- TÊN ĐỀ TÀI:
SO SÁNH NĂNG SUẤT BÓC VẬT LIỆU GIỮA DAO HỢP KIM PHỦ TITAN VÀ THÉP GIÓ KHI GIA CÔNG THÉP TRÊN MÁY TIỆN CNC.
-
- NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG:
- Tổng quan về các loại vật liệu dụng cụ cắt
- Giới thiệu dụng cụ phủ : cấu tạo, cơ chế mài mòn, phương pháp và thiết bị phủ
- Xây dựng mối quan hệ giữa tuổi bền dụng cụ (T) và chế đô cắt (v,s,t) đối với dụng cụ cắt hợp kim cứng phủ Titan và thép gió khi gia công thép trên máy tiện CNC
- So sánh năng suất bóc vật liệu giữa dụng cụ cắt hợp kim cứng phủ Titan và thép gió khi gia công thép trên máy tiện CNC.
TÓM TẮT
Trong những năm gần đây, các kết quả nghiên cứu về vật liệu dụng cụ cắt được ứng dụng nhiều vào thực tế sản xuất, đặc biệt là dụng cụ cắt có lớp phủ. Sự phát triển của dụng cụ cắt có lớp phủ đã làm năng suất cắt gọt tăng đáng kể, tuy nhiên chi phí sử dụng dụng cụ cắt cũng tăng theo. Dễ dàng để biết được chi phí tăng bao nhiêu lần, nhưng để biết được năng suất bóc vật liệu tăng bao nhiêu lần thì cần phải tiến hành nhiều nghiên cứu thực nghiệm. Bài toán kinh tế ở đây là xác lập mối quan hệ giữa năng suất mang lại và chi phí sử dụng của dụng cụ cắt.
Để làm cơ sở đánh giá tính hiệu quả kinh tế khi sử dụng dụng cụ cắt, luận văn này nghiên cứu thực nghiệm để so sánh năng suất bóc vật liệu khi tiện thép trên máy CNC của hai dụng cụ cắt: một dụng cụ cắt truyền thống (thép gió), một dụng cụ cắt hiện đại là hợp kim cứng có lớp phủ titan.
Luận văn này giải quyết ba vấn đề chính:
- Nghiên cứu về phương pháp phủ, cấu tạo lớp phủ, cơ chế mài mòn, phá hủy của dụng cụ cắt có lớp phủ.
- Thiết lập mối quan hệ giữa tuổi bền (T) và chế độ cắt (s,v,t) của dao thép gió và dao hợp kim cứng có lớp phủ titan khi tiện thép trên máy CNC.
- So sánh năng suất bóc vật liệu của dao thép gió và dao hợp kim cứng có lớp phủ titan khi tiện thép trên máy CNC.
Vì thời gian và điều kiện thực nghiệm còn hạn chế nên chỉ thực nghiệm trên thép CT38.
MỤC LỤC
Lời cảm ơn......................................................................................................................... 1
Tóm tắt Luận văn.............................................................................................................. 2
Danh mục các bảng.......................................................................................................... 7
Danh mục các hình........................................................................................................... 8
Chương I: Tổng Quan Về Dụng Cụ Cắt
1.1. Đặc tính cơ bản của vật liệu dụng cụ cắt................................................. 11
1.2. Các loại vật liệu dụng cụ cắt..................................................................... 13
1.2.1. Thép cacbon dụng cụ.................................................................. 14
1.2.2. Thép hợp kim dụng cụ................................................................ 14
1.2.3. Thép gió........................................................................................ 16
1.2.4. Hợp kim cứng............................................................................... 19
1.2.5. Vật liệu sứ..................................................................................... 22
1.2.6. Kim cương..................................................................................... 23
1.2.7. Nitrit bo lập phương.................................................................... 24
1.2.8. Vật liệu mài.................................................................................. 24
1.3. Thực trạng nghiên cứu và sử dụng dụng cụ cắt
trong nước và thế giới................................................................................. 25
1.4. Kết luận........................................................................................................ 26
Chương II: Dụng Cụ Cắt Có Lớp Phủ
2.1. Khái quát...................................................................................................... 27
2.2. Phương pháp phủ bay hơi hóa học (CVD).............................................. 27
2.3. Phương pháp phủ bay hơi lý học (PVD).................................................. 30
2.4. Các loại vật liệu phủ thông dụng.............................................................. 32
2.5. Tác dụng của lớp phủ trên dụng cụ cắt.................................................... 34
2.6. Quy trình chế tạo insert của hãng Sandvik Coromant........................... 36
2.7. Thiết bị phủ.................................................................................................. 40
2.7.1. Thiết bị phủ CVD......................................................................... 40
2.7.2. Thiết bị phủ PVD......................................................................... 43
2.8. Kết luận........................................................................................................ 45
Chương III: Sự Mài Mòn Của Dụng Cụ Cắt
3.1. Bản chất vật lý của quá trình cắt.............................................................. 47
3.1.1. Sự hình thành phoi...................................................................... 47
3.1.2. Ma sát trong quá trình cắt kim loại........................................... 49
3.2. Mòn dụng cụ cắt.......................................................................................... 49
3.2.1. Các dạng mòn dụng cụ cắt.......................................................... 49
3.2.2. Cơ chế mài mòn dụng cụ cắt...................................................... 52
3.2.3. Quy luật mòn của dụng cụ cắt................................................... 55
3.3. Các chỉ tiêu đánh giá sự mài mòn của dụng cụ cắt................................ 56
3.3.1. Chỉ tiêu mòn tối ưu...................................................................... 56
3.3.2. Chỉ tiêu mòn công nghệ.............................................................. 57
3.4. Mài mòn ở dụng cụ cắt có lớp phủ........................................................... 57
3.4.1. Ảnh hưởng của lớp phủ đến tương tác ma sát
trong cắt kim loại......................................................................... 58
3.4.2. Cơ chế mòn của dụng cụ cắt có lớp phủ................................... 59
3.5. Kết luận........................................................................................................ 62
Chương IV: Tuổi Bền Dụng Cụ Cắt
4.1. Khái niệm về tuổi bền dụng cụ................................................................. 63
4.2. Sự phụ thuộc của năng suất máy và giá thành gia công
vào tuổi bền của dụng cụ............................................................................ 64
4.3. Xác định tuổi bền năng suất cao nhất...................................................... 66
4.4. Xác định tuổi bền kinh tế.......................................................................... 67
4.5. Kết luận........................................................................................................ 69
Chương V: So Sánh Năng Suất Bóc Vật Liệu Giữa Dao Hợp Kim Phủ Titan
Và Thép Gió Khi Gia Công Thép Trên Máy Tiện CNC
5.1. Trang thiết bị thực nghiệm......................................................................... 70
5.1.1. Máy................................................................................................ 70
5.1.2. Dao................................................................................................. 71
5.1.3. Phôi................................................................................................ 72
5.1.4. Dụng cụ đo, kiểm......................................................................... 73
5.2. Cơ sở xác định tuổi bền của dao bằng thực nghiệm.............................. 73
5.2.1. Chỉ tiêu mài mòn mặt sau........................................................... 73
5.2.2. Chỉ tiêu mài mòn mặt trước........................................................ 73
5.2.3. Cơ sở xác định tuổi bền của dao............................................... 73
5.3. Cơ sở lý thuyết của quy hoạch thực nghiệm........................................... 74
5.4. Thực nghiệm tìm mối quan hệ giữa tuổi bền dụng cụ (T)
với chế độ cắt (v,s,t)................................................................................... 77
5.4.1. Thực nghiệm trên dao hợp kim phủ.......................................... 77 5.4.1.1. Điều kiện thực nghiệm..................................................................................... 77
5.4.1.2. Kết quả thực nghiệm ...................................................... 78
5.4.1.3. Xây dựng phương trình hồi quy.................................... 80
5.4.2. Thực nghiệm trên dao thép gió.................................................. 83
5.4.2.1. Điều kiện thực nghiệm.................................................... 83
5.4.2.2. Kết quả thực nghiệm ...................................................... 84
5.4.2.3. Xây dựng phương trình hồi quy.................................... 85
5.4.3. So sánh năng suất bóc vật liệu................................................... 89
5.5. Kết luận........................................................................................................ 90
Chương VI: Kết Luận
6.1. Kết luận........................................................................................................ 92
6.2. Kết quả đạt được của đề tài....................................................................... 92
6.3. Hướng nghiên cứu tiếp theo...................................................................... 92
Phụ Lục…………........................................................................................................... 94
Tài Liệu Tham Khảo...................................................................................................... 97
Lý lịch trích ngang....................................................................................................... 101
DANH MỤC CÁC BẢNG
|
Bảng |
Tên bảng |
Trang |
|
Bảng 1.1 |
Lịch sử và đặc tính của vật liệu dụng cụ |
13 |
|
Bảng 1.2 |
Thành phần hóa học của một số thép hợp kim dụng cụ |
15 |
|
Bảng 1.3 |
Thành phần hóa học của các loại thép gió (%) |
16 |
|
Bảng 1.4 |
Công dụng của thép gió theo ký hiệu ISO và một số nước tương ứng |
18 |
|
Bảng 1.5 |
Thành phần hóa học và tính chất cơ lý của hợp kim cứng |
20 |
|
Bảng 1.6 |
Thành phần, đặc tính và công dụng của một số vật liệu mài |
24 |
|
Bảng 2.1 |
Tiêu chuẩn lựa chọn cho dụng cụ cắt phủ |
30 |
|
Bảng 2.2 |
Thông số kỹ thuật của thiết bị phủ CVD Bernex BPXpro |
40 |
|
Bảng 2.3 |
Thông số kỹ thuật của thiết bị phủ PACVD 650 của Ionbond |
42 |
|
Bảng 2.4 |
Thông số kỹ thuật của thiết bị phủ CVD TS của hãng TECSUN |
43 |
|
Bảng 2.5 |
Thông số kỹ thuật của thiết bị phủ PVD – RR của Ionbond |
43 |
|
Bảng 2.6 |
Thông số kỹ thuật của thiết bị phủ PVD L4/M4 của Ionbond |
45 |
|
Bảng 5.1 |
Thông số kỹ thuật máy tiện CNC TOP-TURN S20 |
70 |
|
Bảng 5.2 |
Thành phần hóa học của thép CT38 |
72 |
|
Bảng 5.3 |
Số yếu tố và cánh tay đòn sao |
75 |
|
Bảng 5.4 |
Giá trị các hằng số |
75 |
|
Bảng 5.5 |
Chế độ cắt của dao hợp kim phủ |
78 |
|
Bảng 5.6 |
Ma trận thực nghiệm của dao hợp kim phủ |
79 |
|
Bảng 5.7 |
Chế độ cắt của dao thép gió |
84 |
|
Bảng 5.8 |
Ma trận thực nghiệm của dao thép gió |
84 |
|
Bảng 5.9 |
Năng suất bóc vật liệu của hai dao làm thực nghiệm |
90 |
DANH MỤC CÁC HÌNH
|
Hình |
Tên hình |
Trang |
|
Hình1.1 |
Sơ đồ tôi và ram thép gió |
17 |
|
Hình 2.1 |
Quá trình phủ CVD |
28 |
|
Hình 2.2 |
Quá trình phủ PVD |
31 |
|
Hình 2.3 |
Ứng suất dư khi phủ TiN, TiCN bằng phương pháp CVD, PVD (kg/mm2) |
32 |
|
Hình 2.4 |
Dụng cụ cắt phủ TiN |
32 |
|
Hình 2.5 |
Dụng cụ cắt phủ TiAlN |
33 |
|
Hình 2.6 |
Dụng cụ cắt phủ TiCN |
33 |
|
Hình 2.7 |
Dụng cụ cắt phủ Al2O3 |
34 |
|
Hình 2.8 |
So sánh độ cứng tế vi của vật liệu phủ với vật liệu nền |
35 |
|
Hình 2.9 |
Độ dẫn nhiệt của vật liệu phủ, trong khi độ dẫn nhiệt của hợp kim cứng là 80 W/mK |
35 |
|
Hình 2.10 |
Quan hệ giữa nhiệt độ và độ cứng của lớp phủ |
36 |
|
Hình 2.11 |
Trộn nguyên liệu |
37 |
|
Hình 2.12 |
Ép tạo hình insert |
37 |
|
Hình 2.13 |
Thiêu kết insert |
38 |
|
Hình 2.14 |
Mài insert sau khi thiêu kết |
38 |
|
Hình 2.15 |
Phủ insert |
39 |
|
Hình 2.16 |
Kiểm tra hoàn tất |
39 |
|
Hình 2.17 |
Thiết bị phủ CVD Bernex BPXpro |
40 |
|
Hình 2.18 |
Thiết bị phủ PACVD 650 của Ionbond |
41 |
|
Hình 2.19 |
Thiết bị phủ CVD TS của hãng TECSUN |
42 |
|
Hình 2.20 |
Thiết bị phủ PVD – RR của Ionbond |
43 |
|
Hình 2.21 |
Thiết bị phủ PVD L4 của Ionbond |
44 |
|
Hình 3.1 |
Sơ đồ của quá trình hình thành phoi thép |
47 |
|
Hình 3.2 |
Các loại phoi |
48 |
|
Hình 3.3 |
Các dạng mòn dụng cụ cắt |
50 |
|
Hình 3.4 |
Quan hệ giữa dạng mòn của dao tiện hợp kim cứng với vận tốc cắt (vc) và chiều sâu cắt (t) |
52 |
|
Hình 3.5 |
Mòn hạt mài |
53 |
|
Hình 3.6 |
Sơ đồ phân bố các cơ chế mòn của dụng cụ cắt |
55 |
|
Hình 3.7 |
Các giai đoạn mòn dao |
55 |
|
Hình 3.8 |
Đồ thị quan hệ giữa TΣ và lượng mòn tối ưu hs0 |
57 |
|
Hình 3.9a |
So sánh quá trình tạo phoi khi cắt bằng dao phủ TiN và dao không phủ |
58 |
|
Hình 3.9b |
Đồ thị biểu diễn thể tích của lẹo dao khi cắt thép 45 |
58 |
|
Hình 3.10 |
Ứng suất dư nén σ thường thấy ở lớp phủ PVD sinh ra ứng suất S tại bề mặt tiếp giáp giữa nền và lớp phủ |
59 |
|
Hình 3.11 |
Lớp phủ TiN bong, tróc trên bề mặt nhấp nhô của HSS |
60 |
|
Hình 3.12 |
Sơ đồ thể hiện 3 giai đoạn mòn mặt trước của dụng cụ phủ do nền hóa mềm |
60 |
|
Hình 3.13a |
Lớp phủ bị nứt, vỡ do nền HSS bị mềm |
61 |
|
Hình 3.13b |
Lớp phủ bị bong, tróc và mòn bắt đầu xảy ra trên nền HSS |
61 |
|
Hình 3.14 |
Quá trình bong, tróc lớp phủ khi tiện hợp kim Ti bằng dụng cụ phủ nhiều lớp |
62 |
|
Hình 4.1 |
Đồ thị T = f(v) |
64 |
|
Hình 4.2 |
Quan hệ giữa năng suất máy (1), giá thành gia công (2) và tuổi bền dụng cụ T (Q - năng suất máy: chiếc/giờ; E – giá thành gia công: USD) |
65 |
|
Hình 5.1 |
Máy tiện CNC TOP-TURN S20 |
70 |
|
Hình 5.2 |
Mảnh dao tiện ngoài CNMG 12 04 08 –PM của hãng Sandvik Coromant |
71 |
|
Hình 5.3 |
Dao tiện ngoài thép gió |
72 |
|
Hình 5.4 |
Gá đặt phôi |
78 |
|
Hình 5.5 |
Đồ thị quan hệ T-v khi tiện thép CT38 bằng dao hợp kim phủ CVD MT-Ti(C,N) + Al2O3 + TiN |
82 |
|
Hình 5.6 |
Đồ thị quan hệ T-s khi tiện thép CT38 bằng dao hợp kim phủ CVD MT-Ti(C,N) + Al2O3 + TiN |
82 |
|
Hình 5.7 |
Đồ thị quan hệ T-t khi tiện thép CT38 bằng dao hợp kim phủ CVD MT-Ti(C,N) + Al2O3 + TiN |
82 |
|
Hình 5.8 |
Đồ thị quan hệ T-v-s tại t = 2 mm khi tiện thép CT38 bằng dao hợp kim phủ CVD MT-Ti(C,N) + Al2O3 + TiN |
83 |
|
Hình 5.9 |
Đồ thị quan hệ T-v khi tiện thép CT38 bằng dao thép gió |
87 |
|
Hình 5.10 |
Đồ thị quan hệ T-s khi tiện thép CT38 bằng dao thép gió |
88 |
|
Hình 5.11 |
Đồ thị quan hệ T-t khi tiện thép CT38 bằng dao thép gió |
88 |
|
Hình 5.12 |
Đồ thị quan hệ T-v-s tại t = 2 mm khi tiện thép CT38 bằng dao thép gió |
89 |
CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ VẬT LIỆU DỤNG CỤ CẮT
1.1. Đặc tính cơ bản của vật liệu dụng cụ cắt
Đặc tính phần cắt của dụng cụ có ảnh hưởng lớn đến năng suất gia công và chất lượng bề mặt chi tiết. Khả năng giữ được tính cắt của dụng cụ góp phần quyết định năng suất gia công của dụng cụ. Dụng cụ làm việc trong điều kiện cắt khó khăn vì ngoài áp lực, nhiệt độ cao, dụng cụ cắt còn bị mài mòn và rung động trong quá trình cắt.
Trong quá trình gia công, phần cắt của dụng cụ trực tiếp làm nhiệm vụ cắt để tạo phoi. Để nâng cao năng suất cắt, nâng cao chất lượng bề mặt gia công, phần cắt của dụng cụ không những phải có hình dáng hình học hợp lý mà còn phải được chế tạo từ những loại vật liệu thích hợp. Nghiên cứu vật liệu dụng cụ cắt sẽ ghóp phần quan trọng trong việc lựa chọn dụng cụ khi sử dụng nó, ghóp phần giảm chi phí dụng cụ, tăng năng suất, đảm bảo chất lượng gia công.
Nhìn chung,vật liệu dụng cụ cắt phải đảm bảo các yêu cầu cơ bản sau đây:
- Độ cứng:
Độ cứng là một trong những chỉ tiêu quan trọng của vật liệu dụng cụ cắt. Muốn cắt được, vật liệu dụng cụ cắt thường phải có độ cứng lớn hơn vật liệu gia công. Độ cứng của dụng cụ cắt thường đạt trong khoảng 60÷65 HRC. Nếu gia công các loại thép cứng như thép không gỉ, thép chịu nhiệt, độ cứng của dao phải lơn hơn 65 HRC.
- Độ bền cơ học:
Trong quá trình gia công, phần cắt của dụng cụ chịu tải trọng cơ học và rung động lớn. Vì vậy, vật liệu dụng cụ phải có sức bền cơ học tốt để tránh gãy vỡ trong quá trình gia công. Vật liệu dụng cụ cắt có độ bền cơ học càng cao thì tính năng sử dụng của chúng càng tốt.
Việc nâng cao độ bền cơ học của vật liệu dụng cụ cắt, nhất là đối với hợp kim cứng và vật liệu sứ là một trong những hướng chính trong lĩnh vực thiết kế và chế tạo dụng cụ cắt.
- Tính chịu nhiệt:
Trong quá trình cắt, nhiệt cắt sinh ra rất lớn. Phần cắt của dụng cụ ngoài chịu tải trọng cơ học lớn còn chịu tải trọng nhiệt cao.
Tính chịu nhiệt của vật liệu dụng cụ cắt là khả năng giữ được đặc tính cắt ở nhiệt độ cao trong thời gian dài. Nhiệt cắt thường rất lớn, có thể đến 10000C, do vậy tính chịu nhiệt là một trong những đặc tính quan trọng nhất, quyết định chất lượng của loại vật liệu dụng cụ.
- Tính chịu mòn:
Tính chịu mòn của vật liệu dụng cụ cắt được đặc trưng bởi khả năng giữ vững hình dáng và thông số hình học phần cắt trong quá trình gia công.
Trong quá trình cắt, mặt trước dụng cụ tiếp xúc với phoi, mặt sau tiếp xúc với mặt đang gia công chi tiết với tốc độ trượt lớn, nên vật liệu dụng cụ phải có tính chịu mòn cao. Phần cắt của dụng cụ, khi đủ sức bền cơ học, thì dạng hỏng chủ yếu là dụng cụ bị mài mòn. Thực tế chỉ rõ rằng khi độ cứng càng cao thì tính chịu mòn vật liệu càng cao. Tính chịu mòn vật liệu tỷ lệ thuận với độ cứng.
Một trong những nguyên nhân chủ yếu gây ra mòn dao là hiện tượng chảy dính của vật liệu làm dao. Tính chảy dính của vật liệu làm dao được đặc trưng bởi nhiệt độ chảy dính giữa hai vật liệu tiếp xúc với nhau… Vật liệu làm dao tốt là loại vật liệu có nhiệt độ chảy dính cao.
- Tính công nghệ:
Dụng cụ cắt thường có hình dáng hình học phức tạp, đòi hỏi những yêu cầu kỹ thuật khá cao về độ chính xác hình dáng, kích thước, độ nhẵn bề mặt. Vì vậy, vật liệu dụng cụ cắt cần phải có tính công nghệ tốt.
Tính công nghệ của vật liệu làm dao được đặc trưng bởi tính khó hay dễ trong quá trình gia công để tạo hình dụng cụ cắt.Tính công nghệ được thể hiện ở nhiều mặt: tính khó hay dễ gia công bằng cắt, gia công nhiệt luyện, độ dẻo ở trạng thái nguội và nóng….Một số vật liệu tuy có đặc tính cắt tốt nhưng không được sử dụng phổ biến làm dụng cắt một phần vì tính công nghệ của chúng không cao.
Tính kinh tế:
Ngoài các đặc tính cơ bản như đã nêu trên, vật liệu dụng cụ cắt còn phải đảm bảo tính kinh tế. Khi chọn vật liệu dụng cụ cắt, ngoài việc chú ý đến tính năng cắt, tính công nghệ, còn cần phải chú ý đến giá thành của chúng. Vật liệu dụng cụ cắt thường đắt tiền. Chi phí vật liệu thường chiếm một tỷ lệ cao trong giá thành chế tạo dụng cụ cắt. Do đó cần phải chọn vật liệu dụng cụ cắt phù hợp nhằm giảm chi phí chế tạo dao cho một đơn vị chi tiết gia công.
1.2. Các loại vật liệu dụng cụ cắt
Vật liệu dụng cụ cắt được hình thành và phát triển theo nhu cầu phát triển của khoa học kỹ thuật và của sản xuất. Chúng được chia thành các loại sau: Thép cacbon dụng cụ, thép hợp kim dụng cụ, thép gió, hợp kim cứng, vật liệu sứ, kim cương, nitriítbo lập phương…
Lịch sử phát triển và sử dụng các loại vật liệu dụng cụ được trình bày trong bảng 1.1
Bảng 1.1. Lịch sử và đặc tính của vật liệu dụng cụ
|
Năm |
Vật liệu dụng cụ |
Nhiệt độ giới hạn đặc tính cắt (0C) |
Độ cứng (HRC) |
|
1894 |
Thép cacbon dụng cụ |
200 - 300 |
60 |
|
1900 |
Thép hợp kim dụng cụ |
300 - 500 |
60 |
|
1900 |
Thép gió |
|
|
|
1908 |
Thép gió cải tiến |
500 - 600 |
62 – 65 |
|
1913 |
Thép gió (tăng Co và WC) |
600 - 650 |
- |
|
1931 |
Hợp kim cứng cacbit vonfram |
800 - 1000 |
91 |
|
1934 |
Hợp kim cứng WC và TiC |
800 - 1000 |
91 -92 |
|
1955 |
Kim cương nhân tạo |
800 |
100000 HV |
|
1957 |
Sành sứ |
1500 |
92 – 94 |
|
1965 |
Nitrit Bo |
1600 |
8000 HV |
|
1970 |
Hợp kim cứng phủ (TiC) |
1000 |
18000 HV |
1.2.1. Thép cacbon dụng cụ
Để bảo đảm cho thép cacbon dụng cụ có đủ độ cứng và có tính chịu mòn cao, hàm lượng cacbon chứa trong thép thường vào khoảng 0,7%÷1,35% và lượng P, S thấp ( P<0,035%, S<0,025%). Thép cacbon dụng cụ có độ thấm tôi thấp nên nó được tôi trong nước. Độ cứng sau khi tôi và ram đạt 60÷62 HRC. Sau khi ủ, độ cứng đạt khoảng 107÷217 HB nên dễ gia công cắt và gia công áp lực.
Độ bền nhiệt của thép cacbon dụng cụ thấp (vào khoảng 2000C÷3000C), độ chịu mòn kém, tính năng cắt thấp. Do đó thép cacbon dụng cụ chỉ được dùng để chế tạo dụng cụ cắt làm việc với tốc độ cắt thấp để cắt vật liệu mềm.Thường chỉ cắt với tốc độ V = 10÷12 m/ph.
Ưu điểm của thép cacbon dụng cụ là dễ mài sắc, dễ đạt độ nhẵn bề mặt cao và giá thành rẻ.
Một số mác thép cacbon dụng cụ thường được sử dụng: CD70A, CD80A, CD90A, CD100A, CD110A, CD120A và CD130A (tương đương với mác thép của Nga là: Y7A, Y8A, Y9A, Y10A, Y11A, Y12A, Y13A).
Thép CD70A có độ dẻo và độ dai tốt, chịu được va đập nên thường dùng để chế tạo các dụng cụ rèn, nguội như đục... Thép CD80A, CD90A dùng để chế tạo các dụng cụ gia công gỗ như dao phay, mũi khoét, lưỡi cưa dọc, lưỡi cưa đĩa... Thép CD100A, CD110A, CD120A, CD130A thường dùng để chế tạo mũi doa, bàn ren, tarô, giũa...
1.2.2. Thép hợp kim dụng cụ
Để tăng tính cắt, có thể pha thêm vào thép cacbon dụng cụ một số nguyên tố hợp kim như Vonfram, Crôm, Vanađi... với hàm lượng khoảng 0,5%÷3% và nhận được thép hợp kim dụng cụ. Vonfram có tác dụng làm tăng độ bền nhiệt, độ chịu mòn. Crôm để tăng độ thấm tôi và độ cứng. Vanađi tạo ra cacbít có độ hạt nhỏ nên có độ cứng và độ bền cao.
Thép hợp kim dụng cụ tôi ở nhiệt độ 8200C÷8500C trong dầu. Sau khi nhiệt luyện, đạt độ cứng 62÷66 HRC. Tuy không cứng hơn thép cacbon dụng cụ bao nhiêu, nhưng độ bền nhiệt của thép hợp kim dụng cụ khá hơn (đến hơn 3000C). Do đó cho phép nâng cao tốc độ cắt lên gấp 1,2÷1,4 lần (V = 12÷15 m/ph) so với dao làm bằng thép cacbon dụng cụ.
Bảng 1.2. Thành phần hóa học của một số thép hợp kim dụng cụ
|
Nhóm |
Ký hiệu |
C (%) |
Mn (%) |
Si (%) |
Cr (%) |
W (%) |
V (%) |
|
I |
Cr05 85CrV |
1,25 – 1,10 0,80 – 0,90 |
0,20 – 0,40 0,30 – 0,60 |
<0,35 <0.35 |
0,04 – 0,60 0,45 – 0,70 |
- - |
- 0,15 – 0,30 |
|
II |
Cr 9CrSi |
0,95 – 1,10 0,85 – 0,95 |
<0,40 0,30 – 0,60 |
<0,35 1,2 – 1,6 |
1,30 – 1,60 0,95 – 1,25 |
- - |
- - |
|
III |
CrMn CrWMn |
1,30 – 1,50 0,90 – 1,00 |
0,45 – 0,70 0,80 – 1,00 |
<0,35 0,15 – 0,35 |
1,30 – 1,60 0,90 – 1,20 |
- 1,20 – 1,60 |
- - |
|
IV |
CrW5 |
1,25 – 1,50 |
<0,30 |
<0,30 |
0,40 – 0,70 |
4,50 – 5,50 |
0,15 – 0,30 |
Thép hợp kim dụng cụ thường được chia thành 04 nhóm (bảng 1.2).
Nhóm I: Nhóm này gồm các loại thép hợp kim dụng cụ có thành phần hợp kim thấp (<1%) và được hợp kim hóa chủ yếu bằng Cr. Với lượng Cr thấp, tính chất của loại này giống như thép cacbon dụng cụ, nhưng nhờ lượng crom và vanadi nên tránh cho thép có khuynh hướng tạo thành graphit và có cấu tạo hạt nhỏ.Thép hợp kim dụng cụ loại này thường được dùng chủ yếu chế tạo các loại dụng cụ gia công gỗ.
Nhóm II: Nhóm này gồm các loại thép hợp kim có lượng crom từ 1÷1,5%. Crom và silic trong thép làm tăng độ thấm tôi, cho tính cắt tốt hơn.
Nhóm III: Thép hợp kim dụng cụ nhóm này có chứa thêm lượng Mn lớn và W. Do có các thành phần hợp kim Mn, Cr và W nên có độ thấm tôi cao và được tôi trong dầu. Ngoài ra, vì hàm lượng Mn cao hơn bình thường nên lượng ostenit dư tăng lên. Nhờ lượng ostenit dư thích hợp nên ít thay đổi kích thước khi nhiệt luyện. Vì vậy loại thép hợp kim dụng cụ nhóm này được dùng để chế tạo các dụng cụ có độ chính xác cao và hình dáng phức tạp (mũi doa, taro, dao chuốt, các loại dụng cụ đo).
Nhóm IV: Thép hợp kim dụng cụ loại này có chứa lượng lớn cacbit vonfram hạt mịn nên có độ cứng cao nhưng độ thấm tôi thấp.
Các loại thép hợp kim dụng cụ hiện nay được dùng chủ yếu để chế tạo các loại dụng cụ cầm tay và gia công ở tốc độ thấp.
1.2.3. Thép gió
Thép gió còn được gọi là thép cao tốc. Đó là loại thép hợp kim có hàm lượng hợp kim cao, nhất là vonfram (khoảng 6%÷19%). Sau khi nhiệt luyện, độ cứng đạt 62÷65 HRC. Thép gió có độ thấm tôi lớn, độ bền mòn và độ bền cơ học cao, giữ được tính cắt gọt ở 600÷6500C. Vì vậy dao thép gió có thể cắt với tốc độ lớn gấp 2÷4 lần so với dao thép cácbon dụng cụ hay dao thép hợp kim dụng cụ.
Thép gió được chia thành 02 loại:
- Thép gió có tuổi bền nhiệt trung bình: P18, P12, P9, P6M5…
- Thép gió có tuổi bền nhiệt cao: P18Φ2, P9Φ5, P14Φ4, P9K5, P9K10, P18K5Φ2, P10K5Φ5…
Để gia công các loại thép kết cấu có độ cứng 260÷280 HB và các loại gang người ta dùng thép gió có tuổi bền nhiệt trung bình. Khi gia công các loại thép kết cấu có độ bền cao cần sử dụng các loại thép gió có tuổi bền nhiệt cao.
Nhược điểm lớn nhất của thép gió là sự phân bố không đồng nhất của cacbit sinh ra trong quá trình biến cứng của thép đúc. Do dó làm giảm chất lượng và cơ tính của thép gió dẫn đến lưỡi cắt dễ bị mẻ gẫy, làm giảm tuổi bền của dao. Vì vậy trước khi gia công cơ, phôi thép gió cần được rèn đi rèn lại nhiều lần để phân bố lại cacbít cho đồng đều.
Bảng 1.3. Thành phần hóa học của các loại thép gió (%)
|
Mác thép
|
Cacbon |
Mangan |
Silic |
Crom |
Vonfram |
Coban |
Vanadi |
Molipden |
Niken |
Lưu huỳnh |
Photpho |
|
P18 |
0,7-0,8 |
0,4 |
0,5 |
3,8-4,4 |
17-18,5 |
- |
1-1,4 |
≤1 |
0,4 |
0,03 |
0,03 |
|
P12 |
0,8-0,9 |
0,4 |
0,5 |
3,1-3,6 |
12-13 |
- |
1,5-1,9 |
≤1 |
0,4 |
0,03 |
0,03 |
|
P9 |
0,85-0,95 |
0,4 |
0,5 |
3,8-4,4 |
8,5-10 |
- |
2-2,6 |
≤1 |
0,4 |
0,03 |
0,03 |
|
P9Φ5 |
1,4-1,5 |
0,4 |
0,5 |
3,8-4,4 |
9-10,5 |
- |
4,3-5,1 |
≤1 |
0,4 |
0,03 |
0,035 |
|
P14Φ4 |
1,2-1,3 |
0,4 |
0,5 |
4-4,6 |
13-14,5 |
- |
3,4-4,1 |
≤1 |
0,4 |
0,03 |
0,035 |
|
P18Φ2 |
0,85-0,95 |
0,4 |
0,5 |
3,8-4,4 |
17-18,5 |
- |
1,8-2,4 |
≤1 |
0,4 |
0,03 |
0,3 |
|
P6M3 |
0,85-0,95 |
0,4 |
0,5 |
3-3,6 |
5,5-6,5 |
- |
2-2,5 |
3-3,6 |
0,4 |
0,03 |
0,3 |
|
P6M5 |
0,8-0,88 |
0,4 |
0,5 |
3,8-4,4 |
5,5-6,5 |
- |
1,7-2,1 |
5-5,5 |
0,4 |
0,025 |
0,03 |
|
P9K5 |
0,9-1 |
0,4 |
0,5 |
3,8-4,4 |
9-10,5 |
5-6 |
2-2,6 |
≤1 |
0,4 |
0,03 |
0,03 |
|
P9K10 |
0,9-1 |
0,4 |
0,5 |
3,8-4,4 |
9-10,5 |
9-10,5 |
2-2,6 |
≤1 |
0,4 |
0,03 |
0,03 |
|
P10K5Φ5 |
1,45-1,55 |
0,4 |
0,5 |
4-4,6 |
10-11,5 |
5-6 |
4,3-5,1 |
≤1 |
0,4 |
0,03 |
0,03 |
|
P18K5Φ2 |
0,85-0,95 |
0,4 |
0,5 |
3,8-4,4 |
17-18,5 |
5-6 |
1,8-2,4 |
≤1 |
0,4 |
0,03 |
0,03 |
|
P6M5K5 |
0,8-0,88 |
0,4 |
0,5 |
3,8-4,3 |
6-7 |
4,8-5,3 |
1,7-2,2 |
4,8-5,8 |
0,4 |
0,03 |
0,03 |
|
P9M4K8 |
1-1,1 |
0,4 |
0,5 |
3-3,6 |
8,5-9,6 |
7,5-8,5 |
2,1-2,5 |
3,8-4,3 |
0,4 |
0,03 |
0,035 |
Khi nhiệt luyện thép gió cần chú ý một số điểm chủ yếu sau :
- Không nung nóng thép gió đột ngột đến nhiệt độ cao ( nhiệt độ tôi bằng 13000C) mà phải tăng nhiệt độ dần dần từ 6500C, vì thép gió có độ dẫn nhiệt kém. Thông thường thép gió được nung nóng qua 3 lò với nhiệt độ lần lượt 6500C, 8500C và 13000C.
- Phải ram sau khi tôi nhiều lần (3 lần) mỗi lần trong 1 giờ. Sau mỗi lần ram phải để nguội đến nhiệt độ thường.
Hình1.1. Sơ đồ tôi và ram thép gió
Các mác thép gió tương đương của các nước được giới thiệu ở bảng 1.4.
Bảng 1.4. Công dụng của thép gió theo ký hiệu ISO và một số nước tương ứng
|
Ký hiệu các loại thép gió thông dụng |
Phạm vi sử dụng |
||||
|
ISO |
ГOCT (Nga) |
DIN (Đức) |
AISI (Mỹ) |
AFNOR (Pháp) |
|
|
1.3353 |
P18 |
S18-0-2 |
T1 |
Z80W18 |
Dùng cho tất cả các loại dụng cụ cắt để gia công thép các bon, thép hợp kim. |
|
1.3302 |
P12 |
- |
T7 |
- |
Dùng như loại trên. |
|
- |
P9 |
- |
- |
- |
Dùng để chế tạo các loại dụng cụ đơn giản, gia công các loại thép kết cấu. |
|
1.3343 |
P6M5 |
S6-5-2 |
M2 |
Z85WDV 06-05-02 |
Dùng như loại trên, đặc biệt để chế tạo dụng cụ cắt ren và dụng cụ cắt chịu va đập. |
|
- |
PGM5Φ3 |
SG-5-3 |
M3 |
Z130WDV 06-05-04 |
Dùng để chế tạo các loại dụng cụ gia công tinh (dao tiện định hình, mũi doa, dao chuốt, dao phay), gia công các loại thép kết cấu hợp kim và không hợp kim. |
|
1.3318 |
P12 Φ3 |
S12-1-4 |
- |
- |
Dùng chế tạo các dụng cụ gia công tinh, gia công các loại thép ostenit dẻo. |
|
- |
P18K5Φ2 |
- |
T4 |
Z85WK18-05 |
Dùng để chế tạo các dụng cụ gia công thô và bán tinh khi cắt các loại thép và hợp kim chịu nóng, thép không gỉ. |
|
1.3243 |
P6M5K5 |
S6-5-2-5 |
M35 |
Z80WDKV 06-05-05-02 |
Dùng chế tạo các dụng cụ gia công thô và bán tinh, gia công các loại thép không gỉ, thép hợp kim. |
1.2.4. Hợp kim cứng
Hợp kim cứng được chế tạo bằng phương pháp luyện kim bột. Thành phần chủ yếu của hợp kim cứng là các loại bột mịn cacbit vonfram (WC), cacbit titan (TiC), cacbit tantan (TaC) và thành phần coban (Co) làm nhiệm vụ liên kết. Hợp kim cứng có độ cứng lớn (87÷92 HRA, lớn hơn 70 HRC). Độ bền nhiệt cao (8000C ÷10000C). Độ bền mòn cao hơn hẳn thép gió. Vì vậy dao hợp kim cứng có thể cắt với tốc độ cắt rất lớn (Vc >100 m/ph).
Nhược điểm cơ bản của hợp kim cứng là độ bền uốn kém, độ dẻo thấp. Do đó dao hợp kim cứng cần làm việc trong điều kiện không có va đập, tránh tải trọng thay đổi và hệ thống công nghệ cần bảo đảm cứng vững.
Vì thành phần chủ yếu của hợp kim cứng là các cabit hợp kim (90%) nên tính chất của hợp kim cứng như độ cứng, tính chịu nhiệt phụ thuộc chủ yếu đặc tính của các cabit.
Hợp kim cứng được chia thành ba nhóm:
- Nhóm một cacbít: Còn gọi là hợp kim cứng vonfram, ký hiệu: BK. Nhóm này được tạo thành bởi cacbít vonfram và côban. Hợp kim cứng vonfram có các mác sau: BK2, BK3, BK4, BK6, BK6M, BK8, BK8B, BK10, BK11, BK15…Chỉ số đứng sau chữ K chỉ hàm lượng Coban (%), còn lại là cacbit vonfram.
Nói chung hợp kim cứng nhóm một cacbit thường dùng để gia công gang hoặc các loại thép cứng vì chúng có độ dẻo cao, chịu được va đập lớn.
- Nhóm hai cacbit: Còn gọi là hợp kim cứng titan-vonfram, ký hiệu: TK. Nhóm này được tạo thành bởi cacbít vonfram, cacbít titan và côban. Hợp kim cứng titan-vonfram có các mác sau: T5K10, T14K8, T15K6, T15K6, T30K4, T60K6... Chỉ số ghi sau chữ K là số phần trăm côban. Chỉ số ghi sau chữ T là số phần trăm cacbít titan, còn lại là cacbit vonfram.
Nói chung hợp kim cứng nhóm hai cacbít được dùng để gia công thép ở tốc độ cắt cao vì chúng có độ bền nhiệt cao, độ cứng cao và tính hàn dính thấp.
- Nhóm ba cacbit: Còn gọi là hợp kim cứng titan - tantan - vonfram, ký hiệu: TTK. Nhóm này được tạo thành bởi cacbít vonfram, cacbít titan, cacbít tantan và côban. Chúng bao gồm các mác sau: TT7K12, TT7K15, TT10K8, TT20K9… Chỉ số đứng sau chữ TT chỉ hàm lượng phần trăm của cacbit titan và cacbit tantan, còn chỉ số đứng sau chữ K chỉ hàm lượng phần trăm coban, còn lại là cacbit vonfram.
Bảng 1.5. Thành phần hóa học và tính chất cơ lý của hợp kim cứng
|
Nhóm hợp kim cứng
|
Mác hợp kim cứng |
Thành phần hóa học (%) |
Giới hạn bền uốn (kG/mm2) |
Trọng lượng riêng (G/cm3) |
Độ cứng HRC |
|||
|
WC |
Co |
TiC |
TaC |
|||||
|
Vonfram – Coban (BK) |
BK2 |
98 |
2 |
- |
- |
100 |
15-15,4 |
90 |
|
BK3 |
97 |
3 |
- |
- |
110 |
15-15,4 |
90 |
|
|
BK3M |
97 |
3 |
- |
- |
110 |
15-15,3 |
91 |
|
|
BK4 |
96 |
4 |
- |
- |
130 |
14,9-15,1 |
89,5 |
|
|
BK4B |
96 |
4 |
- |
- |
140 |
14,9-15,1 |
88 |
|
|
BK6 |
94 |
6 |
- |
- |
135 |
14,6-15 |
88,5 |
|
|
BK6M |
94 |
6 |
- |
- |
130 |
14,8-15 |
90 |
|
|
BK6B |
94 |
6 |
- |
- |
140 |
14,4-14,8 |
87,5 |
|
|
BK8 |
92 |
8 |
- |
- |
140 |
14,4-14,8 |
87,5 |
|
|
BK8B |
92 |
8 |
- |
- |
155 |
14,4-14,8 |
86,5 |
|
|
BK10 |
90 |
10 |
- |
- |
150 |
14,2-14,6 |
87 |
|
|
BK15 |
85 |
15 |
- |
- |
165 |
13,9-14,1 |
86 |
|
|
BK20 |
80 |
20 |
- |
- |
190 |
13,4-13,7 |
85 |
|
|
BK25 |
75 |
25 |
- |
- |
200 |
12,9-13,2 |
84,5 |
|
|
Titan – Vonfram (TK) |
T30K4 |
66 |
4 |
30 |
- |
90 |
9,5-9,8 |
92 |
|
T15K6 |
79 |
6 |
15 |
- |
110 |
11-12,7 |
90 |
|
|
T14K8 |
78 |
8 |
14 |
- |
115 |
11,2-12 |
89,5 |
|
|
T5K10 |
85 |
9 |
6 |
- |
130 |
12,3-13,2 |
88,5 |
|
|
T5K12B |
83 |
12 |
5 |
- |
150 |
12,8-13,3 |
87 |
|
|
Titan-Tantan-Vonfram (TTK) |
TT7K12
|
81 |
12 |
4 |
3 |
160 |
13-13,3 |
87 |
|
TT10K8Б |
82 |
8 |
3 |
7 |
140 |
13,5-13,8 |
89 |
|
Tuy vậy, tantan là nguyên tố hiếm, đắt gấp mấy lần vonfram nên hợp kim cứng nhóm ba cacbít có phạm vi sử dụng hẹp, thường chỉ dùng để gia công các loại thép cứng và hợp kim bền nhiệt (không có lớp vỏ cứng và không có va đập).
Chất lượng của hợp kim cứng không chỉ phụ thuộc vào thành phần hóa học mà còn phụ thuộc vào cấu trúc của nó (kích thước hạt). Kích thước hạt có ảnh hưởng đáng kể đến độ bền và độ chống mòn của hợp kim cứng. Tùy thuộc vào kích thước của các hạt cacbit, hợp kim cứng được phân loại như sau:
- Hợp kim cứng có độ hạt nhỏ (kích thước hạt cacbit khoảng 1μm)
- Hợp kim cứng có độ hạt trung bình (kích thước hạt cacbit khoảng 1÷2 μm)
- Hợp kim cứng có độ hạt lớn (kích thước hạt cacbit khoảng 2÷5 μm).
Theo tiêu chuẩn ISO, hợp kim cứng được phân loại theo lĩnh vực sử dụng và chia thành ba nhóm cơ bản: P, K và M.
- Nhóm P: Dùng để gia công kim loại với sự hình thành phoi dây (dùng gia công thép, gang dẻo).
- Nhóm K: Dùng để gia công kim loại với sự hình thành phoi vụn, phoi xếp (dùng gia công gang xám, kim loại màu).
- Nhóm M: Dùng gia công vật liệu khó gia công như thép chịu nhiệt, thép không gỉ, gang có độ cứng cao.
Ngày nay, các mảnh hợp kim cứng được phủ lên bề mặt một hoặc vài lớp vật liệu để có tuổi bền dài hơn, năng suất cao hơn, phoi thoát dễ dàng hơn. Lớp phủ có tác dụng như một chất bôi trơn lâu dài làm giảm rõ rệt các lực cắt, nhiệt phát sinh, sự mài mòn. Điều này cho phép sử dụng tốc độ cắt cao hơn khi gia công và ngày nay, loại này được sử dụng rất phổ biến.
Các vật liệu phủ chính là Cacbit Titan (TiC), nitrit titan (TiN), oxyt nhôm (Al2O3), TiCN, TiAlN, CBN, kim cương là các vật liệu rất cứng, có độ chống mài mòn và độ trơ hóa học cao, tạo một rào cản rất tốt giữa dụng cụ, phoi và phôi.
1.2.5. Vật liệu sứ
Vật liệu sứ được chế tạo từ đất sét kỹ thuật (oxit nhôm Al2O3). Quá trình chế tạo giống như các loại hợp kim cứng. Đất sét kỹ thuật được nung nóng đến nhiệt độ khoảng 14000C÷16000C. Sau đó đem nghiền nhỏ thành bột mịn. Bột mịn này được ép thành mảnh dao theo tiêu chuẩn và được thiêu kết.
Hiện nay có ba loại vật liệu sứ được sử dụng:
- Loại oxit nhôm thuần khiết:
Loại vật liệu sứ này hầu như chỉ có oxit nhôm. Xu hướng phát triển vật liệu sứ loại này là ngoài thành phần nền là oxit nhôm (Al2O3) còn thêm vào khoảng dưới 10% oxit kẽm (ZnO2). Loại vật liệu sứ này có cấu tạo bột mịn, do đó sức bền cao hơn oxit nhôm thuần khiết.
- Loại vật liệu sứ trộn:
Thành phần cơ bản của loại này vẫn là oxit nhôm (Al2O3), ngoài ra còn trộn thêm các cacbit kim loại như cacbit titan (TiC), cacbit vonfram (WC), cacbit tantan (TaC), với nitrit titan (TiN). Vật liệu sứ loại này có sức bền tốt dùng gia công tinh, đặc biệt khi gia công các loại thép tôi và gang cứng.
- Loại vật liệu sứ không có oxit:
Loại này được chế tạo từ nitrit silic (Si3N4) có sức bền uốn cao hơn nhiều hai loại trên. Loại này được dùng đặc biệt tốt khi gia công nhôm và các hợp kim nhôm.
Đặc tính chủ yếu của vật liệu sứ là:
- Độ cứng và tính dòn cao.
- Tính chịu nhiệt cao nên được dùng cắt ở tốc độ cao.
- Tính dẫn nhiệt kém nên không dùng dung dịch trơn nguội khi cắt.
- Tính dẻo kém do có sức bền uốn thấp. Vì vậy vật liệu sứ không chịu được rung động, va đập cũng như lực cắt lớn.
- Mài sắt mảnh sứ rất khó và chỉ có thể mài bằng đá mài kim cương.
So với hợp kim cứng thì vật liệu sứ có ưu điểm chính sau:
- Năng suất cao, vì thời gian máy ít do cắt được ở tốc độ cao khi tuổi bền cố định như nhau.
- Tuổi bền tăng hơn nếu cắt cùng tốc độ cắt.
- Sai lệch kích thước nhỏ hơn do dao ít mòn.
- Chất lượng bề mặt cao hơn do không lẹo dao.
- Giá thành rẻ hơn.
Khuyết điểm chủ yếu của vật liệu sứ là giòn, giới hạn bền uốn thấp, độ dai va đập thấp. Do đó khi gia công thô và đặc biệt khi có lượng dư không đều thì không nên dùng dao sứ. Khi gia công bằng dao sứ cần phải bảo đảm độ cứng vững đầy đủ của hệ thống công nghệ.
Hiện nay loại vật liệu sứ có tính năng cắt cao nhất và thường dùng nhất là ЦM- 332. Ngoài ra còn sử dụng loại vật liệu sứ có cơ tính cao như B-3, BOK- 60, BOK-63.
1.2.6. Kim cương
Kim cương nhân tạo được tổng hợp từ graphít ở áp suất lớn (100000 atm) và nhiệt độ cao (2500oC). Kim cương nhân tạo đã được sử dụng rộng rãi trong lĩnh vực cắt kim loại. Việc sử dụng kim cương nhân tạo đặc biệt có hiệu quả khi gia công hợp kim cứng và các loại vật liệu khó gia công khác.
Độ cứng tế vi của kim cương là 106000 MN/m2, lớn gấp 5 - 6 lần hợp kim cứng. Do độ cứng cao, độ chịu mòn cao và hệ số ma sát rất nhỏ nên kim cương thường chỉ dùng để gia công tinh. Kim cương được sử dụng để chế tạo đá mài hoặc bột mài mịn dùng cho các nguyên công mài, mài sắc, mài nghiền để gia công các dụng cụ cắt và chi tiết bằng hợp kim cứng.
Dao tiện kim cương đựơc sử dụng chủ yếu để gia công tinh các kim loại màu và còn dùng để gia công vật liệu phi kim loại như chất dẻo, êbônít, cao su cứng... Khi gia công chất dẻo, tuổi bền của dao tiện kim cương lớn gấp hàng trăm lần dao hợp kim cứng. Kim cương gắn trên mũi khoan để khoan kính và khoan các lớp đá đặc biệt cứng. Đặc biệt kim cương còn được dùng để gia công các vật liệu cứng như germani, silic, corun, chất bán dẫn các dạng vật liệu sứ đặc biệt.
1.2.7. Nitrit bo lập phương
Còn được gọi là enbo hoặc bôradôn. Đó là loại vật liệu tổng hợp mới rất có triển vọng, bao gồm bo, silic và cacbon.
Nitritbo lập phương có độ cứng tương tự như kim cương nhưng độ chịu nhiệt cao hơn rất nhiều, có thể đạt tới 14000C. Tuy vậy tính giòn vẫn chưa khắc phục được.
Hiện nay nitritbo lập phương đã được sử dụng để làm đá mài, thanh mài và những dụng cụ mài khác với những chất dính kết khác nhau. Chúng được dùng để mài tinh các loại thép có độ cứng cao. Khi đó bề mặt gia công đạt độ nhẵn từ cấp 9 10, độ mòn của đá mài giảm 50%, hiệu suất mài tăng 25÷30%. Nhiều công trình thử nghiệm đã sử dụng có hiệu quả nitritbo lập phương vào việc mài vật liệu và hợp kim khó gia công.
1.2.8. Vật liệu mài
Vật liệu mài được chế tạo từ vật liệu thiên nhiên hoặc nhân tạo có độ cứng cao. Bột mài, hạt mài được trộn với chất kết dính tạo thành các dụng cụ mài. Thành phần, đặc tính và công dụng các loại vật liệu mài được trình bày trong bảng 1.6.
Bảng 1.6. Thành phần, đặc tính và công dụng của một số vật liệu mài
|
Loại vật liệu |
Thành phần hóa học |
Độ cứng (theo Mohs) |
Công dụng |
|
Korun thiên nhiên |
Al2O3+Fe2O3 |
9 |
Mài thép có tính dẻo cao |
|
Cacborun |
Al2O3(60%) |
8 |
Mài các loại thép, chế tạo giấy mài |
|
Korun điện trường |
Al2O3(92÷95%) |
9 |
Mài thép, gang, gỗ, làm giấy nhám |
|
Korun điện trắng |
Al2O3(98÷99%) |
9 |
Mài thép, gang, mài sắc dụng cụ thép gió |
|
Cacbit silic đen |
SiC(97÷98%) |
>9 |
Mài gang cứng, thép gió |
|
Cacbit silic xanh |
SiC(98÷99%) |
>9 |
Mài hợp kim cứng |
|
Cacbit bo |
B4C |
>9 |
Mài thép cứng |
|
Nitrit bo |
BN |
>9 |
Mài thép lò xo, gang xám, thép cứng |
|
Kim cương thiên nhiên và nhân tạo |
Tổng hợp dạng tinh thể |
10 |
Mài sắc dụng cụ, mài tinh xác |
1.3. Thực trạng nghiên cứu và sử dụng dụng cụ cắt trong nước và thế giới
Với nền công nghiệp ngày càng phát triển, đã đặt ra nhiều thử thách với ngành cắt gọt kim loại. Ngày nay, ngoài yêu cầu về chất lượng, năng suất, giá thành còn xuất hiện những vật liệu mới khó gia công, những khái niệm mới như tiện cứng, phay cứng… bắt đầu ra đời. Từ đó đòi hỏi ngành cắt gọt kim loại phải phát triển để đáp ứng các yêu cầu trên.
Trong những năm gần đây, các kết quả nghiên cứu về vật liệu dụng cụ cắt được áp dụng ngày càng nhiều vào thực tế sản xuất, đặc biệt là dụng cụ cắt có lớp phủ. Sự ra đời của loại dụng cụ cắt này đã góp phần đáng kể trong việc nâng cao năng suất cắt gọt, kéo dài được tuổi bền của dao, nâng cao độ chính xác gia công. Ngày nay, dụng cụ cắt có lớp phủ chiếm hơn 80% tổng dụng cụ cắt trên thế giới [37]. Theo thông tin được biết trên thế giới hiện đang có rất nhiều hãng nghiên cứu và chế tạo dụng cụ cắt tiên tiến như hãng dụng cụ cắt SANDVIK Coromant, NACHI, SECO, MITSUBISHI, HITACHI…
Ngoài sự phát triển về vật liệu dụng cụ cắt cũng như vật liệu phủ, người ta còn cải tiến hình dáng hình học của dụng cụ cắt. Đó là sự ra đời của công nghệ Wiper, cho phép lượng chạy dao tăng gấp đôi khi gia công tinh.
Ở nước ta, số lượng nhà máy sản xuất dụng cụ cắt còn ít. Các dụng cụ cắt sản xuất trong nước thường là những dụng cụ cắt đơn giản, năng suất cắt thấp. Trong những năm gần đây, số lượng nhà máy cơ khí đã xuất hiện nhiều ở Việt Nam, nhưng phần lớn dụng cụ cắt của họ đều là nhập khẩu. Nhìn chung, thị trường dụng cụ cắt nội địa vẫn đang ở mức thấp.
1.4. Kết luận
Sự phát triển của dụng cụ cắt đã làm năng suất cắt gọt tăng đáng kể, tuy nhiên chi phí sử dụng dụng cụ cắt cũng tăng theo. Hơn nữa, các thông số về chất lượng, năng suất phần lớn do các nhà sản xuất dụng cụ cắt đưa ra một cách chung chung. Điều này làm cho người sử dụng phân vân giữa chi phí bỏ ra và năng suất đem lại khi sử dụng dụng cụ cắt. Do đó, cần có những nghiên cứu sâu hơn về vấn đề này.
CHƯƠNG II: DỤNG CỤ CẮT CÓ LỚP PHỦ
2.1. Khái quát
Để nâng cao hơn nữa chất lượng lớp bề mặt, khả năng cắt gọt cho các loại dụng cụ cắt thông thường như thép gió hoặc hợp kim cứng, hiện nay người ta phủ lên bề mặt của dụng cụ cắt có vật liệu nền là vật liệu truyền thống (thép gió, hợp kim cứng…) một hoặc nhiều lớp vật liệu có độ cứng rất cao, độ chịu mài mòn tốt, độ bền nhiệt cao, hệ số dẫn nhiệt thấp và có khả năng bám dính tốt với vật liệu nền.
Các vật liệu phủ là Cacbit Titan (TiC), nitrit titan (TiN), oxyt nhôm (Al2O3), TiCN, TiAlN, CBN, kim cương…Đó là các vật liệu rất cứng, có độ chống mài mòn và độ trơ hóa học cao, tạo một rào cản rất tốt giữa dụng cụ và phôi. Phương pháp phủ bay hơi thường được sử dụng để phủ.
Phủ bay hơi được chia thành hai nhánh chính là phủ bay hơi hoá học "Chemical Vapour Deposition" - CVD và phủ bay hơi lý học "Physical Vapour Deposition" - PVD. Mỗi nhánh có nhiều thông số quá trình phủ khác nhau sử dụng nguyên tắc dịch chuyển khối từ một hoặc nhiều nguồn tới bề mặt cần phủ. Sự kết hợp những đặc tính đặc trưng của các quá trình phủ khác nhau tạo nên tính vạn năng cao trong cả quá trình phủ và quá trình sử dụng sản phẩm.
2.2. Phương pháp phủ bay hơi hóa học (CVD)
CVD là một quá trình trong đó một hỗn hợp khí tương tác với bề mặt của nền ở nhiệt độ tương đối cao (9000C÷12000C) làm cho một vài thành phần trong hỗn hợp khí bị phân tích và phản ứng với nhau tạo thành một lớp màng cứng trên bề mặt nền. Quá trình này được sử dụng cho dụng cụ cắt vào đầu những năm 1970.
Chi tiết phủ được đặt và nung nóng trong buồng kín chứa khí H2với áp suất khí quyển hoặc nhỏ hơn. Các hợp chất bay hơi được đưa vào buồng này để tham gia vào thành phần của lớp phủ thông qua các phản ứng hóa học.
Hình 2.1. Quá trình phủ CVD
Hệ thống phủ CVD yêu cầu nguồn khí dẫn, buồng phản ứng nâng nhiệt và hệ thống xử lý khí thải. Các khí dẫn gồm khí trơ như N và Ar, khí khử H và khí có hoạt tính như Methane, CO2, hơi nước, ammonia v.v…Một số khí dẫn được tạo thành bằng cách biến một kim loại hay hợp chất thành hơi và một số “khí dẫn” ở dạng dung dịch khí áp suất cao như TiCl4, SiCl4, CH3SiCl3. Các dung dịch khí này được nâng nhiệt đến nhiệt độ trung bình (<600C) và hơi được chuyển đến buồn phản ứng bằng cách cho bọt khí mang hydro hoặc argon đi qua dung dịch (hình 2.1). Các khí phản ứng sau đó được đưa vào các thiết bị xử lý để trung hoà các chất có hoạt tính cao trong khí thải, tách chất rắn, làm nguội khí trước khi thải ra môi trường.
Do nhiệt độ của quá trình CVD cao nên cần phải lựa chọn vật liệu nền cẩn thận. Phần lớn thép đều xảy ra hiện tượng chuyển biến pha rắn ở nhiệt độ này. Sự chuyển đổi pha làm thay đổi cấu trúc và tính chất của thép. Tương tác của bề mặt thép với các khí trong buồng phản ứng có thể tạo nên các pha ở biên giới và làm dòn thép. Hơn nữa, sự khác nhau về hệ số dãn nở nhiệt của thép và lớp phủ sẽ tạo nên ứng suất tiếp tuyến tại biên giới của lớp phủ và nền ở nhiệt độ môi trường làm giảm liên kết giữa lớp phủ với nền, có thể gây ra bong hoặc nứt lớp phủ.
Các vật liệu nền thường dùng là các vật liệu có nhiệt độ nóng chảy cao. Vì nhiệt độ của quá trình CVD lớn hơn 8000C,cao hơn cả nhiệt độ ram cao của thép gió, nên phủ CVD thường dùng phủ cho dụng cụ hợp kim cứng, ceramic và graphite. Các vật liệu này không chịu tương tác của các khí có hoạt tính trong điều kiện nhiệt độ cao. Tuy nhiên, nhiệt độ quá trình có thể hạ thấp hơn bằng cách tăng hoạt tính phản ứng của pha khí. Phản ứng hoá học của pha khí được tăng lên bằng cách tạo ra plasma trong pha khí hoặc chiếu chùm tia lazer vào hỗn hợp khí. Năng lượng nhiệt cần thiết để phân tích hỗn hợp khí được thay bằng năng lượng động lực của electron trong plasma để kích thích các phản ứng hoá học trong pha khí.
CVD cho phép phủ đa lớp (đến 12 lớp) và phủ xen kẽ Nitride, Carbide và Alumina. Dạng phủ này hiện đang được áp dụng phổ biến nhằm tạo nên lớp phủ có cơ tính cao hơn nhờ kết hợp các tính chất cơ lý của từng lớp. Ví dụ: lớp phủ TiC- TiCN-TiN có được khả năng bám tốt với nền của TiC, độ cứng của TiCN, tính trơ hoá học cao và chống dính tốt của TiN.
Ưu điểm nổi bất của CVD là lớp phủ có độ bám dính rất cao với nền, do quá trình phủ diễn ra ở nhiệt độ cao tạo điều kiện cho quá trình khuyếch tán của vật liệu phủ vào nền. Phủ CVD có thể tạo nên lớp phủ có chiều dày đồng đều hơn so với phủ PVD đặc biệt khi phủ các chi tiết có hình dạng phức tạp.
Tuy nhiên trong quá trình phủ CVD trên nền hợp kim cứng, các nguyên tử cacbon và coban di chuyển khỏi lớp bề mặt để phản ứng với khí và các nguyên tố phủ tạo nên một carbide CO6W6C tại biên giới giữa nền và lớp phủ. Điều này làm giảm liên kết của lớp phủ với nền và dễ gây ra mẻ lưỡi cắt. Vì thế, vấn đề điều khiển môi trường của lò phủ là rất quan trọng.
Hơn nữa, hệ số giãn nở nhiệt của lớp phủ thường cao hơn của vật liệu nền nên trong quá trình làm nguội sẽ tạo ra ứng suất kéo trong lớp phủ làm giảm độ dai va đập và độ bền mỏi của dụng cụ.
Các lớp phủ CVD thường dùng là TiC, TiCN, TiC/TiN, TiCN/Al2O3, TiCN/Al2O3/TiN, kim cương.
Bảng 2.1. Tiêu chuẩn lựa chọn cho dụng cụ cắt phủ [25]
|
Tiêu chuẩn |
Vật liệu phủ tối ưu |
|
Ổn định ở nhiệt độ cao Tính trơ hoá học cao Chống mòn mặt trước |
Al2O3 TiN TiC |
|
Chống cào xước
|
Al2O3 TiC TiN |
|
Hệ số ma sát thấp |
TiN TiC Al2O3 |
Ưu điểm của phương pháp CVD:
- Tính bám dính với nền rất tốt.
- Độ dày lớp phủ cho phép cao (5 -12 μm).
- Có thể phủ các chi tiết có hình dạng phức tạp.
- Phủ được với vật liệu phủ là kim cương.
Nhược điểm của phương pháp CVD:
- Hạn chế vật liệu nền do nhiệt độ quá trình cao
- Lớp phủ không được bóng
- Độc hại với môi trường
- Chi phí cao
2.3. Phương pháp phủ bay hơi lý học (PVD)
PVD là quá trình kim loại ở thể hơi được đưa vào buồng chân không để ngưng tụ tạo thành lớp phủ trên nền. Trong quá trình di chuyển, kim loại hóa hơi có thể phản ứng với một số chất khí được đưa vào trên đường đi (nếu có) trong buồng chân không để tạo hợp chất rồi ngưng tụ trên nền tạo thành lớp phủ.
