6. Bố cục của luận án
1.2.1.2Nghiên cứu ảnh hưởng các thông số công nghệ đến chiều rộng rãnh cắt
1.2.1.2 Nghiên cứu ảnh hưởng các thông số công nghệ đến chiều rộng rãnh cắt bằng gia công laser cắt bằng gia công laser
B.S. Yilbas [25] bằng phương pháp thực nghiệm đã đánh giá ảnh hưởng của các thông số cắt đến chiều rộng rãnh cắt trên vật liệu thép carbon thấp với chiều dày 12mm. Nghiên cứu đã chỉ ra mối quan hệ giữa hiệu suất nhiệt và công suất khi thay đổi các vận tốc khác nhau. Qua đây tác giả đã chỉ ra rằng: Hiệu suất nhiệt tăng khi công suất giảm (hình 1.2). Khi sử dụng máy nhiễu xạ tia X (máy XRD) để đo bề mặt vật liệu sau khi gia công bằng laser. Tác giả đưa ra là tỷ lệ thay đổi kích thước của chiều rộng rãnh cắt bị ảnh hưởng đáng kể bởi công suất laser và áp suất khí thổi ôxy; trong trường hợp đó, những tác động chính của năng lượng laser và áp lực ôxy là rất đáng kể. Điều này chỉ ra rằng việc tăng công suất laser làm tăng độ sâu của vùng chảy và áp suất khí thổi ôxy tăng sẽ gia tăng tốc độ các phản ứng ôxy hóa ở nhiệt độ cao.
12
Do đó, năng lượng tỏa nhiệt quá mức làm tăng tốc độ xói mòn nhiệt từ các mép cắt. Cũng trên loại vật liệu này Shang-Liang Chen [26] tiến hành đánh giá ảnh hưởng của hỗn hợp khí thổi hỗ trợ quá trình cắt đến chiều rộng và chất lượng cắt. Tác giả đã chỉ ra rằng khi sử dụng khí hỗ trợ cắt là ôxy sẽ tạo ra vùng cắt và chất lượng vết cắt tốt hơn so với việc sử dụng hỗn hợp khí (ôxy, argon, ni-tơ và heli).
Hình 1.2. Mối quan hệ giữa hiệu suất nhiệt và công suất với các vận tốc khác nhau [25]
Bằng phương pháp thực nghiệm sử dụng mô hình phân tích quan hệ xám R. Karthikeyan và cộng sự [27] đã đánh giá mức độ ảnh hưởng lớn nhất đến chiều rộng rãnh cắt là công suất laser khi cắt thép carbon thấp có chiều dày 3mm. Tác giả đã tiến hành lựa chọn và tối ưu các thông số cắt để đạt được chiều rộng rãnh cắt là thấp nhất tại công suât laser 1 kW, vận tốc cắt 4.3 m/phút và áp suất khí thổi là 0.015 MPa.
Khi tiến hành nghiên cứu trên thép carbon thấp KJ Muralidhara [28] bằng việc sử dụng mô hình ANN (mô hình mạng nơron nhân tạo – Artificial Neural Network) đã xây dựng và đánh giá sự ảnh hưởng của công suất laser, vận tốc cắt, áp suất khí thổi đến chiều rộng rãnh cắt, độ nhám bề mặt khi gia công bằng laser CO2. Cụ thể chiều rộng rãnh cắt tăng khi công suất laser, áp suất khí thổi tăng; khi vận tốc cắt tăng lên thì thời gian tương tác giữa tia laser với kim loại giảm dần dẫn đến chiều rộng rãnh cắt sẽ giảm (hình 1.3 & 1.4).
Thép Inconel 718 là hợp kim có độ bền cao, gây khó khăn khi gia công bằng phương pháp truyền thống. Với những đặc điểm của phương pháp cắt bằng laser tương đối phù hợp cho gia công loại vật liệu này. K. Y. Nyon và cộng sự [29] đã nghiên cứu đánh giá ảnh hưởng của các thông số công nghệ khi gia công trên vật liệu này có hỗ trợ của khí trơ đến chiều rộng rãnh cắt. Trong nghiên cứu này tác giả đã thực hiện gia công vết cắt thẳng trên phôi có chiều dày 1 mm, 2 mm và chiều dài 50 mm cho vết cắt. Đối với mỗi độ dày của phôi đã thực hiện hai thí nghiệm. Mục tiêu thí nghiệm đầu là nghiên cứu ảnh hưởng của công suất laser đến chiều rộng rãnh cắt
13
trong khi giữ nguyên vận tốc cắt ở mức tối thiểu (v = 4080 mm/phút). Trong khi đó, ở thí nghiệm thứ hai giá trị của công suất laser được đặt ở mức tối đa (1600 W – 1 mm, 2400 W – 2 mm) để nghiên cứu ảnh hưởng của vận tốc cắt đến chiều rộng rãnh cắt (hình 1.5 &1.6). Kết quả chỉ ra rằng khi tăng công suất laser thì chiều rộng rãnh cắt tăng lên, ngược lại chiều rộng rãnh cắt giảm khi tăng vận tốc cắt. Điều này là do cường độ công suất cao làm tăng khả năng làm nóng chảy và loại bỏ vật liệu ra khỏi rãnh cắt, còn khi tăng vận tốc cắt và duy trì công suất laser làm giảm tốc độ loại bỏ vật liệu ra khỏi rãnh cắt [30].
Hình 1.3 Ảnh hưởng công suất laser đến chiều rộng rãnh cắt [28]
Hình 1.4 Ảnh hưởng của vận tốc cắt đến chiều rộng rãnh cắt [28]
Bằng phương pháp thực nghiệm trên vật liệu tấm Inconel 718 Shrivastava và cộng sự [31-34] đã tiến hành các nghiên cứu đánh giá ảnh hưởng của các thông số
Chiều rộng
rãnh cắt
(m
m)
Công suất laser (W)
Vận tốc cắt (mm/ph)
Chiều rộng
rãnh cắt
(m
m)
14
cắt tới chiều rộng rãnh cắt và chất lượng bề mặt bằng phương pháp gia công laser, các nghiên cứu cũng tối ưu hóa các thông số cắt để đánh giá ảnh hưởng của các thông số tới chiều rộng rãnh cắt và độ nhám bề mặt là nhỏ nhất.
Hình 1.5 Ảnh hưởng của công suất đến chiều rộng rãnh cắt trên vật liệu Inconel 718 [29]
Hình 1.6 Ảnh hưởng của vận tốc cắt đến chiều rộng rãnh cắt trên vật liệu Inconel 718 [29]
Trong nghiên cứu [33] của tác giả đã đánh giá ảnh hưởng của các thông số: Công suất laser, vận tốc cắt, áp suất khí thổi, khoảng cách đầu cắt đến chất lượng hình học của vết cắt cụ thể là chiều rộng rãnh cắt và độ côn của vết cắt. Kết quả của nghiên cứu cũng chỉ ra được khi tối ưu hóa và lựa chọn được bộ thông số phù hợp sẽ cải thiện được chất lượng hình học rãnh cắt, cụ thể là đối với độ chênh lệch giữa chiều rộng rãnh cắt trên và dưới là 75 %, chiều rộng rãnh cắt trên suốt chiều dài cắt là 12,67 %, và độ côn rãnh cắt là 33,70 %. Trong các kết luận của Shrivastava và cộng sự cũng đã đánh giá ảnh hưởng chính tới chiều rộng rãnh cắt là công suất laser và vận tốc cắt. Chiều rộng rãnh cắt có xu hướng tăng khi công suất laser tăng và vận tốc cắt giảm.
Thép không gỉ, thép hợp kim cứng, thép có độ bền cao đã được xếp vào loại vật liệu khó gia công và ngày càng được ứng dụng phổ biến như bánh răng, trục, trục khuỷu và các chi tiết trong động cơ. Đối với thép cường lực (AHSS - advance high strength steel) và thép cường độ cực cao (UHSS - ultra-high strength steel) được giới thiệu vào năm 1984 bởi Saab Automobile và nhu cầu sử dụng loại vật liệu này ngày
15
càng tăng [35],[36]. Tuy nhiên, việc gia công các chi tiết này là một thách thức do độ cứng và độ bền phá huỷ cao với công nghệ gia công truyền thống [37],[38]. Nghiên cứu thực nghiệm khi sử dụng phương pháp cắt laser đã được thực hiện để gia công thép SS304 [39-41], thép có độ bền cao [36],[37],[42-46], các loại hợp kim khác [41],[45],[47-51] và khẳng định rằng các thông số: Công suất laser, vận tốc cắt, áp suất khí thổi hỗ trợ, đường kính đầu cắt đều ảnh hưởng đến chiều rộng rãnh cắt. Nghiên cứu của A Parthiban và cộng sự [41] đã kết luận chiều rộng rãnh cắt trên có xu hướng tăng lên khi công suất của nguồn laser tăng và áp suất khí thổi có xu hướng tăng, vận tốc cắt giảm (hình 1.7) khi gia công trên vật liệu thép AISI 304. Còn H.A. Eltawahni và các cộng sự [52] thì nghiên cứu ảnh hưởng của các thông số cắt bằng laser CO2 gồm: Công suất laser, vận tốc cắt, vị trí tiêu điểm, áp suất khí thổi, đường kính đầu cắt đến chất lượng vết cắt và chi phí gia công trên thép tấm không gỉ AISI316L (hình 1.8).
Hình 1.7 Ảnh hưởng của thông số cắt tới chiều rộng rãnh cắt [41]
Hình 1.8 Ảnh hưởng công suất laser và vận tốc cắt tới chiều rộng rãnh cắt với đường kính đầu cắt khác nhau [52]
16
hình toán học mối quan hệ giữa các thông số đầu vào: công suất cắt, vận tốc cắt, áp suất khí thổi và đường kính đầu cắt đến chất lượng rãnh cắt và chỉ ra một số vấn đề sau:
- Chiều rộng rãnh cắt tăng khi công suất cắt, áp suất khí thổi và đường kính đầu cắt tăng và giảm khi vận tốc cắt và vị trí đầu phun tăng. Tuy nhiên vận tốc cắt là yếu tố chủ yếu ảnh hưởng đến nó;
- Công suất cắt, áp suất khí thổi và vị trí đầu cắt ảnh hưởng trực tiếp đến chiều rộng rãnh cắt dưới;
- Độ chênh lệch chiều rộng giữa rãnh trên và rãnh dưới tăng khi công suất cắt, áp suất khí thổi và đường kính đầu cắt tăng. Nó giảm khi vận tốc cắt và vị trí đầu cắt tăng. Trong quá trình dập nóng phôi tấm đã làm thay đổi tính chất cơ học trong phôi thép, đây sẽ là một trở ngại lớn trong việc cắt và gia công sản phẩm từ phôi tấm. Lamikiz và cộng sự [36] đã thực hiện nghiên cứu về thép cường lực AHSS và kết luận rằng kích thước chiều rộng rãnh cắt chịu ảnh hưởng lớn bởi công suất laser và vận tốc cắt. Abdul Fattah Mohd Tahir [43],[46] bằng phương pháp đáp ứng bề mặt đã nghiên cứu khả năng sử dụng phương pháp cắt laser để gia công trên thép cường độ cao 22MnB5 và đánh giá về chất lượng cắt laser trên loại vật liệu này. Kết quả đã chỉ ra rằng chu kỳ làm việc của chùm laser có ảnh hưởng quan trọng để xác định chất lượng cắt của thép cường độ cao, tiếp đến là công suất laser và vận tốc cắt. Trong khi đó, công suất laser và chế độ phát liên tục của chùm laser góp phần hình thành chiều rộng rãnh cắt là hẹp nhất và vùng ảnh hưởng nhiệt (HAZ) là ít nhất trên phôi. Cụ thể: Chiều rộng rãnh cắt tăng lên, vùng ảnh hưởng nhiệt lớn khi công suất laser tăng và vận tốc cắt giảm. Công suất laser và vận tốc cắt ảnh hưởng lớn đến chất lượng cắt và các tính chất cơ học của vật liệu, trong khi đó áp suất khí thổi không ảnh hưởng đáng kể (hình 1.9). Khi tiến hành cắt ở công suất laser thấp với vận tốc cắt cao sẽ tạo ra chiều rộng rãnh cắt hẹp hơn nhưng tăng đáng kể độ côn của rãnh cắt. Khi cắt ở công suất lớn và vận tốc cắt nhỏ sẽ tạo ra vết cắt có chất lượng kém và hình thành vật liệu nóng chảy bám lên trên bề mặt (xỉ). Tác dụng của khí hỗ trợ cũng được xem xét dù nó ảnh hưởng không đáng kể đến sự hình thành rãnh cắt.
Cekic và Begic-Hajdarevic [42] đã nghiên cứu quá trình cắt laser thép hợp kim cao với độ dày 3 mm khi thay đổi vận tốc cắt, áp suất khí hỗ trợ, vị trí lấy nét và khoảng cách đầu cắt. Họ đã sử dụng hệ thống laser CO2 công suất 2 kW với ôxy làm khí hỗ trợ. Chất lượng quá trình gia công được đo bằng chiều rộng của rãnh cắt, HAZ và độ nhám trung bình. Dựa trên dữ liệu thực nghiệm và mô hình toán học, họ đã đạt được chiều rộng tối thiểu của vết cắt, HAZ và độ nhám trung bình ở sự kết hợp thông
17
số đầu vào như sau: công suất 2 kW; vị trí tiêu cự là 1 mm, áp suất khí hỗ trợ 1,25 MPa, khoảng cách đầu cắt 1 mm và vận tốc cắt 4625 mm /phút.
Hình 1.9 Ảnh hưởng của công suất laser, vận tốc cắt tới chiều rộng rãnh cắt [46]
Gadallah và Abdu [53] tiến hành các thí nghiệm trên thép tấm không gỉ (316L) có chiều dày 3 mm bằng laser Nd: Yag. Tác giả đánh giá ảnh hưởng của các thông số đầu vào sau: công suất, áp suất khí hỗ trợ, vận tốc cắt và tần số xung đến độ côn rãnh cắt và vùng ảnh hưởng nhiệt. Trong nghiên cứu của họ, chất lượng rãnh cắt và đặc điểm bề mặt bị ảnh hưởng đáng kể bởi công suất laser và áp suất khí.