(Luận án tiến sĩ) Nghiên cứu quá trình gia công tia lửa điện trong dung dịch có trộn bột titan

(Luận án tiến sĩ) Nghiên cứu quá trình gia công tia lửa điện trong dung dịch có trộn bột titan(Luận án tiến sĩ) Nghiên cứu quá trình gia công tia lửa điện trong dung dịch có trộn bột titan(Luận án tiến sĩ) Nghiên cứu quá trình gia công tia lửa điện trong dung dịch có trộn bột titan(Luận án tiến sĩ) Nghiên cứu quá trình gia công tia lửa điện trong dung dịch có trộn bột titan(Luận án tiến sĩ) Nghiên cứu quá trình gia công tia lửa điện trong dung dịch có trộn bột titan(Luận án tiến sĩ) Nghiên cứu quá trình gia công tia lửa điện trong dung dịch có trộn bột titan(Luận án tiến sĩ) Nghiên cứu quá trình gia công tia lửa điện trong dung dịch có trộn bột titan(Luận án tiến sĩ) Nghiên cứu quá trình gia công tia lửa điện trong dung dịch có trộn bột titan(Luận án tiến sĩ) Nghiên cứu quá trình gia công tia lửa điện trong dung dịch có trộn bột titan(Luận án tiến sĩ) Nghiên cứu quá trình gia công tia lửa điện trong dung dịch có trộn bột titan(Luận án tiến sĩ) Nghiên cứu quá trình gia công tia lửa điện trong dung dịch có trộn bột titan(Luận án tiến sĩ) Nghiên cứu quá trình gia công tia lửa điện trong dung dịch có trộn bột titan(Luận án tiến sĩ) Nghiên cứu quá trình gia công tia lửa điện trong dung dịch có trộn bột titan(Luận án tiến sĩ) Nghiên cứu quá trình gia công tia lửa điện trong dung dịch có trộn bột titan(Luận án tiến sĩ) Nghiên cứu quá trình gia công tia lửa điện trong dung dịch có trộn bột titan(Luận án tiến sĩ) Nghiên cứu quá trình gia công tia lửa điện trong dung dịch có trộn bột titan(Luận án tiến sĩ) Nghiên cứu quá trình gia công tia lửa điện trong dung dịch có trộn bột titan(Luận án tiến sĩ) Nghiên cứu quá trình gia công tia lửa điện trong dung dịch có trộn bột titan(Luận án tiến sĩ) Nghiên cứu quá trình gia công tia lửa điện trong dung dịch có trộn bột titan(Luận án tiến sĩ) Nghiên cứu quá trình gia công tia lửa điện trong dung dịch có trộn bột titan(Luận án tiến sĩ) Nghiên cứu quá trình gia công tia lửa điện trong dung dịch có trộn bột titan

Tính cấp thiết của đề tài nghiên cứu

Hiện nay, ngành chế tạo khuôn mẫu ở nước ta đang được quan tâm phát triển

Chế tạo khuôn mẫu là một ngành công nghiệp công nghệ cao, yêu cầu độ phức tạp và khó khăn cao từ thiết kế đến gia công Ngành này không chỉ cần đầu tư lớn vào thiết bị máy móc mà còn đòi hỏi kinh nghiệm trong việc lựa chọn vật liệu, phương pháp xử lý nhiệt và tăng cường độ bền bề mặt khuôn Các loại thép dụng cụ như SKD61, SKD11, SKH54, SKH51, AISI 01 và SKT4, nhập khẩu từ Nhật Bản, Hàn Quốc, Đài Loan, rất phổ biến trong lĩnh vực này Các doanh nghiệp hiện nay thường sử dụng phương pháp EDM hoặc phay cao tốc, trong đó EDM, đặc biệt là phương pháp xung định hình, được ưa chuộng nhờ giá thành thiết bị thấp, tính vạn năng cao và thao tác đơn giản Do đó, nghiên cứu nâng cao năng suất và chất lượng của phương pháp xung định hình trong sản xuất khuôn mẫu là rất cần thiết.

Trong lĩnh vực y tế, nhiễm trùng trong cấy ghép y tế gây ra nhiều thách thức, bao gồm chi phí điều trị cao và ảnh hưởng tâm lý nghiêm trọng đến bệnh nhân Mặc dù các phương pháp như cấy ion, lắng đọng hơi vật lý và phun từ trường đã cho thấy hiệu quả trong việc tạo lớp phủ kháng khuẩn, nhưng chưa có phương pháp nào có khả năng gia công và phủ đồng thời một lớp kháng khuẩn trên bề mặt cấy ghép Do đó, gia công phóng điện hỗn hợp bột (PMEDM) được nghiên cứu như một giải pháp tiềm năng để cải thiện bề mặt cấy ghép y tế Phương pháp này cho phép chuyển vật liệu điện cực và bột lơ lửng vào bề mặt phôi, với việc sử dụng nồng độ bột nano bạc khác nhau trong chất lỏng điện môi gốc hydrocarbon để gia công phôi titan PMEDM hứa hẹn là một phương pháp hiệu quả cho việc gia công và phủ lớp kháng khuẩn nano bạc lên bề mặt cấy ghép.

Trong thời gian gần đây, siêu hợp kim gốc niken (Inconel 601, Inconel 625, Inconel 718, … ) đƣợc sử dụng rộng rãi trong ngành hàng không vũ trụ, hóa học và

Các hợp kim hàng hải như Inconel nổi bật nhờ khả năng duy trì tính chất cơ học ở nhiệt độ cao và chống ăn mòn hiệu quả Tuy nhiên, các đặc tính như độ dẫn nhiệt thấp, xu hướng làm cứng biến dạng, ái lực hóa học, cùng với sự hiện diện của các pha cứng trong cấu trúc vi mô khiến việc gia công chúng trở nên khó khăn Nghiên cứu hiện tại tập trung vào việc nâng cao năng suất và chất lượng bề mặt gia công của Inconel.

Hợp kim siêu bền 625, được chế tạo bằng cách tẩm các hạt bột như than chì, nhôm và silicon vào điện môi dầu hỏa trong quá trình gia công phóng điện (PMEDM), đã mở ra nhiều phương pháp cải thiện năng suất và chất lượng của EDM Một trong những phương pháp này là trộn bột vào dung môi cách điện, giúp gia công hiệu quả hơn PMEDM cho thấy hiệu quả gia công và độ nhám bề mặt được cải thiện rõ rệt so với các phương pháp EDM truyền thống, nhờ vào việc nghiên cứu và áp dụng các loại bột khác nhau về vật liệu và kích thước Tuy nhiên, nhược điểm của phương pháp này là năng suất và chất lượng bề mặt vẫn thấp hơn so với các phương pháp gia công truyền thống do khó khăn trong việc thoát phoi và bóc tách vật liệu Việc thiết kế hệ thống hỗ trợ gia công EDM tối ưu đang được nghiên cứu, trong đó rung động với biên độ nhỏ tích hợp vào phôi hoặc điện cực là một giải pháp hiệu quả Rung động kết hợp với bột trộn trong dung môi giúp ổn định quá trình gia công, từ đó nâng cao năng suất và chất lượng Do đó, nghiên cứu sinh đã chọn đề tài luận án này để tiếp tục phát triển.

“Nghiên cứu quá trình gia công tia lửa điện trong dung dịch có trộn bột titan kết hợp hệ thống rung động tần số thấp trên chi tiết.”

Mục đích, đối tƣợng, phạm vi nghiên cứu

Mục đích nghiên cứu

CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT CỦA PHƯƠNG PHÁP

GIA CÔNG XUNG ĐIỆN CÓ TRỘN BỘT TÍCH HỢP RUNG ĐỘNG 2.1 Các thông số công nghệ trong PMEDM có tích hợp rung động

2.1.1 Các thông số công nghệ của phương pháp xung định hình

2.1.1.1 Điện áp phóng tia lửa điện Điện áp phóng tia lửa điện (U) trong EDM có liên quan đến kích thước của khe hở phóng điện và độ bền đánh thủng của dung dịch điện môi [2] Trước khi dòng điện xuất hiện, U tại khe hở sẽ đƣợc tăng cho tới khi một dòng ion hóa đƣợc hình thành và đánh thủng sự cách điện của dung dịch điện môi (Hình 1.3) Khi dòng điện bắt đầu xuất hiện thì U sẽ giảm xuống và giữ ở trạng thái ổn định tại khe hở làm việc Trị số U đƣợc xác định theo độ rộng khe hở nhỏ nhất giữa điện cực và phôi U càng cao thì khe hở giữa điện cực và phôi càng tăng điều này tạo điều kiện thuận lợi cho dòng dung môi chảy qua và giúp làm ổn định quá trình cắt Tốc độ mòn điện cực, phôi và trị số nhấp nhô bề mặt gia công tăng theo sự tăng U mở mạch

[3] Ảnh hưởng của U đến năng suất và chất lượng gia công là không quá lớn [6]

Hình 2 1 Sự thay đổi U và I trong quá trình hình thành tia lửa điện [29]

Cường độ dòng điện (I) là yếu tố quan trọng quyết định hiệu quả của phương pháp xung định hình, ảnh hưởng mạnh mẽ đến quá trình gia công Mỗi thời gian phát xung, I sẽ đạt giá trị cực đại xác định, phụ thuộc vào điều kiện gia công Giá trị I lớn thường được áp dụng trong gia công thô, cũng như gia công các hốc và bề mặt của chi tiết có diện tích lớn, với I cao dẫn đến năng suất gia công tăng.

Gia công càng tăng sẽ dẫn đến chi phí gia công tinh và mòn điện cực gia tăng Đây là vấn đề quan trọng trong gia công xung định hình, vì bề mặt gia công là bản sao của bề mặt điện cực Nếu điện cực bị mòn quá mức, độ chính xác gia công sẽ bị ảnh hưởng Do đó, tác động của dòng điện (I) đến quá trình gia công xung luôn là mối quan tâm hàng đầu trong các nghiên cứu trong lĩnh vực này.

2.1.1.3 Thời gian phát xung và thời gian ngừng phát xung

Thời gian phát xung (T on) là khoảng thời gian quan trọng trong quá trình bóc tách kim loại, ảnh hưởng đến lượng vật liệu được loại bỏ Trị số T on và tần số phát xung quyết định năng lượng gia công, với T on lớn dẫn đến tăng lượng vật liệu nóng chảy và bay hơi Tuy nhiên, điều này cũng làm tăng lượng nhiệt xung và sự lan truyền vào bề mặt phôi, ảnh hưởng đến độ dày lớp bề mặt gia công Nếu T on quá dài, tốc độ bóc tách vật liệu sẽ giảm và có thể làm cho điện cực không bị hao mòn.

Thời gian ngừng phát xung (T of) là khoảng thời gian mà dung dịch điện môi không bị ion hóa, ảnh hưởng đến tốc độ bóc tách vật liệu và sự ổn định của quá trình gia công T of càng ngắn, quá trình gia công càng nhanh, nhưng nếu quá ngắn sẽ không đủ thời gian cho dung dịch điện môi vận chuyển phoi và phục hồi hoàn toàn, dẫn đến tia lửa điện không ổn định và chu kỳ xung bất thường Thời gian T of quá ngắn cũng gây ra vết lõm lớn hơn trên bề mặt phôi, làm tăng nhám bề mặt gia công Để ngăn chặn việc tiếp tục phát ra tia lửa điện tại một điểm, T of cần phải lớn hơn thời gian ngừng ion hóa Các nguồn cung cấp xung hiện đại cho phép cài đặt độc lập số lần phát xung và số lần ngừng phát xung, với T of dao động trong khoảng (21000)μs.

Quá trình gia công có thể gặp phải nhiều xung lỗi (hay xung hở) khi lập chính xác, dẫn đến việc không hình thành tia lửa điện Điều này gây ra sự giảm sút hiệu suất gia công đáng kể.

Hình 2 2 Ảnh hưởng của thời gian phát xung đến tốc độ bác tách vật liệu và nhấp nhô bề mặt gia công[6]

Sóng xung thường có hình dạng chữ nhật, nhưng các máy phát xung cũng có khả năng tạo ra nhiều dạng sóng khác như sóng xung hình thang và sóng xung hình sin Việc sử dụng máy tạo sóng xung hình thang đã giúp giảm đáng kể lượng mòn điện cực trong quá trình gia công.

Hình 2 3 Dạng sóng xung chữ nhật [3]

Nhiều loại máy phát xung đã được phát triển để tạo ra sóng xung có điện áp cao nhưng cường độ dòng điện thấp trong khoảng thời gian vài micro giây Quá trình này giúp tạo điều kiện thuận lợi cho việc phát ra tia lửa điện.

2.1.1.5 Sự phân cực Điện cực có thể được phân cực âm hoặc dương Dòng điện xuyên qua khe hở giữa phôi và điện cực để hình thành các tia lửa điện, chúng đã tạo ra nhiệt độ cao làm nóng chảy và bay hơi các đỉnh nhấp nhô trên bề mặt của cả điện cực và phôi Dòng plasma bao gồm hai thành phần là dòng ion và dòng electron Các electron (khối lƣợng nhỏ hơn các ion âm) cho thấy phản ứng nhanh hơn nên vật liệu a nốt sẽ bị mòn chủ yếu Điều này tạo nên sự mòn tối thiểu của điện cực một cách hiệu quả và đây vấn đề rất quan trọng trong gia công tinh với thời gian phát xung ngắn hơn Nói chung sự phân cực của điện cực phụ thuộc gia tinh hoặc thô và các thông số công nghệ

Trong quá trình gia công bằng xung định hình, điện cực không tiếp xúc trực tiếp với phôi mà luôn có một khe hở phóng điện (δ) giữa chúng Kích thước khe hở δ phụ thuộc vào tốc độ bóc tách vật liệu, cũng như loại vật liệu của điện cực và phôi Điện cực được điều khiển tự động để giữ kích thước δ ổn định theo yêu cầu gia công, với việc dịch chuyển thực hiện bằng động cơ bước và hệ thống thủy lực dựa trên điện áp trung bình Hệ thống điều khiển cần đảm bảo kích thước δ ổn định và xử lý tín hiệu nhanh để ứng phó với hiện tượng ngắn mạch trong quá trình gia công Mặc dù độ rộng khe hở không thể đo lường trực tiếp, nhưng nó có thể được xác định thông qua điện áp trung bình tại khe hở phóng điện.

Dung dịch điện môi là yếu tố then chốt trong công nghệ gia công bằng xung định hình Loại dung dịch điện môi và phương pháp phun dòng dung môi có tác động đáng kể đến hiệu quả của quá trình gia công.

Tốc độ mòn điện cực và năng suất bóc tách vật liệu phụ thuộc vào dung dịch điện môi, chủ yếu là hỗn hợp hyđrocacbon hoặc nước khử ion Dung dịch này được phun vào khe hở phóng tia lửa điện để loại bỏ khí và phoi gia công, đồng thời duy trì nhiệt độ dưới điểm cháy Các yêu cầu cho dung dịch điện môi bao gồm độ bền cao, khả năng phục hồi nhanh sau khi bị đánh thủng, cách điện khi điện áp thấp hơn điện áp đánh thủng, và khả năng làm nguội nhanh các tia lửa điện Ngoài ra, dung dịch cần tạo ra môi trường làm mát hiệu quả, có khả năng lưu động tốt và cuốn phoi hiệu quả.

Vật liệu điện cực đóng vai trò quan trọng trong việc xác định tốc độ mòn, kích thước khe hở phóng điện, năng suất bóc tách vật liệu, chất lượng bề mặt gia công và giá thành sản phẩm Các vật liệu phổ biến cho điện cực bao gồm đồng (Cu), than chì (Gr) và các hợp kim như Cu-Gr, Cu-W, Ag-W, cùng với vật liệu phủ Gr Để tối ưu hóa chi phí trong quá trình gia công, đồng (Cu) là lựa chọn lý tưởng cho gia công tinh, trong khi than chì (Gr) phù hợp cho gia công thô.

Bảng 2 1 Lựa chọn vật liệu điện cực [8]

TT Vật liệu Hệ số hao mòn Tốc độ gia công Khả năng chế tạo Giá trị Gia công

1 Đồng đỏ Thấp Cao khi gia công thô Dễ Cao Kim loại

2 Đồng thau Cao Cao khi gia công tinh Dễ Thấp Kim loại

3 W Thấp nhất Thấp Khó Cao Lỗ nhỏ

Cu Thấp Thấp Khó Cao Độ chính xác cao

Gang Thấp Thấp Dễ Thấp Một số vật liệu

6 Thép Cao Thấp Dễ Thấp Gia công tinh

7 Hợp kim kẽm Cao Cao khi gia công thô Dễ đúc Cao Kim loại

8 Hợp kim Cu-Gr Thấp Cao Khó Cao Kim loại

Hiện tượng mòn điện cực do bắn phá electron là điều không thể tránh khỏi, ảnh hưởng lớn đến độ chính xác gia công và năng lượng tiêu thụ Hình dạng điện cực quyết định sản phẩm cuối cùng, vì vậy lượng mòn sẽ tác động đến việc di chuyển của dụng cụ Các yếu tố như tốc độ bóc tách, vật liệu gia công, cường độ dòng điện, diện tích bề mặt, khe hở phóng điện và sự phân cực điện cực đều liên quan trực tiếp đến mòn điện cực Vật liệu có nhiệt độ nóng chảy cao hơn sẽ có độ bền mòn tốt hơn Bảng 2.1 cung cấp thông tin về đặc tính kinh tế và kỹ thuật của một số loại vật liệu làm điện cực.

2.2 Ảnh hưởng bột trộn trong dung dịch điện môi trong EDM (PMEDM)

Nghiên cứu về bột trộn trong dung dịch điện môi và ảnh hưởng của nó đến quá trình gia công bằng EDM đã được nhiều tác giả đề cập Việc thêm bột dẫn điện vào dung dịch điện môi đã tạo ra các sóng xung tia lửa điện khác biệt so với khi không có bột Trong PMEDM, số lượng tia lửa điện hình thành từ một lần phát xung là rất lớn Các kết quả nghiên cứu đã chỉ ra nhiều ảnh hưởng của bột khi được trộn vào dung dịch điện môi.

2.2.1 Lực tác động lên hạt bột trong dung dịch điện môi

Giả sử xét một bột có kích thước rất nhỏ ( hoặc nano mét) tồn tại trong khe hở giữa điện cực và phôi f mg

Hình 2 4 Sơ đồ lực tác động lên hạt bột trong dung môi [30]

TỔNG QUAN VỀ GIA CÔNG XUNG ĐIỆN (EDM) VÀ GIA CÔNG XUNG ĐIỆN CÓ TRỘN BỘT (PMEDM)

CƠ SỞ LÝ THUYẾT CỦA PHƯƠNG PHÁP GIA CÔNG

THỰC NGHIỆM KHẢO SÁT ẢNH HƯỞNG CỦA BỘT VÀ

XÁC ĐỊNH BỘ THÔNG SỐ CÔNG NGHỆ HỢP LÝ TRONG