سلام، مهمان
[b]ابزارهاي برشي
براي اينكه بتوان فلزات مختلف را به طور ساده تراشيد، لازم است كه از ابزارهاي برشي مناسبي استفاده كرد تا بتوانيم در عمليات ماشينكاري، درست عمل كنيم؛ يعني با انتخاب درست جنس قطعة كار و جنس ابزارهاي براده‌برداري، عمر ابزار خود را افزايش بدهيم و نيز كيفيت كار خود را بالا ببريم. در اين مقاله سعي شده است در ديدي كلي، انواع ابزارهاي برشي را معرفي كرده و معايب و محاسن آنها را در مقايسه با هم بيان كنيم.
انواع ابزارهاي برشي
عمر ابزارهاي برشي به عوامل گوناگوني بستگي دارد. يكي از اين عوامل، جنس خود ابزار است. انواع ابزارهاي برشي عبارتند از:
1- فولادهاي تندبْر HSS ؛
2- آلياژهاي ريختني كبالت؛
3- كاربايدها؛
4- سراميكها و سرمتها؛
5- CBN ؛
6- الماس‌ها.
در هنگام انتخاب ابزار برش مناسب براي يك سري عمليات، مي‌بايست به وسيلة مقايسه مشخصات فلز، آن ابزار برش را انتخاب كرد. اين مشخصات شامل توجه به نكات زير است:
• سختي
• مقاومت
• كارايي در درجه حررات بالا
• محكمي
• مقاومت در مقابل اثرات شيميايي
• مقاومت در مقابل سائيدگي
• قابليت انتقال حرارت
• ضريب اصطكاك
آخرين عامل، يعني هزينة توليد بايد طوري در نظر گرفته شود كه قطعه داراي خواص فيزيكي لازم باشد و كمترين هزينه توليد هر قطعه را شامل گردد.
1- فولادهاي تندبُر
فولادهاي تندبر (High Speed Steel) اصولاً براي برش «رنده‌هاي تراش» به كار مي‌روند و علاوه بر كربن، ممكن است شامل عناصر ديگري از قبيل تنگستن، موليبدن، كروم، واناديوم و كبالت باشند.
كربن براي حفظ سختي در درجه حرارت بالا، واناديم موجب افزايش استحكام و مقاومت به سايش و كروم نيز به عنوان عامل بهبود چقرمگي (Toughness) و مقاومت در مقابل سايش عمل مي‌كند.
اين نوع فولادها بر اساس مواد آلياژي اصليشان به چهار گروه تقسيم‌بندي شده‌اند:
1- موليبدن 2- موليبدن كبالت
3- تنگستن 4- تنگستن كبالت
اما چرا اين نام را بر اين ابزار نهاده‌اند؟
High Speed Steel ® HSS
براي پاسخ دادن به اين سؤال، بهتر است با يكي ديگر از ابزارهاي برشي و براده‌برداري با نام «فولادهاي كربني و آلياژي» آشنا شويم.
كاربرد اين نوع فولادها، كه زماني (حدود يك قرن پيش) عمده‌ترين جنس ابزارهاي براده‌برداري بودند، به دليل افت شديد سختي در درجه حرارتهاي نسبتاً بالا (تقريباً 260°C) و سايش زياد، فقط به ابزارهاي دستي براي براده‌برداري‌هاي با سرعت پايين از قبيل قلاويز و حديده و سوهان محدود شده است.
و اما فولادهاي تندبْر، برتري اين نوع فولادها (تندبْر) به فولادهاي كربني، در قابليت حفظ سختي در درجه حرارت بالاتر (538°C الي 590°C) است. از اين جهت، مقايسه با فولادهاي كربني به ازاي طول عمر مساوي مي‌توان آن را با حدود 2 برابر سرعت برشي به كار برد. به همين دليل اين فولادها به نام فولاد تندبر نامگذاري شده‌اند.
ابزار از جنس فولادهاي تندبر مزاياي زير را نسبت به نمونه‌هاي ديگر دارد:
الف) ارزانتر است؛
ب) شكنندگي كمتري دارد. به همين دليل در قطع و وصل ابزار برش بر روي قطعة كار با روامتر؟؟؟ است؛
ج) فرم‌پذير است و به راحتي شكل مي‌گيرد.
در كنار محاسن نام برده، اين فولادها داراي معايبي نيز هستند. از آن جمله:
الف) نسبت به انواع ديگر در دماهاي بالاتر حين ماشينكاري دوام كمتري دارند؛
ب) مواد سخت را به راحتي برش نمي‌دهند.
2- آلياژهاي ريختني كبالت (ابزارهاي استلايتي)
اين آلياژها كه مركب از 2 الي 4 درصد كربن، 14 تا 20 درصد تنگستن، 25 الي 34 درصد كروم و مابقي كبالت هستند. به دليل برخورداري از سختي زياد و حفظ آن در درجه حرارتهاي بالا و مقاومت بالا نسبت به سايش و خوردگي، ضريب اصطكاك پايين در تماس با فولاد، به عنوان يكي از مواد مناسب براي ساخت ابزارهاي براده‌برداري مطرح بوده‌اند.
اگر چه سختي اين آلياژها در دماي اتاق مشابه فولادهاي تندبر است؛ ولي به دليل حفظ بهتر سختي در دماهاي بالاتر، قابل استفاده در سرعتهاي برشي بالاتري (تقريباً 25% سرعت بيشتر) نسبت به فولادهاي تندبر هستند. خواص مكانيكي و سختي اين آلياژها با عمليات حرارتي قابل تغيير نيست.
3- كاربايدها
اصولاً «كاربايد» اصطلاحي است كه به تركيب شيميايي فلز و كربن اطلاق مي‌شود. كاربايدها خود به سه گروه تقسيم مي‌شوند:
1- سمانته 2- ريزدانه 3- پوششي
كاربايدهاي سمانته نيز خود به دو گروه عمده تقسيم مي‌شوند:
1- گروه تنگستن كاربايد خالص
1- گروه تنگستن كاربايد آلياژي (كه حاوي كاربايد تيتانيم يا كاربايد تنتاليم مي‌باشد)
همچنين ابزارهاي كاربايدي را در ديدي ديگر مي‌توان به سه گروه ديگر تقسيم كرد:
1- الماسه‌هاي يكپارچه و سخت (كه از قطعات كربني ساخته مي‌شود.)
2- الماسه‌هاي لحيمي (كه از اتصال الماسه به يك ميلة فولادي به صورت لحيمي ساخته مي‌شود.)
3- الماسه نصبي (كه در بين صنعتگران به الماسه يا اينزرت مشهور است و متداول‌ترين ابزار مورد استفاده در CNC هاست كه در نگهدارنده‌هاي فولادي نصب مي‌شوند.)
مزاياي كاربايدها را مي‌توان در موارد زير نام برد:
الف) مقاومت بيشتر در برش مواد و آلياژهاي سخت؛
ب) مقاومت در دماهاي بالاتر؛
ج) الماسه‌هاي يكپارچه قادر به جذب ارتعاشات كار هستند و صداي ايجاد شده از برخورد ابزار با قطعه كار بسيار كم است؛
د) الماسه‌هاي نصبي به راحتي و بدون نياز به نگهدارنده‌هاي فولادي جديد تعويض مي‌شوند.
معايب كاربايدها را نيز مي‌توان در موارد زير نام برد:
الف) قيمت بالا نسبت به فولادهاي تندبر؛
ب) شكنندگي بيشتر نسبت به فولادهاي تندبر؛
ج) شكل‌گيري آنها با ابزارهاي الماسه‌اي مقدور مي‌باشد.
در ضمن الماسه‌هاي نصبي كه كاربرد فراواني در CNC ها دارند، با مواد خاصي مانند نيتريد تيتانيوم پوشش داده مي‌شوند تا عمر مفيد آنها افزايش يابد. اين پوشش، عمر ابزار را براي عمليات متعارف و معمول تراشكاري و فرزكاري تا 20 برابر افزايش مي‌دهد.
4- سراميكها و سرمتها
ابزارهاي سراميكي بيشترين تكامل را در چند سال اخير داشته‌اند و هر چند بسيار گران هستند؛ اما از ابزارهاي الماسه‌اي ارزانترند. سراميكها بسيار سبك و شكننده‌اند.
سراميكها در سرعتهاي برش سه الي چهار برابر ابزارهاي كاربايدي هستند. صافي سطح حاصل از ماشينكاري با اين ابزارها بسيار خوب است و استفاده از سيال خنك‌كننده (Coolant) در براده‌برداري اين ابزارها ضروري نيست.
مزاياي سراميكها عبارتند از:
الف) ارزانتر از الماسه‌هاي كربني هستند؛
ب) مواد بسيار سخت را در زمان كوتاهي مي‌برند و مقاومت گرمايي بالايي دارند.
همچنين معايب سراميكها عبارتند از:
الف) بسيار شكننده‌تر از كاربايدها و فولادها هستند؛
ب) فقط براي برشهاي سرعت بالا مفيد هستند و در صورتي كه در دورهاي پايين كار كنند، مي‌شكنند؛
ج) بسياري از دستگاه‌ها، سرعت چرخشي مناسبي براي استفاده از ابزارهاي سراميكي ندارند.
سرمتها كه تركيب خاصي از سراميكها و فلزات هستند، براي كاهش تردي و شكنندگي سراميكها و بهبود آنها ابداع شده‌اند.
فلزاتي نظير آهن، كروم، تيتانيوم و نيكل از ممزوج شدن با سراميكها ابزارهاي «سراميك - فلز» يا همان «سرمٍت» را به وجود مي‌آورند.
از بارزترين خصوصيات سرمتها و سراميكها حفظ سختي در درجه حرارتهاي خيلي بالا و مقاومت بالا در مقابل سايش؛ ولي مقاومت كم در مقابل خمش و شوكهاي مكانيكي و بارهاي ضربه‌اي و ارتعاش است و لذا با وجود اين محدوديتها بايد از ماشين‌ابزارهاي صلب و كاملاً مستحكم كه بدون لرزش مي‌باشند، استفاده كرد.
5- نيتريد بور مكعبي
CBN (Cubic Born Nitride)
CBN (با نام تجاري بورازون) سخت‌ترين مادة شناخته شده پس از الماس است. از مهمترين امتيازات آن، مقاومت حرارتي بيشتر از الماس و خنثي بودن آن از نظر شيميايي است.استفاده از CBN به عنوان ابزار براده‌برداري براي خشن‌كاري و پرداخت فولادهاي كربني و آلياژي، ابزار سخت‌كاري‌شده و چدن‌هاي سخت و چائيده و به ويژه سوپرآلياژها با پايه نيكل و كبالت و قطعات ساخته شده به روش متالوژي پودر، پلاستيك‌ها و گرافيت توصيه مي‌شود.
اگر چه اين نوع ابزارها را مي‌توان بدون استفاده از سيال خنك‌كننده نيز به كار برد؛ ولي استفاده از سيال‌هاي خنك‌كننده حل‌شونده در آب نتايج مثبت به همراه دارد.
6- الماس (Diamond)
الماس، سخت‌ترين ماده شناخته شده در جهان و سختي متوسط آن 5 برابر كاربايدهاي سمانتر است. سختي بسيار بالا، مقاومت به سايش عالي، قابليت هدايت حرارتي خوب، استحكام فشاري بسيار بالا و انبساط حرارتي ناچيز، باعث شباهت ابعادي بي‌نظير آن در براده‌برداري و تضمين‌كنندة حصول اندازه‌هاي يكنواخت و دقيق در قطعه كار و صافي سطح بالا مي‌باشد.
همچنين به دليل خنثي بودن الماس از نظر شيميايي و پايين بودن ضريب اصطكاك آن در تماس با اكثر مواد در هنگام براده‌برداري پديدة جوش‌خوردن براده‌هاي قطعه كار به لبة ابزار به وقوع نپيوسته و همين مسأله باعث حصول صافي سطح خوب در ماشينكاري فلزات غير آهني و حتي غير فلزات مي‌شود.
ابزارهاي الماس، به هنگام براده‌برداري از فولادهاي نرم و كم‌كربن، به سرعت سائيده مي‌شوند؛ در صورتي كه سرعت سايش آنها در ماشينكاري فولادهاي آلياژي پركربن كمتر است و گاهي اوقات در ماشينكاري چدن (با درصد كربن بالا) طول عمر زيادي از خود نشان مي‌دهند. ولي با اين وجود به طور كلي ماشينكاري آلياژهاي آهني و چدن توسط ابزارهاي الماس توصيه نمي‌شوند
براي اينكه بتوان فلزات مختلف را به طور ساده تراشيد، لازم است كه از ابزارهاي برشي مناسبي استفاده كرد تا بتوانيم در عمليات ماشينكاري، درست عمل كنيم؛ يعني با انتخاب درست جنس قطعة كار و جنس ابزارهاي براده‌برداري، عمر ابزار خود را افزايش بدهيم و نيز كيفيت كار خود را بالا ببريم. در اين مقاله سعي شده است در ديدي كلي، انواع ابزارهاي برشي را معرفي كرده و معايب و محاسن آنها را در مقايسه با هم بيان كنيم.
انواع ابزارهاي برشي
عمر ابزارهاي برشي به عوامل گوناگوني بستگي دارد. يكي از اين عوامل، جنس خود ابزار است. انواع ابزارهاي برشي عبارتند از:
1- فولادهاي تندبْر HSS ؛
2- آلياژهاي ريختني كبالت؛
3- كاربايدها؛
4- سراميكها و سرمتها؛
5- CBN ؛
6- الماس‌ها.
در هنگام انتخاب ابزار برش مناسب براي يك سري عمليات، مي‌بايست به وسيلة مقايسه مشخصات فلز، آن ابزار برش را انتخاب كرد. اين مشخصات شامل توجه به نكات زير است:
• سختي
• مقاومت
• كارايي در درجه حررات بالا
• محكمي
• مقاومت در مقابل اثرات شيميايي
• مقاومت در مقابل سائيدگي
• قابليت انتقال حرارت
• ضريب اصطكاك
آخرين عامل، يعني هزينة توليد بايد طوري در نظر گرفته شود كه قطعه داراي خواص فيزيكي لازم باشد و كمترين هزينه توليد هر قطعه را شامل گردد.
1- فولادهاي تندبُر
فولادهاي تندبر (High Speed Steel) اصولاً براي برش «رنده‌هاي تراش» به كار مي‌روند و علاوه بر كربن، ممكن است شامل عناصر ديگري از قبيل تنگستن، موليبدن، كروم، واناديوم و كبالت باشند.
كربن براي حفظ سختي در درجه حرارت بالا، واناديم موجب افزايش استحكام و مقاومت به سايش و كروم نيز به عنوان عامل بهبود چقرمگي (Toughness) و مقاومت در مقابل سايش عمل مي‌كند.
اين نوع فولادها بر اساس مواد آلياژي اصليشان به چهار گروه تقسيم‌بندي شده‌اند:
1- موليبدن 2- موليبدن كبالت
3- تنگستن 4- تنگستن كبالت
اما چرا اين نام را بر اين ابزار نهاده‌اند؟
High Speed Steel ® HSS
براي پاسخ دادن به اين سؤال، بهتر است با يكي ديگر از ابزارهاي برشي و براده‌برداري با نام «فولادهاي كربني و آلياژي» آشنا شويم.
كاربرد اين نوع فولادها، كه زماني (حدود يك قرن پيش) عمده‌ترين جنس ابزارهاي براده‌برداري بودند، به دليل افت شديد سختي در درجه حرارتهاي نسبتاً بالا (تقريباً 260°C) و سايش زياد، فقط به ابزارهاي دستي براي براده‌برداري‌هاي با سرعت پايين از قبيل قلاويز و حديده و سوهان محدود شده است.
و اما فولادهاي تندبْر، برتري اين نوع فولادها (تندبْر) به فولادهاي كربني، در قابليت حفظ سختي در درجه حرارت بالاتر (538°C الي 590°C) است. از اين جهت، مقايسه با فولادهاي كربني به ازاي طول عمر مساوي مي‌توان آن را با حدود 2 برابر سرعت برشي به كار برد. به همين دليل اين فولادها به نام فولاد تندبر نامگذاري شده‌اند.
ابزار از جنس فولادهاي تندبر مزاياي زير را نسبت به نمونه‌هاي ديگر دارد:
الف) ارزانتر است؛
ب) شكنندگي كمتري دارد. به همين دليل در قطع و وصل ابزار برش بر روي قطعة كار با روامتر؟؟؟ است؛
ج) فرم‌پذير است و به راحتي شكل مي‌گيرد.
در كنار محاسن نام برده، اين فولادها داراي معايبي نيز هستند. از آن جمله:
الف) نسبت به انواع ديگر در دماهاي بالاتر حين ماشينكاري دوام كمتري دارند؛
ب) مواد سخت را به راحتي برش نمي‌دهند.
2- آلياژهاي ريختني كبالت (ابزارهاي استلايتي)
اين آلياژها كه مركب از 2 الي 4 درصد كربن، 14 تا 20 درصد تنگستن، 25 الي 34 درصد كروم و مابقي كبالت هستند. به دليل برخورداري از سختي زياد و حفظ آن در درجه حرارتهاي بالا و مقاومت بالا نسبت به سايش و خوردگي، ضريب اصطكاك پايين در تماس با فولاد، به عنوان يكي از مواد مناسب براي ساخت ابزارهاي براده‌برداري مطرح بوده‌اند.
اگر چه سختي اين آلياژها در دماي اتاق مشابه فولادهاي تندبر است؛ ولي به دليل حفظ بهتر سختي در دماهاي بالاتر، قابل استفاده در سرعتهاي برشي بالاتري (تقريباً 25% سرعت بيشتر) نسبت به فولادهاي تندبر هستند. خواص مكانيكي و سختي اين آلياژها با عمليات حرارتي قابل تغيير نيست.
3- كاربايدها
اصولاً «كاربايد» اصطلاحي است كه به تركيب شيميايي فلز و كربن اطلاق مي‌شود. كاربايدها خود به سه گروه تقسيم مي‌شوند:
1- سمانته 2- ريزدانه 3- پوششي
كاربايدهاي سمانته نيز خود به دو گروه عمده تقسيم مي‌شوند:
1- گروه تنگستن كاربايد خالص
1- گروه تنگستن كاربايد آلياژي (كه حاوي كاربايد تيتانيم يا كاربايد تنتاليم مي‌باشد)
همچنين ابزارهاي كاربايدي را در ديدي ديگر مي‌توان به سه گروه ديگر تقسيم كرد:
1- الماسه‌هاي يكپارچه و سخت (كه از قطعات كربني ساخته مي‌شود.)
2- الماسه‌هاي لحيمي (كه از اتصال الماسه به يك ميلة فولادي به صورت لحيمي ساخته مي‌شود.)
3- الماسه نصبي (كه در بين صنعتگران به الماسه يا اينزرت مشهور است و متداول‌ترين ابزار مورد استفاده در CNC هاست كه در نگهدارنده‌هاي فولادي نصب مي‌شوند.)
مزاياي كاربايدها را مي‌توان در موارد زير نام برد:
الف) مقاومت بيشتر در برش مواد و آلياژهاي سخت؛
ب) مقاومت در دماهاي بالاتر؛
ج) الماسه‌هاي يكپارچه قادر به جذب ارتعاشات كار هستند و صداي ايجاد شده از برخورد ابزار با قطعه كار بسيار كم است؛
د) الماسه‌هاي نصبي به راحتي و بدون نياز به نگهدارنده‌هاي فولادي جديد تعويض مي‌شوند.
معايب كاربايدها را نيز مي‌توان در موارد زير نام برد:
الف) قيمت بالا نسبت به فولادهاي تندبر؛
ب) شكنندگي بيشتر نسبت به فولادهاي تندبر؛
ج) شكل‌گيري آنها با ابزارهاي الماسه‌اي مقدور مي‌باشد.
در ضمن الماسه‌هاي نصبي كه كاربرد فراواني در CNC ها دارند، با مواد خاصي مانند نيتريد تيتانيوم پوشش داده مي‌شوند تا عمر مفيد آنها افزايش يابد. اين پوشش، عمر ابزار را براي عمليات متعارف و معمول تراشكاري و فرزكاري تا 20 برابر افزايش مي‌دهد.
4- سراميكها و سرمتها
ابزارهاي سراميكي بيشترين تكامل را در چند سال اخير داشته‌اند و هر چند بسيار گران هستند؛ اما از ابزارهاي الماسه‌اي ارزانترند. سراميكها بسيار سبك و شكننده‌اند.
سراميكها در سرعتهاي برش سه الي چهار برابر ابزارهاي كاربايدي هستند. صافي سطح حاصل از ماشينكاري با اين ابزارها بسيار خوب است و استفاده از سيال خنك‌كننده (Coolant) در براده‌برداري اين ابزارها ضروري نيست.
مزاياي سراميكها عبارتند از:
الف) ارزانتر از الماسه‌هاي كربني هستند؛
ب) مواد بسيار سخت را در زمان كوتاهي مي‌برند و مقاومت گرمايي بالايي دارند.
همچنين معايب سراميكها عبارتند از:
الف) بسيار شكننده‌تر از كاربايدها و فولادها هستند؛
ب) فقط براي برشهاي سرعت بالا مفيد هستند و در صورتي كه در دورهاي پايين كار كنند، مي‌شكنند؛
ج) بسياري از دستگاه‌ها، سرعت چرخشي مناسبي براي استفاده از ابزارهاي سراميكي ندارند.
سرمتها كه تركيب خاصي از سراميكها و فلزات هستند، براي كاهش تردي و شكنندگي سراميكها و بهبود آنها ابداع شده‌اند.
فلزاتي نظير آهن، كروم، تيتانيوم و نيكل از ممزوج شدن با سراميكها ابزارهاي «سراميك - فلز» يا همان «سرمٍت» را به وجود مي‌آورند.
از بارزترين خصوصيات سرمتها و سراميكها حفظ سختي در درجه حرارتهاي خيلي بالا و مقاومت بالا در مقابل سايش؛ ولي مقاومت كم در مقابل خمش و شوكهاي مكانيكي و بارهاي ضربه‌اي و ارتعاش است و لذا با وجود اين محدوديتها بايد از ماشين‌ابزارهاي صلب و كاملاً مستحكم كه بدون لرزش مي‌باشند، استفاده كرد.
5- نيتريد بور مكعبي
CBN (Cubic Born Nitride)
CBN (با نام تجاري بورازون) سخت‌ترين مادة شناخته شده پس از الماس است. از مهمترين امتيازات آن، مقاومت حرارتي بيشتر از الماس و خنثي بودن آن از نظر شيميايي است.استفاده از CBN به عنوان ابزار براده‌برداري براي خشن‌كاري و پرداخت فولادهاي كربني و آلياژي، ابزار سخت‌كاري‌شده و چدن‌هاي سخت و چائيده و به ويژه سوپرآلياژها با پايه نيكل و كبالت و قطعات ساخته شده به روش متالوژي پودر، پلاستيك‌ها و گرافيت توصيه مي‌شود.
اگر چه اين نوع ابزارها را مي‌توان بدون استفاده از سيال خنك‌كننده نيز به كار برد؛ ولي استفاده از سيال‌هاي خنك‌كننده حل‌شونده در آب نتايج مثبت به همراه دارد.
6- الماس (Diamond)
الماس، سخت‌ترين ماده شناخته شده در جهان و سختي متوسط آن 5 برابر كاربايدهاي سمانتر است. سختي بسيار بالا، مقاومت به سايش عالي، قابليت هدايت حرارتي خوب، استحكام فشاري بسيار بالا و انبساط حرارتي ناچيز، باعث شباهت ابعادي بي‌نظير آن در براده‌برداري و تضمين‌كنندة حصول اندازه‌هاي يكنواخت و دقيق در قطعه كار و صافي سطح بالا مي‌باشد.
همچنين به دليل خنثي بودن الماس از نظر شيميايي و پايين بودن ضريب اصطكاك آن در تماس با اكثر مواد در هنگام براده‌برداري پديدة جوش‌خوردن براده‌هاي قطعه كار به لبة ابزار به وقوع نپيوسته و همين مسأله باعث حصول صافي سطح خوب در ماشينكاري فلزات غير آهني و حتي غير فلزات مي‌شود.
ابزارهاي الماس، به هنگام براده‌برداري از فولادهاي نرم و كم‌كربن، به سرعت سائيده مي‌شوند؛ در صورتي كه سرعت سايش آنها در ماشينكاري فولادهاي آلياژي پركربن كمتر است و گاهي اوقات در ماشينكاري چدن (با درصد كربن بالا) طول عمر زيادي از خود نشان مي‌دهند. ولي با اين وجود به طور كلي ماشينكاري آلياژهاي آهني و چدن توسط ابزارهاي الماس توصيه نمي‌شوند
خوبی چو از حد بگذرد نادان خیال بد کند.
