Spis treści:
- 1 CNC – co to jest i do czego jest wykorzystywane
- 2 CNC – obróbka maszynowa sterowana komputerowo
- 3 CNC - czym jest?
- 4 Obróbka CNC a wytwarzanie addytywne
- 5 Etapy obróbki CNC
- 6 Tworzenie projektu pod obróbkę CNC
- 7 Tolerancja wymiarów w obróbce CNC
- 8 Kompatybilność projektu z oprogramowaniem maszyny CNC
- 9 Ustawianie maszyny CNC i uruchomienie procesu obróbki maszynowej
- 10 Najczęściej stosowane metody obróbki CNC
- 11 Kompaktowe obrabiarki CNC
- 12 Materiały wykorzystywane w obróbce CNC
- 13 Inne procesy obróbki CNC
CNC – co to jest i do czego jest wykorzystywane
Układy korbowo-tłokowe silników samochodowych, narzędzia ręczne, elementy mechaniki precyzyjnej i liczne detale o mniej bądź bardziej niestandardowych kształtach – dziś zapraszamy do świata CNC!CNC – obróbka maszynowa sterowana komputerowo
W tym artykule przedstawiono najważniejsze zagadnienia dotyczące technologii CNC.CNC - czym jest?
CNC oznacza „Computer Numerically Controlled”, czyli „komputerowe sterowanie numeryczne”. Obróbka CNC jest procesem produkcyjnym subtraktywnym, który zazwyczaj wykorzystuje skomputeryzowane elementy sterujące i obrabiarki do usuwania warstw materiału z półfabrykatu i produkuje część zaprojektowaną na zamówienie. Proces ten jest odpowiedni dla szerokiej gamy materiałów, w tym metali, tworzyw sztucznych, drewna, szkła, pianki i kompozytów, i znajduje zastosowanie w różnych gałęziach przemysłu, takich jak wielkogabarytowa obróbka CNC, obróbka części i prototypów dla telekomunikacji i CNC obróbka części lotniczych i samochodowych, które wymagają węższych tolerancji niż w innych gałęziach przemysłu.
Należy zaznaczyć, że nie można mylić obróbki CNC z maszyną CNC – jedno to proces, a drugie to maszyna. Maszyna CNC to programowalne urządzenie, które jest zdolna do samodzielnego wykonywania operacji obróbki CNC zgodnie z wgranym algorytmem do pamięci programu. Obróbka CNC jako proces produkcyjny i usługa jest dostępna na całym świecie.
Obróbka CNC a wytwarzanie addytywne
Subtraktywne procesy produkcyjne, takie jak obróbka CNC, są często przedstawiane w przeciwieństwie do addytywnych procesów produkcyjnych, takich jak drukowanie 3D, lub procesów produkcyjnych obejmujących wtryskiwanie cieczy. Podczas gdy procesy subtraktywne usuwają warstwy materiału z przedmiotu obrabianego, aby uzyskać niestandardowe kształty i projekty, procesy addytywne łączą warstwy materiału w celu uzyskania pożądanego kształtu, a procesy formatowania odkształcają i przesuwają materiał wyjściowy do pożądanego kształtu. Zautomatyzowany charakter obróbki CNC umożliwia produkcję z dużą precyzją oraz zapewnia opłacalność przy realizacji jednorazowych i średnioseryjnych serii produkcyjnych. Choć obróbka CNC wykazuje pewne zalety w porównaniu z innymi procesami produkcyjnymi, stopień złożoności i zawiłości osiągalny w projektowaniu części oraz opłacalność wytwarzania złożonych części są ograniczone.
Etapy obróbki CNC
Obróbka CNC wyewoluowała z procesu obróbki sterowanej numerycznie, który wykorzystywał karty perforowane. Stosuje ona skomputeryzowane elementy sterujące do obsługi maszyn i narzędzi tnących w celu kształtowania materiału wyjściowego – np. metalu, tworzywa sztucznego, drewna, pianki, kompozytu itp. – na części o niestandardowych kształtach. Chociaż proces obróbki CNC oferuje różne możliwości i operacje, podstawowe zasady procesu pozostają w dużej mierze takie same we wszystkich. Podstawowy proces obróbki CNC obejmuje następujące etapy:
- tworzenie projektu pod obróbkę CNC,
- konwersję pliku CAD do programu CNC,
- przygotowanie maszyny CNC,
- wykonanie procesu obróbczego.
Tworzenie projektu pod obróbkę CNC
Proces obróbki CNC rozpoczyna się od stworzenia projektu CAD wektorów 2D lub 3D części stałych albo we własnym zakresie, albo przez firmę usługową CAD/CAM. Oprogramowanie do projektowania wspomaganego komputerowo (CAD) umożliwia projektantom i producentom tworzenie modelu lub renderowanie ich części i produktów wraz z niezbędnymi specyfikacjami technicznymi, takimi jak wymiary i geometrie. Projekty części obrabianych CNC są ograniczone możliwościami maszyny CNC i oprzyrządowania fizycznego. Na przykład większość obrabiarek CNC jest cylindryczna – geometrie części są ograniczone, ponieważ oprzyrządowanie tworzy zakrzywione sekcje narożne. Ponadto właściwości obrabianego materiału, konstrukcja oprzyrządowania i możliwości mocowania obrabiarki dodatkowo ograniczają możliwości projektowe, takie jak minimalna grubość części, maksymalny rozmiar części oraz włączenie i złożoność wewnętrznych wnęk i cech. Po zakończeniu tworzenia projektu CAD projektant eksportuje go do formatu pliku zgodnego z CNC (STEP lub IGES).
Tolerancja wymiarów w obróbce CNC
Przy określaniu części do warsztatu mechanicznego ważne jest, aby uwzględnić wszelkie niezbędne tolerancje. Chociaż maszyny CNC są bardzo dokładne, nadal pozostawiają niewielkie różnice między duplikatami tej samej części, zwykle około 0,005″ (0,127 mm), co wynosi mniej więcej dwa razy więcej niż grubość ludzkiego włosa. Aby zaoszczędzić na kosztach, kupujący powinni określać tolerancje tylko w tych obszarach części, które będą musiały być szczególnie dokładne, ponieważ będą miały kontakt z innymi częściami. Chociaż istnieją standardowe tolerancje dla różnych poziomów obróbki, nie wszystkie tolerancje są równe. Jeśli na przykład część absolutnie nie może być większa niż pomiar, może mieć określoną tolerancję +0,0/-0,5 – może być nieco mniejsza, ale nie większa w tym obszarze.
Kompatybilność projektu z oprogramowaniem maszyny CNC
Sformatowany plik projektu CAD przechodzi przez program, zwykle oprogramowanie do produkcji wspomaganej komputerowo (CAM), w celu wyodrębnienia geometrii części i wygenerowania cyfrowego kodu programowania, który będzie sterował maszyną CNC i manipulował oprzyrządowaniem w celu wytworzenia niestandardowej części. Maszyny CNC wykorzystują kilka języków programowania, w tym kod G i kod M. Najbardziej znany z języków programowania CNC kod ogólny lub geometryczny, określany jako kod G, kontroluje kiedy, gdzie i jak poruszają się obrabiarki w poprzek obrabianego przedmiotu, np. kiedy włączyć lub wyłączyć, jak szybko podążać do konkretnej lokalizacji, jakie ścieżki obrać itp. Kod funkcji różnych, określany jako kod M, steruje funkcjami pomocniczymi maszyny, takimi jak automatyzacja zdejmowania i wymiany osłony maszyny odpowiednio na początku i na końcu produkcji. Po wygenerowaniu programu CNC operator ładuje go do maszyny CNC.
Ustawianie maszyny CNC i uruchomienie procesu obróbki maszynowej
Zanim operator uruchomi program CNC, musi przygotować maszynę CNC do pracy. Przygotowania te obejmują mocowanie obrabianego przedmiotu bezpośrednio do maszyny, na wrzecionach maszyn lub w imadłach maszynowych czy podobnych uchwytach roboczych oraz mocowanie wymaganego oprzyrządowania, takiego jak wiertła i frezy palcowe, do odpowiednich elementów maszyny. Po pełnym skonfigurowaniu maszyny operator może uruchomić program CNC. Program CNC działa jako instrukcje dla maszyny CNC – przesyła polecenia dyktujące działania i ruchy oprzyrządowania do zintegrowanego komputera maszyny, który obsługuje i manipuluje oprzyrządowaniem maszyny. Rozpoczęcie programu skłania maszynę CNC do rozpoczęcia procesu obróbki CNC, a program prowadzi maszynę przez cały proces, wykonując niezbędne operacje maszynowe w celu wytworzenia niestandardowej części lub produktu. Procesy obróbki CNC mogą być wykonywane we własnym zakresie – jeśli firma zainwestuje w pozyskanie i utrzymanie własnego sprzętu CNC – lub zleci je wyspecjalizowanym przedsiębiorstwom realizującym usługi z zakresu obróbki CNC.
Najczęściej stosowane metody obróbki CNC
Obróbka CNC to proces produkcyjny odpowiedni dla wielu gałęzi przemysłu, w tym przemysłu motoryzacyjnego, lotniczego, budowlanego i rolniczego, i umożliwiający produkcję szerokiej gamy produktów, takich jak ramy samochodowe, sprzęt chirurgiczny, silniki lotnicze, przekładnie, narzędzia ręczne i narzędzia ogrodowe. Proces ten obejmuje kilka różnych sterowanych komputerowo operacji obróbki skrawaniem, w tym procesy mechaniczne, chemiczne, elektryczne i termiczne, które usuwają niezbędny materiał z przedmiotu obrabianego w celu wytworzenia niestandardowej części lub produktu.
Obróbka CNC – wiercenie
Wiercenie to proces obróbki, który wykorzystuje wielopunktowe wiertła do wykonywania cylindrycznych otworów w obrabianym przedmiocie. W wierceniu CNC zwykle maszyna CNC podaje obracające się wiertło prostopadle do płaszczyzny powierzchni przedmiotu obrabianego, co wytwarza pionowo wyrównane otwory o średnicach równych średnicy wiertła. Jednak operacje wiercenia kątowego można również wykonywać za pomocą specjalistycznych konfiguracji maszyn i urządzeń mocujących. Możliwości operacyjne procesu wiercenia obejmują pogłębianie, rozwiercanie i gwintowanie.
Obróbka CNC – frezowanie
Frezowanie to proces obróbki, który wykorzystuje obrotowe wielopunktowe narzędzia skrawające do usuwania materiału z przedmiotu obrabianego. Podczas frezowania maszyna CNC zazwyczaj podaje obrabiany przedmiot do narzędzia skrawającego w tym samym kierunku, co obrót narzędzia skrawającego, podczas gdy przy frezowaniu ręcznym maszyna podaje obrabiany przedmiot w kierunku przeciwnym do obrotu narzędzia skrawającego. Możliwości operacyjne procesu frezowania obejmują frezowanie czołowe – cięcie płytkich, płaskich powierzchni i wnęk o płaskim dnie w przedmiocie obrabianym, oraz frezowanie obwodowe – cięcie wgłębień, takich jak rowki i gwinty, w przedmiocie obrabianym.
Obróbka CNC – toczenie
Toczenie to proces obróbki, który wykorzystuje jednopunktowe narzędzia tnące do usuwania materiału z obracającego się przedmiotu obrabianego. W toczeniu CNC maszyna – zwykle tokarka CNC – podaje narzędzie tnące ruchem liniowym wzdłuż powierzchni obracającego się przedmiotu obrabianego, usuwając materiał na całym obwodzie, aż do uzyskania pożądanej średnicy, w celu wytworzenia części cylindrycznych, takich jak szczeliny, stożki i gwinty. Możliwości operacyjne procesu toczenia obejmują wytaczanie, planowanie, rowkowanie i nacinanie gwintów. Frezowanie z obrotowymi narzędziami skrawającymi działa lepiej w przypadku bardziej złożonych części. Jednak tokarki z obracającymi się przedmiotami i nieruchomymi narzędziami skrawającymi najlepiej sprawdzają się w celu szybszego i dokładniejszego tworzenia części okrągłych.
Obróbka CNC – prace wykończeniowe
Tokarki CNC obejmują zestaw tokarek z półfabrykatem (blacha lub rura), który obraca się z dużą prędkością, podczas gdy metalowy walec przędzalniczy nadaje przedmiotowi pożądany kształt. W procesie „na zimno” wyoblanie CNC formuje wstępnie uformowany metal – tarcie tokarki stykającej się z rolką wytwarza siłę niezbędną do ukształtowania części.
Obróbka śrubowa – dokładność ze szwajcarską precyzją
Obróbka szwajcarska, zwana również szwajcarską obróbką śrubową, wykorzystuje wyspecjalizowany rodzaj tokarki, która pozwala obrabianemu przedmiotowi poruszać się w przód i w tył, a także obracać, aby umożliwić bliższe tolerancje i lepszą stabilność podczas cięcia. Przedmioty obrabiane są cięte tuż obok tulei trzymającej je, a nie dalej. Pozwala to na mniejsze naprężenie wykonywanej części. Obróbka szwajcarska jest najlepsza w przypadku małych części w dużych ilościach, takich jak śruby zegarkowe, a także w zastosowaniach z krytycznymi wartościami tolerancji prostoliniowości lub współosiowości.
Kompaktowe obrabiarki CNC
Firmy specjalizujące się w produkcji maszyn CNC często oferują serię mniejszych, lekkich maszyn. Miniaturowe maszyny CNC, choć wolniejsze i mniej precyzyjne, dobrze radzą sobie z miękkimi materiałami, takimi jak plastik i pianka. Są również lepsze w przypadku mniejszych części i umiarkowanej produkcji. Maszyny z serii stołowej lepiej sprawdzą się do małych serii produkcyjnych i prototypowania. Na przykład stołowa tokarka CNC, która ma dwie osie i może obsługiwać części o średnicy do sześciu cali, będzie przydatna do tworzenia biżuterii i innych miniaturowych obiektów o wymaganej wysokiej precyzji wykonania. Inne popularne stołowe maszyny CNC to wycinarki laserowe i frezarki wielkości plotera.
Materiały wykorzystywane w obróbce CNC
Proces obróbki CNC jest odpowiedni dla różnych materiałów inżynierskich, takich jak:
- metale,
- tworzywa sztuczne,
- drewno,
- styrodur,
- kompozyty.
Wybór optymalnego materiału do zastosowania w aplikacji produkcyjnej CNC zależy w dużej mierze od konkretnego zastosowania produkcyjnego i jego specyfikacji. Większość materiałów można obrabiać, pod warunkiem że wytrzymują proces obróbki, czyli mają wystarczającą twardość, wytrzymałość na rozciąganie, wytrzymałość na ścinanie oraz odporność chemiczną i temperaturową. Do określenia optymalnej prędkości skrawania, posuwu skrawania i głębokości skrawania należy wziąć pod uwagę rodzaj materiału obrabianego i jego właściwości fizyczne. Mierzona w stopach powierzchni na minutę prędkość skrawania odnosi się do szybkości, z jaką obrabiarka wcina się lub usuwa materiał z przedmiotu obrabianego. Szybkość posuwu – mierzona w calach na minutę – jest miarą szybkości, z jaką obrabiany przedmiot jest podawany do obrabiarki, a głębokość cięcia to głębokość, na jaką narzędzie skrawające wcina się w obrabiany przedmiot. Zazwyczaj przedmiot obrabiany przechodzi najpierw fazę początkową, w której jest z grubsza obrabiany do przybliżonego, niestandardowego kształtu i wymiarów, a następnie przechodzi do fazy wykańczania, w której następują wolniejsze posuwy i płytsze głębokości skrawania, aby osiągnąć bardziej precyzyjne i dokładne specyfikacje.
Inne procesy obróbki CNC
Chociaż obróbka CNC wykazuje przewagę nad innymi procesami produkcyjnymi, może nie być odpowiednia dla każdego zastosowania produkcyjnego, a inne procesy mogą okazać się bardziej opłacalne. W artykule skupiliśmy się na mechanicznych procesach obróbki CNC, które wykorzystują obrabiarki do produkcji niestandardowej części lub produktu, ale sterowanie CNC można zintegrować z różnymi maszynami. Inne mechaniczne procesy obróbki CNC obejmują obróbkę ultradźwiękową, cięcie strumieniem wody i obróbkę strumieniem ściernym. Oprócz procesów mechanicznych dostępne są również procesy obróbki chemicznej, elektrochemicznej i termicznej. Procesy obróbki chemicznej obejmują frezowanie chemiczne, wykrawanie i grawerowanie; procesy obróbki elektrochemicznej obejmują gratowanie elektrochemiczne i szlifowanie; a procesy obróbki termicznej obejmują obróbkę wiązką elektronów, cięcie laserowe, cięcie łukiem plazmowym i obróbkę elektroerozyjną.
