عواملی که هنگام انتخاب مواد برای ماشینکاری CNC باید در نظر گرفته شوند

مقدمه

ماشینکاری با کنترل عددی کامپیوتری (CNC) فرآیندی سریع، کارآمد، دقیق و همه­ کاره است. این روش ساخت با طیف وسیعی از مواد مهندسی سخت و نرم از جمله فلزات، پلاستیک­ ها، نیمه هادی ­ها و الاستومرها سازگار بوده، هم در نمونه­ سازی و هم برای تولید محصولات نهایی کاملا کاربردی استفاده می­ شود. موفقیت یک پروژه ­ی ماشینکاری CNC و عملکرد قطعه ­ی تولید شده به طور قابل توجهی به مواد مورد استفاده بستگی دارد. به همین دلیل است که انتخاب مواد یک مرحله­ ی ضروری در ساخت CNC بوده و باید با دقت انجام شود.

چندین عامل، مواد مناسب را برای یک پروژه­ ی ماشینکاری CNC تعیین می­ نمایند. به عنوان مثال، آیا به ماده ­ای با خواص مکانیکی عالی نیاز دارید؟ از طرفی سرعت تولید بالا در اولویت است؟ اغلب اوقات، در نظر گرفتن عوامل متعدد، مناسب بودن یک ماده را تعیین می­ کند. موارد زیر جامع نیستند، اما در هنگام انتخاب مواد برای ماشینکاری CNC، پایه­ ای محکم ایجاد می­ نمایند.

فرآیند انتخاب مواد

برای موفقیت در انتخاب بهترین مواد ممکن برای ماشینکاری CNC، می­ توانید مراحل زیر را دنبال نمایید:

·       مرحله 1 - الزامات مواد را تعیین کنید. خواصی مانند عملکرد، خواص الکتریکی، استحکام و سختی مواد را در نظر بگیرید تا مناسب­ ترین گزینه برای پروژه­ ی شما باشد. همچنین محیط عملیاتی قطعه­ی مورد استفاده و شرایطی که در معرض آن قرار می­ گیرد را مد نظر داشته باشید.

·       مرحله 2 – گزینه­ های بالقوه ­ی مواد را شناسایی کنید. تمام مواد مناسب را با توجه به نیاز خود، از جمله مشخصات طراحی خود، مرتب نمایید.

·       مرحله 3 – مناسب­ ترین ماده را انتخاب کنید. ماده ­ای را انتخاب نمایید که بیشترین نیازهای شما را برآورده کند. گاهی اوقات باید با توجه به اولویت­ ها تصمیم گرفت؛ به عنوان مثال، ماده ­ای با ماشینکاری خوب را نسبت به ماده ­ی ارزان­ تر برای اطمینان از کیفیت قطعه ترجیح داد.

دستورالعمل انتخاب مواد ماشینکاری CNC

در اینجا مهم­ترین عواملی که باید هنگام انتخاب مواد مناسب برای پروژه­ های ماشینکاری CNC در نظر گرفته شوند، آورده شده است.

کاربرد قطعه

این عامل، یکی از ضروری­ ترین و مهم ترین ملاحظات در انتخاب مواد برای ساخت CNC است. کاربردهای مختلف به مواد متفاوتی نیاز دارند. قطعه ­ای که برای کاربردهای مرتبط با هوافضا ساخته می ­شود باید در مقایسه با قطعه­ ای که برای سازه ­ی پشتیبان ساختمان تولید می ­شود، سبک ­تر باشد. به عنوان مثال، آلومینیوم 3.3211 معمولا به دلیل نسبت خوب استحکام به وزن خود در صنعت هوافضا استفاده می­ شود.

محدوده ­ی کاربرد خواص فیزیکی مواد مانند استحکام کششی، نسبت استحکام به وزن، مقاومت در برابر ترک، سفتی یا انعطاف­ پذیری را تعیین می ­نماید. به طور کلی، مواد سنگین‌تر تنش بیشتری را تحمل می‌کنند؛ اما در کاربردهای حساس به وزن، باید مواد سبک‌تر با نسبت استحکام به وزن مناسب انتخاب شوند. فولادهای 1.0503 و 1.0038 در مقایسه با آلیاژهای سبک ­تر آلومینیوم مانند آلومینیوم 3.3206 مواد نسبتا سنگینی محسوب می­ شوند.

 به وسیله­ ی CNC برای صنعت خودرو

محیط عملیاتی

محیطی که قطعه در آن مورد استفاده قرار خواهد گرفت، یک عامل مهم در انتخاب مواد است. شرایط عملیاتی شامل دما، مواد شیمیایی خشن، قرار گرفتن در معرض اشعه ­ی ماوراء بنفش، تماس مداوم با آب و حتی قرار گرفتن در معرض شعله می ­باشد. دمای ذوب هر ماده­ ی انتخاب شده باید به طور ایمن بالاتر از دمای عملیاتی باشد. اگر اینطور نباشد، ممکن است قطعه در مواجهه با دمای عملیاتی بالا دچار تغییرات ساختاری شود.

علاوه بر این، قطعه­ ی انتخاب شده باید بتواند گرمای ناشی از عملیات ماشینکاری را تحمل نماید. فولاد 1.4404 دارای مقاومت حرارتی عالی، تا 861 درجه­ ی سانتیگراد است. شرایط دمایی یا رطوبتی که یک ماده در هنگام استفاده­ ی داخلی در معرض آن قرار می‌گیرد، با دقت خوبی قابل پیش­بینی می ­باشد. با این کار، انتخاب یک ماده راحت ­تر خواهد بود.

با این حال، در کاربردهای خارجی، بهتر است موادی مانند فولادهای ضد زنگ را انتخاب نمایید تا بتوانند در مقابل غلظت­ های بالای رطوبت و زنگ­ زدگی مقاومت کرده و در عین حال ظاهر و ساختار فیزیکی خود را حفظ نمایند. علاوه بر این، تغییرات شدید آب و هوا بیشتر در فضای باز رخ می ­دهد. این امر می­ تواند باعث تاب برداشتن ساختار در برخی مواد شود.

ثبات و تلرانس ابعادی

صنایعی مانند هوانوردی و هوافضا به قطعاتی با ابعاد بسیار دقیق و پایداری عالی نیاز دارند. چنین شرایطی به موادی با ثبات ابعادی خوب یعنی ضریب تغییر شکل کم نیاز دارد. مواد مختلف به نیروهای تولید شده توسط ابزار برش به روش­ های گوناگونی پاسخ می ­دهند. بنابراین، قطعه­ ی انتخاب شده باید تلرانس ­های مورد نیاز را داشته باشد. هر چه یک ماده قابلیت ماشینکاری بیشتری داشته باشد، دستیابی به تلرانس‌های دقیق‌تر آسان‌تر خواهد بود.

به عنوان مثال، قابلیت ماشینکاری بالای آلومینیوم باعث م ی­شود تا با استفاده از این ماده بتوان قطعاتی با تلرانس بسیار بالا تولید نمود. توجه داشته باشید که تولید تلرانس ­های دقیق ­تر، هزینه­ ی بیشتری خواهد داشت. بنابراین هر زمان که تلرانس ابعادی یک نیاز حیاتی نیست، توصیه می­ گردد از تلرانس‌های کم‌تر برای کاهش زمان و هزینه‌های مربوط به ماشینکاری قطعه استفاده شود.

رسانایی الکتریکی

مواد خاصی مانند مس و نقره رساناهایی عالی هستند. از طرفی PTFE عایق خوبی است. برای قطعات مناسب کاربردهای الکتریکی، انتخاب مواد به خواص الکتریکی مورد نیاز قطعه بستگی دارد. بنابراین، در نظر گرفتن رسانایی الکتریکی ماده­ ی انتخابی، بسیار مهم است. فلزات عموما رسانای خوبی برای الکتریسیته هستند؛ در حالی که پلاستیک ­ها معمولا عایق­ های خوبی می­ باشند.

قابلیت ماشینکاری

اگر قطعه ­ای نیاز به تولید در مقادیر زیاد یا دست ه­ای دارد، برای کاهش زمان و هزینه، بهتر است موادی با قابلیت ماشینکاری آسان انتخاب نمایید. موادی مانند آلومینیوم و برنج بسیار بیشتر از فولاد ابزار قابل ماشینکاری هستند. حتی اگر دومی استحکام بیشتری داشته باشد. مواد دارای قابلیت ماشینکاری کم فقط در صورتی باید انتخاب شوند که در تعداد کمتری تولید شده و زمان تولید محصول به اندازه­ ی کافی انعطاف­ پذیر باشد. چنین موادی برای ماشینکاری به منابع، زمان و نیروی بیشتری نیاز دارند.

توجه داشته باشید که ماشینکاری جزء ملاحظات ثانویه در هنگام انتخاب مواد بوده و نباید به قیمت به خطر افتادن سایر ملاحظات اصلی مانند کاربرد قطعه در نظر گرفته شود.

ظاهر فیزیکی

داشتن ظاهری زیبا معمولا جزء ملاحظات اولیه در هنگام انتخاب یک ماده نیست؛ اما در برخی موارد از اهمیت بالایی برخوردار است. برای برخی محصولات، ظاهر فیزیکی، مقبولیت عمومی آن­ها را توسط مصرف­ کنندگان تعیین می­ نماید. محصولات مصرفی ممکن است به ویژگی­ های فیزیکی خاصی مانند رنگ یا پرداخت سطح بالا نیاز داشته باشند.

فلزات معمولا پس از ماشینکاری سطح خوبی داشته و به همین دلیل، در حین پرداخت به کار کمتری نیاز دارند. از طرفی، پلاستیک‌ها معمولا در رنگ‌های مختلف موجود هستند؛ در حالی که فلزات برای رنگ‌آمیزی نیاز به پس­ پردازش دارند.

قطعه ی فلزی CNC آنودی شده به رنگ قرمز

هزینه ­های مواد

گاهی اوقات مناسب­ ترین ماده برای یک قطعه گران بوده و قیمت دستیابی به چنین موادی بسیار فراتر از بودجه ­ی تولید است. لذا در چنین شرایطی، بررسی سایر مواد ارزان قیمت ضروری به نظر می ­رسد. با این حال، باید نسبت به عملکرد، استحکام، سختی، مقاومت شیمیایی، خواص الکتریکی و سایر ویژگی­ ها توجه بسیار داشت تا مشخص گردد که تا چه حد چنین ماده­ای انتخاب مناسبی به عنوان بهترین ماده خواهد بود. برای مثال، فولاد 1.4571 دارای مقاومت در برابر سایش و خوردگی عالی و همچنین قابلیت ماشینکاری خوبی است.

با این حال، دو برابر گران‌تر از فولاد 1.7131 می­باشد که مقاومت سایش بالایی نیز دارد. برای کاربردهایی که مقاومت در برابر سایش دغدغه­ ی اصلی است، فولاد 1.7131 جایگزینی عالی برای فولاد 1.4571 می ­باشد.

در دسترس بودن

هنگام انتخاب مواد برای ماشینکاری CNC، در دسترس بودن یک نکته­ ی کلیدی است. گاهی اوقات، ممکن است مناسب ­ترین ماده در مقادیر کافی برای حفظ فرآیند تولید در دسترس نباشد. از سوی دیگر، تهیه ­ی چنین موادی می ­تواند دشوار باشد. عاقلانه است که موادی را انتخاب نمایید که مطابق با الزامات عملکردی بوده و به راحتی برای استفاده در دسترس باشند؛ به خصوص اگر قطعه در تعداد بالایی تولید ­می ­شود. موادی که به راحتی در دسترس هستند، تضمین می­ نمایند که ماشینکاری CNC در کمترین زمان ممکن و به صورتی کارآمد انجام می ­شود.

نتیجه­ گیری

انتخاب مواد تقریبا بر هر مرحله از چرخه­ ی عمر محصول تاثیر می­گذارد؛ از نمونه­ سازی گرفته تا تولید کامل و عملکرد قطعه در کاربرد نهایی آن. رمز دستیابی به یک قطعه­ ی نهایی کاملا بهینه شده با انتخاب ماده ­ی مناسب آغاز می­ شود.

بنابراین، انتخاب ماده یک بخش حیاتی است که باید قبل از شروع عملیات ماشینکاری CNC به دقت مورد توجه قرار گیرد. با توجه به ملاحظات فوق، محدود نمودن لیست مواد مناسب برای قطعه و انتخاب دقیق ماده­ ی نهایی آسان می­ گردد.