Tìm hiểu các loại mũi khoan trong gia công cơ khí

Tìm hiểu mũi khoan cơ khí

Mũi khoan là dụng cụ cắt được ứng dụng nhiều trong gia công cơ khí. Mũi khoan được dùng để khoét lỗ trên bề mặt các chi tiết.

Mũi khoan thuộc dạng họ trục là một dụng cụ cắt được sử dụng để gia công tạo thành các lỗ hình trụ. Sử dụng trên các chi tiết khoan tạo thành lỗ hoặc khoan trong lỗ có sẵn. Hầu hết các lỗ đều có mặt cắt ngang hình tròn, nhưng cũng có một số loại mũi khoan đặc biệt tạo ra lỗ có tiết diện không tròn.

Các loại lỗ sau khi đúc, rèn hoặc đã được khoan sơ bộ từ trước. Khi khoan phần lõm sâu hình côn gọi là lỗ tâm. Khi khoan bạn có thể gia công lỗ thông hoặc không thông. Các lỗ khi khoan sẽ tùy theo yêu cầu của sản phẩm gia công cơ khí. Có thể thêm hoặc gia công thêm như doa, khoét, taro…Mũi khoan có nhiều kích thước và hình dạng khác nhau giúp tạo ra các lỗ có dạng hình trụ hoặc hình côn. Gia công khoan có thể tạo lỗ thông hoặc không thông tùy theo yêu cầu của sản phẩm.

Để tạo lỗ, các mũi khoan cần được lắp vào các máy khoan hoặc các máy gia công kết hợp khác. Một dụng cụ được gọi là đầu kẹp (hay mâm cặp) sẽ giúp giữ chặt phần chuôi của mũi khoan.

Cấu tạo chung của mũi khoan

Mũi khoan cơ bản bao gồm 2 phần chính là phần chuôi và phần làm việc.

1. Phần chuôi có chức năng chính là gá và cố định mũi khoan lên máy khoan. Các loại chuôi được sử dụng bao gồm hình trụ tròn, hình lục giác…với các hệ thống tháo nhanh khác nhau.
2. Phần làm việc đảm nhận nhiệm vụ cắt gọt, khoét lỗ trên vật liệu phôi, thường có một số đặc điểm hình học như sau:

• Rãnh xoắn trên mũi khoan giúp cấu thành nên các lưỡi cắt và giúp loại bỏ phoi, do đó thường được gọi là rãnh thoát phoi. Hình dạng và bước của rãnh xoắn ảnh hưởng đến tốc độ và khả năng thoát phoi, cũng như sẽ phù hợp với các loại vật liệu khác nhau, chẳng hạn như bảng minh họa các mũi khoan xoắn phía dưới.

Loại N: Áp dụng cho thép mềm, gang xám, thép không gỉ

Loại H: Cho vật liệu cứng và giòn, ví dụ cho thép cứng cao, vật liệu ép tấm

Loại W: Cho vật liệu mềm và dai, ví dụ như nhôm, hợp kim đồng, hợp kim kẽm.

• Góc đỉnh khoan được hình thành ở đầu mũi khoan, là góc ở giữa lưỡi cắt chính, được xác định bởi các ứng dụng khoan và vật liệu phôi. Góc đỉnh khoan lớn khiến mũi khoan dễ ăn lệch, do đó đường kính mũi khoan thường cũng lớn, được sử dụng chủ yếu với các vật liệu cứng có độ mài mòn cao. Góc đỉnh khoan nhỏ giúp việc định tâm tốt, nhưng lại làm tăng độ mài mòn của cạnh cắt, sử dụng với những vật liệu mềm hơn. Góc đỉnh khoan ảnh hưởng đến tốc độ tiến dao, độ vênh, hình dạng lỗ và độ mòn.
• Góc thoát được hình thành qua mài vạt phía sau của mặt thoát chính. Góc thoát lớn hơn sẽ giúp cắt mạnh hơn dưới cùng một áp lực so với góc thoát nhỏ hơn. Góc thoát phải đủ lớn để khi khoan với bước tiến dao lớn thì cũng vẫn cắt được dễ dàng. Tuy nhiên góc thoát cũng không được quá lớn vì như thế sẽ làm yếu cạnh cắt và có khuynh hướng làm rung mũi khoan, gây ra tiếng kêu lạch cạch trong quá trình khoan. Độ lớn của góc thoát cũng bị ảnh hưởng bởi góc đỉnh khoan và ứng dụng khoan.
• Chiều dài mũi khoan xác định độ sâu của một lỗ có thể khoan được, và nó cũng sẽ ảnh hưởng đến độ chính xác của lỗ sau khi khoan, cũng như xác định độ cứng cần thiết của vật liệu tạo mũi khoan. Các mũi khoan dài hơn có thể khoan được các lỗ sâu hơn, tuy nhiên các lỗ khoan sâu này cũng dễ bị lệch khỏi trục dự định. Các mũi khoan xoắn có sẵn các độ dài tiêu chuẩn, được gọi là Stub-length hoặc Screw-Machine-length (dòng ngắn), phổ biến nhất là Jobber-length (trung bình), và Taper-length hoặc Long-Series (dòng dài).

Hầu hết các mũi khoan được sử dụng phổ biến đều có trục thẳng, tuy nhiên trong công nghiệp nặng, các mũi khoan có trục thuôn nhọn (dạng côn) đôi khi được sử dụng.

Tỷ lệ đường kính trên chiều dài mũi khoan thường từ 1:1 đến 1:10. Cũng có những tỷ lệ cao hơn nhiều đáp ứng cho những ứng dụng khoan đặc biệt.

Vật liệu làm mũi khoan

Có nhiều loại vật liệu khác nhau được sử dụng để chế tạo mũi khoan, tùy thuộc vào yêu cầu của ứng dụng khoan. Phần lớn các mũi khoan có chất liệu là thép, ngoài ra thì còn một số vật liệu khác như dưới đây.

• Thép gió (HSS): còn được gọi là thép tốc độ cao, loại thép này được sử dụng phổ biến trong các mũi khoan thông thường, giúp mũi khoan có độ cứng cao và đáp ứng khoan trên những kim loại cứng lên đến 900N/mm2.
• Thép gió HSS-R: cũng tương tự như thép gió nhưng mũi khoan được chế tạo bằng quy trình cán nóng.
• Thép gió HSS-G: chất liệu thép gió này dùng chế tạo nên mũi khoan tiện bằng máy CNC.
• Hợp kim thép Coban: là các biến thể của thép gió chứa nhiều Coban hơn, thường thấy như HSSE-Co5 chứa 5% Coban, HSSE-Co8 chứa 8% Coban. Loại vật liệu này giúp mũi khoan có độ cứng cao hơn, chịu nhiệt tốt, được sử dụng để khoan thép không gỉ và nhiều vật liệu cứng khác lên tới 1100N/mm2. Nhược điểm chính của loại vật liệu này là giòn hơn thép gió tiêu chuẩn.
• Wolfram Carbide: còn được biết đến với cái tên khác là Tungsten Carbide, vật liệu này có độ cứng cực kỳ cao và có thể khoan hầu hết mọi loại vật liệu, đồng thời nó cũng chịu nhiệt tốt và giữ được độ sắc của cạnh cắt lâu hơn. Tuy nhiên do đắt và giòn hơn nhiều với thép, nên chúng chủ  yếu được sử dụng để chế tạo các đầu mũi khoan, các mảnh cắt nhỏ trong mũi khoan gắn mảnh. Với những mũi khoan có kích thước rất nhỏ, rất khó để lắp các đầu khoan, chẳng hạn như mũi khoan dùng trong các bảng mạch in thì toàn bộ thân mũi khoan có thể đều là chất liệu này.
• Kim cương đa tinh thể (PCD): là một trong những vật liệu cứng nhất trong các vật liệu chế tạo dụng cụ cắt gọt, do đó nó có khả năng chống mài mòn cực kỳ tốt. Vật liệu này bao gồm các hạt kim cương, thường dày 0.5mm được liên kết bằng một chất thiêu kết để tạo thành một khối có kich thước lớn hơn và sau đó được sử dụng để chế tạo mũi khoan. Loại mũi khoan PCD thường được dùng trong các ngành ô tô, hàng không vũ trụ và các ngành cơ khí chính xác khác để khoan các hợp kim nhôm mài mòn, nhựa gia cố bằng sợi cacbon và nhiều vật liệu mài mòn khác.

Lớp phủ của mũi khoan

Để tăng độ cứng, khả năng chịu nhiệt hay tăng khả năng chống ăn mòn, giúp tăng tuổi thọ và khả năng gia công cho mũi khoan, người ta thường phủ bên ngoài các mũi khoan một hoặc nhiều lớp phủ, thường là các loại lớp phủ dưới đây.

• Black oxide: lớp phủ màu đen này có giá rẻ, dùng trên những loại mũi khoan thông thường, mang đến khả năng chịu nhiệt và tạo độ trơn, cũng như chống ăn mòn cho mũi khoan, qua đó tăng tuổi thọ cho mũi khoan thép gió.
• Titanium nitride (TiN): là vật liệu ceramic rất cứng thường được sử dụng để phủ lên mũi khoan thép gió (thường là mũi khoan xoắn), giúp kéo dài tuổi thọ lưỡi cắt lên gấp ba lần hoặc hơn.
• Titanium carbon nitride (TiCN):  lớp phủ này giúp cải thiện khả năng chống ăn mòn, giảm ma sát cho mũi khoan, được đánh giá là tốt hơn TiN.
• Titanium aluminum nitride (TiAlN): có khả năng chống oxy hóa rất tốt, giảm nhiệt cho vật liệu, có thể kéo dài tuổi thọ dụng cụ từ năm lần trở lên, thích hợp cho việc khoan vật liệu cứng mà không cần làm mát.
• Kim cương và kim cương nhân tạo: lớp phủ này chống mài mòn cực tốt, đồng thời cũng giúp tăng độ cứng cho mũi khoan, tuy nhiên nhiệt sinh ra khi cắt khá lớn, do đó thường phải có nước làm mát trong quá trình gia công.
• Al-Chrome Silicon Nitride (AlCrSi/Ti)N: là lớp phủ đa lớp được sử dụng trên các mũi khoan trong việc khoan các vật liệu polyme gia cố bằng sợi carbon (CFRP) và CFRP-Ti, cũng như nhiều loại vật liệu khác. Lớp phủ (AlCrSi/Ti)N siêu cứng, tốt hơn nhiều các lớp phủ khác.
• BAM (Boron-Aluminum-Magnesium BAlMgB14): là lớp phủ ceramic siêu cứng được sử dụng trong khoan composite.

Thực tế, mỗi nhà sản xuất dụng cụ cắt gọt trong cơ khí lại nghiên cứu, sáng chế ra những loại lớp phủ khác nhau, điều này giúp cho các mũi khoan, cũng như các dụng cụ cắt gọt khác ngày càng có độ bền hơn, khả năng gia công ổn định và chính xác hơn. Phương pháp phủ cũng sẽ ảnh hưởng đến chất lượng của lớp phủ. Chẳng hạn hãng Achteck có những lớp phủ đặc trưng như AP30P1 đem lại tuổi thọ cho các mũi khoan gấp đôi những mũi khoan thông thường.

Các loại mũi khoan thường dùng trong gia công cơ khí

Trong ngành cơ khí có rất nhiều loại mũi khoan khác nhau, chúng thường được phân biệt bởi hình dạng, chức năng, công dụng, theo vật liệu chế tạo hoặc loại vật liệu cần gia công. Mỗi loại mũi khoan lại có những thông số kỹ thuật như chiều dài, đường kính, góc cắt… khác nhau. Cơ bản, mũi khoan sẽ được phân loại thành các loại như dưới đây.

Mũi khoan xoắn

Mũi khoan xoắn là loại mũi khoan phổ biến và được sử dụng nhiều nhất hiện nay. Hình dạng của mũi khoan xoắn được hình thành từ một điểm cắt ở đầu của một trục hình trụ với các rãnh xoắn xung quanh, các rãnh xoắn này có chức năng thoát phoi được sinh ra trong quá trình gia công khoan, đồng thời nó cũng tạo ra các mặt cắt phụ giúp cho bề mặt lỗ khoan được bóng mịn hơn.

Các mũi khoan xoắn thường có đường kính từ 0.002 đến 3.5 in (0.051 đến 88.900 mm) và có thể dài tới 25.5 in (650 mm).

Hình dạng hình học và độ sắc của các cạnh cắt là rất quan trọng ảnh hưởng đến hiệu suất của mũi khoan. Các mũi khoan xoắn có thể được mài lại để sử dụng trong nhiều lần hơn, với một máy mài công cụ đặc biệt, các mũi khoan sẽ được mài sắc lại các cạnh cắt hoặc mài định hình lại để tối ưu hóa mũi khoan để phù hợp với một loại vật liệu cụ thể.

Các nhà sản xuất có thể tạo ra nhiều phiên bản mũi khoan xoắn, thay đổi hình dạng hình học và vật liệu chế tạo, để phù hợp với các máy móc cụ thể và vật liệu phôi khác nhau. Cũng có những loại mũi khoan đa năng có thể khoan được đa dạng các loại vật liệu khác nhau. Do đó với mũi khoan xoắn, chúng ta lại có những loại mũi khoan có chức năng riêng như sau:

• Mũi khoan xoắn đa năng: Loại mũi khoan này được thiết kế với những tiêu chuẩn chung, phù hợp nhất với nhiều ứng dụng khoan khác nhau, đáp ứng khoan ổn định trên nhiều loại vật liệu và sử dụng được trên nhiều loại máy khoan.
• Mũi khoan thép không gỉ: Được sử dụng để khoan thép không gỉ (inox) hay những kim loại khó cắt khác.
• Mũi khoan kim loại màu: Dùng để khoan các kim loại màu như đồng, nhôm, hợp kim nhôm.
• Mũi khoan đỉnh phẳng: Đây là loại mũi khoan không có góc nhọn ở đỉnh mũi khoan, được dùng để khoan các lỗ mù có đáy phẳng hoặc khoan các tiết diện cong, tròn mà không cần định tâm trước.
• Mũi khoan dài: Là mũi khoan xoắn có độ dài hơn nhiều độ dài tiêu chuẩn, chúng được sử dụng để tạo các lỗ có độ sâu lớn. Các mũi khoan này cần được dùng trên những máy khoan tạo được độ đồng trục cao, và cũng cần phải bảo dưỡng liên tục.

Mũi khoan xoắn cũng có thể được thiết kế với lỗ làm mát xuyên tâm để tăng tuổi thọ cho lưỡi cắt và hạn chế ảnh hưởng của nhiệt độ lên phôi.

Mũi khoan gắn mảnh

Mũi khoan gắn mảnh được sử dụng chủ yếu trên các máy gia công CNC yêu cầu độ chính xác cao trên các chi tiết gia công. Đây là loại mũi khoan có giá thành cao nhất tính trên mỗi đường kính và chiều dài. Giống như các dao tiện và dao phay gắn mảnh, những mũi khoan loại này sử dụng các mảnh chip cắt có thể thay thế để làm mặt cắt. Thường có 2 mảnh cắt, một mảnh nằm phía trong tạo bán kính nhỏ từ tâm mũi khoan, mảnh còn lại nằm sát phía ngoài cạnh của mũi khoan để tạo bán kính ngoài, kết hợp với nhau tạo thành lỗ hoàn chỉnh.

Mũi khoan này có độ cứng và lớp phủ có khả năng chống mài mòn cao hơn nhiều so với các loại mũi khoan thông thường. Vì phần chuôi không bị  tiêu hao, cho nên hầu hết các mũi khoan gắn mảnh đều thường có các lỗ làm mát để kéo dài tuổi thọ cho dụng cụ khi sử dụng nhiều. Chúng cũng có nhiều hình dạng khác biệt, chẳng hạn như rãnh thoát phoi thẳng, xoắn ốc nhanh, đa luồng và nhiều dạng khác.

Thông thường các mũi khoan gắn mảnh được sử dụng trong các lỗ không sâu hơn 5 lần đường kính mũi khoan. Chúng có khả năng chịu tải dọc trục khá cao và cắt rất nhanh.

Mũi khoan có thể thay đổi đầu

Loại mũi khoan này có phần đầu của mũi khoan có thể tháo lắp được để thay đổi một đầu mũi khác với góc đỉnh, góc thoát, và dạng lưỡi cắt khác nhau, đáp ứng cho những ứng dụng khoan khác nhau. Đồng thời việc có thể thay đổi được đầu mũi khoan, giúp cho việc thay đổi mũi khoan được nhanh chóng mà không cần phải tháo mũi khoan ra khỏi máy, giảm thời gian chết, và đảm bảo gia công ổn định với mũi khoan luôn có lưỡi cắt sắc bén. Loại mũi khoan này cũng thường có lỗ làm mát xuyên tâm để tăng tuổi thọ cho lưỡi cắt.

Mũi khoan định tâm

Mũi khoan định tâm được sử dụng trong gia công kim loại để tạo lỗ nhỏ trước khi bắt đầu khoan với mũi khoan có kích thước lớn hơn, nhằm đảm bảo cho mũi khoan lớn không bị lệch khỏi vị trí chỉ định. Nó cũng được sử dụng để tạo vết lõm hình nón ở cuối phôi để lắp tâm máy tiện.

Mũi khoan bước

Mũi khoan bước còn được gọi với nhiều tên khác như mũi khoan tháp, mũi khoan tầng, mũi khoan nón. Với hai dạng bước là bước thẳng và bước xoắn.

Mũi khoan bước được sử dụng khoan lỗ trên các vật liệu kim loại hoặc nhựa dạng tấm. Với cấu tạo nhiều bước đường kính, mũi khoan bước cho phép khoan nhiều lỗ đường kính khác nhau một cách nhanh chóng, mà không cần phải tháo lắp nhiều mũi khoan với các đường kính khác nhau như thông thường.

Mũi khoan khoét lỗ

Mũi khoan khoét lỗ hay còn được gọi là mũi cưa lỗ, mũi lả lỗ, là loại mũi khoan có cấu tạo kiểu răng cưa trên miệng của một khối trụ rỗng, với một mũi khoan lấy tâm chính giữa, khi làm việc phần lưỡi cưa sẽ cắt một đường tròn để tạo thành lỗ. Loại mũi khoan này thường được dùng để cắt lỗ thường kính lớn trên vật liệu dạng tấm mỏng.

Phần đuôi của mũi khoan khoét lỗ có dạng trụ, có thể dùng cặp măng ranh 3 chấu để cặp chặt được, do đó có thể dùng được trên mọi loại máy có chức năng khoan. Mũi khoan khoét lỗ thông dụng có đường kính cắt từ  Ø14 đến Ø120mm, độ dầy cắt lớn nhất 25mm.

Mũi khoan răng cưa

Mũi khoan răng cưa có cấu tạo hình trụ với phần đầu mũi giống như mũi khoan xoắn nhưng phần thân xung quanh mũi khoan thì bao gồm các rãnh thẳng và nhiều răng nhỏ. Do có tác dụng vừa khoan lại vừa có thể cắt nên mũi khoan răng cưa được sử dụng để tạo hình trên một bề mặt dạng tấm của chi tiết, chủ yếu dùng trên các vật liệu nhôm, nhựa hoặc gỗ.

\

Như vậy, để chọn lựa mũi khoan cho phù hợp với vật liệu gia công, phù hợp với ứng dụng là việc vô cùng quan trọng nhằm mục đích tiết kiệm chi phí, đem lại hiệu quả khi gia công. Do đó, SPIT luôn hiểu và hỗ trợ khách hàng hết mình từ việc chọn lựa sản phẩm phù hợp đến kết quả sau khi chạy vật liệu.