Tên luận án: “Nghiên cứu nâng cao hiệu quả gia công của phương pháp tia lửa điện bằng biện pháp trộn bột Titan vào dung dịch điện môi”.

Chuyên ngành: Kỹ thuật cơ khí                         

Mã số: 62.52.01.03.

Họ và tên NCS: Nguyễn Hữu Phấn                  

Khóa đào tạo: 2012 - 2016

Người hướng dẫn khoa học:

1. GS.TSKH. Bành Tiến Long;

2. TS. Ngô Cường.

Đơn vị đào tạo: Trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp

Cơ sở đào tạo: Đại học Thái Nguyên

NHỮNG KẾT QUẢ MỚI CỦA LUẬN ÁN

Những kết quả nghiên cứu mới đạt được của Luận án:

1. Biện pháp trộn bột Titan vào dung dịch điện môi đã nâng cao năng suất và chất lượng bề mặt gia công của phương pháp EDM. Kết quả so sánh khi gia công thép SKD61 bằng EDM sử dụng bột Titan với không sử dụng bột cho thấy:

- Năng suất bóc tách vật liệu (MRR) tăng lớn nhất » 475,47%

- Lượng mòn điện cực (TWR) giảm lớn nhất » 64,40%.

- Độ nhám bề mặt gia công (Ra) giảm lớn nhất » 41,34%.

- Độ cứng lớp bề mặt gia công (HV) tăng lớn nhất »  30,21%.

- Số lượng và kích thước của các nứt tế vi trên bề mặt gia công nhỏ hơn. Số lượng các vết lõm tăng lên nhưng đường kính và chiều sâu giảm xuống, các vết lõm phân bố đều hơn. Chiều dày lớp trắng đồng đều hơn và đặc biệt là giảm mạnh với điện cực Gr.

- Cơ tính của lớp bề mặt được nâng cao do: Các nguyên tố Cu (từ điện cực), Ti (từ bột) xâm nhập vào lớp trắng với hàm lượng tương đối lớn (nhưng chưa chỉ rõ được tổ chức của cacbit Titan); hàm lượng C trong lớp trắng giảm xuống (giảm lớn nhất với điện cực Gr là » 52,7%).

- Với điện cực Gr: Năng suất và chất lượng lớp bề mặt gia công tăng lên, lượng mòn điện cực giảm xuống đã mở ra triển vọng sử dụng loại điện cực này trong gia công tinh bằng EDM. 

2. Về ảnh hưởng của các thông số đến các chỉ tiêu năng suất và chất lượng bề mặt gia công bằng EDM sử dụng bột Titan:

- Năng suất bóc tách vật liệu MRR bị ảnh hưởng mạnh bởi vật liệu điện cực, thời gian phát xung, cường độ dòng điện, sự phân cực điện cực, thời gian ngừng phát xung và nồng độ bột.

- Tất cả các thông số được khảo sát đều có ảnh hưởng mạnh đến lượng mòn điện cực TWR.

- Độ nhám bề mặt gia công Ra bị ảnh hưởng mạnh bởi vật liệu điện cực, sự phân cực điện cực, thời gian phát xung và cường độ dòng điện.

- Độ cứng tế vi bề mặt gia công (HV) bị ảnh hưởng mạnh bởi vật liệu điện cực, thời gian phát xung và nồng độ bột.

3. Kết quả tối ưu đơn mục tiêu bằng phương pháp Taguchi:

- Năng suất bóc tách vật liệu MRRtoiuu=38,692±7,4mm3/phút với bộ thông số tối ưu là: thép SKD11, điện cực Gr+, ton=20µs, tof=85µs, I=8A và nồng độ bột 10g/l.

- Lượng mòn điện cực TWRtoiuu=3,092±2,4mm3/phút với bộ thông số tối ưu là: thép SKD11, điện cực Cu-, ton=5µs, tof=57µs, I=4A và nồng độ bột 10g/l.

- Độ nhám bề mặt gia công Ratoiuu= 1,47± 0,387µm với bộ thông số tối ưu là: thép SKD61, điện cực Cu-, ton=5µs, tof=85µs, I=4A và nồng độ bột 10g/l.

- Độ cứng lớp bề mặt gia công HVtoiuu=864,363±74,55HV với bộ thông số tối ưu là: thép SKD11, điện cực Gr-, ton=20µs, tof=57µs, I=8A và nồng độ bột 10g/l.

4. Kết quả tối ưu thương lượng đa mục tiêu bằng phương pháp Taguchi - GRA:

- Cả 4 chỉ tiêu (MRR, TWR, Ra và HV) đều chịu ảnh hưởng mạnh bởi vật liệu điện cực, sự phân cực điện cực và nồng độ bột.

- Trị số tối ưu: MRRtoiuu= 7,865mm3/phút, TWRtoiuu=2,104mm3/phút, Ratoiuu= 2,34ms, HVtoiuu= 637,213 với bộ thông số tối ưu là thép SKD11, điện cực Cu-, ton=5ms, I = 4A, tof= 57ms và nồng độ bột 10g/l.

5. Kết quả nghiên cứu đã được sử dụng để chế tạo và thử nghiệm kiểm chứng với sản phẩm là khuôn dập nóng phôi bát phốt xe máy tại Công ty Cổ phần Cơ khí Phổ Yên – Thái Nguyên, bước đầu cho phép khẳng định hiệu quả nghiên cứu và khả năng ứng dụng vào thực tiễn sản xuất.

KHẢ NĂNG ỨNG DỤNG TRONG THỰC TIỄN VÀ NHỮNG VẤN ĐỀ CẦN TIẾP TỤC NGHIÊN CỨU

* Khả năng ứng dụng trong thực tiễn:  

Kết quả nghiên cứu được thử nghiệm thành công trong chế tạo lòng khuôn dập nóng phôi bát phốt xe máy tại Công ty Cổ phần Cơ khí Phổ Yên. Điều này đã khẳng định tính khả thi của PMEDM trong thực tiễn.

* Những vấn đề bỏ ngỏ cần tiếp tục nghiên cứu:

1. Nghiên cứu về PMEDM với bột Titan mới chỉ cho các kết quả ban đầu, cần tiếp tục nghiên cứu một cách toàn diện hơn các yếu tố ảnh hưởng đến năng suất và chất lượng gia công như: đặc tính bột (vật liệu, kích thước, độ dẫn điện, độ bền của bột,...), điện áp, vật liệu và lưu lượng dung dịch điện môi, tốc độ khuấy, hình dạng và kích thước điện cực, tích hợp rung động ...

2. Nghiên cứu mô hình hóa, tối ưu hóa và mở rộng ứng dụng PMEDM với một số vật liệu khó gia công như: hợp kim cứng, vật liệu compozit, đặc biệt trong gia công thô và gia công kích thước siêu nhỏ cũng là hướng tiếp tục cần được nghiên cứu.

3. Gia công bằng PMEDM sử dụng bột Ti đã tạo ra lớp bề mặt có độ cứng cao, chiều dày lớp trắng đều và lớn (5÷24)mm, công nghệ tương đối đơn giản và thực hiện ngay trong quá trình gia công. Cần nghiên cứu triển vọng ứng dụng phương pháp này thay thế công nghệ phun phủ, thấm, hóa nhiệt luyện,... lớp bề mặt.

4. Việc thiết kế, chế tạo các hệ thống thiết bị khuấy bột, lọc phoi để lắp đặt vào máy EDM công nghiệp là rất phức tạp nên cần được tiếp tục quan tâm nghiên cứu.

INFORMATION OF DOCTORAL DISSERTATION

Dissertation title: Research on improving the efficiency of electrical discharge machining by mixing Titanium powder into dielectric fluid.

Speciality: Mechanical Engineering

Code: 62.52.01.03

PhD. Candidate: Nguyen Huu Phan

Training course: 2012 - 2016

Scientific Supervisors:

1. Prof. Dr.Sc. Banh Tien Long;

2. Dr. Ngo Cuong.

Training agency: Thai Nguyen University of Technology

Training base: Thai Nguyen University

THE NEW SCIENTIFIC FINDINGS

The dissertation has the following new contributions: 

1. Mixing Titanium powder into the dielectric fluid has improved productivity and surface quality in EDM. When SKD61 steel processed by PMEDM using Titanium powder compare to the case no powder shows:

- Material removal rate (MRR) increased the largest »475.47%.

- Tool wear rate (TWR) decreases the largest »  64.40%.

- Surface roughness (Ra) decreases the largest »  41.34%.

- Hardness of surface layer (HV) inreases the largest »   30.21%. 

- The number and size of microscopic cracks on the machining surface is smaller. Number of craters increased but the diameter and depth decreased, craters are distributed more evenly. White layer thickness is more evenly and sharply decreases with Gr electrode.

- Mechanical properties of the surface layer is enhanced by: The elements Cu (from electrode), Ti (powder) enters the white layer with a relatively large amount (but not is specified by the organization of Titanium carbide); carbon content of the white layer decreases (the largest decrease of Gr electrode » 52.7%).

- Gr electrode: Productivity and quality of machining surface layer increases, tool wear rate reducing, opening the prospect of using this type of machining electrodes by EDM.

2. About the influence of parameters on the quota of productivity and quality of surface machined by EDM using Titanium powder.

- Material Remove Rate is critically affected by electrode material, pulse on time, current, electrode polarity, pulse off time and powder concentration.

- All the investigated parameters have strong influence on TWR.

- Surface roughness Ra is strongly affected by electrode material, electrode polarity, pulse on time and current.

- Hardness of machining surface layer (HV) is strongly affected by electrode material, pulse on time and powder concentration.

3. Single pupose optimal results by Taguchi method:

- Material remove rate: MRRopt = 38,692±7,4mm3/min with the optimal parameters: SKD11, Gr+, ton=20µs, tof=85µs, I=8A and powder concentration of 10g/l.

- Tool wear rate: TWRopt = 3,092±2,4mm3/min with optimal paremeters: steel SKD11, Cu-, ton=5µs, tof=57µs, I=4A and the powder concentration of 10g/l.

- Surface roughness: Raopt = 1,47± 0,387µm with optimal parameters: SKD61, Cu-, ton=5µs, tof=85µs, I=4A and the powder concentration of 10g/l.

- Machining surface layer hardness: HVopt = 864,363±61,85HV with the optimal parameters: SKD11, Gr-, ton=20µs, tof=57µs, I=8A and powder concentration of 10g/l.

4. Optimal Results of multipurpose negotiation by Taguchi–GRA method:

- Both the 4 criterias (MRR, TWR, Ra and HV) are strongly influenced by the electrode material, electrode polarity and powder concentration.

- Optimal value number: MRRopt = 7,865mm3/min, TWRopt =2,104mm3/min, Raopt = 2,34ms, HVopt = 637,213 with optimal parameters are SKD11, Cu-, ton=5ms, I = 4A, tof= 57ms and powder concentration of 10g/l.

5. The results of the study have been used to build and test certified products are forging die 53211 for production of ball bearing neck cup kit workpiece in motorcycle at Pho Yen Mechanical Joint Stock Company - Thai Nguyen, initially to ascertain research effective and application capabilities into production reality.

PRACTICAL APPLICABITITY AND THE NEEDS FOR FURTHER STUDIES

* Applications and applicability in practice:

The study results were successfully tested in manufacturing of forging die 53211 for production of ball bearing neck cup kit workpiece in motorcycle at Pho Yen Mechanical Joint Stock Company - Thai Nguyen. This has confirmed the feasibility of PMEDM in practice.

* Issues needing for further studies:

Study should be carried out other factors affecting such powder characteristics (material, size, conductivity, stability of powder ...), voltage, dielectric fluid materials, stirring speed, shape and size of electrode, integrated vibration... Research on modeling, optimizing and extending the PMEDM application with some difficult machining materials. The method offer a viable alternative to the other currently used expensive methods of surface modification such as plasma spray coating, heat treatment, chemical treatment, ion implantation and laser surface processing. The design and manufacture of powder stirring system device, chip filter for installation in industrial EDM machines should be researched.