Ứng dụng của dụng cụ cắt có phủ cứng trong công nghiệp

- 1 - MỞ ĐẦU 1. Tính cấp thiết của đề tài: Kể từ khi đất nước chuyển sang kinh tế thị trường, sản xuất công nghiệp cũng như các công trình xây dựng khác của chúng ta đã ghi nhận có một tốc độ phát triển nhanh. Trên quan điểm vì sự phát triển bền vững kinh tế của đất nước, chúng ta cần phải sử dụng những nguyên vật liệu nhập khẩu và nguyên vật liệu trong nước sản xuất cho phù hợp và thích ứng với các yêu cầu riêng của mình. Bên cạnh đó cần tìm các giải pháp công nghệ xử lý bề mặt để nâng cao tính năng sử dụng của vật liệu. Có rất nhiều biện pháp công nghệ. Một trong những biện pháp hữu hiệu đó là sử dụng công nghệ phun phủ kim loại nhằm để các chi tiết chịu nhiệt cao và chống ăn mòn, mài mòn, phục hồi các chi tiết máy bị mòn. 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. Khởi đầu từ năm 1985, nghiên cứu về lớp phủ cứng trong phòng thí nghiệm bắt đầu được các hãng sản xuất dụng cụ cắt chú ý. Vào đầu những năm 90 các kết quả được triển khai sang các hãng sản xuất thiết bị tạo lớp phủ trong chân không là môi trường lý tưởng để thực hiện các phản ứng và liên kết của lớp phủ mà không bị lẫn tạp chất. - 2 - Các nước công nghiệp như Mỹ, Nhật, Hàn Quốc, Thụy Điển, Nga, cho rằng công nghệ tạo lớp phủ cứng là một trong những công nghệ ưu tiên và hiệu quả kinh tế cao cho nên đầu tư lớn vào công nghệ này. Châu á các nước như Úc, Đài loan, Trung Quốc triển khai công nghệ phủ cứng rất mạnh mẽ. Trong thời gian gần đây, lớp phủ cứng đã được quan tâm nghiên cứu ở một số cơ sở nghiên cứu trong nước như: Đại học Bách khoa Hà Nội, Viện ứng dụng công nghệ (Trung tâm Quang điện tử, Bộ KH và CN), Đại học khoa học tự nhiên (Đại học quốc gia TPHCM)…. Các dụng cụ cắt có lớp phủ cứng có các ưu điểm sau: Giảm hiệu ứng kết dính giữa vật liệu của dụng cụ cắt và vật liệu gia công. Cải thiện khả năng chống mài mòn của dụng cụ cắt nhờ độ cứng cao của lớp phủ. Nâng cao khả năng chống lại quá trình ô xy hóa nhiệt tại bề mặt dụng cụ cắt. Giảm ma sát giữa bề mặt dụng cụ cắt và vật liệu gia công, phoi cắt được thoát dễ dàng hơn giúp giảm tải nhiệt lớn cho lưỡi cắt của dụng cụ. Ứng dụng của dụng cụ cắt có phủ cứng trong công nghiệp: - 3 - Tuổi thọ của mũi khoan tăng lên nhiều lần tùy thuộc và loại vật liệu được gia công: 4 lần đối với thép tăng cứng bề mặt, thép dụng cụ. 5 lần đối với gang đúc. 9 lần đối với thép không rỉ. Tuổi thọ mũi ta rô tăng lên trên 2 lần đối với các vật liệu như thép không rỉ, thép các bon, gang xám, thậm chí tăng lên đến 4 ÷ 5 lần đối với thép kết cấu. Do vậy việc tiến hành nghiên cứu “Nâng cao chất lượng đầu dao cắt bánh răng côn xoắn bằng phương pháp hóa nhiệt luyện, phun phủ bề mặt” là rất cần thiết. 2. Mục đích của đề tài: Xây dựng công nghệ phun phủ bề mặt đầu dao (lưỡi dao) côn xoắn; xác định các thông số ảnh hưởng của đầu dao phay khi cắt bánh răng côn xoắn sau khi đầu dao cắt được hóa nhiệt luyện, phun phủ bề mặt, đến năng suất gia công và chất lượng sản phẩm đảm bảo theo yêu cầu. 3. Đối tượng nghiên cứu của đề tài: - Đầu dao (6’’, 9’’); vật liệu thân dao thép 45; vật liệu lưỡi dao P9, P18. - Vật liệu gia công: Thép CT45 - Công nghệ phun phủ PVD – TiN tại Viện nghiên cứu cơ khí Hà Nội. - Máy: máy phay 525, 528 tại Công ty thiết bị công nghiệp Tùng Linh 4. Phương pháp nghiên cứu của đề tài: - Nghiên cứu lý thuyết kết hợp với thí nghiệm. - Tiến hành thí nghiệm và xử lý số liệu thí nghiệm. - 4 - - Phân tích và đánh giá kết quả. 5. Ý nghĩa của đề tài: - Ý nghĩa khoa học: Về mặt khoa học đề tài phù hợp với xu thế phát triển trong nước và ngoài nước khi dụng cụ cắt dùng phương pháp hóa nhiệt luyện, phun phủ bề mặt. - Ý nghĩa thực tiễn: Ngày nay các dụng cụ cắt sau khi được hóa nhiệt luyện, phun phủ bề mặt đã được sử dụng rộng rãi ở nhiều nước trên thế giới. Vì vậy, đề tài này có ý nghĩa trong thực tiễn trong các nhà máy có các dụng cụ cắt như mũi khoan, dao doa, dao phay - Nâng cao chất lượng các loại bánh răng côn xoắn sử dụng trong ô tô, máy kéo, máy công cụ - 5 - Chương 1:TỔNG QUAN VỀ PHỦ PVD, ĐẶC ĐIỂM 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 vì lớp phủ có những ưu điểm như nâng tính chống mòn, giảm lực cắt và nhiệt cắt trên lưỡi cắt và vì thế ảnh hưởng trực tiếp đến biến dạng và động thái rạn nứt của dao. So với vật liệu không phủ thì nó tăng lên đáng kể tốc độ cắt lẫn tuổi thọ của dụng cụ. Bảng1: Dữ liệu thị trường thế giới về phủ bay hơi cho dụng cụ Loại dụng cụ Tổng giá trị Phủ PVD Phủ VCD Không phủ Dụng cụ thép gió 4 tỷ USD 23% 0% 77% - 6 - Dụng cụ hợp kim cứng 6tỷ USD 10% 60% 30% Dụng cụ tạo hình 8 tỷ USD 3% 5% 92% Tổng số 18 tỷ USD 10% 22% 68% 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 400 0 C ÷ 500 0 C. Với nhiệt độ của quá trình như thế phủ PVD thích hợp cho các dụng cụ thép gió. Do nhiệt độ thấp 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. 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 5µm để tránh sự tạo nên ứng suất dư có cường độ cao trong lớp phủ. 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 5 µm ÷ 10 µm. Chi tiết phủ được đặt và nung - 7 - 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 800 o C ÷ 1050 o C và chu kỳ nung nóng diễn ra vài giờ. 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 Hai 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 - 8 - 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 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 800 o C đến 1050 o C. 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 (400 o C ÷ 500 o C) với độ dày trung bình 2 ÷ 5 µm. 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 - 9 - 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. Cấu tạo dụng cụ cắt có lớp phủ Có thể có một hoặc nhiều lớp phủ trên bề mặt mảnh hợp kim. Loại một lớp phủ được chế tạo đơn giản và rẻ tiền tuy nhiên tuổi thọ của dao thấp do dao chóng mòn hơn và vết nứt (nếu có) dễ lan đến vật liệu nền hơn so với loại nhiều lớp phủ. Loại nhiều lớp phủ thì mỗi lớp phủ có những tính chất và công dụng nhất định. Có thể có 2, 3 hoặc nhiều lớp phủ hơn. Loại này tạo cho dao độ tin cậy cao hơn và khả năng gia công liên tục dài hơn. Một loạt các lớp phủ mỏng bảo vệ vật liệu nền một cách mạnh mẽ hiệu quả, kéo dài tuổi bền của dao. Khi gia công thép thì có thể chọn mảnh hợp kim nhiều lớp phủ với lớp ngoài cùng có ma sát thấp (chẳng hạn bằng TiN), lớp kế tiếp có tính chống mòn do tạo lỗ trống (oxit nhôm), lớp thứ 3 có tác dụng chống mòn do tạo lỗ trống và mòn mặt sau (TiCN), cuối cùng là vật liệu nền. 1.2.1. Vật liệu nền 1.2.2. Vật liệu phủ Vật liệu phủ chính là carbide titanium (TiC), titanium nitride (TiN), oxit nhôm (Al2O3), titanium cacbide nitride (TiCN). Đây là các vật liệu rất cứng, có độ chóng ăn mòn và độ trơ hoá học cao, tạo một rào cản rất tốt giữa dụng cụ và phoi. 1.3. 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 - 10 - - Hồ quang - Phương pháp phát xạ từ lệch KẾT LUẬN Sự ra đời và quá trình phát triển của công nghệ phun phủ dụng cụ cắt kim loại. Phương pháp phủ lý học PVD thực hiện ở nhiệt độ 400 0 C ÷ 500 0 C. Chiều dày lớp phủ thường bị hạn chế dưới 5µm. Phương pháp phủ hóa học CVD thực hiện ở nhiệt độ 800 0 C ÷ 1050 0 C.Với chiều dày từ 5 µm ÷ 10µm. So sánh phủ lý hoc PVD và phủ lý học CVD. Giới thiệu một số vật liệu phủ và tính chất của các vật liệu phủ. [...]... hưởng của mòn dụng cụ đến chất lượng bề mặt gia công Khi bị mòn, dạng và thông số hình học phần cắt của dụng cụ bị thay đổi dẫn đến các hiện tượng vật lý sinh ra trong quá trình cắt thay đổi (như nhiệt cắt, lực cắt ) và ảnh hưởng xấu đến chất lượng bề mặt gia công 2.2 Tuổi bền của dụng cụ cắt 2.2.1 Khái niệm chung về tuổi bền của dụng cụ cắt Tuổi bền của dụng cụ là thời gian làm việc liên tục của dụng cụ. .. bền của dụng cụ là thời gian làm việc liên tục của dụng cụ cho đến khi bị mòn đến độ mòn giới hạn Tuổi bền là nhân tố quan trọng ảnh hưởng lớn đến năng suất và tính kinh tế trong gia công cắt Tuổi bền của dụng cụ phụ thuộc vào chính yêu cầu kỹ thuật của chi tiết gia công 2.3 Cải thiện dụng cụ cắt bánh răng côn xoắn bằng lớp phủ bề mặt Bằng cách tạo lớp phủ cứng lên bề mặt dụng cụ làm cho dụng cụ cắt. .. nhược điểm của phương pháp thấm Nitơ Các tính chất của thấm Nitơ và ứng dụng của thấm Nitơ Một số hình ảnh về công nghệ thấm Nitơ Kết quả thực nghiệm về thấm Nitơ: Với chiều dày từ 0,06 ÷ 0,07 mm và độ cứng của dụng cụ cắt được tăng lên được thể hiện ở bảng đo độ cứng thô đại Phương pháp phủ PVD – TiN Quy trình công nghệ chế tạo lớp phủ TiN trên dụng cụ cắt Một số hình ảnh dụng cụ cắt được phủ PVD –... đoạn cuối Trong hầu hết các quá trình cắt kim loại, khả năng cắt của dụng cụ sẽ giảm dần đến một lúc nào đó dụng cụ sẽ không tiếp tục cắt được do mòn hoặc hỏng hoàn toàn Mòn dụng cụ là chỉ tiêu đánh giá khả năng làm việc của dụng cụ bởi vì nó hạn chế tuổi bền của dụng cụ Mòn dụng cụ ảnh hưởng trực tiếp đến độ chính xác gia công, chất lượng bề mặt và toàn bộ khía cạnh kinh tế của quá trình gia công Sự... cắt bằng daolưỡi không phủ với tốc độ cắt 25 m/ph KẾT LUẬN Qua thực nghiệm cho thấy dụng cụ cắt phủ TiN có các ưu điểm so với dụng cụ cắt chưa phủ như sau: - Chất lượng lưỡi dao sau khi thấm ni tơ và phủ TiN tốt hơn thể hiện qua bảng đo độ cứng tế vi - Vận tốc cắt tăng lên 4 lần, tuổi thọ tăng lên 3 lần - Quá trình thoát nhiệt nhanh trên bề mặt dụng cụ cắt nên tránh được hiện tượng lẹo dao - Phoi cắt. .. phát từ cơ sở lý thuyết về ứng suất, biến dạng và quá trình nhiệt trong khi cắt các tác giả đã đưa ra cơ chế mài mòn của dụng cụ cắt không có lớp phủ - Kết quả thực nghiệm về thấm Nitơ với chiều dày từ 0,06 ÷ 0,07 mm, phủ PVD – TiN: Lớp phủ có chiều dày (2 ÷ 2,2) µm có các ưu điểm so với dụng cụ cắt chưa phủ như sau: Chất lượng lưỡi dao tốt hơn qua bảng đo độ cứng, vận tốc cắt tăng lên 4 lần, tuổi thọ... với vật liệu nền là rất quan trọng Với dụng cụ cắt kim loại, thép gió thường được dùng làm vật liệu nền cho các lớp phủ mỏng nitrit chế tạo bằng phương pháp vật lý - 15 KẾT LUẬN Xuất phát từ cơ sở lý thuyết về ứng suất, biến dạng và quá trình nhiệt trong khi cắt các tác giả đã đưa ra cơ chế mài mòn của dụng cụ cắt không có lớp phủ Đối với các dụng cụ cắt có phủ, một cơ chế mòn phức tạp bao gồm mòn... cho sản phẩm Độ cứng của lớp thấm Nitơ thường cao hơn độ cứng của lớp thấm cacbon và có thể giữ đến nhiệt độ 4000C ÷ 5000C, trong khi ấy độ cứng cao của lớp thấm cacbon chỉ giữ được đến 2000C ÷ 2250C Thấm nitơ dùng cho các bánh răng, xilanh của động cơ lớn, khuôn dập và dụng cụ cắt gọt 3.1.2 Lý thuyết về Nitơ hoá, tổ chức và tính chất của lớp thấm Nitơ 3.1.3 Thép dùng để thấm nitơ 3.1.4 Công nghệ thấm... Hình ảnh của 2 lưỡi dao phay bánh răng côn xoắn khi chưa cắt đối với lưỡi cắt ngoài - 27 - 2 lưỡi dao phay bánh răng côn xoắn khi chưa cắt đối với Lưỡi dao cắt xong bánh răng và Lưỡi dao khi chưa cắt bánh răng lưỡi cắt ngoài 2 lưỡi dao phay bánh răng côn 2 lưỡi cắt trong khi cắt xong 1 xoắn khi chưa cắt đối với lưỡi cắt bánh răng trong - 28 - Bánh cắt bằng lưỡi dao phủ PVD-TiN cắt với tốc độ cắt 105... chế tạo lớp phủ TiN trên dụng cụ cắt Một số hình ảnh dụng cụ cắt được phủ PVD – TiN Kết quả thực nghiệm về phủ PVD – TiN: Lớp phủ có chiều dày (2 ÷ 2,2) µm và độ cứng của dụng cụ cắt được tăng lên thể hiện ở bảng đo độ cứng tế vi Chương 4: SO SÁNH TUỔI BỀN CỦA DAO CHƯA PHỦ VÀ DAO CÓ PHỦ TiN KHI CẮT BÁNH RĂNG CÔN XOẮN 4.1 Mục đích thực nghiệm 4.2 Chọn phôi - 25 CÁC SỐ LIỆU BAN ĐẦU 1 Số răng bánh chủ . mặt dụng cụ cắt. Giảm ma sát giữa bề mặt dụng cụ cắt và vật liệu gia công, phoi cắt được thoát dễ dàng hơn giúp giảm tải nhiệt lớn cho lưỡi cắt của dụng cụ. Ứng dụng của dụng cụ cắt có phủ cứng. 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. thế giới về phủ bay hơi cho dụng cụ Loại dụng cụ Tổng giá trị Phủ PVD Phủ VCD Không phủ Dụng cụ thép gió 4 tỷ USD 23% 0% 77% - 6 - Dụng cụ hợp kim cứng 6tỷ USD 10% 60% 30% Dụng cụ tạo hình 8