Bành Tiến Long và Đtg Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ 118(04): 157 - 162
157
KHẢO SÁT CHẤT LƯỢNG BỀ MẶT KHUÔN DẬP CÒ MỔ ĐỘNG CƠ RV125
ĐƯỢC GIA CÔNG BẰNG PHƯƠNG PHÁP XUNG ĐIỆN
Bành Tiến Long1, Ngô Cường2, Nguyễn Hữu Phấn2,*
1Trường Đại học Bách khoa Hà Nội
2Trường Cao đẳng Kinh tế - Kỹ thuật – ĐH Thái Nguyên
TÓM TẮT
Gia công bằng tia lửa điện (EDM) là phương pháp được sử dụng phổ biến để gia công các bề mặt
có hình dạng phức tạp hoặc các loại vật liệu dẫn điện có độ cứng, độ bền rất
6 trang |
Chia sẻ: huongnhu95 | Lượt xem: 542 | Lượt tải: 0
Tóm tắt tài liệu Khảo sát chất lượng bề mặt khuôn dập cò mổ động cơ rv125 được gia công bằng phương pháp xung điện, để xem tài liệu hoàn chỉnh bạn click vào nút DOWNLOAD ở trên
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
Các file đính kèm theo tài liệu này:
- khao_sat_chat_luong_be_mat_khuon_dap_co_mo_dong_co_rv125_duo.pdf