LUẬN VĂN THẠC SĨ LỰA CHỌN CHẾ ĐỘ CẮT NHẰM TĂNG TUỔI BỀN CỦA DAO PHAY NGÓN PHỦ PVD-TiN SỬ DỤNG PHAY KHUÔN ÉP ĐÚC ÁP LỰC SKD61

Qua nghiên cứu thực tế quá trình gia công khuôn đúc áp lực, vật liệu chế tạo khuôn là SKD61:
- Gia công được trên trung tâm phay VMC - 85S.
- Phôi rèn được ủ đạt độ cứng (220 - 250HB).
- Dụng cụ: Dao phay ngón, dụng cụ phủ TiAlN (xuất xứ Đài Loan).
Quá trình gia công ở trên tồn tại hạn chế là:
- Dụng cụ mòn nhanh do việc lựa chọn chế độ cắt dựa trên kinh nghiệm, chưa có cơ sở khoa học thực tế.
- Tiêu tốn nhiều dụng cụ (12 con dao).
Thay đổi chọn nghiên cứu dụng cụ phủ PVD-TiN thử nghiệm.
Các bước thực hiện, nội dung chính và kết quả của luận văn:
1. Thu thập các tài liệu tham khảo.
2. Nghiên cứu lý thuyết phủ PVD, các dạng mòn, tuổi bền của dụng cụ và cách xác định.
3. Làm thực nghiệm:
- Cắt các đường cắt thử (là các đường thẳng) lấy kết quả để đánh giá lựa chọn chế độ cắt dùng gia công khuôn.
V = 40m/ph.
S = 170mm/ph (thay đổi S = 200mm/ph để so sánh).
t = 5mm (thay đổi t = 7,5mm để so sánh).
- Dùng bộ chế độ cắt lựa chọn lần lượt gia công các phần tử của khuôn để so sánh.
- Gia công xong 1 phần tử ta thay dụng cụ để gia công phần tử khác. Dùng máy cắt dây cắt dụng cụ, chiều dài cắt bằng chiều dày phoi (trong thí nghiệm tác giả cắt chiêu dài 3mm), rửa sạch bằng cồn, dùng máy nén khí thổi sạch bụi bẩn, dầu mỡ dính trên bề mặt dụng cụ, chụp ảnh SEM để nghiên cứu. Phân tích thành phần vật liệu trên vùng mòn dụng cụ để đánh giá, kết luận chính xác hơn.
4. Đánh giá kết quả, đưa ra cơ chế mòn dụng cụ phủ PVD-TiN khi gia công vật liệu SKD61:
Dụng cụ mòn do dính mỏi.
* Kết luận:
- Khi cắt thép SKD61 với tốc độ cắt lựa chọn, lượng chạy dao thay đổi khi gia công các hốc S = 170 và 200mm/phút, chiều dày phoi a = 2mm, chiều sâu cắt t = 5 và 7,5mm. Dụng cụ mòn nhưng vẫn trong giới hạn cho phép.
- Mũi dao bị phá huỷ mạnh do nhiệt cắt tại mũi dao lớn nhất, ở vùng gần mũi dao mòn ít hơn và phát triển mạnh dần đến vị trí cách mũi cắt khoảng 2mm (bằng chiều dày phoi) thì dụng cụ mòn nhiều nhất, các vết nứt trên bề mặt xuất hiện nhiều nhất.
* Cơ chế mòn:
- Với lớp phủ: VLGC bám dính lên bề mặt, khi vượt qua giới hạn mỏi lớp phủ bị phá huy và bong ra cùng VLGC (cơ chế dính mỏi). Vùng mòn phát triển từ lưỡi cắt, sau đó phát triển rộng dần.
- Với vật liệu nền: Xuất hiện các vết chảy, nứt theo biên giới hạt rồi bong ra từng mảng vật liệu làm xuất hiện các lỗ sâu trên bề mặt, cứ như vậy dụng cụ bị bào mòn đến khi dụng cụ không còn khả năng cắt.
* Phương hướng nghiên cứu tiếp theo:
- Tiếp tục nghiên cứu để lựa chọn chế độ cắt tối ưu cho dụng cụ đặc biệt khi phay các cung tròn.
- Tiếp tục nghiên cứu nhiệt phát sinh trong quá trình cắt, đo lực cắt để làm sáng tỏ hơn cơ chế phá huỷ của lớp phủ khi phay thép SKD61.
- Tiếp tục nghiên cứu cơ chế phá huỷ mũi dao, nghiên cứu mòn mặt trước của dụng cụ do các nguyên nhân khác nhau.
- Tiếp tục nghiên cứu mòn dụng cụ khi phay thép SKD61 đã qua tôi kết hợp biện pháp làm mát phù hợp để có khái niệm đầy đủ hơn qua đó khai thác, sử dụng dụng cụ cắt phủ PVD-TiN một cách hiệu quả hơn.
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn
MỞ ĐẦU
1. Tính cấp thiết của đề tài:
Qua nghiên cứu thực tế quá trình gia công khuôn đúc áp lực mà sản phẩm là van đóng mở bình ga, vật liệu chế tạo khuôn là SKD61, quá trình gia công đƣợc thực hiện trên trung tâm phay VMC - 85S. Từ phôi rèn đƣợc ủ đạt độ cứng nhất định (35 - 37HRC), quá trình gia công thực hiện bằng dao phay ngón đƣờng kính 2, 6, 8, 10, 16mm, vật liệu dụng cụ TiAlN (xuất xứ Đài Loan) có thể gia công vật liệu có độ cứng 55HRC. Giá thành mua dao: Dao 2: 180.000đ/con dao; dao 6: 310.000đ/con dao; dao 8: 340.000đ/con dao; dao 10: 520.000đ/con dao; dao 16: 1.700.000đ/con dao.
Một bộ khuôn gia công gồm 6 phần tử (khuôn đúc đƣợc 6 chi tiết/lần). Thời gian gia công 12 ngày đêm, tốn 12 con dao. Quá trình gia công đƣợc chia làm 3 bƣớc:
Bƣớc 1: Phay thô bằng dao đƣờng kính 10, 16mm.
Bƣớc 2: Phay bán tinh bằng dao phay đƣờng kính 8mm.
Bƣớc 3: Gia công tinh bằng dao phay đầu cầu đƣờng kính 2, 6mm.
Sau khi gia công xong, kiểm tra đảm bảo độ chính xác kích thƣớc, mang đúc thử 1.000 lần để khuôn ổn định, đảm bảo không bị biến dạng, cong vênh, nứt nẻ, sau đó đánh bóng và thấm Nitơ hoàn thiện.
Khi nghiên cứu quá trình gia công trên, tác giả nhận thấy: Thời gian gia công và tiêu tốn dụng cụ lớn (tuổi bền dụng cụ thấp). Chế độ cắt đƣợc chọn nhƣ sau:
Tốc độ cắt: 2.500 vòng/phút (VC = 63m/phút).
Lƣợng chạy dao: 80 - 100 mm/phút.
Chiều sâu cắt thay đổi từ 0,8 - 1,2 mm.
Việc lựa chọn chế độ cắt ở trên chủ yếu là dựa vào kinh nghiệm, chƣa đƣợc qua nghiên cứu, thử nghiệm, không có căn cứ khoa học cụ thể do đó tuổi bền dụng cụ đạt thấp.
Hạn chế của quá trình gia công ở trên là: Dụng cụ mòn nhanh, tiêu tốn nhiều dụng cụ (12 con dao), tác giả thay đổi chọn nghiên cứu dụng cụ phủ PVD-TiN thử
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn
nghiệm để lựa chọn vùng chế độ cắt phù hợp, làm tăng tuổi bền của dụng cụ. Vì vậy, tác giả chọn đề tài: “Lựa chọn chế độ cắt nhằm tăng tuổi bền của dao phay ngón phủ PVD-TiN sử dụng phay khuôn ép đúc áp lực SKD61” với mục đích ứng dụng vào thực tế sản xuất là rất cấp bách và cần thiết.
2. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài:
- Ý nghĩa khoa học:
Tổng quát hoá ảnh hƣởng của các yếu tố chế độ cắt đến mòn, tuổi bền của dao phay ngón phủ PVD-TiN khi gia công thép SKD61.
- Về mặt thực tiễn:
Là kiến thức thực tế, giúp ngƣời kỹ sƣ lập trình lựa chọn các thông số của chế độ cắt phù hợp, làm giảm mòn, tăng tuổi bền, tiết kiệm kinh phí gia công, hạ giá thành sản phẩm khi gia công vật liệu SKD61.
3. Lựa chọn phương pháp và phương tiện nghiên cứu:
- Lựa chọn phƣơng pháp nghiên cứu làm thực nghiệm để chứng minh.
- Phƣơng tiện nghiên cứu: Máy phay VMC - 85S, máy chụp tế vi, máy đo nhám, kính hiển vi điện tử.
4. Tổ chức nghiên cứu:
a. Xác định nhân tố quan hệ:
Nhân tố quan hệ nhân quả với tuổi bền của dụng cụ là các yếu tố của chế độ cắt.
b. Chọn đại lượng đặc trưng và thông số hoá thí nghiệm:
- Chọn đại lƣợng đặc trƣng cho tuổi bền của dụng cụ:
+ Mòn mặt trƣớc.
+ Mòn mặt sau.
+ Các vết nứt tế vi, các vết cào xƣớc trên bề mặt.
- Đại lƣợng đặc trƣng cho mối quan hệ:
+ Chọn biến độc lập: Các yếu tố của chế độ cắt.
+ Thông số phụ thuộc: Mòn mặt trƣớc, mòn mặt sau, các vết nứt, vết cào xƣớc.
- Xây dựng mô hình thí nghiệm:
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn
Thông số đầu vào là hệ thống công nghệ
Các đại lượng xuất hiện trong quá trình gia công
Thông số đầu ra là chỉ tiêu về kỹ thuật và kinh tế
- Trung tâm gia công VMC-85S CNC.
- Vật liệu chi tiết gia công SKD61.
- Dụng cụ cắt (thông số hình học dụng cụ cắt, vật liệu dụng cụ cắt).
- Chế độ công cắt (s, v, t)
- Lực cắt.
- Nhiệt cắt.
- Rung động.
- Mòn và cơ chế mòn.
1. Sai số:
- Kích thƣớc.
- Hình dáng hình học.
- Vị trí tƣơng quan.
2. Chất lƣợng bề mặt.
- Nhám bề mặt.
- Cơ lý bề mặt.
3. Kinh tế:
- Thời gian gia công.
- Năng suất.
- Giá thành sản phẩm.
4. Tuổi bền dụng cụ
Trong giới hạn của đề tài, tác giả chỉ nghiên cứu đại lƣợng xuất hiện trong quá trình gia công là mòn và cơ chế mòn, thông số đầu ra là tuổi bền của dụng cụ.
c. Điều kiện biên của thí nghiệm:
- Trung tâm gia công CNC: VMC - 85S.
- Dụng cụ là dao phay ngón phủ PVD-TiN.
- Vật liệu gia công SKD61.
d. Tiến hành thí nghiệm cắt thử:
- Chuẩn bị phôi, dụng cụ gia công. Đo độ cứng, xác định thành phần của phôi.
- Tiến hành cắt thử các đƣờng cắt, đo nhám, so sánh mòn dụng cụ, lựa chọn chế độ cắt để tiến hành gia công khuôn (gia công các hốc).
- Sau khi lựa chọn đƣợc chế độ cắt, tiến hành gia công các hốc. Sau khi cắt tiến hành chụp ảnh SEM các dụng cụ, xử lý và phân tích số liệu.
Thông số đầu vào
Nghiên cứu quá trình gia công
Thông số đầu ra
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn
5. Nội dung nghiên cứu:
Chƣơng 1: Phủ PVD và ứng dụng trong cắt kim loại.
Chƣơng 2: Vấn đề chung về gia công các bề mặt bằng dao phay phủ bay hơi.
Chƣơng 3: Nghiên cứu về mòn dao phay phủ PVD-TiN khi gia công thép SKD61.
Chƣơng 4: Ảnh hƣởng của chế độ cắt đến mòn dao phay phủ PVD-TiN khi gia công thép SKD61.
Chƣơng 5: Kết luận và phƣơng hƣớng nghiên cứu.
Nội dung của luận văn đƣa ra các kết quả nghiên cứu về mòn và tuổi bền của dụng cụ cắt, so sánh kết quả với thí nghiệm đã tiến hành trƣớc đó. Phân tích các nhân tố ảnh hƣởng đến mòn dụng cụ khi gia công với các chế độ cắt khác nhau, từ đó đƣa ra các biện pháp khắc phục trong quá trình gia công nhằm tăng năng suất và tuổi bền của dụng cụ.
Các nội dung trong luận văn đƣợc thực hiện dƣới sự hƣớng dẫn nhiệt tình của thầy giáo PGS.TS. Phan Quang Thế, sự giúp đỡ nhiệt tình của các thầy cô giáo công tác tại Phòng Thí nghiệm Cơ khí và Động lực trƣờng Đại học Kỹ thuật Công nghiệp Thái Nguyên. Với bản thân đã có nhiều nỗ lực phấn đấu tuy nhiên trong nội dung luân văn chắc chắn còn nhiều thiếu sót, rất mong đƣợc các thầy, cô giáo và các đồng nghiệp đóng góp ý kiến và giúp đỡ để nội dung nghiên cứu đƣợc hoàn thiện hơn.
Em xin trân thành cảm ơn!
 MỤC LỤC
Trang
Chƣơng 1 - PHỦ PVD VÀ ỨNG DỤNG TRONG CẮT KIM LOẠI
1
1.1. Phủ bay hơi hoá học CVD (Chemical Vapour Deposition) - Phủ bay hơi lý học PVD (Physical Vapour Deposition)
1
1.1.1. Khái niệm phủ PVD
1
1.1.2. Khái niệm phủ CVD
4
1.1.3. Tại sao phải sử dụng CVD hoặc PVD
5
1.1.4. Phủ PVD và CVD nâng cao tuổi thọ và hiệu suất dụng cụ
5
1.1.5. Múc độ nâng cao tuổi thọ dụng cụ sau khi phủ PVD và CVD
5
1.1.6. Phƣơng pháp nào phủ tốt hơn, PVD hay CVD
5
1.2. Ứng dụng phủ PVD
6
Chƣơng 2 - VẤN ĐỀ CHUNG VỀ GIA CÔNG CÁC BỀ MẶT BẰNG DAO PHAY PHỦ BAY HƠI
11
2.1. Quá trình phay và phay rãnh
11
2.1.1. Khái niệm chung
11
2.1.2. Sự tạo thành bề mặt và các dạng bề mặt gia công
13
2.1.3. Những hiện tƣợng xảy ra trong quá trình cắt
14
2.1.4. Các chuyển động cơ bản khi phay
21
2.1.5. Các thành phần của bề mặt bị cắt khi phay
21
2.1.6. Các thành phần lực cắt và công suất cắt khi phay
25
2.1.7. Phay bậc và phay rãnh bằng dao phay ngón
26
2.2. Ảnh hƣởng của lớp phủ cứng đến tƣơng tác ma sát
27
2.2.1. Ảnh hƣởng của lớp phủ cứng đến tƣơng tác ma sát trƣợt
27
2.2.2. Ảnh hƣởng của lớp phủ đến tƣơng tác ma sát trong cắt kim loại
29
2.2.3. Ảnh hƣởng của tạp chất trong thép đến tƣơng tác ma sát trong cắt kim loại
30
2.3. Chất lƣợng bề mặt sau gia công cơ
31
2.3.1. Khái niệm chung về lớp bề mặt
31
2.3.2. Bản chất của lớp bề mặt
32
2.3.3. Tính chất lý hoá của lớp bề mặt
32
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn
2.3.4. Các chỉ tiêu đánh giá chất lƣợng bề mặt sau gia công cơ
34
2.3.4.1. Độ nhám bề mặt và phƣơng pháp đánh giá
35
2.3.4.2. Độ sóng bề mặt
35
2.3.4.3. Tính chất cơ lý lớp bề mặt sau gia công cơ
35
2.3.5. Các nhân tố ảnh hƣởng đến độ nhám bề mặt khi gia công cơ
40
2.3.5.1. Ảnh hƣởng của thông số hình học của dụng cụ cắt
40
2.3.5.2. Ảnh hƣởng của tốc độ cắt
41
2.3.5.3. Ảnh hƣởng cảu lƣợng chạy dao
42
2.3.5.4. Ảnh hƣởng của chiều sâu cắt
43
2.3.5.5. Ảnh hƣởng của vật liệu gia công
43
2.3.5.6. Ảnh hƣởng của rung động hệ thống công nghệ
43
2.4. Mòn và tuổi bền của dụng cụ
43
2.4.1. Bản chất vật lý của quá trình cắt
43
2.4.1.1. Cơ chế tạo phoi
43
2.4.1.2. Ma sát trong quá trình cắt kim loại
44
2.4.1.3. Lực tác dụng lên mặt trƣớc và mặt sau của dụng cụ
45
2.4.2. Mòn dụng cụ
46
2.4.2.1. Khái niệm chung về mòn
46
2.4.2.2. Cơ chế mòn của hai bề mặt trƣợt tƣơng đối
47
2.4.2.3. Vai trò của lớp phủ cứng trong giảm mòn
52
2.4.2.4. Mòn dụng cụ và cách xác định
54
2.4.3. Tuổi bền của dụng cụ
59
2.4.3.1. Khái niệm
59
2.4.3.2. Các nhân tố ảnh hƣởng tới tuổi bền
60
2.4.3.3. Cách xác định tuổi bền của dụng cụ cắt
62
Chƣơng 3 - NGHIÊN CỨU VỀ MÒN DAO PHAY PHỦ PVD-TiN KHI GIA CÔNG THÉP SKD61
64
3.1. Thí nghiệm
64
3.1.1. Dao
64
3.1.2. Phôi
65
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn
3.1.3. Máy
66
3.1.4. Chế độ cắt
66
3.2. Kết quả thí nghiệm
67
3.2.1. Nhám bề mặt
67
3.2.2. Thời gian gia công
68
3.2.3. Phân tích kết quả
68
3.2.4. Kết luận
68
Chƣơng 4 - ẢNH HƢỞNG CỦA CHẾ ĐỘ CẮT ĐẾN MÒN DAO PHAY PHỦ PVD-TiN KHI GIA CÔNG THÉP SKD61
70
4.1. Ảnh hƣởng của lƣợng chạy dao
70
4.1.1. Kết quả thí nghiệm
70
4.1.2. Phân tích kết quả
70
4.2. Ảnh hƣởng của tốc độ cắt
71
4.2.1. Kết quả thí nghiệm
71
4.2.2. Phân tích kết quả
71
4.3. Cơ chế mòn dao phay phủ PVD
71
4.4. Hiệu quả sử dụng dao phay phủ PVD
84
4.4.1. Kết quả đo nhám và mòn dụng cụ
84
4.4.2. Nhận xét và kết luận
84
Chƣơng 5 - KẾT LUẬN VÀ PHƢƠNG HƢỚNG NGHIÊN CỨU
85
5.1. Kết luận
85
5.2. Phƣơng hƣớng nghiên cứu
86
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn
LỜI CAM ĐOAN
Tên em là: Trịnh Mạnh Hà.
Sinh ngày : 28 tháng 6 năm 1977.
Học viên lớp CH-K9 chuyên ngành Cơ khí Chế tạo máy - Trƣờng Đại học Kỹ thuật Công nghiệp Thái Nguyên.
Đơn vị công tác : Trƣờng Trung học Kinh tế - Kỹ thuật Tuyên Quang.
Em xin cam đoan : Đề tài "Lựa chọn chế độ cắt nhằm tăng tuổi bền của dao phay ngón phủ PVD-TiN khi gia công khuôn ép chịu áp lực SKD61" do thầy giáo PGS.TS. Phan Quang Thế hƣớng dẫn. Đây là công trình của riêng em. Tất cả tài liệu tham khảo đều có nguồn gốc xuất xứ rõ ràng.
Em xin cam đoan tất cả các nội dung trong luận văn đúng nhƣ nội dung trong đề cƣơng và yêu cầu cảu giáo viên hƣớng dẫn. Nếu có vấn đề gì trong nội dung của luận văn thì em xin hoàn toàn chịu trách nhiệm với lời cam đoan của mình.
Thái Nguyên, ngày 20 tháng 4 năm 2009
HỌC VIÊN
Trịnh Mạnh Hà
- 1 -
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn
Chƣơng 1 - PHỦ PVD VÀ ỨNG DỤNG TRONG CẮT KIM LOẠI
1.1. Phủ bay hơi hoá học CVD (Chemical Vapour Deposition) - Phủ bay hơi lý học PVD (Physical Vapour Deposition)
Sự ra đời của nhiều loại vật liệu mới cho khả năng cắt với vận tốc cắt tới vài trăm m/phút cũng không làm mất đi vị trí quan trọng của thép gió trong cắt kim loại vì thép gió có tính ưu việt: Khả năng dễ gia công, tạo hình được các dụng cụ có hình dáng phức tạp, độ dai va đập cao (Khoảng 2,5 lần so với hợp kim cứng), độ cứng nóng đáp ứng được các chế độ công nghệ trung bình và thấp, giá thành thấp. Thép gió được dùng làm dụng cụ cho các nguyên công như: Khoan, khoét, doa, phay rãnh…nói chung là các nguyên công gia công lần cuối. Điều kiện thoát phoi và nhiệt ở đó thường khó khăn hơn so với tiện vì thế việc nâng cao chế độ công nghệ và tuổi bền cho dao thép gió bằng phủ có ý nghĩa vô cùng quan trọng để nâng cao năng suất và chất lượng gia công.
Loại dụng cụ
Tổng giá trị
Phủ PVD
Phủ CVD
Không phủ
Dụng cụ thép gió
4 tỷ USD
23%
0%
77%
Dụng cụ hợp kim cứng
6 tỷ USD
10%
60%
30%
Dụng cụ tạo hình
8 tỷ USD
3%
5%
92%
Tổng số
18 tỷ USD
10%
22%
68%
Bảng 1: Dữ liệu thị trường thế giới về phủ bay hơi cho dụng cụ trong lĩnh vực tạo hình và cắt vật liệu.
Thống kê số liệu thị trường thế giới về dụng cụ phủ cho thấy rằng chỉ sau 15 năm, phủ PVD được ứng dụng trong ngành dụng cụ thì có đến 23% các dụng cụ thép gió, 3% dụng cụ tao hình và 10% dụng cụ hợp kim cứng được phủ bằng phương pháp này. Nhu cầu phủ PVD cho thép gió cao gấp hơn 2 lần hợp kim cứng cho thấy ý nghĩa quan trọng của phủ đối với thép gió trong công nghiệp. Người ta dự đoán tốc độ sử dụng dụng cụ phủ hàng năm sẽ tăng đến 10% trong tương lai.
1.1.1. Khái niệm phủ PVD
Phủ PVD được thực hiện trong buồng kín chứa khí trơ với áp suất thấp khoảng dưới 10-2 bar ở nhiệt độ từ 400oC - 500oC. Với nhiệt độ của quá trình như thế phủ
- 2 -
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn
PVD thích hợp cho các dụng cụ thép gió. Do nhiệt độ tháp các nguyên tử khí và kim loại khi bay hơi phải được ion hoá và kéo về bề mặt cần phủ nhờ một điện thế âm đặt vào đó. Quá trình bắn phá bề mặt phủ bằng các ion của khí trơ được thực hiện trước khi phủ để làm tăng độ dính kết của vật liệu phủ với nền.
Hình 1: Cấu trúc lớp phủ
Hình 2: Bột phủ PVD
Theo nguyên tắc bay hơi, phủ PVD có 4 dạng cơ bản:
- Sử dụng dòng điện tử có điện thế thấp.
- Dòng điện tử có điện thế cao.
- Hồ quang.
- Phát xạ từ lệch.
Vật liệu phủ thông dụng hiện nay cho PVD là TiN, TiCN, TiAlN và CrN. Ứng suất dư trong lớp phủ là ứng suất dư nén. Chiều dày lớp phủ thường bị hạn chế dưới 5m để tránh sự tạo nên ứng suất dư có cường độ cao trong lớp phủ.
- 3 -
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn
Từ khi công nghệ phủ ngoài PVD - TiN lần đầu tiên được giới thiệu vào đầu những năm 1980, phủ PVD đã trở thành một tiêu chuẩn công nghiệp. Hơn 30 năm qua, phủ PVD đã mở rộng bao gồm: TiN, TiCN, TiAlN, CrN… Đối với hầu hết các ứng dụng gia công khuôn đúc, phủ PVD - TiAlN đã được sử dụng rộng rãi nhất cho các công cụ cắt.
Bảng 2: Các dạng phủ PVD
Gần đây, phủ PVD đã mở rộng thành phủ ngoài nhiều lớp, phủ ngoài hybrid được phân loại như phủ ngoài ma sát thấp. Những công nghệ phủ này cung cấp một giải pháp gia công không thể thay thế được trong những vật liệu đòi hỏi tốc độ cắt thấp và độ mài mòn cao. Phủ PVD là thành phần quan trọng của gia công tốc độ cao vì khi tốc độ cắt tăng lên, lượng nhiệt sinh ra trong quá trình gia công sẽ tăng lên nhiều.
Quản lý hiệu quả sự tăng nhiệt này sẽ tạo ra sự hoàn thiện bề mặt tốt hơn, hình học chi tiết chính xác hơn và quan trọng hơn cả là sự tăng năng suất thông qua sự tăng tuổi thọ công cụ. Điều này có thể được đánh giá theo hai cách:
1. Tăng tuổi thọ dao cụ dẫn đến chi phí gia công mỗi lỗ hổng hay lõi sẽ thấp hơn.
2. Tăng tuổi thọ dao cụ sẽ dẫn đến tăng năng suất. Điều này có thể sẽ giữ nguyên mức chi phí gia công nhưng sẽ tăng năng suất của xưởng sản xuất bằng cách tăng các thông số của chế độ cắt.
Với hệ số ma sát và tốc độ mài mòn thấp, phủ PVD giúp cho mọi quá trình gia công hiệu quả hơn. Ứng dụng phù hợp công nghệ phủ vào các quá trình sản xuất có thể giúp giảm chi phí, tăng năng suất hay cả hai.
- 4 -
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn
Bảng 3: Khả năng gia công của vật liệu phủ
Với hệ số ma sát và tốc độ mài mòn thấp, phủ PVD giúp cho mọi quá trình gia công hiệu quả hơn. Tốc độ cắt sẽ tiếp tục tăng lên và nhiều nhiệt hơn sẽ được sinh ra. Quản lý hiệu quả sự tăng nhiệt này rất quan trọng để theo kịp các xu hướng sản xuất trong tương lai.
Các nhà sản xuất hiện nay vẫn không ngừng tìm kiếm những biện pháp duy trì khả năng cạnh tranh trong một thị trường cạnh tranh cao đồng thời để tăng lợi nhuận. Thường thì các nhà sản xuất phải đối mặt với việc mua thiết bị mới hay thuê thêm nhân viên để đạt được mục tiêu này. Tuy nhiên, bằng cách phân tích quá trình gia công và ứng dụng một số công nghệ phủ ngoài hiện đại, các xưởng gia công có thể tìm ra một giải pháp chi phí thấp nhằm làm tăng năng suất, tăng lợi nhuận hay cả hai.
1.1.2. Khái niệm phủ CVD
Phủ bay hơi hoá học CVD dùng để phủ lên bề mặt làm việc của dụng cụ các lớp mỏng ceramics như TiC, TiN, TiCN, Al2O3 và kim cương nhân tạo…với chiều dày 5m ÷ 10m. Chi tiết phủ được đặt và nung nóng trong buồng kín chứa khí H2 (dưới áp suất khí quyển hoặc nhỏ hơn). Các hợp chất bay hơi được đưa vào buồng này để tạo ra các thành phần của lớp phủ thông qua các phản ứng hoá học. Nhiệt độ của quá trình từ 800o đến 1050o và chu kỳ nung nóng diễn ra vài giờ.
- 5 -
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn
1.1.3. Tại sao phải sử dụng phủ PVD hoặc CVD
Chưa quan tâm tới các ứng dụng cụ thể, lý do chính để sử dụng PVD hoặc CVD hết sức đơn giản, đó là bài toán kinh tế: Làm giảm chi phí trên mỗi sản phẩm.
Bài toán tiết kiệm chi phí được xác định dễ dàng như sau:
Giảm thời gian gia công, thời gian thay dụng cụ + Tăng tốc độ gia công = Tiết kiệm.
1.1.4. Phủ PVD và CVD nâng cao tuổi thọ và hiệu suất dụng cụ
Mặc dù mỗi phương pháp phủ khác nhau có những đặc tính khác nhau, để đánh giá hiệu quả đối với mỗi ứng dụng riêng thì có 2 đặc trưng chính được chọn làm cơ sở, đó là: độ cứng và ma sát.
Vật liệu
Thép dụng cụ
HSS
Hợp kim cứng
PVD & CVD
Độ cứng (HRC)
58 - 62
62 - 65
70 - 76
> 80
Bảng 4: Độ cứng của các kim loại, hợp kim và vật liệu phủ
So với dụng cụ có nền không phủ thì việc phủ có hệ số ma sát nhỏ hơn nhiều. Đối với các dụng cụ tạo hình biến dạng, hệ số ma sát thấp cũng có nghĩa là sẽ làm giảm áp lực tác dụng. Trong ứng dụng các dụng cụ cắt, giảm hệ số ma sát sẽ làm giảm sự phát sinh nhiệt trong quá trình gia công, do đó làm chậm quá trình phá hủy lưỡi cắt. Còn trong các ứng dụng có ma sát trượt, lớp phủ có xu hướng làm giảm sự bám dính của vật liệu cho phép quá trình di chuyển tương đối ít bị hạn chế hơn.
1.1.5. Mức độ nâng cao tuổi thọ dụng cụ sau khi phủ PVD và CVD
Theo các đánh giá sơ bộ, tuổi thọ dụng cụ khi phủ thường gấp từ 2 -3 lần so với khi không phủ. Tuy nhiên trong nhiều trường hợp, ứng dụng cụ thể còn cho thấy tuổi thọ có thế tăng gấp 10 lần.
1.1.6. Phương pháp phủ nào tốt hơn, PVD hay CVD
Có nhiều vấn đề khác nhau cần phải tính toán khi trả lời câu hỏi này như ứng dụng, vật liệu nền và dung sai dụng cụ.
Đơn giản là khi dung sai và vật liệu cho phép, CVD sẽ có ưu thế hơn trong nhiều ứng dụng, đặc biệt là trong các ứng dụng tạo hình biến dạng kim loại có ứng
- 6 -
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn
suất cao. Các quá trình phủ CVD tạo ra các liên kết kiểu khuếch tán giữa lớp phủ và nền, liên kết này lớn hơn nhiều so với liên kết được tạo ra trong PVD.
Quá trình phủ CVD được thực hiện ở nhiệt độ cao, khoảng 800oC đến 1050o.
Đặc điểm này có thể làm hạn chế cho việc phủ CVD trong một số trường hợp.
Quá trình phủ PVD thực hiện được trên một diện rộng hơn, với nhiều nền và ứng dụng khác nhau. Đó là vì được thực hiện ở nhiệt độ thấp hơn (400oC đến 500oC) với độ dày trung bình 2 - 5m.
Với đặc tính này thì rất lý tưởng cho việc phủ PVD cho các dụng cụ cắt thép gió (HSS), hợp kim cứng cũng như các chi tiết đòi hỏi dung sai chặt chẽ như các chi tiết khuôn mẫu... Hơn nữa, nhiệt độ quá trình thấp nghĩa là sai lệch về điểm “0” sẽ được tiến hành trên hầu hết các vật liệu, miễn là nhiệt độ rút ra chính xác vẫn được duy trì.
1.2. Ứng dụng phủ PVD:
Phủ PVD có 4 dạng cơ bản:
- Sử dụng dòng điện tử có điện thế thấp
- Dòng điện tử có điện thế cao
- Hồ quang
- Phương pháp phát xạ từ lệch
Vật liệu phủ thông dụng hiện nay cho PVD là TiN, TiCN, TiAlN và CrN. Ứng suất dư trong lớp phủ là ứng suất dư nén. Chiều dày lớp phủ thường bị hạn chế dưới 5m để tránh sự tạo nên ứng suất dư có cường độ cao trong lớp phủ.
Phương pháp dùng dòng điện tử có điện thế thấp như hình 3 (a) dùng để phủ TiN và TiCN sử dụng dòng điện tử 100V để bay hơi Ti. Mức độ ion hoá của kim loại bay hơi và khí phản ứng cao, tuy nhiên hệ thống này chỉ phủ các chi tiết có kích thước không lớn. Tốc độ phủ thấp.
Các dụng cụ có kích thước lớn thường được phủ bằng dòng điện tử có điện thế cao như hình 3 (b). Tốc độ phủ cao, tuy nhiên điện thế 10000V làm giảm khả năng ion hoá của dòng kim loại bay hơi và phản ứng vì thế người ta sử dụng một hệ ba cực để tăng mức độ ion hoá cho hệ thống. Hệ thống này chỉ phủ được TiN và TiCN.
- 7 -
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn
TÀI LIỆU THAM KHẢO
Tiếng Việt
[1]. GS.TSKH. Bành Tiến Long, PGS.TS. Trần Sỹ Tuý, PGS.TS. Trần Thế Lục (2001), Nguyên Lý gia công vật liệu, Nhà xuất bản khoa học và kỹ thuật, Hà Nội.
[2]. GS.TS. Trần Văn Địch (2006), Nguyên Lý cắt kim loại, Nhà xuất bản khoa học và kỹ thuật, Hà Nội.
[3]. Ph.A.Barơbasôp (1984), Kỹ thuật phay (người dịch: Trần Văn Địch), Nhà xuất bản công nhân kỹ thuật, Hà Nội.
[4]. Phạm Quang Lê (1979), Kỹ thuật phay, Nhà xuất bản công nhân kỹ thuật, Hà Nội.
[5]. Phan Quang Thế (2002), “Nghiên cứu khả năng làm việc của dụng cụ thép gió phủ dùng cắt thép các bon trung bình”, Luận án tiến sỹ kỹ thuật, Trƣờng Đại học Bách Khoa Hà Nội, Hà Nội.
Tiếng Anh
[6]. T.L.Banh, Q.T.Phan and D.B.Nguyen (2005), Wear Mechanisms