Xu Hướng dẫn dắt của ngành dao cụ trong Gia Công

Author
Không có gì ngạc nhiên khi xu hướng ngành sản xuất dẫn dắt việc phát triển của dao cụ gia công. Sự thay đổi của phôi liệu, quy trình sản xuất thậm chí cả sự thay đổi trong chính sách của chính phủ cũng có ảnh hưởng nhất định tới sự phát triển của ngành dao cụ. Khi mà nhà sản xuất đang ngày một không ngừng tìm kiếm những loại vật liệu nhẹ hơn, bền hơn vì yêu cầu về việc tiêu hao nhiên liệu ngày càng được đề cao thì việc các nhà sản xuất dao cụ phải không ngừng phát triển dao cụ để có thể phù hợp với yêu cầu gia công những vật liệu mới với hiệu suất cao nhất có thể. Với tinh chỉnh tổ hợp vật liệu, lớp phủ và hình dạng hình học, những nhà sản xuất dao cụ phải sản xuất nhiều hơn, nhanh hơn và giảm giá thành sản xuất. Quá trình phát triển tiếp diễn lien tục và tác động qua lại.

Đáp ứng cho kim loại mầu
Một ví dụ sinh động cho việc vật liệu phôi ảnh hưởng mang tính định hướng tới dao cụ đó là việc phát triển dao cụ cho gia công nhôm. Với đòi hỏi về tiết kiệm nhiên liệu, việc sử dụng nhôm trong việc sản xuất các loại xe đang ngày càng tăng. Tại thập niên 1980 chi tiết nhôm trong xe chỉ chiếm khoảng 3%(khoảng 34Kg/75lbs) trong một xe ôn tô cỡ trung bình loại phổ thong, thì trong thập niên 1990 đã tăng lên 5% và dự đoán trong tương lai sẽ tăng 10 đến 20% tổng trọng lượng xe với máy, đầu xi lanh và housing là những chi tiết chủ yếu sử dụng nhôm. Mặc dù dao cụ carbide không phủ và kim cương nhân tạo dạng PCD(polycrystalline diamond) đang là những loại dao cụ chi phối trong tiện, phay và khoan hợp kim nhôm/ hợp kim silicon, sự tăng trưởng trong sử dụng hợp kim nhôm dẫn tới sự phát triển của các loại dao cụ carbide phủ kim cương dạng màng mỏng. Dao cụ carbide phủ kim cương cung cấp khả năng chịu mòn tương đương PCD nhưng lại cho phép chế tạo nhiều lưỡi cắt và những cơ cấu bẻ phoi phức tạp. Với hai khả năng chịu mài mòn và khả năng chế tạo những hình dạng hình học và lưỡi cắt phức tạp khiến cho dao cụ carbide phủ kim cươn trở thành đối thủ sang giá nhất thay thế dao cụ carbide không phủ và dao cụ đắt đỏ PCD. Công nghệ phủ kim cương đang được mở rộng tới những dạng hình học phức tạp hơn như khoan, dao phay ngón cho hợp kim nhôm cũng như hợp kim ma-gie. Ngoài ra công nghệ phủ hợp chất Tittan đi-borit(TiB2) bằng PVD cũng cung cấp cho tới người gia công hợp kim nhôm một sự lựa chọn tốt.
Gia công gang
Gang xám, một thành phần chủ chốt khác trong sản xuất các loại xe, đang dần dần bị thay thế bởi các loại gang cầu bền hơn trong các chi tiết như vỏ(housing), Crankshaft, camshaft. Tuy nhiên độ bền kỳ vọng để trở thành phôi liệu tốt của gang cầu làm cho nó trở thành vật liệu khó gia công. Dao cụ để gia công loại gang này đòi hỏi chịu được sự mài mòn và va đập lớn khi cắt cũng như phải có khả năng gia công ở vận tốc và bước tiến lớn. Gang cầu thường được gia công bằng dao cụ carbide phủ CVD(chemicalvapordeposition). Dao cụ CVD đã được phát triển và đưa ra thị trường từ hơn 30 năm nay và thực tế đến hơn một nửa số mảnh dao bán ra thị trường là dạng CVD đã chứng tỏ khả năng của loại lớp phủ này. Tuy nhiên việc phủ bằng công nghệ CVD ở nhiệt độ cao(khoảng 1,0000C) tạo ra tính giòn của lớp phủ và lớp nền mà người ta gọi là hiệu ứng “Eta phase”. Tùy thuộc vào sự lan tỏa của hiệu ứng biến giòn mà ảnh hưởng tới quá trình gia công có va đập trái ngược với cấu trúc mềm trong gang cầu. Ngày nay đểgiải quyết vấn đề này người ta đang phát triển công nghệ phủ CVD ở nhiệt độn trong bình Medium Temperature Chemical Vapor Deposition (MTCVD). Dao cụ phủ bằng công nghệ MTCVD sẽ làm giảm hiệu ứng “Eta Phase” đồng nghĩa với nó là việc tăng khả năng chịu sốc nhiệt cho dao cụ và làm giảm hiện tượng mẻ dao. Kết quả của loai lớp phủ mới này là tăng tuổi thọ dao cụ, cũng như dao cụ cứng hơn so với phủ CVD phương pháp cũ.

Sắc bén cho thép… và vật liệu khác
Phủ bằng phương pháp vật lý Physical-vapor-deposition (PVD) cho một số ưu thế hơn so với dao cụ phủ CVD trong một số trường hợp gia công và vật liệu phôi. Được đưa ra thị trường vào giữa thập niên 1980, dao cụ phủ PVD được phủ ở nhiệt độ thấp hơn(khoảng 5000C) và cho phép lớp phủ tạo ta lưỡi cắt sắc hơn(Dao cụ phủ CVD thường được mài cạnh trước khi phủ để giảm thiểu hiệu ứng “Eta phase”) lưỡi cắt sắc, khỏe là điều cần thiết cho gia công một số công đoan như phay, khoan, tiện ren và cắt
đứt, và cho một số gia công những vật liệu phoi dài như thép carbon thấp. Thực tế những tổ hợp vấn đề về vật liệu như hợp kim Titan, Nickel và kim loại mầu có thể gia công hiệu quả với sự trợ giúp của dao cụ PVD. Từ góc nhìn phôi liệu thì lưỡi cắt sắc làm cho lực cắt nhỏ và dao cụ PVD cung cấp ưu thế cần thiết cho việc gia công với lát cắt mỏng.
Lớp phủ PVD đầu tien được thực hiện với vật liệu phủ là TiN, nhưng gần đây với việc phát triển công nghệ phủ PVD, lớp phủ đã bao gồm những vật liệu như TiCN và TiAlN cung cấp độ cứng bề mặt lớp phủ cao hơn, tăng độ bền, cải thiện khả năng chịu mài mòn. Lớp phủ TiAlN là điển hình, thong qua đặc tính ổn định hóa học cung cấp khả năng chịu ăn mòn hóa học và vì thế tăng khả năng gia công ở tốc độ cao.
Gần đây sự phát triển trong công nghệ phủ PVD bao gồm lớp phủ mềm Molipden Sulfit(MoS2) cho ứng dụng khoan khô. Kế hợp giữa lớp phủ cứng và lớp phủ mềm như MoS2 trên lớp phủ cứng TiN hay TiAlN cũng đưa ta những tiềm năng rất lớn khi mà lớp phủ cứng(TiN hay TiAlN) cung cấp khả năng chịu mài mòn, trong khi lớp phủ mềm cho khả năng trượt làm tăng khả năng thoát phoi.

Gia công khô
Chính sách của chính phủ ảnh hưởng đến sự phát triển của dao cụ gia công. Ở một số quốc gia, việc đòi hỏi khắt khe hơn về vấn đề môi trường dẫn tới việc kiểm soát chặt chẽ dẫn tới việc từ bỏ hẳn những loại dung dịch làm mát trong gia công, kết quả là gia công là gia công khô, không có tưới nguội. Trong khi đó gia công không tưới nguội không phải là phù hợp cho tất cả các công đoạn và áp dụng cho tất cả các loại phôi liệu, trong một số trường hợp nếu chọn dao cụ một cách cẩn thận và chính xác sẽ có thể làm giảm thiểu hoặc bỏ không phải dùng tới dung dịch làm mát. Dao cụ với lớp phủ Nhôm Oxit dầy sẽ cho phép gia công thép ở bước tiến lớn, tốc độ cao làm giảm thời gian tiếp xúc của mảnh dao và phôi liệu, làm giảm được nhược điểm độ cứng rơi nhanh ở nhiệt độ cao của dao cụ và vì thế tăng được hiệu quả gia công khô. Thêm nữa lớp phủ tien tiến PVD TiAlN cung cấp khả năng gia công không tưới nguội hoặc giảm thiểu đòi hỏi hệ thống tưới nguội.Như đã đề cập ở trên, lớp phủ mềm MoS2 có thể ứng dụng gia công công khô trong khoan hay taro. Tập trung vào gia công không tưới nguội làm bùng lên nỗ lực phát triển dao cụ chịu mài mòn khi gia công ở nhiệt độ cao.

Cermet cho Nearnet
Dao cụ Cermet(Cermet là cụm từ tổ hợp Ceramic – Metalic là loại vật liệu composite tổ hợp của gốm(Ceramic) và kim loaii(Metalic), dụng cụ cắt chế tạo từ Cermet nhằm tận dụng tính cứng chịu mài mòn cao của gốm, kết hợp với tính dẻo dai, bền của kim loại) là một khía cạnh vấn đề của ngành dao cụ để đáp ứng xu thế sản xuất “nearnetshape”, Ở xu hướng nearnetshape giảm thiểu tới mức tối đa đòi hỏi bề mặt sản phẩm sau khi sản xuất, có nghĩa là sản phẩm sau khi sản xuất đòi hỏi gần như chính xác và đáp ứng yêu cầu là sản phẩm cuối cùng không cần tới khâu gia công. Gần như rất ít yêu cầu gia công thô được cần tới, dao cụ gia công chỉ cần đáp ứng gia công bán tinh hoặc gia công tinh, dao cụ Cermet là một địa chỉ mà các nhà sản xuất dao cụ hướng tới. Cermet với thành phần chủ yếu là Titan Các-bon Nitrit(TiCN) kết hợp với lớp kết dính là Niken và Co-ban, rất cứng và không hoạt hóa(ổn định về mặt hóa học) cung cấp khả năng chịu mòn cao. Cermet gia công tốt cho các loại phôi liệu có phoi mềm như thép và thép mềm. Với đặc tính đó cho phép gia công thép các bon, thép không gỉ và gang mềm tốc độ cao và bề mặt đẹp. Ngày nay việc phát triển Cermet với tổ hợp đặc tính chịu mòn, chống ăn mòn hóa học và độ cứng cao cho phép sử dụng cermet trong gia công bán tinh cũng như gia công tinh. Lớp phủ bằng công nghệ PVD trên bề mặt Cermet tăng khả năng gia công của cermet trên nhiều loại phôi liệu khác nhau.

Gia công con đường khó khăn
Cả hai yếu tố môi trường/chính sách nhà nước(hạn chế sử dụng dung dịch làm mát) và vấn đề về kinh tế(giá thành gia công cao) đang dấy lên xu hướng thúc đẩy việc thay thế nguyên công mài bằng nguyên công gia công những chi tiết sau nhiệt luyện. Ngành dao cụ đang phát triển không ngừng và đưa ra những kỹ thuật cung cấp hiệu suất cao nhất chi việc gia công những chi tiết cứng và khó. Dao cụ gồm những dao cụ với vật liệu vô cùng cứng như PCD, CBN cũng như là gốm
Lớp phủ, làm giảm sự tác động ăn mòn dao ở nhiệt độ cao,làm tăng tuổi thọ dao trong số những khái niệm tận dụng dao cụ cho gia tiện những chi tiết khó. Trong một vài thử nghiệm dao cụ lớp phủ siêu cứng bền hơn dao cụ PCBN từ 20-100%. Lớp phủ đã minh chứng được tính hiệu quả trên dao cụ gốm cho tiện những chi tiết cứng. Trong trường hợp phôi liệu nhiệt luyện không có va đập mạnh dao cụ gốm có phủ cung cấp nhiều lưỡi cắt hơn, chi phí giảm hơn nhiều so với dao cụ PCBN.

Vật liệu gốm mới cho những vật liệu khó gia công
Nỗ lực trong phát triển công nghệ dao cụ gốm cho phép những dao cụ công nghệ cao đi tới kỷ nguyên ứng dụng mới. Khi mà sự phát triển hiện tại của dao cụ Silicon Nitrit cung cải thiện khả năng vỡ so với những loại cũ thì khả năng chịu ăn mòn hóa học kém của nó lại là một hạn chế trong việc ứng dụng gia công gang cầu, tuy nhiên việc cung cấp lớp phủ CVD nhôm ô xít trên nền Silicon Nitrit đã làm cải thiện điều này.
Đối với gốm nền Alumina(Al2O3), việc tăng cường lớp phủ Silicon Carbide(thường gọi là Whisker) cung cấp khả năng tăng hiệu quả gia công Inconel và những hợp có độ bền và chịu nhiệt tương tự sử dụng trong ngành hàng không. Tinh thể Whiskers làm lệch hướng nứt trong ma trận lien kết Nhôm oxit vì thế làm tăng độ bền cho dao cụ.

Tác giả: David B. Arnold - Trends That Drive Cutting Tool Development.
P/S: Bài viết được đặng theo yêu cầu của một người bàn làm về lĩnh vực dao cụ. Hy vọng sẽ bổ ích đối với anh em Mesian!
 
Top