Nghiên cứu đánh giá chất lượng bề mặt thép SKD61 chưa tôi bằng phương pháp xung tia lửa điện trong môi trường dung dịch điện môi có chứa bột cacbít vônphram (tt)

Hiện tại các nghiên cứu với bột Cacbít vônphram trong PMEDM rất ít, mới chỉ có hai công trình được công bố [20], [39] nghiên cứu ảnh hưởng của bột Vônphram tới độ nhám bề mặt và độ cứng

1

P N M U

1 Tính cấp thiết của đề tài

Trong công nghệ gia công phi truyền thống, phương pháp gia công tia lửa điện- Electrical discharge machining (EDM) ra đời là một bước đột phá Phương pháp gia công tia lửa điện đạt được một số ưu điểm và độ chính xác nhất định [25] Nhưng cũng qua những nghiên cứu người ta thấy rằng EDM để lại những hạn chế như: Năng suất bóc tách vật liệu không cao, điện cực dụng cụ bị mòn, những viết tích để lại trên bề mặt sau quá trình gia công tia lửa điện không tốt đến tuổi đời làm việc và độ chính xác của chi tiết hoặc của khuôn [31]

Trong những năm gần đây các nhà nghiên cứu trên thế giới đã nghiên cứu rất nhiều biện pháp trong quá trình gia công tia lửa điện để cải thiện các đặc điểm phóng điện nhằm cải thiện năng suất, chất lượng của phương pháp EDM Một trong những biện pháp đó là: Trộn bột có tính dẫn điện vào trong dung môi cách điện để cải thiện quá trình gia công EDM, phương pháp này được gọi theo thuật ngữ tiếng anh là - Powder Mixed Electrical Discharge Machining (PMEDM) Một số các nghiên cứu gần đây

đã cho thấy phương pháp PMEDM tạo ra các bề mặt có độ nhám tốt, cấu trúc tế vi ổn định, độ cứng và sự chịu mài mòn cao Tuy nhiên các công trình nghiên cứu của các tác giả về phương pháp PMEDM đưa ra vẫn còn những hạn chế nhất định như: Kích cỡ các hạt bột ảnh hưởng tác động ra sao tới quá trình PMEDM; Các thông số công nghệ EDM tác động như thế nào đối với nồng độ bột Ngoài ra các trang thiết bị để thực hiện cồng kềnh và phức tạp, đặc biệt là điều kiện sản xuất ở Việt Nam Như vậy củng

cố và hệ thống hóa cơ sở lý thuyết dựa trên các công bố gần đây của các nhà nghiên cứu, phát triển công nghệ này ở Việt Nam là hướng nghiên cứu chủ yếu được quan tâm

Đã có rất nhiều loại vật liệu bột (Si, Al, W, Gr, Cu, Ti, ) được sử dụng trong nghiên cứu PMEDM [39], [31] Với việc tập trung vào các hướng nghiên cứu như sau: Nâng cao năng suất, chất lượng bề mặt gia công Một số nghiên cứu đã cho thấy: Sử dụng vật liệu bột hợp lý trong PMEDM có thể đồng thời nâng cao năng suất gia công, giảm độ nhám bề mặt và cải thiện cơ tính của bề mặt gia công Đặc biệt, năng suất và chất lượng bề mặt gia công có thể đồng thời được cải thiện ngay trong quá trình tạo hình bề mặt sản phẩm bằng PMEDM nên đã làm giảm thời gian chế tạo sản phẩm

Hiện tại các nghiên cứu với bột Cacbít vônphram trong PMEDM rất ít, mới chỉ có hai công trình được công bố [20], [39] nghiên cứu ảnh hưởng của bột Vônphram tới độ nhám bề mặt và độ cứng tế vi bề mặt

Vật liệu SKD61 là một loại vật liệu dụng cụ có cơ tính tốt để làm khuôn và các chi tiết tiết máy, đặc biệt khi được xử lý nhiệt hoặc xử lý hóa học, SKD61 đạt được cơ tính tốt Những đặc tính quý này tạo ra bề mặt chi

2

tiết dụng cụ hữu ích trong thực tế, đặc biệt trong ngành chế tạo khuôn và chi tiết chịu mài mòn

Xuất phát từ những vấn đề trên là cơ sở định hướng cho tác giả

chọn đề tài: “Nghiên cứu đánh giá chất lượng bề mặt thép SKD61 chưa

tôi bằng phương pháp xung tia lửa điện trong môi trường dung dịch điện môi có chứa bột Cacbít vônphram”

2 Mục đích, đối tượng, phạm vi, n i dung và phương pháp nghiên cứu

a Mục đích của đề tài

Mục đích nghiên cứu của luận án là: Đánh giá chất lượng bề mặt của th p làm khuôn SKD61 sau gia công PMEDM với bột trộn acbít vônphram, với các chỉ tiêu: Độ cứng tế vi bề mặt - HV và độ nhám bề mặt -

Ra, dưới sự ảnh hưởng của các thông số công nghệ EDM như: Dòng phóng tia lửa điện Ip, thời gian phát xung Ton và nồng độ bột trong miền khảo sát Với bộ thông số công nghệ này làm cơ sở cho việc lựa chọn, tham khảo cho gia công PMEDM

Một vấn đề được đặt ra là: Khi gia công bằng phương pháp PMEDM để cải thiện chất lượng bề mặt (độ nhám bề mặt- Ra, độ cứng tế vi

bề mặt- HV) và giảm được số nguyên công so với gia công bằng phương pháp khác, điều này mang một ngh a thực ti n Do vậy, trong luận án đã chọn v ng khảo sát gia công tinh và bán tinh các thông số công nghệ EDM

b Đối tượng nghiên cứu

Đối tượng nghiên cứu của đề tài là th p SKD61 chưa qua xử lý nhiệt Bột Cacbít vônphram sử dụng của nhà sản xuất PR X IR SURF E TE HNO OGIES với mã thương mại W -727-6 có một số thành phần nguyên tố khác và được trộn vào dung môi cách điện

Điện cực sử dụng là điện cực đồng (ký hiệu M1 của Nga)

c Phạm vi nghiên cứu

Nghiên cứu bằng thực nghiệm ảnh hưởng của thông số công nghệ EDM, nồng độ bột tác động tới chất lượng bề mặt (độ nhám bề mặt; sự xâm nhập của Vônphram vào bề mặt; độ cứng tế vi bề mặt) của chi tiết gia công PMEDM So sánh, đánh giá chất lượng bề mặt (độ nhám bề mặt; sự xâm nhập của Vônphram vào bề mặt; độ cứng tế vi bề mặt) của phương pháp PMEDM và EDM

Các thông số công nghệ EDM được chọn để khảo sát là ở chế độ tinh và bán tinh

Bột được sử dụng để nghiên cứu ở ba dải nồng độ khác nhau cụ thể là: 20g/l, 40g/l; 60g/l

d Nội dung nghiên cứu

* Nghiên cứu tổng quan và cơ sở lý thuyết về bản chất, cơ chế gia công tia lửa điện (EDM) và gia công tia lửa điện trong môi trường dung môi trộn bột hợp kim (PMEDM)

* Nghiên cứu bằng thực nghiệm ảnh hưởng của các thông số công nghệ EDM, nồng độ bột acbít vônphram trộn trong dung môi cách điện đến chất lượng bề mặt (độ nhám bề mặt - Ra ; sự xâm nhập vônphram vào

3

bề mặt; độ cứng tế vi bề mặt ) Đánh giá so sánh ảnh hưởng của chất lượng

bề mặt khi có sự tham gia của bột- PMEDM so với EDM thông thường tại

c ng thông số công nghệ EDM

* Từ các kết quả nghiên cứu về độ nhám bề mặt và độ cứng tế vi

bề mặt, luận án đã phân tích, luận giải cơ chế bản chất của quá trình phóng tia lửa điện có trộn bột ảnh hưởng tới các kết quả thu được

* Kiểm nghiệm m n một số mẫu thí nghiệm có độ cứng cao và độ nhám bề mặt thấp

e Phương pháp nghiên cứu

* c u t u t:

- Nghiên cứu cơ sở lý thuyết và bản chất của quá trình EDM và quá trình PMEDM Phân tích các yếu tố ảnh hưởng chính tới quá trình phóng tia lửa điện như: D ng phóng tia lửa điện; thời gian phát xung; nồng

độ bột, kích thước bột

- Nghiên cứu cơ sở l thuyết quá trình xâm nhập nguyên tố hóa học vào bề mặt, quá trình hình thành cacbít trên bề mặt của chi tiết sau gia công bằng phương pháp PMEDM

*Nghiên c u bằng thực nghiệm bao gồm:

- Xây dựng hệ thống thí nghiệm và kế hoạch thực nghiệm

- Phân tích, đánh giá, so sánh, luận giải các hiện tượng và kết quả nhận được bao gồm: độ nhám bề mặt - Ra; hàm lượng vônphram xâm nhập vào bề mặt; độ cứng tế vi bề mặt – HV dựa vào cơ sở lý thuyết EDM, PMEDM và quá trình xâm nhập nguyên tố hóa học vào bề mặt, quá trình hình thành cacbít trên bề mặt của chi tiết

- D ng quy hoạch thực nghiệm để xây dựng các hàm quan hệ ( độ nhám bề mặt, hàm lượng Vônphram xâm nhập vào bề mặt, độ cứng tế vi bề mặt) với các thông số công nghệ EDM và nồng độ bột

3 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài

a Ý nghĩa khoa học

- Đề tài đã nghiên cứu làm rõ cơ chế và bản chất của gia công PMEDM sử dụng bột Cacbít vônphram để gia công chi tiết thép SKD61, từ

đó tìm ra quy luật để điều khiển sự ảnh hưởng của nồng độ bột và các thông

số công nghệ trong quá trình gia công đến chất lượng bề mặt Kết quả nghiên này hoàn toàn có thể sử dụng làm cơ sở khoa học về mặt phương pháp cho các nghiên cứu ứng với các cặp vật liệu bột và chi tiết khác khi gia công PMEDM

b Ý nghĩa thực tiễn

- à cơ sở tham khảo để lựa chọn bộ thông số công nghệ khi gia công PMEDM dùng cho các nhà máy, xí nghiệp và các phòng thí nghiệm nhằm đạt được độ nhám bề mặt và độ cứng tế vi bề mặt theo yêu cầu đặt ra trước

- Dùng làm tài liệu tham khảo cho các cơ sở đào tạo

4

- Đề tài lựa chọn đối tượng nghiên cứu là th p SKD61 và bột acbít vônphram có một ngh a thực ti n trong việc gia công khuôn dập nóng để cải thiện về chất lượng bề mặt

- Phương pháp PMEDM với bột acbít vônphram thích hợp với các chi tiết có bề mặt thành mỏng hoặc chi tiết có hình thù phức tạp khác nhằm đảm bảo đồng thời độ nhám bề mặt và độ cứng tế vi lớp bề mặt

4 Các đóng góp mới của luận án

- Xác định được ảnh hưởng của thông số công nghệ EDM và nồng

độ bột tới độ nhám bề mặt trong vùng các thông số công nghệ EDM và nồng độ bột được nghiên cứu

- Xác định được ảnh hưởng của thông số công nghệ EDM và nồng

độ bột tới sự xâm nhập Vônphram vào bề mặt trong vùng các thông số công nghệ EDM và nồng độ bột được nghiên cứu

- Xác định được ảnh hưởng của thông số công nghệ EDM và nồng

độ bột tới độ cứng tế vi bề mặt trong v ng các thông số công nghệ EDM

và nồng độ bột được nghiên cứu

5 Cấu tr c của luận án

- uận án gồm 4 chương chính, phần mở đầu và các phụ lục:

hương 1: Tổng quan về phương pháp gia công tia lửa điện

hương 2: ơ sở l thuyết gia công tia lửa điện và gia công tia lửa điện

có trộn bột

hương 3: Nghiên cứu ảnh hưởng của các thông số công nghệ và nồng

độ bột cacbít vônphram trong dung dịch điện môi tới độ nhám bề mặt hương 4: Nghiên cứu thực nghiệm ảnh hưởng của các thông số công nghệ và nồng độ bột cacbít vônphram trong dung dịch điện môi tới sự xâm nhập của Vônphram và độ cứng tế vi bề mặt chi tiết

C N 1 T N QU N VỀ P N P P C N T

LỬ ỆN

Trong chương này nhằm định hướng nghiên cứu một cách hợp lý,

đã tìm hiểu các thông tin liên quan gồm:

1.1 Lịch sử hình thành, sự phát triển của phương pháp gia c ng tia lửa điện

1.1.1 Lịch sử hình thành

ách đây gần 200 năm nhà nghiên cứu tự nhiên người Anh Joseph Priestley (1733-1809) trong các thí nghiệm của mình đã nhận thấy có hiện tượng ăn m n vật liệu gây ra bởi sự phóng điện Nhưng đến năm 1943 hai

vợ chồng azarenko người Nga mới tìm ra cánh cửa dẫn tới công nghệ gia công tia lửa điện theo [14], [4]

1.1.2 Sự phát triển của phương pháp gia công tia lửa điện

a Xung định hình

b Cắt dây bằng tia lửa điện

c Gia công EDM rung điện cực với tần số siêu âm

d Xung khô

5

Điện Cực(+)

Phôi (-)

- Ngoài ra còn một số phương pháp khác như : Phay EDM (EDM milling), mài xung điện - Abrasive Electrical Discharge Grinding (AEDG), xung có trộn bột hợp kim trong dung môi cách điện- Powder mixed electrical discharge machining (PMEDM),

1.2 Phương pháp gia c ng tia lửa điện có tr n b t (PMEDM- Powder Mixed Electrical Discharge Machining)

1.2.1 Nguyên lý, trang thiết bị phương pháp PMEDM

Khi có sự tham gia các hạt bột vào quá trình phóng tia lửa điện đã làm thay đổi quá trình này như theo hình 1.15 Trang thiết bị khi có trộn bột theo hình 1.16

Hình1.15: Mô ì u p ươ p áp PMEDM [37]

Hình 1.16: Mô hình thực nghiệm PMEDM [37]

1.2.2 Tổng quan tình hình nghiên cứu phương pháp PMEDM

Kết luận Chương 1 Đã tổ ợp các xu ướ p át tr ể của

p ươ p áp EDM & PMEDM tr t ớ Qua p ầ đá á tổ qua

về xu ướ p át tr ể của p ươ p ươ p áp PMEDM, ậ t ấ rằ

ữ oạ vật ệu bột có ệt độ ó c ả cao rất ít được c u Hướ c u của đề tà về ả ưở bột Cacbít vô p ram tớ c ất

ượ bề mặt (độ ám bề mặt, sự xâm ập của Vô p ram vào bề mặt, độ

c t v bề mặt t ép SKD61) tạ các c độ a cô t và bá t có

ĩa về mặt k oa ọc và t ực t ở V ệt am

2.1 Cơ sở lý thuyết gia công tia lửa điện

2.1.1 Bản chất vật lý của quá trình phóng tia lửa điện

2.2 Cơ sở lý thuyết gia c ng tia lửa điện có tr n b t

2.2.1 Vai trò của hạt bột trong quá trình phóng tia lửa điện

Vai trò của hạt bột tham gia vào quá trình phóng điện được mô tả như hình 2.10 và 2.11

Hình 2.10: Ả ưở của ạt bột tro quá trì ì t à k p ó

đ ệ của quá trì EDM [43]

2.2.5 Số lượng tia lửa điện

2.2.6 Cơ sở lý thuyết sự xâm

nhập của bột trộn trong dung

môi vào bề mặt chi tiết trong

ửa đ ệ tro a cô EDM Cơ sở và bả c ất của sự xâm ập u

t óa ọc tro bột trộ và du mô các đ ệ vào bề mặt c t t và quá trì tạo cacbít tr bề mặt

C N 3 N ÊN CỨU ẢN N CỦ C C T N SỐ

C N N Ệ VÀ NỒN Ộ BỘT CACBÍT VÔNPHRAM TRONG

DUN DỊC ỆN M TỚ Ộ N M BỀ MẶT

3.1 Mục đích

3.2 ối tượng và phạm vi nghiên cứu

3.3 iều kiện thực nghiệm khảo sát

Mô hình thực nghiệm theo như hình 3.1

3.3.1 Hệ thống thí nghiệm

1 Máy thí nghiệm:Sử dụng máy xung điện ARISTECH CNC-460 của Hãng

LIEN SHENG MECHANICAL &ELECTRICAL CO.,LTD – ĐÀI O N

Hình 3.1: Mô hình thực nghiệm

QÚ TRÌN XUN PMEDM

QÚ TRÌNH XUNG PMEDM

Hạt b t

Hạt b t Ca-tốt

A-nốt

Hình 2.11: Câ cầu tro quá trì p ó

đ ệ của quá trì PMEDM [59]

8

2 Vật liệu phôi: Vật liệu sử dụng là thép SKD61- Nhà sản xuất Daido

Amistar (JIS- Nhật Bản), thành phần hóa học của th p SKD61 được cho ở bảng 3.1 Kích thước phôi trước khi gia công D=19mm, L=50mm; Sau khi gia công D=19mm, L=49.7mm

3 Vật liệu đồ đ ện cực: Sử dụng đồng điện cực là loại đồng đỏ có độ tinh

khiết cao theo bảng 3.2

4 Đặc tính kỹ thuật của bột Cacbít vônphram: Bột Cacbít vônphram (mã

thương mại W -727-6) dùng làm thí nghiêm của nhà sản xuất PRAXAIR SURFACE TECHNOLOGIES ác đặc tính của bột theo như bảng 3.3 và bảng 3.4

5 Dung môi dầu các đ ện: Dung môi dầu cách điện được dùng là dầu

Shell EDM Fluid 2, các đặc tính kỹ thuật được cho trong bảng 3.5

6 Thùng ch a dung dịc đ ện môi

7.Các thông s cô ệ và ồ độ bột:

Bảng 3.6 Các thông s cô ệ EDM và nồ độ bột thực nghiệm cho

quá trình PMEDM

Thời gian phát xung(Ton) 16s; 32s; 50s; 200s

Qua các phân tích nêu trên kết hợp với mục đích của đề tài trong phần mở đầu, do vậy trong phần thực nghiệm này nghiên cứu ảnh hưởng của các yếu tố:

1 D ng phóng tia lửa điện Ip ác chế độ theo bảng 3.6

9

Hình 3.12: Độ nhám bề mặt R a tại I p =4A

2 Thời gian phát xung Ton ác chế độ theo bảng 3.6

3 Nồng độ bột Cacbít vônphram ác chế độ theo bảng 3.6

Tác độ tớ độ nhám bề mặt (R a ) chi ti t gia công bằ p ươ pháp PMEDM oà ra so sá độ nhám bề mặt chi ti t gia công bằ p ươ pháp PMEDM và EDM tro c c độ t ô s cô ệ EDM

3.4.1 Nghiên cứu thực nghiệm ảnh hưởng của thời gian phát xung T on

và nồng độ bột tới độ nhám bề mặt

Trong phần khảo sát thực nghiệm này, trên cơ sở kết quả thực nghiệm đo được về độ nhám bề mặt trung bình theo các bảng 3.7 3.10, xây dựng biểu đồ quan hệ giữa độ nhám bề mặt (Ra) trung bình với thời gian phát xung Ton và nồng độ bột tại các Ip ăn cứ vào các biểu đồ- hình 3.9 3.12 phân tích, đánh giá ảnh hưởng của thời gian phát xung và nồng

độ bột tại các Ip tới độ nhám bề mặt

Hình 3.9: Độ nhám bề mặt R a tại I p =1A Hình 3.10: Độ nhám bề mặt R a tại I p =2A

Hình 3.11: Độ nhám bề mặt R a tại I p =3A

3.4.1.2 c u t ực ệm tạ các c độ có độ ám bề mặt t a đổ

ều ất

a Thay đổi nhiều nhất giữa phương pháp PMEDM so với phương

pháp EDM: Trong các biểu đồ 3.9÷3.12 thì tại biểu đồ hình 3.9: Với

Ton=16 s ở nồng độ 40g l của phương pháp PMEDM có sự thay đổi độ nhám bề mặt lớn nhất, giảm so với nhám bề mặt của phương pháp EDM

c ng chế độ công nghệ về điện là 57.98

b Thay đổi nhiều nhất giữa các chế độ trong phương pháp

PMEDM: Trong các biểu đồ 3.9÷3.12 thì tại biểu đồ hình 3.10: Với

Ton=16 s nhám bề mặt ở nồng độ 60g l giảm nhiều nhất so với nhám bề mặt ở nồng độ 40g l là 44.84

c Độ nhám bề mặt nhỏ nhất trong các chế độ khảo sát của phương

pháp PMEDM: Theo biểu đồ hình 3.9 ở nồng độ 40g l tại Ton= 16 s có

Trong các biểu đồ hình 3.9÷3.12 thì tại biểu đồ hình 3.12: Với

Ton= 50 s ở nồng độ 20g l độ nhám bề mặt của phương pháp PMEDM có

sự thay đổi nhỏ nhất so với nhám bề mặt của EDM c ng chế độ công nghệ

về điện là 0.31

b Thay đổi ít nhất giữa các chế độ trong phương pháp PMEDM:

Trong các biểu đồ hình 3.9÷3.12 thì tại biểu đồ hình 3.12: nồng

độ 40g l có nhám bề mặt giảm ít nhất so với nhám bề mặt ở nồng độ 20g l với c ng Ton= 50 s là 1.3

3.4.2 Nghiên cứu thực nghiệm ảnh hưởng của dòng phóng điện I p và nồng độ bột tới độ nhám bề mặt

Trong phần khảo sát thực nghiệm này, trên cơ sở kết quả thực nghiệm đo được về độ nhám bề mặt trung bình theo các bảng 3.7 3.10, xây dựng biểu đồ quan hệ giữa độ nhám bề mặt Ra trung bình với d ng phóng tia lửa điện Ip và nồng độ bột tại các Ton ăn cứ vào các biểu đồ- hình 3.15 3.18 phân tích, đánh giá ảnh hưởng của d ng phóng tia lửa điện

Ip và nồng độ bột tại các Ton tới độ nhám bề mặt

Theo biểu đồ các hình 3.15÷3.18:

11

- c ng một nồng độ (trong các nồng độ bột khảo sát) thì nhám bề mặt tăng dần theo Ip=1A; Ip=2A; Ip=3A; Ip=4 Điều này ph hợp với l thuyết EDM và PMEDM

- Tại thời gian phát xung nhất định (trong các thời gian phát xung đang khảo sát) thì độ nhám bề mặt giảm dần khi nồng độ bột tăng

Hình 3.15: Độ nhám bề mặt R a tại T on =16μs

Hình 3.16: Độ nhám bề mặt R a tại T on =32μs

Hình 3.17: Độ nhám bề mặt R a tại T on =50μs

σ -σ

σ  (3.6)

Kết luận chương 3

1 K trộ bột ợp k m Cacbít vô p ram vớ một ồ độ ất

đị vào du mô dầu các đ ệ k a cô EDM, độ ám bề mặt đã cả

t ệ t eo ướ t t ơ so vớ p ươ p áp a cô EDM t ô t ư

tạ tất cả các c độ t ô s cô ệ EDM tro v k ảo sát

2 Vớ ồ độ bột ợp k m Cacbít vô p ram t dầ từ 20 / ;

40 / ; 60 / t ì độ ám bề mặt ảm dầ tạ các c độ a cô (I p , T on )

3 Tro các c độ c u, tạ I p = 1A, T on =16μs, ồ độ

40 / t ì độ ám bề mặt của p ươ p áp PMEDM t a đổ ảm ớ ất

so vớ độ ám bề mặt của p ươ p áp EDM c c độ t ô s cô

ệ EDM à 57.98

Hình 3.18: Độ nhám bề mặt R a tại T on =200μs