Præcisionsbearbejdning er en proces til at fjerne materiale fra et arbejdsemne under bearbejdning med tæt tolerance.Præcisionsmaskinen har mange typer, herunder fræsning, drejning og elektrisk afladningsbearbejdning.En præcisionsmaskine i dag styres generelt ved hjælp af en Computer Numerical Controls (CNC).
Næsten alle metalprodukter bruger præcisionsbearbejdning, ligesom mange andre materialer såsom plast og træ.Disse maskiner betjenes af specialiserede og uddannede maskinmestre.For at skæreværktøjet kan udføre sit arbejde, skal det flyttes i de angivne retninger for at foretage det korrekte snit.Denne primære bevægelse kaldes "skærehastigheden".Emnet kan også flyttes, kendt som den sekundære bevægelse af "fremføring".Sammen gør disse bevægelser og skæreværktøjets skarphed det muligt for præcisionsmaskinen at fungere.
Præcisionsbearbejdning af høj kvalitet kræver evnen til at følge ekstremt specifikke tegninger lavet af CAD (computer aided design) eller CAM (computer aided manufacturing) programmer som AutoCAD og TurboCAD.Softwaren kan hjælpe med at fremstille de komplekse, 3-dimensionelle diagrammer eller konturer, der er nødvendige for at fremstille et værktøj, en maskine eller et objekt.Disse tegninger skal overholdes meget detaljeret for at sikre, at et produkt bevarer sin integritet.Mens de fleste præcisionsbearbejdningsvirksomheder arbejder med en form for CAD/CAM-programmer, arbejder de stadig ofte med håndtegnede skitser i de indledende faser af et design.
Præcisionsbearbejdning anvendes på en række materialer, herunder stål, bronze, grafit, glas og plast for at nævne nogle få.Afhængigt af projektets størrelse og de materialer, der skal anvendes, vil der blive brugt forskellige præcisionsbearbejdningsværktøjer.Enhver kombination af drejebænke, fræsemaskiner, boremaskiner, save og slibemaskiner og endda højhastighedsrobotter kan bruges.Luftfartsindustrien kan bruge højhastighedsbearbejdning, mens en træværksværktøjsindustri kan bruge fotokemiske ætsnings- og fræseprocesser.Udbredelsen af en løbetur eller en bestemt mængde af en bestemt vare kan tælle i tusindvis eller være nogle få.Præcisionsbearbejdning kræver ofte programmering af CNC-enheder, hvilket betyder, at de er computer-numerisk styret.CNC-enheden gør det muligt at følge nøjagtige dimensioner gennem hele produktets kørsel.
Fræsning er bearbejdningsprocessen ved at bruge roterende fræsere til at fjerne materiale fra et emne ved at føre (eller føre) fræseren ind i emnet i en bestemt retning.Skæreren kan også holdes i en vinkel i forhold til værktøjets akse.Fræsning dækker over en bred vifte af forskellige operationer og maskiner, på skalaer fra små enkeltdele til store, tunge gangfræseoperationer.Det er en af de mest almindeligt anvendte processer til bearbejdning af specialdele til præcise tolerancer.
Fræsning kan udføres med en bred vifte af værktøjsmaskiner.Den oprindelige klasse af værktøjsmaskiner til fræsning var fræsemaskinen (ofte kaldet en mølle).Efter fremkomsten af computernumerisk styring (CNC) udviklede fræsemaskiner sig til bearbejdningscentre: fræsemaskiner udvidet med automatiske værktøjsskiftere, værktøjsmagasiner eller karruseller, CNC-kapacitet, kølevæskesystemer og kabinetter.Fræsecentre er generelt klassificeret som vertikale bearbejdningscentre (VMC'er) eller horisontale bearbejdningscentre (HMC'er).
Integreringen af fræsning i drejningsmiljøer og omvendt begyndte med levende værktøj til drejebænke og lejlighedsvis brug af møller til drejeoperationer.Dette førte til en ny klasse af værktøjsmaskiner, multitasking-maskiner (MTM'er), som er specialbygget til at lette fræsning og drejning inden for den samme arbejdsramme.
For designingeniører, R&D-teams og producenter, der er afhængige af indkøb af dele, giver præcisions-CNC-bearbejdning mulighed for at skabe komplekse dele uden yderligere bearbejdning.Faktisk gør præcisions-CNC-bearbejdning det ofte muligt at fremstille færdige dele på en enkelt maskine.
Bearbejdningsprocessen fjerner materiale og bruger en bred vifte af skærende værktøjer til at skabe det endelige, og ofte meget komplekse, design af en del.Præcisionsniveauet øges gennem brugen af computernumerisk styring (CNC), som bruges til at automatisere styringen af bearbejdningsværktøjerne.
Rollen af "CNC" i præcisionsbearbejdning
Ved hjælp af kodede programmeringsinstruktioner gør præcisions-CNC-bearbejdning det muligt at skære og forme et emne til specifikationer uden manuel indgriben fra en maskinoperatør.
Ved at tage en computerstøttet design (CAD) model leveret af en kunde, bruger en ekspert maskinmester computerstøttet fremstillingssoftware (CAM) til at oprette instruktionerne til bearbejdning af delen.Baseret på CAD-modellen bestemmer softwaren, hvilke værktøjsstier der er nødvendige og genererer programmeringskoden, der fortæller maskinen:
■ Hvad de korrekte omdrejninger og tilspændingshastigheder er
■ Hvornår og hvor skal værktøjet og/eller emnet flyttes
■ Hvor dybt der skal skæres
■ Hvornår skal kølevæske påføres
■ Alle andre faktorer relateret til hastighed, tilspændingshastighed og koordination
En CNC-controller bruger derefter programmeringskoden til at styre, automatisere og overvåge maskinens bevægelser.
I dag er CNC en indbygget funktion i en bred vifte af udstyr, fra drejebænke, møller og overfræsere til wire EDM (elektrisk udladningsbearbejdning), laser- og plasmaskæremaskiner.Ud over at automatisere bearbejdningsprocessen og øge præcisionen, eliminerer CNC manuelle opgaver og frigør maskinmestre til at overvåge flere maskiner, der kører på samme tid.
Når en værktøjsbane er designet og en maskine er programmeret, kan den desuden køre en del et vilkårligt antal gange.Dette giver et højt niveau af præcision og repeterbarhed, hvilket igen gør processen yderst omkostningseffektiv og skalerbar.
Materialer, der er bearbejdet
Nogle metaller, der almindeligvis bearbejdes, omfatter aluminium, messing, bronze, kobber, stål, titanium og zink.Derudover kan træ, skum, glasfiber og plast som polypropylen også bearbejdes.
Faktisk kan stort set ethvert materiale bruges med præcisions-CNC-bearbejdning - selvfølgelig afhængigt af applikationen og dens krav.
Nogle fordele ved præcisions-CNC-bearbejdning
For mange af de små dele og komponenter, der bruges i en bred vifte af fremstillede produkter, er præcisions-CNC-bearbejdning ofte den foretrukne fremstillingsmetode.
Som det er tilfældet med stort set alle skære- og bearbejdningsmetoder, opfører forskellige materialer sig forskelligt, og størrelsen og formen på en komponent har også stor indflydelse på processen.Men generelt giver processen med præcisions-CNC-bearbejdning fordele i forhold til andre bearbejdningsmetoder.
Det skyldes, at CNC-bearbejdning er i stand til at levere:
■ En høj grad af delkompleksitet
■ Snævre tolerancer, typisk fra ±0,0002" (±0,00508 mm) til ±0,0005" (±0,0127 mm)
■ Exceptionelt glatte overfladefinisher, inklusive specialfremstillede finish
■ Gentagelighed, selv ved høje volumener
Mens en dygtig maskinmester kan bruge en manuel drejebænk til at lave en kvalitetsdel i mængder på 10 eller 100, hvad sker der, når du har brug for 1.000 dele?10.000 dele?100.000 eller en million dele?
Med præcisions-CNC-bearbejdning kan du få den skalerbarhed og hastighed, der er nødvendig for denne type højvolumenproduktion.Derudover giver den høje repeterbarhed af præcisions-CNC-bearbejdning dig dele, der alle er ens fra start til slut, uanset hvor mange dele du producerer.
Der er nogle meget specialiserede metoder til CNC-bearbejdning, herunder wire EDM (electrical discharge machining), additiv bearbejdning og 3D-laserprint.For eksempel bruger wire EDM ledende materialer - typisk metaller - og elektriske udladninger til at erodere et emne til indviklede former.
Men her vil vi fokusere på fræse- og drejeprocesserne - to subtraktive metoder, der er bredt tilgængelige og ofte brugt til præcisions-CNC-bearbejdning.
Fræsning vs. drejning
Fræsning er en bearbejdningsproces, der bruger et roterende, cylindrisk skæreværktøj til at fjerne materiale og skabe former.Fræseudstyr, kendt som en mølle eller et bearbejdningscenter, opnår et univers af komplekse delegeometrier på nogle af de største genstande bearbejdet i metal.
En vigtig egenskab ved fræsning er, at emnet forbliver stationært, mens skæreværktøjet roterer.Med andre ord, på en mølle bevæger det roterende skæreværktøj sig rundt om emnet, som forbliver fast på plads på et leje.
Drejning er processen med at skære eller forme et emne på udstyr kaldet en drejebænk.Typisk drejer drejebænken arbejdsemnet på en lodret eller vandret akse, mens et fast skærende værktøj (som måske eller måske ikke drejer) bevæger sig langs den programmerede akse.
Værktøjet kan ikke fysisk gå rundt om delen.Materialet roterer, så værktøjet kan udføre de programmerede operationer.(Der er en undergruppe af drejebænke, hvor værktøjerne drejer rundt om en tråd med trådrulle, som dog ikke er dækket her.)
Ved drejning drejer emnet i modsætning til fræsning.Delbeholdningen drejer på drejebænkens spindel, og skæreværktøjet bringes i kontakt med emnet.
Manuel vs. CNC-bearbejdning
Mens både møller og drejebænke er tilgængelige i manuelle modeller, er CNC-maskiner mere velegnede til fremstilling af små dele - og tilbyder skalerbarhed og repeterbarhed til applikationer, der kræver højvolumenproduktion af dele med snæver tolerance.
Ud over at tilbyde simple 2-aksede maskiner, hvori værktøjet bevæger sig i X- og Z-aksen, omfatter præcisions-CNC-udstyr multi-akse modeller, hvor emnet også kan bevæge sig.Dette er i modsætning til en drejebænk, hvor emnet er begrænset til spinding, og værktøjerne vil bevæge sig for at skabe den ønskede geometri.
Disse multi-akse konfigurationer muliggør produktion af mere komplekse geometrier i en enkelt operation uden at kræve yderligere arbejde af maskinoperatøren.Dette gør det ikke kun lettere at producere komplekse dele, men reducerer eller eliminerer også risikoen for operatørfejl.
Derudover sikrer brugen af højtrykskølevæske med præcisions-CNC-bearbejdning, at spåner ikke kommer ind i værket, selv når man bruger en maskine med en vertikalt orienteret spindel.
CNC møller
Forskellige fræsemaskiner varierer i deres størrelser, aksekonfigurationer, tilspændingshastigheder, skærehastighed, fræsefremføringsretningen og andre egenskaber.
Men generelt bruger CNC-fræsere alle en roterende spindel til at skære uønsket materiale væk.De bruges til at skære hårde metaller som stål og titanium, men kan også bruges sammen med materialer som plast og aluminium.
CNC-fræsere er bygget til repeterbarhed og kan bruges til alt fra prototyping til højvolumenproduktion.CNC-fræsere af høj kvalitet bruges ofte til arbejde med snæver tolerance, såsom fræsning af fine matricer og forme.
Mens CNC-fræsning kan levere hurtig vending, skaber efterbearbejdning efter fræsning dele med synlige værktøjsmærker.Det kan også producere dele med nogle skarpe kanter og grater, så yderligere processer kan være nødvendige, hvis kanter og grater er uacceptable for disse funktioner.
Selvfølgelig vil afgratningsværktøjer, der er programmeret i sekvensen, afgrate, selvom det normalt opnår 90 % af det færdige krav, hvilket efterlader nogle funktioner til den endelige håndbehandling.
Med hensyn til overfladefinish er der værktøjer, der ikke kun vil give en acceptabel overfladefinish, men også en spejllignende finish på dele af arbejdsproduktet.
Typer af CNC-fræsere
De to grundlæggende typer fræsemaskiner er kendt som vertikale bearbejdningscentre og horisontale bearbejdningscentre, hvor den primære forskel er i orienteringen af maskinspindelen.
Et lodret bearbejdningscenter er en fræse, hvor spindelaksen er rettet ind i en Z-akseretning.Disse vertikale maskiner kan yderligere opdeles i to typer:
■Ledmøller, hvor spindlen bevæger sig parallelt med sin egen akse, mens bordet bevæger sig vinkelret på spindlens akse
■Revolvermøller, hvor spindlen er stationær og bordet bevæges, så den altid er vinkelret og parallel med spindelaksen under skæreoperationen
I et vandret bearbejdningscenter er møllens spindelakse justeret i en Y-akseretning.Den vandrette struktur betyder, at disse møller har en tendens til at optage mere plads på maskinværkstedets gulv;de er også generelt tungere i vægt og mere kraftfulde end vertikale maskiner.
En vandret mølle bruges ofte, når der kræves en bedre overfladefinish;det skyldes, at spindlens orientering betyder, at skærespånerne naturligt falder væk og nemt fjernes.(Som en ekstra fordel hjælper effektiv spånfjernelse med at øge værktøjets levetid.)
Generelt er vertikale bearbejdningscentre mere udbredte, fordi de kan være lige så kraftige som horisontale bearbejdningscentre og kan håndtere meget små dele.Derudover har lodrette centre et mindre fodaftryk end horisontale bearbejdningscentre.
Flerakset CNC fræser
Præcisions CNC fræsecentre fås med flere akser.En 3-akset mølle bruger X-, Y- og Z-akserne til en bred vifte af arbejde.Med en 4-akset fræser kan maskinen rotere på en lodret og vandret akse og flytte emnet for at muliggøre mere kontinuerlig bearbejdning.
En 5-akset fræser har tre traditionelle akser og to yderligere roterende akser, hvilket gør det muligt at dreje emnet, når spindelhovedet bevæger sig rundt om det.Dette gør det muligt at bearbejde fem sider af et emne uden at fjerne emnet og nulstille maskinen.
CNC drejebænke
En drejebænk - også kaldet et drejecenter - har en eller flere spindler og X- og Z-akser.Maskinen bruges til at rotere et emne om dets akse for at udføre forskellige skære- og formningsoperationer ved at anvende en lang række værktøjer til emnet.
CNC drejebænke, som også kaldes live action værktøjs drejebænke, er ideelle til at skabe symmetriske cylindriske eller sfæriske dele.Ligesom CNC-fræsere kan CNC-drejebænke håndtere mindre operationer såsom prototyping, men kan også konfigureres til høj repeterbarhed, hvilket understøtter højvolumenproduktion.
CNC-drejebænke kan også sættes op til relativt håndfri produktion, hvilket gør dem meget udbredte i bilindustrien, elektronik-, rumfarts-, robot- og medicinsk udstyrsindustrien.
Sådan fungerer en CNC drejebænk
Med en CNC drejebænk indlæses en tom stang af lagermateriale i patronen på drejebænkens spindel.Denne borepatron holder emnet på plads, mens spindlen roterer.Når spindlen når den nødvendige hastighed, bringes et stationært skæreværktøj i kontakt med emnet for at fjerne materiale og opnå den korrekte geometri.
En CNC-drejebænk kan udføre en række operationer, såsom boring, gevindskæring, boring, oprømning, belægning og konisk drejning.Forskellige operationer kræver værktøjsændringer og kan øge omkostningerne og opsætningstiden.
Når alle de nødvendige bearbejdningsoperationer er afsluttet, skæres delen fra lageret til yderligere bearbejdning, hvis det er nødvendigt.CNC-drejebænken er så klar til at gentage operationen, med lidt eller ingen ekstra opsætningstid, der normalt kræves ind imellem.
CNC drejebænke kan også rumme en række automatiske stangfødere, som reducerer mængden af manuel håndtering af råmaterialer og giver fordele som følgende:
■ Reducer den tid og indsats, der kræves af maskinoperatøren
■ Støt stangstangen for at reducere vibrationer, der kan påvirke præcisionen negativt
■ Lad værktøjsmaskinen arbejde med optimale spindelhastigheder
■ Minimer omstillingstiderne
■ Reducer materialespild
Typer af CNC drejebænke
Der findes en række forskellige typer drejebænke, men de mest almindelige er 2-aksede CNC-drejebænke og automatiske drejebænke i kinesisk stil.
De fleste CNC Kina drejebænke bruger en eller to hovedspindler plus en eller to bageste (eller sekundære) spindler, med roterende overførsel ansvarlig for førstnævnte.Hovedspindelen udfører den primære bearbejdning ved hjælp af en styrebøsning.
Derudover er nogle drejebænke i kinesisk stil udstyret med et andet værktøjshoved, der fungerer som en CNC-fræser.
Med en automatisk CNC-drejebænk i Kina-stil føres råmaterialet gennem en glidende hovedspindel ind i en styrebøsning.Dette gør det muligt for værktøjet at skære materialet tættere på det punkt, hvor materialet er understøttet, hvilket gør Kina-maskinen særlig fordelagtig til lange, slanke drejede dele og til mikrobearbejdning.
Fleraksede CNC-drejecentre og drejebænke i kinesisk stil kan udføre flere bearbejdningsoperationer ved hjælp af en enkelt maskine.Dette gør dem til en omkostningseffektiv mulighed for komplekse geometrier, der ellers ville kræve flere maskiner eller værktøjsskift ved brug af udstyr såsom en traditionel CNC-fræser.