Obróbka precyzyjna to proces usuwania materiału z przedmiotu obrabianego przy zachowaniu ścisłych tolerancji wykończenia. Istnieje wiele rodzajów maszyn precyzyjnych, w tym frezowanie, toczenie i obróbka elektroerozyjna. Obecnie maszyny precyzyjne są zazwyczaj sterowane za pomocą komputerowego sterowania numerycznego (CNC).
Prawie wszystkie wyroby metalowe, podobnie jak wiele innych materiałów, takich jak tworzywa sztuczne i drewno, wymagają precyzyjnej obróbki. Maszyny te są obsługiwane przez wyspecjalizowanych i przeszkolonych operatorów. Aby narzędzie skrawające mogło wykonać swoją pracę, musi być przesuwane w określonych kierunkach, aby wykonać prawidłowe cięcie. Ten ruch podstawowy nazywany jest „prędkością skrawania”. Obrabiany przedmiot może być również przesuwany, co jest ruchem wtórnym, zwanym „posuwem”. Ruchy te oraz ostrość narzędzia skrawającego umożliwiają precyzyjną pracę maszyny.
Wysokiej jakości, precyzyjna obróbka skrawaniem wymaga umiejętności postępowania zgodnie z niezwykle szczegółowymi planami opracowanymi przez programy CAD (projektowanie wspomagane komputerowo) lub CAM (wytwarzanie wspomagane komputerowo), takie jak AutoCAD i TurboCAD. Oprogramowanie to może pomóc w tworzeniu złożonych, trójwymiarowych diagramów lub zarysów niezbędnych do wytworzenia narzędzia, maszyny lub przedmiotu. Plany te muszą być przestrzegane z najwyższą starannością, aby zapewnić integralność produktu. Chociaż większość firm zajmujących się obróbką precyzyjną korzysta z różnych programów CAD/CAM, to jednak na wczesnych etapach projektowania często korzystają one z odręcznych szkiców.
Obróbka precyzyjna jest stosowana w przypadku wielu materiałów, w tym stali, brązu, grafitu, szkła i tworzyw sztucznych, by wymienić tylko kilka. W zależności od wielkości projektu i użytych materiałów, stosowane są różne narzędzia do obróbki precyzyjnej. Można stosować dowolną kombinację tokarek, frezarek, wiertarek, pił i szlifierek, a nawet robotyki szybkobieżnej. Przemysł lotniczy i kosmiczny może wykorzystywać obróbkę z dużą prędkością, podczas gdy przemysł narzędziowy do obróbki drewna może wykorzystywać procesy trawienia fotochemicznego i frezowania. Produkcja partii produkcyjnej lub określonej ilości dowolnego elementu może sięgać tysięcy lub być zaledwie kilkoma. Obróbka precyzyjna często wymaga programowania urządzeń CNC, co oznacza, że są one sterowane numerycznie za pomocą komputera. Urządzenie CNC pozwala na dokładne przestrzeganie wymiarów w całym cyklu produkcyjnym produktu.
Frezowanie to proces obróbki polegający na użyciu obrotowych frezów do usuwania materiału z przedmiotu obrabianego poprzez przesuwanie (lub podawanie) frezu w głąb przedmiotu obrabianego w określonym kierunku. Frez może być również utrzymywany pod kątem względem osi narzędzia. Frezowanie obejmuje szeroki zakres operacji i maszyn, od obróbki małych pojedynczych elementów po duże, ciężkie operacje frezowania zespołowego. Jest to jeden z najczęściej stosowanych procesów obróbki niestandardowych części z zachowaniem precyzyjnych tolerancji.
Frezowanie można wykonywać za pomocą szerokiej gamy obrabiarek. Pierwotną klasą obrabiarek do frezowania była frezarka (często nazywana frezarką). Po pojawieniu się komputerowego sterowania numerycznego (CNC), frezarki przekształciły się w centra obróbkowe: frezarki wyposażone w automatyczne zmieniacze narzędzi, magazyny narzędzi lub karuzele, możliwości sterowania CNC, systemy chłodzenia i obudowy. Centra frezarskie są zazwyczaj klasyfikowane jako pionowe centra obróbkowe (VMC) lub poziome centra obróbkowe (HMC).
Integracja frezowania ze środowiskiem toczenia i odwrotnie, rozpoczęła się od narzędzi napędzanych w tokarkach i sporadycznego stosowania frezarek do toczenia. Doprowadziło to do powstania nowej klasy obrabiarek – maszyn wielozadaniowych (MTM), które zostały zaprojektowane specjalnie z myślą o umożliwieniu frezowania i toczenia w tym samym zakresie roboczym.
Dla inżynierów projektantów, zespołów badawczo-rozwojowych i producentów, którzy polegają na pozyskiwaniu części, precyzyjna obróbka CNC pozwala na tworzenie złożonych części bez dodatkowej obróbki. W rzeczywistości precyzyjna obróbka CNC często umożliwia produkcję gotowych części na jednej maszynie.
Proces obróbki polega na usuwaniu materiału i użyciu szerokiej gamy narzędzi skrawających, aby stworzyć finalny, często bardzo złożony, projekt części. Poziom precyzji jest zwiększony dzięki zastosowaniu komputerowego sterowania numerycznego (CNC), które służy do automatyzacji sterowania narzędziami obróbkowymi.
Rola „CNC” w obróbce precyzyjnej
Dzięki wykorzystaniu zakodowanych instrukcji programowania, precyzyjna obróbka CNC umożliwia cięcie i kształtowanie przedmiotu obrabianego zgodnie ze specyfikacjami bez konieczności ręcznej ingerencji operatora maszyny.
Wykorzystując model CAD (Computer Assisted Design) dostarczony przez klienta, doświadczony mechanik używa oprogramowania CAM (Computer Assisted Manufacturing) do tworzenia instrukcji obróbki części. Na podstawie modelu CAD oprogramowanie określa potrzebne ścieżki narzędzi i generuje kod programu, który przekazuje maszynie następujące informacje:
■ Jakie są prawidłowe obroty na minutę i prędkości posuwu
■ Kiedy i gdzie przesuwać 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 elektroerozyjne maszyny do obróbki elektroerozyjnej (EDM), lasery i maszyny do cięcia plazmowego. Oprócz automatyzacji procesu obróbki i zwiększenia precyzji, CNC eliminuje zadania wykonywane ręcznie i pozwala operatorom na nadzorowanie wielu maszyn pracujących jednocześnie.
Ponadto, po zaprojektowaniu ścieżki narzędzia i zaprogramowaniu maszyny, może ona obrabiać część dowolną liczbę razy. Zapewnia to wysoki poziom precyzji i powtarzalności, co z kolei sprawia, że proces jest wysoce opłacalny i skalowalny.
Materiały obrabiane mechanicznie
Do metali powszechnie poddawanych obróbce skrawaniem należą aluminium, mosiądz, brąz, miedź, stal, tytan i cynk. Ponadto obróbce skrawaniem poddaje się również drewno, piankę, włókno szklane oraz tworzywa sztuczne, takie jak polipropylen.
W rzeczywistości, precyzyjną obróbkę CNC można wykonać praktycznie z każdego materiału — oczywiście w zależności od zastosowania i jego wymagań.
Niektóre zalety precyzyjnej obróbki CNC
W przypadku wielu małych części i komponentów stosowanych w szerokiej gamie produktów przemysłowych, precyzyjna obróbka CNC jest często wybieraną 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 generalnie proces precyzyjnej obróbki CNC oferuje przewagę nad 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 tokarki ręcznej 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 można uzyskać skalowalność i szybkość niezbędną do tego typu produkcji wielkoseryjnej. Ponadto, wysoka powtarzalność precyzyjnej obróbki CNC pozwala uzyskać identyczne części od początku do końca, niezależnie od ich liczby.
Istnieje kilka bardzo wyspecjalizowanych metod obróbki CNC, w tym elektroerozyjna obróbka drutowa (EDM), obróbka addytywna i druk laserowy 3D. Na przykład, elektroerozyjna obróbka drutowa wykorzystuje materiały przewodzące – zazwyczaj metale – i wyładowania elektryczne do erodowania obrabianego przedmiotu w celu nadania mu skomplikowanych kształtów.
Tutaj jednak skupimy się na procesach frezowania i toczenia — dwóch ubytkowych metodach, które są powszechnie dostępne i często wykorzystywane w precyzyjnej obróbce CNC.
Frezowanie kontra toczenie
Frezowanie to proces obróbki skrawaniem, w którym do usuwania materiału i nadawania kształtu używa się obrotowego, cylindrycznego narzędzia skrawającego. Frezarka, znana jako frezarka lub centrum obróbcze, umożliwia wykonywanie różnorodnych, złożonych geometrii detali na największych obrabianych mechanice.
Istotną cechą frezowania jest to, że przedmiot obrabiany pozostaje nieruchomy, podczas gdy narzędzie skrawające się obraca. Innymi słowy, w przypadku frezarki, obracające się narzędzie skrawające 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 osi pionowej lub poziomej, podczas gdy nieruchome narzędzie skrawające (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).
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 ilości części o ścisłych tolerancjach.
Oprócz prostych maszyn 2-osiowych, w których narzędzie porusza się w osiach X i Z, precyzyjne urządzenia CNC obejmują modele wieloosiowe, w których przedmiot obrabiany może się również poruszać. W przeciwieństwie do tokarki, gdzie przedmiot obrabiany jest ograniczony do obracania się, a narzędzia poruszają się, aby uzyskać pożądaną geometrię.
Te wieloosiowe konfiguracje umożliwiają produkcję bardziej złożonych geometrii w ramach jednej operacji, bez konieczności dodatkowego nakładu pracy ze strony operatora maszyny. To nie tylko ułatwia produkcję skomplikowanych 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
Różne frezarki różnią się rozmiarami, konfiguracją osi, prędkością posuwu, prędkością skrawania, kierunkiem posuwu frezowania i innymi cechami.
Jednak generalnie wszystkie frezarki CNC wykorzystują obracające się wrzeciono do usuwania zbędnego materiału. Służą one do cięcia twardych metali, takich jak stal i tytan, ale mogą być również stosowane do obróbki materiałów takich jak tworzywa sztuczne i aluminium.
Frezarki CNC są projektowane z myślą o powtarzalności i mogą być wykorzystywane do wszystkiego, od prototypowania po produkcję wielkoseryjną. Wysokiej klasy, precyzyjne frezarki CNC są często wykorzystywane do prac wymagających ścisłych tolerancji, takich jak frezowanie precyzyjnych matryc i form.
Chociaż frezowanie CNC pozwala na szybką realizację, obróbka wykańczająca po frezowaniu tworzy części z widocznymi śladami narzędzi. Może również wytwarzać części z ostrymi krawędziami i zadziorami, dlatego mogą być wymagane dodatkowe procesy, jeśli krawędzie i zadziory są nieakceptowalne dla tych cech.
Oczywiście, narzędzia do gratowania zaprogramowane w sekwencji usuną zadziory, jednak zazwyczaj osiągają one co najwyżej 90% wymaganego efektu końcowego, pozostawiając niektóre elementy do końcowego wykańczania ręcznego.
Jeśli chodzi o wykończenie powierzchni, dostępne są narzędzia, które nie tylko zapewniają akceptowalną jakość wykończenia powierzchni, ale także lustrzany efekt wykończenia niektórych elementów obrabianego przedmiotu.
Rodzaje frezarek CNC
Dwa podstawowe typy frezarek to pionowe centra obróbkowe i poziome centra obróbkowe, przy czym główna różnica polega na orientacji wrzeciona maszyny.
Pionowe centrum obróbkowe to frezarka, w której oś wrzeciona jest ustawiona w kierunku osi Z. Te maszyny pionowe można 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 ustawiona w kierunku osi Y. Pozioma konstrukcja sprawia, że frezarki te zajmują zazwyczaj więcej miejsca na hali produkcyjnej; są też zazwyczaj cięższe i mocniejsze od maszyn pionowych.
Frez poziomy jest często używany, gdy wymagana jest lepsza jakość wykończenia powierzchni; wynika to z faktu, że orientacja wrzeciona sprawia, że wióry naturalnie odpadają i są łatwo usuwane. (Dodatkową korzyścią jest to, że wydajne usuwanie wiórów wydłuża żywotność narzędzia).
Ogólnie rzecz biorąc, pionowe centra obróbkowe są bardziej popularne, ponieważ mogą być równie wydajne jak poziome centra obróbkowe i obsługiwać bardzo małe części. Ponadto, pionowe centra obróbkowe zajmują mniej miejsca niż poziome centra obróbkowe.
Frezarki CNC wieloosiowe
Precyzyjne centra obróbcze CNC są dostępne z wieloma osiami. Frezarka 3-osiowa wykorzystuje osie X, Y i Z do szerokiej gamy prac. Frezarka 4-osiowa może obracać się wokół osi pionowej i poziomej oraz przesuwać obrabiany przedmiot, co zapewnia większą ciągłość obróbki.
Frezarka 5-osiowa posiada trzy tradycyjne osie i dwie dodatkowe osie obrotowe, co umożliwia obrót przedmiotu obrabianego podczas ruchu głowicy wrzeciona. Pozwala to na obróbkę pięciu boków przedmiotu obrabianego bez konieczności wyjmowania przedmiotu obrabianego i ponownego ustawiania maszyny.
Tokarki CNC
Tokarka — zwana również centrum tokarskim — posiada jedno lub więcej wrzecion oraz osie X i Z. Maszyna służy do obracania przedmiotu obrabianego wokół jego osi, co umożliwia wykonywanie różnych operacji cięcia i kształtowania przy użyciu szerokiej gamy narzędzi.
Tokarki CNC, nazywane również tokarkami z ruchomym narzędziem, idealnie nadają się do produkcji symetrycznych elementów cylindrycznych lub sferycznych. Podobnie jak frezarki CNC, tokarki CNC mogą wykonywać mniejsze operacje, takie jak prototypowanie, ale można je również ustawić pod kątem wysokiej powtarzalności, co pozwala na produkcję wielkoseryjną.
Tokarki CNC można również skonfigurować 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 tokarce CNC, półfabrykat z materiału jest ładowany do uchwytu wrzeciona tokarki. Uchwyt utrzymuje obrabiany przedmiot w miejscu podczas obrotu wrzeciona. Gdy wrzeciono osiągnie wymaganą prędkość, nieruchome narzędzie skrawające styka się 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 wymiany narzędzi, co może zwiększyć koszty i czas konfiguracji.
Po zakończeniu wszystkich wymaganych operacji obróbkowych, część jest wycinana z materiału do dalszej obróbki, jeśli zajdzie taka potrzeba. Tokarka CNC jest wtedy gotowa do powtórzenia operacji, zazwyczaj z niewielkim lub zerowym czasem na przygotowanie.
Tokarki CNC mogą być również wyposażone w różnego rodzaju automatyczne podajniki prętów, które redukują konieczność ręcznej obsługi surowca i zapewniają następujące korzyści:
■ Zmniejszenie czasu i wysiłku wymaganego od operatora maszyny
■ Podpiera pręt, aby zmniejszyć drgania, które mogą negatywnie wpływać na precyzję
■ Umożliwić obrabiarce pracę przy optymalnych prędkościach wrzeciona
■ Zminimalizuj czas przezbrojeń
■ Zmniejszenie marnotrawstwa materiałów
Rodzaje tokarek CNC
Istnieje wiele różnych rodzajów tokarek, ale najpopularniejsze są dwuosiowe tokarki CNC i automatyczne tokarki typu chińskiego.
Większość chińskich tokarek CNC wykorzystuje jedno lub dwa wrzeciona główne oraz jedno lub dwa wrzeciona tylne (lub pomocnicze), z obrotowym przeniesieniem napędu odpowiedzialnym za to pierwsze. Wrzeciono główne wykonuje główną obróbkę za pomocą tulei prowadzącej.
Ponadto niektóre tokarki typu chińskiego są wyposażone w drugą głowicę narzędziową, która działa jako frezarka CNC.
W automatycznej tokarce CNC typu chińskiego materiał jest podawany przez wrzeciono z przesuwną głowicą do tulei prowadzącej. Dzięki temu narzędzie może ciąć materiał bliżej punktu, w którym jest on podparty, co czyni maszynę chińską szczególnie przydatną do obróbki długich, smukłych elementów toczonych oraz do mikroobróbki.
Wieloosiowe centra tokarskie CNC i tokarki typu chińskiego umożliwiają wykonywanie wielu operacji obróbczych za pomocą jednej maszyny. Dzięki temu stanowią opłacalną opcję w przypadku skomplikowanych geometrii, które w przeciwnym razie wymagałyby użycia wielu maszyn lub wymiany narzędzi, np. tradycyjnej frezarki CNC.