Những đặc điểm và yêu cầu khác nhau của các vật liệu khác nhau trong quá trình gia công CNC là gì?

Sự đa dạng về vật liệu ảnh hưởng thế nào đến quy tắc gia công CNC?

Trong lĩnh vực sản xuất chính xác, tính chất vật liệu quyết định trực tiếp đến sự thành bại của quá trình gia công. Theo báo cáo năm 2023 của Viện Hàn lâm Khoa học Kỹ thuật Sản xuất Quốc tế (CIRP), tổn thất phế liệu toàn cầu do đánh giá sai tính chất vật liệu trong quá trình gia công CNC lên tới 4,7 tỷ đô la Mỹ mỗi năm. Từ hợp kim nhôm có độ chảy cao đến gốm giòn, từ hợp kim titan có độ dẫn nhiệt kém đến sợi carbon dễ phân lớp, quá trình gia công từng loại vật liệu đều tuân theo các định luật vật lý một cách chính xác. Dựa trên 15 năm kinh nghiệm gia công liên ngành và kết hợp với hơn 200 dữ liệu thực tế, bài viết này phân tích sâu sắc các quy tắc gia công của 8 loại vật liệu chính.

Xử lý vật liệu kim loại: những thách thức cực lớn từ tính dẻo dai đến quản lý nhiệt

1. Hợp kim nhôm - nghệ thuật cân bằng tốc độ và độ bám dính của dụng cụ

Các thông số đặc trưng :

• Độ dẫn nhiệt: 120-220 W/(m·K)
• Độ cứng: HB 60-120
• Các loại thép điển hình: 6061-T6, 7075-T651

Xử lý các điểm đau :

• Dính dụng cụ: Khi nhiệt độ cắt lớn hơn 200℃, phoi nhôm nóng chảy và dính vào đầu dụng cụ
• Bề mặt hoàn thiện: Hợp kim nhôm mềm dễ bị gờ

Giải pháp :

• Lựa chọn công cụ:
  • Máy phay đầu phủ kim cương 2 cạnh/3 cạnh (góc trước 15°-20°)
  • Bán kính cung của đầu dụng cụ ≥ 0,2mm để giảm tích tụ phoi
• Thông số cắt:
  • Tốc độ 6000-15000 vòng/phút
  • Ăn 0,1-0,3mm/răng
  • Làm mát bằng khí nén thay vì nhũ tương (để tránh hiện tượng giòn do hydro)

Nghiên cứu điển hình :

Trong quá trình gia công khung máy bay không người lái, hợp kim nhôm 7075-T651 sử dụng phương pháp làm mát bằng phun sương + 8000 vòng/phút:

• Tuổi thọ dụng cụ tăng từ 150 chi tiết lên 620 chi tiết
• Chiều cao gờ bề mặt giảm từ 0,15mm xuống 0,02mm

2. Thép không gỉ - cuộc chiến lâu dài chống lại sự cứng hóa khi làm việc

Các thông số đặc trưng :

• Chỉ số làm cứng: 0,3-0,5 (austenit 304 đạt 0,52)
• Hệ số giãn nở nhiệt: 17,3×10⁻⁶/℃ (thép không gỉ 304)

Khó khăn trong quá trình xử lý :

• Lực cắt cao hơn thép cacbon từ 25%-50%
• Một lớp cứng (độ sâu 0,1-0,3mm) được tạo ra khi nhiệt độ cắt là ＞800℃

Chiến lược đột phá :

• Tối ưu hóa hình dạng công cụ:
  • Góc cào lớn (20°-25°) làm giảm lực cắt
  • Thiết kế góc R của đầu dụng cụ gia cố (≥0,4mm)
• Kiểm soát tham số:
  • Tốc độ tuyến tính 60-120m/phút (dụng cụ cacbua)
  • Độ sâu cắt > 0,1mm để tránh bề mặt bị cứng
• Giải pháp làm mát:
  • Làm mát bên trong áp suất cao (áp suất ≥ 70bar) để xuyên qua lớp chắn nhiệt

Đột phá trong ngành :

Một công ty thiết bị y tế xử lý các tấm xương bằng thép không gỉ 316L bằng các dụng cụ phủ titan nhôm nitride (TiAlN) + 12% chất làm mát gốc nitrat:

• Độ dày của lớp cứng được giảm từ 35μm xuống còn 8μm
• Tỷ lệ mẻ dụng cụ giảm 72%

3. Hợp kim titan - nguy cơ mất kiểm soát nhiệt do độ dẫn nhiệt thấp

Các thông số đặc trưng :

• Độ dẫn nhiệt: 7-16 W/(m·K) (chỉ bằng 1/15 nhôm)
• Mô đun đàn hồi: 110 GPa (dễ gây biến dạng đàn hồi)

Những cạm bẫy trong quá trình xử lý :

• Nhiệt độ trong vùng cắt có thể đạt tới hơn 1000℃
• Các mảnh vụn dễ cháy (điểm bắt lửa＞1200℃ nhưng nguy cơ bắt lửa do ma sát cao)

Giải pháp quản lý nhiệt :

• Đổi mới công cụ:
  • Chất nền cacbua bán vi tinh thể (kích thước hạt 0,4-0,6μm)
  • Lớp phủ nanocomposite TiAlSiN phủ PVD
• Các thông số quy trình:
  • Tốc độ giới hạn 50-150m/phút
  • Độ sâu cắt trục ≥0,5mm (tránh thay đổi pha bề mặt)
• Cuộc cách mạng làm mát:
  • Làm lạnh bằng nitơ lỏng ở nhiệt độ cực thấp (-196℃) làm giảm nhiệt độ trong vùng cắt
  • Phun tuyết carbon dioxide ngăn ngừa các mảnh titan bị cháy

Vụ án hàng không vũ trụ :

Quá trình gia công lưỡi dao hợp kim titan TC4 của động cơ sử dụng phương pháp làm mát bằng nitơ lỏng + độ sâu cắt không đổi 0,8mm:

• Tuổi thọ của dụng cụ tăng từ 3 lên 22 dụng cụ
• Ứng suất nén dư bề mặt được tối ưu hóa từ -350MPa đến -850MPa

Gia công vật liệu phi kim loại: kiểm soát chính xác độ giòn và tách lớp

1. Nhựa kỹ thuật - thử nghiệm cuối cùng về độ nhạy nhiệt độ

Vật liệu điển hình : PEEK, nylon 66, PTFE

Những thách thức chính :

• Nhiệt độ chuyển thủy tinh (Tg) quyết định cửa sổ xử lý (chẳng hạn như Tg của PEEK = 143℃)
• Sự phục hồi đàn hồi dẫn đến sự co lại kích thước lỗ chân lông (sự co lại của nylon 66 có thể đạt tới 0,5%-0,8%)

Quy tắc xử lý :

• Kiểm soát nhiệt độ:
  • Nhiệt độ vùng cắt < Tg-20℃ (PEEK cần < 120℃)
  • Làm mát bằng khí nén với tản nhiệt
• Thiết kế công cụ:
  • Góc cào bằng không/góc cào âm làm giảm lực kéo vật liệu
  • Lưỡi cắt được đánh bóng giúp giảm nhiệt ma sát
• Chiến lược tham số:
  • Tốc độ cao (10000-24000 vòng/phút)
  • Tốc độ ăn dao thấp (0,02-0,1mm/răng)

Bằng chứng của ngành y tế :

Khi gia công đốt sống nhân tạo PEEK, sử dụng dao phay góc nghiêng -5° + làm mát cục bộ bằng nitơ lỏng:

• Độ ổn định kích thước được cải thiện từ ±0,1mm đến ±0,02mm
• Độ dày lớp tinh thể bề mặt <2μm

2. Vật liệu composite sợi carbon (CFRP) - ngăn ngừa và sửa chữa hiện tượng tách lớp

Đặc điểm cấu trúc :

• Chênh lệch cường độ dị hướng > 40%
• Độ bền cắt giữa các lớp chỉ là 30-50MPa

Khu vực xử lý bị hạn chế :

• Lực dọc > 100N gây ra sự tách lớp
• Sự mài mòn của dụng cụ gây ra hiện tượng kéo sợi (chiều cao gờ > 0,3mm)

Công nghệ tiên tiến :

• Công cụ đặc biệt:
  • Mũi khoan xoắn phủ kim cương (góc xoắn 35°-40°)
  • Thiết kế hình nón ngược (giảm đường kính 0,02-0,05mm trên 100mm)
• Các thông số xử lý:
  • Tốc độ 3000-6000 vòng/phút
  • Bước tiến 0,01-0,03mm/răng
• Theo dõi quy trình:
  • Cảm biến phát xạ âm thanh phát hiện tín hiệu tách lớp theo thời gian thực
  • Giảm tốc độ thích ứng 50% để tránh hư hỏng kéo dài

Trường hợp xe năng lượng mới :

Công nghệ khoan hỗ trợ rung siêu âm được sử dụng trong quá trình chế tạo hộp pin sợi carbon:

• Diện tích tách lớp tại lỗ thoát giảm từ 12mm² xuống 0,8mm²
• Khoảng thời gian thay thế dụng cụ được kéo dài đến 800 lỗ

3. Vật liệu gốm - kiểm soát vi mô gãy giòn

Vật liệu điển hình : nhôm oxit (Al₂O₃), silic cacbua (SiC)

Khó khăn trong quá trình xử lý :

• Độ dẻo dai gãy thấp (Al₂O₃ chỉ 3-4 MPa·m¹/²)
• Kích thước chip cạnh > 0,1mm bị loại bỏ

Chiến lược chính xác :

• Lựa chọn công cụ:
  • Đá mài kim cương (kích thước hạt 2000# trở lên)
  • Cắt bằng laser (làm nóng cục bộ đến 1200℃ làm mềm)
• Tối ưu hóa tham số:
  • Độ sâu cắt ≤ 0,005mm
  • Tốc độ nạp liệu 0,5-2mm/phút
• Kiểm soát môi trường:
  • Xưởng nhiệt độ không đổi (±0,5℃)
  • Hệ thống thu gom bụi áp suất âm (để tránh bột bắn ra ngoài)

Đột phá trong ngành công nghiệp bán dẫn :

Xử lý nền gốm nhôm nitride bằng laser femto giây + quy trình đánh bóng cơ học tổng hợp:

• Chiều rộng cạnh bị hỏng giảm từ 25μm xuống 3μm
• Độ nhám bề mặt Ra 0,01μm

Chiến lược xử lý vật liệu đặc biệt: giải quyết các vấn đề của ngành

Hợp kim chịu nhiệt độ cao - cuộc chiến kéo dài chống lại độ cứng cao

Vật liệu đại diện : Inconel 718, Hastelloy X

Đặc điểm xử lý :

• Tỷ lệ làm cứng > 200% (độ cứng sau khi cắt có thể đạt HRC50)
• Lực cắt cao gấp 2-3 lần thép thông thường

Chương trình nâng cao hiệu quả :

• Làm mát áp suất cao (áp suất ≥ 100 bar) xuyên qua vùng cắt
• Xử lý tham số thay đổi (điều chỉnh tốc độ ± 10% cho mỗi độ sâu cắt 0,5 mm)

Hợp kim magie - kiểm soát rủi ro vật liệu dễ cháy nổ

Quy định an toàn :

• Nhiệt độ vùng cắt phải <450°C (điểm bắt lửa khoảng 500°C)
• Sử dụng hệ thống thu gom bụi chống cháy chuyên dụng (nồng độ bụi <20g/m³)

Trường hợp thực tế: trí tuệ xử lý vật liệu liên ngành

Trường hợp 1 - Gia công kết cấu nhiều lớp titan-nhôm hàng không vũ trụ

Thử thách : Các bộ phận động cơ với các lớp hợp kim titan + hợp kim nhôm xen kẽ (0,8mm mỗi lớp)

Quá trình đổi mới :

• Chuyển đổi động của lớp phủ dụng cụ (TiAlN cho lớp titan, DLC cho lớp nhôm)
• Đo nhiệt độ trực tuyến bằng laser để điều chỉnh chiến lược làm mát theo thời gian thực

Kết quả :

• Tỷ lệ bong tróc giữa các lớp giảm từ 18% xuống 0,7%
• Hiệu suất xử lý tăng gấp 3 lần

Trường hợp 2 - Gia công lỗ siêu nhỏ bằng kính

Yêu cầu : Gia công lỗ xuyên Φ0,05mm trên kính dày 0,1mm

Giải pháp kỹ thuật :

• Khoan trước bằng laser Pico giây + khắc hóa học hỗ trợ siêu âm
• Bù trừ thời gian thực của từng lỗ bằng thiết bị đo địa hình 3D

Đột phá :

• Độ côn lỗ <1°
• Đường kính cạnh gãy <2μm

Tóm tắt và triển vọng: Cuộc cách mạng xử lý được thúc đẩy bởi khoa học vật liệu

Trong năm năm tới, việc tích hợp vật liệu và công nghệ chế biến sẽ đưa ra ba xu hướng chính:

1. Vật liệu thông minh : Điều chỉnh thông số xử lý thích ứng của hợp kim nhớ hình
2. Sản xuất ở cấp độ nguyên tử : Chùm ion hội tụ (FIB) để đạt được khuôn đúc cấu trúc nano
3. Xử lý xanh : Cắt không gây ô nhiễm vật liệu composite phân hủy sinh học

Phần kết luận :

Khi quan sát sự tương tác giữa lưỡi cắt và vật liệu dưới kính hiển vi, chúng ta không chỉ thấy sự bong tróc của kim loại hay sự biến dạng của nhựa, mà còn thấy được cuộc đối thoại sâu sắc giữa trí tuệ con người và bản chất của vật chất. Mỗi vòng quay của trục chính đều trả lời một câu hỏi muôn thuở: làm thế nào để biến giới hạn vật lý của vật liệu thành bàn đạp cho những đột phá công nghệ thay vì trở thành một xiềng xích.
Nhận báo giá ngay hoặc tìm hiểu thêm