معرفیابزارهایبرشی

مقدمه

برای اینکه بتوان فلزات مختلف را به بهترین نحو ممکن ماشینکاری کرد، لازم است از ابزارهای برشی مناسبی استفاده کنیم، یعنی با انتخاب درست جنس ابزار براده برداری بر اساس جنس قطعة کار ، راندمان ماشینکاری خود را بالا ببریم و نیز عمر ابزار خود را افزایش دهیم.

در این مقاله سعی شده است انواع مختلف ابزارهای برشی را معرفی کرده و معایب و محاسن آنها را در مقایسه با هم بیان کنیم.

انواعابزارهایبرشی

عمر ابزارهای برشی به عوامل گوناگونی بستگی دارد. یکی از این عوامل، جنس خود ابزار است. ابزارهای برشی نیز بر اساس جنس و ترکیب عناصر تشکیل دهنده آنها به گروه های زیر تقسیم بندی میشوند:

HSS -1 فولادهای تندبر

2- آلیاژهایریختنی کبالت

3- کاربایدها

4- سرامیکها و سرمتها

CBN -5

6- الماس ها

در هنگام انتخاب ابزار برشی مناسب برای ماشینکاری یک ماده،در درجه اول می بایست خواص مکانیکی و خصوصیات متالوژیکی آن را در نظر گرفت که مهمترین آنها عبارتند از:

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

در ادامه به بررسی انواع ابزارهای برشی میپردازیم.

1-  فولادهایتندبر

فولادهای تندبر(High Speed Steel)  علاوه بر کربن، ممکن است شامل عناصر دیگری از قبیل تنگستن، مولیبدن، کروم، وانادیوم و کبالت باشند.کربن برای حفظ سختی در درجه حرارت بالا، وانادیم موجب افزایش استحکام و مقاومت در مقابل سایش (Toughness) و کروم نیز به عنوان عامل بهبود چقرمگی عمل می کند.

این نوع فولادها بر اساس مواد آلیاژی اصلیشان به چهار گروه تقسیم بندی شده اند:

• مولیبدن
• مولیبدن کبالت
• تنگستن
• تنگستن کبالت

اما چرا نام HSS را بر این ابزار نهاده اند؟

برای پاسخ دادن به این سؤال، بهتر است با گروهی دیگر از ابزارهای برشی و براده برداری با نام"فولادهای کربنی و آلیاژی" آشنا شویم. کاربرد این نوع فولادها، که زمانی (حدود یک قرن پیش) عمده ترین جنس ابزارهای براده برداری بودند، به دلیل افت شدید سختی در درجه حرارتهای نسبتاً بالا (تقریبا 260 درجه سانتیگراد) و سایش زیاد، فقط به ابزارهای دستی برای براده برداری های با سرعت پایین از قبیل قلاویز، حدیده و سوهان محدود شده است. اما برتری فولادهای تندبر به فولادهای کربنی، در قابلیت حفظ سختی درجه حرارت بالاتر است. از این جهت در مقایسه با فولادهای کربنی در ازای طول عمر مساوی، می توان آن را با حدود 2 برابر سرعت برشی به کار برد.  به همین دلیل این فولادها به نام فولاد تندبر نامگذاری شده اند.

ابزارهای ساخته شده از جنس فولادهای تندبر مزایای زیر را نسبت به نمونه های دیگر دارد:

• ارزانتر است.
• شکنندگی کمتری دارد.
• فرم پذیر است و به راحتی شکل می گیرد.

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

• هنگام ماشینکاری در دماهای بالا نسبت به انواع دیگر ابزارها دوام کمتری دارند.
• مواد سخت را به راحتی برش نمی دهند.

2-  آلیاژهایریختنیکبالت (ابزارهایاستلایتی)

این آلیاژها که مرکب از 2 الی 4 درصد کربن، 14 تا 20 درصد تنگستن، 25 الی 34 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، همچنین ضریب اصطکاک پایین در تماس با فولاد، به عنوان یکی از مواد مناسب برای ساخت ابزارهای براده برداری مطرح بوده اند.

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 25 % سرعت بیشتر) نسبت به فولادهای تندبر هستند..خواص مکانیکی و سختی این آلیاژها با عملیات حرارتی قابل تغییر نیست.

 

3-  کاربایدها

اصولاً "کارباید" اصطلاحی است که به ترکیب شیمیایی فلز و کربن اطلاق می شود. کاربایدها خود به سه گروه تقسیم می شوند:

• سمانته
• ریزدانه
• پوششی

کاربایدهای سمانته نیز خود به دو گروه عمده تقسیم می شوند:

• گروه تنگستن کارباید خالص.
• گروه تنگستن کارباید آلیاژی (که حاوی کارباید تیتانیم یا کارباید تانتالیم می باشد).

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

• الماسه های یکپارچه و سخت (Solid Carbide) که از قطعات کربنی ساخته می شود.
• الماسه های لحیمی (Brazed Tip)  که از اتصال الماسه به یک میلة فولادی به صورت لحیمی ساخته می شود.
• الماسه نصبی (Indexable insert) که در بین صنعتگران به الماسه یا اینسرت مشهور است و متداول ترین ابزار مورد استفاده در ماشینهایCNC  است و بر روی هولدرهای فولادی نصب می شوند.

مزایای کاربایدها را می توان در موارد زیر نام برد:

• مقاومت بیشتر در برش مواد و آلیاژهای سخت
• مقاومت در دماهای بالاتر
• الماسه های یکپارچه قادر به جذب ارتعاشات کار هستند و صدای ایجاد شده از برخورد ابزار با قطعه کار بسیار کم است
• الماسه های نصبی به راحتی و بدون نیاز به نگهدارنده های فولادی جدید تعویض می شوند

معایب کاربایدها را نیز می توان در موارد زیر نام برد:

• قیمت بالا نسبت به فولادهای تندبر
• شکنندگی بیشتر نسبت به فولادهای تندبر
• شکل گیری آنها با ابزارهای الماسه ای مقدور می باشد

در ضمن الماسه های نصبی که کاربرد فراوانی در CNC ها دارند، با مواد خاصی مانند نیترید تیتانیوم پوشش داده می شوند تا عمر مفید آنها افزایش یابد. این پوشش، عمر ابزار را برای عملیات متعارف و معمول تراشکاری و فرزکاری تا 20 برابر افزایش می دهد.

 

4-  سرامیکهاوسرمتها

ابزارهای سرامیکی بیشترین تکامل را در چند سال اخیر داشته اند و هر چند بسیار گران هستند،  اما از ابزارهای الماسه ای ارزانترند. سرامیکها بسیار سبک و شکننده اند اما در سرعتهای برشی بالا، سه الی چهار برابر ابزارهای کاربایدی عمر مفید دارند. صافی سطح حاصل از ماشین کاری با این ابزارها بسیار خوب است و استفاده از سیال خنک کننده(Coolant)  در براده برداری این ابزارها ضروری نیست.

مزایای سرامیکها عبارتند از:

• ارزانتر از الماسه های کربنی هستند.
• مواد بسیار سخت را در زمان کوتاهی می برند و مقاومت گرمایی بالایی دارند.

همچنین معایب سرامیکها عبارتند از:

• بسیار شکننده تر از کاربایدها و فولادها هستند.
• فقط برای برشهای سرعت بالا مفید هستند و در صورتی که در دورهای پایین کار کنند می شکنند.
• بسیاری از دستگاه ها، 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 شده اند.

فلزاتی نظیر آهن، کروم، تیتانیوم و نیکل از ممزوج شدن با سرامیکها، ابزارهای (سرامیک - فلز ) یا همان "سرمت" را به وجود می آورند.

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 ضربه ای و ارتعاش است. با وجود این محدودیتها باید از ماشین ابزارهای صلب و کاملاً مستحکم که بدون لرزش می باشند، استفاده کرد.

 

5- نیتریدبورمکعبی  CBN (Cubic Born Nitride)

CBN سخت ترین 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 براده برداری برای خشن کاری و پرداخت فولادهای کربنی و آلیاژی، ابزار  سخت کاری شده و چدن های سخت و به ویژه سوپرآلیاژها با پایه نیکل و کبالت و قطعات ساخته شده به روش متالوژی پودر، پلاستیک ها و گرافیت توصیه میشود.

اگر چه این نوع ابزارها را می توان بدون استفاده از سیال خنک کننده نیز به کار برد، ولی استفاده از سیال های خنک کننده حل شونده در آب نتایج مثبتی را به همراه دارد.

 

6- الماس (Diamond)

الماس، سخت ترین ماده شناخته شده در جهان بوده و سختی متوسط آن 5 برابر کاربایدهای سمانته است. سختی بسیار بالا، مقاومت به سایش عالی، قابلیت هدایت حرارتی خوب، استحکام فشاری بسیار بالا و انبساط حرارتی ناچیز، باعث شباهت ابعادی بی نظیر آن در براده برداری و تضمین کنندة حصول اندازه های یکنواخت و دقیق در قطعه کار و صافی سطح بالا می باشد. همچنین به دلیل خنثی بودن الماس از نظر شیمیایی و پایین بودن ضریب اصطکاک آن در تماس با اکثر مواد در هنگام براده برداری پدیدة جوش خوردن براده های قطعه کار به لبة ابزار به وقوع نپیوسته و همین مسأله باعث حصول صافی سطح خوب در ماشین کاری فلزات غیر آهنی و حتی غیر فلزات می شود.

ابزارهای الماسه، به هنگام براده برداری از فولادهای نرم و کم کربن، به سرعت سائیده می شوند. در صورتی که سرعت سایش آنها در ماشینکاری فولادهای آلیاژی پرکربن کمتر است و گاهی اوقات در ماشین کاری چدن(با درصد کربن بالا) طول عمر زیادی از خود نشان می دهند. ولی با این وجود به طور کلی ماشین کاری آلیاژهای آهنی و چدن توسط ابزارهای الماس توصیه نمی شوند.