معرفی سخت‌ترین اینسرت‌های تراشکاری
الماس‌های تراشکاری نوعی ابزار برشی هستند که از مواد بسیار سخت ساخته شده‌اند و برای براده‌برداری از سطوح فلزی، به ویژه فلزات سخت و آلیاژهای مقاوم، مورد استفاده قرار می‌گیرند. دلیل استفاده از آن‌ها، مقاومت بسیار بالایشان در برابر سایش، حرارت و فشار است. این ابزارها معمولا در صنایع سنگین، تولید قطعات هوافضا، خودروسازی و ساخت تجهیزات دقیق به کار می‌روند. هرچه سختی الماس بالاتر باشد، عملکرد آن در محیط‌های پرفشار و پرحرارت بهتر خواهد بود و عمر مفید آن نیز افزایش می‌یابد.
در ادامه، با چند مورد از سخت‌ترین اینسرت‌های تراشکاری که بر پایه الماس ساخته شده‌اند آشنا می‌شویم:
الماس تک بلوری (Single Crystal Diamond)
الماس تک بلوری یکی از سخت‌ترین مواد شناخته‌شده در جهان است. این نوع الماس دارای ساختار بلوری یکپارچه بوده و سختی آن در مقیاس موس برابر 10 است که بالاترین مقدار این مقیاس محسوب می‌شود. این نوع الماس مقاومت فوق‌العاده‌ای در برابر خراش، سایش و حرارت دارد و به همین دلیل در تراشکاری مواد بسیار سخت، به ویژه در صنایع الکترونیک و نوری که به دقت بالا نیاز دارند، مورد استفاده قرار می‌گیرد. البته باید توجه داشت که الماس تک بلوری در برابر شوک‌های مکانیکی بسیار حساس است و معمولا در ماشین‌کاری مواد غیرآهنی کاربرد دارد.
الماس PCD (Polycrystalline Diamond)
الماس PCD نوعی الماس چندبلوری است که از ذرات بسیار ریز الماس ساخته شده و این ذرات تحت فشار و حرارت بسیار بالا به یکدیگر فشرده شده‌اند. سختی این نوع الماس در مقیاس موس بین 9.5 تا 10 متغیر است.PCD نسبت به الماس تک بلوری مقاومت بیشتری در برابر ضربه دارد و به همین دلیل در ماشین‌کاری آلومینیوم، آلیاژهای مس، کامپوزیت‌ها و مواد غیرفلزی استفاده می‌شود. این نوع الماس عمر طولانی‌تری دارد و در برابر سایش بسیار مقاوم است.
الماس CBN (Cubic Boron Nitride)
اگرچه از نظر سختی کمی پایین‌تر از الماس طبیعی قرار دارد، اما CBN یکی از مناسب‌ترین انتخاب‌ها برای تراشکاری فولادهای سخت و مواد آهنی است. ساختار بلوری CBN بسیار پایدار است و به دلیل تحمل حرارت بالا و مقاومت در برابر شکست، در ماشین‌کاری‌های سنگین و مستمر استفاده می‌شود. برخلاف الماس که در دمای بالا با آهن واکنش می‌دهد، CBN این ضعف را ندارد و برای فولاد ابزار، چدن آلیاژی و آلیاژهای مقاوم به حرارت، گزینه‌ای ایده‌آل است.
الماس CBN (Cubic Boron Nitride)
الماس PCBN (Polycrystalline Cubic Boron Nitride)
PCBN نسخه‌ای از CBN است که به‌شکل چندبلوری ساخته می‌شود و ذرات CBN در یک ماتریس فلزی ترکیب شده‌اند. این ترکیب باعث افزایش مقاومت ابزار در برابر ضربه و استهلاک می‌شود. الماس‌های PCBN معمولاً برای برش‌های خشن و سنگین در صنعت خودروسازی، تجهیزات نظامی و ابزارسازی دقیق مورد استفاده قرار می‌گیرند. این نوع ابزارها عملکرد بسیار خوبی در تراشکاری خشک و بدون نیاز به روانکار دارند.
الماس تراشکاری PCBN
الماس های نانوکریستالی (Nano-Crystalline Diamond)
نوع نسبتاً جدیدی از الماس‌های تراشکاری که در برخی منابع تخصصی معرفی شده‌اند، الماس‌های نانوکریستالی هستند. این ابزارها از ذرات بسیار ریز (در مقیاس نانو) ساخته شده‌اند و ساختار یکنواخت‌تری نسبت به PCD دارند. نتیجه این ویژگی، مقاومت بالاتر در برابر سایش و اصطکاک کمتر در تماس با سطح قطعه است. این نوع الماس‌ها در ماشین‌کاری دقیق مواد نرم‌تر مانند سرامیک‌ها و پلیمرهای مهندسی کاربرد دارند و به دلیل سطح صاف‌تر، کیفیت نهایی سطح کار به مراتب بهتر است.
در مجموع، انتخاب نوع الماس بستگی به جنس قطعه کار، شرایط ماشین‌کاری و نوع فرآیند تولید دارد. اگر ماشین‌کاری با دقت بالا و در شرایط سخت مدنظرتان است، شناخت دقیق این ابزارها می‌تواند تفاوت زیادی در کیفیت و دوام فرآیند ایجاد کند.
عوامل تاثیرگذار بر سختی اینسرت تراشکاری
سختی اینسرت تراشکاری، یکی از مهم‌ترین پارامترهایی است که عملکرد، عمر مفید و کارایی ابزار را تعیین می‌کند. درک عوامل مؤثر بر این ویژگی، برای انتخاب اینسرت مناسب در کاربردهای مختلف صنعتی کاملاً ضروری است. در ادامه، مهم‌ترین فاکتورهای مؤثر بر سختی اینسرت‌ها را به صورت موردی و کامل بررسی می‌کنیم:
ساختار اتمی ماده پایه اینسرت
نوع پیوندهای شیمیایی: اینسرت‌هایی که از مواد فوق‌سخت مانند الماس یا CBN ساخته می‌شوند، دارای پیوندهای کووالانسی بسیار قوی هستند. این پیوندها با اشتراک‌گذاری الکترون‌ها، ساختاری بسیار پایدار و سخت ایجاد می‌کنند که مقاومت بالایی در برابر سایش و خراش دارد.
آرایش بلوری: در موادی مانند الماس، آرایش مکعبی فشرده (Face Centered Cubic) بین اتم‌های کربن، سختی بالایی ایجاد می‌کند. در CBN نیز ساختار بلوری مشابه ولی با اتم‌های بور و نیتروژن وجود دارد. این نظم در ساختار، پایه‌ای برای خواص مکانیکی ممتاز ابزار است.
وجود ناخالصی‌ها یا عناصر ترکیبی
ناخالصی‌هایی مانند فلزات سنگین یا اتم‌های ناهمگون که به‌صورت کنترل‌نشده وارد ساختار اینسرت می‌شوند، ممکن است نواحی ضعیف در بلور ایجاد کنند و سختی کلی اینسرت را کاهش دهند.
در مقابل، برخی ترکیبات خاص (مانند اتصال دهنده‌های کبالت در کاربیدها یا فلزات واسطه در PCBN) در صورت طراحی مهندسی شده، می‌توانند بهبود چقرمگی و پایداری حرارتی را نیز به همراه داشته باشند.
تنش‌های داخلی در ساختار اینسرت
تنش‌های پسماند ناشی از فرآیند تولید، به ویژه در ابزارهایی که با فشار و دمای بالا ساخته می‌شوند(مثل PCD و CBN)، می‌توانند ترک‌های میکروسکوپی یا ضعف‌های ساختاری ایجاد کنند.
همچنین عملیات‌هایی مانند برش، صیقل یا جوش‌کاری اینسرت‌ها به پایه نگهدارنده ممکن است باعث وارد شدن تنش‌های نامطلوب شود که در نهایت سختی و دوام ابزار را تحت تأثیر قرار می‌دهد.
جهت‌گیری بلوری در اینسرت‌های تک‌بلوری
در اینسرت‌های ساخته شده از مواد تک‌بلوری مانند الماس SC (Single Crystal)، سختی ممکن است وابسته به جهت برش باشد. جهت‌هایی که در آن‌ها پیوندهای قوی‌تر کووالانسی در امتداد نیرو قرار دارند، سختی بیشتری نشان می‌دهند.
بنابراین انتخاب جهت بلوری مناسب در ساخت ابزار، می‌تواند عملکرد آن را به شکل محسوسی بهبود دهد.
روش تولید اینسرت
روش HPHT (فشار و دمای بالا): در این روش، بلورهای الماس یا CBN در فشار بالا و دمای بالا سنتز می‌شوند. این فرآیند می‌تواند منجر به ساختارهای بلوری پایدار با سختی بالا شود ولی احتمال ایجاد تنش داخلی نیز وجود دارد.
روش CVD (رسوب بخار شیمیایی) :این روش برای تولید لایه‌های نازک از الماس یا سایر مواد سخت بر روی بستر فلزی به‌کار می‌رود. ابزارهای حاصل از این روش سختی بسیار بالا دارند و سطح آن‌ها بسیار صاف است، اما در برخی موارد شکنندگی آن‌ها بیشتر است.
پرس ایزواستاتیک گرم (HIP): در این روش ذرات ماده اولیه تحت فشار یکنواخت و دمای بالا فشرده می‌شوند که منجر به حذف تخلخل و افزایش سختی نهایی ابزار می‌شود.
اندازه دانه‌ها (در اینسرت‌های چندبلوری)
در ابزارهایی مانند PCD یا PCBN، اندازه دانه‌ها نقش مهمی در سختی نهایی ایفا می‌کند. دانه‌های ریزتر (نانوکریستال‌ها) تمایل بیشتری به اتصال یکنواخت دارند و سختی بالاتری ایجاد می‌کنند.
از سوی دیگر، دانه‌های بزرگ‌تر ممکن است چقرمگی بهتری ارائه دهند ولی از سختی آن‌ها کاسته شود. بنابراین ترکیب بهینه بین اندازه دانه و نوع اتصال‌دهنده، نتیجه‌ای مطلوب در پی خواهد داشت.
ترکیبات ماتریسی و اتصال‌دهنده‌ها
در بسیاری از اینسرت‌های تراشکاری، به ویژه انواع کامپوزیتی، ماتریس فلزی یا سرامیکی نقش مهمی در انتقال تنش‌ها و افزایش مقاومت ایفا می‌کند.
به عنوان مثال، در اینسرت‌های PCBN، ماتریس فلزی انتخاب شده باید هم توان چسبندگی بالا و هم مقاومت حرارتی خوبی داشته باشد تا سختی و دوام ابزار تضمین شود.
به طور کلی، سختی اینسرت تراشکاری تنها به نوع ماده اصلی آن وابسته نیست، بلکه نتیجه تعامل پیچیده‌ای از ساختار بلوری، ترکیب شیمیایی، روش ساخت و طراحی دقیق ابزار است.
محاسبه سختی الماس تراشکاری
برای سنجش سختی الماس‌های تراشکاری از روش‌های مختلفی استفاده می‌شود. تست Knoop (HK) یکی از رایج‌ترین روش‌ها است که با استفاده از سوزن الماسی و تحت فشار مشخص، سختی سطح را با دقت بالا اندازه‌گیری می‌کند. سختی الماس در این آزمون تا عدد 7000 HK می‌رسد که بیانگر مقاومت بسیار بالا در برابر سایش است. مقیاس موس (Mohs) نیز برای سنجش نسبی سختی کاربرد دارد؛ در این مقیاس، عدد 10 نشان‌دهنده حداکثر سختی و معادل با الماس است. در برخی موارد خاص، از روش‌هایی مانند ویکرز یا نانو‌سختی سنجی نیز استفاده می‌شود. انتخاب روش مناسب با توجه به به نوع الماس (تک‌بلور، PCD، CVD و…) و کاربرد آن تعیین می‌گردد. ترکیب نتایج این روش‌ها به تولیدکنندگان کمک می‌کند تا اینسرت‌هایی با عملکرد و دوام بالا طراحی کنند.