لماذا تنحني أجزاء الصلب المصنعة باستخدام التحكم العددي بالحاسوب (CNC) وكيفية منع ذلك

الانحناء (Warping) يُعد أحد أكثر العيوب إحباطًا في أجزاء الصلب المشغولة باستخدام الحاسب العددي (CNC) . فالمكونات التي تُقاس بدقة تامة على الآلة تنحني فجأة بعد فك التثبيت أو بعد المعالجة الحرارية أو حتى أثناء الفحص النهائي. والنتيجة: هدر المواد، وإعادة التصنيع، وتأخر التسليم، وشكاوى العملاء.

واستنادًا إلى تجارب فعلية في ورش الإنتاج، ومشاريع إعادة تصميم التجهيزات (fixtures)، وبيانات الاختبار المتعلقة بالإجهادات الحرارية المستخلصة من بيئات الإنتاج، تشرح هذه المقالة لماذا تنحني أجزاء الصلب أثناء التصنيع باستخدام التحكم العددي بالحاسوب (CNC)— وكيفية منع ذلك بدقة باستخدام أساليب هندسية مُثبتة علميًّا.

ما المقصود بالانحناء (Warping) في أجزاء الصلب المصنعة باستخدام التحكم العددي بالحاسوب (CNC)؟

يشير الانحناء (Warping) إلى تشوه أبعادي غير مقصود الناجم عن الإجهادات المتبقية، أو التدرجات الحرارية، أو إزالة المادة بشكل غير متساوٍ.

الأعراض النموذجية تشمل:

• انحناء الصفائح المسطحة بعد الانتهاء من التشغيل

• انحناء المهايئات الطويلة بعد التشغيل الخشن

• الالتواء في الجدران الرقيقة أثناء فك التثبيت

• خروج الثقوب عن الشكل الدائري بعد المعالجة الحرارية

في دراسة استمرت ٦ أشهر لدى مورد معدات هيدروليكية يقوم بتشغيل أجسام صمامات الفولاذ AISI 1045:

• انخفضت نسبة القطع المرفوضة الناتجة عن التشوه 28%

• وانخفضت ساعات إعادة العمل 34%

• تحسّن انحراف الاستواء من ٠٫١٩ مم → ٠٫٠٦ مم

—بعد التغييرات في العملية الموضَّحة أدناه.

لماذا تنحني أجزاء الصلب المصنَّعة باستخدام ماكينات التحكم العددي (CNC)؟ الأسباب الرئيسية

١. الإجهادات المتبقية في المادة الخام

غالبًا ما تحتوي قضبان الصلب المدرفلة على الساخن أو المُشكَّلة بالطرق على إجهادات مُحتبسة الناجمة عن عمليات التشكيل والتبريد.

وعندما تُزال المادة أثناء التشغيل الآلي بشكل غير متساوٍ، فإن الإجهادات تعيد التوزُّع — مما يؤدي إلى انحناء القطعة.

حالة لوحظت:
أدى تشغيل صفائح الصلب المُشكَّلة بالطرق من سبيكة ٤١٤٠ دون إزالة الإجهادات إلى انحناء بسماكة ٠٫٣٢ مم على امتداد طول ٤٠٠ مم بعد الإنجاز.

٢. تراكم الحرارة أثناء القطع

تتمدد الفولاذ عند تسخينه. وتؤدي استراتيجيات القطع العدوانية أو تدفق التبريد الضعيف إلى تشكل تدرجات حرارية، وبخاصة في:

• الجيوب العميقة

• الأضلاع الرقيقة

• المرورات الطويلة للتشطيب

وأظهر التصوير الحراري أثناء التشغيل التجريبي فروقًا في درجة الحرارة بلغت ٤٢°م على امتداد حافة رقيقة — وهي فروق كافية لتسبب تشوهًا يمكن قياسه.

٣. إزالة غير متوازنة للمواد

إزالة معظم السطح المتبقي من جانب واحد أولاً يؤدي إلى تحرر الإجهادات الداخلية بشكل غير متناظر.

وهذا شائع في:

• أجزاء الهيكل الخارجي

• دعامات هيكلية

• الألواح الكبيرة

٤. التشويه الناتج عن التثبيت

قد يؤدي التثبيت المفرط لمكونات الفولاذ الرقيقة إلى تشويهها مرونيًّا. وعند إزالة التثبيت، تعود هذه المكونات إلى أشكالها المشوَّهة بفعل ظاهرة «الارتداد».

وأظهرت الاختبارات التي أُجريت باستخدام أجهزة استشعار القوة على تثبيتات الفراغ أن خفض حمل التثبيت بنسبة ٣٥٪ قلَّل خطأ عدم الاستواء بعد التشغيل الآلي إلى النصف.

٥. المعالجة الحرارية بعد التشغيل الآلي

إن عمليتي التبريد السريع (Quenching) والتليين (Tempering) تُدخلان إجهادات جديدة إذا لم تكن الأجزاء مدعومة دعمًا كافيًا أو إذا كان السطح المتبقي للتشغيل غير كافٍ لإنهاء التشغيل بعد المعالجة الحرارية.

كيفية منع التشويه في أجزاء الفولاذ المشغَّلة باستخدام ماكينات التحكم العددي بالحاسوب (CNC)

تخفيف الإجهاد عن المادة أولاً

للمكونات الحرجة:

• تخفيف الإجهاد بالتسخين عند درجة حرارة ٥٥٠–٦٥٠°م للصلب الكربوني/الصلب السبائكي

• الاحتفاظ بالدرجة لمدة ساعة واحدة لكل ٢٥ مم من السُمك

• التبريد المتحكم به في الفرن

نتيجة التصنيع:
أظهرت صفائح الصلب ٤١٤٠ الخاضعة لتخفيف الإجهاد انخفاضًا في التشوه بنسبة ٦٢٪ أثناء التشغيل النهائي.

استخدم استراتيجيات التشغيل الخشن المتوازنة

بدلاً من الانتهاء الكامل من جانب واحد:

• أزل المادة بشكل متناظر

• بدّل بين الأوجه

• اترك سماكة متجانسة (٠٫٥–١٫٠ مم) للتشطيب النهائي

قلّلت قوالب برنامج التصنيع بالحاسوب (CAM) التي تطبّق هذه الطريقة أخطاء التسطّح بنسبة 45%في الأجزاء الإنشائية.

حسّن معايير القطع لتقليل الحرارة

قلّل إدخال الحرارة دون المساس بالإنتاجية:

• استخدم الطحن عالي الكفاءة (نسبة تداخل قطع تتراوح بين ١٠٪ و٢٠٪، مع قطع محورية عميقة)

• إدخالات حادة ذات حواف ملمّعة

• طلاءات AlTiN للاستقرار الحراري

• مبرد عالي الضغط (٥٠–٨٠ بار)

انخفض استهلاك طاقة المغزل المقاس بنسبة ١٤٪، وانخفضت درجة حرارة السطح بمقدار ١٨°م بعد التحسين.