Khảo sát ảnh hưởng của các thông số công nghệ đến chất lượng bề mặt của một số loại thép dùng làm khuôn dập khi phay trên máy CNC

1

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
---------------------------------

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC
NGÀNH: CÔNG NGHỆ CƠ KHÍ
MÃ SỐ:

KHẢO SÁT ẢNH HƯỞNG CỦA CÁC THƠNG SỐ CƠNG NGHỆ
ĐẾN CHẤT LƯỢNG BỀ MẶT CỦA MỘT SỐ LOẠI THÉP DÙNG
LÀM KHUÔN DẬP KHI PHAY TRÊN MÁY PHAY CNC

PHẠM NGỌC THẠCH

HÀ NỘI – 2009


0

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
-------------------------

LUẬN VĂN THẠC SỸ KHOA HỌC

KHẢO SÁT ẢNH HƯỞNG CỦA CÁC THÔNG SỐ CÔNG NGHỆ ĐẾN
CHẤT LƯỢNG BỀ MẶT CỦA MỘT SỐ LOẠI THÉP DÙNG LÀM
KHUÔN DẬP KHI PHAY TRÊN MÁY PHAY CNC

NGÀNH: CƠ HỌC KỸ THUẬT
MÃ SỐ:

PHẠM NGỌC THẠCH

Người hướng dẫn khoa học: GS.TS NGUYỄN ĐẮC LỘC

HÀ NỘI 2009


1

LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan nội dung của luận văn cao học không sao chép của
tác giả khác mà do cá nhân tham khảo từ các tài liệu liên quan có trích dẫn và
từ tham quan thực tiễn để hồn thành bản luận văn này. Có gì sai sót tơi xin
chịu hồn tồn trách nhiệm theo quy chế.
Tác giả: Phạm Ngọc Thạch


2

MỤC LỤC
Trang
Trang phụ bìa

0

Lời cam đoan

1

Mục lục

2

Lời nói đầu

8

Chương 1. Tổng quan tình hình nghiên cứu

7

Chương 2. Thép dụng cụ

13

2.1 Phân loại và các yêu cầu chung

13

2.1.1 Phân loại

13

2.1.2 Yêu cầu về cơ tính

13

2.1.3 u cầu về tính cơng nghệ và tính kinh tế

14

2.1.4 u cầu về thành phần hố học

14

2.2 Thép làm dụng cụ cắt gọt

15

2.2.1 Yêu cầu đối với vật liệu làm dụng cụ cắt

15

2.2.2 Thép làm dao có năng suất thấp

17

2.2.3. Thép làm dao có năng suất cao-thép gió

19

2.2.4 Thép làm dụng cụ đo

22

2.2.5 Thép làm dụng cụ biến dạng nguội

23

2.2.6 Thép làm dụng cụ biến dạng nóng

28

2.27 Thép làm khn rèn

29

2.2.8 Thép làm khn ép chảy

31

Chương 3. Chất lượng bề mặt chi tiết máy

32

3.1 Các yếu tố đặc trưng cho chất lượng bề mặt gia công

32


3

3.1.1 Tính chất hình học của bề mặt

32

3.1.2 Tính chất cơ lý của bề mặt gia công

36

3.2 Phương pháp đánh giá chất lượng bề mặt

37

3.2.1 Đánh giá độ nhám bề mặt

37

3.2.2 Đánh giá ứng suất dư bề mặt

38

3.2.3 Đo mức độ và chiều sâu biến cứng bề mặt

38

3.3 Ảnh hưởng của chất lượng bề mặt tới khả năng làm việc
của chi tiết máy

39

3.3.1 ảnh hưởng của độ nhám bề mặt

39

3.3.2 Ảnh hưởng của lớp biến cứng bề mặt

44

3.3.3 Ảnh hưởng của ứng suất dư

45

3.4 Các yếu tố ảnh hưởng đến chất lượng bề mặt chi tiết máy

46

3.4.1 ảnh hưởng đến độ nhám bề mặt

46

3.4.2 Ảnh hưởng đến độ biến cứng bề mặt

52

3.4.3 Ảnh hưởng đến ứng suất dư bề mặt

53

3.5 Kết luận chương 3

54

Chương 4. Cơ sở lý thuyết quy hoạch thực nghiệm

56

4.1 Sai số và khử sai số

56

4.1.1 Sai số hệ thống

56

4.1.2 Sai số ngẫu nhiên

56

4.1.3 Sai số thô

57

4.2 Kiểm tra tính đồng nhất của thí nghiệm

59

4.3. Chọn cơng thức thực nghiệm và phép làm trơn

60

4.3.1. Chọn bậc tối thiểu của đa thức

60


4

4.3.2. Chọn giữa các công thức khác nhau

62

4.3.3. Làm trơn các số liệu thực nghiệm

63

4.4. Xác định tham số công thức thực nghiệm bằng phương

64

pháp bình phương bé nhất
4.4.1. Xác định tham số của hàm tuyến tính

66

4.4.2. Kiểm định các tham số aj và khoảng xác định sai lệch

71

của chúng
4.5 Nhận xét

72

Chương 5. Kết quả thực nghiệm và xử lý kết quả

73

5.1 Mục đích của thí nghiệm

73

5.2 Điều kiện tiến hành thí nghiệm

73

5.3 Kết quả thực nghiệm

74

5.3.1 Thép SKD11

74

5.3.2 Thép 40XM

82

5.4 Kết luận chương 5

90

Chơưng 6. Kết luận và kiến nghị

92

Tóm tắt luận văn

94

Tài liệu tham khảo

96


5

LỜI NĨI ĐẦU
Trong gia cơng cơ khí việc xác định chế độ cắt phù hợp với mỗi loại
vật liệu gia công nhằm đảm bảo cả hai mặt năng suất và chất lượng luôn là
vấn đề rất quan trọng. Các thông số của chế độ cắt có thể tra được qua các
bảng trong các sổ Công nghệ hoặc xác định bằng cách tính tốn qua các cơng
thức đã biết. Tuy nhiên việc tra bảng thường có nhiều sai số do chưa kể đến
các điều kiện gia cơng cụ thể, việc tính tốn tuy có chính xác nhưng khơng
phải lúc nào cũng tiến hành được hơn nữa nó cũng khơng mang tính hệ thống
và làm tăng thời gian chuẩn bị sản xuất, do đó sẽ ảnh hưởng đến hiệu quả sản
xuất.
Trong các thông số cần xác định khi xét đến chất lượng sản phẩm thì độ
nhám bề mặt là một chỉ tiêu rất quan trọng, trong nhiều trường hợp rất khó để
đảm bảo nếu khơng có thiết bị phù hợp. Độ nhám bề mặt của chi tiết máy phụ
thuộc nhiều yếu tố, tuy nhiên qua nhiều nghiên cứu đã được thực hiện trong
điều kiện đảm bảo về trang thiết bị thì nó phụ thuộc chủ yếu vào chế độ cắt.
Gần đây ở nước ta với nhu cầu của thị trường rất nhiều doanh nghiệp
đã đưa vào sử dụng máy CNC để nâng cao chất lượng và hạ giá thành sản
phẩm. Qua sản xuất đã cho thấy, chất lượng đã được nâng cao, nhưng giá
thành chưa giảm, thậm chí chi phí gia cơng còn cao hơn nhiều so với máy vạn
năng. Nguyên nhân chính của sự gia tăng chi phí đó là do các nhà công nghệ

chưa chọn được chế độ công nghệ hợp lý cho nhóm máy này. Như vậy, việc
chọn chế độ cắt tối ưu cho nhóm máy CNC nhằm đảm chất lượng (trong đó
có độ nhám bề mặt) và năng suất gia công là yêu cầu cấp thiết đặt ra.
Đề tài '' Khảo sát ảnh hưởng của các thông số công nghệ đến chất lượng
bề mặt của một số loại thép dùng làm khuôn dập khi phay trên máy phay
CNC'' chỉ là một nhánh rất nhỏ trong vấn đề đặt ra ở trên. Tuy nhiên, theo tôi


6

thì đây là vấn đề cơ bản nhất, bởi chất lượng bề mặt là yêu cầu vô cùng quan
trọng của chi tiết gia cơng, nó quyết định đến khả năng làm việc và tuổi thọ
của chi tiết. Tìm được mối quan hệ giữa chất lượng bề mặt với các thông số
cơng nghệ có nghĩa là người làm cơng nghệ có thể đảm bảo tối đa hiệu quả
sản xuất.
Chính vì vậy tôi đã nhận làm đề tài trên cho luận văn của mình. Trong
q trình thực hiện đề tài tơi đã nhận được nhiều sự giúp đỡ quý báu. Trước
tiên tôi xin chân thành ơn thầy giáo GS.TS. Nguyễn Đắc Lộc người đã tận
tình chỉ bảo, dìu dắt, giúp đỡ tơi trong suốt q trình thực hiện đề tài. Tơi xin
cảm ơn Trung tâm đào tạo sau đại học, viện Cơ khí, bộ mơn Cơng nghệ chế
tạo máy - trường Đại học Bách Khoa Hà Nội.
Tôi cũng xin chân thành cảm ơn các bạn học viên lớp CNCK-K79,
Phòng đo trường Đại học Bách Khoa Hà Nội, Cơng ty TNHH Cơ khí chính
xác Thạnh Hà, Số 4 ngõ 6, đường Phạm Văn Đồng, Quận Cầu Giấy, Hà Nội
đã giúp tơi hồn thành luận văn này.
Do thời gian thực hiện đề tài, điều kiện nghiên cứu cịn hạn chế nên
chắc chắn khơng tránh khỏi sai sót, rất mong được sự quan tâm, chỉ bảo, góp
ý chân thành từ các học viên, thầy cơ giáo để bản luận văn hồn thiện hơn.
Tơi xin chân thành cảm ơn!
Hà nội, tháng 11 năm 2009

Phạm Ngọc Thạch


7

CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU
Năng suất và chất lượng sản phẩm là hai thông số luôn được quan tâm
hàng đầu nhằm hạ giá thành sản phẩm, nâng cao hiệu quả sản xuất và người ta
ln ln tìm cách để cải thiện hai mặt trên của quá trình sản xuất. Muốn thế
phải phân tích, tìm hiểu từng yếu tố ảnh hưởng đến quá trình sản xuất. Đối
với quá trình gia cơng cơ khí một trong những yếu tố có ảnh hưởng nhiều
nhất và từ đó có thể cải thiện năng suất và chất lượng sản phẩm chính thơng
số cơng nghệ (chế độ cắt) của q trình gia cơng đó là: lượng chạy dao S, vận
tốc cắt Vc và chiều sâu cắt t. Tìm hiểu sự phụ thuộc của năng suất và chất
lượng gia công vào các thông số đó, đồng thời xác định mối quan hệ giữa
chúng để từ đó có biện pháp cơng nghệ phù hợp trong từng điều kiện cụ thể
đó là cơ sở để cải thiện các vấn đề trên.
Trên thực tế khi gia công các vật liệu khác nhau không thể đồng nhất
mà cần có các thơng số cơng nghệ khác nhau nhằm đảm bảo hiệu quả sản xuất
và thời gian sử dụng của các trang thiết bị công nghệ. Số lượng, chủng loại
vật liệu sử dụng trong chế tạo máy lại rất đa dạng với những mục đích sử
dụng khác nhau nên việc nghiên cứu sâu, rộng để đưa ra các chỉ tiêu cho từng
loại vật liệu là rất khó khăn, vì vậy trong thực tế sản xuất đặc biệt sản xuất
loạt lớn và hàng khối sẽ phải tiến hành đánh giá thông số cơng nghệ (đánh giá
tính gia cơng) của loại vật liệu sẽ sử dụng nhằm lựa chọn và tối ưu hố q
trình gia cơng. Có nhiều phương pháp để đánh giá tính gia cơng của vật liệu,
nhưng để có kết quả tin cậy đều cần phải tiến hành khảo sát thơng qua các thí
nghiệm cụ thể sau đó xử lý kết quả thí nghiệm để tìm ra mối quan hệ phụ
thuộc giữa các yếu tố.

Thép là loại vật liệu kim loại quan trọng được sử dụng rất phổ biến
trong chế tạo máy do có cơ tính tổng hợp cao, có thể chịu tải trọng rất nặng và


8

phức tạp, lĩnh vực sử dụng rộng lớn và đa dạng hơn so với gang và các loại
vật liệu khác. Ngồi ra thép cịn có khả năng nhiệt luyện và hố nhiệt luyện để
thay đổi cơ tính theo hướng mong muốn. Do có khả năng biến dạng dẻo tốt ,
trong công nghiệp thép được cung cấp dưới dạng bán thành phẩm: dây, sợi,
thanh, tấm, lá, băng, ống, góc ... tiện lợi cho việc sử dụng. Ngoài khả năng
biến dạng dẻo một số nhóm thép cịn có tính hàn tốt rất tiện trong xây dựng.
Tính đúc của thép nói chung khơng cao nhưng một số mác thép có thể đúc
thành các sản phẩm định hình tương đối phức tạp. Do có những ưu điểm như
vậy thép được coi là xương sống của công nghiệp. Một trong những lĩnh vực
ứng dụng của thép là gia công áp lực.
Bên cạnh gia công cắt gọt hiện nay gia cơng áp lực đang có những
bước phát triển mạnh, sản phẩm được cải thiện nhiều cả về năng suất và chất
lượng, tỷ trọng sản phẩm đang ngày một gia tăng đặc biệt trong các lĩnh vực ô
tô, xe máy. Có thể thấy rõ điều này qua những số liệu thống kê ở bảng sau:
(Giáo trình Nghiên cứu tính gia cơng của vật liệu chế tạo máy và ứng dụng
của nó PGS-TS Nguyễn Viết Tiếp)
Bảng 1-1 Bảng thống kê sự thay đổi tỷ lệ (%)của các phương pháp gia công
STT Phương pháp công
nghệ

1970

1975

1985

1995

5

4.41

4.2

4.0

1

Đúc

2

Rèn dập

7.2

7.43

10.9

14.6

3

Chất dẻo

-

1.97

2.4

2.8

4

Hàn

4.9

5.34

4.7

4.0

5

Gia công cơ

31.7

29.31

27.1

25.2

6

Gia công nhiệt

1.3

1.51

1.4

1.3

7

Lắp ráp

32.3

35.31

37.1

38

8

Sửa bề mặt

7.5

5.66

4.7

4.0


9

9

Công nghệ điện

4.5

4.88

4.3

3.8

10

Công nghệ khác

5.9

4.18

3.0

1.5

Tổng số

100

100

100

100

Khác với gia công cơ, gia công áp lực là phương pháp gia công không
phoi, ít hao tổn kim loại. Nguyên lý chung là dựa vào tính dẻo của kim loại
dùng ngoại lực của thiết bị làm cho kim loại biến dạng theo hình dạng u
cầu, kim loại vẫn giữ được tính ngun vẹn khơng bị phá huỷ, sau khi gia
công áp lực chất lượng kim loại được cải thiện nên những chi tiết kim loại
quan trọng thường được chế tạo từ kim loại đã qua gia cơng áp lực. Các hình
thức cơ bản của gia công áp lực bao gồm: cán, kéo, ép, rèn và dập.
Dập là một trong những phương pháp gia công áp lực được ứng dụng
nhiều trong thực tế, có hai dạng gia cơng dập đó là: dập thể tích và dập tấm.
Dập thể tích cịn gọi là rèn khn là phương pháp dập mà kim loại
được biến dạng hoàn toàn trong lịng khn có hình dạng và kích thước xác
định. Còn dập tấm là phương pháp chế tạo chi tiết từ phôi liệu ở dạng tấm. Sự
biến dạng của kim loại trong khn dập có hình dáng, kích thước xác định.

Dụng cụ cắt sử dụng trong công nghệ dập gồm khuôn dập và chày dập,
giống như gia công cơ vật liệu làm dụng cụ biến dạng cũng cần đảm bảo các
yêu cầu về cơ tính, mà yêu cầu cơ bản là độ cứng cao và tính chống mài mịn
cao. Độ cứng cao và phải cao hơn hẳn độ cứng của phôi, sản phẩm, do vậy
tuỳ từng loại dụng cụ sẽ cần độ cứng yêu cầu tối thiểu khác nhau. Tính chống
mài mòn cao để đảm bảo cho dụng cụ làm việc lâu dài, gia công được khối
lượng lớn sản phẩm mà khơng bị giảm hay mất cấp chính xác. Tuy nhiên bên
cạnh việc chú ý đến hai yêu cầu cơ bản này còn cần chú ý đến độ dai và đập,
không cho phép thấp quá giá trị quy định để tránh bị gãy vỡ. Ngồi ra cịn


10

quan tâm đến tính chịu nhiệt khi dụng cụ làm việc với năng suất cao và ở
trạng thái nóng.
Qua những phân tích trên có thể thấy:
- Cơng nghệ rèn dập đang là phương pháp gia cơng có sự phát triển
mạnh, ngày càng được ứng dụng rộng rãi hơn trong chế tạo cơ khí.
- Vật liệu dùng làm dụng cụ biến dạng trong rèn dập rất đa dạng nên
tuỳ vào mục đích sử dụng mà chọn chủng loại vật liệu phù hợp.
- Thiết kế, chế tạo khuôn dập tốn nhiều công sức và kinh phí với các
ngun cơng gia cơng phức tạp mà thực hiện trên các máy công cụ vạn năng
truyền thống là rất khó, nên cần hạn chế bớt việc chế thử và đơn giản hố quy
trình gia cơng bằng cách sử dụng các loại máy điều khiển số, đặc biệt là sử
dụng máy phay CNC cho việc gia cơng lịng khn.
- Cần tiến hành nghiên cứu để lựa chọn, tối ưu hố q trình chế tạo
khn dập mỗi khi có yêu cầu chế tạo mới.
Như đã biết điều khiển số là một hình thức đặc biệt của tự động hố,
mà ở đó đối tượng là các máy cơng cụ. Trong nền sản xuất hiện đại không thể
thiều vai trị của tự động hố, nhờ có tự động hố mà con người được giải

phóng khỏi sức lao động, quá trình sản xuất khơng những được cải thiện về
năng suất mà cả về mặt chất lượng. Tự động hoá đang được ứng dụng trong
rất nhiều ngành kinh tế, kỹ thuật trong đó có cơ khí chế tạo. Một trong những
vấn đề quyết định của tự động hố ngành cơ khí chế tạo là kỹ thuật điều khiển
số và công nghệ trên các máy điều khiển số. Ở các nước phát triển máy cơng
cụ điều khiển theo chương trình số (NC và CNC) đã được sử dụng từ 20-30
năm trước và gần đầy đã phát triển thành các hệ thống, tổ hợp trung tâm gia
công.


11

Việc sử dụng máy CNC ngày càng nhiều trong sản xuất địi hỏi phải có
những nghiên cứu cụ thể để sử dụng máy một cách hiệu quả trong điều kiện
sản xuất hiện có, vì vậy các đề tài nghiên cứu về máy CNC cũng ngày càng
nhiều trong các đề tài nghiên cứu khoa học, luận văn thạc sỹ, luận án tiến sỹ
ngành Cơ khí. Trong đó các đề tài nghiên cứu ứng dụng nhằm khai thác có
hiệu quả máy CNC chiếm một phần lớn. Hàng loạt các đề tài như vậy đã góp
phần khơng nhỏ cho việc sử dụng máy CNC, có thể kể đến: Nguyễn Trọng
Bình, Hồng Việt Hồng, Ảnh hưởng của chế độ cắt đến nhấp nhô tế vi bề mặt
khi phay bằng dao phay mặt đầu trên máy phay CNC, Tạp chí Cơ khí Việt
Nam, Số 60 (5/2002); Ảnh hưởng của chế độ cắt đến lượng mòn dao khi phay
bằng dao phay mặt đầu trên máy phay CNC, Tạp chí Cơ khí Việt Nam, số 61
(6/2002); Nguyễn Ngọc Ánh, Nghiên cứu ảnh hưởng của các thông số công
nghệ đến chất lượng bề mặt chi tiết máy khi gia công trên máy phay CNC,
Luận văn cao học, Đại học Bách khoa Hà nội (2002); Vũ Đình Thơm, Tính
tốn bù bán kính mũi dao khi lập chương trình NC cho máy tiện CNC, Tạp
chí cơ khí Việt Nam, số 76 (7/2003); Lê Văn Toản, Nghiên cứu ảnh hưởng
của các thông số công nghệ khi mài phẳng tới độ nhám bề mặt trên một số vật
liệu có tính dẻo cao, Luận văn cao học, Đại học Bách khoa Hà nội (2005);

Trần Xuân Việt, Phạm Văn Bổng, Khảo sát thực nghiệm về ảnh hưởng của
các thông số công nghệ V, T, S đến lực cắt trên máy tiện CNC, Tạp chí Cơ khí
Việt Nam, số 105 (12/2005); Lương Đình Thành, Nghiên cứu ảnh hưởng của
các thông số công nghệ đến năng suấtvà chất lượng khi gia công thép 40X
trên máy cắt dây tia lửa điện, Luận văn cao học Đại học Bách khoa Hà nội
(2006); Phan Cơng Trình, Nghiên cứu ảnh hưởng của các thông số công nghệ
đến chất lượng bề mặt chi tiết máy khi gia công trên máy phay CNC, Luận
văn cao học Đại học Bách khoa Hà nội (2006).


12

Như vậy trong các đề tài nghiên cứu ứng dụng của máy CNC, thì việc
nghiên cứu những vấn đề có liên quan đến chất lượng bề mặt chi tiết máy
cũng khá lớn. Điều này có thể giải thích rằng chất lượng bề mặt là một chỉ
tiêu quan trọng cần đạt được trong q trình gia cơng, bởi nó có ảnh hưởng rất
lớn đến khả năng làm việc của bản thân chi tiết. Trong luận văn của Nguyễn
Ngọc Ánh, tác giả đã thực hiện 20 thí nghiệm để đưa ra quan hệ giữa độ nhám
bề mặt với chế độ cắt của thép làm khuôn mẫu theo tiêu chuẩn Nhật JIS
S55C. Tuy nhiên quan hệ đó được xác định trên cở sở thay đổi chế độ cắt ở
các lần thí nghiệm khác nhau nhưng khơng thay đổi theo cách hốn vị các
thơng số của chế độ cắt, điều này làm cho kết quả thu được chưa thật sự chính
xác. Trong bài báo “Ảnh hưởng của chế độ cắt đến nhấp nhô tế vi bề mặt khi
phay bằng dao phay mặt đầu trên máy phay CNC”, các tác giả đã tiến hành
20 thí nghiệm và đưa ra công thức quan hệ giữa độ nhám với các thông số của
chế độ cắt. Tuy nhiên, theo tơi thì các thí nghiệm đó được thực hiện với chế
độ cắt thay đổi ít và cũng khơng mang tính hốn vị nên kết quả nhận được
chưa phản ánh ảnh hưởng tương quan của các thông số chế độ cắt với nhau,
mặt khác việc sử dụng chung một công thức cho tất cả các loại vật liệu cũng
sẽ không chính xác.

Tác giả Phan Cơng Trình đã tiến hành 27 thí nghiệm, trong đó có sự
hốn vị của các thơng số (V, T, S) và đưa ra quan hệ giữa độ nhám bề mặt với
chế độ cắt của thép C45 và 40X. Tuy nhiên trong các thí nghiệm đó khơng có
sự thay đổi về dụng cụ cắt và chế độ bôi trơn, làm lạnh, mà khi xét độ nhám
bề mặt cũng cần tính đến ảnh hưởng của các thơng số này, nên kết quả đạt
được cịn chưa có tính tổng quát.


13

CHƯƠNG 2. THÉP DỤNG CỤ
2.1 Phân loại và các yêu cầu chung
Trong sản xuất cơ khí các cơng cụ gia cơng, chế biến, tạo hình các vật
liệu có ý nghĩa quyết định đế năng suất, chất lượng và giá thành sản phẩm cơ
khí. Vì vậy, chuẩn bị dụng cụ ln phải đi trước một bước và được hoàn thiện
triệt để trước khi gia công hàng loạt. Việc sử dụng vật liệu làm dụng cụ gia
cơng có tính năng làm việc ngày càng cao có ý nghĩa rất quan trọng đối với
các nhà máy chế tạo cơ khí. Muốn vậy cần phải biết các u cầu, tính chất,
đặc điểm và cơng dụng của loại vật liệu sẽ sử dụng.
2.1.1 Phân loại
Theo bản chất của q trình gia cơng có thể chia vật liệu làm dụng cụ
gia cơng thành ba nhóm lớn sau:
- Thép làm dụng cụ cắt gọt, với đặc trưng tạo hình là tạo ra phoi như: dao tiện,
phay, bào, chuốt...
- Thép làm dụng cụ biến dạng, với đặc trưng tạo hình bằng biến dạng dẻo
như: trục cán, khn dập, khuôn ép chảy ... ở cả trạng thái nguội lẫn trạng thái
nóng.
- Thép làm dụng cụ đo như: Palme, thước cặp, dưỡng... tuy khơng làm thay
đổi hình dạng, kích thước của sản phẩm, nhưng cũng không thiếu trong sản
xuất cơ khí.

2.1.2 Yêu cầu về cơ tính
Tính chất cần thiết cơ bản của dụng cụ gia công là tác dụng lực vào
phơi, sản phẩm mà khơng hay ít bị mịn, biến dạng, do vậy yêu cầu cơ bản là
độ cứng cao và tính chống mài mịn tốt.


14

Độ cứng cao và phải cao hơn hẳn độ cứng của phôi, sản phẩm do vậy
tuỳ từng loại dụng cụ cần độ cứng yêu cầu tối thiểu khác nhau. Tính chống
mài mòn cao để đảm bảo dụng làm việc được lâu dài, gia công được khối
lượng lớn sản phẩm mà khơng bị giảm hay mất cấp chính xác. Tuy nhiên
trong khi quan tâm chủ yếu đến hai yêu cầu cơ bản này cịn phải kể đến độ dai
va đập, khơng cho phép thấp quá giá trị quy định để trành gãy, vỡ. Ngồi ra
cịn quan tâm đến tính chịu nhiệt khi dụng cụ làm việc với năng suất cao và ở
trạng thái nóng.
2.1.3 u cầu về tính cơng nghệ và tính kinh tế
Đối với loại thép dụng cụ thì hai yêu cầu này không thật quan trọng và
không yêu cầu cao như đối với nhóm thép kết cấu vì khơie lượng sử dụng rất
ít. Tuy nhiên thép cũng phải có khả năng biến dạng dẻo ở trạng thái nóng và
đủ mềm khi ủ để cắt gọt được. Về kinh tế tuy đắt tiền hơn song phải đủ để bù
lại do kéo dài tuổi bền và tăng năng suất.
2.1.4 Yêu cầu về thành phần hoá học
Cacbon: như đã biết thành phần cacbon quyết định đến độ cứng và tính
chống mài mịn nên ở những loại dụng cụ có yêu cầu này cao như: dao cắt,
dụng cụ biến dạng nguội và dụng cụ đo có yêu cầu cacbon tối thiểu cao hơn
0,70-1.00%, song nói chung là ≥ 1,00%, thậm chí có loại lên tới trên dưới
2,00%. Còn ở các loại dụng cụ gia cơng phơi mềm hay ở trạng thái nóng có
thể thấp hơn, khoảng 0,30-050%.
Cũng với lý do trên, thép dụng cụ cacbon chỉ phù hợp với các loại vật

liệu có kích thước nhỏ, hình dạng đơn giản (do độ thấm tôi thấp) và năng suất
thấp, chủ yếu là các dụng cụ cầm tay như: dũa, búa, kìm ...
Hợp kim: Đưa nguyên tố hợp kim vào thép với lượng ít chủ yếu là để
tăng tính thấm tơi do vậy có thể làm được các dụng cụ nhỏ có hình dạng phức


15

tạp. Các nguyên tố hợp kim đưa vào cũng làm tính chống ram do đó làm tăng
tính cứng nóng, song do với lượng ít nên hiệu quả này khơng đáng kể.
Đưa nguyên tố hợp kim (chủ yếu là W và Mo) với lượng nhiều vào
thép, ngoài tác dụng tăng mạnh tính thấm tơi cịn có mục đích chính là gây
cản trở mạnh quá trình ram do nâng cao mạnh nhiệt độ phân hố của
mactenxit, nâng cao tính cứng nóng. Chính vì vậy hầu như các dụng cụ làm
việc trên máy đều làm bằng thép hợp kim.
2.2 Thép làm dụng cụ cắt gọt
Trong các nhà máy cơ khí, cắt gọt là ngun cơng có khối lượng lớn
hơn cả, tiêu phí nhiều năng lượng, máy móc, nhân cơng và chiếm tỉ lệ cao
trong giá thành sản phẩm. Do đó tạo ra các dụng cụ cắt có tốc độ cao là yêu
cầu thường xuyên.
2.2.1 Yêu cầu đối với vật liệu làm dụng cụ cắt
Các loại dao làm việc trong điều kiện khi tiện, phay, bào, doa ... tuy có
những nét khác biệt song về cơ bản là giống nhau và có thể coi dao tiện là loại
điển hình.
- Để tạo phoi, lưỡi cắt chịu áp lực rất lớn tạo ra công cơ học bóc tách kim loại,
vì vậy dao phải có độ cứng cao hơn hẳn phôi. Trường hợp thông dụng cắt
thép, gang thơng thường với HB trên, dưới 200 dao phải có độ cứng ≥
60HRC. Các trường hợp khác có thể thấp hơn (khi cắt hợp kim màu) hoặc cao
hơn (khi cắt thép bền nóng, khơng gỉ, độ bền cao). Để đạt được yêu cầu này
dao phải được làm bằng thép với lượng cacbon tối thiểu là 0,70% và qua tôi

cứng + ram thấp thành mactenxit ram.
- Quá trình cắt dao bị mài sát mặt trước với phoi, mặt sau với phôi, đặc biệt là
trên mặt trước sẽ tạo nên rãnh lõm do phải biến dạng bẻ gãy phoi. Tới lúc hai


16

mặt này bị mòn mạnh, khoảng cách hẹp lại, lưỡi cắt bị gãy và trở nên cùn,
phải mài lại dao. Vì vậy dao phải có tính chống mài mịn cao để chống tạo
thành rãnh lõm, yêu cầu này đặc biệt quan trọng đối với trường hợp gia cơng
chính xác. Tính chống mài mòn của thép phụ thuộc vào các yếu tố sau:
+ Độ cứng: càng cao tính chống mài mịn càng tốt. Thường là khi độ
cứng ở mức cao hơn 60HRC, cứ tăng thêm 1 đơn vị tuổi bền của dao tăng
thêm từ 25-30%
+ Lượng cacbít dư: càng cao tính chống mài mịn càng cao. Các thép
cùng tích và sau cùng tích sau khi tơi tuy hầu như có độ cứng như nhau song
tính chống mài mịn khác nhau. Càng xa cùng tích (tức càng nhiều cacbon)
tính chống mài mịn càng cao do càng nhiều cacbit. Chính vì lý do này phần
lớn thép dụng cụ cắt có lượng cacbon ≥ 1,00%, đôi khi tới 1,50% cá biệt tới
2,00% và hơn.
- Quá trình cắt nhiệt phát sinh nhiều và phần lớn lại tập trung ở lưỡi cắt và
làm cho phần này nóng lên rõ rệt do đó làm giảm khả năng cắt gọt của dao.
Đặc biệt khi cắt gọt ở tốc độ cao, nhiệt độ lưỡi cắt cao trên 200 – 300oC,
mactenxit bị phân hoá, độ cứng HRC thấp dưới 60, dao khơng cịn khả năng
cắt gọt. Do vậy với dao cắt cần năng suất cao, phải đưa vào thép những
nguyên tố tạo cho thép tính cứng nóng, các ngun tố này hồ tan vào sắt và
do có ái lực mạnh với cacbon nên giữ nguyên tố này ở lại trong mactenxit tới
500-6000C. Vì vậy khi cắt gọt với tốc độ cao, dao tuy vẫn bị nóng lên song
vẫn giữ được tổ chức mactenxit với độ cứng cao (HRC > 60) đủ để cắt. Khác
với độ cứng, tính cứng nóng được xác định bằng nhiệt độ ram cao nhất mà ở

đó độ cứng HRC của thép vẫn còn cao tới 58.


17

Ngồi ba u cầu chính đó ra các thép làm dụng cụ cắt cũng phải thoả
mãn các yêu cầu khác: độ bền (uốn khi tiện, xoắn khi khoan ... nhờ kết hợp
với thiết kế), độ dai đảm bảo tuy không yêu cầu cao để tránh mẻ, gãy lưỡi cắt.
Thép làm dụng cụ cắt cũng phải có tính cơng nghệ nhất định cụ thể:
- Tính thấm tơi tốt để đảm bảo độ cứng cao và đồng nhất khi tôi trong dầu,
nhất là các dao có hình dạng phức tạp như phay, chuốt, mũi khoan ... phải tôi
phân cấp để tránh nứt và biến dạng.
- Có khả năng chịu gia cơng áp lực ở trạng thái nóng.
- Có khả năng chịu gia cơng cắt ở trạng thái ủ (HB < 265).
- Có tính mài mịn tốt sau khi tơi.
2.2.2 Thép làm dao có năng suất thấp
Là loại thép dùng làm dụng cụ cắt ở tốc độ 5-10 m/min.
a. Thép cacbon
Theo TCVN 1822-76 thép cacbon dùng làm dao cắt có năng suất thấp
có các mác CD70, CD80, CD80Mn, CD90, CD100, CD110, CD120 và
CD130 với chất lượng tốt (P≤0,035, S≤0,030) và cũng các mác như vậy
nhưng có chất lượng cao (P≤0,030, S≤0,020) có thêm chữ A sau cùng như từ
CD70A đến CD130A. Chúng có các đặc tính như sau:
- Sau khi tơi + ram thấp có thể đạt HRC ≥ 60 đủ để cắt. Chế độ tôi của
các thép này như sau: CD70, CD80 tơi hồn tồn ở 800-8200C, 780-8000C,
CD90-CD130 tơi khơng hồn tồn ở 760-7800C. Tuy tất cả đều đạt độ cứng
HRC 60-62 song các thép sau cùng tích CD100-CD130 có nhiều XeII dư nên
chống mài mòn tốt hơn các mác còn lại.
- Dễ biến dạng nóng, gia cơng cắt và rẻ tiền

18

- Độ thấm tôi thấp (chỉ tôi thấu các chi tiết trên dưới 10mm). Với các
dao lớn hơn, lớp tôi mỏng, sau thời gian làm việc khi mài lại không cịn đủ độ
cứng nên phải tơi lại, do đó khơng thuận tiện khi sử dụng.
- Tính cứng nóng thấp do mactenxit khơng được hợp kim hố, có tính
chống ram kém. Tính cứng nóng khơng vượt q 200-2500C, do đó chỉ đạt
năng suất cắt thấp, tốc độ cắt không quá 5 m/min. Chính điều này đã hạn chế
khả năng sử dụng.
Cơng dụng: do những nhược điểm kể trên nên rất ít dùng thép cacbon
làm dao cắt. Nếu có cũng chỉ dùng làm dao cắt có có kích thước nhỏ, hình
dạng đơn giản với năng suất thấp hay bằng tay. Dụng cụ điển hình làm bằng
thép dụng cụ cacbon là giũa (thép CD120).
b. Thép hợp kim
Là nhóm thép có thành phần cacbon cao (≈ 1% và cao hơn) được hợp kim hoá
thấp và vừa phải với đặc tính có độ thấm tơi tốt hơn hay tính chống mài mịn
cao.
Loại có tính thấm tơi tốt là loại được hợp kim hố thấp bằng 1%Cr (có
thể thêm 1%Si) với mác điển hình 90CrSi (TCVN 1823-76) thành phần hợp
kim như vậy có tác dụng:
- Cải thiện tính thấm tơi: mơi trường tơi dầu vẫn đảm bảo HRC > 60.
Cũng chính vì vậy có thể làm dao nhỏ với hình dạng phức tạp như: mũi
khoan, doa, tarơ, bàn ren, lược ren.
- Nâng cao chút ít tính cứng nóng, Silic và crơm cịn cản trỏ mạnh q
trình ram ở nhiệt độ dưới 250-3000C, vì thế có tính cứng nóng đến trên dưới
3000C, có thể cắt với tốc độ 10 m/min hay hơn một chút.


19

Thép 90CrSi tương đối rẻ với tính năng làm việc tốt hơn thép cácbon
nên được dùng tương đối phổ biến trong chế tạo cá loại dao cắt kể trên. Tuy
nhiên cũng có nhược điểm đáng kể nhất là dễ thốt cacbon khi nung nên phải
chủ ý bảo vệ khi tôi.
Loại có tính chống mài mịn cao là loại có cacbon rất cao (>1,3%) với
0,50%Cr và 4,0-5,0%W mác CrW5. Do có cacbon rất cao và nhiều vônfram
là nguyên tố tạo thành cacbit mạnh nên trong thép tồn tại một lượng lớn
cácbít làm tăng rất mạnh tính chống mài mịn. Thép có tính thấm tơi thấp nên
mơi trường tơi là nước. Độ cứng HRC sau tôi đạt 66-68, nên thép được dùng
làm dao phay với tốc độ cắt không lớn lắm để cắt các phơi cứng.
2.2.3 Thép làm dao có năng suất cao-thép gió
Đây là loại thép làm dao quan trọng nhất, tốt nhất thoả mãn các yêu cầu
đối với vật liệu làm dao:
- Tốc độ cắt 35-80 m/min
- Tính chống mài mịn và tuổi bền cao
- Độ thấm tơi đặc biệt cao (tối thấu với tiết diện bất kỳ)
a. Thành phần hố học và tác dụng của các ngun tố:
Thép gió (high speed steel) hay còn gọi thép dụng cụ tự tơi, có thể là do
tự tơi hoặc tơi trong khơng khí (gió) cũng đạt được mactenxit cứng nên ở
nước ta thép được gọi là thép gió. Thép có năng suất cắt cao, tổng lượng hai
nguyên tố hợp kim là W và Mo cao (>10%) và lượng khá lớn Cr (4%), ngồi
ra cịn có thể có thêm Vanadi và Cơban. Các nguyên tố trong thép gió có tác
dụng như sau:
Cacbon: biến đổi trong giới hạn khá rộng từ 0,70-1,50% đủ để hoà tan
vào máctanxit và tạo thành cacbit với các nguyên tố tạo thành cacbit mạnh là


20

W, Mo và đặc biệt là V. Khi thêm 1%V phải đưa thêm 0,10-0,15% C vào
thép. Cả hai tác dụng đó làm thép gió cứng và làm tăng mạnh tính chống mài
mịn.
Crơm: có trong mọi thép gió với lượng giống nhau khoảng 4% có tác
dụng làm tăng mạnh độ thấm tôi. Nhờ tổng lượng (Cr + W + Mo) cao >15%
nên thép gió có khả năng tự tơi, tơi thấu với tiết diện bất kỳ và có thể áp dụng
tơi phân cấp.
Vônfram: là nguyên tố hợp kim quan trọng nhất khơng những vì có tỉ lệ
cao nhất (6-18%) mà chính là do tạo ra tính cứng nóng cao nên có năng suất
cao. Là nguyên tố tạo ra cacbit mạnh, W chủ yếu nằm ở dạng Fe3W3C hay
Me6C, khi nung nóng lại hay ram nó chỉ tiết ra khỏi mactenxit ở khoảng 5505700C, nên duy trì được độ cứng cao sau khi tôi tới 6000C.
Môlipđen: được dùng để thay thế W đắt lại có tỉ lệ quá cao. Mo có cấu
trúc tinh thể và tính chất rất giống W nên có thể thay thế cho nhau theo tỷ lệ
nguyên tử là 1:1, song do Mo rẻ hơn lại nhẹ hơn vì thế sự thay thế đem lại
hiệu quả kinh tế cao.
Vanadi: là nguyên tố tạo thành cacbit rất mạnh, VC rất ít hồ tan vào
austenit khi nung, trong thép nó ở dạng các phần tử cứng, phân tán, làm tăng
mạnh tính chống mài mịn và giữ cho hạt nhỏ khi tơi. Mọi thép đều có ít nhất
1%V, khi vượt q 2% tính chống mài mịn tăng lên, song khơng nên dùng
q 5% vì làm tăng mạnh tính mài.
Cơban: khơng tạo thành cacbit, nó chỉ hồ tan vào sắt ở dạng dung dịch
rắn, với hàm lượng vượt q 5% tính cứng nóng của thép gió tăng nên rõ rệt.
Nhược điểm của thép gió chứa Co là dễ bị thốt cacbon khi tơi và khi chứa
quá nhiều (>10-12%) thép bị giòn.


21

b. Các mác thép và công dụng:
TCVN chưa quy định các mác thép gió, bảng 2.1 giới thiệu bốn trong

số các loại thép gió thường gặp của Nga, Mỹ và Nhật
Bảng 2.1 Thành phần hoá học (%) của các mac thép gió thường gặp
Tiêu
chuẩn

Mác
thép

C

W

Mo

Cr

V

Co

ΓOCT

P18

0,730,80

17,018,5

1,00

3,804,40

1,001,40

0,50

AISI

T1

0,650,80

17,25- 18,25

3,754,00

0,901,30

-

JIS

SKH2

0,730,83

17019,0

-

3,804,50

0,801,20

-

ΓOCT P6M5

0,800,88

5,506,50

5,005,50

3,804,40

1,702,10

-

AISI

M2

0,780,88

5,506,75

4,505,50

3,754,50

1,752,20

-

JIS

SKH51 0,800,90

5,506,70

4,505,50

3,804,40

1,602,20

-

ΓOCT P18K5 0,850,95
Φ2

17,519,0

1,00

3,804,40

1,802,40

5,006,00

AISI

T4

0,700,80

17,519,0

0,401,00

3,754,50

0,801,20

4,255,75

JIS

SKH3

0,730,83

17,019,0

-

3,804,50

0,801,20

4,505,50

ΓOCT P12Φ4 1,401,50
K5

12,013,0

1,00

3,804,40

3,304,10

5,006,00

AISI

1,50-

11,75- 1,00

3,75-

4,50-

4,75-

1,60

13,0

5,00

5,25

5,25

11,50- -

3,80-

4,20-

4,20-

13,50

4,50

5,20

5,20

JIS

T5

SKH10 1,451,60

Ký hiệu theo
TCVN

80W18Cr4V

85W6Mo5Cr
4V2

85W18Co5
Cr4V2

150W12Co5
V5Cr4


22

2.2.4 Thép làm dụng cụ đo
Điều kiện làm việc và yêu cầu: Dụng cụ đo trong cơ khí: Panme, thước
cặp, caplíp, dưỡng ... có cấp chính xác khác nhau và thường xuyên phải cọ sát
với chi tiết gia công do đó dễ bị mịn,biến dạng, làm sai lệch kết quả đo. Để
đảm bảo độ chính xác của dụng cụ đo thép đem dùng phải đạt các yêu cầu
sau:
- Độ cứng và tính chống mài mịn cao để đảm bảo khơng hay ít bị mịn
ở các phần làm việc, giữ được độ chính xác cao trong thời gian làm việc lâu
dài. Đối với cấp chính xác cao độ cứng yêu cầu là 63-65 HRC.
- Ổn định kích thước, tức là kích thước khơng hay rất ít bị thay đổi
trong suốt đời làm việc của dụng cụ. Điều này được đảm bảo bằng hai chỉ tiêu

sau:
+ Hệ số giãn nở vì nhiệt nhỏ.
+ Sự ổn định của tổ chức đạt được trong thời gian dài.
- Độ nhẵn bóng bề mặt cao (tới cấp 14) khi mài và ít bị biến dạng khi
nhiệt luyện.
Các mác thép thường dùng là:
- Thép làm dụng cụ đo cấp chính xác cao: 100Cr, 100CrWMn (TCVN
1823-76) và 140CrMn (mác XΓ của ΓOCT). 140CrMn được dùng nhiều hơn
cả vì có tính ít biến dạng và ít thay đổi kích thước khi tơi.
- Thép làm dụng cụ đo cấp chính xác thấp: Dùng các thép kết cấu thơng
qua hố bền bề mặt như: Thép cacbon thấp, C15, C20, BCT38 qua thấm
cácbon, tơi + ram thấp.
- Thép cácbon trung bình C45, C50, C55 qua tôi bề mặt + ram thấp.


23

2.2.5 Thép làm dụng cụ biến dạng nguội
Biến dạng dẻo thép ở nhiệt độ thường - biến dạng nguội là hình thức
gia cơng phổ biến trong chế tạo cơ khí với năng suất cao. Dụng cụ để biến
dạng như trục cán, khn dập, đột ... có ý nghĩa quan trọng quyết định năng
suất và chất lượng sản phẩm.
a. Điều kiện làm việc và yêu cầu
Dụng cụ biến dạng nguội mà điển hình là khn dập về cơ bản cũng có
điều kiện làm việc và yêu cầu giống dao cắt , song cũng có một số điểm đặc
thù: Ngồi chịu áp lực lớn ra, khn dập cịn chịu ứng suất uốn, lực va đập và
ma sát. Hơn nữa do diện tích tiếp xúc lớn, không tạo ra phoi nên khuôn dập bị
nóng lên nhiều (thường khơng q 200-2500C). Với điều kiện làm việc như
vậy, cần có những yêu cầu sau:
- Độ cứng cao: Nói chung dụng cụ biến dạng nguội cũng u cầu độ

cứng cao, tuy khơng địi hỏi cao như dao cắt nhưng cũng phải đạt đến giới
hạn dưới của nó tức HRC 58-62 phụ thuộc vào loại khn, chiều dày và độ
cứng của thép lá đem dập, biến dạng. Khi dập cắt các lá thép cứng như thép
kỹ thuật điện (tơn silic) hay có chiều dày lớn phải u cầu độ cứng trên
60HRC thậm chí 62. Khi dập uốn lá mỏng hay có độ cứng thấp, yêu cầu độ
cứng chỉ cần HRC 56. Khi độ cứng lớn hơn 62HRC khn dễ bị nứt, mẻ khi
làm việc.
- Tính chống mài mòn cao: đảm bảo được hàng vạn, hàng chục vạn lần
dập. Nếu khn có tính chống mài mịn kém sẽ tạo ra khe hở giữa chày và
cối, không làm việc được.
- Độ bền và độ dai đảm bảo để chịu được tải trọng đặt vào lớn cần có
thêm yêu cầu về độ thấm tơi và ít thay đổi thể tích khi tôi.