ابزارهای سرامیکی

نسل های اولیه از ابزارهای سرامیکی در اواخر دهه ی 1940 و اوایل دهه ی 1950 توسعه یافتند. این نسل از ابزارها در اصل آلومینیم اکسیدی بودند که پرس سرد شده بودند. در حالی که این ابزارها از لحاظ شیمیایی خنثی بودند و دارای سختی دما بالای خوبی در مقایسه با کاربید تنگستن، بودند، آنها به طور آشکار دارای تافنس پایینی بودند. این بازده موجب می شود تا ابزار به سهولت تراشیده شوند و به طور ناگهانی بشکند. این مسئله تصویر اولیه از ابزارهای سرامیکی بود. ابزارهای سرامیکی که امروزه موجود می باشند، دارای کیفیت بالا هستند و در زمانی که به خوبی تولید شوند، قادر به افزایش کارایی در برش نهایی چدن های با سختی پایین و فولادهای با سختی متوسط هستند.

آلومینا/ TiC پرس گرم شده
توسعه ی فرایند پرس گرم (بدون رشد اضافی دانه ها)، مرحله ی اصلی در تولید ابزارهای سرامیکی با کیفیت بالا، می باشد. این فرایند اجازه ی افزودن TiC به اکسید آلومینیوم را فراهم می اورد. در حقیقت ابزارهای آلومینا/ TiC پرس گرم شده دارای خواص استثنایی برای تمام اهداف می باشند. این گرید در انواع مختلفی از شکل ها موجود می باشند و قیمت آنها نیز تنها 20 تا 25 % بیشتر از کاربیدهای پوشش دار است.
اگر چه سایر مواد سرامیکی نیز ممکن است برای کاربردهای خاص مناسب باشند، ابزارهای آلومینا/ TiC پرس گرم شده برای بیشتر وضعیت های ماشین کاری مناسب هستند که در آنها سرامیک قابلیت استفاده دارد. این مواد می توانند به خوبی برای کاهش ابعاد فولادهایی با سختی تا 60 الی 63 راکول سی، مورد استفاده قرار گیرند. همچنین این مواد می توانند ابعادی با تلورانس ±0.00025 اینچ کنند و سطح نهایی با ابعاد کمتر از 5 میکرو اینچ، ایجاد کنند. این ابزارهای سرامیکی دارای پایداری گرمایی استثنایی هستند و می توانند برای برش خشک و یا برش تر مورد استفاده قرار گیرند.
 
آلومینای تقویت شده با ویسکر
ویسکرهای سیلیکون کاربید (SiC) به زمینه ی آلومینا و در جهت گیری تصادفی اضافه می شود تا بدین صورت ابزارهای برش سرامیکی تولید شوند که تافنس بسیار بالایی دارند. این ابزارها در تراشکاری آلیاژهای بر پایه ی نیکل، استفاده می شوند. این آلیاژها در زمان ماشین کاری سخت هستند و این مسئله موجب می شود تا اثرات سایشی شکافی در آنها ایجاد شود، معمولاً در عمق ناحیه ی برشی و بر روی لبه ی برش ابزار. سایش شکافی می تواند منجر به شکسته شدن دماغه ی ابزار شود، مخصوصاً وقتی عبورهای مشابه در یک عمق یکسان از برش، وارد شود. تافنس بالای مربوط به ابزارهای ویسکر- آلومینا و استفاده از سری های مدور به جای سری های دماغه دار موجب می شود تا این ابزارها نرخ براده برداری بالایی بر روی آلیاژهای پایه نیکل، داشته باشند. چندین تکنولوژی هوشمند برای این ابزارها پیشنهاد شده است که به عنوان جایگزینی برای عبور مکرر در یک عمق مشخص، در نظر گرفته می شوند. تغییر در عمق برش موجب مینیمم شدن شکاف های شدید در یک محل از لبه ی برش می شود. اگر چه ابزارهای ویسکر- آلومینایی قادر به ایجاد کارایی خوبی در بسیاری از کاربردهای می شود، سایر مواد سرامیکی ممکن است اثربخشی بیشتری داشته باشند. هزینه ی این ابزارهای سرامیکی، تقریباً دو برابر قیمت کاربیدهای آلومینا/ تیتانیم تولیدی با روش پرس گرم است.
سیلیکون نیترید
سیلیکون نیترید بوسیله ی انواع مختلفی از فرایندها و با ریزساختارهای مختلف تولید می شوند. برخی از انواع آنها دارای بایندر نیز هستند و برخی دیگر، حاوی بایندر نیستند. تغییر در فرایند متداول ترین توصیف برای یک گستره ی وسیع از کارایی یک نوع از این ابزارهاست که بوسیله ی تولید کننده های مختلف، تولید شده است.
در حالی که قادر به استفاده شدن در کاربردهای مختلف می باشد، سیلیکون نیترید متداول ترین ابزار برای ماشین کاری چدن خاکستری در تراشکاری، سوراخ کاری و عملیات های سایش سطحی می باشد. یک گرید خوب از سیلیکون نیترید، گرید متداول ماشین کاری خواهد بود که در صنعت اتومبیل و به منظور ماشین کاری چدن خاکستری، استفاده می شود. بیشتر ابزارهای سیلیکون نیتریدی می توانند به صورت پیوسته در سرعت های 3000 fpm ماشین کاری کنند. این سرعت بسیار سریع تر از سرعتی است که با سری های کاربید پوشش داده شده، قابل حصول می باشد. آزمون های آزمایشگاهی در سرعت های 7000 fpm انجام شده است و در این حالت عمر مفید بالاتر از یک ساعت برای زمان برش، حاصل شده است.
ابزارهای چرخنده، سایش نهایی و مته کاری امروزه بوسیله ی دستگاه های تراش CNC اعمال می شوند. این ابزارها دارای کاربردهای انتخابی می باشند و موفقیت بیشتری نسبت به HSS ، کاربیدها و کاربیدهای پوشش دار مشابه، پیدا کرده اند.
نتیجه گیری در مورد سیلیکون نیترید
عیب اصلی استفاده از ابزارهای سرامیکی در ماشین کاری، تافنس پایین آنهاست. این مسئله موجب می شود تا ابزار به جای ساییده شدن، بشکند و یا تراشیدگی ها و شکاف های ناجور در آن ها ایجاد شود. برای فایق آمدن بر این مشکل، چندین روش موجب تقویت لبه های برش و ایجاد سایش مناسب در این ابزارها می شود. این کار در واقع شامل افزایش ضخامت شعاع دماغه ی ابزار است که در واقع موجب بهبود کارایی آن می شود. به هر حال، بهبودهای اخیر و مؤثر در زمینه ی سری های سرامیکی، در حقیقت توسعه ی لبه های تراش است.
سه نوع مختلف از آماده سازی بر روی این لبه ها انجام می شود که در واقع این کار موجب حذف لبه های کاملاً تیز در اطراف سری می شود. اولین تکنولوژی تکنولوژی "تیز کردن دستی" است که به دقت و با استفاده از دست و ابزار الماسه انجام می شود. این عملیات امروزه به صورت اتوماتیک انجام می شود. یک برش در سطح مقطع سطح و سطح جانبی سری ایجاد می شود. اندازه ی این برش با توجه به کاربرد، متفاوت است.
متداول ترین آماده سازی لبه ای، T- لند نامیده می شود. این آماده سازی شامل سایش شیاری با زاویه ی خاص و عرض مناسب می باشد. زوایا از 10 تا 35 متغیر است، در حالی که عرض آنها می تواند از 0.002 تا 0.030 اینچ، تغییر کند. عرض این شیار می تواند تا حدی متغیر باشد. زاویه ی این شیار نیز متغیر است اما عموماً در صورتی که عرض آن بسیار زیاد باشد، به تدریج، کاهش می یابد. اگر چه این تکنولوژی در محافظت از لبه های برش، بسیار موفق است، این کار، کاری علمی نیست. با بررسی دقیق این روش، می توان آن را به صورت علمی در آورد و بدین صورت، بهینه سازی کرد.
سری هایی که با روش T- لند اصلاح می شوند را می تواند سپس بوسیله ی فرایند سوراخ کاری مدور کرد و بدین صورت، از هر گونه بخش تیز در ناحیه ی برش، جلوگیری کرد.
سرمت های TiC/ TiN
این ابزارها همانگونه که از نامشان مشخص است، از مواد سرامیکی به همراه یک بایندر فلزی استفاده می کنند. سرمت های امروزی، معمولاً از جنس کاربیدهای تیتانیم و نیترید تیتانیم هستند که در آنها از یک بایندر فلزی استفاده می شود. این ابزارها، ابزارهای مؤثری در ماشین کاری فولاد است زیرا آنها هم مقاومت به سایش دارند و هم نسبت به تغییر شکل مقاوم هستند. سرمت ها در انواع مختلفی از اشکال موجود می باشد و هر کدام دارای شیار و آماده سازی لبه ای خاص می باشند. این ابزارها قادر به عملکردی مشابه و یا بهتر از کاربیدهای پوشش دار و بدون پوشش هستند.
این نوع از سرمت ها، در ایالات متحده، با مقبولیت بالا مواجه نشد زیرا کارایی آنها قابل توجه نبود. در ژاپن، سرمت ها حدود 30 % از بازار فروش این ابزارها را به خود اختصاص داده است. این میزان در ایالات متحده، تنها 5 % می باشد. گریدهایی از سرمت ها موجود می باشند که دارای تافنس کافی برای سایش و برش فولادهایی هستند که سختی آنها 40 راکول سی است. این سری ها همچنین به شکل شیاردار مثبت نیز وجود دارد تا بدین صورت نیروی برشی مینیمم شود و در نتیجه، انحراف قطعه، به حداقل برسد.
برخی از راهنمایی های عملی در زمینه ی استفاده از سرمت ها، وجود دارد. این سری ها به صورت نرمال، با آماده سازی سری از نوع T – لند، به فروش می رسند. این ابزارها معمولاً از ابزارهای سرامیکی، سبک ترند. چند خاکستری عموماً با این ابزارها ساییده نمی شود و برای این ماده، سیلیکون نیترید، پیشنهاد اول است. به هر حال، چدن داکتیل که راحت تر از فولاد بریده می شود، یک کاربرد خوب برای این سری ها، می باشد. از آنجایی که ابزارهای حاوی TiC/ TiN پایداری گرمایی استثنایی نسبت به سایر مواد ندارند، این ایمن تر است که این مواد بدون استفاده از سیال، برش داده شوند چون مایع استفاده ریسک ایجاد ترک های گرمایی در سری را افزایش می دهد.
مزیت هزینه ای سرمت ها معمولا بالاتر از بهره وری ایجادی از طریق افزایش سرعت و طول عمر قطعه است. از آنجایی که سرمت ها هزینه ای حدود 20 % کمتر نسبت به کاربید های پوشش داده شده دارند و کارایی آنها بالاتر است، این مواد پتانسیل خوبی در ماشین کاری فولادها دارند.
 
الماس پلی کریستالی و نیترید بور مکعبی
سخت ترین مواد جهان به ترتیب عبارتند از: الماس تک کریستالی طبیعی، الماس پلی کریستالی و نیترید بور مکعبی. ابزارهای پلی کریستالی با استفاده از دما و فشار بالا، تولید می شوند.
الماس پلی کریستالی (PCD)
جهت گیری تصادفی مربوط به ابزارهای PCD یکی از عیوب الماس طبیعی را تصحیح می کند. در حقیقت این جهت گیری تصادفی، خطر وجود صفحات کلیواژ در داخل تک کریستال ها را کاهش می دهد. این صفحه در رواقع یک شکست طبیعی ایجاد می کند و موجب تضعیف ابزار و کاهش کارایی آن می شود. بنابراین، الماس های تک کریستالی که به عنوان ابزارهای برش مورد استفاده قرار می گیرند، باید از لحاظ جهت گیری تصحیح شوند. الماس تک کریستالی ابزار هدف استثنایی برای ایجاد سطح نهایی فوق العاده می باشند. معمولاً الماس به یک سری کاربیدی استاندارد اتصال می یابد و به عنوان یک سری منفرد استفاده می شود. این سری سپس ساییده می شود تا سطحی نرم بر روی الماس، ایجاد شود.
ابزار PCD ابزارهای هدف استثنایی برای ماشین کاری مواد غیر آهنی، غیر فلزی و مواد ساینده، می باشند. کاربردهای متداول برای ابزارهای PCD، عبارتند از: آلیاژهای مس و آلومینیوم که بواسطه ی این ابزارها، می توانند با سرعت های برش بالا، ماشین کاری شوند. این مواد برای سوراخ کاری آلومینیوم در صنعت اتومبیل استفاده می شوند. در حقیقت سایش و سوراخ کاری با سرعت 8000 تا 10000 فوت بر دقیقه، بوسیله ی ابزارهای PCD انجام می شود. یکی از عیوب این سری ها، فقدان کنترل بر تراشه و ایجاد مشکل در زمینه ی مواد نرم مانند آلومینیوم، می باشد. یکی دیگر از کاربردهای متداول برای ابزارهای PCD، ماشین کاریی مواد غیر فلزی مانند پلاستیک های تقویت شدهش با الیاف سخت و موادی است که حاوی گارنت و مرمر می باشند. به دلیل اینکه PCD مقاومت به سایش بیشتری نسبت به کاربیدها دارند، این مواد سرعت برش بالاتری ایجاد می کنند و یا عمر مفید بیشتری نسبت به کاربیدها دارند.
هزینه ی سری های PCD، 10 تا 13 برابر بیشتر از سری های کاربیدی است و تنها یک لبه ی برش در مقایسه با لبه های چندگانه بر روی کاربیدها، وجود دارد. این مسئله زمانی مهم می باشد که بخواهیم یک ابزار PCD بهینه تولید کنیم. اغلب، انتخاب دیگری برای تولید قطعات با کیفیت بالا وجود ندارد. سری های PCD هم به صورت شیاردار مثبت و هم منفی، وجود دارد. قطعات الماسی می توانند دوباره تیز شوند و عمر مفید آنها افزایش یابد.
نیترید بور پلی مکعبی پلی کریستال (CBN)
ابزارهای نیترید بور مکعبی هم به صورت سری های نوک تیز (مانند PCD) و هم به صورت سری های CBN جامد، وجود دارند. هزینه ی سری های جامد حدود سه برابر بیشتر از سری های تیز است اما این سری ها، می توانند سری های برش چندگانه ایجاد کنند و برش بیشتری در ماده ی زیرلایه، بوجود آورند. سری های CBN می توانند به صورت موفقیت آمیز برای تراشکاری آلیاژهای بر پایه ی نیکل، مورد استفاده قرار گیرند اما آنها هزینه های بالاتری دارند. یک سری CBN تیز و منفرد می تواند هزینه ای سه برابر بیشتر از سری های ویسکر/ آلومینیومی داشته باشد. بنابراین، CBN ها عموماً از لحاظ هزینه، اثربخشی کمتری در ماشین کاری آلیاژهای نیکل، دارند.
یک کاربرد ثانویه برای CBN ها، ماشین کاری آلیاژهای آهنی سخت (65 تا 68 راکول سی) می باشد. قطعاتی که این سختی را دارند، معمولاً بر روی چرخ سنباده تولید می شوند نه بر روی ماشین تراش. به هر حال، نرخ حذف فلزات در ماشین کاری ممکن است 10 برابر بزرگتر از نرخ سایش بر روی چرخ سنباده باشد. دوباره باید گفت که CBN باید با سرامیک های ارزان قیمت تولیدی بر روی فولادهایی مقایسه شود که سختی بین 55 تا 63 راکول سی دارند. سرامیک های آلومینا/ TiC حدود 10 % از قیمت سری های CBN تیز و منفرد را دارند و می توانند 4 تا 8 لبه ی برنده داشته باشند. این عاقلانه ست که تصویری اقتصادی از کل عملیات ماشین کاری در نظر گرفته شود تا بدین صورت کارایی و هزینه ی ابزارهای برشی مانند CBN مورد ارزیابی قرار گیرد.
یک عملیات ماشین کاری که در آن سری های CBN جامد می تواند با سایر ابزارها، مقایسه شود، عملیاتی است که بر روی فولاد نرم با گستره ی سختی بالاتر از 60 راکول سی، انجام شود. سری های CBN جامد دارای تافنس قابل توجهی هستند و می توانند در برابر گسستگی، مقاومت کنند.
خلاصه
انتخاب یک ابزار برشی باید همواره بر اساس آنالیز اقتصادی انجام شود. این آنالیز باید بعد از بررسی ظرفیت دستگاه ماشین کاری، روش تولید و از همه مهم تر، کیفیت مد نظر برای قطعه، انجام شود. انتخاب یک ماده ی ابزاری خاص برای یک عمر مفید طولانی در زمانی مناسب تر است که یک نوع از این ابزارها، محصولی مطمئن و ایمن تر را معرفی کند. همچنین زمان عملیات ماشین کاری نیز باید در نظر گرفته شود. در این میان، ابزارهای با طول عمر پایین تر، نیاز به تعویض زودتر دارند و از این رو، این زمان باید در بررسی ها لحاظ گردد.
منبع مقاله :
CERAMIC CUTTING TOOLS/ Materials, Development, and Performance/ E. Dow Whitney