Nội dung

BỘ CÔNG THƯƠNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP HÀ NỘI NGUYỄN VĂN ĐỨC NGHIÊN CỨU XÁC ĐỊNH CHẾ ĐỘ CÔNG NGHỆ TỐI ƯU KHI GIA CÔNG XUNG TIA LỬA ĐIỆN BẰNG ĐIỆN CỰC ĐỒNG LUẬN ÁN TIẾN SỸ KỸ THUẬT Hà Nội - 2020 BỘ CÔNG THƯƠNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP HÀ NỘI NGUYỄN VĂN ĐỨC NGHIÊN CỨU XÁC ĐỊNH CHẾ ĐỘ CÔNG NGHỆ TỐI ƯU KHI GIA CÔNG XUNG TIA LỬA ĐIỆN BẰNG ĐIỆN CỰC ĐỒNG CHUYÊN NGÀNH: KỸ THUẬT CƠ KHÍ MÃ SỐ: 9.52.01.03 LUẬN ÁN TIẾN SỸ KỸ THUẬT NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: 1. PGS.TS. PHẠM VĂN BỔNG 2. PGS.TS. TRẦN XUÂN VIỆT Hà Nội - 2020 i LỜI CẢM ƠN Tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành và biết ơn sâu sắc tới thầy hướng dẫn khoa học PGS.TS Phạm Văn Bổng và PGS.TS Trần Xuân Việt đã hướng dẫn và hỗ trợ tận tình tôi trong suốt thời gian học tập và nghiên cứu. Tôi xin trân trọng cảm ơn Đảng ủy, Ban Giám hiệu, Phòng Đào tạo, Khoa Cơ khí và, Bộ môn Công nghệ, Trung tâm Sau Đại học trường Đại học Công nghiệp Hà Nội đã tạo mọi điều kiện giúp đỡ tôi trong suốt quá trình học tập, nghiên cứu và hoàn thành Luận án. Tôi xin chân thành cảm ơn các thầy ở Trung tâm Đào tạo Kỹ thuật HaUI - Foxconn đã giúp đỡ và hỗ trợ tôi hoàn thành thí nghiệm. Xin chân thành cảm ơn Viện Khoa học vật liệu, Trung tâm Đánh giá Hư hỏng Vật liệu đã giúp đỡ tôi đo kiểm các mẫu thí nghiệm. Tôi xin cám ơn TS. Nguyễn Hữu Phấn đã có góp ý và hỗ trợ tôi trong thời gian làm luận án. Tôi xin được bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới gia đình, những người luôn bên cạnh tôi, đã động viên, chia sẻ, giúp đỡ tôi trong suốt quá trình học tập, nghiên cứu để hoàn thành Luận án. Hà Nội, năm 2020 Nguyễn Văn Đức ii LỜI CAM ĐOAN Tôi cam đoan những nội dung trình bày trong luận án là công trình nghiên cứu của tôi. Ngoài các nội dung tham khảo đã được trích dẫn còn các số liệu, kết quả nêu trong luận án là trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác. Hà Nội, năm 2020 Nguyễn Văn Đức iii MỤC LỤC TRANG LỜI CẢM ƠN ...................................................................................................................i LỜI CAM ĐOAN ........................................................................................................... ii MỤC LỤC ..................................................................................................................... iii DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU ...................................................................................... vii DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT ............................................................................. viii DANH SÁCH CÁC BẢNG ...........................................................................................ix DANH SÁCH CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ .................................................................xi PHẦN MỞ ĐẦU .............................................................................................................1 1. Tính cấp thiết của đề tài ...........................................................................................1 2. Nội dung nghiên cứu ................................................................................................1 3. Phương pháp nghiên cứu..........................................................................................2 4. Đối tượng nghiên cứu...............................................................................................2 5. Giới hạn nghiên cứu .................................................................................................3 6. Mục đích nghiên cứu ................................................................................................3 7. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài .................................................................3 a. Ý nghĩa khoa học ..................................................................................................3 b. Ý nghĩa thực tiễn...................................................................................................3 CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ GIA CÔNG TIA LỬA ĐIỆN ....................................4 1.1 Lịch sử phát triển EDM..........................................................................................4 1.2 Đặc điểm gia công tia lửa điện ...............................................................................6 1.3 Ứng dụng gia công tia lửa điện ..............................................................................6 1.4 Một số khái niệm trong gia công tia lửa điện ........................................................6 1.4.1 Chu kỳ gia công ...............................................................................................6 1.4.2 Điện áp và cường độ dòng điện gia công ........................................................7 1.4.3 Thời gian phóng tia lửa điện Ton ......................................................................9 1.4.4 Thời gian ngừng phóng tia lửa điện Toff ..........................................................9 1.4.5 Sự ion hóa ........................................................................................................9 1.4.6 Sự trễ của ion hóa ............................................................................................9 1.4.7 Vật liệu điện cực ............................................................................................10 1.4.8 Phoi EDM ......................................................................................................11 1.4.9 Loại mạch điện của máy xung .......................................................................12 iv 1.5 Tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước về EDM ...........................................13 1.5.1 Tình hình nghiên cứu ngoài nước ..................................................................13 1.5.2 Tình hình nghiên cứu trong nước ..................................................................16 Kết luận chương 1 ...................................................................................................18 CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT ..............................................................................19 2.1 Cơ sở lý thuyết gia công tia lửa điện ...................................................................19 2.1.1 Bản chất vật lý của quá trình phóng tia lửa điện ...........................................19 2.1.2 Cơ chế tách vật liệu .......................................................................................22 2.1.3 Đặc tính về điện của sự phóng tia lửa điện ....................................................23 2.1.4 Lượng hớt vật liệu..........................................................................................25 2.1.5 Lớp trắng sau gia công...................................................................................26 2.1.6 Mòn điện cực ................................................................................................ 27 2.1.7 Chất điện môi .................................................................................................29 2.2 Cơ sở lý thuyết tối ưu hóa ....................................................................................29 2.2.1 Khái niệm về tối ưu hóa .................................................................................29 2.2.2 Các dạng bài toán tối ưu hóa .........................................................................30 2.2.2.1 Tối ưu hóa tĩnh ........................................................................................30 2.2.2.2 Tối ưu hóa động ......................................................................................30 2.2.3 Phương pháp tối ưu hóa đơn mục tiêu theo Taguchi .....................................31 2.2.3.1 Tỷ số S/N .................................................................................................31 2.2.3.2 Giá trị hệ số Fisher (F) ............................................................................31 2.2.3.3 Phân tích phương sai ...............................................................................32 2.2.4 Tối ưu hóa đa mục tiêu bằng AHP - Deng’s .................................................32 2.2.4.1 Phương pháp AHP ...................................................................................32 2.2.4.2 Tối ưu hóa đa mục tiêu bằng phương pháp Deng’s ................................ 34 Kết luận chương 2 ...................................................................................................37 CHƯƠNG 3: TRANG THIẾT BỊ VÀ THỰC NGHIỆM XÁC ĐỊNH ẢNH HƯỞNG CỦA MỘT SỐ THÔNG SỐ CÔNG NGHỆ ĐẾN CÁC CHỈ TIÊU CHẤT LƯỢNG VÀ ĐỘ MÒN ĐIỆN CỰC ...................................................................................................39 3.1 Trang thiết bị phục vụ thực nghiệm .....................................................................39 3.1.1 Máy Xung điện ..............................................................................................39 3.1.2 Vật liệu và phôi thí nghiệm ...........................................................................40 3.1.3 Thiết bị đo ......................................................................................................41 3.1.3.1 Cân điện tử AJ 203 ..................................................................................41 v 3.1.3.2 Máy đo độ nhám ......................................................................................42 3.1.3.3 Máy đo độ cứng tế vi HV .......................................................................42 3.1.3.4 Kính hiển vi quang học Leica - DM750 .................................................43 3.2 Thí nghiệm khảo sát ảnh hưởng của thông số công nghệ đến chất lượng ...........43 3.2.1 Thí nghiệm khảo sát 1: Khảo sát ảnh hưởng của thông số công nghệ đến nhám bề mặt của chi tiết gia công ....................................................................................43 3.2.2 Thí nghiệm khảo sát 2: Khảo sát ảnh hưởng của độ nhám điện cực đến độ nhám bề mặt gia công .............................................................................................50 3.2.3 Thí nghiệm khảo sát 3: Khảo sát ảnh hưởng của thông số công nghệ đến năng suất bóc tách vật liệu...............................................................................................53 3.3 Thiết kế thí nghiệm tối ưu hóa .............................................................................59 3.3.1 Lựa chọn phương pháp thiết kế thí nghiệm ...................................................59 3.3.2 Thiết kế thí nghiệm bằng phương pháp Taguchi ...........................................60 3.3.3 Lựa chọn các thông số ...................................................................................61 3.3.3.1 Lựa chọn các thông số đầu vào ...............................................................61 3.3.3.2 Các chỉ tiêu đánh giá đầu ra Y ................................................................ 62 3.3.4 Xây dựng quy hoạch thực nghiệm .................................................................62 3.4 Tiến hành thí nghiệm ...........................................................................................64 3.4.1 Thí nghiệm trên máy xung .............................................................................64 3.4.2 Đo kiểm các chỉ tiêu đầu ra ...........................................................................65 3.5 Xử lý số liệu thí nghiệm .......................................................................................67 3.5.1 Kiểm tra độ tin cậy của số liệu thí nghiệm ....................................................67 3.5.2 Đặc trưng của các chỉ tiêu đầu ra ...................................................................72 Kết luận chương 3 ...................................................................................................72 CHƯƠNG 4: TỐI ƯU HÓA ĐƠN VÀ ĐA MỤC TIÊU XÁC ĐỊNH CHẾ ĐỘ CÔNG NGHỆ XUNG TỐI ƯU .................................................................................................73 4.1 Tối ưu hóa đơn mục tiêu theo phương pháp Taguchi ..........................................73 4.1.1 Độ cứng tế vi lớp bề mặt (HV) ......................................................................73 4.1.1.1 Ảnh hưởng của các thông số đến HV......................................................73 4.1.1.2 Tối ưu hóa HV .........................................................................................74 4.1.2 Chiều dày lớp trắng (WLT) ...........................................................................76 4.1.2.1 Ảnh hưởng của các thông số đến WLT ...................................................76 4.1.2.2 Tối ưu hóa WLT ......................................................................................77 4.1.3 Nhám bề mặt (Ra) ..........................................................................................79 4.1.3.1 Ảnh hưởng của các thông số đến Ra .......................................................79 vi 4.1.3.2 Tối ưu hóa Ra ..........................................................................................80 4.1.4 Mòn điện cực (TWR) .....................................................................................82 4.1.4.1 Ảnh hưởng của các thông số đến TWR ..................................................82 4.1.4.2 Tối ưu hóa TWR......................................................................................84 4.1.5 Năng suất bóc tách vật liệu (MRR) ...............................................................85 4.1.5.1 Ảnh hưởng của các thông số đến MRR ..................................................85 4.1.5.2 Tối ưu hóa MRR......................................................................................87 4.2 Ứng dụng tối ưu hóa đa mục tiêu bằng AHP - Deng’s ........................................89 4.2.1 Tối ưu hóa đa mục tiêu bằng AHP - Deng’s .................................................89 4.2.2 Phân tích ANOVA .........................................................................................95 a. Phân tích ANOVA ...........................................................................................95 b. Ảnh hưởng của các thông số công nghệ đến Pi ..............................................97 4.2.3 Tối ưu hóa đa mục tiêu ................................................................................100 4.2.4 Kết quả đạt được của phương pháp tối ưu hóa đa mục tiêu .......................101 Kết luận chương 4 .................................................................................................101 KẾT LUẬN CHUNG VÀ HƯỚNG NGHIÊN CỨU TIẾP THEO ............................103 TÀI LIỆU THAM KHẢO ...........................................................................................106 CÁC CÔNG TRÌNH KHOA HỌC CÔNG BỐ CỦA TÁC GIẢ ................................115 PHỤ LỤC ....................................................................................................................116 vii DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU Ký hiệu Ton (te) Toff Wi Wf Ra t  Ti Tf D d d  i 0  hp S Wc g/cm3 V/m V A s HRC HV DF SS F P Ue Ie Pi C* Ý nghĩa Thời gian phát xung (µs) Thời gian ngừng phát xung (µs) Khối lượng phôi ban đầu (mmg) Khối lượng phôi sau gia công (mmg) Nhấp nhô bề mặt gia công (µm) Thời gian thực hiện 1 thí nghiệm (phút) Khối lượng riêng của phôi (g/cm3) Khối lượng điện cực ban đầu (mmg) Khối lượng điện cực sau gia công (mmg) Đường kính lỗ (mm) Đường kính điện cực (mm) Lượng cắt quá (mm) Độ nhớt của dung dịch điện môi (m2/s) Hằng số điện môi của dung dịch điện môi Hằng số điện môi chân không Kích thước khe hở phóng điện (µm) Chiều cao nhấp nhô (µm) Diện tích bề mặt điện cực (mm2) Năng lượng của điện dung (J) Thứ nguyên của khối lượng riêng Thứ nguyên của cường độ điện trường Thứ nguyên của điện áp Thứ nguyên của cường độ dòng điện Thứ nguyên của thời gian Thang đo độ cứng HRC Thang đo độ cứng HV Bậc tự do Tổng bình phương sai lệch Hệ số Fisher Mức ý nghĩa Điện áp phóng tia lửa điện (V) Dòng phóng tia lửa điện (A) Chỉ số hiệu suất tổng thể Chỉ số tối ưu viii DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT Viết tắt EDM MRR TWR RSM ANN GA GRA PSO PSI AHP Deng’s PCA DF S/N XRD EDX SEM ANOVA PVD CVD CNC SR WLT MSD PIS NIS Tiếng Anh Electrical dischagre machining Material removal rate Tool wear rate Response Surface Methodology Artificial Neural Network Genetic Algorithm Grey relational analysis Particle swarm optimization Preference selection index Analytic Hierarchy Process Deng’s similary based method Principal component analysis Degree of freedom Signal to Noise ratio X-Ray diffraction Energy-dispersive X-ray Scanning electron microscopy Analysis of variance Physical Vapor Deposition Chemical Vapor Deposition Computer Numerical Control Suface roughness White layer thickness Medium squared deviation Positive ideal solution Negative ideal solution Tiếng Việt Gia công bằng tia lửa điện Năng suất bóc tách vật liệu Tốc độ mòn điện cực Phương pháp phản hồi bề mặt Mạng nơ ron nhân tạo Giải thuật di truyền Phân tích quan hệ xám Tối ưu hóa bầy đàn Chỉ số lựa chọn ưu tiên Quy trình phân cấp phân tích Phương pháp dựa trên sự tương tự Phân tích thành phần chính Bậc tự do Tỷ số tín hiệu/nhiễu Nhiễu xạ nhờ X - Ray Phổ tán xạ năng lượng tia X Kính hiển vi điện tử Phân tích phương sai Phủ bay hơi vật lý Phủ bay hơi hóa học Điều khiển số bằng máy tính Nhám bề mặt Chiều dày lớp trắng Sai lệch bình phương trung bình Giải pháp lý tưởng tích cực Giải pháp lý tưởng tiêu cực