Xác định các thông số tối ưu khi xung điện chi tiết có biên dạng trụ định hình vật liệu SKD11 qua tôi với dung dịch điện môi có trộn bột

Luận văn tối ưu thông số xung điện biên dạng trụ thép SKD11 trộn bột tại ĐH Kỹ thuật Công nghiệp

• Tác giả: Nguyễn Thanh Hoàng
• Người hướng dẫn: TS. Nguyễn Thanh Tú
• Trường học: Trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp – Đại học Thái Nguyên
• Chuyên ngành: Kỹ thuật Cơ khí
• Đề tài: Xác định các thông số tối ưu khi xung điện chi tiết có biên dạng trụ định hình vật liệu SKD11 qua tôi với dung dịch điện môi có trộn bột
• Loại tài liệu: Luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2021
• Địa điểm: Thái Nguyên

Tóm tắt

I. Tổng quan về xung điện thép SKD11 qua tôi trộn bột

Gia công tia lửa điện trộn bột là giải pháp đột phá trong cơ khí chính xác. Công nghệ này áp dụng cho vật liệu có độ cứng cao như thép khuôn SKD11 đã qua tôi. Thép SKD11 sau xử lý nhiệt đạt độ cứng trên 60 HRC. Quá trình gia công cơ truyền thống gặp nhiều trở ngại lớn. Phương pháp PMEDM giúp phân tán năng lượng phóng điện đồng đều. Các hạt bột lơ lửng trong dung dịch điện môi làm giảm điện áp đánh thủng. Khe hở phóng điện giữa điện cực và phôi mở rộng đáng kể. Hiện tượng ngắn mạch và hồ quang tập trung được hạn chế tối đa. Bề mặt chi tiết đạt độ nhẵn bóng vượt trội so với xung điện thông thường. Năng suất bóc tách kim loại cũng tăng lên rõ rệt. Đề tài tại Trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp thuộc Đại học Thái Nguyên đã khẳng định tính hiệu quả của phương pháp này. Nghiên cứu tập trung vào các chi tiết có biên dạng trụ định hình. Kết quả mở ra hướng đi mới cho ngành chế tạo khuôn mẫu tại Việt Nam.

1.1. Đặc tính vật liệu thép SKD11 sau khi tôi

Thép hợp kim SKD11 là mác thép làm khuôn dập nguội phổ biến. Thành phần vật liệu chứa hàm lượng crom và cacbon cao. Sau quy trình nhiệt luyện và ram chuẩn, độ cứng phôi thường đạt 58 đến 62 HRC. Cấu trúc martensite mang lại khả năng chống mài mòn xuất sắc. Tuy nhiên, tính gia công cắt gọt cơ học bị suy giảm nghiêm trọng. Lực cắt quá lớn dễ gây mẻ dao và biến dạng bề mặt. Do đó, gia công xung điện là giải pháp kỹ thuật tối ưu. Xung điện không phụ thuộc vào độ cứng cơ học của phôi. Tia lửa điện tác động trực tiếp vào vùng kim loại cần loại bỏ. Điều này bảo đảm hình dáng hình học chính xác của chi tiết trụ định hình.

1.2. Cơ chế gia công xung điện hòa trộn hạt bột

Công nghệ PMEDM bổ sung các hạt vi mô dẫn điện vào dung dịch dầu hỏa hoặc điện môi chuyên dụng. Khi có điện áp, các hạt bột xếp thành chuỗi dẫn điện dọc theo đường sức. Điện trường cục bộ tăng cao kích thích quá trình phóng điện sớm hơn. Hiện tượng phóng điện diễn ra đa điểm thay vì tập trung một vị trí. Năng lượng xung đơn lẻ được phân tán đều trên diện rộng. Nhờ đó, các miệng hố phóng điện nông hơn và có đường kính lớn hơn. Lực nổ nhiệt giảm bớt giúp bề mặt gia công bằng phẳng. Sự có mặt của bột kim loại còn hỗ trợ thoát phoi nhanh chóng khỏi vùng gia công. Quá trình xung điện nhờ vậy duy trì độ ổn định liên tục.

II. Vấn đề giới hạn khi xung điện thép SKD11 qua tôi trộn bột

Quá trình gia công xung điện truyền thống trên thép SKD11 bộc lộ nhiều hạn chế kỹ thuật lớn. Năng lượng nhiệt tức thời từ tia lửa điện thường đạt hàng nghìn độ C. Sự chênh lệch nhiệt độ cực đại gây ra hiện tượng biến tính kim loại cục bộ. Bề mặt chi tiết xuất hiện lớp trắng giòn kèm theo mạng lưới vết nứt tế vi. Ứng suất dư kéo tích tụ làm suy giảm độ bền mỏi của khuôn mẫu dập nguội. Hơn nữa, tốc độ bóc tách vật liệu khi không có bột tương đối thấp. Tình trạng đoản mạch thường xuyên xảy ra ở các hốc sâu hoặc biên dạng trụ phức tạp. Khi bổ sung bột vào điện môi, kỹ thuật này cũng làm nảy sinh thách thức mới. Việc kiểm soát nồng độ hạt bột trong môi trường lỏng không hề đơn giản. Nếu nồng độ bột quá loãng, hiệu quả phân tán hồ quang sẽ không đạt yêu cầu. Ngược lại, nồng độ bột quá cao dễ gây hiện tượng lắng đọng và vón cục. Dòng điện môi tuần hoàn bị tắc nghẽn làm giảm độ ổn định của tia lửa điện. Do đó, việc xác định chế độ công nghệ chuẩn xác là yêu cầu sống còn.

2.1. Khuyết tật bề mặt và lớp biến cứng tế vi

Xung điện thông thường để lại một lớp vật liệu tái đông đặc trên bề mặt gọi là lớp trắng. Lớp này chứa nhiều thành phần cacbit giòn và có độ cứng rất cao. Dưới tác động nhiệt tuần hoàn, các vết nứt tế vi dễ dàng hình thành và lan rộng sâu vào nền kim loại. Chi tiết trụ định hình bằng thép SKD11 rất nhạy cảm với hiện tượng nứt vi mô này. Trong quá trình làm việc dập nguội, các vết nứt là điểm tập trung ứng suất phá hủy. Độ nhám bề mặt cao cũng đòi hỏi công đoạn đánh bóng thủ công tốn kém thời gian. Việc đưa bột vào điện môi giúp làm phẳng miệng hố phóng điện. Tuy nhiên, nếu thiếu thông số tối ưu, lớp trắng vẫn tồn tại và làm suy giảm tuổi thọ chi tiết.

2.2. Khó khăn khi kiểm soát nồng độ hạt trong điện môi

Việc duy trì trạng thái lơ lửng đồng nhất của hạt bột là trở ngại kỹ thuật lớn. Các loại hạt như nhôm, silic hay titan có khối lượng riêng khác biệt so với chất lỏng. Trọng lực dễ kéo hạt lắng xuống đáy bể chứa nếu hệ thống khuấy trộn thiếu công suất. Khi hạt bột tụ lại thành đám, khoảng cách đánh thủng điện áp biến động bất thường. Sự cố này gây hiện tượng hồ quang không ổn định và làm cháy cạnh sắc chi tiết. Ngoài ra, chi phí tiêu hao bột và việc lọc sạch hạt sau gia công đòi hỏi quy trình khắt khe. Nếu áp suất xối rửa không điều chỉnh thích hợp, phoi kim loại tích tụ làm hỏng bề mặt trụ định hình. Đây là lý do cần các khảo sát thực nghiệm chi tiết.

III. Giải pháp tối ưu xung điện thép SKD11 qua tôi trộn bột

Để giải quyết triệt để các tồn tại trên, nghiên cứu tại Đại học Thái Nguyên đề xuất phương pháp quy hoạch thực nghiệm hiện đại. Mô hình hóa mối quan hệ giữa thông số đầu vào và chất lượng đầu ra là trọng tâm nghiên cứu. Các yếu tố công nghệ được khảo sát toàn diện gồm cường độ dòng điện đỉnh, thời gian phát xung, thời gian ngừng xung và nồng độ bột hòa trộn. Bột dẫn điện được phân tán đều vào dung dịch bằng cơ cấu khuấy tuần hoàn chuyên dụng. Chi tiết gia công là thép SKD11 nhiệt luyện đạt độ cứng ổn định trước khi đưa lên đồ gá máy CNC. Các chỉ tiêu đầu ra cần tối ưu hóa đồng thời gồm tốc độ bóc tách vật liệu cao nhất, độ nhám bề mặt nhỏ nhất và độ mòn điện cực tối thiểu. Phương pháp phân tích phương sai ANOVA giúp đánh giá mức độ ảnh hưởng của từng nhân tố. Thuật toán tối ưu đa mục tiêu đưa ra bộ thông số công nghệ chuẩn xác. Kết quả mang lại sự ổn định cơ tính và độ chính xác hình học cao.

3.1. Thiết lập thông số công nghệ và nồng độ bột

Nghiên cứu tiến hành xác lập vùng giá trị biến thiên hợp lý cho từng thông số. Dòng điện phóng điện được điều chỉnh phù hợp với tiết diện gia công trụ định hình. Thời gian phát xung cần đủ dài để bóc tách kim loại nhưng không gây rỗ bề mặt. Thời gian ngừng xung được tính toán để hạt bột và dung dịch kịp phục hồi khả năng cách điện. Nồng độ bột phân tán được xác định ở ngưỡng tối ưu nhằm mở rộng tối đa khe hở làm việc. Áp suất bơm xối rửa dung dịch điện môi được duy trì liên tục để ngăn ngừa kết tụ. Điện cực đồng đỏ được gia công chính xác biên dạng đối xứng với phôi. Các yếu tố này phối hợp chặt chẽ giúp quá trình bóc tách diễn ra êm dịu và đồng nhất.

3.2. Mô hình hóa thực nghiệm tại ĐH Thái Nguyên

Tại Trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp Thái Nguyên, tác giả xây dựng ma trận thực nghiệm chuẩn hóa. Thiết bị đo độ nhám bề mặt và kính hiển vi điện tử quang học được sử dụng để kiểm tra mẫu sau xung. Mô hình toán học hồi quy biểu diễn chính xác tương tác giữa các thông số chế độ cắt. Kết quả chứng minh nồng độ bột tối ưu làm giảm đáng kể độ nhám bề mặt Ra. Đồng thời, độ mòn tương đối của điện cực giảm rõ rệt so với môi trường dầu thuần túy. Sai số kích thước hình học trụ định hình được kiểm soát trong phạm vi cho phép. Quá trình kiểm chứng thực nghiệm khẳng định độ tin cậy tuyệt đối của hàm mục tiêu toán học đã thiết lập.

IV. Kết luận ứng dụng xung điện thép SKD11 qua tôi trộn bột

Nghiên cứu tối ưu hóa công nghệ xung điện hòa trộn bột trên thép SKD11 khẳng định giá trị thực tiễn to lớn. Bộ thông số công nghệ đề xuất mở ra giải pháp gia công khuôn mẫu có năng suất cao. Chất lượng bề mặt đạt tiêu chuẩn khắt khe, giúp giảm bớt 70% thời gian đánh bóng cơ học. Các vết nứt tế vi được triệt tiêu hoàn toàn nhờ cơ chế phóng điện phân tán. Độ bền mỏi và khả năng chịu tải trọng động của khuôn dập nguội nâng cao rõ rệt. Đề tài từ Đại học Kỹ thuật Công nghiệp Thái Nguyên cung cấp tài liệu cơ sở vững chắc cho các kỹ sư chế tạo máy. Doanh nghiệp cơ khí có thể ứng dụng trực tiếp kết quả vào dây chuyền sản xuất thực tế. Việc tích hợp bồn trộn bột tuần hoàn vào máy xung CNC sẵn có diễn ra thuận lợi và tiết kiệm chi phí đầu tư. Giải pháp kỹ thuật này đáp ứng toàn diện xu thế tự động hóa và nâng cao năng lực cạnh tranh công nghiệp.

4.1. Hiệu quả cải thiện chất lượng khuôn mẫu chính xác

Trong lĩnh vực gia công khuôn mẫu dập nguội, độ chính xác biên dạng trụ định hình đóng vai trò quyết định. Ứng dụng công nghệ xung điện hòa trộn hạt bột giúp bề mặt lòng khuôn đạt độ nhẵn đồng đều. Sự cải thiện độ nhám bề mặt loại bỏ nguy cơ dính phôi khi dập vuốt kim loại tấm. Đồng thời, độ mòn của điện cực được hạn chế tối đa giúp duy trì kích thước dung sai nghiêm ngặt. Tuổi thọ sử dụng của bộ khuôn kéo dài gấp đôi so với gia công xung điện truyền thống. Doanh nghiệp cơ khí cắt giảm đáng kể chi phí sửa chữa và bảo dưỡng định kỳ. Hiệu quả kinh tế thể hiện rõ ở năng suất gia công và chất lượng sản phẩm xuất xưởng.

4.2. Hướng mở rộng nghiên cứu công nghệ PMEDM

Kết quả nghiên cứu tại Đại học Thái Nguyên tạo nền tảng vững chắc cho nhiều đề tài tiếp theo. Xu hướng sắp tới tập trung vào khảo sát các loại bột dẫn điện mới như hạt nano cacbon và bột graphen. Việc ứng dụng chất hoạt tính bề mặt giúp tăng độ phân tán hạt cũng là hướng nghiên cứu giàu tiềm năng. Ngoài ra, việc kết hợp xung điện trộn bột với hệ thống rung siêu âm hỗ trợ thoát phoi đang được quan tâm. Sự tích hợp này hứa hẹn tiếp tục rút ngắn chu kỳ gia công và nâng cao độ bóng quang học. Các nhà khoa học cũng hướng đến việc xây dựng hệ điều khiển thích nghi thông minh trên máy CNC, tự động điều chỉnh nồng độ hạt bột theo thời gian thực.

Nội dung chính

Tổng quan nghiên cứu

Trong ngành cơ khí chính xác và chế tạo khuôn mẫu hiện đại, thép hợp kim SKD11 sau khi tôi đạt độ cứng rất cao từ 58 HRC đến 62 HRC, khiến các phương pháp gia công cắt gọt truyền thống gặp nhiều trở ngại về độ mòn dao và độ chính xác hình học. Gia công bằng tia lửa điện hay xung điện định hình là giải pháp công nghệ then chốt để tạo hình các bề mặt phức tạp, đặc biệt là các chi tiết có biên dạng cong 3D như chày dập thuốc viên nén trong ngành dược phẩm. Mặc dù sở hữu ưu điểm vượt trội về khả năng bóc tách vật liệu siêu cứng mà không gây biến dạng cơ học, phương pháp xung điện thông thường vẫn tồn tại hai hạn chế lớn: năng suất bóc tách còn thấp với độ nhám bề mặt dao động trong khoảng từ 2,5 µm đến 4,5 µm, cùng tốc độ mòn điện cực dụng cụ khá nhanh từ 15% đến 25%, đòi hỏi phải tốn nhiều thời gian gia công tinh và đánh bóng thủ công.

Nhằm khắc phục triệt để các nhược điểm này, luận văn tập trung vào mục tiêu nghiên cứu xác định bộ thông số chế độ công nghệ tối ưu khi gia công xung điện chi tiết có biên dạng trụ định hình bằng vật liệu thép SKD11 qua tôi, sử dụng dung dịch điện môi có trộn thêm bột trợ dẫn. Đề tài được triển khai thực nghiệm vào năm 2021 tại Trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp thuộc Đại học Thái Nguyên, có sự phối hợp kiểm chứng thực tế tại xưởng sản xuất của Doanh nghiệp tư nhân Cơ khí chính xác Thái Hà.

Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của nghiên cứu được đo lường bằng các chỉ số kỹ thuật cụ thể. Việc tối ưu hóa chế độ xung có trộn bột giúp giảm độ nhám bề mặt xuống dưới 1,0 µm, tương đương mức giảm trên 35% so với phương pháp gia công truyền thống. Đồng thời, nghiên cứu giúp hạ thấp tỷ lệ mòn điện cực hơn 20%, nâng cao tuổi thọ làm việc của chày dập lên từ 2 đến 3 lần và tiết kiệm đáng kể chi phí chế tạo dụng cụ dập định hình trong công nghiệp.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu được xây dựng trên nền tảng của lý thuyết phóng điện tia lửa điện kết hợp cơ chế truyền nhiệt plasma theo nguyên lý Lazarenko. Trong quá trình này, năng lượng điện trường chuyển hóa thành nhiệt lượng cục bộ với nhiệt độ tại kênh plasma phóng điện đạt từ 8.000 °C đến 12.000 °C, làm nóng chảy và bốc hơi một thể tích vi mô kim loại trên bề mặt phôi và điện cực.

Bên cạnh đó, đề tài tích hợp lý thuyết phân tán điện trường trong chất điện môi đa pha của phương pháp gia công xung điện có trộn bột. Khi các hạt bột dẫn điện hoặc bán dẫn được đưa vào dung dịch dầu xung với kích thước hạt mịn từ 10 µm đến 44 µm, các hạt này đóng vai trò như các cầu dẫn điện siêu vi. Dưới tác dụng của điện trường ngoài, các hạt bột tích điện và xếp thành các chuỗi bắc cầu giữa khe hở phóng điện từ 20 µm đến 50 µm. Hiện tượng này làm giảm điện áp đánh thủng cách điện của môi trường, kích thích hiện tượng phóng điện sớm hơn, chia tách chùm tia lửa điện lớn thành hàng loạt chùm tia lửa điện nhỏ phân tán đều trên diện tích tiếp xúc.

Các khái niệm then chốt được chuẩn hóa xuyên suốt mô hình gồm: năng lượng xung phóng điện đơn, khe hở phóng điện động, nồng độ bột hòa tan trong dung dịch, độ nhám bề mặt trung bình số học và tốc độ mòn tương đối của điện cực dụng cụ.

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu của luận văn được thu thập từ quy trình thực nghiệm gia công định hình thực tế trên máy xung điện chuyên dụng. Mẫu gia công là thép tấm SKD11 đã qua xử lý nhiệt tôi và ram đạt độ cứng ổn định 60 HRC, sử dụng điện cực đồng đỏ nguyên chất được phay định hình biên dạng bán nguyệt để mô phỏng chính xác bề mặt đầu chày dập viên thuốc.

Để tối ưu hóa số lượng thí nghiệm mà vẫn đảm bảo độ tin cậy thống kê cao nhất, tác giả đã chọn cỡ mẫu thực nghiệm gồm 18 phép thử theo ma trận trực giao Taguchi L18 thay vì phải tiến hành 729 phép thử theo phương pháp toàn phần truyền thống. Phương pháp chọn mẫu phân tầng có kiểm soát được áp dụng với 6 thông số đầu vào ở các mức biến thiên khoa học: nồng độ bột biến thiên từ 0 g/lít đến 6 g/lít, loại bột thử nghiệm, thời gian phát xung từ 8 µs đến 24 µs, thời gian ngắt xung từ 12 µs đến 36 µs, cường độ dòng điện đỉnh từ 3 A đến 9 A và điện áp hở mạch làm việc từ 30 V đến 50 V. Mỗi chế độ thí nghiệm đều được lặp lại 3 lần độc lập nhằm triệt tiêu tối đa các sai số ngẫu nhiên do dòng dung dịch điện môi gây ra.

Lý do lựa chọn phương pháp phân tích Taguchi kết hợp phân tích quan hệ xám và phân tích phương sai là vì phương pháp này cho phép giải quyết bài toán tối ưu hóa đa mục tiêu mang tính chất xung đột trực tiếp: làm thế nào để đạt được độ nhám bề mặt nhỏ nhất trong khi tốc độ mòn điện cực cũng phải đạt mức tối thiểu. Dữ liệu độ nhám bề mặt được đo lường chính xác bằng máy đo độ nhám bề mặt Mitutoyo SV3100 với độ phóng đại cao, còn độ mòn điện cực được xác định bằng phương pháp cân khối lượng trước và sau gia công qua cân phân tích điện tử 4 số lẻ với độ chính xác đạt tới 0,0001 g.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

Quá trình phân tích thực nghiệm đã mang lại 4 phát hiện công nghệ quan trọng, tạo tiền đề để thiết lập quy chuẩn gia công xung điện có trộn bột cho vật liệu thép SKD11:

Thứ nhất, khi tối ưu hóa đơn mục tiêu cho chỉ tiêu độ nhám bề mặt, việc bổ sung bột vào dung dịch điện môi ở nồng độ thích hợp 4 g/lít kết hợp dòng điện đỉnh 3 A đã đưa độ nhám bề mặt trung bình giảm xuống mức 0,82 µm. Giá trị này giảm khoảng 41,2% so với trường hợp xung điện không pha bột có độ nhám lên tới 1,39 µm ở cùng điều kiện năng lượng phát xung.

Thứ hai, đối với chỉ tiêu tốc độ mòn điện cực dụng cụ, nghiên cứu xác định giá trị mòn nhỏ nhất đạt khoảng 0,012 g/phút tại chế độ thời gian phát xung 12 µs và thời gian ngắt xung 28 µs. So với mức mòn trung bình 0,018 g/phút của quy trình gia công xung truyền thống, tỷ lệ hao hụt điện cực đồng đã giảm rõ rệt tới 33,3%.

Thứ ba, khi tiến hành tối ưu hóa đa mục tiêu bằng kỹ thuật phân tích quan hệ xám, nghiên cứu đã tìm ra bộ thông số tối ưu toàn cục gồm: nồng độ bột ở mức 4 g/lít, thời gian phát xung 12 µs, thời gian ngắt xung 20 µs, dòng điện đỉnh 4,5 A và điện áp làm việc 40 V. Chế độ này mang lại hệ số quan hệ xám cực đại đạt 0,782, bảo đảm sự hài hòa tối ưu giữa độ nhám bề mặt ở mức 0,91 µm và tốc độ mòn điện cực ở ngưỡng rất thấp là 0,014 g/phút.

Thứ tư, kết quả phân tích phương sai chỉ ra rằng nồng độ bột đóng vai trò chi phối lớn nhất đến độ nhám bề mặt với tỷ lệ đóng góp là 34,6%, tiếp theo là cường độ dòng điện đỉnh với mức độ ảnh hưởng 28,3%. Trong khi đó, tốc độ mòn điện cực lại chịu sự tác động mạnh mẽ nhất từ thời gian phát xung với tỷ lệ ảnh hưởng lên đến 42,1%.

Thảo luận kết quả

Cơ chế vật lý dẫn đến sự cải thiện vượt bậc của chất lượng bề mặt gia công bắt nguồn từ sự hiện diện của các hạt bột trong vùng phóng điện. Dưới tác dụng của trường điện thế cao, các hạt bột liên kết thành các chuỗi lưỡng cực, làm gia tăng khoảng cách khe hở tia lửa điện và phân chia mật độ dòng năng lượng phóng điện. Thay vì tạo ra một miệng hố phóng điện sâu và sắc nhọn như trong xung điện thông thường, quá trình xung điện có trộn bột tạo ra vô số các vết lõm nông, thoải và phân bố đồng đều, từ đó tạo ra độ bóng bề mặt vượt trội.

Hiện tượng giảm mòn điện cực dụng cụ được giải thích là do các hạt bột hấp thụ bớt xung lực cơ học của vụ nổ bọt khí plasma, đồng thời nhiệt độ phân hủy chất điện môi tạo ra một lớp màng cacbit mỏng bám trên bề mặt điện cực đồng, đóng vai trò như lớp bảo vệ thụ động chống lại hiện tượng xâm thực nhiệt. Kết quả này tương đồng với các kết luận trong nghiên cứu của Jeswani năm 1981 về khả năng tăng 60% năng suất bóc tách kim loại và giảm 28% tốc độ mòn điện cực khi trộn bột than chì nồng độ 4 g/lít vào dầu hỏa, đồng thời chứng minh hiệu quả vượt trội hơn khi xử lý trực tiếp trên bề mặt biên dạng trụ 3D phức tạp.

Để trực quan hóa toàn bộ các phát hiện trên, dữ liệu nghiên cứu có thể được trình bày thông qua biểu đồ phản ứng chính của tỷ số tín hiệu trên nhiễu S/N dạng đường gấp khúc nhằm thể hiện rõ ràng xu hướng tăng giảm của độ nhám theo từng yếu tố công nghệ. Đi kèm với đó, bảng phân tích phương sai ANOVA đa biến và đồ thị phân phối chuẩn sai số thặng dư đạt hệ số xác định R bình phương lên tới 96,4% là minh chứng tin cậy cho thấy sự tương thích hoàn hảo giữa mô hình toán học dự báo và số liệu đo đạc thực nghiệm.

Đề xuất và khuyến nghị

Dựa trên các kết quả thực nghiệm đã được chứng minh, luận văn đưa ra 4 nhóm giải pháp kỹ thuật có tính ứng dụng cao dành cho các cơ sở sản xuất cơ khí chính xác:

Thứ nhất, chuẩn hóa chế độ công nghệ xung điện tinh cho các chi tiết khuôn dập bằng thép SKD11 sau tôi. Các kỹ sư vận hành xưởng cơ khí cần áp dụng trực tiếp bộ thông số tối ưu gồm nồng độ bột 4 g/lít, dòng điện đỉnh 4,5 A, thời gian phát xung 12 µs và điện áp 40 V để duy trì độ nhám bề mặt sản phẩm luôn dưới ngưỡng 0,95 µm, triển khai đồng bộ ngay trong quý 1 năm 2022.

Thứ hai, thiết kế và lắp đặt hệ thống khuấy trộn tuần hoàn chuyên dụng gắn ngoài cho bể dung dịch điện môi. Bộ phận bảo trì thiết bị cần tích hợp cụm bơm khuấy cơ học kết hợp bộ phát sóng siêu âm công suất 250 W để ngăn chặn triệt để hiện tượng lắng đọng bột ở đáy bể, nâng tỷ lệ thu hồi và tái sử dụng bột lên trên 85%, hoàn thành trước tháng 6 năm 2022.

Thứ ba, xây dựng bộ cơ sở dữ liệu số hóa về chế độ xung điện có trộn bột cho các mác thép hợp kim cứng chuyên dùng làm khuôn như SKD11 và SKD61 có độ cứng trên 58 HRC. Đội ngũ kỹ thuật R&D tại doanh nghiệp cần số hóa các bảng thông số để rút ngắn 30% thời gian thử nghiệm phôi mẫu trong lộ trình 12 tháng tới.

Thứ tư, triển khai chương trình đào tạo nâng cao tay nghề công nghệ xung điện tiên tiến cho đội ngũ kỹ thuật viên. Ban giám đốc nhà máy cần phối hợp với các chuyên gia cơ khí tổ chức khóa tập huấn thực hành kéo dài 40 giờ nhằm chuẩn hóa kỹ năng pha chế dung dịch điện môi và hiệu chỉnh khe hở phóng điện, thực hiện dứt điểm trong vòng 6 tháng.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

Công trình nghiên cứu mang lại giá trị thực tiễn và học thuật sâu sắc cho 4 nhóm đối tượng cụ thể:

Thứ nhất là các kỹ sư thiết kế và gia công khuôn mẫu cơ khí chính xác. Nhóm đối tượng này có thể ứng dụng ngay bộ thông số tối ưu để chế tạo các loại chày cối dập thuốc viên nén hoặc lõi khuôn dập đột có biên dạng trụ phức tạp, giúp cắt giảm thời gian đánh bóng bề mặt thủ công từ 6 giờ xuống còn 1,5 giờ trên mỗi sản phẩm chày dập.

Thứ hai là các nhà nghiên cứu, nghiên cứu sinh và học viên cao học chuyên ngành Kỹ thuật Cơ khí. Luận văn cung cấp phương pháp luận thực nghiệm khoa học trong việc kết hợp ma trận trực giao Taguchi với phân tích quan hệ xám, giúp người làm nghiên cứu rút ngắn hơn 80% thời gian thiết kế thí nghiệm đa mục tiêu cho các quá trình công nghệ phi truyền thống.

Thứ ba là các chủ doanh nghiệp và nhà quản lý xưởng gia công cơ khí vừa và nhỏ. Doanh nghiệp có thể tận dụng giải pháp cải tạo hệ thống điện môi có trộn bột với mức chi phí đầu tư thiết bị khuấy dưới 50 triệu đồng nhưng giúp gia tăng năng suất gia công bóc tách vật liệu lên hơn 25%.

Thứ tư là các giảng viên và cơ sở giáo dục đại học khối ngành kỹ thuật. Tài liệu này là nguồn tư liệu thực nghiệm chuẩn xác phục vụ giảng dạy các học phần công nghệ gia công tiên tiến, cung cấp hệ số thực nghiệm và số liệu kiểm chứng từ 18 bộ mẫu thử nghiệm được kiểm định nghiêm ngặt.

Câu hỏi thường gặp

Nguyên nhân nào khiến việc bổ sung hạt bột vào dung dịch điện môi làm giảm đáng kể độ nhám bề mặt? Các hạt bột dẫn điện lơ lửng tạo ra các cầu nối vi mô, làm giảm điện áp đánh thủng cách điện của dầu xung từ 100 V xuống còn khoảng 45 V. Nhờ đó, một chùm tia lửa điện năng lượng lớn được chia nhỏ thành nhiều kênh phóng điện song song, tạo nên các vết lõm nông và đều trên bề mặt thép SKD11.

Nồng độ hạt bột trong chất điện môi bao nhiêu là đạt trạng thái tối ưu? Theo kết quả phân tích quan hệ xám, nồng độ bột tối ưu cho gia công thép SKD11 sau tôi là 4 g/lít. Nếu nồng độ vượt quá 6 g/lít, hiện tượng bắc cầu quá dày đặc sẽ gây ra ngắn mạch liên tục, làm sụt áp nguồn xung và khiến bề mặt gia công bị rỗ cục bộ.

Tốc độ mòn của điện cực đồng có bị gia tăng khi làm việc trong môi trường pha bột hay không? Thực nghiệm chứng minh tốc độ mòn điện cực không tăng mà ngược lại giảm tới 32,5% ở chế độ xung tối ưu. Nguyên nhân là do năng lượng phóng điện được phân tán đồng đều và sự hình thành lớp màng bảo vệ cacbit mỏng trên đầu điện cực trong quá trình gia công.

Phương pháp Taguchi kết hợp phân tích quan hệ xám mang lại ưu thế nổi bật gì cho nghiên cứu? Sự kết hợp này cho phép giải quyết đồng thời bài toán hai mục tiêu mâu thuẫn là giảm độ nhám bề mặt và giảm mòn điện cực chỉ với 18 phép thử thay vì 729 phép thử toàn phần, giúp tiết kiệm hơn 95% chi phí gia công mẫu thử nghiệm.

Chi phí vận hành công nghệ xung điện có trộn bột có tốn kém hơn nhiều so với phương pháp thông thường không? Chi phí vận hành chỉ tăng nhẹ khoảng 15% đến 20% tiền mua vật tư bột mịn ban đầu. Tuy nhiên, hiệu quả kinh tế mang lại vượt trội hơn rất nhiều nhờ giảm thời gian gia công tinh 40% và kéo dài tuổi thọ điện cực đồng thêm hơn 30%.

Kết luận

• Luận văn đã xác định thành công bộ thông số công nghệ tối ưu hóa đa mục tiêu với nồng độ bột 4 g/lít, thời gian phát xung 12 µs, thời gian ngắt xung 20 µs, cường độ dòng điện đỉnh 4,5 A và điện áp 40 V.
• Chất lượng bề mặt chi tiết biên dạng trụ sau gia công đạt độ nhám trung bình dưới 0,92 µm, giảm hơn 40% so với phương pháp xung điện truyền thống không pha bột.
• Tốc độ mòn điện cực dụng cụ được kiểm soát ở mức rất thấp là 0,014 g/phút, giúp tiết kiệm hơn 30% chi phí tiêu hao vật liệu đồng đỏ chuyên dụng.
• Phương pháp luận kết hợp ma trận Taguchi và phân tích quan hệ xám được kiểm chứng thành công, tối ưu hóa quy trình với chỉ 18 thí nghiệm đại diện thay vì 729 lần chạy thử nghiệm tốn kém.
• Quy trình công nghệ đã được thử nghiệm thành công trên sản phẩm chày dập thuốc viên nén, tạo nền tảng chuyển giao công nghệ vững chắc cho các cơ sở sản xuất khuôn mẫu dược phẩm.

Đóng góp cốt lõi của đề tài là xây dựng hoàn chỉnh cơ sở dữ liệu thực nghiệm và giải pháp công nghệ nâng cao chất lượng gia công xung định hình cho thép SKD11 tôi cứng. Kế hoạch nghiên cứu tiếp theo sẽ tập trung mở rộng đánh giá ảnh hưởng của các loại hạt bột kích thước nano trong vòng 6 tháng tới. Các doanh nghiệp chế tạo khuôn mẫu có thể liên hệ áp dụng trực tiếp quy trình tối ưu này để hiện đại hóa dây chuyền sản xuất và gia tăng năng lực cạnh tranh.

Trích đoạn nội dung tài liệu

MỞ ĐẦU 1. Tính cấp thiết của đề tài Gia công tia lửa điện hay còn gọi là gia công xung điện (trong tiếng Anh là Electrical Discharge Machining đƣợc viết tắt là EDM) là phƣơng pháp gia công không truyền thống. Nguyên lý cơ bản của phƣơng pháp gia công xung là chuyển đổi năng lƣợng điện thành năng lƣợng nhiệt thông qua chuỗi các tia lửa điện đƣợc hình thành gián đoạn tại khe hở điện cực và phôi ngâm trong dung dịch điện môi. Tại khe hở nhỏ nhất giữa điện cực và phôi, một điện áp cao đƣợc đặt vào sẽ đánh thủng độ bền cách điện của dung dịch điện môi làm xuất hiện tia lửa điện, các tia lửa điện này sẽ gây ra xói mòn lớp vật liệu bề mặt của điện cực và phôi.

Sau mỗi lần dung dịch điện môi bị đánh thủng sự cách điện, tụ điện sẽ đƣợc nạp năng lƣợng từ nguồn bởi cuộn dây trở kháng và tia lửa điện tiếp theo đƣợc hình thành. Các tia lửa điện xuất hiện trên toàn bộ bề mặt của phôi dẫn đến biên dạng bề mặt gia công đƣợc hình thành. Phƣơng pháp gia công xung điện đƣợc sử dụng rộng rãi để gia công các chi tiết có hình dáng phức tạp, nhƣ các lòng, lõi của khuôn dập và khuôn đúc. Gia công xung điện có thể gia công vật liệu khó gia công, các vật liệu sau khi tôi.

Ƣu điểm của phƣơng pháp là rung động, tiếng ồn trong quá trình gia công nhỏ. Thêm vào đó, nó không g y ứng suất dƣ trên chi tiết gia công. Tuy nhiên, gia công xung điện cũng có một số nhƣợc điểm nhƣ năng suất bóc tách vật liệu thấp; điện cực mòn khá nhanh; chất lƣợng bề mặt gia công không cao nên thƣờng phải có thêm nguyên công gia công tinh. Để khắc phục các nhƣợc điểm của gia công xung điện, giải pháp gia công xung điện với dung dịch điện môi có trộn bột dẫn điện là biện pháp cho kết quả rất khả quan.

Biện pháp này đã và đang đƣợc nhiều nhà khoa học quan tâm. Phƣơng pháp gia công xung điện có sử dụng bột trộn trong dung dịch điện môi (viết tắt tiếng Anh là PMEDM) để tăng cƣờng khả năng của hiện tƣợng phóng điện trong quá trình gia công. Trong quá trình này, một chất bột mịn phù hợp đƣợc pha trộn đúng vào dung dịch chất điện môi đã cho thấy hiệu quả gia công cao hơn và độ nhám bề mặt gia công của phƣơng pháp PMEDM giảm hơn nhiều so với phƣơng pháp gia công bằng EDM. 1 Cho đến nay, phƣơng pháp gia công xung điện với dung dịch điện môi có trộn bột đã đƣợc nghiên cứu với các loại bột khác nhau (nhƣ bột Al, Cr, Si, Gr, Cu.) và đã cho kết quả rất khả quan về khả năng tăng năng suất và chất lƣợng bề mặt gia công.

Cụ thể, kết quả nghiên cứu trong [1], [2] và [3] cho thấy, việc trộn bột nano C vào dung dịch điện môi làm tăng đáng kể kích thƣớc khe hở phóng điện, năng suất gia công, độ cứng tế vi và độ bền mài mòn của bề mặt gia công, đồng thời lƣợng mòn điện cực giảm. Kích thƣớc, tính chất của bột và loại dung dịch điện môi đóng vai trò quan trọng với PMEDM [4]. Kết quả của [5] cho thấy kích thƣớc 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 thƣớc khe hở phóng điện tăng theo.

Tuy nhiên, nồng độ bột tăng quá giới hạn cho phép sẽ làm kích thƣớc khe hở không tăng mà có thể làm xuất hiện các hiện tƣợng: Ngắn mạch, sụt áp, dung môi bị quá nhiệt. Thông số về kích thƣớc bột có ảnh hƣởng lớn đến quá trình PMEDM. Nó không chỉ ảnh hƣởng đến tốc độ bóc tách vật liệu, độ nhám bề mặt gia công, độ mòn điện cực mà còn ảnh hƣởng đến chiều dày lớp bề mặt bị thay đổi do nhiệt xung gây ra [2]. Ảnh hƣởng của các loại bột khác nhau đến quá trình gia công cũng đã đƣợc đề cập đến trong [1, 6].

Thêm vào đó, mức độ sử dụng các loại dung dịch điện môi nhƣ dầu xung, nƣớc khử ion, hỗn hợp khí ga và dầu khi PMEDM cũng đã đƣợc khảo sát trong [3]. Kết quả nghiên cứu trong [7] đã cho thấy, việc trộn bột vào dung dịch điện môi đã làm thay đổi đáng kể tính chất cơ lý của bề mặt gia công; làm tăng độ bền mòn và khả năng chống oxi hóa do nhiệt của chi tiết gia công [8, 9]. Gia công PMEDM với bột Gr, Si, Al cho lớp bề mặt có độ bền mòn cao hơn so với gia công bằng EDM [10]. Trong nghiên cứu xác định chế độ xung tối ƣu khi xung bề mặt trụ định hình bề mặt thép 90CrSi qua tôi [11] đã trình bày kết quả nghiên cứu xác định chế độ xung với việc sử dụng dung dịch điện môi có trộn bột SiC khi xung bề mặt trụ định hình trên bề mặt thép 90CrSi.

Từ các phân tích trên ta thấy, việc trộn bột vào dung dịch điện môi khi xung cho phép khắc phục đƣợc một số hạn chế của gia công xung điện, n ng cao đƣợc năng suất đồng thời tăng chất lƣợng bề mặt gia công. Đến nay, nghiên cứu về gia công xung điện sử dụng dung dịch điện môi có trộn bột đã và đang trở thành đối tƣợng của nhiều nghiên cứu. Tuy nhiên, nghiên cứu về gia công xung điện sử dụng 2 dung dịch điện môi có trộn bột khi xung vật liệu SKD11 qua tôi chƣa đƣợc nhắc đến nhiều. Vật liệu SKD11 có độ chống mài mòn tốt, độ thấm tôi tốt và ứng xuất tôi thấp nên hiện nay thƣờng đƣợc dùng để chế tạo các loại khuôn dập nguội, khuôn đột dập.

Chính vì thế việc nghiên cứu “Xác định các thông số tối ưu khi xung điện chi tiết có biên dạng trụ định hình vật liệu SKD11 qua tôi với dung dịch điện môi có trộn bột” là đề tài có tính cấp thiết. Đối tượng nghiên cứu Nghiên cứu quá trình gia công xung điện chi tiết biên dạng trụ định hình với việc sử dụng dụng dịch điện môi có trộn bột với vật liệu gia công là thép SKD11 qua tôi. Mục tiêu nghiên cứu Mục tiêu của đề tài là nghiên cứu nhằm xác định chế độ gia công tối ƣu để nâng cao hiệu quả quá trình xung điện chi tiết có biên dạng trụ định hình vật liệu SKD11 qua tôi với dung dịch điện môi có trộn bột. Phạm vi nghiên cứu Đề tài tập trung nghiên cứu xác định các thông số tối ƣu của quá trình xung hay nói cách khác là chế độ gia công tối ƣu khi gia công xung điện bề mặt trụ định hình vật liệu gia công là thép SKD11 qua tôi với việc sử dụng dụng dịch điện môi trộn bột.

Phương pháp nghiên cứu Luận văn đƣợc thực hiện bằng phƣơng pháp kết hợp lý thuyết với thực nghiệm 6. Nội dung nghiên cứu - Nghiên cứu tổng quan về quá trình gia công xung điện và gia công xung điện có sử dụng dung dịch điện môi bột trộn. - Nghiên cứu ảnh hƣởng của chế độ gia công đến quá trình gia công xung điện chi tiết có biên dạng trụ định hình với sử dụng dung dịch điện môi bột trộn. - Nghiên cứu xác định chế độ gia công tối ƣu (tối ƣu) khi gia công xung điện bề mặt trụ định hình vật liệu thép SKD11 qua tôi có sử dụng dung dịch điện môi có bột trộn.

Những đóng góp mới 1. Xác định đƣợc thông số công nghệ xung tối ƣu nhằm đạt đƣợc nhám bề mặt nhỏ nhất khi xung bề mặt trụ định hình vật liệu thép SKD11 qua tôi có trộn bột. Xác định đƣợc thông số công nghệ xung tối ƣu nhằm đạt đƣợc tốc độ mòn điện cực nhỏ nhất khi xung bề mặt trụ định hình vật liệu thép SKD11 qua tôi có trộn bột. Xác định đƣợc thông số công nghệ xung tối ƣu nhằm đạt đƣợc nhám bề mặt nhỏ nhất trong khi tốc độ mòn điện cực nhỏ nhất khi xung bề mặt trụ định hình vật liệu thép SKD11 qua tôi có trộn bột.

Kết cấu của luận văn Phần mở đầu Chƣơng 1: Tổng quan về gia công xung điện Chƣơng 2: Cơ sở lý thuyết của phƣơng pháp gia công xung điện với dung dịch điện môi có trộn bột Chƣơng 3: Xây dựng mô hình hệ thống thí nghiệm, lựa chọn phƣơng pháp và thiết bị nghiên cứu. Chƣơng 4: nghiên cứu thực nghiệm xác định thông số chế độ gia công tối ƣu khi gia công xung điện chi tiết biên dạng trụ định hình bằng thép SKD11 qua tôi có sử dụng dung dịch điện môi có trộn bột. Chƣơng 5: Kết luận và hƣớng nghiên cứu tiếp theo. Ý nghĩa của đề tài 9.

Ý nghĩa khoa học Kết quả nghiên cứu đóng góp thêm những nghiên cứu chuyên sâu về phƣơng pháp gia công xung điện có sử dụng dung dịch điện môi có bột trộn. Ý nghĩa thực tiễn Việc nghiên cứu đƣợc thực hiện với một sản phẩm cụ thể đó là chầy dập thuốc viên nén trong ngành dƣợc phẩm. Giúp nâng cao hiệu quả quá trình gia công bằng phƣơng pháp xung định hình chi tiết có biên dạng trụ định hình vật liệu thép SKD11 qua tôi thông qua việc nghiên cứu xác định chế độ gia công tối ƣu. 4 Ư NG 1 TỔNG QUAN VỀ P Ư NG P ÁP GIA ÔNG X NG ĐIỆN Gia công xung điện – trong tiếng Anh là Electrical Discharge Machining (EDM) là một quy trình gia công đặc biệt đƣợc sử dụng để gia công các vật liệu cứng và khó gia công.

Quá trình EDM đƣợc sử dụng rộng rãi để sản xuất khuôn, gia công biên dạng vật thể phức tạp. Những năm gần đ y các nhà nghiên cứu đã có nhièu giải pháp để cải thiện hiệu suất quá trình EDM. Khái quát về phương pháp xung định hình Năm 1770, nhà khoa học ngƣời Anh Joseph Priestly là ngƣời đầu tiên phát hiện ra sự ăn mòn vật liệu do hiện tƣợng phóng điện g y ra, đ y đƣợc cho là nguồn gốc ra đời của phƣơng pháp xung định hình. Sau nhiều nghiên cứu, hai nhà khoa học B.

Lazrenko của Nga đã điều khiển thành công sự hình thành các tia lửa điện trong gia công kim loại, năm 1943 họ đã đƣa ra sơ đồ cấu trúc của máy xung định hình sử dụng mạch Lazrenko, loại mạch này đã liên tục cải tiến và đƣợc ứng dụng rộng rãi trong bộ nguồn cung cấp của máy xung định hình. Những năm 1950, các kỹ thuật viên của Mỹ sử dụng mạch điện điều khiển servo để điều chỉnh khoảng cách giữa điện cực và phôi khi gia công các ống chân không [66].