انتخاب مواد

روش های مختلفی وجود دارد که بوسیله ی آنها می توان ابزارهای برش خاصی را برای فرایند ماشین کاری یک قطعه، انتخاب کرد. بدبختانه، بسیاری از این مواد دارای مقاومت پایینی هستند و از این رو، باید در تصمیم گیری، نهایت دقت به عمل آید. بدون تشخیص اثر دراز مدت بر روی هزینه ی قطعه ی ماشین کاری شده یا سرعت تولید و تحویل قطعه، عواملی همچون نیروی کار و مهندسی تولید نیز اغلب می تواند در انتخاب ابزارهای برش، مؤثر باشد. انتخاب ها بوسیله ی فاکتورهای مختلفی تحت تأثیر قرار می گیرد. انتخاب مواد مناسب برای ابزارهای برش، اولین گام از هر برنامه ریزی مؤثر برای تولید یک قطعه می باشد. مواد مربوط به ابزار برشکاری به ماده ی وابسته می باشند که می خواهیم برشکاری را بر روی آن انجام دهیم. البته این ماده به نوع عملیات انجام شده نیز وابسته می باشد. این موارد عبارتند از: تبلیغات، چرخه ی فروش و حس کنجکاوی. بسیاری از شرکت ها ابزارهای برشی را خریداری می کنند که قیمت پایین تری داشته باشند و اهمیت کمتری به کارایی می دهند. در سرتاسر دنیا، تولید ضعیف، زمان استفاده از ماشین آلات و کیفیت پایین قطعه ی تولیدی نتیجه ی مستقیمی از کارایی ابزار برش می باشد.

مقدمه

شکل 1 اطلاعاتی در مورد توسعه ی ابزارهای برش ارائه کرده است. با پیشرفت در تکنولوژی متالورژی مواد، بهبود در کارایی ابزارهای برشی ممکن شد. پیشرفت ها در زمینه ی ابزارهای برشی، به بهبود ترکیب شیمیایی و یا فرایند تولید ابزار وابسته می باشد. قطعاً بهبود در کیفیت متالوژیکی مربوط به ماده ی مورد استفاده در یک ابزار برش، منجر به افزایش طول عمر و یا از آن مهم تر، افزایش در سرعت براده برداری می شود. از آنجایی که سرعت برش یک اثر غالب بر روی دمای برش کاری فرایند دارد، این مسئله منتج شده است که ابزارهایی که سرعت برش بالاتری دارند، دوام بیشتری در دماهای بالا دارند. شکل 2 نشاندهنده ی این رابطه است. ابزار برش کاری با سختی دما بالای بیشتر، اجازه می دهد تا سرعت تولید بالاتری داشته باشیم زیرا امکان افزایش سرعت برشکاری در این حالت، وجود دارد. انتخاب مواد مناسب برای ابزارهای برش، اولین گام از هر برنامه ریزی مؤثر برای تولید یک قطعه می باشد. مواد مربوط به ابزار برشکاری به ماده ی وابسته می باشند که می خواهیم برشکاری را بر روی آن انجام دهیم. البته این ماده به نوع عملیات انجام شده نیز وابسته می باشد. اغلب چندین انتخاب ماده وجود دارد که بوسیله ی هر کدام از این مواد می توان کار برش کاری را به خوبی انجام داد. فاکتور اضافی سپس در نظر گرفته می شود. این فاکتور اضافی، می تواند موارد زیر باشد:
• توان ماشین، گستره ی سرعت و صلبیت
• تقاضای تولید
• محدودیت های مالی تولید
• نرخ بارگذاری مربوط به ماشین
• تعداد نیروی کار و سربار
عموماً نرخ ساعتی بالاتر برای ابزار ماشین و اپراتور، موجب می شود تا تقاضا برای افزایش بهره وری، و کاهش زمان تولید قطعه، ایجاد شود. به هر حال، اندازه، ظرفیت کارایی و شرایط عمومی مربوط به ابزار ماشین می تواند محدود به تولدی باشد که برای یک ماشین خاص، موجود می باشد. هر چه قدر فاکتور محدود کننده و یا فاکتورهای محدود کننده، بیشتر باشند، فرایند تصمیم گیری در مورد تعیین یک ماده ی برشی مناسب، پیچیده تر می شود. تصمیم گیری بدون یک تجزیه و تحلیل اقتصادی، احتمالا موجب می شود تا هزینه های نهایی قطعه افزایش یابد.  

مواد یا آلیاژهای کاری

مهم ترین ملاحظه در انتخاب ابزار برش صحیح، ماده ی کاری و سختی آن است. این ماده می تواند فلزی یا غیر فلزی، فلز آهنی و یا غیر آهنی و .... باشد. اکثر مواد ماشین کاری شده در ایالات متحده ی آمریکا، مواد آهنی، کربن، آلیاژها، فولاد ضد زنگ و یا چدن می باشد. چدن ممکن است به صورت چدن خاکستری، داکتیل و یا چکش خوار باشد. معمولاً دو یا سه سطح از استحکام کششی در داخل بسیاری از گریدهای آلیاژی و فولادهای ضد زنگ، وجود دارد. علاوه بر این، حداقل سه نوع چدن وجود دارد. استحکام کششی بالاتر موجب می شود تا سختی ماده بالاتر باشد و از این رو، ماشین کاری ماده سخت تر می شود. یک تعریف کامل در مورد مواد کاری، به ما کمک مناسبی در انتخاب هوشمند مواد ابزار، می دهد.
هدف این مقاله، بررسی گروه های اصلی ابزارهای برشی و بیان محدودیت ها و ویژگی های غیر متداول آنها می باشد. مواد مورد استفاده در ابزارهای برشی عبارتند از:
• فولاد تندبر
• کاربیدهای بدون پوشش
• کاربیدهای پوشش دار
• سرامیک ها
• سرمت ها
• الماس پلی کریستالی و
• بور نیترید مکعبی پلی کریستال

فولاد تندبر

ورژن اولیه از ابزارهای برشی که در ماشین ها استفاده می شده اند، فولادهای ابزار با کربن بالا می باشند. این مواد عموماً فولادهای بدون آلیاژ می باشند که می توان آنها را با استفاده از عملیات حرارتی، سخت کاری کرد. افزودن عناصر آلیاژی مخصوصاً تنگستن، کروم و وانادیم موجب می شود تا سختی این مواد در حالت دما بالا افزایش یابد. جدول 1 نشاندهنده ی ترکیب شیمیایی فولادهای تند بر نمونه وار می باشد. این بهبودها در ترکیب شیمیایی فولاد موجب می شود تا کارایی آنها به طور قابل توجهی افزایش یابد. این افزایش کارایی در افزایش سرعت برش نیز نمود دارد و موجب شد تا واژه ی تند بر با سرعت برش بالا (HSS) به اول اسم آنها، اضافه شود. ابزارهای HSS امروزی در حالت شمش ریخته گری شده و متالورژی ذره ای (PM)، موجود می باشند. مواد ریخته گری شده به صورت شمش، در حالی که قابلیت انجام عملکرد مناسب در بسیاری از کاربردها را دارند، به خاطر ترکیب مجاز محدود می باشند و از این رو، عملیات های حرارتی به منظور حصول مقاومت به سایش بالا بر روی آنها انجام می شود. پوشش های سخت می توانند بر روی سطوح نهایی ابزارهای HSS اعمال شوند و موجب بهبود کارایی آنها شوند، مخصوصاً در مورد آلیاژهای آهنی ماشین کاری شده. این مسئله موجب کاهش تافنس آنها می شود و بنابراین، HSS حاصله، تردتر می شود. فولادهای PM از لحاظ مکانیکی، در حالت خشک آلیاژی شده اند و دارای محدودیت های مشابه با مخلوط سازی در حالت مذاب نیستند. نتیجه ی این مسئله، تولید یک سری از گریدهای فولاد تندبر است که می توانند پس از عملیات حرارتی به سطح بالاتری از سختی برسند (68 تا 70 راکول سی)، بدون آنکه یک کاهش قابل توجه در تافنس آنها ایجاد شود. این ابزارها می توانند عمر مفید طولانی تری ایجاد کنند که علت این مسئله، افزایش در مقاومت سایش بدون ریسک شکسته شدن می باشد. همانگونه که انتظار می رود، این افزایش کارایی، موجب افزایش قیمت می شود.
عموماً اثرات این عناصر آلیاژی قابل پیش بینی است. جدول 2 اثر عناصر آلیاژی مختلف بر روی خواص کارایی مربوط به فولادهای تند بر را نشان می دهد. سطوح بالاتری کربن موجب افزایش سختی می شود. این مسئله در مورد سایر عناصر نیز مشاهده می شود، مخصوصاً وانادیم. گریدهای متداول تر این مواد عبارتند از M1، M2، M7 و M10. وانادیم کاربید که در میکروساختار فولاد تشکیل می شود، اصلی ترین عامل مربوط به مقاومت سایش در گرید M10 می باشد. گرید M10 حاوی 1 تا 2 % وانادیم است. گرید M4 که حاوی 4 % وانادیم است، مقاومت به سایش بسیار خوبی در مقایسه با 4 گرید دیگر دارد. افزودن کبالت به ترکیب شیمیایی موجب افزایش در سختی گرم فولاد می شود. البته این افزودن همچنین موجب افزایش در کارایی و هزینه ی فولاد نیز می شود. مقاومت ترین گرید در برابر سایش، گرید T15 است که حاوی 1.5 % کربن، 5 % وانادیم و 5 % کبالت است. شکل 3 تا 5 نشاندهنده ی سختی دما بالا، تافنس و مقاومت به سایش 9 گرید از فولاد HSS است. پوشش های سخت می توانند بر روی سطوح نهایی ابزارهای HSS اعمال شوند و موجب بهبود کارایی آنها شوند، مخصوصاً در مورد آلیاژهای آهنی ماشین کاری شده. روش رسوب دهی فیزیکی از حالت بخار (PVD) موجب تشکیل یک تک لایه می شود که معمولا از جنس TiN می باشد. این پوشش به عنوان استحکام بخش بر روی ابزاری ایجاد می شود که در داخل محفظه ی خلأ قرار داده شده است. سایر پوشش ها مانند پوشش های تیتانیم کربونیترید (TiCN)، زیرکونیم نیترید (ZrN) و کروم نیترید (CrN) نیز موجود می باشند و بر روی این سطوح، اعمال می شوند. فرایند PVD در دماهای پایین تر نسبت به دمای تمپرینگ مربوط به HSS انجام می شود و بنابراین، موجب تخریب سختی فولاد نمی شود.
در حالی که پوشش موجب افزایش هزینه ی ابزار می شود، این پوشش در بسیاری موارد، موجب بهبود قابل توجه در کارایی می شود. یک مثال نمونه وار از کاربرد این پوشش ها در قلاویزها می باشد. در حقیقت در این کاربردها، یک میزان اندک از سایش موجب می شود تا قلاویز سوراخی با اندازه ی نامناسب را رزوه کند و دیگر برای پیچ، مناسب نیست. هزینه ی پوشش دهی نیز با افزایش طول عمر قلاویز، جبران می شود. به هر حال، وقتی ضخامت پوشش تنها در حدود 0.0002 تا 0.0003 اینچ است، این پوشش نمی تواند زیرلایه را حفظ کند و نباید بر روی سطوحی با سختی بیشتر از 40 راکول سی استفاده شود.
استفاده از مطالب این مقاله، با ذکر منبع راسخون، بلامانع می باشد.

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