Tài liệu Tiểu luận lý thuyết gia công kim loại nâng cao

TIỂU LUẬN LÝ THUYẾT GIA CÔNG KIM LOẠI NÂNG CAO GVHD: PGS.TS TRẦN DOÃN SƠN NHÓM THỰC HIỆN: 1. 2. 3. 4. TRẦN THÁI NGUYÊN - MSHV: 91104003 TRẦN HOÀNG PHONG - MSHV:1140395 QUANG NHỰT TRUNG - MSHV:11040404 NGUYỄN HOÀNG VŨ - MSHV:10040431 TPHCM, Ngày 26 tháng 10 năm 2011 TIỂU LUẬN LÝ THUYẾT GIA CÔNG KIM LOẠI NÂNG CAO NỘI DUNG Phần 1: Qui trình chế tạo dụng cụ phủ I. Giới thiệu về dụng cụ cắt có lớp phủ 1. Giới thiệu 2. Cấu tạo 3. Một số dụng cụ phủ điển hình II. Các loại lớp phủ dụng cụ III. Qui trình chế tạo dụng cụ phủ Phần 2: Ví dụ tính kinh tế tiện ngoài bằng dao phủ Titan TIỂU LUẬN LÝ THUYẾT GIA CÔNG KIM LOẠI NÂNG CAO I. Giới thiệu về dụng cụ cắt có lớp phủ: 1. Giới thiệu: Sự phát triển về khoa hoc và công nghệ kết hợp với việc cạnh tranh kinh tế đã đặt ra những yêu cầu cao trong việc lựa chọn dụng cụ cắt. Để thỏa mãn nhu cầu đó người ta tiến hành tìm kiếm những dụng cụ vật liệu mới bằng cách thử nghiệm rất nhiều vật liệu khác nhau. Những vật liệu dụng cụ cắt mới đã được phát minh ra trong quá trình thí nghiệm là kết quả nỗ lực lien tục của hang nghìn thợ lành nghề, của các nhà sang chế, các nhà công nghệ, các kỹ sư…..; sự phát triển ấy được ví như quá trình tiến hóa trong sinh học 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. TIỂU LUẬN LÝ THUYẾT GIA CÔNG KIM LOẠI NÂNG CAO 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 bong + Lớp thứ 2 là Al2O3 + Lớp thứ 3 là TiCN + Vật liệu nền là gốm kim loại TIỂU LUẬN LÝ THUYẾT GIA CÔNG KIM LOẠI NÂNG CAO II. Các loại lớp phủ dụng cụ:  S coat – Lớp phủ TiN (Titanium nitride): cho các ứng dụng phổ thông Phù hợp với các ứng dụng: - Cắt thép - 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 TIỂU LUẬN LÝ THUYẾT GIA CÔNG KIM LOẠI NÂNG CAO 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. Phù hợp với các ứng dụng: - Những dụng cụ hợp kim cứng và thép gió làm việc ở nhiệt độ cao (Khoan, tiện, cắt khô, gia công tốc độ cao). Khuôn phun ép nhựa (khuôn với bề mặt có kết cấu, sự gia công kim loại nóng chảy với cốt sợi thủy tinh). - 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: TIỂU LUẬN LÝ THUYẾT GIA CÔNG KIM LOẠI NÂNG CAO - 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 TIỂU LUẬN LÝ THUYẾT GIA CÔNG KIM LOẠI NÂNG CAO 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 “teflonlike”. 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) TIỂU LUẬN LÝ THUYẾT GIA CÔNG KIM LOẠI NÂNG CAO III. Qui trình chế tạo dụng cụ phủ: TIỂU LUẬN LÝ THUYẾT GIA CÔNG KIM LOẠI NÂNG CAO Nguyên liệu chế tạo bao gồm: - Bột cô ban - Bột cacbide –Wolfram - Các thành phần phụ: Cacbide titan, Cacbide tantan…. TIỂU LUẬN LÝ THUYẾT GIA CÔNG KIM LOẠI NÂNG CAO Bước 1: Các loại bột được trộn đều, ép thành miếng theo dạng tiêu chuẩn, kiểm tra lại hình dạng TIỂU LUẬN LÝ THUYẾT GIA CÔNG KIM LOẠI NÂNG CAO 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 TIỂU LUẬN LÝ THUYẾT GIA CÔNG KIM LOẠI NÂNG CAO 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 TIỂU LUẬN LÝ THUYẾT GIA CÔNG KIM LOẠI NÂNG CAO 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. 2. Phủ CVD là gì? Phương pháp bay hơi lắng đọng hóa học (CVD) là tạo ra một lớp màng mỏng nhờ liên kết dưới dạng khuếch tán, là kết quả của phản ứng giữa các pha khí với bề mặt được nung nóng. Sản phẩm cuối cùng được tạo ra là một lớp màng phủ cứng và chịu mài mòn có liên kết rất mạnh với vật liệu nền. CVD nhiều khi cúng được gọi là phương pháp phủ nóng, bởi các quá trình được thực hiện ở nhiệt độ 19000F. 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. TIỂU LUẬN LÝ THUYẾT GIA CÔNG KIM LOẠI NÂNG CAO 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. Vật liệu Thép dụng HSS ụ Độ cứng (HRC) 58 - 62 62 - 65 Hợp kim PVD ứng CVD 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. 6. Độ dày trung bình lớp phủ Dộ dày trung bình lớp phủ PVD là 2 - 5mm và của CVD là 5 - 10mm. 7. Nhiệt độ quá trình phủ Nhiệt độ quá trình phủ PVD là từ 200 - 7500F. Còn nhiệt độ cho quá trình phủ CVD là 19000F,vì vậy một số thép dụng cụ sẽ bị tôi trong quá trình phủ. 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 phủ vật liệu hiếm như DLC, Al2O3 thì thời gian có thể ngắn hơn. TIỂU LUẬN LÝ THUYẾT GIA CÔNG KIM LOẠI NÂNG CAO Bước 7: Kiểm tra lần cuối, in ký hiệu, đóng hộp và lưu kho TIỂU LUẬN LÝ THUYẾT GIA CÔNG KIM LOẠI NÂNG CAO Một số hình ảnh dụng cụ phủ: TIỂU LUẬN LÝ THUYẾT GIA CÔNG KIM LOẠI NÂNG CAO TIỂU LUẬN LÝ THUYẾT GIA CÔNG KIM LOẠI NÂNG CAO 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. 2.2. Chọn tốc độ cắt Hai tiêu chí khác biệt có thể được dùng trong việc chọn vận tốc cắt cho một qui trình gia công là: chi phí sản xuất nhỏ nhất và thời gian sản xuất nhỏ nhất. Việc chọn tốc độ cắt tốt nhất sẽ cho giá thành nhỏ nhất. Xem xét quá trình gia công tiện trụ ngoài. Trong trường hợp này, thời gian tiêu tốn cho người vận hành và máy trong một lô sản xuất có Nb chi tiết có thể được chia thành ba loại: 1. Thời gian không sản xuất Nbtl trong đó tl thời gian mất đi để đặt chi tiết lên và lấy chi tiết xuống và quay chỉnh dao để bắt đầu cắt. 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 Nt là số lượng dao được sử dụng. TIỂU LUẬN LÝ THUYẾT GIA CÔNG KIM LOẠI NÂNG CAO 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: C pr  Mt1  Mt m  M Nt N t ct  t t ct Nb Nb (2) 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: v  tr    vr  t  Trong đó n v: tốc độ cắt t: tuổi bền dao n: hằng số tr: tuổi bền dao tương ứng với một tốc độ cắt vr Giá 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 (3)