Precīzā apstrāde ir process, kurā no sagataves tiek noņemts materiāls, veicot apstrādi ar šaurām pielaidēm. Precīzās apstrādes iekārtas ir pieejamas dažādos veidos, tostarp frēzēšana, virpošana un elektroerozijas apstrāde. Mūsdienās precīzas apstrādes iekārtas parasti kontrolē, izmantojot datorizētu vadību (CNC).
Gandrīz visi metāla izstrādājumi, tāpat kā daudzi citi materiāli, piemēram, plastmasa un koks, tiek apstrādāti precīzi. Šīs mašīnas apkalpo specializēti un apmācīti mehāniķi. Lai griezējinstruments veiktu savu darbu, tas ir jāpārvieto norādītajos virzienos, lai veiktu pareizu griezumu. Šo primāro kustību sauc par "griešanas ātrumu". Sagatavi var arī pārvietot, kas pazīstama kā sekundārā "padeves" kustība. Kopā šīs kustības un griezējinstrumenta asums ļauj precīzijas mašīnai darboties.
Kvalitatīvai precīzai apstrādei ir nepieciešama spēja ievērot ārkārtīgi specifiskus rasējumus, kas izveidoti ar CAD (datorizētas projektēšanas) vai CAM (datorizētas ražošanas) programmām, piemēram, AutoCAD un TurboCAD. Programmatūra var palīdzēt izveidot sarežģītas, trīsdimensiju diagrammas vai kontūras, kas nepieciešamas, lai izgatavotu instrumentu, mašīnu vai priekšmetu. Šie rasējumi ir jāievēro ļoti detalizēti, lai nodrošinātu produkta integritāti. Lai gan lielākā daļa precīzās apstrādes uzņēmumu strādā ar kādu CAD/CAM programmu veidu, tie joprojām bieži strādā ar ar roku zīmētām skicēm dizaina sākumposmā.
Precīza apstrāde tiek izmantota dažādiem materiāliem, tostarp tēraudam, bronzai, grafītam, stiklam un plastmasai, un tie ir tikai daži piemēri. Atkarībā no projekta apjoma un izmantojamajiem materiāliem tiks izmantoti dažādi precīzās apstrādes instrumenti. Var izmantot jebkuru virpu, frēzmašīnu, urbšanas iekārtu, zāģu un slīpmašīnu kombināciju un pat ātrgaitas robotiku. Aviācijas un kosmosa rūpniecībā var izmantot ātrgaitas apstrādi, savukārt kokapstrādes instrumentu ražošanas nozarē var izmantot fotoķīmiskās kodināšanas un frēzēšanas procesus. Jebkura konkrēta priekšmeta partijas vai noteikta daudzuma saražotais daudzums var būt tūkstošos vai tikai daži. Precīzai apstrādei bieži vien ir nepieciešama CNC ierīču programmēšana, kas nozīmē, ka tās tiek vadītas ar datoru. CNC ierīce ļauj ievērot precīzus izmērus visā produkta ražošanas procesā.
Frēzēšana ir apstrādes process, kurā, izmantojot rotācijas griezējus, no apstrādājamās detaļas noņem materiālu, virzot griezēju sagatavē noteiktā virzienā. Griezējs var tikt turēts arī leņķī attiecībā pret instrumenta asi. Frēzēšana aptver plašu dažādu darbību un mašīnu klāstu, sākot no mazām atsevišķām detaļām līdz lielām, jaudīgām grupu frēzēšanas operācijām. Tas ir viens no visbiežāk izmantotajiem procesiem pielāgotu detaļu apstrādei ar precīzām pielaidēm.
Frēzēšanu var veikt ar plašu darbgaldu klāstu. Sākotnējā frēzēšanas darbgaldu klase bija frēzmašīna (bieži saukta par dzirnavām). Pēc datorizētas ciparu vadības (CNC) parādīšanās frēzmašīnas attīstījās par apstrādes centriem: frēzmašīnas, ko papildināja automātiski instrumentu mainītāji, instrumentu magazīnas vai karuseļi, CNC iespējas, dzesēšanas sistēmas un korpusi. Frēzēšanas centrus parasti klasificē kā vertikālos apstrādes centrus (VMC) vai horizontālos apstrādes centrus (HMC).
Frēzēšanas integrācija virpošanas vidē un otrādi sākās ar griezējinstrumentu izmantošanu virpām un frēzmašīnu neregulāru izmantošanu virpošanas operācijās. Tas noveda pie jaunas darbgaldu klases — daudzfunkcionālām mašīnām (MTM), kas ir īpaši izstrādātas, lai atvieglotu frēzēšanu un virpošanu vienā darba diapazonā.
Projektēšanas inženieriem, pētniecības un attīstības komandām un ražotājiem, kas ir atkarīgi no detaļu piegādes, precīzā CNC apstrāde ļauj izveidot sarežģītas detaļas bez papildu apstrādes. Faktiski precīzā CNC apstrāde bieži vien ļauj izgatavot gatavās detaļas uz vienas mašīnas.
Apstrādes procesā tiek noņemts materiāls un izmantots plašs griezējinstrumentu klāsts, lai izveidotu detaļas galīgo un bieži vien ļoti sarežģīto dizainu. Precizitātes līmenis tiek uzlabots, izmantojot datora ciparu vadību (CNC), kas tiek izmantota, lai automatizētu apstrādes instrumentu vadību.
"CNC" loma precīzā apstrādē
Izmantojot kodētas programmēšanas instrukcijas, precīza CNC apstrāde ļauj sagriezt un veidot sagatavi atbilstoši specifikācijām bez manuālas mašīnas operatora iejaukšanās.
Ņemot klienta sniegto datorizētās projektēšanas (CAD) modeli, pieredzējis mehāniķis izmanto datorizētās ražošanas programmatūru (CAM), lai izveidotu detaļas apstrādes instrukcijas. Pamatojoties uz CAD modeli, programmatūra nosaka, kādi instrumentu ceļi ir nepieciešami, un ģenerē programmēšanas kodu, kas norāda iekārtai:
■ Kādi ir pareizie apgriezienu skaita rādītāji un padeves ātrumi
■ Kad un kur pārvietot instrumentu un/vai sagatavi
■ Cik dziļi griezt
■ Kad uzklāt dzesēšanas šķidrumu
■ Jebkuri citi faktori, kas saistīti ar ātrumu, padeves ātrumu un koordināciju
Pēc tam CNC kontrolieris izmanto programmēšanas kodu, lai vadītu, automatizētu un uzraudzītu mašīnas kustības.
Mūsdienās CNC ir iebūvēta plaša aprīkojuma klāsta funkcija, sākot no virpām, frēzēm un frēzēm līdz stieples EDM (elektriskās izlādes apstrādes), lāzera un plazmas griešanas iekārtām. Papildus apstrādes procesa automatizēšanai un precizitātes uzlabošanai CNC novērš manuālus uzdevumus un atbrīvo mehāniķus, lai pārraudzītu vairākas vienlaikus darbojošās iekārtas.
Turklāt, kad instrumenta trajektorija ir izstrādāta un iekārta ir ieprogrammēta, tā var apstrādāt detaļu neierobežotu reižu skaitu. Tas nodrošina augstu precizitātes un atkārtojamības līmeni, kas savukārt padara procesu ļoti rentablu un mērogojamu.
Apstrādāti materiāli
Daži no parasti apstrādājamajiem metāliem ir alumīnijs, misiņš, bronza, varš, tērauds, titāns un cinks. Turklāt var apstrādāt arī koku, putuplastu, stikla šķiedru un plastmasu, piemēram, polipropilēnu.
Faktiski gandrīz jebkuru materiālu var izmantot ar precīzu CNC apstrādi — protams, atkarībā no pielietojuma un tā prasībām.
Dažas precīzās CNC apstrādes priekšrocības
Daudzām mazām detaļām un komponentiem, ko izmanto plašā ražoto produktu klāstā, precīza CNC apstrāde bieži vien ir izvēles ražošanas metode.
Tāpat kā praktiski visās griešanas un apstrādes metodēs, dažādi materiāli uzvedas atšķirīgi, un arī detaļas izmēram un formai ir liela ietekme uz procesu. Tomēr kopumā precīzās CNC apstrādes process piedāvā priekšrocības salīdzinājumā ar citām apstrādes metodēm.
Tas ir tāpēc, ka CNC apstrāde spēj nodrošināt:
■ Augsta detaļu sarežģītības pakāpe
■ Stingras pielaides, parasti no ±0,0002" (±0,00508 mm) līdz ±0,0005" (±0,0127 mm)
■ Izcili gludas virsmas, tostarp pielāgotas apdares
■ Atkārtojamība pat lielos apjomos
Lai gan prasmīgs mehāniķis var izmantot manuālu virpu, lai izgatavotu kvalitatīvas detaļas 10 vai 100 eksemplāros, kas notiek, ja nepieciešamas 1000 detaļas? 10 000 detaļas? 100 000 vai miljons detaļu?
Ar precīzu CNC apstrādi jūs varat iegūt mērogojamību un ātrumu, kas nepieciešams šāda veida liela apjoma ražošanai. Turklāt precīzās CNC apstrādes augstā atkārtojamība nodrošina detaļas, kas ir vienādas no sākuma līdz beigām neatkarīgi no tā, cik detaļu jūs ražojat.
Ir dažas ļoti specializētas CNC apstrādes metodes, tostarp stieples EDM (elektriskās izlādes apstrāde), aditīvā apstrāde un 3D lāzerdruka. Piemēram, stieples EDM izmanto vadošus materiālus — parasti metālus — un elektriskās izlādes, lai sagatavi erodētu sarežģītās formās.
Tomēr šeit mēs pievērsīsimies frēzēšanas un virpošanas procesiem — divām subtraktīvām metodēm, kas ir plaši pieejamas un bieži tiek izmantotas precīzai CNC apstrādei.
Frēzēšana pret virpošanu
Frēzēšana ir apstrādes process, kurā materiāla noņemšanai un formu veidošanai tiek izmantots rotējošs, cilindrisks griezējinstruments. Frēzēšanas iekārtas, kas pazīstamas kā frēzmašīnas vai apstrādes centri, ļauj izveidot virkni sarežģītu detaļu ģeometriju dažiem no lielākajiem metāla apstrādes objektiem.
Svarīga frēzēšanas īpašība ir tā, ka sagatave paliek nekustīga, kamēr griezējinstruments griežas. Citiem vārdiem sakot, frēzē rotējošais griezējinstruments pārvietojas ap sagatavi, kas paliek nekustīga uz pamatnes.
Virpošana ir sagataves griešanas vai formēšanas process uz iekārtas, ko sauc par virpu. Parasti virpa griež sagatavi pa vertikālu vai horizontālu asi, kamēr fiksēts griezējinstruments (kas var griezties vai negriezties) pārvietojas pa ieprogrammēto asi.
Instruments fiziski nevar apiet detaļu. Materiāls rotē, ļaujot instrumentam veikt ieprogrammētās darbības. (Tomēr ir virpu apakškopa, kurā instrumenti griežas ap spoles padotu stiepli, kas šeit nav aplūkota.)
Virpošanas procesā, atšķirībā no frēzēšanas, sagatave griežas. Detaļas materiāls griežas uz virpas vārpstas, un griezējinstruments nonāk saskarē ar sagatavi.
Manuālā un CNC apstrāde
Lai gan gan frēzmašīnas, gan virpas ir pieejamas manuālos modeļos, CNC iekārtas ir piemērotākas mazu detaļu ražošanai — tās piedāvā mērogojamību un atkārtojamību lietojumprogrammām, kurām nepieciešama liela apjoma stingras pielaides detaļu ražošana.
Papildus vienkāršām divu asu iekārtām, kurās instruments pārvietojas X un Z asīs, precīzās CNC iekārtas ietver arī daudzu asu modeļus, kuros sagatave var arī kustēties. Tas atšķiras no virpas, kurā sagatave var tikai griezties, un instrumenti kustas, lai izveidotu vēlamo ģeometriju.
Šīs daudzu asu konfigurācijas ļauj izgatavot sarežģītākas ģeometrijas vienā darbībā, neprasot papildu darbu no mašīnas operatora. Tas ne tikai atvieglo sarežģītu detaļu ražošanu, bet arī samazina vai novērš operatora kļūdas iespējamību.
Turklāt augstspiediena dzesēšanas šķidruma izmantošana precīzā CNC apstrādē nodrošina, ka skaidas nenonāk darbos, pat ja tiek izmantota mašīna ar vertikāli orientētu vārpstu.
CNC frēzmašīnas
Dažādas frēzmašīnas atšķiras pēc to izmēriem, asu konfigurācijas, padeves ātrumiem, griešanas ātruma, frēzēšanas padeves virziena un citām īpašībām.
Tomēr kopumā CNC frēzmašīnas izmanto rotējošu vārpstu, lai nogrieztu nevēlamu materiālu. Tās tiek izmantotas cietu metālu, piemēram, tērauda un titāna, griešanai, bet tās var izmantot arī ar tādiem materiāliem kā plastmasa un alumīnijs.
CNC frēzmašīnas ir paredzētas atkārtojamībai un tās var izmantot visam, sākot no prototipu veidošanas līdz lielapjoma ražošanai. Augstas precizitātes CNC frēzmašīnas bieži izmanto darbam ar šauru pielaidi, piemēram, smalku matricu un veidņu frēzēšanai.
Lai gan CNC frēzēšana var nodrošināt ātru apgrozījumu, frēzēšanas procesā iegūtās detaļas tiek apstrādātas ar redzamām instrumentu pēdām. Var rasties arī asas malas un atgratas, tāpēc var būt nepieciešamas papildu apstrādes, ja malas un atgratas šīm detaļām nav pieņemamas.
Protams, secībā ieprogrammētie atgriešanas instrumenti noņems atgriešanas efektu, lai gan parasti tiek sasniegti ne vairāk kā 90% no gatavā materiāla, atstājot dažas funkcijas galīgajai apdarei ar rokām.
Runājot par virsmas apdari, ir instrumenti, kas nodrošinās ne tikai pieņemamu virsmas apdari, bet arī spoguļapdari atsevišķām izstrādājuma daļām.
CNC frēžu veidi
Divi galvenie frēzmašīnu veidi ir pazīstami kā vertikālie apstrādes centri un horizontālie apstrādes centri, kur galvenā atšķirība ir mašīnas vārpstas orientācijā.
Vertikālais apstrādes centrs ir frēzmašīna, kurā vārpstas ass ir izlīdzināta Z ass virzienā. Šīs vertikālās mašīnas var iedalīt divos tālāk norādītajos veidos:
■ Gultas frēzmašīnas, kurās vārpsta pārvietojas paralēli savai asij, bet galds pārvietojas perpendikulāri vārpstas asij
■ Revolverfrēzmašīnas, kurās vārpsta ir nekustīga, bet galds tiek pārvietots tā, lai griešanas operācijas laikā tas vienmēr būtu perpendikulārs un paralēls vārpstas asij
Horizontālā apstrādes centrā frēzmašīnas vārpstas ass ir izlīdzināta Y ass virzienā. Horizontālā struktūra nozīmē, ka šīs frēzmašīnas parasti aizņem vairāk vietas mašīnbūves cehā; tās parasti ir arī smagākas un jaudīgākas nekā vertikālās mašīnas.
Horizontālo frēzi bieži izmanto, ja nepieciešama labāka virsmas apdare; tas ir tāpēc, ka vārpstas orientācija nozīmē, ka griešanas skaidas dabiski atdalās un ir viegli noņemamas. (Kā papildu priekšrocība, efektīva skaidu noņemšana palīdz palielināt instrumenta kalpošanas laiku.)
Kopumā vertikālie apstrādes centri ir izplatītāki, jo tie var būt tikpat jaudīgi kā horizontālie apstrādes centri un var apstrādāt ļoti mazas detaļas. Turklāt vertikālajiem centriem ir mazāks nospiedums nekā horizontālajiem apstrādes centriem.
Daudzasu CNC frēzmašīnas
Precīzas CNC frēzēšanas centri ir pieejami ar vairākām asīm. 3 asu frēzēšanas iekārta izmanto X, Y un Z asis plašam darbu klāstam. Ar 4 asu frēzēšanas iekārtu iekārta var griezties pa vertikālo un horizontālo asi un pārvietot sagatavi, lai nodrošinātu nepārtrauktāku apstrādi.
Piecu asu frēzmašīnai ir trīs tradicionālās asis un divas papildu rotācijas asis, kas ļauj apstrādāt sagatavi, vārpstas galvai pārvietojoties ap to. Tas ļauj apstrādāt piecas sagataves malas, neizņemot sagatavi un neatstājot iekārtas iestatījumus.
CNC virpas
Virpai, ko sauc arī par virpošanas centru, ir viena vai vairākas vārpstas, kā arī X un Z asis. Mašīnu izmanto, lai pagrieztu sagatavi ap tās asi, lai veiktu dažādas griešanas un formēšanas darbības, pielietojot sagatavei plašu instrumentu klāstu.
CNC virpas, ko sauc arī par tiešās darbības instrumentu virpām, ir ideāli piemērotas simetrisku cilindrisku vai sfērisku detaļu izgatavošanai. Tāpat kā CNC frēzēšanas mašīnas, CNC virpas var veikt mazākas darbības, piemēram, prototipu izgatavošanu, bet tās var iestatīt arī augstai atkārtojamībai, atbalstot liela apjoma ražošanu.
CNC virpas var iestatīt arī relatīvi brīvroku ražošanai, kas tās plaši izmanto automobiļu, elektronikas, kosmosa, robotikas un medicīnas ierīču nozarēs.
Kā darbojas CNC virpa
Izmantojot CNC virpu, sagataves stienis tiek ievietots virpas vārpstas patronā. Šī patrona notur sagatavi vietā, kamēr vārpsta griežas. Kad vārpsta sasniedz nepieciešamo ātrumu, stacionārs griezējinstruments tiek novietots saskarē ar sagatavi, lai noņemtu materiālu un panāktu pareizu ģeometriju.
CNC virpa var veikt vairākas darbības, piemēram, urbšanu, vītņošanu, izvirpošanu, izurbšanu, virsmas apstrādi un konusveida virpošanu. Dažādām darbībām ir nepieciešama instrumentu maiņa, un tās var palielināt izmaksas un iestatīšanas laiku.
Kad visas nepieciešamās apstrādes darbības ir pabeigtas, detaļa tiek izgriezta no sagataves tālākai apstrādei, ja nepieciešams. CNC virpa pēc tam ir gatava atkārtot darbību, un parasti starp tām ir nepieciešams maz vai vispār nav nepieciešams papildu iestatīšanas laiks.
CNC virpas var uzņemt arī dažādas automātiskās stieņu padeves, kas samazina manuālās izejvielu apstrādes apjomu un sniedz šādas priekšrocības:
■ Samaziniet iekārtas operatora laiku un pūles
■ Atbalstiet stieni, lai samazinātu vibrācijas, kas var negatīvi ietekmēt precizitāti
■ Ļaujiet darbmašīnai darboties ar optimālu vārpstas ātrumu
■ Samaziniet pārslēgšanas laikus
■ Samaziniet materiālu atkritumus
CNC virpu veidi
Ir vairāki dažādi virpu veidi, bet visizplatītākās ir divu asu CNC virpas un ķīniešu stila automātiskās virpas.
Lielākā daļa CNC virpu Ķīnā izmanto vienu vai divas galvenās vārpstas, kā arī vienu vai divas aizmugurējās (vai sekundārās) vārpstas, par kurām ir atbildīga rotācijas pārnese. Galvenā vārpsta veic primāro apstrādes darbību ar vadotnes bukses palīdzību.
Turklāt dažas ķīniešu stila virpas ir aprīkotas ar otru instrumenta galviņu, kas darbojas kā CNC frēzmašīna.
Ar CNC Ķīnas stila automātisko virpu materiāls tiek padots caur bīdāmu galvas vārpstu vadotnes buksē. Tas ļauj instrumentam griezt materiālu tuvāk vietai, kur materiāls tiek atbalstīts, padarot Ķīnas mašīnu īpaši noderīgu garām, slaidām virpotām detaļām un mikroapstrādei.
Daudzasu CNC virpošanas centri un ķīniešu stila virpas var veikt vairākas apstrādes operācijas, izmantojot vienu mašīnu. Tas padara tās par rentablu risinājumu sarežģītām ģeometrijām, kurām citādi būtu nepieciešamas vairākas mašīnas vai instrumentu maiņa, izmantojot tādu aprīkojumu kā tradicionālā CNC frēzēšanas mašīna.