آشنایی با انواع فرز CNC

در دنیای تولید مدرن فرز CNC به عنوان یکی از ارکان اصلی ماشین کاری دقیق و تولید قطعات پیچیده شناخته می شود. این ماشین ها با بهره گیری از کنترل عددی کامپیوتری (CNC) دقت سرعت و انعطاف پذیری بی نظیری را در فرآیندهای ماشین کاری ارائه می دهند. فرزهای CNC سه محور چهار محور و پنج محور رایج ترین انواع این ماشین ها هستند که هر کدام قابلیت ها و کاربردهای منحصر به فردی را ارائه می دهند. انتخاب نوع مناسب فرز CNC بستگی به پیچیدگی قطعه دقت مورد نیاز و حجم تولید دارد. در این مقاله از سدید صنعت پارتاک به بررسی جامع این سه نوع فرز CNC اصول عملکرد اجزا کاربردها استانداردها چالش ها و روش های بهینه سازی آن ها خواهیم پرداخت.

تعریف و عملکرد فنی فرز CNC

فرز CNC (Computer Numerical Control Milling Machine) نوعی ماشین ابزار است که با استفاده از یک ابزار برش دوار (فرز) و حرکت نسبی بین ابزار و قطعه کار مواد را از قطعه برمی دارد تا به شکل نهایی مورد نظر برسد. تفاوت اصلی فرزهای CNC با فرزهای سنتی در استفاده از سیستم کنترل کامپیوتری است. در فرزهای CNC حرکات ابزار و میز کار توسط کدهای دستوری (معمولاً G-code) که از نرم افزارهای CAM (Computer-Aided Manufacturing) تولید می شوند کنترل می گردد. این سیستم کنترل دقیق امکان تولید قطعات با دقت ابعادی بالا و سطح نهایی با کیفیت را فراهم می کند.

اصول عملکرد فرز CNC بر پایه حرکت همزمان و هماهنگ محورهای مختلف استوار است. در فرز CNC سه محور حرکت ابزار و قطعه کار در سه راستای عمود بر هم (محورهای X Y و Z) انجام می شود. محور X معمولاً حرکت افقی میز کار محور Y حرکت عمودی میز کار و محور Z حرکت عمودی اسپیندل (محور دوران ابزار) را کنترل می کنند. این سه محور امکان ماشین کاری سطوح دوبعدی و سه بعدی ساده را فراهم می کنند.

در فرز CNC چهار محور علاوه بر سه محور خطی X Y و Z یک محور دورانی (معمولاً محور A یا B) نیز به سیستم اضافه می شود. این محور دورانی معمولاً میز کار را حول محور X یا Y دوران می دهد. افزودن محور چهارم امکان ماشین کاری قطعات پیچیده تر با زوایای مختلف و سطوح منحنی را فراهم می کند.

فرز CNC پنج محور پیشرفته ترین نوع فرز CNC است که علاوه بر سه محور خطی دارای دو محور دورانی (معمولاً محورهای A و C یا B و C) است. این دو محور دورانی می توانند اسپیندل یا میز کار را حول دو محور مختلف دوران دهند. فرزهای پنج محور امکان ماشین کاری قطعات بسیار پیچیده با هندسه های فضایی آزاد را فراهم می کنند و نیاز به چندین مرحله ماشین کاری و تغییر موقعیت قطعه کار را کاهش می دهند.

اجزای اصلی و اصول کارکرد فرز CNC

فرزهای CNC صرف نظر از تعداد محورها از اجزای اصلی مشترکی تشکیل شده اند که عملکرد هماهنگ آن ها ماشین کاری دقیق و کارآمد را ممکن می سازد. این اجزا شامل موارد زیر هستند :

۱. کنترلر CNC (CNC Controller) : مغز متفکر دستگاه فرز CNC کنترلر CNC است که مسئولیت تفسیر کدهای G-code کنترل حرکات محورها مدیریت سرعت اسپیندل سیستم خنک کاری و سایر عملکردهای دستگاه را بر عهده دارد. کنترلرهای CNC مدرن از پردازنده های قدرتمند حافظه بالا و رابط های کاربری پیشرفته برخوردارند و امکانات متنوعی مانند شبیه سازی مسیر ابزار جبران خطاها و ارتباط شبکه ای را ارائه می دهند. برندهای مطرحی مانند Fanuc Siemens Heidenhain و Mitsubishi Electric در زمینه تولید کنترلرهای CNC پیشرو هستند و استانداردهای بالایی را در این صنعت تعریف کرده اند.

۲. موتورهای سروو و سیستم درایو (Servo Motors and Drive System) : برای حرکت دقیق و کنترل شده محورهای فرز CNC از موتورهای سروو استفاده می شود. این موتورها با دقت بالا سرعت پاسخ دهی سریع و قابلیت کنترل موقعیت و سرعت دقیق امکان حرکت محورها با کمترین خطا را فراهم می کنند. سیستم درایو شامل درایورهای سروو و فیدبک انکودرها است. درایورهای سروو جریان و ولتاژ مورد نیاز موتورها را تامین می کنند و انکودرها موقعیت دقیق محورها را به کنترلر CNC گزارش می دهند تا سیستم کنترل حلقه بسته (Closed-Loop Control) را تشکیل دهند و دقت حرکت را تضمین کنند. سیستم های درایو معمولاً از بال اسکروها (Ball Screws) و لینیر گایدها (Linear Guides) برای تبدیل حرکت دورانی موتور به حرکت خطی دقیق محورها استفاده می کنند.

۳. اسپیندل و سیستم ابزارگیر (Spindle and Tool Holding System) : اسپیندل محور اصلی دوران ابزار برش است که با سرعت های بالا و توان مناسب ابزار را به گردش در می آورد تا فرآیند ماشین کاری انجام شود. اسپیندل های فرز CNC معمولاً از موتورهای الکتریکی پرقدرت و بلبرینگ های دقیق ساخته می شوند و قابلیت تنظیم سرعت دوران (RPM – Revolutions Per Minute) را دارند. سیستم ابزارگیر وظیفه نگهداری و تعویض ابزار برش را بر عهده دارد. سیستم های ابزارگیر می توانند به صورت دستی یا اتوماتیک (Automatic Tool Changer – ATC) باشند. ATC ها با استفاده از بازوهای رباتیک یا سیستم های زنجیره ای ابزارها را به صورت خودکار از مخزن ابزار (Tool Magazine) انتخاب و در اسپیندل نصب می کنند که باعث افزایش بهره وری و کاهش زمان توقف دستگاه می شود.

۴. میز کار و سیستم محورها (Worktable and Axis System) : میز کار سطحی است که قطعه کار بر روی آن قرار می گیرد و توسط سیستم محورها در راستاهای مختلف حرکت داده می شود. میز کار باید از استحکام و صلبیت کافی برخوردار باشد تا بتواند وزن قطعه کار و نیروهای ماشین کاری را تحمل کند. سیستم محورها در فرز CNC مجموعه ای از مکانیزم های حرکتی است که میز کار و یا اسپیندل را در راستاهای مختلف حرکت می دهد. در فرزهای سه محور سه محور خطی X Y و Z وجود دارد. در فرزهای چهار و پنج محور محورهای دورانی A B و C نیز به این سیستم اضافه می شوند. محورهای دورانی می توانند حول محورهای X Y و Z دوران کنند و امکان ماشین کاری زوایا و سطوح پیچیده را فراهم کنند.

۵. سیستم خنک کاری و روانکاری (Cooling and Lubrication System) : در فرآیند ماشین کاری حرارت زیادی به دلیل اصطکاک بین ابزار و قطعه کار ایجاد می شود که می تواند باعث کاهش عمر ابزار تغییر ابعاد قطعه کار و کاهش کیفیت سطح نهایی شود. سیستم خنک کاری با استفاده از مایع خنک کننده (Coolant) یا هوا حرارت ایجاد شده را کاهش می دهد و از ابزار و قطعه کار محافظت می کند. سیستم روانکاری نیز با روغن کاری قطعات متحرک دستگاه اصطکاک و سایش را کاهش می دهد و عمر مفید دستگاه را افزایش می دهد. سیستم های خنک کاری و روانکاری نقش حیاتی در عملکرد صحیح و پایدار فرز CNC دارند.

۶. سیستم اندازه گیری و بازخورد (Measurement and Feedback System) : برای اطمینان از دقت ماشین کاری فرزهای CNC از سیستم های اندازه گیری و بازخورد استفاده می کنند. این سیستم ها شامل انکودرهای خطی و دورانی است که موقعیت دقیق محورها را اندازه گیری و به کنترلر CNC بازخورد می دهند. همچنین پروب های اندازه گیری (Probing Systems) می توانند برای اندازه گیری ابعاد قطعه کار تنظیم نقطه صفر (Workpiece Zero Point) و بررسی صحت ماشین کاری استفاده شوند. سیستم های اندازه گیری و بازخورد دقت و تکرارپذیری فرآیند ماشین کاری را تضمین می کنند و امکان تولید قطعات با تلرانس های دقیق را فراهم می کنند.

کاربردهای صنعتی و مثال هایی از صنایع مختلف

فرزهای CNC به دلیل دقت سرعت و انعطاف پذیری بالا در صنایع مختلف کاربردهای گسترده ای دارند. در زیر به برخی از مهم ترین کاربردهای صنعتی و مثال هایی از صنایع مختلف اشاره می شود :

۱. صنایع هوافضا (Aerospace Industry) : صنعت هوافضا به قطعات پیچیده با دقت و کیفیت بسیار بالا نیاز دارد. فرزهای CNC پنج محور به طور گسترده ای در تولید پره های توربین قطعات بدنه هواپیما قطعات موتورهای جت و قالب های کامپوزیتی استفاده می شوند. دقت بالا و قابلیت ماشین کاری هندسه های پیچیده فرزهای پنج محور را به ابزاری ضروری در این صنعت تبدیل کرده است. شرکت های بزرگی مانند بوئینگ و ایرباس به طور گسترده از فرزهای CNC پیشرفته در خطوط تولید خود استفاده می کنند.

۲. صنعت خودرو (Automotive Industry) : صنعت خودرو به تولید انبوه قطعات با کیفیت و قیمت مناسب نیاز دارد. فرزهای CNC در تولید قالب های تزریق پلاستیک قالب های دایکست بلوک سیلندر موتور سرسیلندر قطعات سیستم تعلیق و قطعات بدنه خودرو کاربرد دارند. فرزهای چهار و پنج محور در تولید قالب های پیچیده و قطعات با هندسه خاص نقش مهمی ایفا می کنند. شرکت های خودروسازی مانند فولکس واگن تویوتا و جنرال موتورز از فرزهای CNC در فرآیندهای تولید خود بهره می برند.

۳. صنعت پزشکی (Medical Industry) : صنعت پزشکی به قطعات بسیار دقیق و با کیفیت سطح عالی نیاز دارد به خصوص در تولید ایمپلنت های پزشکی پروتزها ابزارهای جراحی و تجهیزات پزشکی دقیق. فرزهای CNC پنج محور با دقت و قابلیت ماشین کاری مواد خاص مانند تیتانیوم فولاد ضد زنگ و پلیمرهای زیست سازگار نقش حیاتی در این صنعت ایفا می کنند. شرکت های تولیدکننده تجهیزات پزشکی مانند Medtronic و Stryker از فرزهای CNC پیشرفته در تولید محصولات خود استفاده می کنند.

۴. صنعت قالب سازی (Mold and Die Industry) : صنعت قالب سازی قلب صنایع تولیدی محسوب می شود و به تولید قالب های دقیق و با کیفیت برای صنایع مختلف نیاز دارد. فرزهای CNC چهار و پنج محور به طور گسترده ای در تولید قالب های تزریق پلاستیک قالب های دایکست قالب های پرس و قالب های فورج استفاده می شوند. قابلیت ماشین کاری سطوح پیچیده و منحنی فرزهای چند محور را به ابزاری ضروری در این صنعت تبدیل کرده است. شرکت های قالب سازی بزرگ مانند Hasco و DME از فرزهای CNC پیشرفته در تولید قالب های با کیفیت بالا استفاده می کنند.

۵. صنعت انرژی (Energy Industry) : صنعت انرژی به قطعات بزرگ و سنگین با دقت بالا نیاز دارد به خصوص در تولید قطعات توربین های بادی قطعات توربین های گازی قطعات پمپ ها و شیرهای صنعتی. فرزهای CNC بزرگ با توان بالا و محورهای قوی امکان ماشین کاری این قطعات را فراهم می کنند. فرزهای پنج محور در تولید قطعات پیچیده توربین ها نقش مهمی ایفا می کنند. شرکت های فعال در حوزه انرژی مانند GE و Siemens Energy از فرزهای CNC بزرگ در تولید تجهیزات خود استفاده می کنند.

بررسی استانداردهای بین المللی و فناوری های پیشرفته مرتبط

صنعت فرز CNC از استانداردهای بین المللی متعددی پیروی می کند که کیفیت ایمنی و عملکرد دستگاه ها و فرآیندهای ماشین کاری را تضمین می کنند. برخی از مهم ترین استانداردها و فناوری های پیشرفته مرتبط عبارتند از :

۱. استانداردهای ISO (International Organization for Standardization) : سازمان بین المللی استانداردسازی (ISO) استانداردهای متعددی را برای ماشین های فرز CNC و فرآیندهای ماشین کاری تدوین کرده است. استاندارد ISO ۲۳۰ به روش های آزمون دقت ماشین های ابزار می پردازد و روش های ارزیابی دقت موقعیت یابی تکرارپذیری و دقت کلی ماشین های فرز CNC را مشخص می کند. استاندارد ISO ۶۹۸۳ (G-code) فرمت استاندارد کدهای دستوری CNC را تعریف می کند که سازگاری بین کنترلرهای CNC مختلف را تضمین می کند. استاندارد ISO/TS ۱۶۹۴۹ سیستم مدیریت کیفیت خاص صنعت خودرو را ارائه می دهد که برای تولیدکنندگان قطعات خودرو و ماشین های ابزار مرتبط با این صنعت کاربرد دارد.

۲. فناوری های پیشرفته ماشین کاری با سرعت بالا (High-Speed Machining – HSM) : ماشین کاری با سرعت بالا (HSM) یک فناوری پیشرفته است که با استفاده از سرعت های اسپیندل بسیار بالا و نرخ های پیشروی سریع امکان ماشین کاری مواد با سرعت و بهره وری بالاتر را فراهم می کند. HSM منجر به کاهش زمان ماشین کاری بهبود کیفیت سطح نهایی و کاهش نیروهای برش می شود. این فناوری به طور گسترده ای در صنایع هوافضا قالب سازی و خودرو برای تولید قطعات با کیفیت بالا و زمان تولید کوتاه تر استفاده می شود.

۳. ماشین کاری پنج محوره همزمان (Simultaneous ۵-axis Machining) : ماشین کاری پنج محوره همزمان قابلیت حرکت همزمان و هماهنگ هر پنج محور فرز CNC را فراهم می کند. این فناوری امکان ماشین کاری قطعات بسیار پیچیده با هندسه های فضایی آزاد را در یک مرحله و بدون نیاز به تغییر موقعیت قطعه کار فراهم می کند. ماشین کاری پنج محوره همزمان منجر به کاهش زمان تنظیمات افزایش دقت و کیفیت سطح نهایی و بهبود بهره وری می شود. این فناوری به طور گسترده ای در صنایع هوافضا پزشکی و قالب سازی برای تولید قطعات بسیار پیچیده استفاده می شود.

۴. اتوماسیون و رباتیک در فرز CNC : اتوماسیون و رباتیک به طور فزاینده ای در فرآیندهای فرز CNC به کار گرفته می شوند. سیستم های تعویض پالت (Pallet Changer) امکان تعویض خودکار قطعات کار را فراهم می کنند و زمان توقف دستگاه را کاهش می دهند. ربات های صنعتی می توانند برای بارگذاری و تخلیه قطعات کار تعویض ابزار و انجام سایر وظایف اتوماتیک در کنار فرز CNC استفاده شوند. اتوماسیون و رباتیک منجر به افزایش بهره وری کاهش هزینه ها و بهبود ایمنی در محیط های تولیدی می شوند.

۵. اینترنت اشیا (IoT) و صنعت ۴.۰ در فرز CNC : اینترنت اشیا (IoT) و صنعت ۴.۰ مفاهیم جدیدی هستند که به اتصال دستگاه ها و سیستم های تولید به شبکه و استفاده از داده ها برای بهینه سازی فرآیندهای تولید می پردازند. فرزهای CNC مجهز به سنسورها و سیستم های ارتباطی می توانند داده های مربوط به عملکرد دستگاه وضعیت ابزار شرایط ماشین کاری و سایر پارامترها را جمع آوری و به سیستم های مرکزی ارسال کنند. این داده ها می توانند برای مانیتورینگ وضعیت دستگاه پیش بینی خرابی ها بهینه سازی پارامترهای ماشین کاری و بهبود بهره وری استفاده شوند. صنعت ۴.۰ و IoT آینده صنعت تولید را شکل می دهند و فرزهای CNC نقش کلیدی در این تحول ایفا خواهند کرد.

چالش ها و محدودیت های فنی فرز cnc

فرزهای CNC با وجود مزایای فراوان با چالش ها و محدودیت های فنی نیز مواجه هستند که باید در طراحی بهره برداری و نگهداری آن ها مد نظر قرار گیرند :

۱. هزینه و سرمایه گذاری اولیه : فرزهای CNC به ویژه فرزهای چهار و پنج محور نسبت به ماشین های سنتی و فرزهای سه محور هزینه و سرمایه گذاری اولیه بالاتری دارند. هزینه خرید نصب راه اندازی و آموزش اپراتورها می تواند قابل توجه باشد. این هزینه بالا می تواند برای کسب وکارهای کوچک و متوسط یک چالش جدی محسوب شود.

۲. پیچیدگی برنامه نویسی و اپراتوری : برنامه نویسی و اپراتوری فرزهای CNC به ویژه فرزهای چند محور پیچیده تر و تخصصی تر از ماشین های سنتی است. نیاز به دانش فنی در زمینه CAD/CAM G-code programming فرآیندهای ماشین کاری و نگهداری دستگاه وجود دارد. آموزش اپراتورهای ماهر و متخصص زمان بر و هزینه بر است.

۳. نگهداری و تعمیرات : فرزهای CNC ماشین های پیچیده ای هستند که نیاز به نگهداری و تعمیرات منظم و تخصصی دارند. قطعات یدکی ممکن است گران قیمت و زمان بر باشند. خرابی دستگاه می تواند منجر به توقف تولید و خسارات مالی شود. برنامه ریزی نگهداری پیشگیرانه (Preventive Maintenance) و دسترسی به تکنسین های ماهر برای حفظ عملکرد و طول عمر دستگاه ضروری است.

۴. ارتعاشات و دقت ماشین کاری : در فرآیندهای ماشین کاری ارتعاشات می تواند بر دقت و کیفیت سطح نهایی قطعه کار تاثیر منفی بگذارد. ارتعاشات می تواند ناشی از عوامل مختلفی مانند سرعت بالای اسپیندل نیروهای برش صلبیت دستگاه و شرایط محیطی باشد. کنترل و کاهش ارتعاشات از طریق طراحی مناسب دستگاه انتخاب پارامترهای ماشین کاری بهینه استفاده از ابزارهای برش مناسب و سیستم های میرایی ارتعاشات از اهمیت بالایی برخوردار است.

۵. محدودیت های ابعادی و وزنی : فرزهای CNC با توجه به ابعاد میز کار و ظرفیت تحمل وزن محدودیت هایی در ابعاد و وزن قطعات کار دارند. ماشین کاری قطعات بسیار بزرگ و سنگین ممکن است نیاز به فرزهای CNC خاص با ابعاد بزرگ و توان بالا داشته باشد که هزینه و پیچیدگی آن ها افزایش می یابد.

نکات کلیدی برای بهینه سازی و بهبود عملکرد فرز سی ان سی

برای بهینه سازی عملکرد و افزایش بهره وری فرزهای CNC می توان به نکات کلیدی زیر توجه کرد :

۱. انتخاب ابزار برش مناسب : انتخاب ابزار برش مناسب با توجه به نوع ماده قطعه کار نوع فرآیند ماشین کاری (خشن کاری پرداخت کاری) شکل قطعه و کیفیت سطح مورد نیاز نقش مهمی در بهبود عملکرد و کاهش هزینه ها دارد. جنس ابزار هندسه لبه برنده پوشش ابزار و نوع ابزارگیر باید به دقت انتخاب شوند.

۲. بهینه سازی پارامترهای برش : پارامترهای برش شامل سرعت اسپیندل نرخ پیشروی عمق برش و عرض برش هستند که تاثیر مستقیمی بر زمان ماشین کاری کیفیت سطح نهایی عمر ابزار و نیروهای برش دارند. بهینه سازی پارامترهای برش با استفاده از جداول و نرم افزارهای تخصصی و انجام آزمایش های تجربی می تواند منجر به بهبود عملکرد و کاهش هزینه ها شود.

۳. برنامه نویسی CAM پیشرفته : برنامه نویسی CAM پیشرفته با استفاده از نرم افزارهای قدرتمند CAM امکان تولید مسیرهای ابزار بهینه کاهش زمان ماشین کاری جلوگیری از برخورد ابزار و قطعه کار و بهبود کیفیت سطح نهایی را فراهم می کند. استفاده از چرخه های ماشین کاری پیشرفته استراتژی های ماشین کاری با سرعت بالا و شبیه سازی مسیر ابزار از جمله تکنیک های برنامه نویسی CAM پیشرفته هستند.

۴. نگهداری پیشگیرانه و منظم : نگهداری پیشگیرانه و منظم فرز CNC شامل بازرسی های دوره ای روانکاری قطعات متحرک تعویض قطعات فرسوده کالیبراسیون دستگاه و تمیزکاری منظم است. نگهداری پیشگیرانه عمر مفید دستگاه را افزایش می دهد از خرابی های ناگهانی جلوگیری می کند و دقت و عملکرد دستگاه را حفظ می کند.

۵. آموزش و ارتقاء مهارت اپراتورها : آموزش و ارتقاء مهارت اپراتورها در زمینه برنامه نویسی CNC اپراتوری دستگاه نگهداری و عیب یابی نقش مهمی در بهبود عملکرد و بهره وری فرز CNC دارد. اپراتورهای ماهر می توانند از حداکثر قابلیت های دستگاه بهره برداری کنند مشکلات را به سرعت شناسایی و رفع کنند و از بروز خطاها و ضایعات جلوگیری کنند.

جمع بندی

فرزهای CNC سه محور چهار محور و پنج محور ابزارهای قدرتمند و ضروری در صنعت تولید مدرن هستند که امکان تولید قطعات پیچیده با دقت و کیفیت بالا را فراهم می کنند. فرزهای سه محور برای ماشین کاری قطعات ساده و سطوح دوبعدی و سه بعدی ابتدایی مناسب هستند. فرزهای چهار محور با افزودن یک محور دورانی امکان ماشین کاری قطعات پیچیده تر با زوایای مختلف را فراهم می کنند. فرزهای پنج محور پیشرفته ترین نوع فرز CNC هستند که با دو محور دورانی امکان ماشین کاری قطعات بسیار پیچیده با هندسه های فضایی آزاد را در یک مرحله فراهم می کنند.

انتخاب نوع مناسب فرز CNC بستگی به پیچیدگی قطعه دقت مورد نیاز حجم تولید و بودجه دارد. فرزهای پنج محور با وجود قابلیت های بیشتر هزینه و پیچیدگی بالاتری نیز دارند. بهره برداری بهینه از فرزهای CNC نیازمند دانش فنی برنامه ریزی دقیق نگهداری منظم و استفاده از فناوری های پیشرفته مانند ماشین کاری با سرعت بالا ماشین کاری پنج محوره همزمان و اتوماسیون است. با توجه به روند رو به رشد صنعت ۴.۰ و استفاده از IoT در تولید فرزهای CNC هوشمند و متصل به شبکه نقش مهم تری در آینده صنعت تولید ایفا خواهند کرد و به افزایش بهره وری کاهش هزینه ها و بهبود کیفیت محصولات کمک خواهند کرد.