Khảo sát chất lượng bề mặt khuôn dập cò mổ động cơ rv125 được gia công bằng phương pháp xung điện

cao. Do phương pháp này sử dụng năng lượng nhiệt rất cao được tạo ra bởi các tia lửa điện để bóc tách vật liệu nên topography và cấu trúc của lớp bề mặt sau gia công bằng EDM khác với khi được tạo ra bằng các phương pháp gia công truyền thống. Bài báo này trình bày khảo sát về chất lượng của lớp bề mặt khuôn dập cò mổ động cơ RV125 được làm bằng thép SKD61 sau gia công EDM với điện cực Cu và dung dịch điện môi là dầu qua các thông số: trị số nhấp nhô, độ cứng tế vi, cấu trúc tế vi và sự thay đổi thành phần hóa học của lớp bề mặt. Từ khóa: EDM, nhấp nhô bề mặt, độ cứng tế vi lớp bề mặt, cấu trúc tế vi lớp kim loại bề mặt, thành phần hóa học của lớp bề mặt. ĐẶT VẤN ĐỀ* Gia công bằng tia lửa điện (EDM) là phương pháp gia công không truyền thống được ứng dụng rộng rãi nhất trong ngành gia công khuôn mẫu [1]. Phương pháp này sử dụng nguồn năng lượng nhiệt cao của các tia lửa điện xuất hiện trong khe hở giữa phôi và dụng cụ (điện cực) để làm nóng chảy và bay hơi vật liệu cần gia công [4]. Ưu điểm nổi bật của phương pháp là gia công được các chi tiết làm bằng các vật liệu dẫn điện với độ bền, độ cứng bất kỳ và có hình dạng bề mặt rất phức tạp như: khuôn rèn, khuôn dập, các chi tiết trong ngành hàng không, các chi tiết chịu tải trọng lớn và nhiệt độ cao [3]. Các vấn đề như: rung động, ứng suất cơ học, tiếng ồn cũng không xuất hiện trong suốt quá trình gia công do không có sự tiếp xúc giữa phôi và dụng cụ. Tuy nhiên, phương pháp này cũng tồn tại một số nhược điểm như: chất lượng bề mặt gia công thấp (nhấp nhô bề mặt lớn, cơ lý hóa tính lớp vật liệu bề mặt thay đổi, xuất hiện nhiều vết nứt tế vi trên bề mặt), năng suất gia công không cao và bị giới hạn về khả năng ứng dụng. * Tel: 0983783844 Một số kết quả nghiên cứu đã chỉ ra rằng lớp bề mặt của chi tiết sau gia công bằng phương pháp tia lửa điện được chia thành nhiều lớp: Lớp biến trắng, lớp trung gian, lớp nền do sự tác động nhiệt của các tia lửa điện gây ra [11]. Chất lượng sản phẩm sau gia công bằng EDM được đánh giá qua các đặc trưng của lớp bề mặt gia công như: nhấp nhô, kích thước và sự phân bố của các vết nứt tế vi, ứng suất dư trên lớp bề mặt [2]. Rất nhiều các thông số công nghệ ảnh hưởng đến lớp bề mặt sau EDM: thời gian xung, cường độ dòng điện xung, điện áp xung, sự phân cực, vật liệu điện cực, dung dịch điện môi, nồng độ các hạt phoi trong dung môi và kích thước điện cực [3]. Ảnh hưởng của các thông số công nghệ có tác động rất lớn đến khả năng làm việc của chi tiết gia công như: độ bền mỏi, độ bền ăn mòn và khả năng chịu mài mòn [4]. Jaharah và các cộng sự đã nghiên cứu ảnh hưởng của cường độ dòng phóng tia lửa điện, thời gian phát xung và thời gian ngừng phát xung đến tốc độ mòn điện cực Cu, đến tốc độ bóc tách vật liệu và nhấp nhô bề mặt gia công của thép SKD61 [6]. Shabgard và các cộng sự đã nghiên cứu về ảnh hưởng của cường độ dòng phóng tia lửa điện và thời gian phát xung đến các thông số đặc trưng lớp bề mặt gia công của thép SKD61 (nhấp nhô bề mặt, chiều dày Bành Tiến Long và Đtg Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ 118(04): 157 - 162 158 lớp biến trắng, chiều sâu lớp bị tác động nhiệt độ) sau EDM với điện cực Cu [7]. Boujelbene và các cộng sự đã nghiên cứu về ảnh hưởng của cường độ dòng điện xung trung bình và năng lượng xung đến chiều sâu, độ cứng, nứt tế vi, cấu trúc và thành phần hóa học của các lớp trên bề mặt thép X200Cr15 và 50CrV4 sau EDM với 2 loại vật liệu điện cực là Cu và Grafit [5]. Hầu hết các nghiên cứu đã công bố được thực hiện trong điều kiện phòng thí nghiệm với điện cực có kích thước nhỏ, hình dạng bề mặt đơn giản. Thép SKD61 là loại thép có độ bền tiếp xúc tốt, độ bền nhiệt tốt và độ cứng cao do đó được sử dụng rộng rãi để làm các khuôn chịu tác động của nhiệt độ cao như: khuôn rèn, khuôn kéo, khuôn đúc [8]. Cu, Cu-W, Gr, W là những loại vật liệu được sử dụng để làm điện cực do có độ dẫn điện tốt, độ mòn điện cực nhỏ và đạt được chất lượng gia công cao [9]. Trong số các vật liệu trên thì hiện nay Cu và Gr là hai loại vật liệu được sử dụng phổ biến hơn cả. Bài báo này trình bày khảo sát về chất lượng bề mặt khuôn dập cò mổ động cơ RV125 được làm bằng thép SKD61, gia công bằng EDM với điện cực Cu và dung dịch điện môi là dầu. Các thông số chất lượng bề mặt đã được khảo sát gồm: trị số nhấp nhô, độ cứng tế vi, cấu trúc tế vi và sự thay đổi thành phần hóa học của lớp bề mặt. Thí nghiệm được tiến hành tại Công ty TNHH Nhà nước một thành viên Diesel Sông Công - Thái Nguyên. NỘI DUNG NGHIÊN CỨU Điều kiện thí nghiệm Máy và sơ đồ thí nghiệm - Máy thí nghiệm: Máy xung điện CNC- EA600L của Hãng JSEDM-JIANN MECHINERY & ELECTRIC INDUSTRIAL CO.LTD-TAIWAN. - Sơ đồ thí nghiệm thể hiện trên Hình 1, quá trình phân cực khi gia công là phân cực thuận (điện cực (-), phôi (+)). Vật liệu thí nghiệm - Vật liệu phôi là thép SKD61(TC JIS - Nhật Bản), nhiệt luyện đạt độ cứng HRC = (48÷52). Thành phần hóa học và các tính chất cơ, lí của thép SKD61 được cho ở bảng 1 và bảng 2. Hình 1. Sơ đồ gia công bằng tia lửa điện Bảng 1. Thành phần hóa học theo % trọng lượng của thép SKD61 C Mn Si Cr Mo V P S 0,35 0,40 1,00 5,15 1,3 1,0 ≤0,03 ≤0,01 Bảng 2. Các tính chất cơ, lí của thép SKD61 Nhiệt độ 0C Khối lượng riêng Kg/d m3 Nhiệt dung riêng J/kg. K Điện trở suất Ohm.mm 2/m Môđul đàn hồi N/mm2 Độ dẫn nhiệt W/m. K 20 7,80 460 0,52 215.103 24,30 500 7,64 550 0,86 176.103 27,70 600 7,6 590 0,96 165.103 27,50 Nhiệt độ hóa lỏng:14540C Nhiệt độ hóa rắn: 1315 0C - Vật liệu điện cực là đồng đỏ (Cu), các đặc tính của Cu được thể hiện trong bảng 3. - Hình dáng và kích thước điện cực dụng cụ là âm bản của bề mặt cần gia công và được mô tả ở hình 2. Hình 2. Hình dáng điện cực dụng cụ Động cơ điều khiển Điện cực Cu Dung dịch điện môi Phôi SKD61 Bành Tiến Long và Đtg Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ 118(04): 157 - 162 159 Bảng 3. Đặc tính kỹ thuật của Cu TT Đặc tính kỹ thuật Chỉ số 1 Độ dẫn nhiệt (W/m.0K) 380,7 2 Nhiệt độ nóng chảy (oC) 1083 3 Khối lượng riêng ở 200C (g/Cm3) 8,9 4 Nhiệt độ sôi(oC) 2595 5 Nhiệt dung riêng (Cal/g.0C) 0,092 6 Hệ số biến dạng nhiệt (x10-6C-1) 17 Dung dịch điện môi Dung dịch điện môi là dầu biến thế (ELEC CTROL) với đặc tính kỹ thuật cho ở Bảng 4. Bảng 4. Đặc tính kỹ thuật của dầu biến thế TT Đặc tính kĩ thuật Chỉ số 1 Tỷ trọng ở 200C (max) (kg/l) 0,89 2 Nhiệt độ cháy cốc kín (min) (0C) 140 3 Nhiệt độ đông đặc (max) (0C) -30 4 Điện áp đánh thủng (min) (KV) 45 5 Độ nhớt động học ở 40 0C(max) (cST) 16,5 6 Hệ số tổn thất điện môi (max) 0,005 Các thông số công nghệ Các thông số công nghệ gia công được lấy theo số liệu mà Công ty TNHH Nhà nước một thành viên Diesel Sông Công - Thái Nguyên đang áp dụng trong sản xuất (Bảng 5). Bảng 5. Các thông số công nghệ gia công Cường độ dòng điện xung 4,5A Thời gian xung 150µs Thời gian ngừng xung 2µs Dung dịch điện môi Dầu biến thế Phân cực Thuận Thời gian gia công 1h35’52” Điện áp khe hở 45V Phương pháp đánh giá Độ nhấp nhô bề mặt được đo bằng máy đo biên dạng kiểu đầu dò tiếp xúc SJ-400 (Hãng MITUTOYO - JAPAN); hình thái bề mặt được khảo sát bằng cách chụp ảnh trên máy hiển vi điện tử quét JSM 6490 (Hãng JEOL - JAPAN); cấu trúc tế vi lớp kim loại bề mặt được khảo sát bằng cách chụp ảnh mặt cắt ngang của bề mặt gia công trên máy hiển vi quang học Axiovert 40MAT (Hãng CARL ZEISS - GERMAN); độ cứng tế vi lớp bề mặt được đo bằng máy đo độ cứng tế vi Indenta Met 1106 (Hãng BUEHLER - USA). KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN Cấu trúc và độ cứng tế vi các lớp theo mặt cắt ngang Độ cứng tế vi sau gia công được khảo sát theo chiều sâu lớp bề mặt. Thang đo được sử dụng để đo là thang HV0,005 và đo theo phương vuông góc với bề mặt mẫu với tải trọng đâm xuyên là 50 gam. Hình 3. Cấu trúc lớp mặt cắt ngang thép SKD61 sau EDM (ASTM E407) Bảng 6. Chiều dày của các lớp bề mặt bị thay đổi Lớp khảo sát Chiều dày (µm) Lớp biến trắng 10,54 ÷ 24,06 Lớp chuyển tiếp 6,21÷13,33 Bảng 7. Độ cứng theo chiều sâu lớp bề mặt gia công Chiều sâu đo (µm) 11 28 100 150 200 Độ cứng (HV) 459.27 648.13 632.63 652.27 643.30 Kết quả khảo sát cấu trúc và độ cứng tế vi các lớp theo mặt cắt ngang (Hình 3, Bảng 6 và Bảng 7) cho thấy: - Lớp bề mặt của thép SKD61 sau gia công tạo thành 3 lớp (lớp biến trắng, lớp trung gian và lớp nền), độ cứng tế vi của các lớp rất khác nhau. - Lớp biến trắng là lớp được hình thành từ vật liệu bị nóng chảy, bay hơi mà không bị dung dịch điện môi cuốn đi nên đã kết tinh lên bề mặt gia công. Lớp này có chiều dày khá lớn (6,21 ÷ 24,06) µm, độ cứng tế vi thấp 459,27 HV và xuất hiện nhiều vết nứt tế vi. Các đặc điểm này đã làm độ bền mòn và độ bền mỏi của bề mặt khuôn giảm mạnh. Lớp biến trằng Lớp trung gian Lớp nền Bành Tiến Long và Đtg Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ 118(04): 157 - 162 160 - Lớp trung gian được hình thành từ vật liệu bị nung nóng đến trạng thái biến đổi cấu trúc và pha. Lớp này có chiều dày nhỏ hơn lớp biến trắng nhưng độ cứng tế vi cao hơn vật liệu nền khá nhiều 648.13HV và xuất hiện ít nứt tế vi, vì vậy có ảnh hưởng tốt đến khả năng làm việc của khuôn dập. Thành phần hóa học của lớp bề mặt Kết quả phân tích thành phần hóa học ở lớp bề mặt (lớp biến trắng) của thép SKD61 sau gia công bằng EDM cho ở Bảng 8 và Hình 6. Bảng 8. Thành phần hóa học của biến trắng Thành phần Trước gia công (%) Sau gia công (%) C 0,40 13,76 Mn 0,47 0,4 Si 0,98 1,00 V 0,83 0,80 Cr 4,89 5,15 Mo 1,15 1,40 Cu 0,00 0,32 Hình 4. Tổ chức các pha hình thành trên bề mặt gia công Bảng 8 cho thấy: - Thành phần hóa học lớp bề mặt của thép SKD61 đã thay đổi đáng kể sau gia công: xuất hiện nguyên tố Cu (0,32%) và hàm lượng C tăng lên rất lớn (8.84% ÷ 15.18%). - Sự có mặt của nguyên tố Cu trong lớp bề mặt là do vật liệu điện cực (Cu) trong quá trình xung đã bị tác động nhiệt của tia lửa điện làm nóng chảy và bay hơi xâm nhập vào. - Hàm lượng C trong lớp bề mặt tăng lên là do dầu biến thế dưới tác động của tia lửa điện đã bị cracking tạo ra các bon xâm nhập vào. Hình 4 chỉ ra rằng nguyên tố C xâm nhập vào lớp bề mặt phôi tồn tại dưới dạng cacbit Fe7C3 và mác ten xít Fe3C. Tuy nhiên độ cứng của lớp bề mặt vẫn thấp hơn lớp nền, điều này được giải thích là do tổ chức lớp này có cấu tạo dạng xốp. Nhấp nhô và hình thái bề mặt gia công: - Nhấp nhô bề mặt Kết quả đo (với chiều dài chuẩn đo là 5mm, số lần lặp là 3 lần trên mỗi mẫu thí nghiệm, kết quả là giá trị trung bình cộng của 3 lần đo): Rz = (21,83 ÷ 31,36) µm. Với yêu cầu kỹ thuật của bề mặt khuôn dập phải có trị số nhấp nhô Ra = 0,63µm thì sau gia công bằng EDM cần có thêm phương pháp gia công tinh bổ sung. - Hình thái bề mặt gia công Hình 5. Ảnh bề mặt phôi sau EDM a) Hình thái bề mặt gia công b) Hình dạng các hạt trên bề mặt a) b) Bành Tiến Long và Đtg Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ 118(04): 157 - 162 161 Kết quả ở Hình 5 cho thấy: - Bề mặt sau gia công là tập hợp các vết lõm và nhiều hạt hình cầu bám dính trên bề mặt, đây là 2 yếu tố tạo ra độ nhẵn bề mặt gia công thấp. - Đường kính, chiều sâu và sự phân tán các vết lõm không đều mà nguyên nhân là do tia lửa điện được tạo ra trong quá trình xung không liên tục và năng lượng của các tia không đều. - Trong quá trình xung một phần vật liệu của điện cực và của phôi bị nóng chảy, bay hơi đồng thời bị dung dịch điện môi làm nguội nhanh và tạo ra sức căng mặt ngoài nên hình thành các hạt hình cầu. Các hạt này không được dung dịch điện môi cuốn đi mà bám dính trên bề mặt gia công. a) b) Hình 6. Ảnh các vết nứt tế vi trên bề mặt phôi a) Ảnh phân bố vết nứt trên bề mặt gia công b) Chiều sâu của các vết nứt trên lớp bề mặt Hình 4 cho thấy: - Trên bề mặt gia công xuất hiện nhiều vết nứt tế vi với mật độ lớn (Hình 6a), có chiều sâu phát triển theo hướng vuông góc với bề mặt gia công và xấp xỉ bằng chiều dày lớp biến trắng (Hình 6b). Đây là dạng khuyết tật có ảnh hưởng không tốt đến độ bền mòn và độ bền mỏi của khuôn. - Các vết tế vi nứt xuất hiện là do năng lượng nhiệt của các tia lửa điện khi gia công làm lớp bề mặt phôi bị nung nóng tới nhiệt độ rất cao và được làm nguội nhanh bởi dung dịch điện môi. KẾT LUẬN Một số nhận xét được rút ra từ kết quả khảo sát chất lượng lớp bề mặt khuôn dập cò mổ động cơ RV125 làm bằng thép SKD61, gia công bằng EDM với điện cực Cu và dung dịch điện môi là dầu: - Lớp biến trắng là lớp ngoài cùng, ở lớp này tồn tại nhiều vết nứt tế vi, có độ cứng nhỏ hơn lớp trung gian và lớp nền nên đây là lớp sẽ ảnh hưởng không tốt đến khả năng làm việc của khuôn. Vì vậy sau khi gia công bằng tia lửa điện cần tính toán lượng dư hợp lý để nguyên công gia công tinh tiếp theo đảm bảo lấy đi toàn bộ lớp biến trắng trên bề mặt khuôn. - Bề mặt gia công có trị số nhấp nhô lớn, xuất hiện nhiều vết nứt tế vi có nguyên nhân từ việc chọn giá trị các thông số công nghệ chưa hợp lý [11], vì vậy cần có những nghiên cứu tiếp theo để tìm ra trị số các thông số công nghệ hợp lý hoặc tối ưu. - Vật liệu điện cực Cu xâm nhập vào bề mặt gia công tạo ra cơ sở để tiếp tục nghiên cứu ứng dụng phương pháp EDM trong công nghệ phủ bề mặt nhằm nâng cao chất lượng bề mặt bằng cách sử dụng các loại vật liệu đặc biệt (TiC, WC, Ti ). Nứt tế vi Bành Tiến Long và Đtg Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ 118(04): 157 - 162 162 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1]. F. L. Amorim, W. L. Weingaertner, Die- Sinking Electrical Discharge Machining of a High-Strength Copper - Based Alloy for Injection Molds, Technical Editor: Alisson Rocha Machado (2004), P.137-144. [2]. Bu¨lent Ekmekci, Residual stresses and white layer in electric discharge machining(EDM), Applied Surface Science 253 (2007), P. 9234– 9240. [3]. H.T. Lee, F.C. Hsu, T.Y. Tai, Study of surface integrity using the small area EDM process with a copper tungsten electrode, Mater. Sci. Eng, A364(2004), P. 346–356. [4]. C.A. Huang, F.Y. Hsu, S.J. Yao, Microstructure analysis of the martensitic stainless steel surface fine-cut by the wire electrode discharge machining (WEDM), Mater. Sci. Eng. A371(2004), P.119–126. [5]. M. Boujelbene, E. Bayraktar, W. Tebni, S. Ben Salem, Influence of machining parameters on the surface integrity in electrical discharge machining, Archives of Materials Science and Engineering, Volume 37(2009), P.110-116. [6]. A.G. Jaharah, C.G. Liang, S.Z. Wahid, M.N. Ab Rahman, C.H. Che Hassan, Performance of copper electrode in electical discharge machining (EDM) of AISI H13 harden steel, International Journal of Mechanical and materials engineering (IJMME), Vol3(2008), No.1, P. 25-29. [7]. M.R. Shabgard, M. Seyedzavvar, S. Nadimi Bavil Oliaei, Influence of input parameters on characteristics of EDM process, Journal of Mechanical engineering Volume. [8]. K.H. Ho, S.T. Newman, State of the art electrical discharge machining (EDM), International Journal of Machine Tools & Manufacture, 43 (2003), P. 1287–1300. [9]. J.P.Kruth, L. Stevens, L. Froyen, B. Lauwers, Study on the white layer of a surface machined by die-sinking electro-discharge machining, Annalsof the CIRP, 44(1995), P. 169–172. [10]. L. C. Lee, L. C. Lim, V. Naryanan, V. C. Venkatesh, Quantification of surface damage of tool steels after EDM, International Journal of Machinery Tools &Manufacture, 28 (1987), P.359–372. [11]. Sanjeev Kumar, Rupinder Singh, T.P. Singh, B.L. Sethi, Surface modification by electrical discharge machining: A review, Journal of Materials Processing Technology, 209 (2009), P. 3675–3687. SUMMARY INVESTIGATION OF SURFACE PERFORMANCE OF THE ROCKER DIE MOLD RV125 IN ELECTRICAL DISCHARGE MACHINING Banh Tien Long1, Ngo Cuong2, Nguyen Huu Phan2,* 1Hanoi University of Science and Technology, Hanoi, Vietnam 2College of Economics and Technology - TNU Electrical discharge machining (EDM) is a well-established non-conventional machining process, used for manufacturing geometrically complex or hard and electrically conductive material parts that are extremely difficult-to-cut by other conventional machining processes. In EDM, the mechanism for removing material primarily turns electrical energy into thermal energy through a series of successive sparks between the electrode and the work piece in a dielectric fluid. Therefore topography and microstructure of an EOMed surface is complex and generally differs markedly from that to produce by conventional machining processes. This article presents the result of the investigation of surface performance of rocker die mold of the SKD61 hot work tool steel (surface roughness, surface microscopic hardness, microscopic structure of the surface layer, chemical composition of the surface layer) after electrical discharge machining with Cu electrode in oil dielectric. Key words: EDM, surface roughness, microscopic hardness, microscopic structure, chemical composition, dielectric. Ngày nhận bài: 13/3/2014; Ngày phản biện: 15/3/2014; Ngày duyệt đăng: 25/3/2014 Phản biện khoa học: PGS.TS. Vũ Ngọc Pi – Trường ĐH Kỹ thuật Công nghiệp – ĐH Thái Nguyên * Tel: 0983783844