CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN CỦA LUẬN VĂN 1. Giới thiệu về quá trình phát triển dụng cụ cắt Quá trình phát triển vật liệu dụng cụ cắt đã trải qua các giai đoạn vô cùng mạnh mẽ. Ngay từ khi thép gió (HSS) ra đời đã cải thiện tốc độ cắt đáng kể so với các loại vật liệu trước đó, tiếp sau đó các nhóm vật liệu hợp kim cứng, vật liệu gốm có thể cho vận tốc cắt tới hơn hàng ngàn mét/phút, giúp phát triển quá trình gia công như tăng năng suất, cải thiện chất lượng bề mặt chi tiết gia công. Sự phát triển về khoa hoc và công nghệ kết hợp với việc cạnh tranh kinh tế đã đặt ra những yêu cầu cao hơn trong việc lựa chọn dụng cụ cắt.
Để thỏa mãn nhu cầu đó người ta tiến hành tìm kiếm những dụng cụ vật liệu mới bằng cách thử nghiệm rất nhiều vật liệu khác nhau. Những vật liệu dụng cụ cắt mới đã được phát minh ra trong quá trình thí nghiệm là kết quả nỗ lực liên tục của hàng nghìn thợ lành nghề, của các nhà sáng chế, các nhà công nghệ, các kỹ sư… Sự phát triển ấy được ví như quá trình tiến hóa trong sinh học. 1 Sự phát triển các thế hệ dụng cụ CBHD: PGS. Trần Doãn Sơn HVTH: Hồ Phi Anh Luận văn thạc sĩ Trang 2 Từ biểu đồ ta thấy, việc gia công một chi tiết vào năm 1900 mất quá nhiều thời gian so với bây giờ.
Nguyên nhân là do việc cải tiến vật liệu dụng cụ là nhân tố góp phần tạo nên hiệu quả và năng suất. Với sự cạnh tranh khốc liệt của thị trường hàng hoá như đã biết ở trên. Điều đó dẫn đến các nhà sản xuất luôn phải áp dụng các công nghệ mới nhằm tăng năng suất, hạ giá thành sản phẩm. Trong đó cải tiến và lựa chọn dụng cụ cắt thích hợp là tiêu chí được các doanh nghiệp ưu tiên hàng đầu.
Xuất phát từ nhu cầu thực tiễn nên vật liệu phủ ra đời và phát triển không ngừng về chủng loại cũng như chất lượng. Ngày nay trên thị trường có nhiều loại dụng cụ phủ khác nhau về vật liệu nền (thép gió, hợp kim cứng) và khác nhau về vật liệu lớp phủ như (TiC, TiN, Mo2N, Al2O3…), khác nhau về một lớp phủ và nhiều lớp phủ. Trong đó dụng cụ cắt có lớp phủ TiN được sử dụng rộng rãi nhất. Dụng cụ cắt có lớp phủ 1.
Cấu tạo và đặc điểm của dụng cụ cắt có lớp phủ Dụng cụ cắt có lớp phủ, phần cắt gọt được cấu tạo bởi hai phần chính (hình1. + Phần nền - Phổ biến là hai loại vật liệu dụng cụ cắt truyền thống, thép gió và hợp kim cứng. + Phần phủ - Bao gồm các loại vật liệu như: Titanium nitrit (TiN), Titanium carbide (TiC), Titanium carbonitrit (TiCN), Titanium aluminium nitrit (TiAlN) Hình 1.2 Cấu tạo dụng cụ cắt có lớp phủ a) Một lớp phủ b) Nhiều lớp phủ CBHD: PGS. Trần Doãn Sơn HVTH: Hồ Phi Anh Luận văn thạc sĩ Trang 3 Lớp phủ là lớp vật liệu rất mỏng khoảng 0,002 ÷ 0,01mm với độ cứng rất cao [1], hệ số ma sát nhỏ nên lực ma sát giữa dòng phoi và mặt trước của dao giảm,vì vậy trong quá trình gia công phoi thoát ra quá nhanh không đủ thời gian truyền nhiệt từ phoi vào dao, làm tăng tuổi bền của dao.
Tùy vào chiến lược kinh doanh nhà sản xuất dụng cụ sẽ quyết định sản xuất ra loại một lớp phủ hay nhiều lớp phủ. Khi phủ nhiều lớp ta sẽ tận dụng được ưu thế của các lớp phủ khác nhau, nhằm tạo ra chất lượng dụng cụ cao hơn. Tuy nhiên quy trình phủ sẽ phức tạp và dẫn đến giá thành sản phấm sẽ cao. Quy trình phủ 1.
Phương pháp phủ bay hơi vật lý( PVD) Phủ bằng phương pháp bay hơi vật lý (PVD) được thực hiện trong buồng kín chứa khí trơ với áp suất thấp khoảng dưới 10-2 bar ở nhiệt độ từ 400oC – 600oC [17]. Sau khi phủ xong sẽ tạo nên một lớp màng mỏng trên bề mặt vật liệu nền, kỹ thuật tạo lớp phủ bằng phương pháp vật lý có thể phân loại ra nhiều hướng theo cơ chế tạo nguồn hơi từ vật rắn: phương pháp bốc bay bằng cách sử dụng các nguồn nhiệt, hồ quang, plasma, chùm điện tử; phương pháp phún xạ. Tuy nhiên có hai phương pháp (PVD) thông dụng là phương pháp bốc bay bằng nhiệt điện trở và phương pháp phún xạ magnetron phẳng.3 Mô tả nguyên lý phủ bay hơi lắng đọng vật lý (PVC) a) Sơ đồ nguyên lý b) Cấu trúc tế vi lớp phủ CBHD: PGS. Trần Doãn Sơn HVTH: Hồ Phi Anh Luận văn thạc sĩ Trang 4 Với nhiệt độ của quá trình phủ như trên, 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. Phương pháp phủ bay hơi hoá học (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 để tạo ra các thành phần của lớp phủ thông qua các phản ứng hoá học. Nhiệt độ của quá trình từ 900o đến 1100o và chu kỳ nung nóng diễn ra vài giờ. Với nhiệt độ phủ như vậy đã vượt quá ngưỡng bền nhiệt, của các loại thép dụng cụ, đồng thời biến dạng nhiệt lớn sẽ tác động xấu đến dung sai kích thước dụng cụ. Vì vậy phương pháp này không áp dung được các loại thép dụng cụ, chỉ thích hợp khi phủ vật liệu nền là hợp kim cứng [24] Cụ thể khi phủ mảnh Insert nền hợp kim cứng, lớp phủ Titanium nitrit (TiN) thực hiện được bằng cả hai phương pháp (PVC) và (CVD).
Cơ bản dựa trên phản ứng hoá học giữa Titan clorua (TiCl 4), Nitơ và Hydro, với phương trình phản ứng như sau: 2TiCl4 + N2 + 4H2 → 2TiN + 8HCL (1. Trần Doãn Sơn HVTH: Hồ Phi Anh Luận văn thạc sĩ Trang 5 Hình 1.4 Mô tả nguyên lý phủ bay hơi lắng đọng hoá học Đặc trưng lớp phủ này có màu vàng, hệ số ma sát nhỏ độ cứng nóng cao, khả năng bám dính tốt với nền. Dụng cụ cắt có lớp phủ này chịu được tốc độ cắt và lượng chạy dao lớn. Độ mài mòn mặt sau nhỏ và có thể mài lại được.
Tuy nhiên khi cắt ở tốc độ thấp phoi bị bám vào nhiều, bị mài mòn nhiều hơn so với dụng cụ không có lớp phủ [2]. Tóm tắt quy trình chế tạo mảnh dao tiện (Insert) Bước 1: Chuẩn bị các loại nguyên vật liệu Bột cô ban, bột cacbit vônfram, các thành phần phụ như cacbit titan, cacbit tangtan… Sau khi chọn đúng những loại vật liệu cần thiết, tiến hành trộn đều bằng bồn trộn. Trần Doãn Sơn HVTH: Hồ Phi Anh Luận văn thạc sĩ Trang 6 Hình 1.5 Mô tả quá trình trộn nguyên vật liệu Bước 2: Tạo hình các mảnh dao Sau khi các loại vật liệu được chọn và trộn đều ở bước 1, tiếp theo ép tạo thành hình dáng, kích thước theo tiêu chuẩn và kiểm tra trước lúc chuyển qua bước kế tiếp. 6 Quá trình định hình dạng mảnh dao Bước 3: Thiêu kết mảnh dao Sau khi thiêu kết kích thước mảnh dao sẽ bị giảm thể tích xuống còn 50% so với trước lúc thiêu kết CBHD: PGS.
Trần Doãn Sơn HVTH: Hồ Phi Anh Luận văn thạc sĩ Trang 7 Hình 1. 7 Sơ đồ mô tả quá trình thiêu kết Ngày nay kỹ thuật thiêu kết xung điện plasma được ứng dụng nhiều. Là một kỹ thuật tương đối mới, cho phép chuẩn bị mẫu vật liệu có mật độ (tỷ trọng) lý tưởng, tại nhiệt độ thiêu kết tuơng đối thấp và khoảng thời gian giữ nhiệt ngắn hơn so với các phuơng pháp thiêu kết truyền thống (như thiêu kết thường, ép nóng, là các phương pháp thiêu kết đòi hỏi thời gian giữ nhiệt kéo dài hàng giờ ở nhiệt độ cao). 8 Sơ đồ cấu trúc thiết bị thiêu kết xung điện Plasma Bước 4: Mài lại mảnh dao Sau khi thiêu kết xong tiến hành mài lại kích thước mảnh Insert đúng kích thước theo yêu cầu.
Trần Doãn Sơn HVTH: Hồ Phi Anh Luận văn thạc sĩ Trang 8 Hình 1. 9 Mảnh dao được mài tinh sau khi thiêu kết Bước 5: Phủ lên các lớp vật liệu khác nhau Hình 1. 10 Sơ đồ và thiết bị phủ mảnh dao 1. Các loại dụng cụ cắt có lớp phủ thông dụng Hiện nay dụng cụ cắt có lớp phủ chiếm đa số trên thị trường, ứng dụng đa dạng các loại dụng cụ như: dao tiện, dao phay, dao chuốt, ta rô, dao phay lăn răng (Hình 1.
Bên cạnh sự đa dạng về chủng loại dao được phủ thì sự đa dạng về loại vật liệu lớp phủ cũng được áp dụng rông rãi. Với mục đích ứng dụng các ưu thế khác nhau của các loại lớp phủ nhằm tạo ra các loại dụng cụ cắt có tuổi bền cao. Sau đây giới thiệu một số loại vật liệu lớp phủ và các đặc điểm của nó. Trần Doãn Sơn HVTH: Hồ Phi Anh Luận văn thạc sĩ Trang 9 Hình 1.
11 Một số dụng cụ cắt có lớp phủ thông dụng Lớp phủ Titanium carbide (TiC) – chất này được phủ lên nền mảnh hợp kim cứng, có khả năng chống mài mòn cao khi gia công vật liệu có tính cào xước Lớp phủ Titanium nitrit (TiN) – loại lớp phủ này được áp dụng vào khoảng những năm 60 của thế kỷ trước, loại này có hệ số ma sát nhỏ, độ cứng nóng cao, bám dính tốt trên nền. Dụng cụ phủ loại này chịu được tốc độ cắt và lượng chạy dao lớn. Tuy nhiên nếu cắt với vận tốc cắt thấp dễ bị phoi bám vào dẫn đến bị mòn nhiều hơn vật liệu không phủ. Lớp phủ nhôm oxyt – khả năng bám dính của nó lên kim loại là không tốt, vì vậy người ta thường phủ thêm một lớp trung gian là TiC.
Hợp kim cứng phủ TiC – Al2O3 thường dùng làm dao tiện để gia công thép, thép đúc và gang khi cắt với tốc độ cắt cao. Lớp phủ kim cương – chủ yếu dùng phủ lên vật liệu nền WC và SiN, quá trình phủ nhằm đảm bảo màng kim cương bám vào lớp nền tương đối khó khăn, vì hai chất này có hệ số giản nở về nhiệt khác nhau nhiều.
