Najlepszy przewodnik na temat obróbki CNC

Wszystko, co musisz wiedzieć o obróbce CNC w zaledwie 12 minut

Czym jest maszyna CNC?

Obróbka CNC obejmuje sterowanie numeryczne komputerem i w zasadzie oznacza, że maszyna jest kontrolowana przez zestaw poleceń z kontrolera. Ten kod zwykle przyjmuje formę listy współrzędnych znanych jako G-code. Każdą maszynę sterowaną tym kodem można określić jako maszynę CNC, niezależnie od tego, czy jest to frezarka, tokarka, czy nawet przecinarka plazmowa. W tym artykule skupimy się na różnych typach frezarek CNC, tokarek i ich kombinacjach. Ruch maszyn CNC można określić za pomocą ich osi. Są to osie X, Y i Z oraz A, B i C dla bardziej zaawansowanych maszyn. Osie X, Y, Z odnoszą się do głównych wektorów kartezjańskich, a osie A, B, C do obrotu wokół tych osi. Maszyny CNC zwykle działają w maksymalnie 5 osiach. Poniżej prezentujemy typowe maszyny CNC.

• Tokarka CNC – tokarka działa poprzez obracanie materiału w zacisku tokarki. Następnie narzędzie przesuwa się w dwóch osiach do obrabianej części, aby wyciąć części cylindryczne. Tokarka CNC może tworzyć powierzchnie krzywe, które trudno byłoby stworzyć w tokarce ręcznej. Narzędzie zazwyczaj nie obraca się, ale może również poruszać się, jak ma to miejsce w przypadku narzędzi obrabiających się w czasie rzeczywistym.
• Frezarka CNC – frezarka CNC zazwyczaj służy do produkcji płaskich części, jednak bardziej skomplikowane maszyny o większej liczbie stopni swobody mogą tworzyć złożone kształty. Materiał jest trzymany w miejscu, a wrzeciono obraca się wraz z narzędziem, które porusza się wzdłuż 3 osi, aby wyciąć materiał. W niektórych przypadkach wrzeciono jest nieruchome, a materiał porusza się w jego kierunku.
• Wiertarka CNC – te maszyny są podobne do frezarek CNC, ale zostały specjalnie zaprojektowane do cięcia tylko wzdłuż jednej osi – wiertło porusza się tylko wzdłuż osi Z do materiału i nigdy nie tnie wzdłuż osi X i Y.
• Szlifierki CNC – te maszyny wprowadzają koło szlifierskie do materiału, aby uzyskać wysokiej jakości wykończenia powierzchni. Są zaprojektowane do usuwania niewielkich ilości materiału z utwardzanych metali, a więc są stosowane jako operacje wykończeniowe.

Produkcja subtraktywna

Obróbka CNC tworzy części poprzez technologię subtratywną. Jest to w zasadzie proces usuwania materiału z pełnego elementu, aby ostatecznie uzyskać pożądany kształt. Można to zrobić za pomocą dowolnej z wcześniej wspomnianych metod, takich jak frezowanie, toczenie, szlifowanie lub wiercenie. Technologia dodawania jest procesem przeciwnym, w którym materiał jest dodawany od zera, aby stworzyć część, na przykład za pomocą drukarek 3D.

Produkcja narzędzi

Oprzyrządowanie wykonuje całą pracę cięcia. Narzędzia są zwykle montowane w uchwycie narzędziowym i umieszczane we wrzecionie w razie potrzeby. Do wykonania kompletnej części potrzebnych jest wiele różnych rodzajów narzędzi – nie ma uniwersalnego podejścia do produkcji. Poniżej wymieniono najczęściej używane narzędzia w typowych konfiguracjach obróbki.

Narzędzia do frezowania

Frez końcowy – frez końcowy to najpowszechniejszy typ narzędzi i zazwyczaj może ciąć w 3 kierunkach. Narzędzia te dostępne są w różnych wariantach, takich jak płaski, z zaokrąglonym narożnikiem, do zgrubnej obróbki, kulisty i stożkowy. Charakteryzują się liczbą kanałów, kątami skrętu, materiałem bazowym oraz materiałem powłoki.

Frez czołowy – frez czołowy jest zaprojektowany do cięcia przez dużą powierzchnię, tj. czołową. Jego krawędzie tnące znajdują się zazwyczaj na krawędzi narzędzia, a zęby są zwykle wkładkami z węglika spiekanego.

Frez gwintowy – frez gwintowy służy do tworzenia gwintów i działa poprzez obracanie się wokół trzpienia w helikalnym wzorze, aby wyciąć kształt gwintu.

Frez do rowków – te typy frezów są używane do tworzenia rowków w kształcie litery T wzdłuż długości części. Ze względu na swoją geometrię narzędzie musi wejść i wyjść z otwartej strony materiału.

Narzędzia tokarskie

Toczenie na zewnątrz – jak sama nazwa wskazuje, to narzędzie jest zaprojektowane do cięcia na zewnętrznej średnicy części. Może przyjmować formę solidnego narzędzia, które jest szlifowane do wymaganego kształtu, lub wkładki z węglika spiekanego.

Rowkowanie i gwintowanie ID – te narzędzia są zazwyczaj smukłe, aby pozwoliły na dotarcie do wnętrza części w celu wytoczenia średnicy wewnętrznej po wierceniu, a także gwintowania od środka.

Odcinanie – narzędzie do odcinania jest używane do ostatecznego odcięcia części po zakończeniu wszystkich innych operacji.

Wiercenie – używane w celu wiercenia otworów podłużnych w części. Otwory nadal muszą zostać rozwiercane lub wykute, aby osiągnąć końcowe tolerancje.

Materiały do produkcji narzędzi

Różne typy narzędzi można podzielić według materiałów. Typowe materiały używane do produkcji narzędzi zostały wymienione poniżej:

• Stal wysokowęglowa – to najtańszy typ narzędzi do obróbki. Takie narzędzia nie mają jednak długiej żywotności. Tracą również swoją twardość w temperaturze około 200°.
• Stal szybkotnąca (HSS) – jest bardziej powszechna niż narzędzia ze stali węglowej, ponieważ cechuje ją dłuższa żywotność narzędzi, które tracą swoją twardość dopiero przy 600°C, co umożliwia większe prędkości.
• Wkładki z węglika spiekanego – narzędzia z węglika spiekanego są twardsze niż HSS, ale są też mniej odporne i mogą pękać, jeśli nie są prawidłowo obsługiwane. Mogą wytrzymać temperatury do 900°.
• Ceramika – te narzędzia do cięcia są niezwykle twarde i zazwyczaj stosuje się je do cięcia twardych materiałów przy bardzo wysokich temperaturach. Istnieją dwie powszechne odmiany: tlenek glinu i azotek krzemu.
• Sześcienny azotek boru – te narzędzia są idealne do stali hartowanych i nadstopów oraz mają doskonałą odporność na ścieranie i temperaturę.

Zalety i wady obróbki CNC

Obróbka CNC powoli przejęła przemysł wytwórczy, ponieważ jest bardziej wydajna niż używanie maszyn obsługiwanych ręcznie. Poniżej wymieniono niektóre zalety i wady maszyn CNC.

Zalety	Wady
Szybsza niż ręczna	Kosztowna
Żaden człowiek nie może dorównać szybkości, precyzji i dokładności obrabiarce CNC. W środowiskach o dużej produkcji użycie maszyny ręcznej spowoduje po prostu straty finansowe.	Maszyna CNC to niezwykle zaawansowane urządzenie. Jest produkowana z bardzo wysokimi tolerancjami i wymogami. Ma to pozwolić na wyprodukowanie milionów części i nadal zagwarantować wysoką jakość. Jakość ta przekłada się bezpośrednio na koszty; im bardziej zaawansowana maszyna, tym wyższy jest jej koszt.
Obniżony koszt produkcji	Operatorzy o wyższych kwalifikacjach
Maszyna CNC może zasadniczo działać bez przerwy, jeśli załadunek i rozładunek materiałów i części jest dodatkowo zautomatyzowany, co oznacza, że ​​może pracować przez noc bez nadzoru. Ponadto jeden operator może obsługiwać wiele maszyn, równoważąc wyższe koszty pracy.	Pomimo mniejszej liczby operatorów, maszyna CNC wymaga wysoko wykwalifikowanych operatorów, co spowoduje wyższe koszty pracy.
Wyższa wydajność	Wyższe koszty utrzymania
Maszyna CNC może przejść od jednej operacji do drugiej w ułamku sekundy. Zmiany narzędzi mogą nastąpić bardzo szybko, ponieważ niektóre maszyny mają głowicę rewolwerową z wieloma wstępnie zamontowanymi narzędziami lub bibliotekę narzędzi, która w razie potrzeby ładuje nowe narzędzie do wrzeciona.	Ze względu na złożoność maszyn CNC koszty utrzymania są znacznie wyższe w porównaniu do maszyn ręcznych.
Zwiększone bezpieczeństwo

Rodzaje frezarek i tokarek CNC

Frezarki CNC

• Obrabiarka pionowa (VMC) – wrzeciono w VMC pozostaje w jednym miejscu, a stół porusza się pod nim. W niektórych przypadkach stół podnosi się do momentu spotkania z wrzecionem. Wrzeciono może poruszać się też w górę i w dół wzdłuż osi Z. Te maszyny są bardzo sztywne i dlatego mogą produkować komponenty o wysokiej precyzji. Mają one wadę stosunkowo małej powierzchni roboczej. VMC mogą mieć 3 osie (X, Y, Z), 4 osie (X, Y, Z & A) lub nawet 5 osi (X, Y, Z, A oraz B).
• Obrabiarka pozioma (HMC) – HMC to maszyna, której wrzeciono jest zorientowane poziomo, a nie pionowo. Takie maszyny są idealne do długotrwałych produkcji, ponieważ mogą obrabiać do 3 razy więcej niż maszyny VMC, pod warunkiem, że jest wystarczająco dużo pracy, aby utrzymać maszynę w ruchu. HMC jest również znacznie droższa niż VMC. Blok materiału może być zamocowany na podstawie maszyny, podczas gdy inna część jest produkowana. Dlatego też możliwa jest ciągła produkcja, ponieważ wrzeciono może łatwo przemieścić się do następnego bloku materiału, który jest gotowy, a wymiana ta jest bardzo szybka.

Tokarka CNC

Tokarka CNC jest zdolna do obróbki w dwóch osiach za pomocą tylko jednego uchwytu. Istnieją różne typy tokarek CNC, które wymieniono poniżej:

• Tokarka silnikowa – jest to w zasadzie standardowa tokarka, która jest stosunkowo wszechstronna. Jej silnik to relikt z czasów, gdy tokarki były napędzane kołami pasowymi z silnika, którego nie było na maszynie. Tokarka silnikowa jest zatem tokarką z silnikiem na tokarce.
• Tokarka rewolwerowa – tokarka rewolwerowa pozwala na znacznie szybsze czasy produkcji, ponieważ wszystkie wymagane narzędzia są ładowane przed rozpoczęciem produkcji. Gdy potrzebne jest nowe narzędzie, wystarczy je umieścić w odpowiednim miejscu.
• Tokarka narzędziowa – tokarka narzędziowa jest używana do prac o wysokiej precyzji i niewielkich nakładach. Jak sama nazwa wskazuje, te rodzaje tokarek służą do tworzenia narzędzi i matryc. Typ ten jest również skonfigurowany tak, aby był bardzo wszechstronny.
• Tokarka szybkobieżna – ten typ tokarki jest używany głównie do lekkich prac, ma prostą konfigurację z głowicą, końcówką i postumentem do narzędzi.
• Centra tokarskie CNC – te typy tokarek są bardzo zaawansowane i mają szeroki zakres funkcji, które obejmują frezowanie, wieżyczki do narzędzi, a nawet drugi wrzeciono. Dostępne są zarówno pionowe, jak i poziome centra tokarskie. Tokarka pozioma sprawia, że wszystkie wióry odpadają od części i wpadają do transporterów wiórów, a tokarka pionowa wykorzystuje grawitację, gdy część jest umieszczona w zacisku. Tokarki poziome są łatwiejsze do automatyzacji. To zastosowanie określa, który rodzaj maszyny jest bardziej odpowiedni.

Materiały

Maszyny CNC mogą obrabiać szeroką gamę materiałów, od aluminium po superstopy, takie jak Inconel. Każdy materiał ma swój własny zestaw wyzwań i wymaga określonych narzędzi, prędkości i posuwów.

Aluminium

Ponieważ aluminium jest bardzo miękkim materiałem, istnieje ryzyko jego zakleszczenia się w narzędziu tnącym. Wynika to z niskiej temperatury topnienia aluminium. W celu poprawy skrawalności można zastosować twardsze stopnie tego materiału.

Stal węglowa

Ze względu na dużą liczbę gatunków stali istnieje wiele czynników, które wpływają na ogólną skrawalność materiału. Czynniki te mogą obejmować; obróbkę plastyczna na zimno, skład chemiczny i mikrostrukturę. Ogólnie rzecz biorąc, pierwiastki takie jak ołów i cyna mogą poprawić prędkość skrawania ze względu na ich działanie smarujące, a siarka zmniejsza utwardzanie wiórów przez odkształcenie.

Tytan

Tytan ma szeroką gamę stopów, z których każdy ma swoje własne wyzwania. Idealnie narzędzie musi być utrzymywane w kontakcie z materiałem, ponieważ jego zatrzymanie w danym obszarze powoduje tarcie, gromadzenie się ciepła, utwardzanie podczas pracy i zużycie narzędzia. Czysty tytan zachowuje się podobnie jak aluminium i może również powodować zakleszczanie narzędzia skrawającego, podczas gdy jego stopy są zwykle znacznie twardsze i mogą powodować nagrzewanie się i zużycie narzędzia. Niższa prędkość obrotowa i większa ilość wiórów mogą skutkować lepszą trwałością narzędzia ze względu na niższe temperatury.

Nadstopy

Nadstopy są zaprojektowane tak, aby miały bardzo wysoką wytrzymałość w wysokich temperaturach,. Z tego powodu są bardzo trudne w obróbce. Do obróbki tych materiałów wymagane są również maszyny o większej mocy. Nadstopy mają tendencję do bardzo szybkiego twardnienia podczas zgniatania, co utrudnia przyszłe operacje obróbki. Zazwyczaj zalecane są niższe prędkości skrawania.

Miedź

Miedź jest materiałem niezwykle trudnym w obróbce ze względu na swoją plastyczność i tendencję do opływania narzędzi zamiast skrawania. Stosowana jest przede wszystkim na elementy elektryczne i elementy wymienników ciepła, które wymagają wysokich współczynników przewodnictwa i przenikania ciepła. Wysokie prędkości i posuwy zwykle dobrze współpracują z czystą miedzią. Stopy miedzi obrabia się znacznie łatwiej niż czystą miedź.

Plastiki

Tworzywa sztuczne mają tysiące różnych form, od tworzyw termoutwardzalnych po zwykłe tworzywa termoplastyczne. Istnieje również niezwykle szeroki zakres ich twardości i właściwości mechanicznych. Tylko sztywne tworzywa sztuczne dobrze spisują się podczas obróbki i mogą być utrzymywane w granicach tolerancji, podczas gdy bardziej miękkie tworzywa sztuczne mają tendencję do odkształcania się poza narzędziem skrawającym, co skutkuje wymiarami części niezgodnymi ze specyfikacją. Ciepło ma tendencję do gromadzenia się na krawędzi skrawającej, ponieważ tworzywo sztuczne jest izolatorem. Tworzywo sztuczne stopi się w przypadku braku ostrożności.

Co może pójść nie tak?

Pomimo szerokiego zakresu zastosowań i funkcjonalności osiągalnych przez maszyny CNC, ich użycie wiąże się z pewnym ryzykiem. Poniżej wymieniono niektóre z najczęstszych błędów popełnianych podczas obróbki CNC.

Awarie CNC – maszyny CNC nie potrafią myśleć; robią tylko to, co im się każe. W przypadku nieprawidłowego zaprogramowania maszyna może wbić w siebie narzędzie skrawające w ciągu milisekundy. Maszyny zazwyczaj wykryją awarię i zatrzymają się, ale szkoda zostałaby już wyrządzona. Istnieją różne narzędzia programowe, które mogą ograniczyć to ryzyko. Ścieżki narzędzi mogą być symulowane przed załadowaniem kodu do maszyny. Bardziej złożone maszyny 5-osiowe są bardzo trudne do symulacji przy użyciu standardowego oprogramowania do produkcji wspomaganej komputerowo (CAM) i wymagają dodatkowego oprogramowania między kodowaniem CAM a załadowaniem kodu do maszyny.

Nieprawidłowe prędkości i posuwy – prędkości i posuwy mają kluczowe znaczenie dla tworzenia wysokiej jakości obrabianych komponentów. W przypadku zastosowania niewłaściwych ustawień nastąpi przyspieszone zużycie narzędzia oraz gorsze wykończenie powierzchni i tolerancje. To złożony temat, ponieważ każdy materiał i jego stopy mają różne ustawienia idealnego cięcia. Dojście do idealnej konfiguracji często wymaga kilku iteracji.

Brak konserwacji – podobnie jak w przypadku każdej złożonej maszyny, brak konserwacji może ją szybko zniszczyć. Maszyny muszą być utrzymywane w czystości, a plan konserwacji OEM musi być ściśle przestrzegany.

Kluczowe branże wykorzystujące CNC

Każda branża, która wymaga produkcji komponentów, jest bezpośrednio lub pośrednio związana z obróbką CNC. Poniżej wymieniono niektóre kluczowe branże i ich zastosowania w obróbce CNC.

Lotnictwo – przemysł lotniczy wymaga komponentów o bardzo wysokim poziomie precyzji i powtarzalności. Mogą to być łopatki turbiny w silniku, oprzyrządowanie używane do tworzenia innych komponentów, a nawet komory spalania stosowane w silnikach rakietowych.

Motoryzacja i budowa maszyn – przemysł motoryzacyjny wymaga produkcji precyzyjnych form używanych do odlewania części, takich jak bloki silnika, lub obróbki części o wysokiej tolerancji, takich jak tłoki. Na większą skalę frezarki bramowe mogą wycinać gliniane formy używane w fazie projektowania samochodu.

Wojsko – wojsko wykorzystuje bardzo precyzyjne komponenty o bardzo wysokich tolerancjach, od komponentów pocisków po lufy. Wszystkie obrabiane części w wojsku mogą korzystać z dokładności i szybkości maszyn CNC.

Medycyna – implanty medyczne mają często bardzo organiczne kształty i muszą być wykonane z zaawansowanych stopów. Jako takie maszyny CNC są koniecznością, ponieważ żadna ręczna maszyna nie jest w stanie wytworzyć takich kształtów.

Energia – przemysł energetyczny obejmuje wszelkie spektrum inżynierii, od turbin parowych po bardziej egzotyczne technologie, takie jak synteza jądrowa. Turbiny parowe wymagają bardzo precyzyjnych łopatek, aby utrzymać równowagę w turbinie, a komory bezpieczeństwa plazmy w podczas fuzji mają bardzo złożone kształty i powstają z zaawansowanych materiałów, które wymagają maszyn CNC.

Aktualne trendy w branży CNC

Wraz z przyspieszającym tempem rozwoju technologicznego w ostatnich latach można było dostrzec, że produkcja addytywna wyprzedzi obróbkę CNC, jednak bardziej prawdopodobnym scenariuszem jest powstawanie coraz większej liczby centrów wytwórczych łączących wiele technologii w jedną maszynę. Mogą one wykorzystać mocne strony zarówno maszyn subtraktywnych, jak i addytywnych, aby stworzyć maszynę, której możliwości są większe niż suma jej części. Niektóre wczesne iteracje tych maszyn można już znaleźć.

Co więcej, nieustanny marsz automatyzacji przez czwartą rewolucję przemysłową doprowadzi do powstania bardziej zautomatyzowanych systemów, które będą w stanie samodzielnie diagnozować, optymalizować i działać przy minimalnej interwencji człowieka. Produkty mogą być wykonane w oparciu o osobiste wymagania poszczególnych konsumentów, co będzie to możliwe dzięki elastyczności oferowanej przez maszyny CNC.