ما هو التفريز باستخدام الحاسب الآلي؟ التطور والماكينات وسير العمل والعمليات والفوائد والقيود

تعد عملية الطحن باستخدام الحاسب الآلي (CNC) إحدى عمليات التصنيع الشائعة المستخدمة في الإنتاج الصناعي الحديث. وتندرج هذه التقنية ضمن عملية التصنيع بالطرح حيث يتم إزالة مادة من كتلة صلبة لتحقيق الشكل الهندسي أو الحجم المطلوب. وعلى عكس عمليات التصنيع الآلية في الماضي، التي كان للتحكم البشري فيها تأثير كبير على سير العملية، فإن عملية الطحن باستخدام التحكم الرقمي (CNC) هي عملية يتم التحكم فيها بواسطة الكمبيوتر، حيث تُستخدم تعليمات الكمبيوتر للتحكم في حركة أدوات القطع.

مقدمة في التفريز باستخدام الحاسب الآلي الرقمي

التفريز باستخدام التحكم الرقمي بالكمبيوتر (CNC) هو عملية تصنيع يتم فيها قطع قطعة عمل ثابتة بواسطة أدوات قطع دوارة يتم التحكم فيها بواسطة برنامج حاسوبي. ويشير الاختصار CNC إلى «التحكم الرقمي بالكمبيوتر» (Computer Numerical Control)، وهو ما يعكس التعليمات الرقمية التي تحكم حركات الآلة وعملياتها.

في الإعداد العادي لعملية الطحن باستخدام التحكم الرقمي (CNC)، تقوم أداة دوارة عالية السرعة بقطع قطعة العمل المثبتة على طاولة متحركة. وتقوم وحدة التحكم في الآلة بتفسير برنامج رقمي — غالبًا ما يكون مكتوبًا بلغة كود G—ويوجه محاور الآلة للتحرك وفقًا لمسار الأداة المحدد. ثم تقوم الأداة بقطع قطعة العمل وإزالة المواد تدريجيًّا لتشكيل الشكل المطلوب.

يتم التفريز باستخدام الحاسب الآلي باستخدام الحاسب الآلي ويسمح بتصنيع أجزاء عالية التفصيل بأقل قدر من التحكم البشري. تسمح الحركات متعددة الأبعاد في الماكينة بإنشاء ميزات مثل الفتحات والجيوب والخطوط والتفاصيل الدقيقة للأسطح ثلاثية الأبعاد.

تعد دقة عملية الطحن باستخدام التحكم الرقمي (CNC) إحدى السمات المميزة لها. فمراكز التصنيع الحديثة التي تعمل بنظام التحكم الرقمي (CNC)، والمزودة بخوارزميات متطورة لتعويض الأخطاء الحجمية، قادرة على التعامل باستمرار مع تفاوتات تحديد المواقع التي تبلغ من ±2 إلى ±5 ميكرون. هذه الدقة الهندسية الفائقة أمرٌ ضروريٌّ للعمليات الهندسية عالية الأداء التي لا يمكن الاستغناء فيها عن الدقة على مستوى الميكرون ^[1].

إن الدقة والمرونة وقابلية التوسع تجعل من التفريز باستخدام الحاسب الآلي تقنية أساسية في الصناعة التحويلية الحالية.

تاريخ التفريز باستخدام الحاسب الآلي وتطوره

يمكن إرجاع تاريخ التفريز باستخدام الحاسب الآلي إلى ماكينات التفريز التقليدية التي كان يتم التحكم فيها يدويًا. كان الميكانيكيون يتحكمون في حركة الأدوات عن طريق الخراطة اليدوية والحركة على الرافعات الميكانيكية. على الرغم من أن المشغلين المحترفين كان بإمكانهم تقديم بعض النتائج الممتازة، إلا أنها كانت بطيئة ويمكن أن تتأثر بالأخطاء البشرية.

كان ظهور التحكم العددي في الأربعينيات والخمسينيات من القرن العشرين إنجازاً هائلاً في تكنولوجيا التصنيع الآلي. استخدمت الماكينات بنظام التحكم الرقمي المبكرة تعليمات البطاقات المثقوبة أو الأشرطة الورقية المشفرة لتوجيه حركة الماكينة. ساعدت هذه الأنظمة المصنعين ليس فقط على أتمتة عمليات التشغيل الآلي المتكررة ولكن أيضًا على تعزيز الاتساق.

أنتجت تكنولوجيا الكمبيوتر، التي تم اختراعها في السبعينيات والثمانينيات، أنظمة التحكم العددي بالكمبيوتر. حلت وحدات التحكم الرقمي باستخدام الحاسب الآلي محل أنظمة التعليمات الميكانيكية وسمحت للماكينات بقراءة الأوامر الرقمية التي تم إنشاؤها من البرامج.

أدى هذا الابتكار التقني إلى تحسين قوة ماكينات التفريز بشكل كبير. يمكن إنشاء مسارات أدوات معقدة باستخدام برمجيات التصميم بمساعدة الحاسوب والتصنيع بمساعدة الحاسوب (CAD) وبرمجيات CAM، مما يوفر للمهندسين القدرة على تصنيع الأجزاء المعقدة بدقة وكفاءة أكبر بكثير.

تشتمل ماكينات التفريز بنظام التحكم الرقمي اليوم على مستشعرات متقدمة ومغازل عالية السرعة ومبدلات أدوات آلية وأنظمة تحكم شبكية. من المرجح أن يتم دمج هذه الماكينات في أنظمة الإنتاج الذكية التي يتم فيها نقل المعلومات الرقمية بسهولة بين التصميم والإنتاج.

ما هي أجزاء ماكينة التفريز باستخدام الحاسب الآلي؟

تشتمل ماكينة التفريز بنظام التحكم الرقمي على مكونات ميكانيكية وإلكترونية معقدة تعمل معًا لإجراء عمليات تصنيع آلي عالية الدقة.

يشكل إطار الماكينة الأساس الهيكلي لنظام التفريز. وهو يتكون من مادة مقواة مثل الحديد الزهر أو الفولاذ، والتي تمتص الاهتزازات المتولدة أثناء القطع وتحسن من ثبات الماكينة.

المغزل هو المسؤول عن تثبيت أداة القطع وتدويرها. تتفاوت سرعة المغزل بناءً على المادة التي يتم تصنيعها وأداة القطع. وغالبًا ما تعمل المغازل عالية الأداء المستخدمة في التصنيع عالي السرعة (HSM) في نطاق يتراوح بين 20,000 و40,000 دورة في الدقيقة. ويؤدي هذا الدوران السريع إلى تقليل قوى القطع والتشوه الحراري بشكل كبير، مما يؤدي إلى معدلات إزالة مادة (MRR) أعلى بكثير وإلى تشطيبات سطحية فائقة الجودة ^[2].

طاولة العمل هي المكان الذي يتم فيه تأمين قطعة العمل أثناء التشغيل الآلي. يتم تثبيت المادة أو تأمينها أو تثبيتها في تركيبات أو مشابك أو رذائل، ثم تتحرك الطاولة في محاور محددة مسبقًا لوضع قطعة العمل في موضعها مع أداة القطع. تحتوي الماكينة على وحدة معالجة مركزية، والتي تعرف باسم وحدة التحكم بنظام التحكم الرقمي باستخدام الحاسب الآلي. تقرأ برامج التشغيل الآلي، وتحسب حركات الأدوات، وترسل التعليمات إلى المحركات التي تحرك محاور الماكينة.

يمكن أن تشتمل الماكينات المعاصرة أيضًا على مبادلات آلية للأدوات توفر للماكينة القدرة على التبديل بين أدوات القطع المتعددة أثناء تنفيذ الماكينة لدورة التصنيع. ستسمح هذه الأتمتة بتصنيع القِطع المعقدة ضمن إعداد واحد.

ما هي أنواع ماكينات التفريز بنظام التحكم الرقمي؟

ماكينات التفريز العمودية بنظام التحكم الرقمي باستخدام الحاسب الآلي

تقوم ماكينات التفريز بنظام التحكم الرقمي العمودية بنقل مغزلها بزاوية قائمة إلى طاولة العمل. هذا الاتجاه الرأسي لأداة القطع إلى اتجاه الشُّغْلَة يجعل الأداة مناسبة لتصنيع الأسطح المسطحة والفتحات والتجاويف.

تُستخدم هذه الآلات على نطاق واسع في ورش الآلات نظراً لتعدد استخداماتها وحجمها الصغير نسبياً. تُستخدم مراكز التصنيع الرأسية في صناعة النماذج الأولية، وإنتاج الدفعات الصغيرة، والتصنيع العام.

ماكينات تفريز أفقية بنظام التحكم الرقمي باستخدام الحاسب الآلي

تحتوي ماكينات التفريز الأفقية على مغزل موجه موازٍ لمنضدة العمل. يسمح التصميم للبُرادة المصنوعة في تشغيل الماكينة بالسقوط بعيدًا عن منطقة القطع، مما يزيد من كفاءة القطع ويقلل من توليد الحرارة.

تُستخدم الماكينات الأفقية في تجهيزات الإنتاج الصناعي على نطاق واسع نظرًا لصلابتها وقدرتها على التعامل مع قطع العمل الثقيلة.

ماكينات التفريز بنظام التحكم الرقمي ثلاثية المحاور

تدور ماكينات التفريز ثلاثية المحاور على الأبعاد X وY وZ. هذه الماكينات قادرة على إنتاج مجموعة كبيرة من المكونات، وهي النوع الأكثر شيوعًا من أنظمة التفريز بنظام التحكم الرقمي باستخدام الحاسب الآلي المستخدمة في مصانع الإنتاج.

على الرغم من أنها متعددة الاستخدامات، إلا أن الأنظمة ذات الأشكال الهندسية المعقدة قد تتطلب أكثر من إعداد واحد عند استخدام أنظمة الماكينات ثلاثية المحاور.

ماكينات تفريز متعددة المحاور بنظام التحكم الرقمي (CNC)

تشتمل ماكينات التفريز بنظام التحكم الرقمي ذات أربعة محاور وخمسة محاور على محاور دوران إضافية تسمح لأداة القطع أو قطعة العمل بالإمالة والدوران أثناء التصنيع الآلي. يتيح ذلك صنع مكونات أكثر تعقيدًا مع عدد أقل من عمليات الإعداد.

يُستخدم التصنيع متعدد المحاور على نطاق واسع في تصنيع قطع غيار الطيران و تصنيع الأجهزة الطبية, ، والتي تتطلب قطعًا ذات أشكال معقدة وتفاوتات ضيقة.

الجدول 1: مقارنة بين أنواع ماكينات التفريز بنظام التحكم الرقمي الشائعة

سير عمل عملية التفريز باستخدام الحاسب الآلي بنظام التحكم الرقمي

إن عملية التفريز باستخدام الحاسب الآلي هي عملية محوسبة ومنهجية يتم من خلالها تحويل فكرة التصميم إلى مكون مادي فعلي نهائي. تساهم كل مرحلة من مراحل العملية في دقة وكفاءة المنتج النهائي.

إنشاء نموذج CAD

يبدأ سير عمل التفريز باستخدام الحاسب الآلي بإنشاء نموذج رقمي ثلاثي الأبعاد باستخدام برنامج تصميم بمساعدة الكمبيوتر. في هذه المرحلة، يحدد المهندسون هندسة وحجم المكوّن بالإضافة إلى خصائصه. تعمل هذه النماذج الرقمية كمخطط للتصنيع وتضمن إمكانية ترجمة التصميم بدقة إلى تعليمات التصنيع الآلي.

إنشاء مسار الأدوات باستخدام برنامج CAM

يقوم نظام CAM بإنشاء مسارات أدوات متطورة تحدد الحركة الدقيقة لأداة القطع حول قطعة العمل. وغالبًا ما تستخدم أنظمة CAM المتقدمة خوارزميات طحن ديناميكية أو تروكويدية، والتي تحافظ على زاوية تلامس ثابتة لأداة القطع. ويمكن لهذا التحسين أن يقلل من وقت عملية التشطيب الأولي بما يصل إلى من 40% إلى 50% مع إطالة عمر الأداة بشكل ملحوظ من خلال منع حدوث ارتفاعات حادة في الأحمال الميكانيكية ^[3].

بعض معلمات التشغيل الآلي التي يحددها المهندسون هي سرعة عمود الدوران ومعدل التغذية وعمق القطع. يتم تحسين هذه المعلمات بحيث يكون هناك تجريد فعال للمواد وعمر كافٍ للأداة.

برمجة كود G

بعد إنشاء مسارات الأدوات، يقوم برنامج CAM بتحويل مسارات الأدوات إلى كود قابل للقراءة آليًا (كود G). توجد أوامر لحركات المحاور ودوران عمود الدوران وعمليات الماكينة الأخرى التي تمليها هذه الشفرة.

يتم بعد ذلك نقل برنامج الكود G إلى وحدة التحكم في ماكينة التفريز بنظام التحكم الرقمي.

إعداد الماكينة

يقوم المشغِّل بتجهيز الماكينة عن طريق تركيب أدوات القطع وتثبيت قطعة العمل على طاولة العمل قبل بدء تشغيل الماكينة. ثم يقوم بعد ذلك بمعايرة الماكينة إلى الإحداثيات الصحيحة لعملية التشغيل الآلي. يضمن الإعداد السليم للماكينة تنفيذ برنامج التشغيل الآلي بشكل جيد.

تنفيذ التصنيع الآلي

بمجرد بدء البرنامج، تتبع ماكينة التفريز بنظام التحكم الرقمي تلقائيًا مسارات الأدوات المبرمجة. وهي عملية قطع تنطوي على معدل دوران عالٍ لأداة القطع وحركة محور الماكينة بدرجة عالية من الدقة من أجل إزالة مادة قطعة العمل.

يستمر ذلك حتى يتم إنشاء الشكل الهندسي النهائي المطلوب للجزء.

الجدول 2: المراحل النموذجية في سير عمل التفريز باستخدام الحاسب الآلي

ما هي عمليات التفريز باستخدام الحاسب الآلي الشائعة؟

يمكن لماكينات التحكم الرقمي باستخدام الحاسب الآلي تنفيذ العديد من المهام، وهذا يسمح للمصنعين بإضافة العديد من السمات الهندسية إلى قطعة العمل. تحتوي كل عملية على بعض استراتيجيات التشغيل الآلي التي تحدد العلاقة بين أداة القطع والمادة.

تفريز الوجه

يشكل الطحن الوجهي (إزالة المواد الموجودة على السطح العلوي لقطعة العمل) سطحاً مستوياً. أثناء هذا الإجراء، تدور ماكينة التفريز الوجهي بينما تتحرك قطعة العمل تحتها، مما يؤدي إلى إزالة طبقات رقيقة من المواد تدريجياً.

كما تُستخدم عملية الطحن الأمامي في تجهيز المواد الخام قبل إخضاعها لعمليات تصنيع إضافية. كما تُستخدم في إنتاج المكونات الميكانيكية المسطحة مثل قواعد الآلات وألواح التثبيت والدعامات الهيكلية.

الطحن النهائي

يتم تنفيذ الطحن النهائي باستخدام أداة قطع ذات حواف حادة في كلا الجانبين والطرف. وهذا يمكّن الأداة من القطع عمودياً وأفقياً، مما يتيح إجراء عمليات متنوعة للغاية.

تقوم العملية عادةً بعمل فتحات، وجيوب، وملامح جانبية وخطوط ثلاثية الأبعاد معقدة. وغالبًا ما يتم تطبيق الطحن النهائي عندما يتعلق الأمر بصنع القوالب والقوالب والعلب والمكونات الأخرى للمنتج التي تتطلب خصائص داخلية معقدة.

تفريز الفتحات

الغرض من تفريز الفتحات هو قطع قنوات ضيقة على قطعة العمل. يمكن استخدام هذه القنوات كقناة عمل، مثل الممرات الرئيسية أو قضبان التوجيه أو المسارات على التجميعات الميكانيكية.

تميل صناعات أخرى، مثل صناعات تصنيع السيارات وصناعات الماكينات الصناعية، إلى تطبيق عملية التفريز بالفتحات لإنتاج القِطع التي تتطلب ميزات محاذاة دقيقة. وتنتج العملية أيضًا أخاديد لربط الحلقات أو الماكينات المنزلقة.

الطحن الكنتوري

الطحن الكنتوري هو عملية إنشاء سطح منحني أو غير مستوٍ على قطعة عمل. وتتبع أداة القطع مساراً معقداً ثلاثي الأبعاد مرتبطاً بنموذج متوفر في نموذج حاسوبي.

وهذا أمر ضروري، لا سيما في قطاعي الفضاء الجوي وصناعة القوالب. وقد يكون الطحن الكنتوري مطلوبًا أيضًا لشفرات التوربينات، والقوالب، والنماذج المعمارية شديدة التفصيل، مثل هذا النموذج نموذج أولي مصنوع يدويًّا لـ«عش الطائر» في بكين

طحن الجيب

تستلزم عملية التفريز الجيبي قطع منطقة معروفة من قطعة العمل داخليًا، مما يؤدي إلى إنشاء تجاويف جيبية. يمكن أيضًا تركيب المكوّنات في التجاويف أو تقليل وزن المكوّن بشكل عام، مع الاحتفاظ بهيكله.

يُستخدم الطحن الجيبي على نطاق واسع في الهياكل الفضائية، والأغلفة الميكانيكية، ومكونات إدارة الحرارة المعقدة مثل مبدلات حرارية فولاذية ذات تهوية. ومن خلال الإزالة المدروسة للمواد الداخلية، يتمكن المهندسون من تحقيق أقصى قدر من القوة وخفض الوزن.

أدوات القطع في التفريز باستخدام الحاسب الآلي الرقمي

تُعد أدوات القطع عناصر أساسية في أنظمة التفريز باستخدام الحاسب الآلي لأنها تحدد مدى كفاءة إزالة المواد من الشُّغْلَة. تحدد هندسة الأداة، وهيكل المواد، وصقل السطح أداء الماكينات وعمرها الافتراضي.

تُعد ماكينات التفريز الطرفية من أكثر الأدوات متعددة الاستخدامات المستخدمة في التفريز باستخدام الحاسب الآلي. تسمح لها الحواف المستخدمة بأداء وظائف مثل التنميط، والشق والتفريز الجيبي. تتميز ماكينات التفريز الطرفية بأشكال وأحجام متعددة، اعتمادًا على متطلبات التشغيل الآلي.

تتميز ماكينات التفريز ذات الأطراف الكروية بأطراف مستديرة، وبالتالي فهي قادرة على قطع الأسطح الملساء والمنحنية. تُستخدم هذه في صناعة القوالب وفي تصنيع الأسطح المعقدة حيث يجب أن تكون الخطوط ملساء.

تميل قواطع تفريز الوجه إلى أن تكون أدوات أكبر تُستخدم لإزالة المواد من الأسطح المسطحة. تحتوي معظم ماكينات التفريز على إدخالات دوارة من الكربيد القابل للاستبدال والتي يمكن قلبها أو تغييرها بعد الاستخدام، مما يساعد على زيادة عمر الأداة وتقليل تكاليف التشغيل.

إن المواد المستخدمة في تصنيع أدوات القطع أمر بالغ الأهمية. على سبيل المثال، أصبحت أدوات الكربيد شائعة لأنها لا تفقد صلابتها حتى في درجات الحرارة العالية ولا تتعرض للتلف عند استخدامها في التشغيل الآلي الثقيل. وهناك شكل آخر من أشكال الطلاء الإضافي، مثل نيتريد التيتانيوم ونتريد الألومنيوم التيتانيوم، يعزز أيضًا من أداء القطع وعمر الأداة.

سيتم زيادة كفاءة التصنيع إلى أقصى حد، وسيتم تحسين جودة تشطيب السطح، وسيتم تقليل تآكل أداة القطع من خلال أداة القطع المناسبة من حيث عمليات الإنتاج الطويلة.

ما هي فوائد التفريز باستخدام الحاسب الآلي؟

تتعدد مزايا التفريز باستخدام الحاسب الآلي، وهذا يجعلها واحدة من أكثر عمليات التصنيع موثوقية في الهندسة الحديثة. إحدى أفضل نقاط قوتها هي الدقة. ويتم ذلك من خلال استخدام التعليمات الرقمية؛ وبالتالي، يمكن لماكينات التحكم الرقمي بنظام التحكم الرقمي تكرار إنتاج القِطع بتفاوتات تفاوتات ضيقة للغاية وفروق إنتاج كبيرة.

ومن بين نقاط القوة المهمة الأخرى التنوع في الاستخدامات. فآلات الطحن التي تعمل بنظام التحكم الرقمي (CNC) قادرة على إنتاج جميع أنواع الأشكال الهندسية، بدءًا من الأسطح المسطحة وصولاً إلى الأشكال المعقدة. ويرجع ذلك إلى المرونة التي تتيح للمصنعين إنتاج قطع النماذج الأولية ودفعات الإنتاج الكبيرة باستخدام نفس المعدات.

تزيد الأتمتة أيضًا من الإنتاجية. بمجرد إعداد مجموعة الماكينة وتثبيت برنامج التصنيع الآلي، يمكن تشغيل الماكينة دون الحاجة إلى العديد من المشغلين. إنها قدرة تحقق كفاءة أكبر في عملية التصنيع، كما أنها تساعد على استبعاد مخاطر الخطأ البشري.

كما أن التفريز باستخدام الحاسب الآلي متوافق بشكل كبير مع أنظمة التصنيع الرقمية الحديثة. يساعد دمج برمجيات التصميم بمساعدة الحاسوب والتصنيع بمساعدة الحاسوب المهندسين على الربط بين التصميم والإنتاج دون أي صعوبة، مما يوفر قدرًا كبيرًا من الوقت في تطوير المنتجات.

ما هي حدود التفريز باستخدام الحاسب الآلي؟

على الرغم من هذه الفوائد، فإن الطحن باستخدام الحاسب الآلي له حدوده أيضًا. واحدة من أكثر القضايا البارزة هي النفايات المادية. وبالنظر إلى أن العملية يتم تطبيقها لقطع المواد من كتلة صلبة، فإن جزءًا كبيرًا من المادة الأصلية يصبح برادة أو خردة.

القيد الآخر هو التكلفة العالية نسبيًا للآلات والأدوات. تتطلب ماكينات التفريز باستخدام الحاسب الآلي استثمارات رأسمالية كبيرة. وقد تكون ماكينات التحكم الرقمي باستخدام الحاسوب متعددة المحاور عالية التقنية باهظة التكلفة.

قد تتطلب الآلة ثلاثية المحاور أيضًا إجراء عمليات إعداد متعددة أو استخدام تجهيزات خاصة عند التعامل مع أشكال هندسية معقدة للأجزاء. ورغم أن الآلات متعددة المحاور يمكنها التغلب على هذه المشكلة، إلا أنها تتطلب برمجة متطورة وتكاليف تشغيل باهظة. ومع ذلك، فإن المحترفين خدمات التفريز باستخدام الحاسب الآلي الرقمي لا تزال تُعد واحدة من أكثر الحلول فعاليةً واستخدامًا في صناعة التصنيع اليوم، وذلك بفضل موثوقيتها ودقتها ومرونتها.

المراجع

[1] شوينكه، هـ.، كناب، و.، هايتجيما، هـ.، ويكنمان، أ.، شميت، ر.، وديلبريسين، ف. (2008). قياس الأخطاء الهندسية وتعويضها في الآلات — تحديث. حوليات CIRP, 57(2), 660-675. https://doi.org/10.1016/j.cirp.2008.09.008

[2] Fallböhmer, P., Rodríguez, C. A., Özel, T., & Altan, T. (2000). التصنيع عالي السرعة للحديد الزهر والسبائك الفولاذية لتصنيع القوالب والقالب. مجلة تكنولوجيا معالجة المواد, 98(1), 104-115. https://doi.org/10.1016/S0924-0136(99)00311-8

[3] أوتكور، م.، ولازوغلو، إ. (2007). الطحن التروكويدالي. المجلة الدولية لأدوات الآلات والتصنيع, 47(9), 1324-1332. https://doi.org/10.1016/j.ijmachtools.2006.08.002