بررسی شکل و جنس ابزار های برش

[bigbang]

بررسی شکل و جنس ابزار های برش

Effect Of Tool Geometry
تاثیر شکل ابزار

شکل و هندسه ابزار روی اکثر معیار های عمر ابزار مانند کیفیت سطح ، نیروی براده برداری (wear land و crater wear) دقت قطعه کار، شکست کامل ابزار، و درجه حرارت تاثیر دارد.
بنابراین شکل و هندسه ابزار اهمیت زیادی دارد و در صورت نیاز باید توسط سنگ زنی شکل مناسب را در ابزار ایجاد کرد .
در حین ماشینکاری، ابزار به دو صورت مختلف تغییر شکل می دهد:
• فرسایش ابزار باعث جدا شدن ذراتی از ابزار می شود.
• تغییر شکل پلاستیک باعث تغییر شکل ابزار می شود.
از مهمترین زوایای ابزار برنده زاویه براده است(normal rake angle) که به دو صورت مختلف روی عمر ابزار تاثیر می گذارد:
• هر چه زاویه براده بیشتر باشد نیرو های براده برداری کاهش یافته و براده راحت تر روی سطح براده حرکت می کند . بنا بر این ابزار تحت نیرو های کمتری قرار گرفته و عمر ابزار افزایش می یابد.
• از طرف دیگر با افزایش زاویه براده مجرای عبور حرارت کم شده با افزایش درجه حرارت عمر ابزار کاهش می یابد.
تاثیر زاویه براده روی حرارت:

از طرفی زاویه براده زیاد باعث کم شدن استحکام مکانیکی ابزار برنده و شکست ابزار در اثر اعمال نیرو های مکانیکی زیاد می شود .

چگونگی توجیه عمر ابزار بر اساس معادلات تیلور به این گونه است که با تغییرات هندسه ابزار وجنس قطعه کار x,C در معادله تیلورتغییر می کنند .

effect of tool material
تاثیر جنس ابزار

خواص کلی مورد نیاز

• سختی بالا
• چقرمگی بالا
• مقاومت به سایش
• مقاومت به شک های حرارتی و مکانیکی
• توانایی نگهداری این خواص در درجه حرارت ماشینکاری
• سختی و مقاومت به سایش معمولا همراه هم هستند ولی چقرمگی در جهت عکس آنها عمل می کند که این امر موجب بروز مشکلاتی در انتخاب ابزار شده است .
• بهترین ابزار برای یک کاربرد خاص دارای بیشترین سختی تافنس مناسب است وسختی خود را در درجه حرارت ماشین کاری حفظ می کند.

فرسایش در ابزارهای برشی Wear in Cutting Tools

از جمله مهمترین مسائلی که در زمینه ماشینکاری با آن روبرو هستیم، مسأله عمر ابزار و عوامل تأثیر گذار بر روی آن است. لذا در این مقاله سعی بر این است که بتوانیم تعریف درست و مشخصی از عمر ابزار و عوامل تأثیر گذار بر روی آن داشته باشیم و علاوه بر آن در مورد مهمترین عواملی که تأثیر بسزایی در عمر ابزار دارند، بحث می شود.
عمر ابزار به عوامل گوناگونی وابسته است .
۱٫ درجه حرارت(محیط و ابزار)
۲٫ هندسه ابزار برنده
۳٫ مایع خنک کننده
۴٫ جنس قطعه کار از لحاظ ترکیب شیمیایی
۵٫ جنس خود ابزار
۶٫ پارامترهای ماشینکاری (سرعت برشی، عمق براده برداری، سرعت پیشروی و…)
۷٫ ارتعاش دستگاه
۸٫ معیار شکست ابزار
که از این میان معیار شکست ابزار مهمترین عامل تأثیر گذار بر عمر ابزار به شمار می آید.
معیار شکست ابزار Tool Life Criterion یک مقدار از قبل تعیین شده(بر اساس کیفیت و دقت برده برداری و …) برای فرسایش و خوردگی ابزار یا رخ دادن یک پدیده(مانند ترک و شکست) را گویند.
عمرابزار نیز از روی همین معیار شکست تعریف می شود: زمان مورد نیاز برای رسیدن به معیار شکست.
انواع معیارهای شکست
۱٫معیار شکست مستقیم: که با خود ابزار برنده سر و کار دارد.
۲٫ معیار شکست غیر مستقیم: که با عوامل فرسوده شدن ابزار سر و کار دارد.
انواع معیار شکست مستقیم
الف-Chiping : جدا شدن براده از ابزار برنده را گویند.
ب- Fine Cracks: ترک خوردن ابزار برنده را گویند.
ج- Crater Wear , Wear Land : که دو نوع فرسایش مستقیم و بسیار حائز اهمیت در ابزار به شمار می آیند.
انواع معیار شکست غیر مستقیم
الف- نیروهای براده برداری: با قرار دادن حد مشخصی برای این نیروها (بر اساس کیفیت سطح و دقت کاری لازم) و اندازه گیری این نیروها بر روی ابزار برشی، می توان معیار شکست و عمر ابزار را تعیین کرد.
این مسأله بخصوص در دستگاه های اتوماتیک (CNC) کاربرد فراوانی دارد زیار با اندازه گیری این نیروها و زمان رسیدن به حد مشخصی (که قبلاً توضیح داده شد) می توان معیار شکست و عمر ابزار را به راحتی تخمین زد.
ب- کیفیت سطح
ج- دقت ابعادی قطعه کار: که این موضوع نیز در دستگاه های CNC اهمیت فراوانی دارد.
از عوامل گفته شده در بالا، مهمترین آنها که تأثیر بسزایی در عمر ابزار دارد و به طور مستقیم با خود ابزار سر و کار دارد، دو نوع فرسایش اساسی در ابزار به نام Crater Wear Land است که در ادامه این مقاله سعی بر شناسایی و راه حلهای جلوگیری از این دو فرسایش شده است.
Wear Land:
این نوع فرسایش ابتدا در سطح های آزاد ابزار برشی به وجود می آید که با گذشت زمان، ناحیه وسیعی از نوک ابزار را در بر می گیرد و با افزایش خوردگی و فرسایش ابزار و اصطکاک بین قطعه کار و نوک ابزار و به دنبال آن سوختگی نوک ابزار، نوک ابزار ترک برداشته و می شکند.
Wear land خود به دو نوع تقسیم می شود:
۱٫ wear land یکنواخت
۲٫ wear land غیر یکنواخت
هر یک از این دو نوع wear land در شکل(۱) نشان داده شده اند.
یک wear land که در عمق به صورت یکنواخت و بدون شیارهای عمیق است نشان می دهد که براده هایی که باعث به وجود آمدن آن شده اند نازک هستند.
wear land یکنواخت حالت خوب و ایده آلی برای ابزار برشی محسوب می شود و معمولاً ابزارهایی که مواد با سختی کم را ماشینکاری می کنند این نوع فرسایش در آنها بوجود می آید.
بیشتر اوقات یک wear land یکنواخت زمانی نمایان میشود که ابزار، دارای برشی پیوسته با عمق براده برداری کم می باشد.
wear land غیر یکنواخت نشانه ای از براده برداری غیر پیوسته می باشد و معمولاً در ابزارهایی که مواد با سختی بالا را براده برداری می کنند به وجود می آید. این نوع فرسایش حاصل براده برداری با عمق زیاد و سرعت برشی زیاد می باشد. حال به این بحث می پردازیم که عمق مجاز برای یک wear land که معیار شکست و در نتیجه عمر ابزار را تعیین می کند تا چه مقداری می تواند باشد و این عمق چگونه اندازه گیری می شود.
مباحث ارائه شده در این مقاله حاصل مطالعات و تحقیقات Mr. Leo J.St. Clair در یکی از کارگاه های ماشینکاری واقع در ایالات متحده آمریکا می باشد.
مطالعات انجام شده در زمینه سرعت سوختن نسوک ابزار نشان می دهد مواد مختلف که ماشینکاری می شوند دارای نتیجه یکسانی نیستند و سرعت سوختن نوک ابزار با یک سرعت یکنواختی انجام می شود که به صورت تصاعدی می باشد. مقدار سوختن نوک ابزار بوسیله عمق weae land در کنار و آخر سطح آزاد ابزار اندازه گیری می شود.
قطعات ماشینکاری شده در این تحقیق، قطعات چدنی می باشد. ابزار برشی H.S.S (و دیگر ابزارهای برشی نظیر carbide) با عمق پیشروی in 02/0 ، میانگین عمق برشی in و سرعت fmp 150 است.
تعداد قطعات ماشینکاری شده بر حسب هر in 01/0 عمق فرسایش در جدول(۱) و شکل(۲) نشان داده شده است. ابزار به طور کامل بعد از ماشینکاری ۳۳۰ قطعه به طور کامل بعد شکسته می شود که معادل عمق wear land در این زمان حدوداً in 06/0 است.
جدول(۱) نشان می دهد که افزایش سرعت فرسایش بعد از این که عمق wear land از in 03/0تجاوز کرد، اتفاق می افتد که سرعت فرسایش از این زمان به بعد تا ۷ برابر سریع تر از سرعت فرسایش با عمق in 01/0 است.
ابزار حدوداً ۷۵% عمر خود را قبل از مرحله ای که عمق فرسایش به in 03/0 برسد، انجام می دهد و مابقی عمر خود را یعنی ۲۵% باقیمانده را بعد از مرحله ای که عمق فرسایش به in 03/0 می رسد، انجام می دهد. این عمل مرزی را به وجود می آورد. که به طور قطع، غیر اقتصادی است یعنی مرزی به وجود می آید که سرعت رسیدن به شکست عامل در این مرز بسیار زیاد است.
تحقیقات نشان می دهد که یک ابزار carbide زمانی که به ۶۰/۰ طول عمر خود(طول عمرابزار نقطه است که مقدار wear land به in 06/0 برسد که در این هنگام شکست کامل ابزار رخ می دهد) می رسد و یک ابزار H.S.S یا ابزار آلیاژی زمانی که به ۷۰% طول عمر خود می رسد باید تعویض و سنگ زنی شود و همان طور که گفته شد این موقعیت در جدول (۱) و شکل (۲) به صورت شماتیک نشان داده شده است(که این نتایج حاصل استفاده از میکروسکوپ های نوری می باشد.) در شکل (A-2) ملاحظه می شود که نقطه طول عمر اقتصادی برای ابزار H.S.S حدوداً ۷۵% طول عمر ممکن ابزار است و بعد از ماشینکاری ۲۵۰ قطعه از کل تعداد قطعات که ۳۳۰ قطعه است ابزار باید سنگ زنی شود و ۸۰ قطعه آخر تحت شرایطی ماشین کاری
می شوند که ابزار سنگ خورده باشد.
.
همچنین برای یک ابزار carbide نقطه تعویض ابزار وسنگ زنی آن، حدود ۶۰% عمر کل ابزار است که در این زمان ۱۹۰ تا ۲۰۰ قطعه ماشینکاری می شود. دلیل این که چرا یک ابزار carbide باید زودتر از یک ابزار H.S.S و یا ابزار آلیاژی سنگ زنی شود آن است که ابزار carbide دارای شکنندگی زیادتری می باشد که این خاصیت شکنندگی بیشتر سبب می شود هنگامی که wear land عمیق تر می شود نوک ابزار به راحتی شکسته شود.
زمانی که wear land عمیق تر می شود فشار زیادی از طرف قطعه کار بر روی سطح wear land وارد می شود و وقتی ابزار carbide باشد این فشار به طور پیوسته شوکی را به وجود می آورد که باعث می شود ابزار لب پر شود. لب پر شدن بدین معناست که نوک ابزار شکسته می شود و همان طور که گفته شد این دلیل عمق زیاد wear land و فشار پیوسته ناشی از قطعه کار بر روی سطح wear land می باشد مطالب گفته شده در شکل(B-2) نشان داده شده است.لب پریدگی به ندرت در ابزارهای H.S.S و آلیاژی رخ می دهد و این به دلیل سختی و چقرمگی خوب آنها می باشد.
اگر شکستگی زیاد باشد ابزار خوب و کاملاً غیر قابل استفاده می شود از این رو به دلیل آسیب زیاد ناشی از فشار wear land ، نقطه برگشتی ابزار carbide برای سنگ زنی باید ۶۰% طول عمرش باشد که این برخلاف مقدار ۷۰% برای ابزارهای برشی دیگر(H.S.S) می باشد.
روش دیگری برای اندازه گیری عمق مجاز wear land وجود دارد که بر اساس تعریف زیر از عمیق مجاز به دست می آید: ثابت نگه داشتن یک نقطه تعویض ابزار در تولید انبوه.
این تعریف بدین معناست که با در نظر گرفتن دقت کاری و قطعه کار و کیفیت سطح مورد نیاز در تولید انبوه، آخرین قطعه ای که دارای دقت و کیفیت لازم است را به عنوان نقطه تعویض ابزار و عمق wear land در این زمان را عمق مجاز در نظر می گیریم.
عمق مجاز wear land که از فرسایش مخرب ابزار جلوگیری می کند، به اندازه ابزار نیز بستگی دارد. یک ابزار توانایی پراکنده سازی گرمایی بهتری نیست به یک ابزار کوک دارد. از این رو در ابزارهای بزرگ به دلیل پراکنده سازی گرمایی زیاد و زمان زیاد برای بالا رفتن دمای نوک ابزار، فرسایش به کندی انجام می شود.
عمق مجاز wear land نسبت به اندازه ابزار در زیر آمده است:
up to ? (in) squar 1/32(in)
3/4 (in) and 1 (in) squar 3/64 (in)
(in) and (in) squar 1/16 (in)
2(in) squar or more 1/8 (in)
عمق مجاز wear land در نزدیکی نقطه پرداختکاری ابزار بیشتر از نقاط دیگر است.این قسمت وخیم ترین قسمت لبه برشی است زیرا بیشتر گرما در این قسمت متمرکز است. از این رو زمانی که wear land مشاهده می شود بهتر است اندازه آن در نزدیکی نقطه پرداختکاری ابزار اندازه گیری شود.
Crater
زمانی که براده با سطح بالایی ابزار تماس می گیرد باعث به بوجود آمدن
فرورفتگی هایی در سطح بالایی ابزار، نزدیک به لبه برشی می شود. نیروهای فرسایشی سخت که در برابر جریان براده مقاومت می کنند عامل به وجود آمدن این نوع فرورفتگی ها هستند. این نوع فرسایش را اصطلاحاً crater می گویند.
رشد crater در ابتدای امر به کندی انجام می گیرد اما با رسیدن به مقدار معینی، سرعت رشد افزایش می یابد. این به دلیل افزایش زیاد نیروهای فرسایشی در سطح بالا می باشد.
سطح زیر وسخت بالایی ابزار مقاومت در برابر جریان براده را افزایش می دهد و در نتیجه عمل فرسایش سریع تر انجام می شود.
با ادامه این عمل (فرسایش در سطح بالا)، Crater به سمت لبه برشی پیشرفت می کند که باعث می شود شرایط لبه بسیار ضعیف شود و این معمولاً شکست سخت لبه برش را به دنبال دارد. رشد یک Crater و تأثیر آن در شکل (A-3) نشان داده شده است.
شکل(B-3) چندین تغییر مهم را که در منطقه نزدیک لبه برش، هنگامی که Crater رخ می دهد، نشان می دهد.
اولین تغییری که ایجاد می شود این است که زاویه شیب برش(زاویه براده) از زاویه شیب مؤثر کمتر می شود(زاویه شیب مؤثر، زاویه بین نقطه تلاقی جایی که شعاع Crater با سطح تماس می گیرد و سطح افقی را گویند) با افزایش عمق Crater این زاویه مقداری بین ۳۰ تا ۵۰ درجه تغییر می کند.
اندازه زیاد زاویه شیب مؤثر، لبه ابزار را به مقدار زیادی ضعیف می کند و غالباً باعث شکست لبه برش می شود.
دومین تغییری که انجام می شود آن است که شعاع براده کاهش می یابد و باعث می شود شعاع و اندازه Crater افزایش یابد.
در ابتدای انجام عمل برش غالباً خواهیم دید که براده در شعاع یا قوس بزرگ بوجود می آید اما هنگامی که ابزار فرسوده می شود شعاع براده کوچکتر می شود و براده ها غالباً تکه تکه هستند. این نشان میدهد که Crater بزرگتر و عمیق تر شده است. بدین وسیله براده ها به صورت دایره های سخت از قطعه جدا می شوند.
شکست ابزار غالباً در این هنگام به وسیله اندازه براده پیش بینی می شود. وقتی که ابزار در نتیجه Crater در حال شکست است، طول براده کوچک می باشد (غالباً یبن in تا in ) و باید در این هنگام از شکست کامل ابزار از طریق سنگ زنی و پرداختکاری دقیق مجدد، جلوگیری کنیم.
سومین تغییری که دیده می شود آن است که اندازه لبه built-up تغییر می کند. وقتی Crater به سمت لبه برشی پیش می رود، این لبه (built -up) کوچکتر می شود.
اندازه لبه built-up به گسترش شیب مؤثر بستگی دارد. یعنی این که وقتی Crater بزرگتر می شود شیب مؤثر افزایش می یابد که در نتیجه این عمل اندازه لبه built – up کاهش می یابد.
ابزاری که بتواند در برابر رشد Crater مقاومت زیادی داشته باشد، از طول عمر بیشتری نسبت به ابزاری که مقاومت کمتری در براب Crater دارد، برخوردار می باشد.
هر چیزی که شروع و رشد یک Crater مقاومت زیادی داشته باشد، از طول عمر بیشتری نسبت به ابزاری که مقاومت کمتری در برابر Crater دارد، برخوردار می باشد.
هر چیزی که شروع و رشد یک Crater را به تأخیر بیاندازد، در افزایش طول عمر ابزار مؤثر است.
چگونه شروع یک Crater را به تأخیر بیندازیم؟
توسعه منطقه Crater بستگی زیادی به دو فاکتور دارد:
۱٫ واحد فشار وارد بر لبه
۲٫ مقاومت در برابر جریان براده
با مینیمم کردن این دو عامل می توانیم شروع یک Crater را و در نتیجه رشد آن را به تأخیر بیندازیم.
واحد فشار وارد برلبه به مقدار براده برداری و زاویه برش بستگی دارد. وقتی براده برداری از قطعه کم و به صورت آهسته انجام شود، Crater نسبت به هنگامی که براده برداری زیاد است، نزدیک تر به لبه برش شروع به شکل گیری می کند. از این رو با افزایش بار، Crater در فاصله زیادی از لبه برش شروع به شکل گیری و رشد می کند و این، زمان زیادی را می خواهد تا این که رشد Crater برای لبه برشی مخرب باشد.(واحد فشار وارد بر لبه با نزدیک شدن Crater به لبه برش افزایش می یابد.)
مقدار زاویه برش تأثیر قطعی در واحد فشار وارد بر لبه برش و از این رو در شکل گیری Crater دارد. بزرگ شدن زاویه برش باعث کم شدن واحد فشار لبه میشود(شاید دلیلش همان شکل گیری Crater درمناطق دور از لبه برش باشد.)
بنابراین برای به تأخیر انداختن شروع یک Crater زاویه برشی را تا حد امکان باید افزایش داد.
مقاومت در برابر جریان براده شاید مهمترین عامل درتوسعه Crater باشد. هر چیزی که بتواند این مقاومت را کاهش دهد در شکل گیری Crater تأخیر ایجاد می کند و در نتیجه عمر ابزار را افزایش می دهد. حال چگونه مقاومت در برابر جریان براده را کاهش دهیم.
سه راه حل مهم در کاهش مقاومت در برابر جریان براده وجود دارد:
۱٫ پرداختکاری دقیق و جلا دادن سطح بالای بازار
۲٫ سنگ زنی در جهت جریان براده
۳٫ انتخاب یک روان ساز مناسب که فرسایش بین جریان براده و سطح بالا را کاهش دهد.
از این سه راه حل، راه حل های اول و دوم معمولاً شکل گیری Crater را بیشتر به تأخیر می اندازند و باعث افزایش بیشتر طول عمر ابزار نسبت به راه حل سوم می شوند. حال به تجزیه و تحلیل این دو راه حل می پردازیم.
درجه پرداختکاری در سطح بالا در تشکیل Crater و طول عمر ابزار دخالت دارد.
اگر سطح بالایی ابزار توسط یک چرخ زبر و خشن سنگ زنی شود یک سری از شیارهای نسبتاً عمیق در سطح بالایی ابزار شکل می گیرد که به creating hills valleys معروفند(شکل ۴)
زمانی که نوک های hills باریک و نسبتاً کوچک هستند، سطح تماس براده با سطح بالایی ابزار بسیار جزیی است و در نتیجه مقاومت سطحی کمی در برابر جریان براده خواهیم داشت که این منجر به تأخیر در شکل گیری و رشد Crater می شود.
اما زمانی که نوک های hills در اثر جریان براده ساییده و خورده می شوند، سطح تماس براده با سطح بالایی ابزار افزایش می یابد که این منجر به رشد سریع Crater در سطح بالا می شود.
پرداختکاری دقیق می تواند شروع Crater را به تأخیر بیاندازد. شیارها در یک پرداختکاری دقیق خیلی کوچک و در عین حال بسیار زیاد هستند و براده برخلاف تعداد زیادی از نوک hills جریان می یابد. در این حال سطح تماس براده با سطح بالایی ابزار بسیار کم است و همین باعث به تأخیر افتادن شکل گیری و رشد Crater می شود.
جهت سنگ زنی در سطح بالا، تأثیر بسزایی در مقاومت در برابر جریان براده دارد.
برا این که یک مقاومت مینیمم را در برابر جریان براده داشته باشیم. باید خط های سنگ زنی در سطح بالایی ابزار جهش یکسان با جهت جریان براده داشته باشد.
اگر خط های سنگ زنی زاویه ای متضاد نسبت به جهت جریان براده داشته باشند باعث افزایش مقاومت در برابر جریان براده شده و در نتیجه شکل گیری و رشد Crater به همراه خواهند داشت.
در آزمایشاتی که به عمل آمد نشان داده شد در ابزارهایی که جهت سنگ زنی آنها با جهت جریان براده یکسان است، عمر آنها ۳۰% بیشتر از عمر ابزارهایی است که جهت سنگ زنی آنها برخلاف جهت جریان براده است.
ممکن است شرایطی بوجود آید که هم جهت سازی خط های سنگ زنی با جهت جریان براده بسیار مشکل باشد مانند ابزارهای فرم تراشی. در اینجا هم ممکن است کارهایی بتوانیم انجام دهیم که جهت این گونه خطاها(خط های سنگ زنی) را آنقدر تغییر دهیم که در جهت درست قرار گیرد. این عمل به وسیله سنگ زنی قسمت های نزدیک به لبه برشی انجام می شود که این موضوع در شکل (۵) نشان داده شده است.
برای کاستن زمان سنگ زنی، سنگ باید طوری قرار گیرد که زاویه آن با زاویه لبه برش ۱ تا ۳ درجه اختلاف داشته باشد. این عمل سطح باریکی را که حدوداً عرض آن in 1/0 می باشد به وجود می آورد. حرکت سنگ باید در جهت جریان براده باشد. این عمل تا زمانی که خط های سنگ زنی هم جهت با جریان براده شوند، باید ادامه پیدا کند.
در آخر پیشنهاد می شود که سنگ زنی همه شکل از ابزارها باید به صورت گفته شده انجام شود یعنی سعی کنیم خط های سنگ زنی در جهت جریان براده باشند که قیمت عرف ابزار و افزایش عمر ابزار را در این کار به دنبال خواهد داشت که بسیار باارزش و معتبر است. به علاوه پرداختکاری بهتر قطعه کار نیز نتیجه این کار است.

[bigbang]

عمر ابزار و عوامل موثر بر آن

از جمله مهمترین مسائلی که در زمینه ماشینکاری با آن روبرو هستیم، مسأله عمر ابزار و عوامل تأثیر گذار بر روی آن است. لذا در این مقاله سعی بر این است که بتوانیم تعریف درست و مشخصی از عمر ابزار و عوامل تأثیر گذار بر روی آن داشته باشیم و علاوه بر آن در مورد مهمترین عواملی که تأثیر بسزایی در عمر ابزار دارند، بحث می شود.
عمر ابزار به عوامل گوناگونی وابسته است .
۱٫ درجه حرارت(محیط و ابزار)
۲٫ هندسه ابزار برنده
۳٫ مایع خنک کننده
۴٫ جنس قطعه کار از لحاظ ترکیب شیمیایی
۵٫ جنس خود ابزار
۶٫ پارامترهای ماشینکاری (سرعت برشی، عمق براده برداری، سرعت پیشروی و…)
۷٫ ارتعاش دستگاه
۸٫ معیار شکست ابزار
که از این میان معیار شکست ابزار مهمترین عامل تأثیر گذار بر عمر ابزار به شمار می آید.
معیار شکست ابزار Tool Life Criterion یک مقدار از قبل تعیین شده(بر اساس کیفیت و دقت برده برداری و …) برای فرسایش و خوردگی ابزار یا رخ دادن یک پدیده(مانند ترک و شکست) را گویند.
عمرابزار نیز از روی همین معیار شکست تعریف می شود: زمان مورد نیاز برای رسیدن به معیار شکست.
انواع معیارهای شکست
۱٫معیار شکست مستقیم: که با خود ابزار برنده سر و کار دارد.
۲٫ معیار شکست غیر مستقیم: که با عوامل فرسوده شدن ابزار سر و کار دارد.
انواع معیار شکست مستقیم
الف-Chiping : جدا شدن براده از ابزار برنده را گویند.
ب- Fine Cracks: ترک خوردن ابزار برنده را گویند.
ج- Crater Wear , Wear Land : که دو نوع فرسایش مستقیم و بسیار حائز اهمیت در ابزار به شمار می آیند.
انواع معیار شکست غیر مستقیم
الف- نیروهای براده برداری: با قرار دادن حد مشخصی برای این نیروها (بر اساس کیفیت سطح و دقت کاری لازم) و اندازه گیری این نیروها بر روی ابزار برشی، می توان معیار شکست و عمر ابزار را تعیین کرد.
این مسأله بخصوص در دستگاه های اتوماتیک (CNC) کاربرد فراوانی دارد زیار با اندازه گیری این نیروها و زمان رسیدن به حد مشخصی (که قبلاً توضیح داده شد) می توان معیار شکست و عمر ابزار را به راحتی تخمین زد.
ب- کیفیت سطح
ج- دقت ابعادی قطعه کار: که این موضوع نیز در دستگاه های CNC اهمیت فراوانی دارد.
از عوامل گفته شده در بالا، مهمترین آنها که تأثیر بسزایی در عمر ابزار دارد و به طور مستقیم با خود ابزار سر و کار دارد، دو نوع فرسایش اساسی در ابزار به نام Crater Wear Land است که در ادامه این مقاله سعی بر شناسایی و راه حلهای جلوگیری از این دو فرسایش شده است.
WEAR LAND
این نوع فرسایش ابتدا در سطح های آزاد ابزار برشی به وجود می آید که با گذشت زمان، ناحیه وسیعی از نوک ابزار را در بر می گیرد و با افزایش خوردگی و فرسایش ابزار و اصطکاک بین قطعه کار و نوک ابزار و به دنبال آن سوختگی نوک ابزار، نوک ابزار ترک برداشته و می شکند.
Wear land خود به دو نوع تقسیم می شود:
۱٫ wear land یکنواخت
۲٫ wear land غیر یکنواخت
هر یک از این دو نوع wear land در شکل(۱) نشان داده شده اند.
یک wear land که در عمق به صورت یکنواخت و بدون شیارهای عمیق است نشان می دهد که براده هایی که باعث به وجود آمدن آن شده اند نازک هستند.
wear land یکنواخت حالت خوب و ایده آلی برای ابزار برشی محسوب می شود و معمولاً ابزارهایی که مواد با سختی کم را ماشینکاری می کنند این نوع فرسایش در آنها بوجود می آید.
بیشتر اوقات یک wear land یکنواخت زمانی نمایان میشود که ابزار، دارای برشی پیوسته با عمق براده برداری کم می باشد.
wear land غیر یکنواخت نشانه ای از براده برداری غیر پیوسته می باشد و معمولاً در ابزارهایی که مواد با سختی بالا را براده برداری می کنند به وجود می آید. این نوع فرسایش حاصل براده برداری با عمق زیاد و سرعت برشی زیاد می باشد. حال به این بحث می پردازیم که عمق مجاز برای یک wear land که معیار شکست و در نتیجه عمر ابزار را تعیین می کند تا چه مقداری می تواند باشد و این عمق چگونه اندازه گیری می شود.
مباحث ارائه شده در این مقاله حاصل مطالعات و تحقیقات Mr. Leo J.St. Clair در یکی از کارگاه های ماشینکاری واقع در ایالات متحده آمریکا می باشد.
مطالعات انجام شده در زمینه سرعت سوختن نسوک ابزار نشان می دهد مواد مختلف که ماشینکاری می شوند دارای نتیجه یکسانی نیستند و سرعت سوختن نوک ابزار با یک سرعت یکنواختی انجام می شود که به صورت تصاعدی می باشد. مقدار سوختن نوک ابزار بوسیله عمق weae land در کنار و آخر سطح آزاد ابزار اندازه گیری می شود.
قطعات ماشینکاری شده در این تحقیق، قطعات چدنی می باشد. ابزار برشی H.S.S (و دیگر ابزارهای برشی نظیر carbide) با عمق پیشروی in 02/0 ، میانگین عمق برشی in و سرعت fmp 150 است.
تعداد قطعات ماشینکاری شده بر حسب هر in 01/0 عمق فرسایش در جدول(۱) و شکل(۲) نشان داده شده است. ابزار به طور کامل بعد از ماشینکاری ۳۳۰ قطعه به طور کامل بعد شکسته می شود که معادل عمق wear land در این زمان حدوداً in 06/0 است.
جدول(۱) نشان می دهد که افزایش سرعت فرسایش بعد از این که عمق wear land از in 03/0تجاوز کرد، اتفاق می افتد که سرعت فرسایش از این زمان به بعد تا ۷ برابر سریع تر از سرعت فرسایش با عمق in 01/0 است.
ابزار حدوداً ۷۵% عمر خود را قبل از مرحله ای که عمق فرسایش به in 03/0 برسد، انجام می دهد و مابقی عمر خود را یعنی ۲۵% باقیمانده را بعد از مرحله ای که عمق فرسایش به in 03/0 می رسد، انجام می دهد. این عمل مرزی را به وجود می آورد. که به طور قطع، غیر اقتصادی است یعنی مرزی به وجود می آید که سرعت رسیدن به شکست عامل در این مرز بسیار زیاد است.
تحقیقات نشان می دهد که یک ابزار carbide زمانی که به ۶۰/۰ طول عمر خود(طول عمرابزار نقطه است که مقدار wear land به in 06/0 برسد که در این هنگام شکست کامل ابزار رخ می دهد) می رسد و یک ابزار H.S.S یا ابزار آلیاژی زمانی که به ۷۰% طول عمر خود می رسد باید تعویض و سنگ زنی شود و همان طور که گفته شد این موقعیت در جدول (۱) و شکل (۲) به صورت شماتیک نشان داده شده است(که این نتایج حاصل استفاده از میکروسکوپ های نوری می باشد.) در شکل (A-2) ملاحظه می شود که نقطه طول عمر اقتصادی برای ابزار H.S.S حدوداً ۷۵% طول عمر ممکن ابزار است و بعد از ماشینکاری ۲۵۰ قطعه از کل تعداد قطعات که ۳۳۰ قطعه است ابزار باید سنگ زنی شود و ۸۰ قطعه آخر تحت شرایطی ماشین کاری
می شوند که ابزار سنگ خورده باشد.
.
همچنین برای یک ابزار carbide نقطه تعویض ابزار وسنگ زنی آن، حدود ۶۰% عمر کل ابزار است که در این زمان ۱۹۰ تا ۲۰۰ قطعه ماشینکاری می شود. دلیل این که چرا یک ابزار carbide باید زودتر از یک ابزار H.S.S و یا ابزار آلیاژی سنگ زنی شود آن است که ابزار carbide دارای شکنندگی زیادتری می باشد که این خاصیت شکنندگی بیشتر سبب می شود هنگامی که wear land عمیق تر می شود نوک ابزار به راحتی شکسته شود.
زمانی که wear land عمیق تر می شود فشار زیادی از طرف قطعه کار بر روی سطح wear land وارد می شود و وقتی ابزار carbide باشد این فشار به طور پیوسته شوکی را به وجود می آورد که باعث می شود ابزار لب پر شود. لب پر شدن بدین معناست که نوک ابزار شکسته می شود و همان طور که گفته شد این دلیل عمق زیاد wear land و فشار پیوسته ناشی از قطعه کار بر روی سطح wear land می باشد مطالب گفته شده در شکل(B-2) نشان داده شده است.لب پریدگی به ندرت در ابزارهای H.S.S و آلیاژی رخ می دهد و این به دلیل سختی و چقرمگی خوب آنها می باشد.
اگر شکستگی زیاد باشد ابزار خوب و کاملاً غیر قابل استفاده می شود از این رو به دلیل آسیب زیاد ناشی از فشار wear land ، نقطه برگشتی ابزار carbide برای سنگ زنی باید ۶۰% طول عمرش باشد که این برخلاف مقدار ۷۰% برای ابزارهای برشی دیگر(H.S.S) می باشد.
روش دیگری برای اندازه گیری عمق مجاز wear land وجود دارد که بر اساس تعریف زیر از عمیق مجاز به دست می آید: ثابت نگه داشتن یک نقطه تعویض ابزار در تولید انبوه.
این تعریف بدین معناست که با در نظر گرفتن دقت کاری و قطعه کار و کیفیت سطح مورد نیاز در تولید انبوه، آخرین قطعه ای که دارای دقت و کیفیت لازم است را به عنوان نقطه تعویض ابزار و عمق wear land در این زمان را عمق مجاز در نظر می گیریم.
عمق مجاز wear land که از فرسایش مخرب ابزار جلوگیری می کند، به اندازه ابزار نیز بستگی دارد. یک ابزار توانایی پراکنده سازی گرمایی بهتری نیست به یک ابزار کوک دارد. از این رو در ابزارهای بزرگ به دلیل پراکنده سازی گرمایی زیاد و زمان زیاد برای بالا رفتن دمای نوک ابزار، فرسایش به کندی انجام می شود.
عمق مجاز wear land نسبت به اندازه ابزار در زیر آمده است:
up to ? (in) squar 1/32(in)
3/4 (in) and 1 (in) squar 3/64 (in)
(in) and (in) squar 1/16 (in)
2(in) squar or more 1/8 (in)
عمق مجاز wear land در نزدیکی نقطه پرداختکاری ابزار بیشتر از نقاط دیگر است.این قسمت وخیم ترین قسمت لبه برشی است زیرا بیشتر گرما در این قسمت متمرکز است. از این رو زمانی که wear land مشاهده می شود بهتر است اندازه آن در نزدیکی نقطه پرداختکاری ابزار اندازه گیری شود.
Crater
زمانی که براده با سطح بالایی ابزار تماس می گیرد باعث به بوجود آمدن
فرورفتگی هایی در سطح بالایی ابزار، نزدیک به لبه برشی می شود. نیروهای فرسایشی سخت که در برابر جریان براده مقاومت می کنند عامل به وجود آمدن این نوع فرورفتگی ها هستند. این نوع فرسایش را اصطلاحاً crater می گویند.
رشد crater در ابتدای امر به کندی انجام می گیرد اما با رسیدن به مقدار معینی، سرعت رشد افزایش می یابد. این به دلیل افزایش زیاد نیروهای فرسایشی در سطح بالا می باشد.
سطح زیر وسخت بالایی ابزار مقاومت در برابر جریان براده را افزایش می دهد و در نتیجه عمل فرسایش سریع تر انجام می شود.
با ادامه این عمل (فرسایش در سطح بالا)، Crater به سمت لبه برشی پیشرفت می کند که باعث می شود شرایط لبه بسیار ضعیف شود و این معمولاً شکست سخت لبه برش را به دنبال دارد. رشد یک Crater و تأثیر آن در شکل (A-3) نشان داده شده است.
شکل(B-3) چندین تغییر مهم را که در منطقه نزدیک لبه برش، هنگامی که Crater رخ می دهد، نشان می دهد.
اولین تغییری که ایجاد می شود این است که زاویه شیب برش(زاویه براده) از زاویه شیب مؤثر کمتر می شود(زاویه شیب مؤثر، زاویه بین نقطه تلاقی جایی که شعاع Crater با سطح تماس می گیرد و سطح افقی را گویند) با افزایش عمق Crater این زاویه مقداری بین ۳۰ تا ۵۰ درجه تغییر می کند.
اندازه زیاد زاویه شیب مؤثر، لبه ابزار را به مقدار زیادی ضعیف می کند و غالباً باعث شکست لبه برش می شود.
دومین تغییری که انجام می شود آن است که شعاع براده کاهش می یابد و باعث می شود شعاع و اندازه Crater افزایش یابد.
در ابتدای انجام عمل برش غالباً خواهیم دید که براده در شعاع یا قوس بزرگ بوجود می آید اما هنگامی که ابزار فرسوده می شود شعاع براده کوچکتر می شود و براده ها غالباً تکه تکه هستند. این نشان میدهد که Crater بزرگتر و عمیق تر شده است. بدین وسیله براده ها به صورت دایره های سخت از قطعه جدا می شوند.
شکست ابزار غالباً در این هنگام به وسیله اندازه براده پیش بینی می شود. وقتی که ابزار در نتیجه Crater در حال شکست است، طول براده کوچک می باشد (غالباً یبن in تا in ) و باید در این هنگام از شکست کامل ابزار از طریق سنگ زنی و پرداختکاری دقیق مجدد، جلوگیری کنیم.
سومین تغییری که دیده می شود آن است که اندازه لبه built-up تغییر می کند. وقتی Crater به سمت لبه برشی پیش می رود، این لبه (built -up) کوچکتر می شود.
اندازه لبه built-up به گسترش شیب مؤثر بستگی دارد. یعنی این که وقتی Crater بزرگتر می شود شیب مؤثر افزایش می یابد که در نتیجه این عمل اندازه لبه built – up کاهش می یابد.
ابزاری که بتواند در برابر رشد Crater مقاومت زیادی داشته باشد، از طول عمر بیشتری نسبت به ابزاری که مقاومت کمتری در براب Crater دارد، برخوردار می باشد.
هر چیزی که شروع و رشد یک Crater مقاومت زیادی داشته باشد، از طول عمر بیشتری نسبت به ابزاری که مقاومت کمتری در برابر Crater دارد، برخوردار می باشد.
هر چیزی که شروع و رشد یک Crater را به تأخیر بیاندازد، در افزایش طول عمر ابزار مؤثر است.
چگونه شروع یک Crater را به تأخیر بیندازیم؟
توسعه منطقه Crater بستگی زیادی به دو فاکتور دارد:
۱٫ واحد فشار وارد بر لبه
۲٫ مقاومت در برابر جریان براده
با مینیمم کردن این دو عامل می توانیم شروع یک Crater را و در نتیجه رشد آن را به تأخیر بیندازیم.
واحد فشار وارد برلبه به مقدار براده برداری و زاویه برش بستگی دارد. وقتی براده برداری از قطعه کم و به صورت آهسته انجام شود، Crater نسبت به هنگامی که براده برداری زیاد است، نزدیک تر به لبه برش شروع به شکل گیری می کند. از این رو با افزایش بار، Crater در فاصله زیادی از لبه برش شروع به شکل گیری و رشد می کند و این، زمان زیادی را می خواهد تا این که رشد Crater برای لبه برشی مخرب باشد.(واحد فشار وارد بر لبه با نزدیک شدن Crater به لبه برش افزایش می یابد.)
مقدار زاویه برش تأثیر قطعی در واحد فشار وارد بر لبه برش و از این رو در شکل گیری Crater دارد. بزرگ شدن زاویه برش باعث کم شدن واحد فشار لبه میشود(شاید دلیلش همان شکل گیری Crater درمناطق دور از لبه برش باشد.)
بنابراین برای به تأخیر انداختن شروع یک Crater زاویه برشی را تا حد امکان باید افزایش داد.
مقاومت در برابر جریان براده شاید مهمترین عامل درتوسعه Crater باشد. هر چیزی که بتواند این مقاومت را کاهش دهد در شکل گیری Crater تأخیر ایجاد می کند و در نتیجه عمر ابزار را افزایش می دهد. حال چگونه مقاومت در برابر جریان براده را کاهش دهیم.
سه راه حل مهم در کاهش مقاومت در برابر جریان براده وجود دارد:
۱٫ پرداختکاری دقیق و جلا دادن سطح بالای بازار
۲٫ سنگ زنی در جهت جریان براده
۳٫ انتخاب یک روان ساز مناسب که فرسایش بین جریان براده و سطح بالا را کاهش دهد.
از این سه راه حل، راه حل های اول و دوم معمولاً شکل گیری Crater را بیشتر به تأخیر می اندازند و باعث افزایش بیشتر طول عمر ابزار نسبت به راه حل سوم می شوند. حال به تجزیه و تحلیل این دو راه حل می پردازیم.
درجه پرداختکاری در سطح بالا در تشکیل Crater و طول عمر ابزار دخالت دارد.
اگر سطح بالایی ابزار توسط یک چرخ زبر و خشن سنگ زنی شود یک سری از شیارهای نسبتاً عمیق در سطح بالایی ابزار شکل می گیرد که به creating hills valleys معروفند(شکل ۴)
زمانی که نوک های hills باریک و نسبتاً کوچک هستند، سطح تماس براده با سطح بالایی ابزار بسیار جزیی است و در نتیجه مقاومت سطحی کمی در برابر جریان براده خواهیم داشت که این منجر به تأخیر در شکل گیری و رشد Crater می شود.
اما زمانی که نوک های hills در اثر جریان براده ساییده و خورده می شوند، سطح تماس براده با سطح بالایی ابزار افزایش می یابد که این منجر به رشد سریع Crater در سطح بالا می شود.
پرداختکاری دقیق می تواند شروع Crater را به تأخیر بیاندازد. شیارها در یک پرداختکاری دقیق خیلی کوچک و در عین حال بسیار زیاد هستند و براده برخلاف تعداد زیادی از نوک hills جریان می یابد. در این حال سطح تماس براده با سطح بالایی ابزار بسیار کم است و همین باعث به تأخیر افتادن شکل گیری و رشد Crater می شود.
جهت سنگ زنی در سطح بالا، تأثیر بسزایی در مقاومت در برابر جریان براده دارد.
برا این که یک مقاومت مینیمم را در برابر جریان براده داشته باشیم. باید خط های سنگ زنی در سطح بالایی ابزار جهش یکسان با جهت جریان براده داشته باشد.
اگر خط های سنگ زنی زاویه ای متضاد نسبت به جهت جریان براده داشته باشند باعث افزایش مقاومت در برابر جریان براده شده و در نتیجه شکل گیری و رشد Crater به همراه خواهند داشت.
در آزمایشاتی که به عمل آمد نشان داده شد در ابزارهایی که جهت سنگ زنی آنها با جهت جریان براده یکسان است، عمر آنها ۳۰% بیشتر از عمر ابزارهایی است که جهت سنگ زنی آنها برخلاف جهت جریان براده است.
ممکن است شرایطی بوجود آید که هم جهت سازی خط های سنگ زنی با جهت جریان براده بسیار مشکل باشد مانند ابزارهای فرم تراشی. در اینجا هم ممکن است کارهایی بتوانیم انجام دهیم که جهت این گونه خطاها(خط های سنگ زنی) را آنقدر تغییر دهیم که در جهت درست قرار گیرد. این عمل به وسیله سنگ زنی قسمت های نزدیک به لبه برشی انجام می شود که این موضوع در شکل (۵) نشان داده شده است.
برای کاستن زمان سنگ زنی، سنگ باید طوری قرار گیرد که زاویه آن با زاویه لبه برش ۱ تا ۳ درجه اختلاف داشته باشد. این عمل سطح باریکی را که حدوداً عرض آن in 1/0 می باشد به وجود می آورد. حرکت سنگ باید در جهت جریان براده باشد. این عمل تا زمانی که خط های سنگ زنی هم جهت با جریان براده شوند، باید ادامه پیدا کند.
در آخر پیشنهاد می شود که سنگ زنی همه شکل از ابزارها باید به صورت گفته شده انجام شود یعنی سعی کنیم خط های سنگ زنی در جهت جریان براده باشند که قیمت عرف ابزار و افزایش عمر ابزار را در این کار به دنبال خواهد داشت که بسیار باارزش و معتبر است. به علاوه پرداختکاری بهتر قطعه کار نیز نتیجه این کار است.