فرزکاری چیست؟

فرزکاری [به انگلیسی: Milling] یکی از محبوب‌ترین فرآیندهای ماشینکاری است. ماشین‌های فرز تقریباً در هر کارگاه ماشینکاری وجود دارند. مزایا و قابلیت‌های این ماشین‌ها بسیار گسترده است. افراد تازه وارد این صنعت اغلب می‌پرسند که فرزکاری چیست، فرآیند کار و انواع مختلف آن کدامند؟ این مقاله بحث عمیقی در مورد تکنولوژی فرزکاری خواهد داشت. این مقاله اطلاعات مفید زیادی را برای مبتدیان و حرفه‌ای ها فراهم می‌کند. علاوه بر این، حاوی نکات بسیاری برای بهبود کیفیت عملیات فرزکاری است.

فرزکاری نوعی فرآیند ماشینکاری است که از یک تیغ برش چرخان برای حذف مواد به روشی کنترل شده از قطعه کار استفاده می‌کند. هدف از این تکنیک تولید کاهشی تبدیل قطعه کار به شکل مورد نیاز است. یک ماشین فرز مدرن اغلب با کنترل عددی کامپیوتری (CNC) برای کنترل خودکار کل فرآیند جفت می‌شود.

تاریخچه فرزکاری

به طور سنتی، ساخت اشکال پیچیده با سوهان دستی انجام می‌شد. تولید دستی نیاز به یک کارگر بسیار ماهر داشت. در اوایل قرن نوزدهم، ماشین‌های فرز جایگزین این فرآیندها شدند. یک ماشین فرز، نیاز به مهارت تولید دستی را حذف کرد. در عوض، اپراتورها می‌توانستند از این ماشین‌ها با تخصص کمی استفاده کنند. فقط به آموزش کوتاهی روی دستگاه نیاز بود. ماشین‌های فرز اولیه در ساخت قطعات اسلحه برای ارتش کاربرد پیدا کردند. ماشین‌های فرز تا اواسط قرن بیستم به صورت دستی کار می‌کردند. با ظهور تکنولوژی محاسباتی، ماشین های فرز با تکنولوژی CNC در دهه 1950 ادغام شدند. این امر باعث پیدایش ماشین‌های فرز خودکار مدرنی شد که امروزه در سطح صنعت مورد استفاده قرار می‌گیرند..

چه کسی اولین ماشین فرز را اختراع کرد؟

الی ویتنی اولین ماشین فرز را در سال 1818 اختراع کرد. هدف از این ماشین فرز ساخت اسلحه برای دولت ایالات متحده بود. طراحی اولیه و ویژگی‌های این دستگاه به قدری کامل بود که این دستگاه بیش از 150 سال ادامه داشت. اتفاقاً به الی ویتنی نیز مخترع اولین پنبه پاک کن نسبت داده می‌شود.

تجهیزات مورد استفاده در فرزکاری

فرزکاری به مجموعه‌ای اختصاصی از تجهیزات و دانش عمیق در مورد نحوه کار آن نیاز دارد. در اینجا ابزارهای مختلفی که در فرآیند فرزکاری استفاده می‌شود آورده شده است:

ماشین فرز

دستگاه فرز مکانیزم حرکت ابزار و قطعه کار را در خود جای داده است. اندازه دستگاه بستگی به ابعاد قطعه‌ای دارد که نیاز به فرزکاری دارد. یک ماشین فرز شامل اجزای مختلفی مانند میز کار، مانیتور (در مدل‌های CNC)، ستون، پایه، اسپیندل و غیره است. قطعات خاص در یک ماشین فرز به نوع فرزکاری مورد استفاده بستگی دارد.

انواع تیغ برش فرزکاری

تیغ فرز ابزاری است که در دستگاه فرز برای حذف مواد از قطعه کار استفاده می‌شود. تیغ فرزها به دلیل ماهیت عملیات فرزکاری، همیشه دارای قابلیت چرخشی هستند. طراحی خاص دستگاه فرز بسته به نوع فرآیند بسیار متغیر است. برخی از انواع متداول فرز برش عبارتند از:

فرز انگشتی (Endmill): فرزهای انگشتی از نظر شکل ظاهری شبیه مته هستند. با این حال، آن‌ها قادر به برش شعاعی و محوری‌اند. لبه‌های برش در کنار و انتهای آن وجود دارد.
کفتراش (Face mill): هنگام کار بر روی سطح یک قطعه کار از کفتراش استفاده می‌شود. کفتراش‌ها می‌توانند یک سطح ناهموار را به یک سطح صاف تبدیل کنند. کفتراش دارای چندین نقطه برش در کناره است. بنابراین، کفتراش‌ها قطعه کار را به صورت افقی برش می‌دهند.
فرز لقمه‌ای (Slab cutter) :روی محیط خارجی این تیغه، چندین دندانه برشی وجود دارد. این دندانه‌ها می‌توانند مستقیم یا مارپیچی باشند.
فرز تی (T-slot cutter): تیغه فرز شیار T برای ماشین‌کاری آندرکات استفاده می‌شود. این ابزار می‌تواند قسمت پایینی یک شیار موجود را گسترش دهد و در نتیجه شیاری با مقطع T شکل ایجاد کند.
فرز پروانه‌ای (Fly Cutter): فرز پروانه‌ای یک ابزار برشی تک‌لبه است که برای ماشین‌کاری سطوح تخت در نواحی وسیع استفاده می‌شود. عملکرد آن مشابه قلم تراش در ماشین تراش است. لبه برشی این ابزار معمولاً از اینسرت کاربیدی قابل تعویض ساخته می‌شود.
فرز سرگرد (Ball Nose Cutter): فرز سرگرد یکی از ابزارهای رایج برای ماشین‌کاری قالب‌ها است. این ابزار شبیه فرز انگشتی بوده، با این تفاوت که انتهای آن به شکل نیم‌کره طراحی شده است.
فرز خورشیدی (Double Angle Mill): فرز خورشیدی یک ابزار برشی بسیار چندمنظوره است. از آن برای ایجاد رزوه، پخ، پخ معکوس، جای پیچ خزینه، لبه‌های مورب، شیارها و شکاف‌ها روی قطعه‌کار استفاده می‌شود. همچنین در عملیات پرداخت سطح، مانند براده‌گیری، کاربرد دارد.
فرز فرم (Form Mill): فرز فرم برای ایجاد پروفیل‌ها و کانتورهای مختلف روی سطح قطعه‌کار استفاده می‌شود. این کانتورها می‌توانند مقعر، محدب، مستقیم یا اشکال نامنظم باشند. همچنین از این ابزار برای ایجاد گوشه‌های گرد نیز استفاده می‌شود.

افزایش عمر ابزار

عمر ابزار دوره زمانی کارکرد مفید ابزار برش است. این طول عمر یک ابزار از اولین زمان استفاده تا ارائه نتایج مطلوب است. نکته مهمی‌که باید به آن توجه داشت این است که عمر ابزار به شکستگی ابزار محدود نمی‌شود. یک ابزار می‌تواند در پایان عمر خود باشد، حتی اگر شکسته نشده باشد، اما قادر به ارائه نتایج مورد نیاز فرزکاری نباشد. در پایان عمر ابزار، باید ابزار را تعویض کنید.

عمر ابزار یک پارامتر بسیار مهم در مورد تیغ فرز برش است. درک عمر ابزار و چگونگی افزایش آن می‌تواند منجر به صرفه‌جویی قابل توجهی در هزینه‌های فرزکاری و ضایعات تولید شده شود. عمر ابزار عامل اصلی در هزینه های عملیاتی یک ماشین فرز است.

روکش ابزار چیست؟

سایش ابزار عامل تخریب ابزار برش در اثر عملیات ماشینکاری است. سایش ابزار در تمام فرآیندهای ماشینکاری اتفاق می‌افتد. میزان سایش می‌تواند بر اساس جنس ابزار برش، کیفیت ساخت و نحوه استفاده اپراتور از دستگاه متفاوت باشد. همه ابزارها دارای عمر تخمینی ابزار هستند. با این حال، استفاده از ابزار به طور قابل توجهی بین عملیات‌‌ها متفاوت است. بنابراین، سایش ابزار و عمر ابزار را نمی‌توان از قبل تعیین کرد. اپراتور باید ابزار را بطور منظم برای تجزیه و تحلیل سایش بررسی کند. اپراتور می‌تواند بر اساس بررسی سایش ابزار تصمیم بگیرد که آیا عمر ابزار باقی می‌ماند یا خیر.

پارامترهای کلیدی در فرزکاری کدامند؟

پارامترهای مهم برای فرآیند فرزکاری عبارتند از:

نرخ تغذیه: نرخ تغذیه سرعت نسبی حرکت بین ابزار برش و قطعه کار است. این مقدار بر حسب میلی‌متر در دقیقه (mm/min) یا اینچ در دقیقه (IPS یا in/min) اندازه‌گیری می‌شود.
سرعت اسپیندل: سرعت اسپیندل سرعتی است که ابزار با آن می چرخد. بر حسب دور در دقیقه (RPM) اندازه‌گیری می‌شود. سرعت اسپیندل بالاتر منجر به برش سریعتر و حذف سریع مواد می‌شود.
عمق برش محوری: عمق برش محوری طول برش است که به صورت محوری در جهت ابزار اندازه‌گیری می‌شود. این مقدار نیز عرض برش در یک پاس است.
عمق برش شعاعی: عمق برش شعاعی در امتداد شعاع ابزار برش اندازه‌گیری می‌شود. این مقدار نیز قطر برش روی قطعه کار است.
قطر ابزار: قطر ابزار قطر فرز خاص است. می‌توان آن را در اینچ یا میلی متر اندازه گیری کرد. قطر ابزار ابعاد برش، نیروهای برش و تخلیه تراشه را تعیین می‌کند.
سرعت برش: سرعت برش نشان دهنده سرعت حرکت ابزار در طول قطعه کار است. این مقدار با ضرب دور ابزار در سرعت اسپیندل به دست می‌آید. این مقدار بر حسب فوت سطح در دقیقه (SFM) یا متر در دقیقه (m/min) اندازه‌گیری می‌شود.
برآمدگی ابزار: برآمدگی ابزار فاصله بین نگهدارنده ابزار و لبه ابزار است. این فاصله را می‌توان به عنوان طول کاربردی ابزار در نظر گرفت. برآمدگی ابزار بزرگتر باعث افزایش ارتعاشات، کاهش پایداری و افزایش سایش ابزار می‌شود.
نرخ جریان خنک‌کننده: سرعت جریان خنک‌کننده سرعتی است که در آن سیال برش به سطح کار جریان می‌یابد. نرخ جریان مایع خنک‌کننده با توجه به سرعت برش و نرخ تغذیه تنظیم می‌شود.
روکش ابزار: برای افزایش کیفیت برش و کاهش سایش ابزار، پوشش های ویژه ای بر روی ابزار فرز اعمال می‌شود. پوشش های رایج ابزار عبارتند از نیترید تیتانیوم (TiN) و تیتانیوم آلومینیوم نیترید (TiAlN).

———————————————————————————————

سوالات متداول؟

در اینجا به برخی از سوالات رایج در مورد فرزکاری پاسخ داده شده است:

تفاوت بین فرزکاری و تراشکاری چیست؟

بین فرزکاری و تراشکاری تفاوت زیادی وجود دارد. فرز از یک لبه برش دوار در برابر یک سطح ثابت استفاده می‌کند. از طرف دیگر، تراشکاری از یک ابزار برش ثابت در برابر یک سطح دوار استفاده می‌کند.

تفاوت بین فرز و پرینت سه‌بعدی چیست؟

تفاوت های زیادی بین فرز و پرینت سه بعدی وجود دارد. فرزکاری کردن یک تکنیک تولید کاهشی است. از سوی دیگر، پرینت سه بعدی یک تکنیک تولید افزودنی است. فرز روی همه مواد کار می‌کند، اما چاپ سه بعدی فقط روی پلاستیک های خاصی کار می‌کند.