Đánh giá ảnh hưởng của một số thông số đến nhiệt độ bề mặt phôi khi gia nhiệt bằng laser

Nhiệt độ bề mặt phôi được kiểm soát là rất quan trọng để đảm bảo quá trình tiện được tiến hành thuận lợi hơn và sau khi tiện tính chất vật liệu của chi tiết không thay đổi. Nghiên cứu này sử dụng phương pháp thực nghiệm để đánh giá ảnh hưởng của các thông số nguồn laser đến nhiệt độ bề mặt phôi thép hợp kim 9XC qua tôi (62 HRC).

Cơ kỹ thuật & Kỹ thuật khí động lực ĐÁNH GIÁ ẢNH HƯỞNG CỦA MỘT SỐ THÔNG SỐ ĐẾN NHIỆT ĐỘ BỀ MẶT PHÔI KHI GIA NHIỆT BẰNG LASER Nguyễn Thành Hn1*, Trần Xn Thái2, Nguyễn Đức Tồn2 Tóm tắt: Tiện có gia nhiệt laser sử dụng chùm tia laser nung nóng phơi vị trí trước dụng cụ cắt tiện Nhiệt độ bề mặt phôi phụ thuộc vào thông số công suất, khoảng cách, tốc độ dịch chuyển,… nguồn laser [1] thơng số cơng nghệ q trình tiện Nhiệt độ bề mặt phơi kiểm sốt quan trọng để đảm bảo trình tiện tiến hành thuận lợi sau tiện tính chất vật liệu chi tiết không thay đổi Nghiên cứu sử dụng phương pháp thực nghiệm để đánh giá ảnh hưởng thông số nguồn laser đến nhiệt độ bề mặt phôi thép hợp kim 9XC qua (62 HRC) Từ khóa: Tiện vật liệu cứng, Cơng suất laser, Tốc độ cắt, Lượng tiến dao, Taguchi ĐẶT VẤN ĐỀ - Trong gia cơng cắt gọt có nhiều chi tiết làm từ vật liệu khó gia công thép hợp kim, thép chịu nhiệt, thép qua tôi, thép không gỉ, …[4] Hiện nay, việc gia công chế tạo chi tiết làm vật liệu có số phương pháp như: gia cơng tia lửa điện, gia cơng điện hóa, gia cơng siêu âm, gia công mài, gia công cao tốc, …[3] Tuy nhiên, phương pháp gia công gặp nhiều khó khăn như: suất gia cơng thấp, chi phí đắt, dụng cụ cắt phải làm từ vật liệu có độ cứng cao (kim cương, CBN), dụng cụ cắt bị mài mòn nhiều, giá thành sản phẩm cao - Do đó, việc nghiên cứu phương pháp gia cơng cho chất lượng bề mặt đảm bảo mang lại hiệu kinh tế cao nhà khoa học tập trung nghiên cứu Gồm có giải pháp gia công như: chế tạo dụng cụ cắt mới, phương pháp gia công mới, chế tạo thiết bị cắt gọt mới, nghiên cứu ngun lí gia cơng - Hầu hết vật liệu có tính chất nung nóng lên nhiệt độ cao độ bền, độ cứng giảm [5] Nghiên cứu sử dụng chùm tia laser để gia nhiệt bề mặt phơi q trình tiện xác định ảnh hưởng thông số nguồn laser đến nhiệt độ bề mặt phôi Bài báo giải vấn đề đặt phương pháp thực nghiệm Taguchi để đánh giá thông số nguồn laser ảnh hưởng đến nhiệt độ bề mặt phôi sử dụng phương pháp quy hoạch thực nghiệm trực giao để xây dựng hàm hồi quy tốn học mơ tả ảnh hưởng việc gia nhiệt laser đến nhiệt độ bề mặt phơi thép 9XC qua tơi Từ đó, nhiệt độ bề mặt điều khiển kiểm soát, sở cho nghiên cứu tiện vật liệu cứng có gia nhiệt laser NỘI DUNG CẦN GIẢI QUYẾT 2.1 Xác định thơng số cần nghiên cứu Hình Các vị trí đặt điểm laser phơi 150 N T Huân, T X Thái, N Đ Toàn, “Đánh giá ảnh hưởng … gia nhiệt laser.” Nghiên cứu khoa học công nghệ Khi gia nhiệt laser, nhiệt độ bề mặt phôi phụ thuộc vào thông số laser như: công suất laser P(W), khoảng cách từ đầu laser đến bề mặt phơi h(mm), vị trí điểm đặt laser (o) (hình 1) phụ thuộc vào tốc độ dịch chuyển tương đối đầu laser bề mặt phơi Trong nghiên cứu tác giả tiến hành thí nghiệm máy tiện, tốc độ dịch chuyển phụ thuộc vào tốc độ quay phôi dịch chuyển dọc nguồn laser Trên sơ sở tính tốn, chọn thông số theo tài liệu [3] [8], kết hợp với điều kiện trang thiết bị thí nghiệm; tác giả chọn thông số thực nghiệm với mức sau: Bảng Các thông số công suất laser, khoảng cách từ đầu laser đến bề mặt phôi điểm đặt laser ảnh hưởng đến nhiệt độ bề mặt phôi Thông số Công suất(W) Khoảng cách đầu laser tới bề mặt phôi(mm) Điểm đặt laser (o) Mức 200 15 70 Các mức Mức 265 20 80 Mức 330 25 90 Bảng Các thông số tốc độ di chuyển bước tiến đầu laser ảnh hưởng đến nhiệt độ bề mặt phôi Thông số Tốc dịch chuyển (m/ph) Bước tiến (mm/vg) Mức 25 0,06 Các mức Mức 62,5 0,12 Mức 100 0,18 2.2 Chuẩn bị thực nghiệm 2.2.1 Thiết bị thí nghiệm Hệ thống thí nghiệm gồm có: máy tiện vạn T6M16 (1), phôi tiện (2), hệ thống máy phát laser rắn Neodium –YAG công suất 350W (3), thiết bị đo lực FUTEK MTA400 (4), chuyển đổi tín hiệu (5) máy tính hiển thị kết (6) Hình Sơ đồ hệ thống thí nghiệm Ngồi ra, nghiên cứu cịn sử dụng máy FieldMaster hãng Coherent (Mỹ) để đo cơng suất laser (hình 3.a) máy IR–AHS cơng ty SINO (Nhật Bản) để đo nhiệt độ bề mặt phơi (hình 4.b) Tạp chí Nghiên cứu KH&CN qn sự, Số 51, 10 - 2017 151 Cơ kỹ thuật & Kỹ thuật khí động lực a) b) Hình Thiết bị đo a) Máy đo công suất laser; b) Máy đo nhiệt 2.2.2 Vật liệu thí nghiệm Phơi trụ vật liệu thép hợp kim 9XC, gia công tiện thơ, sau nhiệt luyện phơi đạt độ cứng 62HRC KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 3.1 Đánh giá mức độ ảnh hưởng công suất laser, khoảng cách từ đầu laser đến bề mặt phôi điểm đặt laser đến nhiệt độ bề mặt Các thông số tốc độ dịch chuyển bước tiến đầu laser v = 62,5 m/ph, s = 0,12 mm/vg giữ không đổi Từ bảng 1, với thông số đầu vào thay đổi với mức thí nghiệm, chọn bảng trực giao Taguchi L9 [2] sau: Bảng Bảng trực giao Taguchi L9 với thơng số thí nghiệm hệ số SNL TN PL (W) h (mm)  (o) Lần đo T1 (oC) Lần đo T2(oC) Lần đo T3 (oC) Nhiệt độ TB (oC) SNL 200 15 70 623 625 623 623,7 60,67 200 20 80 628 631 626 628,3 60,73 200 25 90 616 616 613 615 60,55 265 15 80 743 740 740 741 62,17 265 20 90 749 752 750 750,3 62,28 265 25 70 740 737 739 738,7 62,14 330 15 90 863 862 858 861 63,47 330 20 70 870 873 876 873 63,59 330 25 80 860 861 863 861,3 63,47 Để xét ảnh hưởng yếu tố đầu vào có điều khiển công suất laser, khoảng cách đầu laser đến bề mặt phơi, vị trí điểm đặt laser; sử dụng hệ số tín hiệu SN (signal to noise ratio) với trường hợp yêu cầu lớn nhiệt độ: SNL  10log Ni Ni  i 1 yi2 Hệ số SNL tính tốn cho số cấp độ bảng 152 N T Huân, T X Thái, N Đ Toàn, “Đánh giá ảnh hưởng … gia nhiệt laser.” Nghiên cứu khoa học công nghệ Bảng Hệ số SN thông số mức xếp hạng theo tiêu chí lớn tốt Mức P h  60,65 62,1 62,13 62,20 62,2 62,45 63,51 62,06 62,1 R 2,86 0,14 0,35 Với dải bảng thấy khoảng cách từ đầu laser đến bề mặt phơi vị trí điểm đặt laser phơi ảnh hưởng không đáng kể đến nhiệt độ bề mặt phôi Thơng số cơng suất laser có ảnh hưởng đến nhiệt độ bề mặt phôi 3.2 Đánh giá mức độ ảnh hưởng tốc độ dịch chuyển bước tiến đầu laser đến nhiệt độ bề mặt Thực thí nghiệm với công suất laser 330W, khoảng cách từ đầu laser đến bề mặt phơi 20mm, vị trí đặt điểm laser nằm góc 80o giữ khơng đổi Từ bảng 2, với thông số đầu vào tốc độ dịch chuyển bước tiến đầu laser thay đổi với mức thí nghiệm; chọn bảng trực giao Taguchi L9 sau: Bảng Bảng trực giao Taguchi L9 với thơng số thí nghiệm hệ số SNT V s Lần đo Lần đo Lần đo Nhiệt độ TN SNT (m/ph) (mm/vg) T1(oC) T2 (oC) T3(oC) TB (oC) 25 0,06 915 911 910 912 50,75 25 0,12 901 903 902 902 59,1 25 0,18 889 894 893 892 50,56 62,5 0,06 885 887 888 886,7 55,26 62,5 0,12 870 868 872 870 52,77 62,5 0,18 854 856 856 855,3 57,37 100 0,06 857 863 860 860 49,15 100 0,12 838 842 841 840,3 52,11 100 0,18 823 824 819 822 49,85 Để xét ảnh hưởng yếu tố đầu vào có điều khiển vận tốc dịch chuyển bước tiến đầu laser; Sử dụng hệ số tín hiệu SN (signal to noise ratio) với trường hợp yêu cầu đạt định mức tốt nhiệt độ:  y2  SNT  10 log   s    Hệ số SNT tính tốn cho số cấp độ bảng Bảng Hệ số SN thông số mức xếp hạng theo tiêu chí định mức tốt Mức v s 53,47 51,72 55,13 54,66 50,37 52,59 R 4,76 2,94 Vậy hai thông số tốc độ di chuyển bước tiến đầu laser có ảnh hưởng đến nhiệt độ bề mặt phôi 3.3 Xây dựng mơ hình tốn học nhiệt độ bề mặt gia nhiệt laser thép 9XC Theo kết đánh giá mức độ ảnh hưởng thông số trên, thơng số ảnh hưởng đến nhiệt độ bề mặt phôi công suất laser, tốc độ dịch chuyển bước tiến Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 51, 10 - 2017 153 Cơ kỹ thuật & Kỹ thuật khí động lực đầu laser Sử dụng phương pháp quy hoạch thực nghiệm trực giao [6] để xây dựng mơ hình tốn học nhiệt độ bề mặt Bảng Điều kiện quy hoạch thực nghiệm Đặc tính Giá trị sở Khoảng biến động Giá trị Giá trị P (w) 265 65 330 200 V (m/ph) 62,5 37,5 100 25 s (mm/vg) 0,12 0,06 0,18 0,06 Số thí nghiệm cần thực N = 23 = Phương trình hồi quy viết dạng: y  bo  b1 x1  b2 x2  b3 x3 x1,2,3 có quan hệ với Po, Vo, so (Giá trị sở tâm thí nghiệm) s  so P  Po V  vo x3   1 x1  L  1, x2   1, s P v Bảng Ma trận quy hoạch thực nghiệm X1 X2 X3 TBM TT X1 X2 X3 (W) (m/ph) (mm/vg) (oC) 200 25 0,06 682 + 330 25 0,06 912 + 200 100 0,06 610 + + 330 100 0,06 860 + 200 25 0,18 641 + + 330 25 0,18 892 + + 200 100 0,18 584 + + + 330 100 0,18 822 Dựa vào số liệu bảng ta có: bo=750,375; b1=121,125; b2= -31,375; b3= -15,625 Để kiểm tra tính có nghĩa hệ số này, ta cần làm thí nghiệm tâm Bảng Kế hoạch thực nghiệm tâm TT TN1 TN2 TN3 Ta có: P V 265 265 265 sb  62,5 62,5 62,5 s y2 N  s i2 S 0,12 0,12 0,12 746 751 751 8,335  1,021 Theo phụ lục 15 [6] chọn t = 4,303 f=m-1=2 với xác suất tin cậy p = 0,95 Như vậy: Sb.t=1,021.4,303=4,34 So sánh sb.t với hệ số ta thấy: bo= 750,375  Sb.t=4,34 b1= 121,125  Sb.t=4,34 b2= 31,375  Sb.t=4,34 b3= 15,625  Sb.t=4,34 Các kết chứng tỏ hệ số b có nghĩa phương trình hồi quy có dạng: 154 N T Huân, T X Thái, N Đ Toàn, “Đánh giá ảnh hưởng … gia nhiệt laser.” Nghiên cứu khoa học công nghệ y  750,375  121,125 x1  31,375 x2  15,625 x3 Để xác định xem phương trình hồi quy vừa nhận có nghĩa hay khơng cần tính giá trị hàm y : y  676,25 ; y  918,5 ; y  613,5 ; y  855,75 ; y  645 ; y  887,25 ; y  582,25 ; y  824,5 Theo cơng thức 11.14 [6] ta có: s du  NK  y tn i  y itt  30,7 i 1 Chỉ tiêu Fisher Fb theo công thức 11.13 [2]: s du 30,7 Fb    3,68 8,335 sy Mức có nghĩa 0,05, f2 = m-1= 3-1=2; f1=N-l = 8-3=5 tra bảng chuẩn số Fisher VII-2 [7] F(5,2,p=0,95%)=19,3 vậy: Fb < F(5,2,p=0,95%) mơ hình thống kê tương hợp với hệ thống thực Chuyển phương trình hồi quy với biến mã hóa phương trình với biến thực, ta nhận mơ hình tốn học nhiệt độ bề mặt phơi là: T BM  1,86 PL  0,84V  260,4s  340,1 Trong đó: TBM nhiệt độ bề mặt phôi (o); PL công suất laser (W); V tốc độ dịch chuyển đầu laser (m/ph); s bước tiến đầu laser (mm/vg) KẾT LUẬN Nghiên cứu sử dụng phương pháp thực nghiệm Taguchi để chọn đánh giá thông số ảnh hưởng đến nhiệt độ bề mặt phôi gia nhiệt laser Kết cho thấy: - Các thông số khoảng cách từ đầu laser đến bề mặt phơi, vị trí điểm đặt laser phơi điều kiện thí nghiệm ảnh hưởng không đáng kể đến nhiệt độ bề mặt phôi Thơng số cơng suất laser có ảnh hưởng lớn đến nhiệt độ bề mặt - Hai thông số tốc độ dịch chuyển bước tiến đầu laser có ảnh hưởng đáng kể đến nhiệt độ bề mặt phôi Từ đánh giá mức độ ảnh hưởng thông số áp dụng phương pháp quy hoạch thực nghiệm xây dựng thành cơng mơ hình tốn học nhiệt độ bề mặt phôi phụ thuộc vào thông số Căn vào mơ hình ta thấy rằng; cơng suất laser có ảnh hưởng lớn đến nhiệt độ bề mặt phơi, tăng cơng suất laser tăng nhiệt độ bề mặt tăng ngược; tăng tốc độ dịch chuyển bước tiến đầu laser nhiệt độ bề mặt phôi giảm; giảm tốc độ dịch chuyển bước tiến đầu laser nhiệt độ bề mặt phôi tăng Kết thu từ nghiên cứu sở để tác giả tiếp tục nghiên cứu phương pháp tiện vật liệu cứng có gia nhiệt laser TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] William M Steen and Jyotirmoy Mazumder “Laser Material Processing” Springer London Dordrecht Heidelberg New York, (2010) Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 51, 10 - 2017 155 Cơ kỹ thuật & Kỹ thuật khí động lực [2] [2] Design of Experiments (DOE) Using the Taguchi Approach, www.nutekus.com/DOE_topicOverviews35Pg.pdf [3] Bành Tiến Long, Trần Thế Lục, Trần Sỹ Túy “Nguyên lý gia công vật liệu” Nhà xuất Khoa học Kỹ thuật (2001) [4] Trần Văn Địch chủ biên tác giả “Công nghệ chế tạo máy” Nhà xuất Khoa học Kỹ thuật (2006) [5] Nghiêm Hùng “Vật liệu học sở” Nhà xuất Khoa học Kỹ thuật (2007) [6] Trần Văn Địch “Các phương pháp xác định độ xác gia cơng” Nhà xuất Khoa học Kỹ thuật (2011) [7] Nguyễn Doãn Ý “Giáo trình quy hoạch thực nghiệm” Nhà xuất Khoa học Kỹ thuật (20012) [8] Nguyễn Ngọc Đào, Trần Thế San, Hồ Viết Bình “Chế độ cắt gia cơng khí” Nhà xuất Đà Nẵng (2002) ABSTRACT ASSESSMENT OF THE IMPACT OF SOME PARAMETERS TO SURFACE TEMPERATURE WORKPIECE IN LASER HEATING Turning with laser heating is using a laser beam to heat the workpiece in place before cutting tool during turning; temperature workpiece depends on parameters such as power, distance, speed of movement, … of the laser source [1] and the technological parameters of the turning process The controlled surface temperature of the workpiece is important to ensure that the turning process proceeds smoothly and after the turning material's properties unchanged This study used experiment method to assessment the impact of parameters laser source to surface temperature workpiece of 9XC hardened alloy steel (62 HRC) Keywords: Hard material turning, Laser power, Cutting speed, Feed rate, Taguchi Nhận ngày 13 tháng năm 2017 Hoàn thiện ngày 10 tháng năm 2017 Chấp nhận đăng ngày 25 tháng 10 năm 2017 Địa chỉ: Khoa Cơ khí, Trường Đại học Kinh tế - Kỹ thuật Công nghiệp; Viện Cơ khí, Trường Đại học Bách khoa Hà Nội * Email: nthuan@uneti.edu.vn 156 N T Huân, T X Thái, N Đ Toàn, “Đánh giá ảnh hưởng … gia nhiệt laser.” ... đầu laser có ảnh hưởng đến nhiệt độ bề mặt phơi 3.3 Xây dựng mơ hình tốn học nhiệt độ bề mặt gia nhiệt laser thép 9XC Theo kết đánh giá mức độ ảnh hưởng thông số trên, thơng số ảnh hưởng đến nhiệt. .. đặt laser phôi ảnh hưởng không đáng kể đến nhiệt độ bề mặt phơi Thơng số cơng suất laser có ảnh hưởng đến nhiệt độ bề mặt phôi 3.2 Đánh giá mức độ ảnh hưởng tốc độ dịch chuyển bước tiến đầu laser. .. chọn đánh giá thông số ảnh hưởng đến nhiệt độ bề mặt phôi gia nhiệt laser Kết cho thấy: - Các thông số khoảng cách từ đầu laser đến bề mặt phơi, vị trí điểm đặt laser phơi điều kiện thí nghiệm ảnh