Nghiên cứu ảnh hưởng của cường độ dòng điện xung và thời gian phóng tia lửa điện đến năng suất và nhám bề mặt thép SKD11 nhiệt luyện bằng xung định hình với điện cực graphit

NGHIÊN CỨU KHOA HỌC

Nghiên cứu ảnh hưởng của cường độ dịng điện xung và thời
gian phóng tia lửa điện đến năng suất và nhám bề mặt thép
SKD11 nhiệt luyện bằng xung định hình với điện cực graphit
Study on influence of the electric spark intensity and on time and the
pulse on productivity and surface roughness for the heat treatment
of SKD11 steel using pulse shaping with graphite electrodes
Mạc Văn Giang
Email:
Trường Đại học Sao Đỏ
Ngày nhận bài: 10/01/2020
Ngày nhận bài sửa sau phản biện: 22/3/2020
Ngày chấp nhận đăng: 30/3/2020
Tóm tắt
Nội dung bài báo trình bày kết quả nghiên cứu ảnh hưởng của cường độ dịng điện xung (LVI) và thời
gian phóng tia lửa điện (Ton) khi sử dụng điện cực than chì trên máy xung điện CNC-EDM P36+E50, đến
năng suất (Q) và độ nhám bề mặt gia công (Ra) đối với thép SKD11 nhiệt luyện. Bài báo xây dựng được
phương trình hồi quy và các kết luận thể hiện mối quan hệ giữa cường độ dịng điện xung và thời gian
phóng tia lửa đến năng suất và độ nhám bề mặt thông qua thực nghiệm và sử dụng phương pháp phân
tích phương sai ANOVA. Kết quả nghiên cứu dùng để xác định được bộ thông số để đảm bảo năng suất
và độ nhám bề mặt gia cơng theo u cầu.
Từ khóa: Nhám bề mặt; máy xung điện CNC-EDM; thép SKD11 nhiệt luyện; cường độ dịng điện xung;
thời gian phóng tia lửa điện.
Abstract
The paper presents the results of research of the electric spark intensity (LVI) and on time and the
pulse (Ton) when using graphite electrodes on the P36+E50 electrical pulse generatoron productivity
and surface roughness for heat-treated SKD11 steel. The paper identified equations regression and the
conclusions and the conclusions the relationship between the electric spark intensity and on time and the
pulse to the pulse on productivity and surface roughness through experiment with using ANOVA variance
analysis method. Research results enable used to define a set of parameters ensuring the productivity

and surface roughness of the machined parts required.
Keywords: Roughness; CNC-EDM electrical impulse generator; steel material SKD11 heat treatment;
the electric spark intensityl; on time and the pulse.
1. ĐẶT VẤN ĐỀ
Trong những năm gần đây tại Việt Nam nhu cầu sử
dụng các mác vật liệu có độ cứng và độ bền cao
như: SKD11, SKH40, SKH51, BK15, BK20, BK25
hoặc một số mác thép thay thế như 160Cr12Mo,
Người phản biện: 1. PGS.TS. Hoàng Văn Gợt
2. TS. Nguyễn Văn Hinh

130Cr12V, 210Cr12 làm khuôn dập, khuôn ép,
chày dập trong chế tạo roto và stato của động cơ
điện không ngừng tăng. Thép SKD 11 có độ thấm
tơi tốt và ứng suất tơi thấp thường sử dụng trong
gia công khuôn mẫu, các chi tiết chịu mài mòn cao,
rất phù hợp với phương pháp gia cơng tia lửa điện
nói chung và xung điện nói riêng. Thực trạng việc
xác định chế độ công nghệ để gia cơng thường xác

48 Tạp chí Nghiên cứu khoa học, Trường Đại học Sao Đỏ, ISSN 1859-4190, Số 1 (68) 2020


LIÊN NGÀNH CƠ KHÍ - ĐỘNG LỰC
định dựa theo tài liệu kèm theo máy hoặc theo kinh
nghiệm do đó hiệu quả khai thác và sử dụng máy
bị hạn chế, liên quan đến việc giải quyết các vấn đề
còn tồn tại như trên, một số cơng trình khoa học đã
được cơng bố.
Cơng trình nghiên cứu “Ứng dụng sự kết hợp của

Taguchi và PSI để tối ưu hóa đa mục tiêu các thơng
số cơng nghệ trong xung định hình thép SKD11”
của nhóm tác giả Nguyễn Văn Đức, Phạm Văn
Bổng, Nguyễn Hữu Phấn đã đưa ra được bộ thông
số tối ưu: U = 50 V, Ton = 18 μs, Tof = 25 μs, I = 4 A
khi xung định hình thép SKD11, vật liệu điện cực
đồng đỏ trên máy xung định hình CM323C.
Luận án tiến sĩ “Ảnh hưởng của một số yếu tố công
nghệ đến chất lượng chi tiết được gia công bằng
phương pháp tia lửa điện” của tác giả Đỗ Văn Vũ
đã nghiên cứu và đưa ra các kết luận về ảnh hưởng
của cường độ dòng điện xung, thời gian xung và
thời gian ngắt xung đến năng suất, độ nhám bề
mặt. Ảnh hưởng của cường độ dòng điện xung đến
năng suất lớn hơn 90%, ảnh hưởng đến độ nhám
lớn hơn 60%. Ảnh hưởng của thời gian xung đến
độ nhám bề mặt trên 29%.
Nghiên cứu ảnh hưởng của hai thông số quan trọng
là cường độ dịng điện xung và thời gian phóng tia
lửa điện khi gia công thép SKD11 đã nhiệt luyện sử
dụng điện cực than chì trên máy xung điện CNCEDM P36 + E50 trong điều kiện gia cơng cụ thể có
ý nghĩa quan trọng để đạt được năng suất và độ
nhám theo yêu cầu.

Bảng 1. Kết quả phân tích thành phần hóa học của
thép SKD11
TP hóa học

%C

Tỷ lệ ngun tố 1,4÷1,6
TP hóa học

%S

Tỷ lệ nguyên tố ≤0,03
TP hóa học

%V

Tỷ lệ nguyên t 0,25

%Si

%Mn

%P

0,4max

0,6max

0,03

%Cr

%Mo

%W

11ữ13

0,8ữ1,2

0,2ữ0,5

%Ni

%Cu

0,25

0,5max

0,25

Kớch thc phụi: phụi hp 200 ì 120 ì 50 mm.

Hình 2. Phơi thực nghiệm
2.3. Dụng cụ đo
Dụng cụ đo độ nhám Mitutoyo SJ-201P

2. HỆ THỐNG THÍ NGHIỆM
2.1. Thiết bị thực nghiệm
Là máy xung điện CNC-EDM P36 + E50 hiện có tại
Trung tâm cơng nghệ cao khoa Cơ khí Trường Đại
học Sao Đỏ (hình 1).

Hình 3. Máy đo độ nhám
2.4. Điều kiện và các giả thiết thực nghiệm

Thực nghiệm được thực hiện với các điều kiện và
giả thiết sau:
- Các yếu tố phi cơng nghệ [4÷6]
Hình 1. Máy xung điện CNC-EDM P36+E50
2.2. Phơi thực nghiệm
Kết quả phân tích thành phần hóa học của mẫu
thép thực nghiệm như bảng 1.

+ Chất lượng và dịng chảy dung mơi khơng
thay đổi.
+ Tiết diện cực graphit là khơng đổi trong suốt q
trình thực nghiệm.
+ Vật liệu phơi có tính đồng nhất.

Tạp chí Nghiên cứu khoa học, Trường Đại học Sao Đỏ, ISSN 1859-4190, Số 1 (68) 2020

49


NGHIÊN CỨU KHOA HỌC
+ Nhiệt độ môi trường ổn định trong suốt quá trình
thực nghiệm.
+ Rung động và nhiễu coi như khơng đáng kể và ổn
định trong suốt q trình thực nghiệm.
+ Bỏ qua nhiễu hệ thống và nhiễu ngẫu nhiên.
- Các thơng số cơng nghệ khác
Các thơng số có mức ảnh hưởng tới năng suất gia
công và độ nhám thấp, chọn theo khuyến cáo của
nhà sản xuất thiết bị:

Bảng 2. Quy hoạch thực nghiệm thơng số đầu vào
Vị trí
TN

Biến thức
mã hóa LVI
(A)
X1 X2

TON
(S)

HVI
(V)

1

+1 +1

45

70

80

25

0,05

0,04

2

+1 -1

45

50

80

25

0,05

0,04

3

-1 +1

31

70

80

25

0,05

0,04

4

-1 -1

31

50

80

25

0,05

0,04

5

0

38

60

80

25

0,05

0,04

0

Kích thước 1 vị trí

+ Điện áp xung: Chọn theo cặp vật liệu điện cực và
phôi: HVI = 80(V).

1

+ Thời gian ngắt xung: TOFF = 25 (μs).
+ Khe hở điện cực: ∆ = 0,05 (mm).

5

+ Chiều dày vết xung: h = 0,04 (mm).
2.5. Thực nghiệm và phân tích kết quả

Hình 5. Chi tiết sau khi xung tại 5 vị trí
+ Năng suất gia cơng
Năng suất gia cơng được tính tốn gián tiếp

TOFF, ∆

HVI

- Mơ hình thực nghiệm

Độ nhám bề mặt (Ra)

Yếu tố

TOFF
∆
h
(S) (mm) (mm)

Q=

V
(mm3 /ph)
T

(2)

Trong đó:

phi cơng nghệ

V là thể tích kim loại được xung: V= 140,6(mm3 /ph)
T(ph) là tổng thời gian gia cơng xong 1 vị trí.

TON

LVI

Năng suất gia cơng Q

+ Đo độ nhám

Hình 4. Mơ hình thực nghiệm
Thơng số cơng nghệ trong thực nghiệm:

Tại một vị trí thực hiện 4 lần đo

+ Cường độ dòng điện xung trong thực nghiệm:
LVI = 31 ÷ 45(A).

Bảng 3. Kết quả đo độ nhám Ra (μm)
Lần đo

Vị trí
1

Vị trí
2

Vị trí
3

Vị trí
4

Vị trí
5

1

0,64

0,51

0,42

0,35

0,46

2

0,57

0,53

0,43

0,36

0,49

3

0,60

0,48

0,47

0,35

0,45

4

0,63

0,52

0,48

0,38

0,52

Trung bình

0,61

0,51

0,45

0,36

0,48

+ Thời gian xung: TOFF = 50 ÷ 70 μs
Đặt: X1 =LVI; X2 = TON

X1max = 45(A)

X1min = 31(A)

X1tb = 38(A)

TONmax = 70(μs)

TONmin = 50(μs)

TONtb = 60(μs)

Mã hóa giá trị:

X1max = +1

X1min = -1

X1tb = 0

Bảng 4. Kết quả thực nghiệm

TONmax = +1

TONmin = -1

TONtb = 0

Biến
thức mã LVI
Vị trí hóa
TN
X1 X2 (A)

- Thực nghiệm
+ Số lần thực nghiệm tối thiểu [4]:
n = 2k

(1)

Trong đó:

TON

Ra

T

V

Q

(s)

(m)

(ph)

(mm3)

(mm3/
ph)

1

+1 +1

45

70

0,61

78

140,6

1,80

83

2

+1

-1

45

50

0,51

140,6

1,69

k số biến đầu vào: k = 2 [4]

3

-1

+1

31

70

0,45 110 140,6

1,28

Để nâng cao độ chính xác, thêm 1 lần thực nghiệm,
tổng số lần thực nghiệm n = 5

4

-1

-1

31

50

0,36 121 140,6

1,16

5

0

0

38

60

0,48

1,48

95

140,6

50 Tạp chí Nghiên cứu khoa học, Trường Đại học Sao Đỏ, ISSN 1859-4190, Số 1 (68) 2020


LIÊN NGÀNH CƠ KHÍ - ĐỘNG LỰC
- Xây dựng phương trình hồi quy độ nhám bề
mặt phụ thuộc cường độ dịng điện xung và
thời gian phóng tia lửa điện
+ Theo phân tích phương sai ANOVA [3], ta có:

å

n
i=1

( yi - y )2 = å i=1 ( yˆ - y )2 + å i=1 ( y i - yˆ )2
n

n

(3)

Trong đó:

yi : giá trị đo trong thí nghiệm;

Bảng 6. Sai lệch bình phương trung bình khi đo
Vị trí TN

y

y dn

y tb

y1i = y - y dn (y1i -y tb )2

1

0,61 0,485 -0,003

0,125

0,0164

2

0,51 0,485 -0,003

0,025

0,0008

3

0,45 0,485 -0,003

-0,035

0,0010

4

0,36 0,485 -0,003

-0,125

0,0149

5

0,48 0,485 -0,003

-0,005

0,000004

Trong đó:

y : giá trị trung bình sau n lần đo;

y dn =

yˆ : giá trị của hàm thực nghiệm.
Số thực nghiệm: n = 5.

ymax + ymin 0,61 + 0,36
=
= 0,485
2

2
n

+ Nghiệm của (3) có dạng:

y tb =

y = a + b.X1 + c.X2

(4)

+ Sử dụng công cụ Regression xác định các hệ số
hồi quy: a = -0,2237, b = 0.0111, c = 0.0048 và thay
vào (4), được phương trình hồi quy:

y = -0,2237 + 0,0111.X1 + 0,0048.X2

(5)

+ Đánh giá độ tin cậy của hàm hồi quy thực nghiệm:
Kiểm nghiệm độ chính xác của công thức thực
nghiệm dùng chỉ tiêu:

σ yTN £ σ y

σy =

å ( y-y
i=1

n

n

å (y
i=1

1i

dn

)

= -0,003

-y tb )2 = 0,182

σ yTN = 0,0017 £ σ y = 0,182
Vậy công thức thực nghiệm (5) đã xác định chấp
nhận được.
Đồ thị quan hệ độ nhám bề mặt phụ thuộc cường
độ dòng điện xung và thời gian phóng tia lửa điện.

(6)

Trong đó:
σyTN: Sai lệch bình phương trung bình của các giá
trị thực nghiệm;
σy: Sai lệch bình phương trung bình khi đo.
Bảng 5. Các thành phần khi tính sai lệch bình

phương trung bình của các giá trị thực nghiệm
Vị trí TN

y

yTN

(y-yTN)2

1

0,61

0,6118

3,24.10-6

2

0,51

0,5158

3,36.10-5

0,4564

-5

3

0,45

4,09.10

Hình 6. Đồ thị biểu diễn quan hệ giữa Ra
với LVI và TON
Nhận xét:

-7

4

0,36

0,3604

1,6.10

5

0,48

0,4861

3,72.10-5

yTN: Được xác định bằng cách thay các biến số
vào [4];
k = 2: Hằng số thực nghiệm [4].

n

σ yTN =

å (y - y
i=1

n-k

TN

)2

n

=

å (y - y
i=1

TN

)2

3

Thay số vào (7) được: σyTN = 0,0017

(7)

Khi tăng cường độ dòng điện xung và thời gian
phóng tia lửa điện thì độ nhám tăng và ngược lại,
trong đó ảnh hưởng của cường độ dịng điện xung
có vai trị lớn vì hệ số hồi quy lớn hơn xo với hệ số
hồi quy của thời gian phóng tia lửa điện khoảng 2,3
lần và đã phù hợp với kết luận của [1].
- Xây dựng phương trình hồi quy năng suất gia
cơng phụ thuộc cường độ dịng điện xung và thời
gian phóng tia lửa điện.
+ Theo phân tích phương sai ANOVA với dữ liệu
trong bảng 4, được phương trình hồi quy:

y = - 0,288 + 0,0375.X1 + 0,00575.X 2

(8)

+ Đánh giá độ tin cậy của hàm hồi quy thực nghiệm:

Tạp chí Nghiên cứu khoa học, Trường Đại học Sao Đỏ, ISSN 1859-4190, Số 1 (68) 2020

51


NGHIÊN CỨU KHOA HỌC
Bảng 7. Các thành phần khi tính sai lệch bình
phương trung bình của các giá trị thực nghiệm
Vị trí TN

y

yTN

(y-yTN)2

1

1,80

1,802

0,000004

2

1,69

1,687

0,000009

3

1,28

1,277

0,000009

4

1,16

1,162

0,000004

5

1,48

1,482

0,000004

3. KẾT LUẬN

yTN: Được xác định bằng cách thay các biến số vào
(7).
k = 2: Hằng số thực nghiệm [4]
n

å (y - y TN )2

σ yTN =

i=1

n-k

n

=

å (y - y
i=1

TN

)2

(9)

3

Thay số vào (9) được: σyTN = 0,0031
Bảng 8. Sai lệch bình phương trung bình khi đo
Vị trí TN

y

y dn

y tb

1
2
3
4
5

1,8
1,69
1,28
1,16
1,48

1,48
1,48
1,48
1,48
1,48

-0,003
-0,003
-0,003
-0,003
-0,003

y1i = y - y dn (y1i -y tb )2
0,320
0,210
-0,200
-0,320
0,000

0,323
0,213
-0,197
-0,317
0,003

Trong đó:
y dn =

y max + y min
1,80 + 1,16
=
= 1,48
2
2
n

y tb =

σy =

å ( y-y
i=1

n

n

å (y
i=1

1i

dn

)

Nhận xét: Khi tăng cường độ dịng điện xung và
thời gian phóng tia lửa điện thì độ năng suất tăng
và ngược lại, tuy nhiên ảnh hưởng của cường độ
dịng điện xung có vai trị lớn hơn vì có hệ số hồi
quy lớn hơn so với hệ số hồi quy của thời gian
phóng tia lửa điện khoảng 6,5 lần và đã phù hợp
với kết luận của [1].

=-0,003

-y tb )2 = 0,158

σ yTN = 0,0031 £ σ y = 0,158

Vậy công thức thực nghiệm (8) đã xác định chấp
nhận được.
Đồ thị quan hệ năng suất gia cơng phụ thuộc cường
độ dịng điện xung và thời gian phóng tia lửa điện.

Nội dung bài báo đã nghiên cứu ảnh hưởng của
cường độ dòng điện xung (LVI) và thời gian phóng
tia lửa điện ( TON ) khi sử dụng điện cực than chì
trên máy xung điện CNC-EDM P36+E50, đến năng
suất (Q) và độ nhám bề mặt gia công ( Ra ) đối với
thép SKD11 nhiệt luyện, đã xây dựng được hai
phương trình hồi quy.
Phương trình hồi quy độ nhám bề mặt phụ thuộc
cường độ dòng điện xung và thời gian phóng tia

lửa điện.

Ra = -0,2237 + 0,0111.LVI + 0,0048.TON

(4*)

Phương trình hồi quy năng suất gia cơng phụ thuộc
cường độ dịng điện xung và thời gian phóng tia
lửa điện.
Q = - 0,288 + 0,0375.LVI + 0,00575.TON

(7*)

Căn cứ vào hai phương trình hồi quy thực nghiệm
trên có thể lựa chọn hợp lý LVI và TON để đồng thời
đảm bảo năng suất và độ nhám bề mặt chi tiết gia
công trên máy xung điện CNC - EDM P36 + E50
với điện cực graphit.

TÀI LIỆU THAM KHẢO
[1] Đỗ Văn Vũ (2013), Nghiên cứu ảnh hưởng
của một số yếu tố công nghệ đến chất lượng
chi tiết được gia công bằng phương pháp tia
lửa điện, Viện Máy và Dụng cụ Công nghiệp,
Luận án tiến sĩ
[2] Vũ Hồi Ân (2005), Gia cơng tia lửa điện
CNC, Nhà xuất bản Khoa học và Kỹ thuật.
[3] Lý thuyết thực hành gia công xung điện, tài
liệu trung tâm đào tạo Đại học Cơng nghiệp
Hà Nội - Tập đồn Khoa học Kỹ thuật Hồng

Hải, 2007.
[4] Nguyễn Doãn Ý (2009), Xử lý số liệu thực
nghiệm trong kỹ thuật, Nhà xuất bản Khoa
học và Kỹ thuật.

Hình 7. Đồ thị biểu diễn quan hệ giữa Q
với LVI và TON

[5] Tô Cẩm Tú, Trần Văn Diễn, Nguyễn Đình
Hiên, Phạm Chí Thành (1999), Thiết kế và
phân tích thí nghiệm, Nhà xuất bản Khoa học
và Kỹ thuật.

52 Tạp chí Nghiên cứu khoa học, Trường Đại học Sao Đỏ, ISSN 1859-4190, Số 1 (68) 2020


LIÊN NGÀNH CƠ KHÍ - ĐỘNG LỰC
THƠNG TIN TÁC GIẢ
Mạc Văn Giang
- Tóm tắt q trình đào tạo, nghiên cứu (thời điểm tốt nghiệp và chương trình đào tạo,
nghiên cứu):
+ Năm 2004: Tốt nghiệp Đại học ngành Chế tạo máy, Trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp
Thái Nguyên
+ Năm 2010: Tốt nghiệp Thạc sĩ ngành Công nghệ kỹ thuật cơ khí, Trường Đại học Bách
khoa Hà Nội
- Tóm tắt cơng việc hiện tại: Giảng viên khoa Cơ khí, Trường Đại học Sao Đỏ
- Lĩnh vực quan tâm: Tính tốn, thiết kế máy, cơng nghệ chế tạo máy, lập trình và gia cơng
trên máy CNC
- Điện thoại: 0971953180
- Email:

Tạp chí Nghiên cứu khoa học, Trường Đại học Sao Đỏ, ISSN 1859-4190, Số 1 (68) 2020

53