Gia công thép hợp kim cứng: chọn dụng cụ và thông số cắt

Thép hợp kim đã tôi cứng là bài toán khó nhất mà một mũi khoan hay cây taro phải đối mặt. Chọn sai vật liệu dao, sai lớp phủ hoặc chạy sai chế độ cắt là dao mòn nhanh, mẻ lưỡi hoặc gãy ngay trong lỗ. Bài viết này đi qua ba quyết định cốt lõi khi cầm một chi tiết thép hợp kim cứng: chọn vật liệu dao, chọn lớp phủ và đặt thông số cắt, kèm bảng tra để tham chiếu nhanh tại xưởng.

Thép hợp kim cứng khó ở chỗ nào

Các mác như SCM440, SKD11, SKD61 sau khi tôi cứng có độ cứng cao, độ bền lớn và thường chứa nhiều nguyên tố hợp kim như crôm, molypden. Chính những đặc điểm này làm việc gia công khó lên rõ rệt so với thép kết cấu thông thường.

• Lực cắt lớn: vật liệu cứng cần lực bóc phoi cao hơn, gây tải nặng lên lưỡi cắt.
• Sinh nhiệt cao: phần lớn công cắt biến thành nhiệt tập trung ở vùng lưỡi, đây là nguyên nhân chính làm dao xuống cấp.
• Mài mòn nhanh: các pha cứng trong tổ chức thép mài mòn lưỡi dao liên tục, nhất là ở thép làm khuôn.
• Dễ mẻ khi va đập: bề mặt cứng và không đều làm lưỡi dao chịu tải xung, dễ sứt nếu dao giòn hoặc kẹp không cứng vững.

Hiểu bốn yếu tố trên sẽ thấy logic của mọi lựa chọn phía sau: nâng cấp vật liệu dao để chịu tải, thêm lớp phủ để chịu nhiệt, và hạ thông số cắt để kiểm soát nhiệt cùng lực.

Bước 1 — Chọn vật liệu dao theo độ cứng HRC

Độ cứng của chi tiết, đo bằng thang HRC, là căn cứ đầu tiên để chọn vật liệu dao. Vật liệu dao càng cứng và chịu nhiệt tốt càng gia công được thép cứng, nhưng cũng giòn hơn nên đòi hỏi kẹp cứng vững.

• Dưới 30 HRC: thép hợp kim ở trạng thái ủ hoặc tôi cải thiện nhẹ. Dao HSS-E (thép gió chứa cobalt) vẫn làm tốt với chi phí hợp lý.
• 30–45 HRC: vùng chuyển tiếp. Nên dùng carbide phủ lớp chịu nhiệt; HSS-E chỉ dùng cho công việc nhẹ, số lỗ ít.
• Trên 45 HRC: thép tôi cứng thực sự. Gần như bắt buộc dùng carbide chuyên cho thép cứng, hệ thống kẹp cứng và tốc độ cắt thấp.

Ranh giới này không tuyệt đối. Chiều sâu cắt, độ ổn định của máy và số lượng chi tiết đều ảnh hưởng đến lựa chọn. Khi làm số lượng lớn, đầu tư dao carbide phủ tốt gần như luôn rẻ hơn tính trên mỗi chi tiết so với dao rẻ mòn nhanh.

Bước 2 — Chọn lớp phủ

Với thép hợp kim cứng, lớp phủ không phải phần tùy chọn mà là yếu tố quyết định tuổi thọ dao. Vì nhiệt là kẻ thù chính, lớp phủ chịu nhiệt được ưu tiên hàng đầu.

• TiAlN: lựa chọn số một cho thép cứng sinh nhiệt cao. Ở nhiệt độ làm việc, lớp phủ tạo màng oxit nhôm bảo vệ, giữ độ cứng ở nhiệt độ cao tốt hơn hẳn các lớp phủ khác.
• TiCN: chống mài mòn cơ học tốt, phù hợp thép độ cứng trung bình nơi mài mòn quan trọng hơn nhiệt.
• TiN: lớp phủ cơ bản, chỉ nên dùng cho vật liệu mềm; không đủ chịu nhiệt cho thép cứng.

Nguyên tắc chung: thép càng cứng và càng sinh nhiệt thì càng nghiêng về TiAlN. Chi tiết cách chọn lớp phủ theo từng vật liệu được trình bày kỹ ở bài viết liên quan bên dưới.

Bước 3 — Đặt thông số cắt

Ba thông số cần đặt là tốc độ cắt, bước tiến và chiều sâu cắt. Với thép cứng, quy luật xuyên suốt là hạ tốc độ cắt để kiểm soát nhiệt, giữ bước tiến ổn định để tránh dao chạm cứng rồi mẻ, và tưới nguội đầy đủ.

Tốc độ cắt Vc là điểm khởi đầu. So với thép kết cấu thông thường, Vc cho thép hợp kim cứng phải giảm mạnh, càng cứng càng giảm. Bước tiến giữ ở mức vừa phải: quá nhỏ làm dao cọ xát sinh nhiệt và mòn nhanh, quá lớn làm tải răng nặng dễ mẻ. Chiều sâu cắt nên chia nhỏ khi độ cứng cao để giảm tải.

Bảng tra thông số cắt tham khảo

Bảng dưới đây đưa ra dải thông số khởi đầu cho khoan và taro trên một số mác thép hợp kim thông dụng theo trạng thái nhiệt luyện. Đây là giá trị tham khảo để bắt đầu, cần tinh chỉnh theo máy, dao và điều kiện thực tế của từng xưởng.

Những lưu ý thực hành giúp giữ tuổi thọ dao

Ngoài chọn đúng dao và thông số, một số thói quen ở xưởng ảnh hưởng lớn đến kết quả khi làm thép cứng.

• Khoan mồi định vị: bề mặt cứng dễ làm mũi khoan trượt, nên tạo điểm mồi bằng mũi tâm hoặc mũi khoan mồi trước.
• Tưới nguội đủ và đúng chỗ: dung dịch cắt phải tới được vùng cắt để tản nhiệt và giảm ma sát, đặc biệt với lỗ sâu.
• Kẹp cứng vững: giảm rung là cách rẻ nhất để tránh mẻ dao carbide.
• Thoát phoi tốt: phoi kẹt trong lỗ làm tăng nhiệt và mô men, dễ gãy dao; rút dao thoát phoi khi khoan lỗ sâu.
• Thay dao đúng lúc: dao mòn làm lực cắt tăng, tiếp tục dùng dễ gãy và hỏng cả chi tiết đắt tiền.

Muốn đi sâu hơn vào từng khâu, người thợ có thể xem tiếp các bài về so sánh vật liệu dụng cụ, chọn lớp phủ và tra tốc độ cắt ở phần bài viết liên quan bên dưới.