Precizna obdelava je postopek odstranjevanja materiala z obdelovanca med končno obdelavo z natančnimi tolerancami. Obstaja veliko vrst preciznih strojev, vključno z rezkanjem, struženjem in elektroerozijsko obdelavo. Danes precizne stroje običajno krmili računalniško numerično krmiljenje (CNC).
Skoraj vsi kovinski izdelki uporabljajo precizno strojno obdelavo, tako kot mnogi drugi materiali, kot sta plastika in les. Te stroje upravljajo specializirani in usposobljeni strojniki. Da bi rezalno orodje opravljalo svoje delo, ga je treba premikati v določenih smereh, da se naredi pravilen rez. To primarno gibanje se imenuje "hitrost rezanja". Obdelovanec se lahko premika tudi, kar je znano kot sekundarno gibanje "podajanja". Skupaj ti gibi in ostrina rezalnega orodja omogočajo delovanje preciznega stroja.
Kakovostna natančna obdelava zahteva sposobnost sledenja izjemno specifičnim načrtom, izdelanim s programi CAD (računalniško podprto načrtovanje) ali CAM (računalniško podprta proizvodnja), kot sta AutoCAD in TurboCAD. Programska oprema lahko pomaga pri izdelavi kompleksnih, tridimenzionalnih diagramov ali orisov, potrebnih za izdelavo orodja, stroja ali predmeta. Teh načrtov se je treba držati zelo natančno, da se zagotovi ohranitev celovitosti izdelka. Čeprav večina podjetij za natančno obdelavo dela z neko obliko programov CAD/CAM, v začetnih fazah načrtovanja še vedno pogosto delajo z ročno narisanimi skicami.
Precizna obdelava se uporablja na številnih materialih, vključno z jeklom, bronom, grafitom, steklom in plastiko, če naštejemo le nekatere. Glede na velikost projekta in uporabljene materiale se bodo uporabila različna orodja za precizno obdelavo. Uporabi se lahko katera koli kombinacija stružnic, rezkalnih strojev, vrtalnih stiskalnic, žag in brusilnikov ter celo visokohitrostna robotika. Letalska in vesoljska industrija lahko uporablja visokohitrostno obdelavo, medtem ko lahko industrija lesnih orodij uporablja fotokemično jedkanje in rezkanje. Izdelava serije ali določene količine katerega koli posameznega predmeta se lahko šteje v tisočih ali pa le v nekaj. Precizna obdelava pogosto zahteva programiranje CNC naprav, kar pomeni, da so računalniško numerično krmiljene. CNC naprava omogoča natančne dimenzije, ki se upoštevajo skozi celotno serijo izdelka.
Rezkanje je postopek obdelave z rotacijskimi rezalniki za odstranjevanje materiala z obdelovanca s premikanjem (ali podajanjem) rezalnika v obdelovanec v določeni smeri. Rezalnik je lahko tudi pod kotom glede na os orodja. Rezkanje zajema široko paleto različnih operacij in strojev, od majhnih posameznih delov do velikih, težkih rezkarskih operacij. Je eden najpogosteje uporabljenih postopkov za obdelavo delov po meri z natančnimi tolerancami.
Rezkanje se lahko izvaja s široko paleto obdelovalnih strojev. Prvotni razred obdelovalnih strojev za rezkanje je bil rezkalni stroj (pogosto imenovan mlin). Po pojavu računalniškega numeričnega krmiljenja (CNC) so se rezkalni stroji razvili v obdelovalne centre: rezkalne stroje, dopolnjene z avtomatskimi menjalniki orodij, orodnimi magazini ali vrtiljaki, CNC zmogljivostjo, hladilnimi sistemi in ohišji. Rezkalni centri se običajno razvrščajo kot vertikalni obdelovalni centri (VMC) ali horizontalni obdelovalni centri (HMC).
Integracija rezkanja v struženje in obratno se je začela z gnanimi orodji za stružnice in občasno uporabo rezkarjev za struženje. To je privedlo do novega razreda obdelovalnih strojev, večopravilnih strojev (MTM), ki so namensko izdelani za lažje rezkanje in struženje v istem delovnem območju.
Za inženirje načrtovanja, raziskovalno-razvojne ekipe in proizvajalce, ki so odvisni od dobaviteljev delov, natančna CNC obdelava omogoča izdelavo kompleksnih delov brez dodatne obdelave. Pravzaprav natančna CNC obdelava pogosto omogoča izdelavo končnih delov na enem samem stroju.
Postopek obdelave odstranjuje material in uporablja široko paleto rezalnih orodij za ustvarjanje končne in pogosto zelo kompleksne zasnove dela. Raven natančnosti se izboljša z uporabo računalniškega numeričnega krmiljenja (CNC), ki se uporablja za avtomatizacijo krmiljenja obdelovalnih orodij.
Vloga "CNC" pri natančni obdelavi
Z uporabo kodiranih programskih navodil natančna CNC obdelava omogoča rezanje in oblikovanje obdelovanca po specifikacijah brez ročnega posredovanja upravljavca stroja.
Strokovnjak strojnega mojstra z modelom računalniško podprtega načrtovanja (CAD), ki ga zagotovi stranka, uporabi programsko opremo za računalniško podprto proizvodnjo (CAM) za ustvarjanje navodil za obdelavo dela. Na podlagi modela CAD programska oprema določi, katere poti orodja so potrebne, in ustvari programsko kodo, ki stroju pove:
■ Kakšne so pravilne vrtljaji na minuto in hitrosti podajanja
■ Kdaj in kam premakniti orodje in/ali obdelovanec
■ Kako globoko rezati
■ Kdaj nanesti hladilno tekočino
■ Vsi drugi dejavniki, povezani s hitrostjo, hitrostjo podajanja in koordinacijo
CNC krmilnik nato s programsko kodo krmili, avtomatizira in spremlja gibanje stroja.
Danes je CNC vgrajena funkcija široke palete opreme, od stružnic, rezkarjev in rezkarjev do žične erozije (elektroerozijskega obdelovanja), laserskih in plazemskih rezalnih strojev. Poleg avtomatizacije procesa obdelave in izboljšanja natančnosti CNC odpravlja ročna opravila in strojnikom omogoča nadzor nad več stroji, ki delujejo hkrati.
Poleg tega lahko stroj, ko je pot orodja zasnovana in programiran, obdeluje poljubno število krat. To zagotavlja visoko raven natančnosti in ponovljivosti, zaradi česar je postopek zelo stroškovno učinkovit in prilagodljiv.
Materiali, ki se obdelujejo
Nekatere kovine, ki se pogosto obdelujejo, vključujejo aluminij, medenino, bron, baker, jeklo, titan in cink. Poleg tega se lahko obdelujejo tudi les, pena, steklena vlakna in plastika, kot je polipropilen.
Pravzaprav se s precizno CNC obdelavo lahko uporabi skoraj vsak material – seveda odvisno od uporabe in njenih zahtev.
Nekaj prednosti natančne CNC obdelave
Za številne majhne dele in komponente, ki se uporabljajo v široki paleti izdelanih izdelkov, je natančna CNC obdelava pogosto izbrana metoda izdelave.
Kot velja za praktično vse metode rezanja in obdelave, se različni materiali obnašajo različno, velikost in oblika komponente pa imata prav tako velik vpliv na postopek. Vendar pa postopek natančne CNC obdelave na splošno ponuja prednosti pred drugimi metodami obdelave.
To pa zato, ker CNC obdelava omogoča:
■ Visoka stopnja kompleksnosti delov
■ Ozke tolerance, običajno od ±0,0002" (±0,00508 mm) do ±0,0005" (±0,0127 mm)
■ Izjemno gladke površinske obdelave, vključno z obdelavo po meri
■ Ponovljivost, tudi pri velikih količinah
Medtem ko lahko spreten strojnik z ročno stružnico izdela kakovosten del v količinah 10 ali 100 delov, kaj se zgodi, ko potrebujete 1000 delov? 10.000 delov? 100.000 ali milijon delov?
Z natančno CNC obdelavo lahko dosežete skalabilnost in hitrost, ki sta potrebni za to vrsto proizvodnje velikih količin. Poleg tega vam visoka ponovljivost precizne CNC obdelave zagotavlja dele, ki so od začetka do konca enaki, ne glede na to, koliko delov izdelujete.
Obstaja nekaj zelo specializiranih metod CNC obdelave, vključno z žično erozijsko obdelavo (EDM), aditivno obdelavo in 3D-laserskim tiskanjem. Žična erozija na primer uporablja prevodne materiale – običajno kovine – in električne razelektritve za erodiranje obdelovanca v zapletene oblike.
Vendar se bomo tukaj osredotočili na procese rezkanja in struženja – dve subtraktivni metodi, ki sta široko dostopni in pogosto uporabljeni za natančno CNC obdelavo.
Rezkanje v primerjavi s struženjem
Rezkanje je postopek obdelave, pri katerem se z vrtečim se valjastim rezalnim orodjem odstranjuje material in ustvarjajo oblike. Rezkalna oprema, znana kot mlin ali obdelovalni center, izvaja najrazličnejše kompleksne geometrije delov na nekaterih največjih strojno obdelanih kovinskih predmetih.
Pomembna značilnost rezkanja je, da obdelovanec ostane mirujoč, medtem ko se rezalno orodje vrti. Z drugimi besedami, pri rezkalnem stroju se vrteče se rezalno orodje premika okoli obdelovanca, ki ostane pritrjen na ležišče.
Struženje je postopek rezanja ali oblikovanja obdelovanca na opremi, imenovani stružnica. Stružnica običajno vrti obdelovanec na navpični ali vodoravni osi, medtem ko se fiksno rezalno orodje (ki se lahko vrti ali pa ne) premika vzdolž programirane osi.
Orodje se fizično ne more vrteti okoli obdelovanca. Material se vrti, kar orodju omogoča izvajanje programiranih operacij. (Obstaja podmnožica stružnic, pri katerih se orodja vrtijo okoli žice, ki se dovaja s tuljave, vendar to tukaj ni zajeto.)
Pri struženju se za razliko od rezkanja obdelovanec vrti. Obdelovanec se vrti na vretenu stružnice in rezalno orodje pride v stik z obdelovancem.
Ročna v primerjavi s CNC obdelavo
Čeprav so tako rezkalni stroji kot stružnice na voljo v ročnih modelih, so CNC stroji primernejši za izdelavo majhnih delov – ponujajo skalabilnost in ponovljivost za aplikacije, ki zahtevajo velikoserijsko proizvodnjo delov z majhnimi tolerancami.
Poleg preprostih dvoosnih strojev, pri katerih se orodje premika po oseh X in Z, ponujajo precizni CNC stroji tudi večosne modele, pri katerih se lahko premika tudi obdelovanec. To je v nasprotju s stružnico, kjer se obdelovanec lahko vrti, orodja pa se premikajo za ustvarjanje želene geometrije.
Te večosne konfiguracije omogočajo izdelavo kompleksnejših geometrij v eni sami operaciji, ne da bi operater stroja potreboval dodatno delo. To ne le olajša izdelavo kompleksnih delov, temveč tudi zmanjša ali odpravi možnost napak operaterja.
Poleg tega uporaba visokotlačnega hladilnega sredstva pri precizni CNC obdelavi zagotavlja, da odrezki ne pridejo v obdelovanec, tudi pri uporabi stroja z navpično usmerjenim vretenom.
CNC rezkalni stroji
Različni rezkalni stroji se razlikujejo po velikostih, konfiguraciji osi, hitrostih podajanja, hitrosti rezanja, smeri podajanja pri rezkanju in drugih značilnostih.
Vendar pa CNC rezkalni stroji na splošno uporabljajo vrteče se vreteno za rezanje neželenega materiala. Uporabljajo se za rezanje trdih kovin, kot sta jeklo in titan, lahko pa se uporabljajo tudi z materiali, kot sta plastika in aluminij.
CNC rezkalni stroji so izdelani za ponovljivost in se lahko uporabljajo za vse od izdelave prototipov do proizvodnje velikih količin. Visokokakovostni precizni CNC rezkalni stroji se pogosto uporabljajo za dela z majhnimi tolerancami, kot je rezkanje finih matric in kalupov.
Čeprav lahko CNC rezkanje zagotovi hitro obdelavo, končna obdelava po rezkanju ustvari dele z vidnimi sledi orodja. Lahko pa ustvari tudi dele z ostrimi robovi in robovi, zato so lahko potrebni dodatni postopki, če robovi in robovi niso sprejemljivi za te lastnosti.
Seveda bodo orodja za odstranjevanje robov, programirana v zaporedje, odstranila robove, čeprav običajno dosežejo največ 90 % končne zahteve, nekatere značilnosti pa ostanejo za končno ročno obdelavo.
Kar zadeva površinsko obdelavo, obstajajo orodja, ki ne bodo ustvarila le sprejemljive površinske obdelave, temveč tudi zrcalni sijaj na delih obdelovanca.
Vrste CNC rezkarjev
Dve osnovni vrsti rezkalnih strojev sta znani kot vertikalni obdelovalni centri in horizontalni obdelovalni centri, kjer je glavna razlika v orientaciji vretena stroja.
Vertikalni obdelovalni center je rezkalni stroj, pri katerem je os vretena poravnana v smeri osi Z. Te vertikalne stroje lahko nadalje razdelimo na dve vrsti:
■ Rezkalne plošče z vzporednim rezkalnim strojem, pri katerih se vreteno premika vzporedno s svojo osjo, medtem ko se miza premika pravokotno na os vretena
■ Rezkalni stroji z revolverjem, pri katerih je vreteno mirujoče, miza pa se premika tako, da je med rezanjem vedno pravokotna in vzporedna z osjo vretena
V horizontalnem obdelovalnem centru je os vretena rezkalnega stroja poravnana v smeri osi Y. Zaradi horizontalne strukture ti rezkalni stroji običajno zavzamejo več prostora na tleh strojne delavnice; so tudi običajno težji in zmogljivejši od vertikalnih strojev.
Horizontalni rezkar se pogosto uporablja, kadar je potrebna boljša površinska obdelava; to pa zato, ker orientacija vretena pomeni, da rezalni odrezki naravno odpadajo in jih je mogoče enostavno odstraniti. (Dodatna prednost je, da učinkovito odstranjevanje odrezkov pomaga podaljšati življenjsko dobo orodja.)
Na splošno so vertikalni obdelovalni centri bolj razširjeni, ker so lahko tako zmogljivi kot horizontalni obdelovalni centri in lahko obdelujejo zelo majhne dele. Poleg tega imajo vertikalni centri manjši odtis kot horizontalni obdelovalni centri.
Večosni CNC rezkalni stroji
Na voljo so precizni CNC rezkalni centri z več osmi. 3-osni rezkalni stroj uporablja osi X, Y in Z za široko paleto del. S 4-osnim rezkalnim strojem se lahko stroj vrti po navpični in vodoravni osi ter premika obdelovanec, kar omogoča bolj neprekinjeno obdelavo.
5-osni rezkar ima tri tradicionalne osi in dve dodatni rotacijski osi, kar omogoča vrtenje obdelovanca, ko se glava vretena premika okoli njega. To omogoča obdelavo petih strani obdelovanca brez odstranitve obdelovanca in ponastavitve stroja.
CNC stružnice
Stružnica – imenovana tudi stružni center – ima eno ali več vreten ter osi X in Z. Stroj se uporablja za vrtenje obdelovanca okoli njegove osi za izvajanje različnih rezalnih in oblikovalnih operacij, pri čemer na obdelovanec uporablja široko paleto orodij.
CNC stružnice, imenovane tudi stružnice z orodji v živo, so idealne za izdelavo simetričnih valjastih ali sferičnih delov. Tako kot CNC rezkalni stroji lahko tudi CNC stružnice opravljajo manjše operacije, kot je izdelava prototipov, vendar jih je mogoče nastaviti tudi za visoko ponovljivost, kar podpira proizvodnjo velikih količin.
CNC stružnice je mogoče nastaviti tudi za relativno prostoročno proizvodnjo, zaradi česar se pogosto uporabljajo v avtomobilski, elektronski, letalski, robotski in medicinski industriji.
Kako deluje CNC stružnica
Pri CNC stružnici se surovec iz obdelovanca vstavi v vpenjalno glavo vretena stružnice. Ta vpenjalna glava drži obdelovanec na mestu, medtem ko se vreteno vrti. Ko vreteno doseže zahtevano hitrost, se stacionarno rezalno orodje spravi v stik z obdelovancem, da se odstrani material in doseže pravilna geometrija.
CNC stružnica lahko izvaja številne operacije, kot so vrtanje, rezanje navojev, izstruževanje, razvrtavanje, čelno rezanje in struženje konusnih robov. Različne operacije zahtevajo menjavo orodij in lahko povečajo stroške in čas priprave.
Ko so vse potrebne strojne operacije opravljene, se del po potrebi izreže iz surovca za nadaljnjo obdelavo. CNC stružnica je nato pripravljena za ponovitev operacije, pri čemer je običajno potreben le malo ali nič dodatnega časa za pripravo.
CNC stružnice lahko sprejmejo tudi različne avtomatske podajalnike palic, kar zmanjša količino ročnega ravnanja z materialom in zagotavlja prednosti, kot so naslednje:
■ Zmanjšajte čas in trud, ki ga potrebuje upravljavec stroja
■ Podprite palico, da zmanjšate vibracije, ki lahko negativno vplivajo na natančnost
■ Omogočite delovanje strojnega orodja pri optimalnih hitrostih vretena
■ Zmanjšajte čas preklapljanja
■ Zmanjšajte odpadke materiala
Vrste CNC stružnic
Obstaja več različnih vrst stružnic, najpogostejše pa so dvoosne CNC stružnice in avtomatske stružnice kitajskega tipa.
Večina kitajskih CNC stružnic uporablja eno ali dve glavni vreteni in eno ali dve zadnji (ali sekundarni) vreteni, pri čemer je za prvo odgovoren rotacijski prenos. Glavno vreteno izvaja primarno obdelovalno operacijo s pomočjo vodilne puše.
Poleg tega so nekatere stružnice kitajskega tipa opremljene z drugo orodno glavo, ki deluje kot CNC rezkalni stroj.
Pri CNC avtomatski stružnici kitajskega tipa se obdelovani material dovaja skozi vreteno drsne glave v vodilno pušo. To orodju omogoča, da reže material bližje točki, kjer je material podprt, zaradi česar je stroj kitajskega tipa še posebej uporaben za dolge, vitke stružene dele in za mikroobdelavo.
Večosni CNC stružni centri in stružnice kitajskega tipa lahko z enim samim strojem opravijo več obdelovalnih operacij. Zaradi tega so stroškovno učinkovita možnost za kompleksne geometrije, ki bi sicer zahtevale več strojev ali menjavo orodij z opremo, kot je tradicionalni CNC rezkalni stroj.