Præcisionsbearbejdning er en proces til at fjerne materiale fra et emne under fastholdelse af snævre tolerancer. Præcisionsmaskiner findes i mange typer, herunder fræsning, drejning og elektrisk udladningsbearbejdning. En præcisionsmaskine styres i dag generelt ved hjælp af computernumerisk styring (CNC).
Næsten alle metalprodukter bruger præcisionsbearbejdning, ligesom mange andre materialer såsom plastik og træ. Disse maskiner betjenes af specialiserede og uddannede maskinarbejdere. For at skæreværktøjet kan udføre sit arbejde, skal det bevæges i de angivne retninger for at foretage det korrekte snit. Denne primære bevægelse kaldes "skærehastighed". Emnet kan også bevæges, kendt som den sekundære bevægelse "fremføring". Sammen giver disse bevægelser og skæreværktøjets skarphed præcisionsmaskinen mulighed for 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 producere de komplekse, 3-dimensionelle diagrammer eller konturer, der er nødvendige for at fremstille et værktøj, en maskine eller et objekt. Disse tegninger skal overholdes med stor detalje for at sikre, at et produkt bevarer sin integritet. Mens de fleste præcisionsbearbejdningsvirksomheder arbejder med en eller anden 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 blot at nævne nogle få. Afhængigt af projektets størrelse og de anvendte materialer vil forskellige præcisionsbearbejdningsværktøjer blive anvendt. Enhver kombination af drejebænke, fræsemaskiner, borepressere, save og slibemaskiner og endda højhastighedsrobotter kan anvendes. Luftfartsindustrien kan anvende højhastighedsbearbejdning, mens en træbearbejdningsindustri kan anvende fotokemiske ætsnings- og fræseprocesser. Udarvningen af en serie eller en specifik mængde af en bestemt vare kan tælle i tusindvis eller blot være et par stykker. Præcisionsbearbejdning kræver ofte programmering af CNC-enheder, hvilket betyder, at de er computerstyrede. CNC-enheden gør det muligt at følge nøjagtige dimensioner gennem hele et produkts løb.
Fræsning er den bearbejdningsproces, hvor roterende skærer fjerner materiale fra et emne ved at føre skæret ind i emnet i en bestemt retning. Skæret kan også holdes i en vinkel i forhold til værktøjets akse. Fræsning dækker en bred vifte af forskellige operationer og maskiner, i skalaer fra små individuelle dele til store, kraftige gruppefræsningsoperationer. Det er en af de mest almindeligt anvendte processer til bearbejdning af specialfremstillede dele til præcise tolerancer.
Fræsning kan udføres med en bred vifte af værktøjsmaskiner. Den oprindelige klasse af værktøjsmaskiner til fræsning var fræsemaskinen (ofte kaldet en fræser). Efter fremkomsten af computer numerisk styring (CNC) udviklede fræsemaskiner sig til bearbejdningscentre: fræsemaskiner suppleret med automatiske værktøjsvekslere, værktøjsmagasiner eller karruseller, CNC-kapacitet, kølesystemer og indkapslinger. Fræsecentre klassificeres generelt som vertikale bearbejdningscentre (VMC'er) eller horisontale bearbejdningscentre (HMC'er).
Integrationen af fræsning i drejemiljøer, og omvendt, begyndte med roterende værktøjer til drejebænke og lejlighedsvis brug af fræsere til drejeoperationer. Dette førte til en ny klasse af værktøjsmaskiner, multitasking-maskiner (MTM'er), som er specialbygget til at muliggøre fræsning og drejning inden for samme arbejdsområde.
For designingeniører, R&D-teams og producenter, der er afhængige af sourcing af dele, muliggør præcisions-CNC-bearbejdning skabelse af 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 skæreværktøjer til at skabe det endelige, og ofte meget komplekse, design af en del. Præcisionsniveauet forbedres ved hjælp af computer numerisk styring (CNC), som bruges til at automatisere styringen af bearbejdningsværktøjerne.
"CNC"s rolle i præcisionsbearbejdning
Ved hjælp af kodede programmeringsinstruktioner gør præcisions-CNC-bearbejdning det muligt at skære og forme et emne efter specifikationer uden manuel indgriben fra en maskinoperatør.
En maskinarbejder bruger en computerstøttet designmodel (CAD) leveret af en kunde til at oprette instruktioner til bearbejdning af emnet ved hjælp af computerstøttet produktionssoftware (CAM). Baseret på CAD-modellen bestemmer softwaren, hvilke værktøjsbaner der er nødvendige, og genererer den programmeringskode, der fortæller maskinen:
■ Hvad de korrekte omdrejningstal og tilførselshastigheder er
■ Hvornår og hvor værktøjet og/eller emnet skal flyttes
■ Hvor dybt skal man skære
■ Hvornår skal der påføres kølevæske
■ Andre faktorer relateret til hastighed, fremføringshastighed 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, lige fra drejebænke, fræsere og overfræsere til trådgnistmaskiner (EDM), laser- og plasmaskæremaskiner. Udover at automatisere bearbejdningsprocessen og forbedre præcisionen eliminerer CNC manuelle opgaver og frigør maskinarbejdere til at overvåge flere maskiner, der kører på samme tid.
Derudover kan en maskine, når en værktøjsbane er designet og programmeret, køre et emne et hvilket som helst antal gange. Dette giver et højt niveau af præcision og repeterbarhed, hvilket igen gør processen yderst omkostningseffektiv og skalerbar.
Materialer, der er maskinbearbejdede
Nogle metaller, der almindeligvis bearbejdes, omfatter aluminium, messing, bronze, kobber, stål, titanium og zink. Derudover kan træ, skum, glasfiber og plast såsom 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 anvendes i en bred vifte af fremstillede produkter, er præcisions-CNC-bearbejdning ofte den foretrukne fremstillingsmetode.
Som det gælder for stort set alle skære- og bearbejdningsmetoder, opfører forskellige materialer sig forskelligt, og størrelsen og formen på en komponent har også stor indflydelse på processen. Generelt tilbyder præcisions-CNC-bearbejdning dog 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)
■ Usædvanligt glatte overflader, inklusive specialfremstillede overflader
■ Gentagelsesnøjagtighed, selv ved høje volumener
Selvom en dygtig maskinarbejder kan bruge en manuel drejebænk til at fremstille en kvalitetsdel i mængder på 10 eller 100, hvad sker der, når man har brug for 1.000 dele? 10.000 dele? 100.000 eller en million dele?
Med præcisions-CNC-bearbejdning kan du opnå den skalerbarhed og hastighed, der er nødvendig for denne type storproduktion. Derudover giver den høje repeterbarhed ved præcisions-CNC-bearbejdning dig dele, der er ens fra start til slut, uanset hvor mange dele du producerer.
Der findes nogle meget specialiserede metoder til CNC-bearbejdning, herunder trådgnistning (trådeDM), additiv bearbejdning og 3D-laserprintning. For eksempel bruger trådgnistning ledende materialer – typisk metaller – og elektriske udladninger til at erodere et emne til indviklede former.
Her vil vi dog fokusere på fræsning og drejning – to subtraktive metoder, der er bredt tilgængelige og ofte anvendes 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 fræser eller et bearbejdningscenter, opnår et univers af komplekse delgeometrier på nogle af de største genstande, der bearbejdes med metal.
En vigtig egenskab ved fræsning er, at emnet forbliver stationært, mens skæreværktøjet roterer. Med andre ord bevæger det roterende skæreværktøj på en fræser sig rundt om emnet, som forbliver fastgjort på en bund.
Drejning er processen med at skære eller forme et emne på udstyr kaldet en drejebænk. Typisk drejer drejebænken emnet om en lodret eller vandret akse, mens et fast skæreværktøj (som kan dreje eller ikke dreje) bevæger sig langs den programmerede akse.
Værktøjet kan ikke fysisk bevæge sig rundt om emnet. Materialet roterer, hvilket gør det muligt for værktøjet at udføre de programmerede operationer. (Der findes en delmængde af drejebænke, hvor værktøjerne roterer omkring en spolefremført tråd, men det er ikke dækket her.)
I modsætning til fræsning roterer emnet ved drejning. Emnematerialet roterer på drejebænkens spindel, og skæreværktøjet bringes i kontakt med emnet.
Manuel vs. CNC-bearbejdning
Selvom både fræsere og drejebænke fås i manuelle modeller, er CNC-maskiner mere passende til fremstilling af små dele — de tilbyder skalerbarhed og repeterbarhed til applikationer, der kræver produktion i store mængder af dele med snævre tolerancer.
Udover at tilbyde simple 2-aksede maskiner, hvor værktøjet bevæger sig i X- og Z-akserne, omfatter præcisions-CNC-udstyr modeller med flere akser, hvor emnet også kan bevæge sig. Dette står i kontrast til en drejebænk, hvor emnet er begrænset til rotation, og værktøjerne bevæger sig for at skabe den ønskede geometri.
Disse fleraksede konfigurationer muliggør produktion af mere komplekse geometrier i en enkelt operation uden at kræve yderligere arbejde fra 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 arbejdet, selv når man bruger en maskine med en lodret orienteret spindel.
CNC-fræsere
Forskellige fræsemaskiner varierer i størrelser, aksekonfigurationer, tilspændingshastigheder, skærehastighed, fræseretning og andre egenskaber.
Generelt bruger CNC-fræsere dog 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 med materialer som plast og aluminium.
CNC-fræsere er bygget til repeterbarhed og kan bruges til alt fra prototyping til storproduktion. Avancerede præcisions-CNC-fræsere bruges ofte til arbejde med snævre tolerancer, såsom fræsning af fine matricer og forme.
Mens CNC-fræsning kan give hurtig ekspeditionstid, skaber færdigfræset efterbehandling dele med synlige værktøjsmærker. Det kan også producere dele med skarpe kanter og grater, så yderligere processer kan være nødvendige, hvis kanter og grater er uacceptable for disse egenskaber.
Selvfølgelig vil afgratningsværktøjer, der er programmeret i sekvensen, afgrate, men normalt opnår de højst 90% af det færdige behov, hvilket efterlader nogle funktioner til den endelige manuel finish.
Hvad angår overfladefinish, findes der værktøjer, der ikke blot giver en acceptabel overfladefinish, men også en spejlblank 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 ligger i maskinspindlens orientering.
Et vertikalt bearbejdningscenter er en fræser, hvor spindelaksen er justeret i Z-aksens retning. Disse vertikale maskiner kan yderligere opdeles i to typer:
■ Bedfræsere, hvor spindlen bevæger sig parallelt med sin egen akse, mens bordet bevæger sig vinkelret på spindlens akse
■ Revolverfræsere, hvor spindlen er stationær, og bordet bevæges, så det altid er vinkelret og parallelt med spindlens akse under skæreoperationen.
I et horisontalt bearbejdningscenter er fræsernes spindelakse justeret i en Y-akseretning. Den horisontale struktur betyder, at disse fræsere har tendens til at optage mere plads i maskinværkstedet; de er også generelt tungere og mere kraftfulde end vertikale maskiner.
En horisontalfræser bruges ofte, når der kræves en bedre overfladefinish; det skyldes, at spindelens 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 kraftfulde som horisontale bearbejdningscentre og kan håndtere meget små dele. Derudover har vertikale centre et mindre fodaftryk end horisontale bearbejdningscentre.
Multiaksede CNC-fræsere
Præcisions-CNC-fræsecentre fås med flere akser. En 3-akset fræser 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 bevæge emnet for at muliggøre mere kontinuerlig bearbejdning.
En 5-akset fræser har tre traditionelle akser og to ekstra roterende akser, hvilket gør det muligt at rotere 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 sin akse for at udføre forskellige skære- og formningsoperationer ved at anvende en bred vifte af værktøjer på emnet.
CNC-drejebænke, også kaldet live action-værktøjsdrejebænke, er ideelle til at skabe symmetriske cylindriske eller sfæriske dele. Ligesom CNC-fræsere kan CNC-drejebænke håndtere mindre operationer såsom prototyping, men kan også indstilles til høj repeterbarhed, hvilket understøtter produktion i store mængder.
CNC-drejebænke kan også indstilles til relativt håndfri produktion, hvilket gør dem meget udbredte inden for bil-, elektronik-, luftfarts-, robot- og medicinsk udstyrsindustrien.
Sådan fungerer en CNC-drejebænk
Med en CNC-drejebænk lægges en blank stang af materiale i drejebænkens spindels spændepatron. Denne spændepatron holder emnet på plads, mens spindlen roterer. Når spindlen når den ønskede 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, udboring, oprivning, plandrejning og konisk drejning. Forskellige operationer kræver værktøjsskift og kan øge omkostninger og opsætningstid.
Når alle de nødvendige bearbejdningsoperationer er udført, skæres emnet ud af materialet til videre bearbejdning, hvis det er nødvendigt. CNC-drejebænken er derefter klar til at gentage operationen, normalt med minimal eller ingen yderligere opsætningstid.
CNC-drejebænke kan også rumme en række automatiske stangfremførere, hvilket reducerer mængden af manuel håndtering af råmaterialer og giver fordele som følgende:
■ Reducer den tid og indsats, der kræves af maskinoperatøren
■ Understøt stangmaterialet for at reducere vibrationer, der kan påvirke præcisionen negativt
■ Lad værktøjsmaskinen køre ved optimale spindelhastigheder
■ Minimer omstillingstider
■ 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 Kina-stil.
De fleste CNC-drejebænke i Kina bruger en eller to hovedspindler plus en eller to bagspindler (eller sekundære), hvor roterende overførsel er ansvarlig for førstnævnte. Hovedspindlen udfører den primære bearbejdningsoperation ved hjælp af en føringsbøsning.
Derudover er nogle drejebænke i kinesisk stil udstyret med et andet værktøjshoved, der fungerer som en CNC-fræser.
Med en CNC-automatdrejebænk i porcelænsstil føres råmaterialet gennem en glidende spindel ind i en føringsbøsning. Dette gør det muligt for værktøjet at skære materialet tættere på det punkt, hvor materialet understøttes, hvilket gør porcelænsmaskinen særligt fordelagtig til lange, slanke drejede dele og til mikrobearbejdning.
Multiaksede CNC-drejecentre og drejebænke i kinesisk stil kan udføre flere bearbejdningsoperationer med en enkelt maskine. Dette gør dem til en omkostningseffektiv løsning til komplekse geometrier, der ellers ville kræve flere maskiner eller værktøjsskift ved hjælp af udstyr som en traditionel CNC-fræser.