Прецизната машинна обработка е процес за отстраняване на материал от детайла по време на задържане на покрития с толеранс.Прецизната машина има много видове, включително фрезоване, струговане и електроерозионна обработка.Една прецизна машина днес обикновено се управлява с помощта на компютърно цифрово управление (CNC).
Почти всички метални продукти 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 свърши работата си, той трябва да се движи в указаните посоки, за да направи правилния разрез.Това основно движение се нарича "скорост на рязане".Детайлът може също да бъде преместен, известно като вторично движение на "подаване".Заедно тези движения и остротата на режещия инструмент позволяват на прецизната машина да работи.
Качествената прецизна обработка изисква способността да се следват изключително специфични чертежи, направени от CAD (компютърно подпомагано проектиране) или CAM (компютърно подпомагано производство) програми като AutoCAD и TurboCAD.Софтуерът може да помогне за създаването на сложни, триизмерни диаграми или очертания, необходими за производството на инструмент, машина или предмет.Тези чертежи трябва да се спазват много подробно, за да се гарантира, че продуктът запазва своята цялост.Докато повечето компании за прецизна обработка работят с някаква форма на CAD/CAM програми, те все още често работят с ръчно начертани 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 материалите, които ще се използват, ще бъдат използвани различни инструменти за прецизна обработка.Може да се използва всяка комбинация от стругове, фрезови машини, бормашини, триони и мелници и дори високоскоростна роботика.Авиокосмическата индустрия може да използва високоскоростна обработка, докато индустрията за производство на инструменти за дърводелство може да използва процеси на фотохимично ецване и фрезоване.Произвеждането на серия или определено количество от всеки конкретен артикул може да наброява хиляди или само няколко.Прецизната машинна обработка често изисква програмиране на CNC устройства, което означава, че те са цифрово управлявани от компютър.CNC устройството позволява да се следват точните размери по време на целия цикъл на продукта.
Фрезоването е процесът на обработка при използване на ротационни ножове за отстраняване на материал от детайл чрез придвижване (или подаване) на ножа в детайла в определена посока.Фрезата може също да се държи под ъгъл спрямо оста на инструмента.Фрезоването обхваща голямо разнообразие от различни операции и машини, в мащаби от малки отделни части до големи, тежки групови операции на фрезоване.Това е един от най-често използваните процеси за обработка на персонализирани части до прецизни допуски.
Фрезоването може да се извършва с широка гама от машинни инструменти.Първоначалният клас машинни инструменти за фрезоване беше фрезата (често наричана мелница).След появата на компютърно цифрово управление (CNC), фрезовите машини се превърнаха в обработващи центрове: фрезови машини, подсилени с автоматични устройства за смяна на инструменти, магазини за инструменти или въртележки, CNC възможности, охлаждащи системи и кутии.Фрезовите центри обикновено се класифицират като вертикални обработващи центри (VMC) или хоризонтални обработващи центри (HMC).
Интегрирането на фрезоването в среди за струговане и обратно, започна с активни инструменти за стругове и случайно използване на мелници за операции по струговане.Това доведе 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 среда.
За инженери по дизайн, екипи за научноизследователска и развойна дейност и производители, които зависят от снабдяването с части, прецизната CNC обработка позволява създаването на сложни части без допълнителна обработка.Всъщност прецизната CNC обработка често прави възможно изработването на готови части на една машина.
Процесът на обработка премахва материала и използва широк набор от режещи инструменти за създаване на окончателния и често много сложен дизайн на част.Нивото на прецизност се повишава чрез използването на компютърно цифрово управление (CNC), което се използва за автоматизиране на управлението на обработващите инструменти.
Ролята на "CNC" в прецизната обработка
Използвайки кодирани инструкции за програмиране, прецизната обработка с ЦПУ позволява детайлът да бъде изрязан и оформен според спецификациите без ръчна намеса от машинен оператор.
Вземайки модел за компютърно проектиране (CAD), предоставен от клиент, експертен машинист използва софтуер за компютърно подпомагано производство (CAM), за да създаде инструкции за обработка на частта.Въз основа на CAD модела, софтуерът определя какви траектории на инструмента са необходими и генерира програмния код, който казва на машината:
■ Какви са правилните обороти и скорости на подаване
■ Кога и къде да преместите инструмента и/или детайла
■ Колко дълбоко да режете
■ Кога да се прилага 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 характеристика на широка гама оборудване, от стругове, мелници и фрези до EDM (обработка с електроразряд), 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 работи с даден детайл произволен 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 обикновено се обработват, включват алуминий, месинг, бронз, мед, стомана, титан и цинк.В допълнение, дърво, пяна, фибростъкло и пластмаси като полипропилен също могат да бъдат обработвани.
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 обработка с ЦПУ често е предпочитаният метод за производство.
Както е вярно за практически всички методи на рязане и обработка, различните материали се държат по различен начин и размерът и формата на компонента също оказват голямо влияние върху процеса.Като цяло обаче процесът на прецизна CNC обработка предлага предимства пред другите методи на обработка.
Това е така, защото CNC обработката е в състояние да достави:
■ Висока степен на сложност на детайлите
■ Тесни допуски, обикновено вариращи от ±0,0002" (±0,00508 mm) до ±0,0005" (±0,0127 mm)
■ Изключително гладки повърхностни покрития, включително персонализирани покрития
■ Повторяемост, дори при големи обеми
Докато опитен машинист може да използва ръчен струг, за да направи качествена част в количества от 10 или 100, какво се случва, когато имате нужда от 1000 части?10 000 части?100 000 или милион части?
С прецизната CNC обработка можете да получите мащабируемостта и скоростта, необходими за този тип производство с голям обем.В допълнение, високата повторяемост на прецизната CNC обработка ви дава части, които са еднакви от началото до края, без значение колко части произвеждате.
Има някои много специализирани методи за обработка с ЦПУ, включително електроразрядна обработка с тел (електроразрядна обработка), обработка с добавки и 3D лазерен печат.Например, телената EDM използва проводящи 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 субтрактивни метода, които са широко достъпни и често използвани за прецизна CNC обработка.
Фрезоване срещу струговане
Фрезоването е процес на обработка, който използва въртящ се цилиндричен режещ инструмент за отстраняване на материал и създаване на форми.Оборудването за фрезоване, известно като мелница или обработващ център, постига вселена от сложни геометрии на детайли върху някои от най-големите предмети, обработени метал.
Важна характеристика на фрезоването е, че детайлът остава неподвижен, докато режещият инструмент се върти.С други думи, на мелница въртящият се режещ инструмент се движи около детайла, който остава фиксиран на място върху леглото.
Струговането е процес на рязане или оформяне на детайл на оборудване, наречено струг.Обикновено стругът върти детайла по вертикална или хоризонтална ос, докато фиксиран режещ инструмент (който може или не може да се върти) се движи по програмираната ос.
Инструментът не може физически да обиколи детайла.Материалът се върти, позволявайки на инструмента да изпълнява програмираните операции.(Има подгрупа от стругове, в които инструментите се въртят около подаваща се на макара жица, но това не е обхванато тук.)
При струговане, за разлика от фрезоването, детайлът се върти.Заготовката за детайли се завърта върху шпиндела на струга и режещият инструмент влиза в контакт с детайла.
Ръчно срещу CNC обработка
Въпреки че както мелниците, 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 голям обем производство на части с тесен толеранс.
В допълнение към предлагането на прости машини с 2 оси, 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 и 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 оператора на машината.Това не само улеснява производството на сложни части, но също така намалява или елиминира възможността за грешка на оператора.
В допълнение, използването на охлаждаща течност под високо налягане с прецизна CNC обработка гарантира, че стружките няма да попаднат в работата, дори когато се използва машина с вертикално ориентиран шпиндел.
CNC мелници
Различните фрезови машини се различават по своите размери, конфигурации на осите, скорости на подаване, скорост на рязане, посока на подаване на фрезоване и други характеристики.
Въпреки това, като цяло, всички CNC мелници използват въртящ се шпиндел за отрязване на нежелан материал.Използват се за рязане на твърди метали като стомана и титан, но могат да се използват и с материали като пластмаса и алуминий.
CNC мелниците са създадени за повторяемост и могат да се използват за всичко - от създаване на прототипи до производство в голям обем.Прецизните CNC мелници от висок клас често се използват за работа с тесни допуски, като фрезоване на фини матрици и форми.
Докато CNC фрезоването може да осигури бърза обработка, фрезованата обработка създава части с видими следи от инструмента.Може също да произвежда части с някои остри ръбове и неравности, така че може да са необходими допълнителни процеси, ако ръбовете и неравностите са неприемливи за тези характеристики.
Разбира се, инструментите за премахване на ръбове, програмирани в последователността, ще премахват ръбове, въпреки че обикновено постигат най-много 90% от завършеното изискване, оставяйки някои функции за окончателно ръчно довършване.
Що се отнася до повърхностното покритие, има инструменти, които ще осигурят не само приемливо повърхностно покритие, но и огледално покритие на части от работния продукт.
Видове фрези с ЦПУ
Двата основни типа фрезови машини са известни като вертикални обработващи центри и хоризонтални обработващи центри, 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 Z-ос.Тези вертикални машини могат допълнително да бъдат разделени на два типа:
■Мелници с легло, при които шпинделът се движи успоредно на собствената си ос, докато масата се движи перпендикулярно на оста на шпиндела
■Револверни мелници, 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 на рязане
В хоризонтален обработващ център оста на шпиндела на мелницата е подравнена в посока на Y-ос.Хоризонталната структура означава, че тези мелници са склонни да заемат повече място на пода на машинния цех;те също като цяло са по-тежки и по-мощни от вертикалните машини.
Често се използва хоризонтална мелница, когато се изисква по-добро покритие на повърхността;това е така, защото ориентацията на шпиндела означава, че парчетата от рязане естествено падат и се отстраняват лесно.(Като допълнителна полза, ефективното отстраняване на стружки помага за увеличаване на живота на инструмента.)
Като цяло вертикалните обработващи центри са по-разпространени, защото могат да бъдат толкова мощни, колкото хоризонталните обработващи центри и могат да обработват много малки части.В допълнение, вертикалните центрове имат по-малък отпечатък от хоризонталните обработващи центри.
Многоосни CNC фрези
Прецизните CNC фрезови центрове се предлагат с множество оси.Фрезата с 3 оси използва осите X, Y и Z за голямо разнообразие от дейности.С 4-осна фреза машината може да се върти по вертикална и хоризонтална ос и да движи детайла, за да позволи по-продължителна обработка.
5-осната мелница има три традиционни оси и две допълнителни въртящи се оси, позволяващи детайла да се върти, докато главата на шпиндела се движи около него.Това позволява пет страни на детайла да бъдат обработени без премахване на детайла и нулиране на машината.
CNC стругове
Стругът - наричан още струговащ център - има един или повече шпиндела и X и Z оси.Машината се използва за завъртане на детайл около оста му за извършване на различни операции по рязане и оформяне, като се прилага широка гама от инструменти към детайла.
CNC стругове, които също се наричат стругове за инструменти с живо действие, са идеални за създаване на симетрични цилиндрични или сферични части.Подобно на CNC мелниците, CNC струговете могат да се справят с по-малки операции като създаване на прототипи, но също така могат да бъдат настроени за висока повторяемост, поддържайки голям обем производство.
Струговете с ЦПУ също могат да бъдат настроени за производство сравнително без ръце, което ги прави широко използвани в автомобилната, електронната, космическата, роботиката и индустрията за медицински устройства.
Как работи CNC струг
При CNC струг, празен прът от материал 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 влиза в контакт с детайла, за да отстрани материала и да постигне правилната геометрия.
Стругът с ЦПУ може да извършва редица операции, като пробиване, нарязване на резба, разпробиване, разширяване, облицоване и струговане на конус.Различните операции изискват смяна на инструмента и могат да увеличат разходите и времето за настройка.
Когато всички необходими операции по обработка са завършени, детайлът се изрязва от материала за по-нататъшна обработка, ако е необходимо.След това CNC стругът е готов да повтори операцията, като между тях обикновено се изисква малко или никакво допълнително време за настройка.
CNC струговете могат също така да поемат различни автоматични устройства за подаване на пръти, които намаляват количеството ръчна обработка на суровини и осигуряват предимства като следните:
■ Намалете времето и усилията, необходими на оператора на машината
■ Подкрепете пръта, за да намалите вибрациите, които могат да повлияят негативно на прецизността
■ Оставете машината да работи при оптимални скорости на шпиндела
■ Минимизирайте времето за смяна
■ Намаляване на материалните отпадъци
Видове CNC стругове
Има редица различни видове стругове, но най-често срещаните са 2-осни стругове с ЦПУ и автоматични стругове в китайски стил.
Повечето китайски стругове с ЦПУ използват един или два основни шпиндела плюс един или два задни (или вторични) шпиндела, като за първия е отговорен ротационен трансфер.Основният шпиндел извършва основната обработка с помощта на направляваща втулка.
В допълнение, някои стругове в китайски стил са оборудвани с втора глава на инструмента, която работи като CNC мелница.
С CNC автоматичен струг в китайски стил, материалът за заготовки се подава през шпиндел с плъзгаща се глава в направляваща втулка.Това позволява на инструмента да реже материала по-близо до точката, където материалът се поддържа, което прави китайската машина особено полезна за дълги, тънки струговани части и за микрообработка.
Многоосните CNC стругови центрове и стругове в китайски стил могат да извършат множество операции на обработка с помощта на една машина.Това ги прави рентабилна опция за сложни геометрии, които иначе биха изисквали множество машини или смени на инструменти с помощта на оборудване като традиционна CNC мелница.