Gia công chính xác là quá trình loại bỏ vật liệu khỏi phôi trong khi vẫn duy trì độ chính xác cao. Máy gia công chính xác có nhiều loại, bao gồm phay, tiện và gia công bằng tia lửa điện. Ngày nay, máy gia công chính xác thường được điều khiển bằng hệ thống điều khiển số bằng máy tính (CNC).
Hầu hết 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 công việc của nó, nó phải được di chuyển theo các hướng được chỉ định để tạo ra vết cắt chính xác. Chuyển động chính này được gọi là "tốc độ cắt". Phôi gia công cũng có thể được di chuyển, được gọi là chuyển động phụ "tốc độ tiến dao". Cùng với nhau, các chuyển động này và độ sắc bén của dụng cụ cắt cho phép máy gia công chính xác hoạt động.
Gia công chính xác chất lượng cao đòi hỏi khả năng tuân thủ nghiêm ngặt các bản vẽ kỹ thuật được tạo ra bằng phần mềm CAD (thiết kế hỗ trợ máy tính) hoặc CAM (sản xuất hỗ trợ máy tính) như AutoCAD và TurboCAD. Phần mềm này giúp tạo ra các sơ đồ hoặc bản vẽ 3 chiều phức tạp cần thiết để chế tạo công cụ, máy móc hoặc vật thể. Các bản vẽ này phải được tuân thủ một cách tỉ mỉ để đảm bảo sản phẩm giữ được chất lượng. Mặc dù hầu hết các công ty gia công chính xác đều sử dụng một số loại phần mềm CAD/CAM, nhưng họ vẫn thường xuyên sử dụng các bản phác thảo vẽ tay trong giai đoạn thiết kế ban đầu.
Gia công chính xác được sử dụng trên nhiều loại vật liệu, bao gồm thép, đồng, than chì, thủy tinh và nhựa, cùng một số loại khác. Tùy thuộc vào quy mô dự án và vật liệu sử dụng, các công cụ gia công chính xác khác nhau sẽ được sử dụng. Có thể sử dụng kết hợp các 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 dụng cụ gỗ có thể sử dụng các quy trình khắc và phay quang hóa. Việc sản xuất một lô hàng, hoặc một số lượng cụ thể của bất kỳ mặt hàng nào, có thể lên đến hàng nghìn hoặc chỉ một vài sản phẩm. 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 sản xuất sản phẩm.
Gia công phay là quá trình gia công sử dụng dao cắt quay để loại bỏ vật liệu khỏi phôi bằng cách đưa dao cắt tiến vào phôi theo một hướng nhất định. Dao cắt cũng có thể được giữ ở một góc so với trục của dụng cụ. Gia công phay bao gồm nhiều hoạt động và máy móc khác nhau, từ các chi tiết nhỏ riêng lẻ đến các hoạt động phay hàng loạt 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.
Gia công phay có thể được thực hiện với nhiều loại máy công cụ khác nhau. Loại máy công cụ ban đầu dùng cho gia công phay là máy phay (thường được gọi là máy phay). Sau khi công nghệ điều khiển số bằng máy tính (CNC) ra đời, máy phay đã phát triển thành các trung tâm gia công: máy phay được bổ sung thêm bộ thay dao tự động, kho chứa dao hoặc giá đỡ dao, khả năng điều khiển CNC, hệ thống làm mát và vỏ bảo vệ. Các trung tâm gia công phay thường được phân loại là trung tâm gia công đứng (VMC) hoặc trung tâm gia công ngang (HMC).
Việc tích hợp gia công phay vào môi trường gia công tiện, và ngược lại, bắt đầu với việc sử dụng dụng cụ cắt trực tiếp cho máy tiện và việc thỉnh thoảng sử dụng máy phay cho các hoạt động 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 hỗ trợ gia công phay và tiện trong cùng một không gian làm việc.
Đối với các kỹ sư thiết kế, đội ngũ nghiên cứu và phát triển, và các nhà sản xuất phụ thuộc vào việc tìm 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 cho phép sản xuất các linh kiện hoàn chỉnh trên cùng một máy.
Quá trình gia công cơ khí loại bỏ vật liệu và sử dụng nhiều loại dụng cụ cắt khác nhau 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 dùng để tự động hóa việc điều khiển các dụng cụ gia công.
Vai trò của "CNC" trong gia công chính xác
Sử dụng các lệnh lập trình 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.
Dựa trên 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 ra các hướng dẫn gia công chi tiết. Dựa trên mô hình CAD, phần mềm sẽ xác định các đường chạy dao cần thiết và tạo ra mã lập trình hướng dẫn máy:
■ Tốc độ quay (RPM) và tốc độ cấp liệu chính xác là bao nhiêu?
■ Thời điểm và vị trí di chuyển dụng cụ và/hoặc phôi
■ Độ sâu cần cắt
■ Khi nào cần thêm dung dịch làm mát
■ Bất kỳ yếu tố nào khác liên quan đến tốc độ, tốc độ cấp 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 các chuyển động của máy.
Ngày nay, CNC là một tính năng tích hợp trong rất nhiều thiết bị, từ máy tiện, máy phay, máy định tuyến đến máy cắt dây EDM (gia công bằng 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 giúp người vận hành máy có thể giám sát nhiều máy hoạt động cùng lúc.
Ngoài ra, một khi đường chạy dao đã được thiết kế và máy được lập trình, nó có thể gia công chi tiết nhiều lần. Điều này mang lại độ chính xác và khả năng lặp lại cao, từ đó giúp quy trình trở nên tiết kiệm chi phí và có khả năng mở rộng cao.
Vật liệu được gia công
Một số kim loại thường được gia công bao gồm nhôm, đồng thau, đồng đỏ, thép, titan và kẽm. Ngoài ra, gỗ, xốp, sợi thủy tinh và các loại nhựa như polypropylen 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 chi tiết 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.
Cũng giống như hầu hết các phương pháp cắt và gia công khác, các vật liệu khác nhau có đặc tính khác nhau, và kích thước cũng như hình dạng của chi tiết cũng ảnh hưởng lớn đến quá trình gia công. Tuy nhiên, nhìn chung, quá trình gia công CNC chính xác mang lại nhiều ưu điểm hơn so với các phương pháp gia công khác.
Đó là bởi vì gia công CNC có khả năng tạo ra:
■ Độ phức tạp của các bộ phận rất cao
■ Dung sai chặt chẽ, thường nằm trong khoảng ±0,0002" (±0,00508 mm) đến ±0,0005" (±0,0127 mm)
■ Bề mặt hoàn thiện cực kỳ nhẵn mịn, bao gồm cả các lớp hoàn thiện theo yêu cầu
■ Tính lặp lại cao, ngay cả ở khối lượng lớn
Trong khi một người thợ máy lành nghề có thể sử dụng máy tiện thủ công để chế tạo một chi tiết chất lượng với số lượng 10 hoặc 100 chiếc, thì điều gì sẽ xảy ra khi bạn cần 1.000 chi tiết? 10.000 chi tiết? 100.000 hoặc một triệu chi tiết?
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. Ngoài ra, độ lặp lại cao của gia công CNC chính xác đảm bảo các chi tiết đều giống nhau từ đầu đến cuối, bất kể số lượng sản xuất là bao nhiêu.
Có một số phương pháp gia công CNC rất chuyên biệt, bao gồm gia công bằng tia lửa điện (wire EDM), gia công bồi đắp (additive machining) và in laser 3D. Ví dụ, gia công bằng tia lửa điện sử dụng vật liệu dẫn điện — thường 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 gia công bóc tách vật liệu phổ biến và thường được sử dụng trong gia công CNC chính xác.
Gia công phay so với gia công tiện
Gia công phay là một quy 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, có thể tạo ra vô số hình dạng chi tiết phức tạp trên những vật thể kim loại lớn nhất.
Một đặc điểm quan trọng của gia công 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, trong khi phôi vẫn được cố định trên bàn máy.
Gia công 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 đã được lập trình.
Công cụ không thể di chuyển xung quanh chi tiết gia công. Vật liệu sẽ quay, cho phép công cụ thực hiện các thao tác đã được lập trình. (Tuy nhiên, có một số loại máy tiện mà công cụ quay quanh dây dẫn được cấp từ cuộn dây, nhưng loại đó không được đề cập ở đây.)
Khác với phay, trong gia công tiện, phôi quay. 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
Mặc dù cả máy phay và máy tiện đều có các mẫu vận hành bằng tay, nhưng máy CNC phù hợp hơn cho mục đích sản xuất các chi tiết nhỏ - mang lại khả năng mở rộng và độ chính xác cao cho các ứng dụng yêu cầu sản xuất số lượng lớn các chi tiết có dung sai chặt chẽ.
Ngoài 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 mẫu máy nhiều trục trong đó phôi cũng có thể di chuyển. Điều này trái ngược với máy tiện, nơi phôi chỉ quay và 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 duy nhất, mà không cần thêm công việc nào từ người vận hành máy. Điều này không chỉ giúp sản xuất các bộ phận phức tạp dễ dàng hơn mà còn giảm thiểu hoặc loại bỏ nguy cơ sai sót của người vận hành.
Ngoài ra, việc sử dụng chất làm mát áp suất cao trong gia công CNC chính xác đảm bảo rằng phoi không lọt vào các chi tiết gia công, ngay cả khi sử dụng máy có trục chính đặt theo chiều dọc.
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 nhau.
Tuy nhiên, nhìn chung, máy phay CNC đều sử dụng trục chính quay để cắt bỏ vật liệu không mong muốn. Chúng được dùng 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 đảm bảo độ chính xác lặp lại và có thể được sử dụng cho mọi việc, từ tạo mẫu thử nghiệm 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, chẳng hạn như phay các khuôn mẫu tinh xảo.
Mặc dù gia công phay CNC có thể mang lại thời gian hoàn thành nhanh chóng, nhưng quá trình gia công hoàn thiện sau đó sẽ tạo ra các chi tiết có dấu vết dụng cụ nhìn thấy được. Nó cũng có thể tạo ra các chi tiết có cạnh sắc và gờ, vì vậy có thể cần thêm các quy trình bổ sung nếu các cạnh và gờ này không thể chấp nhận được đối với các chi tiết đó.
Dĩ nhiên, các dụng cụ mài cạnh được lập trình vào trình tự gia công sẽ thực hiện việc mài cạnh, mặc dù thường chỉ đạt tối đa 90% yêu cầu hoàn thiện, vẫn còn một số chi tiết cần gia công thủ công cuối cùng.
Về độ hoàn thiện bề mặt, có những công cụ không chỉ tạo ra bề mặt hoàn thiện đạt yêu cầu mà còn tạo ra bề mặt bóng như gương trên một số phần của sản phẩm.
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, sự khác biệt chính nằm ở hướng của trục chính máy.
Trung tâm gia công đứng là một loại máy phay trong đó 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 chuyển động song song với trục của chính nó trong khi bàn máy chuyển động vuông góc với trục chính.
■Máy phay tháp, trong đó trục chính cố định và bàn máy di chuyển sao cho luôn vuông góc và song song với trục chính trong suốt quá trình gia công.
Trong trung tâm gia công ngang, trục chính của máy phay được căn chỉnh theo hướng trục Y. Cấu trúc nằm ngang có nghĩa là các máy phay này thường chiếm nhiều không gian hơn trên sàn xưởng; chúng cũng thường nặng hơn và mạnh mẽ hơn so với máy phay đứng.
Máy phay ngang thường được sử dụng khi cần độ hoàn thiện bề mặt tốt hơn; đó là vì hướng của trục chính giúp phôi cắt tự nhiên rơi ra và dễ dàng được loại bỏ. (Thêm vào đó, việc loại bỏ phôi hiệu quả giúp tăng tuổi thọ 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 gia công các chi tiết rất nhỏ. Ngoài ra, các trung tâm gia công đứng có kích thước nhỏ gọn hơn so với các trung tâm gia công ngang.
Máy phay CNC nhiều 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, 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 phôi được xoay khi đầu trục chính di chuyển xung quanh nó. Điều này cho phép gia công năm mặt của phôi mà không cần tháo phôi ra và thiết lập lại máy.
Máy tiện CNC
Máy tiện — còn được gọi là trung tâm gia công tiện — có một hoặc nhiều trục chính, và các trục X và Z. Máy được sử dụng để quay phôi quanh trục của nó nhằm thực hiện các thao tác cắt và tạo hình khác nhau, áp dụng nhiều loại dụng cụ khác nhau lên phôi.
Máy tiện CNC, còn được gọi là máy tiện có dụng cụ cắt chuyển động thực, 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 thử nghiệm nhưng cũng có thể được thiết lập để đạt độ chính xác cao, hỗ trợ sản xuất số lượng lớn.
Máy tiện CNC cũng có thể được thiết lập để sản xuất tương đối tự động, điều này 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.
Cách thức hoạt động của máy tiện CNC
Với máy tiện CNC, một thanh phôi được nạp vào mâm cặp của trục chính máy tiện. Mâm cặp này giữ phôi cố định trong khi trục chính quay. Khi trục chính đạt đến tốc độ yêu cầu, một dụng cụ cắt cố định sẽ 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 nhiều thao tác khác nhau, chẳng hạn như khoan, tiện ren, doa, khoét lỗ, phay mặt và tiện côn. Các thao tác khác nhau đòi hỏi phải thay đổi dụng cụ và có thể làm tăng chi phí cũng như thời gian thiết lập.
Khi tất cả các thao tác gia công cần thiết hoàn tất, chi tiết sẽ được cắt ra khỏi phôi để gia công tiếp, nếu cần. Máy tiện CNC sau đó sẵn sàng lặp lại thao tác, thường chỉ cần rất ít hoặc không cần thêm thời gian thiết lập giữa các lần gia công.
Máy tiện CNC cũng có thể tích hợp nhiều loại bộ cấp phôi tự động, giúp giảm thiểu thao tác xử lý nguyên liệu thủ công và mang lại những ưu điểm như sau:
■ Giảm thời gian và công sức cần thiết cho người vận hành máy.
■ Nâng đỡ thanh phôi 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 các máy tiện CNC Trung Quốc sử dụng một hoặc hai trục chính cộng với một hoặc hai trục phụ (hoặc trục thứ cấp), trong đó cơ cấu truyền động quay đảm nhiệm việc gia công các trục chính. Trục chính thực hiện các thao tác gia công chính, với sự hỗ trợ của bạc dẫn hướng.
Ngoài ra, một số máy tiện kiểu Trung Quốc còn được trang bị thêm đầu dao thứ hai hoạt động như một máy phay CNC.
Với máy tiện tự động CNC kiểu Trung Quốc, phôi được đưa qua trục chính có đầu trượt vào ống dẫn hướng. Điều này cho phép dụng cụ cắt vật liệu gần hơn với điểm đỡ vật liệu, làm cho máy Trung Quốc đặc biệt có lợi cho các chi tiết tiện dài, mảnh và cho gia công siêu nhỏ.
Các trung tâm tiện CNC nhiều trục và máy tiện kiểu Trung Quốc có thể thực hiện nhiều thao tác 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 sử dụng các thiết bị như máy phay CNC truyền thống sẽ cần nhiều máy hoặc thay đổi dụng cụ khác nhau.