Quột bề mặt tạo khả năng 100% bề mặt chi tiết cú thể được nhiệt luyện. Tuy nhiờn sự ảnh hưởng tương tỏc nhiệt cú thể ảnh hưởng đến kết quả nhiệt luyện. Điều dựđoỏn này là cú cơ sở. Kết quảđộ cứng theo chiều sõu thấm tụi của vựng nhiệt luyện quyột theo cỏc chế độ được thể hiện trong đồ thị hỡnh 5.8. Vi cấu trỳc của cỏc miền này được thể hiện ở hỡnh 5.9, với A là vi cấu trỳc miền đó nhiệt luyện, B- miền nhiệt
luyện chốn và C- vật liệu nền. Ở mẫu h5.9a, cỏc miền nhiệt luyện nằm cạnh nhau khụng cú miền chốn, độ cứng nhiệt luyện (đường 0x0) đạt tương đương như
nhiệt luyện “vết đơn”. Tại biờn cỏc miền này là vựng chưa được nhiệt luyện.
Đường (1x0) thể hiện độ cứng - chiều sõu thấm tụi tại chớnh tõm vết chớnh và
đường (1x1) là độ cứng- theo chiều sõu thấm tụi tại chớnh giữa của miền chốn. So với kết quả nhiệt luyện đường đơn, kết quả độ cứng của cỏc miền này thấp hơn. Hiện tượng này cú thể cú nguyờn nhõn là:
khi quột tia kề bờn “vết” vừa được qua nhiệt, thay vỡ hạ nhiệt nhờ đối lưu với mụi trường tự nhiờn vết này lại được gia nhiệt lần nữa. Hiện tượng này gọi là hiện tượng “tụi ngược”. Sự làm giảm tốc độ làm nguội gõy cho cỏc vựng này cú độ cứng thấp hơn vựng khụng cú sự “dố” vết. Tuy nhiờn cú thể nhận xột,
độ cứng của vựng này đó được cải thiện so với kim loại nền.
V.3 Thớ nghiệm xỏc định ảnh hưởng đồng thời cỏc tham số cụng nghệ
Thớ nghiệm nghiờn cứu ảnh hưởng đồng thời của cỏc thụng số cụng nghệđược thực hiện cho hai loại vật liệu là 9XC và C45.
a) giao vựng 0mm b) giao vựng 1mm Hỡnh 5.9 : biờn của vựng chốn nhiệt A C B
85
Việc nghiờn cứu khảo sỏt ảnh hưởng đơn của từng yếu tố cụng nghệ đến chất lượng nhiệt luyện, nhằm xem xột thị phần ảnh hưởng của từng thụng số cụng nghệ lờn vết nhiệt luyện, cho phộp đỏnh giỏ định tớnh ảnh hưởng đồng thời của nhiều yếu tố tỏc động đến quỏ trỡnh nhiệt luyện.
Ảnh hưởng đồng thời của cỏc tham số cụng nghệ lờn hệ thống gia cụng bằng tia laser cú thể khảo sỏt thụng qua xõy dựng mụ hỡnh toỏn học theo phương phỏp lớ thuyết thuần tuý hoặc theo phương phỏp quy hoạch thực nghiệm. Đối với một đơn vị nghiờn cứu ứng dụng như Viện IMI, việc lựa chọn phương phỏp quy hoạch thực nghiệm là hợp lý . Trong phạm vi đề tài, 03 thụng số cụng nghệ chớnh được quan tõm, đú là:
- Cụng suất cắt - Vận tốc cắt
- Chiều cao phõn kỳ.
Mục tiờu của nghiờn cứu này là xõy dựng một mụ hỡnh toỏn học thực nghiệm dạng tường minh và tỡm cỏc bộ thụng số cụng nghệ tối ưu theo hàm mục tiờu vềđộ cứng nhiệt luyện.
Thiết kế quy hoạch thực nghiệm
Việc lựa chọn một phương phỏp thiết kế thớ nghiệm hợp lý (trỏnh được cỏc hiện tượng nhiễu và tốn kộm do số lượng thớ nghiệm lớn) là rất cần thiết. Phương phỏp qui hoạch thực nghiệm được thực hiện trong nghiờn cứu này là
Thiết kế nhõn tốđầy đủ 2J (2- số mức điều khiển của nhõn tố, J-số nhõn tố cần thiết kế)
Theo phương phỏp thiết kế nhõn tố đầy đủ 2J để tiến hành xỏc định
được mụ hỡnh toỏn học thỡ cần trải qua cỏc bước sau:
Bước 1: Lựa chọn cỏc thụng số cụng nghệ cần nghiờn cứu, thiết kế cỏc thớ nghiệm theo tiờu chuẩn của phương phỏp và mụ tả chỳng dưới dạng cỏc biến giải
Bước 2: Chuẩn húa cỏc biến giải thớch
86
Bước 4: Kiểm định cỏc hệ số của mụ hỡnh theo mức ý nghĩa chọn trước nếu thỏa món thỡ đõy là mụ hỡnh toỏn học đại diện, nếu khụng thỏa món thỡ quay lại nõng cấp mụ hỡnh ở bước 3 .
Bước 5: Quay trở lại biến thực tế ta được mụ hỡnh toỏn học, đõy chớnh là mụ hỡnh toỏn học để tối ưu húa.
Số thớ nghiệm cần thiết cho một loại vật liệu và cú chiều dầy cốđịnh là: N =2j = 23 = 8 thớ nghiệm Đại lượng đầu vào: Vận tốc cắt V (mm/p) Chiều cao Phõn kỳ H (mm) Cụng suất cắt P(W) Đại lượng đầu ra: Độ cứng bề mặt (HRC) Thực hiện thớ nghiệm
Thớ nghiệm được thực hiện tuần tự theo thiết kế cho thộp dụng cụ 9XC và C45 . Hỡnh 5.10 và 5.11 thể hiện ảnh thớ nghiệm theo quy hoạch với số thứ
thự theo bảng thớ nghiệm
Qui hoạch thực nghiệm xỏc định mụ hỡnh toỏn học
Hỡnh 5.10: Thớ nghiệm theo quy hoạch cho
87
Nhưđó biết, ta cú thể thiết lập mối quan hệ giữa cỏc biến định lượng : y = f(x1, x2…, xj; a1, a2…aj)
trong đú dạng hàm f và cỏc tham số aj là chưa xỏc định. Mối quan hệ này cú thể xõy dựng trờn cơ sở quan hệ bản chất về lý, húa, cụng nghệ… giữa tốc độ
biến thiờn của y theo bộ biến x1, x2…xj.
Cú nhiều phương phỏp để xỏc định cỏc tham số aj, một trong những phương phỏp được sử dụng nhiều nhất là phương phỏp thực nghiệm. Phương phỏp này xuất phỏt từ một bộ số liệu thực nghiệm người ta ước lượng mối quan hệ giữa cỏc biờn cần giải thớch y và bộ biến giải thớch x1, x2…xj, bằng một sấp xỉ nào đú (tuyến tớnh hoặc phi tuyến) trờn cơ sở ứng dụng cực tiểu húa tổng bỡnh phương độ lệch giữa giỏ trị hàm và giỏ trị thực nghiệm tương
ứng của y (gọi là điều tiết một mặt hồi qui).
Trong bỏo cỏo này, nhúm tỏc giả chỉ đưa ra trỡnh tự thực hiện cho một loại vật liệu 9XC là vớ dụ đại diện, cỏc thớ nghiệm cũn lại được tiến hành tương tự
Số thớ nghiệm cần thiết cho một loại vật liệu thộp 9XC và cú chiều dầy cố định là t = 10mm: - Số thớ nghiệm tiến hành:N = 2j = 23 = 8 thớ nghiệm Đặt cỏc biến giải thớch Đặt X1: Biến giải tớch của cụng suất cắt P (W). Đặt X2: Biến giải tớch của Vận tốc cắt (V mm/p) Đặt X3: Biến giải tớch của chiều cao phõn kỳ H (mm).
Ghi chỳ: Trong nghiờn cứu này, mụ hỡnh toỏn học được lập chuẩn cho vật liệu thộp 9XC chiều dầy 10mm, trờn cơ sởđú một phương phỏp luận được hỡnh thành để xõy dựng mụ hỡnh toỏn học cho cỏc loại vật liệu/chiều dày khỏc nhau.
Điều kiện biờn, theo cỏc thớ nghiờm xỏc định khả năng gia cụng của thiết bị.
V max = 0,1 m/phỳt V min = 0,05m/phỳt
88 Hmax = 60 (mm) Hmin = 40 (mm) Pmax = 840 (W) Pmin = 800 (W) Trong đú:
Ma trận thiết kế theo phương phỏp nhõn tốđầy đủ
Với việc sử dụng phương phỏp thiết kế đầy đủ với hai mức điều khiển
để phõn tớch độ biến động của đối tượng nghiờn cứu một trong những vấn đề
cần thiết là xỏc định được dạng mụ hỡnh toỏn học thực nghiệm của đối tượng nghiờn cứu. Từđú, bằng phương phỏp qui hoạch thực nghiệm cú thể xỏc định
được cỏc hệ số trong mụ hỡnh và kiểm tra sự tồn tại của cỏc hệ số cũng như
mụ hỡnh toỏn học đú trong mức ý nghĩa cho phộp.
Xỏc định dạng của mụ hỡnh toỏn học
Với phương phỏp thiết kế nhõn tố 2J thỡ dạng mụ hỡnh cú dạng:
y = a0 + a1X1 + a2X2 + a3X3 + a12.X1.X2 + a13.X1.X3 +a23.X2.X3 + a123.X1.X2.X3 (V.1) Cỏc thớ nghiệm được tiến hành lần lượt và kết quảđo đạc được ghi trong bảng 5.1 X1 X2 X3 1 -1 -1 -1 1 1 -1 -1 1 -1 1 -1 1 1 1 -1 1 -1 -1 1 1 1 -1 1 Y y1 y2 y3 y4 y5 Y6 y7 y8 X = Y =
89
Bảng 5.1: Bảng bố trớ thớ nghiệm theo phương phỏp thiết kế nhõn tố.
STT Cụng suất (W) X1 Vận tốc cắt (m/phỳt) X2 Chiều cao phõn kỳ (m) X3 Kết quảđo (Y) HRC Ghi chỳ 1 800 0,05 0,04 37 2 840 0,05 0,04 45 3 800 0,1 0,04 35.5 4 840 0,1 0,04 37.5 5 800 0,05 0,06 35 6 840 0,05 0,06 38.5 7 800 0,1 0,06 33 8 840 0,1 0,06 35 Cỏc số liệu đo được thực hiện bởi Trung tõm NTKC cơ khớ chớnh xỏc ĐH Bỏch khoa Hà nụi . Chuẩn húa cỏc biến giải thớch [7]
Cỏc biến giải thớch cần chuẩn húa bao gồm X1, X2, X3, X1 = {1 ứng với X1 = 840; -1 ứng với X1 = 800 } Do đú ta cú: S1 = 0,5.(840 – 800) = 20 x1 = (X1 – 820) /20 X2 = {1 ứng với X2 = 0,1; -1 ứng với X2 = 0,05} Ta cú: S2 = 0,5.(0,1 – 0,05) =0,025 x2 = (X2 – 0,075) / 0,025 X3 = {1 ứng với X3 = 0,06; -1 ứng với X3 = 0,04} Nờn : S3 = 0,5.( 0,06– 0,04) = 0,01 x3 = (X3 – 0,05) / 0,01 Trong đú: x1, x2, x3 là cỏc biến
được chuẩn húa (bảng 5.2)
Kết quả thớ nghiệm với cỏc biến chuẩn húa được thể hiện ở bảng 3.8
Trong đú: Bảng 5.2 : Bảng chuẩn húa cỏc biến giải thớch trong mụ hỡnh STT x1 x2 x3 y 1 -1 -1 -1 37 2 1 -1 -1 45 3 -1 1 -1 35.5 4 1 1 -1 37.5 5 -1 -1 1 35 6 1 -1 1 38.5 7 -1 1 1 33 8 1 1 1 35
90 y = 1( ) 1 ∑ = n i i y n ( n = 2J = 8 – số thớ nghiệm) Xỏc định cỏc hệ số của mụ hỡnh thực nghiệm: a0 = ∑ = J i i J 2 y 1 2 1 a0 = y= aj= ∑ = J i i ij J 2 x y 1 . 2 1 j = 1: J
Bảng 5.3 : Bảng tớnh toỏn cỏc hệ số trong mụ hỡnh toỏn học
j a0=y x1j x2j x3j x1.x2 x1.x3 x2.x3 x1.x2.x3 1 37 -37 -37 -37 37 37 37 -37 2 45 45 -45 -45 -45 -45 45 45 3 35.5 -35.5 35.5 -35.5 -35.5 35.5 -35.5 35.5 4 37.5 37.5 37.5 -37.5 37.5 -37.5 -37.5 37.5 5 35 -35 -35 35 35 -35 -35 35 6 38.5 38.5 -38.5 38.5 -38.5 38.5 -38.5 38.5 7 33 -33 33 33 -33 -33 33 -33 8 35 35 35 35 35 35 35 35 a0 a1 a2 a3 a12 a13 a23 a123 Hệ số 37.06 1.94 -1.81 -1.69 -0.94 -0.56 0.44 19.56 Cỏc hệ số của mụ hỡnh được tớnh toỏn từ bảng 5.4. Bảng 5.4
a0 a1 a2 a3 a12 a13 a23 a123
Hệ số 37.06 1.94 -1.81 -1.69 -0.94 -0.56 0.44 19.56 Như vậy ta cú mụ hỡnh tuyến tớnh xấp xỉ bậc nhất: Y= 37.06 + 1.94.x1 – 1.81x2 – 1.69x3 – 0.94.x1.x2 – 0.56.x1.x3 +0.44.x2.x3 + 19.56.x1.x2.x3 (3.2) Kiểm định ý nghĩa của hệ số mụ hỡnh Đó tỡm được mụ hỡnh mụ tả sự ảnh hưởng đồng thời của cỏc yếu tố cụng nghệ lờn bề mặt nhiệt luyện, cú dạng phương trỡnh 3.2
91
Theo lý thuyết của phương phỏp thiết kế nhõn tố để kiểm định mức ý nghĩa cỏc hệ số của mụ hỡnh giả sử mụ hỡnh tuyến tớnh cú dạng:
y =b0 + b1.X1+ …+ bJ.XJ + ε (3.3) Mụ hỡnh ước lượng (mụ hỡnh hồi qui) dạng:
y = a0 + a1x1+ …+ aJxJ +…ε (3.4) Trong đú aj là cỏc ước lượng của bj:
Với giả thiết ε tuõn theo luật phõn phối chuẩn N (0, σ2) bài toỏn kiểm ý nghĩa của cỏc bj là:
H0 : bj = 0
H1 : bj ≠ 0; j = 1..J
Tiờu chuẩn kiểm định Fisher là: F = 2 2 e j s s Ở mức kiểm định α (α=0,1) nếu : - F > fbảng = f[1; 2J – J – 1; α] thỡ cỏc giỏ trị bj ≠ 0 một cỏc cú ý nghĩa - F < fbảng = f[1; 2J – J – 1; α] thỡ cỏc giỏ trị bj khụng tồn tại núi cỏch khỏc mụ hỡnh giả thiết khụng phự hợp. Như vậy với mụ hỡnh ước lượng cụ thể: Y= 37.06 + 1.94.x1 – 1.81x2 – 1.69x3 – 0.94.x1.x2 – 0.56.x1.x3 +0.44.x2.x3 +19.56.x1.x2.x3
Bằng tiờu chuẩn Fisher thỡ cỏc kết quả trờn tin cậy được ở mức ý nghĩa α
= 0,1
Với mụ hỡnh trờn ta cú thểđỏnh giỏ một cỏch sơ bộ như sau:
- Cụng suất cú tỷ trọng ảnh hưởng lớn nhất đến hàm mục tiờu độ cứng bề mặt, tốc độ tỉ lệ nghịch với độ cứng bề mặt là độ cứng bề mặt càng nhỏ khi vận tốc cắt càng tăng (thể hiện ở hệi số a2<0)
- Vận tốc và chiều cao phõn kỳ thể hiện rừ rệt tớnh ảnh hưởng tuyến tớnh của chỳng.
92
- Ngoài ra sự tương tỏc của cỏc yếu tố cụng nghệ cũng đúng vai trũ ảnh hưởng đến chất lượng nhiệt luyện.
Nhận xột
Tất cả cỏc thớ nghiệm nhằm tỡm ra cỏc bộ thụng số cụng nghệ hợp lý/ tối ưu trong quỏ trỡnh gia cụng cỏc vật liệu thộp dụng cụđều được nhúm đề tài
đưa vào dưới dạng cơ sở dữ liệu trong phần mềm tối ưu húa chếđộ cụng nghệ
khi nhiệt luyện bằng tia laser [14].
Phần mềm tớnh toỏn chế độ cụng nghệ trong nhiệt luyện bằng tia laser
được thiết kế trờn cơ sở:
- Phương phỏp qui họach thực nghiệm (tỡm ra mụ hỡnh toỏn học ) - Phương phỏp giải bài toỏn tối ưu (Phương phỏp đơn hỡnh)
- Ngụn ngữ lập trỡnh Visual Basic và Microsolf Access 2000
Cho phộp chỳng ta cú được một phần mềm tối ưu húa cỏc thụng số cụng nghệ trong quỏ trỡnh nhiệt luyện bằng chựm tia Laser.
V.4 Kết luận phần thực nghiệm
− Cỏc tham số cụng nghệ cú ảnh hưởng đến chất lượng nhiệt luyện, trong đú, mối quan hệ của độ cứng nhiệt luyện với cụng suất laser là tỉ lệ thuận với tốc độ di tia, chiều cao phõn kỡ tia là tỉ lệ nghịch
− Hàm lượng carbon trong vật liệu quyết định độ cứng và chiều sõu thấm tụi
− Tụi laser cú thể thực hiện trong mụi trường khụng khớ tự nhiờn do tớnh tụi tự ram. Điều này làm cho của cụng nghệ trở nờn đơn giản hơn một bước
− Quột laser bề mặt cú thể mở rộng vựng nhiệt luyện, tuy nhiờn việc chốn vựng nhiệt luyện làm cho vựng này và cỏc vựng lõn cận lại được gia nhiệt khi chưa nguội hoàn toàn, tạo trạng thỏi như thường hoỏ (nhiệt độ nung núng kộo dài), làm cho độ cứng của vựng bề mặt giảm đi. Kết quả nhiệt luyện bề mặt quột chắc chắn sẽ cải thiện hơn nếu sử dụng thiết bị cú tốc độ
93
rộng, sao cho ảnh hưỏng nhiệt do tớnh cục bộ khụng đủđểảnh hưởng vựng nhiệt luyện.
94
II. KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ
Kết luận
Phương phỏp nhiệt luyện bằng laser đang được cỏc nước cú nền cụng nghiệp phỏt triển như: Anh, Đức, Nhật bản.. ứng dụng trong cụng nghiệp sản xuất ụtụ, hàng khụng... Với mục đớch từng bước làm chủ cụng nghệ nhiệt luyện bằng laser phục vụ cho cỏc ngành cụng nghiệp trong nước, đề tài “Nghiờn cứu cụng nghệ tụi vựng trờn bề mặt khuụn bằng laser CO2” đó đạt
được cỏc nội dung nghiờn cứu sau:
- Nghiờn cứu cụng nghệ, thiết bị và ứng dụng của phương phỏp nhiệt luyện bằng laser.
- Nghiờn cứu cỏc thụng số ảnh hưởng đến quỏ trỡnh tụi như: Cụng suất, vận tốc, nhiệt độ làm mỏt....
- Đưa ra phương trỡnh ảnh hưởng của cỏc yếu tố trờn
Kiến nghị:
Cỏc kết quả nghiờn cứu đó cho thấy những tiềm năng vụ cựng to lớn trong việc ứng dụng phương phỏp nhiệt luyện bằng laser vào thực tế sản xuất trong nước. Để cú thể làm chủ và chủ động hơn trong cụng nghệ này, nhúm thực hiện đề tài kiến nghị cho phộp được tiếp tục nghiờn cứu sõu hơn, cụ thể cỏc hướng nghiờn cứu là:
-Nghiờn cứu ứng dụng cỏc loại khuụn nhựa.
-Nghiờn cứu phương phỏp nhiệt luyện tối ưu cho mỗi loại thộp khỏc nhau khi nhiệt luyện khuụn
-Nghiờn cứu sự ảnh hưởng của cỏc thụng số cụng nghệ đến quỏ trỡnh nhiệt luyện.
95
LỜI CẢM ƠN
Tập thể tỏc giả thực hiện Đề tài xin trõn trọng bày tỏ sự biết ơn sõu sắc
đối với cỏc cơ quan, đơn vị và tất cả cỏc cộng tỏc viờn đó cựng tham gia cũng như hỗ trợ thực hiện để hoàn thành cỏc nội dung nghiờn cứu khoa học của Đề
tài, đặc biệt là:
• Bộ Cụng Thương.
• Cơ quan chủ trỡ Đề tài - Viện Mỏy và Dụng cụ Cụng nghiệp
• Cỏc cỏn bộ TT Đào tạo và cỏc cỏn bộ thuộc cỏc TT khỏc của Viện IMI