Molds Technology (in Greek)

Κεφάλαιο 1 “Καλούπια – Είδη καλουπιών”

- 1 -

ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1

ΚΑΛΟΥΠΙΑ – ΕΙΔΗ ΚΑΛΟΥΠΙΩΝ

1.1 Μέθοδοι κατασκευής υλικών

Στο παρόν κεφάλαιο συνοψίζονται οι διεργασίες που χρησιμοποιούνται γιατην κατασκευή μεταλλικών κομματιών. Υπάρχουν διάφοροι τρόποι για τηνκατασκευή κομματιών. Αυτό έχει ως αποτέλεσμα κάποια κομμάτια ναχρησιμοποιούνται όπως ακριβώς κατασκευάζονται, ενώ άλλα κομμάτια ναχρειάζεται να υποστούν περαιτέρω κατεργασία. Οι κατεργασίες που θαπρέπει να μπορεί να επικαλεστεί ένας σχεδιαστής καλουπιών είναι: έγχυσημε άμμο / έγχυση σε καλούπι, σφυρηλάτηση, εξώθηση, συγκόλληση, διαμόρφωση και κατεργασία με μηχανές. Ο ποιοτικός έλεγχος είναιουσιώδης σε όλες αυτές τις κατεργασίες και μπορεί ενδεχομένως να απαιτείτο σχεδιασμό αρκετά πολύπλοκου εξοπλισμού.

1.2 Έγχυση

Μια από τις πιο γνωστές κατεργασίες κατασκευής κομματιών είναι ηέγχυση. Ο γενικότερος όρος έγχυση (casting) καλύπτει τις εξής διεργασίες: χύτευση με άμμο (sand), shell mold, investment, plaster mold, φυγοκεντρική χύτευση (centrifugal), permanent mold, die, continuous, electroform και powder metallurgy casting. Παρατηρώντας την μακριάλίστα με τα είδη χύτευσης που υπάρχουν, θα αναλυθούν παρακάτω όλεςαυτές οι διεργασίες μία προς μία.

Sand casting. Η διεργασία αυτή βασίζεται στη μήτρα, η οποίαδημιουργεί μια κοιλότητα σε ένα σωρό άμμου. Η κοιλότητα αυτή θα πρέπεινα έχει την επιθυμητή διαμόρφωση, ώστε, όταν το τηγμένο μέταλλοχύνεται μέσα σε αυτή και αφήνεται να στερεοποιηθεί, το στερεό μέταλλονα πάρει το επιθυμητό σχήμα και θα έχει διαστάσεις που ταιριάζουν, ή ναμπορούν να κατεργαστούν ώστε να ταιριάζουν, με το αποτύπωμα ενόςολοκληρωμένου κομματιού.

Η διεργασία κατασκευής ενός καλουπιού για χύτευση σε άμμοαπαιτεί να κατασκευαστεί πρώτα ένα πρωτότυπο (pattern). Αυτό τοπρωτότυπο μπορεί να κατασκευαστεί από στερεό ξύλο, στρωματοποιημένοξύλο, μέταλλο, ή από μια σειρά από σχήματα (πρωτότυπο σάρωσης). Τοπρωτότυπο αυτό θα πρέπει να έχει τις απαιτούμενες διαστάσεις, οι οποίεςμπορεί να διαφέρουν από το αποτύπωμα του τελικού κομματιού λόγωσυρρίκνωσης του υλικού κατά τη στερεοποίησή του, να έχει επιπλέον υλικόσε περίπτωση που θα υποστεί περαιτέρω κατεργασία. Επομένως, αυτό τοπρωτότυπο χρησιμοποιείται για να φτιαχτεί η κοιλότητα μέσα στο μπλοκτης άμμου. Το καλούπι θα πρέπει να παρέχει έναν τρόπο απομάκρυνσηςτου πρωτοτύπου, για να μπορέσει να ελευθερωθεί η κοιλότητα και να γίνειη έγχυση του μετάλλου. Η διεργασία απαιτεί επίσης να υπάρχει και έναάνοιγμα στο καλούπι, μέσα από το οποίο θα χύνεται το τηγμένο μέταλλο. Το καλούπι θα πρέπει να επιτρέπει και την απελευθέρωση τυχών αερίων.


- 2 -

Shell molding. Αυτή η διεργασία χύτευσης χρησιμοποιεί ένα πρωτότυπο στερεού μετάλλου στο σχήμα του κομματιού που πρόκειται να χυτευτεί. Αρχικά γίνεται μια πολύ καλή ανάμιξη ενός καλού είδους βρεγμένης άμμου με ένα θερμοσκληρυνόμενο πλαστικό. Το πρωτότυπο θερμαίνεται περίπου στους 400° F και μετά τη θέρμανση το μίγμα άμμου και σκόνης πλαστικού συσσωρεύεται πάνω στο πρωτότυπο. Το θερμό πρωτότυπο προκαλεί τη μερική πλαστικοποίηση του πλαστικού, σχηματίζοντας ένα λεπτό κέλυφος που προσκολλάται στο τοίχωμα του πρωτοτύπου. Αυτό το κέλυφος απομακρύνεται και τοποθετείται σε ένα φούρνο, όπου και ολοκληρώνεται το curing. Το καλούπι τοποθετείται σε ένα δοχείο και περιβάλλεται με κάποιο είδος υλικού υποστήριξης. Τώρα το καλούπι είναι έτοιμο να δεχτεί το τηγμένο μέταλλο. Investment (lost wax process) casting. Σε αυτή τη διεργασία χρησιμοποιείται ένα αρχικό προσχέδιο για να κατασκευαστεί το καλούπι. Στη συνέχεια, αυτή η κοιλότητα γεμίζεται με κερί και αφήνεται να στερεοποιηθεί. Έτσι, βάζοντας μαζί πολλά κέρινα πρωτότυπα σε σχηματίζεται ένα «δέντρο» (tree). Έτσι μπορούν να κατασκευαστούν πολύπλοκα σχήματα. Στη συνέχεια, το «δέντρο» εμβαπτίζεται επανειλημμένα σε ένα δύστηκτο μέταλλο, με σκοπό να σχηματιστεί ένα λεπτό κέλυφος. Αμέσως μετά, το «δέντρο» τοποθετείται μέσα σε ένα δύστηκτο υλικό, όπως είναι το ασβεστοκονίαμα (άμμος). Αυτό το άτεχνο υλικό (investment) ταλαντώνεται για να απομακρυνθούν όλες οι φυσσαλίδες αέρα. Στη συνέχεια, ολόκληρο το δοχείο τοποθετείται σε ένα φούρνο. Στο φούρνο το καλούπι σκληραίνει και το κερί λιώνει και απομακρύνεται – για το λόγο αυτό η διεργασία αυτή ονομάζεται και μέθοδος του «χαμένου κεριού» - αφήνοντας την επιθυμητή κοιλότητα μέσα στο ασβεστοκονίαμα. Το καλούπι θερμαίνεται και το τηγμένο υλικό εγχύνεται μέσα στην κοιλότητα και αφήνεται να στερεοποιηθεί. Με αυτή τη διεργασία μπορούν να κατασκευαστούν λείες κοιλότητες και με ακρίβεια. Υπάρχουν διάφορες παραλλαγές της παραπάνω διεργασίας, όπου χρησιμοποιούνται υλικά, όπως πλαστικά, παγωμένος υδράργυρος, ή άλλα υλικά με χαμηλό σημείο τήξης, τα οποία είτε λιώνουν και απομακρύονται είτε εξατμίζονται. Πρόσφατα, έχουν κατασκευαστεί κελύφη με εμβάπτιση του κέρινου «δέντρου» μέσα σε κεραμικό διάλυμα. Αυτό το διάλυμα δημιουργεί την κοιλότητα του καλουπιού. Καλούπια ασβεστοκονιάματος (plaster molds). Τα καλούπια που κατασκευάζονται από ασβεστοκονίαμα γύψου εγχύονται πάνω από ένα πρωτότυπο και αφήνονται να πήξουν. Τα καλούπια κατασκευάζονται σε δύο μισά. Με αυτή τη διεργασία δημιουργούνται καλούπια με πολύ καλές τελικές επιφάνειες και διαστασιολογικές ακρίβειες. Αφού η θερμική αγωγιμότητα του καλουπιού είναι χαμηλή, το υγρό μέταλλο παραμένει ρευστό για μεγαλύτερο χρονικό διάστημα σε σχέση με άλλες μεθόδους. Εντούτοις, τα καλούπια ασβεστοκονιάματος είναι εύθραυστα και θα πρέπει να χρησιμοποιούνται για μη σιδηρούχα υλικά. Η διεργασία Antioch είναι μια διεργασία με ασβεστοκονίαμα που δημιουργεί πόρους στο υλικό, οι οποίοι με τη σειρά τους επιτρέπουν στα παγιδευμένα αέρα να δραπετεύουν, όταν το τηγμένο μέταλλο εγχύεται μέσα στο καλούπι. Φυγόκεντρη χύτευση (centrifugal castings). Σε αυτή τη διεργασία ένα, ή περισσότερα, καλούπια τοποθετούνται σε ένα


- 3 -

περιστρεφόμενο δίσκο. Αν το κέντρο μιας σειράς καλουπιών είναι το σημείο έγχυσης, τότε το τηγμένο μέταλλο ρέει μέσω του σημείου έγχυσης και διανέμεται μέχρι το πιο μακρυνό σημείο μέσα σε κάθε καλούπι. Η πυκνότητα των χυτέυσεων που γίνονται με αυτή τη μέθοδο είναι πολύ υψηλή. Επίσης, εμφανίζουν πολύ υψηλό βαθμό λεπτομέρειας. Αφού η μάζα των ακαθαρσιών είναι μικρότερη από τη μάζα του τηγμένου μετάλλου, οι ακαθαρσίες θα συλλεχθούν στα εσωτερικά τοιχώματα της κοιλότητας. Υπάρχουν πολλές διαφορετικές μέθοδοι φυγόκεντρης χύτευσης, όπως η αμιγώς φυγόκεντρη και η ημι-φυγόκεντρη χύτευση, οι μέθοδοι Watertown και DeLavand και η sand-spun μέθοδος. Permanent-mold casting. Αυτές οι μέθοδοι χρησιμοποιούν μια κοιλότητα για να σχηματιστεί το κομμάτι. Το τηγμένο μέταλλο εγχύεται μέσα στο καλούπι ή αφήνεται να ρεύσει μέσα σε αυτό λόγω βαρύτητας. Το τελικό κομμάτι απομακρύνεται από το καλούπι μετά τη στερεοποίησή του. Η διεργασία αυτή χρησιμοποιείται για χύτευση για χάλυβα ή για χύτευση σιδήρου. Επίσης, χρησιμοποιείται για χύτευση από υλικά που περιέχουν χαλκό, αλουμίνιο ή μαγνήσιο ως βάση. Η διεργασία slush permanent weld είναι μια παραλλαγή της μεθόδου που περιγράφηκε παραπάνω. Σε αυτή τη διεργασία εγχύεται το τηγμένο μέταλλο μέσα σε μια κοιλότητα. Σε δεδομένη χρονική στιγμή το καλούπι αντιστρέφεται και το τηγμένο μέταλλο που απομένει αφήνεται να ρεύσει. Το στερεοποιημένο κάλυφος που προκύπτει είναι το τελικό κομμάτι. Η διεργασία Corthias process είναι μια άλλη παραλλαγή της διεργασίας permanent mold. Σε αυτή τη διεργασία μια προκαθορισμένη ποσότητα τηγμένου μετάλλου εγχύεται μέσα στο καλούπι. Για να οδηγηθεί το μέταλλο σε όλες τις γωνίες του καλουπιού εισάγεται ένα έμβολο. Καθώς το μέταλλο πήζει, απομακρύνεται το έμβολο και τελικά προκύπτει μια κοιλότητα χύτευσης. Die casting. Αυτή η διεργασία αποτελεί άλλη μία παραλλαγή της μόνιμης χύτευσης (permanent mold casting), όπου το μέταλλο εξαναγκάζεται μέσα στο καλούπι υπό υψηλή πίεση. Υπάρχουν δύο βασικές διεργασίες die casting. Η διεργασία hot-chamber die casting χρησιμοποιεί ένα δοχείο σε σχήμα U, το οποίο βυθίζεται στο τήγμα. Το μικρό άκρο του δοχείου προσδένεται στο καλούπι. Ένα έμβολο πιέζει και συγκρατεί το μέταλλο, μέχρι να στερεοποιηθεί. Όταν στερεοποιηθεί, τότε ανοίγει το καλούπι και το χυτό απομακρύνεται. Με αυτή τη διεργασία μπορεί να χυτευτεί μόλυβδος, κασσίτερος και ψευδάργυρος. Η διεργασία cold-chamber die casting, χρησιμοποιεί ένα όργανο σε σχήμα κουτάλας για να κάνει την έγχυση του τηγμένου μετάλλου σε μια κοιλότητα. Ένα έμβολο πιέζει το τήγμα στο θάλαμο του καλουπιού. Όταν το μέταλλο στερεοποιηθεί, τότε ο πυρήνας απομακρύνεται, το καλούπι ανοίγει και ο εξολκέας ελευθερώνει το καλούπι. Continuous casting. Σε αυτή τη διεργασία το καλούπι διατηρείται συνεχώς γεμάτο από τηγμένο μέταλλο. Το μέταλλο στο κατώτατο άκρο του καλουπιού ψύχεται, βγαίνει και κόβεται στο επιθυμητό μήκος. Με αυτή τη διεργασία μπορούν να χυτευτούν μπρούντζος, ψευδάργυρος, χαλκός και τα κράματά του, αλουμίνιο και τα κράματά του, άνθρακας και κράματα χάλυβα.


- 4 -

Electroforming. Εδώ κατασκευάζεται ένα αρνητικό καλούπι του κομματιού από γύψο. Μέσα σε αυτό το αρνητικό καλούπι εγχύεται ένα εύτηκτο κράμα χαμηλού σημείου τήξης, κερί, καουτσούκ ή άλλη χημικά διαλυτή ουσία. Αυτό έχει ως αποτέλεσμα τη δημιουργία ενός προτύπου, το οποίο στη συνέχεια επικαλύπτεται με ένα ηλεκτρικά αγώγιμο υλικό, όπως είναι ο γραφίτης ή ο άργυρος. Μετά την επικάλυψη, το πρότυπο τοποθετείται σε ένα ηλεκτρολυτικό διάλυμα και έτσι σχηματίζεται ένα στρώμα μετάλλου πάχους ½ in. στην επιφάνειά του. Όταν το πρότυπο απομακρυνθεί (λόγω τήξης ή με χημική διάλυση), τότε το κέλυφος που απομένει αποτελεί το τελικό κομμάτι. Με αυτή τη διεργασία μπορεί να επιτευχθεί στρωματοποίηση με διαφορετικούς τύπους μετάλλων. Powder metallurgy. Οι σκόνες, για να αποκτήσουν το επιθυμητό σχήμα, συμπιέζονται υπό υψηλή πίεση. Στη συνέχεια, η συμπιεσμένη σκόνη θερμαίνεται σε υψηλές θερμοκρασίες σε ελεγχόμενη περιβάλλον, προκειμένου να διαμορφωθεί το κομμάτι. Η θερμοκρασία που χρησιμοποιείται θα πρέπει να είναι αρκετά υψηλή, ώστε να λιώσει το συγκολλητικό υλικό, αλλά δεν θα πρέπει να επηρεάζει τη συμπιεσμένη σκόνη. Στην πραγματικότητα, αυτή η διεργασία δεν εντάσσεται στις διεργασίες χύτευσης. 1.3 Ψυχρή και Θερμή διαμόρφωση μετάλλων Όταν σε μια κατασκευή, μετά την απομάκρυνση των δυνάμεων που ασκούνται, οι ατομικές δυνάμεις προκαλούν στα άτομα του υλικού να επιστρέψουν στις αρχικές τους θέσεις, τότε έχουμε ελαστική παραμόρφωση. Αντίθετα, πλαστική παραμόρφωση έχουμε όταν, μετά την απομάκρυνση των δυνάμεων, τα άτομα δεν επιστρέφουν στις αρχικές τους θέσεις. Φυσικά, όταν πρόκειται για τηγμένο μέταλλο, τα άτομα βρίσκονται σε πλήρη αταξία. Καθώς το μέταλλο στερεοποιείται, τότε τα άτομα καταλαμβάνουν καθορισμένες θέσεις μέσα στο υλικό, σε μορφή διανύσματος, που είναι χαρακτηριστικό για το κάθε μέταλλο που χρησιμοποιείται. Από τη στιγμή που υπάρχουν πολλές διεργασίες σε αυτή την κατηγορία, εδώ θα αναλυθούν μερικές από αυτές, ώστε ο αναγνώστης να έχει μια εικόνα σχετικά με αυτό το είδος της κατεργασίας. Θερμή Σφυρηλάτηση (Hot forging). Η σφυρηλάτηση Smith (Smith forging) είναι μια διεργασία κατά την οποία το μέταλλο σφυρηλατείται στο επιθυμητό σχήμα. Η βασική διεργασία χρησιμοποιεί ένα αμόνι και ένα σφυρί. Στην πιο σύγχρονη εκδοχή της, ανυψώνεται ένα μεγάλο σφυρί με ατμό, ηλεκτρική ισχύ ή με κάποιο έμβολο, και αφήνεται να πέσει πάνω στο μέταλλο. Η δύναμη της βαρύτητας είναι αυτή που παράγει την απαιτούμενη κινητική ενέργεια. Ταυτόχρονα, ο χειριστής περιστρέφει το κομμάτι, καθώς αυτό διαμορφώνεται. Η διεργασία drop forging χρησιμοποιεί δύο μισά ενός καλουπιού, όπου το ένα μεταφέρεται με το έμβολο και το άλλο είναι δεμένη στο τραπέζι. Κατά τη διεργασία αυτή, θερμαίνονται προκαθορισμένες ποσότητες μετάλλου, τοποθετούνται ανάμεσα στο καλούπι και σφυρηλατούνται στο σχήμα της κοιλότητας της μήτρας, όταν αυτή είναι κλειστή. Μια παραλλαγή


- 5 -

αυτής της διεργασίας μπορεί να γίνει, χρησιμοποιώντας μια οριζόντια μηχανή. Αυτή η μηχανή έχει δύο οριζόντια έμβολα, τα οποία χτυπούν το κομμάτι. H διεργασία hot press forging προκαλεί την εφαρμογή μιας σταθερής πίεσης πάνω στο κομμάτι. Το ζεστό μέταλλο πιέζεται μέσα στην κοιλότητα της μήτρας με σταθερή πίεση και όχι με κρουστική πίεση. Η διεργασία upset forging πιέζει τα άκρα μιας θερμαινόμενης ράβδου στο επιθυμητό σχήμα. Η ράβδος θερμαίνεται, συσφίγγεται και εισέρχεται μέσα στο άνοιγμα της μήτρας. Η διεργασία swaging χρησιμοποιεί δύο μισά μιας περιστρεφόμενης μήτρας. Η μήτρα ανοίγει και κλείνει γρήγορα, ενώ χτυπάει το άκρο ενός θερμαινόμενου σωλήνα ή κελύφους. Αυτή η διεργασία μπορεί να μειώσει τη διάμετρο του σωλήνα ή να λεπτύνει το άκρο του. Η διεργασία roll forging είναι μια μέθοδος που ελαττώνει τη διάμετρο μιςα ράβδου και, κατά τη διεργασία αυτή αυξάνει το μήκος της ράβδου. Εδώ χρησιμοποιούνται ημικυκλικοί κύλινδροι, οι οποίοι λαμβάνουν τη θερμαινόμενη ράβδο και ελαττώνουν τη διάμετρό της. Μπορεί να απαιτούνται πολλά περάσματα της ράβδου μέσα από τον κύλινδρο, προτού επιτευχθεί η τελική διάμετρός της. Εξέλαση (Extrusion). Η εξέλαση άμεσης πίεσης (direct pressure extrusion) είναι μια διεργασία, κατά την οποία το έμβολο πιέζει το μέταλλο μέσα σε μια μήτρα. Υπάρχουν τρεις διαφορετικοί τύποι κατασκευής. Σε όλες τις περιπτώσεις το έμβολο κινείται μπροστά και σπρώχνει το μέταλλο προς το άνοιγμα της μήτρας. Μπορούν να χρησιμοποιηθούν άξονες για να ανοίξουν μια τρύπα στο κέντρο του μετάλλου που εξέρχεται. Στην εξέλαση έμμεσης πίεσης (indirect pressure extrusion) το έμβολο κινείται μπροστά και σπρώχνει το μέταλλο προς την αντίθετη κατέυθυνση. Η διεργασία κρουστικής εξέλασης (impact extrusion) είναι μια άλλη μέθοδος θερμής εξέλασης. Σε αυτή, το μέταλλο πιέζεται στα άκρα ενός εμβόλου, καθώς χτυπάει σε μια προκαθορισμένη ποσότητα υλικού. Hot rolling. Η διεργασία hot drawing είναι μια θερμή κατεργασία, κατά την οποία ένα θερμαινόμενο έλασμα πιέζεται μέσα σε μια μήτρα, η οποία ανοίγει με ένα έμβολο κάτω από σταθερή πίεση. Με αυτή τη διεργασία μπορούν να διαμορφωθούν κύπελλα ή κελύφη. Στη διεργασία hot spinning ασκείται πίεση σε έναν μεταλλικό δίσκο, ενώ ο δίσκος αυτός περιστρέφεται. Η πίεση εφαρμόζεται μέσω ενός αιχμηρού εργαλείου ή ενός κυλίνδρου, όπου πιέζεται το μέταλλο, ώστε να πάρει το σχήμα της περιστρεφόμενης μορφής. Στη διεργασία hot rolling μπορεί να γίνει διαμόρφωση ράβδων ή πλακών σε επιθυμητά σχήματα ή/και μεγέθη, καθώς περνούν μέσα από μια σειρά κυλίνδρων. Ψυχρή Σφυρηλάτηση (Cold forging). Η διεργασία swaging είναι μια διεργασία ψυχρής σφυρηλάτησης, η οποία χρησιμοποιεί περιστρεφόμενους κυλίνδρους, έτσι ώστε τα καλούπια να μπορέσουν να διαμορφώσουν την επιφάνεια του κομματιού μέσα σε σημεία, σε αλλαγές διαμέτρου, ή να μειώσουν τη διάμετρό του. Τα καλούπια περιστρέφονται, με αποτέλεσμα το κομμάτι να σφυρηλατείται πολλές φορές μέσα σε μικρή χρονική περίοδο. Στο εσωτερικό σύστημα ασκείται πίεση στο υλικό πάνω


- 6 -

από ένα σχηματισμένο άξονα, έτσι ώστε το εξωτερικό του κομματιού μπορεί να είναι στρογγυλεμένο και το εσωτερικό του να είναι διαμορφωμένο. Η διεργασία cold heading απαιτεί το μέταλλο να είναι περιορισμένο σε όλες τις διευθύνσεις. Το μέταλλο που υπόκειται κρούση ρέει προς όλες τις κατευθύνσεις. Με αυτή τη διεργασία μπορούν να διαμορφωθούν βίδες, πιρτσίνια, μπουλόνια και καρφιά. Η διεργασία riveting είναι μια διεργασία cold heading, η οποία χρησιμοποιείται για να προσδέσει δύο κομμάτια μαζί. Η διεργασία staking είναι μια άλλη διεργασία που χρησιμοποιείται επίσης για να προσδέσει δύο κομμάτια μαζί. Το μέταλλο εξαναγκάζεται να ρεύσει μέσα σε αυλάκια ή κατά μήκος της επιφάνειας ενός από τα δύο κομμάτια. Η διεργασία hobbing είναι μια διεργασία πίεσης ενός προσχεδίου από την επιφάνεια του εμβόλου προς την επιφάνεια του κομματιού. Με αυτό τον τρόπο κατασκευάζονται οι κοιλότητες των καλουπιών για πλαστικά. Η διεργασία coining απαιτεί το κομμάτι να είναι πλήρως περιορισμένο. Και οι δύο επιφάνειες του κομματιού παίρνουν το αποτύπωμα. Αυτή η διεργασία περιλαμβάνει πλευρική ροή υλικού. Με αυτό τον τρόπο κατασκευάζονται νομίσματα, μετάλλια και κοσμήματα. Η διεργασία embossing χρησιμοποιεί ένα ζεύγος εμβόλου και μήτρας. Ενώ το πάχος του υλικού στη διεργασία coining είναι ακανόνιστο, το πάχος του κομματιού στη διεργασία embossing είναι ομοιόμορφο. Το υλικό ρέει προς την κατεύθυνση των εφαρμοζόμενων δυνάμεων. Η διεργασία shot peening είναι μια ψυχρή διεργασία, η οποία χρησιμοποιεί μεγάλο αριθμό χαλύβδινων βλημάτων. Αυτά τα βλήματα πυροδοτούνται στην επιφάνεια του κομματιού, προσφέροντας καλύτερη τελική επιφάνεια στο κομμάτι και μεγαλύτερη σκληρότητα. Η διεργασία cold extrusion περιλαμβάνει τα ίδια στάδια με τη διεργασία hot extrusion. Η διαφορά είναι ότι το υλικό που εξέρχεται δεν πρέπει να σκληραίνει και πρέπει να παραμένει ελατό, χωρίς την εφαρμογή θερμότητας. Ψυχρή ελασματοποίηση (Cold drawing). Η κατασκευή ράβδων με τη διεργασία της ψυχρής ελασματοποίησης γίνεται με θερμούς περιστεφόμενους κυλίνδρους. Η διεργασία αυτή διαμορφώνει τη διάμετρο. Παράγει μια ράβδο με ομαλή και σκληρή επιφάνεια. Η διεργασία wire drawing επιτυγχάνεται με το τράβηγμα ενός σύρματος μέσα σε μια σκληρή μήτρα, συνήθως καρβίδιο. Τα σύρματα μικρής διαμέτρου ελατώνται μέσα σε μήτρες από διαμάντι. Μπορεί να γίνει μείωση της διαμέτρου, όταν πραγματοποιούνται πολλά περάσματα από συνεχόμενες μήτρες. Η μείωση της διαμέτρου σωλήνων με ψυχρή ελασματοποίηση μπορεί να γίνει με το πέρασμα του σωλήνα μέσα από έναν άξονα και μία μήτρα. Η διεργασία stretch forming γίνεται με τράβηγμα και τύλιγμα ενός μεταλλικού ελάσματος γύρω από μια μορφή. Το μέταλλο εκτείνεται (εφελκύεται) πέρα από το όριο ελαστικότητας, καθώς τυλίγεται. Η διεργασία high-energy forming χρησιμοποιεί ένα υψηλό ηλεκτρικό φορτίο ή μια ηλεκτρική εκκένωση ενός πυκνωτή, κατά μήκος ενός κενού, με σκοπό να δημιουργηθούν κρουστικά κύματα, τα οποία εξαπλώνονται προς όλες τις διευθύνσεις και αναγκάζουν το μέταλλο να κινηθεί μέσα σε μια κοιλότητα μήτρας.


- 7 -

Cold rolling. Η διεργασία form rolling είναι μια διεργασία κατά την οποία ένας αριθμός τακτικά τοποθετημένων κυλίνδρων διαμορφώνουν ένα μεταλλικό έλασμα στο επιθυμητό σχήμα. Το μεταλλικό έλασμα περνά μέσα από τους κυλίνδρους, οι οποίοι υποβάλλουν το μέταλλο σε μια σειρά κάμψεων. Η διεργασία seaming (συρραφή) μπορεί να χρησιμοποιηθεί για την παραγωγή ενός ή πολλαπλών τυλιγμάτων. Αυτό επιτυγχάνεται με περιστρεφόμενους κυλίνδρους και έτσι οι κόμποι τυλίγουν το υλικό πίσω στον εαυτό του για να κλείσει η μορφή. Η διεργασία thread rolling χρησιμοποιεί δύο ή τρεις κυλίνδρους με σπειρώματα. Το κυλινδρικό πρόπλασμα θα πρέπει να έχει εξωτερική διάμετρο ίση με τη διάμετρο του βήματος του αρχικού σπειρώματος. Το μέταλλο ανάμεσα στην εξωτερική διάμετρο και την εσωτερική διάμετρο εξαναγκάζεται να διαμορφώσει την προσθήκη. Η ψυχρή διεργασία spinning metal είναι η ίδια με την αντίστοιχη θερμή διεργασία, που συζητήθηκε νωρίτερα. Η διαφορά τους έγκειται στη διαφορά της ελατότητας του μετάλλου. H διεργασία shear forming είναι η ίδια με τη διεργασία direct spinning, με τη διαφορά ότι το μέταλλο πιέζεται προς την αντίθετη κατεύθυνση σε σχέση με την πίεση που ασκείται από τους κυλίνδρους. 1.4 Shearing, Bending, or Drawing Presswork Οι διεργασίες διάτρησης και χύτευσης είναι ίσως οι πιο ευρέως διαδεδομένες ψυχρές ή θερμές διεργασίες που χρησιμοποιούνται. Σχεδόν οποιαδήποτε ποσότητα ή ποιότητα υλικού μπορεί να κατασκευαστεί. Τα υλικά μπορούν να κόβονται σε ειδικά μεγέθη, μπορεί να περιέχουν ειδικά ποσοστά άνθρακα, ειδικά κράματα, μπορούν να κατεργαστούν εν θερμώ. Η διεργασία shearing είναι μια διεργασία που χρησιμοποιεί ένα ζουμπά και μια μήτρα για να διαχωρίσει το μέταλλο. Η διεργασία ξεκινά με το έμβολο να διεισδύει μέσα στο μέταλλο και να τανύζει το μέταλλο ως το όριο ελαστικότητάς του. Καθώς το έμβολο πιέζει όλο και περισσότερο το μέταλλο, υπερβαίνει το όριο ελαστικότητας του μετάλλου και εμφανίζεται ρήξη (σπάσιμο) στην κοπτική ακμή του εμβόλου. Αυτό θα συμβεί, εάν το διάκενο ανάμεσα στο έμβολο και τη μήτρα είναι ίσο με ένα μικρό ποσοστό ανοχής. Αν η απόσταση ανάμεσα στο έμβολο και τη μήτρα είναι ίση με το πάχος του υλικού, και οι γωνίες του εμβόλου και της μήτρας είναι στρογγυλεμένες, τότε το υλικό κάμπτεται. το υλικό που είναι στην εξωτερική καμπυλότητα εφελκύεται, ενώ το υλικό στην εσωτερική καμπυλότητα θλίβεται. Εδώ δεν γίνεται κοπή. Αφού κατά τη διεργασία ξεπερνιέται το όριο ελαστικότητας, αυτό σημαίνει ότι το υλικό θα υποστεί πλαστική παραμόρφωση, παίρνοντας μια μόνιμη μορφή. Κατά τη διάρκεια της διεργασίας, το υλικό μετατοπίζεται μόνο κατά την κάμψη. Εντούτοις, κατά τη διεργασία drawing λαμβάνει χώρα και μια ακτινική μετατόπιση του υλικού σε όλη του τη δομή. Η ανοχή ανάμεσα στο έμβολο και τη μήτρα είναι ίση με το πάχος του υλικού και τόσο το έμβολο, όσο και η μήτρα έχουν στρογγυλεμένες γωνίες, για να αποφεύγεται η κοπή. Το υλικό βγαίνει μέσω αυτών των καμπυλοτήτων και έτσι το υλικό


- 8 -

γλιστράει πάνω σε αυτές τις καμπυλότητες. Η μετατόπιση είναι ανάλογη της ροής νερού μέσα σε φράγμα. 1.5 Συγκόλληση Η συγκόλληση μπορεί να χωριστεί σε τέσσερις κατηγορίες: (1) διεργασίες που απαιτούν θερμότητα και πίεση, (2) διεργασίες που απαιτούν θερμότητα, αλλά όχι πίεση, (3) διεργασίες κραμάτων χαμηλής θερμοκρασίας, και (4) διεργασίες που απαιτούν κυρίως κόλληση. Στις δύο πρώτες κατηγορίες, και ως ένα σημείο και στην τρίτη, λαμβάνει χώρα ανάμιξη ανάμεσα στο υλικό της βάσης και στο υλικό των ράβδων γεμίσματος. Οι δύο πρώτες διεργασίες απαιτούν τόσο το υλικό βάσης όσο και το υλικό γεμίσματος να βρίσκονται σε υγρή μορφή. Συγκόλληση πίεσης. Οι διεργασίες που απαιτούν θερμότητα και πίεση είναι οι hammer, spot, seam, projection, cross-wire, flash και upset butt και η percussion welding. Η συγκόλληση με σφυρηλάτηση (hammer welding) είναι η παλαιότερη διεργασία συγκόλλησης. Τα δύο κομμάτια που πρόκειται να συγκολληθούν θερμαίνονται και σφυρηλατούνται μαζί. Όταν χρησιμοποιείται μεγάλη μηχανή, τότε η ενέργεια κρούσης δίνεται από την πτώση ενός σφυριού, λόγω βαρύτητας. Η σημειακή συγκόλληση (spot welding) αποτελείται από δύο ηλεκτρόδια, όπου το ένα φορτίζεται με ελατήριο και έτσι εφαρμόζει μια δύναμη στα δύο κομμάτια που πρέπει να ενωθούν. Μετά την εφαρμογή του φορτίου, περνά ρεύμα υψηλής τάσης μέσα από τα ηλεκτρόδια. Η αντίσταση ανάμεσα στα δύο κομμάτια είναι υψηλή, γεγονός που προκαλεί την εμφάνιση υψηλής τοπικής θερμότητας. Το υλικό πλαστικοποιείται στο σημείο επαφής και η δύναμη που εφαρμόζεται στα ηλεκτρόδια προκαλεί τήξη του υλικού. Η συγκόλληση συρραφής (seam welding) είναι μια συνεχής σημειακή συγκόλληση. Η πίεση εφαρμόζεται από δύο κυλίνδρους – ηλεκτρόδια. Το ρεύμα διακόπτεται και ρυθμίζεται από ένα χρονοδιακόπτη. Ο χρονοδιακόπτης μπορεί να ρυθμιστεί, έτσι ώστε να παράγει στεγανές συγκολλήσεις, ή ισαπέχουσες σημειακές συγκολλήσεις. Η συγκόλληση προβολής (projection welding) χρησιμοποιεί πολλαπλές προβολές για να εστιάσει το ηλεκτρικό ρεύμα. Το σημειακό ρεύμα και οι πολλαπλές προβολές δημιουργούν μια σειρά από σημειακές συγκολλήσεις. Η συγκόλληση cross-wire είναι μια παραλλαγή της συγκόλλησης προβολής. Αγγίζοντας τα καλώδια στα σημεία που διασταυρώνονται, τότε αυτά λειτουργούν σαν προβολείς και η πίεση εφαρμόζεται από ηλεκτρόδια επίπεδης διατομής. Στις συγκολλήσεις flash και upset butt τα άκρα των δύο κομματιών έρχονται σε επαφή και τοποθετούνται υπό πίεση. Το κενό αέρος ανάμεσα στα άκρα των δύο κομματιών παρέχει την αντίσταση, η οποία, μαζί με το ηλεκτρικό ρεύμα, παρέχει τη θερμότητα που πλαστικοποιεί τα υλικά. Η συγκόλληση ολοκληρώνεται υπό πίεση. Η συγκόλληση flash butt απαιτεί στην αρχή το ρεύμα να είναι ανοιχτό και, στη συνέχεια, καθώς δημιουργείται το ηλεκτρικό τόξο, εφαρμόζεται η πίεση. Η συγκόλληση upset απαιτεί πρώτα να εφαρμοστεί η πίεση και μετά να ανοίξει το ρεύμα.


- 9 -

Στη διεργασία κρουστικής συγκόλλησης δένονται δύο κομμάτια σε μικρή απόσταση μεταξύ τους. Στη μία παραλλαγή, αποθηκεύεται ηλεκτρική ενέργεια σε έναν πυκνωτή. Σε μια άλλη παραλλαγή, η ενέργεια είναι αποτέλεσμα της απότομης κατάρρευσης του μαγνητικού πεδίου. Έτσι, τα κομμάτια εξαναγκάζονται να κινηθούν το ένα προς την κατεύθυνση του άλλου. Σε αυτήν ακριβώς τη στιγμή απελευθερώνεται το ηλεκτρικό φορτίο, το οποίο προκαλεί το ηλεκτρικό τόξο. Η συγκόλληση ολοκληρώνεται με κρούση. Συγκόλληση τήξης. Οι διεργασίες που δεν απαιτούν καθόλου πίεση, ως μέρος της διεργασίας συγκόλλησης είναι: τόξο άνθρακα, ηλεκτρικό, ακετυλένιο, ευγενές αέριο, ατομικό υδρογόνο, καλυμμένο τόξο, θερμίτης, electroslag, δέσμη ηλεκτρονίων, τριβή, υπερηχητική συγκόλληση και συγκόλληση τόξου αέριου μετάλλου. Η συγκόλληση τόξου άνθρακα βασίζεται σε ένα ηλεκτρόδιο με τόξο άνθρακα, το οποίο παρέχει την τροχιά για το εναλλασσόμενο ρεύμα. Ο αέρας στο κενό ανάμεσα στο άκρο της ράβδου και στο κομμάτι δημιουργεί την αντίσταση, που αναπτύσσει την απαραίτητη θερμότητα για την τήξη του μετάλλου και του υλικού της ράβδου γεμίσματος. Η συγκόλληση τόξου βασίζεται σε ένα ηλεκτρικό τόξο, το οποίο δημιουργείται ανάμεσα στο υλικό γεμίσματος και το κομμάτι. Η ράβδος γεμίσματος λειτουργεί σαν πηγή υλικού γεμίσματος και σαν ηλεκτρόδιο. Μερικές φορές επιστρώνεται με κάποιο υλικό για τη διευκόλυνση της συγκόλλησης και άλλες φορές όχι. Το ρεύμα μπορεί να είναι συνεχές ή εναλλασσόμενο. Όταν η συγκόλληση γίνεται με εναλλασσόμενο ρεύμα, τότε θα πρέπει να σημειωθεί ότι, αν ο χειριστή που κρατά το ηλεκτρόδιο είναι συνδεδεμένος με το αρνητικό τερματικό της μηχανής, και το κομμάτι στο θετικό τερματικό, τότε η διεργασία ονομάζεται συγκόλληση ευθείας πολικότητας. Αν τα τερματικά είναι αντίθετα, τότε η διεργασία ονομάζεται συγκόλληση αντίστροφης πολικότητας. Η πολικότητα δεν παίζει ρόλο όταν χρησιμοποιείται συνεχές ρεύμα. Οι διεργασίες συγκόλλησης εν κενώ χρησιμοποιούν ακετυλένιο, υδρογόνο, και φυσικό ή τεχνητό κενό σε συνδυασμό με οξυγόνο. Η διεργασία οξυγόνου – ακετυλενίου όπου χρησιμοποιούνται αέρια οξυγόνου και ακετυλενίου, είναι μακράν ο συνδυασμός που χρησιμοποιείται περισσότερο. Τα αέρια αναμιγνύονται στις επιθυμητές αναλογίες και, όταν συλλέγονται, παράγουν θερμοκρασίες πολύ υψηλότερες από αυτές που απαιτούνται για να λιώσουν το βασικό μέταλλο και το υλικό γεμίσματος. Στη συγκόλληση τόξου ευγενών αερίων το αέριο που χρησιμοποιείται – ήλιο (τόξο ηλίου), αργό ή διοξείδιο του άνθρακα – εισάγεται γύρω από ένα ηλεκτρόδιο από βολφράμιο ή άνθρακα και σχηματίζει ένα προστατευτικό νέφος γύρω από το τόξο, καθώς το αλουμίνιο ή το μαγνήσιο συγκολλάται. Το τόξο αναπτύσσεται ανάμεσα στο ηλεκτρόδιο και το κομμάτι. Στη συγκόλληση ατομικού υδρογόνου, αποθηκεύονται δύο ηλεκτρόδιο βολφραμίου σε έναν πολλαπλό θάλαμο, ο οποίος μεταφέρει μόρια υδρογόνου μακριά από αυτά. Η εφαρμογή εναλλασσόμενου ρεύματος μεταξύ των δύο ηλεκτροδίων “σπάει” τα μόρια του υδρογόνου, απορροφώντας μεγάλα ποσά θερμότητας κατά τη διεργασία αυτή. Τα άτομα αυτά απελευθερώνουν αυτή τη θερμική ενέργεια κατά την επαφή τους με το μέταλλο. Το αέριο δρα ως ασπίδα κατά τη διάρκεια αυτής της διεργασίας.


- 10 -

Στη βυθισμένη συγκόλληση χρησιμοποιείται ένα ηλεκτρόδιο σε συνδυασμό με ένα σωλήνα τροφοδοσίας υλικού. Το τόξο αναπτύσσεται κάτω από τη ροή. Και οι δύο σωλήνες τροφοδοτούνται αυτόματα. Το υλικό λιώνει καθώς λιώνει το υλικό της βάσης. Έτσι, η συγκόλληση ολοκληρώνεται κάτω από τη ροή. Με αυτό τον τρόπο, προστατεύεται η συγκόλληση. Η συγκόλληση θερμίτη είναι μια διεργασία όπου χρησιμοποιείται ένα μίγμα οξειδίου του σιδήρου και κόκκων αλουμινίου. Γύρω από την περιοχή των κομματιών που πρόκειται να συγκολληθούν προετοιμάζεται ένα καλούπι, μέσα στο οποίο εγχύεται το μίγμα και αναφλέγεται με κάποια διαδικασία ανάφλεξης. Το αλουμίνιο μετατρέπεται σε οξείδιο αλουμινίου και το οξείδιο του σιδήρου σε σίδηρο, ο οποίος τελειοποιεί τη συγκόλληση. Η διεργασία electroslag χρησιμοποιείται για να ενώσει μεγάλες πλάκες. Ένα κάλυμμα νερού κινείται μαζί με ένα δοχείο τηγμένου μετάλλου κατά μήκος της συγκόλλησης που πρόκειται να γίνει. Το τηγμένο μέταλλο στερεοποιείται καθώς κινείται. Το κάλυμμα του μετάλλου ανανεώνεται με τροφοδοσία σύρματος συγκόλλησης μέσα στο δοχείο του τηγμένου μετάλλου. Η διεργασία δέσμης ηλεκτρονίων χρησιμοποιεί έναν θάλαμο υψηλής εκκένωσης, μέσα στον οποίο ξεκινά μια δέσμη ηλεκτρονίων. Η δέσμη αυτή κατευθύνεται προς την ένωση που πρόκειται να συγκολληθεί. Η συγκόλληση τριβής πραγματοποιείται με την γρήγορη περιστροφή ενός από τα δύο μέλη που πρόκειται να συγκολληθούν, φέρνοντάς το σε επαφή με το άλλο. Η τριβή δημιουργεί την απαραίτητη θερμότητα για να πραγματοποιηθεί η συγκόλληση. Η υπερηχητική συγκόλληση χρησιμοποιεί ταλαντώσεις υψηλής συχνότητας, παράλληλες προς την επιφάνεια που πρόκειται να συγκολληθεί. Η συγκόλληση δύο κομματιών που είναι δεμένα μεταξύ τους θα επιτευχθεί, όταν έρθουν κοντά στην μηχανή ταλάντωσης. Η διεργασία micro-wire gas metal-arc χρησιμοποιεί μια ράβδο γεμίσματος μικρής διαμέτρου και διοξείδιο του άνθρακα, για να συγκολληθούν λεπτά υλικά. Brazing. Η συγκόλληση δύο υλικών απαιτεί η θερμοκρασία των κομματιών που πρόκειται να ενωθούν να παραμένει κάτω από σημείο τήξης τους, αλλά πάνω από τη σημείο τήξης του υλικού συγκόλλησης. Το υλικό συγκόλλησης πρέπει να υγραίνει την επιφάνεια που πρόκειται να συγκολληθεί και με τριχοειδείς κινήσεις οδηγείται το λιωμένο υλικό στα κενά ανάμεσα στα δύο κομμάτια. Η συγκόλληση μπορεί να επιτευχθεί χρησιμοποιώντας τα ακόλουθα υλικά: άργυρο, χαλκό, Tobin μπρούτζο, αλουμίνιο, phos-copper, νικέλιο-χρώμιο (ανθεκτικό στη θερμότητα) και άργυρο-μαγγάνιο (ανθεκτικό στη θερμότητα). Τα υλικά συγκόλλησης που μπορεί να χρησιμοποιηθούν είναι

• βορικό οξύ για τη συνένωση ορείχαλκου, χαλκού, μπρούτζου και χάλυβα χαμηλής περιεκτικότητας,

• βορικό οξύ ή φθόριο με κάποιο υλικό αδιαβροχοποίησης για τη συνένωση χυτοσίδηρου

• ένα φθοριούχο και χλωριούχο μίγμα σε νερό για να σχηματιστεί μια πάστα για τη συνένωση αλουμινίου και μαγνησίου.


- 11 -

Τα υλικά συγκόλλησης μπορεί να είναι σε στερεά, κοκκώδη, κολλοειδή ή υγρή μορφή. Η συγκόλληση torch brazing χρησιμοποιεί μια ουδέτερη φλόγα από οξυασετυλίνη, οξυ-υδρογόνο ή φυσικό αέριο για τη θέρμανση των δύο κομματιών. Η συγκόλληση resistance brazing απαιτεί τη διέλευση ηλεκτρικού ρεύματος μέσα από τα κομμάτια που πρόκειται να συγκολληθούν. Αυτή η αντίσταση στη διέλευση του ηλεκτρικού ρεύματος προκαλεί στο υλικό συγκόλλησης και στο κομμάτι να λιώσουν, καθώς καταναλώνουν το λιωμένο υλικό. Ο χρόνος συγκόλλησης ελέγχεται με ακρίβεια από κάποια μηχανή χρόνου. Οι επαγωγικοί φούρνοι χρησιμοποιούν εναλλασσόμενο ρεύμα υψηλής συχνότητας, το οποίο προκαλεί τη δημιουργία ενός μαγνητικού πεδίου που ταλαντώνεται πολύ γρήγορα. Τα κομμάτια που πρόκειται να συγκολληθούν περιβάλλονται από ένα ειδικά σχεδιασμένο ψυχρό πηνίο. Το ρεύμα ρέει για ένα προκαθορισμένο χρονικό διάστημα και το υλικό συγκόλλησης καταναλώνεται. Όταν χρησιμοποιείται αυτή η μέθοδος, η θέρμανση είναι πολύ περιορισμένη. Η συγκόλληση furnace brazing χρησιμοποιεί φούρνους με ελεγχόμενη ατμόσφαιρα. Όταν χρειάζεται ο σχηματισμός οξειδίων, τότε χρησιμοποιείται η ελεγχόμενη ατμόσφαιρα. Όλη η σύνθεση, μαζί με το υλικό συγκόλλησης, θερμαίνονται μέσα σε ένα φούρνο. Η συγκόλληση dip brazing επιτυγχάνεται με την εμβάπτιση των κομματιών μέσα σε ένα μπάνιο με λιωμένο υλικό συγκόλλησης. Στη συγκόλληση chemical bath brazing βυθίζουμε τα κομμάτια μαζί με το υλικό συγκόλλησης σε ένα ουδέτερο διάλυμα άλατος. 1.6 Μηχανουργικές κατεργασίες Μια αρχική κατηγοριοποίηση των κατεργασιών μπορεί να γίνει στις περιστρεφόμενες και παλινδρομικές μηχανές. Έτσι, ο τόρνος, η φρέζα και το τρυπάνι κατατάσσονται στις περιστροφικές μηχανές, ενώ οι πρέσες διαμόρφωσης και οι πλάνες κατατάσσονται στις παλινδρομικές μηχανές. Μια άλλη ταξινόμηση μπορεί να γίνει, διακρίνοντας τις μηχανές σε μηχανές συνεχούς κοπής και διακοπτόμενης κοπής. Έτσι, ο τόρνος είναι συνεχούς κίνησης, ενώ μια πρέσα διαμόρφωσης κόβει ένα κομμάτι κάθε φορά. Ένα σιδηροπρίονο έχει διακοπτόμενη κίνηση, ενώ ένα αλυσοπρίονο έχει συνεχή κίνηση κοπής. Τόρνος. Υπάρχουν πολλά είδη τόρνων: toolroom, engine, bench, jewelers, production, turret, automatic screw, και ειδικοί τόρνοι. Η διάκριση ανάμεσα σε αυτά τα είδη τόρνων γίνεται βάσει της ακρίβειας, του βαθμού αυτοματισμού και της προσαρμοστικότητας στην παραγωγή. Σε όλες τις περιπτώσεις, η κοπή είναι κοπή ενός σημείου. Αν και μπορούν να εκτελούν κοπή πολλά κοπτικά εργαλεία την ίδια στιγμή, ωστόσο η κοπή δεν γίνεται με τον ίδιο τρόπο που γίνεται σε μια φρέζα. Σε όλες τις περιπτώσεις, περιστρέφεται το κομμάτι και το κοπτικό εργαλείο προωθείται, όταν έρχεται σε επαφή με το κομμάτι.


- 12 -

Φρέζα. Υπάρχουν διάφοροι τύποι φρεζών: απλή και γενική κατακόρυφη, απλή και γενική οριζόντια, bed type, planar type, φρέζες σπειρωμάτων (thread), φρέζες αντιγραφής. Σε όλες τις περιπτώσεις το βασικό κοπτικό εργαλείο είναι η φρεζοκεφαλή, η οποία, στις περισσότερες περιπτώσεις, λειτουργεί κάθετα στον άξονα του κομματιού. Αυτές οι μηχανές μπορούν να προκαλέσουν την κίνηση του κομματιού δεξιά ή αριστερά, μέσα ή έξω, πάνω ή κάτω, όταν το κομμάτι είναι δεμένο στο τραπέζι. Οι γενικές μηχανές είναι εξοπλισμένες με ένα περιστρεφόμενο μηχανισμό του τραπεζιού, ο οποίος επιτρέπει στο κομμάτι να κινείται πέρα από το κοπτικό εργαλείο υπό κάποια γωνία. Η γενική κατακόρυφη φρέζα μπορεί να επιτρέπει την περιστροφή της κατακόρυφης κεφαλής σε δύο επίπεδα καθώς και την περιστροφή του τραπεζιού. Οι φρέζες τύπου bed (planer) είναι μηχανές που χρησιμοποιούνται κυρίως στην παραγωγική διαδικασία και έχουν τη δυνατότητα κίνησης του τραπεζιού μπροστά από μία κολώνα ή ανάμεσα σε δύο κολώνες. Οι φρέζες σπειρώματος και οι φρέζες αντιγραφής είναι ειδικές μηχανές, όπως υποδηλώνεται και από την ονομασία τους. Τρυπάνι. Οι μηχανές αυτές παρέχουν μια μέθοδο για τη συγκράτηση του κοπτικού εργαλείου, το οποίο σε αυτή την περίπτωση, είναι το τρυπάνι. Αυτός ο τύπος εργαλείου επιτρέπει είτε στο κομμάτι είτε στο τρυπάνι να προωθείται, ενώ το τρυπάνι κοπής περιστρέφεται. Τα είδη τρυπανιών είναι: sensitive, power-fed standard, radial, production, gang, multiple spindle, ή οριζόντια τρυπάνια. Ένα τρυπάνι με αισθητήρες (sensitive drill) μπορεί να «αισθάνεται» μέσω του τροχού πρόωσης. Ένα τροφοδοτούμενο τρυπάνι (power-fed drill) μπορεί να τροφοδοτείται είτε χειροκίνητα ή αυτόματα, μέσω ενός μηχανισμού τροφοδοσίας. Όταν χρησιμοποιείται αυτόματη τροφοδοσία, τότε δεν είναι δυνατή η «αισθητική» ικανότητα στο σημείο όπου ανοίγεται η τρύπα. Όταν πρόκειται για μεγάλα και βαριά κομμάτια που χρειάζεται να διανοιχτούν πολλές τρύπες στην επιφάνειά τους, η μετακίνηση και η τοποθέτηση του κομματιού είναι εξαιρετικά δύσκολη. Τα ακτινικά τρυπάνια (radial drill) δίνουν αυτή τη δυνατότητα μετακινώντας την κεφαλή στην επιθυμητή θέση. Ο βραχίονας μπορεί να μετακινείται πάνω-κάτω ή να περιστρέφεται. Η κεφαλή μετακινείται μέσα ή έξω από την κολώνα. Ο άξονας, που φέρει το τρυπάνι και περιστρέφεται, μπορεί να μετακινείται προς το κομμάτι χειροκίνητα ή αυτόματα. Τα τρυπάνια πολλών αξόνων και τα gang drill χρησιμοποιούνται στην παραγωγή. Οι gang drill presses διαθέτουν πολλούς άξονες, καθένας από τους οποίους τροφοδοτείται ξεχωριστά. Στα τρυπάνια πολλών αξόνων, οι άξονες καθοδηγούνται από έναν κεντρικό άξονα. Τα οριζόντια τρυπάνια χρησιμοποιούνται για τη διάνοιξη μακριών οπών. Shaper και planer. Αυτές οι μηχανές είναι παλινδρομικές μηχανές. Είτε ταλαντώνεται το κομμάτι και προωθείται το κοπτικό εργαλείο, ή το εργαλείο ταλαντεύεται και προωθείται το κομμάτι. Αυτές οι μηχανές είναι οι οριζόντιοι, οι κατακόρυφοι και οι ειδικοί διαμορφωτές, καθώς και οι open-side ή double-housing πλάνες. Στον τυπικό διαμορφωτή το εργαλείο ταλαντώνεται. Με κάθε χτύπημα του εμβόλου, το τραπέζι μετακινείται κατά μια συγκεκριμένη απόσταση, τοποθετώντας το κομμάτι κατάλληλα για την επόμενη κοπή. Οι


- 13 -

επιφάνειες που κατεργάζονται είναι επίπεδες, αν και η διαμόρφωση περιγράμματος είναι δυνατή. Η πλάνη είναι έτσι κατασκευασμένη, ώστε μετά από κάθε κοπτικό χτύπημα, το κομμάτι ταλαντώνεται κάτω από το εργαλείο, καθώς αυτό προωθείται. Shaver και broach. Αυτές οι μηχανές λειτουργούν επίσης με ταλάντωση του κοπτικού εργαλείου. Το shaver εκτελεί πολύ μικρές κοπές και χρησιμοποιείται για να επιτύχει φινιρίσματα επιφανειών και διαστασιολογικές ακρίβειες. Οι μηχανές broach λειτουργούν, γενικά, ακολουθώντας την αρχή του ενός χτυπήματος. Αυτό σημαίνει ότι χρησιμοποιείται μια μακριά μπάρα με πολλά δόντια διαμορφωμένα στην επιφάνειά της, κάθε ένα σχεδιασμένο για να κόβει ένα μικρό κομμάτι, καθώς το εργαλείο πιέζεται ή απομακρύνεται από το κομμάτι. Πριόνι. Αυτές οι μηχανές χρησιμοποιούνται εκτενώς για την κοπή υλικών σε κάποιο επιθυμητό μήκος. Μερικές φορές τα πριόνια χρησιμοποιούνται για να κόψουν περιγράμματα. Τα είδη των πριονιών είναι το διακοπτόμενο σιδηροπρίονο, το συνεχές αλυσοπρίονο και το συνεχές αλυσοπρίονο για κοπή περιγράμματος. Τα σιδηροπρίονα έχουν μια επίπεδη λεπίδα, που δένεται σε ένα πλαίσιο σχήματος U. Το πλαίσιο αυτό κινείται μπρος-πίσω, μέσω ενός μηχανισμού με στρόφαλο. Συνήθως αυτές οι μηχανές κόβουν όταν τραβάμε. Τα αλυσοπρίονα μπορεί να είναι οριζόντια ή κατακόρυφα. Το οριζόντιο αλυσοπρίονο χρησιμοποιείται ως διακοπτόμενη μηχανή. Το κατακόρυφο αλυσοπρίονο χρησιμοποιείται κυρίως για κοπή περιγράμματος. Για το λόγο αυτό προμηθεύεται συνήθως με ένα συνδυασμό συστήματος συγκόλλησης και λείανσης. Λειαντικές μηχανές. Οι λειαντικές μηχανές είναι αυτές που χρησιμοποιούν έναν λειαντικό τροχό ως κοπτικό εργαλείο. Μπορούν να ταξινομηθούν σε κυλινδρικές, επιφανειακές και ειδικές λειαντικές μηχανές. Οι κυλινδρικές λειαντικές μηχανές μπορεί να είναι εξωτερικού, εσωτερικού ή άκεντρου τύπου. Καθώς περιστρέφεται το κομμάτι ανάμεσα στα δύο κέντρα, ο τροχός έρχεται σε επαφή με αυτό, απομακρύνοντας ταυτόχρονα υλικό. Η εσωτερική λειαντική μηχανή χρησιμοποιεί ένα τσοκ για να συγκρατήσει το κομμάτι. Καθώς περιστρέφεται ο λειαντικός τροχός, μετακινείται το τραπέζι από δεξιά προς τα αριστερά, με αποτέλεσμα ο τροχός να εισχωρεί στο κομμάτι και να λειαίνει την εσωτερική του επιφάνεια. Η άκεντρη λειαντική μηχανή χρησιμοποιεί έναν κινητήριο τροχό, ο οποίος χρησιμοποιεί ένα μαγνητικό τσοκ, για να συγκρατήσει το κομμάτι, καθώς αυτό λειαίνεται. Η μηχανή που φαίνεται έχει έναν οριζόντιο άξονα, σε συνδυασμό με ένα επίπεδο μαγνητικό τσοκ. Άλλες μηχανές έχουν οριζόντιους άξονες σε συνδυασμό με κυκλικά τσοκ και κατακόρυφους άξονες σε συνδυασμό με επίπεδα και κυκλικά μαγνητικά τσοκ. Επίσης, χρησιμοποιούνται και λειαντικές ζώνες για τη λείανση συγκεκριμένων υλικών. Boring machines. Οι πιο κοινοί τύποι των boring μηχανών είναι οι κατακόρυφες, οριζόντιες και jig borers. Το κομμάτι περιστρέφεται πάνω


- 14 -

στο τραπέζι, καθώς οι κεφαλές των εργαλείων, όπου δένονται τα κοπτικά εργαλεία, κατεργάζονται το κομμάτι. Η οριζόντια μηχανή διάνοιξης οπών είναι πιθανώς η πιο πολύπλευρη από όλες τις μηχανές. Μπορεί να χρησιμοποιηθεί ως μηχανή διάνοιξης οπών, φρέζα, ή ως jig borer. Απευθείας πάνω στον άξονα μπορούν να δεθούν κοπτικά εργαλεία, κεφαλές boring, τρυπάνια, εργαλεία μεγέθυνσης οπών κ.ά. Οι jig borer είναι οι μηχανές με τις οποίες κατασκευάζονται τα εργαλεία. Χρησιμοποιούνται για να τοποθετούν το κομμάτι με ακρίβεια κάτω από τον άξονα. Στη συνέχεια, χρησιμοποιούνται μέθοδοι για τη διάνοιξη οπών με διαμέτρους με πολύ μικρές ανοχές. 1.7 Αυτόματες Μηχανές Αριθμητικός έλεγχος (Numerical control – NC). Αυτές οι μηχανές ελέγχονται γενικά είτε με χειροκίνητη είσοδο δεδομένων είτε με μια ταινία οκτώ καναλιών. Δεν ελέγχονται από υπολογιστή. Αν υποθέσουμε μια φρέζα 2 αξόνων, τότε το τραπέζι θα κινείται σύμφωνα με τα δεδομένα των αξόνων x και y, που έχουν προγραμματιστεί. Έτσι, αν το κοπτικό εργαλείο πρόκειται να κινηθεί προς το χειριστή, τότε η κατεύθυνση αυτή προγραμματίζεται με το πρόσημο πλην (-), ενώ αν το εργαλείο κινείται κατά την αντίθετη κατεύθυνση, τότε αυτή προγραμματίζεται με το πρόσημο συν (+). Η κίνηση του τραπεζιού από τα αριστερά προς τα δεξιά είναι (+). Η αντίθετη κίνηση του τραπεζιού είναι (-)*. Αριθμητικός έλεγχος με υπολογιστή (Computer numerical control – CNC). Αυτές οι μηχανές μπορούν να προγραμματιστούν απευθείας με ένα τηλέτυπο, μέσω ταινίας, ή με έναν ηλεκτρονικό υπολογιστή. Σε αντίθεση με τις μηχανές NC, το σήμα τροφοδοτείται στον υπολογιστή, ο οποίος ουσιαστικά χειρίζεται τη μηχανή.

* Αυτά είναι συστήματα που αντιστρέφουν τις +/- z-κινήσεις του άξονα.

Κεφάλαιο 2 “Συστήματα CAD/CAM”

- 16 -

ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2

ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ CAD/CAM 2.1 Γενικά για το CAD

Ο όρος CAD προέρχεται από τις λέξεις Computer Aided Design, που σημαίνει σχεδίαση με τη βοήθεια ηλεκτρονικού υπολογιστή. Το CAD χρησιμοποιείται για το σχεδιασμό, την ανάπτυξη και τη βελτιστοποίηση των προϊόντων, τα οποία μπορεί να είναι τελικά προϊόντα που καταλήγουν στην αγορά είτε ενδιάμεσα προϊόντα που χρησιμοποιούνται στην παραγωγή άλλων προϊόντων. Το CAD χρησιμοποιείται εκτενώς στο σχεδιασμό εργαλείων και μηχανημάτων, που χρησιμοποιούνται στην κατασκευή, καθώς και στο σχεδιασμό και την αναπαράσταση όλων των τύπων κτιρίων, από μικρές κατοικίες (σπίτια) μέχρι μεγάλες εμπορικές εγκαταστάσεις και εργοστάσια ή νοσοκομεία.

Το CAD χρησιμοποιείται κυρίως από τους μηχανικούς για λεπτομερή αναπαράσταση τρισδιάστατων (3D) μοντέλων και/ή δισδιάστατων (2D) σχεδίων φυσικών προϊόντων. Επίσης, χρησιμοποιείται σε μια σειρά μηχανολογικών διεργασιών, από το θεμελιώδη σχεδιασμό ενός προϊόντος, με αναλύσεις αντοχής και δυναμικές αναλύσεις της κατασκευής, μέχρι τον ορισμό των κατασκευαστικών μεθόδων που πρόκειται να χρησιμοποιηθούν για την κατασκευή του προϊόντος αυτού. Τα συστήματα CAD, μαζί με πολλές άλλες τεχνολογίες βοηθούμενες από Η/Υ, αποτελούν μια πολύ σημαντική τεχνολογία, η οποία προσφέρει πολλά οφέλη στον κατασκευαστικό τομέα, όσον αφορά στο χαμηλό κόστος ανάπτυξης ενός νέου προϊόντος και στην ελαχιστοποίηση του κύκλου σχεδίασής του.

Το CAD χρησιμοποιείται σε πολλά πεδία, όπως: • Η βιομηχανία αρχιτεκτονικής, μηχανικής και κατασκευής

o Αρχιτεκτονική o Κατασκευή κτιρίων και υποδομών o Κατασκευή δρόμων και εθνικών οδών o Κατασκευή σιδηροδρόμων και τούνελ o Παροχή νερού και υδραυλικά συστήματα, κ.ά.

• Στη μηχανολογία o Αυτοκινητοβιομηχανία o Αεροδιαστημική o Παραγωγή καταναλωτικών αγαθών o Μηχανολογικός εξοπλισμός o Ναυπηγική o Εμβιομηχανικά συστήματα

• Στο σχεδιασμό ηλεκτρονικού αυτοματισμού o Ηλεκτρικά και ηλεκτρονικά o Σχεδιασμό ψηφιακών κυκλωμάτων

• Στο σχεδιασμό κατασκευαστικών διεργασιών • Στο βιομηχανικό σχεδιασμό, κ.ά.


- 17 -

2.2 Γενικά για το CAM

Ο όρος CAM προέρχεται από τις λέξεις Computer Aided Manufacturing. Το CAM είναι η χρήση μιας μεγάλης ποικιλίας εργαλείων μέσω ηλεκτρονικού υπολογιστή, που βοηθούν τους μηχανικούς και τους CNC μηχανικούς στην κατασκευή ή προτυποποίηση προϊόντων.

Παραδοσιακά, το CAM θεωρείται ως ένα εργαλείο προγραμματισμού αριθμητικού ελέγχου (NC programming), στο οποίο χρησιμοποιούνται τα τρισδιάστατα μοντέλα των προϊόντων που δημιουργούνται σε συστήματα CAD, με σκοπό την ανάπτυξη του CNC κώδικα για την καθοδήγηση των CNC εργαλειομηχανών. Παρόλο που η αρχική λειτουργία του CAM παραμένει, σήμερα οι λειτουργίες του CAM έχουν διευρυνθεί, έτσι ώστε να μπορεί να συνεργαστεί και με άλλα συστήματα CAD/CAM/CAE. 2.3 Ιστορική αναδρομή για τα συστήματα CAD/CAM

Οι υπολογιστές έκαναν την πρώτη εμφάνισή τους κατά τη διάρκεια της δεκαετίας 1940. Οι πρώτες επινοήσεις ήταν ογκώδεις, παρουσίαζαν λειτουργικές δυσκολίες κατά τη χρήση τους και εκτελούσαν υπολογισμούς σχετικά αργά, σε σύγκριση με τους σύγχρονους ψηφιακούς υπολογιστές. Οι σημερινοί υπολογιστές είναι πιο συμπαγείς, πιο γρήγοροι και πιο οικονομικοί από τους προκατόχους τους.

Οι περιοχές εφαρμογών των υπολογιστών έχουν επίσης αυξηθεί ραγδαία. Οι υπολογιστές χρησιμοποιούνται ευρέως στη Μηχανολογία, στις Επιχειρήσεις, στην Εκπαίδευση και στην Ιατρική. Εντούτοις, η πιο θεαματική ανάπτυξή τους έχει γίνει στον τομέα του CAD/CAM – Computer Aided Design και Computer Aided Manufacture. Αυτή η νέα τεχνολογία, που έκανε την εμφάνισή της περίπου την τελευταία δεκαετία, έχει συμβάλλει στην τεράστια ανάπτυξη της παραγωγικότητας. Η υψηλότερη παραγωγικότητα αποτελεί το πρωταρχικό κίνητρο των χρηστών για να αποκτήσουν ένα σύστημα CAD/CAM. Το CAD/CAM παρέχει την ενοποίηση των λειτουργιών σχεδιασμού, ανάλυσης και κατασκευής σε ένα σύστημα, το οποία είναι διαθέσιμο στο χρήστη κάθε στιγμή. Επιπλέον, άλλες μονότονες (αλλά σημαντικές) και εργασίες ρουτίνας, όπως η προετοιμασία του κόστους των υλικών, η κοστολόγηση, ο προγραμματισμός παραγωγής κ.ά. μπορούν να γίνουν αυτόματα με χρήση του ίδιου δικτύου υπολογιστών. Ένα άλλο όφελος της χρήσης των υπολογιστών είναι η εξοικονόμηση χρόνου από τη σχεδιαστική σκέψη μέχρι την κατασκευή. Το κόστος παραγωγής προϊόντων μπορεί επίσης να μειωθεί σημαντικά, καθώς η ανάλυση με τη βοήθεια πεπερασμένων στοιχείων μπορεί να συνδεθεί με το σχεδιασμό, με αποτέλεσμα το βέλτιστο σχεδιασμό σε πολύ μικρό χρονικό διάστημα.

Κάνοντας μια ιστορική αναδρομή στα συστήματα CAD/CAM μπορούμε να πούμε ότι το CAD/CAM πέρασε από τέσσερις βασικές φάσεις ανάπτυξης στις προηγούμενες 4 δεκαετίες. Η πρώτη φάση καταγράφεται στη δεκαετία του 1950 και μπορεί να χαρακτηριστεί σαν η αρχή των γραφικών με τη βοήθεια υπολογιστή. Στο ΜΙΤ έγινε δυνατό να συνδεθεί οθόνη τηλεόρασης με υπολογιστή για την παραγωγή απλών εικόνων με έναν υπολογιστή στα 1950. Στο δεύτερο μισό της δεκαετίας του 1950 ανακαλύφθηκε και


- 18 -

χρησιμοποιήθηκε η φωτεινή πένα, καθώς επίσης και η ΑΡΤ, η οποία είναι γλώσσα αυτόματου προγραμματισμού εργαλείων. Η δεκαετία του 1960 αντιπροσωπεύει την πιο κρίσιμη περίοδο ερευνών για τα γραφικά με τη βοήθεια υπολογιστή. Το γεγονός ότι οι υπολογιστές βγήκαν έξω από τα ερευνητικά εργαστήρια και χρησιμοποιήθηκαν από βιομηχανίες και ερευνητές έδωσε μεγάλη ανάπτυξη στο computer graphics αυτή τη δεκαετία. Το 1962 ο Ivan Sutherland παρουσίασε το σύστημα Sketchpad στη διδακτορική του διατριβή. Το σύστημα αυτό αποτέλεσε ένα σταθμό στην εξέλιξη του CAD, αποδεικνύοντας ότι είναι δυνατόν να δημιουργηθούν σχέδια και διορθώσεις αυτών των σχεδίων σε πραγματικό χρόνο μπροστά σε μια οθόνη υπολογιστή. Ο όρος Computer Aided Design ή CAD άρχισε να εμφανίζεται την εποχή αυτή. Στα τέλη της δεκαετίας του 1960 παρουσιάζονται στην αγορά οθόνες, οι οποίες έχουν τη δυνατότητα γραφικών.

Κατά τη διάρκεια της δεκαετίας του 1970 αρχίζουν να αποδίδουν οι ερευνητικές προσπάθειες της δεκαετίας του ’60 στη βιομηχανία, τις υπηρεσίες και στην ακαδημαϊκό πανεπιστημιακό χώρο. Διοικήσεις σε διάφορες υπηρεσίες και βιομηχανίες αρχίζουν να συνειδητοποιούν την επίδραση της νέας CAD/CAM τεχνολογίας πάνω στη βελτίωση της παραγωγικότητας των υπηρεσιών και των εργασιών κατασκευής στα τέλη του ’70. Μέχρι τότε, οι μηχανικοί χρησιμοποιούσαν την τεχνολογία αυτή αποκλειστικά για σχεδιαστικού σκοπούς. Αρχίζουν να απαιτούνται από τους κατασκευαστές περισσότερες σχεδιαστικές και κατασκευαστικές εφαρμογές με τη βοήθεια των υπολογιστών. Επομένως η δεκαετία του 1980 μπορεί να χαρακτηριστεί ως δεκαετία της έρευνας των εφαρμογών του CAD/CAM. Νέες θεωρίες και αλγόριθμοι βρίσκονται. Ο κύριος σκοπός για τη δεκαετία αυτή είναι η ολοκλήρωση ή/και η αυτοματοποίηση διαφόρων στοιχείων του σχεδιασμού και της κατασκευής. Νέες απαιτήσεις για μηχανολογικές ή γενικά για εφαρμογές μηχανικών παρουσιάζονται. Ακριβείς μέθοδοι αναπαραστάσεων επιφανειών αναπτύσσονται, βασιζόμενες στους Coons, Bezier και Gordon, καθώς επίσης και B-spline επιφάνειες. Οι δυνατότητες υπολογισμού των ιδιοτήτων μάζας, ο αριθμητικός έλεγχος των εργαλειομηχανών και οι εφαρμογές πεπερασμένων στοιχείων, οι οποίες υπήρχαν εδώ και δεκαετίες, βελτιώνονται. Η ανάπτυξη των CAD/CAM συστημάτων έδωσαν ώθηση σε άλλες εφαρμογές, όπως μηχανισμοί, ανάλυση και εξομοίωση ρομποτικών μηχανισμών, κτλ.

Μια άλλη σημαντική συνεισφορά είναι αρχικά η αποδοχή και η ανάπτυξη της θεωρίας της στερεάς αναπαράστασης. Το κύριο πλεονέκτημα της στερεάς αναπαράστασης βρίσκεται στο γεγονός ότι δίνει μοναδικές και άνευ σύγχυσης γεωμετρικές αναπαραστάσεις στερεών, που με τη σειρά τους υποστηρίζουν το σχεδιασμό και τις κατασκευαστικές εφαρμογές.

Μιλώντας για τη δεκαετία του 1990, θα μπορούσε να πει κανείς ότι η δεκαετία αυτή ήταν η δεκαετία της ολοκληρωμένης παραγωγής και του αυτοματοποιημένου σχεδιασμού. 2.4 CAD/CAM και εξοπλισμός

Τα συστήματα CAD/CAM γενικά έχουν τη δυνατότητα γρήγορης επεξεργασίας των γραφικών δεδομένων και άμεσης αναπαράστασής τους στην οθόνη του συστήματος.


- 19 -

Κάθε σύστημα CAD/CAM αποτελείται από hardware, όπως η κεντρική μονάδα επεξεργασίας (CPU), οι μονάδες αποθήκευσης, οι οθόνες κτλ. και από software, που είναι ο εγκέφαλος πίσω το σύστημα. Μερικές φορές είναι δύσκολο να γίνει διαχωρισμός μεταξύ αυτών των δύο, κυρίως όταν το hardware είναι ενσωματωμένο στο κατάλληλο software, το οποίο συνήθως καλείται “firmware” (σταθερό τμήμα λογισμικού Η/Υ). Μια τυπική διαμόρφωση ενός συστήματος CAD/CAM φαίνεται στο Σχήμα 1.2. Η καρδιά του συστήματος είναι η κεντρική μονάδα επεξεργασίας (ή ο υπολογιστής), η οποία συντονίζει όλες τις λειτουργίες μέσα στο CAD/CAM σύστημα. Ο χρήστης αλληλεπιδρά με το σύστημα μέσω του σταθμού εργασίας. Ένας τυπικός σταθμός εργασίας φαίνεται στο Σχήμα 1.3. Αυτός αποτελείται από μια οθόνη (ή δύο στη συγκεκριμένη περίπτωση), η οποία παρέχει οπτική έξοδο του συστήματος στο χρήστη. Ο χρήστης μπορεί να επικοινωνήσει με το σύστημα μέσω του πληκτρολογίου ή του πινακίου (με μενού) όπως δίνεται στο Σχήμα 1.4. Ο σταθμός εργασίας με δύο οθόνες έχει πολλά πλεονεκτήματα. Μπορεί να χρησιμοποιηθεί για την παρακολούθηση του προϊόντος κατά το σχεδιασμό του από δύο διαφορετικές οπτικές γωνίες. Η εντολή εστίασης μπορεί να χρησιμοποιηθεί για την εστίαση μιας συγκεκριμένης περιοχής του προϊόντος για πιο λεπτομερή απεικόνιση, ενώ στην άλλη οθόνη μπορεί να φαίνεται ολόκληρο το προϊόν. Και στις δύο οθόνες μπορεί να εισαχθεί κείμενο. Οι σταθμοί εργασίας (Σχήμα 1.5) είναι έξυπνοι, αφού μπορούν να κάνουν χρήσιμες τοπικές λειτουργίες, όπως εστίαση, περιστροφή, κτλ. χωρίς να απασχολούν τον επεξεργαστή για τις λειτουργίες αυτές. Η τρέχουσα τάση είναι η αύξηση της ισχύος του σταθμού εργασίας, ελευθερώνοντας την CPU για άλλες πιο απαιτητικές εργασίες. Πολλά συστήματα CAD/CAM έχουν μενού εντολών σε πινάκιο ή σε ψηφιακό πίνακα. Τα μενού μπορούν να εναλλάσσονται, ανάλογα με την εκάστοτε εφαρμογή. Μερικά συστήματα CAD/CAM χρησιμοποιούν κουμπιά στο μενού για την επιλογή εντολών. Ένα τυπικό μενού που χρησιμοποιείται στα συστήματα CAD/CAM φαίνεται στο Σχήμα 1.6.

Η διαφορά ενός συστήματος CAD/CAM από ένα τυπικό σύστημα υπολογιστή εντοπίζεται, από άποψη μηχανημάτων (hardware), γενικά στις εξειδικευμένες συσκευές που απαιτούνται από ένα CAD/CAM σύστημα για την είσοδο, τη γρήγορη επεξεργασία και την έξοδο των γραφικών δεδομένων. Οι συσκευές εισόδου μπορεί να περιλαμβάνουν αλφαριθμητικά πληκτρολόγια, πληκτρολόγια με προγραμματισμένες λειτουργίες γραφικών, ψηφιοποιητές, φωτεινές πένες, ποντίκια, συσκευές ευαίσθητες σε επαφή. Οι συσκευές εξόδου περιλαμβάνουν τόσο τους γνωστούς όσο και εξειδικευμένους σχεδιογράφους και εκτυπωτές, αλλά η πιο σημαντική συσκευή είναι η οθόνη γραφικών.

Το CAD/CAM και η Ανάλυση χρησιμοποιούνται καλύτερα σε ένα κοινό γραφικό περιβάλλον για να παρέχουν λύσεις σε μηχανολογικά προβλήματα όπως φαίνεται στο Σχήμα 1.1. Η γεωμετρία και η θέση του εξαρτήματος και άλλες παράμετροι, όπως οι ιδιότητες των υλικών, αποθηκεύονται σε μια βάση δεδομένων, στην οποία έχουν πρόσβαση όλες οι λειτουργίες. Η ανάλυση, όπως για παράδειγμα οι μέθοδοι πεπερασμένων στοιχείων, οι μέθοδοι upper bound και η slab ανάλυση γίνονται στην αρχική γεωμετρία του προϊόντος. Τα αποτελέσματα, τα οποία συνήθως απεικονίζονται με χρώματα, αλλάζουν, είτε αυτόματα είτε με την


- 20 -

παρέμβαση του χρήστη, τις σχεδιαστικές παραμέτρους, με σκοπό την ικανοποίηση διαφόρων σχεδιαστικών κριτηρίων. Η διαδικασία αυτή επαναλαμβάνεται μέχρι την απόκτηση της βέλτιστης λύσης. Στη συνέχεια, εκτελούνται οι κατασκευαστικές και άλλες παρόμοιες λειτουργίες με αυτόματο τρόπο ή με την παρέμβαση του χρήστη. 2.5 Αναλυτική περιγραφή των συστημάτων CAD/CAM

Ο σχεδιασμός και η κατασκευή καλουπιών για τη διαμόρφωση μετάλλων έχουν μια βιομηχανική ιστορία που εκτείνεται σε περισσότερες από μερικές δεκαετίες. Κατά τη διάρκεια των τελευταίων 25 χρόνων, ως αποτέλεσμα της θεαματικής τεχνολογικής προόδου, η οικονομική σημασία των διεργασιών μεταλλικής διαμόρφωσης, μαζί με το σχεδιασμό και την κατασκευή των καλουπιών έχει αυξηθεί σημαντικά. Επιπλέον, ο υπολογιστής είναι το κλειδί για την ενοποίηση των λειτουργιών του σχεδιασμού, της ανάλυσης και της κατεργασίας. Το CAD/CAM βρίσκει ένα εύρος εφαρμογών σε όλους τους τομείς της μηχανολογίας, του σχεδιασμού και της κατασκευής. Τα συστήματα αυτά κατέχουν πρωταρχική θέση σε πολλές γραμμές παραγωγής. Για το λόγο αυτό, κρίνεται απαραίτητη η αναφορά στη διαδικασία παραγωγής ενός προϊόντος, από τη σύλληψη της ιδέας μέχρι την τελική κατασκευή του.

Ο κύκλος παραγωγής ενός προϊόντος ξεκινά με τη διαπίστωση μιας ανάγκης στην αγορά. Ο κύκλος αυτός περιλαμβάνει δύο βασικά στάδια, το σχεδιασμό και την κατασκευή του προϊόντος.

Στάδιο σχεδιασμού. Στο σχεδιασμό του προϊόντος συναντάμε δύο βασικές διαδικασίες, τη σύνθεση και την ανάλυση. Η σύνθεση αντιστοιχεί στη φιλοσοφία, τη λειτουργικότητα και τη μοναδικότητα του προϊόντος. Εδώ αξιοποιείται η προϋπάρχουσα γνώση, η κάθε είδους τυποποίηση και συλλαμβάνεται η αρχική ιδέα του σχεδιασμού. Αυτό σημαίνει ότι γίνεται μια πρώτη σχεδίαση και μοντελοποίηση του προϊόντος.

Η διαδικασία της ανάλυσης εμπεριέχει πιο ποσοτικές μεθόδους σχεδιασμού, δηλαδή χρησιμοποιούνται αναλυτικές και υπολογιστικές μέθοδοι για τον προσδιορισμό της συμπεριφοράς και της γενικότερης λειτουργικότητας του προϊόντος. Μια από τις μεθόδους αυτές είναι και η μέθοδος των Πεπερασμένων Στοιχείων (Finite Element Method), όπου πραγματοποιούνται αναλύσεις τάσεων (ή θερμοκρασιών ή πιέσεων) για το βέλτιστο σχεδιασμό του προϊόντος. Ενδεχομένως, η βελτιστοποίηση του σχεδιασμού να αποτελεί ξεχωριστό στάδιο της ανάλυσης.

Στη συνέχεια, αφού έχουν καθοριστεί οι βασικές διαστάσεις του σχεδίου, ακολουθεί η φάση της οικονομικής ανάλυσης. Για το σκοπό αυτό, πρέπει να κατασκευαστούν κάποια πρωτότυπα του προϊόντος. Τα πρωτότυπα αυτά κατασκευάζονται συνήθως σε κάποιον υπολογιστή, καθώς απαιτεί λιγότερο χρόνο και κόστος. Παρόλα αυτά, μπορούν να κατασκευαστούν πρωτότυπα και σε διάφορες μηχανές με την τεχνική της Ταχείας Πρωτυποποίησης (Rapid Prototyping). Η πιο γνωστή από αυτές τις μηχανές είναι η μηχανή Στερεολιθογραφίας (STL), στην οποία διαβάζεται ένα αρχείο που περιέχει τις γεωμετρικές πληροφορίες και κατασκευάζοντας πολλές λεπτές υπερτιθέμενες «φέτες» από ρητίνες, οι οποίες σχηματίζουν τελικά το αντικείμενο. Η ταχεία προτυποποίηση ή κατασκευή ενός πρωτοτύπου του προς κατασκευή αντικειμένου διευκολύνει ακόμη περισσότερο τη διαδικασία κατασκευής, μειώνοντας το κόστος της όλης διαδικασίας και


- 21 -

αποκαλύπτοντας κατασκευαστικά λάθη, που διαφορετικά θα εμφανίζονταν μόνο στον ποιοτικό έλεγχο. Στάδιο κατασκευής. Η κατασκευή του προϊόντος ξεκινά με τον προγραμματισμό των διαφόρων διαδικασιών, όπως είναι ο σχεδιασμός της παραγωγικής διαδικασίας, δηλαδή η κατάλληλη γραμμή παραγωγής που πρέπει να ακολουθηθεί για την ταχύτερη και οικονομικότερη κατασκευή του προϊόντος, ο καθορισμός των εργαλείων που θα χρειαστούν, τα διάφορα υλικά που θα χρειαστούν, καθώς και ο προγραμματισμός των CNC εργαλειομηχανών. Αφού ολοκληρωθεί αυτή η φάση, ακολουθεί η κατασκευή του προϊόντος. Στη συνέχεια, γίνεται ο ποιοτικός έλεγχος για τυχόν κατασκευαστικά λάθη ή ατέλειες του προϊόντος. Τα προϊόντα που θα περάσουν τον ποιοτικό έλεγχο επιτυχώς, προωθούνται στα διάφορα τμήματα συναρμολόγησης, συσκευασίας και τέλος αποστέλλονται στην αγορά.

Στα παραπάνω στάδια της παραγωγικής διαδικασίας εφαρμόζονται τα συστήματα CAD/CAM. Επομένως, CAD/CAM είναι οι διαδικασίες σχεδιασμού και κατασκευής αντίστοιχα ενός προϊόντος ή αντικειμένου γενικότερα, που διεξάγονται με τη βοήθεια ηλεκτρονικού υπολογιστή. Προκειμένου, λοιπόν, να γίνει ο σχεδιασμός και η κατασκευή ενός αντικειμένου με τη βοήθεια συστημάτων CAD/CAM, ακολουθείται η εξής ιεραρχία διαδικασιών:

1. Αφού έχει ολοκληρωθεί η φάση του καθορισμού των επιθυμητών διαστάσεων του αντικειμένου, σειρά έχει ο σχεδιασμός του. Ο σχεδιασμός γίνεται σε συστήματα CAD, με τη βοήθεια υπολογιστή και των κατάλληλων υπολογιστικών πακέτων που κυκλοφορούν στην αγορά. Το σχέδιο που δημιουργείται περιλαμβάνει όλες τις απαραίτητες πληροφορίες και λεπτομέρειες.

2. Στη συνέχεια, ακολουθεί η διαδικασία του CAM. Επιλέγεται ένα λογισμικό που να υποστηρίζει εφαρμογές CAM (σε περίπτωση που το ίδιο το σχεδιαστικό πακέτο δεν περιλαμβάνει CAM) και δίνονται σ’ αυτό ορισμένες πληροφορίες σχετικά με την κατεργασία που πρόκειται να γίνει. Οι πληροφορίες αυτές ποικίλουν και μπορεί να είναι το είδος του κοπτικού εργαλείου που θα χρησιμοποιηθεί (επίπεδου ή σφαιρικού άκρου), αν θα υπάρχει ψυκτικό κατά τη διάρκεια της κατεργασίας, αν θα χρησιμοποιηθεί αντιστάθμιση ή όχι, το είδος και η φορά της κίνησης του εργαλείου, η ταχύτητα περιστροφής του εργαλείου, η πρόωση, και πολλές άλλες. Στη συνέχεια, το πρόγραμμα συνδυάζει όλες αυτές τις πληροφορίες που δίνει ο χρήστης και, με τις κατάλληλες εντολές, αναπτύσσεται ένα αρχείο, το οποίο περιέχει τη διαδρομή του κοπτικού εργαλείου.

3. Το αρχείο που δημιουργείται είναι γραμμένο σε γλώσσα, η οποία είναι κατανοητή μόνο από τον υπολογιστή. Αυτό σημαίνει ότι δεν μπορεί να «διαβαστεί» από το κοντρόλ της εργαλειομηχανής. Ο λόγος για τον οποίο συμβαίνει αυτό είναι ότι στην αγορά κυκλοφορούν πολλά και διαφορετικά κοντρόλ εργαλειομηχανών. Παρόλο που η γενική μορφή των προγραμμάτων κοπής είναι η ίδια, εντούτοις υπάρχουν κάποιες λεπτομέρειες που διαφέρουν. Προκειμένου, λοιπόν, να «μεταφραστεί» το αρχείο με τη διαδρομή του εργαλείου σε κώδικα G, M πρέπει να χρησιμοποιηθεί ο κατάλληλος κωδικοποιητής (post processor). Σε κάθε κοντρόλ εργαλειομηχανής αντιστοιχεί και ένας κωδικοποιητής. Έτσι, όταν αγοράζουμε ένα λογισμικό CAM, θα πρέπει να προσδιορίσουμε το είδος του κοντρόλ που έχει η εργαλειομηχανή μας (φρέζα ή τόρνος), ώστε να


- 22 -

κατασκευαστεί και ο αντίστοιχος κωδικοποιητής για τη μηχανή αυτή. Άρα, το αρχείο που δημιουργείται, πρέπει να επεξεργαστεί από τον κωδικοποιητή και να δημιουργηθεί ένα νέο αρχείο, το οποίο θα μπορεί να περάσει στη μνήμη της εργαλειομηχανής.

4. Στο σημείο αυτό έχει δημιουργηθεί ένα αρχείο στον υπολογιστή, που περιέχει το πρόγραμμα κοπής για την κατεργασία που θα γίνει. Τώρα, θα πρέπει να «περαστεί» το αρχείο αυτό στην εργαλειομηχανή. Για να γίνει αυτό, πρέπει να υπάρχει κάποιου είδους επικοινωνία ανάμεσα στο υπολογιστή και την εργαλειομηχανή. Η αποστολή του τελικού στην εργαλειομηχανή μπορεί να γίνει με τρεις διαφορετικούς τρόπους:

a. Γράφοντας τον κώδικα με το χέρι στον editor της εργαλειομηχανής.

b. Περνώντας το αρχείο στην εργαλειομηχανή με τη βοήθεια κασέτας.

c. Περνώντας το αρχείο στην εργαλειομηχανή με δισκέτα, αφού έχει συνδεθεί ένας υπολογιστής σειριακά με το control της μηχανής.

Η πρώτη περίπτωση είναι χρονικά ασύμφορη, αφού δεν θα είναι σε θέση ο προγραμματιστής να αντιγράψει ένα μεγάλο αριθμό μπλοκ. Στην τρίτη περίπτωση, απαιτείται να υπάρχει κάποιο πρωτόκολλο επικοινωνίας του υπολογιστή με το control της μηχανής. Αυτό δεν είναι τίποτε άλλο, από έναν τρόπο με τον οποίο να μπορεί η μηχανή να καταλάβει το αρχείο, ένας τρόπος, δηλαδή, επικοινωνίας μεταξύ των δύο μηχανημάτων.

5. Αφού σταλεί το αρχείο με το πρόγραμμα κοπής στην εργαλειομηχανή, μπορούν να γίνουν εκεί κάποιες αλλαγές, αν χρειάζεται, και στη συνέχεια μπορεί να εκτελεστεί το πρόγραμμα και να αρχίσει η κατεργασία του κομματιού.

Έτσι, ολοκληρώνεται ο σχεδιασμός και η κατασκευή ενός προϊόντος, με τη

βοήθεια συστημάτων CAD/CAM.

Κεφάλαιο 4 “Αρχές λειτουργίας των συστημάτων CAD/CAM”

- 25 -

ΚΕΦΑΛΑΙΟ 4

ΑΡΧΕΣ ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΑΣ ΤΩΝ ΣΥΣΤΗΜΑΤΩΝ CAD/CAM 4.1 Εισαγωγή

Οι εφαρμογές γραφικών στον υπολογιστή για το CAD/CAM περιλαμβάνουν την απεικόνιση δισδιάστατων και τρισδιάστατων αντικειμένων. Για παράδειγμα, ο χρήστης μπορεί να σχεδιάσει άμεσα ένα σχέδιο και μετά να το εμφανίσει στην οθόνη. Ο χρήστης μπορεί να περιστρέψει ή να εστιάσει στο σχέδιο, για να κατανοήσει καλύτερα στην τρισδιάστατη γεωμετρία του σχεδίου. Τέλος, ο χρήστης μπορεί να επιθυμεί να δει το αντικείμενο σε προοπτική όψη, με κρυμμένες γραμμές ή με διάφορα χρώματα και σκιάσεις. Οι εικόνες που χρησιμοποιούνται σήμερα στο σχεδιασμό και την κατασκευή προσφέρουν αρκετό ρεαλισμό, ώστε ο χρήστης να μπορεί να εκτιμήσει όσο το δυνατόν καλύτερα το σχέδιο – στα πλαίσια της γενικής του λειτουργικότητας καθώς και της ικανοποίησης διαφόρων κριτηρίων για βέλτιστο σχεδιασμό και κατασκευή.

Προκειμένου να αναπαρασταθούν ρεαλιστικές εικόνες των πολύπλοκων τρισδιάστατων γεωμετριών, πρέπει να αναπτυχθούν ειδικές τεχνικές. Η γεωμετρία ενός σχεδίου μπορεί να προσεγγιστεί με μια σειρά επίπεδων πολυέδρων με ευθείες ακμές. Εντούτοις, μια τέτοιου είδους αναπαράσταση μπορεί να περιλαμβάνει εκατοντάδες ή χιλιάδες επίπεδα και κορυφές και, προφανώς, είναι πολύ δύσκολο να δημιουργηθούν και να επεξεργαστούν. Επομένως, είναι απαραίτητη η αναπαράσταση των επιφανειών με μια σειρά από καμπυλωμένες επιφάνειες με καμπύλες κορυφές. Άσχετα με τη μέθοδο που χρησιμοποιείται για την αναπαράσταση πολύπλοκων επιφανειών, η γεωμετρία θα πρέπει να μοντελοποιηθεί με μια μαθηματική μορφή κατάλληλη για εφαρμογή στον υπολογιστή.

Το σύστημα μοντελοποίησης θα πρέπει να υποστηρίζει μια ομάδα σχημάτων που να ταιριάζουν με τις σχεδιαστικές εφαρμογές. Για το σχεδιασμό της πλειοψηφίας των μηχανολογικών εξαρτημάτων, επαρκούν επίπεδα πολύεδρα και τμήματα κυλίνδρων. Από την άλλη μεριά, για το σχεδιασμό ενός πολύπλοκου σχεδίου, όπως ένα καλούπι (ή ένα αυτοκίνητο ή το σώμα ενός αεροσκάφους), απαιτείται ένα πιο πολύπλευρο και ευέλικτο σύστημα σχημάτων και τεχνικών, έτσι ώστε να διατηρηθεί η ομαλότητα του σχήματος. 4.2 Χαρακτηριστικά γεωμετρίας καλουπιών

Οι μορφές των κομματιών που φτιάχνονται με καλούπια συνήθως είναι σύνθετης γεωμετρίας, δηλαδή εκτός από γραμμές και καμπύλες με αναλυτική έκφραση, αποτελούνται και από καμπύλες και επιφάνειες χωρίς αναλυτική έκφραση πολυωνυμικού χαρακτήρα. Τα σχεδιαστικά προγράμματα έχουν αναπτύξει τεχνολογίες που μας δίνουν τη δυνατότητα να σχεδιάζουμε τέτοιες καμπύλες και επιφάνειες στο χώρο. Τα διάφορα σχήματα αποτελούνται από καμπύλες και επιφάνειες. Υπάρχουν διάφοροι τρόποι απεικονισμού καμπυλών, όπως οι επιφάνειες Coon, η μέθοδος Bezier, η μέθοδος B-spline κ.ά.


- 26 -

Οι CNC εργαλειομηχανές μπορούν να κινηθούν ευθύγραμμα ή κυκλικά,

δηλαδή μπορούν να κατεργαστούν ευθύγραμμα τμήματα και κυκλικά τόξα. Η κατασκευή ευθύγραμμου τμήματος αναφέρεται ως γραμμική παρεμβολή (G01). Η κατασκευή κυκλικού τόξου αναφέρεται ως κυκλική παρεμβολή (G02, G03). Στην πλειοψηφία τους τα καλούπια περιλαμβάνουν κομμάτια σύνθετης και πολύπλοκης γεωμετρίας και η οποία αποτελείται, εκτός από ευθύγραμμα τμήματα και κυκλικά τόξα, από άλλες παραμετρικές καμπύλες. Όταν φτιάχνουμε τέτοιες καμπύλες χρησιμοποιούμε εργαλεία φρέζας σφαιρικού άκρου, όπου το κέντρο του εργαλείου είναι στο κέντρο του σφαιρικού άκρου. Οι παραμετρικές αυτές καμπύλες δεν μπορούν να κατεργαστούν από το ίδιο κοντρόλ μιας εργαλειομηχανής. Μέσω, όμως, του CAM είναι δυνατή η επίτευξη αυτών των κατεργασιών (εδώ έγκειται η μεγάλη προσφορά αυτών των προγραμμάτων στην κατασκευή καλουπιών) μέσω γραμμικής προσέγγισης των καμπυλών αυτών. Η γραμμική αυτή προσέγγιση περιλαμβάνει διάφορους κανόνες που εξηγούνται παρακάτω.

4.2.1 Διαμήκης Ανοχή (Longitudinal Tolerance)

Κατά τη διάρκεια της κατεργασίας, η κίνηση του κοπτικού εργαλείου είναι ευθύγραμμη μεταξύ διακριτών σημείων που βρίσκονται κατά μήκος της διαδρομής του εργαλείου. Αυτό έχει ως αποτέλεσμα η επιφάνεια κοπής να αποκλίνει από την επιθυμητή τελική επιφάνεια (Σχ. 12).

Για τις ακρίβειες που απαιτούνται κυρίως στην κατασκευή καλουπιών, είναι αρκετό να αξιολογηθεί η απόκλιση μεταξύ δύο επιφανειών, στο μέσον του κάθε τμήματος. Αυτό γίνεται για κάθε τμήμα κατά μήκος της κάθε διαδρομής του εργαλείου. Η μέγιστη τιμή της διαμήκους ανοχής, Lt, καθορίζεται και συγκρίνεται κάθε φορά με την αντίστοιχη τιμή που έχει ορίσει ο χρήστης. Ο αριθμός των κόμβων προσαρμόζεται μέχρι η μέγιστη τιμή του Lt να είναι μικρότερη από την καθορισμένη ανοχή. Κατά την κατεργασία του ξεχονδρίσματος, χρησιμοποιούμε σχετικά μεγάλο tolerance (π.χ. 2-3 mm), για να είναι γρήγορο το ξεχόνδρισμα (μικρός χρόνος κατεργασίας) και μικρό το μέγεθος του προγράμματος. Ενώ, για την κατεργασία του φινιρίσματος, επειδή θέλουμε καλύτερη ποιότητα της επιφάνειας και καλύτερη προσέγγιση της επιθυμητής γεωμετρίας, λαμβάνουμε τον όρο αυτό σχετικά μικρό (δέκατο του χιλιοστού, π.χ. 0.1-0.2 mm). 4.2.2 Scallop Tolerance

Κατά τα διάρκεια της κατεργασίας, το κοπτικό εργαλείο απαιτείται να διασχίσει εγκάρσια το κομμάτι κατά μήκος του z άξονα, πραγματοποιώντας πολλά πάσα κατά μήκος μιας προκαθορισμένης διαδρομής. Η τραχύτητα αυτών των πάσων ελέγχεται από το αποδεκτό ύψος St ανάμεσα σε δύο συνεχόμενες κοπτικές διαδρομές. Αυτό φαίνεται στο Σχ. 13. Είναι φανερό ότι είναι καλύτερο να έχουμε μικρή τιμή του St, προκειμένου να γίνουν κατεργασίες φινιρίσματος. Αντίθετα, για κατεργασίες ξεχονδρίσματος, η τιμή αυτή μπορεί να είναι πιο μεγάλη, καθώς εδώ μας ενδιαφέρει περισσότερο η γρήγορη κατεργασία. Όσο πιο μικρό είναι το St, τόσο πιο μεγάλος είναι ο αριθμός των πάσων που απαιτούνται να γίνουν. Ένας τρόπος για να αποφευχθεί αυτό το πρόβλημα θα ήταν να χρησιμοποιηθεί


- 27 -

ένα κοπτικό εργαλείο μεγαλύτερης διαμέτρου. Παρόλα αυτά, η γεωμετρία του προϊόντος συχνά περιορίζει το μέγεθος του εργαλείου. Είναι δυνατόν να προσδιοριστεί μια απλή γεωμετρική σχέση ανάμεσα στο St και σε διάφορες άλλες παραμέτρους:

⎥⎦

⎤⎢⎣

⎡+⋅++++

=)()(

)2()(21cos

2

rRSRrRRSR

t

tβ (1)

Με δεδομένες τις τιμές των μεταβλητών R, r και St, μπορεί να

υπολογιστεί, μέσω της εξίσωσης (1), η τιμή της γωνίας β και, κατά συνέπεια, ο αριθμός των πασών που απαιτούνται. Μπορεί, όμως, η τιμή της γωνίας β που θα προκύψει από τη λύση της (1) να μην δίνει τελικά ακέραιο αριθμό για τα απαιτούμενα πάσα. Τότε, το αποτέλεσμα στρογγυλοποιείται στον αμέσως επόμενο ακέραιο αριθμό. Γνωρίζοντας την περιλαμβανόμενη γωνία και τον αριθμό των πασών, μπορεί να υπολογιστεί μια νέα τιμή της γωνίας β. Μετά, η εξίσωση (2) λύνεται ως προς τη νέα τιμή του St, που αποτελεί την απόσταση scallop που θα δημιουργηθεί πάνω στο κομμάτι. Η λύση της εξίσωσης (2), που είναι 2ου βαθμού, γίνεται καλύτερα χρησιμοποιώντας τη μέθοδο Newton, αφού δίνει καλύτερη προσέγγιση στη ρίζα του St.

β

βπου

cos)(2)2([cos)([2:

0

2

2

rRRrRRRBrRRAό

BASS tt

+−++=

+−==++

4.2.3 Cutter Offset

Κατά την κατεργασία με ένα κοπτικό εργαλείο σφαιρικού άκρου, κόβει το άκρο της σφαίρας όπου βρίσκονται και οι κοπτικές ακμές. Άρα, αυτές οι κοπτικές ακμές δημιουργούν την επιθυμητή επιφάνεια, βάσει του σχεδίου. Το κοπτικό εργαλείο θα πρέπει να είναι αντισταθμισμένο με ακρίβεια από την τελική επιφάνεια που προκύπτει από τις απαιτήσεις της ανοχής (Σχ. 14). Επειδή όμως η εργαλειομηχανή πρέπει να αναφέρεται στο κέντρο της σφαίρας, που είναι και το κέντρο του εργαλείου, το πρόγραμμα CAM πρέπει να υπολογίσει, για την κατεργασία της επιφάνειας, μια διαδρομή κέντρου εργαλείου, μετατεθειμένη κατά την ακτίνα του εργαλείου, εσωτερικά ή εξωτερικά της επιφάνειας (ανάλογα αν έχουμε επιφάνεια με τα κοίλα προς τα μέσα ή προς τα έξω αντίστοιχα).

Κεφάλαιο 5 “Εφαρμογές και Παραδείγματα”

- 28 -

ΚΕΦΑΛΑΙΟ 5

ΕΦΑΡΜΟΓΕΣ ΚΑΙ ΠΑΡΑΔΕΙΓΜΑΤΑ Στο κεφάλαιο αυτό αναφέρονται ορισμένα παραδείγματα εφαρμογής των συστημάτων CAD/CAM στο σχεδιασμό και την κατασκευή διαφόρων καλουπιών και εξαρτημάτων. 5.1 ΠΑΡΑΔΕΙΓΜΑ 1

Σε αυτό το παράδειγμα παρουσιάζεται ένα καλούπι φυσητής έγχυσης (blow molding) για την παραγωγή πλαστικού δοχείου. Για την κατασκευή του καλουπιού αυτού έχει ακολουθηθεί όλη η διαδικασία που περιγράφηκε στο κεφάλαιο 4, χρησιμοποιώντας συστήματα CAD/CAM. Αρχικά, στο στάδιο του σχεδιασμού, αφού καθορίστηκαν οι επιθυμητές διαστάσεις του καλουπιού, χρησιμοποιήθηκε ένα σχεδιαστικό πακέτο, που υποστηρίζει και CAM, προκειμένου να σχεδιαστεί το καλούπι. Τα σχέδια του καλουπιού φαίνονται στα παρακάτω σχήματα.

Σχήμα 5.1. Κατασκευαστικά σχέδια του επάνω τμήματος του καλουπιού.


- 29 -

Σχήμα 5.2. Κατασκευαστικά σχέδια του κυρίως τμήματος του καλουπιού.

Σχήμα 5.3. Κατασκευαστικά σχέδια επιμέρους τμημάτων του καλουπιού.


- 30 -

Σχήμα 5.4. Σχέδιο ολόκληρου του καλουπιού, όταν αυτό είναι κλειστό.

Σχήμα 5.5. Προοπτικό σχέδιο του καλουπιού, όπως προκύπτει από το αντίστοιχο πακέτο

CAD


- 31 -

Σχήμα 5.6. Ρεαλιστικά σχέδια ολόκληρου του καλουπιού. Φαίνονται τα δύο μισά του καλουπιού, με τους αντίστοιχους πείρους, για το ακριβές κλείσιμο του καλουπιού.

Σχήμα 5.7. Ρεαλιστική εικόνα του καλουπιού, όταν είναι κλειστό, ενώ διακρίνονται οι

εσωτερικοί πείροι.


- 32 -

Σχήμα 5.8. Το μισό τμήμα του καλουπιού.

Σχήμα 5.9. Το προϊόν που προκύπτει από αυτό το καλούπι blow molding


- 33 -

5.2 ΠΑΡΑΔΕΙΓΜΑ 2

Για τη μαζική παραγωγή πολύπλοκων εξαρτημάτων συνήθως χρησιμοποιείται η χύτευση ακριβείας ή «μέθοδος του χαμένου κεριού». Η κατασκευή καλουπιών για χύτευση ακριβείας συνίσταται σε δύο φάσεις: τη φάση του σχεδιασμού και τη φάση της κατασκευής. Η κατασκευή του καλουπιού γίνεται με εργαλειομηχανές CNC με τη χρήση συστημάτων CAM. Στο παρόν παράδειγμα αναλύεται η διαδικασία σχεδιασμού και κατασκευής του καλουπιού ενός ακροδέκτη των καλωδίων υψηλής τάσης της ΔΕΗ. Σχηματικά ο ακροδέκτης φαίνεται στα παρακάτω σχήματα 5.10 και 5.11, όπου παρατίθονται τα σχέδια πρόσοψης και πλάγιας όψης σε τομή.

Σχήμα 5.10. Σχέδιο του ακροδέκτη της ΔΕΗ

Σχήμα 5.11. Κάτοψη και τομή του εξαρτήματος


- 34 -

Αφού ολοκληρωθεί η διαδικασία σχεδιασμού του καλουπιού, ακολουθεί η διαδικασία της εξαγωγής του προγράμματος κοπής, χρησιμοποιώντας συστήματα CAM. Έτσι, οι κατεργασίες που έγιναν στη φρέζα με πρόγραμμα κοπής από CAM είναι:

• Ξεχόνδρισμα κυκλικού μέρους με σφαιρικό εργαλείο διαμέτρου 15 mm.

• Ξεχόνδρισμα κορμού με σφαιρικό εργαλείο διαμέτρου 15 mm. • Ξεχόνδρισμα κυλινδρικού κορμού με κυκλικό μέρος με σφαιρικό

εργαλείο διαμέτρου 15 mm. • Φινίρισμα κυκλικού μέρους με σφαιρικό εργαλείο διαμέτρου 6 mm. • Φινίρισμα κυλινδρικού κορμού με κυκλικό μέρος με σφαιρικό

εργαλείο διαμέτρου 6 mm. • Φινίρισμα κορμού με σφαιρικό εργαλείο διαμέτρου 6 mm.

Για τις κατεργασίες αυτές αναπτύχθηκαν προγράμματα κοπής στο CAM,

μέσω του κατάλληλου κωδικοποιητή. Κατόπιν, τα προγράμματα αυτά στάλθηκαν στη φρέζα μέσω κάποιου προγράμματος επικοινωνίας μεταξύ των δύο υπολογιστών.

Ενδεικτικά, λόγω του μεγάλου μεγέθους του κάθε προγράμματος κοπής, παρατίθεται παρακάτω ένα μέρος του προγράμματος κοπής που προέκυψε από το CAM, που αναφέρεται σε κάθε μία από τις παραπάνω κατεργασίες.

• Ξεχόνδρισμα κυκλικού μέρους με σφαιρικό εργαλείο διαμέτρου 15 mm.

Ένα μέρος του προγράμματος κοπής φαίνεται στο παρακάτω σχήμα.

Σχήμα 5.12


- 35 -

Η διαδρομή που ακολουθεί το κοπτικό εργαλείο σε αυτή την κατεργασία φαίνεται στο παρακάτω σχήμα.

Σχήμα 5.13

• Ξεχόνδρισμα κορμού με σφαιρικό εργαλείο διαμέτρου 15 mm.


Σχήμα 5.14


- 36 -


Σχήμα 5.15

• Ξεχόνδρισμα κυλινδρικού κορμού με κυκλικό μέρος με σφαιρικό εργαλείο διαμέτρου 15 mm.


Σχήμα 5.16


- 37 -


Σχήμα 5.17

• Φινίρισμα κυκλικού μέρους με σφαιρικό εργαλείο διαμέτρου

6 mm. Ένα μέρος του προγράμματος κοπής φαίνεται στο παρακάτω σχήμα.

Σχήμα 5.18


- 38 -


Σχήμα 5.19

• Φινίρισμα κυλινδρικού κορμού με κυκλικό μέρος με σφαιρικό εργαλείο διαμέτρου 6 mm.


Σχήμα 5.20


- 39 -


Σχήμα 5.21

• Φινίρισμα κορμού με σφαιρικό εργαλείο διαμέτρου 6 mm Η διαδρομή που ακολουθεί το κοπτικό εργαλείο σε αυτή την κατεργασία φαίνεται στο παρακάτω σχήμα.

Σχήμα 5.22


- 40 -

Μετά τη φάση της κατασκευής, προέκυψε το καλούπι για διεργασίες χύτευσης ακριβείας. Στη φωτογραφία που ακολουθεί φαίνεται το καλούπι, έτσι όπως κατασκευάστηκε στη CNC φρέζα, με πρόγραμμα κοπής που προέκυψε από CAM.

Σχήμα 5.23. Το καλούπι κλειστό.

Στις εικόνες που ακολουθούν παρακάτω, δίνεται διαδοχικά μια ιδέα του πώς λειτουργεί ένα τέτοιο καλούπι.

Σχήμα 5.24. Το καλούπι ανοιχτό.


- 41 -

Σχήμα 5.25. Πείροι που καλύπτουν τα συρτάρια του καλουπιού.

Σχήμα 5.26. Πείροι που καλύπτουν τις οπές του καλουπιού.


- 42 -

Σχήμα 5.27. Εξαρτήματα για τη συγκράτηση των πειρών, ώστε να μην μετακινούνται από τη

θέση τους, κατά την έγχυση του κεριού.

Σχήμα 5.28. Βίδες συγκράτησης του καλουπιού, για ασφαλές κλείσιμο.

Σημείωση: Στο συνημμένο video φαίνεται ο τρόπος με τον οποίο «λύνεται»

το καλούπι.


- 43 -

5.3 ΠΑΡΑΔΕΙΓΜΑ 3 Στα σχήματα που ακολουθούν φαίνονται διάφορα εξαρτήματα, που έχουν κατασκευαστεί σε CNC φρέζα με τη βοήθεια συστημάτων CAD/CAM.

Σχήμα 5.29

Σχήμα 5.30


- 44 -

Σχήμα 5.31

Σχήμα 5.32

Documents

Molds Technology (in Greek)