6. Bố cục của luận án
4.5.2 Giải bài toán tối ưu mục tiêu
Với các phân tích ở trên, bài toán tối ưu trong nghiên cứu này là: Tìm các thông công nghệ x = [X1, X2, X3] = [P, v, d] hợp lý để chiều rộng rãnh cắt b = f(P,v,d)
và độ nhám bề mặt Ra = f(P, v, s) nhỏ nhất.
+) Hàm mục tiêu của chiều rộng rãnh cắt. Sử dụng công thức 4.7
+) Hàm mục tiêu của độ nhám bề mặt rãnh cắt. Sử dụng công thức 4.15 và chuyển về hàm tuyến tính có dạng như sau:
Z = 0,91 + 0,612X1 – 0,591X2 + 0,1646X3
Trong đó Z = lnRa; B0 = lnb0; X1 = lnP; X2 = lnv; X3 = lnd
108
+) Hàm mục tiêu của chiều rộng rãnh cắt
Dùng công cụ Minitab tiến hành tìm giá trị cực tiểu của hàm b, xác lập điều kiện tìm kiếm như hình 4.18.
Hình 4.18 Cách xác lập tìm cực tiểu b trên Minitab
Kết quả giá trị nhỏ nhất của hàm b như trên hình 4.19. Chiều rộng rãnh cắt có giá trị tối thiểu b = 0,4409 mm, với mức độ kỳ vọng (Compoposite Desirability) là 0,9873 tại các giá trị công suất P = 2200 W, vận tốc cắt v = 1800 mm/ph, đường kính đầu cắt d = 2.5 mm
Hình 4.19 Đồ thị tối ưu chiều rộng rãnh cắt b
+) Hàm mục tiêu của độ nhám bề mặt rãnh cắt
Dùng công cụ Minitab tiến hành tìm giá trị cực tiểu của hàm Z, xác lập điều kiện tìm kiếm như hình 4.20
109
Hình 4.20 Cách xác lập tìm cực tiểu Z trên Minitab
Kết quả giá trị nhỏ nhất của hàm Z như trên hình 4.22.
Ở đây: Z có giá trị tối thiểu là Z = 1,33094, với mức độ kỳ vọng là 0,944830. Quy đổi và làm tròn số ta được:
P = 2200 W ; v = 1800 mm/ph ; d = 2,5 mm Giá trị hàm mục tiêu nhỏ nhất Ra = 3,784 µm
Hình 4.21 Kết quả tìm cực tiểu của hàm Z (độ nhám)
Như vậy, khi gia công laser vật liệu SKD 11, các thông số công nghệ hợp lý để chiều rộng và độ nhám bề mặt nhỏ nhất mà vẫn đảm bảo các yêu cầu, điều kiện đáp ứng của thiết bị là: P = 2200 W, v = 1800 mm/ph và d = 2,5 mm. Như vậy, để đạt được rãnh cắt đẹp và có chiều rộng nhỏ thì chỉ cần sử dụng mức công suất laser, đường kính đầu cắt ở giới hạn dưới, vận tốc cắt ở giới hạn trên. Vì nếu tăng công suất lên mức cao, vận tốc cắt ở mức thấp thì dẫn đến chiều rộng rãnh cắt sẽ lớn, lượng nhiệt do công suất đặt lên vật liệu dư thừa dẫn đến bề mặt sẽ xuất hiện các kim loại nóng chảy thừa bám trên bề mặt rãnh cắt do lượng khí không đủ hỗ trợ để thổi vật liệu dư thừa đó ra khỏi rãnh cắt.
110
Kết luận chương 4
Từ các kết quả thực nghiệm trên đây ta có kết luận như sau:
1) Bằng thực nghiệm tính toán xây dựng được các mô hình toán học biểu diễn mối quan hệ giữa các tham số đầu vào gồm: công suất laser (P), vận tốc cắt (v) và đường kính đầu cắt (d) với các thông số là hàm đa mục tiêu đầu ra gồm: chiều rộng rãnh cắt (b); độ nhám bề mặt rãnh cắt (Ra); độ cứng tế vi (HV) quá trình cắt khi gia công bằng laser tại các điều kiện khác nhau trong miền quy hoạch thực nghiệm lựa chọn: + Mô hình chiều rộng rãnh cắt (4.7): 𝑏 = 1,2995 − 3,171. 10−4∗ 𝑃 − 7,594 ∗ 10−4. 𝑣 + 0,07082 ∗ 𝑑 + 2,59. 10−7𝑃 ∗ 𝑣 − 2,597. 10−5𝑃 ∗ 𝑑 + Mô hình độ nhám bề mặt rãnh cắt (4.15): 𝑅𝑎 = 2.4843 ∗ 𝑃0,612∗ 𝑣−0,591 ∗ 𝑑0.165
+ Các mô hình này qua kiểm tra theo tiêu chí Fisher cho thấy chúng hoàn toàn phù hợp với số liệu thực nghiệm, mô tả đúng bản chất quả quá trình thực nghiệm tiến hành trên máy cắt laser hiện có tại Việt Nam, đảm bảo độ chính xác cao;
2) Từ các kết quả thực nghiệm, thông qua bảng ANOVA đã xác định được thứ
tự và mức độ ảnh hưởng của các tham số đầu vào đến các thông số đầu ra như sau: + Thứ tự ảnh hưởng của các thông số đầu vào đến chiều rộng rãnh cắt: công suất (P) có ảnh hưởng lớn nhất 59,18 %, tiếp theo đó là vận tốc cắt (v) và cuối cùng là đường kính đầu cắt (d), chiếm tỷ lệ tương ứng là 21,52 % và 18,98 %;
+ Ảnh hưởng đến độ nhám bề mặt rãnh cắt: vận tốc cắt (v) có ảnh hưởng lớn nhất 45,73 %, tiếp theo là công suất (P) và cuối cùng là đường kính đầu cắt (d) với tỷ lệ tương ứng 36,95 % và 15,93 %;
+ Ảnh hưởng đến độ cứng tế vi: công suất laser (P) có ảnh hưởng lớn nhất 54,18 %, tiếp đến là còn vận tốc cắt (v) và cuối cùng là đường kính đầu cắt (d) với tỷ lệ tương ứng 28,98 % và 7,56 %.
3) Đã xây dựng được và giải bài toán tối ưu hàm đa mục tiêu, từ đó xác định được chất lượng sản phẩm cắt tốt nhất với tiêu chí đánh giá là chiều rộng (b) và độ nhám rãnh cắt (Ra) nhỏ nhất khi cắt ở chế độ bộ ba thông số công nghệ: công suất laser P = 2200 W, vận tốc cắt v = 1800 mm/ph và đường kính đầu cắt d = 2,5 mm.
111
KẾT LUẬN CHUNG LUẬN ÁN VÀ HƯỚNG NGHIÊN CỨU TIẾP THEO
Kết luận chung luận án
1) Gia công cắt kim loại bằng laser là một phương pháp mang lại hiệu quả cao đối với các loại vật liệu khó cắt gọt, đặc biệt là đối với thép hợp kim có độ cứng cao như thép SKD 11. Có nhiều yếu tố công nghệ, trong đó có công suất laser (P), vận tốc cắt (v) và đường kính đầu cắt laser (d) và điều kiện trang thiết bị cần thiết gây ảnh hưởng mạnh tới chất lượng gia công được đánh giá thông qua các hàm mục tiêu chiều rộng rãnh cắt (b), độ nhám bề mặt (Ra) và độ cứng vật liệu (HV) sau gia công bằng laser;
2) Đã xây dựng được mô hình thí nghiệm, lựa chọn thiết bị nghiên cứu thực nghiệm cắt laser thép tấm SKD 11 cùng với các thiết bị đo kiểm hiện đại và phương pháp tiến hành thực nghiệm phù hợp với điều kiện thực tiễn tại Việt Nam. Từ đó có thể dễ dàng lựa chọn các chế độ cắt thích hợp tương ứng với mức chất lượng mạch cắt theo yêu cầu cụ thể khi gia công thép tấm SKD 11, đồng thời với việc xử lý các kết quả thống kê toán học thực nghiệm thu nhận được nhờ trợ giúp của các phần mềm tin học chuyên ngành;
3) Từ các kết quả thực nghiệm thu nhận được trong quá trình thí nghiệm; đã đưa ra các mô hình toán học mô tả ảnh hưởng của các thông số công nghệ đến chiều rộng rãnh cắt, độ nhám bề mặt rãnh cắt. Các mô hình này có độ chính xác cao khi gia công bằng laser và phù hợp khi so sánh với kết quả thực nghiệm sau khi đã kiểm tra theo tiêu chí Fisher. Nhờ đó có thể dễ dàng lựa chọn và điều khiển các chế độ cắt laser thích hợp đối với thép tấm SKD 11 trên máy cắt laser3015 CNC – Raycus 3300 W hiện có ở Việt Nam, đảm bảo chất lượng rãnh cắt theo yêu cầu cụ thể;
4) Đã xây dựng và giải bài toán tối ưu hóa hàm đa mục tiêu quá trình gia công cắt laser thép tấm SKD 11 và tìm ra bộ thông số thích hợp đảm bảo chất lượng gia công tốt nhất, tương ứng với tiêu chí chiều rộng rãnh cắt (b) và độ nhám bề mặt (Ra) nhỏ nhất trong điều kiện làm việc của máy cắt laser là: P = 2200 W; v = 1800 mm/ph và d = 2,5 mm. Các thông số này phù hợp với các điều kiện thiết lập đầu vào của quá trình thực nghiệm và khả năng công nghệ của thiết bị.
112
Hướng nghiên cứu tiếp theo
- Phương pháp gia công bằng laser có thể áp dụng để gia công các loại vật liệu có độ cứng cao và chiều dày khác nhau. Tuy nhiên, đối với các loại vật liệu có độ dày cũng như loại vật liệu có hệ số hấp thụ nhiệt khác nhau cần được tiếp tục nghiên cứu phát triển;
- Nghiên cứu các thông số công nghệ ảnh hưởng đến hình dáng hình học của rãnh cắt: độ côn, độ lệch rãnh cắt;
- Nghiên cứu về đặc tính nhiệt (vùng ảnh hưởng nhiệt) sau khi cắt laser; - Nghiên cứu mô phỏng để dự đoán thêm các hiện tượng xảy ra trong quá trình gia công bằng laser.
113
TÀI LIỆU THAM KHẢO
[1]. Nghiêm Hùng (2007), Vật liệu học cơ sở, Nhà xuất bản Khoa học và kỹ thuật, Hà Nội.
[2]. William M Steen, Mazumder, Jyotirmoy (2010), Laser material processing, springer science & business media.
[3]. Đinh Văn Đệ (2007), Phương pháp gia công đặc biệt, Nhà xuất bản Đại học Quốc Gia TP. Hồ Chí Minh.
[4]. S Xavierarockiaraj P Kuppan (2018), "Influence of Process Parameters on Surface Temperature during Laser Assisted Preheating of SKD 11 Steel based on Response Surface Methodology", Materials Today: Proceedings. 5(5), 13451-13458.
[5]. Farzad Ahmadi Khatir, Mohammad Hossein Sadeghi Samet Akar, "Investigation of surface integrity in the laser-assisted turning of AISI 4340 hardened steel", Journal of Manufacturing Processes. 61, 173-189.
[6]. Patwa Rahul Anderson Mark, Shin Yung C (2006), "Laser-assisted machining of Inconel 718 with an economic analysis", International Journal of Machine Tools and Manufacture. 46(14), 1879-1891.
[7]. T Yinggang Y Shin (2004), "Thermal modeling for LAM of silicon nitride ceramics with complex features", Journal of Manufacturing Science and Engineering. 128, 425.
[8]. Lê Đình Nguyên (2000), "Nghiên cứu một số công nghệ gia công kim loại trên cơ sở Laser CO2 có công suất 1,5kW", Viện nghiên cứu ứng dụng công nghệ - Trung tâm công nghệ laser.
[9]. Marek Pavlica, Jana PETRŮ Robert ČEP (2015), "Selection of the Optimal Parameters for Laser Cutting", Acta Technica Corvininesis-Bulletin of Engineering. 8(1).
[10]. Gupta Kapil Anghel Cristina, Jen Tien-Chien (2020), "A Review on Laser Beam Cutting".
[11]. P Koshy, RC Dewes DK Aspinwall (2002), "High speed end milling of hardened AISI D2 tool steel (∼ 58 HRC)", Journal of Materials Processing Technology. 127(2), 266-273.
[12]. SW Kim, DW Lee, MC Kang JS Kim (2001), "Evaluation of machinability by cutting environments in high-speed milling of difficult-to-cut materials", Journal of materials processing technology. 111(1-3), 256-260.
[13]. Chengyong Wang, Feng Ding, Dewen Tang, Lijuan Zheng (2016), "Modeling and simulation of the high-speed milling of hardened steel SKD11 (62 HRC) based on SHPB technology", International Journal of Machine Tools and Manufacture. 108, 13-26.
[14]. Guojun Zhang, Zhen Zhang, Jianwen Guo, Wuyi Ming (2013), "Modeling and Optimization of Medium-Speed WEDM Process Parameters for Machining SKD11", Materials and Manufacturing Processes. 28(10), 1124-1132.
114
"Nghiên cứu thực nghiệm lực cắt khi phay thép SKD 11 được hỗ trợ gia nhiệt bằng cảm ứng từ", Tạp chí Khoa học và Công nghệ. 129, 032-037.
[16]. Lưu Đình Tú Nguyễn Văn Thiện, Đỗ Đức Trung (2018), "Thực nghiệm khảo sát ảnh hưởng của một số thông số chế độ cắt đến nhám bề mặt khi gia công tinh thép SKD11 bằng đá mài Hải Dương trên máy mài phẳng".
[17]. Kunichika Kubota, Takuya Ohba Shigekazu Morito (2011), "Frictional properties of new developed cold work tool steel for high tensile strength steel forming die", Wear. 271(11-12), 2884-2889.
[18]. Anil P Varkey, Shajan Kuriakose V Narayanan Unni (2014), "Optimization of edge quality during CO2 laser cutting of titanium alloy", Optimization. 1(11). [19]. AM Orishich, VB Shulyatyev AA Golyshev (2016), "The utmost thickness of the cut sheet for the qualitative oxygen-assisted laser cutting of low-carbon steel", Physics Procedia. 83, 296-301.
[20]. C Leone, S Genna, A Caggiano, V Tagliaferri (2015), "An investigation on Nd: YAG laser cutting of Al 6061 T6 alloy sheet", Procedia Cirp. 28, 64-69. [21]. A Parthiban, R Ravikumar, B Suresh Kumar N Baskar (2015), "Process
Performance with Regards to Surface Roughness of the CO 2 Laser Cutting of AA6061-T6 Aluminium Alloy", Lasers in Engineering (Old City Publishing). 32.
[22]. V Solanki M Madia (2016), "Parametric Optimization of Surface Roughness and Kerf Width of Super Duplex Stainless Steel and Titanium Alloy Grade II by using Fiber Laser Cutting", IJARIIE. 2(3), 2610-2620.
[23]. Derzija Begic-Hajdarevic, Branko Vucijak, Mugdim Pasic Izet Bijelonja (2017), "Analysis of the influence of cutting parameters on surface roughness in laser cutting of tungsten alloy using control charts", Tehnički vjesnik. 24(Supplement 2), 339-344.
[24]. Simon Klancnik, Derzija Begic-Hajdarevic, Matej Paulic, Mirko Ficko (2015), "Prediction of laser cut quality for tungsten alloy using the neural network method", Strojniški vestnik-Journal of Mechanical Engineering. 61(12), 714-720.
[25]. B. S. Yilbas (2008), "Laser cutting of thick sheet metals: Effects of cutting parameters on kerf size variations", Journal of Materials Processing Technology. 201(1-3), 285-290.
[26]. Shang-Liang Chen (1998), "The effects of gas composition on the CO2 laser cutting of mild steel", Journal of materials processing technology. 73(1-3), 147-159.
[27]. R Karthikeyan, V Senthilkumar, M Thilak A Nagadeepan (2018), "Application of Grey Relational Analysis for Optimization of Kerf quality during CO2 laser cutting of Mild Steel", Materials Today: Proceedings. 5(9), 19209-19215.
[28]. KJ Muralidhara (2008), "A study on CO2 laser cutting of mild steel and optimization of process variables".
115
"Finite element analysis of laser inert gas cutting on Inconel 718", The International Journal of Advanced Manufacturing Technology. 60(9-12), 995- 1007.
[30]. BS Yilbas (2004), "Laser cutting quality assessment and thermal efficiency analysis", Journal of Materials Processing Technology. 155, 2106-2115. [31]. Prashant Kumar Shrivastava, Gavendra Norkey Arun Kumar Pandey (2019),
"Optimization of Process Parameters during the Laser Cutting of Inconel-718 Sheet using Regression based Genetic Algorithm", Materials Today: Proceedings. 18, A17-A25.
[32]. Prashant Kumar Shrivastava Arun Kumar Pandey (2018), "Optimization of Machining Parameter during the Laser Cutting of Inconel-718 Sheet Using Regression Analysis based Particle Swarm Optimization Method", Materials Today: Proceedings. 5(11), 24167-24176.
[33]. Prashant Kumar Shrivastava Arun Kumar Pandey (2018), "Geometrical quality evaluation in laser cutting of Inconel-718 sheet by using Taguchi based regression analysis and particle swarm optimization", Infrared Physics & Technology. 89, 369-380.
[34]. Prashant Kumar Shrivastava Arun Kumar Pandey (2018), "Parametric optimization of multiple quality characteristics in laser cutting of Inconel-718 by using hybrid approach of multiple regression analysis and genetic algorithm", Infrared Physics & Technology. 91, 220-232.
[35]. Hossein Karbasian A Erman Tekkaya (2010), "A review on hot stamping", Journal of Materials Processing Technology. 210(15), 2103-2118.
[36]. A. Lamikiz, L. N. López de Lacalle, J. A. Sánchez, D. del Pozo (2005), "CO2 laser cutting of advanced high strength steels (AHSS)", Applied Surface Science. 242(3-4), 362-368.
[37]. Kalle Lipiäinen, Antti Ahola, Tuomas Skriko Timo Björk (2021), "Fatigue strength characterization of high and ultra-high-strength steel cut edges", Engineering Structures. 228, 111544.
[38]. Carl E Leshock, Jin-Nam Kim Yung C Shin (2001), "Plasma enhanced machining of Inconel 718: modeling of workpiece temperature with plasma heating and experimental results", International Journal of Machine Tools and Manufacture. 41(6), 877-897.
[39]. Dhrupal J. Kotadiya, Jaydeep M. Kapopara, Anjal R. Patel, Chirag G. Dalwadi (2018), "Parametric analysis of process parameter for Laser cutting process on SS-304", Materials Today: Proceedings. 5(2), 5384-5390.
[40]. K. Rajesh, V. V. Murali Krishnam Raju, S. Rajesh N. Sudheer Kumar Varma (2019), "Effect of process parameters on machinability characteristics of CO2 laser process used for cutting SS-304 Stainless steels", Materials Today: Proceedings. 18, 2065-2072.
[41]. A. Parthiban, M. Chandrasekaran, V. Muthuraman S. Sathish (2018), "Optimization of CO2 Laser Cutting of Stainless Steel Sheet for Curved Profile", Materials Today: Proceedings. 5(6), 14531-14538.
116
Models of High-alloyed Steel 1.4828 in CO2 Laser Cutting", Procedia Engineering. 100, 435-444.
[43]. Abdul Fattah Mohd Tahir Syarifah Nur Aqida (2017), "An investigation of laser cutting quality of 22MnB5 ultra high strength steel using response surface methodology", Optics & Laser Technology. 92, 142-149.
[44]. R. S. Rana, Rajat chouksey, K. K. Dhakad Deepak Paliwal (2018), "Optimization of process parameter of Laser beam machining of high strength steels: a review", Materials Today: Proceedings. 5(9), 19191-19199.
[45]. K. Muralidharan, S. Shalini Packiam Kamala, D. Alankrutha, K. Bhanu Prakash (2020), "Parametric analysis and performance of laser cutting on strenx steel", Materials Today: Proceedings.
[46]. A.F.M Tahir, Abd Rahim Erween. (2015), "Study on the laser cutting quality of ultra high strength steel".
[47]. N. Rajaram, J. Sheikh-Ahmad S. H. Cheraghi (2003), "CO2 laser cut quality of 4130 steel", International Journal of Machine Tools and Manufacture. 43(4), 351-358.
[48]. I Uslan (2005), "CO2 laser cutting: kerf width variation during cutting", Proceedings of the institution of mechanical engineers, Part B: Journal of engineering manufacture. 219(8), 571-577.
[49]. Krzysztof Jarosz, Piotr Löschner Piotr Niesłony (2016), "Effect of Cutting Speed on Surface Quality and Heat-affected Zone in Laser Cutting of 316L Stainless Steel", Procedia Engineering. 149, 155-162.
[50]. Farzad Ahmadi Khatir, Mohammad Hossein Sadeghi Samet Akar (2021), "Investigation of surface integrity in the laser-assisted turning of AISI 4340 hardened steel", Journal of Manufacturing Processes. 61, 173-189.
[51]. A. Parthiban, C. Dhanasekaran, S. Sivaganesan S. Sathish (2020), "Modeling on surface cut quality of CO2 laser cutting for Austenitic Stainless steel sheet", Materials Today: Proceedings. 21, 823-827.
[52]. HA Eltawahni, M Hagino, KY Benyounis, T Inoue (2012), "Effect of CO2 laser cutting process parameters on edge quality and operating cost of AISI316L", Optics & Laser Technology. 44(4), 1068-1082.
[53]. Mohamed Hassan Gadallah Hany Mohamed Abdu (2015), "Modeling and optimization of laser cutting operations", Manufacturing Review. 2, 20. [54]. Boujelbene M (2018), "Influence of the CO2 laser cutting process parameters
on the Quadratic Mean Roughness Rq of the low carbon steel", Procedia Manufacturing. 20, 259-264.
[55]. Lin Li, M Sobih PL Crouse (2007), "Striation-free laser cutting of mild steel sheets", CIRP annals. 56(1), 193-196.
[56]. Ahmet Hasçalık Mustafa Ay (2013), "CO2 laser cut quality of Inconel 718 nickel – based superalloy", Optics & Laser Technology. 48, 554-564.
[57]. BD Prajapati, RJ Patel BC Khatri (2013), "Parametric investigation of CO2 laser cutting of mild steel and hardox-400 material", International Journal of Emerging Technology and Advanced Engineering. 3(4), 204-208.
117
[58]. V Senthilkumar, M Bharath, K Dhanapal, M Dhinesh Kumaran (2016), "Analysis and optimization of laser machining parameters", International Journal of Innovative Research in Science, Engineering and Technology. 5(8), 33-40.
[59]. Bùi Tiến Đạt Đỗ Văn Vũ (2004), "Nghiên cứu ảnh hưởng của các thông số công nghệ trong quá trình gia công vật liệu bằng chùm tia laser ", Đề tài nghiên cứu cấp bộ - Bộ Công Thương.
[60]. Nguyễn Hữu Quang (2003), "Nghiên cứu triển khai ứng dụng máy laser CO2- SM1000MC của viện máy và dụng cụ công nghiệp vào việc gia công kim loại", Luận văn thạc sĩ, trường Đại học Bách khoa Hà Nội.
[61]. Ngô Đức Định (2014), "Nghiên cứu ảnh hưởng của một số yếu tố công nghệ đến năng suất và chất lượng khi cắt bằng tia laser", Luận văn thạc sỹ, Trường