Obróbka precyzyjna to proces usuwania materiału z przedmiotu obrabianego podczas utrzymywania wykończenia o wąskiej tolerancji. Istnieje wiele typów maszyn precyzyjnych, w tym frezowanie, toczenie i obróbka elektroerozyjna. Obecnie maszyny precyzyjne są zazwyczaj sterowane za pomocą sterowania numerycznego komputerowego (CNC).
Prawie wszystkie produkty metalowe są obrabiane precyzyjnie, podobnie jak wiele innych materiałów, takich jak plastik i drewno. Maszyny te są obsługiwane przez wyspecjalizowanych i przeszkolonych maszynistów. Aby narzędzie tnące mogło wykonać swoją pracę, musi być przesuwane w określonych kierunkach, aby wykonać prawidłowe cięcie. Ten ruch podstawowy nazywany jest „prędkością cięcia”. Obrabiany przedmiot może być również przesuwany, znany jako ruch wtórny „posuwu”. Razem te ruchy i ostrość narzędzia tnącego umożliwiają działanie precyzyjnej maszyny.
Jakościowa precyzyjna obróbka wymaga umiejętności przestrzegania niezwykle szczegółowych planów wykonanych przez programy CAD (projektowanie wspomagane komputerowo) lub CAM (produkcja wspomagana komputerowo), takie jak AutoCAD i TurboCAD. Oprogramowanie może pomóc w tworzeniu złożonych, trójwymiarowych diagramów lub zarysów potrzebnych do wytworzenia narzędzia, maszyny lub obiektu. Te plany muszą być przestrzegane z dużą szczegółowością, aby zapewnić, że produkt zachowa swoją integralność. Podczas gdy większość firm zajmujących się precyzyjną obróbką pracuje z jakąś formą programów CAD/CAM, nadal często pracują z ręcznie rysowanymi szkicami w początkowych fazach projektu.
Obróbka precyzyjna jest stosowana w przypadku wielu materiałów, w tym stali, brązu, grafitu, szkła i tworzyw sztucznych, aby wymienić kilka. W zależności od wielkości projektu i materiałów, które mają być użyte, zostaną użyte różne narzędzia do obróbki precyzyjnej. Można użyć dowolnej kombinacji tokarek, frezarek, wiertarek, pił i szlifierek, a nawet szybkich robotów. Przemysł lotniczy może używać obróbki o dużej prędkości, podczas gdy przemysł narzędziowy do obróbki drewna może używać procesów trawienia fotochemicznego i frezowania. Produkcja serii lub określonej ilości dowolnego konkretnego przedmiotu może liczyć tysiące lub być tylko kilkoma. Obróbka precyzyjna często wymaga programowania urządzeń CNC, co oznacza, że są one sterowane numerycznie komputerowo. Urządzenie CNC umożliwia przestrzeganie dokładnych wymiarów w całym cyklu produktu.
Frezowanie to proces obróbki polegający na użyciu obrotowych frezów do usuwania materiału z przedmiotu obrabianego poprzez przesuwanie (lub podawanie) frezu do przedmiotu obrabianego w określonym kierunku. Frez może być również trzymany pod kątem względem osi narzędzia. Frezowanie obejmuje szeroką gamę różnych operacji i maszyn, w skali od małych pojedynczych części do dużych, ciężkich operacji frezowania grupowego. Jest to jeden z najczęściej stosowanych procesów obróbki niestandardowych części do precyzyjnych tolerancji.
Frezowanie można wykonywać przy użyciu 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 uzupełnione o automatyczne zmieniacze narzędzi, magazyny narzędzi lub karuzele, możliwości CNC, systemy chłodzenia i obudowy. Centra frezarskie są zazwyczaj klasyfikowane jako pionowe centra obróbcze (VMC) lub poziome centra obróbcze (HMC).
Integracja frezowania ze środowiskami tokarskimi i odwrotnie, rozpoczęła się od narzędzi obrotowych do tokarek i okazjonalnego używania frezarek do operacji tokarskich. Doprowadziło to do powstania nowej klasy obrabiarek, maszyn wielozadaniowych (MTM), które są specjalnie zbudowane, aby ułatwić frezowanie i toczenie w tym samym zakresie roboczym.
Dla inżynierów projektantów, zespołów badawczo-rozwojowych i producentów, którzy polegają na pozyskiwaniu części, precyzyjna obróbka CNC umożliwia tworzenie złożonych części bez dodatkowej obróbki. W rzeczywistości precyzyjna obróbka CNC często umożliwia wytwarzanie 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 jest zwiększany dzięki zastosowaniu komputerowego sterowania numerycznego (CNC), które służy do automatyzacji sterowania narzędziami do obróbki.
Rola „CNC” w obróbce precyzyjnej
Dzięki wykorzystaniu zakodowanych instrukcji programowania, precyzyjna obróbka CNC umożliwia cięcie i kształtowanie przedmiotu obrabianego zgodnie ze specyfikacją bez konieczności ręcznej ingerencji operatora maszyny.
Biorąc model wspomaganego komputerowo projektowania (CAD) dostarczony przez klienta, ekspert-maszyniarz używa oprogramowania wspomaganego komputerowo wytwarzania (CAM) do tworzenia instrukcji obróbki części. Na podstawie modelu CAD oprogramowanie określa, jakie ścieżki narzędzi są potrzebne i generuje kod programowania, który przekazuje maszynie:
■ Jakie są prawidłowe obroty na minutę i prędkości posuwu?
■ Kiedy i gdzie przesunąć narzędzie i/lub przedmiot obrabiany
■ Jak głęboko ciąć
■ Kiedy stosować środek chłodzący
■ Wszelkie inne czynniki związane z prędkością, szybkością podawania i koordynacją
Następnie sterownik CNC wykorzystuje kod programowania do sterowania, automatyzacji i monitorowania ruchów maszyny.
Obecnie CNC jest wbudowaną funkcją szerokiej gamy urządzeń, od tokarek, frezarek i routerów po drutowe EDM (obróbka elektroerozyjna), laserowe i plazmowe maszyny do cięcia. Oprócz automatyzacji procesu obróbki i zwiększenia precyzji, CNC eliminuje zadania ręczne i uwalnia operatorów maszyn do nadzorowania wielu maszyn pracujących w tym samym czasie.
Ponadto, gdy ścieżka narzędzia została zaprojektowana, a maszyna zaprogramowana, 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 obrabiane maszynowo
Niektóre powszechnie obrabiane metale to aluminium, mosiądz, brąz, miedź, stal, tytan i cynk. Ponadto obrabiane mogą być również drewno, pianka, włókno szklane i tworzywa sztuczne, takie jak polipropylen.
W rzeczywistości, do precyzyjnej obróbki CNC można wykorzystać praktycznie 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 produktów przemysłowych, precyzyjna obróbka CNC jest często preferowaną metodą wytwarzania.
Jak to ma miejsce w przypadku praktycznie wszystkich metod cięcia i obróbki, różne materiały zachowują się inaczej, a rozmiar i kształt komponentu również mają duży wpływ na proces. Jednak ogólnie rzecz biorąc, proces precyzyjnej obróbki CNC oferuje zalety w porównaniu z innymi metodami obróbki.
Dzieje się tak, ponieważ obróbka CNC jest w stanie zapewnić:
■ Wysoki stopień złożoności części
■ Wąskie tolerancje, zwykle 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 wolumenach
Podczas gdy wykwalifikowany operator potrafi użyć ręcznej tokarki do wytworzenia wysokiej jakości części w ilościach 10 lub 100, co się stanie, gdy będziesz potrzebował 1000 części? 10 000 części? 100 000 czy miliona części?
Dzięki precyzyjnej obróbce CNC możesz uzyskać skalowalność i szybkość potrzebną do tego typu produkcji wielkoseryjnej. Ponadto wysoka powtarzalność precyzyjnej obróbki CNC zapewnia części, które są takie same od początku do końca, niezależnie od tego, ile części produkujesz.
Istnieją pewne bardzo wyspecjalizowane metody obróbki CNC, w tym drutowa obróbka elektroerozyjna (EDM), obróbka addytywna i druk laserowy 3D. Na przykład drutowa obróbka elektroerozyjna wykorzystuje materiały przewodzące — zazwyczaj metale — i wyładowania elektryczne, aby erodować obrabiany przedmiot w skomplikowane kształty.
Tutaj jednak skupimy się na procesach frezowania i toczenia — dwóch ubytkowych metodach, które są szeroko dostępne i często stosowane w precyzyjnej obróbce CNC.
Frezowanie kontra toczenie
Frezowanie to proces obróbki, w którym używa się obrotowego, cylindrycznego narzędzia tnącego do usuwania materiału i tworzenia kształtów. Sprzęt frezujący, znany jako młyn lub centrum obróbcze, wykonuje wszechświat złożonych geometrii części na niektórych z największych obiektów obrabianych metalem.
Ważną cechą frezowania jest to, że przedmiot obrabiany pozostaje nieruchomy, podczas gdy narzędzie tnące obraca się. Innymi słowy, w przypadku frezarki obracające się narzędzie tnące porusza się wokół przedmiotu obrabianego, który pozostaje nieruchomy na łożu.
Toczenie to proces cięcia lub kształtowania przedmiotu obrabianego na urządzeniu zwanym tokarką. Zazwyczaj tokarka obraca przedmiot obrabiany wokół pionowej lub poziomej osi, podczas gdy stałe 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 na szpulę, jednak nie jest to tutaj omówione.)
W toczeniu, w przeciwieństwie do frezowania, przedmiot obrabiany obraca się. Materiał obrabiany obraca się na wrzecionie tokarki, a narzędzie skrawające styka się z przedmiotem obrabianym.
Obróbka ręczna a obróbka CNC
Chociaż zarówno frezarki, jak i tokarki są dostępne w wersjach manualnych, maszyny CNC są bardziej odpowiednie do produkcji małych części, ponieważ zapewniają skalowalność i powtarzalność w zastosowaniach wymagających produkcji dużych serii części o ścisłych tolerancjach.
Oprócz oferowania prostych maszyn 2-osiowych, w których narzędzie porusza się w osiach X i Z, precyzyjny sprzęt CNC obejmuje modele wieloosiowe, w których przedmiot obrabiany może się również poruszać. Jest to przeciwieństwo tokarki, w której przedmiot obrabiany jest ograniczony do obracania się, a narzędzia poruszają się, aby utworzyć pożądaną geometrię.
Te wieloosiowe konfiguracje umożliwiają produkcję bardziej złożonych geometrii w jednej operacji, bez konieczności dodatkowej pracy operatora maszyny. To nie tylko ułatwia produkcję złożonych części, ale także zmniejsza lub eliminuje ryzyko błędu operatora.
Ponadto zastosowanie chłodziwa pod wysokim ciśnieniem w połączeniu z precyzyjną obróbką CNC gwarantuje, że wióry nie dostaną się do obrabiarki, nawet w przypadku stosowania maszyny z wrzecionem zorientowanym pionowo.
Frezarki CNC
Poszczególne frezarki różnią się rozmiarami, konfiguracją osi, prędkością posuwu, prędkością skrawania, kierunkiem posuwu frezowania i innymi cechami.
Jednakże, ogólnie rzecz biorąc, frezarki CNC wykorzystują obracające się wrzeciono do odcinania niechcianego materiału. Są one używane do cięcia twardych metali, takich jak stal i tytan, ale mogą być również używane do materiałów takich jak plastik i aluminium.
Frezarki CNC są zbudowane z myślą o powtarzalności i mogą być używane do wszystkiego, od prototypowania po produkcję wielkoseryjną. Wysokiej klasy precyzyjne frezarki CNC są często używane do prac wymagających ścisłych tolerancji, takich jak frezowanie drobnych matryc i form.
Podczas gdy frezowanie CNC może zapewnić szybką realizację, wykończenie as-frezowane 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 niedopuszczalne dla tych cech.
Oczywiście, narzędzia do gratowania zaprogramowane w sekwencji będą usuwać zadziory, jednak zazwyczaj osiągają maksymalnie 90% wymaganego wykończenia, pozostawiając niektóre elementy do końcowego wykończenia ręcznego.
Jeśli chodzi o wykończenie powierzchni, istnieją narzędzia, które nie tylko zapewniają akceptowalną jakość wykończenia powierzchni, ale także lustrzany efekt na niektórych elementach obrabianego przedmiotu.
Rodzaje frezarek CNC
Dwa podstawowe typy frezarek to pionowe i poziome centra obróbcze, przy czym główna różnica polega na położeniu wrzeciona maszyny.
Pionowe centrum obróbcze to frezarka, w której oś wrzeciona jest wyrównana w kierunku osi Z. Te pionowe maszyny można dalej podzielić na dwa typy:
■Frezarki łożowe, w których wrzeciono porusza się równolegle do własnej osi, a stół porusza się prostopadle do osi wrzeciona
■Frezarki rewolwerowe, w których wrzeciono jest nieruchome, a stół jest przesuwany tak, aby podczas operacji skrawania był zawsze prostopadły i równoległy do osi wrzeciona
W poziomym centrum obróbczym oś wrzeciona frezarki jest wyrównana w kierunku osi Y. Pozioma struktura oznacza, że frezarki te zajmują więcej miejsca na hali produkcyjnej; są one również zazwyczaj cięższe i mocniejsze niż maszyny pionowe.
Frez poziomy jest często używany, gdy wymagane jest lepsze wykończenie powierzchni; to dlatego, że orientacja wrzeciona oznacza, że wióry skrawające naturalnie odpadają i są łatwo usuwane. (Dodatkową korzyścią jest to, że wydajne usuwanie wiórów pomaga wydłużyć żywotność narzędzia.)
Ogólnie rzecz biorąc, pionowe centra obróbcze są bardziej rozpowszechnione, ponieważ mogą być tak wydajne jak poziome centra obróbcze i mogą obsługiwać bardzo małe części. Ponadto pionowe centra obróbcze zajmują mniej miejsca niż poziome centra obróbcze.
Frezarki CNC wieloosiowe
Precyzyjne centra frezarskie CNC są dostępne z wieloma osiami. Frezarka 3-osiowa wykorzystuje osie X, Y i Z do szerokiej gamy prac. Dzięki frezarce 4-osiowej maszyna może obracać się wokół osi pionowej i poziomej oraz przesuwać obrabiany przedmiot, aby umożliwić bardziej ciągłą obróbkę.
Frezarka 5-osiowa ma trzy tradycyjne osie i dwie dodatkowe osie obrotowe, co umożliwia obracanie przedmiotu obrabianego, gdy głowica wrzeciona porusza się wokół niego. Umożliwia to obróbkę pięciu boków przedmiotu obrabianego bez wyjmowania przedmiotu obrabianego i resetowania maszyny.
Tokarki CNC
Tokarka — zwana również centrum tokarskim — ma jedno lub więcej wrzecion oraz osie X i Z. Maszyna służy do obracania przedmiotu obrabianego wokół jego osi w celu wykonania różnych operacji cięcia i kształtowania, stosując szeroką gamę narzędzi do przedmiotu obrabianego.
Tokarki CNC, które są również nazywane tokarkami narzędziowymi z funkcją live action, są idealne do tworzenia symetrycznych części cylindrycznych lub sferycznych. Podobnie jak frezarki CNC, tokarki CNC mogą obsługiwać mniejsze operacje, takie jak prototypowanie, ale mogą być również ustawione na wysoką powtarzalność, obsługując produkcję wielkoseryjną.
Tokarki CNC można również ustawić tak, aby produkcja nie wymagała ingerencji człowieka, dzięki czemu są szeroko stosowane w przemyśle motoryzacyjnym, elektronicznym, lotniczym, robotycznym i medycznym.
Jak działa tokarka CNC
W przypadku tokarki CNC pusty pręt materiału jest ładowany do uchwytu wrzeciona tokarki. Uchwyt ten utrzymuje obrabiany przedmiot na miejscu, podczas gdy wrzeciono obraca się. Gdy wrzeciono osiągnie wymaganą prędkość, nieruchome narzędzie tnące jest wprowadzane w kontakt z obrabianym przedmiotem, aby usunąć materiał i uzyskać prawidłową geometrię.
Tokarka CNC może wykonywać szereg operacji, takich jak wiercenie, gwintowanie, rozwiercanie, rozwiercanie, planowanie i toczenie stożkowe. Różne operacje wymagają zmiany narzędzi i mogą zwiększyć koszty i czas konfiguracji.
Gdy wszystkie wymagane operacje obróbki zostaną ukończone, część jest wycinana z materiału w celu dalszej obróbki, jeśli jest to konieczne. Tokarka CNC jest wtedy gotowa do powtórzenia operacji, zwykle z niewielkim lub żadnym dodatkowym czasem konfiguracji pomiędzy.
Tokarki CNC mogą być również wyposażone w różnego rodzaju automatyczne podajniki prętów, które redukują ilość ręcznej obsługi surowca i zapewniają następujące korzyści:
■ Zmniejszenie czasu i wysiłku wymaganego od operatora maszyny
■ Podpiera pręt, aby zredukować drgania, które mogą negatywnie wpłynąć na precyzję
■ Umożliwia pracę obrabiarki przy optymalnych prędkościach wrzeciona
■ Zminimalizuj czas przezbrajania
■ Zmniejszenie marnotrawstwa materiałów
Rodzaje tokarek CNC
Istnieje wiele różnych rodzajów tokarek, ale najpopularniejsze są tokarki CNC 2-osiowe i automatyczne tokarki typu chińskiego.
Większość tokarek CNC China używa jednego lub dwóch wrzecion głównych plus jednego lub dwóch wrzecion tylnych (lub pomocniczych), przy czym za pierwsze odpowiada obrotowy transfer. Wrzeciono główne wykonuje główną operację obróbki za pomocą tulei prowadzącej.
Ponadto niektóre tokarki typu chińskiego są wyposażone w drugą głowicę narzędziową, która działa jak frezarka CNC.
W przypadku automatycznej tokarki CNC w stylu chińskim materiał wyjściowy jest podawany przez przesuwne wrzeciono głowicy do tulei prowadzącej. Dzięki temu narzędzie może ciąć materiał bliżej punktu, w którym jest on podparty, co sprawia, że maszyna China jest szczególnie korzystna w przypadku długich, smukłych toczonych części i mikroobróbki.
Wieloosiowe centra tokarskie CNC i tokarki w stylu chińskim mogą wykonywać wiele operacji obróbki przy użyciu jednej maszyny. Dzięki temu są opłacalną opcją dla złożonych geometrii, które w przeciwnym razie wymagałyby wielu maszyn lub zmian narzędzi przy użyciu sprzętu, takiego jak tradycyjna frezarka CNC.