تکنولوژی جدید الماس و کاربردهای آن در ابزارهای برشی (2)

نویسنده: روبرت ای های
مترجم: حبیب الله علیخانی
بخش های الماسی گفته شده، به سه صورت در ابزارهای برشی، استفاده می شوند: تک کریستال، قطعات پلی کریستال تولید شده در دما و فشار بالا (PCD) و پوشش های نازک و یا بخش های ضخیم تولید شده با روش CVD.
هر شکل از الماس که در بالا بدان اشاره شد، دارای ویژگی های متفاوتی است (جدول 1) و این خاصیت تعیین کننده ی کاربرد خاص آن می باشد. این تفاوت ها، در حقیقت به ذات فرایند تولید مورد استفاده برای ایجاد این مواد الماسی، مرتبط می باشد. هر فرایند تولید بر روی ویژگی های خاصی تمرکز دارد. برای استفاده ی مؤثر الماس به عنوان ابزار برش، مسئله ی مهم در حقیقت سبک و سنگین کردن میان نوع الماسی است که برای کاربرد مورد نظر، مناسب می باشد.

ابزارهای تک کریستال

ابزارهای تک کریستال که ممکن است به صورت طبیعی و یا به صورت سنتز، باشند، برای ایجاد لبه های تیز و یا سطوح با اصطکاک پایین، استفاده می شوند. این ویژگی ها در واقع به دلیل ساختار کریستالی این مواد و این حقیقت است که آنها در واقع الماس خالص هستند. ابزارهای برش PCD به طور نمونه وار در سه اندازه ی دانه ی مختلف 5، 10 و 25 میکرون، وجود دارند. اندازه ی دانه ی کوچکتر، موجب ایجاد سطح نهایی خوبی بر روی قطعه ی کاری می شود، اما سایش در این سطوح بالاتری از PCD با اندازه ی دانه ی بزرگتر می باشد. می توان گفت که ویژگی که موجب می شود تا الماس تک کریستالی خاصیت فوق العاده داشته باشد، می تواند موجب بروز ضعف در این ماده نیز شود. در واقع از آنجایی که صفحات کریستالوگرافی مختلف در شبکه ی الماسی دارای سطوح مختلفی از مقاومت به سایش هستند، عمر ابزار می تواند به طورقابل توجهی از قطعه ای به قطعه ی دیگر، متفاوت باشد. شکست های اتفاق افتاده در الماس تک کریستال، به سهولت در صفحات کلیواژ خاص آن رخ می دهد. بنابراین، جهت گیری این ماده نسبت به نیروی اعمالی، یک مسئله ی مهم در زمینه ی کاربرد این ماده می باشد.

PCD

در حالی که الماس تک کریستال در کاربردهای پرداخت با دقت بالا، استفاده می شود، ورود PCD در حدود 40 سال پیش، موجب شد تا این ماده در کاربردهای مختلف ماشین کاری، استفاده شود. PCD ماده ای ایده آل برای برش کاری مواد ساینده می باشد.
در مقایسه با الماس تک کریستال و الماس CVD، PCD دارای تافنس فوق العاده ای می باشد. PCD یک ماده ی نسبتاً ایزوتروپ است و این بدین معناست که جهت این ماده در خواص آن، اثرگذار نیست. از آنجایی که کریستالیت ها به صورت رندوم قرار گرفته اند، ترک به ندرت از یک کریستال به داخل دیگری، وارد می شود.
PCD دارای تافنس شکست بزرگتری نسبت به الماس تک کریستال و یا الماس CVD است و همچنین استحکام کششی و فشاری خوبی نیز دارد. این ویژگی ها، نتیجه ای از اندازه ی کریستالیت های الماس، میزان اتصال الماس ها به هم، و میزان و نحوه ی قرارگیری فاز کبالت در مرزدانه های این ماده، می باشد. در تنگستن کاربید سمنته و PCD، کبالت موجب افزایش تافنس شکست بدنه ی زینتر شده، می شود.
به هر حال، بایندر کبالتی همچنین موجب کاهش سختی PCD می شود و موجب می شود تا این ماده، مستعد خوردگی شود. همچنین این ماده مستعد اکسیداسیون در دماهای بالا می باشد زیرا کبالت موجب ایجاد خاصیت کاتالیستی در فرایند تبدیل الماس به گرافیت، می شود.
اندازه ی دانه، که در حقیقت مقاومت به سایش را تعیین می کند، یکی دیگر از تفاوت های حیاتی میان الماس های PCD و CVD است. در مورد الماس PCD، اندازه ی دانه ی بزرگتر برای از بین بردن زبری های بزرگ، مناسب است زیرا این مواد مقاومت به سایش بالاتری دارند. دانه های کوچکترمنجر به ایجاد فرایند پرداخت سطحی مناسب می شوند. ابزارهای برش PCD به طور نمونه وار در سه اندازه ی دانه ی مختلف 5، 10 و 25 میکرون، وجود دارند. اندازه ی دانه ی کوچکتر، موجب ایجاد سطح نهایی خوبی بر روی قطعه ی کاری می شود، اما سایش در این سطوح بالاتری از PCD با اندازه ی دانه ی بزرگتر می باشد. فرایند CVD همچنین می تواند موجب تولید اندازه ی دانه ی مختلفی شود که این اندازه می تواند از یک میکرون تا 50 میکرون، متغیر باشد. در مورد الماس تولید شده با روش CVD، اندازه ی دانه ی کوچکتر، مقاومت به سایش بالاتری ایجاد می کند زیرا دانه های بزرگتری دارد.

بیشتر بخوانید: ابزارهای برش

 

مزیت های فرایند CVD

الماس تولید شده با روش CVD نه تنها یک جایگزین برای الماس PCD در بسیاری از کاربردهای ماشین کاری، می باشد، بلکه همچنین می تواند در کاربردهایی استفاده شود که در آنها استفاده از PCD و الماس تک کریستال، مقدور نمی باشد.
در مقایسه با PCD، الماس تولیدی با روش CVD دارای سختی بالاتر و صلبیت بیشتری است و ضریب اصطکاک آن پایین تر است. این الماس دو تا 10 برابر مقاومت به سایش بیشتری دارد و رسانایی گرمایی بالاتر و پایداری شیمیایی و گرمایی، از مزیت های دیگر، آن محسوب می شود. تنها برتری PCD نسبت به الماس CVD، تافنس شکست بالاتر است.
بنابراین، ابزارهای تولیدی ازالماس CVD به طور نمونه وار می توانند در سرعت های بالاتر از ابزارهای PCD کار برش را انجام دهند بدون آنکه سطح خطرناکی از حرارت، در آنها تولید شود. کار در سرعت های بالا موجب می شود تا بار براده برداری بر روی ابزار، کاهش یابد در حالی که بهره وری، حفظ می شود. این مسئله موجب می شود تا تافنس شکست پایین تر الماس تولیدی با روش CVD جبران شود.
همچنین الماس تولیدی با روش CVD برخلاف PCD، می تواند مواد پایه پلاستیک خورنده را ماشین کاری کند بدون آنکه نتایج بدی بر روی ابزار برش، ایجاد شود. بسیاری از پلاستیک ها، موجب خوردگی شیمیایی می شوند و از این رو، سایش پیش از موعد ابزار PCD را به همراه دارند.

استفاده ها از ابزارهای الماسی

سه شکل از الماس گفته شده در بالا، دارای ویژگی های متداولی هستند. کاربردهای ابزار الماسه بوسیله ی ظرفیت های دمایی پایین آنها و همچنین واکنش پذیری آنها در برابر مواد آهنی، محدود می شود. همچنین مشابه ابزارهای برش سرامیکی دیگر، الماس نیز مستعد پوسته شدن و ترک خوردن است (در صورت استفاده ی نامناسب).
الماس بهترین ماده برای ماشین کاری آلومینیوم و سایر مواد داکتیل، آلیاژهای غیر آهنی مانند مس، برنج و برنز، مواد ساینده و کامپوزیت های پیشرفته مانند کامپوزیت های حاوی گرافیت، الیاف کربن، الیاف شیشه و مواد لانه زنبوری می باشد. این مواد به سرعت موجب ساییده شدن کاربید تنگستن می شوند.
در این زمینه، الماس تک کریستال تقریباً و تنها برای پرداخت با دقت بالا و برای کاربردهای با دقت ابعادی منحصربفرد، استفاده می شوند.
الماس های PCD و CVD می توانند در بسیاری از کاربردهای مشابه، استفاده شوند اما PCD برای زبری گیری و ماشین کاری و استفاده برای موادی مناسب است که ابزار مورد استفاده برای آنها باید تافنس شکست بالایی داشته باشد. الماس CVD برای پرداخت اولیه، پرداخت نهایی و کاربردهای تراشکاری پیوسته ی مناسب می باشد که علت این مسئله، مقاومت به سایش فوق العاده و سختی آنها می باشد. این ویژگی ها موجب می شود تا این مواد قطعات ماشین کاری شده ی با کیفیت ابعادی بهتری تولید شوند. الماس CVD همچنین بهترین انتخاب در کاربردهایی است که در آنها، نیازمند هندسه های پیچیده برای ابزار، هستیم. بخش های PCD به دلیل روش تولید آنها، محدود به استفاده در اشکال ساده تر، هستند.

نتایج کاری

بهره وری بهبود یافته در این زمینه، می تواند به چندین شیوه، اندازه گیری شود: تعداد قطعاتی که می تواند بوسیله ی یک لبه ی منفرد، برش داده شوند و تعداد قطعاتی که می توانند در یک زمان معین بریده شوند. همچنین کیفیت قطعات برش داده شده نیز می تواند سنجیده شود. در مقایسه ی مستقیم با ابزارهای کاربیدی با سری PCD، ابزارهای پوشش داده شده با الماس های CVD دارای نتایج بهتری در سه زمینه ی گفته شده در بالا، هستند.

لایه نازک الماسی تولیدی با روش CVD

استفاده در تراشکاری پیستون

در این کاربردها، ابزار برش در صورتی که نتواند زمان تولید طولانی را تحمل کند، برای پرداخت سطحی نهایی پیستون، استفاده نمی شود. کارایی فوق العاده ی الماس CVD در این کاربردها، در حقیقت نتیجه ای از مقاومت به سایش بالا و لبه های برش نرمی است که موجب می شود قابلیت تولید پروفایل های یکنواخت و پیوسته بوسیله ی این ابزارها، پدید آید. در این کاربرد، وجود تافنس شکست پایین تر، مسئله ساز نیست زیرا توقف های اندکی در تولید قطعه انجام می شود و عمق مربوط به برش و نرخ های تغذیه در آنها متوسط است. علت این مسئله، نوع برش نهایی و پرداختی است که در حقیقت میزان ضربه را مینیمم می کند.
یک پیستون از جنس آلومینیوم و سیلیکون (19 % سیلیکون)، با استفاده از سری های الماسه ی CVD مورد بررسی قرار گرفت. در سرعت های برش 2977 sfm، نرخ تغذیه ی 0.021 ipr و DOC برابر با 0.030 اینچ، ابزارهای حاوی لایه های الماسه ی CVD، 4800 قطعه تولید می کنند، در حالی که سری های PCD با اندازه ی ذره ی 25 میکرون، تنها 2500 قطعه تولید می کنند. یک ماده ی خنک کننده در این حالت برای هر دو سری، استفاده شده است.
در یک کاربرد ثانویه، عملیات برای تراشیدن پیستونی از جنس آلومینیوم گفته شده در بالا، استفاده شده است. شرایط برشی به صورت زیر است: پیستون از نوع O.D و با دو خط عبور می باشد، سرعت برش، برابر 2290 sfm، نرخ تغذیه برابر با 0.020 ipr در عبور اول و 0.012 ipr در عبور دوم، می باشد. عمق برش در این حالت، برابر با 0.006 اینچ است. در این حالت از مواد خنک کننده نیز استفاده شده است. ابزار PCD با اندازه دانه ی 25 میکرون، می تواند 10000 قطعه تولید کند، در حالی که سری های الماسه ی مورد استفاده، منجر به تولید 30000 قطعه می شود. این مورد بیان کننده ی یک کاهش 33 % در هزینه ها می باشد.
یک مثال دیگر در مورد ارجعیت بیشتر الماس CVD در ماشین کاری پیستون، سطح نهایی انحنای آن می باشد. شرایط ماشین کاری بدین صورت است: سرعت 400 sfm و دو عبور با نرخ تغذیه ی 0.0013 ipr و عمق برش برابر با 0.020 اینچ. روغن محلول در آب نیز به عنوان عامل خنک کننده، مورد استفاده قرار گرفته است. قطعه ی کاری در حقیقت از جنس آلومینیوم M-132 (حاوی 12 % سیلیکون) با حلقه ی نیکلی در بخش OD می باشد. اندازه ی دانه ی PCD مورد استفاده، برابر 10 میکرون می باشد و 225 قطعه بوسیله ی هر سری، تولید می شود. سری های حاوی لایه نازک الماس CVD، 560 قطعه تولید می کنند. در حقیقت این مسئله هم نشاندهنده ی افزایش عمر مفید قطعه و هم کاهش میزان نیروی انسانی مورد استفاده، می باشد.

استفاده در سوراخ کاری نهایی

در سوراخ کاری نهایی مثلا برای توربین آلومینیومی تولید شده از آلومینیوم 6061، ابزارهای الماسه ی حاوی لایه ی نازک تولید شده از روش CVD، موجب افزایش بهره وری از 106 قطعه به 345 قطعه می شوند. شرایط ماشین کاری برای این عملیات، عبارتند از: سرعت برش 1500 sfm، نرخ تغذیه ی 0.002 ipr و DOC برابر با 0.0005 اینچ، می باشد. در این حالت، از روغن های محلول در آب به عنوان عامل خنک سازی، استفاده می شود. در این عملیات، پرداخت سطح بالاترین اولویت را دارد. و این مسئله در حقیقت دلیل این موضوع است که چرا یک ابزار PCD 5 میکرونی که قبلا مورد استفاده قرار می گرفت، عمر مفید مناسبی داشته است. فیلم های نازک الماسه که به روش CVD تولید می شوند، نه تنها عمر مفید و بهره وری را افزایش می دهند، بلکه همچنین موجب ایجاد سطح نهایی بهتر و پیوستگی مناسبی در سطح می شوند.
تولیدکننده های موتورهای دریایی، آلومینیوم A-380 را با کمک PCD با ذرات 10 میکرونی، سوراخ کاری و پرداخت می کنند. شرایط ماشین کاری در واقع عبارتست از: سرعت برش 2291 sfm، نرخ تغذیه ی 0.005 ipr و DOC برابر با 0.020 اینچ. در این روش، از آب و روغن های محلول در آب به عنوان خنک کننده، استفاده می شود. ابزار PCD بیش از 1800 قطعه را در هر لبه تولید می کند و این میزان برای ابزارهای الماسه ی تولید شده با روش CVD، برابر با 5000 قطعه بر هر لبه می باشد. هر دو ابزار وقتی نتوانند تلورانس ابعادی مورد نظر را ایجاد کنند، جایگزین می شوند. ابزارهای الماسه ی CVD به دلیل افزایش مقاومت به سایش و قابلیت حفظ لبه های تیز خود، عملکرد بهتری دارد.
استفاده از مطالب این مقاله، با ذکر منبع راسخون، بلامانع می باشد.
منبع مقاله :
CERAMIC CUTTING TOOLS/ Materials, Development, and Performance/ E. Dow Whitney