Tài liệu Kỹ thuật: Tối ưu hóa quá trình gia công xung điện chi tiết trụ có

Nghiên cứu tối ưu hóa quy trình gia công xung điện chi tiết trụ biến dạng định hình bằng thép SKD11 sử dụng dung dịch pha trộn bột gia công hiệu quả

• Tác giả: Nguyễn Mạnh Cường
• Trường học: Trường đại học kỹ thuật công nghiệp - đại học thái nguyên
• Chuyên ngành: Khoa học và công nghệ
• Đề tài: Tối ưu hóa quá trình gia công xung điện chi tiết trụ có biến dạng định hình làm bằng thép SKD11 với dung dịch có trộn bột
• Loại tài liệu: Báo cáo tổng kết đề tài khoa học và công nghệ cấp trường
• Năm xuất bản: 2021
• Địa điểm: Thái nguyên

Tóm tắt

I. Giới thiệu về gia công xung điện và ứng dụng trong công nghiệp

Gia công xung điện (EDM - Electrical Discharge Machining) là một công nghệ tiên tiến trong lĩnh vực chế tạo cơ khí hiện đại. Phương pháp này sử dụng các xung điện để loại bỏ vật liệu từ chi tiết công việc thông qua quá trình phóng điện kiểm soát. Gia công xung điện có trộn bột (PMEDM) là phiên bản cải tiến, cho phép tăng hiệu suất xử lý và cải thiện chất lượng bề mặt. Công nghệ này được ứng dụng rộng rãi trong sản xuất các chi tiết có hình dạng phức tạp từ vật liệu cứng như thép SKD11. Đề tài nghiên cứu từ Trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp Thái Nguyên tập trung vào tối ưu hóa quá trình gia công xung điện để đạt hiệu suất tối đa.

1.1. Nguyên lý hoạt động của gia công xung điện

Gia công xung điện dựa trên nguyên tắc phóng điện giữa cực dương và cực âm trong môi trường dung dịch điện môi. Khi điện áp vượt quá ngưỡng giới hạn, một kênh plasma hình thành và tạo ra nhiệt độ siêu cao (khoảng 10.000K), làm bay hơi một lượng nhỏ vật liệu. Quá trình này lặp lại hàng triệu lần mỗi giây, cho phép gia công các chi tiết với độ chính xác cao, ngay cả những vật liệu cứng nhất.

1.2. Ưu điểm của gia công xung điện có trộn bột

Khi thêm bột nano hoặc các hạt nhỏ vào dung dịch điện môi, quá trình gia công xung điện có trộn bột (PMEDM) cải thiện đáng kể năng suất bóc tách vật liệu (MRR) và giảm mòn cực. Các hạt bột giúp tăng độ dẫn điện của dung dịch, cho phép tần suất xung cao hơn và công suất lớn hơn mà không làm giảm chất lượng bề mặt.

II. Các thông số công nghệ ảnh hưởng đến tối ưu hóa gia công xung điện

Để đạt được kết quả tốt nhất trong tối ưu hóa quá trình gia công xung điện, cần phải kiểm soát chặt chẽ các thông số công nghệ. Các yếu tố chính bao gồm dòng xung (pulse current), thời gian xung (pulse duration), thời gian nghỉ (pause time), điện áp, loại dung dịch điện môi và nồng độ bột trộn. Đặc biệt, với vật liệu thép SKD11, việc lựa chọn đúng thông số là quan trọng để đạt cân bằng giữa năng suất bóc tách vật liệu (MRR) và độ nhám bề mặt (Ra). Nghiên cứu từ Đại học Kỹ thuật Công nghiệp đã sử dụng phương pháp thiết kế Taguchi L18 để xác định mức tối ưu của các thông số.

2.1. Dòng xung và thời gian xung trong gia công xung điện

Dòng xung (pulse current) là một trong những thông số quan trọng nhất ảnh hưởng đến hiệu suất. Dòng cao hơn dẫn đến năng suất bóc tách vật liệu (MRR) lớn hơn nhưng có thể làm giảm chất lượng bề mặt. Thời gian xung xác định khoảng thời gian năng lượng được phát hành, ảnh hưởng trực tiếp đến kích thước hạt vật liệu bị loại bỏ và độ nhám bề mặt.

2.2. Dung dịch điện môi và bột nano trong PMEDM

Chất lượng dung dịch điện môi ảnh hưởng lớn đến quá trình phóng điện. Dung dịch có khả năng dẫn điện tốt và độ nhớt phù hợp giúp cải thiện hiệu suất. Khi trộn bột nano (như bột đồng hoặc bột graphene) vào dung dịch, nó tăng độ dẫn điện và cho phép tần suất xung cao hơn, từ đó nâng cao năng suất bóc tách vật liệu (MRR) mà vẫn duy trì chất lượng bề mặt tốt.

III. Phương pháp tối ưu hóa đa mục tiêu cho gia công xung điện chi tiết trụ

Khi tối ưu hóa quá trình gia công xung điện cho các chi tiết trụ có hình dạng định hình, cần cân bằng nhiều mục tiêu: tăng năng suất bóc tách vật liệu (MRR), giảm độ nhám bề mặt (Ra), và giảm lượng mòn cực (TWR). Phương pháp tối ưu hóa đa mục tiêu sử dụng phân tích quan hệ xám (grey relational analysis) kết hợp với thiết kế thí nghiệm Taguchi đã được áp dụng thành công trong nghiên cứu tại Đại học Kỹ thuật Công nghiệp. Phương pháp này cho phép xác định bộ thông số công nghệ sao cho đạt được hiệu suất tối đa trên chi tiết trụ thép SKD11 với dung dịch điện môi có trộn bột.

3.1. Thiết kế thí nghiệm Taguchi L18 trong gia công xung điện

Phương pháp thiết kế Taguchi L18 cho phép giảm số lượng thí nghiệm cần thiết từ hàng trăm xuống còn 18 lần, tiết kiệm thời gian và chi phí. Kế hoạch thí nghiệm này xác định các mức khác nhau cho mỗi thông số (dòng xung, thời gian xung, thời gian nghỉ, nồng độ bột, v.v.) và đánh giá ảnh hưởng của chúng thông qua phân tích ANOVA.

3.2. Phân tích đa mục tiêu bằng quan hệ xám

Phân tích quan hệ xám (grey relational analysis) giúp tổng hợp nhiều chỉ tiêu đầu ra khác nhau thành một giá trị duy nhất gọi là hệ số quan hệ xám. Phương pháp này cho phép tối ưu hóa quá trình để đạt cân bằng hoàn hảo giữa MRR, Ra, và TWR, đảm bảo chi tiết thép SKD11 đạt chất lượng tốt nhất trong sản xuất.

IV. Kết quả và kiến nghị cho tối ưu hóa gia công xung điện trong thực tiễn

Các kết quả nghiên cứu từ đề tài khoa học và công nghệ cấp trường tại Đại học Kỹ thuật Công nghiệp Thái Nguyên cho thấy rằng tối ưu hóa quá trình gia công xung điện có thể nâng cao năng suất bóc tách vật liệu (MRR) lên đến 30-40% mà vẫn đảm bảo chất lượng bề mặt. Với vật liệu thép SKD11 và dung dịch điện môi có trộn bột nano, bộ thông số tối ưu đã được xác định thông qua phân tích dữ liệu thí nghiệm. Các kết quả này có giá trị ứng dụng thực tiễn cao cho các doanh nghiệp sản xuất chi tiết cơ khí và khuôn mẫu. Kiến nghị là các nhà sản xuất nên áp dụng phương pháp tối ưu hóa này để nâng cao hiệu suất sản xuất và giảm chi phí.

4.1. Bộ thông số công nghệ tối ưu cho gia công xung điện chi tiết trụ SKD11

Dựa trên kết quả phân tích ANOVA và quan hệ xám, bộ thông số tối ưu bao gồm: dòng xung ở mức cao để tối đa hóa MRR, thời gian xung trung bình để cân bằng năng suất và chất lượng bề mặt, nồng độ bột nano phù hợp để tăng độ dẫn điện. Các thông số này đã được xác minh thông qua thí nghiệm xác nhận, cho kết quả dự đoán sai lệch nhỏ so với thực tế.

4.2. Hướng phát triển và ứng dụng gia công xung điện trong tương lai

Gia công xung điện có trộn bột hứa hẹn trở thành công nghệ chủ đạo trong sản xuất chi tiết cơ khí tương lai. Nghiên cứu tiếp theo nên tập trung vào việc sử dụng các loại bột mới (graphene, ceramic), kết hợp với trí tuệ nhân tạo để dự đoán thông số tối ưu, và phát triển các dung dịch điện môi thân thiện với môi trường nhằm giảm tác động tiêu cực.

Trích đoạn nội dung tài liệu

chương 1 Gia công tia lửa điện là phương pháp gia công không truyền thống dựa trên hiệu ứng ăn mòn xung điện của tia lửa điện xuât hiện giữa hai điện cực. Phương ——— pháp gia công này có nhiều ưu điểm như có thê gia công tất cá các vậtliệu dẫn điện ———] không phụ thuộc độ cứng của điện cực cũng như chỉ tiết; có thể gia công các chỉ tiết và chất lượng gia công thấp. Để nâng cao năng suất, chất lượng gia công cũng như han ché mai mon điện cực, người ta trên các bột kim loại có kích thước rất nhỏ (cỡ micro hoặc nano) vào dung dịch điện môi. Phương pháp này gọi là gia công xung ON ee điện có trộn bột (PMEDM) - sẽ được trình bày cụ thể hơn ở phần sau.

sty Chương 2 TONG QUAN VE GIA CONG XUNG ĐIỆN CÓ TRỘN BOT 2. Tống quan về gia công xung điện có trộn bột Dø gia công xung điện có trộn bột(PMEDMD có nhiềưrưu điểm như đã nêưở- — -——| chương 1 nên cho đến nay đã có nhiều nhà nghiên cứu quan tâm đến đạng gia công này. Các nghiên cứu tập trung vào các biện pháp nâng cao năng suất bóc tách, tăng chất lượng bề mặt cũng như giảm độ mòn của quá trình gia công. Cụ thể như sau: Trong [4] đã giới ảnh øiá về các nghiên cứn đã | được thực hiện frong lĩnh vực PMEDM.

Bến cạnh đỏ, cơ chế gia Công, các van dé hiện tại, ứng dụng của dạng gia công này cũng được thảo luận trong nghiên cứu này. Việc trộn bột vào dung dịch điện môi tạo điêu kiện cho việc phóng tia lửa điện dễ đàng và làm tăng kích thước khe hở phóng điện so với EDM không có bột [5]. Thêm vào đó, hiện tượng phóng điện giữa các hạt kim loại (bột) dẫn đến số lượng tỉa lửa điện tăng nên cường độ của chúng sẽ bị giảm và do làm tăng số vết lõm bề ị mặt gia công nhưng nhưng đường kính và chiều sâu vết lõm lại giảm. Điều này dẫn đến trị số nhám bề mặt gia công giảm [5].

Việc trộn bột vào dung dịch điện môi không chỉ tạo ra bề mặt gia công đồng nhất mà còn ngăn cản sự xuất hiện hiện tượng phóng hồ quang điện tại một vài vị trí. Kích thước khe hở phóng điện phụ thuộc vào nồng độ bột, loại bột và một số thông số khác [5]. Các yêu cầu đối với bột trộn vào dung dịch điện môi trong PMEDM như sau: .khả năng dẫn điện và dẫn nhiệt tốt, không bị.hòa tan, khối lượng riêng không quá. Các tác giả trong [6] đã đưa ra số liệu thống kê (trong khoảng 1981+2015) về mức độ sử dụng các loại bột trong nghiên cứu PMEDM.

Kích thước bột là thông số có ảnh hưởng rất mạnh đến các chỉ tiêu chất lượng của PMEDM. Kích thước bột không chỉ ảnh hưởng đến MRR, TWR, Ra mà còn tác động đến chiều dày lớp bề mặt bị thay đổi do nhiệt xung gây ra [7]. Kích thước bột có ảnh hưởng khác nhau đến khả năng gia công của PMEDM và thông số ——này-thường-được lựa chọn theo chỉ tiêu đánh giá trong nghiên cứu. Kích thước tôi — oe 20 ca.

ưu của bột trong PMEDM phụ thuộc nhiều vào yếu tố như: hình dạng bột, vật liệu bột,. và cho đến nay còn ít kết quả nghiên cứu được công bố về van dé nay [6]. Crushed glass [Ei TiO2 Bit Tic a —— TT TT TT TT J621182116814761/75117N BI 1/7/23 1027 (5| 1S0411011410211170311106111051 AI 16814761171417511791180119214961197119811991 [1101 œ ITEIEEIRIUNE TT 000000 nh 0Ì 0 $ 10 1s 20 25 Popularity among investigations (%) Hình 2. Luong sử dung cdc loai b6t trong PMEDM [6] Nồng độ bột khi trộn vào chất điện môi trong PMEDM ảnh hưởng đến hiệu quả và sự ôn định trong PMEDM.

Việc tăng nồng độ bột sẽ làm tăng kích thước khe hở phóng điện và số lượng tia lửa điện. Điều này sẽ làm tăng năng suất và chất lượng gia công [8]. Tuy nhiên, khi nồng độ bột quá lớn sẽ gây ra hiện tượng ngắn mạch, làm phóng hồ quang và gây ra sự mắt ôn định trong PMEDM. Giá trị tối ưu của nồng độ bột phụ thuộc vào kích thước, vật liệu, hình dạng.

Trong [9] đã nghiên cứu quá trình PMEDMI khi gia công thép SKD61, SKD11 và SKT4 với trộn bột titan vào dung dịch điện môi. Nghiên cứu này đã sử dụng phương pháp Taguchi và phân tích phương sai để xác định ảnh hưởng của các thông số quá trình đến tốc độ bóc tách vật liệu (MRR). Các thông số quá trình được xem xét trong nghiên cứu này gôm vật liệu điện cực, vật liệu phôi, độ phân cực điện cực, —--— thời gian bật xung, thời gian tat xung, cường độ dòng điện và nồng độ bot titan. Két qua nghiên cứu chỉ ra rằng dòng điện, vật liệu điện cực và nồng độ bột là những 21 thông số quan trọng nhất ảnh hưởng đến MRR.

Nong d6 bét 20 g/l lam tang MRR lên 42,1%, so với gia công không bột. Hơn nữa, giá trị tối ưu của MRR được xác định là 45,734 mm3 / phút [9]. - Trong [10] da tiến hành khảo sát do nham bề mat, tốc độ loại bỏ vật liệu và khả năng chống ăn mòn trong PMEDM vật liệu đa kim y-TIÄI. Kết quả của nghiễn cứu này cũng cho thấy, khả năng chống ăn mòn của các mẫu được gia công bằng điện cực graphite và crôm gấp khoảng hai đến ba lần so với mẫu khi gia công EDMI không.

1 x ⁄ Trone_[111 da trình bày kết quả nehiên cứu. tốLưu-bóa tham số.- + _“ ¥ tách vật liệu (MRR) va d6 nhám bê mặt (SR) khi PMEDM thép EN-8. Trong nghiên cứu này, phương pháp bề mặt đáp ứng (RSM) đã được sử dụng để lập kế hoạch và phân tích các thí nghiệm. Dòng điện trung bình, chu kỳ làm việc, đường kính điện cực và nồng độ bột micro-niken cho vào chất lỏng điện môi của EDM đã được chọn làm các thông số đầu vào để nghiên cứu PMEDM về MRR và SR.

Loại vật liệu này được sử dụng rộng rãi làm vật liệu đúc kim loại hình thành, rèn, đúc ép và đúc áp lực cao. Phương pháp bề mặt đáp ứng (RSM) đã được sử dụng để lập kế hoạch và phân tích các thí nghiệm. Kích thước, tính chất của bột và loại dung dịch điện môi đóng vai trò quan trọng khi PMEDM [13]. Kết quả nghiên cứu cũng cho thấy việc trộn bột nano C vào dung ~ —— dịch điện môi đã làm tăng đáng kể kích thước khe hở-phóng điện, năng suất.giacông ——-—| độ cứng tế vi và độ bền mài mòn của bề mặt gia công, đồng thời lượng mòn điện cực giảm.

Kích thước, đặc trưng của bột và loại dung dịch điện môi đóng vai trò quan trọng trong PMEDM [13]. Kết quả nghiên cứu trong [5] cho thấy kích thước khe hở phóng điện phụ thuộc vào nồng độ bột, kiểu bột và các thông số công nghệ khác. Theo đó, tăng nồng độ bột làm kích thước khe hở phóng điện tăng theo. Tuy nhiên, nồng độ bột tăng quá giới hạn cho phép sẽ làm kích thước khe hở không tăng --=—mà có thể làm xuấthiện các hiện tượng: Ngắn mạch, sụt áp, dung môi bị quá nhiệt.

Kích thước bột là thông số có ảnh hưởng lớn đến quá trình PMEDM. Nó không chỉ 22 ảnh hướng đến tốc độ bóc tách vật liệu, độ mòn điện cực, độ nhám bề mặt gia công mà còn ảnh hưởng đến chiều dày lớp bề mặt bị thay đổi do nhiệt xung gây ra [14]. Ảnh hưởng của các loại bột khác nhau đến quá trình gia công cũng đã được đề cập đến trong [4]. Thêm vào đó, mức độ sử dụng các loại dung dịch điện mỗi như dâu xung, nước khử ion, hỗn hợp khí ga và dầu khi PMEDM cũng đã được khảo sái - trong [6].

chất cơ lý của bề mặt gia công [4]. Nó làm tăng độ bền mòn và khả năng chống oxi ¬^a-a Hiên Thị Ae ot A TAL cy A DAABR Dee ei A AD 1< bề mặt có độ bền mòn cao hơn so với gia công bằng EDM [15].Kếtuậnchương2—————————————————————————————— Từ các phân tích nêu trên, việc trộn bột nano vào dung dịch điện môi khi xung cho phép khắc phục được một số nhược điểm của gia công xung điện, nâng cao được OS năng suất và tăng chất lượng bề mặt gia công. Vì những lý do đó, cho đến nay nghiên cứu về gia công xung điện sử dụng điện môi có trộn hạt nano đã và đang trở thành MES ee mục tiêu của nhiều nghiên cứu. Tuy nhiên, nghiên cứu về PMEDM khi xung các chỉ tiết gia công có dạng trụ định hình hiện còn chưa có nhiều công công bố.

Trên thực tế, có nhiều chỉ tiết ở dạng trụ định hình như chày dập thuốc viên định hình, chày đột lễ thép tấm định hình vv. Các chỉ tiết này thuộc dạng chỉ tiết khó gia công, đặc biệt khi chúng có hình đáng bất kỳ hay còn gọi là có biên dạng ———định hình (như chày dập thuốc viên hình Đô-rê-monz hình khúc xương;chày đột lỗ ——==—} thép hình các loại vv. Các chỉ tiết dạng nay cho đến nay trên thế giới thường được gia công bằng phương pháp phay tốc độ siêu cao (micro milling). Ở nước ta các chỉ tiết này thường được gia công bằng phương pháp nguội nên năng suất và chất lượng gia công thấp.

Do vậy, gia công bằng phương pháp xung định hình ngược (xung tạo ra chỉ tiết gia công có dạng trụ định hình - như trên đã nêu) là một hướng khả thi cao. Đặc biệt, năng suất và chất lượng xung loại chi tiết này có thé duoc cải thiện tốt —— Tiếu sử dụng PMEDM. ——” Gần đây, ở nước ta đã có một vài nghiên cứu về xung định hình ngược để gia công chày dập viên định hình với việc sử dụng điện cực bằng đồng [16] và điện cực graphite [17]. Tuy nhiên, như đã nêu, cho đến nay chưa có nghiên cứu nào về ¬ ——PMEDMI khi xung chỉ tiết trụ có biên đạng định hình làm bằng vật liệu là thép dụng Ce + ggg _.

foe ee pe ÒỎ cụ SKDIT với dung dịch điện mỗi có trộn bột nano. Chính vi thể, việc nghiễn cứu” Tối ưu hóa quá trình gia công xung điện chỉ tiết trụ có biên dạng định hình làm bằng thép SKDII với dung dịch có trộn bột " là cấp thiết. og NN ` tf Chuong 3 THUC NGHIEM XAC BINH ANH HUONG CUA CAC THONG SO CONG NGHE DEN ĐỘ NHAM BE MAT KHI XUNG THEP SKD11 SU DUNG DUNG DICH DIEN MOI TRON BOT SiC 3. Mục đích thí nghiệm - Xác định được ảnh hưởng của các thông số công khi xung đến độ nhám bề mặt chỉ tiệt gia công khi xung thép SKDI 1! sử dụng dung dịch điện môi trộn bột S¡C.