ماشینکاری سریع

پس زمینه تاریخی:

عبارت ماشین کاری سریع (HSM)، عموماً به فرزکاری انگشتی با سرعت دورانی بالا و پیشروی سریع بر می گردد؛ به عنوان نمونه، پاکت تراشی در بدنه آلومینیومی هواپیماهابا نرخ براده برداری بالا. در طی ۶۰ سال گذشته، ماشین کاری سریع در مورد گستره وسیعی از تولید قطعات فلزی و غیر فلزی با وضعیت سطحی خاص در ماشین کاری مواد با سختی ۵۰ راکول سی و بالاتر اعمال گردیده است. 
برای بیشتر قطعات فولادی که تا حدود HRC 32-42 سخت شده اند، گزینه های ماشین کاری عبارتند از: 
۱. ماشین کاری خشن و نیمه پرداختی در شرایطی که هنوز سخت نشده اند (آنیل) 
۲. عملیات حرارتی برای دست یابی به سختی نهایی (در حدود HRC 63)
۳. ماشین کاری الکترودها و اسپارک قطعات خاص قالبها (خصوصاً گوشه ها با شعاعهای کوچک و حفره های عمیق با دسترسی محدود برای ابزارهای برشی) 
پرداخت و فوق پرداخت سطوح استوانه- ای، تخت و حفره ها توسط کاربید سمانته مناسب، Cermet (نوعی آلیاژ سرامیک و فلز)، کاربید سرامیک مخلوط شده یا نیترید بورون مکعبی چند کریستالی (PCBN). 
در مورد خیلی از قطعات و اجزاء، فرآیند تولید شامل آمیزه ای از این گزینه ها بوده و در مورد قالبها باید پرداخت کاری دستی -که زمان بر است- را نیز اضافه نمود. در نتیجه، هزینه های تولید بالا رفته و زمان تدارک (Lead time) بیش از اندازه طولانی خواهد شد. 
یکی از اهداف و مقاصد صنایع قالب سازی این بوده و هست که نیاز به پولیش زدن دستی را کاهش داده و یا حذف نمایند و متعاقباً کیفیت را بهبود بخشیده و هزینه های تولید و زمان تدارک را کاهش دهند.

فاکتورهای اقتصادی و فنی اصلی برای پیشرفت ماشین کاری سریع: 

بقا – همیشه افزایش رقابت در بازارهای فروش کالا با تهیه استانداردهای جدید همراه است. نیاز به بهره وری در زمان و هزینه روز به روز بیشتر و بیشتر می شود. این موضوع سبب می شود تا پروسه ها و فناوریهای تولیدی نوینی شکل بگیرد. ماشین کاری سریع، امید بخش و ارائه دهنده راه حلهای جدید است… . 
مواد – پیشرفت مواد جدیدی که ماشین کاری آنها مشکل است، بر نیاز به یافتن راه حلهای جدید ماشین کاری تأکید می نماید. صنایع فضایی، آلیاژهای فولادی ضد زنگ و مقاوم به حرارت مخصوص به خود را داراست. صنایع اتومبیل سازی، کامپوزیتهای دو فلزی، آهن فریتی و حجم رو به رشد آلومینیوم را داراست. صنعت قالبسازی اساساً با مشکل ماشین کاری فولادهای ابزاری سخت شده از مرحله خشن کاری تا پرداخت کاری روبه روست. 
کیفیت – نیاز به قطعات و اجزاء محصولاتی با کیفیت بالاتر، نتیجه رقابتهای رو به افزایش است. چنانچه ماشین کاری سریع درست به کار گرفته شود، راه حلهای زیادی در این زمینه ارائه می دهد. یک نمونه جایگزین کردن پرداخت کاری دستی با ماشین کاری سریع است که خصوصاً در قالبها و یا قطعات با هندسه سه بعدی پیچیده از اهمیت بالایی برخوردار است. 
فرایندها – نیاز به زمان بازده کوتاهتر از طریق کاهش تعداد باز و بست کردنها و روشهای ساده تر، در خیلی از موارد می تواند توسط ماشین کاری سریع برآورده شود. یک هدف نوعی در صنعت قالب سازی این است که ابزارهای سخت شده کوچک در یک set-up ماشین کاری شوند. فرایندهای پر هزینه و زمان بر EDM را نیز می توان توسط ماشین کاری سریع کاهش داده و یا حذف نمود. 
طراحی و پیشرفت – امروزه یکی از ابزارهای اصلی برای رقابت، فروش محصولات تازه و نوظهور می باشد. در حال حاضر عمر متوسط قطعات خودروها در حدود ۴ سال، قطعات کامپیوترها و خدمات جانبی آن ۱٫۵ سال، و عمر گوشیهای تلفن، ۳ ماه و … است. یکی از شرایط لازم برای چنین پیشرفت در تغییر سریع طرحها و محصولات و کاهش زمان عرضه آنها استفاده از تکنیکهای ماشین کاری سریع است. 
محصولات پیچیده – استفاده از سطوح چند کاره (multi-functional surfaces) بر روی قطعات در حال افزایش هستند، همچون طرحهای جدید پره های توربین که قابلیت ها و تواناییهای جدید و بهینه ای بدست می دهد. طرحهای قبلی اجازه می دانند که پره ها را توسط دست یا با روبات پولیش زنی نمود، اما پره های جدیدی که بسیار پیچیده تر شده اند، می بایستی از طریق ماشین کاری و ترجیحاً ماشین کاری سریع، پرداخت شوند. در این مورد نمونه های خیلی بیشتری از قطعات با دیواره نازک که می بایستی ماشین کاری شوند، موجود است. (تجهیزات پزشکی، الکترونیک، محصولات دفاعی و اجزاء کامپیوترها)

اولین تعریف از ماشین کاری سریع:

در تئوری Salomon، ماشین کاری با سرعت برشی بالا… فرض می شود که در سرعتهای برشی خاص (۵ تا ۱۰ مرتبه بزرگتر نسبت به ماشین کاری معمولی)، دمای براده برداری در لبه برشی شروع به کاهش می نماید… . 
در نتیجه … به نظر می رسد که شانسی برای بهبود تولید در ماشین کاری با ابزارهای معمولی در سرعتهای برشی بالا بدست دهد… . 
تحقیقات نوین، متأسفانه نتوانسته است این تئوری را به طور امل تأیید نماید. کاهش نسبی دما در لبه برنده برای مواد مختلف، در سرعتهای برشی خاص رخ می دهد. این کاهش دما برای فولاد و چدن کوچک بوده و برای آلومینیوم و دیگر فلزات غیر فرو بزرگتر می باشد. 
به عنوان یک تعریف منطقی از ماشین کاری سریع می توان گفت: 
ماشین کاری در سرعتهای به طور مشخص بالاتر نسبت به سرعتهای معمول مورد استفاده در کارگاه ها. این سرعت به عوامل زیر بستگی دارد: 
۱٫ ماده ای که می بایستی ماشین کاری شود – به عنوان مثال: آلیاژهای آلومینیوم، سوپر آلیاژهای نیکل، فولادها، آلیاژهای تیتانیوم، چدن یا کامپوزیتها 
۲٫ نوع فرایند ماشین کاری – برای مثال: تراشکاری، فرزکاری یا سوراخکاری 
۳٫ ماشین ابزار مورد استفاده – برای مثال: قابلیت های توانی، سرعت، پیشروی ماشین؛ دیگر مشخصات ماشین ابزار همچون پایداری استاتیکی و دینامیکی 
۴٫ ابزار برشی مورد استفاده – به عنوان نمونه: فولاد تند بر، ابزار کاربیدی، سرامیکی یا الماسه 
۵٫ ملزومات قطعه کار – شکل، سایز، هندسه، سفتی، دقت و پرداخت 
۶٫ ملاحظات دیگر – دسترسی به براده، ایمنی و اقتصاد 

تعریفهای عملی از ماشین کاری سریع:
 

• ماشین کاری با سرعت بالا در حقیقت تنها سرعت برشی بالا نیست. این موضوع را می بایستی به عنوان فرایندی که در آن عملیات با روشهای بسیار خاص و با تجهیزات تولیدی بسیار دقیق انجام می گیرد، در نظر گرفت. 
  • ماشین کاری با سرعت بالا، لزوماً ماشین کاری با اسپیدلهای با سرعت بالا نمی باشد. خیلی از کاربردهای ماشین کاری سریع با اسپیندلهایی با سرعتهای متوسط و با ابزارهای بزرگ انجام می گیرد. 
  • ماشین کاری سریع در پرداخت کاری فولادهای سخت شده در سرعتها و پیشرویهای بالا، اغلب ۴-۶ برابر سریعتر نسبت به ماشین کاری معمولی انجام می پذیرد. 

مزایای استفاده از ماشین کاری سریع:
 

• حداقل فرسایش ابزار حتی در سرعتهای بالا
  • فرایندی با قابلیت تولید بالا برای قطعات کوچک
  • کاهش تعداد مراحل فرایند 
  در این نوع ماشین کاری دمای قطعه کار و ابزار پایین نگه داشته می شود که باعث می شود در خیلی از موارد عمر ابزار طولانی تر شود. از طرف دیگر در ماشین کاری سریع، عمق ماشین کاری کم بوده و زمان درگیری برای لبه برنده بسیار کوتاه است. (در تصویر زیر به وضوح تفاوت میان ماشین کاری معمولی و ماشین کاری سریع از لحاط حرارت ایجاد شده و منطقه حرارت دیده ابزار در هر دو روش آشکار است.) بنابراین می توان گفت که سرعت پیشروی به اندازه کافی بالا هست که حرارت نتواند گسترش پیدا کند. نیروی برشی کوچک باعث تغییر شکلهای جزئی در ابزار می شود. از آن جایی که نوعاً در این نوع ماشین کاری، عمق برش کم است، نیروهای برشی شعاعی بر روی ابزار و اسپیندل کوچک است. لذا یاتاقانهای اسپیندل، ریلهای راهنما و ballscrewها حفظ می شوند.

برخی معایب استفاده از ماشین کاری سریع:
 

• نرخ سریغ افزایش و کاهش سرعت و توقف های مکرر اسپیندل باعث می شود که راهنماها، یاتاقانهای اسپیندل و ball screw ها سریعتر فرسوده شوند. 
  • نیاز به دانش خاص فرایند، تجهیزات برنامه نویسی و رابطی برای انتقال سریع داده ها
  • توقف اورژانسی عملاً لازم نیست. خطاهای انسانی، خطاهای سخت افزاری یا نرم افزاری، پیامدهای بزرگی به همراه خواهد داشت. 
  • نیاز به طراحی خوب فرایند. 
  ابزارها :
  در بیشتر کاربردها ابزارهای کاربیدی مورد نیاز است. خمواره باید در این نوع ماشین کاری از گریدی از ابزارهای کاربیدی استفاده کرد که علاوه بر سختی (مقاومت در برابر سایش)، دارای چقرمگی (مقاومت در برابر شوک و ضربه) نیز باشد؛ چرا که ماشین کاری سریع اغلب با شوکهای زیادی همراه است. ضربه، ارتعاشات و تغییرات دمایی، همگی در سرعتهای بالاتر، شرایط بحرانی تری دارند. در مورد ابزارهای با چقرمگی بالاتر، احتمال لب پر شدن یا ترک خوردن به علت این شوکها کمتر می باشد. بهترین حالت از نظر سختی و چقرمگی، در ابزارهاب کاربیدی با دانه بندی ریز بدست می آید. بسیاری از کاربیدهای ریزدانه ای که امروزه موجود هستند، چقرمگی بهتر، و تغییرات سختی کمتری نسبت به گریدهای درشت تر از خود نشان می دهند. 
  ماشین کاری سریع اغلب ماشین کاری در درجه حرارت بالا نیز هست. انتخاب ابزار نه تنها بر اساس مقاومت سایشی، بلکه می بایستی بر اساس قابلیت حفظ مقاومت سایشی در دماهای بالا نیز انجام پذیرد. 
  معمولا در ماشین کاری سریع از ابزارهای کاربیدی با پوشش TiAlN استفاده می شود؛ چرا که این پوشش با ایجاد یک سد حرارتی از ابزار محافظت می کند. این پوشش در حدود ۳۵% نسبت به TiN به لحاظ حرارتی مقاومتر است. خاصیت دیگر TiAlN مقاومت سایشی است که سبب شده در ماشین کاری قطعات ریخته گری شده مؤثر باشد. از آنجایی که این پوشش در ماشین کاری در دمای بالا مؤثر است، اغلب به منظور کاهش شوک از خنک کار استفاده نمی شود. به منظور جایگزینی خاصیت روانکاری خنک کار، لایه ای از پوشش روانکار بر روی TiAlN استفاده می شود. در مقایسه با کاربیدها موادی که در جدول زیر لیست شده اند، مقاومت سایشی بالاتری در سرعتهای برشی بالاتر از خود نشان می دهند، اما در برابر شوکها ضعیف تر می باشند. در یک فرایند پایدار، استفاده از یکی از موارد زیر می تواند طول عمر بیشتری نسبت به ابزاراهای کاربیدی بدست دهد.

فلزات غیر فرو فلزات فرو: 

PCD CBN
Cermet سرامیک
موضوعات مرتبط 
در مورد ماشین کاری آلیاژهایی با قابلیت ماشین کاری پایین از جمله آلیاژهای تیتانیوم و سوپر آلیاژهای نیکل، ترجیح داده می شود که به جای ماشین کاری سریع از ماشین کاری با توان عملیاتی بالا (High-Througput Machining) استفاده نمود چرا که به مدرت این فلزات بتوانند در سرعتهای بالاتر از ۳۰۰ smm ماشین کاری شوند. عبارتی که اغلب برای پوشش دادن به هر دو مبحث HSM و HTM به کاری می رود، ماشین کاری با راندمان بالا (High Efficiency Machining) می باشد. به عبارت دیگرHEM به معنای بار برداری با نرخی سریعتر نسبت به کاربردهای معمولی می باشد. 
ماشین کاری سریع توسط ریزابزار
 High-Speed Machining with Micro tooling
ما ابزارهایی با قطر “۲۵۰/۰ (۶mm) یا کمتر برای ماشین کاری سریع (HSM) به همراه عملکردهای میکروابزاری برای کار با فلزات غیر آهنی و پلاستیک ها ارائه میکنیم. سرعت اسپیندلها عموماً rpm25000 یا بیشتر است. تجهیزات CNC سنتی که از ابزارهایی با قطر کوچکتر از mm 6 استفاده میکنند دارای دور rpm 10000 یا کمتر می باشند که عموماً به نرخهای پیشروی نامطلوب و هزینه های ناشی از شکست ابزار منجر میشود. به منظور ماشین کاری با میکروابزار ماشینهای سنتی می بایستی خیلی آرام حرکت کنند و عموماً تمایل به شکست ابزارهای ترد و شکننده در آنها زیاد است. از طرف دیگر ابزارهای کوچکتر ترد و شکننده بوده و بسیار مستعد شکستن می باشند. خروج نامناسب براده علت اصلی برای شکست ابزار می باشد. در حقیقت ابزارهای کوچکتر به علت باربرداری ناکافی ناشی از پارامترهای نادرست ماشین کاری می شکنند.
برای کمینه کردن احتمال شکست، براده ها می بایستی از کانال برش دور شوند. ابزارهای کوچک نیازمند اسپیندلهایی با سرعت بالا هستند، اما آنها نیاز دارند که حتی سریعتر نیز حرکت کنند تا براده ها را به سمت بیرون پرتاب نمایند.
بهترین راه برای ماشین کاری کارآمد و مؤثر با ابزار کوچک فرآیند سه گانه می باشد. 
۳ مورد مرتبط بهم عبارتند از:
– طراحی میکرو ابزار
– خنک کار با ویسکوزیته پایین
– فن آوری ماشین کاری سریع
ملزومات ابزاری با کاهش قطر ابزار و افزایش سرعت اسپیندل تغییر پیدا می کند. ابزارهای سنتی که از اینسرت استفاده میکنند برای کاربردهای میکروابزاری مناسب نمی باشند. این موضوع بیشتر از اینکه به خاطر قطر ابزار باشد به خاطر سرعتهای دورانی بالاتری است که مورد نیاز است. سرعتهای دورانی بالاتر نیازمند بالانس کردن مناسب ابزار و محفظه براده بزرگتری برای اطمینان از براده برداری مناسب و جلوگیری از سوختن براده می باشد. هندسه میکروابزار به همراه اسپیندلهای سرعت بالا و خنک کار مناسب می توانند به کلی پلیسه زدایی را به عنوان یک عملکرد ثانویه حذف کند.
میکرو ابزار نیازمند روانکاری با ویسکوزیته پائین تر از آب می باشد. ویسکوزیته پایین تر به این علت مورد نیاز است که لازم است خنک کار در سرعتهای بالای در نظر گرفته شده برای اسپیندل به لبه برشی ابزار رسانده شود. خنک کارهای امولسیونی ویسکوزیته بالاتری نسبت به آب داشته و نتیجتاً به عنوان روانکار برای ماشین کاری سریع با میکروابزار غیرمفید و بی تأثیر خواهد بود.
سیستمهای موجود اسپری خنک کار درحجم میکرونی از اتانول استفاده می کنند. اتانول برای فلزات غیر آهنی و برخی پلاستیک ها ایده آل است. اما، فلزات فولادی نیازمند خنک کارهای روغنی می باشند. بنابراین مزایای خنک کار اتانولی برای ماشین کاری آهنی بی فایده است. این بدین دلیل است که ابزار کاربیدی برسطح فولاد تولید جرقه کرده که می تواند در مواجهه با خنک کارهای الکلی شرایط دینامیکی بسیار شدیدی فراهم نماید.
خنک کارهای معمولی از نوع خنک کارهای نفتی می باشند. چنین خنک کارهایی لازم است بطور مناسب خالص و تصفیه شوند که هزینه های خاص خود را دارد. اما در مورد اتانول نیاز نیست که تصفیه و یا بازیابی شود چراکه به راحتی تبخیر می شود اسپیندلهای فرکانس بالا با محدوده سرعت ۶۰۰۰ تا rpm60000 برای فرزکاری، سوراخکاری، thread milling و حکاکی با استفاده از میکروابزار مناسب می باشند. میکروابزارها آنچنان به سرعت حرکت می کنند که زمان کافی برای بازگشتن حرارت به قطعه کار و تشکیل بافت وجود نخواهد داشت. حدود ۶۰% حرارت در داخل خود براده است که ایجاد برش تمیز تری می کند. کیفیت ماشین کای بهتر بر پایه ابزار خنک تر، نیروهای ماشین کاری کوچکتر و در نتیجه ارتعاشات کمتر است.

چند شرکت معتبر جهانی در زمینه ماشین کاری سریع:
•BIG Kaiser Precision Tooling
•CGTech
•Carpenter Technology Corp.
•Cincinnati Machine, AUNOVA Company
•Delcam Inc.
•Fadal Machining Centers
•Gibbs and Associates
•BIG Kaiser Precision Tooling
•CGTech
•Carpenter Technology Corp.
•Cincinnati Machine, A UNOVA Company
•Delcam Inc.
•Fadal Machining Centers
•Gibbs and Associates
•Giddings & Lewis Machine Tools
•Giddings & Lewis Machine Tools