Kết cấu công cụ cắt gọt (CccG) hay dao cắt gỗ thường ở hai dạng: kim loại đúc nguyên khối hoặc có gắn riêng đầu cắt hợp kim cứng (Leitz 1992). Những công cụ này được chế tạo từ nhiều loại kim loại và hợp kim khác nhau. CccG để gia công gỗ tự nhiên thường sử dụng các kim loại truyền thống như thép (Steel) và thép gió (High Speed Steel - HSS). Đối với công cụ gia công gỗ ván nhân tạo mới, người ta sử dụng các loại hợp kim mới. Ví dụ, dao gia công ván dăm thường được chế tạo từ hợp kim Cacbua Vonfam (Cemented Tungsten Carbide – CTC hoặc HW), kim cương đa tinh thể (Polycrystalline Diamond – PCD hoặc PKD); dao gia công ván sàn nhân tạo làm bằng kim cương đơn tinh thể (Mono- Crystalline Diamond – MCD hoặc MKD), kim cương CVD (CVD Diamond); dao gia công ván gỗ ghép keo lại được làm từ vật liệu sợi Vonfam. Sự ra đời của các loại hợp kim mới này nhằm đáp ứng gia công vật liệu ván nhân tạo mới, duy trì lâu dài tuổi thọ công cụ (Leitz 2001). Đặc biệt, các loại hợp kim mới này có thể sử dụng cho nhiều phương thức gia công, chủng loại máy, đối tượng gia công khác nhau và đáp ứng được yêu cầu ngày càng cao về chất lượng bề mặt sản phẩm. Tuy vậy, mỗi vật liệu đều còn tồn tại nhiều nhược điểm riêng. Chúng tôi muốn đi sâu phân tích đặc tính cụ thể của từng loại vật liệu, giúp người sử dụng chọn loại dao phù hợp, khai thác có hiệu quả và nâng cao tuổi thọ của CccG.
1. Thép
Thép là hợp kim của sắt, với thành phần kết hợp chủ yếu là Các bon. Thép được phân loại theo hàm lượng Các bon có trong hợp kim.
Thép từ lâu đã được phổ biến sử dụng trong việc chế tạo công cụ cắt gọt. Trong quá trình chế tạo, thép dụng cụ thường được kết hợp với các thành phần như Crom (Cr), Molyden (Mo), Vonfam (W, Vanadi (V) và Coban (Co). Các thành phần hợp kim này có tác dụng làm tăng độ cứng, chống mài mòn, chống ăn mòn axit của thép. Thép có hàm lượng hợp kim lớn hơn 5% phù hợp cho gia công gỗ tự nhiên (Leitz 2001).
2. Thép gió (High Speed Steel - HSS)
Thép gió (HSS) là thép dụng cụ kết hợp với một số thành phần hoá học như Vonfam (W), Crom (Cr) và Vanadi (Va). HSS là thép chế tạo dụng cụ cắt gọt phổ biến nhất trong ngành chế biến gỗ. Theo thống kê, có đến 95% các máy bào có sử dụng dụng cụ cắt gọt được chế tạo từ HSS. Loại vật liệu này phù hợp với tất cả các phương thức gia công gỗ. Về mặt kỹ thuật, HSS có thể dùng cho dao cắt máy bào, phay, ở tốc độ cắt thấp từ 10m/phút cũng như ở tốc độ cắt cao tới 120m/phút. Dao cắt chế tạo từ HSS có thể gắn vào đầu trục cắt ít 2 lưỡi, cho tới đầu trục cắt nhiều 20 lưỡi (Wadkin 2002). Thép HSS phù hợp cho cả đầu trục cắt hình vuông cũng như trục dao đúc tròn.
Ưu điểm của loại vật liệu này là tạo ra được bề mặt sản phẩm chất lượng cao. Theo nhiều công trình nghiên cứu, dao cắt làm bằng thép HSS phù hợp để gia công hầu hết các loại gỗ cứng lá rộng (trừ red Iron Bark), mà không tạo ra bề mặt bị xơ, chất lượng thấp (Ashley and Thompson 1998). Nó còn phù hợp cho gia công ván MDF (Carruthers 1967). Tuy vậy, nhược điểm của HSS là mòn rất nhanh khi gia công gỗ cứng lá rộng có khối lượng riêng cao hoặc gỗ có chứa các khoáng thể như silic hay tro, như gỗ brush box. Với hàm lượng Silic dioxit có trong gỗ lớn hơn 0,5% khả năng gia công bằng dao HSS bị giảm nghiêm trọng (Rowell 1984). So với vật liệu Cácbua Vonfam (Cemented Tungsten Carbide - CTC), HSS có tốc độ mài mòn nhanh hơn rất nhiều lần (Torelli and Cufar 1996). Để khắc phụ nhược điểm này, lưỡi cắt dùng vật liệu HSS nên có góc mài trên 35 độ (Seabright 1995).
Căn cứ vào thành phần cấu tạo, HSS được phân thành nhiều loại khác nhau. Trong các loại HSS, hai loại M2 và T1 được sử dụng phổ biến nhất. M2 là loại HSS có chứa 6% Vonfam trong khi T1 có hàm lượng Vonfam là 18%. M2 rất phù hợp cho các quá trình gia công trên phay với lượng sản phẩm thấp, thường từ 1000 đến 1500 mét thẳng. M2 dễ mài bằng các máy mài định hình, phù hợp cho gia công cho gỗ lá kim và gỗ lá rộng mềm. Mài dao vật liệu T1 mất nhiều thời gian hơn. Tuy vậy, T1 phù hợp cho gia công nhiều loại gỗ có khối lượng riêng lớn, cũng như các loài gỗ làm cùn lưỡi cắt nhanh như, như gỗ thích (maple) hay sồi (oak). Lưỡi cắt T1 còn phù hợp cho quá trình gia công gỗ lá kim có nhiều mắt và kích thước mắt lớn (Edwards 1993).
3. Hợp kim Stalit (Stallite Alloys)
Hợp kim Stalit có khả năng chống mài mòn cao, được tạo ra bởi Crom và Cácbua vonfam cấy trên nền Coban. Loại này phù hợp cho gia công gỗ ướt, có axit tại các nhà máy xẻ, bào hay gia công các loại gỗ bạch dương (poplar), sồi (oak) hoặc meranti (Leitz 2001). Do Stalit cứng hơn HSS, nó được dùng để bào các loại gỗ có chứa thành phần Silic dioxit, gỗ cứng lá rộng và ván MDF (Feld 1994).
Tuy nhiên, Stalit lại không phù hợp với việc gia công gỗ cứng lá rộng (ví dụ vùng Queensland). Khi gia công gỗ cứng có khối lượng riêng cao này, áp lực lớn tác dụng lên dao có thể sẽ làm bong mũi kim loại cứng Cácbua Vonfam khỏi dao nền (Leitz 2001).
Chất lượng Stalit có thể khác nhau giữa các nhà sản xuất. Quá trình đúc Stalit tạo ra các vết nứt nhỏ trên bề mặt. Các vết nhỏ này chạy dọc theo hướng vuông góc với cạnh cắt. Trong quá trình gia công, nếu tác động qua lại giữa dao và gỗ xảy ra gần vết nứt, đầu lưỡi cắt có thể bị vỡ hoặc mẻ, ảnh hưởng không tốt đến quá trình cắt gọt. Để khắc phục vấn đề này, các nhà sản xuất tạo các đầu cắt từ nhiều lớp Stalit mỏng (Buckley and Hill 1991).
4. Cácbua Vonfam (Cemented Tungsten Carbide – CTC)
Cácbua Vonfam (Cemented Tungsten Carbide - CTC) được tạo bởi Cácbua Vonfam dạng sợi mảnh liên kết bằng Coban nhờ áp lực. Trong đó, Cácbua Vonfam có tác dụng tạo độ cứng kim loại còn lại, phần lớn là Coban, có vai trò là chất gắn kết. Độ cứng và khả năng chịu mài mòn của CTC thay đổi trong một khoảng rât rộng, nó phụ thuộc vào kích thước sợi và lượng chất gắn kết sử dụng. Sản phẩm Cácbua Vonfam với các tên khác nhau từ K01 (cứng nhất) đến K40 (mềm nhất), phù hợp đa dạng nhu cầu công việc. Nguyên tắc chung trong việc lựa chọn CTC là, để gia công các sản phẩm ván gỗ nhân tạo nên sử dụng CTC loại rất cứng (gần với K01). Ngược lại, đối với các loại gỗ tự nhiên có thể dùng CTC mềm hơn trong khoảng K30 đến K40. Ví dụ, tại vùng Tây úc, để gia công gỗ Jarrah, một loại gỗ phổ biến ở đây, người ta dùng CTC K40 (Leitz 1992).
Trong công nghiệp chế biến gỗ, do CTC có nhiều độ cứng khác nhau nên, lưỡi cắt này đang được sử dụng rất rộng, từ gia công gỗ mềm lá kim có nhiều mắt cho đến các loại ván nhân tạo từ gỗ (Leitz 2001). Bên cạnh đó, với đặc điểm độ cứng lớn, CTC đang được ưa chuộng để gia công ván gỗ nhân tạo, thường được gắn trên đầu răng cho nhiều loại cưa. Vật liệu CTC vẫn đang được cải tiến. Thành tựu mới nhất trong việc cải tiến vật liệu CTC là sợi Cácbua Vonfam cực mịn cùng tỷ lệ chất gắn kết thấp, có độ cứng và độ chịu mài mòn cao. So với các sản phẩm sử dụng các chất liệu trình bày ở trên, tuổi thọ sản phẩm sử dụng chất liệu này tăng từ 2 đến 6 lần khi gia công các loại ván MDF, ván dăm và ván sợi (Leitz 2001).
So với dao cắt được chế tạo từ CTC, các lưỡi dao được tạo ra từ HSS thường sắc hơn nhiều và có thể tạo ra sản phẩm có chất lượng cao hơn ở hầu hết các loại gỗ. Tuy nhiên, như đã đề cập ở phần trên, tốc độ cùn HSS nhanh hơn (tuổi thọ hoạt động ngắn hơn) so với CTC. Do vậy, lưỡi cắt CTC đang chiếm ưu thế và dần thay HSS trong công nghiệp chế biến gỗ (Edwards 1993).
CTC còn có nhiều ứng dụng trong việc chế tạo công cụ cắt cho gỗ cứng lá rộng, gỗ mềm lá kim hay ván nhân tạo có nguồn gốc từ gỗ (Leitz 2001). CTC và CTC siêu mịn thường được sử dụng để chế tạo “đầu gắn kim loại cứng” - lưỡi cắt tham gia trực tiếp vào quá trình cắt gọt. Những lưỡi cắt cực sắc và luôn tạo ra sản phẩm có bề mặt chất lượng cao (Wadkin 2002). CTC còn được dùng tạo ra một dòng sản phẩm gọi là “dao cắt ăn liền”, vừa dễ lắp ráp, sử dụng, thay thế, vừa tạo ra sản phẩm bề mặt chất lượng và tuổi thọ cao. Những loại dao cắt này phù hợp cho lĩnh vực gia công có yêu cầu “không linh hoạt”, không cần thay đổi dạng hình học bề mặt gia công, song cần bề mặt chất lượng cao, và giảm thiểu việc bảo dưỡng máy (Wadkin 2002). Về mặt kỹ thuật, CTC không sử dụng cho máy phay thông thường song rất phù hợp cho gia công ván nhân tạo như MDF (Wadkin 2002). Thậm chí có ý kiến cho rằng, để giảm hiện tượng “xơ thớ” trong gia công, tất cả các loại gỗ nên được gia công bằng CTC (Ashley and Thompson 1998).
So với các loại vật liệu khác như HSS và Stalit, CTC có độ cứng cao, có khả năng bền vững khi gia công gỗ có tính thể. Thí nghiệm của Ashley và Thompson cho thấy đầu cắt bằng CTC tiêu hao ít năng lượng hơn so với đầu cắt bằng thép gió khi một số loại gỗ. Tuy vậy, nguyên nhân của hiện tượng này hiện vẫn chưa được làm rõ (Ashley and Thompson 1998).
Cho dù được chấp nhận rộng rãi, CTC có một số nhược điểm như sau. Thứ nhất, CTC rất giòn, do đó dao cắt cần có góc mài lên đến 550 để đảm bảo độ bền vững (Carruthers 1967; Seabright 1995). Thứ hai, CTC đắt hơn HSS đến 5 lần và việc mài lại cũng rất tốn kém. Cũng may là đầu cắt CTC không phải mài lại nhiều như đầu cắt HSS. Thứ ba, đầu cắt CTC không chịu được tác động xung khi va chạm ngoại vật trong quá trình cắt. Vì thế, cần phải kiểm tra gỗ nhằm phát hiện ngoại vật như đá, đinh ghim kim loại trước khi gia công (Buckley and Hill 1991). Thứ tư, CTC khó mài phẳng và định hình hơn các vật liệu làm dao cắt khác. Vì lý do này, CTC không phù hợp cho gia công khối lượng ít (Wadkin 2002).
5. Kim cương đơn tinh thể (Mono-Crystal Diamond - MKD)
Kim cương đơn tinh thể cấu tạo bởi những phần tử kim cương tổng hợp rất nhỏ và là vật liệu cứng nhất trong các vật liệu làm dao cắt. Ưu điểm của MKD là có khả năng chống mài mòn cao nhất, tạo ra độ sắc và mịn cao nhất trong tất cả các loại dao cắt hiện nay. Tuy nhiên, chất liệu này lại rất giòn. Do đó, lưỡi cắt chế tạo bằng MKD phải có cạnh cắt rộng, góc mài lớn để tăng độ ổn định. MKD chỉ nên sử dụng trong việc gia công các vật liệu gây mài mòn cao như ván sàn nhân tạo, nhựa tấm hoặc kim loại mềm không chứa sắt (Leitz 2001).
6. Kim cương đa tinh thể (Poly-Crystalline Diamond - PCD hay PKD)
Kim cương đa tinh thể (PCD) được tạo ra từ các lớp mỏng tinh thể kim cương nhân tạo ghép trên nền Cácbua Vonfam dưới tác động của nhiệt độ và áp suất cao trong môi trường tinh khiết không chứa tạp chất. PCD là loại vật liệu có khả năng chống mài mòn rất cao, vì thế phù hợp cho gia công gỗ chứa tinh thể, ván gỗ nhân tạo như ván dăm, MDF, ván ghép thanh, nhựa tấm, kim loại nhẹ không chứa sắt, gỗ cứng lá rộng (Leitz 2001) hay cơ sở cần gia công gỗ với số lượng lớn (Feld 1994). Dụng cụ cắt PCD có thể duy trì độ sắc trong thời gian dài gấp 200 đến 300 lần so với dụng cụ cắt CTC. Do vậy, chi phí ngừng máy để thay thế dụng cụ sử dụng vật liệu PCD giảm đáng kể.
Tuy nhiên, dụng cụ làm bằng PCD khá đắt. Một đầu mũi cắt bào soi bằng PCD đắt gấp 10 lần đầu cắt cùng loại bằng CTC. Vì vậy, chi phí đầu tư vào nhà máy sản xuất dụng cụ cắt PCD cũng như chi phí thay thế khi hỏng hóc rất cao (Feld 1994). Tuy nhiên, tiến bộ trong lĩnh vực công nghệ gần đây đã góp phần giảm đáng kể giá thành chế tạo PCD (Wadkin 2002).
7. Kim cương phủ (Chemical Vapour Deposit) – Kim cương CVD (CVD Diamond)
Kim cương CVD là sản phẩm của một quá trình tạo lớp phủ - lắng đọng hơi hoá học (Chemical Vapour Deposition). Vật liệu này gồm rất nhiều lớp hạt kim cương nhỏ lắng tụ đan xen trên nền chất gắn kết. Hiện có hai loại kim cương CVD được sử dụng chế tạo đầu dao cắt. Một là CVD lắng dày, có kích thước lớp tới vài chục phần trăm millimet. Hai là lớp CVD lắng mỏng gồm các hạt có kích thước khoảng vài micron. Lớp phủ kim cương trên mũi cắt có khả năng chống mài mòn cao, có thể phủ trên dao có cấu tạo hình học phức tạp. Tuy vậy, đầu dao cắt có độ tù r với kích thước vài phần trăm milimet, tạo ra bởi lớp phủ, không phù hợp với quá trình gia công tinh hoàn thiện sản phẩm. Do vậy, việc sử dụng kim cương CVD trong công nghiệp chế biến gỗ vẫn đang còn rất hạn chế (Leitz 2001).
Tài liệu tham khảo:
Ashley, Philip N., and Richard J. H. Thompson. 1998. Furniture From Young, Plantation-Growth Eucalypts - Planing. Melbourne, Victoria, Australia: Holmesglen Institute of TAFE; CSIRO Forestry and Forest Products.
Buckley, S., and L. Hill. 1991. Forestry Report: Wood Machining Department at Ithaca College of TAFE.
Carruthers, J. F. S. 1967. The Machine Planing of Hardwoods. Princes Risborough, Aylesbury, Bucks, U.K.: Forest Products Research Laboratory.
Edwards, R. 1993. Cutting tools. London: Institute of Materials (Great Britain).
Feld, H. 1994. Cutting Material for Woodworking. Woodworking International 12 (2): 64-65.
Galimberti, James M., and Haldon J. Swinehart. 1968. Cutting Tool Material Selection. [1st] ed, Manufacturing Data Series. Dearborn, Mich.: American Society of Tool and Manufacturing Engineers.
Leitz 1992. Tooling for Woodworking. Germany: Verlag Moderne Industries AG & Co.
Leitz 2001. The Leitz Lexicon. Handbook for Woodworking Machine Tools. 3 ed: Leitz GmbH & Co. KG, Oberkochen.
Seabright, D. 1995. Angling for a Better Cut. Asian Timber June (6).
Torelli, N., and K. Cufar. 1996. Mexican Tropical Hardwoods: Machinability, Nailing and Screwing. Holz als Roh-und Werkstoff 54:69-71.
Wadkin. 2002. Training Manual: Wadkin North America.
