شرح شامل للمصاعد الكهربائية وأنواعها كيفية عمل المصاعد

إن الأعمدة المعدنية يمكن أن تقوم بنصب ناطحات السحاب بإرتفاع مئات الأمتار في الهواء والمصاعد هي العنصر الرئيسي لجعل العيش والعمل فعال فوق عدة طوابق فوق الأرض وتعتمد المدن العالية مثل نيويورك بالتأكيد على المصاعد حتى في البنايات الصغيرة ذات الطوابق المتعددة وأيضاً إن هذه المصاعد مهمة جداً من أجل المعاقين.

المصاعد الهيدروليكية:

إن مفهوم المصعد بسيط جداً وهو فقط بربط مقصورة بنظام رفع ولكن مصاعد الشحن متقنة أكثر بكثير من المصاعد العادية حيث أنها تحتاج إلى أنظمة ميكانيكية متقدمة لمعالجة الأوزان الكبيرة وتحتاج إضافة إلى ذلك إلى آليات تحكم ليستطيع الركاب تشغيل المصعد وإلى أدوات أمان لإبقاء كل شئء يسير بيسر.

هناك تصميمين رئيسيين للمصاعد الأكثر إستخداماً في هذه الأيام وهي المصاعد الهيدروليكية والمصاعد المشدودة، والنظام الهيدروليكي لديه ثلاثة أجزاء:

ـ خزان (لتخزين السوائل).

ـ مضخة تشغيل بمحرك كهربائي.

ـ صمام بين الإسطوانة والخزان.

تقوم المضخة بإجبار السائل على التدفق من الخزان إلى الأنبوب الذي يؤدي إلى الإسطوانة وعندما يكون الصمام مفتوح سيقوم السائل المضغوط بأخذ طريق ذو مقاومة أقل ويعود إلى خزان السائل ولكن عندما يغلق الصمام يصبح لا يوجد أي مكان ليذهب إليه السائل المضغوط ما عدا الإسطوانة وعندما يتجمع السائل في الإسطوانة يقوم السائل بدفع المكبس إلى الأعلى وبالتالي يدفع عربة المصعد، وعندما تقترب العربة من الأرضية المطلوبة يقوم نظام التحكم بإرسال إشارة إلى المحرك الكهربائي لسد المضخة بشكل تدريجي وعندما تسد المضخة يصبح هناك لا يوجد أي سائل ليتدفق إلى الإسطوانة لكن السائل الذي في الإسطوانة لا يستطيع الخروج (أي لا يستطيع الرجوع إلى الوراء خلال المضخة والصمام مايزال مغلقاً) ويبقى المكبس فوق السائل وعربة المصعد تبقى في مكانها.

لإنزال العربة يقوم نظام التحكم بإرسال بإرسال إشارة إلى الصمام الذي يعمل بشكل كهربائي من قبل مفتاح اللف اللولبي الأساسي ليقوم هذا المفتاح بفتح الصمام وعندها سيتدفق السائل الذي كان متجمعاً في الإسطوانة خارجاً إلى خزان السائل وتقوم وزن العربة والحمولة التي عليها بالضغط على المكبس وبالتالي دفع السائل إلى الخزان وتهبط بعدها العربة تدريجياً لتتوقف عند الطابق السفلي ويقوم بعدها نظام التحكم بإغلاق الصمام مرة ثانية.

إن هذا النظام بسيط وفعال جداً ولكن لديه بعض العوائق.

فوائد ومضار علم الهيدروليكيا (السوائل المتحركة):

إن الفائدة الرئيسية للأنظمة الهيدروليكية هي بقدرتها على مضاعفة نسبة ضغط قوة المضخة لتوليد قوة أقوى لرفع عربة المصعد ولكن هذه الأنظمة تعاني من عائقين فلكي تستطيع عربة المصعد الوصول إلى الطابق العلوي أنت تحتاج لجعل المكبس أطول ويجب أن تكون الإسطوانة أطول بقليل من المكبس لأنه من الضروري أن يكون المكبس قادر على النزول طول الطريق عندما تكون العربة في الطلبق السفلي وبإختصار إن وجود طوابق أكثر تحتاج إلى اسطوانة أطول وتكمن المشكلة بأن كامل تركيب الإسطوانة يجب أن يكون تحت مكان وقوف المصعد السفلي وهذا يعني بأنه يجب الحفر أكثر كلما قمت بالبناء إلى الأعلى وإن هذا المشروع غالي في الأبنية الأعلى بطوابق قليلة، ولتركيب مصعد هيدروليكي في بناء ذو عشرة طوابق على سبيل المثال ستحتاج على الأقل لحفر تسعة طوابق في العمق (بعض المصاعد الهيدروليكية لا تحتاج إلى هذا القدر تماماً من الحفر).

العائق الآخر للمصاعد الهيدروليكية هو بأن هذه المصاعد غير فعالة جداً وتأخذ الكثير من الطاقة لرفع عربة المصعد عدة طوابق وفي مصعد هيدروليكي قياسي لا توجد طريقة لتخزين هذه الطاقة.

نظام الكبل:

إن المصعد الأكثر شيوعاً هو المصعد المشدود ففي هذه المصاعد ترتفع عربة المصعد وتنخفض بحبال السحب الفولاذية بدلاً من الدفع إلى الأسفل حيث تربط الحبال بعربة المصعد وتلف حول بكرة مسننة وهي عبارة عن بكرة ذات أسنان حول محيطها وتقوم البكرةالمسننةبالإمساك بحبال الرفع لذى فهي تدور وتتحرك الحبال أيضاً.

إن البكرةالمسننةموصولة بمحرك كهربائي وعندما يدور المحرك في طريق محدد تقوم البكرة برفع المصعد وعندما يدور في طريق آخر تقوم البكرة بخفض المصعد.

في المصاعد عديمة المسننات يقوم المحرك بتدوير البكرات مباشرة وفي المصاعد ذات المسننات يقوم المحرك بتدوير المسننات الذي يتناوب مع البكرات المحززة، وإن البكرةالمسننةوالمحرك ونظام التحكم موضوعين جميعهم في غرفة فوق عمود المصعد، وإن الحبال التي ترفع العربة موصولة إلى ثقل موازي معلق في الجانب الآخر من البكرةالمسننةويزن الثقل الموازي نفس ثقل العربة وهي مملوئة بـ 40% (أي كمية متوسطة) تقريباً ويتوازن ثقل العربة والثقل الموازي بشكل مثالي والغاية من هذا التوازن هو حفظ الطاقة و يأخذ القليل من الطاقة فقط من الأثقال المتساوية على جوانب البكرةالمسننةوذلك لإرجاع التوازن بشكل أو بآخرويجب على العربة فقط التغلب على الإحتكاك ويقوم الوزن على الجانب الآخر بأغلب العمل، وبطريقة أخرى فإن التوازن يبقى قرب مستوى الطاقة الكامنة والثابتة في النظام ككل.

إن استهلاك الطاقة الكامنة في عربة المصعد (تركها تنزل إلى الأرض) تعزز الطاقة الكامنة في الوزن (يرتفع الوزن إلى قمة العمود) ويحدث الشيء نفسه ولكن بالعكس عندما يرتفع المصعد وهذا النظام مثل ارجوحة لديها ثقل الطفل نفسه على حد سواء في كل جهة.

إن كلتا عربة المصعد والثقل الموازي يكمنان على طول أعمدة المصعد، وتحفظ القضبان العربة والثقل الموازن من الإهتزاز ذهاباً وإياباً ويعملون بنظام أمان لإيقاف العربة في الحالت الطارئة.
إن المصاعد المشدودة متعددة الإستعمال أكثر بكثير من المصاعد الهيدروليكية بالإضافة إلى أنها أكثر فعالية ولديها أيضاً أنظمة أمان أكثر.

أنظمة الأمان:

إن انزلاق العربة والراكبون في داخلها إلى الأسفل إحتمال ضعيف جداً في الواقع حيث تبنى المصاعد مع أنظمة أمان كثيرة والجزء الأول من الحماية هو نظام الحبال حيث أن كل حبل للمصعد مصنوع من عدة أطوال ومن مواد فولاذية ملفوفة حول بعضها وبهذا التركيب القوي فإن حبل واحد يستطيع دعم وزن عربة المصعد والثقل الموازي، ولكن المصاعد تبنى بحبال متعددة (بين الأربعة إلى الثمانية) وإذا تآكل أحد الحبال في حدث غير متوقع فستقوم بقية الحبال بحمل المصعد وحتى إذا انكسرت كل الحبال أو قام نظام البكرة المسننة بإفلات الحبال فمن غير المحتمل سقوط عربة المصعد لأن عربات المصعد المشدودة لها أنظمة كبح أو سلامة داخلية.

أنظمة الأمان : السلامة:

إن السلامة مؤمنة من قبل أدة ضبط عندما يتحرك المصعد بسرعة كبيرة، أكثر أنظمة أدوات الضبط تبنى حول البكرات المسننة في قمة عمود المصعد وحبل أداة الضبط ملفوف حول البكرة المسننة لأداة الضبط وبكرات مسننة أخرى في أسفل العمود والحبل موصول أيضاً إلى عربة المصعد لذى فهو يتحرك عندما تتحرك العربة صعوداً أو نزولاً.

لدى المصاعد كابحات كهرومغناطيسية أيضاً وهي تعمل عندما تتوقف عربة المصعد حيث تبقي المغناطيسات الكهربائية الكابحات في وضع مفتوح بدلاً من إغلاقها وفي هذه الحالة ستقوم الكابحات بإغلاق الكابلات أوتوماتيكياً إذا فسيفقد المصعد طاقته، ولدى المصعد أنظمة كبح آلية على القمة وفي أسفل عمود المصعد بحيث إذا تحركت عربة المصعد ببعد شديد عن إحدى الإتجاهين فسيقوم الكابح بإيقافه.

إذا فشلت جميع أنظمة الأمان وسقط المصعد عن العمود فهناك نظام سلامة واحد أخير والذي سيقوم بإنقاذ الركاب حيث زود قاع العمود بنظام مخفف للصدمات عالي التحمل ويكون عمله بمثابة وسادة كبيرة تقوم بتخيفيف نزول عربة المصعد، ويحتاج المصعد بالإضافة إلى أنظمة الطوارىء المتقنة هذه إلى الكثير من المعدات الآلية من أجل توقف المصعد فقط.

عمل المصعد:

إن العديد من المصاعد الحديثة تحت سيطرة الحاسوب وإن عمل الحاسوب هو معالجة كل المعلومات ذات العلاقة بالمصعد ووضع عربة المصعد وأين يجب أن تكون ولفعل هذا الشيء يجب على الحاسوب معرفة ثلاثة أشياء على الأقل:

ـ إلى أين يريد الركاب الذهاب.
ـ أين مكان كل طابق.
ـ أين مكان عربة المصعد.

إن معرفة مكان توجه الركاب سهل جداً لأن الأزرار في عربة المصعد والأزرار الموجودة في كل طابق موجودة في الحاسوب وعند الضغط على إحدى هذه الأزرار يقوم الحاسوب بتسجيل هذا الطلب وهناك العديد من الطرق لإكتشاف مكان عربة المصعد وفي النظام الشائع هناك جهاز إحساس مضيء أو جهاز إحساس مغنلطيسي لقراءة سلسلة من الفتحات الموجودة على شريط عمودي طويل موجود على العمود، وأيضاً هناك طريقة أخرى لمعرفة مكان عربة المصعد حيث يقوم الحاسوب بتغيير حركة المحرك فتتباطأ العربة بالتدريج لتصل إلى كل طابق وهذا يؤمن هدوء الصعود إلى المصعد للركاب.

يجب على حاسوب المصعد لبناء مؤلف من عدة طوابق أن يكون لديه نوع من الأستراتيجية لإبقاء حركة عربة المصعد فعالة بقدر الإمكان.

تقوم الاستراتيجية في الأنظمة القديمة بتجنب عكس إتجاه المصعد وذلك بضمان إستمرار عربة المصعد بالإرتفاع إلى الأعلى طالما هناك أناس على الطوابق يرغبون بالإرتفاع إلى فوق وبعد تلبية النداءات السفلية فقط وعندما تبدأ العربة بالنزول لن تقوم عربة المصعد بالإرتفاع من أجل أي شخص يريد الإرتفاع ويقوم هذا البرنامج بالقيام بعمل رائع جداً بإيصال كل شخص إلى الطابق الذي يريده وبأسرع سرعة ممكنة، وتقوم برامج أكثر تطوراً بأخذ أنماط حركة الركاب بالحسبان وتعرف أيضاً أي طوابق لديها طلب أكثر وفي أي وقت من اليوم وتقوم بتوجيه عربات المصعد وفقاً لذلك.

وفي نظام العربات المتعددة للمصاعد سيقوم المصعد بتوجيه عربات فردية اعتماداً على موقع العربات الأخرى، وهناك نظام يقوم الناس فيه بدلاً من الضغط على أزرار فوق وتحت للركوب في المصعد يمكنهم إدخال طلب لطابق معين فيقوم الحاسوب إستناداً إلى موقع وطريق عربات المصعد بإخبار الراكبين عن المصعد الذي سيقلهم إلى وجهاتهم.

ولدى أكثر الأنظمة أداة إحساس بالحمولة موضوعة في أرضية عربة المصعد التي تقوم بإخبار الحاسوب عن مدى امتلاك عربة المصعد وإذا كانت الحمولة قريبة من قدرة المصعد على الإستيعاب فلن يقوم الحاسوب حينها بالتوقف لصعود أي راكب إضافي حتى ينزل بعض الراكبين من المصعد، وهناك أيضاً حسساسات ثقل ذات ميزة أمان في حال كانت الحمولة في المصعد زائدة عن قدرة حمل المصعد فسيقوم الحاسوب بمنع إغلاق الأبواب حتى يزال البعض من الوزن الزائد.

الأبواب:

إن الأبواب الآلية في المخازن وفي بنية المكاتب موجودة للراحة بشكل رئيسي ولمساعدة الناس المعاقين أما أبواب المصاعد الآلية فهي ضرورية جداً لمنع الناس من السقوط إلى الأسفل، ويستعمل في المصاعد نوعين من الأبواب، أبواب على عربة المصعد وأبواب تفتح إلى عمود المصعد.
الأبواب في عربة المصعد تعمل بمحرك كهربائي وقد أوصلت إلى حاسوب المصعد وقوم المحرك الكهربائي بتحريك عجلة مربوطة بذراع معدني طويل وهذا الذراع المعدني موصول بذراع آخر وهو بدوره موصول بالباب ويمكن للباب الإنزلاق إلى الأمام وإلى الخلف على سكة معدنية وعندما تدور عجلة عربة المصعد يدور الذراع المعدني الأول والذي يقوم بدوره بسحب الذراع المعدني الأول وبالتابي سحب الذراع المعدني الثاني وبعدها يسحب الباب إلى اليسار، والباب مصنوع من دفتين تنطبقات على بعضهما البعض عندما ينفتح الباب وتتمددان إلى الخارج عندما يغلق الباب.

يقوم الحاسوب بتشغيل المحرك لفتح الأبواب عندما تصل عربة المصعد إلى الطابق المطلوب وتغلق الأبواب قبل أن تبدأ عربة المصعد بالتحرك مرة ثانية، والعديد من المصاعد لديها نظام يحس بالحركة ويمنع الأبواب من الإغلاق إذا كان هناك شخص ما يقف بينهم. أصبحت المصاعد في فترة زمنية قصيرة آلة أساسية وستصبح المصاعد عنصر واسع الإنتشار لدرجة أكبر في المجتمع وهي حقاً من أهم الآليات في العصر الحديث.

أدوات قطع المعادن

المواد المستعملة في صنع أدوات القطع:

تستخدم في صنع أدوات القطع مواد مختلفة منها ما يأتي:

أ- صلب العدة الكربوني والسبائكي carbon steel

يُستعمل الفولاذ الصلب الذي يحتوي على 0.9 إلى 1.4 % من الكربون لصنع أدوات قطع المعادن. ويتصف هذا النوع بصلادة عالية تصل إلى 59-62 ( HRC (HRC: وحدة قياس القساوة الموضعية بالروكويل)، وهو أرخص أنواع صلب العدة، ولكن تحمله للحرارة ضعيف؛ إذ تهبط صلادته عند الدرجة 200-250  oس، لذا فهو يُستخدم في قطـع المعادن بسرعـات صغيرة 15-10 متراً/ دقيقـة (م/د)، وأصبح استخدامـه قليلاً جداً في الوقت الحاضر.

ب- الصلب السريع القطع high speed steel

هو خليطة فولاذية تحتوي على 8.5-19 % من التنغستين و3.8-4.4 % من الكروم، إضافة إلى الكوبالت والفاناديوم (1-1.4 %)، ويمكن بمعالجة هذه الخليطة حرارياً أن تكتسب قسـاوة قدرها 63- HRC. 65 يتميز الصلب السريع القطع بمقاومة مرتفعة للتأكل وللحرارة التي قد تصل درجتها إلى 600 o، لذا يمكن أن تعمل الخليطة بسرعات أعلى مرتين أو ثلاث مرات من سرعة القطع بالصلب الكربوني، وهي تُستخدم لتشغيل قطع العدد ذات الأهمية العالية وأقلام التشكيل. كما تستخدم في تشغيل الصلب السبائكي والصلب العالي المتانة والفولاذ العديم الصدأ، ولا يُنصح باستخدامها عند تشغيل الحديد الزهر.

ج- الكربيد المسمنت cemented carbide:

هي خليطة ليس لها متانة كافية مقارنة بالصلب السريع القطع، فهي مكونة من أذرّة التنغستين والتيتانيوم والتنتاليوم المتحدة كيميائياً، يُضاف إليها الكوبالت مادةً رابطةً، ويكبس مزيج هذه المساحيق تحت ضغط مرتفع في درجة حرارة 1500 سo بطريقة التلبيد على شكل أقراص. وهي لا تحتاج إلى معالجة حرارية، ويمكن تثبيتها على حوامل مصنوعة من الصلب الكربوني ميكانيكياً أو بوساطة اللحام بالشبه، تمتاز هذه الخليطة بمقاومة عالية للاهتراء، ويتوافر منها ثلاثة أنواع:

1- تنغستينية (وحيدة الكربيد): تحتوي على 92 % من كربيد التنغستين و8 % من الكوبالت.

2- تيتانيومية – تنغستينية (ثنائية الكربيد): تحتوي على 15 % من كربيد التيتانيوم و16 % من الكوبالت و69 % من كربيد التنغستين.

3- تنتاليومية- تنغستينية (ثلاثية الكربيد): تحتوي على 7 % من كربيد التيتانيوم وكربيد التنتاليوم (منها 4% TAC و3 % TIC) و12 % من الكوبالت، و81 % من كربيد التنغستين.

ومن أهم ميزات الكربيد المسمنت: الإنتاجية العالية والصلادة العالية (87 - 92 HRA) والمقاومة الجيدة لاحتكاك الرايش ومقاومة الحرارة العالية (800-900 سo)، لذلك يمكن استخدام خلائط الكربيد المسمنت في تشغيل أمتن المواد المعدنية وغير المعدنية قساوةً (كالزجاج والبورسلين واللدائن) وبسرعات قطع أعلى 3-4 مرات من سرعات القطع بالصلب السريع القطع، لكن عيبها الوحيد هشاشتها، وعدم مقاومتها للصدم والاهتزاز.

د- المواد الخزفية ceramics

الشكل (1): الحركة الدورانية الأساسية وحركة التغذية عند الخراطة

الشكل (2):التفريز العرفي (أ) والصعودي (ب)ء

الشكل (3): مقطع تفريز واجهي في أثناء عملية القطع

الشكل (4): عناصر عملية القطع (أ) في الثقب (ب) في توسيع الثقوب

الشكل (5): أجزاء القلم الرئيسية

الشكل (6): زوايا القلم

الشكل (7): رسم تخطيطي يوضح عملية تشكل الرايش

تتكون من خليطة الألومينا (أكسيد الألومنيوم) الرخيص الثمن مقارنة بالمواد المشكلة بالكربيد المسمنت، وتُحضَّر على شكل أقراص بيضاء اللون. ومن خصائصها: الصلادة العالية (89-95 HRA ) ومقاومة الحرارة المرتفعة (1100-1200 سo) والمقاومة الكبيرة للتأكل.

تُستخدم هذه الأدوات لقطع الصلب وحديد الزهر والمعادن غير الحديدية، والخراطة الإنهائية أو نصف الإنهائية منعاً لتعرضها في الحالتين للصدمات في أثناء التشغيل، لكن من عيوبها الهشاشة العالية، لذا يجب عند استعمالها تجنب تعريضها للصدم والاهتزاز الكبير وللأحمال المستعرضة.

ويمكن أن تُستخدم المواد الخزفية لقماً تُثبت على حوامل قطع خاصة بها ميكانيكياً للتقليل من تقشرها وتكسرها، أو بإلصاقها بالحامل بوساطة اللحام.

هـ- الألماس

يتألف الألماس من عنصر كيميائي واحد هو الكربون، وهو من أكثر المواد صلادة ومقاومة للتأكل ودرجة الحرارة؛ إذ يتحمل حتى 900 سo، لذا فهو من أفضل أدوات القطع في عمليات الخراطة وإنهاء السطوح وتشغيل المعادن غير الحديدية والخلائط غير المعدنية. ومن عيوبه الهشاشة العالية والسعر المرتفع.

عناصر عملية القطع:

تتم عملية تشغيل المعادن بالقطع بفصل طبقة من المعدن عن القطعة المشغولة بغية تشكيلها بالشكل والمقاسات المطلوبة؛ وبالتسامح المحدَّد؛ وبنوعية السطح المطلوب، ولإجراء عملية القطع تتحرك المشغولة والأداة القاطعة الواحدة بالنسبة إلى الأخرى.

ففي عملية الخراطة -كما هو موضح في الشكل (1)- تعطى الحركة الأساسية للمشغولة بدوران محور المخرطة بالسرعة اللازمة لإزالة الرايش. وتحقق حركة التغذية التغلغل المتواصل للحد القاطع من قلم القطع في طبقات جديدة من المعدن.

أما القطع بالتفريز بمقطع أسطواني فإن الحركة الدورانية الأساسية تقوم بها أداة القطع، كما هو موضح في الشكل (2)، وتعطي سرعة إزالة الرايش. وثمة نوعان من الحركة: حركة الدوران المتوافق بالاتجاه مع حركة التغذية التي تقوم بها المشغولة، وتسمى عملية التفريز الصعودي، أو حركة تغذية معاكسة في الاتجاه لحركة المشغولة، وتسمى بالتفريز العرفي. وهي تؤدي إلى نشر حرارة في أثناء القطع أعلى من الحرارة المنتشرة في حالة التفريز الصعودي؛ بسبب حدوث انزلاق للحد القاطع على سطح المشغولة، لذا يمكن استعمال سرعة قطع أعلى في حالة التفريز الصعودي.

وثمة عملية قطع اللامعدن باستخدام مقطع تفريز واجهي (الشكل 3)، وفي هذه العملية يقوم كل سن من أسنان أداة القطع بفصل رايش على شكل مستطيل له سمك منتظم نسبياً، وينجم عن ذلك قوة قطع أكثر ثباتاً. ويشترك في عملية القطع أيضاً عدد كبير من الأسنان مقارنة بالحالة السابقة والتي تعتمد على سمك رايش متغير، وهذا يعطي التشغيل بمقطع واجهي أفضلية على التشغيل الأسطواني بسبب عدم وجود اهتزازات وصدمات تقريباً، ويؤدي ذلك إلى الحصول على سطوح أكثر نعومة.

أما عملية ثقب المعادن -التي تُعدّ من أكثر الطرق انتشاراً في عمليات تشغيل المعادن- فيمكن إحداث ثقوب في مشغولات مصمتة، وكذلك يمكن توسيع ثقوب موجودة سلفاً (الشكل 4)، وتكون الحركات الأساسية في أثناء الثقب حركة دوران ريشة الثقب مع تقدم الريشة خطياً، وتكون المشغولة مثبتة على طاولة المثقب.

عناصر القطع في عملية الخراطة

العناصر التي تتصف بها عملية قطع المعادن هي: سرعة القطع  v والتغذية S والعمق  t.

1- سرعة القطع  :cutting speed هي انتقال الحد القاطع للقلم باتجاه الحركة الأساسية بالنسبة إلى السطح المشغل في وحدة الزمن، ويرمز إليه بـ v، ويقاس  m/min.

وتُحسب السرعة بالعلاقة:

حيث: D قطر السطح المعرض للتشغيل.

n عدد دورات المشغولة في الدقيقة.

2- التغذية feed: هي مقدار انتقال الحد القاطع لقلم القطع لـدى دوران القطعـة المعرضـة للتشغيل دورة واحدة. ويُرمز إليه بـ S، ويُقاس بالمليمتر mm.

ترتبط أنواع التغذية بالاتجاه الذي ينتقل إليه قلم القطع في أثناء الخراطة، وهي:

- التغذية الطولية: عندما تكون حركة القلم على طول محور المشغولة.

- التغذية العرضية: عندما تكون حركة القلم عمودية على محور المشغولة.

- التغذية المائلة: عندما تكون حركة القلم بزاوية مع محور المشغولة (خراطة السطوح المخروطية).

3- عمق القطع (d) cutting depth: هي ثخانة طبقة المعدن المنزوعـة في شوط واحد لقلـم القطع (وهي قيمة نصف الفرق بين قطر المشغولة وقطر السطح المشغل الذي يُحصل عليه بعد شوط واحد لقلم القطع)،ويُحسب عمق القطع كما يلي:

 

عناصر القطع في عملية التفريز: هي خمسة:

سرعة القطع  :  mm/min

قطر أداة التفريزD: .

عدد دورات أداة التفريز n: .

التغذية S=So×n:  

التغذية لكل دورة  :  So=Steth×Z

حيث : = Steth المسافة بين سنين متجاورين لأداة التفريز مم/سن.

Z عدد الأسنان القاطعة في أداة التفريز.

ومنه:  S=Steth×Z×n mm/min

الأجزاء الرئيسية لقلم القطع وعناصره:

يتكون القلم من جزأين رئيسيين هما الرأس والنصاب (الشكل 5).

1- الرأس tool point: هو الجزء القاطع من القلم. ويتكون رأس القلـم من السطح الأمامـي الذي ينساب على امتداده الرايش والسطوح الخلفية التي تواجه المشغولة. ويسمى أحد السطوح الخلفية سطحاً رئيسياً، أما السطح الذي يليه فيسمى سطحاً مساعداً. تتكـون الحدود القاطعة من تقاطع السطح الأمامي مع السطحين الخلفيين، وهناك حد قاطـع رئيسي وآخر مساعد، فالحد القاطع الرئيسي هو الجزء الذي يقوم بعملية القطع الرئيسية، وتسمى نقطة تقاطع الحد القاطع الرئيسي مع الحد القاطع المساعد قمة القلم، ويمكـن أن تكون هذه القمة حادة أو مستديرة.

2- النصاب shank: هو الجزء المستخدم لتثبيت القلم على الآلة.

زوايا القلم  :angles cutting toolللقلم زوايا متعددة كما في الشكل (6) أهمها ما يأتي:

أ- زاوية الجرف rake angle (الزاوية الأمامية) γ: هـي الزاوية التـي توفر أفضـل الشروط لفصل طبقة القَطع، ولتشكل الرايش. وتُحدَّد قيمتها بحسـب نوع المـادة المـراد تشغيلها:

γ = 0 - 5 o  لتشغيل الفولاذ بمتانة Bб>80 كغ/مم2.

γ  = 15 - 20 o  لتشغيل الفولاذ بمتانة Bб=60-75 كغ/مم2.

γ = 25 - 30 o  لتشغيل الفولاذ بمتانة Bб=30-40 كغ/مم2.

ب- زاويـة الخلوص الرئيسـية  relief angle α: وظيفتها التقليل من الاحتكاك بيـن السطح الخلفي للقلـم وسطـح المشغولة، وتراوح عادة بين 6 و12 o.

ج- زاوية الاقتراب المستوية  plane-approach angle φ: وظيفتها تحديد ثخانة الجـزء المنزوع من المشغولة وعرضه، وتساوي هذه الزاوية 45 o لأقلام الخراطة الجانبية.

أسس عملية القطع والعوامل المؤدية إلى اهتراء أدوات القطع:

1- عملية تشكل الرايش  :chip forming process يضغط السطح الأمامي لقلم القطع علـى طبقة المعدن الواقعة أمامه مولداً فيها تشويهاً مرناً، ومن ثـم تشويهاً لدناً يؤدي إلـى ازديـاد عرض المعدن من دون أن ينفصل ثم ينثني نحو الأعلى، وعندمـا يبلغ تشوه المعدن أقصـى حد يتحمله المعدن، وتصل قيمة الإجهادات في الطبقة الجاري نزعها عن المشغولة مقداراً يزيد على حد متانـة المعدن؛ يحدث قص العنصر المشـوه عن السـطح الذي يسمى سطح القص. وبهذه الطريقة تتشكل عناصر مجزأة بعضها خلف بعض، وتؤلـف مجتمعة الرايش على طول انتقال قلم القطع. ولما كانت الطبقة المنزوعة تتشوه تشوهاً لدناً؛ فإن ذلك يؤدي إلى نقصان طول الرايش عن طول الطبقة المنزوعة. أما ثخانة الطبقة المنزوعة فتكون أكبـر (الشكل 7)، ويكون معامل تقلص الرايش غير ثابت ويتعلق بالخواص الميكانيكية للمعدن المشغل وهندسة الجزء القاطع لأداة القطع وسرعة القطع والتغذية والتبريد، وجميعها تؤثر فـي مقدار تقلـص الرايش.

2- أنواع الرايش :chip types

ثمة أنواع مختلفة من الرايش، ويعتمد ذلك على المواصفات الفيزيائية والكيميائية للمعـدن المعرض للتشغيل، وكذلك على معدلات القطـع وهندسـة الأداة القاطعة (شكل أداة القطـع وزواياها). ويوضح الشكل (8) أنواع الرايش:

- الرايش المجزأ  segmental chip: هو نثرات على شكل شبه منحـرف غير متصلة بعضها مع بعض، وتظهر في حالـة تشـغيل المعادن اللدنة وبسرعـة قطع 0.5-2 م/د، وثخانة رايش كبيرة، وزاوية جرف صغيرة لقلـم فولاذ كربوني 45.

- الرايش المتدرج (المجعد) chip curling: هـو رايش علـى شكل شريـط مختلف الطول، عناصره مجزأة وواضحة، يرتبط بعضها ببعض ارتباطاً خفيفاً، وتظهر عندما تكون سرعة القطع 5-15 م/د لقلم فولاذ كربوني 45.

- الرايش الانسيابي (الشريطي)  band chip: هو رايش على شكل شريـط مستمر، ويظهر عند تشغيل الفـولاذ الكربوني 45.

- الرايش المفتت fracture chip: هو رايش ينفصل عن المعدن على شكل نثرات منفصلة بعضها عن بعض، وتظهر عند قطع المعادن الهشة كحديد الزهر والبرونز.

الشكل (8): أنواع الرايش: أ- رايش مجزأ، ب- رايش متدرج ، ج- رايش منساب، د- رايش متفتت

3- تشكل الحد المتراكب على أداة قطع المعادن  :built- up edge forming

الشكل(9) تشكل الحد المتراكب

الشكل (10) القوى المؤثرة في قلم القطع

يتشكل حد متراكب إسفيني الشكل على الحد القاطع، وهو امتداد إضافي للقلـم، يغير أبعاده نتيجة التحام جزء من المعدن المشغل على الحد القاطـع بـسبب الحرارة العاليـة والضغط المرتفع، ويؤدي ذلك إلى تبدل قطر المشغولة، وهـذه ظاهـرة مؤذية في حال التشغيل الإنهائي للقطعة. ولتقليل احتمال تشكل الحد المتراكب على قلـم القطع يجب تقليل الاحتكاك على وجـه القلم بزيادة نعومة وجـه قلم القطـع، واستعمال سائل التبريد والتزييت في أثناء القطع، وإنقاص قيمة زاوية القطـع إلـى 45 o، والشكل رقم(9) يوضح أشكال الحد المتراكب.

4- القوى المؤثرة في قلم القطع :cutting forces

إن محصلـة القوى التي تقاوم قطع المعدن  (R) (الشكل 10) هي قوة مقاومـة الطبقة المنزوعة لتشويه عناصر الرايش وقصها (قوة القطع المماسة  PZ)، وقيمتها هي الكبرى بين القوى الأخرى، فهي تفوق قوة التغذية بأربـع مرات والقـوة القطريـة بمرتيـن ونصف وتقاس بالكيلوغرام. وتتعلق قوة القطع بالخواص الميكانيكيـة للمادة المشغلة، وبمساحة المقطع العرضي للجزء المقطوع، وبزوايا أداة القطع، وبسرعة القطع، وجودة سوائل التبريد والتزييت وغيرها.

ويكون الضغط النوعي للقطع = 

 

يزداد الضغط النوعي للقطع بازدياد متانة المادة المعرَّضة للتشغيل وازدياد زاوية القطع، وينقص بازدياد مساحة المقطع العرضي للطبقة المنزوعة، وبازدياد قوة احتكاك الرايش بالسطح الأمامي لقلم القطع (قوة محورية أو قوة التغذية  Px)، وبازدياد قوة احتكاك السطح الخلفي للقلم  (Py القوة القطرية) بسطح القطعة المشغلة. ولقوى القطع أثر في الأداة القاطعة؛ إذ تتعرض قمة قلم القطع لتشوه انحناء وقص أو تشوه انضغاط، وكلما ازدادت هذه القوة اشتد تأكل قلم القطع.

5- تأثير زوايا قطع قلم في قوة القطع:

كلما زادت زاوية الجرف  γ تنقص قيمة قوة القطع؛ مع ضرورة مراعاة ألَّا تكـون زيـادة الزاوية على حساب نقص متانة قلم القطع (الشكل 6) ونقص العمر التشغيلي للقلم. وعنـد نقـص قيمـة زاوية الاقتراب الأفقية  φتزداد قوة القطع PZ والقوة القطريـةPy ، ويحصل العكس في حال زيادة قيمة الزاوية φ، وذلك بسبب نقص طول تماس الحد القاطع مع الرايش.

6- تأثير سرعة القطع في قوة القطع:

عند تشغيل الفولاذ الكربوني 45 بسرعـة قطـع مـن 1-20 م/د تنقص قوة القطع تدريجياً. وابتداءً من السرعة 20م/د حتى 40-50م/د تزداد قوة القطع، وعندما تستمر زيادة سرعة القطع حتى 250-300م/د فإن قوة القطع تنقص بدرجة ملحوظة.

ومنه يتضح أن مقاومة معدن المشغولة من الفولاذ الكربوني لعملية القطع تنقص بدرجة واضحة في حالة القطع بسرعات عالية؛ إذ تنخفض قيمة القوة FZ بسبب الانخفاض في حجم التشوه للجزء الممتد في المشغولة.

7- تأثير سوائل التزييت والتبريد في قوة القطع:

يقلل استعمال سوائل التزييت والتبريـد من قوة القطـع؛ لأن سائل التزييت والتبريد يشكل على سطح المعدن طبقـة رقيقـة تقلل الاحتكاك بين السطح الأمامي لقلم القطع وبين الرايش المنساب، وكذلك بين السطح الخلفي للقلم وسطح القطع، ويسهل عملية تشكل الرايش.

أنواع أقلام الخراطة:

تُقسم أقلام الخراطة بحسب نوع التشغيل واتجاه التغذية وشكل الرأس ومادة الجزء القاطع وطريقة تثبيت الجزء القاطع للقلم.

أ- فبحسب نوع التشغيل يمكن تمييز الأنواع التالية (الشكل11):

 - أقلام الخراطة العادية normal cutting tool: تُستخدم لتشغيل سطح المشغولة من الخارج بالتغذية الطوليـة، وتكـون لقيمة زاوية الاقتراب الأفقية عدة أنواع φ=45 o، 60 o، 75  o (أ).

 - أقلام سندية تكون فيها φ=90 o، وتستخدم لصقـل النتوء (ب).

 - أقلام الخراطة الطرفية end-cutting turning tool: تُسـتخدم لتشغيل السـطوح الطرفية للمشغولة (ج).

 - أقلام خراطة المجاري: تُستخدم لتشغيل مجرى قائم الزاوية ذي عرض معيـن (د).

 - أقلام الفصل separating tool: تُستخدم لفصل المشغولة الجاهزة (هـ).

 - أقلام الخراطة الداخلية internal turning tool: تُستخدم لخراطة الثقوب النافـذة (و) والثقوب غير النافذة (ز).

 - أقلام خراطـة القلاووظ (فتح سن لولبي)  thread tool: تُستخدم لقطع القلاووظ الخارجـي الشكل (جـ) والقلاووظ الداخلي (ط).

 - أقلام خراطة التشكيل forming turning tool: تُستخدم لتشغيل السطوح ذات الأشكال المختلفة كما هو موضح في الشكلين (ي، ك).

الشكل (11): أقلام الخراطة: أ- الخراطة العادية، ب- الخراطة السندية، جـ الخراطة الجانبية، د- خراطة المجاري، هـ - الفصل، وـ ز - الخراطة الداخلية، ح- خراطة القلاووظ الخارجية، ط - خراطة القلاووظ الداخلية، ى، ك - أقلام التشكيل

ب-  الأقلام المصنفة بحسب اتجاه التغذية: وهي:

الشكل (12): أقلام  مزودة بسبائك من الكربيد المسمنت: أ- قلم ذو سبيكة ملحومة من الكربيد المسمنت، ب- قلم ذو سبيكة من الكربيد المسمنت مثبتة بصورة ميكانيكية

- أقلام يمينية: تُستخدم عندما يكون اتجاه التغذيـة من اليمين إلى اليسار، ويكون حدّها القاطـع الرئيسي إلى يسارها.

- أقلام يسارية: تُسـتخدم عندما تكون التغذية من اليسار إلى اليمين، ويقع حدّها القاطع الرئيسي إلى يمينها.

ج- أنواع الأقلام بحسب شكل رؤوسها:

- أقلام مستقيمة: الأقلام التي يكون محورها الأفقي مستقيماً.

- أقلام منحنية: الأقلام التي يكون محورها الأفقـي منحنياً إلى اليسار أو اليمين، وهـي سهلـة الاستعمال في الخراطة الطولية للسطوح.

د- أنواع الأقلام بحسب مادة الجزء القاطع:

- أقلام سريعة القطع: تُستعمل في التشغيل الخشن والإنهائي للفولاذ.

- الأقلام المزّودة بلقمة الكربيد المسمنت: تُستعمل في التشغيل الخشن والإنهائي لحديد الزهـر والفولاذ والمعادن غير الحديدية والمواد غير المعدنية، وذلك بسرعات قطـع مرتفعـة (الشـكل 12).

- الأقـلام المزودة بسبائك معدنية وسيراميكية: تُستعمل للتشغيل نصـف الإنهائي والإنهائـي لحديد الزهر والفولاذ، وذلك في شروط خالية من الصدمات.

- الأقلام الألماسية: وهي مخصّصة للخراطة الدقيقة وتشغيل المعادن الحديدية والسبائك، وتثبـت اللقمة على النصاب إما باللحام القصديري وإما بالتثبيت الميكانيكي.

حوامل اللقم:

تُركّب اللقم على حوامل عيارية مطوّرة لأنواع قَطع المعادن كافة، ويبّين (الشكل 13) مجموعة متنوعة من لقم الخراطة مصنعة من أنواع مختلفة من المعادن، ولها أشكال هندسية وأحجام مختلفة. بعضها ملبس بطبقة نترات التيتانيوم  (TIN)، وبعضها الآخر بكربيد التيتانيوم  (TIC)، وأنواع أخرى ملبسة بطبقتين من نترات التيتانيوم  (TIN) وكربيد ونترات التيتانيوم ( TIC,N)، ومنها ما هو ملبس بثلاث طبقات من نترات التيتانيوم TIN، فأكسيد الألمنيوم  AL2O3، فكربيد نترات التيتانيوم  (TIC,N).  تقع ثخانة تلك الطبقات بين 2-14 مكروناً. وتسهم هذه الأنواع من الطبقات في زيادة عمر الحد القاطع للُّقمة وزيادة مقاومتها للاهتراء، وتقلل من تأثير الرايش في سطح القطع وفي الحد القاطع؛ لأنها تقلل من الاحتكاك، وهذا ما يساعد على الحصول على سطوح قطع بنعومة أكبر وأبعاد مشغولة بدقة أعلى.

الشكل (13): أنواع وأشكال وأحجام مختلفة من لقم الخراطة

الأنواع الأساسية لمقاطع التفريز

الشكل (14): الأنواع الأساسية لمقاطع التفريز: أ- الأسطواني، ب- الواجهي، جـ الشقبي، د- الجانبي، هـ  - المشاري، و- الطرفي

الشكل (15): أصناف تأكل أداة القطع

يُعدّ التفريز إحدى عمليات التشغيل الميكانيكي بالقطع، وثمة أنواع عديدة من سكاكين التفريز بحسب مقطع التفريز الذي يجري تشغيله (الشكل 14).

- مقطع التفريز الأسطواني  cylindrical milling: تدور أداة القطع حول محور أفقي على المشغولة المثبتة على طاولة الآلة (أ).

- مقطع التفريز الواجهي  -milling cutter:تدور أداة القطع حول محور عمودي على المشغولة (ب).

- مقطع التفريز العرضي  lateral milling:تدور أداة القطع حول محور أفقي، ويكون اتجاه دوران أداة التفريز معاكساً لاتجاه التغذية، ويسمى التفريز العرضي، ويُستخدم لتشغيل المجاري والأكتاف (جـ).

- مقطع التفريز الجانبي  side milling:تدور أداة القطع حول محور أفقي، ويكون اتجـاه دوران أداة التفريز باتجاه التغذية، ويسمى التفريز الصعودي. ويُستخدم أيضاً لتشغيل المجاري والأكتاف، ولا تُستخدم هذه الطريقة في حالة المشغولات القاسية السطوح (د).

- مقطع التفريز المنشاري  :circular sawتدور أداة القطع حول محور أفقي، وتُستخدم لفتح الأخاديد الضيقة أو لعملية فصل المشغولة (هـ).

- مقطع التفريز الطرفي  end milling:تدور أداة القطع حول محور شاقولي، ويعطي هذا النوع سطوحاً مشغلةً أكثر جودة. وهذه الطريقة أكثر إنتاجية، وتُستخدم لتشغيل الأكتاف (و).

أثر سوائل التبريد في أداة القطع

تتولد في أثناء عملية القطع كميات كبيرة من الحرارة تؤدي إلى تسخين الحد القاطع ونقصان قساوته ثم تأكله. وللتقليل من سرعة تأكل الحد القاطع وزيادة مدة خدمته تُستخدم سوائل التبريد المخصصة لإنقاص الحرارة في منطقة تشكل الرايش، وفي حال كانت سوائل التبريد ذات خواص تزليقيّة؛ فإنها تقلل الاحتكاك بين القلم والرايش وبين القلم والمشغولة، ومن ثَمَّ تُخفّض كمية الحرارة الناتجة من الاحتكاك بتسهيل انزلاق الرايش على سطح القلم القاطع ويكون تأكل حد القلم القاطع أبطأ.

تُستخدم عدة أنواع من سوائل التبريد والتزييت في أثناء عملية التشغيل، ويُحدَّد نوع سائل التبريد وغزارته بحسب نوع عملية التشغيل ونوع أداة القطع ونوع معدن القطعة المشغلة، وكذلك معدلات القطع المستخدمة (من سرعة وتغذية وعمق القطع). وهناك مجموعتان من سوائل التبريد:

- المحاليل المائية aqueous emulsion: تمتاز بخواص تبريد جيدة، وتنحصر عملية التبريـد في امتصاص حرارة القطع وخفضها، ومنها محلول كربونات الصوديوم ويحوي 3-5 % صودا.

- المحاليل الزيتية المحتوية على الزيت المكبرت (سولفاتيزول) sulfurized oil : وهي زيوت معدنية معاملة بمجموعة السلفونيك. يُفضّل التبريد بتوجيه تيار خفيف مـن المستحلب المائي بضغـط لا يزيـد على 30 كغ/سم2 عبر فتحة صنبور ضيق من جهة السطح الخلفي للقلم(على نقطة تحرك الرايش). ولا يُستخدم التبريد عند تشكيل المعادن الهشة كحديد الزهر.

يمكن تحسين خواص سوائل التبريد والتزييت بإضافة كميات قليلة (0.01-0.1%) من مواد نشطة سطحياً حيث يمكنها زيادة قدرة التزييت. ومن هذه المواد: حامض الأستاريك، حامض الزيتيك، الحامض النخيلي وغيرها، مع إضافات أخرى من مواد عضوية كالفلور أو الكروم أو اليود.

عمر أداة القطع

عمر أداة القطع cutting life tool  هو الزمن الذي تعمل فيه أداة القطع على نحو طبيعي إلى أن يتأكل الحد القاطع، ويقاس هذا الزمن بالدقائق.

تتأكل أداة قطع المعادن نتيجة الاحتكاك الحاصل بين الرايش وسطح أداة القطع وجانب أداة القطع مع المشغولة، حيث تُنتزع جسيمات مجهرية من سطح الأداة تتسبب في تحول الحد القاطع إلى رايش مجهري، إضافة إلى تشكل نقرة قريبة من الحد القاطع في منطقة مركز ضغط الرايش ذات الحرارة المرتفعة، وبمساحة تماس صغيرة نسبياً wear crater. ويوضح الشكل (15) تصنيف أنواع التأكل الذي يحصل لأداة قطع المعادن، وهو ما يجعل قطع المعدن أصعب، ويعجز القلم عن إعطاء النعومة المطلوبة لسطح المشغولة ويفقد القدرة على تشكيل الرايش بانتظام.

إضافة إلى ماتقدم تبذل جهود كبيرة لتحديد معدلات القطع وتطوير الشكل الهندسي لأدوات القطع وحواملها لتسريع زمن فك لقم القطع وتركيبها على الحوامل في عمليات الخراطة والتفريز والثقب. وقد بُذلت جهود كبيرة لزيادة عمر تلك الأدوات بتصميم أقلام قطع أكثر مقاومة للحرارة وأقل احتكاكاً للرايش مع سطح أداة القطع، وتعمل على تكسير الرايش وتوزيع الحرارة وعدم السماح لها بالتركز في منطقة سطح الجرف، إضافة إلى الإقلال من التدفق الحراري ما أمكن باتجاه الحدود القاطعة.

وثمة مواد خاصة تمتاز بمقاومة حرارية وكيميائية عالية، تسهل انزلاق الرايش على سطح أداة القطع، وتستخدم في تلبيس اللقم الكربيدية طبقة رقيقة 2-14مكروناً من كربيد التيتانيوم  TIC أونترات التيتانيوم TINأوأكسيد الألمنيوم   (AL2O3)، لزيادة مقاومة القلم للاهتراء وزيادة الإنتاجية وخفض كلفة التشغيل.

وكذلك مكَّن تطوير أدوات قطع معيارية واستخدامها في آلات الخراطة الحديثة وفي مراكز التشغيل مكَّن من خفض زمن التشغيل وزيادة كبيرة في الإنتاجية بزيادة عمق القطع والعمل بسرعات قطع عالية.