Lưỡi phay: Bước nhảy vọt lượng tử và tiến độ vững chắc

Tháng Mười Một 06 07:30 2016

Trong các nhu cầu ngành công nghiệp đang phát triển ngày nay, sự phát triển mảnh chắp bằng carbides xác định bước tiến của lưỡi cắt. Đóng góp của Andrei Petrilin, giám đốc kỹ thuật phay với dao có mảnh chắp, và Marcel Elkouby, giám đốc kỹ sư khoa học vật liệu, bộ môn Vật liệu & tráng phủ, Công ty Iscar.

Carbide carbon hóa là vật liệu cứng chuyên dùng làm dụng cụ cắt gọt. Trong phạm vi công nghiệp, khi nói về carbide hoặc carbide tungsten (wolfram), thường được hiểu là loại composite carbon hóa này.

01

Dao cắt carbides có nhiều ưu điểm. Trong hầu hết các trường hợp, chúng tạo ra bề mặt gia công tốt hơn, và cho phép cắt gọt nhanh hơn so với dao cắt thép gió (HSS). Ngoài ra, dao carbide còn có khả năng chịu được nhiệt độ cao hơn ở bề mặt tiếp xúc giữa lưỡi cắt và chi tiết gia công khi so sánh với dao thép gió, đây là lý do chính để dao carbide có khả năng cắt gọt nhanh hơn. Carbide thường cung cấp hiệu suất cắt gọt cao khi gia công vật liệu dai, chẳng hạn thép hợp kim cao, thép không gỉ, cũng như trong tình huống khi các loại dao khác bị mòn nhanh hơn, chẳng hạn trong trường hợp yêu cầu gia công hàng loạt với chất lượng cao. Công nghiệp sử dụng carbide để cắt gọt vật liệu kim loại từ thập niên 1930. Kể từ đó, carbide trở thành vật liệu thông dụng nhất để chế tạo dụng cụ cắt gọt. Dụng cụ cắt có kích thước nhỏ thường được chế tạo hoàn toàn bằng carbide, còn loại lớn hơn chỉ sử dụng carbide cho phần lưỡi cắt. Thời kỳ đầu, vùng cắt gọt là mảnh carbide (còn được gọi là mảnh chắp) được hàn thau vào cán dao. Tuy nhiên, vào thập niên 1940, các nhà chế tạo dụng cụ cắt bắt đầu sản xuất dao cắt với ưu điểm là mảnh chắp có thể được thay mới, lắp lên cán dao bằng mối ghép tháo được (cơ học).

Sự cải tiến thông minh này và sử dụng mối ghép cơ học, có độ bền cao hơn nhiều so với hàn thau, được coi là cột mốc đáng nhớ, không chỉ trong lĩnh vực chế tạo dụng cụ cắt, mà còn là sự tiến bộ về hiệu suất trong tất cả các ngành gia công kim loại. Bước phát triển quan trọng này dẫn đến các cải tiến ấn tượng về năng suất lao động trong lĩnh vực gia công cắt gọt. Điều này cho phép tăng tải tác dụng lên dao cắt và tăng tốc độ gia công cắt gọt. Ngoài ra, phương pháp gia công hiệu quả này còn bảo đảm thay thế lưỡi cắt bị mòn hoặc bị gãy một cách dễ dàng và đơn giản, cho phép chế tạo riêng rẽ cán dao và lưỡi cắt. Tùy theo hình dạng mảnh chắp cần sử dụng, chúng được ghi chỉ số để bảo đảm có thể thay đổi nhanh khi phần lưỡi cắt bị mòn hoặc bị mẻ, chẳng hạn xoay mảnh chắp theo trục tâm hoặc lật ngược mảnh chắp. Ban đầu, phần lưỡi cắt được gọi theo vài danh từ, chẳng hạn mũi cắt loại bỏ, mảnh chắp dễ thay thế, mảnh chắp đổi lẫn… và ngày nay thường được gọi là mảnh chắp có chỉ số.

02Mảnh chắp dao phay H690 TNKX 1005 có sự khác biệt rõ rệt về chiều cao giữa các góc đỉnh cắt

Công nghệ được dùng trong chế tạo mảnh chắp dựa trên chuyên ngành luyện kim bột, gồm các bước cơ bản dưới đây:
– Chuẩn bị bột carbide (phôi trộn)
– Nén ép bột (ép chặt)
– Thiêu kết (nung nóng) khôi nén ép
– Xử lý sau khi thiêu kết – tráng phủ

Trong các bước cơ bản nêu trên, có vài bước hầu như không thay đổi trong vài chục năm qua. Đồng thời, sự tiến bộ về khoa học và công nghệ đã có tác động rõ rệt đến quá trình chế tạo mảnh chắp.

Trong quá khứ, mảnh chắp được chế tạo trên các máy móc vận hành bằng tay, do đó, sự áp dụng các quy trình luyện kim bột phức tạp là rất khó khăn, thậm chí không thể thực hiện được. Sự xuất hiện các trang thiết bị công nghiệp tiên tiến hơn, gồm cả điều khiển bằng máy tính và tự động hóa, giúp cho các quy trình công nghệ này trở nên ổn định hơn, dễ điều khiển và có độ tin cậy cao hơn. Do đó, các tính chất cơ học của mảnh chắp trở nên đồng đều hơn, có thể dễ dàng dự đoán và có tính lặp lại cao hơn; các yếu tố này cho phép cải thiện rõ rệt độ chính xác của mảnh chắp thiêu kết do dung sai chế tạo trở nên chặt chẽ hơn.

Ngày nay, máy ép để chế tạo mảnh chắp là thiết bị kỹ thuật cao được điều khiển bằng máy tính. Chày ép di động được chế tạo từ vài “chày ép nhỏ”, mỗi chày đó có thể vận hành một cách riêng rẽ. Một số thiết kế máy ép hướng đến tùy chọn ép đa trục. Tiến bộ rõ rệt nhất trong công nghệ ép cho phép chế tạo mảnh chắp có hình dạng phức tạp, được đặc trưng bằng chiều cao lưỡi cắt biến thiên (Hình 1). Điều này cho phép hiện thực hóa dạng hình học lưỡi cắt tối ưu, không chỉ bảo đảm cho quá trình cắt gọt ổn định và êm dịu mà còn làm tăng độ bóng của bề mặt gia công.

Ngoài ra, các ưu thế do sử dụng hệ thống CAD/CAM cho phép cải thiện thiết kế và hình dạng các chi tiết của bộ khuôn ép. Hơn nữa, khả năng mô phỏng các quá trình ép liên quan với các loại sản phẩm thiêu kết mới, ngay từ khi bắt đầu giai đoạn thiết kế, cho phép tiếp tục thực hiện các điều chỉnh hoặc cải tiến cần thiết.

Các kỹ thuật tiên tiến mới, liên quan với mảnh chắp thiêu kết, cho phép cải thiện chất lượng quy trình công nghệ. Thiêu kết lớp tạo nền đa – carbide bảo đảm lớp mỏng trên cùng có hàm lượng Cacbon Monoxit cao. Lớp mỏng này tạo thành rào chắn, cản trở sự hình thành vết nứt và do đó làm tăng khả năng chống phá hủy và giảm tính dòn. Ngày nay, lớp nền kiểu này được dùng rộng rãi cho loại dao chuyên dùng trong các nguyên công tiện.

Cho đến thập niên 1980, carbides vẫn chưa được tráng phủ. Để loại dao này trở nên đa năng hơn và sử dụng tốt hơn khi gia công cắt gọt, các nhà chế tạo dao đã nghiên cứu và sử dụng thêm các chất phụ gia. Áp dụng công nghệ tráng phủ đã làm thay đổi rõ rệt thế giới gia công cắt gọt, ngày nay, hầu hết các dao carbide đều được tráng phủ. Sự áp dụng công nghệ này cho phép dao cắt tập trung vào quá trình cắt gọt các vật liệu chuyên biệt. Lớp nền chứa ít chất phụ gia hơn, do đó có cấu trúc đồng nhất và ổn định hơn, do đó trong quá trình sản xuất sẽ dễ dàng kiểm soát hơn.

03Cấu trúc lớp nano của tráng phủ trên bề mặt mảnh curbide CVD IC807 (hình ảnh SEM)

Sự áp dụng carbides tráng phủ và các cải tiến liên tục trong lĩnh vực này của các công ty, chẳng hạn công ty Iscar, làm tăng rõ rệt tốc độ cắt. Ví dụ, 30 năm trước, khi tiện gang xám, tốc độ cắt khoảng 100 m/phút khi sử dụng mảnh chắp IC20 của Iscar (không tráng phủ). Ngày nay, loại IC05 tráng phủ, cho phép sử dụng tốc độ cắt đến 600 m/phút. Trong trường hợp khác, phay thép không gỉ loại martensite, với carbide không tráng phủ IC60M vào thời kỳ đó chỉ đạt tốc độ 80 m/phút, ngày nay tốc độ khoảng 300 m/phút nếu dùng dao IC5050 (có tráng phủ). Các số liệu ấn tượng này là minh họa cho bước nhảy vọt về tốc độ cắt của dao carbide có tráng phủ.

Công nghệ tráng phủ tiếp tục phát triển theo hai hướng chính – ngưng tụ hơi hóa học (CVD) và ngưng tụ hơi vật lý (PVD). Kết quả tiến bộ chính trong lĩnh vực CVD là lớp tráng phủ gốm Alumina. Lớp này cho phép gia công cắt gọt với tốc độ cao nhờ các tính chất cách nhiệt tuyệt hảo, độ cứng cao, và tính ổn định hóa học ở nhiệt độ cao.

04.1Hình ảnh của bề mặt tráng phủ CFD trước (hình trái) và sau (hình phải) khi xử lý Sumotec.

Lớp tráng phủ PVD xuất hiện vào cuối thập niên 1980. Lớp PVD tạo ra bước tiến mạnh mẽ, cho phép khắc phục các vấn đề phức tạp ngăn cản sự tiến bộ trong công nghệ nano. Lớp tráng phủ PVD đem tới một nhóm mới các lớp tráng phủ nano chống mài mòn cao. Loại tráng phủ này (Hình 2) là tổ hợp các lớp có chiều dày đến 50 nm (nano mét) và có độ bền cao hơn rõ rệt so với các phương pháp truyền thống. Công nghệ hiện đại cho phép cả hai phương pháp – CVD và PVD – kết hợp với nhau để tráng phủ các mảnh chắp, nhằm kiểm soát các tính chất của lớp tráng phủ. Đặc biệt, loại carbide DT7150 của Iscar có lớp nền dai cùng với lớp kép MTCVD và TiA1N PVD. Loại này ban đầu được phát triển để cải thiện tính gia công cắt gang đúc cứng đa năng. Tiến bộ chính kế tiếp trong công nghệ mảnh chắp liên quan đến quá trình xử lý sau khi tráng phủ. Ví dụ, Iscar phát triển phương pháp Sumotec, xử lý bề mặt mảnh chắp đã tráng phủ. Công nghệ xử lý sau tráng phủ này cho phép cải thiện độ bền và tính chống mài mòn, làm tăng năng suất gia công cắt gọt. Trong tráng phủ CVD, do sự khác biệt về hệ số dãn nở nhiệt giữa nền và các lớp tráng phủ, sẽ phát sinh ứng suất kéo bên trong. Ngoài ra, tráng phủ PVD có thể tạo ra các giọt nhỏ trên bề

05.1Tác dụng của xử lý Sumotec trên bề mặt tráng phủ PID: a- bề mặt chưa xử lý, b– bề mặt sau khi xử lý

mặt. Các yếu tố này ảnh hưởng xấu đến lớp tráng phủ và làm giảm tuổi bền của dụng cụ cắt. Áp dụng công nghệ Sumotec, xử lý sau tráng phủ, cho phép giảm hoặc loại bỏ các ảnh hưởng này, cho phép tăng tuổi bền và năng suất cắt gọt (Hình 3, Hình 4). Các phát triển liên tục trong công nghệ mảnh chắp carbide kích thích sự phát triển trong vài lĩnh vực khác. Các phương pháp ép và thiêu kết tiên tiến, quy trình tráng phủ và xử lý sau tráng phủ, các tùy chọn mới về xử lý bề mặt và tối ưu hóa dạng hình học cắt áp dụng cho công nghệ chế tạo mảnh chắp nhằm đáp ứng các yêu cầu gia công hiệu quả trong chuyên ngành gia công kim loại hiện đại. Loại IC6025 mới phát triển gần đây của Iscar chuyên dùng làm dao tiện liên quan tới nhóm ISO M (thép không gỉ austenite và thép không gỉ kép). Loại này có bề mặt tráng phủ nhiều lớp và xử lý sau khi tráng phủ, cho phép cải thiện rõ rệt năng suất cắt gọt (tiện) các vật liệu chuyên dùng trong công nghiệp hàng không – vũ trụ (Hình 5). Trong số các dao carbide mới nhất và tiên tiến nhất hiện nay, loại IC806 chuyên dùng làm dao tiện và cắt rãnh các hợp kim chịu nhiệt cao. Loại IC806 này sử dụng công nghệ tráng phủ PVD và xử lý Sumotec, chuyên dùng để gia công hợp kim chịu nhiệt cao, đặc biệt là Inconel 718. Loại carbide chuyên dùng cho Inconel 718 này thuộc họ siêu hợp kim Niken chuyên dùng cho các ứng dụng đòi hỏi tính bền nhiệt và chống gỉ tốt ở các khoảng nhiệt độ cao. Vật liệu này được dùng rộng rãi trong công nghiệp hàng không – vũ trụ, các chi tiết ở phần nóng của động cơ, và cũng được sử dụng trong công nghiệp dầu khí.

06Cấu trúc vi mô của Iscar IC6025, được thiết kế chuyên biệt để tiện vật liệu ISOM

Cấu trúc vi mô của Inconel 718 là kiểu martensite có độ bền kéo và giới hạn chảy cao. Vấn đề chính khi gia công Inconel 718 là nhiệt độ rất cao ở lưỡi cắt của mảnh carbide do các nguyên tố mài mòn trong thành phần hợp kim (hàm lượng Niken cao 50 – 55% và Crom 17 – 21%), có thể làm tăng tốc độ mài mòn, mẻ lưỡi cắt. Các yếu tố này góp phần làm giảm tuổi thọ dao cắt và dẫn đến biến dạng lưỡi cắt ngay cả ở các tốc độ cắt tương đối thấp. Tính phức tạp kế tiếp liên quan với Inconel là xu hướng dễ trở nên biến dạng, điều này là do độ nhạy luyện kim đối với ứng suất dư và hiệu ứng tự biến cứng trong quá trình gia công cắt gọt. Mục đích là gia công loại vật liệu này một cách hiệu quả, do đó đã phát triển thành công loại IC806. Đây là loại TiA1N dưới micron và lớp tráng phủ Sumotec của Iscar, có các tính chất chống mài mòn rất cao. IC806 có lớp nền dưới micron với tráng phủ PVD và xử lý hậu tráng phủ đặc biệt nhằm cải thiện tuổi bền dao cắt và tăng độ tin cậy.

(Nguồn: Tạp chí gia công kim loại Việt Nam)