Nghiên cứu ảnh hưởng của cường độ dòng điện xung và thời gian phóng tia lửa điện đến năng suất và nhám bề mặt thép skd11 nhiệt luyện bằng xung định hình với điện cực graphit

iang Email: macvgiang@gmail.com Trường Đại học Sao Đỏ Ngày nhận bài: 10/01/2020 Ngày nhận bài sửa sau phản biện: 22/3/2020 Ngày chấp nhận đĕng: 30/3/2020 Tóm tắt Nội dung bài báo trình bày kết quả nghiên cứu ảnh hưởng của cường độ dòng điện xung (LVI) và thời gian phóng tia lửa điện (Ton) khi sử dụng điện cực than chì trên máy xung điện CNC-EDM P36+E50, đến nĕng suất (Q) và độ nhám bề mặt gia công (R a ) đối với thép SKD11 nhiệt luyện. Bài báo xây dựng được phương trình hồi quy và các kết luận thể hiện mối quan hệ giữa cường độ dòng điện xung và thời gian phóng tia lửa đến nĕng suất và độ nhám bề mặt thông qua thực nghiệm và sử dụng phương pháp phân tích phương sai ANOVA. Kết quả nghiên cứu dùng để xác định được bộ thông số để đảm bảo nĕng suất và độ nhám bề mặt gia công theo yêu cầu. Từ khóa: Nhám bề mặt; máy xung điện CNC-EDM; thép SKD11 nhiệt luyện; cường độ dòng điện xung; thời gian phóng tia lửa điện. Abstract The paper presents the results of research of the electric spark intensity (LVI) and on time and the pulse (Ton) when using graphite electrodes on the P36+E50 electrical pulse generatoron productivity and surface roughness for heat-treated SKD11 steel. The paper identified equations regression and the conclusions and the conclusions the relationship between the electric spark intensity and on time and the pulse to the pulse on productivity and surface roughness through experiment with using ANOVA variance analysis method. Research results enable used to define a set of parameters ensuring the productivity and surface roughness of the machined parts required. Keywords: Roughness; CNC-EDM electrical impulse generator; steel material SKD11 heat treatment; the electric spark intensityl; on time and the pulse. 1. ĐẶT VẤN ĐỀ Trong những nĕm gần đây tại Việt Nam nhu cầu sử dụng các mác vật liệu có độ cứng và độ bền cao như: SKD11, SKH40, SKH51, BK15, BK20, BK25 hoặc một số mác thép thay thế như 160Cr12Mo, Người phản biện: 1. PGS.TS. Hoàng Vĕn Gợt 2. TS. Nguyễn Vĕn Hinh 130Cr12V, 210Cr12 làm khuôn dập, khuôn ép, chày dập trong chế tạo roto và stato của động cơ điện không ngừng tĕng. Thép SKD 11 có độ thấm tôi tốt và ứng suất tôi thấp thường sử dụng trong gia công khuôn mẫu, các chi tiết chịu mài mòn cao, rất phù hợp với phương pháp gia công tia lửa điện nói chung và xung điện nói riêng. Thực trạng việc xác định chế độ công nghệ để gia công thường xác LIÊN NGÀNH CƠ KHÍ - ĐỘNG LỰC 49Tạp chí Nghiên cứu khoa học, Trường Đại học Sao Đỏ, ISSN 1859-4190, Số 1 (68) 2020 định dựa theo tài liệu kèm theo máy hoặc theo kinh nghiệm do đó hiệu quả khai thác và sử dụng máy bị hạn chế, liên quan đến việc giải quyết các vấn đề còn tồn tại như trên, một số công trình khoa học đã được công bố. Công trình nghiên cứu “Ứng dụng sự kết hợp của Taguchi và PSI để tối ưu hóa đa mục tiêu các thông số công nghệ trong xung định hình thép SKD11” của nhóm tác giả Nguyễn Vĕn Đức, Phạm Vĕn Bổng, Nguyễn Hữu Phấn đã đưa ra được bộ thông số tối ưu: U = 50 V, T on = 18 μs, T of = 25 μs, I = 4 A khi xung định hình thép SKD11, vật liệu điện cực đồng đỏ trên máy xung định hình CM323C. Luận án tiến sĩ “Ảnh hưởng của một số yếu tố công nghệ đến chất lượng chi tiết được gia công bằng phương pháp tia lửa điện” của tác giả Đỗ Vĕn Vũ đã nghiên cứu và đưa ra các kết luận về ảnh hưởng của cường độ dòng điện xung, thời gian xung và thời gian ngắt xung đến nĕng suất, độ nhám bề mặt. Ảnh hưởng của cường độ dòng điện xung đến nĕng suất lớn hơn 90%, ảnh hưởng đến độ nhám lớn hơn 60%. Ảnh hưởng của thời gian xung đến độ nhám bề mặt trên 29%. Nghiên cứu ảnh hưởng của hai thông số quan trọng là cường độ dòng điện xung và thời gian phóng tia lửa điện khi gia công thép SKD11 đã nhiệt luyện sử dụng điện cực than chì trên máy xung điện CNC- EDM P36 + E50 trong điều kiện gia công cụ thể có ý nghĩa quan trọng để đạt được nĕng suất và độ nhám theo yêu cầu. 2. HỆ THỐNG THÍ NGHIỆM 2.1. Thiết bị thực nghiệm Là máy xung điện CNC-EDM P36 + E50 hiện có tại Trung tâm công nghệ cao khoa Cơ khí Trường Đại học Sao Đỏ (hình 1). Hình 1. Máy xung điện CNC-EDM P36+E50 2.2. Phôi thực nghiệm Kết quả phân tích thành phần hóa học của mẫu thép thực nghiệm như bảng 1. Bảng 1. Kết quả phân tích thành phần hóa học của thép SKD11 TP hóa học %C %Si %Mn %P Tỷ lệ nguyên tố 1,4÷1,6 0,4max 0,6max ≤0,03 TP hóa học %S %Cr %Mo %W Tỷ lệ nguyên tố ≤0,03 11÷13 0,8÷1,2 0,2÷0,5 TP hóa học %V %Ni %Cu ≤0,25 Tỷ lệ nguyên tố ≤0,25 0,5max ≤0,25 Kích thước phôi: phôi hộp 200 × 120 × 50 mm. Hình 2. Phôi thực nghiệm 2.3. Dụng cụ đo Dụng cụ đo độ nhám Mitutoyo SJ-201P Hình 3. Máy đo độ nhám 2.4. Điều kiện và các giả thiết thực nghiệm Thực nghiệm được thực hiện với các điều kiện và giả thiết sau: - Các yếu tố phi công nghệ [4÷6] + Chất lượng và dòng chảy dung môi không thay đổi. + Tiết diện cực graphit là không đổi trong suốt quá trình thực nghiệm. + Vật liệu phôi có tính đồng nhất. NGHIÊN CỨU KHOA HỌC 50 Tạp chí Nghiên cứu khoa học, Trường Đại học Sao Đỏ, ISSN 1859-4190, Số 1 (68) 2020 Bảng 2. Quy hoạch thực nghiệm thông số đầu vào Vị trí TN Biến thức mã hóa LVI (A) TON (S) HVI (V) TOFF (S) ∆ (mm) h (mm)X 1 X 2 1 +1 +1 45 70 80 25 0,05 0,04 2 +1 -1 45 50 80 25 0,05 0,04 3 -1 +1 31 70 80 25 0,05 0,04 4 -1 -1 31 50 80 25 0,05 0,04 5 0 0 38 60 80 25 0,05 0,04 Hình 5. Chi tiết sau khi xung tại 5 vị trí + Nĕng suất gia công Nĕng suất gia công được tính toán gián tiếp 3Q= (mm /ph) T V (2) Trong đó: V là thể tích kim loại được xung: 3V= 140,6(mm /ph) T(ph) là tổng thời gian gia công xong 1 vị trí. + Đo độ nhám Tại một vị trí thực hiện 4 lần đo Bảng 3. Kết quả đo độ nhám R a (μm) Lần đo Vị trí 1 Vị trí 2 Vị trí 3 Vị trí 4 Vị trí 5 1 0,64 0,51 0,42 0,35 0,46 2 0,57 0,53 0,43 0,36 0,49 3 0,60 0,48 0,47 0,35 0,45 4 0,63 0,52 0,48 0,38 0,52 Trung bình 0,61 0,51 0,45 0,36 0,48 Bảng 4. Kết quả thực nghiệm Vị trí TN Biến thức mã hóa LVI TON Ra T V Q X 1 X 2 (A) (s) (m) (ph) (mm3) (mm3/ph) 1 +1 +1 45 70 0,61 78 140,6 1,80 2 +1 -1 45 50 0,51 83 140,6 1,69 3 -1 +1 31 70 0,45 110 140,6 1,28 4 -1 -1 31 50 0,36 121 140,6 1,16 5 0 0 38 60 0,48 95 140,6 1,48 + Nhiệt độ môi trường ổn định trong suốt quá trình thực nghiệm. + Rung động và nhiễu coi như không đáng kể và ổn định trong suốt quá trình thực nghiệm. + Bỏ qua nhiễu hệ thống và nhiễu ngẫu nhiên. - Các thông số công nghệ khác Các thông số có mức ảnh hưởng tới nĕng suất gia công và độ nhám thấp, chọn theo khuyến cáo của nhà sản xuất thiết bị: + Điện áp xung: Chọn theo cặp vật liệu điện cực và phôi: HVI = 80(V). + Thời gian ngắt xung: TOFF = 25 (μs). + Khe hở điện cực: ∆ = 0,05 (mm). + Chiều dày vết xung: h = 0,04 (mm). 2.5. Thực nghiệm và phân tích kết quả - Mô hình thực nghiệm Hình 4. Mô hình thực nghiệm Thông số công nghệ trong thực nghiệm: + Cường độ dòng điện xung trong thực nghiệm: LVI = 31 ÷ 45(A). + Thời gian xung: T OFF = 50 ÷ 70 μs Đặt: 1 2 ONX =LVI; X = T 1maxX = 45(A) 1minX = 31(A) 1tbX = 38(A) TONmax = 70(μs) TONmin = 50(μs) TONtb = 60(μs) Mã hóa giá trị: 1maxX = +1 1minX = -1 1tbX = 0 ONmaxT = +1 ONminT = -1 ONtbT = 0 - Thực nghiệm + Số lần thực nghiệm tối thiểu [4]: n = 2k (1) Trong đó: k số biến đầu vào: k = 2 [4] Để nâng cao độ chính xác, thêm 1 lần thực nghiệm, tổng số lần thực nghiệm n = 5 Yếu tố phi công nghệ Độ nhám bề mặt (R a ) Nĕng suất gia công Q HV I T O F F, ∆ LV I T O N Kích thước 1 vị trí 1 5 LIÊN NGÀNH CƠ KHÍ - ĐỘNG LỰC 51Tạp chí Nghiên cứu khoa học, Trường Đại học Sao Đỏ, ISSN 1859-4190, Số 1 (68) 2020 - Xây dựng phương trình hồi quy độ nhám bề mặt phụ thuộc cường độ dòng điện xung và thời gian phóng tia lửa điện + Theo phân tích phương sai ANOVA [3], ta có: (3) Trong đó: iy : giá trị đo trong thí nghiệm; y : giá trị trung bình sau n lần đo; yˆ : giá trị của hàm thực nghiệm. Số thực nghiệm: n = 5. + Nghiệm của (3) có dạng: 1 2b.y = X + a + c.X (4) + Sử dụng công cụ Regression xác định các hệ số hồi quy: a = -0,2237, b = 0.0111, c = 0.0048 và thay vào (4), được phương trình hồi quy: 1 20,0111.y = X + - 0,0,2 004237 + 8.X (5) + Đánh giá độ tin cậy của hàm hồi quy thực nghiệm: Kiểm nghiệm độ chính xác của công thức thực nghiệm dùng chỉ tiêu: (6) Trong đó: σ yTN : Sai lệch bình phương trung bình của các giá trị thực nghiệm; σ y : Sai lệch bình phương trung bình khi đo. Bảng 5. Các thành phần khi tính sai lệch bình phương trung bình của các giá trị thực nghiệm Vị trí TN y yTN (y-yTN)2 1 0,61 0,6118 3,24.10-6 2 0,51 0,5158 3,36.10-5 3 0,45 0,4564 4,09.10-5 4 0,36 0,3604 1,6.10-7 5 0,48 0,4861 3,72.10-5 y TN : Được xác định bằng cách thay các biến số vào [4]; k = 2: Hằng số thực nghiệm [4]. (7) Thay số vào (7) được: σ yTN = 0,0017 Bảng 6. Sai lệch bình phương trung bình khi đo Vị trí TN y y dn y tb 1i dny = y - y 21i tb(y -y ) 1 0,61 0,485 -0,003 0,125 0,0164 2 0,51 0,485 -0,003 0,025 0,0008 3 0,45 0,485 -0,003 -0,035 0,0010 4 0,36 0,485 -0,003 -0,125 0,0149 5 0,48 0,485 -0,003 -0,005 0,000004 Trong đó: Vậy công thức thực nghiệm (5) đã xác định chấp nhận được. Đồ thị quan hệ độ nhám bề mặt phụ thuộc cường độ dòng điện xung và thời gian phóng tia lửa điện. Hình 6. Đồ thị biểu diễn quan hệ giữa aR với LVI và ONT Nhận xét: Khi tĕng cường độ dòng điện xung và thời gian phóng tia lửa điện thì độ nhám tĕng và ngược lại, trong đó ảnh hưởng của cường độ dòng điện xung có vai trò lớn vì hệ số hồi quy lớn hơn xo với hệ số hồi quy của thời gian phóng tia lửa điện khoảng 2,3 lần và đã phù hợp với kết luận của [1]. - Xây dựng phương trình hồi quy nĕng suất gia công phụ thuộc cường độ dòng điện xung và thời gian phóng tia lửa điện. + Theo phân tích phương sai ANOVA với dữ liệu trong bảng 4, được phương trình hồi quy: (8) + Đánh giá độ tin cậy của hàm hồi quy thực nghiệm: n n n2 2 2i ii=1 i=1 i=1ˆ ˆ ( y - y ) ( y - y ) ( y - y )= +å å å TNy yσ σ£ å å TN n n2 2 TN TN i=1 i=1 y (y - y ) (y - y ) σ = =n-k 3 max min dn y y 0,61 0,36y = 0,4852 2 + + = = n dn i=1 tb ( y-y ) y = = -0,003n å n 2 y 1i tb i=1 σ = (y -y ) 0,182=å £TNy yσ = 0,0017 σ = 0,182 1 2y = + 0,03750,288 .X + 0,00575.X- NGHIÊN CỨU KHOA HỌC 52 Tạp chí Nghiên cứu khoa học, Trường Đại học Sao Đỏ, ISSN 1859-4190, Số 1 (68) 2020 Bảng 7. Các thành phần khi tính sai lệch bình phương trung bình của các giá trị thực nghiệm Vị trí TN y yTN (y-yTN)2 1 1,80 1,802 0,000004 2 1,69 1,687 0,000009 3 1,28 1,277 0,000009 4 1,16 1,162 0,000004 5 1,48 1,482 0,000004 y TN : Được xác định bằng cách thay các biến số vào (7). k = 2: Hằng số thực nghiệm [4] (9) Thay số vào (9) được: σ yTN = 0,0031 Bảng 8. Sai lệch bình phương trung bình khi đo Vị trí TN y dny tby 1i dny = y - y 21i tb(y -y ) 1 1,8 1,48 -0,003 0,320 0,323 2 1,69 1,48 -0,003 0,210 0,213 3 1,28 1,48 -0,003 -0,200 -0,197 4 1,16 1,48 -0,003 -0,320 -0,317 5 1,48 1,48 -0,003 0,000 0,003 Trong đó: Vậy công thức thực nghiệm (8) đã xác định chấp nhận được. Đồ thị quan hệ nĕng suất gia công phụ thuộc cường độ dòng điện xung và thời gian phóng tia lửa điện. Hình 7. Đồ thị biểu diễn quan hệ giữa Q với LVI và ONT Nhận xét: Khi tĕng cường độ dòng điện xung và thời gian phóng tia lửa điện thì độ nĕng suất tĕng và ngược lại, tuy nhiên ảnh hưởng của cường độ dòng điện xung có vai trò lớn hơn vì có hệ số hồi quy lớn hơn so với hệ số hồi quy của thời gian phóng tia lửa điện khoảng 6,5 lần và đã phù hợp với kết luận của [1]. 3. KẾT LUẬN Nội dung bài báo đã nghiên cứu ảnh hưởng của cường độ dòng điện xung (LVI) và thời gian phóng tia lửa điện ( ONT ) khi sử dụng điện cực than chì trên máy xung điện CNC-EDM P36+E50, đến nĕng suất (Q) và độ nhám bề mặt gia công ( aR ) đối với thép SKD11 nhiệt luyện, đã xây dựng được hai phương trình hồi quy. Phương trình hồi quy độ nhám bề mặt phụ thuộc cường độ dòng điện xung và thời gian phóng tia lửa điện. Oa N0,0111.LVI +R = -0,2237 + 0,0048.T (4*) Phương trình hồi quy nĕng suất gia công phụ thuộc cường độ dòng điện xung và thời gian phóng tia lửa điện. Q = - 0,288 + 0,0375.LVI + 0,00575.TON (7*) Cĕn cứ vào hai phương trình hồi quy thực nghiệm trên có thể lựa chọn hợp lý LVI và ONT để đồng thời đảm bảo nĕng suất và độ nhám bề mặt chi tiết gia công trên máy xung điện CNC - EDM P36 + E50 với điện cực graphit. TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Đỗ Vĕn Vũ (2013), Nghiên cứu ảnh hưởng của một số yếu tố công nghệ đến chất lượng chi tiết được gia công bằng phương pháp tia lửa điện, Viện Máy và Dụng cụ Công nghiệp, Luận án tiến sĩ [2] Vũ Hoài Ân (2005), Gia công tia lửa điện CNC, Nhà xuất bản Khoa học và Kỹ thuật. [3] Lý thuyết thực hành gia công xung điện, tài liệu trung tâm đào tạo Đại học Công nghiệp Hà Nội - Tập đoàn Khoa học Kỹ thuật Hồng Hải, 2007. [4] Nguyễn Doãn Ý (2009), Xử lý số liệu thực nghiệm trong kỹ thuật, Nhà xuất bản Khoa học và Kỹ thuật. [5] Tô Cẩm Tú, Trần Vĕn Diễn, Nguyễn Đình Hiên, Phạm Chí Thành (1999), Thiết kế và phân tích thí nghiệm, Nhà xuất bản Khoa học và Kỹ thuật. å å TN n n2 2 TN TN i=1 i=1 y (y - y ) (y - y ) σ = =n-k 3 max min dn y y 1,80 1,16y = 1,482 2 + + = = n dn i=1 tb ( y-y ) y = =-0,003n å n 2 y 1i tb i=1 σ = (y -y ) 0,158=å £TNy yσ = 0,0031 σ = 0,158 LIÊN NGÀNH CƠ KHÍ - ĐỘNG LỰC 53Tạp chí Nghiên cứu khoa học, Trường Đại học Sao Đỏ, ISSN 1859-4190, Số 1 (68) 2020 THÔNG TIN TÁC GIẢ Mạc Vĕn Giang - Tóm tắt quá trình đào tạo, nghiên cứu (thời điểm tốt nghiệp và chương trình đào tạo, nghiên cứu): + Nĕm 2004: Tốt nghiệp Đại học ngành Chế tạo máy, Trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp Thái Nguyên + Nĕm 2010: Tốt nghiệp Thạc sĩ ngành Công nghệ kỹ thuật cơ khí, Trường Đại học Bách khoa Hà Nội - Tóm tắt công việc hiện tại: Giảng viên khoa Cơ khí, Trường Đại học Sao Đỏ - Lĩnh vực quan tâm: Tính toán, thiết kế máy, công nghệ chế tạo máy, lập trình và gia công trên máy CNC - Điện thoại: 0971953180 - Email: macvgiang@gmail.com