“تصمیم‌های کوچک زندگی مهندسی” – در انتخاب ریلهای ماشین‌ابزار؛ Linear way يا Box way کدام بهترند؟

سری مقاله‌های “تصمیم‌های کوچک زندگی مهندسی” به قلم محمد معلمی مجموعه نوشتارهایی است که در آن سعي مي‌شود پارامترها و ملاك انتخاب اجزاي ماشين يا روشهاي انجام امور طراحي يا ساخت مورد بحث و بررسي و مقايسه قرار گيرد تا زمانی که مهندسان بر سر دو راهيهاي انتخاب روش قرار مي‌گيرند راهنمایی برای انتخاب داشته باشند. لذا اين گونه مطالب – كه ممكن است مواردي ساده يا پيش‌پا افتاده نيز باشد- مي‌تواند كمك مناسبي براي ديگر افرادي باشد كه تجربه كمتري در زمينه مورد بحث دارند و يا حداقل زمينه فكري خوبي در اين موارد فراهم نمايد.

نكاتي كه در ذيل آمده است تركيبي از منابع علمي و تجربيات شخصي نویسنده است و ممكن است نياز به اصلاح داشته باشد. لذا در صورتي كه خوانندگان محترم ايرادي در‌ آن مي‌بينند مي‌توانند با نويسنده تماس گرفته و موارد را گوشزد كنند يا مطلبي در دنباله اين مطلب به جهت استفاده ديگران بنويسند تا در ادامه منتشر شود.

مقدمه

یکی از تصمیماتی که بایستی هنگام طراحی یک ماشین مخصوص ماشینکاری و یا هنگام انتخاب یک ماشین ابزار برای خرید گرفته شود، انتخاب نوع راهنماهاي حركتي یا به عبارتی نوع کشویی‌ها است. همانند بقیه امور طراحی، انتخاب درست سیستم قبل از اقدام به طراحی جزیی اهمیت خاصی در موفقیت طرح یا انتخاب ماشین خواهد داشت. کشویی‌ها از دیدگاه نوع تماس یا از دیدگاه اصطکاکی به دو دسته تقسیم می شوند:

۱- کشویی‌های تماس لغزشی (Box way)

۲- کشویی‌های تماس غلتشی (Linear way)

در کشویی‌های تماس لغزشی كه نوعي Plain Bearing هستند، همانطور که از نام آن‌ها پیداست دو جز کشویی که نسبت به هم حرکت دارند، تماس لغزشی دارند. بنابراين ضریب اصطکاک لغزشی در معادلات حرکت حاکم است. البته بنابر اصول tribology جنس دو جزيي كه با يكديگر در تماس هستند متفاوت انتخاب مي‌شود يا جنس واسطه‌اي بين آن دو جزء قرار مي‌گيرد. به عنوان مثال انتخاب چدن و فولاد يا فسفر برنز و فولاد يا قرار گرفتن مواد پليمري مانند Turcite® بين دو جزء متحرك. از آنجا كه وجود روانكار بين دو سطح در تماس لغزشي با هم اهميت فراواني در كاهش اصطكاك و فرسايش دارد لذا يا جنس ياتاقاني خود متخلل است (مانند چدن يا فسفر برنز) و روانكار را بين خود نگاه مي‌دارد و يا اينكه روي اجزاء شيارهايي براي حفظ روانكار بين سطوح ايجاد مي‌شود.

در کشویی‌های تماس غلتشی كه نوعي Rolling Bearing هستند نيز همانطور كه از نام آنها پيداست بین دو جزء کشویی که نسبت به هم حرکت نسبی دارند، ساچمه وجود دارد كه اين ساچمه ممكن است كروي (ball) يا استوانه‌اي (roller)باشد. بنابراين ضریب اصطکاک غلتشی در معادلات حرکت حاکم است. برخي خصوصيات هر يك از كشويي‌ها را مي‌توان در فهرست زير بيان نمود:

کشویی‌های تماس لغزشی (Box way)

• :ضريب اصطكاك از نوع لغزشي و بالاتر است لذا
  • سرعت حركت در آن كمتر است
  • نيروي مورد نياز براي حركت بيشتر است
  • پديده stick-slip بيشتر وجود دارد.
• به دليل سطح تماس بيشتر و همچنین وجود لایه روغن مابین دو سطح تماس که باعث میرا کردن ارتعاشات می شود، صلبيت آن (dynamic stiffness) بيشتر است.
• براي يك ماشين‌ساز ساختني است نه خريدني. ساختني بودن در كنار عيوبي كه ايجاد مي‌كند محاسني هم دارد. یکی از خصوصیات این نوع کشویی این است که بسته به سازنده آن دقت حاصله بسیار متغیر خواهد بود. به عنوان نمونه مي‌توان اين كشويي‌ها را به دقت و وسواس بالا شابر زد و دقت بسيار بالايي گرفت. در ضمن در شرايطي كه امكان خريد كشويي‌هاي تماس غلتشي به دليل مسايل مختلف (مثلا تحريم) وجود ندارد استفاده از اين نوع كشويي‌ها مي‌تواند راهگشا باشد. البته شابر زني فرآيندي مهارتي است كه نياز به تخصص و در ضمن تجربه و حوصله زياد دارد. وليكن روشي است كه با آن مي‌توان با ابزاري ساده به دقت‌هاي بسيار بالا دست يافت. البته اين روزها كسي حوصله اينگونه كارها را ندارد. معمولا ماشين‌سازهايي كه دقت ماشين‌ابزارهايشان در كلاسي بالاتر از ديگران است به قدرت شابرزني يا ميزان استفاده از آن مباهات مي‌كنند و در تبليغاتشان از آن استفاده مي‌كنند.
• اين كشويي‌ها نياز به سنگ‌زني و طبيعتا ماشين‌ابزا‌هاي خاص، بزرگ و گران قيمت دارند (البته اگر سنگ بزنند). شابر زني به عنوان يك كار مرسوم، حداقل روي جزء متحرك كشويي كه كوتاهتر است انجام مي‌پذيرد. هر چند كه ماشين‌سازان معروف كه ماشين‌هاي گرانتري مي‌سازند روي جزء ثابت نيز شابرزني انجام مي‌دهند.
• تعمیر این نوع کشویی ها کار بسیار سختی است. چرا که نیاز به تجهیزات سنگ زنی دقیق و مهارت شابرزنی دارند که ممکن است برای مصرف کننده ماشین این کار مقرون به صرفه نباشد.
• لقي بين اجزاي اين كشويي‌ها با شمشيري (Gib) قابل تنظيم است. معمولا تنظيم شمشيري‌ها به عنوان يكي از سرويس‌هاي دوره‌اي ماشين‌هاي ابزار است. ميزان لقي را نمي‌توان به صفر رساند چون حداقل ميزان لقي براي ميسر بودن حركت نياز است كه اين مساله خود يكي از عواملي است كه مي‌تواند دقت را كاهش دهد. قابل قفل بودن اين نوع كشويي به دليل وجود شمشيري براي مواردي كه ارتعاشات ماشينكاري زياد است و نياز به تثبيت محورهاي غير متحرك وجود دارد، مي‌‌تواند بسيار راهگشا ‌باشد.
• هزينه آن پايين‌تر است.
• تكنولوژي آن قديمي‌تر است.
• بار قابل تحمل توسط این این کشویی ها بیشتر است. بنابراین میزهایی که با این نوع کشویی ها ساخته می شوند وزن قطعه بیشتری تحمل می کنند.

کشویی‌های تماس غلتشی (Linear way)

• :ضريب اصطكاك از نوع غلتشي و پايين‌تر است لذا
  • سرعت حركت در آن بيشتر است
  • نيروي مورد نياز براي حركت كمتر است
  • پديده stick-slip كمتر وجود دارد يا ندارد.
• به دليل سطح تماس كمتر، صلبيت آن (dynamic stiffness) كمتر است. سازندگان ماشين‌ابزار به طور معمول از L.W. با ساچمه كروي (ball) استفاده مي‌كنند. ليكن در صورت نياز به صلبيت بيشتر مي‌توان كشويي با ساچمه استوانه‌اي (roller) سفارش داد كه طبيعتا قيمت آن افزايش مي‌يابد.
• هزينه آن در مقايسه با نوع تماس غلتشي براي ماشين‌هاي ابزار در اندازه متوسط حداقل ۱۵% بالاتر است.
• تكنولوژي آن بالاتر است.
• براي يك ماشين‌ساز، خريدني است نه ساختني. هر چند ممكن است برخي از سازندگان با داشتن تجهيزاتي اقدام به ساخت اينگونه كشويي‌ها براي حالت‌هاي خاص كنند وليكن به دليل تخصصي بودن و نياز به ماشين‌آلات خاص، كمتر ماشين‌سازي خود اقدام به ساخت اين كشويي‌ها مي‌كند و خريدن ان كشويي‌ها به عنوان يك جزء استاندارد مرسوم است. تهيه L.W. علي‌الاصول سريع‌تر و كم‌دردسرتر از ساخت است البته نه براي كشور ما. خریدنی بودن آن باعث می شود که سازنده ماشین ابزار امکان انتخاب بین برندهای مختلف و گرید های دقتی مختلف داشته باشد. در واقع دقت این کشویی به سازنده کشویی وابسته است نه ماشین ساز.
• نصب اين نوع كشويي‌ها آسان‌تر است. محل نشيمن اين كشويي‌ها نيازي به سنگ‌زني ندارد و با كمك پيچ‌ها و گوه‌هايي در محل تثبيت شده و با ساعت اندازه‌گيري تنظيم مي‌شوند.
• لقي بين اجزاء معمولا قابل تنظيم نيست. البته سازندگان L.W.ها مدل‌هاي پيش‌بار شده يا پيش تنيده (pre-loaded) عرضه مي‌كنند كه لقي در آنها صفر است. نداشتن لقي يكي از عوامل دقيق‌تر بودن اين نوع كشويي‌ها مي‌باشد.
• تعمير اين كشويي‌ها يك كار تخصصي است كه به آساني قابل انجام نيست. معمولا اگر مسير حركت روي ريل‌ها معيوب نشده باشد اقدام به تعويض ساچمه‌ها (گاهي اوقات با يك سايز بزرگتر) مي‌شود. البته تعمير اين كشويي‌ها به دليل خطر دقيق نبودن پس از تعميرات و كمبود تخصص و تجربه لازم د ركشور مرسوم نيست. حسن این نوع کشویی ها از دیدگاه تعمیر این است که می توان به سادگی آنها را تعویض کرد.
• بار قابل تحمل توسط این این کشویی ها کمتر است. بنابراین میزهایی که با این نوع کشویی ها ساخته می شوند وزن قطعه کمتری تحمل می کنند.

با توجه به بيان برخي خصوصیات این دو نوع کشویی به نظر مي‌رسد بهتر است در موارد زیر از آنها استفاده شود:

Box way

• زمانی که نیروها و ارتعاشات ماشينكاري زیاد است. مانند خشن ‌کاری، باربردای منقطع، زمانی که بازوی ابزار بلند است یا موارد مشابه.
• زمانی که کارهای متنوع و عمومی انجام می شود.
• زماني كه امکان تهیه linear way به هر دليلي وجود ندارد.

Linear way

• زمانی که نیاز به کار براده‌برداری با ترکیبی از سرعت پیشروی بالا، بار کم و صافی سطح بالا نیاز است، مانند پرداختکاری قالب‌ها.
• زمانی که باربرداری با سرعت بالا روی موادی با استحکام کم انجام می‌شود. مانند تولید قطعات پیچیده آلومینیومی.
• زماني كه حركت سريع بدون باربرداري نياز است. مانند مواردي كه تعداد زيادي سوراخكاري با فاصله از يكديگر روي قطعه بايستي انجام شود.
• زماني كه حركت سريع و دقيق با بار بسيار كم وجود دارد، مانند ماشين‌هاي برش ليزري.

گاهي اوقات نيز براي داشتن تركيبي از مزاياي دو نوع كشويي از هر دو نوع استفاده مي‌‌شود. به عنوان نمونه در ماشين‌هاي فرز CNC براي محورهاي X و Y از Linear Way و براي محور Z از Box Way استفاده مي‌شود. محور Z به دلیل ساختار یک سر گیردار بودن (در ماشین های غیر دروازه ای) و وجود اسپیندل با توان و دور بالا روی آن مستعد بروز ارتعاشات و در نتیجه لرزش است. به همین دلیل است که برای این محور از کشویی Box Way استفاده می شود. بنابراین با این ترکیب می توان به مجموعه ای از خواص دقت و صلبیت دست یافت. ضمن آنکه با انتخاب استراتژی های ماشینکاری مناسب که در آن بار حرکت بیشتر روی محورهای X و Y باشد می توان از این ترکیب ماشین به خوبی استفاده کرد و به دقت های بالاتر رسید.