نویسنده: روبرت ای های
مترجم: حبیب الله علیخانی
در ماشین کاری کامپوزیت های زمینه فلزی بر پایه ی آلومینیوم، الماس تولید شده با روش CVD گستره ی کارایی بالایی دارد. این مسئله به عملیات برشی وابسته می باشد، مخصوصاٌ برای آلیاژهایی که ماشین کاری شده اند.
همانگونه که قبلا گفته شد، مواد الماسی تولید شده با روش CVD، دارای تافنس بالا مانند ابزارهای PCD نیستند. از این رو، دلیل این مسئله که الماس CVD به خوبی PCD کار نمی کند، در واقع به دلیل نوع عملیات فرزکاری و تراشکاری است که در حقیقت توقف های قابل توجهی در سرعت بالا دارد. در این وضعیت، عمق های بزرگ مربوط به برش و یا نرخ های تغذیه ی بالا، اثرگذار می باشند. این مسئله همچنین در ماشین کاری کامپوزیت های زمینه فلزی بر پایه ی آلومینیوم نیز مشاهده شده است، علت این مسئله، نوع نیروهایی است که بوسیله ی ضربه ی ذرات سخت فاز آلومینا یا SiC، ایجاد می شوند. در ادامه دو آزمون تراشکاری انجام شده است که نشاندهنده ی رابطه ی میان سرعت برش و میزان و نوع سایش ابزار الماسه ی CVD و ابزار برشی PCD است. وقتی ماشین کاری بر روی کامپوزیت های زمینه فلزی بر پایه ی آلومینیوم و با استفاده از ابزارهای الماسه، انجام می شود، ابزار PCD بهتر است در فرزکاری و زبری گیری در سرعت های برش متوسط، استفاده شود. ابزارهای الماسی تولید شده با روش CVD به طور مناسب برای پرداخت اولیه و تراشکاری نهایی در سرعت های متوسط و پایین، استفاده می شود. اولین آزمون بر روی آلومینیوم A-359 با 10 % ذرات SiC انجام شده است. در واقع ذرات SiC دارای متوسط اندازه ی ذره ی 9 میکرون، می باشند. پارامترهای مربوط به این آزمون، عبارتند از: سرعت 3000 sfm، تغذیه ی 0.008 ipr و DOC برابر با 0.040 اینچ. یک ماده ی خنک کننده نیز بر روی بخش برش اعمال می شود. معیار عمر مفید قطعه به صورت 0.008 اینچ سایش از پهلو، در نظر گرفته می شود. در شکل 1 این نشان داده شده است که ابزارهای الماسی CVD 800 اینچ مربع از ماده را پیش از رسیدن به سایش گفته شده در بالا، می برند. در عوض، ابزارهای PCD با دانه های 25 میکرون، کمتر از 400 اینچ مربع و ابزارهای PCD با اندازه ی دانه ی 5 میکرون، کمتر از 100 اینچ مربع از ماده را می برند.

کامپوزیت های زمینه فلزی

آزمون دوم، بر روی آلومینیوم A-359 حاوی 20 % SiC انجام می شود. ذرات SiC دارای اندازه ی ذراه ی متوسط 13 میکرون هستند. سرعت برش در این حالت، برابر 1000 sfm است، نرخ تغذیه 0.008 ipr و DOC برابر 0.40 اینچ می باشد. در این حالت نیز از مواد خنک کننده استفاده شده است. شکل 2 نشاندهنده ی این است که ابزارهای الماسه ی تولید شده با روش CVD، تقریباً 300 اینچ مربع از ماده را پیش از خراب شدن، می برند. در این حالت، ابزارهای PCD با اندازه ی ذره ی 25 میکرون، 200 اینچ مربع و ابزارهای PCD با اندازه ی دانه ی 5 میکرون، تنها 60 اینچ مربع را برش می دهند.

کامپوزیت های زمینه فلزی

کارایی ضعیف تر مربوط به آزمون دوم، می تواند مربوط به سرعت برش باشد که در حقیقت از 3000 به 1000 کاهش یافته است. همچنین از جمله عوامل دیگر ایجاد کننده ی این مسئله، توده و حجم بزرگتر مربوط به ذرات SiC است. بزرگترین تفاوت در کارایی در آزمون های یک و دو، مربوط به ابزارهای الماسه ی تولید شده با روش CVD است. دلیل این مسئله، کمتر بودن تافنس شکست مربوط به الماس تولید شده با روش CVD است. اثر ذرات بزرگتر و تعداد بیشتر آنها در حقیقاً ایجاد میکروترک های بیشتر و پوسته ای شدن لبه ی ابزار الماسه ی تولید شده با روش CVD می باشد. مواد PCD بیشتر تحت تأثیر سایش هستند و نسبت به نیروهای ضربه ای مربوط به ذرات سخت، کمتر تحت تأثیر قرار می گیرند. علت این مسئله، تافنس شکست بالاتر است.

بیشتر بخوانید: مقدمه ای بر کامپوزیت های زمینه فلزی

بنابراین، وقتی ماشین کاری بر روی کامپوزیت های زمینه فلزی بر پایه ی آلومینیوم و با استفاده از ابزارهای الماسه، انجام می شود، ابزار PCD بهتر است در فرزکاری و زبری گیری در سرعت های برش متوسط، استفاده شود. ابزارهای الماسی تولید شده با روش CVD به طور مناسب برای پرداخت اولیه و تراشکاری نهایی در سرعت های متوسط و پایین، استفاده می شود. این مسئله در مورد کامپوزیت های زمینه فلزی بیشتر صدق می کند. این مواد دارای غلظت های حجمی قابل توجهی از مواد ذره ای و سخت هستند. در مورد آلیاژ حاوی 10 % SiC، که در حقیقت میزان ذرات کمتر است، الماس CVD عمر مفید بهتری نسبت به ابزارهای PCD ایجاد می کند. این مسئله به دلیل افزایش سختی و مقاومت به سایش است و در حقیقت امکان افزایش سرعت و بهره وری را ایجاد می کند.
ابزارهای الماسی تولید شده با روش CVD
ابزارهای برشی تولید شده از الماس CVD، به سهولت در بسیاری جاها، موجود می باشند. چندین تولید کننده ی جهانی، توانسته اند انواع مختلفی از این ابزارهای برشی را تولید کنند. این تولیدکننده ها، بر روی تنگستن کاربید، سیلیکون نیترید و سیلیکون کاربید، پوشش هایی از جنس الماس CVD به ضخامت 3 تا 30 میکرون، ایجاد می کنند.
پوشش های تولیدی از الماس عموماً به عنوان لایه ای از کریستال های الماسی با ضخامت کمتر از 50 میکرون، تلقی می شوند. ابزارهای برشی حاوی لایه های نازک الماسی، برای استفاده کننده ها، جذاب می باشند که علت این مسئله، این حقیقت است که این پوشش ها می تواند به ابزارهایی با اشکال مختلف، اعمال شوند. این پوشش ها، مانند لایه های ضخیم از جنس الماس CVD دارای خاصیت روانسازی بالایی هستند و نیروی برشی پایینی ایجاد می کنند. پوشش های نازک تمام مزیت های ماشین کاری مربوط به لایه های نازک تولید شده از روش CVD یا PCD را مهیا می کنند و موجب مهیا نمودن لبه های برش چندگانه می شوند و بدین صورت هزینه بر واحد لبه ی برش را کاهش می دهند.
مقالات متعددی در زمینه ی ابزارهای برشی تولید شده از لایه های نازک الماسی، نوشته شده است. Craig آزمون های تراشکاری را در جنرال موتورز انجام داده است و در آنجا، کاربید تنگستن پوشش داده شده با الماس را نسبت به کاربید بدون پوشش، مقایسه کرده است. کاربیدهای پوشش داده شده با TiN نسبت به این کاربیدها و در حالت بدون پوشش، مورد بررسی قرار گرفته است. در این آزمایش ها، پارامترهای مورد استفاده، عبارتند از: سرعت 500 تا 4500 sfm، نرخ تغذیه ی 0.005 ipr و DOC برابر با 0.025 اینچ، می باشد. نیروی ایجاد شده بر روی ابزار برای اندازه گیری میزان اثربخشی، استفاده شده است. نیروهایی در گستره ی 100 تا 160پوند برای سری های کاربید تنگستن پوشش داده شده با الماس و نیروهایی در گستره ی 250 تا 600 پوند برای سری های بدون پوشش استفاده شده است. این نیرو برای کاربیدهای پوشش داده شده با TiN، برابر 600 پوند و برای PCD برابر 150 تا 200 پوند بوده است. آزمون نشان داد که فیلم الماسی تفاوت های قابل توجهی در کارایی ایجاد کرده است. سری های پوشش داده شده با الماس، تا زمانی که پوشش بر روی سری ایجاد نشد، لبه های کاری مناسبی نداشت.
Kikuchi و همکارانش آزمون های تراشکاری را بر روی سری های کاربید تنگستن پوشش داده شده با الماس به ضخامت 3 تا 5 میکرون را مورد بررسی قرار دادند. سری های پوشش داده شده با الماس، دارای عمر مفید 3 تا 18 برابر نسبت به PCD و ابزارهای کاربیدی بدون پوشش، هستند.
Sen و همکارانش آزمون های تراشکاری و فرزکاری را برای سری های کاربید سیلیکون پوشش داده شده با الماس انجام دادند. آزمون تراشکاری بر روی آلیاژ آلومینیوم حاوی 18 % سیلیکون با استفاده از مواد خنک کننده (نرخ 1200 m/min و DOC برابر 0.25mm). SiC پوشش داده شده با الماس در مدت 70 دقیقه و یک PCD به مدت 180 دقیقه، ایجاد می شود. آزمون فرزکاری بر روی همان آلیاژ و با یک سری انجام شد. این کار در سرعت 1400 m/min و DOC برابر با 0.5mm و نرخ تغذیه ی 0.1 mm/tooth انجام می شود. یک عمر مفید 110 دقیقه ای قبل از پوشش دهی حاصل می شود.
استفاده از سری های پوشش داده شده با الماس برای فرزکاری، کاری سخت می باشد. چسبندگی لایه و استحکام لبه ها نیز در عملیات مورد بررسی قرار می گیرد که علت این مسئله، ضربات ایجاد شده در طی فرزکاری می باشد. Saijo و همکارانش نتایج خوبی را در مورد آزمون های مربوط به سری های تنگستن کاربیدی پوشش داده شده با الماس، مشاهده کردند. این کارها بر روی آلیاژی حاوی 18 % سیلیکون انجام شد. او گزارش های ترکیبی در مورد ماشین کاری آلومینیوم، گزارش داد. او همچنین گزارش داد که پولیش کاری با فیلم الماسه بسیار مؤثر است و موجب افزایش طول عمر سری پوشش داده شده با الماس، می شود. این مورد همچنین موجب بهبود سطح نهایی ماده ی کاری می شود.
Ito و همکارانش نتایج آزمون های تراشکاری مربوط به سری های نیترید سیلیکون پوشش داده شده با الماس، را گزارش داده اند. سری های پوشش داده شده با الماس، دارای عمر مفید قابل توجهی نسبت به سری های کاربیدی بدون پوشش هستند (برای ماشین کاری آلیاژهای آلومینیوم به همراه 12 تا 17 % سیلیکون). زبری سطحی ماشین کاری شده با زبری حاصله از الماس زینتر شده قابل مقایسه است و اندکی بهتر از سری های کاربیدی است.
سری های سیلیکون نیتریدی پوشش داده شده با الماس CVD به خوبی برای کاربردهای کف و چاه، استفاده شده است. این سری ها مقاومت به سایش و خوردگی بهتری دارند. کربن موجب می شود تا این ماده، یک ماده ی ساینده باشد و وقتی حرارت پلاستیک افزایش می یابد، ماده به صورت شیمیایی خورنده می شود. فنولیک در یک سرعت 400 sfm، نرخ تغذیه ی 0.003 ipr و DOC برابر با 0.025 اینچ، ماشین کاری می شود. در این کاربرد، بدون استفاده از پوشش، نه PCD و نه WC ابزاری با قیمت مناسب، نیستند. ابزارهای آلومینایی نیز استفاده می شوند زیرا آناه دارای ترکیبی از سایش خوب و مقاومت به خوردگی مناسبی هستند (این خواص برای کاربرد گفته شده، مناسب است). ابزارهای آلومینایی که تها 50 بخش از گوشه های آن از جنس سری های سیلیکون نیتریدی پوشش داده شده با روش CVD هستند، می توانند 650 قطعه بر هر گوشه، تولید کنند.
Stephan و همکارانش سیلیکون نیترید پوشش داده شده با CVD را گزارش داده اند که قادر به ایجاد عمر مفید مشابه PCD می باشد (برای برش آلومینیوم A-390). شرایط برشی در این آزمون، عبارتست از: 2231 sfm، 0.008 ipr و عمق برش برابر با 0.040 اینچ (با استفاده از مواد خنک کننده) می باشد. او همچنین گزارش داد که از روتورهای سیلیکون نیتریدی پوشش داده شده با الماس برای کامپوزیت های لانه زنبوری، استفاده کرده است. روتورهای سیلیکون نیتریدی پوشش داده شده با الماس صدای کمتری دارند و خنک کننده موجب افزایش عمر آنها می شود.
پتانسیل
پتانسیل ابزارهای برش حاوی پوشش الماسی که به روش CVD تولید می شوند، بطور باور نکردنی، بالاست. مسابقه برای تولید ابزارهایی که بتوانند به صورت تجاری رقابت کنند، در حال انجام می باشد و هر تأخیری در بازار که تاکنون مشاهده می شود، به دلیل این حقیقت است که تولیدکننده ها نیازمند توسعه ی پوشش ها و توسعه ی فرایندهای تولید به صورت همزمان می باشند. مقادیر تجاری ابزارهای الماسی تولید شده با روش CVD، تولید شده است و به صورت موفقیت آمیز در زمینه ی هوافضا و صنعت اتومبیل، مورد استفاده قرار گرفته است. از آنجایی که پوشش ها و تکنولوژی های تولید به تکامل رسیده است، استفاده از این ابزارها، به صورت قابل توجهی، افزایش می یابد. این مسئله با جایگزینی پیوسته ی آلیاژهای سبک آلومینیوم، کامپوزیت ها و مواد غیر فلزی به جای فولاد و آهن، همراه شده است. در حقیقت این ابزارها، موجب توازن در صنعت ابزارهای برشی، می شود.
استفاده از مطالب این مقاله، با ذکر منبع راسخون، بلامانع می باشد.
منبع مقاله :
CERAMIC CUTTING TOOLS/ Materials, Development, and Performance/ E. Dow Whitney