ابزارهای برش تولید شده از کامپوزیت های آلومینیوم اکسید/ تیتانیم کاربیدی

مقدمه

تلاش های اولیه برای استفاده از ابزارهای برشی سرامیکی در تراشکاری چدن خاکستری در اوایل دهه ی 1930 شروع شد. سختی دما بالا، استحکام فشاری، مقاومت به سایش و خنثی بودن شیمیایی سرامیک ها، در حقیقت موجب موفقیت این مواد شد. به هر حال، فرایندهای تولید سخت سرامیک ها با ابزارهای ماشین کاری نامناسب و فقدان تجربه ی کافی، همراه شد. در اصل، تنها سرامیک های اکسید آلومینیومی مورد استفاده قرار گرفتند اما در دهه ی 1970، کامپوزیت های آلومینیوم اکسید/ تیتانیم کاربیدی معرفی شدند. این ابزارها نتایج مناسبی در تراشکاری نهایی فلزات آهنی و تراشکاری آهن های سخت، ارائه کردند. بهینه سازی کامپوزیت ها، شامل معرفی تکنولوژی زینترینگ جدید است که منجر به بهبود این گروه از مواد شده است.

ترکیبات، ریزساختار و خواص

ابزارهای برشی که به صورت تجاری موجود می باشند، شامل گروه هایی از سرامیک های کربوکسیدی می باشند که شامل اکسید آلومینیوم به همراه 30 تا 40 % تیتانیم کاربید و یا تیتانیم نیترید، می باشد. توزیع این ذرات موجب افزایش سختی برای دماهایی تا 800 درجه می شود (در مقایسه با سرامیک های اکسیدی (جدول 1 و اشکال 1 و 2). به طور همزمان، تافنس شکست و استحکام پیوند نیز از طریق منع ایجاد ترک، انحراف ترک و یا شاخه دار کردن ترک افزایش می یابد. این کار از طریق ذرات سخت توزیع شده در زمینه، انجام می شود. سختی بالاتر به همراه تافنس بالاتر، موجب افزایش مقاومت به سایش و ایروژن می شود. انبساط گرمایی پایین تر و رسانایی بالاتر کامپوزیت نیز موجب بهبود مقاومت به شوک حرارتی و قابلیت تحمل سیکل حرارتی در مقایسه با سرامیک های اکسیدی، می شود. در دماهای بالاتر از 800 درجه ی سانتیگراد، ذرات تیتانیم کاربید و یا تیتانیم نیترید اکسید می شوند و خواص تقویت کنندگی خود را از دست می دهند. تضعیف کامپوزیت و این پدیده باید در زمان انتخاب شرایط برش مانند سرعت برش، عمق برش و نرخ تغذیه، در نظر گرفته شود.    
پودرهای با کیفیت بالا و با اندازه ی ذره ی ریز (عموماً یک میکرون و یا کوچکتر) برای تولیدی کامپوزیت های اکسید آلومینیوم/ تیتانیم کاربید) استفاده می شوند. مخلوطی یکنواخت و هموژن از این اجزا از طریق آسیاب کاری تر و یا خشک، ایجاد می شوند. بایندرهای آلی نیز برای ایجاد استحکام خشک اولیه مورد استفاده قرار می گیرد. عملیات حرارتی در تولید این کامپوزیت ها بسیار مهم می باشد. هدف در واقع مینیمم کردن تخلخل است در حالی که ریزساختار نیز باید بسیار ریز باشد.
افزودن تیتانیم کاربید و تیترید موجب می شود تا رشد دانه در طی عملیات حرارتی، متوقف شود. فرایندهای مختلفی برای فایق آمدن بر مشکلات مربوط به دما و فشار ابداع شده است. در اصل، قالب های گرافیتی در دماهایی بین 1600 تا 1750 درجه ی سانتیگراد برای متراکم سازی مکانیکی مواد مورد استفاده قرار می گیرند. این قالب ها قدرت تحمل فشارهایی بین 200 تا 350 بار را دارند. محدودیت های گرافیت و فشار و دمای ماکزیمم مجاز و میزان تخلخل باقیمانده ی بالاتر از 1 %، ممکن است در این کامپوزیت ها، بوجود آید (شکل 3). در سال های اخیر، پرس ایزواستاتیک گرم نیز برای عمل آوری در فشارهای بالاتر از 200 MPa و محیط گاز خنثی مانند آرگون و یا نیتروژن، مورد استفاده قرار گرفته است. این فرایند نیازمند محصولی است که به صورت سربسته در داخل محفظه ی خاصی قرار داده شود و با یک پیش زینترینگ، به دانسیته ی مینیمم 94 درصد برسد. پرس ایزواستاتیک گرم موجب افزایش دانسیته و کاهش تخلخل می شود. این مسئله موجب افزایش قابلیت اطمینان به کامپوزیت می شود.

کاربردهای گریدهای مختلف

صنعت ابزارهای برش گریدهای کاربید سمنته را هم بر اساس استاندارد ایزو R513 و هم بر اساس سازمان جهانی استاندارد، طبقه بندی می کند. یک ورژن از نامگذاری و روش طبقه بندی و نحوه ی اعمال آن بر ابزارهای برش تولیدی از اکسید آلومینیوم/ تیتانیم کاربید، در جدول 2 آورده شده است. همانگونه که گفته شد، گریدهای مختلف کامپوزیت های اکسید آلومینیوم/ تیتانیم کاربید معمولاً برای ماشین کاری فلزات آهنی و با سرعت برش بالا و در زمانی استفاده می شود که دقت ابعادی بالا و سطح صاف، مورد نیاز باشد.
در سال های اخیر، صنایع مختلفی شروع به جایگزین کردن سنگ زنی اجزای فولادی سخت شده از طریق تراشکاری با ابزارهای برش سرامیکی کربوکسیدی، کردند. مسائل مربوط به اقتصاد یک چنین تغییری، عبارتند از:
• سرمایه گذاری اصلی (جایگزینی CNC به جای ادوات سنگ زنی)
• ابزارهای مصرفی (سری های برش و سایش به جای ادوات ساینده ی همراه با بایندر).
• سیکل زمانی (تراشکاری در مقایسه با سنگ زنی).
• OSHA/ EPA (مواد خنک کننده دیگر نیاز نیست).
مقایسه ی هزینه ی انبوه اغلب انتقال از سنگ زنی به تراشکاری را مقرون به صرفه، نشان می دهد. برای مثال، صنعت اتومبیل امروزه این فرایند را برای اصلاح دنده های سخت کاری شده، دنده های جانبی، شافت اکسل و اجزای مشابه، استفاده می کند. به شکل 4 نگاه کنید.

طراحی ابزار

ابزارهای برشی تولیدی از جنس اکسید آلومینیوم/ تیتانیم کاربید منحصراً به عنوان سری های شماره دار، مورد استفاده قرار می گیرند. ابزارهای سرامیکی جامد و یا ابزارهای لحیم کاری شده، از این کامپوزیت ها ساخته شده و به ندرت، مورد استفاده قرار می گیرند. استحکام خمشی و تافنس پایین تر این کامپوزیت ها در مقایسه با کاربیدهای سمنته، منجر به طراحی نگهدارنده برای این سری ها سرامیکی، شده است.
سیستم های نگهدارنده ی این سری ها که برای ابزارهای برش کامپوزیتی مورد استفاده قرار می گیرند، مشابه آنهایی هستند که برای کاربیدهای سمنته، طراحی می شوند. برای سری های با شکل منظم، انواع محدود کننده از بالا و محدود کننده با حفره، متداول است مانند سری های الماسه ی مدور، مکعبی، سه گوش، الماسه های 80 درجه و 55 درجه. به هر حال، در تراشکاری مدور، این متداول است که از توزیع کننده ی تراشه استفاده شود و بدین صورت نیروی محدود کننده را توزیع کنیم (شکل 5). سری های با مارپیچ توخالی ترجیح داده می شوند اما در برخی وضعیت ها که فشار برش پایین مورد نیاز است، سری های با مارپیچ مثبت نیز مورد استفاده قرار می گیرد. شعاع دماغه ی ابزار معمولا 0.4 میلی متر و یا کمتر است.
ابزارهای V شکل نیز به همراه سری های سوراخ کاری منفرد و یا سری های با مارپیچ مثبت و مدور، پیشنهاد می شوند. این سری ها برای سوراخ کاری و یا خالی کردن داخل میله ها، مناسب می باشد (شکل 6). آماده سازی لبه ها یکی دیگر از فاکتورهای مهم در کارایی ابزارهای برش تولیدی از کامپوزیت های آلومینیوم اکسید/ تیتانیم کاربید، می باشد. هدف این آماده سازی لبه ای، در واقع حذف میکروپلیسه هایی است که از فرایندهای سایش قبلی بر روی سری باقی مانده است. این فرایند در واقع موجب نرم شدن لبه های برشی می شود. جدول 3 اطلاعاتی در مورد آماده سازی لبه ها ارائه کرده است.  

پیشنهادهای مربوط به ماشین کاری

پیشنهادهای مربوط به ماشین کاری عبارتند از: سرعت برش، سرعت اعمال نیرو و عمق برش. شکل و اندازه ی مربوط به قطعه ی کاری، ماده ی مورد استفاده و سختی، میزان یکنواختی سطح و تلورانس ابعادی، قابلیت ابزاری ماشین تراش و کیفیت مورد نیاز برای قطعه، از جمله مسائل تعیین کننده در ماشین کاری، می باشد.
برای ابزارهای برشی سرامیکی کربوکسیدی، مهم ترین فاکتور در واقع انتخاب میزان اعمال نیرو می باشد. در حقیقت این میزان از اعمال بار تعیین کننده ی سطح نهایی است اما اعمال فشار بیش از حد نیز ممکن است منجر به شکستن سری شود

بیشتر بخوانید:کامپوزیت های آلومینایی تقویت شده

جدول 4 نشاندهنده ی اصول راهنمایی کلی مربوط به انتخاب نیروی اعمالی و شعاع ابزار برای حصول سطح نهایی مورد نظر، می باشد. به دلایل عملی، انتخاب شرایطی که بتواند زبری ماکزیمم 50 % ایجاد کند، پیشنهاد می شود. شکل 7 و 8 توصیف کننده ی رابطه ی میان نیروی اعمالی و ضخامت براده های حاصله برای انواع مختلف لبه های برش می باشد. ماکزیمم ضخامت براده ی تغییر شکل نیافته، به استحکام و تافنس مربوط به لبه ی برش و همچنین سختی و استحکام قطعه ی کاری، وابسته می باشد.   جدول 5 و 6 بیان کننده ی راهنمایی هایی در مورد ماکزیمم نرخ بارگذاری نسبت به حالت های مختلف ابزارهای برشی کربوکسیدی در زمانی است که تراشکاری بر روی چدن خاکستری و فولاد با میزان کربن متوسط، انجام می شود. اصول راهنمای اضافی نیز برای تراشکاری انواع مختلف از فلزات آهنی با استفاده از ابزارهای برشی آلومینیوم اکسید / تیتانیم کاربید، در جدول 7 و 8 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