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 (TT)

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

CHUYÊN NGÀNH: KỸ THUẬT CƠ KHÍ
MÃ SỐ: 62 52 01 03

TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT

THÁI NGUYÊN - 2016


Công trình được hoàn thành tại
TRƢỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP
Người hướng dẫn khoa học:
1 - GS.TSKH. Bành Tiến Long
2 - TS. Ngô Cƣờng
Phản biện 1:……………………………………

Phản biện 2:……………………………………

Phản biện 3:……………………………………

Luận án sẽ được bảo vệ trước Hội đồng chấm luận án cấp Đại học
Thái Nguyên họp tại……………………………………………….
Vào hồi……. giờ…….. tháng……. năm……..

Có thể tìm hiểu luận án tại thư viện Quốc gia, thư viện Trường Đại
học Kỹ thuật Công nghiệp hoặc Trung tâm học liệu của Đại học Thái
Nguyên.


1
A. ĐẶC ĐIỂM CƠ BẢN CỦA LUẬN ÁN
1. TÊN ĐỀ TÀI
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.
2. 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... Phương pháp
này không bị ràng buộc 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. 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.Nhiều giải pháp
nghiên cứu được đưa ra nhằm cải thiện các chỉ tiêu kinh tế, kỹ thuật
của quá trình, trong đó EDM có sử dụng bột dẫn điện trộn vào dung
dịch điện môi (PMEDM) là biện pháp cho kết quả rất khả quan. Và
đây là biện pháp đang 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. Tuy nhiên, PMEDM là biện pháp công nghệ mới, các thông tin
về công nghệ này hiện nay chưa nhiều và vẫn còn nhiều vấn đề cần
được làm rõ trước khi được ứng dụng rộng rãi trong thực tiễn sản xuất.
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. Việc
lựa chọn các thông số công nghệ trong sản xuất thường dựa vào tài


2
liệu hướng dẫn của máy (ít được 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. 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 có thể đồng thời được cải thiện ngay trong quá trình gia
công tạo hình bề mặt sản phẩm nên 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 và nâng cao cơ tính bề mặt gia công.
Nghiên cứu tối ưu hóa PMEDM là lĩnh vực rất phức tạp và nhiều
phương pháp và công cụ tối ưu đã được sử dụng trong lĩnh vực này
với bài toán tối ưu phần lớn là bài toán đơn mục tiêu. Tuy nhiên, hiệu
quả tối ưu EDM sẽ tốt hơn nếu là tối ưu đa mục tiêu.
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. ĐỐI TƢỢNG NGHIÊN CỨU


3
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.
4. 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, số lượng và kích thước nứt tế vi bề mặt; tăng
năng suất bóc tách vật liệu; giảm lượng mòn điện cực. Và ứng dụng
nâng cao năng suất và chất lượng bề mặt lòng khuôn dập nóng.
5. 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 gia công thép làm
khuôn 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.
6. 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.
7. Ý NGHĨA KHOA HỌC VÀ THỰC TIỄN CỦA ĐỀ TÀI
Ý nghĩa khoa học:


4
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 gia công một số loại thép làm khuôn 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.
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.
8. NHỮNG KẾT QUẢ MỚI CỦA LUẬN ÁN
- Thiết lập được các quan hệ hồi quy, mô tả ảnh hưởng của
nồng độ bột Ti đến các thông số đầu ra (MRR, TWR, Ra, HV) khi
gia công thép SKD61 bằng phương pháp PMEDM.
- Xác định được mức độ ảnh hưởng của các yếu tố và trị số thông
số công nghệ tối ưu khi gia công các vật liệu SKD11, SKD61,

SKT4 bằng phương pháp PMEDM sử dụng bột Ti.
- Ứng dụng kết quả nghiên cứu để nâng cao năng suất, chất
lượng gia công khuôn dập nóng tại Công ty Cổ phần Cơ khí Phổ
Yên – Thái Nguyên.
9. CẤU TRÚC CỦA LUẬN ÁN
Cấu trúc của Luận án gồm: Phần mở đầu, 4 trang; Chương 1: Tổng
quan về phương pháp gia công bằng tia lửa điện, 30 trang; Chương 2:
Thực nghiệm khảo sát gia công bằng EDM, 34 trang; Chương 3: Thực
nghiệm xác định ảnh hưởng của một số yếu tố đến năng suất và chất
lượng bề mặt gia công bằng tia lửa điện có trộn bột Titan vào dung dịch


5
điện môi, 61 trang; Chương 4: Ứng dụng kết quả nghiên cứu vào thực
tiễn sản xuất chế tạo khuôn dập nóng phôi bát phốt xe máy, 6 trang; Kết
luận chung và hướng nghiên cứu tiếp theo, 3 trang. Ngoài ra còn có danh
mục các công trình đã công bố, 3 trang; Danh mục tài liệu tham khảo, 10
trang; Phụ lục, 22 trang.
B. NỘI DUNG CHÍNH CỦA LUẬN ÁN
Chƣơng 1. TỔNG QUAN VỀ PHƢƠNG PHÁP GIA CÔNG
BẰNG TIA LỬA ĐIỆN
Chương này đã tiến hành nghiên cứu và phân tích các vấn đề
sau: Khái quát chung về phương pháp EDM và ngành chế tạo khuôn
mẫu; PMEDM và các hướng nghiên trong ngành gia công cơ khí. Từ
đó đưa ra các nội dung sau:
1.1. Nhận xét:
- Nâng cao năng suất và chất lượng gia công của EDM bằng biện
pháp trộn bột vào dung dịch điện môi (PMEDM) là hướng nghiên
cứu có nhiều triển vọng. Số lượng các công trình nghiên cứu công bố
trên các tạp chí quốc tế tăng mạnh trong những năm gần đây đã nói

lên tính thời sự của hướng nghiên cứu này.
- Có rất nhiều yếu tố ảnh hưởng đến năng suất và chất lượng gia
công của PMEDM (vật liệu bột, kích thước bột, nồng độ bột, vật liệu
điện cực, các thông số công nghệ …). Đã có nhiều nghiên cứu về quy
luật ảnh hưởng của các yếu tố và bản chất của các hiện tượng xảy ra
trong quá trình gia công của PMEDM. Nhiều loại bột đã được khảo
sát, một số chỉ dẫn sử dụng bột trong các điều kiện cụ thể đã được
đưa ra (như vật liệu bột, trị số hợp lý của các thông số công nghệ,
của kích thước và nồng độ bột …). Tuy nhiên, còn nhiều hiện tượng
xảy ra trong quá trình gia công chưa được làm rõ, số liệu đưa ra trong
các nghiên cứu khác nhau lại có sự khác nhau khá lớn, điều này gây
khó khăn cho việc ứng dụng kết quả nghiên cứu vào thực tiễn sản
suất.


6
- Một số nghiên cứu về PMEDM với bột Ti đã được công bố
nhưng mới chỉ dừng ở khảo sát chất lượng bề mặt gia công. Cần có
nghiên cứu đầy đủ hơn về sử dụng loại bột này trong PMEDM.
- Thép SKD61, SKD11 và SKT4 là những mác thép được sử dụng
phổ biến làm khuôn rèn, khuôn dập. Nghiên cứu về PMEDM với bột
Ti và các mác thép này vì vậy sẽ có ý nghĩa khoa học và thực tiễn.
1.2. Xác định hƣớng nghiên cứu: Ảnh hưởng của việc trộn bột
Titan vào dung dịch điện môi trong EDM đến năng suất và chất
lượng bề mặt gia công.
1.3. Một số giả thiết khoa học: Biện pháp trộn bột Titan vào dung
dịch điện môi trong EDM sẽ: Nâng cao năng suất bóc tách vật liệu;
Giảm lượng mòn điện cực; Nâng cao chất lượng bề mặt gia công:
Độ nhám bề mặt giảm, độ cứng lớp bề mặt tăng, cải thiện topography bề
mặt, giảm số lượng và kích thước vết nứt tế vi, xuất hiện cacbit của

Titan trong lớp bề mặt.
Chƣơng 2. THỰC NGHIỆM KHẢO SÁT GIA CÔNG BẰNG EDM
2.1. Khảo sát chất lƣợng lớp bề mặt khuôn dập nóng sau EDM
Trong phần này, nghiên cứu thực nghiệm được tiến hành với mục
đích khảo sát chất lượng lớp bề mặt khuôn dập nóng làm bằng thép
SKD61 gia công bằng EDM với vật liệu điện cực là Cu. Các thông số
chất lượng lớp bề mặt được khảo sát gồm: cấu trúc tế vi, độ nhám bề
mặt, độ cứng tế vi và hình thái bề mặt gia công. Kết quả khảo sát sẽ
được dùng làm cơ sở đánh giá sơ bộ hiệu quả của hướng nghiên cứu
nâng cao chất lượng bề mặt gia công bằng biện pháp trộn bột vào dung
dịch điện môi. Đối tượng khảo sát là loại khuôn dập nóng phôi cò mổ
động cơ RV125 (gọi tắt là khuôn dập RV125) đang được chế tạo và
sử dụng tại Công ty TNHH Nhà nước một thành viên Diesel Sông
Công - Thái Nguyên và loại khuôn dập nóng phôi bát phốt xe máy
53211 (gọi tắt là khuôn dập 53211) đang được chế tạo và sử dụng tại
Công ty Cổ phần Cơ khí Phổ Yên – Thái Nguyên. Mức tiêu hao


7
khuôn dập RV125 là 02 bộ/tháng và khuôn dập 53211 là 20 bộ/tháng.
Bề mặt khuôn được tạo hình bằng phương pháp xung định hình (hình
1). Việc lựa chọn đối tượng khảo sát là các sản phẩm đang được chế
tạo và sử dụng tại các cơ sở sản xuất sẽ tạo điều kiện thuận lợi cho
việc thử nghiệm, đánh giá và ứng dụng kết quả nghiên cứu vào thực
tiễn sản xuất.

a) Khuôn RV125
b) Khuôn 53211
Hình 1. Bề mặt khuôn dập sau EDM

a) Khuôn RV125
b) Khuôn 53211
Hình 2. Cấu trúc lớp bề mặt khuôn dập sau EDM.

a) Vết nứt tế vi(Khuôn RV125); b) Chiều sâu nứt tế vi(Khuôn RV125);
c) Vết nứt tế vi(Khuôn 53211); d) Chiều sâu nứt tế vi(Khuôn 53211)
Hình 3. Nứt tế vi trên bề mặt khuôn dập sau EDM.


8

Hình 4. Độ cứng tế vi theo chiều sâu lớp bề mặt khuôn dập sau EDM.

a) %C
b) % Cu
Hình 5. Thành phần C và Cu trong lớp bề mặt khuôn dập sau EDM.
Hình 2÷5 đã chỉ ra rằng: Lớp vật liệu bề mặt khuôn dập sau EDM
hình thành 3 lớp. Lớp trắng có chiều dày khá lớn tồn tại nhiều vết nứt
tế vi, độ cứng thấp hơn lớp trung gian và lớp nền nên đây là lớp có ảnh
hưởng không tốt đến khả năng làm việc của khuôn. Với thực tế khảo
sát ở hai Công ty thì lượng dư gia công tinh bề mặt khuôn sau EDM là
50µm không những loại bỏ hoàn toàn chiều dày lớp trắng mà còn bóc
đi lớp trung gian có cơ tính tốt cho khả năng làm việc của bề mặt
khuôn.
2.2. Khảo sát ảnh hƣởng nồng độ bột đến quá trình gia công
bằng EDM
Đây là phần nghiên cứu khởi đầu về EDM có bột Ti trộn trong
dung dịch điện môi. Bằng thiết bị thí nghiệm tự thiết kế (hình 6) và
ma trận thí nghiệm (bảng 1) đã chỉ ra chỉ ra những tác động của bột
Ti trộn vào dung dịch điện môi đến năng suất và chất lượng của quá

trình gia công thép SKD61 bằng EDM. Năng suất và chất lượng bề
mặt gia công được đánh giá bởi các chỉ tiêu: Năng suất bóc tách vật
liệu (MRR), lượng mòn điện cực (TWR), nhám bề mặt gia công (Ra),


9
chiều dày lớp ảnh hưởng nhiệt, độ cứng tế vi bề mặt, thành phần hóa
học và topography bề mặt. Sự xâm nhập của vật liệu bột trộn trong
dung dịch điện môi và vật liệu điện cực vào lớp bề mặt sau gia công
cũng được phân tích và đánh giá. Xây dựng phương trình hồi quy mô
tả các mối quan hệ giữa nồng độ bột Ti với MRR, TWR, Ra và độ
cứng tế vi lớp bề mặt. Các phương trình hồi quy được xem xét ở các
dạng khác nhau: Bậc nhất hoặc bậc hai hoặc hàm mũ (y=ax+b,
y=ax2+bx+c, y=a.ebx) hoặc có thể hàm bậc cao (đối với trường hợp
đặc biệt) để từ đó tìm ra phương trình biểu diễn phù hợp. Xây dựng
các đồ thị từ các phương trình hồi quy làm cơ sở để chọn nồng độ bột
hợp lý cho bước nghiên cứu tiếp theo.

Hình 6. Sơ đồ thí nghiệm.
1- Nam châm 2- Bơm 3) Vòi phun 4- Bình chứa
5- Phôi 6-Điện cực 7- Cơ cấu khuấy 8- Tấm cách điện
Bảng 1. Thông số thí nghiệm

Phôi

SKD61

Điện
cực

Gr và
Cu

Phân
cực

(+) và
(-)

Khe hở
phóng điện
(m)

300

Thời
gian
phát
xung
(ton)
(s)

50

Cường
độ
dòng
điện(A)

15

Thời
gian
ngừng
phát
xung
(tof)
(s)

150

Nồng
độ
bột
(g/l)

0
5
10
15
20


10

a) Điện cực Gr
b) Điện cực Cu
Hình 7. Quan hệ nồng độ bột với MRR.

Hình 8. Quan hệ nồng độ bột

với Ra.

Hình 9. Quan hệ nồng độ
bột với TWR của Cu.

Hình 10. Quan hệ nồng độ bột với HV.

a) Gr+ không bột

d) Cu- 5g/l

b) Gr+ 5g/l

e) Cu+ không bột

c) Cu- không bột

f) Cu+ 5g/l

Hình 11. Cấu trúc tế vi bề mặt gia công.


11
* Bột Ti trộn vào dung dịch điện môi đã nâng cao năng suất
và chất lượng bề mặt gia công bằng EDM, hình 7 ÷11: MRR tăng
khi nồng độ bột Ti tăng và so với gia công không bột MRR tăng
lớn nhất tại nồng độ 20g/l (475,467% với Gr+, tăng 146,75% với
Cu+ và 98,48% với Cu-). TWR và Ra đều giảm với sự tăng nồng
độ bột Ti. So với EDM không bột trộn vào dung dịch điện môi,
khi có bột đều nhận được TWR và R a với lượng giảm lớn nhất lần

lượt là: TWR40,09% và Ra33,5% với Cu+ tại nồng độ bột 10g/l;
TWR64,40%, Ra39,81% với Cu- phân tại 20g/l; Ra41,34% với
Gr+ tại 20g/l. Độ cứng bề mặt gia công tăng khi tăng nồng độ bột và
tăng lớn nhất là: HV19,3% với Cu+ tại 15g/l và HV25,8% với Cutại 20g/l; HV30,21% với Gr+ tại 20g/l. Các vết nứt và hạt bám dính
trên bề mặt gia công có số lượng và kích thước giảm khi trộn bột vào
dung dịch điện môi.
* Phương trình hồi quy (PTHQ) giữa MRR, TWR, Ra, HV với
nồng độ bột Ti:Bằng việc sử dụng đồng thời nhiều phương trình hồi
quy để mô tả từng mối quan hệ nhằm tìm ra phương trình hồi quy
phù hợp nhất. Kết quả được thể hiện trên hình 12÷22:
- Năng suất bóc tách vật liệu (MRR):

Hình 12. Cu phân cực dương.
PTHQ: y2(x)=0,0018.x2+0,087.x+0,702;
MRRmax= 1,7302mm3/phút với 20g/l

Hình 13. Cu phân cực âm.
PTHQ: y2(x) = 0,001.x2 + 0,008.x + 0,658;
MRRmax= 1,302mm3/phút với 20g/l.


12

PTHQ: y3(x)= 0,011x3-0,66x2+16,01x+29,87;
MRRmax=170,579mm3/phút với 20g/l

Hình 14. Gr phân cực dương.

- Nhám bề mặt gia công (Ra):

Hình 15. Cu phân cực dương.
PTHQ: y2(x) = 0,006.x2-0,223.x+5,949;
Ramin= 4,0329m với 17,158g/l.

Hình 16. Cu phân cực âm.
PTHQ: y2(x) =0,0014.x2–0,1117.x +4,222;
Ramin= 2,57m với 20g/l.

PTHQ: y2(x) = 0,009x2 – 0,344x + 7,134;
Ramin= 4,13m với 17,4g/l.

Hình 17. Gr phân cực dương.

- Lượng mòn điện cực (TWR):

Hình 18. Cu phân cực dương.
PTHQ: y3(x) = -7,466.10-6.x4+0,00012.x3
+ 0,00436.x2 - 0,089.x +1,04;
TWRmin= 0,622mm3/phút với 9,428g/l.

Hình 19. Cu phân cực âm.
PTHQ: y3(x) = 1,2622. e-0,049x
TWRmin= 0,470mm3/phút với 20g/l.


13
- Độ cứng tế vi (HV):

Hình 20. Cu phân cực dương.
PTHQ: y3(x)=0,004.x4-0,153.x3 +

1,242.x2 + 9,32.x + 549,3;
HVmax= 658,761 với 12,52g/l.

Hình 21. Cu phân cực âm.
PTHQ: y3(x)=-0,0017.x4+0,108.x3 –
2,58.x2 + 29,24.x +526,4;
HVmax= 662,406 với 18,744g/l.
PTHQ:
y3(x)=-0,0075.x4+0,3391.x35,3511.x2 + 39,3816.x + 502;
HVmax= 662,032 với 18,05g/l.

Hình 22. Gr phân cực dương.

Kết luận chƣơng 2
1. Kết quả khảo sát hai loại khuôn dập nóng (khuôn dập RV125
và khuôn dập 53211) gia công tạo hình bề mặt khuôn bằng EDM (với
điện cực Đồng, vật liệu khuôn là thép SKD61, dung dịch điện môi là
dầu biến thế và các điều kiện gia công đang sử dụng tại cơ sở sản
xuất): Các thông số chất lượng bề mặt của hai loại khuôn dập nóng
sau EDM tương tự nhau và nói chung chất lượng bề mặt thấp, không
đáp ứng được yêu cầu làm việc của khuôn. Bề mặt khuôn sau EDM
được gia công tinh (bằng phương pháp đánh bóng) để lấy đi lớp trắng
trên bề mặt có chất lượng thấp.
2. Kết quả khảo sát gia công thép SKD61 (với hai loại vật liệu điện
cực đại diện cho gia công thô và tinh bằng EDM là Gr và Cu) cho thấy khi
trộn bột Ti vào dung dịch điện môi đã làm năng suất và chất lượng bề mặt
gia công đều có sự cải thiện đáng kể so với không dùng bột. Cụ thể:
- Năng suất bóc tách vật liệu (MRR) tăng nhiều nhất ở nồng độ
bột 20g/l: 479,2% với Gr+; 127,4% với Cu+; 98,5% với Cu-.

14
- Lượng mòn điện cực (TWR) giảm nhiều nhất với điện cực Cu+
ở nồng độ bột 10g/l: 40%.
- Lượng mòn điện cực (TWR) giảm nhiều nhất với điện cực Cuở nồng độ bột 20g/l: 64,4%.
- Độ cứng (HV) lớp bề mặt (lớp trắng) tăng nhiều nhất ở nồng độ
bột 20g/l: 30,2% với điện cực Gr+; 18,8% với điện cực Cu+; 25,8%
với điện cực Cu-.
- Nhám bề mặt (Ra) giảm nhiều nhất ở nồng độ bột 20g/l: 41,4%
với điện cực Gr+; 33,5% với điện cực Cu+; 39,8% với điện cực Cu-.
- Trong lớp trắng xuất hiện các nguyên tố Ti và Cu với hàm
lượng khá cao trong khi hàm lượng C lại giảm mạnh.
- Topography của bề mặt gia công bằng phẳng hơn; chiều dày lớp
trắng giảm (đặc biệt với điện cực Gr+); độ cứng của lớp trắng tăng
(cao nhất trong ba lớp).
3. Các phương trình hồi quy và đồ thị biểu diễn mối quan hệ giữa
nồng độ bột Ti với các chỉ tiêu đánh giá năng suất và chất lượng bề
mặt gia công đã được xây dựng làm cơ sở để chọn nồng độ bột cho
các nghiên cứu tiếp theo.
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
Kết quả khảo sát ở Chương 2 đã cho thấy triển vọng của hướng
nghiên cứu nâng cao năng suất và chất lượng bề mặt gia công EDM
bằng biện pháp trộn bột Ti vào dung dịch điện môi. Tuy nhiên, quá
trình gia công bằng PMEDM là quá trình rất phức tạp, chịu ảnh hưởng
đồng thời của rất nhiều thông số với mức độ ảnh hưởng khác nhau
(như nồng độ bột, các thông số điện, vật liệu điện cực, vật liệu gia
công,...), các thông số đó không những tác động trực tiếp đến chỉ tiêu

đánh giá mà còn tương tác với nhau qua đó ảnh hưởng đến chỉ tiêu
đánh giá. Để nâng cao năng suất và chất lượng bề mặt gia công EDM
bằng biện pháp trộn bột Ti cần phải xác định các thông số ảnh hưởng


15
chính để từ đó đưa vào quy hoạch thực nghiệm nghiên cứu ảnh hưởng
ảnh đến chỉ tiêu đánh giá.
Các thông số công nghệ: Cường độ dòng điện, thời gian phát
xung, thời gian ngừng phát xung, sự phân cực điện cực, nồng độ bột,
vật liệu điện cực và vật liệu gia công được sử dụng trong nghiên cứu,
bảng 2. Sự tương của AxB, AxG và BxG cũng được khảo sát.
Taguchi là công cụ được sử dụng thiết kế thí nghiệm (bảng 3) và
đánh giá ảnh hưởng của các thông số công nghệ và tối ưu hóa các kết
quả đầu ra (MRR, TWR, Ra, HV và cấu trúc lớp bề mặt).
Bảng 2. Các thông số khảo sát
TT
1
2
3
4
5
6
7

Thông số

Mức của yếu tố
Mức 1
Mức 2

SKD61
SKD11
Cu
Cu*
+
5
10
8
4
38
57
0
10

Kí hiệu

Vật liệu phôi
A
Vật liệu điện cực
B
Phân cực điện cực
C
D
Thời gian phát xung (ton) (s)
Cường độ dòng điện (I) (A)
E
F
Thời gian ngừng phát xung (tof) (s)
Nồng độ bột Ti(g/l)
G

( Trong bảng trên: * - là biến lặp)

Mức 3
SKT4
Gr
-*
20
6
85
20

Bảng 3. Ma trận thí nghiệm
Số TNo
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17

A
SKD61
SKD61
SKD61
SKD61
SKD61
SKD61
SKD61
SKD61
SKD61
SKD11
SKD11
SKD11
SKD11
SKD11
SKD11
SKD11
SKD11

B
Cu
Cu
Cu
Cu*
Cu*
Cu*
Gr
Gr
Gr

Cu
Cu
Cu
Cu*
Cu*
Cu*
Gr
Gr

C
+
-*
+
-*
-*
+
+
-*
-*
+
+

D
5
10
20
10
20
5
20

5
10
20
5
10
5
10
20
10
20

E
8
4
6
6
8
4
4
6
8
4
6
8
8
4
6
6
8

F
38
57
85
85
38
57
57
85
38
85
38
57
57
85
38
38
57

G
0
10
20
0
10
20
0
10
20
0

10
20
0
10
20
0
10


16
18
19
20
21
22
23
24
25
26
27

SKD11
SKT4
SKT4
SKT4
SKT4
SKT4
SKT4
SKT4
SKT4

SKT4

Gr
Cu
Cu
Cu
Cu*
Cu*
Cu*
Gr
Gr
Gr

-*
-*
+
+
-*
+
-*
-

5
10
20
5
20
5
10
5

10
20

4
6
8
4
4
6
8
8
4
6

85
57
85
38
38
57
85
85
38
57

20
0
10
20
0

10
20
0
10
20

( Trong bảng trên: * - là biến lặp).
3.1. Năng suất bóc tách vật liệu (MRR)

Hình 23. Ảnh hưởng của các thông
số vào đến MRR.

Hình 24. Ảnh hưởng của tương tác
giữa các thông số vào đến MRR.

Ảnh hưởng của các thông số và sự tương tác của chúng đến MRR
được thể hiện trên hình 23÷24. Vật liệu điện cực là thông số có ảnh
hưởng mạnh nhất đến MRR và chiếm 49,31% tổng lượng ảnh hưởng.
Các thông số: thời gian phát xung, sự phân cực điện cực, cường độ
dòng điện, thời gian ngừng phát xung, nồng độ bột, tương tác giữa vật
liệu phôi với nồng độ bột và tương tác giữa vật liệu điện cực với nồng
độ bột đều có ảnh hưởng mạnh đến MRR với thứ tự phần trăm ảnh
hưởng lần lượt là: 18,58%, 1,61%, 6,5%, 4,17%, 2,48%, 10,21% và
2,55%. Vật liệu phôi và tương tác giữa vật liệu gia công với vật liệu
điện cực là các thông số có ảnh hưởng yếu đến MRR. Bột Ti trộn vào
dung dịch điện môi đã làm MRR tăng, so với không có bột MRR tăng
32,1% tại 10g/l và tăng lớn nhất là 42,1% với 20g/l. Gr cho MRR lớn
hơn rất nhiều so với Cu (240,6%). Phân cực điện cực dương sẽ cho
MRR lớn hơn so với phân cực điện cực âm (29,04%).

17
Vật liệu điện cực, cường độ dòng điện và tương tác giữa vật liệu
phôi với nồng độ bột là ảnh hưởng mạnh đến hệ số S/N của MRR.
Trị số MRRtoiuu = 38,6927,4mm3/phút tối ưu với gia công SKD11,
Gr+, thời gian phát xung 20µs, 8A, thời gian ngừng phát xung 85µs
và nồng độ bột 10g/l.
3.2. Lƣợng mòn điện cực (TWR)

Hình 25. Ảnh hưởng của các thông
số vào đến TWR.

Hình 26. Ảnh hưởng của tương tác
giữa các thông số vào đến TWR.

Kết quả ảnh hưởng của các thông số công nghệ và sự tương tác
của các thông số đến TWR được chỉ ra trên hình 25÷26. Tất cả các
thông số khảo sát đều có ảnh hưởng mạnh đến TWR. TWR giảm khi
trộn bột Ti vào dung dịch điện môi và lượng giảm của TWR so với
không bột là 53,33% với 10g/l và 6,13% khi 20g/l. TWR của Cu nhỏ
hơn so với của Gr xấp xỉ 4,48 lần. Sự phân cực điện cực âm sẽ cho
TWR nhỏ hơn so với phân cực điện cực dương khoảng 1,34 lần.
Cường độ dòng điện và thời gian phát xung tăng đã làm TWR tăng
theo.
Vật liệu điện cực, cường độ dòng điện và tương tác giữa vật liệu
gia công với nồng độ bột có ảnh ảnh hưởng mạnh đến hệ số S/N.
TWRtoiuu = 3,0922,4mm3/phút khi gia công thép SKD11, Cu-, thời
gian phát xung 5µs, 4A, thời gian ngừng phát xung 57µs và nồng độ
bột 10g/l.
3.3. Nhám bề mặt (Ra)

Kết quả ảnh hưởng của các thông số công nghệ và sự tương tác
của các thông số đến Ra được chỉ ra trên hình 27÷28. Vật liệu điện cực


18
ảnh hưởng mạnh nhất đến Ra và chiếm 21,8% tổng ảnh hưởng. Các
thông số thời gian phát xung, cường độ dòng điện, sự phân cực điện
cực và tương tác giữa vật liệu gia công với nồng độ bột cũng ảnh
hưởng mạnh đến Ra với mức ảnh hưởng lần lượt là: 29,35%, 11,76%,
3,35% và 22,6%. Các thông số và sự tương tác còn lại ảnh hưởng yếu
đến Ra. Bột Ti trong dung dịch điện môi đã làm Ra giảm và so với
không có bột thì khi có bột đã làm Ra giảm lần lượt là: 11,3% với
nồng độ bột 10g/l và 3,08% với nồng độ bột 20g/l. Ra của điện cực
Gr lớn hơn so với điện cực Cu khoảng 31,7%. Phân cực điện cực âm
sẽ cho Ra giảm 5,2% so với phân cực dương.

Hình 27. Ảnh hưởng của các thông
số vào đến Ra.

Hình 28. Ảnh hưởng của tương tác
giữa các thông số vào đến Ra.

Vật liệu điện cực, sự phân cực điện cực, thời gian phát xung, cường
độ dòng điện và tương tác giữa vật liệu phôi với nồng độ bột có ảnh
hưởng mạnh đến hệ số S/N của Ra. Trị số Ratoiuu =1,730,65µm khi gia
công thép SKD61, điện cực Cu, phân cực điện cực âm, thời gian phát
xung 5µs, 4A, thời gian ngừng phát xung 85µs và nồng độ bột 10g/l.
3.4. Độ cứng tế vi lớp bề mặt (HV)
Kết quả ảnh hưởng của các thông số công nghệ và sự tương tác
của các thông số đến HV được chỉ ra trên hình 29÷30. Nồng độ bột Ti

là thông số có ảnh hưởng mạnh nhất đến độ cứng tế vi trung bình của
lớp trắng và chiếm 57,86% tổng ảnh hưởng. Các thông số vật liệu
điện cực, thời gian phát xung, tương tác giữa vật liệu điện cực với
nồng độ bột và tương tác giữa vật liệu phôi với nồng độ bột có ảnh
hưởng mạnh đến HV. Vật liệu phôi, sự phân cực điện cực, cường độ


19
dòng điện, thời gian ngừng phát xung và tương tác giữa vật liệu gia
công với vật liệu điện cực là các đại lượng có ảnh hưởng yếu đến
HV. Bột Ti trong dung dịch điện môi làm HV tăng. So với khi không
có bột thì khi có bột Ti đã làm HV tăng lần lượt là: 41,81% với 10g/l
và 31,05% với 20g/l. Bề mặt gia công bằng Gr sẽ cho HV cao hơn so
với khi gia công bằng Cu là 9,4%. Phân cực điện cực âm sẽ cho HV
cao hơn so với phân cực điện cực dương khoảng 3,3%..

Hình 29. Ảnh hưởng của các thông
số vào đến HV.

Hình 30. Ảnh hưởng của tương tác
giữa các thông số vào đến HV.

Vật liệu điện cực, thời gian phát xung, nồng độ bột, tương tác
giữa vật liệu điện cực với nồng độ bột và tương tác giữa vật liệu phôi
với nồng độ bột có ảnh hưởng mạnh đến hệ số S/N của HV. Trị số tối
ưu của HV=864,36361,68HV trong gia công thép SKD11, Gr-, thời
gian phát xung 20µs, 8A, thời gian ngừng phát xung 57µs và nồng độ
bột 10g/l.
3.5. Chất lƣợng lớp bề mặt gia công
Bột Ti trộn vào dung dịch điện môi đã làm lớp bề mặt gia công

có topography tốt, số lượng vết nứt tế vi và các hạt vụn bám dính trên
bề mặt giảm, hình 31 và 32. C, Ti và Cu xuất hiện trên lớp bề mặt với
tỷ lệ % lớn, đây là nguyên nhân làm tăng độ cứng và độ bền cho lớp
bề mặt, hình 33÷35. Sự phân cực điện cực âm sẽ cho lớp bề mặt có
trị số nhám bề mặt nhỏ, độ cứng tế vi cao, số lượng nứt tế vi nhiều
nhưng kích thước và chiều sâu giảm làm tăng khả năng ngậm dầu bôi
trơn. Gr cho độ cứng bề mặt lớn hơn so với Cu tuy nhiên nứt tế vi và
độ nhám bề mặt lại lớn hơn. Lớp trắng của bề mặt gia công bằng
PMEDM sử dụng bột Ti có độ bền, độ cứng cao nhất.


20

Hình 31. Nứt tế vi trên bề mặt gia công.

Hình 32. Hạt vụn trên bề mặt gia công.

a) 20g/l, 6A, ton=20s, tof =85s, Cu- b) 10g/l, 6A, ton=5s, tof =85s, GrHình 33. Cấu trúc lớp bề mặt thép SKD61sau PMEDM.

Hình 34. Cấu trúc lớp bề mặt thép SKD11sau PMEDM.

Hình 35. Cấu trúc lớp bề mặt thép SKT4 sau PMEDM.

3.6. Tối ƣu đồng thời MRR, TWR, Ra và HV
Phân tích quan hệ xám sử dụng để tối ưu hóa thương lượng các
đặc tính chất lượng của PMEDM (MRR, TWR, Ra, HV) được chuyển
đổi thành một đặc tính duy nhất được gọi là cấp độ quan hệ xám. Kết
quả tối ưu thương lượng các chỉ tiêu đánh giá trong PMEDM đạt được:

21
SKD11, Cu(-), ton=5s, I=4A, tof=57s và 10g/l. Trị số hệ số cấp độ xám
lớn hơn và chất lượng bề mặt cao hơn thu được ở điều kiện tối ưu. Điều
này chứng tỏ năng suất và chất lượng của PMEDM được cải thiện rõ rệt
bằng sự kết hợp của GRA và Taguchi. Kết quả tối ưu: MRR =
7,865mm3/phút, TWR=2,104mm3/phút, Ra= 2,34m và HV = 637,213.
Kết luận chƣơng 3
1. Sử dụng phương pháp Taguchi để thiết kế thí nghiệm cho phép
chọn số lượng thông số để khảo sát là nhiều nhất nhưng số thí
nghiệm lại ít nhất. Phương pháp này phù hợp với nghiên cứu về
PMEDM khi các thông số ảnh hưởng có số lượng rất nhiều với mức
độ ảnh hưởng và tính chất khác nhau.
2. Kết quả nghiên cứu ảnh hưởng của các thông số đến năng suất
và chất lượng bề mặt gia công khi gia công bằng EDM có trộn bột Ti
vào dung dịch điện môi:
- Vật liệu gia công có ảnh hưởng mạnh đến TWR nhưng ảnh
hưởng không đáng kể đến MRR, Ra, HV; TWR lớn nhất khi gia công
thép SKD61 và nhỏ nhất khi gia công thép SKD11; MRR, Ra, HV lớn
nhất khi gia công thép SKD11 và nhỏ nhất khi gia công thép SKT4.
- Vật liệu điện cực là thông số có ảnh hưởng mạnh đến cả 4 chỉ
tiêu đầu ra. MRR, Ra, HV và TWR đều có giá trị lớn nhất với điện
cực Gr và nhỏ nhất với điện cực Cu.
- Sự phân cực điện cực có ảnh hưởng mạnh đến MRR, TWR và Ra
nhưng ảnh hưởng không đáng kể đến HV. Phân cực điện cực dương
cho MRR lớn nhất, phân cực điện cực âm cho HV, TWR và Ra nhỏ
nhất.
- Thời gian phát xung có ảnh hưởng mạnh và tỷ lệ thuận với cả 4
chỉ tiêu MRR, TWR, Ra, HV.
- Cường độ dòng điện có ảnh hưởng mạnh đến MRR, TWR và Ra
nhưng ảnh hưởng yếu đến HV. Khi cường độ dòng điện tăng từ 4÷8A

thì MRR, TWR, Ra và HV tăng theo.
- Thời gian ngừng phát xung có ảnh hưởng mạnh đến MRR, TWR
và ảnh hưởng không đáng kể đến Ra và HV. Trị số của các đặc trưng
nhận được lớn nhất khi thời gian phát xung 57s.


22
- Nồng độ bột có ảnh hưởng mạnh đến MRR, TWR và mạnh nhất
là với HV nhưng lại ảnh hưởng không đáng kể đến Ra. Khi nồng độ
bột tăng thì MRR, HV tăng và TWR, Ra giảm.
- Tương tác (AxG) có ảnh hưởng mạnh đến cả 4 chỉ tiêu: MRR,
TWR, Ra, HV. Các tương tác (AxB), (BxG) theo thứ tự lần lượt chỉ
ảnh hưởng mạnh đến TWR và HV.
3. Hiệu quả nâng cao năng suất và chất lượng bề mặt gia công
EDM bằng biện pháp trộn bột Ti vào dung dịch điện môi:
- Năng suất bóc vật liệu MRR tăng, lượng mòn điện cực TWR giảm.
- Độ nhám bề mặt gia công Ra giảm, độ cứng HV lớp trắng tăng
mạnh và cứng hơn nhiều so với lớp trung gian và lớp nền.
- Chiều dày của lớp trắng đồng đều hơn, ít vết nứt hơn. Đặc biệt,
chiều dày của lớp trắng khi gia công bằng điện cực Gr đã giảm rất
mạnh.
- Topography bề mặt tốt hơn.
- Cơ tính của lớp bề mặt gia công được nâng cao do có một số
nguyên tố (Cu, C, Ti) từ điện cực, dung dịch điện môi và bột xâm
nhập vào.
4. Sử dụng phương pháp Taguchi để tối ưu hóa đơn mục tiêu và
phương pháp Taguchi-GRA để tối ưu đa mục tiêu đã cho phép tối ưu
hóa PMEDM toàn diện hơn và cho hiệu quả tốt hơn. Kết quả tối ưu
cho thấy khi trộn bột Ti vào dung dịch điện môi với nồng độ 10g/l sẽ
cho năng suất và chất lượng bề mặt gia công EDM cao nhất.

Chƣơng 4. ỨNG DỤNG KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀO THỰC
TIỄN SẢN XUẤT CHẾ TẠO KHUÔN DẬP NÓNG
PHÔI BÁT PHỐT XE MÁY
Sản phẩm ứng dụng kết quả nghiên cứu để thử nghiệm là khuôn
dập nóng phôi bát phốt xe máy (khuôn dập 53211) đang được sản
xuất và sử dụng tại Công ty Cổ phần Cơ khí Phổ Yên – Thái Nguyên
(hình 36). Chỉ tiêu được sử dụng để đánh giá bao gồm: Thời gian
xung định hình bề mặt khuôn; độ nhám Ra bề mặt khuôn sau xung
định hình và tuổi bền của khuôn (xác định thông qua số lượng sản
phẩm dập/1 khuôn).


23

Hình 36. Sản phẩm thử nghiệm.
Kết quả bảng 4 cho thấy: Thời gian gia công xung bề mặt khuôn
giảm; độ nhám bề mặt Ra giảm( 1,5m); lượng dư để lại cho nguyên
công đánh bóng giảm(40m) nên thời gian gia công đánh bóng bề
mặt khuôn giảm.
Bảng 4. Một số chỉ tiêu đạt được khi gia công bề mặt khuôn
bằng PMEDM và EDM
Phương pháp
Chỉ tiêu so sánh
Thời gian gia công
Ra (µm)
Lượng dư (µm)
Ra (µm)
Kích
thước 5000 sản phẩm
lòng

khuôn
(mm) sau khi 6000 sản phẩm
dập:

PMEDM
Xung
Đánh
định hình
bóng
1h09’02”
1,17
5÷8
0,59
40,19
-

40,29

EDM
Xung định
hình
1h43’
2,67
-

Đánh
bóng
50
0,63
40,33

-

Kết luận chƣơng 4
1. Kết quả nghiên cứu về PMEDM với bột Ti được ứng dụng để
chế tạo thử khuôn dập nóng phôi bát phốt xe máy. Khuôn đối chứng
chế tạo bằng phương pháp EDM theo các điều kiện đang sử dụng ở
cơ sở sản xuất.
2. Đánh giá hiệu quả kinh tế - kỹ thuật gia công tạo hình bề mặt
khuôn bằng PMEDM (so với EDM) qua các chỉ tiêu:
- Thời gian gia công xung: Giảm 33, 97%.
- Độ nhám bề mặt gia công Ra: Giảm  86,71%.
- Lượng dư của nguyên công đánh bóng: Giảm  40m.