طراحی برای ماشین کاری

فرآیندهای ماشین کاری یا حذف مواد، عملیات تولیدی ثانویه هستند که برای دستیابی به تلورانس های دقیق یا ایجاد پوشش های سطحی کنترل شده به یک قطعه استفاده می شوند. سه کلاس اصلی عملیات ماشینکاری وجود دارد: معمولی، ساینده و غیر سنتی. عملیات ماشینکاری مرسوم شامل تراشکاری، حفاری، فرز، تراشکاری، شکل دهی، ریمینگ و ضربه زدن است. در این عملیات مواد به صورت تراشه از قطعه کار خارج می شود که برای قطعات فلزی از طریق تغییر شکل پلاستیک تولید می شود.

در فرآیندهای سایشی مانند سنگ زنی، ذرات ریز با ساییدگی با ابزار سخت از قطعه کار حذف می شوند. فرآیندهای ساینده نسبت به فرآیندهای معمولی سرعت حذف مواد کمتر و انرژی مورد نیاز بالاتری دارند، اما می‌توانند پرداخت‌های سطحی ظریف‌تری ایجاد کنند.

فرآیندهای ماشینکاری غیر سنتی شامل ماشینکاری تخلیه الکتریکی (EDM)، ماشینکاری الکتروشیمیایی (ECM) و ماشینکاری اولتراسونیک (USM) است. در این عملیات، مواد توسط مکانیسم‌های فیزیکی مختلف، اغلب در مقیاس اتمی با تماس مکانیکی کمتر یا بدون تماس، حذف می‌شوند. آنها تمایل دارند مواد را بسیار آهسته تر از فرآیندهای معمولی یا ساینده حذف کنند و عموماً زمانی استفاده می شوند که هندسه یا ماده اجازه استفاده از هیچ عملیات دیگری را نمی دهد.

عملیات ماشینکاری در مقایسه با اکثر فرآیندهای تولیدی دیگر پرهزینه است زیرا انجام آنها نسبتاً کند است و اغلب به سرمایه گذاری قابل توجهی در سربار و نیروی کار ماهر نیاز دارد. مدت‌هاست که مشخص شده است که هزینه‌های ماشین‌کاری را می‌توان از طریق طراحی مناسب قطعه کاهش داد.

بسیاری از کتاب‌های اخیر در مورد طراحی مکانیکی قوانین ساده‌ای را فهرست کرده‌اند که می‌توان از آنها برای جلوگیری از طراحی قطعات با محتوای ماشین‌کاری شده غیرضروری یا ویژگی‌هایی که ماشین‌کاری دقیق آن دشوار است، استفاده کرد.

اگرچه در برخی موارد این لیست ها بیش از حد ساده شده اند زیرا نگرانی های مربوط به حجم قطعات و تجهیزات را در نظر نمی گیرند، اما نشان دهنده آگاهی روزافزون از اهمیت در نظر گرفتن مسائل ماشینکاری در مرحله طراحی است.

همانطور که قبلاً بحث شد، قوانین طراحی برای ماشین کاری برای بهبود کیفیت قطعات ماشینکاری شده و کاهش هزینه های ماشینکاری در نظر گرفته شده است.مسائل مربوط به کیفیت در زیر به عنوان قوانین مختلف توضیح داده شده است. هزینه کل عملیات ماشینکاری شامل برخی یا همه اجزای زیر می شود.

هزینه مواد خام: هزینه انبار ماشینکاری نشده، که ممکن است به شکل میله یا اسلب استاندارد، ریخته‌گری یا فرفورژه باشد.

هزینه تجهیزات ویژه یا نصب ابزار و دستمزد پرداختی به پرسنل راه اندازی ·

هزینه ابزار: هزینه ابزار فاسد شدنی، از جمله موجودی، و هر ابزار ویژه مورد نیاز برای عملیات ·

هزینه تجهیزات: هزینه ماشین ابزار، از جمله سرمایه مورد نیاز. مخارج، هزینه های تاسیسات و استهلاک ماشین

هزینه های ضایعات و دوباره کاری: هزینه تعمیر یا دفع قطعات تمام شده یا نیمه تمام شده با کیفیت غیرقابل قبول ·

هزینه های برنامه ریزی: هزینه نوشتن برنامه های کنترل عددی (NC) برای تولید مسیرهای ابزار مورد نیاز ·

مهندسی هزینه ها: حقوق پرداختی به مهندسان برای طراحی فرآیند، اعتبارسنجی و سایر وظایف سربار.

قوانین طراحی برای ماشینکاری ممکن است به هر یک از هفت دسته اول هزینه رسیدگی کند. مهم ترین جزء هزینه در یک برنامه معین به عوامل مختلفی بستگی دارد. هزینه های مواد برای قطعات ساخته شده از مواد گران قیمت یا ماشینکاری شده از قطعات ریخته گری یا آهنگری پیچیده بسیار مهم است. در تولید با حجم بالا، هزینه های مواد، نیروی کار، ابزارآلات و ضایعات به طور کلی مهم ترین هستند.

در تولیدات کوچک یا متوسط، هزینه های راه اندازی و برنامه ریزی به نسبت قابل توجه تر است. هزینه‌های تجهیزات و ابزارسازی هنگام تولید قطعات پیچیده یا دقیقی که نیاز به ابزارآلات ویژه یا سرمایه‌گذاری در ماشین‌های دقیق دارند، بیشترین اهمیت را دارند. قوانین طراحی خاص عموماً تأثیر شدیدی بر یک یا چند جزء هزینه دارند.

بنابراین، قوانینی که در یک برنامه خاص باید بر آنها تأکید شود بسته به پیچیدگی قطعه، هزینه و شکل مواد اولیه و حجم تولید مورد نیاز متفاوت است.

هزینه های مهندسی به طور کلی با استفاده از قوانین طراحی برای ماشینکاری کاهش نمی یابد. در واقع، به کارگیری این قوانین معمولاً سربار را افزایش می‌دهد، زیرا تلاش مهندسی از قبل برای تحقق منافع در مراحل بعدی تولید سرمایه‌گذاری می‌شود.

انواع تجهیزات ماشینکاری

عملیات ماشینکاری فردی با استفاده از ماشین ابزار انجام می شود. هنگامی که برای تولید یک قطعه چندین عملیات مورد نیاز است، ممکن است روی مجموعه‌ای از ماشین‌ها که به‌عنوان یک سیستم ماشین‌کاری مرتب شده‌اند، انجام شوند.

انواع متعددی از ماشین‌آلات و سیستم‌های ماشین‌کاری برای انواع مختلف قطعات و برنامه‌های تولید استفاده می‌شود. در بکارگیری قوانین طراحی برای ماشینکاری، تفکیک بین سه نوع سیستم ماشینکاری مفید است: ماشین ابزار همه منظوره، سیستم های ماشینکاری تولید، و سیستم های ماشینکاری با کنترل عددی کامپیوتری (CNC).

ماشین آلات همه منظوره عبارتند از: تراش، ماشین های فرز، پرس مته و ماشین های مشابه که معمولاً در اتاق ابزار و کارگاه های کوچک یافت می شوند. آنها فقط می توانند طیف محدودی از عملیات را انجام دهند و برای تولید دسته ای کوچک قطعات نسبتا ساده استفاده می شوند. قوانین کلی طراحی برای ماشینکاری که در بخش بعدی مورد بحث قرار می گیرد برای ماشین ابزارهای همه منظوره قابل استفاده است.

سیستم‌های ماشین‌کاری تولید (یا ماشین‌های انتقال) سیستم‌های پیچیده‌ای هستند که از ماشین‌ابزار ساده‌تر تشکیل شده‌اند که توسط یک سیستم خودکار حمل مواد به هم متصل شده‌اند. آنها سیستم های اختصاصی هستند که برای تولید یک یا چند قطعه با حجم بالا استفاده می شوند. آنها با یک چرخه ثابت کار می کنند که در طی آن تمام عملیات در یک ایستگاه خاص باید تکمیل شود. زمان ماشینکاری معمولاً دو سوم تا سه چهارم زمان چرخه برای عملیات گلوگاه است.

از آنجایی که ایستگاه‌های منفرد در سیستم شبیه ماشین‌ابزارهای معمولی هستند، قوانین کلی طراحی برای ماشین‌کاری که در بخش «قوانین کلی طراحی برای ماشین‌کاری» در این مقاله مورد بحث قرار گرفته‌اند، به طور کلی برای این سیستم‌ها معتبر هستند. با این حال، به دلیل محدودیت های زمان چرخه و ملاحظات جایگزینی ابزار، تعدادی از قوانین طراحی خاص نیز اعمال می شود، همانطور که در بخش “ملاحظات ویژه” در این مقاله مورد بحث قرار گرفت.

سیستم‌های ماشین‌کاری با کنترل عددی کامپیوتری از مراکز ماشینکاری و تراشکاری CNC تشکیل شده‌اند که به تنهایی یا در سیستم‌های سلولی یا انعطاف‌پذیر مرتب شده‌اند. ماشین ابزارهای کنترل عددی کامپیوتری قادر به انجام طیف وسیعی از عملیات هستند. آنها می توانند مسیرهای ابزار را که نیاز به حرکات همزمان در امتداد چندین محور دارند دنبال کنند و معمولاً مجهز به سیستم های خودکار تعویض ابزار هستند، بنابراین اغلب می توانند قطعات پیچیده ای را با حداقل انتقال و تعمیر قطعات بسازند.آنها برای تولید دسته ای متوسط تا بزرگ انواع قطعات استفاده می شوند.

همانند سیستم‌های ماشین‌کاری تولید، قوانین کلی طراحی برای ماشین‌کاری که در بخش بعدی این مقاله مورد بحث قرار گرفته‌اند، به طور گسترده برای این سیستم‌ها قابل اجرا هستند. با این حال، در سیستم‌های CNC، زمان واقعی ماشین‌کاری بخش کوچک‌تری از کل زمان پردازش را مصرف می‌کند.

بنابراین کاهش زمان مورد نیاز برای عملکردهای غیربرشی مانند تغییر ابزار، حرکات محور و چرخش پالت به یک اولویت در کارکرد موثر این سیستم ها تبدیل می شود که در نتیجه تعدادی از قوانین طراحی خاص همانطور که در بخش “ملاحظات ویژه” در این مقاله توضیح داده شده است.

ملاحظات طراحی. برای طراحی مناسب یک قطعه برای ماشینکاری، دانستن اینکه از چه نوع تجهیزاتی برای ساخت آن استفاده خواهد شد، ضروری است. به عنوان اولین گام، طراح باید نوع تجهیزات موجود در حال حاضر در تاسیسات تولیدی مورد نظر را بداند، زیرا قوانین طراحی برای ماشینکاری به طور یکسان برای همه سیستم های ماشینکاری اعمال نمی شود و قوانین خاص ممکن است برای کلاس های خاصی از تجهیزات حیاتی باشد. طراح همچنین باید قابلیت‌ها (یعنی محدوده عملیات ممکن و تحمل‌های قابل دستیابی) تجهیزات موجود را تعیین کند، به طوری که تا حد امکان بتوان از ویژگی‌هایی که نیاز به سرمایه‌گذاری در تجهیزات جدید یا دقیق دارند اجتناب کرد.