Presné obrábanie je proces odstraňovania materiálu z obrobku počas držania povrchov s tesnou toleranciou. Presný stroj má mnoho typov, vrátane frézovania, sústruženia a obrábania elektrickým výbojom. Presný stroj je dnes spravidla ovládaný pomocou počítačových numerických ovládacích prvkov (CNC).
Takmer všetky kovové výrobky používajú presné obrábanie, rovnako ako mnoho ďalších materiálov, ako je plast a drevo. Tieto stroje obsluhujú špecializovaní a vyškolení strojníci. Aby rezný nástroj vykonal svoju prácu, musí byť posunutý v určených smeroch, aby vykonal správny rez. Tento primárny pohyb sa nazýva „rýchlosť rezania“. Obrobok je možné tiež posúvať, známy ako sekundárny pohyb „posuvu“. Tieto pohyby a ostrosť rezného nástroja spoločne umožňujú prácu presného stroja.
Kvalitné presné obrábanie vyžaduje schopnosť sledovať extrémne špecifické plány vytvorené programami CAD (počítačom podporovaný dizajn) alebo CAM (počítačom podporovaná výroba), ako sú AutoCAD a TurboCAD. Tento softvér môže pomôcť vytvoriť komplexné trojrozmerné diagramy alebo obrysy potrebné na výrobu nástroja, stroja alebo predmetu. Tieto plány je potrebné veľmi podrobne dodržať, aby si výrobok zachoval svoju integritu. Aj keď väčšina spoločností zameraných na presné obrábanie pracuje s nejakou formou programov CAD/CAM, v počiatočných fázach návrhu stále často pracujú s ručne nakreslenými skicami.
Presné obrábanie sa používa na mnohých materiáloch vrátane ocele, bronzu, grafitu, skla a plastov. V závislosti od veľkosti projektu a použitých materiálov sa použijú rôzne nástroje na presné obrábanie. Je možné použiť akúkoľvek kombináciu sústruhov, fréz, vŕtacích lisov, píl a brúsok a dokonca aj vysokorýchlostnej robotiky. Letecký a kozmický priemysel môže používať vysokorýchlostné obrábanie, zatiaľ čo priemysel výroby drevárskych nástrojov môže využívať fotochemické leptanie a frézovanie. Vylúčenie z cyklu alebo konkrétne množstvo konkrétnej položky môže byť tisíce alebo len niekoľko. Presné obrábanie často vyžaduje programovanie CNC zariadení, čo znamená, že sú riadené počítačom. CNC zariadenie umožňuje presné rozmery počas výroby výrobku.
Frézovanie je proces obrábania pomocou rotačných fréz na odstraňovanie materiálu z obrobku posunutím (alebo podávaním) frézy do obrobku v určitom smere. Fréza môže byť tiež držaná v uhle vzhľadom na os nástroja. Frézovanie pokrýva širokú škálu rôznych operácií a strojov, od mierok od malých jednotlivých dielov až po veľké, vysoko výkonné gangové frézovacie operácie. Je to jeden z najčastejšie používaných spôsobov obrábania vlastných dielov s presnými toleranciami.
Frézovanie je možné vykonávať pomocou širokej škály obrábacích strojov. Pôvodnou triedou obrábacích strojov na frézovanie bol frézovací stroj (často nazývaný mlyn). Po nástupe počítačového numerického riadenia (CNC) sa frézky vyvinuli do obrábacích centier: frézky rozšírené o automatické výmeny nástrojov, zásobníky nástrojov alebo karusely, možnosti CNC, chladiace systémy a kryty. Frézovacie centrá sú spravidla klasifikované ako vertikálne obrábacie centrá (VMC) alebo horizontálne obrábacie centrá (HMC).
Integrácia frézovania do sústružníckych prostredí a naopak začala živými nástrojmi pre sústruhy a príležitostným používaním mlynov na sústružnícke operácie. Výsledkom bola nová trieda obrábacích strojov, viacúlohových strojov (MTM), ktoré boli navrhnuté špeciálne na uľahčenie frézovania a sústruženia v rámci tej istej pracovnej obálky.
Pre konštruktérov, tímy výskumu a vývoja a výrobcov, ktorí závisia od získavania súčiastok, umožňuje presné CNC obrábanie vytvárať komplexné súčiastky bez dodatočného spracovania. Presné CNC obrábanie často umožňuje výrobu hotových dielov na jednom stroji.
Proces obrábania odoberá materiál a pomocou širokej škály rezných nástrojov vytvára konečný a často veľmi zložitý návrh súčiastky. Úroveň presnosti je vylepšená použitím počítačového numerického riadenia (CNC), ktoré sa používa na automatizáciu riadenia obrábacích nástrojov.
Úloha „CNC“ v presnom obrábaní
Presné CNC obrábanie pomocou inštrukcií kódovaného programovania umožňuje rezanie a tvarovanie obrobku podľa špecifikácií bez ručného zásahu obsluhy stroja.
Ak vezmeme počítačom podporovaný model (CAD) poskytnutý zákazníkom, odborný obrábač používa na výrobu pokynov na obrábanie súčiastky počítačom podporovaný výrobný softvér (CAM). Na základe modelu CAD softvér určí, aké dráhy nástrojov sú potrebné, a vygeneruje programovací kód, ktorý stroju oznámi:
■ Aké sú správne otáčky a rýchlosti posuvu
■ Kedy a kam premiestniť nástroj a/alebo obrobok
■ Ako hlboko rezať
■ Kedy použiť chladiacu kvapalinu
■ Akékoľvek ďalšie faktory súvisiace s rýchlosťou, rýchlosťou posuvu a koordináciou
CNC radič potom používa programovací kód na ovládanie, automatizáciu a monitorovanie pohybov stroja.
Dnes je CNC vstavanou súčasťou širokého spektra zariadení, od sústruhov, fréz a routerov až po drôtené EDM (obrábanie elektrickým výbojom), laserové a plazmové rezacie stroje. CNC okrem automatizácie procesu obrábania a zvýšenia presnosti eliminuje manuálne úlohy a uvoľňuje strojníkov, aby dohliadali na prevádzku viacerých strojov súčasne.
Okrem toho, akonáhle je dráha nástroja navrhnutá a stroj je naprogramovaný, môže súčiastku spustiť ľubovoľný počet krát. To poskytuje vysokú úroveň presnosti a opakovateľnosti, čo zase robí tento proces vysoko nákladovo efektívnym a škálovateľným.
Materiály, ktoré sú opracované
Niektoré kovy, ktoré sa bežne obrábajú, zahŕňajú hliník, mosadz, bronz, meď, oceľ, titán a zinok. Okrem toho je možné obrábať aj drevo, penu, sklolaminát a plasty, ako je polypropylén.
V skutočnosti je možné s presným CNC obrábaním použiť takmer akýkoľvek materiál - samozrejme v závislosti od aplikácie a jej požiadaviek.
Niektoré výhody presného CNC obrábania
Pre mnohé malé súčiastky a súčiastky, ktoré sa používajú v širokej škále vyrábaných výrobkov, je presnou CNC metódou často zvolená výrobná metóda.
Ako platí pre prakticky všetky metódy rezania a obrábania, rôzne materiály sa správajú odlišne a veľkosť a tvar súčiastky majú tiež veľký vplyv na proces. Proces presného CNC obrábania však vo všeobecnosti ponúka výhody oproti iným metódam obrábania.
Je to preto, že CNC obrábanie je schopné poskytovať:
■ Vysoký stupeň komplexnosti dielov
■ Tesné tolerancie, typicky v rozmedzí od ± 0,0002 "(± 0,00508 mm) do ± 0,0005" (± 0,0127 mm)
■ Výnimočne hladké povrchové úpravy vrátane vlastných povrchových úprav
■ Opakovateľnosť, dokonca aj pri vysokých hlasitostiach
Skúsený strojár môže použiť ručný sústruh na výrobu kvalitného súčiastky v množstve 10 alebo 100, ale čo sa stane, keď potrebujete 1 000 dielov? 10 000 dielov? 100 000 alebo milión dielov?
S presným CNC obrábaním získate škálovateľnosť a rýchlosť potrebnú pre tento typ veľkoobjemovej výroby. Vysoká opakovateľnosť presného CNC obrábania vám navyše dáva diely, ktoré sú od začiatku do konca rovnaké, bez ohľadu na to, koľko dielov vyrábate.
Existuje niekoľko veľmi špecializovaných metód CNC obrábania, vrátane drôtového EDM (elektrické výbojové obrábanie), aditívneho obrábania a 3D laserovej tlače. Napríklad drôtový EDM používa vodivé materiály -zvyčajne kovy -a elektrické výboje na erodovanie obrobku do zložitých tvarov.
Tu sa však zameriame na procesy frézovania a sústruženia - dve subtraktívne metódy, ktoré sú široko dostupné a často sa používajú na presné CNC obrábanie.
Frézovanie vs. sústruženie
Frézovanie je obrábací proces, ktorý používa rotačný valcový rezací nástroj na odstraňovanie materiálu a vytváranie tvarov. Frézovacie zariadenie, známe ako mlyn alebo obrábacie centrum, vytvára vesmír komplexných geometrií súčiastok na niektorých z kovov obrábaných najväčšími predmetmi.
Dôležitou charakteristikou frézovania je, že obrobok zostáva nehybný, zatiaľ čo sa rezný nástroj otáča. Inými slovami, na mlyne sa rotujúci rezný nástroj pohybuje okolo obrobku, ktorý zostáva upevnený na mieste na lôžku.
Sústruženie je proces rezania alebo tvarovania obrobku na zariadení nazývanom sústruh. Sústruh obvykle otáča obrobok na zvislej alebo vodorovnej osi, zatiaľ čo pevný rezný nástroj (ktorý sa môže, ale nemusí otáčať) sa pohybuje pozdĺž naprogramovanej osi.
Nástroj nemôže fyzicky obísť časť. Materiál sa otáča, čo umožňuje nástroju vykonávať naprogramované operácie. (Existuje však podmnožina sústruhov, v ktorých sa nástroje otáčajú okolo cievky s drôtom, ktorá tu nie je zahrnutá.)
Pri sústružení sa obrobok na rozdiel od frézovania točí. Zásoba súčiastok zapne vreteno sústruhu a rezný nástroj sa uvedie do kontaktu s obrobkom.
Ručné vs. CNC obrábanie
Aj keď sú mlyny aj sústruhy k dispozícii v manuálnych modeloch, CNC stroje sú vhodnejšie na účely výroby malých súčiastok - ponúkajú škálovateľnosť a opakovateľnosť pre aplikácie vyžadujúce veľkoobjemovú výrobu dielov s tesnou toleranciou.
Okrem ponuky jednoduchých 2-osých strojov, v ktorých sa nástroj pohybuje v osiach X a Z, obsahuje presné CNC zariadenie viacosové modely, v ktorých sa môže pohybovať aj obrobok. To je v kontraste k sústruhu, kde je obrobok obmedzený na otáčanie a nástroje sa budú pohybovať, aby vytvorili požadovanú geometriu.
Tieto viacosové konfigurácie umožňujú výrobu zložitejších geometrií v rámci jednej operácie, bez toho, aby si obsluha stroja vyžadovala ďalšiu prácu. To nielenže uľahčuje výrobu zložitých dielov, ale tiež znižuje alebo eliminuje možnosť chyby obsluhy.
Použitie vysokotlakového chladiva s presným CNC obrábaním navyše zaisťuje, že sa čipy nedostanú do práce, a to ani pri použití stroja s vertikálne orientovaným vretenom.
CNC mlyny
Rôzne frézky sa líšia veľkosťou, konfiguráciou osí, posuvmi, rýchlosťou rezania, smerom posuvu frézovania a ďalšími charakteristikami.
Všeobecne však platí, že všetky CNC frézy používajú na rezanie nežiaduceho materiálu rotujúce vreteno. Používajú sa na rezanie tvrdých kovov, ako je oceľ a titán, ale dajú sa použiť aj na materiály ako plast a hliník.
CNC mlyny sú stavané na opakovateľnosť a dajú sa použiť na všetko od prototypu až po veľkoobjemovú výrobu. Špičkové presné CNC mlyny sa často používajú na práce s tesnou toleranciou, ako je frézovanie jemných foriem a foriem.
Zatiaľ čo CNC frézovanie môže priniesť rýchly obrat, frézované dokončovanie vytvára diely s viditeľnými značkami nástrojov. Môže tiež vyrábať diely s niektorými ostrými hranami a otrepmi, takže ak sú hrany a otrepy pre tieto vlastnosti neprijateľné, môžu byť potrebné ďalšie postupy.
Nástroje na odihlovanie naprogramované do sekvencie samozrejme odhrotujú, aj keď zvyčajne dosahujú nanajvýš 90% dokončenej požiadavky, pričom niektoré funkcie zostanú na konečnú ručnú úpravu.
Pokiaľ ide o povrchovú úpravu, existujú nástroje, ktoré na častiach pracovného výrobku vytvoria nielen prijateľnú povrchovú úpravu, ale aj zrkadlovú úpravu.
Typy CNC mlynov
Dva základné typy fréz sú známe ako vertikálne obrábacie centrá a horizontálne obrábacie centrá, kde je hlavný rozdiel v orientácii vretena stroja.
Vertikálne obrábacie centrum je mlyn, v ktorom je os vretena zarovnaná v smere osi Z. Tieto vertikálne stroje je možné ďalej rozdeliť na dva typy:
■ Posteľné mlyny, v ktorých sa vreteno pohybuje rovnobežne s vlastnou osou, zatiaľ čo stôl sa pohybuje kolmo na os vretena
■ Vežové mlyny, v ktorých je vreteno nehybné a stôl je posunutý tak, aby bol počas rezania vždy kolmý a rovnobežný s osou vretena
V horizontálnom obrábacom centre je os vretena mlyna zarovnaná v smere osi Y. Horizontálna konštrukcia znamená, že tieto mlyny zaberajú viac miesta na podlahe strojárne; sú tiež spravidla ťažšie a výkonnejšie ako vertikálne stroje.
Horizontálny mlyn sa často používa vtedy, keď je potrebná lepšia povrchová úprava; pretože orientácia vretena znamená, že rezné triesky prirodzene odpadávajú a dajú sa ľahko odstrániť. (Ďalšou výhodou je, že efektívne odstraňovanie triesok pomáha predĺžiť životnosť nástroja.)
Vertikálne obrábacie centrá sú všeobecne rozšírenejšie, pretože môžu byť rovnako výkonné ako horizontálne obrábacie centrá a zvládnu veľmi malé časti. Vertikálne stredy majú navyše menšiu stopu ako horizontálne obrábacie centrá.
Viacosé CNC frézy
Presné CNC frézovacie centrá sú k dispozícii s viacerými osami. 3-osé frézovanie využíva osi X, Y a Z na najrozmanitejšie práce. So 4-osovým frézovaním sa stroj môže otáčať na zvislej a vodorovnej osi a pohybovať obrobkom, aby bolo umožnené plynulejšie obrábanie.
5-osý frézovací stroj má tri tradičné osi a dve ďalšie rotačné osi, ktoré umožňujú otáčanie obrobku pri pohybe hlavy vretena okolo neho. To umožňuje obrábanie piatich strán obrobku bez vyberania obrobku a resetovania stroja.
CNC sústruhy
Sústruh - tiež nazývaný sústružnícke centrum - má jedno alebo viac vretien a osi X a Z. Stroj sa používa na otáčanie obrobku na svojej osi na vykonávanie rôznych operácií rezania a tvarovania, pričom na obrobok aplikuje širokú škálu nástrojov.
CNC sústruhy, ktoré sa nazývajú aj sústruhy so živými akciami, sú ideálne na vytváranie symetrických valcových alebo sférických častí. Rovnako ako CNC mlyny, CNC sústruhy zvládnu menšie operácie, ako je prototypovanie, ale môžu byť tiež nastavené tak, aby poskytovali vysokú opakovateľnosť a podporovali veľkoobjemovú výrobu.
CNC sústruhy je možné nastaviť aj na relatívne hands-free výrobu, vďaka čomu sú široko používané v automobilovom, elektronickom, leteckom, robotickom a zdravotníckom priemysle.
Ako funguje CNC sústruh
Pri CNC sústruhu sa do skľučovadla vretena sústruhu naloží prázdna tyč zásobného materiálu. Toto skľučovadlo drží obrobok na mieste, zatiaľ čo sa vreteno otáča. Keď vreteno dosiahne požadovanú rýchlosť, stacionárny rezný nástroj sa uvedie do kontaktu s obrobkom, aby sa odstránil materiál a dosiahla správna geometria.
CNC sústruh môže vykonávať množstvo operácií, ako je vŕtanie, rezanie závitov, vyvrtávanie, vystružovanie, obkladanie a sústruženie. Rôzne operácie vyžadujú zmeny nástrojov a môžu predĺžiť náklady a čas nastavenia.
Po dokončení všetkých požadovaných operácií obrábania sa diel odreže zo skladu na ďalšie spracovanie, ak je to potrebné. CNC sústruh je potom pripravený zopakovať operáciu, pričom medzi nimi je zvyčajne potrebný malý alebo žiadny ďalší čas na nastavenie.
CNC sústruhy môžu pojať aj rôzne automatické podávače tyčí, ktoré znižujú množstvo ručnej manipulácie so surovinami a poskytujú výhody, ako napríklad:
■ Znížte čas a námahu obsluhy stroja
■ Podperou čapu znížite vibrácie, ktoré môžu negatívne ovplyvniť presnosť
■ Nechajte obrábací stroj pracovať pri optimálnych otáčkach vretena
■ Minimalizujte časy prechodu
■ Znížte plytvanie materiálom
Typy CNC sústruhov
Existuje množstvo rôznych typov sústruhov, ale najbežnejšie sú 2-osové CNC sústruhy a automatické sústruhy v čínskom štýle.
Väčšina sústruhov CNC Čína používa jedno alebo dve hlavné vretená plus jedno alebo dve zadné (alebo sekundárne) vretená, pričom za prvé je zodpovedný rotačný prenos. Hlavné vreteno vykonáva primárnu operáciu obrábania pomocou vodiaceho puzdra.
Niektoré sústruhy v čínskom štýle sú navyše vybavené druhou nástrojovou hlavou, ktorá funguje ako CNC fréza.
S automatickým sústruhom CNC v čínskom štýle sa zásobný materiál privádza cez vreteno s posuvnou hlavou do vodiaceho puzdra. To umožňuje nástroju rezať materiál bližšie k bodu, kde je materiál podopretý, čo robí čínsky stroj obzvlášť výhodným pre dlhé, štíhle sústružené diely a pre mikroobrábanie.
Viacosé CNC sústružnícke centrá a sústruhy v čínskom štýle môžu vykonávať niekoľko obrábacích operácií na jednom stroji. To z nich robí cenovo výhodnú možnosť pre komplexné geometrie, ktoré by inak vyžadovali výmenu viacerých strojov alebo nástrojov pomocou zariadenia, akým je tradičný CNC mlyn.