Tài liệu 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 i LỜI CẢM ƠN Để có được những kết quả như ngày hôm nay, tôi xin trân trọng cảm ơn Đảng ủy, Ban Giám hiệu, Phòng Đào tạo, Khoa cơ khí và Trung tâm thực nghiệm Trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp Thái Nguyên - Đại học Thái Nguyên đã tạo mọi điều kiện giúp đỡ tôi trong suốt quá trình học tập, nghiên cứu và hoàn thành Luận án. Với lòng kính trọng và biết ơn sâu sắc, tôi xin được bày tỏ lòng biết ơn chân thành tới GS.TSKH. Bành Tiến Long – Nguyên Thứ trưởng Bộ giáo dục & Đào tạo; TS. Ngô Cƣờng – Phó Hiệu trưởng trường Cao đẳng Kinh tế - Kỹ thuật, Đại học Thái Nguyên là những người thầy đã dành nhiều thời gian hướng dẫn, tận tình chỉ bảo tôi trong suốt quá trình nghiên cứu. Tôi xin trân trọng cảm ơn PGS.TS. Nguyễn Đình Mãn – Hiệu trưởng Trường Cao đẳng Kinh tế - Kỹ thuật; Ban Giám hiệu; Khoa Kỹ thuật Công nghiệp; Trung tâm Tuyển sinh, Tư vấn & Hỗ trợ HSSV của Trường Cao đẳng Kinh tế - Kỹ thuật, Đại học Thái Nguyên nơi tôi đang công tác đã tạo mọi điều kiện tốt nhất để tôi được học tập và nghiên cứu. Tôi xin trân trọng cảm ơn Ban Giám đốc và các đơn vị thuộc Công ty TNHH Nhà nước một thành viên Diesel Sông Công – Thái Nguyên, Công ty Cổ phần Cơ khí Phổ Yên – Thái Nguyên, Công ty Cổ phần Phụ tùng máy số 1 – Thái Nguyên, Công ty Cổ phần Meinfa – Thái Nguyên, Trung tâm đánh giá hư hỏng vật liệu thuộc Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam, Viện cơ khí Việt Nam đã nhiệt tình hợp tác và giúp đỡ tôi trong hỗ trợ vật tư, thiết bị thực nghiệm và thu thập số liệu nghiên cứu. Tôi xin được trân thành cảm ơn sự cộng tác hiệu quả của ThS. Nguyễn Văn Phú - Trường Cao đẳng nghề Bắc Giang, ThS. Nguyễn Mạnh Linh - Trường CĐ Cơ khí Luyện kim – Thái Nguyên, ThS. Nguyễn Văn Minh và Ths. Trần Xuân Hoàng - Trường CĐ Nghề Kỹ thuật Công nghệ Tuyên Quang, ThS. Dƣơng Minh Toán và ThS. Phạm Việt Hùng - Trường CĐ Kinh tế - Kỹ thuật, Đại học Thái Nguyên, Dr. Pichai Janmanee - Đại học Công nghệ Rajamangala - Thái Lan và Dr. Vijaykumar S. Jatti -Đại học Quốc tế SIU - Ấn Độ. Tôi xin được bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới gia đình, những người luôn bên cạnh tôi, đã động viên, chia sẻ, giúp đỡ tôi trong suốt quá trình học tập, nghiên cứu để hoàn thành Luận án. Xin trân trọng cảm ơn! Thái Nguyên, tháng 8 năm 2016 Nguyễn Hữu Phấn 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.