CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ TIỆN VẬT LIỆU CỨNG CÓ GIA NHIỆT BẰNG LASER 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]. Vật liệu cứng khó gia công cắt gọt ở nhiệt độ thường do nó có một số đặc điểm sau [57]: - Độ bền cơ học của vật liệu cứng được duy trì trong quá trình gia công nhờ tính chất bền nhiệt của chúng.
- Hiện tượng biến cứng xảy ra rất nhanh trong quá trình gia công, điều này làm mài mòn dụng cụ nhanh. - Phản ứng hóa học giữa vật liệu dụng cụ cắt và vật liệu phôi xảy ra ở nhiệt độ cắt cao, gây ra sự mòn khuếch tán trên dụng cụ. - Phoi cứng được tạo thành liên tục và cọ sát với bề mặt chi tiết đã gia công làm cho độ nhẵn bóng bề mặt thấp. - Nhiệt sinh ra trong quá trình gia công cắt gọt vật liệu cứng được thoát qua phoi nhỏ làm nhiệt độ vùng cắt cao, dẫn đến nhiệt độ tại mũi dao lớn, là nguyên nhân dẫn đến dao bị mài mòn nhanh.
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. Một số phương pháp gia công tiên tiến hiện đang được áp dụng để gia công các vật liệu này được phân loại như sau [32]: - Các phương pháp gia công mài mòn (ví dụ: gia công siêu âm, gia công tia nước có hạt mài. - Các phương pháp gia công không tiếp xúc với phôi (ví dụ gia công bằng laser, gia công bằng tia lửa điện, gia công hóa học,. - Phương pháp gia công hỗn hợp: 20 + Gia công có gia nhiệt: gia công có gia nhiệt bằng Laser (LAM viết tắt của cụm từ Laser Assisted Machining), gia công có gia nhiệt bằng plasma, mài có gia nhiệt bằng laser.
+ Gia công điện hóa. + Mài siêu âm. 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].
Nghiên cứu này đã dùng ngọn lửa O2 + C2H2 làm nóng bề mặt thép trước khi gia công làm giảm độ cứng của phôi. Kết quả cho thấy rằng tuổi bền của dụng cụ giảm nhưng khối lượng vật liệu được cắt bỏ tăng lên đáng kể, trong cùng một khoảng thời gian gia công. Nó cũng chứng minh rằng lực cắt giảm khi gia tăng nhiệt độ phôi [14]. Các thí nghiệm dùng các nguồn nhiệt O2 + C2H2 và dòng điện cao tần được coi như là những nguồn nhiệt đầu tiên dùng để gia nhiệt cho quá trình gia công, gần đây nguồn nhiệt có tính tập trung cao như plasma [23][37], cũng đã được nghiên cứu và ứng dụng.
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. Với ưu điểm vượt trội của phương pháp gia nhiệt bằng laser trong quá trình gia công ở trên, nên tác giả đã lựa chọn phương pháp gia nhiệt này để gia nhiệt trong quá trình tiện vật liệu cứng.
Vật liệu dụng cụ cắt sử dụng để gia công vật liệu cứng Thách thức lớn trong quá trình gia công các vật liệu cứng là dụng cụ cắt được lựa chọn phải chịu được ứng suất cơ học và ứng suất nhiệt ở nhiệt độ cao. Các loại dụng cụ cắt: gốm sứ, cacbide có phủ, nitrit bo lập phương đa tinh thể, nitrit bo lập phương, nitrit bo đã được các nhà nghiên cứu sử dụng trong LAM. Vật liệu dụng cụ Nitrit bo lập phương đa tinh thể được sử dụng cho LAM để gia công silicon nitride [45] và Zirconia [24], vật liệu dụng cụ cacbide cho gia công vật liệu gốm alumina 21 [23] và mullite [42]. Tuy nhiên, tuổi bền của dụng cụ nitrit bo lập phương đa tinh thể được quan sát thấy dài hơn so với cacbide khi gia công Zirconia ở cùng điều kiện thí nghiệm LAM.
Cơ chế mài mòn phổ biến nhất được quan sát thấy trong LAM với vật liệu zirconia dùng dụng cụ cắt nitrit bo lập phương đa tinh thể là sự mài mòn ma sát, khuếch tán và bám dính [24]. Tuy nhiên, mài mòn ma sát và khuếch tán không xảy ra trong LAM với vật liệu silic nitride [24][23], do vật liệu zirconia mềm dẻo hơn. Dụng cụ kim cương đa tinh thể được cho là không thích hợp cho LAM để gia công gốm sứ zirconia. Dựa trên nghiên cứu gia công có gia nhiệt bằng laser sử dụng các loại dụng cụ cắt khác nhau để gia công vật liệu Ti-6Al-4V [17] và hợp kim Inconel 718 [38], kết quả cho thấy các mảnh dao làm bằng vật liệu cacbide phủ TiAlN là dụng cụ cắt thích hợp nhất để cải thiện độ nhám bề mặt.
Sử dụng mảnh dao gốm để gia công các hợp kim niken có gia nhiệt bằng laser [26] cho tuổi bền của dụng cụ cắt cao hơn, nhưng nó không thích hợp để gia công các vật liệu là hợp kim titan do phản ứng hóa học, dẫn nhiệt kém và độ dai thấp. Mảnh Carbide SPG 422 được nghiên cứu bởi Kennametal K68 [40] hoặc phủ TiN hoặc loại dụng cụ cắt không phủ được sử dụng để cắt thép cứng và vật liệu composite. Trong trường hợp sử dụng LAM với vật liệu dụng cụ cắt cacbide để gia công vật liệu tổng hợp composit, cho kết quả khối lượng cắt bỏ vật liệu lớn, tính toàn vẹn của bề mặt được cải thiện và tuổi bền của dụng cụ lớn hơn với tốc độ cắt cao hơn [18][16]. Với các phân tích ở trên, 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.
Nghiên cứu của nước ngoài về phương pháp gia công cắt gọt có gia nhiệt bằng laser Các nhà khoa khoa học và chuyên gia công nghệ trên thế giới đã chỉ ra được những ưu điểm của phương pháp gia nhiệt bằng laser trong quá trình gia công cắt gọt. Yêu cầu về chất lượng bề mặt, năng suất, tuổi bền dụng cụ cắt, … trong phương pháp gia nhiệt bằng laser trong quá trình gia công cắt gọt phụ thuộc vào nhiều yếu tố, như: vật liệu gia công, công suất laser, loại nguồn laser, …. Dưới đây là một số các nghiên cứu phương pháp gia nhiệt bằng laser trong quá trình gia công cắt gọt ở nước ngoài mà tác giả đã tổng hợp được: 22 1. Gia công vật liệu gốm sứ có gia nhiệt bằng laser Rozzi [48] và Lei [36] đã xác định được mô hình thực nghiệm truyền nhiệt ba chiều với LAM khi gia công vật liệu silicon nitrit, mô hình này phù hợp với các giá trị thực nghiệm.
Do khối lượng riêng nhỏ, chịu được mài mòn và chịu nhiệt độ cao nên vật liệu gốm silicon nitride ngày càng được sử dụng để làm các chi tiết quan trọng trong các hệ thống kỹ thuật. Hầu hết các nghiên cứu trước đây về LAM đã được thực hiện trên các vật liệu này [48][52][35][47]. Kết luận rút ra từ các thí nghiệm được thực hiện trên silicon nitride là khi nhiệt độ cắt tăng thì điều kiện cắt sẽ dễ dàng hơn.1 cho thấy lực cắt giảm cắt khi nhiệt độ cắt tăng lên là kết quả nghiên cứu của Lei và cộng sự [52].1 Lực cắt phụ thuộc vào nhiệt độ cắt [52] Một vật liệu gốm sứ khác hiện nay đang được sử dụng rộng rãi là oxit nhôm (Al2O3). Pfefferkorn [43] đã thực hiện các thí nghiệm LAM để gia công vật liệu này và đánh giá độ nhám bề mặt và cơ chế mài mòn dụng cụ.
Với LAM, có thể khắc phục được khả năng tạo ra một lớp bề mặt bị hư hỏng do nhiệt xảy ra trong quá trình gia công thông thường của oxit nhôm, trong khi nhận được bề mặt mong muốn. Wang và cộng sự [55] kết luận rằng mài mòn dụng cụ trong LAM khi gia công nhôm oxit thấp hơn nhiều, dẫn đến chất lượng bề mặt tốt hơn. Để gia công đạt được chất lượng bề mặt tương đương, với công nghệ gia công thông thường sẽ yêu cầu giảm cả độ sâu cắt và lượng tiến dao, dẫn đến giảm khối lượng vật liệu cắt bỏ. Do đó, LAM có năng suất cắt gọt cao hơn so với công nghệ thông thường [24].
23 Hongtao Ding và Yung C. Shin [28] đã nghiên cứu tiện vật liệu Waspaloy có gia nhiệt bằng laser. Trong nghiên cứu này các tác giả chỉ ra rằng tiện vật liệu Waspaloy có gia nhiệt bằng laser tuổi bền của dụng cụ tăng lên 50%, độ nhám bề mặt giảm 3 lần, lực cắt giảm 20%. Gia công vật liệu Inconel 718 có gia nhiệt bằng laser Gia công có gia nhiệt bằng laser để tiện vật liệu Inconel 718 lần đầu tiên được thực hiện bởi Rajagopal (1982) [46] bằng cách sử dụng một hệ thống laser CO2 công suất 15kW.
Trong nghiên cứu này thông số đầu vào là chiều sâu cắt t=0,50mm, s=0,15mm/vg được giữ cố định, vận tốc cắt được chọn lần lượt là 90m/ph, 120m/ph, 180m/ph; công suất laser thay đổi từ 1-15kW; thông số đầu ra của thí nghiệm cần xác định là lực cắt tổng hợp và mức độ lực cắt giảm. Kết quả chỉ ra rằng khi tăng công suất laser thì lực cắt giảm, tuy nhiên mức độ giảm của lực cắt còn phụ thuộc vào tốc độ cắt, với tốc độ cắt 90m/ph mức độ lực cắt giảm là lớn nhất, với công suất laser nhỏ (từ 1-4kW) thì mức độ lực cắt giảm của tốc độ 180m/ph là lớn hơn so với tốc độ 120m/ph, với công suất laser lớn hơn 4kW thì mức độ giảm lực cắt của tốc độ cắt 120m/ph lại lớn hơn so với tốc độ căt 180m/ph. Điều này cho thấy rằng khi cắt ở tốc độ cắt cao với công suất laser nhỏ, thì sự tương tác của laser với vật liệu phôi nhỏ (hình 1.