Gia công chính xác là một quá trình loại bỏ vật liệu khỏi phôi trong quá trình gia công các lớp hoàn thiện có dung sai gần.Máy chính xác có nhiều loại, bao gồm gia công phay, tiện và phóng điện.Máy chính xác ngày nay thường được điều khiển bằng Bộ 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 này được vận hành bởi các thợ máy chuyên nghiệp và được đào tạo.Để dụng cụ cắt thực hiện được công việc của mình, nó phải được di chuyển theo các hướng đã 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 "cấp tiến".Cùng với nhau, những chuyển động này và độ sắc bén của dụng cụ cắt cho phép máy hoạt động chính xác.
Gia công chính xác có chất lượng đòi hỏi khả năng tuân theo các bản thiết kế cực kỳ cụ thể được tạo bởi các chương trình CAD (thiết kế có sự hỗ trợ của máy tính) hoặc CAM (sản xuất có sự hỗ trợ của máy tính) như AutoCAD và TurboCAD.Phần mềm 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 đồ vật.Những bản thiết kế này phải được tuân thủ rất chi tiết để đảm bảo rằng sản phẩm vẫn giữ được tính toàn vẹn.Mặc dù hầu hết các công ty gia công chính xác đều làm việc với một số dạng chương trình CAD/CAM, nhưng họ vẫn thường xuyên 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.Bất kỳ sự kết hợp nào của máy tiện, máy phay, máy khoan, máy cưa và máy mài, và thậm chí cả robot tốc độ cao đều có thể được sử dụng.Ngành công nghiệp hàng không vũ trụ có thể sử dụng gia công tốc độ cao, trong khi ngành chế tạo công cụ đồ gỗ có thể sử dụng quy trình phay và khắc quang hóa học.Việc hoàn thành một đợt chạy hoặc số lượng cụ thể của bất kỳ mặt hàng cụ thể nào có thể lên tới hàng nghìn hoặc chỉ là một số ít.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 thủ các kích thước chính xác trong suốt quá trình vận hành sản phẩm.
Phay là quá trình gia công sử dụng dao cắt quay để loại bỏ vật liệu khỏi phôi bằng cách đưa (hoặc nạp) 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 hoạt động và máy móc khác nhau, trên quy mô từ các bộ phận nhỏ riêng lẻ đến các hoạt động phay nhóm lớn, nặng.Đây là một trong những quy trình được sử dụng phổ biến nhất để gia công các bộ phận tùy chỉnh với dung sai chính xác.
Phay có thể được thực hiện với nhiều loại máy công cụ.Loại máy công cụ ban đầu dùng 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, ổ chứa dụng 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 đứng (VMC) hoặc trung tâm gia công ngang (HMC).
Sự tích hợp phay vào môi trường tiện và ngược lại, bắt đầu bằng dụng cụ trực tiếp cho máy tiện và việc sử dụng máy phay không thường xuyên cho các nguyên công tiện.Điều này dẫn đến một loại máy công cụ mới, máy đa nhiệm (MTM), được thiết kế nhằm mục đích hỗ trợ phay và tiện trong cùng một phạm vi công việc.
Đối với các kỹ sư thiết kế, nhóm R&D và nhà sản xuất phụ thuộc vào nguồn cung ứng bộ phận, gia công CNC chính xác cho phép tạo ra các bộ phận phức tạp mà không cần xử lý thêm.Trên thực tế, gia công CNC chính xác thường giúp các bộ phận hoàn thiện có thể được chế tạo 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 phôi được cắt và định hình 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 máy chuyên nghiệp sẽ sử dụng phần mềm sản xuất có sự hỗ trợ của máy tính (CAM) để tạo ra các hướng dẫn gia công bộ phận.Dựa trên mô hình CAD, phần mềm xác định đường dẫn dao nào cần thiết và tạo mã lập trình cho máy biết:
■ RPM và tốc độ tiến dao chính xác là bao nhiêu
■ Khi nào và ở đâu để di chuyển dụng cụ và/hoặc phôi gia công
■ Cắt sâu bao nhiêu
■ Khi nào nên bôi chất làm mát
■ Bất kỳ yếu tố nào khác liên quan đến tốc độ, tốc độ tiến dao và sự phối hợp
Sau đó, 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 tính năng tích hợp của nhiều loại thiết bị, từ máy tiện, máy phay và bộ định tuyến cho đến máy cắt dây EDM (gia công phóng điện), máy cắt laser và 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 giúp thợ máy có thể giám sát nhiều máy chạy cùng lúc.
Ngoài ra, khi đường chạy dao đã được thiết kế và máy được lập trình, nó có thể chạy một chi tiết bao nhiêu lần cũng được.Điều này mang lại mức độ chính xác và độ lặp lại cao, từ đó làm cho quy trình có hiệu quả chi phí cao và có thể 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 nhựa như polypropylene cũng có thể được gia công.
Trên thực tế, hầu hết mọi vật liệu đều có thể được sử dụng với 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 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 tất cả các phương pháp cắt và gia công, các vật liệu khác nhau hoạt động khác nhau và kích thước cũng như hình dạng của một bộ phận cũng có tác động lớn đến quy trình.Tuy nhiên, nhìn chung quy trình gia công CNC chính xác có nhiều ưu điểm hơn 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)
■ Bề mặt hoàn thiện cực kỳ mịn, bao gồm cả các bề mặt hoàn thiện tùy chỉnh
■ Khả năng lặp lại, ngay cả ở âm 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 phần?100.000 hay một triệu bộ phận?
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 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 dụng, bao gồm EDM dây (gia công phóng điện), gia công bồi đắp và in laser 3D.Ví dụ, EDM dây sử dụng vật liệu dẫn điện - điển hình là kim loại - và phóng điện để ăn 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 trừ được sử dụng rộng rãi và thường xuyên để gia công CNC chính xác.
Phay và tiện
Phay là một quá trình gia công sử dụng một dụng cụ cắt hình trụ quay để loại bỏ vật liệu và tạo hình.Thiết bị phay, được gọi là máy nghiền hoặc trung tâm gia công, hoàn thành một loạt các hình học bộ phận 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 phay, dụng cụ cắt quay di chuyển xung quanh phôi, phôi vẫn cố định tại chỗ trên bệ.
Tiện là quá trình cắt hoặc tạo hình phôi trên thiết bị gọi là máy tiện.Thông thường, máy tiện quay phôi trên trục thẳng đứng hoặc nằm ngang trong khi dụng cụ cắt cố định (có thể quay hoặc không quay) di chuyển dọc theo trục được lập trình.
Công cụ này không thể di chuyển xung quanh chi tiết.Vật liệu quay, cho phép công cụ thực hiện các hoạt động đã được lập trình.(Có một tập hợp con các máy tiện trong đó các dụng cụ quay xung quanh một dây được cấp bằng ống cuộn, tuy nhiên, điều đó không được đề cập ở đây.)
Khi tiện, không giống như phay, phôi quay tròn.Báng bộ phận quay trục chính của máy tiện và dụng cụ cắt được tiếp xúc với phôi.
Gia công thủ công và 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 - 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 dụng cụ di chuyển theo trục X và Z, thiết bị CNC chính xác còn bao gồm các mô hình nhiều trục trong đó phôi cũng có thể di chuyển.Điều này trái ngược với máy tiện trong đó phôi bị giới hạn quay và các công cụ sẽ di chuyển để tạo ra hình dạng mong muốn.
Các cấu hình đa trục này cho phép tạo ra các hình học phức tạp hơn trong một thao tác duy nhất mà không yêu cầu người vận hành máy thực hiện thêm công việc.Điều này không chỉ giúp việc sản xuất các bộ phận phức tạp trở nên 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 với gia công CNC chính xác đảm bảo phoi không lọt vào vật liệu, ngay cả khi sử dụng máy có trục xoay định hướng thẳng đứng.
máy phay CNC
Các máy phay khác nhau có kích thước khác nhau, cấu hình trục, tốc độ tiến dao, tốc độ cắt, hướng tiến dao phay và các đặc điểm khác.
Tuy nhiên, nhìn chung, các máy phay CNC đều sử dụng trục xoay để cắt bỏ những 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 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 có độ chính xác cao thường được sử dụng cho các công việc có dung sai chặt chẽ như phay khuôn và khuôn mịn.
Trong khi phay CNC có thể mang lại tốc độ quay vòng nhanh, thì việc hoàn thiện khi phay tạo ra các bộ phận có vết dao rõ ràng.Nó cũng có thể tạo ra các bộ phận có một số cạnh và gờ sắc nét, do đó có thể cần phải có các quy trình bổ sung nếu các cạnh và gờ không được chấp nhận đối với các đặc điểm đó.
Tất nhiên, các công cụ gỡ bavia được lập trình theo trình tự sẽ gỡ bavia, mặc dù thường đạt được nhiều nhất là 90% yêu cầu hoàn thiện, để lại một số tính năng cho khâu hoàn thiện thủ công cuối cùng.
Đối với việc 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 giống 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 chính là ở 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.Những máy dọc này có thể được chia thành hai loại:
■Máy nghiền giường, trong đó trục chính di chuyển song song với trục của chính nó trong khi bàn máy di chuyển vuông góc với trục của trục chính
■Máy nghiền tháp pháo, trong đó trục chính đứng yên và bàn được di chuyển sao cho nó luôn vuông góc và song song với trục trục chính trong quá trình cắt
Trong trung tâm gia công ngang, trục chính của máy nghiền được căn chỉnh theo hướng trục Y.Cấu trúc theo chiều ngang có nghĩa là các nhà máy này có xu hướng chiếm nhiều không gian hơn trên sàn xưởng máy;chúng cũng thường có trọng lượng nặng hơn và mạnh hơn các máy đứng.
Máy nghiền ngang thường được sử dụng khi cần có bề mặt hoàn thiện tốt hơn;đó là do hướng của trục xoay có nghĩa là phoi cắt sẽ rơi ra một cách tự nhiên và dễ dàng loại bỏ.(Là một lợi ích bổ sung, việc loại bỏ phoi hiệu quả giúp tăng tuổi thọ dụng cụ.)
Nhìn chung, các trung tâm gia công dọc phổ biến hơn vì chúng có thể mạnh mẽ như các trung tâm gia công ngang và có thể xử lý các chi tiết rất nhỏ.Ngoài ra, các trung tâm dọc có diện tích nhỏ hơn các trung tâm gia công ngang.
Máy phay CNC nhiều trục
Các trung tâm máy phay CNC chính xác có sẵn với nhiều trục.Máy phay 3 trục sử dụng trục X, Y và Z cho nhiều loại công việc.Với máy phay 4 trục, máy có thể xoay theo trục dọc và trục ngang và di chuyển phôi để cho phép gia công liên tục hơn.
Máy phay 5 trục có ba trục truyền thống và hai trục quay bổ sung, cho phép phôi được quay khi đầu trục xoay di chuyển xung quanh nó.Điều này cho phép gia công năm mặt của phôi mà không cần tháo phôi và cài đặt lại máy.
máy tiện CNC
Máy tiện - còn được gọi là trung tâm tiện - có một hoặc nhiều trục quay và trục X và Z.Máy được sử dụng để xoay phôi trên trục của nó để thực hiện các thao tác 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 hành động trực tiếp, 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, 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 thô được nạp vào mâm cặp của trục chính của máy tiện.Mâm cặp này giữ phôi tại chỗ trong khi trục chính quay.Khi trục chính đạt tốc độ yêu cầu, 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 một số nguyên công, chẳng hạn như khoan, tiện ren, doa, phay mặt và tiện côn.Các hoạt động khác nhau yêu cầu thay đổi công cụ và có thể làm tăng chi phí cũng như thời gian thiết lập.
Khi tất cả các hoạt động gia công cần thiết được hoàn thành, bộ phận đó sẽ được cắt khỏi kho để xử lý tiếp nếu cần.Sau đó, máy tiện CNC đã sẵn sàng để lặp lại thao tác mà thường cần rất ít hoặc không cần thêm thời gian thiết lập ở giữa.
Máy tiện CNC cũng có thể chứa nhiều loại máy cấp phôi tự động, giúp giảm lượng xử lý nguyên liệu thô thủ công và mang lại những ưu điểm như 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 vận hành 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 phía sau (hoặc phụ), với sự chuyển động quay chịu trách nhiệm cho trục quay trước.Trục chính thực hiện nguyên công gia công cơ bản 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 chính 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 tiện dài, mảnh và cho gia công vi mô.
Trung tâm tiện CNC nhiều trục và máy tiện kiểu Trung Quốc có thể thực hiện nhiều nguyên công 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 đòi hỏi nhiều máy móc hoặc thay đổi công cụ bằng cách sử dụng thiết bị như máy phay CNC truyền thống.