Đánh giá chất lượng bề mặt thép SKD61 khi gia công bằng phương pháp xung định hình với điện cực Ti trong dung dịch chất điện môi là dầu biến thế

S
ố hóa bởi Trung tâm Học liệu

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
TRƢỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP




NGUYỄN VĂN PHÚ



ĐÁNH GIÁ CHẤT LƢỢNG BỀ MẶT THÉP SKD61 KHI GIA CÔNG
BẰNG PHƢƠNG PHÁP XUNG ĐỊNH HÌNH VỚI ĐIỆN CỰC Ti
TRONG DUNG DỊCH CHẤT ĐIỆN MÔI LÀ DẦU BIẾN THẾ



CHUYÊN NGÀNH: CÔNG NGHỆ CHẾ TẠO MÁY

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT





THÁI NGUYÊN - 2012
S
ố hóa bởi Trung tâm Học liệu

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
TRƢỜNG ĐHKT CÔNG NGHIỆP

CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM
Độc lập – Tự do – Hạnh phúc



THUYẾT MINH
LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT
ĐỀ TÀI:
ĐÁNH GIÁ CHẤT LƢỢNG BỀ MẶT THÉP SKD61 KHI GIA CÔNG
BẰNG PHƢƠNG PHÁP XUNG ĐỊNH HÌNH VỚI ĐIỆN CỰC Ti
TRONG DUNG DỊCH CHẤT ĐIỆN MÔI LÀ DẦU BIẾN THẾ

Học viên : Nguyễn Văn Phú
Lớp : CHK13
Chuyên ngành : Công nghệ chế tạo máy
CB hướng dẫn khoa học : TS. Ngô Cƣờng
Ngày giao đề : ……… / ……… /………
Ngày hoàn thành : ……… / ……… /………



BAN
GIÁM HIỆU
KHOA ĐT
SAU ĐẠI HỌC
CÁN BỘ
HƢỚNG DẪN

HỌC VIÊN








TS. Ngô Cƣờng




Nguyễn Văn Phú


S
ố hóa bởi Trung tâm Học liệu


LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan các số liệu và kết quả nêu trong Luận văn là trung
thực và chưa từng được ai công bố trong bất kỳ một công trình nào khác. Trừ
các phần tham khảo đã được nêu rõ trong Luận văn.


Tác giả

Nguyễn Văn Phú


S
ố hóa bởi Trung tâm Học liệu

LỜI CẢM ƠN

Tác giả bày tỏ lòng biết ơn Thầy giáo - TS. Ngô Cường và Thầy giáo
Nguyễn Hữu Phấn đã hướng dẫn và giúp đỡ tận tình từ định hướng đề tài, tổ
chức thực nghiệm đến quá trình viết và hoàn chỉnh Luận văn.
Tác giả xin chân thành cảm ơn Ban lãnh đạo Trường Cao đẳng nghề
Bắc Giang, Ban lãnh đạo và Khoa Sau đại học của Trường Đại học Kỹ thuật
Công nghiệp đã tạo điều kiện thuận lợi để em hoàn thành bản Luận văn.
Tác giả xin chân thành cảm ơn Ban lãnh đạo Công ty TNHH Nhà nước một
thành viên Diesel Sông Công và các kỹ thuật viên, công nhân viên Xưởng Cơ khí
của Công ty đã giúp đỡ trong quá trình sử dụng thiết bị để thực hiện thí nghiệm.
Tác giả bày tỏ lòng biết ơn đối với các nhà khoa học của Viện Khoa
học vật liệu Hà Nội, Viện nghiên cứu cơ khí Hà Nội đã tận tình giúp đỡ trong
quá trình phân tích, xử lý kết quả thí nghiệm.
Do năng lực bản thân còn nhiều hạn chế nên Luận văn không tránh
khỏi sai sót, tác giả rất mong nhận được sự đóng góp ý kiến của các Thầy, cô
giáo, các nhà khoa học và các bạn đồng nghiệp.

Tác giả

Nguyễn Văn Phú
S
ố hóa bởi Trung tâm Học liệu

MỤC LỤC

Nội dung Trang
Lời cam đoan
Lời cảm ơn
Danh mục các ký hiệu chính ii
Danh mục các bảng biểu iii
Danh mục các hình vẽ iv
PHẦN MỞ ĐẦU 1
1. Tính cấp thiết của đề tài ………………………………………………… 1
2. Đối tượng, mục đích, nội dung và phương pháp nghiên cứu…………… 2
2.1. Đối tượng nghiên cứu ……………………………………………………2
2.2. Mục đích nghiên cứu …………………………………………………….3
2.3. Nội dung nghiên cứu …………………………………………………….3
2.4. Phương pháp nghiên cứu……………………………………………… 3
3. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài ………………………………….3
3.1. Ý nghĩa khoa học ……………………………………………………… 3
3.2. Ý nghĩa thực tiễn ……………………………………………………… 3
Chƣơng 1: TỔNG QUAN VỀ GIA CÔNG TIA LỬA ĐIỆN…… …… 4
1.1. Khái quát về phương pháp gia công tia lửa điện (EDM)……………… 4
1.2. Lịch sử ra đời và phát triển của phương pháp gia công tia lửa điện …….4
1.3. §Æc ®iÓm cña ph-¬ng ph¸p gia c«ng tia löa ®iÖn ……………………… 5
1.4. Khả năng công nghệ của phương pháp gia công tia lửa ……………… 5
1.5. Các phương pháp gia công tia lửa điện…………………………………. 6
1.5.1. Phương pháp gia công xung định hình……………………………… 6
1.5.2. Phương pháp gia công cắt dây tia lửa điện …………………………….6

1.5.3. Một số phương pháp sử dụng nguyên lý gia công tia lửa điện ……… 7
1.6. Nguyên lý của phương pháp gia công tia lửa điện……………………… 8
S
ố hóa bởi Trung tâm Học liệu

1.7. Các thông số công nghệ của phương pháp gia công xung định hình… 10
1.7.1. Điện áp………………………………………………………………. 10
1.7.2. Phân cực của điện cực……………………………………………… 11
1.7.3. Cường độ dòng phóng tia lửa điện ………………………………… 11
1.7.4. Thời gian xung (t
i
)

và thời gian ngừng xung(t
0
)…………………… 12
1.7.4.1. Thời gian xung t
i
……………………………………………………12
1.7.4.2. Thời gian ngừng xung t
o
……………………………………………14
1.7.5. Khe hở phóng điện() 15
1.7.6. Dạng sóng xung ………………………………………………………16
1.7.7. Dung dịch điện môi ………………………………………………… 16
1.7.7.1. Nhiệm vụ của dung dịch chất điện môi …………………………….16
1.7.7.2. Các loại chất điện môi …………………………………………… 17
1.7.7.3. Các loại dòng chảy của chất điện môi 17
1.8. Chất lượng bề mặt gia công tia lửa điện ……………………………… 17
1.8.1. Cấu trúc mặt cắt ngang lớp bề mặt sau gia công tia lửa điện ……… 17

1.8.2. Topography bề mặt ………………………………………………… 18
1.9. Các hiện tượng xấu xuất hiện trong gia công tia lửa điện …………… 18
1.9.1. Hiện tượng hồ quang điện 18
1.9.2. Hiện tượng ngắn mạch và sụt áp 19
1.9.3. Hiện tượng xung mạch hở, không có dòng điện 20
1.9.4. Hiện tượng quá nhiệt của dung dịch điện môi ……………………….21
1.10. Nâng cao chất lượng bề mặt gia công bằng phương pháp tia lửa điện 21
1.10.1. Ảnh hưởng của vật liệu điện cực đến chất lượng bề mặt ………… 22
1.10.2. Ảnh hưởng của môi trường gia công đến chất lượng bề mặt 23
1.10.3. Ảnh hưởng của chế độ gia công đến chất lượng bề mặt ……………26
1.10.4. Ảnh hưởng phân cực của phôi đến chất lượng bề mặt: …………… 27
1.10.5. Ảnh hưởng của kích cỡ hạt đến chất lượng bề mặt………………… 30
1.10.6. Ảnh hưởng của phương pháp gia công đến chất lượng bề mặt…… 30
S
ố hóa bởi Trung tâm Học liệu

1.11. Kết luận chƣơng 1… ………… ……… …… …………………. 31
1.12. Xác định hướng nghiên cứu của đề tài ……………………………… 31
Chƣơng 2: XÂY DỰNG HỆ THỐNG THÍ NGHIỆM 33
2.1. Mục đích của thí nghiệm ……………………………………………….33
2.2. Mô tả hệ thống thí nghiệm …………………………………………… 33
2.2.1. Sơ đồ thí nghiệm…………………………………………………… 33
2.2.2. Máy thí nghiệm……………………………………………………… 34
2.2.3. Vật liệu thí nghiệm………………………………………………… 35
2.2.4. Điện cực dụng cụ…………………………………………………… 37
2.2.5. Dung dịch điện môi ………………………………………………… 38
2.2.6. Các thông số công nghệ gia công …………………………………….38
2.2.7. Thiết bị đo kiểm và kết quả thí nghiệm……………………………… 39
2.3. Kết luận chƣơng 2 ………………………………… ……………… 40
Chƣơng 3: THỰC NGHIỆM ĐÁNH GIÁ CHẤT LƢỢNG BỀ MẶT

KHUÔN DẬP CÒ MỔ ĐỘNG CƠ RV125 40
3.1. Hình dáng bề mặt khuôn sau gia công xung định hình……………… 40
3.2. Kết quả và thảo luận ……………………………………………………41
3.2.1. Độ nhám và profin bề mặt khuôn……………………………………. 41
3.2.2. Hình thái bề mặt khuôn ………………………………………………43
3.2.3. Cấu trúc, độ cứng tế vi lớp bề mặt khuôn và chiều dày lớp thấm ……48
3.2.4. Thành phần hóa học và tổ chức pha của lớp bề mặt khuôn …….53
3.3. Kết luận chƣơng 3…… …………… ………………….………… 57
KẾT LUẬN CHUNG 58
TÀI LIỆU THAM KHẢO 58
PHỤ LỤC……………… …………………………………………………61


S
ố hóa bởi Trung tâm Học liệu



DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU CHÍNH
Ký hiệu
Ý nghĩa
Đơn vị
Ra
Sai lệch Profin trung bình cộng
µm
Rz
Chiều cao nhấp nhô tế vi
µm
Ue
Điện áp phóng điện( Gap)

V
t
đ
Thời gian trễ
µs
t
e
Thời gian phóng điện
µs
t
i
Độ kéo dài xung của máy phát xung
µs
t
o
Khoảng cách xung
µs
t
p
Chu kỳ xung
µs
I
e
Cường độ dòng điện
A
θ
Độ mòn điện cực
%
δ
Khe hở phóng điện

mm
T
on
Thời gian xung
µs
T
off

Thời gian ngừng xung
µs









ii
S
ố hóa bởi Trung tâm Học liệu




DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU
TT
Bảng số
Nội dung

Trang
1
2.1
Ký hiệu tương đương thép SKD61 của các nước
34
2
2.2
Thành phần hóa học theo % trọng lượng của thép SKD61
34
3
2.3
Các tính chất cơ, lí của thép SKD61
34
4
2.4
Thành phần hóa học theo % trọng lượng của Ti
36
5
2.5
Chỉ tiêu kỹ thuật của dầu biến thế.
36
6
2.6
Các thông số công nghệ gia công
37
7
3.1
Kết quả đo nhám trên bề mặt khuôn
40
8

3.2
Kết quả đo chiều dày của lớp biến trắng và lớp
chuyển tiếp
49
9
3.3
Sự thay đổi độ cứng tế vi lớp bề mặt khuôn theo chiều sâu
50
10
3.4
Kết quả kiểm tra thành phần hóa học của lớp nền theo
% khối lượng của thép SKD61 tại viện Khoa học vật
liệu Hà Nội,
52
11
3.5
Thành phần hóa học của các vùng trên lớp bề mặt
mẫu 1 ( vị trí cao)
52
12
3.6
Thành phần hóa học của các vùng trên lớp bề mặt
mẫu 1 ( vị trí thấp)
52
13
3.7
Thành phần hóa học của các vùng trên lớp bề mặt
mẫu 2 ( vị trí cao)
53
14

3.8
Thành phần hóa học của các vùng trên lớp bề mặt
mẫu 2 ( vị trí thấp)
53
iii
S
ố hóa bởi Trung tâm Học liệu

15
3.9
Thành phần hóa học của các vùng trên lớp bề mặt
mẫu 3( vị trí cao)
54
16
3.10
Thành phần hóa học của các vùng trên lớp bề mặt
mẫu 3( vị trí thấp)
54

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ
TT
Hình số
Nội dung
Trang
1
1.1
Sơ đồ nguyên lý gia công tia lửa điện
8
2
1.2

Quá trình ion hóa dung dịch điện môi
9
3
1.3
Quá trình phóng tia lửa điện
10
4
1.4
Phân cực cho điện cực
11
5
1.5
Mối quan hệ giữa V
w
và t
i
12
6
1.6
Mối quan hệ giữa θ và t
i
13
7
1.7
Mối quan hệ giữa R
z
và t
i
(với t
i

= t
d
+ t
e
).
13
8
1.8
Ảnh hưởng của t
i
và t
0
đến năng suất gia công
14
9
1.9
Dạng sóng xung hình chữ nhật
15
10
1.10
Lớp bề mặt sau gia công tia lửa điện
17
11
1.11
Hiện tượng hồ quang điện
19
12
1.12
Hiện tượng ngắn mạch, sụt áp
19

13
1.13
Hiện tượng xung mạch hở
20
14
1.14
Ảnh hưởng của chất điện môi đến nhám bề mặt
24
15
1.15
Ảnh hưởng của thời gian xung đến nhám bề mặt
trong các môi trường gia công khác nhau
26
16
1.16
Mối quan hệ giữa nhám bề mặt và thời gian xung
Trường hợp phân cực dương và âm
27
17
1.17
Mối quan hệ giữa nhám bề mặt và dòng điện cực
đại theo các cách phân cực khác nhau
27
iv
S
ố hóa bởi Trung tâm Học liệu

18
1.18
Ảnh SEM bề mặt phôi với các phân cực

và dung dịch điện môi khác nhau
29
19
2.1
Sơ đồ thí nghiệm
32
20
2.2
Máy xung CNC – EA600L
33
21
2.3
Hình dáng mẫu thí nghiệm
35
22
2.4
Bản vẽ chế tạo nửa dưới khuôn dập cò mổ động cơ
RV125 của công ty TNHH một thành viên Diesel
Sông Công.
35
23
2.5
Hình dáng điện cực Ti
36
24
3.1
Sản phẩm nửa dưới khuôn dập cò mổ supáp thải
động cơ RV125 sau gia công xung định hình.
39
25

3.2
Các vị trí đo nhám, profin trên bề mặt khuôn
39
26
3.3
Độ nhám, profin bề mặt khuôn 1 đo ở vị trí 1.
40
27
3.4
Độ nhám, profin bề mặt khuôn 2 đo ở vị trí 1.
40
28
3.5
Vị trí chụp ảnh SEM bề mặt khuôn
41
29
3.6
Ảnh SEM bề mặt khuôn 1 vị trí 1 với độ phóng
đại 100 lần
42
30
3.7
Ảnh SEM bề mặt khuôn 1 vị trí 1 với độ phóng đại
500 lần
42
31
3.8
Ảnh SEM bề mặt khuôn 1 vị trí 1 với độ phóng đại
1000 lần
42

32
3.9
Ảnh SEM bề mặt khuôn 1 vị trí 2 với độ phóng đại
100 lần
42
33
3.10
Ảnh SEM bề mặt khuôn 1 vị trí 2 với độ phóng đại
500 lần
43
34
3.11
Ảnh SEM bề mặt khuôn 1 vị trí 2 với độ phóng đại
1000 lần
43
S
ố hóa bởi Trung tâm Học liệu

35
3.12
Ảnh SEM bề mặt khuôn 2 vị trí 1 với độ phóng đại
100 lần
43
36
3.13
Ảnh SEM bề mặt khuôn 2 vị trí 1 với độ phóng đại
500 lần
43
37
3.14

Ảnh SEM bề mặt khuôn 2 vị trí 1 với độ phóng đại
1000 lần
43
38
3.15
Ảnh SEM bề mặt khuôn 2 vị trí 2 với độ phóng đại
100 lần
43
39
3.16
Ảnh SEM bề mặt khuôn 2 vị trí 2 với độ phóng đại
500 lần
44
40
3.17
Ảnh SEM bề mặt khuôn 2 vị trí 2 với độ phóng đại
1000 lần
44
41
3.18
Ảnh SEM bề mặt khuôn 3 vị trí 1 với độ phóng đại
100 lần
44
42
3.19
Ảnh SEM bề mặt khuôn 3 vị trí 1 với độ phóng đại
500 lần
44
43
3.20

Ảnh SEM bề mặt khuôn 3 vị trí 1 với độ phóng đại
1000 lần
44
44
3.21
Ảnh SEM bề mặt khuôn 3 vị trí 2 với độ phóng đại
100 lần
44
45
3.22
Ảnh SEM bề mặt khuôn 3 vị trí 2 với độ phóng đại
500 lần
45
46
3.23
Ảnh SEM bề mặt khuôn 3 vị trí 2 với độ phóng đại
1000 lần
45
47
3.24
Vị trí phân tích tổ chức tế vi
47
48
3.25
Tổ chức tế vi của khuôn 1( vị trí cao): a) 200 lần;
b) 500 lần
47
49
3.26
Tổ chức tế vi của khuôn 1( vị trí thấp): a) 200 lần;

47
S
ố hóa bởi Trung tâm Học liệu

b) 500 lần
50
3.27
Tổ chức tế vi của khuôn 2( vị trí cao): a) 200 lần;
b) 500 lần
48
51
3.28
Tổ chức tế vi của khuôn 2( vị trí thấp): a) 200 lần;
b) 500 lần
48
52
3.29
Tổ chức tế vi của khuôn 3( vị trí cao): a) 200 lần;
b) 500 lần
48
53
3.30
Tổ chức tế vi của khuôn 3( vị trí thấp): a) 200 lần;
b) 500 lần
49
54
3.31
Mức năng lượng của các nguyên tố ở lớp biến
trắng mẫu 1 ( vị trí cao)
52

55
3.32
Mức năng lượng của các nguyên tố ở lớp biến
trắng mẫu 1 ( vị trí thấp)
53
56
3.33
Mức năng lượng của các nguyên tố ở lớp biến
trắng mẫu 2 ( vị trí cao)
53
57
3.34
Mức năng lượng của các nguyên tố ở lớp biến
trắng mẫu 2 ( vị trí thấp)
54
58
3.35
Mức năng lượng của các nguyên tố ở lớp biến
trắng mẫu 3 ( vị trí cao)
54
59
3.36
Mức năng lượng của các nguyên tố ở lớp biến
trắng mẫu 3( vị trí thấp)
55
60
3.37
Tổ chức các pha của lớp biến trắng
55
- 1 -

S
ố hóa bởi Trung tâm Học liệu

PHẦN MỞ ĐẦU
1. Tính cấp thiết của đề tài
Lớp vật liệu bề mặt của các chi tiết máy ảnh hưởng lớn đến khả năng
làm việc của nó nhất là với những chi tiết có hình dạng phức tạp và làm việc
trong môi trường chịu tác động của mài mòn, va đập và nhiệt độ cao như: Bề
mặt khuôn dập, bề mặt khuôn ép nhựa, bề mặt dụng cụ cắt Vì vậy, việc
nâng cao chất lượng lớp bề mặt của các chi tiết máy dạng này luôn luôn được
quan tâm và đã có rất nhiều phương pháp được sử dụng để nâng cao chỉ tiêu
kỹ thuật như: Tôi bề mặt, biến cứng bề mặt, hóa nhiệt luyện, phun phủ
Một số kết quả nghiên cứu về gia công tia lửa điện đã chỉ ra rằng: Ở
các điều kiện nhất định, trong quá trình gia công dưới tác dụng của các tia lửa
điện vật liệu điện cực bị nóng chảy và bay hơi đã xâm nhập một lượng đáng
kể lên bề mặt phôi [21]. Bề mặt của thép không gỉ sau khi được gia công bằng
phương pháp tia lửa điện với điện cực Si(silic) đã được phủ một lớp vô định
hình với sự xuất hiện của lượng lớn Si nóng chảy tách ra từ điện cực giúp
nâng cao đáng kể về khả năng chống ăn mòn hóa học và chịu mài mòn [13].
Các nghiên cứu về sử dụng điện cực thiêu kết từ bột Ti(titan) trong gia công
khuôn đã giúp độ bền của khuôn tăng từ 3 đến 7 lần [13]. Phương pháp gia
công tia lửa điện với việc trộn bột kim loại hoặc hợp kim thích hợp vào trong
dung dịch điện môi đã được thực hiện và đều tìm thấy vật liệu bột trên bề mặt
gia công làm cải thiện đáng kể chất lượng bề mặt gia công [6, 10, 12]. Từ các
nghiên cứu trên đã mở ra hướng mới cho công nghệ nâng cao chất lượng bề
mặt vật liệu bằng phương pháp gia công tia lửa điện. Trong những năm gần
đây đã có nhiều nghiên cứu theo hướng ứng dụng phương pháp gia công tia
lửa điện vào việc nâng cao chất lượng bề mặt như: chọn vật liệu điện cực (Ti,
W, hợp kim Cu–W, TiC, WC, …) và loại dung dịch điện môi thích hợp; sử
dụng bột kim loại (Si, Cr, Ni, W, Ti,…) hoặc hợp kim thích hợp (WC, TiC,

SiC, …) trộn trong dung dịch điện môi [10]. So với phương pháp gia công tia
- 2 -
S
ố hóa bởi Trung tâm Học liệu

lửa điện sử dụng điện cực được làm bằng kim loại hoặc hợp kim thích hợp thì
phương pháp gia công tia lửa điện sử dụng bột kim loại hoặc hợp kim thích
hợp trộn trong dung dịch điện môi (PMEDM) cho hiệu quả cao hơn [10]. Tuy
nhiên, việc ứng dụng phương pháp PMEDM áp dụng vào thực tế là rất khó
khăn do số lượng thông số công nghệ gia công lớn và thiết bị rất phức tạp.
Hiện nay đã có rất nhiều nghiên cứu về gia công tia lửa điện để bóc
tách vật liệu nhưng những nghiên cứu liên quan đến công nghệ trong việc cải
thiện lớp bề mặt gia công thì chưa nhiều và mới dừng ở giai đoạn nghiên cứu
thử nghiệm [10]. Vì vậy để ứng dụng vào sản xuất công nghiệp cần thiết phải
làm sáng tỏ nhiều vấn đề trong đó có ảnh hưởng của các thông số công nghệ
đến các tính chất của lớp bề mặt gia công.
Thép SKD61 (Tiêu chuẩn JIS G 4404 – Nhật Bản) thuộc nhóm thép
công cụ hợp kim được dùng phổ biến để chế tạo khuôn dập nóng và thường
sử dụng phương pháp gia công tia lửa điện để tạo hình bề mặt lòng khuôn.
Mác thép này hiện đang được Công ty TNHH Nhà nước một thành viên
Diesel Sông Công dùng để chế tạo khuôn dập cò mổ động cơ RV125 và một
số loại khuôn dập khác.
Với những lý do trên và do thời gian, kinh phí có hạn nên tác giả đã
chọn đề tài nghiên cứu là:“Đánh giá chất lượng bề mặt thép SKD61 khi gia
công bằng phương pháp xung định hình với điện cực Ti trong dung dịch điện
môi là dầu biến thế ”.
2. Đối tƣợng, mục đích, nội dung và phƣơng pháp nghiên cứu
2.1. Đối tƣợng nghiên cứu
Đối tượng nghiên cứu của đề tài là các thông số (độ nhám, độ cứng tế
vi, cấu trúc tế vi và thành phần hóa học) của lớp bề mặt khuôn dập cò mổ

động cơ RV125 làm bằng thép SKD61 sau khi gia công bằng phương pháp
xung định hình với điện cực Ti trong dung dịch điện môi là dầu biến thế.

- 3 -
S
ố hóa bởi Trung tâm Học liệu

2.2. Mục đích nghiên cứu
1. Xác định mức độ ảnh hưởng của việc sử dụng vật liệu điện cực titan
đến chất lượng bề mặt gia công các khuôn dập được làm bằng vật liệu SKD61
khi gia công bằng phương pháp xung định hình với dung dịch điện môi là dầu
biến thế.
2. Làm cơ sở để xác định lượng dư gia công cho các nguyên công tiếp
theo.
2.3. Nội dung nghiên cứu
- Nghiên cứu cơ sở lý thuyết về gia công tia lửa điện.
- Xây dựng hệ thống thí nghiệm.
- Tiến hành thí nghiệm.
- Phân tích kết quả.
2.4. Phƣơng pháp nghiên cứu
Đề tài được thực hiện bằng phương pháp nghiên cứu thực nghiệm.
3. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài
3.1. Ý nghĩa khoa học
Các phương pháp nâng cao chất lượng bề mặt khi gia công bằng
phương pháp xung định hình hiện nay vẫn đang trong giai đoạn nghiên cứu
thử nghiệm, bởi vậy đề tài sẽ đóng góp một số kết quả vào hướng nghiên
cứu thử nghiệm này.
3.2. Ý nghĩa thực tiễn
Việc nghiên cứu được thực hiện với một sản phẩm cụ thể đó là khuôn
dập cò mổ động cơ RV125, vì vậy kết quả của đề tài có cơ sở để ứng dụng

vào thực tiễn sản xuất.

- 4 -
S
ố hóa bởi Trung tâm Học liệu

Chƣơng 1
TỔNG QUAN VỀ GIA CÔNG TIA LỬA ĐIỆN
1.1. Khái quát về phƣơng pháp gia công tia lửa điện (EDM)
Phương pháp gia công tia lửa điện là phương pháp gia công không
truyền thống và được sử dụng rất rộng rãi trong ngành chế tạo máy, đặc biệt
trong công nghệ chế tạo khuôn mẫu. Phương pháp này sử dụng nguồn năng
lượng nhiệt cao từ các tia lửa điện xuất hiện trong khe hở giữa phôi và dụng
cụ để gia công kim loại dưới dạng nóng chảy và bay hơi. Ưu điểm nổi bật của
phương pháp này so với các phương pháp gia công truyền thống là có thể gia
công được tất cả các loại vật liệu dẫn điện có độ bền và độ cứng bất kỳ, các
bề mặt có hình dạng rất phức tạp như: khuôn dập, khuôn đúc, các chi tiết máy
quan trọng trong ngành hàng không vũ trụ, ngành công nghiệp ôtô và các
dụng cụ dùng trong phẫu thuật [18] Trong phương pháp EDM không tồn tại
mối quan hệ về độ cứng giữa phôi và dụng cụ, các vấn đề như: rung động,
ứng suất cơ học, tiếng ồn không xuất hiện trong suốt quá trình gia công [18 ] .
Tuy nhiên phương pháp gia công tia lửa điện vẫn tồn tại một số hạn chế như:
Chất lượng bề mặt sau gia công chưa cao, năng suất gia công còn thấp và bị
hạn chế về phạm vi ứng dụng.
1.2. Lịch sử ra đời và phát triển của phƣơng pháp gia công tia lửa điện
Nhà vật lý người Anh Joseph Priestley (1733 – 1809) là người đầu tiên
trong các thí nghiệm của mình đã phát hiện ra khả năng ăn mòn của kim loại
bởi sự phóng điện. Tiếp nối thành tựu đó, năm 1943, hai vợ chồng nhà khoa
học Lazarenko người Nga đã tìm ra cánh cửa dẫn tới công nghệ “Gia công tia
lửa điện” hay “Electrical Discharge Machining (EDM)”. Công nghệ này sử

dụng tia lửa điện để hớt đi một lớp vật liệu mà không phụ thuộc độ cứng của
vật liệu đó. Khi các tia lửa điện phóng ra năng lượng nhiệt từ các tia này sẽ
làm nóng chảy và bay hơi vật liệu gia công từ đó làm vật liệu trên bề mặt phôi
sẽ bị hớt đi. Quá trình gia công EDM rất phức tạp do liên quan đến rất nhiều
- 5 -
S
ố hóa bởi Trung tâm Học liệu

yếu tố như: Khoảng cách khe phóng điện(δ), đến thông tin kênh plasma, về sự
hình thành của cầu phóng điện giữa hai điện cực… Chính những yếu tố đó đã
làm tốc độ của việc ứng dụng phương pháp gia công mới này vào ngành công
nghệ chế tạo vẫn còn nhiều hạn chế.
Tiếp những năm sau đó do sự tiến bộ của khoa học kỹ thuật đã giúp
việc đưa công nghệ này vào trong cuộc sống ngày càng phát triển. Đặc biệt
những năm gần đây, với sự phát triển như vũ bão của các công nghệ mới, sự
trợ giúp hết sức đắc lực của máy tính và hệ điều hành CNC. Các máy gia
công tia lửa điện đầu tiên bán tự động và không tiện dụng đã được thay thế
bởi các máy gia công tia lửa điện CNC. Đây là nhóm máy đã tỏ rõ được khả
năng rất lớn của mình trong điều khiển chính xác quỹ đạo, gia công được các
vật liệu dẫn điện có độ bền và độ cứng bất kỳ, hình dạng rất phức tạp. Chính
sự đột phá trong công nghệ này đã giải quyết rất nhiều vấn đề trong thực tiễn
và đưa nhóm máy mới này trở thành một trong các công cụ cắt gọt hữu hiệu
nhất.
1.3. §Æc ®iÓm cña ph-¬ng ph¸p gia c«ng tia löa ®iÖn
- Điện cực (đóng vai trò là dụng cụ cắt) có độ cứng thấp hơn nhiều so
với vật liệu phôi. Vật liệu điện cực thường là đồng, graphite, đồng-vonfram,
bạc-vonfram…
- Vật liệu phôi thường là những vật liệu cứng và đã qua nhiệt luyện
như: thép đã qua tôi, các hợp kim cứng…
- Vật liệu dụng cụ cắt và vật liệu phôi đều phải có tính dẫn điện tốt.

- Môi trường gia công là một chất lỏng điện môi. Đây là dung dịch
không dẫn điện ở điều kiện làm việc bình thường. Dung dịch điện môi thường
là: nước cất, nước máy, dầu biến thế, dầu hỏa có thêm bột nhôm …
1.4. Khả năng công nghệ của phƣơng pháp gia công tia lửa điện
Phương pháp gia công tia lửa điện có thể gia công được các bề mặt mặt
có hình dạng phức tạp như: bề mặt các lỗ, hốc phức tạp (lỗ định hình, khuôn
- 6 -
S
ố hóa bởi Trung tâm Học liệu

rèn, khuôn dập,…) và các chi tiết có độ bền, độ cứng rất cao (chi tiết máy sử
dụng trong ngành hàng không, lò phản ứng hạt nhân…)[1].
Bề mặt chi tiết được gia công bằng phương pháp EDM có thể đạt độ
nhám thấp: R
a
= 0,63µm khi gia công thô và R
a
= 0,16µm khi gia công tinh.
Thông thường độ chính xác kích thước gia công vào khoảng 0,01mm. Ở các
máy khoan tọa độ sử dụng tia lửa điện để gia công thì độ chính xác đạt đến
0,0025mm.
Phương pháp này có thể gia công những vật liệu khó gia công mà các
phương pháp gia công không truyền thống khó hoặc không thể thực hiện
được như: thép đã qua tôi, thép hợp kim khó gia công, hợp kim cứng.
Mặc dù việc bóc tách vật liệu phôi bằng năng lượng nhiệt rất lớn, tuy
nhiên những ảnh hưởng của nhiệt tác động lên vật liệu gia công là không lớn.
Các vấn đề như: biến dạng, ứng suất cơ học không xuất hiện trong suốt quá
trình gia công do không có sự tiếp xúc giữa phôi và dụng cụ (điện cực). Điều
này rất có lợi trong việc gia công các chi tiết mỏng làm bằng các vật liệu dòn.
1.5. Các phƣơng pháp gia công tia lửa điện

Hiện nay có hai phương pháp gia công tia lửa điện chủ yếu trong gia
công cơ khí trên thế giới là: phương pháp gia công xung định hình và phương
pháp gia công cắt dây tia lửa điện (WEDM). Các phương pháp này được ứng
dụng rộng rãi và góp phần đáng kể cho sự phát triển về khoa học kỹ thuật của
nhân loại.
1.5.1. Phƣơng pháp gia công xung định hình
Phương pháp gia công xung định hình là phương pháp dùng các điện
cực đã được tạo hình sẵn để in hình (âm bản) của nó lên bề mặt phôi. Phương
pháp này được dùng để chế tạo bề mặt các khuôn có hình dạng phức tạp như:
các khuôn ép định hình, khuôn ép nhựa, khuôn đúc áp lực, lỗ không thông…
1.5.2. Phƣơng pháp gia công cắt dây tia lửa điện
- 7 -
S
ố hóa bởi Trung tâm Học liệu

WEDM là phương pháp dùng một dây dẫn điện có đường kính nhỏ
(0,1 0,3 mm) cuốn liên tục và chạy theo một biên dạng định trước để tạo
thành một vết cắt trên phôi. Phương pháp này thường dùng để gia công các lỗ
thông suốt có biên dạng phức tạp như: lỗ trên khuôn dập, lỗ trên khuôn ép, lỗ
trên khuôn đúc áp lực,… Ngoài ra, phương pháp này còn được ứng dụng rất
rộng rãi trong việc chế tạo các chi tiết có biên dạng rất phức tạp và đòi hỏi độ
chính xác cao như: các điện cực dùng cho gia công xung định hình, gia công
các rãnh hẹp, gấp khúc, các dưỡng kiểm,…
1.5.3. Một số phƣơng pháp sử dụng nguyên lý gia công tia lửa điện
Ngoài hai phương pháp gia công chủ yếu trên, ngày nay trên thế giới
còn có một số phương pháp gia công sử dụng nguyên lý gia công tia lửa điện
như sau:
- Gia công tia lửa điện dạng phay (milling EDM): là phương pháp sử
dụng một điện cực chuẩn, hình trụ quay để thực hiện ăn mòn tia lửa điện theo
kiểu phay. Sử dụng phương pháp này để gia công các hình dáng phức tạp do

không phải chể tạo điện cực phức tạp (để xung) mà sử dụng điện cực chuẩn
sau đó điều khiển cho điện cực cắt theo chương trình gia công.
- Phủ bằng tia lửa điện (EDD): là phương pháp sử dụng hiệu quả của
sự ăn mòn tia lửa điện để phủ lên các bánh mài sau thời gian sử dụng nghiền
cơ khí các vật liệu rắn. Trong quá trình này, bánh mài phải có tính dẫn điện,
bánh mài kim cương liên kết kim loại thường được làm theo phương pháp
này. Điện áp xung được đặt vào giữa điện cực và bành mài, trong quá trình
mài, tia lửa điện sinh ra sẽ bóc tách các cạnh sắc trên bánh mài. Quá trình này
cũng được sử dụng để chế tạo bánh mài có hình dạng đặc biệt.
- Gia công EDM trợ giúp của siêu âm (ultrasonic aided edm): là
phương pháp hớt vật liệu bằng tia lửa điện kết hợp với việc rung điện cực
dụng cụ với tần số rung bằng tần số siêu âm. Rung điện cực với tần số siêu
- 8 -
S
ố hóa bởi Trung tâm Học liệu

âm giúp nâng cao khả năng công nghệ và tăng đáng kể tốc độ gia công các lỗ
nhỏ và siêu nhỏ.
- Mài xung điện (abrasive electrical discharge grinding-AEDG): là
phương pháp gia công trong đó vật liệu được bóc tách nhờ tác dụng kết hợp
của ăn mòn tia lửa điện và ăn mòn cơ khí.
- Gia công xung định hình siêu nhỏ (MEDM): là một dạng xung định
hình đặc biệt trong đó điện cực được quay với tốc độ lớn (tới 10.000 vg/ph).
điện cực sử dụng trong MEDM có kích thước nhỏ và được chế tạo bằng các
phương pháp gia công tia lửa điện khác. Phương pháp này dùng để gia công
các lỗ siêu nhỏ với độ chính xác rất cao.
- Cắt dây tia lửa điện siêu nhỏ (MWEDM): là phương pháp cắt dây sử
dụng điện cực vonfram có đường kính dây nhỏ dưới 10 m. Phương pháp này
dùng để gia công cắt dây các lỗ siêu nhỏ có kích thước từ (0,1 1)mm, các vật
liệu khó gia công, các chi tiết có chiều dày mỏng,… hoặc dùng trong công

nghệ chế tạo các chi tiết bán dẫn.
- Gia công tia lửa điện theo kiểu đê chắn (mole EDM): là một quá trình
gia công đặc biệt cho phép gia công các hốc, rãnh dạng đường cong hoặc
đường xuyến. Hình dáng điện cực được sử dụng trong phương pháp này
giống như một thanh dẫn có thể uốn cong và một hệ thống nhận dạng. Người
ta sử dụng sóng siêu âm để nhận dạng các đường hầm gia công trong chi tiết.
- Xung định hình với 2 điện cực quay: là phương pháp sử dụng một
điện cực quay để ăn mòn một phôi quay. Khi phối hợp chuyển động của điện
cực và phôi sẽ tạo ra các hình dạng chi tiết khác nhau theo yêu cầu. Đây là
phương pháp gia công siêu chính xác và cho độ bóng siêu cao.
1.6. Nguyên lý của phƣơng pháp gia công tia lửa điện.
- 9 -
S
ố hóa bởi Trung tâm Học liệu


Hình 1.1. Sơ đồ nguyên lý gia công tia lửa điện [2]
Đặt một điện áp một chiều (80V – 200V) vào giữa điện cực và phôi ngâm
trong dung dịch cách điện (dung dịch điện môi), hình 1.1. Khi đưa điện cực và
phôi tiến lại gần nhau đến một khoảng cách đủ nhỏ thì xuất hiện sự phóng tia lửa
điện. Nhiệt độ của vùng này tăng lên rất lớn (khoảng 10.000
o
C) làm nóng chảy
và bay hơi vật liệu của cả điện cực và phôi. Điều này được giải thích qua 2 bước:
Bước 1: Giai đoạn đánh thủng dung dịch điện môi. Ở giai đoạn này do
điện trường trong khe hở đủ lớn (khoảng 10
4
V/mm) làm ion hóa dung dịch
điện môi và biến nó thành dung dịch dẫn điện.

Hình 1.2. Quá trình ion hóa dung dịch điện môi

Bước 2: Khi năng lượng tập trung đủ lớn một dòng điện hình thành do
sự chuyển dịch của các ion, điện tử trong dung dịch điện môi – gọi là kênh
- 10 -
S
ố hóa bởi Trung tâm Học liệu

dẫn điện và kèm theo sự xuất hiện của các tia lửa điện do hiện tượng ion hóa
mãnh liệt của dung dịch điện môi. Năng lượng nhiệt rất lớn do một tia lửa
sinh ra sẽ làm xuất hiện hai hố lõm trên bề mặt điện cực và phôi. Nguồn điện
được ngắt đột ngột làm cho tia lửa điện biến mất. Dung dịch lạnh từ ngoài
tràn vào kênh dẫn điện do sự chênh lệch áp suất tạo ra tiếng nổ nhỏ và làm
hóa rắn hơi vật liệu thành các oxít kim loại. Sau đó nguồn nhiệt được cung
cấp lại và các tia lửa điện lại xuất hiện.

Hình 1.3. Quá trình phóng tia lửa điện

1.7. Các thông số công nghệ của phƣơng pháp gia công xung định hình
1.7.1. Điện áp
Điện áp phóng tia lửa điện (U
e
) là điện áp trung bình trong suốt quá
trình phóng điện. U
e
là hằng số vật lý phụ thuộc vào cặp vật liệu điện
cực/phôi, U
e
không điều chỉnh được. Khi bắt đầu phóng tia lửa điện thì điện
áp ban đầu U

i
giảm đến U
e
.
Nguồn cung cấp điện áp dạng xung: Thời gian ngắt nguồn điện là
khoảng thời gian cần thiết để dung dịch điện môi có thể khôi phục lại trạng
thái không dẫn điện của nó và sẵn sàng cho xung gia công tiếp theo. Nếu thời
gian này không có hoặc quá nhỏ sẽ làm dung dịch điện môi luôn ở trạng thái
dẫn điện. Điều làm cho tia lửa điện phát triển thành hồ quang gây hỏng bề
mặt chi tiết và điện cực.
- 11 -
S
ố hóa bởi Trung tâm Học liệu

1.7.2. Phân cực của điện cực
Việc phân cực cho điện cực (âm hoặc dương) phụ thuộc vào việc sử
dụng phương pháp gia công này. Vì khi phân cực cho điện cực có ảnh hưởng
trực tiếp đến việc hình thành chiều của dòng điện sinh ra và liên quan trực
tiếp đến quá trình hình thành và năng lượng của tia lửa điện. Có hai kiểu phân
cực cho điện cực: Điện cực được phân cực âm (phương pháp phân cực thông
thường, điện cực được phân cực dương (phương pháp phân cực ngược).

a. Phân cực thuận b. Phân cực ngược
Hình 1.4. Phân cực cho điện cực[1]

1.7.3. Cƣờng độ dòng phóng tia lửa điện
Cường độ dòng phóng tia lửa điện(Ie)là giá trị trung bình của dòng điện
từ khi bắt đầu phóng tia lửa điện đến khi ngắt điện. Khi bắt đầu phóng điện,
dòng điện tăng từ 0 đến giá trị I
e

kèm theo sự bốc cháy kim loại. Theo nhiều
nghiên cứu thì I
e
có ảnh hưởng lớn nhất đến ăn mòn vật liệu, độ ăn mòn điện
cực và đến chất lượng bề mặt gia công. Nói chung I
e
tăng thì lượng hớt vật
liệu tăng, độ nhám gia công lớn.
Để đặc trưng cho dòng phóng tia lửa điện, ở một số hệ điều khiển còn
dùng khái niệm „bước dòng điện‟. Bước dòng điện càng lớn tức là dòng
phóng tia lửa điện càng lớn. Phụ thuộc vào kiểu máy, có thể 18 hoặc 20 bước
dòng điện, sẽ có dòng phóng tia lửa điện từ 0,5 - 80A.
- 12 -
S
ố hóa bởi Trung tâm Học liệu

1.7.4. Thời gian xung (t
i
)

và thời gian ngừng xung(t
0
)
Mỗi chu kỳ xung(t
e
)được xác định bởi hai thông số là thời gian ngừng
xung và thời gian xung được tính bằng s.
1.7.4.1. Thời gian xung t
i
Thời gian xung (t

i
)

là khoảng thời gian giữa hai lần đóng ngắt của máy
phát trong cùng một chu kỳ phóng tia lửa điện. Trị số của t
i
ảnh hưởng tới
nhiều yếu tố quan trọng liên quan trực tiếp đến năng suất và chất lượng gia
công như:
- Tốc độ bóc tách vật liệu: Thực nghiệm chứng tỏ rằng khi giữ nguyên
dòng điện I
e
và khoảng cách xung t
o
thì ban đầu V
w
tăng nhưng chỉ tăng đến
giá trị cực đại ở t
i
nhất định nào đó sau đó V
w
giảm đi, nếu tiếp tục tăng t
i
thì
năng lượng phóng điện không còn được sử dụng thêm nữa để hớt vật liệu
phôi mà nó lại làm tăng nhiệt độ của các điện cực và dung dịch chất điện môi.
Mối quan hệ giữa lượng hớt vật liệu với t
i
được biểu thị ở hình 1.5.

H×nh 1.5. Mèi quan hÖ gi÷a V
w
vµ t
i
[1]

- Độ mòn điện cực: Độ mòn của điện cực(θ) sẽ giảm đi khi t
i
tăng thậm
chí cả sau khi đạt lượng hớt vật liệu cực đại. Nguyên nhân do mật độ điện tử
tập trung ở bề mặt phôi (cực dương) cao hơn nhiều lần so với mật độ ion