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

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 khí Mã số : 9520103 LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT CƠ KHÍ NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC PGS TS LÊ GIANG NAM TS NGUYỄN TRƯỜNG GIANG Hà Nội – 2021 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: Khn mẫu, chi tiết ô tô, hàng không…là nhu cầu tất yếu Tuy nhiên với phương pháp gia công truyền thống đáp ứng yêu cầu cơng nghệ, cần phải tìm phương pháp gia cơng 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 cơng truyền thống [2] Gia cơng 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 cơng laser áp dụng nhiều lĩnh vực công nghiệp, đặc biệt với vật liệu khó gia cơng 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 khơng gỉ SUS 304 Q trình cắt kim loại laser 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 cơng 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, chiều rộng rãnh cắt nhằm tìm biện pháp nâng cao hiệu 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) thông 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: Khảo sát thực nghiệm trình cắt thép SKD 11 phương pháp gia cơng 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 thông 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 công 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 1) Những đóng góp luận án Đã hệ thống hóa số kết nghiên cứu công nghệ gia công kim loại tia laser đánh giá ảnh hưởng số thông số công 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 (R a) 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 -4 -7 -5 =1,2995-3,171.10 P-7,594.10 v+0,07082.d+2,59.10 P.v-2,597.10 P.d - Mơ hình độ nhám bề mặt gia cơng: (4.7) Ra=2,4843.P0,612.v- 0,591 d0.165 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 cơng 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 TỔNG QUAN VỀ PHƯƠNG PHÁP GIA CÔNG BẰNG LASER 1.1 Đặc điểm q trình gia cơng thép hợp kim cứng 1.1.1 Đặc điểm thép hợp kim cứng Thép hợp kim cứng loại thép sử dụng nhiều công nghiệp khuôn mẫu, mũi khoan, cánh tuabin, ô tô, xe máy, hàng khơng… tính chất hợp kim có độ bền độ cứng cao, khả chống mài mòn tốt khả chống ăn mịn cao [4] Tuy nhiên, gia cơng vật liệu cứng gặp nhiều khó khăn phương pháp gia cơng truyền thống giá thành dụng cụ gia cơng vật liệu cứng cao chiếm khoảng 60-90% chi phí sản phẩm [5] Các loại vật liệu khó gia cơng thép hợp kim cứng nhiệt độ thường có số đặc điểm sau: Độ bền học vật liệu cứng trì trình gia cơng nhờ tính chất bền nhiệt chúng; Hiện tượng biến cứng xảy nhanh trình gia cơng dẫn đến làm mài mịn dụng cụ nhanh; Phản ứng hóa học vật liệu dụng cụ cắt vật liệu gia công xảy nhiệt độ cắt cao, gây mịn khuếch tán dụng cụ [6] Vì gia công phương pháp truyền thống vật liệu cứng, nên phương pháp gia công phay tiện chứng tỏ không mang lại hiệu quả, việc thường xuyên thay đổi dụng cụ cắt mòn, vận tốc cắt thấp, chiều sâu cắt bị hạn chế Vì vậy, số phương pháp gia cơng tiên tiến áp dụng để gia công loại vật liệu [3]: Phương pháp gia công như: Phương pháp gia công siêu âm, gia cơng tia nước có hạt mài…; - Phương pháp gia cơng điện hóa: Mài điện hóa, gia cơng lỗ điện hóa…; Phương pháp gia cơng nhiệt: Gia công tia lửa điện, gia công cắt dây tia lửa điện, gia công Laser… 1.1.2 Đặc điểm gia công laser So với phương pháp gia công truyền thống, phương pháp gia cơng tiên tiến có đặc tính ưu việt như: Có khả gia cơng tất loại vật liệu với tính chất lý chúng khơng ảnh hưởng nhiều đến suất chất lượng; không cần sử dụng dụng cụ chuyên dùng; tiết kiệm lớn ngun vật liệu; đạt độ xác gia cơng cao… Cắt laser dựa hiệu ứng nhiệt xạ laser xảy nguồn nhiệt di chuyển liên tục có chu kỳ, tạo thành vết có mật độ công suất cao hệ quang đặc biệt Tùy thuộc vào đặc điểm cấu tạo máy phát thực chế độ cắt laser liên tục xung có chu kỳ Hiện nay, để cắt vật liệu, người ta thường sử dụng laser hoạt động chế độ liên tục Ở đây, có nhiều chế cắt laser khác dựa nhiều dạng q trình: bay vật liệu, nóng chảy với loại bỏ vật liệu nóng chảy khỏi vùng cắt, phản ứng cháy hóa học, phân hủy với việc tách hợp chất dễ bay Cắt vật liệu laser chế độ liên tục thực đặc biệt có hiệu vùng gia cơng với chùm tia laser, cịn luồng khí thổi tới giúp việc đẩy phế liệu khỏi vùng cắt, số trường hợp khí thổi có tác dụng thúc đẩy phản ứng hóa học vị trí tương tác xạ kim loại (cắt laser-khí thổi) Trong trường hợp khí thổi hỗ trợ cho việc đẩy phế liệu khỏi vùng cắt thường sử dụng khí trơ khí trung hịa (Ar, N 2, CO2), cịn trường hợp khí thổi có tác dụng thúc đẩy phản ứng hóa học thường sử dụng ơxy khí nén [7] Tùy thuộc vào tính chất kim loại gia cơng loại khí thổi, ta phân biệt hai chế cắt laser khí thổi: hóa học vật lý học Loại chế thứ nhất, đặc trưng đóng góp chủ yếu lượng phản ứng cháy vào cân nhiệt lượng chung Khi thực chế cắt hóa học có hai chế độ: chế độ cắt có điều khiển mà nhiệt lượng phản ứng cháy để bổ sung vào hiệu ứng tương tác xạ laser, chế độ cắt khơng có điều khiển (cắt hơi) mà kim loại cháy nhiệt phản ứng cháy toàn đường kính dịng khí, cịn lượng laser dùng để khởi động phản ứng Loại chế thứ hai: Bao gồm việc làm nóng chảy kim loại xạ laser loại bỏ chất nóng chảy khỏi vùng cắt dịng khí Cơ chế thường nhận thấy gia cơng kim loại có hiệu ứng nhiệt phản ứng cháy nhỏ kim loại cháy tạo xít chịu lửa sử dụng khí trơ làm khí thổi Trong phương pháp cắt nóng chảy (hình 1.1), lượng tia laser làm nóng chảy vật liệu vật liệu nóng chảy thổi khỏi vùng gia cơng nhờ luồng khí đồng trục Khí thổi thường dùng trường hợp khí N Argon (Ar), khí thổi vào vùng cắt áp suất từ 0,2 MPa có vai trị làm mát vật liệu, đẩy kim loại nóng chảy ngồi, mép cắt khơng bị ơxy hóa [8] Hình 1.1 Sơ đồ cắt nóng chảy laser [9] Phương pháp gia cơng laser tập trung nghiên cứu phát triển ứng dụng trình cắt kim loại vào đầu năm 1970 [2] Bản chất phương pháp gia công sử dụng nguồn nhiệt lớn tia laser tạo từ nguồn laser để làm nóng chảy bốc vật liệu, nhằm tạo chi tiết theo yêu cầu kĩ thuật vẽ Chùm tia laser sau hội tụ có khả tạo bề mặt vật liệu gia cơng dịng ánh sáng với mật độ cao, theo chế độ liên tục xung, đảm bảo tạo nên nhiệt độ đủ để đốt nóng, làm nóng chảy bay vật liệu Phương pháp thường sử dụng sản xuất cơng nghiệp địi hỏi sản phẩm có độ xác, thẩm mỹ cao tiết kiệm lượng Với ưu điểm phương pháp cắt laser sau: + Vết cắt có chiều rộng hẹp giúp tiết kiệm đáng kể vật liệu gia công; + Mép cắt phẳng đạt chất lượng khơng có bavia phương pháp gia công nhiệt khác, bề mặt vết cắt đạt độ nhẵn không cần phải qua bước công nghệ khác để xử lý; + Vùng ảnh hưởng nhiệt chùm tia laser gây nhỏ không làm biến dạng chi tiết; + Chiều sâu cắt phụ thuộc vào công suất nguồn laser Phạm vi để cắt đạt chất lượng với công suất từ 2 kW 1020 mm; + Có khả gia công tất loại vật liệu với tính chất lý Từ ưu điểm vượt trội phương pháp gia công laser để gia cơng loại vật liệu kim loại có độ cứng, độ bền cao, nên luận án lựa chọn phương pháp gia cơng để thực q trình cắt vật liệu có độ cứng cao 1.1.3 Đặc điểm thép SKD 11 Thép hợp kim SK D11 loại thép ứng dụng rộng rãi ngành khí khn mẫu Thép SK D11 có độ bền cao, khả chịu nhiệt tốt, độ dẻo dai tốt, độ cứng cao khả chịu mài mòn tốt [10] Thép SKD 11 sử dụng rộng rãi để sản xuất loại khuôn dập nguội khuôn đột dập, khuôn cắt, khuôn uốn…[11] Do đặc tính này, việc gia cơng thép SKD 11 thực quy trình gia cơng truyền thống mài tiện xuất nhiều hạn chế độ mòn dụng cụ cao, tốc độ loại bỏ vật liệu thấp, độ hoàn thiện bề mặt thấp tốn thời gian gia công Những vấn đề làm cho việc gia cơng thép SKD 11 trở thành q trình phức tạp tốn Do đó, ứng dụng sử dụng thép công cụ SKD 11 bị hạn chế ngành công nghiệp Điều dẫn đến việc địi hỏi tìm phương pháp gia cơng nhằm nâng cao khả gia công đồng thời đảm bảo đặc tính vật liệu mong muốn thép SKD 11 Vật liệu SKD 11 thực nhiều phương pháp gia công khác gia công phay cao tốc [12], gia công cắt dây tốc độ trung bình (MSWEDM) [13], phương pháp gia cơng phay có trợ nhiệt TAM gia nhiệt cảm ứng [14], phương pháp tiện kết hợp với gia nhiệt laser vật liệu SKD 11 [15], đánh giá ảnh hưởng chế độ cắt đến nhám bề mặt gia công tinh thép SKD 11 đá mài [16]… Qua khảo sát nghiên cứu phương pháp gia công laser vật liệu SKD 11 nhận thấy chưa quan tâm cách đầy đủ Với đặc điểm phương pháp gia cơng laser trình bày phương pháp gia cơng laser phù hợp để cắt vật liệu có nhiệt độ nóng o chảy cao thép SKD 11 (1773 C) [17] Tuy nhiên chất lượng cắt laser khó phán đốn tính chất nhiệt phức tạp q trình cắt Khi ngắt chùm tia laser, bề mặt nguội dẫn nhiệt đối lưu bề mặt Điều dẫn đến thay đổi nhanh chóng nhiệt độ vùng gần bề mặt cắt Vùng cắt đạt nhiệt độ cao tốc độ làm mát nhanh xung quanh mép cắt dẫn đến phát triển ứng suất mức vùng vượt sức bền vật liệu gây khuyết tật đứt gãy nứt bề mặt phơi Vì để tăng cao suất chất lượng sản phẩm gia công vật liệu SKD 11 laser, cần sử dụng hợp lý tham số công nghệ gia công như: công suất laser, vận tốc cắt, đường kính đầu cắt, khoảng cách đầu cắt, áp suất khí thổi vv… [73] W Schulz, D Becker, J Franke, R Kemmerling (1993), "Heat conduction losses in laser cutting of metals", Journal of Physics D: Applied Physics 26(9), 1357 [74] Majid Hashemzadeh (2014), Investigations into fibre laser cutting, University of Nottingham [75] W O’Neill, M Sparkes, M Varnham, R Horley (2004), High power high brightness industrial fiber laser technology, International Congress on Applications of Lasers & Electro-Optics, Laser Institute of America, 301 [76] H Hügel (2000), "New solid-state lasers and their application potentials", Optics and Lasers in Engineering 34(4-6), 213-229 [77] Catherine Wandera (2006), "Laser cutting of austenitic stainless steel with a high quality laser beam" [78] C Wandera, Veli Kujanpää A Salminen (2011), "Laser power requirement for cutting thick-section steel and effects of processing parameters on mild steel cut quality", Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers, Part B: Journal of Engineering Manufacture 225(5), 651-661 [79] Hud Wahab, Jürgen Gröninger, Klaus Dickmann, P Bruns (2014), "Optimization of Laser Cutting Quality with Design of Experiments: Cutting mild steel with high brightness diode lasers", Laser Technik Journal 11(5), 27-31 [80] H Golnabi M Bahar (2009), "Investigation of optimum condition in oxygen gas-assisted laser cutting", Optics & Laser Technology 41(4), 454-460 [81] K Abdel Ghany, H Abdel Rafea M Newishy (2006), "Using a Nd: YAG laser and six axes robot to cut zinc-coated steel", The International Journal of Advanced Manufacturing Technology 28(11), 1111-1117 [82] Amit Sharma Vinod Yadava (2018), "Experimental analysis of Nd-YAG laser cutting of sheet materials–A review", Optics & Laser Technology 98, 264-280 [83] A Kar, JA Rothenflue WP Latham (1997), "Scaling laws for thick‐section cutting with a chemical oxygen–iodine laser", Journal of Laser Applications 9(6), 279-286 [84] Catherine Wandera, Antti Salminen Veli Kujanpaa (2009), "Inert gas cutting of thick-section stainless steel and medium-section aluminum using a high power fiber laser", Journal of laser applications 21(3), 154-161 [85] John Powell (2012), CO2 Laser Cutting, Springer Science & Business Media [86] Miloš J Madić Miroslav R Radovanović (2012), "Analysis of the heat affected zone in CO2 laser cutting of stainless steel", Thermal Science 16(suppl 2), 363-373 [87] Nguyễn Đăng Bình Nguyễn Văn Dự (2011), Quy hoạch thực nghiệm kỹ thuật, NXB Khoa học kỹ thuật, Hà Nội [88] Nguyễn Dỗn Ý (2003), "Giáo trình quy hoạch thực nghiệm", Nhà xuất Khoa học Kỹ thuật, Hà Nội [89] Ranjit K Roy (2001), Design of experiments using the Taguchi approach: 16 steps to product and process improvement, John Wiley & Sons 117 [90] Triangular Table, Linear Graphs Upgrading Columns Experiment Design Solutions, "Design of Experiments (DOE) Using the Taguchi Approach" [91] Trần Văn Địch (2008), Các phương pháp xác định độ xác gia cơng (dùng cho trường cao đẳng đại học) [92] Imtiaz Ahmed Choudhury S Shirley (2010), "Laser cutting of polymeric materials: An experimental investigation", Optics & Laser Technology 42(3), 503-508 118 DANH MỤC CÁC CƠNG TRÌNH CƠNG BỐ CỦA LUẬN ÁN Hoàng Anh Tuấn, Lê Giang Nam, Đặng Vũ Vinh, Đỗ Hữu Thọ (2015), Phát triển điều khiển số CNC trục cho máy cắt laser công suất nhỏ, Tạp chí Cơ khí Việt Nam, số 11(2015) ISSN 0866-7056, trang 44-49 Lê Giang Nam, Hoàng Anh Tuấn, Nguyễn Văn Thành, Phan Tử Phúc, Nguyễn Văn Thành (2017), Nghiên cứu ảnh hưởng số thông số công nghệ đến bề rộng vết cắt chiều sâu gia công laser sở mô số , Kỷ yếu Hội nghị Cơ học toàn quốc lần thứ X 2017, trang 910-919 Giang-Nam Le, Anh-Tuan Hoang, Duc-Viet Nguyen, Manh-Tung Nguyen, Quang-Huy Nguyen (2018), A Method to determine Machining Parameters for Laser Cutting Machine Using Numerical Simulation, International Journal of Scientific Engineering and Science, Volume 2, Issue9, pp 65-68 Lê Giang Nam, Hoàng Anh Tuấn (2021), Nghiên cứu ảnh hưởng công suất, tốc độ đường kính đầu cắt đến bề rộng rãnh cắt vật liệu SKD 11 gia công laser, Tạp chí Cơ khí Việt Nam, số 1+2(2021) ISSN 2615-9910, trang 51-57 Lê Giang Nam, Hoàng Anh Tuấn, Nguyễn Trường Giang (2021), Đánh giá ảnh hưởng công suất laser, vận tốc cắt đường kính đầu cắt đến độ nhám bề mặt rãnh cắt vật liệu SKD 11 gia cơng laser, Tạp chí Cơ khí Việt Nam, số 1+2(2021) ISSN 2615-9910, trang 63-69 119 PHỤ LỤC LUẬN ÁN 120 PHỤ LỤC PHƯƠNG PHÁP ĐO VÀ HÌNH ẢNH CHIỀU RỘNG, ĐỘ NHÁM BỀ MẶT RÃNH CẮT Chiều rộng rãnh cắt Trên chiều dài cắt 40 mm chia thành điểm đo chiều rộng rãnh cắt điểm đo cách mm Hình I.1-PL1 Vị trí điểm đo Đo chiều rộng rãnh cắt thực kính hiển vi đo khơng tiếp xúc N61 - 1699 đo phương pháp phản xạ Đặt chi tiết cắt bàn dịch chuyển đo khoảng cách cách dịch chuyển hai biên rãnh so với tâm ngắm ống kính Đọc sai lệch pame dịch chuyển để xác định độ rộng vạch 121 Hình I.2-PL1 Thiết bị đo chiều rộng (N61-1699) hình thái bề mặt (HHM) Một số hình ảnh độ rộng chụp với độ phóng đại 60 lần 122 123 2.Đo độ nhám bề mặt rãnh cắt Thiết bị đo nhám sử dụng: Mitutoyo JS301 Tiêu chuẩn đo nhám: JIS Chiều dài chuẩn l= 0,8 mm Số chiều dài chuẩn N=5 Tốc độ đầu đo 0,25 mm/s Phương pháp đo: Đo nhám phương pháp đo tiếp xúc Đặt đầu đo lên bề mặt mẫu cho phương dịch chuyển đầu đo vng góc với hương vết gia công Các thông số độ nhám bề mặt xác định tối đa Hình I.3-PL1 Nhám bề mặt Nhám: thành phần sai lệch nhỏ vốn có q trình gia cơng Đó dấu vết q trình gia cơng chẳng hạn vết dụng cụ cắt để lại bề mặt trình tiện, dấu vết để lại mài nghiền hay đánh bóng Tồn thành phần bất quy tắc có chiều dài bước sóng khoảng 5  100 lần chiều cao biên độ coi nhám Tùy q trình gia cơng mà nhám dạng tuần hồn hay ngẫu nhiên Chiều dài chuẩn Hình I.4-PL1 Chiều dài đo,chiều dài đánh giá chiều dài chuẩn Chiều dài chuẩn có tên khác chiều dài khoảng đo lường chiều dài mà qua đo xác định cạh chắn đại lượng đặc trưng cần xác định Chiều dài chuẩn phải lớn bước sóng nhám bề mặt 124 Ra giá trị trung bình nên chiều dài chuẩn phải lấy n lần bước sóng nhám N = (5-25) tương ứng với độ tin cậy P = 96 - 99, 70% (theo tích phân Student) Việc lấy số chiều dài chuẩn N lớn (> 25) không mang lại độ tin cậy cao số đo Ra mà cịn có nguy bị lẫn sóng bề mặt sai lệch hình dạng hình học cho bề mặt chi tiết Đối chiều với tiêu chuẩn, chiều dài L quy định theo quan điểm nêu trên, đồng thời phù hợp với bước sóng nhám chiều cao nhám sản phẩm khí hành Các ngun cơng gia cơng khí thơng thường tiện tinh hay mài thơ thường có bước sóng nhám cỡ 0,1 mm nên chiều dài chuẩn 0,8 mm khuyến cáo sử dụng nhiều đáp ứng yêu cầu Chiều dài Cut-off Chiều dài cut – off thiết bị đo chiều dài chuẩn đo lường Điều khác biệt chiều dài chuẩn chiều dài vật lý đơn bề mặt chiều dài cut – off chiều dài tính toán qua khuếch đại lọc Khi loại lọc chọn nghĩa chiều dài cut-off lựa chọn (ISO 11562: 1996) Thông thường chiều dài cut-off chọn theo tiêu chuẩn là: 0,08; 0,25; 0,8; 25mm Chúng quy định Tiêu chuẩn Việt Nam TCVN 2511 – 1995 tiêu chuẩn quốc tế ISO 3274: 1996 Chiều dài cut-off lựa chọn theo số gợi ý sau: Các bề mặt quang học chất lượng cao:c = 0,08mm Các bề mặt chi tiết khí thơng thường:c = 0,8mm Những bề mặt nhám cần chọn chiều dài cut-off lớn Thực tế, nguyên tắc chọn chiều dài cut-off thơng thường lấy 10 lần khoảng cách yếu tố đo, cụ thể khoảng cách nhấp nhô nhám Nếu có nghi ngờ chiều dài cut-off chọn trước tiên người ta đo thử mà khơng sử dụng lọc để đưa định từ phép thử Trong lọc hồn hảo, ví dụ sử dụng lọc thông cao với chiều dài cut-off = 0,8mm có sóng có bước 0,8mm đánh giá cịn sóng có bước sóng lớn 0,8 mm bị lọc bỏ Ngược lại với chiều dài cut-off 0,8 mm lọc thơng thấp sóng có bước sóng lớn 0,8 mm bỏ đánh giá cịn sóng có bước nhỏ 0,8 mm bị lọc 125 Đường chuẩn (đường trung bình): Hình I.5-PL1 Đường trung bình (đường chuẩn) Yêu cầu chủ yếu để định lượng thơng số nhám phải có chuẩn cho việc xác định thông số phép đo Người ta sử dụng đường chuẩn hay đường trung bình Trước đường chuẩn định nghĩa đường qua đỉnh nhám rãnh nhám cho tổng diện tích phần đỉnh nhám tổng diện tích phần rãnh nhám Cụ thể hình trênthì: A+C+E+G=B+D+ F+I Tuy nhiên theo định nghĩa đường chuẩn Hiện người ta định nghĩa Đường chuẩn đường bình phương nhỏ nhất, nghĩa đường chia profin bề mặt thành hai phần cho tổng bình phương khoảng cách từ điểm profin tới đường đạt giá trị nhỏ Đường Tham số biên độ nhám *Độ nhám trung bình Ra Ra - Sai lệch trung bình số học trị tuyệt đối sai lệch profin nhám so với đường trung bình chiều dài chuẩn L (chiều dài đánh giá) Là thông số công nhận phổ biến nhất, sử dụng nhiều thông số quốc tế độ nhám yxdx Ra = L 0L n n yi i1 Trong đó: - L chiều dài đánh giá - Y(x) hay yi khoảng cách điểm profin tới đường chuẩn Các thiết bị đo nhám kiểu tương tự đo Ra cách kếo đầu dò tới lui liên tục bề mặt xác định giá trị trung bình qua thiết bị điện tử Khá dễ để đạt giá trị tuyệt đối tín hiệu tích phân tín hiệu nàybằng 126 thiết bị điệ tử analog Đó nguyên nhân Ra lại có lịch sử lâu đời * RZ sai lệch trung bình profin theo mười điểm phạm vi chiều dài chuẩn (Trung bình cộng điểm cao điểm thất theo phương vng góc với đường trung bình chiều chiều dài chuẩn L)  RZ y  pi i1 y yi Hình I.6-PL1 Sơ đồ xác định thông số Rz Đây thông số trung bình địi hỏi chiều dài chuẩn để xác định Rz hữu dụng trường hợp có chiều dài ngắn bề mặt đo đường trung bình khơng có nhiều ý nghĩa cho dù hình vẽ ta tính với yp yv với đường chuẩn Giá trị Rz khơng thay đồi dù tính theo đường song song với đường chuẩn dù hay ngồi profil Kết đo hình thái bề mặt: Ảnh hình thái bề mặt vết cắt chụp kính hiển vi HHM 500 Độ phóng đại 50 ÷ 500 lần Ống kính: Micro- Scope Lens Khoảng lấy nét từ 0,5 mm đến 40 mm Độ phân giải: 5M, 3M, 2M 1.3M 127 Một số hình ảnh hình thái vết cắt với độ phóng đại 80 lần 128 129 PHỤC LỤC 2: KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM 130 ... điểm bề mặt bị ảnh hưởng đáng kể công suất laser áp suất khí 1.2.1.3 Nghiên cứu ảnh hưởng thơng số công nghệ đến nhám bề mặt rãnh cắt gia công laser KJ Muralidhara [28] xây dựng đánh giá ảnh hưởng. .. tiến hành nghiên cứu đánh giá ảnh hưởng thông số cắt tới chiều rộng rãnh cắt chất lượng bề mặt phương pháp gia công laser, nghiên cứu tối ưu hóa thơng số cắt để đánh giá ảnh hưởng thông số tới chiều... số đầu vào thông số đầu gia công vật liệu SKD 11 laser TỔNG QUAN VỀ PHƯƠNG PHÁP GIA CÔNG BẰNG LASER 1.1 Đặc điểm q trình gia cơng thép hợp kim cứng 1.1.1 Đặc điểm thép hợp kim cứng Thép hợp kim