تاثیر انتخاب ابزار برشی مناسب بر نتیجه ماشین‌کاری فلزات سخت – بخش اول
انتخاب ابزارهای برشی موثر و کارا در HSM قالب های فولادی سخت شده می تواند به عنوان راه حلی موثر در تولید پر سودتر و فرآیند ماشین کاری راحت تر مطرح شود.
از فرآیند ماشین کاری با سرعت بالا (High-Speed Machining- HSM) در قالب‌های فولادی سخت شده نباید بیم و هراس داشت و می بایست آن را پذیرفت. افراد زیادی معتقد بر این موضوع هستند که ماشین کاری فلزات سخت به سان سحر و جادوگری است، اما چند اصول اساسی به منظور افزایش سود دهی و آسان سازی پروسه تولید بر این حوزه حاکم می باشد. این فرآیند چندین بخش را شامل می شود: استفاده موثر از ابزارهای برش، گیره ابزار و برنامه نویسی و برنامه ریزی. اگر بتوان این بخش ها را به درستی نیاز سنجی کرده و این نیازها را برآورده کنیم می توان راز حاکم بر ماشین کاری فلزات سخت را گشود و این فرآیند را در حالی که از راهنما های موجود می توان استفاده کرد تبدیل به یک فرآیند قابل پیش بینی کرد.
انتخاب فرآیند
سه روش عمده در فرآیند ماشین کاری عبارتند از: ماشین کاری نرم، ماشین کاری سخت و EDM. شکل و هندسه قالب و سختی قالب یا مواد آن مشخص می کند که کدام روش می بایست مورد استفاده قرار بگیرد. ماشین کاری نرم– در ماشین کاری مواد قبل از انجام عملیات حرارت- در ماشین کاری قطعات بزرگ و یا قطعاتی که نیاز به عمق براده برداری زیاد می باشند مورد استفاده قرار می گیرد. سپس، عملیات شبه پرداخت و یا پرداخت سطح بعد از انجام عملیات سخت کاری می تواند مورد استفاده قرار بگیرد. اگر قطعات خیلی بزرگ نباشند و یا عمق براده برداری کم باشد، می توان تمام قطعه را بعد از انجام سخت کاری در ماشین فرز قرار داد. همچنین اگر هندسه قطعه دارای ویژگی های نازک باشد و براده برداری عمیق باشد، EDM می توان به عنوان روش پیشنهادی مطرح باشد.
انتخاب ابزار
انتخاب ابزار مناسب در ماشین کاری فلزات سخت اهمیت بسیار بالایی می تواند داشته باشد. در حالت کلی سه طراحی مختلف از ابزار ها می تواند وجود داشته باشد: ساچمه‌ای (ball end)، زاویه دار (کله گاوی) (Corner radius) و یا مربعی (square end) (شکل ۱).
شکل ۱
در ماشین کاری فلزات سخت، اولین انتخاب در عملیات خشن کاری و گستره وسیعی از عملیات پرداخت سطح استفاده از مته فرز ساچمه‌ای می باشد. شعاع انحنای بزرگ این سطح نیرو و حرارت زیاد تولید شده در ماشین کاری با سرعت بالا را اتلاف می‌کند. همچنین استفاده از این نوع ابزار به استفاده کننده این امکان را می دهد که بتواند نزدیک ترین حالت به شکل ۳ بعدی را با سرعت براده برداری بالا به دست آورد.
اگر قطعه مورد نظر بزرگ بوده و دارای سطوح صاف باشد، استفاده از ابزار زاویه دار بعد از انجام خشن کاری توسط ابزار ساچمه‌ای توصیه می شود. شعاع این نوع ابزار به اندازه ابزارهای ساچمه ای بزرگ نیست؛ بنابراین، مقدار اتلاف انرژی ایجاد شده توسط این ابزار ها نیز به اندازه ابزار های ساچمه ای نخواهد بود. ابزار برش مربعی نیز آخرین انتخاب به شمار می رود و فقط می بایست بعد از ابزارهای ساچمه ای و زاویه دار مورد استفاده قرار بگیرد و بیشترین مقدار براده ممکن توسط دو ابزار ذکر شده برداشته شده باشد. گوشه های تیز ابزار مربعی سبب ایجاد تمرکز نیرو و گرما در ابزار خواهد شد که احتمال بروز لب پریدگی در ابزار را افزایش می دهد. استفاده از ابزار های مربعی تنها زمانی نیاز است که در قطعه تولید شده نیاز به وجود گوشه های تیز در کف و یا دیواره باشد.
سفتی ابزار نیز از فاکتور های مهم دیگری است که می بایست تحت مطالعه و بررسی قرار گیرد. اگر قطر ابزار کم باشد، قطر قسمت سفت ابزار می بایست بسیار بزرگتر از قطر ابزار باشد. این موضوع سفتی ابزار را افزایش خواهد داد، که موجب پرداخت بهتر سطوح و افزایش عمر ابزار خواهد شد. انتخاب ابزار متناسب با کاربری آن دارای اهمیت بسیار زیادی می باشد. برای مثال، سری ابزارهایی که دارای ۸ درجه انحراف (۸ degree per side draft angle) در هر سو می باشند به راحتی قابل تطبیق با قطعاتی هستند که نیاز به سه زاویه انحراف دارند می باشند، و ابزار می تواند با زاویه درجات تطبیق داشته باشد. در حالت کلی، میزان زاویه انحراف ابزار می بایست کمتر از قطعه واقعی باشد. این موضوع همزمان باعث قوی نگه داشتن ابزار سبب ایجاد یک لقی زاویه‌ای خواهد شد (شکل ۲a).
شکل ۲-a
علاوه بر این، ابزار بیشتر از حد نیاز بیرون گیره ابزار قرار نمی گیرد. اگر برای تراش دیوار صاف مورد استفاده قرار گیرد می بایست از یک قطعه برای تقویت ابزار استفاده کرد (شکل ۲b).
شکل ۲-b
هر دو روش عمق براده برداری زیاد را در طول ابزار کوتاه ممکن می سازد.
کنترل تولید حرارت
تولید حرارت زیاد ناشی از انجام فرآیند تراش می تواند سطوح قطعات را دچار تغییراتی کند، این موضوع سبب کاهش دقت فرآیند تراش خواهد شد. هرچند، یکی از روش های کمینه کردن تولید حرارت و حفظ این شرایط، کنترل گام شعاعی ابزار (radial step-over) می باشد. گام شعاعی ابزار را می توان فاصله بین خطوط مرکزی برش های پی در پی و موازی دانست (شکل ۳).
شکل ۳
در عملیات خشن کاری، مقدار این گام شعاعی می بایست بین ۲۵ تا ۴۰ درصد قطر ابزار باشد. برای پرداخت برآمدگی های موجود در سطوح صاف، می توان گام شعاعی را از فرمول زیر محاسبه کرد:
گام شعاعی، مشخص کننده مقدار حرارت ایجاد شده در ابزار و قطعه می باشد و با محاسبه زمانی که برای ایجاد هر کدام از شیارها نیاز است و زمان نیاز به خنک کاری قبل از ماشین کاری مجدد این موضوع را به انجام می رساند. شکل ۴ تاثیر گام شعاعی و حرارت تولید شده را نشان می دهد.(شکل ۴)
شکل ۴
زمانی که این مقدار خیلی بزرگ باشد، به دلیل نبود زمان کافی برای انجام خنک کاری مقدار حرارت تولید شده نیز زیاد خواهد بود. اگر مقادیر گام شعاعی کوچکتر باشد، عملیات خنک کاری توامی نیز وجود دارد که می تواند مقدار تولید حرارت را کنترل کند. با تنظیم میزان حرارت تولیدی توسط یک فرآیند خنک کاری پیوسته، می توان دور چرخش دستگاه را بدون رسیدن به دمای بحرانی افزایش داد. زمانی که دما به سر حد دمای خرابی پوشش می رسد، امکان افزایش خرابی سطوح برش خورده بسیار افزایش می‌یابد، و همین موضوع مقدار دما و نیروی موجود در قطعه و ابزار را افزایش خواهد داد. اگر مراحل انجام فرآیند به درستی پیاده سازی شود بنابراین دما و نیروی مخرب ایجاد نخواهد شد. دمای زیاد باعث تغییر سطوح و کم شدن دقت تراش خواهد شد.
با انتخاب پوشش مناسب، می توان دما های بالا را بدون ایجاد خطری برای ابزار برش تحمل کرد. برای مثال، دمای کاری بیشینه برای تیتانیوم کربونیترید (TiCN) برابر با ۷۵۰xF (400xC) دانست و دمای کاری مربوط به تیتانیوم آلومینیوم نیترید (TiAlN) برابر با ۱۴۷۰xF (800xC) می‌باشد.
در حالت کلی، به علت مقاومت حرارتی بالا استفاده از TiAlN به عنوان مواد قالب های HSM سخت کاری شده ترجیح داده می شود. مقاومت بالای این ماده امکان رسیدن به دورهای چرخشی بالا بدون آسیب رسیدن به ابزار برش را فراهم می سازد.
سرعت چرخش و سرعت براده برداری مناسب نیز در کنترل تولید حرارت ضروری می باشند. بار تراشه ای بزرگ بار حرارتی را کاهش می دهد، بنابراین حرارت ایجاد نخواهد شد. اگر بار تراشه ای کم باشد بارهای اصطکاکی منجر به تولید حرارت خواهند شد. بنابراین، برای افزایش عمر ابزار وجود بیشترین عمر تراشه ای بدون آسیب رسیدن به قطعه اهمیت دارد (شکل ۵).
شکل ۵
برای مثال، اگر بار تراشه برای هر دندانه برابر با ۰٫۰۰۸ باشد و بار ۰٫۰۰۲ استفاده شود، قطعه ای که در زمان ۲۰ دقیقه تولید می شد در زمان ۸ دقیقه تولید می شود؛ ابزار ۴ برابر زمان بیشتری را در پروسه برش طی خواهد کرد.
هندسه ابزار نیز نقش مهمی را در کنترل گرما، تولید تراشه و نحوه انتقال تراشه ها بازی می کند. ابزارها به طور ویژه می بایست برای ماشین کاری فلزات سخت طراحی شوند دلیل این موضوع نیز این است که هندسه نادرست می تواند سبب خرابی زود هنگام ابزار و پرداخت نادرست و نا کامل قطعات باشد. در اغلب موارد خنک کننده های سیالی مورد استفاده قرار نمی گیرند. آزمایش های بیشتر نشان می دهد که این نوع خنک کاری در موادی که سختی آنها بیشتر از ۴۰ HRC می باشد باعث کاهش عمر قطعه می باشد. سیستم های خنک کاری مختلفی مانند ایجاد سوراخ های خنک کاری در داخل قطعه، شیارهای خنک کاری، لوله های خنک کاری، فشارهای بالا و فشار نرمال مورد تست قرار گرفته اند. در همه این حالت ها، به دلیل وجود شک حرارتی در ابزار های کاربیدی ناشی از خنک کاری سبب کاهش عمر این قطعات خواهد شد. همچنین تخلیه تراشه ها برای جلوگیری از برش دوباره نیز دارای اهمیت زیادی می باشد. دو راه فوق العاده برای تخلیه تراشه ها استفاده از خنک کننده هوا و یا بخار آب (mist) می باشد، که می توان آن را تا حد ممکن نزدیک به نوک ابزار قرار داد.
منبع : Mold Making Technology
ترجمه : ایران ملد
