tiểu luận lý thuyết gia công kim loại nâng cao

Nguyên nhân là do việc cải tiến vật liệu dụng cụ là nhân tô góp phần tạo nên hiệu quả và năng suât Một trong những đột phá trong sự phát triển dụng cụ cắt vào cuối những năm 1960, việc p

DAI HOC BACH KHOA TP HCM

TIEU LUAN LY THUYET

GIA CONG KIM LOAI

NANG CAO

GVHD: PGS.TS TRAN DOAN SON

NHOM THUC HIEN:

TRAN THAI NGUYEN - MSHV: 91104003 TRAN HOANG PHONG - MSHV:1140395 QUANG NHUT TRUNG - MSHV:11040404 NGUYEN HOANG VU_ - MSHV:10040431

TPHCM, Ngày 26 tháng 10 năm 201 1

HI Qui trình chế tạo dụng cụ phủ

Phần 2: Ví dụ tính kinh tế tiện ngoài bằng dao phủ Titan

J 2 Thép cao tốc (HSS) 14 Kim cương đa tỉnh thể

' 4, Thép cao tốc tiên tiến 16 Carblde phủ đa lớp

5 Carblde dùng cho gang 17, Carblde phủ đùng cho khoan

6 Carblde dùng cho gang thép 18, Carbide phủ dùng cho phay

7 Mai dao carbide thiéu két 19 Carblde phủ dùng cho thép không gỉ

8, Gốm (CC) 20 Coronlte (N)

9, Kim cương tổng hợp 21 Gốm kim loại tiên tiến

10, Carbide thiêu kết tiên tiến 22, Carbide phủ dùng cho cắt ren

3 11 Gốm kim loại 23 Carblde phủ thế hệ mỏi

12, Carbide thiéu kết có nhu cấu

của hang nghìn thợ lành nghề, của các nhà sang chế, các nhà công nghệ, các kỹ sư ; sự

phát triển ấy được ví như quá trình tiến hóa trong sinh học

Từ biểu đồ ta thấy, việc gia công một chỉ tiết vào năm 1900 mắt quá nhiều thời gian so

với bây giờ Nguyên nhân là do việc cải tiến vật liệu dụng cụ là nhân tô góp phần tạo nên hiệu quả và năng suât

Một trong những đột phá trong sự phát triển dụng cụ cắt vào cuối những năm 1960, việc phát triển ra cacbide thiêu kết với một lớp phủ rất mỏng cacbua Lớp cacbua titanium với d6 day vai micromet nhưng nó làm thay đổi đặc tính của dụng cụ cắt so với vật liệu không phủ thì nó tăng lên đáng kể, tăng tốc độ cắt lẫn tuổi thọ của dụng cụ

Trong những năm gần đây, công nghệ phủ được sử dụng rộng rãi cho các dụng cụ như:

khoan, ta rô, phay trong gia công thép và gang Vật liệu phủ chính là carbide titanium

(TiC), titanium nitride (TiN), Oxyt nhém (A1203), Titanium cacbide nitride (TiNC) 1a cac

vật liệu rất cứng, có độ chống ăn mòn và độ trơ hóa cao, tăng khả năng chống mài mòn

giữa dụng cụ va phoi

Hinh 1, Manh hop kim cé nhieu lop phu Hinh 2 Manh hop kim co 2 lop phủ

Sự cải tiến về sự liên kết giữa các lớp phủ và vật liệu nền khác nhau đã đưa đến một thé

hệ mới của cacbide thiêu kết phủ Chúng là một, hai, ba thậm chí nhiều lơp hơn, mỗi lớp

phủ có một tính chất và công dụng nhất định

3 Một số dụng cụ phủ điển hình

- Manh hop kim dao tiện phủ nhôm — oxit (AI203) có 2 lớp phủ

+ lớp phủ trên cùng là nhôm — A12O3

+ Lớp phủ trung gian là Titan —

Cacbide — Nitride (TiCN) , , Al:O: đánh bóng + Lớp cuôi cùng là Cacbide thiêu kêt

- Manh hop kim dao tién phu Al:O;

nhôm - oxit AlI2O3 có 3 lớp phủ TICN

+ Lớp trên cùng là Al2O3 được đánh Whi gknls bối

- Đột dập và tạo hình (khi làm các chất liệu có độ cứng thấp)

- Khuôn thôi nhựa

- Ống bơm của bơm phun diesel

- Thiết bị y tế

s*.C coat— Lớp phủ T¡CN (Titanium carbon nitride):

chống mài mòn trong những điều kiện gia công thô

Lớp phủ T¡CN được phân loại bởi tính bền cao và độ cứng cực

độ Các dụng cụ được phủ đều mang tính bền mòn vượt trội Hệ số

ma sát thấp bảo vệ chống lại sự hàn nguội TICN không được đề

xuất cho những ứng dụng ở nhiệt độ cao do nhiệt độ vận hành cực

đại tương đối thấp Việc gia công ren và một số ứng dụng trong

phay là sự phù hợp nhất

Phù hợp với các ứng dụng:

- Phay (có dung dịch làm mát, tốc độ cắt trung bình)

- Taro cắt ren, ép ren

- Đột, đục lỗ với tính cơ học cao

- Tạo hình với hợp kim sat va thép mangan

- Khuôn thổi nhựa (dung dịch tan chảy có chất mài mòn hoặc hàm lượng sợi thuỷ tỉnh cao)

` A coat — Lép phi TiAIN (Titanium aluminium nitride) :

Chống nhiệt và sự mài mòn

Mối quan hệ tối ưu hóa giữa ứng suất nén và độ cứng của lớp phủ v

Titanium aluminum nitride TiAIN lam tang tinh ôn định lưỡi cắt của =,

dụng cụ gia công cắt gọt Sự chống ăn mòn hóa chất và cách nhiệt cho phép cắt khô và cải thiện về độ bền uốn Độ rắn cao của lớp phủ đơn này mang đến sự bảo vệ vượt trội chống

lại sự mài mòn và sự ăn mòn

Phù hợp với các ứng dụng:

- Những dụng cụ hợp kim cứng và thép gió làm việc ở nhiệt độ cao (Khoan, tiện, cắt khô,

gia công tốc độ cao)

Khuôn phun ép nhựa (khuôn với bề mặt có kết cấu, sự gia công kim loại nóng chảy với

cốt sợi thủy tỉnh)

- Các chỉ tiết động cơ đốt cháy

s* Lớp phủ Super-ATM : tối ưu hóa cho gia công tốc độ cao và vật liệu cứng

Độ cứng, khả năng chống oxy hóa và sự ổn định nhiệt của lớp phủ Super-A là tối ưu hóa

cho các ứng dụng trong gia công cơ khí tốc độ cao và vật liệu cứng Thậm chí khi làm với những chất liệu cứng và độ bền cao, lớp phủ mang đến sự bảo vệ chống lại sự đính và mài mòn trên nhiều dải tốc độ cắt Đặc tính ma sát thấp làm giảm lực cắt hiệu quả

Phù hợp với các ứng dụng:

- Gia công vật liệu khó (hợp kim titan, inconel)

- Độ cứng gia công > 52 HRC

- Gia công tốc độ cao

- Dao phay ngón hợp kim cứng

* Lớp phủ Nano-ATM: Lớp phủ vi mô chịu nhiệt và chống ăn mòn

Lớp phủ PVD mới nhất của Guhring là Nano-A Nó là lớp phủ đa lớp kết hop TiAIN va

AITiN trong cấu trúc một lớp vi mô mang tính chống ăn mòn và cứng hơn Do đó lớp phủ

T¡AIN có nhiệt độ oxy hóa xấp xỉ 1,650oF và độ rắn được tăng lên 3,800 (HV 0.05) Cấu

trúc lớp vi mô của nano-A tạo ra sự lựa chọn tốt hơn cho những ứng dụng thông thường của ALTiN, như là thép và vật liệu có độ cứng lớn hơn 45HRC Mặt khác kết quả thử nghiệm cũng chỉ ra rằng Nano-A cũng là lớp phủ tốt nhất cho

Phù hợp với các ứng dụng:

- Dụng cụ cắt hợp kim cứng sử dụng cho thép hợp kim, thép không rỉ, vật liệu hang không vũ trụ (khoan, phay, tiện)

* F coat —- Lép pha FIREX® : chịu nhiệt và chống mài

mòn nhiều lớp

FIREX là lớp phủ đa lớp, lớp phủ này cung cấp khả năng chống

va chạm của lớp phủ TiCN cộng với khả năng chống nhiệt của lớp

phủ T¡AIN Lớp phủ vạn năng này đã được phát triển ban đầu cho

gia công khô nhưng sau đó đã trở thành lớp phủ chống nhiệt phố

biến nhất FIREX là sự kết hợp đa lớp của lớp phủ TïN và TiAIN nó cung cấp sự ổn định

về nhiệt và sự chống mài mòn ở cả nhiệt độ cao và những ứng dụng không phát sinh nhiệt

- Dao phay lăn răng, dao chuốt

s* Lớp phủ Nano-FIREX® : Thế hệ mới nhất của FIREX

Lớp phủ FIREX là lớp phủ PVD cứng có sự kết hợp tính chịu mòn và chống nhiệt của

T¡AIN với khả năng của lớp phủ thông dung van nang TiN, tat ca trong một cấu trúc đa lớp

TiAIN trong cấu trúc gia tăng nhiệt độ oxy hóa (nhiệt độ mà lớp phủ kết hợp với oxy trong

không khí và bị phá vỡ), hay nhiệt độ vận hành lên tới 1,470oE Nhiệt độ này cao hơn nhiều

so với TICN - có nhiệt độ oxy hóa 840oF Đặc tính khác của lớp phủ TiAIN là ở nhiệt độ

cao lớp phủ sẽ có độ cứng bề mặt sắp xi 3,300 (HV 0.05), gấp hơn 3 lần độ cứng của TiCN Cấu trúc đa lớp két hop TiAIN voi TiN cải thiện khả năng chịu mài mòn và va đập mà sẽ

không có ở những lớp phủ một lớp hay lớp phủ đơn tiêu chuẩn

Lớp phủ Nano-FIREX® của Guhring có thành phần TiAIN/TiN giống như lớp FIREX

tiêu chuân, nhưng có kết cấu đa lớp nhỏ và mới hơn Nano-FIREX có nhiều lớp mỏng kết

hợp hơn với cùng một độ dày phủ so với lớp FIREX ban đầu Điều này làm tăng các đặc

tính bảo vệ, đặc biệt trong các ứng dụng có va đập là chủ yếu

Phù hợp với các ứng dụng:

- Dụng cụ cắt hợp kim cứng và thép gió cô ban (khoan, phay, tiện)

- Chày đột dập

- Chỉ tiết chịu mòn

- Dao phay lăn răng, dao chuốt

* M-coat— Lớp phủ MolyGlide® ( trên nền MoS 2) :

Giảm sự bám dính chất liệu

Lớp phủ MolyGilide, với hệ số ma sát thấp, đặc tinh trot cao, được

triển khai chủ yếu giảm bớt tính bám dính (mài mòn, bán dính, hàn

lạnh) và cũng có thể chịu được gia công thiếu sự bôi trơn hoặc chạy

khô.Nó chủ yếu chống được hiện tượng bề mặt mỏi (ăn mòn điểm)

- Đột đập và tạo hình (ít chất bôi trơn hoặc làm việc khô)

- Phun ép nhựa (chạy khô các dụng cụ chuyển động)

- Banh răng, vòng bi có mức độ áp lực bề mặt cao

- Thành phần chính xác, chủ yếu động cơ đốt trong

- Hệ thống mà không cần bôi trơn (làm sạch phòng công nghệ)

- Công nghệ chất lỏng

- Dụng cụ cắt (gia công nhôm)

II Qui trình chế tạo dụng cụ phủ:

(Insert Manufacturing

Nguyên liệu chế tạo bao gồm:

Bột cô ban

Bột cacbide —Wolfram

Các thành phần phu: Cacbide titan, Cacbide tantan

( Insert Manufacturing

Bước 1: Các loại bột được trộn đều, ép thành miếng theo dạng tiêu chuẩn, kiểm tra lại

hình dạng

(Insert Pressing Operation

Bước 2: Thiêu kết insert, sau thiêu kết, thé tich insert chi còn 50% so với trước thiêu kết

Bước 4: Với insert gồm hay CBN, phái mài sửa lưỡi để tăng cứng

Insert Edge Reinforcement

¬ẩ

Some ceramic roll turning

Bước 5: Với 1 số kiểu insert, phải vê tròn phan lưỡi cắt để tăng cứng

Insert Edge Rounding

Bước 6: Phủ insert, với nhiều lớp phủ khác nhau

Insert Coating

#4 Có hai phương pháp phủ là PVD & CVD

1 Phủ PVD là gì?

Phương pháp bay hơi lắng đọng vật lý (PVD) là một thuật ngữ dùng để diễn tả một tập hợp các

quá trình phủ một lớp màng mỏng được thực hiện dưới điều kiện chân không (107 đến 10 Torr)

Các quá trình này bao gồm sự phát ra các ion dương của nhiều kim loại khác nhau Các ion kim

loại này tác động với các ion của khí gas tạo ra các hỗn hợp khác nhau Kết quá là tạo ra mối liên

kết cơ học giữa lớp màng phủ với nền

2 Phủ CVD là gì?

Phương pháp bay hơi lắng đọng hóa học (CVD) là tạo ra một lớp màng mỏng nhờ liên kết dưới dạng khuếch tán, là kết quả của phản ứng giữa các pha khí với bề mặt được nung nóng

San phim cudi cùng được tạo ra là một lớp màng phủ cứng và chịu mài mòn có liên kết rất mạnh

với vật liệu nền CVD nhiều khi cúng được gọi là phương pháp phủ nóng, bởi các quá trình được

thực hiện ở nhiệt độ 1900°F

Với lý do đó, các quá trình xử lý nhiệt chân không, phủ bề mặt cũng được phát triển cho các

phần tử làm bằng thép dụng cụ

3 Tại sao phải sử dụng phủ PVD và/ hoặc CVD

Chưa quan tâm tới các ứng dụng cụ thé, ly do chính để sử dụng PVD và/hoặc CVD hết sức đơn

giản, đó là bài toán kinh tế: Làm giảm chỉ phí trên mỗi sản phẩm

Bài toán tiết kiệm chỉ 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

4 Phú PVD & VCD nâng cao tuổi thọ và hiệu suất dung cu

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

So với dụng cụ có nền không phủ thì việc phủ có hệ số ma sát nhỏ hơn nhiều Đối với các dung

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 chuyên tương đối ít bị hạn chế hơn

5 Mức độ nâng cao tuổi thọ dụng cụ sau khi phủ PVD & 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 dung cu thé còn cho thấy tuôi thọ có thế tăng gap 10 lan

6 Độ dày trung bình lớp phủ

Dộ dày trung bình lớp phủ PVD là 2 - 5mm và của CVD là 5 - 10mm

7 Nhiệt độ quá trình phủ

Nhiệt độ quá trình phủ PVD 1a tir 200 - 750°F

Con nhiét d6 cho qua trinh phu CVD 1a 1900°F, vi vậy một số thép dụng cụ sẽ bị tôi trong quá

trình phủ

Sau khi phủ sẽ phải xử lý nhiệt chân không cho các thép dụng cu dé dat được độ cứng yêu cầu

8 Các vật liệu phù hợp cho phủ PVD & CVD

Thép gió (HSS), hợp kim cứng, và nhiều thép dụng cụ khác có thể được sử dụng để phủ cả PVD

va CVD

9 Thoi gian phi PVD va CVD

Chu kì phủ trung bình của PVD là từ 3 - 5 ngày, và từ 5 - 7 ngày đối với CVD Với một số loại

phủ vật liệu hiếm như DLC, Al;O; thì thời gian có thể ngắn hơn

Bước 7: Kiểm tra lần cuối, in ký hiệu, đóng hộp và lưu kho

Insert Inspection & Distribution

Một số hình ánh dụng cụ phủ:

Phan 2: TINH KINH TE KHI TIEN MAT TRU NGOAI

2.1 Chon lượng chạy dao

Trong gia công tỉnh, việc chọn lượng chạy dao phù hợp sẽ cho một bề mặt được chấp nhận Trong trường hợp này việc chọn dựa theo người thiết kế đưa ra những yêu cầu đặc biệt

đối với bề mặt sau khi gia công

Trong kế hoạch gia công thô, việc chọn lượng chạy thích hợp là cần thiết trước tiên để

xem xét những ảnh hưởng của tốc độ cắt và lượng lượng chạy dao dựa vào tuổi thọ của dụng cụ cắt

Nếu thay đổi tốc độ cắt thì không ảnh hưởng đến thông số hình học của quá trình gia

công, cũng không ảnh hưởng đến việc tiêu thụ năng lượng mà nó ảnh hưởng đến nhiệt cắt sinh

ra trên dao.Vì thế việc thay đổi giá trị vận tốc cắt hoặc lượng chạy dao sẽ ảnh hưởng đến nhiệt

cắt của dao

Tuy nhiên, việc tăng lượng chạy dao sẽ không ảnh hưởng đến tốc độ trượt tương đối tại

bề mặt làm mòn của dao, ngược lại tốc độ trượt sẽ thay đổi theo tỉ lệ với vận tốc cat Vi sự mòn dao là kết quả của nhiệt cắt và vận tốc trượt tương đối Sự mòn dao gia tăng nếu tăng vận tốc cắt và sẽ dẫn đến kết quả là tuổi thọ của đao giảm so với việc gia tăng lượng chạy dao

Nhìn chung, trong gia công thô chỉ phí sản xuất tăng để trả cho việc tăng lượng chạy dao hơn là trả cho việc gia tăng tốc độ cắt, do việc tăng lượng chạy dao sẽ làm tăng lực cắt trong khi việc tăng tốc độ cắt thì không Vì vậy tồn tại một giới hạn trong việc gia tăng lượng chạy dao và phụ thuộc vào khả năng chịu đựng lực cắt lớn nhất của dụng cụ cắt trên máy công cụ Một nguyên tắc đưa ra việc chọn những điều kiện cắt tối ưu trong gia công thô là lượng chạy dao

luôn được đặt tại giá tri lớn nhất có thẻ

2.2 Chọn tốc độ cắt

Hai tiêu chí khác biệt có thể được dùng trong việc chọn vận tốc cắt cho một qui trình gia

công là: chỉ phí sản xuất nhỏ nhất và thời gian sản xuất nhỏ nhất Việc chọn tốc độ cắt tốt nhất

sẽ cho giá thành nhỏ nhất

Xem xét quá trình gia công tiện trụ ngoài Trong trường hợp này, thời gian tiêu tốn cho

người vận hành và máy trong một lô sản xuất có N; chỉ tiết có thể được chia thành ba loại:

1 Thời gian không sản xuất Not trong dé t, thoi gian mắt đi để đặt chỉ tiết lên và lấy chỉ tiết xuống và quay chỉnh đao đề bắt đầu cắt

2 Tổng thời gian gia công Nuim trong đó tm là thời gian gia công cho một chi tiết

3 Thời gian tổng cộng liên quan đến việc thay đổi dao do mòn N;tạ trong đó tụ, là thời gian thay dao, và Ñ, là sô lượng dao được sử dụng.