Прецизионная обработка — это процесс удаления материала с заготовки во время обработки с жесткими допусками. Прецизионные станки бывают разных типов, включая фрезерные, токарные и электроэрозионные. Сегодня прецизионные станки обычно управляются с помощью числового программного управления (ЧПУ).
Почти все металлические изделия используют точную обработку, как и многие другие материалы, такие как пластик и дерево. Этими станками управляют специализированные и обученные машинисты. Для того чтобы режущий инструмент выполнял свою работу, его необходимо перемещать в указанных направлениях для выполнения правильного реза. Это первичное движение называется «скоростью резания». Заготовка также может перемещаться, что известно как вторичное движение «подачи». Вместе эти движения и острота режущего инструмента позволяют работать прецизионному станку.
Качественная прецизионная обработка требует возможности следовать чрезвычайно точным чертежам, созданным программами CAD (компьютерное проектирование) или CAM (компьютерное производство), такими как AutoCAD и TurboCAD. Программное обеспечение может помочь создать сложные трехмерные диаграммы или контуры, необходимые для производства инструмента, машины или объекта. Эти чертежи должны быть соблюдены с большой точностью, чтобы гарантировать, что продукт сохранит свою целостность. Хотя большинство компаний, занимающихся прецизионной обработкой, работают с той или иной формой программ CAD/CAM, они по-прежнему часто работают с нарисованными от руки эскизами на начальных этапах проектирования.
Прецизионная обработка применяется к ряду материалов, включая сталь, бронзу, графит, стекло и пластик, и это лишь некоторые из них. В зависимости от размера проекта и используемых материалов будут использоваться различные прецизионные инструменты для обработки. Может использоваться любая комбинация токарных станков, фрезерных станков, сверлильных станков, пил и шлифовальных машин, и даже высокоскоростная робототехника. В аэрокосмической промышленности может использоваться высокоскоростная обработка, в то время как в деревообрабатывающей инструментальной промышленности могут использоваться процессы фотохимического травления и фрезерования. Штамповка партии или определенного количества любого конкретного изделия может исчисляться тысячами или быть всего несколькими. Прецизионная обработка часто требует программирования устройств с ЧПУ, что означает, что они управляются компьютером с числовым программным управлением. Устройство с ЧПУ позволяет соблюдать точные размеры 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. Фреза также может удерживаться под углом относительно оси инструмента. Фрезерование охватывает широкий спектр различных операций и машин, в масштабах от небольших отдельных деталей до крупных, тяжелых операций фрезерования групп. Это один из наиболее часто используемых процессов для обработки деталей по индивидуальному заказу с точными допусками.
Фрезерование можно выполнять с помощью широкого спектра станков. Первоначальным классом станков для фрезерования был фрезерный станок (часто называемый фрезой). После появления числового программного управления (ЧПУ) фрезерные станки превратились в обрабатывающие центры: фрезерные станки, дополненные автоматическими сменщиками инструмента, магазинами инструментов или каруселями, возможностями ЧПУ, системами охлаждения и кожухами. Фрезерные центры обычно классифицируются как вертикальные обрабатывающие центры (VMC) или горизонтальные обрабатывающие центры (HMC).
Интеграция фрезерования в токарные среды и наоборот началась с приводных инструментов для токарных станков и периодического использования фрез для токарных операций. Это привело к появлению нового класса станков, многозадачных станков (МТМ), которые специально созданы для облегчения фрезерования и токарной обработки в одной рабочей зоне.
Для инженеров-конструкторов, групп НИОКР и производителей, которые зависят от поставок 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.
Процесс обработки удаляет материал и использует 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 инструментами обработки.
Роль «ЧПУ» в точной обработке
Используя закодированные программные инструкции, прецизионная обработка на станках с ЧПУ позволяет резать и формовать заготовки в соответствии со спецификациями без ручного вмешательства оператора станка.
Используя модель автоматизированного проектирования (CAD), предоставленную заказчиком, опытный машинист использует программное обеспечение автоматизированного производства (CAM) для создания инструкций по обработке детали. На основе модели CAD программное обеспечение определяет, какие траектории инструмента необходимы, 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 является встроенной функцией широкого спектра оборудования: от токарных станков, фрезерных станков и маршрутизаторов до электроэрозионной обработки (электроэрозионной обработки), лазерной и плазменной резки. Помимо автоматизации процесса обработки и повышения точности, ЧПУ устраняет ручные задачи и освобождает операторов для контроля за несколькими станками, работающими одновременно.
Кроме того, как только траектория инструмента спроектирована и станок запрограммирован, он может запускать деталь любое количество раз. Это обеспечивает высокий уровень точности и повторяемости, что в свою очередь делает процесс высокорентабельным и масштабируемым.
Материалы, которые подвергаются механической обработке
Некоторые металлы, которые обычно подвергаются механической обработке, включают алюминий, латунь, бронзу, медь, сталь, титан и цинк. Кроме того, можно также обрабатывать дерево, пену, стекловолокно и пластик, такой как полипропилен.
Фактически, практически любой материал можно обрабатывать с помощью прецизионной обработки на станке с ЧПУ — конечно, в зависимости от области применения и предъявляемых к нему требований.
Некоторые преимущества прецизионной обработки с ЧПУ
Для многих мелких деталей и компонентов, используемых в широком спектре промышленных изделий, точная обработка на станках с ЧПУ часто является предпочтительным методом изготовления.
Как и практически для всех методов резки и обработки, различные материалы ведут себя по-разному, а размер и форма компонента также оказывают большое влияние на процесс. Однако в целом процесс точной обработки с ЧПУ имеет преимущества по сравнению с другими методами обработки.
Это связано с тем, что обработка на станках с ЧПУ позволяет:
■ Высокая степень сложности детали
■ Жесткие допуски, обычно в диапазоне от ±0,0002" (±0,00508 мм) до ±0,0005" (±0,0127 мм)
■ Исключительно гладкая отделка поверхности, включая индивидуальную отделку
■ Повторяемость даже при больших объемах
Опытный механик может использовать ручной токарный станок для изготовления качественной детали в количестве 10 или 100 штук. Но что делать, когда вам нужно 1000 деталей? 10 000 деталей? 100 000 или миллион деталей?
С прецизионной обработкой с ЧПУ вы можете получить масштабируемость и скорость, необходимые для этого типа крупносерийного производства. Кроме того, высокая повторяемость прецизионной обработки с ЧПУ позволяет вам получать детали, которые будут одинаковыми от начала до конца, независимо от того, сколько деталей вы производите.
Существуют некоторые очень специализированные методы обработки с ЧПУ, включая электроэрозионную обработку (EDM), аддитивную обработку и 3D-лазерную печать. Например, электроэрозионная обработка использует проводящие материалы — обычно металлы — и электрические разряды для эрозии заготовки в сложные 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 обработки, который использует вращающийся цилиндрический режущий инструмент для удаления материала и создания форм. Фрезерное оборудование, известное как фреза или обрабатывающий центр, выполняет множество сложных геометрических форм деталей на некоторых из самых крупных объектов, обработанных металлом.
Важной характеристикой фрезерования является то, что заготовка остается неподвижной, в то время как режущий инструмент вращается. Другими словами, на фрезерном станке вращающийся режущий инструмент движется вокруг заготовки, которая остается неподвижной 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 фиксированный режущий инструмент (который может вращаться или нет) движется вдоль 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, подаваемой с катушки, однако это здесь не рассматривается.)
При точении, в отличие от фрезерования, заготовка вращается. Заготовка вращается на шпинделе токарного станка, а режущий инструмент вступает в контакт с заготовкой.
Ручная обработка против обработки с ЧПУ
Хотя и фрезерные, и токарные станки доступны в ручном исполнении, станки с ЧПУ больше подходят для производства мелких деталей, обеспечивая масштабируемость и повторяемость для приложений, требующих крупносерийного производства деталей с жесткими допусками.
Помимо простых 2-осевых станков, в которых инструмент перемещается по осям X и Z, прецизионное оборудование с ЧПУ включает многоосевые модели, в которых заготовка также может перемещаться. Это контрастирует с токарным станком, где заготовка ограничена вращением, а инструменты будут перемещаться для создания желаемой геометрии.
Эти многоосевые конфигурации позволяют производить более сложные геометрии за одну операцию, не требуя дополнительной работы оператора станка. Это не только упрощает производство сложных деталей, но и снижает или исключает вероятность ошибки оператора.
Кроме того, использование СОЖ под высоким давлением при точной обработке на станках с ЧПУ гарантирует отсутствие попадания стружки в детали 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, в целом, фрезерные станки с ЧПУ используют вращающийся шпиндель для резки ненужного 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 повторяемости и могут использоваться для всего: от создания прототипов до крупносерийного производства. Высокоточные фрезерные станки с ЧПУ часто используются для работ с жесткими допусками, таких как фрезерование тонких штампов и пресс-форм.
В то время как фрезерование с ЧПУ может обеспечить быстрый оборот, финишная обработка после фрезерования создает детали с видимыми следами инструмента. Это также может привести к появлению деталей с некоторыми острыми краями и заусенцами, поэтому могут потребоваться дополнительные процессы, если края и заусенцы неприемлемы для этих функций.
Конечно, запрограммированные в последовательности инструменты для снятия заусенцев снимут заусенцы, хотя обычно они достигают максимум 90% от требуемого результата, оставляя некоторые элементы для окончательной ручной обработки.
Что касается отделки поверхности, то существуют инструменты, которые позволяют получить не только приемлемую отделку 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 выровнена в направлении 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, что он всегда 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 фрезы, как правило, занимают больше места в цехе; они также, как правило, тяжелее и мощнее вертикальных станков.
Горизонтальная фреза часто используется, когда требуется более качественная обработка 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 такими же мощными, как горизонтальные обрабатывающие центры, и могут обрабатывать очень мелкие детали. Кроме того, вертикальные центры имеют меньшую площадь основания, чем горизонтальные обрабатывающие центры.
Многоосевые фрезерные станки с ЧПУ
Прецизионные фрезерные центры с ЧПУ доступны с несколькими осями. 3-осевая фреза использует оси X, Y и Z для широкого спектра работ. С 4-осевой фрезерной машиной станок может вращаться по вертикальной и горизонтальной оси и перемещать заготовку, что обеспечивает более непрерывную обработку.
5-осевой фрезерный станок имеет три традиционные оси и две дополнительные поворотные оси, что позволяет вращать заготовку, когда шпиндельная головка движется вокруг нее. Это позволяет обрабатывать пять сторон заготовки без снятия заготовки и перенастройки станка.
токарные станки с ЧПУ
Токарный станок, также называемый токарным центром, имеет один или несколько шпинделей, а также 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 называются токарные станки с инструментом живого действия, 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, поддерживая 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 заготовки загружается в патрон шпинделя токарного станка. Этот патрон удерживает заготовку на месте, пока шпиндель вращается. Когда шпиндель достигает необходимой скорости, неподвижный режущий инструмент вводится в контакт с заготовкой для удаления материала и достижения правильной геометрии.
Токарный станок с ЧПУ может выполнять ряд операций, таких как сверление, нарезание резьбы, расточка, развертывание, торцевание и точение конусов. Различные операции требуют смены инструмента и могут увеличить стоимость и время настройки.
После завершения всех требуемых операций обработки деталь отрезается от заготовки для дальнейшей обработки, если это необходимо. Затем токарный станок с ЧПУ готов повторить операцию, при этом обычно требуется небольшое или совсем не требуется дополнительное время на настройку.
Токарные станки с ЧПУ также могут быть оснащены различными автоматическими устройствами подачи прутка, которые сокращают объем ручной обработки сырья и обеспечивают следующие преимущества:
■ Сокращение времени и усилий, требуемых оператору машины
■ Поддерживайте прутковую заготовку, чтобы уменьшить вибрации, которые могут отрицательно повлиять на точность
■ Дать возможность станку работать 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 двухосевые токарные станки с ЧПУ и автоматические токарные станки китайского типа.
Большинство токарных станков с ЧПУ в Китае используют один или два главных шпинделя плюс один или два задних (или вторичных) шпинделя, при этом за первый отвечает вращающийся перенос. Главный шпиндель выполняет первичную операцию обработки с помощью направляющей втулки.
Кроме того, некоторые токарные станки китайского производства оснащены второй инструментальной головкой, которая работает как фрезерный станок с ЧПУ.
С помощью автоматического токарного станка с ЧПУ китайского типа исходный материал подается через шпиндель скользящей головки в направляющую втулку. Это позволяет инструменту резать материал ближе к точке, где материал поддерживается, что делает китайский станок особенно полезным для длинных, тонких токарных деталей и для микрообработки.
Многоосевые токарные центры с ЧПУ и токарные станки китайского типа могут выполнять несколько операций обработки с использованием одного станка. Это делает их экономически эффективным вариантом для сложных геометрий, которые в противном случае потребовали бы нескольких станков или смены инструмента с использованием такого оборудования, как традиционный фрезерный станок с ЧПУ.