أدوات القطع من السرمت

أ ب ت ث ج ح خ د ذ ر ز س ش ص ض ط ظ ع غ ف ق ك ل م ن هـ و ي

أدوات القطع من السرمت

ادوات قطع من سرمت

Cermet cutting tools - Outils de coupe en cermet

شروط استخدام مادة السرمت في قطع المعادن	السرمت
الخراطة بلقم سرمت	لمحة عن تطور مادة السرمت
التفريز بلقم سرمت	الاستخدامات المختلفة للسرمت
الاهتراء والتشوه في أدوات القطع من السرمت	تركيب مادة السرمت

السرمت

السرمت cermet مادة مركبة من حبيبات خزفية ممزوجة بمعدن حاضن. تراوح النسبة الحجمية للخزف ما بين 25-90 %. أما قطر هذه الحبيبات فهو أكبر من 1 ميكرون. يتم الارتباط بين المواد المؤلفة للسرمت نتيجة الانحلال الجزيئي الصغير فيما بينها، ومع ذلك فإن بعض المركبات مثل أكاسيد المعادن تبدي ارتباطاً ضعيفاً بين الأطوار مما يتطلب إضافة عناصر رابطة إضافية. تنتج قطع السرمت بتقانة تعدين الأذرة، وتمتلك هذه المواد مجالاً واسعاً من الخواص تبعاً للتركيب والتناسب في الحجم بين المعدن والخزف. ويمكن أن يستخدم السرمت على شكل ذرور لتغطية القطع المختلفة.

لمحة عن تطور مادة السرمت

الشكل (1) أنواع من حوامل لقم السرمت

يعدّ السرمت من المواد التي ازداد استخدامها في السنوات الأخيرة على الرغم من أن مادة كربيد التيتانيوم استُحدثت عام 1926م من قبل هاوزر Hauzer في سويسرا. وكانت في البداية مادة هشة جداً. وقد طور العلماء الألمان بعد الحرب العالمية الثانية أكاسيد مختلفة أساسها مادة السرمت بديلاً من خلائط معدنية، بهدف استخدامها في الأجزاء الأكثر تعرضاً للحرارة مثل المحركات النفاثة الجديدة، وفي تصنيع الشفرات التوربينية.

وفي ستينيات القرن العشرين توصلت شركة أمريكية إلى إدخال مادة السرمت في صناعة المحركات، وكانت المادة مُركَّبة من TiC-(Ni,Mo) ، وتفوقت في مقاومة الاهتراء والتأكل في أثناء تشغيل المواد الحديدية وغير الحديدية، ولاسيما دورها المؤثر في قطع المعادن بسرعات عالية.

وقد تم التوصل إلى مادة تزيد قساوتها أربع مرات على قساوة كربيد التيتانيوم وأقل قابلية لتشغيل المعادن ولحامها على حوامل أدوات القطع مقارنة مع الخزف. وفي الوقت نفسه كانت مادة السرمت على أساس من كربيد التنغستين - المتصف بقساوة أكبر ومتانة حد قطع أعلى- أو على أساس أن كربيد التيتانيوم قد أخذت مكانها بوصفها أول منتج من هذا الصنف من السرمت في مجال قطع المعادن في منتصف الستينيات من القرن الماضي. وكان من المفترض أن يتصف السرمت بشروط أفضل ليدخل بفعالية مادة أساسية في قطع المعادن وتم التوصل إلى ذلك في العقد التاسع من القرن العشرين.

جاءت هذه التحسينات التصميمية على هيئة لقم لأدوات القطع واحتلت مكانتها المهمة في مجال قطع المعادن، حيث دخلت سوق الإنتاج بعد أن تم تصنيعها وتسويقها وفق تصنيف منظمة التقييس الدولي «الإيزو»ISO، بوصفها علامة تجارية لشركات معروفة في سوق إنتاج أدوات القطع، وبُذلت جهود لتصميم وإنتاج حوامل خاصـة للقم السرمت وغيرها من اللقـم الكربيديـة الأخـرى (الشكل 1).

الاستخدامات المختلفة للسرمت:

بسبب تمتع السرمت بمواصفات متقدمة في مقاومته للاهتراء واستقراره الكيميائي وثبات مواصفاته الميكانيكية، فإنه يستخدم في إنتاج المقاومات الكهربائية، ولاسيما مقاييس الجهد الكهربائي والمكثفات والقطع الكهربائية التي تعمل بدرجات حرارة مرتفعة، كما تستخدم بعض أنواع السرمت في حماية سفن الفضاء من آثار الاصطدام بالشهب العالية السرعة، ومن آثار الاصطدام ببقايا النفايات الموجودة في المدارات الفضائية، حيث يؤدي السرمت دوراً أكثر فاعلية من المواد التقليدية التي كانت تستخدم في إكساء سفن الفضاء سابقاً كالألمنيوم وغيرها، وفي تصنيع شفرات العنفات التوربينية التي تتعرض للحرارة المرتفعة، وفي تصنيع المحركات النفاثة التي تتعرض لضغط جريان عالٍ وحرارة مرتفعة. ويستعمل السرمت في مجال طب الأسنان موادّ مالئة في جراحة تعويض الأسنان أو ترميمها. ومن الاستخدامات الرئيسية لمادة السرمت أيضاً استخدامها في تصنيع بعض أنواع أدوات قطع المعادن منافساً لكربيد التنغستين، وفي صناعة أقراص المناشير، وأدوات القطع المثبتة على الحوامل ميكانيكياً أو باللحام.

الجدول(1)ء

تسلسل

مجموعة السرمت

الخزف

المعدن الرابط

الاستخدامات

كربيدات

كربيد التنغستين

كربيد التيتانيوم

كربيد الموليبدينيوم

كربيد الكروم

كوبالت

كوبالت، موليبدينيوم، تنغستين

كوبالت (أو نيكل)

نيكل

أدوات القطع

قوالب سحب الأسلاك

أكاسيد

أكسيد الألمنيوم

أكسيد المغنيزيوم

أكسيد الكروم

الكوبالت أو الكروم

مغنيزيوم، ألمنيوم أو كوبالت

الكروم

قطع المحرك النفاث وغيرها من الاستخدامات التي تتطلب تحمل الحرارة العالية

البوريدات

بوريد التيتانيوم

بوريد الكروم

بوريد الموليبدينيوم

الكوبالت أو النيكل

النيكل

رؤوس أدوات القطع

تركيب مادة السرمت:

السرمت منتج مكون من جزيئات قاسية من كربيد التيتانيوم TiC، أو نتروكربيد التيتانيوم TiCN أو نترات التيتانيوم TiN التي حلت مكان كربيد التنغستين WC في بعض الأنواع.

يقسم السرمت على أساس الكربيدات إلى ثلاثة أنواع:

الشكل (2) صورة ميكروية لبنية السرمت

1 - كربيد التنغستين WC.

2 - كربيد الكروم CrC.

3 - كربيد التيتانيوم TiC.

يُستخدم السرمت على أساس كربيد التنغستين غالباً في تصنيع أدوات القطع نظراً لارتفاع جساءته ومتانته عند الضغط وقساوته ومقاومته للاهتراء، ويضاف إليه الكوبالت بنسبة حجمية حتى 35 % ليساعد على ربط الذرات، وتتغير خواص السرمت تبعاً للنسبة بين الخزف والمعدن. وتزداد لدونته ولزوجته بزيادة نسبة المعدن. أما المتانة عند الضغط والقساوة وعامل المرونـة فتنخفض مع زديادة نسبة المعدن. يوضح الجدول (1) مجموعات السرمت واستخدام كل منها.

ومن خلال الصورة المكروية للسرمت (الشكل 2) يظهر أن اللون الأزرق الفاتح هو الرابط من مادة الكوبالت- نيكل، والأزرق الغامق مادة التيتانيوم غير المتفاعل على أساس من المعدن، واللون الأصفر يظهر نتريد الكربون. ومع إضافات من الموليبدينيوم MO تم تشكيل كربيد الموليبدينيوم Mo2C مما أدى إلى تحسين طريقة إنتاج المادة بما يتفق مع مواصفات الإيزو ISO، حيث تم إنتاج أول صنف من السرمتPo1 . وأسهم استخدام كمية أكبر من نتريد التيتانيوم والمادة الرابطة في تحسين قساوة المعدن، مما أدى إلى تطوير مواصفات مادة أدوات القطع من مادة هشة إلى مادة قاسية تؤدي عملها بما يكفي لتنفيذ عمليات التشغيل المطلوبة، وليس عمليات إنهاء الفولاذ الخفيف فقط. وهناك أصناف من السرمت مناسبة لتفريز الفولاذ عديم الصدأ وغيره من المواد المعدنية الأخرى وخراطتها.

طـورت شـركـة يابانيــة خليطـة متجانـسة مـن الـذرور الجديــد المدمـج TICN تتألـف من WC %40 وCo %10 وNi %50 وزناً، وتم تلبيد المادة في جو خلاء بحرارة 1670K وإبقاؤها مدة ساعة تحت ضغط غاز النتروجين المضغوط. ففي أثناء المعالجة الحرارية ينحل كربيد التنغستين WC الموجود على الطبقة الخارجية في مصهور النيكل كوبالت Co-Ni ويترسب على السطح على شكل محلول قاسٍ من (Ti,W) (CN. وينحسر المصهور المعدني عن السطح عن طريق ضبط الشروط المحيطة ونسبة التبريد. وتتدرج طبقة المعدن السطحية بالقساوة من الأعلى إلى الأسفل ومـن السطح إلـى الداخل.

تتشكل علـى السـطح طبقـة خـزف قاسية رقيقة من دون رابـط معدني تتألف كلهـا مـن (TiW) (CN)، وقساوتها عالية جداً. وإن القساوة المرتفعة والضغط المرتفع المركَّز على السطح والكثافة الداخلية المرتفعة، جميعها تزيد في مقاومة المادة للاهتراء إلى الضعف، وتزيد في عمر أداة القطع نحو خمسة أضعاف مقارنة مع أدوات السرمت التقليدية.

يجري التركيز في أعمال التطوير الحالية على الحصول على سرمت من نوع كربيد التيتانيوم (نيكل، موليبدينيوم) TiC(NiMo) بطور متدرج مكتمل، وذلك بعزل الذرور بالطرد المركزي وجمع المواد المترسبة المزالة عن الأنبوب في هذه العملية، وتوضع مباشرة في مسخن غرافيتي. ثم تخضـع المواد المجففـة بعد ذلك مباشرة للتلبيد تحت ضغط 4 Gpa وبحرارة 1620K باستخدام جهاز خاص. تستمر عملية تلبيد المواد دقيقة واحدة فيتشكل خليط على طبقات بنسب تركيز من الأعلى للأسفل بحسب ما يلي:

%55 TiC %45 (55Ni,45 Mo)

%30 TiC %70 (55Ni,45 Mo)

%15 TiC %85 (55Ni,45 Mo)

بعد ذلك يتم تحضير الخليط المدمج القاسي والملبد بتحضينه باستخدام مواد حاكة من الألماس.

ولزيادة مقاومة لقم السرمت للاهتراء وللتشوهات اللدنة ومقاومة التفتت يتم تلبيس اللقمة بطبقتين سمكهما 3 ميكرونات، إحداهما نترات التيتانيوم TiN والثانية نترات كربيدات التيتانيوم Ti(C,N) ، وتستخدم هذه الأنواع في عمليات تشغيل الإنهاء ونصف الإنهاء.

أنواع المواد المستخدمة في تصنيع أدوات القطع ومواصفاتها الأساسية:

الشكل (3): مجال عمل السرمت CT مقارنة بمجال عمل الخزف الملبس بطبقة مقاومة للاهتراء وغير الملبس.

الشكل (4): مجال عمل السرمت (CT) بتبدل التغذية وسرعة القطع

الشكل (5): اختلاف شكل الرايش باختلاف نوع المادة المشغلة

الشكل (6): نسب استهلاك أنواع أدوات القطع.

الشكل (7): الشكل الهندسي للقمة القطع QM

الشكل (8):الشكل الهندسي للقمة سرمت MF مثلثية تعمل على الوجهين لتشغيل نصف إنهائي أو إنهائي.

الشكل (9):

أ- تفريز جبهي على مركز تشغيل باستخدام لقمة سرمت من الصنف P₂₀

ب- تفريز جبهي مضاعف باستخدام لقمة سرمت من الصنف P₂₅

الشكل (10)

الشكل (11) كمية المعدن التي تجتاز الحد القاطع.

الشكل (12) تنوع الاهتراء ومناطق حدوثه.

الشكل (13)آليات الاهتراء الأساسية في أداة القطع من السرمت.

الشكل (14) الحرارة المزالة من منطقة القطع.

يستعان بالمواصفات الأساسية لمواد أدوات القطع في المقارنة والمفاضلة بين مختلف أنواع أدوات القطع، وأهم هذه المواصفات:

1 - مقاومة التأكل والاهتراء والتشوه.

2 - مقاومة التقصف والتحطم.

3 - المحافظة على القساوة والاستقرار الكيميائي بدرجات الحرارة العالية لمقاومة الأكسدة.

4 - خمولها كيميائياً لمقاومة التأكل الناتج من القطعة المشغلة.

5 - مقاومة عالية للصدمات الحرارية.

وفيما يلي الأنواع الرئيسية لمواد أدوات القطع الحديثة ورمز كل منها:

- الكربيد المسمنت المطلي coated cemented carbide، ورمزه GC.

- الكربيد المسمنت غير المطلي cemented carbide، ورمزه C.

- السرمت (الخزف المعدني)، ورمزه CT.

- ثنائي بلورات الألماس polycrystalline diamond، ورمزه PCD.

- نتريد البورون الحجمي cubic boron nitride، ورمزه CBN.

- السيراميك (الخزف)، ورمزه CC.

- الفولاذ سريع القطع high speed steel، ورمزه HSS.

- الكورونايت coronite، ورمزه N.

يمكن المفاضلة بين هذه المواد عموماً كما يلي:

- يتصف الفولاذ سريع القطع HSS بمتانة تعادل ضعف متانة الكربيد المسمنت وثلاثة أضعاف متانة الخزف.

- يوصف الألماس الصناعي بأنه هش جداً ولكنه قاسٍ جداً، أما مادة الخزف فأكثر قساوة من الكربيد المسمنت وأكثر استقراراً حرارياً وكيميائياً من الكربيد.

- إن المزج بين خواص مختلف هذه المواد للاستفادة من مواصفاتها المختلفة له أهمية كبيرة من أجل الحصول على مادة مطورة لتنفيذ عمليات التشغيل النوعية بكفاءة عالية الجودة، وإن الاختيار الصحيح لأدوات القطع المناسبة يحتاج إلى خبرة فنية عالية ومعرفة بخواص المواد المشغلة قبل اتخاذ القرار النهائي لتحديد أداة القطع المناسبة لعملية تشغيل محددة.

ويتضح من الدراسات المرجعية أن مادة السرمت تتصف بالخواص التالية:

- المقاومة العالية لاهتراء سطح القطع والحد القاطع high flank and crater wear resistance.

- الاستقرار الكيميائي المرتفع واستقرار قساوة المادة نسبياً مع ارتفاع درجات الحرارة.

- ميل أقل للالتصاق بسطح القطع low tendency for built-up edges .

- ميل أقل للاهتراء الناجم عن الأكسدة oxidation wear.

شروط استخدام مادة السرمت في قطع المعادن:

تبدأ المجالات التطبيقية العريضة للسرمت بحسب المعيار العالمي ISO بالأصناف المستخدمة في الخراطة من P01 إلى P20، ومن M05 إلى M15، ومن K01 إلى K10. وأما المستخدمة في عمليات التفريز فهي مـن P01 إلى P30، ومن M01 إلى M25. وهذا يعني أن مجالات التطبيق تتضمن أعمال التفريز العامة وتشغيل المواد ذات المتانة العالية المعرضة للصدمات الحرارية المرتفعة والمناسبة للعمل بسرعات عالية وبتغذية وعمق قطع منخفضين، من أجل الحصول على دقة عالية في أعمال الإنهاء.

بمقارنة أدوات القطع المصنعة من مادة السرمت مع أدوات القطع المصنعة من الكربيد المسمنت والملبسة بالكربيد، يتبين أن للسرمت الميزات التالية (الشكل 3).

- استقراراً أفضل لقوة القطع على الحد القاطع.

- قابلية تحمل أفضل وعمراً أطول لأداة القطع في أثناء التشغيل الإنهائي.

- مردوداً أفضل بسرعات قطع عالية.

- مقاومة عالية للاهتراء الناجم عن أكسدة الحد الخلفي.

- قابلية أفضل لتشغيل إنهاء مواد قابلة للاستطالة والالتصاق لتشكل حداً متراكباً (BUE)، وبالانتقال إلى الحالة الأكثر إلحاحاً - وهي التشغيل الخشن ونصف الإنهائي - تكون مواصفات السرمت كما يلي:

- مقاومة أقل عند أدنى نسبة تغذية وأعلاها.

- متانة أقل عند تغير الأحمال بين المتوسط والثقيل.

- مقاومة أقل للاهتراء بالحت (AW).

- مقاومة أقل للاهتراء على شكل أخاديد جبهية تؤدي إلى الاهتراء الميكانيكي بالحافة.

- مقاومة أقل للأحمال الصدمية.

يوضح (الشكل 4) مجال تطبيق كربيد السمنتيت التنغستيني (C) والملبس بالكربيد (GC) مقارنة مع السرمت (CT).

يتضح من الشكلين السابقين أن السرمت مناسب للاستخدام في مجال السرعات العالية والتغذية المتوسطة، ويمكن لأداة القطع من السرمت أن تحسن كثيراً الإنتاجية في بعض الحالات في شروط التشغيل المناسبة (التغذية - سرعة القطع) والتي يمكن اختيارها بعناية بحسب المواصفات الأساسية للسرمت، وهي مقاومة الحواف للأكسدة، وتأكل سطح القطع، والاستقرار الكيميائي المرتفع، وقساوة مرتفعة، وميل أقل لتشكل الحد المتراكب. والأكثر فائدة أن تستخدم لقم السرمت في التشغيل بالسرعات العالية للحصول على مشغولات أكثر دقة وبسطوح أكثر نعومة ولمدة عمل الأداة القاطعة خلال عمرها الطويل نسبياً.

عند استخدام السرمت في عمليات الخراطة يتم الحصول على سطوح ممتازة بالتشغيل الإنهائي ونصف الإنهائي أيضاً، وكذلك في أثناء تفريز الأخاديد وعمليات فتح الأسنان، وفي تشغيل الفولاذ والفولاذ عديم الصدأ، إضافة إلى ما ذكر يمكن أن يستخدم السرمت لتشغيل الفولاذ الكربوني حتى قساوة لا تتجاوز 350 HB، وكذلك الفولاذ منخفض الخلائطية. ويمكن للسرمت العمل بسرعة قطع 600م/د. وبإنتاجية عالية في عمليات تشغيل نصف الإنهاء والإنهاء.

ويمكن استخدام الأصناف المتينة من لقم السرمت بسرعات وحرارة منخفضتين إلى درجة تشغيل المواد المطلية والملوثة، كثقب الأقطار الصغيرة. وتشغيل المواد منخفضة الكثافة التي تمتلك استعداداً لتشكيل الحد المتراكب.

يتصف السرمت أيضاً بناقلية حرارية محدودة مما يجعل اللقم عرضة للتشقق الحراري بسبب تذبذب درجات الحرارة لذا فإن استخدام سائل تبريد القطع بكميات كافية سيكون استخداماً صحيحاً كي يمنع تعرض أداة القطع للتبدلات الحرارية.

إن من أهم الأمور الواجب مراعاتها في أثناء استخدام السرمت هو اختيار شروط القطع المناسبة للحصول على نتائج ناجحة. ويؤخذ في الحسبان أيضاً الشكل الهندسي لتصنيع لقمة السرمت وشكل تدويرة الرأس القاطع في الكثير من الحالات للتعويض عن نقص المتانة، مما يؤدي إلى الحصول على نتائج أفضل في أثناء استخدامه.

يؤدي الاختيار الصحيح لمادة أداة القطع في عمليات التشغيل دوراً أساسياً في اقتصادية العملية، وإن توقف آلة التشغيل بسبب تلف أداة القطع واهترائها من أهم أسباب محدودية الإنتاجية، كما أن الاختيار الصحيح لصنف أداة القطع مهم جداً، لأنه ليس هناك صنف واحد يحقق متطلبات التشغيل كلها، فهناك أصناف لها مجال واسع من التطبيقات ويمكن استخدامها في أكثر من عملية واحدة كما في (الشكل 5) حيث يتبين أنه لتشغيل قطعة من الفولاذ عديم الصدأ (2) يمكن استخدام الكربيد المسمنت الملبس وغير الملبس والسرمت.

وكذلك الحال في باقي أنواع المشغولات(6-1) ، كما أن شكل الرايش مرتبط بنوع المادة المشغلة (الشكل 5).

إن استهلاك أدوات القطع في عمليات التشغيل يعكس توزع الاستخدام لكل نوع كما هـو موضح في الشكل (6) حيث إن الكربيد المسمنت الملبس بالكربيد GC وغير الملبس C والسرمت CT تسيطر على أقل من 50 % من حصة السوق، و أن الفولاذ سريع القطع HSS والكورونايت N مسيطران على أكثر من 50 % من حصة السوق.

يتصف الفولاذ سريع القطع بضعف متانة الكربيد المسمنت، وثلاثة أضعاف متانة الخزف. ومع أن الألماس متعدد البلورات PCD هش جداً لكنه قاسٍ جداً. لذا فإن الاختيار الصحيح لمادة أداة القطع الأمثل تحتاج إلى معرفة أساسية بالمواد ومواصفاتها ومعرفة العوامل التي تؤثر في مادة الأداة القاطعة التي يجب أن تكون:

- قاسية لتقاوم الاهتراء والتشوه اللدن، والاحتكاك، والصدمات الحرارية.

- خاملة كيميائياً تجاه المشغولة، ومستقرة كيميائياً لمقاومة الأكسدة والانحلال.

الخراطة بلقم سرمت:

إن المثال العملي على نجاح تطبيقات أداة السرمت من الصنف P10 في تشغيل الفولاذ ذي القساوة 180 HB وبتغذية موازية لمحور مخرطة CNC وتحميل جبهي باستقرار جيد هو عملية التشغيل بالحد القاطع الواحد بسرعة قطع 180-260 م/د ومجال تغذية 0.2-0.25 مم/دورة ومجال عمق القطع 0.5-1مم. الشكل الهندسي للقمة القطع QM موضح في الشكل (7)، حيث تم تشغيل 600 عنصر بحد قاطع واحد. ولدى استخدام لقمة تشغيل إنهائي من السرمت من الصنف P05 لتشغيل ثقب لعناصر من الفولاذ عديم الصدأ مسكوب بقوالب بسرعة قطع 134م/دقيقة، وتغذية 0.1 مم/دورة وعمق القطع 0.2مم تم تشغيل 50 عنصراً بحد قاطع واحد.

وعند تشغيل محور فولاذ خلائطي - بقسـاوة 180 HB- تشـغيلاً نصـف إنهائي بلقمة سرمت من صنف P10، استخدمت سرعة قطع 420م/دقيقة، وتغذية 0.32مم/دورة وعمق قطع 1.5 مم بلقمة مثلثية الشكل، شكلها الهندسي MF (الشكل 8) وتبين أن عمر الأداة 14.5 دقيقة.

التفريز بلقم سرمت:

من التطبيقات الحديثة لأداة قطع من السرمت من الصنف P₂₀ استخدامها في تفريز الفولاذ الكربوني، والفولاذ عديم الصدأ، وخلائط فولاذية، وفولاذ القوالب، وفولاذ العدة. وهناك تطبيقات أخرى في مجال سرعة قطع 100-700م/د وتغذية للسن الواحدة حتى 0.25 مم بزاوية هجوم 45o مع عمق قطع كبير نسبياً.

ولدى إجراء عملية التفريز الجبهي لقطعـة من الفولاذ الخلائطـي ذي القساوة 300 HB تم استخدام لقمة سرمت من الصنف P20 على مركز التشغيل بقصد تحسين المردود (الشكل 9/أ) باختيار سرعة القطع 392م/د ومجال التغذية 1100مم/د وعمق القطع 1-2 مم.

أما في حالة التفريز الجبهي لفولاذ عديم الصدأ، ذي قساوة 290 HB بلقمة سرمت من الصنف P ₂₅ (الشكل 9/B) فإن سرعة القطع تكون 302م/د، وتغذية 1200مم/د، وعمق القطع 4 مم. ويتضح من ذلك أن التفريز باستخدام السرمت له محاسن كثيرة في الكثير من الحالات، ويمكن الوصول إلى بنية سطح أملس كالمرآة، ويمكن أن تكون العملية بديلاً عن عمليات الجلخ.

الاهتراء والتشوه في أدوات القطع من السرمت:

إن الصفة الرئيسية التي تميز أداة القطع هي مقاومة الاهتراء والتشوه. يحدث الاهتراء في أثناء عملية التشغيل وتستمر هذه العملية حتى نهاية عمر أداة القطع، ويحسب عمر الحد القاطع عادة بالدقائق، ويبين الشكل (10) حالة اهتراء متقدم على لقمة خراطة من السرمت.

تبلغ أعمار أدوات القطع الحديثة غالباً نحو 15 دقيقة وهي على شكل لقم صغيرة الحجم. والعمر الفعال لأداة القطع هو الزمن الممكن للحد القاطع أن يعمل فيه بمعدلات قطع مناسبة لتشغيل قطع مقبولة فنياً. أما المؤشرات الأساسية التي تحدد عمر أداة القطع فهي: نعومة الأسطح، ودقة الأبعاد، ومقاومة الاهتراء، وشكل الرايش. وهذه المؤشرات تتغير، وتعتمد على نوع عملية التشغيل، وهل هو تشغيل تخشيني أو تشغيل إنهاء أو غير ذلك. ويكون لنظام التحكم في أدوات القطع في أثناء عملية التشغيل - أي إذا كان التحكم آلياً أو يدوياً- أثر كبير في دقة تجميع هذه الأدوات وتبديلها.

ففي عملية تشغيل إنهاء السطوح يعدّ الحد القاطع مهترئاً عندما يعجز عن تشكيل نعومة محددة للسطح المشغل، وعندها لا يسمح بوجود الاهتراء على الحد القاطع مهما كانت كمية طبقة الاهتراء صغيرة. أما في عمليات التخشين فإن عملية الاهتراء تحدث في الحد القاطع وتتطور وتزداد في أثناء عملية القطع، وبالتالي فإنه يسمح بكمية أكبر من الاهتراء نظراً لانعدام وجود الحاجة إلى نعومة السطح ودقة الأبعاد. تبلغ أداة القطع حدها النهائي عندما يفقد الحد القاطع القدرة على تشكيل الرايش على نحو منتظم، أوعندما تتطور طبقة الاهتراء على الحد القاطع إلى درجة يصبح فيها الحد القاطع قابلاً للانكسار أو على وشك الحدوث.

وكمثال على ذلك: إذا كانت سرعة القطع 200م/دقيقة وعمق القطع 3مم، فإن مساحة المعدن التي تمر على الحد القاطع تساوي 10.000مم2، وهذه تعادل أكثر من نصف متر مربع من المعدن تمر على الحد القاطع خلال دقيقة واحدة من عمر أداة القطع المقدرة بـ 15دقيقة. وفي هذه الحالة فإن مسافة 3 مم من طول الحد القاطع يمر عليها ما يعادل 9م2 من المعدن وتحتك على سطح الحد القاطع والسطح المشكل لزاوية الجرف في شروط قطع محددة (الشكل11).

وعندما تتم إزالة كمية لابأس بها من المعدن بوساطة الحد القاطع في زمن محدد ومقبول فإن ذلك يعني أن عملية القطع فعالة وإيجابية، على ألا تظهر على الأداة تشققات أو كسور في أثناء العمل، بعدها تبدأ المظاهر السلبية على هذه الأدوات ويعود ذلك للمواد المركبة منها أدوات القطع الحديثة.

إن اهتراء أداة القطع ناجم عن عوامل الإجهاد المختلفة على الحد القاطع؛ لذلك فإن عمر الحد القاطع يكون محكوماً بتأثير هذه العوامل التي غالباً ما تؤدي إلى تغير شكله الهندسي، فالاهتراء إذاً هو نتيجة لتداخل عوامل مختلفة بين أداة القطع ومعدن المشغولة وشروط التشغيل.

إن العوامل الأساسية المسببة للاهتراء هي:

-A عوامل ميكانيكية.

-B عوامل حرارية.

-C عوامل كيميائية.

-D عوامل الحت.

يبين الشكل (12) هذه العوامل جميعها، ويوضح مكان تأثير كل من هذه العوامل في سطح اللقمة.

أما أنواع عمليات الاهتراء wear والتشوه في أثناء التشغيل نتيجة لعوامل الإجهاد الميكانيكي المطبق على معدن أداة القطع فهي:

- الاهتراء بالحت .abrasion

- الاهتراء بالانصهار .diffusion

- الاهتراء بالأكسدة .oxidation

- الاهتراء بالتعب (ستاتيكي أو ديناميكي) .fatigve

- الاهتراء بالالتصاق adhesion .

ويبين الشكل (13) أنواع الاهتراء المذكورة.

الاهتراء بالحت:

الاهتراء بالحت معروف جداً وشائع، وهو العامل الرئيسي وليس الكلي، وتسببه الجزيئات القاسية في معدن المشغولة. وهذه الآلية شبيهة جداً بعملية الجلخ حيث تقوم الجزيئات القاسية بعمليةالحت السطحي بين سطح المشغولة وأداة الجلخ المستخدمة.

وبالتالي فإن عملية الحت هي ناتج الحمل أو الإجهاد الميكانيكي على لقمة القطع مما يؤدي إلى اهتراء سطح جريان الرايش خلف الحد القاطع (الشكل 13/1).

الاهتراء بالانصهار:

يحدث هذا النوع من الاهتراء بتأثير العوامل الكيميائية في أثناء عملية التشغيل، فالخواص الكيميائية لمعدن أداة القطع والتأثير المتبادل الكيميائي بين معدن أداة القطع ومعدن المشغولة يحدد آلية حدوث ظاهرة الاهتراء بالانصهار وتطورها.

إن قساوة معدن أداة القطع لا تؤثر كثيراً في هذه الظاهرة، فالعلاقة الميتالورجية بين المعادن هي التي تحدّد كمية الاهتراء الحاصل، إذ إن بعض معادن أدوات القطع يكون خاملاً في معظم معادن المشغولات ويكون نشيطاً جداً في بعضها الآخر، ويؤدي هذا بدوره إلى حدوث آلية الاهتراء بالانصهار وتطورها مع استمرار عملية التشغيل، وتظهر نتيجة ذلك على سطح الرايش عند تشكله على سطح لقمة القطع. يتخلل هذه الآلية تولد كمية كبيرة من الحرارة تزداد مع زيادة سرعة القطع، عندها تتم عملية التبادل الذري بالاتجاهين فينتقل الفريّت من الفولاذ إلى أداة القطع ويبقى الكربون بكميات قليلة، ويكون جاهزاً للانتقال داخل الحديد المصهور الذي تكوّن على شكل رايش (الشكل 13/2).

الاهتراء بالأكسدة:

إن الحرارة العالية مع وجود الهواء تعني الأكسدة لمعظم المعادن، فالتنغستين والكوبالت يشكلان طبقة أكسيد البوروس، تزول هذه الطبقة بسهولة بوساطة الرايش. وهناك أكاسيد أخرى مثل أكسيد الألمنيوم أكثر قوة وقساوة لذا فإن بعض أنواع أدوات القطع يتعـرض للاهتراء أكثر من بعضها الآخر بسبب ظاهرة الأكسدة، وخاصة الجزء الأمامي من مقدمة الحد القاطع، حيث ينساب الرايش بسماكته وعرضه ويسمح للهواء بالتسلل والوصول إلى منطقة القطع، فتحدث عملية الأكسدة التي تؤدي بدورها إلى تشكل نتوءات وتكهفات حادة في الحد القاطع (الشكل13/3).

الاهتراء بالتعب:

هذه الظاهرة هي غالباً ظاهرة مركبة حرارية- ميكانيكية تنجم عن تداخل العوامل المؤثرة فيها. فتأثير العوامل الحرارية وعوامل الإجهاد وعدم الإجهاد بفعل قوى القطع تؤدي مجتمعة إلى ظهور التشققات في الحد القاطع وتحطمه، وإن عمليات التشغيل غير المستمرة والمتقطعة تؤدي إلى توليد حرارة وتبريد في الحد القاطع على نحو متناوب مما يعرض الحد القاطع لصدمات حرارية وميكانيكية (الشكل 13/4).

الاهتراء بالالتصاق:

ويعرف أيضاً بظاهرة الاهتراء بالاقتلاع، وهو يحدث عند درجة حرارة منخفضة على سطح الرايش وأداة القطع، ومن الممكن أن يحدث أيضاً عند تشكل رايش طويل أو قصير سواء عند تشغيل الفولاذ أم الألمنيوم أم الحديد الصب.

تقود هذه الآلية من الاهتراء غالباً إلى تشكل حد متراكب على الحد القاطع، والحد المتراكب هو تشكل ديناميكي لبنية جديدة متراكمة من الرايش تلتحم على الحد القاطع بعضها ببعض وتكتسب قساوة عالية وتصبح جزءاً من الحد القاطع (الشكل 13/5). وهذا النموذج من الاهتراء هو الأكثر شيوعاً في الحد القاطع، وهو يرتبط بالتأثير المتبادل بين معدن أداة القطع ومعدن المشغولة.

إن الفهم الصحيح لآلية الاهتراء هذه يساعد على وضع التحليل الصحيح لنوع الاهتراء الحاصل بأداة القطع، ويؤدي حتماً إلى استبعاد الأداة غير المناسبة والاختيار الصحيح لأداة القطع، وشروط القطع في عملية التشغيل.

فيما يلي المواصفات الأساسية الأكثر أهمية لمعدن أداة القطع والتي تحدد مدى صمود أداة القطع لمختلف آليات الاهتراء التي تحدث والتي تحد من فاعلية الحد القاطع:

- القساوة العالية .high hardness

- المتانة العالية .high toughness

- الاستقرار الكيميائي .chemically stability

- عدم قابلية الانصهار الحراري thermal diffusion resistance .

- عدم قابلية التمدد الحراري thermal extended resistance.

- الخمول السطحي .inert surface

- عدم قابلية الالتصاق السطحي adhesion .resistance

وباختصار فإن الحرارة المتولدة (t˚) في أثناء عملية التشغيل لها تأثير مباشر في تطور عملية الاهتراء وبطرقه المختلفة (الشكل 14).

إن معظم الطاقة الحرارية المتولدة يتوزع من منطقة القطع على الرايش (C) وعلى أداة القطع (T) .

وتبلغ درجة الحرارة على سطح انسياب الرايش على أداة القطع نحو o1600س، وأكبر كمية من هذه الحرارة تبقى في أداة القطع (T)، والباقي في المشغولة (W). يُستنتج من ذلك أن سرعة القطع (VC) والحرارة المتولدة في منطقة القطع هما الأكثر تأثيراً في نوع الاهتراء الحاصل بأداة القطع وبالتالي فإن عمر أداة القطع وهذين العاملين يعتمد على العلاقة المتبادلة بين مادة أداة القطع ومعدن المشغولة وشروط التشغيل.

محمود إبراهيم

مراجع للاستزادة:

-Fu, T. Yu, Q.x. Liu, B. Wu, Y.g. , Development And Application Of Cermet Cutting Tools Material, Key Engineering Materials, (Vol. 375/376, Pages 163-167, Publisher Trans Tech Publications, Switzerland, 2008.

- M. Robert, Macek, Jr. Cermet Cutting Tools, In: Accessscience, Mcgraw-Hill Companies, Http://Www.accessscience.com,1998.

-Modern Metal Cutting: A Practical Handbook, Sandvik-Sweden, (1994).

-T. Kainuma, Advanced Cermet Technology, Mitsubishi Materials Corp., November, 1991.