Luận án Tiến sĩ Kĩ thuật cơ khí: Nghiên cứu ảnh hưởng của một số thông số công nghệ đến chất lượng bề mặt khi gia công hợp kim SKD 11 bằng laser

Chia sẻ: Dopamine Grabbi | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:147

Thêm vào BST

Báo xấu

27
lượt xem 5
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Mục tiêu của đề tài nhằm nghiên cứu phương pháp gia công bằng laser trên vật liệu kim loại có độ cứng cao và áp dụng gia công trên vật liệu SKD 11; nghiên cứu mối quan hệ của các thông số đầu vào (công suất laser P, vận tốc cắt v, đường kính đầu cắt d) và các thông số đầu ra (chiều rộng rãnh cắt b, độ nhám bề mặt Ra, độ cứng tế vi HV) khi gia công bằng laser trên vật liệu SKD 11. Mời các bạn tham khảo nội dung đề tài!

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Luận án Tiến sĩ Kĩ thuật cơ khí: Nghiên cứu ảnh hưởng của một số thông số công nghệ đến chất lượng bề mặt khi gia công hợp kim SKD 11 bằng laser

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI Hoàng Anh Tuấn NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA MỘT SỐ THÔNG SỐ CÔNG NGHỆ ĐẾN CHẤT LƯỢNG BỀ MẶT KHI GIA CÔNG HỢP KIM SKD 11 BẰNG LASER LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT CƠ KHÍ Hà Nội – 2021
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI Hoàng Anh Tuấn NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA MỘT SỐ THÔNG SỐ CÔNG NGHỆ ĐẾN CHẤT LƯỢNG BỀ MẶT KHI GIA CÔNG HỢP KIM SKD 11 BẰNG LASER Ngành : Kỹ thuật cơ khí Mã số : 9520103 LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT CƠ KHÍ NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC 1. PGS. TS. LÊ GIANG NAM 2. TS. NGUYỄN TRƯỜNG GIANG Hà Nội – 2021
LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi. Công trình được thực hiện tại Bộ môn Máy và Ma sát học - Viện Cơ khí, Trường Đại học Bách khoa Hà Nội dưới sự hướng dẫn của PGS.TS. Lê Giang Nam và TS. Nguyễn Trường Giang. Các số liệu và kết quả nghiên cứu trong luận án là trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất kì công trình nào khác. Hà Nội, ngày tháng năm 2021 TẬP THỂ HƯỚNG DẪN KHOA HỌC NGHIÊN CỨU SINH PGS.TS. Lê Giang Nam TS. Nguyễn Trường Giang Hoàng Anh Tuấn i
LỜI CẢM ƠN Việc hoàn thiện Luận án Tiến sỹ là một công trình lớn và có nhiều ý nghĩa, NCS sẽ không thể hoàn thành luận án này nếu không có sự động viên và trợ giúp của rất nhiều Thầy Cô giáo, các nhà Khoa học, đồng nghiệp và bạn bè. Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến PGS.TS. Lê Giang Nam và TS. Nguyễn Trường Giang là những người đã tận tình hướng dẫn, định hướng, đào tạo và cho tôi những ý kiến vô cùng quý báu trong suốt quá trình nghiên cứu và hoàn thành luận án. Tôi xin trân trọng cảm ơn các Thầy, Cô giáo trong Bộ môn Máy và Ma sát học - Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội đã giảng dạy, đóng góp cho tôi những ý kiến bổ ích cũng như tạo điều kiện thuận lợi về thời gian, nơi nghiên cứu cho tôi trong thời gian làm và hoàn thành luận án. Xin cảm ơn các đồng nghiệp trong Khoa Cơ khí, lãnh đạo trường Đại học Kinh tế - Kỹ thuật Công nghiệp đã tạo điều kiện giúp đỡ về thời gian và ủng hộ để tôi hoàn thành luận án này. Xin cảm ơn Phòng thí nghiệm Quang – Cơ điện tử 307 C4-5 Bộ môn Cơ khí Chính xác & Quang học - Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội đã hỗ trợ tôi trong quá trình hoàn thành luận án này Cuối cùng, tôi xin bày tỏ sự kính trọng, biết ơn và lòng yêu thương tới đại gia đình, bạn bè đã thực sự động viên, giúp đỡ trong suốt thời gian tôi học tập tại Trường Đại học Bách khoa Hà Nội. Hà Nội, ngày tháng năm Nghiên cứu sinh Hoàng Anh Tuấn ii
MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN ........................................................................................................ i LỜI CẢM ƠN ............................................................................................................. ii MỤC LỤC ................................................................................................................. iii DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT ............................................. viii DANH MỤC BẢNG BIỂU ........................................................................................ x DANH MỤC HÌNH ẢNH, ĐỒ THỊ ........................................................................ xii MỞ ĐẦU .................................................................................................................... 1 1. Tính cấp thiết của đề tài ..................................................................................... 1 2. Mục đích, đối tượng và phạm vi nghiên cứu của luận án. ................................. 2 2.1 Mục đích nghiên cứu .................................................................................... 2 2.2 Đối tượng nghiên cứu ................................................................................... 2 2.3 Phạm vi nghiên cứu ...................................................................................... 2 3. Phương pháp nghiên cứu.................................................................................... 3 4. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của luận án ........................................................ 3 5. Những đóng góp mới của luận án ...................................................................... 3 6. Bố cục của luận án ............................................................................................. 5 TỔNG QUAN VỀ PHƯƠNG PHÁP GIA CÔNG BẰNG LASER ........ 6 1.1 Đặc điểm quá trình gia công thép hợp kim cứng ............................................. 6 1.1.1 Đặc điểm thép hợp kim cứng..................................................................... 6 1.1.2 Đặc điểm của gia công laser ...................................................................... 6 1.1.3 Đặc điểm thép SKD 11 .............................................................................. 9 1.2 Tổng quan tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước ................................... 10 1.2.1 Tổng quan tình hình nghiên cứu ngoài nước ........................................... 10 1.2.1.1 Nghiên cứu quá trình gia công bằng laser trên vật liệu kim loại .......... 10 1.2.1.2 Nghiên cứu ảnh hưởng các thông số công nghệ đến chiều rộng rãnh cắt bằng gia công laser ........................................................................................... 11 1.2.1.3 Nghiên cứu ảnh hưởng các thông số công nghệ đến nhám bề mặt rãnh cắt bằng gia công laser ...................................................................................... 17 1.2.2 Tình hình nghiên cứu trong nước ............................................................ 21 Kết luận chương 1 ................................................................................................ 23 iii
CƠ SỞ LÝ THUYẾT GIA CÔNG HỢP KIM CỨNG BẰNG LASER 24 2.1 Cơ sở lý thuyết laser ....................................................................................... 24 2.1.1 Bản chất của laser .................................................................................... 24 2.1.2 Cấu tạo và nguyên lý làm việc của nguồn phát laser .............................. 24 2.1.2.1 Hoạt chất ............................................................................................... 25 2.1.2.2 Buồng cộng hưởng ............................................................................... 25 2.1.2.3 Bộ phận kích thích ................................................................................ 25 2.1.3 Sự tương tác giữa laser với vật liệu ......................................................... 26 2.1.4 Khả năng hấp thụ laser của vật liệu ......................................................... 28 2.1.4.1 Ảnh hưởng của bước sóng .................................................................... 28 2.1.4.2 Ảnh hưởng của nhiệt độ ....................................................................... 29 2.1.4.3 Ảnh hưởng của lớp ôxit bề mặt vật liệu ............................................... 29 2.1.4.4 Ảnh hưởng của độ nhám bề mặt ........................................................... 30 2.2 Gia công cắt bằng laser .................................................................................. 30 2.2.1 Nguyên lý cắt bằng laser ......................................................................... 30 2.2.2 Các phương pháp cắt bằng laser .............................................................. 32 2.2.2.1 Cắt bằng laser nhiệt hạch – nhiệt (Laser fusion cutting) ...................... 32 2.2.2.2 Phương pháp cắt bằng laser thăng hoa (Laser sublimation cutting) .... 33 2.2.2.3 Cắt bằng laser ôxy ................................................................................ 35 2.3 Các thông số công nghệ của quá trình cắt bằng laser .................................... 36 2.3.1 Công suất laser ......................................................................................... 36 2.3.1.1 Công suất laser cần thiêt khi cắt kim loại sử dụng ôxy làm khí hỗ trợ 37 2.3.1.2 Công suất laser cần thiết khi cắt kim loại sử dụng khí trơ làm khí hỗ trợ .......................................................................................................................... 38 2.3.2 Chất lượng chùm tia laser ........................................................................ 39 2.3.3 Thông số đầu cắt ...................................................................................... 41 2.3.3.1 Độ dài tiêu cự của quang cụ hội tụ ....................................................... 42 2.3.3.2 Vị trí tiêu cự .......................................................................................... 42 2.3.3.3 Đường kính đầu cắt và khoảng cách đầu cắt đến bề mặt phôi ............. 43 2.3.4 Vận tốc cắt ............................................................................................... 45 2.3.5 Áp suất và loại khí hỗ trợ ........................................................................ 46 iv
2.3.6 Đặc tính nhiệt........................................................................................... 47 2.4 Đặc điểm chất lượng khi gia công bằng laser ................................................ 49 2.4.1 Chiều rộng rãnh cắt.................................................................................. 49 2.4.2 Độ nhám bề mặt khi gia công bằng laser ................................................ 53 2.4.3 Vùng ảnh hưởng nhiệt (HAZ) ................................................................. 54 Kết luận chương 2 ................................................................................................ 58 PHƯƠNG PHÁP, MÔ HÌNH VÀ THIẾT BỊ THỰC NGHIỆM GIA CÔNG BẰNG LASER ............................................................................................. 59 3.1 Nội dung và phương pháp quy hoạch thực nghiệm ....................................... 59 3.1.1 Nội dung cơ bản của thiết kế thực nghiệm .............................................. 59 3.1.1.1 Thiết kế thực nghiệm [87] .................................................................... 59 3.1.1.2 Nội dung quy hoạch và xử lý số liệu thực nghiệm [88] ....................... 59 3.1.2 Phương pháp quy hoạch thực nghiệm ..................................................... 61 3.1.2.1 Quy hoạch thực nghiệm trực giao tuyến tính ....................................... 61 3.1.2.2 Quy hoạch thực nghiệm trực giao cấp II .............................................. 62 3.1.2.3 Phương pháp Taguchi ........................................................................... 63 3.1.2.4 Phương pháp thiết kế Box-Behnken ..................................................... 64 3.1.2.5 Một số khái niệm .................................................................................. 64 3.1.3 Tối ưu hóa mục tiêu [87] ......................................................................... 66 3.2 Xây dựng mô hình thực nghiệm..................................................................... 70 3.2.1 Các nội dung chính .................................................................................. 70 3.2.2 Sơ đồ thực nghiệm tổng quát ................................................................... 71 3.2.3 Điều kiện đầu vào .................................................................................... 71 3.2.4 Các đại lượng đầu ra ................................................................................ 73 3.2.5 Các đại lượng cố định .............................................................................. 73 3.2.6 Các đại lượng không điều khiển được (nhiễu) ........................................ 73 3.3 Điều kiện thực nghiệm ................................................................................... 74 3.3.1 Vật liệu tiến hành thực nghiệm................................................................ 74 3.3.1.1 Vật liệu thí nghiệm ............................................................................... 74 3.3.1.2 Mẫu thí nghiệm ..................................................................................... 75 3.3.2 Máy cắt laser 3015 CNC - Raycus 3300W ............................................. 75 v
3.3.3 Các thiết bị đo dùng cho thực nghiệm ..................................................... 77 3.3.3.1 Thiết bị đo chiều rộng rãnh cắt ............................................................. 77 3.3.3.2 Thiết bị chụp hình thái bề mặt của rãnh cắt.......................................... 77 3.3.3.3 Thiết bị đo độ nhám bề mặt rãnh cắt .................................................... 78 3.3.3.4 Thiết bị đo độ cứng tế vi ....................................................................... 79 3.4 Thiết kế thực nghiệm...................................................................................... 80 Kết luận chương 3 ................................................................................................ 82 NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM XÁC ĐỊNH MỐI QUAN HỆ GIỮA CÁC THAM SỐ ĐẦU VÀO VÀ CÁC THÔNG SỐ ĐẦU RA KHI GIA CÔNG VẬT LIỆU SKD 11 BẰNG LASER ................................................................................. 83 4.1 Đánh giá ảnh hưởng của các thông số công nghệ đến chiều rộng rãnh cắt, chất lượng bề mặt ......................................................................................................... 83 4.1.1 Ảnh hưởng của các thông số công nghệ đến chiều rộng rãnh cắt ........... 83 4.1.1.1 Ảnh hưởng của công suất laser đến chiều rộng rãnh cắt ...................... 83 4.1.1.2 Ảnh hưởng của vận tốc cắt đến chiều rộng rãnh cắt ............................ 84 4.1.1.3 Ảnh hưởng của đường kính đầu cắt đến chiều rộng rãnh cắt ............... 85 4.1.2 Ảnh hưởng của các thông số công nghệ đến nhám bề mặt rãnh cắt........ 86 4.1.2.1 Ảnh hưởng của công suất laser đến nhám bề mặt ................................ 86 4.1.2.2 Ảnh hưởng của vận tốc cắt đến nhám bề mặt....................................... 87 4.1.2.3 Ảnh hưởng của đường kính đầu cắt đến độ nhám bề mặt rãnh cắt ...... 89 4.2 Nghiên cứu xây dựng mô hình thực nghiệm chiều rộng rãnh cắt khi gia công bằng laser trên vật liệu SKD 11 ........................................................................... 90 4.2.1 Đánh giá mức độ ảnh hưởng của các thông số đầu vào đến chiều rộng rãnh cắt.............................................................................................................. 90 4.2.2 Xây dựng mô hình biểu thị mối quan hệ giữa các thông số công suất laser, vận tốc cắt, đường kính đầu cắt đến chiều rộng rãnh cắt ........................ 91 4.2.2.1 Kiểm tra tính đồng nhất của thí nghiệm ............................................... 91 4.2.2.2 Xây dựng mô hình chiều rộng rãnh cắt bằng quy hoạch thực nghiệm . 91 4.3 Nghiên cứu xây dựng mô hình thực nghiệm nhám bề mặt rãnh cắt khi gia công bằng laser trên vật liệu SKD 11 ........................................................................... 96 4.3.1 Đánh giá mức độ ảnh hưởng của các thông số đầu vào đến nhám bề mặt rãnh cắt.............................................................................................................. 96 vi
4.3.2 Xây dựng mô hình biểu thị mối quan hệ giữa các thông số công suất laser, vận tốc cắt, đường kính đầu cắt đến nhám bề mặt rãnh cắt .................... 97 4.3.2.1 Kiểm tra tính đồng nhất của thí nghiệm ............................................... 97 4.3.2.2 Xây dựng mô hình thực nghiệm nhám bề mặt rãnh cắt bằng QHTN trực giao: .................................................................................................................. 98 4.4 Nghiên cứu ảnh hưởng của các thông số công nghệ (P,v,d) tới độ cứng vật liệu sau gia công bằng laser trên vật liệu SKD 11 .................................................... 103 4.5 Tối ưu hóa các thông số công nghệ khi gia công thép SKD 11 bằng laser. 105 4.5.1 Chỉ tiêu tối ưu và hàm mục tiêu ............................................................ 105 4.5.2 Giải bài toán tối ưu mục tiêu ................................................................. 106 Kết luận chương 4 .............................................................................................. 109 KẾT LUẬN CHUNG LUẬN ÁN VÀ HƯỚNG NGHIÊN CỨU TIẾP THEO .... 110 TÀI LIỆU THAM KHẢO ...................................................................................... 112 DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH CÔNG BỐ CỦA LUẬN ÁN ........................ 119 PHẦN PHỤ LỤC LUẬN ÁN ................................................................................ 120 vii
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT Ký hiệu Đơn vị Ý nghĩa Laser Tiếng Anh: Light Amplification by Stimulated Emisson of Radiation Tiếng Việt: Khuếch đại ánh sáng bằng phát xạ kích thích QHTN Quy hoạch thực nghiệm WEDM Wire Electrical Discharge Machining – Cắt dây tia lửa điện SKD 11 Thép theo tiêu chuẩn JIS (Japan Industrial Standard) của Nhật Bản Inconel Hợp kim Inconel AHSS Advance high strength steel – Thép cường lực Nd:YAG Neodymium - Ytrium Aluminium Garnet HAZ Heat affected zone - Vùng ảnh hưởng nhiệt DOE Design of Experiment – Thiết kế thực nghiệm Minitab Phần mềm thống kê ứng dụng ANOVA Analysis of Variance - Phân tích phương sai SSE Error Sum of Squares – Tổng bình phương sai số SST Total Sum of Squares – Tổng bình phương SSA Tổng bình phương tham số điều khiển A MSD Mean Squares Deviation - Bình phương độ lệch R2 Hệ số xác định (coefficient of determination) S/N Signal to noise - tỷ số tín hiệu/nhiễu D Desirability function – Đại lượng hàm kỳ vọng w Weight – trọng số tb Sai số trung bình P W Công suất laser v mm/ph Vận tốc cắt viii
d mm Đường kính đầu cắt Pk MPa Áp suất khí thổi hỗ trợ (N2) h mm Khoảng cách đầu cắt đến phôi f mm Vị trí điểm hội tụ b mm Chiều rộng rãnh cắt Ra µm Thông số nhám bề mặt R % Hệ số phản xạ A % Hệ số hấp thụ Fo W/s Mật độ công suất hấp thụ được Cp J/kg0C Công suất nhiệt của chất rắn Tv 0 C Nhiệt độ bay hơi To 0 C Nhiệt độ ban đầu của vật liệu t mm Chiều dày cắt T 0 C Độ biến thiên nhiệt độ Lf J/kg Nhiệt lượng nóng chảy Lv J/kg Nhiệt lượng hóa hơi  % Hiệu suất  kg/m3 Khối lượng riêng ix
DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng 3.1. Thí nghiệm thăm dò tìm khả năng công nghệ của thiết bị ....................... 72 Bảng 3.2. Thành phần hóa học và đặc tính vật lý của thép SKD 11 [12] ................ 74 Bảng 3.3. Đặc tính kỹ thuật máy cắt laser 3015 CNC – Raycus 3300W ................ 75 Bảng 3.4. Giá trị biến thiên miền thực nghiệm ........................................................ 80 Bảng 3.5 Tham số điều khiển và các mức độ ........................................................... 80 Bảng 3.6 Mảng trực giao L9 khi gia công bằng laser .............................................. 81 Bảng 3.7 Ma trận thí nghiệm L9 .............................................................................. 81 Bảng 3.8 Ma trận kế hoạch thực nghiệm trực giao cấp 2 ......................................... 81 Bảng 4.1. Giá trị chiều rộng rãnh cắt (b) ở công suất laser (P) khác nhau............... 83 Bảng 4.2. Giá trị chiều rộng rãnh cắt (b) ở vận tốc cắt (v) khác nhau ..................... 84 Bảng 4.3. Giá trị chiều rộng rãnh cắt (b) ở đường kính đầu cắt (d) khác nhau ........ 85 Bảng 4.4. Giá trị độ nhám bề mặt (Ra) ở công suất laser (P) khác nhau .................. 87 Bảng 4.5. Giá trị bề nhám bề mặt (Ra) ở vận tốc cắt (v) khác nhau ........................ 88 Bảng 4.6. Giá trị bề nhám bề mặt (Ra) ở đường kính đầu cắt (d) khác nhau ........... 89 Bảng 4.7 Bảng trực giao Taguchi L9 với các thông số thí nghiệm chiều rộng rãnh cắt .................................................................................................................................. 90 Bảng 4.8 Tỷ số S/N cho mỗi mức độ và kết quả ANOVA cho chiều rộng rãnh cắt (b) .................................................................................................................................. 91 Bảng 4.9 Các thí nghiệm kiểm tra tính đồng nhất .................................................... 91 Bảng 4.10 Ma trận quy hoạch thực nghiệm (logarit) ............................................... 92 Bảng 4.11. Ma trận thực nghiệm và kết quả thực chiều rộng rãnh cắt (b) ............... 93 Bảng 4.12. Kết quả phân tích phương sai cho mô hình đa thức bậc hai theo chiều rộng rãnh cắt (b) ................................................................................................................ 93 Bảng 4.13. Sai số chiều rộng rãnh cắt xác định từ mô hình khi so sánh với dữ liệu thực nghiệm gia công bằng laser .............................................................................. 94 Bảng 4.14 Bảng Bảng trực giao Taguchi L9 với các thông số thí nghiệm nhám bề mặt rãnh cắt và hệ số S/N ................................................................................................ 96 Bảng 4.15 Tỷ số S/N cho mỗi mức độ và kết quả ANOVA cho nhám bề mặt rãnh cắt .................................................................................................................................. 97 Bảng 4.16 Các thí nghiệm kiểm tra tính đồng nhất .................................................. 97 x
Bảng 4.17 Các thí nghiệm kiểm tra tính đồng nhất (logarrit) .................................. 97 Bảng 4.18 Ma trận quy hoạch thực nghiệm ............................................................. 98 Bảng 4.19 Bảng giá trị độ nhám bề mặt rãnh cắt thực nghiệm và mô hình ............. 99 Bảng 4.20 Sai số mô hình độ nhám bề mặt khi so sánh với dữ liệu thực nghiệm . 100 Bảng 4.21 Kết quả đo độ cứng tế vi ....................................................................... 103 Bảng 4.22 Tỷ số S/N cho mỗi mức độ và kết quả ANOVA độ cứng bề mặt......... 104 xi
DANH MỤC HÌNH ẢNH, ĐỒ THỊ Hình 1.1 Sơ đồ cắt nóng chảy bằng laser [9].............................................................. 8 Hình 1.2. Mối quan hệ giữa hiệu suất nhiệt và công suất với các vận tốc khác nhau [25]............................................................................................................................ 12 Hình 1.3 Ảnh hưởng công suất laser đến chiều rộng rãnh cắt [28] .......................... 13 Hình 1.4 Ảnh hưởng của vận tốc cắt đến chiều rộng rãnh cắt [28] .......................... 13 Hình 1.5 Ảnh hưởng của công suất đến chiều rộng rãnh cắt trên vật liệu Inconel 718 [29]............................................................................................................................ 14 Hình 1.6 Ảnh hưởng của vận tốc cắt đến chiều rộng rãnh cắt trên vật liệu Inconel 718 [29]............................................................................................................................ 14 Hình 1.7 Ảnh hưởng của thông số cắt tới chiều rộng rãnh cắt [41] ......................... 15 Hình 1.8 Ảnh hưởng công suất laser và vận tốc cắt tới chiều rộng rãnh cắt với đường kính đầu cắt khác nhau [52]...................................................................................... 15 Hình 1.9 Ảnh hưởng của công suất laser, vận tốc cắt tới chiều rộng rãnh cắt [46] . 17 Hình 1.10. Ảnh hưởng của công suất laser và vận tốc cắt đến độ nhám bề mặt [28] .................................................................................................................................. 18 Hình 1.11 Ảnh hưởng của Công suất laser (P) và vận tốc cắt (V) đến độ nhám bề mặt [54]............................................................................................................................ 18 Hình 1.12 Ảnh hưởng của Công suất laser (P) và vận tốc cắt đến độ nhám bề mặt vết cắt tại áp suất khí thổi là 0,1 MPa và khoảng cách đầu cắt là 2mm [55] ........... 19 Hình 1.13 Ảnh hưởng của các thông số cắt tới độ nhám bề mặt [56] ...................... 19 Hình 1.14 Ảnh hưởng của công suất cắt đến chiều rộng vết cắt [59] ...................... 21 Hình 1.15 Mối quan hệ giữa áp suất khí thổi và độ rộng vết cắt [59] ...................... 21 Hình 1.16 .................................................................................................................. 21 Hình 1.17 Mối quan hệ giữa độ rộng mạch cắt và đường kính đầu cắt [59] ............ 22 Hình 1.18 Mối quan hệ giữa độ rộng mạch cắt và khoảng cách đầu cắt [59] .......... 22 Hình 2.1. Cấu tạo cơ bản của nguồn phát laser [28] ................................................ 24 Hình 2.2 Va chạm của tia tới bề mặt vật chất [2] .................................................... 26 Hình 2.3. Các vectơ điện trường và từ trường của bức xạ điện từ [2] ................... 26 Hình 2.4. Ảnh hưởng của mật độ công suất laser đến sự hấp thụ của vật liệu [2] ... 27 Hình 2.5. Hệ số phản xạ của một số kim loại phụ thuộc vào bước sóng laser[2] .... 29 xii
Hình 2.6. Hệ số phản xạ phụ thuộc vào nhiệt độ phôi (bước sóng laser 1,06 μm)[65] .................................................................................................................................. 29 Hình 2.7. Chùm tia laser chiếu lên bề mặt vật liệu có lớp ôxit [65] ........................ 30 Hình 2.8. Sự hấp thụ của vật liệu phụ thuộc vào độ nhám bề mặt phôi [66] .......... 30 Hình 2.9. Quá trình cắt bằng laser [67] .................................................................... 31 Hình 2.10. Các thuật ngữ liên quan đến quá trình cắt bằng laser [68] ..................... 32 Hình 2.11 Quá trình cắt bằng laser nhiệt hạch – nhiệt [70]...................................... 32 Hình 2.12 Quá trình cắt bằng laser thăng hoa [70] .................................................. 35 Hình 2.13 Quá trình cắt bằng laser ôxy[70] ............................................................. 35 Hình 2.14. Các thông số ảnh hưởng đến quá trình cắt [70]...................................... 36 Hình 2.15. Khoảng hội tụ của chùm tia [74] ............................................................ 40 Hình 2.16 Ảnh hưởng của giá trị M2 đến đường kính chùm tia laser ...................... 40 Hình 2.17 Ảnh hưởng của BBP đến biên dạng chùm tia [75] .................................. 41 Hình 2.18 Đầu cắt Laser RAYTOOLS BT240S được sử dụng trong nghiên cứu này .................................................................................................................................. 41 Hình 2.19 Khả năng hội tụ của laser [77]................................................................. 42 Hình 2.20 Độ dài tiêu cự .......................................................................................... 42 Hình 2.21 Vị trị tiêu cự so với bề mặt chi tiết ......................................................... 43 Hình 2.22 Tương tác giữa đường kính và khoảng cách đầu cắt đến chiều cao bavia [79]............................................................................................................................ 44 Hình 2.23 Tương tác giữa đường kính đầu cắt, vận tốc cắt và áp suất khí thổi đến độ nhám bề mặt [79] ...................................................................................................... 44 Hình 2.24 Hình dạng và các thông số hình học của đầu cắt [77] ............................. 45 Hình 2.25 Công suất so với vận tốc cắt khi cắt trên nguồn laser và vật liệu khác nhau [78]............................................................................................................................ 46 Hình 2.26 Vận tốc cắt tối đa (sử dụng khí N2, với áp suất khí: Nhôm = 1,4MPa; ... 46 Hình 2.27. Chiều rộng rãnh cắt khi gia công bằng laser [43]................................... 50 Hình 2.28. Chiều rộng rãnh cắt trên thép thường 15mm.......................................... 50 Hình 2.29. Minh họa thuộc tính chất lượng cắt bằng laser [82] ............................... 50 Hình 2.30. Khối lượng vật liệu bị loại bỏ trong quá trình cắt [2] ........................... 51 Hình 2.31 Ảnh hưởng của vận tốc cắt đến chiều rộng rãnh cắt [2] .......................... 51 Hình 2.32. Độ sâu của vân trên bề mặt cắt bằng laser [25] ...................................... 53 xiii
Hình 2.33 Mức tiêu chuẩn của độ nhám bề mặt [68] ............................................... 54 Hình 2.34 Sự hình thành vân trên bề mặt cắt[77]..................................................... 54 Hình 2.35 Sơ đồ ảnh hưởng nhiệt quá trình cắt laser[77] ....................................... 55 Hình 2.36 Vùng ảnh hưởng nhiệt khi cắt laser sử dụng khí hỗ trợ N2 (P = 1200W, 55 Hình 2.37 Chiều rộng HAZ khi cắt tấm dày 3 mm với PN2 = 1,2 MPa [74] ............ 56 Hình 2.38 Chiều rộng HAZ khi cắt tấm dày 1 mm với PN2 = 1,2 MPa [74] ............ 56 Hình 2.39 Ảnh hưởng của các thông số công nghệ đến vùng ảnh hưởng nhiệt HAZ [86]............................................................................................................................ 57 Hình 3.1. Sơ đồ mô tả mối quan hệ yếu tố đầu vào, đầu ra và biến ngẫu nhiên ...... 59 Hình 3.2 Sơ đồ thí nghiệm Box-Behnken [87] ......................................................... 64 Hình 3.3 Hàm kỳ vọng của bài toán tối đa hóa có trọng số bằng 1[87] ................... 67 Hình 3.4 Hàm kỳ vọng của bài toán tối thiểu hóa có trọng số bằng 1 [87].............. 68 Hình 3.5 Hàm kỳ vọng của hàm mục tiêu đạt giá trị xác định [87] ......................... 68 Hình 3.6 Hàm kỳ vọng của bài toán tối đa hóa với các giá trị trọng số khác nhau [87] .................................................................................................................................. 69 Hình 3.7 Hàm kỳ vọng của (a) bài toán tối thiểu hóa; (b) bài toán đạt một giá trị xác định với các giá trị trọng số khác nhau [87] ............................................................. 70 Hình 3.8 Các thông số đầu vào và đầu ra khi gia công bằng laser ........................... 71 Hình 3.9. Hình ảnh kết quả thí nghiệm thăm dò khả năng công nghệ của thiết bị .. 72 Hình 3.10. Mẫu thí nghiệm....................................................................................... 75 Hình 3.11 Máy cắt laser 3015 CNC – Raycus 3300W ............................................. 76 Hình 3.12 Giao diện màn hình điều khiển và chọn thông số cắt .............................. 76 Hình 3.13. Hình ảnh nguồn laser, màn hình điều khiển và đầu cắt .......................... 76 Hình 3.14. Khí Ni-tơ sử dụng trong quá trình cắt .................................................... 77 Hình 3.15. Máy đo hai toạ độ µM21 ........................................................................ 78 Hình 3.16 Thiết bị đo chiều rộng rãnh cắt và chụp hình thái bề mặt ....................... 78 Hình 3.17 Thiết bị đo độ nhám bề mặt ..................................................................... 79 Hình 3.18 Thiết bị đo độ cứng tế vi Microhardness tester FM-100 ......................... 79 Hình 4.1. Đồ thị ảnh hưởng của công suất laser (P) đến chiều rộng rãnh cắt (b) .... 83 Hình 4.2. Đồ thị ảnh hưởng của vận tốc cắt (v) đến chiều rộng rãnh cắt (b) ........... 85 Hình 4.3 Mối quan hệ giữa đường kính đầu cắt (d) và chiều rộng rãnh cắt(b) ........ 85 xiv
Hình 4.4 Sơ đồ phân bố áp suất khí theo đường kính đầu cắt và áp suất khí[59] .... 86 Hình 4.5. Hình ảnh rãnh cắt dưới có bavia khi sử dụng đường kính đầu cắt d = 5.0 mm ............................................................................................................................ 86 Hình 4.6 Đồ thị ảnh hưởng của công suất laser (P) đến độ nhám bề mặt (Ra)......... 87 Hình 4.7 Đồ thị ảnh hưởng của vận tốc cắt (v) đến độ nhám bề mặt (Ra) ............... 88 Hình 4.8 Đồ thị ảnh hưởng đường kính đầu cắt (d) đến nhám bề mặt (Ra) ............. 89 Hình 4.9. Ảnh hưởng của công suất laser (P) và vận tốc cắt (v) đến chiều rộng (b) 95 Hình 4.10. Ảnh hưởng của công suất laser (P) và đường kính đầu cắt (d) .............. 95 Hình 4.11 Đồ thị giá trị tính toán và giá trị thực nghiệm ....................................... 101 Hình 4.12 Ảnh hưởng của công suất laser và vận tốc cắt đến độ nhám bề mặt ..... 101 Hình 4.13 Ảnh hưởng của công suất laser và đường kính đầu cắt đến độ nhám bề mặt ................................................................................................................................ 101 Hình 4.14 Ảnh hưởng của vận tốc cắt và đường kính đầu cắt đến độ nhám bề mặt ................................................................................................................................ 102 Hình 4.15 Ảnh hưởng của công suất laser đến độ cứng tế vi ................................. 104 Hình 4.16 Ảnh hưởng của vận tốc cắt đến độ cứng tế vi ....................................... 105 Hình 4.17 Cách xác lập tìm cực tiểu b trên Minitab .............................................. 106 Hình 4.18 Đồ thị tối ưu chiều rộng rãnh cắt b ........................................................ 107 Hình 4.19 Cách xác lập tìm cực tiểu Z trên Minitab .............................................. 107 Hình 4.20 Kết quả tìm cực tiểu của hàm Z (độ nhám) ........................................... 108 xv
MỞ ĐẦU 1. Tính cấp thiết của đề tài Vật liệu cứng là những vật liệu có khả năng chống mài mòn tốt, cơ tính ít thay đổi khi làm việc ở nhiệt độ cao [1]. Vì vậy, với sự phát triển khoa học kỹ thuật việc ứng dụng loại vật liệu mới, vật liệu có độ cứng cao trong sản xuất và gia công cơ khí như: Khuôn mẫu, các chi tiết của ô tô, hàng không…là một nhu cầu tất yếu. Tuy nhiên với các phương pháp gia công truyền thống không thể đáp ứng được yêu cầu về công nghệ, cần phải tìm ra các phương pháp gia công mới. Trong các phương pháp gia công mới thì phương pháp gia công bằng các chùm tia có nguồn nhiệt tập trung đã được sử dụng phổ biến như: gia công bằng chùm tia Plasma, gia công bằng chùm tia điện tử, gia công bằng chùm tia laser. Trong đó gia công vật liệu bằng laser là một trong những công nghệ mới được ứng dụng rộng rãi trong ngành gia công cắt gọt với lợi thế về chất lượng gia công, hiệu quả kinh tế và khả năng tạo hình so với các phương pháp gia công truyền thống [2]. Gia công bằng chùm tia có mật độ năng lượng cao là một ưu thế lớn của kỹ thuật laser. Gia công bằng laser có thể thay thế cho một số phương pháp cắt gọt cơ học - vốn có ngưỡng nhất định không thể vượt qua được trong các nguyên công khó. Vì thế gia công laser được áp dụng nhiều trong lĩnh vực công nghiệp, đặc biệt là với các vật liệu khó gia công như hợp kim cứng, gốm (ceramic), composite... Phương pháp gia công bằng laser có những ưu điểm: Không cần dùng buồng chân không; không có vấn đề điện tích trong môi trường; không có phóng xạ rơnghen, công suất bức xạ cao; thời gian nung nóng vật liệu ngắn, vùng chịu tác động của nhiệt độ hẹp, vết cắt nhỏ, ít biến dạng nên đảm bảo độ chính xác và chất lượng bề mặt gia công; quá trình cắt không phụ thuộc vào cơ tính của phôi liệu nên phương pháp gia công này có thể khoan, hàn, cắt đứt các vật liệu có độ bền cao, phi kim loại, khó gia công bằng phương pháp truyền thống [3]. Gia công kim loại bằng laser trên vật liệu cứng đã và đang được nghiên cứu, ứng dụng khá phổ biến trên thế giới nhằm nâng cao chất lượng bề mặt gia công, chiều rộng của vết cắt cũng như năng suất gia công, giảm chi phí sản xuất. Tuy nhiên, các kết quả công bố cho thấy việc nghiên cứu chưa được đầy đủ, còn nhiều khía cạnh để tiếp tục cần nghiên cứu. 1
Ở Việt Nam, phương pháp gia công bằng laser là một hướng đi mới, đã được ứng dụng trong y tế, giáo dục, quân sự, đo lường, khắc khuôn mẫu, cắt khắc mỹ thuật trên vật liệu kim loại, phi kim. Đã có các công trình nghiên cứu phương pháp gia công Các nghiên cứu mới chỉ dừng lại việc gia công trên vật liệu thép thường và thép không gỉ SUS 304. Quá trình cắt kim loại bằng laser là một quá trình bao gồm nhiều thông số có liên quan mật thiết với nhau bao gồm các thông số công nghệ, các thông số vật lý lượng tử, vật lý quang học….Do đó, mối quan tâm đặc biệt của các nhà chế tạo khi sử dụng công nghệ cắt bằng laser là nâng cao được năng suất cũng như chất lượng sản phẩm, giảm chi phí sản xuất. Các khía cạnh này có thể thực hiện được nếu đưa ra được bộ thông số công nghệ gia công hợp lý, đặc biệt là khi gia công trên vật liệu có độ cứng cao mà các phương pháp gia công truyền thống khó thực hiện hoặc chi phí gia công lớn. Vì vậy, việc nghiên cứu bản chất, xác định các yếu tố ảnh hưởng đến chất lượng bề mặt, chiều rộng rãnh cắt nhằm tìm ra biện pháp nâng cao hiệu quả quá trình cũng như cải tiến công nghệ chế tạo và gia công sẽ mở rộng khả năng ứng dụng của công nghệ gia công bằng laser ở Việt Nam là cần thiết và cấp bách. 2. Mục đích, đối tượng và phạm vi nghiên cứu của luận án. 2.1 Mục đích nghiên cứu Mục đích chính của luận án là nghiên cứu phương pháp gia công bằng laser trên vật liệu kim loại có độ cứng cao và áp dụng gia công trên vật liệu SKD 11. Nghiên cứu mối quan hệ của các thông số đầu vào (công suất laser P, vận tốc cắt v, đường kính đầu cắt d) và các thông số đầu ra (chiều rộng rãnh cắt b, độ nhám bề mặt Ra, độ cứng tế vi HV) khi gia công bằng laser trên vật liệu SKD 11. 2.2 Đối tượng nghiên cứu Đối tượng nghiên cứu của luận án là: Khảo sát thực nghiệm quá trình cắt thép SKD 11 bằng phương pháp gia công laser. 2.3 Phạm vi nghiên cứu - Nghiên cứu tổng quan và cơ sở lý thuyết về quá trình gia công bằng laser trên các loại vật liệu: thép cac-bon, thép hợp kim, vật liệu phi kim…nhằm xác định giới hạn nghiên cứu của luận án tập trung vào ứng dụng công nghệ gia công bằng laser đối với thép hợp kim SKD 11dạng tấm chiều dày 5 mm có độ cứng cao trên máy cắt laser 3015CNC – Raycus 3300W hiện có tại một doanh nghiệp sản xuất cơ khí ở Việt Nam. 2
- Nghiên cứu đề xuất các điều kiện thực nghiệm khoa học bằng các phương pháp quy hoạch thực nghiệm Taguchi, phân tích ANOVA và quy hoạch trực giao để đánh giá ảnh hưởng của các thông số công nghệ đầu vào chính quá trình cắt bằng tia laser thép SKD 11 đến hàm đa mục tiêu đầu ra gồm chiều rộng rãnh cắt, độ nhám bề mặt và độ cứng của vật liệu sau khi gia công. 3. Phương pháp nghiên cứu Kết hợp nghiên cứu lý thuyết với thực nghiệm, ứng dụng các phần mềm tin học chuyên ngành để xử lý kết quả thống kê toán học thực nghiệm. 4. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của luận án Ý nghĩa khoa học: + Kết quả nghiên cứu về lý thuyết và thực nghiệm của luận án về quá trình cắt thép SKD 11 có độ cứng cao đến tính gia công của nó đã làm sáng tỏ hiệu quả của phương pháp gia công bằng laser đối với các loại vật liệu khó cắt gọt bằng các phương pháp thông thường khác; + Bằng thực nghiệm đã đưa ra mô hình toán học biểu diễn sự ảnh hưởng của 3 thông số công nghệ gia công laser chính gồm công suất laser (P); vận tốc cắt (v) và đường kính đầu cắt laser (d) đến chất lượng gia công thông qua hàm mục tiêu chiều rộng rãnh cắt và độ nhám bề mặt đối với vật liệu thép tấm SKD 11. Ý nghĩa thực tiễn: + Kết quả luận án có thể ứng dụng cho các doanh nghiệp sản xuất cơ khí ở Việt Nam trong gia công vật liệu thép tấm hợp kim SKD 11 và các mác thép khác có độ cứng cao; + Kết quả luận án sử dụng tốt làm tại liệu tham khảo cho đào tạo trình độ đại học và sau đại học trong lĩnh vực chuyên ngành Kỹ thuật cơ khí. 5. Những đóng góp mới của luận án 1) Đã hệ thống hóa một số kết quả nghiên cứu cơ bản về công nghệ gia công kim loại bằng tia laser và đánh giá được sự ảnh hưởng của một số thông số công nghệ chính của quá trình cắt vật liệu có độ cứng cao bằng laser. Từ đó đưa ra lựa chọn 3 thông số đầu vào chính gồm: công suất laser (P); vận tốc cắt (v) và đường kính đầu cắt laser (d) để thực nghiệm nghiên cứu khảo sát ảnh hưởng của chúng đến hàm mục tiêu đầu ra gồm các tiêu chí đánh giá là: chiều rộng rãnh cắt (b) và độ nhám bề mặt 3