نگاهی به تاریخچه فرزها

در صنعت فلزکاری دستگاه‌های فرز ابزارهایی بسیار سازگار برای انجام عملیات مختلف ماشین‌کاری هستند. از برش اشکال متفاوت، سوراخ‌کاری و ایجاد شیار روی فلزات آهنی و غیرآهنی، دستگاه‌های فرز طراحی شده‌اند تا محصولاتی یکپارچه و یکسان را بارها و بارها تولید کنند.

تطبیق‌پذیری و دقت آن‌ها این ابزارها را در صنایع مختلف، از صنایع سنگین و هوافضا گرفته تا ساعت‌سازی و تولید ابزارهای جراحی، به یک جزء ضروری تبدیل کرده است. اما این قطعه حیاتی از فناوری فرزکاری چگونه طی قرن‌ها تکامل یافت؟ بیایید نگاه عمیق‌تری داشته باشیم.

فرز چیست؟

فرآیند فرزکاری امروزی فرصتی برای رزوه زنی، لبه‌زنی، شیارزنی و سوراخ‌کاری تحت کنترل دستی یا دیجیتالی فراهم می‌کند، اما دستگاه‌های فرز اولیه بسیار ساده‌تر بودند.

یک دستگاه فرز استاندارد شامل یک میز یک ابزارگیر، چندین کشوی افقی و عمودی، یک صفحه گردان، یک پایه چرخان و محور اصلی است. پایه چرخان چیزی است که یک دستگاه فرز را از یک تراش متمایز می‌کند.

به طور خلاصه در حالی که تراش قطعه کار را در برابر یک ابزار برش ثابت می‌چرخاند، فرز ابزار را در برابر یک قطعه کار ثابت یا قطعه کاری که در امتداد یک محور ابزار قابل برنامه‌ریزی حرکت می‌کند، می‌چرخاند. این تفاوت کلیدی راه را برای انعطاف‌پذیری بیشتر، به ویژه برای کار با سطوح صاف یا نامنظم، هموار کرد.

امروزه، شما انواع مختلفی از دستگاه‌های فرز را خواهید یافت که برای عملیات تخصصی طراحی شده‌اند، از جمله فرزهای دروازه‌ای، فرزهای برجی و فرزهای CNC با سرعت بالا که قادر به ایجاد اشکال پیچیده و قطعات دقیق هستند.

اولین دستگاه فرز چه زمانی اختراع شد؟

مخترع اولین دستگاه فرز ناشناخته است اما توسعه آن‌ها مستند شده است. ساموئل رِه یک ماشین اولیه را ایجاد کرد اما اطلاعات کمی در مورد جزئیات آن به جا گذاشت. یک دهه بعد، اِلی تِری طرح را اصلاح کرد و از فرزها برای تولید قطعات ساعت قابل تعویض استفاده کرد. توسعه دستگاه‌های فرز آهسته و پیوسته بود و راه را برای پیشرفت در ماشین‌کاری دقیق هموار کرد. هر گام در توسعه فرز یونیورسال، تولید محصولات یکسان را آسان‌تر می‌کرد.

در سال ۱۸۱۸، اِلی ویتنی که به دلیل اختراع ماشین پنبه‌پاک‌کن نیز شناخته می‌شود، چیزی را ساخت که به عنوان اولین دستگاه فرز از آن یاد شده است. با این حال، فرز او تنها یک نسخه به روز شده و بهبود یافته از ماشینی بود که توسط رِه و تِری اختراع شده بود. ویتنی تنها کسی نبود که نیازی را در صنعت تولید دید و برای پر کردن آن تلاش کرد. مخترعان جان هال ، رابرت جانسون و سیمئون نورث همگی ماشینی را طراحی کردند که به طور مداوم قطعات کاملاً یکسان تولید می‌کرد.

پس چرا اِلی ویتنی به عنوان مخترع دستگاه فرز شناخته می‌شود؟ زیرا اِلی ویتنی یک دستگاه فرز موفق را در نیوهیون، کانکتیکات، ساخت که قطعات تفنگ قابل تعویض را تولید می‌کرد. اختراع او صنعت را متحول کرد.

قبل از ویتنی، تمام سلاح‌های گرم توسط ماشین‌کاران بسیار ماهر به صورت دستی ساخته می‌شدند. این فرآیند نه تنها زمان زیادی می‌برد، بلکه به این معنی بود که تعویض قطعات تفنگ غیرممکن بود. اختراع ویتنی، که دارای یک ابزار برش گردان بود، تولید انبوه تفنگ در ایالات متحده را آغاز کرد.

با توجه به حجم بالای سفارش از دولت ایالات متحده، ویتنی یک کارخانه ماشین‌ابزار پیشرفته در نیوهیون تأسیس کرد که قطعات یکسان برای تفنگ‌ها تولید می‌کرد. او الگوهای فردی برای تولید مجدد قطعات تفنگ ساخت. یک کارگر الگو را برمی‌داشت و فلز را طبق آن روی دستگاه فرز برش می‌داد.

اغلب حاشیه خطا بالا بود. این امر ویتنی را بر آن داشت تا نسخه جدیدی از فرز را اختراع کند که جایگزین مهارت‌های مکانیکی در تولید تفنگ شود. این نسخه جدید نسبتاً دقیق‌تر بود.

ویتنی چندین مدل از دستگاه فرز را در طول سال‌ها توسعه داد. اما فرزهای دارای فناوری CNC تا سال ۱۹۵۲، به لطف ریچارد کِگ (Richard Kegg)، وجود نداشتند.

ارتباط فرزکاری با انقلاب صنعتی

توسعه دستگاه‌های فرز با زمان گسترش عظیم صنعتی در اوایل قرن نوزدهم همزمان بود. انقلاب صنعتی، قدرت بخار، تولید آهن و ساخت مکانیزه را به کانون توجه آورد. با رشد صنایع نساجی و فلزی، تقاضا برای روش‌های ماشین‌کاری دقیق و مقیاس‌پذیر نیز افزایش یافت.

دستگاه‌های فرز به راه‌حلی برای یک نیاز فوری تبدیل شدند: توانایی ساخت سریع و مکرر قطعات دقیق. در اواسط قرن نوزدهم، این نوع ماشین تنها برای سلاح‌های گرم و ساعت‌ها استفاده نمی‌شد، بلکه برای موتورهای بخار، لوکوموتیوها و تجهیزات دریایی نیز کاربرد داشت.

انگیزه برای قطعات قابل تعویض – ایده‌ای که به شعله‌ ور شدن سیستم تولید آمریکایی کمک کرد – بدون پیشرفت در فرزکاری نمی‌توانست اتفاق بیفتد. اصل قطعات استاندارد شده، تدارکات نظامی و اقتصادهای صنعتی را به یک اندازه متحول کرد و آنچه را که زمانی محصولات دست‌ساز بودند، به کالاهایی قابل تولید تبدیل کرد.

تبدیل شدن به یک ابزار ماشین‌کاری صنعتی مفید

دستگاه‌های فرز اولیه هنوز یک خطای بزرگ داشتند: یک ماشین‌کار باید قطعه کار را به نیمکت محکم می‌کرد و سپس الگو را روی آن قرار می‌داد. یک ابزار برش، معمولاً یک اسکنه، برای بریدن فلز اضافی استفاده می‌شد. هنگام سوهان‌کاری اشکال پیچیده با دست، اندازه‌گیری‌ها اغلب نادرست بودند. این امر فرآیند تولید را کند می‌کرد. این مشکل در نهایت ویتنی را به اختراع یک دستگاه فرز پیشرفته‌تر سوق داد.

او یک چرخ آهنی با دندانه‌های منحنی طراحی کرد که از محیط آن بیرون زده بودند. دندانه‌ها تا لبه برش تیزی سوهان‌کاری و سپس برای تحمل ضربه سخت شدند.

وقتی چرخ حرکت می‌کرد، دندانه‌ها با صفحه فلزی تماس پیدا می‌کردند. تنها با این تفاوت که این بار هر دندانه به عنوان یک اسکنه جداگانه عمل می‌کرد و هر ضربه یکسان بود. یک چرخش کامل چرخ، سرعت برش ثابتی را تضمین می‌کرد و از نقاط برش چندگانه برای کارایی استفاده می‌کرد. هنگامی که او چرخ را در لبه یک الگو هدایت می‌کرد، صفحه فلزی به طور مرتب برش می‌خورد.

این برش‌گرهای چرخشی اساس فرزهای انگشتی و فرزهای مدرن بودند. با حذف بخش زیادی از تغییرات و مهارت‌های مورد نیاز در سوهان‌کاری دستی، ابزار ویتنی می‌توانست قطعات نسبتاً یکنواختی تولید کند. اگرچه هنوز هم بسیار دور از حد کمال بود، اما نقطه عطفی در ماشین‌کاری مکانیزه بود.

تغییر شکل دستگاه فرز

مهندسی دستگاه فرز ویتنی ساده به نظر می‌رسد اما اِلی ویتنی حدود هشت سال طول کشید تا سفارش تفنگ را انجام دهد. مسائل مربوط به ماشین‌ها، جزئیات کار، و موارد دیگر باعث شد که فرآیند طولانی‌تر از حد برنامه‌ریزی شده شود و اکثر تفنگ‌ها در دو سال پایانی تکمیل شدند.

سال‌ها بعد، مخترع جوزف آر. براون دستگاه فرز اصلاح شده خود را در نمایشگاه پاریس ۱۸۶۷ به نمایش گذاشت. این دستگاه دارای شیارهای مارپیچی برای نوع خاصی از مته‌های سوراخ‌ کن بود و یک برش‌گر شکل‌ دار بعداً به آن اضافه شد. دستگاه فرز به تکامل خود ادامه داد.

براون، به همراه لوسین شارپ (Lucien Sharpe)، در ادامه شرکت تأثیرگذار Brown & Sharpe Manufacturing Company را تشکیل دادند که یک رهبر اولیه در ماشین‌ابزارهای دقیق بود. ماشین‌های آن‌ها، که می‌توانستند چرخ‌دنده‌ها و اشکال پیچیده‌تر را با دقت بیشتری نسبت به گذشته برش دهند، به نوآوری‌های بیشتر در طیف گسترده‌ای از بخش‌های تولیدی کمک کردند.

در اوایل قرن نوزدهم، تراش به دلیل سادگی، پیش‌خور عرضی قدرتمند و جعبه‌دنده مشخص، محبوب‌تر بود. به لطف افزوده‌های مهم براون، دستگاه فرز توانست در حدود سال ۱۸۶۴ با تراش‌ها رقابت کند.

یکی دیگر از مشارکت‌کنندگان کلیدی، فرانسیس ای. پرَت از شرکت Pratt & Whitney طراحی زانو و ستون را در دهه ۱۸۶۰ معرفی کرد که هنوز هم یک ویژگی اصلی در بسیاری از فرزهای ورتیکال مدرن است.

اولین ماشینی که به صورت عددی کار کرد

از سال ۱۹۴۰ به بعد تلاش‌های متعددی برای خودکارسازی دستگاه فرز صورت گرفت. فرزکاری دستی به مهارت‌های مکانیکی نیاز نداشت، اما هدف این بود که کل فرآیند را مطابق با فناوری مدرن خودکار کنیم.

دلایل دیگری نیز برای انتخاب دستگاه‌های فرز کنترل عددی کامپیوتری (CNC) وجود داشت؛ اولین دلیل عدم یکنواختی در داده‌ها، خروجی و خود محصولات بود.

در سال ۱۹۵۲ ریچارد کِگ از MIT و شرکت Cincinnati Milling Machine اولین دستگاه فرز CNC واقعی را توسعه دادند: Cincinnati Hydro-Tel. این پروژه در ابتدا توسط نیروی هوایی ایالات متحده تأمین مالی شد که به روش‌های بهتری برای تولید قطعات پیچیده موتور جت نیاز داشت.

این پیشرفت عصر جدیدی را آغاز کرد: کنترل عددی به این معنی بود که ماشین‌کاران اکنون می‌توانستند دستورالعمل‌ها را از طریق کارت‌های پانچ و بعداً از طریق رابط‌های دیجیتال وارد کنند. این امر خطای انسانی را کاهش داد، قابلیت تکرارپذیری را افزایش داد و به شدت پیچیدگی قطعاتی را که می‌توانستند ماشین‌کاری شوند بهبود بخشید.

هنگامی که برنامه‌نویسی عددی روی یک دستگاه فرز نصب شد عملیات ماشین را سیستماتیک کرد و آن‌ها را سریع‌تر، دقیق‌تر و کارآمدتر از ماشین‌کاری دستی کرد.

تکامل فرزهای امروزی

فرزهای CNC رویکردی مدرن برای ماشین‌کاری مواد خام دارند، اما عملکردهای اصلی یکسان هستند. قطعات سفارشی اغلب با کمک نرم‌افزار طراحی به کمک کامپیوتر (CAD) ایجاد می‌شوند.

این امر دستگاه‌های فرز را قادر می‌سازد تا قطعات مختلف را از انواع فلزات و پلاستیک‌ها به صورت انبوه تولید کنند. دستگاه‌های پیشرفته امروزی می‌توانند همه چیز را از پره‌های توربین هوافضا و ایمپلنت‌های زیست‌پزشکی گرفته تا قطعات خودرو با کارایی بالا و حتی قطعات مورد استفاده در اکتشافات فضایی، فرزکاری کنند.

بیایید نگاهی دقیق‌تر به برخی از رایج‌ترین انواع دستگاه‌های فرز که امروزه استفاده می‌شوند و پیشرفت‌های تاریخی که به طراحی‌های منحصر به فرد آن‌ها منجر شده است، بیندازیم.

• فرزهای افقی (Horizontal Milling Machines): این نوع فرزها از اولین اشکال فرزهای صنعتی بودند. محور آن‌ها به صورت افقی و موازی با میز کار قرار دارد. ابزارهای برش به یک شفت متصل می‌شوند که در امتداد این محور حرکت می‌کند. این پیکربندی برای برش شیارها، دندانه‌های چرخ‌دنده و سایر عملیات سنگین ایده‌آل است.
• فرزهای عمودی (Vertical Milling Machines): محور این فرزها به صورت عمودی قرار گرفته است و ابزارها می‌توانند به طور مستقیم از بالا به قطعه کار وارد شوند. این طراحی دید بهتر، سهولت استفاده و دسترسی بهبود یافته برای کارهای دقیق را فراهم می‌کند.
• فرزهای CNC تخت (CNC Bed Milling Machines): این فرزها برای پایداری و پشتیبانی ساخته شده‌اند و برای قطعات بزرگ و سنگین عالی هستند. بر خلاف فرزهای زانویی، میز آن‌ها ثابت است و سر دستگاه حرکت می‌کند. این طراحی منجر به استحکام بیشتر و دقت ابعادی بهتر می‌شود.
• فرزهای برجی (Turret Mills): این فرزها زیرمجموعه‌ای از فرزهای عمودی هستند که محور آن‌ها روی یک برجک نصب شده و می‌تواند بچرخد. این ویژگی به سر برش اجازه می‌دهد تا بدون نیاز به تغییر مکان کل دستگاه، از زوایای مختلف به قطعه کار نزدیک شود.
• بورینگ میل‌ها (Boring Mills): این ماشین‌ها ابزارهای تخصصی برای بزرگ کردن سوراخ‌های موجود به صورت دقیق و کنترل شده هستند.
• فرزهای دروازه‌ای و ۵محوره (Gantry and 5-Axis Milling Machines): فرزهای دروازه‌ای برای قطعات بسیار بزرگ در صنایع هوافضا و سازه‌های فلزی طراحی شده‌اند. فرزهای ۵محوره، که در اواخر دهه ۱۹۹۰ برجسته شدند، نقطه اوج فرزکاری مدرن هستند. این سیستم‌ها می‌توانند به طور همزمان یک قطعه یا ابزار برش را در امتداد پنج محور مختلف حرکت دهند.

نگاه به آینده

همانطور که مواد جدیدی مانند کامپوزیت‌ها، سرامیک‌های پیشرفته و پلیمرهای تقویت‌شده با کربن ظهور می‌کنند، طراحی دستگاه‌های فرز به تکامل خود ادامه می‌دهد. اسپیندل‌های با سرعت بالا، کنترل خوراک تطبیقی و نرم‌افزارهای مبتنی بر هوش مصنوعی در حال تبدیل شدن به ویژگی‌های استاندارد در سیستم‌های CNC برتر هستند.

هر نوع دستگاه فرز شکل و عملکرد خود را مدیون قرن‌ها حل مسئله مکانیکی است. چه هدف از بین بردن سریع فلز باشد و چه مجسمه‌سازی یک پره توربین با دقت میکرونی، ماشین‌های امروزی گواهی بر این هستند که نوآوری در دنیای تولید هرگز نمی‌خوابد.

سخن پایانی

دستگاه‌های فرز بیش از دویست سال پیش اختراع شدند. از تاریخچه فرزکاری می‌توانید ببینید که فرزها توسط ساعت‌سازان، اساتید دانشگاه، سازندگان سلاح‌های خصوصی و … توسعه یافتند. فرزهای امروزی توسط افراد زیادی در همین صنایع استفاده می‌شوند و این ماشین‌ها را به یک پیوند با گذشته و فرصتی برای پیشرفت در آینده تبدیل می‌کنند.

همانطور که تولید به تکامل خود ادامه می‌دهد – با پذیرش هوش مصنوعی، اتوماسیون و مواد نسل بعدی – فرزها در قلب مهندسی دقیق باقی می‌مانند. سفر آن‌ها از ابزارهای دستی تا شگفتی‌های CNC پنج محوره، داستان گسترده‌تر نبوغ صنعتی را بازتاب می‌دهد: یک پیگیری مداوم برای دقت، تکرارپذیری و کارایی.

چه در حال ماشین‌کاری یک قطعه تفنگ قرن نوزدهمی باشید و چه یک نازل موشک قرن بیست و یکمی، فرز معمولی گواهی بر این است که ابزار مناسب، که در طول زمان اصلاح شده، می‌تواند تاریخ را شکل دهد.