فرسایش ابزارهای برشی

[EN-EZEL 13,039]

از عوامل گفته شده در بالا، مهمترين آنها كه تأثير بسزايي در عمر ابزار دارد و به طور مستقيم با خود ابزار سر و كار دارد، دو نوع فرسايش اساسي در ابزار به نام Crater Wear Land است كه در ادامه اين مقاله سعي بر شناسايي و راه حلهاي جلوگيري از اين دو فرسايش شده است.

Wear Land:

اين نوع فرسايش ابتدا در سطح هاي آزاد ابزار برشي به وجود مي آيد كه با گذشت زمان، ناحيه وسيعي از نوك ابزار را در بر مي گيرد و با افزايش خوردگي و فرسايش ابزار و اصطكاك بين قطعه كار و نوك ابزار و به دنبال آن سوختگي نوك ابزار، نوك ابزار ترك برداشته و مي شكند.

Wear land خود به دو نوع تقسيم مي شود:

1. wear land يكنواخت

2. wear land غير يكنواخت

هر يك از اين دو نوع wear land در شكل(1) نشان داده شده اند.

يك wear land كه در عمق به صورت يكنواخت و بدون شيارهاي عميق است نشان مي دهد كه براده هايي كه باعث به وجود آمدن آن شده اند نازك هستند.

wear land يكنواخت حالت خوب و ايده آلي براي ابزار برشي محسوب مي شود و معمولاً ابزارهايي كه مواد با سختي كم را ماشينكاري مي كنند اين نوع فرسايش در آنها بوجود مي آيد.

بيشتر اوقات يك wear land يكنواخت زماني نمايان ميشود كه ابزار، داراي برشي پيوسته با عمق براده برداري كم مي باشد.

 

wear land غير يكنواخت نشانه اي از براده برداري غير پيوسته مي باشد و معمولاً در ابزارهايي كه مواد با سختي بالا را براده برداري مي كنند به وجود مي آيد. اين نوع فرسايش حاصل براده برداري با عمق زياد و سرعت برشي زياد مي باشد. حال به اين بحث مي پردازيم كه عمق مجاز براي يك wear land كه معيار شكست و در نتيجه عمر ابزار را تعيين مي كند تا چه مقداري مي تواند باشد و اين عمق چگونه اندازه گيري مي شود.

مباحث ارائه شده در اين مقاله حاصل مطالعات و تحقيقات Mr. Leo J.St. Clair در يكي از كارگاه هاي ماشينكاري واقع در ايالات متحده آمريكا مي باشد.

مطالعات انجام شده در زمينه سرعت سوختن نسوك ابزار نشان مي دهد مواد مختلف كه ماشينكاري مي شوند داراي نتيجه يكساني نيستند و سرعت سوختن نوك ابزار با يك سرعت يكنواختي انجام مي شود كه به صورت تصاعدي مي باشد. مقدار سوختن نوك ابزار بوسيله عمق weae land در كنار و آخر سطح آزاد ابزار اندازه گيري مي شود.

قطعات ماشينكاري شده در اين تحقيق، قطعات چدني مي باشد. ابزار برشي H.S.S (و ديگر ابزارهاي برشي نظير carbide) با عمق پيشروي in 02/0 ، ميانگين عمق برشي in و سرعت fmp 150 است.

تعداد قطعات ماشينكاري شده بر حسب هر in 01/0 عمق فرسايش در جدول(1) و شكل(2) نشان داده شده است. ابزار به طور كامل بعد از ماشينكاري 330 قطعه به طور كامل بعد شكسته مي شود كه معادل عمق wear land در اين زمان حدوداً in 06/0 است.

جدول(1) نشان مي دهد كه افزايش سرعت فرسايش بعد از اين كه عمق wear land از in 03/0تجاوز كرد، اتفاق مي افتد كه سرعت فرسايش از اين زمان به بعد تا 7 برابر سريع تر از سرعت فرسايش با عمق in 01/0 است.

ابزار حدوداً 75% عمر خود را قبل از مرحله اي كه عمق فرسايش به in 03/0 برسد، انجام مي دهد و مابقي عمر خود را يعني 25% باقيمانده را بعد از مرحله اي كه عمق فرسايش به in 03/0 مي رسد، انجام مي دهد. اين عمل مرزي را به وجود مي آورد. كه به طور قطع، غير اقتصادي است يعني مرزي به وجود مي آيد كه سرعت رسيدن به شكست عامل در اين مرز بسيار زياد است.

 

تحقيقات نشان مي دهد كه يك ابزار carbide زماني كه به 60/0 طول عمر خود(طول عمرابزار نقطه است كه مقدار wear land به in 06/0 برسد كه در اين هنگام شكست كامل ابزار رخ مي دهد) مي رسد و يك ابزار H.S.S يا ابزار آلياژي زماني كه به 70% طول عمر خود مي رسد بايد تعويض و سنگ زني شود و همان طور كه گفته شد اين موقعيت در جدول (1) و شكل (2) به صورت شماتيك نشان داده شده است(كه اين نتايج حاصل استفاده از ميكروسكوپ هاي نوري مي باشد.) در شكل (A-2) ملاحظه مي شود كه نقطه طول عمر اقتصادي براي ابزار H.S.S

مي شوند كه ابزار سنگ خورده باشد.

.

 

همچنين براي يك ابزار carbide نقطه تعويض ابزار وسنگ زني آن، حدود 60% عمر كل ابزار است كه در اين زمان 190 تا 200 قطعه ماشينكاري مي شود. دليل اين كه چرا يك ابزار carbide بايد زودتر از يك ابزار H.S.S و يا ابزار آلياژي سنگ زني شود آن است كه ابزار carbide داراي شكنندگي زيادتري مي باشد كه اين خاصيت شكنندگي بيشتر سبب مي شود هنگامي كه wear land عميق تر مي شود نوك ابزار به راحتي شكسته شود.

زماني كه wear land عميق تر مي شود فشار زيادي از طرف قطعه كار بر روي سطح wear land وارد مي شود و وقتي ابزار carbide باشد اين فشار به طور پيوسته شوكي را به وجود مي آورد كه باعث مي شود ابزار لب پر شود. لب پر شدن بدين معناست كه نوك ابزار شكسته مي شود و همان طور كه گفته شد اين دليل عمق زياد wear land و فشار پيوسته ناشي از قطعه كار بر روي سطح wear land مي باشد مطالب گفته شده در شكل(B-2) نشان داده شده است.لب پريدگي به ندرت در ابزارهاي H.S.S و آلياژي رخ مي دهد و اين به دليل سختي و چقرمگي خوب آنها مي باشد.

اگر شكستگي زياد باشد ابزار خوب و كاملاً غير قابل استفاده مي شود از اين رو به دليل آسيب زياد ناشي از فشار wear land ، نقطه برگشتي ابزار carbide براي سنگ زني بايد 60% طول عمرش باشد كه اين برخلاف مقدار 70% براي ابزارهاي برشي ديگر(H.S.S) مي باشد.

روش ديگري براي اندازه گيري عمق مجاز wear land وجود دارد كه بر اساس تعريف زير از عميق مجاز به دست مي آيد: ثابت نگه داشتن يك نقطه تعويض ابزار در توليد انبوه.

اين تعريف بدين معناست كه با در نظر گرفتن دقت كاري و قطعه كار و كيفيت سطح مورد نياز در توليد انبوه، آخرين قطعه اي كه داراي دقت و كيفيت لازم است را به عنوان نقطه تعويض ابزار و عمق wear land در اين زمان را عمق مجاز در نظر مي گيريم.

عمق مجاز wear land كه از فرسايش مخرب ابزار جلوگيري مي كند، به اندازه ابزار نيز بستگي دارد. يك ابزار توانايي پراكنده سازي گرمايي بهتري نيست به يك ابزار كوك دارد. از اين رو در ابزارهاي بزرگ به دليل پراكنده سازي گرمايي زياد و زمان زياد براي بالا رفتن دماي نوك ابزار، فرسايش به كندي انجام مي شود.

عمق مجاز wear land نسبت به اندازه ابزار در زير آمده است:

up to ½ (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 نزديكي نقطه پرداختكاري ابزار بيشتر از نقاط ديگر است.اين قسمت وخيم ترين قسمت لبه برشي است زيرا بيشتر گرما در اين قسمت متمركز است. از اين رو زماني كه wear land مشاهده مي شود بهتر است اندازه آن در نزديكي نقطه پرداختكاري ابزار اندازه گيري شود.

Crater

زماني كه براده با سطح بالايي ابزار تماس مي گيرد باعث به بوجود آمدن

فرورفتگي هايي در سطح بالايي ابزار، نزديك به لبه برشي مي شود. نيروهاي فرسايشي سخت كه در برابر جريان براده مقاومت مي كنند عامل به وجود آمدن اين نوع فرورفتگي ها هستند. اين نوع فرسايش را اصطلاحاً crater مي گويند.

رشد crater در ابتداي امر به كندي انجام مي گيرد اما با رسيدن به مقدار معيني، سرعت رشد افزايش مي يابد. اين به دليل افزايش زياد نيروهاي فرسايشي در سطح بالا مي باشد.

سطح زير وسخت بالايي ابزار مقاومت در برابر جريان براده را افزايش مي دهد و در نتيجه عمل فرسايش سريع تر انجام مي شود.

با ادامه اين عمل (فرسايش در سطح بالا)، Crater به سمت لبه برشي پيشرفت مي كند كه باعث مي شود شرايط لبه بسيار ضعيف شود و اين معمولاً شكست سخت لبه برش را به دنبال دارد. رشد يك Crater و تأثير آن در شكل (A-3) نشان داده شده است.

 

شكل(B-3) چندين تغيير مهم را كه در منطقه نزديك لبه برش، هنگامي كه Crater رخ مي دهد، نشان مي دهد.

اولين تغييري كه ايجاد مي شود اين است كه زاويه شيب برش(زاويه براده) از زاويه شيب مؤثر كمتر مي شود(زاويه شيب مؤثر، زاويه بين نقطه تلاقي جايي كه شعاع Crater با سطح تماس مي گيرد و سطح افقي را گويند) با افزايش عمق Crater اين زاويه مقداري بين 30 تا 50 درجه تغيير مي كند.

اندازه زياد زاويه شيب مؤثر، لبه ابزار را به مقدار زيادي ضعيف مي كند و غالباً باعث شكست لبه برش مي شود.

دومين تغييري كه انجام مي شود آن است كه شعاع براده كاهش مي يابد و باعث مي شود شعاع و اندازه Crater افزايش يابد.

در ابتداي انجام عمل برش غالباً خواهيم ديد كه براده در شعاع يا قوس بزرگ بوجود مي آيد اما هنگامي كه ابزار فرسوده مي شود شعاع براده كوچكتر مي شود و براده ها غالباً تكه تكه هستند. اين نشان ميدهد كه Crater بزرگتر و عميق تر شده است. بدين وسيله براده ها به صورت دايره هاي سخت از قطعه جدا مي شوند.

شكست ابزار غالباً در اين هنگام به وسيله اندازه براده پيش بيني مي شود. وقتي كه ابزار در نتيجه Crater در حال شكست است، طول براده كوچك مي باشد (غالباً يبن in تا in ) و بايد در اين هنگام از شكست كامل ابزار از طريق سنگ زني و پرداختكاري دقيق مجدد، جلوگيري كنيم.

سومين تغييري كه ديده مي شود آن است كه اندازه لبه built-up تغيير مي كند. وقتي Crater) كوچكتر مي شود.

اندازه لبه built-up به گسترش شيب مؤثر بستگي دارد. يعني اين كه وقتي Crater بزرگتر مي شود شيب مؤثر افزايش مي يابد كه در نتيجه اين عمل اندازه لبه built - up كاهش مي يابد.

ابزاري كه بتواند در برابر رشد Crater مقاومت زيادي داشته باشد، از طول عمر بيشتري نسبت به ابزاري كه مقاومت كمتري در براب Crater دارد، برخوردار مي باشد.

هر چيزي كه شروع و رشد يك Crater مقاومت زيادي داشته باشد، از طول عمر بيشتري نسبت به ابزاري كه مقاومت كمتري در برابر Crater دارد، برخوردار مي باشد.

هر چيزي كه شروع و رشد يك Crater را به تأخير بياندازد، در افزايش طول عمر ابزار مؤثر است.

چگونه شروع يك Crater را به تأخير بيندازيم؟

توسعه منطقه Crater بستگي زيادي به دو فاكتور دارد:

1. واحد فشار وارد بر لبه

2. مقاومت در برابر جريان براده

با مينيمم كردن اين دو عامل مي توانيم شروع يك Crater را و در نتيجه رشد آن را به تأخير بيندازيم.

واحد فشار وارد برلبه به مقدار براده برداري و زاويه برش بستگي دارد. وقتي براده برداري از قطعه كم و به صورت آهسته انجام شود، Crater نسبت به هنگامي كه براده برداري زياد است، نزديك تر به لبه برش شروع به شكل گيري مي كند. از اين رو با افزايش بار، Crater در فاصله زيادي از لبه برش شروع به شكل گيري و رشد مي كند و اين، زمان زيادي را مي خواهد تا اين كه رشد Crater براي لبه برشي مخرب باشد.(واحد فشار وارد بر لبه با نزديك شدن Crater به لبه برش افزايش مي يابد.)

مقدار زاويه برش تأثير قطعي در واحد فشار وارد بر لبه برش و از اين رو در شكل گيري Crater درمناطق دور از لبه برش باشد.)

بنابراين براي به تأخير انداختن شروع يك Crater زاويه برشي را تا حد امكان بايد افزايش داد.

مقاومت در برابر جريان براده شايد مهمترين عامل درتوسعه Crater باشد. هر چيزي كه بتواند اين مقاومت را كاهش دهد در شكل گيري Crater تأخير ايجاد مي كند و در نتيجه عمر ابزار را افزايش مي دهد. حال چگونه مقاومت در برابر جريان براده را كاهش دهيم.

سه راه حل مهم در كاهش مقاومت در برابر جريان براده وجود دارد:

1. پرداختكاري دقيق و جلا دادن سطح بالاي بازار

2. سنگ زني در جهت جريان براده

3. انتخاب يك روان ساز مناسب كه فرسايش بين جريان براده و سطح بالا را كاهش دهد.

از اين سه راه حل، راه حل هاي اول و دوم معمولاً شكل گيري Crater را بيشتر به تأخير مي اندازند و باعث افزايش بيشتر طول عمر ابزار نسبت به راه حل سوم مي شوند. حال به تجزيه و تحليل اين دو راه حل مي پردازيم.

درجه پرداختكاري در سطح بالا در تشكيل Crater و طول عمر ابزار دخالت دارد.

اگر سطح بالايي ابزار توسط يك چرخ زبر و خشن سنگ زني شود يك سري از شيارهاي نسبتاً عميق در سطح بالايي ابزار شكل مي گيرد كه به creating hills valleys معروفند(شكل 4)

 

زماني كه نوك هاي hills باريك و نسبتاً كوچك هستند، سطح تماس براده با سطح بالايي ابزار بسيار جزيي است و در نتيجه مقاومت سطحي كمي در برابر جريان براده خواهيم داشت كه اين منجر به تأخير در شكل گيري و رشد Crater مي شود.

اما زماني كه نوك هاي hills در اثر جريان براده ساييده و خورده مي شوند، سطح تماس براده با سطح بالايي ابزار افزايش مي يابد كه اين منجر به رشد سريع Crater در سطح بالا مي شود.

پرداختكاري دقيق مي تواند شروع Crater را به تأخير بياندازد. شيارها در يك پرداختكاري دقيق خيلي كوچك و در عين حال بسيار زياد هستند و براده برخلاف تعداد زيادي از نوك hills جريان مي يابد. در اين حال سطح تماس براده با سطح بالايي ابزار بسيار كم است و همين باعث به تأخير افتادن شكل گيري و رشد Crater مي شود.

جهت سنگ زني در سطح بالا، تأثير بسزايي در مقاومت در برابر جريان براده دارد.

برا اين كه يك مقاومت مينيمم را در برابر جريان براده داشته باشيم. بايد خط هاي سنگ زني در سطح بالايي ابزار جهش يكسان با جهت جريان براده داشته باشد.

اگر خط هاي سنگ زني زاويه اي متضاد نسبت به جهت جريان براده داشته باشند باعث افزايش مقاومت در برابر جريان براده شده و در نتيجه شكل گيري و رشد Crater به همراه خواهند داشت.

در آزمايشاتي كه به عمل آمد نشان داده شد در ابزارهايي كه جهت سنگ زني آنها با جهت جريان براده يكسان است، عمر آنها 30% بيشتر از عمر ابزارهايي است كه جهت سنگ زني آنها برخلاف جهت جريان براده است.

ممكن است شرايطي بوجود آيد كه هم جهت سازي خط هاي سنگ زني با جهت جريان براده بسيار مشكل باشد مانند ابزارهاي فرم تراشي. در اينجا هم ممكن است كارهايي بتوانيم انجام دهيم كه جهت اين گونه خطاها(خط هاي سنگ زني) را آنقدر تغيير دهيم كه در جهت درست قرار گيرد. اين عمل به وسيله سنگ زني قسمت هاي نزديك به لبه برشي انجام مي شود كه اين موضوع در شكل (5) نشان داده شده است.

براي كاستن زمان سنگ زني، سنگ بايد طوري قرار گيرد كه زاويه آن با زاويه لبه برش 1 تا 3 درجه اختلاف داشته باشد. اين عمل سطح باريكي را كه حدوداً عرض آن in 1/0 مي باشد به وجود مي آورد. حركت سنگ بايد در جهت جريان براده باشد. اين عمل تا زماني كه خط هاي سنگ زني هم جهت با جريان براده شوند، بايد ادامه پيدا كند. حدوداً 75% طول عمر ممكن ابزار است و بعد از ماشينكاري 250 قطعه از كل تعداد قطعات كه 330 قطعه است ابزار بايد سنگ زني شود و 80 قطعه آخر تحت شرايطي ماشين كاري به سمت لبه برشي پيش مي رود، اين لبه (built -up دارد. بزرگ شدن زاويه برش باعث كم شدن واحد فشار لبه ميشود(شايد دليلش همان شكل گيري Crater

در آخر پيشنهاد مي شود كه سنگ زني همه شكل از ابزارها بايد به صورت گفته شده انجام شود يعني سعي كنيم خط هاي سنگ زني در جهت جريان براده باشند كه قيمت عرف ابزار و افزايش عمر ابزار را در اين كار به دنبال خواهد داشت كه بسيار باارزش و معتبر است. به علاوه پرداختكاري بهتر قطعه كار نيز نتيجه اين كار است.