I. Tổng quan về gia công hỗn hợp và gia công hỗ trợ rung động
Gia công hỗn hợp (Hybrid Machining Process - HMP) là sự kết hợp của hai hoặc nhiều quy trình gia công để tận dụng ưu điểm của từng phương pháp. Gia công hỗ trợ rung động (Vibration Assisted Machining - VAM) là một phần của HMP, sử dụng rung động tần số cao và biên độ nhỏ để cải thiện hiệu suất gia công. Gia công tia lửa điện (Electrical Discharge Machining - EDM) là một phương pháp gia công phi truyền thống, sử dụng tia lửa điện để loại bỏ vật liệu. Thông số dao động trong VAM ảnh hưởng đáng kể đến quá trình gia công, đặc biệt là độ chính xác và hiệu suất gia công. Các nghiên cứu gần đây chỉ ra rằng việc áp dụng rung động trong EDM giúp cải thiện chất lượng bề mặt và giảm độ mòn điện cực.
1.1. Gia công hỗn hợp
Gia công hỗn hợp được phát triển để giải quyết các thách thức trong gia công vật liệu tiên tiến như Inconel-718, Ti6Al4V, và PCD. Phương pháp này kết hợp các cơ chế loại bỏ vật liệu từ nhiều quy trình gia công khác nhau, bao gồm tương tác cơ học, tương tác nhiệt, và tương tác hóa học. Tương tác cơ học liên quan đến lực cắt và mài mòn, trong khi tương tác nhiệt sử dụng nhiệt để nóng chảy hoặc bay hơi vật liệu. Tương tác hóa học dựa trên sự hòa tan vật liệu thông qua phản ứng hóa học hoặc điện hóa. Sự kết hợp này giúp tối ưu hóa quá trình gia công và cải thiện hiệu suất gia công.
1.2. Gia công hỗ trợ rung động
Gia công hỗ trợ rung động sử dụng rung động tần số cao và biên độ nhỏ để cải thiện quá trình gia công. Phương pháp này được áp dụng trong cả gia công truyền thống (tiện, khoan, phay) và gia công phi truyền thống (EDM, gia công laser). Rung động giúp giảm lực cắt, tăng tuổi thọ dụng cụ, và cải thiện chất lượng bề mặt. Trong gia công tia lửa điện, rung động được áp dụng để tăng tỉ lệ loại bỏ vật liệu (MRR) và giảm độ mòn điện cực (TWR). Các nghiên cứu chỉ ra rằng thông số dao động như tần số và biên độ có ảnh hưởng lớn đến hiệu suất gia công.
II. Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu
Cơ sở lý thuyết của nghiên cứu bao gồm lý thuyết gia công tia lửa điện, hiệu ứng áp điện, và phương pháp Taguchi. Hiệu ứng áp điện là hiện tượng vật liệu tạo ra điện áp khi chịu lực cơ học hoặc ngược lại. Phương pháp Taguchi được sử dụng để tối ưu hóa thông số kỹ thuật trong quá trình gia công. Nghiên cứu này tập trung vào việc thiết kế và chế tạo cơ cấu hỗ trợ rung động cho gia công tia lửa điện, sử dụng điện cực đồng và bộ truyền động áp điện. Thông số dao động được điều chỉnh để đạt được hiệu suất gia công tối ưu.
2.1. Lý thuyết gia công tia lửa điện
Gia công tia lửa điện (EDM) là quá trình sử dụng tia lửa điện để loại bỏ vật liệu từ phôi. Tia lửa điện được tạo ra giữa điện cực và phôi trong môi trường chất lỏng điện môi. Quá trình gia công này phù hợp với các vật liệu cứng và giòn, nhưng thông số kỹ thuật như cường độ dòng điện, thời gian xung, và khoảng cách giữa các xung ảnh hưởng lớn đến hiệu suất gia công. Rung động được áp dụng để cải thiện tỉ lệ loại bỏ vật liệu và chất lượng bề mặt.
2.2. Hiệu ứng áp điện và phương pháp Taguchi
Hiệu ứng áp điện là cơ sở để tạo ra rung động trong gia công hỗ trợ rung động. Vật liệu áp điện như PZT tạo ra biến dạng cơ học khi có điện áp đặt vào. Phương pháp Taguchi được sử dụng để tối ưu hóa thông số gia công bằng cách thực hiện các thí nghiệm theo ma trận trực giao. Phương pháp này giúp xác định thông số tối ưu để đạt được hiệu suất gia công cao nhất.
III. Thiết kế và chế tạo cơ cấu hỗ trợ rung động
Nghiên cứu này tập trung vào việc thiết kế và chế tạo cơ cấu hỗ trợ rung động cho gia công tia lửa điện. Cơ cấu bao gồm điện cực đồng, khớp mềm, và bộ truyền động áp điện. Khớp mềm được thiết kế để truyền rung động với độ cứng phù hợp. Bộ truyền động áp điện tạo ra rung động với tần số và biên độ được kiểm soát. Cơ cấu được kiểm nghiệm để đảm bảo hiệu quả trong quá trình gia công.
3.1. Thiết kế khớp mềm
Khớp mềm được thiết kế để truyền rung động từ bộ truyền động áp điện đến điện cực. Các mô hình khớp mềm được mô phỏng và tối ưu hóa để đạt được độ cứng phù hợp. Khớp mềm dạng trụ và dạng đĩa được xem xét để đảm bảo hiệu quả truyền rung động. Kết quả mô phỏng cho thấy khớp mềm dạng trụ với cấu trúc zigzag đạt hiệu quả cao nhất.
3.2. Chế tạo và kiểm nghiệm cơ cấu
Cơ cấu hỗ trợ rung động được chế tạo và lắp ráp hoàn chỉnh. Điện cực đồng được gắn vào khớp mềm, và bộ truyền động áp điện được kết nối để tạo ra rung động. Cơ cấu được kiểm nghiệm bằng cách đo biên độ và tần số rung động. Kết quả cho thấy cơ cấu hoạt động ổn định và đáp ứng yêu cầu của quá trình gia công tia lửa điện.
IV. Kết quả thí nghiệm và đánh giá
Thí nghiệm được thực hiện trên máy EDM AccuteX DS430S CM với phôi thép NAK80. Thông số gia công như cường độ dòng điện, thời gian xung, và thông số dao động được thay đổi để đánh giá ảnh hưởng đến tỉ lệ loại bỏ vật liệu (MRR), độ mòn điện cực (TWR), và độ nhám bề mặt. Kết quả cho thấy rung động giúp cải thiện MRR và giảm TWR. Phương trình hồi quy được xây dựng để tối ưu hóa thông số gia công.
4.1. Ảnh hưởng của thông số dao động
Thông số dao động như tần số và biên độ có ảnh hưởng lớn đến hiệu suất gia công. Kết quả thí nghiệm cho thấy rung động với tần số cao và biên độ nhỏ giúp tăng MRR và giảm TWR. Độ nhám bề mặt cũng được cải thiện đáng kể khi áp dụng rung động. Phương trình hồi quy được sử dụng để dự đoán MRR và TWR dựa trên thông số gia công.
4.2. Tối ưu hóa thông số gia công
Phương trình hồi quy được xây dựng để tối ưu hóa thông số gia công. Kết quả cho thấy thông số tối ưu giúp đạt được MRR cao nhất và TWR thấp nhất. Thí nghiệm cũng chỉ ra rằng rung động có ảnh hưởng tích cực đến chất lượng bề mặt và hiệu suất gia công. Phương pháp Taguchi được sử dụng để xác định thông số tối ưu cho quá trình gia công tia lửa điện.
V. Kết luận và hướng phát triển
Nghiên cứu này đã chứng minh rằng thông số dao động có ảnh hưởng đáng kể đến quá trình gia công tia lửa điện. Rung động giúp cải thiện tỉ lệ loại bỏ vật liệu, giảm độ mòn điện cực, và nâng cao chất lượng bề mặt. Cơ cấu hỗ trợ rung động được thiết kế và chế tạo thành công, đáp ứng yêu cầu của quá trình gia công. Hướng phát triển trong tương lai bao gồm nghiên cứu sâu hơn về thông số dao động và ứng dụng gia công hỗ trợ rung động trong các lĩnh vực khác.
5.1. Kết luận
Nghiên cứu đã chỉ ra rằng thông số dao động như tần số và biên độ có ảnh hưởng lớn đến hiệu suất gia công tia lửa điện. Rung động giúp tăng MRR, giảm TWR, và cải thiện chất lượng bề mặt. Cơ cấu hỗ trợ rung động được thiết kế và chế tạo thành công, đáp ứng yêu cầu của quá trình gia công.
5.2. Hướng phát triển
Hướng phát triển trong tương lai bao gồm nghiên cứu sâu hơn về thông số dao động và ứng dụng gia công hỗ trợ rung động trong các lĩnh vực khác như gia công hợp kim cứng và vật liệu giòn. Ngoài ra, việc tích hợp cơ cấu hỗ trợ rung động vào các máy gia công hiện đại cũng là một hướng nghiên cứu tiềm năng.
