دستگاه CNC و ماشینکاری CNC چیست؟

ماشینکاری CNC اصطلاحی است که معمولاً در ساخت و تولیدهای صنعتی مورد استفاده قرار می گیرد. اما دقیقاً CNC چیست؟ و دستگاه CNC چیست؟ در این مطلب از وبسایت آرساصنعت مازند می خواهیم به بررسی ماشینکاری و دستگاه های CNC بپردازیم و با روش کار، اصول اولیه فرایند، موارد استفاده و مزایای دستگاه CNC آشنا شویم.

ماشینکاری CNC چیست؟

اصطلاح CNC مخفف عبارت “‘computer numerical control” و به معنی “کنترل عددی رایانه” است. ماشینکاری CNC یک فرایند ساخت و تولید است که به طور معمول از کنترل های رایانه ای و ابزارهای ماشین برای حذف لایه ها یا بخش هایی از یک قطعه موجود (معروف به قطعه خام یا قطعه کار) استفاده می شود و یک قطعه ای با طراحی سفارشی تولید می کند. این فرآیند برای طیف گسترده ای از مواد از جمله فلزات، پلاستیک ها، چوب، شیشه، فوم و کامپوزیت ها مناسب است و در صنایع مختلفی کاربرد دارد. از دستگاه های CNC برای ماشینکاری قطعات هوافضا، که تلرانس کمتری نسبت به محصولات باقی صنایع دارند و نیازمند دقت بسیار بالا هستند، هم استفاده می شود.

توجه داشته باشید که بین تعریف ماشینکاری CNC و تعریف دستگاه CNC تفاوت وجود دارد – یکی فرآیند است و دیگری دستگاه. دستگاه CNC دستگاهی قابل برنامه ریزی است که توانایی انجام مستقل عملیات ماشینکاری CNC را دارد.

یک نگاه کلی به روند ماشینکاری CNC

ماشینکاری CNC یک فرایند تولید است که با استفاده از دستور های کامپیوتری و ابزارهای برش، به قطعه کار یا قطعه خام شکل می دهد. فرایند ماشینکاری CNC قابلیت های متعددی دارد و عملیات مختلفی را ارائه می دهد، اما با این حال اصول اساسی فرآیند در تمام آنها تا حد زیادی یکسان است. فرآیند اساسی ماشینکاری CNC شامل مراحل زیر است:

• طراحی مدل CAD
• تبدیل فایل CAD به برنامه CNC
• راه اندازی دستگاه CNC
• اجرای عملیات ماشینکاری

طراحی مدل CAD

فرآیند ماشین کاری CNC با ایجاد یک بردار دو بعدی یا یک شکل سه بعدی در فضای CAD طراحی می شود. نرم افزار CAD (Computer-aided design) به طراحان و تولیدکنندگان این امکان را می دهد تا برای تولید قطعه یا محصول، مدل و نقشه ی قطعات و محصولات خود را به همراه مشخصات فنی لازم، مانند ابعاد و موقعیت های هندسی، تولید کنند.

طراحی ها برای قطعات ماشینکاری CNC با در نظر گرفتن توانایی ها (یا عدم توانایی ها) دستگاه CNC و ابزار محدود می شود. به عنوان مثال، بیشتر ابزارهای ماشین CNC استوانه ای است بنابراین اشکال هدنسی ای که از طریق فرآیند ماشینکاری CNC ساختشان امکان پذیر است، محدود می شوند زیرا ابزار، مقاطع منحنی را در گوشه ها ایجاد می کند. علاوه بر این، خصوصیات قطعه کار، طراحی ابزار و قابلیت های نگهداری ماشین بیشتر باعث محدودیت امکانات طراحی می شود؛ مانند حداقل ضخامت قطعه، حداکثر اندازه قطعه، پیچیدگی حفره ها و ویژگی های داخلی.

پس از اتمام طراحی CAD، طراح آن را به صورت یک قالب فایل سازگار با CNC مانند STEP یا IGES ذخیره می کند.

تبدیل فایل CAD به برنامه CNC

فایل طراحی شده CAD از طریق برنامه ای، به طور معمول باCAM  (computer-aided manufacturing)، برای استخراج هندسه قطعه و تولید کد برنامه نویسی دیجیتال اجرا می شود که دستگاه CNC و ابزار را برای تولید قسمت طراحی شده کنترل می کند.

دستگاه های CNC از چندین زبان برنامه نویسی از جمله G-code و M-code استفاده می کنند. مشهورترین زبان برنامه نویسی CNC، کد عمومی یا هندسی است که به آن G-code گفته می شود و زمان، مکان و نحوه حرکت ابزارهای ماشین را کنترل می کند. به عنوان مثال ، زمان روشن یا خاموش، سرعت جابجایی به یک مکان خاص، مسیرهایی را که باید طی کرد، و غیره را در سرتاسر قطعه کار مشخص می کند. کد عملکرد متفرقه، که به عنوان M-code شناخته می شود، عملکردهای کمکی دستگاه را کنترل می کند.

پس از تولید برنامه CNC، اپراتور آن را در دستگاه CNC بارگیری می کند.

راه اندازی دستگاه

قبل از اینکه اپراتور برنامه CNC را اجرا کند، باید دستگاه CNC را برای کار آماده کند. این آماده سازی ها شامل قرار دادن قطعه کار به طور مستقیم در دستگاه، و اتصال ابزار لازم مانند مته یا فرز به دستگاه است.

پس از راه اندازی کامل دستگاه، اپراتور می تواند برنامه CNC را اجرا کند.

اجرای عملیات ماشینکاری

برنامه CNC به عنوان دستورالعمل های دستگاه CNC عمل می کند. این دستورات ماشین را کنترل و حرکات ابزار را به رایانه متصل به دستگاه ارسال می کنند. شروع برنامه باعث می شود دستگاه CNC فرایند ماشینکاری CNC را شروع کند و این برنامه با اجرای عملیات لازم برای تولید قطعه یا محصول با طراحی سفارشی، ماشین را در طول فرایند راهنمایی می کند.

انواع عملیات ماشینکاری CNC

ماشینکاری CNC یک فرآیند ساخت و تولید برای صنایع مختلف از جمله خودرو، هوا فضا، ساختمان سازی و کشاورزی است و قادر به تولید طیف وسیعی از محصولات مانند قاب اتومبیل، تجهیزات جراحی، موتور هواپیما، چرخ دنده ها و غیره است. این فرآیند شامل چندین عملیات مختلف ماشینکاری تحت کنترل رایانه – از جمله فرایندهای مکانیکی، شیمیایی، الکتریکی و حرارتی – است که عملیات لازم را روی قطعه کار برای تولید یک قطعه یا محصول با طراحی سفارشی پیاده می کند. در ادامه برخی از رایج ترین عملیات های ماشینکاری CNC مکانیکی را بررسی می کنیم این عملیات ها شامل موارد زیر می باشند:

• سوراخکاری
• فرزکاری
• تراشکاری

به طور کلی، عملیات ماشینکاری CNC روش های جایگزین انجام فرایندهای دستی هستند. زیرا آنها از دقت و صحت بیشتر، سرعت پردازش سریعتر و خطای کمتری برخوردار هستند.

سوراخکاری CNC

سوراخکاری یک فرآیند ماشین کاری است که از مته برای تولید سوراخ های استوانه ای در قطعه کار استفاده می کند. در سوراخکاری CNC، به طور معمول دستگاه CNC مته چرخشی را عمود بر سطح قطعه کار قرار می دهد، که سوراخ هایی به صورت عمودی با قطری برابر با قطر مته ی استفاده شده برای عملیات سوراخکاری، ایجاد می کند. با این حال، عملیات سوراخکاری زاویه ای نیز می تواند با استفاده از تنظیمات ماشین آلات تخصصی و ابزارهای نگهدارنده ی قطعه انجام شود.

فرزکاری CNC

فرز یک فرآیند ماشین کاری است که از ابزارهای برش چرخشی برای حذف مواد از قطعه کار استفاده می کند. در فرز CNC، دستگاه CNC معمولاً قطعه کار را در همان جهت چرخش ابزار برش قرار می دهد، در حالی که در فرز دستی، دستگاه قطعه کار را در جهت مخالف چرخش ابزار قرار می دهد. از قابلیت های عملیاتی فرآیند فرز می توان به فرزکاری سطح، ایجاد حفره های کف تخت در قطعه و ایجاد حفره های عمیق مانند شکافها و نوار ها در قطعه کار اشاره کرد.

تراشکاری CNC

تراش یک فرآیند ماشین کاری است که از ابزارهای برش تک نقطه ای برای تراشیدن قطعه کار چرخان استفاده می کند. در تراش CNC، دستگاهCNC  ابزار برش را با حرکت خطی در امتداد سطح قطعه کار چرخان قرار می دهد، سطح قطعه را تا رسیدن به قطر مورد نظر می تراشد تا قطعات استوانه ای با ویژگی های خارجی و داخلی مشخصی تولید کند.

تفاوت فرز با تراش در این است که در عملیات فرزکاری قطعه ثابت و ابزار در چرخش است اما در تراشکاری ابزار ثابت و قطعه در چرخش است. بنابراین می توان گفت فرز برای قطعات پیچیده بهتر عمل می کند. با این حال، تراشکاری برای ایجاد سریعتر و دقیق تر قطعات گرد بهترین انتخاب هستند.

مشخصات عملیات دستگاه های CNC

عملیات ماشینکاری	مشخصات
سوراخکاری	– از ابزار مته استفاده می کند – مته به صورت عمودی را زاویه دار روی قطعه قرار می گیرد – سوراخ های استوانه ای در قطعه کار ایجاد می کند
فرز کاری	– از ابزار های برش چرخشی استفاده می کند – قطعه کار در جهت چرخش ابزار برش قرار می گیرد – قطعه ی کار را می تراشد و بخش هایی از آن را حذف می کند – طیف گسترده ای از اشکال را تولید می کند
تراشکاری	– از ابزارهای برش تک نقطه ای استفاده می کند – قطعه کار می چرخد – ابزار برش را در امتداد سطح قطعه قرار می دهد – سطح قطعه را می تراشد – قطعات گرد یا استوانه ای تولید می کند

تجهیزات و قطعات ماشینکاری CNC

همانطور که پیش از این اشاره شد، طیف گسترده ای از عملیات ماشینکاری CNC وجود دارد. بسته به عملیات ماشینکاری در حال انجام، فرایند ماشینکاری CNC از انواع نرم افزارها، ماشین آلات و ابزارهای ماشین برای ساخت و ایجاد شکل یا طرح دلخواه استفاده می کند.

انواع نرم افزار پشتیبانی ماشینکاری CNC

فرایند ماشینکاری CNC از برنامه های نرم افزاری برای اطمینان از بهینه سازی، دقت و صحت قطعه یا محصول با طراحی سفارشی استفاده می کند. برنامه های نرم افزاری مورد استفاده شامل موارد زیر می باشند:

• CAD
• CAM
• CAE

CAD: نرم افزار Computer-aided design‌ (CAD) برنامه ای است که برای تهیه و تولید برنامه های قطعات و بردار های دو بعدی یا اشکال ۳ بعدی و همچنین مستندات فنی و مشخصات لازم مرتبط با قطعه استفاده می شود. طرح ها و مدل های تولید شده در یک برنامه CAD معمولاً توسط یک برنامه CAM برای ایجاد برنامه ماشین آلات لازم برای تولید قطعه از طریق روش ماشینکاری CNC استفاده می شود. همچنین می توان از نرم افزار CAD برای تعیین و تعریف خصوصیات بهینه قطعه، ارزیابی و تأیید طراحی قطعات، شبیه سازی محصولات بدون نمونه اولیه و ارائه داده های طراحی به تولیدکنندگان و مشتریان استفاده کرد.

CAM: نرم افزار Computer-aided manufacturing (CAM) برنامه ای است که اطلاعات فنی مدل CAD را استخراج می کند و برنامه های لازم برای راه اندازی دستگاه CNC و دستکاری ابزار برای تولید قسمت طراحی شده سفارشی را ایجاد می کنند. نرم افزار CAM دستگاه CNC را قادر می سازد بدون کمک اپراتور کار کند و می تواند به صورت خودکار ارزیابی محصول نهایی را انجام دهد.

CAE: نرم افزار Computer-aided engineering (CAE) برنامه ای است که مهندسان در مراحل پیش از پردازش، تجزیه و تحلیل و پس از پردازش فرآیند تولید استفاده می کنند. نرم افزار CAE به عنوان ابزار پشتیبانی کمکی در برنامه های تجزیه و تحلیل مهندسی، مانند طراحی، شبیه سازی، برنامه ریزی، ساخت، تشخیص و تعمیر، برای کمک به ارزیابی و اصلاح طراحی محصول استفاده می شود.

برخی از برنامه های نرم افزاری تمام جنبه های نرم افزار CAD ، CAM و CAE را با هم ترکیب کرده اند. این برنامه یکپارچه، که معمولاً به عنوان نرم افزار CAD/CAM/CAE نامیده می شود، به یک برنامه نرم افزاری اجازه می دهد تا کل مراحل ساخت از طراحی تا تجزیه و تحلیل تا تولید را مدیریت کند.

مواد استفاده شده در ماشینکاری CNC

فرایند ماشینکاری CNC برای جنس های مختلفی از مواد مناسب است. از جمله:

• فلز (به عنوان مثال آلومینیوم، برنج، فولاد ضد زنگ، آهن و غیره)
• پلاستیک (به عنوان مثالPEEK ، PTFE، نایلون و غیره)
• چوب
• فوم
• کامپوزیت ها

مواد بهینه برای استفاده در فرایندهای تولید CNC تا حد زیادی به برنامه تولید و مشخصات مواد بستگی دارد. بیشتر مواد را می توان ماشین کاری کرد به شرط آنکه بتوانند در برابر فرایند ماشین کاری مقاومت کنند. یعنی دارای سختی کافی، مقاومت در برابر کشش، مقاومت برشی و مقاومت شیمیایی و دما باشند.

جنس قطعه کار و خصوصیات فیزیکی آن برای تعیین سرعت برش، مقدار برش و عمق برش استفاده می شود. به طور معمول، قطعه کار ابتدا مرحله اولیه ای را طی می کند که در آن به شکل و اندازه های تقریبی طراحی شده تراشیده می شود و سپس مرحله نهایی را طی می کند که در آن سرعت تراش پایین تر و عمق برش کمتری را تجربه می کند تا دقیق تر شکل خود را بدست آورد.

مزایای استفاده از دستگاه های CNC

ماشین های اتومات در چند دهه ی اخیر تکامل زیادی پیدا کرده اند. در حال حاضر دستگاه های CNC از نظر دقت، اتوماسیون و سرعت تولید بسیار کاربردی تر و کارآمد تر از دستگاه های نسل های پیشین خود هستند. در ادامه به ذکر برخی از مزیای استفاده از این دستگاه ها می پردازیم:

• می توانند به صورت ۲۴ ساعته در حال کار باشند.
• ساخت قطعات پیچیده با دقت و سرعت گردش بالا
• سیستم های خودکار یا نیمه خودکار کنترل کیفیت و ارزیابی تجهیزات
• زمان تنظیم و آماده آسازی دستگاه های CNC کوتاه تر و در نتیجه بهره وری بیشتر است
• به دلیل شبکه های تحت کنترل رایانه، تعداد ماشین آلات مورد نیاز برای یک پروژه خاص کاهش می یابد
• تعداد کارگران برای انجام یک پروژه کاهش می یابد که سبب صرفه جویی در هزینه می شود
• قابلیت تغییر برنامه CNC برای افزایش سازگاری و انجام طیف وسیع تری از کارهای ماشینکاری
• هزینه، نیاز به کارگر و مکان برای افزودن ماشین ها و تجهیزات جدید می تواند معضل هر کارخانه ای باشد. داشتن یک دستگاه CNC که طیف عملیاتی بالایی دارد می تواند راه حل این معضل باشد.

موارد استفاده از دستگاه های CNC

ماشینکاری CNC فرایندی است که به شما اجازه می دهد فرایند های ماشینکاری را روی طیف وسیعی از مواد و قطعات پیاده کنید. از فلز و چوب گرفته تا پلاستیک و فوم و کامپوزیت. همچنین با دستگاه های CNC می توایند طیف وسیعی از شکل ها و طرح ها را بر روی قطعات ایجاد کنید. دستگاه های CNC توانایی ایجاد طرح های پیچیده با دقت بالا در مدت زمان کوتاه را دارند.

دقت بالا و ارائه عملیات های مختلف ارائه شده توسط این ماشین ها سبب شده است تا از آن ها در صنایع مختلف استفاده شود. عموما زمانی که دقت کار بالا و تیراژ آن کم باشد از دستگاه های CNC برای تولید قطعه ایجاد می شود.

در بسیاری از موارد براده برداری ها و شکل دهی های اولیه توسط دستگاه های دستی مانند دستگاه تراش دستی انجام می شود سپس ریزه کاری ها و مراحل پایانی توسط دستگاه CNC بر روی قطعه پیاده می شوند.