كيفية تصميم أجزاء للتصنيع باستخدام الحاسوب (CNC)
في هذا الدليل الشامل للتصميم من أجل التصنيع باستخدام الحاسب الآلي، قمنا بتجميع ممارسات ونصائح التصميم الأساسية والمتقدمة لمساعدتك في تحقيق أفضل النتائج لأجزائك المخصصة.
هناك بعض الخطوات البسيطة التي يمكنك اتخاذها لتحسين تصميماتك لتناسب عمليات التصنيع باستخدام الحاسوب (CNC). باتباع قواعد التصميم للتصنيع (DFM)، يمكنك الاستفادة بشكل أكبر من الإمكانيات الواسعة لتقنية CNC. مع ذلك، قد يكون هذا الأمر صعبًا، نظرًا لعدم وجود معايير محددة على مستوى الصناعة.
نقدم في هذه المقالة دليلاً شاملاً لأفضل ممارسات التصميم في مجال التصنيع باستخدام الحاسوب (CNC). ولجمع هذه المعلومات الشاملة والمحدثة، استشرنا خبراء الصناعة ومقدمي خدمات التصنيع باستخدام الحاسوب. إذا كنت تسعى إلى خفض التكاليف، فراجع هذا الدليل لتصميم قطع غيار اقتصادية للتصنيع باستخدام الحاسوب.
ما هي عملية التصنيع باستخدام الحاسب الآلي؟
تُعدّ تقنية التصنيع باستخدام الحاسوب (CNC) تقنية تصنيع طرحية. في هذه التقنية، تُزال المادة من كتلة صلبة باستخدام مجموعة متنوعة من أدوات القطع التي تدور بسرعات عالية تصل إلى آلاف الدورات في الدقيقة، لإنتاج قطعة بناءً على نموذج CAD. ويمكن تصنيع كل من المعادن والبلاستيك باستخدام تقنية CNC.
تتميز الأجزاء المصنعة باستخدام تقنية CNC بدقة أبعاد عالية وتفاوتات ضيقة. وتُعدّ هذه التقنية مناسبة للإنتاج بكميات كبيرة وللمشاريع الفردية على حد سواء. في الواقع، تُعتبر تقنية CNC حاليًا الطريقة الأكثر فعالية من حيث التكلفة لإنتاج النماذج المعدنية الأولية، حتى بالمقارنة مع الطباعة ثلاثية الأبعاد.
ما هي القيود الرئيسية لتصميم CNC؟
يوفر CNC مرونة كبيرة في التصميم، ولكن هناك بعض القيود. تتعلق هذه القيود بالآليات الأساسية لعملية القطع وتتعلق بشكل أساسي بهندسة الأداة والوصول إلى الأداة.
هندسة الأدوات
معظم أدوات القطع CNC الشائعة (أدوات المطحنة النهائية والمثاقب) لها شكل أسطواني وطول قطع محدود.
عندما تتم إزالة المادة من قطعة العمل، يتم نقل هندسة الأداة إلى جزء مُشكل آليًا. وهذا يعني، على سبيل المثال، أن الزوايا الداخلية لجزء CNC لها دائمًا نصف قطر، بغض النظر عن مدى صغر حجم أداة القطع المستخدمة.
الوصول إلى الأداة
لإزالة المواد، تقترب أداة القطع من قطعة العمل مباشرة من الأعلى. الميزات التي لا يمكن الوصول إليها بهذه الطريقة لا يمكن تشكيلها باستخدام الحاسب الآلي.
هناك استثناء لهذه القاعدة: قصات الشعر القصيرة من الأسفل. ستجدون قسماً خاصاً بهذه القصات في نهاية هذه المقالة.
نوصي بمحاذاة جميع عناصر النموذج (الثقوب، والتجاويف، والجدران الرأسية، إلخ) مع أحد الاتجاهات الرئيسية الستة. مع ذلك، اعتبر هذه القاعدة توصية وليست قيدًا، إذ توفر أنظمة CNC خماسية المحاور إمكانيات متقدمة لتثبيت قطع العمل.
يعد الوصول إلى الأداة أيضًا مشكلة عند تشغيل الميزات بنسبة كبيرة من العمق إلى العرض. للوصول إلى قاع تجويف عميق، على سبيل المثال، تحتاج إلى أدوات ذات وصول ممتد. وهذا يعني نطاقًا أوسع من الحركة للمستجيب النهائي، مما يزيد من ثرثرة الآلة ويقلل من الدقة التي يمكن تحقيقها.
سيتم تبسيط الإنتاج إذا قمت بتصميم أجزاء يمكن تصنيعها باستخدام الحاسب الآلي باستخدام الأداة التي تحتوي على أكبر قطر ممكن وأقصر طول ممكن.
إرشادات تصميم CNC
من التحديات الشائعة عند تصميم قطعة للتصنيع باستخدام الحاسوب (CNC) عدم وجود معايير محددة على مستوى الصناعة. ويعمل مصنّعو آلات وأدوات CNC باستمرار على تطوير قدرات هذه التقنية، ما يوسع آفاق الإمكانيات المتاحة. يلخص الجدول أدناه القيم الموصى بها والممكنة لأكثر الخصائص شيوعًا في القطع المصنعة باستخدام CNC.
التجاويف والجيوب
عمق التجويف الموصى به: 4 أضعاف عرض التجويف
تتميز أدوات القطع الطرفية بطول قطع محدود (عادةً ما يكون 3-4 أضعاف قطرها). يصبح انحراف الأداة وإخراج الرايش والاهتزازات أكثر وضوحًا عندما تكون نسبة عمق التجاويف إلى عرضها أصغر.
يضمن تحديد عمق التجويف بأربعة أضعاف عرضه الحصول على نتائج جيدة.
إذا كانت هناك حاجة إلى أعماق أكبر، ففكر في تصميم أجزاء ذات عمق تجويف متغير.
طحن التجاويف العميقة: تُعتبر التجاويف التي يزيد عمقها عن ستة أضعاف قطر الأداة عميقة. ويمكن تحقيق نسبة قطر الأداة إلى عمق التجويف تصل إلى 30:1 باستخدام أدوات متخصصة (أقصى عمق: 35 سم باستخدام أداة طحن طرفية بقطر 1 بوصة).
التجاويف والجيوب
نصف قطر الزاوية الرأسية
الموصى به: ثلث عمق التجويف (أو أكبر)
إن استخدام القيمة الموصى بها لنصف قطر الزاوية الداخلية يضمن إمكانية استخدام أداة قطر مناسبة ويتوافق مع الإرشادات الخاصة بعمق التجويف الموصى به.
زيادة نصف قطر الزوايا قليلاً عن القيمة الموصى بها (مثلاً بمقدار 1 مم) تُمكّن الأداة من القطع في مسار دائري بدلاً من زاوية 90 درجة. وهذا مُفضّل لأنه يُنتج سطحًا نهائيًا عالي الجودة. إذا كانت هناك حاجة إلى زوايا داخلية حادة بزاوية 90 درجة، يُنصح بإضافة قطع سفلي على شكل حرف T بدلاً من تقليل نصف قطر الزاوية.
نصف قطر الأرضية
أوصى: نصف قطر 0.5 مم، أو 1 مم، أو بدون نصف قطر
قابليه: أي نصف قطر
تتميز أدوات القطع الطرفية بحافة قطع سفلية مسطحة أو مستديرة قليلاً. ويمكن تشكيل أنصاف أقطار الأرضيات الأخرى باستخدام أدوات القطع الكروية الطرفية. ومن الممارسات التصميمية الجيدة استخدام القيم الموصى بها، حيث يفضلها فنيو التشغيل.
جدران رقيقة
سمك الجدار الأدنى
الموصى به: 0.8 مم (للمعادن)، 1.5 مم (للبلاستيك)
ممكن: 0.5 مم (المعادن)، 1.0 مم (البلاستيك)
يؤدي تقليل سُمك الجدار إلى تقليل صلابة المادة، مما يزيد من الاهتزازات أثناء التشغيل ويقلل من الدقة الممكنة. ونظرًا لأن المواد البلاستيكية عُرضة للتشوه (بسبب الإجهادات المتبقية) والتليّن (بسبب ارتفاع درجة الحرارة)، يُوصى بزيادة الحد الأدنى لسُمك الجدار. ينبغي دراسة القيم المُمكنة المذكورة أعلاه على أساس كل حالة على حدة.
ثقوب
قطر الدائرة
يُوصى باستخدام مثقاب قياسي
ممكن: أي قطر أكبر من 1 مم
تُصنع الثقوب باستخدام مثقاب أو قاطع تفريز. وتُستخدم مثاقب ذات مقاسات موحدة (بالوحدات المترية والإنجليزية). أما الموسعات وأدوات التثقيب فتُستخدم لإنهاء الثقوب التي تتطلب دقة عالية. وللثقوب عالية الدقة التي يقل قطرها عن 20 مم، يُنصح باستخدام قطر قياسي.
أقصى عمق
أوصى: 4 ضعف القطر الاسمي
نموذجي: 10 ضعف القطر الاسمي
قابليه: 40 ضعف القطر الاسمي
يجب تشكيل الثقوب ذات الأقطار غير القياسية باستخدام قاطع تفريز طرفي. في هذه الحالة، تُطبق قيود الحد الأقصى لعمق التجويف، ويجب استخدام قيمة العمق القصوى الموصى بها. أما الثقوب الأعمق من القيمة النموذجية، فتُشكل باستخدام مثاقب متخصصة (بقطر لا يقل عن 3 مم). تتميز الثقوب العمياء المشكلة بالمثقاب بقاع مخروطي (بزاوية 135 درجة)، بينما تكون الثقوب المشكلة بقاطع التفريز الطرفي مسطحة.
لا يوجد تفضيل خاص بين الثقوب النافذة أو الثقوب العمياء في عمليات التصنيع باستخدام الحاسوب (CNC).
المواضيع
حجم الخيط
الحد الأدنى: M1 (وما دونه، في بعض الحالات)
أوصى: M6 أو أكبر
تُصنع الخيوط باستخدام صنابير، بينما تُصنع الخيوط الخارجية باستخدام قوالب. يمكن استخدام الصنابير والقوالب لقطع الخيوط حتى مقاس M2. تُعد أدوات تشكيل الخيوط باستخدام الحاسوب (CNC) شائعة الاستخدام ومفضلة لدى فنيي التشغيل، لأنها تحد من خطر كسر الصنابير. يمكن استخدام أدوات تشكيل الخيوط باستخدام الحاسوب (CNC) لقطع الخيوط حتى مقاس M6.
طول الفقرة
الحد الأدنى: 1.5 ضعف القطر الاسمي
أوصى: 3 ضعف القطر الاسمي
تتحمل الأسنان الأولى القليلة (حتى 1.5 ضعف القطر الاسمي) الجزء الأكبر من الحمل الواقع على السن اللولبي. لذا، فإن الأسنان اللولبية التي يزيد طولها عن 3 أضعاف القطر الاسمي غير ضرورية.
بالنسبة للخيوط في الثقوب المغلقة التي تُقطع باستخدام صنابير (أي جميع الخيوط الأصغر من M6)، أضف طولًا غير ملولب يساوي 1.5 ضعف القطر الاسمي في قاع الثقب. عند استخدام أداة تشكيل الخيوط CNC (أي الخيوط الأكبر من M6)، يمكن تشكيل الخيوط في الثقب على طوله بالكامل.
الميزات الصغيرة
الحد الأدنى لقطر الفتحة
أوصى: 2.5 مم (0.1 بوصة).
قابليه: 0.05 مم (0.005 بوصة).
تستطيع معظم ورش التصنيع تشكيل التجاويف والثقوب بدقة باستخدام أدوات يصل قطرها إلى 2.5 مم (0.1 بوصة). يُعتبر أي شيء أصغر من ذلك تصنيعًا دقيقًا للغاية. تتطلب هذه العمليات أدوات متخصصة (مثل المثاقب الدقيقة) وخبرة فنية عالية، لأن فيزياء عملية القطع تتغير مع هذا الحجم. لذا، يُنصح بتجنبها إلا في حالات الضرورة القصوى.
التسامح
نموذجي: + -0.1 ملم
قابليه: + -0.02 ملم
تتراوح دقة التفاوت لدينا بين 2768 متوسطة أو دقيقة. في حال عدم تحديد دقة التفاوت، سيستخدم شركاء التصنيع الدرجة المختارة من 2768.
تحدد التفاوتات الحدود المسموح بها للأبعاد. وتختلف التفاوتات الممكنة تبعًا للبعد الأساسي وشكل القطعة. القيم المذكورة أعلاه هي إرشادات معقولة.
النص والكتابة
يوصى باستخدام حجم خط 20 (أو أكبر)، ونقش 5 مم
يُفضل النص المنقوش على النص المنقوش، حيث تتم إزالة مواد أقل. يوصى باستخدام الحد الأدنى لحجم الخط -20 sans -serif (مثل Arial أو Verdana). تحتوي العديد من آلات CNC على إجراءات مبرمجة مسبقًا لهذه الخطوط.
إعدادات آلة CNC وتوجيه الأجزاء
رسم تخطيطي لجزء يتطلب عمليات إعداد متعددة
يُعد الوصول إلى الأدوات أحد أهم قيود التصميم في عمليات التصنيع باستخدام الحاسوب (CNC). وللوصول إلى جميع أسطح النموذج، يجب تدوير قطعة العمل عدة مرات.
كلما تم تدوير قطعة العمل، يجب إعادة معايرة الآلة وتحديد نظام إحداثيات جديد.
أثناء التصميم، من المهم مراعاة إعدادات الآلات لسببين:
يؤثر العدد الإجمالي لعمليات ضبط الآلة على التكلفة. يتطلب تدوير القطعة وإعادة محاذاتها عملاً يدوياً، مما يزيد من إجمالي وقت التشغيل. غالباً ما يكون هذا مقبولاً إذا تطلب الأمر تدوير القطعة ثلاث أو أربع مرات، ولكن أي شيء يتجاوز هذا الحد يُعدّ مفرطاً.
لتحقيق أقصى دقة نسبية في تحديد المواقع، يجب تصنيع عنصرين في نفس عملية الإعداد. وذلك لأن خطوة المعايرة الجديدة تُدخل خطأً صغيراً (لكنه ليس ضئيلاً).
ما هو التصنيع باستخدام الحاسب الآلي ذو 5 محاور؟
تقوم آلة CNC خماسية المحاور بتحريك أدوات القطع أو الأجزاء على طول خمسة محاور في آن واحد. أما آلات CNC متعددة المحاور، فتستطيع تصنيع أجزاء ذات أشكال هندسية معقدة، إذ توفر محورين دورانيين إضافيين. وتُغني هذه الآلات عن الحاجة إلى إعدادات متعددة للآلات.
ما هي مزايا وعيوب التصنيع باستخدام الحاسوب ذي المحاور الخمسة؟
تتيح عملية التصنيع باستخدام الحاسوب خماسية المحاور بقاء الأداة مماسية لسطح القطع باستمرار. ويمكن أن تكون مسارات الأداة أكثر تعقيدًا وكفاءة، مما ينتج عنه أجزاء ذات تشطيب سطحي أفضل وأوقات تصنيع أقل.
مع ذلك، فإنّ أنظمة التحكم الرقمي بالكمبيوتر خماسية المحاور لها حدودها. فما زالت هناك قيود على هندسة الأدوات الأساسية وإمكانية الوصول إليها (على سبيل المثال، لا يمكن تشكيل الأجزاء ذات الأشكال الهندسية الداخلية). علاوة على ذلك، فإنّ تكلفة استخدام هذه الأنظمة أعلى.
التصنيع باستخدام الحاسب الآلي يضعف
القطع السفلية هي ميزات لا يمكن تشكيلها باستخدام أدوات القطع القياسية، حيث لا يمكن الوصول إلى بعض أسطحها مباشرة من الأعلى.
هناك نوعان رئيسيان من القطع السفلية: فتحات على شكل حرف T وتتوافق. يمكن أن تكون القطع السفلية من جانب واحد أو على الوجهين ويتم تشكيلها باستخدام أدوات خاصة.
أدوات القطع ذات الفتحة T مصنوعة من شفرة قطع أفقية متصلة بعمود رأسي. يمكن أن يتراوح عرض الجزء السفلي من 3 مم إلى 40 مم. نوصي باستخدام الأحجام القياسية للعرض (أي الزيادات المليمترية الكاملة أو كسور البوصة القياسية)، لأنه من المرجح أن تكون الأداة المناسبة متاحة بالفعل.
بالنسبة لأدوات القطع المتوافقة، فإن الزاوية هي حجم الميزة المحددة. تعتبر كل من الأدوات المتوافقة 45 و 60 درجة قياسية. توجد أيضًا أدوات بزاوية 5 و10 وما يصل إلى 120 درجة (بزيادات 10 درجات) ولكنها أقل استخدامًا.
فتحة على شكل حرف T (يسار)، وتجويف متداخل (وسط)، وتجويف من جانب واحد على جدار داخلي (يمين).
تصميم القطع السفلي للتصنيع باستخدام الحاسوب
عند تصميم أجزاء ذات تجاويف سفلية على الجدران الداخلية، تذكر إضافة مساحة كافية للأداة. القاعدة العامة الجيدة هي إضافة مسافة تساوي أربعة أضعاف عمق التجويف السفلي على الأقل بين الجدار المشكل وأي جدار داخلي آخر.
بالنسبة للأدوات القياسية، تكون النسبة النموذجية بين قطر القطع وقطر العمود 2:1، مما يحد من عمق القطع. عند الحاجة إلى قطع سفلي غير قياسي، تلجأ ورش الآلات عادةً إلى تصنيع أدوات القطع السفلي المخصصة. قد يؤدي ذلك إلى زيادة وقت التسليم والتكلفة، لذا يُنصح بتجنبه قدر الإمكان.
صياغة الرسم الفني
يستخدم المهندسون أحيانًا الرسومات الفنية لتوصيل متطلبات التصنيع المحددة إلى الميكانيكي.
قم بتحميل رسم فني مع عرض السعر الخاص بك
لا نطلب عادةً رسومات فنية للطلبات على منصتنا، ولكن في بعض الحالات، قد تُضيف هذه الرسومات معلومات قيّمة لطلب التسعير. لا يمكن تضمين بعض مواصفات التصميم في ملفات STEP أو IGES. على سبيل المثال، سيتعين عليك تضمين رسم فني ثنائي الأبعاد إذا كان نموذجك يتضمن ثقوبًا أو أعمدة ملولبة و/أو أبعادًا ذات تفاوتات أدق من الدرجة 2768 المُختارة.
إذا أضفت رسمًا فنيًا، فيُرجى التأكد من مطابقته لمواصفات الملفات المرفوعة. في حال عدم مطابقة الرسومات الفنية للملفات المرفوعة أو لمواصفات عرض السعر:
تعتبر مواصفات عرض الأسعار بمثابة نقطة مرجعية للتكنولوجيا والمواد والتشطيبات السطحية.
تعتبر الرسومات الفنية نقطة مرجعية لمواصفات الخيوط، ومواصفات التفاوت، وتفاصيل تشطيب السطح، وطلبات وضع العلامات على الأجزاء، ومواصفات المعالجة الحرارية.
يعتبر ملف CAD نقطة مرجعية لتصميم الجزء وهندسته وأبعاده ومواقع ميزاته.
ما هي أفضل الممارسات في مجال التصنيع باستخدام الحاسوب (CNC)؟
صمم أجزاء يمكن تشكيلها باستخدام الأداة ذات القطر الأكبر الممكن.
أضف الشرائح الكبيرة (بمقدار ثلث عمق التجويف على الأقل) إلى جميع الزوايا الرأسية الداخلية.
يجب ألا يتجاوز عمق التجاويف أربعة أضعاف عرضها.
قم بمواءمة السمات الرئيسية لتصميمك مع أحد الاتجاهات الستة الرئيسية. إذا لم يكن ذلك ممكناً، فإن التصنيع باستخدام الحاسوب خماسي المحاور يُعد خياراً متاحاً.
قم بإرفاق رسم فني مع الرسم الخاص بك إذا كان تصميمك يتضمن خيوطًا أو تفاوتات أو مواصفات تشطيب السطح أو ملاحظات أخرى لمشغل الآلة.
هل لديك قطع تحتاج إلى تصنيعها باستخدام تقنية CNC؟ يرجى التواصل مع فريق غازفول.