A precíziós megmunkálás egy olyan eljárás, amelynek során anyagot távolítanak el a munkadarabról szűk tűrésű felületek tartása közben. A precíziós gépeknek számos típusa van, beleértve a marást, az esztergálást és a szikraforgácsolást. A precíziós gépeket ma általában számítógépes numerikus vezérlésű (CNC) gépek vezérlik.
Szinte minden fémtermék precíziós megmunkálást alkalmaz, akárcsak sok más anyag, például a műanyag és a fa. Ezeket a gépeket speciális és képzett gépészek kezelik. Ahhoz, hogy a vágószerszám elvégezze a feladatát, a megadott irányokban kell mozgatni a helyes vágás érdekében. Ezt az elsődleges mozgást "vágási sebességnek" nevezik. A munkadarab is mozgatható, ezt másodlagos "előtolás" mozgásnak nevezik. Ezek a mozgások és a vágószerszám élessége együttesen teszik lehetővé a precíziós gép működését.
A minőségi precíziós megmunkálás megköveteli a CAD (számítógéppel segített tervezés) vagy CAM (számítógéppel segített gyártás) programok, például az AutoCAD és a TurboCAD által készített rendkívül specifikus tervrajzok követésének képességét. A szoftver segíthet a szerszámok, gépek vagy tárgyak gyártásához szükséges összetett, háromdimenziós diagramok vagy körvonalak elkészítésében. Ezeket a tervrajzokat nagy részletességgel kell betartani annak érdekében, hogy a termék megőrizze integritását. Míg a legtöbb precíziós megmunkálással foglalkozó vállalat valamilyen CAD/CAM programmal dolgozik, a tervezés kezdeti fázisaiban még mindig gyakran kézzel rajzolt vázlatokkal dolgoznak.
A precíziós megmunkálást számos anyagon alkalmazzák, beleértve az acélt, bronzot, grafitot, üveget és műanyagokat, hogy csak néhányat említsünk. A projekt méretétől és a felhasználandó anyagoktól függően különféle precíziós megmunkáló szerszámokat használnak. Esztergák, marógépek, fúrógépek, fűrészek és köszörűk, sőt nagy sebességű robotika bármilyen kombinációja is alkalmazható. A repülőgépipar nagy sebességű megmunkálást alkalmazhat, míg a famegmunkáló szerszámgyártó ipar fotokémiai maratási és marási eljárásokat alkalmazhat. Egy sorozat, vagy egy adott tétel meghatározott mennyiségének előállítása több ezer darabot is jelenthet, vagy csak néhányat. A precíziós megmunkálás gyakran CNC-eszközök programozását igényli, ami azt jelenti, hogy számítógéppel vezéreltek. A CNC-eszköz lehetővé teszi a pontos méretek betartását a termék teljes gyártási folyamata során.
A marás az a megmunkálási folyamat, amelynek során forgó marószerszámokat használnak az anyag eltávolítására a munkadarabból úgy, hogy a marót egy bizonyos irányban a munkadarabba tolják (vagy adagolják). A marószerszám a szerszám tengelyéhez képest szögben is tartható. A marás a műveletek és gépek széles skáláját öleli fel, a kis egyedi alkatrészektől a nagy, nagy teljesítményű csoportos marási műveletekig. Ez az egyik leggyakrabban használt eljárás egyedi alkatrészek pontos tűrésű megmunkálására.
A marás számos szerszámgéppel elvégezhető. A maráshoz használt szerszámgépek eredeti osztálya a marógép volt (gyakran malomnak is nevezik). A számítógépes numerikus vezérlés (CNC) megjelenése után a marógépek megmunkálóközpontokká fejlődtek: a marógépeket automatikus szerszámváltók, szerszámtárak vagy körhinták, CNC-képességek, hűtőrendszerek és burkolatok egészítették ki. A maróközpontokat általában függőleges megmunkálóközpontokként (VMC-k) vagy vízszintes megmunkálóközpontokként (HMC-k) osztályozzák.
A marás integrálása az esztergálási környezetbe, és fordítva, az esztergák élő szerszámaival és a marók alkalmankénti esztergálási műveletekkel kezdődött. Ez egy új szerszámgéposztályhoz, a többfunkciós gépekhez (MTM) vezetett, amelyeket kifejezetten a marás és az esztergálás ugyanazon munkaterületen belüli elvégzésére terveztek.
A tervezőmérnökök, a kutatás-fejlesztési csapatok és a gyártók számára, akik az alkatrész-beszerzéstől függenek, a precíziós CNC megmunkálás lehetővé teszi összetett alkatrészek létrehozását további feldolgozás nélkül. Valójában a precíziós CNC megmunkálás gyakran lehetővé teszi, hogy a kész alkatrészeket egyetlen gépen gyártsák.
A megmunkálási folyamat során anyagot távolítanak el, és a forgácsolószerszámok széles skáláját használják az alkatrész végső, és gyakran rendkívül összetett kialakításának létrehozásához. A pontosság szintjét a számítógépes numerikus vezérlés (CNC) növeli, amely a megmunkálószerszámok vezérlésének automatizálására szolgál.
A "CNC" szerepe a precíziós megmunkálásban
Kódolt programozási utasítások használatával a precíziós CNC megmunkálás lehetővé teszi a munkadarab vágását és formázását a specifikációknak megfelelően, a gépkezelő kézi beavatkozása nélkül.
Egy szakértő gépész egy ügyfél által biztosított számítógéppel segített tervezési (CAD) modell alapján számítógéppel segített gyártási szoftver (CAM) segítségével létrehozza az alkatrész megmunkálására vonatkozó utasításokat. A CAD modell alapján a szoftver meghatározza a szükséges szerszámpályákat, és létrehozza a programkódot, amely a következőket közli a géppel:
■ Melyek a helyes fordulatszámok és előtolási sebességek
■ Mikor és hová kell mozgatni a szerszámot és/vagy a munkadarabot
■ Milyen mélyre kell vágni
■ Mikor kell hűtőfolyadékot használni
■ Bármilyen egyéb, a sebességgel, az előtolási sebességgel és a koordinációval kapcsolatos tényező
Egy CNC vezérlő ezután a programkódot használja a gép mozgásának vezérlésére, automatizálására és monitorozására.
Manapság a CNC számos berendezés beépített funkciója, az esztergáktól, marógépektől és felsőmaróktól kezdve a huzalszikraforgácsolásig (elektromos szikraforgácsolás), lézer- és plazmavágó gépekig. A megmunkálási folyamat automatizálása és a pontosság növelése mellett a CNC kiküszöböli a manuális feladatokat, és felszabadítja a gépészeket, hogy több, egyszerre működő gépet felügyeljenek.
Ezenkívül, ha a szerszámpályát megtervezték és a gépet beprogramozták, akkor egy alkatrészt tetszőleges számú alkalommal lefuttathat. Ez nagyfokú pontosságot és ismételhetőséget biztosít, ami viszont rendkívül költséghatékonnyá és skálázhatóvá teszi a folyamatot.
Megmunkált anyagok
Néhány gyakran megmunkált fém: alumínium, sárgaréz, bronz, réz, acél, titán és cink. Ezenkívül fa, hab, üvegszál és műanyagok, például polipropilén is megmunkálhatók.
Valójában szinte bármilyen anyag felhasználható precíziós CNC megmunkálással – természetesen az alkalmazástól és annak követelményeitől függően.
A precíziós CNC megmunkálás néhány előnye
A gyártott termékek széles skálájában használt apró alkatrészek és részegységek közül sok esetében a precíziós CNC megmunkálás gyakran a választott gyártási módszer.
Mint gyakorlatilag minden vágási és megmunkálási módszer esetében, a különböző anyagok eltérően viselkednek, és az alkatrész mérete és alakja is nagy hatással van a folyamatra. Általánosságban elmondható azonban, hogy a precíziós CNC megmunkálási folyamat előnyöket kínál más megmunkálási módszerekkel szemben.
Ez azért van, mert a CNC megmunkálás képes a következőket biztosítani:
■ Az alkatrészek nagyfokú komplexitása
■ Szigorú tűrések, jellemzően ±0,0002" (±0,00508 mm) és ±0,0005" (±0,0127 mm) között
■ Kivételesen sima felületek, beleértve az egyedi kiviteleket is
■ Ismételhetőség, még nagy mennyiségek esetén is
Míg egy képzett gépész egy kézi esztergával 10 vagy 100 darabos minőségi alkatrészt tud legyártani, mi történik, ha 1000 alkatrészre van szüksége? 10 000 alkatrészre? 100 000 vagy egymillió alkatrészre?
A precíziós CNC megmunkálással elérhető a szükséges skálázhatóság és sebesség az ilyen típusú nagy volumenű gyártáshoz. Ezenkívül a precíziós CNC megmunkálás magas ismételhetősége olyan alkatrészeket biztosít, amelyek az elejétől a végéig ugyanolyanok, függetlenül attól, hogy hány darabot gyárt.
A CNC megmunkálásnak vannak nagyon speciális módszerei, beleértve a huzalszikraforgácsolást (elektromos szikraforgácsolás), az additív megmunkálást és a 3D lézernyomtatást. Például a huzalszikraforgácsolás vezető anyagokat – jellemzően fémeket – és elektromos kisüléseket használ a munkadarab bonyolult formákká alakításához.
Azonban itt a marási és esztergálási folyamatokra fogunk összpontosítani – két olyan kivonó módszerre, amelyek széles körben elérhetők és gyakran használatosak a precíziós CNC megmunkálásban.
Marás vs. esztergálás
A marás egy olyan megmunkálási folyamat, amely forgó, hengeres vágószerszámot használ az anyag eltávolítására és formák létrehozására. A maróberendezések, más néven malom vagy megmunkálóközpont, összetett alkatrész-geometriák univerzumát valósítják meg a legnagyobb fémmegmunkálású tárgyakon.
A marás egyik fontos jellemzője, hogy a munkadarab mozdulatlan marad, miközben a vágószerszám forog. Más szóval, egy marógépen a forgó vágószerszám a munkadarab körül mozog, amely rögzített marad az ágyon.
Az esztergálás a munkadarab megmunkálásának vagy formázásának folyamata egy esztergának nevezett berendezésen. Az esztergagép jellemzően egy függőleges vagy vízszintes tengely körül forgatja a munkadarabot, miközben egy rögzített vágószerszám (amely foroghat vagy nem foroghat) a programozott tengely mentén mozog.
A szerszám fizikailag nem tud körbefordulni az alkatrész körül. Az anyag forog, lehetővé téve a szerszám számára a programozott műveletek végrehajtását. (Vannak esztergák olyan alcsoportjai, amelyeknél a szerszámok egy orsóval betáplált huzal körül forognak, azonban ezt itt nem tárgyaljuk.)
Esztergáláskor, a marással ellentétben, a munkadarab forog. A nyersdarab megfordul az eszterga orsóján, és a vágószerszám érintkezésbe kerül a munkadarabbal.
Kézi vs. CNC megmunkálás
Míg mind a marógépek, mind az esztergák kaphatók kézi modellekben, a CNC gépek alkalmasabbak kis alkatrészek gyártására – skálázhatóságot és ismételhetőséget kínálnak olyan alkalmazásokhoz, amelyek nagy volumenű, szűk tűrésű alkatrészek gyártását igénylik.
Az egyszerű, kéttengelyes gépek mellett, amelyekben a szerszám az X és Z tengelyek mentén mozog, a precíziós CNC berendezések olyan többtengelyes modelleket is tartalmaznak, amelyekben a munkadarab is mozoghat. Ez ellentétben áll az esztergával, ahol a munkadarab forgásra korlátozódik, és a szerszámok mozognak a kívánt geometria létrehozásához.
Ezek a többtengelyes konfigurációk lehetővé teszik összetettebb geometriák előállítását egyetlen művelettel, anélkül, hogy a gépkezelőnek további munkát kellene végeznie. Ez nemcsak megkönnyíti az összetett alkatrészek gyártását, hanem csökkenti vagy kiküszöböli a kezelői hibák esélyét is.
Ezenkívül a nagynyomású hűtőfolyadék használata a precíziós CNC megmunkálással biztosítja, hogy a forgácsok ne kerüljenek a munkadarabba, még függőlegesen elhelyezett orsós gép használata esetén sem.
CNC marógépek
A különböző marógépek mérete, tengelykonfigurációja, előtolási sebessége, forgácsolási sebessége, a marási előtolás iránya és egyéb jellemzői tekintetében különböznek.
Általánosságban elmondható azonban, hogy a CNC marógépek mind forgó orsót használnak a nem kívánt anyagok eltávolítására. Keményfémek, például acél és titán vágására használják őket, de olyan anyagokkal is használhatók, mint a műanyag és az alumínium.
A CNC marógépeket az ismételhetőségre tervezték, és a prototípus-készítéstől a nagy volumenű gyártásig mindenre használhatók. A csúcskategóriás precíziós CNC marógépeket gyakran használják szűk tűrésű munkákhoz, például finom szerszámok és öntőformák marásához.
Míg a CNC marás gyors átfutási időt biztosít, a marás utáni simítás látható szerszámnyomokat eredményező alkatrészeket eredményez. Emellett éles szélekkel és sorjákkal is rendelkező alkatrészeket is eredményezhet, így további eljárásokra lehet szükség, ha az élek és sorják nem elfogadhatóak ezekhez a jellemzőkhöz.
Természetesen a szekvenciába programozott sorjázó szerszámok sorjátlanítanak, bár általában legfeljebb a késztermék követelményének 90%-át érik el, így bizonyos jellemzők megmaradnak a végső kézi simításhoz.
Ami a felületkezelést illeti, vannak olyan szerszámok, amelyek nemcsak elfogadható felületkezelést, hanem a munkadarab egyes részein tükörsima kidolgozást is biztosítanak.
CNC marógépek típusai
A marógépek két alapvető típusa függőleges megmunkálóközpontként és vízszintes megmunkálóközpontként ismert, ahol az elsődleges különbség a géporsó orientációjában rejlik.
A függőleges megmunkálóközpont egy olyan marógép, amelyben az orsótengely Z-tengelyirányban van beállítva. Ezek a függőleges gépek további két típusra oszthatók:
■Ágymarók, amelyeknél az orsó a saját tengelyével párhuzamosan mozog, míg az asztal merőlegesen az orsó tengelyére
■ Revolvermarók, amelyeknél az orsó álló helyzetben van, az asztal pedig úgy mozog, hogy a forgácsolási művelet során mindig merőleges és párhuzamos legyen az orsó tengelyével
Egy vízszintes megmunkálóközpontban a marógép orsótengelye az Y tengely irányába van igazítva. A vízszintes szerkezet azt jelenti, hogy ezek a marógépek általában több helyet foglalnak el a gépműhelyben; általában nehezebbek és erősebbek is, mint a függőleges gépek.
A vízszintes marógépet gyakran használják, ha jobb felületi minőségre van szükség; ez azért van, mert az orsó orientációja azt jelenti, hogy a forgácsok természetes módon leesnek és könnyen eltávolíthatók. (További előnyként a hatékony forgácseltávolítás segít növelni a szerszám élettartamát.)
Általánosságban elmondható, hogy a függőleges megmunkálóközpontok elterjedtebbek, mivel ugyanolyan erősek lehetnek, mint a vízszintes megmunkálóközpontok, és nagyon kis alkatrészeket is képesek kezelni. Ezenkívül a függőleges központok kisebb helyigényűek, mint a vízszintes megmunkálóközpontok.
Többtengelyes CNC marógépek
A precíziós CNC maróközpontok több tengellyel is kaphatók. Egy 3 tengelyes marógép az X, Y és Z tengelyeket használja a munkák széles skálájához. Egy 4 tengelyes marógéppel a gép függőleges és vízszintes tengelyen is foroghat, és mozgathatja a munkadarabot, hogy folyamatosabb megmunkálást tegyen lehetővé.
Egy 5 tengelyes marógép három hagyományos tengellyel és két további forgótengellyel rendelkezik, amelyek lehetővé teszik a munkadarab forgatását, miközben az orsófej körül mozog. Ez lehetővé teszi a munkadarab öt oldalának megmunkálását a munkadarab eltávolítása és a gép újraindítása nélkül.
CNC esztergák
Az eszterga – más néven esztergálóközpont – egy vagy több orsóval, valamint X és Z tengellyel rendelkezik. A gépet a munkadarab forgatására használják a tengelye körül, hogy különféle vágási és alakítási műveleteket végezzenek, a munkadarabon széles szerszámválasztékot alkalmazva.
A CNC esztergák, más néven élő működésű szerszámesztergák, ideálisak szimmetrikus hengeres vagy gömb alakú alkatrészek létrehozására. A CNC marógépekhez hasonlóan a CNC esztergák is képesek kisebb műveletek, például prototípusgyártás kezelésére, de beállíthatók nagy ismétlési pontosságra is, támogatva a nagy volumenű gyártást.
A CNC esztergák viszonylag kézhasználatot nem igénylő gyártásra is beállíthatók, ami széles körben elterjedtté teszi őket az autóiparban, az elektronikában, a repülőgépiparban, a robotikában és az orvostechnikai eszközök gyártásában.
Hogyan működik egy CNC eszterga
Egy CNC esztergánál egy nyersanyagrudat helyeznek az eszterga orsójának tokmányába. Ez a tokmány tartja a munkadarabot a helyén, miközben az orsó forog. Amikor az orsó eléri a kívánt fordulatszámot, egy álló vágószerszámot hoznak érintkezésbe a munkadarabbal az anyag eltávolítása és a megfelelő geometria elérése érdekében.
Egy CNC esztergagép számos műveletet képes elvégezni, például fúrást, menetvágást, furatesztergálást, dörzsárazást, síkesztergálást és kúpesztergálást. A különböző műveletek szerszámcserét igényelnek, és növelhetik a költségeket és a beállítási időt.
Amikor az összes szükséges megmunkálási művelet befejeződött, az alkatrészt kivágják a levéből további feldolgozás céljából, ha szükséges. A CNC eszterga ezután készen áll a művelet megismétlésére, általában kevés vagy semmilyen további beállítási idővel a kettő között.
A CNC esztergák különféle automatikus rúdadagolókat is képesek befogadni, amelyek csökkentik a kézi nyersanyag-kezelés mennyiségét, és olyan előnyöket biztosítanak, mint például a következő:
■ Csökkentse a gépkezelő idejét és erőfeszítését
■ Támassza meg a rúdanyagot a rezgések csökkentése érdekében, amelyek negatívan befolyásolhatják a pontosságot
■ Hagyja a szerszámgépet optimális orsófordulatszámon működni
■ Minimalizálja az átállási időket
■ Csökkentse az anyagpazarlást
CNC esztergák típusai
Számos különböző típusú esztergák léteznek, de a leggyakoribbak a 2 tengelyes CNC esztergák és a kínai típusú automata esztergák.
A legtöbb CNC kínai esztergának egy vagy két főorsója és egy vagy két hátsó (vagy másodlagos) orsója van, az előbbiért a forgóáttétel felelős. A főorsó végzi az elsődleges megmunkálási műveletet egy vezetőpersely segítségével.
Ezenkívül néhány kínai stílusú esztergát egy második szerszámfejjel is felszerelnek, amely CNC maróként működik.
Egy CNC kínai stílusú automata esztergánál a nyersanyagot egy csúszófejű orsón keresztül egy vezetőperselybe adagolják. Ez lehetővé teszi a szerszám számára, hogy az anyagot közelebb vágja meg a megtámasztási ponthoz, így a kínai gép különösen előnyös hosszú, karcsú esztergált alkatrészekhez és mikromegmunkáláshoz.
A többtengelyes CNC esztergák és a kínai stílusú esztergák több megmunkálási műveletet is képesek elvégezni egyetlen géppel. Ez költséghatékony megoldást jelent az összetett geometriákhoz, amelyek egyébként több gépet vagy szerszámcserét igényelnének olyan berendezések használatával, mint egy hagyományos CNC marógép.