Прецизионная обработка — это процесс удаления материала с заготовки с сохранением точности обработки. Существует множество видов прецизионных станков, включая фрезерные, токарные и электроэрозионные. Сегодня прецизионные станки, как правило, управляются с помощью числового программного управления (ЧПУ).
Почти все металлические изделия, как и многие другие материалы, такие как пластик и дерево, подвергаются прецизионной обработке. Этими станками управляют специализированные и обученные операторы. Чтобы режущий инструмент выполнял свою работу, его необходимо перемещать в заданных направлениях для выполнения правильного реза. Это основное движение называется «скоростью резания». Заготовка также может перемещаться, что называется вторичным движением «подача». Сочетание этих движений и остроты режущего инструмента обеспечивает работу прецизионного станка.
Высококачественная прецизионная обработка требует умения работать с очень точными чертежами, созданными в программах CAD (систем автоматизированного проектирования) или CAM (систем автоматизированного производства), таких как AutoCAD и TurboCAD. Это программное обеспечение позволяет создавать сложные трёхмерные схемы или контуры, необходимые для изготовления инструмента, машины или объекта. Эти чертежи должны быть выполнены с максимальной точностью, чтобы гарантировать целостность изделия. Хотя большинство компаний, занимающихся прецизионной обработкой, используют те или иные программы CAD/CAM, на начальных этапах проектирования они часто работают с нарисованными от руки эскизами.
Прецизионная механическая обработка применяется к ряду материалов, включая сталь, бронзу, графит, стекло и пластик, и это лишь некоторые из них. В зависимости от масштаба проекта и используемых материалов, будут использоваться различные инструменты для прецизионной обработки. Могут использоваться любые комбинации токарных, фрезерных станков, сверлильных станков, пил и шлифовальных станков, и даже высокоскоростные роботы. В аэрокосмической промышленности может использоваться высокоскоростная механическая обработка, в то время как в деревообрабатывающей инструментальной промышленности могут применяться процессы фотохимического травления и фрезерования. Количество партий или определенное количество любого конкретного изделия может исчисляться тысячами или быть всего несколькими. Прецизионная механическая обработка часто требует программирования устройств с ЧПУ, что означает, что они имеют числовое программное управление. Устройство с ЧПУ позволяет соблюдать точные размеры на протяжении всего цикла производства продукта.
Фрезерование — это процесс механической обработки, при котором вращающиеся фрезы удаляют материал с заготовки путём подачи (или подвода) фрезы к заготовке в определённом направлении. Фреза также может располагаться под углом к оси инструмента. Фрезерование охватывает широкий спектр различных операций и станков, от обработки отдельных деталей небольшого размера до крупногабаритных и высокопроизводительных многоцелевых фрезерных станков. Это один из наиболее распространённых процессов обработки деталей на заказ с точными допусками.
Фрезерование может выполняться с помощью широкого спектра станков. Первоначальным классом станков для фрезерования были фрезерные станки (часто называемые фрезами). После появления числового программного управления (ЧПУ) фрезерные станки эволюционировали в обрабатывающие центры: фрезерные станки, дополненные устройствами автоматической смены инструмента, магазинами или карусельными станками, ЧПУ, системами охлаждения и кожухами. Фрезерные центры обычно подразделяются на вертикальные обрабатывающие центры (ВОКЦ) и горизонтальные обрабатывающие центры (ГОЦ).
Интеграция фрезерования в токарные процессы, и наоборот, началась с использования приводного инструмента для токарных станков и периодического использования фрез для токарных операций. Это привело к появлению нового класса станков – многозадачных станков (МТС), специально разработанных для фрезерования и токарной обработки в одной рабочей зоне.
Для инженеров-конструкторов, отделов НИОКР и производителей, зависящих от поставок деталей, прецизионная обработка с ЧПУ позволяет создавать сложные детали без дополнительной обработки. Более того, прецизионная обработка 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 весьма сложной конструкции детали. Уровень точности повышается благодаря использованию числового программного управления (ЧПУ), которое автоматизирует управление обрабатывающими инструментами.
Роль «ЧПУ» в прецизионной обработке
Используя закодированные программные инструкции, прецизионная обработка на станках с ЧПУ позволяет резать и формовать заготовку в соответствии с техническими требованиями без ручного вмешательства оператора станка.
Используя предоставленную заказчиком модель САПР (CAD), опытный механик использует программное обеспечение для автоматизированного производства (CAM) для создания инструкций по обработке детали. На основе САПР-модели программа определяет необходимые траектории движения инструмента и генерирует программный код, который сообщает станку:
■ Каковы правильные обороты и скорости 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 мониторинга движений станка.
Сегодня ЧПУ встроено в широкий спектр оборудования: от токарных, фрезерных и фрезерных станков до электроэрозионных (электроэрозионных) станков, лазерных и плазменных резаков. Помимо автоматизации процесса обработки и повышения точности, ЧПУ исключает ручную работу и позволяет операторам управлять несколькими станками одновременно.
Кроме того, после проектирования траектории движения инструмента и программирования станка, он может обрабатывать деталь любое количество раз. Это обеспечивает высокий уровень точности и повторяемости, что, в свою очередь, делает процесс высокорентабельным и масштабируемым.
Материалы, которые обрабатываются
К наиболее часто обрабатываемым металлам относятся алюминий, латунь, бронза, медь, сталь, титан и цинк. Кроме того, обработке подвергаются дерево, пенопласт, стекловолокно и пластик, например, полипропилен.
Фактически, практически любой материал можно обрабатывать с помощью прецизионной обработки на станке с ЧПУ — конечно, в зависимости от области применения и предъявляемых к ней требований.
Некоторые преимущества прецизионной обработки с ЧПУ
Для многих мелких деталей и компонентов, которые используются в широком спектре промышленных изделий, точная обработка на станках 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 детали также оказывают большое влияние на процесс. Однако в целом прецизионная обработка на станках с ЧПУ обладает преимуществами по сравнению с другими методами обработки.
Это связано с тем, что обработка на станках с ЧПУ позволяет добиться следующих результатов:
■ Высокая степень сложности детали
■ Жесткие допуски, обычно от ±0,0002 дюйма (±0,00508 мм) до ±0,0005 дюйма (±0,0127 мм)
■ Исключительно гладкая отделка поверхности, включая индивидуальную отделку
■ Повторяемость даже при больших объемах
Опытный механик может с помощью ручного токарного станка изготовить качественную деталь в количестве 10 или 100 штук. Но что делать, когда вам нужно 1000 деталей? 10 000 деталей? 100 000 или миллион деталей?
Прецизионная обработка с ЧПУ обеспечивает масштабируемость и скорость, необходимые для такого типа крупносерийного производства. Кроме того, высокая повторяемость прецизионной обработки с ЧПУ позволяет получать детали, идентичные от начала до конца, независимо от количества производимых деталей.
Существуют некоторые узкоспециализированные методы обработки на станках с ЧПУ, включая электроэрозионную обработку (ЭЭО), аддитивную обработку и 3D-лазерную печать. Например, при ЭЭО используются токопроводящие материалы (обычно металлы) и электрические разряды для придания заготовке сложной формы.
Однако здесь мы сосредоточимся на процессах фрезерования и токарной обработки — двух субтрактивных методах, которые широко доступны и часто используются для точной обработки на станках с ЧПУ.
Фрезерование против точения
Фрезерование — это процесс механической обработки, при котором вращающийся цилиндрический режущий инструмент удаляет материал и придаёт ему нужную форму. Фрезерное оборудование, известное как фреза или обрабатывающий центр, позволяет обрабатывать детали сложной геометрии на самых крупных металлических изделиях.
Важной особенностью фрезерования является то, что заготовка остаётся неподвижной, пока режущий инструмент вращается. Другими словами, на фрезерном станке вращающийся режущий инструмент движется вокруг заготовки, которая неподвижно закреплена на станине.
Токарная обработка — это процесс резки или формовки заготовки на оборудовании, называемом токарным станком. Обычно токарный станок вращает заготовку по вертикальной или горизонтальной оси, в то время как неподвижный режущий инструмент (который может вращаться или не вращаться) перемещается вдоль заданной оси.
Инструмент не может физически обходить деталь. Материал вращается, позволяя инструменту выполнять запрограммированные операции. (Существует подкласс токарных станков, в которых инструменты вращаются вокруг проволоки, подаваемой с катушки, однако он здесь не рассматривается.)
При точении, в отличие от фрезерования, заготовка вращается. Она вращается в шпинделе токарного станка, а режущий инструмент контактирует с заготовкой.
Ручная обработка против обработки с ЧПУ
Хотя и фрезерные, и токарные станки доступны в ручных моделях, станки с ЧПУ больше подходят для изготовления мелких деталей, обеспечивая масштабируемость и повторяемость для приложений, требующих крупносерийного производства деталей с жесткими допусками.
Помимо простых двухкоординатных станков, в которых инструмент перемещается по осям X и Z, прецизионное оборудование с ЧПУ включает многокоординатные модели, в которых заготовка также может перемещаться. Это отличает его от токарного станка, где заготовка ограничена вращением, а инструменты перемещаются для создания необходимой геометрии.
Эти многокоординатные конфигурации позволяют изготавливать изделия более сложной геометрии за одну операцию, не требуя дополнительных усилий со стороны оператора станка. Это не только упрощает изготовление сложных деталей, но и снижает или полностью исключает вероятность ошибок оператора.
Кроме того, применение СОЖ под высоким давлением при точной обработке на станках с ЧПУ гарантирует отсутствие попадания стружки в обработку даже при использовании станка с вертикально расположенным шпинделем.
Фрезерные станки с ЧПУ
Различные фрезерные станки различаются по своим 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 удаления ненужного материала. Они используются для резки твёрдых металлов, таких как сталь и титан, но также могут использоваться для резки таких материалов, как пластик и алюминий.
Фрезерные станки с ЧПУ разработаны для обеспечения повторяемости и могут использоваться для любых задач: от создания прототипов до крупносерийного производства. Высокоточные фрезерные станки с ЧПУ часто используются для обработки деталей с жесткими допусками, например, для фрезерования штампов и пресс-форм.
Хотя фрезерование с ЧПУ может обеспечить быструю обработку, после фрезерования на деталях остаются видимые следы инструмента. Кроме того, при фрезеровании могут образовываться острые кромки и заусенцы, поэтому могут потребоваться дополнительные обработки, если кромки и заусенцы неприемлемы для этих деталей.
Конечно, запрограммированные в последовательность инструменты для снятия заусенцев снимут заусенцы, хотя обычно при этом достигается максимум 90% требуемой конечной обработки, оставляя некоторые элементы для окончательной ручной обработки.
Что касается отделки поверхности, то существуют инструменты, которые позволяют не только получить приемлемую чистоту поверхности, но и зеркальный блеск на отдельных участках обрабатываемого изделия.
Типы фрезерных станков с ЧПУ
Известны два основных типа фрезерных станков: вертикальные обрабатывающие центры и горизонтальные обрабатывающие центры, основное различие между которыми заключается в ориентации шпинделя станка.
Вертикальный обрабатывающий центр — это фрезерный станок, в котором ось шпинделя расположена вдоль оси Z. Эти вертикальные станки можно разделить на два типа:
■Продольно-фрезерные станки, в которых шпиндель движется параллельно своей оси, а стол движется перпендикулярно оси шпинделя.
■Револьверные фрезерные станки, в которых шпиндель неподвижен, а стол перемещается таким образом, чтобы он всегда был перпендикулярен и параллелен оси шпинделя во время операции резания
В горизонтальном обрабатывающем центре ось шпинделя фрезера ориентирована вдоль оси Y. Горизонтальная конструкция означает, что такие фрезерные станки, как правило, занимают больше места в цехе; кроме того, они, как правило, тяжелее и мощнее вертикальных станков.
Горизонтальная фреза часто используется, когда требуется более высокое качество обработки поверхности. Это связано с тем, что ориентация шпинделя обеспечивает естественное падение стружки и ее легкое удаление. (Дополнительным преимуществом является то, что эффективное удаление стружки способствует увеличению срока службы инструмента.)
В целом, вертикальные обрабатывающие центры более распространены, поскольку они могут быть столь же производительными, как и горизонтальные обрабатывающие центры, и обрабатывать очень мелкие детали. Кроме того, вертикальные обрабатывающие центры занимают меньше места, чем горизонтальные.
Многокоординатные фрезерные станки с ЧПУ
Прецизионные фрезерные центры с ЧПУ доступны с несколькими осями. Трёхкоординатный фрезерный станок использует оси X, Y и Z для широкого спектра операций. Чётырёхкоординатный фрезерный станок может вращаться по вертикальной и горизонтальной осям, перемещая заготовку, что обеспечивает более непрерывную обработку.
Пятикоординатный фрезерный станок имеет три традиционные оси и две дополнительные поворотные оси, что позволяет вращать заготовку при движении шпиндельной головки вокруг неё. Это позволяет обрабатывать пять сторон заготовки без её снятия и перенастройки станка.
токарные станки с ЧПУ
Токарный станок, также называемый токарным многоцелевым станком, 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, также называемые токарными станками с приводным инструментом, идеально подходят для изготовления симметричных цилиндрических или сферических деталей. Как и фрезерные станки с ЧПУ, токарные станки с ЧПУ могут выполнять небольшие операции, такие как создание прототипов, но также могут быть настроены на высокую повторяемость, что позволяет обеспечить крупносерийное производство.
Токарные станки с ЧПУ также можно настраивать для относительно автоматизированного производства, 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 из прутка загружается в патрон шпинделя. Этот патрон удерживает заготовку, пока шпиндель вращается. Когда шпиндель достигает необходимой скорости, неподвижный режущий инструмент вводится в контакт с заготовкой для удаления материала и придания ей нужной геометрии.
Токарный станок с ЧПУ может выполнять ряд операций, таких как сверление, нарезание резьбы, растачивание, развертывание, подрезка торца и точение конусов. Различные операции требуют смены инструмента и могут увеличить стоимость и время наладки.
После завершения всех необходимых операций обработки деталь вырезается из заготовки для дальнейшей обработки, если это необходимо. После этого токарный станок с ЧПУ готов к повторению операции, при этом дополнительное время на переналадку обычно не требуется.
Токарные станки с ЧПУ также могут быть оснащены различными автоматическими устройствами подачи прутка, которые сокращают объем ручной обработки сырья и обеспечивают такие преимущества, как:
■ Сокращение времени и усилий, необходимых оператору машины
■ Поддерживайте пруток, чтобы уменьшить вибрации, которые могут негативно повлиять на точность.
■ Обеспечить работу станка на оптимальных скоростях вращения шпинделя
■ Минимизировать время переналадки
■ Сокращение отходов материалов
Типы токарных станков с ЧПУ
Существует несколько различных типов токарных станков, но наиболее распространенными являются 2-осевые токарные станки с ЧПУ и автоматические токарные станки китайского производства.
Большинство китайских токарных станков с ЧПУ используют один или два главных шпинделя и один или два вспомогательных (или вспомогательных) шпинделя, причем первый шпиндель вращается. Главный шпиндель выполняет основную операцию обработки с помощью направляющей втулки.
Кроме того, некоторые токарные станки китайского производства оснащены второй инструментальной головкой, которая работает как фрезерный станок с ЧПУ.
На автоматическом токарном станке с ЧПУ китайского производства заготовка подается через шпиндель подвижной головки в направляющую втулку. Это позволяет инструменту резать материал ближе к точке его опоры, что делает китайский станок особенно эффективным для обработки длинных и тонких деталей, а также для микрообработки.
Многоосевые токарные центры с ЧПУ и токарные станки китайского производства позволяют выполнять несколько операций обработки на одном станке. Это делает их экономичным вариантом для обработки деталей сложной геометрии, которые в противном случае потребовали бы обработки на нескольких станках или смены инструмента при использовании такого оборудования, как традиционный фрезерный станок с ЧПУ.