Obróbka precyzyjna to proces usuwania materiału z przedmiotu obrabianego podczas utrzymywania wykończeń o wąskich tolerancjach.Precyzyjna maszyna ma wiele typów, w tym frezowanie, toczenie i obróbkę elektroerozyjną.Dzisiejsze maszyny precyzyjne są zwykle sterowane za pomocą komputerowych sterowników numerycznych (CNC).
Prawie wszystkie produkty metalowe podlegają precyzyjnej obróbce, podobnie jak wiele innych materiałów, takich jak plastik i drewno.Maszyny te obsługiwane są przez wyspecjalizowanych i przeszkolonych mechaników.Aby narzędzie tnące spełniło swoje zadanie, należy je przesuwać w określonych kierunkach, aby wykonać prawidłowe cięcie.Ten podstawowy ruch nazywany jest „prędkością skrawania”.Obrabiany przedmiot można również przesuwać, co nazywa się ruchem wtórnym „posuwu”.Łącznie te ruchy i ostrość narzędzia tnącego umożliwiają precyzyjną pracę maszyny.
Precyzyjna obróbka wysokiej jakości wymaga umiejętności stosowania się do niezwykle szczegółowych projektów wykonanych w programach CAD (projektowanie wspomagane komputerowo) lub CAM (produkcja wspomagana komputerowo), takich jak AutoCAD i TurboCAD.Oprogramowanie może pomóc w tworzeniu złożonych, trójwymiarowych diagramów lub konturów potrzebnych do wyprodukowania narzędzia, maszyny lub przedmiotu.Aby produkt zachował swoją integralność, należy przestrzegać tych planów bardzo szczegółowo.Chociaż większość firm zajmujących się obróbką precyzyjną korzysta z jakiejś formy programów CAD/CAM, nadal często pracują z ręcznie rysowanymi szkicami w początkowej fazie projektu.
Precyzyjną obróbkę stosuje się w przypadku wielu materiałów, w tym stali, brązu, grafitu, szkła i tworzyw sztucznych, żeby wymienić tylko kilka.W zależności od wielkości projektu i zastosowanych materiałów zostaną zastosowane różne precyzyjne narzędzia do obróbki.Można zastosować dowolną kombinację tokarek, frezarek, wiertarek, pił i szlifierek, a nawet roboty szybkobieżne.Przemysł lotniczy może stosować obróbkę z dużą prędkością, podczas gdy przemysł produkujący narzędzia do obróbki drewna może wykorzystywać procesy trawienia i frezowania fotochemicznego.Wyprodukowanie serii lub określonej ilości konkretnego produktu może być liczone w tysiącach lub tylko w kilku.Precyzyjna obróbka często wymaga programowania urządzeń CNC, co oznacza, że są one sterowane komputerowo numerycznie.Urządzenie CNC pozwala na zachowanie dokładnych wymiarów przez cały czas trwania produktu.
Frezowanie to proces obróbki polegający na użyciu frezów obrotowych w celu usunięcia materiału z przedmiotu obrabianego poprzez przesuwanie (lub podawanie) frezu do przedmiotu obrabianego w określonym kierunku.Frez można także trzymać pod kątem względem osi narzędzia.Frezowanie obejmuje szeroką gamę różnych operacji i maszyn, w skali od małych pojedynczych części po duże, ciężkie operacje frezowania zespołów.Jest to jeden z najczęściej stosowanych procesów obróbki niestandardowych części z zachowaniem precyzyjnych tolerancji.
Frezowanie można wykonać za pomocą szerokiej gamy obrabiarek.Pierwotną klasą obrabiarek do frezowania była frezarka (często nazywana młynem).Po pojawieniu się komputerowego sterowania numerycznego (CNC) frezarki przekształciły się w centra obróbcze: frezarki wyposażone w automatyczne zmieniacze narzędzi, magazyny narzędzi lub karuzele, możliwości CNC, systemy chłodzenia i obudowy.Centra frezarskie są ogólnie klasyfikowane jako pionowe centra obróbcze (VMC) lub poziome centra obróbcze (HMC).
Integracja frezowania ze środowiskami tokarskimi i odwrotnie, rozpoczęła się od oprzyrządowania na żywo do tokarek i okazjonalnego wykorzystania frezów do operacji toczenia.Doprowadziło to do powstania nowej klasy obrabiarek, maszyn wielozadaniowych (MTM), które zostały zaprojektowane specjalnie w celu ułatwienia frezowania i toczenia w tym samym zakresie pracy.
W przypadku inżynierów projektantów, zespołów badawczo-rozwojowych i producentów, których zależy od zaopatrzenia w części, precyzyjna obróbka CNC umożliwia tworzenie złożonych części bez dodatkowej obróbki.W rzeczywistości precyzyjna obróbka CNC często umożliwia wykonanie gotowych części na jednej maszynie.
Proces obróbki usuwa materiał i wykorzystuje szeroką gamę narzędzi skrawających, aby stworzyć ostateczny i często bardzo złożony projekt części.Poziom precyzji podnosi się poprzez zastosowanie komputerowego sterowania numerycznego (CNC), które służy do automatyzacji sterowania narzędziami obróbczymi.
Rola „CNC” w obróbce precyzyjnej
Dzięki kodowanym instrukcjom programowania precyzyjna obróbka CNC umożliwia cięcie i kształtowanie przedmiotu obrabianego zgodnie ze specyfikacjami bez ręcznej interwencji operatora maszyny.
Korzystając z modelu projektowania wspomaganego komputerowo (CAD) dostarczonego przez klienta, doświadczony mechanik wykorzystuje oprogramowanie do wspomagania produkcji komputerowej (CAM) w celu stworzenia instrukcji dotyczących obróbki części.Na podstawie modelu CAD oprogramowanie określa, jakie ścieżki narzędzi są potrzebne i generuje kod programowania, który informuje maszynę:
▪ Jakie są prawidłowe obroty i posuw
■ Kiedy i gdzie przenieść narzędzie i/lub przedmiot obrabiany
■ Jak głęboko ciąć
▪ Kiedy stosować chłodziwo
▪ Wszelkie inne czynniki związane z prędkością, posuwem i koordynacją
Następnie sterownik CNC wykorzystuje kod programowania do sterowania, automatyzacji i monitorowania ruchów maszyny.
Obecnie CNC jest wbudowaną funkcją szerokiej gamy sprzętu, od tokarek, frezarek i routerów po wycinarki drutowe EDM (obróbka elektroerozyjna), maszyny do cięcia laserowego i plazmowego.Oprócz automatyzacji procesu obróbki i zwiększenia precyzji, CNC eliminuje zadania ręczne i uwalnia mechaników od nadzorowania wielu maszyn pracujących jednocześnie.
Ponadto, po zaprojektowaniu ścieżki narzędzia i zaprogramowaniu maszyny, może ona wykonywać część dowolną liczbę razy.Zapewnia to wysoki poziom precyzji i powtarzalności, co z kolei sprawia, że proces jest wysoce opłacalny i skalowalny.
Materiały poddane obróbce
Niektóre metale, które są powszechnie obrabiane, obejmują aluminium, mosiądz, brąz, miedź, stal, tytan i cynk.Ponadto można obrabiać drewno, piankę, włókno szklane i tworzywa sztuczne, takie jak polipropylen.
W rzeczywistości w precyzyjnej obróbce CNC można zastosować prawie każdy materiał – oczywiście w zależności od zastosowania i jego wymagań.
Niektóre zalety precyzyjnej obróbki CNC
W przypadku wielu małych części i komponentów wykorzystywanych w szerokiej gamie wytwarzanych produktów precyzyjna obróbka CNC jest często preferowaną metodą produkcji.
Podobnie jak w przypadku praktycznie wszystkich metod cięcia i obróbki, różne materiały zachowują się inaczej, a rozmiar i kształt elementu również mają duży wpływ na proces.Jednak ogólnie rzecz biorąc, proces precyzyjnej obróbki CNC ma przewagę nad innymi metodami obróbki.
Dzieje się tak, ponieważ obróbka CNC jest w stanie zapewnić:
■ Wysoki stopień złożoności części
■ Wąskie tolerancje, zazwyczaj w zakresie od ±0,0002” (±0,00508 mm) do ±0,0005” (±0,0127 mm)
■ Wyjątkowo gładkie wykończenia powierzchni, w tym wykończenia niestandardowe
▪ Powtarzalność, nawet przy dużych nakładach
Podczas gdy wykwalifikowany mechanik może użyć tokarki ręcznej do wykonania wysokiej jakości części w ilościach 10 lub 100, co się stanie, gdy potrzebujesz 1000 części?10 000 części?100 000 czy milion części?
Dzięki precyzyjnej obróbce CNC można uzyskać skalowalność i prędkość niezbędną w tego typu produkcji wielkoseryjnej.Ponadto wysoka powtarzalność precyzyjnej obróbki CNC pozwala uzyskać części, które są takie same od początku do końca, niezależnie od tego, ile części produkujesz.
Istnieje kilka bardzo wyspecjalizowanych metod obróbki CNC, w tym drut EDM (obróbka elektroerozyjna), obróbka przyrostowa i druk laserowy 3D.Na przykład elektroerozja drutowa wykorzystuje materiały przewodzące — zazwyczaj metale — i wyładowania elektryczne do erodowania przedmiotu obrabianego w skomplikowane kształty.
Tutaj jednak skupimy się na procesach frezowania i toczenia – dwóch metodach subtraktywnych, które są powszechnie dostępne i często stosowane w precyzyjnej obróbce CNC.
Frezowanie a toczenie
Frezowanie to proces obróbki, w którym wykorzystuje się obrotowe, cylindryczne narzędzie tnące do usuwania materiału i tworzenia kształtów.Sprzęt frezujący, znany jako młyn lub centrum obróbcze, umożliwia realizację szeregu skomplikowanych geometrii części w przypadku niektórych z największych obiektów obrabianych metalem.
Ważną cechą frezowania jest to, że przedmiot obrabiany pozostaje nieruchomy, podczas gdy narzędzie tnące się obraca.Innymi słowy, na frezarce obracające się narzędzie tnące porusza się wokół przedmiotu obrabianego, który pozostaje nieruchomy na łożu.
Toczenie to proces cięcia lub kształtowania przedmiotu obrabianego na sprzęcie zwanym tokarką.Zwykle tokarka obraca przedmiot obrabiany wokół osi pionowej lub poziomej, podczas gdy nieruchome narzędzie tnące (które może się obracać lub nie) porusza się wzdłuż zaprogramowanej osi.
Narzędzie nie może fizycznie obejść części.Materiał obraca się, umożliwiając narzędziu wykonanie zaprogramowanych operacji.(Istnieje podzbiór tokarek, w których narzędzia obracają się wokół drutu podawanego ze szpuli, jednak nie jest to tutaj omówione.)
Podczas toczenia, w przeciwieństwie do frezowania, przedmiot obrabiany obraca się.Półfabrykat obraca się na wrzecionie tokarki, a narzędzie tnące styka się z przedmiotem obrabianym.
Obróbka ręczna vs. CNC
Chociaż zarówno frezarki, jak i tokarki są dostępne w modelach ręcznych, maszyny CNC są bardziej odpowiednie do celów produkcji małych części — oferują skalowalność i powtarzalność w zastosowaniach wymagających produkcji wielkoseryjnej części o wąskich tolerancjach.
Oprócz prostych maszyn 2-osiowych, w których narzędzie porusza się w osiach X i Z, wśród precyzyjnych urządzeń CNC znajdują się modele wieloosiowe, w których obrabiany przedmiot również może się poruszać.Inaczej jest w przypadku tokarki, w której przedmiot obrabiany ogranicza się do obracania, a narzędzia będą się poruszać, aby utworzyć pożądaną geometrię.
Te wieloosiowe konfiguracje pozwalają na produkcję bardziej złożonych geometrii w jednej operacji, bez konieczności dodatkowej pracy operatora maszyny.To nie tylko ułatwia produkcję skomplikowanych części, ale także zmniejsza lub eliminuje ryzyko błędu operatora.
Dodatkowo zastosowanie chłodziwa pod wysokim ciśnieniem przy precyzyjnej obróbce CNC gwarantuje, że wióry nie dostaną się do obrabianego przedmiotu, nawet przy zastosowaniu maszyny z wrzecionem ustawionym pionowo.
Frezarki CNC
Różne frezarki różnią się rozmiarem, konfiguracją osi, szybkością posuwu, prędkością skrawania, kierunkiem posuwu frezowania i innymi cechami.
Jednak ogólnie rzecz biorąc, wszystkie frezarki CNC wykorzystują obrotowe wrzeciono do wycinania niepożądanego materiału.Służą do cięcia twardych metali, takich jak stal i tytan, ale można ich również używać do materiałów takich jak tworzywa sztuczne i aluminium.
Frezarki CNC są zbudowane z myślą o powtarzalności i mogą być wykorzystywane do wszystkiego, od prototypowania po produkcję wielkoseryjną.Wysokiej klasy precyzyjne frezarki CNC są często używane do prac o wąskich tolerancjach, takich jak frezowanie precyzyjnych matryc i form.
Podczas gdy frezowanie CNC może zapewnić szybką realizację, obróbka wykańczająca po frezowaniu tworzy części z widocznymi śladami narzędzi.Może również wytwarzać części z ostrymi krawędziami i zadziorami, więc mogą być wymagane dodatkowe procesy, jeśli krawędzie i zadziory są nie do zaakceptowania ze względu na te cechy.
Oczywiście narzędzia do gratowania zaprogramowane w sekwencji będą usuwać zadziory, chociaż zwykle osiągają co najwyżej 90% wymagań dotyczących wykończenia, pozostawiając pewne funkcje do końcowego ręcznego wykończenia.
Jeśli chodzi o wykończenie powierzchni, istnieją narzędzia, które zapewnią nie tylko akceptowalne wykończenie powierzchni, ale także lustrzane wykończenie części produktu roboczego.
Rodzaje frezarek CNC
Dwa podstawowe typy frezarek to pionowe centra obróbcze i poziome centra obróbcze, gdzie podstawowa różnica polega na orientacji wrzeciona maszyny.
Pionowe centrum obróbcze to młyn, w którym oś wrzeciona jest ustawiona w kierunku osi Z.Te maszyny pionowe można dalej podzielić na dwa typy:
■Frezy łożowe, w których wrzeciono porusza się równolegle do własnej osi, a stół porusza się prostopadle do osi wrzeciona
■Frezy rewolwerowe, w których wrzeciono jest nieruchome, a stół przemieszczany jest tak, aby podczas operacji skrawania był zawsze prostopadły i równoległy do osi wrzeciona
W poziomym centrum obróbczym oś wrzeciona młyna jest ustawiona w kierunku osi Y.Pozioma konstrukcja oznacza, że młyny te zwykle zajmują więcej miejsca w hali produkcyjnej;są również generalnie cięższe i mocniejsze niż maszyny pionowe.
Młyn poziomy jest często używany, gdy wymagane jest lepsze wykończenie powierzchni;dzieje się tak dlatego, że orientacja wrzeciona oznacza, że wióry skrawające naturalnie odpadają i można je łatwo usunąć.(Dodatkową korzyścią jest efektywne usuwanie wiórów, które pomaga zwiększyć trwałość narzędzia.)
Ogólnie rzecz biorąc, pionowe centra obróbcze są bardziej powszechne, ponieważ mogą mieć taką samą moc jak poziome centra obróbcze i mogą obsługiwać bardzo małe części.Ponadto centra pionowe zajmują mniejszą powierzchnię niż poziome centra obróbcze.
Wieloosiowe frezarki CNC
Precyzyjne centra frezarskie CNC są dostępne w wersji wieloosiowej.Frezarka 3-osiowa wykorzystuje osie X, Y i Z do różnorodnych prac.Dzięki frezarce 4-osiowej maszyna może obracać się wokół osi pionowej i poziomej oraz przesuwać przedmiot obrabiany, aby umożliwić bardziej ciągłą obróbkę.
Frezarka 5-osiowa posiada trzy tradycyjne osie i dwie dodatkowe osie obrotowe, umożliwiające obrót przedmiotu obrabianego w miarę ruchu głowicy wrzeciona wokół niego.Umożliwia to obróbkę pięciu stron przedmiotu obrabianego bez usuwania przedmiotu obrabianego i resetowania maszyny.
Tokarki CNC
Tokarka — zwana także centrum tokarskim — ma jedno lub więcej wrzecion oraz osie X i Z.Maszyna służy do obracania przedmiotu obrabianego wokół własnej osi w celu wykonywania różnych operacji cięcia i kształtowania, przy zastosowaniu szerokiej gamy narzędzi do obrabianego przedmiotu.
Tokarki CNC, zwane również tokarkami narzędziowymi napędzanymi, idealnie nadają się do tworzenia symetrycznych części cylindrycznych lub kulistych.Podobnie jak frezarki CNC, tokarki CNC mogą wykonywać mniejsze operacje, takie jak prototypowanie, ale można je również skonfigurować pod kątem wysokiej powtarzalności, wspierając produkcję na dużą skalę.
Tokarki CNC można również skonfigurować do produkcji stosunkowo niewymagającej użycia rąk, co czyni je szeroko stosowanymi w przemyśle motoryzacyjnym, elektronicznym, lotniczym, robotyki i urządzeń medycznych.
Jak działa tokarka CNC
W przypadku tokarki CNC pusty pręt materiału podstawowego jest ładowany do uchwytu wrzeciona tokarki.Uchwyt ten utrzymuje obrabiany przedmiot na miejscu, podczas gdy wrzeciono się obraca.Gdy wrzeciono osiągnie wymaganą prędkość, stacjonarne narzędzie tnące styka się z przedmiotem obrabianym w celu usunięcia materiału i uzyskania prawidłowej geometrii.
Tokarka CNC może wykonywać szereg operacji, takich jak wiercenie, gwintowanie, wytaczanie, rozwiercanie, planowanie i toczenie stożkowe.Różne operacje wymagają zmiany narzędzi i mogą zwiększać koszty i czas konfiguracji.
Po zakończeniu wszystkich wymaganych operacji obróbczych część jest wycinana z półfabrykatu w celu dalszej obróbki, jeśli zajdzie taka potrzeba.Tokarka CNC jest wówczas gotowa do powtórzenia operacji, a pomiędzy jej przerwami zwykle nie jest potrzebny dodatkowy czas na konfigurację lub jest on niewielki.
Tokarki CNC mogą również współpracować z różnymi automatycznymi podajnikami prętów, co zmniejsza ilość ręcznej obsługi surowca i zapewnia następujące korzyści:
▪ Zredukuj czas i wysiłek operatora maszyny
▪ Podeprzyj pręt, aby zredukować wibracje, które mogą negatywnie wpłynąć na precyzję
■ Pozwól obrabiarce pracować z optymalnymi prędkościami wrzeciona
■ Minimalizacja czasów przezbrajania
▪ Redukcja strat materiału
Rodzaje tokarek CNC
Istnieje wiele różnych typów tokarek, ale najczęstsze to 2-osiowe tokarki CNC i tokarki automatyczne typu chińskiego.
Większość tokarek CNC China wykorzystuje jedno lub dwa wrzeciona główne oraz jedno lub dwa wrzeciona tylne (lub wtórne), przy czym za to pierwsze odpowiada przenoszenie obrotowe.Wrzeciono główne wykonuje podstawową operację obróbki za pomocą tulei prowadzącej.
Ponadto niektóre tokarki produkowane w Chinach są wyposażone w drugą głowicę narzędziową, która działa jak frezarka CNC.
W przypadku automatycznej tokarki CNC w stylu chińskim materiał podstawowy jest podawany przez wrzeciono z głowicą przesuwną do tulei prowadzącej.Dzięki temu narzędzie może ciąć materiał bliżej punktu, w którym materiał jest podparty, co sprawia, że maszyna chińska jest szczególnie użyteczna w przypadku długich, smukłych części toczonych i mikroobróbki.
Wieloosiowe centra tokarskie CNC i tokarki typu chińskiego mogą wykonywać wiele operacji obróbczych przy użyciu jednej maszyny.Dzięki temu są one opłacalną opcją w przypadku złożonych geometrii, które w przeciwnym razie wymagałyby wielu maszyn lub zmian narzędzi przy użyciu sprzętu takiego jak tradycyjna frezarka CNC.