Khảo sát chất lượng bề mặt khuôn dập cò mổ động cơ RV125 được gia công bằng phương pháp xung điện

Bành Tiến Long và Đtg<br /> <br /> Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ<br /> <br /> 118(04): 157 - 162<br /> <br /> KHẢO SÁT CHẤT LƯỢNG BỀ MẶT KHUÔN DẬP CÒ MỔ ĐỘNG CƠ RV125<br /> ĐƯỢC GIA CÔNG BẰNG PHƯƠNG PHÁP XUNG ĐIỆN<br /> Bành Tiến Long1, Ngô Cường2, Nguyễn Hữu Phấn2,*<br /> 2<br /> <br /> 1<br /> Trường Đại học Bách khoa Hà Nội<br /> Trường Cao đẳng Kinh tế - Kỹ thuật – ĐH Thái Nguyên<br /> <br /> TÓM TẮT<br /> Gia công bằng tia lửa điện (EDM) là phương pháp được sử dụng phổ biến để gia công các bề mặt<br /> có hình dạng phức tạp hoặc các loại vật liệu dẫn điện có độ cứng, độ bền rất cao. Do phương pháp<br /> này sử dụng năng lượng nhiệt rất cao được tạo ra bởi các tia lửa điện để bóc tách vật liệu nên<br /> topography và cấu trúc của lớp bề mặt sau gia công bằng EDM khác với khi được tạo ra bằng các<br /> phương pháp gia công truyền thống. Bài báo này trình bày khảo sát về chất lượng của lớp bề mặt<br /> khuôn dập cò mổ động cơ RV125 được làm bằng thép SKD61 sau gia công EDM với điện cực Cu<br /> 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<br /> thay đổi thành phần hóa học của lớp bề mặt.<br /> Từ khóa: EDM, nhấp nhô bề mặt, độ cứng tế vi lớp bề mặt, cấu trúc tế vi lớp kim loại bề mặt,<br /> thành phần hóa học của lớp bề mặt.<br /> <br /> ĐẶT VẤN ĐỀ*<br /> <br /> Gia công bằng tia lửa điện (EDM) là phương<br /> pháp gia công không truyền thống được ứng<br /> dụng rộng rãi nhất trong ngành gia công<br /> khuôn mẫu [1]. Phương pháp này sử dụng<br /> nguồn năng lượng nhiệt cao của các tia lửa<br /> điện xuất hiện trong khe hở giữa phôi và dụng<br /> cụ (điện cực) để làm nóng chảy và bay hơi vật<br /> liệu cần gia công [4]. Ưu điểm nổi bật của<br /> phương pháp là gia công được các chi tiết làm<br /> bằng các vật liệu dẫn điện với độ bền, độ<br /> cứng bất kỳ và có hình dạng bề mặt rất phức<br /> tạp như: khuôn rèn, khuôn dập, các chi tiết<br /> trong ngành hàng không, các chi tiết chịu tải<br /> trọng lớn và nhiệt độ cao [3]. Các vấn đề như:<br /> rung động, ứng suất cơ học, tiếng ồn cũng<br /> không xuất hiện trong suốt quá trình gia công<br /> do không có sự tiếp xúc giữa phôi và dụng cụ.<br /> Tuy nhiên, phương pháp này cũng tồn tại một<br /> số nhược điểm như: chất lượng bề mặt gia<br /> công thấp (nhấp nhô bề mặt lớn, cơ lý hóa<br /> tính lớp vật liệu bề mặt thay đổi, xuất hiện<br /> nhiều vết nứt tế vi trên bề mặt…), năng suất<br /> gia công không cao và bị giới hạn về khả<br /> năng ứng dụng.<br /> *<br /> <br /> Tel: 0983783844<br /> <br /> Một số kết quả nghiên cứu đã chỉ ra rằng lớp<br /> bề mặt của chi tiết sau gia công bằng phương<br /> pháp tia lửa điện được chia thành nhiều lớp:<br /> Lớp biến trắng, lớp trung gian, lớp nền do sự<br /> tác động nhiệt của các tia lửa điện gây ra [11].<br /> Chất lượng sản phẩm sau gia công bằng EDM<br /> được đánh giá qua các đặc trưng của lớp bề<br /> mặt gia công như: nhấp nhô, kích thước và sự<br /> phân bố của các vết nứt tế vi, ứng suất dư trên<br /> lớp bề mặt [2]. Rất nhiều các thông số công<br /> nghệ ảnh hưởng đến lớp bề mặt sau EDM:<br /> thời gian xung, cường độ dòng điện xung,<br /> điện áp xung, sự phân cực, vật liệu điện cực,<br /> dung dịch điện môi, nồng độ các hạt phoi<br /> trong dung môi và kích thước điện cực [3].<br /> Ảnh hưởng của các thông số công nghệ có tác<br /> động rất lớn đến khả năng làm việc của chi<br /> tiết gia công như: độ bền mỏi, độ bền ăn mòn<br /> và khả năng chịu mài mòn [4]. Jaharah và<br /> các cộng sự đã nghiên cứu ảnh hưởng của<br /> cường độ dòng phóng tia lửa điện, thời gian<br /> phát xung và thời gian ngừng phát xung đến<br /> tốc độ mòn điện cực Cu, đến tốc độ bóc tách<br /> vật liệu và nhấp nhô bề mặt gia công của thép<br /> SKD61 [6]. Shabgard và các cộng sự đã<br /> nghiên cứu về ảnh hưởng của cường độ dòng<br /> phóng tia lửa điện và thời gian phát xung đến<br /> các thông số đặc trưng lớp bề mặt gia công<br /> của thép SKD61 (nhấp nhô bề mặt, chiều dày<br /> 157<br /> <br /> Bành Tiến Long và Đtg<br /> <br /> Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ<br /> <br /> lớp biến trắng, chiều sâu lớp bị tác động nhiệt<br /> độ) sau EDM với điện cực Cu [7]. Boujelbene<br /> và các cộng sự đã nghiên cứu về ảnh hưởng<br /> của cường độ dòng điện xung trung bình và<br /> năng lượng xung đến chiều sâu, độ cứng, nứt<br /> tế vi, cấu trúc và thành phần hóa học của các<br /> lớp trên bề mặt thép X200Cr15 và 50CrV4<br /> sau EDM với 2 loại vật liệu điện cực là Cu và<br /> Grafit [5]. Hầu hết các nghiên cứu đã công bố<br /> được thực hiện trong điều kiện phòng thí<br /> nghiệm với điện cực có kích thước nhỏ, hình<br /> dạng bề mặt đơn giản.<br /> Thép SKD61 là loại thép có độ bền tiếp xúc<br /> tốt, độ bền nhiệt tốt và độ cứng cao do đó<br /> được sử dụng rộng rãi để làm các khuôn chịu<br /> tác động của nhiệt độ cao như: khuôn rèn,<br /> khuôn kéo, khuôn đúc [8]. Cu, Cu-W, Gr, W<br /> là những loại vật liệu được sử dụng để làm<br /> điện cực do có độ dẫn điện tốt, độ mòn điện<br /> cực nhỏ và đạt được chất lượng gia công cao<br /> [9]. Trong số các vật liệu trên thì hiện nay Cu<br /> và Gr là hai loại vật liệu được sử dụng phổ<br /> biến hơn cả.<br /> Bài báo này trình bày khảo sát về chất lượng<br /> bề mặt khuôn dập cò mổ động cơ RV125<br /> được làm bằng thép SKD61, gia công bằng<br /> EDM với điện cực Cu và dung dịch điện môi<br /> là dầu. Các thông số chất lượng bề mặt đã<br /> được khảo sát gồm: trị số nhấp nhô, độ cứng<br /> tế vi, cấu trúc tế vi và sự thay đổi thành phần<br /> hóa học của lớp bề mặt. Thí nghiệm được tiến<br /> hành tại Công ty TNHH Nhà nước một thành<br /> viên Diesel Sông Công - Thái Nguyên.<br /> NỘI DUNG NGHIÊN CỨU<br /> Điều kiện thí nghiệm<br /> <br /> Máy và sơ đồ thí nghiệm<br /> <br /> 118(04): 157 - 162<br /> <br /> - Vật liệu phôi là thép SKD61(TC JIS - Nhật<br /> Bản), nhiệt luyện đạt độ cứng HRC =<br /> (48÷52). Thành phần hóa học và các tính chất<br /> cơ, lí của thép SKD61 được cho ở bảng 1 và<br /> bảng 2.<br /> Động cơ điều khiển<br /> <br /> Điện cực Cu<br /> <br /> Dung dịch điện môi<br /> Phôi SKD61<br /> <br /> Hình 1. Sơ đồ gia công bằng tia lửa điện<br /> Bảng 1. Thành phần hóa học theo % trọng lượng<br /> của thép SKD61<br /> C Mn Si<br /> Cr Mo V<br /> 0,35 0,40 1,00 5,15 1,3 1,0<br /> <br /> P<br /> S<br /> ≤0,03 ≤0,01<br /> <br /> Bảng 2. Các tính chất cơ, lí của thép SKD61<br /> Khối Nhiệt<br /> Độ<br /> Điện trở<br /> Nhiệt lượng dung<br /> Môđul dẫn<br /> suất<br /> độ riêng riêng<br /> đàn hồi nhiệt<br /> Ohm.mm<br /> 0<br /> C Kg/d J/kg.<br /> N/mm2 W/m.<br /> 2<br /> /m<br /> 3<br /> m<br /> K<br /> K<br /> 20<br /> 7,80 460<br /> 0,52<br /> 215.103 24,30<br /> 500 7,64 550<br /> 0,86<br /> 176.103 27,70<br /> 600<br /> 7,6<br /> 590<br /> 0,96<br /> 165.103 27,50<br /> Nhiệt độ hóa<br /> Nhiệt độ hóa rắn: 13150C<br /> lỏng:14540C<br /> <br /> - Vật liệu điện cực là đồng đỏ (Cu), các đặc<br /> tính của Cu được thể hiện trong bảng 3.<br /> - Hình dáng và kích thước điện cực dụng cụ là<br /> âm bản của bề mặt cần gia công và được mô<br /> tả ở hình 2.<br /> <br /> - Máy thí nghiệm: Máy xung điện CNCEA600L<br /> của<br /> Hãng<br /> JSEDM-JIANN<br /> MECHINERY & ELECTRIC INDUSTRIAL<br /> CO.LTD-TAIWAN.<br /> - Sơ đồ thí nghiệm thể hiện trên Hình 1, quá<br /> trình phân cực khi gia công là phân cực thuận<br /> (điện cực (-), phôi (+)).<br /> Vật liệu thí nghiệm<br /> 158<br /> <br /> Hình 2. Hình dáng điện cực dụng cụ<br /> <br /> Bành Tiến Long và Đtg<br /> <br /> Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ<br /> <br /> Bảng 3. Đặc tính kỹ thuật của Cu<br /> TT<br /> 1<br /> 2<br /> 3<br /> 4<br /> 5<br /> 6<br /> <br /> Đặc tính kỹ thuật<br /> Độ dẫn nhiệt (W/m.0K)<br /> Nhiệt độ nóng chả y (oC)<br /> Khối lượng riêng ở 200C (g/Cm3)<br /> Nhiệt độ sôi(oC)<br /> Nhiệt dung riêng (Cal/g.0C)<br /> Hệ số biến dạng nhiệt (x10-6C-1)<br /> <br /> Chỉ số<br /> 380,7<br /> 1083<br /> 8,9<br /> 2595<br /> 0,092<br /> 17<br /> <br /> Dung dịch điện môi<br /> Dung dịch điện môi là dầu biến thế (ELEC<br /> CTROL) với đặc tính kỹ thuật cho ở Bảng 4.<br /> <br /> 118(04): 157 - 162<br /> <br /> được đo bằng máy đo độ cứng tế vi Indenta<br /> Met 1106 (Hãng BUEHLER - USA).<br /> KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN<br /> Cấu trúc và độ cứng tế vi các lớp theo mặt<br /> cắt ngang<br /> Độ cứng tế vi sau gia công được khảo sát theo<br /> chiều sâu lớp bề mặt. Thang đo được sử dụng<br /> để đo là thang HV0,005 và đo theo phương<br /> vuông góc với bề mặt mẫu với tải trọng đâm<br /> xuyên là 50 gam.<br /> Lớp biến trằng<br /> <br /> Bảng 4. Đặc tính kỹ thuật của dầu biến thế<br /> TT<br /> 1<br /> 2<br /> 3<br /> 4<br /> <br /> 5<br /> 6<br /> <br /> Đặc tính kĩ thuật<br /> Chỉ số<br /> Tỷ trọng ở 200C (max) (kg/l)<br /> 0,89<br /> Nhiệt độ cháy cốc kín (min) (0C)<br /> 140<br /> Nhiệt độ đông đặc (max) (0C)<br /> -30<br /> Điện áp đánh thủng (min) (KV)<br /> 45<br /> Độ nhớt động học ở 400C(max)<br /> 16,5<br /> (cST)<br /> Hệ số tổn thất điện môi (max)<br /> 0,005<br /> <br /> Các thông số công nghệ<br /> Các thông số công nghệ gia công được lấy<br /> theo số liệu mà Công ty TNHH Nhà nước một<br /> thành viên Diesel Sông Công - Thái Nguyên<br /> đang áp dụng trong sản xuất (Bảng 5).<br /> <br /> Lớp nền<br /> <br /> Lớp<br /> trung gian<br /> <br /> Hình 3. Cấu trúc lớp mặt cắt ngang thép SKD61<br /> sau EDM (ASTM E407)<br /> Bảng 6. Chiều dày của các lớp bề mặt bị thay đổi<br /> Lớp khảo sát<br /> Lớp biến trắng<br /> Lớp chuyển tiếp<br /> <br /> Chiều dày (µm)<br /> 10,54 ÷ 24,06<br /> 6,21÷13,33<br /> <br /> Bảng 7. Độ cứng theo chiều sâu lớp bề mặt gia công<br /> <br /> Bảng 5. Các thông số công nghệ gia công<br /> Cường độ dòng điện xung<br /> Thời gian xung<br /> Thời gian ngừng xung<br /> Dung dịch điện môi<br /> Phân cực<br /> Thời gian gia công<br /> Điện áp khe hở<br /> <br /> 4,5A<br /> 150µs<br /> 2µ s<br /> Dầu biến thế<br /> Thuận<br /> 1h35’52”<br /> 45V<br /> <br /> Phương pháp đánh giá<br /> Độ nhấp nhô bề mặt được đo bằng máy đo<br /> biên dạng kiểu đầu dò tiếp xúc SJ-400 (Hãng<br /> MITUTOYO - JAPAN); hình thái bề mặt<br /> được khảo sát bằng cách chụp ảnh trên máy<br /> hiển vi điện tử quét JSM 6490 (Hãng JEOL JAPAN); cấu trúc tế vi lớp kim loại bề mặt<br /> được khảo sát bằng cách chụp ảnh mặt cắt<br /> ngang của bề mặt gia công trên máy hiển vi<br /> quang học Axiovert 40MAT (Hãng CARL<br /> ZEISS - GERMAN); độ cứng tế vi lớp bề mặt<br /> <br /> Chiều sâu<br /> 11<br /> 28<br /> 100<br /> 150<br /> 200<br /> đo (µm)<br /> Độ cứng<br /> 459.27 648.13 632.63 652.27 643.30<br /> (HV)<br /> <br /> Kết quả khảo sát cấu trúc và độ cứng tế vi các<br /> lớp theo mặt cắt ngang (Hình 3, Bảng 6 và<br /> Bảng 7) cho thấy:<br /> - Lớp bề mặt của thép SKD61 sau gia công<br /> tạo thành 3 lớp (lớp bi ến trắng, lớp trung<br /> gian và lớp nền), độ cứng t ế vi của các lớp<br /> rất khác nhau.<br /> - Lớp biến trắng là lớp được hình thành từ vật<br /> liệu bị nóng chảy, bay hơi mà không bị dung<br /> dịch điện môi cuốn đi nên đã kết tinh lên bề<br /> mặt gia công. Lớp này có chiều dày khá lớn<br /> (6,21 ÷ 24,06) µm, độ cứng tế vi thấp 459,27<br /> HV và xuất hiện nhiều vết nứt tế vi. Các đặc<br /> điểm này đã làm độ bền mòn và độ bền mỏi<br /> của bề mặt khuôn giảm mạnh.<br /> 159<br /> <br /> Bành Tiến Long và Đtg<br /> <br /> Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ<br /> <br /> - Lớp trung gian được hình thành từ vật liệu<br /> bị nung nóng đến trạng thái biến đổi cấu trúc<br /> và pha. Lớp này có chiều dày nhỏ hơn lớp<br /> biến trắng nhưng độ cứng tế vi cao hơn vật<br /> liệu nền khá nhiều 648.13HV và xuất hiện ít<br /> nứt tế vi, vì vậy có ảnh hưởng tốt đến khả<br /> năng làm việc của khuôn dập.<br /> Thành phần hóa học của lớp bề mặt<br /> Kết quả phân tích thành phần hóa học ở lớp<br /> bề mặt (lớp biến trắng) của thép SKD61 sau<br /> gia công bằng EDM cho ở Bảng 8 và Hình 6.<br /> Bảng 8. Thành phần hóa học của biến trắng<br /> Thành<br /> phần<br /> C<br /> Mn<br /> Si<br /> V<br /> Cr<br /> Mo<br /> Cu<br /> <br /> Trước gia<br /> công (%)<br /> 0,40<br /> 0,47<br /> 0,98<br /> 0,83<br /> 4,89<br /> 1,15<br /> 0,00<br /> <br /> Sau gia công<br /> (%)<br /> 13,76<br /> 0,4<br /> 1,00<br /> 0,80<br /> 5,15<br /> 1,40<br /> 0,32<br /> <br /> 118(04): 157 - 162<br /> <br /> - Hàm lượng C trong lớp bề mặt tăng lên là<br /> do dầu biến thế dưới tác động của tia lửa điện<br /> đã bị cracking tạo ra các bon xâm nhập vào.<br /> Hình 4 chỉ ra rằng nguyên tố C xâm nhập vào<br /> lớp bề mặt phôi tồn tại dưới dạng cacbit Fe7C3<br /> và mác ten xít Fe3C. Tuy nhiên độ cứng của<br /> lớp bề mặt vẫn thấp hơn lớp nền, điều này<br /> được giải thích là do tổ chức lớp này có cấu<br /> tạo dạng xốp.<br /> Nhấp nhô và hình thái bề mặt gia công:<br /> - Nhấp nhô bề mặt<br /> Kết quả đo (với chiều dài chuẩn đo là 5mm,<br /> số lần lặp là 3 lần trên mỗi mẫu thí nghiệm,<br /> kết quả là giá trị trung bình cộng của 3 lần<br /> đo): Rz = (21,83 ÷ 31,36) µm.<br /> Với yêu cầu kỹ thuật của bề mặt khuôn dập<br /> phải có trị số nhấp nhô Ra = 0,63µm thì sau<br /> gia công bằng EDM cần có thêm phương<br /> pháp gia công tinh bổ sung.<br /> - Hình thái bề mặt gia công<br /> <br /> a)<br /> <br /> Hình 4. Tổ chức các pha hình thành<br /> trên bề mặt gia công<br /> <br /> Bảng 8 cho thấy:<br /> - Thành phần hóa học lớp bề mặt của thép<br /> SKD61 đã thay đổi đáng kể sau gia công:<br /> xuất hiện nguyên tố Cu (0,32%) và hàm<br /> lượng C tăng lên rất lớn (8.84% ÷ 15.18%).<br /> - Sự có mặt của nguyên tố Cu trong lớp bề<br /> mặt là do vật liệu điện cực (Cu) trong quá<br /> trình xung đã bị tác động nhiệt của tia lửa<br /> điện làm nóng chảy và bay hơi xâm nhập vào.<br /> 160<br /> <br /> b)<br /> Hình 5. Ảnh bề mặt phôi sau EDM<br /> a) Hình thái bề mặt gia công<br /> b) Hình dạng các hạt trên bề mặt<br /> <br /> Bành Tiến Long và Đtg<br /> <br /> Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ<br /> <br /> Kết quả ở Hình 5 cho thấy:<br /> - Bề mặt sau gia công là t ập hợp các vết<br /> lõm và nhiều hạt hình cầu bám dính trên bề<br /> mặt, đ ây là 2 yếu tố tạo ra độ nhẵn bề mặt<br /> gia công thấp.<br /> - Đường kính, chiều sâu và sự phân tán các<br /> vết lõm không đều mà nguyên nhân là do tia<br /> lửa điện được tạo ra trong quá trình xung<br /> không liên tục và năng lượng của các tia<br /> không đều.<br /> - Trong quá trình xung một phần vật liệu của<br /> điện cực và của phôi bị nóng chảy, bay hơi<br /> đồng thời bị dung dịch điện môi làm nguội<br /> nhanh và tạo ra sức căng mặt ngoài nên hình<br /> thành các hạt hình cầu. Các hạt này không<br /> được dung dịch điện môi cuốn đi mà bám<br /> dính trên bề mặt gia công.<br /> Nứt tế vi<br /> <br /> a)<br /> <br /> b)<br /> <br /> Hình 6. Ảnh các vết nứt tế vi trên bề mặt phôi<br /> a) Ảnh phân bố vết nứt trên bề mặt gia công<br /> b) Chiều sâu của các vết nứt trên lớp bề mặt<br /> <br /> Hình 4 cho thấy:<br /> - Trên bề mặt gia công xuất hiện nhiều vết nứt<br /> tế vi với mật độ lớn (Hình 6a), có chiều sâu<br /> phát triển theo hướng vuông góc với bề mặt<br /> gia công và xấp xỉ bằng chiều dày lớp biến<br /> <br /> 118(04): 157 - 162<br /> <br /> trắng (Hình 6b). Đây là dạng khuyết tật có<br /> ảnh hưởng không tốt đến độ bền mòn và độ<br /> bền mỏi của khuôn.<br /> - Các vết tế vi nứt xuất hiện là do năng<br /> lượng nhiệt của các tia lửa điện khi gia công<br /> làm lớp bề mặt phôi bị nung nóng tới nhiệt<br /> độ rất cao và được làm nguội nhanh bởi<br /> dung dịch điện môi.<br /> KẾT LUẬN<br /> Một số nhận xét được rút ra từ kết quả khảo<br /> sát chất lượng lớp bề mặt khuôn dập cò mổ<br /> động cơ RV125 làm bằng thép SKD61, gia<br /> công bằng EDM với điện cực Cu và dung<br /> dịch điện môi là dầu:<br /> - Lớp biến trắng là lớp ngoài cùng, ở lớp này<br /> tồn tại nhiều vết nứt tế vi, có độ cứng nhỏ<br /> hơn lớp trung gian và lớp nền nên đây là lớp<br /> sẽ ảnh hưởng không tốt đến khả năng làm<br /> việc của khuôn. Vì vậy sau khi gia công<br /> bằng tia lửa điện cần tính toán lượng dư hợp<br /> lý để nguyên công gia công tinh tiếp theo<br /> đảm bảo lấy đi toàn bộ lớp biến trắng trên bề<br /> mặt khuôn.<br /> - Bề mặt gia công có trị số nhấp nhô lớn, xuất<br /> hiện nhiều vết nứt tế vi có nguyên nhân từ<br /> việc chọn giá trị các thông số công nghệ chưa<br /> hợp lý [11], vì vậy cần có những nghiên cứu<br /> tiếp theo để tìm ra trị số các thông số công<br /> nghệ hợp lý hoặc tối ưu.<br /> - Vật liệu điện cực Cu xâm nhập vào bề mặt<br /> gia công tạo ra cơ sở để tiếp tục nghiên cứu<br /> ứng dụng phương pháp EDM trong công nghệ<br /> phủ bề mặt nhằm nâng cao chất lượng bề mặt<br /> bằng cách sử dụng các loại vật liệu đặc biệt<br /> (TiC, WC, Ti …).<br /> <br /> 161<br /> <br />