CHƯƠNG I TỔNG QUAN VỀ TÍNH GIA CÔNG CỦA VẬT LIỆU
2.2. QUAN HỆ GIỮA TÍNH GIA CÔNG VẬT LIỆU VÀ CÁC NHÂN TỐ ẢNH HƯỞNG
Sự phát triển của vật liệu dụng cụ cắt mới và vật liệu phôi mới, cùng với các loại kết cấu bẻ phoi khác nhau, đã đƣợc hoàn thiện ở một mức độ nào đó. Trong việc đo tính gia công của một vật liệu, cần phải xem xét các nhân tố ảnh hưởng như: Thành phần hoá học của vật liệu, điều kiện cắt, vật liệu làm dao, phương pháp tạo phôi...
Tính gia công cũng phụ thuộc vào nhiều biến của quá trình gia công. Do đó, vì sự khác nhau của các tiêu chí đánh giá tính gia công và nhiều biến ảnh hưởng trong quá trình gia công, cấp độ đánh giá tính gia công hoặc quá trình ngoại suy cần đƣợc xem xét cẩn thận.
2.2.1. Ảnh hưởng của thành phần hóa học vật liệu đến tính gia công:
Khi xem xét ảnh hưởng của thành phần hoá học vật liệu gia công có nghĩa là đi xem xét ảnh hưởng của thành phần hoá học tới độ bền và độ cứng của vật liệu gia công. Nhận thấy rằng nếu vật liệu gia công mà có độ cứng, độ bền càng cao thì tính gia công lại càng giảm, vì vậy việc ảnh hưởng của thành phần hoá học của vật liệu gia công đến tính gia công là rất lớn, ví dụ: ta đi xem xét thành phần hoá học của thép cacbon và thép hợp kim.
+ Thép cacbon: thành phần hoá học thông thường ngoài Fe ra còn có các thành phần đƣợc giới hạn nhƣ sau:
C<2%, Mn<0,5-0,8% , Si<0,3-0,6%, P<0,05-0,06%, S<0,05-0,06%.
Cacbon là nguyên tố quan trọng nhất, nó quyết định chủ yếu đến tổ chức và tính chất của thép cacbon (và cả thép hợp kim, gang)
Hình 1.4. Ảnh hưởng của cacbon đến cơ tính của thép cacbon ở trạng thái ủ
Cơ tính của thép cacbon phụ thuộc vào lƣợng chứa C trong nó (h.1-4). Ta thấy khi thành phần C tăng lên thì độ bền và độ cứng tăng, còn độ dẻo và độ dai lại giảm (riêng độ bền chỉ tăng và đạt cực đại khi thành phần C khoảng 0,8-1,0%, vƣợt quá giới hạn này độ bền lại giảm).
Về mặt định lƣợng, nếu tăng 0,1%C làm cho độ cứng tăng thêm khoảng 20-25HB, giới hạn bền (σb) tăng thêm khoảng 60-80MPa, độ giãn dài (δ) giảm đi khoảng 2-4%, độ thắt tỷ đối (Ψ) giảm đi khoảng 1-5%, độ dai va đập (ak) giảm khoảng Kj/m²...Mn, Si ta đã biết đó là những tạp chất có lợi được cho vào thép để khử oxy và lưu huỳnh nhằm nâng cao độ bền và độ cứng, làm tăng cơ tính của thép. Lƣợng Mn trong thép cacbon thường ≤ 0,8% và Si ≤ 0,6%.
P, S có mặt trong thép từ quặng hay than, nói chung chúng là các tạp chất có hại thường làm cho thép bị giòn, vì vậy cần phải hạn chế chúng dưới mức cho phép, đối với thép cacbon thông thường lượng P < 0,06%, S < 0,06%. Tuy nhiên đối với thép dễ cắt, để nâng cao khả năng gẫy phoi thì lƣợng P có thể cao từ 0,08-0,15%; lƣợng S có thể tới 0,08-0,3%.
+ Thép hợp kim: là loại thép mà ngoài Fe, C và các tạp chất người ta còn đưa vào các nguyên tố đặc biệt với một lƣợng nhất định để thay đổi tổ chức và tính chất của thép:
Mn: 0,8-1,0%; Si: 0,5-0,8%; Cr: 0,2-0,8%; Ni: 0,2-0,6%; W: 0,1-0,6%; Mo: 0,05- 0,2%; Ti, V, Nb, Zr, Cu > 0,1%; B > 0,002%.
Rõ ràng việc đƣa các nguyên tố này vào sẽ làm cho cơ tính, tính chịu nhiệt (tính cứng nóng và tính bền nóng), các tính chất vật lý và hoá học (thép không gỉ, thép có tính giãn nở và đàn hồi...) cao hơn hẳn thép các bon.
Ví dụ, đƣa nguyên tố Ni thì tác dụng chủ yếu là tăng độ bền và độ dai va đập. Thép chứa trên 5%Ni giữ đƣợc độ dai thấp ngay cả ở nhiệt độ rất thấp, thép có 9%Ni đƣợc dùng để chế tạo các bình chứa trong các hệ thống làm lạnh. Ni còn có tác dụng giữ hạt nhỏ cho thép thấm cac bon.
Nói chung, vật liệu càng cứng càng khó gia công. Tuy nhiên tính gia công bị ảnh hưởng trực tiếp nhiều hơn bởi cấu trúc tế vi hơn là độ cứng. Tính gia công của nhiều loại hợp kim có thể đƣợc cải thiện nếu cấu trúc tế vi có dạng hai pha, trong đó có một pha giòn hoặc dễ cắt phân bố đều trên toàn bộ ma trận dẻo thứ hai.
2.2.2. Ảnh hưởng của phương pháp tạo phôi đến tính gia công:
Trong nghành chế tạo máy có rất nhiều phương pháp tạo phôi khác nhau như công nghệ chế tạo phôi đúc, công nghệ chế tạo phôi bằng gia công áp lực (rèn, dập, cán, kéo) mỗi một phương pháp đều có những đặc điểm riêng, nhìn chung những phương pháp tạo
phôi đều làm thay đổi cơ lý tính của vật liệu nguyên thuỷ thông thường, độ cứng vật liệu tăng, nói chung nó làm giảm tính gia công.
+ Đúc: là phương pháp chế tạo phôi bằng cách nấu chảy kim loại, rót kim loại lỏng vào lòng khuôn đúc có hình dáng kích thước của vật đúc (vật đúc có thể dùng ngay hay phải qua gia công cơ khí). Mỗi loại hợp kim có khả năng tạo ra chất lƣợng vật đúc khác nhau, tính đúc của hợp kim quyết định đến chất lượng của nó, để đánh giá người ta dùng các tiêu chuẩn sau:
Tính chảy loãng: là khả năng điền đầy kim loại lỏng vào khuôn với mức độ dễ hay khó.
Độ co ngót: là sự giảm kích thước, giảm thể tích vật đúc khi đông đặc.
Tính thiên tích: là sự không đồng đều thành phần hoá học trong vật đúc khi hợp kim đúc kết tinh. Thiên tích về thành phần hoá học dẫn đến sự phân bố không đều về tổ chức, về trọng lượng, nó sẽ ảnh hưởng đến cơ tính vật đúc.
Tính hoà tan khí: là sự xâm nhập của các chất khí trong môi trường vào hợp kim đúc trong khi nấu, rót và kết tinh.
Tuy nhiên, ngay cả trong công nghệ chế tạo phôi đúc thì phương pháp gia công khác nhau cũng ảnh hưởng nhiều đến tính gia công. Ví dụ như một vật liệu được chế tạo bằng đúc áp lực dễ gia công hơn vật liệu cùng loại khi đƣợc đúc trong khuôn cát, vì phương pháp đúc áp lực tạo ra các hạt silic rất mịn, trong khi phương pháp đúc trong khuôn cát có các hạt loại này lớn hơn và phân bố kém đều hơn.
+ Gia công kim loại bằng áp lực nhƣ cán, kéo, ép, rèn, dập là dựa vào tính dẻo của kim loại, dùng ngoại lực của thiết bị làm cho kim loại bị biến dạng theo yêu cầu. Tuy nhiên gia công kim loại bằng áp lực không những chỉ thay đổi hình dạng của phôi mà còn ảnh hưởng ngay cả đến tính chất và tổ chức của kim loại được gia công.
Ví dụ như gia công nguội thường làm kim loại bị biến cứng bề mặt, mặt khác sau khi gia công nguội thì kim loại sẽ giảm tính dẻo, còn độ bền và độ cứng tăng lên.
Để tăng tính gia công, biện pháp thông thường là ủ các phôi (ủ làm mất biến cứng khi gia công nguội) sau khi đã qua các phương pháp chế tạo phôi.
2.2.3. Ảnh hưởng của phương pháp gia công nhiệt đến tính gia công:
Bảng 1.1. Chế độ gia công nhiệt thép kết cấu trước gia công cắt gọt:
Mác vật liệu
Chế độ gia công nhiệt Độ cứng HB . MH/m2
Thép 50 ủ 10000K 1970 2270
50 ủ 10000K 1970 2270
40 XH ủ 11200K 1560 2070
40X ủ 11700K 1560 2070
35X C ủ 11700K 1970 2550
35XMA ủ 11700K 1630 2070
15 Thường hoá 12200K 1430
20X Thường hoá 11900K 1430 1970
20X Thường hoá 11900K 1560 2070
40 Thương hóa 11700 12200K 1370 1970
20X Thường hóa 11400K 1430 1970
18XHMA Thương hóa 11200 11300K 1560 2070 18XHBA Thường hóa 11200K. Ram 9200K 1970 2090 12XH3 Thường hóa 11700K. Ram 9200K 1560 2290 20XHM Thường hóa 11700K. Ram 9200K 1560 2070 18X M Thường hóa 11700K. Ram 8500K 1560 2070 10XHM Thường hóa 11300K. Ram 9200K 1970 2690
Các phương pháp gia công nhiệt gồm: ủ, tôi, ram, các phương pháp gia công nhiệt đều làm thay đổi cơ lý tính của vật liệu gia công. ảnh hưởng của phương pháp gia công nhiệt đƣợc xét qua hai khía cạnh:
Khi cắt bằng dụng cụ có lưỡi: tiện, phay, bào... người ta sử dụng phương pháp ủ để giảm độ cứng của vật liệu làm cho tính gia công tăng.
Khi mài: tôi và ram làm tăng độ cứng của vật liệu dẫn đến tính gia công của mài đƣợc tốt hơn.
Dùng tác động nhiệt làm giảm giới hạn bền, độ cứng và làm thay đổi tổ chức vật liệu thuận lợi cho gia công bằng cắt gọt (ủ, ram, thường hoá). Các phương pháp này được áp dụng rộng rãi mang lại hiệu quả to lớn.
2.2.4. Ảnh hưởng của vật liệu làm dao đến tính gia công:
Dụng cụ cắt gồm hai phần: phần cắt và phần thân dao. Phần cắt có nhiệm vụ ăn sâu vào vật liệu được cắt (thường kim loại có độ cứng, sức bền cao) có tác dụng như một lưỡi dao, do đó phải đƣợc làm từ một loại vật liệu riêng biệt có những tính năng cần thiết để đảm bảo cắt đƣợc và giữ đƣợc khả năng trong một thời gian dài (độ cứng, độ chịu mòn...). Người ta gọi đó là vật liệu làm dụng cụ cắt hay là vật liệu làm phần cắt của dụng cụ, đặc tính phần cắt của dụng cụ có ảnh hưởng lớn đến năng suất gia công và chất lượng bề mặt chi tiết.
Ảnh hưởng của vật liệu dụng cụ cắt đến tính gia công được xét thông qua quan hệ giữa cơ lý tính của vật liệu gia công và tính cắt của vật liêụ làm dao. Tính cắt của vật liệu làm dao phải đảm bảo các yêu cầu sau:
Độ cứng: để gia công đƣợc vật liệu thì dụng cụ cắt phải có độ cứng cao hơn vật liệu gia công. Thông thường khi gia công vật liệu có độ cứng khoảng 200-220HB thì vật liệu phần cắt dụng cụ phải có độ cứng lớn hơn 60HRC.
Độ bền cơ học: trong quá trình gia công phần cắt 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 gẫy, vỡ.
Vật liệu dụng cụ có sức bền cơ học càng cao thì tính năng sử dụng của chúng càng tốt.
Tính chịu nhiệt: trong quá trình cắt, nhiệt cắt rất lớn. Phần cắt dụng cụ ngoài chịu tải trọng cơ học lớn còn chịu tải trọng nhiệt cao. Tính chịu nhiệt của vật liệu dụng cụ là khả năng giữ đƣợc đặc tính cắt (độ cứng, sức bền cơ học...) ở nhiệt độ cao trong thời gian dài, do vậy tính chịu nhiệt là một trong những đặc tính quan trọng nhất của vật liệu dụng cụ.
Tính chịu mòn: Thông thường vật liệu càng cứng thì tính chống mòn càng cao.
Tuy nhiên ở điều kiện nhiệt độ cao khi cắt (700-800°c) thì hiện tƣợng mòn cơ học không còn là chủ yếu nữa, mà sự mài mòn chính là do hiện tƣợng chảy dính.
Ngoài ra do việc giảm độ cứng ở phần cắt do nhiệt độ cao khiến cho hiện tƣợng mòn xẩy ra khốc liệt.
Tính công nghệ: tính công nghệ của vật liệu làm dụng cụ cắt đƣợc đặc trƣng bởi tính khó hay dễ trong quá trình gia công để tạo hình dụng cụ cắt (dễ rèn, cán, dễ tạo hình bằng cắt gọt, có tính thấm tôi, dễ nhiệt luyện...). Ngoài các yêu cầu chủ yếu trên, vật liệu làm phần cắt dụng cụ phải có tính dẫn điện tốt, độ dai chống va đập cao và giá thành rẻ.
Để đánh giá một vật liệu dụng cụ cắt trong một quá trình gia công tính ứng dụng phụ thuộc vào sự kết hợp đúng đắn các thuộc tính vật lý, các thuộc tính phôi và các quá trình gia công phụ thuộc nhiều vào việc lựa chọn một vật liệu dụng cụ cắt. Ngoài ra, ta thấy hệ số ma sát cũng có ảnh hưởng không tốt tới tính gia công, hệ số ma sát càng lớn sẽ dẫn tới dao bị mòn nhanh, nhiệt phát sinh trong vùng cắt lớn ...
KL: ảnh hưởng của vật liệu làm dao đến tính gia công rất lớn, vật liệu làm dao thay đổi cũng làm thay đổi tính gia công khi gia công vật liệu.
Ví dụ: khi sử dụng thép gió và HKC cắt các loại thép khác nhau thì tính gia công của các vật liệu cắt bằng HKC cao hơn nhiều so với thép gió.
2.2.5. Ảnh hưởng của điều kiện cắt vật liệu đến tính gia công:
Điều kiện cắt có ảnh hưởng quyết định đến tính gia công vật liệu, nó bao gồm các nhân tố ảnh hưởng như vật liệu dụng cụ cắt, vật liệu phôi, thông số hình học dụng cụ cắt, chế độ gia công, dung dịch trơn nguội, độ cứng vững của máy... ở đây, ta đi nghiên cứu một số yếu tố ảnh hưởng chủ yếu:
Trạng thái bề mặt phôi: có những ảnh hưởng nhất định đến tính gia công. Trạng thái bề mặt phôi phụ thuộc vào phương pháp gia công chế tạo phôi (phôi đúc, phôi rèn, phôi cán...), hay những tính chất cơ lý của kim loại vật liệu phôi (giới hạn bền khi kéo - nén với thép; độ cứng HB với gang càng lớn thì yêu cầu lực cắt càng lớn). Vì vậy, việc chọn phôi hợp lý chẳng những đảm bảo tốt những tính năng kỹ thuật mà còn có ảnh hưởng tốt đến đến năng suất và giá thành sản phẩm.
Độ cứng vững của hệ thống công nghệ: Nhƣ đã biết, rung động của hệ thống công nghệ trong quá trình cắt làm giảm chất lƣợng bề mặt gia công, tăng độ mòn của dụng cụ cắt và máy, có thể dẫn đến sự phá huỷ các liên kết trong máy và đồ gá, làm giảm năng suất gia công. Các yếu tố ảnh hưởng đến rung động như chế độ cắt, thông số hình học của dao, vật liệu gia công. Vì vậy, để giảm ảnh hưởng của rung động thì ngoài lựa chọn chế độ cắt hợp lý, sử dụng các dụng cụ giảm rung, sử dụng rung dịch trơn nguội thì việc tăng độ cứng vững của hệ thống công nghệ là một yếu tố rất quan trọng.
Làm nguội và bôi trơn: Trong quá trình gia công, dung dịch trơn nguội có một vai trò rất lớn, nó ảnh hưởng trực tiếp đến chất lượng sản phẩm và năng suất. Dung dịch trơn nguội không chỉ hạ thấp nhiệt độ phát sinh trong quá trình cắt mà còn giảm ma sát, bảo đảm quá trình tạo phoi dễ dàng hơn do đó giảm lực cắt.
Trạng thái dao: Khi xem xét sự ảnh hưởng của dao cụ tới điều kiện cắt có nghĩa là
đi xem xét ảnh hưởng của: vật liệu làm dao (đã nghiên cứu ở trên),
chế độ cắt, các thông số hình học. Rõ ràng nhận thấy các thay đổi về bước tiến dao và chiều sâu cắt có thể tạo ra các tác động tương tự trong tính gia công các vật liệu, phụ thuộc vào quan hệ giữa vật liệu dụng cụ cắt và vật liệu phôi (lý do là nhiệt bổ xung bởi quá trình cắt tăng dẫn tới hiện tƣợng mòn dao). Hay các thông số hình học của dao nó cũng có ảnh hưởng mạnh đến kết quả đánh giá tính gia công, các thông số hình học bao gồm góc trước dương hay âm, kết cấu bẻ phoi phẳng hay dạng rãnh, lưỡi cắt có bán kính hay được vát, mặt trước được đánh bóng hay không...
Ảnh hưởng của điều kiện cắt đến tính gia công thông qua các tiêu chí trên đây là những yếu tố ảnh hưởng chủ yếu.