Bài viết này giới thiệu phương pháp gia công bằng tia lửa điện kết hợp với siêu âm, thí nghiệm và phân tích cơ chế tạo thành hạt vật liệu rỗng. Gia công bằng tia lửa điện kết hợp với siêu âm là một công nghệ mới, công nghệ này là sự kết hợp của phương pháp gia công tia lửa điện với phương pháp gia công bằng siêu âm để chế tạo hạt vật liệu rỗng siêu nhỏ.
CHÀO MỪNG NGÀY NHÀ GIÁO VIỆT NAM 20/11/2015 NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ GIA CÔNG BẰNG TIA LỬA ĐIỆN KẾT HỢP VỚI SIÊU ÂM ĐỂ SẢN XUẤT HẠT VẬT LIỆU RỖNG TS NGUYỄN TIẾN DŨNG Bộ môn Công nghệ Vật liệu – Viện Cơ khí Tóm tắt: Gia cơng tia lửa điện kết hợp với siêu m công nghệ mới, công nghệ kết hợp phương pháp gia công tia lửa điện với phương pháp gia công siêu m để chế tạo hạt vật liệu rỗng siêu nhỏ Bài viết giới thiệu phương pháp gia công tia lửa điện kết hợp với siêu m, thí nghiệm ph n tích chế tạo thành hạt vật liệu rỗng Từ khóa: Gia cơng tia lửu điện kết hợp siêu m; Gia công tia lửa điện; Gia công siêu m; Hạt vật liệu rỗng Mở đầu Vật liệu rỗng với kích thước nhỏ từ vài chục nanomet đến vài trăm micromet có nhiều tính chất đặc biệt nhẹ, có khả hấp thụ sóng điện từ, hấp thụ nhiệt, có tích chất quang học…do sử dụng nhiều lĩnh vực khác chế tạo dược phẩm y học, làm chất xúc tác ngành hóa học, ngành mơi trường, làm vật liệu quang điện đặc biệt làm vật liệu tàng hình hấp thụ sóng rada ngành quân sự… Hiện nay, để chế tạo vật liệu rỗng thường sử dụng vài phương pháp chủ yếu như: phương pháp điện giải, phương pháp dùng hạt mẫu, phương pháp tự kết hợp, phương pháp phun khô, phương pháp gia công tia lửa điện Với phương pháp gia công tia lửa điện cho hiệu suất thấp, kết hợp gia cơng tia lửa điện với siêu âm nhằm mục đích tăng hiệu suất gia công làm tăng lượng lớn bọt bong bóng dung dịch gia cơng, tạo điều kiện hình thành hạt kim loại rỗng Phân tích q trình hình thành hạt kim loại rỗng gia cơng tia lửa điện Trong q trình gia cơng tia lửa điện, dụng cụ điện cực chi tiết xuất hiện tượng nóng chảy bay hơi, tạo thành giọt kim loại lỏng phần tử kim loại bốc Các giọt kim loại lỏng phần tử kim loại bốc xâm nhập vào dung dịch gia công kết hợp lại với tạo thành hạt kim loại có hình dạng khác 1316 (hình 5) Các hạt có hình cầu, đường kính hạt nhỏ, từ vài chục nanomet đến vài chục micromet Trong trình giọt kim loại lỏng phần tử kim loại bốc kết hợp với nhau, chúng bao quanh bọt bong bóng khí, sau đơng đặc tạo thành hạt kim loại rỗng, bao phủ tồn bong bóng khí hạt kim loại rỗng có dạng 15, bao phủ khơng hồn tồn hạt kim loại rỗng có dạng 13 Nếu chúng khơng bao quanh bọt bong bóng khí, mà hình thành tượng rỗng nguyên nhân sau: - Ở nhiệt độ cao, kim loại lỏng hòa tan lượng khí định, đơng đặc lượng khí giải phóng Do bề mặt ngồi hạt bị đơng đặc trước tiên, nên lượng khí bị mắc kẹt lại bên hạt tạo thành hình rỗng - Trong q trình đơng đặc, phần tử bên ngồi hạt bị đơng đặc trước bị co lại, phần co bù đắp phần tử bên sát nó, sau phần tử bị đơng đặc, bị co bù đắp phần tử bên tiếp theo, trung tâm hạt đông đặc sau bị co, không bù đắp nên tạo thành phần rỗng, phần rỗng chân không bị kim loại nóng chảy Nội san khoa học Viện Cơ khí Số 01 – 11/2015 16 CHÀO MỪNG NGÀY NHÀ GIÁO VIỆT NAM 20/11/2015 Thiết kế sơ đồ hệ thống nguyên lý gia công tia lửa điện kết hợp với hệ thống siêu âm riêng biệt 3.1 Thiết kế sơ đồ hệ thống Hình 1: Cấu tạo hệ thống siêu âm riêng biệt 1-Hệ thống khuếch đại siêu âm 2-Thùng chứa thép chống rỉ 3-Cơ cấu kẹp chi tiết 4-Tấm giấy bạc Từ phân tích trên, để tăng số lượng hạt rỗng, cần tăng lượng bọt khí q trình gia cơng để tăng khả phần tử kim loại bốc kết hợp với nhau, chúng bao quanh bọt bong bóng khí, sau đơng đặc tạo thành hạt kim loại rỗng Đối với hệ thống gia công tia lửa điện kết hợp với siêu âm cưỡng trục chính, hệ thống siêu âm gắn cố định thân trục chính, cịn phương pháp nhóm tác giả chế tạo hệ thống phát siêu âm riêng biệt hệ thống đặt bàn máy máy gia công tia lửa điện thơng thường (hình 5) Hệ thống phát siêu âm riêng biệt (hình 1) bao gồm thùng chứa làm thép chống rỉ có kích thước 260*190*170(mm), thùng gắn cặp khuếch đại siêu âm đối xứng nối với nguồn phát siêu âm Để định vị kẹp chặt chi tiết gia công, bên thùng chứa có hàn cấu định vị kẹp chi tiết Hình 2: Hệ thống siêu âm riêng biệt Hình 3: Gia cơng hệ thống siêu âm riêng biệt Yêu cầu thiết kế hệ thống phải đảm bảo trình gia cơng phải sinh bọt khí dung dịch chúng phải tập trung chủ yếu vùng gia cơng (vị trí giữa) Vì sau thiết kế gia cơng hệ thống (hình 2), nhóm nghiên cứu tiến hành thí nghiệm đo Sử dụng giấy bạc đặt thùng chứa (hình 1) với dung mơi dầu hỏa, chế độ gia công bảng Bằng Nội san khoa học Viện Cơ khí Số 01 – 11/2015 17 CHÀO MỪNG NGÀY NHÀ GIÁO VIỆT NAM 20/11/2015 mắt thường dễ dàng thấy rằng, có sóng siêu âm bề mặt dung dịch xuất nhiều bọt khí lên (hình 3) Với hai thí nghiệm a1 = 70mm a2 = 95mm (vị trí giữa), kết thể hình cho thấy rằng, hai tờ giấy bạc xuất vết lõm bề mặt, hình 4a (a1 = 70mm) vết lõm tập trung chủ yếu hai bên, cịn hình 4b (a2 = 95mm) vết lõm xuất tồn bề mặt, điều chứng tỏ vị trí (vị trí gia cơng) tập trung nhiều bọt khí Hình 4a: Khi a = 70 Hình 4b: Khi a = 95 Sơ đồ cấu tạo gia công tia lửa điện kết hợp với hệ thống siêu âm riêng biệt thể hình Hình 5: Sơ đồ cấu tạo gia công tia lửa điện kết hợp với hệ thống siêu âm riêng biệt 1-Nguồn điện 2-Hệ thống điều khiển trục 3-Dụng cụ điện cực 4-Dung dịch gia công 5-Hệ thống phát siêu âm 6-Chi tiết gia công 7-Bàn máy gia cơng 8-Vùng chân khơng 9-Vùng phóng điện 10-Vùng kim loại bị nóng chảy 11-Giọt kim loại lỏng 12-Phần tử kim loại bốc 13,14,15,16-Hình dạng hạt kim loại sau đông đặc 3.2 Nguyên lý gia công Khác với hệ thống gia công tia lửa điện kết hợp với siêu âm cưỡng trục chính, trục vừa thực việc tạo tia lửa điện vừa tạo siêu âm, hệ thống phát siêu âm riêng biệt Nội san khoa học Viện Cơ khí Số 01 – 11/2015 18 CHÀO MỪNG NGÀY NHÀ GIÁO VIỆT NAM 20/11/2015 hệ thống siêu âm hệ thống gia công tia lửa điện độc lập, nên nguyên lý gia công hệ thống kết hợp hai hệ thống Có thể miêu tả sau: Dụng cụ điện cực chi tiết nối với nguồn điện 1, thông qua hệ thống điều khiển trục 2, dụng cụ điện cực di chuyển hướng xuống chi tiết đến khoảng cách khe hở điện cực chi tiết đủ nhỏ xuất hiện tượng phóng điện qua dung dich gia cơng Vùng phóng điện tạo vùng nhiệt độ lớn làm dụng cụ điện cực chi tiết xuất hiện tượng nóng chảy bay hơi, đồng thời tạo vùng bọt khí Kim loại bay với kim loại lỏng vượt qua vùng chân không xâm nhập vào dung dịch tạo thành hạt kim loại, đồng thời gia nhiệt cho vùng dung dịch 4, làm dung dịch bị phân hủy tạo thành bọt khí chất giải nhiệt Kim loại bay với kim loại lỏng tạo ăn mịn chi tiết - q trình cắt Q trình ăn mịn xảy nhanh, xung phát điện diễn khoảng vài chục đến vài trăm s Khi tắt xung điện, vùng chân khơng nhanh chóng co lại đi[3] Đồng thời với trình này, hệ thống phát siêu âm hoạt động tạo lượng lớn bọt bong bóng khí có tác dụng thúc đẩy nhanh q trình kim loại lỏng khỏi khu vực gia cơng Bong bóng khí nhân tố để tạo hạt vật liệu rỗng Hệ thống phát siêu âm riêng biệt chế tạo đơn giản, có tính linh hoạt cao dễ dàng tháo lắp, kết hợp với máy gia cơng tia lửa điện, thay đổi thông số siêu âm cách thuận tiện, độc lập với trục Đây điểm ưu việt so với hệ thống gia công tia lửa điện kết hợp với siêu âm cưỡng trục chính, loại máy có cấu tạo phức tạp Cũng đơn giản hệ thống mà giá thành thực tế hệ thống giảm đến 20% Thí nghiệm phân tích kết 4.1 Phương pháp thí nghiệm Dùng máy gia cơng tia lửa điện điều khiển kỹ thuật số E46PM, hộp gia công chế tạo thép khơng rỉ có kích thước 260*190*170(mm), bên hộp gắn hệ thống phát siêu âm 40KHz, dụng cụ điện cực chi tiết gia công Niken 99,99% có tiết diện 10x10mm, dung dịch gia cơng dầu hỏa (hình 2,3) Thơng số thí nghiệm thể bảng Bảng 1: Thông số thí nghiệm gia cơng tia lửa điện kết hợp với siêu âm Cƣờng độ dịng điện(I) Điện áp phóng điện(U) Độ kéo dài xung máy phát (ti) Công suất sóng siêu âm Tần suất sóng siêu âm (f) Thời gian gia công 15 A 45 V 300μs 600 W 120 KHz 60 4.2 Phân tích kết Vì niken có tính chất từ tính, nên sau gia cơng, dùng nam châm từ tính để hút hạt vật liệu, làm hạt vật liệu soi kính hiển vi SEM, ta thu kết hình 7, cắt đơi hạt vật liệu soi kính hiển vi SEM, ta thu kết hình Hệ thống phát siêu âm riêng biệt tạo lượng bong bóng lớn vùng gia công, mà hiệu suất tạo thành hạt rỗng đạt 70÷80% Lớn nhiều gia cơng phương pháp gia cơng tia lửa điện (khơng có siêu âm, hiệu suất tạo thành hạt rỗng đạt 20÷30%) Từ hình dễ dàng nhìn hạt rỗng có bề mặt bên nhẵn bóng, độ dày hạt mỏng, điều trình giọt kim loại lỏng phần tử kim loại bốc kết hợp với nhau, chúng bao quanh bọt bong bóng khí, sau đơng đặc tạo thành hạt kim loại rỗng, bao phủ tồn bong bóng khí hạt kim loại rỗng có dạng 15 (hình 5), bao phủ khơng hồn tồn hạt kim loại rỗng có dạng 13 (hình 5), có chế đặc trưng hình thành hạt rỗng gia công hệ thống phát siêu âm riêng biệt, chiếm đến 80% lượng hạt rỗng Ngoài ra, xuất lượng hạt rỗng mà đường kính rỗng nhỏ (hình 6) khoảng 20%, bề mặt khơng nhẵn bóng, điều phần tử kim loại kết hợp với nhau, chúng khơng bao quanh bọt bong bóng khí, mà hình thành tượng rỗng tương tự gia công tia lửa điện Nội san khoa học Viện Cơ khí Số 01 – 11/2015 19 CHÀO MỪNG NGÀY NHÀ GIÁO VIỆT NAM 20/11/2015 Hình 6: Hạt Niken rỗng sau cắt đôi hạt vật liệu sử dụng kính hiển vi SEM Hình 7: Hạt Niken rỗng sau gia công tia lửa điện kết hợp với siêu âm chụp từ kính hiển vi SEM Kết luận Bài viết đưa mô hình ngun lý phương pháp gia cơng tia lửa điện kết hợp với siêu âm, từ tiến hành thí nghiệm gia cơng vật liệu niken Kết thí nghiệm rằng, phương pháp chế tạo thành công vật liệu niken rỗng hiệu suất tạo thành hạt rỗng cao so với gia công với hệ thống gia công tia lửa điện, đạt 70÷80% Với nghiên cứu đạt được, tác giả tiếp tục tiến hành thí nghiệm để đưa ảnh hưởng thông số công nghệ đến hàm lượng kích thước hạt rỗng Tài liệu tham khảo [1] BERKOWITZ A E, HANSEN M F, PARKER F T, et al “Amorphous soft magnetic particles produced by spark erosion” [J] Journal of Magnetic Mater, 2003, 1(6)：254-255 [2] Berkowitz, A.E., Harper, H.,Smith,D J.Hu,H.,Jiang,Q., Solomon, V C et al (2004) “Hollow metallic microspheres produced by spark erosion” [J] Applied Physics Letters,85, 940–942 [3] CARREY J, RADOUSKY H B, BERKOWITZ A E “Spark-eroded particles: Influence of processing parameters” [J] Journal of Applied Physics, 2004, 95(31)：823-929 [4] Thoe TB, Aspin wall DK, Killey N “Combined Ultrasonic and Electrical Discharge Machining of Ceramic Coated Nickel Alloy” [J] Journal of Materials Processing Technology, 1999, 92: 323328 Nội san khoa học Viện Cơ khí Số 01 – 11/2015 20 ... Hình 7: Hạt Niken rỗng sau gia công tia lửa điện kết hợp với siêu âm chụp từ kính hiển vi SEM Kết luận Bài viết đưa mơ hình ngun lý phương pháp gia công tia lửa điện kết hợp với siêu âm, từ tiến... thí nghiệm gia cơng vật liệu niken Kết thí nghiệm rằng, phương pháp chế tạo thành công vật liệu niken rỗng hiệu suất tạo thành hạt rỗng cao so với gia công với hệ thống gia công tia lửa điện, đạt... cấu tạo gia công tia lửa điện kết hợp với hệ thống siêu âm riêng biệt 1-Nguồn điện 2-Hệ thống điều khiển trục 3-Dụng cụ điện cực 4-Dung dịch gia công 5-Hệ thống phát siêu âm 6-Chi tiết gia công