NGHIÊN cứu ẢNH HƯỞNG của bột KIM LOẠI TUNGSTEN CARBIDE PHA TRONG DUNG môi dầu CÁCH điện đến độ NHẤP NHÔ bề mặt THÉP SKD61 TRONG QUÁ TRÌNH GIA CÔNG XUNG TIA lửa điện

NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA BỘT KIM LOẠI TUNGSTEN CARBIDE PHA TRONG DUNG MÔI DẦU CÁCH ĐIỆN ĐẾN ĐỘ NHẤP NHÔ BỀ MẶT THÉP SKD61 TRONG QUÁ TRÌNH GIA CÔNG XUNG TIA LỬA ĐIỆN RESEARCH ON THE MIXI

NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA BỘT KIM LOẠI TUNGSTEN CARBIDE PHA TRONG DUNG MÔI DẦU CÁCH ĐIỆN ĐẾN ĐỘ NHẤP NHÔ BỀ MẶT THÉP SKD61 TRONG QUÁ TRÌNH GIA CÔNG XUNG TIA LỬA ĐIỆN

RESEARCH ON THE MIXING TUNGSTEN CARBIDE POWDER IN THE OIL DIELECTRIC EFFECT ON THE SURFACE ROUGHNESS OF THE SKD61 STEEL

IN THE PROCESS OF ELECTRICAL DISCHARGE MACHINING

Lê Văn Tạo 1,2a , Bành Tiến Long 1b , Trần Xuân Thái 1c , Nguyễn Thị Hồng Minh 1d

1Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội

2Học viện Kỹ thuật quân sự

a taoitd@yahoo.com; b long.banhtien@hust.edu.vn

c thai.tranxuan@hust.edu.vn; d minh.nguyenthihong@hust.edu.vn

TÓM TẮT

Khi gia công khuôn hoặc các chi tiết định hình bằng phương pháp tia lửa điện người ta thường sử dụng điện cực là đồng, graphit với dung dịch điện môi là nước, dầu Một số nghiên cứu gần đây đã chỉ ra rằng bằng cách chọn bột hợp kim phù hợp trộn vào dung dịch điện môi thì có thể làm thay đổi tính chất bề mặt gia công so với phương pháp tia lửa điện thông thường Bài báo trình bày kết quả nghiên cứu ảnh hưởng của bột hợp kim tungsten carbide

pha trong dung môi dầu cách điện của quá trình gia công xung tia lửa điện tới độ nhấp nhô bề

mặt(Ra) chi tiết thép SKD61

Từ khóa: phương pháp tia lửa điện, phương pháp tia lửa điện pha bột hợp kim, sửa đổi

chất lượng bề mặt, bột tungsten carbide, nhấp nhô bề mặt

ABSTRACT

When processing the die mold or workpice shape by electrical discharge machining (EDM), copper and graphite electrodes with water and oil dielectric are frequently used Some studies have shown that choosing the mixing the dielectric fluid with an appropriate kind of metal powder can change surfaces of properties to electrical discharge machining.The article presents the result of research on the mixing tungsten carbide powder in the oil dielectric in the process electrical discharge maching to the surface roughness (Ra) of SKD61 steel

Keywords: electrical discharge machining, Powder mixed electric discharge machining, surface modification, tungsten carbide powder, surface roughness

1 GIỚI THIỆU

Gia công tia lửa điện có chứa hỗn hợp bột hợp kim trong dung môi cách điện PMEDM (Powder mixed electric discharge machining) là một trong những phương pháp gia công mới, với sự xuất hiện của bột hợp kim đã tăng cường khả năng công nghệ của quá trình

EDM(Electrical discharge machining) Trong PMEDM, kim loại dẫn điện được trộn lẫn trong dung dịch điện môi cách điện của EDM, điều đó làm giảm khả năng cách điện của chất lỏng điện môi và tăng khoảng cách phóng tia lửa điện giữa điện cực và phôi Kết quả là bề mặt được cải thiện chất lượng, trong đó chỉ tiêu nhấp nhô bề mặt được cải thiện một cách đáng kể

1.1 Quá trình hình thành phương pháp PMEDM và các kết quả nghiên cứu trên thế giới về nhấp nhô bề mặt

Erden và Bilgin [1] báo cáo thực nghiệm và lý thuyết để xác định ảnh hưởng của các tạp chất trong điện môi chất lỏng của phương pháp EDM vào năm 1980 Qua đó tìm thấy rằng

Kỷ yếu hội nghị khoa học và công nghệ toàn quốc về cơ khí - Lần thứ IV

Wang và cộng sự [2] nghiên cứu tác động của bột hợp kim hỗn hợp (Al và Cr) trong dung môi dầu cách điện Wang đã chỉ ra rằng các thông số công nghệ điện, bản chất và nồng

độ của các chất phụ gia trong chất lỏng điện môi có ảnh hưởng đáng kể đến tính công nghệ Kết quả là độ bám phủ của kim loại, độ nhấp nhô bề mặt (SR-surface roughness) thay đổi Mohri và các cộng sự [3,4,5] nghiên cứu ảnh hưởng của bột Silic(Si) Kết quả thu được

các bề mặt khả năng chịu mài mòn tốt và độ nhấp nhô bề mặt(Ra) nhỏ hơn 2 μ m Tiếp theo Kobayashi và các cộng sự [6] nghiên cứu ảnh hưởng của bột Silic(Si) trong dung dịch điện môi đến khả năng bóc tách vật liệu phôi và độ nhấp nhô bề mặt Ngoài ra, Y.Uno và Okada [7] đã nghiên cứu ảnh hưởng của bột Silic(Si) trộn đến cơ chế hình thành bề mặt EDM với

Silic(Si) trộn trong dung dịch điện môi cho ra được các bề mặt sản phẩm luôn bóng so với phương pháp EDM thông thường

Narumiya và các cộng sự [8] đã nghiên cứu ảnh hưởng của bột than chì (Gr), bột nhôm (Al) kết quả cho bề mặt tốt hơn so với bột silic(Si) Cụ thể, kết quả tốt nhất: Ra <2μm

Ming và He [9] công bố các chất phụ gia như: Oxit dẫn và hạt vô cơ thì làm tăng khả năng bóc tách vật liệu, giảm mòn điện cực và cải thiện chất lượng bề mặt của phôi khá hiệu quả, đặc biệt là nguyên công giữa và giai đoạn nguyên công cuối cùng, nguyên nhân chính là

do nồng độ bột hợp kim cao (trên 30 g / l) gây ra những đặc tính này

Wong và các cộng sự [10] đã nghiên cứu độ bóng bề mặt của chế độ gia công tinh lần cuối trong EDM sử dụng bột hợp kim mịn như: silic, than chì, molypden, aluminum và silic carbide trộn trong dung dịch điện môi Nghiên cứu đã cho thấy ảnh hưởng lớn của bột hợp kim tới nhấp nhô bề mặt (SR)

Gần đây, Pecas và Henriques [11] đã nghiên cứu ảnh hưởng của hạt silic (Si) trộn trong dung dịch điện môi Kết quả cho thấy bằng cách thêm 2g/l silic(Si) bột thì thời gian gia công

và độ nhấp nhô bề mặt giảm Trung bình nhấp nhô bề mặt phụ thuộc vào khu vực gia công và thời gian gia công Nhấp nhô bề mặt thay đổi 0,09-0,57μm trong phạm vi diện tích 1-64 cm2

1.2 Cơ chế quá trình PMEDM

Nhiều nghiên cứu [12,13-15] đã miêu tả các ứng xử của hạt hợp kim thêm vào chất lỏng làm việc để phân tích ảnh hưởng các hạt đến khoảng cách của sự xuất hiện phóng tia lửa điện Vai trò của các hạt trong cơ chế phóng tia lửa điện dường như rất phức tạp Trong khi sự hiện diện của quá nhiều hạt hợp kim có thể gây ra hoạt động không ổn định và không hiệu quả của quá trình EDM Tuy nhiên, hạt hợp kim xuất hiện trong khoảng cách phóng tia lửa điện có thể được coi là yếu tố quan trọng nhất cho quá trình ổn định, do nó có một ảnh hưởng đáng kể trên các yếu tố như: phóng tia lửa điện, kích thước khoảng cách phóng, năng lượng và sự ion hóa của chất điện môi [12,13-15] Đây là các yếu tố quan trọng cho sự kiểm soát điều khiển của quá trình PMEDM

Sự di chuyển của các hạt trong khoảng cách phóng tia lửa điện của quá trình EDM được nghiên cứu bởi Kunieda và Yanatori [16] Các tác giả đã thực hiện các tính toán về chuyển động hạt do lực tĩnh điện trong khoảng cách phóng tia lửa điện lấp đầy bởi điện môi chất lỏng Các hạt di chuyển về phía một điện cực và trở lại mỗi khi ngừng phóng điện Vận tốc của các hạt rất cao, nên khi một điện áp xung được thiết lập, nhiều chuỗi hạt thu hẹp khoảng cách trong một thời gian rất ngắn Ở thời gian phóng này, tại những vùng lân cận của các điểm phóng, các chuỗi hạt dây chuyền bị phá vỡ do sự bùng nổ của một bong bóng hơi từ chất lỏng điện môi và nó được tách ra Nhưng hầu hết các dây chuyền hạt khác vẫn còn duy trì và khi điện áp xung tiếp theo được thiết lập, sự phóng tia lửa điện xảy ra sau một thời gian tiếp theo tại một địa điểm gần nhất Qua nghiên cứu này, thấy rằng thời gian phóng tia lửa điện chậm hơn, hay còn gọi là thời gian kích hoạt, là cần thiết cho các hạt để tạo thành cây cầu giữa hai điện cực Điều này được giải thích và thể hiện bằng sơ đồ hình 1

2 NỘI DUNG NGHIÊN CỨU

2.1 Điều kiện thí nghiệm

Mô hình thực nghiệm và kết quả được thể hiện như hình 2

Máy làm thí nghiệm: Máy xung điện ARISTECH CNC-460 của hãng LIEN SHENG MECHANICAL &ELECTRICAL CO.,LTD - TAIWAN

Thép SKD61- Hãng DAIDO AMISTAR (JIS - Nhật Bản), thành phần hóa học của thép

Hình 1: Ảnh hưởng của hạt bột trong quá trình hình thành

kênh phóng điện của quá trình EDM[13]

Hình 2: Sơ đồ thí nghiệm và kết quả

Kỷ yếu hội nghị khoa học và công nghệ toàn quốc về cơ khí - Lần thứ IV

Bảng 1 Thành phần hóa học theo % trọng lượng của thép SKD61

Dung dịch điện môi là dầu Shell EDM Fluid 2, đặc tính kỹ thuật cho ở Bảng 2:

Bảng 2 Đặc tính kỹ thuật của dầu Shell EDM Fluid 2

Kích thước hạt và phần hóa học theo % trọng lượng của kim loại tungsten carbide như bảng 3 và bảng 4:

Bảng 3 Thành phần hóa học theo % trọng lượng của kim loại tungsten carbide

Bảng 4 Kích thước hạt

Các thông số công nghệ về điện như bảng 5:

Bảng 5 Các thông số công nghệ gia công

2.2 Kết quả và thảo luận

2.2.1 Độ nhấp nhô R a tại I p =1A, I p =2A, I p =3A

Nhấp nhô bề mặt: Máy đo độ nhấp nhô bề mặt TR200, độ phân giải 0,001μm

Hình 4: Độ nhấp nhô bề mặt R a tại I p =2A Hình 3: Độ nhấp nhô bề mặt R a tại I p =1A

Kỷ yếu hội nghị khoa học và công nghệ toàn quốc về cơ khí - Lần thứ IV

Theo hình 3, 4, 5:

Điểm 1: Ton=16μs; Toff=50μs

Điểm 2: Ton=32μs;Toff=50μs

Điểm 3: Ton=50μs;Toff=50μs

Điểm 4: Ton=200μs;Toff=50μs

(1) Nghiên cứu các đồ thị hình 3,4,5 tại các nồng độ 20g/l; 40g/l; 60g/l:

Nhận thấy độ nhấp nhô bề mặt có sự thay đổi theo chiều hướng giảm so với nhấp nhô

bề mặt của EDM tại các điểm 1; 2; 3; 4

Nguyên nhân: Độ nhấp nhô bề mặt thay đổi theo chiều hướng giảm là do có sự tham gia của các hạt kim loại trong quá trình phóng tia lửa điện Với việc các hạt kim loại tham gia trong quá trình phóng tia lửa điện làm thay đổi quá trình phóng tia lửa điện trên các phương diện sau:

Tăng khoảng cách phóng tia lửa điện Nguyên nhân của việc tăng khoảng cách phóng tia lửa điện là khi bắt đầu hình thành kênh phóng điện, các hạt kim loại xếp thành các chuỗi hạt dẫn điện Khi tăng khoảng cách phóng tia lửa điện thì dẫn tới năng lượng của tia phóng yếu đi một phần, chính vì điều này khi hớt vật liệu bề mặt phôi giảm, dẫn tới chiều sâu và rộng các miệng núi lửa nhỏ đi, do vậy độ nhấp nhô bề mặt giảm

Ngoài ra, khi các hạt kim loại tham gia vào quá trình phóng tia lửa điện thì quá trình phóng đồng đều hơn Trước đây, đối với EDM quá trình phóng xảy ra tại nơi gần nhất giữa cathode và anode, nhưng nay có các hạt kim loại tham gia vào quá trình hình thành kênh phóng điện, dẫn tới phóng không chỉ ở một điểm duy nhất mà ở nhiều điểm khác nhau, tại các điểm đó các hạt kim loại hình thành các cây cầu bởi quá trình sinh ra từ trường tại điểm đó Chính việc phóng đồng đều này làm cho nhấp nhô bề mặt đều hơn

(2) Nghiên cứu các đồ thị hình 3,4,5 tại các chế độ có độ nhấp nhô bề mặt thay đổi nhiều nhất:

Trong hình 3 tại điểm 1 ở nồng độ 40g/l có sự thay đổi độ nhấp nhô bề mặt lớn nhất, giảm so với nhấp nhô bề mặt của EDM tại điểm 1 là 57,98%

Hình 5: Độ nhấp nhô bề mặt R a tại I p =3A

Cũng theo hình 3 ở nồng độ 40g/l và 60g/l tại điểm 1 có độ nhấp nhô giảm khác biệt so với các điểm 2; 3; 4

Theo hình 4, tại điểm 1 nhấp nhô bề mặt ở nồng độ 60g/l giảm nhiều nhất so với nhấp nhô bề mặt ở nồng độ 40g/l là 44,84%

Nguyên nhân của các hiện tượng: Do dòng phóng tia lửa điện và thời gian phóng tia lửa điện kết hợp với thời gian nghỉ giữa hai lần phóng hợp lý, dẫn tới áp lực bong bóng khí hình thành kênh phóng điện vỡ ra ở lần phóng điện trước nhỏ, do đó làm cho mật độ xuất hiện của các hạt kim loại trong vùng hình thành kênh phóng điện cho lần phóng kế tiếp cao Đây là những nguyên nhân dẫn tới việc tăng khoảng cách phóng tia lửa điện (do hình thành các cây cầu phóng tia lửa điện của các hạt kim loại tạo ra), mật độ phóng tia lửa điện đồng đều hơn Chính các lý do này dẫn tới độ nhấp nhô bề mặt của PMEDM được cải thiện một cách đáng kể

(3) Nghiên cứu các đồ thị hình 3,4,5 tại các chế độ có độ nhấp nhô bề mặt thay đổi ít nhất:

Theo hình 5 tại điểm 1 ở nồng độ 20g/l có sự thay đổi độ nhấp nhô bề mặt nhỏ nhất so với nhấp nhô bề mặt của EDM là 4,13%

Cũng theo hình 5 tại điểm 2 ở nồng độ 40g/l có nhấp nhô bề mặt giảm ít nhất so với nhấp nhô bề mặt nồng độ 20g/l là 2,3%

Nguyên nhân của các hiện tượng: Do dòng phóng tia lửa điện và thời gian phóng tia lửa điện kết hợp với thời gian nghỉ giữa hai lần phóng chưa hợp lý, dẫn tới áp lực bong bóng khí hình thành kênh phóng điện vỡ ra ở lần phóng trước lớn, chính điều này làm cho mật độ xuất hiện của các hạt kim loại trong vùng hình thành kênh phóng điện cho lần phóng kế tiếp không cao, do đó dẫn tới việc tăng khoảng cách phóng tia lửa điện không lớn (do hình thành các cây cầu phóng tia lửa điện của những hạt kim loại tạo ra), mật độ phóng tia lửa điện có độ đồng đều thấp Chính các nguyên nhân này dẫn tới độ nhấp nhô bề mặt thay đổi ít

2.2.2 Độ nhấp nhô R a tại T on =16 μs, T on =32 μs, T on =50 μs, T on =200 μs

Hình 6: Độ nhấp nhô bề mặt R a tại T on =16 μs

Kỷ yếu hội nghị khoa học và công nghệ toàn quốc về cơ khí - Lần thứ IV

Hình 9: Độ nhấp nhô bề mặt R a tại T on =200 μs

Hình 8: Độ nhấp nhô bề mặt R a tại T on =50 μs

Hình 7: Độ nhấp nhô bề mặt R a tại T on =32 μs

Theo các hình 6, 7, 8, 9 ở cùng một nồng độ thì nhấp nhô bề mặt tăng dần theo Ip=1A;

Ip=2A; Ip=3A Điều này phù hợp với lý thuyết EDM

Cũng theo các hình 6,7,8,9 tại thời gian phóng tia lửa điện nhất định thì độ nhấp nhô bề mặt giảm dần khi nồng độ các hạt hợp kim tăng Nguyên nhân của hiện tượng này được giải thích theo mục 2.2.1 tiểu mục (1)

Xét hai trường hợp đặc biệt theo hình 6 tại chế độ Ton=16μs, Ip=1A, 40g/l và hình 8 tại chế độ Ton= 50μs, Ip=3A, 60g/l độ nhấp nhô bề mặt không giảm theo quy luật giảm dần mà ở đây độ nhấp nhô bề mặt giảm khác thường, đây là các chế độ tối ưu để kết hợp các thông số công nghệ đạt được độ nhấp nhô bề mặt tốt nhất trong vùng khảo sát và nghiên cứu Nguyên nhân của những hiện tượng này được giải thích theo mục 2.2.1 tiểu mục (2)

KẾT LUẬN

Phương pháp nghiên cứu trộn hạt hợp kim Tungsten carbide vào dung môi dầu cách điện để khảo sát độ nhấp nhô bề, đạt được các kết quả mới sau:

1 Khi cho hạt hợp kim tungsten carbide với một nồng độ nhất định vào dung môi dầu cách điện của quá trình EDM thì đã làm cho độ nhấp nhô bề mặt tại tất cả các chế độ công nghệ về điện thay đổi tốt hơn so với quá trình EDM thông thường

2 Với nồng độ hạt hợp kim tungsten carbide thay đổi từ 20g/l; 40g/l; 60g/l thì độ nhấp nhô bề mặt giảm dần tại các Ip, Ton Tuy nhiên, có hai trường hợp theo hình 6 tại chế độ

Ton=16μs, Ip=1A, 40g/l và hình 8 tại chế độ Ton= 50μs, Ip=3A, 60g/l độ nhấp nhô bề mặt không giảm theo quy luật giảm dần mà ở đây độ nhấp nhô bề mặt giảm khác thường

3 Tại cùng chế độ Ip:

Ip= 1A; Ton=16μs; nồng độ 40g/l thì độ nhấp nhô bề mặt thay đổi lớn nhất so với độ nhấp nhô bề mặt EDM là 57,98%

Ip= 2A; Ton=16μs độ nhấp nhô bề mặt tại nồng độ 60g/l thay đổi lớn nhất so với độ

nhấp nhô bề mặt tại 40g/l là 44,84%

TÀI LIỆU THAM KHẢO

[1] A Erden, S Bilgin, Role of impurities in electric discharge machining,in: Proceedings

of 21st International Machine Tool Design and Research Conference, Macmillan, London, 1980, pp 345–350

[2] C.H Wang, Y.C Lin, B.H Yan, F.Y Huang, Effect of characteristics of added powder

on electric discharge machining, J Jpn Inst Light Met 42 (12) (2001) 2597–2604 [3] N Mohri, N Saito, M.A Higashi, A new process of finish machining onfree surface by EDM methods, Annals CIRP 40 (1) (1991) 207–210

[4] N Mohri, J Tsukamoto, M Fujino, Mirror-like finishing by EDM, in:Proceedings of the 25th International Symposium on Machine Tool Designand Research, UK, 1985, pp 329–336

[5] N Mohri, J Tsukamoto, M Fujino, Surface modification by EDM—an innovation in EDM with semi-conductive electrodes, in: Proceedings of Winter Annual Meet ASME, vol 34, 1988, pp 21–30

[6] K Kobayashi, T Magara, Y Ozaki, T Yatomi, The present and future developments of electrical discharge machining, in: Proceedings of 2nd International Conference on Die and Mould Technology, Singapore, 1992, pp 35–47

[7] Y Uno, A Okada, Surface generation mechanism in electrical discharge machining

Kỷ yếu hội nghị khoa học và công nghệ toàn quốc về cơ khí - Lần thứ IV

[8] H Narumiya, N Mohri, N Saito, H Otake, Y Tsnekawa, T Takawashi, K Kobayashi, EDM by powder suspended working fluid, in: Proceedings of 9th ISEM, 1989, pp 5–8 [9] Q.Y Ming, L.Y He, Powder-suspension dielectric fluid for EDM, J Mater Process Technol 52 (1995) 44–54

[10] Y.S Wong, L.C Lim, I Rahuman, W.M Tee, Near-mirror-finish phenomenon in EDM using powder-mixed dielectric, Int J Adv Manuf Technol 79 (1998) 30–40

[11] P Pecas, E.A Henriques, Influence of silicon powder mixed dielectric on conventional electrical discharge machining, Int J Mach Tools Manuf 43 (2003) 1465–1471

[12] H Narumiya, N Mohri, N Saito, H Otake, Y Tsnekawa, T Takawashi, K Kobayashi, EDM by powder suspended working fluid, in: Proceedings of 9th ISEM, 1989, pp 5–8 [13] Y.F Luo, The dependence of interspace discharge transitivity upon the gap debris in precision electro-discharge machining, J Mater Process Technol 68 (1997) 127–131 [14] W.S Zhao, Q.G Meng, Z.L Wang, The application of research on powder mixed EDM

in rough machining, J Mater Process Technol 129 (2002) 30–33

[15] Y.F Tzeng, C.Y Lee, Effects of powder characteristics on electro discharge machining efficiency, Int J Adv Manuf Technol 17 (2001) 586–592

[16] M Kunieda, K Yanatori, Study on debris movement in EDM gap, Int J Elec Mach 2 (1997) 43–49

THÔNG TIN TÁC GIẢ

1 Lê Văn Tạo Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội -Học Viện Kỹ thuật quân sự

taoitd@yahoo.com 0912505036

2 Bành Tiến Long Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội

long.banhtien@hust.edu.vn 0903463737

3 Trần Xuân Thái Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội

thai.tranxuan@hust.edu.vn 0903434447

4 Nguyễn Thị Hồng Minh Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội

minh.nguyenthihong@hust.edu.vn 0982837465