Kỷ yếu hội nghị khoa học công nghệ toàn quốc khí - Lần thứ IV NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA ĐIỆN ÁP ĐÁNH LỬA VÀ CƯỜNG ĐỘ DÒNG PHÓNG TIA LỬA ĐIỆN ĐẾN ĐỘ NHÁM BỀ MẶT CHI TIẾT KHI GIA CÔNG THÉP 40Cr TRÊN MÁY CHMEREDM CW 420HS THE EFFECTS OF BREAKDOWN POTENTIAL PARAMETER AND SPARK DISCHARGE POWER ON SURFACE ROUGHNESS OF 40Cr STEEL WHEN PROCESSING BY CHMEREDM CW 420 HS MACHINE S Nguyễn Mai Anh1, Nguyễn Mai Anh1, Hoàng Xuân Thịnh1, Phạm Văn Bổng2, Phạm Văn Đông2a 1,2 Trường Đại học Công nghiệp Hà Nội, Việt Nam a phamvandong07@gmail.com TÓM TẮT Bài báo trình bày kết nghiên cứu ảnh hưởng của điện áp đánh lửa (U z) và cường độ dòng phóng tia lửa điện (Ie) đến độ nhám bề mặt chi tiết gia công thép 40Cr máy cắt dây Kết nghiên cứu là sở cho các nhà công nghệ lựa chọn chế độ công nghệ tối ưu nhằm nâng cao chất lượng độ nhám bề mặt chi tiết, độ xác và suất gia công gia công máy CHMEREDM CW 420 HS Từ khóa: độ nhám, nhá nđộ nh́t, CHMEREDM CW 420 HS ABSTRACT This paper reports on the effects of breakdown potential parameter (Uz) and spark discharge power (Ie) on surface roughness of the 40Cr steel product processed by EDM wire cutting machine Results are the bases for technologists to choose the optimum cutting parameters in order to improve the quality of the surface along with the increase in accuracy and productivity when processed by CHMEREDM CW 420 HS machine Keywords: Roughness, Cutting parameters, CHMEREDM CW 420 HS ĐẶT VẤN ĐỀ Chất lượng độ nhám bề mặt chi tiết sau gia công bằng phương pháp cắt dây tia lửa điện phụ thuộc vào rất nhiều yếu tố [1] như: điện áp đánh lửa (Uz), dòng phóng tia lửa điện (Ie), độ dài xung (ti), khoảng cách xung (t0), thời gian trễ đánh lửa (td), chiều dày phôi (h), vật liệu gia công, vật liệu làm điện cực,… Khi điều kiện và thiết bị gia công không đổi, để nâng cao suất, chất lượng độ nhám bề mặt chi tiết và độ xác sau gia công thì việc lựa chọn thông số công nghệ là cần thiết Các nghiên cứu mối quan hệ điện áp đánh lửa (Uz), cường độ dòng phóng tia lửa điện (Ie) và độ nhám bề mặt chi tiết (Ra) tuân theo quy luật hàm số mũ [2]: Ra = C × (Uz)a × (Ie)b (1) Trong đó: C hằng số; a, b các số mũ Hằng số C và các số mũ a, b được xác định bằng thực nghiệm Trong điều kiện gia công chi tiết cụ thể, việc xác định các giá trị C, a, b giúp nhà công nghệ tính toán, lựa chọn thông số công nghệ hợp lý theo yêu cầu của chi tiết gia công 561 Kỷ yếu hội nghị khoa học công nghệ toàn quốc khí - Lần thứ IV THỰC NGHIỆM 2.1 Vật liệu trang thiết bị thí nghiệm 2.1.1 Vật liệu gia công Vật liệu dùng để chế tạo các chi tiết máy chịu tải trọng lớn, chống mài mòn tốt thường hay sử dụng vật liệu thép hợp kim có độ bền cao Ở đây, đối với chi tiết “đệm của dao gia công bánh côn cong” nhóm tác giả sử dụng vật liệu thí nghiệm là 40Cr qua xử lý nhiệt, đạt 54-58 HRC Kết phân tích thành phần mác thép làm thí nghiệm bằng phương pháp chụp quang phổ được thể hiện bảng 2.1 Bảng 2.1 Kết phân tích thành phần hóa học mác thép Thành phần hóa học trung bình các nguyên tố chính (%) Vật liệu C Si Mn P S Cr Mo Ni Cu 40Cr 0,38 0,25 0,55 0,035 0,035 0,95 0,15 0,2 0,3 Bản vẽ chế tạo chi tiết Đệm của Dao gia công bánh côn cong được thể hiện hình 2.1 Rz20 34±0,1 ( ) 9.75±0.1 0.02 B 17±0.1 + 0.1 0.01 A 2.5 2.5±0.01 19.5-0.05 Ø10 2.5 Nguoi ve A Nguyên Mai Anh Kiêm tra Khoa Co Truong ÐHCN Ha Nôi B 2015 ÐÊM DAO GIA CÔNG BÁNH RANG CÔN CONG Vât liêu: 40Cr SL: 16 Ty lê: 4:1 Hình 2.1 Bản vẽ chi tiết đệm dao gia công bánh côn cong Bề mặt gia công là hai mặt song song, độ nhám Ra = 2,5µm, chiều dày gia công là 34 mm, chiều dài gia công 19,5 mm 2.1.2 Vật liệu làm điện cực Vật liệu làm điện cực là vật liệu có khả dẫn điện, dẫn nhiệt độ bền học tốt Căn vào yêu cầu và điều kiện thực tế, nhóm tác giả chọn vật liệu làm điện cực là dây đồng; ký hiệu vật liệu CuZn35, đường kính Ф = 0,2 mm, độ bền kéo căng học 750 ÷ 790N/mm2, độ thoát nhiệt cao 562 Kỷ yếu hội nghị khoa học công nghệ toàn quốc khí - Lần thứ IV 2.1.3 Trang thiết bị thí nghiệm - Máy gia công cắt dây CHMEREDM CW420 HS hình 2.2 - Máy đo độ nhám Mitutoyo SJ - 400 hình 2.3 Hình 2.2 Máy CHMEREDM CW420 HS Hình 2.3 Máy đo độ nhám Mitutoyo SJ - 400 2.2 Phương pháp thực nghiệm Nghiên cứu được thực hiện 06 mẫu, sau vật liệu được xác định mác thép, phôi được thể tích đạt độ cứng 54-58 HRC, tiến hành gia công; sử dụng phương pháp quy hoạch thực nghiệm, chọn dạng phương trình hồi quy, xác định thông số thí nghiệm và tiến hành thực nghiệm Đo, kiểm tra đánh giá độ nhám, xây dựng công thức xác định mối quan hệ điện áp đánh lửa, dòng phóng tia lửa điện với chất lượng độ nhám bề mặt chi tiết sau gia công 2.3 Tiến hành thực nghiệm 2.3.1 Xác định số thí nghiệm dạng phương trình hồi quy Nhóm tác giả sử dụng phương pháp bình phương nhỏ nhất với biến số đầu vào k để xác định số lượng thí nghiệm [3,4]: N = 2k (2) Trong đó: N - số thí nghiệm; k - thông số (biến) đầu vào Các biến đầu vào Xi điều khiển được: X1: điện áp đánh lửa Uz (V); X2: cường độ dòng phóng tia lửa điện Ie (A) Biến đầu bị điều khiển: y: độ nhám bề mặt Ra (µm) Với biến đầu vào k = ta có số thí nghiệm N = Để nâng cao độ xác, nhóm tác giả thêm 02 thí nghiệm ở tâm nên tổng số thí nghiệm N = + = Theo lý thuyết quy hoạch thực nghiệm, bằng phương pháp bình phương nhỏ nhất ta có dạng phương trình hồi quy thực nghiệm [3,5]: y = a0 + a1x1 + a2x2 + … + anxn 563 (3) Kỷ yếu hội nghị khoa học công nghệ toàn quốc khí - Lần thứ IV 2.3.2 Thông số điều kiện thí nghiệm * Thông số thí nghiệm: Qua nghiên cứu lý thuyết về quá trình cắt, các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình cắt [1], thông số công nghệ của máy, vật liệu chế tạo, độ dày của phôi cắt; vào khuyến cáo của nhà sản xuất điện cực Nhóm tác giả lựa chọn miền thông số dùng cho thực nghiệm sau: + Điện áp đánh lửa (Uz): 95 (V) ≥ UZ ≥ 75 (V) + Cường độ dòng phóng tia lửa điện (Ie): (A) ≥ Ie ≥ (A) Một số thông số công nghệ khác được thể hiện bảng 2.2 Bảng 2.2 Một số thông số công nghệ khác Thông số PW ON OFF AN AFF SV FR WF WT WL FM F Giá trị D00 14 14 44 3 Mối quan hệ điện áp đánh lửa (Uz) và dòng phóng tia lửa điện (Ie) đến độ nhám bề mặt (Ra) chi tiết thể hiện qua công thức (1) là hàm phi tuyến, tính toán ta chuyển sang hàm logarit nên các thông số thực nghiệm xác định sau: Mức trên: xi(t) = lnxi max; Mức dưới: xi(d) = lnxi min; Mức sở: xi(0) = 1/2 (lnxi max + lnxi min) X1(0) = 1/2 (lnx1 max + lnx1 min) =1/2 (ln95 + ln75) = 4,436 X2(0) = 1/2 (lnx2 max + lnx2 min) = 1/2(ln6 + ln2) = 1,243 Khoảng biến thiên: i = 1/2(lnxi max - lnxi min) 1= 1/2(lnx1 max – lnx1 min) = 1/2(ln95 – ln75) = 0,118 2= 1/2(lnx2 max – lnx2 min) = 1/2(ln6 – ln2) = 0,549 Kết tính toán các giá trị thể hiện bảng 2.3 Bảng 2.3 Giá trị các yếu tố thực nghiệm Yếu tố X1 X2 Mức 4,554 1,792 Mức 4,318 0,693 Mức sở 4,436 1,243 Khoảng biến thiên 0,118 0,549 * Điều kiện thí nghiệm: - Chất lượng và dòng chảy dung môi không thay đổi; - Nhiệt độ môi trường thí nghiệm: 22oC ÷ 25oC; - Rung động và nhiễu coi không đáng kể và ổn định suốt quá trình thí nghiệm; - Các điều kiện khác coi tiêu chuẩn 2.4 Kết thực nghiệm Các mẫu sau gia công được thể hiện hình 2.4; 564 Kỷ yếu hội nghị khoa học công nghệ toàn quốc khí - Lần thứ IV Hình 2.4 Mẫu thí nghiệm sau gia công Sau cắt dây các mẫu được làm sạch bởi dầu hỏa, tiến hành đo độ nhám máy Mitutoyo SJ - 400 ta được kết thể hiện bảng 2.4 Bảng 2.4 Kết đo độ nhám Biến mã hóa Biến thực nghiệm STT Mẫu X1 X2 UZ (V) Ie (A) Giá trị độ nhám Ra (µm) -1 -1 75 1,221 +1 -1 95 1,235 -1 +1 75 1,853 +1 +1 95 1,875 0 84,436 3,466 1,782 0 84,436 3,466 1,752 2.4.1 Quy hoạch số liệu thực nghiệm Mối quan hệ UZ, Ie và độ nhám (Ra) tuân theo quy luật hàm số mũ ta có: Ra = C × (Uz)a × (Ie)b Logarit hai vế phương trình (1) ta được: ln(Ra) = ln(C) + a.ln(Uz) + b.ln(Ie) Đặt: y = ln(Ra); a0 = ln(C); a1 = a; x1 = ln(Uz); x2 = ln(Ie); a2 = b; (4) Ta được phương trình: y = a0 + a1x1 + a2x2 (5) Áp dụng quy hoạch thực nghiệm, sử dụng phương pháp bình phương nhỏ nhất, sở hỗ trợ của phần mềm Microsoft Excel, Matlab ta thu được kết bảng 2.5 Bảng 2.5 Kết tính toán các giá trị logarit Ie(A) Ra(µm) ln(Uz) ln(Ie) STT UZ (V) 75 1,221 4,317488 0,693147 0,19967 95 1,235 4,553877 0,693147 0,211071 75 1,853 4,317488 1,791759 0,616806 95 1,875 4,553877 1,791759 0,628609 84,436 3,466 1,782 4,435994 1,243001 0,577736 84,436 3,466 1,752 4,435994 1,243001 0,560758 565 ln(Ra) Kỷ yếu hội nghị khoa học công nghệ toàn quốc khí - Lần thứ IV  A   X .Y  Với: (6) Trong đó:  X  : ma trận biến số đầu vào thực nghiệm; Y  : ma trận cột giá trị đo được của độ nhám;  A : ma trận hệ số tương ứng với a0, a1, a2  0, 2292  Sau tính toán ta được ma trận hệ số:  A   0, 0502   0,3800  Ta có: Ra = e-0,2292 × Uz0,0502 × Ie0,3800 = 0,795 × Uz0,0502 × Ie0,3800 (7) Đồ thị biểu diễn mối quan hệ điện áp đánh lửa, cường độ dòng phóng tia lửa điện với độ nhám bề mặt chi tiết thể hiện hình 2.5 2.6 Ra (µm) Ra (µm) 2 1.9 1.9 1.8 1.8 1.7 1.7 1.6 1.6 1.5 1.5 1.4 1.4 1.3 1.3 1.2 1.2 1.1 1.1 1 Ie(A) 70 75 80 85 90 95 100 Uz(V) Hình 2.5 Đồ thị mô tả mối quan hệ Hình 2.6 Đồ thị mô tả mối quan hệ Ra với Ie Ra với Ui Nhận xét: Từ công thức (7) và đồ thị hình 2.5, 2.6 ta thấy ảnh hưởng của cường độ dòng phóng tia lửa điện (Ie) lớn so với điện áp đánh lửa (Uz) đến giá trị độ nhám bề mặt chi tiết sau gia công Kết nghiên cứu thực nghiệm phù hợp với kết nghiên cứu lý thuyết 2.4.2 Đánh giá độ tin cậy hàm hồi quy thực nghiệm Độ tin cậy được đánh giá bằng công thức [3,5]:  y   ,2 y r  y2 y y ,2 Trong đó:  N   yi  y N 1  (8) N    yi  yi ,  N 1 566 Kỷ yếu hội nghị khoa học công nghệ toàn quốc khí - Lần thứ IV yi : logarit số e giá trị độ nhám Ra thực nghiệm; yi : giá trị trung bình logarit số e độ nhám Ra thực nghiệm; yi , : logarit độ nhám Ra theo hàm hồi quy thực nghiệm N: số thí nghiệm Sử dụng phần mềm Excel ta tính được kết độ tin cậy bảng 2.6 Bảng 2.6 Kết tính toán độ tin cậy Ie yi y’i yi  yi (A) (µm) (µm)   y  y 2 STT Uz (V) 75 1,221 1,355 0,1592 0,0180 95 1,235 1,263 0,1482 0,0008 75 1,853 1,951 0,0543 0,0096 95 1,875 1,894 0,0650 0,0004 84,436 3,466 1,782 1,763 0,0262 0,0004 84,436 3,466 1,752 1,693 0,0174 0,0035 0,4704 0,0325 Tổng 9,718 Trung bình Ta được: r  , i i yi =1,62 0, 4704  0, 0325 = 0,931 0, 4704 Độ tin cậy: r = 93,1 % 2.4.3 Kiểm tra sự tồn tham số Ta có phương sai dư Sdư được tính theo công thức [5]: Sdu   S a (9) N  m 1 Trong đó: N là số thử nghiệm; m là các thông số cần xác định, trừ a0 Tổng dư bình phương:      T S a  Y  X a Y  X a = Nên Sdu  m   y  x a  i  ij i   i 1  j 0  N = 0,03217 0, 03217  0, 010723 => S du = 0,104  1 Xác định sự tồn tại của i ttinh  Sdu mii  tbangtra  N  m  1,1   /   (10) Mii là ma trận thứ ii của ma trận nghịch đảo M-1 (ma trận nghịch đảo của ma trận M = XT.X) 567 Kỷ yếu hội nghị khoa học công nghệ toàn quốc khí - Lần thứ IV M Với: 1  4196, 706    23,568  5, 213  17, 246   12,159 24,156  28, 234 7736,962  5,364 Ta được: ttinh  0, 795 = 0,118 0,104 4196, 706 ttinh  1, 052 = 0,115 0,104 7736,962  ; ttinh 1, 462 = 4,031 0,104 12,159 Với độ tin cậy r = 0,931 tra bảng phân phối Student [5] có tbang(N-m-1; r) = 0,09 Vậy titinh> tbang Như vậy, các hệ số thực sự tồn tại nên tồn tại mối quan hệ độ nhám bề mặt với điện áp đánh lửa, cường độ dòng phóng tia lửa điện thể hiện sau: Ra = 0,795 × Uz0,0502 × Ie0,3800 KẾT LUẬN Kết nghiên cứu thực nghiệm xác định được mối quan hệ toán học dòng phóng tia lửa điện (Ie) và điện áp đánh lửa (Uz) đến độ nhám bề mặt chi tiết (Ra) gia công thép 40Cr máy CHMEREDM CW420 HS Mối quan hệ đó được thể hiện qua công thức: Ra = 0,795 × Uz0,0502 × Ie0,3800 Kết nghiên cứu giúp các nhà công nghệ tính toán, lựa chọn chế độ công nghệ hợp lý, nâng cao suất, chất lượng bề mặt chi tiết và độ xác gia công TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Vũ Hoài Ân, Gia nhôhg ntia nlửa nđiệh, Viện Máy và Dụng cụ công nghiệp, Hà Nội, 1994 [2] Đặng Hùng Thắng, Taốhg nkê nvà nứhg ndụhg, NXB Giáo dục Hà Nội, 1997 [3] Nguyễn Doãn Ý, Quy naoạha ntaựh nhgaiệm,, NXB Khoa học và Kỹ thuật, Hà Nội, 2003 [4] Hoàng Vĩnh Sinh, Trần Xuân Tùy, Lưu Đức Bình, Ngaiêh n hứu n ảha n aưởhg n hủa n haiều n dày npaôi nvà nđộ ndài nxuhg nđ́h nđộ nhám, nbề nm,ặt nkai ngia nhôhg nhai ntít nbằhg nh́t ndây ntia nlửa n điệh, Tạp chí Khoa học và Công nghệ, Đại học Đà Nẵng - Số 1/2011 [5] Trần Văn Địch, Ćh npaươhg npáp nx́h nđịha nđộ nhaíha nx́h ngia nhôhg, NXB Khoa học và Kỹ thuật, Hà Nội, 1997 [6] Didier Staufer, “Machining and measurement of Sculotured Surface”, The newest achievement in electrical discharge machining, Krakow, 1997 [7] Erle, Shobert, Electrical discharge machining Tooling, method and application, Hannover university, Germany, 2001 [8] Erik L.J Bohez, Electrical Discharge Machining School of advanced Technology, 1995 [9] E.C.Jameson, Electrical Discharge Machining – Tooling, Methods And Application, Dearborn Michigan, USA (1983) [10] Indrajit Basak, Amitabha, Jounal of Materials Processing Technology, Krakow, 1997 568