Khả năng gia công vật liệu là gì: Giải thích các phép đo

Khả năng gia công vật liệu là một khái niệm cơ bản trong sản xuất, ảnh hưởng trực tiếp đến các quyết định thiết kế kỹ thuật cốt lõi như lựa chọn vật liệu, lựa chọn thông số cắt và lập ngân sách.

Trong bài viết này, chúng ta sẽ đi sâu tìm hiểu khả năng gia công là gì và các yếu tố chính xác định khả năng này cũng như chia sẻ xếp hạng khả năng gia công của một số vật liệu thông dụng.

Khả năng gia công là gì?

Nói một cách đơn giản, khả năng gia công là mức độ dễ dàng mà vật liệu có thể được cắt (gia công) để đạt được chất lượng bộ phận mong muốn. Chất lượng bộ phận ở đây đề cập đến các đặc điểm như độ chính xác về kích thước, dung sai và độ hoàn thiện bề mặt.

Vật liệu có khả năng gia công cao thường tốn ít thời gian và công suất gia công hơn, ít gây mài mòn dụng cụ và có chất lượng bề mặt tốt hơn. Có thể hiểu được, xét về góc độ sản xuất, vật liệu có khả năng gia công cao luôn được ưa chuộng hơn. Tuy nhiên, điều này không phải lúc nào cũng phù hợp với quan điểm của nhà thiết kế, người tìm kiếm độ bền, hiệu suất và độ ổn định nhiệt cao, điều này không phải lúc nào cũng đúng với vật liệu dễ gia công.

Điều này tạo ra sự đánh đổi thú vị giữa các yêu cầu kỹ thuật khác nhau, chúng ta sẽ nói rõ hơn về điều này trong bài viết này.

Các yếu tố ảnh hưởng đến khả năng gia công

Có nhiều yếu tố ảnh hưởng khi thảo luận về khả năng gia công của vật liệu. Những yếu tố này đến từ các đặc tính cốt lõi của vật liệu, cách xử lý sau sản xuất và điều kiện cắt.

1. Tính chất vật liệu

Bộ đặc điểm quan trọng nhất ảnh hưởng đến khả năng gia công là các đặc tính vật liệu. Với mỗi vật liệu có một bộ đặc tính riêng, các kỹ sư phải hiểu được tác động của từng đặc tính đến khả năng gia công để có thể đưa ra quyết định sáng suốt.

Độ cứng

Độ cứng là yếu tố chính trong việc xác định khả năng gia công của vật liệu vì nó xác định mức độ khó để 'cắt' bề mặt. Vì dụng cụ gia công chủ yếu tương tác với bề mặt phôi nên độ cứng là một đặc điểm quan trọng của khả năng gia công.

Nhìn chung, vật liệu cứng hơn như Inconel cần nhiều năng lượng hơn để cắt vì dụng cụ cần phải tạo ra lực lớn hơn. Hơn nữa, dụng cụ bị mòn nhanh hơn khi gia công vật liệu cứng. Tóm lại, độ cứng cao có nghĩa là khả năng gia công thấp.

Độ bền

Độ bền là một thông số quan trọng khác để xác định khả năng gia công. Vật liệu có độ bền cao như thép cacbon cao có khả năng hấp thụ lực cắt và chống biến dạng tốt, đòi hỏi lực cắt cao hơn và dụng cụ bền hơn.

Ngoài ra, vật liệu cứng tạo ra các phoi dài, dạng sợi do độ dẻo cao. Mặc dù điều này tốt cho việc duy trì hoạt động cắt trơn tru và truyền nhiệt hiệu quả, nhưng phoi dài thường bị vướng vào dụng cụ, gây ra sự chậm trễ khi cắt và mài mòn bề mặt của phôi.

Độ dẫn nhiệt

Quá trình gia công tạo ra nhiệt do vật liệu bị cắt. Do đó, quản lý nhiệt tại giao diện cắt rất quan trọng đối với các quy trình cắt hiệu quả. Về mặt truyền nhiệt, điều này phụ thuộc rất nhiều vào độ dẫn nhiệt của vật liệu.

Vật liệu khó cắt thường có độ dẫn nhiệt thấp, nghĩa là năng lượng nhiệt sinh ra tại giao diện cắt không tản đi nhanh chóng. Điều này gây ra một số tác động tiêu cực như làm mềm nhiệt phôi và dụng cụ, tuổi thọ dụng cụ thấp hơn và độ chính xác về kích thước. Một ví dụ điển hình về vật liệu như vậy là Titan, có tất cả các vấn đề này.

Độ dẫn nhiệt thấp cũng ngăn cản việc sử dụng tốc độ cắt và tốc độ tiến dao cao vì nhiệt sinh ra không truyền đi hiệu quả.

2. Điều kiện cắt

Khả năng gia công liên quan đến cách vật liệu hoạt động khi cắt. Do đó, ngoài các đặc tính của vật liệu, điều kiện cắt cũng ảnh hưởng đến khả năng gia công của vật liệu.

Thông số cắt

Các thông số cắt chính trong gia công là tốc độ cắt, bước tiến và độ sâu cắt. Tối ưu hóa cả ba thông số này đều có lợi từ góc độ sản xuất vì nó dẫn đến tỷ lệ loại bỏ vật liệu cao hơn. Tuy nhiên, điều này không phải lúc nào cũng khả thi.

Tốc độ cắt cao hơn thường làm cho vật liệu khó gia công hơn do sinh nhiệt quá mức và ma sát gây ra mài mòn dụng cụ. Tuy nhiên, nó cải thiện độ hoàn thiện bề mặt trong hầu hết các trường hợp. Đồng thời, việc tăng tốc độ cắt dẫn đến tải phoi và lực cắt cao hơn. Điều này có thể làm hỏng dụng cụ và gây ra rung động quá mức.

Độ sâu cắt cũng liên quan tích cực đến lực cắt, mức tiêu thụ điện năng và sinh nhiệt. Đây là những tác động đến dụng cụ và phôi. Hơn nữa, độ sâu cắt cao hơn cũng ảnh hưởng tiêu cực đến tính toàn vẹn của bề mặt bằng cách tạo ra ứng suất cơ học và nhiệt.

Ngoài ra, độ sâu cắt cũng là yếu tố chính góp phần tạo nên tính ổn định động của quá trình cắt. Việc tăng độ sâu cắt vượt quá một giới hạn nhất định có thể gây ra rung động, gây hại cho dụng cụ và máy móc.

Dụng cụ cắt

Máy cắt CNC có các đặc điểm hình học phức tạp ảnh hưởng đáng kể đến khả năng gia công. Ví dụ rõ ràng nhất là góc cào (góc của lưỡi cắt). Góc cào âm làm giảm tải cắt và cải thiện sự hình thành phoi, đây là dấu hiệu của khả năng gia công cao. Tuy nhiên, nó cũng làm cho dụng cụ yếu hơn.

Tương tự như vậy, một yếu tố khác là góc khe hở, ảnh hưởng đến các chỉ số khả năng gia công như độ mòn của dụng cụ và khả năng tản nhiệt.

2.3 Làm mát và bôi trơn

Người thợ máy thường sử dụng chất làm mát và chất bôi trơn vào giao diện dụng cụ-phôi để tăng khả năng gia công vật liệu. Những chất này tăng cường khả năng tản nhiệt và ma sát của vật liệu, dẫn đến hành động cắt mượt mà hơn, bề mặt hoàn thiện tốt hơn và tuổi thọ dụng cụ cao hơn.

2.4 Tình trạng máy công cụ

Tình trạng của máy CNC là một yếu tố khác quyết định khả năng gia công. Các máy cũ thường có độ rơ trong ổ trục và rung nhiều hơn dưới tải cắt động. Điều này làm cho việc gia công trở nên khó khăn, khiến máy không thể xử lý các vật liệu khó cắt.

Xếp hạng khả năng gia công là gì?

Với nhiều loại vật liệu có thể gia công trong hộp công cụ của kỹ sư, việc so sánh chúng về khả năng gia công có thể rất khó khăn. Một trong những phương pháp phổ biến để đánh giá khả năng gia công của vật liệu là thông qua xếp hạng khả năng gia công của chúng.

Một tính năng tiêu chuẩn của xếp hạng khả năng gia công là có một vật liệu tham chiếu để so sánh thuận tiện. Ví dụ, một trong những vật liệu tiêu chuẩn là Đồng thau C36000 có xếp hạng khả năng gia công là 100%. Khi vật liệu trở nên khó cắt hơn, xếp hạng tương ứng của chúng sẽ giảm. Ví dụ, AISI 1018 có xếp hạng là 70%, cho biết khả năng gia công trung bình.

Tại sao biểu đồ khả năng gia công lại quan trọng?

Nhìn chung, xếp hạng khả năng gia công được ghi lại trong biểu đồ khả năng gia công, có trong mọi xưởng gia công CNC. Với biểu đồ khả năng gia công dễ điều hướng trong tay, bạn có thể nhanh chóng và dễ dàng so sánh khả năng gia công trên toàn bộ quang phổ vật liệu kỹ thuật.

Mục đích chính của hệ thống đánh giá này là hỗ trợ các quyết định kỹ thuật. Đối với một kỹ sư thiết kế, nó giúp hiểu được bất kỳ sự phức tạp nào trong sản xuất đối với một vật liệu cụ thể mà họ đang lựa chọn. Điều này hữu ích trong các tình huống thực tế.

Ví dụ, nếu họ chọn vật liệu khó cắt, họ có thể chỉ ra trong bản vẽ kỹ thuật thông qua một ghi chú đặc biệt hoặc bao gồm cụ thể yêu cầu về độ hoàn thiện bề mặt để đảm bảo thợ máy hiểu đầy đủ ý định thiết kế. Đối với thợ máy, điều này giúp ích trong việc lựa chọn công cụ, thông số cắt và điều kiện bôi trơn/làm mát.

Các phương pháp khác nhau để cải thiện khả năng gia công

Các xưởng gia công áp dụng một số chiến lược để làm cho vật liệu dễ gia công hơn. Điều này mang lại một số lợi ích như gia công năng suất hơn, chi phí thấp hơn và chất lượng sản phẩm tổng thể cao hơn.

Xử lý nhiệt

Sự phụ thuộc của các đặc tính vật liệu vào khả năng gia công đã được đề cập chi tiết trong các phần trước. Do đó, khi chúng ta nói về việc cải thiện khả năng gia công, việc thay đổi các đặc tính vật liệu là ý tưởng quan trọng nhất trong danh sách các hành động.

Xử lý nhiệt là phương pháp hiệu quả để tăng khả năng gia công của vật liệu. Ví dụ, các vật liệu CNC thông thường như thép và nhôm thường được ủ để giảm độ cứng, tinh chỉnh cấu trúc hạt và giảm ứng suất bên trong.

Phụ gia vật liệu

Sử dụng phụ gia vật liệu là một phương pháp khác để cải thiện khả năng gia công. Chủ đề cốt lõi là kết hợp phụ gia vật liệu vào cấu trúc lưới của vật liệu cơ bản để làm cho các đặc tính cơ học của nó thân thiện với gia công.

Ví dụ, việc bổ sung kẽm để tạo thành hợp kim đồng như đồng thau làm tăng đáng kể khả năng gia công của đồng nguyên chất, cho phép lực, ma sát thấp hơn và hình thành phoi tốt hơn. Trên thực tế, nhiều tiêu chuẩn đánh giá khả năng gia công sử dụng hợp kim đồng mang kẽm C36000 làm vật liệu tham chiếu do khả năng gia công cao của nó.

Chất làm mát/Chất bôi trơn

Tối ưu hóa các điều kiện cắt, đặc biệt là việc sử dụng chất làm mát/chất bôi trơn, có thể cải thiện đáng kể khả năng gia công. Việc sử dụng các tác nhân như vậy làm tăng các đặc tính ma sát tại giao diện dụng cụ-phôi, giúp vật liệu phôi dễ cắt hơn.

Chất bôi trơn làm giảm ma sát và nhiệt sinh ra, giảm các yếu tố như hao mòn dụng cụ và ứng suất do nhiệt gây ra. Ngoài ra, nó cũng cho phép thợ máy sử dụng các thông số cắt mạnh hơn, dẫn đến tỷ lệ loại bỏ vật liệu cao hơn.

Chất làm mát tăng cường tính chất tản nhiệt tại giao diện cắt. Với nhiều nhiệt hơn được truyền đi hiệu quả khỏi vùng cắt, ứng suất nhiệt, độ không chính xác về kích thước và gãy dụng cụ sẽ thấp hơn.

Tối ưu hóa tham số cắt

Cuối cùng, việc lựa chọn thông số cắt hợp lý cũng có thể ảnh hưởng tích cực đến khả năng gia công vật liệu. Hầu hết thời gian, phương trình này rất đơn giản. Tốc độ, lượng chạy dao và độ sâu cắt cao hơn làm giảm khả năng gia công và ngược lại.

Tuy nhiên, cũng có một số trường hợp phản trực giác, đòi hỏi nhà sản xuất phải hiểu rõ các nguyên tắc cơ bản của quá trình cắt kim loại. Ví dụ như trường hợp cạnh tích tụ. Nếu thợ máy quan sát thấy tỷ lệ bám dính vật liệu cao trên các miếng chèn dụng cụ của họ, điều này không tốt cho tuổi thọ của dụng cụ, thì việc tăng tốc độ cắt hoặc tăng tốc độ ăn dao một chút có thể có lợi về mặt ít cạnh tích tụ và mài mòn dụng cụ hơn.

Khả năng gia công được đo lường như thế nào?

Mặc dù không có cách chuẩn nào để tính toán khả năng gia công của vật liệu, nhưng có một số hệ thống được chấp nhận chung. Hầu hết các hệ thống này dựa trên hai thành phần chính: có một bộ tiêu chí để ước tính khả năng gia công của vật liệu và một vật liệu tham chiếu để xếp hạng các vật liệu khác để thuận tiện khi so sánh.

Tuổi thọ của dụng cụ cắt

Tuổi thọ của dụng cụ cắt là một trong những biện pháp thực tế nhất về khả năng gia công vì nó có tác động trực tiếp đến năng suất, chất lượng và tài chính. Nguyên tắc là đánh giá khả năng gia công của vật liệu theo thời gian sử dụng dụng cụ cắt trên vật liệu trước khi cần thay thế hoặc mài lại. Tất nhiên, điều này có tính đến tất cả các yếu tố khác như hình dạng dụng cụ không đổi.

Có thể hiểu được là vật liệu có khả năng gia công cao không gây ra tình trạng mài mòn dụng cụ và hư hỏng do nhiệt cao, do đó tuổi thọ của dụng cụ dài. Mặt khác, vật liệu khó cắt như thép làm mòn dụng cụ nhanh chóng.

Một trong những phương pháp để đo lường điều này bằng toán học là sử dụng phương trình tuổi thọ dụng cụ của Taylor:

Ở đây, Vc và T tương ứng với tốc độ cắt và tuổi thọ dụng cụ. Các thông số khác liên quan đến điều kiện cắt và vật liệu dụng cụ, vẫn cố định cho các phân tích khả năng gia công. Các vật liệu cho phép tốc độ cắt cao hơn trong khi vẫn duy trì tuổi thọ dụng cụ tương tự như vật liệu tham chiếu được coi là có khả năng gia công hơn.

Hoàn thiện bề mặt

Độ hoàn thiện bề mặt là một thông số phổ biến khác để đo khả năng gia công. Đây là một thông số khả thi vì bất kỳ thay đổi nào về khả năng gia công hầu hết đều được phản ánh trực tiếp trong sự thay đổi về chất lượng bề mặt. Ví dụ, vật liệu cứng có khả năng gia công thấp và có bề mặt hoàn thiện thô do bị mẻ và ma sát.

Hơn nữa, việc đo độ hoàn thiện bề mặt cũng khá tiện lợi. Hầu hết, thợ máy có thể quan sát thấy rõ ràng. Ngoài ra, các kỹ sư cũng có thể sử dụng các máy kiểm tra bề mặt dễ sử dụng để nhanh chóng lập bản đồ độ hoàn thiện bề mặt của bề mặt gia công.

Tiêu thụ điện năng

Gia công tiêu thụ điện năng do lực cắt. Vật liệu khó cắt cần nhiều lực hơn để cắt. Do đó, chúng tiêu thụ nhiều điện năng hơn. Đối với vật liệu dễ cắt thì ngược lại.

Do mối quan hệ rất trực tiếp giữa khả năng gia công và mức tiêu thụ điện năng nên đây là thước đo phổ biến về khả năng gia công của vật liệu.

Xếp hạng khả năng gia công

Xếp hạng khả năng gia công là một cách khác để đo khả năng gia công của vật liệu. Mặc dù không khoa học như các phương pháp khác, nhưng đây là phương pháp rất thực tế được sử dụng rộng rãi trong môi trường xưởng gia công.

Vật liệu CNC phổ biến và khả năng gia công của chúng

Toàn bộ nhóm vật liệu gia công CNC quá lớn để liệt kê. Do đó, trong phần này, chúng tôi sẽ chia sẻ một mẫu vật liệu CNC tiêu biểu và xếp hạng khả năng gia công tương đối của chúng để cung cấp tổng quan chung về khả năng gia công của vật liệu.

Loại vật liệu	Vật liệu	Khả năng gia công (%)
Kim loại	Đồng thau cắt tự do (C36000)	100
	Nhôm (6061-T6)	90-95
	Thép không gỉ Austenitic (AISI 304)	30-40
	Titan (Cấp 5, Ti-6Al-4V)	20-25
Nhựa	Polyetylen (HDPE)	90
	Polycarbonat	80
	Polyvinyl clorua (PVC)	70
Hợp chất	Polymer gia cường sợi carbon	40-50
	Polymer gia cường sợi thủy tinh	30-40
Đồ gốm	Nhôm oxit (Nhôm oxit)	30
	Zirconia (Zirconium Dioxide)	15
Vật liệu hữu cơ	Gỗ mềm (ví dụ: thông)	90
	Gỗ cứng (ví dụ: gỗ sồi)	70

Phần kết luận

Tóm lại, khả năng gia công vật liệu chắc chắn là một khía cạnh rất quan trọng của sản xuất. Nó tác động đến mọi bước của quy trình phát triển sản phẩm bao gồm lựa chọn vật liệu, tính giá thành và sản xuất. Bằng cách đưa ra quyết định kỹ thuật dựa trên kiến ​​thức này, các kỹ sư có thể cải thiện đáng kể kết quả của dự án.

Dachi là nhà sản xuất tùy chỉnh, chuyên gia công CNC các bộ phận kim loại và nhựa, cung cấp dịch vụ trọn gói từ nguyên mẫu đến sản xuất. Cho dù bạn muốn tạo nguyên mẫu chính xác hay các bộ phận tùy chỉnh, Dachi sẽ trở thành đối tác đáng tin cậy cho nhu cầu sản xuất của bạn.