در دنیای دقیق و حساس ساخت و تولید، دستیابی به تلرانسهای ابعادی بسیار محدود یکی از چالشهای اصلی مهندسان است. فرآیندهای ماشینکاری مانند تراشکاری، فرزکاری و سنگزنی، اگرچه برای شکلدهی به قطعات طراحی شدهاند، اما خود منبع ایجاد مشکلات پنهانی به نام تنشهای پسماند هستند. این تنشها دشمن خاموش دقت ابعادی محسوب میشوند. تنش زدایی با ارتعاش (Vibration Stress Relief – VSR) یک تکنولوژی پیشرفته و بسیار مؤثر برای غلبه بر این چالش و دستیابی به ثبات ابعادی بینظیر است. در این مقاله به بررسی مکانیسم این فرآیند و تأثیر مستقیم آن بر افزایش دقت در ماشینکاری میپردازیم.
تنشهای پسماند به تنشهای داخلی اطلاق میشود که درون یک ماده، حتی در صورت عدم وجود نیروهای خارجی، وجود دارند. این تنشها در طول فرآیندهای ساخت، به ویژه ماشینکاری، ایجاد میشوند. دلایل اصلی تشکیل آنها عبارتند از:
تغیر شکل غیریکنواخت: در حین برش، لایههای خارجی ماده به شدت تغییر شکل پلاستیک میدهند، در حالی که لایههای داخلی نسبتاً بدون تغییر میمانند. این ناهمگونی باعث قفل شدن تنش در ساختار قطعه میشود.
گرمایش و سرمایش موضعی: اصطکاک ابزار برش با قطعه کار باعث ایجاد حرارت موضعی میشود. هنگامی که این ناحیه گرم شده سرد میشود، انقباض آن توسط فلز اطراف محدود شده و تنشهای کششی و فشاری ایجاد میکند.
تغییرات فازی: در برخی فلزات، حرارت میتواند باعث تغییر فاز (مانند تبدیل آستنیت به مارتنزیت در فولاد) شود که با تغییر حجم همراه است و تنش ایجاد میکند.
این تنشهای پسماند در حالت عادی و تا زمانی که قطعه درگیر نیست، پایدار به نظر میرسند. اما هنگامی که قطعه تحت ماشینکاری مجدد قرار میگیرد یا حتی زمانی که مواد از سطح آن برداشته میشود، تعادل این تنشها به هم میخورد. نتیجه این است که قطعه به آرامی و به صورت غیرقابل پیشبینی تغییر شکل میدهد (خم میشود، کج میشود یا میپیچد). این پدیده میتواند بلافاصله پس از ماشینکاری یا حتی هفتهها بعد در حین انبارداری یا حملونقل رخ دهد. تأثیر این موضوع بر دقت ابعادی فاجعهبار است: یک شفت که با دقت میکرون تراشیده شده است ممکن است پس از چند روز به شکل موز درآید، یا یک صفحه قالب دقیق ممکن است تاب بردارد و باعث تولید قطعات معیوب شود. بنابراین، وجود تنش پسماند مانند یک بمب ساعتی درون قطعه عمل میکند که هر لحظه ممکن است دقت و عملکرد آن را نابود کند.
فرآیند تنش زدایی با ارتعاش (VSR) با یک فلسفه ساده اما قدرتمند عمل میکند: “به جای آنکه صبر کنیم قطعه به مرور زمان و به طور غیرقابل کنترل تغییر شکل دهد، آن را در یک محیط کنترلشوده مجبور به تغییر شکل میکنیم تا تنشها را آزاد کند.” مکانیسم این کار بر پایه اصول تئوری کرنش پلاستیک است.
در این روش، قطعه توسط پایههای الاستیک (مانند لاستیک فشرده) معلق میشود تا بتواند آزادانه مرتعش شود. سپس یک ویبراتور (معمولاً یک موتور الکتریکی با وزنههای قابل تنظیم) بر روی قطعه نصب میشود. این ویبراتور، قطعه را با فرکانسی مشخص و در زیر حد استحکام تسلیم ماده، به ارتعاش درمیآورد. ارتعاش اعمال شده باعث ایجاد سیکلهای تنش متناوب در سراسر ساختار قطعه میشود. در مناطقی که تمرکز تنش پسماند بالا است (مانند نواحی جوش یا ماشینکاری شده)، مجموع تنش اعمالی ناشی از ارتعاش و تنش پسماند موجود، از حد الاستیک ماده فراتر رفته و وارد ناحیه پلاستیک میشود. این به آن معناست که ماده در آن نقاط خاص، تغییر شکل دائمی و بسیار جزئی میدهد.
با ادامه ارتعاش در طول یک دوره زمانی مشخص (معمولاً چند دقیقه تا نیم ساعت)، این کرنشهای پلاستیک کوچک در سراسر قطعه تجمع مییابند. نتیجه نهایی، بازتوزیع و کاهش قابل ملاحظه تنشهای پسماند است. پس از اتمام فرآیند VSR، قطعه به یک حالت پایدارتر و با انرژی داخلی کمتری میرسد. از آنجایی که منبع اصلی تغییر شکل (یعنی تنشهای پسماند) از بین رفته یا کاهش چشمگیری یافته است، قطعه دیگر تمایلی به تغییر شکل پس از ماشینکاری نخواهد داشت. این امر باعث میشود ابعاد آن در طول زمان و در حین عملیات بعدی پایدار بماند و دقت طراحی حفظ شود.
برای درک عینی تأثیر VSR، تولید یک قطعه حساس به نام “Base Machine” یا “ستون ماشین ابزار دقیق” را در نظر بگیرید. این قطعه معمولاً از چدن با ساختار پیچیده و دارای سطوح متعدد برای نصب راهنماها و اسپیندل است. دقت ابعادی و صافی این سطوح مستقیماً بر دقت کل ماشین ابزار تأثیر میگذارد.
شرح مسئله: یک کارخانه سازنده ماشینهای سی ان سی، پس از ماشینکاری نهایی سطوح یک Base Machine و انجام اندازهگیریهای اولیه که همگی در محدوده تلرانس مورد نظر (مثلاً ±۵ میکرون) بودند، متوجه شدند که پس از گذشت دو هفته و در مرحله مونتاژ، برخی از این سطوح تا ۵۰ میکرون انحنا پیدا کردهاند. این مسئله باعث هدررفت زمان و هزینه برای سنگزنی مجدد و تنظیم مجدد میشد.
راهحل و اجرا: مهندسان تصمیم گرفتند فرآیند VSR را پس از ماشینکاری اولیه و قبل از ماشینکاری نهایی در خط تولید قرار دهند. مراحل کار به این صورت بود:
نتایج: پس از اجرای این پروسه، اندازهگیریهای انجامشده بر روی قطعه در زمان تحویل و همچنین یک ماه بعد نشان داد که تغییر شکل ابعادی قطعه به کمتر از ۱۰ میکرون کاهش یافته بود. این به معنای حذف تقریباً کامل مشکل تاب برداشتن و دستیابی به ثبات ابعادی مورد نیاز بود. این مثال به وضوح نشان میدهد که VSR چگونه میتواند با خنثی کردن عامل اصلی تغییر شکل، پیشبینیپذیری و قابلیت اطمینان فرآیند تولید را به شدت افزایش دهد.
تأثیر VSR تنها به ثبات ابعادی ختم نمیشود؛ این فرآیند مزایای مستقیم و قابل توجهی بر کیفیت سطح قطعه و صرفهجویی در هزینهها دارد.
افزایش کیفیت سطح: هنگامی که یک قطعه پر از تنشهای پسماند تحت ماشینکاری نهایی قرار میگیرد، این تنشها میتوانند به صورت میکرواسکوپی بر کیفیت سطح تأثیر بگذارند. حتی در حین یک عملیات سنگزنی ظریف، تنشهای داخلی میتوانند باعث ایجاد اعوجاجهای موضعی کوچک شوند که به صورت ناهمواری سطح یا نقوش ارتعاشی ظاهر میشوند. از آنجایی که VSR این تنشها را از بین میبرد، قطعه در حین برش، ثبات ساختاری بیشتری دارد. این ثبات به ابزار برش اجازه میدهد تا به صورت یکنواخت و پیوسته مواد را جدا کند که نتیجه آن دستیابی به یک سطح صافتر، یکنواختتر و با کیفیت بالاتر است. این امر به ویژه برای قطعاتی که در تماس سایشی هستند (مانند بوشینگها) یا نیاز به آببندی دارند، حیاتی است.
کاهش نیاز به ماشینکاری مجدد: همانطور که در مثال عملی مشاهده شد، بزرگترین مزیت اقتصادی VSR، حذف یا کاهش شدید نیاز به ماشینکاری مجدد است. بدون VSR، بسیاری از قطعات پس از تغییر شکل، یا باید دور انداخته شوند (اسقاط) یا مجدداً ماشینکاری شوند. ماشینکاری مجدد مستلزم صرف زمان دستگاه، انرژی، نیروی کار و مصرف ابزار برش است که همگی هزینههای سرسامآوری را به تولید تحمیل میکنند. با انجام VSR، نرخ تولید قطعات سالم و در تلرانس در اولین بار به طور چشمگیری افزایش مییابد. این امر نه تنها در زمان و هزینه صرفهجویی میکند، بلکه باعث افزایش ظرفیت تولید، کاهش ضایعات و افزایش رضایت مشتری به دلیل تحویل به موقع و باکیفیت میشود. بنابراین، VSR نه یک هزینه اضافی، بلکه یک سرمایهگذاری هوشمند برای بهینهسازی کل فرآیند تولید محسوب میشود.
