6. Bố cục của luận án
3.3.3.2Thiết 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
78
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.
79
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: 60% RH
Phương pháp đo: Theo Phụ lục I
Hình 3.18 Thiết bị đo độ cứng tế vi Microhardness tester FM-100
80
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
81
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
82
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.
83
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
BẰNG LASER
4.1 Đánh giá ảnh hưởng của các thông số công nghệ đến chiều rộng rãnh cắt, chất lượng bề mặt rộng rãnh cắt, chất lượng bề mặt
4.1.1 Ảnh hưởng của các thông số công nghệ đến chiều rộng rãnh cắt
4.1.1.1 Ảnh hưởng của công suất laser đến chiều rộng rãnh cắt
Gia công bằng laser được đặc trưng bởi rãnh cắt có chiều rộng hẹp. Điều này là do bản chất của chùm tia laser có độ tập trung, độ hội tụ cao, độ định hướng tốt. Chiều rộng rãnh cắt chính là thước đo (đặc điểm) của quá trình loại bỏ vật liệu ra khỏi phôi ở tốc vận tốc cắt và công suất laser nhất định. Khi thực hiện với các giá trị công
suất laser thay đổi từ 2200 3000 W, các thông số v = 1650 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 4.1)
Bảng 4.1. Giá trị chiều rộng rãnh cắt (b) ở công suất laser (P) khác nhau
Công suất laser P (W) Đường kính đầu cắt, d (mm) 2,5 3,5 4,5 Chiều rộng rãnh cắt, b (mm) 2200 0,451 0,486 0,481 2400 0,481 0,486 0,477 2600 0,498 0,505 0,508 3000 0,505 0,515 0,520
84
Từ hình 4.1 cho thấy khi thực hiện thí nghiệm trên vật liệu thép SKD 11 chiều dày 5 mm có quy luật chiều rộng rãnh cắt tăng lên khi công suất laser tăng. Sự gia tăng chiều rộng này đáng chú ý nhất ở đường kính đầu cắt 2,5 mm, phạm vi thay đổi chiều rộng cắt từ 0,451 mm đến 0,505 mm khi công suất thay đổi từ 2200 Wđến 3000 W tại vận tốc cắt 1650 mm/ph, điều này được lý giải tại công suất lớn 3000 W, lượng nhiệt tập trung trên bề mặt lớn, lượng vật liệu nóng chảy được đẩy ra khỏi bề mặt rãnh cắt nhiều hơn. Tại công suất 2200 W, đường kính đầu cắt 2,5 mm cho chiều rộng rãnh cắt nhỏ nhất 0,451 mm.
4.1.1.2 Ảnh 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