(Luận án tiến sĩ) 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) 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) 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) 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) 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) 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) 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) 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) 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) 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) 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) 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) 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) 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) 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) 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) 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) 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) 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) 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 khí Mã số : 9520103 LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT CƠ KHÍ NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC PGS TS LÊ GIANG NAM TS NGUYỄN TRƯỜNG GIANG Hà Nội – 2021 LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan cơng trình nghiên cứu riêng tơi Cơng trình thực Bộ môn Máy Ma sát học - Viện Cơ khí, Trường Đại học Bách khoa Hà Nội hướng dẫn PGS.TS Lê Giang Nam TS Nguyễn Trường Giang Các số liệu kết nghiên cứu luận án trung thực chưa cơng bố cơng trình khác Hà Nội, ngày TẬP THỂ HƯỚNG DẪN KHOA HỌC PGS.TS Lê Giang Nam TS Nguyễn Trường Giang i tháng năm 2021 NGHIÊN CỨU SINH Hoàng Anh Tuấn LỜI CẢM ƠN Việc hoàn thiện Luận án Tiến sỹ cơng trình lớn có nhiều ý nghĩa, NCS khơng thể hồn thành luận án khơng có động viên trợ giúp nhiều Thầy Cô giáo, nhà Khoa học, đồng nghiệp bạn bè Tơi xin bày tỏ lịng biết ơn sâu sắc đến PGS.TS Lê Giang Nam TS Nguyễn Trường Giang người tận tình hướng dẫn, định hướng, đào tạo cho ý kiến vơ q báu suốt q trình nghiên cứu hồn thành luận án Tơi xin trân trọng cảm ơn Thầy, Cô giáo Bộ môn Máy Ma sát học - Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội giảng dạy, đóng góp cho tơi ý kiến bổ ích tạo điều kiện thuận lợi thời gian, nơi nghiên cứu cho thời gian làm hoàn thành luận án Xin cảm ơn đồng nghiệp Khoa Cơ khí, lãnh đạo trường Đại học Kinh tế - Kỹ thuật Công nghiệp tạo điều kiện giúp đỡ thời gian ủng hộ để tơi hồn thành luận án Xin cảm ơn Phịng thí nghiệm Quang – Cơ điện tử 307 C4-5 Bộ mơn Cơ khí Chính xác & Quang học - Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội hỗ trợ tơi q trình hồn thành luận án Cuối cùng, tơi xin bày tỏ kính trọng, biết ơn lịng u thương tới đại gia đình, bạn bè thực động viên, giúp đỡ suốt thời gian học tập Trường Đại học Bách khoa Hà Nội Hà Nội, ngày tháng Nghiên cứu sinh Hoàng Anh Tuấn ii năm 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 Tính cấp thiết đề tài Mục đích, đối tượng phạm vi nghiên cứu luận án 2.1 Mục đích nghiên cứu 2.2 Đối tượng nghiên cứu 2.3 Phạm vi nghiên cứu Phương pháp nghiên cứu Ý nghĩa khoa học thực tiễn luận án Những đóng góp luận án Bố cục luận án TỔNG QUAN VỀ PHƯƠNG PHÁP GIA CÔNG BẰNG LASER 1.1 Đặc điểm q trình gia cơng thép hợp kim cứng 1.1.1 Đặc điểm thép hợp kim cứng 1.1.2 Đặc điểm gia công laser 1.1.3 Đặc điểm thép SKD 11 1.2 Tổng quan tình hình nghiên cứu ngồi nước 10 1.2.1 Tổng quan tình hình nghiên cứu nước 10 1.2.1.1 Nghiên cứu q trình gia cơng laser vật liệu kim loại 10 1.2.1.2 Nghiên cứu ảnh hưởng thông số công nghệ đến chiều rộng rãnh cắt gia công laser 11 1.2.1.3 Nghiên cứu ảnh hưởng thông số công nghệ đến nhám bề mặt rãnh cắt gia công laser 17 1.2.2 Tình hình nghiên cứu nước 21 Kết luận chương 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 laser 24 2.1.2 Cấu tạo nguyên lý làm việc 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 laser với vật liệu 26 2.1.4 Khả hấp thụ laser vật liệu 28 2.1.4.1 Ảnh hưởng bước sóng 28 2.1.4.2 Ảnh hưởng nhiệt độ 29 2.1.4.3 Ảnh hưởng lớp ôxit bề mặt vật liệu 29 2.1.4.4 Ảnh hưởng độ nhám bề mặt 30 2.2 Gia công cắt laser 30 2.2.1 Nguyên lý cắt laser 30 2.2.2 Các phương pháp cắt laser 32 2.2.2.1 Cắt laser nhiệt hạch – nhiệt (Laser fusion cutting) 32 2.2.2.2 Phương pháp cắt laser thăng hoa (Laser sublimation cutting) 33 2.2.2.3 Cắt laser ôxy 35 2.3 Các thông số cơng nghệ q trình cắt laser 36 2.3.1 Công suất laser 36 2.3.1.1 Công suất laser cần thiêt cắt kim loại sử dụng ơxy làm khí hỗ trợ 37 2.3.1.2 Cơng suất laser cần thiết 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 quang cụ hội tụ 42 2.3.3.2 Vị trí tiêu cự 42 2.3.3.3 Đường kính đầu cắt khoảng cách đầu cắt đến bề mặt phôi 43 2.3.4 Vận tốc cắt 45 2.3.5 Áp suất loại khí hỗ trợ 46 iv 2.3.6 Đặc tính nhiệt 47 2.4 Đặc điểm chất lượng gia công laser 49 2.4.1 Chiều rộng rãnh cắt 49 2.4.2 Độ nhám bề mặt gia công laser 53 2.4.3 Vùng ảnh hưởng nhiệt (HAZ) 54 Kết luận chương 58 PHƯƠNG PHÁP, MƠ HÌNH VÀ THIẾT BỊ THỰC NGHIỆM GIA CÔNG BẰNG LASER 59 3.1 Nội dung phương pháp quy hoạch thực nghiệm 59 3.1.1 Nội dung thiết kế thực nghiệm 59 3.1.1.1 Thiết kế thực nghiệm [87] 59 3.1.1.2 Nội dung quy hoạch 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 mơ hình thực nghiệm 70 3.2.1 Các nội dung 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 73 3.2.5 Các đại lượng cố định 73 3.2.6 Các đại lượng không điều khiển (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 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 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 thông số công nghệ đến chiều rộng rãnh cắt, chất lượng bề mặt 83 4.1.1 Ảnh hưởng thông số công nghệ đến chiều rộng rãnh cắt 83 4.1.1.1 Ảnh hưởng công suất laser đến chiều rộng rãnh cắt 83 4.1.1.2 Ảnh hưởng vận tốc cắt đến chiều rộng rãnh cắt 84 4.1.1.3 Ảnh hưởng đường kính đầu cắt đến chiều rộng rãnh cắt 85 4.1.2 Ảnh hưởng thông số công nghệ đến nhám bề mặt rãnh cắt 86 4.1.2.1 Ảnh hưởng công suất laser đến nhám bề mặt 86 4.1.2.2 Ảnh hưởng vận tốc cắt đến nhám bề mặt 87 4.1.2.3 Ảnh hưởng đường kính đầu cắt đến độ nhám bề mặt rãnh cắt 89 4.2 Nghiên cứu xây dựng mơ hình thực nghiệm chiều rộng rãnh cắt gia công laser vật liệu SKD 11 90 4.2.1 Đánh giá mức độ ảnh hưởng thông số đầu vào đến chiều rộng rãnh cắt 90 4.2.2 Xây dựng mơ hình biểu thị mối quan hệ 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 thí nghiệm 91 4.2.2.2 Xây dựng mơ hình chiều rộng rãnh cắt quy hoạch thực nghiệm 91 4.3 Nghiên cứu xây dựng mơ hình thực nghiệm nhám bề mặt rãnh cắt gia công laser vật liệu SKD 11 96 4.3.1 Đánh giá mức độ ảnh hưởng thông số đầu vào đến nhám bề mặt rãnh cắt 96 vi 4.3.2 Xây dựng mơ hình biểu thị mối quan hệ thơng số cơng suất laser, vận tốc cắt, đường kính đầu cắt đến nhám bề mặt rãnh cắt 97 4.3.2.1 Kiểm tra tính đồng thí nghiệm 97 4.3.2.2 Xây dựng mơ hình thực nghiệm nhám bề mặt rãnh cắt QHTN trực giao: 98 4.4 Nghiên cứu ảnh hưởng thông số công nghệ (P,v,d) tới độ cứng vật liệu sau gia công laser vật liệu SKD 11 103 4.5 Tối ưu hóa thơng số cơng nghệ gia công thép SKD 11 laser 105 4.5.1 Chỉ tiêu tối ưu hàm mục tiêu 105 4.5.2 Giải toán tối ưu mục tiêu 106 Kết luận chương 109 KẾT LUẬN CHUNG LUẬN ÁN VÀ HƯỚNG NGHIÊN CỨU TIẾP THEO 110 TÀI LIỆU THAM KHẢO 112 DANH MỤC CÁC CƠNG TRÌNH CƠNG 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 Laser Ý nghĩa Tiếng Anh: Light Amplification by Stimulated Emisson of Radiation Tiếng Việt: Khuếch đại ánh sáng 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) 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 v mm/ph Cơng suất laser Vận tốc cắt viii ... 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 khí Mã số : 9520103 LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT... 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 thông số công nghệ đến chiều rộng rãnh cắt, chất lượng bề mặt ... chiều rộng rãnh cắt gia công laser 11 1.2.1.3 Nghiên cứu ảnh hưởng thông số công nghệ đến nhám bề mặt rãnh cắt gia công laser 17 1.2.2 Tình hình nghiên cứu nước 21