Đề tài Lựa chọn chế độ cắt nhằm tăng tuổi bền của dao phay ngón phủ pvd-Tin sử dụng phay khuôn ép đúc áp lực skd61

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT NGÀNH : CÔNG NGHỆ CHẾ TẠO MÁY L ƯA CH ỌN PHẠM VĂN PHONG THÁI NGUYÊN 2007 ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT NGÀNH : CÔNG NGHỆ CHẾ TẠO MÁY LỰA CHỌN CHẾ ĐỘ CẮT NHẰM TĂNG TUỔI BỀN CỦA DAO PHAY NGÓN PHỦ PVD-TiN SỬ DỤNG PHAY KHUÔN ÉP ĐÚC ÁP LỰC SKD61 Ngành : CÔNG NGHỆ CHẾ TẠO MÁY Mã số:23. Học Viên: TRỊNH MẠNH HÀ Người HD Khoa học : PGS.TS. PHAN QUANG THẾ THÁI NGUYÊN 2009 Công trình được hoàn thành tại trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp Thái Nguyên Người hướng dẫn khoa học: PGS.TS. Phan Quang Thế Phản biện 1: PGS.TS. Trần Thế Lục Phản biện 2: TS. Trần Minh Đức Luận văn sẽ được bảo vệ trước hội đồng chấm luận văn họp tại: Phòng học Cao học số 3, trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp Thái Nguyên Vào hồi 9 giờ 30 phút ngày 21 tháng 5 năm 2009 Có thể tìm hiểu luận văn tại Trung tâm Học liệu Đại học Thái Nguyên và Thư viện trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp Thái Nguyên Qua nghiên cứu thực tế quá trình gia công khuôn đúc áp lực, vật liệu chế tạo khuôn là SKD61: - Gia công được trên trung tâm phay VMC - 85S. - Phôi rèn được ủ đạt độ cứng (220 - 250HB). - Dụng cụ: Dao phay ngón, dụng cụ phủ TiAlN (xuất xứ Đài Loan). Quá trình gia công ở trên tồn tại hạn chế là: - Dụng cụ mòn nhanh do việc lựa chọn chế độ cắt dựa trên kinh nghiệm, chưa có cơ sở khoa học thực tế. - Tiêu tốn nhiều dụng cụ (12 con dao). Thay đổi chọn nghiên cứu dụng cụ phủ PVD-TiN thử nghiệm. Các bước thực hiện, nội dung chính và kết quả của luận văn: 1. Thu thập các tài liệu tham khảo. 2. Nghiên cứu lý thuyết phủ PVD, các dạng mòn, tuổi bền của dụng cụ và cách xác định. 3. Làm thực nghiệm: - Cắt các đường cắt thử (là các đường thẳng) lấy kết quả để đánh giá lựa chọn chế độ cắt dùng gia công khuôn. V = 40m/ph. S = 170mm/ph (thay đổi S = 200mm/ph để so sánh). t = 5mm (thay đổi t = 7,5mm để so sánh). - Dùng bộ chế độ cắt lựa chọn lần lượt gia công các phần tử của khuôn để so sánh. - Gia công xong 1 phần tử ta thay dụng cụ để gia công phần tử khác. Dùng máy cắt dây cắt dụng cụ, chiều dài cắt bằng chiều dày phoi (trong thí nghiệm tác giả cắt chiêu dài 3mm), rửa sạch bằng cồn, dùng máy nén khí thổi sạch bụi bẩn, dầu mỡ dính trên bề mặt dụng cụ, chụp ảnh SEM để nghiên cứu. Phân tích thành phần vật liệu trên vùng mòn dụng cụ để đánh giá, kết luận chính xác hơn. 4. Đánh giá kết quả, đưa ra cơ chế mòn dụng cụ phủ PVD- TiN khi gia công vật liệu SKD61: Dụng cụ mòn do dính mỏi. * Kết luận: - Khi cắt thép SKD61 với tốc độ cắt lựa chọn, lượng chạy dao thay đổi khi gia công các hốc S = 170 và 200mm/phút, chiều dày phoi a = 2mm, chiều sâu cắt t = 5 và 7,5mm. Dụng cụ mòn nhưng vẫn trong giới hạn cho phép. - Mũi dao bị phá huỷ mạnh do nhiệt cắt tại mũi dao lớn nhất, ở vùng gần mũi dao mòn ít hơn và phát triển mạnh dần đến vị trí cách mũi cắt khoảng 2mm (bằng chiều dày phoi) thì dụng cụ mòn nhiều nhất, các vết nứt trên bề mặt xuất hiện nhiều nhất. * Cơ chế mòn: - Với lớp phủ: VLGC bám dính lên bề mặt, khi vượt qua giới hạn mỏi lớp phủ bị phá huy và bong ra cùng VLGC (cơ chế dính mỏi). Vùng mòn phát triển từ lưỡi cắt, sau đó phát triển rộng dần. - Với vật liệu nền: Xuất hiện các vết chảy, nứt theo biên giới hạt rồi bong ra từng mảng vật liệu làm xuất hiện các lỗ sâu trên bề mặt, cứ như vậy dụng cụ bị bào mòn đến khi dụng cụ không còn khả năng cắt. * Phương hướng nghiên cứu tiếp theo: - Tiếp tục nghiên cứu để lựa chọn chế độ cắt tối ưu cho dụng cụ đặc biệt khi phay các cung tròn. - Tiếp tục nghiên cứu nhiệt phát sinh trong quá trình cắt, đo lực cắt để làm sáng tỏ hơn cơ chế phá huỷ của lớp phủ khi phay thép SKD61. - Tiếp tục nghiên cứu cơ chế phá huỷ mũi dao, nghiên cứu mòn mặt trước của dụng cụ do các nguyên nhân khác nhau. - Tiếp tục nghiên cứu mòn dụng cụ khi phay thép SKD61 đã qua tôi kết hợp biện pháp làm mát phù hợp để có khái niệm đầy đủ hơn qua đó khai thác, sử dụng dụng cụ cắt phủ PVD-TiN một cách hiệu quả hơn. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên MỞ ĐẦU 1. Tính cấp thiết của đề tài: Qua nghiên cứu thực tế quá trình gia công khuôn đúc áp lực mà sản phẩm là van đóng mở bình ga, vật liệu chế tạo khuôn là SKD61, quá trình gia công đƣợc thực hiện trên trung tâm phay VMC - 85S. Từ phôi rèn đƣợc ủ đạt độ cứng nhất định (35 - 37HRC), quá trình gia công thực hiện bằng dao phay ngón đƣờng kính 2, 6, 8, 10, 16mm, vật liệu dụng cụ TiAlN (xuất xứ Đài Loan) có thể gia công vật liệu có độ cứng 55HRC. Giá thành mua dao: Dao 2: 180.000đ/con dao; dao 6: 310.000đ/con dao; dao 8: 340.000đ/con dao; dao 10: 520.000đ/con dao; dao 16: 1.700.000đ/con dao. Một bộ khuôn gia công gồm 6 phần tử (khuôn đúc đƣợc 6 chi tiết/lần). Thời gian gia công 12 ngày đêm, tốn 12 con dao. Quá trình gia công đƣợc chia làm 3 bƣớc: Bƣớc 1: Phay thô bằng dao đƣờng kính 10, 16mm. Bƣớc 2: Phay bán tinh bằng dao phay đƣờng kính 8mm. Bƣớc 3: Gia công tinh bằng dao phay đầu cầu đƣờng kính 2, 6mm. Sau khi gia công xong, kiểm tra đảm bảo độ chính xác kích thƣớc, mang đúc thử 1.000 lần để khuôn ổn định, đảm bảo không bị biến dạng, cong vênh, nứt nẻ, sau đó đánh bóng và thấm Nitơ hoàn thiện. Khi nghiên cứu quá trình gia công trên, tác giả nhận thấy: Thời gian gia công và tiêu tốn dụng cụ lớn (tuổi bền dụng cụ thấp). Chế độ cắt đƣợc chọn nhƣ sau: Tốc độ cắt: 2.500 vòng/phút (VC = 63m/phút). Lƣợng chạy dao: 80 - 100 mm/phút. Chiều sâu cắt thay đổi từ 0,8 - 1,2 mm. Việc lựa chọn chế độ cắt ở trên chủ yếu là dựa vào kinh nghiệm, chƣa đƣợc qua nghiên cứu, thử nghiệm, không có căn cứ khoa học cụ thể do đó tuổi bền dụng cụ đạt thấp. Hạn chế của quá trình gia công ở trên là: Dụng cụ mòn nhanh, tiêu tốn nhiều dụng cụ (12 con dao), tác giả thay đổi chọn nghiên cứu dụng cụ phủ PVD-TiN thử Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên nghiệm để lựa chọn vùng chế độ cắt phù hợp, làm tăng tuổi bền của dụng cụ. Vì vậy, tác giả chọn đề tài: “Lựa chọn chế độ cắt nhằm tăng tuổi bền của dao phay ngón phủ PVD-TiN sử dụng phay khuôn ép đúc áp lực SKD61” với mục đích ứng dụng vào thực tế sản xuất là rất cấp bách và cần thiết. 2. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài: - Ý nghĩa khoa học: Tổng quát hoá ảnh hƣởng của các yếu tố chế độ cắt đến mòn, tuổi bền của dao phay ngón phủ PVD-TiN khi gia công thép SKD61. - Về mặt thực tiễn: Là kiến thức thực tế, giúp ngƣời kỹ sƣ lập trình lựa chọn các thông số của chế độ cắt phù hợp, làm giảm mòn, tăng tuổi bền, tiết kiệm kinh phí gia công, hạ giá thành sản phẩm khi gia công vật liệu SKD61. 3. Lựa chọn phương pháp và phương tiện nghiên cứu: - Lựa chọn phƣơng pháp nghiên cứu làm thực nghiệm để chứng minh. - Phƣơng tiện nghiên cứu: Máy phay VMC - 85S, máy chụp tế vi, máy đo nhám, kính hiển vi điện tử. 4. Tổ chức nghiên cứu: a. Xác định nhân tố quan hệ: Nhân tố quan hệ nhân quả với tuổi bền của dụng cụ là các yếu tố của chế độ cắt. b. Chọn đại lượng đặc trưng và thông số hoá thí nghiệm: - Chọn đại lƣợng đặc trƣng cho tuổi bền của dụng cụ: + Mòn mặt trƣớc. + Mòn mặt sau. + Các vết nứt tế vi, các vết cào xƣớc trên bề mặt. - Đại lƣợng đặc trƣng cho mối quan hệ: + Chọn biến độc lập: Các yếu tố của chế độ cắt. + Thông số phụ thuộc: Mòn mặt trƣớc, mòn mặt sau, các vết nứt, vết cào xƣớc. - Xây dựng mô hình thí nghiệm: Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên Thông số đầu vào là hệ thống công nghệ Các đại lượng xuất hiện trong quá trình gia công Thông số đầu ra là chỉ tiêu về kỹ thuật và kinh tế - Trung tâm gia công VMC-85S CNC. - Vật liệu chi tiết gia công SKD61. - Dụng cụ cắt (thông số hình học dụng cụ cắt, vật liệu dụng cụ cắt). - Chế độ công cắt (s, v, t) - Lực cắt. - Nhiệt cắt. - Rung động. - Mòn và cơ chế mòn. 1. Sai số: - Kích thƣớc. - Hình dáng hình học. - Vị trí tƣơng quan. 2. Chất lƣợng bề mặt. - Nhám bề mặt. - Cơ lý bề mặt. 3. Kinh tế: - Thời gian gia công. - Năng suất. - Giá thành sản phẩm. 4. Tuổi bền dụng cụ Trong giới hạn của đề tài, tác giả chỉ nghiên cứu đại lƣợng xuất hiện trong quá trình gia công là mòn và cơ chế mòn, thông số đầu ra là tuổi bền của dụng cụ. c. Điều kiện biên của thí nghiệm: - Trung tâm gia công CNC: VMC - 85S. - Dụng cụ là dao phay ngón phủ PVD-TiN. - Vật liệu gia công SKD61. d. Tiến hành thí nghiệm cắt thử: - Chuẩn bị phôi, dụng cụ gia công. Đo độ cứng, xác định thành phần của phôi. - Tiến hành cắt thử các đƣờng cắt, đo nhám, so sánh mòn dụng cụ, lựa chọn chế độ cắt để tiến hành gia công khuôn (gia công các hốc). - Sau khi lựa chọn đƣợc chế độ cắt, tiến hành gia công các hốc. Sau khi cắt tiến hành chụp ảnh SEM các dụng cụ, xử lý và phân tích số liệu. Thông số đầu vào Nghiên cứu quá trình gia công Thông số đầu ra Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 5. Nội dung nghiên cứu: Chƣơng 1: Phủ PVD và ứng dụng trong cắt kim loại. Chƣơng 2: Vấn đề chung về gia công các bề mặt bằng dao phay phủ bay hơi. Chƣơng 3: Nghiên cứu về mòn dao phay phủ PVD-TiN khi gia công thép SKD61. Chƣơng 4: Ảnh hƣởng của chế độ cắt đến mòn dao phay phủ PVD-TiN khi gia công thép SKD61. Chƣơng 5: Kết luận và phƣơng hƣớng nghiên cứu. Nội dung của luận văn đƣa ra các kết quả nghiên cứu về mòn và tuổi bền của dụng cụ cắt, so sánh kết quả với thí nghiệm đã tiến hành trƣớc đó. Phân tích các nhân tố ảnh hƣởng đến mòn dụng cụ khi gia công với các chế độ cắt khác nhau, từ đó đƣa ra các biện pháp khắc phục trong quá trình gia công nhằm tăng năng suất và tuổi bền của dụng cụ. Các nội dung trong luận văn đƣợc thực hiện dƣới sự hƣớng dẫn nhiệt tình của thầy giáo PGS.TS. Phan Quang Thế, sự giúp đỡ nhiệt tình của các thầy cô giáo công tác tại Phòng Thí nghiệm Cơ khí và Động lực trƣờng Đại học Kỹ thuật Công nghiệp Thái Nguyên. Với bản thân đã có nhiều nỗ lực phấn đấu tuy nhiên trong nội dung luân văn chắc chắn còn nhiều thiếu sót, rất mong đƣợc các thầy, cô giáo và các đồng nghiệp đóng góp ý kiến và giúp đỡ để nội dung nghiên cứu đƣợc hoàn thiện hơn. Em xin trân thành cảm ơn! Thái Nguyên, ngày 20 tháng 4 năm 2009 HỌC VIÊN THỰC HIỆN Trịnh Mạnh Hà Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên TÀI LIỆU THAM KHẢO Tiếng Việt [1]. GS.TSKH. Bành Tiến Long, PGS.TS. Trần Sỹ Tuý, PGS.TS. Trần Thế Lục (2001), Nguyên Lý gia công vật liệu, Nhà xuất bản khoa học và kỹ thuật, Hà Nội. [2]. GS.TS. Trần Văn Địch (2006), Nguyên Lý cắt kim loại, Nhà xuất bản khoa học và kỹ thuật, Hà Nội. [3]. Ph.A.Barơbasôp (1984), Kỹ thuật phay (người dịch: Trần Văn Địch), Nhà xuất bản công nhân kỹ thuật, Hà Nội. [4]. Phạm Quang Lê (1979), Kỹ thuật phay, Nhà xuất bản công nhân kỹ thuật, Hà Nội. [5]. Phan Quang Thế (2002), “Nghiên cứu khả năng làm việc của dụng cụ thép gió phủ dùng cắt thép các bon trung bình”, Luận án tiến sỹ kỹ thuật, Trƣờng Đại học Bách Khoa Hà Nội, Hà Nội. Tiếng Anh [6]. T.L.Banh, Q.T.Phan and D.B.Nguyen (2005), Wear Mechanisms of PVD Coated HSS Endmills Used to Machine 1045 Hardened Steel, AZo-OARS. [7]. W.Y.H Liew, W.L.Teh and X.Ding (2006), Wear of Nano-Coated Carbide Tools in End Milling of Stainless Steel, Centre of Materials and Minerals, school of Engineering and Information Technology, Universiti Malaysia Sabah, Locked Bag 2073, Kota Kinabalu, Sabah, Malaysia. [8]. Dr. Deepak G. Bhat (2000), Application of CVD and PVD Technologies to Cutting Tools, and Evaluation of Tool Failure Modes, Manager, TechnologyMraketing and Commercialization UES, Inc., OH 45432, USA. [9]. Norihiro TAKANASHI, Hideki MORIGUCHI, Kazuo YAMAGATA, Keiichi TSUDA, Yasuo TSUKIMORI, Yoshio FUKUYASU, Shinya IMAMURA and Masafumi NIGOSHI (2002), Development of the “ACE COAT ACZ330” PVD- Coated Insert for Steel Milling, Sei technical review, number 54, Japan. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên MỤC LỤC Trang Chƣơng 1 - PHỦ PVD VÀ ỨNG DỤNG TRONG CẮT KIM LOẠI 1 1.1. Phủ bay hơi hoá học CVD (Chemical Vapour Deposition) - Phủ bay hơi lý học PVD (Physical Vapour Deposition) 1 1.1.1. Khái niệm phủ PVD 1 1.1.2. Khái niệm phủ CVD 4 1.1.3. Tại sao phải sử dụng CVD hoặc PVD 5 1.1.4. Phủ PVD và CVD nâng cao tuổi thọ và hiệu suất dụng cụ 5 1.1.5. Múc độ nâng cao tuổi thọ dụng cụ sau khi phủ PVD và CVD 5 1.1.6. Phƣơng pháp nào phủ tốt hơn, PVD hay CVD 5 1.2. Ứng dụng phủ PVD 6 Chƣơng 2 - VẤN ĐỀ CHUNG VỀ GIA CÔNG CÁC BỀ MẶT BẰNG DAO PHAY PHỦ BAY HƠI 11 2.1. Quá trình phay và phay rãnh 11 2.1.1. Khái niệm chung 11 2.1.2. Sự tạo thành bề mặt và các dạng bề mặt gia công 13 2.1.3. Những hiện tƣợng xảy ra trong quá trình cắt 14 2.1.4. Các chuyển động cơ bản khi phay 21 2.1.5. Các thành phần của bề mặt bị cắt khi phay 21 2.1.6. Các thành phần lực cắt và công suất cắt khi phay 25 2.1.7. Phay bậc và phay rãnh bằng dao phay ngón 26 2.2. Ảnh hƣởng của lớp phủ cứng đến tƣơng tác ma sát 27 2.2.1. Ảnh hƣởng của lớp phủ cứng đến tƣơng tác ma sát trƣợt 27 2.2.2. Ảnh hƣởng của lớp phủ đến tƣơng tác ma sát trong cắt kim loại 29 2.2.3. Ảnh hƣởng của tạp chất trong thép đến tƣơng tác ma sát trong cắt kim loại 30 2.3. Chất lƣợng bề mặt sau gia công cơ 31 2.3.1. Khái niệm chung về lớp bề mặt 31 2.3.2. Bản chất của lớp bề mặt 32 2.3.3. Tính chất lý hoá của lớp bề mặt 32 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 2.3.4. Các chỉ tiêu đánh giá chất lƣợng bề mặt sau gia công cơ 34 2.3.4.1. Độ nhám bề mặt và phƣơng pháp đánh giá 35 2.3.4.2. Độ sóng bề mặt 35 2.3.4.3. Tính chất cơ lý lớp bề mặt sau gia công cơ 35 2.3.5. Các nhân tố ảnh hƣởng đến độ nhám bề mặt khi gia công cơ 40 2.3.5.1. Ảnh hƣởng của thông số hình học của dụng cụ cắt 40 2.3.5.2. Ảnh hƣởng của tốc độ cắt 41 2.3.5.3. Ảnh hƣởng cảu lƣợng chạy dao 42 2.3.5.4. Ảnh hƣởng của chiều sâu cắt 43 2.3.5.5. Ảnh hƣởng của vật liệu gia công 43 2.3.5.6. Ảnh hƣởng của rung động hệ thống công nghệ 43 2.4. Mòn và tuổi bền của dụng cụ 43 2.4.1. Bản chất vật lý của quá trình cắt 43 2.4.1.1. Cơ chế tạo phoi 43 2.4.1.2. Ma sát trong quá trình cắt kim loại 44 2.4.1.3. Lực tác dụng lên mặt trƣớc và mặt sau của dụng cụ 45 2.4.2. Mòn dụng cụ 46 2.4.2.1. Khái niệm chung về mòn 46 2.4.2.2. Cơ chế mòn của hai bề mặt trƣợt tƣơng đối 47 2.4.2.3. Vai trò của lớp phủ cứng trong giảm mòn 52 2.4.2.4. Mòn dụng cụ và cách xác định 54 2.4.3. Tuổi bền của dụng cụ 59 2.4.3.1. Khái niệm 59 2.4.3.2. Các nhân tố ảnh hƣởng tới tuổi bền 60 2.4.3.3. Cách xác định tuổi bền của dụng cụ cắt 62 Chƣơng 3 - NGHIÊN CỨU VỀ MÒN DAO PHAY PHỦ PVD-TiN KHI GIA CÔNG THÉP SKD61 64 3.1. Thí nghiệm 64 3.1.1. Dao 64 3.1.2. Phôi 65 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 3.1.3. Máy 66 3.1.4. Chế độ cắt 66 3.2. Kết quả thí nghiệm 67 3.2.1. Nhám bề mặt 67 3.2.2. Thời gian gia công 68 3.2.3. Phân tích kết quả 68 3.2.4. Kết luận 68 Chƣơng 4 - ẢNH HƢỞNG CỦA CHẾ ĐỘ CẮT ĐẾN MÒN DAO PHAY PHỦ PVD-TiN KHI GIA CÔNG THÉP SKD61 70 4.1. Ảnh hƣởng của lƣợng chạy dao 70 4.1.1. Kết quả thí nghiệm 70 4.1.2. Phân tích kết quả 70 4.2. Ảnh hƣởng của tốc độ cắt 71 4.2.1. Kết quả thí nghiệm 71 4.2.2. Phân tích kết quả 71 4.3. Cơ chế mòn dao phay phủ PVD 71 4.4. Hiệu quả sử dụng dao phay phủ PVD 84 4.4.1. Kết quả đo nhám và mòn dụng cụ 84 4.4.2. Nhận xét và kết luận 84 Chƣơng 5 - KẾT LUẬN VÀ PHƢƠNG HƢỚNG NGHIÊN CỨU 85 5.1. Kết luận 85 5.2. Phƣơng hƣớng nghiên cứu 86 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên LỜI CAM ĐOAN Tên em là: Trịnh Mạnh Hà. Sinh ngày : 28 tháng 6 năm 1977. Học viên lớp CH-K9 chuyên ngành Cơ khí Chế tạo máy - Trƣờng Đại học Kỹ thuật Công nghiệp Thái Nguyên. Đơn vị công tác : Trƣờng Trung học Kinh tế - Kỹ thuật Tuyên Quang. Em xin cam đoan : Đề tài "Lựa chọn chế độ cắt nhằm tăng tuổi bền của dao phay ngón phủ PVD-TiN khi gia công khuôn ép chịu áp lực SKD61" do thầy giáo PGS.TS. Phan Quang Thế hƣớng dẫn. Đây là công trình của riêng em. Tất cả tài liệu tham khảo đều có nguồn gốc xuất xứ rõ ràng. Em xin cam đoan tất cả các nội dung trong luận văn đúng nhƣ nội dung trong đề cƣơng và yêu cầu cảu giáo viên hƣớng dẫn. Nếu có vấn đề gì trong nội dung của luận văn thì em xin hoàn toàn chịu trách nhiệm với lời cam đoan của mình. Thái Nguyên, ngày 20 tháng 4 năm 2009 HỌC VIÊN Trịnh Mạnh Hà - 1 - Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên Chƣơng 1 - PHỦ PVD VÀ ỨNG DỤNG TRONG CẮT KIM LOẠI 1.1. Phủ bay hơi hoá học CVD (Chemical Vapour Deposition) - Phủ bay hơi lý học PVD (Physical Vapour Deposition) Sự ra đời của nhiều loại vật liệu mới cho khả năng cắt với vận tốc cắt tới vài trăm m/phút cũng không làm mất đi vị trí quan trọng của thép gió trong cắt kim loại vì thép gió có tính ưu việt: Khả năng dễ gia công, tạo hình được các dụng cụ có hình dáng phức tạp, độ dai va đập cao (Khoảng 2,5 lần so với hợp kim cứng), độ cứng nóng đáp ứng được các chế độ công nghệ trung bình và thấp, giá thành thấp. Thép gió được dùng làm dụng cụ cho các nguyên công như: Khoan, khoét, doa, phay rãnh…nói chung là các nguyên công gia công lần cuối. Điều kiện thoát phoi và nhiệt ở đó thường khó khăn hơn so với tiện vì thế việc nâng cao chế độ công nghệ và tuổi bền cho dao thép gió bằng phủ có ý nghĩa vô cùng quan trọng để nâng cao năng suất và chất lượng gia công. Loại dụng cụ Tổng giá trị Phủ PVD Phủ CVD Không phủ Dụng cụ thép gió 4 tỷ USD 23% 0% 77% Dụng cụ hợp kim cứng 6 tỷ USD 10% 60% 30% Dụng cụ tạo hình 8 tỷ USD 3% 5% 92% Tổng số 18 tỷ USD 10% 22% 68% Bảng 1: Dữ liệu thị trường thế giới về phủ bay hơi cho dụng cụ trong lĩnh vực tạo hình và cắt vật liệu. Thống kê số liệu thị trường thế giới về dụng cụ phủ cho thấy rằng chỉ sau 15 năm, phủ PVD được ứng dụng trong ngành dụng cụ thì có đến 23% các dụng cụ thép gió, 3% dụng cụ tao hình và 10% dụng cụ hợp kim cứng được phủ bằng phương pháp này. Nhu cầu phủ PVD cho thép gió cao gấp hơn 2 lần hợp kim cứng cho thấy ý nghĩa quan trọng của phủ đối với thép gió trong công nghiệp. Người ta dự đoán tốc độ sử dụng dụng cụ phủ hàng năm sẽ tăng đến 10% trong tương lai. 1.1.1. Khái niệm phủ PVD Phủ PVD được thực hiện trong buồng kín chứa khí trơ với áp suất thấp khoảng dưới 10-2 bar ở nhiệt độ từ 400oC - 500oC. Với nhiệt độ của quá trình như thế phủ - 2 - Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên PVD thích hợp cho các dụng cụ thép gió. Do nhiệt độ tháp các nguyên tử khí và kim loại khi bay hơi phải được ion hoá và kéo về bề mặt cần phủ nhờ một điện thế âm đặt vào đó. Quá trình bắn phá bề mặt phủ bằng các ion của khí trơ được thực hiện trước khi phủ để làm tăng độ dính kết của vật liệu phủ với nền. Hình 1: Cấu trúc lớp phủ Hình 2: Bột phủ PVD Theo nguyên tắc bay hơi, phủ PVD có 4 dạng cơ bản: - Sử dụng dòng điện tử có điện thế thấp. - Dòng điện tử có điện thế cao. - Hồ quang. - Phát xạ từ lệch. Vật liệu phủ thông dụng hiện nay cho PVD là TiN, TiCN, TiAlN và CrN. Ứng suất dư trong lớp phủ là ứng suất dư nén. Chiều dày lớp phủ thường bị hạn chế dưới 5 m để tránh sự tạo nên ứng suất dư có cường độ cao trong lớp phủ. - 3 - Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên Từ khi công nghệ phủ ngoài PVD - TiN lần đầu tiên được giới thiệu vào đầu những năm 1980, phủ PVD đã trở thành một tiêu chuẩn công nghiệp. Hơn 30 năm qua, phủ PVD đã mở rộng bao gồm: TiN, TiCN, TiAlN, CrN… Đối với hầu hết các ứng dụng gia công khuôn đúc, phủ PVD - TiAlN đã được sử dụng rộng rãi nhất cho các công cụ cắt. Bảng 2: Các dạng phủ PVD Gần đây, phủ PVD đã mở rộng thành phủ ngoài nhiều lớp, phủ ngoài hybrid được phân loại như phủ ngoài ma sát thấp. Những công nghệ phủ này cung cấp một giải pháp gia công không t