Gia công chính xác là một quá trình loại bỏ vật liệu khỏi phôi trong quá trình giữ các kết thúc dung sai gần nhau. Máy chính xác có nhiều loại, bao gồm cả gia công phay, tiện và phóng điện. Máy chính xác ngày nay thường được điều khiển bằng Máy tính Điều khiển Số (CNC).
Hầu hết tất cả các sản phẩm kim loại sử dụng gia công chính xác, cũng như nhiều vật liệu khác như nhựa và gỗ. Các máy này được vận hành bởi các thợ máy chuyên dụng và được đào tạo. Để công cụ cắt thực hiện được công việc của mình, nó phải được di chuyển theo các hướng xác định để thực hiện đường cắt chính xác. Chuyển động chính này được gọi là "tốc độ cắt." Phôi cũng có thể được di chuyển, được gọi là chuyển động thứ cấp của "thức ăn". Kết hợp với nhau, những chuyển động này và độ sắc bén của dụng cụ cắt cho phép máy chính xác hoạt động.
Gia công chính xác chất lượng đòi hỏi khả năng tuân theo các bản thiết kế cực kỳ cụ thể được thực hiện bởi các chương trình CAD (thiết kế hỗ trợ máy tính) hoặc CAM (sản xuất có hỗ trợ máy tính) như AutoCAD và TurboCAD. Phần mềm có thể giúp tạo ra các sơ đồ hoặc phác thảo phức tạp, 3 chiều cần thiết để sản xuất một công cụ, máy móc hoặc đồ vật. Những bản thiết kế này phải được tuân thủ rất chi tiết để đảm bảo rằng một sản phẩm vẫn giữ được tính toàn vẹn của nó. Trong khi hầu hết các công ty gia công chính xác làm việc với một số dạng chương trình CAD / CAM, họ vẫn thường làm việc với các bản phác thảo vẽ tay trong giai đoạn đầu của thiết kế.
Gia công chính xác được sử dụng trên một số vật liệu bao gồm thép, đồng, than chì, thủy tinh và nhựa. Tùy thuộc vào quy mô của dự án và vật liệu được sử dụng, các công cụ gia công chính xác khác nhau sẽ được sử dụng. Có thể sử dụng bất kỳ sự kết hợp nào của máy tiện, máy phay, máy khoan, máy cưa và máy mài, thậm chí cả robot tốc độ cao. Ngành công nghiệp hàng không vũ trụ có thể sử dụng gia công tốc độ cao, trong khi ngành công nghiệp chế tạo công cụ đồ gỗ có thể sử dụng quy trình phay và ăn mòn quang hóa học. Việc xuất xưởng hoặc một số lượng cụ thể của bất kỳ mặt hàng cụ thể nào, có thể lên đến hàng nghìn hoặc chỉ là một vài. Gia công chính xác thường yêu cầu lập trình các thiết bị CNC có nghĩa là chúng được điều khiển bằng máy tính số. Thiết bị CNC cho phép tuân theo các kích thước chính xác trong suốt quá trình chạy sản phẩm.
Phay là quá trình gia công sử dụng máy cắt quay để loại bỏ vật liệu khỏi phôi bằng cách tiến (hoặc ăn) dao cắt vào phôi theo một hướng nhất định. Máy cắt cũng có thể được giữ ở một góc so với trục của dụng cụ. Phay bao gồm nhiều loại hoạt động và máy móc khác nhau, trên quy mô từ các bộ phận riêng lẻ nhỏ đến các hoạt động phay băng nhóm nặng, lớn. Đây là một trong những quy trình được sử dụng phổ biến nhất để gia công các bộ phận tùy chỉnh đến dung sai chính xác.
Phay có thể được thực hiện với nhiều loại máy công cụ. Loại máy công cụ ban đầu để phay là máy phay (thường được gọi là máy nghiền). Sau sự ra đời của điều khiển số máy tính (CNC), máy phay đã phát triển thành các trung tâm gia công: máy phay được tăng cường bằng bộ thay dao tự động, tạp chí hoặc băng chuyền công cụ, khả năng CNC, hệ thống làm mát và vỏ máy. Các trung tâm phay thường được phân loại là trung tâm gia công đứng (VMC) hoặc trung tâm gia công ngang (HMC).
Việc tích hợp phay vào môi trường tiện, và ngược lại, bắt đầu bằng việc tạo dụng cụ trực tiếp cho máy tiện và thỉnh thoảng sử dụng máy phay cho các nguyên công tiện. Điều này dẫn đến một loại máy công cụ mới, máy đa nhiệm (MTM), được chế tạo có mục đích để tạo điều kiện thuận lợi cho việc phay và tiện trong cùng một quy trình làm việc.
Đối với các kỹ sư thiết kế, nhóm R & D và các nhà sản xuất phụ thuộc vào nguồn cung ứng linh kiện, gia công CNC chính xác cho phép tạo ra các bộ phận phức tạp mà không cần gia công thêm. Trên thực tế, gia công CNC chính xác thường giúp các bộ phận hoàn thiện có thể được thực hiện trên một máy duy nhất.
Quá trình gia công loại bỏ vật liệu và sử dụng nhiều loại công cụ cắt để tạo ra thiết kế cuối cùng và thường rất phức tạp của một bộ phận. Mức độ chính xác được nâng cao thông qua việc sử dụng điều khiển số máy tính (CNC), được sử dụng để tự động hóa việc điều khiển các công cụ gia công.
Vai trò của "CNC" trong gia công chính xác
Sử dụng các hướng dẫn lập trình được mã hóa, gia công CNC chính xác cho phép cắt và tạo hình phôi theo thông số kỹ thuật mà không cần sự can thiệp thủ công của người vận hành máy.
Lấy mô hình thiết kế có sự hỗ trợ của máy tính (CAD) do khách hàng cung cấp, một thợ gia công chuyên nghiệp sử dụng phần mềm sản xuất có sự hỗ trợ của máy tính (CAM) để tạo hướng dẫn gia công chi tiết. Dựa trên mô hình CAD, phần mềm xác định những đường dẫn công cụ nào là cần thiết và tạo ra mã lập trình cho máy biết:
■ RPM và tỷ lệ nguồn cấp dữ liệu chính xác là bao nhiêu
■ Khi nào và ở đâu để di chuyển dụng cụ và / hoặc phôi
■ Cắt sâu như thế nào
■ Khi nào cần áp dụng chất làm mát
■ Bất kỳ yếu tố nào khác liên quan đến tốc độ, tốc độ thức ăn và điều phối
Sau đó, một bộ điều khiển CNC sử dụng mã lập trình để điều khiển, tự động hóa và giám sát các chuyển động của máy.
Ngày nay, CNC là một tính năng tích hợp của nhiều loại thiết bị, từ máy tiện, máy xay và bộ định tuyến đến dây EDM (gia công phóng điện), laser và máy cắt plasma. Ngoài việc tự động hóa quá trình gia công và nâng cao độ chính xác, CNC loại bỏ các tác vụ thủ công và giải phóng các thợ gia công giám sát nhiều máy chạy cùng một lúc.
Ngoài ra, một khi một đường dẫn dao đã được thiết kế và một máy được lập trình, nó có thể chạy một phần bất kỳ số lần nào. Điều này cung cấp độ chính xác và độ lặp lại cao, do đó làm cho quy trình có hiệu quả cao về chi phí và khả năng mở rộng.
Vật liệu được gia công
Một số kim loại thường được gia công bao gồm nhôm, đồng thau, đồng thau, đồng, thép, titan và kẽm. Ngoài ra, gỗ, xốp, sợi thủy tinh và chất dẻo như polypropylene cũng có thể được gia công.
Trên thực tế, hầu như bất kỳ vật liệu nào cũng có thể được sử dụng để gia công CNC chính xác - tất nhiên, tùy thuộc vào ứng dụng và yêu cầu của nó.
Một số ưu điểm của gia công CNC chính xác
Đối với nhiều bộ phận và thành phần nhỏ được sử dụng trong nhiều loại sản phẩm được sản xuất, gia công CNC chính xác thường là phương pháp chế tạo được lựa chọn.
Như đúng với hầu hết các phương pháp cắt và gia công, các vật liệu khác nhau hoạt động khác nhau, và kích thước và hình dạng của một bộ phận cũng có tác động lớn đến quá trình. Tuy nhiên, nhìn chung quá trình gia công CNC chính xác mang lại những ưu điểm vượt trội hơn so với các phương pháp gia công khác.
Đó là bởi vì gia công CNC có khả năng cung cấp:
■ Mức độ phức tạp của bộ phận cao
■ Dung sai chặt chẽ, thường dao động từ ± 0,0002 "(± 0,00508 mm) đến ± 0,0005" (± 0,0127 mm)
■ Lớp hoàn thiện bề mặt đặc biệt mịn, bao gồm lớp hoàn thiện tùy chỉnh
■ Khả năng lặp lại, ngay cả ở âm lượng lớn
Trong khi một thợ gia công lành nghề có thể sử dụng máy tiện thủ công để tạo ra một bộ phận có chất lượng với số lượng 10 hoặc 100, điều gì sẽ xảy ra khi bạn cần 1.000 bộ phận? 10.000 phần? 100.000 hay một triệu phần?
Với gia công CNC chính xác, bạn có thể có được khả năng mở rộng và tốc độ cần thiết cho loại hình sản xuất khối lượng lớn này. Ngoài ra, khả năng lặp lại cao của gia công CNC chính xác mang lại cho bạn các bộ phận đều giống nhau từ đầu đến cuối, bất kể bạn đang sản xuất bao nhiêu bộ phận.
Có một số phương pháp gia công CNC rất chuyên biệt, bao gồm EDM dây (gia công phóng điện), gia công phụ gia và in laser 3D. Ví dụ: dây EDM sử dụng vật liệu dẫn điện - thường là kim loại -— và phóng điện để bào mòn phôi thành các hình dạng phức tạp.
Tuy nhiên, ở đây chúng ta sẽ tập trung vào quá trình phay và tiện - hai phương pháp trừ phổ biến rộng rãi và thường xuyên được sử dụng để gia công CNC chính xác.
Phay so với tiện
Phay là một quá trình gia công sử dụng một công cụ cắt hình trụ, quay để loại bỏ vật liệu và tạo hình dạng. Thiết bị phay, được gọi là một nhà máy hoặc một trung tâm gia công, thực hiện một vũ trụ gồm các bộ phận hình học phức tạp trên một số vật thể lớn nhất được gia công bằng kim loại.
Một đặc điểm quan trọng của phay là phôi vẫn đứng yên trong khi dụng cụ cắt quay. Nói cách khác, trên máy nghiền, dụng cụ cắt quay sẽ di chuyển xung quanh phôi, phôi được giữ cố định trên giường.
Tiện là quá trình cắt hoặc tạo hình phôi trên thiết bị được gọi là máy tiện. Thông thường, máy tiện quay phôi trên một trục thẳng đứng hoặc ngang trong khi một dụng cụ cắt cố định (có thể quay hoặc không quay) di chuyển dọc theo trục được lập trình.
Công cụ không thể đi xung quanh bộ phận một cách vật lý. Vật liệu quay, cho phép công cụ thực hiện các hoạt động được lập trình. (Tuy nhiên, có một tập hợp con các máy tiện trong đó các công cụ quay xung quanh một dây dẫn có ống nạp, tuy nhiên, điều đó không được đề cập ở đây.)
Khi tiện, không giống như phay, phôi quay. Chi tiết quay trên trục chính của máy tiện và dụng cụ cắt được đưa vào tiếp xúc với phôi.
Gia công bằng tay so với CNC
Mặc dù cả máy xay và máy tiện đều có sẵn trong các mô hình thủ công, nhưng máy CNC thích hợp hơn cho mục đích sản xuất các bộ phận nhỏ - cung cấp khả năng mở rộng và khả năng lặp lại cho các ứng dụng yêu cầu sản xuất khối lượng lớn các bộ phận có dung sai chặt chẽ.
Ngoài việc cung cấp các máy 2 trục đơn giản trong đó dao di chuyển theo trục X và Z, thiết bị CNC chính xác bao gồm các mô hình nhiều trục trong đó phôi cũng có thể di chuyển. Điều này trái ngược với máy tiện mà phôi bị hạn chế quay và các dụng cụ sẽ di chuyển để tạo ra hình dạng mong muốn.
Các cấu hình đa trục này cho phép sản xuất các hình dạng phức tạp hơn trong một thao tác đơn lẻ mà không yêu cầu người vận hành máy làm việc thêm. Điều này không chỉ giúp việc sản xuất các bộ phận phức tạp trở nên dễ dàng hơn mà còn giảm thiểu hoặc loại bỏ khả năng xảy ra lỗi của người vận hành.
Ngoài ra, việc sử dụng chất làm mát áp suất cao với quá trình gia công CNC chính xác đảm bảo rằng các phoi không bị dính vào các sản phẩm, ngay cả khi sử dụng máy có trục chính được định hướng theo chiều dọc.
Nhà máy CNC
Các máy phay khác nhau khác nhau về kích thước, cấu hình trục, tốc độ tiến dao, tốc độ cắt, hướng tiến dao phay và các đặc điểm khác.
Tuy nhiên, nhìn chung, các nhà máy CNC đều sử dụng trục xoay để cắt bỏ vật liệu không mong muốn. Chúng được sử dụng để cắt các kim loại cứng như thép và titan nhưng cũng có thể được sử dụng với các vật liệu như nhựa và nhôm.
Các nhà máy CNC được chế tạo để có khả năng lặp lại và có thể được sử dụng cho mọi thứ từ tạo mẫu đến sản xuất số lượng lớn. Máy phay CNC chính xác cao cấp thường được sử dụng cho các công việc có dung sai chặt chẽ như phay các khuôn và khuôn mịn.
Trong khi phay CNC có thể quay vòng nhanh chóng, việc hoàn thiện như phay tạo ra các bộ phận với các dấu dao có thể nhìn thấy được. Nó cũng có thể tạo ra các bộ phận có một số cạnh và gờ sắc nét, do đó, có thể yêu cầu các quy trình bổ sung nếu các cạnh và gờ không thể chấp nhận được đối với các tính năng đó.
Tất nhiên, các công cụ sửa lỗi được lập trình theo trình tự sẽ gỡ lỗi, mặc dù thường đạt được tối đa 90% yêu cầu hoàn thiện, để lại một số tính năng để hoàn thiện tay cuối cùng.
Đối với lớp hoàn thiện bề mặt, có những công cụ không chỉ tạo ra lớp hoàn thiện bề mặt có thể chấp nhận được mà còn tạo ra lớp hoàn thiện như gương trên các phần của sản phẩm gia công.
Các loại máy phay CNC
Hai loại máy phay cơ bản được gọi là trung tâm gia công đứng và trung tâm gia công ngang, trong đó sự khác biệt cơ bản là về hướng của trục chính máy.
Trung tâm gia công đứng là một máy nghiền trong đó trục chính được căn chỉnh theo hướng trục Z. Các máy đứng này có thể được chia thành hai loại:
■ Máy nghiền giường, trong đó trục quay di chuyển song song với trục của chính nó trong khi bàn di chuyển vuông góc với trục của trục chính
■ Máy nghiền tháp pháo, trong đó trục quay đứng yên và bàn di chuyển để nó luôn vuông góc và song song với trục của trục chính trong quá trình cắt
Trong trung tâm gia công nằm ngang, trục chính của máy nghiền được căn chỉnh theo hướng trục Y. Cấu trúc ngang có nghĩa là các nhà máy này có xu hướng chiếm nhiều không gian hơn trên sàn xưởng sản xuất máy móc; Nhìn chung chúng cũng có trọng lượng nặng hơn và công suất lớn hơn so với máy đứng.
Máy nghiền nằm ngang thường được sử dụng khi cần hoàn thiện bề mặt tốt hơn; đó là bởi vì sự định hướng của trục chính có nghĩa là các phoi cắt tự nhiên rơi ra xa và dễ dàng bị loại bỏ. (Như một lợi ích bổ sung, việc loại bỏ phoi hiệu quả giúp tăng tuổi thọ của dụng cụ.)
Nhìn chung, các trung tâm gia công đứng phổ biến hơn vì chúng có thể hoạt động mạnh mẽ như các trung tâm gia công ngang và có thể gia công các chi tiết rất nhỏ. Ngoài ra, các tâm dọc có diện tích nhỏ hơn các tâm gia công ngang.
Máy phay CNC nhiều trục
Các trung tâm máy nghiền CNC chính xác có sẵn với nhiều trục. Máy nghiền 3 trục sử dụng các trục X, Y và Z cho nhiều loại công việc. Với máy nghiền 4 trục, máy có thể quay trên trục dọc và trục ngang và di chuyển phôi để cho phép gia công liên tục hơn.
Máy nghiền 5 trục có ba trục truyền thống và hai trục quay bổ sung, cho phép quay phôi khi đầu trục chính di chuyển xung quanh nó. Điều này cho phép gia công năm mặt của phôi mà không cần tháo phôi và đặt lại máy.
Máy tiện CNC
Máy tiện - còn được gọi là tâm tiện - có một hoặc nhiều trục quay, và các trục X và Z. Máy được sử dụng để quay phôi trên trục của nó để thực hiện các hoạt động cắt và tạo hình khác nhau, áp dụng nhiều loại công cụ cho phôi.
Máy tiện CNC, còn được gọi là máy tiện dụng cụ hoạt động, rất lý tưởng để tạo ra các bộ phận hình trụ hoặc hình cầu đối xứng. Giống như máy phay CNC, máy tiện CNC có thể xử lý các hoạt động nhỏ hơn như tạo mẫu nhưng cũng có thể được thiết lập để có độ lặp lại cao, hỗ trợ sản xuất khối lượng lớn.
Máy tiện CNC cũng có thể được thiết lập để sản xuất tương đối rảnh tay, điều này làm cho chúng được sử dụng rộng rãi trong các ngành công nghiệp ô tô, điện tử, hàng không vũ trụ, robot và thiết bị y tế.
Cách hoạt động của máy tiện CNC
Với máy tiện CNC, một thanh vật liệu gốc được nạp vào mâm cặp của trục chính của máy tiện. Mâm cặp này giữ phôi tại chỗ trong khi trục quay. Khi trục chính đạt đến tốc độ cần thiết, một dụng cụ cắt tĩnh được đưa vào tiếp xúc với phôi để loại bỏ vật liệu và đạt được hình dạng chính xác.
Máy tiện CNC có thể thực hiện một số hoạt động, chẳng hạn như khoan, tiện ren, doa, doa, tiện bề mặt và tiện côn. Các hoạt động khác nhau yêu cầu thay đổi công cụ và có thể làm tăng chi phí và thời gian thiết lập.
Khi tất cả các hoạt động gia công cần thiết được hoàn thành, chi tiết sẽ được cắt ra khỏi kho để gia công thêm, nếu cần. Sau đó, máy tiện CNC đã sẵn sàng để lặp lại hoạt động, với rất ít hoặc không cần thêm thời gian thiết lập ở giữa.
Máy tiện CNC cũng có thể chứa nhiều loại máy nạp thanh tự động, giúp giảm khối lượng xử lý nguyên liệu thủ công và mang lại những ưu điểm như sau:
■ Giảm thời gian và công sức của người vận hành máy
■ Hỗ trợ bệ đỡ để giảm rung động có thể ảnh hưởng tiêu cực đến độ chính xác
■ Cho phép máy công cụ hoạt động ở tốc độ trục chính tối ưu
■ Giảm thiểu thời gian chuyển đổi
■ Giảm lãng phí vật liệu
Các loại máy tiện CNC
Có một số loại máy tiện khác nhau, nhưng phổ biến nhất là máy tiện CNC 2 trục và máy tiện tự động kiểu Trung Quốc.
Hầu hết các máy tiện CNC Trung Quốc sử dụng một hoặc hai trục chính cộng với một hoặc hai trục quay sau (hoặc phụ), với chuyển động quay chịu trách nhiệm cho trục quay trước. Trục chính thực hiện nguyên công gia công chính, với sự trợ giúp của ống lót dẫn hướng.
Ngoài ra, một số máy tiện kiểu Trung Quốc được trang bị đầu dao thứ hai hoạt động như một máy phay CNC.
Với máy tiện tự động kiểu Trung Quốc CNC, vật liệu gốc được đưa qua trục quay đầu trượt vào ống lót dẫn hướng. Điều này cho phép công cụ cắt vật liệu gần hơn với điểm mà vật liệu được hỗ trợ, làm cho máy Trung Quốc đặc biệt có lợi cho các bộ phận quay dài, mảnh và cho gia công vi cơ.
Trung tâm tiện CNC nhiều trục và máy tiện kiểu Trung Quốc có thể thực hiện nhiều nguyên công gia công bằng cách sử dụng một máy duy nhất. Điều này làm cho chúng trở thành một lựa chọn hiệu quả về chi phí cho các hình dạng phức tạp mà nếu không sẽ yêu cầu nhiều máy móc hoặc thay đổi công cụ bằng cách sử dụng thiết bị như máy nghiền CNC truyền thống.