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 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 Chuyên 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 - 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 i 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 tháng 11 năm 2017 TẬP THỂ HƯỚNG DẪN Tác giả TS Trần Xuân Thái PGS.TS Nguyễn Thị Hồng Minh Lê Văn Tạo ii 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 khí- Tổng 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 iii DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT Chữ viết tắt Giải thích ý nghĩa EDM- Electrical discharge machining Gia công tia lửa điện PMEDM-Powder mixed electrical discharge machining Gia công tia lửa điện có trộn bột 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 WR - Wear ratio T lệ giữa n ng suất bóc vật liệu với mòn điện cực SR- Surface Roughness Độ nhấp nhô bề mặt SEM - Scanning electron microscopy Kính hiển vi điện tử qu t iv 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 (mm 3 ) VW Thể tích vật liệu phôi được hớt đi (mm 3 ) Ei Cường độ điện trường đánh thủng sự cách điện của dung môi khi không có bột(V/m) Ebr Cường độ điện trường đánh thủng sự cách điện của dung môi khi có 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) v 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 rs Bán kính vùng nhiệt truyền vào phôi ở cuối quá trình phóng tia lửa 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/m 3 ) Nnp Số xung trong một lần phóng ρ Trọng lượng riêng của phôi (g/m3) vi 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) vii 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......................................