خفض تكاليف التشغيل باستخدام CNC من خلال تصميم ذكي للأجزاء

باختصار

يعتمد تحسين تصميم الأجزاء لتقليل تكاليف التشغيل على تطبيق مبادئ التصميم القابل للتشغيل (DFM). ويشمل ذلك تبسيط هندسة الجزء، وإضافة نصف أقطار واسعة إلى الزوايا الداخلية، واستخدام مقاسات قياسية للثقوب والخيوط، وتحديد تحاميل فضفاضة كلما أمكن. كما أن اختيار مواد قابلة للتشغيل بدرجة عالية وبتكلفة اقتصادية يُعد استراتيجية حاسمة لتقليل وقت التشغيل والتعقيد والنفقات الإجمالية.

المبادئ الأساسية للتصميم القابل للتشغيل (DFM)

قبل الخوض في التغييرات التصميمية المحددة، من الضروري فهم الاستراتيجية الأساسية وراء تقليل التكاليف: التصميم من أجل القابلية للتشغيل الآلي (DFM). إن DFM هو عملية تصميم المكونات بشكل متعمد بحيث يمكن تصنيعها بأبسط طريقة ممكنة وأكثرها كفاءة. والهدف هو تقليل الوقت الذي يُقضى على جزء ما في آلة CNC ليس فقط، بل وتقليل تعقيد العملية الإنتاجية برمتها أيضًا، بدءًا من الإعداد الأولي وانتهاءً بالتشطيب النهائي. فكل قرار يتم اتخاذه خلال مرحلة التصميم له تأثير مباشر وغالبًا كبير على التكلفة النهائية.

تتمحور المبادئ الأساسية لـ DFM حول هدفين رئيسيين: تقليل وقت التشغيل الآلي وتقليل عدد العمليات. ويُعد وقت التشغيل الآلي عادة العامل الرئيسي في التكلفة، وبالتالي فإن التصاميم التي تتيح سرعات قطع أسرع وعددًا أقل من المرور تكون دائمًا أرخص. ويمكن تحقيق ذلك باختيار مواد ذات قابلية عالية للتشغيل الآلي أو بتصميم خصائص يمكن إنشاؤها باستخدام أدوات أكبر وأكثر متانة. كما ورد بالتفصيل في دليل من شبكة بروتو لابس حتى التعديلات الصغيرة، مثل زيادة نصف قطر الزاوية، يمكن أن تسمح للجهاز بالعمل بشكل أسرع وأكثر كفاءة.

من المهم بنفس القدر تقليل عدد عمليات إعداد الجهاز. يشير الإعداد إلى كل مرة يجب فيها إعادة ترتيب القطعة يدويًا أو إعادة تثبيتها للوصول إلى الأسطح المختلفة. ويُضيف كل إعداد تكاليف العمالة ويزيد من احتمال حدوث أخطاء. قد تتطلب قطعة معقدة تحتوي على عناصر على جميع الجوانب الستة ست عمليات إعداد منفصلة، مما يزيد من تكلفتها بشكل كبير مقارنةً بقطعة أبسط يمكن تصنيع جميع عناصرها من اتجاه واحد فقط. وبالتالي، فإن إحدى الاستراتيجيات الرئيسية في تصميم لأجل التصنيع (DFM) هي تصميم قطع يمكن إنجازها بأقل عدد ممكن من عمليات الإعداد، ومن الأفضل أن تكون عملية واحدة فقط.

أهم التحسينات الهندسية لتقليل التكاليف

تُعد هندسة الجزء واحدة من العوامل الأكثر أهمية التي تؤثر على تكلفة تشغيله. فالأشكال المعقدة، والجيوب العميقة، والميزات الدقيقة تتطلب جميعها وقتًا أطول، وأدوات متخصصة، وعناية أكبر في التعامل، مما يؤدي إلى ارتفاع السعر. ومن خلال إجراء تحسينات استراتيجية على هندسة الجزء، يمكن للمهندسين تحقيق وفورات كبيرة في التكاليف دون المساس بوظيفته.

• أضف نصف أقطار واسعة للزوايا الداخلية. جميع أدوات الطحن باستخدام الحاسب الآلي (CNC) مستديرة، ما يعني أنها تترك بشكل طبيعي نصف قطر في أي زاوية داخلية. ويستلزم محاولة إنشاء زاوية حادة أو ذات نصف قطر صغير جدًا استخدام أداة ذات قطر صغير، والتي يجب أن تتحرك ببطء وتقوم بعدة مرور، مما يزيد من وقت التشغيل. وقاعدة بسيطة هي تصميم نصف قطر الزوايا الداخلية بحيث يكون لا يقل عن ثلث عمق التجويف. كما يوضح Protocase ، فإن استخدام أكبر نصف قطر ممكن يحسن من جودة التشطيب السطحي ويقلل التكاليف من خلال السماح باستخدام أدوات قطع أكبر وأكثر استقرارًا.
• حد من عمق التجاويف والجيوب. تُعدّ عملية قطع الجيوب العميقة مكلفة بشكل غير متناسب. تكون أدوات القطع القياسية ذات طول قص محدود، وغالبًا ما تكون فعالة حتى عمق يبلغ حوالي 2 إلى 3 أضعاف قطرها. وعلى الرغم من إمكانية إجراء قطع أعمق، إلا أنها تتطلب أدوات متخصصة وأطول، وهي أقل صلابة ويجب تشغيلها بسرعات أبطأ لتجنب الاهتزاز والانكسار. يوصي Fictiv بالحفاظ على عمق القطع ضمن خمسة أضعاف قطر الأداة بالنسبة لأدوات القص (End Mills) لضمان تشطيب جيد وتقليل التكلفة.
• تجنب الجدران الرفيعة. تكون الجدران الأقل سمكًا من 0.8 مم للمعادن أو 1.5 مم للبلاستيك عرضة للهزة والالتواء والانكسار أثناء التشغيل. ولإنتاج هذه الميزات بدقة، يجب على الفنين استخدام عدة مراحل قطع بطيئة وبعمق قطع منخفض. ما لم تكن هذه الجدران ضرورية تمامًا لوظيفة الجزء، فإن تصميم جدران أكثر سماكة وصلابة سيجعل الجزء أكثر استقرارًا وأقل تكلفة بشكل كبير في الإنتاج.
• بسّط ودمج الميزات. يؤثر تعقيد التصميم بشكل مباشر على التكلفة. من الأسهل تشغيل الأجزاء المتماثلة، ويقلل تقليل العدد الإجمالي للسمات الفريدة من الحاجة إلى تغيير الأدوات. إذا كان الجزء يحتوي على سمات معقدة مثل التخفيضات أو الثقوب على أوجه متعددة، ففكر فيما إذا كان يمكن تقسيم التصميم إلى مكونات أبسط يمكن تصنيعها بسهولة ثم تجميعها. غالبًا ما يثبت هذا النهج أنه أكثر كفاءة من حيث التكلفة بالمقارنة مع تصنيع جزء معقد للغاية يتطلب آلة ذات 5 محاور وتجهيزات مخصصة.

استراتيجيات ذكية للتسامحات والخيوط والثقوب

بينما تكون السمات الهندسية الكبيرة واضحة كعوامل تؤثر على التكلفة، فإن التفاصيل الصغيرة مثل التسامحات والخيوط والثقوب يمكن أن يكون لها تأثير غير متوقع كبير على السعر النهائي. غالبًا ما تتطلب هذه السمات دقة وأدوات متخصصة أو عمليات تشغيل إضافية. إن تطبيق استراتيجيات تصميم ذكية على هذه العناصر يُعد خطوة حاسمة لتحسين الجزء بهدف التصنيع بتكلفة فعالة.

تحدد التسامحات الانحراف المقبول لبعيدة معينة. في حين أن التسامحات الضيقة ضرورية في بعض الأحيان للواجهات الحرجة ، يجب تحديدها بشكل متوازن. كلما زادت التسامح، كلما كان هناك وقت أكثر، ورعاية، وتفتيش مطلوب، مما يزيد من التكلفة بشكل كبير. كما شرحه (ماكر فيرس) ، يمكن أن تؤدي التسامحات الضيقة بشكل مفرط إلى زيادة ارتداء الأدوات، وأوقات دورة أطول، ومعدل أكبر من الخردة. بالنسبة للميزات غير الحرجة، يعتمد الاعتماد على تساهل الآلة القياسي (عادة ± 0.125 مم) كافٍ وأكثر اقتصادية بكثير.

وبالمثل، يجب تصميم الثقوب والخيوط مع مراعاة التوحيد القياسي. إن استخدام مقاسات مثاقب قياسية للثقوب يكون أرخص بكثير من تحديد قطر غير قياسي، والذي سيتطلب استخدام أداة تفريز لإنشاء الثقب ببطء. أما بالنسبة للخيوط، فيجب الحد من طولها. فالتداخل الخيطي الذي يتجاوز 1.5 مرة من قطر الثقب لا يوفر زيادة كبيرة في القوة ولكنه يضيف تكلفة كبيرة. وفي حالة الثقوب العمياء، من المهم أيضًا تصميم قسم غير مُخَيط في القاع، ليمنح أداة التربيس مساحة كافية ويقلل من خطر الكسر.

اختيار المواد والتشطيبات لتقليل التكاليف

تُعدّ اختيار المادة والتشطيب السطحي المطلوب من الاعتبارات النهائية والأساسية في إدارة تكاليف التشغيل. تؤثر هذه القرارات على تكلفة المادة الخام وكذلك الوقت اللازم لتشغيل القطعة. فقد تكون المادة رخيصة الشراء لكن يصعب تشغيلها، ما يجعلها في النهاية أكثر تكلفة بالمقارنة مع بديل أغلى سعراً ولكن يمكن تشغيله بسهولة أكبر.

يصف تقييم قابلية المادة للتشغيل مدى سهولة قطعها. فالمواد الأقل صلابة مثل الألومنيوم 6061 والبلاستيك مثل POM (ديلرين) تتمتع بقابلية ممتازة للتشغيل، مما يسمح بالقطع عالي السرعة وتقليل أوقات الدورة. على النقيض، فإن المواد الأشد صلبة مثل الفولاذ المقاوم للصدأ أو التيتانيوم تكون أكثر صعوبة في القطع، وتحتاج إلى سرعات أبطأ وتؤدي إلى ارتداء أكبر للأدوات، ما يتسبب في مضاعفة أو حتى ثلاث أضعاف وقت التشغيل. وبالتالي، ما لم تكن الخصائص المحددة لسبيكة عالية القوة ضرورية، فإن اختيار مادة أكثر قابلية للتشغيل يُعد استراتيجية فعالة جدًا لتقليل التكاليف.

مجال آخر للتحسين هو النظر في عملية تصنيع المادة الأولية نفسها. يمكن أن يؤدي استخدام قطعة أولية شبه نهائية الشكل، يتم إنتاجها من خلال عملية مثل التزوير، إلى تقليل كمية المادة التي يجب إزالتها بالتشغيل بشكل كبير، مما يوفر الوقت ويقلل من الهدر. بالنسبة لأولئك في قطاع السيارات على سبيل المثال، فإن استكشاف الخيارات المتاحة لدى المتخصصين في هذا المجال يمكن أن يكون مفيدًا. وللحصول على مكونات سيارات قوية وموثوقة، يمكنك التحقق من خدمات التزوير المخصص من شركة Shaoyi Metal Technology ، الذي يتخصص في التزوير الساخن عالي الجودة للصناعة.

وأخيرًا، يجب النظر بعناية في مواصفات التشطيب السطحي. إن التشطيب القياسي "كما تم تصنيعه" هو الخيار الأكثر فعالية من حيث التكلفة. يتطلب طلب تشطيبات أكثر نعومة عمليات تشغيل إضافية أو عمليات ثانوية مثل القذف بالخرز أو التلميع، وكل منها يضيف تكلفة. إن تحديد تشطيبات مختلفة على أسطح متعددة لنفس الجزء يكون أكثر تكلفةً، لأنه يتطلب العزل والعمليات المتعددة. إن تطبيق تشطيب معين فقط في الأماكن التي تكون فيها وظيفته ضرورية هو وسيلة بسيطة وفعالة للحفاظ على انخفاض التكاليف.

الأسئلة الشائعة

1. كيف يمكن تقليل تكلفة التشغيل باستخدام CNC؟

يشمل تقليل تكاليف التشغيل باستخدام CNC مجموعة من التحسينات في التصميم واختيار المواد وتبسيط العمليات. وتشمل الاستراتيجيات الرئيسية ما يلي:

• تبسيط الشكل الهندسي: تجنب المنحنيات المعقدة، والجيوب العميقة، والجدران الرقيقة.
• إضافة أنصاف أقطار للزوايا: استخدم أكبر نصف قطر ممكن في الزوايا الداخلية لتمكين التشغيل الأسرع.
• استخدام المكونات القياسية: صمم الثقوب والخيوط بأحجام قياسية لتجنب الحاجة إلى أدوات مخصصة.
• تخفيف التحملات: حدد التحملات الضيقة فقط على الميزات الحرجة التي تعتمد عليها الوظيفة.
• اختر مواد قابلة للتشغيل الآلي: اختر مواد مثل الألومنيوم 6061 التي يمكن قصها بسرعة.
• الحد من الإعدادات: صمم الأجزاء بحيث يمكن الوصول إلى جميع الميزات بأقل عدد ممكن من اتجاهات الجهاز.

2. ما هي اعتبارات التصميم عند تصميم الأجزاء المشغولة؟

تتمحور الاعتبارات التصميمية الأساسية للأجزاء المصنعة حول ضمان إمكانية التصنيع والتكلفة الفعالة. ويشمل ذلك تقييم هندسة الجزء من حيث البساطة وإمكانية الوصول بواسطة أدوات القطع. يجب على المصممين أخذ قيود عملية التشغيل بعين الاعتبار، مثل عدم القدرة على إنشاء زوايا داخلية حادة تمامًا. وتشمل الاعتبارات الأخرى الرئيسية اختيار المواد بناءً على المتطلبات الوظيفية وإمكانية التشغيل، والتطبيق المناسب للتسامحات، وتصميم عناصر مثل الثقوب والخيوط وفقًا للمواصفات القياسية. وأخيرًا، ينبغي للمصممين السعي إلى تقليل عدد عمليات تركيب الجهاز اللازمة لإكمال الجزء.