ماشین فرز و فرآیندهای فرزکاری

فرزکاری و ماشین فرز چیست ؟

فرزکاری یا Milling یکی از فرآیندهای رایج ماشینکاری است که در آن بر خلاف فرآیند تراشکاری قطعه ثابت است (یا حرکت خطی دارد) و “ابزار برش چند لبه” یا همان “تیغه ی فرز” دوران کرده (با کمک اسپیندل ماشین فرز) و از روی آن باربرداری می کند. یکی از شاخصه های تعریف فرآیند فرزکاری چند لبه بودن ابزار است (در غیر اینصورت تعریف فوق بر مته زنی و … نیز دلالت خواهد کرد).

مجموعه ی متنوعی از دستگاه های ماشین کاری مبتنی بر فرآیند فرزکاری (قطعه ثابت، ابزار متحرک) طراحی و ساخته شده که هر یک به نوعی دستگاه یا ماشین فرز نامیده می شوند و می توانند برای عملیات های گوناگونی همچون پیشانی تراشی، شیارتراشی، سوراخ زنی، برش قطعات، ایجاد چرخ دنده، ایجاد سطوح شیب دار و … مورد استفاده قرار گیرند.

ساختار و اجزای ماشین های فرز

در تمامی دستگاه های فرز، یک محور (اسپیندل) برای چرخاندن ابزار وجود دارد که بر مبنای راستای آن، ماشین های فرز در سه گروه کلی طبقه بندی می شوند. به دستگاه هایی با محور دوران افقی، ماشین فرز افقی و به دستگاه هایی با محور دوران عمودی ماشین فرز عمودی گفته می شود. به دستگاه هایی که محور قابلیت دوران و قرارگیری در هر دو وضعیت عمودی و افقی را داشته باشد، ماشین فرز اونیورسال (Universal) گفته می شود.

ساختار کلی تمامی دستگاه های فرز تا حد زیادی مشابه یکدیگر است و در ادامه با اجزای اصلی آن ها آشنا خواهیم شد.

نمونه ای از ماشین فرز عمودی

ستون و پایه یا Column and Base

همانطور که در تصاویر مشاهده می شود، ستون و پایه اصلی ترین اجزای ماشین فرز هستند که سایر بخش ها و قطعات روی آن ها سوار می شوند. در تمامی دستگاه های فرز ستون روی پایه استوار شده و شامل محفظه ی روغن و پمپی برای روانکاری اسپیندل است، همچنین محفظه و پمپ محلول خنک کاری (در بیشتر مواقع آب صابون) در پایه ی دستگاه قرار گرفته است.

نکته : فرآیندهای ماشینکاری حرارت زیادی تولید می کنند که نرخ فرسایش ابزار را افزایش می دهند، بعبارتی از عمر ابزار کاسته و تاثیرات مخرب دیگری همچون کاهش کیفیت سطحی و کاهش راندمان ماشینکاری بر جای میگذارند. محلول های خنک کاری با کاهش اصطکاک و حرارت به بهبود شرایط ماشینکاری کمک می کنند.

زانویی ماشین یا Knee

بخشی از بدنه ی ماشین فرز که از جنس چدن ریخته گری است و مجموعه ی حامل (منظور حمل کننده ی میز اصلی است) و میز اصلی روی آن قرار می گیرند. (در بعضی منابع به مجموعه ی حامل زین گفته شده است) معمولا زانویی با کمک یک شیار دم چلچله ای روی ستون دستگاه مقید شده و می تواند در راستاهای عرض و ارتفاع بصورت دستی یا خودکار جابجا شود. (بعضی از دستگاه های فرز قابلیت جابجایی خودکار در راستای عرضی را ندارند)

میز گونیایی

میز اصلی (که محل بستن قطعه کار است) روی میز گونیایی سوار شده و هر دوی آن ها (میز اصلی و میز گونیایی) روی زانویی دستگاه فرز قرار می گیرند و میتوانند در راستای افقی جابجا شوند.

میز اصلی

میز اصلی محل قرار گیری قطعه کار است و بواسطه ی میز گونیایی و زانویی دستگاه در تمامی راستاها قابلیت جابجایی دارد. تمام یا بعضی از محورهای جابجایی می تواند بصورت دستی یا خودکار قابل تنظیم باشد.

روی میز اصلی ماشین فرز، شیارهای T شکلی وجود دارند که برای بستن قطعه کار توسط روبنده، نصب انواع گیره ها و متعلقاتی همچون دستگاه تقسیم مورد استفاده قرار می گیرد.

محور دورانی اصلی یا Spindle

اسپیندل در ماشین فرز محوری است که وظیفه تامین حرکت دورانی ابزار را بر عهده دارد. این محور با کمک یک یاتاقان روی ستون دستگاه سوار شده و حرکت دورانی خود را از جعبه دنده ی اصلی دستگاه می گیرد. جعبه دنده ی ماشین فرز برای ایجاد قابلیت تنظیم سرعت دوران توسط کابر در نظر گرفته شده است.

تغییر سرعت دورانی اسپیندل با کمک اهرم هایی که وضعیت چرخ دنده ها را تغییر می دهند امکان پذیر است، همانند دستگاه تراش برای تنظیم تعداد دور اسپیندل لازم است به جدول نصب شده روی دستگاه مراجعه کرده و وضعیت اهرم ها را متناسب با سرعت مورد نظر تنظیم نمود.

میله فرزگیر یا درن یا Arbor

میله فرزگیر از طریق یک دنباله ی مخروطی شکل به سوراخ محور متصل شده و مسئولیت نگهداری ابزار را بر عهده دارد. میله فرزگیرها در دو نوع یکطرفه و دوطرفه عرضه می شوند. در ماشین فرزهای افقی، میله فرزگیر دو طرفه از یک سمت به سوراخ محور و از سمت دیگر به یاتاقان کمکی متصل می شود. این یاتاقان روی صفحه ای با نام “صفحه ی نگهدارنده ی میله فرزگیر” متصل شده که توسط بازوی فوقانی در موقعیت صحیح خود قرار می گیرد.

میله فرزگیرهای دو طرفه برای بستن تیغه فرزهای غلطکی، پولکی (دیسکی) ، فرم تراش و … مورد استفاده قرار میگیرند.

میله فرزگیرهای یک طرفه در ماشین فرزهای عمودی مورد استفاده قرار می گیرند و با کمک آن ها می توان روی سطوح جانبی قطعات عملیات فرزکاری انجام داد. در این نوع میله فرزگیر یاتاقان پشتیبان وجود ندارد.

تمامی تیغه فرزهای سوراخ دار برای اتصال نیازمند میله فرزگیر یا درن هستند، ابزارهایی که دنباله های استوانه ای یا مخروطی دارند با روش های دیگری به محور دستگاه متصل می شوند که در بخش های دیگر همین مقاله مورد بررسی قرار خواهند گرفت.

بازوی فوقانی یا Overhanging Arm در فرزهای افقی

لازم به ذکر است اصطلاح “بازوی فوقانی” معادل دقیق Overhanging Arm نیست و بعنوان جایگزینی ساده تر انتخاب شده است.

یک سمت میله فرزگیر دو طرفه به سوراخ مخور متصل است و سوی دیگر آن از یاتاقانی عبور می کند که اصطلاحا Arbor Support یا نگهدارنده ی میله فرزگیر نامیده می شود. مجموعه ی این یاتاقان و صفحه ی نگهدارنده توسط بازوی فوقانی یا Overhanging Arm در موقعیت مناسب خود قرار می گیرند. (اگر با میله های فرزگیر یا درن آشنا نیستید به بخش قبلی مراجعه کنید)

بازوی گردشی یا RAM در فرزهای عمودی

در گروهی از ماشین فرزهای عمودی و اونیورسال، محور دستگاه روی بازوی چرخانی قرار میگرد که Ram نامیده می شود و به دستگاه های فرزی که از Ram استفاده می کنند اصطلاحا Ram Type Milling Machine گفته می شود. (ماشین های فرز بر پایه ی Ram)

انواع ماشین های فرز

دستگاه های عمومی فرز به سه نوع افقی، عمودی و یونیورسال تقسیم می شوند. علاوه بر ماشین فرزهای عمومی، برای کاربردهای خاص، نمونه های متفاوتی از دستگاه های فرز ساخته شده اند که ماشین فرز مخصوص نامیده می شوند. سالیانه نمونه های متعددی از این دستگاه ها عرضه می شوند که در زیر نمونه هایی از رایج ترین آن ها مورد بررسی قرار می گیرند :

ماشین فرزهای دروازه ای

ماشین فرزهای دروازه ای بیشتر در تولیدات صنعتی و سری تراشی مورد استفاده قرار میگیرند. کاربرد خاص این دستگاه ها فرزکاری قطعات بزرگ است و روی سطوح مختلف (فوفانی و جانبی) امکان انجام همزمان فرآیندهای ماشینکاری وجود دارد. قطعه کار بر روی میز اصلی مقید شده و در هنگام عبور از دروازه سطوح فوقانی یا جانبی آن توسط تیغه های فرز ماشینکاری می شوند. متناسب با مدل دستگاه میز یا کلگی (یا هر دو) قابلیت دوران داشته و در بعضی از مدل های خاص امکان فارسی بر کردن قطعات نیز موجود است.

ماشین فرزهای کپی تراش

در ماشین فرزهای کپی تراش یک قطعه بعنوان الگو در نظر گرفته می شود و با کمک مکانیزم های مختلف حرکت تیغه ی فرز تنظیم شده و قطعه کار را مطابق قطعه ی الگو ماشین کاری می کند. لازم است قطعه ی الگو با بالاترین دقت ممکن ساخته شده شود. ابزاری که هندسه ی قطعه الگو را رصد می کند کاوشگر یا Probe نام دارد که با مکانیزم مکانیکی، هیدرولیکی، الکتریکی یا اپتیک ابزار براده برداری را هدایت می کند.

دستگاه های کپی تراش می توانند برای الگوبرداری های دو بعدی، سه بعدی یا هردوی آن ها طراحی شده باشند، بعنوان مثال فرآیند پولک زنی (بریدن دور یک قطعه برای رسیدن به شکل نهایی) یک الگوبرداری دو بعدی محسوب می شود، و الگوبرداری سه بعدی می تواند شبیه سازی کامل یک قطعه کار باشد.