تصور کنید، لبه های مته فرز انگشتی شما در طول تراشکاری در پروژه شما به صورت معجزه آسایی به صورت کاملا خودکار، خود را ترمیم کرده و شما بدون نیاز به تیز کردن یا تعویض مته فرز انگشتی، بتوانید به مدت زمان 4 تا 5 برابر حالت عادی از آن استفاده کنید!!
شاید اگر 20 سال پیش برای یک تراشکار حرفه ای این داستان را تعریف می کردید، شما را فردی متوهم یا حتی دیوانه فرض می کرد! اما امروزه با پیشرفت تکنولوژی در حوزه مهندسی مواد و متالورژی و ابداع متریال های خود ترمیمی که در ابزار تراش قابل استفاده می باشد؛ این داستان، بسیار دست یافتنی و در مراحل نهایی قبل از تولید می باشند.
ما در این وبلاگ، با اقتباس از 4 مقاله از ژورنال های معتبر علمی؛ مطالب هیجان انگیز و در عین حال مفید و آموزنده- ای در ارتباط با این تکنولوژی را ارائه نموده ایم که می تواند مورد استفاده همکاران صنعت تراشکاری قرار گیرد:
چکیده
در عصر صنعت 4.0، توسعه ابزارهای تراشکاری پیشرفته که قابلیت تطبیق و خود ترمیمی داشته باشند، از اهمیت ویژه‌ای برخوردار است. این مقاله به بررسی سه حوزه اصلی در زمینه مته های فرز انگشتی نوین می‌پردازد: مواد و روکش های تطبیقی، سیستم‌های ماشین‌کاری خودبهینه‌ساز، و مواد خود ترمیم‌کننده. تحقیقات انجام شده نشان می‌دهد که استفاده از فولادهای پودری کامپوزیتی حاوی ترکیبات مقاوم TiC، TiCN و Al2O3 می‌تواند عمر ابزار را تا دو برابر افزایش دهد. همچنین، سیستم‌های هوشمند ماشین‌کاری قادر به تطبیق خودکار پارامترهای فرآیند برای بهینه‌سازی بهره‌وری و کیفیت هستند.
کلمات کلیدی: مته های فرز انگشتی، مواد تطبیقی، خود ترمیمی، ماشین‌کاری هوشمند، فولاد پودری کامپوزیتی
1. مقدمه
با پیشرفت تکنولوژی ماشین‌کاری و افزایش تقاضا برای ساخت قطعات پیچیده و دقیق، نیاز به ابزارهای تراشکاری پیشرفته‌تری بیش از پیش احساس می‌شود. ابزارهای تراش مرسوم در شرایط شدید کاری مانند دماهای بالا، فشارهای شدید و سایش مداوم، به سرعت فرسوده شده و نیاز به تعویض مکرر دارند. این امر منجر به افزایش هزینه‌های تولید، کاهش بهره‌وری و اختلال در فرآیندهای تولیدی می‌شود.
در همین راستا، محققان در سال‌های اخیر به توسعه ابزارهای هوشمند و تطبیقی پرداخته‌اند که قابلیت تنظیم خودکار خصوصیات فیزیکی و شیمیایی خود را در پاسخ به شرایط محیطی دارند. این ابزارها از سه دسته اصلی تشکیل شده‌اند: مواد و روکش های دارای عملکرد کنترل فعال، مواد و روکش های خودسازمان‌ده، و مواد و روکش های خود ترمیم‌کننده.
فناوری مته های فرزانگشتی خود ترمیم‌کننده نه تنها در زمینه ابزارسازی بلکه در صنایع هوافضا، خودروسازی و انرژی نیز کاربردهای گسترده‌ای دارد.
هدف از این مقاله، ارائه مروری جامع بر آخرین دستاوردهای علمی در زمینه ابزارهای برش تطبیقی و خود ترمیم‌کننده است.
2. مواد و روکش های تطبیقی برای بهبود عملکرد ابزارهای برش
2.1 طبقه‌بندی مواد تطبیقی
(Grigoriev et al., 2021) در تحقیقات خود، طبقه‌بندی جامعی از مواد و روکش های تطبیقی برای کاربرد در ابزار ارائه داده‌اند. این طبقه‌بندی شامل سه دسته اصلی است: مواد و روکش های دارای عملکرد کنترل فعال، مواد خودسازمان‌ده، و مواد خود ترمیم‌کننده. هر یک از این دسته‌ها قابلیت تطبیق با تأثیرات خارجی حرارتی و قدرتی را داشته و در نتیجه عمر ابزار را بهبود می‌بخشند.
2.2 فولادهای پودری کامپوزیتی (CPHSS)
(Grigoriev et al., 2021) در مطالعه‌ای جامع، عملکرد فولادهای پودری کامپوزیتی حاوی ترکیبات مقاوم TiC، TiCN و Al2O3 را بررسی کردند. نتایج نشان داد، که نمونه‌های حاوی 80% فولاد پرسرعت و 20% TiCN بهترین عملکرد را از نظر مقاومت در برابر سایش نشان می‌دهند. ضریب اصطکاک این نمونه‌ها در دمای 20 درجه سانتیگراد و 600 درجه سانتیگراد به ترتیب 0.45 و حتی کمتر بود که نشان‌دهنده خصوصیات روانکاری فوق‌العاده این مواد در دماهای بالا است.
2.3 مکانیزم‌های تطبیق و خودسازماندهی
(Grigoriev et al., 2021) مکانیزم چهار مرحله‌ای تشکیل ساختارهای ثانویه در منطقه تماس ابزار-قطعه‌کار را شرح داده‌اند:
1. مرحله اول: تشکیل سطوح شیمیایی تمیز (juvenile surfaces) هنگام جدایش براده از قطعه‌کار
2. مرحله دوم: تعامل سطوح فعال با اجزای محیط خارجی
3. مرحله سوم: تشکیل ترکیبات شیمیایی جدید (ساختارهای ثانویه) در منطقه تماس
4. مرحله چهارم: تخریب موضعی فیلم‌های محافظ و تکرار چرخه
این فرآیند چرخه‌ای، منجر به تشکیل فیلم‌های محافظ و روانکاری می‌شود که به‌طور چشمگیری سایش را کاهش می‌دهد. آنالیز طیفی نشان داده است که پس از 5 دقیقه کارکرد، بیشترین شدت طیف مربوط به ترکیب TiC2 (تیتانیوم دی‌کاربید) بوده و پس از 20 دقیقه، این ترکیب تجزیه شده و به فازهای پایدارتری مانند TiO و TiN تبدیل می‌شود.
2.4 نتایج آزمایشات دما و تریبولوژی
(Grigoriev et al., 2021) مطالعات میدان دمایی در گوه برش نشان دادند که حضور ترکیبات مقاوم TiCN در ساختار مواد CPHSS تأثیر قابل توجهی بر توزیع دما در طول ضربه کاری ابزار دارد. برخلاف ابزارهای ساخته شده از مواد استاندارد، ناحیه حداکثر دما در بالای گوه برش باقی می‌ماند و افزایش دما در ابتدای ضربه کاری کمتر شدت داشته و سطح آن 20-25% کاهش می‌یابد.
3. سیستم‌های ماشین‌کاری خودبهینه‌ساز (SOMS)
3.1 مفهوم سیستم‌های خودبهینه‌ساز
(Möhring et al., 2020) مفهوم سیستم‌های ماشین‌کاری خودبهینه‌ساز (SOMS) را در چارچوب صنعت 4.0 معرفی کرده‌اند. این سیستم‌ها بر سطح تکنولوژیکی تولیدِ قطعات گسسته از طریق فرآیندهای ماشین‌کاری مکانیکی، با استفاده از ماشین‌ابزارها و تجهیزات مرتبط متمرکز هستند. فناوری‌ها، اصول و روش‌های توانمندساز برای پیاده‌سازی سیستم‌های ماشین‌کاری که قادر به تطبیق خودکار پارامترها و تنظیمات خود هستند، توصیف شده‌اند.
3.2 اجزای کلیدی SOMS
بر أساس مطالعات انجام شده توسط مورینگ، سیستم‌های SOMS شامل اجزای کلیدی زیر هستند: (Möhring et al., 2020)
- سنسورهای تعبیه شده: برای نظارت بر دما، ارتعاش، نیروهای تراش و سایش ابزار
- الگوریتم‌های یادگیری ماشین: برای تجزیه و تحلیل داده‌ها و پیش بینی رفتار ابزار
- سیستم‌های کنترل تطبیقی: برای تنظیم خودکار پارامترهای ماشین کاری
- شبکه‌های ارتباطی: برای اتصال اجزای مختلف سیستم
3.3 مزایای سیستم‌های خود بهینه ساز
(Möhring et al., 2020) مزایای اصلی سیستم‌های خود بهینه ساز (SOMS) عبارتند از:
- بهینه سازی خودکار: تنظیم پارامترها به صورت بلادرنگ بر اساس شرایط فرآیند
- پیش‌بینی سایش: قابلیت تشخیص زودهنگام فرسودگی ابزار
- کاهش ضایعات: کنترل دقیق کیفیت قطعه‌کار
- افزایش بهره وری: کاهش زمان‌های توقف و بهینه سازی سرعت تولید
4. مواد و روکش های خود ترمیم کننده
4.1 مواد دارای اثر حافظه شکل
(Grigoriev et al., 2021) موادی با اثر حافظه شکل (Shape Memory Effect) را به‌عنوان یکی از پیشرفته ترین نوع مواد خود ترمیم‌کننده معرفی کرده‌اند. این اثر، شامل بازگردانی شکل اصلی ماده‌ای است که به صورت پلاستیک تغییر شکل یافته و پس از گرم شدن تا دمای مشخصی، شکل اولیه خود را بازیابی می‌کند.
4.2 آلیاژهای Ni-Ti و کاربردهای ابزاری
(Grigoriev et al., 2021) نمونه‌هایی از استفاده آلیاژهای Ni-Ti یا مشابه آن‌ها به‌عنوان اینسرت در ساختار ابزارهای برش، به ویژه برای ماشین‌کاری سنگ‌ها و مواد ساختمانی ارائه داده‌اند. این مواد قابلیت بازگرداندن بخش فرسوده شده ابزار به موقعیت کار پذیر را دارند که از طریق بازیابی شکل آلیاژ تحت تأثیر حرارت، صورت می‌گیرد.
4.3 آلیاژهای آنتروپی بالا (HEA)
(Grigoriev et al., 2021) آلیاژهای آنتروپی بالای جدید از نوع Fe-Ni-Co-Al-Nb-Ti را به‌عنوان جایگزین آلیاژهای سنتی سیستم مانند Ni-Ti معرفی کرده‌اند. این آلیاژها مزایا و چشم‌اندازهای قابل توجهی برای کاربرد در تولید ابزار دارند. مطالعات نشان داده که HEA های بر پایه Fe-Co-Cr-Ni-Al و Co-Cr-Fe-Ni-Ti-Al به‌طور مؤثری به‌عنوان چسباننده (تا 20% جرمی) در تولید کامپوزیت سرمت‌های TiCN-TiB2 با فشردن داغ خلأ استفاده می‌شوند.
5. فناوری‌های نظارت و کنترل
5.1 سنسورهای تعبیه شده در ابزار
(Grigoriev et al., 2021) استفاده از سنسورهای فیلم نازک ترموکوپل در ابزارهای برش برای اندازه‌گیری دقیق دما را بررسی کرده‌اند. این سنسورها قابلیت اندازه‌گیری دقیق دما تا 1000 درجه سانتیگراد را دارند و سایش طبیعی لبه برش اینسرت‌های کاربیدی بر عملکرد سنسورها و قابلیت اطمینان داده‌های تشخیصی تأثیر نمی‌گذارد.
5.2 سنسورهای PVDF برای نظارت بر نیروی وارده به ابزار
(Grigoriev et al., 2021) برای نظارت بر نیروهای تراش، استفاده از سنسورهای PVDF (پلی‌وینیلیدن فلوراید) با ساختار چندلایه را پیشنهاد داده است. این سنسورها شامل فیلم PVDF محاط در دو الکترود و روکش های محافظ هستند. دمای کاری این فیلم‌ها تا 700 درجه سانتیگراد است و معمولاً در محل‌های نزدیک به ناحیه پردازش نصب می‌شوند.
6. نتایج آزمایشگاهی و ارزیابی عملکرد
6.1 مطالعات مقاومت در برابر سایش ساینده
(Grigoriev et al., 2021) آزمایش‌های مقاومت در برابر سایش بر روی نمونه‌های مختلف CPHSS انجام دادند. نتایج نشان داد که نمونه‌های CPHSS از جنبه‌های مختلفی با HSS استاندارد متفاوت هستند که این امر قابل انتظار بود زیرا سختی HSS کمتر از CPHSS بوده و ضریب اصطکاک متوسط آن روی فولاد بیشتر از CPHSS است.
کمترین نرخ سایش مربوط به نمونه حاوی 80% HSS و 20% TiCN بود. نمونه حاوی 80% HSS، 15% TiC و 5% Al2O3 شدت کمی بالاتری داشت. حداقل مقاومت سایش در میان همه CPHSS ها مربوط به نمونه 80% HSS و 20% TiC بود.
7. کاربردهای صنعتی و چشم‌انداز آینده
7.1 صنایع هوافضا و خودروسازی
مواد تطبیقی و خود ترمیم‌کننده در صنایع هوافضا، هسته‌ای و سایر صنایع که نیاز به ماشین‌کاری قطعات حیاتی دارند، کاربرد ویژه‌ای دارند. این ابزارها به‌ویژه برای ساخت قطعات بزرگ یا پیچیده که شکست ابزار برش در طول ماشین‌کاری منجر به ضایع شدن محصولات گران‌قیمت می‌شود، مناسب هستند.
7.2 ماشین‌کاری آلیاژهای خاص
یکی دیگر از حوزه‌های کاربرد، آلیاژهای خاص، کامپوزیت‌های سخت و ماشین‌کاری سایر موادی است که احتمال شکست غیرمنتظره ابزار تراش در آن‌ها بالا است؛ می باشد. در این شرایط، ابزارهای تطبیقی قابلیت تشخیص و واکنش به تغییرات شرایط را دارند.
7.3 بهینه‌سازی فرآیند تولید
سیستم‌های کنترل به موقع، که به سیگنال‌های ارسالی توسط سنسورها پاسخ می‌دهند، امکان تطبیق ابزار تراش با شرایط تغییریافته را فراهم آورده و در نتیجه عملکرد آن را برای مدت طولانی‌تری حفظ می‌کنند.
8. چالش ها و محدودیت ها
8.1 پیچیدگی ساخت
یکی از اصلی‌ترین چالش‌ها در توسعه ابزارهای خود ترمیم‌کننده، پیچیدگی فرآیندهای ساخت و نیاز به تکنولوژی‌های پیشرفته است. تولید مواد کامپوزیتی با خصوصیات تطبیقی نیازمند کنترل دقیق پارامترهای متالورژی پودر و فرآیندهای سینترینگ است.
8.2 هزینه تولید
هزینه‌های بالای تولید این ابزارها در مقایسه با ابزارهای مرسوم، یکی از موانع اصلی تجاری‌سازی گسترده آن‌ها محسوب می‌شود. با این حال، افزایش قابل توجه عمر ابزار و کاهش هزینه‌های تعمیر و نگهداری می‌تواند این هزینه‌های اولیه را جبران کند.
8.3 نیاز به تحقیقات بیشتر
هنوز نیاز به تحقیقات گسترده‌تری در زمینه بهینه‌سازی ترکیب مخلوط‌های پودری در طول سینترینگ مواد ابزاری آزمایشی وجود دارد. همچنین، توسعه الگوریتم‌های پیشرفته‌تر برای سیستم‌های کنترل تطبیقی ضروری است.
9. راهکارهای نوآورانه
9.1 فناوری‌های روکش پیشرفته
تحقیقات نشان می‌دهد که روکش های چندلایه نانوساختار مانند TiAlN/VN که توسط روش PVD اعمال می‌شوند، قابلیت‌های فوق‌العاده‌ای در کاهش اصطکاک و افزایش مقاومت سایش دارند. این پوشش‌ها در دماهای بالا ضریب اصطکاک کمتر از 0.5 را از خود نشان می‌دهند.
9.2 مواد کامپوزیتی نوین
توسعه کامپوزیت‌های جدید بر پایه آلیاژهای آنتروپی بالا با ذرات الماس تعبیه شده، امکان دستیابی به ریزساختارهای متنوع در رابط HEA/الماس و استحکام پیوند رابطی کافی را فراهم آورده است. محققان، اثر تقویت بینابینی را کشف کرده‌اند که تأثیر بسیار مفیدی بر خصوصیات مکانیکی مواد ابزاری جدید دارد.
10. نتیجه گیری
تحقیقات بررسی شده در این مقاله نشان می‌دهد که فناوری مته های فرز انگشتی خود ترمیم‌کننده و مواد تطبیقی، نقش مهمی در آینده صنعت ماشین‌کاری خواهند داشت. استفاده از فولادهای پودری کامپوزیتی حاوی TiCN توانسته عمر ابزار را تا دو برابر افزایش دهد و کیفیت سطح قطعه‌کار را به‌طور قابل توجهی بهبود بخشد.
سیستم‌های ماشین‌کاری خود بهینه ساز در چارچوب صنعت 4.0، امکان تطبیق خودکار پارامترهای فرآیند را فراهم آورده و بهره وری تولید را به‌طور چشمگیری افزایش می‌دهند. این سیستم‌ها با ترکیب سنسورهای پیشرفته، الگوریتم‌های یادگیری ماشین و سیستم‌های کنترل تطبیقی، قادر به پیش‌بینی و پیشگیری از مشکلات هستند.
مواد خود ترمیم‌کننده بر پایه آلیاژهای دارای اثر حافظه شکل و آلیاژهای آنتروپی بالا، چشم‌اندازهای نویدبخشی برای توسعه ابزارهای برش نسل آینده ارائه می‌دهند. این مواد نه تنها قابلیت خود ترمیمی دارند بلکه خصوصیات مکانیکی و حرارتی برتری نسبت به مواد مرسوم نشان می‌دهند.
