Tiện thanh: Quy trình gia công chính xác để chế tạo thành phần thép

Định nghĩa và khái niệm cơ bản

Tiện thanh là một quá trình gia công trong đó một dụng cụ cắt loại bỏ vật liệu khỏi phôi hình trụ đang quay để tạo ra một bộ phận có các đặc điểm chủ yếu là hình trụ. Quá trình loại bỏ kim loại này là cơ bản đối với việc sản xuất các thành phần chính xác trong ngành công nghiệp thép, cho phép tạo ra các bộ phận có kích thước chính xác, bề mặt hoàn thiện nhẵn và các đặc điểm hình học phức tạp.

Tiện thanh là một trong những phương pháp sản xuất được sử dụng rộng rãi nhất trong gia công kim loại, đóng vai trò là nền tảng để sản xuất trục, chốt, bu lông và nhiều thành phần hình trụ khác cần thiết cho các ứng dụng công nghiệp. Trong lĩnh vực luyện kim rộng hơn, tiện thanh nằm ở giao điểm của khoa học vật liệu và công nghệ sản xuất, nơi khả năng gia công của thép ảnh hưởng trực tiếp đến hiệu quả sản xuất, tuổi thọ của dụng cụ và chất lượng thành phần cuối cùng.

Bản chất vật lý và cơ sở lý thuyết

Cơ chế vật lý

Ở cấp độ vi cấu trúc, tiện thanh liên quan đến biến dạng dẻo và cơ chế gãy khi dụng cụ cắt tiếp xúc với phôi thép. Quá trình này tạo ra một vùng cắt trước lưỡi cắt, tại đó xảy ra biến dạng cục bộ mạnh, khiến vật liệu chảy dẻo dọc theo mặt cắt trước khi tách ra thành phoi.

Quá trình biến dạng này chịu ảnh hưởng của cấu trúc tinh thể thép, với cấu trúc lập phương tâm khối (BCC) và lập phương tâm mặt (FCC) thể hiện phản ứng khác nhau với lực cắt. Chuyển động lệch vị trí trong mạng tinh thể, đặc biệt là ở ranh giới hạt, quyết định cách vật liệu chảy và tách ra trong quá trình tiện.

Mô hình lý thuyết

Mô hình lực vòng tròn của Merchant thể hiện khuôn khổ lý thuyết chính để hiểu cơ chế tiện thanh. Mô hình này, được Eugene Merchant phát triển vào những năm 1940, cung cấp phân tích cắt trực giao hai chiều liên quan đến lực cắt, hình dạng dụng cụ và đặc tính vật liệu.

Hiểu biết lịch sử về các quy trình tiện đã phát triển từ kiến ​​thức thực nghiệm tại xưởng thành phân tích khoa học bắt đầu từ nghiên cứu của Time vào cuối thế kỷ 19. Các phương pháp tiếp cận hiện đại bao gồm mô hình phần tử hữu hạn (FEM) có thể mô phỏng quy trình cắt ba chiều phức tạp, tính đến các hiệu ứng nhiệt và hành vi vật liệu dưới tốc độ biến dạng cao.

Các phương pháp tiếp cận lý thuyết thay thế bao gồm lý thuyết trường trượt cho biến dạng dẻo và mô hình vật liệu Johnson-Cook tính đến độ nhạy của tốc độ biến dạng và sự làm mềm nhiệt trong quá trình tiện tốc độ cao.

Cơ sở khoa học vật liệu

Hiệu suất tiện thanh liên quan trực tiếp đến cấu trúc tinh thể của thép, trong đó kích thước và hướng hạt ảnh hưởng đáng kể đến lực cắt và chất lượng hoàn thiện bề mặt. Thép hạt mịn thường tạo ra bề mặt hoàn thiện tốt hơn nhưng có thể làm tăng độ mài mòn của dụng cụ do độ cứng cao hơn.

Cấu trúc vi mô của thép—cho dù là ferritic, peclit, martensitic hay austenitic—ảnh hưởng đáng kể đến khả năng gia công của thép trong quá trình tiện. Ví dụ, thép cắt tự do có chứa các chất phụ gia như lưu huỳnh tạo thành tạp chất mangan sulfide, đóng vai trò là chất tập trung ứng suất để thúc đẩy quá trình bẻ phoi.

Nguyên lý khoa học vật liệu cơ bản về quá trình tôi cứng do biến dạng đóng vai trò quan trọng trong quá trình tiện thanh, vì biến dạng dẻo nghiêm trọng trước lưỡi cắt làm tăng độ cứng của vật liệu, có khả năng ảnh hưởng đến các lần cắt tiếp theo và tính toàn vẹn của bề mặt.

Biểu thức toán học và phương pháp tính toán

Công thức định nghĩa cơ bản

Tỷ lệ loại bỏ vật liệu (MRR) trong quá trình tiện thanh được xác định bởi:

$$MRR = \pi \times D \times f \times v_c$$

Ở đâu:
- $D$ là đường kính của chi tiết gia công (mm)
- $f$ là tốc độ tiến dao (mm/vòng)
- $v_c$ là tốc độ cắt (m/phút)

Công thức tính toán liên quan

Lực cắt khi quay có thể được ước tính bằng cách sử dụng:

$$F_c = k_c \times A_c$$

Ở đâu:
- $F_c$ là lực cắt (N)
- $k_c$ là lực cắt riêng (N/mm²)
- $A_c$ là diện tích mặt cắt ngang của chip (mm²), được tính như sau $A_c = f \times a_p$
- $a_p$ là độ sâu cắt (mm)

Độ nhám bề mặt có thể được dự đoán về mặt lý thuyết bằng cách:

$$R_a = \frac{f^2}{32 \lần r_\varepsilon}$$

Ở đâu:
- $R_a$ là độ nhám trung bình số học (μm)
- $f$ là tốc độ tiến dao (mm/vòng)
- $r_\varepsilon$ là bán kính mũi dụng cụ (mm)

Điều kiện và giới hạn áp dụng

Các công thức này giả định điều kiện cắt ổn định mà không có sự mài mòn hoặc rung động đáng kể của dụng cụ. Chúng chính xác nhất đối với các hoạt động tiện liên tục với các thiết lập cứng và vật liệu phôi đồng nhất.

Công thức độ nhám bề mặt bị giới hạn ở các điều kiện hình học lý tưởng và không tính đến dòng chảy vật liệu, hình thành cạnh tích tụ hoặc rung động của máy. Ở tốc độ nạp liệu rất thấp, độ nhám thực tế có thể lệch đáng kể so với dự đoán lý thuyết.

Các mô hình này giả định các điều kiện cắt trực giao và có thể cần phải sửa đổi cho các tình huống cắt xiên hoặc khi tiện các loại thép hợp kim khó gia công, trong đó hiệu ứng nhiệt trở nên chiếm ưu thế.

Phương pháp đo lường và đặc tính

Thông số kỹ thuật thử nghiệm tiêu chuẩn

ASTM E3 bao gồm các bước chuẩn bị tiêu chuẩn cho mẫu kim loại học, cần thiết để kiểm tra cấu trúc vi mô sau các hoạt động tiện.

ISO 3685 chỉ định thử nghiệm tuổi thọ dụng cụ cho các dụng cụ tiện một điểm, cung cấp các phương pháp chuẩn hóa để đánh giá hiệu suất của dụng cụ trong quá trình tiện thanh.

ASTM B946 nêu chi tiết các phương pháp xác định khả năng gia công của vật liệu, bao gồm các quy trình liên quan đến hoạt động tiện thanh.

ISO 4287/4288 chuẩn hóa các thông số và quy trình đo độ nhám bề mặt, rất quan trọng để đánh giá chất lượng bề mặt tiện.

Thiết bị và nguyên tắc thử nghiệm

Máy đo lực thường được sử dụng để đo lực cắt trong quá trình tiện, thường sử dụng cảm biến áp điện để phát hiện lực theo ba hướng vuông góc.

Máy kiểm tra độ nhám bề mặt sử dụng phương pháp đo độ nhám bằng kim cương, trong đó kim có đầu kim cương di chuyển qua bề mặt được tiện để tạo ra độ cao, sau đó được xử lý để tính toán các thông số độ nhám.

Thiết bị tiên tiến bao gồm camera tốc độ cao để phân tích quá trình hình thành phoi và hệ thống chụp ảnh nhiệt hồng ngoại để đo sự phân bố nhiệt độ trong vùng cắt.

Yêu cầu mẫu

Thanh thử nghiệm tiêu chuẩn để kiểm tra khả năng gia công thường có đường kính từ 25mm đến 100mm, với chiều dài đủ để đảm bảo điều kiện cắt ổn định (thường gấp 3-5 lần đường kính).

Yêu cầu chuẩn bị bề mặt bao gồm việc làm sạch bằng dung môi thích hợp để loại bỏ cặn chất làm mát và chất gây ô nhiễm trước khi đo mà không làm thay đổi đặc tính bề mặt tiện.

Các mẫu kim loại học cần được cắt cẩn thận vuông góc với bề mặt tiện, sau đó lắp, mài, đánh bóng và khắc để lộ cấu trúc vi mô bị ảnh hưởng.

Thông số thử nghiệm

Thử nghiệm tiêu chuẩn thường diễn ra ở nhiệt độ phòng (20-25°C) với độ ẩm được kiểm soát để đảm bảo kết quả nhất quán, mặc dù các thử nghiệm chuyên biệt có thể đánh giá hiệu suất ở nhiệt độ cao.

Tốc độ cắt để thử nghiệm nằm trong khoảng từ 60-300 m/phút đối với thép cacbon, với tốc độ chạy dao từ 0,05-0,5 mm/vòng và độ sâu cắt từ 0,5-5 mm, tùy thuộc vào mục tiêu thử nghiệm cụ thể.

Việc đo độ mòn của dụng cụ đòi hỏi phải kiểm tra định kỳ theo các khoảng thời gian được xác định trước, thường sử dụng kính hiển vi quang học để đo độ mòn của mặt bên theo tiêu chuẩn ISO 3685.

Xử lý dữ liệu

Dữ liệu lực thường được thu thập ở tốc độ lấy mẫu từ 1-10 kHz để nắm bắt hiện tượng cắt thoáng qua, đồng thời áp dụng bộ lọc kỹ thuật số để loại bỏ nhiễu tần số cao.

Phân tích thống kê bao gồm tính toán giá trị trung bình và độ lệch chuẩn cho nhiều phép đo, với việc phát hiện và loại bỏ giá trị ngoại lai dựa trên tiêu chí Chauvenet hoặc các phương pháp tương tự.

Các thông số độ nhám bề mặt (Ra, Rz, Rt) được tính toán từ dữ liệu cấu hình thô sau khi áp dụng bộ lọc Gaussian để tách độ gợn sóng khỏi độ nhám theo ISO 16610-21.

Phạm vi giá trị điển hình

Phân loại thép	Phạm vi tốc độ cắt điển hình (m/phút)	Phạm vi tốc độ nạp liệu (mm/vòng)	Tiêu chuẩn tham khảo
Thép cacbon thấp (1018, 1020)	90-250	0,1-0,5	Tiêu chuẩn ISO3685
Thép Cacbon Trung Bình (1045)	75-200	0,1-0,4	Tiêu chuẩn ISO3685
Thép hợp kim (4140, 4340)	60-150	0,08-0,3	Tiêu chuẩn ISO3685
Thép không gỉ (304, 316)	40-120	0,05-0,25	Tiêu chuẩn ISO3685

Sự khác biệt trong mỗi phân loại phần lớn phụ thuộc vào độ cứng và cấu trúc vi mô, trong đó điều kiện ủ cho phép tốc độ cắt cao hơn so với điều kiện chuẩn hóa hoặc tôi và ram.

Các giá trị này đóng vai trò là điểm khởi đầu cho việc lập kế hoạch quy trình, đòi hỏi phải điều chỉnh dựa trên độ cứng máy cụ thể, vật liệu dụng cụ và yêu cầu hoàn thiện bề mặt. Tốc độ cắt cao hơn thường làm tăng năng suất nhưng làm giảm tuổi thọ dụng cụ, đòi hỏi phải tối ưu hóa kinh tế.

Một xu hướng rõ ràng cho thấy khi hàm lượng hợp kim và độ cứng tăng lên, cả tốc độ cắt và tốc độ chạy dao đều phải giảm để duy trì tuổi thọ dụng cụ và chất lượng bề mặt chấp nhận được.

Phân tích ứng dụng kỹ thuật

Những cân nhắc về thiết kế

Các kỹ sư phải tính đến dung sai kích thước có thể đạt được thông qua quá trình tiện thanh, thường là IT7-IT9 đối với tiện thông thường và IT5-IT6 đối với tiện chính xác, khi chỉ định các kích thước quan trọng.

Hệ số an toàn cho các thành phần tiện thường nằm trong khoảng từ 1,5-2,5, tùy thuộc vào mức độ quan trọng của ứng dụng và điều kiện tải, với các hệ số cao hơn được áp dụng khi tính toàn vẹn bề mặt là yếu tố quan trọng đối với khả năng chống mỏi.

Quyết định lựa chọn vật liệu thường ưu tiên khả năng gia công cho sản xuất khối lượng lớn, đôi khi chấp nhận các đặc tính cơ học thấp hơn nếu có thể bù đắp thông qua các sửa đổi thiết kế.

Các lĩnh vực ứng dụng chính

Các bộ phận truyền động ô tô là lĩnh vực ứng dụng quan trọng, nơi các trục tiện, chốt và chốt buộc cần được kiểm soát kích thước chính xác và bề mặt hoàn thiện để đảm bảo chức năng và độ bền phù hợp.

Các ứng dụng hàng không vũ trụ đòi hỏi các linh kiện tiện có độ chính xác cao từ các hợp kim khó gia công, trong đó tính toàn vẹn bề mặt ảnh hưởng trực tiếp đến tuổi thọ chịu mỏi và độ tin cậy trong điều kiện vận hành khắc nghiệt.

Sản xuất cấy ghép y tế sử dụng phương pháp tiện thanh chính xác để tạo ra các thành phần từ thép không gỉ và hợp kim titan tương thích sinh học, trong đó bề mặt hoàn thiện ảnh hưởng trực tiếp đến khả năng tương thích sinh học và tích hợp xương.

Đánh đổi hiệu suất

Tốc độ sản xuất thường trái ngược với chất lượng bề mặt, vì tốc độ cắt và tốc độ tiến dao cao hơn sẽ làm tăng năng suất nhưng thường làm giảm độ hoàn thiện bề mặt và độ chính xác về kích thước.

Tuổi thọ của dụng cụ có mối quan hệ nghịch đảo với năng suất, đòi hỏi các kỹ sư phải cân bằng giữa lợi ích kinh tế của việc loại bỏ vật liệu nhanh hơn với chi phí dụng cụ tăng lên và thời gian chuyển đổi.

Các kỹ sư phải cân bằng giữa mong muốn về độ dung sai chặt chẽ với chi phí sản xuất, vì để đạt được độ chính xác cao hơn thường đòi hỏi nhiều lần gia công, dụng cụ chuyên dụng và máy công cụ cứng hơn.

Phân tích lỗi

Mẻ dụng cụ là một dạng hỏng hóc phổ biến trong quá trình tiện thanh, thường là do điều kiện đưa vào không phù hợp, cắt bị gián đoạn hoặc thông số cắt quá mức.

Sự mài mòn tiến triển xảy ra thông qua cơ chế mài mòn tại giao diện dụng cụ-phôi, tăng tốc khi nhiệt độ cắt tăng và cuối cùng dẫn đến kích thước không chính xác và bề mặt hoàn thiện kém.

Các chiến lược giảm thiểu bao gồm lựa chọn hình dạng và lớp phủ dụng cụ phù hợp, tối ưu hóa các thông số cắt và triển khai các chiến lược làm mát hiệu quả để kéo dài tuổi thọ dụng cụ và duy trì chất lượng bộ phận.

Các yếu tố ảnh hưởng và phương pháp kiểm soát

Ảnh hưởng của thành phần hóa học

Hàm lượng cacbon ảnh hưởng đáng kể đến khả năng gia công thép, trong đó thép cacbon trung bình (0,35-0,5% C) thường mang lại sự cân bằng tối ưu giữa độ bền và khả năng gia công cho các hoạt động tiện.

Lưu huỳnh, khi được thêm vào ở mức 0,08-0,33%, sẽ cải thiện đáng kể khả năng gia công bằng cách hình thành các tạp chất mangan sulfua có tác dụng như chất phá phoi bên trong và giảm ma sát tại giao diện giữa dụng cụ và phoi.

Việc bổ sung chì ở mức 0,15-0,35% vào thép dễ cắt tạo ra tác dụng bôi trơn trong quá trình tiện, giảm lực cắt và mài mòn dụng cụ đồng thời cải thiện chất lượng bề mặt hoàn thiện.

Ảnh hưởng của cấu trúc vi mô

Kích thước hạt mịn thường cải thiện chất lượng bề mặt hoàn thiện nhưng làm tăng lực cắt và độ mài mòn của dụng cụ do độ bền vật liệu cao hơn và giảm phân đoạn phoi.

Phân bố pha ảnh hưởng đáng kể đến khả năng gia công, trong đó cấu trúc vi mô ferritic-pearlitic thường có khả năng gia công tốt hơn cấu trúc martensitic do độ cứng thấp hơn và hình thành phoi thuận lợi hơn.

Các tạp chất cứng như nhôm oxit và titan nitrua làm tăng tốc độ mài mòn của dụng cụ thông qua cơ chế mài mòn, trong khi các tạp chất mềm như mangan sunfua cải thiện khả năng gia công bằng cách giảm ma sát và thúc đẩy quá trình phá vỡ phoi.

Xử lý ảnh hưởng

Điều kiện xử lý nhiệt ảnh hưởng đáng kể đến hiệu suất tiện, trong đó thép ủ mang lại khả năng gia công vượt trội so với thép thường hóa hoặc thép tôi và ram có cùng thành phần.

Làm nguội trước khi tiện thường làm giảm khả năng gia công do hiệu ứng tôi cứng do biến dạng, đòi hỏi phải điều chỉnh các thông số cắt và dụng cụ chống mài mòn hơn.

Tốc độ làm nguội trong quá trình đông đặc ảnh hưởng đến kích thước và sự phân bố tạp chất, trong đó làm nguội chậm hơn thường tạo ra tạp chất lớn hơn, có lợi hơn cho khả năng gia công trong thép dễ cắt.

Các yếu tố môi trường

Nhiệt độ cao làm giảm độ bền kéo của thép, có khả năng cải thiện khả năng gia công nhưng thường gây ra sự hình thành cạnh tích tụ làm giảm chất lượng bề mặt hoàn thiện.

Chất lỏng cắt ảnh hưởng đáng kể đến hiệu suất tiện bằng cách giảm ma sát, tản nhiệt và cải thiện khả năng thoát phoi, trong đó chất lỏng gốc dầu cung cấp khả năng bôi trơn tốt hơn và nhũ tương gốc nước cung cấp khả năng làm mát vượt trội.

Lưu trữ lâu dài trong môi trường ẩm ướt có thể tạo ra quá trình oxy hóa bề mặt làm tăng độ mài mòn của dụng cụ trong quá trình cắt ban đầu và ảnh hưởng đến độ chính xác của kích thước.

Phương pháp cải tiến

Việc bổ sung có kiểm soát các chất tăng cường khả năng gia công như lưu huỳnh, chì hoặc bismuth là một phương pháp luyện kim nhằm cải thiện hiệu suất tiện, mặc dù các quy định về môi trường ngày càng hạn chế việc sử dụng chì.

Các quy trình xử lý trước như ủ giảm ứng suất trước khi tiện có thể cải thiện độ ổn định về kích thước và giảm biến dạng, đặc biệt đối với các thành phần có dung sai chặt chẽ.

Việc tối ưu hóa hình dạng dụng cụ, đặc biệt là góc trước dương và bán kính mũi thích hợp, có thể cải thiện đáng kể độ hoàn thiện bề mặt và giảm lực cắt trong quá trình tiện.

Các điều khoản và tiêu chuẩn liên quan

Các thuật ngữ liên quan

Chỉ số khả năng gia công định lượng mức độ dễ gia công của vật liệu so với vật liệu tham chiếu (thường là thép B1112), cung cấp biện pháp so sánh hữu ích cho việc lập kế hoạch quy trình trong các hoạt động tiện thanh.

Cơ học hình thành phoi mô tả các quá trình biến dạng dẻo trong quá trình loại bỏ vật liệu, bao gồm các loại phoi liên tục, phân đoạn và không liên tục ảnh hưởng trực tiếp đến chất lượng bề mặt và tuổi thọ của dụng cụ.

Cạnh tích tụ (BUE) là vật liệu phôi bám vào dụng cụ cắt trong quá trình tiện, làm thay đổi hình dạng dụng cụ hiệu quả và thường làm giảm chất lượng bề mặt hoàn thiện.

Tiêu chuẩn chính

ISO 513 thiết lập hệ thống phân loại cho vật liệu và ứng dụng của dụng cụ cắt, cung cấp các ký hiệu chuẩn hóa quan trọng cho việc lựa chọn dụng cụ trong hoạt động tiện thanh.

ANSI/ASME B5.22 chỉ định các yêu cầu thiết kế cho các trung tâm tiện và máy tiện CNC, thiết lập tiêu chí hiệu suất cho các máy được sử dụng để tiện thanh chính xác.

DIN 6580 định nghĩa thuật ngữ cho các quy trình cắt bao gồm các hoạt động tiện, cung cấp các định nghĩa chuẩn hóa có đôi chút khác biệt so với các tiêu chuẩn ISO ở các chi tiết kỹ thuật cụ thể.

Xu hướng phát triển

Công nghệ làm lạnh bằng nitơ lỏng hoặc CO2 là một phương pháp mới nổi để tiện bền vững các loại thép khó gia công, có khả năng thay thế các chất lỏng cắt truyền thống.

Việc tích hợp cảm biến tiên tiến để theo dõi quá trình đang ngày càng được ưa chuộng, với các cảm biến phát xạ âm thanh và rung động cung cấp dữ liệu thời gian thực để phát hiện độ mòn của dụng cụ và tối ưu hóa các thông số cắt một cách thích ứng.

Công nghệ bản sao kỹ thuật số dự kiến ​​sẽ cách mạng hóa quá trình tối ưu hóa quy trình tiện bằng cách tạo ra các mô hình ảo có khả năng dự đoán kết quả gia công dựa trên đặc tính vật liệu, hình dạng dụng cụ và thông số cắt trước khi triển khai thực tế.