6. Bố cục của luận án
2.4.2 nhám bề mặt khi gia công bằng laser
Trong quá trình cắt vật liệu bằng laser, vật liệu nóng chảy được loại bỏ ra khỏi rãnh cắt nhờ sự hỗ trợ của khí thổi, nhưng một số vật liệu nóng chảy vẫn bám trên bề mặt của rãnh cắt. Điều này gây ra sự không đồng đều trên bề mặt được gọi là độ nhám Độ nhám của bề mặt được đặc trưng bởi độ sâu tối đa và bước sóng của các vân. Các vân hình thành trên bề mặt là do sự tác động kết hợp của xung laser và khí hỗ trợ. Sự hình thành các dải đường kẻ sọc này làm ảnh hưởng mạnh đến chất lượng cắt. Hiện tượng này là do vận tốc cắt nhỏ hơn tốc độ nóng chảy của vật liệu, gây ra bởi quá trình ôxy hóa dẫn đến hình thành vân trên bề mặt (hình 2.32). Hình dạng vân bị ảnh hưởng bởi các thông số cắt laser như: công suất laser, vận tốc cắt, tần số, mật độ công suất laser [82].
Hình 2.32. Độ sâu của vân trên bề mặt cắt bằng laser [25]
C. Wandera và cộng sự [84] đã chỉ ra rằng khi gia công trên vật liệu thép không gỉ có chiều dày 10mm ở các thông số công nghệ: Công suất laser là 4kW, vận tốc cắt 1 m/ph và áp suất khí hỗ trợ (N2) là 2,0 MPa thì bề mặt cắt nhẵn (Rz = 40 µm) với các đường vân đều nhau, trong khi đó khi giảm áp suất khí hỗ trợ xuống 0,4 MPa thì độ nhám bề mặt có xu hướng tăng lên (Rz = 120 µm). Nhìn chung, đối với thép không gỉ cạnh cắt thô và có xỉ khi cắt ở vận tốc cắt thấp, còn bề mặt vết cắt sẽ sạch hơn, mịn hơn khi cắt ở vận tốc cắt lớn, thấp hơn 20 30% vận tốc cắt tối đa.
Đối với vật liệu nhôm, bề mặt cắt cho thấy xuất hiện kiểu vân đều nhưng khoảng giữa các vân cách xa nhau và tồn tại xỉ tại mép cắt dưới khi sử dụng vận tốc cắt thấp. Tuy nhiên, nếu ở vận tốc cắt lớn thì bề mặt cắt sẽ cho kết quả mịn hơn [85]. Theo SFS-EN ISO 9013:2002 [68], độ nhám bề mặt Rz có bốn mức tiêu chuẩn như trong hình 2.33 với mức 1 đại diện cho giá trị Rz thấp nhất, cho chất lượng bề mặt rãnh cắt tốt nhất (bề mặt mịn hơn)
74
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.
3.3 Điều kiện thực nghiệm
3.3.1 Vật liệu tiến hành thực nghiệm
3.3.1.1 Vật liệu thí 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 [12] 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.
75
3.3.1.2 Mẫu thí 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).
Hình 3.10. Mẫu thí 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, CE, FDA, SGS 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 trọng lượng 5400kg
Bước sóng 1080±10 nm
Tần số nguồn 50 5000 Hz
Chế độ laser Liên tục/Xung
76
Hình 3.11 Máy cắt laser 3015 CNC – Raycus 3300W
Hình 3.12 Giao diện màn hình điều khiển và chọn thông số cắt
77
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
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