Täppistöötlus on protsess, mille käigus eemaldatakse toorikult materjali täpse tolerantsiga viimistluse hoidmise ajal. Täppispinke on mitut tüüpi, sealhulgas freesimine, treimine ja elektroerosioontöötlus. Tänapäeval juhitakse täppispinke üldiselt arvuti-numberjuhtimissüsteemi (CNC) abil.
Peaaegu kõik metalltooted, nagu ka paljud teised materjalid, näiteks plastik ja puit, kasutavad täppistöötlust. Neid masinaid käsitsevad spetsialiseerunud ja koolitatud mehaanikud. Selleks, et lõikeriist saaks oma tööd teha, tuleb seda liigutada etteantud suundades, et teha õige lõige. Seda peamist liikumist nimetatakse "lõikekiiruseks". Töödeldavat detaili saab samuti liigutada, mida tuntakse teisejärgulise liikumisena "etteande" all. Need liikumised koos lõikeriista teravusega võimaldavad täppismasinal töötada.
Kvaliteetne täppistöötlus nõuab võimet järgida äärmiselt spetsiifilisi jooniseid, mis on loodud CAD- (arvutipõhine projekteerimine) või CAM- (arvutipõhine tootmine) programmide, näiteks AutoCAD ja TurboCAD, abil. Tarkvara aitab luua keerukaid kolmemõõtmelisi diagramme või kontuure, mis on vajalikud tööriista, masina või eseme tootmiseks. Neid jooniseid tuleb järgida väga detailselt, et tagada toote terviklikkus. Kuigi enamik täppistöötlusettevõtteid töötab mingisuguse CAD/CAM-programmiga, töötavad nad disaini algfaasis sageli siiski käsitsi joonistatud visanditega.
Täppistöötlust kasutatakse paljude materjalide, sealhulgas terase, pronksi, grafiidi, klaasi ja plasti puhul, kui nimetada vaid mõnda. Sõltuvalt projekti suurusest ja kasutatavatest materjalidest kasutatakse mitmesuguseid täppistöötlustööriistu. Kasutada võib mis tahes kombinatsiooni treipinkidest, freespinkidest, puurpressidest, saagidest ja lihvimismasinatest ning isegi kiiretest robotitest. Lennundustööstus võib kasutada kiiret töötlemist, samas kui puidutööriistade tööstus võib kasutada fotokeemilist söövitus- ja freesimisprotsesse. Partii või mis tahes konkreetse eseme kindel kogus võib ulatuda tuhandetesse või olla vaid mõni üksik. Täppistöötlus nõuab sageli CNC-seadmete programmeerimist, mis tähendab, et need on arvuti abil numbriliselt juhitavad. CNC-seade võimaldab järgida täpseid mõõtmeid kogu tootepartii vältel.
Freesimine on töötlemine, mille käigus pöördlõikurite abil eemaldatakse toorikult materjali, lükates lõikurit teatud suunas toorikusse. Lõiketera võib olla ka tööriista telje suhtes nurga all. Freesimine hõlmab laia valikut erinevaid toiminguid ja masinaid, alates väikestest üksikdetailidest kuni suurte ja raskete grupifreesimisteni. See on üks levinumaid protsesse kohandatud detailide töötlemiseks täpsete tolerantsidega.
Freesimist saab teha väga erinevate tööpinkidega. Esialgne freespinkide klass oli freespink (sageli nimetatakse seda veskiks). Pärast arvuti numbrilise juhtimise (CNC) tulekut arenesid freespingid töötlemiskeskusteks: freespingid, mida täiendasid automaatsed tööriistavahetid, tööriistasalvid või karussellid, CNC-võimalused, jahutussüsteemid ja korpused. Freeskeskusi liigitatakse üldiselt vertikaalseteks töötlemiskeskusteks (VMC) või horisontaalseteks töötlemiskeskusteks (HMC).
Freesimise integreerimine treimiskeskkondadesse ja vastupidi algas treipinkide reaalajas tööriistade kasutamisega ja freespinkide aeg-ajalt kasutamisega treimisel. See viis uue tööpinkide klassi, multifunktsionaalsete masinate (MTM-ide) tekkeni, mis on spetsiaalselt loodud freesimise ja treimise hõlbustamiseks samas tööpiirkonnas.
Projekteerimisinseneridele, teadus- ja arendusmeeskondadele ning tootjatele, kes sõltuvad detailide hankimisest, võimaldab täppis-CNC-töötlus luua keerukaid osi ilma täiendava töötlemiseta. Tegelikult võimaldab täppis-CNC-töötlus sageli valmistada valmis osi ühel masinal.
Töötlemisprotsessi käigus eemaldatakse materjali ja kasutatakse laia valikut lõikeriistu, et luua detaili lõplik ja sageli väga keerukas kujundus. Täpsust suurendatakse arvuti abil numbrilise juhtimise (CNC) abil, mida kasutatakse töötlemisriistade juhtimise automatiseerimiseks.
CNC roll täppistöötluses
Kodeeritud programmeerimisjuhiste abil võimaldab täppis-CNC-töötlus töödeldavat detaili lõigata ja vormida vastavalt spetsifikatsioonidele ilma masinaoperaatori käsitsi sekkumiseta.
Kliendi esitatud arvutipõhise projekteerimise (CAD) mudeli põhjal loob asjatundlik masinameister arvutipõhise tootmistarkvara (CAM) abil juhised detaili töötlemiseks. CAD-mudeli põhjal määrab tarkvara vajalikud tööriistateed ja genereerib programmeerimiskoodi, mis annab masinale järgmised juhised:
■ Millised on õiged pöörete arvud ja etteandekiirused
■ Millal ja kuhu tööriista ja/või töödeldavat detaili liigutada
■ Kui sügavuti lõigata
■ Millal jahutusvedelikku peale kanda
■ Kõik muud kiiruse, etteandekiiruse ja koordinatsiooniga seotud tegurid
Seejärel kasutab CNC-kontroller programmeerimiskoodi masina liikumise juhtimiseks, automatiseerimiseks ja jälgimiseks.
Tänapäeval on CNC sisseehitatud funktsioon paljudes seadmetes, alates treipinkidest, freespinkidest ja freespinkidest kuni traaterosioonitöötluse (EDM), laser- ja plasmalõikusmasinateni. Lisaks töötlemisprotsessi automatiseerimisele ja täpsuse suurendamisele kõrvaldab CNC käsitsi tehtavad ülesanded ja vabastab mehaanikud, et nad saaksid hallata mitut samaaegselt töötavat masinat.
Lisaks, kui tööriista rada on juba projekteeritud ja masin programmeeritud, saab see detaili töödelda suvaline arv kordi. See tagab kõrge täpsuse ja korduvuse, mis omakorda muudab protsessi väga kulutõhusaks ja skaleeritavaks.
Töödeldavad materjalid
Mõned tavaliselt töödeldavad metallid on alumiinium, messing, pronks, vask, teras, titaan ja tsink. Lisaks saab töödelda ka puitu, vahtu, klaaskiudu ja plaste, näiteks polüpropüleeni.
Tegelikult saab täppis-CNC-töötlusega töödelda peaaegu iga materjali – loomulikult olenevalt rakendusest ja selle nõuetest.
Mõned täppis-CNC-töötluse eelised
Paljude väikeste osade ja komponentide puhul, mida kasutatakse laias valikus valmistatud toodetes, on täppis-CNC-töötlus sageli eelistatud valmistamismeetod.
Nagu praktiliselt kõigi lõike- ja töötlemismeetodite puhul, käituvad erinevad materjalid erinevalt ning komponendi suurusel ja kujul on protsessile samuti suur mõju. Üldiselt pakub täppis-CNC-töötlus aga teiste töötlemismeetodite ees eeliseid.
Seda seetõttu, et CNC-töötlus on võimeline pakkuma:
■ Suur detailide keerukusaste
■ Kitsad tolerantsid, tavaliselt vahemikus ±0,0002" (±0,00508 mm) kuni ±0,0005" (±0,0127 mm)
■ Erakordselt siledad pinnaviimistlused, sh eritellimusel valmistatud viimistlused
■ Korduvus isegi suurte mahtude korral
Kuigi oskuslik masinaehitaja suudab käsitsi treipingil valmistada kvaliteetseid detaile 10 või 100 tüki kaupa, mis juhtub siis, kui vaja läheb 1000 detaili? 10 000 detaili? 100 000 või miljonit detaili?
Täppis-CNC-töötlusega saavutate sellise suuremahulise tootmise jaoks vajaliku skaleeritavuse ja kiiruse. Lisaks annab täppis-CNC-töötluse kõrge korduvus teile detailid, mis on algusest lõpuni ühesugused, olenemata toodetavate detailide arvust.
CNC-töötlemiseks on olemas mõned väga spetsiifilised meetodid, sealhulgas traat-EDM (elektriline erosioontöötlus), lisandtöötlus ja 3D-laserprintimine. Näiteks traat-EDM kasutab juhtivaid materjale – tavaliselt metalle – ja elektrilahendusi, et töödeldavat detaili keerukateks kujunditeks erodeerida.
Siiski keskendume siin freesimis- ja treimisprotsessidele – kahele lahutavale meetodile, mis on laialdaselt saadaval ja mida kasutatakse täppis-CNC-töötluses.
Freesimine vs treimine
Freesimine on töötlemine, mille käigus kasutatakse materjali eemaldamiseks ja kujundite loomiseks pöörlevat silindrilist lõikeriista. Freesimisseadmed, mida tuntakse veskina või töötluskeskusena, võimaldavad luua keerukaid geomeetrilisi detaile mõnele suurimale metalli töödeldavale esemele.
Freesimise oluline omadus on see, et toorik jääb lõikeriista pöörlemise ajal paigale. Teisisõnu, freespingil liigub pöörlev lõikeriist ümber tooriku, mis jääb alusele fikseeritult paigale.
Treimine on töödeldava detaili lõikamise või vormimise protsess seadmel, mida nimetatakse treipingiks. Tavaliselt pöörleb treipink töödeldavat detaili vertikaalsel või horisontaalsel teljel, samal ajal kui fikseeritud lõikeriist (mis võib pöörleda või mitte) liigub programmeeritud teljel.
Tööriist ei saa füüsiliselt ümber detaili liikuda. Materjal pöörleb, võimaldades tööriistal programmeeritud toiminguid teostada. (On olemas treipinkide alamhulk, kus tööriistad pöörlevad ümber poolil etteantava traadi, kuid seda siin ei käsitleta.)
Treimisel, erinevalt freesimisest, pöörleb toorik. Toorik pöörleb treipingi spindlil ja lõikeriist viiakse kokku toorikuga.
Manuaalne vs CNC-töötlus
Kuigi nii freespingid kui ka treipingid on saadaval käsitsi juhitavate mudelitena, sobivad CNC-masinad paremini väikeste osade tootmiseks – pakkudes skaleeritavust ja korduvust rakenduste jaoks, mis nõuavad kitsa tolerantsiga osade suuremahulist tootmist.
Lisaks lihtsatele kaheteljelistele masinatele, kus tööriist liigub X- ja Z-teljel, pakuvad täppis-CNC-seadmed ka mitmeteljelisi mudeleid, kus töödeldav detail saab samuti liikuda. See erineb treipingist, kus töödeldav detail saab ainult pöörleda ja tööriistad liiguvad soovitud geomeetria loomiseks.
Need mitmeteljelised konfiguratsioonid võimaldavad keerukamate geomeetriate tootmist ühe operatsiooniga, ilma et see nõuaks masina operaatorilt lisatööd. See mitte ainult ei lihtsusta keerukate osade tootmist, vaid vähendab või kõrvaldab ka operaatori vea võimaluse.
Lisaks tagab kõrgsurvejahutusvedeliku kasutamine täppis-CNC-töötluses, et laastud ei satu töödeldavasse detaili isegi vertikaalselt orienteeritud spindliga masina kasutamisel.
CNC-freespingid
Erinevad freespingid erinevad oma suuruse, telgede konfiguratsiooni, etteandekiiruse, lõikekiiruse, freesimise etteandesuuna ja muude omaduste poolest.
Üldiselt kasutavad CNC-freespingid soovimatu materjali lõikamiseks pöörlevat spindlit. Neid kasutatakse kõvade metallide, näiteks terase ja titaani, lõikamiseks, aga neid saab kasutada ka selliste materjalidega nagu plastik ja alumiinium.
CNC-freespingid on ehitatud korduvkasutatavaks ja neid saab kasutada kõigeks alates prototüüpidest kuni suuremahulise tootmiseni. Tipptasemel täppis-CNC-freespinke kasutatakse sageli kitsa tolerantsiga tööde jaoks, näiteks peente stantside ja vormide freesimiseks.
Kuigi CNC-freesimine võimaldab kiiret teostusaega, loob freesimise järgne viimistlus detailid, millel on nähtavad tööriistajäljed. See võib tekitada ka detaile teravate servade ja ebatasasustega, seega võib olla vaja täiendavaid protsesse, kui servad ja ebatasasustega pinnad nende omaduste jaoks ei ole vastuvõetavad.
Loomulikult eemaldavad järjestusse programmeeritud ebatasanduste eemaldamise tööriistad ebatasandusi, kuigi tavaliselt saavutatakse maksimaalselt 90% valmistoodangu nõudest, jättes mõned omadused käsitsi viimistlemiseks.
Pinnaviimistluse osas on olemas tööriistu, mis annavad lisaks vastuvõetavale pinnaviimistlusele ka tööprodukti osadele peegelsileda viimistluse.
CNC-freespinkide tüübid
Kaks peamist freespinkide tüüpi on vertikaalsed töötluskeskused ja horisontaalsed töötluskeskused, kus peamine erinevus seisneb masina spindli orientatsioonis.
Vertikaalne töötluskeskus on freespink, mille spindli telg on joondatud Z-telje suunas. Need vertikaalsed masinad saab jagada kahte tüüpi:
■ Voodifreesid, mille puhul spindel liigub paralleelselt oma teljega, samal ajal kui laud liigub spindli teljega risti
■ Revolverfreespingid, mille puhul spindel on paigal ja laud liigutatakse nii, et see on lõikamise ajal alati spindli teljega risti ja paralleelselt
Horisontaalses töötluskeskuses on freesi spindli telg joondatud Y-telje suunas. Horisontaalne konstruktsioon tähendab, et need freesid võtavad masinaehitusplatsil rohkem ruumi; need on üldiselt ka raskemad ja võimsamad kui vertikaalsed masinad.
Horisontaalset freesi kasutatakse sageli siis, kui on vaja paremat pinnaviimistlust; see on tingitud asjaolust, et spindli orientatsioon tähendab, et lõikelaastud langevad loomulikult ära ja on kergesti eemaldatavad. (Lisaks aitab tõhus laastueemaldus pikendada tööriista eluiga.)
Üldiselt on vertikaalsed töötluskeskused levinumad, kuna need võivad olla sama võimsad kui horisontaalsed töötluskeskused ja suudavad töödelda väga väikeseid detaile. Lisaks on vertikaalsetel keskustel väiksem jalajälg kui horisontaalsetel töötluskeskustel.
Mitmeteljelised CNC-freespingid
Täppis-CNC-freespingid on saadaval mitme teljega. 3-teljeline freespink kasutab X-, Y- ja Z-telge väga erinevate tööde jaoks. 4-teljelise freespinkiga saab masin pöörelda nii vertikaalsel kui ka horisontaalsel teljel ning liigutada toorikut, et võimaldada pidevamat töötlemist.
5-teljelisel freesil on kolm traditsioonilist telge ja kaks täiendavat pöördtelge, mis võimaldavad töödeldavat detaili pöörata, kui spindlipea selle ümber liigub. See võimaldab töödeldava detaili viit külge töödeldavat detaili eemaldada ja masinat lähtestada.
CNC-treipingid
Treipingil – mida nimetatakse ka treimiskeskuseks – on üks või mitu spindlit ning X- ja Z-telg. Masinat kasutatakse tooriku pööramiseks ümber oma telje, et teostada mitmesuguseid lõike- ja vormimistoiminguid, rakendades toorikule laia valikut tööriistu.
CNC-treipingid, mida nimetatakse ka reaalajas töötavateks treipingideks, sobivad ideaalselt sümmeetriliste silindriliste või sfääriliste osade loomiseks. Nagu CNC-freespingid, saavad ka CNC-treipingid hakkama väiksemate toimingutega, näiteks prototüüpide loomisega, kuid neid saab seadistada ka suure korduvtäpsuse saavutamiseks, toetades suuremahulist tootmist.
CNC-treipinke saab seadistada ka suhteliselt käed-vabad tootmiseks, mis muudab need laialdaselt kasutatavaks autotööstuses, elektroonikas, lennunduses, robootikas ja meditsiiniseadmete tööstuses.
Kuidas CNC-treipink töötab
CNC-treipingi puhul laaditakse tooriku toorik treipingi spindli padrunisse. See padrun hoiab toorikut spindli pöörlemise ajal paigal. Kui spindl saavutab vajaliku kiiruse, viiakse statsionaarne lõikeriist toorikuga kokku, et materjali eemaldada ja saavutada õige geomeetria.
CNC-treipink saab teostada mitmeid toiminguid, näiteks puurimist, keermestamist, sisemist puurimist, hõõritsemist, tasapinnalist freesimist ja koonustreimist. Erinevad toimingud nõuavad tööriistade vahetamist ning võivad suurendada kulusid ja seadistusaega.
Kui kõik vajalikud töötlemistoimingud on lõpule viidud, lõigatakse detail vajadusel edasiseks töötlemiseks toorikust välja. Seejärel on CNC-treipink valmis toimingut kordama, tavaliselt on vahepeal vaja vähe või üldse mitte täiendavat seadistusaega.
CNC-treipingid sobivad ka mitmesugustele automaatsetele varraste söötmisseadmetele, mis vähendavad käsitsi toormaterjali käitlemise hulka ja pakuvad järgmisi eeliseid:
■ Vähendage masina operaatori aega ja vaeva
■ Toetage vardamaterjali, et vähendada vibratsiooni, mis võib täpsust negatiivselt mõjutada
■ Laske tööpingil töötada optimaalsel spindli kiirusel
■ Minimeerige vahetusaegu
■ Vähendage materjalijäätmeid
CNC-treipinkide tüübid
Treipinke on mitut tüüpi, kuid kõige levinumad on kaheteljelised CNC-treipingid ja Hiina stiilis automaatsed treipingid.
Enamik Hiina CNC-treipinke kasutab ühte või kahte peamist spindlit ja ühte või kahte tagumist (või teisest) spindlit, millest esimese eest vastutab pöörlev ülekanne. Peamine spindel teostab juhtpuksi abil peamist töötlemist.
Lisaks on mõned Hiina stiilis treipingid varustatud teise tööriistapeaga, mis töötab CNC-freesina.
CNC-tüüpi Hiina-tüüpi automaattreipingi puhul suunatakse toorikmaterjal libiseva peaga spindli kaudu juhtpuksi. See võimaldab tööriistal lõigata materjali lähemale punktile, kus materjali toetatakse, muutes Hiina-tüüpi masina eriti kasulikuks pikkade ja peenikeste treitud osade ning mikrotöötlemise jaoks.
Mitmeteljelised CNC-treikeskused ja Hiina-tüüpi treipingid suudavad ühe masina abil teostada mitut töötlemisoperatsiooni. See teeb neist kulutõhusa valiku keerukate geomeetriate jaoks, mis muidu nõuaksid mitut masinat või tööriistavahetust selliste seadmete abil nagu traditsiooniline CNC-freespink.