Luận án Nghiên cứu tiện thép hợp kim 9XC sau tôi có gia nhiệt bằng Laser - Nguyễn Thành Huân

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 . 274

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 . 455

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. 586

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 . 717

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

. 898

pdf145 trang | Chia sẻ: trungkhoi17 | Lượt xem: 374 | Lượt tải: 1download
Bạn đang xem trước 20 trang tài liệu Luận án Nghiên cứu tiện thép hợp kim 9XC sau tôi có gia nhiệt bằng Laser - Nguyễn Thành Huân, để xem tài liệu hoàn chỉnh bạn click vào nút DOWNLOAD ở trên
Hệ thống gương phản xạ toàn phần. - Nguồn kích thích ( nguồn bơm) là đèn quang học Krypton. - Ánh sáng từ nguồn kích thích bơm vào tinh thể. - Hệ thống làm mát buồng cộng hưởng và đầu laser bằng nước (hình 3.8). 56 - Hệ thống phản xạ ánh sáng. - Hệ thống khí bảo vệ thấu kính đầu laser. Bảng 3.1 thông số kỹ thuật máy phát laser Nd:YAG 350 Model 350YAG-LASINCOM Công suất trung bình (W) 350 Công suất cực đại (W) 3000 Độ ổn định công suất (%) 5% Dải công suất laser (W) 50-350 Bước sóng (nm) 1064 Kích thước vết hội tụ nhỏ nhất (µm) 100 Kích thước vết hội tụ gia nhiệt (mm) 2 Số lượng đèn (bơm kích thích) 2 Thời gian đáp ứng laser (µs) 50 Dải độ rộng xung (ms) 0-5 Dải cường độ laser (A) 0-150 Dải tần số (Hz) 0-300 Chế độ đầu ra Xung Nhiệt độ và lưu lượng làm mát bằng nước 25 ±4 oC; 50 lít/phút Công suất làm mát (kW) 3.2 Công suất cung cấp (kVA) 5 Tiêu thụ điện năng tối đa (kW) 5 W x H x D (mm) 1500 x 600x 1200 Trọng lượng (kg) 300 57 Hình 3.8 Thiết bị làm mát buồng cộng hưởng và đầu laser Hình 3.9 Bộ nguồn điều khiển bơm kích thích và chai khí bảo vệ thấu kính đầu laser Hình 3.10 Buồng cộng hưởng và đầu laser 58 3.3.3. Dao tiện - Thân dao: Sử dụng thân dao tiện do hãng Mitsubishi sản xuất. Hình 3.11 Thân dao SDJCR 2020K11 (với L=125mm, L1=a=b=20mm) - Mảnh dao: Dùng mảnh dao mác DCMT11T304VP15TF của hãng Mitsubishi, là dao phủ TiAlN theo công nghệ PVD, góc mũi dao 55o. Các thông số hình học mảnh dao tiêu chuẩn của hãng Mitsubishi được thể hiện trên bảng 3.2 và hình 3.12. Hình 3.12 Thông số hình học mảnh dao DCMT11T304VP15TF Bảng 3.2. Thông số hình học mảnh dao DCMT11T304VP15TF Thông số mảnh dao Giá trị Chiều dài l 10,8mm Bán kính mũi dao r 0,4mm Chiều cao s 3,97mm Đường kính lỗ d1 4,4mm 3.3.4. Phôi tiện Vật liệu phôi có thành phần hoá học theo % khối lượng như bảng 3.3 Bảng 3.3 Thành phần hoá học (%) của thép 9XC Thành phần hoá học (%) C Si Mn S P Cr W V Mo 0,92 1,4 0,62 0,024 0,018 1,28 - - 0,11 59 Bảng 3.4 Các đặc tính của thép 9XC [12] Các điểm tới hạn (oc): - A1 tương ứng với nung nóng - A3 tương ứng với nung nóng 770 870 Cơ tính: - Giới hạn bền kéo, B [MPa] - Giới hạn chảy, T [MPa] - Độ giãn dài,  [%] - Độ giảm tiết điện,  [%] - Bền va đập [kJ/m2] - Độ cứng Brinell, HB [MPa] 790 445 26 54 390 241 Ứng dụng của thép 9XC: Dùng làm bạc lót, con lăn dẫn hướng, puli, các chi tiết trong khuôn đột dập, khuôn ép phun, Phôi tiện có hình trụ, kích thước chiều dài là 350mm, được tiện thô đạt kích thước đường kính 31,80,4mm. Sau đó đem đi tôi thể tích đạt độ cứng từ 61 - 63HRC, hình 3.13. Hình 3.13 Phôi thép 9XC 3.3.5. Các thiết bị đo dùng cho thực nghiệm tiện vật liệu cứng có gia nhiệt bằng laser 3.3.5.1. Thiết bị đo công suất laser Hình 3.14 Thiết bị đo công suất laser FieldMaster 60 Bảng 3.5 Thông số kỹ thuật thiết bị đo công suất laser FieldMaster Thông số Giá trị Loại hiển thị: Tốc độ cao, độ tương phản cao, màn hình tinh thể lỏng (240 x 200 pixel) Hiển thị kỹ thuật số: Tốc độ cập nhật < 3 Hz Tín hiệu hiển thị: Tốc độ cập nhật 10 Hz Độ chính xác hiển thị: ±1% Hiển thị trung bình: 1 – 200 Tín hiệu ra: 0-1 V, ±2%, 5 Hz Tốc độ chụp xung: Lớn nhất 10Hz Số lần lấy mẫu CW trong một giây Lớn nhất 10Hz Kích thước 190x117x46mm Nhiệt độ hoạt động: 5° C đến 40° C Trọng lượng 784g 3.3.5.2. Thiết bị đo lực và thiết kế bộ gá thiết bị đo lực cắt Bảng 3.6 Thông số thiết bị đo lực cắt FUTEK Thông số Giá trị Khoảng đo (Fx, Fz) 250lb/1134N Khoảng đo (Fz) 500lb/2268N Quá tải an toàn (tải trọng) 150% Độ cân bằng 3% Nguồn ra (Fx, Fz) 1,5mV/V nom Nguồn ra (Fz) 0,75mV/V nom Điện trở vào/ra 760 Nhiệt độ hoạt động -60200oF/-5093oC 61 Hình 3.15 Bộ gá thiết bị đo lực cắt Hình 3.16 Hệ thống đo lực cắt 3.3.5.3. Thiết bị đo nhiệt độ Hình 3.17 Thiết bị đo nhiệt IR-AHS 62 Bảng 3.7 Thông số kỹ thuật máy đo nhiệt độ IR-AHS Nhãn hiệu IR-AHS (Dùng để đo nhiệt độ trung bình và cao) Hệ thống đo lường Nhiệt kế bức xạ dải hẹp Khoảng cách đo Từ 0,5 m Nhiệt độ tối đa đo được 3000°C Dải quang phổ 0.96µm Độ chính xác Nhiệt độ thấp hơn 1500°C: ±0.5% Nhiệt độ từ 1500 đến 2000°C: ±1% Nhiệt độ lớn hơn 2000°C: ±2% Sai lệch nhiệt độ 0.015% giá trị đọc /°C Thời gian đáp ứng 0.5 giây Hệ thống quang học Thấu kính hội tụ Đường kính của thấu kính 30mm Hiển thị Màn hình LCD 4 chữ số Chức năng lưu trữ dữ liệu Tối đa 1000 dữ liệu Độ phát xạ Từ 0.10 đến 1.00 (bước 0.01) Cổng truyền RS-232C Nhiệt độ hoạt động 0 to 50°C Khối lượng 700g 3.3.5.4. Thiết bị đo mòn dao Sử dụng thiết bị đo mòn dao Mitutoyo MF series 176 (xuất sứ từ Nhật Bản) của Viện công nghệ Quân đội Việt Nam. Hình 3.18 Thiết bị đo mòn dao Mitutoyo MF Series 176-Measuring Microscopes 63 * Thông số kỹ thuật: - Độ phóng đại: 2000X. - Độ chính xác chiều dài: (2.2+0,02.L)µm – L là chiều dài đo - Giới hạn di chuyển theo trục X: 0÷300mm. - Giới hạn di chuyển theo trục Y: 0÷170mm. - Độ phân giải: 0,001mm/0,0005mm. - Kích thước bàn soi: 510X342mm - Trọng lượng chi tiết lớn nhất: 20kg. - Chiều cao chi tiết lớn nhất: 220mm. - Đơn vị đo: mm hoặc inch. 3.3.5.5. Thiết bị kiểm tra tổ chức tế vi Sử dụng thiết bị kiểm tra tổ chức tế vi Axio Observer D1M của Viện công nghệ Quân đội Việt Nam. Hình 3.19 Thiết bị kiểm tra tổ chức tế vi Axio Observer D1M Thông số kỹ thuật: - Độ phóng đại: từ 12,5 – 1500X. - Chuyển động trục X/Y trong phạm vi tối thiểu: 130X85mm - Hiển thị: Màn hình LCD. - Đèn chiếu sáng: nguồn sáng halogen 12/100W 64 3.3.5.6. Thiết bị đo nhám bề mặt Sử dụng thiết bị đo độ nhám đầu dò theo phương tiếp xúc Hommel tester t1000 của Viện đo lường Quân đội Việt Nam. Hình 3.20 Thiết bị đo độ nhám bề mặt * Thông số kỹ thuật: - Phạm vi đo: 40µm - Độ phân giải: 0,001 µm. - Độ chính xác: 1%. - Xuất xứ: Đức. Hình 3.21 Thí nghiệm tiện có gia nhiệt bằng laser 65 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 Nhiệt độ bề mặt phôi được kiểm soát là rất quan trọng để đảm bảo quá trình tiện được tiến hành thuận lợi hơn và sau khi tiện tính chất vật liệu của chi tiết không thay đổi. Nghiên cứu này sẽ giải quyết vấn đề đặt ra ở trên bằng phương pháp quy hoạch thực nghiệm trực giao để xây dựng mô hình toán học mô tả ảnh hưởng của việc gia nhiệt bằng laser đến nhiệt độ bề mặt phôi thép 9XC sau tôi (62 HRC). Từ đó nhiệt độ bề mặt sẽ được điều khiển và kiểm soát, là cơ sở cho nghiên cứu tiện vật liệu cứng có gia nhiệt bằng laser. Khi gia nhiệt bằng laser, nhiệt độ bề mặt phôi phụ thuộc vào các thông số laser như: công suất laser P(W), khoảng cách từ đầu laser đến bề mặt phôi h(mm), vị trí điểm đặt laser (o) và phụ thuộc vào tốc độ dịch chuyển tương đối giữa đầu laser và bề mặt phôi. Để đánh giá mức độ ảnh hưởng của các thông số này đến nhiệt độ bề mặt phôi, tác giả đã sử dụng phương pháp thực nghiệm Taguchi (phụ lục I) và kết quả cho thấy rằng các thông số công suất laser, tốc độ dịch chuyển của vết laser (v) và bước tiến vết laser (s) có ảnh hưởng mạnh mẽ đến nhiệt độ bề mặt (trong điều kiện thí nghiệm). Do đó giá trị biến thiên trong miền thực nghiệm xác định nhiệt độ tại vị trí sẽ đặt mũi dao trên bề mặt phôi khi gia nhiệt bằng laser được cho trong bảng 3.8. Bảng 3.8 Giá trị biến thiên trong miền thực nghiệm xác định nhiệt độ bề mặt phôi Đặc tính P (w) v (m/ph) s (mm/vg) Giá trị cơ sở (0) 265 62,5 0,12 Khoảng biến động 65 37,5 0,06 Giá trị trên (+1) 330 100 0,18 Giá trị dưới (-1) 200 25 0,06 Nghiên cứu tiến hành thực nghiệm ảnh hưởng đồng thời của công suất laser P, tốc độ dịch chuyển vết laser v và bước tiến vết laser s theo mô hình toán học sau: sbvbPbbT oBM 321  (3.6) 66 Chuyển từ biến tự nhiên sang biến mã hoá không thứ nguyên lựa chọn được bảng quy hoạch thực nghiệm các thông số đầu vào khi gia nhiệt bằng laser như bảng 3.9. Bảng này gồm 8 thí nghiệm ứng với 3 biến đầu vào (P, v,s), ngoài ra còn có các thí nghiệm tại tâm. Yếu tố đầu ra là nhiệt độ bề mặt phôi đo tại vị trí sẽ đặt mũi dao khi tiện. Nghiên cứu sử dụng phương pháp quy hoạch thực nghiệm và phân tích phương sai ANOVA để đánh giá, xây dựng các hàm hồi quy thực nghiệm. Bảng 3.9 Các thông số đầu vào xác định nhiệt độ bề mặt khi gia nhiệt bằng laser TT Biến mã hoá P (W) v (m/ph) s (mm/vg) X1 X2 X3 1 - - - 200 25 0,06 2 + - - 330 25 0,06 3 - + - 200 100 0,06 4 + + - 330 100 0,06 5 - - + 200 25 0,18 6 + - + 330 25 0,18 7 - + + 200 100 0,18 8 + + + 330 100 0,18 3.4.2. Thiết kế thực nghiệm xác định chiều sâu thấm nhiệt khi có gia nhiệt bằng laser Sau quá trình thí nghiệm xác định nhiệt độ bề mặt phôi, tác giả đã đem các chi tiết đi kiểm tra tổ chức tế vi của lớp bề mặt vật liệu phôi kết quả cho thấy với công suất laser nhỏ hơn 270W thì tổ chức tế vi của lớp bề mặt sau khi chiếu tia laser là không đổi. Điều này có nghĩa là với công suất laser nhỏ hơn 270W trong điều kiện thí nghiệm này, không hiệu quả trong quá trình gia công tiện. Bảng 3.10 Giá trị biến thiên trong miền thực nghiệm xác định chiều sâu thấm nhiệt Đặc tính P (w) V (m/ph) Giá trị cơ sở (0) 300 62,5 Khoảng biến động 30 37,5 Giá trị trên (+1) 330 100 Giá trị dưới (-1) 270 25 67 Mặt khác tác giả đã sử dụng phương pháp thực nghiệm Taguchi để đánh giá ảnh hưởng của các thông số đến chiều sâu thấm nhiệt (phụ lục II), cho thấy rằng trong điều kiện của thí nghiệm có hai thông số công suất laser và tốc độ vết laser là có ảnh hưởng mạnh mẽ nhất. Vì vậy, giá trị biến thiên trong miền thực nghiệm xác định chiều sâu thấm nhiệt khi gia nhiệt bằng laser được cho trong bảng 3.10. Mặt khác tác giả đã sử dụng phương pháp thực nghiệm Taguchi để đánh giá ảnh hưởng của các thông số đến chiều sâu thấm nhiệt (phụ lục II), cho thấy rằng trong điều kiện của thí nghiệm có hai thông số công suất laser và tốc độ vết laser là có ảnh hưởng mạnh mẽ nhất. Vì vậy, giá trị biến thiên trong miền thực nghiệm xác định chiều sâu thấm nhiệt khi gia nhiệt bằng laser được cho trong bảng 3.10. Nghiên cứu tiến hành thực nghiệm ảnh hưởng đồng thời của công suất laser P, tốc độ dịch chuyển vết laser v theo mô hình toán học sau: vbPbbt thththoth 21  (3.7) Chuyển từ biến tự nhiên sang biến mã hoá không thứ nguyên lựa chọn được bảng quy hoạch thực nghiệm các thông số đầu vào khi gia nhiệt bằng laser như bảng 3.11. Bảng này gồm 4 thí nghiệm ứng với 2 biến đầu vào (P, v), ngoài ra còn có các thí nghiệm tại tâm. Yếu tố đầu ra là chiều sâu thấm nhiệt tth. Nghiên cứu sử dụng phương pháp quy hoạch thực nghiệm và phân tích phương sai ANOVA để đánh giá, xây dựng các hàm hồi quy thực nghiệm. Bảng 3.11 Các thông số đầu vào xác định chiều sâu thấm nhiệt khi gia nhiệt bằng laser TT Biến mã hoá P (W) v (m/ph) X1 X2 1 - - 270 25 2 + - 330 25 3 - + 270 100 4 + + 330 100 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 Đối tượng của nghiên cứu là gia công tiện tinh vật liệu thép hợp kim 9XC dạng trụ, đã tôi đạt độ cứng từ 62 đến 63 HRC có gia nhiệt bằng laser Nd:YAG; do đó khoảng khảo sát của các thông số v, s, t phải phù hợp với điều kiện gia công, 68 đồng thời đủ lớn để tác động làm thay đổi kết quả đầu ra. Cơ sở để lựa chọn dải thông số chế độ cắt xuất phát từ tham khảo tài liệu nguyên lí gia công vật liệu [1], tài liệu chế độ cắt gia công cơ khí [7] và căn cứ vào điều kiện, khả năng công nghệ của trang thiết bị trong phòng thí nghiệm. Ta chọn các thông số thời gian nung nóng trước tT=10s, vị trí đặt điểm laser trên phôi là V, khoảng cách từ đầu laser đến bề mặt phôi là h=20mm, chiều sâu cắt chọn t=0,2mm được giữ cố định; các thông số công suất laser P, vận tốc cắt v, lượng chạy dao dọc s là các thông số thay đổi theo bảng giá trị biến thiên trong thực nghiệm cho trên bảng 3.12. Bảng 3.12 Giá trị biến thiên trong miền thực nghiệm Đặc tính P (w) v (m/ph) s (mm/vg) Giá trị cơ sở (0) 300 62,5 0,12 Khoảng biến động 30 37,5 0,06 Giá trị trên (+1) 330 100 0,18 Giá trị dưới (-1) 270 25 0,06 Nghiên cứu tiến hành thực nghiệm ảnh hưởng đồng thời của công suất laser P, tốc độ cắt v và lượng tiến dao s theo các mô hình toán học sau: Mô hình nhám bề mặt: (3.8) Mô hình lực cắt: (3.9) Mô hình chiều cao mòn dao: (3.10) Chuyển từ biến tự nhiên sang biến mã hoá không thứ nguyên lựa chọn được bảng quy hoạch thực nghiệm các thông số đầu vào khi tiện vật liệu 9XC sau tôi có gia nhiệt bằng laser như bảng 3.13. Bảng này gồm 8 thí nghiệm ứng với 3 biến đầu vào (P, v,s), ngoài ra còn có các thí nghiệm tại tâm. Các yếu tố đầu ra bao gồm: nhám bề mặt chi tiết sau gia công Ra, lực cắt Fx,Fy, Fz, F và chiều cao mòn dao hs được xác định trên cùng một thí nghiệm. Nghiên cứu sử dụng phương pháp quy 321 ...0 nnn bbb na svPbR  321 ...0 FFF bbb F svPbF  321 ...0 hhh bbb hs svPbh  69 hoạch thực nghiệm và phân tích phương sai ANOVA để đánh giá, xây dựng các hàm hồi quy thực nghiệm. Bảng 3.13 Các thông số đầu vào khi tiện vật liệu 9XC sau tôi gia nhiệt bằng laser TT Biến mã hoá P (W) v (m/ph) s (mm/vg) X1 X2 X3 1 - - - 270 25 0,06 2 + - - 330 25 0,06 3 - + - 270 100 0,06 4 + + - 330 100 0,06 5 - - + 270 25 0,18 6 + - + 330 25 0,18 7 - + + 270 100 0,18 8 + + + 330 100 0,18 Kết luận chương 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. Qua quá trình làm thí nghiệm khảo sát cho thấy, hệ thống thí nghiệm đã đáp ứng được các yêu cầu như: vết của chùm tia laser hướng vào đúng vị trí tính toán trên phôi, điều chỉnh được khoảng cách từ đầu laser đến phôi, vết laser di chuyển bằng với lượng tiến dao và tốc độ di chuyển của vết laser bằng tốc độ cắt. 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=0,06-0,18mm/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. 70 CHƯƠNG 4: NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM TIỆN THÉP HỢP KIM 9XC SAU TÔI CÓ GIA NHIỆT BẰNG LASER 4.1. Đánh giá ảnh hưởng 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 Khí được dùng để làm mát và bảo vệ thấu kính, đầu laser khỏi các bụi bẩn. Ngoài ra khí cũng được dùng để bảo vệ bề mặt phôi vì khi chùm laser chiếu lên bề mặt phôi, vật liệu phôi hấp thụ năng lượng và chuyển thành nhiệt năng, bề mặt phôi lúc đó có nhiệt độ cao. Ở nhiệt độ cao vật liệu phôi tiếp xúc với không khí sẽ bị oxy hóa mạnh, dẫn đến làm cháy, rỗ khí, bắn tóe kim loại và hỏng bề mặt. Có nhiều loại khí có thể chọn làm khí bảo vệ nhưng ở nghiên cứu này, khí Ar đã được chọn làm khí bảo vệ là do khí này là khí trơ, không tác dụng với vật liệu ở nhiệt độ cao và khối lượng riêng lớn hơn không khí nên nó chiếm chỗ đẩy không khí ra khỏi vùng gia công để hạn chế tác dụng xấu của nó. a) b) Hình 4.1 a) Dùng khí bảo vệ Ar b) Dùng khí bảo vệ O2 4.1.2. Ảnh hưởng của một số thông số công nghệ đốt nóng đến nhiệt độ bề mặt phôi 4.1.2.1. Ảnh hưởng của công suất laser đến nhiệt độ bề mặt phôi Công suất laser (P) là thông số ảnh hưởng đến nhiệt độ của bề mặt phôi tại vị trí sẽ đặt mũi dao (TBM). Việc điều chỉnh và chọn công suất laser cho phù hợp với việc gia nhiệt trong quá trình gia công tiện vật liệu cứng là cần thiết. Ảnh hưởng của công suất laser đến nhiệt độ bề mặt phôi được cho trong hình 4.2. Trong giới hạn của thí nghiệm này, công suất laser thay đổi trong khoảng từ 200-330W, với các thông số tốc độ dịch chuyển của vết laser v=62,5m/ph, bước tiến vết laser 71 s=0,12mm/vg, thời gian nung nóng ban đầu tT= 10s, khảng cách từ đầu laser đến bề mặt phôi h= 20mm, vị trí đặt đầu laser ở vị trí V (=60-75o) được giữ không đổi. Hình 4.2 Ảnh hưởng công suất laser đến nhiệt độ bề mặt phôi Nhiệt độ bề mặt phôi tại vị trí sẽ đặt mũi dao tăng khi công suất laser tăng, với vật liệu là thép 9XC được nung lên nhiệt độ nhỏ hơn 749OC tương ứng với công suất laser nhỏ hơn 270W thì vật liệu phôi chưa có chuyển biến, chiều sâu thấm nhiệt rất nhỏ (hình 4.3). Hình 4.3 Tổ chức tế vi vật liệu sau khi gia nhiệt bằng laser (P= 255W) Tuy nhiên chiều sâu thấm nhiệt lại tăng lên rõ rệt từ công suất 270-330W. Điều này chứng tỏ rằng công suất laser có ảnh hưởng đến sự hấp thụ năng lượng của vật liệu. Trong điều kiện thí nghiệm này ta chọn công suất laser từ 270-330W để gia nhiệt trong quá trình gia công. 4.1.2.2. Ảnh hưởng của thời gian nung nóng ban đầu đến nhiệt độ bề mặt phôi Nếu đồng thời chiếu chùm tia laser vào bề mặt phôi và cắt gọt, thì thời gian để vật liệu hấp thụ năng lượng laser chưa đủ, dẫn đến nhiệt độ bề mặt còn thấp, chiều sâu thấm nhiệt nhỏ. Vì vậy, phương pháp này có một khoảng thời gian nung 72 nóng ban đầu được ký hiệu là tT nhằm để vật liệu phôi hấp thụ năng lượng laser và truyền nhiệt vào sâu bên trong phôi, cũng như truyền nhiệt ra vùng trên phôi chưa được chiếu laser. Đánh giá ảnh hưởng của thời gian nung nóng ban đầu tới nhiệt độ bề mặt tại vị trí sẽ đặt mũi dao được thực hiện với các thông số v=62,5m/ph, s=0,12mm/vg, h= 20mm, P= 330W, vị trí đặt đầu laser ở vị trí V(=60-75o). Khoảng thời gian nung nóng ban đầu thay đổi từ 5-25s. Bảng 4.4 Ảnh hưởng của thời gian nung nóng ban đầu đến nhiệt độ bề mặt phôi Thời gian nung nóng ban đầu dài, nhiệt độ bề mặt phôi cao có thể làm nóng chảy bề mặt phôi, giảm chất lượng bề mặt cắt gọt. Trong trường hợp này chọn thời gian nung nóng ban đầu từ 5-10s. 4.1.2.3. Ảnh hưởng của khoảng cách từ đầu laser tới bề mặt phôi đến nhiệt độ bề mặt phôi Hình 4.5 Ảnh hưởng của khoảng cách từ đầu laser đến bề mặt phôi 73 Các thông số v=62,5m/ph, s = 0,12mm/vg, tT=10s, vị trí đặt đầu laser ở vị trí VI(=60-75o), PL = 330W được giữ không đổi. Khoảng cách từ đầu laser đến bề mặt phôi h thay đổi, ta có kết quả như hình 4.5. 4.1.2.4. Ảnh hưởng của điểm đặt laser đến nhiệt độ bề mặt phôi Điểm đặt laser có thể đặt ở các vị trí khác nhau trên chu vi của phôi bằng cách di chuyển đầu laser (hình 4.6). Nghiên cứu ảnh hưởng của điểm đặt laser đến nhiệt độ trên bề mặt phôi tại vị trí sẽ đặt dao, với các thông số v=62,5m/ph, s = 0,12mm/vg, tT=10s, h = 20mm, PL = 330W được giữ không đổi. Kết quả thu được cho trong bảng 4.1 Hình 4.6 Vị trí đặt điểm laser lên bề mặt phôi Bảng 4.1 Ảnh hưởng điểm đặt laser đến nhiệt độ bề mặt phôi tại vị trí sẽ đặt mũi dao Vị trí điểm đặt đầu laser tT (s) v (m/ph) s (mm/vg) h (mm) TBM (oC) I 10 62,5 0,12 20 916-943 II 10 62,5 0,12 20 890-916 III 10 62,5 0,12 20 879-890 IV 10 62,5 0,12 20 874-879 V 10 62,5 0,12 20 872-874 VI 10 62,5 0,12 20 868-872 74 Điểm đặt laser càng xa vị trí sẽ đặt mũi dao thì diện tích tản nhiệt càng lớn; mặt khác do phôi quay tạo ra luồng khí thổi làm cho nhiệt lượng đi vào không khí càng lớn, dẫn đến nhiệt độ bề mặt tại vị trí sẽ đặt mũi dao càng nhỏ. Điểm đặt laser tại vị trí I, II, III, IV ta nhận được nhiệt độ bề mặt phôi cao, nhưng quá trình gá đặt đầu laser phức tạp và gây khó khăn khi thao tác, vận hành, điều chỉnh dao tiện. Do đó vị trí đặt vết laser được chọn là vị trí V và VI. 4.1.2.5. Ảnh hưởng của tốc độ dịch chuyển vết laser tới nhiệt độ bề mặt phôi Các thông số P = 330W, s = 0,12mm/vg, tT=10s, h=20mm, vị trí đặt đầu laser ở vị trí V(=60-75o), được giữ không đổi. Thay đổi vận tốc cắt, ta có kết quả sau: (hình 4.7) Hình 4.7 Ảnh hưởng của tốc độ dịch chuyển vết laser tới nhiệt độ bề mặt phôi Khi tăng tốc độ dịch chuyển vết laser từ 25m/ph đến 62,5m/ph, nhiệt độ bề mặt phôi giảm đều; tăng tốc độ dịch chuyển vết laser từ 62,5m/ph đến 100m/ph nhiệt độ bề mặt phôi giảm mạnh. 4.1.2.6. Ảnh hưởng của bước tiến vết laser tới nhiệt độ bề mặt phôi Hình 4.8 Ảnh hưởng của bước tiến vết laser đến nhiệt độ bề mặt phôi 75 Các thông số PL = 330W, v = 62,5m/ph, tT=10s, h=20mm, vị trí đặt đầu laser ở vị trí VI(=60-75o), được giữ không đổi. Thay đổi bước tiến vết laser, ta có kết quả trên hình 4.8. 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. Nghiên cứu này sử dụng chùm tia laser để nung nóng phôi trong quá trình tiện. Các công bố trước đã cho kết quả khi chùm laser chiếu lên bề mặt phôi đã qua tôi, đạt độ cứng 62 HRC với điều kiện chưa thực hiện quá trình cắt gọt, sau khi phôi nguội đem đi kiểm tra tổ chức tế vi ta thấy xuất hiện lớp bề mặt có độ cứng bề mặt và độ cứng tế vi thay đổi so với độ cứng bề mặt và độ cứng tế vi ban đầu (gọi là chiều sâu thấm nhiệt); giá trị thay đổi này phụ thuộc vào các thông số công nghệ đốt nóng. Các chi tiết nhận được sau khi tiện có sự gia nhiệt của laser cũng đã được kiểm tra tổ chức tế vi; kết quả khảo sát chỉ ra rằng để nhận được tính chất của chi tiết thông qua độ cứng tế vi không thay đổi sau khi gia nhiệt cần chọn các thông số công nghệ hợp lí. Vậy các thông số công nghệ đó ảnh hưởng đến chiều sâu lớp bề mặt theo quy luật nào? Các thông số đó được điều khiển như thế nào để nhận được chiều sâu thấm nhiệt theo yêu cầu nhằm đảm bảo chọn chiều sâu cắt sau khi tiện tính chất vật liệu chi tiết không thay đổi? Nghiên cứu này nhằm giải quyết các vấn đề đặt ra phía trên bằng phương pháp thực nghiệm, qua đó đánh giá các thông số công nghệ ảnh hưởng đến chiều sâu lớp bề mặt và từ đó sử dụng phương pháp quy hoạch thực nghiệm để xây dựng hàm hồi quy toán học mô tả ảnh hưởng của việc gia nhiệt bằng laser đến chiều sâu thấm nhiệt thép hợp kim qua tôi. Hình 4.9 Cấu trúc lớp bề mặt phôi sau gia nhiệt bằng laser 76 Các chi tiết thí nghiệm sau gia nhiệt được kiểm tra cấu trúc lớp bề mặt thông qua cắt, mài, đánh bóng, tẩm thực dung dịch 3%HNO3 (hình 4.9). Cấu trúc chiều sâu thấm nhiệt (tth) điển hình bao gồm: lớp trắng (do ảnh hưởng của quá nhiệt) và lớp có độ hạt nhỏ hơn so với độ hạt của vật liệu ban đầu. 4.1.3.1. Ảnh hưởng của công suất laser đến chiều sâu thấm nhiệt a. P = 200W b. P = 205W c. P = 255W d. P = 300W e. P = 330W Hình 4.10 Ảnh hưởng của công suất laser đến chiều sâu thấm nhiệt Lượng chạy dao s= 0,06mm/vg, v= 62,5m/ph được giữ cố định. Nhiệt độ bề mặt phôi tại mũi dao tăng khi công suất laser tăng, nhưng không nhiều, tuy nhiên chiều sâu thấm nhiệt lại tăng lên rõ rệt từ công suất 200-330W (hình 4.10). Điều này chứng tỏ rằng công suất laser có ảnh hưởng đến sự hấp thụ năng lượng của vật 77 liệu. Trong điều kiện thí nghiệm này ta chọn P = 200-330W để gia nhiệt trong quá trình gia công. Hình 4.11 Ảnh hưởng của công suất laser đến chiều sâu thấm nhiệt Hình 4.12 Ảnh hưởng của công suất laser đến độ cứng tế vi 4.1.3.2. Ảnh hưởng của tốc độ dịch chuyển vết laser đến chiều sâu thấm nhiệt Các thông số s=0,06 mm/vg, P = 330W, tT = 10s giữ không đổi; thay đổi tốc độ dịch chuyển vết laser. Các chi tiết sau khi gia nhiệt được đem đi chụp tổ chức để biết chiều sâu thấm nhiệt (hình 4.13) và đo độ cứng tế vi (hình 4.15). 200 270 300 330 tth (mm) 0 0.07 0.16 0.27 0 0.05 0.1 0.15 0.2 0.25 0.3 t t h (m m ) PL (W) 0,05 0,1 0,15 0,25 0,35 lõi 200W 756 752 752 752 752 752 270W 769 746 753 753 753 753 300W 776 721 742 751 752 752 330W 784 713 728 739 753 753 660 680 700 720 740 760 780 800 Đ ộ c ứ n g tế v i (H V ) Khoảng cách từ bề mặt (mm) 78 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 Tốc độ dịch chuyển nhỏ, thời gian tương tác của vật liệu chi tiết với laser lớn hơn; ngoài ra, tốc độ dịch chuyển nhỏ dẫn đến ảnh hưởng của luồng khí xung quanh chi tiết nhỏ hơn – kết quả nhiệt tập trung và dẫn vào sâu phía trong chi tiết nhiều hơn, nên chiều sâu thấm nhiệt lớn hơn so với tốc độ dịch chuyển lớn (hình 4.13). Khi tốc độ dịch chuyển khác nhau, độ cứng tế vi từ bề mặt đến chiều sâu 0,05mm đều cao hơn độ cứng tế vi của phôi, điều này cho thấy rằng với bước tiến vết laser nhỏ 0,06mm, chùm laser sau chiếu đè lên vết chùm laser trước, nhiệt độ bề mặt tăng cao đồng thời bề mặt chi tiết bị biến cứng do t

Các file đính kèm theo tài liệu này:

  • pdfluan_an_nghien_cuu_tien_thep_hop_kim_9xc_sau_toi_co_gia_nhie.pdf
Tài liệu liên quan