جنس ابزار برش چیست؟

جنس ابزار برش از اهمیت بالایی در عملیات ماشینکاری برخوردار است و باید سخت‌تر از جنس قطعه‌کار باشد، حتی زمانی که فرآیند ماشینکاری در دماهای بالا انجام می‌گیرد. ابزار برش (اینسرت، مته، قلاویز، برقو، فرز و غیره) ابزاری است که در عملیات ماشینکاری  استفاده می‌شود. انتخاب جنس ابزار برش مناسب بستگی به نوع عملیاتی دارد که ابزار انجام می‌دهد‌. هر کدام از ابزارهای تراشکاری با جنس‌های مختلف دارای ویژگی‌های خاصی هستند که حوزه کاربرد آن‌ها را محدود می‌کند. مواد اصلی ابزارهای برش عبارتند از:

• فولادهای کربنی
• فولادهای آلیاژی
• فولادهای تندبر
• ماهواره ها
• کاربیدهای سیمانی
• سرامیک
• الماس

1- فولادهای کربنی

فولادهای کربنی حاوی کربن 0.08 تا 1.5 درصد هستند. از معایب فولادهای ابزار کربنی، مقاومت نسبتاً کم آنها در برابر سایش و حرارت است. آن‌ها سختی مورد نیاز خود را در دماهای 209 تا 250 درجه سانتی‌گراد از دست می‌دهند. بنابراین، آنها را فقط می‌توان در ساخت ابزارهایی که با سرعت برش پایین (حدود 12 دور در دقیقه) کار می‌کنند و ابزارهای دستی استفاده کرد. این ابزارها نسبتاً ارزان هستند، به راحتی فورج می‌شوند و سختی‌کاری آن‌ها آسان است.

2- فولادهای آلیاژی

فولادهای آلیاژی دارای مقدار کربن مشابه فولادهای کربنی ساده هستند، اما علاوه بر این، محتوای آلیاژی متشکل از تنگستن، مولیبدن، کروم و وانادیم تا ۵ درصد در آن‌ها وجود دارد. افزودن مقدار کمی از یک یا چند عنصر نام برده، عملکرد فولادهای کربنی از نظر سختی گرم، مقاومت در برابر سایش، مقاومت در برابر ضربه و مقاومت در برابر تغییر شکل در طول عملیات حرارتی را بهبود می‌بخشد. این فولادها سختی مورد نیاز خود را در دمای 250 تا 350 درجه سانتیگراد از دست می‌دهند و در حالت کلی از لحاظ عملکرد بین فولادهای کربنی ساده و فولادهای تندبر دسته‌بندی می‌شوند.

فولادهای آلیاژی دو نوع هستند: 1- فولادهای آلیاژی نوع O و 2- فولادهای آلیاژی نوع A

فولادهای آلیاژی نوع O دارای 0.9 درصد کربن، 1 درصد مولیبدن، 0.5 درصد تنگستن و 0.5 درصد کروم هستند. قالب‌های پانچ معمولا از این فولاد ساخته می‌شوند.

فولادهای آلیاژی نوع A پس از حرارت دادن تا دماهای بالا (1100 درجه سانتیگراد تا 1300 درجه سانتیگراد) با خنک شدن آهسته در جریان هوا سخت می‌شوند. ترکیب این نوع فولاد شامل 1 درصد کربن و 5 درصد کروم است. این فولادها عمدتا برای ساخت قالب‌های نورد و گیج‌ها استفاده می‌شوند.

3- فولاد تندبر  (HSS)

فولادهای تندبر (HSS) برای سرعت‌های برش کم و متوسط به دلیل سختی حرارتی و مقاومت بالا در برابر سایش مناسب هستند. فولادهای تندبر با سرعت برش دو تا سه برابر بیشتر از فولادهای کربنی عمل می‌کنند و سختی خود را تا دمای حدود 900 درجه سانتیگراد حفظ می‌کنند. این سختی حرارتی به دلیل وجود عناصر آلیاژی مانند تنگستن، مولیبدن، وانادیم و کروم است که برای بهبود آن ممکن است کبالت نیز اضافه شود. از این نوع فولاد ابزار در عملیات‌های سوراخکاری، قلاویز زنی، سنگ زنی، فرزکاری، تراشکاری و غیره استفاده می‌شود.

سه نوع کلی از فولادهای تندبر وجود دارد. تنگستن بالا، مولیبدن بالا و کبالت بالا. تنگستن در فولادهای HSS سختی حرارتی و پایداری فرم را فراهم می‌کند و مولیبدن یا وانادیم صافی لبه برش را حفظ می‌کند. در حالی که، افزودن کبالت سختی حرارتی را بهبود می‌بخشد و ابزار برش را مقاوم‌تر در برابر سایش می‌کند.

1-3- انواع فولادهای تندبر

الف- فولادهای تندبر 18-4-1 (سری T): این فولاد حاوی 18 درصد تنگستن، 4 درصد کروم و 1 درصد وانادیوم است و یکی از بهترین فولادهای ابزار همه منظوره شناخته می‌شود. در برخی از فولادهای با ترکیب مشابه، درصد وانادیوم را کمی افزایش می‌دهند تا در کارهای سنگین نتایج بهتری حاصل شود.

ب- فولاد تندبر مولیبدن (سری M): این فولاد حاوی 6 درصد مولیبدن، 6 درصد تنگستن، 4 درصد کروم و 2 درصد وانادیوم بوده و دارای چقرمگی و قابلیت برش عالی است.

فولادهای تندبر مولیبدن دیگری هم اکنون به بازار عرضه می‌شوند که دارای نسبت تنگستن-مولیبدن مختلف، با یا بدون کبالت، یا با تغییرات درصدی از آلیاژهای جزئی کروم و وانادیم هستند.

ج- فولادهای تندبر کبالت دار: گاهی اوقات به این فولادهای پرسرعت می گویند. کبالت از 2 تا 15 درصد برای افزایش سختی گرم و مقاومت در برابر سایش اضافه می شود. یک تجزیه و تحلیل از این فولاد حاوی 20 درصد تنگستن، 4 درصد کروم، 2 درصد وانادیوم و 12 درصد کبالت است.

جدول زیر ترکیبات انواع منتخب HSS را نشان می‌دهد.

4- استلایت

استلایت نام تجاری یک آلیاژ ریخته‌گری غیر‌آهنی است که از کبالت، کروم و تنگستن تشکیل شده‌است. آلیاژهای استلایت از کاربیدهای پیچیده در یک ماتریس آلیاژی تشکیل شده‌اند که عمدتاً برای مقاومت در برابر سایش بالا و عملکرد شیمیایی و خوردگی بهتر در محیط‌های خورنده طراحی شده‌اند.

ترکیب کبالت و کروم نقطه ذوب را افزایش می‌دهد که آنها را برای طیف وسیعی از کاربردها عالی می‌کند. در این آلیاژها 40 تا 48 درصد کبالت، 30 تا 35 درصد کروم و 12 تا 19 درصد تنگستن وجود دارد. علاوه بر یک یا چند عنصر تشکیل دهنده کاربید، به مقدار 8/1 تا 5/2 درصد کربن نیز اضافه می‌شود.

استلایت‌ها سختی خود را تا دمای 1000 درجه سانتیگراد حفظ می‌کنند و می‌توانند بر روی فولادها با سرعت برش دو برابر بیشتر از فولادهای HSS کار کنند. این مواد برای برش فلزات استفاده نمی‌شوند زیرا بسیار شکننده هستند، با این حال، از آن‌ها به طور گسترده‌ای در برخی از کاربردهای برش غیرفلزی مانند لاستیک‌ها، پلاستیک‌ها و جاهایی که بارها به صورت تدریجی اعمال می‌شوند، استفاده می‌شود.

5- کاربیدهای سیمانی

کاربیدهای سیمانی به این دلیل با این نام شناخته می‌شوند که عمدتاً از کربن مخلوط شده با عناصر دیگر تشکیل شده‌اند. ماده اصلی اکثر کاربیدهای سیمانی کاربید تنگستن است که یک ماده بسیار سخت است. پودر تنگستن خالص تحت حرارت زیاد، در حدود دمای 1500 درجه سانتیگراد، با کربن خالص به نسبت 94 درصد و 6 درصد وزنی مخلوط می‌شود.

سپس، ترکیب جدید کاربید تنگستن با کبالت مخلوط می‌شود تا کاملاً همگن شود. این توده همگن در فشارهای 1000 تا 4200 کیلوگرم بر سانتی‌متر مربع در بلوک‌های مناسب فشرده شده و سپس در هیدروژن حرارت داده می‌شود. از بور، تیتانیوم و تانتالیوم نیز برای تشکیل کاربید استفاده می‌شود. مقدار کبالت استفاده شده، چقرمگی ابزار را تنظیم می‌کند. یک کاربید مناسب برای ماشینکاری فولاد 82 درصد کاربید تنگستن، 10 درصد کاربید تیتانیوم و 8 درصد کبالت دارد.

مهمترین ویژگی کاربیدهای سیمانی مقاومت بسیار بالای آنها در برابر حرارت و سایش است. ابزارهای با نوک کاربید سیمانی می‌توانند فلزات را حتی زمانی که عناصر برش آنها تا دمای 1000 درجه سانتیگراد گرم می‌کنند، ماشین‌کاری کنند. آن‌ها می‌توانند سرعت برش بیش از 6 برابر مواد ساخته شده را تحمل کنند و مقاومت فشاری بسیار بالایی دارند. با این حال، بسیار شکننده هستند، مقاومت کمی در برابر شوک دارند و برای جلوگیری از ترک خوردن باید بصورت محکم ساپورت شود.

1-5- انواع کاربیدهای سیمانی

کاربیدهای سیمانی نوع تنگستن نسبت به نوع تیتانیوم-تنگستن شکننده‌تر هستند. آنها حاوی 92 تا 98 درصد کاربید تنگستن و 2 تا 8 درصد کبالت هستند. این کاربیدهای سیمانی عمدتاً برای ماشینکاری فلزات شکننده مانند چدن، برنز طراحی شده‌اند، اما ممکن است برای فلزات و آلیاژهای غیرآهنی، فولاد و غیره نیز استفاده شوند. نوع تیتانیوم-تنگستن در برابر سایش مقاوم‌ترند. آنها حاوی 66 تا 85 درصد کاربید تنگستن، 5 تا 30 درصد کاربید تیتانیوم و 4 تا 10 درصد کبالت هستند. این کاربیدهای سیمانی برای ماشینکاری مواد سخت‌تر طراحی شده‌اند.

6- سرامیک

ابزارهای سرامیک با ترکیب پودر اکسید آلومینیوم در قالبی در حدود 280 کیلوگرم بر سانتی‌متر مربع یا بیشتر ساخته می‌شوند. سپس قطعه در دمای 2200 درجه سانتیگراد سینتر (تف جوش) می‌شود که به پرس سرد معروف است.

سرامیک‌های فشرده داغ به دلیل هزینه‌های قالب بالاتر گران‌تر هستند. ابزارهای سرامیکی  به شکل تیغه‌هایی ساخته می‌شوند که بر روی هلدر بسته شوند. سایر مواد مورد استفاده برای تولید ابزار سرامیکی شامل کاربید سیلیکون، کاربید بور، کاربید تیتانیوم و بورید تیتانیوم است.

این ابزارها رسانایی حرارتی بسیار کم و مقاومت فشاری بسیار بالایی دارند. اما کاملا شکننده هستند و قدرت خمشی کمی دارند. به همین دلیل، این مواد را نمی‌توان برای ساخت ابزارهایی که در برش‌های منقطع با ارتعاشات زیاد و همچنین برای برداشتن براده‌های سنگین کار می‌کنند، استفاده کرد.

سرامیک‌ها تا دمای 1200 درجه سانتیگراد را تحمل می‌کنند و می‌توانند در سرعت برش 4 برابر کاربیدهای سیمانی و تا حدود 40 برابر فولادهای HSS  کار کنند. این مواد عمدتاً برای ابزارهای تک نقطه‌ای در عملیات‌های پرداخت تراشکاری چدن، پلاستیک و کارهای دیگر زمانی که تحت بارهای ضربه‌ای قرار نگیرند، استفاده می‌شوند.

برای افزایش استحکام آنها اغلب از سرامیک با پیوند فلزی، معروف به “سرمت” استفاده می‌شود. به دلیل استحکام فشاری و شکنندگی بالا، نوک‌ها دارای چنگک منفی 5 تا 8 درجه برای فولاد کربنی و چنگک صفر برای چدن و برای مواد غیرفلزی برای تقویت لبه برش خود هستند و به خوبی توسط نگهدارنده ابزار پشتیبانی می‌شوند. رسانایی گرمایی سرامیک ها بسیار کم است، ابزارها معمولاً بدون خنک کننده استفاده می شوند.

1-6- انواع سرامیک‌ها

(الف) سرامیک‌های سفید یا پرس سرد، که فقط از Al2O3 تشکیل شده‌اند که به صورت سرد فشرده و در دمای بالا پخته می‌شوند، و (ب) سرامیک‌های سیاه یا پرس گرم، که معمولاً به عنوان سرمت شناخته می‌شوند که از 70 درصدAl2O3  و 30 درصد Tic تشکیل شده‌است.

7- الماس

الماس سخت‌ترین و مقاوم ‌ترین ماده در جهان است. مواد ابزار الماس پلی کریستالی یا تک کریستالی هستند. هر دسته از الماس ممکن است توسط رسوب شیمیایی بخار (CVD) یا سنتز دما و فشار بالا (HPHT) تولید شود.

الماس پلی کریستالی که با استفاده از دما و فشار بالا سنتز می‌شود، محبوب‌ترین شکل الماس است و به طور جهانی با مخفف آن، “PCD” شناخته می‌شود. برای تولید چنین موادی، ذرات الماس با اندازه‌های 30-1 میکرون در حضور یک کاتالیزور کبالت با هم پخته می‌شوند تا توده‌ای از دانه‌های الماس تولید کنند.

کبالت تخلیه الکتریکی PCD را قابل ماشین‌کاری می‌کند و درجه قابل توجهی از سفت شدن را ایجاد می‌کند تا فضای خالی قوی‌تری ایجاد کند. برای سهولت در ساخت ابزار، PCD  مستقیماً روی یک پشتیبان کاربید تنگستن پخته می‌شود. الماس‌هایی که برای ابزارهای برش استفاده می‌شوند، الماس‌های صنعتی هستند که دارای عیوب‌اند و بنابراین ارزشی به عنوان سنگ قیمتی ندارند. از طرف دیگر آنها می‌توانند مصنوعی نیز باشند.

الماس سختی خود را تا دمای ۱۶۵۰ درجه سانتیگراد حفظ می‌کند و می‌توان آن را با سرعت برش حدود 50 برابر بیشتر از سرعت فولاد HSS استفاده کرد. این جنس ابزار برش علاوه بر سختی بالا تراکم‌ناپذیر است، ساختار دانه درشتی دارد، گرما را به راحتی هدایت می‌کند و ضریب اصطکاک پایینی دارد. الماس برای برش مواد بسیار سخت مانند شیشه، پلاستیک، سرامیک و سایر مواد مناسب است. حداکثر عمق برش مناسب 0.125 میلی‌متر با سرعت پیشروی 0.05 میلی‌متر است.

8- سنباده

دانه‌های سنباده در اشکال مختلف کاربرد گسترده‌ای در صنعت پیدا می‌کنند. آنها عمدتاً برای سنگ‌زنی مواد سخت و در مواردی که یک روکش برتر روی مواد سخت شده یا نشده مورد نظر است استفاده می‌شوند.

برای اکثر عملیات سنگ‌زنی دو نوع ساینده برای استفاده عمومی وجود دارد، یعنی اکسید آلومینیوم و کاربید سیلیکون. ساینده‌های اکسید آلومینیوم برای سنگ‌زنی تمام مواد با کشش بالا استفاده می‌شوند، در حالی که ساینده‌های کاربید سیلیکون برای مواد با کشش کم و فلزات غیر‌آهنی مناسب‌تر هستند.

9- نیترید بور مکعبی  (CBN)

این ماده متشکل از اتم‌های بور و نیتروژن به عنوان سخت‌ترین ماده موجود در کنار الماس محسوب می‌شود. CBN دارای سختی، هدایت حرارتی و استحکام کششی بالا است. در برخی کاربردهای خاص، یک لایه نازک (0.5 میلی‌متر) از جنس CBN روی ابزار کاربید سیمانی پوشانده می‌شود تا عملکرد ماشین‌کاری بهتر انجام شود. اغلب از CBN برای ساخت اینسرت‌های قابل تعویض استفاده می‌شود.

10- کاربید روکش‌دار

در ابزارهای کاربید روکش‌دار، با استفاده از روش رسوب شیمیایی بخار (CVD) یک پوشش نسوز از نظر شیمیایی پایدار و مقاوم در برابر ضربه از Tic، Al2O3  و TiN اعمال می‌شود. در این پوشش سطح اول  TiC، لایه دوم Al2O3 و لایه نازک بالایی TiN است. این فرآیند باعث می‌شود تا ابزار دو تا سه برابر مقاومت‌تر در برابر سایش شود.

تغییرات سختی با دما برای تعدادی از جنس ابزار برش در شکل زیر نشان داده شده‌است.

ویژگی‌های جنس ابزار برش

خواص اساسی جنس ابزار برش عبارتند از:

• سختی حرارتی: ابزار باید سخت‌تر از قطعه‌کار در دمای عملیاتی بالا باقی بماند.
• مقاومت در برابر سایش: ابزار باید سایش بیش از حد را تحمل کند حتی اگر سختی نسبی قطعه‌کار تغییر کند.
• چقرمگی: اصطلاح چقرمگی در واقع به ترکیبی از استحکام و شکل‌پذیری دلالت دارد. ابزار باید دارای چقرمگی کافی برای مقاومت در برابر ضربه و ارتعاش و شکستگی باشد.