Luận Văn Nghiên cứu ảnh hưởng của chế độ gia công đến độ nhám bề mặt của máy gia công tia lửa điện

Đồ án tốt nghiệp năm 2012
Đề tài: Nghiên cứu ảnh hưởng của chế độ gia công đến độ nhám bề mặt của máy gia công tia lửa điện


MỤC LỤC
Trang
NHẬN XÉT CỦA CÁN BỘ HƯỚNG DẪN i
PHIẾU ĐÁNH GIÁ CHẤT LƯỢNG ĐỀ TÀI TỐT NGHIỆP ii
LỜI CẢM ƠN . iii
MỤC LỤC . iv
DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU . viii
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ . ix
LỜI NÓI ĐẦU 1
CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ GIA CÔNG TIA LỬA ĐIỆN . 3
1.1. Đặc điểm của phương pháp gia công tia lửa điện. . 3
1.1.1. Các đặc điểm chính của phương pháp gia công tia lửa điện. 3
1.1.2. Khả năng công nghệ của phương pháp gia công tia lửa điện. . 3
1.2. Các phương pháp gia công tia lửa điện 4
1.2.1. Phương pháp gia công xung định hình. . 4
1.2.2. Phương pháp gia công cắt dây bằng tia lửa điện. 4
1.2.3. Các phương pháp khác. 5
1.3. Cơ chế của phương pháp gia công tia lửa điện . 7
1.3.1. Bản chất vật lý. 7
1.3.2. Cơ chế bóc tách vật liệu. 15
1.4. Lượng hớt vật liệu khi gia công tia lửa điện . 16
1.5. Độ chính xác tạo hình khi gia công tia lửa điện. 17
1.6. Các hiện tượng xấu khi gia công tia lửa điện. 18
1.6.1. Hồ quang. . 18
1.6.2. Ngắn mạch, sụt áp. . 19
1.6.3. Xung mạch hở, không có dòng điện. . 20
1.6.4. Sự quá nhiệt của chất điện môi. .20
1.7. Các yếu tố không điều khiển được. 20
v
1.7.1. Nhiễu hệ thống. 21
1.7.2. Nhiễu ngẫu nhiên. 21
1.8. Chất điện môi trong gia công tia lửa điện. . 21
1.8.1. Nhiệm vụ của chất điện môi. .21
1.8.1.1. Cách điện . 21
1.8.1.2. Ion hóa. 22
1.8.1.3. Làm nguội. 22
1.8.1.4. Vận chuyển phoi 22
1.8.2. Các loại chất điện môi. 23
1.8.3. Các tiêu chuẩn đánh giá chất điện môi. . 23
1.8.4. Các loại dòng chảy của chất điện môi. 25
1.8.5. Hệ thống lọc chất điện môi. . 29
CHƯƠNG 2: CÁC YẾU TỐ ẢNH HƯỞNG ĐẾN CHẤT LƯỢNG BỀ MẶT
GIA CÔNG EDM . 31
2.1. Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình gia công tia lửa điện. 31
2.1.1. Các đặc tính về điện của sự phóng tia lửa điện . . 31
2.1.2. Dòng điện và bước của dòng điện. 35
2.1.3. Ảnh hưởng của khe hở phóng điện δ . . 36
2.1.4. Ảnh hưởng của điện dung C. . 38
2.1.5. Ảnh hưởng của diện tích vùng gia công. . 39
2.1.6. Ảnh hưởng của sự ăn mòn điện cực. . 39
2.2. Chất lượng bề mặt. . 40
2.2.1. Độ nhám bề mặt. 40
2.2.2. Vết nứt tế vi và các ảnh hưởng về nhiệt. . 40
2.3. Nhám bề mặt khi gia công tia lửa điện. 42
CHƯƠNG 3: QUY HOẠCH THỰC NGHIỆM . 44
3.1. Cơ sở lý thuyết quy hoạch thực nghiệm. 44
3.1.1. Những khái niệm cơ bản của quy hoạch thực nghiệm. 44
3.1.1.1. Định nghĩa quy hoạch thực nghiệm 44
vi
3.1.1.2. Đối tượng của quy hoạch thực nghiệm trong các ngành công nghệ 44
3.1.1.3. Các phương pháp quy hoạch thực nghiệm. . 46
3.1.1.4. Kế hoạch thực nghiệm. 46
3.1.1.5. Các mức yếu tố. . 47
3.1.1.6. Giá trị mã hóa. . 47
3.1.1.7. Ma trận kế hoạch thực nghiệm. . 48
3.1.2. Các nguyên tắc cơ bản của quy hoạch thực nghiệm. . 48
3.1.2.1. Nguyên tắc không lấy toàn bộ trạng thái đầu vào. 48
3.1.2.2. Nguyên tắc phức tạp dần mô hình toán học. . 49
3.1.2.3. Nguyên tắc đối chứng với nhiễu. 49
3.1.2.4. Nguyên tắc ngẫu nhiên hóa. 49
3.1.2.5. Nguyên tắc tối ưu. . 50
3.1.3. Các bước quy hoạch thực nghiệm cực trị. . 50
3.1.3.1. Chọn thông số nghiên cứu. 50
3.1.3.2. Lập kế hoạch thực nghiệm. . 51
3.1.3.3. Tiến hành thí nghiệm nhận thông tin. . 51
3.1.3.4. Xây dựng và kiểm tra mô hình thực nghiệm. 51
3.2. Quy hoạch thực nghiệm đề tài. . 52
3.2.1. Mô hình định tính quá trình gia công tia lửađiện. 52
3.2.2. Các thông số đầu vào thí nghiệm. 53
CHƯƠNG 4: THÍ NGHIỆM . 55
4.1. Vật liệu gia công. 55
4.2. Vật liệu điện cực. 55
4.3. Thiết bị thí nghiệm. 56
4.4 Thiết bị đo. . 58
4.5 Các giả thiết của thí nghiệm. 60
CHƯƠNG 5: XÁC ĐỊNH QUY LUẬT ẢNH HƯỞNG CỦA CHẾ ĐỘ GIA
CÔNG ĐẾN ĐỘ NHÁM BỀ MẶT 61
5.1. Giải bài toán thực nghiệm. . 61
vii
5.2. Phân tích hồi quy để xác định ảnh hưởng của chế độ gia công đến độ
nhám. 65
5.3. Ảnh hưởng của các tham số đối với độ nhám bề mặt trong quá trình gia
công tia lửa điện. 70
CHƯƠNG 6: KẾT LUẬN CHUNG . 74
TÀI LIỆU THAM KHẢO
PHỤ LỤC
viii
DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU
Bảng 3.1 Bảng các thông số cho thực nghiệm. . 54
Bảng 4.1 Thông số kỹ thuật của máy TopEDM CNC430/X-600. 56
Bảng 4.2 Thông số kỹ thuật của máy đo độ nhám SJ-301. . 58
Bảng 5.1 Các thông số. . 61
Bảng 5.2 Kết quả thí nghiệm . 62
Bảng 5.3 Hệ số của đa thức. 67
ix
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ
Hình 1.1 Sơ đồ gia công xung định hình. . 4
Hình 1.2 Sơ đồ gia công cắt bằng dây. . 5
Hình 1.3 Sơ đồ nguyên lý gia công tia lửa điện. . 7
Hình 1.4 Bước 1. . 7
Hình 1.5 Bước 2. . 8
Hình 1.6 Bước 3. . 9
Hình 1.7 Bước 4. . 9
Hình 1.8 Bước 5. . 10
Hình 1.9 Bước 6. . 11
Hình 1.10 Bước 7. . 11
Hình 1.11 Bước 8. . 12
Hình 1.12 Bước 9. . 12
Hình 1.13 Đồ thị điện áp và dòng điện trong một xung phóng điện. 14
Hình 1.14 Các thông số ảnh hưởng đến năng suất khi gia công EDM. 17
Hình 1.15 Hiện tượng hồ quang điện. . 19
Hình 1.16 Hiện tượng ngắn mạch, sụt áp. . 19
Hình 1.17 Hiện tượng xung mạch hở. . 20
Hình 1.18 Dòng chảy bên ngoài. . 26
Hình 1.19 Dòng chảy áp lực qua điện cực. . 26
Hình 1.20 Dòng chảy áp lực qua phôi. 27
Hình 1.21 Dòng chảy hút qua điện cực . 27
Hình 1.22 Dòng chảy hút qua phôi . 28
Hình 1.23 Dòng chảy nhắp 29
Hình 2.1 Mối quan hệ giữa Vw
và t
i
. 33
Hình 2.2 Mối quan hệ giữa θ và ti
. 33
Hình 2.3 Mối quan hệ giữa Rmax
và t
i
(với t
i
= t
d
+ t
e
). 34
Hình 2.4 Ảnh hưởng của ti
và t
0
đến năng suất gia công. . 35
x
Hình 2.5 Ảnh hưởng của khe hở phóng điện δ. 36
Hình 2.6 Quan hệ giữa η và ap
38
Hình 2.7 Ảnh hưởng của điện dung C. . 38
Hình 2.8 Ảnh hưởng của diện tích vùng gia công F. 39
Hình 2.9 Vùng ảnh hưởng nhiệt của bề mặt phôi. 41
Hình 2.10 Nhám bề mặt khi gia công tia lửa điện. . 42
Hình 3.1 Sơ đồ đối tượng nghiên cứu. 44
Hình 3.2 Sơ đồ đối tượng nghiên cứu với nhiễu e có tính cộng. 45
Hình 3.3 Mô hình quá trình gia công tia lửa điện. 52
Hình 4.1 Điện cực đồng thau. . 55
Hình 4.2 Sơ đồ nguyên lý của máy gia công tia lửa điện điện cực định hình. . 57
Hình 4.3 Máy TopEDM CNC430/X-600. 57
Hình 4.4 Máy đo độ nhám SJ-301. . 58
Hình 4.5. Thông tin hiển thị được in trên giấy. . 59
Hình 4.6 Thông tin hiển thị trên màn hình LCD. 60
Hình 5.1 Nhập dữ liệu đầu vào và đầu ra. . 66
Hình 5.2 Chọn dạng mô hình là mô hình phi tuyến bậchai. 66
Hình 5.3 Kết quả mô hình. 68
Hình 5.4 Các thống kê về mô hình. . 68
Hình 5.5 Sai số giữa giá trị quan sát (thí nghiệm) và giá trị hội quy. . 69
Hình 5.6 Phân bố của sai số. . 70
Hình 5.7 Ảnh hưởng của dòng điện đến độ nhám. . 70
Hình 5.8 Ảnh hưởng của chu kỳ dòng điện. .71
Hình 5.9 Ảnh hưởng của hiệu điện thế. 71
Hình 5.10 Ảnh hưởng của chu kỳ dòng điện và hiệu điện thế. . 72
Hình 5.11 Ảnh hưởng của dòng điện và hiệu điện thế 72
Hình 5.12 Ảnh hưởng của dòng điện và chu kỳ dòng điện . 73
1
LỜI NÓI ĐẦU
Ứng dụng công nghệ mới luôn luôn là nhu cầu cấp bách của mọi nền sản
xuất và mọi quốc gia. Đối với nền sản xuất cơ khí, các phương pháp gia công truyền
thống như: đúc, rèn, dập, tiện, phay, mài, .và những công nghệ như phay, tiện CNC
đôi khi không còn đáp ứng được yêu cầu ngày càng cao của sự phát triển sản phẩm
trong thời kỳ hiện đại nữa. Thực tế đó đòi hỏi phảiphát triển các công nghệ mới,
trong đó có gia công tia lửa điện. Phương pháp này gọi là gia công EDM (Electrical
Discharge Machine). Thực ra phương pháp gia công tia lửa điện không phải là công
nghệ mới đối với thế giới vì nó được áp dụng hơn một nửa thế kỷ qua.
Từ cuối thập niên 80 của thế kỷ XX đến nay, rất nhiều doanh nghiệp trong
nước đã trang bị các loại máy, thiết bị sử dụng công nghệ EDM nhằm cải tiến
phương pháp gia công, nâng cao giá trị của sản phẩm. Bên cạnh những kết quả đạt
được về mặt công nghệ thì nói chung còn gặp những khó khăn nhất định về kỹ thuật
và hiệu quả kinh tế khi sử dụng các máy và thiết bịnày bởi vì các nguyên nhân sau:
- Việc chuyển giao công nghệ chưa đầy đủ.
- Đầu tư thiếu đồng bộ và phần lớn thiết bị không rõ nguồn gốc.
- Giá thành đầu tư lớn nên mức khấu hao cao.
- Số lượng sản xuất trên máy thường theo loạt vừa và nhỏ
Vấn đề đặt ra là làm thế nào để nâng cao hiệu quả khai thác, sử dụng loại
máy này?
Đề tài “Nghiên cứu ảnh hưởng của chế độ gia công đến độ nhám bề mặt
của máy gia công tia lửa điện” được lựa chọn để nghiên cứu nhằm mục đích xác
định chế độ công nghệ hợp lý trên máy gia công tia lửa điện xung định hình là một
việc cần thiết, góp phần vào việc nâng cao hiệu quảkhai thác, sử dụng máy EDM
trong sản xuất cơ khí nói riêng và là cơ sở để nghiên cứu cho các máy khác và các
vật liệu khác nhau.
Đề tài được trình bày với các nội dung chính sau:
Chương 1: Tổng quan về gia công tia lửa điện.
2
Chương 2: Các yếu tố ảnh hưởng đến chất lượng bề mặt gia công EDM.
Chương 3: Quy hoạch thực nghiệm.
Chương 4: Thí nghiệm.
Chương 5: Xác định quy luật ảnh hưởng của chế độ gia công đến độ
nhám bề mặt.
Chương 6: Kết luận chung.


CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ GIA CÔNG TIA LỬA ĐIỆN
Gia công tia lửa điện được phát triển vào năm 1943 ở Liên Xô bởi hai vợ
chồng người Nga tại trường đại học Moscow là Giáo sư, Tiến sĩ Boris Lazarenko và
Tiến sĩ Natalya Lazarenko. Họ sử dụng tia lửa điện để hớt đi 1 lớp vật liệu mà
không phụ thuộc vào độ cứng của vật liệu đó. Khi các tia lửa điện phóng ra thì một
lớp vật liệu trên bề mặt phôi sẽ bị hớt đi bởi 1 quá trình điện – nhiệt thông qua sự
nóng chảy và bốc hơi kim loại. Từ đó đến nay quá trình hớt vật liệu trong gia công
tia lửa điện vẫn được coi là phức tạp liên quan đếnkhoảng cách khe hở phóng điện,
đến thông tin về kênh plasma, về sự hình thành của cầu phóng điện giữa 2 điện cực,
sự ăn mòn của cả 2 điện cực, các nghiên cứu vềhiện tượng phóng điện của các
nhà khoa học đã làm cho công nghệ gia công tia lửa điện có những phát triển lớn
trong những năm gần đây và đã ra đời thêm một số phương pháp gia công dùng
nguyên lý của phương pháp 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 2 điện cực.
1.1.1. Các đặc điểm chính của phương pháp gia công tia lửađiện.
- Điện cực (đóng vai trò là dụng cụ cắt): có độ cứng thấp hơn nhiều so với vật
liệu phôi. vật liệu phôi thường là những vật liệu cứng và đã qua nhiệt luyện như
thép đã tôi, các loại hợp kim cứng. vật liệu điện cực thường là đồng, grafit .
- Vật liệu dụng cụ cắt và vật liệu phôi đều phải có tính chất dẫn điện tốt.
- Môi trường gia công: khi gia công phải sử dụng một chất lỏng điện môi làm
môi trường gia công. Đây là dung dịch không dẫn điện ở điều kiện làm việc bình
thường.
1.1.2. Khả năng công nghệ của phương pháp gia công tia lửađiện.
Phương pháp gia công tia lửa điện có thể tạo được các mặt định hình là
đường thẳng, đường cong, các rãnh định hình, các bềmặt có profin phức tạp, với
độ bóng bề mặt tương đối cao (Ra = 1,6 ư 0,8µm) và độ chính xác cao (IT5).
4
1.2. Các phương pháp gia công tia lửa điện
Ngày nay, trong gia công cơ khí trên thế giới có 2 phương pháp gia công tia
lửa điện chủ yếu, được ứng dụng rộng rãi và đã có những đóng góp đáng kể cho sự
phát triển về khoa học kỹ thuật của nhân loại đó là: phương pháp gia công xung
định hình và phương pháp gia công cắt dây bằng tia lửa điện EDM.
1.2.1. Phương pháp gia công xung định hình.
Đây là phương pháp dùng các điện cực đã được tạo hình sẵn để in hình (âm
bản) của nó lên bề mặt phôi. Phương pháp này được dùng để chế tạo khuôn có hình
dạng phức tạp, các khuôn ép định hình, khuôn ép nhựa, khuôn đúc áp lực, lỗ không
thông .
Hình 1.1 Sơ đồ gia công xung định hình.
1.2.2. Phương pháp gia công cắt dây bằng tia lửa điện.
Là phương pháp dùng 1 dây dẫn điện có đường kính nhỏ (0,1 – 0,3mm) cuốn
liên tục và chạy theo 1 biên dạng định trước để tạothành 1 vết cắt trên phôi.
Phương pháp này thường dùng để gia công các lỗ suốtcó biên dạng phức tạp như
các lỗ trên khuôn dập, khuôn ép, khuôn đúc áp lực, chế tạo các điện cực dùng cho


TÀI LIỆU THAM KHẢO
1. PGS – TS Vũ Hoài Ân – Gia công tia lửa điện– NXB Khoa học và kỹ thuật
(2005).
2. Phạm Ngọc Tuấn – Nguyễn Văn Tường – Các phương pháp gia công đặc
biệt– NXB ĐHQG TP Hồ Chí Minh (2007).
3. Nguyễn Tiến Nga – Luận văn thạc sĩ “ Nghiên cứu ảnh hưởng của các thông
số công nghệ tới độ chính xác gia công, khi gia công cắt dây các vật liệu khó
gia công” – ĐH Thái Nguyên (2009).
4. PGS –TS Bùi Minh Trí – Xác suất thống kê và quy hoạch thực nghiệm–
NXB Bách khoa Hà Nội (2011).
5. Giang Thị Kim Liên – Bài giảng môn quy hoạch thực nghiệm– Đại học Đà
Nẵng, trường ĐH sư phạm (2009).
6. E. Bud Guitrau (1997), The EDM handbook; Hanser Gardner Pub, Cicinnati.