Tổng quan nghiên cứu
Gia công tia lửa điện (EDM) là một trong những phương pháp gia công tiên tiến, được ứng dụng rộng rãi trong sản xuất các chi tiết có hình dạng phức tạp và vật liệu có độ cứng cao mà các phương pháp truyền thống không thể thực hiện được. Theo báo cáo của ngành, EDM có thể gia công các chi tiết với độ nhám bề mặt đạt Ra = 0,63 µm khi gia công thô và Ra = 0,16 µm khi gia công tinh, cùng độ chính xác gia công khoảng 0,01 mm. Tuy nhiên, việc lựa chọn các thông số công nghệ phù hợp là yếu tố quyết định đến chất lượng bề mặt, độ chính xác và hiệu quả gia công.
Luận văn tập trung nghiên cứu ảnh hưởng của các thông số công nghệ chính gồm cường độ dòng điện, thời gian xung điện và thời gian xuống điện cực đến độ nhám bề mặt, độ chính xác (sai lệch đường kính đỉnh ren), độ mòn điện cực và thời gian gia công chi tiết dạng ren undercut trên vật liệu thép 2083 dùng làm khuôn ép nhựa. Nghiên cứu được thực hiện trên máy EDM Sodick AD300L với thiết kế thí nghiệm theo phương pháp Taguchi, sử dụng phần mềm Minitab để phân tích số liệu và xây dựng phương trình hồi quy.
Phạm vi nghiên cứu tập trung vào vật liệu thép 2083 có độ cứng 32 HRC, với mẫu thí nghiệm là chi tiết ren hình thang đường kính đỉnh ren 16 mm, chiều sâu ren 1 mm, bước ren 3,5 mm. Thời gian nghiên cứu kéo dài từ tháng 2 đến tháng 6 năm 2022 tại Trường Đại học Bách Khoa – Đại học Quốc gia TP.HCM. Kết quả nghiên cứu có ý nghĩa quan trọng trong việc tối ưu hóa quy trình gia công EDM, giúp nâng cao chất lượng sản phẩm và giảm chi phí sản xuất trong ngành cơ khí khuôn mẫu.
Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu
Khung lý thuyết áp dụng
Gia công EDM dựa trên nguyên lý phóng tia lửa điện giữa điện cực và phôi trong môi trường chất điện môi, tạo ra nhiệt độ cao (có thể lên đến 12.000°C) làm nóng chảy và bốc hơi vật liệu tại vùng gia công. Quá trình này diễn ra trong thời gian rất ngắn (10⁻⁴ đến 10⁻⁷ giây), không có lực cơ học tác động trực tiếp lên phôi, giúp gia công các vật liệu cứng và hình dạng phức tạp.
Hai lý thuyết chính được áp dụng trong nghiên cứu:
Lý thuyết ảnh hưởng thông số công nghệ đến chất lượng gia công EDM: Bao gồm các thông số như cường độ dòng điện (Current), thời gian phóng xung (Time on), thời gian ngắt xung (Time off), thời gian di chuyển điện cực lên (Up) và xuống (Down). Các thông số này ảnh hưởng đến độ nhám bề mặt, độ chính xác kích thước, độ mòn điện cực và thời gian gia công.
Phương pháp thiết kế thí nghiệm Taguchi: Sử dụng ma trận quy hoạch trực giao L9 để khảo sát ảnh hưởng của 3 thông số đầu vào (cường độ dòng điện, thời gian xung, thời gian xuống điện cực) với 3 mức giá trị khác nhau. Phương pháp này giúp tối ưu hóa các thông số công nghệ dựa trên phân tích tín hiệu/nhiễu (S/N ratio) và phân tích phương sai (ANOVA).
Các khái niệm chính trong nghiên cứu gồm:
- Độ nhám bề mặt (Ra): Thước đo chất lượng bề mặt gia công.
- Sai lệch đường kính đỉnh ren (ΔD): Đánh giá độ chính xác kích thước chi tiết ren.
- Độ mòn góc đỉnh ren (RW) và độ mòn điện cực (EW): Phản ánh sự hao mòn của điện cực trong quá trình gia công.
- Thời gian gia công (t): Thời gian hoàn thành quá trình gia công một chi tiết.
Phương pháp nghiên cứu
Nguồn dữ liệu thu thập từ các thí nghiệm thực tế trên máy EDM Sodick AD300L tại Phòng Thí Nghiệm Công Nghệ Thiết Kế Và Gia Công Tiên Tiến, Trường Đại học Bách Khoa TP.HCM. Mẫu thí nghiệm là chi tiết ren undercut trên vật liệu thép 2083 đã nhiệt luyện với độ cứng 32 HRC, sử dụng điện cực đồng đỏ.
Thiết kế thí nghiệm theo phương pháp Taguchi với ma trận L9 gồm 9 thí nghiệm, khảo sát 3 thông số đầu vào: cường độ dòng điện (1, 3, 5 Amper), thời gian xung (5, 25, 45 µs), thời gian xuống điện cực (20%, 35%, 50% giây). Các thông số đầu ra đo gồm độ nhám Ra (µm), sai lệch đường kính đỉnh ren (mm), độ mòn góc đỉnh ren (mm), độ mòn điện cực (mm²) và thời gian gia công (giờ).
Phân tích dữ liệu sử dụng phần mềm Minitab phiên bản 18, áp dụng phân tích S/N ratio để xác định xu hướng ảnh hưởng và mức độ tác động của từng thông số, đồng thời sử dụng ANOVA để đánh giá ý nghĩa thống kê. Phương trình hồi quy bậc hai được xây dựng để mô hình hóa mối quan hệ giữa các thông số đầu vào và đầu ra.
Quá trình nghiên cứu được thực hiện từ tháng 2 đến tháng 6 năm 2022, bao gồm các bước chuẩn bị mẫu, gia công, đo kiểm bằng thiết bị chuyên dụng như máy đo microscope SomeTech-SV55, máy đo dao Zoller-smille 400 và máy đo độ nhám Mitutoyo SJ200.
Kết quả nghiên cứu và thảo luận
Những phát hiện chính
Ảnh hưởng của cường độ dòng điện đến độ nhám và độ chính xác: Cường độ dòng điện là yếu tố ảnh hưởng lớn nhất đến độ nhám bề mặt và sai lệch đường kính đỉnh ren. Khi tăng cường độ dòng điện từ 1 Amper lên 5 Amper, độ nhám Ra tăng từ khoảng 1,2 µm lên 3,5 µm, sai lệch đường kính đỉnh ren tăng từ 0,01 mm lên 0,04 mm, tương ứng tăng 190% và 300%.
Ảnh hưởng của thời gian xung điện: Thời gian xung điện tăng làm tăng độ nhám và độ mòn điện cực. Thời gian xung tăng từ 5 µs lên 45 µs, độ nhám tăng khoảng 150%, độ mòn điện cực tăng 120%. Thời gian xung cũng ảnh hưởng đến thời gian gia công, kéo dài từ 0,8 giờ lên 1,5 giờ.
Ảnh hưởng của thời gian xuống điện cực: Thời gian xuống điện cực ảnh hưởng chủ yếu đến độ mòn góc đỉnh ren và thời gian gia công. Khi thời gian xuống tăng từ 20% lên 50%, độ mòn góc đỉnh ren tăng 80%, thời gian gia công tăng 60%.
Phương trình hồi quy và phân tích S/N: Phân tích S/N cho thấy cường độ dòng điện chiếm tỷ lệ ảnh hưởng lớn nhất (khoảng 45%) đến độ nhám, tiếp theo là thời gian xung (35%) và thời gian xuống điện cực (20%). Phương trình hồi quy bậc hai được xây dựng với hệ số xác định R² trên 90%, cho phép dự đoán chính xác các chỉ tiêu đầu ra dựa trên thông số đầu vào.
Thảo luận kết quả
Nguyên nhân chính của việc tăng độ nhám và sai lệch kích thước khi tăng cường độ dòng điện là do năng lượng phóng điện lớn hơn, tạo ra các hạt kim loại nóng chảy và bốc hơi với kích thước lớn hơn, làm bề mặt gia công trở nên gồ ghề hơn. Kết quả này phù hợp với các nghiên cứu trước đây trên vật liệu khác như Ti6Al4V và thép AISI M2.
Thời gian xung điện dài hơn làm tăng lượng nhiệt truyền vào phôi và điện cực, dẫn đến tăng độ mòn điện cực và kéo dài thời gian gia công. Thời gian xuống điện cực ảnh hưởng đến khả năng đẩy phoi ra khỏi vùng gia công, thời gian xuống ngắn có thể gây hiện tượng kẹt phoi, làm giảm chất lượng bề mặt và tăng độ mòn góc đỉnh ren.
Dữ liệu có thể được trình bày qua các biểu đồ Pareto thể hiện tỷ lệ ảnh hưởng của từng thông số đến các chỉ tiêu chất lượng, biểu đồ S/N cho từng thông số đầu ra, và bảng phân tích phương sai ANOVA minh họa mức độ ý nghĩa thống kê của các yếu tố.
Kết quả nghiên cứu cung cấp cơ sở khoa học để lựa chọn thông số công nghệ tối ưu, cân bằng giữa chất lượng bề mặt, độ chính xác và hiệu quả gia công, đặc biệt cho chi tiết ren undercut trên vật liệu thép 2083.
Đề xuất và khuyến nghị
Tối ưu cường độ dòng điện: Giảm cường độ dòng điện xuống mức khoảng 1-3 Amper để giảm độ nhám và sai lệch kích thước, đồng thời hạn chế độ mòn điện cực. Chủ thể thực hiện: kỹ sư công nghệ gia công, trong vòng 1 tháng.
Điều chỉnh thời gian xung điện hợp lý: Giữ thời gian xung trong khoảng 5-25 µs để cân bằng giữa tốc độ gia công và chất lượng bề mặt. Thời gian xung quá dài làm tăng độ mòn điện cực và thời gian gia công. Chủ thể thực hiện: kỹ thuật viên vận hành máy, áp dụng ngay trong quy trình sản xuất.
Kiểm soát thời gian xuống điện cực: Giữ thời gian xuống điện cực ở mức 20-35% giây để giảm độ mòn góc đỉnh ren và tránh hiện tượng kẹt phoi, nâng cao độ ổn định quá trình gia công. Chủ thể thực hiện: bộ phận lập trình CNC, trong vòng 2 tuần.
Áp dụng phần mềm phân tích và mô hình hồi quy: Sử dụng phần mềm Minitab hoặc tương tự để phân tích dữ liệu thực tế và điều chỉnh thông số công nghệ theo phương trình hồi quy đã xây dựng, giúp tối ưu hóa liên tục quy trình gia công. Chủ thể thực hiện: phòng nghiên cứu và phát triển, trong 3 tháng tới.
Đào tạo nhân viên vận hành: Tổ chức các khóa đào tạo về ảnh hưởng của thông số công nghệ đến chất lượng gia công EDM, giúp nhân viên hiểu và vận dụng hiệu quả các kiến thức nghiên cứu. Chủ thể thực hiện: phòng nhân sự và đào tạo, trong 6 tháng.
Đối tượng nên tham khảo luận văn
Kỹ sư công nghệ gia công cơ khí: Nắm bắt các yếu tố ảnh hưởng đến chất lượng gia công EDM, áp dụng tối ưu thông số công nghệ để nâng cao hiệu quả sản xuất.
Nhà quản lý sản xuất trong ngành khuôn mẫu: Hiểu rõ các yếu tố ảnh hưởng đến chi phí và chất lượng sản phẩm, từ đó đưa ra các quyết định đầu tư và cải tiến quy trình hợp lý.
Nhà nghiên cứu và sinh viên ngành kỹ thuật cơ khí: Tham khảo phương pháp thiết kế thí nghiệm Taguchi, phân tích dữ liệu bằng Minitab và ứng dụng thực tiễn trong gia công EDM.
Nhà cung cấp máy móc và thiết bị EDM: Cập nhật các yêu cầu kỹ thuật và xu hướng tối ưu hóa thông số công nghệ, hỗ trợ khách hàng nâng cao hiệu suất máy móc.
Luận văn cung cấp các dữ liệu thực nghiệm cụ thể, phương pháp phân tích khoa học và kết quả ứng dụng thực tế, giúp các đối tượng trên có thể áp dụng hiệu quả trong công việc và nghiên cứu.
Câu hỏi thường gặp
Gia công EDM có ưu điểm gì so với phương pháp truyền thống?
Gia công EDM có thể gia công các vật liệu cứng, hình dạng phức tạp mà phương pháp truyền thống không thực hiện được. Ngoài ra, không có lực cơ học tác động nên giảm biến dạng chi tiết, phù hợp với các chi tiết khuôn mẫu chính xác.Các thông số công nghệ nào ảnh hưởng nhiều nhất đến chất lượng bề mặt?
Cường độ dòng điện và thời gian xung điện là hai thông số ảnh hưởng lớn nhất đến độ nhám bề mặt. Tăng cường độ dòng điện và thời gian xung làm tăng độ nhám và độ mòn điện cực.Phương pháp Taguchi giúp gì trong nghiên cứu này?
Phương pháp Taguchi giúp thiết kế thí nghiệm hiệu quả với số lượng thí nghiệm tối thiểu, phân tích ảnh hưởng của từng thông số và tối ưu hóa các thông số công nghệ dựa trên tỷ số tín hiệu/nhiễu (S/N).Làm thế nào để giảm độ mòn điện cực trong gia công EDM?
Giảm cường độ dòng điện và thời gian xung, đồng thời kiểm soát thời gian xuống điện cực hợp lý giúp giảm độ mòn điện cực, kéo dài tuổi thọ điện cực và nâng cao chất lượng gia công.Nghiên cứu này có thể áp dụng cho các vật liệu khác không?
Mặc dù nghiên cứu tập trung trên thép 2083, các nguyên lý và phương pháp phân tích có thể áp dụng cho các vật liệu dẫn điện khác, tuy nhiên cần thực hiện thí nghiệm bổ sung để điều chỉnh thông số phù hợp.
Kết luận
- Gia công EDM là phương pháp hiệu quả để gia công chi tiết ren undercut trên vật liệu thép 2083 với độ cứng cao và hình dạng phức tạp.
- Cường độ dòng điện, thời gian xung và thời gian xuống điện cực là các thông số công nghệ chính ảnh hưởng đến độ nhám, độ chính xác, độ mòn điện cực và thời gian gia công.
- Phương pháp Taguchi kết hợp phân tích S/N và ANOVA giúp xác định mức độ ảnh hưởng và tối ưu hóa các thông số công nghệ.
- Phương trình hồi quy bậc hai được xây dựng có độ chính xác cao, hỗ trợ dự đoán và điều chỉnh quy trình gia công.
- Đề xuất các giải pháp tối ưu thông số công nghệ và đào tạo nhân viên nhằm nâng cao chất lượng và hiệu quả sản xuất trong ngành cơ khí khuôn mẫu.
Tiếp theo, các nhà công nghệ và kỹ sư nên áp dụng kết quả nghiên cứu vào thực tế sản xuất, đồng thời mở rộng nghiên cứu cho các vật liệu và chi tiết phức tạp hơn nhằm nâng cao năng lực gia công EDM. Để biết thêm chi tiết và hỗ trợ kỹ thuật, liên hệ với phòng nghiên cứu công nghệ gia công tại Trường Đại học Bách Khoa TP.HCM.