Přesné obrábění je proces odebírání materiálu z obrobku během dokončování s přesnými tolerancemi. Existuje mnoho typů přesných strojů, včetně frézování, soustružení a elektroerozivního obrábění. Přesné stroje jsou dnes obvykle řízeny pomocí počítačově číslicového řízení (CNC).
Téměř všechny kovové výrobky využívají přesné obrábění, stejně jako mnoho dalších materiálů, jako jsou plasty a dřevo. Tyto stroje obsluhují specializovaní a vyškolení obráběči. Aby řezný nástroj vykonával svou práci, musí se pohybovat ve specifikovaných směrech, aby se dosáhlo správného řezu. Tento primární pohyb se nazývá „řezná rychlost“. Obrobek se může také pohybovat, což je známé jako sekundární pohyb „posuvu“. Tyto pohyby a ostrost řezného nástroje společně umožňují přesnému stroji provoz.
Kvalitní přesné obrábění vyžaduje schopnost řídit se extrémně specifickými výkresy vytvořenými programy CAD (počítačem podporovaný návrh) nebo CAM (počítačem podporovaná výroba), jako jsou AutoCAD a TurboCAD. Tento software může pomoci vytvořit složité trojrozměrné diagramy nebo obrysy potřebné k výrobě nástroje, stroje nebo předmětu. Tyto výkresy je nutné dodržovat s velkou přesností, aby se zajistila zachování integrity produktu. Ačkoli většina společností zabývajících se přesným obráběním pracuje s nějakou formou programů CAD/CAM, v počátečních fázích návrhu stále často pracují s ručně kreslenými náčrty.
Přesné obrábění se používá u řady materiálů, včetně oceli, bronzu, grafitu, skla a plastů, abychom jmenovali alespoň některé. V závislosti na velikosti projektu a použitých materiálech se použijí různé nástroje pro přesné obrábění. Lze použít jakoukoli kombinaci soustruhů, frézek, vrtaček, pil a brusek a dokonce i vysokorychlostní robotiky. Letecký průmysl může používat vysokorychlostní obrábění, zatímco odvětví výroby nástrojů pro zpracování dřeva může používat procesy fotochemického leptání a frézování. Výroba série nebo určitého množství konkrétní položky se může počítat v tisících nebo jen v několika málo kusech. Přesné obrábění často vyžaduje programování CNC zařízení, což znamená, že jsou počítačem řízena. CNC zařízení umožňuje dodržovat přesné rozměry v celé sérii výrobku.
Frézování je obráběcí proces, při kterém se rotační frézy odebírají z obrobku tak, že se fréza posouvá (nebo podává) do obrobku v určitém směru. Fréza může být také držena pod úhlem vzhledem k ose nástroje. Frézování zahrnuje širokou škálu různých operací a strojů, od malých jednotlivých dílů až po velké, náročné frézovací operace. Je to jeden z nejběžněji používaných procesů pro obrábění zakázkových dílů s přesnými tolerancemi.
Frézování lze provádět pomocí široké škály obráběcích strojů. Původní třídou obráběcích strojů pro frézování byly frézky (často nazývané frézky). Po příchodu počítačového numerického řízení (CNC) se frézky vyvinuly v obráběcí centra: frézky doplněné o automatické měniče nástrojů, zásobníky nástrojů nebo karusely, CNC možnosti, chladicí systémy a kryty. Frézovací centra se obecně klasifikují jako vertikální obráběcí centra (VMC) nebo horizontální obráběcí centra (HMC).
Integrace frézování do soustružnického prostředí a naopak začala s poháněnými nástroji pro soustruhy a občasným použitím frézek pro soustružnické operace. To vedlo ke vzniku nové třídy obráběcích strojů, multifunkčních strojů (MTM), které jsou účelově navrženy tak, aby usnadňovaly frézování a soustružení v rámci stejného pracovního prostoru.
Pro konstruktéry, výzkumné a vývojové týmy a výrobce, kteří jsou závislí na zdrojích dílů, umožňuje přesné CNC obrábění vytvářet složité díly bez dalšího zpracování. Přesné CNC obrábění ve skutečnosti často umožňuje vyrobit hotové díly na jednom stroji.
Obráběcí proces odebírá materiál a využívá širokou škálu řezných nástrojů k vytvoření finální a často velmi složité konstrukce dílu. Úroveň přesnosti je zvýšena použitím počítačového numerického řízení (CNC), které se používá k automatizaci řízení obráběcích nástrojů.
Role „CNC“ v přesném obrábění
Pomocí kódovaných programovacích instrukcí umožňuje přesné CNC obrábění řezání a tvarování obrobku podle specifikací bez ručního zásahu obsluhy stroje.
Odborný obráběč vezme model pro počítačově podporované navrhování (CAD) poskytnutý zákazníkem a pomocí softwaru pro počítačově podporovanou výrobu (CAM) vytvoří instrukce pro obrábění dílu. Na základě modelu CAD software určí, jaké dráhy nástroje jsou potřebné, a vygeneruje programovací kód, který stroji sdělí:
■ Jaké jsou správné otáčky a rychlosti posuvu
■ Kdy a kam přesunout nástroj a/nebo obrobek
■ Jak hluboko řezat
■ Kdy aplikovat chladicí kapalinu
■ Jakékoli další faktory související s rychlostí, posuvem a koordinací
CNC řídicí jednotka poté používá programovací kód k řízení, automatizaci a monitorování pohybů stroje.
CNC je dnes nedílnou součástí široké škály zařízení, od soustruhů, frézek a frézek až po drátové EDM (elektroerozivní obrábění), laserové a plazmové řezací stroje. Kromě automatizace obráběcího procesu a zvýšení přesnosti CNC eliminuje manuální úkoly a umožňuje obráběčům dohlížet na více strojů běžících současně.
Jakmile je navíc navržena dráha nástroje a stroj je naprogramován, může s dílem opracovat libovolný početkrát. To zajišťuje vysokou úroveň přesnosti a opakovatelnosti, což následně činí proces vysoce nákladově efektivním a škálovatelným.
Materiály, které se obrábějí
Mezi běžně obráběné kovy patří hliník, mosaz, bronz, měď, ocel, titan a zinek. Kromě toho lze obrábět i dřevo, pěnu, sklolaminát a plasty, jako je polypropylen.
Ve skutečnosti lze s přesným CNC obráběním použít téměř jakýkoli materiál – samozřejmě v závislosti na aplikaci a jejích požadavcích.
Některé výhody přesného CNC obrábění
Pro mnoho malých dílů a součástí, které se používají v široké škále vyráběných produktů, je často preferovanou metodou výroby přesné CNC obrábění.
Stejně jako u prakticky všech metod řezání a obrábění se různé materiály chovají odlišně a velikost a tvar součásti mají také velký vliv na proces. Obecně však proces přesného CNC obrábění nabízí výhody oproti jiným metodám obrábění.
Je to proto, že CNC obrábění je schopno zajistit:
■ Vysoký stupeň složitosti součásti
■ Přísné tolerance, typicky v rozmezí od ±0,0002" (±0,00508 mm) do ±0,0005" (±0,0127 mm)
■ Výjimečně hladké povrchové úpravy, včetně zakázkových úprav
■ Opakovatelnost i při vysokých objemech
Zatímco zkušený strojník dokáže pomocí ručního soustruhu vyrobit kvalitní díl v množství 10 nebo 100 kusů, co se stane, když potřebujete 1 000 dílů? 10 000 dílů? 100 000 nebo milion dílů?
S přesným CNC obráběním můžete dosáhnout škálovatelnosti a rychlosti potřebné pro tento typ velkoobjemové výroby. Vysoká opakovatelnost přesného CNC obrábění vám navíc poskytuje díly, které jsou od začátku do konce stejné, bez ohledu na to, kolik dílů vyrábíte.
Existuje několik velmi specializovaných metod CNC obrábění, včetně drátového EDM (elektroerozivní obrábění), aditivního obrábění a 3D laserového tisku. Například drátové EDM využívá vodivé materiály – obvykle kovy – a elektrické výboje k erodování obrobku do složitých tvarů.
Zde se však zaměříme na frézovací a soustružnické procesy – dvě subtraktivní metody, které jsou široce dostupné a často používané pro přesné CNC obrábění.
Frézování vs. soustružení
Frézování je obráběcí proces, který využívá rotující válcový řezný nástroj k odebírání materiálu a vytváření tvarů. Frézovací zařízení, známé jako fréza nebo obráběcí centrum, dokáže obrábět celou řadu složitých geometrií součástí na některých z největších obráběných kovových předmětů.
Důležitou charakteristikou frézování je, že obrobek zůstává nehybný, zatímco se řezný nástroj otáčí. Jinými slovy, u frézy se rotující řezný nástroj pohybuje kolem obrobku, který zůstává pevně uložen na loži.
Soustružení je proces řezání nebo tvarování obrobku na zařízení zvaném soustruh. Soustruh obvykle otáčí obrobkem ve svislé nebo vodorovné ose, zatímco pevný řezný nástroj (který se může, ale nemusí otáčet) se pohybuje podél naprogramované osy.
Nástroj se nemůže fyzicky pohybovat kolem obrobku. Materiál se otáčí, což umožňuje nástroji provádět naprogramované operace. (Existuje však podmnožina soustruhů, u kterých se nástroje otáčejí kolem drátu podávaného z cívky, což zde není popsáno.)
Při soustružení se obrobek na rozdíl od frézování otáčí. Díl se otáčí na vřetenu soustruhu a řezný nástroj se dotýká obrobku.
Ruční vs. CNC obrábění
Zatímco frézky i soustruhy jsou k dispozici v manuálním provedení, CNC stroje jsou vhodnější pro účely výroby malých dílů – nabízejí škálovatelnost a opakovatelnost pro aplikace vyžadující velkoobjemovou výrobu dílů s přesnými tolerancemi.
Kromě jednoduchých dvouosých strojů, u kterých se nástroj pohybuje v osách X a Z, zahrnují přesné CNC zařízení i víceosé modely, u kterých se může pohybovat i obrobek. To je rozdíl od soustruhu, kde se obrobek omezuje na otáčení a nástroje se pohybují tak, aby vytvořily požadovanou geometrii.
Tyto víceosé konfigurace umožňují výrobu složitějších geometrií v jediné operaci, aniž by to vyžadovalo dodatečnou práci obsluhy stroje. To nejen usnadňuje výrobu složitých dílů, ale také snižuje nebo eliminuje pravděpodobnost chyby obsluhy.
Použití vysokotlakého chladicího média při přesném CNC obrábění navíc zajišťuje, že se třísky nedostanou do obrobku, a to ani při použití stroje s vertikálně orientovaným vřetenem.
CNC frézky
Různé frézky se liší svými velikostmi, konfiguracemi os, posuvy, řeznou rychlostí, směrem frézovacího posuvu a dalšími vlastnostmi.
CNC frézky však obecně využívají rotující vřeteno k odřezávání nežádoucího materiálu. Používají se k řezání tvrdých kovů, jako je ocel a titan, ale lze je použít i s materiály, jako je plast a hliník.
CNC frézky jsou konstruovány pro opakovatelnost a lze je použít pro vše od prototypování až po velkosériovou výrobu. Vysoce kvalitní přesné CNC frézky se často používají pro práce s přesnými tolerancemi, jako je frézování jemných zápustek a forem.
Zatímco CNC frézování může zajistit rychlou odběrovou kapacitu, frézované dokončování vytváří díly s viditelnými stopami po nástroji. Může také vytvářet díly s ostrými hranami a otřepy, takže pokud jsou hrany a otřepy pro tyto prvky nepřijatelné, mohou být vyžadovány další procesy.
Nástroje pro odstraňování otřepů naprogramované do sekvence samozřejmě odstraní otřepy, i když obvykle dosáhnou maximálně 90 % požadovaného výsledku, takže některé prvky zůstanou pro finální ruční dokončování.
Pokud jde o povrchovou úpravu, existují nástroje, které dosáhnou nejen přijatelné povrchové úpravy, ale také zrcadlového lesku na částech obrobku.
Typy CNC frézek
Dva základní typy frézek jsou známé jako vertikální obráběcí centra a horizontální obráběcí centra, kde hlavní rozdíl spočívá v orientaci vřetena stroje.
Vertikální obráběcí centrum je frézka, u které je osa vřetena vyrovnána ve směru osy Z. Tyto vertikální stroje lze dále rozdělit na dva typy:
■ Ložové frézy, u kterých se vřeteno pohybuje rovnoběžně se svou vlastní osou, zatímco stůl se pohybuje kolmo k ose vřetena
■ Revolverové frézky, u kterých je vřeteno nehybné a stůl se pohybuje tak, aby byl během řezné operace vždy kolmý a rovnoběžný s osou vřetena
V horizontálním obráběcím centru je osa vřetena frézy vyrovnána ve směru osy Y. Horizontální konstrukce znamená, že tyto frézy obvykle zabírají více místa v dílně; jsou také obecně těžší a výkonnější než vertikální stroje.
Horizontální fréza se často používá tam, kde je vyžadována lepší povrchová úprava; je to proto, že orientace vřetena znamená, že třísky přirozeně odpadají a lze je snadno odstranit. (Další výhodou je efektivní odvádění třísek, které pomáhá prodloužit životnost nástroje.)
Obecně jsou vertikální obráběcí centra rozšířenější, protože mohou být stejně výkonná jako horizontální obráběcí centra a dokáží zpracovat velmi malé díly. Kromě toho mají vertikální centra menší rozměry než horizontální obráběcí centra.
Víceosé CNC frézky
Přesná CNC frézovací centra jsou k dispozici s více osami. Tříosá frézka využívá osy X, Y a Z pro širokou škálu prací. U čtyřosé frézky se stroj může otáčet ve svislé a vodorovné ose a pohybovat obrobkem, což umožňuje plynulé obrábění.
Pětiosá fréza má tři tradiční osy a dvě další rotační osy, což umožňuje otáčení obrobku během pohybu vřetenové hlavy kolem něj. To umožňuje obrábět pět stran obrobku bez nutnosti vyjímání obrobku a resetování stroje.
CNC soustruhy
Soustruh – nazývaný také soustružnické centrum – má jedno nebo více vřeten a osy X a Z. Stroj se používá k otáčení obrobku kolem jeho osy za účelem provádění různých řezných a tvarovacích operací, přičemž na obrobek aplikuje širokou škálu nástrojů.
CNC soustruhy, nazývané také soustruhy s živým obráběním, jsou ideální pro vytváření symetrických válcových nebo kulových dílů. Stejně jako CNC frézky zvládnou i CNC soustruhy menší operace, jako je prototypování, ale lze je také nastavit pro vysokou opakovatelnost, což podporuje velkoobjemovou výrobu.
CNC soustruhy lze také nastavit pro relativně bezdotykovou výrobu, což je činí široce používanými v automobilovém, elektronickém, leteckém, robotickém a zdravotnickém průmyslu.
Jak funguje CNC soustruh
U CNC soustruhu se polotovar materiálu vloží do sklíčidla vřetena soustruhu. Toto sklíčidlo drží obrobek na místě, zatímco se vřeteno otáčí. Když vřeteno dosáhne požadovaných otáček, stacionární řezný nástroj se uvede do kontaktu s obrobkem, aby se odstranil materiál a dosáhlo se správné geometrie.
CNC soustruh může provádět řadu operací, jako je vrtání, řezání závitů, vyvrtávání, vystružování, čelní soustružení a soustružení kuželů. Různé operace vyžadují výměnu nástrojů a mohou zvýšit náklady a dobu přípravy.
Po dokončení všech požadovaných obráběcích operací se díl v případě potřeby vyřízne z polotovaru pro další zpracování. CNC soustruh je poté připraven operaci opakovat, obvykle s minimální nebo žádnou dodatečnou dobou potřebnou mezi jednotlivými operacemi.
CNC soustruhy mohou být vybaveny také různými automatickými podavači tyčí, což snižuje množství ruční manipulace se surovinami a poskytuje výhody, jako například:
■ Snižte čas a úsilí potřebné pro obsluhu stroje
■ Podepřete tyčový materiál, abyste snížili vibrace, které mohou negativně ovlivnit přesnost
■ Umožněte obráběcímu stroji pracovat s optimálními otáčkami vřetena
■ Minimalizujte doby přepínání
■ Snížení plýtvání materiálem
Typy CNC soustruhů
Existuje řada různých typů soustruhů, ale nejběžnější jsou dvouosé CNC soustruhy a automatické soustruhy čínského typu.
Většina CNC soustruhů v Číně používá jedno nebo dvě hlavní vřetena a jedno nebo dvě zadní (nebo sekundární) vřetena, přičemž za první z nich je zodpovědný rotační posuv. Hlavní vřeteno provádí primární obráběcí operaci s pomocí vodicího pouzdra.
Kromě toho jsou některé soustruhy čínského typu vybaveny druhou nástrojovou hlavou, která funguje jako CNC frézka.
U CNC automatického soustruhu čínského typu je polotovar podáván přes vřeteno s posuvnou hlavou do vodicího pouzdra. To umožňuje nástroji řezat materiál blíže k bodu, kde je materiál podepřen, což činí stroj čínského typu obzvláště výhodným pro dlouhé, štíhlé soustružené díly a pro mikroobrábění.
Víceosá CNC soustružnická centra a soustruhy čínského typu dokáží provádět více obráběcích operací na jednom stroji. Díky tomu jsou cenově výhodnou volbou pro složité geometrie, které by jinak vyžadovaly více strojů nebo výměny nástrojů na zařízeních, jako je tradiční CNC frézka.