ابزارهای برش

مقدمه

علم سرامیک در یک سوم اول قرن بیستم در مراحل اولیه ی توسعه قرار داشت. مهندسین سرامیک در حقیقت از روی عادت کار می کردند. در طی زمان، جداول داده و اصول عملی نیز تدوین شدند. این داده ها از طریق محاسبه گرها و یا کامپیوترها بدست آمدند. به هر حال، مشارکت مهندسین سرامیک نباید کاهش یابد. مهارت، استادکاری و توجه این افراد منجر به تدوین اصولی شد که بسیاری از سرامیک های فنی امروزی، بر پایه ی همین اصول بنا شده اند.
توسعه ی ابزارهای برش سرامیکی به موازات توسعه ی علوم فرآوری مواد سرامیکی، انتخاب مواد و بهبود ابزارآلات، ایجاد شد. این مقاله در مورد توسعه ی ابزارهای برش بر پایه ی همین معیارها، بنا شده است.

پیشرفت های علمی

ابزارهای برش سرامیکی بیش از یک صد سال است که مورد استفاده قرار می گیرند. میکرولیت شامل آلومینای خالص به همراه اکسید منیزیم بود. این ابزار علاقه ی قابل توجهی را در میان مهندسین ابزار بدست آورد اگر چه، خواص فیزیکی آن مشابه با محصولات شرکت Degussit بود. این انتظار وجود داشت که به دلیل اندازه ی دانه ی 5 میکرونی در این ابزارها، تافنس شکست نیز بهبود یابد. همانگونه که مواد جدید در طی یک دوره ی خاص توسعه یافته اند، خواص این ابزارها نیز تا حد قابل توجهی بهبود یافته است. به هر حال، وقتی ابزارهای برش جدید توسعه یافتند، مواد جدیدی که دارای خواص سایش قابل توجه بودند، نیز توسعه یافتند. بخش زیر در مورد برخی از این پیشرفت ها در ابزارهای برش سرامیکی، صحبت خواهد کرد.

ابزارهای برش آلومینا- شیشه

ابزارهای برش از اوایل دهه ی 1900 موجود بودند. این ابزارهای اولیه در اصل شامل آلومینا بودند و با استفاده از فاز شیشه ای مشتق شده از تالک و یا خاک رس، به ابزار برش فلزی متصل می شدند. به دلیل کیفیت بد پودر آلومینایی که آن زمان موجود بود، مقادیر تافنس شکستی در حدود 3.0 MPa-m^(1/2) برای این ابزارها، متداول بود. استحکام های مربوط به بهترین این مواد نیز در حدود 340 MPa بوده است. مشکل اساسی این ابزارها، فاز شیشه ای بوده است که در دماهای برش فلزها، نرم می شود. بنابراین، این مواد دستآورد خوبی به همراه نداشته اند و استفاده از آنها ممنوع شد.
یک پل به توسعه ی ابزارهای برش سرامیکی را بریجمن انجام داد. این کار به دلیل کارهای او در زمینه ی فیزیک فشار بالا بود. این کارها در نهایت منجر به اعطای جایزه ی نوبل به این شخص شد. تحقیقات او نیازمند ماده ای بود که بتواند در برابر تنش های بالا و دماهای بالا مقاومت کند. به دلیل اینکه مواد موجود خاصیت مناسبی نداشتند، بریجمن وسیله ی را توسعه داد که امروزه به احترام نام او، سندان بریجمنی (Bridgman anvil) نامیده می شود. یکی دیگر از نتایج کارهای او، بررسی پایداری الماس/ گرافیت در دیاگرام فازی کربن می باشد.

آلومینای زینتر شده

در طی دهه ی 1930، یک سری ابزار برش تولید شده با آلومینای نسبتاً خالص تولید شد. این ابزارها بوسیله ی شرکت Degussit وارد باز شد. افزودن اکسید منیزیم به عنوان کمک زینتر موجب شد تا فاز شیشه ای حذف شده و از این رو، خواص مربوط به استحکام این مواد، بهبود یابد. این ابزار دارای دانسیته ی در حدود 98 % بود و اندازه ی دانه ی نیز در حدود 3 میکرون می باشد. این ابزارها در برش فلزاتی همچون چدن مورد استفاده قرار گرفتند. در حقیقت در این کاربردها، تنش ها پایین تر از ماشین کاری فولاد است.
یکی دیگر از ابزارهای برشی که در حقیقت میکرولیت (Microlite) نامیده شد، در طی همان دوره و در شوروی سابق، توسعه یافت. میکرولیت شامل آلومینای خالص به همراه اکسید منیزیم بود. این ابزار علاقه ی قابل توجهی را در میان مهندسین ابزار بدست آورد اگر چه، خواص فیزیکی آن مشابه با محصولات شرکت Degussit بود. این انتظار وجود داشت که به دلیل اندازه ی دانه ی 5 میکرونی در این ابزارها، تافنس شکست نیز بهبود یابد.
در دهه ی 1960، چندین نوع مختلف از ابزارهای آلومینای زینتر شده با انواع مختلف افزودنی ها، در ایالات متحده، ژاپن و اروپا، توسعه یافت.
Goliber در جنرال الکتریک، ابزار برش سرامیکی توسعه داد که حاوی آلومینا به همراه 10 % TiO بود. پیش از کارهای Goliber، این فهمیده شده بود که دی اکسید تیتانیم می تواند به عنوان کمک زینتر مورد استفاده قرار گیرد. به هر حال، دی اکسید تیتانیم همچنین موجب رشد غیر پیوسته ی دانه ها می شود. ابزارهای آلومینا/ TiO به صورت گریدهای 0 تا 30 شماره بندی شده بودند. این ابزارها دارای ساختار دانه ای غیر هم محور با اندازه ی 2 میکرون، بودند و به صورت کاملا متراکم زینتر شده بودند. همچنین این ابزارها دارای استحکام گسستگی عرضی برابر با 586 MPa بودند. این میزان از استحکام گسستگی در آن زمان قابل توجه بود و از این رو، توجه زیادی به خود جلب کرد.

آلومینای پرس گرم شده

در طی دهه ی 1960، دو ابزار پرس گرم شده با میزان سهم بازار قابل توجه، وجود داشت. یکی از این ابزارها، CCT-707 شرکت کربوراندوم بوده و دیگری، VR-97 شرکت نورتن بود. پرس گرم موجب می شد تا دانسیته ی بالاتری نسبت به روش زینترینگ ایجاد شود و این مسئله خود موجب بهبود قابل توجه در خواص می شد. خواص پودر نیز هنوز مسئله ی مهم تلقی می شد اما به حد زینترینگ مهم نبود. برای مثال، آگلومره ها می توانند در طی زینترینگ، تخریب شوند اما در زمان پرس گرم، این مسئله رخ نمی دهد. در آن زمان، هر دو نوع پرس گرم شده که در بالا بدان اشاره شد، دارای خواص استثنایی بودند.

ابزار برش CCT-707

این ابزار برش تحت نام تجاری Stupalox و بوسیله ی شرکت VonMickwitz توسعه یافت. کربوراندوم این تکنولوژی را از شرکت مادر خرید و برای یک مدت زمان، این ابزار را به بازار ارائه کرد. در حالی که شرکت کربوراندوم، یک فروشنده ی اصلی ابزارهای سایشی است، این تصور وجود دارد که این شرکت، در زمینه های به غیر از ساینده، در حال کار است. این شرکت با مدیریت مشکلات داخلی ، موجب تسهیل عملیات ها در زمینه ی صنعت ساینده و ابزارها برش شده است.  

ابزارهای برش VR-97

این ماده در حقیقت آلومینای خالص به همراه اکسید منیزیم است که با استفاده از پرس گرم، به دانسیته ی کامل رسیده است. تحقیق بر روی VR-97 بوسیله ی شرکت نورتن انجام شد. در این شرکت، مخترعین مشاهده کردند که ارتباط کلی میان چرخ ساینده و ماشین کاری نقطه ی منفرد، وجود دارد. برخلاف شرکت کربوراندوم، مدیریت شرکت نورتن مشکلاتی در زمینه ی شبکه ی توزیع داشتند. برای حل این مشکل، این شرکت مشارکت خوبی با Vascoloy Ramet ایجاد کردند تا بدین صورت مشکل شبکه ی توزیع خود را حل کنند. منفعت کسب شده بین دو شرکت تقسیم می شد. در یک زمانی نیز نورتن خط تولید VR را به Vascoloy فروخت تا بتواند چند سال دیگر در بازار ابزارهای برش، بماند.
استفاده از ابزارهای سرامیکی تا حدی به تکامل نزیک شده بود. هزینه های ماشین کاری تا حدی کاهش یافته بود و سرعت سطحی به طور قابل توجهی افزایش یافته بود. در حالی که پیشرفت در این زمینه، در حال حرکت به سمت بالا بود، برخی محدودیت ها در زمینه ی پیشرفت های عملی، وجود داشت. یکی از این محدودیت ها، قابلیت کارکرد ابزار ماشین کاری در سرعت بالا و بدون ایجاد نوسان بود. سرعت های بالا وقتی قابل قبول است که برش طویل و مستقیم باشد. این عملکرد وقتی دچار مشکل می شود که قطعه پیچیده و یا ظریف باشد. به عنوان یک نتیجه، ابزارها برش تنها کاربردهایی در زمینه ی چدن پیدا کردند. در برش کاری این قطعات، مقاومت به سایش جزء ویژگی مهم ابزار می باشد.
استفاده از مطالب این مقاله، با ذکر منبع راسخون، بلامانع می باشد.

منبع مقاله :
CERAMIC CUTTING TOOLS/ Materials, Development, and Performance/ E. Dow Whitney