Thông qua xây dựng mô hình toán học về lực tác dụng lên vùng nóng chảy trong quá trình tạo hình tìm ra công thức toán học mô tả mối quan hệ giữa góc nghiêng của chi tiết thành mỏng với c
Trang 1NGHIÊN CỨU SỰ ẢNH HƯỞNG CỦA MỘT SỐ THAM SỐ CÔNG NGHỆ ĐẾN GÓC NGHIÊNG GIỚI HẠN CHI TIẾT THÀNH MỎNG CHẾ TẠO BỞI
CÔNG NGHỆ TẠO HÌNH BẰNG TIA LASER
STUDY ON EFFECT OF PROCESS PARAMETERS ON THE ULTIMATE INCLINED ANGLE OF THIN-WALL PART FABRICATED BY LASER DIRECT METAL
FORMING TECHNOLOGY
Đoàn Tất Khoa 1,a , Hồ Việt Hải 1,b
1Học viện Kỹ thuật quân sự, Hà Nội, Việt Nam
adoankhoactm@gmail.com; bhoviethai@andt.vn
TÓM TẮT
Bài báo nghiên cứu sự ảnh hưởng của một số tham số công nghệ đến góc nghiêng giới hạn chi tiết thành mỏng chế tạo bởi công nghệ tạo hình bằng tia laser Thông qua xây dựng
mô hình toán học về lực tác dụng lên vùng nóng chảy trong quá trình tạo hình tìm ra công thức toán học mô tả mối quan hệ giữa góc nghiêng của chi tiết thành mỏng với các tham số công nghệ Thực nghiệm chế tạo chi tiết thành mỏng với các tham số công nghệ khác nhau, tìm ra quy luật ảnh hưởng của công suất nguồn laser và tốc độ khí cấp bột đến góc nghiêng giới hạn chi tiết thành mỏng Kết quả thực nghiệm cho thấy công suất nguồn laser và tốc độ khí cấp bột quá cao hoặc quá thấp đều làm giảm góc nghiêng giới hạn của chi tiết thành mỏng; khi công suất laser khoảng 210 W, tốc độ khí cấp bột khoảng 6 L/phút thì tạo hình được chi tiết thành mỏng có góc nghiêng lớn nhất là 38
Từ khóa: công nghệ tạo hình bằng tia laser, góc nghiêng, vùng nóng chảy, tham số
công nghệ
ABSTRACT
The influence rule of forming process on the ultimate inclined angle of thin-wall parts was investigated An inclined angle calculation formula was offered by the force analysis of molten pool On the basis of the calculation formula, the effect of laser power, carrier gas flow on the ultimate inclined angle of thin-walled parts with different process parameters was analyzed and experimental The results showed that the ultimate inclined angle of thin-wall parts mainly detamined by laser power and carrier gas flow; if laser power and carrier gas were too low or too hight then ultimate inclined angle was decreased When laser power approximated 210 W and carrier gas approximated 6 L/min, the 38oof maximum inclined angle of thin-wall parts was formed
Keywords: laser direct metal forming (LDMF), inclined angle, molten pool, process
parametters
1 GIỚI THIỆU
Cuối những năm 1980 cùng với sự phát triển mạnh mẽ của công nghệ Laser Cladding (LC) và công nghệ Tạo mẫu nhanh (Rapid Prototyping, RP), công nghệ tạo hình bằng tia laser (Laser Direct Metal Forming, LDMF) cũng phát triển rất nhanh đặc biệt trong lĩnh vực chế tạo các loại vật liệu mới [1,2,3] Nghiên cứu công nghệ tạo hình LDMF nâng cao chất lượng chế tạo các chi tiết kim loại, hợp kim có kết cấu phức tạp sử dụng trong các lĩnh vực hàng không vũ trụ, hàng hải, công nghiệp ô tô, y học, công nghiệp quốc phòng, có ý nghĩa thực tiễn quan trọng[4,5]
Trang 2Tạo hình chi tiết thành nghiêng là một trong những vấn đề khó khăn nhất trong công nghệ LDMF Trong quá trình tạo hình, do phía dưới vùng nóng chảy không có kết cấu chống
đỡ, dưới tác dụng của trọng lực vùng vật liệu nóng chảy và lực đẩy của dòng bột nên vùng nóng chảy dễ dàng bị chảy xuống dẫn đến quá trình tạo hình không thể tiếp tục được Đối với chi tiết thành mỏng nghiêng, hiện nay, các nghiên cứu chủ yếu tập trung vào các vấn đề về tối
ưu hóa tham số công nghệ nâng cao giới hạn về góc độ nghiêng của thành mỏng [6,7] Phòng thí nghiệm trọng điểm quốc gia Sandia của Mỹ nghiên cứu tạo hình được chi tiết hình trụ có góc nghiêng 40 [8] Phòng thí nghiệm RP thuộc đại học Birmingham – Anh Quốc thông qua việc tối ưu hóa công nghệ tạo hình được chi tiết thành mỏng có góc nghiêng 30 [9] Phòng thí nghiệm công nghệ laser trường đại học Đại Liên – Trung Quốc nghiên cứu sự thay đổi lượng tăng trục Z tạo hình được chi tiết hình nón có góc nghiêng 39 [10]
Mặc dù những nghiên cứu trên đã chỉ ra được một số phương pháp nâng cao độ chính xác tạo hình, thông qua thí nghiệm, tối ưu hóa tham số công nghệ có thể nâng cao được giới hạn về độ nghiêng của chi tiết Tuy nhiên, do tính phức tạp của công nghệ nên vẫn còn rất nhiều vấn đề liên quan đến độ chính xác tạo hình chưa được đi sâu nghiên cứu như vấn đề sự ảnh hưởng của những đặc trưng hình học của kết cấu đến chất lượng tạo hình
Nhằm mục đích nghiên cứu quy luật ảnh hưởng của tham số công nghệ và tính chất của vật liệu đến góc nghiêng chi tiết thành mỏng, bài báo thông qua việc thiết lập mô hình lực tác dụng lên vùng nóng chảy, phân tích sự ảnh hưởng của tham số công nghệ đến sự thay đổi tác dụng lực lên vùng nóng chảy và góc nghiêng giới hạn, đồng thời thực hiện thí nghiệm kiểm chứng, tìm ra tham số công nghệ hợp lí nâng cao góc nghiêng giới hạn thành mỏng
2 THIẾT LẬP MÔ HÌNH TÁC DỤNG LỰC LÊN VÙNG NÓNG CHẢY
2.1 Đo hình dáng của vùng nóng chảy
Trong quá trình tạo hình chi tiết thành mỏng nghiêng, hình dáng vùng nóng chảy thay đổi theo góc nghiêng thành mỏng, sự thay đổi này ảnh hưởng lớn đến tác dụng lực lên vùng nóng chảy Để có thể thiết lập một cách chính xác mô hình tác dụng lực lên vùng nóng chảy cần phải xem xét một cách cụ thể hình dáng vùng nóng chảy với các góc nghiêng khác nhau Thực nghiệm tạo hình các chi tiết thành mỏng nghiêng có góc nghiêng thay đổi từ 015với các tham số công nghệ khác giống nhau, kết quả thể hiện như hình 1 Hình 1 thể hiện hình ảnh hình dáng vùng nóng chảy với các góc nghiêng khác nhau, trong đó là góc nghiêng của chi tiết thành mỏng; là góc nghiêng của vùng nóng chảy Hình 2 thể hiện mối tương quan giữa góc và , có thể thấy khi góc tăng thì góc cũng tăng lên đáng kể, khi góc 15 thì hai góc và gần như bằng nhau Hình 3(a) thể hiện hình ảnh chụp thực tế hình dáng vùng nóng chảy khi góc nghiêng =15, có thể thấy vùng nóng chảy có dạng một phần hình cầu, bán kính là R và độ cao là h, đường kính vùng đáy là d xấp xỉ bằng đường kính vùng hội tụ chùm tia laser Hình 3(b) thể hiện mô hình hình học vùng nóng chảy
Hình 1 Hình ảnh chi tiết thành mỏng nghiêng với các góc độ khác nhau; (a) chi tiết
thành mỏng nghiêng; (b) =0; (c) =5; (d) =10; (e) =15
Trang 3Hình 2 Mối quan hệ giữa góc nghiêng vùng nóng chảy và góc nghiêng chi tiết
Hình 3 Hình ảnh và mô hình vùng nóng chảy; (a) hình ảnh chụp vùng nóng chảy;(b) mô
hình vùng nóng chảy 2.2.Thiết lập mô hình tác dụng lực lên vùng nóng chảy
2.2.1 Mô hình
Như hình 2 thể hiện, khi góc nghiêng chi tiết =015 thì góc nghiêng vùng nóng chảy
xấp xỉ gần bằng góc nghiêng chi tiết Hình 3 thể hiện hình dáng vùng nóng chảy một phần hình cầu với bán kính R, chiều cao h và bán kính đáy d bằng bán kính hội tụ chùm laser Thiết lập mô hình tác dụng lực lên vùng nóng chảy như hình 4 thể hiện [11], vùng nóng chảy chủ yếu chịu 4 lực tác dụng là: trọng lực G; lực tác dụng của dòng bột M; sức căng bề mặt N; phản lực Z; bỏ qua lực chảy trong vùng nóng chảy và các lực khác
Hình 4 Mô hình tác dụng lực lên vùng
nóng chảy
Hình 5 Mô hình tác dụng lực của dòng
bột lên vùng nóng chảy
2.2.2 Tính các lực chủ yếu
1) Trọng lực
Như hình 3(b) thể hiện, hình dáng vùng nóng chảy là một phần hình cầu, giả thiết tỷ lệ giữa bề rộng và chiều cao vùng nóng chảy là =d/h thì trọng lực G được tính như sau:
Trang 43 2 3
24
d
Trong đó:
G: trọng lực vùng nóng chảy (N);
V: thể tích vùng nóng chảy (m3);
: mật độ bột vật liệu (kg/m3);
: tỷ lệ chiều rộng trên chiều cao;
d: đường kính vùng hội tụ chùm laser (m);
g: gia tốc trọng trường (m/s2)
2) Lực tác dụng của dòng bột
Mô hình tính lực tác dụng của dòng bột lên vùng nóng chảy như thể hiện trong hình 5, giá trị lực M được tính như sau:
1
2 2
2
(Mp Q ) d
4s
Trong đó:
M: lực tác dụng của dòng bột (N);
: mật độ hai pha khí và rắn;
s: diện tích vùng nóng chảy tác dụng lực (m2);
v: tốc độ dòng bột giữa hai pha rắn khí (m/s);
: góc nghiêng của vùng nóng chảy (rad);
Mp: lượng cấp bột (g/phút);
Q: tốc độ dòng khí (L/phút);
1: mật độ khí (g/m3);
d: đường kính hội tụ chùm tia laser (m);
3) Sức căng bề mặt N
Sức căng bề mặt vùng nóng chảy phân bố trên bề mặt hình cầu như hình 6 thể hiện
Hình 6 Mô hình sức căng bề mặt trên vùng nóng chảy; (a) mô hình sức căng bề mặt
trên vùng nóng chảy; (b) hệ tọa độ tính
Trang 5Sức căng bề mặt N được tính theo công thức sau:
0
2
2 cos( / 2) cos d
3
s
1
2
3
Trong đó:
N: lực căng bề mặt (N);
N1: thành phần lực căng bề mặt (N);
: hệ số lực căng bề mặt;
d: đường kính vùng nóng chảy (m);
và như hình 6 thể hiện
2.2.3 Mô hình tính góc nghiêng lớn nhất
Hình 4 thể hiện mô hình tác dụng lực lên vùng nóng chảy, trong đó N1 và N2 là hai thành phần lực của lực căng bề mặt; F1 và F2 là hai lực thành phần của hợp lực giữa trọng lực
G và lực tác dụng của dòng bột M; Z là phản lực Để vùng nóng chảy ổn định trong quá trình tạo hình với góc nghiêng thì các lực phải thỏa mãn điều kiện sau [12]:
1
sin
N
Khi tính cụ thể các giá trị N1, M và G thấy được giá trị G rất nhỏ (ở cấp 10-3N), còn giá trị N1 và M lớn hơn rất nhiều (ở cấp N), do đó khi tính toán sự ảnh hưởng đến góc nghiêng giới hạn có thể bỏ qua tác dụng của trọng lực G Từ các công thức (15) trong các điều kiện tham số công nghệ khác nhau có thể tính được góc nghiêng giới hạn khi tạo hình chi tiết thành mỏng thỏa mãn điều kiện sau:
2
1
sin
s
Từ công thức (6) có thể thấy các giá trị d, s,,1 thay đổi rất ít hoặc không thay đổi, ảnh hưởng rất nhỏ tới góc nghiêng giới hạn, góc nghiêng giới hạn chủ yếu phụ thuộc vào giá trị tốc độ khí Q và hệ số sức căng bề mặt , mà sức căng bề mặt lại phụ thuộc vào nhiệt độ vùng nóng chảy nghĩa là phụ thuộc vào công suất nguồn laser Từ những phân tích trên tiến hành thí nghiệm nghiên cứu sự ảnh hưởng của công suất nguồn phát laser và tốc độ khí cấp bột Q đến góc nghiêng giới hạn của chi tiết thành mỏng
3 THÍ NGHIỆM
3.1 Thiết bị và vật liệu thí nghiệm
Thiết bị thí nghiệm như thể hiện trên hình 7, bao gồm: nguồn phát chùm tia laser YAG,
số hiệu JK1002SM, công suất 1kW; tiêu cự 160 mm, đường kính hội tụ chùm laser 0,5 mm; máy cấp bột kim loại số hiệu DSPF-2; đầu phun cấp bột đồng trục đầu quét chùm laser; hệ thống điều khiển CNC 3 trục; hệ thống cấp khí trơ Argon và một số thiết bị trợ giúp khác
Trang 6Hình 7 Hệ thống tạo hình LDMF; (a) sơ đồ nguyên lí; (b) thiết bị thí nghiệm
Vật liệu thí nghiệm: tấm nền sử dụng loại hợp kim chịu nhiệt DZ125L dạng tấm; vật liệu tạo hình sử dụng hợp kim chịu nhiệt DZ125L dạng bột, thành phần vật liệu hợp kim chịu nhiệt DZ125L như bảng 1 thể hiện [13]
Thông qua các thí nghiệm cơ sở xác định phạm vi của các tham số công nghệ để có thể tạo hình được chi tiết trong công nghệ LDMF, tham số công nghệ như trong bảng 2 thể hiện, công suất nguồn phát laser và tốc độ khí cấp bột thay đổi, các tham số công nghệ khác giữ nguyên Chi tiết thành mỏng được chế tạo có kích thước chiều dài 40 mm, 300 lớp tạo hình
Bảng 1 Thành phần vật liệu hợp kim chịu nhiệt DZ125L (%)
Tấm nền 0,07 9,09 10,00 2,09 7,17 4,48 3,05 3,64 0,011 Cân bằng
Bột 0,09 9,70 9,64 2,18 7,14 4,90 3,12 3,78 0,015 Cân bằng
Bảng 2 Tham số công nghệ LDMF tạo hình mẫu đo Công suất
laser
(W)
Tốc độ quét (mm/s)
Tốc độ cấp bột (g/phút)
Tốc độ khí(L/phút)
Bán kính chùm tia laser
(mm)
3.2 Kết quả và phân tích
3.2.1 Ảnh hưởng của công suất nguồn laser đến góc nghiêng lớn nhất
Ảnh hưởng của công suất nguồn laser đến góc nghiêng lớn nhất chi tiết thông qua sự ảnh hưởng của nhiệt độ vùng nóng chảy làm thay đổi lực căng bề mặt Khi công suất tăng lên thì nhiệt độ vùng nóng chảy cũng tăng lên Trong quá trình thí nghiệm với mỗi giá trị công suất nguồn laser nhất định tạo hình các chi tiết thành mỏng có giá trị góc nghiêng tăng dần Kết quả thí nghiệm cho thấy khi tăng dần góc nghiêng thì đến một giá trị góc nghiêng tới hạn nhất định bề mặt chi tiết thành mỏng xuất hiện nhiều sóng bề mặt lớn, dẫn tới không thể tạo hình được nữa Kết quả thí nghiệm với ba giá trị công suất nguồn laser (180,210,240) khác nhau thể hiện trong hình 8
Hình 8 Chi tiết thành mỏng với góc giới hạn lớn nhất khi thay đổi công suất nguồn laser; (a) P=180 W, max =15; (b) P=210 W, max =30; (c) P=240 W, max =13
Trang 7Kết quả thí nghiệm cho thấy, khi công suất laser ở 180 W góc nghiêng giới hạn tương đối nhỏ (max=15), khi công suất laser tăng lên 210 W thì góc nghiêng giới hạn cũng tăng lên (max=30), khi công suất laser tiếp tục tăng lên 240 W thì góc nghiêng giới hạn giảm xuống (max=13), khi tiếp tục tăng công suất laser lên 260 W thì chỉ có thể tạo hình được khoảng 10 lớp đầu tiên, sau đó xuất hiện hiện tượng sóng bề mặt rất nghiêm trọng không thể tạo hình được nữa Đó là do khi công suất tương đối nhỏ thì nhiệt độ vùng nóng chảy thấp, do đó vùng nóng chảy chịu ảnh hưởng của một số yếu tố như tác động của dòng bột, do đó quá trình tạo hình bị ảnh hưởng lớn, dẫn tới không thể tạo hình được nữa Khi công suất laser tăng lên đến một giá trị nhất định thì nhiệt độ vùng nóng chảy tăng cao, ổn định ở một giá trị khoảng
1650C thì khả năng tạo hình chi tiết có góc nghiêng tăng lên, nếu tiếp tục tăng công suất nguồn laser thì nhiệt độ vùng nóng chảy tiếp tục tăng cao dẫn đến làm cho lực căng bề mặt giảm xuống, vật liệu bị chảy xuống thành bên dẫn đến không thể tạo hình được nữa
3.2.2 Ảnh hưởng của tốc độ khí cấp bột đến góc nghiêng lớn nhất
Tốc độ khí cấp bột ảnh hưởng rất lớn đến lực N1 tác dụng lên vùng nóng chảy, do đó ảnh hưởng trực tiếp đến góc nghiêng chi tiết Dựa vào phân tích lí thuyết ta thấy khi tốc độ khí càng nhỏ thì lực tác dụng lên vùng nóng chảy cũng càng nhỏ, do đó làm tăng được góc nghiêng , tuy nhiên nếu tốc độ khí quá nhỏ sẽ ảnh hưởng đến tốc độ cấp bột, sự phân bố của dòng bột trong vùng nóng chảy Thông qua tính toán và thí nghiệm cơ sở về tốc độ khí và góc nghiêng chi tiết thí nghiệm với các tốc độ khí Q = 5, 6, 7 L/phút Kết quả thí nghiệm như hình 9 thể hiện Kết quả thí nghiệm cho thấy với giá trị Q = 6 L/phút thì góc nghiêng thành mỏng đạt lớn nhất
max = 34, với các giá trị Q lớn hơn hoặc nhỏ hơn 6 L/phút thì góc nghiêng đều giảm
Hình 9 Chi tiết thành mỏng với góc giới hạn lớn nhất khi thay đổi tốc độ khí; (a) Q=5L/phút, max =22; (b) Q=6L/phút, max =34; (c) Q=7L/phút, max =11
Sau khi xác định được các tham số công nghệ hợp lí, công suất nguồn laser 230 W, tốc độ khí cấp bột 6 L/phút, các tham số công nghệ khác như trong bảng 2 thể hiện, tiến hành tạo hình chi tiết thành mỏng đạt được giá trị góc nghiêng giới hạn lên tới 38 như hình
10 thể hiện
Hình 10 Chi tiết thành mỏng với góc giới hạn lớn nhất khi P=210W, Q=6L/phút
4 KẾT LUẬN
Thông qua việc nghiên cứu xây dựng mô hình toán học về lực tác dụng lên vùng nóng chảy của chi tiết thành mỏng trong quá trình tạo hình bằng tia laser đã xác định được mối quan hệ giữa các tham số công nghệ với góc nghiêng giới hạn của chi tiết thành mỏng Từ
Trang 8công thức toán học ta thấy tham số công nghệ ảnh hưởng lớn đến góc nghiêng giới hạn chi tiết thành mỏng là công suất nguồn laser và tốc độ khí cấp bột Kết quả thực nghiệm cho thấy công suất nguồn laser và tốc độ khí cấp bột quá cao hoặc quá thấp đều làm giảm góc nghiêng giới hạn của chi tiết thành mỏng; khi công suất laser khoảng 210 W, tốc độ khí cấp bột khoảng 6 L/phút thì tạo hình được chi tiết thành mỏng có góc nghiêng 38
TÀI LIỆU THAM KHẢO
[1] Hebin, dichen Li., Influence of scanning pattern on the edge collapse of solid parts in
laser metal direct forming Optics & Laser Technology, 2013, vol.48, p 171177
[2] A.J Pinkerton, Laser direct metal deposition: theory and applications in manufacturing
and maintenance Advances in Laser Materials Processing, 2010
[3] Lei W, Shuai., Effects of precipitated phases on the crack propagation behaviour of a
Ni-based superalloy International Journal of Fatigue, 2014, Vol.62, p 210216
[4] Li.W.J, Investigation on selection crystal behavior of a Ni3Al-based single crystal
superalloy IC6SX Procedia Engineering, 2012, Vol.27, p 1135 1140
[5] Z.L.Lu, D.C.Li, Investigation into the direct laser forming process of steam turbine
blade Optics and Lasers in Engineering, 2011, Vol.49, p 11011110
[6] Liou F, Slattery K, Kinsella M, Applications of a hybrid manufacturing process for
fabrication of metallic structures Rapid Prototyping Journal, 2007, Vol.13, p 236-244
[7] Dwivedi R, Kovacevic R, An expert system for generation of machine inputs for
laser-based multi-directional metal deposition International Journal of Machine Tools and
Manufacture, 2006, Vol.46, p.1811-1822
[8] Dwivedi R, Zekovic S, Kovacevic R, A novel approach to fabricate uni-directional
and branching slender structures using laser-based direct metal deposition International
Journal of Machine Tools and Manufacture, 2007, Vol 47, p 1246-1256
[9] Dwivedi R, Kovacevic R, Process planning for multi-directional laser-based direct
metal deposition Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers Part
C-Journal of Mechanical Engineering Science, 2005, Vol.219 (7), p 695-707
[10] 尚晓峰，刘伟军，王维等，金属粉末激光成形零件倾斜极限 机械工程学报， 2007，Vol 43(8), p 97-100
[11] 贺斌.,面向涡轮叶片结构特征的激光金属成形工艺研究，西安交通大学，2013, p.85 [12] Fima P, Nowak R, Sobczak N, Effect of metal purity and testing procedure on surface
tension measurements of liquid tin Journal of materials science, 2010, Vol 45(8), p
2009-2014
[13] Feixue Y, Influence of Ti content on microstructure, mechanical properties and
castability of directionally solidified superalloy DZ125L.Materials & Design, 2014,
Vol.61, p.41 - 49
THÔNG TIN TÁC GIẢ
1 Đoàn Tất Khoa
Cơ quan: Học viện Kỹ thuật quân sự, 236, Hoàng Quốc Việt, Nam Từ Liêm, Hà Nội Email: doankhoactm@gmail.com; Tel: 0963.389.325
2 Hồ Việt Hải
Cơ quan: Học viện Kỹ thuật quân sự, 236, Hoàng Quốc Việt, Nam Từ Liêm, Hà Nội Email: hoviethai@andt.com; Tel: 0936.680.755
