Prelucrarea de precizie este un proces de îndepărtare a materialului dintr-o piesă de prelucrat în timpul menținerii finisajelor cu toleranțe strânse. Mașinile de precizie au multe tipuri, inclusiv frezare, strunjire și prelucrare prin electroeroziune. O mașină de precizie din ziua de azi este, în general, controlată folosind un sistem de control numeric computerizat (CNC).
Aproape toate produsele metalice utilizează prelucrare de precizie, la fel ca multe alte materiale, cum ar fi plasticul și lemnul. Aceste mașini sunt operate de mecanici specializați și instruiți. Pentru ca unealta așchietoare să își facă treaba, aceasta trebuie mișcată în direcțiile specificate pentru a realiza tăietura corectă. Această mișcare primară se numește „viteza de tăiere”. Piesa de prelucrat poate fi, de asemenea, mișcată, fiind cunoscută sub numele de mișcarea secundară de „avans”. Împreună, aceste mișcări și ascuțimea sculei așchietoare permit mașinii de precizie să funcționeze.
Prelucrarea mecanică de precizie de calitate necesită capacitatea de a urma planuri extrem de specifice realizate de programe CAD (proiectare asistată de calculator) sau CAM (fabricație asistată de calculator) precum AutoCAD și TurboCAD. Software-ul poate ajuta la producerea diagramelor sau schițelor complexe, tridimensionale, necesare pentru fabricarea unei scule, mașini sau obiecte. Aceste planuri trebuie respectate cu mare atenție pentru a se asigura că un produs își păstrează integritatea. Deși majoritatea companiilor de prelucrare mecanică de precizie lucrează cu o formă de programe CAD/CAM, acestea lucrează adesea cu schițe desenate manual în fazele inițiale ale unui proiect.
Prelucrarea de precizie este utilizată pentru o serie de materiale, inclusiv oțel, bronz, grafit, sticlă și materiale plastice, printre altele. În funcție de dimensiunea proiectului și de materialele care urmează să fie utilizate, se vor utiliza diverse unelte de prelucrare de precizie. Se poate utiliza orice combinație de strunguri, freze, prese de găurit, ferăstraie și mașini de șlefuit, și chiar robotică de mare viteză. Industria aerospațială poate utiliza prelucrarea de mare viteză, în timp ce o industrie de fabricare a sculelor pentru prelucrarea lemnului ar putea utiliza procese de gravare fotochimică și frezare. Producția unei serii sau a unei cantități specifice dintr-un anumit articol poate fi de ordinul miilor sau poate fi doar a câtorva. Prelucrarea de precizie necesită adesea programarea dispozitivelor CNC, ceea ce înseamnă că acestea sunt controlate numeric de computer. Dispozitivul CNC permite urmărirea dimensiunilor exacte pe tot parcursul serii de producție a unui produs.
Frezarea este procesul de prelucrare prin utilizarea unor freze rotative pentru a îndepărta material de pe o piesă de prelucrat prin avansarea (sau alimentarea) frezei în piesa de prelucrat într-o anumită direcție. Freza poate fi, de asemenea, ținută într-un unghi față de axa sculei. Frezarea acoperă o gamă largă de operațiuni și mașini diferite, la scară largă, de la piese individuale mici până la operațiuni mari de frezare în grup, pentru sarcini grele. Este unul dintre cele mai frecvent utilizate procese pentru prelucrarea pieselor personalizate la toleranțe precise.
Frezarea se poate realiza cu o gamă largă de mașini-unelte. Clasa originală de mașini-unelte pentru frezare a fost mașina de frezat (adesea numită freză). După apariția comenzii numerice computerizate (CNC), mașinile de frezat au evoluat în centre de prelucrare: mașini de frezat completate de schimbătoare automate de scule, magazii de scule sau caruseluri, capacitate CNC, sisteme de răcire și carcase. Centrele de frezare sunt în general clasificate ca centre de prelucrare verticale (VMC) sau centre de prelucrare orizontale (HMC).
Integrarea frezării în mediile de strunjire și invers, a început cu sculele motorizate pentru strunguri și utilizarea ocazională a frezelor pentru operațiunile de strunjire. Aceasta a condus la o nouă clasă de mașini-unelte, mașinile multitasking (MTM), care sunt special construite pentru a facilita frezarea și strunjirea în cadrul aceluiași domeniu de lucru.
Pentru inginerii de proiectare, echipele de cercetare și dezvoltare și producătorii care depind de aprovizionarea cu piese, prelucrarea CNC de precizie permite crearea de piese complexe fără prelucrare suplimentară. De fapt, prelucrarea CNC de precizie face adesea posibilă realizarea pieselor finite pe o singură mașină.
Procesul de prelucrare îndepărtează material și utilizează o gamă largă de scule așchietoare pentru a crea designul final, adesea extrem de complex, al unei piese. Nivelul de precizie este îmbunătățit prin utilizarea comenzii numerice computerizate (CNC), care este utilizată pentru a automatiza controlul sculelor de prelucrare.
Rolul „CNC” în prelucrarea de precizie
Folosind instrucțiuni de programare codificate, prelucrarea CNC de precizie permite tăierea și modelarea unei piese de prelucrat conform specificațiilor, fără intervenția manuală a operatorului mașinii.
Luând un model de proiectare asistată de calculator (CAD) furnizat de un client, un mecanic expert folosește software de fabricație asistată de calculator (CAM) pentru a crea instrucțiunile de prelucrare a piesei. Pe baza modelului CAD, software-ul determină ce trasee ale sculelor sunt necesare și generează codul de programare care îi spune mașinii:
■ Care sunt turațiile (RPM) și ratele de avans corecte
■ Când și unde se deplasează scula și/sau piesa de prelucrat
■ Cât de adânc să tăiați
■ Când se aplică lichid de răcire
■ Orice alți factori legați de viteză, avans și coordonare
Un controler CNC folosește apoi codul de programare pentru a controla, automatiza și monitoriza mișcările mașinii.
Astăzi, CNC este o caracteristică încorporată a unei game largi de echipamente, de la strunguri, freze și routere la EDM cu fir (prelucrare prin electroeroziune), mașini de tăiere cu laser și cu plasmă. Pe lângă automatizarea procesului de prelucrare și îmbunătățirea preciziei, CNC elimină sarcinile manuale și îi eliberează pe mecanici pentru a supraveghea mai multe mașini care funcționează în același timp.
În plus, odată ce o traiectorie a sculei a fost proiectată și o mașină este programată, aceasta poate prelucra o piesă de nenumărate ori. Acest lucru oferă un nivel ridicat de precizie și repetabilitate, ceea ce face ca procesul să fie extrem de rentabil și scalabil.
Materiale care sunt prelucrate
Printre metalele care sunt prelucrate în mod obișnuit se numără aluminiul, alama, bronzul, cuprul, oțelul, titanul și zincul. În plus, se pot prelucra și lemnul, spuma, fibra de sticlă și materialele plastice, cum ar fi polipropilena.
De fapt, aproape orice material poate fi utilizat cu prelucrarea CNC de precizie - desigur, în funcție de aplicație și de cerințele acesteia.
Câteva avantaje ale prelucrării CNC de precizie
Pentru multe dintre piesele și componentele mici utilizate într-o gamă largă de produse fabricate, prelucrarea CNC de precizie este adesea metoda de fabricație preferată.
Așa cum este valabil pentru aproape toate metodele de tăiere și prelucrare, diferite materiale se comportă diferit, iar dimensiunea și forma unei componente au, de asemenea, un impact mare asupra procesului. Cu toate acestea, în general, procesul de prelucrare CNC de precizie oferă avantaje față de alte metode de prelucrare.
Asta pentru că prelucrarea CNC este capabilă să ofere:
■ Un grad ridicat de complexitate a pieselor
■ Toleranțe stricte, de obicei cuprinse între ±0,0002" (±0,00508 mm) și ±0,0005" (±0,0127 mm)
■ Finisaje de suprafață excepțional de netede, inclusiv finisaje personalizate
■ Repetabilitate, chiar și la volume mari
În timp ce un mecanic priceput poate folosi un strung manual pentru a realiza o piesă de calitate în cantități de 10 sau 100, ce se întâmplă când ai nevoie de 1.000 de piese? 10.000 de piese? 100.000 sau un milion de piese?
Cu prelucrarea CNC de precizie, puteți obține scalabilitatea și viteza necesare pentru acest tip de producție de volum mare. În plus, repetabilitatea ridicată a prelucrării CNC de precizie vă oferă piese care sunt toate la fel de la început până la sfârșit, indiferent de câte piese produceți.
Există câteva metode foarte specializate de prelucrare CNC, inclusiv EDM cu fir (prelucrare prin descărcare electrică), prelucrare aditivă și imprimare laser 3D. De exemplu, EDM cu fir utilizează materiale conductive - de obicei metale - și descărcări electrice pentru a eroda o piesă de prelucrat în forme complexe.
Totuși, aici ne vom concentra pe procesele de frezare și strunjire - două metode subtractive disponibile pe scară largă și utilizate frecvent pentru prelucrarea CNC de precizie.
Frezare vs. strunjire
Frezarea este un proces de prelucrare care utilizează o unealtă așchietoare cilindrică rotativă pentru a îndepărta material și a crea forme. Echipamentul de frezare, cunoscut sub numele de freză sau centru de prelucrare, realizează o gamă largă de geometrii complexe ale pieselor pe unele dintre cele mai mari obiecte metalice prelucrate.
O caracteristică importantă a frezării este aceea că piesa de prelucrat rămâne staționară în timp ce scula așchietoare se rotește. Cu alte cuvinte, la o freză, scula așchietoare rotativă se mișcă în jurul piesei de prelucrat, care rămâne fixată pe un pat.
Strunjirea este procesul de tăiere sau modelare a unei piese de prelucrat pe un echipament numit strung. De obicei, strungul rotește piesa de prelucrat pe o axă verticală sau orizontală, în timp ce o sculă așchietoare fixă (care poate fi sau nu în rotație) se mișcă de-a lungul axei programate.
Scula nu se poate deplasa fizic în jurul piesei. Materialul se rotește, permițând sculei să efectueze operațiile programate. (Există însă un subset de strunguri în care sculele se rotesc în jurul unui fir alimentat de o bobină, lucru care nu este tratat aici.)
La strunjire, spre deosebire de frezare, piesa de prelucrat se rotește. Materialul așchietor se rotește pe axul strungului, iar scula așchietoare este adusă în contact cu piesa de prelucrat.
Prelucrare manuală vs. CNC
Deși atât frezele, cât și strungurile sunt disponibile în modele manuale, mașinile CNC sunt mai potrivite pentru fabricarea pieselor mici - oferind scalabilitate și repetabilitate pentru aplicațiile care necesită producție de volum mare de piese cu toleranțe strânse.
Pe lângă faptul că oferă mașini simple cu 2 axe, în care scula se mișcă pe axele X și Z, echipamentele CNC de precizie includ modele multiaxe în care se poate mișca și piesa de prelucrat. Acest lucru este în contrast cu un strung, unde piesa de prelucrat este limitată la rotire, iar uneltele se vor mișca pentru a crea geometria dorită.
Aceste configurații multiaxiale permit producerea unor geometrii mai complexe într-o singură operație, fără a necesita muncă suplimentară din partea operatorului mașinii. Acest lucru nu numai că facilitează producerea de piese complexe, dar reduce sau elimină și posibilitatea de eroare a operatorului.
În plus, utilizarea lichidului de răcire la înaltă presiune cu prelucrare CNC de precizie asigură că așchiile nu pătrund în prelucrare, chiar și atunci când se utilizează o mașină cu un ax orientat vertical.
Freze CNC
Diferitele mașini de frezat variază în ceea ce privește dimensiunile, configurațiile axelor, vitezele de avans, viteza de așchiere, direcția de avans a frezării și alte caracteristici.
Totuși, în general, frezele CNC utilizează un ax rotativ pentru a tăia materialul nedorit. Sunt folosite pentru tăierea metalelor dure, cum ar fi oțelul și titanul, dar pot fi folosite și cu materiale precum plasticul și aluminiul.
Frezele CNC sunt construite pentru repetabilitate și pot fi utilizate pentru orice, de la prototipare la producția de volum mare. Frezele CNC de precizie de înaltă calitate sunt adesea utilizate pentru lucrări cu toleranțe strânse, cum ar fi frezarea matrițelor și a ștampilelor fine.
Deși frezarea CNC poate oferi o execuție rapidă, finisarea la frezare creează piese cu urme vizibile ale sculelor. De asemenea, poate produce piese cu unele muchii ascuțite și bavuri, așadar pot fi necesare procese suplimentare dacă muchiile și bavurile sunt inacceptabile pentru aceste caracteristici.
Desigur, sculele de debavurare programate în secvență vor debavura, deși, de obicei, se realizează cel mult 90% din necesarul de prelucrat finit, lăsând unele caracteristici pentru finisarea manuală finală.
În ceea ce privește finisajul suprafeței, există unelte care vor produce nu doar un finisaj de suprafață acceptabil, ci și un finisaj similar oglinzii pe porțiuni ale produsului lucrat.
Tipuri de freze CNC
Cele două tipuri de bază de mașini de frezat sunt cunoscute sub numele de centre de prelucrare verticale și centre de prelucrare orizontale, unde diferența principală constă în orientarea axului mașinii.
Un centru de prelucrare vertical este o freză în care axa arborelui principal este aliniată pe direcția axei Z. Aceste mașini verticale pot fi împărțite în continuare în două tipuri:
■ Freze cu pat, în care axul se mișcă paralel cu propria axă, în timp ce masa se mișcă perpendicular pe axa axului
■ Freze cu turelă, în care axul este staționar, iar masa este deplasată astfel încât să fie întotdeauna perpendiculară și paralelă cu axa axului în timpul operației de așchiere
Într-un centru de prelucrare orizontal, axa arborelui principal al frezei este aliniată pe direcția axei Y. Structura orizontală înseamnă că aceste freze tind să ocupe mai mult spațiu în atelierul mecanic; de asemenea, sunt în general mai grele și mai puternice decât mașinile verticale.
O freză orizontală este adesea utilizată atunci când este necesară o finisare mai bună a suprafeței; aceasta deoarece orientarea axului înseamnă că așchiile cad în mod natural și sunt îndepărtate cu ușurință. (Ca un avantaj suplimentar, îndepărtarea eficientă a așchiilor ajută la creșterea duratei de viață a sculei.)
În general, centrele de prelucrare verticale sunt mai răspândite deoarece pot fi la fel de puternice ca centrele de prelucrare orizontale și pot manipula piese foarte mici. În plus, centrele verticale au o amprentă mai mică decât centrele de prelucrare orizontale.
Freze CNC multiaxe
Centrele de frezare CNC de precizie sunt disponibile cu axe multiple. O freză cu 3 axe utilizează axele X, Y și Z pentru o gamă largă de lucrări. Cu o freză cu 4 axe, mașina se poate roti pe o axă verticală și orizontală și poate deplasa piesa de prelucrat pentru a permite o prelucrare mai continuă.
O freză cu 5 axe are trei axe tradiționale și două axe rotative suplimentare, permițând rotirea piesei de prelucrat pe măsură ce capul axului se mișcă în jurul acesteia. Acest lucru permite prelucrarea a cinci fețe ale unei piese de prelucrat fără a scoate piesa de prelucrat și a reseta mașina.
strunguri CNC
Un strung — numit și centru de strunjire — are unul sau mai mulți axe și axe X și Z. Mașina este utilizată pentru a roti o piesă de prelucrat pe axa sa pentru a efectua diverse operațiuni de tăiere și modelare, aplicând o gamă largă de scule pe piesa de prelucrat.
Strungurile CNC, numite și strunguri cu scule acționate direct, sunt ideale pentru crearea de piese cilindrice sau sferice simetrice. La fel ca frezele CNC, strungurile CNC pot gestiona operațiuni mai mici, cum ar fi prototiparea, dar pot fi configurate și pentru o repetabilitate ridicată, susținând producția de volum mare.
Strungurile CNC pot fi, de asemenea, configurate pentru producție relativ fără mâini, ceea ce le face utilizate pe scară largă în industria auto, electronică, aerospațială, robotică și a dispozitivelor medicale.
Cum funcționează un strung CNC
Cu un strung CNC, o bară brută de material brut este încărcată în mandrina axului strungului. Această mandrină menține piesa de prelucrat în poziție în timp ce axul se rotește. Când axul atinge viteza necesară, o sculă așchietoare staționară este adusă în contact cu piesa de prelucrat pentru a îndepărta materialul și a obține geometria corectă.
Un strung CNC poate efectua o serie de operații, cum ar fi găurire, filetare, alezare, alezare, refrentare și strunjire conică. Diferite operațiuni necesită schimbări de scule și pot crește costurile și timpul de configurare.
Când toate operațiunile de prelucrare necesare sunt finalizate, piesa este tăiată din stoc pentru prelucrare ulterioară, dacă este necesar. Strungul CNC este apoi gata să repete operațiunea, cu puțin sau deloc timp suplimentar de configurare necesar, de obicei, între ele.
Strungurile CNC pot fi utilizate și pentru o varietate de alimentatoare automate de bare, ceea ce reduce volumul de manipulare manuală a materiilor prime și oferă avantaje precum următoarele:
■ Reduceți timpul și efortul necesare operatorului mașinii
■ Sprijiniți bara metalică pentru a reduce vibrațiile care pot afecta negativ precizia
■ Permiteți mașinii-unelte să funcționeze la viteze optime ale axului
■ Minimizarea timpilor de schimbare
■ Reducerea risipei de materiale
Tipuri de strunguri CNC
Există o serie de tipuri diferite de strunguri, dar cele mai comune sunt strunguri CNC cu 2 axe și strunguri automate în stil chinezesc.
Majoritatea strungurilor CNC din China utilizează unul sau două arbori principali plus unul sau două arbori posteriori (sau secundari), transferul rotativ fiind responsabil pentru primii. Arborele principal efectuează operația de prelucrare primară, cu ajutorul unei bucșe de ghidare.
În plus, unele strunguri în stil chinezesc sunt echipate cu un al doilea cap de scule care funcționează ca o freză CNC.
Cu un strung automat CNC de tip China, materialul brut este alimentat printr-un ax cu cap glisant într-o bucșă de ghidare. Acest lucru permite sculei să taie materialul mai aproape de punctul în care este susținut materialul, ceea ce face ca mașina China să fie deosebit de benefică pentru piesele strunjite lungi și subțiri și pentru microprelucrare.
Centrele de strunjire CNC multiaxe și strungurile de tip chinezesc pot realiza mai multe operațiuni de prelucrare folosind o singură mașină. Acest lucru le face o opțiune rentabilă pentru geometrii complexe care altfel ar necesita mai multe mașini sau schimbări de scule folosind echipamente precum o freză CNC tradițională.