Các Loại Dụng Cụ Cắt và Vật Liệu Làm Dụng Cụ Cắt Phổ Biến Nhất Hiện Nay

Dụng cụ cắt đóng một vai trò vô cùng thiết yếu trong hầu hết các ngành sản xuất công nghiệp, từ gia công cơ khí chính xác, chế tạo máy móc, xây dựng, cho đến các ứng dụng trong đời sống hàng ngày như làm bếp hay thủ công; chúng là công cụ không thể thiếu để định hình, tạo ra các chi tiết sản phẩm từ vật liệu thô.

Sự phát triển không ngừng của khoa học kỹ thuật đã cho ra đời vô số các loại dụng cụ cắt với thiết kế và chức năng đa dạng, đi kèm với đó là sự cải tiến vượt bậc trong vật liệu làm dụng cụ cắt, nhằm đáp ứng những yêu cầu ngày càng khắt khe về độ chính xác, năng suất và khả năng gia công các vật liệu mới, siêu cứng.

Bài viết này sẽ cung cấp một cái nhìn tổng quan và chi tiết về các loại dụng cụ cắt phổ biến, phân loại chúng dựa trên nhiều tiêu chí khác nhau, đồng thời đi sâu vào phân tích các loại vật liệu chế tạo dụng cụ cắt từ truyền thống đến hiện đại.

Qua đó, người đọc sẽ hiểu rõ hơn về tầm quan trọng của việc lựa chọn đúng dụng cụ và vật liệu phù hợp, các yếu tố ảnh hưởng đến quyết định này, cũng như cập nhật những xu hướng phát triển mới nhất trong lĩnh vực đầy tiềm năng này, giúp tối ưu hóa quá trình gia công cơ khí và nâng cao hiệu quả sản xuất.

Khái niệm và Tầm quan trọng của Dụng cụ cắt

Dụng cụ cắt là những công cụ được thiết kế chuyên biệt để loại bỏ vật liệu thừa ra khỏi phôi thông qua các phương pháp như cắt gọt (tạo phoi) hoặc các phương pháp không tạo phoi (biến dạng, phá hủy), nhằm đạt được hình dạng, kích thước và chất lượng bề mặt mong muốn cho chi tiết sản phẩm.

Chúng có vai trò trung tâm trong ngành gia công cơ khí, quyết định đến khả năng tạo hình sản phẩm và hiệu quả của quá trình sản xuất.

Việc lựa chọn đúng dụng cụ cắt và vật liệu làm dụng cụ cắt có tầm quan trọng đặc biệt, bởi nó ảnh hưởng trực tiếp đến nhiều yếu tố then chốt trong sản xuất.

Một lựa chọn phù hợp không chỉ giúp tăng năng suất gia công thông qua việc cho phép cắt ở tốc độ cao hơn, chiều sâu lớn hơn, mà còn đảm bảo chất lượng sản phẩm cuối cùng với độ chính xác kích thước cao và bề mặt gia công đạt yêu cầu kỹ thuật.

Hơn nữa, sử dụng dụng cụ tối ưu giúp giảm thiểu chi phí sản xuất nhờ kéo dài tuổi thọ dao cắt, giảm thời gian dừng máy để thay dao, và tiết kiệm năng lượng.

Cuối cùng, việc chọn lựa và sử dụng đúng cách các dụng cụ cắt còn góp phần đảm bảo an toàn lao động cho người vận hành máy.

Phân loại Các loại dụng cụ cắt

Sự đa dạng của các phương pháp gia công và vật liệu cần xử lý đã dẫn đến việc hình thành nhiều cách phân loại các loại dụng cụ cắt khác nhau, giúp người dùng dễ dàng nhận diện và lựa chọn công cụ phù hợp nhất cho nhu cầu cụ thể của mình.

Dựa trên nguyên lý hoạt động/phương pháp cắt:

Nguyên lý hoạt động là một trong những cách phân loại cơ bản nhất, chia dụng cụ cắt thành các nhóm dựa trên cách chúng loại bỏ vật liệu.

Dụng cụ cắt gọt (Tạo phoi): Đây là nhóm phổ biến nhất trong gia công cơ khí, hoạt động bằng cách dùng lưỡi cắt có hình dạng xác định thâm nhập vào vật liệu, tạo ra phoi để định hình chi tiết.

Quá trình này bao gồm nhiều phương pháp khác nhau, mỗi phương pháp sử dụng loại dụng cụ đặc trưng:

• Tiện:
  Sử dụng dao tiện (dao tiện trong, dao tiện ngoài, dao tiện ren, dao tiện định hình, dao cắt đứt) để gia công các bề mặt tròn xoay.
  Các mảnh dao CNC thường được dùng trong tiện hiện đại.
• Phay:
  Sử dụng dao phay (dao phay ngón, dao phay mặt đầu, dao phay đĩa, dao phay cầu) để gia công mặt phẳng, rãnh, bề mặt định hình.
• Khoan, Khoét, Doa, Taro, Ren:
  Sử dụng mũi khoan, mũi khoét, mũi doa, mũi taro, bàn ren để tạo và hoàn thiện lỗ, hoặc tạo ren trong/ngoài.
• Chuốt:
  Sử dụng dao chuốt để gia công lỗ định hình hoặc bề mặt ngoài với độ chính xác và năng suất cao.
• Mài:
  Sử dụng đá mài, bánh mài (thường làm từ Al2O3, SiC, hoặc vật liệu siêu cứng như CBN, PCD) để đạt độ chính xác và độ bóng bề mặt cao.
• Cưa:
  Sử dụng lưỡi cưa (lưỡi cưa đĩa, lưỡi cưa vòng, lưỡi cưa kiếm) để cắt đứt vật liệu.
• Bào, xọc:
  Sử dụng dao bào, dao xọc để gia công mặt phẳng hoặc rãnh, thường có chuyển động tịnh tiến qua lại.

Dụng cụ cắt không phoi (Biến dạng dẻo, phá hủy): Các dụng cụ này định hình vật liệu mà không tạo ra phoi hoặc tạo ra rất ít phoi, dựa trên nguyên lý biến dạng dẻo hoặc phá hủy cục bộ.

• Dập, đột:
  Sử dụng khuôn dập, khuôn đột để tạo hình hoặc cắt bỏ phần vật liệu từ tấm.
• Chặt:
  Sử dụng dao chặt, kéo cắt tôn để chia tách vật liệu.
• Uốn, ép:
  Dùng khuôn để uốn hoặc ép vật liệu thành hình dạng mong muốn.

Dụng cụ cắt bằng tia (Nhiệt, năng lượng cao): Phương pháp này sử dụng các nguồn năng lượng tập trung cao để loại bỏ vật liệu, thường không có tiếp xúc cơ học trực tiếp.

• Cắt laser:
  Dùng chùm tia laser hội tụ để làm nóng chảy và thổi bay vật liệu.
• Cắt plasma:
  Dùng dòng plasma nhiệt độ cực cao để cắt kim loại dẫn điện.
• Cắt tia nước (Waterjet cutting):
  Dùng tia nước áp suất cực cao, có thể trộn hạt mài (abrasive) để cắt nhiều loại vật liệu.
• Cắt bằng tia lửa điện (EDM – Electrical Discharge Machining):
  Dùng sự phóng điện giữa điện cực và chi tiết để ăn mòn vật liệu, thích hợp cho vật liệu rất cứng.

Dựa trên loại vật liệu được gia công:

Loại vật liệu của chi tiết cần gia công là yếu tố quyết định đến việc lựa chọn dụng cụ cắt, vì mỗi vật liệu có cơ tính và khả năng gia công khác nhau.

• Dụng cụ cắt kim loại:
  Đây là nhóm đa dạng nhất, bao gồm các dụng cụ để gia công thép, gang, nhôm, đồng, titan, và các hợp kim đặc biệt.
  Vật liệu làm dụng cụ thường là thép gió (HSS), hợp kim cứng (carbide), ceramic, CBN.
• Dụng cụ cắt gỗ:
  Bao gồm lưỡi cưa, dao bào, mũi phay router, mũi đục dùng cho gỗ tự nhiên, gỗ công nghiệp (MDF, HDF).
  Vật liệu thường là thép cacbon, thép hợp kim, đôi khi có gắn mảnh hợp kim.
• Dụng cụ cắt nhựa:
  Yêu cầu lưỡi cắt sắc bén để tránh làm chảy hoặc biến dạng nhựa, thường làm từ thép gió hoặc hợp kim đặc biệt.
• Dụng cụ cắt vật liệu composite:
  Các vật liệu như CFRP (Carbon Fiber Reinforced Polymer) hay GFRP (Glass Fiber Reinforced Polymer) đòi hỏi dụng cụ có độ cứng và khả năng chống mài mòn cao, thường là PCD hoặc các loại carbide có lớp phủ đặc biệt.
• Dụng cụ cắt giấy, vải, da:
  Bao gồm dao, kéo, lưỡi cắt tròn, thường yêu cầu độ sắc bén cao và khả năng giữ cạnh tốt.

Dựa trên cấu tạo:

Cấu tạo của dụng cụ cắt phản ánh công nghệ chế tạo và mục đích sử dụng, ảnh hưởng đến hiệu suất và khả năng thay thế các bộ phận mòn.

• Dụng cụ cắt liền khối:
  Toàn bộ dụng cụ được làm từ một loại vật liệu duy nhất (ví dụ: dao thép gió, mũi khoan thép gió, một số loại dao phay ngón carbide).
  Ưu điểm là kết cấu vững chắc, nhưng khi mòn phải mài lại hoặc thay cả dụng cụ.
• Dụng cụ cắt có gắn mảnh hợp kim cứng (Insert):
  Phần lưỡi cắt chính (gọi là insert hay mảnh dao CNC, mảnh dao hợp kim) được chế tạo từ vật liệu cứng hơn (thường là hợp kim làm dao như carbide, ceramic, CBN) và được kẹp hoặc hàn vào thân dao làm từ thép.
  Loại này cho phép thay thế nhanh chóng phần lưỡi mòn, tiết kiệm chi phí và thời gian.
  Đây là lựa chọn phổ biến cho dao tiện và dao phay trong sản xuất hiện đại.
• Dụng cụ cắt có phủ lớp vật liệu siêu cứng:
  Bề mặt làm việc của dụng cụ (thường là HSS hoặc carbide) được phủ một hoặc nhiều lớp vật liệu mỏng (vài micromet) như TiN, TiCN, TiAlN (lớp phủ dụng cụ cắt) để tăng độ cứng bề mặt, giảm ma sát, tăng khả năng chịu nhiệt và chống mài mòn, từ đó cải thiện đáng kể tuổi thọ dao cắt.

Dựa trên ứng dụng/ngành nghề:

Tùy theo lĩnh vực ứng dụng cụ thể, dụng cụ cắt có thể được phân nhóm để phù hợp với yêu cầu đặc thù của từng ngành.

• Dụng cụ cắt trong cơ khí chế tạo:
  Đây là lĩnh vực sử dụng đa dạng và yêu cầu cao nhất về các loại dao tiện, dao phay, mũi khoan, doa, taro, đá mài… phục vụ cho việc sản xuất chi tiết máy, khuôn mẫu.
• Dụng cụ cắt trong xây dựng: Bao gồm các loại lưỡi cưa cắt bê tông, gạch đá (thường có gắn hạt kim cương), mũi khoan bê tông, kìm cắt thép.
• Dụng cụ cắt trong ngành gỗ, nội thất:
  Lưỡi cưa gỗ, dao bào, mũi phay router, đục, giấy nhám.
• Dụng cụ cắt trong gia đình, thủ công:
  Dao bếp, kéo, dao rọc giấy, kìm cắt.

Các loại Vật liệu làm dụng cụ cắt phổ biến

Việc lựa chọn vật liệu làm dụng cụ cắt là một yếu tố then chốt, quyết định đến hiệu suất, độ bền dụng cụ cắt và khả năng gia công các loại vật liệu khác nhau.

Dưới đây là các loại vật liệu phổ biến, từ truyền thống đến tiên tiến:

Thép cacbon (Carbon Steel):

Thép cacbon là một trong những vật liệu truyền thống nhất để làm dụng cụ cắt, có đặc điểm nổi bật là độ cứng ở mức vừa phải, dễ dàng thực hiện quá trình mài sắc để phục hồi lưỡi cắt, và quan trọng nhất là có giá thành tương đối rẻ.

Hàm lượng cacbon trong thép quyết định độ cứng; thép có hàm lượng cacbon cao (0.6-1.5%) thường được dùng.

Tuy nhiên, nhược điểm lớn của thép cacbon là khả năng chịu nhiệt kém (mất độ cứng ở nhiệt độ khoảng 200-250°C), do đó không phù hợp cho các ứng dụng cắt ở tốc độ cao.

Ứng dụng chính của thép cacbon trong lĩnh vực dụng cụ cắt ngày nay chủ yếu giới hạn ở các loại dụng cụ cầm tay đơn giản như đục, một số loại dao kéo thông thường, lưỡi cưa tay, và các dụng cụ không yêu cầu làm việc ở nhiệt độ cao hay tốc độ cắt lớn.

Thép hợp kim dụng cụ (Alloy Tool Steel):

Thép hợp kim dụng cụ được tạo ra bằng cách thêm các nguyên tố hợp kim như Crom (Cr), Vanadium (V), Wolfram (W), Molypden (Mo) vào thép cacbon, giúp cải thiện đáng kể các đặc tính so với thép cacbon thường.

Đặc điểm chính của loại thép này là độ cứng cao hơn, khả năng chống mài mòn tốt hơn và đặc biệt là khả năng chịu nhiệt được cải thiện (có thể giữ độ cứng ở nhiệt độ cao hơn thép cacbon).

Các loại phổ biến bao gồm thép Crom (tăng độ thấm tôi, độ bền), thép Vanadium (tăng độ cứng, chống mài mòn), thép Wolfram (tăng tính chịu nhiệt, độ cứng nóng).

Ứng dụng của thép hợp kim dụng cụ rất đa dạng, bao gồm chế tạo các loại mũi khoan, taro, bàn ren, một số loại dao phay đơn giản, khuôn dập nguội, và các dụng cụ cắt đòi hỏi độ bền và khả năng giữ cạnh tốt hơn thép cacbon.

Thép gió (High-Speed Steel – HSS):

Thép gió, hay HSS, là một loại thép hợp kim dụng cụ đặc biệt, nổi bật với khả năng giữ được độ cứng và tính năng cắt tốt ngay cả khi làm việc ở nhiệt độ cao (lên đến khoảng 600°C), điều này cho phép nó được sử dụng ở tốc độ cắt cao hơn nhiều so với thép cacbon và thép hợp kim thông thường, do đó có tên là “thép gió”.

Đặc điểm này đạt được nhờ hàm lượng cao của các nguyên tố hợp kim mạnh như Wolfram (W), Molypden (Mo), Vanadium (V), và Crom (Cr), cùng với Coban (Co) trong một số mác thép gió cao cấp để tăng thêm độ cứng nóng.

Thép gió làm dao có các mác phổ biến như P18 (thép gió Wolfram), P9, M2 (thép gió Molypden – Wolfram), M42 (thép gió Coban).

Ứng dụng của HSS rất rộng rãi trong chế tạo dao tiện, dao phay, mũi khoan, mũi doa, mũi taro, bàn ren, lưỡi cưa kim loại tốc độ cao, và nhiều dụng cụ cắt gọt khác, đặc biệt khi cần sự kết hợp giữa độ dẻo dai và khả năng chịu mài mòn tốt.

Hợp kim cứng (Cemented Carbide / Tungsten Carbide – WC-Co):

Hợp kim cứng, thường được biết đến với tên gọi “carbide” hoặc “tungsten carbide”, là một vật liệu composite được chế tạo bằng phương pháp luyện kim bột, bao gồm các hạt rất mịn của các cacbua kim loại chịu lửa (chủ yếu là Wolfram Carbide – WC) được liên kết với nhau bằng một kim loại kết dính, thường là Coban (Co).

Đặc điểm vượt trội của hợp kim làm dao loại này là độ cứng rất cao (thường từ 88-94 HRA), khả năng chịu mài mòn cực tốt, và khả năng duy trì độ cứng ở nhiệt độ cao (lên đến 800-1000°C), cho phép tốc độ cắt nhanh gấp nhiều lần so với thép gió.

Các loại mảnh dao hợp kim (còn gọi là insert) là ứng dụng phổ biến nhất, được gắn vào thân dao để thực hiện các nguyên công tiện, phay, khoan với năng suất cao, đặc biệt khi gia công các vật liệu cứng như thép hợp kim, gang.

Ngoài WC-Co, còn có các loại hợp kim cứng khác như TiC-NiMo.

Đây là vật liệu quan trọng cho dụng cụ cắt CNC.

Gốm kim loại (Cermet – Ceramic Metal):

Cermet là một loại vật liệu composite kết hợp giữa gốm (Ceramic) và kim loại (Metal), được thiết kế để tận dụng những ưu điểm của cả hai nhóm vật liệu này cho các ứng dụng cắt gọt.

Đặc điểm chính của Cermet bao gồm độ cứng cao, khả năng chịu nhiệt tốt (thường cao hơn hợp kim cứng), và đặc biệt là tính trơ hóa học cao, giúp giảm hiện tượng lẹo dao (built-up edge) khi gia công một số vật liệu dẻo.

Thành phần gốm trong Cermet thường là các hạt mịn của Titanium Carbide (TiC), Titanium Nitride (TiN), Titanium Carbonitride (TiCN), hoặc Alumina (Al2O3), được liên kết bởi một pha kim loại như Niken (Ni), Coban (Co), hoặc Molypden (Mo).

Ứng dụng chủ yếu của Cermet là trong gia công tinh và bán tinh các loại thép (thép cacbon, thép hợp kim) và gang, đặc biệt khi cần đạt chất lượng bề mặt cao và làm việc ở tốc độ cắt cao, với lượng chạy dao nhỏ.

Gốm cắt (Ceramics):

Gốm cắt (Ceramics) là nhóm vật liệu làm dụng cụ cắt có độ cứng rất cao và khả năng chịu nhiệt vượt trội, cho phép chúng hoạt động hiệu quả ở tốc độ cắt rất lớn, thậm chí trong điều kiện cắt khô (không cần dung dịch trơn nguội).

Đặc điểm nổi bật của gốm cắt là độ cứng ở nhiệt độ cao (lên đến 1200°C hoặc hơn), khả năng chống mài mòn tuyệt vời và tính trơ hóa học cao, không bị oxy hóa.

Tuy nhiên, nhược điểm lớn của chúng là độ bền va đập (độ dai) thấp, dễ bị nứt vỡ nếu có rung động hoặc tải trọng cắt không ổn định.

Các loại gốm cắt phổ biến bao gồm:

• Gốm Alumina (Aluminium Oxide – Al2O3):
  Thường có màu trắng, thích hợp cho gia công gang ở tốc độ cao.
  Có thể được gia cường bằng Zirconia (ZrO2) để tăng độ bền.
• Gốm Silicon Nitride (Si3N4):
  Có độ bền và khả năng chịu sốc nhiệt tốt hơn gốm Alumina, thường dùng để gia công gang, đặc biệt là gia công thô và bán tinh.
• Gốm hỗn hợp (ví dụ: Al2O3 + TiC):
  Còn gọi là gốm đen, cứng hơn và chịu mài mòn tốt hơn gốm trắng, dùng cho thép tôi cứng và gang.

Ứng dụng chính của gốm cắt là gia công các vật liệu cứng như gang, thép đã qua nhiệt luyện, và một số siêu hợp kim ở tốc độ cắt rất cao, nơi mà HSS và hợp kim cứng không còn hiệu quả.

Nitride Boron lập phương (Cubic Boron Nitride – CBN):

Nitride Boron lập phương (CBN) là một vật liệu siêu cứng, chỉ đứng sau kim cương về độ cứng, và sở hữu những đặc tính ưu việt cho việc cắt gọt các vật liệu kim loại đen rất cứng.

Đặc điểm quan trọng nhất của CBN là nó duy trì được độ cứng ở nhiệt độ cực cao (lên đến 1300-1500°C) và có tính ổn định hóa học tốt khi tiếp xúc với sắt và các hợp kim của sắt ở nhiệt độ cao (không phản ứng như kim cương).

Điều này làm cho CBN trở thành vật liệu lý tưởng để gia công thép đã tôi cứng (độ cứng > 45 HRC), gang trắng, gang hợp kim có độ cứng cao, và các siêu hợp kim nền Niken hoặc Coban.

Dụng cụ cắt CBN thường ở dạng các mảnh cắt nhỏ được hàn lên thân dao hoặc ở dạng lớp phủ.

Chúng cho phép đạt được chất lượng bề mặt rất tốt và độ chính xác cao, thường thay thế cho quá trình mài trong nhiều trường hợp.

Kim cương đa tinh thể (Polycrystalline Diamond – PCD):

Kim cương đa tinh thể (PCD) là vật liệu làm dụng cụ cắt cứng nhất hiện nay, được sản xuất bằng cách thiêu kết các hạt kim cương nhân tạo mịn với nhau dưới áp suất và nhiệt độ rất cao, thường có sự tham gia của chất kết dính kim loại (ví dụ Coban).

Đặc điểm nổi bật của PCD là độ cứng cực cao, khả năng chịu mài mòn tuyệt vời và khả năng dẫn nhiệt tốt, cho phép lưỡi cắt duy trì độ sắc bén lâu dài.

Tuy nhiên, PCD có giới hạn về nhiệt độ làm việc (khoảng 600-700°C) và không phù hợp để gia công các vật liệu kim loại đen (thép, gang) do ở nhiệt độ cao, cacbon trong kim cương có xu hướng khuếch tán vào sắt, gây mài mòn hóa học nhanh chóng.

Ứng dụng chính của PCD là gia công các vật liệu phi kim loại có tính mài mòn cao như hợp kim nhôm-silic (Al-Si alloys), đồng và hợp kim đồng, titan và hợp kim titan, vật liệu composite (đặc biệt là CFRP, GFRP), gỗ cứng, gỗ nhân tạo, đá, gốm sứ chưa nung, và nhựa kỹ thuật.

Vật liệu phủ (Coating materials):

Công nghệ phủ bề mặt cho dụng cụ cắt là một bước tiến quan trọng, giúp cải thiện đáng kể hiệu suất và tuổi thọ dao cắt mà không cần thay đổi hoàn toàn vật liệu nền của dụng cụ (thường là HSS hoặc Carbide).

Mục đích chính của việc tạo ra các lớp phủ dụng cụ cắt này là để tăng độ cứng bề mặt của lưỡi cắt, giảm hệ số ma sát giữa dụng cụ và phoi/chi tiết gia công, tăng khả năng chịu nhiệt và chống oxy hóa, từ đó nâng cao khả năng chống mài mòn và cho phép cắt ở tốc độ cao hơn.

Các lớp phủ này rất mỏng, thường chỉ vài micromet (µm).

Có nhiều loại vật liệu phủ, phổ biến nhất bao gồm:

• TiN (Titanium Nitride):
  Lớp phủ màu vàng đặc trưng, là một trong những lớp phủ đầu tiên và vẫn còn phổ biến.
  Nó cung cấp độ cứng bề mặt tốt, giảm ma sát, phù hợp cho các ứng dụng gia công thép cacbon, thép hợp kim thấp, và các vật liệu màu.
• TiCN (Titanium Carbonitride):
  Cứng hơn TiN và có khả năng chống mài mòn tốt hơn, thường có màu từ xám xanh đến tím.
  Phù hợp cho gia công thép, gang, và các vật liệu khó cắt hơn TiN.
• TiAlN (Titanium Aluminum Nitride):
  Có khả năng chịu nhiệt và chống oxy hóa rất tốt, hình thành một lớp oxit nhôm bảo vệ ở nhiệt độ cao.
  Thích hợp cho cắt khô hoặc cắt ở tốc độ cao các loại thép cứng, thép không gỉ, và siêu hợp kim.
  Màu thường là tím đen hoặc đen.
• AlTiN (Aluminum Titanium Nitride):
  Tương tự TiAlN nhưng với hàm lượng Nhôm cao hơn, cho khả năng chịu nhiệt và độ cứng nóng tốt hơn nữa.
  Rất hiệu quả cho gia công tốc độ cao và cắt vật liệu cứng.
• CrN (Chromium Nitride):
  Có khả năng chống bám dính tốt, phù hợp cho gia công các vật liệu dễ bị lẹo dao như nhôm, đồng, titan.
• DLC (Diamond-Like Carbon):
  Lớp phủ chứa carbon có cấu trúc tương tự kim cương, mang lại hệ số ma sát rất thấp và độ cứng cao.
  Tuyệt vời cho gia công vật liệu màu, composite, và nhựa.

Các lớp phủ dụng cụ cắt này thường được áp dụng bằng các phương pháp lắng đọng hơi vật lý (PVD – Physical Vapor Deposition) hoặc lắng đọng hơi hóa học (CVD – Chemical Vapor Deposition).

Bảng 1: So sánh các vật liệu làm dụng cụ cắt phổ biến

Yếu tố ảnh hưởng đến lựa chọn vật liệu làm dụng cụ cắt

Việc lựa chọn vật liệu làm dụng cụ cắt phù hợp là một quyết định phức tạp, đòi hỏi sự cân nhắc kỹ lưỡng nhiều yếu tố để đảm bảo hiệu quả kinh tế và kỹ thuật tối ưu trong quá trình gia công cơ khí.

1. Loại vật liệu gia công và độ cứng của nó là yếu tố hàng đầu.
   Vật liệu chi tiết càng cứng, càng dai hoặc có tính mài mòn cao thì đòi hỏi dụng cụ cắt phải có độ cứng, khả năng chống mài mòn và độ bền nhiệt tương ứng.
   Ví dụ, thép mềm có thể dùng HSS, nhưng thép tôi cứng đòi hỏi CBN hoặc gốm.
2. Điều kiện cắt (chế độ cắt) bao gồm tốc độ cắt ($v_c$), lượng chạy dao ($s$), và chiều sâu cắt ($t$) cũng ảnh hưởng lớn.
   Tốc độ cắt cao sinh nhiệt lớn, đòi hỏi vật liệu dụng cụ phải chịu nhiệt tốt như carbide có phủ, cermet, gốm, hoặc CBN.
   Lượng chạy dao và chiều sâu cắt lớn tạo ra lực cắt đáng kể, yêu cầu dụng cụ có độ bền cơ học và độ dai va đập cao.
3. Loại hình gia công cụ thể (ví dụ: tiện, phay, khoan, gia công thô, gia công tinh) sẽ quyết định hình dạng, kích thước và yêu cầu đối với dụng cụ cắt.
   Gia công thô thường ưu tiên khả năng loại bỏ vật liệu nhanh, chấp nhận độ bền va đập cao hơn độ chính xác.
   Ngược lại, gia công tinh đòi hỏi dụng cụ có khả năng giữ cạnh sắc tốt, tạo bề mặt chất lượng cao, ví dụ như dùng cermet hoặc CBN cho các nguyên công tinh.
4. Yêu cầu về chất lượng bề mặt và độ chính xác kích thước của chi tiết gia công cũng là một tiêu chí quan trọng.
   Để đạt được bề mặt nhẵn bóng và dung sai chặt chẽ, lưỡi cắt phải sắc bén, ổn định và vật liệu dụng cụ phải có khả năng chống lẹo dao tốt.
   Vật liệu như PCD thường cho bề mặt rất tốt khi gia công kim loại màu.
5. Chi phí và tuổi thọ dụng cụ cắt là yếu tố kinh tế không thể bỏ qua.
   Mặc dù các vật liệu siêu cứng như CBN hay PCD có giá thành ban đầu cao, nhưng tuổi thọ dao cắt dài hơn và khả năng gia công ở năng suất cao có thể bù đắp chi phí, làm giảm giá thành tổng thể trên mỗi sản phẩm.
   Cần phân tích “cost-per-part” (chi phí trên mỗi chi tiết) để có quyết định tối ưu.
6. Loại máy công cụ sử dụng và độ cứng vững của toàn bộ hệ thống công nghệ (máy – đồ gá – dao – chi tiết) ảnh hưởng đến việc lựa chọn.
   Máy công cụ cũ, độ cứng vững thấp không phù hợp với các loại dụng cụ cắt hiện đại cho phép tốc độ cắt cao và lực cắt lớn, vì có thể gây rung động, làm hỏng dụng cụ và chi tiết.

Dưới đây là danh sách các yếu tố chính cần cân nhắc:

• Vật liệu chi tiết gia công và độ cứng của nó.
• Loại hình và yêu cầu của nguyên công (thô, bán tinh, tinh).
• Điều kiện gia công: tốc độ cắt ($v_c$), lượng chạy dao ($s$), chiều sâu cắt ($t$).
  (Tham khảo thông số cắt khuyến nghị).
• Loại máy công cụ (ví dụ: dụng cụ cắt CNC) và độ cứng vững của hệ thống công nghệ.
• Yêu cầu về độ chính xác kích thước và chất lượng bề mặt chi tiết.
• Tuổi thọ dự kiến của dụng cụ cắt và chi phí vận hành.
• Khả năng cung cấp và loại dung dịch trơn nguội (nếu có).

Xu hướng phát triển vật liệu làm dụng cụ cắt

Ngành công nghiệp chế tạo dụng cụ cắt và vật liệu làm chúng đang không ngừng phát triển, hướng tới việc nâng cao hiệu suất, độ bền, và khả năng gia công các vật liệu mới, khó gia công, đồng thời đáp ứng các yêu cầu về môi trường và tự động hóa.

1. Phát triển các vật liệu mới với độ cứng và khả năng chịu nhiệt cao hơn là một xu hướng rõ rệt.
   Các nhà nghiên cứu đang tìm cách cải tiến thành phần và cấu trúc vi mô của hợp kim cứng, gốm, CBN và PCD, cũng như khám phá các hợp chất mới có tiềm năng vượt trội.
   Mục tiêu là tạo ra các dụng cụ có thể hoạt động ở tốc độ cắt ngày càng cao hơn, gia công được các siêu hợp kim dùng trong hàng không vũ trụ hay các vật liệu composite tiên tiến với độ bền dụng cụ cắt tốt hơn.
2. Công nghệ phủ tiên tiến tiếp tục là một lĩnh vực trọng tâm.
   Xu hướng là phát triển các lớp phủ đa lớp (multilayer), nano-composite, hoặc các lớp phủ có khả năng tự bôi trơn hoặc thay đổi tính chất thích ứng với điều kiện cắt (adaptive coatings).
   Các lớp phủ dụng cụ cắt này không chỉ tăng độ cứng, giảm ma sát mà còn cải thiện khả năng chống oxy hóa, chống sốc nhiệt và giảm thiểu hiện tượng khuếch tán mài mòn.
   Công nghệ PVD và CVD cũng được cải tiến để tạo ra các lớp phủ đồng đều hơn, bám dính tốt hơn và có cấu trúc tối ưu.
3. Vật liệu thông minh, có khả năng tự phục hồi hoặc cảnh báo mài mòn đang là hướng nghiên cứu đầy hứa hẹn.
   Ý tưởng là tích hợp các cảm biến siêu nhỏ vào dụng cụ cắt để theo dõi tình trạng mài mòn theo thời gian thực, hoặc phát triển các vật liệu có khả năng “tự hàn gắn” các vết nứt vi mô, kéo dài đáng kể tuổi thọ dao cắt.
   Điều này sẽ đóng vai trò quan trọng trong các hệ thống sản xuất thông minh (Industry 4.0).
4. Vật liệu thân thiện với môi trường và quy trình sản xuất xanh ngày càng được chú trọng.
   Điều này bao gồm việc giảm sử dụng các nguyên tố hiếm hoặc độc hại (như Coban trong hợp kim cứng) bằng cách tìm kiếm các chất kết dính thay thế, cũng như phát triển các quy trình sản xuất dụng cụ cắt tiết kiệm năng lượng hơn và giảm thiểu chất thải.
   Việc tối ưu hóa quá trình cắt để giảm thiểu hoặc loại bỏ dung dịch trơn nguội (cắt khô, MQL – Minimum Quantity Lubrication) cũng là một phần của xu hướng này.
5. Tối ưu hóa hình học lưỡi cắt và bẻ phoi thông qua mô phỏng và công nghệ thiết kế tiên tiến cũng song hành cùng phát triển vật liệu.
   Việc kết hợp vật liệu ưu việt với thiết kế hình học tối ưu (góc cắt, rãnh thoát phoi, hình dạng lưỡi cắt vi mô) sẽ mang lại hiệu quả cắt gọt cao nhất.

Lưu ý khi lựa chọn và sử dụng dụng cụ cắt

Việc lựa chọn và sử dụng dụng cụ cắt đúng cách không chỉ đảm bảo chất lượng sản phẩm mà còn kéo dài tuổi thọ dao cắt, tiết kiệm chi phí và quan trọng nhất là đảm bảo an toàn cho người vận hành.

1. Phải chọn đúng loại dụng cụ và vật liệu làm dụng cụ cắt phù hợp với yêu cầu công việc cụ thể, bao gồm loại vật liệu cần gia công, dạng gia công (tiện, phay, khoan,…), và điều kiện máy móc.
   Tham khảo khuyến nghị từ các hãng dụng cụ cắt nổi tiếng hoặc tài liệu kỹ thuật là rất cần thiết.
2. Cần tuân thủ nghiêm ngặt các thông số kỹ thuật của nhà sản xuất về chế độ cắt (tốc độ cắt, lượng chạy dao, chiều sâu cắt).
   Sử dụng thông số cắt không phù hợp có thể dẫn đến mài mòn nhanh, gãy vỡ dụng cụ, hoặc chất lượng bề mặt kém.
3. Việc đảm bảo bôi trơn và làm mát đầy đủ (trừ trường hợp cắt khô được chỉ định) là cực kỳ quan trọng, đặc biệt khi gia công ở tốc độ cao.
   Dung dịch trơn nguội giúp giảm nhiệt độ vùng cắt, giảm ma sát, rửa trôi phoi và cải thiện tuổi thọ dụng cụ.
4. Phải thường xuyên kiểm tra tình trạng của dụng cụ cắt và thay thế kịp thời khi có dấu hiệu mài mòn quá mức, sứt mẻ hoặc hư hỏng.
   Tiếp tục sử dụng dụng cụ đã mòn không chỉ làm giảm chất lượng gia công mà còn có thể gây hỏng hóc cho máy và đồ gá.
5. Luôn đặt an toàn lao động lên hàng đầu khi sử dụng dụng cụ cắt.
   Điều này bao gồm việc trang bị đầy đủ đồ bảo hộ cá nhân (kính bảo hộ, găng tay khi cần thiết, quần áo bảo hộ), che chắn máy cẩn thận, không chạm tay vào vùng cắt khi máy đang chạy và đảm bảo dụng cụ được gá kẹp chắc chắn.

Dưới đây là danh sách một số lưu ý quan trọng khác:

• Luôn kiểm tra độ đồng tâm, độ đảo của dụng cụ trước khi gia công, đặc biệt với mũi khoan và dao phay ngón.
• Đảm bảo phoi được thoát ra dễ dàng, tránh kẹt phoi có thể gây gãy dụng cụ.
• Đối với mảnh dao CNC, cần kiểm tra kỹ lưỡng việc kẹp mảnh dao, đảm bảo tiếp xúc tốt và đúng vị trí.
• Khi mài lại dụng cụ (ví dụ dao thép gió), cần đảm bảo đúng góc độ hình học của lưỡi cắt và làm mát đầy đủ để tránh làm thay đổi cấu trúc vật liệu.
• Tìm hiểu và áp dụng các chiến lược chạy dao thông minh để tối ưu hóa tải trọng trên dụng cụ và kéo dài tuổi thọ của nó.

Bảng 2: Một số dụng cụ cắt thông dụng và ứng dụng chính

Kết luận

Việc nắm vững kiến thức về các loại dụng cụ cắt và vật liệu làm dụng cụ cắt có tầm quan trọng vô cùng to lớn, là nền tảng để tối ưu hóa các quy trình gia công cơ khí và sản xuất nói chung.

Từ những loại thép truyền thống như thép cacbon, thép gió làm dao, cho đến các vật liệu siêu cứng hiện đại như hợp kim làm dao (carbide), gốm, CBN, PCD, mỗi loại đều có những đặc tính và phạm vi ứng dụng riêng biệt, phù hợp với từng yêu cầu cụ thể về vật liệu gia công, điều kiện cắt và mục tiêu chất lượng.

Sự hiểu biết sâu sắc về cách phân loại dụng cụ, ưu nhược điểm của từng loại vật liệu, các yếu tố ảnh hưởng đến lựa chọn, cùng với việc cập nhật những xu hướng phát triển mới nhất, sẽ giúp các kỹ sư, nhà quản lý sản xuất và người vận hành đưa ra những quyết định thông minh.

Lựa chọn đúng dụng cụ cắt không chỉ giúp nâng cao năng suất, cải thiện chất lượng sản phẩm, giảm chi phí gia công thông qua việc tăng độ bền dụng cụ cắt và giảm thời gian dừng máy, mà còn góp phần đảm bảo an toàn lao động và hướng tới một nền sản xuất bền vững hơn.

Đầu tư vào dụng cụ cắt chất lượng và kiến thức sử dụng chúng chính là đầu tư vào hiệu quả và lợi thế cạnh tranh của doanh nghiệp trong thời đại công nghiệp hóa, hiện đại hóa.