Khi nói đến việc cắt kim loại, về cơ bản có ba yếu tố chính quyết định cách vận hành: tốc độ cắt, về cơ bản là tốc độ di chuyển của bề mặt tại vị trí dụng cụ tiếp xúc với phôi; tốc độ tiến dao, nghĩa là lượng dịch chuyển của dụng cụ trong mỗi vòng quay; và chiều sâu cắt, ám chỉ độ sâu mà dụng cụ ăn vào vật liệu. Tuy nhiên, những yếu tố này không độc lập với nhau. Thay đổi một thông số thì các thông số còn lại sẽ bị ảnh hưởng ngay lập tức. Lấy ví dụ như tốc độ tiến dao. Nếu ai đó cố tăng tốc độ tiến dao mà không điều chỉnh bất cứ thứ gì khác, họ sẽ cần phải giảm chiều sâu cắt xuống. Nếu không, dụng cụ sẽ bị quá tải và bắt đầu rung hoặc kêu rít, điều mà chẳng ai muốn thấy xảy ra trên xưởng sản xuất.
Khi tốc độ cắt tăng lên, chúng tạo ra nhiều nhiệt hơn, làm mòn dụng cụ nhanh hơn nếu không thực hiện điều chỉnh về tốc độ tiến hoặc chiều sâu cắt. Ví dụ, khi gia công vật liệu thép đã tôi cứng, việc tăng tốc độ tiến khoảng 20% thường đồng nghĩa với việc giảm chiều sâu cắt khoảng 15% nếu muốn tránh làm hỏng dụng cụ cắt trước thời hạn. Cắt quá sâu vào vật liệu sẽ làm tăng vấn đề rung động, và đẩy tốc độ quá cao khi gia công các hợp kim cứng như Inconel 718 thực tế có thể gây ra nứt do tích tụ nhiệt quá mức. Việc tìm ra sự cân bằng phù hợp giữa tất cả các yếu tố này chính là chìa khóa cho sự thành công trong gia công cơ khí, bởi vì nếu phối hợp sai lệch sẽ dẫn đến kết quả kém, lãng phí thời gian và phải thay thế dụng cụ tốn kém về sau.
Các nhà sản xuất áp dụng các mô hình thực nghiệm như phương trình tuổi thọ dụng cụ của Taylor ( VT n = C ) để định hướng quyết định—trong đó V là tốc độ cắt, T là tuổi thọ dụng cụ, và C và n là các hằng số phụ thuộc vào vật liệu và dụng cụ. Ví dụ, giảm tốc độ cắt 30% có thể làm tăng đôi tuổi thọ dụng cụ khi phay titan. Các điểm đánh đổi chính bao gồm:
| Khách quan | Điều chỉnh tham số | Rủi ro đánh đổi |
|---|---|---|
| Năng suất cao hơn | ↑ Tốc độ chạy dao / ↓ Chiều sâu | Gãy dụng cụ, bề mặt kém |
| Chi phí thấp hơn | ↓ Tốc độ cắt | Tăng thời gian gia công |
| Bề mặt hoàn thiện mịn hơn | ↓ Lượng chạy dao / ↑ Tốc độ | Tốc độ loại bỏ vật liệu giảm |
Việc lựa chọn thông số dựa trên dữ liệu ưu tiên các ràng buộc ứng dụng: các bộ phận hàng không vũ trụ đòi hỏi độ chính xác cao (ưu tiên lượng chạy dao trung bình), trong khi các lần tiện thô tối đa hóa chiều sâu cắt. Cách tiếp cận hệ thống này loại bỏ việc thử sai tốn kém, cải thiện cả hiệu quả vận hành và chất lượng chi tiết.
Các đặc tính của vật liệu đặt ra những giới hạn quan trọng khi cắt kim loại một cách an toàn và hiệu quả. Lấy ví dụ thép carbon như AISI 1045, thường dao động từ 15 đến 25 trên thang độ cứng Rockwell. Với các dụng cụ bằng hợp kim cacbua, người vận hành thường có thể đạt tốc độ cắt trong khoảng từ 120 đến 250 mét mỗi phút. Tuy nhiên, mọi thứ trở nên khác biệt đáng kể khi làm việc với các hợp kim siêu bền gốc niken như Inconel 718, có độ cứng nằm trong khoảng 35 đến 45 trên thang đo độ cứng. Những vật liệu này đòi hỏi tốc độ cắt chậm hơn nhiều, thường dưới 30 mét mỗi phút vì chúng có xu hướng gia công làm cứng nhanh và tạo ra ứng suất rất lớn lên dụng cụ cắt. Điều khiến tất cả điều này trở nên khả thi chính là sự khác biệt cơ bản về cách các vật liệu này phản ứng ở cấp độ phân tử trong quá trình gia công.
| Tính chất vật liệu | Thép AISI 1045 | Inconel 718 |
|---|---|---|
| Dẫn nhiệt | Cao (51 W/m·K) | Thấp (11,4 W/m·K) |
| Xu hướng biến cứng khi gia công | Trung bình | Nghiêm trọng |
| Dải tốc độ tối ưu | 150±30 m/phút | 20±5 m/phút |
Vượt quá phạm vi tốc độ khuyến nghị sẽ làm tăng nhanh mài mòn mặt bên—lên đến 300% trong các hợp kim cứng—theo ASM International. Việc lựa chọn tốc độ thấp hơn vẫn rất cần thiết để kiểm soát sự sinh nhiệt và duy trì độ bền của dụng cụ.
Hình học phôi hạn chế chiều sâu cắt (DOC) có thể đạt được. Một tấm thép không gỉ dày 0,5 mm có thể yêu cầu DOC ≤ 0,1 mm để tránh bị cong vênh, trong khi một tấm nhôm dày 50 mm có thể chịu được DOC lên đến 5 mm. Ba yếu tố cơ học chi phối độ ổn định:
Ví dụ, để đạt được dung sai IT7 trên chi tiết titan 10 mm thường yêu cầu chiều sâu cắt (DOC) < 1,5 mm. Các nghiên cứu thực tế cho thấy việc chọn DOC không phù hợp góp phần vào 72% trường hợp hỏng inserts sớm trong gia công thành mỏng (Tạp chí Công nghệ Xử lý Vật liệu, 2023).
Phương trình tuổi thọ dụng cụ Taylor cổ điển (VTn = C) vẫn giữ vai trò quan trọng dù cách chúng ta áp dụng đã thay đổi khá nhiều nhờ các công cụ tốt hơn hiện nay. Các lớp phủ mới như titan nhôm nitrit (TiAlN) cho phép thợ gia công chạy ở tốc độ nhanh hơn đáng kể khi làm việc với thép đã tôi, khoảng từ 45 đến 65 mét mỗi phút, đồng thời ngăn ngừa mài mòn dụng cụ quá nhanh. Khi các nhà sản xuất kết hợp những lớp phủ hiện đại này với các mô hình truyền thống, họ có thể giảm chi phí dụng cụ khoảng 30% khi sản xuất số lượng lớn. Điều làm nên hiệu quả thực sự là khả năng ổn định nhiệt của các lớp phủ này giúp ngăn ngừa hiện tượng dính khi gia công các vật liệu hàng không vũ trụ. Vì vậy, bất chấp mọi bước tiến, các nguyên lý cơ bản của Taylor vẫn tiếp tục định hướng các thực hành gia công trong thực tế trên nhiều ngành công nghiệp khác nhau.
Quản lý nhiệt hiệu quả phụ thuộc vào việc cung cấp dung dịch làm mát tập trung:
Việc lựa chọn chất làm mát tối ưu cần cân bằng giữa độ nhớt và khả năng dẫn nhiệt — không chỉ để ngăn chặn sự tăng nhiệt đột ngột mà còn để tránh tôi cứng bề mặt và duy trì độ nhám bề mặt Ra ≤ 0,8 µm
Các thông số chính trong gia công kim loại bao gồm tốc độ cắt, tốc độ tiến và chiều sâu cắt. Mỗi thông số này đều ảnh hưởng đến các thông số khác, do đó việc thay đổi một thông số có thể tác động đến những thông số còn lại.
Việc cân bằng các yếu tố này rất quan trọng vì điều chỉnh sai có thể dẫn đến các vấn đề như mài mòn dụng cụ, rung động hoặc độ hoàn thiện bề mặt kém, từ đó ảnh hưởng đến chất lượng và hiệu quả tổng thể của quá trình gia công.
Các vật liệu khác nhau, như thép AISI 1045 so với Inconel 718, phản ứng khác nhau trong điều kiện gia công. Thành phần, độ cứng và tính chất nhiệt của chúng quy định các thông số tốc độ, bước tiến và chiều sâu phù hợp để cắt an toàn và hiệu quả.
Tuổi thọ dụng cụ có thể được kéo dài bằng cách tối ưu hóa các thông số cắt và sử dụng các mảnh chèn phủ lớp tiên tiến. Việc áp dụng các phiên bản hiện đại của các mô hình thực nghiệm như Phương trình Tuổi thọ Dụng cụ Taylor có thể định hướng các phương pháp gia công tốt hơn.
EN
