tóm tắt luận án nghiên cứu tiện thép hợp kim 9XC sau tôi có gia nhiệt bằng laser

MỞ ĐẦU Tính cấp thiết luận án Vật liệu cứng vật liệu có độ cứng lớn 45HRC, vật liệu cứng có đặc điểm chống mài mòn tốt, tính thay đổi làm việc nhiệt độ cao [4] Do vật liệu cứng ngày sử dụng phổ biến để làm chi tiết ngành khuôn mẫu, chi tiết động đốt ô tô, xe máy, hàng không, vũ trụ,… Gia công chi tiết làm vật liệu cứng, thường sử dụng phương pháp mài, cắt gọt dùng dụng cụ cắt siêu cứng, sử dụng phương pháp gia công đặc biệt như: gia công tia lửa điện, gia cơng tia nước có hạt mài, gia cơng hố học, Bên cạnh ưu điểm, phương pháp có mặt hạn chế như: thiếu linh hoạt, gây ô nhiễm mơi trường, dụng cụ cắt bị mài mòn nhiều, vật liệu dụng cụ cắt có độ giòn cao, độ dai va đập thấp, chi phí dụng cụ cắt đắt, suất gia công thấp, giá thành sản phẩm cao Có nhiều giải pháp để khắc phục nhược điểm gia công tiện vật liệu cứng trên, giải pháp nung nóng phơi q trình gia cơng Nung nóng laser q trình gia cơng phương pháp nhà khoa học tập trung nghiên cứu Các kết công bố cho thấy việc nghiên cứu chưa đầy đủ, nhiều khía cạnh để tiếp tục cần phải nghiên cứu Ở nước, tiện vật liệu cứng có gia nhiệt laser chưa thấy có cơng trình nghiên cứu cơng bố Các vật liệu có độ bền độ cứng cao ngày sử dụng phổ biến ngành chế tạo khí, với đời, phát triển mạnh mẽ có nhiều ưu điểm cơng nghệ laser, nên cơng nghệ tiện vật liệu cứng có gia nhiệt laser thu hút quan tâm đặc biệt Vì vậy, việc nghiên cứu chất, xác định yếu tố ảnh hưởng đến chất lượng bề mặt, lực cắt, mòn dao nhằm tìm biện pháp nâng cao hiệu trình cải tiến công nghệ chế tạo gia công mở rộng tiềm ứng dụng công nghệ tiện vật liệu cứng có gia nhiệt laser Việt nam cần thiết cấp bách Mục đích, đối tƣợng, phạm vi nội dung nghiên cứu 2.1 Mục đích nghiên cứu Nghiên cứu đặc tính gia cơng tiện vật liệu cứng có gia nhiệt laser áp dụng vào để gia công tiện vật liệu 9XC sau tơi có gia nhiệt laser Xây dựng mơ hình thực nghiệm: nhiệt độ bề mặt phơi, chiều sâu thấm nhiệt, nhám bề mặt, lực cắt độ mài mòn mặt sau dụng cụ cắt Tối ưu hóa thông số công nghệ công suất laser, tốc độ cắt, lượng tiến dao, … nhằm đạt độ nhám bề mặt nhỏ 2.2 Đối tƣợng nghiên cứu Là chi tiết gia công máy tiện T6M16 có gia nhiệt laser Nd:YAG 2.3 Phạm vi nghiên cứu Luận án giới hạn phạm vi nghiên cứu ảnh hưởng thơng số cơng nghệ đốt nóng đến nhiệt độ bề mặt phôi chiều sâu thấm nhiệt gia nhiệt laser chưa cắt gọt Nghiên cứu ảnh hưởng thông số công suất laser, tốc độ cắt, lượng tiến dao đến độ nhám bề mặt, lực cắt thành phần, lực cắt tổng hợp độ mòn dao tiện vật liệu 9XC sau tơi có gia nhiệt laser Nd:YAG Nghiên cứu chọn thông số công nghệ hợp lý để đạt độ nhám bề mặt sau gia công nhỏ Các thông số laser thông số chế độ cắt chọn theo khả công nghệ thiết bị có phòng thí nghiệm 2.4 Nội dung nghiên cứu Xây dựng mơ hình thực nghiệm: nhiệt độ bề mặt phôi, chiều sâu thấm nhiệt, nhám bề mặt, lực cắt độ mài mòn mặt sau dụng cụ cắt Xác định thông số công nghệ hợp lí nhằm đạt độ nhám bề mặt nhỏ Phƣơng pháp nghiên cứu Thu thập, phân tích tổng hợp cơng trình nghiên cứu liên quan đến đề tài nghiên cứu Nghiên cứu thực nghiệm, sử dụng phương pháp quy hoạch thực nghiệm để xây dựng mối quan hệ thông số với nhiệt độ bề mặt phôi, chiều sâu thấm nhiệt, lực cắt, độ nhám bề mặt, mòn dao Đánh giá, kiểm tra giả thuyết khoa học, phân tích hồi quy, phân tích phương sai để xác định giá trị hệ số mơ hình Ý nghĩa khoa học thực tiễn luận án Luận án xác định mức độ ảnh hưởng thiết lập mơ hình thực nghiệm thông số công nghệ đầu vào thông số laser, thông số cắt đến thông số đầu nhiệt độ bề mặt phôi, chiều sâu thấm nhiệt đốt nóng phơi thép hợp kim 9XC sau Luận án nghiên cứu, xác định mức độ ảnh hưởng xây dựng mô hình thực nghiệm thơng số cơng nghệ đầu vào thông số laser, thông số cắt đến thông số đầu nhám bề mặt, lực cắt chiều cao mòn dao tiện thép hợp kim 9XC sau tơi có gia nhiệt laser Nghiên cứu xác định thông số công nghệ tối ưu để tiện thép hợp kim 9XC sau tơi có gia nhiệt laser, đạt yêu cầu kỹ thuật với chất lượng bề mặt cao Các kết nhận luận án có đóng góp định học thuật cắt vật liệu khó gia cơng Kết luận án dùng để tham khảo cho nhà máy xí nghiệp, sở sản xuất phòng nghiên cứu Bố cục luận án Chương 1: Tổng quan tiện vật liệu cứng có gia nhiệt laser Chương 2: Cơ sở lý thuyết phương pháp tiện vật liệu cứng có gia nhiệt laser Chương 3: Phương pháp, mơ hình, trang thiết bị, vật liệu thực nghiệm tiện thép hợp kim 9XC sau tơi có gia nhiệt laser Chương 4: Nghiên cứu thực nghiệm tiện thép hợp kim 9XC sau có gia nhiệt laser Phần kết luận chung, kiến nghị, tài liệu tham khảo, cơng trình cơng bố luận án phụ lục luận án Những đóng góp luận án Thiết kế chế tạo hệ thống thí nghiệm tiện có gia nhiệt laser Đánh giá ảnh hưởng thông số cơng nghệ đốt nóng đến nhiệt độ bề mặt phôi chiều sâu thấm nhiệt chi tiết, gia nhiệt laser Nd:YAG Xây dựng mô hình thực nghiệm mơ tả nhiệt độ bề mặt phơi, chiều sâu thấm nhiệt phụ thuộc vào công suất laser (P), tốc độ dịch chuyển vết laser (v), bước tiến vết laser (s) dùng laser Nd:YAG gia nhiệt cục vật liệu 9XC sau máy tiện T6M16 Xây dựng mơ hình thực nghiệm nhám bề mặt, lực cắt thành phần, lực cắt tổng hợp chiều cao mòn dao theo thơng số laser thông số công nghệ cắt gọt tiện vật liệu 9XC sau tơi, máy tiện T6M16 có gia nhiệt laser Đã tìm giải pháp nâng cao độ cứng lớp bề mặt chi tiết phương pháp tiện có gia nhiệt laser Đã đề xuất thông số công nghệ hợp lý để nhận độ nhẵn bóng bề mặt cao, độ mài mòn dao nhỏ điều kiện nghiên cứu CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ TIỆN VẬT LIỆU CỨNG CÓ GIA NHIỆT BẰNG LASER 1.1 Đặc điểm gia công vật liệu cứng Vật liệu cứng sử dụng nhiều công nghiệp khuôn mẫu, ô tô, xe máy, hàng không,… vật liệu cứng có tính chất ưu việt độ cứng cao, tính chịu mài mòn tốt bền nhiệt, nhiên gia công cắt gọt vật liệu cứng gặp nhiều khó khăn [4] Dùng phương pháp mài, dụng cụ cắt siêu cứng để gia công vật liệu cứng chiếm khoảng 60 đến 90% chi phí cuối sản phẩm [13] Do tính chất đặc trưng gia công cắt gọt vật liệu cứng, nên phương pháp gia công truyền thống phay tiện chứng tỏ không hiệu như: tốc độ cắt thấp, chiều sâu cắt nhỏ, thường xuyên thay đổi dụng cụ cắt bị mòn Có ngun tắc vật liệu nung nóng biến dạng dễ dàng so với nhiệt độ thường Phương pháp gia cơng cắt gọt vật liệu cứng có gia nhiệt lần nghiên cứu vào đầu năm 1950[23,14] Một phương pháp tiếp cận ngày trở nên phổ biến để gia công vật liệu cứng, LAM Trong phương pháp gia công này, phôi phải chịu chùm tia laser tập trung; điều dẫn đến phôi nung nóng cục bộ, làm tăng đáng kể nhiệt độ phôi vùng lân cận dụng cụ cắt Việc nung nóng này, làm mềm vật liệu cải thiện tính gia cơng vật liệu mà không làm thay đổi cấu trúc bề mặt gia công gây biến dạng nhiệt không mong muốn 1.2 Vật liệu dụng cụ cắt sử dụng để gia công vật liệu cứng Trong nghiên cứu tác giả chọn vật liệu dao tiện cacbide có phủ TiAlN để gia cơng vật liệu thép 9XC sau tơi có gia nhiệt laser 1.3 Nghiên cứu nƣớc phƣơng pháp gia cơng cắt gọt có gia nhiệt laser 1.3.1 Gia cơng vật liệu gốm sứ có gia nhiệt laser Hầu hết nghiên cứu trước LAM thực vật liệu gốm sứ kỹ thuật [48, 52, 35, 47] Hình 1.1 cho thấy lực cắt giảm cắt nhiệt độ cắt tăng lên kết nghiên cứu Lei cộng [52] Hình 1.1 Lực cắt phụ thuộc vào nhiệt độ cắt [52] Hongtao Ding Yung C Shin [28] nghiên cứu gia công tiện vật liệu Waspaloy tuổi bền dụng cụ tăng lên 50%, độ bóng bề mặt tăng lần, lực cắt giảm 20% 1.3.2 Gia công vật liệu Inconel 718 có gia nhiệt laser Nghiên cứu [13] tốc độ 180m/ph, tiết kiệm tới 50% giá thành gia công so với phương pháp gia cơng truyền thống (hình 1.6) Hình 1.6 So sánh chi phí gia cơng truyền thống với LAM gia công vật liệu Inconel 718 [13] 1.3.3 Gia cơng thép hợp kim có gia nhiệt laser Nhiều nghiên cứu thực nghiệm cách sử dụng LAM để gia công thép AISI D2 [40], graphit [50], thép AISI 4130 [29], gang trắng [51] khẳng định chi phí gia cơng tổng thể giảm tăng suất so với phương pháp mài Sự hình thành phoi cưa gia công nguyên nhân gây va đập phương pháp gia cơng có gia nhiệt laser làm giảm đáng kể biên độ rung động va đập [27,31] R A Rahman Rashid [44] nghiên cứu ảnh hưởng công suất laser đến nhiệt cắt, lực cắt tuổi bền dụng cụ hình 1.10 Hình 1.10 Ảnh hưởng công suất laser đến nhiệt độ cắt, lực cắt tuổi bền dụng cụ cắt [44] 1.4 Nghiên cứu nƣớc phƣơng pháp gia công cắt gọt vật liệu cứng sử dụng laser để gia công vật liệu Nghiên cứu phương pháp gia công cắt gọt vật liệu cứng có gia nhiệt laser nước tác giả chưa tìm thấy tài liệu cơng bố Tuy nhiên, có nhiều cơng trình nhà khoa học nước nghiên cứu gia công cắt gọt vật liệu cứng ứng dụng công nghệ laser vào để gia công vật liệu cắt tấm, nhiệt luyện Kết luận chƣơng Để nghiên cứu phương pháp tiện thép hợp kim 9XC sau tơi có gia nhiệt laser, tác giả tìm hiểu, phân tích đặc điểm phương pháp gia công vật liệu cứng thông qua nghiên cứu mà nhà khoa học công bố Kết nghiên cứu rằng, gia cơng vật liệu cứng có gia nhiệt laser nâng cao chất lượng bề mặt, nâng cao suất cắt, giảm giá thành thân thiện với môi trường Các vật liệu đưa vào gia công có gia nhiệt laser mà nhà khoa học giới tập trung nghiên cứu nhóm vật liệu như: gốm, ceramic, inconel 718 thép hợp kim; chưa có nghiên cứu tiện có gia nhiệt laser vật liệu thép hợp kim 9XC Các công bố chủ yếu sử dụng laser rắn, laser khí CO2 có cơng suất lớn, có đặc tính liên tục để gia nhiệt q trình gia công nghiên cứu ảnh hưởng thông số đến lực cắt, chất lượng bề mặt, lượng mòn dao, chi phí gia cơng Chưa thấy nghiên cứu sử dụng laser xung; chưa thấy nghiên cứu đánh giá ảnh hưởng thông số công nghệ đến chiều sâu thấm nhiệt chưa gia công, cho sở để chọn thông số cắt hợp lý Tác giả chưa tìm thấy nghiên cứu đưa mơ hình tốn học ảnh hưởng thơng số công nghệ đến nhám bề mặt, lực cắt, chiều cao mòn dao chưa thấy nghiên cứu tối ưu hố thơng số cơng nghệ để nhận độ nhám bề mặt nhỏ Ngoài ra, giải pháp nâng cao tính chất vật liệu lớp bề mặt chi tiết phương pháp tiện có gia nhiệt laser chưa có cơng trình cơng bố Từ kết nghiên cứu chương 1, tác giả thấy nhiều vấn đề cần nghiên cứu thêm, nhằm đưa phương pháp tiện vật liệu khó gia cơng gia nhiệt laser áp dụng sản xuất thực tế Việt Nam CHƢƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT CỦA PHƢƠNG PHÁP TIỆN VẬT LIỆU CỨNG CÓ GIA NHIỆT BẰNG LASER 2.1 Cơ sở lý thuyết Laser 2.1.1 Bản chất laser Laser (Light Amplification by Stimulated Emisson of Radiation – Khuếch đại ánh sáng xạ kích thích) thực chất tia sáng đơn sắc, có bước sóng xác định tuỳ thuộc vào môi chất phát tia laser [10] Tia laser có tính định hướng cao, dùng hệ thống quang học để điều khiển hướng tập trung vào diện tích nhỏ đạt tới mật độ lượng cao 2.1.2 Cấu tạo nguồn phát laser Hình 2.1 Cấu tạo nguồn phát laser [30] 1- Môi chất Laser 2- Nguồn nuôi & 4- Gương phản xạ 5- Tia laser 2.1.3 Sự tƣơng tác laser với vật liệu Khi lượng xạ chiếu vào bề mặt vật liệu cho kết phần lượng xạ phản xạ, phần vật liệu hấp thụ (hình 2.2 [56]) Hình 2.2 Sự tương tác laser vật liệu [56] 2.1.4 Khả hấp thụ laser vật liệu Mối quan hệ hệ số hấp thụ với hệ số phản xạ vật liệu chắn sáng cho công thức sau [56]: A = 1-R (%) (2.1) Khả hấp thụ vật liệu phụ thuộc vào yêú tố sau: 2.1.4.1 Ảnh hưởng bước sóng Ở bước sóng ngắn hơn, lượng photon bị hấp thụ số lượng lớn electron bị ràng buộc độ phản xạ giảm độ hấp thụ bề mặt tăng lên (hình 2.5)[56] Hình 2.5 Hệ số phản xạ số kim loại phụ thuộc vào bước sóng laser[56] 2.1.4.2 Ảnh hưởng nhiệt độ Hình 2.6 Hệ số phản xạ phụ thuộc vào nhiệt độ phôi (bước sóng laser 1,06 μm) [33] 10 2.1.4.3 Ảnh hưởng lớp ơxit bề mặt vật liệu Hình 2.8 Hệ số hấp thụ phụ thuộc vào độ dày màng ôxit thép xạ 1,06 μm[41] 2.1.4.4 Ảnh hưởng độ nhám bề mặt Hình 2.9 Sự hấp thụ vật liệu phụ thuộc vào độ nhám bề mặt phơi 2.2 Tiện vật liệu cứng có gia nhiệt laser 2.2.1 Khái niệm: Tiện vật liệu cứng có gia nhiệt laser phương pháp tiện vật liệu cứng có độ cứng lớn 45 HRC cách sử dụng chùm tia laser chiếu lên bề mặt phơi trước dao q trình tiện, nhằm giảm độ cứng vật liệu, giảm lực cắt, tăng tuổi bền dụng cụ, nâng cao chất lượng bề mặt 2.2.2 Đặc điểm: Ở nhiệt độ cao, sức bền vật liệu giòn giảm xuống độ bền phá huỷ làm thay đổi tính chất biến dạng vật liệu từ dạng giòn sang dạng dẻo, dẫn đến độ bền vật liệu dẻo dai giảm làm giảm lực cắt, giảm mài mòn dụng cụ cải thiện chất lượng bề mặt [15] 11 a) Hình 2.10 a) Tiện có gia nhiệt laser [15] 2.2.3 Độ nhám bề mặt tiện có gia nhiệt laser Dandekar cộng nghiên cứu LAM để vật liệu tổng hợp có cốt sợi Al2O3 tìm thay đổi độ nhám bề mặt với thay đổi nhiệt độ phôi Kết mơ tả hình 2.11 Hình 2.11 Ảnh hưởng nhiệt độ cắt đến lượng cắt độ nhám bề mặt [19] 2.2.4 Lực cắt tiện có gia nhiệt laser Hình 2.12 Ảnh hưởng nhiệt cắt đến lực cắt [20] 12 2.2.5 Mài mòn dụng cụ cắt tiện có gia nhiệt laser Dandaker cộng [20] cho (hình 2.13) Hình 2.13 Tốc độ mài mòn dụng cụ cắt gia công truyền thống LAM [20] Kết luận chƣơng Phương pháp tiện có gia nhiệt laser, ngồi ảnh hưởng thông số chế độ cắt gia cơng truyền thống thơng số cơng nghệ laser gây ảnh hưởng tới chất lượng bề mặt, giá trị lực cắt, chiều cao mài mòn dao, Vì việc nghiên cứu chất tia laser, đặc điểm, cấu tạo nguồn phát laser bản, phân bố lượng bề mặt lan truyền lượng vào vật liệu có chùm tia laser chiếu vào mặt vật liệu phân tích Hệ số phản xạ hấp thụ ánh sáng laser vật liệu có ảnh hưởng trực tiếp đến nhiệt độ bề mặt gia nhiệt phụ thuộc vào bước sóng laser, vật liệu phơi, nhiệt độ phơi, độ nhám bề mặt, Ngồi ra, thông số công suất laser, khoảng cách từ đầu laser đến phơi, ảnh hưởng đến q trình tiện vật liệu cứng có gia nhiệt laser Từ kết trên, sở để tác giả thiết lập hệ thống thí nghiệm xác định thông số đầu vào để nghiên cứu phương pháp tiện vật liệu cứng có gia nhiệt laser 13 CHƢƠNG 3: PHƢƠNG PHÁP, MƠ HÌNH, TRANG THIẾT BỊ, VẬT LIỆU THỰC NGHIỆM TIỆN THÉP HỢP KIM 9XC SAU TƠI CĨ GIA NHIỆT BẰNG LASER 3.1 Những khái niệm thiết kế thực nghiệm [9] 3.1.1 Định nghĩa quy hoạch thực nghiệm Quy hoạch thực nghiệm tập hợp tác động nhằm đưa chiến thuật làm thực nghiệm từ giai đoạn đầu đến giai đoạn kết thúc q trình nghiên cứu đối tượng (từ nhận thơng tin mơ đến việc tạo mơ hình tốn, xác định điều kiện tối ưu), điều kiện chưa hiểu biết đầy đủ chế đối tượng 3.1.2 Các bƣớc thiết kế thực nghiệm cực trị 3.1.2.1 Chọn thông số nghiên cứu Căn vào số yếu tố ảnh hưởng chính, tiêu đánh giá, mục đích, nhiệm vụ thực nghiệm, người nghiên cứu phải biết nhóm yếu tố vào theo kế hoạch thực nghiệm, tính hiệu khả làm việc mơ hình hồi qui phụ thuộc nhiều vào kết xác định yếu tố vào chúng 3.1.2.2 Thiết kế thực nghiệm Chọn mơ hình thực nghiệm phù hợp với điều kiện thực với đặc điểm yếu tố đối tượng Mỗi dạng kế hoạch đặc trưng chuẩn tối ưu tính chất khác Nên quan tâm nhiều đến điều kiện thí nghiệm đặc điểm đo đạc, nhận giá trị mục tiêu 3.1.2.3 Tiến hành thí nghiệm nhận thơng tin 3.1.2.4 Xây dựng kiểm tra mơ hình thực nghiệm Sử dụng phương pháp hiệu số bình phương nhỏ nội dung phân tích hồi qui, phân tích phương sai để xác định giá trị hệ số mơ hình hồi qui đa thức, kiểm tra mơ hình theo độ tương thích khả làm việc Tùy theo loại thực nghiệm mà mô hình tuyến tính hay phi tuyến Mơ hình thống kê thực nghiệm 14 sử dụng sau thỏa mãn tiêu chuẩn (Student Fisher) 3.1.3 Quy hoạch thực nghiệm trực giao tuyến tính 3.1.4 Quy hoạch thực nghiệm trực giao cấp II 3.2 Xây dựng mơ hình thực nghiệm Các đại lượng cố định: - Máy tiện T6M16 - Máy laser Nd:YAG - Dụng cụ cắt - Phôi gia công - Thiết bị đo lường,… Các đại lượng đầu vào: - Công suất laser - Vận tốc cắt - lượng tiến dao Quá trình tiện có gia nhiệt laser Các đại lượng đầu ra: - Nhiệt độ bề mặt phôi TBM - Chiều sâu thấm nhiệt tth - Độ nhám bề mặt Ra - Lực cắt Fx, Fy, Fz, F - Mòn dao hs Các đại lượng nhiễu Hình 3.1 Các thơng số đầu vào đầu thực nghiệm tiện vật liệu cứng có gia nhiệt laser 3.2.2 Các điều kiện đầu vào 3.2.3 Các đại lƣợng đầu 3.2.4 Các đại lƣợng cố định 3.2.5 Các đại lƣợng không điều khiển đƣợc 3.2.6 Thiết lập hệ thống thí nghiệm 3.2.6.1 Phân tích hệ thống thí nghiệm Hệ thống thí nghiệm gồm: máy tiện (1); chi tiết gia công (2); đầu laser (3), dao tiện gá thiết bị 15 đo lực FUTEK MTA400 (4), lực cắt hiển thị hình vi tính (6) thơng qua chuyển đổi tín hiệu (5) Hình 3.2 Sơ đồ thí nghiệm gia cơng vật liệu cứng có gia nhiệt laser 3.2.6.2 Sơ đồ hướng chùm laser vào phôi 3.3 Điều kiện thực nghiệm Hình 3.9 Bộ nguồn điều khiển bơm kích thích chai khí bảo vệ thấu kính đầu laser Hình 3.21 Thí nghiệm tiện có gia nhiệt laser 16 3.4 Thiết kế thực nghiệm tiện vật liệu cứng có gia nhiệt laser 3.4.1 Thiết kế thực nghiệm xác định nhiệt độ bề mặt phôi có gia nhiệt laser Bảng 3.9 Các thơng số đầu vào xác định nhiệt độ bề mặt gia nhiệt laser Biến mã hoá X1 X2 X3 + + + + + + + + + + + + TT P (W) 200 330 200 330 200 330 200 330 v (m/ph) 25 25 100 100 25 25 100 100 s (mm/vg) 0,06 0,06 0,06 0,06 0,18 0,18 0,18 0,18 3.4.2 Thiết kế thực nghiệm xác định chiều sâu thấm nhiệt có gia nhiệt laser Bảng 3.11 Các thông số đầu vào xác định chiều sâu thấm nhiệt gia nhiệt laser TT Biến mã hoá X1 X2 + + + + P (W) 270 330 270 330 v (m/ph) 25 25 100 100 3.4.3 Thiết kế thực nghiệm xác định nhám bề mặt, lực cắt chiều cao mòn tiện vật liệu 9XC sau tơi có gia nhiệt laser 17 Bảng 3.13 Các thông số đầu vào tiện vật liệu 9XC sau gia nhiệt laser Biến mã hoá P(W) v(m/ph) s(mm/vg) X1 X2 X3 270 25 0,06 + 330 25 0,06 + 270 100 0,06 + + 330 100 0,06 + 270 25 0,18 + + 330 25 0,18 + + 270 100 0,18 + + + 330 100 0,18 Kết luận chƣơng Trong chương nghiên cứu, phân tích thiết kế, chế tạo thành cơng hệ thống thí nghiệm tiện vật liệu cứng có gia nhiệt laser Đánh giá ảnh hưởng thông số như: công suất laser, thời gian nung nóng ban đầu, lượng tiến dao, tốc độ cắt, điểm đặt laser, để từ lựa chọn thơng số hợp lí để gia cơng, Các thơng số chọn công suất laser P=270-330W; thời gian nung nóng ban đầu từ 10 đến 20 giây, lượng tiến dao s=0,060,18mm/vg; tốc độ cắt v=25-100m/ph Khảo sát ảnh hưởng thông số đến nhiệt độ bề mặt phơi vị trí đặt mũi dao, chiều sâu thấm nhiệt trường hợp chưa cắt gọt, tạo sở cho việc phân tích lựa chọn chế độ cắt thích hợp Phân tích xác định thơng số đầu vào sở cho việc khảo sát xây dựng mơ hình tốn học thơng số đầu vào với nhám bề mặt, lực cắt mài mòn dao TT 18 CHƢƠNG 4: NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM TIỆN THÉP HỢP KIM 9XC SAU TƠI CĨ GIA NHIỆT BẰNG LASER 4.1 Đánh giá ảnh hƣởng thông số cơng nghệ đến q trình tiện vật liệu cứng có gia nhiệt laser 4.1.1 Chọn khí bảo vệ a) b) Hình 4.1 a) Dùng khí bảo vệ Ar b) Dùng khí bảo vệ O2 4.1.2 Ảnh hƣởng số thơng số cơng nghệ đốt nóng đến nhiệt độ bề mặt phôi 4.1.3 Ảnh hƣởng thông số cơng nghệ đốt nóng đến chiều sâu thấm nhiệt độ cứng tế vi gia nhiệt laser Hình 4.9 Cấu trúc lớp bề mặt phôi sau gia nhiệt laser 4.1.3.1 Ảnh hưởng công suất laser đến chiều sâu thấm nhiệt 4.1.3.2 Ảnh hưởng tốc độ dịch chuyển vết laser đến chiều sâu thấm nhiệt v = 36m/ph v = 50m/ph v = 62,5m/ph v = 100m/ph Hình 4.13 Ảnh hưởng tốc độ dịch chuyển vết laser đến chiều sâu thấm nhiệt chưa cắt 19 4.1.3.3 Ảnh hưởng bước tiến vết laser đến chiều sâu thấm nhiệt 820 800 780 760 740 720 700 680 660 Do cung te vi (HV) Độ cứng tế vi (HV) 900 800 700 600 500 400 300 200 100 0,05 0,1 0,15 0,25 0,35 lõi 0,05 0,1 0,15 0,25 0,35 lõi 36m/ph 822 801 679 710 725 756 s= 0,06mm/vg 801 717 748 750 753 750 50m/ph 781 612 657 735 735 737 s= 0,09mm/vg 798 710 745 750 753 753 62,5m/ph 784 713 728 739 753 753 s= 0,12mm/vg 789 715 748 750 750 750 100m/ph 801 717 748 750 753 750 s= 0,15mm/vg 750 735 740 750 750 743 Khoảng cách từ bề mặt (mm) Khoang cach tu be mat (mm) Hình 4.15 Ảnh hưởng tốc độ dịch chuyển vết laser đến độ cứng tế vi chưa cắt Hình 4.18 Ảnh hưởng bước tiến vết laser đến độ cứng tế vi chưa cắt 800 790 780 770 760 750 740 730 720 Độ cứng tế vi (HV) Độ cứng tế vi (HV) 4.1.4 Ảnh hƣởng thông số công nghệ cắt đến độ cứng bề mặt, chiều sâu thấm nhiệt độ cứng tế vi tiện có gia nhiệt laser 810 800 790 780 770 760 750 740 730 720 0,05 0,1 0,15 lõi 0,05 0,1 0,15 lõi 0,1 mm 789 775 756 750 750 36m/ph 804 798 775 759 750 0,15mm 759 759 756 756 756 50m/ph 798 775 756 756 750 0,2mm 753 753 750 750 748 71m/ph 753 753 748 750 750 0,25mm 756 756 753 750 750 100m/ph 756 759 753 753 753 Khoảng cách từ bề mặt (mm) Khoảng cách từ bề mặt (mm) Hình 4.21 Ảnh hưởng chiều sâu cắt đến độ cứng tế vi sau gia công tiện Hình 4.24 Ảnh hưởng tốc độ cắt đến độ cứng tế vi sau tiện 4.2 Nghiên cứu xây dựng mơ hình thực nghiệm nhiệt độ bề mặt phôi chiều sâu thấm nhiệt phôi thép 9XC sau đƣợc gia nhiệt laser chƣa tiện 4.2.1 Xây dựng mơ hình thực nghiệm ảnh hƣởng số thông số công nghệ đến nhiệt độ bề mặt phơi thép 9XC sau tơi đƣợc nung nóng laser (4.1) TBM  1,86P  0,84v  260,4s  340,1 (OC) 4.2.2 Xây dựng mơ hình thực nghiệm ảnh hƣởng số thông số công nghệ đến chiều sâu thấm nhiệt phơi thép 9XC sau tơi đƣợc nung nóng laser (4.2) 20 4.3 Xây dựng mơ hình thực nghiệm nhám bề mặt, lực cắt mòn dao tiện vật liệu 9XC sau tơi có nung nóng laser 4.3.1 Mơ hình thực nghiệm nhám bề mặt (4.3) R a  6,239.106 * P 2,760 * v 0,094 * s 0, 298, (m) Hình 4.29 Ảnh hưởng công suất laser lượng tiến dao đến độ nhám bề mặt Hình 4.30 Ảnh hưởng cơng suất laser tốc độ cắt đến độ nhám bề mặt Hình 4.31 Ảnh hưởng tốc độ cắt lượng tiến dao đến độ nhám bề mặt 4.3.2 Mơ hình thực nghiệm lực cắt Fx  159,98.103 * P 1,154 * v 0,052 * s 0,303, ( N ) (4.4) Fy  74,350.103 * P 0,998 * v 0,078 * s 0, 231, ( N ) (4.5) Fz  41,990.10 * P 0,804 * v 0,054 * s 0, 249 , ( N ) (4.6) F  88,064.10 * P 0,892 * v 0,059 * s 0, 254 , ( N ) (4.7) 4.3.3 Mơ hình thực nghiệm mòn dao h s  2677,690.103 * P 2,941 * v 0,355 * s 0,189, (mm) (4.8) 4.4 Tối ƣu hoá thông số công nghệ tiện thép 9XC sau tơi có gia nhiệt laser 4.4.1 Chỉ tiêu tối ƣu hàm mục tiêu 4.4.2 Phƣơng pháp giải tốn tối ƣu Với phân tích trên, tốn tối ưu nghiên cứu là: Tìm thông số công nghệ x = [X1, X2, X3]T = [P, v, s] hợp lý để độ nhám bề mặt Ra = f(P, v, s) nhỏ Đặt lgP = X1; lgv = X2; lg(100s) = X3; ta có: 21 Hàm mục tiêu: f0= 2,76000X1+0,09400X2+0,29800X3=min (4.23) Các hàm bất phương trình ràng buộc sau: -0,80400X1+0,94600X2+0,24900X3≤ ,24423699 (4.24) -1,15400X1+0,94800X2+1,30300X3≤ 4,744345 (4.25) -0,99800X1+0,92200X2+1,23100X3≤ 4,9331189 (4.26) X1 ≤ 2,5185139 (4.27) -X1 ≤ -2,4313637 (4.28) X2 ≤2 (4.29) -X2 ≤ -1,39794 (4.30) X3 ≤ 1,2552725 (4.31) -X3 ≤ -0,7781513 (4.32) -2,94100X1+0,35500X2+0,18900X3≤ -6,5726385 (4.33) Với liệu trên, ta sử dụng phần mềm MATLAB 7.11.0(R2010b) để giải toán tối ưu (hình 4.47) Ta nhận kết sau: X1 = 2,5185; X2 = 1,3979; X3 = 0,7782 Quy đổi làm tròn số ta được: P = 330 (W); v = 25 (m/ph); s = 0,06 (mm/vg) Giá trị hàm mục tiêu nhỏ là:  Ra = 0,409 (µm) Như vậy, với thơng số cơng nghệ tối ưu độ nhám bề mặt nhỏ đạt 0,409 (µm), mòn dao hs = 0,203 (µm) lực cắt tổng hợp F = 203,7 (N) Kết luận chƣơng Chương nghiên cứu phân tích ảnh hưởng thông số công nghệ đến chiều sâu thấm nhiệt độ cứng tế vi trường hợp gia nhiệt không cắt gọt trường hợp cắt gọt đồng thời có gia nhiệt laser Kết rằng, sử dụng phương pháp tiện vật liệu cứng có gia nhiệt laser nâng cao suất gia công mà đảm bảo chất lượng bề mặt tính chất vật liệu chi tiết sau gia công 22 Độ cứng đạt lớp bề mặt chi tiết sau tiện có gia nhiệt laser cao độ cứng ban đầu phôi, cách chọn chiều sâu cắt nhỏ tốc độ cắt nhỏ Ứng dụng kết để tiện chi có yêu cầu cao tính chống mài mòn đảm bảo độ bền trình làm việc chi tiết: trục, bạc dẫn hướng, xupap động đốt Tác giả sử dụng phương pháp quy hoạch thực nghiệm trực giao để xây dựng mơ hình thực nghiệm nhám bề mặt, lực cắt chiều cao mòn dao mặt sau phụ thuộc vào thông số laser thông số chế độ cắt Xây dựng toán tối ưu giải tốn tối ưu thơng số cơng nghệ để nhận độ nhám bề mặt nhỏ KẾT LUẬN VÀ HƢỚNG NGHIÊN CỨU TIẾP THEO Kết luận: Việc sử dụng chùm laser để gia nhiệt vào vật liệu cứng khó cắt gọt, làm mềm vật liệu gia cơng dễ dàng với dụng cụ thiết bị thông thường; phương pháp hứa hẹn đem đến giải pháp tốt để ứng dụng vào cơng nghiệp Nghiên cứu phương pháp LAM có ý nghĩa lớn khoa học thực tiễn Luận án đạt số kết sau: - Đánh giá ảnh hưởng thông số laser đến nhiệt độ bề mặt phôi mối liên hệ nhiệt độ bề mặt phơi với chiều sâu thấm nhiệt để từ chọn vùng thông số hợp lý để gia công vật liệu cứng - Đã thiết lập mơ hình thực nghiệm ảnh hưởng thơng số đốt nóng laser đến nhiệt độ bề mặt chưa gia công cắt gọt TBM  1,86PL  0,84V  260,4s  340,1( O C ) 23 - Đã thiết lập mơ hình thực nghiệm ảnh hưởng thơng số đốt nóng laser đến chiều sâu thấm nhiệt chưa gia công cắt gọt Kết rằng, thông số khoảng cách từ đầu laser đến bề mặt phơi, vị trí điểm đặt laser phơi lượng tiến dao điều kiện thí nghiệm ảnh hưởng không đáng kể đến chiều sâu thấm nhiệt Thông số công suất laser tốc độ di chuyển vết laser cắt có ảnh hưởng đến chiều sâu thấm lớp bề mặt - Nghiên cứu xây dựng mô hình thực nghiệm ảnh hưởng thơng số cơng nghệ đến lực cắt, nhám bề mặt, lượng mài mòn dao, vào mơ hình nhà cơng nghệ chọn thơng số phù hợp với u cầu đặt Từ mơ hình thực nghiệm rằng, cơng suất laser có ảnh hưởng lớn tích cực tới hàm mục tiêu giới hạn điều kiện nghiên cứu Điều chứng tỏ việc gia nhiệt laser trình tiện vật liệu cứng nói chung tiện vật liệu 9XC sau đạt độ cứng 62 HRC đem lại hiệu gia công cao - Nghiên cứu xây dựng tốn tối ưu hố q trình gia cơng tìm thơng số chung ứng với tiêu độ nhám bề mặt nhỏ nhất, đảm bảo mài mòn dụng cụ cắt nhỏ đáp ứng điều kiện công suất làm việc máy là: P = 330W, v = 25 m/ph, s = 0,06 mm/vg Hƣớng nghiên cứu tiếp theo: - Nghiên cứu vết nứt tế vi, ứng suất dư bề mặt biến dạng chi tiết sau tiện vật liệu cứng có gia nhiệt laser - Cần nghiên cứu với loại dao, vật liệu gia công khác nhau, gia công máy phay, máy CNC - Sử dụng phần mềm để mơ q trình tiện có gia nhiệt laser 24 ... lực cắt chiều cao mòn dao tiện thép hợp kim 9XC sau tơi có gia nhiệt laser Nghiên cứu xác định thông số công nghệ tối ưu để tiện thép hợp kim 9XC sau tơi có gia nhiệt laser, đạt yêu cầu kỹ thuật... dao tiện cacbide có phủ TiAlN để gia cơng vật liệu thép 9XC sau tơi có gia nhiệt laser 1.3 Nghiên cứu nƣớc phƣơng pháp gia cơng cắt gọt có gia nhiệt laser 1.3.1 Gia cơng vật liệu gốm sứ có gia nhiệt. .. tơi có gia nhiệt laser Chương 4: Nghiên cứu thực nghiệm tiện thép hợp kim 9XC sau tơi có gia nhiệt laser Phần kết luận chung, kiến nghị, tài liệu tham khảo, cơng trình cơng bố luận án phụ lục luận