Прецизійна обробка – це процес видалення матеріалу з заготовки під час витримки з чіткими допусками. Існує багато видів прецизійних верстатів, включаючи фрезерування, токарство та електроерозійну обробку. Сучасний прецизійний верстат зазвичай керується за допомогою комп'ютерного числового програмного забезпечення (ЧПК).
Майже всі металеві вироби використовують точну обробку, як і багато інших матеріалів, таких як пластик і дерево. Ці верстати обслуговуються спеціалізованими та навченими машиністами. Щоб ріжучий інструмент виконував свою роботу, його необхідно рухати у заданих напрямках для правильного різання. Цей первинний рух називається «швидкістю різання». Заготовку також можна переміщувати, що відомо як вторинний рух «подачі». Разом ці рухи та гострота ріжучого інструменту дозволяють точному верстату працювати.
Якісна прецизійна обробка вимагає вміння дотримуватися надзвичайно специфічних креслень, створених за допомогою програм CAD (автоматизованого проектування) або CAM (автоматизованого виробництва), таких як AutoCAD та TurboCAD. Програмне забезпечення може допомогти створити складні тривимірні діаграми або контури, необхідні для виготовлення інструменту, машини чи об'єкта. Ці креслення необхідно дотримуватися з великою деталізацією, щоб забезпечити збереження цілісності продукту. Хоча більшість компаній, що займаються точним обробленням, працюють з певними програмами CAD/CAM, вони все ще часто працюють з ескізами, намальованими від руки, на початкових етапах проектування.
Точна обробка використовується для обробки низки матеріалів, включаючи сталь, бронзу, графіт, скло та пластмаси, серед іншого. Залежно від розміру проекту та матеріалів, що будуть використовуватися, будуть використовуватися різні прецизійні інструменти для обробки. Може використовуватися будь-яка комбінація токарних, фрезерних, свердлильних, пилкових та шліфувальних верстатів, і навіть високошвидкісної робототехніки. Аерокосмічна промисловість може використовувати високошвидкісну обробку, тоді як деревообробна інструментальна промисловість може використовувати процеси фотохімічного травлення та фрезерування. Виготовлення партії або певної кількості будь-якого конкретного виробу може обчислюватися тисячами або лише кількома одиницями. Точна обробка часто вимагає програмування пристроїв ЧПК, що означає, що вони мають числове керування комп'ютером. Пристрій ЧПК дозволяє дотримуватися точних розмірів протягом усієї партії виробу.
Фрезерування — це процес обробки за допомогою роторних різців для видалення матеріалу з заготовки шляхом просування (або подачі) різця в заготовку в певному напрямку. Різак також може бути встановлений під кутом відносно осі інструменту. Фрезерування охоплює широкий спектр різних операцій та верстатів, від невеликих окремих деталей до великих, важких групових фрезерних операцій. Це один з найпоширеніших процесів обробки деталей на замовлення з точними допусками.
Фрезерування можна виконувати за допомогою широкого спектру верстатів. Початковим класом верстатів для фрезерування був фрезерний верстат (часто його називають фрезерним). Після появи числового програмного керування (ЧПК) фрезерні верстати перетворилися на обробні центри: фрезерні верстати, доповнені автоматичними змінниками інструментів, інструментальними магазинами або каруселями, можливостями ЧПК, системами охолодження та корпусами. Фрезерні центри зазвичай класифікуються як вертикальні обробні центри (ВОМЦ) або горизонтальні обробні центри (ГОМЦ).
Інтеграція фрезерування в токарне середовище, і навпаки, почалася з приводного оснащення токарних верстатів та епізодичного використання фрезерних верстатів для токарних операцій. Це призвело до появи нового класу верстатів – багатозадачних верстатів (MTM), які спеціально розроблені для полегшення фрезерування та токарної обробки в межах однієї робочої області.
Для інженерів-конструкторів, команд дослідників та виробників, які залежать від джерел постачання деталей, точна обробка на верстатах з ЧПК дозволяє створювати складні деталі без додаткової обробки. Фактично, точна обробка на верстатах з ЧПК часто дозволяє виготовляти готові деталі на одному верстаті.
Процес механічної обробки передбачає видалення матеріалу та використання широкого спектру ріжучих інструментів для створення остаточної та часто дуже складної конструкції деталі. Рівень точності підвищується завдяки використанню числового програмного керування (ЧПК), яке використовується для автоматизації керування обробними інструментами.
Роль "ЧПК" у точній обробці
Використовуючи закодовані інструкції програмування, прецизійна обробка на верстатах з ЧПК дозволяє вирізати та формувати заготовку відповідно до специфікацій без ручного втручання оператора верстата.
Беручи модель автоматизованого проектування (САПР), надану замовником, досвідчений механік використовує програмне забезпечення для автоматизованого виробництва (CAM) для створення інструкцій для обробки деталі. На основі моделі САПР програмне забезпечення визначає, які траєкторії інструменту потрібні, та генерує програмний код, який повідомляє верстату:
■ Які правильні оберти за хвилину та швидкості подачі
■ Коли і куди переміщувати інструмент та/або заготовку
■ Як глибоко різати
■ Коли застосовувати охолоджувальну рідину
■ Будь-які інші фактори, пов'язані зі швидкістю, швидкістю подачі та координацією
Потім контролер ЧПК використовує програмний код для керування, автоматизації та моніторингу рухів верстата.
Сьогодні ЧПК є вбудованою функцією широкого спектру обладнання, від токарних, фрезерних та маршрутизаторних верстатів до електроерозійної обробки (EDM), лазерних та плазмових різальних машин. Окрім автоматизації процесу обробки та підвищення точності, ЧПК усуває ручні завдання та звільняє механіків від необхідності контролювати кілька верстатів, що працюють одночасно.
Крім того, після того, як траєкторія інструменту розроблена, а верстат запрограмовано, він може обробляти деталь необмежену кількість разів. Це забезпечує високий рівень точності та повторюваності, що, у свою чергу, робить процес дуже економічно ефективним та масштабованим.
Матеріали, що піддаються механічній обробці
Деякі метали, які зазвичай обробляються механічно, включають алюміній, латунь, бронзу, мідь, сталь, титан і цинк. Крім того, можна також обробляти деревину, пінопласт, скловолокно та пластмаси, такі як поліпропілен.
Фактично, практично будь-який матеріал можна використовувати для точної обробки на верстатах з ЧПК — звичайно, залежно від застосування та його вимог.
Деякі переваги прецизійної обробки з ЧПК
Для багатьох дрібних деталей та компонентів, що використовуються в широкому спектрі продукції, прецизійна обробка з ЧПК часто є обраним методом виготовлення.
Як і практично у випадку з усіма методами різання та обробки, різні матеріали поводяться по-різному, а розмір і форма деталі також мають великий вплив на процес. Однак загалом процес прецизійної обробки на верстатах з ЧПК має переваги перед іншими методами обробки.
Це пояснюється тим, що обробка на станках з ЧПК здатна забезпечити:
■ Високий ступінь складності деталі
■ Жорсткі допуски, зазвичай від ±0,0002 дюйма (±0,00508 мм) до ±0,0005 дюйма (±0,0127 мм)
■ Винятково гладка обробка поверхні, включаючи індивідуальне оздоблення
■ Повторюваність навіть за великих обсягів
Хоча кваліфікований механік може використовувати ручний токарний верстат для виготовлення якісної деталі в кількості 10 або 100 штук, що відбувається, коли вам потрібно 1000 деталей? 10 000 деталей? 100 000 чи мільйон деталей?
Завдяки прецизійній обробці на верстатах з ЧПК ви можете отримати масштабованість та швидкість, необхідні для цього типу великосерійного виробництва. Крім того, висока повторюваність прецизійної обробки на верстатах з ЧПК забезпечує вам однакові деталі від початку до кінця, незалежно від того, скільки деталей ви виробляєте.
Існує кілька дуже спеціалізованих методів обробки на верстатах з ЧПК, включаючи дротову електроерозійну обробку (EDM), адитивну обробку та 3D-лазерний друк. Наприклад, дротова електроерозійна обробка використовує провідні матеріали — зазвичай метали — та електричні розряди для ерозії заготовки у складні форми.
Однак тут ми зосередимося на процесах фрезерування та токарної обробки — двох субтрактивних методах, які широко доступні та часто використовуються для прецизійної обробки на верстатах з ЧПК.
Фрезерування проти токарної обробки
Фрезерування – це процес обробки, в якому використовується обертовий циліндричний ріжучий інструмент для видалення матеріалу та створення форм. Фрезерне обладнання, відоме як фрезерний верстат або обробний центр, виконує безліч складних геометрій деталей на деяких з найбільших об'єктів, що обробляються з металу.
Важливою характеристикою фрезерування є те, що заготовка залишається нерухомою, поки ріжучий інструмент обертається. Іншими словами, на фрезерному верстаті обертовий ріжучий інструмент рухається навколо заготовки, яка залишається нерухомою на станині.
Токарна обробка — це процес різання або формування заготовки на обладнанні, яке називається токарним верстатом. Зазвичай токарний верстат обертає заготовку навколо вертикальної або горизонтальної осі, тоді як нерухомий ріжучий інструмент (який може обертатися або ні) рухається вздовж запрограмованої осі.
Інструмент фізично не може обертатися навколо деталі. Матеріал обертається, дозволяючи інструменту виконувати запрограмовані операції. (Існує підмножина токарних верстатів, у яких інструменти обертаються навколо дроту, що подається з котушки, проте це тут не розглядається.)
Під час токарної обробки, на відміну від фрезерування, заготовка обертається. Заготовка обертається на шпинделі токарного верстата, а різальний інструмент контактує із заготовкою.
Ручна обробка проти ЧПК
Хоча як фрезерні, так і токарні верстати доступні в ручному виконанні, верстати з ЧПК більше підходять для виготовлення дрібних деталей, пропонуючи масштабованість та повторюваність для застосувань, що потребують великосерійного виробництва деталей з високими допусками.
Окрім простих двоосьових верстатів, в яких інструмент рухається по осях X та Z, прецизійне обладнання з ЧПК включає багатоосьові моделі, в яких заготовка також може рухатися. Це відрізняється від токарного верстата, де заготовка обмежується обертанням, а інструменти рухаються для створення потрібної геометрії.
Ці багатоосьові конфігурації дозволяють виготовляти складніші геометрії за одну операцію, не вимагаючи додаткової роботи від оператора верстата. Це не тільки спрощує виробництво складних деталей, але й зменшує або повністю виключає ймовірність помилки оператора.
Крім того, використання охолоджувальної рідини під високим тиском під час прецизійної обробки на верстатах з ЧПК гарантує, що стружка не потрапить у виріб, навіть при використанні верстата з вертикально орієнтованим шпинделем.
Фрезерні верстати з ЧПУ
Різні фрезерні верстати відрізняються розмірами, конфігурацією осей, швидкостями подачі, швидкістю різання, напрямком подачі фрезерування та іншими характеристиками.
Однак, загалом, фрезерні верстати з ЧПК використовують обертовий шпиндель для видалення небажаного матеріалу. Вони використовуються для різання твердих металів, таких як сталь і титан, але також можуть використовуватися з такими матеріалами, як пластик і алюміній.
Фрезерні верстати з ЧПК створені для повторюваності та можуть використовуватися для всього, від створення прототипів до великосерійного виробництва. Високоякісні прецизійні фрезерні верстати з ЧПК часто використовуються для робіт з високими допусками, таких як фрезерування дрібних штампів та прес-форм.
Хоча фрезерування на ЧПК може забезпечити швидке виконання робіт, чистова обробка фрезеруванням створює деталі з видимими слідами інструменту. Вона також може створювати деталі з деякими гострими краями та задирками, тому можуть знадобитися додаткові процеси, якщо краї та задирки неприйнятні для цих елементів.
Звичайно, інструменти для видалення задирок, запрограмовані в послідовність, видалять задирки, хоча зазвичай досягають максимум 90% від вимог щодо готової обробки, залишаючи деякі деталі для остаточної ручної обробки.
Що стосується обробки поверхні, існують інструменти, які забезпечать не лише прийнятну якість поверхні, але й дзеркальну поверхню на частинах виробу.
Типи фрезерних верстатів з ЧПУ
Два основні типи фрезерних верстатів відомі як вертикальні обробні центри та горизонтальні обробні центри, де основна відмінність полягає в орієнтації шпинделя верстата.
Вертикальний обробний центр – це фрезерний верстат, у якому вісь шпинделя вирівняна вздовж осі Z. Ці вертикальні верстати можна додатково розділити на два типи:
■ Фрези з плоскою платформою, в яких шпиндель рухається паралельно власній осі, а стіл рухається перпендикулярно осі шпинделя
■ Револьверні фрезерні верстати, в яких шпиндель нерухомий, а стіл переміщується таким чином, що він завжди перпендикулярний і паралельний осі шпинделя під час операції різання
У горизонтальному обробному центрі вісь шпинделя фрезерного верстата вирівняна по осі Y. Горизонтальна структура означає, що ці фрезерні верстати, як правило, займають більше місця в механічному цеху; вони також, як правило, важчі та потужніші, ніж вертикальні верстати.
Горизонтальний фрезерний верстат часто використовується, коли потрібна краща обробка поверхні; це тому, що орієнтація шпинделя означає, що стружка природним чином відпадає та легко видаляється. (Додатковою перевагою є ефективне видалення стружки, яке допомагає збільшити термін служби інструменту.)
Загалом, вертикальні обробні центри є більш поширеними, оскільки вони можуть бути такими ж потужними, як і горизонтальні обробні центри, і можуть обробляти дуже малі деталі. Крім того, вертикальні центри мають меншу площу, ніж горизонтальні обробні центри.
Багатоосьові фрезерні верстати з ЧПК
Прецизійні фрезерні центри з ЧПК доступні з кількома осями. 3-осьовий фрезерний верстат використовує осі X, Y та Z для широкого спектру робіт. 4-осьовий фрезерний верстат може обертатися по вертикальній та горизонтальній осях і переміщувати заготовку, що забезпечує більш безперервну обробку.
5-осьовий фрезерний верстат має три традиційні осі та дві додаткові осі обертання, що дозволяє обертати заготовку під час руху шпиндельної головки навколо неї. Це дозволяє обробити п'ять сторін заготовки без її зняття та перезавантаження верстата.
Токарні верстати з ЧПК
Токарний верстат, який також називають токарним центром, має один або декілька шпинделів, а також осі X та Z. Верстат використовується для обертання заготовки навколо її осі для виконання різних операцій різання та формування, застосовуючи до заготовки широкий спектр інструментів.
Токарні верстати з ЧПК, які також називають токарними верстатами з живою діяльністю, ідеально підходять для створення симетричних циліндричних або сферичних деталей. Як і фрезерні верстати з ЧПК, токарні верстати з ЧПК можуть обробляти менші операції, такі як створення прототипів, але також можуть бути налаштовані на високу повторюваність, що підтримує виробництво великих обсягів.
Токарні верстати з ЧПК також можна налаштувати для виробництва з відносно вільним керуванням, що робить їх широко використовуваними в автомобільній, електронній, аерокосмічній, робототехнічній промисловості та виробництві медичного обладнання.
Як працює токарний верстат з ЧПУ
У токарному верстаті з ЧПК заготовка заготовки завантажується в патрон шпинделя токарного верстата. Цей патрон утримує заготовку на місці під час обертання шпинделя. Коли шпиндель досягає потрібної швидкості, нерухомий ріжучий інструмент приводиться в контакт із заготовкою для видалення матеріалу та досягнення правильної геометрії.
Токарний верстат з ЧПК може виконувати низку операцій, таких як свердління, нарізання різьби, розточування, розгортання, обробка торців та конічне точіння. Різні операції вимагають зміни інструменту та можуть збільшити вартість та час налаштування.
Після завершення всіх необхідних операцій обробки деталь вирізається із заготовки для подальшої обробки, якщо це необхідно. Токарний верстат з ЧПК готовий повторити операцію, зазвичай з невеликим додатковим часом налаштування між ними.
Токарні верстати з ЧПК також можуть оснащуватися різноманітними автоматичними подавачами прутків, що зменшує обсяг ручного обробки сировини та забезпечує такі переваги, як:
■ Зменшення часу та зусиль, необхідних оператору машини
■ Підтримуйте прутковий матеріал, щоб зменшити вібрації, які можуть негативно вплинути на точність
■ Дозволити верстату працювати з оптимальними швидкостями шпинделя
■ Мінімізуйте час перемикання
■ Зменшення відходів матеріалів
Типи токарних верстатів з ЧПУ
Існує кілька різних типів токарних верстатів, але найпоширенішими є двоосьові токарні верстати з ЧПК та автоматичні токарні верстати китайського зразка.
Більшість токарних верстатів з ЧПК у Китаї використовують один або два головних шпинделі плюс один або два задніх (або допоміжних) шпинделі, причому за перший відповідає роторне переміщення. Головний шпиндель виконує основну операцію обробки за допомогою направляючої втулки.
Крім того, деякі токарні верстати китайського зразка оснащені другою інструментальною головкою, яка працює як фрезерний верстат з ЧПК.
На автоматичному токарному верстаті з ЧПК китайського типу заготовка подається через шпиндель ковзної головки в напрямну втулку. Це дозволяє інструменту різати матеріал ближче до точки, де він опирається, що робить верстат китайського типу особливо корисним для обробки довгих, тонких точених деталей та для мікрообробки.
Багатовісні токарні центри з ЧПК та токарні верстати китайського зразка можуть виконувати кілька операцій обробки на одному верстаті. Це робить їх економічно ефективним варіантом для складних геометрій, які в іншому випадку вимагали б використання кількох верстатів або зміни інструментів на такому обладнанні, як традиційний фрезерний верстат з ЧПК.