راهنمایی های مربوط به ماشین کاری ابزارهای الماسی پلی کریستال

نویسنده: : ارنست رادرمن، هارلورد بوونکرک
مترجم: حبیب الله علیخانی
ابزارهای الماسه ی پلی کرستال به صورت موفقیت آمیز در بسیاری از صنایع و برای ماشین کاری فلزات غیر آهنی و بسیاری از مواد غیر آهنی، استفاده می شوند. کاربردهای ماشین کاری مربوط به ابزارهای PCD رشد قابل توجهی دارد و بدین صورت اشکال مختلفی از این مواد برای ماشین کاری مواد مهندسی تولید شده اند. دلایل اساسی متعددی وجود دارد که چرا مدیریت تولید و مهندسین فرایند، باید دانش کافی در مورد استفاده ی مؤثر از ابزارهای PCD را در فرایندهای ماشین کاری مدرن، داشته باشند. وقتی پتانسیل موجود در این موارد، در نظر گرفته می شود، موارد زیر، منتج می شود:
• نیاز به بهبود و افزایش کیفیت این محصولات، وجود دارد.
• باید موادی را ماشین کاری کرد که مشکلات زیادی در برابر ماشین کاری دارند.
• بهره وری، باید افزایش یابد و
• عمر مفید این ابزارها، باید افزایش پیدا کند.
از مواد مهم در این زمینه، دانستن مسائل اقتصادی مربوط به فرایند ماشین کاری، می باشد. ابزارهای PCD به سرعت به ابزارهای متداول در ماشین کاری آلیاژهای سیلیکون- آلومینیوم تبدیل شده اند (مخصوصاً در صنعت خودرو و سایر صنایع). برای مثال، به صورت بصری، تمام پیستون های تولیدی در دنیا، بوسیله ی ابزارهای PCD ماشین کاری می شوند. بهره وری و کیفیت تولید بالا، از جمله مزیت های این محصولات می باشد. ابزارهای تولید شده از PCD هزینه ای 10 تا 15 برابر نسبت به ابزارهای متداول دارند. بنابراین، ابزارهای PCD باید قابلیت های فنی قابل توجهی ایجاد کنند که فراتر از ابزارهای معمولی، باشد. یک آگاهی کامل در مورد رابطه ی میان کارایی فنی و قیمت خرید این محصولات، از جمله موارد بسیار مهم می باشد.
برخی از قابلیت های ماشین کاری و کارایی مربوط به ابزارهای PCD در زیر آورده شده است:
• افزایش در ظرفیت تولید (Cp و Cpk) و بازده با بهبود پیوستگی قطعه به قطعه در ابعاد و پرداخت نهایی و در طی تولید هزاران تا ده ها هزار قطعه.
• حذف تغییرات ابزاری اضافی
• پرداخت و ایجاد سطح نهایی مناسب در مواد مهندسی که در واقع با سایر روش ها، قابلیت ماشین کاری ندارند.
• کاهش هزینه ها با کاهش در میزان ضایعات، کاهش زمان کار و موارد مشابه.
• کنترل دقیق پرداخت و ابعاد به منظور افزایش عمر مفید محصول و بهبود ظاهر به منظور افزایش عمر مفید قطعه در بازار

بهینه سازی ماشین کاری با PCD

این مقدمه در مورد ابزارهای PCD به صورت زیر تدوین شده است و علاوه بر این، جدول ها و تصاویر و نمودارهایی برای تأیید مطالب گفته شده، آورده شده است.
• این باید تشخیص داده شود که آیا کاربرد شما در زمینه ی عمومی مربوط به استفاده از ابزار PCD هست یا نه!
• باید با رویه ی تجاری موجود برای ابزارهای PCD آشنا شویم.
• گرید مناسبی از PCD را انتخاب کنید.
• شرایط عملیاتی، سرعت و عمق برش را بر اساس اصول بیان شده در زمینه ی آن کاربرد، در نظر بگیرد.
• یک آگاهی کامل در مورد فاکتورهایی بدست آورید که برروی هزینه های کل ماشین کاری برای آن کاربرد خاص، اثرگذار هستند.
کاربردهای اصلی کنونی برای ابزارهای PCD در جدول 1 آورده شده است. این جدول نشاندهنده ی ویژگی های اساسی مربوط به قطعه ی کاری، صنایع اصلی استفاده کننده از این مواد، و برخی از محصولات نمونه وار نهایی تولید شده با این روش، می باشد. این مسئله باید تذکر داده شود که این لیست حاوی طیف وسیعی از فلزات غیر آهنی و مواد غیر فلزی است. عموماً ابزارهای PCD نباید در ماشین کاری آهن و آلیاژهای دما بالا، استفاده شوند. لیست مواد موجود در جدول 1 سایر فلزات غیر آهنی و غیر فلزی را مستثنی نکرده است. از آنجایی که مواد مورد استفاده در ابزارهای PCD هنوز در حال توسعه می باشند، بنابراین، کاربردهای آنها هنوز به درستی محدود به کاربردهای خاص نشده است و باید طبق دستورالعمل ها، عمل کرد. مشاهدات موجود در این زمینه، به صورت زیر می باشد:
• ابزارهای PCD به سرعت به ابزارهای متداول در ماشین کاری آلیاژهای سیلیکون- آلومینیوم تبدیل شده اند (مخصوصاً در صنعت خودرو و سایر صنایع). برای مثال، به صورت بصری، تمام پیستون های تولیدی در دنیا، بوسیله ی ابزارهای PCD ماشین کاری می شوند. بهره وری و کیفیت تولید بالا، از جمله مزیت های این محصولات می باشد.
• کامپوزیت های زمینه ی فلزی (MMC) یک مثال از موادی است که نمی تواند به صورت مؤثر با ابزاری به غیر از ابزارهای PCD، ماشین کاری شوند.
• سیلندر سیلیکون- آلومینیومی موتورها که حاوی لاینرهای چدنی هستند. این مواد اجزایی هستند که در حقیقت چالش واقعی در زمان ماشین کاری، محسوب می شوند. ابزارهای PCD ممکن است عمر مفید آنها و همچنین مشکلات مربوط به ابعاد و پرداخت را در یک چنین عملیات هایی، کاهش دهند.
• قابلیت ابزارهای PCD در حفظ لبه های تیز در حقیقت یکی از مزیت های کیفی مربوط به این ابزارها برای ماشین کاری برنز، مس، بابیت و آلیاژهای مس- سرب، می باشد.
• ابزارهای PCD در عملیات های تراشکاری جایگزین سنگ های الماسه ی قدیمی شده اند. این مورد در تولید و تنظیم قالب، اجزای قالب و پانچ تولید شده از کاربیدهای سمنته ی کبالت بالا، مناسب می باشند.
• تولید با سرعت بالای اجزای چوبی و محصولات حاوی الیاف چوب، با استفاده از این مواد مقدور می شود.
• کامپوزیت ها و لایه های حاوی رزین، شیشه ، الیاف شیشه ، رابرها، گرافیت، تیتانیم، آزبست و سرامیک ها، ممکن است با استفاده از ابزارهای PCD ماشین کاری شوند. این مواد به صورت نمونه وار در صنعت هوافضا، دریایی و اتومبیل، مورد استفاده قرار می گیرد.  

راهنمایی ها برای انتخاب گرید مناسب تر از PCD

خواص و ویژگی های مربوط به سطوح ابزار برش PCD بوسیله ی فرایند تولید، کنترل می شود. خواص کلیدی مربوط به مقاومت به سایش و ضربه می تواند از طریق اندازه ی ذرات ساینده ی الماسه ای تعیین شود که در فرایند تولید، مورد استفاده قرار می گیرند. این انعطاف پذیری، موجب بهینه سازی عمر مفید ابزار در کاربرهای مختلف می شود.
سه گرید اصلی از سطوح ابزارهای PCD موجود می باشند. این گریدها، عبارتند از گرید نرم، متوسط، نرم و خشن. توزیع اندازه ی ذره ی الماسه که برای هر گرید تعریف می شود و همچنین خواص و ویژگی های مهم آنها در جدول 2 آورده شده است. یک سری پیشنهادهای جزئی برای خانواده های اصلی مواد کاری، در جدول 3 آورده شده است. عموماً استفاده از گریدهای زبرتر توصیه می شود مگر آنکه کاربردی خاص وجود داشته باشد که نتوان با گریدهای زبرتر، به ویژگی های مطلوب رسید. علاوه بر این، مزیت های اقتصادی و مزیت های مربوط به عمر مفید در استفاده از گریدهای زبرتر وجود ندارد مگر آنکه تقاصا بر این دلالت کند. مفاهیم مربوط به این تعمیم در واقع ابزارهایی است که برای صنایع چوب، طراحی شده اند. لبه های برش پیچیده که برای قطعات چوبی مورد نیاز می باشد، به سهولت با استفاده از PCD گرید ریز تولید می شود (با فرایندهای EDM و EDG).

توصیف ابزارهای با سری PCD

متداول ترین ابزارهای PCD مورد استفاده، سری های کاربیدی هستند. این سری ها بوسیله ی ایجاد یک بسته ی دقیق بر روی یک گوشه و یا گوشه های هر سری کاربید سمنته ی استاندارد، تولید می شود. گوشه ها سپس به دقت ساییده می شوند تا شعاع و پهلوهایی مناسب پیدا کنند. مثال هایی از ابزارهای با سری PCD در شکل 1 نشان داده شده است. از لحاظ بصری، تمام فرایندهای ماشین کاریی فلزات با ابزارهای PCD نیازمند این است که سطح شیار بالایی پولیش خورده باشد. این عملیات پولیش موجب می شود تا جریان براده نرم تر باشد، لبه های برش تیزتر باشند و بدین صورت ریسک گیر کردن فلز در لبه ی برش، کاهش یابد.
تولیدکننده های ابزارهای ابر سخت، می توانند PCD تولید کنند که برای هر کاربردی، قابل استفاده می باشند. تمام تولیدکننده ها کاتالوگ هایی دارند که در آنها، ابزارهای تولید نشان داده شده است.
به منظور ماکزیمم کردن قیمت این ابزارها، این ممکن است که سری های PCD با ابعاد بهینه داشته باشیم. این ممکن است که سری را با ابزارهای خاص، تیز کرد. فروشنده های ابزارهای PCD می توانند جزئیات و همچنین اطلاعاتی در مورد هزینه ها و نحوه ی انتقال این مواد، ارائه دهند.

انتخاب پارامترهای ماشین کاری PCD

انتخاب پارامترهای ماشین کاری در اصل به طبیعت خاص مربوط به خواص و ویژگی های مواد کاری، وابسته می باشد. علاوه بر این، طبیعت پایه ی مربوط به فرایند، فرایند تراشکاری و فرزکاری نیز ممکن است بر روی وضعیت ماشین کاری، مؤثر باشد. قابلیت ها و محدودیت های مربوط به ابزار ماشین کاری، به خودی خود باید در نظر گرفته شود. شرایط عمومی مربوط به ابزار ماشین کاری، ممکن است بر روی عمر و سایر ویژگی یهای مربوط به هر سری اثرگذار باشد.
ابزارهای PCD باید به صورت محکم نگه داشته شوند تا از ایجاد نوسان های بیش از حد و ایجاد شرایط بدون تعادل در اجزای چرخنده ی سیستم، جلوگیری شود. همچنین در زمان استفاده از این ابزارها، باید نیروهای بیش از حد، به سیستم وارد نکرد.
پرسنل کاری و اپراتورها باید آگاه باشند که لبه های برش ابزارهای PCD ترد هستند مشابه لبه های ابزارهای کاربیدیف سرامیکی و سرمتی. ابزارهای با لبه ی PCD باید همواره با دقت جابجا شوند و به دقت با آنها برخورد شود.
استفاده ی مؤثر و اقتصادی از ابزارهای PCD ممکن است به روند کاری مانند سرعت و حد بارگذاری، وابسته باشد. عموماً ابزارهای PCD ممکن است در همان شرایطی استفاده شوند که ابزارهای کاربیدی، استفاده می شوند اما اثربخشی اقتصادی ماکزیمم ممکن است به راهنمایی های گفته شده بوسیله ی تولید کننده، وابسته باشد.

راهنمایی ها در زمینه ی سرعت یا میزان تغذیه

جدول 4 نشاندهنده ی خطوط راهنمای اصلی در مورد ماشین کاری قطعه ی کاری با ابزارهای PCD می باشد. این خطوط راهنما، انعکاس دهنده ی عملیات های تجاری و عملی می باشد. برای آنهایی که با ابزارهای PCD آشنایی ندارند، عملیات های آغازین در حد پایین سرعت و یا بارگذاری، پیشنهاد می شود. همواره یکی از مسائل اصلی در مورد تولید قطعه و عملیات های مربوطه، تلورانس ابعادی و پرداخت نهایی می باشد. وقتی این شرایط ایجاد شود، سپس فرایند منجر به تولید بهینه می شود که در حقیقت با افزایش سرعت و نرخ بارگذاری یا تغذیه، انجام می شود.

مسائل مربوط به عمق برش PCD

بیشتر ابزارهای PCD به صورت سری به فروش می رسند. در مورد فرایند تولید این سری ها، در حقیقت یک بخش کوچک PCD در داخل یک گوشه از سری کاربیدی، چسبانده می شود. بنابراین، طول موجود برای لبه ی برش PCD، مشابه با طول لبه ی کاربید اصلی نیست. بنابراین، این مهم است که عمق برش برای هر کاربردی که انتخاب می شودف از 60 % طول لبه ی برش PCD فراتر نرود. هدف این محدودیت، اطمینان حاصل کردن از این موضوع است که حرارت تولید شده در براده ها، موجب نرم شدن خط اتصال سری و زیرلایه ی برش نگردد. توجه کنید که این مسئله در حقیقت موجب محدود شدن عمق برش ابزارهای PCD نمی شود. مسائل خاص این مسئله و همچنین محدودیت های موجود در شکل 2 آورده شده است. استفاده از مطالب این مقاله، با ذکر منبع راسخون، بلامانع می باشد.
منبع مقاله :
CERAMIC CUTTING TOOLS/ Materials, Development, and Performance/ E. Dow Whitney