Tiện: Quy trình loại bỏ kim loại chính xác trong sản xuất thép

Định nghĩa và khái niệm cơ bản

Tiện là một quá trình gia công trong đó dụng cụ cắt loại bỏ vật liệu khỏi phôi đang quay để tạo ra các bộ phận hình trụ có kích thước và bề mặt hoàn thiện cụ thể. Đây là một trong những hoạt động loại bỏ kim loại cơ bản nhất trong sản xuất, đặc biệt là trong ngành công nghiệp thép. Quá trình này bao gồm việc xoay phôi quanh trục của nó trong khi dụng cụ cắt một điểm di chuyển song song với trục quay, loại bỏ vật liệu để tạo ra hình dạng mong muốn.

Trong khoa học và kỹ thuật vật liệu, tiện là giao diện quan trọng giữa các đặc tính vật liệu và khả năng sản xuất. Quá trình này ảnh hưởng trực tiếp đến cấu trúc vi mô cuối cùng, tính toàn vẹn bề mặt và các đặc tính cơ học của các thành phần thép.

Trong lĩnh vực luyện kim rộng hơn, tiện chiếm một vị trí quan trọng vì nó chứng minh cách các đặc tính vật liệu lý thuyết chuyển thành các cân nhắc sản xuất thực tế. Khả năng gia công của thép—khả năng cắt hiệu quả—là một chỉ số hiệu suất chính mà các nhà luyện kim phải xem xét khi phát triển các thành phần thép mới.

Bản chất vật lý và cơ sở lý thuyết

Cơ chế vật lý

Ở cấp độ vi cấu trúc, tiện liên quan đến biến dạng dẻo và cơ chế gãy. Khi lưỡi cắt tiếp xúc với phôi thép, nó tạo ra ba vùng biến dạng: vùng cắt chính (nơi phoi hình thành), vùng biến dạng thứ cấp (tại giao diện dụng cụ-phoi) và vùng biến dạng thứ ba (giữa dụng cụ và bề mặt mới hình thành).

Quá trình cắt tạo ra nhiệt và ứng suất cục bộ đáng kể, gây ra những thay đổi về cấu trúc vi mô trong thép. Các sai lệch nhân lên và di chuyển dọc theo các mặt trượt, trong khi ranh giới hạt đóng vai trò là rào cản đối với chuyển động này. Phản ứng của thép đối với các lực này phụ thuộc vào cấu trúc tinh thể, kích thước hạt và thành phần pha của nó.

Cơ chế hình thành phoi thay đổi tùy theo loại thép—thép dẻo thường tạo ra phoi liên tục thông qua biến dạng dẻo, trong khi thép giòn tạo ra phoi phân đoạn hoặc không liên tục thông qua quá trình gãy.

Mô hình lý thuyết

Mô hình Merchant's Circle đại diện cho khuôn khổ lý thuyết chính để hiểu các hoạt động tiện. Được Eugene Merchant phát triển vào những năm 1940, mô hình cắt trực giao này liên quan đến lực cắt, hình dạng dụng cụ và đặc tính vật liệu.

Hiểu biết lịch sử phát triển từ quan sát thực nghiệm đến các mô hình phân tích. Những người thợ máy đầu tiên dựa vào kinh nghiệm, trong khi cách tiếp cận khoa học bắt đầu với các nghiên cứu về Thời gian và Chuyển động vào đầu thế kỷ 20, tiếp theo là các mô hình toán học vào giữa thế kỷ.

Các phương pháp tiếp cận hiện đại bao gồm phân tích phần tử hữu hạn (FEA) để dự đoán sự hình thành phoi và lực cắt, mô phỏng động lực học phân tử cho các tương tác ở quy mô nano và các mô hình vật liệu cấu thành kết hợp các hiệu ứng về ứng suất, tốc độ ứng suất và nhiệt độ.

Cơ sở khoa học vật liệu

Cấu trúc tinh thể của thép ảnh hưởng đáng kể đến khả năng gia công của nó. Cấu trúc lập phương tâm khối (BCC) trong thép ferritic thường gia công khác với cấu trúc lập phương tâm mặt (FCC) trong thép austenit do sự khác biệt trong hệ thống trượt và hành vi làm cứng.

Các ranh giới hạt đóng vai trò là vật cản đối với chuyển động lệch trong quá trình cắt, ảnh hưởng đến quá trình hình thành phoi. 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 bền cao hơn.

Các nguyên tắc cơ bản của quá trình tôi cứng do ứng suất, làm mềm nhiệt và chuyển pha đều đóng vai trò quan trọng trong quá trình tiện. Sự cân bằng giữa các cơ chế cạnh tranh này quyết định hình thái phoi, lực cắt 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 hoạt động tiện được định nghĩa như sau:

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

Ở đâu:
- $D$ là đường kính chi tiết gia công (mm)
- $f$ là tốc độ tiến dao (mm/vòng)
- $d$ là chiều sâu cắt (mm)

Công thức tính toán liên quan

Tốc độ cắt khi tiện được tính như sau:

$$v_c = \frac{\pi \times D \times N}{1000}$$

Ở đâu:
- $v_c$ là tốc độ cắt (m/phút)
- $D$ là đường kính chi tiết gia công (mm)
- $N$ là tốc độ trục chính (vòng/phút)

Thời gian gia công cho một hoạt động tiện có thể được tính như sau:

$$t_m = \frac{L}{f \times N}$$

Ở đâu:
- $t_m$ là thời gian gia công (phút)
- $L$ là chiều dài cắt (mm)
- $f$ là tốc độ tiến dao (mm/vòng)
- $N$ là tốc độ trục chính (vòng/phút)

Điều kiện và giới hạn áp dụng

Các công thức này giả định điều kiện cắt ổn định với các đặc tính vật liệu đồng nhất và hệ thống máy công cụ-phôi cứng. Chúng không tính đến sự tiến triển của mòn dụng cụ hoặc sự bất ổn động.

Các mô hình này thường có giá trị đối với các hoạt động tiện thông thường nhưng có thể cần phải sửa đổi đối với các ứng dụng gia công tốc độ cao hoặc tiện siêu nhỏ. Hiệu ứng nhiệt độ trở nên ngày càng đáng kể ở tốc độ cắt cao hơn.

Các phương trình này giả định các đặc tính vật liệu đồng nhất, có thể không đúng đối với các cấu trúc vi mô không đồng nhất hoặc vật liệu composite. Các yếu tố bổ sung phải được xem xét đối với các phôi không đồng nhất.

Phương pháp đo lường và đặc tính

Thông số kỹ thuật thử nghiệm tiêu chuẩn

ISO 3685: Kiểm tra tuổi thọ dụng cụ bằng dụng cụ tiện một điểm—thiết lập các quy trình chuẩn hóa để đánh giá hiệu suất dụng cụ trong quá trình tiện.

ASTM E384: Phương pháp thử tiêu chuẩn về độ cứng vi vết lõm của vật liệu—thường được sử dụng để đánh giá những thay đổi về độ cứng dưới bề mặt sau khi tiện.

ISO 4287/4288: Các thông số về kết cấu bề mặt và quy trình đánh giá—xác định phép đo và đặc tính của độ nhám bề mặt sau khi gia công.

Thiết bị và nguyên tắc thử nghiệm

Máy đo lực đo lực cắt trong quá trình tiện, thường sử dụng cảm biến áp điện để phát hiện lực theo ba hướng vuông góc. Các phép đo này giúp đánh giá khả năng gia công và xác thực các mô hình lý thuyết.

Máy đo độ nhám bề mặt định lượng các thông số độ nhám bề mặt bằng phương pháp tiếp xúc (bút stylus) hoặc không tiếp xúc (quang học). Các thiết bị theo dõi địa hình bề mặt để tính toán các thông số như Ra (độ nhám trung bình số học) và Rz (chiều cao tối đa).

Thiết bị tiên tiến bao gồm camera nhiệt tốc độ cao để phân tích phân bố nhiệt độ, cảm biến phát xạ âm thanh để theo dõi tình trạng công cụ và kính hiển vi điện tử quét để kiểm tra cấu trúc vi mô.

Yêu cầu mẫu

Mẫu thử nghiệm tiện tiêu chuẩn thường là các thanh hình trụ có đường kính từ 25-100mm và chiều dài phù hợp với giao thức thử nghiệm cụ thể. Đường kính lớn hơn cung cấp điều kiện cắt ổn định hơn nhưng tiêu thụ nhiều vật liệu hơn.

Chuẩn bị bề mặt trước khi thử nghiệm thường đòi hỏi phải gia công trước một cách nhất quán để đảm bảo điều kiện bắt đầu đồng nhất. Bất kỳ lớp cặn, lớp khử cacbon hoặc khuyết tật bề mặt nào cũng phải được loại bỏ.

Mẫu vật phải có độ cứng và cấu trúc vi mô đồng đều trong toàn bộ thể tích thử nghiệm. Thông thường, cần có chứng nhận vật liệu ghi lại thành phần hóa học và tính chất cơ học.

Thông số thử nghiệm

Kiểm tra tiêu chuẩn thường diễn ra ở nhiệt độ phòng (20-25°C) trừ khi đánh giá cụ thể hiệu suất ở nhiệt độ cao. Kiểm soát môi trường có thể cần thiết để đo chính xác.

Tốc độ cắt thay đổi tùy theo vật liệu nhưng thường dao động từ 30-300 m/phút đối với thép cacbon và thép hợp kim. Tốc độ nạp liệu thường dao động từ 0,05-0,5 mm/vòng, với độ sâu cắt từ 0,5-5mm.

Phương pháp và thành phần ứng dụng chất lỏng cắt phải được chỉ định và kiểm soát, vì chúng ảnh hưởng đáng kể đến kết quả. Các thử nghiệm cắt khô loại bỏ biến số này nhưng có thể không đại diện cho thông lệ công nghiệp.

Xử lý dữ liệu

Thu thập dữ liệu chính bao gồm các phép đo lực, số liệu nhiệt độ, phép đo kích thước và giá trị độ nhám bề mặt. Các hệ thống hiện đại thường sử dụng phương pháp thu thập dữ liệu kỹ thuật số với tốc độ lấy mẫu phù hợp với hiện tượng đang được nghiên cứu.

Các phương pháp thống kê bao gồm tính toán giá trị trung bình và độ lệch chuẩn trên nhiều lần lặp lại thử nghiệm. Phân tích ngoại lệ có thể được thực hiện để xác định và có khả năng loại trừ các kết quả bất thường.

Giá trị cuối cùng thường bao gồm tuổi thọ dụng cụ (phút hoặc thể tích bị loại bỏ), các thông số độ nhám bề mặt (Ra, Rz) và năng lượng cắt cụ thể (năng lượng trên một đơn vị thể tích bị loại bỏ). Những thông số này được tính toán từ các phép đo thô theo các quy trình chuẩn hóa.

Phạm vi giá trị điển hình

Phân loại thép	Phạm vi tốc độ cắt điển hình (m/phút)	Tốc độ nạp liệu được khuyến nghị (mm/vòng)	Tiêu chuẩn tham khảo
Thép cacbon thấp (1018, 1020)	90-150	0,1-0,5	Tiêu chuẩn ISO3685
Thép Cacbon Trung Bình (1045)	60-120	0,1-0,4	Tiêu chuẩn ISO3685
Thép hợp kim (4140, 4340)	40-100	0,08-0,3	Tiêu chuẩn ISO3685
Thép không gỉ (304, 316)	30-80	0,05-0,25	Tiêu chuẩn ISO3685

Sự khác biệt trong mỗi phân loại chủ yếu là do sự khác biệt về độ cứng, cấu trúc vi mô và các nguyên tố hợp kim cụ thể. Điều kiện xử lý nhiệt ảnh hưởng đáng kể đến khả năng gia công, với trạng thái ủ thường dễ gia công hơn trạng thái tôi và ram.

Các giá trị này đóng vai trò là điểm khởi đầu cho quá trình phát triển chứ không phải là các quy tắc tuyệt đối. Các thông số thực tế phải được điều chỉnh dựa trên khả năng thiết bị cụ thể, vật liệu dụng cụ và yêu cầu hoàn thiện bề mặt.

Hàm lượng cacbon và hợp kim cao hơn thường làm giảm tốc độ cắt được khuyến nghị do độ cứng tăng lên và xu hướng làm cứng khi gia công. Các chất phụ gia gia công tự do như lưu huỳnh và chì có thể cải thiện đáng kể khả năng gia công trong mỗi phân loại.

Phân tích ứng dụng kỹ thuật

Những cân nhắc về thiết kế

Kỹ sư phải tính đến khả năng gia công khi chỉ định vật liệu và dung sai. Thép khó gia công có thể cần thời gian xử lý lâu hơn hoặc thay đổi công cụ thường xuyên hơn, làm tăng chi phí sản xuất.

Hệ số an toàn cho các thông số gia công thường nằm trong khoảng từ 1,2-2,0, với các giá trị cao hơn được sử dụng cho các thành phần quan trọng hoặc khi các đặc tính vật liệu cho thấy sự thay đổi đáng kể. Các thông số bảo thủ thường được chọn cho các lần sản xuất ban đầu.

Quyết định lựa chọn vật liệu thường cân bằng các đặc tính cơ học với khả năng gia công. Trong một số trường hợp, thép có độ bền thấp hơn một chút nhưng có khả năng gia công vượt trội có thể tiết kiệm hơn so với thép có độ bền cao hơn nhưng đòi hỏi thời gian gia công dài.

Các lĩnh vực ứng dụng chính

Sản xuất linh kiện ô tô là một lĩnh vực ứng dụng quan trọng, nơi các hoạt động tiện tạo ra trục khuỷu, trục và các thành phần truyền động. Các ứng dụng này đòi hỏi tốc độ loại bỏ vật liệu cao trong khi vẫn duy trì dung sai chặt chẽ và yêu cầu về độ hoàn thiện bề mặt.

Ngành năng lượng yêu cầu các thành phần tiện cho tua bin, máy phát điện và thiết bị khoan. Các ứng dụng này thường liên quan đến thép hợp kim khó gia công và phải đáp ứng các yêu cầu chất lượng nghiêm ngặt cho các ứng dụng quan trọng về an toàn.

Sản xuất dụng cụ chính xác đòi hỏi các hoạt động tiện tinh xảo với khả năng kiểm soát kích thước và bề mặt hoàn thiện tuyệt vời. Ví dụ bao gồm thiết bị y tế, dụng cụ khoa học và các thành phần cơ khí có độ chính xác cao.

Đánh đổi hiệu suất

Khả năng gia công thường trái ngược với khả năng chống mài mòn—thép được chế tạo để có khả năng chống mài mòn cao thường chứa các cacbua cứng làm tăng tốc độ mài mòn của dụng cụ trong quá trình tiện. Các kỹ sư phải cân bằng tuổi thọ của linh kiện với chi phí sản xuất.

Yêu cầu về độ hoàn thiện bề mặt có thể xung đột với mục tiêu năng suất. Để đạt được độ hoàn thiện bề mặt tốt thường đòi hỏi tốc độ cắt chậm hơn, tốc độ nạp liệu nhỏ hơn và nhiều lần cắt hơn, làm giảm tốc độ sản xuất và tăng chi phí.

Các kỹ sư cân bằng các yêu cầu cạnh tranh này thông qua quá trình tối ưu hóa cẩn thận, lựa chọn công cụ và đôi khi bằng cách chỉ định các vật liệu khác nhau cho các phần khác nhau của các thành phần phức tạp.

Phân tích lỗi

Hỏng dụng cụ là một vấn đề thường gặp trong các hoạt động tiện. Mòn dần dẫn đến kích thước không chính xác và bề mặt hoàn thiện kém, trong khi hỏng hóc nghiêm trọng có thể làm hỏng phôi và gây ra nguy cơ mất an toàn.

Cơ chế hỏng hóc bao gồm sự mài mòn từ các hạt cứng trong thép, sự mài mòn do bám dính từ vật liệu tích tụ trên dụng cụ, sự mài mòn khuếch tán ở nhiệt độ cao và sự gãy cơ học do lực hoặc rung động quá mức.

Các chiến lược giảm thiểu bao gồm lựa chọn vật liệu dụng cụ phù hợp, tối ưu hóa các thông số cắt, chiến lược làm mát hiệu quả và hệ thống giám sát tình trạng dụng cụ có thể dự đoán hỏng hóc trước khi nó xảy ra.

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—thép cacbon trung bình (0,35-0,5% C) thường mang lại sự cân bằng tốt giữa độ bền và khả năng gia công. Hàm lượng cacbon cao hơn làm tăng độ cứng và độ mài mòn của dụng cụ.

Lưu huỳnh cải thiện khả năng gia công bằng cách tạo ra các tạp chất mangan sulfua đóng vai trò như chất phá phoi và chất bôi trơn. Thép gia công tự do hiện đại chứa 0,1-0,3% S, cải thiện đáng kể năng suất.

Các phương pháp tối ưu hóa thành phần bao gồm việc bổ sung chì có kiểm soát (trong các ứng dụng không bị hạn chế), tellurium hoặc bismuth để cải thiện khả năng phá vỡ phoi mà không làm giảm đáng kể các đặc tính cơ học.

Ảnh hưởng của cấu trúc vi mô

Kích thước hạt mịn hơn thường cải thiện độ hoàn thiện bề mặt nhưng có thể làm tăng lực cắt và độ mòn của dụng cụ. Kích thước hạt tối ưu cân bằng khả năng gia công so với các yêu cầu về tính chất cơ học.

Phân bố pha ảnh hưởng đáng kể đến hiệu suất tiện—các cấu trúc vi mô ferritic-pearlitic thường gia công tốt hơn các cấu trúc martensitic. Tỷ lệ thể tích và hình thái của các pha cứng như carbide ảnh hưởng trực tiếp đến tuổi thọ của dụng cụ.

Các tạp chất và khuyết tật có thể gây ra sự hình thành phoi không thể đoán trước và làm tăng tốc độ mài mòn dụng cụ. Các tạp chất không phải kim loại có thể cải thiện khả năng gia công (nếu mềm, như MnS) hoặc làm giảm nghiêm trọng khả năng gia công (nếu cứng, như nhôm oxit).

Xử lý ảnh hưởng

Xử lý nhiệt ảnh hưởng đáng kể đến khả năng gia công—thép ủ dễ gia công hơn thép tôi và thép ram có cùng thành phần. Xử lý giảm ứng suất có thể cải thiện độ ổn định về kích thước trong quá trình gia công.

Làm nguội thường làm giảm khả năng gia công bằng cách tăng độ cứng và xu hướng làm cứng khi gia công. Các sản phẩm cán nóng thường gia công tốt hơn các sản phẩm tương đương làm nguội.

Tốc độ làm nguội trong quá trình sản xuất thép ảnh hưởng đến kích thước và sự phân bố cacbua, tác động trực tiếp đến khả năng gia công. Làm nguội có kiểm soát có thể tối ưu hóa cấu trúc vi mô cho cả tính chất cơ học và hiệu suất gia công.

Các yếu tố môi trường

Nhiệt độ cao làm giảm độ bền của thép nhưng có thể làm tăng độ dẻo và xu hướng làm cứng, làm phức tạp quá trình cắt. Gia công ở nhiệt độ cao có thể yêu cầu dụng cụ chuyên dụng.

Môi trường ăn mòn có thể làm hỏng cả vật liệu phôi và dụng cụ. Chất lỏng cắt phải được lựa chọn để ngăn ngừa tương tác hóa học với các loại thép cụ thể.

Các hiệu ứng phụ thuộc thời gian bao gồm làm cứng khi cắt bị ngắt quãng và làm mềm nhiệt trong quá trình hoạt động liên tục. Các cơ chế cạnh tranh này có thể gây ra các kiểu mòn dụng cụ không thể đoán trước trong các hoạt động tiện phức tạp.

Phương pháp cải tiến

Những cải tiến về luyện kim bao gồm xử lý canxi để thay đổi hình dạng tạp chất, bổ sung lưu huỳnh có kiểm soát để tạo ra các loại thép có thể gia công tự do và các phương pháp hợp kim vi mô cân bằng khả năng gia công với các tính chất cơ học.

Các phương pháp xử lý bao gồm xử lý nhiệt chuyên biệt để đạt được cấu trúc vi mô tối ưu, làm mát có kiểm soát để quản lý ứng suất dư và xử lý bề mặt để cải thiện tính nhất quán.

Những cân nhắc về thiết kế giúp tối ưu hóa hiệu suất tiện bao gồm chỉ định dung sai thích hợp, kết hợp các tính năng hỗ trợ thoát phoi và thiết kế các thành phần để giảm thiểu các thao tác tiện khó.

Các điều khoản và tiêu chuẩn liên quan

Các thuật ngữ liên quan

Khả năng gia công đề cập đến mức độ dễ dàng mà vật liệu có thể được gia công thành bề mặt hoàn thiện có thể chấp nhận được. Đối với thép, khả năng này bao gồm đặc điểm hình thành phoi, kỳ vọng về tuổi thọ của dụng cụ và tiềm năng về chất lượng bề mặt.

Quá trình hình thành phoi mô tả quá trình vật liệu được loại bỏ trong quá trình tiện. Phân loại bao gồm phoi liên tục, phoi phân đoạn và phoi không liên tục, mỗi loại liên quan đến các đặc tính vật liệu và điều kiện cắt khác nhau.

Tính toàn vẹn bề mặt bao gồm toàn bộ tình trạng của bề mặt gia công, bao gồm độ nhám, trạng thái ứng suất dư, những thay đổi về cấu trúc vi mô và những thay đổi về tính chất cơ học do quá trình tiện gây ra.

Các thuật ngữ này có mối quan hệ với nhau—khả năng gia công ảnh hưởng đến sự hình thành phoi, ảnh hưởng đến tính toàn vẹn của bề mặt. Cả ba khái niệm này phải được xem xét khi đánh giá hiệu suất tiện.

Tiêu chuẩn chính

ISO 513 thiết lập phân loại vật liệu dụng cụ cắt cho các hoạt động loại bỏ kim loại, bao gồm tiện. Tiêu chuẩn này xác định phạm vi ứng dụng cho các vật liệu dụng cụ khác nhau dựa trên đặc tính của phôi.

ANSI/ASME B94.55M bao gồm hệ thống ký hiệu cho các dụng cụ tiện một điểm, thiết lập thuật ngữ chuẩn hóa cho hình dạng và tính năng của dụng cụ.

Các tiêu chuẩn khu vực như JIS B0031 (Nhật Bản) và DIN 6581 (Đức) cung cấp các phương pháp tiếp cận thay thế để xác định hình dạng công cụ và đánh giá hiệu suất, đôi khi có các hướng dẫn cụ thể hơn cho các ngành công nghiệp cụ thể.

Xu hướng phát triển

Nghiên cứu hiện tại tập trung vào mô hình dự đoán các hoạt động tiện bằng cách sử dụng trí tuệ nhân tạo và các phương pháp học máy. Các mô hình này nhằm mục đích tối ưu hóa các thông số theo thời gian thực dựa trên phản hồi của cảm biến.

Các công nghệ mới nổi bao gồm hệ thống làm mát bằng nhiệt độ thấp giúp cải thiện tuổi thọ của dụng cụ khi tiện các loại thép khó và tiện hỗ trợ siêu âm giúp giảm lực cắt đối với vật liệu cứng.

Các phát triển trong tương lai có thể bao gồm các hệ thống điều khiển vòng kín tự động điều chỉnh các thông số tiện dựa trên việc theo dõi thời gian thực tình trạng dụng cụ, đặc tính phôi và số liệu chất lượng bề mặt. Tích hợp với công nghệ bản sao kỹ thuật số sẽ cho phép mô phỏng và tối ưu hóa quy trình chính xác hơn.