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

4.3. Xây dựng mô hình thực nghiệm nhám bề mặt, lực cắt
và mòn dao khi tiện vật liệu 9XC sau tôi có nung nóng
bằng laser
4.3.1. Mô hình thực nghiệm nhám bề mặt
(4.3)
R a  6,239.106 * P 2,760 * v 0,094 * s 0, 298, (m)

Hình 4.29 Ảnh
hưởng của công
suất laser và lượng
tiến dao đến độ
nhám bề mặt

Hình 4.30 Ảnh
hưởng của công suất
laser và tốc độ cắt
đến độ nhám bề mặt

Hình 4.31 Ảnh
hưởng của tốc độ cắt
và lượng tiến dao đến
độ nhám bề mặt

4.3.2. Mô hình thực nghiệm lực cắt
Fx  159,98.103 * P 1,154 * v 0,052 * s 0,303, ( N )

(4.4)

Fy  74,350.103 * P 0,998 * v 0,078 * s 0, 231, ( N )

(4.5)

Fz  41,990.10 3 * P 0,804 * v 0,054 * s 0, 249 , ( N )

(4.6)

F  88,064.10 3 * P 0,892 * v 0,059 * s 0, 254 , ( N )

(4.7)

4.3.3. Mô hình thực nghiệm mòn dao.
h s  2677,690.103 * P 2,941 * v 0,355 * s 0,189, (mm)

(4.8)

4.4. Tối ƣu hoá các thông số công nghệ khi tiện thép 9XC
sau tôi có gia nhiệt bằng laser
4.4.1. Chỉ tiêu tối ƣu và hàm mục tiêu
4.4.2. Phƣơng pháp giải bài toán tối ƣu
Với các phân tích ở trên, bài toán tối ưu trong
nghiên cứu này là: Tìm các thông số công nghệ x = [X1,
X2, X3]T = [P, v, s] hợp lý để độ nhám bề mặt Ra = f(P,
v, s) nhỏ nhất.
Đặt lgP = X1; lgv = X2; lg(100s) = X3; ta có:

21


Hàm mục tiêu:

f0= 2,76000X1+0,09400X2+0,29800X3=min
(4.23)
Các hàm bất phương trình ràng buộc như sau:
-0,80400X1+0,94600X2+0,24900X3≤ ,24423699
(4.24)
-1,15400X1+0,94800X2+1,30300X3≤ 4,744345
(4.25)
-0,99800X1+0,92200X2+1,23100X3≤ 4,9331189
(4.26)
X1
≤ 2,5185139
(4.27)
-X1
≤ -2,4313637
(4.28)
X2
≤2
(4.29)
-X2
≤ -1,39794
(4.30)
X3 ≤ 1,2552725
(4.31)
-X3 ≤ -0,7781513
(4.32)
-2,94100X1+0,35500X2+0,18900X3≤ -6,5726385 (4.33)
Với các dữ liệu như trên, ta sử dụng phần mềm
MATLAB 7.11.0(R2010b) để giải bài toán tối ưu này
(hình 4.47).
Ta nhận được kết quả như sau:

X1 = 2,5185; X2 = 1,3979; X3 = 0,7782.
Quy đổi và làm tròn số ta được:
P = 330 (W); v = 25 (m/ph); s = 0,06 (mm/vg)
Giá trị hàm mục tiêu nhỏ nhất là:
 Ra = 0,409 (µm)
Như vậy, với bộ thông số công nghệ tối ưu này độ
nhám bề mặt nhỏ nhất đạt 0,409 (µm), mòn dao hs = 0,203
(µm) và lực cắt tổng hợp F = 203,7 (N).
Kết luận chƣơng 4
Chương này đã nghiên cứu và phân tích ảnh
hưởng của các thông số công nghệ đến chiều sâu thấm
nhiệt và độ cứng tế vi trong trường hợp gia nhiệt không
cắt gọt và trường hợp cắt gọt đồng thời có gia nhiệt bằng
laser. Kết quả đã chỉ ra rằng, sử dụng phương pháp tiện
vật liệu cứng có gia nhiệt bằng laser có thể nâng cao được
năng suất gia công mà vẫn đảm bảo được chất lượng bề
mặt cũng như tính chất vật liệu chi tiết sau gia công.

22


Độ cứng đạt được của lớp bề mặt chi tiết sau khi
tiện có gia nhiệt bằng laser cũng có thể cao hơn độ cứng
ban đầu của phôi, bằng cách chọn chiều sâu cắt nhỏ hoặc
tốc độ cắt nhỏ. Ứng dụng kết quả này để tiện các chi có
yêu cầu cao về tính chống mài mòn và đảm bảo được độ
bền trong quá trình làm việc như chi tiết: trục, bạc dẫn
hướng, xupap trong động cơ đốt trong.
Tác giả đã sử dụng phương pháp quy hoạch thực
nghiệm trực giao để xây dựng mô hình thực nghiệm của

nhám bề mặt, lực cắt và chiều cao mòn dao mặt sau phụ
thuộc vào thông số laser và thông số chế độ cắt.
Xây dựng được bài toán tối ưu và giải bài toán tối
ưu các thông số công nghệ để nhận được độ nhám bề mặt
nhỏ nhất.
KẾT LUẬN VÀ HƢỚNG NGHIÊN CỨU TIẾP THEO
Kết luận:
Việc sử dụng chùm laser để gia nhiệt vào những
vật liệu cứng khó cắt gọt, làm mềm vật liệu và có thể gia
công được dễ dàng với những dụng cụ và thiết bị thông
thường; phương pháp này hứa hẹn sẽ đem đến một giải
pháp tốt để có thể ứng dụng vào công nghiệp. Nghiên cứu
phương pháp LAM có ý nghĩa rất lớn về khoa học và thực
tiễn. Luận án đã đạt được một số kết quả mới như sau:
- Đánh giá ảnh hưởng của các thông số laser đến
nhiệt độ bề mặt phôi và mối liên hệ giữa nhiệt độ bề mặt
phôi với chiều sâu thấm nhiệt để từ đó chọn ra được vùng
thông số hợp lý để gia công vật liệu cứng.
- Đã thiết lập được mô hình thực nghiệm ảnh
hưởng của các thông số đốt nóng bằng laser đến nhiệt độ
bề mặt khi chưa gia công cắt gọt.
TBM  1,86PL  0,84V  260,4s  340,1( O C )

23


- Đã thiết lập được mô hình thực nghiệm ảnh
hưởng của các thông số đốt nóng bằng laser đến chiều sâu
thấm nhiệt khi chưa gia công cắt gọt.
Kết quả chỉ ra rằng, thông số khoảng cách từ đầu

laser đến bề mặt phôi, vị trí điểm đặt của laser trên phôi
và lượng tiến dao trong điều kiện thí nghiệm này ảnh
hưởng không đáng kể đến chiều sâu thấm nhiệt. Thông số
công suất laser và tốc độ di chuyển vết laser cắt có ảnh
hưởng đến chiều sâu thấm lớp bề mặt.
- Nghiên cứu xây dựng được mô hình thực nghiệm
ảnh hưởng của các thông số công nghệ đến lực cắt, nhám
bề mặt, lượng mài mòn dao, căn cứ vào mô hình các nhà
công nghệ có thể chọn được thông số phù hợp với yêu cầu
đặt ra.
Từ các mô hình thực nghiệm đã chỉ ra rằng, công
suất laser có ảnh hưởng lớn và tích cực tới các hàm mục
tiêu trong giới hạn của điều kiện nghiên cứu này. Điều
này chứng tỏ rằng việc gia nhiệt bằng laser trong quá
trình tiện vật liệu cứng nói chung và tiện vật liệu 9XC sau
tôi đạt độ cứng 62 HRC đã đem lại hiệu quả gia công cao.
- Nghiên cứu xây dựng bài toán tối ưu hoá quá
trình gia công và đã tìm ra bộ thông số chung ứng với chỉ
tiêu độ nhám bề mặt nhỏ nhất, nhưng vẫn đảm bảo về mài
mòn dụng cụ cắt nhỏ và đáp ứng điều kiện công suất làm
việc của máy là: P = 330W, v = 25 m/ph, s = 0,06 mm/vg.
Hƣớng nghiên cứu tiếp theo:
- Nghiên cứu các vết nứt tế vi, ứng suất dư bề mặt
và biến dạng của chi tiết sau khi tiện vật liệu cứng có gia
nhiệt bằng laser.
- Cần nghiên cứu với các loại dao, các vật liệu gia
công khác nhau, gia công trên máy phay, máy CNC.
- Sử dụng các phần mềm để mô phỏng quá trình
tiện có gia nhiệt bằng laser.

24