انواع ابزارهای برشی قطعه

عمر ابزارهای برشی به عوامل گوناگونی بستگی دارد. یکی از این عوامل، جنس خود ابزار است.

انواع ابزارهای برشی عبارتند از:

1. فولادهای تندبْر HSS
2. آلیاژهای ریختنی کبالت
3. کاربایدها
4. سرامیک‌ها و سرمتها
5. CBN
6. الماس‌ها

در هنگام انتخاب ابزار برش مناسب برای یک سری عملیات، می‌بایست به وسیلة مقایسه مشخصات فلز، آن ابزار برش را انتخاب کرد.

این مشخصات شامل توجه به نکات زیر است:

• سختی
• مقاومت
• کارایی در درجه حررات بالا
• محکمی
• مقاومت در مقابل اثرات شیمیایی
• مقاومت در مقابل سائیدگی
• قابلیت انتقال حرارت
• ضریب اصطکاک

آخرین عامل، یعنی هزینة تولید باید طوری در نظر گرفته شود که قطعه دارای خواص فیزیکی لازم باشد و کمترین هزینه تولید هر قطعه را شامل گردد.

1. فولادهای تندبُر

فولادهای تندبر((High Speed Steel این فولادها دارای پایه ی آهن هستند و علاوه برعناصر کربن دارای عناصر کرم،وانادیم،مولیبدن یا تنگستن یا ترکیبی از این دو و در بعضی موارد کبالت می باشد . فولادهای تندبر شامل دو خانوادهً مولیبدنی وتنگستنی هستند، از انواع مولیبدنی مثل فولادهای M1،M2،M41،و از انواع تنگستنی(TiS,Ti)

با توجه به اینکه عنصر مولیبدن نسبت به تنگستن فراوانتر و ارزانتر است، ساخت فولادهای تندبرمولیبدنی و استفاده از آنها گسترش بسیار بیشتری یافته است از طرفی مقاومت به سایش گروه M نیز بیشتر از گروه Tمی باشد. اصولا مهمترین خاصیت فولادهای تندبر، قابلیت برش کاری آنهاست، که این قابلیت به ترکیبی از عوامل مختلف بستگی دارد که مهمترین آنها چهار عامل زیر هستند:

• سختی
• سختی سرخ
• مقاومت به سایش
• تافنس

سختی در فولادهای تندبر معمولی ۶۵-۶۲ راکول C می باشد و در بعضی موارد مثل سری M40 و در بعضی از انواع M30 و T12 تا ۶۹ راکول C  نیز می رسد.
فولادهای تندبر (High Speed Steel) اصولاً برای برش «رنده‌های تراش» به کار می‌روند.کربن برای حفظ سختی در درجه حرارت بالا، وانادیم موجب افزایش استحکام و مقاومت به سایش و کروم نیز به عنوان عامل بهبود چقرمگی (Toughness) و مقاومت در مقابل سایش عمل می‌کند.
این نوع فولادها بر اساس مواد آلیاژی اصلیشان به چهار گروه تقسیم‌بندی شده‌اند:

1. مولیبدن
2. مولیبدن کبالت
3. تنگستن
4. تنگستن کبالت

اما چرا این نامHSS را بر این ابزار نهاده‌اند؟

برای پاسخ دادن به این سؤال، بهتر است با یکی دیگر از ابزارهای برشی و براده‌برداریبا نام «فولادهای کربنی و آلیاژی» آشنا شویم.

کاربرد این نوع فولادها، که زمانی (حدود یک قرن پیش) عمده‌ترین جنس ابزارهای براده‌برداری بودند، به دلیل افت شدید سختی در درجه حرارتهای نسبتاً بالا (تقریباً ۲۶۰C) و سایش زیاد، فقط به ابزارهای دستی برای براده‌برداری‌های با سرعت پایین از قبیل قلاویز و حدیده و سوهان محدود شده است.و اما فولادهای تندبْر، برتری این نوع فولادها (تندبْر) به فولادهای کربنی، در قابلیت حفظ سختی در درجه حرارت بالاتر (۵۳۸C الی ۵۹۰C) است. از این جهت، مقایسه با فولادهای کربنی به ازای طول عمر مساوی می‌توان آن را با حدود ۲ برابر سرعت برشی به کار برد. به همین دلیل این فولادها به نام فولاد تندبر نامگذاری شده‌اند.

ابزار از جنس فولادهای تندبر مزایای زیر را نسبت به نمونه‌های دیگر دارد:

• ارزانتر است؛
• شکنندگی کمتری دارد. به همین دلیل در قطع و وصل ابزار برش بر روی قطعة کار با دوامتر است ج) فرم‌پذیر است و به راحتی شکل می‌گیرد.

در کنار محاسن نام برده، این فولادها دارای معایبی نیز هستند. از آن جمله:

• نسبت به انواع دیگر در دماهای بالاتر حین ماشینکاری دوام کمتری دارند؛
• مواد سخت را به راحتی برش نمی‌دهند.

    ۲٫آلیاژهای ریختنی کبالت (ابزارهای استلایتی)

این آلیاژها که مرکب از ۲ الی ۴ درصد کربن، ۱۴ تا ۲۰ درصد تنگستن، ۲۵ الی ۳۴ درصد کروم و مابقی کبالت هستند. به دلیل برخورداری از سختی زیاد و حفظ آن در درجه حرارتهای بالا و مقاومت بالا نسبت به سایش و خوردگی، ضریب اصطکاک پایین در تماس با فولاد، به عنوان یکی از مواد مناسب برای ساخت ابزارهای براده‌برداری مطرح بوده‌اند.اگر چه سختی این آلیاژها در دمای اتاق مشابه فولادهای تندبر است؛ ولی به دلیل حفظ بهتر سختی در دماهای بالاتر، قابل استفاده در سرعتهای برشی بالاتری (تقریباً ۲۵% سرعت بیشتر) نسبت به فولادهای تندبر هستند. خواص مکانیکی و سختی این آلیاژها با عملیات حرارتی قابل تغییر نیست. و بر عکس فولادهای تندبر که سختی خود را براساس عملیات حرارتی بدست می آورند، این آلیاژها در هنگام ریخته گری سختی خود را بدست می آورند و قابلیت نرم شدن وسخت شدن مجدد را ندارند . موارد کاربرد این مواد، در شرایط کاری ما بین کاربرد فولادهای تندبر و کاربیدهای سمانته است . نظیر سرعت های برشی، جنس قطعه کار، خشن تراشی یا پرداخت و …. این مواد در حقیقت پلی بین فولادهای تندبر و کاربیدهای سمانته هستند

    ۳٫کاربایدها

اصولاً «کارباید» اصطلاحی است که به ترکیب شیمیایی فلز و کربن اطلاق می‌شود. اولین کاربید ساخته شده، کاربید تنگستن WC با بایندر(Binder) کبالت بوده است.

کاربایدها خود به سه گروه تقسیم می‌شوند:

1. سمانته
2.  ریزدانه
3. پوششی

کاربیدهای سمانته شامل یک خانواده از مواد سخت، مقاوم به سایش و مقاوم در مقابل درجه حرارت های بالا هستند که در آنها ذرات کاربیدی سخت بوسیله یک فلز واسطه نرم به یکدیگر چسبانیده می شوند .

کاربایدهای سمانته به دو گروه عمده تقسیم می‌شوند:

1. گروه تنگستن کارباید خالص
2. گروه تنگستن کارباید آلیاژی (که حاوی کارباید تیتانیم یا کارباید تنتالیم می‌باشد)

همچنین ابزارهای کاربایدی را در دیدی دیگر می‌توان به سه گروه دیگر تقسیم کرد:

1. الماسه‌های یکپارچه و سخت (که از قطعات کربنی ساخته می‌شود.)
2. الماسه‌های لحیمی (که از اتصال الماسه به یک میلة فولادی به صورت لحیمی ساخته می‌شود.)
3. الماسه نصبی (که در بین صنعتگران به الماسه یا اینزرت مشهور است و متداول‌ترین ابزار مورد استفاده در CNC هاست که در نگهدارنده‌های فولادی نصب می‌شوند.)

سیستم طبقه بندی کاربیدهای تنگستن که امروزه بیشترین مصرف را در صنعت ابزار برشی دارند بر طبق استانداردISO به صورت زیر است:

• گروه های کاربید تنگستن پر آلیاژبرای ماشینکاری فولاد با حرف P و به رنگ آبی
• گروه های کاربید تنگستن کم آلیاژ برای ماشینکاری فولادهای سوپر آلیاژ با پایه نیکل(فولادهای زنگ نزن) و چدن داکتیل با حرف M و به رنگ زرد
• گروه های کاربید تنگستن بدون عناصر آلیاژی (کاربیدی) برای ماشینکاری چدن خاکستری ، فلزات غیر آهنی و مواد غیر فلزی با حرف K و به رنگ قرمزهر گروهی دارای اعدادی است که انتخاب کننده را از ماگزیمم سختی به سمت ماگزیمم تافنس راهنمائی می کنند:
  P01    ****A    P50
  M10   ****A   M40
  K01    ****A   K40

مزایای کاربایدها را می‌توان در موارد زیر نام برد:

مقاومت بیشتر در برش مواد و آلیاژهای سخت؛

1. مقاومت در دماهای بالاتر؛
2. الماسه‌های یکپارچه قادر به جذب ارتعاشات کار هستند و صدای ایجاد شده از برخورد ابزار با قطعه کار بسیار کم است؛
3. الماسه‌های نصبی به راحتی و بدون نیاز به نگهدارنده‌های فولادی جدید تعویض می‌شوند.

معایب کاربایدها را نیز می‌توان در موارد زیر نام برد:

1. قیمت بالا نسبت به فولادهای تندبر؛
2. شکنندگی بیشتر نسبت به فولادهای تندبر؛
3. شکل‌گیری آنها با ابزارهای الماسه‌ای مقدور می‌باشد.

در ضمن الماسه‌های نصبی که کاربرد فراوانی در CNC ها دارند، با مواد خاصی مانند نیترید تیتانیوم پوشش داده می‌شوند تا عمر مفید آنها افزایش یابد. این پوشش، عمر ابزار را برای عملیات متعارف و معمول تراشکاری و فرزکاری تا ۲۰ برابر افزایش می‌دهد.

   ۴٫سرامیکها و سرمتها

سرامیکها ( Ceramics) جدیدترین خانواده مواد ساخت ابزار هستند که برای استفاده در یک رنج وسیع عملیات پرداخت کاری و همچنین براده برداری زیاد از موادی که به سختی ماشینکاری می شوند بکار می روند ابزارهای سرامیکی بیشترین تکامل را در چند سال اخیر داشته‌اند و هر چند بسیار گران هستند؛ اما از ابزارهای الماسه‌ای ارزانترند. سرامیکها بسیار سبک و شکننده‌اند.سرامیکها در سرعتهای برش سه الی چهار برابر ابزارهای کاربایدی هستند. سرامیک هائی که در ساخت ابزار برش از آنها استفاده می شوند یا بر پایه اکسید آلومینیوم AL2O3 و یا بر پایه نیترید سیلسیم SC3N4 قرار دارند. یک سرامیک در حقیقت یک اکسید فلزی، یک کاربید و یا مخلوطی از این مواد است سرامیکها سختی سرخ عالی و همچنین مقاومت در مقابل اکسیداسیون که مقدار خوردگی لبه ها را در دمای بالا کاهش می دهد در ساخت ابزار برشی مورد استفاده قرار گرفته اند. که این خواص سرامیکها را قادر می سازد که در سرعت های بالای ماشینکاری بالاتر از ۳۰۰ m/min کار کنند، حتی بر روی فلزاتی که به سختی ماشین کاری می شوند. صافی سطح حاصل از ماشین‌کاری با این ابزارها بسیار خوب است و استفاده از سیال خنک‌کننده (Coolant) در براده‌برداری این ابزارها ضروری نیست.

مزایای سرامیکها عبارتند از:

1. ارزانتر از الماسه‌های کربنی هستند؛
2. مواد بسیار سخت را در زمان کوتاهی می‌برند و مقاومت گرمایی بالایی دارند.

همچنین معایب سرامیکها عبارتند از:

1. بسیار شکننده‌تر از کاربایدها و فولادها هستند؛
2. فقط برای برشهای سرعت بالا مفید هستند و در صورتی که در دورهای پایین کار کنند، می‌شکنند؛
3. بسیاری از دستگاه‌ها، سرعت چرخشی مناسبی برای استفاده از ابزارهای سرامیکی ندارند.سرمتها که ترکیب خاصی از سرامیکها و فلزات هستند، برای کاهش تردی و شکنندگی سرامیکها و بهبود آنها ابداع شده‌اند.

سرمتها یک گروه از محصولات متالورژی پودر هستند که شامل ذرات سرامیک با یک چسب فلزی می باشندذرات سرامیک در این ترکیب سختی سرخ را بالا میبرند و مقاومت در مقابل سایش در حد بالائی را تامین میکنند و جزء فلزی ترکیب مقاومت در مقابل ضربه یا تافنس و مقاومت در مقابل شوک های حرارتی را تضمین می کند.فلزاتی نظیر آهن، کروم، تیتانیوم و نیکل از ممزوج شدن با سرامیکها ابزارهای«سرامیک_ فلز» یا همان «سرمٍت» را به وجود می‌آورند.

از بارزترین خصوصیات سرمتها و سرامیکها حفظ سختی در درجه حرارتهای خیلی بالا و مقاومت بالا در مقابل سایش؛ ولی مقاومت کم در مقابل خمش و شوکهای مکانیکی و بارهای ضربه‌ای و ارتعاش است و لذا با وجود این محدودیتها باید از ماشین‌ابزارهای صلب و کاملاً مستحکم که بدون لرزش می‌باشند، استفاده کرد. سرمتها مقاومت به سایش بسیار بالاتری نسبت به کاربیدهای سمانته دارند در کنار اینکه در سرعتهای برش خیلی بالاتری نیز کار می کنند اما از طرف دیگر استحکام سرمتها در حدود ۱۵% تا ۲۵% کمتر از استحکام کاربیدهای سمانته است . تافنس سرمتها نیز در مقایسه با کاربیدهای سمانته کمتر است و این کاربرد سرمتها در خشن تراشی را محدود می کند.

  ۵٫نیترید بور مکعبی

CBN (Cubic Born Nitride)

CBN (با نام تجاری بورازون) سخت‌ترین مادة شناخته شده پس از الماس است. از مهمترین امتیازات آن، مقاومت حرارتی بیشتر از الماس و خنثی بودن آن از نظر شیمیایی است.استفاده از CBN به عنوان ابزار براده‌برداری برای خشن‌کاری و پرداخت فولادهای کربنی و آلیاژی، ابزار سخت‌کاری‌شده و چدن‌های سخت و چائیده و به ویژه سوپرآلیاژها با پایه نیکل و کبالت و قطعات ساخته شده به روش متالوژی پودر، پلاستیک‌ها و گرافیت توصیه می‌شود.اگر چه این نوع ابزارها را می‌توان بدون استفاده از سیال خنک‌کننده نیز به کار برد؛ ولی استفاده از سیال‌های خنک‌کننده حل‌شونده در آب نتایج مثبت به همراه دارد.

   ۶٫الماس (Diamond)

الماس، سخت‌ترین ماده شناخته شده در جهان و سختی متوسط آن ۵ برابر کاربایدهای سمانتر است. سختی بسیار بالا، مقاومت به سایش عالی، قابلیت هدایت حرارتی خوب، استحکام فشاری بسیار بالا و انبساط حرارتی ناچیز، باعث شباهت ابعادی بی‌نظیر آن در براده‌برداری و تضمین‌کنندة حصول اندازه‌های یکنواخت و دقیق در قطعه کار و صافی سطح بالا می‌باشد.همچنین به دلیل خنثی بودن الماس ازنظرشیمیایی و پایین بودن ضریب اصطکاک آن در تماس با اکثر مواد در هنگام براده‌برداری پدیدة جوش‌خوردن براده‌های قطعه کار به لبة ابزار به وقوع نپیوسته و همین مسأله باعث حصول صافی سطح خوب در ماشین‌کاری فلزات غیر آهنی و حتی غیر فلزات می‌شود.ابزارهای الماس، به هنگام براده‌برداری از فولادهای نرم و کم‌کربن، به سرعت سائیده می‌شوند؛ در صورتی که سرعت سایش آنها در ماشینکاری فولادهای آلیاژی پرکربن کمتر است و گاهی اوقات در ماشین‌کاری چدن (با درصد کربن بالا) طول عمر زیادی از خود نشان می‌دهند. ولی با این وجود به طور کلیماشین‌کاری آلیاژهای آهنی و چدن توسط ابزارهای الماس توصیه نمی‌شوند