Gia công chính xác là quá trình loại bỏ vật liệu khỏi phôi trong khi giữ độ hoàn thiện dung sai chặt chẽ. Máy chính xác có nhiều loại, bao gồm phay, tiện và gia công bằng tia lửa điện. Ngày nay, máy chính xác thường được điều khiển bằng Điều khiển số bằng 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 này được vận hành bởi những người thợ máy chuyên nghiệp và được đào tạo. Để dụng cụ cắt có thể thực hiện công việc của mình, nó phải được di chuyển theo các hướng được chỉ 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 "cung cấp". Cùng nhau, những chuyển động này và độ sắc nét 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 do các chương trình CAD (thiết kế hỗ trợ máy tính) hoặc CAM (sản xuất hỗ trợ máy tính) như AutoCAD và TurboCAD tạo ra. Phần mềm này có thể giúp tạo ra các sơ đồ hoặc phác thảo 3 chiều phức tạp cần thiết để sản xuất một công cụ, máy móc hoặc vật thể. Các bản thiết kế này phải được tuân thủ rất chi tiết để đảm bảo rằng sản phẩm vẫn giữ được tính toàn vẹn của nó. Trong khi hầu hết các công ty gia công chính xác đều làm việc với một số dạng chương trình CAD/CAM, họ vẫn thường làm việc với các bản phác thảo vẽ tay trong các 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, 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. Bất kỳ sự kết hợp nào của máy tiện, máy phay, máy khoan, máy cưa và máy mài, thậm chí cả rô bốt tốc độ cao đều có thể được sử dụng. Ngành hàng không vũ trụ có thể sử dụng gia công tốc độ cao, trong khi ngành chế tạo công cụ làm đồ gỗ có thể sử dụng quy trình khắc và phay quang hóa. Việc tạo ra một lần chạy 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 tuân theo các kích thước chính xác trong suốt quá trình chạy của một sản phẩm.
Phay là quá trình gia công sử dụng dao cắt quay để loại bỏ vật liệu khỏi phôi bằng cách tiến (hoặc đưa) dao cắt vào phôi theo một hướng nhất định. Dao 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, ở quy mô từ các bộ phận riêng lẻ nhỏ 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 bộ phận tùy chỉnh theo dung sai chính xác.
Phay có thể được thực hiện bằng nhiều loại máy công cụ. Lớp máy công cụ ban đầu để phay là máy phay (thường được gọi là máy phay). Sau sự ra đời của điều khiển số bằng máy tính (CNC), máy phay đã phát triển thành các trung tâm gia công: máy phay được tăng cường bằng bộ thay đổi công cụ tự động, ổ chứa công cụ hoặc băng chuyền, khả năng CNC, hệ thống làm mát và vỏ bọc. Các trung tâm phay thường được phân loại là trung tâm gia công dọc (VMC) hoặc trung tâm gia công ngang (HMC).
Việc tích hợp phay vào môi trường tiện và ngược lại bắt đầu bằng việc sử dụng dụng cụ trực tiếp cho máy tiện và thỉnh thoảng sử dụng máy phay cho các hoạt động 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 cho phay và tiện trong cùng một phạm vi làm việc.
Đối với các kỹ sư thiết kế, nhóm R&D và nhà sản xuất phụ thuộc vào nguồn cung ứng linh kiện, gia công CNC chính xác cho phép tạo ra các linh kiện phức tạp mà không cần xử lý thêm. Trên thực tế, gia công CNC chính xác thường giúp tạo ra các linh kiện 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 và thường rất phức tạp của một bộ phận. Mức 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 sử dụng phần mềm sản xuất hỗ trợ máy tính (CAM) để tạo hướng dẫn gia công chi tiết. Dựa trên mô hình CAD, phần mềm xác định đường dẫn công cụ cần thiết và tạo mã lập trình cho máy:
■ Tốc độ vòng quay và tốc độ cấp liệu chính xác là bao nhiêu
■ Khi nào và ở đâu để di chuyển công 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 của nhiều loại thiết bị, từ máy tiện, máy phay và máy 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 tác vụ thủ công và giải phóng thợ máy để giám sát nhiều máy chạy cùng lúc.
Ngoài ra, sau khi đường chạy dao được thiết kế và máy được lập trình, nó có thể chạy một bộ phận bất kỳ số lần nào. Điều này cung cấp độ chính xác và khả năng lặp lại cao, giúp quy trình có hiệu quả về chi phí và khả năng mở rộng cao.
Vật liệu được gia công
Một số kim loại thường được gia công bao gồm nhôm, đồng thau, đồng, đồng thau, thép, titan và kẽm. Ngoài ra, gỗ, bọt, sợi thủy tinh và nhựa như polypropylene cũng có thể được gia công.
Trên thực tế, hầu như bất kỳ vật liệu nào cũng có thể được gia công bằng máy CNC chính xác — tất nhiên là tùy thuộc vào ứng dụng và các 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, các vật liệu khác nhau có hành vi khác nhau và kích thước cũng như hình dạng của một thành phần cũng có tác động lớn đến quy trình. Tuy nhiên, nhìn chung, quy trình gia công CNC chính xác có nhiều ưu điểm hơn so với các phương pháp gia công khác.
Đó là 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, thì 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 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 giống nhau từ đầu đến cuối, bất kể bạn sản xuất bao nhiêu bộ phận.
Có một số phương pháp gia công CNC rất chuyên biệt, bao gồm gia công bằng dây EDM (gia công bằng tia lửa điện), gia công đắp dần và in laser 3D. Ví dụ, gia công bằng dây EDM sử dụng vật liệu dẫn điện — thường là kim loại -— và tia lửa 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 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 máy phay hoặc trung tâm gia công, thực hiện một vũ trụ các hình dạng bộ phận 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 một bệ.
Tiện là quá trình cắt hoặc định hình phôi trên thiết bị gọi là máy tiện. Thông thường, máy tiện quay phôi trên 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.
Công cụ không thể di chuyển vật lý quanh chi tiết. Vật liệu quay, cho phép công cụ thực hiện các hoạt động được lập trình. (Có một tập hợp con máy tiện trong đó các công cụ quay quanh dây được cấp bằng ống chỉ, tuy nhiên, điều đó không được đề cập ở đây.)
Trong quá trình tiện, không giống như phay, phôi quay. Vật liệu phôi 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
Trong khi cả máy phay và máy tiện đều có dạng thủ công, máy CNC phù hợp hơn cho mục đích sản xuất các chi tiết nhỏ — cung cấp khả năng mở rộng và lặp lại cho các ứng dụng đòi hỏi sản xuất khối lượng lớn các chi tiết có dung sai chặt chẽ.
Ngoài việc cung cấp các máy 2 trục đơn giản trong đó công cụ di chuyển theo trục X và Z, thiết bị CNC chính xác bao gồm các mô hình đa trục trong đó phôi cũng có thể di chuyển. Điều này trái ngược với máy tiện trong đó phôi bị giới hạn trong việc quay và các công 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 duy nhất, mà không yêu cầu người vận hành máy phải làm thêm việc. Điều này không chỉ giúp sản xuất các bộ phận phức tạp dễ dàng hơn mà còn giảm hoặc loại bỏ khả năng xảy ra lỗi của người vận hành.
Ngoài ra, việc sử dụng chất làm mát áp suất cao kết hợp với gia công CNC chính xác đảm bảo 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 chế tạo để có thể lặp lại và có thể sử dụng cho mọi thứ, từ tạo mẫu đến sản xuất khối lượng lớn. Máy phay CNC chính xác cao cấp thường được sử dụng cho công việc có dung sai chặt chẽ như phay khuôn và khuôn mẫu mịn.
Trong khi phay CNC có thể mang lại sự quay vòng nhanh chóng, thì hoàn thiện phay tạo ra các bộ phận có dấu vết dụng cụ có thể nhìn thấy. Nó cũng có thể tạo ra các bộ phận có một số cạnh sắc và gờ, do đó có thể cần các quy trình bổ sung nếu các cạnh và gờ không được chấp nhận đối với các tính năng 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 cần hoàn thiện thủ công.
Về mặt hoàn thiện bề mặt, có những công cụ không chỉ tạo ra bề mặt hoàn thiện có thể 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 một máy phay trong đó trục chính được căn chỉnh theo hướng trục Z. Những 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 trục chính trong quá trình cắt
Trong một trung tâm gia công ngang, trục chính của máy phay được căn chỉnh theo hướng trục Y. Cấu trúc ngang có nghĩa là các máy phay này có xu hướng chiếm nhiều không gian hơn trên sàn xưởng gia công; chúng cũng thường nặng hơn và mạnh hơn so với máy đứng.
Máy phay ngang thường được sử dụng khi cần bề mặt hoàn thiện tốt hơn; lý do là hướng của trục chính có nghĩa là phoi cắt sẽ 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, các trung tâm gia công đứng phổ biến hơn vì chúng có thể mạnh mẽ như các trung tâm gia công ngang và có thể xử lý các bộ phận rất nhỏ. Ngoài ra, các trung tâm đứng có diện tích nhỏ hơn các trung tâm gia công ngang.
Máy phay CNC đa trục
Các trung tâm phay CNC chính xác có 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 trục dọc và trục ngang và 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 và đặt lại máy.
Máy tiện CNC
Máy tiện — còn được gọi là trung tâm tiện — có một hoặc nhiều trục chính và trục X và Z. Máy được sử dụng để xoay phôi trên trục của nó để thực hiện nhiều hoạt động cắt và định hình khác nhau, áp dụng nhiều loại dụng cụ cho phôi.
Máy tiện CNC, còn được gọi là máy tiện dụng cụ hoạt động trực tiếp, 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 khả năng lặp lại cao, hỗ trợ sản xuất khối lượng lớn.
Máy tiện CNC cũng có thể được thiết lập để sản xuất mà không cần dùng tay, do đó 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 vật 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 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 thao tác, chẳng hạn như khoan, tiện ren, doa, doa cạnh và tiện côn. Các thao tác khác nhau đòi hỏi phải 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 tất, bộ phận được cắt ra khỏi phôi để xử lý thêm nếu cần. Sau đó, máy tiện CNC đã sẵn sàng để lặp lại hoạt động, thường không cần thêm thời gian thiết lập nào ở giữa.
Máy tiện CNC cũng có thể lắp nhiều loại máy cấp thanh tự động, giúp giảm lượng công việc xử lý nguyên liệu thô thủ công và mang lại những lợi thế 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 chuyển động quay chịu trách nhiệm cho trục chính. Trục chính thực hiện hoạt động 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 đầu trượt vào ống lót dẫn hướng. Điều này cho phép dụng cụ cắt vật liệu gần hơn với điểm mà vật liệu được hỗ trợ, khiến máy Trung Quốc đặc biệt có lợi cho các bộ phận tiện dài, mảnh và cho gia công vi mô.
Các trung tâm tiện CNC đa trục và máy tiện kiểu Trung Quốc có thể thực hiện nhiều hoạt động gia công bằng một máy duy nhất. Điều này làm cho chúng trở thành một lựa chọn tiết kiệm chi phí cho các hình dạng phức tạp mà nếu không sẽ yêu cầu nhiều máy hoặc thay đổi công cụ bằng thiết bị như máy phay CNC truyền thống.