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 (tt)

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 Cơ khí Mã số: 9520103 TĨM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT CƠ KHÍ Hà Nội – 2021 Cơng trình hồn thành tại: Trường Đại học Bách khoa Hà Nội Người hướng dẫn khoa học: PGS.TS Lê Giang Nam TS Nguyễn Trường Giang Phản biện 1: Phản biện 2: Phản biện 3: Luận án bảo vệ trước Hội đồng đánh giá luận án tiến sĩ cấp Trường họp Trường Đại học Bách khoa Hà Nội Vào hồi …… giờ, ngày … tháng … năm ……… Có thể tìm hiểu luận án thư viện: Thư viện Tạ Quang Bửu - Trường ĐHBK Hà Nội Thư viện Quốc gia Việt Nam MỞ ĐẦU Tính cấp thiết đề tài Vật liệu cứng vật liệu có khả chống mài mịn tốt, tính thay đổi làm việc nhiệt độ cao [1] Vì vậy, với phát triển khoa học kỹ thuật việc ứng dụng loại vật liệu mới, vật liệu có độ cứng cao sản xuất gia cơng khí như: Khuôn mẫu, chi tiết ô tô, hàng không…là nhu cầu tất yếu Tuy nhiên với phương pháp gia công truyền thống đáp ứng u cầu cơng nghệ, cần phải tìm phương pháp gia công Trong phương pháp gia cơng phương pháp gia cơng chùm tia có nguồn nhiệt tập trung sử dụng phổ biến như: gia công chùm tia Plasma, gia công chùm tia điện tử, gia công chùm tia laser Trong gia cơng vật liệu laser công nghệ ứng dụng rộng rãi ngành gia công cắt gọt với lợi chất lượng gia công, hiệu kinh tế khả tạo hình so với phương pháp gia công truyền thống [2] Gia công chùm tia có mật độ lượng cao ưu lớn kỹ thuật laser Gia cơng laser thay cho số phương pháp cắt gọt học - vốn có ngưỡng định khơng thể vượt qua ngun cơng khó Vì gia công laser áp dụng nhiều lĩnh vực cơng nghiệp, đặc biệt với vật liệu khó gia công hợp kim cứng, gốm (ceramic), composite Phương pháp gia cơng laser có ưu điểm: Khơng cần dùng buồng chân khơng; khơng có vấn đề điện tích mơi trường; khơng có phóng xạ rơnghen, cơng suất xạ cao; thời gian nung nóng vật liệu ngắn, vùng chịu tác động nhiệt độ hẹp, vết cắt nhỏ, biến dạng nên đảm bảo độ xác chất lượng bề mặt gia cơng; q trình cắt khơng phụ thuộc vào tính phơi liệu nên phương pháp gia cơng khoan, hàn, cắt đứt vật liệu có độ bền cao, phi kim loại, khó gia cơng phương pháp truyền thống [3] Gia công kim loại laser vật liệu cứng nghiên cứu, ứng dụng phổ biến giới nhằm nâng cao chất lượng bề mặt gia công, chiều rộng vết cắt suất gia cơng, giảm chi phí sản xuất Tuy nhiên, kết công bố cho thấy việc nghiên cứu chưa đầy đủ, cịn nhiều khía cạnh để tiếp tục cần nghiên cứu Ở Việt Nam, phương pháp gia công laser hướng mới, ứng dụng y tế, giáo dục, quân sự, đo lường, khắc khuôn mẫu, cắt khắc mỹ thuật vật liệu kim loại, phi kim Đã có cơng trình nghiên cứu phương pháp gia cơng Các nghiên cứu dừng lại việc gia công vật liệu thép thường thép không gỉ SUS 304 Quá trình cắt kim loại laser q trình bao gồm nhiều thơng số có liên quan mật thiết với bao gồm thông số công nghệ, thông số vật lý lượng tử, vật lý quang học….Do đó, mối quan tâm đặc biệt nhà chế tạo sử dụng công nghệ cắt laser nâng cao suất chất lượng sản phẩm, giảm chi phí sản xuất Các khía cạnh thực đưa thông số công nghệ gia công hợp lý, đặc biệt gia cơng vật liệu có độ cứng cao mà phương pháp gia công truyền thống khó thực chi phí gia cơng lớn Vì vậy, việc nghiên cứu chất, xác định yếu tố ảnh hưởng đến chất lượng bề mặt, độ rộng rãnh cắt nhằm tìm biện pháp nâng cao hiệu q trình cải tiến cơng nghệ chế tạo gia công mở rộng khả ứng dụng công nghệ gia công laser Việt Nam cần thiết cấp bách Mục đích, đối tượng phạm vi nghiên cứu luận án 2.1 Mục đích nghiên cứu Mục đích luận án nghiên cứu phương pháp gia công laser vật liệu kim loại có độ cứng cao áp dụng gia công vật liệu SKD 11 Nghiên cứu mối quan hệ thông số đầu vào (công suất laser P, vận tốc cắt v, đường kính đầu cắt d) thơng số đầu (chiều rộng rãnh cắt b, độ nhám bề mặt Ra, độ cứng tế vi HV) gia công laser vật liệu SKD 11 2.2 Đối tượng nghiên cứu Đối tượng nghiên cứu luận án là: trình cắt thép SKD11 phương pháp gia công laser 2.3 Phạm vi nghiên cứu - Nghiên cứu tổng quan sở lý thuyết q trình gia cơng laser loại vật liệu: thép cac-bon, thép hợp kim, vật liệu phi kim… nhằm xác định giới hạn nghiên cứu luận án tập trung vào ứng dụng công nghệ gia công laser thép hợp kim SKD 11dạng chiều dày mm có độ cứng cao máy cắt laser 3015CNC – Raycus 3300W có doanh nghiệp sản xuất khí Việt Nam - Nghiên cứu đề xuất điều kiện thực nghiệm khoa học phương pháp quy hoạch thực nghiệm Taguchi, phân tích ANOVA quy hoạch trực giao để đánh giá ảnh hưởng thông số cơng nghệ đầu vào q trình cắt tia laser thép SKD 11 đến hàm đa mục tiêu đầu gồm chiều rộng rãnh cắt, độ nhám bề mặt độ cứng vật liệu sau gia công Phương pháp nghiên cứu Kết hợp nghiên cứu lý thuyết với thực nghiệm, ứng dụng phần mềm tin học chuyên ngành để xử lý kết thống kê toán học thực nghiệm Ý nghĩa khoa học thực tiễn luận án Ý nghĩa khoa học: + Kết nghiên cứu lý thuyết thực nghiệm luận án trình cắt thép SKD 11 có độ cứng cao đến tính gia cơng làm sáng tỏ hiệu phương pháp gia công laser loại vật liệu khó cắt gọt phương pháp thơng thường khác; + Bằng thực nghiệm đưa mơ hình tốn học biểu diễn ảnh hưởng thơng số cơng nghệ gia cơng laser gồm cơng suất laser (P); vận tốc cắt (v) đường kính đầu cắt laser (d) đến chất lượng gia công thông qua hàm mục tiêu chiều rộng rãnh cắt độ nhám bề mặt vật liệu thép SKD 11 Ý nghĩa thực tiễn: + Kết luận án ứng dụng cho doanh nghiệp sản xuất khí Việt Nam gia cơng vật liệu thép hợp kim SKD 11 mác thép khác có độ cứng cao; + Kết luận án sử dụng tốt làm liệu tham khảo cho đào tạo trình độ đại học sau đại học lĩnh vực chun ngành Kỹ thuật khí Những đóng góp luận án 1) Đã hệ thống hóa số kết nghiên cứu công nghệ gia công kim loại tia laser đánh giá ảnh hưởng số thông số cơng nghệ q trình cắt vật liệu có độ cứng cao laser Từ đưa lựa chọn thơng số đầu vào gồm: cơng suất laser (P); vận tốc cắt (v) đường kính đầu cắt laser (d) để thực nghiệm nghiên cứu khảo sát ảnh hưởng chúng đến hàm mục tiêu đầu gồm tiêu chí đánh giá là: chiều rộng rãnh cắt (b) độ nhám bề mặt gia công (Ra) với miền quy hoạch thực nghiệm luận án vật liệu cần gia cơng có độ cứng cao thép hợp kim SKD 11 có sở khoa học; 2) Bằng phương pháp quy hoạch thực nghiệm khoa học xây dựng mơ hình tốn học đốn chất lượng gia cơng thép SKD 11 phương pháp cắt laser thơng qua hai tiêu chí là: chiều rộng rãnh cắt (b) độ nhám bề mặt (Ra) phụ thuộc vào thống số công nghệ giới hạn miền khảo sát chọn công thức (4.7) (4.15) tương ứng Đồng thời đưa đồ thị trực quan dạng 3D hai mơ hình tốn học này, qua dễ dàng phân tích đánh giá mức chất lượng gia cơng thép SKD 11 nhận tùy thuộc vào chế độ cắt thay đổi điểm nút quy hoạch nội suy giới hạn miền khảo sát thông số công nghệ đầu vào chọn: - Mơ hình chiều rộng rãnh cắt: −4 = 1,2995 − 3,171 10 −4 − 7,594 10 (4.7) + 0,07082 + 2,59 10−7 − 2,597 10−5 - Mơ hình độ nhám bề mặt gia cơng: (4.15) 3) Từ việc phân tích số liệu thống kê thực nghiệm xác định thứ tự mức độ ảnh hưởng tham số đầu vào đến thông số đầu sau: - Chiều rộng rãnh cắt: cơng suất laser có ảnh hưởng mạnh (P = 59,18%), tiếp vận tốc cắt (v = 21,52 %) cuối đường kính đầu cắt (d = 18,98 %); - Độ nhám bề mặt gia cơng: vận tốc cắt có ảnh hưởng mạnh (v = 45,73 %), tiếp sau công suất laser (P = 36,95 %) cuối đường kính đầu cắt (d = 15,93 %); - Độ cứng tế vi cắt laser: Từ kết cho hình 4.15 hình 4.16 cho thấy: cơng suất laser có ảnh hưởng mạnh (P = 54,18%), tiếp vận tốc cắt (v = 28,98 %) cuối đường kính đầu cắt (d = 7,56%) 4) Bằng phương pháp tối ưu hóa hàm mục tiêu, đề xuất thông số công nghệ cắt laser hợp lý, đảm bảo nhận chiều rộng rãnh cắt (b) độ nhám bề mặt (Ra) đạt giá trị nhỏ điều kiện nghiên cứu (tức chất lượng gia công tốt nhất) gồm: công suất laser P = 2200 W; vận tốc cắt v = 1800 mm/ph đường kính đầu cắt d = 2,5 mm Bố cục luận án Bố cục luận án trình bày 04 chương: Chương 1: Tổng quan phương pháp gia công laser Chương 2: Cơ sở lý thuyết gia công hợp kim cứng laser Chương 3: Phương pháp, mơ hình thiết bị thực nghiệm gia công laser Chương 4: Nghiên cứu thực nghiệm xác định mối quan hệ tham số đầu vào thông số đầu gia công vật liệu SKD 11 laser Ra=2,4843.P0,612.v- 0,591 d0.165 TỔNG QUAN VỀ PHƯƠNG PHÁP GIA CÔNG BẰNG LASER Trong chương tập trung xem xét, đánh giá công bố gia công laser liên quan đến nội dung sau: Tổng quan đặc điểm q trình gia cơng thép hợp kim cứng, đặc điểm gia công laser, đặc điểm thép hợp kim SKD 11 Các hướng nghiên trình gia cơng laser vật liệu kim loại: đánh giá ảnh hưởng thông số công nghệ đến chiều rộng chất lượng bề mặt rãnh cắt 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 thép SKD11 1.2 Tổng quan tình hình nghiên cứu ngồi nước 1.2.1 Tình hình nghiên cứu nước Các nghiên cứu nước tập trung sâu nghiên cứu vấn đề sau đây: - Nghiên cứu đánh giá ảnh hưởng thông số cắt đến chiều rộng rãnh cắt, độ nhám bề mặt vật liệu thép bon thấp - Nghiên cứu đánh giá ảnh hưởng thông số cắt đến chiều rộng rãnh cắt, độ nhám bề mặt vật liệu thép hợp kim: Inconel 718, thép không gỉ AISI316L, thép cường độ cao 22MnB5…Các kết nghiên cứu ra: - Khi tăng cơng suất laser chiều rộng rãnh cắt tăng lên, ngược lại chiều rộng rãnh cắt giảm tăng vận tốc cắt Điều cường độ công suất cao làm tăng khả nóng chảy loại bỏ vật liệu khỏi rãnh cắt, tăng vận tốc cắt trì cơng suất laser làm giảm tốc độ loại bỏ vật liệu khỏi rãnh cắt - Khi công suất laser tăng độ nhám bề mặt cắt tăng ngược lại tăng vận tốc cắt độ nhám bề mặt giảm, nhiên tăng vận tốc cắt lớn thời gian tương tác laser với vật liệu không đủ để cắt vật liệu dẫn đến vết cắt tạo xỉ phần vết cắt, độ nhám bề mặt tăng lên - Khi cắt vận tốc cắt thấp, mức công suất laser cao dẫn đến lượng laser dư thừa hấp thụ vào vết cắt, lúc vật liệu nóng chảy mức tạo hình thành vân chồng lên bề mặt Áp suất khí thổi ảnh hưởng lớn đến chất lượng bề mặt, áp suất khí thổi lớn thổi vật liệu nóng chảy khỏi bề mặt nhanh ngăn cản bám vật liệu nóng chảy lên bề mặt cắt Vật liệu SKD11 thực nhiều phương pháp gia công khác gia công phay cao tốc[12], gia cơng cắt dây tốc độ trung bình (MS-WEDM) [13], phương pháp gia cơng phay có trợ nhiệt TAM gia nhiệt cảm ứng [14]…Qua khảo sát nghiên cứu phương pháp gia công laser vật liệu SKD11 nhận thấy chưa quan tâm cách đầy đủ 1.2.2 Tình hình nghiên cứu nước Hiện nay, Việt Nam phương pháp gia công laser hướng Đã có cơng trình nghiên cứu phương pháp gia cơng Điển hình: Tác giả Đỗ văn Vũ, Bùi Tiến Đạt [59] nghiên cứu ảnh hưởng công suất cắt, vận tốc cắt, áp suất khí thổi, khoảng cách đầu cắt, đường kính đầu cắt tới chiều rộng mạch cắt vùng ảnh hưởng nhiệt vật liệu théo CT3 thép không gỉ SUS-304; tác giả Nguyễn Hữu Quang [60] “Nghiên cứu triển khai ứng dụng máy laser CO – SM1000MC Viện máy dụng cụ công nghiệp vào việc gia công kim loại”, nghiên cứu sử dụng laser CO2 công suất 1000W cắt vật liệu thép C45, thép thép không gỉ SUS304 nhằm đánh giá ảnh hưởng thông số công suất laser, vận tốc cắt, lưu lượng khí, đến chất lượng chiều rộng rãnh cắt; tác giả Ngô Đức Định [61] “ Nghiên cứu ảnh hưởng số yếu tố công nghệ đến suất chất lượng cắt tia laser”, nghiên cứu sử dụng laser CO2 công suất 3000W máy cắt laser TruLaser 3030-CNC cắt vật liệu thép CT3 thép không gỉ SUS 304 với chiều dày phôi 1mm, 1.2 mm, mm, 3mm mm Kết luận chương 1) Gia cơng vật liệu kim loại có độ cứng cao thường gặp nhiều khó khăn chi phí cao sử dụng phương pháp gia cơng truyền thống, giá thành dụng cụ gia công chiếm đến 60 – 90 % giá thành sản phẩm; 2) Phương pháp gia công laser ứng dụng để cắt loại vật liệu cứng, có độ bền cao có hiệu cao thay cho phương pháp gia công truyền thống; 3) Vật liệu thép hợp kim SKD 11 theo tiêu chuẩn Nhật Bản loại vật liệu áp dụng rộng rãi ngành chế tạo khuôn mẫu giưới nước ta, thực nhiều phương pháp gia công khác nhau: phay, cắt dây, tiện kết hợp với gia nhiệt laser, gia công mài,… Tuy nhiên, ứng dụng phương pháp gia cơng laser cho q trình cắt số vật liệu thông thường Việt Nam phổ biến, thép hợp kim SKD 11 dạng cịn vấn đề mở cần có nghiên cứu chuyên sâu mà đề tài luận án lựa chọn nhằm đưa thống số công nghệ hợp lý cắt thiết bị máy cắt laser 3015 CNC – Raycus cơng suất 3300 W có doanh nghiệp sản xuất khí Việt Nam CƠ SỞ LÝ THUYẾT GIA CÔNG HỢP KIM CỨNG BẰNG LASER 2.1 Cơ sở lý thuyết laser 2.1.1 Bản chất laser 2.1.2 Cấu tạo nguyên lý làm việc nguồn phát laser 2.1.3 Sự tương tác laser kim loại 2.1.4 Khả hấp thụ laser vật liệu 2.2 Gia công cắt laser 2.2.1 Nguyên lý cắt laser Cắt laser trình cắt nhiệt, đường cắt (rãnh cắt) hình thành tác động gia nhiệt chùm laser ngang qua tập trung có mật độ cơng suất 104W/mm2 kết hợp với dịng khí hỗ trợ Chùm tia laser hội tụ làm nóng chảy vật liệu suốt chiều dày vật liệu kết hợp với dịng khí thổi đồng trục với tia laser thổi bay vật liệu nóng chảy khỏi rãnh cắt Quá trình cắt thuật ngữ liên quan minh họa (Hình 2.9 & 2.10) Hình 2.9 Quá trình cắt laser [67] Hình 2.10 Các thuật ngữ liên quan đến trình cắt laser [68] 2.2.2 Các phương pháp cắt laser 2.2.2.1 Cắt laser nhiệt hạch – nhiệt (Laser fusion cutting) Hình 2.11 Quá trình cắt laser nhiệt hạch – nhiệt [70] 2.2.2.2 Phương pháp cắt laser thăng hoa (Laser sublimation) Hình 2.12 Quá trình cắt laser thăng hoa [70] 2.2.2.3 Cắt laser oxy Hình 2.13 Q trình cắt laser ơxy[70] 2.3 Các thơng số cơng nghệ q trình cắt laser Chất lượng trình cắt laser chịu ảnh hưởng thông số công nghệ liên quan đến hệ thống laser, vật liệu quy trình (hình 2.14) [70] Hình 2.14 Các thơng số ảnh hưởng đến q trình cắt [70] 2.3.1 Cơng suất laser 2.3.1.1 Cơng suất laser cần thiêt cắt kim loại sử dụng ôxy làm khí hỗ trợ Cân lượng mặt cắt trước rãnh cắt cắt laser kim loại sử dụng khí ơxy hỗ trợ cho phương trình 2.7 Tỷ lệ thể tích vật liệu bị hóa coi khơng đáng kể chiều dày phơi có tiết diện lớn (2.7) + = ( Δ + )+ Hình 2.24 Hình dạng thơng số hình học đầu cắt [77] 2.3.4 Vận tốc cắt Vận tốc cắt tốc độ di chuyển nguồn nhiệt tập trung bề mặt phôi Tại công suất xạ cố định, tăng dần vận tốc cắt tức thời gian lưu lại nguồn nhiệt bề mặt giảm, khả lan truyền nguồn nhiệt sang vùng lân cận giảm chiều rộng rãnh cắt vùng ảnh hưởng nhiệt nhỏ Nếu tiếp tục tăng vận tốc cắt xảy tượng cắt khơng đứt gọi điểm giới hạn vận tốc, vận tốc nguồn nhiệt tập trung không đủ thời gian để nung chảy vật liệu cần cắt Hình 2.25 Cơng suất so với vận tốc cắt cắt nguồn laser vật liệu khác [78] 2.3.5 Áp suất loại khí hỗ trợ 2.3.6 Đặc tính nhiệt Phương trinh truyền nhiệt tổng quát [2] Dựa vào định luật nhiệt động học, phương trình truyền nhiệt khơng gian chiều có dạng: ∫ ( ) = [ ( ) ∂x ]+ ∂x [ ( ) ∂y ]+ ∂y [ ( ) ∂z ] + Q(x, y, z) ∂z (2.17) đây:  khối lượng riêng vật liệu chi tiết; c(T)  nhiệt lượng riêng phụ thuộc nhiệt độ vật liệu; k(T) hệ số dẫn nhiệt phụ thuộc vào nhiệt độ; Q(x,y,z) tiêu thụ nhiệt cung cấp cho đơn vị thể tích vật rắn đơn vị thời gian; T = T(x,y,z,t) phân bố nhiệt độ vật liệu phụ thuộc vào thời gian không gian chiều; T thời gian; To nhiệt độ ban đầu; x, y, ztọa độ đề - 11 2.4 Đặc điểm chất lượng gia công laser 2.4.1 Chiều rộng rãnh cắt Rãnh cắt hình thành tác động gia nhiệt chùm laser ngang qua tập trung có mật độ cơng suất 10 4W/mm2 kết hợp với dịng khí hỗ trợ Chùm tia laser hội tụ làm nóng chảy vật liệu suốt chiều dày vật liệu kết hợp với dịng khí thổi đồng trục với tia laser thổi bay vật liệu nóng chảy khỏi rãnh cắt (hình 2.27 & 2.28) Chiều rộng rãnh cắt khoảng cách hai bề mặt cắt ngăn cách đường cắt laser Hình 2.27 Chiều rộng rãnh cắt gia cơng laser [43] Hình 2.28 Chiều rộng rãnh cắt thép thường 15mm (P = 4kW, pk oxy = 0,1 MPa, v = mm/ph, tiêu cự h = 254 mm a) tiêu cự f = -12 mm; b) tiêu cự f = -4mm [72] Chiều rộng rãnh cắt viết sau [83]: (2 ) 2,51√ √ ( − ) (2.25) = )( + 3,08 10 ( [ √ 3√ ) √ ] đó: - đường kính phân tử (đo Ao – đơn vị Angstrom);Mw – khối lượng phân tử (g/mol) khí hỗ trợ; P g vàg áp suất khối lượng riêng khí hỗ trợ;u – Hệ số nhiệt vùng nóng chảy 12 2.4.2 Độ nhám bề mặt gia công laser Hình 2.34 Sự hình thành vân bề mặt cắt[77] 2.4.3 Vùng ảnh hưởng nhiệt (HAZ) Hình 2.35 Sơ đồ ảnh hưởng nhiệt trình cắt laser[77] Hình 2.36 Vùng ảnh hưởng nhiệt cắt laser sử dụng khí hỗ trợ N2 (P = 1200W, v = 1000mm/ph) [74] Kết luận chương Từ vấn đề trình bày chương ta có kết luận sau: 1) Các thông số công nghệ như: công suất cường độ tia laser; chất lượng chùm tia; tần số xung; loại áp suất khí cắt; độ dài tiêu cự quang cụ hội tụ; vị trí tiêu cự; vận tốc cắt; đường kính đầu cắt; hhoảng cách đầu cắt chi tiết gia công với bề mặt vật liệu; thuộc tính vật liệu; đặc tính bề mặt chi tiết gia cơng; độ dày vật liệu,… có ảnh hưởng đến chất lượng gia công tia laser; 2) Hiện phổ biến ba phương pháp cắt laser gồm: cắt laser nhiệt hạch – nhiệt; cắt laser thăng hoa cắt laser ôxy Việc lựa chọn ba phương pháp cắt laser có ảnh hưởng đến chất lượng gia cơng; 3) Phương pháp cắt laser nhiệt hạch – nhiệt phù hợp việc ứng dụng cho gia công loại vật liệu như: thép không gỉ, thép hợp kim có độ cứng cao nhiệt độ nóng chảy cao thép SKD 11 Luận án chọn phương pháp để tiến hành xây dựng hệ thống thí nghiệm với mục tiêu đề phần đầu trình bày chương 13 PHƯƠNG PHÁP, MƠ HÌNH VÀ THIẾT BỊ THỰC NGHIỆM GIA CƠNG BẰNG LASER 3.1 Nội dung phương pháp quy hoạch thực nghiệm 3.1.1 Nội dung thiết kế thực nghiệm 3.1.2 Phương pháp quy hoạch thực nghiệm 3.1.3 Tối ưu hóa mục tiêu [87] 3.2 Xây dựng mơ hình thực nghiệm 3.2.1 Các nội dung 3.2.2 Sơ đồ thực nghiệm tổng qt Hình 3.8 Các thơng số đầu vào đầu gia công laser 3.2.3 Điều kiện đầu vào Từ kết thí nghiệm thăm dị khả cơng nghệ thiết bị gia cơng vật liệu SK D11 với chiều dày phôi mm, chọn thông số đầu vào sau: - Với công suất laser P: 2200 W P 2600 W; - Vận tốc cắt v: 1500 mm/ph v 1800 mm/ph; - Đường kính đầu cắt d: 2,5 mm d 4,5 mm 3.2.4 Các đại lượng đầu Chiều rộng rãnh cắt, b (mm); Độ nhám bề mặt, Ra (µm); Độ cứng tế vi bề mặt cắt HV 3.2.5 Các đại lượng cố định 3.2.6 Các đại lượng không điều khiển (nhiễu) 3.3 Điều kiện thực nghiệm 3.3.1 Vật liệu tiến hành thực nghiệm 3.3.2 Máy cắt laser 3015 CNC - Raycus 3300W 3.3.3 Các thiết bị đo dùng cho thực nghiệm 3.4 Thiết kế thực nghiệm 14 Bảng 3.4 Giá trị biến thiên miền thực nghiệm Bước điều Thông số Đơn vị Giá trị chỉnh Công suất (P) W 200 2200 2600 Vận tốc cắt (v) mm/ph 150 1500 1800 Đường kính đầu cắt (d) mm 1,0 2,5 4,5 Bảng 3.5 Tham số điều khiển mức độ Mức độ Ký hiệu Tham số điều khiển Đơn vị A B C Công suất (P) W 2200 2400 2600 Vận tốc cắt (v) mm/ph 1500 1650 1800 Đường kính đầu cắt (d) mm 2,5 3,5 4,5 Bảng 3.6 Mảng trực giao L9 gia công laser Thí nghiệm số P (W) v (mm/ph) d (mm) 1 1 2 3 2 2 3 3 Bảng 3.7 Ma trận thí nghiệm L9 Thí nghiệm số P (W) v (mm/ph) d (mm) 2200 1500 2,5 2200 1650 3,5 2200 1800 4,5 2400 1500 3,5 2400 1650 4,5 2400 1800 2,5 2600 1500 4,5 2600 1650 2,5 2600 1800 3,5 15 Bảng 3.8 Ma trận kế hoạch thực nghiệm trực giao cấp Số Cơng suất Vận tốc cắt Đường kính X1 X2 X3 TN P (W) v (mm/ph) d (mm) -1 -1 2200 1500 3,5 -1 2600 1500 3,5 -1 2200 1800 3,5 1 2600 1800 3,5 -1 -1 2200 1650 2,5 -1 2600 1650 2,5 -1 2200 1650 4,5 1 2600 1650 4,5 -1 -1 2400 1500 2,5 10 -1 2400 1800 2,5 11 -1 2400 1500 4,5 12 1 2400 1800 4,5 13 0 2400 1650 3,5 14 0 2400 1650 3,5 15 0 2400 1650 3,5 Kết luận chương 1) Đã xây dựng sơ đồ thí nghiệm, hệ thống trang thiết bị cho nghiên cứu thực nghiệm gia công cắt vật liệu thép SKD 11 laser phù hợp với điều kiện thiết bị máy cắt laser 3015 CNC – Raycus 3300 W có Việt Nam, đáp ứng mục tiêu nghiên cứu đề luận án; 2) Đưa thông số công nghệ miền giới hạn cần nghiên cứu khảo sát thực nghiệm để có đánh giá ảnh hưởng thơng số cơng nghệ đến chất lượng mạch cắt thép SKD 11 gồm: công suất laser P: 2200 W P 2600 W; vận tốc cắt v: 1500 mm/ph ) v  1800 mm/ph đường kính đầu cắt d: 2,5 mm d 4,5 mm; 3) Lựa chọn phương pháp thiết kế thực nghiệm Taguchi mảng trực giao phù hợp (L9) đồng thời áp dụng phân tích phương sai ANOVA để định lượng ảnh hưởng thông số công nghệ đầu vào đến tham số đầu Lựa chọn phương pháp thiết kế quy hoạch trực giao để xây dựng mơ hình tốn học thông số công nghệ đầu vào với chiều rộng, nhám bề mặt rãnh cắt Các điều kiện thực nghiệm đảm bảo độ tin cậy số liệu thống kê toán học thực nghiệm cần thiết 16 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 SKD11 BẰNG LASER 4.1 Đánh giá ảnh hưởng thông số công nghệ đến chiều rộng rãnh cắt, chất lượng bề mặt 4.1.1 Ảnh hưởng thông số công nghệ đến chiều rộng rãnh cắt 4.1.1.1 Ảnh hưởng công suất laser đến chiều rộng rãnh cắt Hình 4.1 Đồ thị ảnh hưởng công suất laser (P) đến chiều rộng rãnh cắt (b) Từ hình 4.1 cho thấy thực thí nghiệm vật liệu thép SKD 11 chiều dày mm có quy luật chiều rộng rãnh cắt tăng lên công suất laser tăng Sự gia tăng chiều rộng đáng ý đường kính đầu cắt 2,5 mm, phạm vi thay đổi chiều rộng cắt từ 0,451 mm đến 0,505 mm công suất thay đổi từ 2200 Wđến 3000 W vận tốc cắt 1650 mm/ph, điều lý giải công suất lớn 3000 W, lượng nhiệt tập trung bề mặt lớn, lượng vật liệu nóng chảy đẩy khỏi bề mặt rãnh cắt nhiều Tại công suất 2200 W, đường kính đầu cắt 2,5 mm cho chiều rộng rãnh cắt nhỏ 0,451 mm 4.1.1.2 Ảnh hưởng vận tốc cắt đến chiều rộng rãnh cắt Hình 4.2 Đồ thị ảnh hưởng vận tốc cắt (v) đến chiều rộng rãnh cắt (b) Với kết thực nghiệm ta kết luận vận tốc cắt tỷ lệ nghịch với chiều rộng rãnh cắt (hình 4.2) Cụ thể, chiều rộng rãnh cắt 0,489 mm vận tốc cắt 1500 mm/ph công suất laser 2200 W giảm 17 xuống 0,421 mm vận tốc cắt 2100 mm/ph Ở ba mức công suất vận tốc cắt từ 1500 mm/ph đến 1800 mm/ph chiều rộng rãnh cắt giảm không đáng kể Tuy nhiên, tăng vận tốc cắt lên đến 2100 mm/ph chiều rộng rãnh cắt giảm xuống tương đối có giá trị 0,421 mm Nguyên nhân vận tốc cắt tăng lên, tương tác chùm laser lên vật liệu hơn, lượng vật liệu nóng chảy thổi khỏi rãnh cắt 4.1.1.3 Ảnh hưởng đường kính đầu cắt đến chiều rộng rãnh cắt Hình 4.3 Mối quan hệ đường kính đầu cắt (d) chiều rộng rãnh cắt(b) Hình 4.5 Hình ảnh rãnh cắt có bavia sử dụng đường kính đầu cắt d = 5.0 mm Ảnh hưởng đường kính đầu cắt thể hình 4.3 Kích thước đường kính đầu cắt ảnh hưởng khơng đáng kể đến chiều rộng rãnh cắt, công suất 2400 W, vận tốc cắt 1800 mm/ph chiều rộng rãnh cắt tăng không đáng kể tử 0,472 mm đến 0,486 mm Tuy nhiên, đường kính đầu cắt tăng (d = 5,0 mm) áp suất khí P k = 1,0 MPa lúc áp suất khí khơng đủ để đẩy kim loại khỏi vùng gia công, để lại nhiều bavia (xỉ) đọng mặt gia cơng (hình 4.5) 4.1.2 Ảnh hưởng thông số công nghệ đến nhám bề mặt rãnh cắt 4.1.2.1 Ảnh hưởng cơng suất laser đến nhám bề mặt Hình 4.6 Đồ thị ảnh hưởng công suất laser (P) đến độ nhám bề mặt (Ra) Kết hình 4.6 cho thấy, cắt vận tốc cắt 1800 mm/ph, với đường kính đầu cắt 2,5 mm cơng suất laser tăng từ 2200 W 3000 W, độ nhám bề mặt rãnh cắt tăng từ 3,726 µm 4,662 µm điều 18 mức công suất laser cao dẫn đến lượng laser dư thừa hấp thụ vào vết cắt, lúc vật liệu nóng chảy mức tạo hình thành vân chồng lên bề mặt 4.1.2.2 Ảnh hưởng vận tốc cắt đến nhám bề mặt Hình 4.7 Đồ thị ảnh hưởng vận tốc cắt (v) đến độ nhám bề mặt (Ra) Trong q trình gia cơng laser, vận tốc cắt ảnh hưởng đến tốc độ loại bỏ vật liệu chất lượng bề mặt cắt Ở vận tốc cắt thấp (