Luận văn thạc sĩ kỹ thuật cơ khí nghiên cứu ảnh hưởng thông số công nghệ đến chất lượng bề mặt của phương pháp gia công điện hóa ecm

Nghiên cứu ảnh hưởng của thông số công nghệ đến chất lượng bề mặt trong gia công điện hóa ECM trong luận văn thạc sĩ kỹ thuật cơ khí.

• Tác giả: Nguyễn Thị Bích Nhung
• Người hướng dẫn: Trương Quốc Thanh
• Trường học: Đại học Bách Khoa, Đại học Quốc gia Thành phố Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Kỹ thuật Cơ khí
• Đề tài: Nghiên cứu ảnh hưởng thông số công nghệ đến chất lượng bề mặt của phương pháp gia công điện hóa (ECM)
• Loại tài liệu: luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2018
• Địa điểm: Thành phố Hồ Chí Minh

Tóm tắt

I. Giới thiệu về phương pháp gia công điện hóa ECM

Phương pháp gia công điện hóa (ECM) là một trong những kỹ thuật gia công tiên tiến, được sử dụng rộng rãi trong các ngành công nghiệp như hàng không, ô tô, và y tế. Phương pháp này dựa trên nguyên lý hòa tan vật liệu thông qua quá trình điện hóa, không phụ thuộc vào độ cứng của vật liệu. ECM đặc biệt hiệu quả trong việc gia công các chi tiết có hình dạng phức tạp và vật liệu khó gia công bằng phương pháp truyền thống. Nghiên cứu này tập trung vào việc phân tích ảnh hưởng của các thông số công nghệ đến chất lượng bề mặt trong quá trình gia công ECM.

1.1. Lịch sử phát triển của ECM

Gia công điện hóa được phát triển từ đầu thế kỷ 20, với những nghiên cứu đầu tiên của các nhà khoa học Nga. Năm 1929, Gusseff đã được cấp bằng sáng chế cho phương pháp này. Trong những năm 1950-1960, ECM được ứng dụng rộng rãi trong ngành hàng không vũ trụ để gia công các hợp kim có độ bền cao. Từ đó, phương pháp này đã được cải tiến và áp dụng trong nhiều lĩnh vực khác nhau, mang lại hiệu quả cao trong việc gia công các vật liệu khó.

1.2. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn

Nghiên cứu này có ý nghĩa khoa học lớn trong việc đánh giá ảnh hưởng của các thông số công nghệ đến chất lượng bề mặt trong gia công ECM. Kết quả nghiên cứu không chỉ giúp tối ưu hóa quá trình gia công mà còn mở ra hướng nghiên cứu mới trong lĩnh vực này. Về mặt thực tiễn, nghiên cứu giúp nâng cao hiệu quả sử dụng máy gia công ECM, cải thiện chất lượng sản phẩm và giảm chi phí sản xuất.

II. Các yếu tố ảnh hưởng đến chất lượng bề mặt trong ECM

Chất lượng bề mặt trong gia công ECM phụ thuộc vào nhiều yếu tố, bao gồm hiệu điện thế, nồng độ chất điện phân, khe hở giữa hai điện cực, và tốc độ chạy dao. Nghiên cứu này sử dụng phương pháp Taguchi để thiết kế thực nghiệm và phân tích ảnh hưởng của các yếu tố này đến độ nhám bề mặt và năng suất gia công. Kết quả cho thấy sự kết hợp tối ưu của các thông số công nghệ có thể cải thiện đáng kể chất lượng bề mặt.

2.1. Hiệu điện thế và nồng độ chất điện phân

Hiệu điện thế và nồng độ chất điện phân là hai yếu tố quan trọng ảnh hưởng đến quá trình gia công ECM. Hiệu điện thế cao làm tăng tốc độ hòa tan vật liệu, nhưng cũng có thể gây ra hiện tượng quá nhiệt, ảnh hưởng đến chất lượng bề mặt. Nồng độ chất điện phân ảnh hưởng đến độ dẫn điện của dung dịch, từ đó tác động đến hiệu quả gia công.

2.2. Khe hở giữa hai điện cực và tốc độ chạy dao

Khe hở giữa hai điện cực và tốc độ chạy dao cũng là những yếu tố quan trọng trong quá trình gia công ECM. Khe hở nhỏ giúp tăng độ chính xác gia công, nhưng cũng làm tăng nguy cơ đoản mạch. Tốc độ chạy dao ảnh hưởng đến năng suất gia công và độ nhám bề mặt. Nghiên cứu này đã xác định được mối quan hệ giữa các yếu tố này và đề xuất các thông số tối ưu để đạt được chất lượng bề mặt tốt nhất.

III. Phương pháp nghiên cứu và kết quả thực nghiệm

Nghiên cứu sử dụng phương pháp Taguchi để thiết kế thực nghiệm và phân tích ảnh hưởng của các thông số công nghệ đến chất lượng bề mặt trong gia công ECM. Các thông số được lựa chọn bao gồm hiệu điện thế, nồng độ chất điện phân, khe hở giữa hai điện cực, và tốc độ chạy dao. Kết quả thực nghiệm được phân tích bằng phần mềm Minitab 16, giúp xác định các thông số tối ưu để đạt được chất lượng bề mặt tốt nhất.

3.1. Thiết kế thực nghiệm theo phương pháp Taguchi

Phương pháp Taguchi được sử dụng để thiết kế thực nghiệm, với mục tiêu tối ưu hóa các thông số công nghệ. Các thông số được lựa chọn bao gồm hiệu điện thế, nồng độ chất điện phân, khe hở giữa hai điện cực, và tốc độ chạy dao. Ma trận trực giao L27 được sử dụng để bố trí thí nghiệm, giúp giảm thiểu số lượng thí nghiệm cần thực hiện mà vẫn đảm bảo độ chính xác của kết quả.

3.2. Phân tích kết quả thực nghiệm

Kết quả thực nghiệm được phân tích bằng phần mềm Minitab 16, giúp xác định mức độ ảnh hưởng của các thông số công nghệ đến chất lượng bề mặt. Kết quả cho thấy hiệu điện thế và nồng độ chất điện phân có ảnh hưởng lớn nhất đến độ nhám bề mặt. Các thông số tối ưu được đề xuất dựa trên kết quả phân tích, giúp cải thiện đáng kể chất lượng bề mặt trong gia công ECM.

IV. Kết luận và ứng dụng thực tiễn

Nghiên cứu đã xác định được ảnh hưởng của các thông số công nghệ đến chất lượng bề mặt trong gia công ECM. Kết quả cho thấy sự kết hợp tối ưu của hiệu điện thế, nồng độ chất điện phân, khe hở giữa hai điện cực, và tốc độ chạy dao có thể cải thiện đáng kể chất lượng bề mặt. Nghiên cứu này có ý nghĩa thực tiễn lớn, giúp nâng cao hiệu quả sử dụng máy gia công ECM và cải thiện chất lượng sản phẩm.

4.1. Kết luận

Nghiên cứu đã chỉ ra rằng hiệu điện thế và nồng độ chất điện phân là hai yếu tố quan trọng nhất ảnh hưởng đến chất lượng bề mặt trong gia công ECM. Các thông số tối ưu được đề xuất dựa trên kết quả phân tích, giúp cải thiện đáng kể chất lượng bề mặt và năng suất gia công.

4.2. Ứng dụng thực tiễn

Kết quả nghiên cứu có thể được áp dụng trong thực tế để tối ưu hóa quá trình gia công ECM, giúp nâng cao chất lượng sản phẩm và giảm chi phí sản xuất. Nghiên cứu cũng mở ra hướng phát triển mới trong lĩnh vực gia công điện hóa, đặc biệt là trong việc ứng dụng các phương pháp tối ưu hóa thông số công nghệ.

Trích đoạn nội dung tài liệu

CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ PHƯƠNG PHÁP GIA CÔNG ĐIỆN HÓA Mục đích chính của chương này là tìm hiểu tổng quan phương pháp gia công điện hóa ECM. Đi từ lịch sử hình thành phương pháp gia công, tình hình nghiên cứu của một vài tác giả trong lĩnh vực để liên hệ với thực tế phát triển của ECM ở các nước cũng như thực tiễn Việt Nam. Tiếp theo trình bày cơ sở lý thuyết về ECM như nguyên lý hoạt động, đặc điểm nổi bật, ứng dụng trong một số lĩnh vực, những ưu điểm và nhược điểm phương pháp gia công.1 Lịch sử phát triển phương pháp gia công điện hóa [2] Trải qua nhiều giai đoạn phát triển từ thế kỷ 19 cho đến nay, gia công điện hóa đã có những bước tiến mới trong ứng dụng các lĩnh vực. Lịch sử phát triển phương pháp gia công điện hóa được tóm lược trong những giai đoạn dưới đây.

Thế kỷ 19 Năm 1911, nhà hóa học nổi tiếng người Nga E. Shpitalsky đề xuất phương pháp đánh bóng điện hóa sự kiện này phần nào đặt nền móng cho (ECM), và từ đó ECM được coi như một phương pháp gia công kỹ thuật. Năm 1928, các kỹ sư người Nga V.Rozhkov đã cải tiến công nghệ ECM bằng cách thấm dung dịch điện phân giữa hai điện cực và di chuyển điện cực trong gia công tia lửa điện - Electrical Discharge Machining (EDM) với vận tốc bằng tốc độ giải phóng anot. Khoảng cách giữa hai điện cực giảm làm mật độ dòng điện cao hơn, do đó làm tăng các thông số công nghệ trong gia công ECM (năng suất đạt cao hơn, chất lượng bề mặt tốt, độ chính xác).

Dòng điện một chiều – Direct Current (DC) trong gia công điện hóa truyền thống được sử dụng cùng với điện cực tiến liên tục và dung dịch điện phân (sử dụng những muối tương ứng của kim loại Kali – KBr, KCl, NaCl …). Trong thực tế khi thực hiện quá trình ECM các nhà khoa học đã nhận thấy mật độ dòng Nguyễn Thị Bích Nhung 17 Luận văn Thạc sĩ GVHD: TS.Trương Quốc Thanh điện nhỏ nằm trong khoảng 10 - 40A/cm2, và khoảng cách giữa các điện cực từ 0,05- 0,3mm, và theo đó không đạt được độ chính xác và chất lượng bề mặt như mong muốn. Năm 1959, Công ty kỹ thuật Anocut – Hoa Kỳ lần đầu tiên ứng dụng mô hình truyền thống của ECM sử dụng dòng điện một chiều cho các thiết bị sản xuất. Thập niên 1960 – 1970 ở Liên Xô và các nước Tây Âu đã có những ứng dụng của gia công điện hóa vào ngành công nghiệp hàng không, sản xuất dụng cụ (rèn dập).

Gia công điện hóa phát triển mạnh trong thời gian này và nhiều công ty lớn đưa vào áp dụng để sản xuất hàng hóa điển hình như: Mitsubishi, Hitachi, Philips, AEG Eloteherm, Amchem. Thập niên 80 – 90 việc áp dụng phương pháp gia công điện hóa tiến hơn thêm một bậc khi những muối có gốc oxygen (NaNO, KNO, NaClO, NaSO) được dùng làm dung dịch điện phân. Kết quả đạt được cho phép giảm sai số gia công xuống còn 0,02 – 0,06 mm và độ nhám bề mặt đạt đến 0,2 – 0,5µm. Tuy nhiên cùng với sự phát triển của các ngành công nghiệp công nghệ cao như sản xuất động cơ máy bay, dụng cụ chính xác, thiết bị y tế, thuốc men là những ngành đòi hỏi chất lượng lớp bề mặt cao, nhóm vật liệu có công suất cao và cứng bao gồm cả vật liệu có cấu trúc nano, từ nhu cầu đó dẫn tới đòi hỏi những công nghệ mới trong gia công ECM.

Năm 1998 – 2011 một phương pháp gia công điện hóa được gọi là điện cực rung ra đời. Một đặc điểm quan trọng của những phương pháp gia công điện hóa trước thế kỷ 20 đó là khoảng cách giữa hai điện cực làm việc vô cùng nhỏ dao động từ 2–10µ và mật độ dòng điện đạt 102 – 10A/cm2. Khi thực hiện phương pháp gia công trong điều kiện này có sai số gia công nhỏ 0,001 – 0,005mm cho những chi tiết có tiết diện Macro và đường kính Micro, kết quả độ nhám bề mặt R đạt từ 0,1– 0,01µ, và đi kèm năng suất cao hơn khi so sánh với những kỹ thuật gia công khác. Nguyễn Thị Bích Nhung 18 Luận văn Thạc sĩ GVHD: TS.Trương Quốc Thanh Thế kỷ 20 Bắt đầu từ thế kỷ 20 đã chứng kiến sự ra đời của các nhà nghiên cứu ở Nga, Tây Âu và Hoa Kỳ sử dụng nhiều kỹ thuật cách khác nhau trong ứng dụng gia công điện hóa áp dụng cho các chi tiết chính trong chuốt đẩy lỗ.

Hiện nay vẫn dựa trên gia công truyền thống ECM nhưng đã có những phương pháp gia công khác nhau, trước hết phải kể đến: Gia công lỗ điện hóa hay còn gọi là khoan điện hóa – Shaped tube Electrochemical machining (STEM) sử dụng chất điện phân axit và phương pháp này ứng dụng để khoan những lỗ sâu, nhỏ, có chức năng làm mát trong turbine của động cơ phản lực. Quá trình gia công điện hóa cùng với dòng điện phân được vận hành thông qua thiết bị đổi chiều của STEM, kết quả độ bền và độ chính xác gia công được cải thiện. Sự rung động dụng cụ điện cực với tần số thấp đem lại kết quả trong việc cải thiện tốc độ và độ chính xác gia công do có sự gia tăng các điều kiện trong dòng điện phân [2].1 Sơ đồ nguyên lý gia công lỗ điện hóa [1] Nguyễn Thị Bích Nhung 19 Luận văn Thạc sĩ GVHD: TS.Trương Quốc Thanh Gia công điện hóa vòi phun - Jet Electrochemical Machining (JECM) là phương pháp gia công mới của ECM, chất điện phân trong phương pháp gia công này được bơm bằng voi phun. Dòng DC giữa phôi và vòi phun và chất điện phân phun ra thành tia thông qua voi phun.2 Sơ đồ nguyên lý gia công Jet – ECM [4] Kết hợp phương pháp gia công điện hóa ECM với những phương pháp gia công khác để nâng cao các đặc tính gia công.

Một phương pháp kết hợp 3 phương pháp gia công bao gồm phương pháp gia công điện hóa (ECM), gia công tia lửa điện (EDM) với phương pháp phay được kết hợp với nhau. Quá trình pha trộn ba phương pháp gia công nhằm tăng cường những ưu điểm của 3 phương pháp đồng thời bổ sung những yếu điểm của từng phường pháp để sản suất những vật liệu cấu trúc micro khó gia công kết quả đạt ứng suất dư thấp, hiệu quả cao và độ nhám bề mặt thấp (<100 nm). Bên cạnh đó phương pháp rung động siêu âm hỗ trợ quá trình kết thúc gia công nhằm cải thiện chất lượng bề mặt khi so sánh với gia công điện hóa thông thường. Nguyễn Thị Bích Nhung 20 Luận văn Thạc sĩ GVHD: TS.Trương Quốc Thanh 1.2 Những nghiên cứu trên thế giới về gia công điện hóa.1 Điện cực dụng cụ [5] D.

Zhu et al. [6] đề xuất một phương pháp phần tử hữu hạn để xác định chính xác những biên dạng điện cực dụng cụ. Phương pháp đề xuất không yêu cầu thiết kế lại dụng cụ, do đó đem hiệu quả trong quá trình thiết kế điện cực. Thiết kế điện cực dụng cụ trong ECM chủ yếu tập trung vào giải quyết dự đoán hình dạng chi tiết.

Bởi vì tầm quan trọng của dụng cụ điện cực đó là quyết định hình dạng chi tiết, và hơn hết quyết định độ chính xác gia công, trong nghiên cứu này nhóm tác giả sử dụng dung dịch điện phân NaCl 150g/l và anot là thép cacbon thấp. Kết quả cho thấy, độ lệch trung bình nhỏ hơn 4% giữa kết quả thực nghiệm và lý thuyết. Yuming Zhou et al. [7] đề xuất một hướng tiếp cận mới cho vấn đề liên quan đến hạn chế gia công, độ thiếu chính xác và độ nhấp nhô bề mặt, khi thiết kế dụng cụ (catot) trong gia công điện hóa, sử dụng phương pháp phần tử hữu hạn cùng với mô hình tối ưu hóa.

Với ứng dụng linh hoạt của phương pháp phần tử hữu hạn, thậm chí với điện cực dụng cụ có các góc – hốc, cạnh và đường cong được thiết kế dễ dàng, với điều kiện biên và các biểu diễn chia lưới được sử dụng thích hợp. Qua phương pháp giải quyết vấn đề thiết kế điện cực dụng cụ khi sử dụng phương pháp phần tử hữu hạn, hướng tiếp cận này mở ra tiềm năng rất lớn áp dụng vào thiết kế điện cực dụng cụ trong quá trình gia công điện hóa áp dụng từ thực nghiệm vào thực tế sản xuất. Chang et al. [8] trình bày ảnh hưởng của các đặc tính chất điện phân trong mô phỏng hình dạng điện cực dụng cụ để đạt hình dạng chi tiết của phương pháp gia công điện hóa.

Một mô hình dòng điện phân truyền thống, một mô hình dòng điện phân chảy rối đã được áp dụng để dự đoán. Kết quả cho thấy rằng tỉ lệ hốc là nhân tố quan trọng nhất trong việc xác định độ dẫn điện chất điện phân và Nguyễn Thị Bích Nhung 21 Luận văn Thạc sĩ GVHD: TS.Trương Quốc Thanh hình dạng chi tiết. Ảnh hưởng của những đặc tính chất điện phân được xem xét trong bài toán nghịch đảo và sai số gia công giảm xuống còn 0,002 với điều kiện gia công được lựa chọn hợp lý. Cải thiện độ chính xác gia công trong ECM bằng cách sử dụng điện cực dụng cụ rung với tần số thấp đã được nghiên cứu bởi S.

Ebeid et al. Nghiên cứu nhấn mạnh việc phát triển mô hình toán để mô tả mối quan hệ tương quan giữa các thông số gia công khác nhau như: hiệu điện thế, tốc độ ăn dao, nồng độ chất điện phân, áp suất, biên độ rung khi cắt để đạt được độ chính xác cao, bằng cách sử dụng phương pháp đáp ứng bề mặt - Response Surface Methodology (RSM). Kết quả khi áp dụng điện cực rung dung cụ: - Phá vỡ bề mặt oxit và kiểm soát được quá trình gia công ECM; - Chất điện phân chảy tuần hoàn qua bề mặt tạo ra mật độ dòng điện gia công cao nhằm cải thiện bề mặt chi tiết. Pa [10] đã nghiên cứu về thiết kế điện cực trong công đoạn làm nhẵn bề mặt gia công sau khi tiện.

Chunhua Sun et al. [11] đề xuất một phương pháp sử dụng phương pháp phần tử hữu hạn - Finite Element Method (FEM) cho thiết kế dụng cụ trong ECM. Phương pháp này cho phép thiết kế dụng cụ trong không gian 3 chiều từ dữ liệu được quét của chi tiết, dựa vào công thức Laplace, phương pháp có thể giải quyết thiết kế dụng cụ ba kích thước và hiệu suất tính toán cao, độ chính xác gia công tốt. Bên cạnh đó phương pháp này cũng kết hợp với CAD/CAM làm cho quy trình thiết kế dụng cụ tiết chi phí và rút ngắn thời gian hơn.