Ảnh hưởng của rung động hệ thống công nghệ

4. Đối tượng và phương pháp nghiên cứu

1.5.6. Ảnh hưởng của rung động hệ thống công nghệ

Quá trình rung động trong hệ thống công nghệ tạo ra chuyển động tương đối có chu kỳ giữa dụng cụ cắt và chi tiết gia công dẫn đến làm thay đổi điều kiện ma sát, gây nên độ sóng và nhấp nhô tế vi trên chi tiết gia công. Sai lệch của các bộ phận máy làm cho chuyển động của máy không ổn định, hệ thống công nghệ sẽ có dao động cưỡng bức. Điều này có nghĩa là các bộ phận máy làm việc sẽ có rung động với những tần số khác nhau gây ra sóng dọc và sóng ngang trên bề mặt gia công với bước sóng khác nhau.

Tình trạng của máy có ảnh hưởng lớn đến độ nhám bề mặt gia công. Do vậy muốn đạt được độ nhám bề mặt gia công thấp cần trước hết phải đảm bảo độ cứng vững cần thiết của hệ thống công nghệ [4], [1].

Trường ĐHKTCN Thái Nguyên Hoàng Văn Vinh

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn

1.6. Kết luận chƣơng 1

Quá trình cắt trong tiện là tổng hợp của nhiều yếu tố công nghệ, nhiều nguyên nhân tác động đến quá trình cắt như lực cắt, nhiệt cắt, cơ tính vật liệu… dẫn đến dụng cụ cắt mòn nhanh ảnh hưởng đến chất lượng, năng suất và giá thành sản phẩm.

Trong quá trình phát triển dụng cụ cắt, dựa trên các yếu tố ảnh hưởng các nhà chế tạo tìm ra biện pháp khắc phục, nhiều loại dụng cụ được cải tiến về cơ lý tính, thông số hình học… phù hợp cho nhiều điều kiện làm việc khác nhau đã ra đời làm tăng tuổi bền dụng cụ đồng thời chất lượng, năng suất, gia thành ngày một tối ưu hơn.

Trường ĐHKTCN Thái Nguyên Hoàng Văn Vinh

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn

Chương 2

TỔNG QUAN VỀ DAO PHUN PHỦ

2.1. Khái niệm về phun phủ

2.1.1. Phủ bay hơi hoá học CVD (Chemical Vapour Deposition) - Phủ bay hơi lý học PVD (Physical Vapour Deposition)

Trong lĩnh vực gia công cơ khí, nhu cầu tăng năng suất, tăng độ chính xác và nâng cao chất lượng bề mặt gia công càng ngày tăng. Nhiều biện pháp đã và đang được thực hiện mạnh mẽ nhằm đáp ứng nhu cầu này. Một trong những đối tượng được nghiên cứu để giải quyết nhu cầu này của dụng cụ cắt. Cuối thập niên 60, các nhà chế tạo dụng cụ cắt đã giới thiệu dao carbide thiêu kết với một lớp phủ rất mỏng cacbua. Lớp cacbua titanium với độ dày rất bé (2-15 micromet) nhưng nó làm thay đổi đặc tính của dụng cụ cắt. Lớp phủ trước hết 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.

Bảng 2-1: Dữ liệu thị trường thế giới về phủ bay hơi cho dụng cụ trong lĩnh vực tạo hình và cắt vật liệu.

Loại dụng cụ Tổng giá trị Phủ PVD Phủ CVD Không phủ

Dụng cụ thép gió 4 tỷ USD 23% 0% 77%

Dụng cụ hợp kim cứng 6 tỷ USD 10% 60% 30%

Dụng cụ tạo hình 8 tỷ USD 3% 5% 92%

Tổng số 18 tỷ USD 10% 22% 68%

* 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 400o

C - 500oC. Với nhiệt độ của quá trình như thế phủ PVD thích hợp cho các dụng cụ thép gió. Do nhiệt độ tháp các nguyên tử khí và kim loại khi bay hơi phải được ion hoá và kéo về bề mặt cần

Trường ĐHKTCN Thái Nguyên Hoàng Văn Vinh

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn

phủ nhờ một điện thế âm đặt vào đó. Quá trình bắn phá bề mặt phủ bằng các ion của khí trơ được thực hiện trước khi phủ để làm tăng độ dính kết của vật liệu phủ với nền.

Hình 2.1: Cấu trúc lớp phủ

Hình 2.2: Bột phủ PVD

Theo nguyên tắc bay hơi, phủ PVD có 4 dạng cơ bản: - Sử dụng dòng điện tử có điện thế thấp.

Trường ĐHKTCN Thái Nguyên Hoàng Văn Vinh

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn

- Dòng điện tử có điện thế cao. - Hồ quang.

- Phát xạ từ lệch.

Vật liệu phủ thông dụng hiện nay cho PVD là TiN, TiCN, TiAlN và CrN. Ứng suất dư trong lớp phủ là ứng suất dư nén. Chiều dày lớp phủ thường bị hạn chế dưới 5µm để tránh sự tạo nên ứng suất dư có cường độ cao trong lớp phủ.

Từ khi công nghệ phủ ngoài PVD - TiN lần đầu tiên được giới thiệu vào đầu những năm 1980, phủ PVD đã trở thành một tiêu chuẩn công nghiệp. Hơn 30 năm qua, phủ PVD đã mở rộng bao gồm: TiN, TiCN, TiAlN, CrN… Đối với hầu hết các ứng dụng gia công khuôn đúc, phủ PVD - TiAlN đã được sử dụng rộng rãi nhất cho các công cụ cắt.

Bảng 2-2: Các dạng phủ PVD

Gần đây, phủ PVD đã mở rộng thành phủ ngoài nhiều lớp, phủ ngoài hybrid được phân loại như phủ ngoài ma sát thấp. Những công nghệ phủ này cung cấp một giải pháp gia công không thể thay thế được trong những vật liệu đòi hỏi tốc độ cắt thấp và độ mài mòn cao. Phủ PVD là thành phần quan trọng của gia công tốc độ cao vì khi tốc độ cắt tăng lên, lượng nhiệt sinh ra trong quá trình gia công sẽ tăng lên nhiều.

Quản lý hiệu quả sự tăng nhiệt này sẽ tạo ra sự hoàn thiện bề mặt tốt hơn, hình học chi tiết chính xác hơn và quan trọng hơn cả là sự tăng năng suất

Trường ĐHKTCN Thái Nguyên Hoàng Văn Vinh

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn

thông qua sự tăng tuổi thọ công cụ. Điều này có thể được đánh giá theo hai cách:

1. Tăng tuổi thọ dao cụ dẫn đến chi phí gia công mỗi lỗ hổng hay lõi sẽ thấp hơn.

2. Tăng tuổi thọ dao cụ sẽ dẫn đến tăng năng suất. Điều này có thể sẽ giữ nguyên mức chi phí gia công nhưng sẽ tăng năng suất của xưởng sản xuất bằng cách tăng các thông số của chế độ cắt.

Với hệ số ma sát và tốc độ mài mòn thấp, phủ PVD giúp cho mọi quá trình gia công hiệu quả hơn. Ứng dụng phù hợp công nghệ phủ vào các quá trình sản xuất có thể giúp giảm chi phí, tăng năng suất hay cả hai.

Bảng 2-3: Khả năng gia công của vật liệu phủ

Với hệ số ma sát và tốc độ mài mòn thấp, phủ PVD giúp cho mọi quá trình gia công hiệu quả hơn. Tốc độ cắt sẽ tiếp tục tăng lên và nhiều nhiệt hơn sẽ được sinh ra. Quản lý hiệu quả sự tăng nhiệt này rất quan trọng để theo kịp các xu hướng sản xuất trong tương lai.

Các nhà sản xuất hiện nay vẫn không ngừng tìm kiếm những biện pháp duy trì khả năng cạnh tranh trong một thị trường cạnh tranh cao đồng thời để tăng lợi nhuận. Thường thì các nhà sản xuất phải đối mặt với việc mua thiết bị

Trường ĐHKTCN Thái Nguyên Hoàng Văn Vinh

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn

mới hay thuê thêm nhân viên để đạt được mục tiêu này. Tuy nhiên, bằng cách phân tích quá trình gia công và ứng dụng một số công nghệ phủ ngoài hiện đại, các xưởng gia công có thể tìm ra một giải pháp chi phí thấp nhằm làm tăng năng suất, tăng lợi nhuận hay cả hai.

* 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 5µm ÷ 10µm. Chi tiết phủ được đặt và nung nóng trong buồng kín chứa khí H2 (dưới áp suất khí quyển hoặc nhỏ hơn). Các hợp chất bay hơi được đưa vào buồng này để tạo ra các thành phần của lớp phủ thông qua các phản ứng hoá học. Nhiệt độ của quá trình từ 8000

đến 10500 và chu kỳ nung nóng diễn ra vài giờ.

* 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.

2.1.2. Phủ PVD và CVD nâng cao tuổi thọ và hiệu suất dụng cụ

Mặc dù mỗi phương pháp phủ khác nhau có những đặc tính khác nhau, để đánh giá hiệu quả đối với mỗi ứng dụng riêng thì có 2 đặc trưng chính được chọn làm cơ sở, đó là: độ cứng và ma sát.

Bảng 2-4: Độ cứng của các kim loại, hợp kim và vật liệu phủ

Vật liệu Thép dụng cụ HSS Hợp kim cứng PVD & CVD Độ cứng

(HRC)

Trường ĐHKTCN Thái Nguyên Hoàng Văn Vinh

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn

So với dụng cụ có nền không phủ thì việc phủ có hệ số ma sát nhỏ hơn nhiều. Đối với các dụng cụ tạo hình biến dạng, hệ số ma sát thấp cũng có nghĩa là sẽ làm giảm áp lực tác dụng. Trong ứng dụng các dụng cụ cắt, giảm hệ số ma sát sẽ làm giảm sự phát sinh nhiệt trong quá trình gia công, do đó làm chậm quá trình phá hủy lưỡi cắt. Còn trong các ứng dụng có ma sát trượt, lớp phủ có xu hướng làm giảm sự bám dính của vật liệu cho phép quá trình di chuyển tương đối ít bị hạn chế hơn.

* 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.

2.1.3. So sánh phủ PVD và 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 800oC đến 1050oC.

Đặc điểm này có thể làm hạn chế cho việc phủ CVD trong một số trường hợp. Quá trình phủ PVD thực hiện được trên một diện rộng hơn, với nhiều nền và ứng dụng khác nhau. Đó là vì được thực hiện ở nhiệt độ thấp hơn (400oC đến 500oC) với độ dày trung bình 2 - 5m.

Với đặc tính này thì rất lý tưởng cho việc phủ PVD cho các dụng cụ cắt thép gió (HSS), hợp kim cứng cũng như các chi tiết đòi hỏi dung sai chặt chẽ như các chi tiết khuôn mẫu... Hơn nữa, nhiệt độ quá trình thấp nghĩa là sai

Trường ĐHKTCN Thái Nguyên Hoàng Văn Vinh

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn

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.

2.2. 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.

2.3.1. Vật liệu nền

Vật liệu nền có thể không bao giờ thực sự tiếp xúc với chi tiết gia công nhưng nó đóng vai trò cực kỳ quan trọng trong hiệu suất tổng của mảnh hợp kim. Tungsten carbide vẫn là vật liệu nền chính. Tùy theo ứng dụng mà chọn vật liệu nền thích hợp. Khi gia công thô, cắt gián đoạn, cũng như tiện cứng thì chất nền được sử dụng là carbide.

Tùy theo vật liệu chi tiết gia công mà chọn dao với chất nền thích hợp. Khi gia công thép thì yêu cầu mảnh hợp kim có khả năng chống biến dạng cao cũng như khả năng chống mòn và chống tạo lỗ trống vì khi gia công thép tạo ra phoi dây và sự truyền nhiệt ở khu vực cắt gọt. Chất nền bằng tungsten carbide được hợp kim hóa bởi một số carbide khối (TiC, TaC, NbC và VC) có lẽ cần thiết cho gia công thép. Khi gia công vật liệu có tính dính như thép không rỉ thì mảnh hợp kim có yêu cầu độ dai cao hơn yêu cầu về tính chống mòn và chống tạo lỗ trống (do lẹo dao và tróc) nên vật liệu nền có độ dai cao

Trường ĐHKTCN Thái Nguyên Hoàng Văn Vinh

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn

hơn với lượng coban cao tại lưỡi cắt và độ hạt nhỏ là lựa chọn thích hợp. Một số vật liệu nền khác là: polymer, kẽm – thiết, bạc – đồng thau, hợp kim cứng, thép gió, titan, inconel …

2.3.2. Vật liệu phủ

Vật liệu phủ chính là carbide titanium (TiC), titanium nitride (TiN), oxyt 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.

+ Titan Nitride (TiN):

Đây là loại vật liệu thường dùng nhất, quen thuộc nó thường được phủ lên thép gió và carbide dụng cụ. TiN có độ cứng cao, hệ số ma sát nhỏ, giảm được xói mòn, mài mòn và dính trong quá trình gia công.

+ Titanium – Carbide – Nitride (TiCN):

Lớp phủ này cứng hơn TiN, nó cải thiện sự mài mòn của bề mặt khi cắt thép cacbon, gang, thép hợp kim dụng cụ.

+ Titanium – Alumium – Nitride (TiAlN):

Cải thiện độ bền nóng và chống lại sự oxit hoá khi phản ứng với TiN. Tính dẫn nhiệt kém nhưng rất cứng.

+ Oxit nhôm (Al2O3):

Dụng cụ cắt với lớp phủ Al2O3 đang trở thành dụng cụ cắt có lớp phủ đang được sử dụng rất rộng rãi. Vật liệu này có độ cứng cao, bảo vệ được bề mặt, an toàn khi cắt với tốc độ cao khi gia công vật liệu cứng, gang và một số sản phẩm khác.

+ CBN:

Loại lớp phủ CBN đang được nghiên cứu trong những năm gần đây. Chiều dày lớp phủ này tương đối dày nên khả năng tập trung ứng suất bề mặt rất cao, khả năng dính kết kém. Tuy nhiên khi phủ CBN thì khả năng chịu mài

Trường ĐHKTCN Thái Nguyên Hoàng Văn Vinh

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn

mòn của dao rất tốt, nó thích hợp cho gia công vật liệu có chứa sắt hoặc không sắt hay cả vật liệu phi kim loại.

+ Lớp phủ siêu cứng:

Vật liệu phủ này là graphít, ceramic, vật liệu tổng hợp.

Hình 2.3. Một số dụng cụ phủ

2.3. Ứng dụng phủ:

Phủ PVD có 4 dạng cơ bản:

- Sử dụng dòng điện tử có điện thế thấp - Dòng điện tử có điện thế cao

- Hồ quang

- Phương pháp phát xạ từ lệch