PHẦN MỞ ĐẦU 1. Tính cấp thiết của đề tài nghiên cứu Hiện nay, ngành chế tạo khuôn mẫu ở nƣớc ta đang đƣợc quan tâm phát triển. Tuy nhiên, chế tạo khuôn mẫu là ngành công nghiệp công nghệ cao, đòi hỏi độ phức tạp, độ khó rất cao từ thiết kế cho đến gia công chế tạo. Ngoài việc cần đầu tƣ thiết bị máy móc rất tốn kém còn đòi hỏi kinh nghiệm trong lựa chọn vật liệu chế tạo, phƣơng pháp xử lý nhiệt và tăng bền lớp bề mặt khuôn.
Vật liệu SKD61, SKD11, SKH54, SKH51, AISI 01 và SKT4 là các thép dụng cụ nhập khẩu từ Nhật Bản, Hàn Quốc, Đài Loan,.đƣợc sử dụng rất phổ biến trong lĩnh vực này. Phƣơng pháp đƣợc các doanh nghiệp ở nƣớc ta đang sử dụng là EDM hoặc phay cao tốc. Trong đó, EDM nói chung đặc biệt là phƣơng pháp xung định hình đang đƣợc sử dụng phổ biến do giá thành của thiết bị thấp, tính vạn năng cao và thao tác đơn giản. Nên những nghiên cứu theo hƣớng nâng cao năng suất và chất lƣợng của xung định hình với các sản phẩm khuôn mẫu là rất cần đƣợc quan tâm.
Trong lĩnh vực y tế, nhiễm trùng trong cấy ghép y tế đòi hỏi một quá trình điều trị lâu dài và thƣờng tốn kém, ảnh hƣởng đến tâm lý của bệnh nhân và gây tử vong trong nhiều trƣờng hợp. Một số phƣơng pháp nhƣ cấy ion, lắng đọng hơi vật lý và phun từ trƣờng đã chứng minh hiệu quả của chúng trong lớp phủ kháng khuẩn. Tuy nhiên, đây là những phƣơng pháp phủ hoàn toàn, không có phƣơng pháp nào có khả năng đồng thời gia công và phủ một lớp kháng khuẩn trên bề mặt của cấy ghép y tế. Do đó, gia công phóng điện hỗn hợp bột (PMEDM) đƣợc đề xuất và nghiên cứu trong nghiên cứu này vì đây là phƣơng pháp gia công có tiềm năng biến đổi bề mặt chính xác.
Điều này bao gồm việc chuyển vật liệu điện cực dụng cụ cũng nhƣ vật liệu bột lơ lửng trong chất lỏng điện môi vào bề mặt phôi. Trong nghiên cứu về vấn đề này, nồng độ bột nano bạc khác nhau đƣợc thêm vào chất lỏng điện môi gốc hydrocarbon và đƣợc sử dụng để gia công phôi titan[1]. PMEDM là một phƣơng pháp đầy hứa hẹn để gia công đồng thời và phủ một lớp kháng khuẩn nano bạc lên bề mặt [1]. Trong thời gian gần đây, siêu hợp kim gốc niken (Inconel 601, Inconel 625, Inconel 718, … ) đƣợc sử dụng rộng rãi trong ngành hàng không vũ trụ, hóa học và 1 luan an hàng hải nhờ khả năng tối ƣu của chúng để giữ các tính chất cơ học ở nhiệt độ cao kết hợp với khả năng chống ăn mòn đáng kể.
Một số tính chất của các hợp kim này nhƣ độ dẫn nhiệt thấp, xu hƣớng làm cứng biến dạng, ái lực hóa học và sự hiện diện của các pha cứng và mài mòn trong cấu trúc vi mô khiến các vật liệu này rất khó cắt bằng các quy trình gia công thông thƣờng. Do đó, mục đích của nghiên cứu mới hiện nay nhằm cải thiện năng suất và chất lƣợng của bề mặt gia công của Inconel 625 (một siêu hợp kim gốc niken) bằng cách tẩm các hạt bột nhƣ than chì, nhôm và silicon thành điện môi dầu hỏa trong quá trình gia công phóng điện ( PMEDM)[2]. Nhƣ vậy, có thể thấy từ EDM truyền thống đã có rất nhiều phƣơng pháp để cải thiện năng suất và chất lƣợng của EDM. Một trong những phƣơng pháp đó là: Trộn bột vào dung môi cách điện để cải thiện quá trình gia công.
Trong quá trình này, một chất bột mịn phù hợp đƣợc pha trộn đúng vào dung dịch các chất điện môi. Hiệu quả gia công và độ nhám bề mặt gia công của phƣơng pháp PMEDM giảm hơn nhiều phƣơng pháp gia công bằng EDM. Ngoài ra, việc áp dụng các loại bột khác nhau về vật liệu và kích thƣớc cũng đƣợc quan tâm nghiên cứu và cho kết quả tốt. Tuy nhiên nhƣợc điểm của gia công xung là năng suất và chất lƣợng bề mặt thấp so với các phƣơng pháp gia công truyền thống, bởi việc thoát phoi và bóc tách vật liệu trong quá trình gia công.
Thiết kế một hệ thống hỗ trợ gia công EDM đảm bảo đƣợc tối ƣu cho phƣơng pháp này là một bài toán đang đƣợc nghiên cứu trên thế giới. Rung động với biên độ rất nhỏ tích hợp vào phôi hoặc điện cực trong phƣơng pháp PMEDM là giải pháp hiệu quả mà nghiên cứu này tập trung giải quyết. Rung động kết hợp với bột trộn trong dung môi giúp quá trình gia công đƣợc ổn định hơn từ đó năng suất và chất lƣợng đƣợc cải thiện. Vì vậy, nghiên cứu sinh đã lựa chọn đề tài luận án: “Nghiên cứu quá trình gia công tia lửa điện trong dung dịch có trộn bột titan kết hợp hệ thống rung động tần số thấp trên chi tiết.
Mục đích, đối tƣợng, phạm vi nghiên cứu 2. Mục đích nghiên cứu 2 luan an Nghiên cứu tính hiệu quả của phƣơng pháp PMEDM dƣới dòng phun áp lực cao và so sánh với phƣơng pháp PMEDM thông thƣờng thông qua đánh giá ảnh hƣởng của quá trình gia công vật liệu thép SKD61; Nghiên cứu tính hiệu quả của phƣơng pháp V- PMEDM đặt vào phôi và so sánh với phƣơng pháp PMEDM thông thƣờng thông qua đánh giá ảnh hƣởng của quá trình gia công vật liệu thép SKD61; Nghiên cứu mối quan hệ của các thông số đầu vào (Dòng điện (I), nồng độ bột(C), Thời gian phóng điện(Ton), Áp suất dòng phun(P), Tần số rung động (F),Biên độ rung động(A) và các thông số đầu ra (năng suất,mòn điện cực,nhám bề mặt, độ cứng bề mặt, chiều dày lớp trắng bề mặt) khi gia công thông thƣờng và gia công dƣới dòng phun áp lực cao và tích hợp rung động vào phôi SKD61. Đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu - Đối tƣợng nghiên cứu: Quá trình gia công xung điện có trộn bột tích hợp rung động và dòng phun dung môi (V- PMEDM) thép SKD61. Phạm vi nghiên cứu: Nghiên cứu tổng quan về gia công gia xung điện có trộn bột và tích hợp rung động; Nghiên cứu cơ sở vật lý quá trình gia công V-PMEDM; Nghiên cứu thực nghiệm ảnh hƣởng của quá trình PMEDM tích hợp rung đến năng suất và chất lƣợng gia công của thép SKD61; Nghiên cứu thực nghiệm ảnh hƣởng của các tham số đầu vào đến các thông số đầu ra, sử dụng phƣơng pháp thiết kế thực nghiệm Taguchi và phân tích phƣơng sai ANOVA.
Phƣơng pháp nghiên cứu Phƣơng pháp nghiên cứu của luận án là nghiên cứu lý thuyết và kết hợp thực nghiệm đánh giá kết quả nghiên cứu. Ý nghĩa khoa học và ý nghĩa thực tiễn của đề tài Ý nghĩa khoa học: 3 luan an Nghiên cứu đã đóng góp và bổ sung một hƣớng nghiên cứu mới về gia công phi truyền thống với các loại vật liệu cứng có ứng dụng các giải pháp hỗ trợ khi gia công EDM. Đã phân tích và làm rõ tính hiệu quả của phƣơng pháp gia công vật liệu cứng bằng phƣơng pháp xung điện có trộn bột trong dung môi khi gia công thép SKD61 tích hợp rung vào phôi. Việc chọn bột Ti trộn vào dung dịch điện môi và tích hợp rung vào phôi không những làm nâng cao năng suất, giảm nhấp nhô bề mặt mà còn cải thiện cơ tính lớp bề mặt thép SKD61 sau gia công EDM.
Điều này sẽ nâng cao tuổi bền của các bề mặt khuôn mẫu. Đã nghiên cứu xây dựng đƣợc mối quan hệ của chế độ công nghệ (dòng điện xả, thời gian đánh lửa, nồng độ bột, áp suất dòng phun dung môi, tần số và biên độ rung động) với các thông số đầu ra là năng suất bóc tách vật liệu(MRR), độ mòn điện cực (EWR), chất lƣợng bề mặt (Ra), độ cứng bề mặt (HV) chiều dày lớp bề mặt ảnh hƣởng do quá trình EDM (WLT) khi gia công thép SKD61 bằng phƣơng pháp xung điện. Ý nghĩa thực tiễn: Đề tài là cơ sở để thiết kế một hệ thống hỗ trợ gia công đảm bảo năng suất và chất lƣợng cho EDM, đồng thời giúp tăng năng suất và giảm giá thành gia công với các chi tiết khó bởi độ cứng cao. Có ý nghĩa là cơ sở tiền đề trong y học khi cần phủ một lớp vật liệu an toàn lên bề mặt các chi tiết cấy ghép.
Những đóng góp mới của luận án Đã phân tích và làm rõ tính hiệu quả của phƣơng pháp gia công vật liệu cứng bằng phƣơng pháp xung điện có trộn bột trong dung môi khi gia công thép SKD61 tích hợp rung vào phôi. Khảo sát mức độ ảnh hƣởng của nồng độ bột Titan thấp (1- 8g/l) và tần số rung động thấp (<1000Hz) đều có ảnh hƣởng đáng kể đến năng suất và chất lƣợng quá trình gia công bằng EDM. Đã phân tích, làm rõ hiệu quả và khả năng ứng dụng vào thực tiễn sản xuất của phƣơng pháp V- PMEDM đặt vào phôi và so sánh với phƣơng pháp PMEDM 4 luan an thông thƣờng thông qua đánh giá ảnh hƣởng của quá trình gia công vật liệu thép SKD61 nhằm nâng cao năng suất và chất lƣợng bề mặt. Đã phân tích đƣợc ảnh hƣởng của chế độ công nghệ (dòng điện xả, thời gian đánh lửa, nồng độ bột, áp suất dòng phun dung môi, tần số và biên độ rung động) với các thông số đầu ra là Năng suất bóc tách vật liệu(MRR), độ mòn điện cực (EWR), chất lƣợng bề mặt (Ra) ,độ cứng bề mặt (HV) chiều dày lớp bề mặt ảnh hƣởng do quá trình EDM(WLT) khi gia công thép SKD61 bằng phƣơng pháp xung điện.
Đồng thời xây dựng đƣợc các bộ tham số công nghệ tối ƣu cho các chỉ tiêu đánh giá khác nhau. Xác định đƣợc giá trị phù hợp với bộ thông số công nghệ hợp lý trong bài toán quyết đinh đa mục tiêu của quá trình gia công bằng PMEDM với rung động tích hợp vào phôi (5 chỉ tiêu chất lƣợng) bằng kết hợp phƣơng pháp Taguchi – Topsis. Cấu trúc nội dung luận án Các nội dung nghiên cứu của luận án đƣợc trình bày trong 4 chƣơng nhƣ sau: Chƣơng 1: Tổng quan về gia công xung điện (EDM) và gia công xung điện có trộn bột (PMEDM). Chƣơng 2: Cơ sở lý thuyết của phƣơng pháp gia công xung điện có trộn bột tích hợp rung động.
Thực nghiệm khảo sát ảnh hƣởng của bột và rung động đến hiệu quả gia công xung điện. Chƣơng 4: Xác định bộ thông số công nghệ hợp lý trong PMEDM với rung động gán trên phôi. 5 luan an CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ GIA CÔNG XUNG ĐIỆN (EDM) VÀ GIA CÔNG XUNG ĐIỆN CÓ TRỘN BỘT (PMEDM). Gia công xung điện – trong tiếng Anh là Electrical Discharge Machining (EDM) là một phƣơng pháp gia công đặc biệt đƣợc sử dụng để gia công các vật liệu dẫn điện có độ cứng cao và khó gia công.