Prelucrare CNC: Ghidul complet pentru fabricarea cu control numeric pe computer

Publicat: 2024-12-27

Prelucrarea CNC este unul dintre cele mai importante și versatile procese de fabricație din industria modernă. De la piese auto și componente aerospațiale până la dispozitive medicale și electronice de larg consum, prelucrarea CNC oferă un nivel înalt de precizie, repetabilitate și eficiență pe care puține alte metode îl pot egala. În acest articol cuprinzător, vom aprofunda în conceptele fundamentale ale prelucrării CNC, vom explora diversele aplicații ale acesteia și vom arunca lumină asupra a ceea ce face procesele bazate pe CNC indispensabile în peisajul producției de astăzi. Indiferent dacă sunteți un student, un profesionist sau un entuziast curios, acest ghid vă va oferi o bază solidă în tehnologia de prelucrare CNC.

Cuprins

Ce este prelucrarea CNC?
O scurtă istorie a prelucrării CNC
Avantajele cheie ale prelucrării CNC
Tipuri de mașini CNC
- 4.1 Mașini de frezat CNC
- 4.2 Strunjire CNC (strunguri)
- 4.3 Mașini de găurit CNC
- 4.4 Mașini de șlefuit CNC
- 4.5 Mașini CNC de tăiat cu plasmă
- 4.6 Mașini CNC de tăiat cu laser
- 4.7 Mașini CNC cu descărcare electrică (EDM)
Componentele de bază ale unui sistem CNC
- 5.1 Proiectare asistată de calculator (CAD)
- 5.2 Fabricarea asistată de calculator (CAM)
- 5.3 Unități de control CNC și unități
- 5.4 Scule și suport de lucru
Materiale utilizate în prelucrarea CNC
- 6.1 Metale
- 6.2 Materiale plastice și polimeri
- 6.3 Compozite
- 6.4 Altele (Lemn, Ceramica etc.)
Procesul de prelucrare CNC
- 7.1 Faza de proiectare
- 7.2 Faza de programare (cod G și cod M)
- 7.3 Configurarea și calibrarea mașinii
- 7.4 Operații de prelucrare
- 7.5 Controlul și inspecția calității
Aplicații ale prelucrării CNC în diverse industrii
- 8.1 Industria auto
- 8.2 Aerospațial și Apărare
- 8.3 Medical și asistență medicală
- 8.4 Electronică
- 8.5 Bunuri de consum
Avantaje și dezavantaje
Provocări în prelucrarea CNC
Cele mai recente tendințe și perspective de viitor
Concluzie

1. Ce este prelucrarea CNC?

Prelucrarea CNC se referă la un proces de fabricație în care computerele controlează și automatizează mișcările mașinilor-unelte și echipamentelor de tăiere pentru a modela materiile prime în produse finite cu o precizie extremă. Termenul „CNC” înseamnă control numeric computerizat , subliniind utilizarea sistemelor informatice pentru a gestiona mișcarea mașinii pe baza unui program de coduri numerice sau „cod G”. Aceste mașini pot efectua o varietate de operațiuni - frezare, strunjire, găurire și multe altele - într-o gamă extinsă de materiale.

Semnul distinctiv al prelucrării CNC este repetabilitatea și acuratețea . Deoarece fiecare mișcare este ghidată de un program de calculator prescris, mașinile CNC pot reproduce piese complexe conform specificațiilor exacte de mai multe ori. Acest lucru este deosebit de important în producția la scară largă, unde consistența și viteza sunt primordiale.

2. O scurtă istorie a prelucrării CNC

Rădăcinile prelucrării CNC pot fi urmărite încă din anii 1940 și 1950, când cercetătorii și inginerii au început să experimenteze cu controlul numeric (NC) pe mașinile de frezat. Inițial, cardurile perforate și benzile magnetice erau folosite pentru a furniza instrucțiuni la mașini. De-a lungul timpului, pe măsură ce tehnologia computerizată a evoluat, aceste metode analogice de control numeric au făcut loc sistemelor complet digitale, deschizând calea pentru controlul numeric computerizat .

În anii 1970, mașinile CNC au început să înlocuiască mașinile-unelte tradiționale, controlate manual, în multe fabrici de producție. Inovațiile ulterioare în software-ul de proiectare asistată de computer (CAD) și de fabricație asistată de computer (CAM) au permis procese de proiectare și producție mai sofisticate și integrate. Astăzi, tehnologia CNC este mai accesibilă și mai avansată ca niciodată, cu inovații precum prelucrarea pe 5 axe , brațele robotizate și integrarea IoT, făcând prelucrarea CNC o parte esențială a Industriei 4.0.

3. Avantajele cheie ale prelucrării CNC

Precizie și acuratețe
Mașinile CNC funcționează cu toleranțe strânse, adesea în miimi de inch sau micrometri. Acest nivel de precizie este crucial în industriile în care chiar și o abatere minoră poate duce la defecțiunea produsului.
Repetabilitate
Odată ce un program este dezvoltat și verificat, mașina poate efectua aceleași operațiuni de mai multe ori cu același nivel de precizie. Acest lucru asigură o calitate constantă a produsului.
Eficiență și viteză
Mașinile CNC pot funcționa continuu ore sau zile după configurare, crescând semnificativ debitul. Mai multe instrumente pot fi automatizate și modificate rapid pentru a efectua diferite operații într-o singură configurare.
Costuri reduse cu forța de muncă
Deși sunt încă necesari operatori de mașini și programatori calificați, sunt necesare mai puține intervenții umane în timpul procesului de prelucrare. Acest lucru poate duce la reducerea costurilor cu forța de muncă în timp.
Geometrii complexe
Cu controlul simultan pe mai multe axe, mașinile CNC pot produce forme complexe și detalii complicate care ar putea fi imposibil sau foarte costisitor de realizat cu procese manuale.
Flexibilitate
Trecerea de la un produs la altul presupune pur și simplu încărcarea unui nou program și eventual ajustarea sculelor. Nu este nevoie de reparații extinse sau de revizii a mașinii.
Siguranță sporită
Operatorii pot îndeplini majoritatea sarcinilor de la o distanță sigură sau în spatele carcasei de protecție, reducând astfel la minimum contactul direct cu sculele de tăiere și așchiile de material.

4. Tipuri de Mașini CNC

Mașinile CNC vin în diferite forme, fiecare fiind specializată pentru sarcini specifice. În timp ce toate împărtășesc același principiu de control al computerului, metodele de îndepărtare sau prelucrare a materialului diferă semnificativ.

4.1 Mașini de frezat CNC

Mașinile de frezat CNC folosesc unelte de tăiere rotative pentru a îndepărta materialul dintr-o piesa de prelucrat staționară. Ele vin în variante cu 3 axe, 4 axe și chiar 5 axe, cu mai multe axe oferind o flexibilitate sporită pentru a tăia sau modela materialele în diferite orientări. Aplicațiile includ crearea de fante, găuri și forme complicate în metal, plastic sau alte materiale. Frezarea este obișnuită în special în industrii precum industria aerospațială, auto și producția de mașini.

4.2 Strunjire CNC (strunguri)

La strunjirea CNC , piesa de prelucrat se rotește în timp ce o unealtă de tăiere staționară îndepărtează materialul dorit. Strungurile CNC excelează în producerea de piese cilindrice, cum ar fi tije, arbori și bucșe. Strunjirea poate crea, de asemenea, forme conice sau sferice prin poziționarea precisă a sculei. Strungurile pot fi clasificate în continuare în strunguri cu 2 axe (axa x și axa z) sau configurații mai avansate cu scule active capabile să efectueze operații asemănătoare frezării.

4.3 Mașini de găurit CNC

Mașinile de găurit CNC sunt specializate în crearea găurilor cu mare precizie. Ele pot fi configurate pentru a găuri mai multe găuri într-un model specific, adesea utilizate în producția de plăci de circuite, componente auto și fabricarea structurilor. În timp ce capacitatea de găurire există pe mașinile de frezat, burghiile CNC dedicate sunt optimizate exclusiv pentru operațiunile de găurire, îmbunătățind viteza și productivitatea pentru sarcini de volum mare.

4.4 Mașini de șlefuit CNC

Polizoarele CNC folosesc roți abrazive pentru a îndepărta straturile fine de material, obținând suprafețe netede sau precizie dimensională precisă. Aceste mașini sunt utilizate pe scară largă în operațiunile de finisare pentru a obține o calitate înaltă a suprafeței și toleranțe strânse. Șlefuirea CNC își găsește aplicația în producerea de matrițe, matrițe și componente auto unde finisarea suprafeței este esențială.

4.5 Mașini CNC de tăiat cu plasmă

Tăierea cu plasmă CNC folosește o lanternă cu plasmă care taie materiale electrice conductoare (în principal metale) folosind un jet fierbinte de gaz ionizat. Tăierea cu plasmă este cunoscută pentru tăierea rapidă și precisă a oțelului, oțelului inoxidabil, aluminiului și a altor metale. Industriile tipice care utilizează acest proces includ ateliere de fabricare, reparații auto și construcții industriale.

4.6 Mașini CNC de tăiat cu laser

Dispozitivele de tăiere cu laser CNC folosesc fascicule laser focalizate pentru a topi sau vaporiza materialul. Acest proces excelează în crearea de forme complexe în metal, plastic, lemn și diverse alte materiale, cu zone afectate de căldură minime. Tăierea cu laser este cunoscută pentru calitatea sa curată a marginilor și viteza mare de tăiere, ceea ce o face o alegere populară pentru semne, dispozitive medicale și articole decorative.

4.7 Mașini CNC cu descărcare electrică (EDM)

Mașinile CNC EDM utilizează scântei electrice pentru a eroda materialul într-un mod controlat. EDM este esențială pentru crearea de forme complexe în metale dure care sunt greu de prelucrat folosind unelte tradiționale de tăiere. Variantele obișnuite includ Wire EDM - folosind un fir subțire ca electrod - și Sinker EDM - folosind electrozi personalizați. Aplicațiile includ fabricarea de scule și matrițe, fabricarea matrițelor de injecție și fabricarea de componente aerospațiale.

5. Componentele de bază ale unui sistem CNC

5.1 Proiectare asistată de calculator (CAD)

Software-ul CAD este punctul de plecare în procesul CNC. Designerii sau inginerii creează modele 2D sau 3D ale pieselor pe care doresc să le producă. Platformele CAD populare includ AutoCAD , SolidWorks , Fusion 360 și CATIA . Ieșirea este adesea un fișier digital (de exemplu, format STL, STEP sau IGES) care definește toate datele geometrice necesare pentru fabricarea unei piese.

5.2 Fabricarea asistată de calculator (CAM)

După finalizarea proiectării, software-ul CAM generează traseele sculei pe care le va urma mașina CNC. Sistemul CAM interpretează modelul CAD și optimizează strategiile de tăiere, vitezele și avansurile, creând o listă detaliată de instrucțiuni cunoscute sub numele de cod G (cod geometrie) și cod M (funcții diverse). Platformele CAM obișnuite includ Mastercam , Edgecam , GibbsCAM și Fusion 360 (care integrează CAD și CAM).

5.3 Unități de control CNC și unități

Unitatea de control CNC procesează instrucțiunile codului G, trimițând comenzi precise către servomotor sau motoare pas cu pas care controlează axele mașinii (X, Y, Z și axe de rotație suplimentare). Controlerele CNC moderne au capabilități avansate, cum ar fi feedback-ul de poziție în timp real , calibrarea automată a sculei și compensarea erorilor pentru a garanta cea mai mare acuratețe și repetabilitate posibile.

5.4 Scule și suport de lucru

Alegerea sculelor așchietoare (de exemplu, freze, burghie, inserții, scule de strunjire etc.) afectează semnificativ performanța de prelucrare, eficiența și calitatea piesei finale. Materialele pentru scule pot varia de la oțel de mare viteză (HSS) la unelte mai avansate din carbură de tungsten și diamante. Dispozitivele de prindere a lucrării (cum ar fi menghine, mandrine, dispozitive de fixare și cleme) asigură că piesa rămâne sigură și poziționată cu precizie pe tot parcursul procesului de prelucrare.

6. Materiale utilizate în prelucrarea CNC

6.1 Metale

Metalele sunt de departe cele mai comune materiale în prelucrarea CNC. Exemplele includ:

Aluminiu: Ideal pentru prototipare și producție de masă datorită prelucrabilității și greutății sale.
Oțel și oțel inoxidabil: Oferă rezistență, durabilitate și rezistență la coroziune excelente. Folosit în echipamente auto, aerospațiale și industriale.
Titan: Cunoscut pentru raportul mare rezistență-greutate și rezistența la coroziune, adesea găsit în aplicații aerospațiale și medicale.
Alama și cupru: ușor prelucrate și prezintă o conductivitate termică bună, frecvent utilizate în electronice și instalații sanitare.

6.2 Materiale plastice și polimeri

Materialele plastice precum ABS, policarbonatul, nailonul și acetalul (POM) sunt populare pentru prototipuri, componente ușoare și produse de larg consum. Aceste materiale oferă de obicei o prelucrare eficientă din punct de vedere al costurilor și costuri mai mici ale materialelor, deși pot necesita viteze specializate ale sculelor și strategii de răcire pentru a evita topirea.

6.3 Compozite

Prelucrarea materialelor compozite (de exemplu, materiale plastice armate cu fibră de carbon) necesită instrumente și strategii specializate pentru a minimiza delaminarea. Compozitele au un raport mare rezistență-greutate, făcându-le indispensabile în industria aerospațială, echipamentele sportive și aplicațiile auto de înaltă performanță.

6.4 Altele (Lemn, Ceramica etc.)

Deși mai puțin frecvent în contexte industriale, lemnul poate fi prelucrat CNC pentru fabricarea de mobilier și elemente arhitecturale. Ceramica necesită scule diamantate și este utilizată în domenii specializate, cum ar fi echipamentele semiconductoare și implanturile biomedicale.

7. Procesul de prelucrare CNC

7.1 Faza de proiectare

Totul începe cu designul produsului . Inginerii sau designerii conceptualizează componenta, luând în considerare funcționalitatea, estetica și fezabilitatea de fabricație. Este creat un model CAD, care conține toată geometria și toleranțele necesare pentru pașii următori.

7.2 Faza de programare (cod G și cod M)

Folosind modelul CAD, software-ul CAM traduce geometria în instrucțiuni de tăiere. Software-ul alege automat sau permite selectarea manuală a:

Traseele sculei (traseul pe care îl va parcurge fiecare freză)
Viteze și avansuri (rpm axului și viteze de avans)
Adâncimea de tăiere și alți parametri

Rezultă un fișier G-code . În timp ce codul G gestionează de obicei mișcările și coordonatele, codurile M gestionează funcțiile auxiliare ale mașinii, cum ar fi pornirea sau oprirea axului, pornirea/oprirea lichidului de răcire și schimbările sculei.

7.3 Configurarea și calibrarea mașinii

Operatorul CNC configurează mașina prin:

Montarea piesei de prelucrat pe masa mașinii sau pe mandrina
Introducerea și calibrarea sculelor în suportul pentru scule
Definirea piesei zero sau „sistem de coordonate de lucru”, astfel încât mașina să știe de unde să înceapă tăierea
Efectuarea unei rulări uscate sau tăiere cu aer pentru a verifica că nu există coliziuni sau erori de program

Calibrarea și alinierea sunt esențiale pentru a se asigura că piesa este tăiată în toleranțele specificate.

7.4 Operații de prelucrare

Odată ce configurația este verificată, operatorul inițiază ciclul de prelucrare , iar mașina CNC execută instrucțiunile codului G. În funcție de complexitatea piesei și de capabilitățile mașinii, mai multe operații - frezare, găurire, filetare, strunjire - pot avea loc secvenţial. Mașinile avansate pot comuta automat între operațiuni fără intervenția utilizatorului, simplificând și mai mult producția.

7.5 Controlul și inspecția calității

După prelucrare, piesele sunt supuse controlului calității pentru a asigura acuratețea dimensională și conformitatea cu specificațiile. Metodele comune de inspecție includ:

Etrier și micrometre pentru verificări dimensionale
Mașini de măsurat coordonate (CMM) pentru inspecția geometriei complexe
Metode de testare nedistructivă (NDT) cum ar fi testele cu ultrasunete sau testele de penetrare a coloranților în aplicații critice

Dacă piesa îndeplinește toate cerințele, se trece la următoarea etapă (de exemplu, finisare, asamblare). În caz contrar, pot fi necesare ajustări în program sau configurare pentru a corecta erorile.

8. Aplicații ale prelucrării CNC în diverse industrii

8.1 Industria auto

Prelucrarea CNC joacă un rol esențial în producția de automobile, producând componente de motor, piese de transmisie și module de șasiu. Producția în volum mare și toleranțele strânse asigură că vehiculele rulează în siguranță și eficient. Prelucrarea CNC acceptă, de asemenea, personalizarea aftermarket, permițând crearea de piese de performanță specializate și prototipuri pentru mașini concept.

8.2 Aerospațial și Apărare

Piesele de avioane și nave spațiale necesită adesea o precizie extremă și folosesc materiale exotice precum titanul și aliajele la temperatură înaltă . Prelucrarea CNC oferă rezultatele fiabile cerute de aceste industrii. De la paletele turbinei la componentele structurale, tehnologia CNC ajută la îndeplinirea standardelor riguroase de siguranță și performanță stabilite de sectoarele aerospațiale și de apărare.

8.3 Medical și asistență medicală

Dispozitivele medicale și instrumentele chirurgicale trebuie să respecte cerințe stricte de calitate și sterilitate. Prelucrarea CNC este folosită pentru realizarea de implanturi, protetice, dispozitive ortopedice și componente dentare. Materiale precum oțelul inoxidabil, titanul și anumite materiale plastice biocompatibile sunt utilizate în mod obișnuit. Precizia este esențială aici, deoarece viața umană poate depinde de precizia acestor componente.

8.4 Electronică

De la electronice de larg consum, cum ar fi smartphone-uri și laptopuri, până la echipamente sofisticate cu semiconductori, prelucrarea CNC se află în spatele multor carcase din metal și plastic, radiatoare și structuri interne. Industria electronică beneficiază de timpi rapizi de iterare și precizie ridicată, critice pe o piață care necesită actualizări și îmbunătățiri frecvente.

8.5 Bunuri de consum

În producția de produse de larg consum , prelucrarea CNC este folosită pentru orice, de la bijuterii personalizate până la articole complicate de decor. În plus, prototiparea bunurilor de larg consum înainte de producția în masă ajută companiile să perfecționeze designul și să reducă costurile.

9. Avantaje și dezavantaje

Avantaje:

Înaltă precizie și consistență : Ideal pentru industriile care necesită toleranțe stricte.
Scalabilitate : trece cu ușurință de la prototipare la producție la scară completă.
Eroare umană redusă : comenzile computerului asigură că fiecare parte îndeplinește specificațiile exacte.
Versatilitate : Capabil să manipuleze diverse materiale și geometrii complexe.
Flux de lucru eficient : software-ul CAM optimizează traseele sculei și strategiile de prelucrare.

Dezavantaje:

Investiție inițială : mașinile CNC și software-ul aferent pot fi costisitoare, în special pentru întreprinderile mici sau pasionați.
Cerințe de forță de muncă calificată : Operatorii și programatorii trebuie să fie instruiți pentru a se ocupa de configurare, întreținere și depanare.
Întreținere și timp de nefuncționare : mașinile CNC necesită întreținere și calibrare regulată, ceea ce poate duce la timpi de nefuncționare.
Mai puțin rentabil pentru volume mici : dacă aveți nevoie doar de câteva piese, timpul și costurile de configurare ar putea depăși beneficiile.

10. Provocări în prelucrarea CNC

Toleranțe strânse și geometrii complexe : Pe măsură ce proiectele devin mai complicate, realizarea acestor specificații stricte împinge capabilitățile mașinii și crește complexitatea instalării.
Uzura și spargerea sculelor : sculele de tăiere se degradează, în special atunci când se lucrează cu materiale dure, cum ar fi titanul și oțelurile întărite, ceea ce duce la costuri mai mari de scule.
Generarea de căldură și distorsiunea materialului : Tăierea continuă de mare viteză generează căldură, care poate distorsiona piesele și poate afecta proprietățile materialului. Răcirea adecvată și designul robust al dispozitivului de fixare sunt cruciale.
Erori de programare : traseele sculelor, vitezele de avans sau vitezele incorecte pot duce la piese casate și risipa de materiale.
Managementul lanțului de aprovizionare : calitatea și disponibilitatea constantă a materialelor pot deveni o provocare pentru proiectele cu volum mare.
Cerințe de reglementare și siguranță : Industriile precum cea aerospațială și cea medicală cer conformitatea cu standarde stricte de calitate, necesitând controale și documentație robuste ale procesului.

11. Cele mai recente tendințe și perspective de viitor

Prelucrarea CNC este în fruntea inovației în producție, mai ales pe măsură ce apar noi tehnologii:

Automatizare și robotică : roboții colaborativi (coboți) se pot ocupa de încărcarea și descărcarea pieselor, reducând munca manuală. Schimbatoarele automate de scule și sistemele de paleți îmbunătățesc, de asemenea, timpul de funcționare al mașinii.
Mașini cu sarcini multiple : centrele CNC moderne combină adesea frezarea, strunjirea și alte procese într-o singură configurație a mașinii, eliminând nevoia de a transfera piesele între mașini.
Prelucrare pe 5 axe : Oferind o flexibilitate de neegalat, mașinile cu 5 axe pot crea geometrii complexe în mai puține configurații, economisind timp și îmbunătățind precizia.
Gemeni digitali și simulări virtuale : înainte de a tăia materialul fizic, simulările virtuale pot verifica întregul proces de prelucrare, previzând coliziunile și optimizând traseele sculei pentru a economisi timp și costuri.
IoT și Smart Manufacturing : Senzorii integrați în mașinile CNC pot transmite date operaționale în timp real către sisteme bazate pe cloud, permițând întreținerea predictivă, programarea îmbunătățită a producției și o trasabilitate mai bună.
Fabricare aditivă și hibridă : Unele mașini CNC sunt combinate cu tehnologii aditive, cum ar fi imprimarea 3D, permițând ca piesele să fie construite și apoi prelucrate la toleranțe finale în cadrul aceluiași sistem.
Practici ecologice : Cu reglementări de mediu mai stricte, producătorii se concentrează pe strategii precum prelucrarea uscată (reducerea utilizării lichidului de răcire) și optimizarea traseelor de tăiere pentru a minimiza deșeurile.

Viitorul prelucrării CNC este intrinsec legat de inițiativele Industriei 4.0 . Pe măsură ce automatizarea, conectivitatea și analiza datelor devin tot mai răspândite, prelucrarea CNC se va transforma în sisteme de producție și mai eficiente, inteligente și adaptabile. Această evoluție va continua să reducă costurile de producție, să reducă timpii de livrare și să conducă la o calitate mai ridicată în diferite sectoare.

12. Concluzie

Prelucrarea CNC a revoluționat modul în care produsele sunt proiectate, prototipate și fabricate. Precizia, repetabilitatea și flexibilitatea acestuia îl fac un proces de neprețuit în industria auto, aerospațială, medicală și în nenumărate alte industrii. Pe măsură ce tehnologia avansează – de la prelucrarea pe mai multe axe la automatizarea bazată pe inteligență artificială – capacitățile mașinilor CNC continuă să se extindă, deblocând noi orizonturi pentru inovație în dezvoltarea de produse.

Indiferent dacă sunteți un nou venit în prelucrarea CNC sau un veteran care dorește să rămână la curent, înțelegerea principiilor de bază — integrarea CAD/CAM, configurarea mașinii, materialele și cele mai recente tendințe — rămâne esențială. Prin valorificarea punctelor forte ale prelucrării CNC și abordând provocările acesteia, producătorii pot îmbunătăți eficiența, pot reduce costurile și pot crea produse de o calitate fără egal. Lumea prelucrării CNC este în continuă evoluție, iar cei care țin pasul cu aceste evoluții vor culege, fără îndoială, beneficiile acestei tehnologii de fabricație transformatoare.

Total 0 voturi