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
MƠI TRƯỜNG DUNG DỊCH ĐIỆN MƠI CĨ CHỨA BỘT CACBÍT
VƠNPHRAM

LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT CƠ KHÍ

Hà Nội – 2018


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
MƠI TRƯỜNG DUNG DỊCH ĐIỆN MƠI CĨ CHỨA BỘT CACBÍT
VƠNPHRAM

Chun ngành: Kỹ thuật cơ khí
Mã số:
62520103

LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT CƠ KHÍ

NGƢỜI HƢỚNG DẪN KHOA HỌC:
1. TS TRẦN XUÂN THÁI
2. PGS. TS NGUYỄN THỊ HỒNG MINH

Hà Nội - 2018


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 ................................................................................................ 3
c. Phạm vi nghiên cứu ................................................................................................... 3
d. Nội dung nghiên cứu ................................................................................................. 4
e. Phƣơng pháp nghiên cứu ........................................................................................... 4
3. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài ....................................................................... 5
a. Ý nghĩa khoa học ....................................................................................................... 5
b. Ý nghĩa thực tiễn ....................................................................................................... 5
4. Các đóng góp mới của luận án ...................................................................................... 5
5. Nội dung và bố cục của luận án ..................................................................................... 6
CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ PHƢƠNG PH P GIA C NG TIA ỬA ĐIỆN.............. 8
1.1. Lịch sử hình thành, sự phát triển của phƣơng pháp gia cơng tia lửa điện .................. 8

1.1.1. Lịch sử hình thành ............................................................................................... 8
1.1.2. Sự phát triển của phƣơng pháp gia c ng tia ửa điện .......................................... 9
1.1.2.1. Xung định hình (Die Sinking EDM hay Ram-EDM) ................................... 9
1.1.2.2. Cắt dây bằng tia lửa điện (Wire-cut EDM hoặc Wire EDM) ..................... 10
1.1.2.3. Gia công EDM rung điện cực với tần số siêu âm (Ultrasonic vibration) .. 11
1.1.2.4. Xung khô (Dry EDM)................................................................................. 11


1.2. Phƣơng pháp gia c ng tia ửa điện có trộn bột (PMEDM- Powder Mixed Electrical
Discharge Machining) ..................................................................................................... 12
1.2.1. Nguyên lý, trang thiết bị phƣơng pháp PMEDM .............................................. 12
1.2.2. Tổng quan tình hình nghiên cứu phƣơng pháp EDM và PMEDM ................... 13
1.2.2.1. Khả năng bóc tách vật liệu (MRR) và độ mòn điện cực (TWR) của phƣơng
pháp PMEDM .......................................................................................................... 14
1.2.2.2. Khả năng cải thiện chất ƣợng bề mặt chi tiết của phƣơng pháp PMEDM 16
Kết luận chƣơng 1: .......................................................................................................... 22
CHƢƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT GIA CÔNG TIA LỬA ĐIỆN VÀ GIA CƠNG TIA
LỬA ĐIỆN CĨ TRỘN BỘT ............................................................................................... 23
2.1. Cơ sở lý thuyết gia công tia lửa điện ........................................................................ 23
2.1.1. Bản chất vật lý của q trình phóng tia lửa điện ............................................... 23
2.1.2. Cơ chế tách vật liệu ........................................................................................... 27
2.1.3. Đặc tính về điện của sự phóng tia lửa điện ........................................................ 29
2.1.4. ƣợng hớt vật liệu ............................................................................................. 30
2.1.5. Chất ƣợng bề mặt sau gia cơng ........................................................................ 31
2.1.6. Sự mịn điện cực ................................................................................................ 33
2.1.7. Chất điện môi .................................................................................................... 34
2.1.7.1. Nhiệm vụ cơ bản của chất điện môi ........................................................... 34
2.1.7.2. Các loại chất điện môi ................................................................................ 35
2.2. Cơ sở lý thuyết gia cơng tia lửa điện có trộn bột ...................................................... 35
Trong phần nghiên cứu cơ sở lý thuyết gia công tia lửa điện có trộn bột này, các loại

bột đƣợc nghiên cứu có tính dẫn điện.......................................................................... 35
2.2.1. Vai trị của hạt bột trong q trình phóng tia lửa điện ....................................... 35
2.2.2. Sự cách điện của dung dịch điện môi ................................................................ 37
2.2.3. Độ lớn khe hở phóng điện ................................................................................. 38
2.2.4. Độ rộng của kênh plasma ................................................................................. 38
2.2.5. Số ƣợng tia lửa điện.......................................................................................... 39


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 .............................................................................................. 40
2.2.6.1. Khuếch tán ................................................................................................. 40
2.2.6.2. Sự iên kết của các phản ứng hóa học và sự hấp phụ ba hơi của quá tr nh
vật

........................................................................................................................ 43

2.2.6.3. ám dính cơ học ......................................................................................... 43
Kết luận chƣơng 2: .......................................................................................................... 43
CHƢƠNG 3: NGHIÊN CỨU ẢNH HƢỞNG CỦA CÁC THÔNG SỐ CÔNG NGHỆ VÀ
NỒNG ĐỘ BỘT CACBÍT VƠNPHRAM TRONG DUNG DỊCH ĐIỆN MƠI TỚI ĐỘ
NHÁM BỀ MẶT ................................................................................................................. 45
3.1. Mục đích ................................................................................................................... 45
3.2. Đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu ............................................................................ 45
3.3. Điều kiện thực nghiệm khảo sát ............................................................................... 46
3.3.1. Hệ thống thí nghiệm .......................................................................................... 46
3.3.2. Thiết bị đo, kiểm tra .......................................................................................... 51
3.4. Nghiên cứu thực nghiệm các yếu tố ảnh hƣởng tới độ nhám bề mặt Ra .................. 53
3.4.1. Nghiên cứu thực nghiệm ảnh hƣởng của thời gian phát xung Ton và nồng độ bột
tới độ nhám bề mặt ...................................................................................................... 56
3.4.1.1. So sánh độ nhám bề mặt giữa phƣơng pháp PMEDM và EDM................ 59

3.4.1.2. Nghiên cứu thực nghiệm tại các chế độ có độ nhám bề mặt tha đổi nhiều
nhất .......................................................................................................................... 60
3.4.1.3. Nghiên cứu thực nghiệm tại các chế độ có độ nhám bề mặt tha đổi ít nhất
................................................................................................................................. 61
3.4.2. Nghiên cứu thực nghiệm ảnh hƣởng của dịng phóng điện Ip và nồng độ bột tới
độ nhám bề mặt ........................................................................................................... 61
3.5. Xây dựng mối quan hệ giữa các yếu tố công nghệ và độ nhám bề mặt Ra .............. 64
Kết luận chƣơng 3: .......................................................................................................... 68


CHƢƠNG 4: NGHIÊN CỨU ẢNH HƢỞNG CỦA CÁC THÔNG SỐ CƠNG NGHỆ VÀ
NỒNG ĐỘ BỘT CACBÍT VƠNPHRAM TRONG DUNG DỊCH ĐIỆN MÔI TỚI SỰ
XÂM NHẬP CỦA V NPHRAM VÀ ĐỘ CỨNG TẾ VI BỀ MẶT CHI TIẾT ................ 70
4.1. Mục đích ................................................................................................................... 70
4.2. Đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu ............................................................................ 70
4.3. Điều kiện thực nghiệm khảo sát ............................................................................... 71
4.3.1. Hệ thống thí nghiệm .......................................................................................... 72
4.3.2. Thiết bị đo, kiểm tra .......................................................................................... 72
4.4. Nghiên cứu thực nghiệm các ếu tố ảnh hƣởng tới sự xâm nhập của nguyên tố
Vônphram vào bề mặt SKD61......................................................................................... 73
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 .................................. 77
4.4.2. Nghiên cứu thực nghiệm ảnh hƣởng của dịng phóng tia ửa điện Ip và nồng độ
bột tới sự xâm nhập của nguyên tố Vônphram vào bề mặt SKD61 ............................ 81
4.4.3. X

dựng mối quan hệ giữa các ếu tố c ng nghệ và hàm ƣợng V nphram

xâm nhập vào bề mặt ................................................................................................... 84
4.5. Nghiên cứu thực nghiệm các ếu tố ảnh hƣởng tới độ cứng tế vi (HV) bề mặt

SKD61 ............................................................................................................................. 88
4.5.1. Ảnh hƣởng của thời gian phát xung Ton và nồng độ bột tới độ cứng tế vi (HV)
bề mặt SKD61 ............................................................................................................. 91
4.5.2. Ảnh hƣởng dịng 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 công nghệ và độ cứng tế vi bề mặt ..... 97
4.5.4 Ảnh chụp tổ chức pha Cacbít v nphram ớp bề mặt gia cơng bằng phƣơng pháp
PMEDM .................................................................................................................... 102
4.6. Kiểm nghiệm mịn .................................................................................................. 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 CƠNG TRÌNH CÔNG BỐ CỦA LUẬN ÁN ................................... 120
PHỤ LỤC .......................................................................................................................... 121


LỜI CAM ĐOAN
Tơi xin cam đoan đây là cơng 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 cơng trình nghiên cứu nào khác.
Hà nội, ngày
TẬP THỂ HƯỚNG DẪN

tháng 01 năm 2018
Tác giả

TS Trần Xuân Thái 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 tơi đã hồn thành đề tài
nghiên cứu luận án của mình. Để có được kết quả như ngày hơm 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, Cơ
khơng 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 cơng nghiệp, Viện Cơ khí, Viện đào tạo Sau đại học đã có những góp ý
xác đáng và ln tạo điều kiện thuận lợi để tôi thực hiện đề tài nghiên cứu của mình.
Tơi xin được chân thành cảm ơn sự giúp đỡ các cơ quan trong quá trình thực hiện đề
tài nghiên cứu đó là : Phịng thí nghiệm Kim tương - Bộ mơn Vật liệu học; Phịng thí
nghiệm Cơ học máy - Bộ mơn 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 khí- Tổng cục kỹ thuật ; Viện hóa học- Viện khoa học và
cơng nghệ Qn 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 Qn sự và gia đình đã ln ở bên động viên giúp đỡ trong
suốt quá trình nghiên cứu và thực hiện đề tài.

Hà nội, ngày

tháng 01 năm 2018

Tác giả

Lê Văn Tạo

ii


DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT

Giải thích ý nghĩa

Chữ viết tắt

ia công tia lửa điện

EDM- Electrical discharge machining
PMEDM-Powder mixed electrical discharge

ia cơng 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 mịn điện cực
T lệ giữa n ng suất bóc vật liệu với

WR - Wear ratio

mịn điện cực

SR- Surface Roughness

Độ nhấp nhơ 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

Dịng 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 phơi được hớt đi (mm3)
Cường độ điện trường đánh thủng sự cách điện của dung mơi khi

Ei

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

Ebr

bột(V/m)

ε1

Hằng số điện mơi 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 khơng 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 nhơ tại khe hở điện cực

gd

Khoảng cách giữa hạt bột và điện cực (µm)

hp

Chiều cao nhấp nhơ (µm)

Ip

Cường độ mật độ dịng điện (A)

Ton

Thời gian phát xung (µs)

Toff

Thời gian ngừng phát xung (µs)

Ra

Nhấp nhơ bề mặt (µm)

g/l

Thứ ngun của nồng độ hạt bột
Bán kính vùng nhiệt truyền vào phơi ở cuối q 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 phơi trước và sau q trình gia cơng(g/m3)

Nnp

Số xung trong một lần phóng

ρ

Trọng lượng riêng của phơi (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 .................................. 48
Bảng 3.2. Đặc tính kỹ thuật của đồng điện cực. ................................................................. 49
Bảng 3.3. Thành phần hóa học theo % khối lượng của bột Cacbít vơnphram. .................. 49
Bảng 3.4. Kích thước hạt theo% khối lượng. ..................................................................... 49
Bảng 3.5. Đặc tính kỹ thuật của dầu Shell EDM Fluid 2 ................................................... 50
Bảng 3.6. Các thông số về điện và nồng độ thực nghiệm cho quá trình PMEDM.............. 51
Bảng 3.7. Kết quả đo độ nhấp nhô bề mặt tại Ip=1A ......................................................... 54
Bảng 3.8. Kết quả đo độ nhấp nhô bề mặt tại Ip=2A .......................................................... 54

Bảng 3.9. Kết quả đo độ nhấp nhô bề mặt tại Ip=3A .......................................................... 55
Bảng 3.10. Kết quả đo độ nhấp nhô bề mặt tại Ip=4A. ....................................................... 56
Bảng 3.11. Bảng mã hóa biến. ............................................................................................. 64
Bảng 3.12. Tính tốn các giá trị Logarit hóa ....................................................................... 65
Bảng 3.13. Kết quả tính tốn các giá trị theo bảng 3.12. ..................................................... 66
Bảng 4.1. Kết quả xác định hàm lượng Vônphram của bề mặt tại Ip=1A ......................... 75
Bảng 4.2. Kết quả xác định hàm lượng Vônphram của bề mặt tại Ip=2A. ....................... 75
Bảng 4.3. Kết quả xác định hàm lượng Vônphram của bề mặt tại Ip=3A. ........................ 76
Bảng 4.4. Kết quả xác định hàm lượng Vônphram của bề mặt tại Ip=4A ......................... 77
Bảng 4.5. Bảng mã hóa biến ............................................................................................... .84
Bảng 4.6. Tính tốn các giá trị Logarit hóa ......................................................................... 85
Bảng 4.7. Kết quả tính tốn các giá trị theo bảng 4.6 .......................................................... 86
Bảng 4.8. Kết quả xác định độ cứng tế vi bề mặt tại Ip=1A .............................................. .88
Bảng 4.9. Kết quả xác định độ cứng tế vi bề mặt tại Ip=2A .............................................. .89
Bảng 4.10. Kết quả xác định độ cứng tế vi bề mặt tại Ip=3A ............................................. 90
Bảng 4.11. Kết quả xác định độ cứng tế vi bề mặt tại Ip=4A ............................................. 91
Bảng 4.12. Bảng mã hóa biến .............................................................................................. 98
vii


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

viii


DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ
Hình 1.1: Phương pháp gia cơng xung định hình ................................................................ 09
Hình 1.2: Mơ hình máy xung tia lửa điện............................................................................ 10
Hình 1.3: Phương pháp gia cơng xung cắt dây tia lửa điện ................................................. 11

Hình 1.4: Phương pháp gia công dạng xung khô (Dry EDM) ............................................ 11
Hình 1.5: Mơ hình ngun lý phương pháp PMEDM ......................................................... 12
Hình 1.6: Mơ hình thực nghiệm PMEDM ........................................................................... 13
Hình 1.7: Ảnh hưởng của nồng độ bột Graphite(g/l) tới MRR, TWR, WR ........................ 15
Hình 1.8: Biểu đồ biểu thị của các thành phần bột khác nhau đến khả n ng tách vật liệu. 16
Hình 1.9: Độ nhấp nhơ bề mặt(Ra) thay đổi giữa EDM và PMEDM ................................. 17
Hình 1.10: Ảnh hưởng của cỡ hạt và loại hạt đến Ra và lớp đúc lại ................................... 18
Hình 1.11: Biểu đồ thời gian mở xung và dịng phóng tia lửa điện cho lớp phủ ................ 19
Hình 1.12: Nhấp nhơ bề mặt................................................................................................ 21
Hình 1.13: Thơng kê chung các cơng trình nghiên cứu đến n m 2015 .............................. 21
Hình 2.1: Sơ đồ nguyên lý gia cơng tia lửa điện ................................................................. 23
Hình 2.2: Đồ thị điện áp và dịng điện trong một xung phóng điện ................................... 25
Hình 2.3: Sự đánh lửa .......................................................................................................... 25
Hình 2.4 Sự phóng điện qua kênh dẫn điện ......................................................................... 26
Hình 2.5: Nóng chảy và bốc hơi vật liệu ............................................................................. 26
Hình 2.6: Diễn biến của một q trình phóng tia lửa điện .................................................. 28
Hình 2.7 Các “miệng núi lửa” được hình thành liên tiếp ................................................... 31
Hình 2.8 Câu trúc tế vi bề mặt của chi tiết gia cơng bằng EDM ......................................... 32
Hình 2.9: Câu trúc các lớp bề mặt của chi tiết gia công bằng EDM ................................... 32
Hình 2.10: Ảnh hưởng của hạt bột trong q trình hình thành kênh phóng điện của q
trình EDM ............................................................................................................................ 36
Hình 2.11: Cây cầu trong q trình phóng điện của quá trình EDM ................................... 37
ix


Hình 2.12: Hạt bột trong khe hở phóng điện ....................................................................... 38
Hình 2.13: Dạng sóng xung của điện áp và dịng điện ........................................................ 39
Hình 2.14: Sơ đồ nguyên lý hình thành lớp phủ.................................................................. 40
Hình 2.15: Cặp khuếch tán Cu-Ni ....................................................................................... 41
Hình 2.16: Khuếch tán nguyên tử ........................................................................................ 41

Hình 2.17: Khuếch tán nút trống ......................................................................................... 42
Hình 2.18: Khuếch tán xen kẽ ............................................................................................. 42
Hình 3.1: Mơ hình thực nghiệm .......................................................................................... 46
Hình 3.2: Máy xung tia lửa điện ARISTECH CNC-460 ..................................................... 47
Hình 3.3: Phơi SKD61 ......................................................................................................... 48
Hình 3.4: Điện cực đồng ..................................................................................................... 48
Hình 3.5: Bột Cacbít vơnphram của nhà sản xuất Praxair surface technologies ................. 49
Hình 3.6: Th ng dầu ............................................................................................................ 51
Hình 3.7: Máy đo độ nhấp nhơ bề mặt TR200 .................................................................... 52
Hình 3.8: Cân điện tử TE612............................................................................................... 52
Hình 3.9: Độ nhấp nhơ bề mặt Ra tại Ip=1A ...................................................................... 57
Hình 3.10: Độ nhấp nhơ bề mặt Ra tại Ip=2A .................................................................... 57
Hình 3.11: Độ nhấp nhơ bề mặt Ra tại Ip=3A .................................................................... 58
Hình 3.12: Độ nhấp nhơ bề mặt Ra tại Ip=4A .................................................................... 58
Hình 3.13: Sự tham gia của các hạt kim loai trong quá trình hình thành kênh phóng điện 59
Hình 3.14: Sự phóng điện khi có sự tham gia của các hạt kim loai trong q trình bóc vật
liệu bề mặt phơi ................................................................................................................... 60
Hình 3.15: Độ nhấp nhơ bề mặt Ra tại Ton=16μs .............................................................. 62
Hình 3.16: Độ nhấp nhơ bề mặt Ra tại Ton=32μs .............................................................. 62
Hình 3.17: Độ nhấp nhơ bề mặt Ra tại Ton=50μs .............................................................. 63
Hình 3.18: Độ nhấp nhơ bề mặt Ra tại Ton=200μs ............................................................ 63

x


Hình 4.1: Sơ đồ thực nghiệm và kết quả ............................................................................. 71
Hình 4.2: Máy quét JSM6610LA ........................................................................................ 72
Hình 4.3: Máy đo độ cứng tế vi DURAMIN ....................................................................... 72
Hình 4.4: Máy chụp tổ chức pha AXIO- A2M.................................................................... 73
Hình 4.5: Thiết bị thử nghiệm mẫu đa n ng UMT .............................................................. 73

Hình 4.6: V ng ED để xác định nguyên tố Vônphram trên bề mặ................................... 74
Hình 4.7: Phổ mức n ng lượng các nguyên tố v ng 1 ........................................................ 74
Hình 4.8: Phổ mức n ng lượng các nguyên tố v ng 2 ........................................................ 74
Hình 4.9: Phổ mức n ng lượng các nguyên tố v ng 3 ........................................................ 75
Hình 4.10: Hàm lượng ngun tố Vơnphram của lớp bề mặt chi tiết tại Ip=1A ................. 78
Hình 4.11: Hàm lượng nguyên tố Vônphram của lớp bề mặt chi tiết tại Ip=2A ................. 78
Hình 4.12: Hàm lượng nguyên tố Vônphram của lớp bề mặt chi tiết tại Ip=3A ................. 79
Hình 4.13: Hàm lượng ngun tố Vơnphram của lớp bề mặt chi tiết tại Ip=4A ................. 79
Hình 4.14: Hàm lượng nguyên tố Vônphram của lớp bề mặt chi tiết tại Ton=16μs ........... 81
Hình 4.15: Hàm lượng ngun tố Vơnphram của lớp bề mặt chi tiết tại Ton=32μs ........... 82
Hình 4.16: Hàm lượng nguyên tố Vônphram của lớp bề mặt chi tiết tại Ton=50μs ........... 82
Hình 4.17: Hàm lượng nguyên tố Vônphram của lớp bề mặt chi tiết tại Ton=200μs ......... 83
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 ............................................ 92
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 ............................................. 93
Hình 4.22: Độ cứng tế vi (HV) lớp bề mặt chi tiết tại Ton=16μs ....................................... 95
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 ...................................... 96
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 vơnphram mặt cắt vng với bề mặt mẫu tại Ip=1A, độ
phóng đại 500 lần .............................................................................................................. 103
Hình 4.28: Tổ chức pha Cacbít vơnphram mặt cắt mặt cắt vng 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 vơnphram mặt cắt mặt cắt vng với bề mặt mẫu tại
Ip=4A, độ phóng đại 500 lần ............................................................................................. 106
Hình 4.31: Tốc độ mịn bề mặt của mẫu tại Ip=1A; Ton=16μs; 60g/l .............................. 108
Hình 4.32: Tốc độ mịn 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 mịn 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 tồn 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 khơng nằm ngồi xu hướng chung đó,
cụ thể là trong lĩnh vực gia công khuôn mẫu và sản xuất các chi tiết chịu mài mịn cao, các
nhà cơng nghệ đã tìm những phương án cơng 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
khơng cao, điện cực dụng cụ bị mịn, những vết tích để lại trên bề mặt sau q trình gia
cơng tia lửa điện không tốt đến tuổi đời làm việc và độ chính xác của chi tiết hoặc của
khn [31].
Trong những năm gần đây các nhà khoa học trên thế giới đã nghiên cứu rất nhiều
giải 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 q trình gia cơng. Một trong

những biện pháp đó là: Trộn bột có tính dẫn điện vào trong dung mơi cách điện để cải
thiện q 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
EDM, cấu trúc tế vi ổn định, độ cứng và sự chịu mài mòn cao. Tuy nhiên, các cơng 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 q trình PMEDM; Các thơng
số cơng 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.

1


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 khơng q 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 cơng trình nghiên cứu theo hướng nâng cao hiệu quả
gia cơng 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 cơng (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

cơng, 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 cơng có thể đồng thời được cải thiện ngay trong quá
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 vơnphram trong PMEDM rất ít, mới chỉ
có hai cơng 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 khn và các
chi tiết máy, đặc biệt khi được xử lý nhiệt hoặc xử lý hóa học SKD61 đạt được cơ tính tốt.
Vơnphram là ngun 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. Ngồi ra khả năng chống oxy hóa, ăn mịn axit và kiềm
của Vơnphram 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 khn và chi tiết chịu mài mịn.
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.

2


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 mơi có chứa bột Cacbít
vơnphram”.

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 cơng PMEDM với bột trộn Cacbít vơnphram, với các chỉ tiêu: Độ
cứng tế vi bề mặt - HV và độ nhám bề mặt - Ra, dưới sự ảnh hưởng của các thơng số cơng
nghệ EDM như: Dịng phóng tia lửa điện Ip, thời gian phát xung Ton và nồng độ bột trong
miền khảo sát. Với bộ thông số công nghệ này làm cơ sở cho việc lựa chọn, tham khảo cho
gia công PMEDM. Mặt khác, 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
vơnphram sử dụng của nhà sản xuất PRAXAIR SURFACE TECHNOLOGIES với mã
thương mại WC-727-6 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.
- 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 khảo sát tại chế độ tinh và bán tinh.
Nồng độ bột được sử dụng để nghiên cứu tại ba dải nồng độ: 20g/l, 40g/l; 60g/l.
3


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 cơng 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 thơng số cơng nghệ xung điện
PMEDM trong q trình nghiên cứu.
* Nghiên cứu bằng thực nghiệm ảnh hưởng của các thơng số cơng nghệ EDM, nồng độ bột
Cacbít vơnphram 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 cơng
EDM tới độ nhám bề mặt khi có sự tham gia của bột Cacbít vơnphram so với gia cơng
EDM thơng thường.
* Nghiên cứu bằng thực nghiệm ảnh hưởng của các thơng số cơng nghệ EDM và nồng độ
bột Cacbít vơnphram 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 q 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
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 ngun tố hóa học trong bột trộn PMEDM kết hợp với thực
nghiệm.
* Nghiên cứu l thu t:
- 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 q trình phóng tia lửa điện như: Dịng 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,
q trình hình thành cacbít trên bề mặt của chi tiết sau gia công bằng phương pháp
PMEDM.
*Nghiên cứu bằng thực nghiệm bao gồm:

4


- 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 ngun tố hóa
học vào bề mặt, q trình hình thành cacbít trên bề mặt của chi tiết.
- Dùng phương pháp 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 rõ cơ chế và bản chất của gia công PMEDM sử dụng bột
Cacbít vơnphram để gia cơng chi tiết thép SKD61, từ đó tìm ra quy luật để điều khiển sự
ảnh hưởng của nồng độ bột và các thông số cơng nghệ trong q trình gia cơng đến chất
lượng bề mặt. Kết quả nghiên cứu này hồn tồn 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 phịng 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 vơnphram có
một ý nghĩa thực tiễn trong việc gia cơng khn dập nóng, khn đúc áp lực, khuôn thủy
tinh... để cải thiện về chất lượng bề mặt.
- Phương pháp PMEDM với bột Cacbít vơnphram 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
Qua nghiên cứu lý thuyết và thực nghiệm, đề tài đã cụ thể hóa cơ chế và bản chất
của một phương pháp gia công mới – gia công PMEDM, 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.

5


- 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 và bố cục 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 cịn 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 q trình xâm nhập
ngun tố hóa học vào bề mặt, q trình hình thành cacbít trên bề mặt của chi tiết sau gia
cơng. Phân tích các yếu tố ảnh hưởng chính tới q trình phóng tia lửa điện như: Dịng
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
vơnphram trong dung d ch điện m i tới độ nhám bề mặt
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
vơnphram 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

6