Gia công chính xác là quá trình loại bỏ vật liệu khỏi phôi trong quá trình gia công để duy trì độ chính xác cao. Máy chính xác có nhiều loại, bao gồm phay, tiện và gia công tia lửa điện. Ngày nay, máy chính xác thường được điều khiển bằng Hệ thống Điều khiển Số Máy tính (CNC).
Hầu như tất cả các sản phẩm kim loại đều sử dụng gia công chính xác, cũng như nhiều vật liệu khác như nhựa và gỗ. Những máy móc này được vận hành bởi các thợ máy chuyên nghiệp và được đào tạo bài bản. Để dụng cụ cắt thực hiện chức năng của mình, nó phải được di chuyển theo các hướng được chỉ định để tạo ra 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 "bước tiến". Những chuyển động này cùng với 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 thủ các bản thiết kế cực kỳ cụ thể được tạo ra bởi các chương trình CAD (thiết kế hỗ trợ máy tính) hoặc CAM (sản xuất hỗ trợ máy tính) như AutoCAD và TurboCAD. Phần mềm này có thể giúp tạo ra các sơ đồ hoặc phác thảo 3 chiều phức tạp cần thiết để chế tạo một công cụ, máy móc hoặc vật thể. Các bản thiết kế này phải được tuân thủ rất kỹ lưỡng để đảm bảo sản phẩm giữ được tính toàn vẹn. Mặc dù hầu hết các công ty gia công chính xác đều sử dụng một số chương trình CAD/CAM, nhưng họ vẫn thường sử dụng các bản phác thảo vẽ tay trong giai đoạn đầu của quá trình thiết kế.
Gia công chính xác được sử dụng trên một số vật liệu bao gồm thép, đồng, than chì, thủy tinh và nhựa, v.v. Tùy thuộc vào quy mô của dự án và vật liệu được sử dụng, nhiều công cụ gia công chính xác khác nhau sẽ được sử dụng. Có thể sử dụng bất kỳ sự kết hợp nào giữa 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 chế tạo dụng cụ làm đồ gỗ có thể sử dụng quy trình phay và khắc quang hóa. Việc tạo ra một mẻ sản xuất, hoặc một số lượng cụ thể của bất kỳ mặt hàng cụ thể nào, có thể lên tới hàng nghìn hoặc chỉ là một vài. Gia công chính xác thường yêu cầu lập trình các thiết bị CNC, nghĩa là chúng được điều khiển bằng máy tính. Thiết bị CNC cho phép theo dõi các kích thước chính xác trong suốt quá trình sản xuất một sản phẩm.
Phay là quá trình gia công sử dụng dao phay quay để loại bỏ vật liệu khỏi phôi bằng cách đưa dao phay vào phôi theo một hướng nhất định. Dao phay cũng có thể được giữ ở một góc so với trục của dụng cụ. Phay bao gồm nhiều loại máy móc và nguyên công khác nhau, từ các chi tiết nhỏ riêng lẻ đến các hoạt động phay lớn, hạng nặng. Đây là một trong những quy trình được sử dụng phổ biến nhất để gia công các chi tiết tùy chỉnh với dung sai chính xác.
Phay có thể được thực hiện bằng nhiều loại máy công cụ khác nhau. Loại máy công cụ đầu tiên dùng để phay là máy phay (thường được gọi là máy phay). Sau sự ra đời của công nghệ điều khiển số bằng máy tính (CNC), máy phay đã phát triển thành trung tâm gia công: máy phay được bổ sung thêm bộ thay dao tự động, ổ dao hoặc băng chuyền, khả năng CNC, hệ thống làm mát và vỏ máy. Trung tâm phay thường được phân loại thành 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 với việc sử dụng dụng cụ trực tiếp cho máy tiện và đôi khi sử dụng máy phay cho các thao tác tiện. Điều này dẫn đến sự ra đời của một loại máy công cụ mới, máy đa nhiệm (MTM), được chế tạo chuyên dụng để tạo điều kiện thuận lợi cho việc phay và tiện trong cùng một phạm vi 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 chi tiết phức tạp mà không cần gia công thêm. Trên thực tế, gia công CNC chính xác thường cho phép tạo ra các chi tiết hoàn thiện trên một máy duy nhất.
Quá trình gia công loại bỏ vật liệu và sử dụng nhiều loại dụng cụ cắt để tạo ra thiết kế cuối cùng, thường rất phức tạp, của một chi tiết. Độ chính xác được nâng cao thông qua việc sử dụng điều khiển số bằng máy tính (CNC), được sử dụng để tự động hóa việc điều khiển các dụng 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 định hình phôi theo thông số kỹ thuật mà không cần sự can thiệp thủ công của người vận hành máy.
Sử dụng mô hình thiết kế hỗ trợ máy tính (CAD) do khách hàng cung cấp, một thợ máy chuyên nghiệp sẽ sử dụng phần mềm sản xuất hỗ trợ máy tính (CAM) để tạo ra hướng dẫn gia công chi tiết. Dựa trên mô hình CAD, phần mềm xác định đường chạy dao cần thiết và tạo mã lập trình để hướng dẫn máy:
■ Tốc độ vòng quay và tốc độ cấp liệu chính xác là bao nhiêu
■ Khi nào và ở đâu để di chuyển dụng cụ và/hoặc phôi
■ Cắt sâu đến mức nào
■ Khi nào cần sử dụng chất làm mát
■ Bất kỳ yếu tố nào khác liên quan đến tốc độ, tốc độ nạp liệu và sự phối hợp
Bộ điều khiển CNC sau đó sử dụng mã lập trình để điều khiển, tự động hóa và giám sát chuyển động của máy.
Ngày nay, CNC là một tính năng tích hợp sẵn trong nhiều loại thiết bị, từ máy tiện, máy phay và máy phay định tuyến đến máy cắt dây EDM (gia công phóng điện), máy cắt laser và máy cắt plasma. Ngoài việc tự động hóa quy trình gia công và nâng cao độ chính xác, CNC còn loại bỏ các thao tác thủ công và giải phóng thợ máy khỏi việc giám sát nhiều máy móc chạy cùng lúc.
Ngoài ra, một khi đường chạy dao đã được thiết kế và máy được lập trình, nó có thể chạy một chi tiết bất kỳ số lần nào. Điều này mang lại độ chính xác và khả năng lặp lại cao, giúp quy trình tiết kiệm chi phí và có khả năng mở rộng quy mô.
Vật liệu được gia công
Một số kim loại thường được gia công bao gồm nhôm, đồng thau, đồng đỏ, đồng, thép, titan và kẽm. Ngoài ra, gỗ, xốp, sợi thủy tinh và nhựa như polypropylen cũng có thể được gia công.
Trên thực tế, hầu như bất kỳ vật liệu nào cũng có thể được sử dụng với gia công CNC chính xác — tất nhiên, tùy thuộc vào ứng dụng và yêu cầu của ứng dụng đó.
Một số ưu điểm của gia công CNC chính xác
Đối với nhiều bộ phận và linh kiện nhỏ được sử dụng trong nhiều loại sản phẩm sản xuất, gia công CNC chính xác thường là phương pháp chế tạo được lựa chọn.
Giống như hầu hết các phương pháp cắt và gia công khác, vật liệu khác nhau có tính chất khác nhau, và kích thước cũng như hình dạng của chi tiết cũng có tác động lớn đến quy trình. Tuy nhiên, nhìn chung, quy trình gia công CNC chính xác mang lại nhiều ưu điểm hơn so với các phương pháp gia công khác.
Bởi vì gia công CNC có khả năng mang lại:
■ Mức độ phức tạp của bộ phận cao
■ Dung sai chặt chẽ, thường nằm trong khoảng từ ±0,0002" (±0,00508 mm) đến ±0,0005" (±0,0127 mm)
■ Bề mặt hoàn thiện cực kỳ mịn, bao gồm cả lớp hoàn thiện tùy chỉnh
■ Khả năng lặp lại, ngay cả ở khối lượng lớn
Trong khi một thợ máy lành nghề có thể sử dụng máy tiện thủ công để tạo ra một bộ phận chất lượng với số lượng 10 hoặc 100 bộ phận, điều gì sẽ xảy ra khi bạn cần 1.000 bộ phận? 10.000 bộ phận? 100.000 hay một triệu bộ phận?
Với gia công CNC chính xác, bạn có thể đạt được khả năng mở rộng và tốc độ cần thiết cho loại hình sản xuất số lượng lớn này. Hơn nữa, khả năng lặp lại cao của gia công CNC chính xác mang lại cho bạn các chi tiết đồng đều từ đầu đến cuối, bất kể số lượng chi tiết bạn sản xuất.
Có một số phương pháp gia công CNC rất chuyên biệt, bao gồm gia công bằng tia lửa điện (EDM), gia công bồi đắp và in laser 3D. Ví dụ, EDM sử dụng vật liệu dẫn điện — thường là kim loại — và phóng điện để mài mòn phôi thành các hình dạng phức tạp.
Tuy nhiên, ở đây chúng ta sẽ tập trung vào các quy trình phay và tiện — hai phương pháp cắt gọt phổ biến và thường được sử dụng cho gia công CNC chính xác.
Phay so với tiện
Phay là một quá trình gia công sử dụng dụng cụ cắt hình trụ quay để loại bỏ vật liệu và tạo hình. Thiết bị phay, được gọi là máy phay hoặc trung tâm gia công, thực hiện hàng loạt hình dạng chi tiết phức tạp trên một số vật thể kim loại gia công lớn nhất.
Một đặc điểm quan trọng của phay là phôi vẫn đứng yên trong khi dụng cụ cắt quay. Nói cách khác, trên máy phay, dụng cụ cắt quay di chuyển xung quanh phôi, phôi vẫn cố định tại chỗ trên bàn máy.
Tiện là quá trình cắt hoặc tạo hình phôi trên thiết bị gọi là máy tiện. Thông thường, máy tiện sẽ quay phôi theo trục dọc hoặc trục ngang trong khi dụng cụ cắt cố định (có thể quay hoặc không quay) di chuyển dọc theo trục đã lập trình.
Dụng cụ không thể di chuyển vật lý quanh chi tiết. Vật liệu quay, cho phép dụng cụ thực hiện các thao tác đã được lập trình. (Tuy nhiên, có một số máy tiện mà dụng cụ quay quanh dây dẫn được cấp bằng ống chỉ, nhưng điều này không được đề cập ở đây.)
Trong quá trình tiện, không giống như phay, phôi sẽ quay. Vật liệu phôi sẽ quay trên trục chính của máy tiện và dụng cụ cắt được đưa vào tiếp xúc với phôi.
Gia công thủ công so với gia công CNC
Mặc dù cả máy phay và máy tiện đều có sẵn ở dạng thủ công, nhưng máy CNC phù hợp hơn cho mục đích sản xuất các bộ phận nhỏ — mang lại 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 dụng cụ di chuyển theo trục X và Z, thiết bị CNC chính xác còn bao gồm các mô hình đa trục, trong đó phôi cũng có thể di chuyển. Điều này trái ngược với máy tiện, nơi phôi bị giới hạn trong chuyển động quay và dụng cụ sẽ di chuyển để tạo ra hình dạng mong muốn.
Cấu hình đa trục này cho phép sản xuất các hình dạng phức tạp hơn chỉ trong một thao tác duy nhất mà không cần thêm công sức của người vận hành máy. Điều này không chỉ giúp việc sản xuất các chi tiết 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 gia công CNC chính xác đảm bảo rằng phoi không lọt vào bên trong máy, ngay cả khi sử dụng máy có trục chính thẳng đứng.
Máy phay CNC
Các loại máy phay khác nhau có kích thước, cấu hình trục, tốc độ tiến dao, tốc độ cắt, hướng tiến dao phay và các đặc điểm khác khác nhau.
Tuy nhiên, nhìn chung, tất cả các máy phay CNC đều sử dụng trục chính quay 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.
Máy phay CNC được thiết kế để đảm bảo độ lặp lại và có thể được sử dụng cho mọi mục đích, từ tạo mẫu đến sản xuất hàng loạt. Máy phay CNC chính xác cao cấp thường được sử dụng cho các công việc đòi hỏi dung sai chặt chẽ như phay khuôn và khuôn mẫu tinh xảo.
Trong khi phay CNC có thể mang lại thời gian hoàn thành nhanh chóng, thì hoàn thiện phay nguyên mẫu tạo ra các chi tiết có dấu vết dụng cụ nhìn thấy được. Nó cũng có thể tạo ra các chi tiết có một số cạnh sắc và gờ, vì vậy có thể cần thêm các quy trình khác nếu các cạnh và gờ không phù hợp với những đặc điểm đó.
Tất nhiên, các công cụ loại bỏ gờ được lập trình theo trình tự sẽ loại bỏ gờ, mặc dù thường chỉ đạt tối đa 90% yêu cầu hoàn thiện, vẫn còn một số tính năng để hoàn thiện thủ công lần cuối.
Về mặt hoàn thiện bề mặt, có những công cụ không chỉ tạo ra bề mặt hoàn thiện chấp nhận được mà còn tạo ra bề mặt sáng bóng như gương trên một số bộ phận 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 chính nằm ở hướng trục chính của máy.
Trung tâm gia công đứng là máy phay có trục chính được căn chỉnh theo hướng trục Z. Các máy đứng này có thể được chia thành hai loại:
■Máy phay giường, trong đó trục chính di chuyển song song với trục của nó trong khi bàn di chuyển vuông góc với trục của trục chính
■Máy phay tháp pháo, trong đó trục chính cố định và bàn máy được di chuyển sao cho luôn vuông góc và song song với trục của trục chính trong quá trình cắt
Trong trung tâm gia công ngang, trục chính của máy phay được căn chỉnh theo hướng trục Y. Cấu trúc nằm ngang đồng nghĩa với việc các máy phay này thường chiếm nhiều diện tích hơn trên sàn xưởng; chúng cũng thường nặng hơn và mạnh hơn so với máy phay đứng.
Máy phay ngang thường được sử dụng khi cần bề mặt hoàn thiện tốt hơn; lý do là hướng của trục chính giúp phoi cắt tự nhiên rơi ra và dễ dàng loại bỏ. (Một lợi ích bổ sung nữa là việc loại bỏ phoi hiệu quả giúp tăng tuổi thọ của dụng cụ.)
Nhìn chung, trung tâm gia công đứng phổ biến hơn vì chúng có công suất tương đương với trung tâm gia công ngang và có thể xử lý các chi tiết rất nhỏ. Ngoài ra, trung tâm gia công đứng có diện tích nhỏ hơn so với trung tâm gia công ngang.
Máy phay CNC đa trục
Các trung tâm phay CNC chính xác có sẵn với nhiều trục. Máy phay 3 trục sử dụng các trục X, Y và Z cho nhiều loại công việc khác nhau. Với máy phay 4 trục, máy có thể xoay trên cả trục dọc và trục ngang, đồng thời di chuyển phôi để gia công liên tục hơn.
Máy phay 5 trục có ba trục truyền thống và hai trục quay bổ sung, cho phép xoay phôi khi đầu trục chính di chuyển xung quanh. Điều này cho phép gia công năm mặt của phôi mà không cần tháo phôi ra và đặt lại máy.
Máy tiện CNC
Máy tiện — còn gọi là trung tâm tiện — có một hoặc nhiều trục chính và các trục X và Z. Máy được sử dụng để xoay phôi trên trục của nó nhằm thực hiện nhiều thao tác cắt và định hình khác nhau, áp dụng nhiều loại dụng cụ khác nhau cho phôi.
Máy tiện CNC, còn được gọi là máy tiện dụng cụ, lý tưởng để tạo ra các chi tiết hình trụ hoặc hình cầu đối xứng. Giống như máy phay CNC, máy tiện CNC có thể xử lý các thao tác 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 gần như rảnh tay, khiến 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.
Máy tiện CNC hoạt động như thế nào
Với máy tiện CNC, một thanh phôi nguyên liệu được nạp vào mâm cặp của trục chính máy tiện. Mâm cặp này giữ phôi tại chỗ trong khi trục chính quay. Khi trục chính đạt tốc độ yêu cầu, một dụng cụ cắt cố định sẽ tiếp xúc với phôi để loại bỏ vật liệu và đạt được hình dạng chính xác.
Máy tiện CNC có thể thực hiện nhiều thao tác, chẳng hạn như khoan, tiện ren, doa, phay mặt và tiện côn. Các thao tác khác nhau đòi hỏi phải thay đổi dụng cụ và có thể làm tăng chi phí và thời gian thiết lập.
Khi tất cả các thao tác gia công cần thiết đã hoàn tất, chi tiết sẽ được cắt ra khỏi phôi để gia công tiếp nếu cần. Máy tiện CNC sau đó đã sẵn sàng để lặp lại thao tác, thường không mất nhiều thời gian thiết lập bổ sung.
Máy tiện CNC cũng có thể lắp nhiều loại máy cấp phôi tự động, giúp giảm lượng công việc xử lý nguyên liệu thô thủ công và mang lại những lợi ích sau:
■ Giảm thời gian và công sức của người vận hành máy
■ Hỗ trợ thanh 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 thiểu lãng phí vật liệu
Các loại máy tiện CNC
Có nhiều 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 máy tiện CNC Trung Quốc sử dụng một hoặc hai trục chính cộng với một hoặc hai trục phụ (hoặc trục chính phụ), với cơ cấu truyền động quay đảm nhiệm trục chính. Trục chính thực hiện thao tác gia công chính, với sự trợ giúp của ống lót dẫn hướng.
Ngoài ra, một số máy tiện kiểu Trung Quốc còn được trang bị đầu dụng cụ thứ hai hoạt động như máy phay CNC.
Với máy tiện tự động CNC kiểu Trung Quốc, vật liệu phôi được đưa qua trục chính trượt vào ống lót dẫn hướng. Điều này cho phép dụng cụ cắt vật liệu gần hơn với điểm vật liệu được đỡ, khiến máy tiện Trung Quốc đặc biệt hữu ích cho các chi tiết tiện dài, mảnh và gia công vi mô.
Các trung tâm tiện CNC đa trục và máy tiện kiểu Trung Quốc có thể thực hiện nhiều thao tác gia công chỉ bằng một máy. Điều này khiến chúng trở thành một lựa chọn tiết kiệm chi phí cho các hình dạng phức tạp, vốn đòi hỏi nhiều máy móc hoặc thay đổi dụng cụ bằng các thiết bị như máy phay CNC truyền thống.