مقدمه‌ای بر ماشینکاری: (1) فرآیند تشکیل براده

فهم هر مطلبی از حوزه‌ی ماشینکاری مثل حوزه ی ابزارشناسی شامل زوایای ماشین ابزار، دقت ساخت ابزار آلات، پوشش دهی ابزارها، یا حوزه‌ی مکانیک ماشینکاری شامل ارتعاشات ابزار، میکرو-ارتعاشات، پدیده Chatter، مایعات خنک کاری، انواع روش‌های خنک کاری، استراتژی‌های ماشینکاری یا سرعت‌های برشی و پیشروی و هر مطلبی دیگه‌ای، مستلزم دانستن تعریف و مکانیزم ماشینکاریه. بنابراین قبل از هر چیزی بهترین موضوعی که باید انتخاب میکردم برای توضیح دادن تعریف ماشینکاری، مراحل تشکیل براده در حین فرآیند ماشینکاری و فعل و انفعالات مکانیکی در حین این فرآیند بود.

در فرآیند ماشینکاری، حرکت نسبی بین ابزار و قطعه کار در حین برش، ماده قطعه کار را در نزدیکی ابزار فشرده می کنه و باعث ایجاد تغییر شکل برشی می شود که در نهایت براده را تشکیل میده. یک توضیح دیگه از استاندارد DIN5889، میگه در حین برش فلزات یا Metal Cutting لایه هایی از قطعه کار به وسیله‌ی ابزار برشی بصورت مکانیکی از قطعه کار جدا میشند.

فرض کنید در شکل بالا ابزار برش داره ماده رو از روی قطعه کار توسط ابزار برمیداره. اگر پشت به ابزار بایستیم و بصورت عمود و شعاعی (در راستای پیکان آبی رنگ) به منطقه ی ماشینکاری داخل دایره آبی رنگ نگاه بندازیم، میتونیم بصورت شماتیک رفتار ماده حین ماشینکاری رو در شکل بعدی ببینیم. (شکل بعد از کتاب اتوماسیون تولید از دکتر – یکی از بزرگان ماشینکاری جهان)

ابزار در راستای سرعت پیشروی (چپ به راست) با زوایای خاصی (همان زاویه براده، زاویه ورود، زاویه آزاد و غیره که در آینده در مورد تک تک این زوایا مفصل صحبت میکنیم) و با عمق خاصی (عمق برشی که عمود بر صفحه است) وارد قطعه کار شده و شروع به براده برداری میکنه. در ابتدا -چون ذاتا سختی ابزار برشی بیشتر از جنس قطعه کار است- نوک ابزار وارد ماده شده و اونو برش میده و جریانی از ماده جدا شده و بر روی سطح ابزار میلغزه! (مطابق شکل براده خاکستری رنگ بر روی سطح قرمز رنگ ابزار)

اما بعد از این حرکت چرا براده تشکیل میشه؟ و چرا انواع براده ها رو داریم؟

نکته اول اینکه فرآیند برش فلز یک فرآیند تغییر شکل پلاستیکه. مواد به صورت پلاستیکی تغییر شکل داده و بریده می شوند. پس برای اینکه فلز به حالت تغییر شکل پلاستیک برسه در ابتدا به نیرو یا همون فشار نیاز داره. این فشاری که ابزار به ماده میاره باعث جدا شدن ماده از روی سطح قطعه کار و هدایت اون جریان ماده ی جدا شده بر روی سطح ابزار (Rake Face) (ناحیه قرمز رنگ). از طرفی اون فشار زیادی که جریان براده بر روی سطح براده ی ابزار وارد میکنه باعث یک اصطکاک شدیدی بر روی سطح ابزار میشه، و به تبع اون اصطکاک شدید دمای ناحیه‌ی ماشینکاری به شدت بالا میره. (همینجا بگم میزان گرما با سرعت چرخش قطعه در عملیات تراشکاری ودوراسپیندل در فرزکاری تغییر میکنه. هر چه چرخش سریعتر باشد، اصطکاک و گرما بیشتره و برعکس.)

همچنین به دلیل تغییر شکل زیاد جریان براده بر روی سطح براده، براده دچار شکست میشه! اما این شکست براده یه‌کم داستان داره. این نحوه ی شکستن و پارامترهای شکستن براده از اینجا تا کره‌ی ماه پارامتر داره! به زوایای ابزار، نوع براده شکن ابزار، پوشش ابزار، دمای محیط ماشینکاری، سرعت برشی ماشینکاری و مهمتر از همه جنس قطعه کار بستگی داره. اما برای فهم این موضوع یک حالت عمومی و کلی برای این پدیده در نظر گرفته شده و دانشمندای مختلفی توی تحقیقاتشون طی 30 40 سال گذشته مدل های مختلفی رو برای شرایط مختلف ماشینکاری بسط دادند.

اما اون حالت کلی برای شکست براده چیه؟

واضح ترین عکسی که میتونستم پدیده ی شکل گیری براده رو روش توضیح بدم شکل زیره. (این عکس متعلق به یکی از پایان نامه های فارسی است. به محض اینکه اون پایان نامه رو پیدا کنم لینک منبع رو میگذارم…)

جریان ماده موقعی که میاد روی ابزار، در یک صفحه‌ای با زاویه ی خاصی میشکنه که بیشترین تغییر شکل و نیرو برای براده در اونجا اتفاق میفته. به این صفحه میگن صفحه ی برش (قسمت آبی رنگ شکل قبل) و اون زاویه، زاویه ی صفحه برش گفته میشه.

در شکل زیر صفحات برشی حین ماشینکاری فولاد AISI4340 در هر پیشروی نشون داده شده.

حالا جریان برشی و شکست براده ی یه ماده ی نرمی مثل فولاد کم کربن St37 با یک فلز شکننده ای مثل چدن چه فرقی میکنه؟

طول این صفحات و زاویه ی برش با توجه به جنس های مختلف مواد و برخی پارامترهای مختلف ماشینکاری متفاوته. یک ماده ی نرم چون تغییر شکل راحت تری رو تجربه میکنه، ممکنه هیچ گاه در محل صفحه‌ی برشی براده دچار شکست نشه! و در طول برش براده بصورت پیوسته جریان داشته باشه، ازینجا به براده پیوسته نامگذاری میشه که چندان هم شکل براده ی دلپذیری برای ماشینکاری چیست. براده ی پیوسته توی تراشکاری زیاد داده میشه که گاها دور ابزار و قطعه کار میپیچه و باعث کاهش عمر ابزار و صافی سطح بد قطعه میشه.

از طرف دیگه ممکنه که جنس قطعه کار ترد باشه مثل چدن و با اندک تغییر شکل الاستیک براده ی ماشینکاری دچار شکست بشه.

From Book: MANUFACTURING AUTOMATION (Sec 2.2) by Yusuf Altintas