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

ĐÁNH GIÁ ẢNH HƯỞNG CỦA MỘT SỐ THÔNG SỐ ĐẾN
NHIỆT ĐỘ BỀ MẶT PHÔI KHI GIA NHIỆT BẰNG LASER
Nguyễn Thành Huân1*, Trần Xn Thái2, Nguyễn Đức Tồn2
Tóm tắt: Tiện có gia nhiệt bằng laser là sử dụng chùm tia laser nung nóng phơi
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 q trình tiện. Nhiệt độ bề mặt phơi được kiểm sốt là
rất quan trọng để đảm bảo q 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, Cơng suất laser, Tốc độ cắt, Lượng tiến dao, Taguchi.

1. ĐẶT VẤN ĐỀ
- Trong gia cơng cắt gọt có nhiều chi tiết được làm từ các vật liệu khó gia cơng 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 cơng
bằng tia lửa điện, gia cơng 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 cơng 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 cơng 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 cơng như: chế tạo dụng cụ cắt mới, phương pháp gia công mới,
chế tạo thiết bị cắt gọt mới, nghiên cứu ngun lí gia cơng 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
phơi trong q 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 tốn học mơ tả
ảnh hưởng của việc gia nhiệt bằng laser đến nhiệt độ bề mặt phôi thép 9XC qua tơi. 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 phơi.

150

N. T. Hn, T. X. Thái, N. Đ. Tồn, “Đánh giá ảnh hưởng của … gia nhiệt bằng laser.”


Nghiên cứu khoa học công nghệ

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 phơi 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 tốn, chọn các thơng 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
Công suất(W)
Khoảng cách đầu laser tới bề mặt phôi(mm)

Điểm đặt laser (o)

Mức 1
200
15
70

Các mức
Mức 2
265
20
80

Mức 3
330
25
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
Tốc dịch chuyển (m/ph)
Bước tiến (mm/vg)

Mức 1
25
0,06

Các mức
Mức 2

62,5
0,12

Mức 3
100
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

6
5

Hình 2. Sơ đồ hệ thống thí nghiệm.
Ngồi ra, nghiên cứu này cịn sử dụng máy FieldMaster của hãng Coherent (Mỹ) để đo
công suất laser (hình 3.a) và máy IR–AHS của cơng ty SINO (Nhật Bản) để đo nhiệt độ bề
mặt phơi (hình 4.b).

Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 51, 10 - 2017

151


Cơ kỹ thuật & Kỹ thuật cơ khí động lực

a)

b)

Hình 3. Thiết bị đo.
a) Máy đo công suất laser; b) Máy đo nhiệt.
2.2.2. Vật liệu thí nghiệm
Phơi trụ là vật liệu thép hợp kim 9XC, được gia công tiện thô, sau đó nhiệt luyện phơi
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 thơng 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 phơi, 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:
SNL  10log

1
Ni

Ni


i 1

1
yi2

Hệ số SNL được tính tốn cho mỗi chỉ số và cấp độ như bảng 4.

152

N. T. Huân, T. X. Thái, N. Đ. Toàn, “Đánh giá ảnh hưởng của … gia nhiệt bằng laser.”


Nghiên cứu khoa học công nghệ

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 phơi và vị
trí điểm đặt laser trên phơi ảnh hưởng không đáng kể đến nhiệt độ bề mặt phơi. Thơng số
cơng 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 cơng suất laser 330W, khoảng cách từ đầu laser đến bề mặt
phơi là 20mm, vị trí đặt điểm laser nằm ở góc 80o được giữ khơng 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 thơng số thí nghiệm và hệ số SNT.
V
s
Lần đo Lần đo Lần đo Nhiệt độ
TN
SNT
(m/ph)

(mm/vg)
T1(oC)
T2 (oC)
T3(oC)
TB (oC)
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:
 y2 
SNT  10 log  2 
s 
 

Hệ số SNT được tính tốn 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 phơi.
3.3. Xây dựng mơ hình tốn 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 thơng số ảnh
hưởng chính đến nhiệt độ bề mặt phôi là công suất laser, tốc độ dịch chuyển và bước tiến

Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 51, 10 - 2017

153


Cơ kỹ thuật & Kỹ thuật cơ khí động lực

đầu laser. Sử dụng phương pháp quy hoạch thực nghiệm trực giao [6] để xây dựng mơ
hình tốn học nhiệt độ bề mặt.
Bảng 7. Điều kiện quy hoạch thực nghiệm.
Đặc tính
Giá trị cơ sở
Khoảng biến động
Giá trị trên
Giá trị dưới

P (w)
265
65
330

200

V (m/ph)
62,5
37,5
100
25

s (mm/vg)
0,12
0,06
0,18
0,06

Số thí nghiệm cần thực hiện N = 23 = 8
Phương trình hồi quy được viết dưới dạng:

y  bo  b1 x1  b2 x2  b3 x3
x1,2,3 có quan hệ với Po, Vo, so (Giá trị cơ sở tại tâm thí nghiệm)
s  so
P  Po
V  vo
x3 
 1
x1  L
 1,
x2 
 1,
s
P

v
Bảng 8. Ma trận quy hoạch thực nghiệm.
X1
X2
X3
TBM
TT X1 X2 X3
(W)
(m/ph)
(mm/vg)
(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
TN1
TN2
TN3
Ta có:

P

V
265
265
265

sb 

62,5
62,5
62,5

s y2
N



s i2

S
0,12

0,12
0,12

746
751
751

8,335
 1,021
8

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:

154

N. T. Hn, T. X. Thái, N. Đ. Toàn, “Đánh giá ảnh hưởng của … gia nhiệt bằng laser.”


Nghiên cứu khoa học công nghệ

y  750,375  121,125 x1  31,375 x2  15,625 x3
Để xác định xem phương trình hồi quy vừa nhận được có nghĩa hay khơng cần tính các
giá trị của hàm y :

y 1  676,25 ;

y 2  918,5 ;

y 3  613,5 ;

y 4  855,75 ;

y 5  645 ;

y 6  887,25 ;

y 7  582,25 ;

y 8  824,5 .

Theo cơng thức 11.14 [6] ta có:

s

2
du

1

NK

8

 y

tn
i

 y itt



2

30,7

i 1

Chỉ tiêu Fisher Fb theo công thức 11.13 [2]:
2
s du
30,7
Fb  2 
 3,68
8,335
sy

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%) mơ 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 mơ hình tốn học của nhiệt độ bề mặt phôi là:

T BM  1,86 PL  0,84V  260,4s  340,1
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
phơi trong điều kiện thí nghiệm này ảnh hưởng khơng đáng kể đến nhiệt độ bề mặt phơi.
Thơng số cơng 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 cơng mơ hình tốn học nhiệt độ bề mặt phôi phụ
thuộc vào các thông số. Căn cứ vào mơ hình này ta thấy rằng; cơng suất laser có ảnh
hưởng lớn nhất đến nhiệt độ bề mặt phơi, khi tăng cơng 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 phơi
giảm; khi giảm tốc độ dịch chuyển và bước tiến đầu laser thì nhiệt độ bề mặt phơi 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).

Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 51, 10 - 2017

155


Cơ kỹ thuật & Kỹ thuật cơ khí động lực

[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 Dỗn 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 cơng 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 Cơng nghiệp;
Viện Cơ khí, Trường Đại học Bách khoa Hà Nội.
*
Email:
2

156

N. T. Huân, T. X. Thái, N. Đ. Toàn, “Đánh giá ảnh hưởng của … gia nhiệt bằng laser.”