BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

BỘ CÔNG THƯƠNG

VIỆN NGHIÊN CỨU CƠ KHÍ

Nguyễn Mạnh Cường

NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA MỘT SỐ THƠNG SỐ
CƠNG NGHỆ ĐẾN Q TRÌNH GIA CƠNG TIA LỬA ĐIỆN
BỀ MẶT TRỤ NGOÀI THÉP 90CrSi VỚI DUNG DỊCH ĐIỆN MƠI
TRỘN BỘT NANO SiC

NGÀNH: KỸ THUẬT CƠ KHÍ
MÃ SỐ: 9520103

LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT

Hà Nội - 2023


BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

2

BỘ CÔNG THƯƠNG

VIỆN NGHIÊN CỨU CƠ KHÍ

NGUYỄN MẠNH CƯỜNG

NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA MỘT SỐ THƠNG SỐ CƠNG NGHỆ
ĐẾN Q TRÌNH GIA CƠNG TIA LỬA ĐIỆN BỀ MẶT TRỤ NGOÀI
THÉP 90CrSi VỚI DUNG DỊCH ĐIỆN MƠI TRỘN BỘT NANO SiC

Ngành: Kỹ thuật Cơ khí
Mã số: 9520103

LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT

Người hướng dẫn khoa học:
1. PGS.TS. Vũ Ngọc Pi
2. PGS.TS. Lê Thu Quý

Hà Nội - 2023


i

LỜI CAM ĐOAN

Tơi xin cam đoan tồn bộ những nội dung được trình bày trong luận án này
được nghiên cứu bởi bản thân tôi dưới sự hướng dẫn khoa học của Thầy PGS.TS.
Vũ Ngọc Pi và Thầy PGS.TS. Lê Thu Quý. Trừ những phần tham khảo đã được
ghi rõ trong luận án, các số liệu, kết quả nêu trong luận án là trung thực và chưa từng
được ai công bố trong bất kỳ cơng trình nào khác.
Hà Nội, ngày

tháng

năm 2023


Nghiên cứu sinh

Nguyễn Mạnh Cường

Người hướng dẫn 1

Người hướng dẫn 2

PGS.TS. Vũ Ngọc Pi

PGS.TS. Lê Thu Quý


ii

LỜI CẢM ƠN
Để hoàn thành Luận án Tiến sĩ này, ngồi sự cố gắng nỗ lực của bản thân, tơi
đã nhận được sự động viên và giúp đỡ rất lớn của nhiều thầy giáo, cô giáo và tập thể
nghiên cứu khoa học.
Trước tiên, tơi xin được bày tỏ lịng biết ơn sâu sắc tới tập thể người hướng
dẫn khoa học PGS.TS. Vũ Ngọc Pi và PGS.TS. Lê Thu Quý, những người thầy đã
tận tình hướng dẫn, định hướng nghiên cứu, đào tạo và chỉ bảo tơi trong suốt q
trình nghiên cứu.
Tôi xin trân trọng cảm ơn lãnh đạo Viện Nghiên cứu Cơ khí và Trung tâm
Đào tạo thuộc Viện Nghiên cứu Cơ khí cũng như Ban giám hiệu, Ban chủ nhiệm
khoa Cơ khí của Trường Đại học Kỹ thuật Cơng nghiệp, Đại học Thái Nguyên đã
tạo mọi điều kiện thuận lợi cho tơi trong suốt q trình học tập, hồn thành luận án.
Để có được những kết quả như ngày hôm nay, tôi xin trân trọng cảm ơn sự
giúp đỡ nhiệt tình của cán bộ, cơng nhân của Doanh nghiệp tư nhân Cơ khí chính

xác Thái Hà và Cơng ty cổ phần Phụ tùng Máy số 1, trung tâm Thí nghiệm thực
hành khoa Cơ khí, trường Đại học Kỹ thuật Cơng nghiệp đã giúp đỡ tơi hồn thành
các cơng việc liên quan đến thí nghiệm, thực nghiệm và đo đạc.
Tơi muốn cảm ơn sự hỗ trợ giúp đỡ vô tư của bạn bè, đồng nghiệp tại Bộ môn
Cơ sở Thiết kế máy và Robot, khoa Cơ khí, Trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp
Thái Nguyên đã dành những điều kiện thuận lợi để tơi hồn thành luận án của mình.
Cuối cùng tôi gửi lời cảm ơn và biết ơn sâu sắc tới gia đình, những người đã
ln động viên, chia sẻ giúp đỡ tôi về mặt tinh thần trong suốt thời gian qua.
Hà Nội, ngày

tháng năm 2023

Nghiên cứu sinh

Nguyễn Mạnh Cường
Nguyễn Mạnh Cường


iii

MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN ....................................................................................................... i
LỜI CẢM ƠN ............................................................................................................ii
MỤC LỤC ............................................................................................................... iii
DANH MỤC KÝ HIỆU, CHỮ CÁI VIẾT TẮT .....................................................vii
DANH MỤC HÌNH VẼ ........................................................................................... ix
DANH MỤC BẢNG BIỂU .....................................................................................xii
PHẦN MỞ ĐẦU ....................................................................................................... 1
1. Tính cấp thiết của đề tài ......................................................................................... 1
2. Đối tượng, mục tiêu nghiên cứu của đề tài............................................................ 4

2.1. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu ...................................................................... 4
2.2. Mục tiêu nghiên cứu ........................................................................................... 5
3. Phương pháp nghiên cứu ....................................................................................... 6
4. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài............................................................... 6
4.1. Ý nghĩa khoa học ................................................................................................ 6
4.2. Ý nghĩa thực tiễn ................................................................................................ 7
4.3. Những đóng góp mới của luận án....................................................................... 7
5. Bố cục của luận án ................................................................................................. 8
CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ PHƯƠNG PHÁP GIA CÔNG BẰNG TIA LỬA
ĐIỆN .......................................................................................................................... 9
1.1. Phương pháp gia công bằng tia lửa điện ............................................................ 9
1.1.1. Lịch sử phát triển ............................................................................................. 9
1.1.2. Nguyên lý gia công tia lửa điện ..................................................................... 10
1.1.3. Các dạng của gia công bằng tia lửa điện ....................................................... 12
1.2. Ưu nhược điểm của gia công tia lửa điện ......................................................... 15
1.3. Các thông số công nghệ của gia công xung điện ............................................. 16


iv

1.4. Năng suất, chất lượng bề mặt và độ chính xác gia công .................................. 19
1.5. Phương pháp gia công tia lửa điện có trộn bột - PMEDM ............................... 22
1.6. Tổng quan tình hình nghiên cứu về EDM và PMEDM ................................... 24
1.6.1. Tình hình nghiên cứu trong nước .................................................................. 24
1.6.2. Tình hình nghiên cứu về EDM và PMEDM trên thế giới ............................. 26
Kết luận chương 1.................................................................................................... 37
CHƯƠNG 2. MƠ HÌNH THỰC NGHIỆM GIA CƠNG TIA LỬA ĐIỆN CĨ TRỘN
BỘT TRONG DUNG DỊCH ĐIỆN MÔI CHI TIẾT TỪ THÉP 90CrSi QUA TÔI
VÀ XÂY DỰNG HỆ THỐNG THÍ NGHIỆM ....................................................... 39
2.1. Mơ hình nâng cao hiệu quả quá trình PMEDM ............................................... 39

2.1.1. Sơ đồ và cơ sở của nghiên cứu quá trình gia cơng tia lửa điện có trộn bột .. 39
2.1.2. Chọn thơng số đầu vào .................................................................................. 40
2.2. Hệ thống thí nghiệm ......................................................................................... 41
2.2.1. Máy xung điện ............................................................................................... 42
2.2.2. Phơi thí nghiệm .............................................................................................. 43
2.2.3. Điện cực thí nghiệm....................................................................................... 44
2.2.4. Bột trộn vào dung dịch điện môi ................................................................... 45
2.2.5. Dung dịch điện môi ....................................................................................... 46
2.2.6. Bể chứa dung dịch điện môi .......................................................................... 47
2.2.7. Thông số về điện............................................................................................ 48
2.2.8. Thông số và nồng bột SiC trộn vào dung dịch điện môi ............................... 48
2.3. Thiết bị đo, kiểm tra.......................................................................................... 48
2.3.1. Cân điện tử ..................................................................................................... 48
2.3.2. Máy đo độ nhám bề mặt gia công ................................................................. 49
2.3.3. Máy đo tọa độ CMM ..................................................................................... 50
2.3.4. Kính hiển vi điện tử quét (SEM/EDX) Jeol JMS 6490 ................................. 51
Kết luận chương 2.................................................................................................... 51


v

CHƯƠNG 3. NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM ẢNH HƯỞNG CỦA CÁC THÔNG
SỐ CÔNG NGHỆ ĐẾN ĐỘ NHÁM BỀ MẶT, NĂNG SUẤT BĨC TÁCH VÀ ĐỘ
MỊN ĐIỆN CỰC KHI GIA CƠNG XUNG ĐIỆN THÉP 90CrSi VỚI DUNG DỊCH
ĐIỆN MƠI CĨ TRỘN BỘT SiC ............................................................................ 53
3.1. Đặt vấn đề ......................................................................................................... 53
3.2. Thí nghiệm ........................................................................................................ 53
3.2.1. Mục đích thí nghiệm ...................................................................................... 53
3.2.2. Thiết kế thí nghiệm ........................................................................................ 53
3.2.3. Tiến hành thí nghiệm ..................................................................................... 57

3.3. Kết quả và nhận xét .......................................................................................... 60
3.3.1. Ảnh hưởng của các thơng số đầu vào q trình xung đến độ nhám bề mặt .. 60
3.3.2. Ảnh hưởng của các thông số đầu vào q trình xung đến năng suất bóc tách
vật liệu...................................................................................................................... 72
3.3.3. Ảnh hưởng của các thông số đầu vào q trình xung đến tốc độ mịn điện
cực ............................................................................................................................ 81
Kết luận chương 3.................................................................................................... 91
CHƯƠNG 4. TỐI ƯU HÓA ĐA MỤC TIÊU CÁC THÔNG SỐ CÔNG NGHỆ KHI
XUNG THÉP 90CrSi QUA TƠI VỚI DUNG DỊCH ĐIỆN MƠI CĨ TRỘN BỘT
NANO SiC ............................................................................................................... 93
4.1. Đặt vấn đề ......................................................................................................... 93
4.2. Khái quát về phương pháp Taguchi và phân tích quan hệ xám ....................... 93
4.3. Tối ưu đa mục tiêu khi xung bề mặt trụ định hình với dung dịch điện mơi có
trộn bột bằng phương pháp Taguchi và phân tích quan hệ xám ............................. 94
4.3.1. Xây dựng cơ sở dữ liệu dưới dạng mảng trực giao ....................................... 94
4.3.2 Phân tích quan hệ xám .................................................................................... 95
Kết luận chương 4.................................................................................................. 105
KẾT LUẬN CHUNG VÀ HƯỚNG NGHIÊN CỨU TIẾP THEO ...................... 107


vi

1. Kết luận chung ................................................................................................... 107
2. Hướng nghiên cứu tiếp theo .............................................................................. 108
DANH MỤC CÁC CƠNG TRÌNH KHOA HỌC ĐÃ CÔNG BỐ ....................... 110
TÀI LIỆU THAM KHẢO ..................................................................................... 111
PHỤ LỤC .............................................................................................................. 119


vii


DANH MỤC KÝ HIỆU, CHỮ CÁI VIẾT TẮT
EDM – Electrical discharge machining

Gia công bằng tia lửa điện

CNC - Computer Numerical Control

Điều khiển số bằng máy tính

PMEDM – Powder mixed electrical
discharge machining

Gia cơng bằng tia lửa điện có trộn bột
vào dung dịch điện môi

WEDM– Wire Electrical discharge machining

Gia công bằng cắt dây tia lửa điện

EDG - Electrical Discharge Grinding

Mài xung điện

MRS – Material removal speed

Tốc độ bóc tách vật liệu

MRR – Material removal rate


Năng suất bóc tách vật liệu

TWR – Tool wear rate

Tốc độ mòn dụng cụ (điện cực)

EWR - Electrode wear rate

Tốc độ mòn điện cực

MSD - Mean square displacement

Tổng nghịch đảo bình phương trung
bình của các giá trị đo

SEM - scanning electron microscopy

Kính hiển vi điện tử quét

SR – Surface roughness

Độ nhám bề mặt

GRA - Grey relational analysis

Phân tích quan hệ xám

S/N - Signal to Noise ratio

Tỷ số tín hiệu/nhiễu


ANOVA - Analysis of variance

Phân tích phương sai

RSM - Response surface methodology

Phương pháp bề mặt đáp ứng

Ra

Độ nhám bề mặt (m)

Ton - Pulse on time

Thời gian phát xung (µs)

Toff - Pulse off time

Thời gian ngừng phát xung (µs)

IP – Peak current

Cường độ dịng phóng điện (A)

SV - Servo voltage

Điện áp/Hiệu điện thế phóng điện (V)



viii

Cp – Powder concentration

Nồng độ bột (g/l)

Sp – Powder size

Cỡ hạt (nm)


ix

DANH MỤC HÌNH VẼ
Hình 1.1. Ngun lý gia cơng bằng xung điện

10

Hình 1.2. Dung dịch điện mơi sử dụng trong EDM

11

Hình 1.3. Sơ đồ phương pháp cắt dây tia lửa điện

12

Hình 1.4. Sơ đồ phương pháp mài xung điện

14


Hình 1.5. Sơ đồ phương pháp cưa tia lửa điện

14

Hình 1.6. Sơ đồ phương pháp khoan tia lửa điện

15

Hình 1.7. Sơ đồ mơ tả quan hệ điện áp, dịng điện và thời gian xung trong

17

Hình 1.8. Sơ đồ minh họa lớp bề mặt sau EDM

21

Hình 1.9. Sơ đồ gia cơng PMEDM

23

Hình 1.10. Minh họa q trình phóng điện của phương pháp EDM và PMEDM

23

Hình 1.11. Hình ảnh chi tiết gia cơng có bề mặt trụ định hình được gia cơng
bằng EDM

24

Hình 1.12. Đồ thì ảnh hưởng của cường độ dịng điện tới MRR, Ra, TWR


27

Hình 1.13. Đồ thì ảnh hưởng của thời gian phát xung đến MRR, Ra, TWR

28

Hình 1.14. Đồ thị ảnh hưởng của nồng độ bột graphite tới MRR, TWR và WR

28

Hình 1.15. Đồ thị giữa MRR, TWR và tỉ số mòn điện cực với các mức nồng độ
bột khác nhau
Hình 1.16. Đồ thị quan hệ giữa thời gian gia cơng với các nồng độ bột graphite
khác nhau
Hình 1.17. Đồ thị quan hệ giữa chiều dài điện cực bị mòn với các nồng độ bột
graphite khác nhau

30

31

31

Hình 1.18. Sự thay đổi độ nhám bề mặt Ra giữa PMEDM và EDM

32

Hình 1.19. Sự thay đổi độ cứng tế vi lớp bề mặt khi sử dụng bột Ti trong PMEDM


34

Hình 1.20. Sơ đồ phân loại các thơng số chính của q trình gia công PMEDM

35


x

Hình 1.21. Biểu đồ thống kê mức độ phổ biến của các loại bột trong PMEDM

36

Hình 2.1. Sơ đồ nghiên cứu thực nghiệm

39

Hình 2.2. Hình ảnh máy xung thí nghiệm Sodick A30R

42

Hình 2.3. Hình ảnh phơi và kích thước của phơi

43

Hình 2.4. Hình ảnh và kích thước của điện cực

44

Hình 2.5. Hình ảnh bột nano SiC kích thước hạt 500 nm


46

Hình 2.6. Sơ đồ gia cơng xung và hệ thống thí nghiệm

47

Hình 2.7. Hình ảnh cân điện tử WT3003NE

49

Hình 2.8. Hình ảnh máy đo độ nhám bề mặt SV3100

50

Hình 2.9. Hình ảnh máy đo tọa độ CMM CRYSTA-Apex S544

51

Hình 3.1. Khai báo biến thí nghiệm theo phương pháp Taguchi

58

Hình 3.2. Đồ thị ảnh hưởng chính của các yếu tố đến ̅̅̅̅
𝑅𝑎 khi xung

63

Hình 3.3. Biểu đồ ảnh hưởng của nồng độ bột SiC đến độ nhám bề mặt khi xung


63

Hình 3.4: Topography bề mặt gia cơng

65

Hình 3.5. Dạng sóng điện áp và dịng điện khi xung khơng trộn bột (a) và trộn
bột SiC

65

Hình 3.6: Hình ảnh các vết nứt tế vi trên bề mặt gia cơng

66

Hình 3.7. Hình ảnh cấu trúc và chiều dày lớp biến trắng trên bề mặt gia cơng

67

Hình 3.8. Đồ thị ảnh hưởng chính của các yếu tố đến tỉ số S/N của Ra khi xung

70

Hình 3.9. Đồ thị phân bố chuẩn của phần dư

71

Hình 3.10. Đồ thị phân bố xác suất của dữ liệu gốc

72


Hình 3.11. Đồ thị ảnh hưởng chính của các thơng số đầu vào khi xung đến ̅̅̅̅̅̅̅
𝑴𝑹𝑹

76

Hình 3.12. Biểu đồ năng suất bóc tách với các mức nồng nồng độ bột

76

Hình 3.13. Đồ thị phân bố chuẩn của phần dư

79


xi

Hình 3.14. Đồ thị chuyển đổi Johnson cho MRR
Hình 3.15. Đồ thị ảnh hưởng của các thông số đầu vào đến TWR qua các mức
khảo sát

80
84

Hình 3.16. Đồ thị ảnh hưởng của các thông số đầu vào đến tỉ số S/N của TWR

87

Hình 3.17. Đồ thị phân bố chuẩn của phần dư


89

Hình 3.18. Đồ thị chuyển đổi Johnson cho TWR

90

Hình 4.1. Đồ thị các ảnh hưởng của các thông số chính đến mục tiêu chung

100

Hình 4.2. Đồ thị phân bố chuẩn của phần dư

104

Hình 4.3. Đồ thị chuyển đổi Johnson cho mục tiêu chung

105


xii

DANH MỤC BẢNG BIỂU
Bảng 1.1. Các loại bột thông dụng dùng cho PMEDM và đặc trung vật lý của
chúng

36

Bảng 2.1. Chế độ nhiệt luyện thép 90CrSi

44


Bảng 2.2. Thành phần hóa học của mẫu thí nghiệm thép 90CrSi

44

Bảng 2.3. Đặc tính kỹ thuật của vật liệu điện cực đồng

45

Bảng 2.4. Thông số kỹ thuật của dầu xung Total Diel MS7000

46

Bảng 3.1. Các mức thí nghiệm của các thơng số đầu vào Cp, Ton, Toff, IP và
SV
Bảng 3.2. Kế hoạch thí nghiệm và kết quả thí nghiệm xung theo các thơng số
đầu vào Cp, Ton, Toff, IP và SV

58

59

Bảng 3.3. Độ nhám bề mặt gia công ứng với các thông số đầu vào khác nhau

60

Bảng 3.4. ANOVA giá trị ̅̅̅̅
𝑹𝒂 sau khi xung

61


Bảng 3.5. Mức độ ảnh hưởng của các yếu tố đến ̅̅̅̅
𝑅𝑎 khi xung

62

Bảng 3.6. Chiều dày lớp biến trắng khi xung không trộn bột

68

Bảng 3.7: Chiều dày lớp biến trắng khi xung có trộn bột

68

Bảng 3.8. ANOVA tỉ số S/N của ̅̅̅̅
𝑅𝑎 khi xung

69

Bảng 3.9. Mức độ ảnh hưởng của các yếu tố đến tỉ số S/N của Ra khi xung

69

Bảng 3.10. Tốc độ bóc tách vật liệu và S/N ứng với các thông số đầu vào
khác nhau

73


xiii


̅̅̅̅̅̅̅ khi xung
Bảng 3.11. ANOVA giá trị 𝑀𝑅𝑅

74

Bảng 3.12. Mức độ ảnh hưởng của các thông số đầu vào khi xung đến ̅̅̅̅̅̅̅
𝑀𝑅𝑅

75

Bảng 3.13. Tốc độ mòn điện cực và S/N ứng với các thông số đầu vào khác
nhau
Bảng 3.14. Kết quả phân tích (ANOVA) ảnh hưởng của các thơng số đầu vào
đến TWR
Bảng 3.15. Thứ tự ảnh hưởng của các thông số đầu vào đến TWR
Bảng 3.16. Kết quả phân tích (ANOVA) ảnh hưởng của các thơng số đầu vào
đến tỉ số S/N của TWR
Bảng 3.17. Thứ tự ảnh hưởng của các thông số đầu vào đến tỉ số S/N của
TWR

82

83

83

86

86


Bảng 3.18. Chế độ xung hợp lý để đạt TWR nhỏ nhất

88

Bảng 4.1. Ma trận trực giao các thông số đầu vào và kết quả đầu ra

94

Bảng 4.2. Tỉ số S/N và giá trị chuẩn hóa Z của Ra, MRR và TWR

96

Bảng 4.3. Hệ số quan hệ xám và trị số quan hệ xám trung bình

99

Bảng 4.4. Mức độ ảnh hưởng của các thông số đến hệ số quan hệ xám

100

Bảng 4.5. Kết quả ANOVA của hệ số quan hệ xám

101

Bảng 4.6. Kết quả so sánh giữa tính tốn và thực nghiệm

103



1

PHẦN MỞ ĐẦU

1. Tính cấp thiết của đề tài
Gia cơng bằng tia lửa điện (tên tiếng Anh là Electrical Discharge Machining
- EDM) nói chung và gia cơng xung điện nói riêng đã được phát minh, nghiên cứu
và phát triển cải tiến từ nhiều thập kỷ gần đây. Cho đến nay, đây là một trong những
công nghệ gia công tiên tiến phổ biến nhất trên thế giới. Nó là một phương pháp rất
hiệu quả trong việc gia công chi tiết là vật liệu dẫn điện, có độ cứng cao (từ cứng
đến siêu cứng) và khó gia cơng như các chi tiết máy trong động cơ máy bay, tua
bin phát điện, dụng cụ cắt, khuôn mẫu... Đặc biệt là các chi tiết có bề mặt, hình
dáng phức tạp mà phương pháp gia cơng cắt gọt truyền thống khó hoặc gần như
khơng thể thực hiện được [1]. Phương pháp EDM sử dụng năng lượng nhiệt cao
phát sinh theo nguyên lý phóng điện giữa hai điện cực âm – dương làm tan chảy,
hóa hơi vật liệu bề mặt gia công. Phương pháp gia công này không bị ràng buộc
bởi độ cứng giữa dụng cụ và phơi, khơng phát sinh lực cắt nên khơng có rung động,
ứng suất cơ học, tiếng ồn trong quá trình gia cơng. Tuy nhiên, phương pháp EDM
cịn một số nhược điểm cơ bản như: không gia công được vật liệu khơng dẫn điện;
năng suất bóc tách vật liệu thấp; dụng cụ điện cực bị mịn nhanh dẫn đến giảm độ
chính xác kích thước chi tiết gia cơng. Bên cạnh đó, chất lượng bề mặt gia công
không cao, để lại trên bề mặt gia cơng lớp trắng có cấu trúc, độ cứng, ứng suất dư
khác với lớp kim loại nền nên thường phải có thêm ngun cơng gia cơng tinh sau
khi gia công EDM [2-4]. Điều này là nguyên nhân làm tăng giá thành gia công của
phương pháp EDM.
Những năm gần đây, đã có nhiều nghiên cứu cả ở trong và ngoài nước nhằm
đưa ra các giải pháp về cải thiện các chỉ tiêu kinh tế, kỹ thuật của quá trình gia cơng
EDM như: Tối ưu hóa các thơng số cơng nghệ gia công; lựa chọn, phối hợp cặp vật
liệu hợp lý giữa phôi và điện cực; đặc biệt là chọn vật liệu bột có cỡ hạt nhỏ ở mức
micro hoặc nano để trộn vào dung dịch điện môi. Trong những giải pháp trên, tiến



2

hành EDM với trộn bột dẫn điện vào dung dịch điện môi (tên tiếng Anh là Powder
Mixed Electrical Discharge Machining – PMEDM) là giải pháp cho kết quả rất khả
quan. Biện pháp này đã và đang được quan tâm nhiều trong số các nghiên cứu về
EDM [5-8].
Các kết quả nghiên cứu về PMEDM cho thấy khi sử dụng biện pháp này có
thể cải thiện đồng thời cả năng suất và chất lượng của q trình gia cơng, nâng cao
tuổi bền của điện cực [2, 3, 9-11]. PMEDM đến nay không phải là phương pháp
công nghệ mới, tuy nhiên các kết quả công bố về phương pháp này cho đến nay cịn
chưa nhiều (so với các cơng bố về các phương pháp gia cơng truyền thống). Bên
cạnh đó, cịn nhiều vấn đề về q trình gia cơng này cần được làm rõ như: vật liệu,
kích thước, nồng độ của bột; nguyên lý gia cơng; các thơng số cơng nghệ. Chính vì
vậy, việc nghiên cứu về cơ sở lý thuyết cũng như tối ưu hóa và phát triển ứng dụng
của phương pháp này đã và đang là hướng nghiên cứu được nhiều nhà khoa học cả
trong và ngoài nước quan tâm.
Ở nước ta hiện nay, phương pháp EDM được sử dụng khá nhiều trong các
doanh nghiệp sản xuất cơ khí vừa và nhỏ. Các máy gia công EDM như máy cắt dây
tia lửa điện, máy xung định hình, và máy đục lỗ tia lửa điện phần lớn được nhập
khẩu từ Đài Loan, Trung Quốc hoặc là các máy đã qua sử dụng từ Nhật Bản, Đức….
Q trình gia cơng EDM có nhiều thông số công nghệ với phạm vi thay đổi rộng
[12]. Trong sản xuất, việc lựa chọn các thông số công nghệ của quá trình này thường
dựa vào tài liệu hướng dẫn đi kèm theo máy hoặc theo kinh nghiệm thực tế nên hiệu
quả của q trình EDM cịn hạn chế. Bên cạnh đó, những nghiên cứu chuyên sâu
về EDM ở nước ta còn chưa nhiều hoặc chỉ dừng lại ở khai thác các vật liệu gia
công, vật liệu điện cực cụ thể. Vì vậy, để sử dụng có hiệu quả các thiết bị EDM về
cả kinh tế và kỹ thuật nhằm tăng khả năng cạnh tranh của các sản phẩm cơ khí nói
chung và sản phẩm cơ khí được gia cơng bằng phương pháp EDM nói riêng trong



3

bối cảnh hội nhập và cạnh tranh khốc liệt hiện nay địi hỏi cần có các cơng trình
nghiên cứu theo hướng nâng cao hiệu quả của gia công của EDM.
Cho đến nay, các nghiên cứu về EDM tập trung theo các hướng như nâng
cao năng suất, chất lượng bề mặt gia công; nâng cao tuổi bền của điện cực; hoặc
nâng cao cơ tính bề mặt gia cơng vv… Các nghiên cứu về PMEDM đã sử dụng
nhiều loại vật liệu bột khác nhau như Si, SiC, Al, W, C, Cu, Ti, Al2O3, WC, TiC…,
với các loại điện cực khác nhau như đồng thau, đồng đỏ, hợp kim đồng –vonphram,
các bít vonphram, graphit…, và với các vật liệu gia công khác nhau như SKD61,
SKD11, SKH54, SKH51, AISI01, SKT4,... [2, 3, 8, 13]. Các nghiên cứu đã chỉ ra
rằng, bột SiC và điện cực đồng đỏ được sử dụng khá phổ biến [14, 15]. Thêm vào
đó, nghiên cứu về PMEDM đã khẳng định việc sử dụng vật liệu bột hợp hợp lý, kết
hợp với các thông số công nghệ gia công phù hợp sẽ nâng cao đồng thời cả về năng
suất gia công, giảm độ nhám bề mặt và cải thiện cơ tính lớp bề mặt gia công.
Nghiên cứu về gia công PMEDM cho thấy đây là lĩnh vực rất phức tạp bởi
có số lượng các thông số công nghệ lớn và chúng có ảnh hưởng rất khác nhau đến
các hàm mục tiêu. Đã có nhiều cơng cụ, phương pháp tối ưu được sử dụng trong
lĩnh vực này như phương pháp mạng nơron nhân tạo, phương pháp bề mặt chỉ
tiêu,… Phần lớn các nghiên cứu đã thực hiện cho các bài toán tối ưu đơn mục tiêu
[16]. Tuy nhiên, hiệu quả tối ưu PMEDM sẽ tốt hơn nếu là tối ưu đa mục tiêu.
Trong thực tế sản xuất, có những chi tiết có bề mặt trụ định hình như chày
dập thuốc viên định hình, chày đột thép tấm định hình. Vật liệu của những chi tiết
này thường là các thép hợp kim dụng cụ như SKD11, SKD61, SKH51, 90CrSi…
Đây là những chi tiết khó gia cơng nếu sử dụng các phương pháp gia cơng truyền
thống, đặc biệt khi chúng có bề mặt ở dạng không lồi. Để gia công những chi tiết
này, trên thế giới thường sử dụng phương pháp phay cao tốc (micro milling). Tuy
nhiên phương pháp này đòi hỏi sử dụng máy phay cao tốc có tốc độ trục chính cao.

Thêm vào đó, năng suất của phương pháp này cũng khơng cao vì tốc độ cắt thường


4

khá thấp khi gia cơng với dụng cụ cắt có đường kính nhỏ. Ở Việt Nam thường sử
dụng phương pháp gia công nguội để gia công các chi tiết dạng này. Gia công nguội
là phương pháp cho năng suất thấp, chất lượng gia công không ổn định và phụ thuộc
nhiều vào tay nghề của thợ nguội. Vì những lý do nêu trên nên gia cơng chi tiết có
bề mặt trụ định hình bằng phương pháp EDM là một giải pháp khá hiệu quả.
Cho đến nay đã có một số nghiên cứu ứng dụng gia công EDM để gia công
các chi tiết vật liệu 90CrSi (một loại vật liệu được sử dụng khá phổ biến trong các
ngành khn mẫu) có bề mặt trụ định hình. Các nghiên cứu này đã cho thấy hiệu
quả cao khi sử dụng EDM để gia công các chi tiết này - cả năng suất cũng như chất
lượng bề mặt gia công đều được cải thiện [17, 18]. Tuy nhiên, đến nay chưa có
nghiên cứu nào về PMEDM đối với các chi tiết dạng này làm bằng vật liệu là thép
dụng cụ 90CrSi.
Từ những phân tích trên, NCS đã chọn hướng nghiên cứu gia công PMEDM
với chi tiết có biên dạng trụ định hình với vật liệu thép 90CrSi với đề tài “Nghiên
cứu ảnh hưởng của một số thơng số cơng nghệ đến q trình gia cơng tia lửa
điện bề mặt trụ ngoài thép 90CrSi với dung dịch điện môi trộn bột nano SiC”.
2. Đối tượng, mục tiêu nghiên cứu của đề tài
2.1. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
Đối tượng nghiên cứu quá trình PMEDM chi tiết có biên dạng trụ định hình
các chi tiết cỡ nhỏ. Phạm vi nghiên cứu được giới hạn cho chi tiết có biên dạng trụ
định hình kích thước lớn nhất không quá 20 mm; vật liệu chi tiết thép dụng cụ
90CrSi qua tôi; sử dụng điện cực xung với vật liệu đồng đỏ, gia công EDM với
dung dịch điện môi trộn bột SiC kích thước 500 nm. Nghiên cứu được thực hiện
trên máy xung tia lửa điện – là loại máy thường dùng để chế tạo các chi tiết trong
sản xuất thực tế.



5

2.2. Mục tiêu nghiên cứu
2.2.1. Mục tiêu chung
Nghiên cứu ảnh hưởng của các thơng số cơng nghệ của q trình PMEDM
sử dụng bột SiC, điện cực xung là đồng đỏ đến năng suất (cụ thể là năng suất bóc
tách vật liệu, lượng mòn điện cực), độ nhám bề mặt gia công khi xung chi tiết vật
liệu thép 90CrSi qua tôi có biên dạng trụ định hình. Qua đó đưa ra chế độ xung hợp
lý (hay tối ưu) khi PMEDM vật liệu 90CrSi qua tôi bằng điện cực đồng với dung
dịch điện mơi có trộn bột SiC.
2.2.2. Mục tiêu cụ thể
- Nghiên cứu ảnh hưởng của các thông số công nghệ của quá trình PMEDM
gồm: hiệu điện thế (SV); cường độ dịng phóng điện (IP); thời gian phát xung (Ton);
thời gian ngừng phát xung (Toff); nồng độ bột SiC (Cp) đến độ nhám bề mặt gia
công (Ra) khi xung bề mặt trụ ngoài với vật liệu 90CrSi và điện cực xung là đồng
đỏ và đưa ra bộ thông số công nghệ gia công hợp lý để đạt độ nhám bề mặt gia công
tốt nhất.
- Nghiên cứu ảnh hưởng của các thông số cơng nghệ của q trình PMEDM
trong điều kiện như trên đến năng suất bóc tách vật liệu (MRR) và đưa ra bộ thông
số công nghệ hợp lý nhằm đạt năng suất bóc tách tốt nhất.
- Nghiên cứu ảnh hưởng của các thơng số cơng nghệ của q trình PMEDM
đến tốc độ mòn điện cực (TWR) và đưa ra bộ thơng số cơng nghệ hợp lý nhằm đạt
tốc độ mịn điện cực nhỏ nhất.
- Nghiên cứu tối ưu hóa đa mục tiêu các thơng số cơng nghệ của q trình
PMEDM nói trên nhằm đạt đồng thời độ nhám bề mặt (Ra) nhỏ, năng suất bóc tách
vật liệu (MRR) lớn và tốc độ mòn điện cực (TWR) nhỏ.



6

- Đánh giá ảnh hưởng của việc trộn bột nano SiC vào dung dịch điện mơi đến
hiệu quả q trình PMEDM chi tiết biên dạng trụ định hình cỡ nhỏ.
3. Phương pháp nghiên cứu
Sử dụng phương pháp nghiên cứu lý thuyết kết hợp với thực nghiệm; sử dụng
các kỹ thuật phân tích thống kê và phát triển mơ hình thực nghiệm, trong đó:
Nghiên cứu lý thuyết: nghiên cứu tổng hợp cơ sở lý thuyết về EDM, PMEDM
và các kết quả thuộc về lĩnh vực nghiên cứu của đề tài.
Nghiên cứu thực nghiệm: thực nghiệm gia công PMEDM theo các thông số
công nghệ xác định với hàm mục tiêu về độ nhám bề mặt, năng suất bóc tách vật
liệu cũng như lượng mịn điện cực, thơng qua các bước:
- Xây dựng hệ thống thí nghiệm;
- Tiến hành thực nghiệm;
- Phân tích kết quả và tối ưu hóa.
Sử dụng phương pháp Taguchi và phương pháp phân tích quan hệ xám cho
bài tốn đơn mục tiêu và đa mục tiêu.
4. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài
4.1. Ý nghĩa khoa học
Luận án đã góp phần hồn thiện thêm các kiến thức về quá trình PMEDM,
đặc biệt kiến thức về PMEDM chi tiết có biên dạng trụ định hình. Cụ thể:
- Góp phần làm rõ ảnh hưởng của các thơng số cơng nghệ (hiệu điện thế,
cường độ dịng phóng điện, thời gian phát xung, thời gian ngừng phát xung và nồng
độ bột) đến độ nhám của bề mặt gia công, năng suất bóc tách vật liệu, và tốc độ
mịn điện cực khi xung bề mặt trụ của chi tiết với vật liệu là thép 90CrSi qua tơi có
trộn bột nano SiC trong dung dịch điện môi.


7


- Đã đưa ra được các cơng thức dự đốn nhám bề mặt, tốc độ bóc tách và tốc
độ mịn điện cực khi PMEDM với các chế độ xung hợp lý.
- Chỉ ra được hiệu quả của việc PMEDM khi sử dụng bột nano SiC và điện
cực đồng để gia cơng chi tiết có biên dạng trụ định hình.
4.2. Ý nghĩa thực tiễn
- Đề tài đã ứng dụng thành công phương pháp PMEDM để gia cơng chi tiết
có biên dạng trụ đình hình kích thước nhỏ khi sử dụng bột nano SiC và điện cực
đồng. Kết quả có thể áp dụng trực tiếp cho các cơ sở sản xuất cơ khí khi gia cơng
các sản phẩm chày dập thuốc viên nén (hoặc chày dập thép tấm) có biên dạng trụ
định hình để nâng cao hiệu quả của quá trình gia cơng.
- Kết quả của luận án có thể dùng làm tài liệu tham khảo cho các nghiên cứu
khoa học về q trình PMEDM.
4.3. Những đóng góp mới của luận án
- Lần đầu tiên đã ứng dụng thành công phương pháp PMEDM để gia cơng
chi tiết có biên dạng trụ đình hình kích thước nhỏ khi sử dụng bột nano SiC và điện
cực đồng.
- Nghiên cứu đã đánh giá ảnh hưởng của một số thơng số cơng nghệ trong
q trình xung tia lửa điện đến độ nhám bề mặt gia công, tốc độ bóc tách vật liệu,
và độ mịn của điện cực khi gia cơng bề mặt trụ ngồi vật liệu 90CrSi qua tơi sử
dụng dung dịch điện mơi có trộn bột SiC với điện cực xung là đồng.
- Đã giải được các bài tốn tối ưu hóa đơn mục tiêu để đưa ra được bộ các
thông thông số công nghệ hợp lý khi PMEDM bao gồm nồng độ bột, thời gian phát
xung, thời gian ngừng phát xung, cường độ dòng điện, và hiệu điện thế khi gia công
bề mặt trụ ngoài nhằm đạt được các mục tiêu sau: độ nhám bề mặt nhỏ nhất, tốc độ
bóc tách vật liệu lớn nhất và tốc độ mòn điện cực nhỏ nhất.


8

- Nghiên cứu đã xây dựng được các công thức thực nghiệm để dự đoán giá

trị độ nhám bề mặt, tốc độ bóc tách vật liệu tối ưu, và độ mịn điện cực khi PMEDM
với các chế độ cơng nghệ hợp lý.
- Đã giải được bài tốn tối ưu hóa đa mục tiêu các thông số công nghệ khi
xung bề mặt trụ ngồi bằng thép 90CrSi qua tơi với dung dịch điện mơi có trộn bột
nano SiC bằng áp dụng phương pháp Taguchi và phân tích quan hệ xám với ba hàm
đơn mục tiêu là độ nhám bề mặt gia cơng nhỏ nhất, tốc độ bóc tách vật liệu lớn nhất
và tốc độ mòn điện cực nhỏ nhất.
5. Bố cục của luận án
Luận án gồm các phần: Mở đầu; 4 chương; kết luận chung và hướng nghiên
cứu tiếp theo; phần phụ lục.
Chương 1: Tổng quan về phương pháp gia công bằng tia lửa điện
Chương 2: Mơ hình nâng cao hiệu quả q trình PMEDM và xây dựng hệ
thống thí nghiệm
Chương 3: Nghiên cứu thực nghiệm ảnh hưởng của các thông số cơng nghệ
đến độ nhám bề mặt, năng suất bóc tách và độ mịn điện cực khi
gia cơng xung điện thép 90CrSi với dung dịch điện mơi có trộn
bột SiC
Chương 4: Tối ưu hóa đa mục tiêu các thơng số công nghệ khi xung thép
90CrSi qua tôi với dung dịch điện mơi có trộn bột SiC


9

CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ PHƯƠNG PHÁP GIA CÔNG BẰNG TIA
LỬA ĐIỆN
1.1. Phương pháp gia công bằng tia lửa điện
1.1.1. Lịch sử phát triển
Gia công bằng tia lửa điện (EDM – Electrical Discharge Machining) là
phương pháp gia công không truyền thống được sử dụng phổ biến nhất trong gia
công cơ khí hiện nay [19, 20]. Nguồn gốc xa xưa của phương pháp này được cho

là do nhà khoa học người Anh là Joseph Priestly phát hiện ra vào năm 1770 khi
chứng kiến sự mịn vật liệu do hiện tượng phóng điện gây ra. Tiếp đó, sau nhiều
nghiên cứu, hai nhà khoa học B. R. Lazarenko và N. I. Lazarenko của Nga đã điều
khiển thành cơng sự hình thành các tia lửa điện để gia công kim loại, và năm 1943
họ đã đưa ra sơ đồ cấu trúc của máy EDM sử dụng mạch Lazarenko [21]. Loại
mạch này đã liên tục cải tiến và được ứng dụng rộng rãi trong bộ nguồn cung cấp
của máy EDM. Những năm 1950, các kỹ thuật viên của Mỹ sử dụng mạch điện điều
khiển servo để điều chỉnh khoảng cách giữa điện cực và phôi khi gia công các ống
chân không [22]. Những năm 1970, gia cơng trên máy cắt dây EDM đã có những
bước tiến lớn do đã tạo được các máy phát xung công suất lớn, gia công cắt dây với
các loại dây cắt khác nhau và việc sử dụng chất điện môi hiệu quả hơn. Tuy nhiên,
chỉ tới những năm 1980 với sự xuất hiện của máy EDM - Computer Numerical
Control (CNC) thì hiệu quả của phương pháp này mới được khẳng định. Với sự cải
tiến liên tục, các máy EDM ngày nay đã làm việc ngày càng ổn định. Thêm vào đó,
q trình gia cơng được điều khiển bởi hệ thống điều khiển thích nghi nên năng
suất và chất lượng gia cơng EDM khơng ngừng được nâng lên. Vì thế dạng gia công
này được sử dụng ngày càng rộng rãi trong gia cơng cơ khí trên thế giới nói chung
và ở Việt Nam nói riêng.


10

1.1.2. Ngun lý gia cơng tia lửa điện

Hình 1.1. Ngun lý gia cơng bằng xung điện [23]
Hình 1.1 là sơ đồ nguyên lý gia công bằng xung điện. Sơ đồ gia công này
bao gồm:
- Dụng cụ trong gia công EDM: vật liệu sử dụng làm điện cực có nhiều loại
khác nhau như đồng (Cu), hợp kim đồng – kẽm (Cu-Zn), nhơm (Al), graphite …
trong đó Cu và graphite là hai loại được sử dụng phổ biến hơn cả [24]. Vật liệu làm

điện cực trong gia cơng EDM đều có đặc điểm là có tính dẫn điện tốt và dễ gia cơng
tạo hình chính xác. Việc chọn loại vật liệu điện cực phù hợp sẽ cho năng suất bóc
tách vật liệu cao, lượng mòn điện cực nhỏ, và giá thành gia cơng thấp [24]. Trong
gia cơng EDM, điện cực có thể mang điện tích âm hoặc dương. Việc lựa chọn phân
cực âm hay dương tùy thuộc vào ứng dụng cụ thể (gia công tinh hoặc gia công thô)
và các yếu tố như vật liệu dụng cụ, vật liệu gia công, cường độ dòng điện và thời
gian phát xung [11].
- Chi tiết gia công: Vật liệu chi tiết trong gia công EDM phải có tính dẫn
điện. Khả năng dẫn điện, dẫn nhiệt, điểm nóng chảy, độ cứng... của vật liệu chi tiết