الآلات الدقيقة هي عملية لإزالة المواد من قطعة العمل أثناء الاحتفاظ بتشطيبات متسامحة بشكل وثيق.الآلة الدقيقة لديها أنواع عديدة، بما في ذلك الطحن، الخراطة وتصنيع التفريغ الكهربائي.يتم التحكم في الآلات الدقيقة اليوم بشكل عام باستخدام أدوات التحكم العددية بالكمبيوتر (CNC).
تستخدم جميع المنتجات المعدنية تقريبًا تصنيعًا دقيقًا، كما تفعل العديد من المواد الأخرى مثل البلاستيك والخشب.يتم تشغيل هذه الآلات بواسطة ميكانيكيين متخصصين ومدربين.لكي تقوم أداة القطع بعملها، يجب تحريكها في الاتجاهات المحددة لإجراء القطع الصحيح.تسمى هذه الحركة الأساسية "سرعة القطع".يمكن أيضًا تحريك قطعة العمل، والمعروفة بالحركة الثانوية لـ "التغذية".معًا، تسمح هذه الحركات وحدة أداة القطع للآلة الدقيقة بالعمل.
تتطلب الآلات الدقيقة عالية الجودة القدرة على اتباع مخططات محددة للغاية تم إعدادها بواسطة برامج CAD (التصميم بمساعدة الكمبيوتر) أو برامج CAM (التصنيع بمساعدة الكمبيوتر) مثل AutoCAD وTurboCAD.يمكن للبرنامج أن يساعد في إنتاج المخططات أو الخطوط العريضة المعقدة ثلاثية الأبعاد اللازمة لتصنيع أداة أو آلة أو كائن.ويجب الالتزام بهذه المخططات بقدر كبير من التفصيل لضمان احتفاظ المنتج بسلامته.في حين أن معظم شركات الآلات الدقيقة تعمل مع بعض أشكال برامج CAD/CAM، فإنها لا تزال تعمل في كثير من الأحيان مع الرسومات المرسومة يدويًا في المراحل الأولية للتصميم.
يتم استخدام الآلات الدقيقة في عدد من المواد بما في ذلك الفولاذ والبرونز والجرافيت والزجاج والبلاستيك على سبيل المثال لا الحصر.اعتمادًا على حجم المشروع والمواد المستخدمة، سيتم استخدام أدوات تصنيع دقيقة مختلفة.يمكن استخدام أي مجموعة من المخارط وآلات الطحن ومكابس الحفر والمناشير والمطاحن وحتى الروبوتات عالية السرعة.قد تستخدم صناعة الطيران آلات عالية السرعة، في حين أن صناعة أدوات الأعمال الخشبية قد تستخدم عمليات الحفر والطحن الكيميائية الضوئية.إن إنتاج كمية محددة من أي عنصر معين يمكن أن يصل إلى الآلاف، أو أن يكون مجرد عدد قليل.غالبًا ما تتطلب الآلات الدقيقة برمجة أجهزة CNC مما يعني أنه يتم التحكم فيها رقميًا بواسطة الكمبيوتر.يسمح جهاز CNC باتباع الأبعاد الدقيقة طوال فترة تشغيل المنتج.
الطحن هو عملية تصنيع باستخدام قواطع دوارة لإزالة المواد من قطعة العمل عن طريق تقديم (أو تغذية) القاطع في قطعة العمل في اتجاه معين.يمكن أيضًا تثبيت القاطع بزاوية نسبة إلى محور الأداة.يغطي الطحن مجموعة واسعة من العمليات والآلات المختلفة، بدءًا من الأجزاء الفردية الصغيرة وحتى عمليات الطحن الجماعي الكبيرة والثقيلة.إنها واحدة من العمليات الأكثر استخدامًا لتصنيع الأجزاء المخصصة للحصول على تفاوتات دقيقة.
يمكن إجراء الطحن باستخدام مجموعة واسعة من الأدوات الآلية.كانت الفئة الأصلية لأدوات الطحن هي آلة الطحن (التي تسمى غالبًا المطحنة).بعد ظهور التحكم العددي بالكمبيوتر (CNC)، تطورت آلات الطحن إلى مراكز تصنيع: آلات طحن مدعومة بمبدلات أوتوماتيكية للأدوات، ومخازن الأدوات أو الدوارات، وقدرات CNC، وأنظمة التبريد، والمرفقات.يتم تصنيف مراكز الطحن عمومًا على أنها مراكز تصنيع رأسية (VMCs) أو مراكز تصنيع أفقية (HMCs).
بدأ دمج الطحن في بيئات الخراطة، والعكس بالعكس، باستخدام الأدوات الحية للمخارط والاستخدام العرضي للمطاحن لعمليات الخراطة.أدى ذلك إلى ظهور فئة جديدة من الأدوات الآلية، وهي الآلات متعددة المهام (MTMs)، والتي تم تصميمها خصيصًا لتسهيل الطحن والخراطة ضمن نفس نطاق العمل.
بالنسبة لمهندسي التصميم وفرق البحث والتطوير والمصنعين الذين يعتمدون على مصادر الأجزاء، فإن التصنيع باستخدام الحاسب الآلي الدقيق يسمح بإنشاء أجزاء معقدة دون معالجة إضافية.في الواقع، فإن التصنيع باستخدام الحاسب الآلي الدقيق غالبًا ما يجعل من الممكن تصنيع الأجزاء النهائية على جهاز واحد.
تقوم عملية التصنيع بإزالة المواد واستخدام مجموعة واسعة من أدوات القطع لإنشاء التصميم النهائي للجزء، والذي غالبًا ما يكون معقدًا للغاية.يتم تعزيز مستوى الدقة من خلال استخدام التحكم الرقمي بالكمبيوتر (CNC)، والذي يستخدم لأتمتة التحكم في أدوات التصنيع.
دور "CNC" في التصنيع الدقيق
باستخدام تعليمات البرمجة المشفرة، تسمح المعالجة CNC الدقيقة بقطع الشغل وتشكيلها وفقًا للمواصفات دون تدخل يدوي من قبل مشغل الآلة.
باستخدام نموذج التصميم بمساعدة الكمبيوتر (CAD) المقدم من العميل، يستخدم الميكانيكي الخبير برنامج التصنيع بمساعدة الكمبيوتر (CAM) لإنشاء التعليمات الخاصة بتصنيع الجزء.استنادًا إلى نموذج CAD، يحدد البرنامج مسارات الأدوات المطلوبة ويولد رمز البرمجة الذي يخبر الجهاز بما يلي:
■ ما هي عدد الدورات في الدقيقة ومعدلات التغذية الصحيحة
■ متى وأين يتم نقل الأداة و/أو قطعة العمل
■ مدى عمق القطع
■ متى يتم تطبيق المبرد
■ أي عوامل أخرى تتعلق بالسرعة ومعدل التغذية والتنسيق
تستخدم وحدة التحكم CNC بعد ذلك رمز البرمجة للتحكم في حركات الآلة وأتمتتها ومراقبتها.
اليوم، يعد CNC ميزة مدمجة لمجموعة واسعة من المعدات، من المخارط والمطاحن وأجهزة التوجيه إلى سلك EDM (تصنيع التفريغ الكهربائي)، وآلات القطع بالليزر والبلازما.بالإضافة إلى أتمتة عملية التصنيع وتعزيز الدقة، فإن CNC يلغي المهام اليدوية ويحرر الميكانيكيين للإشراف على آلات متعددة تعمل في نفس الوقت.
بالإضافة إلى ذلك، بمجرد تصميم مسار الأداة وبرمجة الآلة، يمكنها تشغيل جزء ما لأي عدد من المرات.وهذا يوفر مستوى عالٍ من الدقة والتكرار، مما يجعل العملية فعالة من حيث التكلفة وقابلة للتطوير.
المواد التي يتم تشكيلها
بعض المعادن التي يتم تصنيعها بشكل شائع تشمل الألومنيوم والنحاس والبرونز والنحاس والصلب والتيتانيوم والزنك.بالإضافة إلى ذلك، يمكن أيضًا تصنيع الخشب والرغوة والألياف الزجاجية والبلاستيك مثل البولي بروبيلين.
في الواقع، يمكن استخدام أي مادة تقريبًا باستخدام الآلات الدقيقة باستخدام الحاسب الآلي - بالطبع، اعتمادًا على التطبيق ومتطلباته.
بعض مزايا التصنيع باستخدام الحاسب الآلي الدقة
بالنسبة للعديد من الأجزاء والمكونات الصغيرة المستخدمة في مجموعة واسعة من المنتجات المصنعة، غالبًا ما تكون المعالجة باستخدام الحاسب الآلي الدقيقة هي طريقة التصنيع المفضلة.
كما هو الحال في جميع طرق القطع والتصنيع تقريبًا، تتصرف المواد المختلفة بشكل مختلف، كما أن حجم وشكل المكون لهما أيضًا تأثير كبير على العملية.ومع ذلك، بشكل عام، توفر عملية التصنيع باستخدام الحاسب الآلي الدقيقة مزايا مقارنة بطرق التصنيع الأخرى.
وذلك لأن التصنيع باستخدام الحاسب الآلي قادر على تقديم:
■ درجة عالية من تعقيد الأجزاء
■ تفاوتات صارمة، تتراوح عادةً من ±0.0002 بوصة (±0.00508 مم) إلى ±0.0005 بوصة (±0.0127 مم)
■ تشطيبات سطحية ناعمة بشكل استثنائي، بما في ذلك التشطيبات المخصصة
■ التكرار، حتى بكميات كبيرة
في حين أن الميكانيكي الماهر يمكنه استخدام مخرطة يدوية لتصنيع قطعة عالية الجودة بكميات تصل إلى 10 أو 100 قطعة، فماذا يحدث عندما تحتاج إلى 1000 قطعة؟10.000 قطعة ؟100000 أو مليون جزء؟
باستخدام التصنيع باستخدام الحاسب الآلي الدقيق، يمكنك الحصول على قابلية التوسع والسرعة اللازمة لهذا النوع من الإنتاج بكميات كبيرة.بالإضافة إلى ذلك، فإن التكرار العالي للتصنيع باستخدام الحاسب الآلي الدقيق يمنحك أجزاء متماثلة من البداية إلى النهاية، بغض النظر عن عدد الأجزاء التي تنتجها.
هناك بعض الأساليب المتخصصة جدًا في التصنيع باستخدام الحاسب الآلي، بما في ذلك تصنيع الأسلاك EDM (تصنيع التفريغ الكهربائي)، والتصنيع الإضافي، والطباعة بالليزر ثلاثية الأبعاد.على سبيل المثال، يستخدم سلك EDM مواد موصلة - عادة معادن - وتفريغات كهربائية لتآكل قطعة العمل إلى أشكال معقدة.
ومع ذلك، سنركز هنا على عمليات الطحن والخراطة - طريقتان للطرح متاحتان على نطاق واسع وتستخدمان بشكل متكرر في التصنيع الدقيق باستخدام الحاسب الآلي.
الطحن مقابل الخراطة
الطحن هو عملية تصنيع تستخدم أداة قطع أسطوانية دوارة لإزالة المواد وإنشاء الأشكال.معدات الطحن، المعروفة باسم المطحنة أو مركز التصنيع، تنجز عالمًا من الأشكال الهندسية المعقدة على بعض أكبر الأجسام المعدنية المشغولة آليًا.
من الخصائص المهمة للطحن أن قطعة العمل تظل ثابتة أثناء دوران أداة القطع.بمعنى آخر، في المطحنة، تتحرك أداة القطع الدوارة حول قطعة العمل، والتي تظل ثابتة في مكانها على السرير.
الخراطة هي عملية قطع أو تشكيل قطعة العمل باستخدام جهاز يسمى المخرطة.عادةً، تقوم المخرطة بتدوير قطعة العمل على محور رأسي أو أفقي بينما تتحرك أداة القطع الثابتة (التي قد تكون أو لا تكون تدور) على طول المحور المبرمج.
لا يمكن للأداة أن تدور حول الجزء فعليًا.تدور المادة، مما يسمح للأداة بتنفيذ العمليات المبرمجة.(هناك مجموعة فرعية من المخارط التي تدور فيها الأدوات حول سلك يتم تغذيته بكرة، ومع ذلك، لم يتم تناول ذلك هنا.)
أثناء الدوران، على عكس الطحن، تدور قطعة العمل.يتم تشغيل مخزون الأجزاء على مغزل المخرطة وتتلامس أداة القطع مع قطعة العمل.
دليل مقابل التصنيع باستخدام الحاسب الآلي
في حين أن كلا من المطاحن والمخارط متوفرة في النماذج اليدوية، فإن آلات CNC تعد أكثر ملاءمة لأغراض تصنيع الأجزاء الصغيرة - مما يوفر قابلية التوسع والتكرار للتطبيقات التي تتطلب إنتاجًا كبيرًا بكميات كبيرة من الأجزاء ذات التحمل المحكم.
بالإضافة إلى تقديم آلات بسيطة ذات محورين تتحرك فيها الأداة في المحورين X وZ، تشتمل معدات CNC الدقيقة على نماذج متعددة المحاور يمكن أن تتحرك فيها قطعة العمل أيضًا.وهذا على النقيض من المخرطة حيث تقتصر قطعة العمل على الدوران وستتحرك الأدوات لإنشاء الشكل الهندسي المطلوب.
تسمح هذه التكوينات متعددة المحاور بإنتاج أشكال هندسية أكثر تعقيدًا في عملية واحدة، دون الحاجة إلى عمل إضافي من قبل مشغل الماكينة.وهذا لا يجعل من السهل إنتاج الأجزاء المعقدة فحسب، بل يقلل أيضًا أو يلغي فرصة خطأ المشغل.
بالإضافة إلى ذلك، فإن استخدام سائل التبريد عالي الضغط مع التصنيع باستخدام الحاسب الآلي الدقيق يضمن عدم دخول الرقائق في العمل، حتى عند استخدام آلة ذات مغزل موجه عموديًا.
مطاحن CNC
تختلف آلات الطحن المختلفة في أحجامها وتكوينات المحاور ومعدلات التغذية وسرعة القطع واتجاه تغذية الطحن وخصائص أخرى.
ومع ذلك، بشكل عام، تستخدم جميع مطاحن CNC مغزلًا دوارًا لقطع المواد غير المرغوب فيها.يتم استخدامها لقطع المعادن الصلبة مثل الفولاذ والتيتانيوم ولكن يمكن استخدامها أيضًا مع مواد مثل البلاستيك والألومنيوم.
تم تصميم طواحين CNC للتكرار ويمكن استخدامها في كل شيء بدءًا من النماذج الأولية وحتى الإنتاج بكميات كبيرة.غالبًا ما تُستخدم طواحين CNC عالية الدقة في أعمال التسامح المحكم مثل طحن القوالب والقوالب الدقيقة.
في حين أن الطحن باستخدام الحاسب الآلي يمكن أن يوفر تحولًا سريعًا، فإن التشطيب المطحون يخلق أجزاء ذات علامات أدوات مرئية.وقد ينتج أيضًا أجزاء ذات حواف ونتوءات حادة، لذلك قد تكون هناك حاجة إلى عمليات إضافية إذا كانت الحواف والنتوءات غير مقبولة لهذه الميزات.
بالطبع، أدوات إزالة الأزيز المبرمجة في التسلسل سوف تزيل الأزيز، على الرغم من أنها تحقق عادةً 90% من المتطلبات النهائية على الأكثر، مع ترك بعض الميزات للتشطيب اليدوي النهائي.
أما بالنسبة لتشطيب السطح، فهناك أدوات من شأنها أن تنتج ليس فقط تشطيبًا مقبولًا للسطح، ولكن أيضًا تشطيبًا يشبه المرآة على أجزاء من منتج العمل.
أنواع المطاحن CNC
يُعرف النوعان الأساسيان من آلات الطحن بمراكز المعالجة العمودية ومراكز المعالجة الأفقية، حيث يكون الاختلاف الأساسي في اتجاه عمود دوران الماكينة.
مركز المعالجة العمودي عبارة عن مطحنة يتم فيها محاذاة محور المغزل في اتجاه المحور Z.يمكن تقسيم هذه الآلات العمودية إلى نوعين:
■طواحين السرير، حيث يتحرك المغزل بالتوازي مع محوره بينما يتحرك المنضدة بشكل عمودي على محور المغزل
■المطاحن البرجية، حيث يكون المغزل ثابتًا ويتم تحريك الطاولة بحيث تكون دائمًا متعامدة وموازية لمحور المغزل أثناء عملية القطع
في مركز المعالجة الأفقي، يتم محاذاة محور دوران المطحنة في اتجاه المحور Y.ويعني الهيكل الأفقي أن هذه المطاحن تميل إلى شغل مساحة أكبر على أرضية ورشة الآلات؛كما أنها أثقل وزنًا بشكل عام وأكثر قوة من الآلات العمودية.
غالبًا ما يتم استخدام المطحنة الأفقية عند الحاجة إلى تشطيب أفضل للسطح؛وذلك لأن اتجاه المغزل يعني سقوط رقائق القطع بشكل طبيعي ويمكن إزالتها بسهولة.(كميزة إضافية، تساعد إزالة الرقاقة الفعالة على زيادة عمر الأداة.)
بشكل عام، تعد مراكز المعالجة العمودية أكثر انتشارًا لأنها يمكن أن تكون بنفس قوة مراكز المعالجة الأفقية ويمكنها التعامل مع أجزاء صغيرة جدًا.بالإضافة إلى ذلك، فإن المراكز الرأسية لها مساحة أصغر من مراكز المعالجة الأفقية.
مطاحن CNC متعددة المحاور
تتوفر مراكز مطحنة CNC الدقيقة بمحاور متعددة.تستخدم المطحنة ذات 3 محاور المحاور X وY وZ لمجموعة واسعة من الأعمال.مع المطحنة ذات 4 محاور، يمكن للآلة أن تدور على محور رأسي وأفقي وتحريك قطعة العمل للسماح بتصنيع أكثر استمرارية.
تحتوي المطحنة ذات 5 محاور على ثلاثة محاور تقليدية ومحورين دوارين إضافيين، مما يتيح تدوير قطعة العمل أثناء تحرك رأس المغزل حولها.يتيح ذلك معالجة الجوانب الخمسة لقطعة الشغل دون إزالة قطعة الشغل وإعادة ضبط الماكينة.
مخارط CNC
تحتوي المخرطة - والتي تسمى أيضًا مركز الدوران - على مغزل واحد أو أكثر، ومحور X وZ.يتم استخدام الآلة لتدوير قطعة العمل على محورها لإجراء عمليات القطع والتشكيل المختلفة، وتطبيق مجموعة واسعة من الأدوات على قطعة العمل.
تعتبر مخارط CNC، والتي تسمى أيضًا مخارط الأدوات ذات الحركة الحية، مثالية لإنشاء أجزاء أسطوانية أو كروية متناظرة.مثل مطاحن CNC، يمكن لمخارط CNC التعامل مع عمليات أصغر مثل النماذج الأولية ولكن يمكن أيضًا إعدادها لتكرار عالي، مما يدعم الإنتاج بكميات كبيرة.
يمكن أيضًا إعداد مخارط CNC للإنتاج بدون استخدام اليدين نسبيًا، مما يجعلها مستخدمة على نطاق واسع في صناعات السيارات والإلكترونيات والفضاء والروبوتات والأجهزة الطبية.
كيف تعمل مخرطة CNC
مع مخرطة CNC، يتم تحميل شريط فارغ من المواد المخزنة في ظرف عمود دوران المخرطة.يقوم هذا الظرف بتثبيت قطعة العمل في مكانها أثناء دوران المغزل.عندما يصل المغزل إلى السرعة المطلوبة، يتم ملامسة أداة القطع الثابتة بقطعة العمل لإزالة المواد وتحقيق الشكل الهندسي الصحيح.
يمكن لمخرطة CNC إجراء عدد من العمليات، مثل الحفر، واللولبة، والتثقيب، والتوسيع، والتسوية، والتدوير المستدق.تتطلب العمليات المختلفة تغييرات في الأدوات ويمكن أن تزيد التكلفة ووقت الإعداد.
عند الانتهاء من جميع عمليات التصنيع المطلوبة، يتم قطع الجزء من المخزون لمزيد من المعالجة، إذا لزم الأمر.تصبح مخرطة CNC جاهزة بعد ذلك لتكرار العملية، مع القليل من وقت الإعداد الإضافي أو عدم الحاجة إليه عادةً.
يمكن لمخارط CNC أيضًا أن تستوعب مجموعة متنوعة من مغذيات القضبان الأوتوماتيكية، مما يقلل من كمية التعامل اليدوي مع المواد الخام ويوفر مزايا مثل ما يلي:
■ تقليل الوقت والجهد المطلوب من مشغل الآلة
■ ادعم البارستوك لتقليل الاهتزازات التي يمكن أن تؤثر سلبًا على الدقة
■ اسمح لأداة الآلة بالعمل بسرعات دوران مثالية
■ تقليل أوقات التغيير
■ الحد من هدر المواد
أنواع مخارط CNC
هناك عدد من الأنواع المختلفة من المخارط، ولكن الأكثر شيوعًا هي مخارط CNC ذات المحورين والمخارط الأوتوماتيكية ذات النمط الصيني.
تستخدم معظم مخارط CNC الصينية واحدًا أو اثنين من المغزل الرئيسي بالإضافة إلى واحد أو اثنين من المغزل الخلفي (أو الثانوي)، مع النقل الدوار المسؤول عن الأول.يقوم المغزل الرئيسي بتنفيذ عملية المعالجة الأولية، بمساعدة جلبة التوجيه.
بالإضافة إلى ذلك، بعض المخارط ذات الطراز الصيني تأتي مجهزة برأس أداة ثانٍ يعمل كمطحنة CNC.
مع المخرطة الأوتوماتيكية ذات الطراز الصيني CNC، يتم تغذية المواد المخزنة من خلال عمود دوران ذو رأس منزلق إلى جلبة توجيه.يسمح هذا للأداة بقطع المادة بالقرب من النقطة التي يتم دعم المادة فيها، مما يجعل الآلة الصينية مفيدة بشكل خاص للأجزاء الطويلة والرفيعة والتصنيع الدقيق.
يمكن لمراكز الخراطة CNC متعددة المحاور والمخارط ذات النمط الصيني إنجاز عمليات تصنيع متعددة باستخدام آلة واحدة.وهذا يجعلها خيارًا فعالاً من حيث التكلفة للأشكال الهندسية المعقدة التي قد تتطلب بخلاف ذلك العديد من الآلات أو تغييرات في الأدوات باستخدام معدات مثل مطحنة CNC التقليدية.