Mô hình hóa và tối ưu hóa độ nhám bề mặt trong gia công tia lửa điện có hỗ trợ rung siêu âm đối với thép Hardox 500 bằng phương pháp RSM và GPR
Abstract
This study investigates the surface roughness behavior in ultrasonic vibration-assisted electrical discharge machining (UV-EDM) of Hardox 500 steel, a material known for its high hardness and wear resistance. A Box–Behnken experimental design was employed with five input parameters: vibration amplitude (A), pulse-on time (Ton), pulse-off time (Toff), discharge current (IP), and servo voltage (SV). The experimental data were first modeled using a response surface methodology (RSM) quadratic regression, which provided acceptable predictive capability (R² = 0.867). To enhance prediction accuracy, Gaussian process regression (GPR) models with different kernel–basis function combinations were evaluated. Among them, the Matern 3/2 kernel with a pure quadratic basis achieved the best performance (R² = 0.994, Adjusted R² = 0.993), significantly outperforming RSM. Optimization using the best GPR model identified the optimal process conditions (A = 3.22 µm, Ton = 8 µs, Toff = 12.20 µs, IP = 7.10 A, SV = 5.02 V), yielding a predicted minimum surface roughness of 2.56 µm. The findings demonstrate that GPR provides superior modeling accuracy over RSM, offering a reliable tool for surface quality improvement in UV-EDM of difficult-to-machine steels.
Tóm tắt
Nghiên cứu này khảo sát đặc tính nhám bề mặt trong quá trình gia công tia lửa điện có trợ giúp rung siêu âm (UV-EDM) đối với thép Hardox 500 - một vật liệu có độ cứng cao và khả năng chống mài mòn tốt. Thiết kế thí nghiệm Box–Behnken áp dụng với năm thông số đầu vào: biên độ rung (A), thời gian phát xung (Ton), thời gian ngắt xung (Toff), dòng điện xung (IP), và điện áp servo (SV). Dữ liệu thực nghiệm ban đầu được mô hình hóa bằng hồi quy bậc hai theo phương pháp bề mặt đáp ứng (RSM), cho khả năng dự đoán chấp nhận được (R² = 0.867). Để nâng cao độ chính xác, các mô hình hồi quy quá trình Gaussian (GPR) với nhiều tổ hợp hàm hạt nhân – hàm cơ sở khác nhau đã được đánh giá. Trong đó, mô hình sử dụng hạt nhân Matern 3/2 với cơ sở bậc hai thuần túy đạt hiệu năng tốt nhất (R² = 0.994, R² hiệu chỉnh = 0.993), vượt trội so với RSM. Tối ưu hóa bằng mô hình GPR tốt nhất xác định được bộ thông số công nghệ tối ưu (A = 3.22 µm, Ton = 8 µs, Toff = 12.20 µs, IP = 7.10 A, SV = 5.02 V), cho ra giá trị nhám bề mặt nhỏ nhất dự đoán là 2.56 µm. Các kết quả chỉ ra rằng GPR mang lại độ chính xác mô hình hóa vượt trội so với RSM, cung cấp một công cụ đáng tin cậy để cải thiện chất lượng bề mặt trong UV-EDM của các loại thép khó gia công.
Tài liệu tham khảo
[1] J. Lei, H. Shen, H. Wu, W. Pan, X. Wu, and C. Zhao, "Ultrasonic vibration-assisted electrical discharge machining of enclosed microgrooves with laminated electrodes," Journal of Materials Research and Technology, vol. 30, pp. 9521-9530, 2024.
[2] J. Han, X. Gao, Y. Zhou, Z. Li, M. Gao, and Q. Zhang, "Machining characteristics in ultrasonic vibration-assisted powder-mixed electrical discharge machining of TiN ceramics," Ceramics International, vol. 50, no. 8, pp. 13478-13489, 2024.
[3] P. Wang et al., "Debris motion and taper suppression in EDM deep hole machining assisted by longitudinal/torsional ultrasonic vibration," Journal of Manufacturing Processes, vol. 133, pp. 798-810, 2025.
[4] M. Choubey, K. Maity, and A. Sharma, "Finite element modeling of material removal rate in micro-EDM process with and without ultrasonic vibration," Grey Systems: Theory and Application, vol. 10, no. 3, pp. 311-319, 2020.
[5] S. Hou and J. Bai, "A novel ultrasonic vibration-assisted micro-EDM method to improve debris removal performance using relative three-dimensional ultrasonic vibration (RTDUV)," The International Journal of Advanced Manufacturing Technology, vol. 127, no. 11-12, pp. 5711-5727, 2023.
[6] P. Zhang et al., "Investigating mechanisms of debris removal in ultrasonic vibration-assisted EDM drilling," International Journal of Mechanical Sciences, vol. 279, p. 109486, 2024.
[7] Z. Yin et al., "A novel EDM method using longitudinal-torsional ultrasonic vibration (LTV) electrodes to improve machining performance for micro-holes," Journal of Manufacturing Processes, vol. 102, pp. 231-243, 2023.
[8] W. Chenxue, T. Sasaki, and A. Hirao, "Observation of bubble behavior in EDM with ultrasonic vibration," Procedia CIRP, vol. 113, pp. 267-272, 2022.
[9] Z. Li, J. Tang, Y. Li, and J. Bai, "Investigation on surface integrity in novel micro-EDM with two-dimensional ultrasonic circular vibration (UCV) electrode. J Manuf Process 76: 828–840," ed, 2022.
[10] Z. Li, J. Tang, and J. Bai, "A novel micro-EDM method to improve microhole machining performances using ultrasonic circular vibration (UCV) electrode," International Journal of Mechanical Sciences, vol. 175, p. 105574, 2020
[11] A. Hirao, H. Gotoh, and T. Tani, "Some effects on EDM characteristics by assisted ultrasonic vibration of the tool electrode," Procedia Cirp, vol. 68, pp. 76-80, 2018.
[12] Y.-C. Lin, J.-C. Hung, H.-M. Chow, A.-C. Wang, and J.-T. Chen, "Machining characteristics of a hybrid process of EDM in gas combined with ultrasonic vibration and AJM," Procedia CIRP, vol. 42, pp. 167-172, 2016.
[13] Q. Xing, Z. Yao, and Q. Zhang, "Effects of processing parameters on processing performances of ultrasonic vibration-assisted micro-EDM," The International Journal of Advanced Manufacturing Technology, vol. 112, pp. 71-86, 2021.
[14] Y. Wang et al., "Analysis of material removal and surface generation mechanism of ultrasonic vibration–assisted EDM," The International Journal of Advanced Manufacturing Technology, vol. 110, pp. 177-189, 2020.
[15] M. R. Shabgard, A. Gholipoor, and M. Mohammadpourfard, "Numerical and experimental study of the effects of ultrasonic vibrations of tool on machining characteristics of EDM process," The International Journal of Advanced Manufacturing Technology, vol. 96, pp. 2657-2669, 2018.
[16] V.-T. Dinh, T.-Q. Le, D.-B. Vu, N.-P. Vu, and T.-L. Mai, "Ultrasonic EDM for External Cylindrical Surface Machining with Graphite Electrodes: Horn Design and Hybrid NSGA-II–AHP Optimization of MRR and Ra," Machines, vol. 13, no. 8, p. 675, 2025.
