نمایندگی انحصاری شرکت لامینا سوئیس در ایران

مقالات

برای اینكه بتوان فلزات مختلف را به طور ساده تراشید، لازم است كه از ابزارهای برشی مناسبی استفاده كرد تا بتوانیم در عملیات ماشین‌كاری، درست عمل كنیم؛ یعنی با انتخاب درست جنس قطعة كار و جنس ابزارهای براده‌برداری، عمر ابزار خود را افزایش بدهیم و نیزكیفیت كار خود را بالا ببریم. در این مقاله سعی شده است در دیدی كلی، انواع ابزارهای برشی را معرفی كرده و معایب و محاسن آنها را در مقایسه با هم بیان كنیم.

انواع ابزارهایبرشی:

عمر ابزارهای برشی به عوامل گوناگونی بستگی دارد. یكی از این عوامل، جنس خود ابزار است. انواع ابزارهای برشی عبارتند از:

1- فولادهایتندبْر HSS

2- آلیاژهای ریختنی كبالت؛

3- كاربایدها؛

4- سرامیك‌ها وسرمتها؛

5- CBN

6- الماس‌ها.

در هنگام انتخاب ابزار برش مناسب برای یك سری عملیات، می‌بایست به وسیلة مقایسه مشخصات فلز، آن ابزار برش را انتخاب كرد. این مشخصات شامل توجه به نكات زیر است:

• سختی

• مقاومت

• كارایی در درجه حررات بالا

• محكمی

• مقاومت در مقابل اثرات شیمیایی

• مقاومت در مقابل سائیدگی

• قابلیت انتقال حرارت

• ضریب اصطكاك

آخرین عامل،یعنی هزینة تولید باید طوری در نظر گرفته شود كه قطعه دارای خواص فیزیكی لازم باشدو كمترین هزینه تولید هر قطعه را شامل گردد.

1- فولادهای تندبُر

فولادهای تندبر(HighSpeed Steel)

اصولاً برای برش«رنده‌های تراش» به كار می‌روند و علاوه بر كربن، ممكن است شامل عناصر دیگری ازقبیل تنگستن، مولیبدن، كروم، وانادیوم و كبالت باشند.

كربن برای حفظسختی در درجه حرارت بالا، وانادیم موجب افزایش استحكام و مقاومت به سایش و كرومنیز به عنوان عامل بهبود چقرمگی (Toughness) و مقاومت در مقابل سایش عمل می‌كند.

این نوع فولادهابر اساس مواد آلیاژی اصلیشان به چهار گروه تقسیم‌بندی شده‌اند:

1-مولیبدن 2- مولیبدن كبالت

3- تنگستن 4- تنگستن كبالت

اما چرا این نامرا بر این ابزار نهاده‌اند؟

High SpeedSteel ® HSS

برای پاسخ دادنبه این سؤال، بهتر است با یكی دیگر از ابزارهای برشی و براده‌برداری با نام«فولادهای كربنی و آلیاژی» آشنا شویم.

كاربرد این نوع فولادها، كه زمانی (حدود یك قرن پیش) عمده‌ترین جنس ابزارهای براده‌برداری بودند،به دلیل افت شدید سختی در درجه حرارتهای نسبتاً بالا (تقریباً 260°C) و سایش زیاد، فقط به ابزارهای دستی برای براده‌برداری‌هایبا سرعت پایین از قبیل قلاویز و حدیده و سوهان محدود شده است.

و اما فولادهای تندبْر، برتری این نوع فولادها (تندبْر) به فولادهای كربنی، در قابلیت حفظ سختی دردرجه حرارت بالاتر (538°C الی 590°C) است. از این جهت، مقایسه با فولادهای كربنی بهازای طول عمر مساوی می‌توان آن را با حدود 2 برابر سرعت برشی به كاربرد. به همین دلیل این فولادها به نام فولاد تندبر نامگذاری شده‌اند.

ابزار از جنسفولادهای تندبر مزایای زیر را نسبت به نمونه‌های دیگر دارد:

الف) ارزانتراست؛

ب) شكنندگیكمتری دارد. به همین دلیل در قطع و وصل ابزار برش بر روی قطعة كار با روامتر؟؟؟است؛

ج) فرم‌پذیر است و به راحتی شكل می‌گیرد.

در كنار محاسن نام برده، این فولادها دارای معایبی نیز هستند. از آن جمله:

الف) نسبت بهانواع دیگر در دماهای بالاتر حین ماشینكاری دوام كمتری دارند؛

ب) مواد سخت رابه راحتی برش نمی‌دهند.

2- آلیاژهایریختنی كبالت (ابزارهای استلایتی)

این آلیاژها كهمركب از 2 الی 4 درصد كربن، 14 تا 20 درصد تنگستن، 25 الی 34 درصد كروم و مابقی كبالت هستند. به دلیلبرخورداری از سختی زیاد و حفظ آن در درجه حرارتهای بالا و مقاومت بالا نسبت بهسایش و خوردگی، ضریب اصطكاك پایین در تماس با فولاد، به عنوان یكی از مواد مناسببرای ساخت ابزارهای براده‌برداری مطرح بوده‌اند.

اگر چه سختی اینآلیاژها در دمای اتاق مشابه فولادهای تندبر است؛ ولی به دلیل حفظ بهتر سختی دردماهای بالاتر، قابل استفاده در سرعتهای برشی بالاتری (تقریباً 25% سرعتبیشتر) نسبت به فولادهای تندبر هستند. خواص مكانیكی و سختی این آلیاژها با عملیاتحرارتی قابل تغییر نیست.

3- كاربایدها

اصولاً«كارباید» اصطلاحی است كه به تركیب شیمیایی فلز و كربن اطلاق می‌شود. كاربایدهاخود به سه گروه تقسیم می‌شوند:

1- سمانته 2- ریزدانه 3- پوششی

كاربایدهایسمانته نیز خود به دو گروه عمده تقسیم می‌شوند:

1- گروه تنگستنكارباید خالص

1- گروه تنگستن كارباید آلیاژی (كه حاوی كارباید تیتانیم یا كارباید تنتالیم می‌باشد)

همچنین ابزارهایكاربایدی را در دیدی دیگر می‌توان به سه گروه دیگر تقسیم كرد:

1- الماسه‌هاییكپارچه و سخت (كه از قطعات كربنی ساخته می‌شود.)

2- الماسه‌های لحیمی (كه از اتصال الماسه به یك میلة فولادی به صورت لحیمی ساخته می‌شود.)

3- الماسه نصبی(كه در بین صنعتگران به الماسه یا اینزرت مشهور است و متداول‌ترین ابزار مورداستفاده در CNC هاست كه درنگهدارنده‌های فولادی نصب می‌شوند.)

مزایایكاربایدها را می‌توان در موارد زیر نام برد:

الف) مقاومت بیشتر در برش مواد و آلیاژهای سخت؛

ب) مقاومت دردماهای بالاتر؛

ج) الماسه‌هاییكپارچه قادر به جذب ارتعاشات كار هستند و صدای ایجاد شده از برخورد ابزار با قطعه كار بسیار كم است؛

د) الماسه‌هاینصبی به راحتی و بدون نیاز به نگهدارنده‌های فولادی جدید تعویض می‌شوند.

معایب كاربایدهارا نیز می‌توان در موارد زیر نام برد:

الف) قیمت بالانسبت به فولادهای تندبر؛

ب) شكنندگی بیشتر نسبت به فولادهای تندبر؛

ج) شكل‌گیریآنها با ابزارهای الماسه‌ای مقدور می‌باشد.

در ضمن الماسه‌هاینصبی كه كاربرد فراوانی در CNC ها دارند، با موادخاصی مانند نیترید تیتانیوم پوشش داده می‌شوند تا عمر مفید آنها افزایش یابد. اینپوشش، عمر ابزار را برای عملیات متعارف و معمول تراشكاری و فرزكاری تا 20 برابر افزایش می‌دهد.

4- سرامیكها وسرمتها

ابزارهایسرامیكی بیشترین تكامل را در چند سال اخیر داشته‌اند و هر چند بسیار گران هستند؛اما از ابزارهای الماسه‌ای ارزانترند. سرامیكها بسیار سبك و شكننده‌اند.

سرامیكها درسرعتهای برش سه الی چهار برابر ابزارهای كاربایدی هستند. صافی سطح حاصل از ماشین‌كاریبا این ابزارها بسیار خوب است و استفاده از سیال خنك‌كننده (Coolant) در براده‌ برداری این ابزارها ضروری نیست.

مزایای سرامیكهاعبارتند از:

الف) ارزانتر ازالماسه‌های كربنی هستند؛

ب) مواد بسیارسخت را در زمان كوتاهی می‌برند و مقاومت گرمایی بالایی دارند.

همچنین معایبسرامیكها عبارتند از:

الف) بسیارشكننده‌ تر از كاربایدها و فولادها هستند؛

ب) فقط برای برشهای سرعت بالا مفید هستند و در صورتی كه در دورهای پایین كار كنند، می‌شكنند؛

ج) بسیاری ازدستگاه‌ها، سرعت چرخشی مناسبی برای استفاده از ابزارهای سرامیكی ندارند.

سرمتها كه تركیبخاصی از سرامیكها و فلزات هستند، برای كاهش تردی و شكنندگی سرامیكها و بهبود آنهاابداع شده‌اند.

فلزاتی نظیرآهن، كروم، تیتانیوم و نیكل از ممزوج شدن با سرامیكها ابزارهای «سرامیك - فلز» یاهمان «سرمٍت» را به وجود می‌آورند.

از بارزترین خصوصیات سرمتها و سرامیكها حفظ سختی در درجه حرارتهای خیلی بالا و مقاومت بالا درمقابل سایش؛ ولی مقاومت كم در مقابل خمش و شوكهای مكانیكی و بارهای ضربه‌ای وارتعاش است و لذا با وجود این محدودیتها باید از ماشین‌ابزارهای صلب و كاملاًمستحكم كه بدون لرزش می‌باشند، استفاده كرد.

5- نیترید بورمكعبی (CubicBorn Nitride

:CBN (با نام تجاری بورازون) سخت‌ترین مادةشناخته شده پس از الماس است. از مهمترین امتیازات آن، مقاومت حرارتی بیشتر ازالماس و خنثی بودن آن از نظر شیمیایی است.استفاده از CBN به عنوان ابزار براده‌ برداری برای خشن‌كاریو پرداخت فولادهای كربنی و آلیاژی، ابزار سخت‌كاری‌شده و چدن‌های سخت و چائیده وبه ویژه سوپرآلیاژها با پایه نیكل و كبالت و قطعات ساخته شده به روش متالوژی پودر، پلاستیك‌ها و گرافیت توصیه می‌شود.

اگر چه این نوع ابزارها را می‌توان بدون استفاده از سیال خنك‌كننده نیز به كار برد؛ ولی استفادهاز سیال‌های خنك‌كننده حل‌شونده در آب نتایج مثبت به همراه دارد.

6- الماس (Diamond)

الماس، سخت‌ترینماده شناخته شده در جهان و سختی متوسط آن 5 برابر كاربایدهای سمانتراست. سختی بسیار بالا، مقاومت به سایش عالی، قابلیت هدایت حرارتی خوب، استحكامفشاری بسیار بالا و انبساط حرارتی ناچیز، باعث شباهت ابعادی بی‌نظیر آن در براده‌برداریو تضمین‌كنندة حصول اندازه‌ های یكنواخت و دقیق در قطعه كار و صافی سطح بالا می‌باشد.

همچنین به دلیل خنثی بودن الماس از نظر شیمیایی و پایین بودن ضریب اصطكاك آن در تماس با اكثر مواددر هنگام براده‌برداری پدیدة جوش‌خوردن براده‌های قطعه كار به لبة ابزار به وقوعنپیوسته و همین مسأله باعث حصول صافی سطح خوب در ماشین‌كاری فلزات غیر آهنی و حتیغیر فلزات می‌شود.

ابزارهای الماس،به هنگام براده‌برداری از فولادهای نرم و كم‌كربن، به سرعت سائیده می‌شوند؛ درصورتی كه سرعت سایش آنها در ماشینكاری فولادهای آلیاژی پركربن كمتر است و گاهیاوقات در ماشین‌كاری چدن (با درصد كربن بالا) طول عمر زیادی از خود نشان می‌دهند.ولی با این وجود به طور كلی ماشین‌كاری آلیاژهای آهنی و چدن توسط ابزارهای الماس توصیه نمی‌شوند

به طور کلی به موادی که دارای سختی 42 تا 65 درجه راکوال C باشند مواد سخت ګفته می شود. در ګذشته تنها روش برای ماشینکاری این مواد سنګ زنی یا ماشینکاری با سرعتهای بسیار پایین بود. امروزه با توسعه و تکامل ابزارهای برشی امکان شکل دهی این قطعات توسط برش فلز فراهم شده است. ماشینکاری چدن سفید توسط فرزهای روش متداولی برای شکل دهی این مواد محسوب میشد درحالی که قبلا قطعات فولادی سختکاری شده را سنګ زنی می ګردد. هردو بخش عملیات اکنون بهبود یافته و به سطوح بالایی از بهره وری و ایمنی رسیده است.

انتخاب ابزار برشی مناسب برای ماشینکاری مواد سخت تحت تاثیر مشکلات جدی از طرف قطعه کار قرار می ګیرد. محدوده مشکلات تجربه شده از سایش سریع ابزار تا ترک خوردن یا لب پریدګی روی لبه برنده ابزار ، متغیر خواهد بود.اګرچه ابزارهای سمنتد کارباید میتوانند بر بعضی از این مشکلات فايق آیند اما برای انجام کار با کیفیت بالا باید ابزاری با جنس بسیار خاص انتخاب ګردد که انواع معینی از سرامیکها و CBN از انواع اصلی این ابزارها محسوب می شوند.

مشکلات موجود در ماشینکاری مواد سخت می تواند ناشی از موارد زیر باشد :

دما بالا در منطقه برش

نیرو برش بالا و متغیر

فشار بالا روی یک سطح مقطع کوچک براده نزدیک لبه

سایش سریع لبه برنده یا شکستن آن

همګن نبودن مواد

ناپایداری

مشکلات مکانیکی و ګرمایی تحمیل شده روی ابزار ، تعیین کننده ضوابظ انتخاب ابزار ، شکل هندسی ، ګرید ، روش ماشینکاری و اطلاعات برشی خواهد بود.

خواص مورد نیاز برای ابزار برشی عبارتند از :

مقاومت در برابر سایش

پایداری شیمیایی

ګرم سختی

مقاومت فشاری و خمشی

مقاومت در برابر سایش ناشی از نفوذ

مقاومت / چقرمګی لبه برنده

برش فولادهای سخت به سه عامل اویه فوق الذکر احتیاج دارد ، اما چدن ګرچه بسیار ساینده است اما دمای ماشینکاری آن کمتر است و تاکید کمتری روی پایداری شیمیایی ابزار خواهد شد. اګر برش قطعه ناپیوسته باشد ابزار باید دارای مقاومت و چقرمګی بیشتری باشد.

دو روش اصلی برای ایجاد سختی در این مواد از طریق انتقال ب ساختار مارتنزیتی در فولادها وشکل ګیری کاربایدها در ساختار چدن سفید است. اکر فولادها دارای مخلوطی از این دو هستند.

بسیاری از محورها ، چرخها ، شفتها ، چرخدنده ها و حلقه ها از جنس فولادهای آلیاژی و کربنیسختکاری شده CBN 02.1-2-4 ساخته می شوند.

سختکاری سطوح تا عمق 2 mm ، قطعه ای با مغز چقرمه و سطح مقاوم در برابر سایش ایجاد خواهد کرد. عملیات پرداخت باید به ګونه ای انجام شود که صافی سطح و دقت بالایی را به دست آوریم. این اهداف را می توان با بهره وری بالا از طریق تراشکاری به دست آورد درحالی که سختی و همګن بودن ماده در سطح بالایی باقی می ماند. فولادهای پرآلیاژ که سختکار ی شده اند (CMC 04.1) اغلب با تراشکاری پرداخت می شوند.

وقتی به سراغچدنهای سفید CMC 10 می رویم میبینیم که اکثر این قطعات مانند غلتکها یا میله ها به سطح مشابهی از پرداخت نیازی ندارند. معمولا دقت این قطعات در حدود 0.1 mm و کیفیت سطح Re=1.2 میکرون باشد. این قطعات اغلب بزرګ هستند شرایط آنها از قطعات قبلا ماشینکاری شده تا آنهایی که دارای پوسته های ساینده و درزدار هستند متفاوت می باشد. سختی کمی پایین تر است اما همګن بودن قطعه در عملیات خشن کاری و پرداخت کمی ضعیفتر به دست خواهد آمد.

در صنایع شیمیایی، مقاومت خوب این مواد در برابر اسیدها و سایر مواد خورنده بسیار مورد توجه می‌باشد. در صنایع هوا- فضا مقاومت این مواد در برابر حرارت اهمیت دارد و در صنایع الكترونیك و ارتباطات به‌علت خواص نوری و الكتریكی خوبی كه دارند، از اجزای مهم محسوب می‌شوند. امروزه سرامیك‌ها در قسمت‌های مختلف صنایع اتومبیل‌سازی نیز روزبه‌روز كاربرد بیشتری می‌یابند؛ چه در سیستم ترمزها و چه در موتورها و سایر اجزاء.

روند كلی تكامل بشر در زمینه كاربرد مواد، این‌گونه بوده است كه انسان‌ها همواره سعی كرده‌اند مواد اطراف خود و خواص آن‌ها را به‌خوبی شناسایی كنند و سپس بر اساس نیازهای خود، مناسب‌ترین آن‌ها را انتخاب كنند. این روند جستجو و انتخاب از دیرباز وجود داشته و هم‌اكنون هم جزء یكی از اركان اساسی مهندسی مواد می‌باشد.

با گذشت زمان و به ‌خصوص با وقوع جنگ‌های جهانی در قرن بیستم، نیازهای بشر از آنچه كه مواد موجود می‌توانستند در اختیار او قرار دهند فراتر رفت. بنابراین نیازهای جدید صرفاً با استفاده از مواد موجود، قابل رفع نبود. در نتیجه این احساس در بشر به‌وجود آمد كه لازم است خود را از قید مواد موجود رها سازد و با ایجاد تغییر در ساختار آن‌ها، عملكردهایی فراتر از خواص موجود را از آن‌ها بخواهد. از این رو دانشمندان و مهندسین مواد بر آن شدند كه با دانش رشد یابندة خود در حوزة مواد، آن‌ها را تغییر داده و خصوصیات مورد نیاز خود را در آن‌ها ایجاد نمایند و یا اینكه از ابتدا ماده‌ای را خلق كنند كه قبل از آن وجود نداشته است. با این رویكرد جدید، عصر مواد پیشرفته آغاز شد.

بازار بزرگ سرامیك‌های پیشرفته در جهان عامل دیگری است كه ما را به‌ سمت سرامیك‌های پیشرفته سوق می-دهد. از بازار 200 میلیارد دلاری سرامیك‌ها در جهان حدود یك سوم آن یعنی 63 میلیارد دلار آن مربوط به سرامیك‌های پیشرفته است.

تقریباً می‌توانیم بگوییم كه ما در سرامیك‌های سنتی تمام توان خود را به‌كار گرفته‌ایم. در صورتی‌كه در بازار سرامیك‌های پیشرفته اصلاً حضوری نداشته ایم. این در حالی است كه برای این بازار رشد 6 تا 7 درصدی نیز متصور است. ما می‌توانیم در این صنعت نیز مانند سرامیك‌های سنتی به سطح خوبی برسیم. تصور اینكه سرمایه-گذاری در بخش سنتی اجباراً ما را به سمت سرامیك‌های پیشرفته سوق می‌دهد تصور كاملاً غلطی است؛ چون این دو ماهیتاً با هم فرق دارند و از نظر سطح فناوری، دانش فنی و موارد كاربرد، اختلاف زیادی با هم دارند. پس این برداشت كه ما با توجه به سرامیك‌های سنتی به مرور زمان به سرامیك‌های پیشرفته دست می‌یابیم درست نیست.

فارغ از تمام مباحث فوق، نگرش ما به مسائل جهانی و پدیدة جهانی شدن نیز راهبرد ما را در دستیابی به فناوری‌های مختلف تحت‌تاثیر قرار می‌دهد. طبیعتاً استراتژی ما در رویكرد به فناوری سرامیك نیز متاثر از این نگرش خواهد بود. اگر ما در پدیدة جهانی شدن بخواهیم تابع و پیرو دیگر قدرت‌ها باشیم، صنعت سرامیك ما در حد سرامیك‌های سنتی و دارای ارزش افزودة پایین باقی خواهد ماند. چون آن‌ها این طور می‌خواهند. ولی اگر در این حوزه مانند حوزه‌های دیگری مثل نانوفناوری پیشرفت كنیم، دستیابی به فناوری سرامیك‌های پیشرفته،‌ امری حیاتی خواهد بود.

در صنایع شیمیایی، مقاومت خوب این مواد در برابر اسیدها و سایر مواد خورنده بسیار مورد توجه می‌باشد. در صنایع هوا-فضا مقاومت این مواد در برابر حرارت اهمیت دارد و در صنایع الكترونیك و ارتباطات به‌علت خواص نوری و الكتریكی خوبی كه دارند، از اجزای مهم محسوب می‌شوند. امروزه سرامیك‌ها در قسمت‌های مختلف صنایع اتومبیل‌سازی نیز روزبه‌روز كاربرد بیشتری می‌یابند؛ چه در سیستم ترمزها و چه در موتورها و سایر اجزاء.

در 60 سال اخیر در مورد 25 گروه مختلف از سرامیك‌های پیشرفته، تحقیقات وسیعی صورت گرفته و بسیاری از آن‌ها به تولید رسیده‌اند. در سال‌های اخیر، شكوفایی و گسترش صنایع الكترونیك و همچنین كاربرد وسیع سرامیك‌های پیشرفته در صنایع مربوط به فناوری پزشكی و اتومبیل‌سازی، موجب رشد چشمگیر بازار سرامیك‌های پیشرفته شده است.

- به‌عنوان مثال دریچه مصنوعی قلب‌ كه نوعی سرامیك پیشرفته است، وزنی حدود 1 تا 2 گرم دارد كه قیمت آن حدود 4 هزار دلار می‌باشد و ارزش افزوده عجیبی دارد كه تولید آن محدود به آمریكا و ژاپن است.

- استفاده از سرامیك‌ها در جایگزینی استخوان‌ها به‌علت سبكی وزن در مقایسه با پلاتین، سازگاری بیشتر با بافت-های بدن، عدم نیاز به جراحی مجدد و غیره سبب شده است كه در حوزه پزشكی به استفاده از سرامیك‌های پیشرفته توجه شود.

- در زمینه‌های نظامی نیز سرامیك‌های پیشرفته كاربرد فراوان دارند. ساده‌ترین كاربردهای آن ساخت زره ضد گلوله و در تانك‌ها و زیر بالگردها به‌عنوان محافظ در مقابل گلوله می‌باشد.

- در ابزار برش، امروزه به‌دلیل استحكام بسیار بالا، سایش فوق‌العاده كم و عمر بسیار زیاد، از این مواد سرامیكی در صنعت، استفاده فراوانی می‌شود. همچنین مواد سرامیكی جایگزینی برای قلم‌تراش‌های فولاد آلیاژی می‌باشند و عمده تولید آن‌ها در اروپا است.

فلزات دیرگداز فلزاتی هستند که دارای مقاومت بالایی در برابر ګرما هستند و در دماهای بسیار بالا حدود 2200 درجه سانتی ګراد ذوب میشوند :

• (Cb ) کلومبیم و همچنین نیوبیم

• (Mo ) مولیبدن

• (Ta) تانتالوم

• (W) تنګستن

ماشینکاری این مواد عموما بسیار مشکل است. سختی و قابلیت هدایت ګرمایی این مواد متغیر است و در منطقه برش ګرمای زیادی متمرکز میشود. بعضی از این فلزات مانند کلومبیم ونیوبیم وتانتالوم نشکن هستند و باعث افزایش لبه انباشته میشوند و رسیدن به اطلاعات برشی مناسبی را مشکل می کنند. مولیبدن و تنګستنترد و شکننده هستند و در برابر نیرو تسلیم نمیشوند. ضربیب انبساط پایین مولیبدن و تنګستن میتواند مشکلاتی را هنګام سوراخکاری ایجاد کند ، زمانی که ابزار بیشتر از قطعه کار منبسط میشود. نیروی برش ایجاد شده توسط پیشروی و عمق معین ، در یک یک جهت ممکن است به طور چشمګیری افزایش یابد و آن زمانی است که جهت برش به طرف صفحات ضعیف تر تغییر می یابد .

کلومبیم و آلیاژهای آن معمولا دارای عناصر آلیاژی برابر افزایش مقاومت هستند و از نظر شکنندګی در سطوح متوسطی قرار می ګیرند. این مواد را از بعضی جنبه های ماشینکاری میتوان با فولاد زنګ نزن آستنیتیک مقایسه کرد. تانتالوم و آلیاژهای آن، شبیه کلومبیم، بخاطر چقرمګی بالا میتوانند مشکلات زیادی را در رابطه با تشکیل لبه انباشته ایجاد کنند. این مشکل را میتوان با افزودن عناصر آلیاژی کاهش داد اما از نظر کار سختی و ساینده بودن ماشینکاری این مواد را میتوان با مس خالص مقایسه کرد که ایجاد سطوح با کیفیت بالا روی این مواد مشکل می باشد. مولیبدن و آلیاژهای آن اغلب به روش متالورژی پودر تهیه میشوند و معمولا بسیار شکننده هستند. ساینده بودن، ایجاد شکاف های ریز و لب پریدګی در هنګام ماشینکاری سطوح از مشکلات متداول این مواد است و باید توجه داشت که براده های ایجاد شده ناپیوسته می باشند.

تنګستن و آلیاژهای آن، دیرګدازترین فلز در این ګروه اند. مقاومت این فلز، با توجه به ساختکارش، از حالت خام تا قطعه تولید شده به روش متالورژی پودر، متغیر است. شکنندګی این ماده باعث بروز مشکلاتی در هنګام ماشینکاری میشود و متغیر بودن چګالی آن ممکن است باعث ایجاد بار متغیر و براده های متفاوت ګردد. اضافه کردن عناصر آلیاژی به تنګستن قابلیت ماشینکاری آن را بهتر میکند و به این ترتیب ماشینکاری این آلیاژ در دماهای پایین را میتوان با چدن خاکستری مقایسه کرد.

از جمله مهمترین مسائلی كه در زمینه ماشینكاری با آن روبرو هستیم، مسأله عمر ابزار و عوامل تأثیر گذار بر روی آن است. لذا در این مقاله سعی بر این است كه بتوانیم تعریف درست و مشخصی از عمر ابزار و عوامل تأثیر گذار بر روی آن داشته باشیم و علاوه بر آن در مورد مهمترین عواملی كه تأثیر بسزایی در عمر ابزار دارند، بحث می شود.

عمر ابزار به عوامل گوناگونی وابسته است .

1. درجه حرارت(محیط و ابزار)

2. هندسه ابزار برنده

3. مایع خنك كننده

4. جنس قطعه كار از لحاظ تركیب شیمیایی

5. جنس خود ابزار

6. پارامترهای ماشینكاری (سرعت برشی، عمق براده برداری، سرعت پیشروی و...)

7. ارتعاش دستگاه

8. معیار شكست ابزار

كه از این میان معیار شكست ابزار مهمترین عامل تأثیر گذار بر عمر ابزار به شمار می آید.

معیار شكست ابزار Tool Life Criterion یك مقدار از قبل تعیین شده(بر اساس كیفیت و دقت برده برداری و ...) برای فرسایش و خوردگی ابزار یا رخ دادن یك پدیده(مانند ترك و شكست) را گویند.

عمرابزار نیز از روی همین معیار شكست تعریف می شود: زمان مورد نیاز برای رسیدن به معیار شكست.

انواع معیارهای شكست

1.معیار شكست مستقیم: كه با خود ابزار برنده سر و كار دارد.

2. معیار شكست غیر مستقیم: كه با عوامل فرسوده شدن ابزار سر و كار دارد.

انواع معیار شكست مستقیم

الف-Chiping : جدا شدن براده از ابزار برنده را گویند.

ب- Fine Cracks: ترك خوردن ابزار برنده را گویند.

ج- Crater Wear , Wear Land : كه دو نوع فرسایش مستقیم و بسیار حائز اهمیت در ابزار به شمار می آیند.

انواع معیار شكست غیر مستقیم

الف- نیروهای براده برداری: با قرار دادن حد مشخصی برای این نیروها (بر اساس كیفیت سطح و دقت كاری لازم) و اندازه گیری این نیروها بر روی ابزار برشی، می توان معیار شكست و عمر ابزار را تعیین كرد.

این مسأله بخصوص در دستگاه های اتوماتیك (CNC) كاربرد فراوانی دارد زیار با اندازه گیری این نیروها و زمان رسیدن به حد مشخصی (كه قبلاً توضیح داده شد) می توان معیار شكست و عمر ابزار را به راحتی تخمین زد.

ب- كیفیت سطح

ج- دقت ابعادی قطعه كار: كه این موضوع نیز در دستگاه های CNC اهمیت فراوانی دارد.

از عوامل گفته شده در بالا، مهمترین آنها كه تأثیر بسزایی در عمر ابزار دارد و به طور مستقیم با خود ابزار سر و كار دارد، دو نوع فرسایش اساسی در ابزار به نام Crater Wear Land است كه در ادامه این مقاله سعی بر شناسایی و راه حلهای جلوگیری از این دو فرسایش شده است.

Wear Land:

این نوع فرسایش ابتدا در سطح های آزاد ابزار برشی به وجود می آید كه با گذشت زمان، ناحیه وسیعی از نوك ابزار را در بر می گیرد و با افزایش خوردگی و فرسایش ابزار و اصطكاك بین قطعه كار و نوك ابزار و به دنبال آن سوختگی نوك ابزار، نوك ابزار ترك برداشته و می شكند.

Wear land خود به دو نوع تقسیم می شود:

1. wear land یكنواخت

2. wear land غیر یكنواخت

هر یك از این دو نوع wear land در شكل(1) نشان داده شده اند.

یك wear land كه در عمق به صورت یكنواخت و بدون شیارهای عمیق است نشان می دهد كه براده هایی كه باعث به وجود آمدن آن شده اند نازك هستند.

wear land یكنواخت حالت خوب و ایده آلی برای ابزار برشی محسوب می شود و معمولاً ابزارهایی كه مواد با سختی كم را ماشینكاری می كنند این نوع فرسایش در آنها بوجود می آید.

بیشتر اوقات یك wear land یكنواخت زمانی نمایان میشود كه ابزار، دارای برشی پیوسته با عمق براده برداری كم می باشد.

wear land غیر یكنواخت نشانه ای از براده برداری غیر پیوسته می باشد و معمولاً در ابزارهایی كه مواد با سختی بالا را براده برداری می كنند به وجود می آید. این نوع فرسایش حاصل براده برداری با عمق زیاد و سرعت برشی زیاد می باشد. حال به این بحث می پردازیم كه عمق مجاز برای یك wear land كه معیار شكست و در نتیجه عمر ابزار را تعیین می كند تا چه مقداری می تواند باشد و این عمق چگونه اندازه گیری می شود.

مباحث ارائه شده در این مقاله حاصل مطالعات و تحقیقات Mr. Leo J.St. Clair در یكی از كارگاه های ماشینكاری واقع در ایالات متحده آمریكا می باشد.

مطالعات انجام شده در زمینه سرعت سوختن نسوك ابزار نشان می دهد مواد مختلف كه ماشینكاری می شوند دارای نتیجه یكسانی نیستند و سرعت سوختن نوك ابزار با یك سرعت یكنواختی انجام می شود كه به صورت تصاعدی می باشد. مقدار سوختن نوك ابزار بوسیله عمق weae land در كنار و آخر سطح آزاد ابزار اندازه گیری می شود.

قطعات ماشینكاری شده در این تحقیق، قطعات چدنی می باشد. ابزار برشی H.S.S (و دیگر ابزارهای برشی نظیر carbide) با عمق پیشروی in 02/0 ، میانگین عمق برشی in و سرعت fmp 150 است.

تعداد قطعات ماشینكاری شده بر حسب هر in 01/0 عمق فرسایش در جدول(1) و شكل(2) نشان داده شده است. ابزار به طور كامل بعد از ماشینكاری 330 قطعه به طور كامل بعد شكسته می شود كه معادل عمق wear land در این زمان حدوداً in 06/0 است.

جدول(1) نشان می دهد كه افزایش سرعت فرسایش بعد از این كه عمق wear land از in 03/0تجاوز كرد، اتفاق می افتد كه سرعت فرسایش از این زمان به بعد تا 7 برابر سریع تر از سرعت فرسایش با عمق in 01/0 است.

ابزار حدوداً 75% عمر خود را قبل از مرحله ای كه عمق فرسایش به in 03/0 برسد، انجام می دهد و مابقی عمر خود را یعنی 25% باقیمانده را بعد از مرحله ای كه عمق فرسایش به in 03/0 می رسد، انجام می دهد. این عمل مرزی را به وجود می آورد. كه به طور قطع، غیر اقتصادی است یعنی مرزی به وجود می آید كه سرعت رسیدن به شكست عامل در این مرز بسیار زیاد است.

تحقیقات نشان می دهد كه یك ابزار carbide زمانی كه به 60/0 طول عمر خود(طول عمرابزار نقطه است كه مقدار wear land به in 06/0 برسد كه در این هنگام شكست كامل ابزار رخ می دهد) می رسد و یك ابزار H.S.S یا ابزار آلیاژی زمانی كه به 70% طول عمر خود می رسد باید تعویض و سنگ زنی شود و همان طور كه گفته شد این موقعیت در جدول (1) و شكل (2) به صورت شماتیك نشان داده شده است(كه این نتایج حاصل استفاده از میكروسكوپ های نوری می باشد.) در شكل (A-2) ملاحظه می شود كه نقطه طول عمر اقتصادی برای ابزار H.S.S حدوداً 75% طول عمر ممكن ابزار است و بعد از ماشینكاری 250 قطعه از كل تعداد قطعات كه 330 قطعه است ابزار باید سنگ زنی شود و 80 قطعه آخر تحت شرایطی ماشین كاری

می شوند كه ابزار سنگ خورده باشد.

همچنین برای یك ابزار carbide نقطه تعویض ابزار وسنگ زنی آن، حدود 60% عمر كل ابزار است كه در این زمان 190 تا 200 قطعه ماشینكاری می شود. دلیل این كه چرا یك ابزار carbide باید زودتر از یك ابزار H.S.S و یا ابزار آلیاژی سنگ زنی شود آن است كه ابزار carbide دارای شكنندگی زیادتری می باشد كه این خاصیت شكنندگی بیشتر سبب می شود هنگامی كه wear land عمیق تر می شود نوك ابزار به راحتی شكسته شود.

کاربردهای سوراخ کاری شامل حفر چاه های نفت یا گاز و حفر سوراخ در لایه های مختلف می باشد. کارایی این ابزار به طور قابل توجهی به خواص کاربیدها و طراحی ابزار بستگی دارد. لبه های برشی باید در برابر سایش مقاوم باشد در حالی که تافنس آنها به حد کافی بالا باشد و بتواند در برابر ورقه ای شدن مقاومت کند. فاکتورهای مهم که بر روی کارایی ابزار اثر می گذارند، استحکام و مقاومت در برابر سایش سنگ می باشد. میزان برجهندگی یا پلاستیسیته که بر روی عمل برش اثر می گذارد، همچنین بر روی قابلیت سوراخ کنندگی آن نیز اثرگذار است. یک سنگ که بدون تکه شدن یا شکستن جدا گردد، ممکن است سخت تر از تکه سنگی است که به سادگی تکه تکه می شود.

در سوراخ کاری چرخشی از سرمته های سنگی استفاده می شود. این سرمته ها می توانند به صورت چنگالی و یا سه گوش باشند. سرمته های سه گوش برای استفاده در سنگ های سخت مورد استفاده قرار می گیرند. سرمته های برنجی ایجاد شده بر روی بدنه های فولادی مشکلاتی دارند زیرا در این مواد، تنش های کششی به دلیل وجود ضرایب انبساط حرارتی مختلف میان کاربیدها و فولاد ایجاد می شود. بنابراین، کاربیدهای مورد استفاده در این سری ها تافنس بالایی دارند و بنابراین مقاومت به سایش کمتری دارند. راه حل این مشکل تولید سرمته های میخی شکل شبه کروی می باشد. این سیلندرهای میخی شکل، به طور مکانیکی در بدنه ای فولادی قرار گرفته اند. هیچ پیوند متالورژیکی وجود ندارد و بنابراین تنش های کششی در بین این بخش ها ایجاد نمی شود.

همین طور، ما می توانیم از این مواد سخت تری برای ساخت این سری ها استفاده کنیم و بنابراین از ایجاد سایش در این قطعات جلوگیری کنیم. سرعت چرخشی می تواند از 100 دور بر دقیقه (برای سنگ) و 1500 دور بر دقیقه برای زغال سنگ متغیر باشد. سوراخ کاری چرخشی فرایندی مؤثر است و قدرت نفوذ قابل توجهی در سنگ های نرم دارد اما در سنگ های سخت، شرایط سایش بحرانی است.

برای سنگ های سخت، سوراخ کاری چرخشی با دقت بالا انجام می شود. در روش سوراخ کاری، وقتی از سری های کاربیدی استفاده می کنیم، به سنگ ها ضربه زده می شود. در این حالت در سنگ، موج های فشاری ایجاد می شود و انعکاس این موج ها موجب پدید آمدن موج های کششی می شود. با بوجود آمدن این موج ها در سنگ، نفوذ درسنگ ایجاد می شود. سپس، سری می چرخد و به سنگ ضربه می زند. اندازه ی سوراخ ایجاد شده در این روش به انرژی ضربه بستگی دارد. بیشتر سرمته های سنگی میزان مناسبی از نیرو را در فرکانس های 1500 تا 3000 ضربه بر دقیقه، ایجاد می کنند.

برای سنگ های سخت و سایشی، این پیشنهاد می شود که عملیات با اعمال نیروی بالا در هر ضربه و کاهش سرعت چرخش، انجام شود؛ در حالی که برای سنگ های ترد و نازک، باید در نیروهای متوسط و سرعت های چرخش بالا کار کرد. سرمته های سنگی که به طور گسترده مورد استفاده قرار می گیرند بصورت عمودی هستند یا زاویه اندکی با بستر دارند. نوآوری اصلی در زمینه ی توسعه ی ابزارهای دقیق که در سال 1960 انجام شده است، این صنعت را به سمت تولید سرمته هایی با شکل نیم کروی و با قابلیت خود تیز شونده، سوق داده است.

حفاری بر روی لایه های مسطح مانند منابع کربن، پتاس، سدیم کربنات، ژیپس و ... با کمک ابزارهای برشی تحتانی انجام می شود. این ابزارها از یک سری کاربیدی تشکیل شده اند که به یک بخش فولادی جوشکاری شده است. لایه های مسطح معمولا از لایه های سخت و نرمی تشکیل شده اند که به طور متناوب قرار گرفته اند. از بین رفتن بخش های سخت قرار گرفته در برابر این سری ها موجب می شود تا لبه های برشی تحت یک سری شوک های مداوم قرار گیرند. این امکان وجود دارد که این شوک ها به 600 عدد بر دقیقه نیز برسند. دما نیز ممکن است در نقطه ی تماس به 800℃ نیز برسد. از این رو بخش جوشکاری شده ی این ابزارها ممکن است تحت خستگی گرمایی قرار گیرد.

نکته ی جالب توجه در زمینه ی حفاری های معدنی این است که با توسعه ی تکنولوژی های تولید سرمته ها، دستگاه های حفاری نیز پیشرفت کرده اند و در کمتر از یک قرن پیش، سرعت حفاری 100 برابر شده است. برای مثال، برخی از پیشرفت ها در زمینه ی ابزارهای برشی عبارتند از سال 1925، چکش های بادی، سال 1936، سرمته های مخروطی شکل پیچ دار با قابلیت تعویض شدن، سال 1940 تا 1945، تولید سرمته های کاربیدی، سال 1945، متداول شدن سرمتهه ای الماسی و ... . مواد مورد استفاده در ساخت این بخش ها عمدتا از نوع گرید های دوتایی WC-Co با درصدهای متغیر کبالت از 5 تا 20 % و متوسط اندازه دانه ی WC بین 0.8 تا 25 میکرون، می باشند. برای دیدن ویژگی های مهم این گریدها به شکل 3 تا 9 بخش قبلی این مقاله مراجعه کنید. افزودن TiC در این کاربردها دارای اثر منفی بوده است زیرا مقاومت به سایش را کاهش می دهد. به طور مشابه پوشش های کاربیدی نیز در این کاربردها جایگاهی ندارند.

سایش این ابزارها عمده ترین فاکتوری است که انرژی و سرعت مورد نیاز برای حفاری را تعیین می کند. همچنین این فاکتور بر روی انتخاب روش سوراخ کاری و نوع کاربید مورد استفاده نیز اثر گذار است. رفتار سایشی فلزات سخت زینترشده به تعداد فاکتورهای معینی بستگی دارد. مهمترین این فاکتورها عبارتند از:

تخریب به دلیل ایجاد شوک: سایش با نیروهای ضربه ای قابل مقایسه است.

سرامیك‌های پیشرفته آنچنان تنوع و كاربرد فراوانی دارند كه توجه به هر شاخه از آن‌ها می‌تواند درآمدزایی بالایی را به همراه داشته باشد. به‌عنوان مثال الكتروسرامیك‌ها یكی از شاخه‌های مهم و پركاربرد هستند كه در صورت توجه، مزایای زیادی را به‌همراه دارند كه در ذیل به برخی از آن‌ها اشاره می‌شود:

1- اشتغال

اشتغالی كه در اثر توسعه این صنعت در كشور ایجاد می‌شود، قابل مقایسه با سرامیك‌های سنتی نیست. زیرا علاوه‌بر گروه‌های متخصصی كه در واحدهای صنعتی مشغول به تولید این محصولات خواهند بود، گروه‌های دیگری كه شامل تیم‌های مهندسی هستند محصول این كارخانجات را برای كاربردهای خاص طراحی و تولید می‌كنند. بنابراین زنجیرة بزرگی از نیروهای تحصیل‌كرده در اثر توسعة این صنعت جذب بازار كار خواهند گردید. اساساً تولید این نوع محصولات به‌عنوان محصولات مبتنی بر دانش تلقی می گردد.

2- توسعه صنایع الكترونیك

با توجه به اهداف برنامه‌های توسعه كه یكی از آن‌ها توسعه صنایع الكترونیك در كشور است، باید زیرساخت‌های لازم را برای آن ایجاد كرد. تولید الكتروسرامیك‌ها در كشور یكی از زیرساخت‌های لازم برای توسعه این صنعت است. چون معضلی كه تولیدكنندگان در صنعت الكترونیك دارند، قیمت نامناسب و ورود اجناس به‌صورت قاچاق در كشور است. با تولید اقتصادی این قطعات در كنار دیگر قطعات الكترونیكی در داخل كشور، آن‌ها می‌توانند تولیدات خود را با قیمت مناسبی به جامعه ارائه ‌دهند و نگران قاچاق نبوده و به بازارهای بین‌المللی راه پیدا كنند و توان رقابت داشته باشند.

3- ارزش افزوده بالا

قیمت محصولات الكتروسرامیكی از حدود 5 دلار شروع می‌شود و تا 500-400 دلار در هر كیلو می‌رسد كه سهم بالایی از ارزش افزوده آن به دانش فنی و طراحی برمی‌گردد و صرفاً مواد اولیه نقش عمده‌ای را به‌تنهایی در قیمت این محصولات بازی نمی‌نماید. نگرانی از اینكه مواد اولیه با خلوص بالا برای تولید این محصولات را در كشور نداریم، نباید باعث شود تا كشور ما وارد این صنعت نشود. چنانچه كشورهایی نظیر كره، تایوان، هنگ‌كنگ و سنگاپور نیز با همین مسئله روبرو بودند ولی با یك برنامه‌ریزی درست و در سایه همكاری‌های بین‌المللی گام‌های بسیار درخشانی را در تولید و عرضه این محصولات در دنیا برداشته‌اند.

4- مصرف انرژی

مصرف انرژی برای تولید این قطعات در مقایسه با سرامیك‌های سنتی بسیار كمتر است. زیرا ابعاد قطعات كوچك‌تر است. این در حالی است كه وقتی آمار مصرف انرژی در كشورهای مختلف بررسی می‌شود، صنعت سرامیك، به‌ویژه در بخش سنتی (كاشی، شیشه، دیرگداز، سیمان و غیره)، سهم قابل توجهی از مصرف انرژی را به خود اختصاص می‌دهد.

از جمله مهمترین مسائلی که در زمینه ماشینکاری با آن روبرو هستیم، مسأله عمر ابزار و عوامل تأثیر گذار بر روی آن است. لذا در این مقاله سعی بر این است که بتوانیم تعریف درست و مشخصی از عمر ابزار و عوامل تأثیر گذار بر روی آن داشته باشیم و علاوه بر آن در مورد مهمترین عواملی که تأثیر بسزایی در عمر ابزار دارند، بحث می شود.

عمر ابزار به عوامل گوناگونی وابسته است .

1. درجه حرارت(محیط و ابزار)

2. هندسه ابزار برنده

3. مایع خنک کننده

4. جنس قطعه کار از لحاظ ترکیب شیمیایی

5. جنس خود ابزار

6. پارامترهای ماشینکاری (سرعت برشی، عمق براده برداری، سرعت پیشروی و...)

7. ارتعاش دستگاه

8. معیار شکست ابزار

که از این میان معیار شکست ابزار مهمترین عامل تأثیر گذار بر عمر ابزار به شمار می آید.

معیار شکست ابزار Tool Life Criterion یک مقدار از قبل تعیین شده(بر اساس کیفیت و دقت برده برداری و ...) برای فرسایش و خوردگی ابزار یا رخ دادن یک پدیده(مانند ترک و شکست) را گویند.

عمرابزار نیز از روی همین معیار شکست تعریف می شود: زمان مورد نیاز برای رسیدن به معیار شکست.

انواع معیارهای شکست

1.معیار شکست مستقیم: که با خود ابزار برنده سر و کار دارد.

2. معیار شکست غیر مستقیم: که با عوامل فرسوده شدن ابزار سر و کار دارد.

انواع معیار شکست مستقیم

الف-Chiping : جدا شدن براده از ابزار برنده را گویند.

ب- Fine Cracks: ترک خوردن ابزار برنده را گویند.

ج- Crater Wear , Wear Land : که دو نوع فرسایش مستقیم و بسیار حائز اهمیت در ابزار به شمار می آیند.

انواع معیار شکست غیر مستقیم

الف- نیروهای براده برداری: با قرار دادن حد مشخصی برای این نیروها (بر اساس کیفیت سطح و دقت کاری لازم) و اندازه گیری این نیروها بر روی ابزار برشی، می توان معیار شکست و عمر ابزار را تعیین کرد.

این مسأله بخصوص در دستگاه های اتوماتیک (CNC) کاربرد فراوانی دارد زیار با اندازه گیری این نیروها و زمان رسیدن به حد مشخصی (که قبلاً توضیح داده شد) می توان معیار شکست و عمر ابزار را به راحتی تخمین زد.

ب- کیفیت سطح

ج- دقت ابعادی قطعه کار: که این موضوع نیز در دستگاه های CNC اهمیت فراوانی دارد.

از عوامل گفته شده در بالا، مهمترین آنها که تأثیر بسزایی در عمر ابزار دارد و به طور مستقیم با خود ابزار سر و کار دارد، دو نوع فرسایش اساسی در ابزار به نام Crater Wear Land است که در ادامه این مقاله سعی بر شناسایی و راه حلهای جلوگیری از این دو فرسایش شده است.

Wear Land:

این نوع فرسایش ابتدا در سطح های آزاد ابزار برشی به وجود می آید که با گذشت زمان، ناحیه وسیعی از نوک ابزار را در بر می گیرد و با افزایش خوردگی و فرسایش ابزار و اصطکاک بین قطعه کار و نوک ابزار و به دنبال آن سوختگی نوک ابزار، نوک ابزار ترک برداشته و می شکند.

Wear land خود به دو نوع تقسیم می شود:

1. wear land یکنواخت

2. wear land غیر یکنواخت

هر یک از این دو نوع wear land در شکل(1) نشان داده شده اند.

یک wear land که در عمق به صورت یکنواخت و بدون شیارهای عمیق است نشان می دهد که براده هایی که باعث به وجود آمدن آن شده اند نازک هستند.

wear land یکنواخت حالت خوب و ایده آلی برای ابزار برشی محسوب می شود و معمولاً ابزارهایی که مواد با سختی کم را ماشینکاری می کنند این نوع فرسایش در آنها بوجود می آید.

بیشتر اوقات یک wear land یکنواخت زمانی نمایان میشود که ابزار، دارای برشی پیوسته با عمق براده برداری کم می باشد.

wear land غیر یکنواخت نشانه ای از براده برداری غیر پیوسته می باشد و معمولاً در ابزارهایی که مواد با سختی بالا را براده برداری می کنند به وجود می آید. این نوع فرسایش حاصل براده برداری با عمق زیاد و سرعت برشی زیاد می باشد. حال به این بحث می پردازیم که عمق مجاز برای یک wear land که معیار شکست و در نتیجه عمر ابزار را تعیین می کند تا چه مقداری می تواند باشد و این عمق چگونه اندازه گیری می شود.

مباحث ارائه شده در این مقاله حاصل مطالعات و تحقیقات Mr. Leo J.St. Clair در یکی از کارگاه های ماشینکاری واقع در ایالات متحده آمریکا می باشد.

مطالعات انجام شده در زمینه سرعت سوختن نسوک ابزار نشان می دهد مواد مختلف که ماشینکاری می شوند دارای نتیجه یکسانی نیستند و سرعت سوختن نوک ابزار با یک سرعت یکنواختی انجام می شود که به صورت تصاعدی می باشد. مقدار سوختن نوک ابزار بوسیله عمق weae land در کنار و آخر سطح آزاد ابزار اندازه گیری می شود.

قطعات ماشینکاری شده در این تحقیق، قطعات چدنی می باشد. ابزار برشی H.S.S (و دیگر ابزارهای برشی نظیر carbide) با عمق پیشروی in 02/0 ، میانگین عمق برشی in و سرعت fmp 150 است.

تعداد قطعات ماشینکاری شده بر حسب هر in 01/0 عمق فرسایش در جدول(1) و شکل(2) نشان داده شده است. ابزار به طور کامل بعد از ماشینکاری 330 قطعه به طور کامل بعد شکسته می شود که معادل عمق wear land در این زمان حدوداً in 06/0 است.

جدول(1) نشان می دهد که افزایش سرعت فرسایش بعد از این که عمق wear land از in 03/0تجاوز کرد، اتفاق می افتد که سرعت فرسایش از این زمان به بعد تا 7 برابر سریع تر از سرعت فرسایش با عمق in 01/0 است.

ابزار حدوداً 75% عمر خود را قبل از مرحله ای که عمق فرسایش به in 03/0 برسد، انجام می دهد و مابقی عمر خود را یعنی 25% باقیمانده را بعد از مرحله ای که عمق فرسایش به in 03/0 می رسد، انجام می دهد. این عمل مرزی را به وجود می آورد. که به طور قطع، غیر اقتصادی است یعنی مرزی به وجود می آید که سرعت رسیدن به شکست عامل در این مرز بسیار زیاد است.

تحقیقات نشان می دهد که یک ابزار carbide زمانی که به 60/0 طول عمر خود(طول عمرابزار نقطه است که مقدار wear land به in 06/0 برسد که در این هنگام شکست کامل ابزار رخ می دهد) می رسد و یک ابزار H.S.S یا ابزار آلیاژی زمانی که به 70% طول عمر خود می رسد باید تعویض و سنگ زنی شود و همان طور که گفته شد این موقعیت در جدول (1) و شکل (2) به صورت شماتیک نشان داده شده است(که این نتایج حاصل استفاده از میکروسکوپ های نوری می باشد.) در شکل (A-2) ملاحظه می شود که نقطه طول عمر اقتصادی برای ابزار H.S.S حدوداً 75% طول عمر ممکن ابزار است و بعد از ماشینکاری 250 قطعه از کل تعداد قطعات که 330 قطعه است ابزار باید سنگ زنی شود و 80 قطعه آخر تحت شرایطی ماشین کاری می شوند که ابزار سنگ خورده باشد.

همچنین برای یک ابزار carbide نقطه تعویض ابزار وسنگ زنی آن، حدود 60% عمر کل ابزار است که در این زمان 190 تا 200 قطعه ماشینکاری می شود. دلیل این که چرا یک ابزار carbide باید زودتر از یک ابزار H.S.S و یا ابزار آلیاژی سنگ زنی شود آن است که ابزار carbide دارای شکنندگی زیادتری می باشد که این خاصیت شکنندگی بیشتر سبب می شود هنگامی که wear land عمیق تر می شود نوک ابزار به راحتی شکسته شود.

زمانی که wear land عمیق تر می شود فشار زیادی از طرف قطعه کار بر روی سطح wear land وارد می شود و وقتی ابزار carbide باشد این فشار به طور پیوسته شوکی را به وجود می آورد که باعث می شود ابزار لب پر شود. لب پر شدن بدین معناست که نوک ابزار شکسته می شود و همان طور که گفته شد این دلیل عمق زیاد wear land و فشار پیوسته ناشی از قطعه کار بر روی سطح wear land می باشد مطالب گفته شده در شکل(B-2) نشان داده شده است.لب پریدگی به ندرت در ابزارهای H.S.S و آلیاژی رخ می دهد و این به دلیل سختی و چقرمگی خوب آنها می باشد.

اگر شکستگی زیاد باشد ابزار خوب و کاملاً غیر قابل استفاده می شود از این رو به دلیل آسیب زیاد ناشی از فشار wear land ، نقطه برگشتی ابزار carbide برای سنگ زنی باید 60% طول عمرش باشد که این برخلاف مقدار 70% برای ابزارهای برشی دیگر(H.S.S) می باشد.

روش دیگری برای اندازه گیری عمق مجاز wear land وجود دارد که بر اساس تعریف زیر از عمیق مجاز به دست می آید: ثابت نگه داشتن یک نقطه تعویض ابزار در تولید انبوه.

این تعریف بدین معناست که با در نظر گرفتن دقت کاری و قطعه کار و کیفیت سطح مورد نیاز در تولید انبوه، آخرین قطعه ای که دارای دقت و کیفیت لازم است را به عنوان نقطه تعویض ابزار و عمق wear land در این زمان را عمق مجاز در نظر می گیریم.

عمق مجاز wear land که از فرسایش مخرب ابزار جلوگیری می کند، به اندازه ابزار نیز بستگی دارد. یک ابزار توانایی پراکنده سازی گرمایی بهتری نیست به یک ابزار کوک دارد. از این رو در ابزارهای بزرگ به دلیل پراکنده سازی گرمایی زیاد و زمان زیاد برای بالا رفتن دمای نوک ابزار، فرسایش به کندی انجام می شود.

عمق مجاز wear land نسبت به اندازه ابزار در زیر آمده است:

up to ½ (in) squar 1/32(in)

3/4 (in) and 1 (in) squar 3/64 (in)

(in) and (in) squar 1/16 (in)

2(in) squar or more 1/8 (in)

عمق مجاز wear land در نزدیکی نقطه پرداختکاری ابزار بیشتر از نقاط دیگر است.این قسمت وخیم ترین قسمت لبه برشی است زیرا بیشتر گرما در این قسمت متمرکز است. از این رو زمانی که wear land مشاهده می شود بهتر است اندازه آن در نزدیکی نقطه پرداختکاری ابزار اندازه گیری شود.

Crater

زمانی که براده با سطح بالایی ابزار تماس می گیرد باعث به بوجود آمدن

فرورفتگی هایی در سطح بالایی ابزار، نزدیک به لبه برشی می شود. نیروهای فرسایشی سخت که در برابر جریان براده مقاومت می کنند عامل به وجود آمدن این نوع فرورفتگی ها هستند. این نوع فرسایش را اصطلاحاً crater می گویند.

رشد crater در ابتدای امر به کندی انجام می گیرد اما با رسیدن به مقدار معینی، سرعت رشد افزایش می یابد. این به دلیل افزایش زیاد نیروهای فرسایشی در سطح بالا می باشد.

سطح زیر وسخت بالایی ابزار مقاومت در برابر جریان براده را افزایش می دهد و در نتیجه عمل فرسایش سریع تر انجام می شود.

با ادامه این عمل (فرسایش در سطح بالا)، Crater به سمت لبه برشی پیشرفت می کند که باعث می شود شرایط لبه بسیار ضعیف شود و این معمولاً شکست سخت لبه برش را به دنبال دارد. رشد یک Crater و تأثیر آن در شکل (A-3) نشان داده شده است.

شکل(B-3) چندین تغییر مهم را که در منطقه نزدیک لبه برش، هنگامی که Crater رخ می دهد، نشان می دهد.

اولین تغییری که ایجاد می شود این است که زاویه شیب برش(زاویه براده) از زاویه شیب مؤثر کمتر می شود(زاویه شیب مؤثر، زاویه بین نقطه تلاقی جایی که شعاع Crater با سطح تماس می گیرد و سطح افقی را گویند) با افزایش عمق Crater این زاویه مقداری بین 30 تا 50 درجه تغییر می کند.

اندازه زیاد زاویه شیب مؤثر، لبه ابزار را به مقدار زیادی ضعیف می کند و غالباً باعث شکست لبه برش می شود.

دومین تغییری که انجام می شود آن است که شعاع براده کاهش می یابد و باعث می شود شعاع و اندازه Crater افزایش یابد.

در ابتدای انجام عمل برش غالباً خواهیم دید که براده در شعاع یا قوس بزرگ بوجود می آید اما هنگامی که ابزار فرسوده می شود شعاع براده کوچکتر می شود و براده ها غالباً تکه تکه هستند. این نشان میدهد که Crater بزرگتر و عمیق تر شده است. بدین وسیله براده ها به صورت دایره های سخت از قطعه جدا می شوند.

شکست ابزار غالباً در این هنگام به وسیله اندازه براده پیش بینی می شود. وقتی که ابزار در نتیجه Crater در حال شکست است، طول براده کوچک می باشد (غالباً یبن in تا in ) و باید در این هنگام از شکست کامل ابزار از طریق سنگ زنی و پرداختکاری دقیق مجدد، جلوگیری کنیم.

سومین تغییری که دیده می شود آن است که اندازه لبه built-up تغییر می کند. وقتی Crater به سمت لبه برشی پیش می رود، این لبه (built -up) کوچکتر می شود.

اندازه لبه built-up به گسترش شیب مؤثر بستگی دارد. یعنی این که وقتی Crater بزرگتر می شود شیب مؤثر افزایش می یابد که در نتیجه این عمل اندازه لبه built - up کاهش می یابد.

ابزاری که بتواند در برابر رشد Crater مقاومت زیادی داشته باشد، از طول عمر بیشتری نسبت به ابزاری که مقاومت کمتری در براب Crater دارد، برخوردار می باشد.

هر چیزی که شروع و رشد یک Crater مقاومت زیادی داشته باشد، از طول عمر بیشتری نسبت به ابزاری که مقاومت کمتری در برابر Crater دارد، برخوردار می باشد.

هر چیزی که شروع و رشد یک Crater را به تأخیر بیاندازد، در افزایش طول عمر ابزار مؤثر است.

چگونه شروع یک Crater را به تأخیر بیندازیم؟

توسعه منطقه Crater بستگی زیادی به دو فاکتور دارد:

1. واحد فشار وارد بر لبه

2. مقاومت در برابر جریان براده

با مینیمم کردن این دو عامل می توانیم شروع یک Crater را و در نتیجه رشد آن را به تأخیر بیندازیم.

واحد فشار وارد برلبه به مقدار براده برداری و زاویه برش بستگی دارد. وقتی براده برداری از قطعه کم و به صورت آهسته انجام شود، Crater نسبت به هنگامی که براده برداری زیاد است، نزدیک تر به لبه برش شروع به شکل گیری می کند. از این رو با افزایش بار، Crater در فاصله زیادی از لبه برش شروع به شکل گیری و رشد می کند و این، زمان زیادی را می خواهد تا این که رشد Crater برای لبه برشی مخرب باشد.(واحد فشار وارد بر لبه با نزدیک شدن Crater به لبه برش افزایش می یابد.)

مقدار زاویه برش تأثیر قطعی در واحد فشار وارد بر لبه برش و از این رو در شکل گیری Crater دارد. بزرگ شدن زاویه برش باعث کم شدن واحد فشار لبه میشود(شاید دلیلش همان شکل گیری Crater درمناطق دور از لبه برش باشد.)

بنابراین برای به تأخیر انداختن شروع یک Crater زاویه برشی را تا حد امکان باید افزایش داد.

مقاومت در برابر جریان براده شاید مهمترین عامل درتوسعه Crater باشد. هر چیزی که بتواند این مقاومت را کاهش دهد در شکل گیری Crater تأخیر ایجاد می کند و در نتیجه عمر ابزار را افزایش می دهد. حال چگونه مقاومت در برابر جریان براده را کاهش دهیم.

سه راه حل مهم در کاهش مقاومت در برابر جریان براده وجود دارد:

1. پرداختکاری دقیق و جلا دادن سطح بالای بازار

2. سنگ زنی در جهت جریان براده

3. انتخاب یک روان ساز مناسب که فرسایش بین جریان براده و سطح بالا را کاهش دهد.

از این سه راه حل، راه حل های اول و دوم معمولاً شکل گیری Crater را بیشتر به تأخیر می اندازند و باعث افزایش بیشتر طول عمر ابزار نسبت به راه حل سوم می شوند. حال به تجزیه و تحلیل این دو راه حل می پردازیم.

درجه پرداختکاری در سطح بالا در تشکیل Crater و طول عمر ابزار دخالت دارد.

اگر سطح بالایی ابزار توسط یک چرخ زبر و خشن سنگ زنی شود یک سری از شیارهای نسبتاً عمیق در سطح بالایی ابزار شکل می گیرد که به creating hills valleys معروفند(شکل 4)

زمانی که نوک های hills باریک و نسبتاً کوچک هستند، سطح تماس براده با سطح بالایی ابزار بسیار جزیی است و در نتیجه مقاومت سطحی کمی در برابر جریان براده خواهیم داشت که این منجر به تأخیر در شکل گیری و رشد Crater می شود.

اما زمانی که نوک های hills در اثر جریان براده ساییده و خورده می شوند، سطح تماس براده با سطح بالایی ابزار افزایش می یابد که این منجر به رشد سریع Crater در سطح بالا می شود.

پرداختکاری دقیق می تواند شروع Crater را به تأخیر بیاندازد. شیارها در یک پرداختکاری دقیق خیلی کوچک و در عین حال بسیار زیاد هستند و براده برخلاف تعداد زیادی از نوک hills جریان می یابد. در این حال سطح تماس براده با سطح بالایی ابزار بسیار کم است و همین باعث به تأخیر افتادن شکل گیری و رشد Crater می شود.

جهت سنگ زنی در سطح بالا، تأثیر بسزایی در مقاومت در برابر جریان براده دارد.

برا این که یک مقاومت مینیمم را در برابر جریان براده داشته باشیم. باید خط های سنگ زنی در سطح بالایی ابزار جهش یکسان با جهت جریان براده داشته باشد.

اگر خط های سنگ زنی زاویه ای متضاد نسبت به جهت جریان براده داشته باشند باعث افزایش مقاومت در برابر جریان براده شده و در نتیجه شکل گیری و رشد Crater به همراه خواهند داشت.

در آزمایشاتی که به عمل آمد نشان داده شد در ابزارهایی که جهت سنگ زنی آنها با جهت جریان براده یکسان است، عمر آنها 30% بیشتر از عمر ابزارهایی است که جهت سنگ زنی آنها برخلاف جهت جریان براده است.

ممکن است شرایطی بوجود آید که هم جهت سازی خط های سنگ زنی با جهت جریان براده بسیار مشکل باشد مانند ابزارهای فرم تراشی. در اینجا هم ممکن است کارهایی بتوانیم انجام دهیم که جهت این گونه خطاها(خط های سنگ زنی) را آنقدر تغییر دهیم که در جهت درست قرار گیرد. این عمل به وسیله سنگ زنی قسمت های نزدیک به لبه برشی انجام می شود که این موضوع در شکل (5) نشان داده شده است.

برای کاستن زمان سنگ زنی، سنگ باید طوری قرار گیرد که زاویه آن با زاویه لبه برش 1 تا 3 درجه اختلاف داشته باشد. این عمل سطح باریکی را که حدوداً عرض آن in 1/0 می باشد به وجود می آورد. حرکت سنگ باید در جهت جریان براده باشد. این عمل تا زمانی که خط های سنگ زنی هم جهت با جریان براده شوند، باید ادامه پیدا کند.

در آخر پیشنهاد می شود که سنگ زنی همه شکل از ابزارها باید به صورت گفته شده انجام شود یعنی سعی کنیم خط های سنگ زنی در جهت جریان براده باشند که قیمت عرف ابزار و افزایش عمر ابزار را در این کار به دنبال خواهد داشت که بسیار باارزش و معتبر است. به علاوه پرداختکاری بهتر قطعه کار نیز نتیجه این کار است.

رای اینکه بتوان فلزات مختلف را به طور ساده تراشید، لازم است که از ابزارهای برشی مناسبی استفاده کرد تا بتوانیم در عملیات ماشین‌کاری، درست عمل کنیم؛ یعنی با انتخاب درست جنس قطعة کار و جنس ابزارهای براده‌برداری، عمر ابزار خود را افزایش بدهیم و نیز کیفیت کار خود را بالا ببریم. در این مقاله سعی شده است در دیدی کلی، انواع ابزارهای برشی را معرفی کرده و معایب و محاسن آنها را در مقایسه با هم بیان کنیم.

برای اینکه بتوان فلزات مختلف را به طور ساده تراشید، لازم است که از ابزارهای برشی مناسبی استفاده کرد تا بتوانیم در عملیات ماشین‌کاری، درست عمل کنیم؛ یعنی با انتخاب درست جنس قطعة کار و جنس ابزارهای براده‌برداری، عمر ابزار خود را افزایش بدهیم و نیز کیفیت کار خود را بالا ببریم. در این مقاله سعی شده است در دیدی کلی، انواع ابزارهای برشی را معرفی کرده و معایب و محاسن آنها را در مقایسه با هم بیان کنیم.

انواع ابزارهای برشی

عمر ابزارهای برشی به عوامل گوناگونی بستگی دارد. یکی از این عوامل، جنس خود ابزار است. انواع ابزارهای برشی عبارتند از:

1- فولادهای تندبْر HSS ؛

2- آلیاژهای ریختنی کبالت؛

3- کاربایدها؛

4- سرامیک‌ها و سرمتها؛

5- CBN ؛

6- الماس‌ها.

در هنگام انتخاب ابزار برش مناسب برای یک سری عملیات، می‌بایست به وسیلة مقایسه مشخصات فلز، آن ابزار برش را انتخاب کرد. این مشخصات شامل توجه به نکات زیر است:

• سختی

• مقاومت

• کارایی در درجه حررات بالا

• محکمی

• مقاومت در مقابل اثرات شیمیایی

• مقاومت در مقابل سائیدگی

• قابلیت انتقال حرارت

• ضریب اصطکاک

آخرین عامل، یعنی هزینة تولید باید طوری در نظر گرفته شود که قطعه دارای خواص فیزیکی لازم باشد و کمترین هزینه تولید هر قطعه را شامل گردد.

1- فولادهای تندبُر

فولادهای تندبر (High Speed Steel) اصولاً برای برش «رنده‌های تراش» به کار می‌روند و علاوه بر کربن، ممکن است شامل عناصر دیگری از قبیل تنگستن، مولیبدن، کروم، وانادیوم و کبالت باشند.

کربن برای حفظ سختی در درجه حرارت بالا، وانادیم موجب افزایش استحکام و مقاومت به سایش و کروم نیز به عنوان عامل بهبود چقرمگی (Toughness) و مقاومت در مقابل سایش عمل می‌کند.

این نوع فولادها بر اساس مواد آلیاژی اصلیشان به چهار گروه تقسیم‌بندی شده‌اند:

1- مولیبدن 2- مولیبدن کبالت

3- تنگستن 4- تنگستن کبالت

اما چرا این نام را بر این ابزار نهاده‌اند؟

High Speed Steel ® HSS

برای پاسخ دادن به این سؤال، بهتر است با یکی دیگر از ابزارهای برشی و براده‌برداری با نام «فولادهای کربنی و آلیاژی» آشنا شویم.

کاربرد این نوع فولادها، که زمانی (حدود یک قرن پیش) عمده‌ترین جنس ابزارهای براده‌برداری بودند، به دلیل افت شدید سختی در درجه حرارتهای نسبتاً بالا (تقریباً 260°C) و سایش زیاد، فقط به ابزارهای دستی برای براده‌برداری‌های با سرعت پایین از قبیل قلاویز و حدیده و سوهان محدود شده است.

و اما فولادهای تندبْر، برتری این نوع فولادها (تندبْر) به فولادهای کربنی، در قابلیت حفظ سختی در درجه حرارت بالاتر (538°C الی 590°C) است. از این جهت، مقایسه با فولادهای کربنی به ازای طول عمر مساوی می‌توان آن را با حدود 2 برابر سرعت برشی به کار برد. به همین دلیل این فولادها به نام فولاد تندبر نامگذاری شده‌اند.

ابزار از جنس فولادهای تندبر مزایای زیر را نسبت به نمونه‌های دیگر دارد:

الف) ارزانتر است؛

ب) شکنندگی کمتری دارد. به همین دلیل در قطع و وصل ابزار برش بر روی قطعة کار با روامتر؟؟؟ است؛

ج) فرم‌پذیر است و به راحتی شکل می‌گیرد.

در کنار محاسن نام برده، این فولادها دارای معایبی نیز هستند. از آن جمله:

الف) نسبت به انواع دیگر در دماهای بالاتر حین ماشینکاری دوام کمتری دارند؛

ب) مواد سخت را به راحتی برش نمی‌دهند.

2- آلیاژهای ریختنی کبالت (ابزارهای استلایتی)

این آلیاژها که مرکب از 2 الی 4 درصد کربن، 14 تا 20 درصد تنگستن، 25 الی 34 درصد کروم و مابقی کبالت هستند. به دلیل برخورداری از سختی زیاد و حفظ آن در درجه حرارتهای بالا و مقاومت بالا نسبت به سایش و خوردگی، ضریب اصطکاک پایین در تماس با فولاد، به عنوان یکی از مواد مناسب برای ساخت ابزارهای براده‌برداری مطرح بوده‌اند.

اگر چه سختی این آلیاژها در دمای اتاق مشابه فولادهای تندبر است؛ ولی به دلیل حفظ بهتر سختی در دماهای بالاتر، قابل استفاده در سرعتهای برشی بالاتری (تقریباً 25% سرعت بیشتر) نسبت به فولادهای تندبر هستند. خواص مکانیکی و سختی این آلیاژها با عملیات حرارتی قابل تغییر نیست.

3- کاربایدها

اصولاً «کارباید» اصطلاحی است که به ترکیب شیمیایی فلز و کربن اطلاق می‌شود. کاربایدها خود به سه گروه تقسیم می‌شوند:

1- سمانته 2- ریزدانه 3- پوششی

کاربایدهای سمانته نیز خود به دو گروه عمده تقسیم می‌شوند:

1- گروه تنگستن کارباید خالص

1- گروه تنگستن کارباید آلیاژی (که حاوی کارباید تیتانیم یا کارباید تنتالیم می‌باشد)

همچنین ابزارهای کاربایدی را در دیدی دیگر می‌توان به سه گروه دیگر تقسیم کرد:

الماسه‌های یکپارچه و سخت (که از قطعات کربنی ساخته می‌شود.)

لماسه‌های لحیمی (که از اتصال الماسه به یک میلة فولادی به صورت لحیمی ساخته می‌شود.)

الماسه نصبی (که در بین صنعتگران به الماسه یا اینزرت مشهور است و متداول‌ترین ابزار مورد استفاده در CNC هاست که در نگهدارنده‌های فولادی نصب می‌شوند.)

مزایای کاربایدها را می‌توان در موارد زیر نام برد:

الف) مقاومت بیشتر در برش مواد و آلیاژهای سخت؛

ب) مقاومت در دماهای بالاتر؛

ج) الماسه‌های یکپارچه قادر به جذب ارتعاشات کار هستند و صدای ایجاد شده از برخورد ابزار با قطعه کار بسیار کم است؛

د) الماسه‌های نصبی به راحتی و بدون نیاز به نگهدارنده‌های فولادی جدید تعویض می‌شوند.

معایب کاربایدها را نیز می‌توان در موارد زیر نام برد:

الف) قیمت بالا نسبت به فولادهای تندبر؛

ب) شکنندگی بیشتر نسبت به فولادهای تندبر؛

ج) شکل‌گیری آنها با ابزارهای الماسه‌ای مقدور می‌باشد.

در ضمن الماسه‌های نصبی که کاربرد فراوانی در CNC ها دارند، با مواد خاصی مانند نیترید تیتانیوم پوشش داده می‌شوند تا عمر مفید آنها افزایش یابد. این پوشش، عمر ابزار را برای عملیات متعارف و معمول تراشکاری و فرزکاری تا 20 برابر افزایش می‌دهد.

سرامیکها و سرمتها

ابزارهای سرامیکی بیشترین تکامل را در چند سال اخیر داشته‌اند و هر چند بسیار گران هستند؛ اما از ابزارهای الماسه‌ای ارزانترند. سرامیکها بسیار سبک و شکننده‌اند.

سرامیکها در سرعتهای برش سه الی چهار برابر ابزارهای کاربایدی هستند. صافی سطح حاصل از ماشین‌کاری با این ابزارها بسیار خوب است و استفاده از سیال خنک‌کننده (Coolant) در براده‌برداری این ابزارها ضروری نیست.

مزایای سرامیکها عبارتند از:

الف) ارزانتر از الماسه‌های کربنی هستند؛

ب) مواد بسیار سخت را در زمان کوتاهی می‌برند و مقاومت گرمایی بالایی دارند.همچنین معایب سرامیکها عبارتند از:

الف) بسیار شکننده‌تر از کاربایدها و فولادها هستند؛

ب) فقط برای برشهای سرعت بالا مفید هستند و در صورتی که در دورهای پایین کار کنند، می‌شکنند؛

ج) بسیاری از دستگاه‌ها، سرعت چرخشی مناسبی برای استفاده از ابزارهای سرامیکی ندارند.سرمتها که ترکیب خاصی از سرامیکها و فلزات هستند، برای کاهش تردی و شکنندگی سرامیکها و بهبود آنها ابداع شده‌اند.

فلزاتی نظیر آهن، کروم، تیتانیوم و نیکل از ممزوج شدن با سرامیکها ابزارهای «سرامیک - فلز» یا همان «سرمٍت» را به وجود می‌آورند.

از بارزترین خصوصیات سرمتها و سرامیکها حفظ سختی در درجه حرارتهای خیلی بالا و مقاومت بالا در مقابل سایش؛ ولی مقاومت کم در مقابل خمش و شوکهای مکانیکی و بارهای ضربه‌ای و ارتعاش است و لذا با وجود این محدودیتها باید از ماشین‌ابزارهای صلب و کاملاً مستحکم که بدون لرزش می‌باشند، استفاده کرد.

نیترید بور مکعبی

CBN (Cubic Born Nitride)

CBN (با نام تجاری بورازون)

سخت‌ترین مادة شناخته شده پس از الماس است. از مهمترین امتیازات آن، مقاومت حرارتی بیشتر از الماس و خنثی بودن آن از نظر شیمیایی است.استفاده از CBN به عنوان ابزار براده‌برداری برای خشن‌کاری و پرداخت فولادهای کربنی و آلیاژی، ابزار سخت‌کاری‌شده و چدن‌های سخت و چائیده و به ویژه سوپرآلیاژها با پایه نیکل و کبالت و قطعات ساخته شده به روش متالوژی پودر، پلاستیک‌ها و گرافیت توصیه می‌شود.

اگر چه این نوع ابزارها را می‌توان بدون استفاده از سیال خنک‌کننده نیز به کار برد؛ ولی استفاده از سیال‌های خنک‌کننده حل‌شونده در آب نتایج مثبت به همراه دارد.

الماس (Diamond)

الماس، سخت‌ترین ماده شناخته شده در جهان و سختی متوسط آن 5 برابر کاربایدهای سمانتر است. سختی بسیار بالا، مقاومت به سایش عالی، قابلیت هدایت حرارتی خوب، استحکام فشاری بسیار بالا و انبساط حرارتی ناچیز، باعث شباهت ابعادی بی‌نظیر آن در براده‌برداری و تضمین‌کنندة حصول اندازه‌های یکنواخت و دقیق در قطعه کار و صافی سطح بالا می‌باشد.

همچنین به دلیل خنثی بودن الماس از نظر شیمیایی و پایین بودن ضریب اصطکاک آن در تماس با اکثر مواد در هنگام براده‌برداری پدیدة جوش‌خوردن براده‌های قطعه کار به لبة ابزار به وقوع نپیوسته و همین مسأله باعث حصول صافی سطح خوب در ماشین‌کاری فلزات غیر آهنی و حتی غیر فلزات می‌شود.

ابزارهای الماس، به هنگام براده‌برداری از فولادهای نرم و کم‌کربن، به سرعت سائیده می‌شوند؛ در صورتی که سرعت سایش آنها در ماشینکاری فولادهای آلیاژی پرکربن کمتر است و گاهی اوقات در ماشین‌کاری چدن (با درصد کربن بالا) طول عمر زیادی از خود نشان می‌دهند. ولی با این وجود به طور کلی ماشین‌کاری آلیاژهای آهنی و چدن توسط ابزارهای الماس توصیه نمی‌شوند

این دو اثر در سوراخ کاری ضربه ای سنگ های سخت، اثرگذار می باشند:

سائیدگی به دلیل لغزش: سایش با نیروی اعمال شده، فاصله ی لغزشی و مقاومت در برابر سایش و تخریب سنگ، قابل مقایسه است. این مهم ترین روش برای سوراخ کاری در سنگ های نرم و غیر ساینده است.

خستگی گرمایی: این تخریب با ایجاد ترک های پوسته ماری همراه است و در سوراخ کاری سنگ های نرم و غیر ساینده مشاهده می شود.

تمام مکانیزم ها در یک زمان رخ می دهد و شدت آنها بدون توجه به مکانیزم های دیگر تغییر می کند.

از آنجایی که سطح سوراخ کاری شده تحت تنش ها و دماهای بالایی قرار می گیرد، کارایی ابزار به طور قابل توجهی به خواص رسانایی و مکانیکی گرید های WC-Co در دماهای بالا، بستگی دارد.

مقاومت به سایش در مقیاس شوک های ایجاد شده با تافنس کاربیدها قابل مقایسه است و وقتی اندازه ی دانه ی WC رشد می کند و طول پویش آزاد میانگین در کبالت افزایش می یابد، افزایش می یابد.

مقاومت به سایش به سختی، مقدار کبالت و اندازه ی دانه ی WC وابسته است. برای گریدهای سخت تر، که در آنها سایش موجب پدید آمدن گسستگی های میکرویی در سطح مشترک WC-Co و پارگی دانه های WC می شود، دانه های بسیار ریزتر (0.4 تا 1 میکرون) مقاومت سایش بهتری ایجاد می کنند. برای گریدهای نرم تر که سایش به دلیل جدایش ترجیحی کبالت ایجاد می شود. در این حالت، ذرات درشت تر (10تا 25 میکرون) مقاومت به سایش بهتری ایجاد می کند.

جدیدترین اختراع در این زمینه که DP نامیده می شوند، قادر هستند تا مقاومت در برابر سایش را بهبود دهند و علاوه برآن، در این گریدها تافنس نیز بهبود قابل ملاحظه ای یافته است. با کمک ایجاد یک توزیع مجدد کنترل شده از فاز چسبنده (کبالت)، امکان توسعه ی اجزایی است که شامل سه ناحیه ی ریزساختاری با خواص مختلف هستند. این گریدها که دارای ضرایب انبساط حرارتی مختلفی هستند، دارای توزیع مجددی از تنش های داخلی هستند و بنابراین، امکان ایجاد یک لایه ی سطحی فوق العاده سخت و مقاوم در برابر سایش، وجود دارد. به دلیل وجود تنش های اولیه در این مواد، از انتشار و اشاعه ی ترک جلوگیری می شود. ناحیه ی زیری غنی از کبالت است و بنابراین دارای تافنس بالایی است. ناحیه ی مرکزی دارای مقدار متوسطی کبالت می باشد و قبل از عملیات DP دارای استحکام می باشد.

غیر از کیفیت کاربید، هندسه ی بخش های برنده، آرایش آنها بر روی سری ابزار برش و روش لحیم کاری بر روی کارایی مؤثر است. به هر حال، وقتی موادی الماسی به این بخش وارد شدند، استفاده از این مواد نیز کمتر شد.

ابزارهای برشی مورد استفاده در ساختمان سازی، کارهای عمومی و نجاری

فلزات سخت زینترشده (گریدهای اولیه ی WC-Co) به طور گسترده برای ساخت این ابزارها مورد استفاده قرار می گیرند.درصد کبالت ممکن است بین 5 تا 15درصد باشد و اندازه ی متوسط ذرات WC در این ساینده ها بین0.8 تا 20 میکرون می باشد. سختی این بخش ها بین 1100 تا 1600 ویکرز می باشد.

در این جا برخی مثال ها در استفاده از این ساینده ها در ساختمان سازی و کارهای عمومی بیان شده است:

راه سازی، تراز کردن جاده ها، تثبیت زمین، بازیافت آسفالت

سوراخ کاری افقی و عمودی (دستگاه های خاکبرداری، مته ها، مته های نمونه برداری) به منظور حفر چاه ها، کلکتورها، خندق ها، فنداسیون ساختمان و پارکینگ های زیر زمینی، تونل های آب و نفت؛

کاربردهای متفرقه: پره های برف روب، استوک های جلوگیری کننده از لغزش یا کشف های گلف

به طور مشابه، برای تراز کردن راه ها، سری های کاربیدی بر روی یک غلظک چرخنده مانت می شوند و از آن برای جداکردن آسفالت و یا بتن از سطح جاده، استفاده می شود. همچنین می توان از این روش برای براده برداری تا میزان 25 سانتیمتر استفاده کرد. هر سری کاربیدی در محل خود ثابت می شود به نحوی که می تواند بر روی محورش بچرخد. این کار موجب خود تیز شوندگی و افزایش عمر مفید این وسایل می شود. کف سازی های بتنی از آسفالت سخت تر هستند و نیاز است تا کاربید مورد استفاده نسبت به شوک ها و سایش مقاوم باشند. گریدهای دارای 9.5 % Co و دانه های WC درشت (10 تا 20 میکرون) برای این کار مناسب هستند. کف سازی های آسفالتی که سختی کمتری دارند، نیاز به گریدهای با سختی کمتر هستند ( گریدهای دارای 6 % Co).

ابزارهای تولید شده از فلزات سخت زینترشده هم اکنون در کاربردهای چوبی و جنگلداری مورد استفاده قرار می گیرند. استفاده از این وسایل موجب افزایش سطح تولید، دقت ابعادی بالاتر، سطح نهایی بهتر و کاهش هزینه ها می شود برای مثال:

در اره کاری (اره های مدور) و پوست کن ها تنه ی درخت از گریدهای دارای 10-12 % Co استفاده می شود.

اسکنه ها: این ابزارهای لبه ای در صنعت چوب استفاده می شوند.

عبارت ماشین کاری سریع (HSM)، عموماً به فرزکاری انگشتی با سرعت دورانی بالا و پیشروی سریع بر می گردد؛ به عنوان نمونه، پاکت تراشی در بدنه آلومینیومی هواپیماهابا نرخ براده برداری بالا. در طی ۶۰ سال گذشته، ماشین کاری سریع در مورد گستره وسیعی از تولید قطعات فلزی و غیر فلزی با وضعیت سطحی خاص در ماشین کاری مواد با سختی ۵۰ HRC و بالاتر اعمال گردیده است.

برای بیشتر قطعات فولادی که تا حدود ۳۲-۴۲ HRC سخت شده اند، گزینه های ماشین کاری عبارتند از:

۱. ماشین کاری خشن و نیمه پرداختی در شرایطی که هنوز سخت نشده اند (آنیل)

۲. عملیات حرارتی برای دست یابی به سختی نهایی (در حدود ۶۳ HRC)

۳. ماشین کاری الکترودها و اسپارک قطعات خاص قالبها (خصوصاً گوشه ها با شعاعهای کوچک و حفره های عمیق با دسترسی محدود برای ابزارهای برشی)

پرداخت و فوق پرداخت سطوح استوانه ای، تخت و حفره ها توسط کاربید سمانته مناسب، Cermet (نوعی آلیاژ سرامیک و فلز)، کاربید سرامیک مخلوط شده یا نیترید بورون مکعبی چند کریستالی (PCBN).در مورد خیلی از قطعات و اجزاء، فرآیند تولید شامل آمیزه ای از این گزینه ها بوده و در مورد قالبها باید پرداخت کاری دستی -که زمان بر است- را نیز اضافه نمود. در نتیجه، هزینه های تولید بالا رفته و زمان تدارک (Lead time) بیش از اندازه طولانی خواهد شد.

یکی از اهداف و مقاصد صنایع قالب سازی این بوده و هست که نیاز به پولیش زدن دستی را کاهش داده و یا حذف نمایند و متعاقباً کیفیت را بهبود بخشیده و هزینه های تولید و زمان تدارک را کاهش دهند.فاکتورهای اقتصادی و فنی اصلی برای

پیشرفت ماشین کاری سریع

بقا – همیشه افزایش رقابت در بازارهای فروش کالا با تهیه استانداردهای جدید همراه است. نیاز به بهره وری در زمان و هزینه روز به روز بیشتر و بیشتر می شود. این موضوع سبب می شود تا پروسه ها و فناوریهای تولیدی نوینی شکل بگیرد. ماشین کاری سریع، امید بخش و ارائه دهنده راه حلهای جدید است… .مواد – پیشرفت مواد جدیدی که ماشین کاری آنها مشکل است، بر نیاز به یافتن راه حلهای جدید ماشین کاری تأکید می نماید. صنایع فضایی، آلیاژهای فولادی ضد زنگ و مقاوم به حرارت مخصوص به خود را داراست. صنایع اتومبیل سازی، کامپوزیتهای دو فلزی، آهن فریتی و حجم رو به رشد آلومینیوم را داراست. صنعت قالبسازی اساساً با مشکل ماشین کاری فولادهای ابزاری سخت شده از مرحله خشن کاری تا پرداخت کاری روبه روست.کیفیت – نیاز به قطعات و اجزاء محصولاتی با کیفیت بالاتر، نتیجه رقابتهای رو به افزایش است. چنانچه ماشین کاری سریع درست به کار گرفته شود، راه حلهای زیادی در این زمینه ارائه می دهد. یک نمونه جایگزین کردن پرداخت کاری دستی با ماشین کاری سریع است که خصوصاً در قالبها و یا قطعات با هندسه سه بعدی پیچیده از اهمیت بالایی برخوردار است.فرایندها – نیاز به زمان بازده کوتاهتر از طریق کاهش تعداد باز و بست کردنها و روشهای ساده تر، در خیلی از موارد می تواند توسط ماشین کاری سریع برآورده شود. یک هدف نوعی در صنعت قالب سازی این است که ابزارهای سخت شده کوچک در یک set-up ماشین کاری شوند. فرایندهای پر هزینه و زمان بر EDM را نیز می توان توسط ماشین کاری سریع کاهش داده و یا حذف نمود.طراحی و پیشرفت – امروزه یکی از ابزارهای اصلی برای رقابت، فروش محصولات تازه و نوظهور می باشد. در حال حاضر عمر متوسط قطعات خودروها در حدود ۴ سال، قطعات کامپیوترها و خدمات جانبی آن ۱٫۵ سال، و عمر گوشیهای تلفن، ۳ ماه و … است. یکی از شرایط لازم برای چنین پیشرفت در تغییر سریع طرحها و محصولات و کاهش زمان عرضه آنها استفاده از تکنیکهای ماشین کاری سریع است.محصولات پیچیده – استفاده از سطوح چند کاره (multi-functional surfaces) بر روی قطعات در حال افزایش هستند، همچون طرحهای جدید پره های توربین که قابلیت ها و تواناییهای جدید و بهینه ای بدست می دهد. طرحهای قبلی اجازه می دانند که پره ها را توسط دست یا با روبات پولیش زنی نمود، اما پره های جدیدی که بسیار پیچیده تر شده اند، می بایستی از طریق ماشین کاری و ترجیحاً ماشین کاری سریع، پرداخت شوند. در این مورد نمونه های خیلی بیشتری از قطعات با دیواره نازک که می بایستی ماشین کاری شوند، موجود است. (تجهیزات پزشکی، الکترونیک، محصولات دفاعی و اجزاء کامپیوترها)

اولین تعریف از انواع ماشین کاری سریع

در تئوری Salomon، ماشین کاری با سرعت برشی بالا… فرض می شود که در سرعتهای برشی خاص (۵ تا ۱۰ مرتبه بزرگتر نسبت به ماشین کاری معمولی)، دمای براده برداری در لبه برشی شروع به کاهش می نماید… .

در نتیجه … به نظر می رسد که شانسی برای بهبود تولید در ماشین کاری با ابزارهای معمولی در سرعتهای برشی بالا بدست دهد… .

تحقیقات نوین، متأسفانه نتوانسته است این تئوری را به طور امل تأیید نماید. کاهش نسبی دما در لبه برنده برای مواد مختلف، در سرعتهای برشی خاص رخ می دهد. این کاهش دما برای فولاد و چدن کوچک بوده و برای آلومینیوم و دیگر فلزات غیر فرو بزرگتر می باشد.

به عنوان یک تعریف منطقی از ماشین کاری سریع می توان گفت: ماشین کاری در سرعتهای به طور مشخص بالاتر نسبت به سرعتهای معمول مورد استفاده در کارگاهها.

این سرعت به عوامل زیر بستگی دارد:

۱٫ ماده ای که می بایستی ماشین کاری شود – به عنوان مثال: آلیاژهای آلومینیوم، سوپر آلیاژهای نیکل، فولادها، آلیاژهای تیتانیوم، چدن یا کامپوزیتها

۲٫ نوع فرایند ماشین کاری – برای مثال: تراشکاری، فرزکاری یا سوراخکاری

۳٫ ماشین ابزار مورد استفاده – برای مثال: قابلیت های توانی، سرعت، پیشروی ماشین؛ دیگر مشخصات ماشین ابزار همچون پایداری استاتیکی و دینامیکی

۴٫ ابزار برشی مورد استفاده – به عنوان نمونه: فولاد تند بر، ابزار کاربیدی، سرامیکی یا الماسه

۵٫ ملزومات قطعه کار – شکل، سایز، هندسه، سفتی، دقت و پرداخت

۶٫ ملاحظات دیگر – دسترسی به براده، ایمنی و اقتصاد

تعریفهای عملی از ماشین کاری سریع:

• ماشین کاری با سرعت بالا در حقیقت تنها سرعت برشی بالا نیست. این موضوع را می بایستی به عنوان فرایندی که در آن عملیات با روشهای بسیار خاص و با تجهیزات تولیدی بسیار دقیق انجام می گیرد، در نظر گرفت.

• ماشین کاری با سرعت بالا، لزوماً ماشین کاری با اسپیدلهای با سرعت بالا نمی باشد. خیلی از کاربردهای ماشین کاری سریع با اسپیندلهایی با سرعتهای متوسط و با ابزارهای بزرگ انجام می گیرد.

• ماشین کاری سریع در پرداخت کاری فولادهای سخت شده در سرعتها و پیشرویهای بالا، اغلب ۴-۶ برابر سریعتر نسبت به ماشین کاری معمولی انجام می پذیرد.مزایای استفاده از ماشین کاری سریع:

• حداقل فرسایش ابزار حتی در سرعتهای بالا

• فرایندی با قابلیت تولید بالا برای قطعات کوچک

• کاهش تعداد مراحل فرایند

در این نوع ماشین کاری دمای قطعه کار و ابزار پایین نگه داشته می شود که باعث می شود در خیلی از موارد عمر ابزار طولانی تر شود. از طرف دیگر در ماشین کاری سریع، عمق ماشین کاری کم بوده و زمان درگیری برای لبه برنده بسیار کوتاه است. (در تصویر زیر به وضوح تفاوت میان ماشین کاری معمولی و ماشین کاری سریع از لحاط حرارت ایجاد شده و منطقه حرارت دیده ابزار در هر دو روش آشکار است.) بنابراین می توان گفت که سرعت پیشروی به اندازه کافی بالا هست که حرارت نتواند گسترش پیدا کند. نیروی برشی کوچک باعث تغییر شکلهای جزئی در ابزار می شود. از آن جایی که نوعاً در این نوع ماشین کاری، عمق برش کم است، نیروهای برشی شعاعی بر روی ابزار و اسپیندل کوچک است. لذا یاتاقانهای اسپیندل، ریلهای راهنما و ballscrewها حفظ می شوند.

برخی معایب استفاده از ماشین کاری سریع:

• نرخ سریغ افزایش و کاهش سرعت و توقف های مکرر اسپیندل باعث می شود که راهنماها، یاتاقانهای اسپیندل و ballscrewها سریعتر فرسوده شوند.

• نیاز به دانش خاص فرایند، تجهیزات برنامه نویسی و رابطی برای انتقال سریع داده ها

• توقف اورژانسی عملاً لازم نیست. خطاهای انسانی، خطاهای سخت افزاری یا نرم افزاری، پیامدهای بزرگی به همراه خواهد داشت.

• نیاز به طراحی خوب فرایند.ابزارها

در بیشتر کاربردها ابزارهای کاربیدی مورد نیاز است. خمواره باید در این نوع ماشین کاری از گریدی از ابزارهای کاربیدی استفاده کرد که علاوه بر سختی (مقاومت در برابر سایش)، دارای چقرمگی (مقاومت در برابر شوک و ضربه) نیز باشد؛ چرا که ماشین کاری سریع اغلب با شوکهای زیادی همراه است. ضربه، ارتعاشات و تغییرات دمایی، همگی در سرعتهای بالاتر، شرایط بحرانی تری دارند. در مورد ابزارهای با چقرمگی بالاتر، احتمال لب پر شدن یا ترک خوردن به علت این شوکها کمتر می باشد.بهترین حالت از نظر سختی و چقرمگی، در ابزارهاب کاربیدی با دانه بندی ریز بدست می آید. بسیاری از کاربیدهای ریزدانه ای که امروزه موجود هستند، چقرمگی بهتر، و تغییرات سختی کمتری نسبت به گریدهای درشت تر از خود نشان می دهند.ماشین کاری سریع اغلب ماشین کاری در درجه حرارت بالا نیز هست. انتخاب ابزار نه تنها بر اساس مقاومت سایشی، بلکه می بایستی بر اساس قابلیت حفظ مقاومت سایشی در دماهای بالا نیز انجام پذیرد.

معمولا در ماشین کاری سریع از ابزارهای کاربیدی با پوشش TiAlN استفاده می شود؛ چرا که این پوشش با ایجاد یک سد حرارتی از ابزار محافظت می کند. این پوشش در حدود ۳۵% نسبت به TiN به لحاظ حرارتی مقاومتر است. خاصیت دیگر TiAlN مقاومت سایشی است که سبب شده در ماشین کاری قطعات ریخته گری شده مؤثر باشد. از آنجایی که این پوشش در ماشین کاری در دمای بالا مؤثر است، اغلب به منظور کاهش شوک از خنک کار استفاده نمی شود. به منظور جایگزینی خاصیت روانکاری خنک کار، لایه ای از پوشش روانکار بر روی TiAlN استفاده می شود.در مقایسه با کاربیدها موادی که در جدول زیر لیست شده اند، مقاومت سایشی بالاتری در سرعتهای برشی بالاتر از خود نشان می دهند، اما در برابر شوکها ضعیف تر می باشند. در یک فرایند پایدار، استفاده از یکی از موارد زیر می تواند طول عمر بیشتری نسبت به ابزاراهای کاربیدی بدست دهد.فلزات غیر فرو فلزات فرو PCD CBNCermet

در مورد ماشین کاری آلیاژهایی با قابلیت ماشین کاری پایین از جمله آلیاژهای تیتانیوم و سوپر آلیاژهای نیکل، ترجیح داده می شود که به جای ماشین کاری سریع از ماشینکاری با توان عملیاتی بالا (High-Througput Machining) استفاده نمود چرا که به مدرت این فلزات بتوانند در سرعتهای بالاتر از ۳۰۰ smm ماشین کاری شوند. عبارتی که اغلب برای پوشش دادن به هر دو مبحث HSM و HTM به کاری می رود، ماشین کاری با راندمان بالا (High Efficiency Machining) می باشد. به عبارت دیگرHEM به معنای بار برداری با نرخی سریعتر نسبت به کاربردهای معمولی می باشد.

صفحه1 از2

درباره ی پارس پایا

logo

شرکت «پارس‌پایا افزار ایرانیان» فعالیت خود را در سال 1388 در زمینه تامین و توزیع ابزارآلات تراشکاری و فرزکاری آغاز کرد.

هم اکنون این شرکت یکی از بزرگترین شرکت‌های فروش ابزارآلات براده‌بردای و صنعتی در ایران با بیش از 900 مشتری در کسب و كارهای بزرگ، متوسط و کوچک است.

ادامه...