Прецизната машинна обработка е процес за отстраняване на материал от детайла по време на обработка с прецизни допуски. Прецизните машини са много видове, включително фрезоване, струговане и електроерозионна обработка. Днес прецизните машини обикновено се управляват с помощта на компютърно-цифрово управление (CNC).
Почти всички метални изделия използват прецизна обработка, както и много други материали като пластмаса и дърво. Тези машини се управляват от специализирани и обучени машинисти. За да може режещият инструмент да изпълнява работата си, той трябва да се движи в зададени посоки, за да се направи правилното рязане. Това първично движение се нарича „скорост на рязане“. Детайлът може да се движи и като вторично движение на „подаване“. Заедно тези движения и остротата на режещия инструмент позволяват на прецизната машина да работи.
Качествената прецизна машинна обработка изисква способността да се следват изключително специфични чертежи, изработени от CAD (компютърно проектиране) или CAM (компютърно подпомогнато производство) програми като AutoCAD и TurboCAD. Софтуерът може да помогне за създаването на сложни, триизмерни диаграми или контури, необходими за производството на инструмент, машина или обект. Тези чертежи трябва да се спазват с голяма детайлност, за да се гарантира, че продуктът запазва своята целостност. Въпреки че повечето компании за прецизна машинна обработка работят с някаква форма на CAD/CAM програми, те все още често работят с ръчно рисувани скици в началните фази на дизайна.
Прецизната машинна обработка се използва върху редица материали, включително стомана, бронз, графит, стъкло и пластмаси, за да назовем само няколко. В зависимост от размера на проекта и използваните материали, ще се използват различни инструменти за прецизна машинна обработка. Може да се използва всякаква комбинация от стругове, фрези, пробивни преси, триони и шлифовъчни машини, и дори високоскоростна роботика. Аерокосмическата индустрия може да използва високоскоростна машинна обработка, докато индустрията за производство на дървообработващи инструменти може да използва процеси на фотохимично ецване и фрезоване. Производството на партида или на определено количество от даден артикул може да наброява хиляди или само няколко. Прецизната машинна обработка често изисква програмиране на CNC устройства, което означава, че те се управляват с компютърно число. CNC устройството позволява спазването на точни размери по време на цялата серия от продукта.
Фрезоването е процес на обработка с помощта на ротационни ножове за отстраняване на материал от детайла чрез придвижване (или подаване) на ножа в детайла в определена посока. Ножът може също да се държи под ъгъл спрямо оста на инструмента. Фрезоването обхваща голямо разнообразие от различни операции и машини, от малки единични части до големи, тежкотоварни групови фрезови операции. Това е един от най-често използваните процеси за обработка на потребителски части с прецизни допуски.
Фрезоването може да се извършва с широка гама от машинни инструменти. Първоначалният клас машинни инструменти за фрезоване е била фрезовата машина (често наричана фреза). След появата на компютърното числово управление (CNC), фрезовите машини са се развили в обработващи центрове: фрезови машини, допълнени от автоматични устройства за смяна на инструменти, инструментални магазини или карусели, CNC възможности, охлаждащи системи и корпуси. Фрезовите центрове обикновено се класифицират като вертикални обработващи центрове (VMC) или хоризонтални обработващи центрове (HMC).
Интегрирането на фрезоването в струговането и обратното започва с въртящи се инструменти за стругове и от време на време използването на фрези за стругови операции. Това води до нов клас машинни инструменти, многозадачни машини (MTM), които са специално създадени, за да улеснят фрезоването и струговането в рамките на една и съща работна зона.
За инженерите-конструктори, екипите за научноизследователска и развойна дейност и производителите, които зависят от снабдяването с части, прецизната CNC обработка позволява създаването на сложни части без допълнителна обработка. Всъщност, прецизната CNC обработка често прави възможно готовите части да бъдат изработени на една машина.
Процесът на машинна обработка премахва материал и използва широк набор от режещи инструменти, за да създаде окончателния и често много сложен дизайн на детайла. Нивото на прецизност се повишава чрез използването на компютърно числово управление (CNC), което се използва за автоматизиране на управлението на обработващите инструменти.
Ролята на "CNC" в прецизната машинна обработка
Използвайки кодирани инструкции за програмиране, прецизната CNC обработка позволява на детайла да бъде изрязан и оформен по спецификации без ръчна намеса от оператор на машината.
Вземайки CAD модел, предоставен от клиент, експерт машиностроител използва CAM софтуер, за да създаде инструкции за обработка на детайла. Въз основа на CAD модела, софтуерът определя какви траектории на инструментите са необходими и генерира програмен код, който казва на машината:
■ Какви са правилните обороти в минута и скорости на подаване
■ Кога и къде да преместите инструмента и/или детайла
■ Колко дълбоко да се реже
■ Кога да се нанася охлаждаща течност
■ Всички други фактори, свързани със скоростта, скоростта на подаване и координацията
След това CNC контролер използва програмния код, за да контролира, автоматизира и наблюдава движенията на машината.
Днес CNC е вградена функция на широка гама от оборудване, от стругове, фрези и рутери до електроерозионна обработка (EDM), лазерни и плазмени машини за рязане. В допълнение към автоматизирането на процеса на обработка и повишаването на прецизността, CNC елиминира ръчните задачи и освобождава машинистите да наблюдават множество машини, работещи едновременно.
Освен това, след като траекторията на инструмента е проектирана и машината е програмирана, тя може да обработва даден детайл неограничен брой пъти. Това осигурява високо ниво на прецизност и повторяемост, което от своя страна прави процеса изключително рентабилен и мащабируем.
Материали, които се обработват машинно
Някои метали, които често се обработват машинно, включват алуминий, месинг, бронз, мед, стомана, титан и цинк. Освен това, дърво, пяна, фибростъкло и пластмаси като полипропилен също могат да бъдат обработвани машинно.
Всъщност, почти всеки материал може да се използва с прецизна CNC обработка - разбира се, в зависимост от приложението и неговите изисквания.
Някои предимства на прецизната CNC обработка
За много от малките части и компоненти, които се използват в широка гама от произведени продукти, прецизната CNC обработка често е предпочитаният метод на производство.
Както е вярно за почти всички методи на рязане и обработка, различните материали се държат различно, а размерът и формата на даден компонент също оказват голямо влияние върху процеса. Въпреки това, като цяло процесът на прецизна CNC обработка предлага предимства пред другите методи на обработка.
Това е така, защото CNC обработката е способна да осигури:
■ Висока степен на сложност на детайлите
■ Тесни допустими отклонения, обикновено в диапазона от ±0,0002" (±0,00508 мм) до ±0,0005" (±0,0127 мм)
■ Изключително гладки повърхностни покрития, включително персонализирани покрития
■ Повторяемост, дори при големи обеми
Докато един квалифициран машинен майстор може да използва ръчен струг, за да произведе качествен детайл в количества от 10 или 100, какво се случва, когато ви трябват 1000 части? 10 000 части? 100 000 или милион части?
С прецизна CNC обработка можете да получите мащабируемостта и скоростта, необходими за този тип производство с голям обем. Освен това, високата повторяемост на прецизната CNC обработка ви осигурява части, които са еднакви от началото до края, независимо колко части произвеждате.
Съществуват някои много специализирани методи за CNC обработка, включително електроерозионна обработка с тел, адитивен процес и 3D лазерен печат. Например, електроерозионната обработка с тел използва проводими материали – обикновено метали – и електрически разряди, за да ерозира детайла в сложни форми.
Тук обаче ще се съсредоточим върху процесите на фрезоване и струговане — два метода за изваждане, които са широко достъпни и често използвани за прецизна CNC обработка.
Фрезоване срещу струговане
Фрезоването е процес на машинна обработка, който използва въртящ се цилиндричен режещ инструмент за отстраняване на материал и създаване на форми. Фрезовото оборудване, известно като фреза или обработващ център, изпълнява множество сложни геометрии на детайли върху някои от най-големите обекти, обработвани от метал.
Важна характеристика на фрезоването е, че детайлът остава неподвижен, докато режещият инструмент се върти. С други думи, при фрезата въртящият се режещ инструмент се движи около детайла, който остава неподвижен върху легло.
Струговането е процес на рязане или оформяне на детайл на оборудване, наречено струг. Обикновено стругът завърта детайла по вертикална или хоризонтална ос, докато фиксиран режещ инструмент (който може да се върти или да не се върти) се движи по програмираната ос.
Инструментът не може физически да се върти около детайла. Материалът се върти, което позволява на инструмента да изпълнява програмираните операции. (Съществува обаче подмножество стругове, при които инструментите се въртят около тел, подавана от макара, но това не е разгледано тук.)
При струговането, за разлика от фрезоването, детайлът се върти. Заготовката се завърта около шпиндела на струга и режещият инструмент влиза в контакт с детайла.
Ръчна срещу CNC обработка
Въпреки че както фрезите, така и струговете се предлагат в ръчни модели, машините с ЦПУ са по-подходящи за целите на производството на малки части — предлагат мащабируемост и повторяемост за приложения, изискващи производство на големи количества части с високи допуски.
В допълнение към предлагането на прости двуосни машини, в които инструментът се движи по осите X и Z, прецизното CNC оборудване включва многоосни модели, в които детайлът също може да се движи. Това е за разлика от струг, където детайлът е ограничен до въртене, а инструментите ще се движат, за да създадат желаната геометрия.
Тези многоосни конфигурации позволяват производството на по-сложни геометрии в една операция, без да се изисква допълнителна работа от страна на оператора на машината. Това не само улеснява производството на сложни части, но и намалява или елиминира вероятността от грешка от страна на оператора.
Освен това, използването на охлаждаща течност под високо налягане при прецизна CNC обработка гарантира, че стружки не попадат в детайлите, дори при използване на машина с вертикално ориентиран шпиндел.
CNC фрези
Различните фрезови машини се различават по своите размери, конфигурации на осите, скорости на подаване, скорост на рязане, посока на подаване при фрезоване и други характеристики.
Като цяло обаче, CNC фрезите използват въртящ се шпиндел за отстраняване на нежелан материал. Те се използват за рязане на твърди метали като стомана и титан, но могат да се използват и с материали като пластмаса и алуминий.
CNC фрезите са създадени за повторяемост и могат да се използват за всичко - от създаване на прототипи до производство с голям обем. Висококачествените прецизни CNC фрези често се използват за работа с високи допуски, като например фрезоване на фини матрици и форми.
Въпреки че CNC фрезоването може да осигури бърза обработка, довършителната обработка след фрезоване създава части с видими следи от инструмента. Може също така да се получат части с някои остри ръбове и грапавини, така че може да са необходими допълнителни процеси, ако ръбовете и грапавини са неприемливи за тези характеристики.
Разбира се, инструментите за обезкостяване, програмирани в последователността, ще обезкостят, въпреки че обикновено постигат най-много 90% от изискваното завършено обработване, оставяйки някои детайли за финална ръчна обработка.
Що се отнася до повърхностната обработка, има инструменти, които ще осигурят не само приемливо повърхностно покритие, но и огледално покритие върху части от работния продукт.
Видове CNC фрези
Двата основни вида фрезови машини са известни като вертикални обработващи центрове и хоризонтални обработващи центрове, където основната разлика е в ориентацията на шпиндела на машината.
Вертикалният обработващ център е фреза, в която оста на шпиндела е подравнена в посока на оста Z. Тези вертикални машини могат да бъдат допълнително разделени на два вида:
■ Фрези с легло, при които шпинделът се движи успоредно на собствената си ос, докато масата се движи перпендикулярно на оста на шпиндела
■ Револверни фрези, при които шпинделът е неподвижен, а масата се движи така, че винаги да е перпендикулярна и успоредна на оста на шпиндела по време на операцията по рязане
В хоризонтален обработващ център, оста на шпиндела на фрезата е подравнена в посока на оста Y. Хоризонталната структура означава, че тези фрези са склонни да заемат повече място на пода на машинния цех; те също така обикновено са по-тежки и по-мощни от вертикалните машини.
Хоризонталната фреза често се използва, когато се изисква по-добра повърхностна обработка; това е така, защото ориентацията на шпиндела означава, че режещите стружки падат естествено и се отстраняват лесно. (Като допълнително предимство, ефективното отстраняване на стружките спомага за увеличаване на живота на инструмента.)
Като цяло, вертикалните обработващи центрове са по-разпространени, защото могат да бъдат толкова мощни, колкото хоризонталните обработващи центрове и да обработват много малки части. Освен това, вертикалните центрове имат по-малък размер от хоризонталните обработващи центрове.
Многоосни CNC фрези
Предлагат се прецизни CNC фрезови центри с множество оси. 3-осната фреза използва осите X, Y и Z за голямо разнообразие от работа. С 4-осната фреза машината може да се върти по вертикална и хоризонтална ос и да премества детайла, за да позволи по-непрекъсната обработка.
5-осната фреза има три традиционни оси и две допълнителни ротационни оси, което позволява завъртането на детайла, докато шпинделната глава се движи около него. Това позволява обработката на пет страни на детайла, без да се изисква отстраняване на детайла и рестартиране на машината.
CNC стругове
Стругът, наричан още струговен център, има един или повече шпиндели и оси X и Z. Машината се използва за завъртане на детайла около оста му, за да извършва различни операции по рязане и оформяне, прилагайки широк набор от инструменти към детайла.
CNC струговете, които се наричат още стругове с въртящи се инструменти, са идеални за създаване на симетрични цилиндрични или сферични части. Подобно на CNC фрезите, CNC струговете могат да се справят с по-малки операции, като например създаване на прототипи, но също така могат да бъдат настроени за висока повторяемост, поддържайки производство с голям обем.
CNC струговете могат да бъдат настроени и за относително свободно производство, което ги прави широко използвани в автомобилната, електронната, аерокосмическата, роботичната и медицинското производство.
Как работи струг с ЦПУ
При CNC струг, заготовка от заготовка се зарежда в патронника на шпиндела на струга. Този патронник държи детайла на място, докато шпинделът се върти. Когато шпинделът достигне необходимата скорост, неподвижен режещ инструмент се привежда в контакт с детайла, за да отстрани материала и да постигне правилната геометрия.
CNC струг може да извършва редица операции, като пробиване, нарязване на резба, разпробиване, разпробиване, челно рязане и конусовидно струговане. Различните операции изискват смяна на инструмента и могат да увеличат разходите и времето за настройка.
Когато всички необходими машинни операции са завършени, детайлът се изрязва от заготовката за по-нататъшна обработка, ако е необходимо. CNC стругът е готов да повтори операцията, като обикновено се изисква малко или никакво допълнително време за настройка между тях.
CNC струговете могат да бъдат оборудвани и с различни автоматични подаващи устройства за пръти, което намалява ръчната обработка на суровините и осигурява предимства като следните:
■ Намалете времето и усилията, необходими на оператора на машината
■ Подпрете прътовата заготовка, за да намалите вибрациите, които могат да повлияят негативно на прецизността
■ Оставете машинния инструмент да работи с оптимални скорости на шпиндела
■ Минимизиране на времето за превключване
■ Намаляване на разхищението на материали
Видове CNC стругове
Съществуват редица различни видове стругове, но най-разпространените са двуосни CNC стругове и автоматични стругове в китайски стил.
Повечето CNC стругове в Китай използват един или два главни шпиндела плюс един или два задни (или вторични) шпиндела, като за първия е отговорно ротационно прехвърляне. Главният шпиндел извършва основната машинна операция с помощта на направляваща втулка.
Освен това, някои стругове от китайски тип са оборудвани с втора инструментална глава, която работи като CNC фреза.
При CNC автоматичен струг от китайски тип, заготовката се подава през плъзгащ се шпиндел в направляваща втулка. Това позволява на инструмента да реже материала по-близо до точката, където материалът е поддържан, което прави машината от китайски тип особено полезна за дълги, тънки стругови детайли и за микрообработка.
Многоосните CNC стругови центрове и струговете от китайски тип могат да извършват множество обработващи операции, използвайки една машина. Това ги прави рентабилен вариант за сложни геометрии, които иначе биха изисквали множество машини или смяна на инструменти с помощта на оборудване като традиционна CNC фреза.