Nghiên cứu đánh giá chất lượng bề mặt thép SKD61 chưa tôi bằng phương pháp xung tia lửa điện trong môi trường dung dịch điện môi có chứa bột Cacbít vônphram

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

LÊ VĂN TẠO

NGHIÊN CỨU ĐÁNH GIÁ CHẤT LƯỢNG BỀ MẶT THÉP SKD61
CHƯA TÔI BẰNG PHƯƠNG PHÁP XUNG TIA LỬA ĐIỆN TRONG
MÔI TRƯỜNG DUNG DỊCH ĐIỆN MÔI CÓ CHỨA BỘT CACBÍT
VÔNPHRAM

LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT CƠ KHÍ

Hà Nội – 2017


MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN ...................................................................................................................................... i
LỜI CẢM ƠN ...........................................................................................................................................ii
DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT .....................................................................................................iii
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU ................................................................................................................ iv
DANH MỤC CÁC BẢNG.....................................................................................................................vii
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ………………………………………………... . ……...ix
PHẦN MỞ ĐẦU ...................................................................................................................................... 1
1. Tính cấp thiết của đề tài ................................................................................................................... 1
2. Mục đích, đối tƣợng, phạm vi, nội dung và phƣơng pháp nghiên cứu ......................................... 3
a. Mục đích của đề tài ...................................................................................................................... 3
b. Đối tƣợng nghiên cứu .................................................................................................................. 4
c. Phạm vi nghiên cứu ..................................................................................................................... 4
d. Nội dung nghiên cứu ................................................................................................................... 5
e. Phƣơng pháp nghiên cứu ............................................................................................................. 5
3. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài ........................................................................................ 6

a. Ý nghĩa khoa học ......................................................................................................................... 6
b. Ý nghĩa thực tiễn ......................................................................................................................... 6
4. Các đóng góp mới của luận án ........................................................................................................ 7
5. Nội dung của luận án ....................................................................................................................... 7
CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ PHƢƠNG PH P GIA C NG TIA ỬA ĐIỆN ............................. 9
1.1. Lịch sử hình thành, sự phát triển của phƣơng pháp gia c ng tia ửa điện ................................. 9
1.1.1. Lịch sử hình thành ................................................................................................................. 9
1.1.2. Sự phát triển của phƣơng pháp gia c ng tia ửa điện ........................................................ 10
1.1.2.1. Xung định hình (Die Sinking EDM hay Ram-EDM) ................................. 10
1.1.2.2. Cắt dây bằng tia ửa điện (Wire-cut EDM hoặc Wire EDM) ..................... 11
1.1.2.3. Gia c ng EDM rung điện cực với tần số siêu âm (Ultrasonic vibration) .. 12
1.1.2.4. Xung khô (Dry EDM)................................................................................. 12
1.2. Phƣơng pháp gia c ng tia ửa điện có trộn bột (PMEDM- Powder Mixed Electrical
Discharge Machining) ........................................................................................................................ 13
1.2.1. Nguyên lý, trang thiết bị phƣơng pháp PMEDM .............................................................. 13
1.2.2. Tổng quan tình hình nghiên cứu phƣơng pháp EDM và PMEDM................................... 14


1.2.2.1. Khả năng bóc tách vật iệu (MRR) và độ mòn điện cực (TWR) của phƣơng
pháp PMEDM .......................................................................................................... 15
1.2.2.2. Khả năng cải thiện chất ƣợng bề mặt chi tiết của phƣơng pháp PMEDM 17
Kết luận chƣơng 1: ............................................................................................................................. 23
CHƢƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT GIA CÔNG TIA LỬA ĐIỆN VÀ GIA CÔNG TIA LỬA
ĐIỆN CÓ TRỘN BỘT ........................................................................................................................... 24
2.1. Cơ sở lý thuyết gia công tia lửa điện ......................................................................................... 24
2.1.1. Bản chất vật lý của quá trình phóng tia lửa điện ............................................................... 24
2.1.2. Cơ chế tách vật liệu ............................................................................................................. 28
2.1.3. Đặc tính về điện của sự phóng tia lửa điện ........................................................................ 30
2.1.4. ƣợng hớt vật liệu ............................................................................................................... 31
2.1.5. Chất lƣợng bề mặt sau gia công ......................................................................................... 32

2.1.6. Sự mòn điện cực .................................................................................................................. 34
2.1.7. Chất điện môi ...................................................................................................................... 35
2.1.7.1. Nhiệm vụ cơ bản của chất điện m i ........................................................... 35
2.1.7.2. Các oại chất điện m i ................................................................................ 36
2.2. Cơ sở lý thuyết gia công tia lửa điện có trộn bột ...................................................................... 36
2.2.1. Vai trò của hạt bột trong quá trình phóng tia lửa điện ...................................................... 36
2.2.2. Sự cách điện của dung dịch điện môi ................................................................................. 38
2.2.3. Độ lớn khe hở phóng điện................................................................................................... 39
2.2.4. Độ rộng của kênh plasma................................................................................................... 39
2.2.5. Số ƣợng tia lửa điện ........................................................................................................... 40
2.2.6. Cơ sở lý thuyết sự xâm nhập của bột trộn trong dung môi vào bề mặt chi tiết trong quá
trình PMEDM ................................................................................................................................ 41
2.2.6.1. Khuếch tán .................................................................................................. 41
2.2.6.2. Sự iên kết của các phản ứng hóa học và sự hấp phụ bay hơi của quá trình
vật

........................................................................................................................ 44

2.2.6.3. ám dính cơ học ......................................................................................... 44
Kết luận chƣơng 2: ............................................................................................................................. 44
CHƢƠNG 3: NGHIÊN CỨU ẢNH HƢỞNG CỦA CÁC THÔNG SỐ CÔNG NGHỆ VÀ NỒNG
ĐỘ BỘT CACBÍT VÔNPHRAM TRONG DUNG DỊCH ĐIỆN MÔI TỚI ĐỘ NHÁM BỀ MẶT. 46
3.1. Mục đích ...................................................................................................................................... 46
3.2. Đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu .............................................................................................. 46
3.3. Điều kiện thực nghiệm khảo sát ................................................................................................. 47


3.3.1. Hệ thống thí nghiệm ............................................................................................................ 47
3.3.2. Thiết bị đo, kiểm tra ............................................................................................................ 52
3.4. Nghiên cứu thực nghiệm các yếu tố ảnh hƣởng tới độ nhám bề mặt Ra .................................. 54

3.4.1. Nghiên cứu thực nghiệm ảnh hƣởng của thời gian phát xung Ton và nồng độ bột tới độ
nhám bề mặt ................................................................................................................................... 57
3.4.1.1. So sánh độ nhám bề mặt giữa phƣơng pháp PMEDM và EDM................ 60
3.4.1.2. Nghiên cứu thực nghiệm tại các chế độ có độ nhám bề mặt thay đổi nhiều
nhất .......................................................................................................................... 61
3.4.1.3. Nghiên cứu thực nghiệm tại các chế độ có độ nhám bề mặt thay đổi ít nhất
................................................................................................................................. 62
3.4.2. Nghiên cứu thực nghiệm ảnh hƣởng của dòng phóng điện Ip và nồng độ bột tới độ nhám
bề mặt ............................................................................................................................................. 62
3.5. Xây dựng mối quan hệ giữa các yếu tố ảnh hƣởng tới độ nhám bề mặt Ra ............................. 65
Kết luận chƣơng 3: ............................................................................................................................. 69
CHƢƠNG 4: NGHIÊN CỨU ẢNH HƢỞNG CỦA CÁC THÔNG SỐ CÔNG NGHỆ VÀ NỒNG
ĐỘ BỘT CACBÍT VÔNPHRAM TRONG DUNG DỊCH ĐIỆN MÔI TỚI SỰ XÂM NHẬP CỦA
V NPHRAM VÀ ĐỘ CỨNG TẾ VI BỀ MẶT CHI TIẾT ................................................................ 71
4.1. Mục đích ...................................................................................................................................... 71
4.2. Đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu .............................................................................................. 71
4.3. Điều kiện thực nghiệm khảo sát ................................................................................................. 72
4.3.1. Hệ thống thí nghiệm ............................................................................................................ 73
4.3.2. Thiết bị đo, kiểm tra ............................................................................................................ 73
4.4. Nghiên cứu thực nghiệm các yếu tố ảnh hƣởng tới sự xâm nhập của nguyên tố Vônphram
vào bề mặt SKD61 ............................................................................................................................. 74
4.4.1. Nghiên cứu thực nghiệm ảnh hƣởng của thời gian phát xung Ton và nồng độ bột tới sự
xâm nhập của nguyên tố Vônphram vào bề mặt SKD61 ............................................................ 78
4.4.2. Nghiên cứu thực nghiệm ảnh hƣởng của dòng phóng tia ửa điện Ip và nồng độ bột tới sự
xâm nhập của nguyên tố Vônphram vào bề mặt SKD61 ............................................................ 82
4.4.3. Xây dựng mối quan hệ giữa các yếu tố ảnh hƣởng tới hàm ƣợng Vônphram xâm nhập
vào bề mặt ...................................................................................................................................... 85
4.5. Nghiên cứu thực nghiệm các yếu tố ảnh hƣởng tới độ cứng tế vi (HV) bề mặt SKD61 ........ 89
4.5.1. Ảnh hƣởng của thời gian phát xung Ton và nồng độ bột tới độ cứng tế vi (HV) bề mặt
SKD61 ............................................................................................................................................ 92

4.5.2. Ảnh hƣởng dòng phóng tia lửa điện Ip và nồng độ bột tới độ cứng tế vi (HV) bề mặt
SKD61 ............................................................................................................................................ 95
4.5.3. Xây dựng mối quan hệ giữa các yếu tố ảnh hƣởng tới độ cứng tế vi bề mặt ................... 98
4.5.4. Ảnh chụp tổ chức pha Cacbít v nphram ớp bề mặt gia công bằng phƣơng pháp
PMEDM ....................................................................................................................................... 102
4.6. Kiểm nghiệm mòn..................................................................................................................... 107
Kết luận chƣơng 4: ........................................................................................................................... 110
KẾT LUẬN CHUNG CỦA LUẬN N VÀ HƢỚNG NGHIÊN CỨU TIẾP THEO ...................... 112
KẾT LUẬN CHUNG ...................................................................................................................... 112
HƢỚNG NGHIÊN CỨU TIẾP THEO ........................................................................................... 114
TÀI LIỆU THAM KHẢO .................................................................................................................... 115
DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH CÔNG BỐ CỦA LUẬN ÁN .................................................... 120
PHỤ LỤC………………………………………………………………………………….............121


LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi. Tất cả các số liệu và kết quả
nghiên cứu trình bày trong luận án là trung thực, chưa từng được ai công bố trong bất kỳ công trình
nghiên cứu nào khác.
Hà nội, ngày
TẬP THỂ HƯỚNG DẪN

TS Trần Xuân Thái

tháng 11 năm 2017
Tác giả

PGS.TS Nguyễn Thị Hồng Minh

i

Lê Văn Tạo


LỜI CẢM ƠN
Sau một thời gian tìm hiểu và nghiên cứu, dưới sự hướng dẫn và chỉ bảo tận tình của TS.
Trần Xuân Thái và PGS.TS Nguyễn Thị Hồng Minh tôi đã hoàn thành đề tài nghiên cứu luận án của
mình. Để có được kết quả như ngày hôm nay, tác giả cũng xin được bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến
thầy GS.TSKH Bành Tiến Long đã có những chỉ bảo và định hướng về mặt khoa học từ khi bắt đầu
tìm hiểu và nghiên cứu đề tài. Các Thầy, Cô không những góp ý và định hướng về mặt khoa học mà
còn quan tâm và động viên tinh thần nghiên cứu sinh trong suốt quá trình học tập và nghiên cứu.
Đây là nguồn động lực tinh thần rất lớn và có ý nghĩa, giúp nghiên cứu sinh tự tin và say mê nghiên
cứu khoa học. Qua đây tác giả xin gửi lời cảm ơn đến các Thầy, Cô.
Tác giả gửi lời cảm ơn trân trọng đến tập thể các Thầy, Cô trong Bộ môn Gia công vật liệu
và dụng cụ công nghiệp, Viện Cơ khí, Viện đào tạo Sau đại học đã có những góp ý xác đáng và luôn
tạo điều kiện thuận lợi để tôi thực hiện đề tài nghiên cứu của mình.
Tôi xin được chân thành cảm ơn sự giúp đỡ các cơ quan trong quá trình thực hiện đề tài nghiên
cứu đó là : Phòng thí nghiệm Kim tương - Bộ môn Vật liệu học; Phòng thí nghiệm Cơ học máy - Bộ
môn Cơ học máy - Khoa cơ khí - Học viện Kỹ thuật Quân sự ; Trung tâm đánh giá hư hỏng-Viện
vật liệu-Viện hàn lâm khoa học và công nghệ Việt Nam; Trung tâm lưu mẫu T626-Cục vũ khíTổng cục kỹ thuật ; Viện hóa học- Viện khoa học và công nghệ Quân sự.
Cuối cùng, tác giả gửi lời cảm ơn đến Ban chỉ huy, các đồng nghiệp của Trung tâm Công nghệ
- Học viện Kỹ thuật Quân sự và gia đình đã luôn ở bên động viên giúp đỡ trong suốt quá trình
nghiên cứu và thực hiện đề tài.

Hà nội, ngày

tháng 11 năm 2017

Tác giả

Lê Văn Tạo

ii


DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT

Giải thích ý nghĩa

Chữ viết tắt

Gia công tia lửa điện

EDM- Electrical discharge machining
PMEDM-Powder mixed electrical discharge

Gia công tia lửa điện có trộn bột

machining
AEDG - Abrasive Electrical Discharge
Grinding

Mài xung điện

MRR - Material removal rate

N ng suất bóc tách vật liệu

TWR - Tool wear rate

Lượng mòn điện cực
T lệ giữa n ng suất bóc vật liệu với

WR - Wear ratio

mòn điện cực

SR- Surface Roughness

Độ nhấp nhô bề mặt

SEM - Scanning electron microscopy

Kính hiển vi điện tử qu t

iii


DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU
td

Độ trễ đánh lửa (µs)

ti

Độ kéo dài xung máy xung máy phát (µs)

t0

Khoảng cách xung (µs)

tp

Thời gian chu kỳ xung (µs)

Ui

Điện áp máy phát mở (V)

Ue

Điện áp phóng tia lửa điện (V)

Ie

Dòng phóng tia lửa điện (A)

We

N ng lượng tách vật liệu

θ

Độ mòn tương đối của điện cực

VE

Thể tích vật liệu bị mất đi ở điện cực (mm3)

VW

Thể tích vật liệu phôi được hớt đi (mm3)
Cường độ điện trường đánh thủng sự cách điện của dung môi khi

Ei

không có bột(V/m)
Cường độ điện trường đánh thủng sự cách điện của dung môi khi có

Ebr

bột(V/m)

ε1

Hằng số điện môi của dung môi cách điện

εp

Hằng số điện môi của hạt bột

Nf

Nồng độ bột sau gia công (g/l)

iv

Ni

Nồng độ bột ban đầu (g/l)

r

Bán kính hạt bột (µm)

δ1

Khoảng cách khe hở điện cực khi không có bột (µm)

δ2

Khoảng cách khe hở điện cực khi có bột (µm)

β

Hệ số t ng điện trường do hình dạng nhấp nhô tại khe hở điện cực

gd

Khoảng cách giữa hạt bột và điện cực (µm)

hp

Chiều cao nhấp nhô (µm)

Ip

Cường độ mật độ dòng điện (A)

Ton

Thời gian phát xung (µs)

Toff

Thời gian ngừng phát xung (µs)

Ra

Nhấp nhô bề mặt (µm)

g/l

Thứ nguyên của nồng độ hạt bột
Bán kính vùng nhiệt truyền vào phôi ở cuối quá trình phóng tia lửa

rs

điện(µm)

rc

Bán kính của miệng núi lửa (µm)

S

Chiều sâu của miệng núi lửa (µm)

M1, M2

Khối lượng của phôi trước và sau quá trình gia công(g/m3)

Nnp

Số xung trong một lần phóng

ρ

Trọng lượng riêng của phôi (g/m3)

v


HV

Thang đo độ cứng theo Vicker

HRC

Thang đo độ cứng theo Rocwel

V

Thứ nguyên điện áp

A

Thứ nguyên cường độ dòng điện

μs

Thứ nguyên của thời gian

mN

Thứ nguyên đơn vị đo lực

Nbt

Nồng độ bột(g/l)

vi


DANH MỤC CÁC BẢNG
Bảng 3.1. Thành phần hóa học theo % khối lượng của thép SKD61……………………….……....49
Bảng 3.2. Đặc tính kỹ thuật của đồng điện cực………………………………………………….....50
Bảng 3.3. Thành phần hóa học theo % khối lượng của bột Cacbít vônphram……..........................50
Bảng 3.4. Kích thước hạt theo% khối lượng……………………………………….……………....50
Bảng 3.5. Đặc tính kỹ thuật của dầu Shell EDM Fluid 2………………………………………......51
Bảng 3.6. Các thông số về điện và nồng độ thực nghiệm cho quá trình PMEDM………….………52
Bảng 3.7. Kết quả đo độ nhấp nhô bề mặt tại Ip=1A........................................................................55
Bảng 3.8. Kết quả đo độ nhấp nhô bề mặt tại Ip=2A.........................................................................55
Bảng 3.9. Kết quả đo độ nhấp nhô bề mặt tại Ip=3A.........................................................................56
Bảng 3.10. Kết quả đo độ nhấp nhô bề mặt tại Ip=4A.......................................................................57
Bảng 3.11. Bảng mã hóa biến…………………………………………………………………….....66
Bảng 3.12. Tính toán các giá trị Logarit hóa …………………………………………………….....66

Bảng 3.13. Kết quả tính toán các giá trị theo bảng 3.12……………………………………..….......67
Bảng 4.1. Kết quả xác định hàm lượng Vônphram của bề mặt tại Ip=1A.........................................76
Bảng 4.2. Kết quả xác định hàm lượng Vônphram của bề mặt tại Ip=2A.........................................76
Bảng 4.3. Kết quả xác định hàm lượng Vônphram của bề mặt tại Ip=3A.........................................77
Bảng 4.4. Kết quả xác định hàm lượng Vônphram của bề mặt tại Ip=4A.........................................78
Bảng 4.5. Bảng mã hóa biến………………………………………………………………………...86
Bảng 4.6. Tính toán các giá trị Logarit hóa…………………………………………………………86
Bảng 4.7. Kết quả tính toán các giá trị theo bảng 4.6……………………………………………….87
Bảng 4.8. Kết quả xác định độ cứng tế vi bề mặt tại Ip=1A...............................................................89
Bảng 4.9. Kết quả xác định độ cứng tế vi bề mặt tại Ip=2A...............................................................90
Bảng 4.10. Kết quả xác định độ cứng tế vi bề mặt tại Ip=3A.............................................................91
Bảng 4.11. Kết quả xác định độ cứng tế vi bề mặt tại Ip=4A.............................................................91
Bảng 4.12. Bảng mã hóa biến…………………………………………………………………….....99
vii


Bảng 4.13. Tính toán các giá trị Logarit hóa………………………………………………………..99
Bảng 4.14. Kết quả tính toán các giá trị theo bảng 4.13…………………………………………...100

viii


DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ
Hình 1.1: Phương pháp gia công xung định hình

10

Hình 1.2: Mô hình máy xung tia lửa điện

11

Hình 1.3: Phương pháp gia công xung cắt dây tia lửa điện

12

Hình 1.4: Phương pháp gia công dạng xung khô (Dry EDM)

12

Hình 1.5: Mô hình nguyên lý phương pháp PMEDM

13

Hình 1.6: Mô hình thực nghiệm PMEDM

14

Hình 1.7: Ảnh hưởng của nồng độ bột Graphite(g/l) tới MRR, TWR, WR

16

Hình 1.8: Biểu đồ biểu thị của các thành phần bột khác nhau đến khả n ng tách vật liệu

17

Hình 1.9: Độ nhấp nhô bề mặt(Ra) thay đổi giữa EDM và PMEDM

18

Hình 1.10: Ảnh hưởng của cỡ hạt và loại hạt đến Ra và lớp đúc lại

19

Hình 1.11: Biểu đồ thời gian mở xung và dòng phóng tia lửa điện cho lớp phủ

20

Hình 1.12: Nhấp nhô bề mặt

22

Hình 1.13: Thông kê chung các công trình nghiên cứu đến n m 2015

22

Hình 2.1: Sơ đồ nguyên lý gia công tia lửa điện

24

Hình 2.2: Đồ thị điện áp và dòng điện trong một xung phóng điện

26

Hình 2.3: Sự đánh lửa

26

Hình 2.4 Sự phóng điện qua kênh dẫn điện

27

Hình 2.5: Nóng chảy và bốc hơi vật liệu

27

Hình 2.6: Diễn biến của một quá trình phóng tia lửa điện

29

Hình 2.7 Các “miệng núi lửa” được hình thành liên tiếp

32

Hình 2.8 Câu trúc tế vi bề mặt của chi tiết gia công bằng EDM

33

Hình 2.9: Câu trúc các lớp bề mặt của chi tiết gia công bằng EDM

33

Hình 2.10: Ảnh hưởng của hạt bột trong quá trình hình thành kênh phóng điện của quá trình EDM
37
Hình 2.11: Cây cầu trong quá trình phóng điện của quá trình EDM
ix

38


Hình 2.12: Hạt bột trong khe hở phóng điện

39

Hình 2.13: Dạng sóng xung của điện áp và dòng điện

40

Hình 2.14: Sơ đồ nguyên lý hình thành lớp phủ

41

Hình 2.15: Cặp khuếch tán Cu-Ni

42

Hình 2.16: Khuếch tán nguyên tử

42

Hình 2.17: Khuếch tán nút trống

43

Hình 2.18: Khuếch tán xen kẽ

43

Hình 3.1: Mô hình thực nghiệm

47

Hình 3.2: Máy xung tia lửa điện ARISTECH CNC-460

48

Hình 3.3: Phôi SKD61

49

Hình 3.4: Điện cực đồng

49

Hình 3.5: Bột Cacbít vônphram của nhà sản xuất Praxair surface technologies

50

Hình 3.6: Th ng dầu

52

Hình 3.7: Máy đo độ nhấp nhô bề mặt TR200

53

Hình 3.8: Cân điện tử TE612

53

Hình 3.9: Độ nhấp nhô bề mặt Ra tại Ip=1A

58

Hình 3.10: Độ nhấp nhô bề mặt Ra tại Ip=2A

58

Hình 3.11: Độ nhấp nhô bề mặt Ra tại Ip=3A

59

Hình 3.12: Độ nhấp nhô bề mặt Ra tại Ip=4A

59

Hình 3.13: Sự tham gia của các hạt kim loai trong quá trình hình thành kênh phóng điện

60

Hình 3.14: Sự phóng điện khi có sự tham gia của các hạt kim loai trong quá trình bóc vật liệu bề
mặt phôi

61

Hình 3.15: Độ nhấp nhô bề mặt Ra tại Ton=16μs

63

Hình 3.16: Độ nhấp nhô bề mặt Ra tại Ton=32μs

63

Hình 3.17: Độ nhấp nhô bề mặt Ra tại Ton=50μs

64

Hình 3.18: Độ nhấp nhô bề mặt Ra tại Ton=200μs

64

x


Hình 4.1: Sơ đồ thực nghiệm và kết quả

72

Hình 4.2: Máy quét JSM6610LA

73

Hình 4.3: Máy đo độ cứng tế vi DURAMIN

73

Hình 4.4: Máy chụp tổ chức pha AXIO- A2M

74

Hình 4.5: Thiết bị thử nghiệm mẫu đa n ng UMT

74

Hình 4.6: V ng ED để xác định nguyên tố Vônphram trên bề mặt

75

Hình 4.7: Phổ mức n ng lượng các nguyên tố v ng 1

75

Hình 4.8: Phổ mức n ng lượng các nguyên tố v ng 2

75

Hình 4.9: Phổ mức n ng lượng các nguyên tố v ng 3

76

Hình 4.10: Hàm lượng nguyên tố Vônphram của lớp bề mặt chi tiết tại Ip=1A

79

Hình 4.11: Hàm lượng nguyên tố Vônphram của lớp bề mặt chi tiết tại Ip=2A

79

Hình 4.12: Hàm lượng nguyên tố Vônphram của lớp bề mặt chi tiết tại Ip=3A

80

Hình 4.13: Hàm lượng nguyên tố Vônphram của lớp bề mặt chi tiết tại Ip=4A

80

Hình 4.14: Hàm lượng nguyên tố Vônphram của lớp bề mặt chi tiết tại Ton=16μs

82

Hình 4.15: Hàm lượng nguyên tố Vônphram của lớp bề mặt chi tiết tại Ton=32μs

83

Hình 4.16: Hàm lượng nguyên tố Vônphram của lớp bề mặt chi tiết tại Ton=50μs

83

Hình 4.17: Hàm lượng nguyên tố Vônphram của lớp bề mặt chi tiết tại Ton=200μs

84

Hình 4.18: Độ cứng tế vi HV) lớp bề mặt chi tiết tại Ip=1A

92

Hình 4.19: Độ cứng tế vi HV) lớp bề mặt chi tiết tại Ip=2A

93

Hình 4.20: Độ cứng tế vi HV) lớp bề mặt chi tiết tại Ip=3A

93

Hình 4.21: Độ cứng tế vi HV) lớp bề mặt chi tiết tại Ip=4A

94

Hình 4.22: Độ cứng tế vi HV) lớp bề mặt chi tiết tại Ton=16μs

96

Hình 4.23: Độ cứng tế vi HV) lớp bề mặt chi tiết tại Ton=32μs

96

Hình 4.24: Độ cứng tế vi HV) lớp bề mặt chi tiết tại Ton=50μs

97

Hình 4.25: Độ cứng tế vi HV) lớp bề mặt chi tiết tại Ton=200μs

97

Hình 4.26: Quy ước bề mặt mẫu

102
xi


Hình 4.27: Tổ chức pha Cacbít vônphram mặt cắt vuông với bề mặt mẫu tại Ip=1A, độ phóng đại

500 lần

103

Hình 4.28: Tổ chức pha Cacbít vônphram mặt cắt mặt cắt vuông với bề mặt mẫu tại Ip=2A, độ
phóng đại 500 lần

104

Hình 4.29: Tổ chức pha Cacbít vônphram mặt cắt mặt cắt vuông với bề mặt mẫu tại Ip=3A, độ
phóng đại 500 lần

105

Hình 4.30: Tổ chức pha Cacbít vônphram mặt cắt mặt cắt vuông với bề mặt mẫu tại Ip=4A, độ
phóng đại 500 lần

106

Hình 4.31: Tốc độ mòn bề mặt của mẫu tại Ip=1A; Ton=16μs; 60g/l

108

Hình 4.32: Tốc độ mòn bề mặt của mẫu tại Ip=1A; Ton=16μs; 40g/l

109

Hình 4.33: Tốc độ mòn bề mặt của mẫu tại Ip=1A; Ton=16μs; 20g/l

109

Hình 4.34: Tốc độ mòn bề mặt của mẫu tại Ip=1A; Ton=16μs; 0g/l

110

xii


PHẦN MỞ ĐẦU
1. Tính cấp thiết của đề tài
Trong thời đại ngày nay với nền kinh tế thị trường có sự kết nối toàn cầu. Do vậy,
tính cạnh tranh trở thành một yếu tố quan trọng với bất kỳ sản phẩm nào. Chính điều này
làm cho các nhà sản xuất và công nghệ luôn chú trọng đến các chỉ tiêu như: Chất lượng,
mẫu mã sản phẩm, năng suất…Ngành cơ khí cũng không nằm ngoài xu hướng chung đó,
cụ thể là trong lĩnh vực gia công khuôn mẫu và sản xuất các chi tiết chịu mài mòn cao, các
nhà công nghệ đã tìm những phương án công nghệ tối ưu để giảm số nguyên công, rút
ngắn thời gian gia công, cho ra được những sản phẩm đáp ứng được những yêu cầu về:
Mẫu mã, tính năng kỹ thuật, giá thành cạnh tranh. Mục đích để đáp ứng được yêu cầu của
thị trường với giá thành hợp lý.
Trong công nghệ gia công phi truyền thống, phương pháp gia công tia lửa điệnElectrical discharge machining (EDM) ra đời là một bước đột phá. Phương pháp gia công
tia lửa điện đạt được một số ưu điểm và độ chính xác nhất định [25]. Nhưng cũng qua
những nghiên cứu đã chỉ ra rằng EDM còn những hạn chế như: Năng suất bóc tách vật liệu
không cao, điện cực dụng cụ bị mòn, những vết tích để lại trên bề mặt sau quá trình gia
công tia lửa điện không tốt đến tuổi đời làm việc và độ chính xác của chi tiết hoặc của
khuôn [31].
Trong những năm gần đây các nhà khoa học trên thế giới đã nghiên cứu rất nhiều
biện pháp trong quá trình gia công tia lửa điện để cải thiện các đặc điểm phóng điện của
phương pháp này, nhằm cải thiện năng suất, chất lượng của quá trình gia công. Một trong
những biện pháp đó là: Trộn bột có tính dẫn điện vào trong dung môi cách điện để cải
thiện quá trình gia công EDM, phương pháp này được gọi theo thuật ngữ tiếng anh là Powder Mixed Electrical Discharge Machining (PMEDM). Một số các nghiên cứu gần đây

đã cho thấy phương pháp PMEDM tạo ra các bề mặt có độ nhám thấp hơn phương pháp

1


EDM, cấu trúc tế vi ổn định, độ cứng và sự chịu mài mòn cao. Tuy nhiên, các công trình
nghiên cứu của các tác giả về phương pháp PMEDM đưa ra vẫn còn những hạn chế nhất
định như: Kích c các hạt bột ảnh hưởng tác động ra sao tới quá trình PMEDM; Các thông
số công nghệ EDM tác động như thế nào đối với nồng độ bột ... Ngoài ra các trang thiết bị
để thực hiện cồng kềnh và phức tạp, đặc biệt là điều kiện sản xuất ở Việt Nam. Như vậy,
việc nghiên cứu và phát triển công nghệ này ở Việt Nam là hướng nghiên cứu cần được
quan tâm.
Hiện nay, các máy EDM ở Việt Nam như: Máy xung định hình, máy cắt dây được
nhập khẩu từ Trung Quốc, Đài Loan,... có giá thành không quá cao nên đây là thiết bị
đang được sử dụng phổ biến ở nước ta. Mặc dù vậy, EDM là phương pháp có số lượng
thông số công nghệ lớn với phạm vi thay đổi rộng. Việc lựa chọn các thông số công
nghệ trong sản xuất thường dựa vào tài liệu hướng dẫn của nhà sản xuất máy hoặc theo
kinh nghiệm thực tế nên hiệu quả ứng dụng EDM bị hạn chế. Bên cạnh đó, những
nghiên cứu chuyên sâu về lĩnh vực EDM ở nước ta chưa nhiều. Do vậy, để khai thác
hiệu quả kinh tế - kỹ thuật các thiết bị EDM, giảm giá thành chế tạo và nâng cao năng suất
gia công, tăng khả năng cạnh tranh của sản phẩm cơ khí trong bối cảnh hội nhập và cạnh
tranh khốc liệt, đòi hỏi cấp thiết các công trình nghiên cứu theo hướng nâng cao hiệu quả
gia công của EDM.
Đã có rất nhiều loại vật liệu bột (Si, Al, W, Gr, Cu, Ti,...) được sử dụng
trong nghiên cứu PMEDM [39], [31]. Tập trung vào các hướng nghiên cứu như:
Nâng cao năng suất, chất lượng bề mặt gia công (bột Al, Gr, Cu, Si, Al, ...) hoặc
nâng cao cơ tính bề mặt gia công (bột W, WC, Ti, TiC, Cr,...). Một số nghiên cứu đã cho
thấy: Sử dụng vật liệu bột hợp lý trong PMEDM có thể đồng thời nâng cao năng suất gia
công, giảm độ nhám bề mặt và cải thiện cơ tính của bề mặt gia công. Đặc biệt,
năng suất và chất lượng bề mặt gia công có thể đồng thời được cải thiện ngay trong quá

2


trình tạo hình bề mặt sản phẩm bằng PMEDM nên đã làm giảm thời gian chế tạo
sản phẩm.
Hiện tại các nghiên cứu với bột Cacbít vônphram trong PMEDM rất ít, mới chỉ
có hai công trình được công bố [20], [39] nghiên cứu ảnh hưởng của bột Vônphram tới độ
nhám bề mặt và độ cứng tế vi bề mặt.
Vật liệu SKD61 là một loại vật liệu dụng cụ có các cơ tính tốt để làm khuôn và các
chi tiết máy, đặc biệt khi được xử lý nhiệt hoặc xử lý hóa học SKD61 đạt được cơ tính tốt.
Vônphram là nguyên tố kim loại có nhiệt độ nóng chảy cao vào khoảng 3.422 °C, độ giãn
nở vì nhiệt thấp và có độ bền cao. Ngoài ra khả năng chống oxy hóa, ăn mòn axit và kiềm
của Vônphram là rất tốt. Đây là những đặc tính quý của nguyên tố Vônphram khi xâm
nhập vào bề mặt thép SKD61. Những đặc tính quý này tạo ra bề mặt chi tiết dụng cụ hữu
ích trong thực tế, đặc biệt trong ngành chế tạo khuôn và chi tiết chịu mài mòn.
Trong nước hiện nay ngành chế tạo khuôn mẫu đang được nhà nước ưu tiên phát
triển. Vì vậy nghiên cứu này có một ý nghĩa thực tiễn đối với cả đời sống dân sinh và trong
quốc phòng.
Xuất phát từ những vấn đề trên là cơ sở định hướng cho tác giả chọn đề tài:
“Nghiên cứu đánh giá chất lượng bề mặt thép SKD61 chưa tôi bằng phương pháp xung
tia lửa điện trong môi trường dung dịch điện môi có chứa bột Cacbít vônphram”.

2. Mục đích, đối tƣợng, phạm vi, nội dung và phƣơng pháp nghiên cứu
a. Mục đích của đề tài
Mục đích nghiên cứu của luận án là: Đánh giá chất lượng bề mặt của thép làm
khuôn SKD61 sau gia công PMEDM với bột trộn Cacbít vônphram, với các chỉ tiêu: Độ
cứng tế vi bề mặt - HV và độ nhám bề mặt - Ra, dưới sự ảnh hưởng của các thông số công
nghệ EDM như: Dòng phóng tia lửa điện Ip, thời gian phát xung Ton và nồng độ bột trong

3


miền khảo sát. Với bộ thông số công nghệ này làm cơ sở cho việc lựa chọn, tham khảo cho
gia công PMEDM.
Một vấn đề được đặt ra là: Khi gia công bằng phương pháp PMEDM để cải thiện
chất lượng bề mặt (độ nhám bề mặt- Ra, độ cứng tế vi bề mặt- HV) và giảm được số
nguyên công so với gia công bằng phương pháp khác, điều này mang một ý nghĩa thực
tiễn. Do vậy, trong luận án đã chọn vùng khảo sát gia công tinh và bán tinh các thông số
công nghệ EDM.
b. Đối tƣợng nghiên cứu
Đối tượng nghiên cứu của đề tài là thép SKD61 chưa qua xử lý nhiệt. Bột Cacbít
vônphram sử dụng của nhà sản xuất PRAXAIR SURFACE TECHNOLOGIES với mã
thương mại WC-727-6, có một số thành phần nguyên tố khác và được trộn vào dung môi
cách điện.
Điện cực sử dụng là điện cực đồng (ký hiệu M1 của Nga).
c. Phạm vi nghiên cứu
Nghiên cứu bằng thực nghiệm ảnh hưởng của thông số công nghệ EDM, nồng độ
bột tác động tới độ nhám bề mặt của chi tiết gia công PMEDM. So sánh, đánh giá độ nhám
bề mặt của phương pháp PMEDM và EDM.
Nghiên cứu bằng thực nghiệm ảnh hưởng của thông số công nghệ EDM, nồng độ
bột tác động tới chất lượng bề mặt (sự xâm nhập của Vônphram vào bề mặt; độ cứng tế vi
bề mặt) của chi tiết gia công PMEDM. So sánh, đánh giá độ cứng tế vi bề mặt của phương
pháp PMEDM và EDM.
Các thông số công nghệ EDM được chọn để khảo sát là ở chế độ tinh và bán tinh.
Bột được sử dụng để nghiên cứu ở ba dải nồng độ khác nhau cụ thể là: 20g/l, 40g/l;
60g/l.

4

d. Nội dung nghiên cứu
* Nghiên cứu tổng quan và cơ sở lý thuyết về bản chất, cơ chế gia công tia lửa điện (EDM)
và gia công tia lửa điện trong môi trường dung môi trộn bột hợp kim (PMEDM) dựa trên
các giả thuyết và cơ sở khoa học được các nhà khoa học công bố nhằm:
- Hệ thống hóa được cơ chế và bản chất của quá trình PMEDM.
-Làm cơ sở để luận giải ảnh hưởng của các thông số công nghệ xung điện PMEDM
trong quá trình nghiên cứu.
* Nghiên cứu bằng thực nghiệm ảnh hưởng của các thông số công nghệ EDM, nồng độ bột
Cacbít vônphram trộn trong dung môi cách điện đến độ nhám bề mặt (Ra) của chi tiết sau
gia công PMEDM. Đánh giá so sánh ảnh hưởng của các thông số công nghệ gia công
EDM tới độ nhám bề mặt khi có sự tham gia của bột Cacbít vônphram so với gia công
EDM thông thường.
* Nghiên cứu bằng thực nghiệm ảnh hưởng của các thông số công nghệ EDM và nồng độ
bột Cacbít vônphram trộn trong dung môi cách điện tới sự xâm nhập vônphram vào bề
mặt, độ cứng tế vi bề mặt. Đánh giá so sánh độ cứng tế vi bề mặt khi có sự tham gia của
bột- PMEDM so với EDM thông thường tại cùng thông số công nghệ EDM.
* Từ các kết quả nghiên cứu về độ nhám bề mặt và độ cứng tế vi bề mặt, luận án đã phân
tích, luận giải cơ chế bản chất của quá trình phóng tia lửa điện có trộn bột ảnh hưởng tới
các kết quả thu được.
* Kiểm nghiệm mòn một số mẫu thí nghiệm có độ cứng cao và độ nhám bề mặt thấp.
e. Phƣơng pháp nghiên cứu
* Phương pháp tiếp cận: Xuất phát từ mục đích của luận án, kế thừa và phát triển từ kết
quả nghiên cứu của các tác giả đi trước. Nghiên cứu cơ sở lý thuyết về EDM, PMEDM và
quá trình xâm nhập, cacbít hóa bề mặt của nguyên tố hóa học trong bột trộn PMEDM kết
hợp với thực nghiệm.
* Nghiên cứu l thu ết:

5

- Nghiên cứu cơ sở lý thuyết và bản chất của quá trình EDM và quá trình PMEDM.
Phân tích các yếu tố ảnh hưởng chính tới quá trình phóng tia lửa điện như: Dòng phóng tia
lửa điện; thời gian phát xung; nồng độ bột, kích thước bột....
- Nghiên cứu cơ sở lý thuyết quá trình xâm nhập nguyên tố hóa học vào bề mặt,
quá trình hình thành cacbít trên bề mặt của chi tiết sau gia công bằng phương pháp
PMEDM.
*Nghiên cứu bằng thực nghiệm bao gồm:
- Xây dựng hệ thống thí nghiệm và kế hoạch thực nghiệm.
- Phân tích, đánh giá, so sánh, luận giải các hiện tượng và kết quả nhận được bao
gồm: Độ nhám bề mặt - Ra; hàm lượng vônphram xâm nhập vào bề mặt; độ cứng tế vi bề
mặt – HV dựa vào cơ sở lý thuyết EDM, PMEDM và quá trình xâm nhập nguyên tố hóa
học vào bề mặt, quá trình hình thành cacbít trên bề mặt của chi tiết.
- Dùng quy hoạch thực nghiệm để xây dựng các hàm quan hệ: Độ nhám bề mặt,
hàm lượng Vônphram xâm nhập vào bề mặt, độ cứng tế vi bề mặt với các thông số công
nghệ EDM và nồng độ bột.

3. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài
a. Ý nghĩa khoa học
- Đề tài đã nghiên cứu làm r cơ chế và bản chất của gia công PMEDM sử dụng bột
Cacbít vônphram để gia công chi tiết thép SKD61, từ đó tìm ra quy luật để điều khiển sự
ảnh hưởng của nồng độ bột và các thông số công nghệ trong quá trình gia công đến chất
lượng bề mặt. Kết quả nghiên cứu này hoàn toàn có thể sử dụng làm cơ sở khoa học về mặt
phương pháp cho các nghiên cứu ứng với các cặp vật liệu bột và chi tiết khác khi gia công
PMEDM.
b. Ý nghĩa thực tiễn
- Là cơ sở tham khảo để lựa chọn bộ thông số công nghệ khi gia công PMEDM
dùng cho các nhà máy, xí nghiệp và các phòng thí nghiệm nhằm đạt được độ nhám bề mặt
và độ cứng tế vi bề mặt theo yêu cầu đặt ra trước.
- Dùng làm tài liệu tham khảo cho các cơ sở đào tạo.

- Đề tài lựa chọn đối tượng nghiên cứu là thép SKD61 và bột Cacbít vônphram có
một ý nghĩa thực tiễn trong việc gia công khuôn dập nóng, khuôn đúc áp lực, khuôn thủy
tinh... để cải thiện về chất lượng bề mặt.

6


- Phương pháp PMEDM với bột Cacbít vônphram thích hợp với các chi tiết có bề
mặt thành mỏng hoặc chi tiết có hình thù phức tạp khác nhằm đảm bảo đồng thời độ nhám
bề mặt và độ cứng tế vi lớp bề mặt.

4. Các đóng góp mới của luận án
Cụ thể hóa cơ chế và bản chất của một phương pháp gia công mới – gia công
PMEDM, nhằm tạo ra các chi tiết máy có chất lượng bề mặt vượt trội trên cơ sở hiệu ứng
của gia công EDM. Một số kết quả cụ thể như sau:
- Xác định được ảnh hưởng của thông số công nghệ EDM và nồng độ bột tới độ
nhám bề mặt trong vùng các thông số công nghệ EDM và nồng độ bột được nghiên cứu.
- Xác định được ảnh hưởng của thông số công nghệ EDM và nồng độ bột tới sự
xâm nhập Vônphram vào bề mặt trong vùng các thông số công nghệ EDM và nồng độ bột
được nghiên cứu.
- Xác định được ảnh hưởng của thông số công nghệ EDM và nồng độ bột tới độ
cứng tế vi bề mặt trong vùng các thông số công nghệ EDM và nồng độ bột được nghiên
cứu.

5. Nội dung của luận án
Luận án gồm: Mở đầu, 4 chương chính, kết luận và các phụ lục:
Chƣơng 1 Tổng quan về phƣơng pháp gia c ng tia l a điện
Tổng hợp quá trình hình thành và phát triển của phương pháp EDM và PMEDM.
Tổng quan các nghiên cứu về EDM và đặc biệt là PMEDM, phân tích đánh giá những
điểm còn tồn tại để xác định hướng nghiên cứu của luận án.

Chƣơng 2 Cơ sở l thu ết gia c ng tia l a điện và gia c ng tia l a điện có trộn bột
Nghiên cứu cơ sở lý thuyết quá trình EDM; PMEDM và quá trình xâm nhập
nguyên tố hóa học vào bề mặt, quá trình hình thành cacbít trên bề mặt của chi tiết sau gia
công. Phân tích các yếu tố ảnh hưởng chính tới quá trình phóng tia lửa điện như: Dòng
phóng tia lửa điện; thời gian phát xung; nồng độ bột, kích thước bột.... Đây là cơ sở lý
thuyết phục vụ cho việc nghiên cứu thực nghiệm và luận giải các hiện tượng xảy ra trong
Chương 3 và Chương 4.
Chƣơng 3 Nghiên cứu ảnh hƣởng của các th ng số c ng nghệ và nồng độ bột Cacbít
vônphram trong dung d ch điện m i tới độ nhám bề mặt

7


Nghiên cứu thực nghiệm ảnh hưởng của các thông số công nghệ EDM và nồng độ
bột tới độ nhám bề mặt. Đánh giá các yếu tố ảnh hưởng, luận giải các hiện tượng xảy ra đối
với độ nhám bề mặt thu được.
Đánh giá độ nhám bề mặt của phương pháp PMEDM so với phương pháp EDM.
Xây dựng mối quan hệ giữa độ nhám bề mặt của phương pháp PMEDM và các yếu
tố ảnh hưởng bằng phương pháp quy hoạch thực nghiệm.
Chƣơng 4 Nghiên cứu ảnh hƣởng của các th ng số c ng nghệ và nồng độ bột Cacbít
vônphram trong dung d ch điện m i tới sự xâm nhập của Vônphram và độ cứng tế vi
bề mặt chi tiết
Nghiên cứu thực nghiệm ảnh hưởng của các thông số công nghệ EDM và nồng độ
bột tới hàm lượng Vônphram xâm nhập vào bề mặt, độ cứng tế vi bề mặt. Đánh giá các
yếu tố ảnh hưởng, luận giải các hiện tượng xảy ra đối với hàm lượng vônphram xâm nhập
vào bề mặt, độ cứng tế vi bề mặt thu được.
Đánh giá độ cứng tế vi bề mặt của phương pháp PMEDM so với phương pháp
EDM.
Xây dựng mối quan hệ giữa hàm lượng Vônphram xâm nhập vào bề mặt và độ
cứng tế vi bề mặt và các yếu tố ảnh hưởng bằng phương pháp quy hoạch thực nghiệm.

Kiểm nghiệm mòn một số mẫu có chất lượng bề mặt tốt về cơ tính, phân tích đánh giá
trong mối quan hệ tương hỗ.

8