1. الخصائص الأساسية التي يجب أن تتمتع بها مواد الأدوات
يؤثر اختيار مواد الأدوات بشكل كبير على عمر الأداة وكفاءة المعالجة وجودة المعالجة وتكلفة المعالجة. عند القطع، يجب أن تتحمل الأدوات الضغط العالي ودرجة الحرارة العالية والاحتكاك والصدمات والاهتزازات. لذلك، يجب أن تتمتع مواد الأدوات بالخصائص الأساسية التالية:
(1) الصلابة ومقاومة التآكل. يجب أن تكون صلابة مادة الأداة أعلى من صلابة مادة قطعة العمل، وعادة ما تكون أعلى من 60HRC. كلما زادت صلابة مادة الأداة، كانت مقاومة التآكل أفضل.
(2) القوة والصلابة: يجب أن تتمتع مادة الأداة بقوة وصلابة عالية لتحمل قوة القطع والصدمات والاهتزازات، ومنع الكسر الهش وتقطيع الأداة.
(3) مقاومة الحرارة: يجب أن تتمتع مادة الأداة بمقاومة جيدة للحرارة، وأن تكون قادرة على تحمل درجات حرارة القطع العالية، وأن تتمتع بقدرة جيدة على مقاومة الأكسدة.
(4) أداء العملية والاقتصاد. يجب أن تتمتع مادة الأداة بأداء جيد في التشكيل، وأداء المعالجة الحرارية، وأداء اللحام، وأداء الطحن، وما إلى ذلك، ويجب أن تسعى إلى تحقيق نسبة أداء إلى سعر عالية.
2. أنواع وأداء وخصائص وتطبيقات مواد الأدوات
1. أنواع وخصائص وخصائص مواد الأدوات الماسية وتطبيقات الأدوات
الماس هو شكل متآصل من الكربون وهو أصعب مادة موجودة في الطبيعة. تتمتع أدوات الماس بصلابة عالية ومقاومة عالية للتآكل وموصلية حرارية عالية، وتُستخدم على نطاق واسع في معالجة المعادن غير الحديدية والمواد غير المعدنية. وخاصة في القطع عالي السرعة للألمنيوم وسبائك الألومنيوم السيليكونية، تعد أدوات الماس مجموعة أدوات القطع الرئيسية التي يصعب استبدالها. تعد أدوات الماس التي يمكنها تحقيق كفاءة عالية واستقرار عالٍ ومعالجة طويلة العمر أداة لا غنى عنها ومهمة في معالجة CNC الحديثة.
1) أنواع أدوات الماس
① أدوات الماس الطبيعي: تم استخدام الماس الطبيعي كأدوات قطع لمئات السنين. بعد الطحن الدقيق، يمكن أن تكون أداة الماس ذات البلورة المفردة الطبيعية حادة للغاية، مع نصف قطر حافة القطع يصل إلى 0.002μm، مما يمكن أن يحقق قطعًا فائق النحافة، ويمكنه معالجة دقة عالية للغاية لقطعة العمل وخشونة سطح منخفضة للغاية. إنها أداة تصنيع فائقة الدقة معترف بها ومثالية ولا يمكن الاستغناء عنها.
② أداة الماس PCD: الماس الطبيعي باهظ الثمن، وأكثر أنواع الماس استخدامًا في القطع هو الماس متعدد البلورات (PCD). منذ أوائل سبعينيات القرن العشرين، بعد التطوير الناجح لشفرات الماس متعدد البلورات (الماس متعدد البلورات، المشار إليه باسم PCD) المحضرة بواسطة تكنولوجيا التوليف عالية الحرارة والضغط العالي، تم استبدال أدوات الماس الطبيعي بالماس متعدد البلورات الاصطناعي في العديد من المناسبات. المواد الخام PCD وفيرة، وسعرها لا يتجاوز بضعة أعشار إلى عشرات الماس الطبيعي.
لا تستطيع أدوات PCD طحن الحواف الحادة للغاية، كما أن جودة سطح قطعة العمل المعالجة ليست جيدة مثل الماس الطبيعي. في الوقت الحاضر، ليس من السهل تصنيع شفرات PCD مع قواطع الرقائق في الصناعة. لذلك، لا يمكن استخدام PCD إلا للقطع الدقيق للمعادن غير الحديدية وغير المعدنية، ومن الصعب تحقيق قطع المرآة فائقة الدقة.
③ أدوات الماس CVD: ظهرت تقنية الماس CVD في اليابان منذ أواخر السبعينيات وأوائل الثمانينيات. يشير الماس CVD إلى تركيب فيلم الماس على ركيزة غير متجانسة (مثل كربيد الأسمنت والسيراميك وما إلى ذلك) عن طريق الترسيب الكيميائي للبخار (CVD). الماس CVD له نفس بنية وخصائص الماس الطبيعي.
إن أداء الماس CVD قريب جدًا من أداء الماس الطبيعي، فهو يتمتع بمزايا الماس البلوري الفردي الطبيعي والماس متعدد البلورات (PCD)، ويتغلب إلى حد ما على عيوبهما.
(2) خصائص أداء الأدوات الماسية
① صلابة عالية للغاية ومقاومة للتآكل: الماس الطبيعي هو أصعب مادة موجودة في الطبيعة. يتمتع الماس بمقاومة عالية للغاية للتآكل. عند معالجة مواد ذات صلابة عالية، تكون مدة خدمة أدوات الماس من 10 إلى 100 مرة من أدوات كربيد الأسمنت، أو حتى عدة مئات من المرات.
② معامل احتكاك منخفض للغاية: معامل الاحتكاك بين الماس وبعض المعادن غير الحديدية أقل من معامل الاحتكاك بين الأدوات الأخرى. معامل الاحتكاك المنخفض يعني تشوهًا أقل أثناء المعالجة، مما قد يقلل من قوة القطع.
③ حافة قطع حادة للغاية: يمكن شحذ حافة القطع الخاصة بأدوات الماس بشكل حاد للغاية. يمكن أن تكون أدوات الماس ذات البلورة المفردة الطبيعية حادة مثل 0.002-0.008μm، مما يمكنها من إجراء قطع فائق النحافة ومعالجة فائقة الدقة.
④ موصلية حرارية عالية جدًا: يتمتع الماس بموصلية حرارية عالية وانتشار حراري، ومن السهل تبديد حرارة القطع، ودرجة حرارة جزء القطع من الأداة منخفضة.
⑤ معامل التمدد الحراري المنخفض: معامل التمدد الحراري للماس أصغر بعدة مرات من معامل كربيد الأسمنت، والتغيير في حجم الأداة الناجم عن حرارة القطع صغير جدًا، وهو أمر مهم بشكل خاص للمعالجة الدقيقة والدقيقة للغاية مع متطلبات الدقة الأبعادية العالية.
(3) استخدامات الأدوات الماسية
تُستخدم أدوات الماس في الغالب في القطع والثقب الدقيق للمعادن غير الحديدية والمواد غير المعدنية بسرعات عالية. وهي مناسبة لمعالجة مختلف المعادن غير المعدنية المقاومة للتآكل، مثل الفراغات المعدنية المسحوقة البلاستيكية المقواة بألياف زجاجية، والمواد الخزفية، وما إلى ذلك؛ ومختلف المعادن غير الحديدية المقاومة للتآكل، مثل مختلف سبائك الألومنيوم والسيليكون؛ ومختلف تشطيبات المعادن غير الحديدية.
من عيوب أدوات الماس أنها تتمتع بثبات حراري ضعيف. فعندما تتجاوز درجة حرارة القطع 700 درجة إلى 800 درجة، فإنها تفقد صلابتها تمامًا؛ بالإضافة إلى ذلك، فهي غير مناسبة لقطع المعادن الحديدية، لأن الماس (الكربون) يتفاعل بسهولة مع ذرات الحديد عند درجات حرارة عالية، مما يحول ذرات الكربون إلى هياكل من الجرافيت، وبالتالي تتلف الأدوات بسهولة.
2. أنواع وخصائص وخصائص مواد الأدوات المكعبة المصنوعة من نيتريد البورون وتطبيقات الأدوات
نتريد البورون المكعب (CBN)، وهو مادة ثانية شديدة الصلابة يتم تصنيعها بطريقة مشابهة لطريقة تصنيع الماس، يأتي في المرتبة الثانية بعد الماس من حيث الصلابة والتوصيل الحراري. يتمتع بثبات حراري ممتاز ولا يتأكسد عند تسخينه إلى 10،000 درجة في الغلاف الجوي. يتمتع CBN بخصائص كيميائية مستقرة للغاية للمعادن الحديدية ويمكن استخدامه على نطاق واسع في معالجة المنتجات الفولاذية.
(1) أنواع أدوات نيتريد البورون المكعبة
نتريد البورون المكعب (CBN) هو مادة غير موجودة في الطبيعة. يمكن تقسيمه إلى بلورة واحدة ومتعددة البلورات، أي نتريد البورون المكعب أحادي البلورة CBN ومتعدد البلورات (PCBN باختصار). CBN هو أحد أشكال نتريد البورون (BN) وله بنية مشابهة للماس.
PCBN (نيتريد البورون المكعب متعدد البلورات) هو مادة متعددة البلورات يتم تصنيعها عن طريق تلبيد مواد CBN الدقيقة معًا من خلال مرحلة ربط (TiC وTiN وAl وTi وما إلى ذلك) تحت درجة حرارة عالية وضغط مرتفع. وهي حاليًا مادة الأدوات ذات الصلابة الثانية بعد الماس والتي يتم تصنيعها صناعيًا. ويشار إليها والماس بشكل جماعي باسم مواد الأدوات فائقة الصلابة. تُستخدم PCBN بشكل أساسي في صنع الأدوات أو الأدوات الأخرى.
يمكن تقسيم أدوات PCBN إلى شفرات PCBN متكاملة وشفرات PCBN مركبة متماسكة بكربيد أسمنتي.
يتم تصنيع شفرات PCBN المركبة عن طريق تلبيد طبقة من PCBN بسمك {{0}}.5-1.0 مم على كربيد أسمنتي يتمتع بقوة وصلابة جيدتين. يجمع أداؤها بين المتانة الجيدة والصلابة العالية ومقاومة التآكل. إنها تحل مشاكل قوة الانحناء المنخفضة واللحام الصعب لشفرات CBN.
(2) الخصائص والخصائص الرئيسية لنتريد البورون المكعب
على الرغم من أن صلابة نتريد البورون المكعب أقل قليلاً من صلابة الماس، إلا أنها أعلى بكثير من المواد الأخرى ذات الصلابة العالية. الميزة البارزة لـ CBN هي أن ثباتها الحراري أعلى بكثير من الماس، والذي يمكن أن يصل إلى أكثر من 1200 درجة (الماس هو 700-800 درجة). ميزة بارزة أخرى هي أنه خامل كيميائيًا ولا يتفاعل كيميائيًا مع الحديد عند 1200-1300 درجة. خصائص الأداء الرئيسية لنتريد البورون المكعب هي كما يلي.
① صلابة عالية ومقاومة للتآكل: البنية البلورية لـ CBN تشبه بنية الماس، ولها صلابة وقوة مماثلة للماس. PCBN مناسب بشكل خاص لمعالجة المواد ذات الصلابة العالية التي لا يمكن طحنها إلا من قبل، ويمكن الحصول على جودة أفضل لسطح قطعة العمل.
② ثبات حراري عالي: يمكن أن تصل مقاومة الحرارة لـ CBN إلى 1400-1500 درجة، وهو ما يزيد بنحو 1 مرة عن مقاومة الماس (700-800 درجة). يمكن لأدوات PCBN قطع السبائك عالية الحرارة والفولاذ المقوى بسرعة 3-5 مرات أعلى من سرعة أدوات الكربيد.
③ استقرار كيميائي ممتاز: لا يتفاعل كيميائيًا مع المواد الحديدية عند درجة حرارة 1200-1300، ولن يتعرض للتآكل بشكل حاد مثل الماس. في هذا الوقت، لا يزال بإمكانه الحفاظ على صلابة الكربيد؛ أدوات PCBN مناسبة لقطع أجزاء الفولاذ المقوى والحديد الزهر المبرد، ويمكن استخدامها على نطاق واسع في القطع عالي السرعة للحديد الزهر.
④ الموصلية الحرارية الجيدة: على الرغم من أن الموصلية الحرارية لـ CBN لا يمكنها اللحاق بالماس، إلا أنه من بين جميع أنواع مواد الأدوات، فإن الموصلية الحرارية لـ PCBN تأتي في المرتبة الثانية بعد الماس، وأعلى بكثير من الفولاذ عالي السرعة والكربيد.
⑤ معامل احتكاك منخفض: يمكن أن يؤدي معامل الاحتكاك المنخفض إلى تقليل قوة القطع، وانخفاض درجة حرارة القطع، وتحسين جودة السطح أثناء القطع.
(3) تطبيق أدوات نيتريد البورون المكعبة
يُعد نتريد البورون المكعب مناسبًا لإنهاء العديد من المواد التي يصعب قطعها مثل الفولاذ المقسى والحديد الزهر الصلب والسبائك عالية الحرارة وكربيد الأسمنت ومواد الرش السطحي وما إلى ذلك. يمكن أن تصل دقة التصنيع إلى IT5 (IT6 للثقوب)، ويمكن أن تكون قيمة خشونة السطح صغيرة مثل Ra1.25~0.20μm.
تتميز مواد الأدوات المصنوعة من نتريد البورون المكعب بصلابة ضعيفة وقوة انحناء ضعيفة. لذلك، فإن أدوات الخراطة المصنوعة من نتريد البورون المكعب ليست مناسبة للتشغيل الخشن بسرعة منخفضة وحمل تأثير عالي؛ وفي الوقت نفسه، فهي غير مناسبة لقطع المواد ذات اللدونة العالية (مثل سبائك الألومنيوم وسبائك النحاس وسبائك النيكل والصلب ذو اللدونة العالية، إلخ)، لأنه عند قطع هذه المعادن، سيتم إنشاء حافة متراكمة خطيرة، مما سيؤدي إلى تدهور السطح المخرط.
3. أنواع وخصائص وخصائص مواد الأدوات الخزفية وتطبيقات الأدوات
تتميز الأدوات الخزفية بصلابة عالية ومقاومة جيدة للتآكل ومقاومة ممتازة للحرارة واستقرار كيميائي، كما أنها لا تلتصق بالمعادن بسهولة. تحتل الأدوات الخزفية مكانة مهمة للغاية في تصنيع الآلات ذات التحكم الرقمي بالكمبيوتر. أصبحت الأدوات الخزفية واحدة من الأدوات الرئيسية للقطع عالي السرعة والمواد التي يصعب تصنيعها. تُستخدم الأدوات الخزفية على نطاق واسع في القطع عالي السرعة والقطع الجاف والقطع الصلب وقطع المواد التي يصعب تصنيعها. يمكن للأدوات الخزفية معالجة المواد الصلبة العالية التي لا تستطيع الأدوات التقليدية معالجتها على الإطلاق بكفاءة، وتحقيق "التحويل بدلاً من الطحن"؛ يمكن أن تكون سرعة القطع المثالية للأدوات الخزفية أعلى من سرعة أدوات كربيد الأسمنت بمقدار 2 إلى 10 مرات، وبالتالي تحسين كفاءة إنتاج القطع بشكل كبير؛ المواد الخام الرئيسية المستخدمة في مواد الأدوات الخزفية هي العناصر الأكثر وفرة في قشرة الأرض. لذلك، فإن الترويج للأدوات الخزفية وتطبيقها له أهمية كبيرة لتحسين الإنتاجية وتقليل تكاليف المعالجة وتوفير المعادن الثمينة الاستراتيجية، كما سيعزز بشكل كبير تقدم تكنولوجيا القطع.
(1) أنواع مواد الأدوات الخزفية
يمكن تقسيم مواد الأدوات الخزفية بشكل عام إلى ثلاث فئات: سيراميك قائم على الألومينا، وسيراميك قائم على نيتريد السيليكون، وسيراميك قائم على نيتريد السيليكون والألومينا. ومن بينها، تعد مواد الأدوات الخزفية القائمة على الألومينا ونيتريد السيليكون الأكثر استخدامًا. أداء السيراميك القائم على نيتريد السيليكون متفوق على أداء السيراميك القائم على الألومينا.
(2) أداء وخصائص الأدوات الخزفية
الخصائص الأداء للأدوات السيراميكية هي كما يلي:
① صلابة عالية ومقاومة جيدة للتآكل: على الرغم من أن صلابة الأدوات الخزفية ليست عالية مثل صلابة PCD وPCBN، إلا أنها أعلى بكثير من صلابة أدوات كربيد الأسمنت والفولاذ عالي السرعة، حيث تصل إلى 93~95HRA. يمكن للأدوات الخزفية معالجة المواد ذات الصلابة العالية والتي يصعب معالجتها بالأدوات التقليدية، وهي مناسبة للقطع عالي السرعة والقطع الصلب.
② مقاومة درجات الحرارة العالية ومقاومة الحرارة الجيدة: لا تزال الأدوات الخزفية قادرة على القطع عند درجات حرارة عالية تزيد عن 1200 درجة. تتمتع الأدوات الخزفية بخصائص ميكانيكية ممتازة في درجات الحرارة العالية. تتمتع الأدوات الخزفية Al2O3 بمقاومة أكسدة جيدة بشكل خاص. يمكن استخدام حافة القطع بشكل مستمر حتى في حالة السخونة الشديدة. لذلك، يمكن للأدوات الخزفية تحقيق القطع الجاف، وبالتالي القضاء على الحاجة إلى سائل القطع.
③ استقرار كيميائي جيد: الأدوات الخزفية ليس من السهل ربطها بالمعادن، وهي مقاومة للتآكل ومستقرة كيميائيًا، مما يمكن أن يقلل من تآكل ربط الأدوات.
④ معامل احتكاك منخفض: تتمتع الأدوات الخزفية بتقارب منخفض مع المعادن ومعامل احتكاك منخفض، مما يمكن أن يقلل من قوة القطع ودرجة حرارة القطع.
(3) تطبيقات الأدوات الخزفية
السيراميك هو أحد مواد الأدوات المستخدمة بشكل أساسي في التشطيب عالي السرعة وشبه التشطيب. الأدوات الخزفية مناسبة لقطع أنواع مختلفة من الحديد الزهر (الحديد الزهر الرمادي والحديد المطاوع والحديد الزهر القابل للطرق والحديد الزهر المبرد والحديد الزهر عالي السبائك المقاوم للتآكل) والفولاذ (الفولاذ الهيكلي الكربوني والفولاذ الهيكلي السبائكي والفولاذ عالي القوة والفولاذ عالي المنغنيز والفولاذ المطفأ وما إلى ذلك)، ويمكن استخدامها أيضًا لقطع سبائك النحاس والجرافيت والبلاستيك الهندسي والمواد المركبة.
تعاني مواد الأدوات الخزفية من مشاكل انخفاض قوة الانحناء وضعف صلابة التأثير، وهي غير مناسبة للقطع تحت سرعة منخفضة وحمل تأثير.
4. أداء وخصائص مواد الأدوات المطلية وتطبيق الأدوات
تعد أدوات الطلاء إحدى الطرق المهمة لتحسين أداء الأدوات. وقد أدى ظهور الأدوات المطلية إلى إحداث تقدم كبير في أداء قطع الأدوات. يتم تصنيع الأدوات المطلية عن طريق طلاء طبقة واحدة أو أكثر من المركبات المقاومة للحرارة ذات مقاومة التآكل الجيدة على جسم الأداة الصلب. وهي تجمع بين ركيزة الأداة والطلاء الصلب، وبالتالي تحسين أداء الأداة بشكل كبير. يمكن للأدوات المطلية تحسين كفاءة المعالجة، وتحسين دقة المعالجة، وإطالة عمر الأداة، وتقليل تكاليف المعالجة.
تستخدم حوالي 80% من أدوات القطع المستخدمة في أدوات الآلات CNC الجديدة أدوات مطلية. ستكون الأدوات المطلية أهم أنواع الأدوات في مجال معالجة CNC في المستقبل.
(1) أنواع الأدوات المطلية
اعتمادًا على طريقة الطلاء، يمكن تقسيم الأدوات المطلية إلى أدوات مطلية بالترسيب الكيميائي للبخار (CVD) وأدوات مطلية بالترسيب الفيزيائي للبخار (PVD). تستخدم أدوات الكربيد المطلية عمومًا الترسيب الكيميائي للبخار، ودرجة حرارة الترسيب حوالي 1000 درجة. تستخدم أدوات الفولاذ عالية السرعة المطلية عمومًا الترسيب الفيزيائي للبخار، ودرجة حرارة الترسيب حوالي 500 درجة.
وفقًا للمواد الأساسية المختلفة للأدوات المطلية، يمكن تقسيم الأدوات المطلية إلى أدوات مطلية بالكربيد، وأدوات مطلية بالفولاذ عالي السرعة، وأدوات مطلية على السيراميك والمواد فائقة الصلابة (الماس ونتريد البورون المكعب).
وفقًا لخصائص مواد الطلاء، يمكن تقسيم الأدوات المطلية إلى فئتين، وهما الأدوات المطلية "الصلبة" والأدوات المطلية "الناعمة". الهدف الرئيسي للأدوات المطلية "الصلبة" هو الصلابة العالية ومقاومة التآكل. مزاياها الرئيسية هي الصلابة العالية ومقاومة التآكل الجيدة. النموذجية هي طلاء TiC وTiN. هدف الأدوات المطلية "الناعمة" هو معامل الاحتكاك المنخفض، والمعروف أيضًا باسم الأدوات ذاتية التشحيم. معامل احتكاكها مع مادة قطعة العمل منخفض جدًا، حوالي 0.1 فقط، مما يمكن أن يقلل من الالتصاق، ويقلل الاحتكاك، ويقلل من قوة القطع ودرجة حرارة القطع.
في الآونة الأخيرة، تم تطوير أدوات مطلية بالنانو. يمكن لهذا النوع من الأدوات المطلية استخدام مجموعات مختلفة من مواد الطلاء المختلفة (مثل المعدن/المعدن، المعدن/السيراميك، السيراميك/السيراميك، إلخ) لتلبية متطلبات وظيفية وأداء مختلفة. يمكن للطلاءات النانوية المصممة بشكل معقول أن تجعل مواد الأدوات تتمتع بوظائف ممتازة مضادة للاحتكاك ومقاومة للتآكل وخصائص تشحيم ذاتية، وهي مناسبة للقطع الجاف عالي السرعة.
(2) خصائص الأدوات المطلية
الخصائص الأداء للأدوات المطلية هي كما يلي:
① أداء ميكانيكي وقطع جيد: تجمع الأدوات المطلية بين الخصائص الممتازة للمادة الأساسية ومادة الطلاء، مما يحافظ على الصلابة الجيدة والقوة العالية للمادة الأساسية مع وجود صلابة عالية ومقاومة عالية للتآكل ومعامل احتكاك منخفض للطلاء. لذلك، يمكن زيادة سرعة قطع الأدوات المطلية بأكثر من مرتين مقارنة بالأدوات غير المطلية، ويسمح بمعدل تغذية أعلى. كما يتم تحسين عمر الأدوات المطلية.
② تنوع قوي: تتمتع الأدوات المطلية بتنوع كبير وتوسع نطاق المعالجة بشكل كبير. يمكن لأداة واحدة مطلية أن تحل محل العديد من الأدوات غير المطلية.
③ سمك الطلاء: مع زيادة سمك الطلاء، ستزداد عمر الأداة، ولكن عندما يصل سمك الطلاء إلى التشبع، لن يزيد عمر الأداة بشكل كبير. عندما يكون الطلاء سميكًا جدًا، فمن السهل التسبب في التقشير؛ عندما يكون الطلاء رقيقًا جدًا، تكون مقاومة التآكل ضعيفة.
④ إعادة الطحن: إعادة طحن الشفرات المطلية رديئة، ومعدات الطلاء معقدة، ومتطلبات العملية عالية، ووقت الطلاء طويل.
⑤ مادة الطلاء: الأدوات ذات مواد الطلاء المختلفة لها أداء قطع مختلف. على سبيل المثال: طلاء TiC له ميزة في القطع بسرعة منخفضة؛ طلاء TiN أكثر ملاءمة للقطع بسرعة عالية.
(3) تطبيق الأدوات المطلية
تتمتع الأدوات المطلية بإمكانات كبيرة في مجال التصنيع باستخدام الحاسب الآلي وستكون أهم أنواع الأدوات في مجال التصنيع باستخدام الحاسب الآلي في المستقبل. تم تطبيق تقنية الطلاء على المطاحن الطرفية، والمثاقب، وأدوات تصنيع الثقوب المركبة، وقواطع تشكيل التروس، وقواطع حلاقة التروس، ودبابيس التشكيل، والملحقات القابلة للفهرسة المركبة على الآلة لتلبية احتياجات القطع عالي السرعة لمختلف أنواع الفولاذ والحديد الزهر، والسبائك المقاومة للحرارة والمعادن غير الحديدية.
5. أنواع وخصائص وخصائص وتطبيقات مواد الأدوات المصنوعة من الكربيد الأسمنتي
تعد أدوات كربيد الأسمنت، وخاصة أدوات كربيد الأسمنت القابلة للفهرسة، من المنتجات الرائدة لأدوات التصنيع باستخدام الحاسب الآلي. منذ ثمانينيات القرن العشرين، تم توسيع أنواع مختلفة من أدوات أو شفرات كربيد الأسمنت المتكاملة والفهرسة لتشمل مجالات أدوات القطع المختلفة. ومن بينها، توسعت أدوات كربيد الأسمنت القابلة للفهرسة من أدوات الخراطة البسيطة وقواطع الطحن إلى مجالات أدوات الدقة والمعقدة والتشكيل المختلفة.
(1) أنواع أدوات الكربيد الأسمنتية
وفقًا للتركيب الكيميائي الرئيسي، يمكن تقسيم كربيد الأسمنت إلى كربيد أسمنتي يعتمد على كربيد التنغستن وكربيد أسمنتي يعتمد على كربيد التيتانيوم (نتريد) (TiC (N)).
يشتمل كربيد التنغستن الأسمنتي على ثلاثة أنواع: نوع التنغستن والكوبالت (YG)، ونوع التنغستن والكوبالت والتيتانيوم (YT)، ونوع الكربيد النادر المضاف (YW). ولكل منها مزاياها وعيوبها. المكونات الرئيسية هي كربيد التنغستن (WC)، وكربيد التيتانيوم (TiC)، وكربيد التنتالوم (TaC)، وكربيد النيوبيوم (NbC)، إلخ. مرحلة الترابط المعدنية المستخدمة بشكل شائع هي Co.
كربيد التيتانيوم الأسمنتي القائم على كربيد التيتانيوم (نتريد) هو كربيد أسمنتي مع TiC كمكون رئيسي (بعضها يحتوي على كربيدات أو نتريدات أخرى مضافة)، ومراحل الترابط المعدنية المستخدمة بشكل شائع هي Mo و Ni.
تقسم منظمة ISO (المنظمة الدولية للمعايير) قطع كربيد الأسمنت إلى ثلاث فئات:
فئة K، بما في ذلك Kl0~K40، وهو ما يعادل فئة YG في بلدي (المكون الرئيسي هو WC-Co).
فئة P، بما في ذلك P01~P50، وهي تعادل فئة YT الخاصة ببلدي (المكون الرئيسي هو WC-TiC-Co).
الفئة M، بما في ذلك M10~M40، وهي تعادل فئة YW في بلدي (المكون الرئيسي هو WC-TiC-TaC(NbC)-Co).
يتم تمثيل كل علامة تجارية برقم يتراوح بين 01 و 50 لتمثيل سلسلة من السبائك من الصلابة العالية إلى أقصى قدر من المتانة.
(2) خصائص أداء الأدوات المصنوعة من الكربيد الأسمنتي
الخصائص الأداء لأدوات كربيد الأسمنت هي كما يلي:
① صلابة عالية: أدوات كربيد الأسمنت مصنوعة من كربيدات (تسمى الطور الصلب) ذات صلابة عالية ونقطة انصهار وموثق معدني (يسمى طور الترابط) من خلال مسحوق المعادن. تصل صلابتها إلى 89-93HRA، وهي أعلى بكثير من الفولاذ عالي السرعة. عند 5400 درجة، لا تزال الصلابة يمكن أن تصل إلى 82-87HRA، وهي نفس صلابة الفولاذ عالي السرعة في درجة حرارة الغرفة (83-86HRA). تختلف قيمة صلابة كربيد الأسمنت حسب طبيعة وكمية وحجم الجسيمات ومحتوى طور الترابط المعدني للكربيدات، وتنخفض عمومًا مع زيادة محتوى طور المعدن الرابط. عندما يكون محتوى طور الترابط هو نفسه، تكون صلابة سبيكة YT أعلى من صلابة سبيكة YG، والسبائك المضاف إليها TaC (NbC) لها صلابة أعلى في درجات الحرارة العالية.
② قوة الانحناء والصلابة: تتراوح قوة الانحناء لكربيد الأسمنت المستخدم بشكل شائع في نطاق 900-1500 ميجا باسكال. كلما زاد محتوى طور الترابط المعدني، زادت قوة الانحناء. عندما يكون محتوى المادة الرابطة هو نفسه، تكون قوة سبيكة نوع YG (WC-Co) أعلى من قوة سبيكة نوع YT (WC-TiC-Co)، وتقل القوة مع زيادة محتوى TiC. الكربيد الأسمنتي مادة هشة، ومتانته للصدمات في درجة حرارة الغرفة هي 1/30 إلى 1/8 فقط من صلابة الفولاذ عالي السرعة.
(3) تطبيق أدوات كربيد الأسمنت الشائعة الاستخدام
تُستخدم سبائك نوع YG بشكل أساسي في معالجة الحديد الزهر والمعادن غير الحديدية والمواد غير المعدنية. تتمتع كربيد الأسمنت ذو الحبيبات الدقيقة (مثل YG3X وYG6X) بصلابة ومقاومة للتآكل أعلى من تلك الحبيبات المتوسطة عندما يكون محتوى الكوبالت هو نفسه. وهي مناسبة لمعالجة بعض الحديد الزهر الصلب الخاص والفولاذ المقاوم للصدأ الأوستنيتي والسبائك المقاومة للحرارة وسبائك التيتانيوم والبرونز الصلب والمواد العازلة المقاومة للتآكل.
تتمثل المزايا البارزة لكربيد الأسمنت من النوع YT في الصلابة العالية، والمقاومة الجيدة للحرارة، والصلابة الأعلى وقوة الضغط عند درجات الحرارة العالية مقارنة بنوع YG، ومقاومة الأكسدة الجيدة. لذلك، عندما تكون الأداة مطلوبة لمقاومة الحرارة العالية ومقاومة التآكل، يجب اختيار درجة ذات محتوى TiC أعلى. سبائك YT مناسبة لمعالجة المواد البلاستيكية مثل الفولاذ، ولكنها ليست مناسبة لمعالجة سبائك التيتانيوم وسبائك الألومنيوم السيليكونية.
تتمتع سبائك YW بخصائص كل من سبائك YG وYT وتتمتع بخصائص شاملة جيدة. يمكن استخدامها لمعالجة الفولاذ والحديد الزهر والمعادن غير الحديدية. إذا تم زيادة محتوى الكوبالت في هذا النوع من السبائك بشكل مناسب، يمكن أن تكون القوة عالية جدًا ويمكن استخدامها للمعالجة الخشنة والقطع المتقطع لمختلف المواد التي يصعب معالجتها.
6. أنواع وخصائص وتطبيقات الأدوات الفولاذية عالية السرعة
الفولاذ عالي السرعة (HSS) هو فولاذ أداة عالي السبائك بكمية كبيرة من عناصر السبائك مثل W وMo وCr وV. تتمتع أدوات الفولاذ عالي السرعة بأداء شامل ممتاز من حيث القوة والصلابة وقابلية المعالجة. لا يزال الفولاذ عالي السرعة يحتل مكانة رئيسية في الأدوات المعقدة، وخاصة في تصنيع أدوات معالجة الثقوب وقواطع الطحن وأدوات الخيوط والمخاريط وأدوات قطع التروس والأدوات الأخرى ذات أشكال الشفرة المعقدة. أدوات الفولاذ عالي السرعة سهلة شحذ حافة القطع.
وفقًا لاستخدامات مختلفة، يمكن تقسيم الفولاذ عالي السرعة إلى فولاذ عالي السرعة للأغراض العامة وفولاذ عالي السرعة عالي الأداء.
(1) أدوات فولاذية عالية السرعة للأغراض العامة
الفولاذ عالي السرعة للأغراض العامة. بشكل عام، يمكن تقسيمه إلى فئتين: فولاذ التنغستن وفولاذ التنغستن والموليبدينوم. يحتوي هذا النوع من الفولاذ عالي السرعة على 0.7% إلى 0.9% من التنغستن. وفقًا لمحتوى التنغستن المختلف في الفولاذ، يمكن تقسيمه إلى فولاذ التنغستن الذي يحتوي على 12% أو 18% W، وفولاذ التنغستن والموليبدينوم الذي يحتوي على 6% أو 8% W، وفولاذ الموليبدينوم الذي يحتوي على 2% أو لا يحتوي على W. يتمتع الفولاذ عالي السرعة للأغراض العامة بصلابة معينة (63-66HRC) ومقاومة للتآكل وقوة وصلابة عالية ومرونة جيدة وتكنولوجيا معالجة، لذلك يتم استخدامه على نطاق واسع في تصنيع أدوات معقدة مختلفة.
① فولاذ التنغستن: الدرجة النموذجية لفولاذ التنغستن عالي السرعة للأغراض العامة هي W18Cr4V (مختصر باسم W18)، والذي يتميز بأداء شامل جيد. صلابة درجات الحرارة العالية عند 6000 درجة هي 48.5HRC، والتي يمكن استخدامها لتصنيع أدوات معقدة مختلفة. يتميز بمزايا القدرة على الطحن الجيدة وحساسية منخفضة لإزالة الكربنة، ولكن بسبب محتوى الكربيد العالي، والتوزيع غير المتساوي، والجسيمات الكبيرة، والقوة المنخفضة والصلابة.
② فولاذ التنغستن والموليبدينوم: يشير إلى فولاذ عالي السرعة يتم الحصول عليه عن طريق استبدال جزء من التنغستن في فولاذ التنغستن بالموليبدينوم. الدرجة النموذجية لفولاذ التنغستن والموليبدينوم هي W6Mo5Cr4V2 (مختصر باسم M2). جزيئات الكربيد في M2 دقيقة وموحدة، وقوتها ومتانتها ومرونة درجات الحرارة العالية أفضل من W18Cr4V. فولاذ التنغستن والموليبدينوم الآخر هو W9Mo3Cr4V (مختصر باسم W9)، والذي يتمتع بثبات حراري أعلى قليلاً من فولاذ M2، وقوة انحناء ومتانة أفضل من W6M05Cr4V2، ولديه قابلية تشغيل جيدة.
(2) أدوات فولاذية عالية الأداء وعالية السرعة
يشير الفولاذ عالي الأداء وعالي السرعة إلى نوع جديد من الفولاذ يضيف بعض محتوى الكربون ومحتوى الفاناديوم وعناصر السبائك مثل Co وAl إلى التركيبة العامة للفولاذ عالي السرعة، وبالتالي تحسين مقاومته للحرارة ومقاومة التآكل. هناك الفئات التالية بشكل أساسي:
① فولاذ عالي الكربون وعالي السرعة. يتمتع الفولاذ عالي الكربون وعالي السرعة (مثل 95W18Cr4V) بصلابة عالية في درجة حرارة الغرفة ودرجات الحرارة العالية. وهو مناسب لتصنيع أدوات معالجة الفولاذ العادي والحديد الزهر، والمثاقب، والمثاقب، والصنابير وقواطع الطحن ذات متطلبات مقاومة التآكل العالية، أو معالجة المواد الأكثر صلابة. وهو غير مناسب للتأثيرات الكبيرة.
② فولاذ عالي السرعة يحتوي على نسبة عالية من الفاناديوم. الدرجات النموذجية، مثل W12Cr4V4Mo (المختصر باسم EV4)، تحتوي على 3%~5% V، وتتمتع بمقاومة جيدة للتآكل، وهي مناسبة لقطع المواد شديدة التآكل بسبب الأدوات، مثل الألياف والمطاط الصلب والبلاستيك، إلخ. ويمكن أيضًا استخدامها لمعالجة الفولاذ المقاوم للصدأ والفولاذ عالي القوة والسبائك عالية الحرارة.
③ فولاذ الكوبالت عالي السرعة. إنه فولاذ فائق الصلابة عالي السرعة يحتوي على الكوبالت. تتمتع الدرجات النموذجية، مثل W2Mo9Cr4VCo8 (المختصر باسم M42)، بصلابة عالية، ويمكن أن تصل صلابتها إلى 69~70HRC. وهي مناسبة لمعالجة المواد التي يصعب معالجتها مثل الفولاذ المقاوم للحرارة عالي القوة، والسبائك عالية الحرارة، وسبائك التيتانيوم، وما إلى ذلك. يتمتع M42 بقدرة طحن جيدة ومناسب لصنع أدوات دقيقة ومعقدة، ولكنه غير مناسب للعمل في ظروف القطع بالصدمة.
④ فولاذ الألمنيوم عالي السرعة. وهو فولاذ فائق الصلابة عالي السرعة يحتوي على الألمنيوم. وتشمل الدرجات النموذجية W6Mo5Cr4V2Al (يُختصر باسم 501). وتصل صلابته في درجات الحرارة العالية عند 6000 درجة إلى 54HRC. وأداء القطع الخاص به يعادل M42. وهو مناسب لتصنيع قواطع الطحن والمثاقب والمخرطة وقواطع التروس والمخارط وما إلى ذلك. ويُستخدم في معالجة الفولاذ السبائكي والفولاذ المقاوم للصدأ والفولاذ عالي القوة والسبائك عالية الحرارة.
⑤ فولاذ فائق الصلابة وعالي السرعة يحتوي على النيتروجين. تشمل الدرجات النموذجية W12M03Cr4V3N (المختصر باسم (V3N)). وهو فولاذ فائق الصلابة وعالي السرعة يحتوي على النيتروجين. صلابته وقوته ومتانته تعادل M42. ويمكن استخدامه كبديل للفولاذ عالي السرعة المحتوي على الكوبالت ويُستخدم في القطع منخفض السرعة للمواد التي يصعب معالجتها والمعالجة عالية الدقة منخفضة السرعة.
(3) صهر الفولاذ عالي السرعة ومسحوق الفولاذ عالي السرعة
وفقا لعمليات التصنيع المختلفة، يمكن تقسيم الفولاذ عالي السرعة إلى فولاذ عالي السرعة المنصهر وفولاذ عالي السرعة مسحوق المعادن.
① صهر الفولاذ عالي السرعة: يتم تصنيع الفولاذ العادي عالي السرعة والفولاذ عالي الأداء عالي السرعة بطرق الصهر. يتم تحويلها إلى أدوات قطع من خلال عمليات مثل الصهر وصب السبائك والطلاء والدرفلة. المشكلة الخطيرة التي تحدث بسهولة عند صهر الفولاذ عالي السرعة هي فصل الكربيد. يتم توزيع الكربيدات الصلبة والهشة بشكل غير متساوٍ في الفولاذ عالي السرعة، وتكون الحبيبات خشنة (تصل إلى عشرات الميكرون)، مما يؤثر سلبًا على مقاومة التآكل والصلابة وأداء القطع لأدوات الفولاذ عالي السرعة.
② مسحوق الصلب عالي السرعة (PM HSS): مسحوق الصلب عالي السرعة (PM HSS) هو سائل فولاذي منصهر في فرن حث عالي التردد، والذي يتم ذرّه بالأرجون عالي الضغط أو النيتروجين النقي، ثم يتم تبريده بسرعة للحصول على بنية بلورية دقيقة وموحدة (مسحوق الصلب عالي السرعة). ثم يتم ضغط المسحوق الناتج في قطعة سكين تحت درجة حرارة عالية وضغط مرتفع، أو يتم تصنيعه أولاً في قطعة فولاذية ثم يتم تزويره ولفه في شكل أداة. بالمقارنة مع الفولاذ عالي السرعة الذي يتم تصنيعه بطريقة الصهر، يتمتع PM HSS بمزايا حبيبات الكربيد الدقيقة والموحدة، وقوة وصلابة ومقاومة للتآكل أعلى بكثير من صهر الفولاذ عالي السرعة. في مجال أدوات CNC المعقدة، ستتطور أدوات PM HSS بشكل أكبر وتحتل مكانة مهمة. يمكن استخدام الدرجات النموذجية، مثل F15، FR71، GFl، GF2، GF3، PT1، PVN، وما إلى ذلك، لتصنيع أدوات القطع كبيرة الحجم والثقيلة التحميل وعالية التأثير، ويمكن أيضًا استخدامها لتصنيع أدوات القطع الدقيقة.
مبادئ اختيار مواد أدوات CNC
حاليًا، تشتمل مواد أدوات CNC المستخدمة على نطاق واسع على أدوات الماس وأدوات نيتريد البورون المكعبة والأدوات الخزفية والأدوات المطلية وأدوات الكربيد وأدوات الفولاذ عالية السرعة. هناك العديد من درجات مواد الأدوات، ويختلف أداؤها بشكل كبير. تظهر مؤشرات الأداء الرئيسية لمواد الأدوات المختلفة في الجدول التالي.
يجب اختيار مواد الأدوات المستخدمة في عمليات التصنيع باستخدام الحاسب الآلي وفقًا لقطعة العمل التي يتم تصنيعها وطبيعة التصنيع. ويجب أن يتوافق اختيار مواد الأدوات بشكل معقول مع كائن التصنيع. يشير توافق مواد أدوات القطع وأشياء التصنيع بشكل أساسي إلى توافق الخصائص الميكانيكية والخصائص الفيزيائية والخصائص الكيميائية لكليهما للحصول على أطول عمر للأداة وأقصى إنتاجية للقطع.
1. مطابقة الخواص الميكانيكية لمواد أدوات القطع وأدوات التصنيع
تتعلق مشكلة مطابقة الخصائص الميكانيكية لأدوات القطع وأشياء التصنيع بشكل أساسي بمطابقة معلمات الخصائص الميكانيكية مثل القوة والمتانة وصلابة مواد الأدوات وقطع العمل. مواد الأدوات ذات الخصائص الميكانيكية المختلفة مناسبة لتصنيع مواد قطع عمل مختلفة.
① The order of tool material hardness is: diamond tool> cubic boron nitride tool> ceramic tool> cemented carbide>الفولاذ عالي السرعة.
② The order of bending strength of tool materials is: high-speed steel> cemented carbide> ceramic tool>أداة من الماس ونيتريد البورون المكعب.
③ The order of toughness of tool materials is: high-speed steel> cemented carbide>أداة مكعبة من نتريد البورون والماس والسيراميك.
يجب معالجة مواد قطع العمل ذات الصلابة العالية بأدوات ذات صلابة أعلى. يجب أن تكون صلابة مادة الأداة أعلى من صلابة مادة قطعة العمل، وعادةً ما تكون أعلى من 60HRC. كلما زادت صلابة مادة الأداة، كانت مقاومتها للتآكل أفضل. على سبيل المثال، عندما يزيد محتوى الكوبالت في كربيد الأسمنت، تزداد قوته ومتانته، وتقل صلابته، وهو مناسب للمعالجة الخشنة؛ عندما ينخفض محتوى الكوبالت، تزداد صلابته ومقاومته للتآكل، وهو مناسب للمعالجة الدقيقة.
الأدوات ذات الخصائص الميكانيكية الممتازة في درجات الحرارة العالية مناسبة بشكل خاص للقطع عالي السرعة. الأداء الممتاز في درجات الحرارة العالية للأدوات الخزفية يمكّنها من القطع بسرعات عالية، ويمكن زيادة سرعة القطع المسموح بها بمقدار 2 إلى 10 مرات مقارنة بكربيد الأسمنت.
2. مطابقة الخصائص الفيزيائية لمواد أداة القطع مع الأشياء المعالجة
الأدوات ذات الخصائص الفيزيائية المختلفة، مثل أدوات الفولاذ عالية السرعة ذات الموصلية الحرارية العالية ونقطة الانصهار المنخفضة، والأدوات الخزفية ذات نقطة الانصهار العالية والتمدد الحراري المنخفض، وأدوات الماس ذات الموصلية الحرارية العالية والتمدد الحراري المنخفض، وما إلى ذلك، مناسبة لمعالجة مواد قطع العمل المختلفة. عند معالجة قطع العمل ذات الموصلية الحرارية الضعيفة، يجب استخدام مواد الأدوات ذات الموصلية الحرارية الأفضل للسماح بنقل حرارة القطع بسرعة وتقليل درجة حرارة القطع. يتمتع الماس بموصلية حرارية عالية وانتشار حراري، لذلك يمكن تبديد حرارة القطع بسهولة دون التسبب في تشوه حراري كبير، وهو أمر مهم بشكل خاص لأدوات التصنيع الدقيقة ذات متطلبات الدقة الأبعادية العالية.
① درجة مقاومة الحرارة لمواد الأدوات المختلفة: 700-8000 درجة لأدوات الماس، 13000-15000 درجة لأدوات PCBN، 1100-12000 درجة لأدوات السيراميك، 900-11000 درجة لكربيد أسمنتي قائم على TiC(N)، 800-9000 درجة لكربيد أسمنتي ذو حبيبات دقيقة للغاية قائم على WC، و600-7000 درجة لكربيد أسمنتي عالي السرعة.
② The order of thermal conductivity of various tool materials: PCD>PCBN>WC-based cemented carbide>TiC(N)-based cemented carbide>HSS>Si3N4-based ceramics>سيراميك يعتمد على Al2O3-.
③The thermal expansion coefficients of various tool materials are in the following order: HSS>WC-based carbide>TiC(N)>Al2O3-based ceramics>PCBN>Si3N4-based ceramics>PCD.
④The thermal shock resistance of various tool materials is in the following order: HSS>WC-based carbide>Si3N4-based ceramics>PCBN>PCD>TiC(N)-based carbide>سيراميك يعتمد على Al2O3-.
3. مطابقة الأداء الكيميائي لمواد أدوات القطع وأشياء المعالجة
تتعلق مشكلة مطابقة الأداء الكيميائي لمواد أدوات القطع وأشياء المعالجة بشكل أساسي بمعلمات الأداء الكيميائي مثل التقارب الكيميائي والتفاعل الكيميائي والانتشار والذوبان لمواد الأدوات ومواد قطعة العمل. الأدوات المصنوعة من مواد مختلفة مناسبة لمعالجة مواد قطعة العمل المختلفة.
①The anti-adhesion temperature of various tool materials (with steel) is: PCBN>ceramics>carbide>HSS.
②The anti-oxidation temperature of various tool materials is: ceramics>PCBN>carbide>diamond>HSS.
③ The diffusion strength of various tool materials (for steel) is: diamond>Si3N4-based ceramics>PCBN>Al2O3-based ceramics. The diffusion strength (for titanium) is: Al2O3-based ceramics>PCBN>SiC>Si3N4>الماس.
4. اختيار معقول لمواد أدوات CNC
بشكل عام، تعد أدوات PCBN والسيراميك والكربيد المطلي وأدوات الكربيد القائمة على TiCN مناسبة لتصنيع المعادن الحديدية مثل الفولاذ باستخدام الحاسب الآلي؛ بينما تعد أدوات PCD مناسبة لتصنيع المواد المعدنية غير الحديدية مثل Al وMg وCu وسبائكها والمواد غير المعدنية. يوضح الجدول التالي بعض مواد قطع العمل المناسبة للتصنيع باستخدام مواد أدوات مختلفة.