چگونه از ابزارهای برش الماس برای پردازش مواد سخت استفاده کنیم

درک ابزارهای برش الماس و اصول کارکرد آنها

ابزارهای برش الماس از سخت‌ترین ماده موجود برای کارهای دقیق در هنگام کار با مواد سخت مانند سرامیک، مواد کامپوزیتی و فلزات غیرآهنی استفاده می‌کنند. طراحی این ابزارها شامل الماس‌های مصنوعی است که به صورت توده‌های چندبلوری سازمان‌یافته‌اند و این امر خطر شکستگی را کاهش داده، در عین حال مقاومت بسیار بالایی در برابر سایش فراهم می‌کند. چیزی که این ابزارها را مؤثر می‌سازد، وابستگی آنها به سختی شگفت‌انگیز الماس با رتبه‌ای حدود ۱۰۰۰۰ HV در مقیاس ویکرز است. این امکان را فراهم می‌کند که ابزارها بتوانند مواد را در سطح میکروسکوپی برش دهند و در عین حال گرمای زیادی تولید نکنند؛ موضوعی که زمانی اهمیت پیدا می‌کند که با مواد ظریف یا حساس به حرارت کار می‌شود که به راحتی در دماهای بالا ترک خورده یا تغییر شکل می‌دهند.

ابزارهای برش الماس چیستند و چگونه کار می‌کنند؟

ابزارهای برش ساخته‌شده با الماس امروزه به دو شکل اصلی تولید می‌شوند: ماتریس‌های الماس کاملاً سینترشده یا آن‌هایی که در آن‌ها الماس بر روی زیرلایه‌ها متصل شده است. هنگام کار با مواد، لبه‌های الماسی به جای ذوب کردن، پیوندهای مواد کار را از طریق برش مکانیکی از هم جدا می‌کنند. این فرآیند سطوح بسیار صافی ایجاد می‌کند که گاهی تا حدود Ra 0.02 میکرومتر در کیفیت پرداخت نیز می‌رسد. در مقایسه با ابزارهای معمولی از جنس کاربید، ابزارهای الماسی در مواد ساینده حدود 10 تا 15 برابر طولانی‌تر تیزی خود را حفظ می‌کنند. چرا؟ زیرا الماس سختی شگفت‌انگیزی در حدود 90 گیگاپاسکال دارد و می‌تواند حرارت را با سرعتی در حدود 2000 وات بر متر کلوین هدایت کند. این بدین معناست که الماس در حین کار به‌خوبی حرارت را دفع می‌کند و این امر به حفظ عملکرد و عمر ابزار کمک می‌کند.

انواع ابزارهای برش الماسی: PCD، CVD و انواع پوشش‌دار الماس

سه نوع اصلی ابزار الماسی کاربردهای صنعتی را تحت‌الشعاع قرار داده‌اند:

1. الماس چندبلوری (PCD) — ذرات الماس سینترشده متصل‌شده به کاربید تنگستن، ایده‌آل برای برش‌های قطعی در مواد کامپوزیتی
2. ابزارهای الماسی CVD — لایه‌های الماس تک‌بلوری که از طریق رسوب شیمیایی بخار (CVD) رشد داده می‌شوند و در ماشین‌کاری فوق دقیق قطعات نوری استفاده می‌شوند
3. ابزارهای روکش‌دار با الماس — فیلم‌های نازک میکرونی الماس که از طریق روش HFCVD (رسوب شیمیایی بخار با فیلامنت داغ) روی زیرلایه‌های کاربیدی اعمال می‌شوند و راه‌حلی مقرون‌به‌صرفه برای فرزکاری سرامیک‌ها ارائه می‌دهند

ابزارهای PCD قادر به تحمل نیروهای برشی تا 700 نیوتن در مواد کامپوزیتی ماتریس فلزی هستند، در حالی که انواع CVD دقت ±0.5 میکرومتر را در قطعات هوافضایی به دست می‌آورند.

مکانیسم‌های برداشت مواد در ماشین‌کاری الماس

در پردازش مواد سخت، ابزارهای الماسی مواد را از طریق روش‌های زیر برمی‌دارند:

• برش حالت کشسان (برای سرامیک‌ها در عمق بحرانی کمتر از 0.2 میکرومتر)
• گسترش ترک‌های ریز در مواد شکننده مانند کاربید سیلیسیوم
• سایش ترموشیمیایی کاهش از طریق هدایت حرارتی بالای الماس

این عمل دوگانه مکانیکی و حرارتی، آسیب زیرسطحی را در مقایسه با سنگ‌زنی متداول به میزان ۶۰ تا ۸۰ درصد کاهش می‌دهد، همان‌طور که در آزمایش‌های فرزکاری زیرکونیا نشان داده شده است (یوان و همکاران، ۲۰۲۳).

ماشین‌کاری سرامیک‌ها، کامپوزیت‌ها و کامپوزیت‌های ماتریس فلزی با ابزارهای پوشش‌دار با الماس

ابزارهای روکش‌دار الماس زمانی که با مواد سختی مانند کاربید سیلیسیوم و سرامیک‌های آلومینا کار می‌کنید، تبدیل به امری ضروری شده‌اند، چون ابزارهای برش معمولی به سادگی نمی‌توانند با سطح سختی فوق‌العاده بالای آنها که حدود ۸ تا ۹٫۵ در مقیاس موهس است، کنار بیایند. این ابزارهای تخصصی موفق می‌شوند هنگام برش کامپوزیت‌های الیاف کربن که در ترمزهای خودرو استفاده می‌شوند، تحملات بسیار دقیقی در حدود مثبت یا منفی ۰٫۰۰۵ میلی‌متر را حفظ کنند که طبق تحقیقات انجمن مهندسی دقیق در سال ۲۰۲۳، این امر مشکلات جدایی مواد را در مقایسه با ابزارهای کاربیدی معمولی تقریباً به اندازه دو سوم کاهش می‌دهد. در مورد کامپوزیت‌های ماتریس فلزی مانند آلومینیوم مخلوط با کاربید سیلیسیوم، برش با الماس باعث می‌شود قطعات حتی زمانی که ماشین‌آلات بسیار داغ می‌شوند، گاهی اوقات بیش از ۴۰۰ درجه سانتی‌گراد، از نظر ابعادی پایدار بمانند. گزارش‌های صنعتی نشان می‌دهند که تولیدکنندگانی که به متهای انتهایی روکش‌دار الماس تغییر می‌دهند، معمولاً هزینه‌های تعویض ابزار خود را حدود یک سوم کاهش می‌دهند، هنگامی که مقادیر زیادی از قطعات کامپوزیتی تولید می‌کنند.

ماشینکاری فوق دقیق با ابزارهای الماس در صنایع هوافضا و پزشکی

صنعت هوافضا هنگام کار با تیغه‌های توربین اینکونل به ابزارهای الماس تک‌بلور متکی است و به پرداخت سطحی زیر Ra 0.2 میکرون دست می‌یابد که این امر باعث کاهش مقاومت هوا در حین پرواز می‌شود. در دستگاه‌های پزشکی، تولیدکنندگان از ابزارهای الماس چندبلوری یا PCD برای شکل‌دهی ایمپلنت‌های فقرات تیتانیومی استفاده می‌کنند. این ابزارها دقت موقعیت‌یابی حدود 3 میکرون را فراهم می‌کنند که به راحتی نیازهای FDA مبنی بر 5 میکرون برای سطوحی که با بدن تماس دارند را برآورده می‌سازد. طبق گزارش اخیر یکی از مؤسسات صنعتی در سال ۲۰۲۴، شرکت‌هایی که به ابزارهای الماسی منتقل شده‌اند، به بهره‌وری حدود ۲۸٪ بیشتر در فرآیند ماشینکاری لنزهای نوری دست یافته‌اند. این بهبود به آن‌ها اجازه می‌دهد تا به سطوح بسیار دقیقی از تخت‌بودن دست یابند که برای کاربردهای لیزری با دقت بالا ضروری است.

بهبود پرداخت سطح در ماشینکاری مواد سخت با استفاده از ابزارهای PCD

ابزارهای الماس چندبلوری (PCD) در فرزکاری کاربید تنگستن حدود ۴۰ درصد نسبت به گزینه‌های متداول پوشش‌دار CVD، زبری سطح را کاهش می‌دهند. این ابزارها قادر به دستیابی به مقادیر Ra کمتر از ۰٫۰۸ میکرومتر هستند که برای قالب‌ها و ماتریس‌هایی که نیاز به سطوح آینه‌ای دارند بسیار مهم است. در مورد PCDهای چندلایه که ذرات الماس بین ۸ تا ۱۲ میکرون دارند، عمر آنها نیز به‌طور قابل توجهی طولانی‌تر است. آزمایش‌ها نشان می‌دهند که این ابزارها عملکردی پایدار حفظ می‌کنند و کمتر از ۲ درصد تغییر در بافت سطحی در حدود ۱۲۰۰ چرخه برش در هنگام کار با پلاستیک‌های تقویت‌شده با الیاف شیشه دارند. عمر طولانی‌تر ابزار، آنها را به‌ویژه برای تولیدکنندگان مواد مرکب که در آن‌ها ثبات اهمیت بالایی دارد، ارزشمند می‌کند.

ارزیابی عملکرد و مقاومت در برابر سایش ابزارهای برشی پوشش‌دار الماس

روش‌های ارزیابی عملکرد برش: سایش لبه پشتی، آزمون‌های اصطکاک و آزمایش‌های فرزکاری

هنگام ارزیابی ابزارهای برش الماس، متخصصان صنعت معمولاً به سه عامل اصلی توجه می‌کنند: سایش پهلو، ضرایب اصطکاک و عملکرد آنها در عملیات فرزکاری واقعی. برای مثال، هنگام کار با مواد مرکب کاربید سیلیسیم، ابزارهای PCD تمایل دارند پس از حدود دو ساعت ماشین‌کاری مداوم، سایش پهلویی در حدود 0.02 میلی‌متر نشان دهند، که طبق تحقیقات پونمون از سال گذشته، این مقدار تقریباً 63 درصد بهتر از ابزارهای استاندارد کاربیدی است. آزمایش‌های انجام شده بر روی سرامیک زیرکونیا نیز چیز جالبی را نشان می‌دهند. متهای فرز پوشش‌دار الماسی در حین فرزکاری خشک، ضرایب اصطکاکی کمتر از 0.15 حفظ می‌کنند، بدین معنا که گرمای بسیار کمتری نسبت به نمونه‌های بدون پوشش تولید می‌کنند. این امر تفاوت چشمگیری در طول عمر ابزار و کیفیت قطعه کار ایجاد می‌کند.

رفتار سایش و ریزش پوشش در ابزارهای الماسی

لایه‌لایه‌شدن اصلی‌ترین حالت خرابی در پوشش‌های الماسی است، به‌ویژه هنگام ماشین‌کاری آلیاژهای آهنی. مطالعات متالورژیکی نشان می‌دهند که فرآیندهای بهینه‌شده رسوب بخار شیمیایی (CVD) با بهبود پیش‌تیمار زیرلایه، خطر لایه‌لایه‌شدن را تا ۳۸٪ کاهش می‌دهند. تحلیل انتشار ترک‌های ریز نشان می‌دهد که پوشش‌های چندلایه الماسی قبل از شکست در رابط، تحمل تنش برشی ۲۷٪ بالاتری نسبت به معادل تک‌لایه خود دارند.

استحکام شکست پوشش‌های الماسی در شرایط ماشین‌کاری با تنش بالا

در شرایط ماشین‌کاری با سرعت بالا (≥ 800 متر بر دقیقه)، پوشش‌های الماسی مقادیر استحکام شکستی بیش از ۸ مگاپاسکال روت متر را حفظ می‌کنند و یکپارچگی لبه را در فرآیند پردازش مواد شکننده حفظ می‌نمایند. آزمون پایداری حرارتی نشان می‌دهد این پوشش‌ها در دمای ۶۰۰ درجه سانتی‌گراد، ۹۱٪ از سختی دمای محیط خود را حفظ می‌کنند، در حالی که این مقدار برای ابزارهای کاربید تنگستن ۶۲٪ است.

عملکرد ابزار در شرایط ماشین‌کاری: تأثیر گرما و ارتعاش

مانیتورینگ ارتعاشات با فرکانس بالا در حین ماشین‌کاری پلیمر تقویت‌شده با الیاف شیشه نشان می‌دهد که مته‌های روکش‌دار با الماس دامنه ارتعاشات را نسبت به ابزارهای بدون پوشش ۴۴٪ کاهش می‌دهند. خواص میرایی ذاتی پوشش‌های الماسی، زبری سطح قطعه‌کار (Ra) را در عملیات فرزکاری آلومینیوم درجه هوافضا از ۱٫۲ میکرومتر به ۰٫۴ میکرومتر کاهش می‌دهد.

ابزارهای روکش‌دار با الماس در مقابل ابزارهای بدون پوشش: مقایسه عمر ابزار و مقاومت در برابر سایش

در آزمون‌های ماشین‌کاری مداوم بر روی کامپوزیت‌های الیاف کربن، مته‌های انگشتی روکش‌دار با الماس ۳٫۸ برابر طولانی‌تر از ابزارهای کاربیدی بدون پوشش دوام می‌آورند. اندازه‌گیری شعاع لبه نشان می‌دهد که پس از ۸ ساعت ماشین‌کاری تیتانیوم، تغییر شکل در نصب‌های روکش‌دار با الماس ۸۲٪ کمتر است و دقت برش را در تلرانس ±۲ میکرومتر حفظ می‌کند.

بهینه‌سازی رسوب‌گذاری پوشش الماس با فناوری HFCVD

چگونه HFCVD چسبندگی و یکنواختی پوشش الماس را افزایش می‌دهد

ترشح شیمیایی بخار با فیلامنت داغ، یا به اختصار HFCVD، کنترل بسیار بهتری برای تولیدکنندگان در هنگام رشد پوشش‌های الماس فراهم می‌کند، زیرا این روش به آن‌ها اجازه می‌دهد تا هم گازهای مورد استفاده و هم دمای ماده زیرلایه را دقیق تنظیم کنند. آزمایش‌ها روی ماشین‌کاری زیرکونیا نشان داد که پوشش‌های تولیدشده با این روش حدود ۳۴ درصد قوی‌تر به سطوح می‌چسبند تا روش‌های معمول CVD، مطابق تحقیقات منتشرشده در سال گذشته در مجله Materials Today. چیزی که HFCVD را متمایز می‌کند، توزیع بسیار یکنواخت آن روی ابزارهایی با اشکال پیچیده است که در تمام قطعه، تغییرات را کمتر از دو میکرومتر (مثبت و منفی) حفظ می‌کند و در عین حال لبه‌های بسیار تیز را نیز حفظ می‌نماید. مهندسان می‌توانند با تنظیم ترکیب متان و هیدروژن، چگالی پوشش را از مرز ۹۸ درصد فراتر ببرند که این امر به‌طور قابل توجهی از ایجاد ترک‌های ریز در شرایط خشن فرزکاری که ابزارها دائماً تحت تنش هستند، کاسته می‌شود.

عملکرد پوشش‌های الماس چندلایه، دولایه و تک‌لایه در فرزکاری سرامیک‌های زیرکونیا

مطالعات اخیر نشان می دهد تفاوت های عملکردی متمایز بین معماری های پوشش الماس هنگام ماشینکاری زرکون 3Y-TZP:

پوشش‌های چندلایه به دلیل توزیع برتر تنش، عمر ابزار را تا 40 درصد نسبت به نسخه‌های تک‌لایه افزایش می‌دهند. لایه‌های متناوب نانوبلورین و ریزبلورین، انرژی ارتعاش را مؤثرتر جذب کرده و تا 85 درصد از عمر عملیاتی ابزار، پرداخت سطحی با حداکثر عیوب ≤ 0.35 میکرومتر Ra را حفظ می‌کنند؛ این موضوع در آزمون‌های فرزکاری با سرعت بالا تأیید شده است.