Luận án Nghiên cứu ảnh hưởng của một số thông số công nghệ đến quá trình gia công tia lửa điện bề mặt trụ ngoài thép 90CrSi với dung dịch điện môi trộn bột Nano SiC

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ CÔNG THƯƠNG VIỆN NGHIÊN CỨU CƠ KHÍ Nguyễn Mạnh Cường NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA MỘT SỐ THÔNG SỐ CÔNG NGHỆ ĐẾN QUÁ TRÌNH GIA CÔNG TIA LỬA ĐIỆN BỀ MẶT TRỤ NGOÀI THÉP 90CrSi VỚI DUNG DỊCH ĐIỆN MÔI TRỘN BỘT NANO SiC NGÀNH: KỸ THUẬT CƠ KHÍ MÃ SỐ: 9520103 LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT Hà Nội - 2023 2 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ CÔNG THƯƠNG VIỆN NGHIÊN CỨU CƠ KHÍ NGUYỄN MẠNH CƯỜNG NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA MỘT SỐ THÔNG SỐ CÔNG NGHỆ ĐẾN QUÁ TRÌNH GIA CÔNG TIA LỬA ĐIỆN BỀ MẶT TRỤ NGOÀI THÉP 90CrSi VỚI DUNG DỊCH ĐIỆN MÔI TRỘN BỘT NANO SiC Ngành: Kỹ thuật Cơ khí Mã số: 9520103 LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT Người hướng dẫn khoa học: 1. PGS.TS. Vũ Ngọc Pi 2. PGS.TS. Lê Thu Quý Hà Nội - 2023 i LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan toàn bộ những nội dung được trình bày trong luận án này được nghiên cứu bởi bản thân tôi dưới sự hướng dẫn khoa học của Thầy PGS.TS. Vũ Ngọc Pi và Thầy PGS.TS. Lê Thu Quý. Trừ những phần tham khảo đã được ghi rõ trong luận án, các số liệu, kết quả nêu trong luận án là trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác. Hà Nội, ngày tháng năm 2023 Người hướng dẫn 1 PGS.TS. Vũ Ngọc Pi Nghiên cứu sinh Nguyễn Mạnh Cường Người hướng dẫn 2 PGS.TS. Lê Thu Quý ii LỜI CẢM ƠN Để hoàn thành Luận án Tiến sĩ này, ngoài sự cố gắng nỗ lực của bản thân, tôi đã nhận được sự động viên và giúp đỡ rất lớn của nhiều thầy giáo, cô giáo và tập thể nghiên cứu khoa học. Trước tiên, tôi xin được bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới tập thể người hướng dẫn khoa học PGS.TS. Vũ Ngọc Pi và PGS.TS. Lê Thu Quý, những người thầy đã tận tình hướng dẫn, định hướng nghiên cứu, đào tạo và chỉ bảo tôi trong suốt quá trình nghiên cứu. Tôi xin trân trọng cảm ơn lãnh đạo Viện Nghiên cứu Cơ khí và Trung tâm Đào tạo thuộc Viện Nghiên cứu Cơ khí cũng như Ban giám hiệu, Ban chủ nhiệm khoa Cơ khí của Trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp, Đại học Thái Nguyên đã tạo mọi điều kiện thuận lợi cho tôi trong suốt quá trình học tập, hoàn thành luận án. Để có được những kết quả như ngày hôm nay, tôi xin trân trọng cảm ơn sự giúp đỡ nhiệt tình của cán bộ, công nhân của Doanh nghiệp tư nhân Cơ khí chính xác Thái Hà và Công ty cổ phần Phụ tùng Máy số 1, trung tâm Thí nghiệm thực hành khoa Cơ khí, trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp đã giúp đỡ tôi hoàn thành các công việc liên quan đến thí nghiệm, thực nghiệm và đo đạc. Tôi muốn cảm ơn sự hỗ trợ giúp đỡ vô tư của bạn bè, đồng nghiệp tại Bộ môn Cơ sở Thiết kế máy và Robot, khoa Cơ khí, Trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp Thái Nguyên đã dành những điều kiện thuận lợi để tôi hoàn thành luận án của mình. Cuối cùng tôi gửi lời cảm ơn và biết ơn sâu sắc tới gia đình, những người đã luôn động viên, chia sẻ giúp đỡ tôi về mặt tinh thần trong suốt thời gian qua. Hà Nội, ngày tháng năm 2023 Nghiên cứu sinh Nguyễn Mạnh Cường Nguyễn Mạnh Cường iii MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN ....................................................................................................... i LỜI CẢM ƠN ............................................................................................................ ii MỤC LỤC ............................................................................................................... iii DANH MỤC KÝ HIỆU, CHỮ CÁI VIẾT TẮT ..................................................... vii DANH MỤC HÌNH VẼ ........................................................................................... ix DANH MỤC BẢNG BIỂU ..................................................................................... xii PHẦN MỞ ĐẦU ....................................................................................................... 1 1. Tính cấp thiết của đề tài ......................................................................................... 1 2. Đối tượng, mục tiêu nghiên cứu của đề tài ............................................................ 4 2.1. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu ...................................................................... 4 2.2. Mục tiêu nghiên cứu ........................................................................................... 5 3. Phương pháp nghiên cứu ....................................................................................... 6 4. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài ............................................................... 6 4.1. Ý nghĩa khoa học ................................................................................................ 6 4.2. Ý nghĩa thực tiễn ................................................................................................ 7 4.3. Những đóng góp mới của luận án ....................................................................... 7 5. Bố cục của luận án ................................................................................................. 8 CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ PHƯƠNG PHÁP GIA CÔNG BẰNG TIA LỬA ĐIỆN .......................................................................................................................... 9 1.1. Phương pháp gia công bằng tia lửa điện ............................................................ 9 1.1.1. Lịch sử phát triển ............................................................................................. 9 1.1.2. Nguyên lý gia công tia lửa điện ..................................................................... 10 1.1.3. Các dạng của gia công bằng tia lửa điện ....................................................... 12 1.2. Ưu nhược điểm của gia công tia lửa điện ......................................................... 15 1.3. Các thông số công nghệ của gia công xung điện ............................................. 16 iv 1.4. Năng suất, chất lượng bề mặt và độ chính xác gia công .................................. 19 1.5. Phương pháp gia công tia lửa điện có trộn bột - PMEDM ............................... 22 1.6. Tổng quan tình hình nghiên cứu về EDM và PMEDM ................................... 24 1.6.1. Tình hình nghiên cứu trong nước .................................................................. 24 1.6.2. Tình hình nghiên cứu về EDM và PMEDM trên thế giới ............................. 26 Kết luận chương 1 .................................................................................................... 37 CHƯƠNG 2. MÔ HÌNH THỰC NGHIỆM GIA CÔNG TIA LỬA ĐIỆN CÓ TRỘN BỘT TRONG DUNG DỊCH ĐIỆN MÔI CHI TIẾT TỪ THÉP 90CrSi QUA TÔI VÀ XÂY DỰNG HỆ THỐNG THÍ NGHIỆM ....................................................... 39 2.1. Mô hình nâng cao hiệu quả quá trình PMEDM ............................................... 39 2.1.1. Sơ đồ và cơ sở của nghiên cứu quá trình gia công tia lửa điện có trộn bột .. 39 2.1.2. Chọn thông số đầu vào .................................................................................. 40 2.2. Hệ thống thí nghiệm ......................................................................................... 41 2.2.1. Máy xung điện ............................................................................................... 42 2.2.2. Phôi thí nghiệm .............................................................................................. 43 2.2.3. Điện cực thí nghiệm ....................................................................................... 44 2.2.4. Bột trộn vào dung dịch điện môi ................................................................... 45 2.2.5. Dung dịch điện môi ....................................................................................... 46 2.2.6. Bể chứa dung dịch điện môi .......................................................................... 47 2.2.7. Thông số về điện ............................................................................................ 48 2.2.8. Thông số và nồng bột SiC trộn vào dung dịch điện môi ............................... 48 2.3. Thiết bị đo, kiểm tra.......................................................................................... 48 2.3.1. Cân điện tử ..................................................................................................... 48 2.3.2. Máy đo độ nhám bề mặt gia công ................................................................. 49 2.3.3. Máy đo tọa độ CMM ..................................................................................... 50 2.3.4. Kính hiển vi điện tử quét (SEM/EDX) Jeol JMS 6490 ................................. 51 Kết luận chương 2 .................................................................................................... 51 v CHƯƠNG 3. NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM ẢNH HƯỞNG CỦA CÁC THÔNG SỐ CÔNG NGHỆ ĐẾN ĐỘ NHÁM BỀ MẶT, NĂNG SUẤT BÓC TÁCH VÀ ĐỘ MÒN ĐIỆN CỰC KHI GIA CÔNG XUNG ĐIỆN THÉP 90CrSi VỚI DUNG DỊCH ĐIỆN MÔI CÓ TRỘN BỘT SiC ............................................................................ 53 3.1. Đặt vấn đề ......................................................................................................... 53 3.2. Thí nghiệm ........................................................................................................ 53 3.2.1. Mục đích thí nghiệm ...................................................................................... 53 3.2.2. Thiết kế thí nghiệm ........................................................................................ 53 3.2.3. Tiến hành thí nghiệm ..................................................................................... 57 3.3. Kết quả và nhận xét .......................................................................................... 60 3.3.1. Ảnh hưởng của các thông số đầu vào quá trình xung đến độ nhám bề mặt .. 60 3.3.2. Ảnh hưởng của các thông số đầu vào quá trình xung đến năng suất bóc tách vật liệu ...................................................................................................................... 72 3.3.3. Ảnh hưởng của các thông số đầu vào quá trình xung đến tốc độ mòn điện cực ............................................................................................................................ 81 Kết luận chương 3 .................................................................................................... 91 CHƯƠNG 4. TỐI ƯU HÓA ĐA MỤC TIÊU CÁC THÔNG SỐ CÔNG NGHỆ KHI XUNG THÉP 90CrSi QUA TÔI VỚI DUNG DỊCH ĐIỆN MÔI CÓ TRỘN BỘT NANO SiC ............................................................................................................... 93 4.1. Đặt vấn đề ......................................................................................................... 93 4.2. Khái quát về phương pháp Taguchi và phân tích quan hệ xám ....................... 93 4.3. Tối ưu đa mục tiêu khi xung bề mặt trụ định hình với dung dịch điện môi có trộn bột bằng phương pháp Taguchi và phân tích quan hệ xám ............................. 94 4.3.1. Xây dựng cơ sở dữ liệu dưới dạng mảng trực giao ....................................... 94 4.3.2 Phân tích quan hệ xám .................................................................................... 95 Kết luận chương 4 .................................................................................................. 105 KẾT LUẬN CHUNG VÀ HƯỚNG NGHIÊN CỨU TIẾP THEO ...................... 107 vi 1. Kết luận chung ................................................................................................... 107 2. Hướng nghiên cứu tiếp theo .............................................................................. 108 DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH KHOA HỌC ĐÃ CÔNG BỐ ....................... 110 TÀI LIỆU THAM KHẢO ..................................................................................... 111 PHỤ LỤC .............................................................................................................. 119 vii DANH MỤC KÝ HIỆU, CHỮ CÁI VIẾT TẮT EDM – Electrical discharge machining Gia công bằng tia lửa điện CNC - Computer Numerical Control Điều khiển số bằng máy tính PMEDM – Powder mixed electrical discharge machining Gia công bằng tia lửa điện có trộn bột vào dung dịch điện môi WEDM– Wire Electrical discharge machining Gia công bằng cắt dây tia lửa điện EDG - Electrical Discharge Grinding Mài xung điện MRS – Material removal speed Tốc độ bóc tách vật liệu MRR – Material removal rate Năng suất bóc tách vật liệu TWR – Tool wear rate Tốc độ mòn dụng cụ (điện cực) EWR - Electrode wear rate Tốc độ mòn điện cực MSD - Mean square displacement Tổng nghịch đảo bình phương trung bình của các giá trị đo SEM - scanning electron microscopy Kính hiển vi điện tử quét SR – Surface roughness Độ nhám bề mặt GRA - Grey relational analysis Phân tích quan hệ xám S/N - Signal to Noise ratio Tỷ số tín hiệu/nhiễu ANOVA - Analysis of variance Phân tích phương sai RSM - Response surface methodology Phương pháp bề mặt đáp ứng Ra Độ nhám bề mặt (m) Ton - Pulse on time Thời gian phát xung (µs) Toff - Pulse off time Thời gian ngừng phát xung (µs) IP – Peak current Cường độ dòng phóng điện (A) SV - Servo voltage Điện áp/Hiệu điện thế phóng điện (V) viii Cp – Powder concentration Nồng độ bột (g/l) Sp – Powder size Cỡ hạt (nm) ix DANH MỤC HÌNH VẼ Hình 1.1. Nguyên lý gia công bằng xung điện 10 Hình 1.2. Dung dịch điện môi sử dụng trong EDM 11 Hình 1.3. Sơ đồ phương pháp cắt dây tia lửa điện 12 Hình 1.4. Sơ đồ phương pháp mài xung điện 14 Hình 1.5. Sơ đồ phương pháp cưa tia lửa điện 14 Hình 1.6. Sơ đồ phương pháp khoan tia lửa điện 15 Hình 1.7. Sơ đồ mô tả quan hệ điện áp, dòng điện và thời gian xung trong 17 Hình 1.8. Sơ đồ minh họa lớp bề mặt sau EDM 21 Hình 1.9. Sơ đồ gia công PMEDM 23 Hình 1.10. Minh họa quá trình phóng điện của phương pháp EDM và PMEDM 23 Hình 1.11. Hình ảnh chi tiết gia công có bề mặt trụ định hình được gia công bằng EDM 24 Hình 1.12. Đồ thì ảnh hưởng của cường độ dòng điện tới MRR, Ra, TWR 27 Hình 1.13. Đồ thì ảnh hưởng của thời gian phát xung đến MRR, Ra, TWR 28 Hình 1.14. Đồ thị ảnh hưởng của nồng độ bột graphite tới MRR, TWR và WR 28 Hình 1.15. Đồ thị giữa MRR, TWR và tỉ số mòn điện cực với các mức nồng độ bột khác nhau 30 Hình 1.16. Đồ thị quan hệ giữa thời gian gia công với các nồng độ bột graphite khác nhau 31 Hình 1.17. Đồ thị quan hệ giữa chiều dài điện cực bị mòn với các nồng độ bột graphite khác nhau 31 Hình 1.18. Sự thay đổi độ nhám bề mặt Ra giữa PMEDM và EDM 32 Hình 1.19. Sự thay đổi độ cứng tế vi lớp bề mặt khi sử dụng bột Ti trong PMEDM 34 Hình 1.20. Sơ đồ phân loại các thông số chính của quá trình gia công PMEDM 35 x Hình 1.21. Biểu đồ thống kê mức độ phổ biến của các loại bột trong PMEDM 36 Hình 2.1. Sơ đồ nghiên cứu thực nghiệm 39 Hình 2.2. Hình ảnh máy xung thí nghiệm Sodick A30R 42 Hình 2.3. Hình ảnh phôi và kích thước của phôi 43 Hình 2.4. Hình ảnh và kích thước của điện cực 44 Hình 2.5. Hình ảnh bột nano SiC kích thước hạt 500 nm 46 Hình 2.6. Sơ đồ gia công xung và hệ thống thí nghiệm 47 Hình 2.7. Hình ảnh cân điện tử WT3003NE 49 Hình 2.8. Hình ảnh máy đo độ nhám bề mặt SV3100 50 Hình 2.9. Hình ảnh máy đo tọa độ CMM CRYSTA-Apex S544 51 Hình 3.1. Khai báo biến thí nghiệm theo phương pháp Taguchi 58 Hình 3.2. Đồ thị ảnh hưởng chính của các yếu tố đến 𝑅𝑎̅̅̅̅ khi xung 63 Hình 3.3. Biểu đồ ảnh hưởng của nồng độ bột SiC đến độ nhám bề mặt khi xung 63 Hình 3.4: Topography bề mặt gia công 65 Hình 3.5. Dạng sóng điện áp và dòng điện khi xung không trộn bột (a) và trộn bột SiC 65 Hình 3.6: Hình ảnh các vết nứt tế vi trên bề mặt gia công 66 Hình 3.7. Hình ảnh cấu trúc và chiều dày lớp biến trắng trên bề mặt gia công 67 Hình 3.8. Đồ thị ảnh hưởng chính của các yếu tố đến tỉ số S/N của Ra khi xung 70 Hình 3.9. Đồ thị phân bố chuẩn của phần dư 71 Hình 3.10. Đồ thị phân bố xác suất của dữ liệu gốc 72 Hình 3.11. Đồ thị ảnh hưởng chính của các thông số đầu vào khi xung đến 𝑴𝑹𝑹̅̅ ̅̅ ̅̅ ̅ 76 Hình 3.12. Biểu đồ năng suất bóc tách với các mức nồng nồng độ bột 76 Hình 3.13. Đồ thị phân bố chuẩn của phần dư 79 xi Hình 3.14. Đồ thị chuyển đổi Johnson cho MRR 80 Hình 3.15. Đồ thị ảnh hưởng của các thông số đầu vào đến TWR qua các mức khảo sát 84 Hình 3.16. Đồ thị ảnh hưởng của các thông số đầu vào đến tỉ số S/N của TWR 87 Hình 3.17. Đồ thị phân bố chuẩn của phần dư 89 Hình 3.18. Đồ thị chuyển đổi Johnson cho TWR 90 Hình 4.1. Đồ thị các ảnh hưởng của các thông số chính đến mục tiêu chung 100 Hình 4.2. Đồ thị phân bố chuẩn của phần dư 104 Hình 4.3. Đồ thị chuyển đổi Johnson cho mục tiêu chung 105 xii DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng 1.1. Các loại bột thông dụng dùng cho PMEDM và đặc trung vật lý của chúng 36 Bảng 2.1. Chế độ nhiệt luyện thép 90CrSi 44 Bảng 2.2. Thành phần hóa học của mẫu thí nghiệm thép 90CrSi 44 Bảng 2.3. Đặc tính kỹ thuật của vật liệu điện cực đồng 45 Bảng 2.4. Thông số kỹ thuật của dầu xung Total Diel MS7000 46 Bảng 3.1. Các mức thí nghiệm của các thông số đầu vào Cp, Ton, Toff, IP và SV 58 Bảng 3.2. Kế hoạch thí nghiệm và kết quả thí nghiệm xung theo các thông số đầu vào Cp, Ton, Toff, IP và SV 59 Bảng 3.3. Độ nhám bề mặt gia công ứng với các thông số đầu vào khác nhau 60 Bảng 3.4. ANOVA giá trị 𝑹𝒂̅̅ ̅̅ sau khi xung 61 Bảng 3.5. Mức độ ảnh hưởng của các yếu tố đến 𝑅𝑎̅̅̅̅ khi xung 62 Bảng 3.6. Chiều dày lớp biến trắng khi xung không trộn bột 68 Bảng 3.7: Chiều dày lớp biến trắng khi xung có trộn bột 68 Bảng 3.8. ANOVA tỉ số S/N của 𝑅𝑎̅̅̅̅ khi xung 69 Bảng 3.9. Mức độ ảnh hưởng của các yếu tố đến tỉ số S/N của Ra khi xung 69 Bảng 3.10. Tốc độ bóc tách vật liệu và S/N ứng với các thông số đầu vào khác nhau 73 xiii Bảng 3.11. ANOVA giá trị 𝑀𝑅𝑅̅̅ ̅̅ ̅̅ ̅ khi xung 74 Bảng 3.12. Mức độ ảnh hưởng của các thông số đầu vào khi xung đến 𝑀𝑅𝑅̅̅ ̅̅ ̅̅ ̅ 75 Bảng 3.13. Tốc độ mòn điện cực và S/N ứng với các thông số đầu vào khác nhau 82 Bảng 3.14. Kết quả phân tích (ANOVA) ảnh hưởng của các thông số đầu vào đến TWR 83 Bảng 3.15. Thứ tự ảnh hưởng của các thông số đầu vào đến TWR 83 Bảng 3.16. Kết quả phân tích (ANOVA) ảnh hưởng của các thông số đầu vào đến tỉ số S/N của TWR 86 Bảng 3.17. Thứ tự ảnh hưởng của các thông số đầu vào đến tỉ số S/N của TWR 86 Bảng 3.18. Chế độ xung hợp lý để đạt TWR nhỏ nhất 88 Bảng 4.1. Ma trận trực giao các thông số đầu vào và kết quả đầu ra 94 Bảng 4.2. Tỉ số S/N và giá trị chuẩn hóa Z của Ra, MRR và TWR 96 Bảng 4.3. Hệ số quan hệ xám và trị số quan hệ xám trung bình 99 Bảng 4.4. Mức độ ảnh hưởng của các thông số đến hệ số quan hệ xám 100 Bảng 4.5. Kết quả ANOVA của hệ số quan hệ xám 101 Bảng 4.6. Kết quả so sánh giữa tính toán và thực nghiệm 103 1 PHẦN MỞ ĐẦU 1. Tính cấp thiết của đề tài Gia công bằng tia lửa điện (tên tiếng Anh là Electrical Discharge Machining - EDM) nói chung và gia công xung điện nói riêng đã được phát minh, nghiên cứu và phát triển cải tiến từ nhiều thập kỷ gần đây. Cho đến nay, đây là một trong những công nghệ gia công tiên tiến phổ biến nhất trên thế giới. Nó là một phương pháp rất hiệu quả trong việc gia công chi tiết là vật liệu dẫn điện, có độ cứng cao (từ cứng đến siêu cứng) và khó gia công như các chi tiết máy trong động cơ máy bay, tua bin phát điện, dụng cụ cắt, khuôn mẫu... Đặc biệt là các chi tiết có bề mặt, hình dáng phức tạp mà phương pháp gia công cắt gọt truyền thống khó hoặc gần như không thể thực hiện được [1]. Phương pháp EDM sử dụng năng lượng nhiệt cao phát sinh theo nguyên lý phóng điện giữa hai điện cực âm – dương làm tan chảy, hóa hơi vật liệu bề mặt gia công. Phương pháp gia công này không bị ràng buộc bởi độ cứng giữa dụng cụ và phôi, không phát sinh lực cắt nên không có rung động, ứng suất cơ học, tiếng ồn trong quá trình gia công. Tuy nhiên, phương pháp EDM còn một số nhược điểm cơ bản