Một số kết quả nghiên cứu về gia công tia lửa điện đã chỉ ra rằng: Ở các điều kiện nhất định, trong quá trình gia công dướitác dụng của các tia lửa điện vật liệu điện cực bị nóng chảy và
Trang 1PHẦN MỞ ĐẦU
1 Tính cấp thiết của đề tài
Lớp vật liệu bề mặt của các chi tiết máy ảnh hưởng lớn đếnkhả năng làm việc của nó nhất là với những chi tiết có hình dạngphức tạp và làm việc trong môi trường chịu tác động của mài mòn,
va đập và nhiệt độ cao như: Bề mặt khuôn dập, bề mặt khuôn épnhựa, bề mặt dụng cụ cắt Vì vậy, việc nâng cao chất lượng lớp bềmặt của các chi tiết máy dạng này luôn luôn được quan tâm và đã
có rất nhiều phương pháp được sử dụng để nâng cao chỉ tiêu kỹthuật như: Tôi bề mặt, biến cứng bề mặt, hóa nhiệt luyện, phunphủ
Một số kết quả nghiên cứu về gia công tia lửa điện đã chỉ
ra rằng: Ở các điều kiện nhất định, trong quá trình gia công dướitác dụng của các tia lửa điện vật liệu điện cực bị nóng chảy và bayhơi đã xâm nhập một lượng đáng kể lên bề mặt phôi [21] Bề mặtcủa thép không gỉ sau khi được gia công bằng phương pháp tia lửađiện với điện cực Si(silic) đã được phủ một lớp vô định hình với sựxuất hiện của lượng lớn Si nóng chảy tách ra từ điện cực giúp nângcao đáng kể về khả năng chống ăn mòn hóa học và chịu mài mòn[13] Các nghiên cứu về sử dụng điện cực thiêu kết từ bột Ti(titan)trong gia công khuôn đã giúp độ bền của khuôn tăng từ 3 đến 7 lần[13] Phương pháp gia công tia lửa điện với việc trộn bột kim loạihoặc hợp kim thích hợp vào trong dung dịch điện môi đã được thựchiện và đều tìm thấy vật liệu bột trên bề mặt gia công làm cải thiệnđáng kể chất lượng bề mặt gia công [6, 10, 12] Từ các nghiên cứutrên đã mở ra hướng mới cho công nghệ nâng cao chất lượng bề
Trang 2mặt vật liệu bằng phương pháp gia công tia lửa điện Trong nhữngnăm gần đây đã có nhiều nghiên cứu theo hướng ứng dụng phươngpháp gia công tia lửa điện vào việc nâng cao chất lượng bề mặtnhư: chọn vật liệu điện cực (Ti, W, hợp kim Cu–W, TiC, WC, …)
và loại dung dịch điện môi thích hợp; sử dụng bột kim loại (Si, Cr,
Ni, W, Ti,…) hoặc hợp kim thích hợp (WC, TiC, SiC, …) trộntrong dung dịch điện môi [10] So với phương pháp gia công tia lửađiện sử dụng điện cực được làm bằng kim loại hoặc hợp kim thíchhợp thì phương pháp gia công tia lửa điện sử dụng bột kim loạihoặc hợp kim thích hợp trộn trong dung dịch điện môi (PMEDM)cho hiệu quả cao hơn [10] Tuy nhiên, việc ứng dụng phương phápPMEDM áp dụng vào thực tế là rất khó khăn do số lượng thông sốcông nghệ gia công lớn và thiết bị rất phức tạp
Hiện nay đã có rất nhiều nghiên cứu về gia công tia lửađiện để bóc tách vật liệu nhưng những nghiên cứu liên quan đếncông nghệ trong việc cải thiện lớp bề mặt gia công thì chưa nhiều
và mới dừng ở giai đoạn nghiên cứu thử nghiệm [10] Vì vậy đểứng dụng vào sản xuất công nghiệp cần thiết phải làm sáng tỏnhiều vấn đề trong đó có ảnh hưởng của các thông số công nghệđến các tính chất của lớp bề mặt gia công
Thép SKD61 (Tiêu chuẩn JIS G 4404 – Nhật Bản) thuộcnhóm thép công cụ hợp kim được dùng phổ biến để chế tạo khuôndập nóng và thường sử dụng phương pháp gia công tia lửa điện đểtạo hình bề mặt lòng khuôn Mác thép này hiện đang được Công tyTNHH Nhà nước một thành viên Diesel Sông Công dùng để chế
Trang 3tạo khuôn dập cò mổ động cơ RV125 và một số loại khuôn dậpkhác.
Với những lý do trên và do thời gian, kinh phí có hạn nên
tác giả đã chọn đề tài nghiên cứu là:“Đánh giá chất lượng bề mặt
thép SKD61 khi gia công bằng phương pháp xung định hình với điện cực Ti trong dung dịch điện môi là dầu biến thế ”
2 Đối tượng, mục đích, nội dung và phương pháp nghiên cứu 2.1 Đối tượng nghiên cứu
Đối tượng nghiên cứu của đề tài là các thông số (độ nhám,
độ cứng tế vi, cấu trúc tế vi và thành phần hóa học) của lớp bề mặtkhuôn dập cò mổ động cơ RV125 làm bằng thép SKD61 sau khigia công bằng phương pháp xung định hình với điện cực Ti trongdung dịch điện môi là dầu biến thế
2.2 Mục đích nghiên cứu
1 Xác định mức độ ảnh hưởng của việc sử dụng vật liệuđiện cực titan đến chất lượng bề mặt gia công các khuôn dập đượclàm bằng vật liệu SKD61 khi gia công bằng phương pháp xung
định hình với dung dịch điện môi là dầu biến thế.
2 Làm cơ sở để xác định lượng dư gia công cho cácnguyên công tiếp theo
2.3 Nội dung nghiên cứu
- Nghiên cứu cơ sở lý thuyết về gia công tia lửa điện
- Xây dựng hệ thống thí nghiệm
- Tiến hành thí nghiệm
Trang 4- Phân tích kết quả.
2.4 Phương pháp nghiên cứu
Đề tài được thực hiện bằng phương pháp nghiên cứu thựcnghiệm
3 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài
3.1 Ý nghĩa khoa học
Các phương pháp nâng cao chất lượng bề mặt khi gia công
bằng phương pháp xung định hình hiện nay vẫn đang trong giai
đoạn nghiên cứu thử nghiệm, bởi vậy đề tài sẽ đóng góp một sốkết quả vào hướng nghiên cứu thử nghiệm này
3.2 Ý nghĩa thực tiễn
Việc nghiên cứu được thực hiện với một sản phẩm cụ thể
đó là khuôn dập cò mổ động cơ RV125, vì vậy kết quả của đề tài có
cơ sở để ứng dụng vào thực tiễn sản xuất
Trang 5Chương 1 TỔNG QUAN VỀ GIA CÔNG TIA LỬA ĐIỆN
1.1 Khái quát về phương pháp gia công tia lửa điện (EDM)
Phương pháp gia công tia lửa điện là phương pháp gia côngkhông truyền thống và được sử dụng rất rộng rãi trong ngành chếtạo máy, đặc biệt trong công nghệ chế tạo khuôn mẫu Phươngpháp này sử dụng nguồn năng lượng nhiệt cao từ các tia lửa điệnxuất hiện trong khe hở giữa phôi và dụng cụ để gia công kim loạidưới dạng nóng chảy và bay hơi Ưu điểm nổi bật của phương phápnày so với các phương pháp gia công truyền thống là có thể giacông được tất cả các loại vật liệu dẫn điện có độ bền và độ cứng bất
kỳ, các bề mặt có hình dạng rất phức tạp như: khuôn dập, khuônđúc, các chi tiết máy quan trọng trong ngành hàng không vũ trụ,ngành công nghiệp ôtô và các dụng cụ dùng trong phẫu thuật [18]Trong phương pháp EDM không tồn tại mối quan hệ về độ cứnggiữa phôi và dụng cụ, các vấn đề như: rung động, ứng suất cơ học,tiếng ồn không xuất hiện trong suốt quá trình gia công [18 ] Tuynhiên phương pháp gia công tia lửa điện vẫn tồn tại một số hạn chếnhư: Chất lượng bề mặt sau gia công chưa cao, năng suất gia côngcòn thấp và bị hạn chế về phạm vi ứng dụng
1.2 Lịch sử ra đời và phát triển của phương pháp gia công tia lửa điện
1.3 §Æc ®iÓm cña ph¬ng ph¸p gia c«ng tia löa ®iÖn
1.4 Khả năng công nghệ của phương pháp gia công tia lửa điện
Phương pháp gia công tia lửa điện có thể gia công được các
bề mặt mặt có hình dạng phức tạp như: bề mặt các lỗ, hốc phức tạp
Trang 6(lỗ định hình, khuôn rèn, khuôn dập,…) và các chi tiết có độ bền,
độ cứng rất cao (chi tiết máy sử dụng trong ngành hàng không, lòphản ứng hạt nhân…)[1]
Bề mặt chi tiết được gia công bằng phương pháp EDM cóthể đạt độ nhám thấp: Ra= 0,63µm khi gia công thô và Ra= 0,16µmkhi gia công tinh Thông thường độ chính xác kích thước gia côngvào khoảng 0,01mm Ở các máy khoan tọa độ sử dụng tia lửa điện
để gia công thì độ chính xác đạt đến 0,0025mm
Phương pháp này có thể gia công những vật liệu khó giacông mà các phương pháp gia công không truyền thống khó hoặckhông thể thực hiện được như: thép đã qua tôi, thép hợp kim khógia công, hợp kim cứng
Mặc dù việc bóc tách vật liệu phôi bằng năng lượng nhiệtrất lớn, tuy nhiên những ảnh hưởng của nhiệt tác động lên vật liệugia công là không lớn Các vấn đề như: biến dạng, ứng suất cơ họckhông xuất hiện trong suốt quá trình gia công do không có sự tiếpxúc giữa phôi và dụng cụ (điện cực) Điều này rất có lợi trong việcgia công các chi tiết mỏng làm bằng các vật liệu dòn
1.5 Các phương pháp gia công tia lửa điện
1.5.1 Phương pháp gia công xung định hình
Phương pháp gia công xung định hình là phương phápdùng các điện cực đã được tạo hình sẵn để in hình (âm bản) của nólên bề mặt phôi Phương pháp này được dùng để chế tạo bề mặt cáckhuôn có hình dạng phức tạp như: các khuôn ép định hình, khuôn
ép nhựa, khuôn đúc áp lực, lỗ không thông…
1.5.2 Phương pháp gia công cắt dây tia lửa điện
Trang 71.5.3 Một số phương pháp sử dụng nguyên lý gia công tia lửa điện
- Gia công EDM trợ giúp của siêu âm (ultrasonic aided edm):
- Mài xung điện (abrasive electrical discharge AEDG):
grinding Gia công xung định hình siêu nhỏ (MEDM):
- Cắt dây tia lửa điện siêu nhỏ (MWEDM):
- Gia công tia lửa điện theo kiểu đê chắn (mole EDM):
- Xung định hình với 2 điện cực quay:
1.6 Nguyên lý của phương pháp gia công tia lửa điện.
1.7 Các thông số công nghệ của phương pháp gia công xung định hình
1.7.1 Điện áp
1.7.2 Phân cực của điện cực
1.7.3 Cường độ dòng phóng tia lửa điện
1.7.4 Thời gian xung (t i ) và thời gian ngừng xung(t 0 )
1.7.4.1 Thời gian xung t i
1.7.7 Dung dịch điện môi
1.7.7.1 Nhiệm vụ của dung dịch chất điện môi
Trang 81.7.7.2 Các loại chất điện môi
1.7.7.3 Các loại dòng chảy của chất điện môi
1.8 Chất lượng bề mặt gia công tia lửa điện
1.8.1 Cấu trúc mặt cắt ngang lớp bề mặt sau gia công tia lửa điện
1.8.2 Topography bề mặt
1.9 Các hiện tượng xấu xuất hiện trong gia công tia lửa điện 1.9.1 Hiện tượng hồ quang điện
1.9.2 Hiện tượng ngắn mạch và sụt áp
1.9.3 Hiện tượng xung mạch hở, không có dòng điện
1.9.4 Hiện tượng quá nhiệt của dung dịch điện môi
1.10 Nâng cao chất lượng bề mặt gia công bằng phương pháp tia lửa điện
1.10.1 Ảnh hưởng của vật liệu điện cực đến chất lượng bề mặt 1.10.2 Ảnh hưởng của môi trường gia công đến chất lượng bề mặt
1.10.3 Ảnh hưởng của chế độ gia công đến chất lượng bề mặt 1.10.4 Ảnh hưởng phân cực của phôi đến chất lượng bề mặt: 1.10.5 Ảnh hưởng của kích cỡ hạt đến chất lượng bề mặt 1.10.6 Ảnh hưởng của phương pháp gia công đến chất lượng
bề mặt.
1.11 Kết luận chương 1
1 Phương pháp gia công tia lửa điện là phương pháp giacông tiên tiến với nhiều đặc điểm ưu việt cho gia công khuôn mẫu
Trang 92 Nâng cao chất lượng bề mặt và hiệu quả gia công bằngtia lửa điện đã và đang được các nhà khoa học quan tâm nghiêncứu.
3 Các nghiên cứu nâng cao chất lượng bề mặt gia côngbằng tia lửa điện tập trung vào những hướng sau: xác định trị sốhợp lý của các thông số công nghệ gia công phù hợp với vật liệuđiện cực thông thường (Cu, Al, Gr, Cu-W, Ag-W ); sử dụng vậtliệu điện cực đặc biệt (kim loại hoặc hợp kim đặc biệt); chộn bộtkim loại hoặc hợp kim lơ lửng trong chất điện môi để chúng xâmnhập vào bề mặt phôi Một số nghiên cứu đã cho kết quả cải thiệnđáng kể chất lượng bề mặt gia công Tuy nhiên, quá trình vẫn ở giaiđoạn thử nghiệm, còn nhiều vấn đề cần phải được giải quyết trướckhi có thể chính thức được chấp nhận sử dụng trong công nghiệp
1.12 Xác định hướng nghiên cứu của đề tài
Chương 2 XÂY DỰNG HỆ THỐNG THÍ NGHIỆM
2.1 Mục đích của thí nghiệm
2.2 Mô tả hệ thống thí nghiệm
2.2.1 Sơ đồ thí nghiệm
2.2.2 Máy thí nghiệm
- Máy dùng làm thí nghiệm: Máy xung CNC-EA600L của
Hãng JSEDM-JIANN MECHINERY & ELECTRIC INDUSTRIALCO.LTD-TAIWAN
- Đặc tính kỹ thuật của máy:
2.2.3 Vật liệu thí nghiệm
Trang 10Vật liệu là thép làm khuôn chịu nhiệt SKD61 nhiệt luyệnđạt độ cứng (4852)HRC
2.2.4 Điện cực dụng cụ
Vật liệu điện cực dụng cụ là Titan có khối lượng riêng γ =
4,5g/cm3, nhiệt độ nóng chảy tương đối cao (1665oC), tính chống
ăn mòn rất tốt trong khí quyển và trong nước biển
2.2.5 Dung dịch điện môi
Dung dịch điện môi là dầu biến thế(dầu cách điện)
UNITRANS OIL của hãng ELECTROL
2.2.6 Các thông số công nghệ gia công
1 Cường độ dòng điện xung 4,5A
3 Thời gian ngừng xung 2s
4 Dung dịch điện môi Dầu biến thế (ELEC CTROL)
5 Phân cực Thuận: Điện cực (-), Phôi (+)
6 Thời gian gia công 1h35’52”
2 Máy kiểm tra độ cứng tế vi
Trang 11Độ cứng tế vi lớp bề mặt được đo bằng máy đo độ cứng
tế vi Indenta Met 1106 (Hãng BUEHLER - USA)
3 Máy phân tích các pha ( X-ray)
Phân tích thành phần pha trên bề mặt( X-ray) bằng máynhiễu xạ tia X Siemens D5000( CHLB Đức )
4 Máy chụp hình thái bề mặt (SEM)
Khảo sát hình thái bề mặt gia công (SEM) bằng kính hiển
vi điện tử quét Jeol 6490 JED2300 (Hãng JEOL - JAPAN)
5 Máy quan sát cấu trúc mặt cắt ngang lớp bề mặt
Cấu trúc tế vi lớp kim loại bề mặt được khảo sát bằngcách chụp ảnh mặt cắt ngang của bề mặt gia công trên máyhiển vi quang học Axiovert 40MAT (Hãng CARL ZEISS -GERMAN)
6 Máy phân tích thành phần hóa học bề mặt (EDX)
Phân tích thành phần hóa học của bề mặt sau gia côngbằng phương pháp Ref-ASTM E415-08 trên máy quang phổ phát
xạ PDA-7000(Thụy Sỹ)
2.3 Kết luận chương 2
Đã xây dựng được hệ thống thí nghiệm để khảo sát chấtlượng bề mặt thép SKD61 khi gia công bằng phương pháp xung
định hình với điện cực Ti trong dung dịch điện môi là dầu biến thế.
Các thiết bị thí nghiệm được sử dụng đều là các thiết bị hiện đại, có
độ tin cậy cao
Trang 12Chương 3 THỰC NGHIỆM ĐÁNH GIÁ CHẤT LƯỢNG BỀ MẶT KHUÔN DẬP CÒ MỔ ĐỘNG CƠ RV125
3.1 Hình dáng bề mặt khuôn sau gia công xung định hình.
3.2 Kết quả và thảo luận
Trang 143.2.3 Cấu trúc, độ cứng tế vi lớp bề mặt khuôn và chiều dày lớp thấm
Hình 3.24 Vị trí phân tích tổ chức tế vi
Vị trí phân tích TCTV
Vị trí phân tích TCTV thấp
Vị trí phân tích TCTV cao
Hình 3.25 Tổ chức tế vi của
khuôn 1 ở vị trí cao: 500 lần
Hình 3.27 Tổ chức tế vi của khuôn 2 ở vị trí cao: 500 lần
Hình 3.28 Tổ chức tế vi củakhuôn 2 ở vị trí thấp: 500 lần
Hình 3.26 Tổ chức tế vi của khuôn 1 ở vị trí thấp: 500 lần
Hình 3.26 Tổ chức tế vi củakhuôn 1 ở vị trí thấp: 500 lần
Hình 3.27 Tổ chức tế vi của
khuôn 2 ở vị trí cao:500 lần
Trang 15Bảng 3.2 Kết quả đo chiều dày lớp biến trắng và lớp chuyển tiếp, µm
Lần đo3
khuôn 3 ở vị trí cao: 500 lần
Trang 16Bảng 3.3 Sự thay đổi độ cứng tế vi lớp bề mặt khuôn theo chiều sâu.
Trang 17Bảng 3.4 Kết quả kiểm tra thành phần hóa học của lớp nền theo %trọng lượng của thép SKD61 tại Viện Khoa học vật liệu Hà Nội.
Tỷ lệ các nguyên tố, %
Bảng 3.5 Thành phần hóa học của các vùng trên lớp bề mặt mẫu 1 (vị trí cao)
Hình 3.31 Mức năng lượng của các nguyên tố ở lớp biến trắng mẫu 1 (vị trí cao)
Bảng 3.6 Thành phần hóa học của các vùng trên lớp bề mặt mẫu 1 (vị trí thấp)
Trang 18Hình 3.32 Mức năng lượng của các nguyên tố ở lớp biến trắng
mẫu 1 (vị trí thấp)
Bảng 3.7 Thành phần hóa học của các vùng trên lớp bề mặt mẫu 2 (vị trí cao)
Trang 19Hình 3.33 Mức năng lượng của các nguyên tố ở lớp biến trắng mẫu 2 (vị trí cao)
Bảng 3.8 Thành phần hóa học của các vùng trên lớp bề mặt mẫu 2 (vị trí thấp)
Hình 3.34 Mức năng lượng của các nguyên tố ở lớp biến trắng mẫu 2 (vị trí thấp)
Trang 20Bảng 3.9 Thành phần hóa học của các vùng trên lớp bề mặt mẫu 3 (vị trí cao)
Hình 3.35 Mức năng lượng của các nguyên tố ở lớp biến trắng mẫu 3 (vị trí cao)
Bảng 3.10 Thành phần hóa học của các vùng trên lớp bề mặt mẫu 3 (vị trí thấp)
Trang 21Hình 3.36 Mức năng lượng của các nguyên tố ở lớp biến trắng mẫu 3 (vị trí thấp)
3.3 Kết luận chương 3
- Đã tiến hành khảo sát tương đối toàn diện chất lượng bề mặtkhuôn dập cò mổ động cơ RV125 làm bằng thép SKD61 sau khi giacông bằng phương pháp xung định hình với điện cực Ti trong dung
dịch điện môi là dầu biến thế.
Hình 3.37 Tổ chức các pha của lớp biến trắng
Trang 22- Chất lượng bề mặt khuôn dập không có sự thay đổi đáng kểtại các vị trí khác nhau khảo sát trên bề mặt khuôn.
- Lớp bề mặt thép SKD61 bị thay đổi trong đó:
+ Lớp biến trắng là lớp có cấu trúc tế vi và đặc điểm cơ tínhkhông có lợi cho quá trình làm việc của khuôn dập nóng
+ Lớp chuyển tiếp là lớp có các tính chất ảnh hưởng rất tốtđến khả năng làm việc của vật liệu làm khuôn
- Sau gia công xung bề mặt có độ nhẵn không cao (cấp 4) và
có lớp biến trắng do đó trước khi sử dụng cần thiết phải có các nguyêncông gia công tinh tiếp theo
- Vật liệu Titan của điện cực dụng cụ trong quá trình nóngchảy và bay hơi đã không kết hợp với C bị cracking (bẻ gãy mối liênkết) trong dầu biến thế để tạo ra tổ chức TiC
