تُعدّ عمليات التشغيل الدقيق عمليةً لإزالة المواد من قطعة العمل مع الحفاظ على دقة عالية في التشطيب. وتتنوع أنواع آلات التشغيل الدقيق، بما في ذلك آلات التفريز والخراطة والتفريغ الكهربائي. وتُدار هذه الآلات اليوم عادةً باستخدام أنظمة التحكم الرقمي الحاسوبي (CNC).
تعتمد جميع المنتجات المعدنية تقريبًا على عمليات التشغيل الدقيق، وكذلك العديد من المواد الأخرى كالبلاستيك والخشب. ويتولى تشغيل هذه الآلات فنيون متخصصون مدربون. ولكي تؤدي أداة القطع وظيفتها، يجب تحريكها في اتجاهات محددة لإجراء القطع الصحيح. تُسمى هذه الحركة الأساسية "سرعة القطع". كما يمكن تحريك قطعة العمل، وهي الحركة الثانوية المعروفة باسم "التغذية". وتتضافر هذه الحركات مع حدة أداة القطع لتمكين آلة التشغيل الدقيق من العمل بكفاءة.
تتطلب عمليات التصنيع الدقيقة عالية الجودة القدرة على اتباع مخططات دقيقة للغاية تُعدّ بواسطة برامج التصميم بمساعدة الحاسوب (CAD) أو التصنيع بمساعدة الحاسوب (CAM) مثل AutoCAD وTurboCAD. تساعد هذه البرامج في إنتاج الرسومات التخطيطية ثلاثية الأبعاد المعقدة اللازمة لتصنيع الأدوات والآلات والمنتجات. يجب الالتزام بهذه المخططات بدقة متناهية لضمان سلامة المنتج النهائي. مع أن معظم شركات التصنيع الدقيق تستخدم برامج CAD/CAM، إلا أنها لا تزال تعتمد في كثير من الأحيان على الرسومات اليدوية في المراحل الأولى من التصميم.
تُستخدم عمليات التشغيل الدقيق على العديد من المواد، بما في ذلك الفولاذ والبرونز والجرافيت والزجاج والبلاستيك، على سبيل المثال لا الحصر. ويعتمد اختيار أدوات التشغيل الدقيق على حجم المشروع والمواد المستخدمة. ويمكن استخدام أي مزيج من المخارط وآلات التفريز ومثاقب الضغط والمناشير وآلات التجليخ، وحتى الروبوتات عالية السرعة. قد تستخدم صناعة الطيران والفضاء عمليات التشغيل عالية السرعة، بينما قد تستخدم صناعة أدوات النجارة عمليات الحفر الكيميائي الضوئي والتفريز. ويمكن أن يصل إنتاج دفعة واحدة، أو كمية محددة من أي منتج، إلى الآلاف، أو إلى بضع وحدات فقط. غالباً ما تتطلب عمليات التشغيل الدقيق برمجة أجهزة التحكم الرقمي بالحاسوب (CNC)، مما يعني أنها تُتحكم رقمياً بواسطة الحاسوب. ويتيح جهاز التحكم الرقمي بالحاسوب (CNC) تتبع الأبعاد بدقة متناهية طوال عملية إنتاج المنتج.
التفريز هو عملية تصنيع تستخدم قواطع دوارة لإزالة المواد من قطعة العمل عن طريق دفع القاطع داخلها في اتجاه محدد. ويمكن أيضًا تثبيت القاطع بزاوية معينة بالنسبة لمحور الأداة. يشمل التفريز مجموعة واسعة من العمليات والآلات المختلفة، بدءًا من القطع الفردية الصغيرة وصولًا إلى عمليات التفريز الجماعية الكبيرة والثقيلة. وهو من أكثر العمليات شيوعًا لتصنيع قطع مخصصة بدقة عالية.
يمكن إجراء عمليات الطحن باستخدام مجموعة واسعة من أدوات الآلات. كانت آلة الطحن (التي تُسمى غالبًا آلة التفريز) هي النوع الأصلي من أدوات الآلات المستخدمة في الطحن. بعد ظهور التحكم الرقمي بالحاسوب (CNC)، تطورت آلات الطحن إلى مراكز تشغيل: وهي آلات طحن مُجهزة بمبدلات أدوات أوتوماتيكية، ومخازن أو منصات دوارة للأدوات، وقدرات التحكم الرقمي بالحاسوب، وأنظمة تبريد، وهياكل مغلقة. تُصنف مراكز الطحن عمومًا إلى مراكز تشغيل رأسية (VMCs) ومراكز تشغيل أفقية (HMCs).
بدأ دمج عمليات الطحن في بيئات الخراطة، والعكس صحيح، باستخدام أدوات حية للمخارط واستخدام آلات الطحن في عمليات الخراطة بشكل متقطع. وقد أدى ذلك إلى ظهور فئة جديدة من آلات التشغيل، وهي آلات متعددة المهام، المصممة خصيصًا لتسهيل عمليات الطحن والخراطة ضمن نفس نطاق العمل.
بالنسبة لمهندسي التصميم وفرق البحث والتطوير والمصنعين الذين يعتمدون على مصادر قطع الغيار، تتيح عمليات التصنيع الدقيقة باستخدام الحاسوب (CNC) إمكانية إنتاج أجزاء معقدة دون الحاجة إلى معالجة إضافية. في الواقع، غالبًا ما تُمكّن هذه العمليات من تصنيع الأجزاء النهائية على آلة واحدة.
تزيل عملية التصنيع المواد وتستخدم مجموعة واسعة من أدوات القطع لإنشاء التصميم النهائي، والذي غالبًا ما يكون معقدًا للغاية، للجزء. ويتم تعزيز مستوى الدقة من خلال استخدام التحكم الرقمي بالحاسوب (CNC)، والذي يُستخدم لأتمتة التحكم في أدوات التصنيع.
دور "CNC" في التصنيع الدقيق
باستخدام تعليمات البرمجة المشفرة، تسمح عملية التصنيع الدقيق باستخدام الحاسوب (CNC) بقطع وتشكيل قطعة العمل وفقًا للمواصفات دون تدخل يدوي من قبل مشغل الآلة.
باستخدام نموذج التصميم بمساعدة الحاسوب (CAD) المقدم من العميل، يقوم فني متخصص في تشغيل الآلات باستخدام برنامج التصنيع بمساعدة الحاسوب (CAM) لإنشاء تعليمات تشغيل القطعة. وبناءً على نموذج CAD، يحدد البرنامج مسارات الأدوات المطلوبة ويُنشئ رمز البرمجة الذي يُخبر الآلة بما يلي:
■ ما هي سرعات الدوران ومعدلات التغذية الصحيحة؟
■ متى وأين يتم تحريك الأداة و/أو قطعة العمل
■ ما هو عمق القطع؟
■ متى يتم وضع سائل التبريد
■ أي عوامل أخرى تتعلق بالسرعة ومعدل التغذية والتنسيق
ثم يستخدم جهاز التحكم CNC رمز البرمجة للتحكم في حركات الآلة وأتمتتها ومراقبتها.
أصبحت تقنية التحكم الرقمي بالحاسوب (CNC) اليوم ميزة أساسية في مجموعة واسعة من المعدات، بدءًا من المخارط والمطاحن وآلات التوجيه، وصولًا إلى آلات القطع بالتفريغ الكهربائي (EDM) والليزر والبلازما. فضلًا عن أتمتة عملية التصنيع وتحسين الدقة، تُغني تقنية CNC عن المهام اليدوية، وتُتيح للفنيين الإشراف على تشغيل عدة آلات في آن واحد.
بالإضافة إلى ذلك، بمجرد تصميم مسار الأداة وبرمجة الآلة، يمكنها تشغيل القطعة عددًا غير محدود من المرات. وهذا يوفر مستوى عالٍ من الدقة والتكرار، مما يجعل العملية فعالة من حيث التكلفة وقابلة للتوسع بشكل كبير.
المواد التي يتم تشكيلها
تشمل بعض المعادن التي تُشَكَّل عادةً الألومنيوم، والنحاس الأصفر، والبرونز، والنحاس، والفولاذ، والتيتانيوم، والزنك. بالإضافة إلى ذلك، يمكن تشكيل الخشب، والرغوة، والألياف الزجاجية، والبلاستيك مثل البولي بروبيلين.
في الواقع، يمكن استخدام أي مادة تقريبًا مع التصنيع الدقيق باستخدام الحاسوب (CNC) - بالطبع، اعتمادًا على التطبيق ومتطلباته.
بعض مزايا التصنيع الدقيق باستخدام الحاسوب (CNC)
بالنسبة للعديد من الأجزاء والمكونات الصغيرة التي تستخدم في مجموعة واسعة من المنتجات المصنعة، فإن التصنيع الدقيق باستخدام الحاسوب (CNC) غالباً ما يكون هو أسلوب التصنيع المفضل.
كما هو الحال في جميع طرق القطع والتشكيل تقريبًا، تختلف المواد في سلوكها، كما يؤثر حجم وشكل المكون بشكل كبير على العملية. ومع ذلك، توفر عملية التصنيع الدقيق باستخدام الحاسوب (CNC) بشكل عام مزايا على طرق التصنيع الأخرى.
وذلك لأن التصنيع باستخدام الحاسوب (CNC) قادر على تقديم ما يلي:
■ درجة عالية من تعقيد الأجزاء
■ تفاوتات دقيقة، تتراوح عادةً من ±0.0002 بوصة (±0.00508 مم) إلى ±0.0005 بوصة (±0.0127 مم)
■ تشطيبات سطحية فائقة النعومة، بما في ذلك التشطيبات المخصصة
■ إمكانية التكرار، حتى عند الأحجام الكبيرة
بينما يستطيع فني ماهر استخدام مخرطة يدوية لصنع قطعة عالية الجودة بكميات تتراوح بين 10 أو 100 قطعة، فماذا يحدث عندما تحتاج إلى 1000 قطعة؟ 10000 قطعة؟ 100000 أو مليون قطعة؟
بفضل تقنية التصنيع باستخدام الحاسوب (CNC) الدقيقة، يمكنك الحصول على قابلية التوسع والسرعة اللازمتين لهذا النوع من الإنتاج بكميات كبيرة. إضافةً إلى ذلك، تضمن لك دقة التكرار العالية في هذه التقنية الحصول على قطع متطابقة تمامًا من البداية إلى النهاية، بغض النظر عن عدد القطع المنتجة.
توجد بعض الطرق المتخصصة للغاية في التصنيع باستخدام الحاسوب (CNC)، بما في ذلك القطع الكهربائي السلكي (EDM)، والتصنيع بالإضافة، والطباعة ثلاثية الأبعاد بالليزر. على سبيل المثال، يستخدم القطع الكهربائي السلكي مواد موصلة - عادةً معادن - وتفريغات كهربائية لتشكيل قطعة العمل إلى أشكال معقدة.
ومع ذلك، سنركز هنا على عمليات الطحن والتشكيل - وهما طريقتان طرحيتان متاحتان على نطاق واسع وتستخدمان بشكل متكرر في عمليات التصنيع الدقيقة باستخدام الحاسوب.
الطحن مقابل الخراطة
الطحن هو عملية تصنيع تستخدم أداة قطع أسطوانية دوارة لإزالة المواد وتشكيلها. وتُستخدم معدات الطحن، المعروفة باسم المطحنة أو مركز التصنيع، لإنجاز مجموعة واسعة من الأشكال الهندسية المعقدة على بعض أكبر الأجسام المعدنية المصنعة.
من أهم خصائص عملية الطحن أن قطعة العمل تبقى ثابتة بينما تدور أداة القطع. بعبارة أخرى، في آلة الطحن، تتحرك أداة القطع الدوارة حول قطعة العمل، التي تبقى ثابتة في مكانها على قاعدة.
الخراطة هي عملية قطع أو تشكيل قطعة عمل على جهاز يسمى المخرطة. عادةً، تدور المخرطة قطعة العمل حول محور رأسي أو أفقي بينما تتحرك أداة قطع ثابتة (قد تكون دوارة أو لا) على طول المحور المبرمج.
لا يمكن للأداة أن تدور حول القطعة بشكل كامل. تدور المادة، مما يسمح للأداة بتنفيذ العمليات المبرمجة. (هناك نوع فرعي من المخارط تدور فيه الأدوات حول سلك يُغذى من بكرة، ولكن هذا النوع غير مشمول هنا).
في عملية الخراطة، على عكس عملية التفريز، تدور قطعة العمل. تدور قطعة العمل على مغزل المخرطة، ويتم وضع أداة القطع على قطعة العمل.
التشغيل اليدوي مقابل التشغيل باستخدام الحاسوب
في حين أن كل من آلات الطحن والمخارط متوفرة في نماذج يدوية، فإن آلات CNC أكثر ملاءمة لأغراض تصنيع الأجزاء الصغيرة - حيث توفر قابلية التوسع والتكرار للتطبيقات التي تتطلب إنتاج كميات كبيرة من الأجزاء ذات التفاوتات الدقيقة.
إضافةً إلى توفير آلات ثنائية المحاور بسيطة تتحرك فيها الأداة على المحورين X وZ، تشمل معدات التحكم الرقمي الحاسوبي الدقيقة نماذج متعددة المحاور تسمح بحركة قطعة العمل أيضًا. وهذا يختلف عن المخرطة حيث تقتصر حركة قطعة العمل على الدوران، بينما تتحرك الأدوات لتشكيل الشكل الهندسي المطلوب.
تتيح هذه التكوينات متعددة المحاور إنتاج أشكال هندسية أكثر تعقيدًا في عملية واحدة، دون الحاجة إلى جهد إضافي من مشغل الآلة. وهذا لا يُسهّل إنتاج الأجزاء المعقدة فحسب، بل يقلل أيضًا من احتمالية الخطأ البشري أو يُزيلها تمامًا.
بالإضافة إلى ذلك، فإن استخدام سائل التبريد عالي الضغط مع التصنيع الدقيق باستخدام الحاسوب يضمن عدم دخول الرقائق إلى الأجزاء، حتى عند استخدام آلة ذات مغزل موجه رأسيًا.
ماكينات CNC
تختلف آلات الطحن المختلفة في أحجامها، وتكوينات محاورها، ومعدلات التغذية، وسرعة القطع، واتجاه تغذية الطحن، وغيرها من الخصائص.
مع ذلك، تستخدم جميع آلات التفريز CNC عمومًا مغزلًا دوارًا لإزالة المواد غير المرغوب فيها. تُستخدم هذه الآلات لقطع المعادن الصلبة مثل الفولاذ والتيتانيوم، ولكن يمكن استخدامها أيضًا مع مواد أخرى مثل البلاستيك والألومنيوم.
صُممت ماكينات التفريز CNC لتحقيق دقة عالية في التكرار، ويمكن استخدامها في كل شيء بدءًا من النماذج الأولية وصولًا إلى الإنتاج بكميات كبيرة. غالبًا ما تُستخدم ماكينات التفريز CNC عالية الدقة في الأعمال التي تتطلب دقة متناهية، مثل تفريز القوالب الدقيقة.
على الرغم من أن عملية الطحن باستخدام الحاسوب (CNC) تتيح سرعة في الإنجاز، إلا أن التشطيب النهائي بعد الطحن ينتج عنه أجزاء تحمل آثار أدوات واضحة. وقد ينتج عنه أيضاً أجزاء ذات حواف حادة ونتوءات، لذا قد يلزم إجراء عمليات إضافية إذا كانت هذه الحواف والنتوءات غير مقبولة في هذه المواصفات.
بالطبع، ستعمل أدوات إزالة النتوءات المبرمجة في التسلسل على إزالة النتوءات، على الرغم من أنها عادة ما تحقق 90٪ من المتطلبات النهائية على الأكثر، تاركة بعض الميزات للتشطيب اليدوي النهائي.
أما بالنسبة لتشطيب السطح، فهناك أدوات لا تنتج فقط تشطيب سطح مقبول، بل تنتج أيضًا تشطيبًا يشبه المرآة على أجزاء من المنتج النهائي.
أنواع آلات التفريز CNC
يُعرف النوعان الأساسيان من آلات الطحن باسم مراكز التشغيل الرأسية ومراكز التشغيل الأفقية، حيث يكمن الاختلاف الرئيسي في اتجاه مغزل الآلة.
مركز التشغيل العمودي هو آلة طحن يكون محور دورانها محاذيًا للمحور Z. ويمكن تقسيم هذه الآلات العمودية إلى نوعين:
■ مطاحن السرير، حيث يتحرك المغزل بالتوازي مع محوره بينما تتحرك الطاولة بشكل عمودي على محور المغزل
■ مطاحن البرج، حيث يكون المغزل ثابتًا وتتحرك الطاولة بحيث تكون دائمًا عمودية وموازية لمحور المغزل أثناء عملية القطع
في مركز التشغيل الأفقي، يكون محور دوران آلة التفريز محاذيًا للمحور Y. ونظرًا لبنيتها الأفقية، تشغل هذه الآلات مساحة أكبر في ورشة التشغيل، كما أنها أثقل وزنًا وأكثر قوة من الآلات الرأسية.
تُستخدم آلة التفريز الأفقية غالبًا عندما تكون هناك حاجة إلى سطح نهائي أفضل؛ وذلك لأن اتجاه المغزل يسمح بتساقط رقائق القطع بشكل طبيعي وسهولة إزالتها. (وكفائدة إضافية، تُسهم إزالة الرقائق بكفاءة في إطالة عمر الأداة).
بشكل عام، تُعدّ مراكز التشغيل العمودية أكثر شيوعاً لأنها تتمتع بقوة مماثلة لمراكز التشغيل الأفقية، كما أنها قادرة على معالجة أجزاء صغيرة جداً. إضافةً إلى ذلك، تتميز المراكز العمودية بصغر حجمها مقارنةً بمراكز التشغيل الأفقية.
ماكينات طحن CNC متعددة المحاور
تتوفر مراكز طحن CNC دقيقة متعددة المحاور. تستخدم ماكينة الطحن ثلاثية المحاور المحاور X وY وZ لمجموعة واسعة من الأعمال. أما ماكينة الطحن رباعية المحاور، فتستطيع الدوران حول محورين رأسي وأفقي، وتحريك قطعة العمل، مما يسمح بمزيد من التشغيل المستمر.
تحتوي آلة التفريز خماسية المحاور على ثلاثة محاور تقليدية ومحورين دوارين إضافيين، مما يسمح بتدوير قطعة العمل أثناء دوران رأس المغزل حولها. وهذا يُمكّن من تشكيل خمسة جوانب من قطعة العمل دون الحاجة إلى إزالتها وإعادة ضبط الآلة.
مخارط CNC
المخرطة - التي تُسمى أيضاً مركز الخراطة - تحتوي على مغزل واحد أو أكثر، ومحورين X و Z. تُستخدم هذه الآلة لتدوير قطعة العمل حول محورها لإجراء عمليات قطع وتشكيل متنوعة، باستخدام مجموعة واسعة من الأدوات.
تُعدّ مخارط CNC، والتي تُسمى أيضاً مخارط الأدوات ذات الحركة الحية، مثاليةً لإنتاج أجزاء أسطوانية أو كروية متناظرة. ومثل آلات التفريز CNC، تستطيع مخارط CNC التعامل مع عمليات أصغر حجماً مثل النماذج الأولية، كما يمكن تهيئتها لتحقيق دقة عالية في التكرار، مما يدعم الإنتاج بكميات كبيرة.
يمكن أيضًا إعداد مخارط CNC للإنتاج شبه الآلي، مما يجعلها تستخدم على نطاق واسع في صناعات السيارات والإلكترونيات والفضاء والروبوتات والأجهزة الطبية.
كيف تعمل مخرطة CNC
في مخرطة CNC، يتم تحميل قضيب خام من المادة الخام في ظرف مغزل المخرطة. يثبت هذا الظرف قطعة العمل في مكانها أثناء دوران المغزل. عندما يصل المغزل إلى السرعة المطلوبة، يتم وضع أداة قطع ثابتة على قطعة العمل لإزالة المادة والحصول على الشكل الهندسي المطلوب.
تستطيع مخرطة CNC القيام بعدد من العمليات، مثل الحفر، واللولبة، والتجويف، والتوسيع، والتسوية، والخراطة المخروطية. تتطلب العمليات المختلفة تغيير الأدوات، مما قد يزيد التكلفة ووقت الإعداد.
بعد إتمام جميع عمليات التشغيل المطلوبة، تُفصل القطعة عن الخام لمزيد من المعالجة، إذا لزم الأمر. ثم تصبح مخرطة CNC جاهزة لتكرار العملية، مع الحاجة عادةً إلى وقت إعداد إضافي ضئيل أو معدوم بين كل عملية وأخرى.
يمكن لمخارط CNC أيضًا استيعاب مجموعة متنوعة من مغذيات القضبان الأوتوماتيكية، مما يقلل من كمية مناولة المواد الخام يدويًا ويوفر مزايا مثل ما يلي:
■ تقليل الوقت والجهد المطلوبين من مشغل الآلة
■ دعم قضيب المعدن لتقليل الاهتزازات التي قد تؤثر سلبًا على الدقة
■ السماح لآلة التشغيل بالعمل بسرعات دوران مثالية
■ تقليل أوقات التغيير
■ تقليل هدر المواد
أنواع مخارط CNC
توجد أنواع عديدة من المخارط، ولكن أكثرها شيوعاً هي مخارط CNC ثنائية المحاور والمخارط الأوتوماتيكية على الطراز الصيني.
تستخدم معظم مخارط CNC الصينية مغزلاً رئيسياً واحداً أو اثنين بالإضافة إلى مغزل خلفي واحد أو اثنين (أو ثانويين)، حيث يتولى نظام النقل الدوراني وظيفة المغزل الرئيسي. ويؤدي المغزل الرئيسي عملية التشغيل الأساسية بمساعدة جلبة توجيه.
بالإضافة إلى ذلك، تأتي بعض المخارط الصينية مزودة برأس أداة ثانٍ يعمل كطاحونة CNC.
في مخرطة أوتوماتيكية تعمل بنظام التحكم الرقمي الحاسوبي (CNC) على الطراز الصيني، تُغذى المادة الخام عبر مغزل رأس منزلق إلى جلبة توجيه. يسمح هذا للأداة بقطع المادة بالقرب من نقطة دعمها، مما يجعل آلة الطراز الصيني مفيدة بشكل خاص للأجزاء الطويلة والرفيعة المخرطة وللتصنيع الدقيق.
تستطيع مراكز الخراطة CNC متعددة المحاور والمخارط الصينية إنجاز عمليات تشغيل متعددة باستخدام آلة واحدة. وهذا يجعلها خيارًا اقتصاديًا فعالًا للأشكال الهندسية المعقدة التي تتطلب عادةً استخدام آلات متعددة أو تغيير الأدوات باستخدام معدات مثل آلة التفريز CNC التقليدية.