Presisjonsmaskinering er en prosess for å fjerne materiale fra et arbeidsstykke under å holde på overflater med nær toleranse.Presisjonsmaskinen har mange typer, inkludert fresing, dreiing og maskinering av elektrisk utladning.En presisjonsmaskin i dag styres vanligvis ved hjelp av en Computer Numerical Controls (CNC).
Nesten alle metallprodukter bruker presisjonsbearbeiding, det samme gjør mange andre materialer som plast og tre.Disse maskinene betjenes av spesialiserte og utdannede maskinister.For at skjæreverktøyet skal gjøre jobben sin, må det flyttes i spesifiserte retninger for å gjøre riktig kutt.Denne primære bevegelsen kalles "skjærehastigheten".Arbeidsstykket kan også flyttes, kjent som den sekundære bevegelsen av "mating".Sammen gjør disse bevegelsene og skarpheten til skjæreverktøyet det mulig for presisjonsmaskinen å fungere.
Presisjonsmaskinering av høy kvalitet krever evnen til å følge ekstremt spesifikke tegninger laget av CAD (computer aided design) eller CAM (computer aided manufacturing) programmer som AutoCAD og TurboCAD.Programvaren kan bidra til å produsere komplekse, 3-dimensjonale diagrammer eller konturer som trengs for å produsere et verktøy, en maskin eller et objekt.Disse tegningene må følges med stor detaljrikdom for å sikre at et produkt beholder sin integritet.Mens de fleste presisjonsmaskineringsfirmaer jobber med en eller annen form for CAD/CAM-programmer, jobber de fortsatt ofte med håndtegnede skisser i de innledende fasene av et design.
Presisjonsmaskinering brukes på en rekke materialer, inkludert stål, bronse, grafitt, glass og plast for å nevne noen.Avhengig av størrelsen på prosjektet og materialene som skal brukes, vil det bli brukt ulike presisjonsmaskiner.Enhver kombinasjon av dreiebenker, fresemaskiner, borepresser, sager og kverner, og til og med høyhastighets robotikk kan brukes.Luftfartsindustrien kan bruke høyhastighetsmaskinering, mens en industri som produserer treverk kan bruke fotokjemiske etse- og freseprosesser.Utvinningen av et løp, eller en spesifikk mengde av en bestemt vare, kan telle i tusenvis, eller bare være noen få.Presisjonsmaskinering krever ofte programmering av CNC-enheter, noe som betyr at de er datamaskin numerisk styrt.CNC-enheten gjør det mulig å følge nøyaktige dimensjoner gjennom hele kjøringen av et produkt.
Fresing er maskineringsprosessen ved å bruke roterende kuttere for å fjerne materiale fra et arbeidsstykke ved å føre (eller mate) kutteren inn i arbeidsstykket i en bestemt retning.Kutteren kan også holdes i en vinkel i forhold til verktøyets akse.Fresing dekker et bredt spekter av forskjellige operasjoner og maskiner, på skalaer fra små enkeltdeler til store, tunge gjengfreseoperasjoner.Det er en av de mest brukte prosessene for å bearbeide tilpassede deler til nøyaktige toleranser.
Fresing kan utføres med et bredt utvalg av verktøymaskiner.Den opprinnelige klassen av verktøymaskiner for fresing var fresemaskinen (ofte kalt en mølle).Etter fremkomsten av numerisk datamaskinkontroll (CNC), utviklet fresemaskiner seg til maskineringssentre: fresemaskiner utvidet med automatiske verktøyvekslere, verktøymagasiner eller karuseller, CNC-kapasitet, kjølevæskesystemer og kabinetter.Fresesentre er generelt klassifisert som vertikale maskineringssentre (VMCs) eller horisontale maskineringssentre (HMCs).
Integreringen av fresing i dreiemiljøer, og omvendt, begynte med levende verktøy for dreiebenker og sporadisk bruk av freser for dreieoperasjoner.Dette førte til en ny klasse verktøymaskiner, multitasking-maskiner (MTM), som er spesialbygd for å lette fresing og dreiing innenfor samme arbeidsramme.
For designingeniører, forsknings- og utviklingsteam og produsenter som er avhengige av innkjøp av deler, tillater presisjons-CNC-bearbeiding å lage komplekse deler uten ytterligere prosessering.Faktisk gjør presisjons CNC-bearbeiding det ofte mulig for ferdige deler å lages på en enkelt maskin.
Maskineringsprosessen fjerner materiale og bruker et bredt spekter av skjæreverktøy for å lage den endelige, og ofte svært komplekse, utformingen av en del.Presisjonsnivået økes ved bruk av datamaskin numerisk kontroll (CNC), som brukes til å automatisere kontrollen av maskineringsverktøyene.
Rollen til "CNC" i presisjonsmaskinering
Ved å bruke kodede programmeringsinstruksjoner gjør presisjons CNC-bearbeiding det mulig å kutte og formes et arbeidsstykke til spesifikasjoner uten manuell inngripen fra en maskinoperatør.
Ved å ta en datamaskinstøttet design (CAD)-modell levert av en kunde, bruker en ekspertmaskinist datamaskinstøttet produksjonsprogramvare (CAM) for å lage instruksjonene for maskinering av delen.Basert på CAD-modellen, bestemmer programvaren hvilke verktøybaner som trengs og genererer programmeringskoden som forteller maskinen:
■ Hva er de riktige turtallet og matingshastighetene
■ Når og hvor skal verktøyet og/eller arbeidsstykket flyttes
■ Hvor dypt å kutte
■ Når skal kjølevæske påføres
■ Eventuelle andre faktorer relatert til hastighet, matehastighet og koordinasjon
En CNC-kontroller bruker deretter programmeringskoden til å kontrollere, automatisere og overvåke bevegelsene til maskinen.
I dag er CNC en innebygd funksjon i et bredt spekter av utstyr, fra dreiebenker, freser og overfresere til wire EDM (electrical discharge machining), laser- og plasmaskjæremaskiner.I tillegg til å automatisere maskineringsprosessen og øke presisjonen, eliminerer CNC manuelle oppgaver og frigjør maskinister til å overvåke flere maskiner som kjører samtidig.
I tillegg, når en verktøybane er designet og en maskin er programmert, kan den kjøre en del et hvilket som helst antall ganger.Dette gir et høyt nivå av presisjon og repeterbarhet, som igjen gjør prosessen svært kostnadseffektiv og skalerbar.
Materialer som er maskinert
Noen metaller som ofte er maskinert inkluderer aluminium, messing, bronse, kobber, stål, titan og sink.I tillegg kan tre, skum, glassfiber og plast som polypropylen også bearbeides.
Faktisk kan omtrent alle materialer brukes med presisjons-CNC-bearbeiding - selvfølgelig avhengig av applikasjonen og dens krav.
Noen fordeler med presisjons CNC-bearbeiding
For mange av de små delene og komponentene som brukes i et bredt spekter av produserte produkter, er presisjons-CNC-bearbeiding ofte den foretrukne fabrikasjonsmetoden.
Som for så å si alle skjære- og maskineringsmetoder, oppfører ulike materialer seg forskjellig, og størrelsen og formen på en komponent har også stor innvirkning på prosessen.Imidlertid gir prosessen med presisjons-CNC-bearbeiding fordeler i forhold til andre bearbeidingsmetoder.
Det er fordi CNC-maskinering er i stand til å levere:
■ Høy grad av delkompleksitet
■ Trange toleranser, vanligvis fra ±0,0002" (±0,00508 mm) til ±0,0005" (±0,0127 mm)
■ Eksepsjonelt glatte overflatebehandlinger, inkludert tilpassede finisher
■ Repeterbarhet, selv ved høye volumer
Mens en dyktig maskinist kan bruke en manuell dreiebenk til å lage en kvalitetsdel i mengder på 10 eller 100, hva skjer når du trenger 1000 deler?10.000 deler?100 000 eller en million deler?
Med presisjons CNC-bearbeiding kan du få skalerbarheten og hastigheten som trengs for denne typen høyvolumsproduksjon.I tillegg gir den høye repeterbarheten til presisjons CNC-bearbeiding deg deler som alle er like fra start til slutt, uansett hvor mange deler du produserer.
Det er noen svært spesialiserte metoder for CNC-maskinering, inkludert wire EDM (electrical discharge machining), additiv maskinering og 3D-laserutskrift.For eksempel bruker wire EDM ledende materialer - typisk metaller - og elektriske utladninger for å erodere et arbeidsstykke til intrikate former.
Men her vil vi fokusere på frese- og dreieprosessene - to subtraktive metoder som er allment tilgjengelige og ofte brukt for presisjons CNC-bearbeiding.
Fresing vs dreiing
Fresing er en maskineringsprosess som bruker et roterende, sylindrisk skjæreverktøy for å fjerne materiale og lage former.Freseutstyr, kjent som en mølle eller et maskineringssenter, oppnår et univers av komplekse delgeometrier på noen av de største metallgjenstandene.
En viktig egenskap ved fresing er at arbeidsstykket forblir stasjonært mens skjæreverktøyet spinner.Med andre ord, på en fres beveger det roterende skjæreverktøyet seg rundt arbeidsstykket, som forblir festet på plass på en seng.
Dreiing er prosessen med å kutte eller forme et arbeidsstykke på utstyr som kalles en dreiebenk.Vanligvis spinner dreiebenken arbeidsstykket på en vertikal eller horisontal akse mens et fast skjæreverktøy (som kanskje spinner eller ikke) beveger seg langs den programmerte aksen.
Verktøyet kan ikke fysisk gå rundt delen.Materialet roterer, slik at verktøyet kan utføre de programmerte operasjonene.(Det er en undergruppe av dreiebenker der verktøyene snurrer rundt en tråd med spoler, men som ikke er dekket her.)
Ved dreiing, i motsetning til fresing, spinner arbeidsstykket.Dellageret snur på dreiebenkens spindel og skjæreverktøyet bringes i kontakt med arbeidsstykket.
Manuell vs. CNC-bearbeiding
Mens både freser og dreiebenker er tilgjengelige i manuelle modeller, er CNC-maskiner mer passende for produksjon av små deler – og tilbyr skalerbarhet og repeterbarhet for applikasjoner som krever høyvolumproduksjon av deler med stram toleranse.
I tillegg til å tilby enkle 2-akse maskiner der verktøyet beveger seg i X- og Z-aksen, inkluderer presisjons-CNC-utstyr fleraksemodeller der arbeidsstykket også kan bevege seg.Dette i motsetning til en dreiebenk hvor arbeidsstykket er begrenset til spinning og verktøyene vil bevege seg for å skape ønsket geometri.
Disse fleraksekonfigurasjonene tillater produksjon av mer komplekse geometrier i en enkelt operasjon, uten å kreve ekstra arbeid fra maskinoperatøren.Dette gjør det ikke bare enklere å produsere komplekse deler, men reduserer eller eliminerer også sjansen for operatørfeil.
I tillegg sikrer bruk av høytrykkskjølevæske med presisjons-CNC-bearbeiding at spon ikke kommer inn i arbeidene, selv når man bruker en maskin med vertikalt orientert spindel.
CNC freser
Ulike fresemaskiner varierer i størrelse, aksekonfigurasjoner, matehastigheter, skjærehastighet, fresematingsretning og andre egenskaper.
Men generelt bruker CNC-freser alle en roterende spindel for å kutte bort uønsket materiale.De brukes til å kutte harde metaller som stål og titan, men kan også brukes med materialer som plast og aluminium.
CNC-freser er bygget for repeterbarhet og kan brukes til alt fra prototyping til høyvolumsproduksjon.Høy-end presisjon CNC freser brukes ofte for stram toleranse arbeid som fresing fine dyser og former.
Mens CNC-fresing kan gi rask behandlingstid, skaper etterbehandling som frest deler med synlige verktøymerker.Det kan også produsere deler med noen skarpe kanter og grader, så ytterligere prosesser kan være nødvendig hvis kanter og grader er uakseptable for disse funksjonene.
Selvfølgelig vil avgradingsverktøy programmert inn i sekvensen avgrade, selv om det vanligvis oppnås maksimalt 90 % av det ferdige kravet, og etterlater noen funksjoner for den endelige håndbehandlingen.
Når det gjelder overflatefinish, er det verktøy som ikke bare vil gi en akseptabel overflatefinish, men også en speillignende finish på deler av arbeidsproduktet.
Typer CNC-freser
De to grunnleggende typene fresemaskiner er kjent som vertikale bearbeidingssentre og horisontale bearbeidingssentre, der den primære forskjellen er i orienteringen til maskinspindelen.
Et vertikalt bearbeidingssenter er en fres der spindelaksen er innrettet i en Z-akseretning.Disse vertikale maskinene kan videre deles inn i to typer:
■Sengfreser, der spindelen beveger seg parallelt med sin egen akse mens bordet beveger seg vinkelrett på spindelens akse
■Turret freser, der spindelen er stasjonær og bordet beveges slik at det alltid er vinkelrett og parallelt med spindelens akse under kutteoperasjonen
I et horisontalt bearbeidingssenter er møllens spindelakse justert i en Y-akseretning.Den horisontale strukturen betyr at disse møllene har en tendens til å ta opp mer plass på maskingulvet;de er også generelt tyngre i vekt og kraftigere enn vertikale maskiner.
En horisontal fres brukes ofte når det kreves en bedre overflatefinish;det er fordi orienteringen av spindelen betyr at skjærefponene naturlig faller bort og lett fjernes.(Som en ekstra fordel bidrar effektiv sponfjerning til å øke verktøyets levetid.)
Generelt er vertikale maskineringssentre mer utbredt fordi de kan være like kraftige som horisontale maskineringssentre og kan håndtere svært små deler.I tillegg har vertikale sentre et mindre fotavtrykk enn horisontale maskineringssentre.
Flerakset CNC freser
Presisjons CNC fresesentre er tilgjengelig med flere akser.En 3-akset fres bruker X-, Y- og Z-aksene for et bredt spekter av arbeid.Med en 4-akset fres kan maskinen rotere på en vertikal og horisontal akse og flytte arbeidsstykket for å tillate mer kontinuerlig bearbeiding.
En 5-akset fres har tre tradisjonelle akser og to ekstra roterende akser, noe som gjør at arbeidsstykket kan roteres når spindelhodet beveger seg rundt det.Dette gjør det mulig å maskinere fem sider av et arbeidsstykke uten å fjerne arbeidsstykket og tilbakestille maskinen.
CNC dreiebenker
En dreiebenk - også kalt et dreiesenter - har en eller flere spindler og X- og Z-akser.Maskinen brukes til å rotere et arbeidsstykke på sin akse for å utføre forskjellige skjære- og formingsoperasjoner, ved å bruke et bredt spekter av verktøy på arbeidsstykket.
CNC dreiebenker, som også kalles live action dreiebenker, er ideelle for å lage symmetriske sylindriske eller sfæriske deler.I likhet med CNC-freser, kan CNC-dreiebenker håndtere mindre operasjoner, slik som prototyping, men kan også settes opp for høy repeterbarhet, som støtter høyvolumproduksjon.
CNC dreiebenker kan også settes opp for relativt håndfri produksjon, noe som gjør dem mye brukt i bilindustrien, elektronikk, romfart, robotikk og medisinsk utstyr.
Hvordan en CNC dreiebenk fungerer
Med en CNC dreiebenk lastes en tom stang av lagermateriale inn i chucken på dreiebenkens spindel.Denne chucken holder arbeidsstykket på plass mens spindelen roterer.Når spindelen når ønsket hastighet, bringes et stasjonært skjæreverktøy i kontakt med arbeidsstykket for å fjerne materiale og oppnå riktig geometri.
En CNC dreiebenk kan utføre en rekke operasjoner, for eksempel boring, gjenging, boring, rømme, flate og konisk dreiing.Ulike operasjoner krever verktøyendringer og kan øke kostnadene og oppsetttiden.
Når alle de nødvendige maskineringsoperasjonene er fullført, kuttes delen fra lageret for videre bearbeiding, om nødvendig.CNC dreiebenken er da klar til å gjenta operasjonen, med liten eller ingen ekstra oppsetttid som vanligvis kreves i mellom.
CNC dreiebenker kan også romme en rekke automatiske stangmatere, som reduserer mengden manuell råvarehåndtering og gir fordeler som følgende:
■ Reduser tiden og innsatsen som kreves av maskinoperatøren
■ Støtt stangstokken for å redusere vibrasjoner som kan påvirke presisjonen negativt
■ La maskinen operere med optimale spindelhastigheter
■ Minimer overgangstider
■ Reduser materialavfall
Typer CNC dreiebenker
Det finnes en rekke forskjellige typer dreiebenker, men de vanligste er 2-aksede CNC-dreiebenker og automatiske dreiebenker i Kina-stil.
De fleste CNC Kina dreiebenker bruker en eller to hovedspindler pluss en eller to bakre (eller sekundære) spindler, med roterende overføring ansvarlig for førstnevnte.Hovedspindelen utfører den primære maskineringsoperasjonen, ved hjelp av en styrebøssing.
I tillegg er noen dreiebenker i kinesisk stil utstyrt med et andre verktøyhode som fungerer som en CNC-fres.
Med en automatisk CNC-dreiebenk i Kina-stil, mates lagermaterialet gjennom en glidehodespindel inn i en styrebøssing.Dette gjør at verktøyet kan kutte materialet nærmere punktet der materialet støttes, noe som gjør Kina-maskinen spesielt gunstig for lange, slanke dreide deler og for mikrobearbeiding.
Fleraksede CNC-dreiesentre og dreiebenker i kinesisk stil kan utføre flere maskineringsoperasjoner ved å bruke en enkelt maskin.Dette gjør dem til et kostnadseffektivt alternativ for komplekse geometrier som ellers ville kreve flere maskiner eller verktøyskift ved bruk av utstyr som en tradisjonell CNC-fres.