ماشین کاری

ماشین کاری (Machining) به مجموعه ای از عملیات گفته می شود که تحت فرایند ماشین های قدرتی مانند اره ماشین فرز، پرس مته، سنگ و … به حذف بخش هایی از قطعه برای رسیدن به هندسه مورد نظر می پردازد. هندسه نهایی ماشین کاری شده، در قطعه کار خام اولیه محاط شده و در حین ماشین کاری از جرم قطعه کار کاسته می شود. از این رو ماشین کاری از نظر مواد خام اغلب روشی پرهزینه است. اما
می تواند شکل های پیچیده ای را تولید کند که دستیابی به آن ها با عملیات ریخته گری یا شکل دهی، مشکل یا غیر ممکن خواهد بود. به علاوه به دلیل تنوع ماشین کاری توام با یک سرمایه گذاری اولیه نسبتا کم، این فرایند مطلوب ترین روش برای تولید در حجم پایین است.

ماشین کاری بخشی از فرایند تولید فلزات است ولی در تولید چوب، پلاستیک و سرامیک هم کاربرد دارد.

تنوع عملیات ماشین کاری موجود قابل شمارش نیست، متداول ترین عملیات ماشین کاری بر حرکت نسبی بین قطعه کار و یک ابزار برشی مبتنی است که به طور مکانیکی براده برداری می کند. این عملیات از جمله شامل تراشکاری، صفحه تراشی، صفحه تراشی دروازه ای، سوراخکاری، فرزکاری و سنگ زنی می باشد. عملکرد این فرایندها با هندسه ابزار برشی، خواص قطعه کار و مایع خنک کن تحت تاثیر قرار می گیرد. ارتباط متقابل بین این عوامل، تحلیل دقیق فرایند های ماشین کاری را مشکل می سازد از این رو ماشین های کنترل عددی (CNC) کاربرد وسیعی در صنعت دارند.

اولین ماشین CNC در سال ۱۹۷۲ ساخته شد. CNC مخفف COMPUTER NUMERICAL CONTROL می باشد که به معنای کنترل عددی رایانه ای است، در دستگاه های ماشین ابزار سی ان سی مدرن، طراحی یک قطعه ی مکانیکی و برنامه تولید آن کاملآ خودکار انجام می شود. امروزه بخش زیادی از این نوع عملیات بر عهده ی ماشین آلات است. دقت شود که منظور از CNC فقط عملیات فرز کاری یا تراش کاری نیست بلکه منظور این است که هر نوع عملیاتی بوسیله ی کد نویسی مخصوص هر قطعه انجام شود و دستگاه، انواع عملیات را بر اساس برنامه ی کدنویسی شده به طور اتوماتیک انجام دهد.

در ماشین آلات CNC کنترل حرکت ابزار و سایر عملکرد های دستگاه بوسیله کد نویسی صورت می گیرد. زبان های برنامه نویسی مختلفی برای CNC ها وجود دارد و معروف ترین آنها G-Code است. G-Code یک قطعه می تواند بصورت دستی یا توسط نرم افزار های مهندسی CAD-CAM مانند Solidworks استخراج گردد. ماشین های CNC بر اساس درجات آزادی محور هایشان دسته بندی می شوند. مرسوم ترین آنها CNC  سه محوره است که بیشتر از دیگر ماشین آلات در دسترس و البته ارزانتر است.

CNC سه محوره در جهت ۳ محور x,y,z توانایی جابجایی و حرکت دارد. CNC چهار یا پنج محوره علاوه بر حرکت در راستای محور های مختصات، توانایی چرخش حول یک یا چند محور را نیز دارا هستند.

اجزای اصلی ماشین های  CNC
1- برنامه ماشین

2- واحد کنترل ماشین

3- نرم افزار ماشین

4- موتورها

5- اجزای مکانیکی

6- سیستم اندازه گیری

ابزار برشی ماشین کاری می تواند تک یا چند لبه ای باشد.

روش ماشین کاری تک لبه ای

ابزارهای تک لبه ای هندسه ساده ای دارند، دارای یک لبه اصلی برشی اند که مسئولیت براده برداری را دارد که از روی پیشانی عبور کرده و یک سطح گذرا را به وجود می آورد که از روی دامنه می گذرد. ابزارهای تک لبه ای معمولا به قلم گیر متصل شده که موقعیت لبه برشی و زاویه آن را نسبت به قطعه کار تنظیم می کند.

صفحه تراشی و صفحه تراشی دروازه ای

صفحه تراشی و صفحه تراشی دروازه ای عملیات تراشکاری تک لبه ای هستند که در آن ها حرکات برشی اولیه خطی است. در صفحه تراش قطعه کار نوعا به میز کار و ابزار به کلگی متصل می شود که در جهت برشی اولیه اعمال می شود. صفحه تراشی برای قطعه کارهای نسبتا کوچک مفید است در عین حال قطعات بزرگتر نیاز به کورس کلگی بیشتری دارند که باعث کم شدن دقت موقعیت دادن به ابزار می شود. بنابراین برای قطعات بزرگ صفحه تراش دروازه ای ترجیح داد می شود. در حین صفحه تراشی دروازه ای، قطعه کار به یک میز بزرگ بسته می شود و حرکت پیشروی نوبتی به قطعه کار اعمال می گردد. برای مقایسه، در صفحه تراش دروازه ای عمل برشی اولیه با حرکت قطعه کار ایجاد می شود، در حالی که برای صفحه تراشی این عمل با حرکت ابزار به وجود می آید.

تراشکاری

اکثر عملیات تراشکاری در ماشین تراش انجام می شود. عمل اولیه برشی یا سرعت برشی در اثر دوران قطعه کار انجام می گردد که به سه نظام متصل است و با یک موتور الکتریکی و از طریق جعبه دنده ای که در داخل سر دستگاه قرار گرفته، می چرخد. حرکت ثانویه برشی یا پیشروی برشی با انتقال مجموعه سوپورت و قلم گیر در امتداد میله های پیشروی و پیچ های پیشروی متحرک انجام می شود. معمولا قطعه های کوتاه با سه نظام نگه داشته می شوند در حالیکه قطعات طویل تر می توانند با دستگاه مرغک نیز نگه داشته شوند.

فرزکاری

فرزکاری رایج ترین شکل ماشین کاری برای حذف قسمت های اضافه از بخش های مختلف قطعه کار است. ماشین های فرزکار می توانند محدوده وسیعی از هندسه های براده برداری، مانند سطوح تخت، زاویه دار، دنده های چرخ دنده و شیارها را ایجاد کند.  این فرایند نیاز به دستگاه فرز، قطعه کار، فیکسچر و ابزار برش دارد از طرفی قطعه کار به یک فیکسچر که درون دستگاه قرار دارد، متصل است. ابزار برش دارای دندانه های تیزی اند که با سرعت بالا در حال گردش می باشند. با تغذیه قطعه کار در برابر ابزار برش قطعات اضافی از روی آن حذف می گردد.فرزکاری معمولا برای قطعاتی که نامتقارن بوده و دارای ویژگی های بسیاری از جمله شیار، سوراخ، جیب و… داشته باشند مناسب است. یکی دیگر از استفاده های فرز برای ساخت قالب های سه بعدی است. فرز همچنین در فرایندهای ثانویه قطعاتی که با روش های مختلف تولید می شوند به کار
می رود و تصحیحات نهایی روی قطعه کار را انجام می دهد.

معمولا مته های مارپیچ برای سوراخ هایی با طول کمتر از پنج برابر قطر مناسب است. برای طول های بیشتر، برداشتن همزمان براده ها باعث بالا رفتن آن ها از خیاره می شود و رساندن روانکار به پایین قطعه مشکل خواهد بود. مته هایی که مختص سوراخ کاری سوراخ های عمیق هستند، غالبا دارای سوراخ های داخلی اند که با محور مته هم محور بوده به طوری که روانکار می تواند به لبه های برشی پمپ شود.

سنگ زنی

یک فرایند سایشی است که عمل برداشتن مواد اضافه روی قطعه را با سایش شتاب دار انجام می دهد. هر یک از دانه های ساینده روی سطح، بخش کوچکی از قطعه کار را تغییر شکل می دهند. در واقع سنگ زنی، مرحله نهایی کار روی قطعه است که بعد از آن کیفیت سطح کار بالا رفته و در واقع نوعی پرداخت روی سطوح است.

در حین عملیات سنگ زنی، حرکت اولیه برشی می تواند یا به قطعه کار یا به ابزار اعمال شود، که به هندسه آن ها بستگی دارد. محیط سنگ زنی شامل ذرات سختی مانند کاربید سیلسیم یا آلومین است که در یک ماتریس غوطه ور شده، شکل موثری ایجاد می کند و عمل پرداخت را انجام می دهد. از آنجا که اندازه ذرات سخت در یک محدوده تغییر می کند و این ذرات معمولا با جهت های تصادفی در داخل ماتریس قرار
می گیرد تعریف ضخامت براده تغییر شکل نیافته برای هر لبه برشی غالبا مشکل است اما بین مقادیر 0.025 تا 0.00025 میلی متر حدودا تغییر می کند.

دستگاه سنگ زن شامل یک موتور گرداننده سنگ با سرعت مورد نیاز و یک بستر برای نگه داری قطعه کار درون فیکسچر است. سر سنگ می تواند برای قطعه کار ثابت یا متحرک تنظیم شود. ماشین سنگ زنی در حین عملیات سایش قطعه حرارت قابل توجهی نیز تولید می کند. بنابراین آن ها نیاز به خنک کننده دارند که تا گرما بیش از تحمل قطعه کار بالا نرود. حتی خنک کننده نیز در مواقعی می سوزد. در سنگ زنی های با دقت بالا حدود 200 نانومتر حرارت کمی تولید می شود که نیاز به خنک کاری ندارد.

دلایل استفاده از روش های ماشین کاری

• انواع مختلفی از مواد قابل ماشین کاری هستند.
• انواع مختلفی از اشکال و ویژگی های هندسی خاص قابل حصولند، مانند شیارهای پیچ ها، حفره های دقیق، لبه ها و صفحات بسیار صیقلی و صاف و …
• بهینه سازی دقت ابعاد برای قطعات حاصل از ریخته گری، فرم دهی و شکل دهی را امکان پذیر می سازد.
• امکان ایجاد ویژگی هایی را که با سایر روش های فرم دهی و شکل دهی امکان پذیر نیستند مانند لبه های تیز و سطوح تخت و …
• اعوجاج و تغییر رنگ حاصل از روش های پرداخت گرمایی را کاهش می دهد.
• هزینه های تولید ( معمولا در تعداد کم) را کاهش می دهند.
• ویژگی های سطح و بافت مورد نظر را ایجاد می نمایند.

محدودیت های ماشین کاری

• ضایعات مواد بیشتری ایجاد می کنند.
• براده های حاصل در ضمن ماشین کاری ساده ترین فرم ضایعات در عملیات واحد هستند.
• وقت گیر هستند.
• یک فرآیند ماشین کاری برای ایجاد قطعه خاص در مقایسه با سایر روش های شکل دهی مانند ریخته گری و متالوژی پودر یا فرم دهی به زمان بیشتری نیاز دارد.
• برای تولید انبوه گران تر هستند.
• انرژی بیشتری صرف می کنند.
• می توانند اثرات نامطلوبی بر کیفیت سطح و خواص قطعه داشته باشند.

دسته بندی قطعات ماشین کاری

دورانی (چرخشی یا استوانه ای) – شکل های استوانه ای یا دیسک مانند

غیر چرخشی (منشوری) – قطعات بلوک مانند یا صفحه مانند

عملیات ماشین کاری و شکل قطعه

هر عملیات ماشین کاری بر اساس دو عامل زیر بر شکل هندسی قطعه تاثیر گذار است.

• حرکات نسبی بین ابزار و قطعه
• شکل هندسی ابزار برش

فرآیندهای ماشین کاری

ماشین کاری سنتی

• تراش کاری
• فرز کاری
• مته زنی
• داخل تراشی
• برقو زنی
• صفحه تراشی

ماشین کاری غیر سنتی و مدرن

• ماورا صوت
• تخلیه الکتریکی
• قوس الکتریکی
• لیزر نوری
• الکتروشیمیایی
• فرز کاری شیمیایی
• برش جریان جت ساینده
• ماشین کاری پرتو الکترونی
• ماشین کاری قوس پلاسما

فاکتورهای اثر گذار بر فرآیندهای ماشین کاری