Nghiên cứu tối ưu hóa các thông số công nghệ khi khắc bề mặt inox sus 201 bằng phương pháp điện hóa

Hóa học N. M. Đạt, D. Q. Dũng, "Nghiên cứu tối ưu hóa bằng phương pháp điện hóa." 160 Nghiên cứu Tối ƯU Hóa các thông số công nghệ khi khắc bề mặt inox sus 201 bằng phương pháp điện hóa Nguyễn Minh Đạt, Dương Quốc Dũng Tóm tắt: Bài báo trình bày kết quả nghiên cứu tối ưu hóa các thông số công nghệ I(A), C(%), t(s) khi khắc điện hóa trên vật liệu thép không gỉ thuộc họ Austenit SUS 201, dựa trên cơ sở phương pháp quy hoạch thực nghiệm. Kết quả nghiên cứu sẽ là căn cứ để lựa chọn các thông số công nghệ khi khắc các vật liệu tương tự trong điều kiện sản xuất loạt. Từ khóa: Các phương pháp gia công đặc biệt, Gia công điện hóa, Khắc điện hóa. 1. đặt vấn đề Inox là một hợp kim thép có khả năng chịu mài mòn, không gỉ, chống oxy hóa, không nhiễm từ, dễ hàn, chịu nhiệt tốt, dễ vệ sinh, bền [1]. Hơn nữa, inox còn đảm bảo được tính mỹ thuật và sự sang trọng tinh tế. Chính vì thế inox được sử dụng rộng rãi trong ngành dân dụng và công nghiệp như: kiến trúc; xây dựng; ôtô; công nghiệp hóa học; dầu khí và đóng tàu; công nghiệp nước và môi trường; đồ gia dụng; chế biến thực phẩm và thiết bị; đồ dùng y tế. Trong số các mác inox hiện có, inox SUS201 có độ bền, độ sáng bóng tốt, giá thành vừa phải, thích hợp với sản phẩm thành mỏng được sử dụng làm đồ gia dụng, nội thất, đồ nhà bếp, dụng cụ y tế, dụng cụ nha khoa. Đối với những chi tiết mỏng, có nhu cầu rất lớn liên quan đến việc tạo họa tiết, hoa văn, lôgô, nhãn mác, dấu hiệu nhận biết sản phẩm, số hiệu, bảng tên hoặc các thông tin khác trên sản phẩm. Các phương pháp khắc thông thường sử dụng cơ chế bóc tách vật liệu bằng biến dạng cơ học như phương pháp đột, dập, khắc CNC hoặc bằng nhiệt như khắc laser, khắc plasmasẽ rất khó thực hiện do bị biến dạng bởi năng lượng cơ hoặc năng lượng nhiệt. Đặc điểm cơ bản của gia công điện hóa (Electrochemical Machining) là không có sự tiếp xúc cơ giữa dụng cụ (điện cực) và chi tiết gia công; sự bóc tách vật liệu là kết quả của quá trình hòa tan điện hóa (hình 1) [2, 3]. Khắc điện hóa ứng dụng nguyên lý gia công điện hóa, do đó, có ưu điểm là không gây mòn dụng cụ khắc, không tạo ra ứng suất dư, biến dạng do lực cắt và không gây ảnh hưởng bề mặt bởi nhiệt. Do vậy, khắc điện hóa là phương pháp gia công đặc biệt được sử dụng để khắc các vật liệu có độ cứng cao hoặc khó cắt gọt. Đối với phương pháp khắc điện hóa, độ nhám bề mặt khi khắc yRa = f(C(%), I(A), t(s)), trong đó, I(A) là dòng điện khắc, C(%) là nồng độ dung dịch khắc và t(s) là thời gian khắc. Thông qua các kết quả thực nghiệm, sử dụng phương pháp quy hoạch thực nghiệm để tìm ra các các thông số công nghệ tối ưu nêu trên. Hình 1. Sơ đồ gia công điện hóa: 1- dụng cụ; 2- chi tiết gia công (điện cực dương); 3- khoảng cách điện cực; v1-tốc độ tiến dụng cụ cắt; ve- tốc độ của dòng dung dịch điện phân. v1 ve Lớp cỏch điện ve 1 3 2 Nghiên cứu khoa học công nghệ Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 31, 06 - 2014 161 2. Thiết bị và phương pháp thực nghiệm 2.1. Thiết bị - Thí nghiệm được tiến hành trên máy khắc điện hóa có cấu hình được thể hiện trên hình 2 và các thông số chính như trong bảng 1. Máy có thể khắc các ký hiệu dạng chữ, số, mã vạch, mã sản phẩm, lôgô, họa tiết, hoa văn hoặc các ký hiệu đặc biệt trên bất kỳ vật liệu dẫn điện nào. Bảng 1. Thông số máy khắc. Hỡnh 2. Cấu hỡnh của mỏy khắc điện húa. Thụng số Mỏy khắc điện húa Điện ỏp vào AC (V/Hz) 110V hoặc 220V (50/60 Hz) Điện ỏp ra DC 0  30V (DC) Dũng điện khắc 0  100 A Cụng suất 310VA Kớch thước 350 ì 250 ì 120 mm - Dung dịch điện phân cần tránh được hiện tượng tạo thành lớp màng thụ động trên bề mặt anốt (chi tiết) nên các anion Cl-, SO4 2-, NO3 -, ClO3 -, OH- được chọn. Các cation Na+ hoặc Ka+ được sử dụng để tránh kết tủa catốt [2]. Để có hiệu quả tối ưu, phải lựa chọn dung dịch điện phân phù hợp với vật liệu gia công và nhận thấy dung dịch điện phân Na2SO4 cho chất lượng vết khắc trên inox SUS 201 là tốt hơn cả. Điều này được thể hiện ở độ mịn của vết khắc trên hình 3 và giá trị độ nhám bề mặt khi khắc trong bảng 2. Vật liệu thép không gỉ SUS 201 có thành phần hóa học như ở bảng 3. Máy đo độ nhám bề mặt TR200 được sử dụng của hãng Mitutoyo với độ phân giải 0,01m. Bảng 2. Giá trị độ nhám khi khắc. Hỡnh 3. Vết khắc bằng một số dung dịch điện phõn khỏc nhau. Độ nhám Dung dịch Ra (m) Na2SO4 0,337 Fe2(SO4)3 0,715 NaCl 3,050 Bảng 3. Thành phần hóa học của inox SUS 201. Nguyên tố Thành phần (%) Khối lượng riêng (g/cm3) Khối lượng nguyên tử Hóa trị C 0,15 2,26 12,011 2 Mn 7 7,43 54,938 2 Si 0,9 2,33 28,086 4 Cr 17 7,19 51,996 2 Ni 4,2 8,90 58,693 3 S 0,03 1,96 32,06 6 Fe 70,72 7,86 55,845 3 Na2SO4 Hóa học N. M. Đạt, D. Q. Dũng, "Nghiên cứu tối ưu hóa bằng phương pháp điện hóa." 162 2.2. Phương pháp tiến hành thực nghiệm Mô hình thực nghiệm được tiến hành bằng cách khắc bề mặt có kích thước 10 ì 12 mm2 với chiều sâu khắc (0,1  0,5) mm. Sử dụng phương pháp quy hoạch thực nghiệm trực giao cấp 2 BOX- WILLSON để nghiên cứu ảnh hưởng của 3 thông số công nghệ I(A), C(%), t(s) tới độ nhám khi khắc điện hóa thông qua phương trình hồi quy dạng [4, 5]: yi = a0 + a1x1 + a2x2 + a3x3 + a12x1x2 + a13x1x3 + a23x2x3 + a11x1 2 + a22x2 2 + a33x3 2 (1) Khoảng nghiên cứu của các thông số công nghệ trong thực nghiệm này được lựa chọn như sau: I = (30 ữ 90)A; C = (10 ữ 40)%; t = (40 ữ 120)s. Từ đó, bảng miền thông số công nghệ được xây dựng và trình bày trên bảng 4. Bảng 4. Miền chế độ khắc thực nghiệm. Các mức Các thông số công nghệ Dòng điện I(A) Nồng độ C% Thời gian khắc t(s) Mức trên (+1) 90 40 120 Mức cơ sở (0) 60 25 80 Mức dưới (-1) 30 10 40 Khoảng biến thiên trong TN cơ bản  30 15 40 Cánh tay đòn “sao”  1,215 1,215 1,215 Khoảng biến thiên trong không gian mở rộng ||ì 1,215 ì 30 = 36,45 quy tròn là 40 1,215 ì 15 = 18,225 quy tròn là 20 1,215 ì 40 = 48,6 quy tròn là 50 Mức sao* dưới 20 5 30 Mức sao* trên 100 45 130 Trong 15 thí nghiệm theo quy hoạch trực giao cấp 2 giá trị của các biến được xây dựng như sau: I(A) Є {20, 30, 60, 90, 100} được mã hóa trong ma trận thực nghiệm bởi x1; C(%) Є {5, 10, 25, 40, 45} được mã hóa trong ma trận thực nghiệm bởi x2; t(s) Є {30, 40, 80, 120, 130} được mã hóa trong ma trận thực nghiệm bởi x3. Các thí nghiệm được tiến hành và được các mẫu để đo độ nhám như trên hình 4. Hình 4. Các mẫu đo độ nhám. Kế hoạch và các kết quả thực nghiệm được thể hiện trong bảng ma trận thực nghiệm theo biến xi (bảng 5). Nghiên cứu khoa học công nghệ Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 31, 06 - 2014 163 Bảng 5. Ma trận thực nghiệm theo biến số xj. ND No Biến thực Biến mã hóa Kết quả TN yRa I(A) C(%) t(s) x0 x1 x2 x3 x1x2 x1x3 x2x3 x1’ x2’ x3’ 2k 1 30 10 40 + - - - + + + 0,27 0,27 0,27 0,811 2 90 10 40 + + - - - - + 0,27 0,27 0,27 0,371 3 30 40 40 + - + - - + - 0,27 0,27 0,27 0,322 4 90 40 40 + + + - + - - 0,27 0,27 0,27 0,652 5 30 10 120 + - - + + - - 0,27 0,27 0,27 1,002 6 90 10 120 + + - + - + - 0,27 0,27 0,27 0,732 7 30 40 120 + - + + - - + 0,27 0,27 0,27 0,545 8 90 40 120 + + + + + + + 0,27 0,27 0,27 0,845 2k 9 100 25 80 + 1,215 0 0 0 0 0 0,75 - 0,73 - 0,73 0,578 10 20 25 80 + -1,215 0 0 0 0 0 0,75 - 0,73 - 0,73 0,515 11 60 45 80 + 0 1,215 0 0 0 0 - 0,73 0,75 - 0,73 0,698 12 60 5 80 + 0 -1,215 0 0 0 0 - 0,73 0,75 - 0,73 0,430 13 60 25 130 + 0 0 1,215 0 0 0 - 0,73 - 0,73 0,75 0,578 14 60 25 30 + 0 0 -1,215 0 0 0 - 0,73 - 0,73 0,75 0,434 no 15 60 25 80 + 0 0 0 0 0 0 - 0,73 - 0,73 - 0,73 0,941 3. Kết quả và bàn luận 3.1. Xây dựng phương trình hồi quy Dựa vào kết quả trong bảng 5, lần lượt thực hiện các thuật toán xác định các hệ số trong phương trình hồi quy theo phương pháp quy hoạch thực nghiệm trực giao cấp 2 BOX- WILLSON [2], ta được: yRa = 0,606 - 0,034 x1 + 0,138x3 + 0,214x1x2 + 0,064x1x3 - 0,071x2x3 - 0,051x 2 3 (2) 3.2. Xét ảnh hưởng của thông số công nghệ tới yRa Từ phương trình hồi quy (2), xét ảnh hưởng của từng thông số như sau: yRa (x1, 1, 1) = 0,622 + 0,244x1 (3) yRa (1, x2, 1) = 0,808 + 0,723x2 (4) yRa (1, 1, x3) = 0,786 + 0,131x3 - 0,051x3 2 (5) Căn cứ vào (3), (4), (5) ta nhận thấy rằng x3 (thời gian t(s)) ảnh hưởng đến độ nhám nhiều nhất, tiếp đến là x2 (nồng độ C(%)) rồi đến x1 (dòng điện I(A)). - Theo (3), vì hệ số của x1 dương, do vậy, giữa x1 và yRa quan hệ tỷ lệ thuận với nhau. Có nghĩa là khi x1 thay đổi từ -1,215 đến 1,215 thì lần lượt yRa nhận giá trị tăng dẫn. - Theo (4), vì hệ số của x2 dương, do vậy, giữa x2 và yRa quan hệ tỷ lệ thuận với nhau. Có nghĩa là khi x2 thay đổi từ -1,215 đến 1,215 thì lần lượt yRa nhận giá trị tăng dần. - Theo (5), khi x3 thay đổi từ [-1,215;0] thì yRa biến thiên tăng. Còn khi x3 thay đổi từ [0;1,215] thì yRa biến thiên giảm. 3.3. Tối ưu hoá các thông số công nghệ Cực trị của của hàm yRa có thể được tìm bằng phương pháp leo dốc của Box-Wilson [4,5]. Tuy nhiên, ở đây chúng ta ứng dụng phần mềm Maple tìm được giá trị các cực trị của hàm hồi quy như sau: Hóa học N. M. Đạt, D. Q. Dũng, "Nghiên cứu tối ưu hóa bằng phương pháp điện hóa." 164 yRa(min) = 0,309 tại (x1, x2, x3) = (0,797; -1,215; 0,626) tương ứng với I = 84 A, C = 6,775 %, t = 105 s. Để kiểm chứng kết quả tính toán trên, tiến hành gia công ba mẫu với các thông số công nghệ tối ưu (I = 84 A, C = 6,775 %, t = 105 s) đã được tính toán ở trên với vật liệu, máy không thay đổi, được các giá trị như trên bảng 6. Bảng 6. Các giá trị kiểm nghiệm kết quả thực nghiệm và tính toán lý thuyết. Lần đo Mẫu 1 2 3 Giá trị thực nghiệm Giá trị tính toán Sai số 1 0,295 0,310 0,298 0,301 0,309 2,59% 2 0,373 0,246 0,259 0,293 0,309 5,18% 3 0,291 0,375 0,299 0,322 0,309 4,04% Giá trị trung bình 0,305 0,309 3,94% Từ bảng 6, chúng ta có thể thấy kết quả thực nghiệm khá phù hợp với giá trị tính toán lý thuyết. Do đó, có thể khẳng định phương pháp nghiên cứu mà chúng tôi đề xuất là phù hợp. 4. Kết luận Sử dụng phương pháp quy hoạch thực nghiệm trực giao cấp 2, đã xây dựng được mối quan hệ giữa độ nhám bề mặt khi khắc với 3 thông số công nghệ I(A), C(%), t(s) thông qua phương trình hồi quy (2). Từ đó, xác định được giá trị thông số công nghệ tối ưu với I = 84 A, C = 6,775 %, t = 105 s để đạt được chất lượng vết khắc tốt nhất. Kết quả nghiên cứu là cơ sở áp dụng chế độ công nghệ tối ưu khi khắc các vật liệu tương tự bằng phương pháp điện hóa trong điều kiện sản xuất loạt. Tài liệu tham khảo [1]. Nghiêm Hùng, Nguyễn Văn Tư, "Giáo trình điện tử môn học vật liệu học", Đại học Bách Khoa Hà Nội, 2010, tr. 229 - 230. [2]. Hassan E.H, "Advanced Machining Processes", Alexandria Uni., Egypt, 2005, pp. 77 - 81. [3]. Adam Ruszaj, Sebastian Skoczypiec, Jan Czekaj, "Tool And Workpiece Quality Protection In Electrochemical Machining", The Institute of Metal Cutting, Krakow, Poland, 2006. [4]. Nguyễn Doãn í, "Quy hoạch và xử lý số liệu thực nghiệm", NXBXD, 2006, tr. 119 - 123. [5]. Nguyễn Minh Tuyển, "Quy hoạch thực nghiệm", NXBKH&KT, 2004, tr. 114 - 172. abstract optimization of TECHNOLOGICAL PARAMETERS FOR MARKING STAINLESS STEEL SUS 201 BY ELECTROCHEMICAL MACHINING This paper presents research results of optimizing the technological parameters (I(A), C(%), t(s)) when electrochemical marking on austenitic stainless steel SUS 201, based on experimental planning method. The research results will be the basis for selection of parameters when marking similar materials in mass production conditions. Keywords: Advanced machining processes, Electrochemical Machining, Electrochemical Marking. Nhận bài ngày 10 tháng 02 năm 2014 Hoàn thiện ngày 20 tháng 05 năm 2014 Chấp nhận đăng ngày 25 tháng 05 năm 2014 Địa chỉ: Học Viện Kỹ Thuật Quân Sự