Přesné obrábění je proces odstraňování materiálu z obrobku při udržování povrchových úprav v úzké toleranci.Přesný stroj má mnoho typů, včetně frézování, soustružení a obrábění elektrickým výbojem.Přesný stroj je dnes obecně řízen pomocí počítačového numerického řízení (CNC).
Téměř všechny kovové výrobky používají přesné obrábění, stejně jako mnoho dalších materiálů, jako je plast a dřevo.Tyto stroje obsluhují specializovaní a vyškolení strojníci.Aby řezný nástroj mohl vykonávat svou práci, musí se pohybovat ve směrech určených pro provedení správného řezu.Tento primární pohyb se nazývá „rychlost řezání“.Obrobek lze také pohybovat, což je známé jako sekundární pohyb "posuvu".Společně tyto pohyby a ostrost řezného nástroje umožňují provoz přesného stroje.
Kvalitní přesné obrábění vyžaduje schopnost sledovat extrémně specifické plány vytvořené programy CAD (počítačově podporovaný design) nebo CAM (počítačově podporovaná výroba) programy, jako jsou AutoCAD a TurboCAD.Software může pomoci vytvořit komplexní, 3-rozměrné diagramy nebo obrysy potřebné k výrobě nástroje, stroje nebo předmětu.Tyto plány musí být dodržovány velmi podrobně, aby bylo zajištěno, že si produkt zachová svou integritu.Zatímco většina společností zabývajících se přesným obráběním pracuje s nějakou formou CAD/CAM programů, stále často pracují s ručně kreslenými skicami v počátečních fázích návrhu.
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 budou použity různé nástroje pro přesné obrábění.Lze použít jakoukoli kombinaci soustruhů, frézek, vrtaček, pil a brusek a dokonce i vysokorychlostních robotů.Letecký průmysl může používat vysokorychlostní obrábění, zatímco průmysl vyrábějící nástroje pro zpracování dřeva může používat fotochemické leptání a frézování.Chrlení série nebo konkrétní množství jakékoli konkrétní položky se může počítat v tisících nebo jich může být jen několik.Přesné obrábění často vyžaduje programování CNC zařízení, což znamená, že jsou počítačově numericky řízena.CNC zařízení umožňuje přesné dodržení rozměrů po celou dobu provozu výrobku.
Frézování je obráběcí proces využívající rotační frézy k odstranění materiálu z obrobku posouváním (nebo podáváním) frézy do obrobku v určitém směru.Fréza může být také držena v úhlu vzhledem k ose nástroje.Frézování pokrývá širokou škálu různých operací a strojů v měřítku od malých jednotlivých dílů až po velké, vysoce výkonné skupinové frézování.Je to jeden z nejčastěji používaných procesů pro obrábění zakázkových dílů na přesné tolerance.
Frézování lze provádět širokou škálou obráběcích strojů.Původní třída obráběcích strojů pro frézování byla frézka (často nazývaná mlýn).Po nástupu počítačového numerického řízení (CNC) se frézky vyvinuly v obráběcí centra: frézky rozšířené o automatické výměníky nástrojů, zásobníky nástrojů nebo karusely, možnosti CNC, chladicí systémy a kryty.Frézovací centra jsou obecně klasifikována jako vertikální obráběcí centra (VMC) nebo horizontální obráběcí centra (HMC).
Integrace frézování do soustružnických prostředí a naopak začala s živými nástroji pro soustruhy a příležitostným používáním fréz pro soustružnické operace.To vedlo k nové třídě obráběcích strojů, multitaskingových strojů (MTM), které jsou účelově zkonstruovány tak, aby usnadňovaly frézování a soustružení v rámci stejné pracovní obálky.
Pro konstruktéry, výzkumné a vývojové týmy a výrobce, kteří jsou závislí na získávání dílů, umožňuje přesné CNC obrábění vytvářet složité díly bez dalšího zpracování.Přesné CNC obrábění ve skutečnosti často umožňuje výrobu hotových dílů na jediném stroji.
Proces obrábění odstraňuje materiál a využívá širokou škálu řezných nástrojů k vytvoření konečného a často vysoce komplexního návrhu součásti.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 operátora stroje.
Zkušený strojník použije počítačově podporovaný výrobní software (CAM) k vytvoření instrukcí pro obrábění součásti, když vezme model CAD (Computer Aided Design) poskytnutý zákazníkem.Na základě modelu CAD software určí, jaké dráhy nástroje jsou potřebné, a vygeneruje programovací kód, který stroji řekne:
■ 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, rychlostí posuvu a koordinací
Řídicí jednotka CNC pak používá programovací kód k řízení, automatizaci a sledování pohybů stroje.
Dnes je CNC integrovanou součástí široké škály zařízení, od soustruhů, fréz a frézek až po drátové EDM (elektrické obrábění), laserové a plazmové řezací stroje.Kromě automatizace procesu obrábění a zvýšení přesnosti CNC eliminuje manuální úkoly a umožňuje strojníkům dohlížet na více strojů běžících současně.
Kromě toho, jakmile byla navržena dráha nástroje a stroj je naprogramován, může obrábět součást libovolněkrát.To poskytuje vysokou úroveň přesnosti a opakovatelnosti, díky čemuž je proces vysoce nákladově efektivní a škálovatelný.
Materiály, které jsou obráběny
Některé kovy, které se běžně obrábějí, zahrnují hliník, mosaz, bronz, měď, ocel, titan a zinek.Kromě toho lze obrábět 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
U mnoha malých dílů a komponentů, které se používají v široké škále vyráběných produktů, je často preferovanou výrobní metodou přesné CNC obrábění.
Jako prakticky u všech metod řezání a obrábění se různé materiály chovají odlišně a velký vliv na proces má také velikost a tvar součásti.Obecně však proces přesného CNC obrábění nabízí výhody oproti jiným metodám obrábění.
Je to proto, že CNC obrábění je schopno dodat:
■ Vysoký stupeň složitosti součásti
■ Přísné tolerance, typicky v rozsahu od ±0,0002" (±0,00508 mm) do ±0,0005" (±0,0127 mm)
■ Výjimečně hladké povrchové úpravy, včetně vlastních úprav
■ Opakovatelnost i při vysoké hlasitosti
Zatímco zručný strojník může použít ruční soustruh k výrobě kvalitního dílu v množství 10 nebo 100, co se stane, když potřebujete 1 000 dílů?10 000 dílů?100 000 nebo milion dílů?
S přesným CNC obráběním můžete získat škálovatelnost a rychlost potřebnou pro tento typ velkoobjemové výroby.Navíc vysoká opakovatelnost přesného CNC obrábění vám dává díly, které jsou všechny stejné od začátku do konce, bez ohledu na to, kolik dílů vyrábíte.
Existuje několik velmi specializovaných metod CNC obrábění, včetně drátového EDM (elektrické obrábění), aditivního obrábění a 3D laserového tisku.Například drátové EDM používá vodivé materiály – obvykle kovy – a elektrické výboje k erodování obrobku do složitých tvarů.
Zde se však zaměříme na procesy frézování a soustružení — dvě subtraktivní metody, které jsou široce dostupné a často používané pro přesné CNC obrábění.
Frézování vs. soustružení
Frézování je obráběcí proces, který využívá rotační válcový řezný nástroj k odebírání materiálu a vytváření tvarů.Frézovací zařízení, známé jako fréza nebo obráběcí centrum, dosahuje univerza složitých geometrií součástí na některých z největších objektů obráběných kovů.
Důležitou vlastností frézování je, že obrobek zůstává stát, zatímco se řezný nástroj otáčí.Jinými slovy, na fréze se rotující řezný nástroj pohybuje kolem obrobku, který zůstává fixován na místě na loži.
Soustružení je proces řezání nebo tvarování obrobku na zařízení zvaném soustruh.Soustruh obvykle otáčí obrobek na svislé nebo vodorovné ose, zatímco pevný řezný nástroj (který se může nebo nemusí otáčet) se pohybuje podél naprogramované osy.
Nástroj nemůže fyzicky obejít součást.Materiál se otáčí a umožňuje nástroji provádět naprogramované operace.(Existuje podskupina soustruhů, ve kterých se nástroje točí kolem drátu napájeného cívkou, ale to zde není zahrnuto.)
Při soustružení se na rozdíl od frézování obrobek otáčí.Součástka se otáčí na vřetenu soustruhu a řezný nástroj se dostává do kontaktu s obrobkem.
Manuální vs. CNC obrábění
Zatímco frézy i soustruhy jsou k dispozici v ručních modelech, CNC stroje jsou vhodnější pro účely výroby malých dílů – nabízejí škálovatelnost a opakovatelnost pro aplikace vyžadující velkoobjemovou výrobu dílů s omezenou tolerancí.
Přesná CNC zařízení kromě nabídky jednoduchých 2osých strojů, ve kterých se nástroj pohybuje v osách X a Z, zahrnují víceosé modely, ve kterých se může pohybovat i obrobek.To je na rozdíl od soustruhu, kde je obrobek omezen na soustružení a nástroje se pohybují, aby vytvořily požadovanou geometrii.
Tyto víceosé konfigurace umožňují výrobu složitějších geometrií v jediné operaci, aniž by vyžadovala další práci operátora stroje.To nejen usnadňuje výrobu složitých dílů, ale také snižuje nebo eliminuje možnost chyby operátora.
Použití vysokotlakého chladicího média s přesným CNC obráběním navíc zajišťuje, že se třísky nedostanou do závodu ani při použití stroje s vertikálně orientovaným vřetenem.
CNC frézy
Různé frézky se liší velikostí, konfigurací os, rychlostí posuvu, řeznou rychlostí, směrem frézování a dalšími charakteristikami.
Obecně však všechny CNC frézy využívají rotující vřeteno k odříznutí nežádoucího materiálu.Používají se k řezání tvrdých kovů, jako je ocel a titan, ale lze je použít také s materiály, jako je plast a hliník.
CNC frézy jsou konstruovány pro opakovatelnost a lze je použít pro vše od prototypování až po velkoobjemovou výrobu.Špičkové přesné CNC frézy se často používají pro práci s úzkou tolerancí, jako je frézování jemných zápustek a forem.
Zatímco CNC frézování může zajistit rychlou obrátku, stejně jako frézování vytváří díly s viditelnými stopami po nástroji.Může také produkovat součásti s ostrými hranami a otřepy, takže pokud jsou hrany a otřepy pro tyto prvky nepřijatelné, mohou být nutné další procesy.
Odjehlovací nástroje naprogramované do sekvence samozřejmě odjehlují, i když obvykle dosahují maximálně 90 % hotového požadavku, přičemž některé funkce zůstanou pro finální ruční dokončování.
Pokud jde o povrchovou úpravu, existují nástroje, které vytvoří nejen přijatelnou povrchovou úpravu, ale také zrcadlovou úpravu částí pracovního produktu.
Typy CNC fréz
Dva základní typy frézek jsou známé jako vertikální obráběcí centra a horizontální obráběcí centra, kde je primární rozdíl v orientaci vřetena stroje.
Vertikální obráběcí centrum je fréza, ve které je osa vřetena vyrovnána ve směru osy Z.Tyto vertikální stroje lze dále rozdělit do dvou typů:
■ Ložové frézy, ve kterých se vřeteno pohybuje rovnoběžně se svou vlastní osou, zatímco stůl se pohybuje kolmo k ose vřetena
■Revolverové frézy, u kterých je vřeteno nehybné a stůl se pohybuje tak, aby byl při řezání vždy kolmý a rovnoběžný s osou vřetena
V horizontálním obráběcím centru je osa vřetena frézy vyrovnána ve směru osy Y.Horizontální struktura znamená, že tyto mlýny mají tendenci zabírat více místa na strojní dílně;jsou také obecně těžší a výkonnější než vertikální stroje.
Horizontální fréza se často používá, když je požadována lepší povrchová úprava;to proto, že orientace vřetena znamená, že řezné třísky přirozeně odpadávají a lze je snadno odstranit.(Další výhodou je efektivní odstraňování třísek, které pomáhá prodloužit životnost nástroje.)
Obecně platí, že vertikální obráběcí centra jsou rozšířenější, protože mohou být stejně výkonná jako horizontální obráběcí centra a dokážou zpracovávat velmi malé díly.Vertikální centra mají navíc menší půdorys než horizontální obráběcí centra.
Víceosé CNC frézy
Přesná CNC frézovací centra jsou k dispozici s více osami.3osá fréza využívá osy X, Y a Z pro širokou škálu prací.Se 4osou frézou se může stroj otáčet na svislé a vodorovné ose a posouvat obrobek, aby umožnil plynulejší obrábění.
5osá fréza má tři tradiční osy a dvě další rotační osy, které umožňují otáčení obrobku, když se kolem něj vřetenová hlava pohybuje.To umožňuje obrábět pět stran obrobku bez vyjmutí obrobku a resetování stroje.
CNC soustruhy
Soustruh – také nazývaný soustružnické centrum – má jedno nebo více vřeten a osy X a Z.Stroj se používá k otáčení obrobku kolem jeho osy k provádění různých řezných a tvarovacích operací, přičemž se na obrobek aplikuje široká škála nástrojů.
CNC soustruhy, které se také nazývají live action tooling soustruhy, jsou ideální pro vytváření symetrických válcových nebo kulových dílů.Stejně jako CNC frézy, CNC soustruhy zvládnou menší operace, jako je prototypování, ale mohou být také nastaveny pro vysokou opakovatelnost a podporu velkoobjemové výroby.
CNC soustruhy lze také nastavit pro výrobu relativně bez použití rukou, díky čemuž jsou široce používány v automobilovém, elektronickém, leteckém, robotickém a lékařském průmyslu.
Jak funguje CNC soustruh
U CNC soustruhu se do sklíčidla vřetena soustruhu vloží polotovar polotovaru.Toto sklíčidlo drží obrobek na místě, zatímco se vřeteno otáčí.Když vřeteno dosáhne požadované rychlosti, stacionární řezný nástroj se uvede do kontaktu s obrobkem, aby se odstranil materiál a dosáhla se správná geometrie.
CNC soustruh může provádět řadu operací, jako je vrtání, závitování, vyvrtávání, vystružování, čelní soustružení a kuželové soustružení.Různé operace vyžadují výměnu nástroje a mohou prodloužit náklady a dobu nastavení.
Když jsou dokončeny všechny požadované operace obrábění, díl se v případě potřeby vyřízne ze zásoby pro další zpracování.CNC soustruh je pak připraven k opakování operace, přičemž mezi tím je obvykle vyžadována malá nebo žádná další doba nastavení.
CNC soustruhy mohou také obsahovat různé automatické podavače tyčí, které snižují množství ruční manipulace se surovinami a poskytují výhody, jako jsou následující:
■ Snižte čas a úsilí potřebné pro obsluhu stroje
■ Podepřete tyčový materiál, abyste snížili vibrace, které mohou negativně ovlivnit přesnost
■ Nechte obráběcí stroj pracovat při optimálních otáčkách vřetena
■ Minimalizujte doby výměny
■ Snižte plýtvání materiálem
Typy CNC soustruhů
Existuje celá řada různých typů soustruhů, ale nejběžnější jsou 2osé CNC soustruhy a automatické soustruhy čínského stylu.
Většina CNC soustruhů China používá jedno nebo dvě hlavní vřetena plus jedno nebo dvě zadní (nebo sekundární) vřetena, přičemž za první je zodpovědný rotační přenos.Hlavní vřeteno provádí primární obráběcí operaci pomocí vodícího pouzdra.
Některé soustruhy v čínském stylu jsou navíc vybaveny druhou nástrojovou hlavou, která funguje jako CNC fréza.
U CNC automatického soustruhu ve stylu Číny je materiál polotovaru přiváděn přes vřeteno posuvné hlavy do vodícího pouzdra.To umožňuje nástroji řezat materiál blíže k bodu, kde je materiál podepřen, díky čemuž je stroj China obzvláště výhodný pro dlouhé, štíhlé soustružené díly a pro mikroobrábění.
Víceosá CNC soustružnická centra a soustruhy v čínském stylu mohou provádět více obráběcích operací pomocí jediného stroje.Díky tomu jsou cenově výhodnou volbou pro složité geometrie, které by jinak vyžadovaly více strojů nebo výměny nástrojů pomocí zařízení, jako je tradiční CNC fréza.