سنگ زنی فولاد ابزار
سنگ زنی فولاد ابزار
مقدمه :
فولاد ابزار حاوی مقادیر قابل توجهی از عناصر آلیاژی مانند منگنز، کروم، مولیبدن، تنگستن، وانادیوم و نیکل است که این موجب سخت تر شدن فرایند سنگ زنی این دسته از فولادها نسبت به سایر فولادها میشود. لذا انتخاب ابزار مناسب جهت ماشینکاری فولادهای ابزار میبایست با دقت انجام گیرد.
ترکها و تنشهای ناشی از سنگزنی :
فولادهای ابزار (شامل HSS و PM) : اجزای آلیاژی فولادهای ابزار تأثیر زیادی بر قابلیت سنگزنی آنها دارند. طیف فولادهای ابزار و فولادهای تندبر از فولادهای کم آلیاژ تا فولادهای بسیار آلیاژی را شامل میشود.
سنگزنی فولادهای ابزار کم آلیاژ به ندرت مشکلی ایجاد میکند. با این حال، هنگام سنگزنی فولادهای ابزار پر آلیاژ و HSS با کاربید بالا، میتواند مشکلاتی رخ دهد. به همین دلیل پارامترهای سنگزنی باید با دقت انتخاب شوند. هرچه مقاومت سایشی یک فولاد بیشتر باشد سنگزنی آن دشوارتر است. مقاومت سایشی یک ماده با سختی اولیه فولاد و اندازه و نسبت کاربیدهای موجود در آن تعیین میشود.
برای افزایش مقاومت سایشی فولاد ابزار، فولاد با عناصر کاربیدزا، عمدتاً تنگستن، مولیبدن و وانادیوم، آلیاژی میشود. همچنین میزان کربن فولاد باید در حد نسبتاً بالا باشد تا کاربید تشکیل شود. فقط نیترید بور و الماس از تمام کاربیدهای موجود در فولاد ابزار سختتر هستند. با این حال، الماس برای سنگزنی فولاد مناسب نیست.
تعداد و اندازه کاربیدهای موجود در یک فولاد تأثیر زیادی بر قابلیت سنگزنی آن دارد. هرچه کاربیدهای بیشتری وجود داشته باشد و بزرگتر باشند، سنگزنی دشوارتر خواهد بود. به همین دلیل، فولادهای متالورژی پودری که کاربیدهای کوچکتری دارند، سنگزنی آسانتری نسبت به فولادهای ذوبی با ترکیب مشابه دارند.
برای دستیابی به عملکرد خوب هنگام سنگزنی فولادهای ابزار کاربیدی پرآلیاژ، انتخاب چرخ سنگزنی مناسب بسیار مهم است. به عنوان مثال، فولادهای MICROCLEAN حاوی مقدار زیادی کاربید تنگستن، مولیبدن و وانادیوم هستند. برای برش این کاربیدها، به سایندهای سختتر از کوراندوم یا کاربید سیلیکون نیاز است. بنابراین، برای این نوع فولادها، چرخهای سنگزنی نیترید بور عمدتاً توصیه میشوند. با این وجود، فولادهای MICROCLEAN را میتوان با استفاده از کوراندوم یا کاربید سیلیکون سنگزنی کرد، اما ماتریس فولادی اطراف کاربیدها در حالی که کاربیدها از ماتریس جدا میشوند سنگزنی میشود. این امر باعث سایش زیاد چرخ سنگزنی و همچنین خطر نتایج سنگزنی ضعیف میشود.
انتخاب چرخ سنگزنی اشتباه، خطر قابل توجهی از تشکیل ترک در قطعه کار ایجاد میکند. ترکهای سنگزنی معمولاً به راحتی شکل ۲ قابل مشاهده نیستند. به عنوان یک قاعده، برای دیدن ترکها، قطعه باید زیر میکروسکوپ یا با استفاده از یک مایع نافذ رنگی بررسی شود. همچنین میتوان از حکاکی گرم با ۵۰٪ HCl در دمای ۷ درجه سانتیگراد و زمان خیساندن ۲۰ دقیقه برای قابل مشاهده کردن ترکهای سنگزنی استفاده کرد.
ترکهای سنگزنی معمولاً به صورت عمود بر جهت حرکت سنگزنی ایجاد میشوند و اغلب به این معنی هستند که قطعه کار باید اسقاط شود. ترکهای سنگزنی در فولادهای ابزاری سختکاریشده، راحتتر از فولادهای سختکارینشده رخ میدهند. فولاد ابزار یا فولاد تندبر (High-speed steel) که سختکاری شده اما تمپر (بازپخت) نشده باشد، هرگز نباید سنگزنی شود. فولادهای ابزاری و تندبرِ سختکاریشده، همیشه باید پیش از انجام عملیات سنگزنی، تمپر (بازپخت) شوند.
علت اصلی ایجاد ترکهای سنگزنی را میتوان به صورت زیر توضیح داد:
تقریباً تمام انرژی مصرفشده برای سنگزنی به گرما تبدیل میشود که بخشی از آن ناشی از اصطکاک و بخشی ناشی از تغییر شکل (دفرماسیون) ماده است. اگر چرخ سنگزنی (سنگ سایش) مناسب انتخاب شده باشد، بیشتر این انرژی به صورت گرما توسط تراشهها (برادهها) دفع میشود و تنها مقدار کمی از آن باعث گرم شدن قطعه کار میگردد.
اگر یک فولاد ابزار یا فولاد تندبر که سختکاری و تمپر شده است، به طور نادرست سنگزنی شود، سطح سنگزنی میتواند آنقدر داغ شود که از دمای تمپر فولاد فراتر رود. این امر سختی سطح را کاهش میدهد. اگر دما همچنان افزایش یابد حتی ممکن است به نقطه آستنیته شدن برسد و باعث سخت شدن مجدد شود. این ناحیه سطحی دوباره سخت شده، همانطور که در شکل 3 نشان داده شده است، شامل مارتنزیت تمپر نشده و آستنیت باقیمانده است. تنشهای بسیار بالایی رخ میدهد که منجر به تشکیل ترک میگردد. شکل ۴ پروفیل سختی در ناحیه سطح یک ابزار ساخته شده از BÖHLER K110 که به طور نامناسب سنگزنی شده است را نشان میدهد. در اینجا سنگزنی نامناسب باعث سخت شدن مجدد فوق الذکر شده است. به دلیل مارتنزیت تمپر نشده، سطح سختی بالایی دارد. مستقیماً در زیر سطح، ناحیهای وجود دارد که سختی آن کمتر از سختی پایه فولاد ابزار است زیرا از دمای تمپر تجاوز شده است.
سنگزنی نامناسب که منجر به این تغییر شکل سطح میشود، اغلب با تغییر رنگ (سوختگی) و سوختگی روی سطح سنگ زنی شده قابل تشخیص است. برای جلوگیری از سوختگی و ترکهای سنگزنی، دمای قسمت سنگزنی شده باید پایین نگه داشته شود، مثلا با خنکسازی. همچنین باید از چرخهای سنگزنی با پوشش مناسب که فولاد ابزار را با لبههای تیز برش میدهند استفاده شود، زیرا در غیر این صورت توسط اصطکاک، گرمای بیش از حد ایجاد میشود.
میزان آستنیت فولاد ابزار سختکاری و تمپر شده یا فولاد تندبر میتواند تأثیر قابل توجهی بر نتایج سنگزنی داشته باشد. سطح بالای آستنیت خطر تشکیل ترک در حین سنگزنی را افزایش میدهد. در بیشتر فرآیندهای سنگزنی، تنشهای مضاعف در ناحیه سطح سنگ زنی شده ایجاد میشوند.
این تنشها معمولاً درست در زیر سطح بیشترین مقدار را دارند و میتوانند باعث تغییر شکل دائمی قطعه شوند، به خصوص هنگام سنگزنی سطوح نازک. مثالهای موجود در شکلهای ۴ و ۵ نشان میدهند که بیشترین خطر ایجاد ترک از سنگزنی نامناسب ناشی میشود. تنشهای کششی در ناحیه سطح، زمانی که از استحکام کششی فولاد بیشتر شوند، باعث ایجاد ترک در قطعه میشوند. خطر ایجاد ترک با سنگزنی مناسب کمتر است – تنشهای سطحی فشاری هستند که میتواند طول عمر قطعه را افزایش دهد.
سنگزنی نامناسب که منجر به این تغییر شکل سطح میشود، اغلب با تغییر رنگ (سوختگی) و سوختگی روی سطح سنگ زنی شده قابل تشخیص است. برای جلوگیری از سوختگی و ترکهای سنگزنی، دمای قسمت سنگزنی شده باید پایین نگه داشته شود، مثلا با خنکسازی. همچنین باید از چرخهای سنگزنی با پوشش مناسب که فولاد ابزار را با لبههای تیز برش میدهند استفاده شود، زیرا در غیر این صورت توسط اصطکاک، گرمای بیش از حد ایجاد میشود.
میزان آستنیت فولاد ابزار سختکاری و تمپر شده یا فولاد تندبر میتواند تأثیر قابل توجهی بر نتایج سنگزنی داشته باشد. سطح بالای آستنیت خطر تشکیل ترک در حین سنگزنی را افزایش میدهد. در بیشتر فرآیندهای سنگزنی، تنشهای مضاعف در ناحیه سطح سنگ زنی شده ایجاد میشوند.
این تنشها معمولاً درست در زیر سطح بیشترین مقدار را دارند و میتوانند باعث تغییر شکل دائمی قطعه شوند، به خصوص هنگام سنگزنی سطوح نازک. مثالهای موجود در شکلهای ۴ و ۵ نشان میدهند که بیشترین خطر ایجاد ترک از سنگزنی نامناسب ناشی میشود. تنشهای کششی در ناحیه سطح، زمانی که از استحکام کششی فولاد بیشتر شوند، باعث ایجاد ترک در قطعه میشوند. خطر ایجاد ترک با سنگزنی مناسب کمتر است – تنشهای سطحی فشاری هستند که میتواند طول عمر قطعه را افزایش دهد.
ترکیب چرخ سنگ زنی(یا صفحه سنگ) :
به طور کلی، یک چرخ سنگ زنی شامل موارد زیر است:
• ساینده
• چسب
• تخلخل (Pores): همان فضاهای خالی بین دانههای ساینده و چسب.
برخی از چرخهای سنگزنی مخصوص، مانند چرخهایی که با الماسهای پیوند فلزی ساخته شدهاند هیچ منفذی ندارند. ترکیب و نسبت ذرات ذکر شده در بالا، خواص سنگزنی یک چرخ را تعیین میکند. ترکیب یک چرخ سنگزنی با یک مشخصه استاندارد تایید شده توسط ISO تعریف میشود. این مشخصه شامل یک توالی تعریف شده از حروف و ارقام است که نشان دهنده ماده ساینده، اندازه دانه، سختی و چسب است.
مثال: A46 H V : ساینده A / اندازه دانه ۴۶ / سختی H / چسب V
ساینده :
در حال حاضر سه نوع ساینده اصلی برای سنگزنی فولادهای ابزار و HSS استفاده میشود:
الف) کوراندوم نام A
ب) کاربید سیلیکون نام C
ج) نیترید بور نام B
الف) کوراندوم : کوراندوم اغلب به عنوان ساینده برای سنگزنی آهن و فولاد استفاده میشود و به اشکال مختلف موجود است. میتوان آن را با اکسیدهای دیگر، معمولاً با اکسید تیتانیوم، آلیاژ کرد.
به عنوان مثال، 31A – مخلوطی از کوراندوم سفید معمولی، نیمه ترد و ذوبشده
57A – کوراندوم ذوبشده صورتی
54A – کوراندوم ذوبشده سفید با چسب سبز
متأسفانه رنگ چرخ سنگزنی همیشه نوع ساینده را نشان نمیدهد، زیرا برخی از تولیدکنندگان سایندهها و چسبهای خود را رنگ میکنند. در سالهای اخیر، کوراندوم زینتر شده(به عنوان مثال 93A)، نوع جدیدی از کوراندوم با ساختار کریستالی ریز، توسعه یافته است. این ماده به ساینده خاصیت خود تیزشوندگی ویژهای میدهد. فشار ایجاد شده در حین سنگزنی باعث ریزتکه شدن میشود که به طور مداوم لبههای برش جدید و تیزی ایجاد میکند.
به منظور بهرهگیری کامل از پتانسیل عملکرد بالای این ساینده، شرکت وینترتور(Winterthur) یک چسب کاملاً تنظیمشده تولید کرده که به طور کامل از خواص خودتیزشوندگی ساینده بهره میبرد.
خواص کوراندوم متخلخل :
• نرخ فرسایش بالا، زمان چرخه(cycle time) کوتاه
• عمر طولانی چرخ
• عملکرد سنگزنی پایدار و نیروهای سنگزنی کم
• پایداری ابعادی خوب
• سنگزنی خنک تر به دلیل چسب و ساختار هماهنگ
• فواصل طولانیتر پرداخت به دلیل عمر طولانی
ب) کاربید سیلیکون (SiC) :
کاربید سیلیکون اغلب به عنوان ساینده برای سنگ زنی چدن خاکستری، کاربیدها، پلاستیک، شیشه، فلزات غیر آهنی و فولادهای زنگ نزن آستنیتی استفاده میشود، اگرچه میتوان از آن برای فولادهای ابزار سخت شده با سختی بالا تا 65HRC نیز استفاده کرد.
دو نوع کاربید سیلیکون : دو نوع کاربید سیلیکون وجود دارد کاربید سیلیکون سیاه (با شناسه C) و کاربید وون سبز تا حدودی سختتر (با شناسه 11C). که نسبت به نوع سیاه شکنندهتر است.