---NGUYỄN MẠNH LINH ĐÁNH GIÁ CHẤT LƯỢNG BỀ MẶT THÉP SKD61 KHI GIA CÔNG BẰNG PHƯƠNG PHÁP GIA CÔNG TIA LỬA ĐIỆN VỚI ĐIỆN CỰC ĐỒNG VÀ DUNG MÔI DẦU Chuyên ngành: CÔNG NGHỆ CHẾ TẠO MÁY LUẬN V
Trang 1-NGUYỄN MẠNH LINH
ĐÁNH GIÁ CHẤT LƯỢNG BỀ MẶT THÉP SKD61 KHI GIA CÔNG BẰNG PHƯƠNG PHÁP GIA CÔNG TIA LỬA ĐIỆN VỚI ĐIỆN CỰC
ĐỒNG VÀ DUNG MÔI DẦU
Chuyên ngành: CÔNG NGHỆ CHẾ TẠO MÁY
LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT
THÁI NGUYÊN – 2013
Trang 2Người hướng dẫn khoa học: PGS TS NGUYỄN ĐÌNH MÃN
Phản biện 1: ……….
………
Phản biện 2: ……….
………
Luận văn sẽ được bảo vệ trước Hội đồng chấm luận văn họp tại: ……… Vào hồi:……….giờ…… ngày…….tháng……năm 20….
Có thể tìm hiểu luận văn tại Trung tâm học liệu Đại học Thái Nguyên
và Thư viện Trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp
Trang 3MỞ ĐẦU
1. Tính cấp thiết của đề tài
Gia công bằng tia lửa điện (viết tắt là EDM - Electrical DischargeMachining) là một trong các phương pháp gia công tiên tiến được sử dụng khá rộngrãi Phương pháp này có thể gia công được những chi tiết có hình dáng hình họcphức tạp, được làm từ những vật liệu có độ cứng, độ mài mòn cao mà việc gia côngchúng bằng các phương pháp gia công truyền thống như tiện, phay, mài…là vôcùng khó khăn, đôi khi không thể gia công được Phương pháp này thường đượcdùng để gia công các chi tiết có độ dày lớn, có hình dáng 3D phức tạp như khuôn mẫudụng cụ, khuôn đột, khuôn đùn ép kim loại, các loại cối định hình, hay gia công các lỗnhỏ và sâu, các lỗ, rãnh có thành rất mỏng v.v Phương pháp này đặc biệt hiệu quả khi giacông vật liệu cứng, khó gia công (thép khổng rỉ, thép đã tôi…) và cho độ chính xác cao
Thép SKD61 là loại thép hợp kim dụng cụ hiện được sử dụng rất phổ biến.Một số chi tiết của khuôn dập, khuôn ép, cối dập thuốc…sử dụng thép SKD61 đãtôi cứng Sau khi nhiệt luyện thép SKD61 có thể đạt độ cứng 60-64 HRC, do đóviệc gia công bằng các phương pháp gia công truyền thống đòi hỏi chi phí lớn, năngsuất và chất lượng không cao Vì vậy việc chế tạo khuôn mẫu bằng phương phápgia công bằng tia lửa điện đang được sử dụng rộng rãi
Chất lượng bề mặt sau khi gia công bằng phương pháp gia công tia lửa điệnphụ thuộc vào nhiều yếu tố, như các thông số công nghệ, vật liệu gia công, vật liệuđiện cực, dung môi…
Việc chế tạo khuôn mẫu bằng phương pháp gia công tia lửa điện đang đượccác nhà máy cơ khí sử dụng rộng rãi, nhưng chưa có nhiều nghiên cứu, đánh giá vềchất lượng bề mặt khuôn sau khi gia công
Xuất phát từ đặc điểm và tình hình trên, tác giả chọn đề tài:
“Đánh giá chất lượng bề mặt thép SKD61 khi gia công bằng phương pháp gia công tia lửa điện với dung môi dầu và điện cực đồng”
Trang 42 Mục đích, đối tượng và phương pháp nghiên cứu
2.1 Mục đích của đề tài
Đánh giá chất lượng bề mặt thép SKD61 khi gia công bằng phương pháp giacông tia lửa điện với dung môi dầu và điện cực đồng
2.2 Đối tượng nghiên cứu
Đối tượng nghiên cứu của đề tài là chất lượng bề mặt gia công (độ nhám bềmặt, cấu trúc và độ cứng lớp bề mặt, thành phần hóa học và tổ chức pha lớp bề mặt)của thép SKD61 sau khi gia công bằng phương pháp gia công tia lửa điện với môitrường gia công là dầu và điện cực đồng
2.3 Phương pháp nghiên cứu
Nghiên cứu lý thuyết kết hợp với thực nghiệm
3 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn
3.1 Ý nghĩa khoa học
- Bằng phương pháp nghiên cứu lý thuyết kết hợp với thực nghiệm, đề tài sẽlàm cơ sở cho việc nghiên cứu các khía cạnh khác của quá trình gia công bằng tialửa điện
- Các phương pháp nâng cao chất lượng bề mặt chi tiết gia công hiện nay vẫnđược các nhà khoa học trong và ngoài nước quan tâm nghiên cứu Đề tài sẽ đónggóp một số kết quả của việc nâng cao chất lượng bề mặt chi tiết gia công bằngphương pháp gia công tia lửa điện
3.2 Ý nghĩa thực tiễn
Kết quả nghiên cứu có thể ứng dụng khi gia công các khuôn dập, khuôn ép,cối dập thuốc,…
4 Nội dung luận văn
Nội dung nghiên cứu của luận văn bao gồm:
- Nghiên cứu tổng quan về phương pháp gia công tia lửa điện
- Nghiên cứu thực nghiệm đánh giá chất lượng bề mặt thép SKD61 saukhi gia công bằng phương pháp gia công tia lửa điện với điện cực đồng và dungmôi dầu Trên cơ sở đó kiến nghị với nhà sản xuất cò mổ động cơ RV125 đượcchế tạo từ thép SKD61 nhằm nâng cao chất lượng bề mặt khuôn
Trang 5CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ GIA CÔNG TIA LỬA ĐIỆN1.1 Đặc điểm của phương pháp gia công tia lửa điện
Gia công tia lửa điện là phương pháp gia công bằng cách phóng điện ăn mòn trên cơ sở tác dụng nhiệt của xung điện được tạo ra do sự phóng điện giữa hai điện cực
1.1.1 Các đặc điểm chính của phương pháp gia công tia lửa điện
- Điện cực (đóng vai trò là dụng cụ cắt): Có độ cứng thấp hơn nhiều so vớivật liệu phôi Vật liệu phôi thường là những vật liệu cứng và đã qua nhiệt luyện nhưthép đã tôi, các hợp kim cứng Vật liệu điện cực thường là đồng, grafit…
- Vật liệu dụng cụ cắt và vật liệu phôi đều phải có tính dẫn điện tốt
- Môi trường gia công: Khi gia công phải sử dụng một chất lỏng điện môi làmmôi trường gia công Đây là dung dịch không dẫn điện ở điều kiện làm việc bình thường
1.1.2 Khả năng công nghệ của phương pháp gia công tia lửa điện
Phương pháp gia công tia lửa điện có thể tạo được các mặt định hình làđường thẳng, đường cong, các rãnh định hình, các bề mặt có profin phức tạp,… với độbóng tương đối cao (Ra = 1,6 0,8 μm) và độ chính xác cao (IT5).m) và độ chính xác cao (IT5)
1.2 Các phương pháp gia công tia lửa điện
1.2.1 Phương pháp gia công xung định hình
1.2.2 Phương pháp gia công cắt dây bằng tia lửa điện
1.3 Cơ sở của phương pháp gia công tia lửa điện
Trang 6Thực chất của phương pháp gia công tia lửa điện là sự tách vật liệu ra khỏi bềmặt phôi nhờ tia lửa điện Sơ đồ nguyên lý gia công bằng tia lửa điện được mô tảnhư hình 1.1
1.4 Các hiện tượng xấu khi gia công tia lửa điện
- Hồ quang
- Ngắn mạch, sụt áp
- Xung mạch hở, không có dòng điện
- Sự quá nhiệt của chất điện môi
Trang 7CHƯƠNG 2 MÁY XUNG ĐỊNH HÌNH VÀ CÁC THÔNG SỐ CÔNG NGHỆ TRONG QUÁ
TRÌNH GIA CÔNG 2.1 Sơ bộ về máy xung định hình
Hình 2.1 Mô hình máy xung định hình
- NC-controller generator: Bộ điều khiển số
- Servo drive: Bộ điều khiển động cơ servo
- Machine head: Trục chính của máy (thường dùng để gắn dụng cụ) Nó đóngvai trò là trục Z
- Dielectric tank: Thùng chứa dung dịch điện ly (ngập các điện cực)
- Workpiece: Phôi – chi tiết cần gia công
- Electrode: Dụng cụ
- Dielectric unit: Hệ thống thùng và bơm dung dịch điện ly lên thùng chứa
- Machine table: Bàn máy có thể di chuyển theo 2 phương X, Y
- Gap: khe hở phóng điện Khe hở này cần phải được đảm bảo không đổitrong suốt quá trình phóng tia lửa điện
- Dielectric: Dung dịch điện ly
- Pulse generator: Nguồn cung cấp điện áp công suất một chiều dạng xung
Trang 82.2 Ưu, nhược điểm của phương pháp gia công xung định hình
2.2.1 Ưu điểm
Một trong những điểm đặc biệt nhất của quá trình gia công bằng tia lửa điện
là không có lực cắt trong quá trình gia công Không có lực cắt đồng nghĩa với việctính toán đồ gá, bàn máy sẽ đơn giản hơn rất nhiều, công suất của động cơ điềukhiển các trục cũng sẽ không cần lớn như trước Đó cũng là lý do vì sao các hãngchế tạo máy xung đẩy mạnh nghiên cứu gia công máy phay, máy khoan tia lửa điệnbởi nếu thành công, họ sẽ có thể chế tạo được các chi tiết phức tạp không thua gìcác phương pháp gia công truyền thống mà công suất có thể thấp hơn nhiều
Chất lượng chi tiết gia công tốt, độ chính xác kích thước và độ nhám bề mặtkhông thua kém gì các phương pháp gia công truyền thống
2.2.2 Nhược điểm
Không gia công được những chi tiết phức tạp Rõ ràng nơi phôi bị ăn mòn,hình dáng chi tiết sẽ có hình dáng giống như điện cực Vì vậy, nếu cần phải giacông những chi tiết phức tạp, việc thiết kế điện cực sẽ trở nên khó khăn hơn rấtnhiều lần
Tốc độ gia công chậm Sau mỗi xung, bề dày lượng kim loại bị ăn mòn chỉkhoảng vài µm và chỉ giới hạn trong một diện tích nhỏ Tốc độ gia công chậm đồngnghĩa với năng suất chế tạo thấp
2.3 Chất lượng bề mặt khi gia công xung định hình
2.3.1 Về độ nhám bề mặt:
Trang 10CHƯƠNG 3 THỰC NGHIỆM ĐÁNH GIÁ CHẤT LƯỢNG BỀ MẶT THÉP SKD61
3.2 Mô tả hệ thống thí nghiệm
3.2.1 Sơ đồ thí nghiệm
Sơ đồ thực hiện thí nghiệm thể hiện trên hình 3.1 Dụng cụ gia công (điệncực) và Phôi đều được ngâm trong dung dịch điện môi Quá trình phân cực khi giacông là phân cực thuận (điện cực phân cực âm(-) – phôi phân cực dương(+) )
Hình 3.1 Sơ đồ thí nghiệm
Trang 113.2.2 Máy thí nghiệm
- Máy làm thí nghiệm: Máy xung CNC-EA600L của Hãng JSEDM-JIANN
MECHINERY & ELECTRIC INDUSTRIAL CO.LTD-TAIWAN là máy xung điệncông nghiệp hiện đang được sử dụng ở Công ty TNHH Nhà nước một thành viên DieselSông Công Thái Nguyên
3.2.3 Vật liệu thí nghiệm
Thép làm khuôn chịu nhiệt SKD61 nhiệt luyện đạt độ cứng (4852)HRC
Bảng 3.2 Thành phần hóa học theo % trọng lượng của thép SKD61
Trang 123.2.5 Dung dịch điện môi
Dung dịch điện môi là dầu cách điện UNITRANS OIL của hãng ELECTROL.
3.2.6 Các thông số công nghệ gia công
Các thông số công nghệ gia công sử dụng không đổi trong suốt quá trình làmthí nghiệm được cho như ở bảng 3.6
Bảng 3.6 Các thông số công nghệ gia côngCường độ dòng điện xung 4,5A
Thời gian xung 150s
Thời gian ngừng xung 2s
Dung dịch điện môi Dầu biến thế (ELEC CTROL)
Phân cực Thuận: Điện cực (-), Phôi (+)
Thời gian gia công 1h35’52”
Điện áp khe hở 45V
3.2.7 Quy trình thí nghiệm
- Rèn phôi
Trang 13- Ủ để khử ứng suất rèn, cho độ cứng đồng đều.
- Phay đạt kích thước mẫu
- Phay vành biên để thoát kim loại thừa
3.2.8 Thiết bị đo kiểm kết quả thí nghiệm
1 Máy đo nhấp nhô bề mặt gia công
máy đo biên dạng kiểu đầu dò tiếp xúc SJ-400 (Hãng MITUTOYO –JAPAN)
2 Máy kiểm tra độ cứng tế vi
máy đo độ cứng tế vi Indenta Met 1106 (Hãng BUEHLER - USA
3 Máy phân tích các pha (X-ray)
máy nhiễu xạ tia X Siemens D5000( CHLB Đức )
4 Máy chụp hình thái bề mặt (SEM)
kính hiển vi điện tử quét Jeol 6490 JED2300 (Hãng JEOL - JAPAN)
5 Máy quan sát cấu trúc mặt cắt ngang lớp bề mặt
máy hiển vi quang học Axiovert 40MAT (Hãng CARL ZEISS GERMAN)
-6 Máy phân tích thành phần hóa học bề mặt (EDX)
máy quang phổ phát xạ PDA-7000 (Thụy Sỹ )
3.3 Kết quả thí nghiệm và thảo luận
3.3.1 Hình dáng bề mặt khuôn
Trang 14Sau gia công kết quả nhận được hình dạng và kích thước bề mặt khuôn đạtyêu cầu (hình 3.6).
Hình 3.6 Hình ảnh nửa khuôn dưới dập cò mổ động cơ RV125
3.3.2 Topography bề mặt gia công
a Nhấp nhô và profin của bề mặt khuôn
- Để đánh giá được tổng quát nhất nhấp nhô trên toàn bộ bề mặt khuôn, tácgiả chọn 3 vị trí tiêu biểu, đại diện cho các bậc trên bề mặt khuôn như hình 3.7
Kết quả cho thấy:
+ Trị số nhấp nhô tại các vị trí có chiều sâu khác nhau trên bề mặt khuôn xấp
xỉ bằng nhau Rz = (21,83÷ 32,37)μm) và độ chính xác cao (IT5).m tương đương độ nhẵn cấp 4
+ Kết quả cho thấy bề mặt có độ nhẵn rất thấp, do đó trước khi sử dụng cầnthiết phải có các nguyên công gia công tinh tiếp theo
Trang 15Hình 3.7 Vị trí kiểm tra trên mẫu
b Ảnh SEM bề mặt gia công
Để nghiên cứu hình dạng bề mặt gia công ta chụp ảnh SEM cho 3 mẫu, mỗimẫu chụp ở 2 vị trí khác nhau (hình 3.8) với độ phóng 100x, 1000x
Trang 18kết quả cho thấy hình dạng bề mặt tại các vị trí khác nhau có đặc điểm tương
tự nhau Kết quả chỉ ra rằng:
- Bề mặt sau gia công là tập hợp các vết lõm và nhiều hạt hình cầu bám dínhtrên bề mặt Đây là 2 yếu tố tạo ra độ nhẵn bề mặt gia công thấp
- Đường kính, chiều sâu và sự phân tán của các vết lõm bất kỳ Nguyên nhân
do tia lửa điện được tạo ra trong quá trình xung là không liên tục và năng lượng củacác tia không đều
- Trong quá trình xung một phần vật liệu của điện cực, phôi bị nóng chảy vàbay hơi Đồng thời bị dung dịch điện môi làm nguội nhanh và tạo ra sức căng mặtngoài nên hình thành các hạt hình cầu Và các hạt này không được dung dịch môicuốn đi mà lại bám dính trên bề mặt gia công
- Miệng các vết lõm đều được vê với bán kính cong là do khi tia lửa điện làmvật liệu nóng chảy, bay hơi cùng lúc đó bị dung dịch điện môi tác dụng đồng thờivừa làm nguội nhanh và vừa gây ra sức căng bề mặt ngoài
- Trên bề mặt gia công xuất hiện nhiều vết nứt tế vi với mật độ lớn Đây làdạng khuyết tật có ảnh hưởng không tốt đến độ bền mòn và độ bền mỏi của khuôn.Nguyên nhân xuất hiện các vết tế vi nứt là do khi gia công các tia lửa điện tác độnglàm lớp bề mặt phôi bị nung nóng đến nhiệt độ rất cao và được làm nguội với tốc độrất nhanh bởi dung dịch điện môi
3.3.3 Tổ chức tế vi của lớp bề mặt gia công
Vị trí phân tích TCTV thấp
Vị trí phân tích TCTV cao
Trang 19b Kết quả phân tích
Để phân tích tổ chức và đặc điểm của lớp bề mặt gia công ta sử dụng ảnhSEM (200x và 500x) và xác định chiều sâu, độ cứng của các lớp biến đổi do quátrình xung gây ra Kết quả như sau:
Hình 3.22 Ảnh tổ chức tế vi của mẫu 1 cao, a) 200X; b b) 500X
Trang 20Hình 3.25 Ảnh tổ chức tế vi của mẫu 2 thấp, a) 200X; b) 500X
b
a
Trang 21Bảng 3.8 Chiều dày lớp biến trắng và lớp chuyển tiếp, µm
Mẫu Lớp biến trắng Lớp chuyển tiếp
Lần đo 1 Lần đo 2 Lần đo 3 Lần đo 1 Lần đo 2 Lần đo 3
L 1 Cao 24,06 24,72 12,03 13,33 8,67 11,12Thấp 8,67 11,65 21,79 12,29 11,14 9,23
L 2 Cao 15,78 11,39 16,30 7,11 10,87 11,12Thấp 6,09 8,93 18,5 10,87 9,05 9,57
L 3 Cao 10,54 11,55 21,11 8,46 6,21 8,68Thấp 12,04 16,04 10,99 10,11 12,68 13,84
Bảng 3.9 Sự thay đổi độ cứng (HV) lớp bề mặt theo chiều sâu
Trang 22537,4 (11 µm)
470,7 (15 µm)
396,6 (11 µm)
453,4 (14 µm)
µm)
627,1 (40µm)
359,5 (28µm)
690,2 (40µm)
411,8 (33µm)
627,1 (65µm)
Kết quả cho thấy:
Cấu trúc mặt cắt ngang của bề mặt thép SKD61 gia công bằng tia lửa điệngồm 3 lớp: Lớp biến trắng, lớp trung gian và lớp nền
- Lớp biến trắng:
+ Chiều dày của lớp này tại các vị trí khác nhau trên mẫu xấp xỉ tương đươngnhau
+ Lớp này nằm ở ngoài cùng, màu sáng, có chiều dày khá lớn và phân biệt
rõ nét nhất với các lớp còn lại Lớp biến trắng được hình thành từ vật liệu điệncực và phôi bị nóng chảy, bay hơi nhưng không bị dung dịch điện môi cuốn đi
mà lại được làm nguội với tốc độ cao
+ Ở lớp biến trắng xuất hiện các vết nứt tế vi phân bố khá nhiều trên bề mặt và
có chiều sâu xấp xỉ bằng độ dày lớp biến trắng
+ Độ cứng tế vi của lớp biến trắng HRC = (32,846,1) thấp hơn độ cứng củacác lớp còn lại
+ Đây là lớp có cấu trúc tế vi và đặc điểm cơ tính không có lợi cho quá trìnhlàm việc của khuôn dập nóng
- Lớp trung gian:
Trang 23+ Nằm bên dưới lớp biến trắng, lớp trung gian khó quan sát một cách rõdàng, có chiều dày xấp xỉ bằng nhau tại các vị trí gia công khác nhau và nhỏ hơnlớp biến trắng Lớp này hình thành là do năng lượng nhiệt của các tia lửa điện làmcho vật liệu phôi vùng tiếp giáp với lớp biến trắng bị nóng chảy và vùng bên dướithì bị chuyển biến pha Như vậy, thực chất lớp trung gian tồn tại ở dạng hai lớp:Lớp bị nung đến trạng thái nóng chảy gọi là lớp đúc lại, lớp bị nung đến trạng tháichuyển biến pha gọi là lớp bị nhiệt luyện
+ Vết nứt tế vi xuất hiện rất ít, chiều sâu nhỏ trên lớp trung gian và chúngkhông tồn tại theo phương song song với bề mặt gia công
+ Độ cứng tế vi của lớp trung gian rất cao HRC = (57,663,3), cao hơnnhiều so với lớp biến trắng và lớp nền (4852HRC)
+ Đây là lớp có ảnh hưởng tốt đến khả năng làm việc của vật liệu làm khuôn
- Các lớp được khảo sát cho thấy có độ cứng tế vi thay đổi với quy luậtgiống nhau (Bảng 3.9)
3.3.4 Thành phần hóa học và tổ chức pha của lớp bề mặt gia công
Kết quả cho thấy:
- Thành phần các nguyên tố trên lớp bề mặt của thép SKD61 sau gia công bằngtia lửa điện với điện cực bằng đồng trong dung dịch điện môi dầu đã bị thay đổi rất đángkể: Xuất hiện của nguyên tố Cu (0,32%) và %C tăng lên rất lớn (8.84% 15.18%)
- %C tăng lên trên lớp bề mặt là do dầu biến thế đã bị phân tích dưới tácđộng của tia lửa điện tạo ra các bon và xâm nhập vào bề mặt phôi
- Sự có mặt của nguyên tố Cu trên bề mặt gia công là do vật liệu điện cực(Cu) trong quá trình xung đã bị tác động nhiệt của tia lửa điện làm nóng chảy vàbay hơi xâm nhập vào lớp bề mặt gia công
3.4 Quy trình công nghệ gia công khuôn dập cò mổ động cơ RV125 thực tế tại Công ty Diesel Sông Công Thái Nguyên
Ngoài quy trình gia công như quy trình thí nghiệm trên, sau khi xung, khuônđược kiểm tra hình dáng hình học, sau đó đánh bóng lớp bề mặt với lượng dư
