تکه فلزی که با دقتی فراتر از تخیل تراشیده میشود، نتیجه‌ی طراحی کامپیوتر، ماشین‌کاری و حمام اسیدی که آن را تا میکرون به دقت زدوده و بالانس میکند تا در سرعت سرسام‌آور کار کردنش از هم نپاشد. قصه‌ی ساخت روتور کمپرسور که هوا را می‌فشارد تا جهان را بگرداند.

درون کمپرسور اسکرو دو قطعه فولادی هزاران بار در دقیقه به دور یکدیگر میچرخند. این دو قطعه تنها چند میکرون با یکدیگر فاصله دارند اما هیچگاه با هم برخورد ندارند. تفاوت شاهکار راندمان کمپرسور و خرابی بسیار گرانقیمت آن از قطر یک تار موی انسان هم باریکتر است.

معمای دقت: روتور کمپرسور چطور تا این حد دقیق ساخته میشود؟

روتور قطعه‌ای مارپیچی است که در بسیاری از ماشین‌های توربینی کاربرد دارد. در کمپرسور اسکرو نحوه‌ی درگیری دو روتور نر و ماده بازدهی، سطح نویز و پایداری عملکردی را تعیین میکند. در کمپرسور گریز از مرکز یا محوری عملکرد آیرودینامیکی کمپرسور اهمیت بالاتری داشته و هندسه و میزان انحنای پره‌ها قابلیت اطمینان آن را مشخص خواهد کرد. این کمپرسورها تحمل لقی بالاتر از چند ۱۰ میکرومتر را ندارند.

لقی به فاصله‌ی بسیار کوچک میان دو قطعه مکانیکی گویند. در منابع انگلیسی این کلمه تحت عنوان کلیرانس شناخته میشود. لقی پایین کمپرسورها محصول سمفونی هماهنگی از طراحی پیشرفته، ماشین‌کاری مدرن و بالانس‌کاری دقیق است.

سفر دقت نه در کارگاه که در کامپیوتر آغاز میشود.

پایه‌ای دیجیتال؛ از هندسه تا کدنویسی برای ماشین‌کاری

سطوح پیچیده‌ی مارپیچی روتور اسکرو با مدلهای ریاضی و توابع تحلیلی و همچنین بکارگیری پارامترهایی مانند خطوط مستقیم، کمان‌های دایره‌ای و بیضی‌گون و تروکوئیدها تعریف میشود. هدف نهایی خلق یک دوقلوی دیجیتالی است که هندسه‌ی طراحی ایده‌آل را با دقتی کامل نمایش دهد.

ساخت روتور با قطعه فولادی باکیفیت آغاز میشود. فولاد بایستی ترکیب مناسبی از استحکام، پایداری ابعادی، قابلیت ماشین‌کاری، مقاومت خستگی و مقاومت در برابر سایش داشته باشد. آلیاژ دقیق و روش عملیات حرارتی به طراحی کمپرسور و فناوری در اختیار سازنده بستگی دارد.

از این قطعه‌ی بی‌ریخت فولادی، مارپیچی تراشیده میشود که نشتی، بازدهی، لرزش، صدا، دما و عمر کمپرسور وابسته‌ی آن است.

پس از آن مدل دیجیتال به عنوان ورودی نرم‌افزار CAM به کار گرفته میشود. اگر CAD نرم افزار کمک طراحی است،‌ CAM نسخه‌ی مشابهی برای کمک در امر تولید محسوب میشود. در اینجا وارد مرحله‌ی برنامه‌ریزی برای ماشین‌کاری پنج محوره‌ی CNC میشویم. پره‌های کمپرسور اغلب انحنای بالایی،‌ به ویژه در لبه‌ی حمله دارند. الگوریتم‌ها به کار گرفته میشوند تا مجموعه‌ای از مسیرهای فرزکاری برای درآوردن آن سطح مارپیچی و خمیده به کار گرفته میشود تا دقت بالای ماشین‌کاری به دست آید. هدف در این مرحله یافتن مسیر بهینه برای ابزار مخروطی یا استوانه‌ای استاندارد است تا نیازی به تجهیزات فرم‌دار و گرانقیمت نباشد. البته که دقت نباید قربانی شود.

شکل‌دهی روتور کمپرسور

با بکارگیری ترکیبی یکپارچه از CAD/CAM نقشه‌ی روتور تهیه شده و ساخت فیزیکی آن آغاز میشود. شکل‌دهی روتور کمپرسور روش‌های مختلفی دارد،‌ رایج‌ترین؟ ماشین‌کاری و فرزکاری

الف) ماشین‌کاری و فرزکاری

این روش چندین مرحله دارد که عبارتند از یک Roughing دو Flank Milling و سه Finishing. رافینگ یا خشن‌تراشی در ابتدا مواد اضافی را برداشته و شکلی نزدیک به طرح نهایی را ایجاد میکند. در این مرحله اغلب از ماشین‌کاری غلتکی یا دستگاه‌های ماشین‌کاری تخصصی‌تر استفاده میشود. ماشین‌کاری این مرحله با دقتی در حد ۴ تا ۵ میلیمتر پیش میرود.

هابینگ یک فرایند ماشینکاری برای برش دنده، برش اسپلاین و برش چرخ دنده بر روی دستگاه است که نوع خاصی از دستگاه فرز است.

در مرحله‌ی دوم فرزکاری جانبی انجام میشود. در این تکنیک دقت بسیار بالا میرود و طی آن بدنه‌ی جانبی ابزاری مخروطی یا استوانه‌ای برای ماشین‌کاری سطوح جانبی و پیچیده‌ی روتور استفاده میشود. تحقیق و توسعه کارخانجات بزرگ و پژوهشگران بر این مرحله بسیار تمرکز دارند. در اینجاست که الگوریتم‌های پیشرفته برای یافتن بهترین مسیر ورود ابزار راهکار ارائه میدهند. سنگ‌زنی برای دستیابی به کیفیت سطحی نهایی بخشی از این مرحله است.

در نهایت با پرداخت‌کاری یا فینیشینگ قطعه به ابعاد نهایی خود میرسد. برای روتورهای نامتقارن و پیچیده‌تر ناحیه‌ی ماشین‌کاری به بخش‌های مختلفی تقسیم میشود تا از ابزارهایی متناسب با ویژگی‌های هر بخش بر روی دستگاه CNC چندمحوره استفاده شود. با این تقسیمات زمان ماشین‌کاری کاهش یافته و خطا در محدوده مجاز باقی میماند.

در تحقیقات اخیر، محدودیت‌های دینامیکی دستگاه در مرحله‌ی طراحی با بکارگیری نرم افزار CFD یا دینامیک سیالات محاسباتی مدنظر قرار گرفته و بهینه‌سازی قابلیت دستگاه در حفظ نرخ پیشروی به بهبود چشمگیر در انحراف نیمرخ تا ۳۰ میکرومتر بهبود دقت انجامیده است. بهبود عملکرد بایستی بدون قربانی کردن عملکرد آیرودینامیکی حاصل شود.

ب) ماشین‌کاری تخلیه الکتریکی یا EDM

یکی از روش‌های تولید پره در کمپرسور گریز از مرکز یا سانتریفیوژ استفاده از فناوری EDM است. الکترودی با قطبیت معکوس مواد را از دیسکی یکتا برش میدهد تا پره و حفره‌ها نمایان شود. مشابه با ماشین‌کاری CNC در این روش نیز ابتدا با خشن‌تراشی شروع شده و سپس مرحله‌ی پرداخت با ابزاری دقیقتر برای دستیابی به هندسه‌ی نهایی و دقت بالا انجام میشود. مهمترین مزیت EDM توانایی ماشین‌کاری مواد بسیار سخت و ایجاد زوایایی است که ابزارهای برش سنتی به دشواری از پس آن برمی‌آیند.

ج) ریخته‌گری دقیق

برای برخی از طرح‌ها ریخته‌گری دقیق نقطه‌ی شروعی خیلی خوب و با شکلی نزدیک به قطعه‌ی نهایی در اختیار قرار میدهد. قالبی سفالی از جنس سفال پلیمری تهیه شده و در کوره با دمای بالا پخته میشود. فلز مذاب به درون قالب تزریق شده و قطعه تدریجا سرد میشود. روتور حاصل از ریخته‌گری دقیق همچنان به عملیات تکمیلی بسیاری نیاز دارد. همچنان خشن‌تراشی، پرداخت قطر خارجی با دستگاه تراش و سنگ‌زنی اصلاحی لازم است. ایجاد هندسه‌ی پیچیده با این روش ریخته‌گری از مزایای آن است.

بالانس و پرداخت نهایی

ماشین‌کاری دقیق هندسی پایان کار یک روتور نیست. هرگونه ناهمگنی کوچک در توزیع جرم در سرعتهای بالا ارتعاشات مخربی ایجاد میکند و سرعت بهینه‌ی روتور کمپرسور اسکرو در محدوده ۲ تا ۴ هزار دور بر دقیقه است. مراحل پایانی و تکمیلی بیشتر بر دستیابی به تعادل دینامیکی متمرکز میشود. این مرحله تکمیلی ماشین‌کاری شیمیایی نام دارد.

ماشین‌کاری شیمیایی برای بالانس فوق دقیق

پس از ساخت روتور و اندازه‌گیری عدم تعادلهای آن قطعه را در حمام اسید قرار میدهند. حمام اسیدی توانایی برداشت مواد ناهمگن را دارد. روتور درون حمام به گونه‌ای جهت‌دهی میشود که نواحی نیازمند برداشت مواد برای تصحیح بالانس در معرض بخش فعالتری از اسید که سرعت قلم‌زنی بالاتری دارد قرار گیرد. با این روش برداشتی بسیار دقیق و تکرارپذیر از مواد در مقیاس میکرون انجام میشود.

پس از ساخت روتور، عملیات حرارتی باعث افزایش سختی و استحکام آن شده و مقاومت آن در برابر سایش را بهبود میبخشد. اما حرارت باعث تغییر ابعاد فلز میشود. پس بایستی تغییرات ابعادی ناشی از عملیات حرارتی را نیز از قبل در نظر داشته باشید. بهتر است سنگ‌زنی و پرداخت به پس از عملیات حرارتی موکول شود.

بازرسی سلامت مواد چگونه انجام میشود؟

بازرسی مخصوصی با نام Blue Etch برای آلیاژهای تیتانیوم توسعه داده شده که ترکیبی از حملات اسیدی و اکسیداسیون آنُدی است. این فرآیندها عیوب سطحی مانند ترک، ناخالصی و تخلخل را به صورت رنگ‌های مشخصی علامتگذاری میکند. روتور نه فقط دقیق که بایستی سازه‌ای سالم و بی نقص باشد.

مواد پیشرفته‌تر در ساخت روتورهای کامپوزیتی

بیشتر روتورها از فلزات جامد و یکپارچه ساخته میشود، اما برخی از تولیدکنندگان با بکارگیری مواد کامپوزیتی روتورهای پیشرفته‌تری میسازند. الیاف کوتاه تقویت‌کننده‌ای مانند کربن یا سیلیسیوم کاربید و ماده‌ای به عنوان ماتریس همچون رزین اپوکسی یا الومینیوم به درون قالب تزریق میشود. با کنترل دقیق محل تزریق الیاف در راستای محوری شافت و در راستای شعاعی پره‌ها جهت‌دهی میشود تا استحکام را تقویت و بیشینه سازد. در طی این فرآیند امکان جاگذاری حلقه‌های پشتیبان فلزی یا یاتاقان نیز درون روتور کامپوزیتی مهیاست.

قطر، گام مارپیچ، پروفایل شیارها، گام شیارها، لنگی، راستایی محوری، زبری سطحی، موقعیت زاویه‌ای و فاصله‌های بحرانی پارامترهایی است که در نهایت سنجیده میشود.

ساخت روتور کمپرسور با چنین دقتی شاهدی بر پیشرفت ماشین‌کاری و تسلط بشر بر مواد سخت است. ریاضیات پیشرفته، علم مواد و مهندسی ابزار دقیق ترکیب میشوند تا قطعه‌ای را ایجاد کنند که تحت تنش و سرعت بسیار بالا کار کرده و فاصله با شکست را در مرز تار مویی حفظ کند.