Tài liệu Nghiên cứu tiện thép hợp kim 9xc sau tôi có gia nhiệt bằng laser

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI -------------------------------- NGUYỄN THÀNH HUÂN NGHIÊN CỨU TIỆN THÉP HỢP KIM 9XC SAU TÔI CÓ GIA NHIỆT BẰNG LASER LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT CƠ KHÍ Hà Nội – 2018 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI -------------------------------- NGUYỄN THÀNH HUÂN NGHIÊN CỨU TIỆN THÉP HỢP KIM 9XC SAU TÔI CÓ GIA NHIỆT BẰNG LASER Ngành: Kỹ thuật cơ khí Mã số: 9520103 LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT CƠ KHÍ NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: 1. TS. Trần Xuân Thái 2. PGS.TS. Nguyễn Đức Toàn Hà Nội - 2018 LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi, thực hiện dưới sự hướng dẫn của tập thể cán bộ hướng dẫn: TS. Trần Xuân Thái và PGS.TS. Nguyễn Đức Toàn. Các số liệu, kết quả nghiên cứu được trình bày trong luận án là trung thực, trích dẫn đầy đủ và chưa từng được ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác. Hà Nội, ngày 03 tháng 10 năm 2018 Tập thể hướng dẫn TS. Trần Xuân Thái Tác giả luận án PGS.TS. Nguyễn Đức Toàn 1 Nguyễn Thành Huân LỜI CẢM ƠN Việc hoàn thành luận án tiến sĩ là một công trình rất lớn và có nghĩa, NCS sẽ không thể hoàn thành luận án này nếu không có sự trợ giúp của rất nhiều người trong thời gian qua. Trước tiên NCS xin gửi lời cảm ơn chân thành và biết ơn sâu sắc tới hai thầy hướng dẫn TS. Trần Xuân Thái và PGS.TS. Nguyễn Đức Toàn; những người thầy đã định hướng, giám sát, chỉ bảo, khuyến khích và tạo mọi điều kiện thuận lợi trong suốt quá trình học tập và nghiên cứu. NCS xin bày tỏ sự biết ơn chân thành đến GS.TSKH. Bành Tiến Long, Ban lãnh đạo và tập thể giảng viên Bộ môn Gia công vật liệu và dụng cụ công nghiệp những người thầy, người cô luôn quan tâm, động viên và đóng góp các ý kiến quý báu, góp phần để có kết quả ngày hôm nay. NCS xin cảm ơn Ban giám hiệu, Viện Đào tạo sau đại học, Viện Cơ khí trường Đại học Bách khoa Hà Nội đã tạo điều kiện thuận lợi, giúp đỡ trên chặng đường nghiên cứu. NCS xin cảm ơn sự hỗ trợ cả về tinh thần và vật chất của Ban giám hiệu, phòng Tổ chức cán bộ, phòng Hành chính, phòng Tài chính kế toán - Trường Đại học Kinh tế Kỹ thuật Công nghiệp. NCS xin cảm ơn sự hỗ trợ, giúp đỡ tạo điều kiện về thời gian và có những góp ý, trao đổi chuyên môn của ban lãnh đạo, tập thể giảng viên khoa Cơ khí Trường Đại học Kinh tế Kỹ thuật Công nghiệp. Nhân dịp này, NCS xin cảm ơn và giành những tình cảm chân thành sâu sắc nhất đến bố, mẹ, vợ, các con, anh chị em và bạn bè đã luôn ở bên để chia sẻ, động viên, giúp đỡ trong những lúc gặp khó khăn. NCS cũng xin gửi lời cảm ơn tới công ty LASINCOM, phòng thí nghiệm đo lường bay của Viện tên lửa đã hỗ trợ rất nhiều trong quá trình làm thực nghiệm. Tác giả Nguyễn Thành Huân 2 MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN ....................................................................................................... 1 LỜI CẢM ƠN ............................................................................................................. 2 DANH MỤC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT .......................................................... 9 DANH MỤC CÁC BẢNG ....................................................................................... 11 DANH MỤC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ ............................................................................ 12 MỞ ĐẦU .................................................................................................................. 15 1. Tính cấp thiết của đề tài luận án ....................................................................... 15 2. Mục đích, đối tượng, phạm vi và nội dung nghiên cứu .................................... 16 2.1 Mục đích nghiên cứu .................................................................................. 16 2.2. Đối tượng nghiên cứu ................................................................................ 16 2.3. Phạm vi nghiên cứu ................................................................................... 16 2.4. Nội dung nghiên cứu ................................................................................. 17 3. Phương pháp nghiên cứu................................................................................... 17 4. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của luận án ....................................................... 18 5. Bố cục của luận án ............................................................................................ 18 6. Những đóng góp mới của luận án ..................................................................... 19 CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ TIỆN VẬT LIỆU CỨNG CÓ GIA NHIỆT BẰNG LASER...................................................................................................................... 20 1.1. Đặc điểm gia công vật liệu cứng .................................................................... 20 1.2. Vật liệu dụng cụ cắt sử dụng để gia công vật liệu cứng ................................ 21 1.3. Nghiên cứu của nước ngoài về phương pháp gia công cắt gọt có gia nhiệt bằng laser .............................................................................................................. 22 1.3.1. Gia công vật liệu gốm sứ có gia nhiệt bằng laser ................................... 23 1.3.2. Gia công vật liệu Inconel 718 có gia nhiệt bằng laser............................ 24 1.3.3. Gia công thép hợp kim có gia nhiệt bằng laser ...................................... 27 3 1.4. Nghiên cứu trong nước về phương pháp gia công cắt gọt vật liệu cứng và sử dụng laser để gia công vật liệu .............................................................................. 30 1.4.1. Gia công cắt gọt vật liệu cứng ................................................................ 31 1.4.2. Gia công vật liệu bằng laser ................................................................... 32 Kết luận chương 1 ................................................................................................. 32 CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT TIỆN VẬT LIỆU CỨNG CÓ GIA NHIỆT BẰNG LASER ......................................................................................................... 34 2.1. Cơ sở lý thuyết của laser ................................................................................ 34 2.1.1. Bản chất của laser ................................................................................... 34 2.1.2. Cấu tạo cơ bản nguồn phát laser. ............................................................ 34 2.1.2.1. Môi chất laser .................................................................................. 34 2.1.2.2. Buồng cộng hưởng .......................................................................... 35 2.1.2.3. Nguồn nuôi ...................................................................................... 35 2.1.3. Sự tương tác của laser với vật liệu ......................................................... 35 2.1.4. Khả năng hấp thụ laser của vật liệu ........................................................ 37 2.1.4.1. Ảnh hưởng của bước sóng ............................................................... 37 2.1.4.2. Ảnh hưởng của nhiệt độ .................................................................. 38 2.1.4.3. Ảnh hưởng của lớp ôxit bề mặt vật liệu .......................................... 38 2.1.4.4. Ảnh hưởng của độ nhám bề mặt ...................................................... 39 2.2. Tiện vật liệu cứng có gia nhiệt bằng laser ..................................................... 40 2.2.1. Khái niệm tiện vật liệu cứng có gia nhiệt bằng laser ............................. 40 2.2.2. Đặc điểm ................................................................................................. 40 2.2.3. Độ nhám bề mặt khi tiện có gia nhiệt bằng laser ................................... 41 2.2.4. Lực cắt khi tiện có gia nhiệt bằng laser .................................................. 42 2.2.5. Mài mòn dụng cụ trong tiện có gia nhiệt bằng laser .............................. 43 Kết luận chương 2 ................................................................................................. 45 4 CHƯƠNG 3: PHƯƠNG PHÁP, MÔ HÌNH, TRANG THIẾT BỊ, VẬT LIỆU THỰC NGHIỆM TIỆN THÉP HỢP KIM 9XC SAU TÔI CÓ GIA NHIỆT BẰNG LASER...................................................................................................................... 46 3.1. Những khái niệm cơ bản của thiết kế thực nghiệm [9] .................................. 46 3.1.1. Định nghĩa quy hoạch thực nghiệm........................................................ 46 3.1.2. Các bước thiết kế thực nghiệm cực trị ................................................... 46 3.1.2.1. Chọn thông số nghiên cứu ............................................................... 46 3.1.2.2. Thiết kế thực nghiệm ....................................................................... 47 3.1.2.3. Tiến hành thí nghiệm nhận thông tin............................................... 47 3.1.2.4. Xây dựng và kiểm tra mô hình thực nghiệm ................................... 47 3.1.3. Quy hoạch thực nghiệm trực giao tuyến tính ......................................... 47 3.1.4. Quy hoạch thực nghiệm trực giao cấp II ................................................ 48 3.2. Xây dựng mô hình thực nghiệm..................................................................... 49 3.2.1 Sơ đồ thí nghiệm...................................................................................... 49 3.2.2. Các điều kiện đầu vào............................................................................. 50 3.2.3. Các đại lượng đầu ra ............................................................................... 51 3.2.4. Các đại lượng cố định ............................................................................. 51 3.2.5. Các đại lượng không điều khiển được (các đại lượng nhiễu) ................ 51 3.2.6. Thiết lập hệ thống thí nghiệm................................................................. 52 3.2.6.1. Phân tích hệ thống thí nghiệm ......................................................... 52 3.2.6.2. Sơ đồ hướng chùm laser vào phôi ................................................... 52 3.3. Điều kiện thực nghiệm ................................................................................... 55 3.3.1. Máy tiện T6M16 ..................................................................................... 55 3.3.2. Máy phát laser Nd:YAG ......................................................................... 55 3.3.3. Dao tiện .................................................................................................. 58 3.3.4. Phôi tiện .................................................................................................. 58 5 3.3.5. Các thiết bị đo dùng cho thực nghiệm tiện vật liệu cứng có gia nhiệt bằng laser .......................................................................................................... 59 3.3.5.1. Thiết bị đo công suất laser ............................................................... 59 3.3.5.2. Thiết bị đo lực và thiết kế bộ gá thiết bị đo lực cắt ......................... 60 3.3.5.3. Thiết bị đo nhiệt độ.......................................................................... 61 3.3.5.4. Thiết bị đo mòn dao ......................................................................... 62 3.3.5.5. Thiết bị kiểm tra tổ chức tế vi ......................................................... 63 3.3.5.6. Thiết bị đo nhám bề mặt .................................................................. 64 3.4. Thiết kế thực nghiệm khi tiện vật liệu cứng có gia nhiệt bằng laser ............. 65 3.4.1. Thiết kế thực nghiệm xác định nhiệt độ bề mặt phôi khi có gia nhiệt bằng laser .......................................................................................................... 65 3.4.2. Thiết kế thực nghiệm xác định chiều sâu thấm nhiệt khi có gia nhiệt bằng laser .......................................................................................................... 66 3.4.3. Thiết kế thực nghiệm xác định nhám bề mặt, lực cắt và chiều cao mòn dao khi tiện vật liệu 9XC sau tôi có gia nhiệt bằng laser ................................. 67 Kết luận chương 3 ................................................................................................. 69 CHƯƠNG 4: NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM TIỆN THÉP HỢP KIM 9XC SAU TÔI CÓ GIA NHIỆT BẰNG LASER ...................................................................... 70 4.1. Đánh giá ảnh hưởng của các thông số công nghệ đến quá trình tiện vật liệu cứng có gia nhiệt bằng laser .................................................................................. 70 4.1.1. Chọn khí bảo vệ ...................................................................................... 70 4.1.2. Ảnh hưởng của một số thông số công nghệ đốt nóng đến nhiệt độ bề mặt phôi ................................................................................................................... 70 4.1.2.1. Ảnh hưởng của công suất laser đến nhiệt độ bề mặt phôi ............... 70 4.1.2.2. Ảnh hưởng của thời gian nung nóng ban đầu đến nhiệt độ bề mặt phôi ............................................................................................................... 71 6 4.1.2.3. Ảnh hưởng của khoảng cách từ đầu laser tới bề mặt phôi đến nhiệt độ bề mặt phôi .............................................................................................. 72 4.1.2.4. Ảnh hưởng của điểm đặt laser đến nhiệt độ bề mặt phôi ................ 73 4.1.2.5. Ảnh hưởng của tốc độ dịch chuyển vết laser tới nhiệt độ bề mặt phôi ...................................................................................................................... 74 4.1.2.6. Ảnh hưởng của bước tiến vết laser tới nhiệt độ bề mặt phôi .......... 74 4.1.3. Ảnh hưởng của thông số công nghệ đốt nóng đến chiều sâu thấm nhiệt và độ cứng tế vi khi gia nhiệt bằng laser. ......................................................... 75 4.1.3.1. Ảnh hưởng của công suất laser đến chiều sâu thấm nhiệt ............... 76 4.1.3.2. Ảnh hưởng của tốc độ dịch chuyển vết laser đến chiều sâu thấm nhiệt .............................................................................................................. 77 4.1.3.3. Ảnh hưởng của bước tiến vết laser đến chiều sâu thấm nhiệt ......... 79 4.1.4. Ảnh hưởng của các thông số công nghệ cắt đến độ cứng bề mặt, chiều sâu thấm nhiệt và độ cứng tế vi của chi tiết sau khi tiện có gia nhiệt bằng laser .......................................................................................................................... 81 4.1.4.1. Ảnh hưởng của chiều sâu cắt đến độ cứng bề mặt, chiều sâu thấm nhiệt và độ cứng tế vi ................................................................................... 82 4.1.4.2. Ảnh hưởng của tốc độ cắt đến chiều sâu thấm nhiệt và độ cứng tế vi. ...................................................................................................................... 84 4.1.4.3. Ảnh hưởng của lượng tiến dao đến chiều sâu thấm nhiệt và độ cứng tế vi. .............................................................................................................. 85 4.2. Nghiên cứu xây dựng mô hình thực nghiệm nhiệt độ bề mặt phôi và chiều sâu thấm nhiệt phôi thép 9XC sau tôi được gia nhiệt bằng laser khi chưa tiện .......... 86 4.2.1. Xây dựng mô hình thực nghiệm ảnh hưởng của một số thông số công nghệ đến nhiệt độ bề mặt phôi thép 9XC sau tôi được gia nhiệt bằng laser .... 86 4.2.2. Xây dựng mô hình thực nghiệm ảnh hưởng của một số thông số công nghệ đến chiều sâu thấm nhiệt phôi thép 9XC sau tôi được gia nhiệt bằng laser .......................................................................................................................... 89 7 4.3. Xây dựng mô hình thực nghiệm nhám bề mặt, lực cắt và mòn dao khi tiện vật liệu 9XC sau tôi có gia nhiệt bằng laser................................................................ 90 4.3.1. Mô hình thực nghiệm nhám bề mặt ........................................................ 90 4.3.2. Mô hình thực nghiệm lực cắt.................................................................. 92 4.3.2.1. Mô hình thực nghiệm lực cắt Fx ...................................................... 92 4.3.2.2. Mô hình lực thực nghiệm lực cắt Fy ................................................ 94 4.3.2.3. Mô hình lực cắt Fz ........................................................................... 96 4.3.2.4. Mô hình lực cắt tổng hợp F ............................................................. 98 4.3.3. Mô hình thực nghiệm mòn dao. ........................................................... 100 4.4. Tối ưu hoá các thông số công nghệ khi tiện thép 9XC sau tôi có gia nhiệt bằng laser ............................................................................................................ 102 4.4.1. Chỉ tiêu tối ưu và hàm mục tiêu ........................................................... 102 4.4.2. Phương pháp giải bài toán tối ưu.......................................................... 105 Kết luận chương 4 ............................................................................................... 107 KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG NGHIÊN CỨU TIẾP THEO....................................... 109 Kết luận: .............................................................................................................. 109 Hướng nghiên cứu tiếp theo: ............................................................................... 110 TÀI LIỆU THAM KHẢO ...................................................................................... 111 DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH CÔNG BỐ CỦA LUẬN ÁN ........................ 116 PHỤ LỤC I: XÂY DỰNG MÔ HÌNH THỰC NGHIỆM NHIỆT ĐỘ BỀ MẶT PHÔI VÀ CHIỀU SÂU THẤM NHIỆT KHI NUNG NÓNG THÉP 9XC SAU TÔI BẰNG LASER ....................................................................................................... 117 PHỤ LỤC II: XÂY DỰNG MÔ HÌNH THỰC NGHIỆM NHÁM BỀ MẶT, LỰC CẮT VÀ MÒN DAO KHI TIỆN VẬT LIỆU 9XC SAU TÔI CÓ GIA NHIỆT BẰNG LASER ....................................................................................................... 128 PHỤ LỤC III. HÌNH ẢNH KẾT QUẢ ĐO LỰC CẮT ......................................... 139 8 DANH MỤC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT Ký hiệu Đơn vị Laser Ý nghĩa Tiếng Anh: Light Amplification by Stimulated Emisson of Radiation Tiếng Việt: Khuếch đại ánh sáng bằng phát xạ kích thích Nd:YAG Neodymium - Ytrium Aluminium Garnet LAM Tiếng Anh: Laser Assisted Machining Tiếng Việt: Gia công có gia nhiệt laser CM Tiếng Anh: Conventional Machining Tiếng Việt: Gia công thông thường SEM Tiếng Anh: Scanning Electron Microscope Tiếng Việt: Kính hiển vi điện tử quét CT o C Tiếng Anh: Cutting temperature Tiếng Việt: Nhiệt độ cắt CF N Tiếng Anh: Cutting force Tiếng Việt: Lực cắt TL ph Tiếng Anh: Tool life Tiếng Việt: Tuổi bền dụng cụ QHTN Quy hoạch thực nghiệm v m/ph Vận tốc cắt t mm Chiều sâu cắt s mm/vg Lượng tiến dao P W Công suất laser c J/kg.OC RT - Kx, ky, kz W/m.OC  - Hệ số ma sát hs mm Mòn mặt sau Ra µm Nhám bề mặt chi tiết Nhiệt dung riêng của vật liệu gia công Hệ số phân phối nhiệt Hệ số dẫn nhiệt theo ba phương x, y và z 9  o h mm Góc giữa đầu laser và mũi dao Khoảng cách từ đầu laser tới bề mặt phôi C Nhiệt độ bề mặt phôi tth mm Chiều sâu thấm nhiệt I A Cường độ laser w ms Độ rộng xung laser f Hz Tần số laser  µm Bước sóng laser tT s Thời gian nung nóng ban đầu n vg/ph Tốc độ vòng quay trục chính D mm Đường kính phôi l mm Chiều dài chi tiết L mm Chiều dài cắt R % Hệ số phản xạ A % Hệ số hấp thụ  o Góc sau  o Góc trước  o Góc biến dạng TBM o  Hiệu suất Ncg Công suất cắt gọt Nci Công suất hữu ích của máy Nđc Công suất của động cơ Ncd Công suất chạy dao dọc Ncn Công suất chạy dao ngang Fx N Lực chạy dao Fy N Lực hướng kính Fz N Lực cắt chính F N Lực cắt tổng hợp 10 DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng 3.1 thông số kỹ thuật máy phát laser Nd:YAG 350 57 Bảng 3.2. Thông số hình học mảnh dao DCMT11T304VP15TF 59 Bảng 3.3 Thành phần hoá học (%) của thép 9XC 59 Bảng 3.4 Các đặc tính của thép 9XC [12] 60 Bảng 3.5 Thông số kỹ thuật thiết bị đo công suất laser FieldMaster 61 Bảng 3.6 Thông số thiết bị đo lực cắt FUTEK 61 Bảng 3.7 Thông số kỹ thuật máy đo nhiệt độ IR-AHS 63 Bảng 3.8 Giá trị biến thiên trong miền thực nghiệm xác định nhiệt độ bề mặt phôi 66 Bảng 3.9 Các thông số đầu vào xác định nhiệt độ bề mặt khi gia nhiệt bằng laser 67 Bảng 3.10 Giá trị biến thiên trong miền thực nghiệm xác định chiều sâu thấm nhiệt 67 Bảng 3.11 Các thông số đầu vào xác định chiều sâu thấm nhiệt khi gia nhiệt bằng laser 68 Bảng 3.12 Giá trị biến thiên trong miền thực nghiệm 69 Bảng 3.13 Các thông số đầu vào khi tiện vật liệu 9XC sau tôi gia nhiệt bằng lase 70 Bảng 4.1 Ảnh hưởng điểm đặt laser đến nhiệt độ bề mặt phôi tại vị trí sẽ đặt mũi dao 74 Bảng 4.2 Ảnh hưởng của lượng tiến dao đến độ cứng tế vi 87 Bảng 4.3 Giá trị nhiệt độ bề mặt tại các điểm thí nghiệm theo quy hoạch 87 Bảng 4.4 Giá trị chiều sâu thấm nhiệt tại các điểm thí nghiệm theo quy hoạch 90 Bảng 4.5 Giá trị nhám bề mặt tại các điểm thí nghiệm theo quy hoạch 91 Bảng 4.6 Giá trị lực cắt Fx tại các điểm thí nghiệm theo quy hoạch 93 Bảng 4.7 Giá trị lực cắt Fy tại các điểm thí nghiệm theo quy hoạch 95 Bảng 4.8 Giá trị lực cắt Fz tại các điểm thí nghiệm theo quy hoạch 97 Bảng 4.9 Giá trị lực cắt F tại các điểm thí nghiệm theo quy hoạch 99 Bảng 4.10 Giá trị mòn dao tại các điểm thí nghiệm theo quy hoạch 101 11 DANH MỤC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ Hình 1.1 Lực cắt phụ thuộc vào nhiệt độ cắt [52] 23 Hình 1.2 Lực cắt và giá trị của lực cắt thay đổi phụ thuộc vào công suất laser [46] 24 Hình 1.3 Sự hấp thụ các bước sóng laser khác nhau khi tương tác với Inconel 718 [13] 25 Hình 1.4 Năng lượng cắt và độ nhám bề mặt thay đổi theo nhiệt độ cắt [13] 26 Hình 1.5 Độ mài mòn dao phụ thuộc vào nhiệt độ cắt [13] 26 Hình 1.6 So sánh chi phí gia công truyền thống với LAM khi gia công vật liệu Inconel 718[13] 27 Hình 1.7 Ảnh hưởng của tốc độ cắt đến nhiệt độ cắt với công suất laser khác nhau [44] 28 Hình 1.8 Ảnh hưởng của tốc độ cắt đến lực cắt tổng hợp với công suất laser khác nhau [44] 29 Hình 1.9 So sánh giữa LAM và CM về tuổi bền, lực cắt và nhiệt độ cắt [44] 29 Hình 1.10 Ảnh hưởng của công suất laser đến nhiệt độ cắt, lực cắt và tuổi bền dụng cụ cắt [44] 30 Hình 2.1 Cấu tạo nguồn phát laser cơ bản [30] 34 Hình 2.2 Sự tương tác giữa laser và vật liệu [56] 36 Hình 2.3 Các vectơ điện trường và từ trường của bức xạ điện từ[56] 36 Hình 2.4 Ảnh hưởng của mật độ công suất laser đến sự hấp thụ của vật liệu[56] 37 Hình 2.5 Hệ số phản xạ của một số kim loại phụ thuộc vào bước sóng laser[56] 38 Hình 2.6 Hệ số phản xạ phụ thuộc vào nhiệt độ phôi (bước sóng laser 1,06 μm) [33] 38 Hình 2.7 Chùm tia laser chiếu lên bề mặt vật liệu có lớp ôxit [33] 39 Hình 2.8 Hệ số hấp thụ phụ thuộc vào độ dày của màng oxit trên thép đối với bức xạ 1,06 μm[41] 39 Hình 2.9 Sự hấp thụ của vật liệu phụ thuộc vào độ nhám bề mặt phôi 39 Hình 2.10 a) Tiện có gia nhiệt bằng laser [15] b) Khu vực ảnh hưởng nhiệt được tạo ra gần chùm laser. [25] 41 Hình 2.11 Ảnh hưởng của nhiệt độ cắt đến năng lượng cắt và độ nhám bề mặt [19]. 42 Hình 2.12 Ảnh hưởng của nhiệt cắt đến lực cắt [20] 43 Hình 2.13 Tốc độ mài mòn dụng cụ cắt giữa gia công truyền thống và LAM [20] 44 Hình 3.1 Các thông số đầu vào và đầu ra khi thực nghiệm tiện vật liệu cứng có gia nhiệt bằng laser 50 Hình 3.2 Sơ đồ thí nghiệm gia công vật liệu cứng có gia nhiệt bằng laser 52 Hình 3.3 Phương án 1 - Gá lắp gương lên bàn xe dao 53 Hình 3.4 Phương án 2 – Hướng chùm tia laser vào phôi bằng sợi quang 53 Hình 3.5 Cấu tạo giá đỡ đầu phát laser 54 12 Hình 3.6 Sơ đồ giá đỡ đầu phát laser 54 Hình 3.7 Máy tiện T6M16 55 Hình 3.8 Thiết bị làm mát buồng cộng hưởng và đầu laser 57 Hình 3.9 Bộ nguồn điều khiển bơm kích thích và chai khí bảo vệ thấu kính đầu laser 57 Hình 3.10 Buồng cộng hưởng và đầu laser 57 Hình 3.11 Thân dao SDJCR 2020K11 (với L=125mm, L1=a=b=20mm) 58 Hình 3.12 Thông số hình học mảnh dao DCMT11T304VP15TF 58 Hình 3.13 Phôi thép 9XC 59 Hình 3.14 Thiết bị đo công suất laser FieldMaster 59 Hình 3.15 Bộ gá thiết bị đo lực cắt 61 Hình 3.16 Hệ thống đo lực cắt 61 Hình 3.17 Thiết bị đo nhiệt IR-AHS 61 Hình 3.18 Thiết bị đo mòn dao Mitutoyo MF Series 176-Measuring Microscopes 62 Hình 3.19 Thiết bị kiểm tra tổ chức tế vi Axio Observer D1M 63 Hình 3.20 Thiết bị đo độ nhám bề mặt 64 Hình 3.21 Thí nghiệm tiện có gia nhiệt bằng laser 64 Hình 4.1 a) Dùng khí bảo vệ Ar b) Dùng khí bảo vệ O2 70 Hình 4.2 Ảnh hưởng công suất laser đến nhiệt độ bề mặt phôi 71 Hình 4.3 Tổ chức tế vi vật liệu sau khi gia nhiệt bằng laser (P= 255W) 71 Bảng 4.4 Ảnh hưởng của thời gian nung nóng ban đầu đến nhiệt độ bề mặt phôi 72 Hình 4.5 Ảnh hưởng của khoảng cách từ đầu laser đến bề mặt phôi 72 Hình 4.6 Vị trí đặt điểm laser lên bề mặt phôi 73 Hình 4.7 Ảnh hưởng của tốc độ dịch chuyển vết laser tới nhiệt độ bề mặt phôi 74 Hình 4.8 Ảnh hưởng của bước tiến vết laser đến nhiệt độ bề mặt phôi 74 Hình 4.9 Cấu trúc lớp bề mặt phôi sau gia nhiệt bằng laser 75 Hình 4.10 Ảnh hưởng của công suất laser đến chiều sâu thấm nhiệt 76 Hình 4.11 Ảnh hưởng của công suất laser đến chiều sâu thấm nhiệt 77 Hình 4.12 Ảnh hưởng của công suất laser đến độ cứng tế vi 77 Hình 4.13 Ảnh hưởng của tốc độ dịch chuyển vết laser đến chiều sâu thấm nhiệt khi chưa cắt 78 Hình 4.14 Ảnh hưởng của tốc độ dịch chuyển vết laser tới chiều sâu thấm nhiệt 79 Hình 4.15 Ảnh hưởng của tốc độ dịch chuyển vết laser đến độ cứng tế vi khi chưa cắt 79 Hình 4.16 Ảnh hưởng của bước tiến vết laser đến chiều sâu thấm nhiệt khi chưa cắt 80 Hình 4.17 Ảnh hưởng của bước tiến vết laser đến chiều sâu thấm nhiệt 80 Hình 4.18 Ảnh hưởng của bước tiến vết laser đến độ cứng tế vi khi chưa cắt 81 Hình 4.19 Ảnh hưởng của chiều sâu cắt tới độ cứng bề mặt 82 13 Hình 4.20 Ảnh hưởng của chiều sâu cắt đến chiều sâu thấm nhiệt sau gia công tiện (t = 0,15mm) 82 Hình 4.21 Ảnh hưởng của chiều sâu cắt đến độ cứng tế vi sau gia công tiện 83 Hình 4.22 Ảnh của tốc độ cắt đến độ cứng bề mặt 84 Hình 4.23 Ảnh hưởng của tốc độ cắt đến chiều sâu thấm nhiệt sau khi tiện 84 Hình 4.24 Ảnh hưởng của tốc độ cắt đến độ cứng tế vi sau khi tiện 85 Hình 4.25 Đồ thị nhiệt độ bề mặt phôi phụ thuộc vào công suất laser và lượng tiến vết laser. 87 Hình 4.26 Đồ thị nhiệt độ bề mặt phôi phụ thuộc vào công suất laser và tốc độ vết laser 88 Hình 4.27 Đồ thị nhiệt độ bề mặt phôi phụ thuộc vào tốc độ vết laser và lượng tiến vết laser. 88 Hình 4.28 Chiều sâu thấm nhiệt phụ thuộc thông số công suất laser và tốc độ cắt 89 Hình 4.29 Ảnh hưởng của công suất laser và lượng tiến dao đến độ nhám bề mặt 91 Hình 4.30 Ảnh hưởng của công suất laser và tốc độ cắt đến độ nhám bề mặt 91 Hình 4.31 Ảnh hưởng của tốc độ cắt và lượng tiến dao đến độ nhám bề mặt 91 Hình 4.32 Ảnh hưởng của công suất laser và lượng tiến dao đến lực cắt Fx 93 Hình 4.33 Ảnh hưởng của công suất laser và tốc độ cắt đến lực cắt Fx 93 Hình 4.34 Ảnh hưởng của tốc độ cắt và lượng tiến dao đến lực cắt Fx 93 Hình 4.35 Ảnh hưởng của công suất laser và lượng tiến dao đến lực cắt Fy 95 Hình 4.36 Ảnh hưởng của công suất laser và tốc độ cắt đến lực cắt Fy 95 Hình 4.37 Ảnh hưởng của tốc độ cắt và lượng tiến dao đến lực cắt Fy 95 Hình 4.38 Ảnh hưởng của công suất laser và lượng tiến dao đến lực cắt Fz 97 Hình 4.39 Ảnh hưởng của công suất laser và tốc độ cắt đến lực cắt Fz 97 Hình 4.40 Ảnh hưởng của lượng tiến dao và tốc độ cắt đến lực cắt Fz 97 Hình 4.41 Ảnh hưởng của lượng tiến dao và công suất laser đến lực cắt F 98 Hình 4.42 Ảnh hưởng của công suất laser và tốc độ cắt đến lực cắt F 99 Hình 4.43 Ảnh hưởng của lượng tiến dao và tốc độ cắt đến lực cắt F 99 Hình 4.44 Ảnh hưởng của công suất laser và lượng tiến dao đến chiều cao mòn dao 100 Hình 4.45 Ảnh hưởng của công suất laser và vận tốc cắt đến chiều cao mòn dao 101 Hình 4.46 Ảnh hưởng của lượng tiến dao và vận tốc cắt đến chiều cao mòn dao 101 Hình 4.47 Giải bài toán tối ưu trên phần mềm MATLAB 106 Hình 4.48 Lịch sử câu lệnh và các phép toán trên phần mềm MATLAB 106 14 MỞ ĐẦU 1. Tính cấp thiết của đề tài luận án Vật liệu cứng là những vật liệu có độ cứng lớn hơn 45HRC, vật liệu cứng có đặc điểm chống mài mòn tốt, cơ tính ít thay đổi khi làm việc ở nhiệt độ cao [4]. Do đó vật liệu cứng ngày càng được sử dụng phổ biến để làm các chi tiết trong ngành khuôn mẫu, các chi tiết trong động cơ đốt trong của ô tô, xe máy, hàng không, vũ trụ,… Chế tạo những chi tiết làm bằng vật liệu cứng, thông thường sử dụng phương pháp mài. Phương pháp mài cho chất lượng bề mặt tốt; tuy nhiên khối lượng cắt bỏ vật liệu thấp, thiếu linh hoạt trong chế tạo các chi tiết có hình dáng phức tạp, quá trình mài tốn kém, không hiệu quả và gây ô nhiễm môi trường. Mặt khác vật liệu lớp bề mặt chi tiết sau khi mài chịu ứng suất kéo làm giảm độ bền mỏi của chi tiết. Cùng với sự ra đời và phát triển không ngừng của các loại dụng cụ cắt siêu cứng (kim cương, nitrit bo lập phương đa tinh thể, nitrit bo lập phương), công nghệ tiện vật liệu cứng sử dụng các dụng cụ này cũng được nghiên cứu và ứng dụng rộng rãi với các ưu điểm nổi bật như quá trình gia công linh hoạt, ít tác động đến môi trường do ít phải dùng dung dịch trơn nguội. Bên cạnh những ưu điểm, tiện vật liệu cứng cũng còn có nhược điểm là dụng cụ cắt bị mài mòn nhiều, vật liệu của dụng cụ cắt có độ giòn cao, độ dai va đập thấp nên đòi hỏi hệ thống công nghệ có độ cứng vững và độ chính xác cao, chi phí dụng cụ cắt đắt, năng suất gia công thấp, giá thành sản phẩm cao. Một trong những giải pháp để khắc phục các khó khăn khi gia công tiện vật liệu cứng ở trên là nung nóng phôi trong quá trình gia công. Bởi vì khi vật liệu phôi được nung nóng sẽ mềm hoá, tạo điều kiện cho quá trình cắt được dễ dàng hơn. Có nhiều phương pháp nung nóng phôi trong khi gia công tiện như: dùng ngọn lửa khí O2+C2H2, dùng ngọn lửa plasma, dùng dòng điện cao tần, dùng tia laser (Light Amplification by Stimulated Emisson of Radiation) .... Trong các phương pháp nung nóng kể trên thì gia nhiệt bằng laser có các ưu điểm như công suất nguồn nhiệt lớn, nguồn nhiệt tập trung cho vùng cắt, tốc độ nung nóng nhanh, nung nóng được những vị trí phức tạp, ở vị trí khó tiếp cận và có khả năng nung nóng cho nhiều vật liệu khác nhau. 15 Tiện vật liệu cứng có gia nhiệt bằng laser đã và đang được nghiên cứu, ứng dụng khá phổ biến trên thế giới nhằm nâng cao chất lượng bề mặt gia công, tuổi bền dụng cụ cắt cũng như năng suất cắt gọt. Tuy nhiên, các kết quả công bố cho thấy việc nghiên cứu vẫn chưa được đầy đủ, còn nhiều khía cạnh để tiếp tục cần phải nghiên cứu. Ở trong nước, tiện vật liệu cứng có gia nhiệt bằng laser cho đến nay chưa thấy có công trình nghiên cứu nào được công bố. Các vật liệu có độ bền và độ cứng cao ngày càng được sử dụng phổ biến trong ngành chế tạo cơ khí, cùng với sự ra đời, phát triển mạnh mẽ và có nhiều ưu điểm của công nghệ laser, nên công nghệ tiện vật liệu cứng có gia nhiệt bằng laser đang thu hút được sự quan tâm đặc biệt. Vì vậy, việc nghiên cứu bản chất, xác định các yếu tố ảnh hưởng đến chất lượng bề mặt, lực cắt, mòn dao nhằm tìm ra biện pháp nâng cao hiệu quả quá trình cũng như cải tiến công nghệ chế tạo và gia công sẽ mở rộng tiềm năng ứng dụng của công nghệ tiện vật liệu cứng có gia nhiệt bằng laser ở Việt nam là cần thiết và cấp bách. 2. Mục đích, đối tượng, phạm vi và nội dung nghiên cứu 2.1 Mục đích nghiên cứu Nghiên cứu đặc tính gia công tiện vật liệu cứng có gia nhiệt bằng laser và áp dụng vào để gia công tiện vật liệu 9XC sau tôi có gia nhiệt bằng laser. Xây dựng các mô hình thực nghiệm: nhiệt độ bề mặt phôi, chiều sâu thấm nhiệt, nhám bề mặt, lực cắt và độ mài mòn mặt sau dụng cụ cắt. Tối ưu hóa các thông số công nghệ như công suất laser, tốc độ cắt, lượng tiến dao, … nhằm đạt được độ nhám bề mặt nhỏ nhất. 2.2. Đối tượng nghiên cứu Là các chi tiết được gia công trên máy tiện T6M16 có gia nhiệt bằng laser Nd:YAG. 2.3. Phạm vi nghiên cứu Luận án giới hạn phạm vi nghiên cứu ảnh hưởng của các thông số công suất laser, tốc độ di chuyển đầu laser, lượng chạy dọc của đầu laser đến nhiệt độ bề mặt phôi và chiều sâu thấm nhiệt khi gia nhiệt bằng laser chưa cắt gọt. Nghiên cứu ảnh hưởng của các thông số công suất laser, tốc độ cắt, lượng tiến dao đến độ nhám bề mặt, các lực cắt thành phần, lực cắt tổng hợp và độ mòn dao khi tiện vật liệu 9XC 16 sau tôi đạt độ cứng 62HRC có gia nhiệt bằng laser Nd:YAG. Nghiên cứu chọn được các thông số công nghệ hợp lý để đạt được độ nhám bề mặt sau gia công nhỏ nhất. Các thông số laser và thông số chế độ cắt được chọn theo khả năng công nghệ của thiết bị hiện có trong phòng thí nghiệm. 2.4. Nội dung nghiên cứu Luận án tập trung nghiên cứu ảnh hưởng của các thông số công nghệ đến nhiệt độ bề mặt phôi, chiều sâu thấm nhiệt khi nung nóng phôi bằng laser và nghiên cứu ảnh hưởng của các thông số công nghệ đến độ nhám bề mặt, lực cắt, mòn dao khi tiện vật liệu cứng có gia nhiệt bằng laser. Xây dựng mô hình thực nghiệm mô tả quan hệ giữa các thông số công suất laser, tốc độ di chuyền đầu laser, lượng tiến dao đến nhiệt độ bề mặt phôi và chiều sâu thấm nhiệt. Xây dựng mô hình thực nghiệm mô tả quan hệ giữa các thông số đầu vào: công suất laser, tốc độ cắt, lượng tiến dao đến độ nhám bề mặt, lực cắt và mài mòn dụng cụ cắt khi tiện vật liệu 9XC sau tôi có gia nhiệt bằng laser, trên máy tiện vạn năng T6M16. Xác định được các thông số laser và thông số chế độ cắt hợp lý để gia công vật liệu 9XC sau tôi có gia nhiệt bằng laser rắn Nd:YAG, trên máy tiện vạn năng T6M16 đạt được yêu cầu về độ nhám bề mặt nhỏ nhất. 3. Phương pháp nghiên cứu Thu thập, phân tích và tổng hợp các công trình nghiên cứu trong và ngoài nước liên quan đến đề tài nghiên cứu về phương pháp tiện có gia nhiệt bằng laser; các tài liệu về công nghệ chế tạo máy, các tài liệu về laser. Từ đó, xác định được những kết quả nghiên cứu của các nhà khoa học đã công bố và tìm ra những nội dung mới mà luận án cần phải giải quyết. Nghiên cứu thực nghiệm, sử dụng phương pháp quy hoạch thực nghiệm để xây dựng mối quan hệ giữa các thông số chế độ cắt gọt, thông số laser với nhiệt độ bề mặt phôi, chiều sâu thấm nhiêt, lực cắt, độ nhám bề mặt, mòn dao. Kiểm định mô hình thực nghiệm bằng phương pháp bình phương nhỏ nhất và phân tích hồi quy, phân tích phương sai để xác định giá trị của các hệ số trong mô hình. Kiểm tra mô hình theo độ tương thích và khả năng làm việc. 17 4. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của luận án Luận án đã xác định được mức độ ảnh hưởng và thiết lập được mô hình thực nghiệm giữa các thông số công nghệ đầu vào như thông số laser, thông số cắt đến các thông số đầu ra như nhiệt độ bề mặt phôi tại vị trí dự định đặt mũi dao, chiều sâu thấm nhiệt khi sử dụng chùm tia laser chiếu cục bộ vào bề mặt phôi thép hợp kim 9XC sau tôi. Xác định được chiều sâu thấm nhiệt khi tiện có gia nhiệt bằng laser nhằm mục đích chọn chiều sâu cắt cho phù hợp với yêu cầu về năng suất, chất lượng của quá trình gia công đặt ra. Luận án cũng đã nghiên cứu, xác định mức độ ảnh hưởng và xây dựng được mô hình thực nghiệm của các thông số công nghệ đầu vào như thông số laser, thông số cắt đến các thông số đầu ra như nhám bề mặt, lực cắt và chiều cao mòn dao khi tiện thép hợp kim 9XC sau tôi (độ cứng đạt 62HRC) được nung nóng đồng thời cục bộ trước mũi dao bằng chùm tia laser. Nghiên cứu đã xác định được thông số công nghệ tối ưu để tiện thép hợp kim 9XC sau tôi, được cải thiện điều kiện gia công bằng gia nhiệt laser đạt yêu cầu kỹ thuật với chất lượng bề mặt cao. Các kết quả nhận được của luận án được lý giải cẩn thận và có đóng góp nhất định về học thuật khi cắt vật liệu khó gia công. Vật liệu được chọn nghiên cứu là vật liệu 9XC sau tôi, là vật liệu khó gia công; vật liệu này đang được dùng phổ biến hiện nay, nhất là ở Việt Nam. Do đó, kết quả của luận án có thể dùng để tham khảo cho các nhà máy xí nghiệp, các cơ sở sản xuất và phòng nghiên cứu. 5. Bố cục của luận án Bố cục của luận án được trình bày trong 04 chương: Chương 1: Tổng quan về tiện vật liệu cứng có gia nhiệt bằng laser. Chương 2: Cơ sở lý thuyết của phương pháp tiện vật liệu cứng có gia nhiệt bằng laser. Chương 3: Phương pháp, mô hình, trang thiết bị, vật liệu thực nghiệm tiện thép hợp kim 9XC sau tôi có gia nhiệt bằng laser. Chương 4: Nghiên cứu thực nghiệm tiện thép hợp kim 9XC sau tôi có gia nhiệt bằng laser. 18