MỞ ĐẦU 1. Tính cấp thiết của đề tài Phƣơng pháp gia công tia lửa điện là một trong những phƣơng pháp gia công phi truyền thống đang đƣợc sử dụng rộng rãi hiện nay. Phƣơng pháp này đang thể hiện đƣợc khả năng ƣu việt khi gia công các vật liệu sau nhiệt luyện [1]. Trong quá trình gia công không xuất hiện lực cắt, rung động khi cắt, tiếng ồn cũng nhỏ hơn so với các phƣơng pháp gia công cắt gọt thông thƣờng.
Đặc biệt không xuất hiện ứng suất cơ học sau khi gia công. Tuy nhiên vẫn tồn tại một ứng suất dƣ trên bề mặt gây ra các vết nứt tế vi ở lớp trắng [1,2,13]. Phƣơng pháp gia công tia lửa điện có một số hạn chế đó là: tốc độ bóc tách vật liệu thấp, chất lƣợng bề mặt sau khi gia công thƣờng không cao và đặc biệt xảy ra mòn điện cực trong quá trình gia công khiến hình dáng hình học của sản phẩm bị thay đổi [9]. Do đó, các sản phẩm gia công bằng phƣơng pháp gia công xung tia lửa điện (EDM) thƣờng có giá thành cao [1,3].
Nhằm cải thiện các vấn đề này các nhà khoa học đã thực hiện nhiều nghiên cứu để nâng cao các tiêu chí về chất lƣợng, kỹ thuật, kinh tế của phƣơng pháp gia công EDM nhƣ tối ƣu hóa thông số công nghệ đầu vào, chọn cặp vật liệu giữa điện cực và phôi, trộn thêm các bột dẫn vào dung dịch điện môi và nghiên cứu về mòn điện cực [3,4,10,13] Trong các hƣớng nghiên cứu nhƣ đã nêu ở trên, nghiên cứu về mòn điện cực nhằm dự báo đƣợc thời điểm mòn và lƣợng mòn là một hƣớng nghiên cứu đạt đƣợc nhiều triển vọng [9]. Các máy gia công tia lửa điện (cắt dây, xung định hình) đang đƣợc sử dụng rộng rãi tại các xƣởng gia công cơ khí của nƣớc ta. Tuy nhiên, khi vận hành gia công chỉ thực hiện theo hƣớng dẫn sử dụng hoặc theo kinh nghiệm vận hành của ngƣời thợ dẫn đến không đạt đƣợc năng suất cũng nhƣ chất lƣợng mong muốn. Công nghệ gia công tia lửa điện có nhiều thông số công nghệ đầu vào, dải thay đổi của các thông số này rộng.
Do đó việc gia công theo kinh nghiệm thƣờng không đạt hiệu quả cao và có tính ổn định thấp [46,48]. Để khai thác ổn định đƣợc công nghệ gia công EDM nâng cao các chỉ tiêu về kinh tế, kỹ thuật trong quá trình gia công tia lửa điện rất cần các nghiên cứu chuyên sâu nhằm cải thiện hiệu quả của quá trình gia công [50,52]. Các nghiên cứu về lựa chọn cặp vật liệu phù hợp khi gia công xung định hình cho kết quả khả quan với từng mục tiêu đặt ra tại từng thời điểm. Gia công tia lửa điện là một quá trình gia công với thời gian khá dài.
Vì vậy hƣớng nghiên cứu 1 luan an nhằm nâng cao năng suất, chất lƣợng của phƣơng pháp gia công hiện đang rất đƣợc quan tâm [8, 10, 11, 30, 31, 32]. Mòn điện cực là một trong những vấn đề lớn trong quá trình xung tia lửa điện EDM. Mòn điện cực ảnh hƣởng trực tiếp đến độ chính xác của chi tiết gia công. Do đó rất cần những nghiên cứu để xác định đƣợc lƣợng mòn trong quá trình gia công.
Kết quả nghiên cứu trƣớc đó chỉ ra rất nhiều yếu công nghệ ảnh hƣởng đến độ mòn của điện cực [9,13,37,41]. Mòn điện cực đƣợc nghiên cứu theo nhiều hƣớng khác nhau nhƣ: mòn hình dáng hình học của điện cực, mòn điện cực theo khối lƣợng… khi thay đổi yếu tố công nghệ đầu vào đều ảnh hƣởng đến độ mòn điện cực có thể kể đến nhƣ: Ảnh hƣởng của thời gian phóng xung, thời gian ngừng phóng xung, ảnh hƣởng của điện áp đầu vào, ảnh hƣởng của cƣờng độ dòng điện đầu vào, ảnh hƣởng của chất lƣợng dầu xung, ảnh hƣởng của hƣớng phun dầu và ảnh hƣởng của các chất trộn thêm trong quá trình xung [8,13,41,43]. Các hƣớng nghiên cứu nêu trên đều tập trung vào một vài yếu tố đầu vào cơ bản. Bên cạnh đó cũng chƣa thấy nghiên cứu đề cập đến ảnh hƣởng của mật độ dòng điện đến độ mòn của điện cực.
Nghiên cứu nâng cao chất lƣợng bề mặt gia công trong xung tia lửa điện là lĩnh vực phức tạp bởi các yếu tố công nghệ đầu vào là khá nhiều, và ảnh hƣởng của chúng đến các tiêu chí tối ƣu là rất khác nhau [38]. Với những lý do trên, tác giả đã chọn đề tài: “Nghiên cứu mòn biên dạng điện cực và chất lƣợng bề mặt gia công bằng phƣơng pháp xung tia lửa điện” làm đề tài luận án tiến sỹ. Mục tiêu của luận án Đánh giá đƣợc mòn biên dạng của điện cực và chất lƣợng bề mặt của chi tiết khi gia công bằng phƣơng pháp xung tia lửa điện, tìm ra chế độ công nghệ tối ƣu để đạt lƣợng mòn điện cực, độ nhám bề mặt gia công nhỏ nhất. Nội dung nghiên cứu - Nghiên cứu tổng quan về phƣơng pháp xung tia lửa điện; - Nghiên cứu mối quan hệ giữa mòn điện cực và chất lƣợng bề mặt với các thông số công nghệ; - Nghiên cứu xây dựng mô hình thực nghiệm về ảnh hƣởng của cƣờng độ dòng điện, thời gian phát xung và thời gian ngừng phát xung đến mòn điện cực, độ nhám bề mặt gia công; 2 luan an - Tối ƣu hóa các thông số công nghệ theo từng chỉ tiêu mòn điện cực, độ nhám bề mặt của chi tiết và khe hở giữa bề mặt chi tiết và điện cực, sau đó tối ƣu hóa đa mục tiêu; - Nghiên cứu biện pháp để giảm độ mòn điện cực bằng cách lựa chọn vật liệu và biên dạng điện cực phù hợp, giảm độ nhám bề mặt chi tiết và giảm khe hở giữa bề mặt chi tiết và điện cực.
Đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu Đối tượng nghiên cứu: - Mòn điện cực đồng đỏ và điện cực đồng đỏ mạ crom. - Độ nhám bề mặt chi tiết với vật liệu thép SKD11; - Khe hở giữa bề mặt chi tiết gia công và bề mặt điện cực khi xung với cặp nhôm – C45, đồng đỏ - SKD11 và đồng đỏ mạ crom – SKD11. Phạm vi nghiên cứu: Trong công trình này chất lƣợng bề mặt chi tiết chỉ đánh giá bởi hai thông số bao gồm độ nhám bề mặt và chiều dày lớp ảnh tôi cứng. Đƣờng kính điện cực từ 10 đến 20 mm, vật liệu điện cực là kim loại.
Phƣơng pháp nghiên cứu - Nghiên cứu cơ sở lý thuyết, kế thừa kết quả nghiên cứu của các công trình đã công bố - Nghiên cứu thực nghiệm để xây dựng mô hình về mòn điện cực và chất lƣợng bề mặt chi tiết gia công trên máy xung tia lửa điện. - Nghiên cứu phƣơng pháp thiết kế thực nghiệm Taguchi để đánh giá ảnh hƣởng của các thông số, tối ƣu đơn mục tiêu và đa mục tiêu. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài - Ý nghĩa khoa học: Đề tài nhằm làm rõ ảnh hƣởng của cƣờng độ dòng điện, thời gian phát xung, thời gian ngừng phát xung đến độ mòn của điện cực và chất lƣợng bề mặt của một số loại thép làm khuôn đƣợc gia công bằng phƣơng pháp xung định hình, giúp các nhà công nghệ lựa chọn đƣợc chế độ gia công tối ƣu khi gia công trên máy xung định hình. - Ý nghĩa thực tiễn: Các kết quả nghiên cứu để giảm mòn điện cực sẽ giúp các nhà sản xuất tiết kiệm đƣợc chi phí, các kết quả nghiên cứu giảm độ nhám bề 3 luan an mặt và khe hở giữa bề mặt chi tiết và điện cực sẽ góp phần làm tăng chất lƣợng của sản phẩm.
Những kết quả khoa học đạt đƣợc và đóng góp mới của luận án - Đã xây dựng đƣợc mô hình thực nghiệm về nghiên cứu ảnh hƣởng của một số thông số công nghệ đến mòn khi sử dụng các loại điện cực nhôm, điện cực đồng đỏ và điện cực đồng đỏ mạ crom; - Đã nghiên cứu thực nghiệm về ảnh hƣởng của biên dạng điện cực đến lƣợng mòn giúp nhà công nghệ lựa chọn biên dạng phù hợp khi gia công; - Đã xây dựng mô hình độ nhám bề mặt phụ thuộc vào các thông số công nghệ đầu vào; - Xác định đƣợc bộ thông số tối ƣu đơn mục tiêu về độ mòn, độ nhám bề mặt và khe hở giữa bề mặt chi tiết và điện cực cũng nhƣ xác định đƣợc bộ thông số tối ƣu đa mục tiêu; - Đề xuất giảm độ mòn và tăng chất lƣợng bề mặt bằng mạ thêm crom vào điện cực đồng đỏ. 4 luan an Chƣơng 1. TỔNG QUAN VỀ PHƢƠNG PHÁP GIA CÔNG TIA LỬA ĐIỆN 1.1 Tổng quan về phƣơng pháp gia công tia lửa điện 1.1 Giới thiệu Phƣơng pháp gia công tia lửa điện (EDM) đƣợc phát triển vào năm 1943 ở Liên Xô bởi hai vợ chồng ngƣời Nga tại trƣờng Đại học Moscow là Giáo sƣ - Tiến sĩ Boris Lazarenko và Tiến sĩ Natalya Lazarenko. Cho đến nay, phƣơng pháp gia công này đã đƣợc sử dụng phổ biến rộng rãi trên thế giới.
Nguyên tắc của phƣơng pháp này là bắn phá chi tiết để tách vật liệu bằng nguồn năng lƣợng nhiệt rất lớn đƣợc sinh ra khi cho hai điện cực tiến gần nhau. Trong hai điện cực này, một điện cực đóng vai trò là dao và một điện cực đóng vai trò là phôi trong quá trình gia công [1, 27,46]. Trong thập niên 1960 đã có nhiều nghiên cứu sâu rộng về gia công EDM và đã giải quyết đƣợc nhiều vấn đề liên quan đến mô hình tính toán quá trình gia công EDM. Trong thập niên 1970 đã xảy ra cuộc cách mạng về gia công trên máy cắt dây EDM nhờ vào việc phát triển các máy phát xung công suất lớn, các loại dây cắt và các phƣơng pháp sục chất điện môi hữu hiệu.
Hiện nay, các máy EDM đã đƣợc thiết kế khá hoàn chỉnh và quá trình gia công đƣợc điều khiển theo chƣơng trình số. Với các thuật toán điều khiển mới, các hệ thống điều khiển CNC cho phép gia công đạt năng suất và chất lƣợng cao. Các máy gia công tia lửa điện ngày nay đƣợc đặc trƣng bởi mức độ tự động hóa cao. Các hệ điều khiển CNC trên thị trƣờng hiện nay đã có những bƣớc tiến vƣợt bậc và rất phổ biến.
Với sự cải tiến liên tục, máy EDM đã trở nên ổn định với việc vận hành của máy đã đƣợc giám sát bởi hệ thống điều khiển thích nghi và EDM đã đƣợc sử dụng rộng rãi ở các công ty, tập đoàn trên thế giới nói chung và ở Việt Nam nói riêng. Phƣơng pháp EDM đƣợc ứng dụng rộng rãi trong ngành công nghiệp gia công cơ khí. Có hai phƣơng pháp gia công tia lửa điện chủ yếu là xung định hình và cắt dây tia lửa điện.