زاویه آزاد یا زاویه کلیرینس، یکی از مهم‌ترین پارامترهای هندسی اینسرت های ماشین‌کاری به شمار می‌رود که تأثیر مستقیمی بر عملکرد، کیفیت سطح و عمر ابزار دارد. این زاویه در سیستم نام‌گذاری استاندارد ISO و ANSI توسط حرف دوم کد اینسرت مشخص می‌شود. برای مثال، در کد CNMG، حرف N نشان‌دهنده زاویه آزاد صفر درجه است.

تعریف و اهمیت زاویه آزاد

زاویه آزاد (Relief Angle یا Clearance Angle) زاویه‌ای است که بین سطح گوشه اینسرت و سطح کارکرده قطعه تشکیل می‌شود. این زاویه برای جلوگیری از تماس و خراشیده شدن سطح گوشه اینسرت با قطعه کار ضروری است و مستقیماً بر نیروهای برش، کیفیت سطح و عمر ابزار تأثیر می‌گذارد.

سیستم کدگذاری زاویه آزاد

در سیستم استاندارد ISO/ANSI، زاویه آزاد توسط حرف دوم در کد اینسرت مشخص می‌شود:

کدهای ارئه شده برای زاویه آزاد در استانداردها:

• N: زاویه آزاد 0 درجه (تیغه منفی)
• A: زاویه آزاد 3 درجه
• B: زاویه آزاد 5 درجه• C: زاویه آزاد 7 درجه
• D: زاویه آزاد 15 درجه
• E: زاویه آزاد 20 درجه
• F: زاویه آزاد 25 درجه
• G: زاویه آزاد 30 درجه
• P: زاویه آزاد 11 درجه

تیغه‌های منفی (N) در مقابل تیغه‌های مثبت

تیغه‌های منفی (زاویه آزاد صفر - N):

تیغه‌های با زاویه آزاد صفر که با حرف N مشخص می‌شوند، دارای ویژگی‌هایی هستند که آنها را برای عملیات خاصی مناسب می‌سازد.

مزایای اینسرت های منفی:

• قدرت بالای لبه برش به دلیل سطح مقطع بیشتر
• قابلیت استفاده دوطرفه که تعداد لبه‌های برش را دو برابر می‌کند
• مقاومت بالا در برابر نیروهای سنگین برش
• اقتصادی ‌تر به دلیل امکان استفاده از هر دو سطح تیغه
• مناسب برای عملیات پرداخت اولیه و عملیات عمومی تراشکاری

محدودیت‌های اینسرت های منفی:

• نیروهای برش بیشتر که منجر به ارتعاش بیشتر می‌شود
• محدودیت در تراشکاری داخلی قطرهای کوچک
• نیاز به ماشین‌آلات قدرتمندتر

تیغه‌های مثبت (زاویه آزاد غیرصفر):

تیغه‌هایی با زاویه آزاد مثبت (A، B، C، D، E، F، G، P) دارای مزایای متفاوتی هستند که آنها را برای کاربردهای خاص مناسب می‌سازد.

مزایای تیغه‌های مثبت:

• نیروهای برش کمتر که منجر به کاهش ارتعاش می‌شود
• کیفیت سطح بهتر در عملیات پرداخت نهایی
• قابلیت تراشکاری داخلی در قطرهای کوچک
• مصرف انرژی کمتر
• مناسب برای قطعات نازک و حساس

محدودیت‌های تیغه‌های مثبت:

• قدرت کمتر لبه برش
• استفاده تک ‌طرفه (فقط یک سطح)
• هزینه بیشتر به ازای هر لبه برش
• محدودیت در عملیات سنگین

معیارهای انتخاب زاویه آزاد

انتخاب زاویه آزاد مناسب،  بر اساس عوامل متعددی صورت می‌گیرد که در ادامه به تفصیل بررسی می‌شود.

بر اساس نوع عملیات:

برای عملیات خشن کاری:

• تیغه‌های منفی (N) انتخاب اول هستند
• قدرت بالای لبه برش برای تحمل نیروهای سنگین
• امکان حذف حجم زیاد مواد

برای عملیات پرداخت نهایی (Finishing):

• تیغه‌های مثبت با زاویه آزاد 7 تا 15 درجه (C، D)
• کیفیت سطح بهتر و دقت ابعادی بالاتر
• نیروهای برش کمتر و ارتعاش کم

بر اساس جنس قطعه کار:

برای فولادهای سخت:

• تیغه‌های منفی برای مقاومت بالا در برابر سایش
• زاویه آزاد کمتر برای حفظ قدرت لبه برش

برای آلومینیوم و مواد نرم:

• تیغه‌های مثبت با زاویه آزاد بیشتر
• کاهش چسبندگی مواد به تیغه
• کیفیت سطح بهتر

بر اساس سختی سیستم ماشین-ابزار-گیره:

سیستم‌های سخت و پایدار:

• امکان استفاده از تیغه‌های منفی
• قابلیت تحمل نیروهای بالا

سیستم‌های انعطاف‌پذیر:

• ترجیح بر روی اینسرت های مثبت
• کاهش ارتعاش و بهبود کیفیت

کاربردهای خاص زاویه‌های مختلف آزاد

زاویه آزاد 0 درجه (N):

• تراشکاری عمومی قطعات فولادی
• عملیات پرداخت اولیه سنگین
• قطعات چدنی
• شرایط ماشین‌کاری پایدار

زاویه آزاد 3-7 درجه (A، B، C):

• تراشکاری نیمه ‌نهایی
• قطعات با ضخامت متوسط
• تعادل بین قدرت و کیفیت سطح

زاویه آزاد 11-15 درجه (P، D):

• عملیات پرداخت نهایی دقیق
• تراشکاری داخلی
• قطعات نازک و حساس
• مواد غیرآهنی

زاویه آزاد 20-30 درجه (E، F، G):

• کاربردهای بسیار خاص
• مواد چسبنده
• شرایط دسترسی محدود

تأثیر زاویه آزاد بر عملکرد ماشین ‌کاری

تاثیر بر روی نیروهای تراشکاری:

زاویه آزاد مستقیماً بر نیروهای تراش تأثیر می‌گذارد. با افزایش زاویه آزاد، نیروهای تراش کاهش می‌یابد که این امر مزایا و معایبی دارد.

مزایای کاهش نیروهای تراش:

• کاهش مصرف انرژی ماشین
• کاهش ارتعاش و بهبود کیفیت سطح
• امکان ماشین‌کاری قطعات حساس

معایب کاهش نیروهای تراش:

• کاهش قدرت لبه برش
• افزایش احتمال شکست اینسرت در شرایط سنگین

تاثیر بر روی کیفیت سطح:

اینسرت های با زاویه آزاد مناسب، کیفیت سطح بهتری ایجاد می‌کنند. این امر به دلایل زیر است:

• کاهش خراشیده شدن بین سطح گوشه اینسرت و قطعه کار
• کنترل بهتر تشکیل براده
• کاهش گرمای تولیدی

تاثیر بر روی عمر ابزار:

انتخاب صحیح زاویه آزاد می‌تواند عمر ابزار را به طور قابل توجهی افزایش دهد:

عوامل مثبت:

• کاهش سایش به دلیل کاهش احتکاک
• کنترل بهتر دمای برش
• کاهش تنش‌های مکانیکی

عوامل منفی:

• کاهش قدرت لبه برش در زاویه‌های زیاد
• افزایش حساسیت به ضربه

نکات عملی در انتخاب زاویه آزاد

قوانین کلی انتخاب:

قانون اول: برای عملیات پرداخت اولیه، تیغه‌های منفی (N) انتخاب اول هستند.

قانون دوم: برای عملیات پرداخت نهایی، تیغه‌های مثبت با زاویه 7-15 درجه بهترین انتخاب هستند.

قانون سوم: زاویه آزاد نباید صفر یا منفی باشد (به جز اینسرت های طراحی شده برای این منظور).

قانون چهارم: معمولاً زاویه آزاد بین 6 تا 12 درجه انتخاب می‌شود.

در نظرگیری شرایط ماشین‌کاری:

هنگام انتخاب زاویه آزاد، شرایط زیر باید مورد توجه قرار گیرد:

• سختی سیستم: در سیستم‌های سخت، اینسرت های منفی قابل استفاده هستند
• قدرت ماشین: ماشین‌های قدرتمند می‌توانند نیروهای بالاتر تیغه‌های منفی را تحمل کنند
• دقت مورد نیاز: برای دقت بالا، تیغه‌های مثبت ترجیح دارند
• حجم تولید: برای تولید انبوه، اقتصادی بودن تیغه‌های منفی مهم است

خطاهای رایج در انتخاب زاویه آزاد

خطاهای متداول:

استفاده از زاویه آزاد زیادتر از مقدار مورد نیاز، در عملیات سنگین:

• منجر به شکست زودهنگام تیغه می‌شود
• کاهش قابل توجه عمر ابزار
• افزایش هزینه‌های تولید

استفاده از زاویه آزاد کم در عملیات نهایی:

• کیفیت سطح نامناسب
• افزایش نیروهای برش و ارتعاش
• مشکل در تراشکاری قطعات حساس

عدم تطبیق با شرایط ماشین:

• استفاده از اینسرت منفی در ماشین‌های کم‌قدرت
• استفاده از اینسرت مثبت در شرایط ناپایدار

راه‌حل‌های پیشنهادی:

• مطالعه دقیق شرایط ماشین ‌کاری
• مشورت با کاتالوگ‌های سازندگان
• انجام تست‌های اولیه
• ثبت و ارزیابی نتایج

نتیجه گیری

زاویه آزاد یکی از مهم‌ترین پارامترهای انتخاب اینسرت تراشکاری است که انتخاب صحیح آن می‌تواند تأثیر عمیقی بر بهره‌وری، کیفیت و اقتصاد تولید داشته باشد. درک صحیح کدگذاری استاندارد و اصول انتخاب، ابزاری قدرتمند در دست مهندسان و اپراتورها قرار می‌دهد که بتوانند بهترین انتخاب را برای هر شرایط خاص انجام دهند.

انتخاب بین اینسرت های منفی و مثبت بر اساس نوع عملیات، جنس قطعه کار، سختی سیستم ماشین‌کاری و الزامات کیفیت صورت می‌گیرد. در نهایت، تجربه و دانش عملی نیز نقش مهمی در بهینه‌ سازی انتخاب دارند.

مراجع

1. “What is Clearance Angle in Cutting Tool? Its Derivative, Value, and Function.” Minaprem, June 8, 2018. Available at: https://www.minaprem.com/machining/cutter/geometry/what-is-clearance-angle-in-cutting-tool-its-derivative-value-and-function/
2. “How to choose correct turning insert.” Sandvik Coromant. Available at: https://www.sandvik.coromant.com/en-gb/knowledge/general-turning/how-to-choose-correct-turning-insert
3. “Insert clearance angles. Uses?” Practical Machinist - Largest Manufacturing Technology Forum on the Web, April 17, 2020. Available at: https://www.practicalmachinist.com/forum/threads/insert-clearance-angles-uses.376454/
4. “Lathe Cutting Tool Angle Selection Principle.” HARSLE, December 23, 2024. Available at: https://www.harsle.com/lathe-cutting-tool-angle-selection/
5. “Positive Angle Inserts VS Negative Angle Inserts.” Huana Tools. Available at: https://huanatools.com/positive-angle-inserts-vs-negative-angle-inserts/
6. “A Comprehensive Guide to ISO and ANSI Classification for Turning Inserts.” CNC Market. Available at: https://cncmarket.ca/press/article/cutting-tools/iso-and-ansi-code-system-for-turning-inserts/
7. “ISO nomenclature of the inserts - Part 2.” CNC Of Course. Available at: https://cncofcourse.com/lesson/tec01-eng-lez03/
8. “Understanding the Identification System for Indexable Inserts.” Cutting Tool Engineering. Available at: https://www.ctemag.com/articles/understanding-identification-system-indexable-inserts
9. “ANSI and ISO insert designations.” Toolind, July 22, 2024. Available at: https://toolind.net/ansi-and-iso-insert-designations/
10. “Cutting Tool Geometries.” Society of Manufacturing Engineers (SME). Available at: https://www.sme.org/technologies/manufacturing-topics/cutting-tool-geometries/