Прецизионная обработка - это процесс удаления материала с детали во время чистовой обработки с жесткими допусками. Прецизионные станки бывают разных типов, в том числе фрезерные, токарные и электроэрозионные. Сегодня прецизионный станок обычно управляется с помощью числового программного управления (ЧПУ).
Почти для всех металлических изделий используется прецизионная обработка, как и для многих других материалов, таких как пластик и дерево. Эти машины обслуживаются специализированными и обученными машинистами. Чтобы режущий инструмент выполнял свою работу, его необходимо перемещать в указанном направлении для выполнения правильного резания. Это первичное движение называется «скоростью резания». Заготовку также можно перемещать, это называется вторичным движением «подачи». Вместе эти движения и острота режущего инструмента позволяют прецизионному станку работать.
Качественная прецизионная обработка требует способности следовать чрезвычайно конкретным чертежам, созданным программами CAD (автоматизированное проектирование) или CAM (автоматизированное производство), такими как AutoCAD и TurboCAD. Программное обеспечение может помочь в создании сложных трехмерных диаграмм или схем, необходимых для изготовления инструмента, станка или объекта. Эти чертежи должны соблюдаться с особой тщательностью, чтобы гарантировать сохранение целостности продукта. Хотя большинство компаний, занимающихся прецизионной обработкой, работают с некоторыми формами программ CAD / CAM, они по-прежнему часто работают с рисованными эскизами на начальных этапах проектирования.
Прецизионная обработка используется для обработки ряда материалов, включая сталь, бронзу, графит, стекло и пластмассы. В зависимости от масштабов проекта и используемых материалов будут использоваться различные инструменты для прецизионной обработки. Может использоваться любая комбинация токарных и фрезерных станков, сверлильных станков, пил и шлифовальных станков и даже высокоскоростная робототехника. В аэрокосмической промышленности может использоваться высокоскоростная обработка, а в деревообрабатывающей промышленности - процессы фотохимического травления и фрезерования. Производство тиража или определенного количества любого конкретного элемента может исчисляться тысячами или быть всего несколькими. Для прецизионной обработки часто требуется программирование устройств с ЧПУ, что означает, что они управляются с помощью ЧПУ. Устройство ЧПУ позволяет следить за точными размерами на протяжении всего цикла производства продукта.
Фрезерование - это процесс обработки с использованием вращающихся фрез для удаления материала с заготовки путем продвижения (или подачи) фрезы в заготовку в определенном направлении. Фрезу также можно держать под углом к оси инструмента. Фрезерование охватывает широкий спектр различных операций и машин, начиная от мелких отдельных деталей и заканчивая крупногабаритными фрезерными операциями в тяжелых условиях. Это один из наиболее часто используемых процессов для обработки нестандартных деталей с точными допусками.
Фрезерование можно производить на самых разных станках. Первоначальным классом фрезерных станков был фрезерный станок (часто называемый фрезерным). После появления компьютерно-числового управления (ЧПУ) фрезерные станки превратились в обрабатывающие центры: фрезерные станки, дополненные устройствами автоматической смены инструмента, инструментальными магазинами или каруселями, возможностями ЧПУ, системами охлаждающей жидкости и кожухами. Фрезерные центры обычно классифицируются как вертикальные обрабатывающие центры (VMC) или горизонтальные обрабатывающие центры (HMC).
Интеграция фрезерования в токарную среду и наоборот началась с рабочего инструмента для токарных станков и периодического использования фрез для токарных операций. Это привело к появлению нового класса станков, многозадачных станков (MTM), которые специально созданы для облегчения фрезерования и токарной обработки в рамках одного рабочего диапазона.
Для инженеров-конструкторов, групп НИОКР и производителей, которые зависят от поставщиков деталей, прецизионная обработка с ЧПУ позволяет создавать сложные детали без дополнительной обработки. Фактически, прецизионная обработка с ЧПУ часто позволяет изготавливать готовые детали на одном станке.
В процессе обработки удаляется материал и используется широкий спектр режущих инструментов для создания окончательной и часто очень сложной конструкции детали. Уровень точности повышается за счет использования числового программного управления (ЧПУ), которое используется для автоматизации управления обрабатывающими инструментами.
Роль «ЧПУ» в прецизионной обработке
Используя закодированные инструкции по программированию, прецизионная обработка с ЧПУ позволяет вырезать и придавать форму заготовке в соответствии со спецификациями без ручного вмешательства оператора станка.
Взяв модель автоматизированного проектирования (CAD), предоставленную заказчиком, опытный машинист использует программное обеспечение для автоматизированного производства (CAM) для создания инструкций по обработке детали. На основе модели САПР программное обеспечение определяет, какие траектории движения инструмента необходимы, и генерирует программный код, который сообщает машине:
■ Каковы правильные обороты и скорость подачи?
■ Когда и куда перемещать инструмент и / или заготовку
■ Насколько глубоко резать
■ Когда применять охлаждающую жидкость
■ Любые другие факторы, связанные со скоростью, скоростью подачи и координацией.
Затем контроллер ЧПУ использует программный код для управления, автоматизации и отслеживания движений станка.
Сегодня ЧПУ является встроенной функцией широкого спектра оборудования, от токарных, фрезерных и фрезерных станков до электроэрозионных станков (электроэрозионной обработки), станков для лазерной и плазменной резки. Помимо автоматизации процесса обработки и повышения точности, ЧПУ исключает ручные операции и освобождает машинистов для наблюдения за несколькими станками, работающими одновременно.
Кроме того, после того, как траектория инструмента была спроектирована и станок запрограммирован, он может запускать деталь любое количество раз. Это обеспечивает высокий уровень точности и повторяемости, что, в свою очередь, делает процесс очень рентабельным и масштабируемым.
Обрабатываемые материалы
Некоторые металлы, которые обычно обрабатываются, включают алюминий, латунь, бронзу, медь, сталь, титан и цинк. Кроме того, можно обрабатывать дерево, пену, стекловолокно и пластмассы, такие как полипропилен.
Фактически, практически любой материал может быть использован с прецизионной обработкой с ЧПУ - конечно, в зависимости от приложения и его требований.
Некоторые преимущества прецизионной обработки с ЧПУ
Для многих мелких деталей и компонентов, которые используются в широком диапазоне производимых продуктов, прецизионная обработка с ЧПУ часто является предпочтительным методом изготовления.
Как и практически все методы резки и обработки, разные материалы ведут себя по-разному, а размер и форма компонента также имеют большое влияние на процесс. Однако в целом прецизионная обработка с ЧПУ имеет преимущества перед другими методами обработки.
Это потому, что обработка с ЧПУ может обеспечить:
■ Высокая степень сложности деталей
■ Жесткие допуски, обычно от ± 0,0002 дюйма (± 0,00508 мм) до ± 0,0005 дюйма (± 0,0127 мм)
■ Исключительно гладкая поверхность, в том числе нестандартная.
■ Повторяемость даже на больших объемах
Если опытный машинист может использовать ручной токарный станок для изготовления качественной детали в количестве от 10 до 100 штук, что произойдет, если вам понадобится 1000 деталей? 10000 деталей? 100000 или миллион деталей?
Благодаря прецизионной обработке с ЧПУ вы можете получить масштабируемость и скорость, необходимые для этого типа крупносерийного производства. Кроме того, высокая воспроизводимость прецизионной обработки с ЧПУ дает вам детали, которые будут одинаковыми от начала до конца, независимо от того, сколько деталей вы производите.
Существует несколько очень специализированных методов обработки с ЧПУ, включая проволочную электроэрозионную обработку (электроэрозионную обработку), аддитивную обработку и 3D-лазерную печать. Например, электроэрозионный электроэрозионный станок использует токопроводящие материалы, обычно металлы, и электрические разряды для придания заготовке сложной формы.
Однако здесь мы сосредоточимся на процессах фрезерования и токарной обработки - двух методах вычитания, которые широко доступны и часто используются для прецизионной обработки с ЧПУ.
Фрезерование против токарной обработки
Фрезерование - это процесс обработки, в котором используется вращающийся цилиндрический режущий инструмент для удаления материала и создания форм. Фрезерное оборудование, известное как фрезерный станок или обрабатывающий центр, позволяет создавать множество деталей сложной геометрии на некоторых из самых крупных обрабатываемых металлических объектов.
Важной характеристикой фрезерования является то, что заготовка остается неподвижной, пока режущий инструмент вращается. Другими словами, на фрезере вращающийся режущий инструмент перемещается вокруг заготовки, которая остается зафиксированной на станине.
Токарная обработка - это процесс резки или придания формы заготовке на токарном станке. Обычно токарный станок вращает заготовку по вертикальной или горизонтальной оси, в то время как фиксированный режущий инструмент (который может вращаться, а может и не вращаться) движется по запрограммированной оси.
Инструмент не может физически обойти деталь. Материал вращается, позволяя инструменту выполнять запрограммированные операции. (Существует подмножество токарных станков, в которых инструменты вращаются вокруг проволоки с катушкой, но это здесь не рассматривается.)
При токарной обработке, в отличие от фрезерования, деталь раскручивается. Деталь включает шпиндель токарного станка, и режущий инструмент входит в контакт с заготовкой.
Ручная обработка по сравнению с ЧПУ
В то время как фрезерные и токарные станки доступны в ручных моделях, станки с ЧПУ больше подходят для производства мелких деталей, предлагая масштабируемость и повторяемость для приложений, требующих крупносерийного производства деталей с жесткими допусками.
В дополнение к простым 2-осевым станкам, на которых инструмент перемещается по осям X и Z, прецизионное оборудование с ЧПУ включает многоосные модели, в которых заготовка также может перемещаться. Это контрастирует с токарным станком, где заготовка ограничена вращением, и инструменты будут перемещаться, чтобы создать желаемую геометрию.
Эти многоосные конфигурации позволяют изготавливать изделия более сложной формы за одну операцию, не требуя дополнительной работы со стороны оператора станка. Это не только упрощает производство сложных деталей, но также снижает или устраняет вероятность ошибки оператора.
Кроме того, использование СОЖ под высоким давлением при прецизионной обработке с ЧПУ гарантирует, что стружка не попадет на работу, даже при использовании станка с вертикально ориентированным шпинделем.
Фрезерные станки с ЧПУ
Различные фрезерные станки различаются по размерам, конфигурации осей, скорости подачи, скорости резания, направлению подачи фрезерования и другим характеристикам.
Однако, как правило, все фрезерные станки с ЧПУ используют вращающийся шпиндель для резки нежелательного материала. Они используются для резки твердых металлов, таких как сталь и титан, но также могут использоваться с такими материалами, как пластик и алюминий.
Фрезерные станки с ЧПУ созданы для обеспечения повторяемости и могут использоваться для всего, от прототипирования до крупносерийного производства. Высокоточные фрезерные станки с ЧПУ часто используются для работ с жесткими допусками, таких как фрезерование мелких штампов и пресс-форм.
В то время как фрезерование с ЧПУ может обеспечить быструю обработку, чистовая обработка после фрезерования создает детали с видимыми следами инструмента. Он также может производить детали с некоторыми острыми кромками и заусенцами, поэтому могут потребоваться дополнительные процессы, если кромки и заусенцы неприемлемы для этих элементов.
Конечно, инструменты для удаления заусенцев, запрограммированные в последовательности, будут снимать заусенцы, хотя обычно они достигают не более 90% готовой обработки, оставляя некоторые функции для окончательной ручной чистовой обработки.
Что касается чистовой обработки поверхности, существуют инструменты, которые обеспечивают не только приемлемую отделку поверхности, но также и зеркальную отделку частей обрабатываемого продукта.
Типы фрезерных станков с ЧПУ
Два основных типа фрезерных станков известны как вертикальные обрабатывающие центры и горизонтальные обрабатывающие центры, где основное различие заключается в ориентации шпинделя станка.
Вертикальный обрабатывающий центр - это фрезерный станок, в котором ось шпинделя выровнена в направлении оси Z. Эти вертикальные машины можно разделить на два типа:
■ Станины, в которых шпиндель движется параллельно своей оси, а стол движется перпендикулярно оси шпинделя.
■ Револьверные фрезы, в которых шпиндель неподвижен, а стол перемещается так, чтобы он всегда был перпендикулярен и параллелен оси шпинделя во время операции резания.
В горизонтальном обрабатывающем центре ось шпинделя фрезы выровнена в направлении оси Y. Горизонтальная структура означает, что эти мельницы, как правило, занимают больше места в цехе механического цеха; они также обычно тяжелее и мощнее вертикальных машин.
Горизонтальная фреза часто используется, когда требуется более качественная обработка поверхности; это потому, что ориентация шпинделя означает, что стружка естественным образом отпадает и легко удаляется. (В качестве дополнительного преимущества эффективное удаление стружки помогает увеличить срок службы инструмента.)
В целом вертикальные обрабатывающие центры более распространены, поскольку они могут быть такими же мощными, как горизонтальные обрабатывающие центры, и могут обрабатывать очень мелкие детали. Кроме того, вертикальные центры занимают меньше места, чем горизонтальные обрабатывающие центры.
Многоосевые фрезерные станки с ЧПУ
Прецизионные фрезерные центры с ЧПУ доступны с несколькими осями. Трехкоординатный фрезерный станок использует оси X, Y и Z для самых разных работ. С 4-осевым фрезером станок может вращаться по вертикальной и горизонтальной осям и перемещать заготовку, чтобы обеспечить более непрерывную обработку.
5-осевой фрезерный станок имеет три традиционные оси и две дополнительные оси вращения, что позволяет вращать заготовку при движении шпиндельной головки вокруг нее. Это позволяет обрабатывать пять сторон заготовки, не снимая заготовку и не перезагружая станок.
Токарные станки с ЧПУ
Токарный станок, также называемый токарным центром, имеет один или несколько шпинделей и оси X и Z. Станок используется для вращения заготовки вокруг своей оси для выполнения различных операций резки и формовки, применяя к заготовке широкий спектр инструментов.
Токарные станки с ЧПУ, которые также называют токарными станками с динамическим током, идеально подходят для создания симметричных цилиндрических или сферических деталей. Подобно фрезерным станкам с ЧПУ, токарные станки с ЧПУ могут выполнять более мелкие операции, такие как создание прототипов, но также могут быть настроены на высокую повторяемость, поддерживая крупносерийное производство.
Токарные станки с ЧПУ также могут быть настроены для производства относительно без помощи рук, что делает их широко используемыми в автомобильной, электронной, аэрокосмической, робототехнической и медицинской промышленности.
Как работает токарный станок с ЧПУ
На токарном станке с ЧПУ заготовка заготовки загружается в патрон шпинделя токарного станка. Этот патрон удерживает заготовку на месте во время вращения шпинделя. Когда шпиндель достигает необходимой скорости, неподвижный режущий инструмент входит в контакт с заготовкой для удаления материала и получения правильной геометрии.
Токарный станок с ЧПУ может выполнять ряд операций, таких как сверление, нарезание резьбы, растачивание, развертывание, торцевание и точение конуса. Различные операции требуют смены инструмента и могут увеличить стоимость и время настройки.
Когда все необходимые операции обработки завершены, деталь вырезается из заготовки для дальнейшей обработки, если это необходимо. После этого токарный станок с ЧПУ готов к повторению операции с минимальным или отсутствующим дополнительным временем на настройку, которое обычно требуется между ними.
Токарные станки с ЧПУ также могут быть оснащены различными автоматическими устройствами подачи прутка, которые сокращают объем ручной обработки сырья и обеспечивают следующие преимущества:
■ Снижение затрат времени и усилий оператора станка.
■ Поддерживайте пруток, чтобы уменьшить вибрации, которые могут отрицательно повлиять на точность
■ Позвольте станку работать с оптимальной скоростью шпинделя.
■ Минимизируйте время переналадки
■ Уменьшить отходы материала
Типы токарных станков с ЧПУ
Существует ряд различных типов токарных станков, но наиболее распространенными являются 2-осевые токарные станки с ЧПУ и токарные автоматы китайского типа.
Большинство токарных станков с ЧПУ в Китае используют один или два основных шпинделя плюс один или два задних (или второстепенных) шпинделя, причем первый отвечает за вращательный перенос. Главный шпиндель выполняет первичную обработку с помощью направляющей втулки.
Кроме того, некоторые токарные станки китайского типа оснащены второй инструментальной головкой, которая работает как фрезерный станок с ЧПУ.
На автоматическом токарном станке с ЧПУ китайского типа заготовка подается через шпиндель продольной головки в направляющую втулку. Это позволяет инструменту резать материал ближе к точке, в которой он поддерживается, что делает китайский станок особенно полезным для обработки длинных тонких деталей, а также для микрообработки.
Многоосевые токарные центры с ЧПУ и токарные станки китайского типа могут выполнять несколько операций обработки на одном станке. Это делает их экономически эффективным вариантом для сложных геометрических форм, которые в противном случае потребовали бы нескольких станков или смены инструментов с использованием такого оборудования, как традиционный фрезерный станок с ЧПУ.