Home / Công nghệ CNC / Dụng cụ cắt / 3. Những Đặc Tính Cơ Bản Và Các Loại Vật Liệu Dụng Cụ Cắt

3. Những Đặc Tính Cơ Bản Và Các Loại Vật Liệu Dụng Cụ Cắt

3.1.     Những đặc tính cơ bản của vật liệu dụng cụ

Độ chính xác gia công và năng suất cắt gọt phụ thuộc nhiều vào đặc tính cắt  của vật liệu dụng cụ. Do đó muốn cắt được vật liệu phần cắt của dụng cụ cần phải đảm bảo các yêu cầu cơ bản sau đây:

  1. Độ cứng: Muốn cắt được kim loại thì vật liệu phần cắt dụng cụ phải có độ cứng cao hơn nhiều độ cứng vật liệu gia công. Thông thường độ cứng của vật liệu gia công khoảng 200 ÷ 240HB; độ cứng vật liệu dụng cụ trong binh phải khoảng 60HRC. Khi gia công các loại vật liệu cứng hơn (thép chịu nóng, thép không gỉ) thì vật liệu dụng cụ phải có độ cứng cao hơn – khoảng 65 HRC.
  2. Sức bền cơ học: Trong quá trình cắt dụng cụ thường phải chịu tải trọng cơ học lớn (lực và xung lực), do đó dụng cụ dễ bị gãy vỡ. Vì vậy vật liệu dụng cụ phải có độ bền cơ học cao. Vật liệu có độ bền cơ học cao thì tính năng sử dụng của nó càng tốt.
  3. Tính chịu mòn: Khi vật liệu dụng cụ đủ độ cứng và sức bền thì dụng cụ hỏng nếu tính chịu mòn kém. Trong quá trình cắt phôi trượt lên mặt trước và chi tiết trượt theo mặt sau của dụng cụ với tốc độ lớn, nên dụng cụ dễ bị mòn. Thông thường tính chịu mòn tỷ lệ với độ cứng. Độ cứng càng cao, tính chịu mòn cao.
  4. Tính chịu nhiệt: Tính chịu nhiệt của vật liệu dụng cụ là khả năng giữ được các đặc tính cắt (độ cứng, sức bền, tính chịu mòn) ớ nhiệt độ cao. Nhiệt sinh ra trong quá trình cắt thường rất lớn có thể lên đến gần 1000 ’C. Do đó tính chịu nhiệt là một đặc tính quan trọng của vật liệu dụng cụ.
  5. Tính công nghệ: Tính công nghệ của vật liệu làm dao là tính khó hay dễ chế tạo vật liệu thành các loại dụng cụ. Tính công nghệ khi chế tạo dụng cụ được thể hiện khi gia công cơ và khi nhiệt luyện. Một số vật liệu có đặc tính cắt tốt nhưng không được dùng làm dụng cụ vì tính công nghệ thấp. Ngoài những đặc tính chủ yếu trên vật liệu dụng cụ cần phải có một sô đặc tính khác như dẫn nhiệt tốt và giá thành không cao.

3.2.     Các Loại Vật Liệu Dụng Cụ

Các loại vật liệu dụng cụ thường dùng hiện nay gồm các loại sau: thép cácbon dụng cụ, thép hợp kim dụng cụ, thép gió. hợp kim cứng, vật liệu sành sứ, vật liệu tổng hợp (kim cương, Elbo…), vật liệu phủ.

Lịch sử phát triển các loại vật liệu dụng cụ và các đặc tính của chúng được trình bày trong bảng 3.1.

cac-loai-dung-cu-cat

3.2.1.  Thép cácbon dụng cụ

‘Phép cácbon dụng cụ đảm bảo có độ cứng sau khi nhiệt luyện phải đạt khoảng ≅ 60 HRC nên lượng cacbon trong thép phải lớn hơn 0,7% (C ≥ 0,7%) thông thường từ 0,7 ÷ 1,3%, lượng P và S nhỏ (P < 0.035%, S < 0,025%). Thép cacbon dụng cụ có độ thấm tôi thấp nên được tôi trong nước. Tính chịu nhiệt của thép cácbon dụng cụ thấp (≈200°C) nên hiện nay nó được dùng chủ yếu để chế tạo các loại dụng cụ gia công bằng tay (đục, dũa…) và các loại dụng cụ cắt ờ tốc độ thấp (v. = 4 -T 5 m/p).

3.2.2.  Thép hợp kim dụng cụ

Thép hợp kim dụng cụ là loại thép có lượng cacbon cao và thêm một số nguyên tố hợp kim (crôm, vônfram. Mil…). Các nguyên tố hợp kim có tác dụng tăng tính chịu nhiệt của thép hợp kim dụng cụ ≈ 300″C).

–    Thép hợp kim dụng cụ được tỏi trong dầu. Thành phần hóa học và cơ lý tính của một số thép hợp kim dụng cụ được trình bày ở bảng 3.2.

–    Thép hợp kim dụng cụ thường được phân thành 4 nhóm.

+ Nhóm I – Nhóm này có thành phần hợp kim thấp (< 1%) được hợp kim hóa chủ yếu bằng Cr (0,4 ÷ 0,7%).

Loại này thường được dùng chế tạo các loại dụng cụ gia công gỗ.

cac-loai-dung-cu-cat1

+ Nhóm II: gồm các loại thép hợp kim dụng cụ có thành phần Cr từ 1 ÷ 1,5% và Silic làm tăng độ thấm tôi và có đặc tính cắt tốt hơn, nâng cao được tính chịu nhiệt (220° ÷ 300°C).

+ Nhóm III: thép hợp kim dụng cụ có lượng Mn lớn và W. Các thành phần Mn, Cr và w làm cho thép hợp kim có độ thấm tôi cao và được tôi trong dầu. Do có hàm lượng Mn cao nên ít thay đổi kích thước khi nhiệt luyện. Loại này thường được dùng để chế tạo các loại có dạng phức tạp và các loại dụng cụ đo.

+ Nhóm IV: thép hợp kim dụng cụ, nhóm này có chứa lượng lớn cácbít vônfram (WC) hạt mịn nên có độ cứng cao nhưng độ thấm tôi thấp. Vì vậy, loại này được dùng để chế tạo các loại dụng cụ cần lưỡi cắt sắc, và gia công các loại vật liệu cứng.

Các loại thép hợp kim dụng cụ hiện nay được dùng chủ yếu để chế tạo các loại dụng cụ cắt với tốc độ thấp – đặc biệt là các loại dụng cụ cầm tay.

3.2.1.  Thép cao tốc (thép gió)

Thép gió là loại thép hợp kim dụng cụ có hàm lượng w cao (% 9% và « 18%). Ngoài ra còn có các thành phần hợp kim khác như vanadi, côban, crôm… Hiện nay thép gió là loại vật liệu được dùng rộng rãi để chế tạo các loại dụng cụ cắt. Thép gió có tính chịu nhiệt cao hơn thép cácbon dụng cụ và thép hợp kim dụng cụ (500 -ỉ- 650°C). Do đó dụng cụ bằng thép gió có thể cắt tốc độ cao gấp 2 -ỉ- 4 lần thép hợp kim dụng cụ và thép cácbon dụng cụ.

Thành phần w là nguyên tố quan trọng nhất trong thép gió. Ngoài ra còn có thêm thành phần crôm (Cr) và vanadi (V) làm tăng cao tính chịu nhiệt của thép gió.

Thành phần hóa học và các ký hiệu thép gió được trình bày trong bảng 3.3.

cac-loai-dung-cu-cat2

Công dụng thép gió được trình bày trong bảng 3.4

cac-loai-dung-cu-cat3

3.2.4.  Hợp kim cứng (HKC)

Hợp kim cứng là loại kim loại bột gồm hỗn hợp các bột cácbit vônfram (WC), cácbit titan (TiC) cácbit tantan (TaC) với chất dính kết là bột kim loại Côban (Co). Các loại bột này được nghiền mịn và trộn theo tỷ lệ xác định, sau dó được ép thành các dạng khác nhau và thiêu kết.

Hợp kim cứng là loại vật liệu dụng cụ cắt được dùng chù yếu hiện nay. Đặc tính cắt được quyết định bởi các pha cácbit kim loại, còn độ bền cơ học do chất kết dính là kim loại Côban (Co) quyết dịnh.

Để sán xuất ra các mảnh HKC hoặc các dụng cụ nuuvõn IHKC. trước hết phải sản xuất ra các bột cácbit vônfram, cácbit titan. cácbit tantan và bột côban. Các loại bột này dược trộn theo tỷ lệ quy định rồi thực hiện theo các bước sau:

–   Trộn đều các loại bột trên theo tỷ iệ quy định.

–   Ép bột trong khuôn thích hợp với áp suất lớn (100-140 MN/innr) nung sơ bộ ở nhiệt độ =c 900″C trong khuôn khoảng 1 giờ.

–   Tạo hình theo các dạng yêu cầu.

–   Thiêu kết lần cuối ở nhiệt dộ cao (1400 ÷ 1500°C) trong 1 đến 3 giờ tạo thành HKC. Ở nhiệt độ cao Côban nóng chảy liên kết các bột cácbit lại ncn sau khi thiêu kết HKC có dộ cứng cao > 85 HRA. do vậy không thế gia công bằng các phương pháp thông thườnc mà chỉ có thể mài hoặc gia công bằng các phương pháp đặc biệt (gia còng tia lửa điện, điện hóa    v.v…).

Những tính năng cơ bản của hợp kim cứng:

–   Độ cứng cao khoảng 86 ÷90 HRA (>70 ÷ 71 HRC)

–   Độ chịu nhiệt cao 800 ÷ 1000 °C

–   Tốc độ cắt cho phép V > 100 m/ph

–   Độ chịu mòn tốt.

–   Giòn chịu nén tốt, chịu uốn kém.

Hợp kim được chia thành 3 nhóm:

–   Nhóm 1 cácbit – cácbit vônfram WC và Côban (BK).

–   Nhóm 2 cácbit WC + TiC + CO

–   Nhóm 3 cácbit WC + TiC + TaC + CO

Thành phần, đặc tính và công dụng của 3 nhóm trên theo ký hiệu ISO và của Nga được trình bày trong báng 3.5.

cac-loai-dung-cu-cat4

3.2.5.   Vât liêu sứ

Thành phần chủ yếu cúa vật liệu sứ là đất sót kỹ thuật (một hỗn họp cúa hai pha ôxít nhóm:ϒ – AL2O3 và αAL2O3. Đất séi kỹ thuật dược nghiền mịn sau đổ ép thành những mảnh dao thích hợp và thiêu kết.

Vật liêu sứ có dộ cúng khoảng 90÷92 HRA ứng suất uốn σ = (350 ÷ 400)MPa. chịu nhiệt (1000 ÷ 1200 C), chịu mòn tốt

So với hợp kim cứngs độ dẫn nhiệt vật liệu sứ kém và không dẫn diện. Nhược đi ểm cùa vật liệu sứ là giòn, chịu va đập kém nên chưa được dùng rộng rãi.

3.2.2.   Kim cương nhân tạo

Kim cương nhân tạo dược tổng hợp từ (graphit) ớ áp lực cao (≈ lOO.OOOatm) và nhiệt độ cao (≈ 2500°C). Kim cương nhân tạo có những tính năng cơ bản sau:

Dần nhiệt cao gấp 2 lần HKC.

–    Độ chịu nhiệt kém (≈800°C).

–    Giòn, chịu tải trọng va đập kém.

Vì kim cương dẫn nhiệt tốt nên mặc dù chịu nhiệt kém nhưng có thể cắt  được ở tốc độ cắt cao.

–   Chống mòn tốt

Với những dặc tính trên kim cương tổng hợp được dùng làm vật liệu mài và dao tiện để tiện tinh các loại vật liệu có độ cứng cao.

3.2.7.  Elbo (Nitril Bo lập phương)

Elbo là hợp chất cúa Nitơ và Bo có những tính chất cơ bản sau:

–    Độ cứng tế vi cúa El ho ≈ (60.000       80.000)MPa.

–    Chịu nhiệt khoang 2000°C.

Hộ số ma sát với kim loại nhỏ – Elbo được dùng để gia công tinh các loại vật liệu cứng.

–    Nhược điểm của Eilbo là giòn, chịu va dập kém.

3.2.4.  Vật liệu phủ

Để nâng cao độ cứng và tính chịu nhiệt của thép gió và hợp kim cứng, các mánh thép gió hoặc hợp kim cứng được phủ lcn bề mặt một lớp liions (3 ÷ 5μm) các vật liệu cứng như Nitril Titan (TiN). cácbil titan (TiC)… các lớp phủ này có ưu điểm là tăng độ cứng và tính chịu nhiệt của thép gió hoặc hợp kim cứng.

Khả năng làm việc của đụng cụ được phủ (hợp kim cứng, hoặc thép gió) tăng lên rõ rệt, do độ chịu mòn và chịu nhiệt tăng.

Các loại vật liệu dụng cụ kể trên từ thép cúcbon dụng cụ den kim cưon« và vật liệu phủ được phân biệt trona sử dụng hàng tốc dộ cắt có thể khác nhau (bảng 3.6).

cac-loai-dung-cu-cat5