Bài dịch kỹ thuật chế tạo 2 chương 22

Kỹ thuật chế tạo 2 chương 22 Manufacturing Engineering and Technology Chapter 22 • Tiếp tục khái quát cơ sở của các quá trình gia công ở các chương trước, chương này trình bày về hai thành phần thiết yếu trong tiến trình gia công: Vật liệu dao cắt và dầu cắt gọt kim loại • Chương này mở ra một cuộc thảo luận về các loại vật liệu dùng làm dao cắt gọt và tính chất của chúng, gồm có thép gió, cacbit, gốm, kim cương, nitrit bo lập phương và các dụng cụ có lớp phủ. • Chương này cũng trình bày một số loại dầu cắt gọt kim loại thường được sử dụng: chức năng và ảnh hưởng của chúng tới quá trình gia công. • Mô tả cách sử dụng dầu cắt gọt kim loại và tầm quan trọng của việc sử dụng các loại dầu cắt gọt kim loại thân thiện với môi trường trong gia công khô và gia công gần khô.

 Chương này mở ra một cuộc thảo luận về các loại vật liệudùng làm dao cắt gọt và tính chất của chúng, gồm có thépgió, cacbit, gốm, kim cương, nitrit bo lập phương và cácdụng cụ có lớp phủ.

 Chương này cũng trình bày một số loại dầu cắt gọt kim loạithường được sử dụng: chức năng và ảnh hưởng của chúngtới quá trình gia công

 Mô tả cách sử dụng dầu cắt gọt kim loại và tầm quan trọngcủa việc sử dụng các loại dầu cắt gọt kim loại thân thiệnvới môi trường trong gia công khô và gia công gần khô

Ví dụ

22.1 Hiệu quả của dầu

cắt gọt kim loại với gia

công.

21.1 Giới thiệu

Việc lựa chọn vật liệu làm dao cắt cho một mục đích gia công

cụ thể là một trong những nhân tố quan trọng nhất trong quá trìnhgia công Chương này trình bày các tính chất liên quan và đặc tínhhoạt động của tất cả các loại vật liệu làm dao cắt, như một cẩmnang sơ bộ trong việc hướng dẫn lựa chọn vật liệu làm dao phùhợp Tuy nhiên, vì sự phức tạp vốn có của các loại vật liệu, chủ đềnày không đi sâu vào việc lựa chọn chính xác loại vật liệu cho cácmục đích cụ thể Do đó, các hướng dẫn chung này có thể được ápdụng cho trình độ công nghiệp hiện tại theo nhiều năm Thông tinchi tiết về khuyến nghị cho các vật liệu làm phôi cũng như tiếntrình gia công được bắt đầu trình bày ở chương 23

Như đã trình bày ở chương trước, dụng cụ cắt phải (a) chịu đượcnhiệt độ cao, (b) ứng suất tiếp xúc cao, (c) chạy dọc theo bề mặtphân cách giữa dao và phoi và bề mặt gia công Chính vì vậy, daocắt phải có các tính chất sau:

 Tính cứng nóng: sao cho độ cứng, độ bền và độ chống mài mòn của dao cắtđược tuy trì tại nhiệt độ của quá trình gia công Điều này chứng tỏ rằng daocắt không được trải qua bất kỳ quá trình biến dạng dẻo nào mà phải duy trìđược hình dạng và độ sắc Độ cứng của dao cắt là một hàm số của nhiệt độ,được minh họa trong hình 22.1 Dọc theo các đường đồ thị, ta thấy được độ

1

cứng của các loại thép cacbon suy giảm rất nhanh khi nhiệt độ tăng (do đóchúng không được sử dụng làm dao cắt khi gia công), cũng theo đó, các loạivật liệu ceramic vẫn giữ được độ cứng của chúng khi nhiệt độ tăng lên Thépcacbon đã từng được sử dụng làm dao cắt cho tới khi người ta phát minh rathép tốc độ cao (thép gió) trong những năm đầu thế kỷ 19, từ ngữ “tốc độcao” ở đây mang nghĩa tốc độ gia công được nâng cao hơn, làm cho quá trìnhsản xuất cũng được nâng cao.

 Độ dẻo và độ bền va đập (chống va đập cơ khí) sao cho các lực va đập tácdụng lên dao cắt trong các quá trình gia công gián đoạn (như tiện) hoặc cáclực do rung động không làm mẻ hoặc gãy dao cắt

 Chống sốc nhiệt, chịu được nhiệt độ cao theo chu kỳ trong các quá trình giacông gián đoạn

 Chống mài mòn: tuổi thọ của dao cắt phải chấp nhận được

 Độ bền hóa học và độ trơ hóa học với vật liệu làm phôi: để giảm thiểu cácphản ứng bất lợi, dính ướt, khuếch tán vào nhau làm mài mòn dao cắt

Hình 22.1 Độ cứng của các loại vật liệu của dụng cụ cắt khác nhau theo nhiệt độ (độ

cứng nóng) Khoảng rộng trong mỗi nhóm vật liệu là do các thành phần và phương

phương xứ lí khác nhau có trong nhóm đó

Để đáp ứng những yêu cầu trên, có rất nhiều loại vật liệu để làm dao cắt, với sự đadang các đặc tính cơ khí, vật lí và hóa học được phát triển qua nhiều năm như cho thấy

ở Bảng 22.1 Các tính chất được nêu ở cột đầu tiên của bảng này hưu ích trong trongviệc xác định các đặc tính cần thiết của dao cắt trong từng ứng dụng cụ thể Ví dụ như:

 Độ cứng và độ bền đóng vai trò quan trọng đối với đặc tính cơ khí của phôiđược gia công

2

 Độ bền va đập quan trọng trong các quá trình gia công gián đoạn, ví dụ nhưphay.

 Nhiệt độ nóng chảy của vật liệu làm dao đóng vai trò quan trọng, đặc biệt khi sovới nhiệt độ phát triển trong vùng gia công

 Tính dẫn nhiệt và hiệu suất giãn nỡ vì nhiệt quan trọng trong việc xác địnhnhiệt trở của vật liệu làm dao khi tính toán độ mỏi nhiệt và sốc nhiệt

Một vật liệu làm dao cụ thể có thể không có được tất cả các đặc tính mong muốncho một quá trình gia công cụ thể Điều này có thể dễ dàng quan sát được trong Bảng22.2, bằng cách quan sát hướng ngược lại của các mũi tên ngang dài hiển thị các xuhướng Chú ý, ví dụ, (a) thép gió bền, nhưng có độ cứng nóng giới hạn và (b) gốm cótrở nhiệt và trở mòn cao, nhưng chúng dễ vỡ và dễ tạo phoi Chú ý thêm về giá thànhdung cụ cắt tăng như thế nào từ thép gió đến kim cương

Các đặc tính hoạt động của vật liệu làm dao được trình bày trong Bảng 22.3, đượcliệt kê theo thứ tự mà nó được phát triển và được thực hiện trong công nghiệp Chú ýrằng nhiều trong số những vật liệu này được sử dụng trong đúc áp lực và đúc khuônkim loại và đúc áp lực, quá trình tạo hình vật liệu kim loại và phi kim

1 Thép gió (théo tốc độ cao)

9 Vật liệu gia cố bằng sợi tinh thể và vật liệu nano

Thép cacbon là loại vật liệu lâu đời nhất, và được sử dụng rộng rãi để khoan, taro,chuốt và doa từ những năm 1880 Hợp kim thép thấp và trung bình được phát triển sau

đó với các ứng dụng tương tự, nhưng với tuổi thọ lâu hơn Mặc dù không mắc và dễdàng mài sắc, các loại thép này không có độ cứng nóng và độ kháng mòn cao khi giacông ở tốc độ cao, nơi mà nhiệt độ tăng lên đáng kể Việc sử dụng chúng chỉ giới hạntrong các quá trình có tốc độ cắt rất thấp, đặc biệt là trong các ngành công nghiệp chếbiến gỗ, do đó chúng không có ý nghĩa đặc biệt trong các hoạt động gia công hiện đại.Trong chương này, chúng ta sẽ mô tả những chủ đề sau:

 Các đặc tính, ứng dụng và hạn chế của vật liệu làm dao, bao gồm các đặc tính

và giá thành yêu cầu

 Phạm vi áp dụng các biến quy trình để có hiệu suất tối ưu

 Các loại và đặc tính của dung dịch trơn nguội và các ứng dụng cụ thể trongnhiều hoạt động gia công

3

BẢNG 22.1

Các Đặc Tính Chung Của Vật Liệu Làm Dao

BẢNG 22.2

Các Đặc Tính Chung Của Vật Liệu Làm Dao (Những Vật Liệu Này Có Một Khoảng Rộng Về Thành Phần Và Tính Chất; Các Đặc Tính Chồng Chéo Tồn Tại Trong Nhiều Loại Vật Liệu Làm Dao

Thépgió

Hợp kimcobanđúc

Cacbuakhôngphủ

Cacbua

Bo nitrualập phương

đa tinh thể

Kimcương

Độ cứng nóng ->

Độ dai

< -Độ bền va đập Kháng mòn ->Kháng phoi < -Tốc độ cắt ->Kháng sốc

< -nhiệt Giá thành ->

< -Chiều sâu cắt

Thấp đến cao

Thấp đếncao Thấp đến cao Thấp đến cao Thấp đến

cao

Thấp đến cao Rất thấp với kim

cương đơntinh thể

Phương pháp

Rèn, đúc, thiêu kết

Đúc, thiêu kết

Dập nguội, thiêu kết

CVD hoặc PVD**

Dập nguội,thiêu kết

Thiêu kết

áp suất cao, nhiệt

độ cao

Thiêu kết

áp suất cao, nhiệt

độ caoNguồn: After R Komanduri

* Ép nóng đẳng tĩnh (Hot-isostatic pressing)

** Lắng đọng hơi hóa học (CVD), lắng đọng hơi vật lí (PVD)

BẢNG 22.2

Đặc Tính Hoạt Động Chung Của Vật Liệu Làm Dao

gãy, vùng cắt thô và tinh rộng, tốt cho cắtgián đoạn

Mòn mặt hông, mòn Crater

Độ cứng nóng thấp,

độ thấm tôi có giới hạn, kháng mòn có giới hạn

Cacbua không phủ Độ cứng cao trong

phạm vi rộng về nhiệt độ, độ dai, kháng mòn, linh hoạt, ứng dụng đa dạng

Mòn mặt hông, mòn Crater Không thể dùng ở tốc độ thấp

Cacbua có phủ Cải thiện tính kháng

mòn của cacbua không phủ, đặc tính

Mòn mặt hông, mòn Crater Không thể dùng ở tốc độ thấp

ma sát và nhiệt tốt hơn

độ cao, chống mòn cao

Mẻ dao, phoi bụi, nứt gãy Ứng suất thấp và ứng suất mỏi vì nhiệt

Nguồn: After R Komanduri và các nguồn khác

21.2 Thép gió (thép tốc độ cao)

Dao cắt làm bằng thép tốc độ cao (high-speed steel – HHS) được đặt tên như vậy bởi

vì chúng được phát triển để gia công căt gọt với tốc độ cao hơn trước đây Lần đầu tiênđược sản xuất vào đầu 1990, thép tốc độ cao là hợp kim cao nhất trong số các thép dụng

cụ (Phần 5.7) Chúng có thể đạt được nhiều chiều sâu cắt khác nhau, có độ kháng mòntốt, và tương đối rẻ Nhờ vào tính dẻo dai cũng như kháng gãy, thép tốc độ cao phù hợpđối với (a) dao cắt có góc trước dương, (b) cắt gián đoạn, (c) dụng cụ làm máy có độcứng vững thấp, chịu sự rung động và tiếng rung và (d) các dụng cụ cắt phức tạp như lưỡikhoan, doa, taro và dao cắt bánh răng Giới hạn quan trọng nhất của chúng, do có độcứng nóng thấp hơn, là tốc độ cắt thấp so với các loại dụng cụ cắt cacbua, có thể xemtrong Hình 22.1

Có hai loại cơ bản của thép tốc độ cao: molypden (M-series) và volfram (T-series).M-series chứa khoảng 10% Mo, với Cr, V, W và Co là nguyên tố hợp kim T-series chứa12-18% W, với Cr, V và Co là nguyên tố hợp kim Cacbua hình thành trong thép chiếmkhoảng 10-20% thể tích M-series nói chung có độ kháng mòn cao hơn T-series, chịu sựbiến dạng ít hơn trong quá trình nhiệt luyện (Phần 4.7), và rẻ hơn Do đó, 95% các dụng

cụ cắt thép tốc độ cao được làm theo M-series Bảng 5.6 liệt kê ba trong số các loại thépnày và các đặc tính của chúng

Dụng cụ cắt thép tốc độ cao có sẵn trong gia công áp lực (cán hoặc rèn), đúc, vàluyện kim bột (thiêu kết) Chúng có thể được phủ để cải thiện hiệu suất, như được mô tảtrong Phần 22.5 Chúng cũng có thể được xử lí bề mặt (ví dụ như làm cứng vật liệu để cảithiện độ cứng và kháng mòn; xem Phần 4.10) hoặc xử lí hơi ở nhiệt độ cao để tạo ra mộtlớp oxit đen cứng để cải thiện hiệu suất, bao gồm khuynh hướng bị lẹo dao thấp hơn.Các nguyên tố hợp kim chính trong thép gió là crom, vanadi, vonfram, coban, và

molybden Để thấy rõ vai trò của chúng trong dao cắt, xem bảng 5.2 về ảnh hưởng của các yếu tố khác nhau trong thép và lưu ý những điều sau:

 Crom cải thiện độ bền, khả năng chịu mài mòn, và độ bền nhiệt độ cao

 Vanadi cải thiện tính bền, chống mài mòn, và độ cứng nóng

 Vonfram và coban có những tác động tương tự, như tăng cường độ cứng và độ cứng nóng

 Molypden cải thiện khả năng chịu mài mòn, dẻo dai, và nhiệt độ cao sức mạnh và

độ cứng

22.3 Hợp kim coban đúc

Được giới thiệu vào năm 1915, hợp kim coban đúc có các thành phần sau: 38% 53% Co, 30% - 33% Cr, và 10% -20% W Do có độ cứng cao, điển hình là 58-64 HRC, chịu mài mòn và có thể duy trì được độ cứng ở nhiệt độ cao Chúng không cứng như các loại thép gió và nhạy cảm với lực va chạm; do đó, chúng không thích hợp hơn thép tốc độ cao cho các hoạt động cắt bị gián đoạn Thường được gọi là dao stalit, các hợp kim này được đúc

và mài thành những hình dạng tương đối đơn giản Hiện nay chúng chỉ được sử dụng chocác ứng dụng đặc biệt và có liên quan đến các gia công thô liên tục, với lượng ăn dao và tốc độ cao, bằng gấp đôi tốc độ với thép gió

22.4 Cacbua

Hai nhóm vật liệu cắt vừa mô tả có độ bền, sức chịu va đập và độ bền nhiệt, nhưng chúngcũng có những hạn chế đáng kể, đặc biệt đối với độ bền uốn và độ cứng nóng Do đó, chúng không thể được sử dụng hiệu quả với tốc độ cắt cao, vì thế nhiệt độ cao, có liên quan; đó là tốc độ thường thì cần thiết để cải thiện năng suất nhà máy

Để đáp ứng thách thức cho tốc độ cắt càng cao, cacbua, còn được gọi là thấm cacbua hoặc cacbua được thiêu dính, được giới thiệu vào những năm 1930 Do độ cứng cao trongmột phạm vi nhiệt độ rộng (Hình 22.1), mô đun đàn hồi cao, tính dẫn nhiệt cao và sự giãn

nở nhiệt thấp, cacbua là nằm trong những thứ quan trọng, linh hoạt và hiệu quả nhất cho vật liệu cắt và đe được ứng dụng rộng rãi Hai nhóm cacbua chính được sử dụng cho gia công là cacbua vonfram và cacbua titan Để phân biệt chúng với các dụng cụ có lớp vật liệu phủ được mô tả trong phần 22.5, các dụng cụ cacbua thường được gọi là cacbua không mạ

22.4.1 Cacbua Vonfram

Cacbua vonfram (WC) thường bao gồm các cacbua - vonfram kết dính với nhau trong một hệ coban Các dao cắt này được sản xuất bằng kỹ thuật luyện kim bột, do đó các từ cacbua được thiêu dính hoặc thấm cacbua, như được mô tả trong chương 17 Các hạt cacbua - vonfram lần đầu được kết hợp với coban, kết quả là một vật liệu composite với một hệ coban bao quanh các hạt cacbua Các hạt này, có kích thước từ 1 - 5 μm, sau đó được nén và thiêu kết vào lớp chèn mong muốn (xem hình 22.4.3 và hình 22.2) Các cacbua vonfram thường xuyên kết hợp với cacbua titan và niobium cacbua, tạo ra đặc tính đặc biệt cho vật liệu

Lượng coban hiện diện, dao động từ 6 đến 16%, ảnh hưởng đáng kể đến thuộc tính của các dao cắt cacbua - vonfram Khi hàm lượng coban tăng lên, độ bền, độ cứng và khả năng chịu mài mòn của WC sẽ giảm, trong khi độ dẻo dai tăng, do độ dẻo dai của coban cao hơn Các dao cắt cacbua vonfram thường được sử dụng để cắt các loại thép, đúc gang, và vật liệu không mài mòn, và phần lớn đã thay thế các dao thép gió do hiệu suất tốt hơn.

Hình 22.2 Các loại mảnh cắt với hình dạng và bẻ phoi bao quanh mảnh cắt được thiết kế

sẵn, có thể thấy ở hình 22.3c và 22.4; lỗ ở giữa mảnh cắt là tiêu chuẩn để có thể thay thế

vào cán dao

Cacbua cực tiểu Dụng cụ cắt cũng được chế tạo từ các hạt cacbua nhỏ và cực tiểu

(micrograin) cacbua, bao gồm cacbua vonfram, cacbua titan và cacbua tantali Kích thướchạt thường nằm trong khoảng 0,2 đến 0,8 μm So với các cacbua truyền thống, được mô

tả trước đây, các vật liệu dụng cụ này mạnh mẽ hơn, cứng hơn và chống mài mòn hơn, do

đó cải thiện năng suất Trong một ứng dụng khoan cực tiểu, có đường kính khoảng 100

μm, đang được làm từ cacbua cực tiểu và được sử dụng trong chế tạo các bảng mạch (Phần 28.13)

Than hoạt tính Trong những dụng cụ cắt này, thành phần của cacbua trong mảnh cắt có

một độ chênh lệch thông qua độ sâu bề mặt gần của nó, thay vì được đều như nó ở trong mảnh cắt cacbua phổ biến Độ chênh lệch có phân phối đều các chế phẩm và các pha, với các chức năng tương tự như các tính chất được mô tả như các tính chất mong muốn của chất phủ trên các dụng cụ cắt Các tính chất cơ học được phân loại loại bỏ giới hạn uốn

và thúc đẩy tuổi thọ và hiệu suất của dụng cụ; tuy nhiên, chúng đắt hơn và không phổ biến cho tất cả các ứng dụng

22.4.2 Cacbua titan

Cacbua titan (TiC) bao gồm một hệ niken - molybden Nó có độ mài mòn cao hơn cacbuavonfram nhưng không đủ độ bền Cacbua titan thích hợp cho việc gia công các vật liệu cứng, chủ yếu là thép và gang đúc, và để gia công ở tốc độ cao hơn so với các sản phẩm thích hợp cho cacbua vonfram.

22.4.3 Mảnh cắt

Mặc dù việc cung cấp các hình dạng, hoặc đã được tái phân tích, dao cắt thường được bảo quản trong nhà máy, các hoạt động thay dao có thể mất thời gian và do đó không hiệuquả Nhu cầu một phương pháp hiệu quả hơn đã dẫn đến sự phát triển của các mảnh cắt,

là các công cụ cắt với một số điểm cắt (Hình 22.2) Như vậy, một mảnh cắt vuông có tám điểm cắt, và một mảnh cắt hình tam giác có sáu Các mảnh cắt thường được kẹp trên bộ phận giữ dụng cụ, với các cơ chế khoá khác nhau (Hình 22.3); khi một điểm của mảnh cắt bị mòn, chỉ cần xoay mũi để có một điểm cắt mới có sẵn Ngoài các ví dụ trong hình, còn rất nhiều các bộ dụng cụ khác có sẵn cho các ứng dụng cụ thể, bao gồm các tính năng

có tính năng chèn nhanh và loại bỏ

Hình 22.3 Các phương pháp lắp các mảnh cắt vào bộ cán dao: (a) kẹp chặt và (b) chốt

khóa (c) Ví dụ về các mảnh cắt gắn với khóa chốt không gỉ, được bảo đảm bằng các ốc

vít bên

Hình 22.4 Mối liên hệ giữa độ bền cạnh và khuynh hướng cho phoi của các mảnh cắt với

các hình dạng khác nhau; độ bền của cạnh cắt được chỉ ra bởi các góc bao gồm.Mảnh cắt cacbua có sẵn trong một loạt trong hình, chẳng hạn như vuông, tam giác, kim cương, và tròn Độ bền của cạnh cắt của mảnh cắt phụ thuộc vào hình dạng của nó; góc càng nhỏ càng tốt (xem phần đầu của hình 22.4) Để tăng độ bền cảnh và tránh mẻ, các

cạnh mảnh cắt thường được làm móng, vát cạnh, hoặc được tạo ra bằng vùng âm (Hình 22.5) Hầu hết các mảnh cắt được mài mòn để bán kính khoảng 0.025 mm.

Bẻ phoi bao quanh mảnh cắt (xem hình 21.7 và mục 21.2.1) với mục đích (a) kiểm soát

luồng phoi trong quá trình gia công, (b) loại bỏ phoi dài, (c) làm giảm nhiệt sinh ra, và (d)làm giảm rung động và chấn động Mảnh cắt cacbua được thương mại có sẵn với một loạtcác tính năng bẻ phoi phức tạp, ví dụ điển hình được thể hiện trong hình 22.2 Việc lựa chọn đặc tính bẻ phoi riêng phụ thuộc vào lượng ăn dao và độ sâu cắt, vật liệu phôi, loại phoi được tạo ra trong quá trình cắt và đó là gia công thô hay gia công tinh Hình học của

bộ phận bẻ phoi tối ưu tiếp tục được phát triển bằng thiết kế máy tính và các kỹ thuật phân tích phần tử hữu hạn

Hình 22.5 Chuẩn bị cạnh cắt cho mảnh cắt để nâng cao độ bền của cạnh

Độ bền của máy công cụ (Phần 25.3) rất quan trọng trong việc sử dụng các dụng cụ bằng

cacbua Lượng ăn dao mỏng, tốc độ thấp và chấn động là bất lợi bởi vì chúng có xu hướng làm hỏng cạnh cắt của dao Thí dụ, lượng ăn dao mỏng, các lực tập trung và nhiệt

độ gần các cạnh của dao, làm tăng khuynh hướng cho các mép cắt phoi

22.4.4 Phân loại cacbua

Các loại dao cacbua được phân loại bằng các chữ cái P, M, K, N, S, và H (trong Bảng 22.4 và 22.5) cho một loạt các ứng dụng, bao gồm các cấp C truyền thống được sử dụng

ở Hoa Kỳ Do có nhiều loại cacbua có sẵn và có nhiều ứng dụng gia công và vật liệu phôi, nên việc phân loại ISO tiếp tục là một nhiệm vụ khó khăn

Bảng 22.4

Bảng 22.5

22.5 Vật liệu phủ bề mặt dụng cụ cắt

Như được mô tả trong Phần I, các hợp kim và các vật liệu kỹ thuật mới đang được phát triển liên tục, đặc biệt là từ những năm 1960 Những vật liệu này có độ bền và độ dẻo dai

cao, nhưng thường có tính mài mòn và phản ứng hóa học với vật liệu dụng cụ cắt Khó khăn của việc gia công các vật liệu này một cách hiệu quả và nhu cầu cải thiện hiệu suất của chúng đã dẫn đến sự phát triển quan trọng trong các công cụ tráng So sánh với các vật liệu bằng công cụ, lớp phủ có đặc tính thuận lợi, như:

 Ma sát thấp hơn

 Khả năng chống mài mòn và nứt cao hơn

 Độ cứng và độ bền cao

 Làm rào cản lan truyền giữa công cụ và phoi

Dụng cụ phủ bề mặt có tuổi thọ có thể kéo dài 10 lần so với các dụng cụ không tráng, do

đó cho phép tốc độ cắt cao và giảm cả thời gian cần thiết cho hoạt động gia công và chi phí sản xuất Như hình 22.6, thời gian gia công đã được giảm một cách ổn định bởi một yếu tố hơn 100 kể từ năm 1900 Sự cải thiện này đã có tác động tích cực đến kinh tế của các hoạt động gia công, kết hợp với việc tiếp tục cải tiến trong việc thiết kế và xây dựng các công cụ máy hiện đại và các điều khiển máy tính của họ (xem Chương 25 và Phần IX) Kết quả là, các công cụ được bọc bây giờ được sử dụng trong khoảng 80% tất cả các hoạt động gia công, đặc biệt là quay, phay và khoan

22 5 1 Các vật liệu phủ và các phương pháp phủ

Các vật liệu thường dùng để phủ bề mặt như titanium nitride, titanium carbice (TiC), titanium carbonitride (TiCN), aluminum oxide ( Al2O3) Những lớp vật liệu phủ này, có

bề dày từ khoảng 2 đến 15 µm

về công cụ cắt và chèn bằng hai kỹ thuật chính, được mô tả chi tiết hơn trong Phần 34.6:

1 Sự ngưng tụ hơi hóa học (CVD), bao gồm cả hơi hóa học có trợ giúp bằng plasma

gây sự ngưng tụ

2 Sự ngưng tụ hơi vật lý (PVD)

Quá trình CVD là phương pháp phổ biến nhất được sử dụng cho cacbua công cụ đa lớp

và gốm mạ, cả hai đều được mô tả sau trong phần này Tuy nhiên, các cacbua phủ PVD với lớp phủ TiN có độ bền cao hơn, ma sát thấp hơn, và có khuynh hướng gây nên hiện tượng lẹo dao, và mượt mà hơn và đồng nhất về độ dày (thường ở trong khoảng từ 2 đến

4 um) Một công nghệ khác (được sử dụng đặc biệt cho lớp phủ nhiều lớp) là sự lắng đọng hóa học hơi cao (MTCVD) trung bình, được phát triển để tạo ra sắt dẻo và thép không gỉ và cung cấp khả năng chống lại sự nứt vỡ cao hơn lớp phủ CVD

Lớp phủ các dụng cụ cắt và khuôn nên có những đặc điểm chung sau:

 Độ cứng cao ở nhiệt độ cao, chống lại sự mài mòn

 Tính ổn định và tính trơ của vật liệu phôi, để giảm sự mài mòn

 Độ dẫn nhiệt thấp, để tránh nhiệt độ tăng lên trên bề mặt

 Khả năng tương thích và liên kết tốt với bề mặt, để ngăn ngừa sự bong tróc hoặc

va đập

 Ít ít hoặc không có độ xốp trong lớp phủ, để duy trì tính toàn vẹn và sức mạnh.Hiệu quả của lớp phủ được tăng cường bởi độ cứng, dẻo dai và tính dẫn nhiệt cao của chất nền (có thể là cacbua hoặc thép gió) Mài sắt dụng cụ cắt là một quy trình quan trọng

để duy trì sức bền lớp phủ; nếu không, vỏ bọc có thể lột vỏ hoặc nhão ở các cạnh sắc và góc

Lớp phủ Titanium-nitride Titanium-nitride phủ có hệ số ma sát thấp, độ cứng cao, chịu

được nhiệt độ cao, và bám dính tốt vào bề mặt Do đó, họ cải thiện rất nhiều cuộc sống của các công cụ thép gió, cũng như tuổi thọ của các dụng cụ cacbua, dao khoan và máy cắt Các dụng cụ tráng Titanium-Nitrua (màu vàng) hoạt động tốt ở tốc độ cắt và lượng ăndao cao Độ mòn của cánh tay thấp hơn đáng kể so với các dụng cụ không tráng (Hình 22.7) Và mặt bích có thể được cố định lại sau khi sử dụng, kể từ khi mài công cụ không loại bỏ các lớp phủ trên mặt rake của công cụ Tuy nhiên, các dụng cụ tráng không làm tốt ở tốc độ cắt thấp bởi vì lớp phủ có thể bị mòn bởi sự kết dính của chip Do đó, việc sử dụng chất lỏng cắt thích hợp để làm giảm sự kết dính là rất quan trọng

Lớp phủ Titanium-carbide Các lớp phủ cacbua Titan trên các lớp chèn tungstencarbide

có tính chống ăn mòn cao trong vật liệu mài mòn gia công

Lớp phủ Ceramic Do tính trơ hoá hóa học của chúng, tính dẫn nhiệt thấp, chịu được

nhiệt độ cao, và tính kháng với sườn và mài mòn, gốm sứ là vật liệu phủ phù hợp cho các dụng cụ Lớp phủ gạch phổ biến nhất được sử dụng là nhôm oxit (Al2O3) Tuy nhiên,

vì chúng rất ổn định (không phản ứng hóa học), lớp phủ oxit thường liên kết yếu với bề mặt

Phủ bề mặt nhiều pha Các tính chất mong muốn của lớp phủ chỉ mô tả có thể được kết

hợp và tối ưu hóa với việc sử dụng các lớp phủ nhiều lớp Các công cụ cacbua hiện có sẵn với hai hoặc ba lớp lớp phủ như vậy và đặc biệt hiệu quả trong việc gia công các loại phôi và thép

Ví dụ, người ta có thể đầu tiên TiC đặt trên bề mặt, tiếp theo là AIZO3, và sau đó TiN Lớp đầu tiên nên kết dính tốt với chất nền, lớp ngoài nên chống mài mòn và có tính dẫn nhiệt thấp, và lớp trung gian nên kết dính tốt và tương thích với cả hai lớp

Các ứng dụng tiêu biểu của các công cụ phủ nhiều lớp như sau:

1 Tốc độ cao, cắt liên tục: TiC / A1203

2 Tải trọng nặng, cắt liên tục: TiC / A1203 / TiN

3.Tải trọng nhẹ , cắt gián đoạn: TiC / TiC + TiN / TiN.

Các lớp phủ cũng có sẵn trong các lớp đa lớp xen kẽ Độ dày của các lớp này là theo thứ

tự từ 2 đến 10 / im mỏng hơn so với lớp phủ nhiều lớp thông thường (Hình 22.8) Lý do

sử dụng lớp phủ mỏng hơn là lớp phủ cứng tăng lên cùng với sự giảm kích thước hạt - một hiện tượng tương tự như sự gia tăng cường độ của kim loại với kích thước hạt giảm

Do đó, các lớp mỏng hơn khó hơn lớp dày hơn

Một công cụ cacbua tráng nhiều pha điển hình có thể bao gồm các lớp sau đây, bắt đầu từphía trên, cùng với các chức năng chính của chúng:

1 TiN: ma sát thấp

2 Al2O3: ổn định nhiệt độ cao

3 TiCN: sợi được gia cường với độ cân bằng tốt về khả năng chống mài mòn và hao mòn, đặc biệt là đối với cắt cắt

4 Một bề mặt cacbua mỏng: độ dẻo dai cao

5 Chất nền cacbua dày: cứng và chống biến dạng dẻo ở độ cao nhiệt độ

Phủ kim cương Các tính chất và ứng dụng của kim cương, lớp phủ kim cương, và

cacbon giống như kim cương được mô tả trong Phần 8.7 và 34.13, và việc sử dụng các vật liệu này như các dụng cụ cắt được đưa ra trong Phần 22.9 Kim cương đa tinh thể

Hình 22.8 Lớp phủ đa lớp trên nền chất liệu vonfram cacbua Ba lớp oxit nhôm xen kẽ nhau được tách ra bằng các lớp rất mỏng của nitrit titan Các lớp phủ với 13 lớp phủ đã được tạo ra Độ dày lớp phủ thường ở khoảng từ 2 đến 10 um Nguồn: Được phép của Kennametal Inc.

Phủ kim cương:

Những dặc tính và ứng dụng của kim cương, lớp phủ kim cương, và kim cươngcarbon được trình bày trong Phần 8.7 và 34.13, và việc sử dụng các vật liệu này như dùnglàm dụng cụ cắt được trình bày trong mục 22.9 Kim cương polycrystalline được sử dụngrộng rãi như một lớp phủ cho các dụng cụ cắt, đặc biệt là các phần chèn bằng cacbuavonfram và silicon nitride Phủ kim cương có hiệu quả đặc biệt trong gia công cắt gọt (a)kim loại màu, (b) các vật liệu mài mòn, như hợp kim nhôm có chứa silic, (c) vật liệucomposite kết cấu dưới dạng sợi và và (d) graphite Nó giúp cải thiện tăng10 lần tuổi thọcủa dao so với các dụng các thông thường khác

Các miếng chèn bằng kim cương, có sẵn trên thị trường, với những màng mỏngđặt dựa trên chất nền thông qua kỹ thuật PVD hoặc CVD Độ dày màng phim kim cươngđược giữ bằng cách tăng nhưng tấm kim cương nguyên chất lơn, sau đó cắt laze để tạohình và hàn chèn cacbua Lớp phủ kim cương nano nanocrystal đa lớp cũng đang đượcphát triển, với các lớp liên kết nhau của kim cương cung tạo độ cứng cho lớp phủ Nhưvậy với tất cả lớp phủ, nó là điều kiện cần thiết để phát triển sự kết dính tốt của các màngkim cương tới bề mặt, và để giảm thiểu sự khác biệt trong sự giãn nở nhiệt giữa kimcương và chất nền (xem mục 3.6)

22.5.2 Các vật liệu mạ khác

Những tiến bộ chính đang được thực hiện trong việc cải thiện hơn nữa hiệu suấtcủa lớp phủ lên bê mặt dao Titanium carbonitride (TiCN) và Titanium nhôm nitrit(TiAlN) có hiệu quả cao trong việc cắt thép không gỉ TiCN (bám lại thông qua sự lắngđọng hơi) rất khó khăn và khó khăn hơn TiN, và có thể được sử dụng cho cacbua và cácdụng cụ làm bằng thép tốc độ cao TiAlN phù hợp trongviệc gia công các hợp kim không

gỉ Các lớp phủ dựa trên chromium, như cacbua crom (CrC), phù hợp trong việc gia côngcác kim loại mềm hơn phù hợp cho công cụ cắt, như nhôm, đồng và titan Các vật liệubao phủ khác bao gồm nitrite zirconium (ZrN) và nitride hafni (HfN)

Những phát triển gần đây bao gồm (a) các lớp phủ nanô, như cacbua, boride,nitride, oxide, hoặc một số hỗn hợp khác (xem thêm Phần 8.8) và (b) lớp phủ composite,

sử dụng nhiều loại vật liệu khác nhau

Dao cắt sứ trên nhôm có độ mài mòn rất cao và độ cứng nóng (Hình 22.9) Về mặthóa học, chúng có thể ổn định, bền hơn các loại thép và cacbua tốc độ cao Do đó chúng

ít có khuynh hướng dính lên kim loại trong quá trình gia công, và xu hướng sự dính vậtliệu len dao Kết quả là trong gia công sắt và thép đúc gia công, chất lượng bề mặt thuđược bằng cách sử dụng dao cắt bằng gốm sứ Mặt khác, gốm sứ thường thiếu độ dẻo dai,

và việc sử dụng chúng có thể dẫn đến giảm tuổi thọ dao,

Chèn gốm sứ có sẵn với hình dạng tương tự như chèn của cacbua (Phần 22.4.3).Chúng có hiệu quả trong cắt gọt tốc độ cao, không bị gián đoạn, chẳng hạn như tronghoàn thiện hoặc bán bán thành phẩm giảm sốc nhiệt, việc cắt nên được thực hiện khôhoặc với một lượng lớn dung dịch cắt, được áp dụng với một dòng ổn định (mục 22.12).không thích hợp hoặc ứng dụng không liên của chất lỏng có thể gây sốc nứt dụng cụ cắtbằng gốm

Hình 22.9: Dãy các tính chất cơ học cho các nhóm vật liệu của dụng cụ cắt khác

ổn định về mặt hóa học cao và cản trở sự dính vật liệu trên dao, tính dồn và chi phí caokim là một hạn chế đối với việc sử dụng rộng rãi hơn

22.7 Cubic Boron Nitride

Bên cạnh kim cương, nitơ boron cubic (cBN) là vật liệu tồn tại khó nhất Đượcgiới thiệu vào năm 1962 dưới tên thương mại của Borazon, nitơ boron cubic được tạothành bằng cách kết hợp một lớp boron nitric polycrystalline cubic boron 0.5-1 m vớichất nền cacbua bằng cách thiêu kết dưới áp suất cao và nhiệt độ cao Hơi cacbua có tínhchống va đập, lớp cBN cung cấp độ chịu mài mòn rất cao và độ bền cắt cạnh (Hình22.10)

Hình 22.10: nhứng mẫu chèn Cubic boron nitride, (a) chèn một khốipolycrystalline cubic hoặc lớp kim cương trên cacbua vonfram, (b) chèn vớpolycrystalline boron nitride (hàng trên cùng) và các chèn cBN polycrystalline rắn (hàngdưới cùng).

Sự ổn định nhiệt độ của cBN là một lợi thế đáng kể; nó có thể được sử dụng mộtcách an toàn đến 1200 °C Ngoài ra, ở nhiệt độ cao, cBN m là một hóa chất có tính trơcao với sắt và niken, do đó không bị ăn mòn do sự khuếch tán Sức đề kháng của nó quátrình oxy hóa cao, đặc biệt là thích hợp cho việc gia công sắt cứng và các hợp kim có độbền cao (xem phần cứng, phần 25.6) và cho tốc độ vận hành cắt cao (Mục 25.5)

cBN cũng được sử dụng như một chất mài mòn; Tuy nhiên, bởi vì những dụng cụnày giòn, độ cứng của máy công cụ và vật cố định là quan trọng để tránh rung động vàtiếng ồn Hơn nữa, để tránh bị nứt, chịu nhiệt kém, việc gia công nói chung nên đượcthực hiện khô ráo, đặc biệt là trong các hoạt động cắt bị gián đoạn, chẳng hạn như xayxát

22.8 Gốm sứ gồm silicon và nitrit.

Được phát triển vào những năm 1970, các vật liệu bằng gốm silicon-nitride (SiN)bao gồm silic nitride với các bổ sung khác nhau của ôxit, oxit nitri và titanium cacbua.Những dụng cụ này có độ cứng cao, chịu nhiệt tốt Một ví dụ về vật liệu dựa trên SiN là

sialon, tên sau các nguyên tố trong đó nó bao gồm: silic, nhôm, oxy, và nitơ Sialon đãcao hơn chịu nhiệt độ cao hơn so với silicon nitrit, và được nhắc nhở kết thúc cho giacông dàn sắt và siêu hợp kim niken, với tốc độ cắt trung bình Vì mối quan hệ với chất sắtvới sắt ở nhiệt độ cao, tuy nhiên, SiN dựa trên các công cụ không thích hợp cho gia côngthép.

22.9 Kim cương.

Tất cả các vật liệu đã biết, chất liệu cứng nhất là kim cương, được mô tả trongPhần 8.7 Là một công cụ cắt, nó có các tính chất rất cần thiết như ma sát thấp, mài mòncao, sắc bén và có tuổi thọ cao Dùng kim cương khi cần phải có bề mặt hoàn thiện và độchính xác cao, đặc biệt là khi sử dụng hợp kim màu và vật liệu kim loại không mài mòn,đặc biệt một số hợp kim nhôm silicon

Hình 22.11 Ảnh chụp tế vi của kết cấu kim cương, (a) Kim cương có tổ chức hạt nhỏ

mịn, hạt có kích thước khoảng 2 ; (b) Kim cương có tổ chức hạt trung bình, kích thước khoảng 10 ; (c) Kim cương có tổ chức hạt thô, kích thước khoảng 25 Kích cỡ hạt từ 0,5 đến 30 μm có sẵn trên thị trường

Các dụng cụ kim cương này có cấu tạo gồm các tinh thể tổng hợp rất nhỏ (Hình 22.11), kết hợp với quá trình áp suất cao, nhiệt độ cao, với độ dày khoảng 0.5-1mm và gắn với chất nền cacbua; sản phẩm này tương tự như các dụng cụ cBN (Hình 22.10) Các hạt tinh được dùng khi yêu cầu lưỡi cắt chất lượng cao và độ cứng cao Các hạt thô được ưu tiên

sử dụng khi muốn tăng tính chống mài mòn Các định hướng ngẫu nhiên của tinh thể pha

lê ngăn cản sự phát triển của các vết nứt thông qua cấu trúc, do đó cải thiện độ dẻo dai của nó

Do kim cương có tính giòn nên hình dạng và độ sắc nét của dao rất quan trọng Góc nghiêng thấp thường được sử dụng để tạo ra đường cắt mạnh Đặc biệt chú ý đến sự định hướng tinh thể phù hợp và tốt nhất để có được tuổi thọ dụng cụ tối ưu Sự mài mòn có thể