Presné obrábanie je proces odoberania materiálu z obrobku počas dokončovania s presnou toleranciou. Existuje mnoho typov presných strojov vrátane frézovania, sústruženia a elektroerozívneho obrábania. Presné stroje sú dnes vo všeobecnosti riadené pomocou počítačového numerického riadenia (CNC).
Takmer všetky kovové výrobky využívajú presné obrábanie, rovnako ako mnoho iných materiálov, ako sú plasty a drevo. Tieto stroje obsluhujú špecializovaní a vyškolení strojníci. Aby rezný nástroj vykonával svoju prácu, musí sa pohybovať v určených smeroch, aby sa dosiahol správny rez. Tento primárny pohyb sa nazýva „rýchlosť rezania“. Obrobok sa môže tiež pohybovať, čo je známe ako sekundárny pohyb „posuvu“. Tieto pohyby a ostrosť rezného nástroja spolu umožňujú presnému stroju pracovať.
Kvalitné presné obrábanie si vyžaduje schopnosť riadiť sa extrémne špecifickými výkresmi vytvorenými programami CAD (počítačom podporovaný návrh) alebo CAM (počítačom podporovaná výroba), ako sú AutoCAD a TurboCAD. Softvér dokáže vytvoriť zložité trojrozmerné diagramy alebo obrysy potrebné na výrobu nástroja, stroja alebo predmetu. Tieto výkresy sa musia dodržiavať s veľkou presnosťou, aby sa zabezpečila zachovaná integrita produktu. Zatiaľ čo väčšina spoločností zaoberajúcich sa presným obrábaním pracuje s nejakou formou programov CAD/CAM, v počiatočných fázach návrhu stále často pracujú s ručne kreslenými náčrtmi.
Presné obrábanie sa používa na množstvo materiálov vrátane ocele, bronzu, grafitu, skla a plastov, aby sme vymenovali aspoň niektoré. V závislosti od veľkosti projektu a použitých materiálov sa použijú rôzne nástroje na presné obrábanie. Môže sa použiť akákoľvek kombinácia sústruhov, frézok, vŕtačiek, píl a brúsok a dokonca aj vysokorýchlostná robotika. Letecký priemysel môže používať vysokorýchlostné obrábanie, zatiaľ čo priemysel výroby drevárskych nástrojov môže používať procesy fotochemického leptania a frézovania. Výroba série alebo konkrétneho množstva konkrétneho kusu sa môže pohybovať v tisíckach alebo len v niekoľkých kusoch. Presné obrábanie často vyžaduje programovanie CNC zariadení, čo znamená, že sú počítačom numericky riadené. CNC zariadenie umožňuje dodržiavať presné rozmery počas celej série produktu.
Frézovanie je obrábací proces, pri ktorom sa rotačné frézy používajú na odoberanie materiálu z obrobku posúvaním (alebo podávaním) frézy do obrobku v určitom smere. Fréza môže byť tiež držaná pod uhlom vzhľadom na os nástroja. Frézovanie zahŕňa širokú škálu rôznych operácií a strojov, od malých jednotlivých dielov až po veľké, náročné frézovacie operácie. Je to jeden z najbežnejšie používaných procesov na obrábanie zákazkových dielov s presnými toleranciami.
Frézovanie je možné vykonávať pomocou širokej škály obrábacích strojov. Pôvodnou triedou obrábacích strojov na frézovanie boli frézky (často nazývané aj frézky). Po príchode počítačového numerického riadenia (CNC) sa frézky vyvinuli na obrábacie centrá: frézky boli rozšírené o automatické meniče nástrojov, zásobníky nástrojov alebo karusely, CNC možnosti, chladiace systémy a kryty. Frézovacie centrá sa vo všeobecnosti klasifikujú ako vertikálne obrábacie centrá (VMC) alebo horizontálne obrábacie centrá (HMC).
Integrácia frézovania do sústružníckeho prostredia a naopak sa začala s poháňanými nástrojmi pre sústruhy a občasným použitím frézok na sústružnícke operácie. To viedlo k novej triede obrábacích strojov, multifunkčným strojom (MTM), ktoré sú skonštruované na uľahčenie frézovania a sústruženia v rámci rovnakého pracovného priestoru.
Pre konštruktérov, výskumné a vývojové tímy a výrobcov, ktorí sú závislí od dodávateľov dielov, umožňuje presné CNC obrábanie vytvárať zložité diely bez dodatočného spracovania. V skutočnosti presné CNC obrábanie často umožňuje vyrobiť hotové diely na jednom stroji.
Proces obrábania odoberá materiál a využíva širokú škálu rezných nástrojov na vytvorenie finálneho a často veľmi zložitého návrhu súčiastky. Úroveň presnosti sa zvyšuje použitím počítačového numerického riadenia (CNC), ktoré sa používa na automatizáciu riadenia obrábacích nástrojov.
Úloha „CNC“ v presnom obrábaní
Pomocou kódovaných programovacích inštrukcií umožňuje presné CNC obrábanie rezanie a tvarovanie obrobku podľa špecifikácií bez manuálneho zásahu obsluhy stroja.
Odborný strojník použije počítačom podporovaný návrh (CAD) model poskytnutý zákazníkom a pomocou softvéru pre počítačom podporovanú výrobu (CAM) vytvorí pokyny na obrábanie dielu. Na základe CAD modelu softvér určí, aké dráhy nástrojov sú potrebné, a vygeneruje programovací kód, ktorý stroju povie:
■ Aké sú správne otáčky a rýchlosti posuvu
■ Kedy a kam presunúť nástroj a/alebo obrobok
■ Ako hlboko rezať
■ Kedy aplikovať chladiacu kvapalinu
■ Akékoľvek ďalšie faktory súvisiace s rýchlosťou, rýchlosťou posuvu a koordináciou
CNC riadiaca jednotka potom použije programovací kód na riadenie, automatizáciu a monitorovanie pohybov stroja.
CNC je dnes zabudovanou súčasťou širokej škály zariadení, od sústruhov, frézok a horných frézok až po drôtové EDM (elektroerozívne obrábanie), laserové a plazmové rezacie stroje. Okrem automatizácie procesu obrábania a zvýšenia presnosti CNC eliminuje manuálne úlohy a umožňuje obrábačom dohliadať na viacero strojov bežiacich súčasne.
Okrem toho, akonáhle je dráha nástroja navrhnutá a stroj naprogramovaný, môže s obrobkom pracovať ľubovoľný početkrát. To poskytuje vysokú úroveň presnosti a opakovateľnosti, vďaka čomu je proces vysoko nákladovo efektívny a škálovateľný.
Materiály, ktoré sa obrábajú
Medzi bežne obrábané kovy patrí hliník, mosadz, bronz, meď, oceľ, titán a zinok. Okrem toho sa dá obrábať aj drevo, pena, sklolaminát a plasty, ako napríklad polypropylén.
V skutočnosti sa s presným CNC obrábaním dá použiť takmer akýkoľvek materiál – samozrejme v závislosti od aplikácie a jej požiadaviek.
Niektoré výhody presného CNC obrábania
Pre mnohé malé diely a komponenty, ktoré sa používajú v širokej škále vyrábaných produktov, je presné CNC obrábanie často preferovanou metódou výroby.
Ako je to prakticky pri všetkých metódach rezania a obrábania, rôzne materiály sa správajú odlišne a veľkosť a tvar súčiastky majú tiež veľký vplyv na proces. Vo všeobecnosti však proces presného CNC obrábania ponúka výhody oproti iným metódam obrábania.
Je to preto, že CNC obrábanie je schopné zabezpečiť:
■ Vysoký stupeň zložitosti súčiastok
■ Prísne tolerancie, typicky v rozmedzí od ±0,0002" (±0,00508 mm) do ±0,0005" (±0,0127 mm)
■ Výnimočne hladké povrchové úpravy vrátane zákazkových úprav
■ Opakovateľnosť aj pri vysokých objemoch
Zatiaľ čo zručný strojník dokáže pomocou ručného sústruhu vyrobiť kvalitný diel v množstvách 10 alebo 100 kusov, čo sa stane, keď potrebujete 1 000 dielov? 10 000 dielov? 100 000 alebo milión dielov?
Vďaka presnému CNC obrábaniu môžete získať škálovateľnosť a rýchlosť potrebnú pre tento typ veľkoobjemovej výroby. Okrem toho vám vysoká opakovateľnosť presného CNC obrábania poskytuje 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 (elektroerozívneho obrábania), aditívneho obrábania a 3D laserovej tlače. Napríklad drôtové EDM využíva 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 používané na presné CNC obrábanie.
Frézovanie vs. sústruženie
Frézovanie je obrábací proces, ktorý využíva rotujúci valcový rezný nástroj na odoberanie materiálu a vytváranie tvarov. Frézovacie zariadenie, známe ako fréza alebo obrábacie centrum, vykonáva množstvo zložitých geometrií dielov na niektorých z najväčších obrábaných kovových predmetov.
Dôležitou charakteristikou frézovania je, že obrobok zostáva nehybný, zatiaľ čo sa rezný nástroj otáča. Inými slovami, na frézke sa rotujúci rezný nástroj pohybuje okolo obrobku, ktorý zostáva pevne upevnený na lôžku.
Sústruženie je proces rezania alebo tvarovania obrobku na zariadení nazývanom sústruh. Sústruh zvyčajne otáča obrobkom okolo zvislej alebo vodorovnej osi, zatiaľ čo pevný rezný nástroj (ktorý sa môže alebo nemusí otáčať) sa pohybuje pozdĺž naprogramovanej osi.
Nástroj sa nemôže fyzicky pohybovať okolo obrobku. Materiál sa otáča, čo umožňuje nástroju vykonávať naprogramované operácie. (Existuje však podmnožina sústruhov, v ktorých sa nástroje otáčajú okolo drôtu podávaného z cievky, to však tu nie je zahrnuté.)
Pri sústružení sa obrobok na rozdiel od frézovania otáča. Obrobok sa otáča na vretene sústruhu a rezný nástroj sa dotýka obrobku.
Manuálne vs. CNC obrábanie
Zatiaľ čo frézky aj sústruhy sú dostupné v manuálnych modeloch, CNC stroje sú vhodnejšie na výrobu malých dielov – ponúkajú škálovateľnosť a opakovateľnosť pre aplikácie vyžadujúce veľkoobjemovú výrobu dielov s presnými toleranciami.
Okrem jednoduchých 2-osových strojov, v ktorých sa nástroj pohybuje v osiach X a Z, zahŕňajú presné CNC zariadenia aj viacosové modely, v ktorých sa môže pohybovať aj obrobok. To je rozdiel od sústruhu, kde sa obrobok obmedzuje na otáčanie a nástroje sa pohybujú tak, aby vytvorili požadovanú geometriu.
Tieto viacosové konfigurácie umožňujú výrobu zložitejších geometrií v jednej operácii bez nutnosti dodatočnej práce obsluhy stroja. To nielen uľahčuje výrobu zložitých dielov, ale tiež znižuje alebo eliminuje možnosť chyby obsluhy.
Okrem toho, použitie vysokotlakového chladenia pri presnom CNC obrábaní zaisťuje, že triesky sa nedostanú do obrobku, a to ani pri použití stroja s vertikálne orientovaným vretenom.
CNC frézky
Rôzne frézky sa líšia veľkosťou, konfiguráciou osí, posuvom, rýchlosťou rezania, smerom posuvu pri frézovaní a ďalšími charakteristikami.
Vo všeobecnosti však CNC frézky používajú rotujúce vreteno na odrezanie nežiaduceho materiálu. Používajú sa na rezanie tvrdých kovov, ako je oceľ a titán, ale môžu sa použiť aj s materiálmi, ako sú plasty a hliník.
CNC frézy sú skonštruované pre opakovateľnosť a možno ich použiť na všetko od prototypovania až po veľkosériovú výrobu. Vysokokvalitné presné CNC frézy sa často používajú na práce s vysokou toleranciou, ako je frézovanie jemných matríc a foriem.
Zatiaľ čo CNC frézovanie môže zabezpečiť rýchlu odber, frézovanie načisto vytvára diely s viditeľnými stopami po nástroji. Môže tiež vytvárať diely s ostrými hranami a otrepmi, takže ak sú hrany a otrepy pre tieto prvky neprijateľné, môžu byť potrebné ďalšie procesy.
Samozrejme, nástroje na odhrotovanie naprogramované v sekvencii odhrotujú, hoci zvyčajne dosiahnu maximálne 90 % požadovaného výsledku, pričom niektoré prvky zostávajú na finálne ručné dokončovanie.
Čo sa týka povrchovej úpravy, existujú nástroje, ktoré dokážu vytvoriť nielen prijateľnú povrchovú úpravu, ale aj zrkadlový lesk na častiach obrobku.
Typy CNC frézok
Dva základné typy frézok sú známe ako vertikálne obrábacie centrá a horizontálne obrábacie centrá, pričom hlavný rozdiel spočíva v orientácii vretena stroja.
Vertikálne obrábacie centrum je frézka, v ktorej je os vretena zarovnaná v smere osi Z. Tieto vertikálne stroje možno ďalej rozdeliť na dva typy:
■ Ložové frézy, v ktorých sa vreteno pohybuje rovnobežne s vlastnou osou, zatiaľ čo stôl sa pohybuje kolmo na os vretena
■ Revolverové frézy, v ktorých je vreteno stacionárne a stôl sa pohybuje tak, aby bol počas rezania vždy kolmý a rovnobežný s osou vretena
V horizontálnom obrábacom centre je os vretena frézky zarovnaná v smere osi Y. Horizontálna konštrukcia znamená, že tieto frézky majú tendenciu zaberať viac miesta v dielni; sú tiež vo všeobecnosti ťažšie a výkonnejšie ako vertikálne stroje.
Horizontálna fréza sa často používa, keď je potrebná lepšia povrchová úprava; je to preto, že orientácia vretena znamená, že triesky prirodzene odpadávajú a dajú sa ľahko odstrániť. (Ďalšou výhodou je, že efektívne odvádzanie triesok pomáha predĺžiť životnosť nástroja.)
Vo všeobecnosti sú vertikálne obrábacie centrá rozšírenejšie, pretože môžu byť rovnako výkonné ako horizontálne obrábacie centrá a dokážu spracovať veľmi malé diely. Okrem toho majú vertikálne centrá menšiu zastavanú plochu ako horizontálne obrábacie centrá.
Viacosové CNC frézky
Presné CNC frézovacie centrá sú k dispozícii s viacerými osami. Trojosová fréza využíva osi X, Y a Z pre širokú škálu prác. So 4-osou frézou sa stroj môže otáčať vo vertikálnej a horizontálnej osi a pohybovať obrobkom, aby umožnil plynulejšie obrábanie.
5-osová fréza má tri tradičné osi a dve ďalšie rotačné osi, čo umožňuje otáčanie obrobku, keď sa okolo neho pohybuje vretenová hlava. To umožňuje obrábať päť strán obrobku bez nutnosti vyberania obrobku a resetovania stroja.
CNC sústruhy
Sústruh – nazývaný aj sústružnícke centrum – má jedno alebo viac vretien a osi X a Z. Stroj sa používa na otáčanie obrobku okolo jeho osi na vykonávanie rôznych rezných a tvarovacích operácií, pričom na obrobok aplikuje širokú škálu nástrojov.
CNC sústruhy, ktoré sa nazývajú aj sústruhy s priamočiarymi nástrojmi, sú ideálne na vytváranie symetrických valcových alebo guľových dielov. Rovnako ako CNC frézky, aj CNC sústruhy dokážu zvládnuť menšie operácie, ako je výroba prototypov, ale dajú sa tiež nastaviť na vysokú opakovateľnosť, čo podporuje veľkoobjemovú výrobu.
CNC sústruhy je možné nastaviť aj na relatívne bezdotykovú 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 vloží polotovar z materiálu. Toto skľučovadlo drží obrobok na mieste, kým sa vreteno otáča. Keď vreteno dosiahne požadované otáčky, stacionárny rezný nástroj sa privedie do kontaktu s obrobkom, aby odstránil materiál a dosiahol správnu geometriu.
CNC sústruh dokáže vykonávať množstvo operácií, ako je vŕtanie, rezanie závitov, vyvrtávanie, vystružovanie, čelné obrábanie a sústruženie kužeľov. Rôzne operácie vyžadujú výmenu nástrojov a môžu zvýšiť náklady a čas nastavenia.
Po dokončení všetkých požadovaných obrábacích operácií sa diel v prípade potreby vyreže z polotovaru na ďalšie spracovanie. CNC sústruh je potom pripravený na opakovanie operácie, pričom medzi nimi zvyčajne nie je potrebný žiadny dodatočný čas na nastavenie.
CNC sústruhy môžu byť vybavené aj rôznymi automatickými podávačmi tyčí, čo znižuje množstvo manuálnej manipulácie so surovinami a poskytuje výhody, ako napríklad:
■ Znížte čas a úsilie potrebné pre obsluhu stroja
■ Podoprite tyčový materiál, aby ste znížili vibrácie, ktoré môžu negatívne ovplyvniť presnosť
■ Umožnite obrábaciemu stroju pracovať pri optimálnych otáčkach vretena
■ Minimalizujte časy prepínania
■ Zníženie plytvania materiálom
Typy CNC sústruhov
Existuje množstvo rôznych typov sústruhov, ale najbežnejšie sú dvojosové CNC sústruhy a automatické sústruhy čínskeho typu.
Väčšina CNC sústruhov v Číne používa jedno alebo dve hlavné vretená plus jedno alebo dve zadné (alebo sekundárne) vretená, pričom za prvé z nich je zodpovedný rotačný posuv. Hlavné vreteno vykonáva primárnu obrábaciu operáciu pomocou vodiaceho puzdra.
Okrem toho sú niektoré sústruhy čínskeho typu vybavené druhou nástrojovou hlavou, ktorá funguje ako CNC fréza.
Pri CNC automatickom sústruhu čínskeho typu sa obrábaný materiál posúva cez vreteno s posuvnou hlavou do vodiaceho puzdra. To umožňuje nástroju rezať materiál bližšie k bodu, kde je materiál podopretý, vďaka čomu je stroj čínskeho typu obzvlášť vhodný pre dlhé, štíhle sústružené diely a pre mikroobrábanie.
Viacosové CNC sústružnícke centrá a sústruhy čínskeho typu dokážu vykonávať viacero obrábacích operácií na jednom stroji. Vďaka tomu sú cenovo výhodnou možnosťou pre zložité geometrie, ktoré by inak vyžadovali viacero strojov alebo výmenu nástrojov pomocou zariadení, ako je napríklad tradičná CNC fréza.