جنس مواد و تأثیر آن بر ماشین‌کاری CNC: راهنمای جامع

در دنیای ماشین‌کاری CNC، انتخاب صحیح ماده اولیه و درک عمیق از رفتار آن در حین فرآیند برش، نقش حیاتی در موفقیت یک پروژه دارد. هر ماده‌ای خواص فیزیکی و مکانیکی منحصربه‌فردی دارد که به طور مستقیم بر عواملی مانند انتخاب ابزار برش، سرعت اسپیندل، سرعت پیشروی (فید ریت)، و حتی نوع خنک‌کننده تأثیر می‌گذارد.

نادیده گرفتن این تفاوت‌ها می‌تواند منجر به مشکلاتی نظیر کاهش عمر ابزار، کیفیت سطح پایین، شکستگی قطعه کار، و افزایش هزینه‌های تولید شود. در این مقاله جامع، به بررسی چگونگی تأثیر جنس‌های رایج مواد بر فرآیند ماشین‌کاری CNC خواهیم پرداخت و نکات کلیدی برای بهینه‌سازی عملیات شما را ارائه خواهیم داد.

اصول بنیادین تأثیر مواد بر ماشین‌کاری

برای دستیابی به بهترین نتیجه در ماشین‌کاری CNC، لازم است که خواص اصلی مواد را درک کنیم:

• سختی (Hardness): مواد سخت‌تر به ابزارهای مقاوم‌تر و سرعت برش پایین‌تر نیاز دارند.
• چقرمگی (Toughness): مواد چقرمه تمایل به مقاومت در برابر شکست دارند و ممکن است نیاز به ابزارهای با لبه‌های تیزتر و زاویه‌های خاص داشته باشند.
• رسانایی حرارتی (Thermal Conductivity): مواد با رسانایی حرارتی پایین (مانند تیتانیوم) گرمای زیادی را در نقطه برش نگه می‌دارند که می‌تواند به ابزار آسیب برساند.
• قابلیت ماشین‌کاری (Machinability): این یک شاخص کلی است که نشان می‌دهد یک ماده چقدر آسان قابل ماشین‌کاری است.
• چسبندگی (Adhesiveness): برخی مواد تمایل به چسبیدن به ابزار دارند که منجر به جمع شدن براده و آسیب به سطح می‌شو

بررسی مواد رایج و نکات ماشین‌کاری آن‌ها

1. فولادها (Steels)

فولادها از پرکاربردترین مواد در CNC هستند و در گریدهای مختلفی با سختی و چقرمگی متفاوت موجودند.

• فولاد نرم (Mild Steel): نسبتاً آسان ماشین‌کاری می‌شوند، اما ممکن است براده‌های بلند تولید کنند.
• فولادهای آلیاژی و ابزار (Alloy & Tool Steels): سختی بالا و مقاومت به سایش دارند. نیاز به سرعت برش پایین‌تر، ابزارهای کارباید و خنک‌کننده فراوان دارند.
• فولاد ضد زنگ (Stainless Steel): تمایل به سخت‌شوندگی کار (Work Hardening) دارند و هدایت حرارتی پایینی دارند. نیاز به ابزارهای تیز، سرعت پایین و فید ریت بالا برای جلوگیری از سخت‌شوندگی و خنک‌کاری مناسب دارند.

نکته کلیدی: برای فولادهای سخت، استفاده از ابزارهای کارباید و پوشش‌دار (مانند TiN, AlTiN) و نیز استفاده از خنک‌کننده‌های قوی ضروری است.

2. آلومینیوم (Aluminum)

آلومینیوم به دلیل وزن کم، مقاومت به خوردگی و ماشین‌کاری آسان بسیار محبوب است.

• ویژگی‌ها: نرم، رسانای حرارتی خوب، تمایل به چسبیدن به ابزار در سرعت‌های پایین.
• نکات ماشین‌کاری: می‌توان با سرعت‌های بالا و فید ریت‌های زیاد ماشین‌کاری کرد. استفاده از ابزارهای تیز با لبه‌های پولیش‌شده و فلوت‌های بزرگ برای خروج براده ضروری است.  خنک‌کننده‌های محلول در آب یا روغن‌های سبک کمک می‌کنند تا از چسبندگی جلوگیری شود و سطح نهایی بهبود یابد.

3. پلاستیک‌ها (Plastics)

انواع مختلفی از پلاستیک‌ها مانند نایلون، پلی‌اتیلن، اکریلیک و تفلون در CNC استفاده می‌شوند. هر کدام خواص خاص خود را دارند.

• ویژگی‌ها: نرم‌تر از فلزات، نقطه ذوب پایین‌تر، تمایل به ایجاد براده‌های بلند.
• نکات ماشین‌کاری: سرعت برش باید به گونه‌ای تنظیم شود که از ذوب شدن ماده جلوگیری شود.  ابزارهای تیز با لبه‌های مثبت و فلوت‌های باز توصیه می‌شوند. خنک‌کاری معمولاً با هوای فشرده انجام می‌شود تا از چسبیدن براده‌ها جلوگیری شود و در برخی موارد خنک‌کننده‌های آبی برای جلوگیری از تغییر شکل حرارتی استفاده می‌شود.

4. کامپوزیت‌ها (Composites)

مواد کامپوزیت مانند فیبر کربن و فایبرگلاس به دلیل نسبت استحکام به وزن بالا کاربرد فراوانی پیدا کرده‌اند.

• ویژگی‌ها: ساینده، ایجاد گرد و غبار زیاد، نیاز به ابزارهای بسیار سخت.
• نکات ماشین‌کاری: به دلیل ساینده بودن، نیاز به  ابزارهای الماسه (PCD) یا ابزارهای کارباید با پوشش‌های مقاوم به سایش دارند. سرعت برش متوسط و فید ریت مناسب برای جلوگیری از پوسته پوسته شدن لایه‌ها (delamination) ضروری است. سیستم‌های جمع‌آوری گرد و غبار و تهویه مناسب محیط کار بسیار مهم هستند.

5. تیتانیوم (Titanium)

تیتانیوم ماده‌ای دشوار برای ماشین‌کاری است اما به دلیل خواص عالی در صنایع هوافضا و پزشکی کاربرد دارد.

• ویژگی‌ها: سخت، چقرمه، هدایت حرارتی بسیار پایین، تمایل به سخت‌شوندگی کار.
• نکات ماشین‌کاری: نیاز به  سرعت برش بسیار پایین ،  فید ریت بالا برای جلوگیری از سخت‌شوندگی، و  خنک‌کننده فراوان برای دفع گرما. استفاده از ابزارهای  کارباید کبالت (HSS-Co)  یا  کارباید با پوشش‌های خاص  برای دماهای بالا توصیه می‌شود.

نکات کلی برای بهینه‌سازی ماشین‌کاری با توجه به جنس مواد

• انتخاب ابزار: همیشه ابزاری را انتخاب کنید که برای ماده خاص مورد نظر طراحی شده باشد. هندسه ابزار (زاویه رَک، زاویه لبه) و پوشش آن بسیار مهم است.
• تنظیم پارامترهای برش: سرعت اسپیندل (RPM) و فید ریت (Feed Rate) باید با توجه به سختی ماده، نوع ابزار و نیاز به پرداخت سطح تنظیم شوند.
• استفاده از خنک‌کننده/روان‌کار: برای دفع گرما، روان‌کاری و کمک به خروج براده، استفاده صحیح از خنک‌کننده‌ها حیاتی است.
• خروج براده: اطمینان از خروج مناسب براده برای جلوگیری از آسیب به ابزار و سطح قطعه کار بسیار مهم است.
• پایداری قطعه کار و دستگاه: لرزش می‌تواند به ابزار و قطعه کار آسیب برساند. اطمینان از محکم بودن قطعه کار و دستگاه ضروری است.