ابزارهای برش سرمت

مقدمه

سرمت ها در واقع شامل تیتانیم کربونیتریدها به عنوان فاز سخت و نیکل به عنوان بایندر می باشند. این مواد مقبولیت قابل توجهی در زمینه ی تولید ابزارهای برشی در بسیاری کاربردها، پیدا کرده اند. در ژاپن، این ابزارهای ساینده، بیشتر از کاربیدهای سمنته ی بدون پوشش، استفاده می شوند. در آمریکای شمالی و اروپا، توسعه های مشابه مورد انتظار می باشد. موفقیت سرمت ها بر اساس مقاومت به سایش فوق العاده ی آنها در زمان ماشین کاری فلزات آهنی و غیر آهنی در گستره ی سرعت های مختلف، می باشد.
این مقاله بررسی بر روی توسعه، ترکیب و ریزساختار سرمت ها، انجام داده است. خواص و گریدهای مختلف و اطلاعات ضروری برای طراحی و استفاده از ابزارهای برش سرمت، در ادامه مورد بررسی قرار گرفته است.

ترکیب، ریزساختار و خواص

واژه ی سرمت در حقیقت از واژه های سرامیک و فلز مشتق شده است. این دو ماده در واقع فازهای اصلی مربوط به این گروه از مواد می باشند. فاز سرامیکی در واقع می تواند از نوع کاربید، نیترید و کربونیترید عناصری همچون تیتانیم، مولیبدن، تنگستن، تانتالیم، نیوبیوم، وانادیم، آلومینیوم و سایر محلول های جامد به همراه تیتانیم نیترید به عنوان جزء اصلی، باشد. فاز بایندر فلزی شامل آلیاژهای نیکل به همراه کبالت و اجزای سایر فازهای سرامیکی باشد. این مسئله به حلالیت این مواد وابسته می باشد. اولین کاربید سمنته حاوی تیتانیم نیترید بود که بوسیله ی Kieffer و همکارانش در سال 1969 معرفی شدند. استفاده از تیتانیم نیترید به عنوان عامل سخت کنندگی، به طور موفقیت آمیز نشان داد که استفاده از این ماده موجب بهبود خاصیت ترشوندگی بایندر نیکلی می شود. این کار از طریق افزودن مولیبدن، انجام می شود.
تحقیقات گسترده ای که بوسیله ی Rudy در سیستم های چهارتایی (Ti,Mo)، (C,N) و (Ti,W) – (C,N) انجام شد، منجر به آگاهی بهتر در مورد طبیعت دو فازی ذرات سخت و میکروساختار نمونه وار آنها در زمان تجزیه ی اسپینودال شد. مزیت های مربوط به این آلیاژها در مقایسه با کاربیدهای سمنته ی متداول، اندازه ی ذره ی ریزتر، مقاومت به سایش بهتر و پایداری ترمودینامیکی بالاتر بود که موجب می شود مقاومت به سایش و مقاومت به اکسیداسیون بهتری در آنها ایجاد شود.
تلاش ها در ژاپن و در میانه ی دهه ی 1970، منجر به افزایش تافنس سرمت ها شد و موجب شد تا این مواد به طور موفقیت آمیز برای عملیات های سایش، مورد استفاده قرار گیرند.
در میانه ی دهه ی 1980، سرمت ها در اروپا معرفی شدند و همچنین مقبولیت روزافزونی در ایالات متحده نیز پیدا کردند. امروزه، انواع مختلفی از سرمت ها، به صورت تجاری موجود می باشند و از آنها در سوراخ کاری، تراشکاری و سایش انواع مختلف از فولادها، چدن ها و فلزات غیر آهنی، استفاده می شود.
تولید سرمت های TiC/ TiN با استفاده از روش متالورژی پودر (زینترینگ فاز مایع) انجام شد. این روش ها، مشابه روش متداول تولید کاربیدها، می باشد. ریزساختار سرمت ها، نشاندهنده ی ذرات سخت و مقاوم به سایش است که در داخل زمینه ای بایندری نرم قرار گرفته اند. در حقیقت این ساختار نشاندهنده ی تافنس بالا و مقاومت در برابر انتشار ترک می باشد. شکل 1 و 2 نشاندهنده ی ریزساختار دو نوع از گریدها سرمت نمونه وار می باشد.   وقتی سرمت زینتر می شود، ذرات TiC/ TiN با نیکل واکنش می دهند و این مسئله منجر به جامد شدن و متراکم شدن ترکیب و بازآرایی ذرات بوسیله ی نیروی مویینگی، می شود. پیش از انجماد، کاهش در لایه ی اکسیدی موجود بر روی ذرات TiC/TiN بواسطه ی ترشوندگی کامل با فاز بایندر مایع، قطعی می شود. این کاهش تنها بواسطه ی کربن موجود در TiN قابل حصول می باشد. بنابراین، کربن باید از طریق سایر منابع مانند کاربید مولیبدن یا WC تأمین شود. البته این دو کاربید، حلالیت بالایی در فاز مایع بایندر، دارند.
از آنجایی که اتم های مولیبدن به سهولت در شبکه ی TiC حل می شوند، افزودن کاربید مولیبدن منجر به بهبود ترشوندگی می شود. مولیبدن در شبکه ی TiN محلول می باشد.
قرابت مولیبدن با نیتروژن، کمتر از کربن است و این مسئله منجر به ایجاد ناحیه های عنی از Ti-N و غنی از Mo-C در محلول جامد (Ti,Mo) – (C,N) می شود. این مسئله منجر به ایجاد ساختار پوسته ای شکلی در اطراف ذرات سخت سرمت می شود. با توجه به کارهای Rudy، هسته غنی از تیتانیم و نیتروژن است در حالی که پوسته غنی از مولیبدن و کربن است و بدین صورت، به راحتی بوسیله ی فاز بایندر، تر می شود. در توسعه های اخیر، دو جهت دهی مختلف مشاهده شده است:
• ترکیب ذرات سخت می تواند به نحوی کنترل شود که هسته دارای ماکزیمم سختی و مقاومت به سایش را داشته باشد در حالی که پوسته چسبندگی خوبی به فاز نیکل، ایجاد کند. چسبندگی خوب موجب می شود تا گسترش ترک در فاز بایندر، تحت تأثیر قرار گیرد و این مسئله منجر به افزایش تافنس می شود.
• کنترل دقیق ترکیب شیمیایی مربوط به فاز بایندر می تواند به منظور افزایش در سختی دما بالا و استحکام دما بالای، انجام شود، بدون آنکه تردی در ساختار ایجاد شود. استفاده از کاربیدهای کمپلکس دوپ شده با آلومینیوم و نیتریدها، منجر به افزایش آلومینیوم به فاز بایندر نیکلی می شود و این مسئله موجب بهبود خواص دما بالا در این ساختارها می شود. به طور همزمان، کریستالیزاسیون تیتانیم کاربید در پوسته ی بخش های سخت منجر به افزایش چسبندگی فاز بایندر می شود.
خواص فیزیکی مربوط به سرمت ها و کاربیدهای متداول، در جدول 1 آورده شده است. این خواص از تولید کننده به تولیدکننده ی دیگر، متفاوت است. تفاوت اصلی میان کاربیدها و سرمت ها، در حقیقت در رسانایی گرمایی این مواد است که در حقیقت اثر مستقیم بر روی مقاومت به شوک حرارتی آنها دارد. مقاومت به شوک حرارتی در دماهای پایین تر مربوط به سرمت ها، استفاده از مواد خنک کننده در فرایندهای سایش، تراشکاری و سوراخ کاری، را محدود می کند.

کاربردهای مربوط به گریدهای مختلف

تولیدکننده ی ابزارهای برشی سرمت را به گریدهای مختلف و بر اساس استاندارد ISO R513 طبقه بندی می کنند. البته این طبقه بندی ها می تواند بر اساس استانداردهای مربوط به شورای صنعتی ایالات متحده نیز انجام شود. بیشتر گریدهای سرمت ها، برای براده برداری قطعات کاری، فلزهای آهنی و غیر آهنی مناسب می باشند. در حقیقت با استفاده از این سرمت ها، انواع مختلف گریدهای مورد نیاز برای ماشین کاری فلزات آهنی، فلزات غیرآهنی و مواد غیر فلزی، کاهش می یابد.
سرمت ها قادر به کار در یک گستره ی وسیع از سرعت های برش، می باشند مقاومت به تغییر شکل پلاستیک بالاتر و خنثی بودن شیمیایی تیتانیم کربونیتریدها در مقایسه با تنگستن کاربید، سرعت های برش بالاتر را مهیا می کند و موجب کاهش لبه های برش مورد نیاز می شود.
سرمت ها سطوح پرداخت مناسبی ایجاد می کنند و کنترل ابعادی بر روی تراشکاری، سوراخ کاری و سایش را مقدور می سازد. عموماً فرایندهای سایش و تراشکاری گران قیمت تر، بواسطه ی استفاده از ابزارهای برشی سرمتی، جایگزین شده اند. مواد خنک کننده نیز می تواند برای این سری ها، استفاده شوند. البته برخی اوقات، محدودهایی در این زمینه وجود دارد و در برخی کاربردها، استفاده از مواد خنک کننده، موجب کاهش عمر مفید قطعه می شود. ماشین کاری دقیق اغلب نیازمند آفست های ابزاریی مختلف می باشد تا بدین صورت تلورانس مورد نیاز، تعیین شود.

طراحی قطعه

ابزارهای برش سرمتی به طور غالب به صورت سری های شماره دار، مورد استفاده قرار می گیرند. ابزارهای برش حاوی سرمت جامد امروزه به صورت تجاری برای برخی از کاربردهای خاص، موجود می باشند.
سری ها سرمتی شماره دار، بر اساس استاندارد ISO شماره گذاری می شوند تا بدین صورت اطمینان حاصل شود که بتوان این سری ها را با سری های کاربیدی، مقایسه کرد. این ابزارها همچنین در ابعاد سری های کاربیدی تولید می شوند تا بدین صورت بتوان آنها را در داخل نگهدارنده های مورد استفاده برای سری های کاربیدی، استفاده کرد. بیشتر تولید کننده های سری هایی تولید می کنند که از بالا، بوسیله ی حفره و یا از طریق سیستم مهار فنری، مهار می شوند.

تراشکاری و سوراخ کاری

طراحی های ابزاری نمونه وار برای تراشکاری و سوراخ کاری در شکل 3 و 4 نشان داده شده است. مهارهای سوراخ دار برای برای ابزارهای سوراخ کاری با مارپیچ منفی، متداول هستند، در حالی که سیستم های مهار با فنر، برای قطعات با سطوح مقطع کوچک ترجیح داده می شوند.   سری های غیر استاندارد سرمتی عموماً با نرخ بارگذاری پایین و متوسط اعمال می شود و بر اساس میزان بار اعمالی، اندازه ی این سری ها، تعیین می شود. شکل 5 نشاندهنده ی انواع مختلفی از سری های غیر استاندارد سرمتی است که دارای کنترل کننده ی براده می باشد. شعاع دماغه ی ابزار در ابعاد 0.004 اینچ می باشد تا بدین صورت استحکام لبه ای بالا باشد و همچنین مقاومت به تغییر شکل در این مواد، بالا باشد (جدول 2 تا 6).          

ایجاد شیار و رزوه

شکل 6 نشاندهنده ی یک ابزار ایجاد شیار به همراه سری های سرمتی می باشد. سری های دوگانه برای ایجاد شیارهای عمیق ترجیح داده می شوند، در حالی که سری های سه گوش برای ایجاد شیارهای کم عمق، ترجیح داده می شوند. شکل 7 و 8 نشاندهنده ی رزوه کردن با استفاده از سری های سرمتی می باشد.   سرعت های برش در این حالت، آهسته تر از تراشکاری و سوراخ کاری است که علت این مسئله، نیروهای برشی بالا و تولید حرارتی است که بواسطه ی فرایند ماشین کاری، ایجاد می شود. مواد خنک سازی شده برای این مواد قابل استفاده می باشد و اغلب موجب کاهش تغییر شکل پلاستیک می شود.

رزوه کردن

تراشکاری به منظور رزوه کاری تک نقطه ای در حقیقت مشابه با شیاردار کردن است زیرا رزوه مشابه یک شیار حلقوی است. به هر حال، رزوه کردن فرایندی پیچیده تر است و نیازمند نیروی برشی بیشتری است.
پیشنهادهای مربوط به ماشین کاری عموماً شامل سرعت برش، روش اعمال نیرو، تعداد معبرها و از همه مهم تر، مسیر برش در هر مسیر است. شکل 9 نشاندهنده ی دو روش تغذیه پیشنهاد شده برای ایجاد رزوه با ابزارهای برش سرمتی است. تغذیه ی مستقیم با کاهش عمق برش برای براده برداری کوتاه فلزات آهنی و آلیاژهای دما بالا، پیشنهاد می شوند. تغذیه ی ترکیبی اصلاح شده نیز برای فلزات آهنی با براده های طولانی، پیشنهاده می شوند زیرا این روش، منجر به کنترل بهتری بر روی براده ها، می شود. تعداد معابر و عمق برش در هر معبر، در جدول 7 بیان شده است. در اصل عمق برش بر روی معبر یک نباید از 0.25 میلی متر، فراتر رود. این میزان در مورد معبر دو نباید از 0.025 میلی متر، بیشتر باشد. پیشنهادهای مربوط بهب سرعت برش متوسط در جدول 8 آورده شده است. سرعت های مربوط به برش در رزوه کاری، آهسته تر از ایجاد شیار و یا تراشکاری است. مواد خنک کننده نیز در این روش ها، قابل استفاده می باشد.

فرز کاری

استفاده از ابزارهای برش کاری سرمتی در فرزکاری، در حال افزایش می یابد. استفاده های نمونه وار در حقیقت فرزکاری سطحی، فرزکاری شانه ی و فرزکاری شیاری می باشد. سرعت برش برای فرزکاری، با موارد پیشنهادی برای تراشکاری، مشابه است. انتخاب نرخ بارگذاری، که به صورت اینچ بر دندانه بیان می شود، بسیار مهم می باشد زیرا براده برداری با مشکل مواجه می شود و یا لبه های برشی ممکن است به دلیل بارگذاری بالا، شکسته شود. جدول 9 و 10 شامل راهنمایی ها در زمینه ی سرعت های برش و نرخ اعمال نیرو برای فرزکاری فلزات است. ماکزیمم عمق برش، به شعاع دماغه ی ابزار وابسته 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