1. Tính chất cơ bản mà vật liệu dụng cụ cần có
Việc lựa chọn vật liệu dụng cụ có tác động lớn đến tuổi thọ dụng cụ, hiệu quả gia công, chất lượng gia công và chi phí gia công. Khi cắt, dụng cụ phải chịu được áp suất cao, nhiệt độ cao, ma sát, va đập và rung động. Do đó, vật liệu dụng cụ phải có các tính chất cơ bản sau:
(1) Độ cứng và khả năng chống mài mòn. Độ cứng của vật liệu dụng cụ phải cao hơn độ cứng của vật liệu phôi, thường yêu cầu phải trên 60HRC. Độ cứng của vật liệu dụng cụ càng cao thì khả năng chống mài mòn càng tốt.
(2) Độ bền và độ dẻo dai. Vật liệu dụng cụ phải có độ bền và độ dẻo dai cao để chịu được lực cắt, va đập và rung động, đồng thời ngăn ngừa gãy giòn và mẻ dụng cụ.
(3) Khả năng chịu nhiệt. Vật liệu dụng cụ phải có khả năng chịu nhiệt tốt, có thể chịu được nhiệt độ cắt cao và có khả năng chống oxy hóa tốt.
(4) Hiệu suất quy trình và tính kinh tế. Vật liệu dụng cụ phải có hiệu suất rèn, hiệu suất xử lý nhiệt, hiệu suất hàn; hiệu suất mài, v.v. tốt và phải theo đuổi tỷ lệ hiệu suất-giá cao.
2. Các loại, hiệu suất, đặc điểm và ứng dụng của vật liệu dụng cụ
1. Các loại, tính chất và đặc điểm của vật liệu dụng cụ kim cương và ứng dụng của dụng cụ
Kim cương là một dạng thù hình của cacbon và là vật liệu cứng nhất được tìm thấy trong tự nhiên. Các công cụ kim cương có độ cứng cao, khả năng chống mài mòn cao và độ dẫn nhiệt cao, và được sử dụng rộng rãi trong quá trình gia công kim loại màu và vật liệu phi kim loại. Đặc biệt là trong quá trình cắt nhôm và hợp kim nhôm silic tốc độ cao, các công cụ kim cương là loại công cụ cắt chính khó có thể thay thế. Các công cụ kim cương có thể đạt được hiệu suất cao, độ ổn định cao và tuổi thọ cao là một công cụ không thể thiếu và quan trọng trong quá trình gia công CNC hiện đại.
1) Các loại dụng cụ kim cương
① Công cụ kim cương tự nhiên: Kim cương tự nhiên đã được sử dụng làm công cụ cắt trong hàng trăm năm. Sau khi mài mịn, công cụ kim cương đơn tinh thể tự nhiên có thể cực kỳ sắc bén, với bán kính cạnh cắt lên tới 0.002μm, có thể đạt được độ cắt cực mỏng và có thể xử lý độ chính xác của phôi cực cao và độ nhám bề mặt cực thấp. Đây là công cụ gia công siêu chính xác được công nhận, lý tưởng và không thể thay thế.
② Dụng cụ kim cương PCD: Kim cương tự nhiên đắt tiền, kim cương được sử dụng rộng rãi nhất để cắt là kim cương đa tinh thể (PCD). Từ đầu những năm 1970, sau khi phát triển thành công lưỡi dao kim cương đa tinh thể (Kim cương Polycrystauine, gọi tắt là PCD) được chế tạo bằng công nghệ tổng hợp nhiệt độ cao và áp suất cao, dụng cụ kim cương tự nhiên đã được thay thế bằng kim cương đa tinh thể nhân tạo trong nhiều trường hợp. Nguyên liệu PCD rất phong phú và giá của nó chỉ bằng vài phần mười đến một chục viên kim cương tự nhiên.
Dụng cụ PCD không thể mài các cạnh cực kỳ sắc, và chất lượng bề mặt của phôi gia công không tốt bằng kim cương tự nhiên. Hiện tại, không dễ để sản xuất lưỡi dao PCD có bộ phận bẻ phoi trong ngành. Do đó, PCD chỉ có thể được sử dụng để cắt chính xác các kim loại màu và phi kim loại, và rất khó để đạt được độ cắt gương cực kỳ chính xác.
③ Công cụ kim cương CVD: Công nghệ kim cương CVD đã xuất hiện ở Nhật Bản từ cuối những năm 1970 và đầu những năm 1980. Kim cương CVD là phương pháp tổng hợp màng kim cương trên nền không đồng nhất (như cacbua xi măng, gốm sứ, v.v.) bằng lắng đọng hơi hóa học (CVD). Kim cương CVD có cấu trúc và tính chất giống như kim cương tự nhiên.
Kim cương CVD có tính chất rất gần với kim cương thiên nhiên, có ưu điểm của kim cương đơn tinh thể và kim cương đa tinh thể (PCD) thiên nhiên, khắc phục được một số nhược điểm của chúng.
(2) Đặc tính hiệu suất của dụng cụ kim cương
① Độ cứng và khả năng chống mài mòn cực cao: Kim cương tự nhiên là vật liệu cứng nhất được tìm thấy trong tự nhiên. Kim cương có khả năng chống mài mòn cực cao. Khi gia công vật liệu có độ cứng cao, tuổi thọ của dụng cụ kim cương gấp 10 đến 100 lần so với dụng cụ cacbua xi măng, thậm chí lên đến hàng trăm lần.
② Hệ số ma sát rất thấp: Hệ số ma sát giữa kim cương và một số kim loại màu thấp hơn so với các công cụ khác. Hệ số ma sát thấp có nghĩa là ít biến dạng trong quá trình gia công, có thể giảm lực cắt.
③ Lưỡi cắt rất sắc: Lưỡi cắt của dụng cụ kim cương có thể được mài rất sắc. Dụng cụ kim cương đơn tinh thể tự nhiên có thể sắc tới 0.002-0.008μm, có thể thực hiện cắt siêu mỏng và gia công siêu chính xác.
④ Độ dẫn nhiệt rất cao: Kim cương có độ dẫn nhiệt và khả năng khuếch tán nhiệt cao, nhiệt độ khi cắt dễ tản ra ngoài, nhiệt độ của bộ phận cắt của dụng cụ thấp.
⑤ Hệ số giãn nở nhiệt thấp: Hệ số giãn nở nhiệt của kim cương nhỏ hơn nhiều lần so với cacbua xi măng và sự thay đổi kích thước dụng cụ do nhiệt cắt gây ra là rất nhỏ, điều này đặc biệt quan trọng đối với gia công chính xác và siêu chính xác với yêu cầu độ chính xác kích thước cao.
(3) Ứng dụng của công cụ kim cương
Dụng cụ kim cương chủ yếu được sử dụng để cắt và doa mịn kim loại màu và vật liệu phi kim loại ở tốc độ cao. Thích hợp để gia công nhiều loại phi kim loại chịu mài mòn, chẳng hạn như phôi luyện kim bột nhựa gia cường sợi thủy tinh, vật liệu gốm, v.v.; nhiều loại kim loại màu chịu mài mòn, chẳng hạn như nhiều loại hợp kim nhôm silic; nhiều loại hoàn thiện kim loại màu.
Nhược điểm của dụng cụ kim cương là độ ổn định nhiệt kém. Khi nhiệt độ cắt vượt quá 700 độ ~ 800 độ, chúng sẽ mất hoàn toàn độ cứng; ngoài ra, chúng không thích hợp để cắt kim loại đen, vì kim cương (cacbon) dễ phản ứng với các nguyên tử sắt ở nhiệt độ cao, biến đổi các nguyên tử cacbon thành cấu trúc than chì và dụng cụ dễ bị hư hỏng.
2. Các loại, tính chất và đặc điểm của vật liệu dụng cụ nitride bo khối và ứng dụng của dụng cụ
Nitrua bo lập phương (CBN), một vật liệu siêu cứng thứ hai được tổng hợp bằng phương pháp tương tự như phương pháp chế tạo kim cương, chỉ đứng sau kim cương về độ cứng và độ dẫn nhiệt. Nó có độ ổn định nhiệt tuyệt vời và không bị oxy hóa khi đun nóng đến 10,000 độ trong khí quyển. CBN có tính chất hóa học cực kỳ ổn định đối với kim loại đen và có thể được sử dụng rộng rãi trong quá trình chế biến các sản phẩm thép.
(1) Các loại dụng cụ nitride bo khối
Nitrua bo lập phương (CBN) là một chất không tồn tại trong tự nhiên. Nó có thể được chia thành tinh thể đơn và đa tinh thể, cụ thể là tinh thể đơn CBN và nitrua bo lập phương đa tinh thể (gọi tắt là PCBN). CBN là một trong những dạng thù hình của nitrua bo (BN) và có cấu trúc tương tự như kim cương.
PCBN (polycrystalline cubic boron nitride) là vật liệu đa tinh thể được tạo ra bằng cách thiêu kết các vật liệu CBN mịn với nhau thông qua pha liên kết (TiC, TiN, Al, Ti, v.v.) dưới nhiệt độ cao và áp suất cao. Hiện tại, đây là vật liệu công cụ có độ cứng chỉ đứng sau kim cương được tổng hợp nhân tạo. PCBN và kim cương được gọi chung là vật liệu công cụ siêu cứng. PCBN chủ yếu được sử dụng để chế tạo công cụ hoặc các công cụ khác.
Dụng cụ PCBN có thể được chia thành lưỡi PCBN tích hợp và lưỡi PCBN composite thiêu kết bằng cacbua xi măng.
Lưỡi dao composite PCBN được chế tạo bằng cách thiêu kết một lớp PCBN dày {{0}.5-1.0mm trên một lớp carbide xi măng có độ bền và độ dẻo dai tốt. Hiệu suất của nó kết hợp độ dẻo dai tốt với độ cứng và khả năng chống mài mòn cao. Nó giải quyết các vấn đề về độ bền uốn thấp và hàn khó khăn của lưỡi dao CBN.
(2) Tính chất và đặc điểm chính của nitrua bo khối
Mặc dù độ cứng của nitride bo khối thấp hơn một chút so với kim cương, nhưng nó cao hơn nhiều so với các vật liệu có độ cứng cao khác. Ưu điểm nổi bật của CBN là độ ổn định nhiệt của nó cao hơn nhiều so với kim cương, có thể đạt tới trên 1200 độ (kim cương là 700-800 độ). Một ưu điểm nổi bật khác là nó trơ về mặt hóa học và không phản ứng hóa học với sắt ở 1200-1300 độ. Các đặc điểm hiệu suất chính của nitride bo khối như sau.
① Độ cứng và khả năng chống mài mòn cao: Cấu trúc tinh thể của CBN tương tự như kim cương, độ cứng và độ bền tương tự như kim cương. PCBN đặc biệt thích hợp để gia công vật liệu có độ cứng cao trước đây chỉ có thể mài, có thể đạt được chất lượng bề mặt phôi tốt hơn.
② Độ ổn định nhiệt cao: Khả năng chịu nhiệt của CBN có thể đạt tới 1400-1500 độ, cao hơn gần 1 lần so với kim cương (700-800 độ). Dụng cụ PCBN có thể cắt hợp kim chịu nhiệt độ cao và thép cứng với tốc độ cao hơn 3-5 lần so với dụng cụ cacbua.
③ Độ ổn định hóa học tuyệt vời: Không phản ứng hóa học với vật liệu sắt ở nhiệt độ 1200-1300, không bị mài mòn mạnh như kim cương. Lúc này vẫn có thể duy trì độ cứng của cacbua; dụng cụ PCBN thích hợp để cắt các bộ phận thép cứng và gang lạnh, có thể sử dụng rộng rãi trong quá trình cắt gang tốc độ cao.
④ Độ dẫn nhiệt tốt: Mặc dù độ dẫn nhiệt của CBN không thể bắt kịp kim cương, nhưng trong số tất cả các loại vật liệu dụng cụ, độ dẫn nhiệt của PCBN chỉ đứng sau kim cương, cao hơn nhiều so với thép tốc độ cao và cacbua.
⑤ Hệ số ma sát thấp: Hệ số ma sát thấp có thể dẫn đến giảm lực cắt, giảm nhiệt độ cắt và cải thiện chất lượng bề mặt trong quá trình cắt.
(3) Ứng dụng của công cụ nitride bo khối
Nitrua bo lập phương thích hợp để hoàn thiện nhiều loại vật liệu khó cắt như thép tôi, gang cứng, hợp kim chịu nhiệt độ cao, cacbua xi măng, vật liệu phun bề mặt, v.v. Độ chính xác gia công có thể đạt tới IT5 (IT6 đối với lỗ) và giá trị độ nhám bề mặt có thể nhỏ tới Ra1.25~0.20μm.
Vật liệu dụng cụ nitride bo lập phương có độ bền và độ bền uốn kém. Do đó, dụng cụ tiện nitride bo lập phương không phù hợp để gia công thô ở tốc độ thấp và tải trọng va đập lớn; đồng thời, chúng không phù hợp để cắt các vật liệu có độ dẻo cao (như hợp kim nhôm, hợp kim đồng, hợp kim gốc niken, thép có độ dẻo cao, v.v.), vì khi cắt các kim loại này, sẽ tạo ra cạnh tích tụ nghiêm trọng, làm hỏng bề mặt gia công.
3. Các loại, tính chất và đặc điểm của vật liệu dụng cụ bằng gốm và ứng dụng của dụng cụ
Dụng cụ gốm có đặc điểm là độ cứng cao, khả năng chống mài mòn tốt, khả năng chịu nhiệt và độ ổn định hóa học tuyệt vời, không dễ liên kết với kim loại. Dụng cụ gốm chiếm vị trí rất quan trọng trong gia công CNC. Dụng cụ gốm đã trở thành một trong những dụng cụ chính để cắt tốc độ cao và vật liệu khó gia công. Dụng cụ gốm được sử dụng rộng rãi trong cắt tốc độ cao, cắt khô, cắt cứng và cắt vật liệu khó gia công. Dụng cụ gốm có thể xử lý hiệu quả các vật liệu có độ cứng cao mà các dụng cụ truyền thống không thể xử lý được, thực hiện "tiện thay vì mài"; tốc độ cắt tối ưu của dụng cụ gốm có thể cao hơn từ 2 đến 10 lần so với dụng cụ cacbua xi măng, do đó cải thiện đáng kể hiệu quả sản xuất cắt; nguyên liệu thô chính được sử dụng trong vật liệu dụng cụ gốm là các nguyên tố có nhiều nhất trong lớp vỏ trái đất. Do đó, việc thúc đẩy và ứng dụng dụng cụ gốm có ý nghĩa to lớn trong việc nâng cao năng suất, giảm chi phí gia công và tiết kiệm kim loại quý chiến lược, đồng thời cũng sẽ thúc đẩy đáng kể sự tiến bộ của công nghệ cắt.
(1) Các loại vật liệu dụng cụ bằng gốm
Vật liệu dụng cụ gốm nói chung có thể được chia thành ba loại: gốm nền alumina, gốm nền silicon nitride và gốm nền silicon nitride-alumina tổng hợp. Trong số đó, vật liệu dụng cụ gốm nền alumina và silicon nitride được sử dụng rộng rãi nhất. Hiệu suất của gốm nền silicon nitride vượt trội hơn gốm nền alumina.
(2) Hiệu suất và đặc điểm của dụng cụ gốm
Đặc tính hiệu suất của dụng cụ gốm như sau:
① Độ cứng cao và khả năng chống mài mòn tốt: Mặc dù độ cứng của dụng cụ gốm không cao bằng PCD và PCBN, nhưng cao hơn nhiều so với dụng cụ cacbua xi măng và thép tốc độ cao, đạt 93~95HRA. Dụng cụ gốm có thể gia công vật liệu có độ cứng cao mà dụng cụ truyền thống khó gia công, thích hợp để cắt tốc độ cao và cắt cứng.
② Chịu nhiệt độ cao và chịu nhiệt tốt: Dụng cụ gốm vẫn có thể cắt ở nhiệt độ cao trên 1200 độ. Dụng cụ gốm có đặc tính cơ học tuyệt vời ở nhiệt độ cao. Dụng cụ gốm Al2O3 có khả năng chống oxy hóa đặc biệt tốt. Lưỡi cắt có thể được sử dụng liên tục ngay cả khi ở trạng thái nóng đỏ. Do đó, dụng cụ gốm có thể đạt được khả năng cắt khô, do đó loại bỏ nhu cầu về chất lỏng cắt.
③ Độ ổn định hóa học tốt: Dụng cụ bằng gốm không dễ liên kết với kim loại, chống ăn mòn và ổn định về mặt hóa học, có thể làm giảm độ mài mòn liên kết của dụng cụ.
④ Hệ số ma sát thấp: Dụng cụ gốm có ái lực thấp với kim loại và hệ số ma sát thấp, có thể làm giảm lực cắt và nhiệt độ cắt.
(3) Ứng dụng của dụng cụ gốm
Gốm là một trong những vật liệu dụng cụ chủ yếu được sử dụng để hoàn thiện tốc độ cao và bán hoàn thiện. Dụng cụ gốm thích hợp để cắt các loại gang (gang xám, gang dẻo, gang dẻo, gang nguội, gang hợp kim cao chống mài mòn) và thép (thép kết cấu cacbon, thép kết cấu hợp kim, thép cường độ cao, thép mangan cao, thép tôi, v.v.), và cũng có thể được sử dụng để cắt hợp kim đồng, than chì, nhựa kỹ thuật và vật liệu composite.
Vật liệu dụng cụ bằng gốm có nhược điểm là độ bền uốn thấp và độ bền va đập kém, không thích hợp để cắt ở tốc độ thấp và tải va đập thấp.
4. Hiệu suất và đặc điểm của vật liệu dụng cụ tráng phủ và ứng dụng của dụng cụ
Phủ dụng cụ là một trong những cách quan trọng để cải thiện hiệu suất dụng cụ. Sự xuất hiện của dụng cụ phủ đã tạo ra bước đột phá lớn trong hiệu suất cắt dụng cụ. Dụng cụ phủ được tạo ra bằng cách phủ một hoặc nhiều lớp hợp chất chịu lửa có khả năng chống mài mòn tốt trên thân dụng cụ cứng. Chúng kết hợp nền dụng cụ với lớp phủ cứng, do đó cải thiện đáng kể hiệu suất dụng cụ. Dụng cụ phủ có thể cải thiện hiệu quả gia công, cải thiện độ chính xác gia công, kéo dài tuổi thọ dụng cụ và giảm chi phí gia công.
Khoảng 80% dụng cụ cắt được sử dụng trong máy công cụ CNC mới sử dụng dụng cụ phủ. Dụng cụ phủ sẽ là loại dụng cụ quan trọng nhất trong lĩnh vực gia công CNC trong tương lai.
(1) Các loại dụng cụ tráng phủ
Tùy thuộc vào phương pháp phủ, dụng cụ phủ có thể được chia thành dụng cụ phủ lắng đọng hơi hóa học (CVD) và dụng cụ phủ lắng đọng hơi vật lý (PVD). Dụng cụ cacbua phủ thường sử dụng lắng đọng hơi hóa học, nhiệt độ lắng đọng khoảng 1000 độ. Dụng cụ thép tốc độ cao phủ thường sử dụng lắng đọng hơi vật lý, nhiệt độ lắng đọng khoảng 500 độ.
Theo các vật liệu cơ bản khác nhau của dụng cụ tráng phủ, dụng cụ tráng phủ có thể được chia thành dụng cụ tráng cacbua, dụng cụ tráng thép tốc độ cao và dụng cụ tráng trên gốm sứ và vật liệu siêu cứng (kim cương và nitrua bo khối).
Theo tính chất của vật liệu phủ, dụng cụ phủ có thể được chia thành hai loại, cụ thể là dụng cụ phủ "cứng" và dụng cụ phủ "mềm". Mục tiêu chính của dụng cụ phủ "cứng" là độ cứng cao và khả năng chống mài mòn. Ưu điểm chính của nó là độ cứng cao và khả năng chống mài mòn tốt. Điển hình là lớp phủ TiC và TiN. Mục tiêu của dụng cụ phủ "mềm" là hệ số ma sát thấp, còn được gọi là dụng cụ tự bôi trơn. Hệ số ma sát của nó với vật liệu phôi rất thấp, chỉ khoảng 0.1, có thể làm giảm độ bám dính, giảm ma sát và giảm lực cắt và nhiệt độ cắt.
Gần đây, các công cụ phủ nano đã được phát triển. Loại công cụ phủ này có thể sử dụng các kết hợp khác nhau của nhiều vật liệu phủ khác nhau (như kim loại/kim loại, kim loại/gốm, gốm/gốm, v.v.) để đáp ứng các yêu cầu chức năng và hiệu suất khác nhau. Các lớp phủ nano được thiết kế hợp lý có thể làm cho vật liệu công cụ có chức năng chống ma sát và chống mài mòn tuyệt vời và các đặc tính tự bôi trơn, phù hợp với cắt khô tốc độ cao.
(2) Đặc điểm của dụng cụ tráng phủ
Đặc tính hiệu suất của các công cụ được phủ như sau:
① Hiệu suất cơ học và cắt tốt: Các công cụ phủ kết hợp các đặc tính tuyệt vời của vật liệu nền và vật liệu phủ, duy trì độ dẻo dai tốt và độ bền cao của vật liệu nền trong khi cũng có độ cứng cao, khả năng chống mài mòn cao và hệ số ma sát thấp của lớp phủ. Do đó, tốc độ cắt của các công cụ phủ có thể tăng hơn 2 lần so với các công cụ không phủ và cho phép tốc độ nạp cao hơn. Tuổi thọ của các công cụ phủ cũng được cải thiện.
② Tính linh hoạt cao: Dụng cụ tráng phủ có tính linh hoạt rộng và mở rộng đáng kể phạm vi gia công. Một dụng cụ tráng phủ có thể thay thế nhiều dụng cụ không tráng phủ.
③ Độ dày lớp phủ: Tuổi thọ của dụng cụ sẽ tăng theo độ dày lớp phủ, nhưng khi độ dày lớp phủ đạt đến độ bão hòa, tuổi thọ của dụng cụ sẽ không còn tăng đáng kể nữa. Khi lớp phủ quá dày, dễ gây bong tróc; khi lớp phủ quá mỏng, khả năng chống mài mòn kém.
④ Mài lại: Lưỡi dao đã phủ có khả năng mài lại kém, thiết bị phủ phức tạp, yêu cầu về quy trình cao, thời gian phủ dài.
⑤ Vật liệu phủ: Các dụng cụ có vật liệu phủ khác nhau có hiệu suất cắt khác nhau. Ví dụ: Lớp phủ TiC có ưu điểm là cắt tốc độ thấp; TiN phù hợp hơn với cắt tốc độ cao.
(3) Ứng dụng của dụng cụ tráng phủ
Công cụ phủ có tiềm năng lớn trong lĩnh vực gia công CNC và sẽ là loại công cụ quan trọng nhất trong lĩnh vực gia công CNC trong tương lai. Công nghệ phủ đã được áp dụng cho máy phay ngón, máy doa, máy khoan, dụng cụ gia công lỗ ghép, dao phay bánh răng, dao cắt định hình bánh răng, dao cắt bào bánh răng, dao doa tạo hình và nhiều loại chèn có thể lập chỉ mục gắn trên máy để đáp ứng nhu cầu cắt tốc độ cao của nhiều loại thép và gang, hợp kim chịu nhiệt và kim loại màu.
5. Các loại, tính chất, đặc điểm và ứng dụng của vật liệu dụng cụ carbide xi măng
Dụng cụ cacbua xi măng, đặc biệt là dụng cụ cacbua xi măng có thể lập chỉ mục, là sản phẩm hàng đầu của dụng cụ gia công CNC. Từ những năm 1980, nhiều loại dụng cụ cacbua xi măng tích hợp và có thể lập chỉ mục hoặc lưỡi dao đã được mở rộng sang nhiều lĩnh vực dụng cụ cắt khác nhau. Trong số đó, dụng cụ cacbua xi măng có thể lập chỉ mục đã mở rộng từ dụng cụ tiện đơn giản và dao phay mặt sang nhiều lĩnh vực dụng cụ tạo hình, phức tạp và chính xác khác nhau.
(1) Các loại dụng cụ cacbua xi măng
Theo thành phần hóa học chính, cacbua xi măng có thể được chia thành cacbua xi măng gốc cacbua vonfram và cacbua xi măng gốc titan (nitride) (TiC (N)).
Cacbua xi măng gốc cacbua vonfram bao gồm ba loại: loại vonfram coban (YG), loại vonfram coban titan (YT) và loại cacbua hiếm được thêm vào (YW). Mỗi loại đều có ưu và nhược điểm riêng. Các thành phần chính là cacbua vonfram (WC), cacbua titan (TiC), cacbua tantal (TaC), cacbua niobi (NbC), v.v. Pha liên kết kim loại thường được sử dụng là Co.
Cacbua xi măng gốc titan cacbua (nitrit) là cacbua xi măng có thành phần chính là TiC (một số có thêm các loại cacbua hoặc nitrua khác) và các pha liên kết kim loại thường được sử dụng là Mo và Ni.
ISO (Tổ chức tiêu chuẩn hóa quốc tế) chia cắt cacbua xi măng thành ba loại:
Nhóm K, bao gồm Kl0~K40, tương đương với nhóm YG của nước tôi (thành phần chính là WC-Co).
Loại P, bao gồm P01~P50, tương đương với loại YT của nước tôi (thành phần chính là WC-TiC-Co).
Loại M, bao gồm M10~M40, tương đương với loại YW của nước tôi (thành phần chính là WC-TiC-TaC(NbC)-Co).
Mỗi thương hiệu được biểu thị bằng một số từ 01 đến 50 để đại diện cho một loạt hợp kim có độ cứng từ cao đến độ dẻo dai tối đa.
(2) Đặc tính hiệu suất của dụng cụ cacbua xi măng
Đặc tính hiệu suất của dụng cụ cacbua xi măng như sau:
① Độ cứng cao: dụng cụ carbide xi măng được làm bằng carbide (gọi là pha cứng) có độ cứng và điểm nóng chảy cao và chất kết dính kim loại (gọi là pha liên kết) thông qua luyện kim bột. Độ cứng của chúng đạt tới 89-93HRA, cao hơn nhiều so với thép gió. Ở 5400 độ, độ cứng vẫn có thể đạt tới 82-87HRA, giống như độ cứng của thép gió ở nhiệt độ phòng (83-86HRA). Giá trị độ cứng của carbide xi măng thay đổi tùy theo bản chất, số lượng, kích thước hạt và hàm lượng pha liên kết kim loại của carbide, và thường giảm khi hàm lượng pha kim loại liên kết tăng. Khi hàm lượng pha liên kết giống nhau, độ cứng của hợp kim YT cao hơn hợp kim YG và hợp kim có thêm TaC (NbC) có độ cứng nhiệt độ cao cao hơn.
② Độ bền uốn và độ dẻo dai: Độ bền uốn của cacbua xi măng thường dùng nằm trong khoảng 900-1500MPa. Hàm lượng pha liên kết kim loại càng cao thì độ bền uốn càng cao. Khi hàm lượng chất kết dính giống nhau, độ bền của hợp kim loại YG (WC-Co) cao hơn hợp kim loại YT (WC-TiC-Co), và độ bền giảm khi hàm lượng TiC tăng. Cacbua xi măng là vật liệu giòn, độ dẻo dai va đập ở nhiệt độ phòng chỉ bằng 1/30 đến 1/8 so với thép tốc độ cao.
(3) Ứng dụng của dụng cụ cacbua xi măng thông dụng
Hợp kim loại YG chủ yếu dùng để gia công gang, kim loại màu và vật liệu phi kim loại. Hợp kim cacbua xi măng hạt mịn (như YG3X, YG6X) có độ cứng và khả năng chống mài mòn cao hơn hợp kim hạt trung khi hàm lượng coban giống nhau. Thích hợp để gia công một số loại gang cứng đặc biệt, thép không gỉ austenit, hợp kim chịu nhiệt, hợp kim titan, đồng cứng và vật liệu cách điện chịu mài mòn.
Ưu điểm nổi bật của hợp kim cacbua xi măng loại YT là độ cứng cao, khả năng chịu nhiệt tốt, độ cứng và cường độ nén ở nhiệt độ cao cao hơn loại YG, khả năng chống oxy hóa tốt. Do đó, khi dụng cụ cần có khả năng chịu nhiệt và chống mài mòn cao hơn, nên chọn loại có hàm lượng TiC cao hơn. Hợp kim YT thích hợp để gia công vật liệu nhựa như thép, nhưng không thích hợp để gia công hợp kim titan và hợp kim nhôm silic.
Hợp kim YW có đặc tính của cả hợp kim YG và YT, có đặc tính toàn diện tốt. Có thể dùng để gia công thép, gang và kim loại màu. Nếu hàm lượng coban của loại hợp kim này được tăng lên một cách thích hợp, độ bền có thể rất cao và có thể dùng để gia công thô và cắt gián đoạn nhiều loại vật liệu khó gia công.
6. Các loại, đặc điểm và ứng dụng của dụng cụ thép tốc độ cao
Thép tốc độ cao (HSS) là thép công cụ hợp kim cao với một lượng lớn các nguyên tố hợp kim như W, Mo, Cr và V. Các công cụ thép tốc độ cao có hiệu suất toàn diện tuyệt vời về độ bền, độ dẻo dai và khả năng gia công. Thép tốc độ cao vẫn chiếm vị trí chính trong các công cụ phức tạp, đặc biệt là trong sản xuất các công cụ gia công lỗ, dao phay, dụng cụ cắt ren, doa, dụng cụ cắt bánh răng và các công cụ khác có hình dạng lưỡi phức tạp. Các công cụ thép tốc độ cao dễ mài lưỡi cắt.
Theo mục đích sử dụng khác nhau, thép tốc độ cao có thể được chia thành thép tốc độ cao thông dụng và thép tốc độ cao hiệu suất cao.
(1) Dụng cụ thép tốc độ cao đa năng
Thép tốc độ cao thông dụng. Nói chung, có thể chia thành hai loại: thép vonfram và thép vonfram-molypden. Loại thép tốc độ cao này chứa 0.7% đến 0.9% vonfram. Theo hàm lượng vonfram khác nhau trong thép, có thể chia thành thép vonfram chứa 12% hoặc 18% W, thép vonfram-molypden chứa 6% hoặc 8% W và thép molypden chứa 2% hoặc không có W. Thép tốc độ cao thông dụng có độ cứng nhất định (63-66HRC) và khả năng chống mài mòn, độ bền và độ dẻo cao, độ dẻo tốt và công nghệ gia công, vì vậy được sử dụng rộng rãi trong sản xuất các loại công cụ phức tạp.
① Thép vonfram: Cấp thép vonfram tốc độ cao thông dụng thông thường là W18Cr4V (viết tắt là W18), có hiệu suất toàn diện tốt. Độ cứng nhiệt độ cao ở 6000 độ là 48,5HRC, có thể được sử dụng để chế tạo các loại công cụ phức tạp. Nó có ưu điểm là khả năng mài tốt và độ nhạy khử cacbon thấp, nhưng do hàm lượng cacbua cao, phân bố không đều, hạt lớn, độ bền và độ dẻo dai thấp.
② Thép vonfram-molypden: là thép tốc độ cao thu được bằng cách thay thế một phần vonfram trong thép vonfram bằng molypden. Cấp thép vonfram-molypden điển hình là W6Mo5Cr4V2 (viết tắt là M2). Các hạt cacbua của M2 mịn và đồng đều, độ bền, độ dai và độ dẻo ở nhiệt độ cao của nó tốt hơn W18Cr4V. Một loại thép vonfram-molypden khác là W9Mo3Cr4V (viết tắt là W9), có độ ổn định nhiệt cao hơn một chút so với thép M2, độ bền uốn và độ dai tốt hơn W6M05Cr4V2 và có khả năng gia công tốt.
(2) Dụng cụ thép tốc độ cao hiệu suất cao
Thép tốc độ cao hiệu suất cao là loại thép mới bổ sung một số hàm lượng cacbon, hàm lượng vanadi và các nguyên tố hợp kim như Co và Al vào thành phần thép tốc độ cao nói chung, do đó cải thiện khả năng chịu nhiệt và chống mài mòn của nó. Chủ yếu có các loại sau:
① Thép tốc độ cao cacbon cao. Thép tốc độ cao cacbon cao (như 95W18Cr4V) có độ cứng cao ở nhiệt độ phòng và nhiệt độ cao. Thích hợp để sản xuất các công cụ gia công thép thông thường và gang, mũi khoan, mũi doa, mũi taro và dao phay có yêu cầu chống mài mòn cao hoặc gia công vật liệu cứng hơn. Không thích hợp cho tác động lớn.
② Thép tốc độ cao vanadi cao. Các loại thép thông thường như W12Cr4V4Mo (viết tắt là EV4) chứa 3%~5% V, có khả năng chống mài mòn tốt, thích hợp để cắt các vật liệu cực kỳ dễ bị mài mòn bởi dụng cụ như sợi, cao su cứng, nhựa, v.v. Cũng có thể được sử dụng để gia công thép không gỉ, thép cường độ cao và hợp kim chịu nhiệt độ cao.
③ Thép tốc độ cao Coban. Là thép tốc độ cao siêu cứng có chứa Coban. Các loại thép tốc độ cao thông thường như W2Mo9Cr4VCo8 (viết tắt là M42) có độ cứng cao, độ cứng có thể đạt tới 69~70HRC. Thích hợp để gia công các vật liệu khó gia công như thép chịu nhiệt cường độ cao, hợp kim chịu nhiệt độ cao, hợp kim titan, v.v. M42 có khả năng mài tốt, thích hợp để chế tạo các công cụ chính xác và phức tạp, nhưng không thích hợp để làm việc trong điều kiện cắt va đập.
④ Thép tốc độ cao nhôm. Là thép tốc độ cao siêu cứng chứa nhôm. Các loại thép tốc độ cao tiêu biểu bao gồm W6Mo5Cr4V2Al (viết tắt là 501). Độ cứng nhiệt độ cao ở 6000 độ cũng đạt 54HRC. Hiệu suất cắt của nó tương đương với M42. Nó phù hợp để sản xuất dao phay, mũi khoan, dao doa, dao cắt bánh răng, dao doa, v.v. Nó được sử dụng để gia công thép hợp kim, thép không gỉ, thép cường độ cao và hợp kim nhiệt độ cao.
⑤ Thép tốc độ cao siêu cứng nitơ. Các loại thép thông thường bao gồm W12M03Cr4V3N (viết tắt là (V3N). Đây là thép tốc độ cao siêu cứng chứa nitơ. Độ cứng, độ bền và độ dẻo dai của nó tương đương với M42. Nó có thể được sử dụng thay thế cho thép tốc độ cao chứa coban và được sử dụng để cắt tốc độ thấp các vật liệu khó gia công và gia công chính xác cao tốc độ thấp.
(3) Luyện thép tốc độ cao và luyện kim bột thép tốc độ cao
Theo các quy trình sản xuất khác nhau, thép tốc độ cao có thể được chia thành thép tốc độ cao nóng chảy và thép tốc độ cao luyện kim bột.
① Làm nóng chảy thép tốc độ cao: Thép tốc độ cao thông thường và thép tốc độ cao hiệu suất cao đều được sản xuất bằng phương pháp nấu chảy. Chúng được chế tạo thành các công cụ cắt thông qua các quy trình như nấu chảy, đúc thỏi và mạ và cán. Một vấn đề nghiêm trọng dễ xảy ra khi nấu chảy thép tốc độ cao là sự phân tách cacbua. Các cacbua cứng và giòn phân bố không đều trong thép tốc độ cao và các hạt thô (lên đến hàng chục micron), có tác động xấu đến khả năng chống mài mòn, độ dẻo dai và hiệu suất cắt của các công cụ thép tốc độ cao.
② Thép tốc độ cao luyện kim bột (PM HSS): Thép tốc độ cao luyện kim bột (PM HSS) là thép lỏng được nấu chảy trong lò cảm ứng tần số cao, được phun bằng argon áp suất cao hoặc nitơ tinh khiết, sau đó làm nguội nhanh để thu được cấu trúc tinh thể mịn và đồng nhất (bột thép tốc độ cao). Bột thu được sau đó được ép thành phôi dao dưới nhiệt độ cao và áp suất cao, hoặc đầu tiên được tạo thành phôi thép sau đó được rèn và cán thành hình dạng dụng cụ. So với thép tốc độ cao được sản xuất bằng phương pháp nấu chảy, PM HSS có ưu điểm là hạt cacbua mịn và đồng đều, độ bền, độ dẻo dai và khả năng chống mài mòn cao hơn nhiều so với thép tốc độ cao nấu chảy. Trong lĩnh vực công cụ CNC phức tạp, công cụ PM HSS sẽ phát triển hơn nữa và chiếm một vị trí quan trọng. Các loại thép thông dụng như F15, FR71, GFl, GF2, GF3, PT1, PVN, v.v. có thể được sử dụng để sản xuất các dụng cụ cắt có kích thước lớn, chịu tải nặng và chịu va đập mạnh, đồng thời cũng có thể được sử dụng để sản xuất các dụng cụ cắt chính xác.
Nguyên tắc lựa chọn vật liệu dụng cụ CNC
Hiện nay, vật liệu dụng cụ CNC được sử dụng rộng rãi chủ yếu bao gồm dụng cụ kim cương, dụng cụ nitride boron khối, dụng cụ gốm, dụng cụ tráng phủ, dụng cụ cacbua và dụng cụ thép tốc độ cao. Có nhiều loại vật liệu dụng cụ và hiệu suất của chúng rất khác nhau. Các chỉ số hiệu suất chính của các vật liệu dụng cụ khác nhau được thể hiện trong bảng sau.
Vật liệu dụng cụ gia công CNC phải được lựa chọn theo phôi gia công và bản chất gia công. Việc lựa chọn vật liệu dụng cụ phải phù hợp hợp lý với đối tượng gia công. Sự phù hợp của vật liệu dụng cụ cắt và đối tượng gia công chủ yếu là nói đến sự phù hợp của các tính chất cơ học, tính chất vật lý và tính chất hóa học của cả hai để có được tuổi thọ dụng cụ dài nhất và năng suất cắt tối đa.
1. Sự phù hợp giữa tính chất cơ học của vật liệu dụng cụ cắt và vật gia công
Vấn đề kết hợp tính chất cơ học của dụng cụ cắt và vật gia công chủ yếu là nói đến sự kết hợp các thông số tính chất cơ học như độ bền, độ dẻo dai và độ cứng của vật liệu dụng cụ và vật liệu phôi. Vật liệu dụng cụ có tính chất cơ học khác nhau phù hợp để gia công các vật liệu phôi khác nhau.
① The order of tool material hardness is: diamond tool> cubic boron nitride tool> ceramic tool> cemented carbide>thép tốc độ cao.
② The order of bending strength of tool materials is: high-speed steel> cemented carbide> ceramic tool>dụng cụ kim cương và nitride bo khối lập phương.
③ The order of toughness of tool materials is: high-speed steel> cemented carbide>dụng cụ bằng kim cương, gốm và nitride bo khối.
Vật liệu phôi có độ cứng cao phải được gia công bằng dụng cụ có độ cứng cao hơn. Độ cứng của vật liệu dụng cụ phải cao hơn độ cứng của vật liệu phôi, thường yêu cầu phải trên 60HRC. Độ cứng của vật liệu dụng cụ càng cao thì khả năng chống mài mòn càng tốt. Ví dụ, khi hàm lượng coban trong cacbua xi măng tăng thì độ bền và độ dẻo dai của nó tăng, độ cứng giảm, thích hợp cho gia công thô; khi hàm lượng coban giảm thì độ cứng và khả năng chống mài mòn tăng, thích hợp cho gia công tinh.
Các công cụ có tính chất cơ học nhiệt độ cao tuyệt vời đặc biệt thích hợp cho việc cắt tốc độ cao. Hiệu suất nhiệt độ cao tuyệt vời của các công cụ gốm cho phép chúng cắt ở tốc độ cao và tốc độ cắt cho phép có thể tăng từ 2 đến 10 lần so với cacbua xi măng.
2. Phù hợp các tính chất vật lý của vật liệu dụng cụ cắt với các đối tượng gia công
Các công cụ có tính chất vật lý khác nhau, chẳng hạn như các công cụ thép tốc độ cao có độ dẫn nhiệt cao và điểm nóng chảy thấp, các công cụ gốm có điểm nóng chảy cao và độ giãn nở nhiệt thấp, các công cụ kim cương có độ dẫn nhiệt cao và độ giãn nở nhiệt thấp, v.v., phù hợp để gia công các vật liệu phôi khác nhau. Khi gia công các phôi có độ dẫn nhiệt kém, nên sử dụng vật liệu công cụ có độ dẫn nhiệt tốt hơn để cho phép nhiệt cắt được truyền nhanh và giảm nhiệt độ cắt. Kim cương có độ dẫn nhiệt và độ khuếch tán nhiệt cao, do đó nhiệt cắt có thể dễ dàng tản ra mà không gây biến dạng nhiệt lớn, điều này đặc biệt quan trọng đối với các công cụ gia công chính xác có yêu cầu về độ chính xác kích thước cao.
① Nhiệt độ chịu nhiệt của các vật liệu dụng cụ khác nhau: 700-8000 độ đối với dụng cụ kim cương, 13000-15000 độ đối với dụng cụ PCBN, 1100-12000 độ đối với dụng cụ gốm, 900-11000 độ đối với cacbua xi măng gốc TiC(N), 800-9000 độ đối với cacbua xi măng hạt siêu mịn gốc WC và 600-7000 độ đối với HSS.
② The order of thermal conductivity of various tool materials: PCD>PCBN>WC-based cemented carbide>TiC(N)-based cemented carbide>HSS>Si3N4-based ceramics>Gốm sứ gốc Al2O3-.
③The thermal expansion coefficients of various tool materials are in the following order: HSS>WC-based carbide>TiC(N)>Al2O3-based ceramics>PCBN>Si3N4-based ceramics>PCD.
④The thermal shock resistance of various tool materials is in the following order: HSS>WC-based carbide>Si3N4-based ceramics>PCBN>PCD>TiC(N)-based carbide>Gốm sứ gốc Al2O3-.
3. Phù hợp hiệu suất hóa học của vật liệu dụng cụ cắt và đối tượng gia công
Vấn đề phù hợp hiệu suất hóa học của vật liệu dụng cụ cắt và đối tượng gia công chủ yếu đề cập đến các thông số hiệu suất hóa học như ái lực hóa học, phản ứng hóa học, khuếch tán và hòa tan của vật liệu dụng cụ và vật liệu phôi. Dụng cụ có vật liệu khác nhau phù hợp để gia công các vật liệu phôi khác nhau.
①The anti-adhesion temperature of various tool materials (with steel) is: PCBN>ceramics>carbide>HSS.
②The anti-oxidation temperature of various tool materials is: ceramics>PCBN>carbide>diamond>HSS.
③ The diffusion strength of various tool materials (for steel) is: diamond>Si3N4-based ceramics>PCBN>Al2O3-based ceramics. The diffusion strength (for titanium) is: Al2O3-based ceramics>PCBN>SiC>Si3N4>kim cương.
4. Lựa chọn vật liệu dụng cụ CNC hợp lý
Nhìn chung, PCBN, dụng cụ gốm, cacbua phủ và dụng cụ cacbua gốc TiCN thích hợp cho gia công CNC kim loại đen như thép; trong khi dụng cụ PCD thích hợp cho gia công vật liệu kim loại màu như Al, Mg, Cu và hợp kim của chúng và vật liệu phi kim loại. Bảng sau đây cho thấy một số vật liệu phôi thích hợp cho gia công bằng nhiều vật liệu dụng cụ khác nhau.