6. Bố cục của luận án
3.2 Xây dựng mô hình thực nghiệm
3.2.1 Các nội dung chính
Nghiên cứu này lựa chọn gia công laser trên vật liệu thép SKD 11, dạng phôi tấm có chiều dày 5mm, đây là mác thép được sử dụng phổ biến để chế tạo khuôn. Nội dung này bao gồm:
- Thiết kế thực nghiệm bằng phương pháp quy hoạch thực nghiệm Taguchi sử dụng phần mềm Minitab 19;
- Tiến hành xác định các thông số: Chiều rộng rãnh cắt, chất lượng bề mặt, độ cứng tế vi;
- Đánh giá ảnh hưởng của các thông số công nghệ chính đến chiều rộng rãnh cắt, chất lượng bề mặt, độ cứng tế vi bề mặt;
- Xây dựng mô hình toán học chiều rộng rãnh cắt, độ nhám bề mặt.
3.2.2 Sơ đồ thực nghiệm tổng quát
Trong gia công bằng laser có nhiều yếu tố ảnh hưởng tới chiều rộng và chất lượng bề mặt gia công. Trong nghiên cứu này chỉ xét tới ảnh hưởng của những yếu tố kiểm soát được và ảnh hưởng chính tới chất lượng gia công, còn các thông số khác coi là điều kiện biên hay tín hiệu nhiễu.
72
Hình 3.8 Các thông số đầu vào và đầu ra khi gia công bằng laser
Mục đích của thí nghiệm nhằm đánh giá mức độ ảnh hưởng của các thông số đầu vào: Công suất laser, vận tốc cắt, đường kính đầu cắt đến chiều rộng và chất lượng bề mặt trên vật liệu SKD 11. Hình 3.8 thể hiện sơ đồ thực nghiệm ảnh hưởng của các thông số đầu vào tới chất lượng gia công laser.
3.2.3 Điều kiện đầu vào
Các kết quả nghiên cứu ở trong chương 1 cho thấy các thông số công nghệ điều khiển là các thông số có ảnh hưởng mạnh mẽ nhất tới quá trình cắt bằng laser, chính vì vậy cần chọn các thông số đó là các đại lượng đầu vào. Cơ sở để lựa chọn dải thông số xuất phát từ khảo sát thực tế tại một số công ty sản xuất có sử dụng máy cắt laser để gia công vật liệu tấm thép thường, thép không gì, thép hợp kim cùng với khả năng đáp ứng của thiết bị laser hiện có tại công ty Cổ phần Laser 38 Việt Nam kết hợp với việc tiến hành thí nghiệm xác định khả năng công nghệ (biên của các tham số) đồng thời căn cứ vào chế độ cắt khuyến nghị từ nhà sản xuất đối với nguồn laser Raycus 3300 W, nghiên cứu đã tiến hành thí nghiệm thăm dò tìm khả năng công nghệ của thiết bị trên thép tấm SKD 11 có chiều dày 5 mm với các thông số (bảng 3.1)
Bảng 3.1. Thí nghiệm thăm dò tìm khả năng công nghệ của thiết bị
Khả năng Tham số biến đổi Bộ tham số cố định Ghi chú
Công suất (P) 2000W; 2200W, 2600W; 3000W h = 0,8 mm; Pk = 1,4 MPa; d = 2,5 mm h: Khoảng cách đầu cắt đến phôi Pk: Áp suất khí thổi (khí N2) d: đường kính đầu cắt Vận tốc (v) 1500mm/ph; 1800mm/ph; 2400mm/ph h = 0,8 mm; Pk = 1,4 MPa; d = 2,5 mm
73
Sau khi thực hiện các thí nghiệm thăm dò, kết quả đạt được như sau (hình 3.9)
a) Tại Công suất P = 2000W; Vận tốc v = 2400mm/ph
b) Tại Công suất P = 2000W; Vận tốc v= 1500mm/ph
c) Tại công suất P = 2200W, 2600W; Vận tốc v = 1500mm/ph, 2400mm/ph
d) Tại công suất P = 3000W; Vận tốc v= 2100mm/ph
Hình 3.9. Hình ảnh kết quả thí nghiệm thăm dò khả năng công nghệ của thiết bị
Qua kết quả thí nghiệm thăm dò khả năng công nghệ của thiết bị cho thấy ở (hình 3.9 a) với công suất laser P = 2000 W, vận tốc v = 2400 mm/ph thì không tạo rãnh cắt khi gia công, điều này cho thấy tại công suất laser đó nhưng cắt với tốc độ lớn dẫn đến thời gian tương tác của tia laser lên vật liệu là không đủ để cắt vật liệu SKD 11;
Trên hình 3.9b: quá trình cắt với công suất P = 2000 W, v = 1500 mm/ph thì rãnh cắt được hình thành, nhưng tồn tại nhiều bavia và kim loại nóng chảy vẫn còn
P = 2000W v= 2400mm/ph P = 2000 W, v = 1500mm/ph P = 3000 W v = 2100mm/ph P = 2200 W v = 1500 mm/ph P = 2600 W v = 1800 mm/ph
74
lưu trên bề mặt rãnh cắt, điều này được giải thích là do khi vận tốc cắt nhỏ hơn, nhiệt lượng do chùm laser lưu lại lâu hơn, làm nóng chảy vật liệu, tuy nhiên chưa đủ lượng nhiệt có thể làm nóng chảy hoàn toàn vật liệu dẫn đến tồn tại nhiều xỉ và bavia. Hình 3.9c với P = 2200 W, v = 1500 mm/ph và P = 2600 W, v = 1800 mm/ph đã cho rãnh cắt không có bavia; Hình 3.9d với công suất laser P = 3000 W, vận tốc cắt v = 2100 mm/ph đánh giá bằng mắt thường cho thấy rãnh cắt có chiều rộng lớn hơn.
Từ kết quả thí nghiệm thăm dò khả năng công nghệ thiết bị gia công trên vật liệu SK D11 với chiều dày phôi là 5 mm, chọn các thông số đầu vào như 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 ra
Đầu ra của quá trình gia công cắt bằng laser bao gồm: - 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
Các đại lượng được giữ cố định khi cắt bằng laser bao gồm: - Máy cắt laser 3015 CNC - Raycus 3300 W;
- Phôi tấm SKD 11 có kính thước 100 x 75 x 5 (mm); - Thiết bị đo lường;
- Áp suất khí N2: 1,4 MPa; khoảng cách từ đầu cắt đến phôi h: 0,8 mm.
3.2.6 Các đại lượng không điều khiển được (nhiễu)
Các đại lượng nhiễu là các đại lượng không mong muốn, xuất hiện một cách có hoặc không có quy luật ảnh hưởng tới quá trình gia công mà không điều khiển được bao gồm: Sự không đồng nhất về thành phần hóa học và độ cứng của vật liệu gia công, sai số của thiết bị thử nghiệm, thiết bị đo, và sai số giữa các lần đo và thử nghiệm.
Những đại lượng nhiễu thực chất có thay đổi và ảnh hưởng đến kết quả đầu ra. Tuy nhiên, do mức độ ảnh hưởng nhỏ hoặc không đáng kể nên ta không xét đến, ở phần tính toán ta có thể định lượng chung (% ảnh hưởng) cho các yếu tố này.
75
3.3 Điều kiện thực nghiệm
3.3.1 Vật liệu tiến hành thực nghiệm
3.3.1.1 Vật liệu thực nghiệm
SKD11 tiêu chuẩn Nhật bản [JIS-G4404] là thép hợp kim hay sử dụng trong gia công khuôn mẫu. Thép SKD11 có độ cứng cao, độ bền nén cao, độ dai va đập và tính chống biến dạng tốt. Bên cạnh đó nó có khả năng giữ được độ cứng ở nhiệt độ cao trong thời gian dài. Chính vì vậy thép SKD 11 thường được dùng trong sản xuất khuôn đùn, khuôn ép nhựa, khuôn đúc áp lực… hay những chi tiết có yêu cầu tính chất sử dụng đặc biệt. Bảng 3.2 thể hiện thành phần hóa học và đặc tính vật lý của thép SKD 11. Bảng 3.2. Thành phần hóa học và đặc tính vật lý của thép SKD 11 [13] Thành phần hóa học Ký hiệu C Cr Mo Si Mn Ni V SKD 11 1,4- 1,6 11,0- 13,0 0,7- 1,2 ≤ 0,6 ≤ 0,6 --- 0,15- 0,3 Đặc tính vật lý Giá trị
Khối lượng riêng (kg/m3) 8400
Hệ số Poisson 0,3
Nhiệt độ nóng chảy (oC) 1733
Hệ số giãn nở nhiệt (10-6/k) 11
Nhiệt dung riêng (J/kgoC) 461
Độ dẫn nhiệt (W/m.K) 20,5
Trong quá trình cắt laser, phần lớn dùng phương pháp cắt nhiệt hạch – nhiệt (nóng chảy vật liệu). Các quy luật quang học và nóng chảy chi phối toàn bộ quá trình cắt. Do đó, chất lượng bề mặt của phôi có thể ảnh hưởng đến hiện tượng quá trình quang học – nóng chảy – khí động học. Bề mặt vật liệu sáng bóng có thể gây ra hiện tượng phản xạ chùm tia laser ra khỏi điểm hội tụ làm giảm khả năng hấp thụ nhiệt, còn đối với bề mặt phôi bị bẩn, gỉ…có thể gây ra những phản ứng đột ngột trong quá trình làm nóng chảy vật liệu. Vì vậy, bề mặt phôi tấm SKD 11 trong nghiên cứu này được thực hiện mài nhẵn các mặt, làm sạch các vết bẩn, dầu mỡ… bằng chất tẩy rửa gốc metanol trước khi thực hiện cắt.
3.3.1.2 Mẫu thực nghiệm
Phôi được thiết kế là dạng phôi tấm với kích thước (chiều dài)x(chiều rộng)x(chiều cao) = 100x75x5 (hình 3.10). Phôi được dùng để gia công đo chiều rộng rãnh cắt (b) và chất lượng bề mặt (Ra), độ cứng tế vi HV (sau gia công).
76
Hình 3.10. Mẫu thực nghiệm
3.3.2 Máy cắt laser 3015 CNC - Raycus 3300W
Quá trình cắt Laser được thực hiện trên máy cắt laser 3015 CNC – Raycus 3300W tại Công ty Cổ phần Laser 38 Việt Nam. Đặc tính kỹ thuật của máy cắt laser sử dụng để thực nghiệm của luận án cho trong bảng 3.3
Bảng 3.3. Đặc tính kỹ thuật máy cắt laser 3015 CNC – Raycus 3300W
Module Máy cắt laser 3015 CNC – Raycus 3300W
Chứng chỉ chất lượng ISO 9001:2008, CE, SGS (chứng nhận đảm bảo an toàn với sức khỏe
Hệ thống điều khiển CNC CYPCUT Công suất nguồn Laser 3300W
Hành trình làm việc: 3000x1500mm Sai số vị trí X/Y ± 0.05mm/m Sai số lặp vị trí X/Y ± 0.02mm/m Động cơ Servo Yaskawa Nhật Bản Nguồn cắt laser RayCus
Tốc độ di chuyển không tải 135m/phút
Đầu cắt RAYTOOLS BT240S
Hệ thống dẫn hướng Hiwin
Điện áp làm việc 380V 50Hz 3 pha Kích thước: 4720x2690x2100mm
Hệ thống làm mát Hệ thống làm mát bằng nước Tổng khối lượng 5400kg
Bước sóng 1080±10 nm Tần số nguồn 50 5000 Hz Chế độ laser Liên tục/Xung Chất lượng quang học 5 mm*mrad
77
Hình 3.11 Máy cắt laser 3015 CNC – Raycus 3300W
Hình 3.12 Giao diện màn hình điều khiển và chọn thông số cắt
78
Hình 3.14. Khí Ni-tơ sử dụng trong quá trình cắt
3.3.3 Các thiết bị đo dùng cho thực nghiệm
3.3.3.1 Thiết bị đo chiều rộng rãnh cắt
Đo chiều rộng rãnh cắt được thực hiện trên máy đo hai toạ độ µM21: kính hiển vi dụng cụ vạn năng giá trị chia độ 0,001mm, đo không tiếp xúc đo bằng phương pháp phản xạ …. tại phòng thí nghiệm Bộ môn Cơ khí chính xác và quang học ĐH Bách Khoa Hà Nội.
Đặt chi tiết cắt trên bàn dịch chuyển đo khoảng cách bằng cách dịch chuyển hai biên của rãnh so với tâm ngắm trên ống kính. Đọc sai lệch trên pame dịch chuyển để xác định chiều rộng của rãnh (hình 3.16 & 3.17).
3.3.3.2 Thiết bị chụp hình thái bề mặt của rãnh cắt
Hình thái bề mặt của rãnh cắt được đo chụp bằng kính hiển vi HHM 500 tại phòng thí nghiệm Bộ môn Cơ khí chính xác và quang học ĐH Bách Khoa Hà Nội (hình 3.16)
- 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
79
Hình 3.15. Máy đo hai toạ độ µM21
Hình 3.16 Thiết bị đo chiều rộng rãnh cắt và chụp hình thái bề mặt 3.3.3.3 Thiết bị đo độ nhám bề mặt rãnh cắt
Sử dụng thiết bị đo độ nhám Mitutoyo SJ301 (Nhật Bản) tại phòng thí nghiệm Bộ môn Cơ khí chính xác và quang học ĐH Bách Khoa Hà Nội (hình 3.18)
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.
80
Hình 3.17 Thiết bị đo độ nhám bề mặt 3.3.3.4 Thiết bị đo độ cứng tế vi
Sử dụng thiết bị đo dộ cứng tế vi Microhardness tester FM-100 Phương pháp thử nghiệm: TCVN 258-1:2007
Điều kiện thử nghiệm: Nhiệt độ: 22 oC, Độ ẩm tương đối: 60% RH
Phương pháp đo: Theo Phụ lục I
Hình 3.18 Thiết bị đo độ cứng tế vi Microhardness tester FM-100
81
3.4 Thiết kế thực nghiệm
Đối tượng nghiên cứu là gia công thép tấm SKD 11 có độ dày 5 mm, kích thước phôi là 100 x 75 x 5 mm; do đó khoảng khảo sát của các thông số P, v, d phải phù hợp với điều kiện gia công đồng thời đủ lớn để tác động làm thay đổi kết quả đầu ra. Qua kết quả thí nghiệm thăm dò khả năng công nghệ của thiết bị kết hợp với bộ thông số công nghệ đề xuất từ nhà sản xuất. Giá trị biến thiên trong miền thực nghiệm như sau (bảng 3.4):
Bảng 3.4. Giá trị biến thiên miền thực nghiệm
Thông số Đơn vị Giá trị Bước điều chỉnh
Công suất (P) W 2200 2600 200 Vận tốc cắt (v) mm/ph 1500 1800 150 Đường kính đầu cắt (d) mm 2,5 4,5 1,0
Bảng 3.5 trình bày các tham số điều khiển và các mức độ tương ứng. Khi thiết kế thực nghiệm gia công bằng laser, tham số điều khiển gồm 3 tham số là P, v, d. Mảng trực giao L9 thiết kế theo phương pháp Taguchi được trình bày như trong bảng 3.6, ma trận thí nghiệm được trình bày như trong bảng 3.7. Mảng trực giao L9 dùng để xác định mức độ ảnh hưởng của các tham số đầu vào đến các thông số đầu ra.
Ma trận kế hoạch thực nghiệm trực giao cấp 2 nhằm thiết lập mối quan hệ giữa các yếu tố đầu ra phục thuộc hàm bậc 2 đối với các yếu tố đầu vào. Số thí nghiệm được thực hiện là: N = 2k + 2k + n0 (N = 15 với k = 3; k là số thông số ảnh hưởng, 2k là các thí nghiệm ở mức sao, n0 là các thí nghiệm ở tâm), 15 đơn vị thí nghiệm trong đó có 1 nghiệm thức ở tâm với 3 đơn vị thí nghiệm như trong bảng 3.8..
Bảng 3.5 Tham số điều khiển và các mức độ
Ký hiệu Tham số điều khiển Đơn vị Mức độ
1 2 3
A Công suất (P) W 2200 2400 2600 B Vận tốc cắt (v) mm/ph 1500 1650 1800 C Đường kính đầu cắt (d) mm 2,5 3,5 4,5
82
Bảng 3.6 Mảng trực giao L9 khi gia công bằng laser
Thí nghiệm số P (W) v (mm/ph) d (mm) 1 1 1 1 2 1 2 2 3 1 3 3 4 2 1 2 5 2 2 3 6 2 3 1 7 3 1 3 8 3 2 1 9 3 3 2 Bảng 3.7 Ma trận thí nghiệm L9 Thí nghiệm số P (W) v (mm/ph) d (mm) 1 2200 1500 2,5 2 2200 1650 3,5 3 2200 1800 4,5 4 2400 1500 3,5 5 2400 1650 4,5 6 2400 1800 2,5 7 2600 1500 4,5 8 2600 1650 2,5 9 2600 1800 3,5
Bảng 3.8 Ma trận kế hoạch thực nghiệm trực giao cấp 2
Số TN X1 X2 X3 Công suất P (W) Vận tốc cắt v (mm/ph) Đường kính d (mm) 1 -1 -1 0 2200 1500 3,5 2 1 -1 0 2600 1500 3,5 3 -1 1 0 2200 1800 3,5 4 1 1 0 2600 1800 3,5 5 -1 0 -1 2200 1650 2,5 6 1 0 -1 2600 1650 2,5 7 -1 0 1 2200 1650 4,5 8 1 0 1 2600 1650 4,5 9 0 -1 -1 2400 1500 2,5 10 0 1 -1 2400 1800 2,5 11 0 -1 1 2400 1500 4,5 12 0 1 1 2400 1800 4,5 13 0 0 0 2400 1650 3,5 14 0 0 0 2400 1650 3,5 15 0 0 0 2400 1650 3,5
83
Kết luận chương 3
1) Đã xây dựng được sơ đồ thí nghiệm, hệ thống trang thiết bị cho nghiên cứu thực nghiệm khi gia công cắt vật liệu thép tấm SKD 11 bằng laser phù hợp với điều kiện thiết bị máy cắt laser 3015 CNC – Raycus 3300 W hiện có ở Việt Nam, đáp ứng mục tiêu nghiên cứu đề ra của luận án;
2) Đưa ra bộ thông số công nghệ chính và miền giới hạn cần nghiên cứu khảo sát bằng thực nghiệm để có đánh giá được sự ảnh hưởng của các thông số công nghệ đó đến chất lượng rãnh 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 và đường kính đầu cắt d: 2,5 mm
d 4,5 mm;
3) Lựa chọn phương pháp thiết kế thực nghiệm Taguchi và mảng trực giao phù hợp (L9) đồng thời áp dụng phân tích phương sai ANOVA để định lượng ảnh hưởng của các thông số công nghệ đầu vào đến tham số đầu ra. Lựa chọn phương pháp thiết kế quy hoạch trực giao để xây dựng mô hình toán học giữa các thông số công nghệ đầu vào với chiều rộng, nhám bề mặt của rãnh cắt. Các điều kiện thực nghiệm đảm bảo được độ tin cậy số liệu thống kê toán học thực nghiệm cần thiết.
84
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 SKD 11