Tài liệu Tóm tắt luận án nghiên cứu tiện thép hợp kim 9xc sau tôi có gia nhiệt bằng laser

MỞ ĐẦU 1. Tính cấp thiết của 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,… Gia công những chi tiết làm bằng vật liệu cứng, thường sử dụng phương pháp mài, cắt gọt dùng dụng cụ cắt siêu cứng, sử dụng các phương pháp gia công đặc biệt như: gia công bằng tia lửa điện, gia công bằng tia nước có hạt mài, gia công hoá học, ... Bên cạnh những ưu điểm, thì các phương pháp này cũng còn có những mặt hạn chế như: thiếu linh hoạt, gây ô nhiễm môi trường, dụng cụ cắt bị mài mòn nhiều, vật liệu của dụng cụ cắt có độ giòn cao, độ dai va đập thấp, chi phí dụng cụ cắt đắt, năng suất gia công thấp, giá thành sản phẩm cao. Có nhiều giải pháp để khắc phục các nhược điểm khi gia công tiện vật liệu cứng ở trên, một trong những giải pháp đó là nung nóng phôi trong quá trình gia công. Nung nóng bằng laser trong quá trình gia công là một trong các phương pháp đang được các nhà khoa học tập trung nghiên cứu. 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 1 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 tƣợng, 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 tƣợng 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 nghệ đốt nóng 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 sau tôi 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 2 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. Xác định được các thông số công nghệ hợp lí nhằm đạt được độ nhám bề mặt nhỏ nhất. 3. Phƣơng pháp nghiên cứu Thu thập, phân tích và tổng hợp các công trình nghiên cứu liên quan đến đề tài nghiên cứu. Nghiên cứu thực nghiệm, sử dụng phương pháp quy hoạch thực nghiệm để xây dựng mối quan hệ giữa các thông số với nhiệt độ bề mặt phôi, chiều sâu thấm nhiệt, lực cắt, độ nhám bề mặt, mòn dao. Đánh giá, kiểm tra các giả thuyết khoa học, phân tích hồi quy, phân tích phương sai để xác định giá trị các hệ số trong mô hình. 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, chiều sâu thấm nhiệt khi đốt nóng phôi thép hợp kim 9XC sau tôi. 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 có gia nhiệt bằng laser. Nghiên cứu đã xác định được thông số công nghệ tối ưu để tiện thép hợp kim 9XC sau tôi có gia nhiệt bằng laser, đạt yêu cầu kỹ thuật với chất lượng bề mặt cao. Các kết quả nhận được của luận án có đóng góp nhất định về học thuật khi cắt vật liệu khó gia công. 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. 3 5. Bố cục của luận án 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. Phần kết luận chung, kiến nghị, tài liệu tham khảo, các công trình đã công bố của luận án và phụ lục luận án. 6. Những đóng góp mới của luận án Thiết kế và chế tạo được hệ thống thí nghiệm tiện có gia nhiệt bằng laser. Đánh giá ảnh hưởng của các thông số công nghệ đốt nóng đến nhiệt độ bề mặt phôi và chiều sâu thấm nhiệt của chi tiết, khi được gia nhiệt bằng laser Nd:YAG. Xây dựng được mô hình thực nghiệm mô tả nhiệt độ bề mặt phôi, chiều sâu thấm nhiệt phụ thuộc vào công suất laser (P), tốc độ dịch chuyển vết laser (v), bước tiến vết laser (s) khi dùng laser Nd:YAG gia nhiệt cục bộ vật liệu 9XC sau tôi trên máy tiện T6M16. Xây dựng được mô hình thực nghiệm của nhám bề mặt, lực cắt thành phần, lực cắt tổng hợp và chiều cao mòn dao theo các thông số laser và thông số công nghệ cắt gọt khi tiện vật liệu 9XC sau tôi, trên máy tiện T6M16 có gia nhiệt bằng laser. Đã tìm ra giải pháp nâng cao độ cứng lớp bề mặt chi tiết bằng phương pháp tiện có gia nhiệt bằng laser. Đã đề xuất được bộ thông số công nghệ hợp lý để nhận được độ nhẵn bóng bề mặt cao, độ mài mòn dao nhỏ trong điều kiện nghiên cứu. 4 CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ TIỆN VẬT LIỆU CỨNG CÓ GIA NHIỆT BẰNG LASER 1.1. Đặc điểm gia công vật liệu cứng Vật liệu cứng đang và sẽ được sử dụng nhiều trong công nghiệp khuôn mẫu, ô tô, xe máy, hàng không,… do vật liệu cứng có tính chất ưu việt như độ cứng cao, tính chịu mài mòn tốt và bền nhiệt, tuy nhiên gia công cắt gọt vật liệu cứng gặp nhiều khó khăn [4]. Dùng phương pháp mài, dụng cụ cắt siêu cứng để gia công vật liệu cứng chiếm khoảng 60 đến 90% chi phí cuối cùng của sản phẩm [13]. Do những tính chất đặc trưng khi gia công cắt gọt vật liệu cứng, nên các phương pháp gia công truyền thống phay hoặc tiện đang chứng tỏ không hiệu quả như: tốc độ cắt thấp, chiều sâu cắt nhỏ, và thường xuyên thay đổi dụng cụ cắt do bị mòn. Có một nguyên tắc cơ bản là vật liệu khi được nung nóng sẽ biến dạng dễ dàng hơn so với ở nhiệt độ thường. Phương pháp gia công cắt gọt vật liệu cứng có gia nhiệt lần đầu tiên được nghiên cứu vào đầu năm 1950[23,14]. Một phương pháp tiếp cận ngày càng trở nên phổ biến để gia công các vật liệu cứng, là LAM. Trong phương pháp gia công này, phôi phải chịu một chùm tia laser tập trung; điều này dẫn đến phôi được nung nóng cục bộ, làm tăng đáng kể nhiệt độ của phôi trong vùng lân cận của dụng cụ cắt. Việc nung nóng này, làm mềm vật liệu và do đó cải thiện tính gia công của vật liệu mà không làm thay đổi cấu trúc bề mặt gia công hoặc gây biến dạng nhiệt không mong muốn. 1.2. Vật liệu dụng cụ cắt sử dụng để gia công vật liệu cứng Trong nghiên cứu này tác giả đã chọn vật liệu dao tiện là cacbide có phủ TiAlN để gia công vật liệu thép 9XC sau tôi có gia nhiệt bằng laser. 5 1.3. Nghiên cứu nƣớc ngoài về phƣơng pháp gia công cắt gọt có gia nhiệt bằng laser 1.3.1. Gia công vật liệu gốm sứ có gia nhiệt bằng laser Hầu hết các nghiên cứu trước đây về LAM đã được thực hiện trên các vật liệu gốm sứ kỹ thuật [48, 52, 35, 47]. Hình 1.1 cho thấy lực cắt giảm cắt khi nhiệt độ cắt tăng lên là kết quả nghiên cứu của Lei và cộng sự [52]. Hình 1.1 Lực cắt phụ thuộc vào nhiệt độ cắt [52] Hongtao Ding và Yung C. Shin [28] đã nghiên cứu gia công tiện vật liệu Waspaloy và chỉ ra rằng tuổi bền của dụng cụ tăng lên 50%, độ bóng bề mặt tăng 3 lần, lực cắt giảm 20%. 1.3.2. Gia công vật liệu Inconel 718 có gia nhiệt bằng laser Nghiên cứu [13] đã được chỉ ra rằng ở tốc độ 180m/ph, có thể tiết kiệm tới 50% giá thành gia công so với phương pháp gia công truyền thống (hình 1.6). Hình 1.6 So sánh chi phí gia công truyền thống với LAM khi gia công vật liệu Inconel 718. [13] 6 1.3.3. Gia công thép hợp kim có gia nhiệt bằng laser Nhiều nghiên cứu thực nghiệm bằng cách sử dụng LAM để gia công thép AISI D2 [40], graphit [50], thép AISI 4130 [29], gang trắng [51] và khẳng định rằng chi phí gia công tổng thể giảm và tăng năng suất so với phương pháp mài. Sự hình thành phoi răng cưa trong gia công là một trong những nguyên nhân chính gây va đập và phương pháp gia công có gia nhiệt bằng laser làm giảm đáng kể biên độ rung động và va đập [27,31]. R. A. Rahman Rashid [44] đã nghiên cứu và chỉ ra ảnh hưởng của công suất laser đến nhiệt cắt, lực cắt và tuổi bền dụng cụ như hình 1.10. Hình 1.10 Ảnh hưởng của công suất laser đến nhiệt độ cắt, lực cắt và tuổi bền dụng cụ cắt [44] 1.4. Nghiên cứu trong nƣớc về phƣơng pháp gia công cắt gọt vật liệu cứng và sử dụng laser để gia công vật liệu Nghiên cứu về phương pháp gia công cắt gọt vật liệu cứng có gia nhiệt bằng laser ở trong nước cho đến nay tác giả chưa tìm thấy tài liệu nào được công bố. Tuy nhiên, có nhiều công trình của các nhà khoa học trong nước đã nghiên cứu về gia công cắt gọt các vật liệu cứng và ứng dụng công nghệ laser vào để gia công vật liệu như cắt tấm, nhiệt luyện. Kết luận chƣơng 1 Để nghiên cứu phương pháp tiện thép hợp kim 9XC sau tôi có gia nhiệt bằng laser, tác giả đã tìm hiểu, phân tích đặc điểm của phương pháp gia công vật liệu 7 cứng thông qua các nghiên cứu mà các nhà khoa học đã công bố. Kết quả của các nghiên cứu đã chỉ ra rằng, gia công vật liệu cứng có gia nhiệt bằng laser có thể nâng cao chất lượng bề mặt, nâng cao năng suất cắt, giảm giá thành và thân thiện với môi trường. Các vật liệu được đưa vào gia công có gia nhiệt bằng laser mà các nhà khoa học trên thế giới đã tập trung nghiên cứu là các nhóm vật liệu như: gốm, ceramic, inconel 718 và thép hợp kim; chưa có nghiên cứu về tiện có gia nhiệt bằng laser đối với vật liệu thép hợp kim 9XC. Các công bố chủ yếu sử dụng các laser rắn, laser khí CO2 có công suất lớn, có đặc tính liên tục để gia nhiệt trong quá trình gia công và nghiên cứu ảnh hưởng của các thông số đến lực cắt, chất lượng bề mặt, lượng mòn dao, chi phí gia công. Chưa thấy nghiên cứu sử dụng laser xung; chưa thấy nghiên cứu đánh giá ảnh hưởng của các thông số công nghệ đến chiều sâu thấm nhiệt khi chưa gia công, đây được cho là cơ sở để chọn các thông số cắt hợp lý. Tác giả chưa tìm thấy nghiên cứu nào đưa ra được các mô hình toán học ảnh hưởng của các thông số công nghệ đến nhám bề mặt, lực cắt, chiều cao mòn dao và cũng chưa thấy nghiên cứu nào về tối ưu hoá các thông số công nghệ để nhận được độ nhám bề mặt nhỏ nhất. Ngoài ra, giải pháp nâng cao tính chất vật liệu lớp bề mặt chi tiết bằng phương pháp tiện có gia nhiệt bằng laser cũng chưa có công trình nào công bố. Từ các kết quả nghiên cứu ở chương 1, tác giả thấy rằng còn nhiều vấn đề cần được nghiên cứu thêm, nhằm đưa phương pháp tiện các vật liệu khó gia công được gia nhiệt bằng laser có thể áp dụng trong sản xuất thực tế tại Việt Nam. 8 CHƢƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT CỦA PHƢƠNG PHÁP TIỆN VẬT LIỆU CỨNG CÓ GIA NHIỆT BẰNG LASER 2.1. Cơ sở lý thuyết của Laser 2.1.1. Bản chất của laser Laser (Light Amplification by Stimulated Emisson of Radiation – Khuếch đại ánh sáng bằng bức xạ kích thích) thực chất là tia sáng đơn sắc, có bước sóng xác định tuỳ thuộc vào môi chất phát ra tia laser [10]. Tia laser có tính định hướng cao, có thể dùng hệ thống quang học để điều khiển hướng đi của nó và tập trung được nó vào một diện tích rất nhỏ và đạt tới mật độ năng lượng rất cao 2.1.2. Cấu tạo cơ bản nguồn phát laser. Hình 2.1 Cấu tạo nguồn phát laser cơ bản [30] 1- Môi chất Laser 2- Nguồn nuôi 3 & 4- Gương phản xạ 5- Tia laser 2.1.3. Sự tƣơng tác của laser với vật liệu Khi năng lượng bức xạ chiếu vào bề mặt vật liệu cho kết quả là một phần năng lượng bức xạ được phản xạ, một phần được vật liệu hấp thụ (hình 2.2 [56]). Hình 2.2 Sự tương tác giữa laser và vật liệu [56] 9 2.1.4. Khả năng hấp thụ laser của vật liệu Mối quan hệ giữa hệ số hấp thụ với hệ số phản xạ đối với vật liệu chắn sáng được cho bởi công thức sau [56]: A = 1-R (%) (2.1) Khả năng hấp thụ của vật liệu phụ thuộc vào các yêú tố sau: 2.1.4.1. Ảnh hưởng của bước sóng Ở bước sóng ngắn hơn, các năng lượng của photon có thể bị hấp thụ bởi một số lượng lớn các electron bị ràng buộc và do đó độ phản xạ giảm và độ hấp thụ của bề mặt tăng lên (hình 2.5)[56]. Hình 2.5 Hệ số phản xạ của một số kim loại phụ thuộc vào bước sóng laser[56] 2.1.4.2. Ảnh hưởng của nhiệt độ Hình 2.6 Hệ số phản xạ phụ thuộc vào nhiệt độ phôi (bước sóng laser 1,06 μm) [33] 10 2.1.4.3. Ảnh hưởng của lớp ôxit bề mặt vật liệu Hình 2.8 Hệ số hấp thụ phụ thuộc vào độ dày của màng ôxit trên thép đối với bức xạ 1,06 μm[41] 2.1.4.4. Ảnh hưởng của độ nhám bề mặt Hình 2.9 Sự hấp thụ của vật liệu phụ thuộc vào độ nhám bề mặt phôi 2.2. Tiện vật liệu cứng có gia nhiệt bằng laser 2.2.1. Khái niệm: Tiện vật liệu cứng có gia nhiệt bằng laser là phương pháp tiện các vật liệu cứng có độ cứng lớn hơn 45 HRC bằng cách sử dụng chùm tia laser chiếu lên bề mặt phôi trước dao trong quá trình tiện, nhằm giảm độ cứng của vật liệu, giảm lực cắt, tăng tuổi bền dụng cụ, nâng cao chất lượng bề mặt. 2.2.2. Đặc điểm: Ở nhiệt độ cao, sức bền của vật liệu giòn sẽ giảm xuống dưới độ bền phá huỷ làm thay đổi tính chất biến dạng vật liệu từ dạng giòn sang dạng dẻo, dẫn đến độ bền của vật liệu dẻo dai giảm làm giảm lực cắt, giảm mài mòn dụng cụ cũng như cải thiện chất lượng bề mặt [15]. 11 a) Hình 2.10 a) Tiện có gia nhiệt bằng laser [15] 2.2.3. Độ nhám bề mặt khi tiện có gia nhiệt bằng laser Dandekar và cộng sự đã nghiên cứu LAM để vật liệu tổng hợp có cốt sợi Al2O3 và tìm ra sự thay đổi độ nhám bề mặt với sự thay đổi nhiệt độ phôi. Kết quả được mô tả trong hình 2.11. Hình 2.11 Ảnh hưởng của nhiệt độ cắt đến năng lượng cắt và độ nhám bề mặt [19]. 2.2.4. Lực cắt khi tiện có gia nhiệt bằng laser Hình 2.12 Ảnh hưởng của nhiệt cắt đến lực cắt [20] 12 2.2.5. Mài mòn dụng cụ cắt trong tiện có gia nhiệt bằng laser Dandaker và cộng sự [20] cho rằng (hình 2.13). Hình 2.13 Tốc độ mài mòn dụng cụ cắt giữa gia công truyền thống và LAM [20] Kết luận chƣơng 2 Phương pháp tiện có gia nhiệt bằng laser, ngoài ảnh hưởng của các thông số chế độ cắt như trong gia công truyền thống thì các thông số công nghệ laser cũng gây ảnh hưởng tới chất lượng bề mặt, giá trị lực cắt, chiều cao mài mòn dao, .... Vì vậy việc nghiên cứu về bản chất của tia laser, đặc điểm, cấu tạo của nguồn phát laser cơ bản, sự phân bố năng lượng trên bề mặt và sự lan truyền năng lượng vào vật liệu khi có chùm tia laser chiếu vào mặt vật liệu đã được phân tích. Hệ số phản xạ và hấp thụ ánh sáng laser của vật liệu có ảnh hưởng trực tiếp đến nhiệt độ bề mặt khi gia nhiệt và nó phụ thuộc vào bước sóng laser, vật liệu phôi, nhiệt độ phôi, độ nhám bề mặt, ... Ngoài ra, các thông số như công suất laser, khoảng cách từ đầu laser đến phôi, ...cũng ảnh hưởng đến quá trình tiện vật liệu cứng có gia nhiệt bằng laser. Từ kết quả trên, là cơ sở để tác giả thiết lập được hệ thống thí nghiệm cũng như xác định các thông số đầu vào để nghiên cứu phương pháp tiện vật liệu cứng có gia nhiệt bằng laser. 13 CHƢƠNG 3: PHƢƠNG PHÁP, MÔ HÌNH, TRANG THIẾT BỊ, VẬT LIỆU THỰC NGHIỆM TIỆN THÉP HỢP KIM 9XC SAU TÔI CÓ GIA NHIỆT BẰNG LASER 3.1. Những khái niệm cơ bản của thiết kế thực nghiệm [9] 3.1.1. Định nghĩa quy hoạch thực nghiệm Quy hoạch thực nghiệm là tập hợp các tác động nhằm đưa ra chiến thuật làm thực nghiệm từ giai đoạn đầu đến giai đoạn kết thúc của quá trình nghiên cứu đối tượng (từ nhận thông tin mô phỏng đến việc tạo ra mô hình toán, xác định các điều kiện tối ưu), trong điều kiện đã hoặc chưa hiểu biết đầy đủ về cơ chế của đối tượng. 3.1.2. Các bƣớc thiết kế thực nghiệm cực trị 3.1.2.1. Chọn thông số nghiên cứu Căn cứ vào số yếu tố ảnh hưởng chính, chỉ tiêu đánh giá, mục đích, nhiệm vụ thực nghiệm, người nghiên cứu phải biết nhóm các yếu tố vào theo kế hoạch thực nghiệm, vì tính hiệu quả và khả năng làm việc của các mô hình hồi qui phụ thuộc nhiều vào kết quả xác định yếu tố vào của chúng. 3.1.2.2. Thiết kế thực nghiệm Chọn được mô hình thực nghiệm phù hợp với điều kiện thực hiện và với đặc điểm các yếu tố của đối tượng. Mỗi dạng kế hoạch đặc trưng bởi các chuẩn tối ưu và tính chất khác nhau. Nên quan tâm nhiều đến điều kiện thí nghiệm và đặc điểm đo đạc, nhận giá trị của mục tiêu. 3.1.2.3. Tiến hành thí nghiệm nhận thông tin 3.1.2.4. Xây dựng và kiểm tra mô hình thực nghiệm Sử dụng phương pháp hiệu số bình phương nhỏ nhất và các nội dung phân tích hồi qui, phân tích phương sai để xác định giá trị của các hệ số trong mô hình hồi qui đa thức, kiểm tra mô hình theo độ tương thích và khả năng làm việc. Tùy theo loại thực nghiệm mà mô hình là tuyến tính hay phi tuyến. Mô hình thống kê thực nghiệm 14 chỉ có thể sử dụng sau khi đã thỏa mãn các tiêu chuẩn (Student và Fisher). 3.1.3. Quy hoạch thực nghiệm trực giao tuyến tính 3.1.4. Quy hoạch thực nghiệm trực giao cấp II 3.2. Xây dựng mô hình thực nghiệm Các đại lượng cố định: - Máy tiện T6M16. - Máy laser Nd:YAG. - Dụng cụ cắt. - Phôi gia công. - Thiết bị đo lường,… Các đại lượng đầu vào: - Công suất laser. - Vận tốc cắt. - lượng tiến dao. Quá trình tiện có gia nhiệt bằng laser Các đại lượng đầu ra: - Nhiệt độ bề mặt phôi TBM. - Chiều sâu thấm nhiệt tth. - Độ nhám bề mặt Ra. - Lực cắt Fx, Fy, Fz, F. - Mòn dao hs. Các đại lượng nhiễu Hình 3.1 Các thông số đầu vào và đầu ra khi thực nghiệm tiện vật liệu cứng có gia nhiệt bằng laser 3.2.2. Các điều kiện đầu vào 3.2.3. Các đại lƣợng đầu ra 3.2.4. Các đại lƣợng cố định 3.2.5. Các đại lƣợng không điều khiển đƣợc 3.2.6. Thiết lập hệ thống thí nghiệm 3.2.6.1. Phân tích hệ thống thí nghiệm Hệ thống thí nghiệm gồm: máy tiện (1); chi tiết gia công (2); đầu laser (3), dao tiện được gá trên thiết bị 15 đo lực FUTEK MTA400 (4), lực cắt hiển thị trên màn hình vi tính (6) thông qua bộ chuyển đổi tín hiệu (5). Hình 3.2 Sơ đồ thí nghiệm gia công vật liệu cứng có gia nhiệt bằng laser 3.2.6.2. Sơ đồ hướng chùm laser vào phôi 3.3. Điều kiện thực nghiệm . Hình 3.9 Bộ nguồn điều khiển bơm kích thích và chai khí bảo vệ thấu kính đầu laser Hình 3.21 Thí nghiệm tiện có gia nhiệt bằng laser 16 3.4. Thiết kế thực nghiệm khi tiện vật liệu cứng có gia nhiệt bằng laser 3.4.1. Thiết kế thực nghiệm xác định nhiệt độ bề mặt phôi khi có gia nhiệt bằng laser Bảng 3.9 Các thông số đầu vào xác định nhiệt độ bề mặt khi gia nhiệt bằng laser Biến mã hoá X1 X2 X3 + + + + + + + + + + + + TT 1 2 3 4 5 6 7 8 P (W) 200 330 200 330 200 330 200 330 v (m/ph) 25 25 100 100 25 25 100 100 s (mm/vg) 0,06 0,06 0,06 0,06 0,18 0,18 0,18 0,18 3.4.2. Thiết kế thực nghiệm xác định chiều sâu thấm nhiệt khi có gia nhiệt bằng laser Bảng 3.11 Các thông số đầu vào xác định chiều sâu thấm nhiệt khi gia nhiệt bằng laser TT 1 2 3 4 Biến mã hoá X1 X2 + + + + P (W) 270 330 270 330 v (m/ph) 25 25 100 100 3.4.3. Thiết kế thực nghiệm xác định nhám bề mặt, lực cắt và chiều cao mòn khi tiện vật liệu 9XC sau tôi có gia nhiệt bằng laser 17 Bảng 3.13 Các thông số đầu vào khi tiện vật liệu 9XC sau tôi gia nhiệt bằng laser Biến mã hoá P(W) v(m/ph) s(mm/vg) X1 X2 X3 270 25 0,06 1 + 330 25 0,06 2 + 270 100 0,06 3 + + 330 100 0,06 4 + 270 25 0,18 5 + + 330 25 0,18 6 + + 270 100 0,18 7 + + + 330 100 0,18 8 Kết luận chƣơng 3 Trong chương này đã đi nghiên cứu, phân tích và thiết kế, chế tạo thành công hệ thống thí nghiệm tiện vật liệu cứng có gia nhiệt bằng laser. Đánh giá được các ảnh hưởng của các thông số như: công suất laser, thời gian nung nóng ban đầu, lượng tiến dao, tốc độ cắt, điểm đặt laser, để từ đó lựa chọn được các thông số hợp lí để gia công, Các thông số được chọn là công suất laser P=270-330W; thời gian nung nóng ban đầu từ 10 đến 20 giây, lượng tiến dao s=0,060,18mm/vg; tốc độ cắt v=25-100m/ph. Khảo sát ảnh hưởng của các thông số đến nhiệt độ bề mặt phôi tại vị trí sẽ đặt mũi dao, chiều sâu thấm nhiệt trong trường hợp chưa cắt gọt, tạo cơ sở cho việc phân tích lựa chọn chế độ cắt thích hợp. Phân tích xác định được các thông số đầu vào là cơ sở cho việc khảo sát và xây dựng mô hình toán học giữa các thông số đầu vào với nhám bề mặt, lực cắt và mài mòn dao. TT 18 CHƢƠNG 4: NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM TIỆN THÉP HỢP KIM 9XC SAU TÔI CÓ GIA NHIỆT BẰNG LASER 4.1. Đánh giá ảnh hƣởng của các thông số công nghệ đến quá trình tiện vật liệu cứng có gia nhiệt bằng laser 4.1.1. Chọn khí bảo vệ a) b) Hình 4.1 a) Dùng khí bảo vệ Ar b) Dùng khí bảo vệ O2 4.1.2. Ảnh hƣởng của một số thông số công nghệ đốt nóng đến nhiệt độ bề mặt phôi 4.1.3. Ảnh hƣởng của thông số công nghệ đốt nóng đến chiều sâu thấm nhiệt và độ cứng tế vi khi gia nhiệt bằng laser. Hình 4.9 Cấu trúc lớp bề mặt phôi sau gia nhiệt bằng laser 4.1.3.1. Ảnh hưởng của công suất laser đến chiều sâu thấm nhiệt 4.1.3.2. Ảnh hưởng của tốc độ dịch chuyển vết laser đến chiều sâu thấm nhiệt v = 36m/ph v = 50m/ph v = 62,5m/ph v = 100m/ph Hình 4.13 Ảnh hưởng của tốc độ dịch chuyển vết laser đến chiều sâu thấm nhiệt khi chưa cắt 19 4.1.3.3. Ảnh hưởng của bước tiến vết laser đến chiều sâu thấm nhiệt 820 800 780 760 740 720 700 680 660 Do cung te vi (HV) Độ cứng tế vi (HV) 900 800 700 600 500 400 300 200 100 0 0,05 0,1 0,15 0,25 0,35 lõi 0,05 0,1 0,15 0,25 0,35 lõi 36m/ph 822 801 679 710 725 756 s= 0,06mm/vg 801 717 748 750 753 750 50m/ph 781 612 657 735 735 737 s= 0,09mm/vg 798 710 745 750 753 753 62,5m/ph 784 713 728 739 753 753 s= 0,12mm/vg 789 715 748 750 750 750 100m/ph 801 717 748 750 753 750 s= 0,15mm/vg 750 735 740 750 750 743 Khoảng cách từ bề mặt (mm) Khoang cach tu be mat (mm) Hình 4.15 Ảnh hưởng của tốc độ dịch chuyển vết laser đến độ cứng tế vi khi chưa cắt Hình 4.18 Ảnh hưởng của bước tiến vết laser đến độ cứng tế vi khi chưa cắt 800 790 780 770 760 750 740 730 720 Độ cứng tế vi (HV) Độ cứng tế vi (HV) 4.1.4. Ảnh hƣởng của các thông số công nghệ cắt đến độ cứng bề mặt, chiều sâu thấm nhiệt và độ cứng tế vi khi tiện có gia nhiệt bằng laser 810 800 790 780 770 760 750 740 730 720 0 0,05 0,1 0,15 lõi 0 0,05 0,1 0,15 lõi 0,1 mm 789 775 756 750 750 36m/ph 804 798 775 759 750 0,15mm 759 759 756 756 756 50m/ph 798 775 756 756 750 0,2mm 753 753 750 750 748 71m/ph 753 753 748 750 750 0,25mm 756 756 753 750 750 100m/ph 756 759 753 753 753 Khoảng cách từ bề mặt (mm) Khoảng cách từ bề mặt (mm) Hình 4.21 Ảnh hưởng của chiều sâu cắt đến độ cứng tế vi sau gia công tiện Hình 4.24 Ảnh hưởng của tốc độ cắt đến độ cứng tế vi sau khi tiện 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 đƣợc gia nhiệt bằng laser khi chƣa tiện 4.2.1. Xây dựng mô hình thực nghiệm ảnh hƣởng của một số thông số công nghệ đến nhiệt độ bề mặt phôi thép 9XC sau tôi đƣợc nung nóng bằng laser (4.1) TBM  1,86P  0,84v  260,4s  340,1 (OC) 4.2.2. Xây dựng mô hình thực nghiệm ảnh hƣởng của một số thông số công nghệ đến chiều sâu thấm nhiệt phôi thép 9XC sau tôi đƣợc nung nóng bằng laser (4.2) 20