Luận án nghiên cứu tiện thép hợp kim 9xc sau tôi có gia nhiệt bằng laser

LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan công trình nghiên cứu riêng tơi, thực hướng dẫn tập thể cán hướng dẫn: TS Trần Xuân Thái PGS.TS Nguyễn Đức Toàn Các số liệu, kết nghiên cứu trình bày luận án trung thực, trích dẫn đầy đủ chưa cơng bố cơng trình khác Hà Nội, ngày 03 tháng 10 năm 2018 Tập thể hướng dẫn TS Trần Xuân Thái Tác giả luận án PGS.TS Nguyễn Đức Toàn Nguyễn Thành Huân LỜI CẢM ƠN Việc hoàn thành luận án tiến sĩ cơng trình lớn có nghĩa, NCS khơng thể hồn thành luận án khơng có trợ giúp nhiều người thời gian qua Trước tiên NCS xin gửi lời cảm ơn chân thành biết ơn sâu sắc tới hai thầy hướng dẫn TS Trần Xuân Thái PGS.TS Nguyễn Đức Toàn; người thầy định hướng, giám sát, bảo, khuyến khích tạo điều kiện thuận lợi suốt trình học tập nghiên cứu NCS xin bày tỏ biết ơn chân thành đến GS.TSKH Bành Tiến Long, Ban lãnh đạo tập thể giảng viên Bộ môn Gia công vật liệu dụng cụ công nghiệp người thầy, người cô quan tâm, động viên đóng góp ý kiến quý báu, góp phần để có kết ngày hơm NCS xin cảm ơn Ban giám hiệu, Viện Đào tạo sau đại học, Viện Cơ khí trường Đại học Bách khoa Hà Nội tạo điều kiện thuận lợi, giúp đỡ chặng đường nghiên cứu NCS xin cảm ơn hỗ trợ tinh thần vật chất Ban giám hiệu, phòng Tổ chức cán bộ, phòng Hành chính, phịng Tài kế tốn - Trường Đại học Kinh tế Kỹ thuật Công nghiệp NCS xin cảm ơn hỗ trợ, giúp đỡ tạo điều kiện thời gian có góp ý, trao đổi chun mơn ban lãnh đạo, tập thể giảng viên khoa Cơ khí Trường Đại học Kinh tế Kỹ thuật Cơng nghiệp Nhân dịp này, NCS xin cảm ơn giành tình cảm chân thành sâu sắc đến bố, mẹ, vợ, con, anh chị em bạn bè bên để chia sẻ, động viên, giúp đỡ lúc gặp khó khăn NCS xin gửi lời cảm ơn tới cơng ty LASINCOM, phịng thí nghiệm đo lường bay Viện tên lửa hỗ trợ nhiều trình làm thực nghiệm Tác giả Nguyễn Thành Huân MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN LỜI CẢM ƠN DANH MỤC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT DANH MỤC CÁC BẢNG 11 DANH MỤC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ 12 MỞ ĐẦU 15 Tính cấp thiết đề tài luận án 15 Mục đích, đối tượng, phạm vi nội dung nghiên cứu 16 2.1 Mục đích nghiên cứu 16 2.2 Đối tượng nghiên cứu 16 2.3 Phạm vi nghiên cứu 16 2.4 Nội dung nghiên cứu 17 Phương pháp nghiên cứu 17 Ý nghĩa khoa học thực tiễn luận án 18 Bố cục luận án 18 Những đóng góp luận án 19 CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ TIỆN VẬT LIỆU CỨNG CÓ GIA NHIỆT BẰNG LASER 20 1.1 Đặc điểm gia công vật liệu cứng 20 1.2 Vật liệu dụng cụ cắt sử dụng để gia công vật liệu cứng 21 1.3 Nghiên cứu nước ngồi phương pháp gia cơng cắt gọt có gia nhiệt laser 22 1.3.1 Gia cơng vật liệu gốm sứ có gia nhiệt laser 23 1.3.2 Gia công vật liệu Inconel 718 có gia nhiệt laser 24 1.3.3 Gia cơng thép hợp kim có gia nhiệt laser 27 1.4 Nghiên cứu nước phương pháp gia công cắt gọt vật liệu cứng sử dụng laser để gia công vật liệu 30 1.4.1 Gia công cắt gọt vật liệu cứng 31 1.4.2 Gia công vật liệu laser 32 Kết luận chương 32 CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT TIỆN VẬT LIỆU CỨNG CÓ GIA NHIỆT BẰNG LASER 34 2.1 Cơ sở lý thuyết laser 34 2.1.1 Bản chất laser 34 2.1.2 Cấu tạo nguồn phát laser 34 2.1.2.1 Môi chất laser 34 2.1.2.2 Buồng cộng hưởng 35 2.1.2.3 Nguồn nuôi 35 2.1.3 Sự tương tác laser với vật liệu 35 2.1.4 Khả hấp thụ laser vật liệu 37 2.1.4.1 Ảnh hưởng bước sóng 37 2.1.4.2 Ảnh hưởng nhiệt độ 38 2.1.4.3 Ảnh hưởng lớp ôxit bề mặt vật liệu 38 2.1.4.4 Ảnh hưởng độ nhám bề mặt 39 2.2 Tiện vật liệu cứng có gia nhiệt laser 40 2.2.1 Khái niệm tiện vật liệu cứng có gia nhiệt laser 40 2.2.2 Đặc điểm 40 2.2.3 Độ nhám bề mặt tiện có gia nhiệt laser 41 2.2.4 Lực cắt tiện có gia nhiệt laser 42 2.2.5 Mài mòn dụng cụ tiện có gia nhiệt laser 43 Kết luận chương 45 CHƯƠNG 3: PHƯƠNG PHÁP, MƠ HÌNH, TRANG THIẾT BỊ, VẬT LIỆU THỰC NGHIỆM TIỆN THÉP HỢP KIM 9XC SAU TƠI CĨ GIA NHIỆT BẰNG LASER 46 3.1 Những khái niệm thiết kế thực nghiệm [9] 46 3.1.1 Định nghĩa quy hoạch thực nghiệm 46 3.1.2 Các bước thiết kế thực nghiệm cực trị 46 3.1.2.1 Chọn thông số nghiên cứu 46 3.1.2.2 Thiết kế thực nghiệm 47 3.1.2.3 Tiến hành thí nghiệm nhận thơng tin 47 3.1.2.4 Xây dựng kiểm tra mơ hình thực nghiệm 47 3.1.3 Quy hoạch thực nghiệm trực giao tuyến tính 47 3.1.4 Quy hoạch thực nghiệm trực giao cấp II 48 3.2 Xây dựng mơ hình thực nghiệm 49 3.2.1 Sơ đồ thí nghiệm 49 3.2.2 Các điều kiện đầu vào 50 3.2.3 Các đại lượng đầu 51 3.2.4 Các đại lượng cố định 51 3.2.5 Các đại lượng không điều khiển (các đại lượng nhiễu) 51 3.2.6 Thiết lập hệ thống thí nghiệm 52 3.2.6.1 Phân tích hệ thống thí nghiệm 52 3.2.6.2 Sơ đồ hướng chùm laser vào phôi 52 3.3 Điều kiện thực nghiệm 55 3.3.1 Máy tiện T6M16 55 3.3.2 Máy phát laser Nd:YAG 55 3.3.3 Dao tiện 58 3.3.4 Phôi tiện 58 3.3.5 Các thiết bị đo dùng cho thực nghiệm tiện vật liệu cứng có gia nhiệt laser 59 3.3.5.1 Thiết bị đo công suất laser 59 3.3.5.2 Thiết bị đo lực thiết kế gá thiết bị đo lực cắt 60 3.3.5.3 Thiết bị đo nhiệt độ 61 3.3.5.4 Thiết bị đo mòn dao 62 3.3.5.5 Thiết bị kiểm tra tổ chức tế vi 63 3.3.5.6 Thiết bị đo nhám bề mặt 64 3.4 Thiết kế thực nghiệm tiện vật liệu cứng có gia nhiệt laser 65 3.4.1 Thiết kế thực nghiệm xác định nhiệt độ bề mặt phôi có gia nhiệt laser 65 3.4.2 Thiết kế thực nghiệm xác định chiều sâu thấm nhiệt có gia nhiệt laser 66 3.4.3 Thiết kế thực nghiệm xác định nhám bề mặt, lực cắt chiều cao mòn dao tiện vật liệu 9XC sau tơi có gia nhiệt laser 67 Kết luận chương 69 CHƯƠNG 4: NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM TIỆN THÉP HỢP KIM 9XC SAU TƠI CĨ GIA NHIỆT BẰNG LASER 70 4.1 Đánh giá ảnh hưởng thông số cơng nghệ đến q trình tiện vật liệu cứng có gia nhiệt laser 70 4.1.1 Chọn khí bảo vệ 70 4.1.2 Ảnh hưởng số thông số cơng nghệ đốt nóng đến nhiệt độ bề mặt phơi 70 4.1.2.1 Ảnh hưởng công suất laser đến nhiệt độ bề mặt phôi 70 4.1.2.2 Ảnh hưởng thời gian nung nóng ban đầu đến nhiệt độ bề mặt phôi 71 4.1.2.3 Ảnh hưởng khoảng cách từ đầu laser tới bề mặt phôi đến nhiệt độ bề mặt phôi 72 4.1.2.4 Ảnh hưởng điểm đặt laser đến nhiệt độ bề mặt phôi 73 4.1.2.5 Ảnh hưởng tốc độ dịch chuyển vết laser tới nhiệt độ bề mặt phôi 74 4.1.2.6 Ảnh hưởng bước tiến vết laser tới nhiệt độ bề mặt phôi 74 4.1.3 Ảnh hưởng thơng số cơng nghệ đốt nóng đến chiều sâu thấm nhiệt độ cứng tế vi gia nhiệt laser 75 4.1.3.1 Ảnh hưởng công suất laser đến chiều sâu thấm nhiệt 76 4.1.3.2 Ảnh hưởng tốc độ dịch chuyển vết laser đến chiều sâu thấm nhiệt 77 4.1.3.3 Ảnh hưởng bước tiến vết laser đến chiều sâu thấm nhiệt 79 4.1.4 Ảnh hưởng thông số công nghệ cắt đến độ cứng bề mặt, chiều sâu thấm nhiệt độ cứng tế vi chi tiết sau tiện có gia nhiệt laser 81 4.1.4.1 Ảnh hưởng chiều sâu cắt đến độ cứng bề mặt, chiều sâu thấm nhiệt độ cứng tế vi 82 4.1.4.2 Ảnh hưởng tốc độ cắt đến chiều sâu thấm nhiệt độ cứng tế vi 84 4.1.4.3 Ảnh hưởng lượng tiến dao đến chiều sâu thấm nhiệt độ cứng tế vi 85 4.2 Nghiên cứu xây dựng mô hình thực nghiệm nhiệt độ bề mặt phơi chiều sâu thấm nhiệt phôi thép 9XC sau gia nhiệt laser chưa tiện 86 4.2.1 Xây dựng mơ hình thực nghiệm ảnh hưởng số thông số công nghệ đến nhiệt độ bề mặt phôi thép 9XC sau gia nhiệt laser 86 4.2.2 Xây dựng mơ hình thực nghiệm ảnh hưởng số thông số công nghệ đến chiều sâu thấm nhiệt phôi thép 9XC sau gia nhiệt laser 89 4.3 Xây dựng mơ hình thực nghiệm nhám bề mặt, lực cắt mịn dao tiện vật liệu 9XC sau tơi có gia nhiệt laser 90 4.3.1 Mơ hình thực nghiệm nhám bề mặt 90 4.3.2 Mơ hình thực nghiệm lực cắt 92 4.3.2.1 Mơ hình thực nghiệm lực cắt Fx 92 4.3.2.2 Mơ hình lực thực nghiệm lực cắt Fy 94 4.3.2.3 Mô hình lực cắt Fz 96 4.3.2.4 Mơ hình lực cắt tổng hợp F 98 4.3.3 Mơ hình thực nghiệm mịn dao 100 4.4 Tối ưu hố thơng số cơng nghệ tiện thép 9XC sau tơi có gia nhiệt laser 102 4.4.1 Chỉ tiêu tối ưu hàm mục tiêu 102 4.4.2 Phương pháp giải toán tối ưu 105 Kết luận chương 107 KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG NGHIÊN CỨU TIẾP THEO 109 Kết luận: 109 Hướng nghiên cứu tiếp theo: 110 TÀI LIỆU THAM KHẢO 111 DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH CƠNG BỐ CỦA LUẬN ÁN 116 PHỤ LỤC I: XÂY DỰNG MƠ HÌNH THỰC NGHIỆM NHIỆT ĐỘ BỀ MẶT PHÔI VÀ CHIỀU SÂU THẤM NHIỆT KHI NUNG NĨNG THÉP 9XC SAU TƠI BẰNG LASER 117 PHỤ LỤC II: XÂY DỰNG MƠ HÌNH THỰC NGHIỆM NHÁM BỀ MẶT, LỰC CẮT VÀ MÒN DAO KHI TIỆN VẬT LIỆU 9XC SAU TƠI CĨ GIA NHIỆT BẰNG LASER 128 PHỤ LỤC III HÌNH ẢNH KẾT QUẢ ĐO LỰC CẮT 139 DANH MỤC 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 Nd:YAG Neodymium - Ytrium Aluminium Garnet LAM Tiếng Anh: Laser Assisted Machining Tiếng Việt: Gia cơng có gia nhiệt laser CM Tiếng Anh: Conventional Machining Tiếng Việt: Gia công thông thường SEM Tiếng Anh: Scanning Electron Microscope Tiếng Việt: Kính hiển vi điện tử quét CT o C Tiếng Anh: Cutting temperature Tiếng Việt: Nhiệt độ cắt CF N Tiếng Anh: Cutting force Tiếng Việt: Lực cắt TL ph Tiếng Anh: Tool life Tiếng Việt: Tuổi bền dụng cụ QHTN Quy hoạch thực nghiệm v m/ph Vận tốc cắt t mm Chiều sâu cắt s mm/vg Lượng tiến dao P W Công suất laser c J/kg.OC RT - Kx, ky, kz W/m.OC  - Hệ số ma sát hs mm Mòn mặt sau Ra µm Nhám bề mặt chi tiết Nhiệt dung riêng vật liệu gia công Hệ số phân phối nhiệt Hệ số dẫn nhiệt theo ba phương x, y z  o h mm Góc đầu laser mũi dao Khoảng cách từ đầu laser tới bề mặt phôi C Nhiệt độ bề mặt phôi tth mm Chiều sâu thấm nhiệt I A Cường độ laser w ms Độ rộng xung laser f Hz Tần số laser  µm Bước sóng laser tT s Thời gian nung nóng ban đầu n vg/ph Tốc độ vịng quay trục D mm Đường kính phơi l mm Chiều dài chi tiết L mm Chiều dài cắt R % Hệ số phản xạ A % Hệ số hấp thụ  o Góc sau  o Góc trước  o Góc biến dạng TBM o  Hiệu suất Ncg Cơng suất cắt gọt Nci Cơng suất hữu ích máy Nđc Công suất động Ncd Công suất chạy dao dọc Ncn Công suất chạy dao ngang Fx N Lực chạy dao Fy N Lực hướng kính Fz N Lực cắt F N Lực cắt tổng hợp 10 k=3 số yếu tố ảnh hưởng Bảng II.2 Ma trận quy hoạch thực nghiệm Các yếu tố ảnh hưởng P v s lnP lnv 270 25 0,06 5,598 3,219 330 25 0,06 5,799 3,219 270 100 0,06 5,598 4,605 330 100 0,06 5,799 4,605 270 25 0,18 5,598 3,219 330 25 0,18 5,799 3,219 270 100 0,18 5,598 4,605 330 100 0,18 5,799 4,605 Các hệ số b nghiệm hệ phương trình TT lns -2,813 -2,813 -2,813 -2,813 -1,715 -1,715 -1,715 -1,715 Ra lnRa 0,715 0,408 0,816 0,462 0,984 0,569 1,119 0,651 -0,335 -0,896 -0,203 -0,772 -0,016 -0,564 0,112 -0,429 [B]=[M]-1*XT*Ra (II.4) Trong [M]-1 ma trận nghịch đảo [M], xác định: [M]=[XT]*[X]  2,813  2,813  2,813   2,813  1,715   1,715  1,715   1,715 [XT] ma trận chuyển vị [X] 1 1  1  X  1  1 1  1 5,598 5,799 5,598 5,799 5,598 5,799 5,598 5,799 3,219 3,219 4,605 4,605 3,219 3,219 4,605 4,605  0,335  0,896    0,203    0,772  Ra   0,016    0,564  0,112     0,429 1 1 1    5,598 5,799 5,598 5,799 5,598 5,799 5,598 5,799   XT    3.219 3.219 4.605 4.605 3.219 3.219 4.605 4.605     2,813  2,813  2,813  2,813 1,715 1,715 1,715  1,715 Ứng dụng phần mềm Matlab để giải phương trình : [B]=[M]-1*XT*Ra 15,648   2,76 -1  [B] = [M] * XT * Ra    0,094     0,298  Các hệ số b kiểm tra theo công thức (11.12[2]): 129 s y2 s  N b sb  hay Mà S y2  Do đó: sb  s y2 N 2,9  8,3  3,5.105  4,9.105 4,9.105  2,475.103 Tra bảng phụ lục 15[2] ta có: t= 3,5 với xác suất tin cậy P=0,99, đó: sb.t=2,475.10-3.3,5=8,662 10-3 bn0=15,648> sb.t  bn1=2,760> sb.t  bn2=0,094> sb.t bn3=0,298> sb.t Vậy hệ số b có nghĩa phương trình hồi quy nhám bề mặt có dạng: Ra  6,239.106 * P2,760 *v0,094 * s0,298, (m) (II.5) Để xác định xem phương trình hồi quy có nghĩa hay không cần so sánh giá trị Ra thực nghiệm Ra theo công thức trên: Bảng II.3 Giá trị độ nhám bề mặt tính theo mơ hình thực nghiệm eb n0 P bn1 v bn2 s bn3 6239000 270 -2,76 25 0,094 0,06 0,298 0,711 6239000 330 -2,76 25 0,094 0,06 0,298 0,409 6239000 270 -2,76 100 0,094 0,06 0,298 0,810 6239000 330 -2,76 100 0,094 0,06 0,298 0,465 6239000 270 -2,76 25 0,094 0,18 0,298 0,986 6239000 330 -2,76 25 0,094 0,18 0,298 0,567 6239000 270 -2,76 100 0,094 0,18 0,298 1,124 6239000 330 -2,76 100 0,094 0,18 0,298 0,646 130 RaTT s  ( RaTN  RaTT )  15,025.105  N  K i1 ag N=8 số lượng thí nghiệm K=4 số hệ số phương trình hồi quy sag 15,025.105  Fb    3,066 sy 4,9.105 Tra bảng phụ lục 21[2], với độ tin cậy P=99 ta có FT=27,7  Fb  FT Vậy phương trình hồi quy ý nghĩa thống kê II.3 Xây dựng mơ hình tốn học biểu thị mối quan hệ lực cắt thông số vận tốc cắt, lượng chạy dao, chiều sâu cắt Thực tương tự phần II.2 ta có: II.3.1 Mơ hình lực cắt Fx a Kiểm tra tính đồng thí nghiệm Bảng II.4 Các thí nghiệm để kiểm tra tính đồng thí nghiệm TT P v s FxTB lnFx1 lnFx2 lnFx3 lnFxTB Si2 270 25 0,06 87,5 4,464 4,476 4,475 4,472 0,89.10-4 300 62,5 0,12 93,6 4,525 4,560 4,535 4,540 6,5 10-4 330 100 0,06 67,4 4,197 4,217 4,219 4,211 2,96.10-4 Để kiểm tra tính đồng ta xác định tỷ số sau: Gp  max si2 i s i 1 i  6,5.104  0,628 0,89  6,5  2,96.104 Số thí nghiệm N=3, bậc tự m=k-1=3-1=2 Tra bảng phụ lục 22[2] ta có GT=0,883 với xác suất tin cập P=0,99 Vậy GP