الحفر (التصنيع)
في مجال التشغيل الآلي ، تُعرف عملية التثقيب بأنها توسيع ثقب محفور (أو مصبوب ) مسبقًا باستخدام أداة قطع أحادية النقطة (أو رأس تثقيب يحتوي على عدة أدوات من هذا النوع)، كما هو الحال في تثقيب ماسورة بندقية أو أسطوانة محرك . يُستخدم التثقيب لتحقيق دقة أعلى في قطر الثقب، ويمكن استخدامه لقطع ثقب مخروطي. يُمكن اعتبار التثقيب بمثابة النظير الداخلي لعملية الخراطة ، التي تُستخدم لقطع الأقطار الخارجية.
توجد أنواع مختلفة من عمليات التثقيب. يمكن تثبيت قضيب التثقيب من كلا الطرفين (وهذا مناسب فقط إذا كان الثقب الموجود ثقبًا نافذًا)، أو يمكن تثبيته من طرف واحد (وهذا مناسب لكلا النوعين، الثقوب النافذة والثقوب المغلقة ). يشير مصطلح " التثقيب الخطي" إلى النوع الأول. أما " التثقيب الخلفي" فهو عملية الوصول إلى الثقب الموجود ثم التثقيب على الجانب الخلفي لقطعة العمل (بالنسبة لرأس المخرطة).
نظراً للقيود المفروضة على تصميم الأدوات بسبب كون قطعة العمل تحيط بالأداة في الغالب، فإن عملية التثقيب تُعدّ بطبيعتها أكثر صعوبة من عملية الخراطة، وذلك من حيث انخفاض صلابة تثبيت الأداة، وزيادة متطلبات زاوية الخلوص (مما يحدّ من مقدار الدعم الذي يمكن توفيره لحافة القطع)، وصعوبة فحص السطح الناتج (الحجم، والشكل، وخشونة السطح ). لهذه الأسباب، يُنظر إلى التثقيب كمجال مستقل في عمليات التشغيل الآلي، منفصل عن الخراطة، وله أساليبه وتقنياته وتحدياته وخبراته الخاصة، على الرغم من تشابههما في بعض الجوانب.
تم اختراع أول آلة حفر بواسطة جون ويلكنسون في عام 1775. [ 1 ]
تتشابه عمليات التخريم والتشكيل مع عمليات الطحن الأسطواني الداخلي والخارجي باستخدام مواد كاشطة . ويتم اختيار كل عملية بناءً على متطلبات وقيم معايير تطبيق معين.
أدوات الآلات المستخدمة
يمكن تنفيذ عملية التثقيب على أدوات آلية متنوعة ، بما في ذلك (1) الآلات العامة أو العالمية، مثل المخارط (مراكز الخراطة) أو آلات التفريز (مراكز التشغيل)، و(2) الآلات المصممة للتخصص في التثقيب كوظيفة أساسية، مثل آلات التثقيب الدقيقة وآلات التثقيب أو آلات التفريز ، والتي تشمل آلات التفريز الرأسية (حيث تدور قطعة العمل حول محور رأسي بينما يتحرك قضيب/رأس التثقيب بشكل خطي؛ وهي في الأساس مخرطة رأسية) وآلات التفريز الأفقية (حيث توضع قطعة العمل على طاولة بينما يدور قضيب التثقيب حول محور أفقي؛ وهي في الأساس آلة تفريز أفقية متخصصة).
آلات حفر وطحن
يمكن تغيير الأبعاد بين القطعة وريشة القطع حول محورين للقطع عموديًا وأفقيًا في السطح الداخلي. عادةً ما تكون أداة القطع أحادية النقطة، مصنوعة من فولاذ عالي السرعة M2 وM3 أو كربيد P10 وP01 . يمكن عمل ثقب مخروطي بتغذية حافة القطع في الاتجاهين القطري والمحوري في آنٍ واحد.
تتوفر آلات التثقيب بأحجام وأنماط متنوعة. يمكن إجراء عمليات التثقيب على القطع الصغيرة باستخدام المخرطة، بينما تُشغَّل القطع الأكبر حجمًا باستخدام آلات التثقيب والطحن. يتراوح قطر القطع عادةً بين متر واحد وأربعة أمتار (من 3 أقدام و3 بوصات إلى 13 قدمًا وبوصة واحدة) ، ولكن قد يصل إلى 20 مترًا (66 قدمًا) . قد تصل متطلبات الطاقة إلى 200 حصان (150 كيلوواط) . يتم تبريد الثقوب من خلال ممر مجوف في قضيب التثقيب يسمح بتدفق سائل التبريد بحرية. تُغلَّف أقراص من سبائك التنجستن داخل القضيب لمقاومة الاهتزازات والارتجاجات أثناء التثقيب. يمكن أن تكون أنظمة التحكم حاسوبية، مما يسمح بالأتمتة وزيادة دقة النتائج.
نظرًا لأن عملية التثقيب تهدف إلى تقليل التفاوتات المسموح بها في المنتج على الثقوب الموجودة مسبقًا، فإن عدة اعتبارات تصميمية يجب مراعاتها. أولًا، لا يُفضل استخدام نسب كبيرة بين طول الثقب وقطره نظرًا لانحراف أداة القطع. ثانيًا، يُفضل استخدام الثقوب النافذة على الثقوب العمياء (الثقوب التي لا تخترق سُمك قطعة العمل). يُفضل تجنب أسطح العمل الداخلية المتقطعة - حيث يكون التلامس بين أداة القطع والسطح غير متصل. قضيب التثقيب هو الذراع البارز للآلة الذي يحمل أداة (أدوات) القطع، ويجب أن يكون شديد الصلابة. [ 2 ]
بسبب العوامل المذكورة آنفًا، يُعدّ حفر الثقوب العميقة وتجويفها من المجالات الصعبة بطبيعتها، والتي تتطلب أدوات وتقنيات خاصة. ومع ذلك، فقد طُوّرت تقنيات تُنتج ثقوبًا عميقة بدقة مذهلة. في معظم الحالات، تتضمن هذه التقنيات نقاط قطع متعددة متقابلة قطريًا، حيث تلغي قوى انحرافها بعضها بعضًا. كما تتضمن عادةً ضخ سائل التبريد تحت ضغط عالٍ عبر الأداة إلى فتحات قريبة من حواف القطع. يُعدّ حفر البنادق وتجويف المدافع مثالين كلاسيكيين على ذلك. طُوّرت هذه التقنيات في البداية لصنع سبطانات الأسلحة النارية والمدفعية، وتُستخدم اليوم على نطاق واسع في العديد من الصناعات.
تتوفر في أنظمة التحكم CNC دورات ثابتة متنوعة للتجويف . وهي عبارة عن إجراءات فرعية مُبرمجة مسبقًا تُحرك الأداة عبر مسارات متتالية من القطع، والتراجع، والتقدم، والقطع مرة أخرى، والتراجع مرة أخرى، والعودة إلى الوضع الابتدائي، وهكذا. ويتم استدعاء هذه الدورات باستخدام رموز G مثل G76 وG85 وG86 وG87 وG88 وG89؛ بالإضافة إلى رموز أخرى أقل شيوعًا خاصة بمصنّعي أنظمة التحكم أو آلات التشغيل.
المخارط
تُعدّ عملية التثقيب على المخرطة [ 3 ] عملية قطع تستخدم أداة قطع أحادية النقطة أو رأس تثقيب لإنتاج أسطح مخروطية أو أسطوانية عن طريق توسيع فتحة موجودة في قطعة العمل. بالنسبة للثقوب غير المخروطية، تتحرك أداة القطع موازية لمحور الدوران. أما بالنسبة للثقوب المخروطية، فتتحرك أداة القطع بزاوية بالنسبة لمحور الدوران. ويمكن إنتاج أشكال هندسية تتراوح من البسيطة إلى المعقدة للغاية بأقطار متنوعة باستخدام عمليات التثقيب. ويُعتبر التثقيب من أبسط عمليات المخرطة إلى جانب الخراطة والحفر.
تتطلب عملية التثقيب على المخرطة عادةً تثبيت قطعة العمل في ظرف المخرطة وتدويرها. أثناء دوران قطعة العمل، يتم إدخال قضيب تثقيب مزود بحشوة في طرفه إلى ثقب موجود مسبقًا. عند ملامسة أداة القطع لقطعة العمل، تتشكل رقاقة. اعتمادًا على نوع الأداة المستخدمة، والمادة، ومعدل التغذية، قد تكون الرقاقة متصلة أو متقطعة. يُطلق على السطح الناتج اسم الثقب.
تُنتج عملية التخريم على المخرطة عادةً نوعين من الأشكال الهندسية: ثقوب مستقيمة وثقوب مخروطية. ويمكن إضافة أقطار متعددة إلى كل ثقب ذي شكل محدد عند الحاجة. ولإنتاج ثقب مخروطي، تُغذى أداة القطع بزاوية بالنسبة لمحور الدوران، أو قد تتزامن حركتا التغذية والحركة المحورية. أما الثقوب المستقيمة والثقوب المخروطية فتُنتج بتحريك أداة القطع موازية لمحور دوران قطعة العمل.
أكثر أربع أدوات تثبيت شائعة الاستخدام هي: ظرف ثلاثي الفكوك، وظرف رباعي الفكوك، والظرف الحلقي ، واللوحة الأمامية . يُستخدم الظرف ثلاثي الفكوك لتثبيت القطع الدائرية أو السداسية نظرًا لتمركزها التلقائي. في هذه الظروف، يواجه الانحراف الدوراني قيودًا؛ ففي ماكينات CNC الحديثة، يمكن أن يكون منخفضًا جدًا في حال توفر جميع الظروف المثالية، ولكنه عادةً ما يكون على الأقل 0.001-0.003 بوصة (0.025-0.075 مم). يُستخدم الظرف رباعي الفكوك إما لتثبيت الأشكال غير المنتظمة أو لتثبيت القطع الدائرية أو السداسية بانحراف دوراني منخفض للغاية (مع مراعاة الوقت اللازم لتحديد موضع كل قطعة وتثبيتها)، وذلك في كلتا الحالتين نظرًا لعمله المستقل على كل فك. تُستخدم اللوحة الأمامية أيضًا للأشكال غير المنتظمة. يجمع الظرف الحلقي بين التثبيت الذاتي التمركز والانحراف الدوراني المنخفض، ولكنه أكثر تكلفة.
القيود
في معظم تطبيقات التخريم بالخراطة، يُمكن بسهولة تحقيق دقة تتجاوز ±0.25 مم . أما الدقة التي تصل إلى ±0.13 مم، فتُحقق عادةً دون صعوبة أو تكلفة تُذكر، حتى في الثقوب العميقة. وتبدأ الصعوبة بالظهور عند الدقة التي تتراوح بين ± 0.10 مم و ± 0.025 مم. ففي الثقوب العميقة ذات الدقة العالية، غالبًا ما يكون العامل المحدد هو القيد الهندسي بقدر ما هو قيد الحجم. بعبارة أخرى، قد يكون من السهل الحفاظ على القطر ضمن نطاق 0.002 بوصة عند أي نقطة قياس قطرية، ولكن من الصعب الحفاظ على أسطوانية الثقب ضمن نطاق محدد بقيد 0.002 بوصة، على امتداد أكثر من خمسة أقطار لعمق الثقب (يُقاس العمق بنسبة القطر إلى العمق ) . في التطبيقات التي تتطلب أعلى مستويات الدقة، يمكن عمومًا الحفاظ على التفاوتات ضمن نطاق ±0.013 مم (±0.0005 بوصة) فقط للثقوب الضحلة. في بعض الحالات، يمكن الحفاظ على تفاوتات دقيقة تصل إلى ±0.0038 مم (±0.0001 بوصة) في الثقوب الضحلة، ولكن ذلك مكلف، حيث تزيد تكلفة الفحص الشامل وفقدان الأجزاء غير المطابقة للمواصفات. أما عند بلوغ حدود دقة وتكرارية الحفر، فيُلجأ إلى عمليات التجليخ والصقل والتلميع.
قد تتراوح خشونة السطح ( الخشونة ) في عملية الحفر من 8 إلى 250 ميكرو بوصة، مع نطاق نموذجي يتراوح بين 32 و 125 ميكرو بوصة.
قد يتطلب جزء ما دقة أعلى في الشكل والحجم مما يمكن تحقيقه بالتجويف. على سبيل المثال، حتى في التجويف الأمثل، نادرًا ما يقل مقدار اختلاف القطر في أجزاء مختلفة من التجويف عن 3 ميكرومتر (0.0001 بوصة، "عُشر")، وقد يصل بسهولة إلى 5-20 ميكرومتر (0.0002-0.0008 بوصة، "2-8 أعشار"). قد تكون أخطاء التناقص والاستدارة والأسطوانية في مثل هذا الثقب، على الرغم من أنها تُعتبر ضئيلة في معظم الأجزاء الأخرى، غير مقبولة في بعض التطبيقات. بالنسبة لهذه الأجزاء، يُعدّ التجليخ الأسطواني الداخلي عملية لاحقة نموذجية. غالبًا ما يتم تخشين سطح الجزء وتشطيبه جزئيًا في عملية التشغيل الآلي، ثم معالجته حراريًا ، وأخيرًا تشطيبه بالتجليخ الأسطواني الداخلي.
مع استمرار تطور تقنيات التشغيل الآلي، تقلصت في العقود الأخيرة قيود عملية الحفر من حيث دقتها الهندسية (الشكل والموقع) وصلابة قطعة العمل. فعلى سبيل المثال، ساهمت الأنواع الجديدة من أدوات القطع المصنوعة من الكربيد والسيراميك في زيادة الدقة وجودة السطح التي يمكن تحقيقها دون الحاجة إلى التجليخ، كما وسّعت نطاق قيم صلابة قطعة العمل التي يمكن تشكيلها. ومع ذلك، فإن العمل ضمن هوامش خطأ لا تتجاوز بضعة ميكرومترات (بضع أعشار) يُجبر عملية التصنيع على مواجهة حقيقة أن أي قطعة عمل ليست صلبة وثابتة تمامًا، والتعويض عنها. ففي كل مرة يتم فيها إجراء قطع (مهما كان صغيرًا)، أو يحدث تغير في درجة الحرارة بمقدار بضع مئات من الدرجات (مهما كان مؤقتًا)، من المرجح أن تتخذ قطعة العمل، أو جزء منها، شكلًا جديدًا، حتى لو كانت الحركة ضئيلة للغاية. وفي بعض الحالات، تتضخم حركة جزء من الميكرومتر في منطقة ما بشكل يشبه الرافعة ، مما يُحدث خطأً في تحديد الموضع يصل إلى عدة ميكرومترات في جزء من قطعة العمل يبعد عنها عدة ديسيمترات . إن عوامل كهذه هي التي تحول أحيانًا دون استخدام التخريم والتشكيل بالطرق التقليدية، بدلًا من التجليخ الأسطواني الداخلي والخارجي. وفي أسوأ الأحوال، قد لا تكفي دقة التصنيع أو التجليخ عندما ينحرف الجزء عن التفاوت المسموح به في غضون أيام أو أشهر، رغم كونه ضمن الحدود المسموح بها عند تصنيعه. وعندما يواجه المهندسون مثل هذه الحالة، يدفعهم ذلك إلى البحث عن مواد أخرى للأجزاء، أو تصميمات بديلة تتجنب الاعتماد المفرط على ثبات خصائص الجزء على المستويين الميكروي والنانوي.
انظر أيضاً
مراجع
- ↑ التاريخ المصور لإنجلترا: تاريخ الشعب، بالإضافة إلى تاريخ المملكة ، المجلد الأول، بقلم جورج ليلي كريك وتشارلز ماكفارلين
- ↑ كالبكجيان 2001
- ↑ تود وآلان 1994
فهرس
- كالبكجيان، شميد (2001)، هندسة وتكنولوجيا التصنيع ، أبر سادل ريفر، نيوجيرسي، الولايات المتحدة الأمريكية: برنتيس هول
- تود، روبرت هـ.؛ ألين، ديل ك. (1994)، دليل مرجعي لعمليات التصنيع ، نيويورك، نيويورك، الولايات المتحدة الأمريكية: دار النشر الصناعية
- صنع الثقوب
- التشغيل الآلي