Luận án Nghiên cứu quá trình xung tia lửa điện thép SKD11 tôi dạng trụ vuông sử dụng dung dịch điện môi có trộn bột Sic với kích thước hạt khác nhau

BỘ CÔNG THƯƠNG BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO VIỆN NGHIÊN CỨU CƠ KHÍ HOÀNG XUÂN TỨ NGHIÊN CỨU QUÁ TRÌNH XUNG TIA LỬA ĐIỆN THÉP SKD11 QUA TÔI DẠNG TRỤ VUÔNG SỬ DỤNG DUNG DỊCH ĐIỆN MÔI CÓ TRỘN BỘT SiC VỚI KÍCH THƯỚC HẠT KHÁC NHAU LUẬN ÁN TIẾN SĨ HÀ NỘI - 2024 BỘ CÔNG THƯƠNG BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO VIỆN NGHIÊN CỨU CƠ KHÍ HOÀNG XUÂN TỨ NGHIÊN CỨU QUÁ TRÌNH XUNG TIA LỬA ĐIỆN THÉP SKD11 QUA TÔI DẠNG TRỤ VUÔNG SỬ DỤNG DUNG DỊCH ĐIỆN MÔI CÓ TRỘN BỘT SiC VỚI KÍCH THƯỚC HẠT KHÁC NHAU LUẬN ÁN TIẾN SĨ Ngành: Kỹ thuật cơ khí Mã số: 9520103 Xác nhận của Viện Nghiên cứu Cơ khí Giám đốc Trung tâm Đào tạo PGS.TS Lê Thu Quý Người hướng dẫn 1 GS.TS Vũ Ngọc Pi Người hướng dẫn 2 PGS.TS Lê Thu Quý HÀ NỘI - 2024 i LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan luận án "Nghiên cứu quá trình xung tia lửa điện thép SKD11 qua tôi dạng trụ vuông sử dụng dung dịch điện môi có trộn bột SiC với kích thước hạt khác nhau" là công trình nghiên cứu của chính mình dưới sự hướng dẫn khoa học của tập thể hướng dẫn khoa học là thầy GS.TS Vũ Ngọc Pi và PGS.TS Lê Thu Quý. Luận án sử dụng thông tin trích dẫn từ nhiều nguồn tham khảo khác nhau và các thông tin trích dẫn được ghi rõ nguồn gốc. Các kết quả nghiên cứu của tôi được công bố chung với các tác giả khác đã được sự nhất trí của đồng tác giả khi đưa vào luận án. Các số liệu, kết quả được trình bày trong luận án là hoàn toàn trung thực và chưa từng được công bố trong bất kỳ một công trình nào khác ngoài các công trình công bố của tác giả. Luận án được hoàn thành trong thời gian tôi làm Nghiên cứu sinh tại Viện Nghiên cứu Cơ khí. Hà Nội, ngày tháng năm 2024 Tác giả luận án Hoàng Xuân Tứ ii LỜI CẢM ƠN Trước tiên, tôi xin được bày tỏ lòng biết ơn chân thành tới tập thể người hướng dẫn khoa học GS.TS Vũ Ngọc Pi và PGS.TS Lê Thu Quý, những người thầy đã dành nhiều thời gian hướng dẫn, tận tình giúp đỡ 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, Viện Khoa học vật liệu, Công ty Keyence, Trung tâm thí nghiệm Khoa Cơ khí 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 của bạn bè, đồng nghiệp tại Bộ môn Cơ sở thiết kế máy và rô bốt nói riêng và 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 2024 Tác giả luận án Hoàng Xuân Tứ iii MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN ....................................................................................................... i LỜI CẢM ƠN ............................................................................................................ ii DANH MỤC THUẬT NGỮ VÀ CHỮ VIẾT TẮT ................................................. vii DANH MỤC KÝ HIỆU .......................................................................................... viii DANH MỤC CÁC BẢNG ........................................................................................ ix DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ ................................................................................... xi MỞ ĐẦU ..................................................................................................................... 1 1. Tính cấp thiết của đề tài nghiên cứu ....................................................................... 1 2. Mục tiêu nghiên cứu ................................................................................................ 2 3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu ........................................................................... 3 4. Phương pháp nghiên cứu ......................................................................................... 3 5. Ý nghĩa khoa học và ý nghĩa thực tiễn của đề tài ................................................... 4 6. Những đóng góp mới của luận án ........................................................................... 4 7. Cấu trúc của luận án ................................................................................................ 5 CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ PHƯƠNG PHÁP GIA CÔNG XUNG TIA LỬA ĐIỆN CÓ TRỘN BỘT ................................................................................................ 6 1.1. Khái quát về phương pháp gia công xung tia lửa điện ....................................... 6 1.1.1. Lịch sử phát triển phương pháp gia công xung tia lửa điện ........................ 6 1.1.2. Nguyên lý bóc tách vật liệu của quá trình gia công xung tia lửa điện ......... 6 1.1.3. Đặc điểm và ứng dụng của phương pháp gia công xung tia lửa điện .......... 7 1.1.4. Các hướng nghiên cứu chủ yếu của phương pháp gia công xung tia lửa điện ...................................................................................................................... 8 1.2. Tổng quan về phương pháp gia công xung điện có trộn bột .............................. 8 1.2.1. Nguyên lý gia công xung điện có trộn bột ................................................... 9 1.2.2. Tình hình nghiên cứu về phương pháp PMEDM trên thế giới .................... 9 1.2.2.1. Nghiên cứu nâng cao hiệu suất của quá trình xung điện .................... 9 1.2.2.2. Nghiên cứu nâng cao chất lượng bề mặt chi tiết gia công ................ 13 iv 1.2.3. Tình hình nghiên cứu về phương pháp PMEDM trong nước .................... 20 1.2.4. Những tồn tại và vấn đề cần nghiên cứu trong phương pháp PMEDM .... 22 Kết luận Chương 1 .................................................................................................... 23 CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT CỦA PHƯƠNG PHÁP GIA CÔNG XUNG TIA LỬA ĐIỆN CÓ TRỘN BỘT VÀ LỰA CHỌN PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU .......................................................................................................................... 25 2.1. Các thông số công nghệ cơ bản của quá trình xung tia lửa điện có trộn bột.... 25 2.1.1. Cường độ dòng điện ................................................................................... 26 2.1.2. Điện áp ....................................................................................................... 26 2.1.3. Thời gian phát xung và thời gian ngừng phát xung ................................... 27 2.1.4. Loại bột nano/micro ................................................................................... 28 2.1.5. Kích thước hạt ............................................................................................ 28 2.1.6. Nồng độ bột ............................................................................................... 28 2.2. Cơ chế hoạt động của bột trong gia công xung tia lửa điện ............................. 29 2.3. Ảnh hưởng của bột trong dung dịch điện môi đến quá trình xung tia lửa điện32 2.3.1. Ảnh hưởng đến điện áp đánh thủng ........................................................... 32 2.3.2. Ảnh hưởng đến khe hở phóng điện ............................................................ 33 2.3.3. Phân tán năng lượng xung điện và dạng sóng xung .................................. 34 2.3.4. Ảnh hưởng đến khả năng truyền tải nhiệt lượng ra khỏi vùng gia công ... 36 2.3.5. Ảnh hưởng đến điện dung .......................................................................... 38 2.4. Một số loại bột sử dụng trong gia công xung điện ........................................... 39 2.5. Xác định phương pháp nghiên cứu và quy hoạch thực nghiệm ....................... 39 2.5.1. Xác định phương pháp nghiên cứu ............................................................ 39 2.5.2. Lựa chọn phương pháp quy hoạch thực nghiệm và xây dựng ma trận thí nghiệm ................................................................................................................... 40 Kết luận Chương 2 .................................................................................................... 44 CHƯƠNG 3. THỰC NGHIỆM XÁC ĐỊNH ẢNH HƯỞNG CỦA CÁC THÔNG SỐ CÔNG NGHỆ XUNG CÓ TRỘN BỘT SIC ĐẾN NĂNG SUẤT VÀ CHẤT v LƯỢNG KHI GIA CÔNG CHI TIẾT DẠNG TRỤ VUÔNG BẰNG THÉP SKD11 ................................................................................................................................... 45 3.1. Xây dựng hệ thống thí nghiệm ......................................................................... 45 3.1.1. Vật liệu thí nghiệm .................................................................................... 46 3.1.1.1. Lựa chọn vật liệu gia công ................................................................ 46 3.1.1.2. Lựa chọn vật liệu điện cực ................................................................ 47 3.1.1.3. Lựa chọn loại bột nano/micro ........................................................... 49 3.1.2. Xây dựng mô hình thí nghiệm ................................................................... 50 3.1.2.1. Hệ thống thí nghiệm và thiết bị thí nghiệm ...................................... 51 3.1.2.2. Thiết bị đo ......................................................................................... 53 3.2. Thiết kế thí nghiệm ........................................................................................... 56 3.3. Ảnh hưởng của các thông số công nghệ đến tốc độ mòn điện cực .................. 58 3.3.1. Thực nghiệm xác định ảnh hưởng của các thông số đến tốc độ mòn điện cực .................................................................................................................... 58 3.3.2. Phân tích kết quả thí nghiệm...................................................................... 60 3.3.3. Xác định chế độ công nghệ xung hợp lý đạt tốc độ mòn điện cực nhỏ nhất . .................................................................................................................... 65 3.3.4. Phân tích ảnh hưởng của bột nano trong dung dịch điện môi đến cơ chế mòn điện cực khi xung định hình ngoài ................................................................ 67 3.4. Ảnh hưởng của các thông số công nghệ đến tốc độ bóc tách vật liệu .............. 74 3.4.1. Thực nghiệm xác định ảnh hưởng của các thông số đến tốc độ bóc tách vật liệu .................................................................................................................... 74 3.4.2. Phân tích kết quả thí nghiệm...................................................................... 76 3.4.3. Xác định chế độ công nghệ xung hợp lý đạt tốc độ bóc tách vật liệu lớn nhất .................................................................................................................... 78 3.5. Ảnh hưởng của các thông số công nghệ đến nhám bề mặt .............................. 81 3.5.1. Xác định ảnh hưởng của các thông số đến nhám bề mặt ........................... 81 3.5.2. Phân tích kết quả thí nghiệm...................................................................... 83 3.5.3. Xác định chế độ công nghệ xung hợp lý đạt nhám bề mặt nhỏ nhất ......... 87 vi 3.5.4. Phân tích ảnh hưởng chế độ công nghệ xung có trộn bột đến tế vi lớp bề mặt chi tiết gia công .............................................................................................. 89 Kết luận Chương 3 .................................................................................................... 91 CHƯƠNG 4. XÁC ĐỊNH CHẾ ĐỘ CÔNG NGHỆ XUNG CÓ TRỘN BỘT SIC HỢP LÝ ĐẢM BẢO CÁC CHỈ TIÊU NĂNG SUẤT VÀ CHẤT LƯỢNG KHI GIA CÔNG XUNG CHI TIẾT DẠNG TRỤ VUÔNG BẰNG THÉP SKD11 ................ 94 4.1. Xác định chế độ PMEDM hợp lý bằng phương pháp lựa chọn đa tiêu chí ..... 94 4.1.1. Xác định trọng số cho các tiêu chí ............................................................. 95 4.1.2. Xác định phương án đa tiêu chí hợp lý ...................................................... 98 4.2. Xác định chế độ PMEDM hợp lý bằng phương pháp phân tích quan hệ xám kết hợp với Taguchi ................................................................................................. 105 4.2.1. Xác định trị số quan hệ xám của các chỉ tiêu đầu ra................................ 105 4.2.2. Phân tích và đánh giá ảnh hưởng của các thông số công nghệ xung đến hàm đa mục tiêu .................................................................................................. 108 4.2.3. Xác định chế độ công nghệ xung hợp lý của hàm đa mục tiêu ............... 110 Kết luận Chương 4 .................................................................................................. 114 KẾT LUẬN CHUNG VÀ HƯỚNG NGHIÊN CỨU TIẾP THEO ........................ 116 1. Kết luận chung .................................................................................................... 116 2. Hướng nghiên cứu tiếp theo ................................................................................ 117 DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ ............................................... 118 TÀI LIỆU THAM KHẢO ....................................................................................... 119 PHỤ LỤC ................................................................................................................ 126 vii DANH MỤC THUẬT NGỮ VÀ CHỮ VIẾT TẮT TT Chữ viết tắt Thuật ngữ 1 Adj MS Phương sai trung bình hiệu chỉnh (Adjusted Mean Squares) 2 Adj SS Phương sai hiệu chỉnh (Adjusted Sums of Squares) 3 AEDM Phương pháp gia công tia lửa điện có trộn bột phụ gia (Additive mixed EDM) 4 ANOM Phương pháp phân tích giá trị trung bình (Analysis of Mean) 5 ANOVA Phân tích phương sai (Analysis of Variance) 6 EAMR Phương pháp xếp hạng theo khu vực (Area-based Method of Ranking) 7 EDM Phương pháp gia công xung tia lửa điện (Electrical Discharge Machining) 8 GRA Phân tích quan hệ xám (Grey Relation Analysis) 9 HSFM Camera tốc độ cao (High-Speed Framing Camera) 10 MAIRCA Phương pháp phân tích so sánh đa thuộc tính (Multi- Atributive Ideal-Real Comparative Analysis) 11 MARCOS Phương pháp đo lường xếp hạng theo giải pháp thỏa hiệp (Measurement of Alternatives and Ranking according to Compromise Solution) 12 MCDM Phương pháp quyết định đa tiêu chí (Multi-Criteria Decision- Making) 13 MEREC Phương pháp loại bỏ ảnh hưởng của tiêu chí (Method based on the Removal Effects of Criteria) 14 MWCNT Ống nano cácbon đa vách (Multi-Walled Carbon Nanotube) 15 PMEDM Phương pháp xung tia lửa điện có trộn bột (Powder Mixed Electrical Discharge Machining) 16 S/N Tỉ số nhiễu (Signal to Noise Ratio) 17 SEM Kính hiển vi điện tử quét (scanning electron microscope) 18 Seq SS Phương sai tuần tự (Sequential Sums of Squares) 19 SR Nhám bề mặt (Surface Roughness) 20 TOPSIS Phương pháp sắp xếp thứ tự ưu tiên theo nguyên tắc tương đồng (Technique for Order of Preference by Similarity to Ideal Solution) 21 WEDM Phương pháp gia công tia lửa điện cắt dây (Wire Electrical Discharge Machining) viii DANH MỤC KÝ HIỆU TT Chữ viết tắt Đơn vị Thuật ngữ 1 IP A Cường độ dòng điện xung 2 SV V Điện áp xung 3 Ton µs Thời gian phát xung 4 Toff µs Thời gian ngừng phát xung 5 Cp g/lít Nồng độ bột 6 Sp nm Kích thước hạt 7 EWR mg/phút Tốc độ mòn điện cực (Electrode Wear Rate) 8 MRR g/giờ Tốc độ bóc tách vật liệu (Material Removal Rate) 9 WR - Tỉ số tốc độ bóc tách và tốc độ mòn điện cực (MRR/TWR) 10 F - Hệ số Fisher 11 P - Hệ số P 12 S - Độ lệch chuẩn 13 Yi - Hệ số quan hệ xám (Grey Relation Value) 14 Zi Đại lượng chuyển đổi của trị số S/N 15 gi - Cấp quan hệ xám 16 i(k) - Trị số sai lệch tuyệt đối của dãy tham chiếu 17  - Hệ số phân biệt 18 CI - Khoảng tin cậy (Confidence Interval) 19 Ve - Trị số thay đổi của lỗi 20 Ne - Ảnh hưởng của số lần lặp 21 dof - Bậc tự do (Degree of Freedom) 22 Ra µm Độ nhám bề mặt tính theo sai lệch trung bình số học của prôphin 23 Ewb g Khối lượng điện cực trước khi xung 24 Ewa g Khối lượng điện cực sau khi xung 25 Wb g Khối lượng chi tiết trước khi xung 26 Wa g Khối lượng chi tiết sau khi xung 27 TM giờ Thời gian gia công ix DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng 2.1. Tổng hợp các loại bột và kích thước hạt sử dụng trong các nghiên cứu .. 29 Bảng 2.2. Tính chất của một số loại bột thông dụng và một số tác động của chúng đến quá trình xung ..................................................................................................... 39 Bảng 3.1. Thành phần hóa học của thép SKD11 ...................................................... 46 Bảng 3.2. Thành phần hóa học của điện cực đồng ................................................... 48 Bảng 3.3. Thông số kỹ thuật của dầu xung điện Total Diel MS 7000 ...................... 53 Bảng 3.4. Các thông số đầu vào và mức khảo sát .................................................... 56 Bảng 3.5. Ma trận thí nghiệm ................................................................................... 57 Bảng 3.6. Kết quả đo tốc độ mòn điện cực và trị số S/N của các thí nghiệm .......... 59 Bảng 3.7. Kết quả phân tích ANOVA trị số EWR ................................................... 61 Bảng 3.8. Mức độ ảnh hưởng của các thông số công nghệ đến EWR ..................... 62 Bảng 3.9. Kết quả phân tích ANOVA trị số S/N của EWR ..................................... 65 Bảng 3.10. Mức độ ảnh hưởng của các thông số công nghệ đến S/N của EWR ..... 65 Bảng 3.11. Kết quả đo tốc độ bóc tách vật liệu và trị số S/N của các thí nghiệm .... 74 Bảng 3.12. Kết quả phân tích ANOVA trị số MRR ................................................. 76 Bảng 3.13. Thứ tự ảnh hưởng của các thông số công nghệ đến MRR .................... 77 Bảng 3.14. Kết quả phân tích ANOVA trị số S/N của MRR ................................... 79 Bảng 3.15. Mức độ ảnh hưởng của các thông số công nghệ đến S/N của MRR ..... 79 Bảng 3.16. Kết quả đo nhám bề mặt (Ra) và trị số S/N của các thí nghiệm ............ 83 Bảng 3.17. Kết quả phân tích ANOVA trị số Ra ...................................................... 83 Bảng 3.18. Thứ tự ảnh hưởng của các thông số công nghệ đến Ra ......................... 84 Bảng 3.19. Kết quả phân tích ANOVA trị số S/N của Ra ........................................ 87 Bảng 3.20. Thứ tự ảnh hưởng của các thông số công nghệ đến tỉ số S/N của Ra ... 87 Bảng 4.1. Trị số MRR , EWR quy đổi và tỉ số WR của các thí nghiệm .................. 96 Bảng 4.2. Ma trận đầu vào của các tiêu chí WR và Ra ........................................... 97 Bảng 4.3. Trọng số của các tiêu chí theo MEREC và Entropy ................................ 97 x Bảng 4.4. Kết quả tính toán trị số gij và Qj cho các tiêu chí đầu ra theo phương pháp Entropy ...................................................................................................................... 99 Bảng 4.5. Kết quả tỉnh toán giá trị ( )if K − , ( )if K + và ( )if K cho các phương án theo phương pháp Entropy và MEREC .................................................................. 101 Bảng 4.6. Kết quả tỉnh toán giá trị iD + , iD − và iR cho các phương án theo phương pháp Entropy và MEREC ........................................................................................ 103 Bảng 4.7. Tổng hợp xếp hạng các phương án sử dụng phương pháp MAIRCA, MARCOS và TOPSIS ............................................