Tiểu luận Lý thuyết gia công kim loại nâng cao

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

III Qui trình chế tạo dụng cụ phủ

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

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 tô góp phần tạo nên hiệu quả và năng suất

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

độ dày vài 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 nhôm (Al2O3), Titanium cacbide nitride (TiNC) là các vật liệu rất cứng, có độ chống ăn mòn và độ trơ hóa cao, tăng khả năng chống mài mòn giữa dụng cụ và phoi

2 Cấu tạo:

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

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

- Mảnh hợp kim dao tiện phủ nhôm – oxit (Al2O3) có 2 lớp phủ

+ lớp phủ trên cùng là nhôm – Al2O3

+ Lớp phủ trung gian là Titan –

Cacbide – Nitride (TiCN)

+ Lớp cuối cùng là Cacbide thiêu kết

- Mảnh hợp kim dao tiện phủ

nhôm – oxit Al2O3 có 3 lớp phủ

+ Lớp trên cùng là Al2O3 được đánh

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

- Khuôn thổi nhựa

- Ống bơm của bơm phun diesel

- Thiết bị y tế

 C coat – Lớp phủ TiCN (Titanium carbon nitride):

chống mài mòn trong những điều kiện gia công thô

Lớp phủ TiCN 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 săt và thép mangan

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

 A coat – Lớp phủ TiAlN (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

Titanium aluminum nitride TiAIN làm tăng tính ổn 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

- Các chi tiết động cơ đốt cháy

 Lớp phủ Super-A™ : 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 dính 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-A™: 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 hợp TiAIN và AITiN trong cấu trúc một lớp vi mô mang tính chống ăn mòn và cứng hơn Do đó lớp phủ TiAIN 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 hàng

không vũ trụ (khoan, phay, tiện)

 F coat – Lớp phủ 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 TiAlN 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 phổ

biến nhất FIREX là sự kết hợp đa lớp của lớp phủ TiN 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 lớn

Phù hợp với các ứng dụng:

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

- Chày đột dập

- Chi tiết chịu mòn

- Dao phay lăn răng, dao chuốt

 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 TiAIN với khả năng của lớp phủ thông dụng vạn năng TiN, tất cả 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 1,470oF 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 xỉ 3,300 (HV 0.05), gấp hơn 3 lần độ cứng của TiCN Cấu trúc đa lớp kết hợp TiAIN với 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 TiAlN/TiN giống như lớp FIREX tiêu chuẩn, 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

- Chi 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 MolyGlide, với hệ số ma sát thấp, đặc tính trợt 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)

và sự ô xi hóa tribo (sự ăn mòn ma sát) thường được gọi là

“teflon-like”

Phù hợp với các ứng dụng:

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

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

- Bánh 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)

III Qui trình chế tạo dụng cụ phủ:

Nguyên liệu chế tạo bao gồm:

- Bột cô ban

- Bột cacbide –Wolfram

- Các thành phần phụ: Cacbide titan, Cacbide tantan…

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

Bước 2: Thiêu kết insert, sau thiêu kết, thể tích insert chỉ còn 50% so với trước thiêu kết

Bước 3:Mài lại insert, đạt kích thước theo tiêu chuẩn

Bước 4: Với insert gốm hay CBN, phải mài sửa lưỡi để tăng cứng

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

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

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 (10-2 đến 10-4 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 quả là tạo ra mối liên kết cơ học giữa lớp màng phủ với nền

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 thể, lý do chính để sử dụng PVD và/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

4 Phủ PVD & VCD 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

Độ cứng (HRC) 58 - 62 62 - 65 70 - 76 > 80

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

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 dụng cụ thể còn cho thấy tuổi thọ có thế tăng gấp 10 lần

Sau khi phủ sẽ phải xử lý nhiệt chân không cho các thép dụng cụ để đạt 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

và CVD

9 Thời gian phủ PVD và 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

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

Một số hình ảnh dụng cụ phủ:

Phần 2: TÍNH KINH TẾ KHI TIỆN MẶT TRỤ NGOÀI

2.1 Chọn lượng chạy dao

Trong gia công tinh, 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 cắt Vì 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 dao giảm so với việc gia tăng lượng chạy dao

Nhìn chung, trong gia công thô chi 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 thể

2 Tổng thời gian gia công Nbtm 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 Nbtct trong đó tct là thời gian thay dao, và N là số lượng dao được sử dụng

Nếu M là tổng chi phí cho người vận hành và máy (gọi chung là chi phí phải trả), Thì chi phí tổng cộng là

M(Nbtl + Nbtm + Nttct) (1)

Để tính chi phí này, phải cộng thêm vào chi phí mua các dụng cụ đã sử dụng NtCt trong

đó Nt số lượng dao sử dụng Ct là giá của mỗi dao Chi phí sản xuất trung bình cho mỗi chi tiết

có thể viết:

ct b

t ct b

t m

N

N t N

N M Mt Mt

Đại lượng đầu tiên trong công thức này là chi phí không sản xuất, không thay đổi cho quá trình gia công đặc biệt Đại lượng thứ hai là chi phí gia công, chi phí này giảm khi gia tăng tốc độ cắt với lượng chạy dao không đổi Các đại lượng cuối là những chi phí về dụng cụ, chúng sẽ tăng khi gia tăng tốc độ cắt

Để tính toán số dao dùng trong một loạt gia công các chi tiết, điều cần thiết là phải biết mối quan hệ giữa tốc độ cắt và tuổi bền của dao Biểu đồ Taylor’s đã chỉ ra mối quan hệ này

Ta có:

n r

r t

t v

tr: tuổi bền dao tương ứng với một tốc độ cắt vrGiá trị tr được tìm thấy bởi kinh nghiệm của việc gia công hoặc từ bảng kê đã thiết lập

Hệ số n phụ thuộc vào vật liệu làm dao

Đối với thép gió: n 0 125

Đối với thép hợp kim cứng: 0.25 < n < 0.3

Đối với vật liệu ceramic (gốm sứ): 0.5 < n < 0.7

Tuổi bền t cuả dao:

n r r

v

v t t

/ 1

r

t C

r

t C

m m b

t

v

v t

t t

t N

dw đường kính của phôi

f là lượng ăn dao Mối quan hệ giữa chi phí sản xuất và tốc độ cắt dựa vào sự thay thế các biểu thức (8) và (9) vào biểu thức (2):

n n t ct r n r

t v

K MKv

r r

c

C Mt

Mt n

n v

Để tốc độ cắt cho chi phí sản xuất lớn nhất (thời gian sản xuất nhỏ nhất) tính toán tương

tự đã trình bày như trên

Trong trường hợp này, điểm đặc trưng của biểu thức (2) đưa ra thời gian sản xuất trung bình cho một chi tiết là:

ct b

t m

N

N t t

Thay thế các biểu thức (8), (8) vào (12) ta được tốc độ cắt vp cho thời gian sản xuất nhỏ nhất

n ct

r r

p

t

t n

n v

2.3 Tuổi thọ dụng cụ cắt để chi phí thấp nhất và thời gian sản xuất nhỏ nhất

Trong viêc thực hiện phân tích các qui trình gia công nếu chọn các biểu thức thích hợp sẽ cho tuổi bền dụng cụ tối ưu cho chi phí thấp nhất tc và tuổi bền dụng cụ tối ưu cho thời gian sản xuất nhỏ nhất tp

tc: tuổi bền của dụng cụ cho chi phí thấp nhất

tp: tuổi bền của dụng cụ cho thời gian sản xuất nhỏ nhất

Từ các biểu thức (11), (13), (4) biến đổi ta được:

n

ct c

r r c

t

t v

r r p

t

t v v

Từ các biểu thức trên, để tính toán ta phải biết trước thời gian thay dao tct, chi phí mua dụng cụ cắt Ct, chi phí máy và người vận hành M và tốc độ cắt vr ứng với tuổi bền tr của một dao riêng biệt

2.4 Sự ước tính các hệ số cần thiết để xác định các điều kiện tốt nhất

Chi phí máy móc và chi phí cho người vận hành bao gồm định mức phải trả cho người vận hành kết hợp thêm chi phí phụ cho công việc và định mức hao mòn của máy công cụ kết hợp thêm chi phí phụ khi sử dụng nó.Và công thức được áp dụng trong hầu hết các trường hợp là:

M = W0 + (phần trăm chi phí phụ của người vận hành/100)W0 + Mt + (phần trăm chi phí phụ của máy/100)Mt (23) Trong đó

W0: định mức tiền lương của người vận hành

Mt: định mức hao mòn của máy công cụ

Phần trăm chi phí phụ của người vận hành có thể từ 100% đến 300%

Chi phí phụ của máy bao gồm chi phí cho công suất tiêu thụ, chi phí bảo dưỡng máy móc, và có khả năng sẽ có chi phí chuẩn độ lại máy Chu kỳ có thể là 2 đến 10 năm tùy thuộc vào loại máy Định mức hao mòn của máy được tính bởi:

Mt = chi phí máy ban đầu/(số giờ làm việc trong một năm* thời gian khấu hao) (25) Phương pháp được sử dụng để dự đoán chi phí của dụng cụ sẽ phụ thuộc vào loại dụng cụ sử dụng Đối với các dụng cụ có thể mài lại ta có thể dự đoán chi phí cho một cạnh sắc của dao:

Ct = chi phí mài + giá của dụng cụ/số lần trung bình có thể mài lại (26) Đối với dụng cụ có sử dụng miếng ghép chỉ dung một lần thì Ct được tính theo phương trình:

Ct = giá của miếng ghép/số cạnh cắt trung bình trên mỗi miếng ghép + giá của thân dao/số cạnh cắt sử dụng trong tuổi thọ của dao (27) Thời gian thay dao tct đối với dụng cụ có sử dụng miếng ghép là:

tct = thời gian quay mặt dao* (số cạnh cắt trung bình trên một miếng ghép – 1)/ số cạnh cắt