Металлообработка на станках с ЧПУ: секреты технологии

Металлообработка на станках с ЧПУ незаменима там, где требуется большое количество изделий с высокими показателями точности обработки. Помимо этого, станки с ЧПУ обеспечивают и высокую повторяемость производимых изделий.

Такая металлообработка становится все более популярной, но это не означает, что ей присущи только положительные стороны. Чтобы лучше разобраться в том, что собой представляет металлообработка на станках с ЧПУ, мы расскажем про принцип действия такого оборудования и особенности процессов.

Устройство и принцип работы станка с ЧПУ для металлообработки

Станки с ЧПУ управляются специально созданной компьютерной программой. До появления ЧПУ они контролировались вручную. Сейчас компьютер через сервоприводы приводит станок в действие. Участие человека в управлении оборудованием практически не требуется, только для его запуска.

ЧПУ (числовое программное управление) – это управление, осуществляемое компьютером. Можно считать, что станки с ЧПУ – это своеобразные роботизированные устройства.

Металлообработка посредством такого оборудования – это изготовление деталей под руководством компьютера, вернее, специальной программы. До появления ЧПУ станки имели гидравлическую систему, которая штамповала изделия в соответствии с шаблоном. Новые системы позволили усилить контроль на всех этапах работ, например, скорость шпинделя или запуск кулера и, конечно, движения обрабатывающего центра. Оборудование с таким управлением сделали работу по массовому производству изделий значительно легче.

В настоящее время работает множество видов станков с ЧПУ. Это и 3D-принтеры, и маршрутизаторы, и аппараты для водоструйной металлообработки, а также электроэрозионной и пр. Рассмотрим принцип, а также этапы их работы.

Программы для станков с ЧПУ специалисты пишут, используя один из языков программирования – G-Code. Существует два способа написания программ: работа с нуля или с использованием программного обеспечения, которое может преобразовать сделанный в программе CAD чертеж изделия в G-код.

В недавнем прошлом станки с ЧПУ из-за их дороговизны использовались в основном в промышленности. Однако сейчас рынок наполнен большим количеством оборудования с доступной стоимостью. Профессионалы и любители с удовольствием пользуются ими уже не в промышленных масштабах, а в личных целях.

• Устройство ввода данных.

Оно применяется, чтобы ввести программу в оборудование. Сейчас используется три основных вида таких устройств: это считыватели с перфоленты и магнитной ленты, а также компьютер, который работает через RS-232-C порт.

• Блок управления станком (БУС).

Считается центром станка и осуществляет полное управление им. БУС выполняет следующие функции:

• Прочтение всех кодов, поступающих в блок управления.
• Раскодировка кодов.
• Спиральная, линейная, круговая интерполяции в целях создания сигналов (команд), с помощью которых происходит движение оси.
• Сообщение в схемы усилителя команд движения, которые управляют механизмами оси.
• Получение и реагирование на сообщения о скорости и расположении осей привода.
• Дополнительные функции, например, включение/отключение кулера, а также шпинделя, замена инструмента.
• Исполнительный механизм.

Станки с ЧПУ снабжены шпинделем и столом. Они контролируют скорость и положение. Их управление происходит в разных плоскостях: шпинделя – по оси Z, а стола – по осям X и Y.

• Система привода.

Включает в себя шарико-винтовой подшипник (ШВП) схемы усилителя, приводные двигатели. БУС с помощью сигналов передает информацию об осях, их скорости и положении на схемы усилителя. После чего сила сигналов возрастает для приведения в рабочее состояние двигателей привода, вращающих ШВП. Это делается для того, чтобы настроить рабочий стол в нужном положении.

• Система обратной связи.

Это измерительная система, состоящая из датчиков или преобразователей, которые находятся в состоянии непрерывного контроля скорости и расположения инструмента для резки. Блок управления принимает, распознает и отправляет сигналы. Он высчитывает разницу между полученным сигналом обратной связи и исходным, а затем создает сигнал, который должен скорректировать скорость и положение.

• Пульт управления.

Пульт включает дисплей, необходимый для визуализации команд оператора, а также иных данных станка. Его расположение может быть настроено в соответствии с пожеланиями оператора.

• Принцип работы.

Рабочий процесс составляет:

• выбор программы с помощью пульта управления;
• преобразование заложенных в программу процессов в сигналы с помощью существующего механизма ввода, который предварительно читает ее;
• хранение этих сигналов в течение всего процесса металлообработки в промежуточной памяти программы и последующего стирания их;
• передача задания для начала работы этих сигналов с помощью специального узла, который контролирует все перемещения в соответствии с сигналами заданной программы.

В процессе работы станок выполняет не только основные, но и дополнительные функции. Примером важной функции может быть управление приводом подачи. А примером менее существенной – видоизменение инструмента, а также модификация скорости вращения.

Обратите внимание! Оборудование с ЧПУ имеет очень удобную систему переналадки. Специалисту не требуется собственноручно что-то переставлять или откручивать. Необходимо только изменить введенную информационную программу, и она самостоятельно перенастроит оборудование. После чего начнется работа с новыми параметрами по заданной программе. Столь быстрая возможность переналадки оборудования является основным достоинствам аппаратуры с ЧПУ.

ЧПУ дает возможность работать в автоматическом режиме, а также получать:

• хорошее качество;
• требуемую шероховатость поверхности;
• запрограммированную точность размеров и соответствие форм изделия.

Оборудование с ЧПУ помогает не только автоматизировать весь производственный цикл, но и сделать полуавтоматическими или автоматическими практически все производственные механизмы. Это дает возможность создать многостаночное обслуживание, экономя трудовые ресурсы и повышая производительность.

Плюсы и минусы металлообработки на станках с ЧПУ

Существующие в настоящее время технологии дают возможность оптимизации производства, увеличения качества изделий, а также роста мощности оборудования с ЧПУ.

Оно становится технологичнее, появляются новые преимущества его использования:

• Возросшая скорость обработки изделий. Оператор необходим только для запуска станка, нет необходимости в ручной перенастройке. Машина самостоятельно меняет режущие инструменты. Соответственно, происходит объединение нескольких действий. Делается все в один цикл, что значительно влияет на рост производительности.
• Скорость производства однотипных изделий одинаковая. Раньше на скорость работы оказывали влияния различные факторы, в том числе опыт работника. Оборудование с ЧПУ тратит на металлообработку одинаковых деталей такое же время, что удобно при планировании массового производства.
• Точность металлообработки. Правильно написанная программа дает возможность долгое время получать одинаковые изделия. Точность настолько высока, что не превышает микрона. Влияние человека на процесс металлообработки полностью исключается.
• Возможность производства сложных деталей. Станки с ЧПУ прекрасно справляются с деталями практически любой сложности. Поэтому данное оборудование используется при высокоточном авиационном производстве и в автомобилестроении. Примером может служить производство изделий с зеркальной симметрией. Для ручного изготовления это невероятно трудная задача, а для станков с ЧПУ нет.
• Сокращение персонала. Обслуживание автоматизированного оборудования требует небольшого количества профессиональных рабочих. На цех достаточно 2–4 человек, поскольку скорость их работы высока – они могут обслужить несколько станков за 12–15 минут.
• Возможность выстраивания автоматического конвейера. Если объединить несколько станков с ЧПУ, осуществляющих металлообработку, в производственную линию, то можно добиться полной автоматизации производства.

В настоящее время уже не требуется такой сложной подготовки персонала для работы с оборудованием. Несмотря на это, от подготовки оператора станков с ЧПУ зависит весь производственный процесс, в том числе и как поведет себя оборудование, каковы будут результаты его работы.

Любой технологический процесс имеет свои плюсы и минусы.

У оборудования с ЧПУ недостатки связаны с финансовыми затратами на покупку комплексной системы и последующее ее содержание:

• стоимость оборудования и монтажа выше, чем у традиционной аппаратуры;
• появляются затраты на покупку программного обеспечения, а также на обучение и переквалификацию работников;
• необходима стабильность электропитания, поскольку перебои приведут к порче изделий;
• нельзя допускать ошибок в написании программ, поскольку это приведет к браку;
• все же небольшая скорость изготовления при массовом производстве, исчисляющемся сотнями тысяч штук;
• отходы производства при металлообработке, которых нет при 3D-печати или литье.

Когда производится металлообработка крупных партий изделий на станках с ЧПУ на заказ, не получится значительно снизить общие затраты и, соответственно, себестоимость каждой детали, что является недостатком такого оборудования. Его достоинства полностью раскрываются при производстве дорогостоящих изделий, когда к процессу и результату металлообработки предъявляются высокие требования по точности, а также механической прочности.

Фрезерная металлообработка на станках с ЧПУ

Фрезерная металлообработка на станках с ЧПУ начинается с высокоскоростного вращения режущих инструментов. Скорость может быть до 1 тыс. об/мин. Все действия, которые выполняет машина, зависят от типа фрезерного оборудования и требований инструмента.

Фрезерные станки с ЧПУ для металлообработки работают таким образом, чтобы механизм подавал подвижные детали посредством вращения режущего инструмента. Этим автоматизированный процесс отличается от ручного фрезерования. Такой вид обработки известен как фрезерование при скалолазании. Обратная же операция считается обычным процессом фрезеровки.

Фрезерование больше всего подходит для чистовой (повторной) металлообработки изделия, ранее прошедшего первичную резку. С помощью этого процесса создаются различные мелкие детали изделия, такие как резьба, отверстия или пазы. Однако существуют операции, при которых данный вид металлообработки применяют от начала и до конца.

Сам процесс заключается в постепенном удалении металла и формировании формы детали. В начале происходит грубая металлообработка с отсеканием стружки и приблизительным созданием формы. Затем станок приступает к более точному фрезерованию. Вся обработка завершается в несколько подходов, после чего можно сверять деталь с заданными параметрами.

После завершения фрезерования и проверки соответствия детали индивидуальным параметрам, происходит чистовая металлообработка изделия.

Самыми часто встречающимися операциями фрезерования на станках с ЧПУ являются: торцевое, обычное, угловое, фрезерование формы.

• Торцевое фрезерование.

Это одна из операций, при которой поверхность детали перпендикулярна оси вращения режущих инструментов. Для работы применяются торцевые фрезы. Они покрыты зубьями и на периферии, и на поверхности. Для резки используют периферийные зубья, а для чистовой металлообработки – торцевые. Обработка торцевым фрезерованием проводится на плоских поверхностях и для создания контуров на готовых деталях. Такой метод способен сделать отделку более качественной. Он используется как на вертикальных, так и на горизонтальных станках.

Бывает боковое и торцевое фрезерование, когда применяют боковые и концевые фрезы.

• Угловое фрезерование.

При металлообработке методом углового фрезерования поверхность детали находится под углом к режущему инструменту. Для работы применяются одноугловые фрезы, они помогают созданию угловых элементов, например, фасок, канавок и зубцов.

• Фрезерование форм.

Это операция фрезерования неровных поверхностей и контуров. Например, заготовок с полностью изогнутыми поверхностями. Для металлообработки применяют формованные фрезы. Возможно также использование специальных фрез, предназначенных для определенного применения. К ним относятся вогнутые, выпуклые, а также угловые инструменты.

• Другие операции на фрезерных станках.

Фрезерные станки проводят металлообработку не только по вышеуказанным, но и по иным специализированным операциям. Примерами могут служить такие действия, как:

• Групповое фрезерование – применяются два и более резца на одной оправке агрегата, у них различается размер, ширина, форма. Резаки могут выполнять как одинаковые операции, так и различные. Это дает возможность изготовить сложные детали и конструкции в достаточно короткий срок.

• Фрезерование профиля – металлообработка, при которой резак идет по траектории вдоль наклонной или вертикальной поверхности изделия. При этом применяются фрезерные профильные станки с ЧПУ и соответствующие им режущие инструменты. Расположение инструментов может меняться и быть как параллельным заготовке, так и перпендикулярным.
• Зубонарезание – фрезерная металлообработка, с помощью которой производятся зубья зубчатых колес. Для их создания применяют эвольвентное зуборезное оборудование. Они снабжены фрезами по типу формованных, которые могут быть различных типов и иметь разный размер шага.

  Фрезы подбираются в зависимости от количества зубьев, которые понадобятся для определенной конструкции зубчатой передачи. Данный процесс используется зачастую для металлообработки самих зубьев.

• Иные процессы металлообработки – станки для фрезерования можно комплектовать другими инструментами, а не только фрезерными. Посредством такого оборудования можно сверлить, расширять, растачивать и нарезать резьбу.

Нюансы токарной металлообработки на станках с ЧПУ

Токарная металлообработка с помощью ЧПУ происходит посредством разного вида оборудования, которое различается по назначению, конструкции, показателям автоматизации, а также по типу выполненных задач.

В соответствии с типом выполняемых задач станки делятся на:

• центровые;
• патронно-центровые;
• патронные;
• прутковые;
• карусельные.

Для заготовок с прямо- и криволинейной формой выбирают оборудование с ЧПУ центрового типа. Для металлообработки прописывается специальная программа. На станке могут стоять горизонтальные или вертикальные направляющие.

Для резки заготовок, имеющих сложные формы, используют оборудование патронного типа. Оно готово выполнять множество операций: развертывание, сверление, обточку, а также цекование, зенкерование и нарезку.

Для внутренней и наружной металлообработки особо сложных изделий используются станки патронно-центрового типа. Они прекрасно подходят для токарных работ.

Для изготовления изделий большого размера применяют оборудование карусельного типа, которое имеет похожий принцип работы.

• Обработка.

Токарная обработка металла производится с высокой точностью, так как:

• в конструкции станков отсутствуют зазоры;
• токарные инструменты имеют высокую жесткость;
• система выполнения задач значительно проще;
• обратная связь происходит с помощью датчиков;
• устойчивость к вибрации у станка достаточно высока.

Перед началом работ станок (все его узлы и агрегаты) прогревается. Это дает возможность снизить коэффициент тепловой деформации до минимальных значений. Металлообрабатывающее оборудование, имеющее компьютерное управление, обладает прочной конструкцией, а также рабочими механизмами, точно перемещающимися вдоль заготовки.

Управляющие комплексы станков гарантируют правильную работу оборудования и его исправность. В конструкцию оборудования с ЧПУ для токарной металлообработки заложена возможность использования трех видов таких комплексов. Их особенности:

• контурный комплекс – программа осуществляет управление токарной обработкой криволинейным способом;
• позиционный комплекс – программа задает конечные координаты, по которым осуществляется обработка;
• адаптивный комплекс – в нем совмещены два предыдущих.

Выбирать токарное оборудование необходимо исходя из его назначения. Для определения комплекса, стоящего на аппарате, необходимо взглянуть на маркировку: Ф1, Ф2, Ф3 или Ф4. Оборудование со знаком Ф1 задает координаты еще до начала работ. Устройства с Ф2 снабжены позиционным комплексом, с Ф3 – контурным, с Ф4 – адаптивным.

Кроме того, маркировка может содержать еще один вид обозначений – С1, С2, С3, С4 или С5. Такие знаки показывают, насколько производительным является станок. Чем выше маркировка, тем он имеет более высокую производительность.

• Системы ЧПУ.

Токарное профессиональное оборудование обязательно должно иметь программоноситель. При покупке станка он может быть уже включен в его состав, поставляться отдельно (приобретается дополнительно) или разработан на производстве. Собственная разработка предпочтительнее, поскольку станок сможет выполнять большее количество операций. Однако это возможно только при наличии специалиста с достаточно большим опытом работы.

Программа, заложенная в станок с ЧПУ, должна предполагать три этапа работ:

1. Предварительная подготовка.
2. Доведение заготовки до чистового состояния.
3. Дополнительная металлообработка. Этот этап необязателен и задействуется только при выполнении работ по изделиям сложной формы. В случае разработки программы непрофессиональным работником, высок риск ошибок и, как следствие, брака.

Задача программоносителя – выполнить поставленную задачу в полном объеме. В случае сложной работы станки могут снабжаться несколькими программоносителями по определенному порядку. В такой ситуации необходимо следить, чтобы не допустить неточность.

Программа должна точно отражать последовательность всех действий. Кроме того, операции с высоким показателем жесткости должны осуществляться до операций с низким показателем.

Лазерная металлообработка на станках с ЧПУ

Благодаря своей уникальности лазер стал одним из самых эффективных инструментов на станках с ЧПУ. Уникальным его делают мощные излучения на ограниченном участке металлообработки, достигающие 108-109 Вт/см² при непрерывном режиме работы и 1016-1017 Вт/см² при импульсном режиме работы. Такое свойство позволяет очень быстро нагревать, а затем охлаждать металл. При этом сама заготовка не деформируется от нагревания. Продукты сгорания убираются из зоны металлообработки с помощью технического газа (азота, кислорода, воздуха и пр.) методом продувки. Лазерный луч удобен в использовании, так как им легко управлять, что делает его незаменимым в автоматизированных системах.

Лазер начали использовать с 70-х годов прошлого века. Сферы его применения: сварка, маркировка, наплавка и закалка, резка металла в процессе производства панелей, прокладок, дверей и приборных щитков, кронштейнов, декоративных решеток и пр.

Активное развитие лазерная металлообработка получила после появления на рынке оптоэлектронных лучепроводов повышенной гибкости, а также сложных кинематических роботов-манипуляторов. Они стали использоваться для пространственной металлообработки изделий.

Лазерное оборудование для резки металлов классифицируется в зависимости от источников излучения, а также от выходной мощности, определяющей обрабатываемый материал. Например, импульсно-периодический и квазинепрерывный источники излучения (твердотельные, гранат с неодимом Nd:YAG), имеющие мощность от 100 до 300 Вт, подходят для резки нержавейки и черных металлов. Для обработки различных сплавов (в том числе черных металлов), а также легированных сталей применяют лазер с газово-непрерывной подачей СО₂ мощностью до 2 500 Вт.

Работа лазера при постоянном перегреве из-за большой мощности должна обязательно сопровождаться охлаждением. Чаще всего применяют водяные двухконтурные системы или фреоновые холодильные компрессоры. Питание лазерного луча происходит с помощью импульсных или трансформаторных источников в зависимости от технологических задач. При требованиях по минимизации лазерных аппаратов используют импульсный источник, а для высокой надежности – трансформаторные схемы.

Существующие сейчас координатные столы – это высокоточное оборудование, которое базируется, большей частью, на «летающей оптике» (портальная схема). При этом лазерный луч, перемещаясь, режет неподвижную заготовку. Однако присутствуют и иные схемы. Например, резка Nd:YAG, при которой происходит взаимное перемещение: стол, с размещенной на нем заготовкой, перемещается по одной координате, а лазерный луч по другой.

В процессе резки лазером применяют различный технологический газ. Это может быть кислород, используемый для работы с черным металлом, или инертный газ (азот), применяемый для резки нержавейки. Удаление продуктов горения и распада (аэрозольные и газообразные) происходит с помощью вентиляции, для создания которой используют устройства, обязательно входящие в состав оборудования для лазерной обработки металлов.

Существуют и иные методы резки, кроме «летающей оптики». Например, деформируемые зеркала. Такая технология сочетает достоинства «портальной» и стационарной схем. В процессе работы луч лазера два раза меняет траекторию движения. До того, как достичь заготовки, он несколько раз отражается в зеркалах, имеющих поверхность управляемой формы. Одним из достоинств данного метода является полное отсутствие сложной механики. Однако управлять зеркалами достаточно сложно.