ماشینکاری دقیق فرآیندی برای حذف مواد از قطعه کار در حین انجام پرداخت‌های دقیق با تلرانس بالا است. ماشین‌های دقیق انواع مختلفی از جمله فرزکاری، تراشکاری و ماشینکاری تخلیه الکتریکی دارند. امروزه یک ماشین دقیق معمولاً با استفاده از کنترل‌های عددی کامپیوتری (CNC) کنترل می‌شود.
تقریباً تمام محصولات فلزی، مانند بسیاری از مواد دیگر مانند پلاستیک و چوب، از ماشینکاری دقیق استفاده می‌کنند. این ماشین‌ها توسط ماشین‌کاران متخصص و آموزش‌دیده اداره می‌شوند. برای اینکه ابزار برش کار خود را انجام دهد، باید در جهت‌های مشخص شده برای ایجاد برش صحیح حرکت داده شود. این حرکت اولیه "سرعت برش" نامیده می‌شود. قطعه کار همچنین می‌تواند حرکت داده شود که به عنوان حرکت ثانویه "تغذیه" شناخته می‌شود. این حرکات و تیزی ابزار برش در کنار هم به دستگاه دقیق اجازه کار می‌دهند.
ماشینکاری دقیق و باکیفیت نیازمند توانایی دنبال کردن نقشه‌های بسیار خاص تهیه شده توسط برنامه‌های CAD (طراحی به کمک کامپیوتر) یا CAM (تولید به کمک کامپیوتر) مانند AutoCAD و TurboCAD است. این نرم‌افزار می‌تواند به تولید نمودارها یا طرح‌های پیچیده و سه‌بعدی مورد نیاز برای تولید یک ابزار، ماشین یا شیء کمک کند. این نقشه‌ها باید با جزئیات کامل رعایت شوند تا از حفظ یکپارچگی محصول اطمینان حاصل شود. در حالی که اکثر شرکت‌های ماشینکاری دقیق با نوعی از برنامه‌های CAD/CAM کار می‌کنند، هنوز هم اغلب در مراحل اولیه طراحی با طرح‌های دستی کار می‌کنند.
ماشینکاری دقیق روی تعدادی از مواد از جمله فولاد، برنز، گرافیت، شیشه و پلاستیک و موارد دیگر استفاده می‌شود. بسته به اندازه پروژه و مواد مورد استفاده، از ابزارهای ماشینکاری دقیق مختلفی استفاده خواهد شد. هر ترکیبی از ماشین‌های تراش، فرز، پرس مته، اره و سنگ فرز و حتی رباتیک پرسرعت ممکن است مورد استفاده قرار گیرد. صنعت هوافضا ممکن است از ماشینکاری با سرعت بالا استفاده کند، در حالی که صنعت ساخت ابزار نجاری ممکن است از فرآیندهای حکاکی و فرزکاری فتوشیمیایی استفاده کند. تولید یک قطعه یا مقدار مشخصی از هر کالای خاص می‌تواند به هزاران یا فقط چند مورد برسد. ماشینکاری دقیق اغلب نیاز به برنامه‌ریزی دستگاه‌های CNC دارد، به این معنی که آنها به صورت عددی توسط کامپیوتر کنترل می‌شوند. دستگاه CNC امکان پیگیری ابعاد دقیق را در طول تولید یک محصول فراهم می‌کند.
فرزکاری فرآیند ماشینکاری استفاده از ابزارهای برش دوار برای حذف مواد از قطعه کار با پیشروی (یا تغذیه) ابزار برش به داخل قطعه کار در جهت مشخص است. ابزار برش همچنین ممکن است با زاویه‌ای نسبت به محور ابزار نگه داشته شود. فرزکاری طیف گسترده‌ای از عملیات و ماشین‌های مختلف را در مقیاس‌هایی از قطعات کوچک منفرد گرفته تا عملیات فرزکاری گروهی بزرگ و سنگین پوشش می‌دهد. این یکی از رایج‌ترین فرآیندهای مورد استفاده برای ماشینکاری قطعات سفارشی با تلرانس‌های دقیق است.
فرزکاری را می‌توان با طیف گسترده‌ای از ماشین‌های ابزار انجام داد. کلاس اصلی ماشین‌های ابزار برای فرزکاری، ماشین فرز (که اغلب آسیاب نامیده می‌شود) بود. پس از ظهور کنترل عددی کامپیوتری (CNC)، ماشین‌های فرز به مراکز ماشینکاری تکامل یافتند: ماشین‌های فرز مجهز به تعویض‌کننده‌های خودکار ابزار، محفظه‌های ابزار یا چرخ‌وفلک، قابلیت CNC، سیستم‌های خنک‌کننده و محفظه‌ها. مراکز فرزکاری عموماً به عنوان مراکز ماشینکاری عمودی (VMC) یا مراکز ماشینکاری افقی (HMC) طبقه‌بندی می‌شوند.
ادغام فرزکاری در محیط‌های تراشکاری و برعکس، با ابزارهای زنده برای ماشین‌های تراش و استفاده گاه به گاه از فرزها برای عملیات تراشکاری آغاز شد. این امر منجر به ایجاد کلاس جدیدی از ماشین‌های ابزار، ماشین‌های چندکاره (MTM) شد که به طور خاص برای تسهیل فرزکاری و تراشکاری در همان محدوده کاری ساخته شده‌اند.
برای مهندسان طراح، تیم‌های تحقیق و توسعه و تولیدکنندگانی که به منبع تامین قطعات وابسته هستند، ماشینکاری CNC دقیق امکان ایجاد قطعات پیچیده را بدون پردازش اضافی فراهم می‌کند. در واقع، ماشینکاری CNC دقیق اغلب امکان ساخت قطعات نهایی را روی یک دستگاه واحد فراهم می‌کند.
فرآیند ماشینکاری، مواد را حذف می‌کند و از طیف گسترده‌ای از ابزارهای برش برای ایجاد طرح نهایی و اغلب بسیار پیچیده یک قطعه استفاده می‌کند. سطح دقت از طریق استفاده از کنترل عددی کامپیوتری (CNC) که برای خودکارسازی کنترل ابزارهای ماشینکاری استفاده می‌شود، افزایش می‌یابد.
نقش "CNC" در ماشینکاری دقیق
با استفاده از دستورالعمل‌های برنامه‌نویسی کدگذاری شده، ماشینکاری دقیق CNC اجازه می‌دهد تا قطعه کار بدون دخالت دستی توسط اپراتور دستگاه، برش داده شده و مطابق مشخصات مورد نظر شکل داده شود.
یک ماشین‌کار متخصص با استفاده از یک مدل طراحی به کمک کامپیوتر (CAD) که توسط مشتری ارائه می‌شود، از نرم‌افزار تولید به کمک کامپیوتر (CAM) برای ایجاد دستورالعمل‌های ماشینکاری قطعه استفاده می‌کند. بر اساس مدل CAD، نرم‌افزار تعیین می‌کند که چه مسیرهای ابزاری مورد نیاز است و کد برنامه‌نویسی را تولید می‌کند که به دستگاه می‌گوید:
■ دور موتور و نرخ تغذیه صحیح چقدر است؟
■ چه زمانی و کجا ابزار و/یا قطعه کار را جابجا کنیم
■ چقدر عمیق برش داده شود
■ چه زمانی از مایع خنک کننده استفاده کنیم
■ سایر عوامل مرتبط با سرعت، نرخ تغذیه و هماهنگی
سپس یک کنترل‌کننده CNC از کد برنامه‌نویسی برای کنترل، خودکارسازی و نظارت بر حرکات دستگاه استفاده می‌کند.
امروزه، CNC یک ویژگی داخلی طیف وسیعی از تجهیزات است، از ماشین‌های تراش، فرز و فرزهای فرزکاری گرفته تا دستگاه‌های EDM سیمی (ماشینکاری تخلیه الکتریکی)، لیزر و برش پلاسما. CNC علاوه بر خودکارسازی فرآیند ماشینکاری و افزایش دقت، وظایف دستی را حذف کرده و ماشین‌کاران را از نظارت بر چندین ماشین که همزمان در حال اجرا هستند، آزاد می‌کند.
علاوه بر این، هنگامی که مسیر ابزار طراحی و دستگاه برنامه‌ریزی شد، می‌تواند یک قطعه را به تعداد دلخواه اجرا کند. این امر سطح بالایی از دقت و تکرارپذیری را فراهم می‌کند که به نوبه خود فرآیند را بسیار مقرون به صرفه و مقیاس‌پذیر می‌کند.
موادی که ماشینکاری می‌شوند
برخی از فلزاتی که معمولاً ماشینکاری می‌شوند عبارتند از آلومینیوم، برنج، برنز، مس، فولاد، تیتانیوم و روی. علاوه بر این، چوب، فوم، فایبرگلاس و پلاستیک‌هایی مانند پلی‌پروپیلن نیز می‌توانند ماشینکاری شوند.
در واقع، تقریباً هر ماده‌ای را می‌توان با ماشینکاری دقیق CNC استفاده کرد - البته بسته به کاربرد و الزامات آن.
برخی از مزایای ماشینکاری دقیق CNC
برای بسیاری از قطعات و اجزای کوچک که در طیف وسیعی از محصولات تولیدی استفاده می‌شوند، ماشینکاری دقیق CNC اغلب روش ساخت انتخابی است.
همانطور که تقریباً در مورد همه روش‌های برش و ماشینکاری صادق است، مواد مختلف رفتار متفاوتی دارند و اندازه و شکل یک قطعه نیز تأثیر زیادی بر فرآیند دارد. با این حال، به طور کلی فرآیند ماشینکاری CNC دقیق مزایایی نسبت به سایر روش‌های ماشینکاری دارد.
به این دلیل است که ماشینکاری CNC قادر به ارائه موارد زیر است:
■ پیچیدگی بالای قطعات
■ تلرانس‌های دقیق، معمولاً از ±0.0002" (±0.00508 میلی‌متر) تا ±0.0005" (±0.0127 میلی‌متر) متغیر است.
■ پرداخت‌های سطحی فوق‌العاده صاف، از جمله پرداخت‌های سفارشی
■ تکرارپذیری، حتی در حجم‌های بالا
در حالی که یک ماشین‌کار ماهر می‌تواند با استفاده از دستگاه تراش دستی، قطعه‌ای باکیفیت در تعداد ۱۰ یا ۱۰۰ عدد بسازد، چه اتفاقی می‌افتد وقتی به ۱۰۰۰ قطعه، ۱۰۰۰۰ قطعه، ۱۰۰۰۰۰ یا یک میلیون قطعه نیاز دارید؟
با ماشینکاری دقیق CNC، می‌توانید به مقیاس‌پذیری و سرعت مورد نیاز برای این نوع تولید با حجم بالا دست یابید. علاوه بر این، تکرارپذیری بالای ماشینکاری دقیق CNC قطعاتی را در اختیار شما قرار می‌دهد که از ابتدا تا انتها یکسان هستند، صرف نظر از اینکه چند قطعه تولید می‌کنید.
روش‌های بسیار تخصصی برای ماشینکاری CNC وجود دارد، از جمله EDM سیمی (ماشینکاری تخلیه الکتریکی)، ماشینکاری افزایشی و چاپ لیزری سه‌بعدی. به عنوان مثال، EDM سیمی از مواد رسانا - معمولاً فلزات - و تخلیه الکتریکی برای فرسایش قطعه کار به اشکال پیچیده استفاده می‌کند.
با این حال، در اینجا ما بر روی فرآیندهای فرزکاری و تراشکاری تمرکز خواهیم کرد - دو روش تفریقی که به طور گسترده در دسترس هستند و اغلب برای ماشینکاری دقیق CNC استفاده می‌شوند.
فرزکاری در مقابل تراشکاری
فرزکاری یک فرآیند ماشینکاری است که از یک ابزار برش استوانه‌ای چرخان برای حذف مواد و ایجاد اشکال استفاده می‌کند. تجهیزات فرزکاری که به عنوان آسیاب یا مرکز ماشینکاری شناخته می‌شوند، جهانی از هندسه‌های پیچیده قطعات را روی برخی از بزرگترین اشیاء فلزی ماشینکاری شده انجام می‌دهند.
یکی از ویژگی‌های مهم فرزکاری این است که قطعه کار در حالی که ابزار برش می‌چرخد، ثابت می‌ماند. به عبارت دیگر، در فرزکاری، ابزار برش چرخان در اطراف قطعه کار حرکت می‌کند، که در جای خود روی یک بستر ثابت می‌ماند.
تراشکاری فرآیند برش یا شکل دادن به قطعه کار بر روی دستگاهی به نام ماشین تراش است. معمولاً ماشین تراش قطعه کار را روی یک محور عمودی یا افقی می‌چرخاند در حالی که یک ابزار برش ثابت (که ممکن است در حال چرخش باشد یا نباشد) در امتداد محور برنامه‌ریزی شده حرکت می‌کند.
ابزار نمی‌تواند به صورت فیزیکی دور قطعه بچرخد. ماده می‌چرخد و به ابزار اجازه می‌دهد عملیات برنامه‌ریزی‌شده را انجام دهد. (با این حال، زیرمجموعه‌ای از ماشین‌های تراش وجود دارد که در آنها ابزارها دور یک سیم قرقره‌ای می‌چرخند، که در اینجا به آن پرداخته نشده است.)
در تراشکاری، برخلاف فرزکاری، قطعه کار می‌چرخد. قطعه کار روی محور تراش می‌چرخد و ابزار برش با قطعه کار در تماس قرار می‌گیرد.
ماشینکاری دستی در مقابل ماشینکاری CNC
در حالی که هر دو دستگاه فرز و تراش در مدل‌های دستی موجود هستند، دستگاه‌های CNC برای اهداف تولید قطعات کوچک مناسب‌تر هستند - که قابلیت مقیاس‌پذیری و تکرارپذیری را برای کاربردهایی که نیاز به تولید حجم بالا از قطعات با تلرانس دقیق دارند، ارائه می‌دهند.
علاوه بر ارائه ماشین‌های ساده دو محوره که در آنها ابزار در محورهای X و Z حرکت می‌کند، تجهیزات CNC دقیق شامل مدل‌های چند محوره هستند که در آنها قطعه کار نیز می‌تواند حرکت کند. این برخلاف ماشین تراش است که در آن قطعه کار محدود به چرخش است و ابزارها برای ایجاد هندسه مورد نظر حرکت خواهند کرد.
این پیکربندی‌های چندمحوره امکان تولید هندسه‌های پیچیده‌تر را در یک عملیات واحد، بدون نیاز به کار اضافی توسط اپراتور دستگاه، فراهم می‌کنند. این امر نه تنها تولید قطعات پیچیده را آسان‌تر می‌کند، بلکه احتمال خطای اپراتور را نیز کاهش می‌دهد یا از بین می‌برد.
علاوه بر این، استفاده از مایع خنک‌کننده با فشار بالا در ماشینکاری دقیق CNC تضمین می‌کند که حتی هنگام استفاده از دستگاهی با اسپیندل عمودی، براده‌ها وارد کار نمی‌شوند.
آسیاب‌های CNC
ماشین‌های فرز مختلف از نظر اندازه، پیکربندی محورها، نرخ پیشروی، سرعت برش، جهت پیشروی فرز و سایر ویژگی‌ها متفاوت هستند.
با این حال، به طور کلی، فرزهای CNC از یک اسپیندل چرخان برای برش مواد ناخواسته استفاده می‌کنند. آنها برای برش فلزات سخت مانند فولاد و تیتانیوم استفاده می‌شوند، اما می‌توانند با موادی مانند پلاستیک و آلومینیوم نیز مورد استفاده قرار گیرند.
فرزهای CNC برای تکرارپذیری ساخته شده‌اند و می‌توانند برای همه چیز از نمونه‌سازی اولیه گرفته تا تولید با حجم بالا مورد استفاده قرار گیرند. فرزهای CNC با دقت بالا اغلب برای کارهای با تلرانس دقیق مانند فرزکاری قالب‌ها و قالب‌های ظریف استفاده می‌شوند.
اگرچه فرزکاری CNC می‌تواند چرخش سریعی را ارائه دهد، اما پرداخت نهایی قطعاتی با رد ابزار قابل مشاهده ایجاد می‌کند. همچنین ممکن است قطعاتی با لبه‌های تیز و پلیسه تولید کند، بنابراین اگر لبه‌ها و پلیسه‌ها برای این ویژگی‌ها غیرقابل قبول باشند، ممکن است فرآیندهای اضافی مورد نیاز باشد.
البته، ابزارهای پلیسه‌گیری که در این توالی برنامه‌ریزی شده‌اند، پلیسه‌گیری را انجام می‌دهند، اگرچه معمولاً حداکثر به ۹۰٪ از نیاز نهایی دست می‌یابند و برخی از ویژگی‌ها را برای پرداخت نهایی دستی باقی می‌گذارند.
در مورد پرداخت سطح، ابزارهایی وجود دارند که نه تنها یک پرداخت سطح قابل قبول، بلکه یک پرداخت آینه‌ای مانند را روی بخش‌هایی از محصول کار ایجاد می‌کنند.
انواع فرزهای سی ان سی
دو نوع اساسی ماشین‌های فرز به عنوان مراکز ماشینکاری عمودی و مراکز ماشینکاری افقی شناخته می‌شوند، که تفاوت اصلی آنها در جهت‌گیری اسپیندل ماشین است.
یک مرکز ماشینکاری عمودی، فرزی است که در آن محور اسپیندل در جهت محور Z تراز شده است. این ماشین‌های عمودی را می‌توان به دو نوع دیگر تقسیم کرد:
■ آسیاب‌های بستر، که در آن اسپیندل موازی با محور خود حرکت می‌کند در حالی که میز عمود بر محور اسپیندل حرکت می‌کند
■ فرزهای برجکی، که در آنها اسپیندل ثابت است و میز به گونه‌ای حرکت می‌کند که در طول عملیات برش، همیشه عمود و موازی با محور اسپیندل باشد.
در یک مرکز ماشینکاری افقی، محور اسپیندل فرز در جهت محور Y تراز شده است. ساختار افقی به این معنی است که این فرزها فضای بیشتری را در کارگاه ماشینکاری اشغال می‌کنند؛ همچنین معمولاً وزن سنگین‌تر و قدرت بیشتری نسبت به ماشین‌های عمودی دارند.
فرز افقی اغلب زمانی استفاده می‌شود که به سطح نهایی بهتری نیاز باشد؛ دلیل این امر این است که جهت‌گیری اسپیندل به این معنی است که براده‌های برش به طور طبیعی جدا شده و به راحتی برداشته می‌شوند. (به عنوان یک مزیت اضافه، برداشتن کارآمد براده‌ها به افزایش عمر ابزار کمک می‌کند.)
به طور کلی، مراکز ماشینکاری عمودی رایج‌تر هستند زیرا می‌توانند به اندازه مراکز ماشینکاری افقی قدرتمند باشند و قطعات بسیار کوچک را پردازش کنند. علاوه بر این، مراکز عمودی فضای کمتری نسبت به مراکز ماشینکاری افقی دارند.
فرزهای CNC چند محوره
مراکز فرز CNC دقیق با محورهای متعدد موجود است. یک فرز ۳ محوره از محورهای X، Y و Z برای طیف گسترده‌ای از کارها استفاده می‌کند. با یک فرز ۴ محوره، دستگاه می‌تواند روی یک محور عمودی و افقی بچرخد و قطعه کار را حرکت دهد تا امکان ماشینکاری مداوم‌تر فراهم شود.
یک فرز ۵ محوره دارای سه محور سنتی و دو محور چرخشی اضافی است که امکان چرخش قطعه کار را با حرکت سر اسپیندل به دور آن فراهم می‌کند. این امر امکان ماشینکاری پنج طرف قطعه کار را بدون برداشتن قطعه کار و تنظیم مجدد دستگاه فراهم می‌کند.
ماشین‌های تراش CNC
دستگاه تراش - که به آن مرکز تراشکاری نیز گفته می‌شود - دارای یک یا چند اسپیندل و محورهای X و Z است. این دستگاه برای چرخاندن قطعه کار روی محور خود به منظور انجام عملیات مختلف برش و شکل‌دهی استفاده می‌شود و طیف گسترده‌ای از ابزارها را روی قطعه کار اعمال می‌کند.
ماشین‌های تراش CNC که به آنها ماشین‌های تراش ابزار زنده نیز گفته می‌شود، برای ساخت قطعات استوانه‌ای یا کروی متقارن ایده‌آل هستند. مانند فرزهای CNC، ماشین‌های تراش CNC می‌توانند عملیات کوچک‌تری مانند نمونه‌سازی اولیه را انجام دهند، اما می‌توانند برای تکرارپذیری بالا نیز تنظیم شوند و از تولید در حجم بالا پشتیبانی کنند.
تراش‌های CNC همچنین می‌توانند برای تولید نسبتاً بدون دخالت دست تنظیم شوند، که باعث می‌شود آنها به طور گسترده در صنایع خودرو، الکترونیک، هوافضا، رباتیک و تجهیزات پزشکی مورد استفاده قرار گیرند.
نحوه کار دستگاه تراش CNC
در ماشین تراش CNC، یک قطعه خام از مواد اولیه در سه نظام (چاک) اسپیندل ماشین تراش قرار می‌گیرد. این سه نظام قطعه کار را در حین چرخش اسپیندل در جای خود نگه می‌دارد. هنگامی که اسپیندل به سرعت مورد نیاز می‌رسد، یک ابزار برش ثابت با قطعه کار تماس پیدا می‌کند تا مواد را برداشته و هندسه صحیح را به دست آورد.
یک دستگاه تراش CNC می‌تواند تعدادی عملیات مانند سوراخکاری، رزوه‌کاری، سوراخکاری سطحی، برقوکاری، رویه‌کاری و تراشکاری مخروطی را انجام دهد. عملیات مختلف نیاز به تعویض ابزار دارند و می‌توانند هزینه و زمان راه‌اندازی را افزایش دهند.
وقتی تمام عملیات ماشینکاری مورد نیاز تکمیل شد، در صورت نیاز، قطعه برای پردازش بیشتر از قطعه اصلی بریده می‌شود. سپس دستگاه تراش CNC آماده تکرار عملیات است و معمولاً در این بین به زمان راه‌اندازی کمی یا هیچ زمان اضافی نیاز نیست.
ماشین‌های تراش CNC همچنین می‌توانند انواع تغذیه‌کننده‌های بار خودکار را در خود جای دهند که میزان جابجایی دستی مواد اولیه را کاهش داده و مزایایی مانند موارد زیر را ارائه می‌دهد:
■ کاهش زمان و تلاش مورد نیاز اپراتور دستگاه
■ میله مهار را نگه دارید تا ارتعاشاتی که می‌توانند بر دقت تأثیر منفی بگذارند، کاهش یابد
■ اجازه دهید ابزار ماشین با سرعت اسپیندل بهینه کار کند
■ به حداقل رساندن زمان تغییر
■ کاهش ضایعات مواد
انواع ماشین‌های تراش CNC
انواع مختلفی از ماشین‌های تراش وجود دارد، اما رایج‌ترین آنها ماشین‌های تراش CNC دو محوره و ماشین‌های تراش اتوماتیک به سبک چینی هستند.
بیشتر ماشین‌های تراش CNC چینی از یک یا دو اسپیندل اصلی به علاوه یک یا دو اسپیندل پشتی (یا ثانویه) استفاده می‌کنند که وظیفه اسپیندل پشتی بر عهده یک انتقال چرخشی است. اسپیندل اصلی عملیات ماشینکاری اولیه را با کمک یک بوش راهنما انجام می‌دهد.
علاوه بر این، برخی از ماشین‌های تراش به سبک چینی مجهز به یک سر ابزار دوم هستند که به عنوان فرز CNC عمل می‌کند.
در یک دستگاه تراش اتوماتیک به سبک چینی CNC، مواد اولیه از طریق یک اسپیندل سر کشویی به داخل یک بوش راهنما تغذیه می‌شوند. این امر به ابزار اجازه می‌دهد تا مواد را نزدیک‌تر به نقطه‌ای که مواد پشتیبانی می‌شوند، برش دهد و این امر دستگاه چینی را به ویژه برای قطعات تراشکاری شده بلند و باریک و برای میکروماشین‌کاری مفید می‌کند.
مراکز تراشکاری CNC چند محوره و ماشین‌های تراش چینی می‌توانند چندین عملیات ماشینکاری را با استفاده از یک دستگاه انجام دهند. این امر آنها را به گزینه‌ای مقرون به صرفه برای هندسه‌های پیچیده تبدیل می‌کند که در غیر این صورت به چندین ماشین یا تعویض ابزار با استفاده از تجهیزاتی مانند فرز CNC سنتی نیاز دارند.