La lavorazione di precisione è un processo per rimuovere il materiale da un pezzo durante la tenuta delle finiture di tolleranza. La macchina di precisione ha molti tipi, tra cui fresatura, rotazione e lavorazione di scarico elettrico. Una macchina di precisione oggi è generalmente controllata utilizzando un computer numerico per computer (CNC).
Quasi tutti i prodotti in metallo usano la lavorazione di precisione, così come molti altri materiali come plastica e legno. Queste macchine sono gestite da macchinisti specializzati e addestrati. Affinché lo strumento di taglio faccia il proprio lavoro, deve essere spostato in direzioni specificate per effettuare il taglio corretto. Questo movimento primario è chiamato "velocità di taglio". Il pezzo può anche essere spostato, noto come il movimento secondario di "feed". Insieme, questi movimenti e la nitidezza dello strumento di taglio consentono di funzionare alla macchina di precisione.
La lavorazione di precisione di qualità richiede la possibilità di seguire progetti estremamente specifici realizzati da programmi CAD (Computer Aided Design) o CAM (Computer Aided Manufacturing) come AutoCAD e Turbocad. Il software può aiutare a produrre diagrammi o contorni complessi o tridimensionali necessari per produrre uno strumento, una macchina o un oggetto. Questi progetti devono essere rispettati con grandi dettagli per garantire che un prodotto mantenga la sua integrità. Mentre la maggior parte delle aziende di lavorazione di precisione lavora con una qualche forma di programmi CAD/CAM, funzionano ancora spesso con schizzi disegnati a mano nelle fasi iniziali di un design.
La lavorazione di precisione viene utilizzata su una serie di materiali tra cui acciaio, bronzo, grafite, vetro e materie plastiche per citarne alcuni. A seconda delle dimensioni del progetto e dei materiali da utilizzare, verranno utilizzati vari strumenti di lavorazione di precisione. È possibile utilizzare qualsiasi combinazione di torni, fresature, presse per trapani, seghe e anche robotica ad alta velocità. L'industria aerospaziale può utilizzare la lavorazione ad alta velocità, mentre un'industria degli attrezzi in legno potrebbe utilizzare i processi di incisione e fresatura foto-chimica. L'impostato da una corsa, o una quantità specifica di un particolare articolo, può essere numerato a migliaia o essere solo pochi. La lavorazione di precisione richiede spesso la programmazione dei dispositivi CNC, il che significa che sono controllati numericamente al computer. Il dispositivo CNC consente di seguire le dimensioni esatte durante la corsa di un prodotto.
La fresatura è il processo di lavorazione dell'utilizzo di tagliatori rotanti per rimuovere il materiale da un pezzo avanzando (o alimentando) il taglio nel pezzo in una certa direzione. Il cutter può anche essere trattenuto ad un angolo rispetto all'asse dello strumento. La fresatura copre un'ampia varietà di diverse operazioni e macchine, su scale da piccole parti singole a grandi operazioni di macinazione di bande pesanti. È uno dei processi più comunemente usati per la lavorazione di parti personalizzate a tolleranze precise.
La fresatura può essere eseguita con una vasta gamma di macchine utensili. La classe originale di macchine utensili per la fresatura era la macinazione (spesso chiamata mulino). Dopo l'avvento del controllo numerico del computer (CNC), le macchine per fresature si sono evolute in centri di lavorazione: macchine per fresature aumentate da cambi di utensili automatici, riviste di strumenti o giostra, capacità CNC, sistemi di refrigerante e recinti. I centri di fresatura sono generalmente classificati come centri di lavorazione verticale (VMC) o centri di lavorazione orizzontale (HMC).
L'integrazione della fresatura in ambienti di svolta e viceversa, è iniziata con strumenti dal vivo per torni e l'uso occasionale di mulini per le operazioni di svolta. Ciò ha portato a una nuova classe di macchine utensili, macchine multitasking (MTM), che sono costruite appositamente per facilitare la fresatura e la svolta all'interno della stessa busta di lavoro.
Per gli ingegneri di progettazione, i team di ricerca e sviluppo e i produttori che dipendono dall'approvvigionamento di parti, la lavorazione CNC di precisione consente la creazione di parti complesse senza ulteriore elaborazione. In effetti, la lavorazione CNC di precisione spesso consente di realizzare le parti finite su una singola macchina.
Il processo di lavorazione rimuove il materiale e utilizza una vasta gamma di utensili da taglio per creare la progettazione finale e spesso altamente complessa di una parte. Il livello di precisione viene migliorato attraverso l'uso del controllo numerico del computer (CNC), che viene utilizzato per automatizzare il controllo degli strumenti di lavorazione.
Il ruolo di "CNC" nella lavorazione di precisione
Utilizzando le istruzioni di programmazione codificata, la lavorazione CNC di precisione consente di tagliare e modellare un pezzo di lavoro senza intervento manuale da parte di un operatore di macchine.
Assumendo un modello di design assistito da computer (CAD) fornito da un cliente, un macchinista esperto utilizza un software di produzione assistito da computer (CAM) per creare le istruzioni per la lavorazione della parte. Sulla base del modello CAD, il software determina quali percorsi dello strumento sono necessari e genera il codice di programmazione che dice alla macchina:
■ Quali sono i RPM e le velocità di alimentazione corretti
■ Quando e dove spostare lo strumento e/o il pezzo
■ Quanto profondo tagliare
■ Quando applicare il refrigerante
■ Qualsiasi altro fattore relativo a velocità, velocità di alimentazione e coordinamento
Un controller CNC utilizza quindi il codice di programmazione per controllare, automatizzare e monitorare i movimenti della macchina.
Oggi, il CNC è una caratteristica integrata di una vasta gamma di attrezzature, da torni, mulini e router al filo EDM (lavorazione a scarica elettrica), laser e macchine da taglio al plasma. Oltre ad automatizzare il processo di lavorazione e migliorare la precisione, CNC elimina le attività manuali e libera i macchinisti per supervisionare più macchine in esecuzione contemporaneamente.
Inoltre, una volta progettato un percorso dello strumento e una macchina è programmata, può eseguire una parte in ogni numero di volte. Ciò fornisce un alto livello di precisione e ripetibilità, che a sua volta rende il processo altamente economico e scalabile.
Materiali lavorati
Alcuni metalli che sono comunemente lavorati includono alluminio, ottone, bronzo, rame, acciaio, titanio e zinco. Inoltre, possono anche essere lavorati in legno, schiuma, fibra di vetro e materie plastiche come il polipropilene.
In effetti, praticamente qualsiasi materiale può essere utilizzato con la lavorazione del CNC di precisione, ovviamente, a seconda dell'applicazione e dei suoi requisiti.
Alcuni vantaggi della lavorazione CNC di precisione
Per molte delle piccole parti e componenti che vengono utilizzati in una vasta gamma di prodotti fabbricati, la lavorazione a CNC di precisione è spesso il metodo di scelta di fabbricazione.
Come è vero per praticamente tutti i metodi di taglio e lavorazione, materiali diversi si comportano in modo diverso e anche le dimensioni e la forma di un componente hanno un grande impatto sul processo. Tuttavia, in generale, il processo di lavorazione a CNC di precisione offre vantaggi rispetto ad altri metodi di lavorazione.
Questo perché la lavorazione a CNC è in grado di consegnare:
■ Un alto grado di complessità in parte
■ Tolleranze strette, in genere che vanno da ± 0,0002 "(± 0,00508 mm) a ± 0,0005" (± 0,0127 mm)
■ Finiture superficiali eccezionalmente lisce, comprese le finiture personalizzate
■ Ripetibilità, anche ad alti volumi
Mentre un macchinista qualificato può usare un tornio manuale per fare una parte di qualità in quantità di 10 o 100, cosa succede quando hai bisogno di 1.000 parti? 10.000 parti? 100.000 o un milione di parti?
Con la lavorazione del CNC di precisione, è possibile ottenere la scalabilità e la velocità necessarie per questo tipo di produzione ad alto volume. Inoltre, l'elevata ripetibilità della lavorazione del CNC di precisione offre parti che sono tutte uguali dall'inizio alla fine, indipendentemente da quante parti stai producendo.
Esistono alcuni metodi molto specializzati di lavorazione a CNC, tra cui EDM a filo (lavorazione a scarica elettrica), lavorazione additiva e stampa laser 3D. Ad esempio, Wire EDM utilizza materiali conduttivi -in genere metalli -e scarichi elettrici per erodere un pezzo in forme intricate.
Tuttavia, qui ci concentreremo sui processi di fresatura e tornitura: due metodi sottrattivi ampiamente disponibili e frequentemente utilizzati per la lavorazione del CNC di precisione.
Macinazione vs. Turning
La fresatura è un processo di lavorazione che utilizza uno strumento di taglio cilindrico rotante per rimuovere il materiale e creare forme. Le attrezzature per la fresatura, conosciute come mulino o un centro di lavorazione, realizza un universo di geometrie di parte complesse su alcuni dei più grandi metalli lavorati con oggetti.
Una caratteristica importante della fresatura è che il pezzo rimane stazionario mentre lo strumento di taglio gira. In altre parole, su un mulino, lo strumento di taglio rotante si muove attorno al pezzo, che rimane fisso in posizione su un letto.
La svolta è il processo di taglio o modellatura di un pezzo su attrezzature chiamata tornio. Tipicamente, il tornio gira il pezzo su un asse verticale o orizzontale mentre uno strumento di taglio fisso (che può o non può essere girato) si muove lungo l'asse programmato.
Lo strumento non può aggirare fisicamente la parte. Il materiale ruota, consentendo allo strumento di eseguire le operazioni programmate. (C'è un sottoinsieme di torni in cui gli strumenti girano attorno a un filo alimentato a bobina, tuttavia, che non è coperto qui.)
Nel girare, a differenza della fresatura, il pezzo gira. Lo stock di parte gira il mandrino del tornio e lo strumento di taglio viene messo in contatto con il pezzo.
MANUALE VS. MACCHINING CNC
Mentre sia i mulini che i torni sono disponibili in modelli manuali, le macchine a CNC sono più appropriate ai fini della produzione di piccole parti, offrendo scalabilità e ripetibilità per applicazioni che richiedono una produzione ad alto volume di parti di tolleranza stretta.
Oltre a offrire semplici macchine a 2 assi in cui lo strumento si muove negli assi X e Z, le apparecchiature CNC di precisione includono modelli multi-asse in cui può anche muoversi il pezzo. Ciò è in contrasto con un tornio in cui il pezzo è limitato alla rotazione e gli strumenti si muoveranno per creare la geometria desiderata.
Queste configurazioni multi-asse consentono la produzione di geometrie più complesse in un'unica operazione, senza richiedere ulteriori lavori da parte dell'operatore della macchina. Ciò non solo semplifica la produzione di parti complesse, ma riduce anche o elimina la possibilità di errore dell'operatore.
Inoltre, l'uso del liquido di raffreddamento ad alta pressione con la lavorazione del CNC di precisione garantisce che i chip non entrino nei lavori, anche quando si utilizzano una macchina con un mandrino orientato verticalmente.
CNC Mills
Diverse macchine per fresature variano nelle loro dimensioni, configurazioni di asse, velocità di alimentazione, velocità di taglio, direzione dell'alimentazione della fresatura e altre caratteristiche.
Tuttavia, in generale, i mulini CNC utilizzano tutti un mandrino rotante per tagliare il materiale indesiderato. Sono usati per tagliare metalli duri come acciaio e titanio ma possono anche essere utilizzati con materiali come plastica e alluminio.
I mulini CNC sono costruiti per la ripetibilità e possono essere utilizzati per tutto, dalla prototipazione alla produzione di volume elevato. I mulini CNC di precisione di fascia alta vengono spesso utilizzati per lavori di tolleranza stretta come stampi e stampi.
Mentre la fresatura CNC può fornire rapidi inversione di tendenza, la finitura Milked crea parti con segni di utensili visibili. Può anche produrre parti con alcuni bordi e bacche affilate, quindi potrebbero essere necessari ulteriori processi se i bordi e le bara sono inaccettabili per tali caratteristiche.
Naturalmente, gli strumenti di sfaccettatura programmati nella sequenza sfissano, anche se di solito raggiunge il 90% del requisito finito al massimo, lasciando alcune funzionalità per la finitura finale delle mani.
Per quanto riguarda la finitura superficiale, ci sono strumenti che produrranno non solo una finitura superficiale accettabile, ma anche una finitura a specchio su parti del prodotto di lavoro.
Tipi di mulini CNC
I due tipi di base di fresature sono noti come centri di lavorazione verticale e centri di lavorazione orizzontale, in cui la differenza principale è nell'orientamento del mandrino della macchina.
Un centro di lavorazione verticale è un mulino in cui l'asse del mandrino è allineato in una direzione dell'asse z. Queste macchine verticali possono essere ulteriormente divise in due tipi:
■ Mulini da letto, in cui il mandrino si muove parallelamente al proprio asse mentre il tavolo si muove perpendicolare all'asse del mandrino
■ mulini a torretta, in cui il mandrino è stazionario e il tavolo viene spostato in modo che sia sempre perpendicolare e parallelo all'asse del mandrino durante l'operazione di taglio
In un centro di lavorazione orizzontale, l'asse del mandrino del mulino è allineato in una direzione dell'asse Y. La struttura orizzontale significa che questi mulini tendono a occupare più spazio sul pavimento della macchina; Sono anche generalmente più pesanti di peso e più potenti delle macchine verticali.
Un mulino orizzontale viene spesso utilizzato quando è necessaria una migliore finitura superficiale; Questo perché l'orientamento del mandrino significa che i chip di taglio cadono naturalmente e vengono facilmente rimossi. (Come ulteriore vantaggio, una rimozione efficiente del chip aiuta ad aumentare la durata degli strumenti.)
In generale, i centri di lavorazione verticale sono più diffusi perché possono essere potenti come i centri di lavorazione orizzontale e possono gestire parti molto piccole. Inoltre, i centri verticali hanno un'impronta minore rispetto ai centri di lavorazione orizzontale.
Mills CNC multi-asse
I centri mulini CNC di precisione sono disponibili con più assi. Un mulino a 3 assi utilizza gli assi X, Y e Z per un'ampia varietà di lavori. Con un mulino a 4 assi, la macchina può ruotare su un asse verticale e orizzontale e spostare il pezzo per consentire una lavorazione più continua.
Un mulino a 5 assi ha tre assi tradizionali e due assi rotanti aggiuntivi, che consentono di ruotare il pezzo mentre la testa del mandrino si muove attorno a esso. Ciò consente di lavorare con cinque lati di un pezzo senza rimuovere il pezzo e ripristinare la macchina.
Tornio CNC
Un tornio - chiamato anche centro di svolta - ha uno o più mandrini e assi X e Z. La macchina viene utilizzata per ruotare un pezzo sul suo asse per eseguire varie operazioni di taglio e modellatura, applicando una vasta gamma di strumenti al pezzo.
I torni CNC, che sono anche chiamati per gli strumenti di azione dal vivo, sono ideali per creare parti cilindriche o sferiche simmetriche. Come i mulini CNC, i torni CNC possono gestire operazioni più piccole come prototipazione ma possono anche essere impostate per un'elevata ripetibilità, supportando la produzione ad alto volume.
I torni CNC possono anche essere creati per una produzione relativamente a mani libere, il che li rende ampiamente utilizzati nelle industrie automobilistiche, elettroniche, aerospaziali, di robotica e dei dispositivi medici.
Come funziona un tornio CNC
Con un tornio CNC, una barra vuota di materiale di serie viene caricata nel mandrino del mandrino del tornio. Questo Chuck tiene il pezzo in posizione mentre il mandrino ruota. Quando il mandrino raggiunge la velocità richiesta, uno strumento di taglio stazionario viene messo in contatto con il pezzo per rimuovere il materiale e ottenere la geometria corretta.
Un tornio CNC può eseguire una serie di operazioni, come la perforazione, il threading, la noiosa, la risorta, la rivolta e la rotazione del rastremazione. Diverse operazioni richiedono modifiche allo strumento e possono aumentare i tempi di costi e configurazione.
Quando tutte le operazioni di lavorazione richieste sono completate, la parte viene tagliata dallo stock per ulteriori elaborazioni, se necessario. Il tornio CNC è quindi pronto a ripetere l'operazione, con un tempo di configurazione aggiuntivo poco o nullo generalmente richiesto nel mezzo.
I torni CNC possono anche ospitare una varietà di alimentatori automatici a barre, che riducono la quantità di movimentazione delle materie prime manuali e offrono vantaggi come i seguenti:
■ Ridurre il tempo e gli sforzi richiesti all'operatore della macchina
■ Supportare il barsket per ridurre le vibrazioni che possono influire negativamente sulla precisione
■ Consenti alla macchina utensile di funzionare a velocità ottimale del mandrino
■ Ridurre al minimo i tempi di cambio
■ Ridurre i rifiuti di materiale
Tipi di torni CNC
Esistono diversi tipi di torni, ma i più comuni sono i torni CNC a 2 assi e i torni automatici in stile Cina.
La maggior parte dei torni della CNC China utilizza uno o due mandrini principali più uno o due mandrini posteriori (o secondari), con trasferimento rotante responsabile del primo. Il mandrino principale esegue l'operazione di lavorazione primaria, con l'aiuto di una boccola guida.
Inoltre, alcuni torni in stile cinese sono dotati di una seconda testa dello strumento che opera come un mulino CNC.
Con un tornio automatico in stile CNC in stile Cina, il materiale di serie viene alimentato attraverso un mandrino scorrevole in una boccola guida. Ciò consente allo strumento di tagliare il materiale più vicino al punto in cui il materiale è supportato, rendendo la macchina cinese particolarmente benefica per parti lunghe e sottili e per la micromachining.
I centri di svolta CNC multi-asse e i torni in stile cinese possono realizzare più operazioni di lavorazione utilizzando una singola macchina. Ciò li rende un'opzione economica per geometrie complesse che altrimenti richiederebbero più macchine o modifiche allo strumento utilizzando apparecchiature come un mulino CNC tradizionale.