گیج بلوک ها، کاربرد آنها در صنعت

1. تاریخچه کوتاهی از گیج بلوکها

تا پیش از قرن نوزدهم ساخت و تولید صنعتی بصورت سفارشی صورت می پذیرفت. قطعات لازم برای ساخت یک ماشین بطور جداگانه توسط صنعتگر ساخته شده و درهنگام مونتاژ تغییراتی در آنها داده می شد تا قابل سوارکردن روی دستگاه نهایی باشند. عیب بزرگ این روش عدم امکان تعویض قطعات با نمونه های مشابه بود زیرا هر قطعه برای ماشینی ساخته شده بود که قابل مونتاژ بر روی آن بود. این کار علاوه بر بالابردن هزینه تولید امکان تعمیر و نگهداری دستگاه ها و ماشین آلات را کاهش داده و باعث کاهش سرعت تولید می شد.

تا انتهای قرن نوزدهم، ایده قطعات تعویض پذیر که توسط الای ویتنی بنیان گذاری شده بود به عنوان مدلی از ساخت و تولید صنعتی توسط ملل صنعتی پذیرفته شده بود. در این روش هر ماشین یا دستگاه بر روی نقشه به اجزای آن تفکیک شده و نقشه های فنی دقیقی برای هر قطعه یا جزء تهیه می شد. سپس تعداد زیادی قطعه مطابق هر نقشه تفکیکی تهیه شده و بدقت کنترل ابعادی می شد تا دارای کمترین میزان خطای ابعادی یا هندسی باشد. بدین ترتیب خط تولید قطعات و اجزا از خط مونتاژ نهایی جدا می شد و مونتاژ سریع قطعات تولیدی و سرهم کردن دستگاه نهایی در کمترین مدت امکان پذیر بود. بدین ترتیب مفهوم تولید انبوه و بالارفتن کارایی صنعتی پدید آمد.

یکی از معایب این سیستم نوین، نیاز به تعداد زیادی گیج (وسیله کنترلی) برای کنترل ابعاد قطعات و کالیبره کردن ابزارهای اندازه گیری بود. تعداد گیجهای مورد نیاز برای کنترل محصولات صنعتی پیچیده و حجم تلاش مورد نیاز برای ساخت و نگهداری ازگیجها هزینه عمده ای بر تولید تحمیل می کرد. گام مهمی در برطرف سازی این مشکل توسط یک ماشین کار سوئدی به نام سی ای یوهانسون (C.E. Johannson) برداشته شد.

ایده جانسون که برای اولین بار در سال 1896 فرموله شد، استفاده از مجموعه کوچکی از گیج ها بود که با ترکیب آنها می شد گیج های مرکب ساخته و در نتیجه تعداد گیجهای مورد نیاز کارگاه را کاهش داد. برای مثال با استفاده از گیج هایی به ضخامت 1، 2، 4 و 8 میلیمترمی توان هر اندازه ای از 1 تا 15 میلی متر را کنترل کرد. جانسون به این کشف رسید که اگر وجوه مقابل یک قطعه فولادی به دقت صیقل کاری (lapping) و تخت و موازی شود، دو بلوک این چنینی می توانند در صورت لغزاندن با فشار بر روی یکدیگر به هم بچسبند. فاصله بین سطوح این دو بلوک به هم چسبیده حدود 25 نانومتر (0.025 میکرون) خواهد بود که برای تلرانس های عادی ساخت بسیار کوچک است. بنابراین با چسباندن دو بلوک به هم نیازی به لحاظ کردن لایه هوای میان آنها نیست.

این ایده توسط هنری فورد در آمریکا مورد استفاده قرار گرفت و تا ابتدای جنگ جهانی اول گیج بلوکها به ابزار اندازه گیری بسیار مهمی در صنعت تبدیل شده بودند.

2. اصول کارکردی گیج بلوکها

گیج بلوکها یا بلوکهای سنجه قطعاتی با سطح مقطع مستطیلی ساخته شده از مواد مقاوم در برابر سایش هستند که به عنوان مرجع اندازه گیری طول بکار می روند. هر گیج بلوک دارای دو وجه موازی است که به فاصله معین و تعریف شده ای قرار دارند و این اندازه با درجه بالایی از درستی اندازه گیری شده و معلوم است. اندازه مرجع یک گیج بلوک در دمای 20 درجه سلسیوس تعریف می شود زیرا تغیر دما می تواند بر اندازه آن تاثیر بگذارد. گیج بلوکها معمولا از فولاد، کربید تنگستن یا سرامیک ساخته می شوند. در برخی حالات از ماده کربید کروم نیز استفاده می شود. یک مجموعه گیج بلوک مشتمل بر تعدادی گیج بلوک با اندازه های مختلف بر حسب میلی متر است. 3. استانداردهای بین المللی گیج بلوکها برای اینکه یک ابزار اندازه گیری بتواند قطعات تولیدی را به دقت اندازه گیری و کنترل کند، باید طی عملیات ویژه ای به نام کالیبراسیون درستی آن مورد سنجش قرار گرفته باشد. منظور از کالیبراسیون در علم اندازه شناسی (مترولوژی)، مقایسه نتایج اندازه گیری حاصل از یک ابزار با یک مرجع استاندارد معتبر و تعیین خطاهای ابزار است. یکی از اسناد کلیدی مربوط به این ابزارها، استاندارد ISO 3650 است. این استاندارد اندازه سطح مقطع گیج بلوکهایی از 0.5 mm تا  10 mm را 30 mm x 9 mm تعریف می کند. برای گیج بلوکهای بزرگتر، ابعاد این سطح مقطع عبارت است از 35 mm x 9 mm. 4. گریدهای مختلف گیج بلوکها گیج بلوکها در سطوح مختلف درستی ابعادی یا گرید برای منظورهای مختلف ساخته می شوند. بطور کلی گریدهای با کیفیت بالاتر که درستی بالاتری داشته و گرانتر هستند به عنوان گیج های مرجع برای کالیره کردن گیج بلوکهای درجه پایین تر استفاده می شوند. متداولترین گریدهای مورد استفاده عبارتند از: ·       گرید K که دارای کوچکترین تلرانس و بالاترین کیفیت ساخت است. ·       گرید 0 که برای کالیبراسیون کولیس، میکرومتر و ماشین های CMM بکار می رود. ·       گرید 1 که برای کالیبراسیون تجهیزات با دقت پایین تر مانند دستگاه سایه نگار بکار می رود. گرید 2 که دارای پایین ترین کیفیت ساخت است و در گارگاهها برای اندازه گیری سریع بکار می رود.

(ادامه در قسمت دوم مقاله)

گیج بلوک‌ها و کاربرد آنها در صنعت

گرچه در علم اندازه‌گیری، طول را بر حسب سرعت نور تعریف کرده و سیستم‌های اندازه‌گیری متعددی برای طول مبتنی بر طول موج یک پرتو لیزر بسیار پایدار ابداع شده است، این گیج بلوکها هستند که به عنوان استاندارد عملی طول در کالیبراسیون ابزارهای اندازه‌گیری استفاده می‌شوند و فراوانی کاربرد آنها به آسانی استفاده، پایداری ابعادی و هزینه نسبتا کم مربوط می‌شود. استفاده از گیج بلوکهای کالیبره شده به یک سازمان کمک می‌کند قابلیت ردیابی (traceability) تا سطح استانداردهای ملی و بین المللی را برقرار سازد.

از گیج بلوکها در کالیبراسیون وکنترل دوره‌ای ابزارهایی مانند میکرومتر، کولیس‌ و ساعت اندازه‌گیری استفاده فراوانی می‌شود. استاندارد ISO 10360-2 در رابطه با تایید دقت ابعادی دستگاه‌های CMM کاملا بر استفاده از گیچ بلوکها به عنوان استاندارد ابعادی مبتنی است.

یک گیج بلوک قطعه ای مستطیلی شکل با دو  وجه مقابل هم است (که سطوح اندازه‌گیری خوانده می‌شوند). این دو وجه با دقت بالایی پرداخت شده و تختی بسیار خوبی دارند. با سنگ‌زنی و لپینگ توازی بالایی میان دو سطح ایجاد شده و طول گیج بلوک به اندازه اسمی نقش شده بر آن بسیار نزدیک می‌شود. یکی از ویژگی‌های اصلی گیج بلوکها این است که با ترکیب اندازه‌های مختلف آنها می‌توان برای طولهای مختلف استانداردهای دقیقی ساخت و برای اینکار، دوگیج بلوک از روی سطوح اندازه‌گیری خود با اصطکاک به هم فشرده می‌شوند (wringing). این عمل نوعی جوش میکروسکوپی بین آنها ایجاد کرده و دو گیج بلوک را بطور موقت به هم می‌چسباند. ضخامت لایه اتصال چسبندگی میان گیج بلوکها حدود 25 نانومتر است بنابراین نیازی به لحاظ کردن آن در تلرانس ابعادی طول گیج بلوکهای ترکیبی نیست.

نمونه هایی از گیج بلوکها

الزامات گیج بلوکها عبارت است از دقت ابعادی و فورمی بالا، توانایی چسبندگی اصطکاکی به یکدیگر، تغییرات اندک در طول زمان (چایداری ابعادی)، مقاومت خوب در برابر سایش، ضریب انبساط حرارتی نزدیک به مواد متداول بکاررفته در قطعات صنعتی، مقاومت بالادر برابر زنگ زدگی و خوردگی وخواصی از قبیل اینها.

گیج بلوکها در گستره اندازه 0.5mm تا 1m مطابق 4 گرید صحت استاندارد ISO (JIS) و 5 گرید صحت استاندارد ASME ساخته می‌شوند. بسته‌ترین تلرانس ابعادی برای گیج بلوک به طول 100mm عبارت از ±0.3 میکرون و برای گیج بلوک 1 متری ±0.3 میکرون می‌باشد. گیج بلوکها با بالاترین گرید توسط تداخل سنج لیزری (laser interferometer) با عدم قطعیت 0.2 میکرون در 1 متر اندازه‌گیری می‌شوند.

گیج بلوکها از سه ماده فولاد، کربید تنگستن و سرامیک ساخته می‌شوند. گیج بلوکهای فولادی از فولاد کربن بالا با سختی سطحی 800 ویکرز یا بیشتر ساخته می شوند. مزیت عمده آنها تشابه ماده بکار رفته و ضریب انبساط حرارتی آن با بیشتر ابزارهای اندازه‌گیری است که معمولا از فولاد ساخته می‌شوند. گیج بلوکهای کربید تنگستن دارای مقاومت در برابر ساییدگی و زنگ زدگی بیشتر از انواع فولادی هستند لیکن ضریب انبساط حرارتی آنها تقریبا نصف فولاد است. گیج بلوکهای سرامیکی دارای مقاومت عالی در برابر سایش و فرسایش هستند و ضریب انبساط حرارتی نزدیک به فولاد دارند. پایداری ابعادی آنها نیز بسیار بالاست لیکن در برابر ضربه آسیب پذیربوده و براحتی خرد می‌شوند.

منابع:

The History of Gauge Blocks, Mitutoyo Company

The Gauge Block Handbook, National Institute of Standards and Technology