Trong nghiên cứu này, ảnh hưởng của nồng độ bột titan trộn vào dung dịch điện môi đến độ nhám bề mặt gia công (Ra) và năng suất bóc tách vật liệu (MRR) trong gia công tia lửa điện đã được nghiên cứu. Thép làm khuôn dập nóng H13 và vật liệu điện cực graphit là hai loại hiện được ứng dụng rất nhiều trong EDM đã được đưa vào khảo sát nghiên cứu.
Bành Tiến Long, Ngô Cường, Nguyễn Hữu Phấn, Dương Minh Toán 56 ẢNH HƯỞNG CỦA NỒNG ĐỘ BỘT TITAN ĐẾN NĂNG SUẤT BÓC TÁCH VÀ ĐỘ NHÁM BỀ MẶT THÉP H13 TRONG GIA CÔNG TIA LỬA ĐIỆN VỚI ĐIỆN CỰC GRAPHIT EFFECTS OF TITANIUM POWDER CONCENTRATIONS ON MATERIAL REMOVAL RATE AND SURFACE ROUGHNESS OF H13 STEEL IN ELECTRICAL DISCHARGE MACHINING WITH GRAPHITE ELECTRODE Bành Tiến Long1, Ngô Cường2, Nguyễn Hữu Phấn2, Dương Minh Toán2 Trường Đại học Bách khoa Hà Nội Trường Cao đẳng Kinh tế - Kỹ thuật, Đại học Thái Nguyên; phanktcn@gmail.com Tóm tắt - Gia công tia lửa điện (EDM) phương pháp gia công không truyền thống, sử dụng rộng rãi ngành cơng nghiệp khn mẫu dụng cụ Vì vậy, nâng cao suất chất lượng bề mặt gia công phương pháp quan tâm nghiên cứu Trong nghiên cứu này, ảnh hưởng nồng độ bột titan trộn vào dung dịch điện môi đến độ nhám bề mặt gia công (Ra) suất bóc tách vật liệu (MRR) gia cơng tia lửa điện nghiên cứu Thép làm khuôn dập nóng H13 vật liệu điện cực graphit hai loại ứng dụng nhiều EDM đưa vào khảo sát nghiên cứu Bằng phương pháp thực nghiệm đánh giá với việc cố định thông số công nghệ thay đổi nồng độ bột titan, kết nghiên cứu cho thấy: Nồng độ bột titan có ảnh hưởng mạnh đến độ nhám bề mặt, suất gia cơng EDM có bột trộn dung dịch điện môi (PMEDM) Abstract - Electrical discharge machining (EDM) has been widely used in both tool and mould industries Enhancing productivity and workpiece surface quality after EDM is the concern of many researchers In this research the effects of titanium powder concentrations on surface roughness (Ra) and material removal rate (MRR) in a machining operation on Powder Mixed EDM (PMEDM) is investigated Two types of material: H13 hot work steel and the graphite (Gr) electrode tool which have found widespread applications in EDM are under investigation With the method of experimental evaluation with fixed processing parameters and variable concentrations of titanium powder, the results showed that concentrations of powder have great influence on the surface roughness and material removal rate in PMEDM Từ khóa - EDM; PMEDM; MRR; Ra; thép H13; bột titan Key words - EDM; PMEDM; MRR; H13; titanium powder Đặt vấn đề Gia công tia lửa điện phương pháp gia cơng khơng truyền thống Phương pháp làm nóng chảy bay vật liệu điện cực vật liệu gia công nhờ tia lửa điện sinh vùng khe hở điện cực phôi ngâm dung dịch điện mơi EDM có ưu điểm gia cơng loại vật liệu dẫn điện có độ cứng độ bền cao, bề mặt có hình dạng phức tạp mà khó thực phương pháp gia công truyền thống Tuy vậy, hạn chế lớn phương pháp suất gia công thấp chất lượng bề mặt gia cơng khơng cao Vì vậy, phương pháp đưa nhằm khắc phục hạn chế EDM thu hút quan tâm nhiều chuyên gia lĩnh vực Các kết nghiên cứu cho thấy PMEDM phương pháp cho kết khả thi [1-10] Trong PMEDM, số loại bột (Cu, Si, Al, SiC, Al2O3, Cr, W, Va, Ni, MoS2,…) có kích thước nhỏ 100µm sử dụng trộn vào dung dịch điện môi nhằm giảm độ bền cách điện dung dịch điện môi, tăng số lượng tia lửa điện (Hình 1), tăng khe hở phóng điện từ nâng cao suất chất lượng gia công EDM [1] Khi trộn loại bột dẫn điện phù hợp vào dung dịch điện môi cho thấy: Năng suất bóc tách vật liệu tăng (Hình 2), trị số nhám (Hình 3) số lượng vết nứt tế vi bề mặt gia công giảm, topography thay đổi (Hình 4) hình thành lớp hợp kim có tính tốt bề mặt gia cơng, từ nâng cao độ bền mịn bề mặt chi tiết gia công EDM [2] Việc trộn loại bột Cu, Fe, Al C vào dung dịch điện môi để gia công thép với điện cực Cu nâng cao khả đánh thủng điện môi, tăng nồng độ bột suất gia cơng tăng thời gian nâng điện cực giảm [3] Khi trộn bột graphit vào dung dịch điện môi với nồng độ 4g/l làm khe hở phóng điện tăng điện áp phóng điện lại giảm, độ ổn định q trình gia cơng nâng cao suất gia cơng tăng 60%, lượng mịn điện cực giảm 28% [4] Trộn bột Si vào dung dịch điện môi để gia công thép H13 nâng cao chất lượng bề mặt gia công [5] Ảnh hưởng việc sử dụng bột kim loại công nghệ EDM đến chất lượng bề mặt gia cơng cịn phụ thuộc vào loại vật liệu gia cơng: trộn bột Al có kích thước trung bình vào dung dịch điện mơi gia cơng thép SKH-51 cho độ bóng bề mặt cao gia công thép SKH-54 lại nhận độ bóng bề mặt thấp [6] Nồng độ bột Al trộn dung dịch điện mơi có ảnh hưởng mạnh đến chất lượng q trình gia cơng EDM [8] Đường kính chiều sâu vết lõm bề mặt gia công giảm trộn bột vào dung dịch điện môi [9] Những kết nghiên cứu cho thấy: PMEDM phương pháp đầy hứa hẹn việc nâng cao suất chất lượng gia công EDM Tuy nhiên, cần có thêm nhiều nghiên cứu, khảo sát để PMEDM chấp nhận ứng dụng thực tiễn sản xuất Trong nghiên cứu này, thí nghiệm tiến hành với thay đổi nồng độ bột titan dung dịch điện môi dầu gia công thép H13 phương pháp EDM sử dụng điện cực graphit phân cực ngược Năng suất bóc tách vật liệu trị số nhám bề mặt sử dụng để đánh giá mức độ ảnh hưởng nồng độ bột titan trộn dung dịch điện môi đến hiệu EDM ISSN 1859-1531 - TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG, SỐ 3(88).2015 57 Thiết kế thí nghiệm Hình Sơ đồ gia công PMEDM [1] 2.1 Máy xung, sơ đồ hệ thống thí nghiệm Thí nghiệm thực máy xung điện CNCAG40L (Hãng Sodick, Inc USA) Trung tâm Thí nghiệm, Trường Đại học Kỹ thuật Cơng nghiệp Thái Ngun Duy trì đồng không bị lắng đọng bột titan dung dịch điện mơi cấu khuấy (Hình 5) gồm: động khí nén có tốc độ quay 500 vịng/phút, cánh quạt khuấy có đường kính 105mm (Hình 6a), dung mơi cung cấp vào vùng gia công bơm A303 Trung Quốc có cơng suất 600 lít/giờ, đường kính vịi phun Ø8mm Các thơng số lựa chọn để nghiên cứu (Bảng 1) dựa sở số nghiên cứu từ trước [10] Bảng Các thông số công nghệ gia công TT Hình Ảnh hưởng thời gian phát xung (µs) nồng độ bột (g/l) đến MRR [2] Thơng số Trị số Cường độ dịng điện xung (A) 15 50 Thời gian xung (s) 85 Thời gian ngừng xung (s) Phân cực + Thời gian gia công (phút) 15 Điện áp (V) 150 Nồng độ bột (g/l) 0, 5, 10, 15, 20 Hình Ảnh hưởng thời gian phát xung (µs) nồng độ bột (g/l) đến Ra [2] Hình Sơ đồ thí nghiệm ) a b Hình a) Cánh khuấy; b) Bột titan a b Hình a) Điện cực; b) phơi Hình Bề mặt phôi sau gia công [2] 2.2 Vật liệu thí nghiệm Vật liệu mẫu thí nghiệm thép H13 (0,40% C, 0,47% Mn, 0,98% Si, 0,14% Ni, 4,90% Cr, 0,83% V, 1,15% Mo, 0,016% Co, 0,00012% S, 0,018% P lại %Fe) nhiệt luyện đạt độ cứng HRC = (4852), mẫu có kích thước 45x27x5mm (Hình 7b) Vật liệu điện cực dụng cụ graphit HK-2 (99,99%) có đường kính 25mm (Hình 7a) Bành Tiến Long, Ngơ Cường, Nguyễn Hữu Phấn, Dương Minh Toán 58 Bột titan có kích thước cỡ hạt 45µm lựa chọn để trộn vào dung dịch điện mơi (Hình 6b) Dung dịch điện môi dầu biến HD-1 Hãng ELECTROL 2.3 Cách xác định MRR Ra 2.3.1 Xác định MRR MRR đại lượng liên quan trực tiếp đến thời gian chế tạo sản phẩm, tăng MRR giúp rút ngắn thời gian gia công chi tiết MRR xác định tỷ số hiệu khối lượng vật liệu phôi trước sau gia công với thời gian gia công (1): MRR Wi W f .t 1000mm3 / phút (1) Trong đó: Wi – Khối lượng mẫu trước gia công (g); Wf – Khối lượng mẫu sau gia công (g); t – Thời gian gia công cho lần chạy thử (t = 15 phút); - Khối lượng riêng vật liệu mẫu ( = 7,81g/cm3) Đo khối lượng phôi trước sau gia công cân điện tử AJ 203 (Hãng Shinko Denshi Co LTD - Japan), khối lượng lớn mà cân cân 200g, độ xác 0,001g Xác định giá trị MRR cho thí nghiệm, thí nghiệm lặp lần 2.3.2 Xác định Ra Trị số nhám bề mặt gia công (Ra) đo máy đo biên dạng kiểu đầu dò tiếp xúc SJ-301 (Hãng MITUTOYO – JAPAN), chiều dài chuẩn đo 5mm, thực lần đo mẫu thí nghiệm kết độ nhám giá trị trung bình lần đo điện mơi làm tăng MRR so với gia cơng khơng có bột trộn dung dịch Và tăng nồng độ bột MRR tăng theo Việc MRR tăng giải thích hạt bột tồn khe hở phóng điện tạo thêm “chuỗi phóng tia lửa điện”, từ làm tăng số lượng tia lửa điện tham gia gia công Khi nồng độ bột tăng từ - 5g/l, đồ thị có độ dốc lớn tức MRR tăng mạnh (212,123%) Điều do: Bột titan có khả dẫn điện tốt xuất khe hở phóng điện ngồi việc làm tăng số lượng tia lửa điện làm giảm độ bền dung dịch điện môi dẫn đến lượng sử dụng để đánh thủng dung môi giảm theo, từ làm tăng lượng tia lửa điện gia công [2] Tiếp tục tăng nồng độ bột ta thấy: Đồ thị MRR có độ dốc giảm, điều chứng tỏ tốc độ tăng MRR giảm theo Tăng nồng độ bột tạo mật độ hạt bột xuất khe hở phóng tia lửa điện lớn, làm số lượng tia lửa điện sinh lần phát xung tăng theo độ bền cách điện dung dịch điện môi bị giảm xuống, dẫn đến làm tăng MRR [7] Tuy nhiên, nồng độ bột lớn xuất hiện tượng ngắn mạch q trình gia cơng, dẫn đến suất, chất lượng gia công giảm theo [4] 3.2 Ảnh hưởng đến độ nhám bề mặt gia công Bảng Kết độ nhám bề mặt gia công TN Ra (µm) 7,13 5,69 4,61 4,25 4,18 Nồng độ bột (g/l) No 10 15 20 Kết thảo luận 3.1 Ảnh hưởng đến MRR Bảng Kết suất bóc tách vật liệu TN MRR (mm3/phút) R-I R-II 32,586 27,593 95,198 92,638 132,586 139,821 153,521 147,823 178,233 170,294 ̅̅̅̅̅̅̅ 𝑀𝑅𝑅 (mm3/phút) 30,089 93,918 136,203 150,672 174,263 10 15 Nồng độ bột(g/l) Không bột 10 15 20 20 Hình Ảnh hưởng nồng độ bột đến suất bóc tách vật liệu Bảng Hình cho thấy: Bột titan trộn vào dung dịch Hình Ảnh hưởng nồng độ bột đến độ nhám bề mặt gia công Ảnh hưởng bột titan đến trị số nhám bề mặt thể Bảng Hình Bột titan có dung dịch điện môi làm giảm trị số Ra bề mặt gia cơng (Hình 9) Khi nồng độ thay đổi (0÷10)g/l, đồ thị có độ dốc lớn độ dốc giảm dần tiếp tục tăng nồng độ bột Trị số Ra giảm trộn bột dung dịch điện mơi hạt bột có khe hở phóng điện làm tăng diện tích ảnh hưởng tia lửa điện, dẫn đến làm giảm lượng tia lửa điện tham gia gia cơng [6] Từ tạo vết lõm có đường kính chiều sâu nhỏ bề mặt, dẫn đến độ nhẵn bề mặt gia công tăng theo Tiếp tục tăng nồng độ bột titan dẫn đến số lượng hạt bột tồn vùng khe hở phóng tia lửa điện tăng lên Điều làm tăng số lượng tia lửa điện tạo lần phát xung, dẫn đến lượng tia lửa điện giảm xuống nên ISSN 1859-1531 - TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG, SỐ 3(88).2015 trị số nhấp nhô bề mặt giảm theo [7] Tuy nhiên nồng độ bột tăng cao dễ xảy tượng ngắn mạch, làm cho q trình gia cơng khơng ổn định độ nhẵn bề mặt gia cơng giảm [4] Kết luận Nghiên cứu đưa số nhận xét định hướng nghiên cứu sau: - Nồng độ bột titan dung dịch điện mơi EDM có ảnh hưởng mạnh đến MRR Ra - Khi tăng nồng độ bột titan, dẫn đến MRR tăng cao ̅̅̅̅̅̅̅ tăng 475,467% nồng So với gia công không bột 𝑀𝑅𝑅 độ bột 20g/l - Độ nhẵn bề mặt sau gia công EDM tăng lên tăng nồng độ bột Và nồng độ bột 20g/l làm trị số Ra giảm 41,34% so với khơng có bột trộn dung dịch điện môi - Trong nghiên cứu này, ảnh hưởng nồng độ bột titan đến MRR lớn nhiều so với Ra Điều cho thấy: PMEDM giải pháp hữu hiệu để tăng suất gia công gia công thô EDM Tuy vậy, bột titan loại vật liệu có giá thành cao, hiệu nghiên cứu sử dụng loại bột để nâng cao chất lượng bề mặt gia cơng Bên cạnh đó, độ bền bột, phân bố đồng tượng lắng đọng bột dung dịch điện môi cần tiếp tục nghiên cứu làm rõ TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] H.K Kansal, Sehijpal Singh, Pradeep Kumar, Technology and research developments in powder mixed electric discharge machining (PMEDM), Journal of Materials Processing Technology [2] [3] [4] [5] [6] [7] [8] [9] [10] 59 184, 2007, P 32–41 C ogun, B ệzerkan, T Karaỗay, An experimental investigation on the effect of powder mixed dielectric on machining performance in electric discharge machining, Proc IMechE Part B: J Engineering Manufacture, Vol 220, 2006 A Erden, S Bilgin, Role of impurities in electric discharge machining, Proc Of 21st international machine tool design and research conference, 1980, P.345-350 M.L Jeswani, Effect of the addition of graphite powder to kerosene used as the dielectric fluid in electrical discharge machining, Wear, 70(1981), P.133-139 K Kobayashi, T Magara, Y Ozaki, T Yatomi, The present and future developments of electrical discharge machining, In proceeding of 2nd international conference on Die and Mould technology, 1992, P.35-47 P Pecas and E Henriques, Effect of the powder concentration and dielectric flow in the surface morphology in electrical discharge machining with powder-mixed dielectric (PMD-EDM), International journal advance manufacturing technology, Vol 37, 2008, P 1120–1132 P Singh, A Kumar, N Beri, V Kumar, Some experimental investigation on aluminium powder mixed EDM on machining performance of hastelloy steel, International Journal of Advance Engineering Technology, Vol 1, 2010, pp 28-45 H.K Kansal, S Singh, P Kumar, 2005, Application of Taguchi method for optimization of powder mixed electric discharge machining, International Journal of Management and Manufacturing Technology 7, 2005, 329–341 K.L Wu, B.H Yan, F.Y Huang, S.C Chen, Improvement of surface finish on SKD steel using electro-discharge machining with aluminum and surfactant added dielectric, International Journal of Machine Tools & Manufacture, Vol 45, 2005, P 1195-1201 A Kumar, S Maheshwari, C Sharma, N Beri, Research Developments in Additives Mixed Electrical Discharge Machining (AEDM): A State of Art Review, Materials and Manufacturing Processes, Vol 25, 2010, P 1166-1180 (BBT nhận bài: 14/12/2014, phản biện xong: 26/01/2015) ... 15 Nồng độ bột( g/l) Khơng bột 10 15 20 20 Hình Ảnh hưởng nồng độ bột đến suất bóc tách vật liệu Bảng Hình cho thấy: Bột titan trộn vào dung dịch Hình Ảnh hưởng nồng độ bột đến độ nhám bề mặt gia. .. hưởng đến độ nhám bề mặt gia công Bảng Kết độ nhám bề mặt gia cơng TN Ra (µm) 7,13 5,69 4,61 4,25 4,18 Nồng độ bột (g/l) No 10 15 20 Kết thảo luận 3.1 Ảnh hưởng đến MRR Bảng Kết suất bóc tách. .. sau: - Nồng độ bột titan dung dịch điện mơi EDM có ảnh hưởng mạnh đến MRR Ra - Khi tăng nồng độ bột titan, dẫn đến MRR tăng cao ̅̅̅̅̅̅̅ tăng 475,467% nồng So với gia công không bột