Прецизійна обробка — це процес видалення матеріалу із заготовки під час обробки з малим допуском.Прецизійний верстат має багато типів, включаючи фрезерну, токарну та електроемісійну обробку.Точна машина сьогодні, як правило, керується за допомогою комп’ютерного цифрового керування (ЧПК).
Майже всі металеві вироби, як і багато інших матеріалів, таких як пластик і дерево, обробляються точно.Ці машини обслуговуються спеціалізованими та навченими машиністами.Щоб ріжучий інструмент виконував свою роботу, його потрібно рухати у визначених напрямках, щоб зробити правильний розріз.Цей первинний рух називається «швидкістю різання».Деталь також можна переміщувати, відоме як вторинний рух «подачі».Разом ці рухи та гострота ріжучого інструменту дозволяють точному верстату працювати.
Якісна точна обробка вимагає здатності слідувати надзвичайно конкретним кресленням, створеним за допомогою програм CAD (комп’ютерне проектування) або CAM (комп’ютерне автоматизоване виробництво), таких як AutoCAD і TurboCAD.Програмне забезпечення може допомогти створювати складні тривимірні діаграми або контури, необхідні для виготовлення інструменту, машини чи об’єкта.Ці креслення необхідно дотримуватися дуже детально, щоб гарантувати, що продукт збереже свою цілісність.Хоча більшість компаній, що займаються точним обробленням, працюють із певною формою програм CAD/CAM, вони все ще часто працюють із намальованими вручну ескізами на початкових етапах проекту.
Точна механічна обробка використовується для багатьох матеріалів, включаючи сталь, бронзу, графіт, скло та пластик.Залежно від розміру проекту та матеріалів, які будуть використовуватися, будуть використовуватися різні прецизійні інструменти для обробки.Можна використовувати будь-яку комбінацію токарних, фрезерних верстатів, свердлильних верстатів, пил і шліфувальних верстатів і навіть високошвидкісної робототехніки.Аерокосмічна промисловість може використовувати високошвидкісну механічну обробку, тоді як деревообробна промисловість може використовувати процеси фотохімічного травлення та фрезерування.Виробництво або певна кількість будь-якого конкретного продукту може обчислюватися тисячами або лише кількома.Точна обробка часто вимагає програмування пристроїв ЧПК, що означає, що вони мають числове програмне керування.Пристрій з ЧПК дозволяє дотримуватися точних розмірів протягом усього циклу виробу.
Фрезерування — це процес обробки за допомогою обертових фрез для видалення матеріалу із заготовки шляхом просування (або подачі) фрези в деталь у певному напрямку.Різець також можна тримати під кутом відносно осі інструменту.Фрезерування охоплює широкий спектр різних операцій і машин, у масштабах від невеликих окремих деталей до великих важких групових операцій фрезерування.Це один із найпоширеніших процесів обробки нестандартних деталей із точними допусками.
Фрезерування можна виконувати за допомогою широкого діапазону верстатів.Початковим класом верстатів для фрезерування був фрезерний верстат (часто його називають фрезою).Після появи цифрового комп’ютерного керування (ЧПК) фрезерні верстати перетворилися на обробні центри: фрезерні верстати доповнені автоматичними змінними інструментами, інструментальними магазинами або каруселями, можливостями ЧПК, системами охолодження та корпусами.Фрезерні центри зазвичай класифікуються як вертикальні обробні центри (VMC) або горизонтальні обробні центри (HMC).
Інтеграція фрезерування в токарне середовище і навпаки почалася з живих інструментів для токарних верстатів і випадкового використання фрез для токарних операцій.Це призвело до появи нового класу верстатів, багатозадачних верстатів (МТМ), які були спеціально створені для полегшення фрезерування та токарної обробки в межах однієї робочої зони.
Для інженерів-конструкторів, дослідницьких груп і виробників, які залежать від постачальників деталей, точна обробка з ЧПК дозволяє створювати складні деталі без додаткової обробки.Насправді точна обробка з ЧПК часто дає можливість виготовляти готові деталі на одному верстаті.
Процес механічної обробки видаляє матеріал і використовує широкий спектр ріжучих інструментів для створення остаточної, і часто дуже складної, конструкції деталі.Рівень точності підвищується за рахунок використання цифрового програмного керування (ЧПУ), яке використовується для автоматизації керування обробними інструментами.
Роль «ЧПУ» в прецизійній обробці
Використовуючи кодовані інструкції програмування, точна обробка з ЧПК дозволяє вирізати заготовку та формувати її відповідно до специфікацій без ручного втручання оператора машини.
Взявши модель автоматизованого проектування (CAD), надану клієнтом, експерт-машініст використовує програмне забезпечення автоматизованого виробництва (CAM), щоб створити інструкції для обробки деталі.На основі моделі CAD програмне забезпечення визначає, які траєкторії інструментів потрібні, і генерує програмний код, який повідомляє машині:
■ Які правильні оберти та швидкості подачі
■ Коли і куди переміщати інструмент та/або деталь
■ Наскільки глибоко різати
■ Коли застосовувати охолоджуючу рідину
■ Будь-які інші фактори, пов'язані зі швидкістю, швидкістю подачі та координацією
Потім контролер ЧПК використовує код програмування для керування, автоматизації та моніторингу рухів машини.
Сьогодні ЧПК є вбудованою функцією широкого діапазону обладнання, від токарних верстатів, фрез і фрезерів до електроерозійної обробки, лазерних і плазмових верстатів.На додаток до автоматизації процесу обробки та підвищення точності, ЧПК усуває ручні завдання та звільняє машиністів від нагляду за кількома верстатами, що працюють одночасно.
Крім того, коли траєкторію інструменту спроектовано та машину запрограмовано, вона може запускати деталь будь-яку кількість разів.Це забезпечує високий рівень точності та повторюваності, що, у свою чергу, робить процес економічно ефективним і масштабованим.
Матеріали, що піддаються механічній обробці
Деякі метали, які зазвичай обробляються, включають алюміній, латунь, бронзу, мідь, сталь, титан і цинк.Крім того, деревину, пінопласт, скловолокно та пластики, такі як поліпропілен, також можна обробляти.
Насправді майже будь-який матеріал можна використовувати для точної обробки з ЧПК — звичайно, залежно від застосування та його вимог.
Деякі переваги прецизійної обробки з ЧПК
Для багатьох дрібних деталей і компонентів, які використовуються в широкому діапазоні промислових виробів, точна обробка з ЧПК часто є методом виготовлення.
Як і практично для всіх методів різання та обробки, різні матеріали поводяться по-різному, а розмір і форма компонента також мають великий вплив на процес.Однак загалом процес точної обробки з ЧПУ має переваги перед іншими методами обробки.
Це тому, що обробка з ЧПК здатна забезпечити:
■ Високий ступінь складності деталей
■ Жорсткі допуски, зазвичай коливаються від ±0,0002" (±0,00508 мм) до ±0,0005" (±0,0127 мм)
■ Надзвичайно гладка обробка поверхні, включно з індивідуальною обробкою
■ Повторюваність, навіть при великій гучності
Хоча досвідчений верстат може використовувати ручний токарний верстат, щоб виготовити якісну деталь у кількості 10 або 100 штук, що станеться, коли вам знадобиться 1000 деталей?10 000 деталей?100 000 чи мільйон частин?
Завдяки прецизійній обробці з ЧПК ви можете отримати масштабованість і швидкість, необхідні для такого типу великосерійного виробництва.Крім того, висока повторюваність точної обробки з ЧПК дає вам однакові деталі від початку до кінця, незалежно від того, скільки деталей ви виготовляєте.
Існує кілька дуже спеціалізованих методів обробки з ЧПК, включаючи дротяну електроезію (електроерозійну обробку), адитивну обробку та 3D-лазерний друк.Наприклад, дротяна електроерозія використовує провідні матеріали — як правило, метали — і електричні розряди, щоб надати заготовці складної форми.
Однак тут ми зосередимося на процесах фрезерування та токарної обробки — двох субтрактивних методах, які широко доступні та часто використовуються для точної обробки з ЧПК.
Фрезерування проти токарної обробки
Фрезерування — це процес обробки, який використовує обертовий циліндричний ріжучий інструмент для видалення матеріалу та створення форм.Фрезерне обладнання, відоме як фреза або обробний центр, створює цілий комплекс складних геометрій деталей на деяких найбільших металевих об’єктах.
Важливою характеристикою фрезерування є те, що заготовка залишається нерухомою, поки ріжучий інструмент обертається.Іншими словами, на фрезі ріжучий інструмент, що обертається, рухається навколо заготовки, яка залишається закріпленою на станині.
Токарна обробка — це процес різання або формування заготовки на обладнанні, яке називається токарним верстатом.Як правило, токарний верстат обертає заготовку по вертикальній або горизонтальній осі, тоді як фіксований ріжучий інструмент (який може обертатися або не обертатися) рухається вздовж запрограмованої осі.
Інструмент фізично не може обійти деталь.Матеріал обертається, дозволяючи інструменту виконувати запрограмовані операції.(Існує підгрупа токарних верстатів, у яких інструменти обертаються навколо котушки дроту, але про це тут не йдеться.)
При точінні, на відміну від фрезерування, заготовка обертається.Заготовка деталі обертається на шпинделі токарного верстата, і ріжучий інструмент приводиться в контакт із заготовкою.
Ручна обробка проти ЧПУ
Хоча і фрези, і токарні верстати доступні в ручних моделях, верстати з ЧПК більше підходять для виготовлення невеликих деталей, пропонуючи масштабованість і повторюваність для застосувань, які вимагають великого обсягу виробництва деталей із жорсткими допусками.
Окрім простих 2-осьових верстатів, у яких інструмент рухається по осях X і Z, прецизійне обладнання з ЧПК включає багатоосьові моделі, у яких заготовка також може рухатися.Це на відміну від токарного верстата, де заготовка обмежується обертанням, а інструменти рухаються, створюючи бажану геометрію.
Ці багатоосьові конфігурації дозволяють виготовляти складніші геометрії за одну операцію, не вимагаючи додаткової роботи оператора машини.Це не тільки полегшує виготовлення складних деталей, але й зменшує або виключає ймовірність помилки оператора.
Крім того, використання охолоджуючої рідини під високим тиском з точною обробкою з ЧПК гарантує, що стружка не потрапляє в роботу, навіть якщо використовується верстат з вертикально орієнтованим шпинделем.
Фрези з ЧПУ
Різні фрезерні верстати відрізняються за своїми розмірами, конфігурацією осі, швидкістю подачі, швидкістю різання, напрямком подачі фрезерування та іншими характеристиками.
Однак, як правило, всі фрези з ЧПК використовують обертовий шпиндель для відрізання непотрібного матеріалу.Вони використовуються для різання твердих металів, таких як сталь і титан, але також можуть використовуватися з такими матеріалами, як пластик і алюміній.
Фрези з ЧПК створені для повторюваності та можуть використовуватися для будь-яких завдань, від створення прототипів до великосерійного виробництва.Прецизійні фрези з ЧПК високого класу часто використовуються для роботи з жорсткими допусками, наприклад для фрезерування тонких штампів і форм.
У той час як фрезерування з ЧПК може забезпечити швидкий оборот, фінішна обробка після фрезерування створює деталі з видимими слідами інструменту.Він також може виробляти деталі з деякими гострими краями та задирками, тому можуть знадобитися додаткові процеси, якщо краї та задирки є неприйнятними для цих елементів.
Звичайно, інструменти для зняття задирок, запрограмовані в послідовність, зніматимуть задирки, хоча зазвичай досягають щонайбільше 90% кінцевих вимог, залишаючи деякі функції для остаточної ручної обробки.
Що стосується обробки поверхні, існують інструменти, які створять не тільки прийнятну обробку поверхні, але й дзеркальну обробку на частинах робочого продукту.
Види фрез з ЧПК
Два основних типи фрезерних верстатів відомі як вертикальні обробні центри та горизонтальні обробні центри, де основна відмінність полягає в орієнтації шпинделя верстата.
Вертикальний обробний центр — це фреза, у якій вісь шпинделя вирівняна в напрямку осі Z.Ці вертикальні машини можна далі розділити на два типи:
■Млини зі станиною, у яких шпиндель рухається паралельно своїй осі, тоді як стіл рухається перпендикулярно до осі шпинделя
■Револьверні фрези, у яких шпиндель нерухомий, а стіл переміщується так, що він завжди перпендикулярний і паралельний осі шпинделя під час операції різання
У горизонтальному обробному центрі вісь шпинделя фрези вирівняна в напрямку осі Y.Горизонтальна структура означає, що ці млини, як правило, займають більше місця в машинному цеху;вони також, як правило, важчі за вагою та потужніші, ніж вертикальні машини.
Горизонтальна фреза часто використовується, коли потрібна краща обробка поверхні;це тому, що орієнтація шпинделя означає, що стружка природно відпадає та легко видаляється.(Як додаткова перевага ефективне видалення стружки 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 маленькі деталі.Крім того, вертикальні центри займають меншу площу, ніж горизонтальні обробні центри.
Багатоосьові фрези з ЧПК
Прецизійні фрезерні центри з ЧПК доступні з кількома осями.3-осьовий фрезер використовує осі X, Y і Z для різноманітних робіт.Завдяки 4-осьовій фрезі верстат може обертатися по вертикальній і горизонтальній осі та переміщувати заготовку, щоб забезпечити безперервну обробку.
5-осьовий фрезер має три традиційні осі та дві додаткові поворотні осі, що дозволяє обертати деталь під час руху шпиндельної головки.Це дає змогу обробити п’ять сторін заготовки без вилучення заготовки та перезапуску машини.
Токарні верстати з ЧПУ
Токарний верстат — також званий токарним центром — має один або кілька шпинделів, а також осі X і Z.Верстат використовується для обертання заготовки навколо своєї осі для виконання різних операцій різання та формування, застосовуючи до заготовки широкий спектр інструментів.
Токарні верстати з ЧПК, які також називають токарними верстатами з живим інструментом, ідеально підходять для створення симетричних циліндричних або сферичних деталей.Як і фрези з ЧПК, токарні верстати з ЧПК можуть обробляти менші операції, такі як створення прототипів, але також можуть бути налаштовані на високу повторюваність, підтримуючи виробництво у великих обсягах.
Токарні верстати з ЧПК також можуть бути налаштовані для відносно вільного виробництва, що робить їх широко використовуваними в автомобільній, електронній, аерокосмічній промисловості, робототехніці та медичній промисловості.
Як працює токарний верстат з ЧПУ
На токарному верстаті з ЧПУ заготовку заготовки завантажують у патрон шпинделя токарного верстата.Цей патрон утримує заготовку на місці, поки шпиндель обертається.Коли шпиндель досягає необхідної 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, торцювання та точіння конуса.Різні операції вимагають зміни інструментів і можуть збільшити вартість і час налаштування.
Коли всі необхідні операції обробки завершено, деталь вирізається із заготовки для подальшої обробки, якщо це необхідно.Тоді токарний верстат з ЧПК готовий повторити операцію, причому між ними зазвичай потрібно невеликий додатковий час або зовсім не потрібно.
Токарні верстати з ЧПК також можуть використовувати різноманітні автоматичні пристрої подачі прутків, що зменшує кількість ручної обробки сировини та забезпечує такі переваги:
■ Зменшення часу та зусиль, необхідних оператору машини
■ Підтримуйте брусок, щоб зменшити вібрацію, яка може негативно вплинути на точність
■ Дозвольте верстату працювати на оптимальних обертах шпинделя
■ Мінімізуйте час переналаштування
■ Зменшення матеріальних відходів
Види токарних верстатів з ЧПК
Існує багато різних типів токарних верстатів, але найпоширенішими є 2-осьові токарні верстати з ЧПУ та токарні автомати китайського типу.
Більшість токарних верстатів з ЧПУ в Китаї використовують один або два головних шпинделі плюс один або два задніх (або вторинних) шпинделі, з поворотним приводом, відповідальним за перший.Головний шпиндель виконує основну операцію обробки за допомогою направляючої втулки.
Крім того, деякі токарні верстати китайського типу оснащені другою інструментальною головкою, яка працює як фреза з ЧПК.
За допомогою автоматичного токарного верстата з ЧПУ в китайському стилі вихідний матеріал подається через шпиндель з ковзною головкою в направляючу втулку.Це дозволяє інструменту різати матеріал ближче до точки, де матеріал підтримується, що робить китайський верстат особливо корисним для довгих, тонких точених деталей і для мікрообробки.
Багатоосьові токарні центри з ЧПК і токарні верстати китайського типу можуть виконувати кілька операцій обробки на одному верстаті.Це робить їх економічно ефективним варіантом для складних геометрій, які інакше вимагали б кількох верстатів або зміни інструментів із використанням такого обладнання, як традиційний фрезерний станок з ЧПК.