Precisionsbearbetning är en process för att avlägsna material från ett arbetsstycke under hållfasthetstoleranser. Precisionsmaskinen har många typer, inklusive fräsning, svarvning och elektrisk urladdning. En precisionsmaskin idag styrs i allmänhet med hjälp av en dator numeriska kontroller (CNC).
Nästan alla metallprodukter använder precisionsbearbetning, liksom många andra material som plast och trä. Dessa maskiner drivs av specialiserade och utbildade maskinister. För att skärverktyget ska kunna göra sitt jobb måste det flyttas i angivna riktningar för att göra rätt snitt. Denna primära rörelse kallas "skärhastigheten". Arbetsstycket kan också flyttas, kallat sekundärrörelsen för "matning". Tillsammans tillåter dessa rörelser och skärverktyget att skärverktyget fungerar.
Precisionsbearbetning av hög kvalitet kräver förmågan att följa extremt specifika ritningar gjorda av CAD (datorstödd design) eller CAM (datorstödd tillverkning) program som AutoCAD och TurboCAD. Programvaran kan hjälpa till att ta fram de komplexa, tredimensionella diagrammen eller konturerna som behövs för att tillverka ett verktyg, en maskin eller ett objekt. Dessa ritningar måste följas med stor detalj för att säkerställa att en produkt behåller sin integritet. Medan de flesta precisionsbearbetningsföretag arbetar med någon form av CAD/CAM-program, arbetar de fortfarande ofta med handritade skisser i de inledande faserna av en design.
Precisionsbearbetning används på ett antal material, inklusive stål, brons, grafit, glas och plast för att nämna några. Beroende på projektets storlek och de material som ska användas kommer olika precisionsbearbetningsverktyg att användas. Alla kombinationer av svarvar, fräsmaskiner, borrpressar, sågar och slipmaskiner och till och med höghastighetsrobotar kan användas. Flygindustrin kan använda höghastighetsbearbetning, medan en träindustriverktygsindustri kan använda fotokemisk etsning och fräsningsprocesser. Att köra ur en körning, eller en specifik mängd av ett visst objekt, kan räkna i tusentals, eller vara bara några. Precisionsbearbetning kräver ofta programmering av CNC -enheter vilket innebär att de är datorstyrda numeriskt. CNC -enheten gör det möjligt att följa exakta mått under hela produktens körning.
Fräsning är bearbetningsprocessen för att använda roterande fräsar för att avlägsna material från ett arbetsstycke genom att mata fram fräsen i arbetsstycket i en viss riktning. Skäraren kan också hållas i en vinkel i förhållande till verktygets axel. Fräsning täcker ett stort antal olika operationer och maskiner, på skalor från små enskilda delar till stora, kraftiga gängfräsningar. Det är en av de mest använda processerna för bearbetning av anpassade delar till exakta toleranser.
Fräsning kan göras med ett brett utbud av verktygsmaskiner. Den ursprungliga klassen av verktygsmaskiner för fräsning var fräsmaskinen (ofta kallad en kvarn). Efter tillkomsten av dator numerisk styrning (CNC) utvecklades fräsmaskiner till bearbetningscenter: fräsar som förstärktes med automatiska verktygsväxlare, verktygsmagasin eller karuseller, CNC -kapacitet, kylvätskesystem och kapslingar. Fräscenter klassificeras i allmänhet som vertikala bearbetningscentra (VMC) eller horisontella bearbetningscentra (HMC).
Integrationen av fräsning i svarvmiljöer, och vice versa, började med spänningsverktyg för svarvar och tillfällig användning av kvarn för svarvning. Detta ledde till en ny klass av verktygsmaskiner, multitaskingmaskiner (MTM), som är specialbyggda för att underlätta fräsning och svarvning inom samma arbetshölje.
För konstruktionsingenjörer, FoU -team och tillverkare som är beroende av inköp av delar möjliggör precision -CNC -bearbetning att skapa komplexa delar utan ytterligare bearbetning. Faktum är att precision CNC -bearbetning ofta gör det möjligt för färdiga delar att tillverkas på en enda maskin.
Bearbetningsprocessen tar bort material och använder ett brett utbud av skärverktyg för att skapa den sista, och ofta mycket komplexa, designen av en del. Precisionsnivån förbättras genom användning av dator numerisk styrning (CNC), som används för att automatisera styrningen av bearbetningsverktygen.
Rollen som "CNC" vid precisionsbearbetning
Med hjälp av kodade programmeringsinstruktioner gör precisions -CNC -bearbetning att ett arbetsstycke kan skäras och formas efter specifikationer utan manuell ingrepp av en maskinoperatör.
Med en datorstödd konstruktion (CAD) -modell som tillhandahålls av en kund använder en expert maskinist datorstödd tillverkningsprogramvara (CAM) för att skapa instruktioner för bearbetning av delen. Baserat på CAD -modellen bestämmer programvaran vilka verktygsvägar som behövs och genererar programmeringskoden som talar om för maskinen:
■ Vad är rätt varvtal och matningshastigheter
■ När och var du ska flytta verktyget och/eller arbetsstycket
■ Hur djupt man ska skära
■ När kylvätska ska appliceras
■ Alla andra faktorer relaterade till hastighet, matningshastighet och koordination
En CNC -styrenhet använder sedan programmeringskoden för att styra, automatisera och övervaka maskinens rörelser.
Idag är CNC en inbyggd funktion i ett brett utbud av utrustning, från svarvar, kvarn och routrar till tråd EDM (elektrisk urladdning), laser och plasmaskärmaskiner. Förutom att automatisera bearbetningsprocessen och öka precisionen, eliminerar CNC manuella uppgifter och frigör maskinister att övervaka flera maskiner som körs samtidigt.
Dessutom, när en verktygsbana har utformats och en maskin är programmerad, kan den köra en del hur många gånger som helst. Detta ger en hög precision och repeterbarhet, vilket i sin tur gör processen mycket kostnadseffektiv och skalbar.
Material som bearbetas
Vissa metaller som vanligtvis bearbetas inkluderar aluminium, mässing, brons, koppar, stål, titan och zink. Dessutom kan trä, skum, glasfiber och plaster som polypropen också bearbetas.
Faktum är att nästan alla material kan användas med precisions -CNC -bearbetning - naturligtvis, beroende på applikationen och dess krav.
Några fördelar med precision CNC -bearbetning
För många av de små delarna och komponenterna som används i ett brett utbud av tillverkade produkter är precision CNC -bearbetning ofta den valda tillverkningsmetoden.
Precis som i stort sett alla skär- och bearbetningsmetoder beter sig olika material olika, och storleken och formen på en komponent har också stor inverkan på processen. Men i allmänhet erbjuder processen med precisions -CNC -bearbetning fördelar jämfört med andra bearbetningsmetoder.
Det beror på att CNC -bearbetning kan leverera:
■ En hög grad av komplexitet
■ Täta toleranser, vanligtvis från ± 0,0002 "(± 0,00508 mm) till ± 0,0005" (± 0,0127 mm)
■ Exceptionellt slät ytfinish, inklusive anpassade ytbehandlingar
■ Repeterbarhet, även vid höga volymer
Även om en skicklig maskinist kan använda en manuell svarv för att göra en kvalitetsdel i mängder om 10 eller 100, vad händer när du behöver 1000 delar? 10 000 delar? 100 000 eller en miljon delar?
Med precision CNC-bearbetning kan du få skalbarhet och hastighet som behövs för denna typ av högvolymsproduktion. Dessutom ger CNC -bearbetningens höga repeterbarhet dig delar som är desamma från början till slut, oavsett hur många delar du producerar.
Det finns några mycket specialiserade metoder för CNC -bearbetning, inklusive tråd -EDM (elektrisk urladdning), additiv bearbetning och 3D -lasertryck. Till exempel använder tråd EDM ledande material -vanligtvis metaller -och elektriska urladdningar för att urholka ett arbetsstycke till invecklade former.
Men här kommer vi att fokusera på fräs- och svarvprocesser - två subtraktiva metoder som är allmänt tillgängliga och ofta används för precisions -CNC -bearbetning.
Fräsning kontra svarvning
Fräsning är en bearbetningsprocess som använder ett roterande, cylindriskt skärverktyg för att ta bort material och skapa former. Fräsutrustning, känd som en kvarn eller ett bearbetningscentrum, åstadkommer ett universum av komplexa geometrier på några av de största föremålen som bearbetas metall.
En viktig egenskap för fräsning är att arbetsstycket förblir stilla medan skärverktyget snurrar. Med andra ord, på en kvarn rör sig det roterande skärverktyget runt arbetsstycket, som förblir fixerat på plats på en bädd.
Vändning är processen att skära eller forma ett arbetsstycke på utrustning som kallas en svarv. Vanligtvis snurrar svarven arbetsstycket på en vertikal eller horisontell axel medan ett fast skärverktyg (som kan snurras eller inte) rör sig längs den programmerade axeln.
Verktyget kan inte fysiskt gå runt delen. Materialet roterar, så att verktyget kan utföra de programmerade operationerna. (Det finns en delmängd av svarvar där verktygen snurrar runt en trådmatad tråd, men den täcks inte här.)
Vid svarvning, till skillnad från fräsning, snurrar arbetsstycket. Delmaterialet slår på svarvens spindel och skärverktyget bringas i kontakt med arbetsstycket.
Manuell kontra CNC -bearbetning
Medan både kvarnar och svarvar finns i manuella modeller, är CNC -maskiner mer lämpade för tillverkning av små delar - erbjuder skalbarhet och repeterbarhet för applikationer som kräver hög volymproduktion av snäva toleransdelar.
Förutom att erbjuda enkla 2-axliga maskiner där verktyget rör sig i X- och Z-axlarna, innehåller precision-CNC-utrustning fleraxliga modeller där arbetsstycket också kan röra sig. Detta står i kontrast till en svarv där arbetsstycket är begränsat till snurrning och verktygen kommer att flytta för att skapa önskad geometri.
Dessa konfigurationer med flera axlar möjliggör produktion av mer komplexa geometrier i en enda operation, utan att kräva ytterligare arbete av maskinoperatören. Detta gör det inte bara lättare att producera komplexa delar, utan minskar eller eliminerar också risken för operatörsfel.
Dessutom säkerställer användningen av högtryckskylvätska med precisions-CNC-bearbetning att flis inte kommer in i verket, inte ens när man använder en maskin med en vertikalt orienterad spindel.
CNC -kvarnar
Olika fräsar varierar i storlek, axelkonfiguration, matningshastigheter, skärhastighet, fräsmatningens riktning och andra egenskaper.
Men i allmänhet använder CNC -kvarnen alla en roterande spindel för att skära bort oönskat material. De används för att skära hårda metaller som stål och titan men kan också användas med material som plast och aluminium.
CNC -kvarnar är byggda för repeterbarhet och kan användas för allt från prototyper till högvolymsproduktion. High-end precisions-CNC-kvarnar används ofta för täta toleransarbeten som fräsning av fina formar och formar.
Medan CNC-fräsning kan ge snabb vändning, skapar fräst efterbehandling delar med synliga verktygsmärken. Det kan också producera delar med några skarpa kanter och grader, så ytterligare processer kan krävas om kanter och grader är oacceptabla för dessa funktioner.
Naturligtvis kommer avgraderingsverktyg som programmeras in i sekvensen att avgradas, även om de vanligtvis uppnår högst 90% av det färdiga kravet, vilket lämnar några funktioner för den slutliga handbehandlingen.
När det gäller ytfinish finns det verktyg som inte bara ger en acceptabel ytfinish, utan också en spegelliknande finish på delar av arbetsprodukten.
Typer av CNC -kvarnar
De två grundläggande typerna av fräsmaskiner är kända som vertikala bearbetningscentra och horisontella bearbetningscentra, där den primära skillnaden är i orienteringen av maskinspindeln.
Ett vertikalt bearbetningscentrum är en kvarn där spindelaxeln är inriktad i en Z-axelriktning. Dessa vertikala maskiner kan ytterligare delas in i två typer:
■ Sängkvarnar, där spindeln rör sig parallellt med sin egen axel medan bordet rör sig vinkelrätt mot spindelns axel
■ Tårnkvarnar, där spindeln är stationär och bordet flyttas så att det alltid är vinkelrätt och parallellt med spindelaxeln under skärningen
I ett horisontellt bearbetningscentrum är kvarnens spindelaxel inriktad i en Y-axelriktning. Den horisontella strukturen innebär att dessa bruk brukar ta mer plats på verkstadsgolvet; de är också i allmänhet tyngre i vikt och kraftfullare än vertikala maskiner.
En horisontell kvarn används ofta när en bättre ytfinish krävs; det beror på att spindelns orientering innebär att skärflisarna naturligtvis faller bort och lätt kan tas bort. (Som en extra fördel hjälper effektivt borttagande av spån att öka livslängden.)
I allmänhet är vertikala bearbetningscentraler vanligare eftersom de kan vara lika kraftfulla som horisontella bearbetningscentra och kan hantera mycket små delar. Dessutom har vertikala centra ett mindre fotavtryck än horisontella bearbetningscentra.
Fleraxliga CNC-kvarnar
Precisions CNC -fräscentra finns med flera axlar. En 3-axlig kvarn använder X-, Y- och Z-axlarna för en mängd olika arbeten. Med en 4-axlig kvarn kan maskinen rotera på en vertikal och horisontell axel och flytta arbetsstycket för att möjliggöra mer kontinuerlig bearbetning.
En 5-axlig kvarn har tre traditionella axlar och ytterligare två roterande axlar, vilket gör att arbetsstycket kan roteras när spindelhuvudet rör sig runt det. Detta gör det möjligt att bearbeta fem sidor av ett arbetsstycke utan att ta bort arbetsstycket och återställa maskinen.
CNC svarvar
En svarv - även kallad vändcentrum - har en eller flera spindlar och X- och Z -axlar. Maskinen används för att rotera ett arbetsstycke på sin axel för att utföra olika skärnings- och formningsoperationer genom att applicera ett brett utbud av verktyg på arbetsstycket.
CNC -svarvar, som också kallas verktyg för svarvning, är idealiska för att skapa symmetriska cylindriska eller sfäriska delar. Precis som CNC -kvarnar kan CNC -svarvar hantera mindre operationer, t.ex.
CNC-svarvar kan också ställas in för relativt handsfree-produktion, vilket gör att de används flitigt inom bil-, elektronik-, rymd-, robot- och medicinteknikindustrin.
Hur en CNC -svarv fungerar
Med en CNC -svarv laddas en tom stapel av lagermaterial in i chucken på svarvens spindel. Denna chuck håller arbetsstycket på plats medan spindeln roterar. När spindeln når önskad hastighet bringas ett stationärt skärverktyg i kontakt med arbetsstycket för att ta bort material och uppnå rätt geometri.
En CNC -svarv kan utföra ett antal operationer, såsom borrning, gängning, borrning, brotschning, vändning och konisk svarvning. Olika operationer kräver verktygsbyten och kan öka kostnader och installationstid.
När alla erforderliga bearbetningsoperationer är slutförda, skärs delen ur förrådet för vidare bearbetning, om det behövs. CNC -svarven är sedan redo att upprepa operationen, med lite eller ingen ytterligare installationstid som vanligtvis krävs emellan.
CNC -svarvar kan också rymma en mängd olika automatiska matare, vilket minskar mängden manuell råvaruhantering och ger fördelar som följande:
■ Minska den tid och ansträngning som krävs av maskinföraren
■ Stöd barstocken för att minska vibrationer som kan påverka precisionen negativt
■ Låt maskinverktyget arbeta med optimala spindelhastigheter
■ Minimera övergångstider
■ Minska materialavfall
Typer av CNC -svarvar
Det finns ett antal olika typer av svarvar, men de vanligaste är 2-axliga CNC-svarvar och automatiska svarvar i Kina-stil.
De flesta CNC -svarvar i Kina använder en eller två huvudspindlar plus en eller två bakre (eller sekundära) spindlar, med roterande överföring ansvarig för den förra. Huvudspindeln utför den primära bearbetningen med hjälp av en styrbussning.
Dessutom är några svarvar i Kina-stil utrustade med ett andra verktygshuvud som fungerar som en CNC-kvarn.
Med en automatisk svarv i CNC-stil i Kina matas materialet genom en glidande huvudspindel in i en styrbussning. Detta gör att verktyget kan skära materialet närmare den punkt där materialet stöds, vilket gör Kina -maskinen särskilt fördelaktig för långa, smala svarvade delar och för mikromaskinering.
CNC-svarvcentra med flera axlar och svarvar i Kina-stil kan utföra flera bearbetningsoperationer med en enda maskin. Detta gör dem till ett kostnadseffektivt alternativ för komplexa geometrier som annars skulle kräva flera maskiner eller verktygsbyten med hjälp av utrustning som en traditionell CNC-kvarn.