Trong lĩnh vực gia công hợp kim titan, việc lựa chọn dụng cụ trực tiếp ảnh hưởng đến hiệu quả sản xuất, chất lượng gia công và kiểm soát chi phí tổng thể. Việc chọn vật liệu dụng cụ không phù hợp có thể dẫn đến mòn nhanh, tăng tần suất thay thế và chi phí dụng cụ tăng đáng kể. Do đó, việc lựa chọn đúng dụng cụ để cân bằng hiệu suất và chi phí là một thách thức quan trọng đối với bất kỳ doanh nghiệp nào tham gia vào quá trình gia công hợp kim titan. Bài viết này xem xét các vật liệu dụng cụ phổ biến để gia công titan và cung cấp hướng dẫn thực tế để lựa chọn dụng cụ nhằm tối ưu hóa quy trình và giảm chi phí.

Các vật liệu dụng cụ chủ đạo hiện nay được chia thành bốn loại chính: thép gió (HSS), hợp kim gốc coban, cacbua và gốm. Mỗi vật liệu có những đặc tính và ứng dụng riêng biệt. Việc hiểu rõ những tính chất này là nền tảng để lựa chọn dụng cụ phù hợp.

Thép gió có tên gọi này là do khả năng duy trì hiệu suất cắt ở tốc độ quay cao. Là một loại thép dụng cụ hợp kim cao, HSS thường chứa vonfram, crôm và vanadi, với thành phần chính xác khác nhau tùy theo nhà cung cấp. Mặc dù dụng cụ HSS có thể gia công hợp kim titan, nhưng khả năng chống mài mòn kém khiến chúng không thực tế trong môi trường sản xuất số lượng lớn, nơi việc thay đổi dụng cụ thường xuyên sẽ làm giảm hiệu quả và tăng chi phí nhân công.

Hợp kim gốc coban, chủ yếu bao gồm coban, crôm và vonfram, mang lại khả năng chống mài mòn tốt. Tuy nhiên, với độ cứng thường vào khoảng 60 Rc, những hợp kim này gặp khó khăn với các hợp kim titan có độ cứng cao. Mặc dù phù hợp với kim loại mềm hơn, nhưng ứng dụng của chúng trong gia công titan vẫn bị hạn chế.

Dụng cụ cacbua hiện đang chiếm ưu thế trong gia công hợp kim titan. Vật liệu này duy trì độ cứng đặc biệt ở nhiệt độ cao đồng thời mang lại khả năng chống mài mòn và chống biến dạng dẻo vượt trội. Các ưu điểm bổ sung bao gồm độ dẫn nhiệt tuyệt vời và mô đun đàn hồi cao. Dụng cụ cacbua thường được chia thành hai loại: vonfram-coban và cacbua titan-coban. Hầu hết các dụng cụ cacbua đều có lớp phủ chuyên dụng để tăng cường khả năng chống mài mòn, giảm hệ số ma sát và cải thiện khả năng tản nhiệt. Khi kết hợp với lớp phủ phù hợp, dụng cụ cacbua mang lại tuổi thọ dụng cụ kéo dài và chất lượng gia công vượt trội.

Dụng cụ gốm có lợi thế về tính trơ hóa học, khiến chúng trở nên lý tưởng cho các kim loại phản ứng như titan. Khả năng chịu nhiệt và độ cứng đặc biệt của chúng cho phép thực hiện các hoạt động cắt tốc độ cao. Tuy nhiên, dụng cụ gốm bị giòn đáng kể và dễ bị sốc nhiệt và cơ học. Nhiều chuyên gia lưu ý đến hiệu suất không thể đoán trước trong điều kiện gia công bất lợi, đòi hỏi phải xem xét cẩn thận các thông số vận hành khi lựa chọn dụng cụ gốm.

Phương trình tuổi thọ dụng cụ Taylor cung cấp một khuôn khổ toán học để lựa chọn vật liệu dụng cụ tối ưu cho các ứng dụng cụ thể:

Trong đó:

• V = Tốc độ cắt (m/phút)
• T = Tuổi thọ dụng cụ (phút)
• C = Tốc độ cắt tại tuổi thọ dụng cụ 1 phút (hằng số phụ thuộc vào vật liệu)
• n = Số mũ Taylor (thường là 0,1-0,3), được xác định bởi vật liệu dụng cụ, phôi và điều kiện cắt

Phương trình này thiết lập mối quan hệ giữa tốc độ cắt và tuổi thọ dụng cụ, cho phép dự đoán tuổi thọ dụng cụ trong các điều kiện vận hành khác nhau.

1. Xác định yêu cầu gia công: Xác định cấp hợp kim titan, thông số kỹ thuật chính xác, yêu cầu bề mặt hoàn thiện và mục tiêu sản xuất.

2. Thu thập dữ liệu: Thu thập tốc độ cắt (V), tuổi thọ dụng cụ (T) và giá trị số mũ Taylor (n) cho các vật liệu dụng cụ khác nhau để gia công hợp kim titan cụ thể. Các nguồn bao gồm hướng dẫn kỹ thuật của nhà sản xuất, tài liệu nghiên cứu hoặc thử nghiệm cắt.

3. Thực hiện tính toán: Nhập dữ liệu đã thu thập vào phương trình Taylor để so sánh tuổi thọ dụng cụ trên các vật liệu. Ví dụ, với tốc độ cắt yêu cầu là 100 m/phút và tuổi thọ dụng cụ mục tiêu là 60 phút, phương trình sẽ xác định vật liệu nào đáp ứng các thông số này.

4. Đánh giá các lựa chọn: Xem xét các yếu tố chi phí tổng thể bao gồm giá mua, tần suất thay thế và hiệu quả gia công. Một dụng cụ có chi phí thấp hơn, yêu cầu thay đổi thường xuyên có thể chứng minh là tốn kém hơn so với một lựa chọn thay thế có giá cao hơn với tuổi thọ dài hơn.

Lớp phủ chuyên dụng giúp tăng cường đáng kể hiệu suất dụng cụ. Các lựa chọn phổ biến bao gồm:

• Titan Nitride (TiN): Lớp phủ đa năng với độ cứng và khả năng chống mài mòn cao
• Titan Carbonitride (TiCN): Độ cứng và khả năng chống mài mòn được tăng cường cho các vật liệu khó gia công
• Titan Aluminum Nitride (TiAlN): Độ ổn định nhiệt độ cao vượt trội và khả năng chống oxy hóa để gia công tốc độ cao và khô
• Carbon giống Kim Cương (DLC): Ma sát cực thấp và độ cứng cực cao cho kim loại màu và vật liệu composite

Việc lựa chọn lớp phủ phải tính đến các đặc tính vật liệu phôi, tốc độ cắt, việc sử dụng chất làm mát và yêu cầu về độ chính xác.

Ngoài việc lựa chọn vật liệu và lớp phủ, việc tối ưu hóa các thông số cắt sẽ cải thiện hiệu quả và giảm chi phí. Các biến số chính bao gồm:

• Tốc độ cắt: Tốc độ cao hơn làm tăng năng suất nhưng làm tăng tốc độ mài mòn dụng cụ
• Tốc độ nạp: Tốc độ nạp lớn hơn làm tăng sản lượng nhưng có thể ảnh hưởng đến bề mặt hoàn thiện
• Chiều sâu cắt: Cắt sâu hơn cải thiện tốc độ loại bỏ vật liệu nhưng làm tăng lực cắt

Thông qua thử nghiệm và tinh chỉnh, các nhà sản xuất có thể xác định các kết hợp thông số tối ưu để tối đa hóa hiệu quả đồng thời giảm thiểu chi phí dụng cụ.

Một nhà sản xuất linh kiện hàng không vũ trụ gia công các bộ phận Ti-6Al-4V đã chọn dụng cụ cacbua với lớp phủ TiAlN. Sau khi tối ưu hóa thông số, hoạt động đã đạt được:

• Tốc độ cắt: 80 m/phút
• Tốc độ nạp: 0,1 mm/vòng
• Chiều sâu cắt: 0,5 mm

Các thông số này mang lại tuổi thọ dụng cụ 120 phút trong khi đáp ứng các thông số kỹ thuật về bề mặt hoàn thiện. So với các dụng cụ HSS trước đây, cấu hình này đã tăng gấp ba tuổi thọ dụng cụ, tăng năng suất lên 50% và giảm chi phí dụng cụ xuống 40%.

Việc lựa chọn dụng cụ vẫn là yếu tố then chốt trong gia công hợp kim titan. Bằng cách hiểu các đặc tính vật liệu và áp dụng phương trình Taylor, các nhà sản xuất có thể xác định các giải pháp dụng cụ tối ưu. Việc lựa chọn lớp phủ và tối ưu hóa thông số sẽ tăng cường hơn nữa hiệu quả và tính hiệu quả về chi phí. Đối với hầu hết các ứng dụng gia công titan, dụng cụ cacbua phủ đại diện cho sự cân bằng lý tưởng giữa độ bền và hiệu suất. Các doanh nghiệp nên đánh giá cẩn thận các yêu cầu vận hành để thực hiện chiến lược dụng cụ phù hợp nhất cho nhu cầu cụ thể của họ.