Nghiên cứu tiện thép hợp kim 9xc sau tôi có gia nhiệt bằng laser

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI NGUYỄN THÀNH HUÂN NGHIÊN CỨU TIỆN THÉP HỢP KIM 9XC SAU TƠI CĨ GIA NHIỆT BẰNG LASER LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT CƠ KHÍ Hà Nội – 2018 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI NGUYỄN THÀNH HUÂN NGHIÊN CỨU TIỆN THÉP HỢP KIM 9XC SAU TƠI CĨ GIA NHIỆT BẰNG LASER Ngành: Kỹ thuật khí Mã số: 9520103 LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT CƠ KHÍ NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: TS Trần Xuân Thái PGS.TS Nguyễn Đức Toàn Hà Nội - 2018 LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan cơng 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 công bố công trình khác Hà Nội, ngày…… tháng 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 cho NCS 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 NCS có kết ngày hôm 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 NCS chặng đường nghiên cứu NCS xin cảm ơn hỗ trợ tinh thần vật chất Ban giám hiệu, phòng Tổ chức cán bộ, phịng 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 chuyên môn Ban lãnh đạo, tập thể giảng viên khoa Cơ khí Trường Đại học Kinh tế Kỹ thuật Công 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 NCS lúc gặp khó khăn NCS xin gửi lời cảm ơn tới công 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 10 DANH MỤC CÁC BẢNG 12 DANH MỤC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ 13 MỞ ĐẦU 16 Tính cấp thiết đề tài luận án 16 Mục đích, đối tượng, phạm vi nội dung nghiên cứu 17 2.1 Mục đích nghiên cứu 17 2.2 Đối tượng nghiên cứu 17 2.3 Phạm vi nghiên cứu 17 2.4 Nội dung nghiên cứu 18 Phương pháp nghiên cứu 18 Ý nghĩa khoa học thực tiễn luận án 19 4.1 Ý nghĩa khoa học 19 4.2 Ý nghĩa thực tiễn 19 Bố cục luận án 19 Những đóng góp luận án 20 CHƯƠNG1: TỔNG QUAN VỀ TIỆN VẬT LIỆU CỨNG CÓ GIA NHIỆT BẰNG LASER 21 1.1 Đặc điểm gia công vật liệu cứng 21 1.2 Vật liệu dụng cụ cắt sử dụng để gia công vật liệu cứng 22 1.3 Nghiên cứu nước phương pháp gia cơng cắt gọt có gia nhiệt laser 23 1.3.1 Gia công vật liệu gốm sứ có gia nhiệt laser 24 1.3.2 Gia công vật liệu Inconel 718 có gia nhiệt laser 25 1.3.3 Gia cơng thép hợp kim có gia nhiệt laser 28 1.4 Nghiên cứu nước phương pháp gia công cắt gọt vật liệu cứng sử dụng laser để gia công vật liệu 31 1.4.1 Gia công cắt gọt vật liệu cứng 31 1.4.2 Gia công vật liệu laser 32 Kết luận chương 34 CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT TIỆN VẬT LIỆU CỨNG CÓ GIA NHIỆT BẰNG LASER 35 2.1 Cơ sở lý thuyết laser 35 2.1.1 Bản chất laser 35 2.1.2 Cấu tạo nguồn phát laser 35 2.1.2.1 Môi chất laser 35 2.1.2.2 Buồng cộng hưởng 36 2.1.2.3 Nguồn nuôi 36 2.1.3 Sự tương tác laser với vật liệu 36 2.1.4 Khả hấp thụ laser vật liệu 38 2.1.4.1 Ảnh hưởng bước sóng 39 2.1.4.2 Ảnh hưởng nhiệt độ 39 2.1.4.3 Ảnh hưởng lớp ôxit bề mặt vật liệu 40 2.1.4.4 Ảnh hưởng độ nhám bề mặt 40 2.2 Tiện vật liệu cứng có gia nhiệt laser 41 2.2.1 Khái niệm tiện vật liệu cứng có gia nhiệt laser 41 2.2.2 Đặc điểm 41 2.2.3 Độ nhám bề mặt tiện 42 2.2.3.1 Độ nhám bề mặt chi tiết gia công 42 2.2.3.2 Độ nhám bề mặt tiện vật liệu cứng có gia nhiệt laser 42 2.2.4 Lực cắt tiện 43 2.2.4.1 Lực cắt thành phần lực cắt tiện 43 2.2.4.2 Lực cắt tiện có gia nhiệt laser 44 2.2.5 Mài mòn dụng cụ tiện 45 2.2.5.1 Các dạng mài mòn dao tiện 45 2.2.5.2 Các yếu tố ảnh hưởng đến mòn dao tiện 46 2.2.5.3 Mài mòn dụng cụ tiện có gia nhiệt laser 47 Kết luận chương 48 CHƯƠNG 3: PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU, MƠ HÌNH, TRANG THIẾT BỊ VÀ VẬT LIỆU THỰC NGHIỆM TIỆN THÉP HỢP KIM 9XC SAU TÔI CÓ GIA NHIỆT BẰNG LASER 49 3.1 Những khái niệm thiết kế thực nghiệm [9] 49 3.1.1 Định nghĩa quy hoạch thực nghiệm 49 3.1.2 Các bước thiết kế thực nghiệm cực trị 49 3.1.2.1 Chọn thông số nghiên cứu 49 3.1.2.2 Thiết kế thực nghiệm 50 3.1.2.3 Tiến hành thí nghiệm nhận thông tin 50 3.1.2.4 Xây dựng kiểm tra mơ hình thực nghiệm 50 3.1.3 Quy hoạch thực nghiệm trực giao tuyến tính 50 3.1.4 Quy hoạch thực nghiệm trực giao cấp II 51 3.2 Xây dựng mơ hình thực nghiệm 52 3.2.1 Sơ đồ thí nghiệm 52 3.2.2 Các điều kiện đầu vào 53 3.2.3 Các đại lượng đầu 54 3.2.4 Các đại lượng cố định 54 3.2.5 Các đại lượng không điều khiển (các đại lượng nhiễu) 54 3.2.6 Thiết lập hệ thống thí nghiệm 55 3.2.6.1 Phân tích hệ thống thí nghiệm 55 3.2.6.2 Sơ đồ hướng chùm laser vào phôi 55 3.3 Điều kiện thực nghiệm 58 3.3.1 Máy tiện T6M16 58 3.3.2 Máy phát laser Nd:YAG 58 3.3.3 Dao tiện 61 3.3.4 Phôi tiện 61 3.3.5 Các thiết bị đo dùng cho thực nghiệm tiện vật liệu cứng có gia nhiệt laser 62 3.3.5.1 Thiết bị đo công suất laser 62 3.3.5.2 Thiết bị đo lực thiết kế gá thiết bị đo lực cắt 63 3.3.5.3 Thiết bị đo nhiệt độ 64 3.3.5.4 Thiết bị đo mòn dao 65 3.3.5.5 Thiết bị kiểm tra tổ chức tế vi 66 3.3.5.6 Thiết bị đo nhám bề mặt 67 3.4 Thiết kế thực nghiệm tiện vật liệu cứng có gia nhiệt laser 68 3.4.1 Thiết kế thực nghiệm xác định nhiệt độ bề mặt phơi có gia nhiệt laser 68 3.4.2 Thiết kế thực nghiệm xác định chiều sâu thấm nhiệt có gia nhiệt laser 69 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 70 Kết luận chương 72 CHƯƠNG 4: NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM TIỆN THÉP HỢP KIM 9XC SAU TƠI CĨ GIA NHIỆT BẰNG LASER 73 4.1 Đánh giá ảnh hưởng thơng số cơng nghệ đến q trình tiện vật liệu cứng có gia nhiệt laser 73 4.1.1 Chọn khí bảo vệ 73 4.1.2 Ảnh hưởng số thông số công nghệ laser đến nhiệt độ bề mặt phôi 73 4.1.2.1 Ảnh hưởng công suất laser đến nhiệt độ bề mặt phôi 73 4.1.2.2 Ảnh hưởng thời gian gia nhiệt ban đầu đến nhiệt độ bề mặt phôi 74 4.1.2.3 Ảnh hưởng khoảng cách từ đầu laser tới bề mặt phôi đến nhiệt độ bề mặt phôi 75 4.1.2.4 Ảnh hưởng điểm đặt laser đến nhiệt độ bề mặt phôi 76 4.1.2.5 Ảnh hưởng vận tốc đầu laser tới nhiệt độ bề mặt phôi 77 4.1.2.6 Ảnh hưởng bước tiến đầu laser tới nhiệt độ bề mặt phôi 77 4.1.3 Ảnh hưởng thông số công nghệ laser đến chiều sâu thấm nhiệt độ cứng tế vi gia nhiệt laser 78 4.1.3.1 Ảnh hưởng công suất laser đến chiều sâu thấm nhiệt 79 4.1.3.2 Ảnh hưởng vận tốc đầu laser đến chiều sâu thấm nhiệt 80 4.1.3.3 Ảnh hưởng bước tiến đầu laser đến chiều sâu thấm nhiệt 82 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 84 4.1.4.1 Ảnh hưởng chiều sâu cắt đến độ cứng bề mặt, chiều sâu thấm nhiệt độ cứng tế vi 85 4.1.4.2 Ảnh hưởng tốc độ cắt đến chiều sâu thấm nhiệt độ cứng tế vi 87 4.1.4.3 Ảnh hưởng lượng tiến dao đến chiều sâu thấm nhiệt độ cứng tế vi 88 4.2 Nghiên cứu xây dựng mơ hình thực nghiệm nhiệt độ bề mặt phôi chiều sâu thấm nhiệt phôi thép 9XC sau gia nhiệt laser chưa tiện 89 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 89 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 92 4.3 Xây dựng mơ hình thực nghiệm nhám bề mặt, lực cắt mòn dao tiện vật liệu 9XC sau tơi có gia nhiệt laser 93 4.3.1 Mô hình thực nghiệm nhám bề mặt 93 4.3.2 Mơ hình thực nghiệm lực cắt 95 4.3.2.1 Mơ hình thực nghiệm lực cắt Fx 95 4.3.2.2 Mơ hình thực nghiệm lực cắt Fy 97 4.3.2.3 Mơ hình thực nghiệm lực cắt Fz 99 4.3.2.4 Mô hình lực cắt tổng hợp F 101 4.3.3 Mơ hình thực nghiệm mòn dao 103 4.4 Tối ưu hố thơng số cơng nghệ tiện thép 9XC sau tơi có gia nhiệt laser 105 4.4.1 Chỉ tiêu tối ưu hàm mục tiêu 105 4.4.2 Phương pháp giải toán tối ưu 108 Kết luận chương 111 KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG NGHIÊN CỨU TIẾP THEO 112 Kết luận: 112 Hướng nghiên cứu tiếp theo: 113 TÀI LIỆU THAM KHẢO 114 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] 1 1  1  X  1  1 1  1 5,598 5,799 5,598 5,799 3,219 3,219 4,605 4,605 5,598 5,799 5,598 5,799 3,219 3,219 4,605 4,605  2,813  2,813  2,813   2,813  1,715    1,715   1,715    1,715    0,335   0,896      0,203    0,772  Ra    0,016     0,564   0,112     0,429 [XT] ma trận chuyển vị [X] 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]): 132 s 2b  Mà S y2  s y2 sb  hay N s y2 N 2,9  8,3  3,5.10 5  4,9.10 5 Do đó: sb  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: R a  6,239.106 * P 2,760 * v 0,094 * s 0, 298, (m) (II.5) Để xác định xem phương trình hồi quy có nghĩa hay khơng 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 e b 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 s ag  ( RaTN  RaTT )  15,025.10 5  N  K i 1 133 RaTT N=8 số lượng thí nghiệm K=4 số hệ số phương trình hồi quy  Fb  sag s y2  15,025.10 5  3,066 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 Đểkiểmtratính đồngnhấttaxác địnhtỷsốsau: Gp  max s i2 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