Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Gia công phóng điện (EDM) là phương pháp gia công hiện đại được ứng dụng rộng rãi trong chế tạo công cụ, công nghiệp khuôn mẫu, ô tô và hàng không vũ trụ. Trong đó, phương pháp gia công cắt dây EDM (WEDM) sử dụng dây điện cực chuyển động liên tục với bán kính 0,025–0,15 mm, có khả năng tạo góc bán kính siêu nhỏ và gia công các bộ phận phức tạp từ vật liệu dẫn điện mà không cần tiếp xúc trực tiếp giữa dây và phôi.

Qua tổng quan các công trình nghiên cứu đã công bố về WEDM trên nhiều loại vật liệu (D2, SKD61, D3, P20, EN-31, STAVAX, Ti6Al4V, EN41B, các hợp kim nhôm Al-Al3Fe, Al-SiC-B4C, Al2O3-TiC và composite), nhóm tác giả nhận thấy còn thiếu vắng các nghiên cứu hệ thống về vật liệu khuôn SKH51. Cụ thể, chưa có công trình nào nghiên cứu đồng thời tối ưu hóa độ nhám bề mặt (SR), sai lệch kích thước (DD) và thời gian gia công (MT) trên thép tôi SKH51 bằng phương pháp WEDM, cũng như chưa có nghiên cứu nào ứng dụng thông số tối ưu đó để chế tạo khuôn dập cắt trực tiếp. Đây là khoảng trống mà đồ án hướng tới bổ sung.

Mục tiêu nghiên cứu:

  1. Xác định ảnh hưởng của các thông số công nghệ đầu vào (Ton, Toff, SV, WF) trong quy trình WEDM đối với thép tôi SKH51.
  2. Tối ưu hóa từng thông số đầu ra riêng lẻ: độ nhám bề mặt (SR), thời gian gia công (MT), sai lệch kích thước (DD).
  3. Tối ưu hóa đa mục tiêu trong một lần cắt bằng phương pháp Grey relational analysis (GRA).
  4. Ứng dụng bộ thông số tối ưu để gia công chế tạo bộ khuôn dập cắt trên vật liệu SKH51.

Đối tượng nghiên cứu:

  • Vật liệu: Thép SKH51 tôi (độ cứng 64–65 HRC sau nhiệt luyện).
  • Máy: AccuteX GE-43S WEDM, sản xuất tại Đài Loan.

Phạm vi nghiên cứu:

  • Bề dày phôi SKH51: 12 mm; kích thước mẫu: 93 mm × 25 mm × 12 mm.
  • Số lần thực nghiệm mỗi chế độ cắt: 9 (theo bảng trực giao L9 Taguchi).
  • Ba chế độ cắt: cắt thô, cắt bán tinh, cắt tinh.
  • Phạm vi thông số: Ton = {3; 9; 15} μs; Toff thay đổi theo từng chế độ cắt; SV = {30; 45; 60} V; WF = {5; 7; 9} m/ph.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Khung lý thuyết và mô hình sử dụng

Đồ án dựa trên nền tảng lý thuyết nguyên lý gia công cắt dây tia lửa điện (WEDM), trong đó phôi được gia công thông qua quá trình phóng tia lửa điện giữa dây điện cực và phôi trong môi trường điện môi (nước khử ion). Nhiệt độ kênh plasma trong quá trình phóng điện đạt 8 000–12 000°C, làm nóng chảy hoặc hoá khí bề mặt kim loại.

Vật liệu nghiên cứu là thép SKH51 theo tiêu chuẩn JIS G4403:2006, tương đương M2 (ASTM A600), HS6-5-2C (DIN EN ISO 4957) và W6Mo5Cr4V2 (GB/T 9943). Thành phần hoá học chính: C (0,80–0,90%), Si (<0,40%), Mn (<0,40%), Cr (3,50–4,50%), Mo (4,50–5,50%), W (5,50–6,70%), V (1,60–2,20%). Khối lượng riêng 8,1 g/cm³; nhiệt độ nóng chảy 1 430°C; mô đun đàn hồi 217 × 10³ N/mm²; độ dẫn nhiệt 19 W/m°C.

Máy AccuteX GE-43S có kích thước gia công tối đa 830 × 600 × 215 mm, trọng lượng 2 770 kg, đường kính dây cắt 0,1–0,3 mm. Dây điện cực sử dụng là dây đồng thau (Brass Wire Bronze) đường kính 0,25 mm, cung cấp bởi nhà cung cấp VPIC Việt Phát.

Phần mềm lập trình gia công: Mastercam 2019. Phần mềm xử lý và tối ưu hóa dữ liệu: Minitab.

Phương pháp nghiên cứu

Đồ án kết hợp ba phương pháp tối ưu hóa:

Phương pháp Mục đích trong đồ án
Taguchi (bảng trực giao L9) Tối ưu đơn mục tiêu: SR, MT, DD cho từng chế độ cắt; giảm số lần thực nghiệm
ANOVA (phân tích phương sai) Xác định mức độ đóng góp (%) và ý nghĩa thống kê (P-value) của từng thông số đầu vào
Grey relational analysis (GRA / FGRA) Tối ưu đa mục tiêu (SR + MT + DD) đồng thời trong một lần cắt

Tỉ số tín hiệu–nhiễu S/N được tính theo bài toán cực tiểu (smaller-the-better) cho cả ba đầu ra SR, MT và DD, vì cả ba đều cần giảm thiểu.

Nguồn dữ liệu: Thực nghiệm trực tiếp tại xưởng cơ khí Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh, trong khuôn khổ dự án có hỗ trợ máy móc, thiết bị và kinh phí từ TS. Trần Văn Trọn và ThS. Nguyễn Thanh Tân. Dụng cụ đo: máy đo độ nhám SJ-210 (TQC) và đồng hồ đo lỗ Mitutoyo (Nhật Bản).


Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Giới thiệu

Chương mở đầu trình bày tính cấp thiết của đề tài bằng cách phân tích tổng quan các công trình WEDM đã công bố trong khoảng tài liệu tham khảo [1–26]. Nhóm tác giả hệ thống hoá các thông số đầu vào phổ biến (Ton trong khoảng 12–120 μs, Toff từ 5,5–55 μs, SV từ 10–70 V theo các bài báo đã dẫn), các loại vật liệu và phương pháp đã nghiên cứu, từ đó xác định khoảng trống: SKH51 chưa có nghiên cứu toàn diện về SR, DD và MT đồng thời, và chưa có ứng dụng chế tạo khuôn dập cắt từ kết quả tối ưu này.

Chương 2: Cơ sở lý thuyết của thí nghiệm

Chương trình bày chi tiết nguyên lý hoạt động của EDM xung định hình và EDM cắt dây, chu trình phóng điện (cấp điện áp → ion hóa điện môi → phóng tia lửa → làm nguội và lọc phoi), các thông số đầu vào của máy AccuteX GE-43S (IP, OV, Ton, Toff, Aon, Aoff, SV, WA, F, WF, SG, FT, FR). Nguyên lý hoạt động của máy đo độ nhám (theo công thức Ra và Rz) và đồng hồ đo lỗ Mitutoyo được trình bày kèm công thức tính sai lệch kích thước DD (%). Phần cuối chương mô tả thành phần hoá học và tính chất vật lý đầy đủ của SKH51 theo JIS G4403:2006. Cơ sở toán học của ba phương pháp tối ưu (Taguchi, ANOVA, GRA) được trình bày tường minh kèm các công thức tính S/N.

Chương 3: Chuẩn bị thí nghiệm

Chương nêu toàn bộ quy trình chuẩn bị trước khi thực nghiệm. Phôi thép SKH51 được xử lý nhiệt theo quy trình gồm 4 bước nung (600°C/60 phút → 800°C/45 phút → 950°C/45 phút → 1 180°C/45 phút), làm nguội trong dầu đến 200°C rồi nguội không khí; tiếp theo là hai lần ram ở 180°C/180 phút và một lần ở 230°C, làm nguội nhanh bằng không khí. Sau nhiệt luyện, phôi được cắt thành 9 mẫu kích thước 93 × 25 × 12 mm. Chương cũng trình bày bảng thông số thí nghiệm L9 đầy đủ cho ba chế độ cắt (Bảng 3.2 và 3.3) và bảng các thông số đầu vào cố định không khảo sát (IP, OV, AON, AOFF, WT, WA, FR%) cho từng chế độ cắt (Bảng 3.4). Phương pháp thu thập số liệu: mỗi phôi cắt 3 lỗ, mỗi lỗ lấy số liệu 2 bề mặt, mỗi bề mặt đo 3 lần.

Chương 4: Tiến hành và tổng kết thí nghiệm

Đây là chương trọng tâm của đồ án, trình bày kết quả thực nghiệm và tối ưu hóa cho ba chế độ cắt.

Cắt thô: Sử dụng bảng L9 Taguchi (Bảng 4.1). Phân tích ANOVA cho thấy Ton là yếu tố ảnh hưởng lớn nhất đến độ nhám bề mặt với mức đóng góp 92,99%; SV đứng thứ hai (3,43%); Toff và WF có đóng góp thấp hơn và P-value lớn hơn 0,05. Riêng Ton có P-value nhỏ hơn 0,05, có ý nghĩa thống kê ở độ tin cậy 95%. Hàm hồi quy tuyến tính tìm được từ Minitab biểu diễn mối quan hệ giữa SR và các thông số (Ton tỉ lệ thuận; Toff, SV, WF tỉ lệ nghịch với SR). Bộ thông số tối ưu độ nhám cắt thô: Ton = 3 μs, Toff = 20 μs, SV = 60 V, WF = 9 m/ph, đạt SR = 1,92 μm. Ngoài ra, kết quả thí nghiệm thăm dò bằng ảnh soi cấu trúc tế vi dây cho thấy dây cắt với WF = 11 có độ nhám bề mặt nhỏ hơn dây cắt với WF = 1, từ đó xác nhận ảnh hưởng của tốc độ cấp dây đến chất lượng bề mặt gia công.

Cắt bán tinh và cắt tinh: Quy trình tương tự được lặp lại với dải Toff mở rộng (10–40 μs cho bán tinh; 10–50 μs cho tinh) nhằm phù hợp đặc điểm của từng nguyên công. Kết quả tối ưu đơn mục tiêu và đa mục tiêu GRA được trình bày trong các bảng từ 4.16 đến 4.48. Biểu đồ so sánh kết quả thực nghiệm và sau tối ưu được lập cho cả ba chế độ cắt (Hình 4.15, 4.26, 4.37). Chương kết thúc bằng Bảng 4.49 tổng kết quy luật ảnh hưởng của các thông số nghiên cứu và biểu đồ tổng kết quá trình cắt (Hình 4.38).

Chương 5: Ứng dụng chế tạo khuôn dập cắt

Chương trình bày toàn bộ quy trình thiết kế và chế tạo bộ khuôn dập cắt ứng dụng kết quả thông số tối ưu từ Chương 4. Các vật liệu sử dụng gồm nhôm 1050 (tấm đế) và thép SKD11 (tấm khuôn chính). Quy trình công nghệ gia công tấm khuôn (Bảng 5.4) và quy trình xử lý nhiệt SKD11 được trình bày kèm bản vẽ chi tiết kết cấu sơ bộ bộ khuôn dưới và các tấm khuôn. Khuôn dập cắt sau khi hoàn thiện được gá và thực hiện dập thử, sản phẩm thu được từ quá trình dập được trình bày và đánh giá (Hình 5.7).

Chương 6: Kết luận và hướng phát triển

Chương tổng kết các bộ thông số tối ưu thu được cho ba chế độ cắt, đánh giá mức độ ứng dụng thực tiễn của kết quả trong gia công khuôn mẫu và nêu hướng phát triển tiếp theo.


Thiết kế và triển khai

(Mục này được bổ sung vì đồ án có nội dung thiết kế và chế tạo hệ thống kỹ thuật — bộ khuôn dập cắt)

Thiết kế khuôn dập cắt: Bộ khuôn dập cắt được thiết kế bằng phần mềm CAD; ý tưởng và kết cấu sơ bộ bộ khuôn dưới được xây dựng trước khi triển khai gia công (Hình 5.1–5.3). Vật liệu tấm khuôn chính: thép SKD11 đã qua xử lý nhiệt. Vật liệu tấm đế: nhôm 1050.

Quy trình gia công: Lập trình gia công thực hiện trên phần mềm Mastercam 2019. Các chi tiết khuôn được gia công trên máy WEDM AccuteX GE-43S với bộ thông số tối ưu đã xác định. Quy trình công nghệ gia công tấm khuôn được lập đầy đủ trong Bảng 5.4.

Kiểm chứng thực tế: Sau khi ráp hoàn chỉnh, bộ khuôn được gá lên máy dập và thực hiện dập thử. Sản phẩm sau dập được ghi nhận tại Hình 5.6–5.7 nhằm đánh giá tính chính xác và khả năng ứng dụng thực tế của bộ thông số cắt tối ưu.


Kết quả và đóng góp

Kết quả chính:

Thực nghiệm trên 9 mẫu theo bảng L9 Taguchi cho mỗi chế độ cắt. Các bộ thông số tối ưu thu được bao gồm:

Mục tiêu tối ưu Chế độ cắt thô (ví dụ tiêu biểu)
Độ nhám bề mặt (SR) Ton = 3 μs, Toff = 20 μs, SV = 60 V, WF = 9 → SR = 1,92 μm
Thời gian gia công (MT) Ton lớn nhất, Toff và SV nhỏ nhất, WF nhỏ
Sai lệch kích thước (DD) Được xác định qua bộ thông số riêng theo Taguchi
Đa mục tiêu GRA Bộ thông số kết hợp tối ưu đồng thời SR + MT + DD

Phân tích ANOVA xác nhận Ton là yếu tố có mức đóng góp lớn nhất tới độ nhám bề mặt khi cắt thô (92,99%), với P-value < 0,05 (có ý nghĩa thống kê ở độ tin cậy 95%). SV đứng thứ hai (3,43%); Toff và WF có đóng góp thấp hơn. Thí nghiệm thăm dò bằng ảnh soi cấu trúc tế vi xác nhận ảnh hưởng trực tiếp của WF đến trạng thái bề mặt dây và qua đó đến chất lượng bề mặt gia công.

Giải pháp và ứng dụng đề xuất:

  • Bộ thông số tối ưu được ứng dụng trực tiếp để gia công chế tạo bộ khuôn dập cắt trên vật liệu SKH51 và SKD11, hoàn thành dập thử và thu được sản phẩm.
  • Kết quả cung cấp cơ sở dữ liệu thực nghiệm cho các cơ sở sản xuất khuôn mẫu ứng dụng WEDM trên vật liệu SKH51.

Đóng góp so với các nghiên cứu trước: Theo nhận định của nhóm tác giả, đây là một trong số ít nghiên cứu đồng thời: (1) tối ưu hóa ba đầu ra SR, MT, DD trên thép tôi SKH51 bằng WEDM; (2) kết hợp phương pháp Taguchi, ANOVA và GRA cho cả ba chế độ cắt thô–bán tinh–tinh; (3) ứng dụng kết quả tối ưu vào chế tạo khuôn dập cắt thực tế và kiểm chứng bằng dập thử.


Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Hạn chế được đề cập:

  • Thời gian tiếp cận công nghệ EDM còn ngắn, phạm vi thực nghiệm giới hạn trong 9 mẫu theo L9 Taguchi cho mỗi chế độ cắt, kết quả mang tính định hướng (do bảng trực giao không dùng toàn bộ tổ hợp thí nghiệm, nên không cho con số chính xác về mức độ ảnh hưởng).
  • Phôi cố định bề dày 12 mm; kết quả chưa được kiểm chứng với các bề dày khác hoặc kích thước phôi khác nhau.

Hướng phát triển được nêu trong Chương 6:

  • Mở rộng nghiên cứu sang các vật liệu khuôn chưa được nghiên cứu nhiều như SKD11, NAK80.
  • Nghiên cứu các thông số đầu vào bổ sung (IP, WT, SG...) chưa được khảo sát trong đồ án này.
  • Ứng dụng các phương pháp tối ưu hóa nâng cao hoặc kết hợp để mở rộng phạm vi tối ưu đa mục tiêu.

Giá trị tham khảo

Đồ án này có giá trị tham khảo chủ yếu cho:

  • Sinh viên ngành Công nghệ Chế tạo Máy, Cơ khí chính xác và Kỹ thuật Vật liệu có nhu cầu tìm hiểu hoặc thực hiện đề tài liên quan đến gia công phi truyền thống (EDM/WEDM), đặc biệt về quy trình chọn thông số cắt và xử lý số liệu bằng Taguchi–ANOVA–GRA.
  • Người làm đề tài tốt nghiệp hoặc nghiên cứu về tối ưu hóa thông số WEDM: phần Chương 2 (cơ sở lý thuyết WEDM và các phương pháp tối ưu) và Chương 3 (quy trình nhiệt luyện SKH51, thiết lập thí nghiệm) là nền tảng có thể kế thừa.
  • Kỹ sư và kỹ thuật viên trong ngành khuôn mẫu quan tâm đến việc lựa chọn thông số cắt WEDM trên thép công cụ tôi cứng: Chương 4 và bộ bảng tổng kết thông số (Bảng 4.49) là phần tra cứu trực tiếp.
  • Sinh viên muốn tham khảo quy trình chế tạo khuôn dập cắt từ khâu thiết kế đến kiểm chứng: Chương 5 cung cấp quy trình công nghệ đầy đủ.

Câu hỏi thường gặp

1. Tại sao đồ án chọn vật liệu SKH51 mà không phải các loại thép khuôn khác đã nghiên cứu nhiều như D2 hay SKD61? Nhóm tác giả lập luận rằng trong tổng quan [1–26], các vật liệu khuôn như D2, SKD61, D3, P20 đã có nhiều nghiên cứu, trong khi SKH51 — mác thép công cụ tốc độ cao theo JIS G4403:2006 với độ cứng 64–65 HRC sau tôi — vẫn còn thiếu công trình nghiên cứu toàn diện về tối ưu hóa thông số WEDM, đặc biệt là tối ưu thời gian gia công (MT).

2. Tại sao phạm vi Toff khác nhau giữa ba chế độ cắt (thô, bán tinh, tinh)? Bảng 3.2 cho thấy Toff cắt thô: {10; 15; 20} μs; bán tinh: {10; 25; 40} μs; tinh: {10; 30; 50} μs. Sự mở rộng dải Toff ở cắt bán tinh và tinh nhằm phù hợp với đặc điểm từng nguyên công: cắt tinh yêu cầu khoảng cách xung lớn hơn để giảm năng lượng phóng điện, cải thiện bề mặt và giảm sai lệch kích thước.

3. Yếu tố nào ảnh hưởng nhiều nhất và ít nhất đến độ nhám bề mặt khi cắt thô, theo kết quả ANOVA? Theo Bảng 4.3 (ANOVA cắt thô), Ton là yếu tố ảnh hưởng lớn nhất với mức đóng góp 92,99% và P-value < 0,05; SV đứng thứ hai (3,43%); Toff và WF có cùng mức đóng góp thấp và P-value > 0,05 (không có ý nghĩa thống kê ở độ tin cậy 95%). WF là yếu tố ảnh hưởng ít nhất đến độ nhám.

4. Bộ thông số tối ưu độ nhám bề mặt cắt thô là gì và kết quả đo được là bao nhiêu? Theo Bảng 4.4, bộ thông số tối ưu độ nhám cắt thô là: Ton = 3 μs, Toff = 20 μs, SV = 60 V, WF = 9 m/ph. Kết quả đo độ nhám đạt SR = 1,92 μm. Bộ thông số này trùng với mẫu thí nghiệm số 3 trong bảng L9, nên không cần thực nghiệm lại để kiểm chứng.

5. Thí nghiệm thăm dò về thông số WF cho kết quả gì và được sử dụng để rút ra kết luận như thế nào? Nhóm thực hiện thí nghiệm thăm dò bằng cách cắt với WF = 11 và WF = 1 (giữ nguyên các thông số khác), sau đó soi cấu trúc tế vi bề mặt dây cắt (Hình 4.5). Kết quả cho thấy dây cắt với WF = 11 có bề mặt mịn hơn dây cắt với WF = 1; vì bề mặt dây ảnh hưởng trực tiếp đến bề mặt vật liệu gia công, kết luận là WF lớn hơn giúp giảm độ nhám bề mặt chi tiết. Đồng thời, Hình 4.8 từ thí nghiệm thăm dò WF cũng cho thấy khi WF tăng thì thời gian gia công tăng do tốc độ cấp dây lớn làm giảm hiệu suất bắn phá vật liệu.


Kết luận

Đồ án tốt nghiệp của Cao Minh Thuận và Nguyễn Hoài Thái là công trình thực nghiệm có hệ thống về gia công cắt dây EDM trên thép tôi SKH51, sử dụng bảng trực giao L9 Taguchi kết hợp ANOVA và Grey relational analysis để tối ưu hóa đồng thời độ nhám bề mặt, thời gian gia công và sai lệch kích thước qua ba chế độ cắt thô–bán tinh–tinh. Kết quả xác định Ton là thông số có ảnh hưởng quyết định nhất đến chất lượng bề mặt (đóng góp 92,99% với cắt thô), trong khi WF là yếu tố ít ảnh hưởng nhất. Các bộ thông số tối ưu thu được được kiểm chứng thực tế qua việc chế tạo thành công bộ khuôn dập cắt trên vật liệu SKH51, thực hiện dập thử và thu được sản phẩm, khép lại vòng tròn từ nghiên cứu lý thuyết–thực nghiệm đến ứng dụng sản xuất.