Ảnh hưởng của nồng độ bột titan đến năng suất bóc tách và độ nhám bề mặt thép H13 trong gia công tia lửa điện với điện cực graphit

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:4

Thêm vào BST

Báo xấu

14
lượt xem 3
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Trong nghiên cứu này, ảnh hưởng của nồng độ bột titan trộn vào dung dịch điện môi đến độ nhám bề mặt gia công (Ra) và năng suất bóc tách vật liệu (MRR) trong gia công tia lửa điện đã được nghiên cứu. Thép làm khuôn dập nóng H13 và vật liệu điện cực graphit là hai loại hiện được ứng dụng rất nhiều trong EDM đã được đưa vào khảo sát nghiên cứu.

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Ảnh hưởng của nồng độ bột titan đến năng suất bóc tách và độ nhám bề mặt thép H13 trong gia công tia lửa điện với điện cực graphit

56 Bành Tiến Long, Ngô Cường, Nguyễn Hữu Phấn, Dương Minh Toán ẢNH HƯỞNG CỦA NỒNG ĐỘ BỘT TITAN ĐẾN NĂNG SUẤT BÓC TÁCH VÀ ĐỘ NHÁM BỀ MẶT THÉP H13 TRONG GIA CÔNG TIA LỬA ĐIỆN VỚI ĐIỆN CỰC GRAPHIT EFFECTS OF TITANIUM POWDER CONCENTRATIONS ON MATERIAL REMOVAL RATE AND SURFACE ROUGHNESS OF H13 STEEL IN ELECTRICAL DISCHARGE MACHINING WITH GRAPHITE ELECTRODE Bành Tiến Long1, Ngô Cường2, Nguyễn Hữu Phấn2, Dương Minh Toán2 1 Trường Đại học Bách khoa Hà Nội 2 Trường Cao đẳng Kinh tế - Kỹ thuật, Đại học Thái Nguyên; phanktcn@gmail.com Tóm tắt - Gia công tia lửa điện (EDM) là phương pháp gia công không Abstract - Electrical discharge machining (EDM) has been widely truyền thống, được sử dụng rộng rãi nhất trong ngành công nghiệp used in both tool and mould industries. Enhancing productivity and khuôn mẫu và dụng cụ. Vì vậy, nâng cao năng suất và chất lượng bề workpiece surface quality after EDM is the concern of many mặt gia công của phương pháp này đã và đang rất được quan tâm researchers. In this research the effects of titanium powder nghiên cứu. Trong nghiên cứu này, ảnh hưởng của nồng độ bột titan concentrations on surface roughness (Ra) and material removal trộn vào dung dịch điện môi đến độ nhám bề mặt gia công (Ra) và năng rate (MRR) in a machining operation on Powder Mixed EDM suất bóc tách vật liệu (MRR) trong gia công tia lửa điện đã được nghiên (PMEDM) is investigated. Two types of material: H13 hot work steel cứu. Thép làm khuôn dập nóng H13 và vật liệu điện cực graphit là hai and the graphite (Gr) electrode tool which have found widespread loại hiện được ứng dụng rất nhiều trong EDM đã được đưa vào khảo applications in EDM are under investigation. With the method of sát nghiên cứu. Bằng phương pháp thực nghiệm đánh giá với việc cố experimental evaluation with fixed processing parameters and định các thông số công nghệ và thay đổi nồng độ bột titan, kết quả variable concentrations of titanium powder, the results showed that nghiên cứu đã cho thấy: Nồng độ bột titan có ảnh hưởng rất mạnh đến concentrations of powder have great influence on the surface độ nhám bề mặt, năng suất gia công của EDM có bột trộn trong dung roughness and material removal rate in PMEDM. dịch điện môi (PMEDM). Từ khóa - EDM; PMEDM; MRR; Ra; thép H13; bột titan. Key words - EDM; PMEDM; MRR; H13; titanium powder. 1. Đặt vấn đề nồng độ bột thì năng suất gia công tăng và thời gian nâng Gia công bằng tia lửa điện là phương pháp gia công không của điện cực giảm [3]. Khi trộn bột graphit vào dung dịch truyền thống. Phương pháp này làm nóng chảy và bay hơi vật điện môi với nồng độ 4g/l đã làm khe hở phóng điện tăng liệu điện cực và vật liệu gia công nhờ các tia lửa điện sinh ra trong khi điện áp phóng điện lại giảm, độ ổn định của quá tại vùng khe hở giữa điện cực và phôi ngâm trong dung dịch trình gia công được nâng cao và năng suất gia công tăng điện môi. EDM có ưu điểm là gia công các loại vật liệu dẫn 60%, lượng mòn điện cực giảm 28% [4]. Trộn bột Si vào điện có độ cứng và độ bền rất cao, các bề mặt có hình dạng dung dịch điện môi để gia công thép H13 đã nâng cao phức tạp mà khó có thể thực hiện được bằng các phương pháp được chất lượng bề mặt gia công [5]. Ảnh hưởng của việc gia công truyền thống. Tuy vậy, hạn chế lớn nhất của phương sử dụng bột kim loại trong công nghệ EDM đến chất pháp này là năng suất gia công thấp và chất lượng bề mặt gia lượng bề mặt gia công còn phụ thuộc vào loại vật liệu gia công không cao. Vì vậy, những phương pháp đưa ra nhằm công: trộn bột Al có kích thước trung bình vào dung dịch khắc phục hạn chế của EDM đã và đang thu hút được sự quan điện môi khi gia công thép SKH-51 đã cho độ bóng bề tâm của nhiều chuyên gia về lĩnh vực này. Các kết quả nghiên mặt cao nhưng khi gia công thép SKH-54 lại nhận được cứu đã cho thấy PMEDM là phương pháp cho kết quả rất khả độ bóng bề mặt thấp [6]. Nồng độ bột Al trộn trong dung thi [1-10]. dịch điện môi có ảnh hưởng rất mạnh đến chất lượng quá trình gia công bằng EDM [8]. Đường kính và chiều sâu Trong PMEDM, một số các loại bột (Cu, Si, Al, SiC, vết lõm trên bề mặt gia công giảm khi trộn bột vào trong Al2O3, Cr, W, Va, Ni, MoS2,…) có kích thước nhỏ hơn dung dịch điện môi [9]. 100µm đã được sử dụng trộn vào dung dịch điện môi nhằm giảm độ bền cách điện của dung dịch điện môi, tăng Những kết quả nghiên cứu trên cho thấy: PMEDM là số lượng các tia lửa điện (Hình 1), tăng khe hở phóng điện phương pháp đầy hứa hẹn trong việc nâng cao năng suất và từ đó nâng cao năng suất và chất lượng gia công của EDM chất lượng gia công của EDM. Tuy nhiên, cần có thêm [1]. Khi trộn các loại bột dẫn điện phù hợp vào dung dịch nhiều nghiên cứu, khảo sát để PMEDM có thể được chấp điện môi đã cho thấy: Năng suất bóc tách vật liệu tăng nhận ứng dụng trong thực tiễn sản xuất. Trong nghiên cứu (Hình 2), trị số nhám (Hình 3) và số lượng vết nứt tế vi này, các thí nghiệm được tiến hành với sự thay đổi nồng độ trên bề mặt gia công giảm, topography thay đổi (Hình 4) bột titan trong dung dịch điện môi là dầu khi gia công thép và hình thành lớp hợp kim có cơ tính tốt trên bề mặt gia H13 bằng phương pháp EDM sử dụng điện cực graphit công, từ đó nâng cao độ bền mòn của bề mặt chi tiết gia được phân cực ngược. Năng suất bóc tách vật liệu và trị số công bằng EDM [2]. Việc trộn các loại bột Cu, Fe, Al và nhám bề mặt được sử dụng để đánh giá mức độ ảnh hưởng C vào dung dịch điện môi để gia công thép với điện cực nồng độ của bột titan trộn trong dung dịch điện môi đến là Cu đã nâng cao khả năng đánh thủng điện môi, khi tăng hiệu quả của EDM.
ISSN 1859-1531 - TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG, SỐ 3(88).2015 57 2. Thiết kế thí nghiệm 2.1. Máy xung, sơ đồ hệ thống thí nghiệm Thí nghiệm được thực hiện trên máy xung điện CNC- AG40L (Hãng Sodick, Inc. USA) của Trung tâm Thí nghiệm, Trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp Thái Nguyên. Duy trì sự đồng đều và không bị lắng đọng của bột titan trong dung dịch điện môi bằng cơ cấu khuấy (Hình 5) gồm: động cơ khí nén có tốc độ quay 500 vòng/phút, cánh Hình 1. Sơ đồ gia công của PMEDM [1] quạt khuấy có đường kính 105mm (Hình 6a), dung môi được cung cấp vào vùng gia công bằng bơm A303 của Trung Quốc có công suất 600 lít/giờ, đường kính vòi phun Ø8mm. Các thông số được lựa chọn để nghiên cứu (Bảng 1) dựa trên cơ sở một số nghiên cứu từ trước [10]. Bảng 1. Các thông số công nghệ gia công TT Thông số Trị số 1 Cường độ dòng điện xung (A) 15 2 Thời gian xung (s) 50 3 Thời gian ngừng xung (s) 85 Hình 2. Ảnh hưởng của thời gian phát xung (µs) 5 Phân cực + và nồng độ bột (g/l) đến MRR [2] 6 Thời gian gia công (phút) 15 7 Điện áp (V) 150 8 Nồng độ bột (g/l) 0, 5, 10, 15, 20 Hình 3. Ảnh hưởng của thời gian phát xung (µs) và nồng độ bột (g/l) đến Ra [2] Hình 5. Sơ đồ thí nghiệm a. ) b. Hình 6. a) Cánh khuấy; b) Bột titan a. b. Hình 7. a) Điện cực; b) phôi 2.2. Vật liệu thí nghiệm Vật liệu mẫu thí nghiệm là thép H13 (0,40% C, 0,47% Mn, 0,98% Si, 0,14% Ni, 4,90% Cr, 0,83% V, 1,15% Mo, 0,016% Co, 0,00012% S, 0,018% P và còn lại là %Fe) nhiệt luyện đạt độ cứng HRC = (4852), mẫu có kích thước 45x27x5mm (Hình 7b). Vật liệu điện cực dụng cụ là Hình 4. Bề mặt phôi sau gia công [2] graphit HK-2 (99,99%) có đường kính 25mm (Hình 7a).
58 Bành Tiến Long, Ngô Cường, Nguyễn Hữu Phấn, Dương Minh Toán Bột titan có kích thước cỡ hạt 45µm được lựa chọn để trộn điện môi đã làm tăng MRR so với khi gia công không có vào dung dịch điện môi (Hình 6b). Dung dịch điện môi là bột trộn trong dung dịch. Và khi tăng nồng độ bột thì MRR dầu biến thế HD-1 của Hãng ELECTROL. cũng tăng theo. Việc MRR tăng được giải thích là do các 2.3. Cách xác định MRR và Ra hạt bột tồn tại trong khe hở phóng điện đã tạo ra thêm các “chuỗi phóng tia lửa điện”, từ đó làm tăng số lượng tia lửa 2.3.1. Xác định MRR điện tham gia gia công. Khi nồng độ bột tăng từ 0 - 5g/l, đồ MRR là đại lượng liên quan trực tiếp đến thời gian chế thị có độ dốc rất lớn tức MRR tăng rất mạnh (212,123%). tạo sản phẩm, tăng MRR sẽ giúp rút ngắn được thời gian Điều này có thể là do: Bột titan có khả năng dẫn điện tốt gia công chi tiết. MRR được xác định bởi tỷ số giữa hiệu xuất hiện trong khe hở phóng điện ngoài việc làm tăng số khối lượng vật liệu phôi trước và sau gia công với thời gian lượng các tia lửa điện còn làm giảm độ bền của dung dịch gia công (1): điện môi dẫn đến năng lượng sử dụng để đánh thủng dung Wi  W f môi giảm theo, từ đó làm tăng năng lượng của các tia lửa MRR  .1000mm3 / phút điện gia công [2]. Tiếp tục tăng nồng độ bột ta thấy: Đồ thị .t (1) MRR có độ dốc giảm, điều này chứng tỏ tốc độ tăng của Trong đó: MRR giảm theo. Tăng nồng độ bột tạo ra mật độ các hạt bột Wi – Khối lượng mẫu trước gia công (g); xuất hiện trong khe hở phóng tia lửa điện lớn, làm số lượng tia lửa điện sinh ra trong một lần phát xung tăng theo và độ Wf – Khối lượng mẫu sau gia công (g); bền cách điện của dung dịch điện môi bị giảm xuống, dẫn t – Thời gian gia công cho mỗi lần chạy thử (t = 15 phút); đến làm tăng MRR [7]. Tuy nhiên, nồng độ bột quá lớn có  - Khối lượng riêng của vật liệu mẫu ( = 7,81g/cm3). thể xuất hiện hiện tượng ngắn mạch trong quá trình gia công, dẫn đến năng suất, chất lượng gia công giảm theo [4]. Đo khối lượng của phôi trước và sau khi gia công bằng cân điện tử AJ 203 (Hãng Shinko Denshi Co. LTD - Japan), 3.2. Ảnh hưởng đến độ nhám bề mặt gia công khối lượng lớn nhất mà cân có thể cân được là 200g, độ Bảng 3. Kết quả độ nhám bề mặt gia công chính xác 0,001g. Xác định giá trị MRR cho 5 thí nghiệm, TN Ra (µm) Nồng độ bột (g/l) mỗi thí nghiệm lặp 2 lần. 1 7,13 No 2.3.2. Xác định Ra 2 5,69 5 Trị số nhám bề mặt gia công (Ra) được đo bằng máy đo 3 4,61 10 biên dạng kiểu đầu dò tiếp xúc SJ-301 (Hãng MITUTOYO 4 4,25 15 – JAPAN), chiều dài chuẩn đo là 5mm, thực hiện 3 lần đo 5 4,18 20 trên mỗi mẫu thí nghiệm và kết quả độ nhám là giá trị trung bình của mỗi lần đo. 3. Kết quả và thảo luận 3.1. Ảnh hưởng đến MRR Bảng 2. Kết quả năng suất bóc tách vật liệu MRR (mm3/phút) ̅̅̅̅̅̅̅ 𝑀𝑅𝑅 Nồng độ TN R-I R-II (mm3/phút) bột(g/l) 1 32,586 27,593 30,089 Không bột 2 95,198 92,638 93,918 5 3 132,586 139,821 136,203 10 4 153,521 147,823 150,672 15 5 178,233 170,294 174,263 20 Hình 9. Ảnh hưởng của nồng độ bột đến độ nhám bề mặt gia công Ảnh hưởng của bột titan đến trị số nhám bề mặt được thể hiện ở Bảng 3 và Hình 9. Bột titan có trong dung dịch điện môi đã làm giảm trị số Ra của bề mặt gia công (Hình 9). Khi nồng độ thay đổi (0÷10)g/l, đồ thị có độ dốc lớn và độ dốc này giảm dần khi tiếp tục tăng nồng độ bột. Trị số Ra giảm khi trộn bột trong dung dịch điện môi có thể là do các hạt bột có trong khe hở phóng điện đã làm tăng diện tích ảnh hưởng của tia lửa điện, dẫn đến làm giảm năng lượng của các tia lửa điện tham gia gia công [6]. Từ đó tạo ra các vết lõm có đường kính và chiều sâu nhỏ hơn trên bề mặt, dẫn đến độ 0 5 10 15 20 nhẵn bề mặt gia công tăng theo. Tiếp tục tăng nồng độ bột titan dẫn đến số lượng hạt bột tồn tại trong vùng khe hở phóng tia lửa điện cũng tăng lên. Điều này đã làm tăng số Hình 8. Ảnh hưởng của nồng độ bột đến năng suất bóc tách vật liệu lượng các tia lửa điện được tạo ra trong một lần phát xung, Bảng 2 và Hình 8 cho thấy: Bột titan trộn vào dung dịch dẫn đến năng lượng của mỗi tia lửa điện sẽ giảm xuống nên
ISSN 1859-1531 - TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG, SỐ 3(88).2015 59 trị số nhấp nhô bề mặt cũng giảm theo [7]. Tuy nhiên nếu 184, 2007, P. 32–41. nồng độ bột tăng quá cao rất dễ xảy ra hiện tượng ngắn mạch, [2] C. Ҫogun, B. Özerkan, T. Karaçay, An experimental investigation on the effect of powder mixed dielectric on machining performance in làm cho quá trình gia công không ổn định và độ nhẵn bề mặt electric discharge machining, Proc. IMechE Part B: J. Engineering gia công có thể giảm [4]. Manufacture, Vol. 220, 2006. [3] A. Erden, S. Bilgin, Role of impurities in electric discharge 4. Kết luận machining, Proc. Of 21st international machine tool design and Nghiên cứu đã đưa ra một số nhận xét và định hướng research conference, 1980, P.345-350. nghiên cứu mới như sau: [4] M.L. Jeswani, Effect of the addition of graphite powder to kerosene used as the dielectric fluid in electrical discharge machining, Wear, 70(1981), - Nồng độ bột titan trong dung dịch điện môi của EDM P.133-139. có ảnh hưởng rất mạnh đến MRR và Ra. [5] K. Kobayashi, T. Magara, Y. Ozaki, T. Yatomi, The present and future developments of electrical discharge machining, In - Khi tăng nồng độ bột titan, dẫn đến MRR tăng rất cao. proceeding of 2nd international conference on Die and Mould So với gia công không bột 𝑀𝑅𝑅 ̅̅̅̅̅̅̅ tăng 475,467% khi nồng technology, 1992, P.35-47. độ bột là 20g/l. [6] P. Pecas and E. Henriques, Effect of the powder concentration and dielectric flow in the surface morphology in electrical discharge - Độ nhẵn bề mặt sau gia công bằng EDM tăng lên khi machining with powder-mixed dielectric (PMD-EDM), tăng nồng độ bột. Và nồng độ bột 20g/l làm trị số Ra giảm International journal advance manufacturing technology, Vol. 37, 41,34% so với không có bột trộn trong dung dịch điện môi. 2008, P. 1120–1132. - Trong nghiên cứu này, ảnh hưởng của nồng độ bột titan [7] P. Singh, A. Kumar, N. Beri, V. Kumar, Some experimental investigation on aluminium powder mixed EDM on machining đến MRR lớn hơn rất nhiều so với Ra. Điều này đã cho thấy: performance of hastelloy steel, International Journal of Advance PMEDM có thể là một giải pháp hữu hiệu để tăng năng suất Engineering Technology, Vol. 1, 2010, pp. 28-45. gia công trong gia công thô bằng EDM. Tuy vậy, bột titan là [8] H.K. Kansal, S. Singh, P. Kumar, 2005, Application of Taguchi loại vật liệu có giá thành rất cao, vì vậy sẽ là hiệu quả hơn nếu method for optimization of powder mixed electric discharge nghiên cứu sử dụng loại bột này để nâng cao chất lượng bề machining, International Journal of Management and Manufacturing Technology 7, 2005, 329–341. mặt gia công. Bên cạnh đó, độ bền của bột, sự phân bố đồng [9] K.L. Wu, B.H. Yan, F.Y. Huang, S.C. Chen, Improvement of surface đều và hiện tượng lắng đọng của bột trong dung dịch điện môi finish on SKD steel using electro-discharge machining with aluminum cũng rất cần tiếp tục nghiên cứu làm rõ. and surfactant added dielectric, International Journal of Machine Tools & Manufacture, Vol. 45, 2005, P. 1195-1201. TÀI LIỆU THAM KHẢO [10] A. Kumar, S. Maheshwari, C. Sharma, N. Beri, Research Developments in Additives Mixed Electrical Discharge Machining (AEDM): A State [1] H.K. Kansal, Sehijpal Singh, Pradeep Kumar, Technology and of Art Review, Materials and Manufacturing Processes, Vol. 25, 2010, P. research developments in powder mixed electric discharge 1166-1180. machining (PMEDM), Journal of Materials Processing Technology (BBT nhận bài: 14/12/2014, phản biện xong: 26/01/2015)