Dụng cụ cắt là gì? Các bài nghiên cứu khoa học liên quan

Khái niệm dụng cụ cắt

Dụng cụ cắt là nhóm thiết bị cơ khí được thiết kế để tách vật liệu ra khỏi phôi bằng quá trình biến dạng cục bộ. Chúng hoạt động dựa trên nguyên lý tạo ra ứng suất vượt mức chịu đựng của vật liệu phôi để hình thành phoi và tạo bề mặt mới. Trong gia công cơ khí hiện đại, dụng cụ cắt giữ vai trò trung tâm vì ảnh hưởng trực tiếp đến độ chính xác, độ nhẵn bề mặt và hiệu suất sản xuất.

Các đặc tính cốt lõi của dụng cụ cắt gồm độ cứng nóng, khả năng chống mòn, độ bền uốn, độ dẫn nhiệt và độ ổn định hình học trong điều kiện tải trọng cao. Những đặc tính này quyết định dụng cụ có thể duy trì lưỡi cắt sắc ở tốc độ cao hay không, đồng thời duy trì tuổi thọ dài khi làm việc trong môi trường nhiệt độ tăng liên tục. Những ngành đòi hỏi dung sai nghiêm ngặt như hàng không, khuôn mẫu hoặc sản xuất linh kiện chính xác đều yêu cầu dụng cụ cắt có độ ổn định cao.

Vật liệu phổ biến cấu thành dụng cụ cắt gồm:

• Thép gió (HSS) với ưu điểm dẻo dai và dễ mài lại
• Carbide với độ cứng nóng cao và phù hợp với gia công tốc độ lớn
• Gốm kỹ thuật, CBN và PCD phù hợp gia công vật liệu cứng hoặc composite

Vật liệu	Độ cứng nóng	Ứng dụng
HSS	Thấp	Khoan, doa, tiện nhẹ
Carbide	Cao	Phay, tiện tốc độ cao
CBN/PCD	Rất cao	Cắt thép tôi, hợp kim nhẹ

Phân loại theo cơ chế gia công

Phân loại dụng cụ cắt theo cơ chế gia công giúp lựa chọn đúng loại dao phù hợp với từng phương pháp sản xuất. Nhóm dụng cụ cắt gọt xuất hiện phổ biến trong các máy tiện, máy phay, máy khoan và máy doa. Mỗi loại có hình học lưỡi cắt riêng để tối ưu khả năng tạo phoi và giảm ma sát. Dao tiện dùng để gia công bề mặt trụ và mặt đầu. Dao phay có nhiều me cắt và hoạt động theo chuyển động quay, thích hợp bóc tách lượng vật liệu lớn.

Nhóm dụng cụ mài gồm đá mài truyền thống, bánh mài CBN và bánh mài kim cương. Chúng hoạt động dựa trên nguyên lý cắt vi mô của các hạt mài, phù hợp cho công việc tinh chỉnh bề mặt hoặc gia công vật liệu siêu cứng. Dụng cụ mài thường yêu cầu tốc độ quay rất cao và hệ số ma sát ổn định để tránh cháy bề mặt phôi.

Nhóm dụng cụ gia công phi truyền thống gồm điện cực EDM, đầu cắt laser và đầu cắt tia nước. Chúng không dựa vào ma sát cơ học mà dùng năng lượng điện, nhiệt hoặc áp lực nước để bóc tách vật liệu. Các công nghệ này phù hợp cho vật liệu khó gia công hoặc chi tiết có hình dạng phức tạp. Một số ứng dụng nổi bật:

1. EDM để gia công khuôn thép cứng
2. Laser để cắt kim loại tấm mỏng với độ chính xác cao
3. Tia nước để cắt vật liệu composite mà không gây biến dạng nhiệt

Cấu tạo cơ bản

Cấu tạo dụng cụ cắt phụ thuộc vào chức năng, nhưng hầu hết có ba thành phần chính gồm lưỡi cắt, thân dao và bộ phận gá kẹp. Lưỡi cắt là nơi diễn ra quá trình bóc tách vật liệu nên yêu cầu độ cứng và độ bền cao nhất. Thân dao có nhiệm vụ truyền lực và giữ vị trí ổn định của lưỡi cắt. Bộ phận gá kẹp đảm bảo dụng cụ được cố định chắc chắn trong quá trình quay hoặc tịnh tiến.

Các dụng cụ gắn mảnh dùng insert thay thế có ưu điểm thay được lưỡi cắt khi mòn mà không cần thay cả dao. Mảnh cắt thường có nhiều cạnh cắt dùng được luân phiên, giúp tiết kiệm chi phí. Hình học của mảnh cắt gồm góc trước, góc sau và bán kính mũi dao. Thay đổi hình học này ảnh hưởng trực tiếp đến lực cắt và chất lượng phoi.

Dưới đây là vài thông số hình học cơ bản:

• Góc nghiêng chính: xác định hướng thoát phoi
• Bán kính mũi dao: ảnh hưởng độ nhẵn bề mặt
• Góc trước: quyết định mức độ sắc của dao và tính ổn định khi cắt

Nguyên lý cắt và cơ chế hình thành phoi

Nguyên lý cắt dựa trên việc tạo ra vùng biến dạng tập trung ngay phía trước lưỡi dao. Khi ứng suất vượt quá giới hạn bền của vật liệu, phoi bị đẩy lên theo mặt trước của lưỡi cắt. Phoi có thể liên tục, đứt đoạn hoặc dạng bụi tùy theo vật liệu và điều kiện gia công. Trong thép mềm, phoi thường liên tục. Trong gang hoặc vật liệu giòn, phoi thường dạng hạt hoặc vụn.

Mô hình kinh điển mô tả ba vùng chính gồm:

• Vùng biến dạng sơ cấp giữa phôi và mặt trước lưỡi cắt
• Vùng ma sát giữa phoi và mặt trước dao
• Vùng biến dạng thứ cấp do ma sát và nhiệt sinh ra

Cơ chế này giúp xác định nhiệt sinh ra, lực cắt và tuổi thọ dụng cụ. Việc điều chỉnh lượng chạy dao, chiều sâu cắt và tốc độ cắt có thể cải thiện khả năng thoát phoi.

Công thức xác định tốc độ cắt:
$v = \frac{\pi D n}{1000}$
Trong đó:

• $v$: tốc độ cắt (m/min)
• $D$: đường kính chi tiết (mm)
• $n$: số vòng quay của trục chính (rpm)

Công thức này là cơ sở chọn chế độ cắt khi gia công các bề mặt trụ ngoài hoặc trong.

Vật liệu chế tạo dụng cụ cắt

Vật liệu chế tạo dụng cụ cắt quyết định trực tiếp đến hiệu suất gia công, tuổi bền dao và chất lượng bề mặt sản phẩm. Mỗi nhóm vật liệu có giới hạn làm việc riêng, đặc biệt về khả năng chịu nhiệt và độ cứng nóng. Thép gió phù hợp cho gia công tốc độ trung bình, trong khi carbide và CBN hoạt động hiệu quả ở tốc độ cao. Các ứng dụng đòi hỏi độ chính xác lớn hoặc vật liệu khó cắt thường ưu tiên vật liệu siêu cứng.

Thép gió (HSS) có ưu điểm dẻo dai và dễ mài lại. Nhược điểm lớn nhất của HSS là độ cứng nóng thấp, khiến lưỡi cắt nhanh bị cùn khi làm việc ở tốc độ cao. Dù vậy HSS vẫn được dùng rộng rãi cho mũi khoan, mũi doa và mũi taro. Carbide khắc phục phần lớn giới hạn của HSS nhờ độ cứng nóng cao và khả năng chịu tải tốt. Các loại carbide phủ TiAlN hoặc AlCrN còn tăng khả năng chống mòn.

Gốm kỹ thuật, CBN và PCD nằm trong nhóm vật liệu siêu cứng. Chúng duy trì độ ổn định cao ngay cả khi nhiệt tăng nhanh, phù hợp gia công thép tôi, hợp kim titan hoặc composite. Bảng sau thể hiện một số thông số so sánh:

Vật liệu	Độ cứng (HV)	Giới hạn nhiệt	Ứng dụng chính
HSS	700-900	600°C	Dụng cụ khoan, doa, taro
Carbide	1500-2000	900-1000°C	Tiện, phay tốc độ cao
CBN	3000+	1200°C	Cắt thép cứng
PCD	8000-10000	700°C	Gia công nhôm, composite

Lực cắt và thông số ảnh hưởng

Lực cắt phụ thuộc vào quan hệ giữa chiều sâu cắt, lượng chạy dao, tốc độ cắt và hình học lưỡi dao. Khi tăng chiều sâu cắt hoặc lượng chạy dao, lực cắt tăng tuyến tính và tạo áp lực lớn lên lưỡi cắt. Điều này có thể gây rung động và làm giảm tuổi bền dụng cụ. Hình học dao như bán kính mũi, góc trước và góc sau ảnh hưởng đến ma sát và khả năng thoát phoi. Bán kính lớn tạo bề mặt mịn nhưng tăng lực cắt, trong khi góc trước dương giảm lực cắt nhưng giảm độ bền lưỡi dao.

Mô hình lực cắt đơn giản:
$F_c = K_c a_p f$
Trong đó $F_c$ là lực cắt chính. $K_c$ tùy vào vật liệu phôi. $a_p$ là chiều sâu cắt. $f$ là lượng chạy dao. Việc giảm ma sát bằng chất làm mát hoặc tối ưu góc trước có thể giảm lực cắt đáng kể.

Một số yếu tố làm lực cắt tăng:

• Vật liệu phôi có độ bền kéo cao
• Lưỡi cắt bị mòn và mất độ sắc
• Bán kính mũi dao lớn
• Tốc độ cắt quá thấp khiến ma sát tăng

Tối ưu các yếu tố này mang lại hiệu quả cao trong sản xuất hàng loạt.

Mòn dụng cụ và tuổi bền

Mòn dụng cụ xuất hiện theo nhiều dạng khác nhau, trong đó mòn mặt sau, mòn mặt trước và mẻ lưỡi là phổ biến nhất. Mòn mặt sau do ma sát giữa mặt sau dao và bề mặt phôi. Mòn mặt trước thường xảy ra khi phoi trượt mạnh lên mặt trước lưỡi dao. Mẻ lưỡi xảy ra khi tải trọng vượt khả năng chịu uốn hoặc khi vật liệu phôi giòn gây tác động cục bộ.

Tuổi bền dụng cụ được mô tả bởi phương trình Taylor:
$v T^n = C$
Trong đó $v$ là tốc độ cắt. $T$ là tuổi bền. $n$ và $C$ là hằng số thực nghiệm. Phương trình này giúp xác định tốc độ tối ưu để đạt tuổi bền mong muốn mà không làm giảm năng suất. Các lớp phủ hiện đại như TiAlN hoặc DLC giúp giảm mòn mặt trước và tăng thời gian làm việc liên tục.

Một số nguyên nhân tăng tốc độ mòn:

• Nhiệt tích tụ quá lớn tại vùng cắt
• Thoát phoi kém khiến phoi cọ sát ngược lại lưỡi cắt
• Lựa chọn vật liệu dụng cụ không phù hợp
• Dùng chế độ cắt vượt khả năng chịu tải

Giảm tốc độ cắt, tăng lưu lượng dung dịch làm mát hoặc dùng mảnh phủ là phương án cải thiện hiệu quả.

Ứng dụng trong công nghiệp

Dụng cụ cắt được sử dụng trong sản xuất cơ khí chính xác, ô tô, hàng không, dầu khí và thiết bị điện. Sự đa dạng trong cấu tạo và vật liệu giúp chúng thích ứng với nhiều quy mô sản xuất khác nhau. Hệ thống máy CNC thế hệ mới đòi hỏi dụng cụ có khả năng duy trì độ chính xác hình học ở tốc độ cao. Các doanh nghiệp gia công khuôn mẫu yêu cầu dụng cụ có lớp phủ chống mòn để đảm bảo bề mặt đạt độ bóng tiêu chuẩn.

Ngành hàng không dùng vật liệu khó gia công như hợp kim titan và siêu hợp kim niken. Những vật liệu này giữ độ bền cao ở nhiệt độ lớn nên yêu cầu dụng cụ có khả năng chịu nhiệt và chống mòn mạnh. Dụng cụ PCD và CBN thường dùng cho các chi tiết composite và thép siêu cứng. Công nghiệp ô tô yêu cầu tốc độ gia công lớn để giảm chi phí và thời gian sản xuất.

Bảng dưới đây mô tả nhu cầu dụng cụ theo ngành:

Ngành	Yêu cầu chính	Dụng cụ ưu tiên
Ô tô	Năng suất cao	Carbide phủ
Hàng không	Gia công hợp kim khó cắt	CBN, carbide chịu nhiệt
Khuôn mẫu	Bề mặt mịn, dung sai nhỏ	Carbide phủ, CBN

Tiêu chuẩn và an toàn khi sử dụng

Nhiều tiêu chuẩn quốc tế hỗ trợ thiết kế và lựa chọn dụng cụ cắt như ISO 3002 về hình học dao hoặc ISO 513 về phân loại vật liệu dụng cụ. Những tiêu chuẩn này giúp đồng bộ hóa chất lượng và đảm bảo tính tương thích giữa các nhà sản xuất. Việc tuân thủ tiêu chuẩn còn giúp xác định chế độ cắt phù hợp với từng loại phôi.

An toàn luôn là yếu tố bắt buộc. Dụng cụ cắt bị sứt mẻ hoặc gá kẹp không đúng dễ gây văng gãy dẫn đến tai nạn. Người vận hành cần kiểm tra dụng cụ trước khi hoạt động, dùng kính bảo hộ, đảm bảo phạm vi làm việc không có người đứng gần. Hệ thống làm mát cần hoạt động ổn định để giảm nhiệt và tránh biến dạng nhiệt gây gãy dụng cụ.

Một số nguyên tắc an toàn:

• Không dùng dụng cụ đã mòn vượt giới hạn
• Kẹp chặt dụng cụ đúng tiêu chuẩn
• Chọn tốc độ phù hợp từng loại phôi
• Không đứng gần vùng phoi văng

Những quy tắc đơn giản này giúp giảm đáng kể các sự cố trong quá trình sản xuất.

Tài liệu tham khảo

1. ISO 3002 Cutting tool geometry
2. Kennametal Technical Resources
3. Sandvik Coromant Knowledge Center
4. MSC Industrial Metalworking Guides