Precisionsbearbetning är en process för att avlägsna material från ett arbetsstycke under finbearbetning med snäva toleranser. Precisionsmaskiner finns i många typer, inklusive fräsning, svarvning och elektrisk urladdningsbearbetning. En precisionsmaskin styrs idag vanligtvis med hjälp av datornumerisk styrning (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 "skärhastighet". Arbetsstycket kan också flyttas, vilket kallas den sekundära rörelsen "matning". Tillsammans gör dessa rörelser och skärverktygets skärpa att precisionsmaskinen kan arbeta.
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 producera de komplexa, tredimensionella diagram eller konturer som behövs för att tillverka ett verktyg, en maskin eller ett objekt. Dessa ritningar måste följas noggrant 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. Valfri kombination av svarvar, fräsmaskiner, borrpressar, sågar och slipmaskiner, och till och med höghastighetsrobotar kan användas. Flygindustrin kan använda höghastighetsbearbetning, medan en träverktygsindustri kan använda fotokemiska etsnings- och fräsningsprocesser. Utvinningen av en serie, eller en specifik kvantitet av en viss artikel, kan uppgå till tusentals, eller bara ett fåtal. Precisionsbearbetning kräver ofta programmering av CNC-enheter, vilket innebär att de är datorstyrda. CNC-enheten möjliggör att exakta mått kan följas genom hela produktens produktion.
Fräsning är den bearbetningsprocess där roterande skärare används för att avlägsna material från ett arbetsstycke genom att mata in skäraren i arbetsstycket i en viss riktning. Skäraren kan också hållas i en vinkel i förhållande till verktygets axel. Fräsning omfattar en mängd olika operationer och maskiner, i skalor från små individuella delar till stora, kraftiga gruppfräsningsoperationer. Det är en av de vanligaste processerna för att bearbeta specialbeställda delar med exakta toleranser.
Fräsning kan utföras med en mängd olika verktygsmaskiner. Den ursprungliga klassen av verktygsmaskiner för fräsning var fräsmaskinen (ofta kallad fräsmaskin). Efter tillkomsten av datornumerisk styrning (CNC) utvecklades fräsmaskiner till fleroperationsmaskiner: fräsmaskiner utökade med automatiska verktygsväxlare, verktygsmagasin eller karuseller, CNC-kapacitet, kylvätskesystem och kapslingar. Fräsmaskiner klassificeras generellt som vertikala fleroperationsmaskiner (VMC) eller horisontella fleroperationsmaskiner (HMC).
Integreringen av fräsning i svarvmiljöer, och vice versa, började med roterande verktyg för svarvar och enstaka användning av fräsar för svarvoperationer. Detta ledde till en ny klass av verktygsmaskiner, multifunktionsmaskiner (MTM), som är specialbyggda för att underlätta fräsning och svarvning inom samma arbetsområde.
För konstruktörer, FoU-team och tillverkare som är beroende av komponentupphandling möjliggör precisions-CNC-bearbetning skapandet av komplexa delar utan ytterligare bearbetning. Faktum är att precisions-CNC-bearbetning ofta gör det möjligt att tillverka färdiga delar på en enda maskin.
Bearbetningsprocessen avlägsnar material och använder ett brett utbud av skärverktyg för att skapa den slutliga, och ofta mycket komplexa, designen av en detalj. Precisionsnivån förbättras genom användning av datornumerisk styrning (CNC), som används för att automatisera styrningen av bearbetningsverktygen.
CNC:s roll inom precisionsbearbetning
Med hjälp av kodade programmeringsinstruktioner möjliggör precisions-CNC-bearbetning att ett arbetsstycke skärs och formas enligt specifikationer utan manuell inblandning av en maskinoperatör.
Med hjälp av en CAD-modell (datorstödd design) som tillhandahålls av en kund, använder en expertmaskinist programvara för datorstödd tillverkning (CAM) för att skapa instruktioner för bearbetning av detaljen. Baserat på CAD-modellen bestämmer programvaran vilka verktygsbanor som behövs och genererar programmeringskoden som talar om för maskinen:
■ Vilka är de korrekta varvtalen och matningshastigheterna?
■ När och vart verktyget och/eller arbetsstycket ska flyttas
■ Hur djupt man ska såga
■ När man ska applicera kylvätska
■ 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 en mängd olika utrustningar, från svarvar, fräsar och routrar till trådgnistmaskiner (trådgnist), laser- och plasmaskärmaskiner. Förutom att automatisera bearbetningsprocessen och förbättra precisionen eliminerar CNC manuella uppgifter och frigör maskinister från att övervaka flera maskiner som körs samtidigt.
Dessutom, när en verktygsbana har konstruerats och en maskin är programmerad, kan den köra en detalj 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
Några 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 vilket material som helst kan användas med precisions-CNC-bearbetning – naturligtvis beroende på applikationen och dess krav.
Några fördelar med precisions-CNC-bearbetning
För många av de små delar och komponenter som används i en mängd olika tillverkade produkter är precisions-CNC-bearbetning ofta den valda tillverkningsmetoden.
Precis som med praktiskt taget alla skär- och bearbetningsmetoder beter sig olika material olika, och en komponents storlek och form har också stor inverkan på processen. Generellt sett erbjuder dock precisions-CNC-bearbetning fördelar jämfört med andra bearbetningsmetoder.
Det beror på att CNC-bearbetning kan leverera:
■ En hög grad av detaljkomplexitet
■ Snäva toleranser, vanligtvis från ±0,0002 tum (±0,00508 mm) till ±0,0005 tum (±0,0127 mm)
■ Exceptionellt släta ytbehandlingar, inklusive specialanpassade ytbehandlingar
■ Repeterbarhet, även vid höga volymer
Även om en skicklig maskinist kan använda en manuell svarv för att tillverka en kvalitetsdel i kvantiteter om 10 eller 100, vad händer när man behöver 1 000 delar? 10 000 delar? 100 000 eller en miljon delar?
Med precisions-CNC-bearbetning kan du få den skalbarhet och hastighet som behövs för denna typ av högvolymsproduktion. Dessutom ger den höga repeterbarheten hos precisions-CNC-bearbetning dig delar som är likadana från början till slut, oavsett hur många delar du producerar.
Det finns några mycket specialiserade metoder för CNC-bearbetning, inklusive trådgnistning (elektrisk urladdningsbearbetning), additiv bearbetning och 3D-laserutskrift. Till exempel använder trådgnistning ledande material – vanligtvis metaller – och elektriska urladdningar för att erodera ett arbetsstycke till invecklade former.
Här kommer vi dock att fokusera på fräsnings- och svarvningsprocesserna – 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 fräsmaskin eller en fleroperationsmaskin, åstadkommer en mängd komplexa delgeometrier på några av de största bearbetade metallobjekten.
En viktig egenskap vid fräsning är att arbetsstycket förblir stillastående medan skärverktyget roterar. Med andra ord, på en fräs roterar det roterande skärverktyget runt arbetsstycket, som förblir fixerat på plats på en bädd.
Svarvning är processen att skära eller forma ett arbetsstycke på en utrustning som kallas svarv. Vanligtvis roterar svarven arbetsstycket på en vertikal eller horisontell axel medan ett fast skärverktyg (som kan rotera eller inte rotera) rör sig längs den programmerade axeln.
Verktyget kan inte fysiskt rotera runt detaljen. Materialet roterar, vilket gör att verktyget kan utföra de programmerade operationerna. (Det finns en delmängd av svarvar där verktygen roterar runt en spolmatad tråd, men det tas inte upp här.)
Vid svarvning, till skillnad från fräsning, roterar arbetsstycket. Delmaterialet roterar på svarvens spindel och skärverktyget bringas i kontakt med arbetsstycket.
Manuell kontra CNC-bearbetning
Medan både fräsar och svarvar finns i manuella modeller, är CNC-maskiner mer lämpliga för tillverkning av små delar – de erbjuder skalbarhet och repeterbarhet för applikationer som kräver högvolymproduktion av delar med snäva toleranser.
Förutom att erbjuda enkla 2-axliga maskiner där verktyget rör sig i X- och Z-axlarna, inkluderar precisions-CNC-utrustning fleraxliga modeller där arbetsstycket också kan röra sig. Detta står i kontrast till en svarv där arbetsstycket är begränsat till rotation och verktygen rör sig för att skapa önskad geometri.
Dessa fleraxliga konfigurationer möjliggör produktion av mer komplexa geometrier i en enda operation, utan att maskinoperatören behöver göra ytterligare arbete. Detta gör det inte bara enklare att producera komplexa delar, utan minskar eller eliminerar också risken för operatörsfel.
Dessutom säkerställer användningen av högtryckskylvätska med precisions-CNC-bearbetning att spånor inte kommer in i arbetsstycket, inte ens när man använder en maskin med en vertikalt orienterad spindel.
CNC-fräsar
Olika fräsmaskiner varierar i storlek, axelkonfigurationer, matningshastigheter, skärhastighet, fräsmatningsriktning och andra egenskaper.
I allmänhet använder dock CNC-fräsar 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-fräsar är byggda för repeterbarhet och kan användas för allt från prototypframställning till högvolymsproduktion. Avancerade precisions-CNC-fräsar används ofta för arbete med snäva toleranser, såsom fräsning av finformar och formar.
Medan CNC-fräsning kan ge snabba leveranstider, skapar finbearbetning i originalbearbetning detaljer med synliga verktygsmärken. Det kan också producera detaljer med vissa vassa kanter och grader, så ytterligare processer kan krävas om kanter och grader är oacceptabla för dessa egenskaper.
Naturligtvis kommer avgradningsverktyg som är programmerade i sekvensen att avgrada, men vanligtvis uppnår de högst 90 % av det färdiga kravet, vilket lämnar vissa detaljer kvar för slutlig manuell efterbehandling.
När det gäller ytfinish finns det verktyg som inte bara ger en acceptabel ytfinish, utan även en spegelblank finish på delar av arbetsprodukten.
Typer av CNC-fräsar
De två grundläggande typerna av fräsmaskiner är kända som vertikala fleroperationscentra och horisontella fleroperationscentra, där den primära skillnaden ligger i maskinspindelns orientering.
En vertikal bearbetningscentral är en fräs där spindelaxeln är riktad i Z-axelns riktning. Dessa vertikala maskiner kan vidare delas in i två typer:
■Bäddfräsar, där spindeln rör sig parallellt med sin egen axel medan bordet rör sig vinkelrätt mot spindelns axel
■ Revolverfräsar, där spindeln är stationär och bordet flyttas så att det alltid är vinkelrätt och parallellt med spindelns axel under skäroperationen
I en horisontell fleroperationsmaskin är fräsens spindelaxel inriktad i Y-axelns riktning. Den horisontella strukturen innebär att dessa fräsar tenderar att ta upp mer plats i verkstaden; de är också generellt tyngre och kraftfullare än vertikala maskiner.
En horisontell fräs används ofta när en bättre ytfinish krävs; det beror på att spindelns orientering gör att skärspånorna naturligt faller bort och lätt avlägsnas. (Som en extra fördel bidrar effektiv spånborttagning till att öka verktygens livslängd.)
Generellt sett är vertikala fleroperationscentra vanligare eftersom de kan vara lika kraftfulla som horisontella fleroperationscentra och kan hantera mycket små detaljer. Dessutom har vertikala centra ett mindre fotavtryck än horisontella fleroperationscentra.
Fleraxliga CNC-fräsar
Precisions-CNC-fräscentra finns tillgängliga med flera axlar. En 3-axlig fräs använder X-, Y- och Z-axlarna för en mängd olika arbeten. Med en 4-axlig fräs kan maskinen rotera på en vertikal och horisontell axel och flytta arbetsstycket för att möjliggöra mer kontinuerlig bearbetning.
En 5-axlig fräs har tre traditionella axlar och två ytterligare roterande axlar, vilket gör att arbetsstycket kan roteras när spindelhuvudet rör sig runt det. Detta gör att fem sidor av ett arbetsstycke kan bearbetas utan att arbetsstycket behöver tas bort och maskinen behöver återställas.
CNC-svarvar
En svarv – även kallad svarvcentral – har en eller flera spindlar och X- och Z-axlar. Maskinen används för att rotera ett arbetsstycke runt sin axel för att utföra olika skär- och formningsoperationer, med hjälp av en mängd olika verktyg på arbetsstycket.
CNC-svarvar, även kallade live action-verktygssvarvar, är idealiska för att skapa symmetriska cylindriska eller sfäriska delar. Precis som CNC-fräsar kan CNC-svarvar hantera mindre operationer som prototypframställning, men kan också ställas in för hög repeterbarhet, vilket möjliggör produktion i höga volymer.
CNC-svarvar kan också ställas in för relativt handsfri produktion, vilket gör dem flitigt använda inom fordons-, elektronik-, flyg-, robot- och medicintekniska industrier.
Hur en CNC-svarv fungerar
Med en CNC-svarv laddas en råstång av råmaterial i chuckan på svarvens spindel. Denna chuck håller arbetsstycket på plats medan spindeln roterar. När spindeln når önskad hastighet förs 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, arborrning, brotschning, plansvarvning och konsvarvning. Olika operationer kräver verktygsbyten och kan öka kostnader och uppställningstid.
När alla nödvändiga bearbetningsoperationer är slutförda, sågas detaljen från materialet för vidare bearbetning, om det behövs. CNC-svarven är sedan redo att upprepa operationen, vanligtvis med liten eller ingen ytterligare uppställningstid som krävs däremellan.
CNC-svarvar kan också hantera en mängd olika automatiska stångmatare, vilket minskar mängden manuell hantering av råmaterial och ger fördelar som följande:
■ Minska den tid och ansträngning som krävs för maskinoperatören
■ Stöd stångmaterialet för att minska vibrationer som kan påverka precisionen negativt
■ Låt maskinverktyget arbeta med optimala spindelhastigheter
■ Minimera omställningstiderna
■ Minska materialspill
Typer av CNC-svarvar
Det finns ett antal olika typer av svarvar, men de vanligaste är 2-axliga CNC-svarvar och automatsvarvar i Kina-stil.
De flesta CNC-svarvar i Kina använder en eller två huvudspindlar plus en eller två bakre (eller sekundära) spindlar, där den roterande överföringen ansvarar för den förra. Huvudspindeln utför den primära bearbetningsoperationen med hjälp av en styrbussning.
Dessutom är vissa svarvar i kinesisk stil utrustade med ett andra verktygshuvud som fungerar som en CNC-fräs.
Med en CNC-svarv i porslinsstil matas råmaterialet genom en glidande spindel in i en styrbussning. Detta gör att verktyget kan skära materialet närmare den punkt där materialet stöds, vilket gör porslinsmaskinen särskilt fördelaktig för långa, smala svarvade detaljer och för mikrobearbetning.
Fleraxliga CNC-svarvar och svarvar i porslinsstil 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 utrustning som en traditionell CNC-fräs.