Đang tải... (xem toàn văn)
Untitled TAÏP CHÍ PHAÙT TRIEÅN KH&CN, TAÄP 18, SOÁ K3 2015 Trang 43 Khảo sát ảnh hưởng của nồng độ bột titan trộn trong dung dịch điện môi đến năng suất gia công và nhám bề mặt thép SKD61 sau gia công[.]
TẠP CHÍ PHÁT TRIỂN KH&CN, TẬP 18, SỐ K3- 2015 Khảo sát ảnh hưởng nồng độ bột titan trộn dung dịch điện môi đến suất gia công nhám bề mặt thép SKD61 sau gia công tia lửa điện với điện cực đồng phân cực ngược Bành Tiến Long1 Ngô Cường2 Nguyễn Hữu Phấn2 Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội Trường Cao đẳng Kinh tế - Kỹ thuật, ĐH Thái Nguyên (Bản nhận ngày 12 tháng năm 2015, hoàn chỉnh sửa chữa ngày 15 tháng năm 2015) TÓM TẮT mịn điện cực (TWR), suất bóc Phương pháp gia công tia lửa tách vật liệu (MRR) nhám bề mặt gia điện (EDM) ứng dụng phổ biến công (Ra) gia công thép SKD61 công nghiệp chế tạo dụng cụ, khuôn phương pháp tia lửa điện với điện cực đồng mẫu hàng không Nghiên cứu nâng cao phân cực ngược Kết cho thấy, trộn suất chất lượng gia công bột titan vào dung dịch điện môi làm giảm phương pháp tia lửa điện có ý nghĩa lượng mòn điện cực trị số nhám bề mặt, thực tiễn to lớn Bài báo giới thiệu tăng suất bóc tách vật liệu nghiên cứu ảnh hưởng nồng độ bột titan dung dịch điện mơi đến lượng Từ khóa: EDM, MRR, TWR, thép SKD61, bột titan ĐẶT VẤN ĐỀ Gia công tia lửa điện (EDM) phương pháp gia công không truyền thống sử dụng phổ biến để gia cơng loại vật liệu dẫn điện khó gia cơng có hình dạng bề mặt phức tạp Mặc dù có nhiều ưu điểm (khơng gây biến dạng chi tiết gia công; rung động, ứng suất học, tiếng ồn khơng xuất suốt q trình gia công…) phương pháp lại tồn số nhược điểm làm hạn chế khả Trang 43 SCIENCE & TECHNOLOGY DEVELOPMENT, Vol.18, No.K3 - 2015 ứng dụng như: suất gia cơng thấp, chất lượng bề mặt sau gia công không cao [4] Một số kết nghiên cứu gần cho thấy, việc trộn bột kim loại hợp kim vào dung dịch điện mơi q trình gia cơng tia lửa điện giải pháp khả thi để khắc phục hạn chế Trong công nghệ EDM việc sử dụng bột kim loại thích hợp trộn vào dung dịch điện môi làm giảm độ bền cách điện dung dịch điện mơi làm tăng khe hở phóng điện dụng cụ - phơi [9], từ cải thiện suất bóc tách vật liệu chất lượng bề mặt gia cơng: suất bóc tách vật liệu tăng, trị số nhám vết nứt tế vi bề mặt gia công giảm, giảm chiều dày lớp vật liệu bề mặt chi tiết bị ảnh hưởng nhiệt [2], [5] 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 bóc tách tăng [5] 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% [6] Trộn bột Si vào dung dịch điện môi để gia công thép SKD61 nâng cao chất lượng bề mặt gia công [7] Khảo sát việc trộn bột Al bột SiC vào dung dịch điện môi để gia công thép SKD11 hợp kim Ti-Al-4V cho kết suất bóc tách vật liệu tăng trị số nhám bề mặt giảm [8] Lực tác động lên bề mặt phôi giảm cho nguyên nhân dẫn đến trị số nhám giảm làm tăng độ bóng bề mặt gia cơng trộn bột Si vào dung dịch điện môi [11] 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 Trang 44 độ bóng bề mặt cao gia công thép SKH-54 lại nhận độ bóng bề mặt thấp [7] Khảo sát chất lượng bề mặt thép SKD11 gia công EDM có trộn loại bột Al, Cu, Cr SiC vào dung dịch điện môi cho thấy: chất lượng gia công bị ảnh hưởng đáng kể nồng độ, kích thước, khối lượng riêng, điện trở độ dẫn nhiệt bột; với nồng độ bột khơng đổi suất bóc tách vật liệu đạt cao kích thước bột nhỏ Trị số nhám bề mặt gia cơng cịn phụ thuộc vào diện tích thời gian gia cơng: Ra thay đổi từ 0,09 µm đến 0,57 µm diện tích gia cơng thay đổi từ cm2 đến 64 cm2 [9] Những kết nghiên cứu cho thấy việc sử dụng bột kim loại thích hợp trộn vào dung dịch điện mơi gia công tia lửa điện công nghệ đầy hứa hẹn Tuy nhiên, cần có thêm nhiều nghiên cứu, khảo sát lĩnh vực để hồn thiện cơng nghệ 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 SKD61 phương pháp EDM sử dụng điện cực đồng đỏ phân cực ngược Năng suất chất lượng q trình gia cơng đánh giá thơng qua đại lượng: suất bóc tách vật liệu, lượng mòn điện cực độ nhám bề mặt gia cơng THIẾT KẾ THÍ NGHIỆM Sơ đồ thí nghiệm trình bày Hình 1, trình phân cực gia công phân cực ngược (điện cực (+), phôi (-)) nhằm khảo sát thay đổi MRR, TWR Ra trường hợp gia cơng có bột trộn dung dịch điện mơi Thí nghiệm máy xung điện CNC- AG40L (Hãng Sodick, Inc USA) Trung tâm thí nghiệm Trường Đại học Kỹ thuật Cơng nghiệp Thái Nguyên Vật liệu mẫu thí nghiệm thép TẠP CHÍ PHÁT TRIỂN KH&CN, TẬP 18, SỐ K3- 2015 SKD61 (TC JIS - Nhật Bản) nhiệt luyện đạt độ cứng HRC = (4852), mẫu có kích thước 45x27x5mm Vật liệu điện cực dụng cụ đồng C1100 (99,9%) có đường kính 25mm, số lượng 10 Bột titan có kích thước cỡ hạt 45µm lựa chọn để trộn dung dịch điện môi do: Khả dẫn điện tốt, khối lượng riêng nhỏ, không nhiễm từ, Đặc biệt hợp chất titan hình bề mặt chi tiết máy nâng cao độ cứng, độ bền khả chịu mài mòn Dung dịch điện môi dầu biến HD-1 Hãng ELECTROL Duy trì đồng khơng bị lắng đọng bột titan dung dịch điện môi cấu khuấy gồm: động khí nén có tốc độ quay 500 vịng/phút, cánh quạt khuấy có đường kính 105mm Dung môi cung cấp vào vùng gia công bơm A303 Trung Quốc có cơng suất 600 lít/giờ, đường kính vịi 0.001g Trị số nhám bề mặt gia cơng (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 Bảng Các thông số công nghệ gia công TT Thông số Trị số Cường độ dòng điện xung (A) 15 Thời gian xung (s) 50 Thời gian ngừng xung 85 (s) phun Ø8mm Các thông số lựa chọn để nghiên cứu (Bảng 1) dựa sở số nghiên cứu từ trước Phân cực + Thời gian gia công ( ph) 15 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 Điện áp (V) 150 Nồng độ bột (g/l) 0, 5, 10, 15, 20 Hình Sơ đồ thí nghiệm Trang 45 SCIENCE & TECHNOLOGY DEVELOPMENT, Vol.18, No.K3 - 2015 KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 3.1 Ảnh hưởng đến suất bóc tách vật liệu (MRR) Năng suất bóc tách vật liệu (MRR) xác định tỷ số hiệu khối lượng vật liệu phôi trước sau gia công với thời gian gia công: MRR Wi W f t (1) 1000 mm / phút t – Thời gian gia công cho lần chạy thử (t = 15 phút) - Khối lượng riêng vật liệu mẫu ( = 7,81g/cm3) 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 Xác định giá trị MRR cho thí nghiệm, thí nghiệm lặp lần Kết (Bảng Hình 2) cho thấy việc trộn bột titan dung dịch điện môi làm tăng MRR so với gia cơng khơng có bột Ngun nhân tăng MRR giải thích sau: Trong đó: Wi – Khối lượng mẫu trước gia công (g) Wf – Khối lượng mẫu sau gia công (g) Bảng Kết suất bóc tách vật liệu Wi Wf MRR (g) (g) (mm3/phút) 31,463 31,365 0,837 32,671 32,594 0,657 32,002 31,89 0,956 TN Trang 46 31,756 31,658 0,837 32,651 32,489 1,383 31,973 31,798 1,494 31,895 31,71 1,579 32,906 32,702 1,741 31,578 31,388 1,622 10 31,235 31,027 1,776 Nồng độ bột (mm3/phút) (g/l) 0,747 Không bột 0,896 1,438 10 1,660 15 1,699 20 TẠP CHÍ PHÁT TRIỂN KH&CN, TẬP 18, SỐ K3- 2015 Lượng mịn điện cực (TWR) đại lượng xác định tỷ số hiệu khối lượng vật liệu điện cực trước sau gia công với thời gian gia công: TWR Ti T f T t 1000 mm / phút (2) Trong đó: Ti – khối lượng ban đầu điện cực (g) Hình Ảnh hưởng nồng độ bột đến suất bóc tách vật liệu Tf – Khối lượng điện cực sau gia công (g) t – Thời gian gia công cho lần chạy thử (t = 15phút) - Khi bột titan xuất dung dịch điện mơi tạo thêm nhiều cầu nối phóng tia lửa điện làm tăng mật độ tia lửa điện tham gia cắt dẫn đến MRR tăng = 8,94 g/cm3) - Bột titan có khả dẫn điện tốt trộn vào dung dịch điện môi làm giảm độ bền cách điện dung dịch điện mơi từ làm giảm tiêu hao lượng đánh thủng điện môi Điều làm tăng lượng gia công dẫn đến làm tăng MRR làm tăng chi phí sản xuất phải thay điện cực bị mòn T - Khối lượng riêng vật liệu điện cực (T Mòn điện cực xảy suốt q trình gia cơng làm ảnh hưởng đến độ xác thơng số hình học chi tiết gia cơng TWR tăng cịn - Khi nồng độ bột tăng dẫn đến số lượng hạt bột xuất khe hở phóng tia lửa điện tăng làm số lượng tia lửa điện sinh lần phát xung tăng lên độ bền cách điện dung dịch điện môi bị giảm nên lượng dùng cho đánh thủng dung dịch điện môi giảm theo Khi nồng độ bột lớn 20g/l MRR cao max= 1,699mm3/phút (tăng 146,75% so với khơng có bột), nhiên nồng độ bột cao xảy tượng ngắn mạch xuất q trình gia cơng gây tiêu hao lượng gia cơng Hình Ảnh hưởng nồng độ bột đến lượng mòn điện cực 3.2 Ảnh hưởng đến lượng mòn điện cực Trang 47 SCIENCE & TECHNOLOGY DEVELOPMENT, Vol.18, No.K3 - 2015 Bảng Kết lượng mòn điện cực Tf TWR (g) (g) (mm3/phút) 136,867 136,726 1,051 138,549 138,411 1,029 138,549 138,457 0,686 139,831 139,738 0,694 137,178 137,095 0,619 141,197 141,113 0,626 138,976 138,875 0,753 138,198 138,098 0,746 135,893 135,795 0,731 10 Nồng độ bột Ti TN 131,259 131,155 (mm3/phút) (g/l) 1,040 Không bột 0,690 0,623 10 0,749 15 0,753 20 0,776 Kết xác định lượng mịn điện cực (Bảng Hình 3) cho thấy: electron có lượng thấp tác dụng lên bề mặt điện cực làm điện cực bị xói mịn - Khi dung dịch điện mơi khơng có bột TWR lớn Ngun nhân điện tử hình thành trình ion hóa chất điện mơi có động lượng lượng cao tác dụng lên bề - TWR đạt giá trị nhỏ nồng độ bột 10g/l, điều kiện khả ngăn cản di chuyển electron lớn nên electron có lượng nhỏ tác dụng mặt điện cực gây xói mịn điện cực lớn lên bề mặt điện cực - Khi trộn bột titan vào dung dịch điện mơi làm TWR giảm Đó hạt bột vào vùng khe hở phóng tia lửa điện cắt ngang đường di - Khi hạt titan xuất với nồng độ lớn tạo thuận lợi để số electron hạt bột tác dụng lên bề mặt điện cực làm chuyển electron phía bề mặt điện cực Điều làm giảm động lượng electron, cho mịn điện cực xảy mạnh TWR tăng nhẹ nồng độ lớn 10g/l Trang 48 TẠP CHÍ PHÁT TRIỂN KH&CN, TẬP 18, SỐ K3- 2015 3.3 Ảnh hưởng đến độ nhám bề mặt gia công Bảng Kết độ nhám bề mặt gia cơng TN Ra (µm) Nồng độ bột (g/l) 6,03 Không bột 4,73 4,38 10 4,30 15 4,01 20 Các hạt bột tồn khe hở phóng điện làm tia lửa điện bị phân chia thành nhiều tia lửa điện có lượng nhỏ nhiều tham gia gia công [6] Điều tạo vết lõm bề mặt gia cơng có đường kính chiều sâu nhỏ dẫn đến độ nhám giảm - Nồng độ bột titan tăng số lượng hạt bột tồn vùng khe hở phóng tia lửa điện tăng lên, số lượng tia lửa điện tạo lần phát xung tăng lên làm cho lượng tia giảm xuống nên trị nhám bề mặt giảm theo [11] Độ nhám Ra nhỏ nồng độ bột titan 20g/l, tiếp tục tăng nồng độ bột việc phóng điện bị cản trở, tượng ngắn mạch xuất nhiều làm cho q trình gia cơng khơng ổn định độ nhám bề mặt gia cơng lại tăng KẾT LUẬN Một số kết luận nhận từ kết khảo sát ảnh hưởng nồng độ bột titan đến suất chất lượng gia công thép SKD61 phương pháp tia lửa điện với điện cực đồng phân cực ngược: Hình Ảnh hưởng nồng độ bột đến Ra Kết Bảng Hình cho thấy độ nhám bề mặt gia công giảm lớn trộn bột titan vào dung dịch điện mơi (đồ thị có độ dốc lớn chuyển từ gia cơng khơng có bột sang gia cơng có bột dung dịch điện mơi) đồng thời lại giảm lượng tương đối nhỏ tiếp tục tăng nồng độ bột Có thể giải thích nguyên nhân sau: - Khi bột xuất dung dịch điện mơi làm tăng kích thước mở rộng vùng phóng tia lửa điện tạo điều kiện thuận lợi cho trình vận chuyển phoi khỏi vùng công [4] - Nồng độ bột titan dung dịch điện môi thông số cơng nghệ có ảnh hưởng lớn đến hiệu gia công phương pháp tia lửa điện - Năng suất bóc tách vật liệu(MRR) tăng tăng nồng độ bột titan: nồng độ bột tăng từ lên 20g/l tăng 146,75% - Khi tăng nồng độ bột dung dịch điện mơi đầu lượng mịn điện cực (TWR) giảm mạnh sau có xu hướng tăng nhẹ Lượng mòn điện cực đạt giá trị nhỏ min= 0,623mm3/phút với nồng độ bột 10g/l, - Độ nhám bề mặt gia công (Ra) giảm nồng độ bột tăng: khơng có bột Ra = 6,03µm, nồng độ bột 20g/l Ra=4,01µm Trang 49 SCIENCE & TECHNOLOGY DEVELOPMENT, Vol.18, No.K3 - 2015 - Các kết nghiên cứu với số loại bột khác như: W, Si, Al, cho thấy ngồi ảnh hưởng tích cực đến MRR, TWR, Ra việc trộn bột vào dung dịch điện mơi cịn cho số kết khác như: độ cứng tế vi bề mặt gia công tăng, cấu trúc hình dạng lớp bề mặt có chất lượng tốt Vì cần có thêm nghiên cứu theo hướng bột titan - Ngoài cần nghiên cứu để làm rõ vấn đề như: độ bền phân bố bột dung dịch điện môi gia công Investigation into effects/Investigating the effects of titanium powder concentrations mixed in dielectric fluid on material machining removal and surface roughness of SKD61 steel after electrical discharge machining by reverse electrode polarity Banh Tien Long1 Ngo Cuong2 Nguyen Huu Phan2 Hanoi University of Science and Technology, Hanoi, Vietnam College of Economics and Technology - TNU ABSTRACT Electrical discharge machining (EDM) has found widespread applications in tool , mold and aerospace industries Therefore, enhancement of the quality of the EDM Trang 50 process has become a major research concern In this paper, the effect of various titanium powder concentrations on the Material Removal Rate (MRR), tool wear TẠP CHÍ PHÁT TRIỂN KH&CN, TẬP 18, SỐ K3- 2015 rate (TWR), surface roughness (Ra) in were used in experimental study The powder mixed electrical discharge results showed that titanium powder mixed machining (PMEDM) have been studied into the dielectric fluid of EDM can enhance The workpiece is SKD61steel and electrode MRR without increasing TWR and Ra made from copper with reverse polarity Keysword: EDM, PMEDM, MRR, TWR, powder mixed TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] W.S Zhao, Q.G Meng, Z.L Wang, The application of research on powder mixed EDM in rough machining Journal of Materials Processing Technology, 129, P 30–33(2002) [2] P Pecas, E Henriques, Influence of silicon powder-mixed dielectric on con-ventional electrical discharge machining, International Journal ofMachine Tools& Manufacture, 43, P 1465–1471(2003) [3] K.H Ho, S.T Newman, State of the art electrical discharge machining Inter national Journal of Machine Tools & Manufacture, 43, P.1287–1300(2003) [4] Fuller, E John, Electrical Discharge Machining ASM Machining Handbook, 16(1996), P 557–564 [5] A Erden, S Bilgin, Role of impurities in electric discharge machining, Proc Of 21st international machine tool design and research conference, P.345-350(1980) [6] M.L Jeswani , Effect of the addition of graphite powder to kerosene used as the dielectric fluid in electrical discharge machining, Wear, 70, P.133-139(1981) [7] 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, P 35-47(1992) [8] B.H Yan, S.L Chen, Characteristics of SKD11 by complex process of electric discharge machining using liquid suspended with aluminum powder, J Jpn Inst Light Met., 58, P.1067-1072(2004) [9] P Pecas, E Henriques, Electrical discharge machining using simple and powder-mixed dielectric: The effect of the electrode area in the surface roughness and topography, journal of materials processing technology 200, P.250– 258 (2008) [10] Y.S Wong, L.C Lim, I Rahuman, W.M Tee, Nearmirror-finish phenomenon in EDM using powder-mixed dielectric Journal ofMaterials Processing Technology, 79, P.30–40 (1998) [11] P Pecas, E Henriques, Influence of silicon powder-mixed dielectric on con-ventional electrical discharge machining, International Journal of Machine Tools& Manufacture, 43, P 1465–1471(2003) [12] B T Long, N Cuong, N H Phan, N D Man, P Janmanee, Effects of Titanium Powder Concentrations during EDM Machining Efficiency Of Steel SKD61 Using Copper Electrode, International Journal of Advance Foundation And Research In Science & Engineering (IJAFRSE), Volume 1, Issue 7, December 2014, P -18 [13] B T Long, N Cuong, N H Phan, Study on surface material layer quality of SKD61 die sink in Electrical discharge machining using titanium electrode in oil dielectric Trang 51 SCIENCE & TECHNOLOGY DEVELOPMENT, Vol.18, No.K3 - 2015 fluid, The 15th International Symposium on Eco-materials processing and Design ISEPD2014 [14] B T Long, N Cuong, N H Phan, H A Toan, P Janmanee, Enhanced material removal rate and surface quality of SKD61 steel in electrical discharge machining with graphite electrode in rough machining, International Journal of Scientific Trang 52 Engineering and Technology, Vol 4, 2, 2015, 103-108 [15] Banh Tien Long, Ngo Cuong, Nguyen Huu Phan, Pichai Janmanee, Machining Properties Evaluation of Copper And Graphite Electrodes in PMEDM of Skd61 Steel in Rough Machining, International Journal of Engineering and Advanced Technology (IJEAT), Vol.4, 3, P.193202(2015) ... 44 độ bóng bề mặt cao gia công thép SKH-54 lại nhận độ bóng bề mặt thấp [7] Khảo sát chất lượng bề mặt thép SKD11 gia công EDM có trộn loại bột Al, Cu, Cr SiC vào dung dịch điện môi cho thấy: chất. .. độ bột titan đến suất chất lượng gia công thép SKD61 phương pháp tia lửa điện với điện cực đồng phân cực ngược: Hình Ảnh hưởng nồng độ bột đến Ra Kết Bảng Hình cho thấy độ nhám bề mặt gia công. .. Trộn bột Si vào dung dịch điện môi để gia công thép SKD61 nâng cao chất lượng bề mặt gia công [7] Khảo sát việc trộn bột Al bột SiC vào dung dịch điện môi để gia công thép SKD11 hợp kim Ti-Al-4V