Precisionsbearbetning är en process för att ta bort material från ett arbetsstycke under ytbehandlingar med nära tolerans.Precisionsmaskinen har många typer, inklusive fräsning, svarvning och elektrisk urladdningsbearbetning.En precisionsmaskin idag styrs vanligtvis med hjälp av en Computer Numerical Controls (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 göra sitt jobb måste det flyttas i angivna riktningar för att göra rätt skärning.Denna primära rörelse kallas "skärhastigheten".Arbetsstycket kan också flyttas, känd som den sekundära rörelsen av "matning".Tillsammans gör dessa rörelser och skärpans skärpa att precisionsmaskinen kan arbeta.
Precisionsbearbetning av hög kvalitet kräver förmågan att följa extremt specifika ritningar gjorda av CAD (computer aided design) eller CAM (computer aided manufacturing) program som AutoCAD och TurboCAD.Programvaran kan hjälpa till att producera de komplexa, 3-dimensionella diagram eller konturer som behövs för att tillverka ett verktyg, en maskin eller ett objekt.Dessa ritningar måste följas med stor detaljrikedom för att säkerställa att en produkt behåller sin integritet.Medan de flesta företag inom precisionsbearbetning 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.Vilken kombination som helst av svarvar, fräsmaskiner, borrpressar, sågar och slipmaskiner och till och med höghastighetsrobotik kan användas.Flygindustrin kan använda höghastighetsbearbetning, medan en industri som tillverkar träverktyg kan använda fotokemiska etsnings- och fräsningsprocesser.Utvinningen av en körning, eller en specifik mängd av en viss artikel, kan uppgå till tusentals eller bara ett fåtal.Precisionsbearbetning kräver ofta programmering av CNC-enheter, vilket innebär att de är datornumeriskt styrda.CNC-enheten gör att exakta dimensioner kan följas under hela körningen av en produkt.
Fräsning är bearbetningsprocessen för att använda roterande fräsar för att avlägsna material från ett arbetsstycke genom att mata fram (eller mata) fräsen in i arbetsstycket i en viss riktning.Skäraren kan också hållas i en vinkel i förhållande till verktygets axel.Fräsning omfattar ett brett utbud av olika operationer och maskiner, i skalor från små enskilda delar till stora, tunga gängfräsningsoperationer.Det är en av de mest använda processerna för att bearbeta specialanpassade delar till exakta toleranser.
Fräsning kan göras med ett brett utbud av verktygsmaskiner.Den ursprungliga klassen av verktygsmaskiner för fräsning var fräsmaskinen (ofta kallad kvarn).Efter tillkomsten av datornumerisk styrning (CNC) utvecklades fräsmaskiner till bearbetningscentra: fräsmaskiner utökade med automatiska verktygsväxlare, verktygsmagasin eller karuseller, CNC-kapacitet, kylvätskesystem och kapslingar.Fräscentra klassificeras generellt som vertikala bearbetningscentra (VMCs) eller horisontella bearbetningscentra (HMCs).
Integreringen av fräsning i svarvmiljöer, och vice versa, började med levande verktyg för svarvar och tillfällig användning av fräsar för svarvningsoperationer.Detta ledde till en ny klass av verktygsmaskiner, multitasking-maskiner (MTM), som är specialbyggda för att underlätta fräsning och svarvning inom samma arbetsområde.
För konstruktionsingenjörer, FoU-team och tillverkare som är beroende av inköp av delar, möjliggör precisions CNC-bearbetning skapandet av komplexa delar utan ytterligare bearbetning.Faktum är att precisions-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 skärande verktyg för att skapa den slutliga, och ofta mycket komplexa, designen av en detalj.Precisionsnivån höjs genom användningen av datornumerisk styrning (CNC), som används för att automatisera styrningen av bearbetningsverktygen.
Rollen för "CNC" vid precisionsbearbetning
Med hjälp av kodade programmeringsinstruktioner gör precisions-CNC-bearbetning det möjligt att skära och forma ett arbetsstycke enligt specifikationer utan manuellt ingripande av en maskinoperatör.
Med en datorstödd design (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 verktygsbanor som behövs och genererar programmeringskoden som talar om för maskinen:
■ Vad är rätt varvtal och matningshastigheter
■ När och vart verktyget och/eller arbetsstycket ska flyttas
■ 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, fräsar och överfräsar till wire EDM (electrical discharge machining), laser och plasmaskärmaskiner.Förutom att automatisera bearbetningsprocessen och förbättra precisionen, eliminerar CNC manuella uppgifter och frigör maskinister att övervaka flera maskiner som körs samtidigt.
När en verktygsbana väl har utformats och en maskin är programmerad kan den dessutom köra en del hur många gånger som helst.Detta ger en hög nivå av 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 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 ett brett spektrum av tillverkade produkter är precisions-CNC-bearbetning ofta den valda tillverkningsmetoden.
Precis som för praktiskt taget 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 detaljkomplexitet
■ Snäva toleranser, vanligtvis från ±0,0002" (±0,00508 mm) till ±0,0005" (±0,0127 mm)
■ Exceptionellt släta ytfinishar, inklusive skräddarsydda ytbehandlingar
■ Repeterbarhet, även vid höga volymer
Medan en skicklig maskinist kan använda en manuell svarv för att göra en kvalitetsdel i kvantiteter på 10 eller 100, vad händer när du 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 högvolymproduktion.Dessutom ger den höga repeterbarheten av precisions-CNC-bearbetning dig delar som alla är lika från början till slut, oavsett hur många delar du producerar.
Det finns några mycket specialiserade metoder för CNC-bearbetning, inklusive tråd-EDM (elektrisk urladdningsbearbetning), additiv bearbetning och 3D-laserutskrift.Till exempel använder tråd EDM ledande material - vanligtvis metaller - och elektriska urladdningar för att erodera ett arbetsstycke till intrikata former.
Men här kommer vi att fokusera på fräsnings- och svarvprocesserna - två subtraktiva metoder som är allmänt tillgängliga och ofta används för precisions-CNC-bearbetning.
Fräsning vs 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 bearbetningscenter, åstadkommer ett universum av komplexa detaljgeometrier på några av de största metallföremålen.
En viktig egenskap hos fräsning är att arbetsstycket förblir stationärt medan skärverktyget snurrar.Med andra ord, på en kvarn, rör sig det roterande skärverktyget runt arbetsstycket, som förblir fixerat på plats på en bädd.
Svarvning 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 eller kanske inte snurrar) rör sig längs den programmerade axeln.
Verktyget kan inte fysiskt gå runt delen.Materialet roterar, vilket gör att verktyget kan utföra de programmerade operationerna.(Det finns en delmängd svarvar där verktygen snurrar runt en trådmatad tråd, men som inte täcks här.)
Vid svarvning, till skillnad från fräsning, snurrar arbetsstycket.Delstocken vrider sig på svarvens spindel och skärverktyget bringas i kontakt med arbetsstycket.
Manuell vs. CNC-bearbetning
Även om både fräsar och svarvar finns tillgängliga i manuella modeller, är CNC-maskiner mer lämpliga för tillverkning av små delar - och 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-utrustningen fleraxliga modeller där arbetsstycket också kan röra sig.Detta i motsats till en svarv där arbetsstycket är begränsat till spinning och verktygen kommer att röra sig för att skapa den önskade geometrin.
Dessa fleraxliga konfigurationer möjliggör produktion av mer komplexa geometrier i en enda operation, utan att kräva ytterligare arbete av maskinoperatören.Detta gör det inte bara lättare att tillverka komplexa delar, utan minskar eller eliminerar också risken för operatörsfel.
Dessutom säkerställer användningen av högtryckskylvätska med precisions-CNC-bearbetning att spån inte kommer in i arbetet, även när man använder en maskin med en vertikalt orienterad spindel.
CNC-fräsar
Olika fräsmaskiner varierar i sina storlekar, axelkonfigurationer, matningshastigheter, skärhastighet, fräsmatningsriktning och andra egenskaper.
Men i allmänhet använder CNC-fräsar alla en roterande spindel för att skära bort oönskat material.De används för att skära hårdmetaller som stål och titan men kan även användas med material som plast och aluminium.
CNC-fräsar är byggda för repeterbarhet och kan användas för allt från prototyptillverkning till högvolymproduktion.CNC-fräsar med hög precision används ofta för snäva toleransarbeten såsom fräsning av fina stansar och formar.
Medan CNC-fräsning kan ge snabb vändning, skapar efterfräsning delar med synliga verktygsmärken.Det kan också producera delar med vissa vassa kanter och grader, så ytterligare processer kan krävas om kanter och grader är oacceptabla för dessa egenskaper.
Naturligtvis kommer avgradningsverktyg som programmerats in i sekvensen att grada av, även om det vanligtvis uppnår 90 % av det färdiga kravet som mest, vilket lämnar några funktioner för den sista handfinishen.
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-fräsar
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 bearbetningscenter är en fräs där spindelaxeln är inriktad i en Z-axelriktning.Dessa vertikala maskiner kan ytterligare delas in i två typer:
■Sängfräsar, 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 vinkelrät och parallellt med spindelaxeln under skärningen
I ett horisontellt bearbetningscenter är kvarnens spindelaxel inriktad i en Y-axelriktning.Den horisontella strukturen innebär att dessa kvarnar tenderar att ta upp 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 gör att skärspånen naturligt faller bort och lätt tas bort.(Som en extra fördel hjälper effektiv spånborttagning till att öka verktygets livslängd.)
I allmänhet är vertikala bearbetningscentra mer utbredda 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-fräsar
Precisions CNC-fräscenter finns med flera axlar.En 3-axlig kvarn 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 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 ett svarvcentrum - 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, och applicera ett brett utbud av verktyg på arbetsstycket.
CNC-svarvar, som också kallas live action-verktygssvarvar, är idealiska för att skapa symmetriska cylindriska eller sfäriska delar.Precis som CNC-fräsar kan CNC-svarvar hantera mindre operationer såsom prototypframställning, men kan också ställas in för hög repeterbarhet, vilket stöder produktion i hög volym.
CNC-svarvar kan också ställas in för relativt handsfree-produktion, vilket gör att de används i stor utsträckning inom fordons-, elektronik-, flyg-, robot- och medicinteknisk industri.
Hur en CNC-svarv fungerar
Med en CNC-svarv laddas en tom stång av lagermaterial 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, till exempel borrning, gängning, borrning, brotschning, fasning och konsvarvning.Olika operationer kräver verktygsbyten och kan öka kostnaderna och inställningstiden.
När alla nödvändiga bearbetningsoperationer är klara, skärs delen ur lagret för vidare bearbetning, om det behövs.CNC-svarven är sedan redo att upprepa operationen, med lite eller ingen extra inställningstid som vanligtvis krävs däremellan.
CNC-svarvar kan också rymma en mängd olika automatiska stångmatare, vilket minskar mängden manuell råmaterialhantering och ger fördelar som följande:
■ Minska tiden och ansträngningen som krävs av maskinföraren
■ Stöd stångstocken för att minska vibrationer som kan påverka precisionen negativt
■ Låt verktygsmaskinen arbeta med optimala spindelhastigheter
■ Minimera omställningstider
■ Minska materialavfallet
Typer av CNC-svarvar
Det finns ett antal olika typer av svarvar, men de vanligaste är 2-axliga CNC-svarvar och automatiska svarvar i kinesisk 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 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 automatisk svarv i CNC Kina-stil matas lagermaterialet genom en glidhuvudspindel 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 mikrobearbetning.
Fleraxliga CNC-svarvcentra och svarvar i kinesisk 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 utrustning som en traditionell CNC-fräs.