Nákvæm vinnsla er ferli til að fjarlægja efni úr vinnustykki við vinnslu með þröngu fráviki. Nákvæmnisvélar eru til í mörgum gerðum, þar á meðal fræsingu, beygju og rafmagnsúthleðsluvinnslu. Nákvæmnisvélar í dag eru almennt stjórnaðar með tölvustýringu (CNC).
Næstum allar málmvörur nota nákvæma vinnslu, eins og mörg önnur efni eins og plast og tré. Þessar vélar eru stjórnaðar af sérhæfðum og þjálfuðum vélvirkjum. Til þess að skurðarverkfærið geti sinnt starfi sínu verður að færa það í tilgreindar áttir til að fá rétta skurðinn. Þessi aðalhreyfing kallast „skurðarhraði“. Einnig er hægt að færa vinnustykkið, sem kallast aukahreyfing „fóðrunar“. Saman gera þessar hreyfingar og skerpa skurðarverkfærisins nákvæmnisvélinni kleift að starfa.
Góð nákvæmnisvinnsla krefst þess að hægt sé að fylgja mjög nákvæmum teikningum sem gerðar eru með CAD (tölvustýrðri hönnun) eða CAM (tölvustýrðri framleiðslu) forritum eins og AutoCAD og TurboCAD. Hugbúnaðurinn getur hjálpað til við að framleiða flóknar, þrívíddar skýringarmyndir eða útlínur sem þarf til að framleiða verkfæri, vél eða hlut. Þessum teikningum verður að fylgja mjög nákvæmlega til að tryggja að vara haldi heilindum sínum. Þó að flest fyrirtæki sem framleiða nákvæmnisvinnslu vinni með einhvers konar CAD/CAM forritum, vinna þau samt oft með handteiknaðar skissur í upphafi hönnunar.
Nákvæm vinnsla er notuð á fjölda efna, þar á meðal stáli, bronsi, grafíti, gleri og plasti, svo eitthvað sé nefnt. Eftir stærð verkefnisins og þeim efnum sem á að nota verða ýmis nákvæmnisvinnslutól notuð. Hægt er að nota hvaða samsetningu sem er af rennibekkjum, fræsivélum, borvélum, sagum og kvörnvögnum, og jafnvel hraðvirkum vélmennum. Flug- og geimferðaiðnaðurinn gæti notað háhraða vinnslu, en tréverkfæraiðnaðurinn gæti notað ljósefnafræðilega etsingu og fræsingarferli. Útvinnsla á tilteknu magni af tiltekinni vöru getur skipt þúsundum eða verið fáar. Nákvæm vinnsla krefst oft forritunar á CNC-tækjum, sem þýðir að þau eru tölvustýrð. CNC-tækið gerir kleift að fylgja nákvæmum málum í allri framleiðslu vörunnar.
Fræsing er vinnsluferli þar sem notaðir eru snúningsskurðarar til að fjarlægja efni af vinnustykki með því að færa skurðarann inn í vinnustykkið í ákveðinni átt. Einnig er hægt að halda skurðaranum í halla miðað við ás verkfærisins. Fræsing nær yfir fjölbreytt úrval af mismunandi aðgerðum og vélum, allt frá litlum einstökum hlutum til stórra, þungra hópfræsingaraðgerða. Þetta er ein algengasta aðferðin til að vinna sérsniðna hluti með nákvæmum vikmörkum.
Hægt er að nota fjölbreytt úrval af vélum til fræsingar. Upprunalega flokkur véla til fræsingar var fræsivélin (oft kölluð fræsivél). Eftir tilkomu tölvustýrðrar stýringar (CNC) þróuðust fræsivélar í vinnslumiðstöðvar: fræsivélar bættar við með sjálfvirkum verkfæraskiptum, verkfæratímaritum eða hringkúlum, CNC-getu, kælikerfum og girðingum. Fræsimiðstöðvar eru almennt flokkaðar sem lóðréttar vinnslumiðstöðvar (VMC) eða láréttar vinnslumiðstöðvar (HMC).
Samþætting fræsingar í beygjuumhverfi, og öfugt, hófst með notkun lifandi verkfæra fyrir rennibekki og einstaka notkun fræsa fyrir beygjuaðgerðir. Þetta leiddi til nýs flokks vélaverkfæra, fjölverkavéla (MTM), sem eru sérstaklega smíðaðar til að auðvelda fræsingu og beygju innan sama vinnuumhverfis.
Fyrir hönnunarverkfræðinga, rannsóknar- og þróunarteymi og framleiðendur sem reiða sig á að kaupa hluti, gerir nákvæm CNC-vinnsla kleift að búa til flókna hluti án frekari vinnslu. Reyndar gerir nákvæm CNC-vinnsla það oft mögulegt að framleiða fullunna hluti í einni vél.
Vélræn vinnsluferlið fjarlægir efni og notar fjölbreytt úrval skurðarverkfæra til að búa til lokaútgáfu hlutarins, sem oft er mjög flókin. Nákvæmnin eykst með notkun tölvustýringar (CNC), sem er notuð til að sjálfvirknivæða stjórnun vinnsluverkfæranna.
Hlutverk „CNC“ í nákvæmnivinnslu
Með því að nota kóðaðar forritunarleiðbeiningar gerir nákvæm CNC-vinnsla kleift að skera og móta vinnustykki samkvæmt forskriftum án handvirkrar íhlutunar vélstjóra.
Með því að nota tölvustýrða hönnunarlíkan (CAD) frá viðskiptavini notar sérfræðingur í vélvirkjun tölvustýrða framleiðsluhugbúnað (CAM) til að búa til leiðbeiningar fyrir vélvinnslu hlutans. Byggt á CAD líkaninu ákvarðar hugbúnaðurinn hvaða verkfæraleiðir eru nauðsynlegar og býr til forritunarkóða sem segir vélinni:
■ Hverjir eru réttir snúningshraðar og fóðrunarhraði
■ Hvenær og hvert á að færa verkfærið og/eða vinnustykkið
■ Hversu djúpt á að skera
■ Hvenær á að nota kælivökva
■ Allir aðrir þættir sem tengjast hraða, fóðrunarhraða og samhæfingu
CNC stýringin notar síðan forritunarkóðann til að stjórna, sjálfvirknivæða og fylgjast með hreyfingum vélarinnar.
Í dag er CNC innbyggður eiginleiki í fjölbreyttum búnaði, allt frá rennibekkjum, fræsurum og leiðarvélum til vírskurðarvéla (electrical discharge machining), leysigeisla- og plasmaskurðarvéla. Auk þess að sjálfvirknivæða vinnsluferlið og auka nákvæmni, útrýmir CNC handvirkum verkefnum og frelsar vélvirkja til að hafa umsjón með mörgum vélum sem eru í gangi samtímis.
Að auki, þegar verkfæraslóð hefur verið hönnuð og vélin forrituð, getur hún keyrt hlutinn óteljandi sinnum. Þetta veitir mikla nákvæmni og endurtekningarhæfni, sem aftur gerir ferlið mjög hagkvæmt og stigstærðanlegt.
Efni sem eru vélrænt unnin
Sumir málmar sem eru almennt unnar úr vinnslu eru meðal annars ál, messing, brons, kopar, stál, títan og sink. Að auki er einnig hægt að vinna úr viði, froðu, trefjaplasti og plasti eins og pólýprópýleni.
Reyndar er hægt að nota nánast hvaða efni sem er með nákvæmri CNC vinnslu - auðvitað allt eftir notkun og kröfum þess.
Nokkrir kostir nákvæmrar CNC vinnslu
Fyrir marga af þeim smáhlutum og íhlutum sem notaðir eru í fjölbreyttum framleiddum vörum er nákvæm CNC vinnsla oft valin aðferð.
Eins og gildir um nánast allar skurðar- og vinnsluaðferðir, þá haga mismunandi efni sér á mismunandi hátt og stærð og lögun íhlutar hefur einnig mikil áhrif á ferlið. Hins vegar býður nákvæm CNC-vinnsluferlið almennt upp á kosti umfram aðrar vinnsluaðferðir.
Það er vegna þess að CNC vinnsla er fær um að skila:
■ Mikil flækjustig hluta
■ Þröng vikmörk, yfirleitt á bilinu ±0,0002" (±0,00508 mm) til ±0,0005" (±0,0127 mm)
■ Einstaklega slétt yfirborð, þar á meðal sérsniðnar áferðir
■ Endurtekningarhæfni, jafnvel við mikið magn
Þó að reyndur vélvirki geti notað handvirka rennibekk til að búa til gæðahluti í magni upp á 10 eða 100, hvað gerist þegar þú þarft 1.000 hluti? 10.000 hluti? 100.000 eða milljón hluti?
Með nákvæmri CNC vinnslu er hægt að fá þá sveigjanleika og hraða sem þarf fyrir þessa tegund af framleiðslu í miklu magni. Þar að auki veitir mikil endurtekningarhæfni nákvæmrar CNC vinnslu þér hluti sem eru allir eins frá upphafi til enda, sama hversu marga hluti þú ert að framleiða.
Það eru til nokkrar mjög sérhæfðar aðferðir við CNC-vinnslu, þar á meðal vírsniðun (electrical discharge machining), aukefnavinnsla og þrívíddarleysiprentun. Til dæmis notar vírsniðun leiðandi efni - venjulega málma - og rafútfellingar til að móta vinnustykki í flókin form.
Hins vegar munum við hér einbeita okkur að fræsingar- og beygjuferlunum — tveimur frádráttaraðferðum sem eru víða fáanlegar og oft notaðar fyrir nákvæma CNC vinnslu.
Fræsing vs. beygja
Fræsing er vinnsluferli sem notar snúnings, sívalningslaga skurðarverkfæri til að fjarlægja efni og búa til form. Fræsibúnaður, þekktur sem fræsari eða vinnslumiðstöð, framkvæmir alheim flókinna hlutarúmfræði á sumum stærstu hlutum sem hægt er að fræsa úr málmi.
Mikilvægur eiginleiki fræsingar er að vinnustykkið helst kyrrt á meðan skurðarverkfærið snýst. Með öðrum orðum, á fræsivél hreyfist snúningsskurðarverkfærið umhverfis vinnustykkið, sem helst kyrrt á undirlagi.
Beygja er ferlið við að skera eða móta vinnustykki á búnaði sem kallast rennibekkur. Venjulega snýr rennibekkurinn vinnustykkinu um lóðrétta eða lárétta ás á meðan fast skurðarverkfæri (sem getur verið að snúast eða ekki) hreyfist eftir forritaða ásnum.
Verkfærið getur ekki farið líkamlega í kringum hlutinn. Efnið snýst, sem gerir verkfærinu kleift að framkvæma forritaðar aðgerðir. (Það er til undirhópur rennibekka þar sem verkfærin snúast í kringum spólufóðraðan vír, en það er ekki fjallað um hér.)
Í beygju, ólíkt fræsingu, snýst vinnustykkið. Hluturinn snýst á snældu rennibekksins og skurðarverkfærið kemst í snertingu við vinnustykkið.
Handvirk vs. CNC vinnsla
Þó að bæði fræsar og rennibekkir séu fáanlegar í handvirkum gerðum, eru CNC vélar hentugri fyrir framleiðslu á smáhlutum — þær bjóða upp á sveigjanleika og endurtekningarhæfni fyrir forrit sem krefjast mikillar framleiðslu á hlutum með þröngum vikmörkum.
Auk þess að bjóða upp á einfaldar tveggja ása vélar þar sem verkfærið hreyfist í X- og Z-ásunum, þá eru til fjölása gerðir í nákvæmum CNC-vélum þar sem vinnustykkið getur einnig hreyfst. Þetta er ólíkt rennibekk þar sem vinnustykkið er takmarkað við snúning og verkfærin hreyfast til að búa til þá rúmfræði sem óskað er eftir.
Þessar fjölása stillingar gera kleift að framleiða flóknari rúmfræði í einni aðgerð, án þess að þurfa aukavinnu af hálfu vélstjórans. Þetta auðveldar ekki aðeins framleiðslu flókinna hluta, heldur dregur einnig úr eða útilokar líkur á mistökum stjórnanda.
Að auki tryggir notkun háþrýstikælivökva með nákvæmri CNC-vinnslu að flísar komist ekki inn í verkið, jafnvel þegar notuð er vél með lóðréttum spindel.
CNC fræsarar
Mismunandi fræsvélar eru mismunandi að stærð, ásstillingum, fóðrunarhraða, skurðhraða, fóðrunarstefnu og öðrum eiginleikum.
Hins vegar nota CNC-fræsar almennt snúningssnúningsás til að skera burt óæskilegt efni. Þær eru notaðar til að skera harða málma eins og stál og títan en geta einnig verið notaðar með efnum eins og plasti og áli.
CNC-fræsar eru hannaðar til að vera endurtekningarhæfar og hægt er að nota þær fyrir allt frá frumgerðasmíði til framleiðslu í miklu magni. Háþróaðar nákvæmar CNC-fræsar eru oft notaðar fyrir vinnu með þröngum vikmörkum eins og að fræsa fínar deyja og mót.
Þó að CNC-fræsing geti skilað skjótum afgreiðslutíma, þá skapar frágangur eins og fræst er hluti með sýnilegum verkfæramerkjum. Það getur einnig framleitt hluti með hvössum brúnum og skurðum, þannig að frekari ferli gætu verið nauðsynleg ef brúnir og skurðir eru óásættanlegir fyrir þessa eiginleika.
Að sjálfsögðu munu afgrátarverkfæri sem eru forrituð í röðina afgráta, þó þau nái yfirleitt í mesta lagi 90% af fullunninni vinnslu, og skilja eftir einhverja eiginleika til lokafrágangs handvirkt.
Hvað varðar yfirborðsáferð, þá eru til verkfæri sem framleiða ekki aðeins ásættanlega yfirborðsáferð, heldur einnig spegilmyndandi áferð á hlutum vinnuafurðarinnar.
Tegundir CNC-fræsa
Tvær grunngerðir fræsvéla eru þekktar sem lóðréttar vinnslumiðstöðvar og láréttar vinnslumiðstöðvar, þar sem aðalmunurinn liggur í stefnu vélarinnar.
Lóðrétt vinnslumiðstöð er fræsivél þar sem spindlaásinn er stilltur í Z-ás átt. Þessar lóðréttu vélar má skipta frekar í tvo flokka:
■Beðfræsar, þar sem spindillinn hreyfist samsíða eigin ás á meðan borðið hreyfist hornrétt á ás spindilsins.
■Turnfræsar, þar sem spindillinn er kyrrstæður og borðið er fært þannig að það sé alltaf hornrétt og samsíða ás spindilsins meðan á skurðaraðgerð stendur.
Í láréttri vinnslumiðstöð er snúningsás fræsunnar stilltur í Y-ás átt. Lárétta uppbyggingin þýðir að þessar fræsur taka yfirleitt meira pláss í verkstæðinu; þær eru einnig almennt þyngri og öflugri en lóðréttar vélar.
Lárétt fræsivél er oft notuð þegar betri yfirborðsáferð er nauðsynleg; það er vegna þess að stefna spindilsins þýðir að skurðflísarnar falla náttúrulega af og eru auðveldlega fjarlægðar. (Sem viðbótarkostur hjálpar skilvirk flísafjarlæging til við að auka endingartíma verkfærisins.)
Almennt eru lóðréttar vinnslustöðvar algengari vegna þess að þær geta verið jafn öflugar og láréttar vinnslustöðvar og geta meðhöndlað mjög litla hluti. Að auki eru lóðréttar vinnslustöðvar minna fyrirkomulag en láréttar vinnslustöðvar.
Fjölása CNC fræsar
Nákvæmar CNC fræsarmiðstöðvar eru fáanlegar með mörgum ásum. Þriggja ása fræsivél notar X-, Y- og Z-ásana fyrir fjölbreytt verk. Með fjögurra ása fræsivél getur vélin snúist á lóðréttum og láréttum ásum og fært vinnustykkið til að gera kleift að vinna samfelldari.
Fimmása fræsivél hefur þrjá hefðbundna ása og tvo viðbótar snúningsása, sem gerir kleift að snúa vinnustykkinu þegar spindillinn hreyfist í kringum það. Þetta gerir kleift að vinna fimm hliðar vinnustykkisins án þess að fjarlægja vinnustykkið og endurstilla vélina.
CNC rennibekkir
Rennibekkur – einnig kallaður beygjumiðstöð – hefur einn eða fleiri spindla og X- og Z-ása. Vélin er notuð til að snúa vinnustykki um ás sinn til að framkvæma ýmsar skurðar- og mótunaraðgerðir og beita fjölbreyttum verkfærum á vinnustykkið.
CNC rennibekkir, einnig kallaðir verkfærarennibekkir með beinni virkni, eru tilvaldir til að búa til samhverfa sívalningslaga eða kúlulaga hluti. Líkt og CNC fræsarar geta CNC rennibekkir tekist á við minni aðgerðir eins og frumgerðasmíði en einnig er hægt að stilla þá fyrir mikla endurtekningarnákvæmni, sem styður framleiðslu í miklu magni.
Einnig er hægt að setja upp CNC rennibekki fyrir tiltölulega handfrjálsa framleiðslu, sem gerir þá mikið notaða í bílaiðnaði, rafeindatækni, geimferðaiðnaði, vélfærafræði og lækningatækjaiðnaði.
Hvernig CNC rennibekkur virkar
Með CNC rennibekk er óblandaðri stöng af efni sett í spennufestingu snældunnar. Þessi spennufesting heldur vinnustykkinu á sínum stað á meðan snældan snýst. Þegar snældan nær tilskildum hraða er kyrrstætt skurðarverkfæri komið í snertingu við vinnustykkið til að fjarlægja efni og ná réttri lögun.
CNC rennibekkur getur framkvæmt fjölda aðgerða, svo sem borun, þráðun, skurð, rúmun, flatfræsingu og keilubeygju. Mismunandi aðgerðir krefjast verkfæraskipta og geta aukið kostnað og uppsetningartíma.
Þegar öllum nauðsynlegum vinnsluaðgerðum er lokið er hlutinn skorinn úr efninu til frekari vinnslu ef þörf krefur. CNC rennibekkurinn er þá tilbúinn til að endurtaka aðgerðina, með litlum eða engum viðbótar uppsetningartíma sem venjulega þarf á milli.
CNC rennibekkir geta einnig hýst ýmsar sjálfvirkar stangarfóðrara, sem dregur úr handvirkri meðhöndlun hráefnis og býður upp á kosti eins og eftirfarandi:
■ Minnkaðu tíma og fyrirhöfn sem vélstjórinn þarfnast
■ Styðjið stöngina til að draga úr titringi sem getur haft neikvæð áhrif á nákvæmni
■ Leyfa vélinni að starfa á kjörhraða snúnings
■ Lágmarka skiptitíma
■ Minnka efnisúrgang
Tegundir CNC rennibekka
Það eru til nokkrar mismunandi gerðir af rennibekkjum, en algengustu eru tveggja ása CNC rennibekkir og sjálfvirkir rennibekkir í kínverskum stíl.
Flestir CNC rennibekkir í Kína nota einn eða tvo aðalspindla ásamt einum eða tveimur afturspindlum (eða aukaspindlum), þar sem snúningshreyfillinn sér um þann fyrri. Aðalspindillinn framkvæmir aðalvinnsluaðgerðina með hjálp leiðarhylsingar.
Að auki eru sumar kínverskar rennibekkir búnar öðru verkfærahausi sem virkar sem CNC-fræsari.
Með sjálfvirkum CNC rennibekk í Kína-stíl er hráefnið fært í gegnum rennihausspindil og inn í leiðarhylsi. Þetta gerir verkfærinu kleift að skera efnið nær þeim punkti þar sem efnið er stutt, sem gerir kínversku vélina sérstaklega gagnlega fyrir langa, mjóa rennihluta og fyrir örvinnslu.
Fjölása CNC-beygjustöðvar og kínverskir rennibekkir geta framkvæmt margar vinnsluaðgerðir með einni vél. Þetta gerir þær að hagkvæmum valkosti fyrir flóknar rúmfræðir sem annars myndu krefjast margra véla eða verkfæraskipta með búnaði eins og hefðbundinni CNC-fræsivél.