انتخاب ابزار مناسب ماشینکاری

موفقیت در فرآیندهای ماشینکاری (فرزکاری , تراشکاری و …) به انتخاب ابزار (تیغه برش) مناسب از نظر جنس , شکل و اندازه برای هر کار مرتبط می باشد. مواد زیادی با ویژگیها, قابلیتها و قیمت های مختلف برای ساخت ابزار تراش در دسترس می باشند که فولادهای آلیاژی پر کربن , فولادهای با آلیاژ کم و متوسط , فولاد ابزار تندبر (HSS) , آلیاژهای ریختگی کبالت , کاربیدهای سمانته, کاربیدهای ریختگی , کاربیدهای روکش شده, فولادهای تندبر روکش دار, سرامیک ها, سرمت ها, سرامیک های تقویت شده , نیترید بور مکعبی (CBN) و الماس های تک و چند بلوره شامل می شوند.
در ماشینکاری , هرچه سرعت براده برداری بیشتر باشد , زمان لازم برای ماشینکاری کاهش پیدا می کند که همین امر می تواند سبب کاهش هزینه تولید گردد.
تیغه های ابزار برشی در فرزکاری, تراشکاری و … به دلیل کار در شرایط بسیار سخت باید مشخصات زیر را دارا باشند :
§ مقاومت در برابر سایش
§ مقاوت در برابر خوردگی و پریدگی لبه ابزار
§ سختی بالا
§ سختی بالا در دمای بالا
§ چقرمگی زیاد (مقاومت به ضربه)
§ مقاومت زیاد در مقابل تغییر شکل
§ پایداری شیمیایی بالا (عدم ترکیب با ماده قطعه کار)
§ ضریب الاستیسیته بالا
در فرایندهای مختلف ماشینکاری از جمله در فرزکاری , سرعت براده برداری و نرخ پیشروی بوسیله جنس ابزار یا تیغه برشی محدود می شود تا تیغه برشی از عمر قابل قبولی برخوردار باشد. هرچه عمر ابزار ماشینکاری بیشتر باشد , دفعات تعویض ابزار و در نتیجه زمان و هزینه نیروی انسانی مورد نیاز کاهش می یابد و هزینه توقف تولید نیز کمتر می شود.
در ادامه به معرفی برخی از موادی که برای ساخت تیغه های فرز و تراش مورد استفاده قرار می گیرند , می پردازیم :

فولاد ابزار (Tool Steel)

برخی فولادهای کربنی و فولادهای با آلیاژ کم و متوسط که فولاد ابزار نامیده می شوند در گذشته متداول ترین ماده برای ساخت ابزار برشی محسوب می شدند که ضمن دارا بودن چقرمگی مناسب , لبه های برنده تیزی هم دارند. بر روی این فولادها عملیات حرارتی سخت کاری و بازپخت انجام می شود که فرایند بازپخت سبب افت سختی دما بالا در آنها می شود.
انواع آلیاژی این فولادها دارای عناصر مولیبدن و کروم برای افزایش سختی و تنگستن و مولیبدن برای افزایش مقاومت سایشی می باشند. این فولادها با افزایش دما تا دمای بازپخت ,سختی خود را از دست می دهند و مقومت سایشی محدودی نیز دارند و از همین روی برای ساخت ابزارهای برشی ارزان قیمت مناسب کار در سرعتهای پایین (در نتیجه حرارت کم) مورد استفاده قرار می گیرند.

فولاد تندبر (High Speed Steel)

این دسته از فولادهای پر آلیاژ که در برخی استانداردها جزء فولادهای ابزار نیز محسوب می شوند در دماهای بالاتر سختی خود را بهتر حفظ می کنند و در مقایسه با تیغه های ساخته شده از فولاد ابزار با طول عمر مساوی , قابلیت براده برداری ۲ تا ۳ برابر سریعتر از آنها را دارا می باشند.
این فولادها که به اختصار HSS نیز نامیده می شوند دارای عناصر آلیاژی مولیبدن, کبالت, تنگستن, کروم و وانادیوم هستند که سختی و مقاومت سایشی آنها را افزایش می دهد.
در خال حاضر هنوز به میزان زیادی از این فولادها جهت ساخت مته و تیغه های فرز و تراش جهت کاربری های معمولی استفاده می شود که البته به مرور جای خود را به فولادهای تندبر روکش شده و کاربیدها می دهند. مهمترین مزیت فولادهای تندبر , چقرمگی بالا و ساخت آسان و کم هزینه آنهاست.

فولاد تندبر با روکش TiN

فولادهای تندبر روکش شده با نیترید تیتانیوم در سرعتهای برشی بالا حدود ۱۰ تا ۲۰ درصد بهتر از نمونه های بدون روکش هستند. از مزایای این فولادها , کاهش سایش ابزار است که سبب می شود در مرحله تیز کردن ابزار ,ماده کمتری برداشته شده و در نتیجه دفعات استفاده از تیغه برشی افزایش یابد. بهبود مقاومت به سایش بگونه ایست که یک ابزار برشی از جنس فولاد تندبر با روکش نیترید تیتانیوم پس از هر بار تیزکردن تا ۴ برابر نوع بدون روکش آن مورد استفاده قرار می گیرد و در نتیجه هزینه تولید را تا یک دهم کاهش می دهد.

کاربید

کاربیدها, آلیاژهای غیرآهنی هستند که به کاربیدهای سمانته یا تف جوشی شده معروف می باشند و علت آن نیز اینست که به روش متالورژی پودر ساخته می شوند. با استفاده از این مواد در ساخت تیغه های فرز و تراش , سرعت ماشینکاری به ۴ تا ۵ برابر افزایش می یابد. بیشتر کاربیدهای امروزی بر پایه کاربید تنگستن (یا مخلوطی از کاربید تنگستن و کاربید تیتانیوم و تانتالیوم) ساخته شده و دارای سختی بالا در دمای زیاد , پایداری شیمیایی خوب و اصطکاک کمتر حین براده برداری هستند. سرعت براده برداری با این مواد در مقایسه با فولادهای تندبر بیشتر بوده و قیمت آنها نیز بسیار بالاتر می باشد.ابزارهای کاربیدی سمانته به صورت تیغچه (اینسرت) هایی به فرمهای چهارگوش, مثلثی, لوزی و یا مدور و با قابلیت باز و بست روی پایه بکار می روند .

کاربیدهای روکش شده

از آنجا که پوشش دهی ابزار برشی به طور متوسط عمر آنرا تا ۳۰۰ درصد می تواند افزایش دهد, لذا استفاده از پوشش هایی مانند کاربید تیتانیوم از سال ۱۹۶۹ در صنعت رواج یافت. روکش مناسب ابزار برشی باید دارای سختی بالا, مقاومت سایشی خوب و پایداری شیمیایی باشد. برای روکش دهی کاربیدها از ترکیبات مختلفی مانند نیترید تیتانیوم (TiN) , کاربید تیتانیوم (TiC) و اکسید آلومینیوم (Al2O3) استفاده می شود که به صورت تک یا چند لایه بکار می روند.
ابزارهای برشی کاربیدی روکش دار در مقایسه با انواع بدون روکش , ۲ تا ۳ برابر مقاومت سایشی بیشتر داشته و در طول عمر مساوی, سرعت ماشینکاری را تا ۲ برابر افزایش می دهند. بکارگیری ابزارهای کاربیدی روکش شده به حدی رسیده است که امروزه ۸۰ تا ۹۰ درصد ابزارهای ماشینکاری از نوع روکش دار می باشند.

سرامیک

سرامیکها از اکسید آلومینیوم Al2O3 به روش متالورژی پودر و تحت فشار و دمای بالا ساخته می شوند. ابزارهای سرامیکی به صورت تیغچه های برش بر روی ابزار برشی نصب شده و سرعت ماشینکاری به وسیله آنها ۲ تا ۳ برابر تیغه های برشی کاربید تنگستن است. این نوع تیغه های فرز و تراش نیازی به خنک کاری حین ماشینکاری نداشته و از عمر یکسانی در مقایسه با کاربید های تنگستن برخوردارند. سختی زیاد و عدم میل به ترکیب شیمیایی , سرامیکها را به مواد مناسبی جهت ساخت تیغه های پرداخت کاری در سرعتهای بالا و با نرخ براده برداری بالا تبدیل نموده و جهت براده برداری از سوپرآلیاژها بکار می روند.

الماس

الماس سخت ترین ماده شناخته شده تا به امروز است .تیغه های الماس در مقایسه با کاربیدها به مقدار زیادی نیروهای تراش را کاهش داده و تراشکاری با آنها در سرعت های بالا و با نرخ تغذیه بسیار کم انجام می شود و سطح پرداخت کاری شده بسیار خوبی را ایجاد میکند. الماس در عین داشتن سختی و مقاومت سایشی خوب , بسیار شکننده بوده و شکل دادن به ان به صورت ابزار تراش بسیار دشوار است. در مجموع کارایی تیغه فرز و تیغه تراش های الماس در مقایسه با انواع کاربیدی بسیار بالاتر بوده و طول عمر ابزار و کنترل اندازه , پرداخت و کیفیت سطح قطعه بسیار بهتر است.

نیترید بور مکعبی (CBN)

از متریال های ساخته شده به دست بشر بوده و در اتوموبیل سازی و ماشینکاری فولادهای سخت کاری شده و سوپرآلیاژها بکار می روند. روش تولید آنها مشابه الماس بوده و قادر هستند سختی خود را در دماهای بالا حفظ کنند. به کمک آنها ماشین کاری مواد بسیار سخت مانند اینکونل ۷۱۸ و رنه ۹۵ ممکن شده است.
به کمک نیترید بور مکعبی می توان به شکل اقتصادی مواد سخت را با دقت پرداخت و کیفیت سطوح به مراتب بهتر با سرعت ۵ برابر و نرخ براده برداری ۵ برابر ابزارهای کاربیدی را بدست آورد. قیمت تیغه های فرز یا تراش ساخته شده از CBN کمی بیشتر از کاربید سمانته و سرامیکهاست ولی عمر آنها ۵ تا ۷ برابر ابزار برشی سرامیکی است که همین عامل ,بکارگیری آنها را علی رغم قیمت بیشتر, توجیه می کند.