Nuo pat pramonės revoliucijos pradžios įmonės ieškojo naujų ir efektyvesnių būdų, kaip padidinti savo gamybą ir maksimaliai išnaudoti savo išteklius.
Penktojo dešimtmečio pabaigoje Johnas T. Parsonsas sukūrė „skaitmeninio valdymo“ (NC) koncepciją, susijusią su mašinomis, kurios pjaustė perforuotą juostą, ir tai buvo kažko, kas turėjo ilgalaikį poveikį, pradžia.
CNC arba „kompiuterinis skaitmeninis valdymas“ buvo šio proceso technologinė pažanga, gyvuojanti nuo 1952 m., kai Richardas Keggas (bendradarbiaudamas su MIT) sukūrė pirmąją CNC frezavimo stakles („Cincinnati Milacron Hydrotel“, 1958 m. užpatentuotą kaip „Variklio valdomas padėties nustatymo staklės“) – tai buvo tikrasis komercinis technologijos gimimas, ir nuo to laiko ji nuėjo ilgą kelią.
Tobulėjant kompiuterinėms technologijoms, 3D spausdinimui ir kitoms inovacijoms, keičiasi technologinė aplinka, todėl daugelio pjovimo ir apdorojimo darbų sudėtingumas ir detalumas tampa vis sudėtingesni, todėl CNC apdirbimas turėjo prisitaikyti, kad neatsiliktų, ypač atsiradus 3D spausdinimui (kuris, ko gero, yra vienas didžiausių jo konkurentų).
CNC yra programuojamas kodas, kuris yra suprojektuotas ir įvedamas į konkrečias mašinas, leidžiančias joms atlikti tikslius judesius – virtualų objektą (dizainą) paverčiant tikru (gaminiu).
Kadangi šis kodas transformuojamas į „Dekarto koordinates“, mašinos veikia beveik kaip robotai – užtikrindamos aukščiausią tikslumo lygį ir kokybę, kuri visada bus tokia pat gera, kaip ir originalus dizainas.
Kalbėdami apie CNC „apdirbimą“, turime omenyje frezavimą, tekinimą ir gręžimą, tačiau apskritai terminas „apdirbimas“ apima platų mechaninių technologijų spektrą, kuris apima fizinį kontaktą medžiagai pašalinti, naudojant įvairius įrankius.
Visoms CNC apdirbimo operacijoms naudojamos CNC staklės, tačiau ne visos jos skirtos apdirbimui – taip yra dėl kompiuterinio skaitmeninio valdymo ir kompiuterizuotų sistemų, leidžiančių automatizuoti metodą, naudojimo – CNC staklėse gali būti įvairių tipų pjaustytuvų (pvz., plazminių ar lazerinių), presavimo staklių ir pan., tačiau jose taip pat yra kompiuterių.
Šiame straipsnyje mes atidžiau panagrinėsime CNC frezavimą ir CNC gręžimą, aptarsime, ką reiškia šie terminai, kaip veikia staklės ir kuo skiriasi šie du technologiniai stiliai, o tada apžvelgsime, kaip jie naudojami ir kokia ateitis laukia CNC apdirbimo, konkuruojant su kitomis technologijomis ir inovacijomis.
Kas yra CNC frezavimas?
Kalbant apie CNC frezavimą, tai yra atimties procesas, kurio metu automatizavimui naudojama kompiuterinė skaitmeninio valdymo sistema, o amatai apdorojami atimant medžiagas, kol suformuluojami galutiniai ir baigti projektai.
Frezavimas – tai terminas, vartojamas medžiagų (dažnai medžio, plastiko ar metalo) pjovimo ir gręžimo procesui apibūdinti. Paprastai tam naudojamas besisukantis cilindrinis įrankis (freza), laikomas velene. Jie gali būti įvairių formų ir dydžių, todėl gali judėti išilgai skirtingos ašies ir pjauti skirtingais kampais, taip sukuriant angas, skyles ir detales medžiagoje.
Prieš CNC technologijos atsiradimą frezavimo staklės buvo įvairių tipų (nuo 2 iki 5 ašių), kur kiekviena progresyvi skaitinė vertė pridėdavo skirtingą ašį ar funkciją. Kadangi CNC frezavimo staklės yra valdomos kompiuteriu, jos gali naudoti bet kokį ašių skaičių (nuo 2 iki 5) ir joms nereikia rankinio valdymo.
Šiuolaikinės CNC frezavimo staklės gali būti surinktos tiek kaip horizontalūs, tiek kaip vertikalūs apdirbimo centrai – vertikalios staklės turi vertikaliai orientuotą ašį ir paprastai turi ilgus, plonus pjovimo įrankius – jos paprastai yra pigesnės nei horizontalios frezavimo staklės (kainos gali skirtis iki 4–5 kartų) ir dažniau matomos dirbtuvėse (dėl prieinamumo, kurį suteikia mažesnė kaina), be to, laikomos lengviau naudojamomis (padidėjęs naudotojo matomumas darbo zonoje).
Horizontalių staklės yra orientuotos ašimi horizontalioje padėtyje ir paprastai turi trumpesnius ir storesnius pjovimo įrankius. Lyginant šias dvi stakles, horizontalios staklės laikomos mažiau universaliomis, bet taip pat daug geriau tinka ilgų medžiagų apdirbimui, nes jos taip pat leidžia sukurti detales atliekant mažiau operacijų, gauti geresnę paviršiaus apdailą ir greičiau frezuoti.
Kadangi CNC staklėmis galima sukurti daugybę įvairių dizainų, nenuostabu, kad yra įvairių tipų CNC frezavimo staklių, kurių dydis skiriasi, kad geriau atitiktų atliekamus darbus, pavyzdžiui, vertikaliai su fiksuotu velenu (stalas prisitaiko prie darbo), kurios geriausiai tinka detalių apdirbimui, arba lovinės frezos, kurios gaminamos ant didesnių, standesnių rėmų ir dažnai naudojamos vidutinio dydžio gamybai, kuriai revolverinė staklės būtų per mažos.
Tinkamo įrenginio pasirinkimas darbui yra svarbus sprendimas, nes skirtingi dydžiai, funkcijos ir veikimo galimybės vaidina didžiulį vaidmenį nustatant, ar jis tinka darbui, ar ne.
Frezavimo procesas susideda iš kelių skirtingų etapų nuo pradžios iki pabaigos – reikiamos detalės projektavimas CAD (kompiuteriniu projektavimu) programoje, šio failo vertimas į mašininį kodą, staklių nustatymas ir detalės sukūrimas.
Reikia pasirūpinti, ypač pradiniame etape, kad būtų užtikrinta, jog kuriamą modelį įmanoma pagaminti, o mašina tinkamai paruošta jį valdyti.
Kas yra CNC gręžimas?
Skirtingai nuo CNC frezavimo, kuriame gaminiui ar detalei suformuoti naudojama daug ašių ir judesių, CNC gręžimas yra procesas, kuriame naudojamas besisukantis pjovimo įrankis, kuris sukuria apvalias skyles. Tai atliekama stacionariame ruošinyje ir dažniausiai naudojama masinei gamybai, nes tai leidžia sukurti efektyvesnę gamybos liniją.
Panašiai kaip CNC frezavimo staklės, šios staklės naudoja kompiuterinį kodą gręžimo procesui automatizuoti, nes jos veikia kartu su CNC programine įranga, kuri mato CAD sukurtą projektą, suformatuotą į kodą ir įvedamą į staklę, kur ji vykdo instrukcijas, kad gręžtų didesniu tikslumu ir efektyvumu, palyginti su tradiciniais metodais.
Nors CNC gręžimo staklės dažniau sutinkamos pramonėje, atsiranda platesnis pigesnių mašinų asortimentas, todėl jas gali naudoti mėgėjai ir mažesnės įmonės.
Šios staklės gali dirbti su įvairiomis medžiagomis, tokiomis kaip stiklas, mediena, plastikas ir minkšti metalai. Jos būna įvairių dydžių ir stilių, įskaitant vertikalias, stalines ir radialines – ir kiekvienoje staklėse yra daug elementų, tokių kaip velenas (griebtuvo ir grąžto tvirtinimui), stalas (gręžimo staklių darbo vietai užtikrinti), kolona (CNC staklės elementams laikyti), grąžtas (tikram darbui atlikti) ir sąsaja (staklių valdymui operatoriaus įvestimi).
Renkantis CNC gręžimo stakles, reikia atsižvelgti į įvairius veiksnius, įskaitant darbinio ploto dydį, suderinamumą su projektais, ilgaamžiškumą, sukimo momentą, veleno greitį ir naudojimo paprastumą.
Kai įrenginys paruoštas naudoti, naudojimo etapai prasideda nuo operatoriaus CAD arba CAM (kompiuterizuotos gamybos) projekto įkėlimo, kuris paverčiamas kodu, tinkamo grąžto įdiegimo, žaliavos pritvirtinimo prie stalo, gręžimo proceso pradžios per sąsają ir leidimo įrenginiui pradėti dirbti gręžiant tinkamo dydžio ir skersmens skyles.
CNC frezavimo panaudojimas
CNC frezavimo staklės, pasižyminčios universaliomis pjovimo galimybėmis ir dideliu tikslumu, naudojamos daugelyje skirtingų pramonės šakų ir įvairioms detalėms ar gaminiams gaminti.
Daugumai staklių yra platus pjovimo įrankių asortimentas, kuris suteikia didesnį lankstumą ir galimybes dirbti su skirtingomis medžiagomis, o tai dar labiau padidina CNC frezavimo pritaikymą įvairiose darbo srityse.
Keturi pagrindiniai frezavimo dangų tipai:
- Paprastas frezavimas
- Taip pat žinomas kaip plokščių arba paviršiaus frezavimas, šis metodas naudojamas plokščiam paviršiui sukurti.
- Veido frezavimas
- Sukamoji ašis nustatoma statmenai medžiagos paviršiui ir sujungta su dantytais pjovimo įrankiais žaliavoms pjauti, o tie, kurie liečiasi su plokščia medžiaga, naudojami apdailai.
- Kampinis frezavimas
- Kaip ir galima tikėtis iš pavadinimo, įrankio ašis nustatoma kampu nuo žaliavos paviršiaus, ir tai sudaro vidurį tarp paprasto ir paviršiaus frezavimo.
- Formos frezavimas
- Tai frezavimas, naudojamas detalėms, neturinčioms plokščių paviršių, kurti, o atliekant užduotį naudojamos mašinos dažnai aprūpinamos keliais skirtingais įrankiais, kad būtų gautos norimos kreivės ar formos.
Dėl CNC frezavimo proceso universalumo (juos iš esmės riboja tik dizaino įgyvendinamumas), šie metodai naudojami daugybėje projektų. Jie bene dažniausiai siejami su automobilių ir aviacijos bei kosmoso pramone (atitinkamai automobilių ir lėktuvų dalių kūrimu), tačiau dėl jų suderinamumo su įvairiomis medžiagomis (pvz., plienu, aliuminiu, variu, titanu, bronza, mediena, nailonu, ekstruziniu poliuretanu, akmeniu ir plastiku) šis procesas taip pat naudojamas tokiems projektams kaip:
- Skulptūra
- Prototipas ir modeliavimas
- Medienos
- Instrumentai
- Aliuminio apdirbimas
- Plastiko apdirbimas
- baldai
- Ženklai
- Spintelė ir lentynos
Priklausomai nuo projekto, naudojimo (ar tai mėgėjas, ar pramoninis kompleksas) ir projekto masto, CNC frezavimo staklės gali būti naudojamos labai įvairiai.
CNC gręžimo panaudojimas
Projektams, kuriems reikalingas didesnis tikslumas, platesnis universalumas ir didesnis atkuriamumas, CNC gręžimo staklės yra išmanus pasirinkimas – kadangi jos dirba pagal projektą, procese nėra žmogiškųjų klaidų, staklės sukurs detales, kurios atkartoja CAD / CAM projektą, o tai leidžia pasiekti didelį nuoseklumą tarp partijų. Dėl to CNC gręžimas tapo populiariu pasirinkimu kuriant tokias detales kaip stebulės, mašinų velenai, krumpliaračių ruošiniai, aliuminio ar plastiko profiliai ir kt.
Gręžimo staklės su CNC daugiausia naudojamos gręžimui, briaunų šlifavimui ir išgręžimui – jos plačiai naudojamos automobilių, aeronautikos, astronautikos, laivų statybos ir inžinerijos pramonėje sudėtingoms detalėms gaminti.
Įprastas šių mašinų pritaikymas apima:
- Metalo apdirbimas
- Tikslios skylės gręžiamos į kietas metalines medžiagas, siekiant sukurti tikslias detales. Šios technologijos dažnai naudojamos automobilių, aviacijos ir kosmoso bei statybos pramonės projektuose, siekiant pagaminti galutines detales.
- Medienos gamyba
- CNC staklės yra standartinės medienos gamintojų (pvz., baldų gamintojų, spintelių gamintojų ir kt.) veiklos dalis. Gręžimo staklės dažnai naudojamos kartu su kitomis CNC staklėmis, siekiant užtikrinti standartizuotus tekinimo, frezavimo ir šlifavimo lygius.
- Komponentų ir detalių gamyba.
- Gamintojams įprasta gręžti CNC stakles, ypač tose pramonės šakose, kuriose tikslumas ir pakartojamumas yra ne tik malonūs dalykai, bet ir labai svarbūs produktų sėkmei (pvz., skaičiavimo).
- Plastikų gamyba
- Dėl savo universalumo ir gebėjimo dirbti su skirtingais stiliais bei įrankiais kuriant standartizuotus gaminius, skirtingų plastikų gamintojai taip pat naudoja CNC gręžimo stakles elektroninėms dalims gaminti.
- Elektros programos
- CNC gręžimo staklės (ir kitos CNC staklės) yra būtinos elektros pramonės įmonėms. Gręžimo staklių gamintojai dažnai naudoja jas kaip elektroerozines stakles.
Gręžimo staklių, naudojamų įrankių ar grąžtų, tipas ir dydis bei darbo sudėtingumas turi įtakos tam, kuri gręžimo staklės geriausiai tinka konkrečiam darbui, tačiau dėl keičiamų dalių ir galimybės sukurti tikslius ruošinius su patikimu pakartojamumu, CNC gręžimo staklės neabejotinai yra vertingas įrankis daugelio įmonių dirbtuvėse.
CNC frezavimo ir CNC gręžimo skirtumas
CNC frezavimas ir gręžimas yra atimties technologijos, kurioms reikia didesnio medžiagų kiekio, kad būtų galima pagaminti galutinį produktą, šios technologijos nėra viena kitos nepaneigiamos, o jų naudojimas labai priklauso nuo to, ką reikia padaryti.
Nors mašinos atrodo panašiai ir veikia panašiai, jų funkcijos labai skiriasi.
Pagrindinis skirtumas tarp CNC frezavimo ir CNC gręžimo yra funkcionalumas, judesys ir norimas rezultatas – projektams, kuriems reikia tik skylių, tinkamiausias pasirinkimas yra gręžimas, tačiau jei konstrukcija yra sudėtingesnė ir reikalauja skirtingų formų ar paviršių, geriausias pasirinkimas yra CNC frezavimo staklės.
CNC grąžtai naudojami medžiagai presuoti ir plokščiame paviršiuje sukurti tikslias skyles, o frezavimo staklės pjauna iš skirtingų ašių ir dėl savo judėjimo išilgai šių ašių gali sukurti įvairias išpjovas medžiagoje.
Frezavimo staklės gali leisti naudoti grąžtus pjovimui aukštyn ir žemyn, tačiau gręžimo staklės neleidžia pjauti horizontaliai su frezavimo antgaliais.
Daugumoje CNC frezavimo staklių yra įmontuoti stalai, skirti medžiagoms ir projektui pritvirtinti, tačiau tai ne visada būna su CNC gręžimo staklėmis – jos gali būti su spaustuvais, todėl jas galima lanksčiau įrengti patalpose, kuriose yra mažai vietos.
Gręžimo staklės taip pat turi pranašumą, nes dažnai yra gerokai mažesnės nei frezavimo staklės, nors nė viena iš jų nėra ypač tinkama mobilioms operacijoms.
Abi technologijos turi privalumų ir trūkumų, o renkantis tinkamiausią CNC gręžimo ar frezavimo staklę, daugiausia dėmesio skiriama darbo tipui, laisvos vietos jai įrengti kiekiui, skaičiavimo sąsajos ir galimų ryšių greičiui bei kokybei (pvz., interneto greičiui) ir įmonės biudžeto apribojimams.
Taip pat svarbu atkreipti dėmesį, kad daugelis CNC įrenginių gali veikti kartu (ne tik frezavimo ir gręžimo staklės), o turint erdvės ir biudžeto išplėsti juos į kitas zonas ir mašinas, galima gerokai padidinti produktyvias ir kūrybines galimybes.
CNC frezavimas ir CNC gręžimas apibendrinant
Technologinė pažanga ir toliau keičia pramonės kraštovaizdį, o subtraktyvios technikos gali nebėra tokios pageidaujamos kaip anksčiau, ypač turint omenyje tokias galimybes kaip 3D spausdinimas, kuris sukuria raštą, o ne jį išardo iš medžiagų.
Tačiau tai nereiškia, kad CNC frezavimo ar gręžimo ateitis yra ribota – technologijos vis dar tobulėja ir keičiasi, nes kompiuterių programavimas tampa lankstesnis, anksčiau nepasiekiami dizainai tampa įgyvendinami, o įvairios medžiagos pradedamos naudoti įprastai.
CNC vis dar siūlo žymiai geresnius metalo gaminių gamybos greičius, o gaminant didesnes dalis, šios mašinos vis dar veikia geriau nei artimiausi technologiniai konkurentai.
CNC ateitis orientuota į tolesnę kelių staklių integraciją ir sinchronizavimą, siekiant padidinti viso detalių gamybos proceso efektyvumą ir pajėgumus, o tai natūraliai sumažins gamybos laiką, tačiau neturės atitinkamo poveikio kokybei.
Įrankiams tampant labiau specializuotiems ir pritaikytiems, padidės našumas, tikslumas ir sumažės prastovų ar atvėsimo laiko poreikis, nes ši technologija ir toliau skatina kūrybiškesnių ir specializuotesnių produktų tobulėjimą.
Kalbant apie gamybos procesus, senas posakis vis dar labai tinka: „Reikia pasirinkti tinkamą įrankį tinkamam darbui.“
