút
ngắn sự dịch chuyển servo của điện cực dẫn đến năng suất gia công giảm. Thời gian
tof phải lớn hơn thời gian ngừng ion hóa dung môi để không làm xuất hiện hiện
tượng phóng tia lửa điện liên tục tại một điểm, thực tế cho thấy, khi ton và tof