Nghiên cứu thực nghiệm để đánh giá ảnh hưởng của các thông số công nghệ đến chiều sâu thấm nhiệt phôi thép 9XC qua tôi sau khi gia nhiệt bằng laser

). Các phoi có nhiệt độ cao này sẽ bắn vào 
đầu laser nên cần được hạn chế khoảng cách tối thiểu; 
Bên canh đó, nếu để đầu laser cách xa bề mặt phôi 
lớn với khoảng cách (h>25mm), nhiệt độ bề mặt phôi 
thấp và tính chất phần vật liệu bề mặt chi tiết gia công 
gần như không bị ảnh hưởng. Do đó nghiên cứu đã 
chọn khoảng giới hạn 15h25 để tiến hành các thí 
nghiệm khảo sát. 
Các thông số chế độ cắt 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 bảng 3. 
 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 chiều sâu thấm nhiệt như công 
thức (1). 
2
1
1 1
10log
iN
i
ii i
SN
N y=
= −  (1) 
Hệ số SN được tính toán cho mỗi chỉ số và cấp 
độ, lập bảng hệ số SN của 3 thông số 3 mức và xếp 
hạng theo tiêu chí lớn hơn tốt hơn như trong bảng 4. 
Qua đó có thể thấy rằng khoảng cách từ đầu laser đến 
bề mặt phôi và vị trí điểm đặt laser trên phôi ảnh 
hưởng rất nhỏ tương ứng là 6,12% và 2,61% so với 
thông số công suất laser (91,27%) đến chiều sâu thấm 
nhiệt. Từ kết quả phân tích cho thấy, bộ thông số 
laser hợp lý để đảm bảo đạt được chiều sâu thấm 
nhiệt lớn nhất là (P3, h2, 1) ứng với công suất laser 
330W, khoảng cách từ đầu laser đến bề mặt phôi là 
20mm và vị trí đặt điểm laser nằm ở góc 70o
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 hth1 
(mm) 
Lần đo hth2 
(mm) 
Lần đo hth3 
(mm) 
hthTB 
(mm) 
SNL 
1 270 15 70 0,06 0,05 0,05 0,053 -20,74 
2 270 20 80 0,07 0,06 0,07 0,067 -18,71 
3 270 25 90 0,02 0,04 0,02 0,027 -26,60 
4 300 15 80 0,1 0,11 0,11 0,107 -14,64 
5 300 20 90 0,14 0,14 0,12 0,133 -12,75 
6 300 25 70 0,12 0,13 0,11 0,12 -13,65 
7 330 15 90 0,2 0,21 0,21 0,207 -8,91 
8 330 20 70 0,23 0,25 0,24 0,24 -7.62 
9 330 25 80 0,2 0,19 0,2 0,197 -9,34 
Tạp chí Khoa học và Công nghệ 125 (2018) 035-040 
38 
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 -22,0167 -14,7633 -14,0033 
2 -13,6800 -13,0267 -14,2300 
3 -8,6233 -16,5300 -16,0867 
R2tb 274,4539 18,4101 7,8393 
Phân bố 0,9127 0,0612 0,0261 
3.3. Đánh giá mức độ ảnh hưởng của các thông số 
chế độ cắt đến chiều sâu thấm nhiệt 
Tiến hành thí nghiệm với bộ thông số hợp lý của 
nguồn laser đã được lựa chọn trước đó và giữ không 
thay đổi công suất laser 330W, khoảng cách từ đầu 
laser đến bề mặt phôi là 20mm, vị trí đặt điểm laser 
nằm ở góc 70o. Theo như bảng 2 với 2 thông số đầu 
vào là tốc độ cắt, lượng tiến dao thay đổi và 3 mức thí 
nghiệm lựa chọn bảng trực giao Taguchi L9 được kết 
quả như bảng 5. 
Bảng 5. Bảng trực giao Taguchi L9 với các thông số thí nghiệm và hệ số SNL 
TN 
V 
(m/ph) 
s 
(mm/vg) 
Lần đo hth1 
(mm) 
Lần đo hth2 
(mm) 
Lần đo hth3 
(mm) 
hthTB 
(mm) 
SNL 
1 25 0,06 0,38 0,36 0,38 0,37 -3,8648 
2 25 0,12 0,37 0,36 0,35 0,36 -4,1027 
3 25 0,18 0,34 0,35 0,36 0,35 -4,3474 
4 62,5 0,06 0,25 0,28 0,27 0,27 -6,6015 
5 62,5 0,12 0,23 0,25 0,24 0,24 -7,6245 
6 62,5 0,18 0,21 0,20 0,21 0,21 -8,7844 
7 100 0,06 0,19 0,20 0,20 0,20 -9,2081 
8 100 0,12 0,20 0,18 0,18 0,19 -9,6537 
9 100 0,18 0,17 0,19 0,18 0,18 -10,1234 
Để xét ảnh hưởng của các yếu tố đầu vào khi 
thay đổi vận tốc cắt, lượng tiến dao; với trường hợp 
yêu cầu lớn nhất về chiều sâu lớp bề mặt công thức 
(1) vẫn được sử dụng. Hệ số SN được tính toán cho 
mỗi chỉ số và cấp độ như trong bảng 6. Kết quả chỉ ra 
rằng thông số tốc độ cắt có ảnh hưởng là 95,69% và 
lớn hơn ảnh hưởng của của lượng tiến dao là 4,31% 
đến chiều sâu lớp bề mặt một cách rõ rệt. Bộ thông số 
chế độ cắt hợp lý để đảm bảo đạt được chiều sâu lớp 
bề mặt lớn nhất là (v1, s1) ứng với vật tốc cắt là 25 
(m/ph) và lượng tiến dang 0,06 (mm/vòng). 
Bảng 6. Hệ số SN của 2 thông số 3 mức và xếp hạng 
theo tiêu chí lớn hơn tốt hơn 
Mức v s 
1 -4,105 -6,558 
2 -7,670 -7,127 
3 -9,662 -7,752 
R2tb 47,5575 2,1400 
Phân bố 0,9569 0,0431 
3.4. Xây dựng mô hình toán học chiều sâu thấm 
nhiệt khi tiện có gia nhiệt bằng laser thép 9XC 
Theo kết quả đánh giá mức độ ảnh hưởng của 
các thông số ở trên (bảng 4 và bảng 6), các thông số 
ảnh hưởng chính đến chiều sâu thấm nhiệt là công 
suất laser và tốc độ cắt. Sử dụng phương pháp quy 
hoạch thực nghiệm trực giao [6] để xây dựng mô hình 
toán học mô tả mối quan hệ giữa chiều sâu thấm nhiệt 
với các tham số ảnh hưởng chính. 
Số thí nghiệm cần thực hiện N = 22 = 4; các chi 
tiết thí nghiệm sau gia nhiệt được cắt, mài, đánh 
bóng, tẩm thực dung dịch 3%HNO3. Cấu trúc lớp bề 
mặt quan sát trên kính hiển vi, kết quả chiều sâu thấm 
nhiệt cho trong bảng 8. 
Bảng 7. Điều kiện quy hoạch thực nghiệm 
Đặc tính P (w) V (vg/ph) 
Giá trị cơ sở 300 62,5 
Khoảng biến động 30 37,5 
Giá trị trên 330 100 
Giá trị dưới 270 25 
Bảng 8. Ma trận quy hoạch thực nghiệm 
TT X1 X2 
X1 
(w) 
X2 (m/ph) hth (mm) 
1 - - 270 25 0,14 
2 + - 330 25 0,37 
3 - + 270 100 0,02 
4 + + 330 100 0,20 
Phương trình hồi quy được viết dưới dạng công 
thức (2) 
2211 xbxbby o ++= (2) 
x1, x2 có quan hệ với Po, vo, (Giá trị cơ sở tại tâm 
thí nghiệm) như công thức (3) 
Tạp chí Khoa học và Công nghệ 125 (2018) 035-040 
39 
;11 =

−
=
P
PP
x oL ;12 =

−
=
v
vv
x o (3) 
Căn cứ vào số liệu bảng 8 ta có tính được: 
 bo= 0,183; b1 = 0,103; b2 = -0,073 
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 hth 
TN1 300 62,5 0,155 
TN2 300 62,5 0,160 
TN3 300 62,5 0,165 
 hthTB = 0,160 

=
−=
−
=
3
1
622 10.125,3
13
1
i
iy ss 
4
62
10.84,8
4
10.125,3 −
−
===
N
s
s
y
b 
Theo phụ lục 15 [6] chọn t = 9,925 khi f=m-1=2 
với xác suất tin cậy p = 0,99. Như vậy: 
Sb.t=8,84.10-4.9,925 =87.10-4 
So sánh sb.t với các hệ số ta thấy: 
bo= 0,183 Sb.t; 
b1= 0,103Sb.t; 
b2= 0,073 Sb.t. 
Các kết quả này chứng tỏ rằng các hệ số b đều 
có nghĩa và phương trình hồi quy có dạng: 
21 073,0103,0183,0 xxy −+= 
Để xác định xem phương trình hồi quy vừa nhận 
được có nghĩa hay không cần tính các giá trị của hàm 
y : 
;153,01 =y ;3559,02 =y 
 ;007,03 =y ;213,04 =y 
Theo công thức 11.14 [6] ta có: 
( ) 4
8
1
22 10.28,6
1 −
=
=−
−
= 
i
tt
i
tn
idu yy
KN
s 
Chỉ tiêu Fisher Fb theo công thức 11.13 [2]: 
201
10.125,3
10.28,6
6
4
2
2
===
−
−
y
du
b
s
s
F 
Mức có nghĩa 0,001, f2 = m-1= 3-1=2; f1=N-l = 
4-3=1 tra bảng chuẩn số Fisher VII-4 [7]. 
F(2,1,p=99,9%)=998 vậy: Fb < F(2,1,p=99,9%) 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 chiều sâu thấm nhiệt là: 
vPh Lth 00195,000341,0725,0 −+−= 
Trong đó: hth là chiều sâu thấm nhiệt (mm); PL 
là công suất laser (W); v là vận tốc cắt (m/ph). 
Sử dụng phần mềm MATLAB ta vẽ được đồ thị 
quan hệ giữa kích thước chiều sâu thấm nhiệt phụ 
thuộc vào các thông số công suất laser và vận tốc cắt 
(hình 5). 
4. Kết luận 
Nghiên cứu đã sử dụng phương pháp thực 
nghiệm Taguchi để chọn và đánh giá các thông số 
ảnh hưởng đến chiều sâu thấm nhiệt khi có 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 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 vận tốc cắt có 
ảnh hưởng đáng kể đến chiều sâu lớp bề mặt. 
Hình 5. Mặt hồi qui và đồ thị đường mức của kích 
thước chiều sâu thấm nhiệt phụ thuộc thông số công suất 
laser và tốc độ cắt 
Từ các đánh giá mức độ ảnh hưởng của các 
thông số trên và áp dụng phương pháp quy hoạch 
thực nghiệm trực giao, đã xây dựng thành công mô 
hình toán học chiều sâu lớp bề mặt phôi. Căn cứ vào 
mô hình này ta thấy rằng: 
Tạp chí Khoa học và Công nghệ 125 (2018) 035-040 
40 
- Khi tăng công suất laser, mà các thông số khác 
không đổi, dẫn đến mật độ công suất cao làm vật liệu 
gần bề mặt phôi tương tác mạnh với laser, nhiệt độ bề 
mặt tăng, do vật liệu phôi có tính dẫn nhiệt làm cho 
kích thước chiều sâu thấm nhiệt tăng. 
- Tốc độ cắt tăng, tương ứng với thời gian tương 
tác giữa vật liệu phôi và laser giảm, làm nhiệt độ bề 
mặt phôi giảm, do đó kích thước chiều sâu thấm nhiệt 
giảm; khi giảm tốc độ cắt thì kích thước chiều sâu 
thấm nhiệt tăng. 
Kết quả của nghiên cứu này là cơ sở để nghiên cứu, 
điều chỉnh chiều sâu cắt khi tiện có gia nhiệt bằng 
laser. 
Lời cám ơn 
Nghiên cứu này được tài trợ bởi Quỹ phát triển 
khoa học và công nghệ quốc gia (NAFOSTED) trong 
đề tài mã số “107.02-2016.01”. 
Tài liệu tham khảo 
[1] William M. Steen and Jyotirmoy Mazumder “Laser 
Material Processing” Springer London Dordrecht 
Heidelberg New York, (2010). 
[2] Design of Experiments (DOE) Using the Taguchi 
Approach, 
www.nutekus.com/DOE_topicOverviews35Pg.pdf 
[3] GS.TSKH. Bành Tiến Long, PGS.TS. Trần Thế Lục, 
PGS.TS. Trần Sỹ Túy “Nguyên lý gia công vật liệu” 
Nhà xuất bản Khoa học và Kỹ thuật (2001). 
[4] GS.TS. Trần Văn Địch chủ biên và các tác giả “Công 
nghệ chế tạo máy” Nhà xuất bản Khoa học và Kỹ 
thuật (2006). 
[5] Tool Materials, ASM 2005 (2007). 
[6] GS.TS. Trần Văn Địch “Các phương pháp xác định 
độ chính xác gia công” Nhà xuất bản Khoa học và Kỹ 
thuật (2011). 
[7] TS. Nguyễn Doãn Ý “Giáo trình quy hoạch thực 
nghiệm” Nhà xuất bản Khoa học và Kỹ thuật (20012). 
[8] C. Sainte-Catherine, M. Jeandin, D. Kechemair, J. P. 
Ricaud and L. Sabatier “Study of Dynamic 
Absorptivity at 10.6 m (CO2) and 1.06 m 
(Nd:YAG) Wavelengths as a Function of 
Temperature” Journal de Phique IV Colloque, 1991 
01 (C7), pp.C7-151-C7-157.