Luận văn: Nghiên cứu tuổi bền dao phay TiAlN khi phay rãnh trên thép không gỉ

Luận văn phân tích ảnh hưởng của chế độ cắt đến tuổi bền dao phay ngón phủ TiAlN khi gia công phay rãnh then trên vật liệu thép không gỉ.

• Tác giả: Phạm Xuân Tùng
• Người hướng dẫn: PGS. Nguyễn Quốc Tuấn
• Trường học: Trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp, Đại học Thái Nguyên
• Chuyên ngành: Kỹ thuật Chế tạo máy
• Đề tài: Chế độ cắt ảnh hưởng tuổi bền dao phay thép không gỉ
• Loại tài liệu: Luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2015
• Địa điểm: Thái Nguyên

Tóm tắt

I. Tổng quan về chế độ cắt và ảnh hưởng đến dao phay thép không gỉ

Chế độ cắt là một trong những yếu tố quyết định tuổi bền của dao phay thép không gỉ. Chế độ cắt bao gồm ba thành phần chính: vận tốc cắt, tiến dao và độ sâu cắt. Mỗi thông số này đều có ảnh hưởng trực tiếp đến hiệu suất gia công và thời gian sử dụng của dụng cụ. Thép không gỉ, đặc biệt là loại austenit, có độ cứng thấp và độ dẻo cao, gây khó khăn trong quá trình cắt. Khi áp dụng chế độ cắt không phù hợp, dao phay sẽ nhanh chóng bị mòn, dẫn đến giảm tuổi thọ và hiệu suất gia công. Các nghiên cứu cho thấy việc tối ưu hóa chế độ cắt có thể kéo dài tuổi bền dao phay lên tới 3-4 lần so với điều kiện gia công thông thường.

1.1. Khái niệm chế độ cắt trong gia công phay

Chế độ cắt được định nghĩa là tập hợp các thông số kỹ thuật kiểm soát quá trình loại bỏ vật liệu. Gồm vận tốc cắt (m/phút), tiến dao (mm/phút), và độ sâu cắt (mm). Với thép không gỉ, các thông số này cần được lựa chọn cẩn thận vì vật liệu có tính chất độc đặc. Vận tốc cắt quá cao gây nóng độc, quá thấp thì giảm năng suất. Tiến dao ảnh hưởng đến độ nhám bề mặt và lực cắt.

1.2. Đặc điểm thép không gỉ ảnh hưởng đến chế độ cắt

Thép không gỉ có độ dẫn nhiệt thấp, gây tích tụ nhiệt tại lưỡi cắt. Độ dẻo cao khiến quá trình cắt tạo ra chip dài, dễ gây phá hỏng. Cấu trúc austenit không có tính từ tính, ảnh hưởng đến độ cứng. Những đặc tính này làm cho dao phay dễ bị mòn nhanh nếu không điều chỉnh chế độ cắt hợp lý, đòi hỏi sử dụng vận tốc cắt thấp hơn so với thép cacbon.

II. Ảnh hưởng của vận tốc cắt đến tuổi bền dao phay

Vận tốc cắt là thông số có ảnh hưởng lớn nhất đến tuổi bền của dao phay thép không gỉ. Các nghiên cứu thực nghiệm cho thấy mối quan hệ tương quan giữa vận tốc cắt và mòn lưỡi cắt. Khi vận tốc cắt tăng, nhiệt độ tại vùng cắt cũng tăng, dẫn đến gia tăng tốc độ mòn. Tuy nhiên, vận tốc quá thấp lại làm giảm năng suất gia công. Đối với thép không gỉ austenit, vận tốc cắt nên trong khoảng 25-50 m/phút để cân bằng giữa tuổi thọ dụng cụ và hiệu suất sản xuất. Những loại dao phay phủ PVD (TiN, TiAlN) có thể chịu vận tốc cắt cao hơn nhờ khả năng chống nhiệt tốt.

2.1. Mối quan hệ giữa vận tốc cắt và mòn lưỡi cắt

Theo lý thuyết, mòn lưỡi cắt tăng theo hàm số mũ khi vận tốc cắt tăng. Ở vận tốc 25 m/phút, mòn mặt sau của dao phay thép không gỉ khoảng 0,1-0,15 mm sau 12 phút gia công. Khi tăng lên 50 m/phút, mòn có thể gấp 2-3 lần. Nhiệt độ cắt là nguyên nhân chính, đạt 600-800°C ở vận tốc cao. Dao phay có phủ PVD giảm tốc độ mòn 30-40% so với dao không phủ nhờ lớp phủ giúp cách nhiệt.

2.2. Vận tốc cắt tối ưu cho các loại dao phay

Với dao phay ngón thép gió không phủ, vận tốc 25-35 m/phút là lý tưởng. Dao phay phủ TiN có thể đạt 40-50 m/phút, nâng cao năng suất 25-30%. Dao phay phủ TiAlN chịu được 50-70 m/phút nhờ khả năng chống oxy hóa tốt ở nhiệt độ cao. Chọn vận tốc phù hợp giúp kéo dài tuổi bền dao phay và đảm bảo chất lượng bề mặt gia công.

III. Ảnh hưởng của tiến dao và độ sâu cắt đến tuổi thọ dụng cụ

Tiến dao và độ sâu cắt cũng là những thông số quan trọng ảnh hưởng đến tuổi bền dao phay thép không gỉ. Tiến dao quá cao gây lực cắt lớn, làm tăng nhiệt độ và tốc độ mòn. Tiến dao quá thấp lại làm tăng thời gian gia công và giảm năng suất. Độ sâu cắt tác động đến độ cứng của chip và áp lực tiếp xúc giữa dao và bề mặt vật liệu. Các nghiên cứu thực nghiệm chỉ ra rằng với thép không gỉ, tiến dao nên trong khoảng 0,1-0,2 mm/tooth, còn độ sâu cắt tối đa 3-5 mm tùy loại dao và vận tốc. Sự kết hợp hợp lý giữa ba thông số chế độ cắt có thể tăng tuổi bền dao lên 40-50%.

3.1. Tác động của tiến dao đến mòn lưỡi cắt

Tiến dao càng cao, lực cắt càng lớn, gây mòn mặt sau nhanh. Tiến 0,2 mm/tooth trên thép không gỉ gây mòn 15-20% nhanh hơn tiến 0,1 mm/tooth. Tuy nhiên tiến quá thấp làm chip tạo lớp lót trên lưỡi cắt (BUE), gây dao chỏng hay gãy. Tiến 0,15 mm/tooth là lựa chọn cân bằng tốt, kéo dài tuổi thọ dụng cụ và duy trì chất lượng gia công.

3.2. Độ sâu cắt và ứng lực lưỡi cắt

Độ sâu cắt lớn làm tăng diện tích tiếp xúc giữa dao phay và vật liệu. Độ sâu 5 mm gây áp lực lưỡi cắt cao, khiến dao dễ bị chỏng trên thép không gỉ. Độ sâu 2-3 mm là hợp lý, giảm ứng lực và kéo dài tuổi bền. Phối hợp độ sâu nhỏ với tiến dao phù hợp giúp tối ưu hiệu suất gia công mà vẫn bảo vệ dụng cụ.

IV. Phủ PVD và tối ưu hóa chế độ cắt để nâng cao tuổi bền

Phủ PVD (Physical Vapour Deposition) là giải pháp hiệu quả để nâng cao tuổi bền dao phay khi gia công thép không gỉ. Lớp phủ TiN, TiAlN hay CrN tạo ra bề mặt cứng hơn (3000-4000 HV) so với thép gió thô (600-700 HV). Dao phay phủ PVD có khả năng chịu nhiệt tốt hơn 200-300°C, cho phép sử dụng vận tốc cắt cao hơn. Kết hợp phủ PVD với chế độ cắt tối ưu (vận tốc 40-50 m/phút, tiến 0,15 mm/tooth, độ sâu 3 mm) có thể tăng tuổi bền dụng cụ lên 3-4 lần so với dao không phủ. Các loại phủ khác nhau có đặc tính riêng: TiN phù hợp gia công chung, TiAlN tối ưu cho tốc độ cao, CrN tốt cho môi trường ẩm ướt.

4.1. Các loại phủ PVD và tính chất cắt

Phủ TiN có độ cứng 3000 HV, chịu nhiệt 600°C, giá rẻ, thích hợp cho dao phay gia công chung. Phủ TiAlN (độ cứng 3200-3400 HV, chịu 900°C) tốt cho tốc độ cao, có khả năng chống oxy hóa vượt trội. Phủ CrN (3000 HV, chịu 700°C) phù hợp môi trường ẩm ướt. Chọn phủ PVD phù hợp giúp tối ưu tuổi bền dao phay cho từng điều kiện gia công cụ thể.

4.2. Chiến lược tối ưu hóa chế độ cắt với dao phủ PVD

Dao phay phủ PVD cho phép tăng vận tốc cắt 20-40% so với dao không phủ. Sử dụng vận tốc 45-50 m/phút, tiến 0,15 mm/tooth, độ sâu 3-4 mm với dao phủ TiAlN trên thép không gỉ đạt cân bằng tốt. Bảo dưỡng dao định kỳ, thay chất bôi trơn phù hợp cũng góp phần nâng cao tuổi bền. Giám sát độ mòn lưỡi cắt (mòn mặt sau ≤ 0,3 mm) giúp kịp thời thay dao trước khi hỏng hóc.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Chương 1: Chương 2: Phủ PVD và ứng dụng trong cắt kim loại. Chƣơng 3: - dao phay phủ. Chương 4: Ảnh hƣởng của chế độ cắt đến mòn dao phay phủ PVD-TiAlN khi gia công thép 201. Kết luận và phương hướng nghiên cứu.

Nội dung của luận văn đƣa ra các kết quả nghiên cứu về mòn và tuổi bền của dụng cụ cắt, so sánh kết quả với thí nghiệm đã tiến hành trƣớc đó. Phân tích các nhân tố ảnh hưởng đến mòn dụng cụ khi gia công với các chế độ cắt khác nhau, từ đó đưa ra các biện pháp khắc phục trong quá trình gia công nhằm tăng năng suất và tuổi bền của dụng cụ. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu - ĐHTN 13 http://www.vn/ Phạm Xuân Tùng CHK14-CTM Chƣơng I - THÉP KHÔNG GỈ 1. Khái quát về thép không gỉ Thép không gỉ đƣợc đề cập đến theo nghĩa đơn lẻ nhƣ thể chúng là một loại vật liệu.

Thực tế có khoảng 150 loại thép không gỉ có thành phần khác nhau, mỗi loại đƣợc tạo ra để phục vụ các ứng dụng cụ thể hoặc các yêu cầu chế tạo khác nhau. Thép không gỉ chỉ làm một phân đoạn trong miền các loại thép, chúng phục vụ nhiều ứng dụng từ các sản phẩm máy móc và thiết bị cho các môi trƣờng công nghiệp khắc nghiệt. Các loại thép không gỉ hiện nay cung cấp một khoảng rộng các tính chất, từ các hợp kim có công thức đặc biệt có khả năng làm việc trong môi trƣờng khắc nghiệt nhất cho đến các loại phù hợp một cách lý tƣởng cho quá trình gia công hay chế tạo. Thép không gỉ là hợp kim nền thép chứa crom với tỉ lệ 10,5% hay cao hơn.

Crom là nguyên tố hợp kim làm cho thép không gỉ có khả năng chống ăn mòn. Nó thực hiện việc này bằng cách kết hợp với oxy để tạo ra một lớp màng oxit crom mỏng trong suốt bảo vệ bề mặt kim loại (H 1). Lớp màng oxit crom ổn định và có tính bảo vệ đối với môi trƣờng không khí bình thƣờng hay có độ ẩm cao (mild aqueous), tính chất này có thể đƣợc nâng cao bằng tỉ lệ cao hơn của crom, nikel, molybden và các nguyên tố hợp kim khác. Crom làm tăng tính ổn định của lớp màng bảo vệ, molybden và crom làm tăng khả năng chống loại sự xâm nhập của chloride, nikel nâng cao khả năng của lớp màng bảo vệ đối với môi trƣờng axit mạnh.

Nếu lớp màng bảo vệ (thụ động) bị yếu hay b sự có mặt của oxy trong môi trƣờng xung quanh tái tạo và duy trì khả năng bảo vệ. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu - ĐHTN 14 http://www.vn/ Phạm Xuân Tùng CHK14-CTM Hình 1: Tác động của hàm lượng Crom đến tốc độ ăn mòn (Trong môi trường không khí bình thường) này giải thích cho xu hƣớng của vật liệu trong việc hình thành lẹo dao trên dụng. Các nguyên tố hợp kim khác có thể đƣợc đƣa vào trong quá trình nấu nhƣ Ni, Mo, Co hay Ti, với mục đích thay đổi hay nâng cao các tính chất hoặc đặc tính nào đó. Đặc tính của thép không gỉ Khả năng chống ăn mòn và chịu nhiệt.

Thép không gỉ tuỳ theo thành phần có khả năng chống ăn mòn đối với nhiều điều kiện môi trƣờng axit ẩm và tác động của nhiệt độ cao hay thấp. Độ bền cơ học: Các chi tiếp làm bằng thép không gỉ thƣờng là bền và dai hơn so với thép cán hoặc hợp kim mầu… kể cả đối với môi trƣờng làm việc nhiệt độ cao hay hàng 100 độ âm. Độ bền lâu: Sự kết hợp khả năng chống ăn mòn và độ bền cơ học làm các sản phẩm có tuổi bền làm việc dài, không có sai hỏng. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu - ĐHTN 15 http://www.vn/ Phạm Xuân Tùng CHK14-CTM Chi phí bảo dƣỡng thấp: Khách hàng dân dụng và công nghiệp thích thép không gỉ vì không cần phải phủ lớp bảo vệ hay các xử lý bề mặt đặc biệt khác để tránh sản phẩm xuống cấp.

Hình thức sản phẩm: Sản phẩm cho dù đƣợc đánh bóng hay chỉ cần gia công lần cuối trên một máy tự động nhƣ 63 RMS đều cho độ bóng sáng và ánh kim lâu bền. Tính linh hoạt trong chế tạo: Thép không gỉ có thể cắt gọt, dập nguội, rèn, đùn, hay hàn bằng các công cụ và kỹ thuật hiện đại. Các nhà thiết kế sẽ thấy trong các loại thép không gỉ, các tính chất có khả năng đáp ứng một phạm vi rộng rãi các yêu cầu về chế tạo và sử dụng. Ứng dụng thép không gỉ: Ứng dụng ban đầu của thép không gỉ chỉ giới hạn làm nòng súng, dao kéo và bình đựng axit nitric.

Khi nền công nghiệp bắt đầu khai thác tiềm năng đầy đủ của các kim loại chống ăn mòn này, các thép không gỉ có thành phần hoá học mới đã đƣợc phát triển để đáp ứng các yêu cầu về khả năng chống ăn mòn cao hơn, độ bền cơ học lớn hơn, các đặc tính gia công khác, khả năng chịu nhiệt. Ví dụ: một trong những loại thép không gỉ đƣợc dùng nhiều nhất cho một phạm vi lớn các sản phẩm từ đồ nấu ăn đến các thiết bị cho các nhà máy hoá chất. Có một vài mác cải tiến để đáp ứng yêu cầu về khả năng chống ăn mòn, đặc biệt là trong môi trƣờng hàng hải nhƣ loại 316 thƣờng đƣợc chọn vì có làm lƣợng hợp kim cao hơn loại 304. Loại 305 có mức độ biến cứng nguội nhỏ hơn loại 304 và phù hợp với phƣơng pháp dập nguội hơn, loại 303 là loại có tính gia công tôt hơn so với loại 304.

Có một vài phƣơng pháp thông dụng để phân loại thép không gỉ. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu - ĐHTN 16 http://www.vn/ Phạm Xuân Tùng CHK14-CTM Theo hệ thống đánh số của AISI: tức là theo dãy số 200, 300 và 400. Phân loại theo cấu trúc luyện kim: austenit, ferit, mactenxit, tăng cứng bằng thay đổi cấu trúc mạng (precipitation hardening) hay lƣỡng kim (duplex) 1. Thép không gỉ austenit Là loại có thành phần chính là Cr, Ni và Mn hay chỉ chứa Cr và Ni.

Theo AISI chúng lần lƣợt đƣợc kí hiệu trong dãy 200 hay 300. Thép không gỉ austenit có thể biến cứng bằng biến dạng nguội, xử lý nhiệt chỉ làm chúng mềm hơn. Trong điều kiện đƣợc ủ, chúng không có từ tính mặc dù một vài loại có từ tính đôi chút nếu bị biến dạng nguội. Thép không gỉ thuộc dãy 200 và 300 có đặc trƣng là có khả năng chống ăn mòn tuyệt vời, khả năng tạo hình bằng biến dạng đặc biệt cao và có thể có độ bền cơ rất tốt khi biến dạng nguội.

Khi đƣợc ủ chúng có khả năng chống ăn mòn và độ dẻo cao nhất, độ bền kéo và uốn tốt, độ bền va đập cao, không có tác động do ứng suất tập trung tại rãnh. Loại thép không gỉ điển hình của nhóm này là 304, còn đƣợc biết là thép không gỉ 18-8 (18% Cr, 8% Ni). Đây là loại thép không gỉ có công dụng chung và dựa trên loại này còn có các loại thép không gỉ cải tiến sau:  Loại có tỉ lệ Cr/Ni đƣợc thay đổi để thay đổi đặc tính dập nguội nhƣ các mác 301 và 305.  Hàm lƣợng C bị giảm đi để ngăn sự tích tụ cấu trúc tế vi trong mối hàn trong các mác 304L và 316L.

 Colubium hay Titan có thể đƣợc đƣa vào để ổn định hoá cấu trúc để đáp ứng yêu cầulàm việc ở nhiệt độ cao trong các loại 347 và 321. Chúng cũng có vai trò ngăn cản sự tích tụ cấu trúc tế vi trong quá trình hàn. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu - ĐHTN 17 http://www.vn/ Phạm Xuân Tùng CHK14-CTM  Mo đƣợc bổ sung hay hàm lƣợng Cr và Ni đƣợc tăng lên để nâng cao khả năng chống ăn mòn hay oxi hoá. Ví dụ loại 316 và 317 đƣợc bổ sung Mo, 309 và 310 có hàm lƣợng Cr và Ni cao hơn.

 Lƣu huỳnh đƣợc điều chỉnh để cải thiện tính gia công trong loại 303.  Canxi đƣợc dùng để nâng cao tính gia công, đặc biệt là trong các ứng dụng khoan lỗ sâu.  Hàm lƣợng Ni tăng sẽ tăng cƣờng tính bền nhƣ trong loại 304N và 316N.  Loại thép không gỉ 200, với các mác 201, 202, 203 và 205, tƣơng ứng với loại 300 nhƣ 301, 302, 303 và 305.

Trong loại 200, Mn dùng để thay một phần Ni. Thép không gỉ Ferit Là loại chỉ có Cr và đƣợc phân vào nhóm 400. Tỉ lệ C/Cr thấp trong loại thép không gỉ ferit loại bỏ tác động của biến đổi cấu trúc do nhiệt, ý nghĩa của nó đơn giản là chúng không thể tôi cứng đƣợc (Chỉ có thể tăng cứng chúng bằng biến dạng nguội) Nhóm thép không gỉ ferit 400 có từ tính mạnh, độ dẻo cao và có khả năng chống ăn mòn và oxi hoá tôt. Khả năng chống ăn mòn của thép không gỉ ferit đƣợc nâng cao bằng cách tăng hàm lƣợng Cr và Mo, trong khi độ dẻo, độ dai và tính hàn cũng đƣợc nâng cao bằng cách giảm hàm lƣợng C và N.

Mác cơ bản là 430, với tỉ lệ Cr danh định 17%. Loại thép không gỉ dễ gia công là 430F. Có một vài loại thép không gỉ ferit mới với các đặc tính đƣợc cải thiện và đƣợc phân thành các nhóm sau: Những loại thép không gỉ có khoảng 18%Cr có khả năng chống ăn mòn tƣơng tự nhƣ loại 304 nhƣ loại 444, loại có hàm lƣợng Số hóa bởi Trung tâm Học liệu - ĐHTN 18 http://www.vn/ Phạm Xuân Tùng CHK14-CTM Cr lớn hơn 18% có khả năng chống ăn mòn bằng hoặc cao hơn so với loại 316 ở nhiều mặt. Thép không gỉ mactenxit cũng có các mác chỉ chứa Cr thuộc nhóm 400, nhƣng có tỉ lệ C/Cr cao hơn so với nhóm ferit.

Thông thƣờng khi đƣợc làm nguội nhanh từ nhiệt độ cao, chúng bị biến cứng và trong vài trƣờng hợp độ bền kéo vƣợt quá psi (pascal/in) Loại thép không gỉ mactenxit 400 không bị ăn mòn trong môi trƣờng ẩm (trong không khí, nƣớc sạch hoặc axit yếu…) có có tính dẻo khá tốt và luôn có từ tính cao. Mác điển hình trong nhóm này là 410 với 12%Cr. Một vài mác thép không gỉ mactenxit đƣợc cải tiến để nâng cao tính gia công, nhƣ loại 416, 420F, 440F. Thép không gỉ tăng cứng bằng hoá già ở nhiệt độ thấp (precipitation hardening).

Biến dạng nguội thép không gỉ austenit và làm nguội chậm từ nhiệt độ cao loại mactenxit là hai phƣơng pháp làm tăng độ bền và độ cứng của thép không gỉ. Trong loại thép không gỉ này độ bền kéo và uốn (trong vài trƣờng hợp có thể hơn 300000 psi) có thể nhận đƣợc bằng hoá già ở nhiệt độ thấp (900 độ F) kết hợp với biến cứng nguội.