Nghiên cứu thiết kế và chế tạo ứng dụng dao động hổ trợ gia công máy EDM

NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO ỨNG DỤNG DAO ĐỘNG HỔ

TRỢ GIA CÔNG MÁY EDM

RESEARCH DESIGN AND APPLIED HIGH FREQUENCY FOR MODULE OF

EDM TO SUPPORT MANUFACTURING

Hoang Trung Kien^1,Dao Phuoc Loc²

¹Trường đại học Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM

²Trường đại học Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM

¹[email protected], ²[email protected]m

TÓM TẮT

Gia công tia lửa điện (EDM) là một trong những công nghệ gia công phi truyền thống được

chấp nhận rộng rãi nhất trong ngành công nghiệp sản xuất hiện nay. Nhiều nghiên cứu đã được

thực hiện để nghiên cứu quá trình EDM và cải thiện hiệu quả gia công. Trong số nhiều phương

pháp được đề xuất, EDM hỗ trợ dao động là một trong những phương pháp phổ biến và hiệu quả

nhất. Bài báo này trình bày một nghiên cứu về thiết kế và phân tích mô-đun hỗ trợ dao động siêu

âm được áp dụng để cải thiện hiệu quả gia công của quy trình EDM. Các mô-đun sẽ được áp

dụng để kích thích điện cực trong một máy EDM ở tần số không siêu âm để tăng hiệu quả của

quá trình rữa phoi. Sự dao động sẽ được tạo ra bởi một bộ truyền động áp điện và sẽ được chuyển

đến điện cực thông qua một bản lề uốn. Cấu trúc và độ dao động của mô-đun sẽ được phân tích

bằng phần mềm ANSYS. Việc tối ưu hóa bản lề uốn cũng sẽ được thực hiện và trình bày trong

bài báo này.

Từ khóa: Vibration-assisted method; EDM; Machining efficiency

ABSTRACT

Electrical discharge machining (EDM) is one of the most widely accepted non-traditional

machining technology in the manufacturing industry, nowadays. Many researches have been

carried out to study the EDM process and to improve the machining efficiency. Among many

proposed methods, vibration-assisted EDM is one of the most popular and efficient ones. This

paper presents a study in designing and analyzing of an ultrasonic vibration-assisted module

applied to improve the machining efficiency of the EDM process. The module will be applied to

excite the electrode in a die-sinker EDM machine at ultrasonic frequencies and suitable

amplitudes to increase the flushing efficiency of the debris solution. The vibration will be

generated by a piezoelectric actuator stack and will be transferred to the electrode through a

flexure hinge. The structure and vibration of the module will be analyzed using ANSYS

software. The optimization of the flexure hinge will also be conducted and presented in this

paper.

Keywords: Vibration-assisted method; EDM; Machining efficiency

gia công EDM và chất lượng bề mặt. Kết quả

1. GIỚI THIỆU

Gần đây, gia công tia lửa điện (EDM) là của họ cho thấy rằng với độ dao động siêu âm,

một trong những quy trình gia công phi truyền tỷ lệ loại bỏ vật liệu tăng đáng kể. Nhiều

thống phổ biến nhất trong ngành công nghiệp nghiên cứu về EDM hỗ trợ dao động siêu âm

sản xuất. Vì EDM là quá trình gia công không trong những năm tiếp theo cũng thừa nhận lợi

tiếp xúc, EDM là một phương pháp gia công ích của phương pháp cải thiện hiệu quả gia

không ma sát và không có lực. Do đó, quá công. Wansheng et al. [22] thành công gia

trình gia công EDM có thể được áp dụng trên công lỗ sâu và nhỏ trên hợp kim titan bằng

các cấu trúc cứng và vi mô thấp. Ngoài ra, với cách sử dụng siêu âm EDM. Zhang et al. [23]

nhiệt độ cực kỳ cao, EDM có thể cắt bất kỳ vật đã trình bày một nghiên cứu về EDM hỗ trợ

liệu điện nào được thực hiện bất kể độ cứng dao động siêu âm trong khí với dao động được

của nó. Do đó, EDM là tiên tiến để cắt kim áp dụng cho phôi gia công và kết luận rằng hệ

loại cứng và siêu cứng, cấu trúc khó gia công thống dao động của chúng có thể đạt hiệu suất

và các hợp kim, tuy nhiên EDM có tốc độ gia cao hơn EDM thông thường trong chất lỏng

công thấp và đối mặt với những thách thức điện môi. Ưu điểm của dao động gia công có

đáng kể với hiệu suất khi gia công như lỗ sâu thể làm tăng đáng kể hiệu quả gia công và

và bề mặt lớn [1]. Nhiều phương pháp đã được giảm độ phức tạp của hệ thống được chứng

đề xuất, nhằm nâng cao hiệu quả gia công của minh thêm bởi Gao và Liu [24]. Sử dụng EDM

quy trình EDM. Hầu hết các phương pháp hỗ trợ dao động siêu âm, Huang et al. [25] đã

được trình bày tập trung vào việc cải thiện hiệu mô tả hiệu ứng của độ dao động siêu âm khi

suất quá trình rữa phoi và phương pháp hỗ trợ gia công các lỗ vi mô trong Nitinol. Nghiên

dao động là một trong những phương pháp phổ cứu của họ cho thấy rằng dao động có thể cải

biến nhất. Phương pháp này đã được áp dụng thiện hiệu quả gia công mà còn tăng khả năng

cho cả EDM và WEDM và cả cho điện cực và chóng mòn công cụ tốt. Hơn nữa, kích thước

phôi gia công. Kết quả báo cáo của các nghiên điện cực, điện áp và biên độ dao động cũng

cứu trước đây cho thấy rằng khi ta đưa dao ảnh hưởng đến hiệu quả gia công. Dao động

động vào sản xuất thì hiệu suất gia công và cũng đã được sử dụng trong gia công khô để

chất lượng bề mặt gia công đã được cải thiện cải thiện hiệu quả gia công. Xu et al. [26] quan

đáng kể. Kremer et al. [21] đã nghiên cứu ảnh sát thấy rằng hiệu suất gia công được cải thiện

hưởng của độ dao động siêu âm lên đặc điểm do lực quán tính gây ra bởi dao động, làm tăng

tốc độ loại bỏ các vật liệu bị tan chảy. Nghiên tăng điện áp mở, thời gian xung và biên độ dao

cứu EDM dao động siêu âm, Zhang et al. thấy động, hoặc bằng cách giảm độ dày thành ống

rằng MRR có thể được cải thiện bằng cách của điện cực ống [23], [27, 28].

2. THIẾT KẾ MÔ HÌNH DAO ĐỘNG

Thiết kế bao gồm 9 phần cơ bản như hình

dưới đây.

ANSYS. Mô hình phần tử hữu hạn của cơ

chế được phân tích để có được các biến dạng

và phân bố ứng suất. Để mô phỏng độ cứng,

các điều kiện biên được thể hiện trong

Hình.2.

Hình.2. Các điều kiện biên được thiết lập

trong ANSYS

Hình.1. Cấu hình của hệ thống.

1. PZT

2. FLEXURE HINGES

3. RING

4. SCR M2X0.4X 4MM

5. TOOL

Hình.3. Tính toán độ cứng của cơ chế uốn

bằng cách sử dụng ANSYS

6. SCR M4X0.7X8MM

7. HEAD

Dưới tải trọng tối đa 300N, biến dạng cực

đại là 0,06187 mm, như trong Hình.3. Độ

cứng mô phỏng được tính như 4848 N/μm.

8. COVER

9. SCR M2X0.4X16MM

Biến dạng phân tích tĩnh của toàn bộ cơ

cấu được tính toán và nghiên cứu bởi

Áp lực tương đương tối đa là 95,451

MPa, như trong Hình.4. thấp hơn rất

nhiều so với cường độ năng suất 275

MPa. Do đó, cơ chế uốn vẫn an toàn và

đáng tin cậy. Flexure Hings đã được lựa

chọn rộng rãi do các ứng dụng lớn trong

chuyển động phù hợp đòi hỏi chuyển

động.chính.xác.cao

Hình.4. Ứng suất do ANSYS ước tính

Dòng DC cho chân 3. 3V: 50mA

SRAM: 8KB

3. VI ĐIỀU KHIỂN ATMEGA 2560

Đây được coi là phần quan trọng của hệ

thống, trong hệ thống chúng tôi sử dụng

board arduino mega. Vi điều khiển Atmega

2560 sẽ điều chỉnh mọi hoạt động của hệ

thống bao gồm kích hoạt thời gian thực, ghi

nhận dữ liệu từ bàn phím, đưa kế quả đã

nhận ra màn Hình, điều khiển các động cơ.

Xung nhịp:16MHx

Cổng USB: đây là cổng giao tiếp để ta

upload code từ PC lên vi điều khiển. Đồng

thời nó cũng là giao tiếp serial nối tiếp để

truyền dữ liệu giữa vi điều khiển và máy tính

. Jack nguồn: Sử dụng nguồn từ 9-12V, vì

qua jack đã có IC 7805 chuyển dòng. Có 14

chân vào/ra đánh số từ 0 đến 13, ngoài ra có

các chân nối đất (GND), chân điện áp tham

chiếu (AREF).

Vi điều khiển AVR: đây là bộ xử lý trung

tâm của toàn bo mạch, mỗi mẫu Arduino

khác nhau thì con chip khác nhau, ở đây

Arduino sử dụng chip điều khiển

ATMega328

Hình.5. Arduino Mega2560

Thông số kỹ thuật:

Điện áp hoạt động: 5V

CHƯƠNG TRÌNH TẠO XUNG 500 HZ

Điện áp vào: 7-12V

// khai bao chan PWM DUTY 50%

Điện áp vào: 6-20V

Chân số (Digital I/O): 54 chân trong đó

có 15 chân ra PWM

#define PIN_PWM 13

void setup()

{

Chân tương tự (Analog): 16

Dòng DC cho ngõ vào/ra: 40mA

// put your setup code here, to run once:

pinMode(PIN_PWM,OUTPUT);

tone(PIN_PWM,500);

}

void loop() {

// put your main code here, to run

repeatedly:

}

khi ta sử dụng dao động thì độ nhám giảm

hơn đường màu cam (màu cam là khi chưa

dùng dao động) tuy chưa có sự cải thiện

vượt trội nhưng cũng là một sự tiến triển tốt

trong quá trình gia công, nếu tao đưa vào nó

tần số cao hơn tinh chắc rằng ta sẽ thu được

kết quả cao hơn. Bên cạnh đó nó cũng làm

tăng săng suất trong quá trình gia công như

biểu đồ bên dưới. Đây là điều mà đồ án của

tôi đã thể hiện được.

4. KẾT LUẬN

Khi dùng dao động trong quá trình gia

công, nó giúp ngăn chặn quá trình làm ngắn

mạch khi quá trình rữa phoi không thật sự

tốt, khi ta kiểm soát được quá trình ngăn

mạch tức là chất lượng sản phảm, dưới đây

là biểu đồ so sánh độ nhám khi chua áp dụng

và khi áp dung vào sản xuất.

Hình.6. So sánh độ nhám lúc đầu và khi

ứng dụng PZT

Hình.7. So sánh thời gian lúc đầu và khi

ứng dụng PZT

Nhìn vào biểu đồ ta thấy chất lượng sản

phảm đã được nâng cao, đường màu xanh là

REFERENCES

[1] J. van der Geer, J.A.J. Hanraads, R.A. Lupton, The art of writing a scientific article, J.

Sci. Commun. 163 (2000) 51-59.Reference to a book:

[2] W. Strunk Jr., E.B. White, The Elements of Style, third ed., Macmillan, New York, 1979.

Reference to a chapter in an edited book:

[3] G.R. Mettam, L.B. Adams, How to prepare an electronic version of your article, in: B.S.

Jones, R.Z. Smith (Eds.), Introduction to the Electronic Age, E-Publishing Inc., New York,

1999, pp. 281-304.

[4] R.J. Ong, J.T. Dawley and P.G. Clem: submitted to Journal of Materials Research (2003)

[5] P.G. Clem, M. Rodriguez, J.A. Voigt and C.S. Ashley, U.S. Patent 6,231,666. (2001)

[6] Information on http://www.weld.labs.gov.cn

[7] M. Fujiki, G. Y. Kim, J. Ni and A. J. Shih, "Gap control for near-dry EDM milling with lead

angle," International Journal of Machine Tools and Manufacture, vol. 51, pp. 77-83, 2011.

[8] F. Han, S. Wachi and M. Kunieda, "Improvement of machining characteristics of micro-EDM

using transistor type isopulse generator and servo feed control," Precision Engineering, vol.

28, pp. 378-385, 2004.

[9] S. H. Yeo, E. Aligiri, P. C. Tan and H. Zarepour, "A new pulse discriminating system for

micro-EDM," Materials and Manufacturing Processes, vol. 24, pp. 1297-1305, 2009.

[10] M. T. Yan and H. T. Chien, "Monitoring and control of the micro wire-EDM process,"

International Journal of Machine Tools and Manufacture, vol. 47, no. 1, pp. 148-157,

2007.

[11] T. P. Tee, R. Hosseinnezhad, M. Brandt and J. Mo, "Pulse discrimination for electrical

discharge machining with rotating electrode," Machining Science and Technology: An

International Journal, vol. 17, no. 2, pp. 292-311, 2013.

[12] Y. S. Tarng, C. M. Tseng and L. K. Chung, "A fuzzy pulse discriminating system for

electrical discharge machining," International Journal of Machine Tools & Manufacture,

vol. 37, no. 4, pp. 511-522, 1997.

[13] D. F. Dauw, R. Snoeys and W. Dekeyser, "Advanced Pulse Discriminating System for

EDM Process Analysis and Control," CIRP Annals - Manufacturing Technology, vol. 32,

no. 2, pp. 541-549, 1983.

[14] C. J. Heuvelman, "Some aspects of the research on electro-erosion machining," Annals of

the CIRP, vol. 17, pp. 195-199, 1969.

[15] P. M. Lonardo and A. A. Bruzzone, "Effect of flushing and electrode material on die

sinking EDM," CIRP Annals - Manufacturing Technology, vol. 48, pp. 123-126, 1999.

[16] T. Masuzawa and C. J. Heuvelman, "A self-flushing method with spark-erosion

machining," CIRP Annals - Manufacturing Technology, vol. 32, pp. 109-111, 1983.

[17] H. E. De Bruijn, T. H. Delft and A. J. Pekelaring, "Effect of a magnetic field on the gap

cleaning in EDM," CIRP Annals - Manufacturing Technology, vol. 27, pp. 93-95, 1978.

[18] B. H. Yan and C. C. Wang, "The machining characteristics of Al2O3/6061Al composite

using rotary electro-discharge machining with a tube electrode," Journal of Materials

Processing Technology, vol. 95, pp. 222-231, 1999.

[19] M. Kunieda and T. Masuzawa, "A fundamental study on a horizontal EDM," CIRP Annals

- Manufacturing Technology, vol. 37, pp. 187-190, 1988.

[20] B. H. Yan, F. Y. Huang, H. M. Chow and J. Y. Tsai, "Micro-hole machining of carbide by

electric discharge machining," Journal of Materials Processing Technology, vol. 87, pp.

139-145, 1999.

[21] D. Kremer, J. L. Lebrun, B. Hosari and A. Moisan, "Effects of ultrasonic vibrations on the

performances in EDM," Annals of the CIRP, vol. 38, pp. 199-202, 1989.

[22] Z. Wansheng, W. Zhenlong, D. Shichun, C. Guanxin and W. Hongyu, "Ultrasonic and

electric discharge machining to deep and small hole on titanium alloy," Journal of

Materials Processing Technology, vol. 120, pp. 101-106, 2002.

Tác giả chịu trách nhiệm bài viết:

Họ tên: ĐÀO PHƯỚC LỘC

Đơn vị: Trường đại học Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM

Điện thoại: 0169 6739518

Email: [email protected]m

BÀI BÁO KHOA HỌC

THỰC HIỆN CÔNG BỐ THEO QUY CHẾ ĐÀO TẠO THẠC SỸ

Bài báo khoa học của học viên

có xác nhận và đề xuất cho đăng của Giảng viên hướng dẫn

Bản quyền tác phẩm đã được bảo hộ bởi Luật xuất bản và Luật Sở hữu trí tuệ Việt Nam.

Nghiêm cấm mọi hình thức xuất bản, sao chụp, phát tán nội dung khi chưa có sự đồng ý

của tác giả và Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP. Hồ Chí Minh.

ĐỂ CÓ BÀI BÁO KHOA HỌC TỐT, CẦN CHUNG TAY BẢO VỆ TÁC QUYỀN!

Thực hiện theo MTCL & KHTHMTCL Năm học 2018-2019 của Thư viện Trường Đại học

Sư phạm Kỹ thuật Tp. Hồ Chí Minh.