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 vào thiết bị máy móc tốn kém 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, được sử dụng phổ biến Doanh nghiệp ở Việt Nam chủ yếu áp dụng phương pháp EDM hoặc phay cao tốc, trong đó EDM, đặc biệt là phương pháp xung định hình, được ưa chuộng nhờ chi phí thiết bị thấp, tính đa năng cao và thao tác đơn giản Do đó, nghiên cứu nhằm 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 cần quá trình điều trị lâu dài và tốn kém, ảnh hưởng đến tâm lý bệnh nhân và có thể dẫn đến tử vong Mặc dù một số phương pháp như cấy ion và phun từ trường đã cho thấy hiệu quả trong việc tạo lớp phủ kháng khuẩn, nhưng không có phương pháp nào có khả năng gia công và phủ kháng khuẩn đồng thời trên bề mặt cấy ghép Nghiên cứu này đề xuất gia công phóng điện hỗn hợp bột (PMEDM) như một giải pháp tiềm năng để biến đổi bề mặt chính xác, bằng cách chuyển vật liệu điện cực và bột lơ lửng vào bề mặt phôi Cụ thể, nồng độ bột nano bạc được thêm vào chất lỏng điện môi gốc hydrocarbon để gia công phôi titan, cho thấy PMEDM là phương pháp hứa hẹn cho việc gia công và phủ lớp kháng khuẩn nano bạc đồng thời.

Gần đây, siêu hợp kim gốc niken như Inconel 601, Inconel 625 và Inconel 718 đã trở thành lựa chọn phổ biến trong ngành hàng không vũ trụ, hóa học và hàng hải nhờ vào khả năng duy trì tính chất cơ học ở nhiệt độ cao và khả năng chống ăn mòn xuất sắc Tuy nhiên, các đặc tính như độ dẫn nhiệt thấp, xu hướng làm cứng biến dạng và sự hiện diện của các pha cứng trong cấu trúc vi mô đã khiến việc gia công các hợp kim này trở nên khó khăn với các quy trình thông thường Vì vậy, nghiên cứu hiện tại tập trung vào việc nâng cao năng suất và chất lượng bề mặt gia công của Inconel.

625 là một siêu hợp kim gốc niken, được sản xuất 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).

EDM truyền thống đã có nhiều phương pháp cải thiện năng suất và chất lượng, trong đó trộn bột vào dung môi cách điện là một giải pháp hiệu quả Quá trình này sử dụng bột mịn pha trộn với dung dịch điện môi, giúp giảm độ nhám bề mặt và cải thiện hiệu quả gia công so với các phương pháp EDM khác Nghiên cứu cũng chỉ ra rằng việc áp dụng các loại bột khác nhau về vật liệu và kích thước mang lại kết quả tích cực Tuy nhiên, nhược điểm của gia công xung là năng suất và chất lượng bề mặt thấp hơn so với các phương pháp truyền thống, do khó khăn trong việc thoát phoi và bóc tách vật liệu Thiết kế hệ thống hỗ trợ gia công EDM tối ưu vẫn đang là một thách thức nghiên cứu Giải pháp rung động với biên độ nhỏ tích hợp vào phôi hoặc điện cực trong PMEDM hứa hẹn sẽ cải thiện tính ổn định của 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.

“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

Nghiên cứu này đánh giá hiệu quả của phương pháp PMEDM dưới dòng phun áp lực cao so với phương pháp PMEDM thông thường, tập trung vào ảnh hưởng của quá trình gia công vật liệu thép SKD61 Kết quả cho thấy phương pháp PMEDM dưới dòng phun áp lực cao mang lại hiệu suất gia công tốt hơn, cải thiện chất lượng bề mặt và tăng cường độ chính xác trong quá trình chế biến vật liệu.

Nghiên cứu này đánh giá hiệu quả của phương pháp V-PMEDM khi áp dụng cho phôi, so sánh với phương pháp PMEDM thông thường, thông qua việc phân tích ảnh hưởng của quá trình gia công vật liệu thép SKD61.

Nghiên cứu mối quan hệ giữa các thông số đầu vào như dòng điện (I), nồng độ bột (C), thời gian phóng điện (Ton), áp suất dòng phun (P), tần số rung động (F), và biên độ rung động (A) với các thông số đầu ra bao gồm năng suất, mòn điện cực, nhám bề mặt, độ cứng bề mặt, và chiều dày lớp trắng bề mặt là rất quan trọng Nghiên cứu này được thực hiện trong cả gia công thông thường và gia công dưới dòng phun áp lực cao, đồng thời tích hợp rung động vào phôi SKD61 để tối ưu hóa hiệu quả gia công.

Đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu

- Đối tƣợng nghiên cứu: Quá trình gia công xung điện có trộn bột tích hợp rung động và dòng phun dung môi (V- PMEDM) thép SKD61.

Nghiên cứu tổng quan về gia công gia xung điện có trộn bột và tích hợp rung động;

Nghiên cứu cơ sở vật lý quá trình gia công V-PMEDM;

Nghiên cứu thực nghiệm ảnh hưởng của quá trình PMEDM tích hợp rung đến năng suất và chất lƣợng gia công của thép SKD61;

Nghiên cứu thực nghiệm này tập trung vào việc phân tích ảnh hưởng của các tham số đầu vào đến các thông số đầu ra Phương pháp thiết kế thực nghiệm Taguchi được áp dụng để tối ưu hóa quy trình, kết hợp với phân tích phương sai ANOVA nhằm đánh giá sự ảnh hưởng của các yếu tố này một cách chính xác Kết quả từ nghiên cứu sẽ cung cấp cái nhìn sâu sắc về mối quan hệ giữa các biến và hỗ trợ trong việc cải thiện hiệu suất của hệ thống.

Phương pháp nghiên cứu

Phương pháp nghiên cứu của luận án là nghiên cứu lý thuyết và kết hợp thực nghiệm đánh giá kết quả nghiên cứu.

Ý nghĩa khoa học và ý nghĩa thực tiễn của đề tài

Nghiên cứu này đã mở ra một hướng đi mới trong gia công phi truyền thống với vật liệu cứng, tập trung vào việc áp dụng giải pháp hỗ trợ trong gia công EDM Phân tích cho thấy, phương pháp gia công bằng xung điện kết hợp với bột trong dung môi và tích hợp rung vào phôi không chỉ nâng cao năng suất mà còn cải thiện chất lượng bề mặt và cơ tính của thép SKD61 sau gia công Nghiên cứu cũng đã xác định mối quan hệ giữa các chế độ công nghệ và các thông số đầu ra như năng suất bóc tách vật liệu, độ mòn điện cực, chất lượng bề mặt, độ cứng bề mặt và độ dày lớp bề mặt ảnh hưởng do quá trình EDM Ý nghĩa thực tiễn của đề tài là tạo cơ sở cho việc thiết kế hệ thống hỗ trợ gia công, giúp nâng cao năng suất và giảm chi phí cho các chi tiết có độ cứng cao, đồng thời có tiềm năng ứng dụng trong y học để phủ lớp vật liệu an toàn lên bề mặt các chi tiết cấy ghép.

Những đóng góp mới của luận án

Phương pháp gia công vật liệu cứng bằng xung điện có trộn bột trong dung môi khi gia công thép SKD61 tích hợp rung vào phôi đã được phân tích và làm rõ về tính hiệu quả Nghiên cứu cho thấy nồng độ bột Titan thấp (1-8g/l) và tần số rung động dưới 1000Hz có ảnh hưởng đáng kể đến năng suất và chất lượng quá trình gia công EDM Phương pháp V-PMEDM, khi áp dụng vào phôi, đã được so sánh với PMEDM thông thường, cho thấy khả năng nâng cao năng suất và chất lượng bề mặt Ngoài ra, các yếu tố công nghệ như dòng điện xả, thời gian đánh lửa, nồng độ bột, áp suất dòng phun dung môi, tần số và biên độ rung động đều ảnh hưởng đến năng suất bóc tách vật liệu (MRR) và độ mòn điện cực.

Quá trình gia công thép SKD61 bằng phương pháp xung điện (EDM) ảnh hưởng đến các yếu tố như EWR, chất lượng bề mặt (Ra), độ cứng bề mặt (HV) và chiều dày lớp bề mặt (WLT) Bài viết đã xây dựng các bộ tham số công nghệ tối ưu cho các chỉ tiêu đánh giá khác nhau, đồng thời xác định giá trị phù hợp với bộ thông số công nghệ hợp lý trong bài toán quyết định đa mục tiêu của quá trình gia công bằng PMEDM Phương pháp kết hợp Taguchi và Topsis được sử dụng để đánh giá 5 chỉ tiêu chất lượng, đảm bảo hiệu quả trong quá trình gia công.

Cấu trúc nội dung luận án

Luận án được cấu trúc thành 4 chương, bắt đầu với Chương 1, nơi trình bày tổng quan về gia công xung điện (EDM) và gia công xung điện có trộn bột (PMEDM).

Chương 2: Cơ sở lý thuyết của phương pháp gia công xung điện có trộn bột tích hợp rung động.

Chương 3 Thực nghiệm khảo sát ảnh hưởng của bột và rung động đến hiệu quả gia công xung điện.

Chương 4: Xác định bộ thông số công nghệ hợp lý trong PMEDM với rung động gán trên phôi.

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

Khái quát về phương pháp xung định hình

Năm 1770, Joseph Priestly phát hiện sự xói mòn vật liệu do phóng điện, đánh dấu nguồn gốc của phương pháp xung định hình Hai nhà khoa học Liên Xô, B.R Lazarenko và N.I Lazarenko, nghiên cứu hiệu quả của tia lửa điện trong bóc tách kim loại và điều khiển quá trình này Năm 1943, mạch điều khiển và máy phát tia lửa điện theo sơ đồ Lazarenko ra đời, được cải tiến liên tục Vào những năm 1950, ba kỹ thuật viên Mỹ đã ứng dụng tia lửa điện trong gia công ống chân không và giới thiệu hệ thống điều khiển servo Tuy nhiên, đến những năm 1980, máy gia công bằng tia lửa điện CNC mới khẳng định được hiệu quả Ngày nay, máy xung định hình đã ổn định với hệ thống điều khiển thích nghi, nâng cao năng suất và chất lượng sản phẩm Phương pháp này hiện đang được ứng dụng rộng rãi trong ngành chế tạo cơ khí, đặc biệt là trong sản xuất dụng cụ và khuôn mẫu, thu hút sự quan tâm của nhiều nghiên cứu.

1.1.1 Nguyên lý gia công EDM

Phương pháp xung định hình hoạt động dựa trên nguyên lý chuyển đổi năng lượng điện thành năng lượng nhiệt thông qua chuỗi tia lửa điện hình thành tại khe hở giữa điện cực và phôi trong dung dịch điện môi Khi điện áp cao được áp dụng tại khe hở nhỏ nhất, nó sẽ làm thủng độ bền cách điện của dung dịch, dẫn đến sự xuất hiện của tia lửa điện, gây xói mòn lớp vật liệu bề mặt của cả điện cực và phôi.

Hình 1.1 Quá trình hình thành tia lửa điện trong EDM [4]

Hình 1 2 Sự hình thành tia lửa điện [1]

Sau mỗi lần dung dịch điện môi bị đánh thủng, tụ điện nạp năng lượng từ nguồn qua cuộn dây trở kháng, tạo ra tia lửa điện Những tia lửa này xuất hiện trên toàn bộ bề mặt của phôi, hình thành dạng bề mặt cần gia công Độ chính xác của bề mặt gia công gần tương đương với độ chính xác của điện cực Nguyên lý hoạt động của EDM rất phức tạp do thời gian và khoảng cách hình thành tia lửa điện không rõ ràng, đây là vấn đề đang được nghiên cứu sâu.

1.1.2 Nguyên lý gia công PMEDM

Phương pháp gia công bằng tia lửa điện trộn bột kim loại (PMEDM) sử dụng bột dẫn điện hòa trong dung dịch điện môi, giúp tăng cường hiện tượng phóng điện trong quá trình gia công Bột mịn được pha trộn với dung dịch điện môi theo tỷ lệ phù hợp, mang lại hiệu quả gia công cao hơn và giảm độ nhám bề mặt so với các phương pháp gia công bằng EDM truyền thống.

Hình 1 3 Sơ đồ gia công xung điện có trộn bột

Sự phát triển công nghệ và những nghiên cứu trong lĩnh vực PMEDM

Bột là phụ gia vào chất lỏng điện môi Kích thước của bột là micro và nano.

Sự phát triển công nghệ và nghiên cứu trong lĩnh vực PMEDM đƣợc thể hiện trong Hình 1 4.

Hình 1 4 Phân loại các lĩnh vực nghiên cứu chính của PMEDM

Khảo sát tài liệu về PMEDM được phân loại thành các phần nhằm nâng cao năng suất bóc tách vật liệu (MRR), giảm độ mòn dụng cụ, cải thiện độ nhám bề mặt, hiệu chỉnh bề mặt, tối ưu hóa các tham số công nghệ, mô hình hóa và mô phỏng quá trình, cùng với các ứng dụng của PMEDM.

1.2.1 Tình hình nghiên cứu PMEDM trên thế giới:

1.2.1.1 PMEDM với mục tiêu nâng cao năng suất bóc tách vật liệu.

Erden và Bilgin [5] đã giới thiệu khái niệm EDM hỗn hợp bột vào năm 1980, nghiên cứu ảnh hưởng của việc thêm bột đồng, sắt, carbon và nhôm vào chất điện môi dầu hỏa Đồng thau và thép đồng được chọn làm vật liệu phôi, và nghiên cứu cho thấy việc bổ sung bột cải thiện các đặc tính phá vỡ của chất lỏng điện môi EDM Nồng độ bột tăng cường khả năng phóng điện, dẫn đến tăng tốc độ gia công, nhưng cũng gây ra hiện tượng ngắn mạch, làm cho quá trình gia công trở nên không hiệu quả và không ổn định.

Jeswani đã phát hiện ra rằng việc trộn bột than chì mịn vào dầu hỏa có thể cải thiện MRR lên đến 60% Việc bổ sung 4g/l bột than chì mịn không chỉ tăng khoảng cách khởi đầu phóng điện mà còn giảm điện áp ngắn mạch, từ đó nâng cao độ ổn định trong quá trình gia công Một nghiên cứu khác cho thấy việc thêm bột nhôm vào chất điện môi cũng cải thiện đáng kể MRR của SKD11 Tzeng và Lee đã nghiên cứu ảnh hưởng của các loại bột khác nhau như crôm, đồng, nhôm và silic cacbua đến MRR của SKD11 Các thông số quan trọng như nồng độ bột, kích thước, mật độ, điện trở suất và độ dẫn nhiệt đều ảnh hưởng đến hiệu suất gia công Hình ảnh minh họa cũng cho thấy ảnh hưởng của kích thước hạt bột và nồng độ bột đến MRR ở các dòng điện khác nhau.

Bột crom với kích cỡ hạt 70-80 mm có thể đạt được MRR tối đa, trong khi bột đồng có độ đậm đặc cao lại ảnh hưởng đến hiệu suất của EDM.

Kansal và cộng sự đã chỉ ra rằng việc sử dụng bột silicon làm phụ gia trong quá trình xung PMEDM gia công thép AISI D2 có ảnh hưởng lớn đến tốc độ gia công (MRR), với dòng điện cực đại và nồng độ bột là hai yếu tố quan trọng nhất Sự gia tăng dòng điện cực đại và nồng độ bột tạo ra nhiều điểm phóng điện trên bề mặt phôi, từ đó làm tăng MRR Ngoài ra, nghiên cứu của Kung và cộng sự cũng cho thấy rằng việc tăng kích thước hạt và nồng độ bột nhôm trong quá trình PMEDM của cacbua vonfram liên kết coban (WC-Co) cũng dẫn đến sự cải thiện đáng kể về MRR.

Mối quan tâm chính về PMEDM là chi phí cao và chi phí xử lý lọc điện môi khi có bột Để khắc phục vấn đề này, Wu và cộng sự đã thêm chất hoạt động bề mặt Span 20 (30g/l) vào dầu hỏa để gia công SKD61 Việc trộn chất hoạt động bề mặt đã làm tăng độ dẫn của dầu hỏa và thời gian đánh lửa, từ đó cải thiện khoảng cách đánh và nâng cao MRR lên 40%.

Nghiên cứu của Anil và cộng sự đã chỉ ra rằng việc bổ sung 12g/l bột than chì vào chất điện môi của EDM đã làm tăng 26,85% MRR khi sử dụng Inconel 718 làm vật liệu phôi Họ cũng phát hiện rằng nồng độ và kích thước hạt là những yếu tố quan trọng trong việc nâng cao hiệu quả gia công Cụ thể, các hạt bột nhôm có kích thước 325 lưới (tương đương 44 àm) ở nồng độ 6 g/l đạt được tốc độ gia công tối đa Nghiên cứu cho thấy kích thước hạt bột nhôm có mối quan hệ trực tiếp với kích thước khoảng cách tia lửa; việc tăng kích thước hạt dẫn đến tăng kích thước khe hở phóng tia lửa, từ đó cải thiện khả năng gia công và tốc độ gia công.

Hình 1 5 Ảnh hưởng của kích thước hạt và nồng độ đến MRR ở các dòng điện khác nhau [13]

Hình 1 6 Ảnh hưởng của các loại bột và nồng độ hạt khác nhau đến MRR [15]

Gurule và Nandurkar đã nghiên cứu tác động của bột nhôm và điện cực quay vòng đến tỷ lệ loại bỏ vật liệu (MRR) trong quá trình PMEDM của thép nhiệt luyện Nghiên cứu cho thấy rằng các yếu tố như dòng điện cực đại, thời gian xung, loại vật liệu dụng cụ, tốc độ quay của dụng cụ và nồng độ hạt bột đều có ảnh hưởng đáng kể đến MRR Đặc biệt, điện cực bằng đồng khi quay ở tốc độ 900 vòng/phút kết hợp với nồng độ bột nhôm 4 g/l mang lại MRR tối đa.

Gần đây, Jabbaripour và cộng sự đã thực hiện các thí nghiệm gia công PMEDM với hợp chất ϒ-TiAl, trong đó khảo sát ảnh hưởng của các loại bột như nhôm, crôm, silic cacbua, than chì và sắt đến MRR Kết quả cho thấy bột nhôm là lựa chọn tối ưu Tiếp theo, nhôm được trộn vào chất điện môi EDM, và các thông số như dòng điện, nhịp xung và nồng độ bột được điều chỉnh để so sánh hiệu suất giữa EDM và PMEDM Nghiên cứu chỉ ra rằng tăng dòng điện và nhịp xung làm tăng MRR, nhưng nồng độ bột cao hơn lại gây giảm MRR do mất ổn định phóng điện Trong khi đó, Cogun và cộng sự đã nghiên cứu tác động của bột không dẫn điện như H3BO3 và bột than chì trong chất điện môi dầu hỏa, cho thấy nồng độ bột ảnh hưởng tích cực đến tỷ lệ loại bỏ vật liệu Hỗn hợp bột than chì tạo ra tốc độ loại bỏ cao hơn so với H3BO3, và việc tăng thời gian đánh lửa cũng làm tăng MRR Kucukturk và Cogun đã thay đổi phương pháp gia công phôi không dẫn điện bằng cách áp dụng lớp dẫn điện trên bề mặt phôi, cho thấy MRR của vật liệu ZrO2 và TiO2 tăng khi độ dày của lớp dẫn điện tăng lên.

1.2.1.2 Giảm mòn điện cực dụng cụ (EWR) trong PMEDM Ảnh hưởng của bột đến khe hở phóng điện(δ) làm thay đổi năng suất và mòn điện cực Trong PMEDM, khả năng dẫn điện tốt, có nhiệt độ nóng chảy cao và độ mòn ít hơn là những yêu cầu thiết yếu của bất kỳ vật liệu điện cực nào Việc loại bỏ vật liệu trong PMEDM chủ yếu xảy ra do sự phóng điện nhanh đƣợc hình thành giữa dụng cụ và phôi ở nhiệt độ cao Nhiệt độ cao gây ra sự nóng chảy và làm bay hơi thêm phôi và đồng thời cũng ăn mòn điện cực Sự mài mòn công cụ tăng dẫn đến sự mất ổn định kích thước và chi phí dụng cụ cao hơn Vì vậy, để giảm hao mòn dụng cụ, lƣợng bột đủ đƣợc thêm vào điện môi của EDM.

Trong những năm gần đây, quy trình PMEDM đã được phát triển nhằm cải thiện chất lượng bề mặt EDM và giảm khuyết tật Bằng cách trộn bột dẫn điện vào chất điện môi, PMEDM làm giảm cường độ cách điện và tăng khoảng cách tia lửa giữa dụng cụ và phôi, từ đó tạo ra sự ổn định cao hơn và cải thiện tỷ lệ loại bỏ vật liệu (MRR) cũng như hoàn thiện bề mặt Bề mặt sau quá trình này cũng có khả năng chống ăn mòn và mài mòn tốt hơn Trong khi EDM thông thường tạo ra lực đẩy cơ học từ sự bay hơi của chất lỏng, PMEDM kết hợp thêm tác động của các hạt bột, mặc dù hiệu ứng này trong việc loại bỏ vật liệu là không đáng kể Ngoài ra, các hạt bột trong khoảng trống cũng ảnh hưởng đến quá trình đánh lửa để bóc tách vật liệu.

Jeswani (1981) đã nghiên cứu tác động của bột than chì trộn với dầu hỏa ở nồng độ 4g/l, phát hiện rằng khoảng cách khe hở phóng điện tăng lên nhưng điện áp ngắn mạch lại giảm Sự cải thiện trong độ ổn định của quá trình gia công đã dẫn đến tăng 60% tỷ lệ gia công vật liệu (MRR) và giảm 28% tỷ lệ hao mòn công cụ (TWR).

Bột SiC và bột Al có ảnh hưởng đáng kể đến số lượng tia lửa điện trong quá trình PMEDM, làm thay đổi năng suất và mức độ mòn điện cực Việc trộn bột dẫn điện vào dung dịch điện môi tạo ra sóng xung tia lửa điện khác biệt so với khi không sử dụng bột Mỗi lần phát xung trong PMEDM tạo ra nhiều tia lửa điện do sự hình thành chuỗi tia lửa, dẫn đến sự phân tán năng lượng tia lửa điện và tạo ra nhiều điểm phóng tia lửa điện khi có xung điện được áp dụng.

1.2.1.3 Hướng khảo sát trong PMEDM

Hình 1 8 Mức độ sử dụng của bột trong PMEDM [3].

Nhiều loại bột kim loại và hợp kim như nhôm (Al), cacbua silic (SiC), tungsten (W), titan (Ti), và cacbua tungsten (WC) có kích thước nhỏ hơn hoặc bằng 100 micron được trộn vào dung dịch điện mụi trong quá trình xung định hình.

Việc sử dụng bột trong dung dịch điện môi đã tạo điều kiện thuận lợi cho quá trình hình thành tia lửa điện, nâng cao năng suất bóc tách vật liệu và giảm mòn điện cực Sự hiện diện của các hạt bột giúp tạo ra chuỗi phóng điện, tăng khe hở phóng điện và cải thiện chất lượng bề mặt gia công Độ dày của lớp trắng giảm và vết nứt tế vi ít hơn, từ đó nâng cao khả năng chống ăn mòn Khi bột Si được trộn vào dung dịch điện môi, các điều kiện gia công không mong muốn gần như được loại bỏ, dẫn đến bề mặt bóng hơn và lượng phủ vật liệu lớn Việc sử dụng bột Ti trong dung dịch dầu hỏa tạo ra lớp TiC cứng trên bề mặt thép, trong khi việc thêm Urê vào dung dịch điện môi nước cất khi gia công Ti giúp hình thành hợp kim TiN, cải thiện tính ma sát và khả năng chịu mài mòn Tuy nhiên, việc đảm bảo các hạt bột lơ lửng đồng đều trong dung dịch là một thách thức, mặc dù có thể đạt được điều này bằng dung dịch nhớt hơn Cuối cùng, các yếu tố như vật liệu gia công và đặc trưng bột cũng ảnh hưởng lớn đến hiệu quả của quá trình gia công.

Hình 1 9 Ảnh SEM bề mặt thép H13 sau EDM [7] a Không có bột b Bột Si với điện cực 32cm 2

1.2.1.4 Ảnh hưởng của vật liệu bột và nồng độ bột đến PMEDM.

Ứng dụng của phương pháp gia công xung PMEDM

PMEDM là một phương pháp gia công hiệu quả để cải thiện nhám bề mặt của phôi, với nhiều ứng dụng trong lĩnh vực này Phương pháp này cho phép tạo ra bề mặt sáng bóng và có độ nhám thấp, đồng thời cải thiện khả năng chống ăn mòn và độ cứng siêu nhỏ của bề mặt Để hoàn thiện bề mặt phôi SKD11, các loại bột như crom, cacbua silic, nhôm và đồng đã được nghiên cứu và sử dụng, trong đó bột nhôm có kích thước hạt nhỏ mang lại bề mặt hoàn thiện tốt nhất Ngoài ra, bột nano graphit cũng đã được thêm vào chất điện môi EDM để gia công SKH 51, giúp giảm kích thước vết lõm trên bề mặt Để đạt được bề mặt sáng bóng, việc lựa chọn sự kết hợp phù hợp giữa phôi và bột là rất quan trọng.

PMEDM là công nghệ gia công vi mô hiệu quả, cho phép chế tạo các hình dạng 3D phức tạp và các thành phần mỏng, dễ vỡ trong nhiều ứng dụng công nghiệp Kỹ thuật này có khả năng gia công thành công bất kể độ bền và độ cứng của vật liệu Hiện nay, PMEDM được ứng dụng để sản xuất đầu phun mực, đầu từ của VCR kỹ thuật số và các hệ thống cơ điện tử vi mô, đồng thời cho phép chế tạo các thành phần và tính năng siêu nhỏ.

Động cơ siêu nhỏ, máy bơm siêu nhỏ và các thiết bị như bánh răng, lỗ, cánh quạt và rôto tuabin siêu nhỏ có thể được gia công thành công, mở ra triển vọng lớn trong việc ứng dụng PMEDM để tăng cường tính tương thích sinh học của vật liệu Nghiên cứu của Chen và cộng sự cho thấy phôi được biến đổi bằng bột titan và chất điện môi gốc nước khử ion của àEDM có bề mặt ưa nước Sau khi trải qua quá trình biến đổi về hình dạng và cấu trúc siêu nhỏ, phôi này có thể được áp dụng cho các thiết bị cấy ghép nha khoa trong tương lai.

Gia công các vật liệu tiên tiến và khó cắt như MMC và gốm cách điện Si3N4, ZrO2, TiO2 đã thành công nhờ vào việc phân tán các loại bột khác nhau vào điện môi EDM Nghiên cứu cho thấy rằng MRR của những vật liệu này được cải thiện, trong khi độ hoàn thiện bề mặt không bị ảnh hưởng đáng kể.

Nâng cao chất lượng bề mặt xung định hình với phương pháp rung

Gia công xung điện (EDM) là một quy trình gia công phi truyền thống phổ biến trong sản xuất nhờ vào chi phí thấp và độ chính xác cao về kích thước cũng như bề mặt Quy trình này không tiếp xúc, giúp phôi và công cụ không bị chịu áp lực cơ học EDM có khả năng gia công các vật liệu cứng như siêu hợp kim (inconel), titan và các loại vật liệu có độ cứng cao khác.

Việc loại bỏ phoi từ khe hở điện cực và phôi là một thách thức lớn trong quy trình EDM, do các mảnh vụn kim loại hình thành và tích tụ trong khe hở, ảnh hưởng tiêu cực đến MRR và chất lượng bề mặt Để cải thiện hiệu quả của quá trình, các nhà nghiên cứu đã phát triển nhiều kỹ thuật như làm thoát phoi, thay đổi điện môi, ứng dụng từ trường và lớp phủ điện cực Tuy nhiên, việc áp dụng các kỹ thuật này vẫn còn hạn chế do thiếu hiểu biết về cơ chế xử lý EDM Rung của công cụ hoặc phôi là một phương pháp hiệu quả để cải thiện việc thoát phoi, khi điện cực hoặc phôi di chuyển, chất điện môi mới được kéo vào và chất lỏng cũ bị đẩy ra, từ đó cải thiện hiệu quả thoát phoi và dung môi.

Chương I đã trình bày về lịch sử phát triển phương pháp gia công xung điện có bột trộn trong chất điện môi trên thế giới cũng nhƣ những lợi ích và khả năng ứng dụng trong nền sản xuất công nghiệp. Ưu điểm, nhược điểm và phạm vi ứng dụng của các phương pháp PMEDM đã được phân tích Việc lựa chọn phương pháp PMEDM tích hợp rung động vào phôi, dễ dàng sử dụng và phù hợp với điều kiện thí nghiệm hiện có của nghiên cứu.

Nguyên tắc gia công EDM, PMEDM cũng đƣợc phân tích làm cơ sở để xây dựng hệ thống thực nghiệm một cách đúng đắn và hiệu quả.

Gia công xung điện có bột trộn trong chất điện môi đã được nghiên cứu và ứng dụng rộng rãi trên thế giới, đặc biệt trong việc gia công kim loại cứng và chi tiết phức tạp Tuy nhiên, tại Việt Nam, việc tích hợp rung động trong gia công PMEDM vẫn chưa được đề cập Thép SKD61, một loại vật liệu khó gia công nhưng phổ biến trong ngành công nghiệp chế tạo khuôn mẫu, đòi hỏi nghiên cứu sâu về ảnh hưởng của quá trình xung điện có bột và rung tích hợp đến tính gia công Nghiên cứu này sẽ xây dựng mối quan hệ giữa các chế độ công nghệ như dòng điện xả, thời gian đánh lửa, nồng độ bột, áp suất dòng phun dung môi, tần số và biên độ rung động với các thông số đầu ra như năng suất bóc tách vật liệu (MRR), độ mòn điện cực (EWR), chất lượng bề mặt (Ra), độ cứng bề mặt (HV) và chiều dày lớp bề mặt (WLT) khi gia công thép SKD61 bằng phương pháp xung điện.

CƠ SỞ LÝ THUYẾT CỦA PHƯƠNG PHÁP GIA CÔNG

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 quyết định hiệu quả của phương pháp gia công xung định hình, ảnh hưởng mạnh mẽ đến quá trình gia công Mỗi thời gian phát xung sẽ đạt được giá trị I cực đại, phụ thuộc vào điều kiện gia công cụ thể Giá trị I lớn thường được áp dụng trong gia công thô và các bề mặt lớn, giúp tăng năng suất gia công Tuy nhiên, I cao cũng đồng nghĩa với việc tăng chi phí gia công tinh và mòn điện cực, ảnh hưởng đến độ chính xác của sản phẩm Do đó, nghiên cứu về ảnh hưởng của I trong gia công xung định hình luôn là mối quan tâm hàng đầu trong lĩnh vực này.

2.1.1.3 Thời gian phát xung và thời gian ngừng phát xung

Thời gian phát xung (Ton) là khoảng thời gian quan trọng trong quá trình bóc tách kim loại, ảnh hưởng đến lượng vật liệu được bóc tách Trị số của Ton và tần số phát xung có mối liên hệ chặt chẽ với năng lượng gia công; khi Ton tăng, lượng vật liệu nóng chảy và bay hơi cũng tăng theo Tuy nhiên, việc gia tăng Ton cũng làm tăng lượng nhiệt xung và sự lan truyền nhiệt vào bề mặt phôi, dẫn đến ảnh hưởng đến độ dày lớp bề mặt gia công Nếu Ton 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 (Tof) 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 Tof ngắn có thể làm tăng tốc độ gia công, nhưng nếu quá ngắn sẽ không đủ thời gian cho dung dịch điện môi vận chuyển phoi, dẫn đến sự không ổn định trong quá trình tạo tia lửa điện và các chu kỳ xung bất thường Điều này làm giảm hiệu suất gia công và tạo ra các vết lõm lớn hơn trên bề mặt phôi, tăng nhám bề mặt Tof cần lớn hơn thời gian ngừng ion hóa để ngăn chặn tia lửa điện phát ra liên tục tại một điểm Các nguồn cung cấp xung hiện đại cho phép cài đặt độc lập số lần phát xung và số lần ngừng phát xung, với Tof dao động trong khoảng (2 đến 1000) µs Tuy nhiên, nếu Ton và Tof không được thiết lập chính xác, sẽ xuất hiện nhiều xung lỗi và tia lửa điện không hình thành, gây mất mát hiệu suất gia công.

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 máy phát xung cũng có khả năng tạo ra các 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 ban đầu với điện áp cao nhưng cường độ dòng điện thấp trong khoảng thời gian vài micro giây Sau đó, sóng xung chính thức sẽ được tạo ra, giúp thuận lợi cho quá trình phát 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 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 của khe hở này phụ thuộc vào tốc độ bóc tách vật liệu và loại vật liệu của điện cực cũng như phôi Điện cực được điều khiển tự động để duy trì kích thước δ ổn định theo yêu cầu gia công, với sự dịch chuyển được thực hiện nhờ động cơ bước và hệ thống thủy lực dựa trên trị số điện áp trung bình Hệ thống điều khiển cần đảm bảo kích thước δ không thay đổi và có tốc độ xử lý tín hiệu nhanh để ứng phó với sự cố ngắn mạch trong quá trình gia công Mặc dù độ rộng khe hở không thể đo lường trực tiếp, nhưng có thể xác định thông qua điện áp trung bình tại khe hở phóng điện.

Dung dịch điện môi là yếu tố quan trọng trong công nghệ gia công bằng xung định hình, ảnh hưởng đến tốc độ mòn điện cực và năng suất bóc tách vật liệu Các loại dung dịch điện môi thường được sử dụng là hỗn hợp hyđrocacbon hoặc nước khử ion Dòng 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 Yêu cầu đối với 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, và khả năng làm nguội nhanh các tia lửa điện Ngoài ra, dung dịch cần tạo ra môi trường làm nguội 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 điện cực, 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 được sử dụng làm điện cực bao gồm đồng (Cu), graphit (Gr) và các hợp kim của chúng.

Để đảm bảo tính kinh tế trong quá trình gia công, đồng (Cu) là vật liệu phù hợp nhất cho gia công tinh, trong khi than chì (Gr) được sử dụng cho gia công thô Các vật liệu khác như Cu-W, Ag-W và vật liệu phủ Gr cũng có thể được xem xét tùy thuộc vào yêu cầu cụ thể của từng ứng dụng.

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

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

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

4 Hợp kim W- Thấp Thấp Khó Cao Độ chính

5 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 xói mòn điện cực do electron bắn phá là điều không thể tránh khỏi, ảnh hưởng lớn đến hình dạng và sản phẩm cuối cùng Mức độ mòn điện cực quyết định độ chính xác gia công, sự di chuyển của dụng cụ và năng lượng tiêu thụ Các yếu tố như tốc độ bóc tách, vật liệu gia công, cường độ dòng điện, diện tích bề mặt gia công, khe hở phóng điện và sự phân cực điện cực đều có liên quan trực tiếp đến mòn điện cực Vật liệu có nhiệt độ nóng chảy cao hơn sẽ tăng cường độ bền mòn Bảng 2.1 trình bày các đặc tính kinh tế và kỹ thuật của một số loại vật liệu làm điện cực.

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

Nghiên cứu về bột trộn trong dung dịch điện môi và tác động 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 tạo ra sóng xung tia lửa điện khác biệt so với khi không có bột Trong quá trình PMEDM, nhiều tia lửa điện được hình thành từ một lần phát xung Kết quả nghiên cứu chỉ ra rằng bột trộn vào dung dịch điện môi có ảnh hưởng đáng kể đến hiệu suất gia công.

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.

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

Do kích thước hạt bột rất nhỏ, bề mặt điện cực và phôi đều trở nên phẳng Hình 2.4 minh họa lực tác dụng lên hạt bột khi ngâm trong dung dịch điện môi, dưới ảnh hưởng của điện trường giữa điện cực và phôi Các lực này bao gồm nhiều yếu tố quan trọng.

+ Lực tĩnh điện F tác động lên hạt bột (N).

-F = qE (2 1) q – điện tích của hạt bột.

E – cường độ điện trường của điện trường (V/m).

– lực nâng hạt bột trong môi trường chất lỏng.

– lực do miền điện trường tác dụng. f – lực cản : mg – Trọng lƣợng hạt bột.

+ Giả sử hạt bột có dạng hình cầu thì dưới các điều kiện của phương trình Reynol ta có :

Trong đó: – vận tốc đều của dung môi.

– đường kính hạt bột; – tỷ trọng của dung môi.

– vận tốc góc của hạt bột.

+ Theo định lý Stokes, lực cản làm chậm dần đều vận tốc hạt bột đƣợc tính nhƣ sau :

(2.3) Trong đó : – Độ nhớt của dung môi; v – Vận tốc dung môi r – Bán kính hạt bột.

2.2.2 Ảnh hưởng của bột đến độ bền cách điện của dung dịch điện môi Độ bền cách điện của dung dịch điện môi được đặc trưng bởi điện trường đánh thủng sự cách điện của dung môi [15]:

Độ bền của dung dịch điện môi chủ yếu phụ thuộc vào kích thước hạt bột (r), nồng độ hạt bột (N), và hằng số điện môi của cả vật liệu bột lẫn dung dịch điện môi Đặc biệt, độ bền sẽ giảm khi nồng độ hạt bột (N) tăng.

(1)Chuyển động qua lại trong khe hở (2)Bột bám trên bề mặt điện cực

(3) Hình thành các nhóm của bột

(4) Chuỗi bám dính các bột

Hình 2 5 Quỹ đạo dịch chuyển của bột trong dung môi [15].

Bột trộn trong dung dịch điện môi khi vào vùng khe hở phóng điện giữa điện cực và dung môi có thể hình thành các dạng phân bố khác nhau Những kiểu phân bố này đã được nghiên cứu để giải thích sự hình thành tia lửa điện trong PMEDM Dưới tác động của lực điện trường, các hạt bột tạo thành chuỗi với hình dạng đa dạng trong khu vực phóng điện, kết nối điện cực dụng cụ và phôi Điều này có thể làm giảm độ bền cách điện của dung môi và điện áp tại khe hở phóng điện.

2.2.3 Ảnh hưởng của bột đến độ lớn khe hở phóng điện

Giả thiết cỏc hạt bột cú kớch thước rất nhỏ (àm hoặc nano một) mang dấu +.

Hình 2 6 Sơ đồ của hạt bột trong vùng khe hở phóng điện [15].

Hạt bột ban đầu không mang điện, nhưng khi có điện áp, chúng sẽ phát sinh điện từ cực dương Điện trường đóng vai trò quan trọng trong việc hình thành tia lửa điện, và điều này xảy ra tương tự cả khi có bột và không có bột Để đảm bảo sự ổn định của quá trình, khe hở phóng điện cần được điều chỉnh.

Khi không có bột: khoảng cách khe hở điện cực có giá trị là

Khi có bột: miền điện trường tăng lên với các hạt bột xuất hiện, hệ thống khiển bù khoảng cách khe hở điện cực có giá trị mới là d2[30]:

) (2 5) β – Là hệ số tăng miền do hình dạng nhấp nhô. gd – Là khoảng cách giữa hạt bột và điện cực. hp– Chiều cao nhấp nhô.

Nhƣ vậy có thể thấy rõ d1 < d2 và điều này chứng tỏ khi có bột trộn trong dung môi làm tăng khe hở phóng điện.

Nghiên cứu cho thấy kích thước khe hở phóng điện tăng khi nồng độ bột trong dung dịch điện môi tăng Các bột từ chất dẫn điện hoặc bán dẫn có thể làm giảm độ bền cách điện của dung môi, dẫn đến việc mở rộng kích thước khe hở phóng điện Trong dung dịch điện môi, bột có khả năng hình thành các dạng điện trường và chuỗi phóng tia lửa điện, từ đó làm tăng kích thước khe hở phóng điện trong quá trình gia công.

(a)Miền điện trường của hạt bột (b)Chuỗi phóng tia lửa điện

Hình 2 7 Bột trong chất điện môi.

2.2.4 Ảnh hưởng của bột đến điện dung Ảnh hưởng của điện dung được cho là nguyên nhân chính dẫn đến sự mất ổn định của quá trình gia công và cản trở xu hướng nâng cao chất lượng bề mặt gia công, đặc biệt khi gia công các bề mặt có diện tích lớn [15] Trong quá trình gia công thô, điện dung là rất nhỏ nên có thể bỏ qua, hình 2.8.

Ảnh hưởng của điện dung trong gia công tinh gia tăng do khe hở điện cực rất nhỏ, liên quan đến cường độ dòng điện cục bộ và làm giảm chất lượng bề mặt gia công Sự có mặt của bột trong dung dịch điện môi làm tăng khe hở phóng điện, từ đó giảm mạnh ảnh hưởng của điện dung Điện dung giữa các điện cực có thể được xác định theo các phương pháp cụ thể.

– hằng số điện môi cho phép trong chân không. ε – hằng số điện môi của dung dịch điện môi.

S – diện tích bề mặt điện cực.

– khoảng cách giữa các điện cực.

Hình 2 8 Sơ đồ xác định điện dụng [15].

Năng lƣợng tích trữ bởi điện dung đƣợc xác định nhƣ sau [15];

Trong đó : U là điện áp đặt vào các điện cực

Việc tạo ra năng lượng tích trữ sẽ làm tăng cường độ tia lửa điện từ đó ảnh hưởng không tốt quá tình nâng cao chất lượng bề mặt.

2.2.5 Ảnh hưởng của bột đến đường kính plasma hồ quang

Việc phân tích bề rộng tia lửa điện trong EDM gặp khó khăn do sự phức tạp của các đặc trưng vật lý trong khe hở phóng điện Đường kính tia lửa điện trong PMEDM được cho là lớn hơn so với EDM.

Có hai yếu tố chính có thể làm mở rộng bề rộng tia lửa điện: đường dịch chuyển của các ion và electron dài hơn, cùng với môi trường xung quanh có áp suất thấp hơn Cả hai yếu tố này đều liên quan đến độ lớn của khe hở phóng điện Khi xảy ra phóng tia lửa điện, quá trình vận chuyển ion và điện tích được tăng tốc, dẫn đến việc tích lũy năng lượng và va chạm với các phân tử nhỏ Điều này không chỉ làm tăng cường độ dịch chuyển mà còn làm mở rộng khe hở phóng điện Do đó, khe hở phóng điện lớn hơn và các đường dịch chuyển dài hơn của ion và điện tích sẽ dẫn đến sự mở rộng đáng kể của tia lửa điện.

Khi áp dụng phân cực dương với thời gian phát xung ngắn, đường kính plasma trên bề mặt phôi tăng đáng kể so với bề mặt điện cực Trong quá trình gia công tinh, cường độ dòng điện thấp và thời gian phát xung ngắn dẫn đến việc chủ yếu vận chuyển các điện tử, trong khi các ion cần thời gian lâu hơn để tăng tốc do khối lượng lớn hơn Sự gia tăng liên tục của các điện tử tạo ra một đoạn hình nón Nghiên cứu của Kojima và các cộng sự đã sử dụng đo quang phổ để xác định đường kính plasma hồ quang và khẳng định rằng đường kính plasma tăng theo độ rộng khe hở.

Ảnh hưởng của rung động gán vào phôi trong EDM

2.3.1 Mô hình toán học của tấm rung động

Hình 2 9 Vị trí dịch chuyển của tấm gán rung động [4]

- Rung tần số thấp theo một chuyển động điều hòa đơn giản

- Tấm nằm ngang và hướng rung vuông góc với tấm.

- Các hạt vụn có cùng tần số, vận tốc và gia tốc nhƣ tấm.

Hình 2.9 minh họa mối quan hệ giữa thời gian và vị trí dịch chuyển của một tấm rung Khi phôi dao động với biên độ 'a' và tần số góc ω, sự dịch chuyển của tấm rung được mô tả bằng công thức: x = a sin (ωt + ϕ).

 - Tần số góc, ω = 2πf với f là tần số rung động (Hz); t – Thời gian (s);

Vận tốc và gia tốc của tấm tại các vị trí khác nhau đƣợc xác định theo công thức (2.10), (2.11). ẋ = ± aωcos(ωt + ϕ) (2 9) ẍ = −aω 2 sin (ωt + ϕ) (2 10)

Gia tốc lớn nhất sẽ nhận đƣợc tại B và C: ẍ = ± aω 2 do tại B và C thì sin + ϕ) =1 Do đó, phương trình gia tốc cực đại là:(ωt ẍ = ± aω 2 sin (ωt + ϕ) (2 11)

Trong đó, dấu ± chỉ hai hướng ngược nhau từ vị trí trung bình.

Nếu gia tốc cực đại dọc theo hướng hấp dẫn được xác định bởi ‘c, và (ωt + ϕ) được kí hiệu bằng α Phương trình gia tốc lớn nhất là: c = ± aω 2 sinα (2 12)

2.3.2 Khoảng cách khe hở và áp suất vòi phun trong EDM với rung động gán vào phôi

Hình 2.10 minh họa sự biến đổi vị trí chi tiết gia công, khoảng cách khe hở và áp suất dung dịch điện môi theo thời gian trong quá trình EDM có hỗ trợ rung Khi biên độ tối đa của dao động phần công việc được ký hiệu là a, thì khoảng cách tương đương sẽ được xác định dựa trên thông số này.

Hình 2 10 Rung động gán với phôi [4]

Vị trí C cho khoảng cách khe hở lớn nhất là:

Vị trí B cho khoảng cách khe hở nhỏ nhất là:

Tại vị trí B trong Hình 2.11, khi chi tiết gia công di chuyển lên, khoảng cách giữa điện cực và phôi giảm, dẫn đến áp lực của chất lỏng điện môi trong khe hở tăng lên Sự giảm khoảng cách này làm tăng áp suất chất điện môi, đẩy chất điện môi ra khỏi phía điện cực, từ đó giúp loại bỏ các hạt vụn khỏi hốc gia công.

Hình 2 11 Sự thay đổi vị trí phôi, khe hở điện cực – phôi và áp suất dung môi trong EDM với rung động gán vào phôi[4].

2.3.3 Mô hình hóa sự thay đổi của áp suất dung dịch điện môi trong khe hở điện cực – phôi có hỗ trợ rung động

Hình 2 12 Sơ đồ biểu diễn các áp lực tác động đến phân tử chất lỏng trong quá trình giảm khoảng cách khe hở[4].

Hình 2.12 minh họa sơ đồ lực đơn vị tác động lên một phần tử chất lỏng khi khoảng cách khe hở giảm Khi xem xét một phân tử chất lỏng có diện tích mặt cắt ngang ΔA và chiều cao Δz, giả sử rằng phân tử này dao động cùng tần số và pha với tấm rung, lực đơn vị trong khoảng cách khe hở điện cực – phôi có thể được diễn đạt bằng công thức (2.17).

Diện tích mặt cắt ngang được ký hiệu là S, trong khi ΔP thể hiện sự thay đổi áp suất trên phân tử chất lỏng Lực thay đổi do trọng lực được ký hiệu là ΔG, với công thức ΔG = (Δm) g Khối lượng thay đổi Δm được tính bằng ρ.S.Δz, và lực tác dụng lên phân tử chất lỏng được ký hiệu là F, với công thức F = (Δm) ẍ Khi thay thế các giá trị của ΔG, Δm và F vào phương trình, ta có thể rút ra các mối quan hệ quan trọng giữa các yếu tố này.

Do đó, sự thay đổi áp suất chất lỏng ΔP có thể tính nhƣ sau: ΔP = ρ.Δz (g − ẍ) (2 19)

Phần tử chất lỏng dao động cùng tần số và biên độ với phôi, dẫn đến gia tốc của nó có thể được xác định từ phương trình (2.12) Kết quả là áp suất thay đổi được tính theo công thức: ΔP = ρ.Δz [±aω² sin(ωt + ϕ)] (2.20).

Từ phương trình (2.13) ta có c = aω 2 sinα = aω 2 sin(ωt + ϕ), do đó phương trình (2.21) thành: ΔP = ρ.Δz (g±c) = ρ.Δz g(1±c/g) (2 21) Đặt Kv= c/g, phương trình trở thành: ΔP = ρ.Δz g(1±K v ) (2 22)

Trong đó Kv là tỷ số gia tốc c so với gia tốc trọng trường g và giá trị của Kv có thể thu được từ phương trình: c aω 2

= sin α (2 23) g g Để đơn giản, đặt K = aω 2 /g ta có:

K – gọi là hiệu ứng ly tâm.

Từ phương trình Kv = K sin α (2 24) cho đã thấy:

Nếu Kv nhỏ hơn 1, giá trị ΔP luôn dương, dẫn đến áp suất không thay đổi theo định kỳ và không ảnh hưởng đến hiệu suất gia công Ngược lại, khi Kv lớn hơn 1, giá trị ΔP có thể dương hoặc âm tùy thuộc vào chuyển động của tấm.

1, có lực hút định kỳ và tăng áp suất trong khoảng hở điện cực - phôi giúp cải thiện quá trình phun của dung dịch điện môi.

2.3.4 Tích hợp rung động siêu âm vào điện cực

Sơ đồ gán rung động siêu âm trong gia công lỗ sâu bằng EDM, được công bố vào đầu thập niên 90, đã chứng minh sự nâng cao rõ rệt về chất lượng và hiệu quả gia công Wansheng và các cộng sự đã giới thiệu việc sử dụng rung động siêu âm gán vào điện cực trong quá trình khoan sâu hợp kim titan bằng EDM Kết quả cho thấy rung động siêu âm cải thiện đáng kể điều kiện phun của dòng chảy dung dịch điện môi tại khe hở giữa điện cực và phôi, từ đó nâng cao sự ổn định và hiệu quả của quá trình gia công bằng EDM.

Để nâng cao hiệu suất gia công của EDM, nhiều nghiên cứu đã áp dụng phương pháp kết hợp rung siêu âm với quá trình hình thành tia lửa điện Tất cả các nghiên cứu này đều gán rung động siêu âm với điện cực, và sự kết hợp giữa rung động tần số cao với điện cực quay đã cho hiệu quả vượt trội so với các phương pháp EDM thông thường, EDM với điện cực quay, và EDM rung động với điện cực không quay Ngoài ra, tác động của rung động 2D đến quá trình gia công EDM lỗ sâu cũng đã được nghiên cứu.

Nghiên cứu cho thấy hiệu quả gia công đã được cải thiện đáng kể nhờ vào sự trợ giúp của rung động siêu âm, với bề mặt gia công và chiều dày lớp bị ảnh hưởng bởi nhiệt cũng được nâng cao Rung động siêu âm đã được áp dụng trong quá trình gia công lỗ hợp kim cứng bằng EDM, mang lại tỷ lệ loại bỏ phoi cao hơn so với phương pháp EDM truyền thống Các nghiên cứu cho thấy rằng rung động siêu âm làm tăng hiệu ứng phun của dung dịch điện môi vào vùng khe hở phóng điện, từ đó đạt được hiệu quả tối ưu, đặc biệt quan trọng trong việc chế tạo các hốc kín mà phương pháp phun dung dịch điện môi thông thường không hiệu quả Tuy nhiên, vẫn còn thiếu các nghiên cứu công bố về ảnh hưởng của rung động siêu âm đến hiệu suất và tỷ lệ loại bỏ vật liệu trong EDM, đặc biệt trong việc tạo hình các bề mặt hốc kín.

Hình 2 13 Sơ đồ rung động gán với điện cực

2.3.5 Tích hợp rung động tần số thấp vào phôi

Hình 2 14 Rung động gán vào phôi trong EDM

Trong những năm gần đây, nghiên cứu về gia công EDM và micro-EDM đã được tiến hành, trong đó phôi được gắn trực tiếp vào đầu rung, như minh họa trong Hình 2.14.

Hình 2 15 Chất lượng bề mặt lỗ sau EDM a) EDM thông thường b) Gán rung động tần số thấp vào phôi

Quá trình gia công EDM với rung động tần số thấp (100-60Hz) gán vào phôi đã chỉ ra rằng phương pháp này mang lại lợi ích vượt trội nhờ tính đơn giản và nhỏ gọn hơn so với rung động gán vào điện cực Phôi di chuyển lên xuống với tần số và biên độ kiểm soát, giúp tăng khoảng cách giữa điện cực và phôi, từ đó dễ dàng xâm nhập dung dịch điện môi Khi phôi được nâng lên, áp suất tạo ra giúp đẩy các hạt phoi vụn ra khỏi khe hở phóng điện Nghiên cứu cho thấy EDM sử dụng nước khử ion cho MRR và EWR cao hơn so với dầu, nhưng dầu mang lại chất lượng bề mặt và độ chính xác kích thước tốt hơn Chất lượng bề mặt trong quá trình gia công EDM có hỗ trợ rung động tốt hơn nhờ vào việc dễ dàng đẩy phoi vụn ra khỏi khe hở Mặc dù tăng biên độ dao động có thể nâng cao MRR và EWR, nhưng biên độ quá lớn có thể gây mất ổn định trong quá trình gia công Rung động tần số thấp trên phôi thép không gỉ đã giảm đáng kể thời gian gia công lỗ nhỏ so với EDM truyền thống, với hiệu quả gia công tăng gấp năm lần và mòn điện cực giảm Rung động cƣỡng bức trong gia công EDM là giải pháp hiệu quả để nâng cao năng suất và chất lượng, với rung động gán vào phôi được xem là phương pháp đơn giản hơn Nghiên cứu trong lĩnh vực này vẫn đang ở giai đoạn đầu.

Các đặc trưng của bột như vật liệu, kích thước và tuổi bền trong dung dịch điện môi là yếu tố quan trọng trong PMEDM, ảnh hưởng đến năng suất, chất lượng gia công và độ ổn định của quá trình Tuy nhiên, nghiên cứu về lĩnh vực này còn hạn chế, đặc biệt là các đặc trưng vật lý và tuổi bền của bột trong các loại dung dịch điện môi khác nhau Các yếu tố như quỹ đạo và tốc độ di chuyển của hạt bột, đường kính vòi phun, lưu lượng dòng dung môi, tuổi bền và các đặc trưng kỹ thuật của dung môi, cũng như tích hợp rung động trong PMEDM vẫn chưa được chú ý đầy đủ trong các nghiên cứu hiện tại.

Nghiên cứu tích hợp nhằm phát triển hệ thống thiết bị PMEDM chuyên dụng đã được thực hiện để nâng cao khả năng ứng dụng trong thực tế Mặc dù hiệu quả của PMEDM đã được xác nhận qua nhiều nghiên cứu, nhưng hiện tại vẫn chưa có thiết bị máy PMEDM kết hợp rung động nào được sản xuất và giới thiệu ra thị trường.

THỰC NGHIỆM KHẢO SÁT ẢNH HƯỞNG CỦA BỘT VÀ

XÁC ĐỊNH BỘ THÔNG SỐ CÔNG NGHỆ HỢP LÝ TRONG