3.5 Đối t − ợng nghiên cứu khi gia công bằng laser
3.5.3 Lựa chọn đối t − ợng nghiên cứu
3.5.3.1 Nghiên cứu chất l−ợng bề mặt gia công, thông qua độ rộng mạch cắt
3.5.3.2 Các tham số công nghệ
- Công suất cắt: P (W)
- Tốc độ cắt: v (m/ph)
- Khoảng cách đầu cắt (vị trí tiêu cự) : Z (mm) - áp suất khí thổi: p (bar) - đ−ờng kính đầu cắt: D (mm) 3.5.3.3 Mục đích nghiên cứu
Nghiên cứu thực nghiệm : Thăm dò khả năng công nghệ của thiết bị, xem xét h−ởng của các thông số công nghệ chính (công suất, vận tốc cắt, khoảng cách cắt, đường kính đầu cắt, áp suất khí) đến độ rộng mạch cắt, độ vát của mạch cắt thông qua chỉ tiêu năng suất vμ chất l−ợng của vết cắt.
Lμm rõ nguyên lý cắt nói chung, xác định miền giới hạn công nghệ đối với một số loại vật liệu cụ thể.
Mô hình hóa quá trình cắt bằng chùm tia laser để xây dựng mối quan hệ thực nghiệm t−ờng minh giữa chất l−ợng của mạch cắt vμ các thông số công nghệ. Mô hình hóa đ−ợc dựa trên cơ sở các ph−ơng pháp qui hoạch thực nghiệm vμ kiểm chứng thống kê.
Bên cạnh các kết luận cụ thể, đặt tiền đề cho các nghiên cứu thực nghiệm vμ tối −u khi gia công các vật liệu khác trong khuôn khổ cắt bằng tia laser trên thiết bị LC1000 -CNC hoặc các nghiên cứu t−ơng tự khác.
3.5.3.4 Giới hạn của nghiên cứu:
Nghiên cứu ảnh hưởng của các tham số công nghệ đến chất lượng bề mặt gia công đ−ợc thực hiện trên máy cắt laser LC1000CO2-CNC của Viện máy vμ dụng cụ công nghiệp (IMI-Holding). Đối với gia công kim loại trong công nghiệp với laser CO2, công suất 1000W thuộc loại công suất nhỏ.
Mục tiêu nghiên cứu: lμ nâng cao năng suất vμ nâng cao chất l−ợng gia công trên máy cắt laser LC1000CO2-CNC.
Giới hạn của nghiên cứu: các thí nghiệm đ−ợc tiến hμnh với các tham số công nghệ trong vùng công nghệ đ−ợc khảo nghiệm tr−ớc.
Ch−ơng 4 Nghiên cứu thực nghiệm cắt kim loại trên máy laser Lc1000 CO2-CNC
4.1 Thiết bị thí nghiệm
Hình 4.1: Sơ đồ máy laser LC1000CO2-CNC
Thiết bị gia công lμ LC1000CO2-CNC có khả năng điều khiển vị trí theo 3 trục tọa độ X,Y,Z, dễ dμng thay đổi vμ khống chế độ ổn định v độ chính xác μ của đầu cắt (hình 4.1).
Nguồn laser CO2: Bộ phận nμy có nhiệm vụ tạo ra nguồn bức xạ laser cho đầu cắt. Các nhiên liệu khí (CO2, He,
N2, H2) đ−ợc bơm bμo buồng cộng h−ởng nhờ một bơm hút chân không, Quá trình tạo ra chùm tia laser đ−ợc thực hiện trong buồng cộng h−ởng nhờ một điện tr−ờng cao thế. Chùm tia laser đ−ợc đ−a
đến đầu cắt nhờ một hệ thống g−ơng quang học đ−ợc bố trí nh− h×nh 4.2.
Đặc điểm kỹ thuật của thiết bị: [15] mô tả đầy đủ đặc tính kỹ thuật của LC1000CO2- CNC, sau đây lμ một vμi đặc điểm chính:
- Sai số đo tại 3 trục:
1000W Laser CO2 Máy CNC
Hệ thống trộn khí
Hệ thống làm mát bằng n−ớc tuần hoàn
Máy tính
Hệ thống thu thập dữ liệu
Thiết bị đo Ph−ơng Y Thiết bị đo
Ph−ơng X Buồng laser
Hệ thấu kính hội tô èng chuÈn trùc
Bề mặt làm việc
Hình 4.2: Chuỗi quang học của máy Laser
+ Trôc X ± 0.01 mm + Trôc Y ± 0.01 mm + Trôc Z ± 0.01 mm
- Kích th−ớc máy : 5200x2200x1700 mm - Hμnh trình dịch chuyển :
+ Trôc X : 2400mm + Trôc Y : 1200 mm + Trôc Z : 200mm
- Chiều dμy cắt lớn nhất (đối với thép chế tạo) : 6mm - Tốc độ tiến bμn máy vô cấp theo các trục:
+ Trôc X : 0 → 23000mm/phót + Trôc Y : 0 18000mm/phót → + Trôc Z : 0 9000mm/phót →
- Thấu kính hội tụ đ−ợc chế tạo từ vật liệu ZnSe v có tiêu cự f 5"(127mm).μ - Loại khí cắt sử dụng ( N2, CO2) độ sạch 99,9%.
Các thông số công nghệ: (Công suất laser, tốc độ cắt, áp khí thổi, khoảng cách
đầu cắt) có thể đ−ợc thiết lập vμ điều khiển bởi bộ điều khiển TNC-310 HAIDENHEIN có tích hợp với điều khiển Laser FEHA. Các đầu cắt có đ−ờng kính khác nhau có thể dễ dμng thay thế vμo hệ thống đầu cắt thông qua ren lắp ráp.
4.1.1 Gá mẫu
Quá trình cắt bằng chùm tia laser lμ một quá trình cắt không có lực cắt. Do vậy vấn đề kẹp phôi không đ−ợc coi trọng nh các ph ơng pháp gia công cắt − − gọt khác. Hình 4.3 thể hiện bộ gá phôi vμ kẹp phôi bằng khí nén. Mẫu thí nghiệm ở dạng tấm đ−ợc đ−a vμo bμn cắt một cách dễ dμng nhờ một hệ thống bi lăn vμ định vị trên các chốt tỳ. Trường hợp gia công phôi nhỏ, phôi có thể được
đặt trực tiếp trên bμn cắt, không cần gá kẹp.
4.1.2 Chuẩn bị mẫu
Thí nghiệm cắt bằng tia laser đ−ợc tiến hμnh theo nhiều nhóm thí nghiệm.
Để tránh có những sự khác nhau không cần thiết, các thí nghiệm trong nhóm sẽ
đ−ợc thực hiện trên các mẫu có kích th−ớc dμi x rộng vμ phân bố vết cắt t−ơng tự nhau. Do lμ thiết bị cắt CNC nên vấn đề về khả năng gia công các biên dạng hình học phức tạp đạt độ chính xác cao (độ chính xác định vị ± 0,01, độ chính xác lặp lại ±0,01) [15], các thí nghiệm sẽ đ−ợc thực hiện cắt thẳng để đễ dμng cho việc quan sát vμ đo đạc.
Các loại mẫu thí nghiệm:
Nhãm mÉu thÐp th−êng
• MÉu thÐp CT3
- KÝch th−íc : 30 mm x 25 mm
- ChiÒu dÇy : t (1mm, 1.2mm, 2mm, 3mm, 6mm...) - Mẫu đ−ợc cắt theo dạng hình l ợc (Hình 4.4) − - Tính chất vật liệu (bảng 4.1)
• MÉu thÐp C45
- KÝch th−íc : 30 mm x 25 mm
- ChiÒu dÇy : t (1mm, 1.2mm, 2mm, 3mm, 6mm...) - Mẫu đ−ợc cắt theo dạng hình l ợc −
- Tính chất vật liệu (bảng 4.1) Nhóm mẫu thép khó gia công
• MÉu thÐp INOX-SU304 - KÝch th−íc : 30 mm x 25 mm
- ChiÒu dÇy : t (1mm, 1.2mm, 2mm, 3mm, 6mm...) Hình 4.3: Bộ gá phôi vμ kẹp phôi bằng khí nén
- Mẫu đ−ợc cắt theo dạng hình l ợc − - Tính chất vật liệu (bảng 4.1)
Bảng 4.1: Đặc tính kỹ thuật của các vật liệu thí nghiệm
Đặc tính Thép C45
Thép CT3 Thép hợp kim SU304 th−êng
C 0,45 0,30 0,38
Thμnh phÇn Si 0,50 0,60 0,20
% Mn 0,02 0,03 0,90
S 0,15 0,17 0,40
Độ cứng 185HB 130 :170HB 150-170HB
§é bÒn kÐo 700N/mm2
Gia công cơ Tốt Tốt Trung bình
Chống mμi mòn Trung bình Trung bình Tốt
Đặc tính Cấu trúc hạt Thô Thô Mịn
Độ dẫn nhiệt
K(W/cm0C) 0,835(2730K)
0,793(2730K) 0,168(2730K) 0,325(10000K) 0,225(10000K) Nhiệt l−ợng
riêng (J/g0C) 0,42(2730K) 0,51(2730K) 0,37(2730K) 0,98(10000K) 0,92(10000K) 0,45(10000K)
Kích th−ớc mẫu thí nghiệm: t - chiều dμy vật liêu, phụ thuộc vμo nhóm thí nghiệm thực hiện.
25
30
20
t
Vết cắt
Hình 4.4: Qui cách của mẫu thí nghiệm 4.1.3 Điều kiện tiến hμnh thí nghiệm
- Nhiệt độ phòng : 230C - Nhiệt độ buồng lμm mát : 19,60C
- §é Èm : 85%
4.2 Thiết kế thí nghiệm
4.2.1 Mô hình định tính quá trình gia công cắt với tia laser
Mô hình định tính quy trình gia công trên máy LC1000CO2-CNC đ−ợc thể hiện ở hình 4.4 với:
- Đầu vμo lμ phôi gia công (thể hiện qua vật liệu vμ chiều dμy tấm) vμ ch−ơng trình NC
- Đầu ra lμ hình dáng hình học chi tiết v chất l ợng gia công (thông μ − qua độ rộng mạch cắt vμ độ côn của mạch)
- Các tham số điều khiển : Công suất (P), tốc độ cắt (v), áp khí thổi (p)
đ−ờng kính đầu cắt (D), khoảng cách đầu cắt/vị trí tiêu cự (Z) - Nhiễu: lμ nhiễu hệ thống v nhiễu ngẫu nhiên μ
Thiết kế thí nghiệm quan tâm đến tuyển chọn các giá trị tham số điều khiển để chèn vμo chương trình NC, thực hiện gia công theo thiết kế đã định tr−ớc. Vì lμ thiết bị mới nên những quy luật của nhiễu hệ thống ch−a đ−ợc nghiên cứu do vậy trong thiết kế thí nghiệm ta chấp nhận tất cả các mẫu đều chịu ảnh h−ởng nh− nhau về nhiễu, tức tiềm ẩn một sai lệch nghiên cứu nh− nhau.
Quá trình Quá trình Quá trình Quá trình Quá trình Cắt Laser Cắt Laser Cắt Laser Cắt Laser Cắt Laser
Vật liệu, chiều dầy
Chất l−ợng vết cắt (Độ rộng vết cắt, độ côn) Hình dáng hình học của chi
tiÕt NhiẽuCác tham số điều khiển (P, v,p, D, Z)
Hình 4.5: Mô hình định tính quá
trình cắt bằng Laser Ch−ơng trình NC
4.2.2 Thiết kế các thí nghiệm
Thiết kế thí nghiệm lμ một khâu quan trọng trong nghiên cứu sự ảnh h−ởng của các thông số công nghệ. Chúng tuân theo các qui tắc chuẩn mực từ khâu
đầu tiên đến khâu kết thúc, từ đó bằng các phương pháp qui hoạch thực nghiệm
đ−a ra đ−ợc các mối quan hệ toán học nhằm đánh giá một cách chính xác nhất mối quan hệ của thông số đầu vμo vμ h m mục tiêu. μ
Để có một thiết kế thí nghiệm tốt tức lμ các thí nghiệm đ−ợc thiết kế phản
ánh được đầy đủ sự tác động của các thông số lên hμm mục tiêu người thực hiện bắt buộc phải tiến hμnh các thí nghiệm:
− Thí nghiệm xác định khả năng công nghệ (biên của các tham số)
ư Thí nghiệm xác định qui luật ảnh hưởng đơn của các yếu tố công nghệ
ư Thí nghiệm nghiên cứu sự ảnh hưởng đồng thới của các tham số công nghệ theo các ph−ơng pháp thiết kế chọn tr−ớc.
4.2.2.1 Thí nghiệm xác định khả năng công nghệ
Lμ yêu cầu đầu tiên trong việc thiết kế thí nghiệm, phải xác định đ−ợc các giới hạn của bμi toán công nghệ tức lμ tìm ra các giới hạn trên vμ d−ới của các thông số công nghệ cần khảo sát. Cần phải tiến hμnh các thí nghiệm để thăm dò giới hạn của các thông số công nghệ. Bảng 4.2 lμ ví dụ về thiết kế cho tấm vật liệu CT3 chiều dầy t = 2mm.
Bảng 4.2: Thí nghiệm thăm dò tìm khả năng công nghệ của thiết bị
Khả năng Tham số biến đổi Bộ tham số cố định Chi chú Tốc độ (v) 1m/phút vμ
5m/phót
P=970W; p=3 bar,
φ0,8; Z=2mm
áp khí thổi (p) 0,5 bar; 5 bar P970W; v=3 m/phút;
φ0,8; Z=2mm
4.2.2.2 Thí nghiệm xác định ảnh h−ởng đơn của các thông số công nghệ Các thí nghiệm nμy sẽ đánh giá được qui luật ảnh hưởng của từng thông số công nghệ lên hμm mục tiêu, từ đó có thể đưa ra nhận xét về tỉ trọng ảnh hưởng của từng thông số công nghệ vμ lμ những căn cứ quan trọng trong việc đánh giá
sự chính xác của mô hình toán học sau nμy. Các thí nghiệm nghiên cứu sự ảnh hưởng đơn của các thông số công nghệ được thiết kế trong bảng 4.3 cho vật liệu lμ thÐp CT3 chiÒu dÇy t =2mm.
Bảng 4.3: Thí nghiệm ảnh h−ởng đơn của thông số công nghệ Thông số Tham số biến
đổi Bộ tham số cố định Chi chú Mối quan hệ giữa
P,V P(w); v (m/p) Pkt=3 bar; f0,8;
Z=2mm
t=2mm t=2,5mm Vận tốc cắt -
chiÒu s©u t (mm) v(m/p); t(mm) Pkt=3 bar; f0,8;
Z=2mm
P = 1000w P=750w Công suất laser
(P)-W
970; 850; 750;
650; 550; 450
v=3m/phót; p=3 bar;
f0,8; Z=2mm
t = 1,5mm t=2mm Tốc dộ cắt v-
m/phót 4; 3; 2; P970W; p=3bar; f0,8;
Z=2mm
áp khí thổi (p)-
bar 4; 3; 2; 1; P970W; v=3 m/phót;
f0,8; Z=2mm
Khoảng cách đầu
phun (Z)-mm 3; 2,5; 2; 1,5; 1 P970W; v=3 m/phót;
p=3bar; f0,8
§−êng kÝnh ®Çu
phun (D)-mm 0,8; 1,2; 2 P970W; v=3 m/phót;
p=3bar; Z=2mm
4.2.2.3 Thí nghiệm nghiên cứu sự ảnh h−ởng đồng thời của các thông số công nghệ
Các thí nghiệm sẽ đ−ợc thiết kế dựa trên các thí nghiệm nêu trên vμ đ−ợc thiết kế theo các phương pháp chọn trước để tìm kiếm mô hình toán học. Sau khi thực hiện thí nghiệm thăm dò vμ khảo sát ảnh h ởng đơn của thông số công − nghệ, quy hoạch thực nghiệm mới đ−ợc thiết kế vμ tiến hμnh thí nghiệm.
4.3 Thực hiện thí nghiệm
4.3.1 Thí nghiệm thăm dò khả năng công nghệ của thiết bị
Một loạt các thí nghiệm thăm dò khả năng công nghệ của thiết bị cũng nh− giới hạn của phương pháp đã được thực hiện theo thiết kế của bảng 4.2.
Quan sát các ảnh chụp mẫu vμ các đồ thị hình 4.6 vμ hình 4.7, ta có các nhËn xÐt sau:
- Khảo sát khả năng của vận tốc cắt: gia công thép chế tạo từ 1ữ6 mm cho thấy tại mẫu với v=5m/phút, chất l−ợng mép cắt có chiều dμy 2mm nằm vùng IV (hình 3.4): tốc độ quá nhanh mạch cắt ch−a đứt, v=1m/phút chất l−ợng mép cắt lại nằm ở vùng II , mạch cắt khá rộng.
0 50 100 150 200 250
0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 4.5 5
w(μm)
Pkt(bar) P=970w; v=3m/p; D=0,8mm; z=2mm
Hình 4.7: Đồ thị nghiên cứu giới hạn của áp suất khí thổi
100 300 500 700 900 1100 1300 1500
0 1 2 3 4 5 6
w(μm)
v(m/ph) P=970W; Pkt =3bar; D=0,8; z=2
a)
b)
Hình 4.6: Đồ thị nghiên cứu thăm dò khả năng công nghệ của thiết bị.
a) Cắt với tốc độ v=1m/ph.
b) Cắt với tốc độ v =5m/ph.
- Khảo sát vùng áp khí thổi: p=0,5 bar, áp không đủ để đ−a vật liệu nóng chảy ra khỏi rãnh cắt, p=5bar cho mạch cắt sạch, đều nh−ng không có sự khác biệt so với áp 4 bar.