ماشین کاری به فرآیند حذف مواد ناخواسته و تولید قطعه به روش براده برداری گفته میشود. ماشینکاری فرآیندی پیچیده است که به روش‌های بسیار متنوعی صورت می‌پذیرد و اپراتور انجام این فرآیند را ماشینکار می‌نامند. ماشین کاری تا مدت‌ها به صورت دستی و با ابزار برش برای جدا کردن براده از قطعه استفاده می‌شد اما با پیشرفت علم، کامپیوترها، لیزرها و ابزارآلات دقیق این فرآیند را به علمی پیچیده، دقیق و بسیار کارآمدتر تبدیل نمودند. در این مقاله از مجموعه مقالات آموزشی فولادسل به تعریف جامع ماشین کاری، ابزارآلات و انواع آن می‌پردازیم و تحلیل جامعی از ماشینکاری ارائه خواهیم داد.
انواع فرآیند ماشین کاری
فرآیند ماشین کاری یا به عبارت دیگر براده برداری می‌تواند به طور کلی با ابزار مکانیکی یا به کمک فرآیند شیمیایی انجام شود. ماشین‌آلات و ابزارهای ماشینکاری به سه صورت دستی، نیمه اتومات و تمام اتومات تقسیم می‌شوند. همچنین انواع دیگری از براده برداری در سال‌های اخیر به کمک پیشرفت علم به وجود آمده‌اند که ماشینکاری الکترو شیمیایی، ماشینکاری پرتو لیزر، ماشینکاری الکترونی و… از انواع آنهاست. در ادامه به معرفی هرکدام از این فرآیندهای ماشین کاری و در نهایت به معرفی انواع ابزارآلات ماشینکاری می‌پردازیم.
1_ معرفی انواع فرآیندهای ماشین کاری با ابزار مکانیکی
انواع قطعات ریخته‌گری، ورق‌ها، قطعات جوشکاری شده یا شکل‌دهی شده پس از تولید برای رسیدن به کیفیت نهایی ساخت، نیازمند فرآیند ماشین کاری هستند. در فرآیند ماشین کاری ابزار برش که مته، اره، دستگاه فرز یا سایر ابزارهای براده برداری است، با حرکتی نسبی برای برش و پیشروی روی قطعه‌ی کار حرکت می‌کند و براده یا Chip را از قطعه جدا می‌نماید.
حرکت بین ابزار و قطعه تعیین کننده‌ی سرعت براده برداری است که حرکت اول را سرعت برش و حرکت دوم را سرعت پیشروی می‌نامند. از ماشینکاری برای شکل دهی، سوراخکاری، تراش‌دهی و… استفاده میشود که شکل ابزار براده برداری و مقدار نفوذ آن به قطعه کار تعیین کننده‌ی حرکت براده‌برداری و در نهایت شکل نهایی قطعه است. برای تولید قطعه‌ی نهایی به طور کلی از فرآیندهای زیر بهره برده میشود:
-
فرزکاری
در فرآیند فرزکاری (Milling) دستگاه فرز ابزار براده برداری است و روی قطعه حرکت می‌کند در حالی که قطعه به صورت بی‌حرکت ثابت میشود. در این فرایند از میزکار برای حرکت قطعه می‌توان استفاده کرد. ماشین فرز به کمک حرکت دورانی، براده‌گیری می‌کند و ماشین فرز بسته به محور حرکت تیغه می‌تواند عمودی یا افقی باشد. از فرزکاری برای کف تراشی و اسلب فرز (ایجاد برش‌های مسطح در سطح قطعه کار) استفاده میشود. فرزکاری یکی از مهمترین و معمول‌ترین انواع فرآیند ماشینکاری است.
-
سوراخکاری
سوراخکاری یا دریل‌کاری فرآیندی است که از آن برای ایجاد سوراخ، افزایش قطر یا بهبود سطح داخلی سوراخ‌ها در قطعه استفاده میشود. سوراخکاری (Drilling) به وسیله‌ی مته که با سرعتی معادل صد تا هزاران دور در دقیقه گردش می‌کند صورت می‌پذیرد. معمولا حفره‌ی ایجاد شده در سطح ورودی دارای لبه‌ی تیز و در مقطع داخلی دارای علائم مارپیچ مته است.
همچنین حین فرآیند سوراخکاری فشار زیادی به قطعه کار اعمال میشود و در اطراف حفره ایجاد شده مقداری تنش پسماند می‌ماند که بر روی خواص مکانیکی قطعه تاثیرگذار است. سپس برای تکمیل فرایند سوراخکاری از عملیات بورینگ (Boring) برای افزایش قطر و از عملیات برقوکاری برای رسیدن به کیفیت مورد نظر بهره برده میشود که هر دو خود از زیرشاخه‌های فرایند ماشینکاری هستند.
-
تراشکاری
در عملیات تراشکاری (Turning) قطعه‌کار می‌چرخد و ابزار براده‌برداری به صورت ثابت قرار دارد. حرکت قطعه و ابزار در این فرآیند عکس فرآیند فرزکاری است. از انواع فرآیند تراشکاری می‌توان روتراشی، پیشانی‌تراشی، تراشکاری مخروطی، پیچ‌تراشی و… اشاره کرد.
همچنین برخی دیگر از عملیات‌ها نظیر اره کشی، خانکشی، صفحه تراشی و سنگ‌زنی را به عنوان عملیات‌های زیر مجموعه‌ی فرآیند ماشین کاری دسته‌بندی می‌کنند.
2_ معرفی انواع فرآیندهای ماشین کاری غیر مکانیکی
علاوه بر ابزارهای مکانیکی که به صورت نیمه اتوماتیک یا تمام اتوماتیک کار می‌کنند، روش‌های دیگری از ماشین کاری به کمک پیشرفت علم توسعه پیدا کرده‌اند که دقت بسیار بالایی دارند و در مواردی که محصول نهایی از نظر خواص مکانیکی و کیفیت نهایی دارای اهمیت بسیار زیادی است مورد استفاده قرار می‌گیرند. در ادامه به شرح چند مورد از این دسته پرداخته‌ایم:
-
ماشین کاری شیمیایی
این روش قدیمی‌ترین روش ماشین کاری غیر سنتی است که برای ماشینکاری مواد بدون در نظر داشتن میزان سختی آنها کاربرد دارد. این نوع ماشینکاری با انجام فرآیند شیمیایی میان قطعه کار و واکنشگر صورت می‌پذیرد. از این نوع ماشینکاری بیشتر برای ایجاد حفره‌های کوچک یا حکاکی بر روی قطعه استفاده میشود. دو دسته‌ی اصلی ماشینکاری شیمیایی با نام‌های ماشینکاری فتوشیمیایی و فرزکاری شیمیایی شناخته می‌شوند.
-
ماشین کاری الکتروشیمیایی
ماشین کاری الکتروشیمیایی یا برشکاری کاتدی برای برشکاری و ماشین کاری مواد سخت مثل تیتانیوم کاربرد دارد که دارای مزایایی نظیر توانایی انجام اشکال هندسی پیچیده بدون اثرگذاشتن ابزار بر روی سطح است زیرا در این فرآیند تماس بین ابزار و قطعه کار وجود ندارد.
-
ماشین کاری اُلتراسونیک
از این نوع ماشین کاری می‌توان برای انواع مواد رسانا و غیررسانا بهره برد که سختی و شکنندگی بالایی دارند. در این روش از یک دوغاب (مایع ساینده) و یک ابزار با بسامد بالا برای براده برداری بهره می‌برند. دانه‌های ساینده‌ی موجود در دوغاب به وسیله‌ی یک ابزار در حال ارتعاش که عمود بر قطعه کار است عمل شکل دهی را بر روی قطعه انجام می‌دهند.
-
ماشین کاری پرتو لیزری
در روش ماشین کاری پرتو لیزر با عمل تمرکز پرتو فوتونیک بر قطعه کار، ماشینکاری به صورت کاملا دقیق انجام میشود. در این عمل پرتو لیزر را به صورت متمرکز بر سطح قطعه می‌تابند و در اثر حرارت به وجود آمده، ماده روی سطح قطعه کار به صورت بخار یا مذاب از آن جدا میشود. برشکاری لیزری یکی از فرآیندهای بسیار پر کاربرد است که این فرآیند بر روی سطوح فلزی یا غیر فلزی قابل اجرا است.
-
ماشین کاری قوس پلاسما
ماشین کاری قوس پلاسما یکی دیگر از فرآیندهای نوین ماشینکاری است. در این فرآیند از هوای فشرده تحت دمای بالا به عنوان گاز پلاسما بهره می‌برند. برای فشرده سازی هوا از کمپرسور استفاده میشود و یکی از عیوب این روش این است که سطح برشی اکسیده میشود.
-
ماشین کاری با جت آبی
واتر جت یکی از سیستم‌های فشرده سازی آب است که از آن برای تمیزکاری یا برشکاری بهره می‌برند. در این وسیله می‌توان از مواد ساینده برای تسهیل در برشکاری یا لایه برداری بهره برد یا همچنین می‌توان از آب خالص استفاده کرد به آن جت آب خالص می‌گویند. قدرت این وسیله در برشکاری بسیار بالاست.
-
ماشین کاری تخیله‌ی الکتریکی
ماشین کاری تخیله‌ی الکتریکی که با نام اسپارک نیز شناخته میشود فرآیند براده برداری است که به کمک یک ژنراتور برای تولید جرقه با آمپر بالا و ولتاژ پایین برای براده برداری استفاده میشود. در این روش بین قطعه کار و الکترود براده برداری هیچ تماسی برقرار نمی‌شود.
-
ماشین کاری پرتو الکترونی
ماشین کاری پرتوالکترونی یکی از روش‌های موثر برای ماشین کاری مواد رسانا و نارسانا است که از پرتوهای الکترونی متمرکز شده برای براده برداری به وسیله‌ی تبخیر یا ذوب آنی قطعه کار استفاده میشود. برای ایجاد چگالی توان بسیار بالا بر روی سطح قطعه‌ی کار، الکترون‌ها به سرعتی حدود 50 تا 80 درصد سرعت نور می‌رسند و پس از برخورد به سطح قطعه کار پرتوری X تولید می‌کنند که خطرناک است؛ در این روش حتما باید از تجهیزات حفاظتی بهره برد.
ابزار ماشین کاری
امروز با پیشرفت علم از کامپیوترها برای ساخت قطعه استفاده می‌کنند؛ بدین صورت که طرح و نقشه‌ی قطعه‌ی نهایی را در کامپیوتر وارد می‌کنند و ماشین برشکاری آن را طبق نقشه براده برداری می‌کند و شکل می‌دهد. به ابزاری که ازکامپیوتر برای براده برداری استفاده کند اصطلاحا Computer Numerical Control) CNC) می‌گویند که قابل برنامه‌ریزی است.
ابزار برش دارای لبه‌ی برشی است و از ماده‌ی سخت ساخته شده. لبه‌ی برشی که عمل پلیسه برداری را انجام می‌دهد می‌تواند از یک یا چند نقطه با قطعه کار در تماس باشد که به این تفکیک به دودسته‌ی ابزار تک نقطه و ابزار برش چند لبه تقسیم میشود. به عنوان یک قاعده‌ی کلی لبه یا لبه‌های ابزار برش باید از ماده‌ای با سختی بیشتر از قطعه کار ساخته شده باشند تا ابزار بتواند براده برداری را انجام دهد بدون آنکه خود آسیب ببیند.
از آنجا که همه‌ی سطح ابزار برش با قطعه کار در تماس نیست لازم نیست که تمام سطح آن از ماده با سختی بالا ساخته شده باشد و تنها نیاز است که لبه‌ای که عمل براده برداری را انجام می‌دهد دارای مواد با سختی بالا باشد. سطحی که عمل براده برداری را برعهده دارد با قطعه کار دارای یک زاویه‌ی خاص است که به آن زاویه‌ی ریک (RAKE) می‌گویند. زاویه‌ی RAKE نسبت به صفحه عمود بر سطح کار سنجیده میشود و می‌تواند مقداری مثبت یا منفی باشد.
جنس ابزاری که عمل براده برداری را برعهده دارد بسته به نوع کاربرد و قیمت متفاوت است. استحکام ابزار برش در برابر تنش حرارتی و ساییدگی بسیار مهم است. ابزارهایی با جنس کاربید سمانته، فولادهای پرکربن، سرامیک‌ها و فولاد تُندبُر از پراستفاده‌ترین مواد برای ابزار برشی هستند.
کاربرد ماده روانکار در فرایند ماشین کاری
روانکار ماده‌ای است که در حین فرآیند ماشین کاری به سطح یا سطوح در تماس بین ابزار و قطعه کار پاشیده میشود تا از تنش بیش از حد حرارتی و اصطکاک بین سطوح جلوگیری کند. مواد مختلفی به عنوان روانکار استفاده می‌شوند که به جنس قطعات در حال کار و میزان تنش حرارتی حاصل حین انجام فرآیند بستگی دارند. استفاده از روانکار باعث افزایش عمر قطعات در ابزار ماشینکاری و کاهش تنش پسماند در قطعه کار میشود. همچنین استفاده از روانکار تا حدود زیادی از شکست قطعه (به خصوص در نقاط نازک و بحرانی) جلوگیری می‌کند. انواع روغن صنعتی، گیریس، آب و صابون، روانکارهای گازی و روانکارهای جامد در صنعت مورد استفاده هستند.
