ماشین‌های كپی تراش

[bigbang]

تعریف ماشین‌های كپی تراش، به‌طور كلی برای تولید قطعات هم شكل با تیراژ بالا به‌كار گرفته می‌شوند. در این نوع ماشین، قطعه‌ای به عنوان نمونه یا شابلون راهنما، روی ماشین نصب شده و مكانیزم كپی، شكل آن را روی قطعه تولیدی اجرا می‌كند. دریافت اطلاعات و حس كردن شكل شابلون توسط حسگر دستگاه كپی انجام می‌گیرد كه ممكن است به صورت هیدرولیكی، پنوماتیكی، الكترونیكی و... عمل كند.
انواع ماشینهای كپی تراش
كنترل سیستم كپی ماشین‌های تراش، معمولاً یك و یا دو محوری است.
در سیستم‌های یك محوری، حركت پیشروی در جهت محور قطعه، توسط خود ماشین ابزار تأمین شده و در نتیجه، مقدار آن در حین ماشین كاری ثابت است، اما جابه‌جایی ابزار در جهت عمود بر محور قطعه، توسط سیستم كپی و تحت فرمان حسگر انجام می‌گیرد. این نوع كنترل، روی كپی تراش‌هایی اعمال می‌شود كه به صورت متعلقه‌ای جداگانه، روی سوپورت ماشین‌های یونیورسال نصب می‌شوند. با توجه به ثابت بودن سرعت پیشروی در این نوع كنترل، واضح است كه زوایا و پخ‌های قابل اجرا توسط ماشین، با محدودیت روبه‌رو خواهد بود.
در سیستم‌های دو محوری، سرعت پیشروی طولی از سرعت پیشروی عرضی (عمود بر محور) بازخورد گرفته و در نتیجه نسبت به زاویه سطح، سرعت پیشروی تنظیم می‌شود. به همین دلیل، سرعت پیشروی ابزار بر روی قطعه، ثابت است. در این نوع كنترل، به دلیل افزایش حجم دستگاه كپی، سیستم به صورت متعلقه اضافی نبوده بلكه كل ماشین به صورت كپی تراش ساخته می‌شود.
اجزای دستگاه كپی تراش
سیستم كپی تراش مورد نظر، از نوع تك محوری بوده و به صورت متعلقه ماشین تراش یونیورسال، بر روی سوپورت دستگاه نصب می‌شود. در این مكانیزم، از سیلندری یك طرفه كه دسته پیستون فقط از یك طرف آن خارج شده است، به عنوان بدنه اصلی كپی تراش استفاده می‌شود. انتهای دسته پیستون، روی سوپورت بسته شده و در نتیجه، پیستون نسبت به سوپورت ماشین، ثابت می‌ماند و قسمت متحرك، سیلندر است كه دیگر اجزای كپی تراش و ابزار، بر روی آن نصب می‌شود .
1. قطعه نمونه (شابلون)
2. قلم كپی
3. شیر كنترل جریان
4. محفظه كنترل، تحت فشار Pc
5. محفظه فشار ثابت Ps
6. پیستون ثابت (متصل به سوپورت)
7. سیلندر متحرك
8 . سوپورت دستگاه
9. پوسته نگهدارنده ابزارگیر
10. ابزار
11. Xi- جابه‌جایی قلم كپی
12. Xv- جابه‌جایی اسپول شیر كنترل
13. Xp- جابه‌جایی ابزار
14. ورود روغن
15. T- خروج روغن
محدودیت‌های ماشینكاری و ابزار
در سیستم‌های كنترل تك محور، به دلیل ثابت بودن سرعت پیشروی در ماشین ابزار، محدودیت‌هایی در مورد ماشین‌كاری زوایا و پخ‌ها توسط كپی تراش وجود دارد. اگر سرعت پیشروی ماشین f باشد، سرعت حركت ابزار بر روی سطحی كه تحت زاویه 60 درجه نسبت به محور قطعه وجود دارد، برابر است با: F/cos 60= 2f.
با بیشتر شدن زاویه، مقدار 2f نیز افزایش می‌یابد. برای جلوگیری از این حالت ،حداكثر 60 درجه در نظر گرفته می‌شود. بنابراین، محور كپی تراش باید نسبت به محور قطعه، به‌گونه‌ای قرار بگیرد كه سطوح قطعه نسبت به محور كپی تراش، دارای حداقل زاویه 30 درجه باشد.
عملكرد دستگاه كپی تراش
قطرهای پیستون و دسته پیستون، طوری در نظر گرفته شده است كه مساحت طرف دسته پیستون، نصف مساحت انتهای پیستون باشد. بنابراین، برای تعادل نیروهای وارده، باید فشار طرف انتهای پیستون (فشار كنترل) نصف فشار دسته پیستون باشد.
رابطه 1
Ps. As = Ac. Pc و Ac = 2 As Ps = 2Pc
طرف دسته پیستون، مستقیماً به فشار تغذیه متصل است و بنابراین، فشار آن همان فشار Ps است. فشار طرف دیگر یعنی PC، توسط شیر كنترل تغییر می‌كند و با افزایش و كاهش آن نسبت به مقدار Pc=Ps/2، ابزار از قطعه دور و یا به آن نزدیك می‌شود. در حالت عادی كه قلم كپی روی شابلون قرار ندارد، فشار PC كمتر از مقدار لازم Ps/2 است. بنابراین، در ابتدای كار با ورود روغن با فشار Ps ، كپی تراش به سمت قطعه كار حركت می‌كند تا قلم كپی به شابلون برخورد كند. به محض برقراری تماس اسپول شیر دهانه تغذیه P را به دهانه كنترل C باز كرده و باعث افزایش فشار Pc می‌شود. این فشار تا حد برقراری تعادل بین دو طرف پیستون ادامه می‌یابد، به طوری‌كه با افزایش بیشتر فشار، كپی تراش به سمت عقب برمی‌گردد. در این وضعیت، حالت تعادل بین دو طرف پیستون برقرار می‌شود. این كار با تنظیم دهانه اریفیس توسط شیر انجام می‌شود.
نیروهای وارد بر ابزار
در عملیات براده برداری، نیروهای وارده بین ابزار و قطعه كار را می‌توان به سه مؤلفه اصلی تقسیم كرد.
- نیروهای عمودی در جهت سرعت برش كه نیروی برش (Fc) نامیده می‌شود.
- نیروی افقی در جهت پیشروی یا نیروی پیشروی (Ff)
- نیروی شعاعی كه عمود بر دو نیروی فوق و در جهت شعاع قطعه كار باشد (Fr)
نیروهای وارد بر كپی تراش
با توجه به كپی تراش، مشخص می‌شود كه نیروهای برش Fc و پیشروی Ff در حین ماشینكاری توسط سوپورت سازه خود ماشین، مهار می‌شوند و تنها نیروی شعاعی Fr مستقیماً به بازوی كپی تراش وارد می‌شود كه مقدار آن از Ff و Fc كمتر است.
بیشترین مقدار نیرو در امتداد محور كپی تراش، در حالتی وارد می‌شود كه سطح ماشینكاری نسبت به محور كپی تراش، حداقل دارای زاویه 30 درجه باشد زیرا در این حالت، مؤلفه‌ای از نیروی پیشروی در امتداد محور كپی تراش وارد می‌شود.
پس اگر نیروی پیشروی مقدار Ff باشد، نیروی وارده در امتداد محور كپی تراش، برابر است با:
رابطه 2
نیروی وارده در جهت محور كپی تراش
Ft = Ff Cos30 = 0.866 Ff
از آنجا كه در تراشكاری فولاد با سختی پایین و عمق بار كم، مقدار نیروی Ff معمولاً از 500 نیوتن تجاوز نمی‌كند، پس نیروی Ft كه مستقیماً توسط كپی تراش اعمال می‌شود، حدود 450 نیوتن است كه با اعمال ضریب اطمینان 2 در مورد نیروی Ft، مقدار آن 1000 نیوتن فرض شده است.
طراحی سیستم كنترل
محدودیت‌ها و فرضیات اولیه برای تعیین پارامترها و طراحی دستگاه، به صورت ذیل در نظر گرفته شده است:
- سرعت پیشروی دستگاه كپی، یعنی سرعت پیستون در سیلندر، حداكثر 300 میلی‌متر در دقیقه
- نیروی وارده بر دستگاه در جهت محور پیستون 1000 نیوتن
- دمای روغن 40 درجه و ویسكوزیته آن CSا40-30
با فرض Ft=1000N و ابعاد فرض شده برای پیستون (شكل 6)، افزایش فشار كنترل Pc به میزان 2 بار و كاهش آن به میزان 4 بار، می‌توان پیستون را با نیروی تقریبی 1000 نیوتن به ترتیب نسبت به سیلندر، به جلو و عقب حركت داد.
با در نظر گرفتن این اصل كه در سیلندرهای هیدرولیك، حداكثر تغییر فشار مجاز نسبت به فشار اسمی، 10 درصد است، حداقل فشار كاری سیستم با توجه به افزایش فشار 2 بار برابر است با 20 بار.
با در نظر گرفتن حداكثر سرعت پیشروی كپی تراش در جهت دور شدن از قطعه كار 300 میلی‌متر در دقیقه، می‌توان مقدار دبی مورد نیاز برای جابه‌جایی پیستون در این حالت را محاسبه كرد:
رابطه 3
Q=F.Ac
Q دبی بر حسب cm3/min
F سرعت جابه‌جایی پیستون بر حسب cm/min
Ac مساحت انتهای پیستون بر حسب cm2
بنابراین، دبی مصرفی دریچه كنترل برابر است با: و دبی كل دستگاه به دلیل وجود نشتی در نشیمنگاه اسپول‌ها، بیش از این مقدار بوده و به تلرانس‌ها و انطباقات بستگی دارد.
برای روغن دستگاه، یكی از انواع روغن‌های هیدرولیك 68 HL یا 42 HL كه ویسكوزیته آنها در دمای 40 درجه به ترتیب 68 و 42 سانتی‌پویز و چگالی آنها حدود 87/0 است، استفاده می‌شود.
شیر كنترل
برای كنترل دبی در سیستم، از سوپاپ بشقابی مخروطی شكلی به عنوان اریفیس كنترل استفاده شده است.
مهم‌ترین دلیل انتخاب این نوع دریچه در سیستم كپی تراش، آن است كه با یك تحریك جزیی اسپول توسط قلم كپی، دهانه اریفیس نسبتاً بزرگی ایجاد شده و در نتیجه دبی بالایی قابل انتقال است .
مساحت اریفیس ایجاد شده بر اثر جابه‌جایی X برابر است با:
از آنجا كه افزایش بیشتر زاویه، باعث كاهش ضریف تخلیه اریفیس می‌شود و مقادیر كوچك ? نیز باعث كاهش حساسیت عملكرد سیستم و همچنین آسیب‌پذیری در مقابل آلودگی‌ها خواهند شد، زاویه ? برابر با 60 درجه در نظر گرفته می‌شود كه به صورت تجربی به عنوان زاویه‌ای بهینه در نظر گرفته می‌شود.

عملكرد شیر كنترل
این شیر به‌گونه‌ای طراحی شده است كه اتصال فشار P به دو دریچه كنترل و اتصال دریچه كنترل به تخلیه با دو سوپاپ مجزا صورت می‌گیرد. این مكانیزم، موجب شده است كه با حركت اسپول تخلیه به یك طرف، یكی از سوپاپ‌ها بسته و دیگری باز شود، به‌طوری كه باز شدن یكی، همزمان با بسته شدن دیگری بوده و در سیستم، هیچ گونه ناحیه dead band كه باعث black lash می‌شود، وجود ندارد.
هنگامی كه فشار كنترل كمتر از Pc است، كپی تراش به سمت قطعه می‌رود تا حدی كه قلم كپی به شابلون برخورد كند. حركت قلم، موجب جابه‌جایی اسپول تخلیه در جهت مثبت شده و سوپاپ كنترل CV باز و فشار PS به دریچه كنترل وصل می‌شود. این در حالی است كه سوپاپ تخلیه Tv بسته است. افزایش فشار كنترل، باعث توقف پیشروی كپی تراش شده و در حالت عكس، با دور شدن قلم كپی از محور شابلون، فنر Si اسپول تخلیه را به طرف منفی حركت می‌دهد و ضمن بسته ماندن سوپاپ Cv، سوپاپ Tv باز می‌شود.
سوراخ سراسری در طول اسپول به منظور تخلیه روغن نشتی تعبیه شده و باعث می‌شود فشار در دو طرف اسپول یكسان شده و حركت آن مستقل از فشار وارده به دو پیشانی باشد.
دریچه‌های كنترل و تخلیه
دریچه كنترل Cv باید این قابلیت را داشته باشد كه با ایجاد تغییر فشار 2 بار در محفظه كنترل، مقدار دبی برابر با 5/1 لیتر در دقیقه را انتقال دهد. مقدار باز شدن دریچه در این حالت، در واقع همان خطای كپی تراش یا Xi-Xp است. با توجه به اینكه فشار محفظه كنترل در حالت توقف، تقریباً نصف فشار تغذیه و حدود 10 بار است. بنابراین، اضافه شدن 2 بار به فشار محفظه كنترل، فشار را به 12 بار می‌رساند و اختلاف فشار بین دو طرف سوپاپ 8=12-20 خواهد بود.
با توجه به اینكه:
و Q=1.5lit/min=2.5*10-5M3/sec و P1-P2=8*105Pa
P=850kg/m3 و Cd=0.68
پس بر طبق معادله عمومی جریان مساحت اریفیس مورد نیاز برابر است با:
A0=0.847mm2
و بر طبق رابطه 4 مقدار جابه‌جایی X برابر است با: X=0.045mm
مقدار جابه‌جایی X در واقع نشان دهنده مقدار اختلاف بین حركت قلم كپی و ابزار و مطابق شكل 3، برابر است با:
رابطه 7
X=Xi-Xp
به طریق مشابه نیز مقدار جابه‌جایی سوپاپ تخلیه تحت فشار 4 بار و دبی 5/1 لیتر در دقیقه برابر با 05/0 میلی‌متر است. بنابراین بر طبق محاسبات انجام شده، خطای كپی تراش در یك حركت رفت و برگشتی، حدود 1/0 میلی‌متر خواهد بود.
نشتی در انطباقات
محل‌های نشست اسپول‌ها كه در دو انتهای آنها قرار دارند و در واقع به عنوان قرار و یاتاقان عمل می‌كنند، دارای انطباقات بسته بوده و گپ و لقی شعاعی بین قطعات، حدود 15µ است، اما در هر حال به دلیل سیالیت روغن و بالا بودن فشار، مقداری روغن از طریق این انطباقات به صورت نشتی جاری می‌شود. دو انطباقی كه بیشتری نشت روغن را دارند عبارتند از:
1.انطباق بین اسپول كنترل و اسپول اصلی
2.انطباق بین اسپول كنترل و كلاهك درپوش