คุณสมบัติที่สำคัญของวัสดุมีดกลึง

มีดกลึง (Cutting Tool)

คือ เครื่องมือที่ใช้ในการขึ้นรูปชิ้นงานให้เป็นรูปร่างต่างๆ

คุณสมบัติที่สำคัญของวัสดุมีดกลึง (Tool Material)

– ความสามารถต้านทานการอ่อนตัวที่อุณหภูมิสูง ค่าสัมประสิทธิ์แรงเสียดทานต่ำ
– ทนทานต่อการขัดสี และมีความเหนียวแน่น เพียงพอที่จะต้านทานการแตกร้าวได้ ชุดเครื่องมืออาจทำขึ้นจากวัสดุมากกว่าหนึ่งชนิด เพื่อวัตถุประสงค์ที่ต่างกัน เช่น การกลึงขนาดชิ้นงานที่ต่างกัน จำต้องใช้เครื่องมือที่ต่างกัน

วัสดุหลักที่ใช้ในการทำมีดกลึง

1. เหล็กกล้าคาร์บอนสูง (High Carbon Steel) ใช้กันในช่วงที่ยังไม่มีการค้นพบเหล็กกล้าความเร็วสูง โดยวัสดุนี้จะมีปริมาณคาร์บอน 0.8% – 1.20% จึงสามารถทำการชุบแข็งได้ดีและด้วยกรรมวิธีทางความร้อนที่เหมาะสมอาจเพิ่มความแข็งของมันจนมีค่าใกล้เคียงกับเหล็กกล้าความเร็วสูงต่างๆ หรืออาจทำให้มีความเหนียวแน่นได้ตามต้องการ อย่างไรก็ตามเหล็กกล้านี้มีความสามารถในการชุบแข็งหรือความลึกในการชุบแข็งต่ำและจะสูญเสียความแข็งที่อุณหภูมิประมาณ 300 องศา ดังนั้นจึงถูกจำกัดใช้เฉพาะเครื่องมือตัดขนาดเล็กที่มีความเร็วไม่เกิน 0.15 m/s (ไม่เหมาะสมในการตัดด้วยความเร็วสูง หรือใช้ในงานหนัก) แต่จะใช้ในการปฏิบัติกับวัสดุอ่อน และใช้ควบคู่กับสารหล่อเย็น (Coolant)

2. เหล็กกล้าความเร็วสูง (High Speed Steel: HSS) หรือเหล็กรอบสูง จะมีส่วนประกอบของโลหะผสมพื้นฐาน เช่น คาร์บอน (Carbon) 7%, โครเมี่ยม (Chromium) 4%, ทังสเตน (Tungsten), วานาเดียม (Vanadium), โมลิบดีนัม (Molybdenum), โคบอลต์ (Cobalt) มีความสามารถในการชุบแข็งได้ดีเป็นพิเศษ และสามารถรักษาสภาพของคมตัดที่ดีไว้ได้จนถึงอุณหภูมิประมาณ 650 องศา ซึ่งสภาพนี้เป็นคุณสมบัติในด้านความต้านทานต่อการอ่อนตัวที่อุณหภูมิสูงหรือความแข็งขณะร้อนแดง (red hardness) อันเป็นคุณสมบัติที่ต้องการมากที่สุดในเครื่องมือตัดต่างๆ โดยเหล็กกล้าทำเครื่องมือตัดชนิดแรกที่มีคุณสมบัติดังกล่าถูกพัฒนาขึ้นโดย Frederick W. Taylor และ M. White ในปี ค.ศ. 1900 ซึ่งทำโดยการเติมทังสเตน (Tungsten) 18% และโครเมี่ยม 5.5% ลงเป็นธาตุผสมในเหล็กกล้า ส่วนผสมนี้สืบทอดมาจนถึงHighSpeed5ปัจจุบัน

เหล็กกล้าความเร็วสูงสามารถแบ่งออกได้เป็น 3 กลุ่ม ดังนี้

1. เหล็กกล้าความเร็วสูง 18-4-1 เหล็กกล้าชนิดนี้ประกอบด้วยทังสเตน 18% โครเมี่ยม 4% และวานาเดียม1% จัดได้ว่าเป็นเหล็กกล้าที่ใช้ทำเครื่องมือได้เอนกประสงค์ที่ดีที่สุดตัวหนึ่ง
2. เหล็กกล้าความเร็วสูงจากพลวง (Molybdenum High Speed Steel) เหล็กกล้าความเร็วสูงจำนวนมากจะใช้พลวงเป็นธาตุผสมหลัก เนื่องจากหนึ่งส่วนผสมของมันจะใช้แทนทังสเตนได้ถึงสองส่วนเหล็กกล้าความเร็วสูงจากพลวง 6-6-4-2 ประกอบด้วยทังสเตน6% พลวง6% โครเมี่ยม4% และวานาเดียม2% มีคุณสมบัติในด้านความเหนียวแน่นและความสามารถในการตัดที่ดีเยี่ยม
3. เหล็กกล้าความเร็วสูงพิเศษ เป็นเหล็กกกล้ารอบสูงที่มีการเติมโคบอลต์ลงไปในช่วง 2% – 5% เพื่อเพิ่มประสิทธิภาพในการตัดโดยเฉพาะอย่างยิ่งที่อุณหภูมิสูง ตัวอย่างในส่วนผสมหนึ่งในเหล็กกล้าชนิดนี้ ได้แก่ ส่วนธาตุผสมที่ประกอบด้วยทังสเตน 20% โครเมี่ยม 4% วานาเดียม 2% และโคบอลต์ 12% ซึ่งจะใช้เฉพาะการตัดขนาดหนักที่จะต้องต้านทานกับแรงดันและอุณหภูมิสูงเนื่องจากราคาของวัสดุนี้จัดว่าสูงมาก

3. Cast_Nonferrous_Alloys_cutting_toolโลหะผสมหล่อนอกกลุ่มเหล็ก (Cast Nonferrous Alloys) โลหะผสมนอกกลุ่มเหล็กจำนวนมากประกอบด้วยส่วนผสมหลัก โครเมี่ยม โคบอลต์ และทังสเตน กับธาตุผสม เช่นแทนทาลัม(Tantalum) พลวง หรือโบรอน (Boron) ซึ่งเป็นวัสดุที่เหมาะสมสำหรับทำเครื่องมือตัด เมื่อหล่อให้เข้ารูปแล้ววัสดุจะมีความแข็งขณะร้อนแดงสูง และสามารถรักษามุมตัดที่ดีไว้ได้จนถึงอุณหภูมิ 925 องศาเซลเซียส เปรียบเทียบกับเหล็กกล้าความเร็วสูงมันจะสามารถใช้ได้ที่อัตราเร็วตัดสูงกว่าถึง 2 เท่าที่อัตราการป้อนเดียวกัน แต่มีความเปราะมากกว่า ไม่ตอบสนองต่อกรรมวิธีทางความร้อนและทำการตัดปาดได้ด้วยการเจียรนัยเพียงวิธีเดียวเท่านั้น เครื่องมือตัดที่มีรูปร่างซับซ้อนสามารถขึ้นรูปได้โดยการหล่อในแม่แบบเซรามิคส์ หรือโลหะแล้วทำผิวสำเร็จโดยการเจียรนัย คุณสมบัติของชิ้นงานภายหลังการหล่อจะแปรไปตามระดับของการหล่อเย็นที่เนื้อวัสดุได้รับในระหว่างการหล่อ ซึ่งส่วนผสมของเนื้อวัสดุเหล่านี้จะอยู่ในช่วงของทังสเตน 12% – 25% โคลอบต์ 40% – 50% และโครเมี่ยม 15% – 35% ร่วมกับธาตุที่ทำให้เกิดการก่อตัวของคาร์ไบด์ เช่นคาร์บอนในช่วง 1% – 4% คุณสมบัติที่ได้คือ มีความต้านทานต่อการเกิดแอ่งและความต้านทานต่อการกระแทก ส่วนในด้านของประสิทธิภาพในการตัดนั้นจะอยู่ระหว่างเหล็กกล้าความเร็วสูง และเหล็กกล้าคาร์ไบด์

4. Carbide คาร์ไบด์ (Carbide หรือ Cemented Carbide / Sintered Carbide) มีดเล็บคาร์ไบด์ (Carbide Cutting Tool) ทำขึ้นจากผงโลหะของทังสเตนคาร์ไบด์ และโคบอลต์ ซึ่งถูกอัดให้มีรูปร่างตามต้องการแล้วนำเข้าสู่กระบวนการกึ่งยึดเหนี่ยวในเตาซึ่งมีบรรยากาศของไฮโดรเจนที่อุณหภูมิ 1550 องศา จากนั้นจึงทำผิวสำเร็จโดยการเจียรนัย เครื่องมือคาร์ไบด์นี้มีส่วนผสมของทังสเตนคาร์ไบด์ประมาณ 94 % และโคบอลต์ 6 % เหมาะสมกับการตัดปาดเหล็กหล่อและวัสดุอื่นๆจำนวนมากยกเว้นเหล็กกล้า เนื่องจากเศษตัดจะยึดติดหรือเชื่อมตัวเข้ากับผิวหน้าคาร์ไบด์และผังตัวลงในเครื่องมือตัดอย่างเร็ว อย่างไรก็ตามข้อบกพร่องนี้อาจแก้ไขได้โดยการเติมไททาเนียมและแทนทาลัมคาร์ไบด์ เข้าผสมพร้องกันกับเพิ่มปริมาณของโคบอลต์ ซึ่งในเครื่องมือตัดของคาร์ไบด์ที่เหมาะแก่การปฏิบัติสำหรับเหล็กล้าจะประกอบไปด้วย ทังสเตนคาร์ไบด์ 82% ไททาเนี่ยมคาร์ไบด์ 10% และโคบอลต์ 8% มีค่าสัมประสิทธิ์ต่ำเหมาะสมกับการปฏิบัติการทั่วไป

คาร์ไบด์ มีคุณสมบัติพิเศษที่สามารถคงทนต่ออุณหภูมิสูงกว่า 1200 องศา และเป็นวัสดุสังเคราะห์ที่แข็งที่สุดเท่าที่ผลิตขึ้นได้ และยังมีความแข็งแรงทางด้านแรงอัดสูง แต่มีข้อเสียในด้านที่มีความเปราะสูง มีความต้านทานต่อการกระทบกระแทกต่ำ และต้องการฐานรองรับอย่างมั่นคงแข็งแรงเพื่อป้องกันการแตกร้าว ทั้งยังทำการเจียรนัยได้อย่างลำบาก เฉพาะกับล้อขัดซิลิกอนคาร์ไบด์ หรือเพชรเท่านั้นโดยจะต้องรักษามุมห่าง (Clearance Angle) ไว้ให้ต่ำที่สุด เครื่องมือตัดคาร์ไบด์จะสามารถทำการตัดด้วยอัตราเร็ว 2 – 3 เท่า ของเครื่องมือตัดจากโลหะผสมหล่อแต่ในอัตราการป้อนที่น้อยกว่ามาก เครื่องมือคาร์ไบด์จึงมีประสิทธิ์ภาพการทำงานสูง โดยเครื่องจักรสำหรับเครื่องมือคาร์ไบด์จะต้องมีความมั่นคงแข็งแรง มีกำลังพอเพียงและมีช่วงของการป้อน และอัตราเร็วรอบที่เหมาะสม

ทังสเตนคาร์ไบด์ที่มีความละเอียดของเกรนสูง (Micrograin Carbide) มีความแข็งแรงสูง ใช้งานในที่ซึ่งไม่จำเป็นต้องใช้เครื่องมือตัดคาร์ไบด์ปกติ เนื่องจากอัตราเร็วดัดที่ใช้มีค่าต่ำจนเกินไป ซึ่งเครื่องมือตัดโดยทั่วไปไม่สามารถทานต่อการสึกหรอได้ รวมทั้งปฏิบัติการขึ้นรูปหรือการตัดขาดเครื่องมือคาร์ไบด์อาจเคลือบด้วยขั้นตัวประสาน (Bonded layer) ที่ขนาดความหนา 0.05-0.08 มม. ของไททาเนี่ยมคาร์ไบด์ อลูมินัมออกไซด์ (Aluminum Oxide) หรือไทนาเนี่ยมไนไตรด์ (Titanium Nitride) เพื่อลดความร้อนจากการวิ่งผ่านของเศษตัดบนเครื่องมือ อย่างไรก็ดีเครื่องมือตัดที่มีการเคลือบนี้ไม่เหมาะสมกับชิ้นงานที่มีสะเก็ดมากหรือมีทรายเจือปนอยู่

5. เพชร (Diamond) เพชรใช้เป็นเครื่องมือตัดคมเดี่ยวสำหรับการตัดขนาดเบาะที่อัตราเร็วสูง ซึ้งต้องมีการรองรับอย่างมั่นคงแข็งแรงเนื่องจากวัสดุเพชรมีความแข็งและเปราะสูงมากเป็นพิเศษ รูปแบบของการใช้งานคือ ใช้ในการตัดปาดวัสดุที่มีความแข็งจนยากต่อการปฏิบัติการด้วยเครื่องมืออื่น ๆ ทั้งยังต้องการความแม่นยำและผิวสำเร็จที่ดีเยี่ยมหรือใช้ในการตัด่ขนาดเบาที่ความเร็วสูงสำหรับวัสดุอ่อนกว่า เช่น การตัดปาดพลาสติก ยางแข็ง คาร์บอนอัดและอลูมินัมที่อัตราเร็วตัด 5-25 เมตรต่อวินาที รวมทั้งสามารถใช้ในการตบแต่งล้อหินเจียรนัย แม่แบบดึงลวดขนาดเล็ก การเจียรนัยและการขัดถูจำเพาะอย่าง มีความทนทานกว่าคาร์ไบด์ถึง 10 เท่า (400 ชิ้นงาน)

6. Ceramic_cutting_tool_2 เซรามิคส์ (Ceramic) เป็นส่วนผสมของผงอลูมินัมออกไซด์และสารตัวเดิมจำพวก ไททาเนียม (Titanium) แมกนีเซียม (Magnesium) หรือโครเมี่ยมออกไซด์ (Chromium Oxide) รวมตัวประสานที่นำผ่านเข้าขบวนการทำมีดเล็ก (Cutting Tool Insert) ตัวมีดเล็บที่ได้อาจยึดเข้ากับฐานมีดได้ทั้งโดยการใช้ตัวบีบจับ (Clamp) หรือการใช้อีพอกซีเรซิน (Epoxy Resin) โดยสมบัติของมีดเล็บคือมีความแข็งแรงในด้านการรับแรงอัดสูงเป็นอย่างยิ่งแต่ค่อนข้างเปราะ ดังนั้นมีดเล็บจึงต้องมีค่ามุมคายเป็นลบในช่วง 5-7 องศา เพื่อความแข็งแรงเช่นเดียวกับฐานการรองรับซึ่งต้องทำอย่างแน่นหนาเครื่องมือตัดซิลิกอนไนไตรด์ (Silicon Nitride) ซึ่งมีชื่อรหัสเป็น S-8 จะใช้ในการตัดปาดเหล็กหล่อวัสดุจากเซรามิกส์ชนิดนี้มีอายุการใช้งานถึง 1,500 ชิ้นงานเหล็กหล่อในขณะที่เครื่องมือทังสเตนคาร์ไบด์เคลือบผิวมีอายุงานเพียง 250 ชิ้นงาน

ความรู้อื่นๆ :
・การเลือกใช้เม็ดมีดกลึง
・รูปแบบต่างๆของเม็ดมีดกลึง
・คุณสมบัติของวัสดุของเม็ดอินเสิร์ทแต่ละชนิด