NHẬT BẢN – Việc chuyển đổi từ gia công các kim loại thông thường như nhôm sang những vật liệu khó gia công hơn như titan hoặc inconel (*) cần kỹ thuật cắt gọt riêng. Để cắt những loại kim loại này một cách hiệu quả, cần hiểu rõ bản chất của chúng.
(*) Inconel: là danh từ riêng thương mại của một họ siêu hợp kim austenitic gốc niken-crom (chứa 50-70% niken và 15-25% crom, kết hợp với các nguyên tố khác như sắt, columbium, molybdenum). Các mác phổ biến nhất bao gồm inconel 625 và inconel 718.

Trong bài viết này, các chuyên gia tại tập đoàn Big Daishowa sẽ phân tích các nguyên lý khoa học của quá trình sinh nhiệt và áp lực lên dụng cụ cắt, đồng thời giải thích các yêu cầu đặc thù khi gia công titan hoặc inconel, cũng như đi sâu vào các yếu tố cân nhắc quan trọng khác như lớp phủ và sự thay đổi biên dạng hình học của dao.

Quản lý nhiệt độ khi gia công các hợp kim đặc biệt
Quá trình gia công cơ khí dựa trên lý thuyết mặt phẳng trượt (shear plane theory) (*): khi dụng cụ cắt nén phôi vượt quá giới hạn chảy của nó, nó sẽ tạo ra biến dạng dẻo trên phôi và tách vật liệu ra. Phần vật liệu bị tách ra này được gọi là phoi. Sau khi tách ra, phoi sẽ di chuyển lên mặt trước (rake face) của dụng cụ cắt tại vùng tiếp xúc giữa dao và phoi. Quá trình di chuyển này tạo ra ma sát, áp lực và lượng nhiệt lớn. Việc kiểm soát lượng nhiệt sinh ra tại đây là yếu tố quyết định việc gia công. Nhiệt độ cao có thể làm hỏng cả chi tiết gia công lẫn dụng cụ cắt.
(*) Shear plane theory (mô hình trượt mỏng của Merchant): Là một lý thuyết nền tảng trong cơ học cắt gọt kim loại. Khi dao cắt di chuyển qua, vật liệu phôi chịu ứng suất nén và cắt. Thay vì bị cắt đứt ngay lập tức, vật liệu sẽ bị dồn nén, đạt đến giới hạn chảy và trượt dọc theo một mặt phẳng nghiêng hay mặt phẳng trượt (shear plane). Lý thuyết này mô tả cơ chế vật lý biến dạng dẻo của vật liệu khi lưỡi dao cắt ăn vào phôi để tạo thành phoi. 

Khả năng dẫn nhiệt sẽ quyết định lượng nhiệt tích tụ này sẽ đi về đâu. Nhôm tản nhiệt rất nhanh thông qua phoi và chi tiết gia công, giúp duy trì nhiệt độ gia công mát và tối ưu. Ngược lại, titan hoặc inconel lại có tính cách nhiệt cao hơn. Do chúng không tản nhiệt tốt, nhiệt năng sẽ tích tụ ngay tại mũi dao. Quá trình gia công titan hoặc inconel thường phải diễn ra chậm hơn, bởi tốc độ cắt cao sẽ làm tích tụ nhiệt ngày càng nhiều. Tốc độ gia công chậm hơn giúp giảm bớt tải trọng nhiệt này.

Dung dịch làm nguội đóng vai trò hỗ trợ kiểm soát tải nhiệt khi gia công các hợp kim đặc biệt. Phương pháp tưới nguội tràn (flood coolant) giúp rửa trôi phoi ra khỏi vùng cắt và giảm nhiệt độ môi trường xung quanh dụng cụ. Phương pháp cấp dung dịch làm nguội áp lực cao (high-pressure coolant) hiệu quả hơn bằng cách đưa trực tiếp chất lỏng vào vùng tiếp xúc giữa dao và phoi, giảm ma sát và triệt tiêu nhiệt trước khi nó kịp tích tụ.

Hiểu về áp lực lên dụng cụ
Áp lực lên dụng cụ cắt là một yếu tố quan trọng khác cần cân nhắc khi gia công siêu hợp kim. Áp lực này chính là lực mà dụng cụ cắt tác động lên chi tiết gia công. Áp lực dao lớn hơn sẽ tạo ra nhiều rung động, độ lệch (uốn võng) hơn và làm dụng cụ cắt nhanh mòn hơn nếu không được kiểm soát tốt.

Nguyên lý cơ bản khi gia công vật liệu titan
Titan có tỷ lệ độ bền trên trọng lượng cao hơn so với nhôm, do đó cần một lực lớn hơn để cắt đứt vật liệu. Titan cũng có tính đàn hồi cao. Nó có xu hướng co nảy, lệch xa dụng cụ cắt, dẫn đến sai lệch về kích thước gia công.

Nếu áp lực dao quá lớn, biến dạng dẻo sẽ làm cứng bề mặt titan (hiện tượng này gọi là biến cứng bề mặt – work-hardening) và làm tăng độ mòn dao. Áp lực dao cao cũng có thể gây ra rung động lớn khi gia công titan, làm hỏng chi tiết và phá hủy dụng cụ cắt. Các thiết bị như bộ giảm chấn thông minh là giải pháp giảm rung động hiệu quả.

Để gia công titan đúng cách, người thợ máy cần hướng tới: tốc độ cắt thấp để tránh tích tụ nhiệt, lực cắt cao để thắng được độ bền kéo lớn của vật liệu, cùng tốc độ tiến dao vừa phải và dụng cụ cắt sắc bén để ngăn ngừa hiện tượng biến cứng bề mặt.

Nguyên lý cơ bản khi gia công vật liệu inconel
Gia công Inconel cần lực cắt lớn. Inconel bị biến cứng bề mặt nhanh hơn titan, vì vậy hãy theo dõi độ sắc bén của dao và tốc độ tiến dao để phòng ngừa hiện tượng này. Inconel cũng yêu cầu tốc độ cắt chậm để tránh hư hỏng do nhiệt, bởi vật liệu này được chế tạo để chịu nhiệt độ cao. Sử dụng các dụng cụ cắt làm từ vật liệu có khả năng chống chịu nhiệt độ cao như carbide (hợp kim cứng) cho phép tăng tốc độ cắt khi gia công vật liệu inconel.

Giải pháp dụng cụ đối với gia công vật liệu inconel và titan: các lưu ý đặc biệt
Có ba điểm điều chỉnh quan trọng cần thực hiện khi chuyển đổi từ gia công nhôm sang các siêu hợp kim như titan hoặc inconel:

1. Biên dạng hình học
– Nhôm: Được tối ưu hóa để cắt tự do, tốc độ cao và thoát phoi mạnh mẽ (góc trước dương lớn, góc xoắn cao, ít lưỡi cắt/ me dao và khoảng trống rãnh thoát phoi rộng).
– Titan: Được tối ưu hóa để cắt tự do nhưng vẫn đảm bảo đủ độ dày cạnh cắt để xử lý độ uốn võng và hiện tượng biến cứng bề mặt (góc trước dương vừa phải, cạnh cắt được mài vát chính xác sắc bén và góc xoắn vừa phải).
– Inconel: Được tối ưu hóa cho độ cứng vững và độ bền cạnh cắt để chịu được lực cắt lớn (góc trước thấp hoặc trung tính, cạnh cắt được mài vát chắc chắn hơn, góc xoắn thấp hơn và đường kính lõi dao lớn hơn).

2. Lớp phủ bề mặt của mảnh dao
– Nhôm: Thường dùng carbide không phủ hoặc lớp phủ ZrN (zirconium nitride) tạo độ sắc bén tối đa cho cạnh cắt và hiệu quả về chi phí.
– Titan: Lớp phủ AlTiN (aluminum titanium nitride) hoặc TiAlN (titanium aluminum nitride) giúp tăng khả năng chống oxy hóa và chịu nhiệt.
– Inconel: Lớp phủ AlTiN và các biến thể nanocomposite tiên tiến giúp chống chịu nhiệt độ cao.

3. Các biện pháp quản lý nhiệt bổ sung
– Nhôm: Áp dụng các đường chạy dao tiêu chuẩn ăn hết chiều rộng lát cắt và các đường chạy dao thông thường.
– Titan: Các đường chạy dao trochoidal (hiệu suất cao – HFM) giúp nhiệt không bị tập trung cục bộ tại vùng tiếp xúc giữa dao và phoi.
– Inconel: Áp dụng kỹ thuật làm mỏng phoi (chip thinning) thông qua dung dịch làm nguội áp lực cao kết hợp với đường chạy dao trochoidal là bắt buộc để duy trì tuổi thọ và chức năng của dụng cụ cắt.

Để xem các tin bài khác về “Gia công cắt gọt”, hãy nhấn vào đây.

 

Nguồn: Shop Metalworking Technology