Đánh giá ảnh hưởng của một số thông số đến nhiệt độ bề mặt phôi khi gia nhiệt bằng laser

Cơ kỹ thuật & Kỹ thuật cơ khí động lực N. T. Huân, T. X. Thái, N. Đ. Toàn, “Đánh giá ảnh hưởng của gia nhiệt bằng laser.” 150 ĐÁNH GIÁ ẢNH HƯỞNG CỦA MỘT SỐ THÔNG SỐ ĐẾN NHIỆT ĐỘ BỀ MẶT PHÔI KHI GIA NHIỆT BẰNG LASER Nguyễn Thành Huân1*, Trần Xuân Thái2, Nguyễn Đức Toàn2 Tóm tắt: Tiện có gia nhiệt bằng laser là sử dụng chùm tia laser nung nóng phôi ở vị trí trước dụng cụ cắt trong khi tiện. Nhiệt độ bề mặt phôi phụ thuộc vào các thông số như công suất, khoảng cách, tốc độ dịch chuyển, của nguồn laser [1] và các thông số công nghệ của quá trình tiện. 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 sử dụng phương pháp thực nghiệm để đánh giá ảnh hưởng của các thông số nguồn laser đến nhiệt độ bề mặt phôi thép hợp kim 9XC qua tôi (62 HRC). Từ khóa: Tiện vật liệu cứng, Công suất laser, Tốc độ cắt, Lượng tiến dao, Taguchi. 1. ĐẶT VẤN ĐỀ - Trong gia công cắt gọt có nhiều chi tiết được làm từ các vật liệu khó gia công như thép hợp kim, thép chịu nhiệt, thép đã qua tôi, thép không gỉ, [4]. Hiện nay, việc gia công chế tạo chi tiết làm bằng những vật liệu này có một số phương pháp như: gia công bằng tia lửa điện, gia công điện hóa, gia công bằng siêu âm, gia công bằng mài, gia công cao tốc, [3]. Tuy nhiên, các phương pháp gia công này gặp nhiều khó khăn như: năng suất gia công thấp, chi phí đắt, dụng cụ cắt phải làm từ vật liệu có độ cứng cao (kim cương, CBN), dụng cụ cắt bị mài mòn nhiều, giá thành sản phẩm cao. - Do đó, việc nghiên cứu phương pháp gia công cho chất lượng bề mặt đảm bảo và mang lại hiệu quả kinh tế cao đã và đang được các nhà khoa học tập trung nghiên cứu. Gồm có các giải pháp gia công như: chế tạo dụng cụ cắt mới, phương pháp gia công mới, chế tạo thiết bị cắt gọt mới, nghiên cứu nguyên lí gia công mới. - Hầu hết các vật liệu có tính chất là khi được nung nóng lên nhiệt độ càng cao thì độ bền, độ cứng càng giảm [5]. Nghiên cứu này đã sử dụng chùm tia laser để gia nhiệt bề mặt phôi trong quá trình tiện và xác định sự ảnh hưởng của các thông số nguồn laser đến nhiệt độ bề mặt phôi. Bài báo này sẽ giải quyết vấn đề đặt ra ở trên bằng phương pháp thực nghiệm Taguchi để đánh giá các thông số nguồn laser ảnh hưởng đến nhiệt độ bề mặt phôi và sử dụng phương pháp quy hoạch thực nghiệm trực giao để xây dựng hàm hồi quy toán học mô tả ảnh hưởng của việc gia nhiệt bằng laser đến nhiệt độ bề mặt phôi thép 9XC qua tôi. 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. 2. NỘI DUNG CẦN GIẢI QUYẾT 2.1. Xác định thông số cần nghiên cứu Hình 1. Các vị trí đặt điểm laser trên phôi. Nghiên cứu khoa học công nghệ Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 51, 10 - 2017 151 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) (hình 1) và phụ thuộc vào tốc độ dịch chuyển tương đối giữa đầu laser và bề mặt phôi. Trong nghiên cứu này tác giả tiến hành thí nghiệm trên máy tiện, tốc độ dịch chuyển này phụ thuộc vào tốc độ quay cả phôi và dịch chuyển dọc của nguồn laser. Trên cơ sơ sở tính toán, chọn các thông số theo các tài liệu [3] [8], kết hợp với điều kiện trang thiết bị thí nghiệm; tác giả đã chọn các thông số thực nghiệm với 3 mức như sau: Bảng 1. Các thông số công suất laser, khoảng cách từ đầu laser đến bề mặt phôi và điểm đặt laser ảnh hưởng đến nhiệt độ bề mặt phôi. Thông số Các mức Mức 1 Mức 2 Mức 3 Công suất(W) 200 265 330 Khoảng cách đầu laser tới bề mặt phôi(mm) 15 20 25 Điểm đặt laser (o) 70 80 90 Bảng 2. Các thông số tốc độ di chuyển và bước tiến của đầu laser ảnh hưởng đến nhiệt độ bề mặt phôi. Thông số Các mức Mức 1 Mức 2 Mức 3 Tốc dịch chuyển (m/ph) 25 62,5 100 Bước tiến (mm/vg) 0,06 0,12 0,18 2.2. Chuẩn bị thực nghiệm 2.2.1. Thiết bị thí nghiệm Hệ thống thí nghiệm gồm có: máy tiện vạn năng T6M16 (1), phôi tiện (2), hệ thống máy phát laser rắn Neodium –YAG công suất 350W (3), thiết bị đo lực FUTEK MTA400 (4), bộ chuyển đổi tín hiệu (5) và máy tính hiển thị kết quả (6). 1 2 3 4 5 6 Hình 2. Sơ đồ hệ thống thí nghiệm. Ngoài ra, nghiên cứu này còn sử dụng máy FieldMaster của hãng Coherent (Mỹ) để đo công suất laser (hình 3.a) và máy IR–AHS của công ty SINO (Nhật Bản) để đo nhiệt độ bề mặt phôi (hình 4.b). Cơ kỹ thuật & Kỹ thuật cơ khí động lực N. T. Huân, T. X. Thái, N. Đ. Toàn, “Đánh giá ảnh hưởng của gia nhiệt bằng laser.” 152 a) b) Hình 3. Thiết bị đo. a) Máy đo công suất laser; b) Máy đo nhiệt. 2.2.2. Vật liệu thí nghiệm Phôi trụ là vật liệu thép hợp kim 9XC, được gia công tiện thô, sau đó nhiệt luyện phôi đạt độ cứng 62HRC. 3. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 3.1. Đánh giá mức độ ảnh hưởng của công suất laser, khoảng cách từ đầu laser đến bề mặt phôi và điểm đặt laser đến nhiệt độ bề mặt Các thông số tốc độ dịch chuyển và bước tiến của đầu laser v = 62,5 m/ph, s = 0,12 mm/vg được giữ không đổi. Từ bảng 1, với 3 thông số đầu vào thay đổi với 3 mức thí nghiệm, chọn bảng trực giao Taguchi L9 [2] như sau: Bảng 3. Bảng trực giao Taguchi L9 với các thông số thí nghiệm và hệ số SNL. TN PL (W) h (mm)  (o) Lần đo T1 ( oC) Lần đo T2( oC) Lần đo T3 ( oC) Nhiệt độ TB (oC) SNL 1 200 15 70 623 625 623 623,7 60,67 2 200 20 80 628 631 626 628,3 60,73 3 200 25 90 616 616 613 615 60,55 4 265 15 80 743 740 740 741 62,17 5 265 20 90 749 752 750 750,3 62,28 6 265 25 70 740 737 739 738,7 62,14 7 330 15 90 863 862 858 861 63,47 8 330 20 70 870 873 876 873 63,59 9 330 25 80 860 861 863 861,3 63,47 Để xét ảnh hưởng của các yếu tố đầu vào có điều khiển là công suất laser, khoảng cách đầu laser đến bề mặt phôi, và vị trí điểm đặt laser; sử dụng hệ số tín hiệu SN (signal to noise ratio) với trường hợp yêu cầu lớn nhất về nhiệt độ: iN L 2 i 1i i 1 1 SN 10log N y    Hệ số SNL được tính toán cho mỗi chỉ số và cấp độ như bảng 4. Nghiên cứu khoa học công nghệ Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 51, 10 - 2017 153 Bảng 4. Hệ số SN của 3 thông số 3 mức và xếp hạng theo tiêu chí lớn hơn tốt hơn. Mức P h  1 60,65 62,1 62,13 2 62,20 62,2 62,45 3 63,51 62,06 62,1 R 2,86 0,14 0,35 Với dải như bảng trên có thể thấy rằng khoảng cách từ đầu laser đến bề mặt phôi và vị trí điểm đặt laser trên phôi ảnh hưởng không đáng kể đến nhiệt độ bề mặt phôi. Thông số công suất laser có ảnh hưởng đến nhiệt độ bề mặt phôi. 3.2. Đánh giá mức độ ảnh hưởng của tốc độ dịch chuyển và bước tiến của đầu laser đến nhiệt độ bề mặt Thực hiện thí nghiệm với công suất laser 330W, khoảng cách từ đầu laser đến bề mặt phôi là 20mm, vị trí đặt điểm laser nằm ở góc 80o được giữ không đổi. Từ bảng 2, với 2 thông số đầu vào là tốc độ dịch chuyển và bước tiến đầu laser thay đổi với 3 mức thí nghiệm; chọn bảng trực giao Taguchi L9 như sau: Bảng 5. Bảng trực giao Taguchi L9 với các thông số thí nghiệm và hệ số SNT. TN V (m/ph) s (mm/vg) Lần đo T1( oC) Lần đo T2 ( oC) Lần đo T3( oC) Nhiệt độ TB (oC) SNT 1 25 0,06 915 911 910 912 50,75 2 25 0,12 901 903 902 902 59,1 3 25 0,18 889 894 893 892 50,56 4 62,5 0,06 885 887 888 886,7 55,26 5 62,5 0,12 870 868 872 870 52,77 6 62,5 0,18 854 856 856 855,3 57,37 7 100 0,06 857 863 860 860 49,15 8 100 0,12 838 842 841 840,3 52,11 9 100 0,18 823 824 819 822 49,85 Để xét ảnh hưởng của các yếu tố đầu vào có điều khiển là vận tốc dịch chuyển và bước tiến đầu laser; Sử dụng hệ số tín hiệu SN (signal to noise ratio) với trường hợp yêu cầu đạt định mức tốt nhất về nhiệt độ: 2 T 2 y SN 10log s          Hệ số SNT được tính toán cho mỗi chỉ số và cấp độ như bảng 6. Bảng 6. Hệ số SN của 2 thông số 3 mức và xếp hạng theo tiêu chí định mức tốt nhất. Mức v s 1 53,47 51,72 2 55,13 54,66 3 50,37 52,59 R 4,76 2,94 Vậy hai thông số tốc độ di chuyển và bước tiến đầu laser có ảnh hưởng đến nhiệt độ bề mặt phôi. 3.3. Xây dựng mô hình toán học nhiệt độ bề mặt khi gia nhiệt bằng laser thép 9XC Theo kết quả đánh giá mức độ ảnh hưởng của các thông số ở trên, các thông số ảnh hưởng chính đến nhiệt độ bề mặt phôi là công suất laser, tốc độ dịch chuyển và bước tiến Cơ kỹ thuật & Kỹ thuật cơ khí động lực N. T. Huân, T. X. Thái, N. Đ. Toàn, “Đánh giá ảnh hưởng của gia nhiệt bằng laser.” 154 đầu laser. Sử dụng phương pháp quy hoạch thực nghiệm trực giao [6] để xây dựng mô hình toán học nhiệt độ bề mặt. Bảng 7. Điều kiện quy hoạch thực nghiệm. Đặc tính P (w) V (m/ph) s (mm/vg) Giá trị cơ sở 265 62,5 0,12 Khoảng biến động 65 37,5 0,06 Giá trị trên 330 100 0,18 Giá trị dưới 200 25 0,06 Số thí nghiệm cần thực hiện N = 23 = 8 Phương trình hồi quy được viết dưới dạng: 332211 xbxbxbby o  x1,2,3 có quan hệ với Po, Vo, so (Giá trị cơ sở tại tâm thí nghiệm) L o 1 P P x 1 P      , o 2 V v x 1 v      , o 3 s s x 1 s      Bảng 8. Ma trận quy hoạch thực nghiệm. TT X1 X2 X3 X1 (W) X2 (m/ph) X3 (mm/vg) TBM (oC) 1 - - - 200 25 0,06 682 2 + - - 330 25 0,06 912 3 - + - 200 100 0,06 610 4 + + - 330 100 0,06 860 5 - - + 200 25 0,18 641 6 + - + 330 25 0,18 892 7 - + + 200 100 0,18 584 8 + + + 330 100 0,18 822 Dựa vào số liệu bảng trên ta có: bo=750,375; b1=121,125; b2= -31,375; b3= -15,625 Để kiểm tra tính có nghĩa của các hệ số này, ta cần làm các thí nghiệm tại tâm. Bảng 9. Kế hoạch thực nghiệm tại tâm. TT P V S 2 is TN1 265 62,5 0,12 746 TN2 265 62,5 0,12 751 TN3 265 62,5 0,12 751 Ta có: 021,1 8 335,8 2  N s s y b Theo phụ lục 15 [6] chọn t = 4,303 khi f=m-1=2 với xác suất tin cậy p = 0,95. Như vậy: Sb.t=1,021.4,303=4,34 So sánh sb.t với các hệ số ta thấy: bo= 750,375  Sb.t=4,34 b1= 121,125  Sb.t=4,34 b2= 31,375  Sb.t=4,34 b3= 15,625  Sb.t=4,34 Các kết quả này chứng tỏ rằng các hệ số b đều có nghĩa và phương trình hồi quy có dạng: Nghiên cứu khoa học công nghệ Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 51, 10 - 2017 155 321 625,15375,31125,121375,750 xxxy  Để xác định xem phương trình hồi quy vừa nhận được có nghĩa hay không cần tính các giá trị của hàm y : 25,6761 y ; 5,9182 y ; 5,6133 y ; 75,8554 y ; 6455 y ; 25,8876 y ; 25,5827 y ; 5,8248 y . Theo công thức 11.14 [6] ta có:   7,301 8 1 22      i tt i tn idu yy KN s Chỉ tiêu Fisher Fb theo công thức 11.13 [2]: 68,3 335,8 7,30 2 2  y du b s s F Mức có nghĩa 0,05, f2 = m-1= 3-1=2; f1=N-l = 8-3=5 tra bảng chuẩn số Fisher VII-2 [7]. F(5,2,p=0,95%)=19,3 vậy: Fb < F(5,2,p=0,95%) mô hình thống kê tương hợp với hệ thống thực. Chuyển phương trình hồi quy với các biến mã hóa về phương trình với các biến thực, ta nhận được mô hình toán học của nhiệt độ bề mặt phôi là: 1,3404,26084,086,1  sVPT LBM Trong đó: TBM là nhiệt độ bề mặt phôi ( o); PL là công suất laser (W); V là tốc độ dịch chuyển đầu laser (m/ph); s là bước tiến đầu laser (mm/vg). 4. KẾT LUẬN Nghiên cứu đã sử dụng phương pháp thực nghiệm Taguchi để chọn và đánh giá các thông số ảnh hưởng đến nhiệt độ bề mặt phôi khi gia nhiệt bằng laser. Kết quả cho thấy: - Các thông số khoảng cách từ đầu laser đến bề mặt phôi, vị trí điểm đặt của laser trên phôi trong điều kiện thí nghiệm này ảnh hưởng không đáng kể đến nhiệt độ bề mặt phôi. Thông số công suất laser có ảnh hưởng lớn đến nhiệt độ bề mặt. - Hai thông số tốc độ dịch chuyển và bước tiến đầu laser có ảnh hưởng đáng kể đến nhiệt độ bề mặt phôi. Từ các đánh giá mức độ ảnh hưởng của các thông số trên và áp dụng phương pháp quy hoạch thực nghiệm đã xây dựng thành công mô hình toán học nhiệt độ bề mặt phôi phụ thuộc vào các thông số. Căn cứ vào mô hình này ta thấy rằng; công suất laser có ảnh hưởng lớn nhất đến nhiệt độ bề mặt phôi, khi tăng công suất laser tăng thì nhiệt độ bề mặt tăng và ngược; khi tăng tốc độ dịch chuyển và bước tiến đầu laser thì nhiệt độ bề mặt phôi giảm; khi giảm tốc độ dịch chuyển và bước tiến đầu laser thì nhiệt độ bề mặt phôi tăng. Kết quả thu được từ nghiên cứu này là cơ sở để tác giả tiếp tục nghiên cứu phương pháp tiện các vật liệu cứng có gia nhiệt bằng laser. TÀI LIỆU THAM KHẢO [1]. William M. Steen and Jyotirmoy Mazumder “Laser Material Processing” Springer London Dordrecht Heidelberg New York, (2010). Cơ kỹ thuật & Kỹ thuật cơ khí động lực N. T. Huân, T. X. Thái, N. Đ. Toàn, “Đánh giá ảnh hưởng của gia nhiệt bằng laser.” 156 [2]. [2] Design of Experiments (DOE) Using the Taguchi Approach, www.nutekus.com/DOE_topicOverviews35Pg.pdf [3]. Bành Tiến Long, Trần Thế Lục, Trần Sỹ Túy “Nguyên lý gia công vật liệu” Nhà xuất bản Khoa học và Kỹ thuật (2001). [4]. Trần Văn Địch chủ biên và các tác giả “Công nghệ chế tạo máy” Nhà xuất bản Khoa học và Kỹ thuật (2006). [5]. Nghiêm Hùng “Vật liệu học cơ sở” Nhà xuất bản Khoa học và Kỹ thuật (2007). [6]. Trần Văn Địch “Các phương pháp xác định độ chính xác gia công” Nhà xuất bản Khoa học và Kỹ thuật (2011). [7]. Nguyễn Doãn Ý “Giáo trình quy hoạch thực nghiệm” Nhà xuất bản Khoa học và Kỹ thuật (20012). [8]. Nguyễn Ngọc Đào, Trần Thế San, Hồ Viết Bình “Chế độ cắt gia công cơ khí” Nhà xuất bản Đà Nẵng (2002). ABSTRACT ASSESSMENT OF THE IMPACT OF SOME PARAMETERS TO SURFACE TEMPERATURE WORKPIECE IN LASER HEATING Turning with laser heating is using a laser beam to heat the workpiece in place before cutting tool during turning; temperature workpiece depends on parameters such as power, distance, speed of movement, of the laser source [1] and the technological parameters of the turning process. The controlled surface temperature of the workpiece is important to ensure that the turning process proceeds smoothly and after the turning material's properties unchanged. This study used experiment method to assessment the impact of parameters laser source to surface temperature workpiece of 9XC hardened alloy steel (62 HRC). Keywords: Hard material turning, Laser power, Cutting speed, Feed rate, Taguchi. Nhận bài ngày 13 tháng 3 năm 2017 Hoàn thiện ngày 10 tháng 5 năm 2017 Chấp nhận đăng ngày 25 tháng 10 năm 2017 Địa chỉ: 1 Khoa Cơ khí, Trường Đại học Kinh tế - Kỹ thuật Công nghiệp; 2 Viện Cơ khí, Trường Đại học Bách khoa Hà Nội. * Email: nthuan@uneti.edu.vn.