آنچه در این نوشته می‌خوانید:
یکی از چالش‌های رایج و در عین حال پیچیده در فرآیندهای ماشین‌کاری پدیده لرزش و ارتعاشات ناخواسته است که در اصطلاح صنعتی به آن چتر (Chatter) گفته می‌شود. این ارتعاشات نتیجه ناپایداری دینامیکی میان ابزار، قطعه‌کار و ماشین بوده که می‌توانند اثرات بسیار مخربی بر کیفیت سطح، دقت ابعادی، عمر ابزار و حتی سلامت دستگاه داشته باشند. چتر معمولاً در سرعت‌ها و عمق برش‌های خاصی بروز می‌کند و اگر به درستی کنترل نشود، منجر به صداهای ناهنجار، شکستن ابزار و یا کاهش بهره‌وری می‌گردد. در این مطلب قصد داریم به بررسی لرزش در ماشین‌کاری و همچنین راهکارهای جلوگیری از بروز آن بپردازیم.
لرزش در ماشین‌کاری به چه معناست؟
لرزش در ماشین‌کاری به حرکات ناپایدار و غیرارادی اجزای سیستم برش (مانند ابزار، محور یا قطعه‌کار) گفته می‌شود که در اثر نیروهای متغیر حین تماس ابزار با ماده خام ایجاد می‌شوند. این پدیده باعث می‌شود که مسیر حرکت ابزار از حالت ایده‌آل خود خارج شده و کیفیت نهایی سطح کار کاهش یابد. برخلاف تصور رایج، لرزش همیشه ناشی از خطای اپراتور نیست بلکه اغلب نتیجه ترکیب عوامل مکانیکی، دینامیکی و حتی طراحی نامناسب ابزار یا ماشین است.
به عنوان مثال استفاده از ابزار بلند و باریک یا گیره‌گیری ناکامل قطعه‌کار می‌تواند منجر به ایجاد لرزش‌های ریز و مداوم شود. همچنین نامتعادلی در محورهای دوار، لقی در یاتاقان‌ها و یا نیروی برش بیش از حد نیز از عوامل تشدیدکننده لرزش به شمار می‌آیند. این لرزش‌ها معمولاً در آغاز کار محسوس نیستند اما با افزایش سرعت و عمق برش شدت گرفته و در نهایت می‌توانند به چتر یا شکستن ابزار منجر شوند. بنابراین لرزش نشانه‌ای از ناپایداری سیستم ماشین‌کاری است که باید پیش از بروز آسیب جدی کنترل شود. انتخاب پارامترهای مناسب برش، استفاده از ابزارهای مقاوم‌تر و اطمینان از صلابت کافی ماشین از مهم‌ترین روش‌های کاهش لرزش محسوب می‌شوند.
ارتعاشات در ماشین‌کاری چیست؟
ارتعاشات در ماشین‌کاری به نوسانات مکانیکی ناخواسته‌ای گفته می‌شود که بین ابزار برش، قطعه‌کار و سیستم نگهدارنده رخ می‌دهد. این ارتعاشات می‌توانند دامنه و فرکانس‌های متفاوتی داشته باشند و شدت آن‌ها بسته به شرایط برش، سختی ماشین، نوع ابزار و جنس قطعه‌کار تغییر می‌کند. در حالت ایده‌آل حرکت ابزار نسبت به قطعه‌کار باید کاملاً پایدار و یکنواخت باشد تا سطحی صاف و دقیق ایجاد شود اما هنگامی که نیروهای برشی ناپایدار یا بازخورد ارتجاعی میان اجزای سیستم به وجود می‌آید، ارتعاش شکل می‌گیرد.
ارتعاشات در ماشین‌کاری به طور کلی به دو نوع تقسیم می‌شوند. ارتعاشات اجباری که در اثر نیروهای خارجی مانند نامتعادلی، ناهمواری سطح یا لقی در سیستم ایجاد می‌شوند و ارتعاشات خودتحریک‌شونده که مهم‌ترین نوع آن‌ها پدیده چتر است. ارتعاشات در صورتی که کنترل نشوند، باعث کاهش دقت ابعادی، افت کیفیت سطح، افزایش سایش، شکستن ابزار و حتی آسیب به دستگاه می‌شوند. از این رو درک مکانیزم شکل‌گیری ارتعاشات و طراحی مناسب پارامترهای ماشین‌کاری برای جلوگیری از آن نقش مهمی در افزایش بهره‌وری و کیفیت تولید دارد.
پدیده چتر در ماشین‌کاری چیست؟
پدیده چتر در ماشین‌کاری نوعی ارتعاش خودتحریک‌شونده و ناپایدار است که میان ابزار و قطعه‌کار به وجود می‌آید و معمولاً با صدایی ناهنجار و لرزش شدید همراه است. این پدیده زمانی رخ می‌دهد که انرژی تولیدشده در تماس ابزار و قطعه‌کار به جای آن که مستهلک شود، به صورت نوسانات متناوب در سیستم بازتاب می‌یابد و باعث افزایش دامنه ارتعاشات می‌گردد. نتیجه این اتفاق سطحی موج‌دار، کاهش دقت و حتی شکستن ناگهانی ابزار است.
چتر معمولاً در شرایطی ظاهر می‌شود که فرکانس طبیعی سیستم ماشین‌کاری با فرکانس نیروهای برشی هماهنگ شود. به عبارت بهتر در زمان ایجاد چتر، یک نوع «تشدید» میان ابزار، قطعه و ماشین رخ می‌دهد. عواملی مانند طول زیاد ابزار، گیره‌گیری ضعیف، سرعت برش نامناسب و یا سختی ناکافی ماشین می‌توانند احتمال بروز چتر را افزایش دهند. برخلاف ارتعاشات معمولی (که قابل‌پیش‌بینی و نسبتاً ثابت‌اند) چتر رفتاری غیرخطی و ناپایدار دارد و با گذر زمان شدت می‌گیرد. به همین دلیل کنترل و حذف آن نیازمند تنظیم دقیق پارامترهای ماشین‌کاری و شناخت رفتار دینامیکی سیستم است. مهندسان معمولاً با استفاده از نمودارهای پایداری و انتخاب سرعت‌های بهینه از بروز چتر جلوگیری می‌کنند.
تیم مهندسی ما در زمینه خدمات تراش CNC و منوال و خدمات فرز CNC به شما مشاوره رایگان ارائه می‌دهد.
علت ایجاد ارتعاشات در فرآیند ماشین‌کاری
ارتعاشات و لرزش (چتر) یکی از چالش‌های مهم در فرآیندهای ماشین‌کاری دقیق به شمار می‌آیند. شناخت علل ایجاد این ناپایداری‌ها نخستین گام در پیشگیری از بروز چتر و بهبود بهره‌وری فرآیند است. در ادامه مهم‌ترین عوامل مؤثر بر بروز ارتعاشات و لرزش در ماشین‌کاری را بررسی می‌کنیم:
- سختی و صلابت ناکافی سیستم (ماشین، ابزار یا قطعه‌کار): اگر هر یک از اجزاء صلابت لازم را نداشته باشند، در اثر فشار بار برشی تغییر شکل می‌دهند و به صورت ارتعاش بازمی‌گردند.
- پشتیبانی و گیره‌گیری ضعیف قطعه‌کار: گیره‌گیری نامناسب یا کوتاهی گیره‌ها باعث حرکت نسبی بین قطعه و میز می‌شود. این حرکت‌ها بازخوردی به ابزار می‌دهند که می‌تواند به نوسان افزایشی منجر شود.
- بیندرۀ ابزار زیاد: طول آزاد یا بیرون‌زدگی زیاد ابزار صلابت آن را کاهش می‌دهد و فرکانس‌های طبیعی را به محدوده‌ای می‌برد که با نیروهای برشی تلاقی کند که نتیجه آن افزایش دامنه لرزش و حساسیت به چتر است.
- پارامترهای برش نامناسب (سرعت، خوراک یا عمق برش): ترکیب نامناسب سرعت، خوراک و عمق برش می‌تواند منطقه پایداری را ترک کند. برخی از ترکیبات پارامتری موجب ایجاد اثرات تقویت‌شونده (مانند اثر بازتولیدی) شده و چتر را فعال می‌کنند.
- اثر بازتولیدی: در این مکانیزم موج‌های سطحی که در براده‌برداری ایجاد می‌شوند در برش‌های بعدی عناصر نیرو را تغییر می‌دهند و بازخوردی تولید می‌کنند. این فرآیند خودتحریک‌شونده است و به سرعت دامنه ارتعاش را بزرگ می‌کند.
- سختی دینامیکی نامطلوب و فرکانس‌های طبیعی هماهنگ: اگر فرکانس طبیعی سیستم نزدیک یا برابر با فرکانس برشی باشد، تشدید رخ می‌دهد.
- لرزش‌های اجباری ناشی از نامتعادلی یا ناصافی: نامتعادلی محورهای دوار، ناهمواری سطح ورودی و یا لقی مکانیکی، نیروهای هارمونیک تولید می‌کند که سیستم را به ارتعاش اجباری می‌برد.
- سایش یا هندسه نامناسب ابزار: ابزار فرسوده یا لبه‌ای با هندسه نامناسب نیروی برشی را افزایش داده و نیرویی ناپایدار ایجاد می‌کند. تغییرات در پروفیل برش می‌تواند منجر به تحریکات متناوب شود.
- لقی‌ها، اتصال‌های سست و خرابی یاتاقان‌ها: وجود لقی در یاتاقان‌ها، پکینگ‌ها یا وصل‌کننده‌ها باعث انتقال و افزایش نوسانات می‌شود.
- تغییرات ماده کار: تفاوت‌های محلی در سختی یا ساختار ماده (مانند آخال، لایه‌سازی یا تغییرات تخلخل) نیروی برش را متغیر می‌کند و زمینه‌ساز ارتعاشات غیرمنظم می‌شود.
- شرایط برش متناوب یا قطع‌شونده: فرآیندهایی مثل فرزکاری با دندانه‌های متعدد یا سوراخ‌کاری متناوب، بار را به طور پیوسته تغییر داده و احتمال ایجاد ارتعاشات مقطع را بالا می‌برند.
- کاهش میرایی سیستم: سیستم‌هایی که میرایی کمی دارند، توانایی مستهلک‌کردن انرژی ارتعاش را ندارند و در نتیجه هر تحریک کوچکی می‌تواند به نوسانات بزرگ تبدیل شود.
- عیب در اسپیندل یا ابزارگیر: ابزارگیر نامناسب، کج بودن یا سطوح تماس ناقص بین هولدر و ابزار باعث انتقال لرزه و تشدید ارتعاش می‌شود.
- شرایط فرآیند و برنامه‌ریزی نامناسب (مانند مسیر برش و ترتیب عملیات): انتخاب مسیرهای تند یا حذف نشده، فیدها و عمق‌های غیرهمگن باعث پدید آمدن شرایط نامساعد دینامیکی می‌گردند.
روش‌های جلوگیری از ایجاد لرزش در ماشین‌کاری
کنترل و کاهش ارتعاشات در ماشین‌کاری یکی از کلیدهای دستیابی به دقت بالا، کیفیت سطح مطلوب و افزایش عمر ابزار است. از آن جا که چتر و لرزش معمولاً در اثر ناپایداری دینامیکی بین ابزار، قطعه‌کار و ماشین ایجاد می‌شوند، به کارگیری روش‌های مناسب در طراحی، تنظیم و اجرای فرآیند می‌تواند تا حد زیادی از بروز آن‌ها جلوگیری کند. در ادامه مهم‌ترین راهکارهای عملی برای پیشگیری و کنترل ارتعاشات در عملیات ماشین‌کاری را معرفی می‌کنیم:
- افزایش صلابت سیستم ماشین‌کاری: استفاده از ماشین‌هایی با بدنه و اسپیندل مقاوم، کاهش طول آزاد ابزار و تقویت سیستم گیره‌گیری باعث افزایش صلابت کلی سیستم، مقاومت بالاتر در برابر نوسانات و کاهش احتمال چتر می‌شود.
- بهینه‌سازی پارامترهای برش (سرعت، خوراک و عمق): تنظیم سرعت و عمق برش در محدوده پایداری دینامیکی یکی از مؤثرترین روش‌ها برای کنترل چتر است. کاهش عمق یا انتخاب سرعتی خارج از محدوده تشدید می‌تواند ارتعاشات را به حداقل برساند.
- استفاده از ابزار با طراحی ضد لرزش: برخی از ابزارها دارای دمپر یا ساختارهای جاذب ارتعاش داخلی هستند که نوسانات را جذب کرده و پایداری فرآیند را افزایش می‌دهند. این ابزارها به ویژه در عملیات بورینگ عمیق یا فرزکاری با طول ابزار زیاد بسیار مفیدند.
- بهبود گیره‌گیری قطعه‌کار و ابزار: گیره‌های محکم، فیکسچرهای دقیق و تماس کامل سطحی بین ابزار و هولدر از حرکات ناخواسته جلوگیری می‌کند. هرگونه لقی یا تماس ناقص می‌تواند منبعی برای تحریک ارتعاش باشد.
- انتخاب مناسب مسیر و جهت برش: طراحی مسیر برش با در نظر گرفتن سختی محلی قطعه و کاهش تماس ناگهانی ابزار با ماده از نوسانات نیرو جلوگیری می‌کند.
- افزایش میرایی سیستم: افزودن اجزای میرایی مانند بالشتک‌های لاستیکی، مواد جاذب ارتعاش یا دمپرهای هیدرولیکی در محل‌های بحرانی می‌تواند انرژی ارتعاش را جذب کرده و دامنه لرزش را کاهش دهد.
استفاده از سرعت‌های بحرانی ایمن: با کمک نمودارهای پایداری می‌توان محدوده‌های سرعتی را تعیین کرد که در آن‌ها سیستم بدون ناپایداری کار می‌کند. انتخاب سرعت بهینه مانع از ورود به ناحیه چتر می‌شود. - تراش یا فرزکاری با نرخ براده‌برداری پیوسته: جلوگیری از برش‌های متناوب یا قطع‌شونده و حفظ تماس یکنواخت ابزار با ماده موجب کاهش تغییرات ناگهانی نیرو و افزایش پایداری می‌شود.
- استفاده از ابزار نو و تیز: ابزار کند یا فرسوده نیروی برشی بیشتری تولید می‌کند و پایداری سیستم را تضعیف می‌نماید. تیز بودن لبه برنده و انتخاب زاویه‌ی مناسب براده از افزایش نیرو و ارتعاش جلوگیری می‌کند.
- تنظیم دقیق بالانس اسپیندل و ابزارگیر: بالانس نبودن اجزای دوار منبع ارتعاشات اجباری است. تنظیم دقیق و بررسی بالانس پیش از شروع کار از ایجاد لرزش‌های مداوم جلوگیری می‌کند.
- کنترل شرایط روانکاری و خنک‌کاری: استفاده از مایع خنک‌کاری مناسب (علاوه بر کاهش حرارت) نیروی اصطکاک را کم کرده و به ثبات فرآیند کمک می‌کند. این موضوع به ویژه در براده‌برداری از مواد سخت اهمیت زیادی دارد.
علت ارتعاش ماشین‌کاری و راهکار کنترل آن
مشاوره رایگان و تخصصی
در شرکت کنکاش طرح نوین، خدمات فرز CNC و منوال و تراشکاری CNC و منوال قطعات صنعتی، به صورت تخصصی و در تهران انجام می‌شود.
برای دریافت مشاوره رایگان با شماره 02166803043 یا 09121095695 تماس حاصل فرمایید.