اهتزازات التشغيل الآلي

في عمليات التشغيل الآلي ، تُعرف الاهتزازات ، أو ما يُسمى أيضًا بالارتجاج ، بأنها الحركات النسبية بين قطعة العمل وأداة القطع . تتراوح شدة هذه الاهتزازات من خفيفة بالكاد تُلاحظ إلى شديدة للغاية. ويمكن استغلال هذه الاهتزازات لأغراض عديدة، سواءً كان ذلك مقصودًا أم غير مقصود. تُؤدي هذه الاهتزازات إلى ظهور تموجات على سطح القطعة المشغولة، مما يؤثر على عمليات التشغيل الآلي التقليدية، مثل الخراطة والتفريز والحفر ، بالإضافة إلى عمليات التشغيل الآلي غير التقليدية، مثل التجليخ .

علامة الاهتزاز هي عيب سطحي غير منتظم تتركه عجلة غير مستقيمة (خارج المركز) في عملية الطحن، ^{[ 1 ]} أو علامات منتظمة تترك عند تدوير قطعة طويلة على مخرطة ، بسبب اهتزازات التشغيل الآلي.

في وقت مبكر من عام 1907، وصف فريدريك دبليو تايلور اهتزازات التشغيل الآلي بأنها أكثر المشاكل غموضًا وحساسية التي تواجه عامل التشغيل الآلي ، وهي ملاحظة لا تزال صحيحة حتى اليوم، كما هو موضح في العديد من المنشورات حول التشغيل الآلي.

قدّم توبياس إس. إيه. و دبليو. فيشويك تفسيرًا لظاهرة الاهتزاز التجديدي في آلات التشغيل عام 1958، ^{[ 2 ]} وذلك من خلال نمذجة حلقة التغذية الراجعة بين عملية قطع المعادن وبنية آلة التشغيل، وقدّما مخطط فصوص الاستقرار. وتُعدّ صلابة البنية، ونسبة التخميد، ومعامل تخميد عملية التشغيل، من أهمّ المعايير التي تُحدّد الحدّ الذي يميل عنده اهتزاز عملية التشغيل إلى التزايد مع مرور الوقت.

تتيح النماذج الرياضية إمكانية محاكاة اهتزازات التشغيل بدقة تامة، ولكن من الناحية العملية، من الصعب دائمًا تجنب الاهتزازات.

قواعد أساسية للفني لتجنب الاهتزازات:

• اجعل قطعة العمل والأداة والآلة صلبة قدر الإمكان
• اختر الأداة التي ستثير أقل قدر من الاهتزازات (تعديل الزوايا، الأبعاد، معالجة السطح، إلخ).
• اختر الترددات المثيرة التي تحد بشكل أفضل من اهتزازات نظام التشغيل (سرعة المغزل، وعدد الأسنان، والمواضع النسبية، وما إلى ذلك).
• اختر الأدوات التي تتضمن تقنية تخميد الاهتزازات (مع تخميد الهيكل باستخدام مواد تخميد عالية في مناطق الوصلات ومع مخمدات الكتلة باستخدام قوة معاكسة لتحقيق استقرار الحركة).

أتاح استخدام آلات التشغيل عالية السرعة زيادة الإنتاجية وتصنيع قطع عمل كانت مستحيلة سابقًا، مثل الأجزاء ذات الجدران الرقيقة. مع ذلك، تُصبح مراكز الآلات أقل صلابةً بسبب الحركات الديناميكية العالية جدًا. في العديد من التطبيقات، كاستخدام الأدوات الطويلة وقطع العمل الرقيقة، يُعدّ ظهور الاهتزازات العامل الأكثر تقييدًا، مما يُجبر المشغل على خفض سرعات القطع والتغذية إلى ما دون قدرات الآلات أو الأدوات.

تؤدي مشاكل الاهتزاز عمومًا إلى الضوضاء، وتدهور جودة السطح، وأحيانًا إلى تلف الأداة. وتنقسم مصادر الاهتزاز الرئيسية إلى نوعين: الاهتزازات القسرية والاهتزازات الذاتية. تنشأ الاهتزازات القسرية أساسًا من انقطاع القطع (وهو أمر شائع في عمليات التفريز)، أو عدم استقامة القطع، أو الاهتزازات الخارجية. أما الاهتزازات الذاتية، فترتبط بتغير سُمك الرايش الفعلي تبعًا للموضع النسبي بين الأداة وقطعة العمل أثناء مرور السن السابق. وبالتالي، قد تزداد الاهتزازات إلى مستويات تُؤثر سلبًا على جودة السطح المُشَكَّل.

أجرى باحثون صناعيون وأكاديميون ^{[ 3 ] [ 4 ] [ 5 ] [ 6 ] [ 7 ] [ 8 ] [ 9 ] [ 10 ]} دراساتٍ مستفيضة حول اهتزازات عمليات التشغيل الآلي. وقد طُوّرت استراتيجياتٌ مُحددة، لا سيما لقطع العمل ذات الجدران الرقيقة، وذلك من خلال التناوب بين تمريرات تشغيل صغيرة لتجنب الانثناء الساكن والديناميكي للجدران. كما يُقلّل طول حافة القطع الملامسة لقطعة العمل في كثير من الأحيان للحد من الاهتزازات الذاتية.

على الرغم من أن نمذجة قوى القطع والاهتزازات ليست دقيقة تمامًا، إلا أنها تُمكّن من محاكاة عمليات التشغيل المعقدة والحد من الآثار غير المرغوب فيها للاهتزازات. ويُتيح ضرب النماذج القائمة على نظرية فصوص الاستقرار، والتي تُمكّن من إيجاد سرعة الدوران المثلى لعملية التشغيل، الحصول على نماذج قوية لأي نوع من أنواع التشغيل.

تُجري محاكاة المجال الزمني حسابات دقيقة لموقع قطعة العمل والأداة على نطاقات زمنية صغيرة جدًا، دون المساس بدقة عملية عدم الاستقرار أو السطح المُنمذج. تتطلب هذه النماذج موارد حاسوبية أكبر من نماذج فصوص الاستقرار، لكنها توفر مرونة أكبر (قوانين القطع، والانحراف، والتجريف، ونماذج العناصر المحدودة). يُعدّ ضمان متانة محاكاة المجال الزمني أمرًا بالغ الصعوبة ، إلا أن جهودًا كبيرة تُبذل في هذا الاتجاه في المختبرات البحثية.

بالإضافة إلى نظرية فص الاستقرار، غالبًا ما يُحقق استخدام خطوة أداة متغيرة نتائج جيدة بتكلفة منخفضة نسبيًا. وتُقترح هذه الأدوات بشكل متزايد من قِبل مُصنّعي الأدوات، على الرغم من أن ذلك لا يتوافق فعليًا مع تقليل عدد الأدوات المُستخدمة. كما أن هناك اتجاهات بحثية أخرى واعدة، ولكنها غالبًا ما تحتاج إلى تعديلات جوهرية لتكون عملية في مراكز التشغيل. وهناك نوعان من البرامج واعدان للغاية: محاكاة المجال الزمني التي لا تُقدم تنبؤات موثوقة حتى الآن ولكن من المتوقع أن تتطور، وبرامج خبيرة في تشغيل الاهتزازات، تعتمد عمليًا على المعرفة والقواعد.

لا تزال الطريقة المعتادة لإعداد عملية التشغيل الآلي تعتمد بشكل أساسي على الخبرة الفنية المتوارثة وعلى أسلوب التجربة والخطأ لتحديد أفضل المعايير. وبحسب مهارات الشركة، تُدرس معايير مختلفة حسب الأولوية، مثل عمق القطع، ومسار الأداة، وإعداد قطعة العمل، والتعريف الهندسي للأداة. عند حدوث مشكلة اهتزاز، يُطلب عادةً معلومات من مُصنِّع الأداة أو مُورِّد برامج التصنيع بمساعدة الحاسوب (CAM )، وقد يُقدِّمون استراتيجية أفضل لتشغيل قطعة العمل. أحيانًا، عندما تُشكِّل مشاكل الاهتزاز عبئًا ماليًا كبيرًا، يُمكن الاستعانة بخبراء لتحديد سرعات دوران المغزل أو تعديلات الأداة بعد القياس والحساب.

مقارنةً بالتحديات الصناعية، تُعدّ الحلول التجارية نادرة. ولتحليل المشكلات واقتراح الحلول، لا يُقدّم سوى عدد قليل من الخبراء خدماتهم. تُقترح برامج حاسوبية لتحليل استقرار الفصوص وأجهزة قياس، ولكن على الرغم من انتشارها الواسع، لا يزال استخدامها محدودًا نسبيًا. أخيرًا، غالبًا ما تُدمج مستشعرات الاهتزاز في مراكز التشغيل، ولكنها تُستخدم بشكل أساسي لتشخيص تآكل الأدوات أو المغزل. تعمل حوامل الأدوات من الجيل الجديد، وخاصة حوامل الأدوات الهيدروليكية القابلة للتمدد، على تقليل الآثار غير المرغوب فيها للاهتزاز إلى حد كبير. أولًا، يُساعد التحكم الدقيق في قراءة المؤشر الكلية إلى أقل من 3 ميكرومترات على تقليل الاهتزازات الناتجة عن الحمل المتوازن على حواف القطع، ويتم امتصاص الاهتزاز الطفيف الناتج عنها بشكل كبير بواسطة الزيت الموجود داخل حجرات حامل الأدوات الهيدروليكي القابل للتمدد.

غالبًا ما ينشأ اهتزاز التشغيل الآلي من حامل الأداة ذي نسبة طول إلى قطر عالية وصلابة منخفضة. يُستخدم تقوية حامل الأداة بمادة كربيد التنجستن على نطاق واسع عندما يكون قطر/وزن الأداة صغيرًا، وتكون تكلفة مادة كربيد التنجستن منخفضة. عند زيادة مدى الحركة (نسبة طول إلى قطر تتراوح بين 4 و14)، يصبح استخدام مخمد الكتلة ضروريًا لتخميد الاهتزاز بفعالية من خلال قوة معاكسة لهيكل الأداة. يتكون مخمد الكتلة البسيط من وزن ثقيل (مصنوع من التنجستن أو الرصاص) مدعوم بحلقات مطاطية، مع أو بدون آلية ضبط. تُمكّن آلية الضبط مخمد الكتلة من تغطية نطاق أوسع من نسبة الطول إلى القطر (المرتبطة بتردد الاهتزاز). تستخدم مخمدات الكتلة الأكثر تطورًا في أدوات القطع سائلًا لزجًا أو زيت تخميد لتحسين كفاءة التخميد عند نسبة الطول إلى القطر المستهدفة (تردد الاهتزاز). تستخدم أحدث مخمدات الكتلة في أدوات القطع بوليمرات خاصة ذات صلابة تعتمد على التردد، وتستخدم هذه البوليمرات لجعلها ذاتية الضبط/التكيف لتغطية نسبة L/D أوسع.

لقد تمّ بالفعل تجربة أدوات الآلات المزودة بمستشعرات مدمجة، والتي تقيس الاهتزازات أثناء التشغيل وتوفر بيانات لضبط مخمد الكتلة تلقائيًا، على نطاق المختبر. ولا يزال تطبيق هذه الحلول مرهونًا بسهولة استخدامها وتكلفتها.

• آلة موازنة
• طريقة النبضة الصدمية

• لقطة عالية السرعة لاهتزازات التشغيل الآلي
• مقال في مجلة ورشة الآلات الحديثة حول اهتزازات التشغيل الآلي