Nghiên cứu ảnh hưởng của độ võng dây tới độ chính xác hình học bề mặt trụ khi gia công trên các máy cắt dây tia lửa điện

- 1-

Soá hoùa bôûi Trung taâm Hoïc lieäu http://lrc.tnu.edu.vn/

HDKH: PGS.TS Nguyễn Đăng Hoè HVTH: Nguyễn Quang Hợp

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN

TRƢỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP

---------------------------

LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT

“Nghiên cứu ảnh hưởng của độ võng dây tới độ chính xác hình học bề mặt trụ

khi gia công trên các máy cắt dây tia lửa điện”

Ngành : CÔNG NGHỆ CHẾ TẠO MÁY

Mã Số : 60520103

Học Viên : NGUYỄN QUANG HỢP

Ngƣời HD khoa học : PGS.TS NGUYỄN ĐĂNG HÒE

- 2-

Soá hoùa bôûi Trung taâm Hoïc lieäu http://lrc.tnu.edu.vn/

HDKH: PGS.TS Nguyễn Đăng Hoè HVTH: Nguyễn Quang Hợp

THÁI NGUYÊN - 2013

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan những kết quả có được trong luận văn là do bản thân tôi

thực hiện dưới sự hướng dẫn của thầy giáo PGS.TS Nguyễn Đăng Hoè. Ngoài tài

liệu tham khảo đã được liệt kê, các số liệu và kết quả thực nghiệm là trung thực và

chưa được ai công bố trong bất cứ công trình nào khác.

Thái Nguyên, ngày 26 tháng 3 năm 2013.

Ngƣời thực hiện

Nguyễn Quang Hợp

- 3-

Soá hoùa bôûi Trung taâm Hoïc lieäu http://lrc.tnu.edu.vn/

HDKH: PGS.TS Nguyễn Đăng Hoè HVTH: Nguyễn Quang Hợp

LỜI CẢM ƠN

Cùng với xu thế phát triển của xã hội, các ngành khoa học kỹ thuật cũng có

những bước tiến vượt bậc. Đặc biệt là sản xuất cơ khí hiện đại đã dần dần thay thế

sản xuất truyền thống , các sản phẩm cơ khí ngày càng đòi hỏi độ chính xác, độ tin

cậy cao.

Với mong muốn nâng cao độ chính xác của các sản phẩm gia công trên máy

công cụ nói chung và máy cắt dây nói riêng. Dưới sự hướng dẫn của PGS.TS

Nguyễn Đăng Hoè, tác giả đã thực hiện đề tài : “Nghiên cứu ảnh hưởng của độ

võng dây tới độ chính xác hình học bề mặt trụ khi gia công trên các máy cắt dây tia

lửa điện”. Trong thời gian thực hiện đề tài, tác giả đã nhận được sự quan tâm rất lớn

của nhà Trường, các Khoa, các Phòng, Ban chức năng, các thầy cô giáo và các bạn

đồng nghiệp.

Tác giả bày tỏ lời cảm ơn chân thành nhất đến PGS.TS Nguyễn Đăng Hoè,

Đại Học Thái Nguyên đã tận tình hướng dẫn trong quá trình thực hiện luận văn này.

Tác giả xin chân thành cảm ơn Ban Giám hiệu, Khoa sau đại học, các giáo

viên giảng dạy và các đồng nghiệp.

Tác giả chân thành cảm ơn các giảng viên phòng thí nghiệm tại Trường Đại

Học Kỹ Thuật Công Nghiệp Thái Nguyên đã tạo điều kiện về thiết bị và giúp đỡ

trong quá trình sử dụng thiết bị để thực hiện luận văn.

Mặc dù đã cố gắng song do kiến thức và kinh nghiệm còn hạn chế nên chắc

chắn luận văn không tránh khỏi thiếu sót. Tác giả mong nhận được những ý kiến

đóng góp từ các thầy cô giáo và các đồng nghiệp để Luận văn được hoàn thiện hơn.

Xin chân thành cảm ơn !

Thái nguyên, ngày 26 tháng 3 năm 2013

- 4-

Soá hoùa bôûi Trung taâm Hoïc lieäu http://lrc.tnu.edu.vn/

HDKH: PGS.TS Nguyễn Đăng Hoè HVTH: Nguyễn Quang Hợp

MỤC LỤC

Trang

PHẦN MỞ ĐẦU......................................................................................................10

1. Tính cấp thiết của đề tài ........................................................................................10

2. Ý nghĩa khoa học và ý nghĩa thực tiễn của đề tài .................................................11

2.1. Ý nghĩa khoa học:...............................................................................................11

2.2. Ý nghĩa thực tiễn:...............................................................................................12

3. Mục đích, đối tượng và phạm vi nghiên cứu ........................................................12

3.1. Mục đích của đề tài............................................................................................12

3.2. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu......................................................................12

4. Nội dung luận văn .................................................................................................13

CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ GIA CÔNG TIA LỬA ĐIỆN..........................14

1.1. Đặc điểm của phương pháp gia công tia lửa điện..............................................15

1.1.1. Các đặc điểm chính của phương pháp gia công tia lửa điện .........................15

1.1.2. Khả năng công nghệ của phương pháp gia công tia lửa điện........................15

1.2. Các phương pháp gia công tia lửa điện..............................................................15

1.2.1. Phương pháp gia công xung định hình ...........................................................15

1.2.2. Phương pháp gia công cắt dây bằng tia lửa điện...........................................15

1.2.3. Các phương pháp khác ...................................................................................16

1.3. Các hướng nghiên cứu chính về cắt dây ............................................................18

1.3.1 Tối ưu hoá các tham số của quá trình .............................................................18

1.3.2. Giám sát và điều khiển quá trình ....................................................................19

1.4. Cơ sở công nghệ của quá trình gia công tia lửa điện .........................................20

1.4.1. Cơ sở công nghệ..............................................................................................20

1.4.2. Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình gia công tia lửa điện ............................25

1.5. Lượng hớt vật liệu khi gia công tia lửa điện ......................................................34

- 5-

Soá hoùa bôûi Trung taâm Hoïc lieäu http://lrc.tnu.edu.vn/

HDKH: PGS.TS Nguyễn Đăng Hoè HVTH: Nguyễn Quang Hợp

1.6. Chất lượng bề mặt..............................................................................................34

1.6.1. Độ nhám bề mặt ..............................................................................................35

1.6.2. Vết nứt tế vi và các ảnh hưởng về nhiệt..........................................................35

1.7. Độ chính xác tạo hình khi gia công tia lửa điện.................................................37

1.8. Các hiện tượng xấu khi gia công tia lửa điện.....................................................37

1.8.1. Hồ quang.........................................................................................................38

1.8.2. Ngắn mạch, sụt áp...........................................................................................38

1.8.3. Xung mạch hở, không có dòng điện................................................................39

1.8.4. Sự quá nhiệt của chất điện môi.......................................................................40

1.9. Các yếu tố không điều khiển được.....................................................................40

1.9.1. Nhiễu hệ thống ................................................................................................40

1.9.2. Nhiễu ngẫu nhiên ............................................................................................41

1.10. Chất điện môi trong gia công tia lửa điện........................................................41

1.10.1. Nhiệm vụ của chất điện môi..........................................................................41

1.10.2. Các loại chất điện môi ..................................................................................42

1.10.3. Các tiêu chuẩn đánh giá chất điện môi.........................................................43

1.10.4. Các loại dòng chẩy của chất điện môi..........................................................44

1.10.5. Hệ thống lọc chất điện môi ...........................................................................47

CHƢƠNG 2: MÁY CẮT DÂY VÀ CÁC YẾU TỐ ẢNH HƢỞNG ĐẾN ĐỘ

CHÍNH XÁC GIA CÔNG......................................................................................45

2.1. Sơ bộ về máy cắt dây tia lửa điện ......................................................................45

2.1.1. Công dụng của máy cắt dây............................................................................46

2.1.2. Đặc điểm của phương pháp gia công cắt dây tia lửa điện .............................47

2.2. Điện cực và vật liệu điện cực.............................................................................48

2.2.1. Yêu cầu của vật liệu điện cực..........................................................................48

2.2.2. Các loại dây điện cực......................................................................................48

2.3. Sự thoát phoi trong cắt dây tia lửa điện .............................................................49

2.4. Nhám bề mặt khi cắt dây....................................................................................50

2.5. Các thông số về điện trong điều khiển máy cắt dây tia lửa điện........................51

2.5.1. Dòng phóng tia lửa điện Ie và bước của dòng điện ........................................51

- 6-

Soá hoùa bôûi Trung taâm Hoïc lieäu http://lrc.tnu.edu.vn/

HDKH: PGS.TS Nguyễn Đăng Hoè HVTH: Nguyễn Quang Hợp

2.5.2. Độ kéo dài xung ti

............................................................................................51

2.5.3. Khoảng cách xung t0 .......................................................................................51

2.5.4. Điện áp đánh lửa Ui

........................................................................................51

2.5.5. Khe hở phóng điện ..........................................................................................51

2.6. Lập trình gia công trên máy cắt dây...................................................................52

2.6.1. Các trục điều khiển và hệ toạ độ – Số trục điều khiển của máy cắt dây ........52

2.6.2. Các chức năng “G” ........................................................................................54

2.7. Các yếu tố ảnh hưởng tới độ chính xác gia công ...............................................64

CHƢƠNG III: NGHIÊN CỨU ẢNH HƢỞNG CỦA ĐỘ VÕNG DÂY ĐẾN ĐỘ

CHÍNH XÁC BỀ MẶT TRỤ KHI GIA CÔNG TRÊN MÁY CẮT DÂY

CW322......................................................................................................................72

3.1. Tổng quan...........................................................................................................72

3.1.1. Các nguyên nhân gây ra sai số khi hướng cắt thay đổi..................................72

3.1.2. Mối liên hệ giữa trễ dây với độ võng dây diện cực.........................................73

3.1.3. Phương trình đường cong dây ........................................................................74

3.1.4. Ảnh hưởng của độ võng dây tới độ chính xác gia công và một số biện pháp

khắc phục sai số ........................................................................................................78

3.2. Thiết kế thí nghiệm ............................................................................................81

3.2.1. Các giả thiết của thí nghiệm ...........................................................................81

3.2.2. Điều kiện thí nghiệm .......................................................................................81

3.3. Thực nghiệm ......................................................................................................85

3.3.1. Xây dựng kế hoạch thực nghiệm .....................................................................85

3.3.2. Các thông số đầu vào của thí nghiệm.............................................................86

3.3.3. Lập trình và tiến hành cắt...............................................................................87

3.3.4. Kết quả thực nghiệm .......................................................................................89

3.4. Các phương pháp nội suy trong tính toán các bài toán kỹ thuật........................95

3.5. Nghiên cứu ảnh hưởng của độ võng dây tới độ chính xác hình học..................98

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ..............................................................................111

TÀI LIỆU THAM KHẢO ....................................................................................111

- 7-

Soá hoùa bôûi Trung taâm Hoïc lieäu http://lrc.tnu.edu.vn/

HDKH: PGS.TS Nguyễn Đăng Hoè HVTH: Nguyễn Quang Hợp

DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU

Bảng 2.1- Danh mục các mã G

Bảng 2.2- Danh mục các mã M

Bảng 2.3- Các lệnh copy dịch chuyển

Bảng 3.1- Các thông số kỹ thuật của máy CW322S

Bảng 3.2- Tính năng kỹ thuật của máy đo CMM C544

Bảng 3.3- Các thiết lập thí nghiệm

Bảng 3.4- Kết quả đo các mẫu bán kính R = 5mm, chiều dài L = 40,1mm

Bảng 3.5- Kết quả đo các mẫu bán kính R = 10mm, chiều dài L = 40,1mm

Bảng 3.6- Kết quả đo các mẫu bán kính R = 5mm, chiều dài L = 59,9mm

Bảng 3.7- Kết quả đo các mẫu bán kính R = 10mm, chiều dài L = 59,9mm

Bảng 3.8- Chương trình nội suy đường sinh gần đúng

Bảng 3.9- Thí nghiệm và kết quả sai số bán kính mặt cắt giữa các mẫu

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ

Hình 1.1. Sơ đồ các lĩnh vực nghiên cứu của EDM

Hình 1.2. Sơ đồ nguyên lý gia công tia lửa điện

Hình 1.3. Pha đánh lửa

Hình 1.4. Sự hình thành kênh phóng điện

Hình 1.5. Sự hình thành và bốc hơi vật liệu

Hình 1.6. Đồ thị điện áp và dòng điện trong một xung phóng điện.

Hình 1.7. Mối quan hệ giữa Vw và ti [1]

Hình 1.8. Mối quan hệ giữa θ và ti [1]

- 8-

Soá hoùa bôûi Trung taâm Hoïc lieäu http://lrc.tnu.edu.vn/

HDKH: PGS.TS Nguyễn Đăng Hoè HVTH: Nguyễn Quang Hợp

Hình 1.9. Mối quan hệ giữa Rmax và ti (với ti = td + te).[1]

Hình 1.10. Ảnh hưởng của ti và t0 đến năng suất gia công [1]

Hình 1.11- Ảnh hưởng của khe hở phóng điện δ

Hình 1.12. Quan hệ giữa η và ap [1]

Hình 1.13. Ảnh hưởng của điện dung C [1]

Hình 1.14. Ảnh hưởng của diện tích vùng gia công F [1]

Hình 1.15. Các thông số ảnh hưởng đến năng suất khi gia công EDM

Hình 1.16. Vùng ảnh hưởng nhiệt của bề mặt phôi

Hình 1.17. Hiện tượng hồ quang điện [1]

Hình 1.18. Hiện tượng ngắn mạch sụt áp [1]

Hình 1.19. Hiện tượng xung mạch hở [1]

Hình 1.20. Dòng chảy bên ngoài

Hình 1.21. Dòng chảy áp lực

Hình 1.22. Dòng chảy hút

Hình 1.23. Dòng chảy phối hợp

Hình 2.1. Sơ đồ máy cắt dây tia lửa điện

Hình 2.2. Các trường hợp khó gia công đối với dòng chảy đồng trục

Hình 2.3. Khe hở phóng điện trong gia công cắt dây tia lửa điện

Hình 2.4. Hệ tọa độ XYUV của máy cắt dây

Hình 2.5. Các lệnh dịch chuyển đường kính dây G41/G42

Hình 3.1. Sự cân bằng về lực khi cắt thẳng và mất cân bằng khi cắt góc

Hình 3.2. Hiện tượng trễ dây khi cắt góc

Hình 3.3. Sơ đồ biểu diễn quá trình cắt dây

Hình 3.4. Độ võng dây khi cắt phôi chiều cao 50mm và 150mm

Hình 3.5. Mô hình tính toán độ võng dây

Hình 3.6. Ảnh hưởng của trễ dây khi hướng cắt thay đổi

Hình 3.7. Hành trình vượt quá ở góc để loại bỏ ảnh hưởng của trễ dây

Hình 3.8. Sơ đồ gia công cắt dây có sự giám sát điều khiển online

Hình 3.9. Sơ đồ bộ điều khiển mờ cắt dây WEDM

Hình 3.10. Máy cắt dây CW322S

- 9-

Soá hoùa bôûi Trung taâm Hoïc lieäu http://lrc.tnu.edu.vn/

HDKH: PGS.TS Nguyễn Đăng Hoè HVTH: Nguyễn Quang Hợp

Hình 3.11. Phôi gia công

Hình 3.12. Ảnh máy đo tọa độ 3 chiều Beyond Crysta C544

Hình 3.13. Biên dạng gia công và thiết lập bù bán kính dây và khe hở phóng điện

Hình 3.14. Chương trình gia công

Hình 3.15. Mẫu gia công

Hình 3.16. Sơ đồ đo

Hình 3.17. Dữ liệu đo được ghi lại trong file Autocad

Hình 3.18. Chương trình malab tính bán kính

Hình 3.19. Sai lệch độ tròn

Hình 3.20. Độ ôvan

Hình 3.21. Độ phân cạnh

Hình 3.22. Sai lệch profin mặt cắt dọc

Hình 3.23. Độ côn

Hình 3.24. Độ phình

Hình 3.25. Độ thắt

Hình 3.26. Sai lệch độ trụ

Hình 3.27. Sai số do võng dây gây ra khi cắt phôi trụ

Hình 3.28. Đường sinh gần đúng bậc 3 của mẫu chiều dài L = 40,1mm,

bán kính R = 5mm và R = 10mm

Hình 3.29. Đường sinh gần đúng bậc 3 của mẫu chiều dài L = 59,9mm,

bán kính R = 5mm và R = 10mm

Hình 3.30. Đường sinh gần đúng bậc 12 của mẫu chiều dài L = 40,1mm,

bán kính R = 5mm và R = 10mm

Hình 3.31. Đường sinh gần đúng bậc 12 của mẫu chiều dài L = 59,9mm,

bán kính R = 5mm và R = 10mm

Hình 3.32. Đường sinh nội suy của mẫu chiều dài L = 40,1mm,

bán kính R = 5mm và R = 10mm

Hình 3.33. Đường sinh nội suy của mẫu chiều dài L = 59,9mm,

bán kính R = 5mm và R = 10mm

Hình 3.34. Phân tích hồi quy bậc 1 và ANOVA

- 10-

Soá hoùa bôûi Trung taâm Hoïc lieäu http://lrc.tnu.edu.vn/

HDKH: PGS.TS Nguyễn Đăng Hoè HVTH: Nguyễn Quang Hợp

Hình 3.35. Biểu đồ Pareto các thông số thí nghiệm

Hình 3.36. Hồi quy và ANOVA loại bỏ tương tác

PHẦN MỞ ĐẦU

1. Tính cấp thiết của đề tài

Sự phát triển của khoa học kỹ thuật những năm gần đây gắn liền với sự ra

đời của các vật liệu mới, mà chúng có các ưu điểm nổi bật như: độ bền, độ cứng

cao, khả năng chịu nhiệt, chịu mài mòn tốt vv… Những đặc điểm quý báu kể trên là

lý do để các loại vật liệu mới được sử dụng ngày càng rộng rãi trong các ngành

công nghiệp cũng như trong dân dụng, và đặc biệt là trong gia công khuôn mẫu.

Tuy nhiên, chính vì thế mà các đặc điểm này cũng làm cho các vật liệu mới trở nên

rất khó, hoặc thậm chí không thể gia công khi sử dụng các phương pháp gia công

truyền thống.

Vì vậy, song song với việc nghiên cứu nâng cao hiệu quả gia công của các

phương pháp gia công truyền thống, cần phải nghiên cứu tìm ra và hoàn thiện các

phương pháp gia công có cơ chế mới (gia công bằng tia nước có hạt mài, gia công

bằng laser, gia công tia lửa điện, …) để gia công có hiệu quả hơn các vật liệu mới.

Phương pháp WEDM là một trong những phương pháp gia công được ứng

dụng rộng rãi trong gia công các loại thép hợp kim dụng cụ có độ cứng cao, bởi nó

có ưu điểm là năng suất cắt cao, cắt chiều dày phôi lớn (đến 500mm) với độ chính

xác cao và đạt chất lượng bề mặt như nhau [1]. Nhưng bên cạnh đó, phương pháp

này vẫn còn tồn tại một số nhược điểm, như do cắt với tốc độ cao 500mm2

/min

khiến lực tác động lên dây tăng. Lực tác động này cùng với độ cứng của dây thấp

gây ra sự thay đổi hình dáng của bề mặt gia công, độ phẳng và góc cắt [9].

- 11-

Soá hoùa bôûi Trung taâm Hoïc lieäu http://lrc.tnu.edu.vn/

HDKH: PGS.TS Nguyễn Đăng Hoè HVTH: Nguyễn Quang Hợp

Trong gần hai thập kỷ qua, vấn đề nâng cao độ chính xác hình dáng hình học

của chi tiết khi cắt dây đã là một chủ đề nghiên cứu của các nhà khoa học trên thế

giới. Hầu hết các nghiên cứu trước đây đều tập trung vào hiện tượng lệch dây [9-

20], đã có một số đề xuất phương án sửa đổi các sai số biên dạng trong quá trình gia

công off- line [11-12] hay quá trình gia công on-line [13] nhưng các phương án đã

đề xuất dạng sai lệch hình tang trống của phôi vẫn còn tồn tại, bởi độ trễ dây khi cắt

vẫn chưa được cải thiện đáng kể. Mặc dù các đề tài nghiên cứu đã cố gắng giải

quyết vấn đề bằng các quan điểm khác nhau, nhằm giảm thiểu những sai số hình

dáng hình học khi cắt các biên dạng do hiện tượng trễ dây gây ra, nhưng sai số hình

học do hiện tượng trễ dây gây ra vẫn chưa được giải quyết triệt để. Trễ dây không

tạo nên sai số lớn khi cắt biên dạng thẳng nhưng nó lại xuất hiện ngay khi thay đổi

hướng cắt. Do vậy, khi gia công theo một đường cong ảnh hưởng của trễ dây đã tạo

nên sự mất chính xác về kích thước của sản phẩm gia công. Sai số này có thể tới vài

trăm micro, mà điều này sẽ khó chấp nhận khi gia công yêu cầu độ chính xác cao.

Chính vì vậy việc nghiên cứu nâng cao độ chính xác biên dạng, khi cắt dây ở

những biên dạng có sự đổi hướng cắt mà không cần giảm tốc độ cắt là một vấn đề

cần tập trung giải quyết.

Bởi vậy việc nghiên cứu đề tài “Nghiên cứu ảnh hưởng của độ võng dây tới

độ chính xác hình học bề mặt trụ khi gia công trên các máy cắt dây tia lửa điện”

nhằm mục đích nghiên cứu ảnh hưởng của độ võng dây tới độ chính xác khi gia

công cắt dây là một vấn đề cần được quan tâm hiện nay. Trên cơ sở này, luận văn sẽ

tập trung vào nghiên cứu và thực nghiệm cắt các mẫu hình trụ có bán kính và chiều

dài khác nhau. Tiến hành đo đạc để từ đó có thể đánh giá được sự thay đổi của

đường kính chi tiết dọc theo chiều dài mẫu do ảnh hưởng của độ trễ dây, đánh giá

được sai số do trễ dây gây ra với hai biến đầu vào là bán kính và chiều dài mẫu.

2. Ý nghĩa khoa học và ý nghĩa thực tiễn của đề tài

2.1. Ý nghĩa khoa học

Bằng cách nghiên cứu cơ sở lý thuyết kết hợp với thực nghiệm, đề tài đưa ra

một phân tích chuyên sâu về ảnh hưởng của độ võng dây điện cực đến độ chính xác

hình học bề mặt trụ khi cắt dây cụ thể là khảo sát độ chính xác hình học theo