اصول طراحی قطعات مکانیکی برای ماشینکاری

اصول ماشینکاری که طراحان باید درک کنند !

تا اوایل دهه ۱۹۹۰ ، نرم افزار های مدل سازی قطعات مکانیکی آنقدر گران بود که تنها شرکتهای بزرگ توان خرید و بکارگیری آنها را داشتند. استفاده از نرم افزارها نیز گاهی آنچنان دشوار بود که بسیاری از کاربران تمایلی به تغییر روش طراحی از دو بعدی به مدلسازی سه بعدی از خود نشان نمی دادند.

امروزه نرم افزارهای طراحی مهندسی مقرون به صرفه بوده و استفاده از آنها نیز به مراتب ساده تر است. بسیاری از مهندسان و طراحان یادگیری مدل سازی قطعات مکانیکی را در کالج یا مدارس فنی شروع کرده و سپس در دنیای کسب و کار به طراحی ماشین آلات و اجزای آنها می پردازند.

اما برخی طراحان و مهندسان هرگز به اینکه مدلهای سه بعدی آنها قابل ساخت است فکر نمی کنند. فرض آنها این است که “اگر من می توانم مدل سه بعدی آنها را بر روی کامپیوتر ایجاد کنم پس قابل ساخت نیز هست” .این پیش فرض در بیشتر موارد درست است اما به چه قیمتی؟!

نتیجه این است که اپراتورهای ماشینکاری (فرزکاری, تراشکاری, سنگ زنی و …) اغلب با فعالیتهای ماشینکاری دشوار و غیر ضروری و گاهی اوقات غیر ممکن مواجه می شوند. این به طراحی های پر هزینه منجر شده و اغلب به فقدان دید طراح نسبت به ماشینکاری و فرایند های مرتبط با آن مربوط است.

به عنوان یک مهندس با بیش از ۱۵ سال تجربه کار با نرم افزار Solid Works و سابقه کاری طولانی در برخورد با مسایل مرتبط با ماشینکاری در بیش از ۵۰ سال فعالیت صنعتی , تقریبا هر روزه با مشکلات مختلف در این زمینه روبرو می شود. من کسب و کاری را ایجاد کرده ام که چهارچوب آن, بررسی طراحی های انجام شده و ارائه پیشنهاداتی جهت سازگار کردن آنها با فرآیندهای متداول ماشینکاری است.

برخی از خواننده ها ممکن است ادعا کنند که طراحی های آنها انجام شده تا بوسیله قالب ساخته شود (و نه ماشیکاری) که در اینصورت این مقاله شامل حال آنها نمی شود.

با این حال، دستیابی به یک نمونه کار اولیه پایدار قبل از ورود به مرحله تولید انبوه , ضروری است. ضمن اینکه در ساخت محصولات جدید یا تولید در تعداد کم , قالب سازی و تولید محصول به این روش اصلا مقرون به صرفه نیست.

خوشبختانه , اشاره نمودن به برخی از مشکلاتی که ماشینکاران با آن روبرو هستن ,راه هایی را جهت دستیابی به طرحی اقتصادی تر پیش روی طراحان قرار می دهد.

آیا ابزار مورد نیاز در دسترس است؟
اغلب زمانی که در مورد اقلام مورد نیاز تحقیق می کنید، اندازه مورد نیاز در وب سایت تامین کننده و یا در کاتولوگ آن مشاهده می شود اما زمانی است که شما سعی می کنید آن را سفارش دهید متوجه می شوید که ابزاری با آن اندازه جهت موجود نیست. بر همین اساس سعی کنید در فرآیند طراحی تا حد امکان از اندازه های استاندارد با ابعاد کسری درشت اسفاده کنید مانند ۱/۸ ، ۱/۴، ۱/۲، ۵/۸ ، و ۳/۴ در واحد اینچی . بهتر است از اندازه های کسری کوچک مانند ۱/۱۶ ، ۷/۱۶ و ۹/۱۶ تا جایی که ممکن است اجتناب کنید زیرا بیشتر تیغه فرز ها این اندازه های خاص را موجود نداشته و نیاز به تامین فرز خاص خواهد بود. {در مورد اندازه های استاندارد در واحد متریک که شامل شعاع گوشه , پروفیل های استاندارد و … می شود این دو فایل را دانلود کنید : فایل شماره ۱ و فایل شماره ۲}

تا جاییکه ممکن است سعی کنید قطعات را بلند و نازک و در محدوده ابزارهای ماشینکاری موجود طراحی کنید تا ماشینکاری سطوح طولانی به حداقل برسد. براده برداری از یک طرف یک سطح بزرگ معمولا باعث می شود که اعوجاج قطعه و دشواری پرسنل ماشینکار شده و به یک فرایند ماشینکاری زمان بر با تعداد پاس براده برداری زیاد را منجر می شود که هدف آن حفظ تختی سطح ماشینکاری است که البته مطلوب بودن نتیجه کار , قابل پیش بینی هم نیست. به عنوان یک قاعده کلی، مقاطع بزرگ از مواد که نیاز به ماشینکاری سنگین دارند تا تبدیل به مقاطع کوچک شوند به احتمال زیاد دچار اعوجاج خواهند شد.

وقتی اپراتور ماشینکاری طرح های یک مشتری را بررسی می کند ,به اینکه چه ابزارهایی نیاز دارد, به تعداد مراحلی که برای تولید قطعه با کمترین زمان جهت ستاپ نیاز است و همچنین نحوه بستن قطعه کار می اندیشد. در صورت امکان، قطعات را بگونه ای طراحی کنید که حداقل دو سطح تخت موازی روبروی هم و یا یک سطح کاملا استوانه ای داشته باشد تا بتوان به وسیله گیره و ابزارهای متداول آن را روی ماشین ابزار مهار نمود. در غیر این صورت ، ابزار و فیکسچرهای خاص مورد نیاز خواهد بود و این امر می تواند هزینه های تولید را به طور قابل توجهی افزایش دهد.

ملاحظات طراحی
بیشتر طرح ها پیرامون کارکرد قطعه و اینک هچگونه با قطعات دیگر جفت خواهد شد, توسعه یافته و تکمیل می شوند. طراحان با انتخاب یک شکل اولیه (برای قطعه) که ممکن است سوراخ, شیار, پله و دیگر اجزای ممکن را داشته باشد , کار خود را آغاز می کنند.

طراحانی که دانش ماشینکاری دارند ممکن است ابتدا قطعه را به شکل یک متریال خام با اندازه مناسب تصور کنند و سپس از دانش خود در زمینه ماشینکاری بهره برده و با تراشیدن (ماشینکاری) تدریجی متریال خام ,قطعه مورد نیاز را ایجاد کنند. صدها راه برای مدلسازی یک قطعه وجود دارد اما بهترین راه برای اجتناب از مشکلات پرهزینه این است که تصور کنید خودتان قرار است آنرا در کامپیوتر ماشینکاری نمایید. قبل از انتخاب هرگونه رهیافتی در این زمینه , ابتدا به چندین نکته اساسی در زمینه ماشینکاری توجه کنید.

نسبت طول به قطر ابزار
در ماشینکاری نسبت طول به قطر ابزار پارامتر بسیار مهمی محسوب می شود. بخش ماشینکاری عموما طرح های را دریافت می کند که دارای حفره هایی با عمق زیاد و شعاع داخلی کوچک و یا بدون شعاع در گوشه ها هستند. به خاطر داشته باشید که فرزکاری بوسیله تیغه های گرد که عموما از نوع فرز انگشتی می باشند , انجام می شود و این ابزارها غالبا در صفحه ای عمود بر سطح قطعه کار, براده برداری می کنند. به عنوان یک اصل کلی به خاطر داشته باشید که هرچه عمق یک حفره بیشتر باشد , به همان نسبت قطر ابزار نیز باید بزرگتر گردد. در ماشینکاری ایجاد شعاع گوشه های بسیار کوچک ممکن است ولی زمان فرایند افزایش می یابد و گاهی نیز باید از روشهای جایگزین مانند EDM یا خانکشی بهره برد که هم زمان بر هستند و هم پر هزینه.

به خاطر داشته باشید که طبق استانداردها , نسبت طول به قطر فرزهای انگشتی ۲ تا ۱ است. با وجود اینکه خیلی از فرزها از این حدود فراتر می روند اما حفظ این استاندارد, دلایل کاملا موجهی دارد. ساخت شعاع گوشه های داخلی کوچک نیازمند استفاده از فرزهای کوچک است که استفاده از آنها علاوه بر افزایش زمان ماشینکاری , ریسک شکستن ابزار را نیز به همراه دارد.

اهمیت Draft , angle ,Undercut در طراحی قطعات مکانیکی
ابزارهای برشی زیادی جهت شیب تراشی در بازار موجود می باشند ولی با این وجود باید در طراحی سطوح شیبدار در قطعات دقت بسیاری داشت و تا حد امکان سطوح شیبدار را بگونه ای طراحی نمود که با استفاده از ابزارهای موجود قابل ساخت باشند. باید توجه داشت که هنگام شیب تراشی در لبه های یک حفره, ابزارهای شیب تراش هرچه به سمت بازتر شیب حرکت می کنند , شعاع گوشه تراشیده شده نیز بزرگتر می شود. دقت داشته باشید که در صورت طراحی گوشه هایی با شعاع Fillet ثابت در چنین مواردی , هزینه ماشینکاری به دلیل سه بعدی بودن آن , افزایش خواهد یافت.

در طراحی قطعات مکانیکی به حفره ای (Pocket) که کف آن از رویه آن بزرگتر باشد , Undercut یا reverse.draft گفته می شود. هزینه ساخت Undercut های کور در مقایسه با دیواره های شیبدار متداول بسیار بیشتر است و در طراحی های مکانیکی نیز بسیار کم کاربرد می باشند. (این مطلب شامل حال Undercut هایی که انتهای آنها باز است نمی شود زیرا با چرخاندن قطعه روی میز کار به حفره شیبدار معمولی تبدیل می شوند )

undercut

در طراحی سطح کف حفره و شیار های مستطیل شکل به دقت به دلایلی که مبنای تعیین شعاع داخلی گوشه ها هستند, توجه کنید. در صورت وجود شعاع گوشه کوچک در کف یک حفره (Pocket) , استفاده از روشهای ماشینکاری سه بعدی و فرزهای انگشتی سر کروی جهت ماشینکاری آن ضروری خواهد بود. مهندسین طراح همانطور که باید اعمال شعاع مناسب را در لبه های جانبی یک حفره داخل قطعه کار مد نظر داشته باشند , باید شعاع قابل قبولی (مقرون به صرفه) را نیز در کف حفره و شیارهای داخلی در نظر بگیرند.

پخ زدن گوشه ها
هر فرمی که به قطعه اضافه می شود , در واقع هزینه ساخت را افزایش می دهد. ایجاد Fillet در جاهاییکه دو سطح بر هم عمود می شوند کم هزینه تر است. اما ایجاد Fillet در گوشه ای که دو صفحه آن بر هم عمود نیستند مانند وقتی که یک سطح زاویه دار با یک سطح عمودی برخورد می کند, پر هزینه تر بوده و برای ساخت آنها به ماشینکاری سه بعدی نیاز خواهد بود. نمونه ای دیگر ایجاد Fillet در لبه های دو سوراخ متقاطع است که برای ساخت آن عملا به پرداخت کاری دستی نیاز خواهد بود. بنابراین تنها در جاییکه واقعا ضروریست چنین.Fillet هایی را بکار ببرید.

توجه داشته باشید که فعالیتهای به ظاهر ساده ماشینکاری مانند سوراخکاری نیز می توانند هزینه ها را افزایش دهند. مثلا سوراخهای عمیق با قطر کم ,سوراخهایی با تلرانس بسته جهت تختی دیواره آن و یا سوراخهایی که در جایی خارج از محورهای خود با هم برخورد دارند , هزینه ساخت قطعه را افزایش می دهند. دشوار است که در سوراخکاری معمولی بگوییم دقیقا چه زمانی عمق یک سوراخ در مقایسه با قطر آن زیاد می باشد. پاسخ این سوال بیشتر به طبیعت و نوع ماده ای که سوراخکاری می شود وابسته است.

اینکه لبه ها باید پخ خورده باشند , Fillet زده شوند یا به حال خود رها گردند سوال مهمی است. درواقع همیشه باید از شکستن بی دلیل گوشه ها تیز خودداری کرد. بهترین کار افزودن عبارت “No Sharp Edges” برای توضیح عدم وجود لبه های تیز بوده و بهتر است در مدل پخ یا Fillet اعمال نشود. این مساله در مورد Fillet ها و پخ های بزرگ برقرار نیست.

نتیجه گیری
بصورت خلاصه , طراحان باید موارد زیر را در فرایند طراحی مد نظر قرار دهند :

  • آیا می توان با روشهای متداول ماشینکاری قطعه را تولید نمود؟
  • آیا با ابزارهای موجود می توان این قطعه را ساخت یا به خرید ابزارهای خاص نیاز خواهد بود؟
  • آیا اجزایی در این قطعه وجود دارد که بستن آنرا در میز ماشین ساده کند یا اینکه فیکسچرهای خاص مورد نیاز است؟
  • آیا می توان با حذف Fillet یا پخ های غیر ضروری , هزینه ساخت قطعه را کاهش داد؟
  • آیا سطوح شیبدار غیر ضروری به طرح اضافه نشده است؟
  • آیا شیار و حفره های داخل قطعه دارای شیب معکوس (reverse draft) نیستند؟
  • آیا اجتناب از لبه های تیز داخلی در جاهایی که الزامی وجود ندارد, مد نظر قرار گرفته است؟
بدون نظر

ارسال دیدگاه