Tóm tắt luận văn tối ưu hóa chế độ cắt của phương pháp gia công cắt dây tia lửa điện ứng dụng gia công lòng khuôn trên của bộ khuôn dập sản phẩm vòng đệm hãm 7 cánh trên máy cắt dây CW – 322s

- Một số hình thức gia công mới ra đời: gia công bằng siêu âm, bằng tia nước… - Gia công tia lửa điện có nhiều ưu điểm: + Năng suất cao - Đề tài “Tối ưu hóa chế độ cắt của phương pháp gi

PH ẦN MỞ ĐẦU

1 Tính cấp thiết của đề tài

- Nhu cầu dùng vật liệu cứng, vật liệu siêu cứng, vật liệu có độ

bền cao không ngừng tăng

- Gia công những vật liệu này bằng phương pháp gia công cắt gọt thông thường là rất khó

- Một số hình thức gia công mới ra đời: gia công bằng siêu âm, bằng tia nước…

- Gia công tia lửa điện có nhiều ưu điểm:

+ Năng suất cao

- Đề tài “Tối ưu hóa chế độ cắt của phương pháp gia công cắt dây tia lửa điện - ứng dụng gia công lòng khuôn trên của bộ khuôn dập sản phẩm vòng đệm hãm 7 cánh trên máy cắt dây

CW – 322S” được chọn với các mục đích:

+ Xác định chế độ công nghệ hợp lý

+ Tối ưu hóa chế độ công nghệ

2 Đối tượng, mục đích và phương pháp nghiên cứu

2.1 Đối tượng nghiên cứu

Ba thông số công nghệ của phương pháp gia công cắt dây tia lửa điện: điện áp phóng tia lửa điện (Ue), dòng phóng tia lửa điện (Ie) và

tốc độ dịch chuyển của dây điện cực (vd) Hai thông số đầu ra là chất lượng bề mặt và năng suất gia công

2.2 M ục đích nghiên cứu

Xây dựng phương pháp tối ưu hóa chế độ cắt của phương pháp gia công cắt dây tia lửa điện

2.3 Phương pháp nghiên cứu

Phương pháp nghiên cứu thực nghiệm

3 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài

3.1 Ý nghĩa khoa học

Đề tài góp phần vào việc tối ưu hóa chế độ cắt khi gia công trên máy cắt dây nói chung và gia công thép gió P18 trên máy cắt dây CW-322S nói riêng

3.2 Ý nghĩa thực tiễn

+ Đề tài giúp cho việc lựa chọn chế độ gia công khi gia công thép gió trên máy cắt dây được hợp lý hơn, nâng cao hiệu quả khai thác và sử dụng máy cắt dây

+ Đạt được năng suất cao mà vẫn đảm bảo được độ chính xác yêu cầu khi gia công thép gió trên máy cắt dây

Chương 1 TỔNG QUAN VỀ GIA CÔNG TIA LỬA ĐIỆN

1.1 Đặc điểm của phương pháp gia công tia lửa điện

Gia công tia lửa điện là phương pháp gia công bằng cách phóng điện ăn mòn trên cơ sở tác dụng nhiệt của xung điện được tạo ra

do sự phóng điện giữa hai điện cực [18]

1.1.1 Các đặc điểm chính của phương pháp gia công tia lửa điện

1.1.2 Kh ả năng công nghệ của phương pháp gia công tia lửa điện

1.2 Các phương pháp gia công tia lửa điện

1.2.1 Phương pháp gia công xung định hình

1.2.2 Phương pháp gia công cắt dây bằng tia lửa điện 1.2.3 Các phương pháp khác

- Gia công tia lửa điện dạng phay (Milling EDM)

- Phủ bằng tia lửa điện (EDD)

- Gia công EDM trợ giúp của siêu âm (Ultrasonic Aided EDM)

- Mài xung điện (Abrasive Electrical Discharge Grinding- AEDG)

- Cắt dây tia lửa điện siêu nhỏ (MWEDM)

1.3 Cơ sở của phương pháp gia công tia lửa điện

1.3.1 Bản chất vật lý

Pha I: Pha đánh lửa [18]

Pha II: Sự hình thành kênh phóng điện [18]

Pha III: S ự nóng chảy và bốc hơi vật liệu [18]

1.3.2 Cơ chế bóc tách vật liệu

1.4 Các y ếu tố ảnh hưởng đến quá trình gia công tia lửa điện 1.4.1 Các đặc tính về điện

- Điện áp đánh tia lửa điện U z (V)

- Thời gian trễ đánh lửa t d (µs)

- Điện áp phóng tia lửa điện U e (V)

- Dòng phóng tia lửa điện I e (A)

- Thời gian phóng tia lửa điện t e (µs)

- Độ kéo dài xung t i (µs)

1.4.2 Các y ếu tố khác

- Tốc độ di chuyển của dây vd

- Ảnh hưởng của sự ăn mòn điện cực

1.5 Lượng hớt vật liệu khi gia công tia lửa điện

1.8.3 Xung mạch hở, không có dòng điện

1.8.4 Sự quá nhiệt của chất điện môi

1.9 Các y ếu tố không điều khiển được

1.9.1 Nhiễu hệ thống

1.9.2 Nhiễu ngẫu nhiên

1.10 Dung dịch chất điện môi trong gia công tia lửa điện

1.10.1 Nhi ệm vụ của dung dịch chất điện môi

1.10.2 Các loại chất điện môi

1.10.3 Các tiêu chu ẩn đánh giá chất điện môi

1.10.4 Các loại dòng chảy của chất điện môi

độ di chuyển của điện cực, chất điện môi… có ảnh hưởng lớn và phức

tạp đến năng suất cắt và nhám bề mặt Vì vậy cần tiến hành nghiên cứu tìm ra ảnh hưởng của các yếu tố đó khi gia công ứng với mỗi loại vật

liệu, với mỗi máy gia công nhằm nâng cao hiệu quả trong việc khai thác và sử dụng các thiết bị và đặc biệt là nâng cao năng suất và chất lượng của quá trình gia công

C hương 2 CHƯƠNG II MÁY C ẮT DÂY CW – 322S VÀ CÁC THÔNG SỐ ĐIỀU CHỈNH

TRONG QUÁ TRÌNH GIA CÔNG 2.1 C ấu trúc của máy cắt dây CW – 322S

2.1.1 Công dụng của máy cắt dây CW – 322S

2.1.2 Ưu nhược điểm của phương pháp gia công cắt dây tia lửa điện

2.1.2.1 Ưu điểm [16,18]

- Độ chính xác cao (có thể tới 1μm)

- Kết cấu máy đơn giản

- Có khả năng tự động hóa quá trình gia công, đơn giản, dễ vận hành

2.1.2.2 Nhược điểm

- Đối với vật gia công có chiều dày lớn (>100mm) hoặc trong trường hợp chất điện môi bị bẩn thì việc bơm chất điện môi vào vùng gia công sẽ rất khó khăn

- Khi dây cắt đã được sử dụng, nó sẽ bị mòn dẫn đến sai số cho quá trình cắt, vì vậy không thể sử dụng được nhiều lần

- Dây điện cực có kích thước nhỏ (từ 0,1 ÷ 0,3mm)

2.2 Độ chính xác khi gia công tia lửa điện trên máy cắt dây CW –

322S

- Sai số do kiểm nghiệm

- Sai số do biến dạng nhiệt của các chi tiết và các cụm của thiết bị

- Sai số do biến dạng dãn dài của chi tiết gia công và của bộ phận đo lường bị nóng do gia công lâu

2.3 Điện cực và vật liệu làm điện cực

2.3.1 Yêu cầu của vật liệu làm điện cực

- Dẫn điện tốt

- Có nhiệt độ nóng chảy cao

- Có độ giãn dài cao

- Có tính dẫn nhiệt tốt

2.3.2 Các loại dây điện cực

Đặc tính của dây điện cực bao gồm:

- Đường kính dây: Thường dùng loại dây có đường kính d = 0,1 ÷ 0,3mm

- Vật liệu dây

Đối với máy cắt dây CW – 322S, dây điện cực được sử dụng

là dây đồng, đường kính dây d = 0,1 ÷ 0,3mm, dây được sử dụng 1

lần

2.4 Sự thoát phoi trong quá trình cắt dây

- Thổi chiều trục dưới áp lực (dòng chảy chiều trục)

- Dòng chảy tuần hoàn tự nhiên: sử dụng trong trường hợp phôi được nhấn chìm trong chất điện môi

2.5 Nhám bề mặt khi cắt dây trên máy cắt dây CW – 322S 2.6 Các thông số điều chỉnh trong quá trình gia công trên máy

cắt dây CW – 322S

2.6.1 Dòng phóng tia lửa điện I

Dòng phóng tia lửa điện Ie có ảnh hưởng lớn nhất đến chất lượng bề mặt và lượng hớt vật liệu (năng suất gia công) Dòng Ie càng

mạnh thì lượng hớt vật liệu càng lớn và độ nhám bề mặt cũng càng lớn (độ bóng càng nhỏ) [18]

Dòng phóng tia lửa điện Ie trên máy cắt dây CW – 322S được điều chỉnh trong khoảng 1÷10A[21]

2.6.2 Độ kéo dài xung t i

Là khoảng thời gian giữa hai lần đóng của máy phát trong cùng một chu kỳ phóng điện [18] Độ kéo dài xung ảnh hưởng tới:

- Tốc độ bóc tách vật liệu (năng suất)

- Chọn t0đủ nhỏ để có thể hớt được một lượng vật liệu phôi lớn

- Chọn t đủ lớn để tránh các lỗi của quá trình

2.6.4 Điện áp đánh lửa U z

Dùng điện áp đánh lửa Uz để khởi đầu sự phóng tia lửa điện Cùng với bước của dòng điện, Uzcó ý nghĩa quyết định tới chiều rộng khe hở phóng điện

2.6.5 Khe h ở phóng điện

2.6.6 Tốc độ dịch chuyển của dây điện cực

Tốc độ dịch chuyển của dây vd: Tốc độ di chuyển của dây vd là

vận tốc dây điện cực dịch chuyển dọc theo đường dẫn của dây, dây được di chuyển liên tục [18] Tốc độ di chuyển của dây điện cực trên máy cắt dây CW -322S trong khoảng 1÷15 m/ph Khi tốc độ lớn thì quá trình gia công ổn định hơn, tốc độ cắt tăng nhẹ

2.7 L ập trình gia công trên máy cắt dây CW – 322S

Lập trình gia công tia lửa điện trên máy cắt dây CW – 322S cũng sử dụng ngôn ngữ ISO-CNC trên cơ sở các mã “G” Trong chương trình gia công trên máy cắt dây CW- 322S có thể tồn tại 2 loại chương trình là chương trình chính (Main Program) và chương trình con (Sub Program) [21]

Thường khi có những đoạn gia công được lặp đi lặp lại trong chương trình chính thì sử dụng chương trình con sẽ đơn giản hóa và rút gọn được chương trình gia công Nếu trong chương trình chính có

lệnh “Execute Sub Program” thì chương trình sẽ tự động chuyên sang chương trình con, ở cuối chương trình con thường có dòng lệnh

“Return to Main Program” để quay lại chương trình chính [18]

2.7.1 Các tr ục điều khiển và hệ tọa độ của máy cắt dây CW-

Chữ “G” trong các câu lệnh có 2 dạng (tùy theo giá trị của con

số phía sau mà có ý nghĩa ở dạng nào)

- Mã G chỉ có ý nghĩa trong 01 block

- Mã G hình thức (modal): là mã được duy trì cho đến khi một

mã G khác trong cung nhóm được viết lệnh

Trong mỗi block, khi kết thúc câu lệnh phải có dấu “;”

2.7.3 Các ch ức năng “M”

Các chức năng M được viết lệnh với một chữ cái địa chỉ M cùng với một giá trị bằng số có hai chữ số Đó là những số cố định đã được mã hóa, chúng mang một ý nghĩa nhất định được trình bày trong bảng 2.2 Nếu lệnh mã M được cho cùng một block dịch chuyển thì nó

sẽ có tác dụng sau khi hoàn thành dịch chuyển bù đường kính dây hoặc đang có phương thức cắt côn thì nó cho phép viết lệnh M với một block đơn Tuy nhiên, việc cho liên tiếp các lệnh mã M của nhiều hơn

2 block là không thể được

2.7.4 Các phép copy d ịch chuyển

2.7.5 Các lệnh cắt côn

K ẾT LUẬN CHƯƠNG II

Trong chương II, tác giả đi sâu vào tìm hiểu cấu trúc của máy

cắt dây CW – 322S và các thông số điều chỉnh trong quá trình gia công Năng suất gia công và chất lượng bề mặt gia công phụ thuộc rất nhiều vào các thông số này Vì vậy cần tiến hành nghiên cứu và thiết

lập các mối quan hệ giữa các thông số đó với năng suất và chất lượng của bề mặt gia công

CHƯƠNG 3 TỐI ƯU HÓA CHẾ ĐỘ CẮT CỦA PHƯƠNG PHÁP CẮT DÂY 3.1 T ổng quan về tối ưu hóa và phương pháp bề mặt chỉ tiêu

3.1.1 Tổng quan về tối ưu hóa

a Bài toán tối ưu tổng quát

b Bài toán quy hoạch tuyến tính (QHTT)

c Bài toán vận tải

d Bài toán cái túi

3.1.2 Phương pháp bề mặt chỉ tiêu (Response Surface

Methodology – RSM) [20]

Nội dung chính của RSM là sử dụng một chuỗi thí nghiệm được thiết kế với các mục đích sau:

- Chỉ ra tập giá trị đầu vào (điều kiện vận hành, thực thi) sao cho

tạo ra ứng xử của đối tượng nghiên cứu là tốt nhất

- Tìm kiếm các giá trị biến đầu vào nhằm đạt được các yêu cầu cụ

thể về ứng xử của đối tượng nghiên cứu

- Xác định điều kiện vận hành mới đảm bảo cải thiện chất lượng hoạt động của đối tượng so với tình trạng cũ

- Mô tả hóa quan hệ giữa các biến đầu vào với ứng xử của đối tượng nghiên cứu, dùng làm cơ sở để dự đoán hay điều khiển quá trình hay hệ thống

Ưu điểm: Phương pháp bề mặt chỉ tiêu rất hữu ích trong việc

phát triển, nâng cao hiệu quả và tối ưu hóa quá trình sản xuất Nó cũng

có các ứng dụng quan trọng trong việc thiết kế và phát triển các sản

phẩm mới cũng như cải thiện các sản phẩm hiện có

V ới những ưu điểm của phương pháp bề mặt chỉ tiêu, tác giả sẽ sử dụng phương pháp này để tối ưu hóa thông số công nghệ trong gia công c ắt dây tia lửa điện thép gió P18

Nội dung của phương pháp:

Bước 1: Thí nghiệm khởi đầu

Bước 2: Leo dốc tìm vùng cực trị

Bước 3: Thí nghiệm bề mặt chỉ tiêu

3.2 Tối ưu hóa chế độ cắt của phương pháp cắt dây tia lửa điện 3.2.1 Mô hình bài toán t ối ưu hóa chế độ cắt của phương pháp cắt dây tia lửa điện

Hình 3.14: Mô hình hóa quá trình gia công cắt dây tia lửa điện

Thông số đầu vào: máy, dây điện cực, phôi, yêu cầu kỹ thuật

của chi tiết, các thông số công nghệ U e , I e , v d …

Đầu ra: Năng suất gia công đạt cao nhất

3.2.2 Các giả thiết và điều kiện thí nghiệm

Các giả thiết

Điều kiện thực hiện thí nghiệm

Thiết bị thí nghiệm: Máy cắt dây CW – 322S tại trung tâm thí

nghiệm của trường Đại học Kỹ thuật công nghiệp

Vật liệu gia công: Thép gió P18

Các dụng cụ đo kiểm

3.2.3 Ứng dụng phương pháp RSM tối ưu hóa chế độ cắt khi gia công lòng khuôn trên của bộ khuôn dập sản phẩm vòng đệm hãm 7 cánh trên máy cắt dây CW – 322S

3.2.3.1 Các thông s ố đầu vào của thí nghiệm

Nhóm thí nghiệm này được thiết kế với 3 thông số có ảnh hưởng tới lượng hớt vật liệu và nhám bề mặt đó là: điện áp phóng tia

lửa điện Ue, dòng phóng tia lửa điện Ie, tốc độ di chuyển của dây vd

Bảng 3.6: Phạm vi khảo sát các biến thực nghiệm

Mức

Điện áp phóng tia lửa điện Ue 40 50 60

Hàm mục tiêu của của quá trình tối ưu hóa:

Hàm mục tiêu để thực hiện quá trình tối ưu là quan hệ giữa lượng hớt vật liệu với các thông số Ue, Ie, vd có dạng sau:

) / ( 18 ) , ,

I U f R

ph m v

A I A

V U

V

d e e Ra a d e e

µ 5 , 2 ) , , (

/ 3 1

4 2

60 40

(**)

Với (*) là hàm mục tiêu, (**) là miền ràng buộc

3.2.3.2 Ảnh hưởng của các thông số gia công đến lượng hớt vật liệu

Tác giả sử dụng thiết kế hỗn hợp tâm xoay (CCD) cho đề tài

• Thực hiện thí nghiệm bề mặt chỉ tiêu:

Tính bằng tay:

Bảng 3.7: Ma trận quy hoạch thực nghiệm phương án CCD với 3 yếu tố

STT x 0 x 1 x 2 x 3 x 1 x 2 x 1 x 3 x 2 x 3

2 1

Thi ết kế thí nghiệm bằng máy tính:

Bảng 3.8: Kế hoạch thí nghiệm tối ưu hóa lượng hớt vật liệu

Bảng 3.9 Ma trận thí nghiệm và kết quả thí nghiệm lượng hớt vật liệu MRR

StdOrder RunOrder PtType Blocks Ue Ie vd MRR

t 22 =1399,21 t 33 =122,14

Tra bảng tp (f); p = 0,05; f = 5 được t 0,05 (5) = 2,57 ⇒t bang =2,57

Các giá trị t12 , t 13 , t 23 nh ỏ hơn giá trị t bang , do đó loại các hệ số b 12 , b 13 ,

b 23 ra khỏi phương trình hồi quy Phương trình hồi quy còn lại có

dạng:

2 3 2

2 2

1 3

2

1 0,9982 0,1629 0,7637 0,7068 0,06176541

,2

Giá trị tính được của chuẩn F bằng: Ft = 2 , 18

Tra bảng được Fbang =4,74

Có F t < F bang nên phương trình hồi quy tìm được mô tả đúng với thực

nghiệm

Chuyển phương trình từ dạng mã hóa sang dạng tọa độ thực:

) / ( 0617 , 0 7068 , 0 007637 , 0 0839 , 0 2390 , 5 4983 , 0

3679

,

ph mm v I

U v

I U

(3.34)

Tính b ằng máy:

) / ( 0610 , 0 7079 , 0 0076 , 0 0819 , 0 2472 , 5 4988 , 0 3329

,

Từ mối quan hệ giữa lượng hớt vật liệu MRR với các thông số

U e , I e, v d nhận thấy ảnh hưởng của I e là nhiều nhất, U e ảnh hưởng ít

hơn, còn v d hầu như không ảnh hưởng đến lượng hớt vật liệu MRR

• Đồ thị bề mặt chỉ tiêu:

Hình 3.20 Đồ thị quan hệ lượng hớt vật liệu phụ thuộc Ie và Ue khi vd =2 m/ph

Hình 3.21 Đồ thị đường mức lượng hớt vật liệu phụ thuộc Ue và Ie

khi vd = 2 m/ph

• Tối ưu hóa lượng hớt vật liệu MRR với miền ràng buộc là (**)

Đưa bài toán về dạng chuẩn của Harrington:

,

(

18 ) ,

,

(

d e

e

Ra

d e

e

MRR

v I

U

f

v I

A I A

V U

V

d e e

/ 3 1

4 2

60 40

2 2

1 3

2

6541,21111

,

2 1 3

2 1

2 1 3

2 1

0,00323250,2148

0,350620,329

2,20866

0,00323250,2148

0,350620,329

-2,20866

x x

x x

y

x x

x x

y

Ra

Ra

−+

653,0

4200

8200,0

0633,0

0001,00

0

04390,20

00

6356,202

1

s

x

Tính giá trị của λi:

10000

; 41 , 0

; 04846

,

λ

Các giá trị đặc trưng λiđều âm nên điểm cực trị là điểm cực đại

Thay các giá trị này vào các phương trình hồi quy của lượng hớt vật

liệu và nhám bề mặt, được các giá trị tại điểm tối ưu:

( 2 );

MRR = 21,8600 , desirability = 0,96500

Ra = 2,3926 , desirability = 0,98764

Composite Desirability = 0,97625

Hình 3.23: Kết quả tối ưu hóa lượng hớt vật liệu MRR

Từ kết quả trên hình 3.23 nhận thấy giá trị lớn nhất của lượng

hớt vật liệu là 21,8600mm 3

trị và đồ thị tối ưu Optimization Plot như hình 3.24

Hình 3.24: Một phần đồ thị tối ưu hóa lượng hớt vật liệu MRR

Dừng quá trình tìm kiếm tối ưu tại đây và kết luận: tập thông

Hình 3.25: Đồ thị tối ưu hóa lượng hớt vật liệu MRR theo chỉ tiêu

nhám bề mặt Ra Quan sát đồ thị trên hình 3.25, có thể lựa chọn các thông số cắt

để đồng thời đạt được chỉ tiêu về lượng hớt vật liệu và nhám bề mặt

Khi đó, sẽ chọn thông số công nghệ tối ưu như sau: U e = 56,6 V, I e = 2

A, v d = 1,8 m/ph