6. Bố cục của luận án
4.1.1.2Ảnh hưởng của vận tốc cắt đến chiều rộng rãnh cắt
Vận tốc cắt v là tốc độ di chuyển của nguồn nhiệt tập trung trên mặt của phôi. Tại một công suất laser cố định, nếu tăng vận tốc cắt thì chiều rộng rãnh cắt sẽ giảm điều này được giải thích là do thời gian tương tác giữa chùm laser và kim loại giảm làm thời gian lưu lại của nguồn nhiệt trên bề mặt vật liệu, tạo lan truyền nhiệt sang cạnh đường di chuyển ít, nên sẽ tạo ra rãnh cắt nhỏ hơn. Chiều rộng rãnh cắt chỉ giảm trong vùng vận tốc cắt phù hợp khi vật liệu nhận đủ năng lượng để nóng chảy; Nếu vận tốc cắt quá lớn sẽ xảy ra hiện tượng cắt không đứt (hình 3.9a) đó gọi là điểm giới hạn của vận tốc, tại vận tốc này nguồn nhiệt tập trung không đủ thời gian để làm nóng chảy vật liệu cần cắt. Giá trị vận tốc giới hạn này phụ thuộc vào chiều dày vật liệu và loại vật liệu gia công.
Để đánh giá ảnh hưởng vận tốc cắt đến chiều rộng rãnh cắt, thực hiện với các giá trị vận tốc thay đổi từ 1500 2100 mm/ph, các thông số d = 3,5 mm; áp suất khí N2 = 1,4 MPa; khoảng cách từ đầu cắt đến phôi h = 0,8 mm được giữ cố định như trong bảng 4.2.
Bảng 4.2. Giá trị chiều rộng rãnh cắt (b) ở vận tốc cắt (v) khác nhau
Vận tốc cắt v (mm/ph)
Công suất laser P (W)
2200 2400 2600 Chiều rộng rãnh cắt, b (mm) 1500 0,489 0,498 0,498 1650 0,486 0,486 0,505 1800 0,460 0,481 0,505 2100 0,421 0,445 0,462
Với kết quả của thực nghiệm ta có thể kết luận rằng vận tốc cắt tỷ lệ nghịch với chiều rộng rãnh cắt (hình 4.2). Cụ thể, chiều rộng rãnh cắt là 0,489 mm ở vận tốc cắt 1500 mm/ph ở công suất laser 2200 W giảm xuống còn 0,421 mm ở vận tốc cắt 2100 mm/ph. Ở cả ba mức công suất khi vận tốc cắt từ 1500 mm/ph đến 1800 mm/ph chiều rộng rãnh cắt giảm không đáng kể. Tuy nhiên, khi tăng vận tốc cắt lên đến
85
2100 mm/ph thì chiều rộng rãnh cắt giảm xuống tương đối và có giá trị bằng 0,421 mm. Nguyên nhân là do khi vận tốc cắt tăng lên, tương tác của chùm laser lên vật liệu sẽ ít hơn, lượng vật liệu nóng chảy được thổi ra khỏi rãnh cắt ít hơn.
Hình 4.2. Đồ thị ảnh hưởng của vận tốc cắt (v) đến chiều rộng rãnh cắt (b) 4.1.1.3 Ảnh hưởng của đường kính đầu cắt đến chiều rộng rãnh cắt
Giá trị chiều rộng rãnh cắt ở đường kính đầu cắt khác nhau được cho như trong bảng 4.3
Bảng 4.3. Giá trị chiều rộng rãnh cắt (b) ở đường kính đầu cắt (d) khác nhau
Đường kính đầu cắt d (mm) Vận tốc cắt, V(mm/ph) 1500 1650 1800 Chiều rộng rãnh cắt, b (mm) 2,5 0,490 0,481 0,472 3,5 0,498 0,486 0,481 4,5 0,505 0,477 0,486
86
Ảnh hưởng của đường kính đầu cắt được thể hiện như hình 4.3, sự ảnh hưởng này có thể giải thích theo nguyên lý khí động học, luồng khí cắt có áp suất thổi qua đầu cắt có quy luật phân bố Gauss (hình 4.4), hình dáng phân bố này phụ thuộc trực tiếp vào đường kính đầu cắt, áp suất khí thổi. Luồng khí thổi có tác dụng bảo vệ thấu kính, hỗ trợ đẩy phoi ra khỏi vùng gia công, bảo vệ chống ôxy hóa mép cắt và hỗ trợ cho quá trình cắt. Nếu đường kính đầu cắt quá nhỏ khi đó luồng khí hỗ trợ sẽ cản trở đến chùm tia laser, làm giảm năng lượng ảnh hưởng đến quá trình cắt, nếu đường kính cắt lớn thì sẽ gây hiện tượng tụt áp trong quá trình gia công làm cho dòng khí thổi không đủ lực để đưa phoi ra khỏi vùng gia công. Nhìn chung, kích thước đường kính đầu cắt ảnh hưởng không đáng kể đến chiều rộng rãnh cắt, như tại 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, khi đường kính đầu cắt tăng (d = 5,0 mm) tại áp suất khí Pk = 1,0 MPa lúc đó áp suất khí không đủ để đẩy kim loại ra khỏi vùng gia công, để lại nhiều bavia (xỉ) đọng tại mặt dưới của cùng gia công (hình 4.5).
Hình 4.4Sơ đồ phân bố áp suất khí theo đường kính đầu cắt và áp suất khí[59]
Hình 4.5. Hình ảnh rãnh cắt dưới có bavia khi sử dụng đường kính đầu cắt d = 5.0 mm
4.1.2 Ảnh hưởng của các thông số công nghệ đến nhám bề mặt rãnh cắt cắt
4.1.2.1 Ảnh hưởng của công suất laser đến nhám bề mặt
Mặc dù, gia công bằng laser là một quá trình gia công không tiếp xúc nhưng nhiệt độ của chùm laser sinh ra lớn làm ảnh hưởng đến chất lượng bề mặt của rãnh cắt. Chất lượng bề mặt cũng phụ thuộc vào áp suất của khí hỗ trợ. Một trong những chức năng của khí hỗ trợ là loại bỏ kim loại nóng chảy như đã trình bày trên. Ở áp suất khí cao hơn việc hình thành rãnh cắt sẽ nhanh và chất lượng bề mặt tốt hơn. Việc đánh giá chất lượng bề mặt được thực hiện bằng cách sử dụng thông số độ nhám bề
87
mặt (Ra). Giá trị Ra được cho trong bảng 4.3. Khi thực hiện với các giá trị công suất laser thay đổi từ 2200 3000 W, các thông số v = 1800 mm/ph, áp suất khí N2 = 1, 4 MPa; khoảng cách từ đầu cắt đến phôi h = 0,8 mm được giữ cố định (bảng 4.4).
Bảng 4.4. Giá trị độ nhám bề mặt (Ra) ở công suất laser (P) khác nhau
Công suất laser P (W) Đường kính đầu cắt d (mm) 2,5 3,5 4,5 Nhám bề mặt, Ra (µm) 2200 3,726 4,016 4,092 2400 4,016 4,196 4,402 2600 4,188 4,378 4,656 3000 4,662 4,738 4,962
Hình 4.6 Đồ thị ảnh hưởng của công suất laser (P) đến độ nhám bề mặt (Ra)
Kết quả trên hình 4.6 cho thấy, khi cắt ở vận tốc cắt 1800 mm/ph, với đường kính đầu cắt là 2,5 mm thì khi công suất laser tăng từ 2200 W 3000 W, độ nhám bề mặt rãnh cắt tăng từ 3,726 µm 4,662 µm điều này là do ở mức công suất laser cao sẽ dẫn đến năng lượng laser dư thừa hấp thụ vào vết cắt, lúc này vật liệu nóng chảy quá mức được tạo ra và hình thành các vân chồng lên nhau trên bề mặt. Áp suất khí thổi cũng ảnh hưởng lớn đến chất lượng bề mặt, khi áp suất khí có tốc độ lớn, đường kính đầu cắt nhỏ, vật liệu nóng chảy loại bỏ ra khỏi bề mặt nhanh hơn ngăn cản sự bám vật liệu nóng chảy lên bề mặt cắt.
4.1.2.2 Ảnh hưởng của vận tốc cắt đến nhám bề mặt
Vận tốc cắt (v) là tốc độ di chuyển của nguồn nhiệt tập trung trên mặt của phôi. Tại một công suất cố định, khi vận tốc cắt thấp thì độ nhám bề mặt rãnh cắt sẽ cao điều này được giải thích là do thời gian tương tác giữa chùm laser và kim loại lâu hơn, khiến lượng nhiệt tại vị trí cắt lớn, vật liệu bị nóng chảy nhiều hơn, bề mặt bị
88
phá hủy nhiều hơn bởi nhiệt do chùm laser tác động lên, điều này cũng đồng nghĩa với việc chiều rộng rãnh cắt lớn hơn.
Khi tăng vận tốc cắt, chất lượng nhám bề mặt được cải thiện, tuy nhiên nếu tiếp tục tăng vận tốc cắt sẽ xảy ra hiện tượng cắt không đứt (hình 4.3a) đó gọi là điểm giới hạn của vận tốc, tại vận tốc này nguồn nhiệt này tập trung không đủ thời gian để làm nóng chảy vật liệu cần cắt. Giá trị vận tốc giới hạn này phụ thuộc vào chiều dày vật liệu và loại vật liệu gia công.
Để đánh giá ảnh hưởng vận tốc cắt đến nhám bề mặt rãnh cắt, thực hiện với các giá trị vận tốc thay đổi từ 1500 2100 mm/ph, các thông số d = 3,5 mm, áp suất khí N2 = 1,4 MPa; khoảng cách từ đầu cắt đến phôi h = 0,8 mm được giữ cố định. Kết quả thí nghiệm cho trong bảng 4.5.
Bảng 4.5. Giá trị bề nhám bề mặt (Ra) ở vận tốc cắt (v) khác nhau
Vận tốc cắt v (mm/ph)
Công suất laser (W)
2200 2400 2600 Nhám bề mặt, Ra (µm) 1500 4,570 4,736 4,886 1650 4,378 4,676 4,710 1800 4,016 4,196 4,378 2100 3,825 4,075 4,345 Hình 4.7 Đồ thị ảnh hưởng của vận tốc cắt (v) đến độ nhám bề mặt (Ra)
Trong quá trình gia công laser, vận tốc cắt ảnh hưởng đến tốc độ loại bỏ vật liệu cũng như chất lượng bề mặt cắt. Ở vận tốc cắt thấp (<1650mm/ph) xuất hiện các vân trên tất cả các mẫu, chiều cao của vân lớn dẫn đến độ nhám bề mặt cao. Khi vận tốc cắt tăng lên, khoảng vân bề mặt trở lên nông dần và có xu hướng xuất hiện về phía dưới của rãnh cắt, khi vận tốc cắt từ 1800mm/ph trở nên thì bề mặt rãnh cắt
89
phẳng hơn và lượng vân bề mặt đồng đều hơn, độ nhám bề mặt Ra = 4,016(µm) tại vận tốc cắt 1800mm/ph (Hình 4.7).
4.1.2.3 Ảnh hưởng của đường kính đầu cắt đến độ nhám bề mặt rãnh cắt
Ảnh hưởng của đường kính đầu cắt đến nhám bề mặt được thể hiện như hình 4.8, đường kính đầu cắt được khảo sát từ d = 2.5 5.0 mm tại vận tốc cắt, v = 1500 1800mm/ph, khi gia công bằng laser luồng khí có ảnh hưởng đến chất
lượng vết cắt như trình bày ở trên áp suất khí hỗ trợ tăng thì độ nhám sẽ giảm
Khi đường kính đầu cắt lớn (d = 4,5 mm) ở vận tốc cắt nhỏ (1500mm/ph), độ nhám bề mặt tăng do lượng nhiệt tập trung quá lâu dẫn đến hình thành nhiều vân trên bề mặt, điều này cho thấy vận tốc là yếu tố ảnh hưởng chính đến chất lượng bề mặt.
Qua các kết quả thực nghiệm thấy rằng khi đường kính đầu cắt tăng (2,5 mm 4,5 mm) tại công suất laser 2400 W, vận tốc cắt 1800 mm/ph thì độ nhám
bề mặt có xu hướng tăng từ 4,016 µm 4,402 µm . Tuy nhiên tại một áp suất cố định (Pk = 1,4 MPa), đường kính đầu cắt tăng mạnh (d = 5,0 mm) sẽ làm dòng khí hỗ trợ bị phân tán dẫn đến luồng khí hỗ trợ không đủ để loại bỏ vật liệu ra khỏi bề mặt gia công, khi đó lượng kim loại nóng chảy không có đường thoát có thể có hiện tượng trào ngược lên bề mặt của phôi, phá hỏng vết cắt, độ nhám bề mặt tăng, xuất hiện xỉ trên bề mặt rãnh cắt dưới (hình 4.5).
Bảng 4.6. Giá trị bề nhám bề mặt (Ra) ở đường kính đầu cắt (d) khác nhau
Đường kính đầu cắt d (mm) Vận tốc cắt, v (mm/ph) 1500 1650 1800 Nhám bề mặt, Ra (µm) 2,5 4,676 4,466 4,016 3,5 4,736 4,676 4,196 4,5 4,856 4,694 4,402
90
4.2 Nghiên cứu xây dựng mô hình thực nghiệm chiều rộng rãnh cắt khi gia công bằng laser trên vật liệu SKD 11 cắt khi gia công bằng laser trên vật liệu SKD 11
Trong mục 4.1 đã tiến hành đánh giá ảnh hưởng riêng lẻ của các thông số công nghệ đến chiều rộng rãnh cắt. Để xác định đồng thời các thông số ảnh hưởng đến chiều rộng rãnh cắt ta cần dùng phương pháp quy hoạch thực nghiệm để xây dựng bài toán đánh giá ảnh hưởng đồng thời của các thông số công nghệ.
Để xác định ảnh hưởng của các thông số khi cắt bằng laser đến chiều rộng rãnh cắt, ta tiến hành xác định ảnh hưởng của các thông số đầu vào như: Công suất laser P(W), vận tốc cắt v (mm/ph), đường kính đầu cắt d (mm). Trên cơ sở kết quả thí nghiệm thăm dò khả năng công nghệ của thiết bị; các thông số thực nghiệm được chọn với 3 mức như trên Bảng 3.5.
4.2.1 Đánh giá mức độ ảnh hưởng của các thông số đầu vào đến chiều rộng rãnh cắt rộng rãnh cắt
Nghiên cứu thực nghiệm chiều rộng mặt rãnh cắt khi gia công bằng laser (b) với mảng trực giao L9 được thiết kế theo phương pháp Taguchi được kết quả như Bảng 4.7. Tỷ số S/N mỗi thí nghiệm cho chỉ tiêu đánh giá độ nhám thấp hơn tốt hơn.
Bảng 4.7 Bảng trực giao Taguchi L9 với các thông số thí nghiệm chiều rộng rãnh cắt và hệ số S/N
TN số Công suất laser P (W) Vận tốc cắt v (mm/ph) Đường kính đầu cắt d (mm) Chiều rộng rãnh cắt b(mm) S/N 1 2200 1500 2,5 0,486 6,275221 2 2200 1500 3,5 0,486 6,275221 3 2200 1500 4,5 0,466 6,636425 4 2200 1650 3,5 0,498 6,051538 5 2200 1650 4,5 0,477 6,427609 6 2200 1650 2,5 0,472 6,512985 7 2200 1800 4,5 0,505 5,939908 8 2200 1800 2,5 0,498 6,051538 9 2200 1800 3,5 0,505 5,939908
Sử dụng phần mềm Minitab 19 để xác định tỷ số S/N của từng tham số điều khiển với 3 mức độ như trong bảng 4.8.
91
Bảng 4.8Tỷ số S/N cho mỗi mức độ và kết quả ANOVA cho chiều rộng rãnh cắt (b)
Tham
số hạng Thứ
Tỷ số S/N cho mỗi
mức độ Kết quả ANOVA
1 2 3 Tổng bình phương Phần trăm ảnh hưởng
P 1 6,396 6,331 5,977 0,000965 59,18%
v 2 6,089 6,251 6,363 0,000351 21,52%
d 3 6,280 6,089 6,335 0,000309 18,98%
Kết quả ANOVA cho chiều rộng rãnh cắt được trình bày trên bảng 4.8. Quan sát kết quả cho thấy, công suất (P) có ảnh hưởng lớn nhất 59,18% đến chiều rộng rãnh cắt. Tiếp theo đó phần trăm ảnh hưởng của vận tốc cắt (v) và đường kính đầu cắt (d) thấp hơn là 21,52% và 18,98%.
4.2.2 Xây dựng mô hình biểu thị mối quan hệ giữa các thông số công suất laser, vận tốc cắt, đường kính đầu cắt đến chiều rộng rãnh cắt suất laser, vận tốc cắt, đường kính đầu cắt đến chiều rộng rãnh cắt
4.2.2.1 Kiểm tra tính đồng nhất của thí nghiệm
Bảng 4.9 Các thí nghiệm kiểm tra tính đồng nhất
TT P, W V, mm/p h D, mm Lần đo b1, mm Lần đo b2 mm Lần đo b3 mm Lần đo b4 mm Lần đo b5 mm bTB mm Si 2 1 2200 1500 2,5 0,480 0,483 0,486 0,484 0,494 0,486 2,9.10-5 2 2400 1650 3,5 0,484 0,483 0,486 0,485 0,492 0,486 1,20.10-5 3 2600 1800 4,5 0,489 0,473 0,493 0,463 0,487 0,481 15,7.10-5
Để kiểm tra tính đồng nhất, sử dụng công thức (11.3) [91]
𝐺𝑝 =𝑚𝑎𝑥𝑠𝑖 2 ∑𝑖𝑖=1𝑠𝑖2 = 15,7. 10−5 19,84. 10−5 = 0,793 (4.1) Số thí nghiệm N = 3, bậc tự do m=k-1=3-1=2. Tra bảng phụ lục 22 [65] ta có GT=0,883 với xác suất tin cập P=0,99. Vậy GP<GT, nên các thí nghiệm được xem là đồng nhất.
4.2.2.2 Xây dựng mô hình chiều rộng rãnh cắt bằng quy hoạch thực nghiệm
Mô hình chiều rộng rãnh cắt b khi gia công bằng laser phụ thuộc vào tham số điều khiển P, v, d được lựa chọn như mô hình toán học sau:
𝑏 = 𝑎0. 𝑃𝑎1. 𝑣𝑎2. 𝑑𝑎3 (4.2) Trong đó: a0 và a1, a2, a3 theo thứ tự là hệ số và các số mũ được xác định từ thực nghiệm.
92
Để xây dựng mô hình chiều rộng rãnh cắt b theo phương trình (4.2) nghiên cứu sử dụng phương pháp bình phương nhỏ nhất và tuyến tính hàm phi tuyến, kết hợp với phần mềm Minitab 19 để tìm hệ số và các số mũ. Mảng trực giao L9 và kết quả chiều rộng rãnh cắt được trình bày như bảng 4.7 được sử dụng là dữ liệu đầu vào của phương pháp.
Bảng 4.10Ma trận quy hoạch thực nghiệm (logarit)
TT Thông số ảnh hưởng b (mm) lnb P (W) v (mm/ph) d (mm) lnP lnv lnd 1 2200 1500 2,5 7,696 7,313 0,916 0,486 -0,722 2 2200 1650 3,5 7,696 7,409 1,253 0,486 -0,722 3 2200 1800 4,5 7,696 7,496 1,504 0,466 -0,764 4 2400 1500 3,5 7,783 7,313 1,253 0,498 -0,697 5 2400 1650 4,5 7,783 7,409 1,504 0,477 -0,740 6 2400 1800 2,5 7,783 7,496 0,916 0,472 -0,750 7 2600 1500 4,5 7,863 7,313 1,504 0,505 -0,684 8 2600 1650 2,5 7,863 7,409 0,916 0,498 -0,697 9 2600 1800 3,5 7,863 7,496 1,253 0,505 -0,684
Để tìm các hệ số a0, a1, a2 , a3 ta thực hiện tuyến tính hóa hàm phi tuyến bằng cách logarit hai về của phương trình (4.2) [88]:
𝑙𝑛𝑏 = 𝑙𝑛𝑎0+ 𝑎1𝑙𝑛𝑃 + 𝑎2𝑙𝑛𝑣 + 𝑎3𝑙𝑛𝑑 (4.3) Bằng cách đổi biến mới , ta được hàm tuyến tính nhiều biến số như sau
𝑌 = 𝐴0+ 𝑎1𝑋1+ 𝑎2𝑋2+ 𝑎3𝑋3 (4.4) Trong đó Y = lnb; A0 = lna0; X1 = lnP; X2 = lnv; X3 = lnd
Sử dụng phần mềm Minitab 19 với tập dữ liệu cho trong bảng (4.8) để xác định hệ các hệ số ta được:
A0 = -1,646, a1 = 0,2855, a2 = -0,1735, a3 = -0,0065 Khi đó hàm hồi quy (4.4) như sau:
𝑌 = −1,646 + 0,2855𝑋1− 0,1735𝑋2− 0,0065𝑋3 (4.5) Kết quả phương trình (4.5) có giá trị phương sai R2 của mô hình bằng 0,716 với R2 dự đoán là 0,23 và R2 điều chỉnh 0,546 có sự khác biệt lớn hơn 0,2. Qua đó cho thấy độ chính xác của mô hình là thấp, hàm hồi quy tuyến tính (4.5) chưa phù