Точная механическая обработка — это процесс удаления материала с заготовки с обеспечением высокой точности обработки поверхности. Существует множество типов прецизионных станков, включая фрезерные, токарные и электроэрозионные. Сегодня прецизионные станки, как правило, управляются с помощью систем числового программного управления (ЧПУ).
Практически все металлические изделия, как и многие другие материалы, такие как пластик и дерево, обрабатываются с помощью высокоточной механической обработки. Эти станки управляются квалифицированными и опытными механиками. Для того чтобы режущий инструмент выполнял свою работу, его необходимо перемещать в заданных направлениях для получения правильного среза. Это основное движение называется «скоростью резания». Также может перемещаться и заготовка, что называется вторичным движением «подачей». Вместе эти движения и острота режущего инструмента позволяют работать высокоточному станку.
Высокоточная механическая обработка требует умения следовать чрезвычайно точным чертежам, созданным с помощью программ САПР (систем автоматизированного проектирования) или САПР (систем автоматизированного производства), таких как AutoCAD и TurboCAD. Программное обеспечение помогает создавать сложные трехмерные схемы или контуры, необходимые для изготовления инструмента, станка или объекта. Эти чертежи должны соблюдаться с большой точностью, чтобы гарантировать сохранение целостности изделия. Хотя большинство компаний, занимающихся высокоточной механической обработкой, работают с программами САПР/САПР, на начальных этапах проектирования они часто используют эскизы, нарисованные от руки.
Точная механическая обработка применяется для обработки множества материалов, включая сталь, бронзу, графит, стекло и пластмассы, и это лишь некоторые из них. В зависимости от масштаба проекта и используемых материалов применяются различные прецизионные станки. Могут использоваться любые комбинации токарных, фрезерных, сверлильных станков, пил и шлифовальных станков, а также высокоскоростные роботы. В аэрокосмической отрасли может использоваться высокоскоростная обработка, а в деревообрабатывающей промышленности — фотохимическое травление и фрезерование. Объем производства, или определенное количество конкретного изделия, может исчисляться тысячами или составлять всего несколько штук. Точная механическая обработка часто требует программирования станков с ЧПУ, то есть они управляются компьютером с числовым программным управлением. Станок с ЧПУ позволяет точно соблюдать размеры на протяжении всего производственного процесса.
Фрезерование — это процесс механической обработки, при котором вращающиеся фрезы удаляют материал из заготовки путем продвижения (или подачи) фрезы в заготовку в определенном направлении. Фреза также может быть расположена под углом относительно оси инструмента. Фрезерование охватывает широкий спектр различных операций и станков, от небольших отдельных деталей до крупных, тяжелых операций группового фрезерования. Это один из наиболее часто используемых процессов для обработки деталей по индивидуальному заказу с высокой точностью.
Фрезерование может выполняться с помощью широкого спектра станков. Первоначальным классом станков для фрезерования были фрезерные станки (часто называемые фрезерными). После появления станков с числовым программным управлением (ЧПУ) фрезерные станки эволюционировали в обрабатывающие центры: фрезерные станки, дополненные автоматическими устройствами смены инструмента, инструментальными магазинами или карусельными механизмами, возможностью работы с ЧПУ, системами охлаждения и защитными кожухами. Фрезерные центры обычно классифицируются как вертикальные обрабатывающие центры (ВОМ) или горизонтальные обрабатывающие центры (ГОМ).
Интеграция фрезерования в токарные работы и наоборот началась с использования приводного инструмента на токарных станках и эпизодического применения фрезерных станков для токарных операций. Это привело к появлению нового класса станков — многофункциональных станков (МТС), специально разработанных для выполнения фрезерования и токарной обработки в одном и том же рабочем пространстве.
Для инженеров-конструкторов, научно-исследовательских групп и производителей, зависящих от поставок комплектующих, высокоточная обработка на станках с ЧПУ позволяет создавать сложные детали без дополнительной обработки. Фактически, высокоточная обработка на станках с ЧПУ часто позволяет изготавливать готовые детали на одном станке.
В процессе механической обработки удаляется материал и используется широкий спектр режущих инструментов для создания окончательной, зачастую очень сложной, конструкции детали. Точность повышается за счет использования числового программного управления (ЧПУ), которое автоматизирует управление обрабатывающими инструментами.
Роль станков с ЧПУ в прецизионной обработке.
Благодаря использованию закодированных программных инструкций, высокоточная обработка на станках с ЧПУ позволяет вырезать и придавать форму заготовке в соответствии с заданными параметрами без ручного вмешательства оператора станка.
Используя предоставленную заказчиком модель, полученную с помощью системы автоматизированного проектирования (САПР), опытный токарь применяет программное обеспечение для автоматизированного производства (САПР) для создания инструкций по обработке детали. На основе модели САПР программное обеспечение определяет необходимые траектории движения инструмента и генерирует программный код, который указывает станку:
■ Каковы правильные значения частоты вращения и скорости подачи?
■ Когда и куда перемещать инструмент и/или заготовку
■ Насколько глубоко нужно резать
■ Когда следует использовать охлаждающую жидкость
■ Любые другие факторы, связанные со скоростью, скоростью подачи и координацией.
Затем контроллер ЧПУ использует программный код для управления, автоматизации и мониторинга перемещений станка.
Сегодня ЧПУ — это встроенная функция широкого спектра оборудования, от токарных, фрезерных и фрезерных станков до электроэрозионных (ЭЭО), лазерных и плазменных станков для резки. Помимо автоматизации процесса обработки и повышения точности, ЧПУ исключает ручные операции и позволяет операторам контролировать работу нескольких станков одновременно.
Кроме того, после того как траектория движения инструмента разработана и станок запрограммирован, он может обрабатывать деталь любое количество раз. Это обеспечивает высокую точность и повторяемость, что, в свою очередь, делает процесс очень экономически эффективным и масштабируемым.
Материалы, подвергающиеся механической обработке
К числу металлов, которые обычно подвергаются механической обработке, относятся алюминий, латунь, бронза, медь, сталь, титан и цинк. Кроме того, обработке подлежат также дерево, пенопласт, стекловолокно и пластмассы, такие как полипропилен.
Фактически, для высокоточной обработки на станках с ЧПУ можно использовать практически любой материал — разумеется, в зависимости от области применения и требований.
Некоторые преимущества высокоточной обработки на станках с ЧПУ.
Для многих мелких деталей и компонентов, используемых в широком спектре производимой продукции, высокоточная обработка на станках с ЧПУ часто является предпочтительным методом изготовления.
Как и практически во всех методах резки и обработки, разные материалы ведут себя по-разному, а размер и форма детали также оказывают большое влияние на процесс. Однако в целом процесс прецизионной обработки на станках с ЧПУ имеет преимущества перед другими методами обработки.
Это объясняется тем, что станки с ЧПУ способны обеспечить:
■ Высокая степень сложности детали
■ Жесткие допуски, обычно в диапазоне от ±0,0002" (±0,00508 мм) до ±0,0005" (±0,0127 мм)
■ Исключительно гладкая поверхность, включая отделку по индивидуальному заказу.
■ Повторяемость результатов даже при больших объемах.
Хотя опытный токарь может использовать ручной токарный станок для изготовления качественных деталей в количестве 10 или 100 штук, что произойдет, если вам понадобится 1000 деталей? 10 000 деталей? 100 000 или миллион деталей?
Благодаря высокоточной обработке на станках с ЧПУ вы можете добиться масштабируемости и скорости, необходимых для такого рода крупносерийного производства. Кроме того, высокая повторяемость высокоточной обработки на станках с ЧПУ позволяет получать детали, идентичные от начала до конца, независимо от количества производимых деталей.
Существуют весьма специализированные методы обработки на станках с ЧПУ, включая электроэрозионную обработку проволокой (ЭЭО), аддитивные технологии и 3D-лазерную печать. Например, при электроэрозионной обработке проволокой используются проводящие материалы — как правило, металлы — и электрические разряды для придания заготовке сложных форм.
Однако здесь мы сосредоточимся на процессах фрезерования и токарной обработки — двух методах обработки материалов, которые широко распространены и часто используются для высокоточной обработки на станках с ЧПУ.
Фрезерование против токарной обработки
Фрезерование — это процесс механической обработки, при котором вращающийся цилиндрический режущий инструмент используется для удаления материала и придания ему нужной формы. Фрезерное оборудование, известное как фрезерный станок или обрабатывающий центр, позволяет обрабатывать детали сложной геометрии, в том числе и самые крупные металлические изделия.
Важной особенностью фрезерования является то, что заготовка остается неподвижной, в то время как режущий инструмент вращается. Иными словами, на фрезерном станке вращающийся режущий инструмент перемещается вокруг заготовки, которая остается неподвижной на станине.
Токарная обработка — это процесс резки или придания формы заготовке на станке, называемом токарным станком. Как правило, токарный станок вращает заготовку вокруг вертикальной или горизонтальной оси, в то время как неподвижный режущий инструмент (который может вращаться или нет) перемещается вдоль заданной оси.
Физически инструмент не может обойти деталь. Материал вращается, позволяя инструменту выполнять запрограммированные операции. (Существует подвид токарных станков, в которых инструмент вращается вокруг проволоки, подаваемой по катушке, однако это здесь не рассматривается.)
При токарной обработке, в отличие от фрезерования, заготовка вращается. Деталь вращается на шпинделе токарного станка, а режущий инструмент приводится в контакт с заготовкой.
Ручная обработка против обработки на станках с ЧПУ
Хотя фрезерные и токарные станки выпускаются в ручном исполнении, станки с ЧПУ больше подходят для изготовления мелких деталей, обеспечивая масштабируемость и повторяемость для применений, требующих крупносерийного производства деталей с жесткими допусками.
Помимо простых двухкоординатных станков, в которых инструмент перемещается по осям X и Z, в линейку высокоточного оборудования с ЧПУ входят многокоординатные модели, в которых может перемещаться и заготовка. Это отличается от токарного станка, где заготовка может только вращаться, а инструменты перемещаются для создания желаемой геометрии.
Многоосевые конфигурации позволяют изготавливать более сложные геометрические формы за одну операцию, не требуя дополнительных усилий от оператора станка. Это не только упрощает производство сложных деталей, но и снижает или исключает вероятность ошибки оператора.
Кроме того, использование охлаждающей жидкости под высоким давлением в сочетании с высокоточной обработкой на станках с ЧПУ гарантирует, что стружка не попадет в обрабатываемую деталь, даже при использовании станка с вертикально ориентированным шпинделем.
Фрезерные станки с ЧПУ
Различные фрезерные станки отличаются по своим размерам, конфигурации осей, скорости подачи, скорости резания, направлению подачи при фрезеровании и другим характеристикам.
Однако, как правило, все фрезерные станки с ЧПУ используют вращающийся шпиндель для удаления ненужного материала. Они применяются для обработки твердых металлов, таких как сталь и титан, но также могут использоваться для обработки таких материалов, как пластик и алюминий.
Фрезерные станки с ЧПУ созданы для обеспечения повторяемости результатов и могут использоваться для самых разных задач, от прототипирования до крупносерийного производства. Высокоточные фрезерные станки с ЧПУ часто используются для работы с жесткими допусками, например, для фрезерования штампов и пресс-форм.
Хотя фрезерование на станках с ЧПУ обеспечивает быструю обработку, после фрезеровки на деталях остаются видимые следы инструмента. Кроме того, могут образовываться острые кромки и заусенцы, поэтому, если наличие таких кромок и заусенцев неприемлемо, могут потребоваться дополнительные процессы.
Разумеется, инструменты для снятия заусенцев, запрограммированные в последовательность действий, будут снимать заусенцы, хотя обычно это позволяет достичь максимум 90% требуемого результата, оставляя некоторые элементы для окончательной ручной обработки.
Что касается качества обработки поверхности, существуют инструменты, которые позволяют получить не только приемлемое качество поверхности, но и зеркальную полировку отдельных участков обрабатываемого изделия.
Типы фрезерных станков с ЧПУ
Существует два основных типа фрезерных станков: вертикальные и горизонтальные обрабатывающие центры, основное различие между которыми заключается в ориентации шпинделя станка.
Вертикальный обрабатывающий центр — это фрезерный станок, в котором ось шпинделя ориентирована вдоль оси Z. Эти вертикальные станки можно разделить на два типа:
■Столешничные фрезерные станы, в которых шпиндель перемещается параллельно своей оси, а стол — перпендикулярно оси шпинделя.
■Рельсовые фрезерные станки, в которых шпиндель неподвижен, а стол перемещается таким образом, что во время операции резки он всегда перпендикулярен и параллелен оси шпинделя.
В горизонтальном обрабатывающем центре ось шпинделя фрезерного станка ориентирована вдоль оси Y. Горизонтальная конструкция означает, что такие станки, как правило, занимают больше места в цехе; кроме того, они обычно тяжелее и мощнее, чем вертикальные станки.
Горизонтальный фрезерный станок часто используется, когда требуется более качественная обработка поверхности; это связано с тем, что ориентация шпинделя позволяет стружке естественным образом отходить и легко удаляться. (В качестве дополнительного преимущества, эффективное удаление стружки способствует увеличению срока службы инструмента.)
В целом, вертикальные обрабатывающие центры более распространены, поскольку они могут быть такими же мощными, как и горизонтальные, и способны обрабатывать очень мелкие детали. Кроме того, вертикальные центры занимают меньшую площадь, чем горизонтальные.
Многоосевые фрезерные станки с ЧПУ
Высокоточные фрезерные центры с ЧПУ доступны с несколькими осями. Трехосевой фрезерный станок использует оси X, Y и Z для выполнения широкого спектра работ. Четырехосевой фрезерный станок может вращаться вокруг вертикальной и горизонтальной осей и перемещать заготовку, что позволяет осуществлять более непрерывную обработку.
Пятиосевой фрезерный станок имеет три традиционные оси и две дополнительные вращательные оси, позволяющие вращать заготовку по мере перемещения шпиндельной головки вокруг нее. Это позволяет обрабатывать пять сторон заготовки без снятия заготовки и повторной установки станка.
токарные станки с ЧПУ
Токарный станок — также называемый обрабатывающим центром — имеет один или несколько шпинделей, а также оси X и Z. Станок используется для вращения заготовки вокруг её оси с целью выполнения различных операций резки и формовки, при этом к заготовке применяется широкий спектр инструментов.
Токарные станки с ЧПУ, также называемые токарными станками с приводным механизмом, идеально подходят для создания симметричных цилиндрических или сферических деталей. Как и фрезерные станки с ЧПУ, токарные станки с ЧПУ могут выполнять более мелкие операции, такие как прототипирование, но также могут быть настроены на высокую повторяемость, что позволяет осуществлять крупносерийное производство.
Токарные станки с ЧПУ также можно настроить для производства, практически не требующего ручного труда, что делает их широко используемыми в автомобильной, электронной, аэрокосмической, робототехнической и медицинской промышленности.
Как работает токарный станок с ЧПУ
В токарном станке с ЧПУ заготовка из заготовки загружается в патрон шпинделя. Этот патрон удерживает заготовку на месте, пока шпиндель вращается. Когда шпиндель достигает необходимой скорости, неподвижный режущий инструмент приводится в контакт с заготовкой для удаления материала и получения нужной геометрии.
Токарный станок с ЧПУ может выполнять ряд операций, таких как сверление, нарезание резьбы, расточка, развертывание, торцевая обработка и коническая токарная обработка. Различные операции требуют смены инструмента и могут увеличить стоимость и время настройки.
После завершения всех необходимых операций механической обработки деталь вырезается из заготовки для дальнейшей обработки, если это необходимо. Затем токарный станок с ЧПУ готов повторить операцию, при этом обычно требуется минимальное или нулевое время на настройку между этапами.
Токарные станки с ЧПУ также могут оснащаться различными автоматическими податчиками прутка, что сокращает объем ручной обработки сырья и обеспечивает такие преимущества, как:
■ Сокращение времени и усилий, затрачиваемых оператором станка.
■ Поддержите заготовку, чтобы уменьшить вибрации, которые могут негативно повлиять на точность.
■ Обеспечьте оптимальную скорость вращения шпинделя станка.
■ Минимизация времени переналадки
■ Сокращение отходов материалов
Типы токарных станков с ЧПУ
Существует несколько различных типов токарных станков, но наиболее распространены 2-осевые токарные станки с ЧПУ и автоматические токарные станки китайского образца.
Большинство токарных станков с ЧПУ, производимых в Китае, используют один или два главных шпинделя и один или два вспомогательных (или дополнительных) шпинделя, при этом за работу главного шпинделя отвечает вращательная передача. Главный шпиндель выполняет основную операцию обработки с помощью направляющей втулки.
Кроме того, некоторые токарные станки китайского образца оснащены второй инструментальной головкой, которая работает как фрезерный станок с ЧПУ.
На автоматическом токарном станке с ЧПУ китайского типа заготовка подается через шпиндель со скользящей головкой в направляющую втулку. Это позволяет инструменту обрабатывать материал ближе к точке его опоры, что делает китайский станок особенно полезным для обработки длинных, тонких точеных деталей и для микрообработки.
Многоосевые токарные центры с ЧПУ и станки китайского типа позволяют выполнять множество операций обработки на одном станке. Это делает их экономически выгодным вариантом для сложных геометрических форм, которые в противном случае потребовали бы использования нескольких станков или смены инструмента при работе с таким оборудованием, как традиционный фрезерный станок с ЧПУ.