Как работает станок

Устройство и принцип работы станков с ЧПУ, основы

Увеличение объемов производства требует автоматизации процессов, ведь с помощью этого экономится немало времени и ресурсов. Сегодня подробно разберем устройство и принцип работы станков с ЧПУ — одной из главных составляющих автоматизированного производства. О станках с ЧПУ и их работе читайте в этой статье.

Что такое станок с ЧПУ

Станки с ЧПУ — это станки с компьютерным управлением. До ЧПУ станки управлялись вручную механиками. С помощью ЧПУ компьютер управляет сервоприводами, которые приводят машину в действие.Таким образом, постоянного человеческого внимания не требуется, хотя для запуска станков все же необходимы операторы.

ЧПУ — это аббревиатура для термина “числовое программное управление”. В основе этого понятия — управление станком с помощью компьютера. Такие устройства являются своего рода роботами.

ЧПУ обработка — это производственный процесс, в котором изготовление деталей происходит под управлением компьютерных программ. Ранее станки работали на основе гидравлической системы, которая обеспечивала производство одинаковых деталей по шаблону. Сейчас же программы могут контролировать все, от движений обрабатывающего центра до скорости шпинделя, включения/выключения охладителя и прочих функций. Применение в станках ЧПУ значительно облегчает задачу массового производства деталей.

Существуют различные виды устройств с ЧПУ, включая 3D-принтеры, фрезерные и лазерные станки, машины для водоструйной и электроэрозионной обработки, электронные разрядные станки, маршрутизаторы с ЧПУ и т. д. Далее мы детально разберем, как работают станки с ЧПУ.

Программисты ЧПУ пишут программы обработки деталей, используя специальный язык программирования G-Code. Программа обработки детали создается либо посредством написания кода с нуля, либо с помощью специального ПО — CAM, которое преобразовывает чертеж детали, созданный в программах CAD, в G-код.

В течение длительного времени станки с ЧПУ использовались только в промышленности, из-за их высокой стоимости. Сегодня же на рынке представлено множество станков в доступном ценовом диапазоне, что позволяет как профессионалам, так и любителям обзавестись станком с ЧПУ для личных целей.

Основные составляющие станка ЧПУ

Устройства ввода данных: используются для ввода программы обработки детали на станке. Существует три самых часто используемых вида устройств ввода: считыватель перфоленты, считыватель магнитных лент и компьютер, работающих через порт RS-232-C.

Блок управления станком (БУС) — это сердце станка с ЧПУ. Он выполняет все управление станка. Среди функций БУСа следующие:

Чтение кодовых инструкций, вводимых в БУС;
Расшифровка кодовых инструкций;
Интерполяция (линейная, круговая и спиральная) для генерации команд движения оси;
Передача команд движения оси в схемы усилителя, для управления механизмами оси;
Получение сигналов обратной связи о положении и скорости каждой оси привода;
Вспомогательные функции управления, такие как включение / выключение охладителя или шпинделя и смена инструмента.

Исполнительный механизм: станок с ЧПУ зачастую имеет подвижный стол и шпиндель, для контроля положения и скорости. Стол станка управляется в направлении осей X и Y, а шпиндель — в направлении оси Z.

Система привода: состоит из схем усилителя, приводных двигателей и ШВП (шарико-винтового подшипника). Блок управления станком подает сигналы схемам усилителя о положении и скорости движения каждой оси. Затем сигналы управления усиливаются, чтобы привести в действие двигатели привода, которые вращают ШВП, чтобы настроить нужное расположение рабочего стола.

Система обратной связи: состоит из преобразователей, или датчиков. Ее также называют измерительной системой. Датчики непрерывно контролируют положение и скорость режущего инструмента. БУС принимает сигналы от этих преобразователей и использует разницу между исходными сигналами и сигналами обратной связи для генерации новых сигналов, с целью коррекции положения и скорости.

Пульт управления: на дисплее отображаются программы, команды и другие необходимые данные станка с ЧПУ. Может быть перемещен в удобное для оператора положение.

На фото ниже — структурная схема станка:

Как работает ЧПУ станок

Сначала программа обработки детали вводится в блок управления станка;
В БУС происходит весь процесс обработки данных, он подготавливает все команды движения и отправляет их в систему привода;
Привод контролирует движение и скорость блоков станка;
Система обратной связи фиксирует данные о положении и скорости движения осей и отправляет сигнал в БУС;
В блоке управления сигналы обратной связи сравниваются с исходными, если есть ошибки — он исправляет их и отправляет в исполнительный механизм новые сигналы для корректировки процесса;
Пульт управления с дисплеем используется для просмотра оператором команд, программ и других важных данных.

Основы работы на станках с ЧПУ

Процесс создания детали достаточно прост и состоит из следующих этапов:

Дизайн детали

С помощью программного обеспечения CAD создается 2D или 3D модель детали, которую вы хотите сделать. CAD — система автоматизированного проектирования, в которой можно указывать точные размеры детали.

Программирование для ЧПУ

С помощью программного обеспечения CAM модель детали преобразовывается в g-код.

Настройка станка

Этот этап предусматривает несколько шагов:

Предстартовый. Перед запуском станка убедитесь, что масло и охлаждающая жидкость заполнены по максимуму. Обратитесь к инструкции, если вы не знаете, как это сделать.
Убедитесь, что в рабочей зоне нет посторонних предметов.
Если станку требуется подача воздуха, убедитесь, что компрессор включен и давление соответствует требованиям, указанным в инструкции.
Пуск / Домой. Подключите станок к питанию и запустите. Главный выключатель обычно расположен в задней части устройства, кнопка питания — в левом верхнем углу на панели управления.
Загрузите все инструменты в карусель в том порядке, который указан в списке программы ЧПУ. Для станков с одним инструментом — установите в шпиндель фрезу.
Установите деталь в тиски или закрепите на столе, зафиксируйте.
Установите показатель коррекции на длину инструмента. Переместите инструменты к верхней части детали в порядке, указанном в программе ЧПУ, и затем установите показатели коррекции.
Установите коррекцию осей X и Y. После того, как тиски или другие детали будут правильно установлены, настройте коррекцию на установку заготовки (нулевой позиции), чтобы найти начальную точку X и Y детали.
Загрузите программу ЧПУ в систему управления станком с помощью USB-накопителя.

Изготовление детали

После того, как станок настроен, можно начинать процесс производства. Здесь также предусмотрены несколько шагов:

Пробный прогон. Запустите программу в воздухе, на высоте около 5 см от детали.
Запустите программу. Обратите внимание, чтобы не было сообщений об ошибках.
Отрегулируйте смещения как требуется. Проверьте характеристики детали и при необходимости отрегулируйте регистры коррекции длины инструмента, чтобы убедиться, что деталь соответствует заданным параметрам.
Завершение работы. По окончании работы снимите деталь с тисков и инструменты со шпинделя, очистите рабочую зону и выключите станок.

Заключение

Мы рассмотрели принципы работы станков с ЧПУ, основы работы с ЧПУ, какие бывают станки и для каких целей.

Металлорежущие станки — виды, принцип работы, устройство станков

Металлорежущий станок – машина для обработки резанием металлических и др. материалов, полуфабрикатов или заготовок с целью получения из них изделий путём снятия стружки металлорежущим инструментом.

Все металлорежущие станки классифицируются по определенным признакам, зависящим от рода технологического процесса, режущего инструмента, компоновки станка.

Металлорежущие станки подразделяются на 9 групп (рисунок 1).

Классификация станков по методу обработки

Рисунок 1 – Классификация станков по методу обработки

Каждая группа станков делится на типы. Так например, токарные станки бывают специализированные, одношпиндельные, многошпиндельные, револьверные, лобовые, многорезцовые, карусельные и т.д.

Станки одного и того же типа могут отличаться компоновкой (например, фрезерные универсальные, горизонтальные, вертикальные), кинематикой, т.е. совокупностью звеньев, передающих движение, конструкцией, системой управления, размерами и точностью обработки (рисунок 2).

виды фрезерных станков

Рисунок 2 – Основные виды фрезерных станков

При этом, например, если рассматривать операцию зубофрезерную, то для этой операции можно выбрать станки 5-й группы, но это будет зубофрезерный станок, а фрезерные станки расположены в 6-й группе. То есть четкого разграничения между группами нет, тем более появляются новые станки, реализирующие ранее неиспользуемые методы обработки.

Согласно стандартов, оборудование имеет основные размеры, характерные для станков каждого типа. Так, например, для токарных и круглошлифовальных станков это наибольший диаметр обрабатываемой заготовки (рисунок 3), для фрезерных станков — длина и ширина стола, на который устанавливаются заготовки или приспособления, для поперечно- строгальных станков — наибольший ход ползуна с резцом.

диаметр заготовки для токарных станков

Рисунок 3 – Наибольший диаметр заготовки для токарных станков

Группа однотипных станков, имеющих сходную компоновку, кинематику и конструкцию, но разные основные размеры, составляет размерный ряд. Так, по стандарту, для зубофрезерных станков общего назначения предусмотрено 12 типоразмеров с диаметром устанавливаемого изделия от 80 мм до 12,5 м.

Конструкция станка каждого типоразмера, спроектированная для заданных условий обработки, называется моделью. Каждой модели присваивается свой шифр — номер, состоящий из нескольких цифр и букв. На рисунке 4 показан пример обозначения токарного станка с ЧПУ (числовое программное управление).

Обозначение токарного станка с ЧПУ

Рисунок 4 – Обозначение токарного станка с ЧПУ

Первая цифра означает группу станка, вторая – его тип, третья цифра или третья и четвертая цифры отражают основной размер станка. Например, модель 16К20Ф3 означает: токарно-винторезный станок с наибольшим диаметром обрабатываемой заготовки 400 мм. Буква между второй и третьей цифрами означает определенную модернизацию основной базовой модели станка.

Выделяют станки-автоматы и полуавтоматы. Автоматом называют станок, в котором после наладки все движения, необходимые для выполнения цикла обработки, в том числе загрузка заготовок и выгрузка готовых деталей, осуществляется автоматически, т.е. выполняется механизмами станка без участия оператора.

Цикл работы полуавтомата выполняется также автоматически, за исключением загрузки-выгрузки, которые производит оператор, он же осуществляет пуск полуавтомата после загрузки каждой заготовки.

С целью комплексной автоматизации для крупносерийного и массового производства создают автоматические линии и комплексы, объединяющие различные автоматы, а для мелкосерийного производства – гибкие производственные модули (ГПМ). Пример ГПМ приведен на рисунке 5.

Автоматизация мелкосерийного производства деталей достигается созданием станков с программным управлением (цикловым), в обозначение моделей вводится буква Ц (или числовым буква Ф).

Цифра после буквы Ф обозначает особенность системы управления:

Ф1 – станок с цифровой индикацией (с показом чисел, отражающих, например, положение подвижного органа станка) и предварительным набором координат;
Ф2 – станок с позиционной или прямоугольной системой; Ф3 – станок с контурной системой;
Ф4 – станок с универсальной системой для позиционной и контурной обработки, например, модель 1Б732Ф3 – токарный станок с контурной системой ЧПУ.

Станки с ЧПУ постепенно вытесняют другие установки, благодаря высокой точности обработки, повышенной производительности и соответственно сравнительно быстрой окупаемости.

гибкий производственный модуль

Рисунок 5 – Пример гибкого производственного модуля

Кроме того, металлорежущие станки делятся по степени универсальности, по степени автоматизации и классу точности. Классификация станков представлена на рисунке 6.

Классификация станков

Рисунок 6 – Классификация станков

2. Основные узлы и механизмы металлорежущих станков

Рассмотрим основные узлы и механизмы металлорежущих станков на примере токарного станка. Общий вид токарного станка показан на рисунке 7.

вид станка

Рисунок 7 – Общий вид станка

Основные узлы станка показаны на рисунке 8.

Основные узлы станка

Рисунок 8 – Основные узлы станка

Станина станка чаще всего изготавливается из чугуна, является основой для навесного оборудования, показана на рисунке 9.

Станина станка

Рисунок 9 – Станина станка

Требуемое взаимное расположение узлов станка и возможность относительного перемещения инструмента и заготовки обеспечивают направляющие (рисунок 10).

Регулировочные элементы

Рисунок 10 – Регулировочные элементы с продольным (а) и поперечным (б) клином, с поджимной (в) и накладной пригоняемой (г) планкой

По назначению и конструктивному исполнению направляющие можно классифицировать по следующим признакам:

по виду движения: направляющие главного движения (например, стол-станина продольно-строгального станка); направляющие движения подачи; направляющие перестановки сопряжённых и вспомогательных деталей и узлов, неподвижных в процессе обработки;
по траектории движения: направляющие прямолинейного и кругового движения;
по направлению траектории перемещения узла в пространстве: горизонтальные, вертикальные и наклонные;
по геометрической форме: призматические, плоские, цилиндрические, конические (только для кругового движения) и их сочетания.

Наибольшее распространение в станках получили направляющие скольжения и качения. Направляющие скольжения (рисунок 11) обычно изготовляют из серого чугуна. Чугун используется в тех случаях, когда направляющие выполняются как одно целое со станиной или подвижным узлом.

формы поперечных сечений направляющих скольжения

Рисунок 11 – Основные формы поперечных сечений направляющих скольжения: а – плоская; б – призматическая; в – в форме ласточкина хвоста; г – цилиндрическая

По виду трения скольжения различают следующие направляющие:

гидростатические – направляющие главного движения и подачи; в этих направляющих смазочный слой создаётся подачей масла под высоким давлением в специальные карманы необходимых размеров;
со смешанной смазкой – большинство направляющих движения подачи;
с граничной смазкой – направляющие подачи, работающие при очень малых скоростях скольжения;
с воздушной смазкой – аэростатические.

В станках широко применяют направляющие качения с использованием в них шариков и роликов как промежуточных тел качения. Достоинством направляющих качения является малое трение, независящее от скорости движения. Направляющие качения обеспечивают высокую точность перемещений, равномерность медленных движений, они более долговечны, чем направляющие скольжения. Подобно направляющим скольжения направляющие качения могут быть замкнутыми и незамкнутыми.

Передняя бабка, чаще всего называется шпиндельная бабка (рисунок 12), так как основным узлом ее является шпиндель (рисунок 13). В шпинделе фиксируются патроны, различные оправки в которые устанавливаются и закрепляются обрабатываемые детали. Кроме того, здесь же расположены коробка скоростей, шкив и подшипники.

Передняя бабка

Рисунок 12 – Передняя бабка

Шпиндель – это вал металлорежущего станка передающий вращение закреплённому в нём инструменту или обрабатываемой заготовке.

Конструктивная форма шпинделя зависит от способа крепления на нём зажимных приспособления или инструмента, посадок элементов привода и типов применяемых опор. Шпиндели изготавливают пустотелыми для прохода прутка, а так же для уменьшения его массы.

В качестве опор шпинделей станков применяют подшипники качения и скольжения. Так как от шпинделей требуется высокая точность, то подшипники качения должны быть высоких классов точности. В передней опоре применяют более точные подшипники, чем в задней. Шпиндели и подшипники должны быть надежно защищены от загрязнения и высекания смазочного материала, с этой целью используют различные уплотнения.

Шпиндель

Рисунок 13 – Шпиндель

Задняя бабка состоит из нижней плиты и держателя пиноли. В заднюю бабку может устанавливаться инструмент или приспособление (рисунок 14). Чаще всего заднюю бабку используют при обработке длинных деталей, поджимая конусом торец детали. Направляющие, по которым перемещается задняя бабка должны быть чистыми и смазанными.

Задняя бабка

Рисунок 14 – Задняя бабка

Суппорт – узел станка, в который устанавливается режущий инструмент и который позволяет перемещать его в продольном, поперечном и наклонном направлении. Каретка обеспечивает продольное движение по салазкам, верхняя часть суппорта обеспечивает поперечное движение. В верхней части суппорта устанавливаются резцедержатели (рисунок 15).

Суппорт станка

Рисунок 15 – Суппорт станка

Фартук. Для обеспечения продольного и поперечного движения суппорта разработаны передачи, расположенные в фартуке (рисунок 16). С помощью этих передач осуществляется преобразование вращательного движения ходового винта в поступательное движение суппорта.

Фартук станка

Рисунок 16 – Фартук станка: 1 – маховик ручной подачи, 2 – ходовой валик, 3 – кнопка включения механической подачи от ходового валика, 4 – зубчатое колесо, 5 – реечная шестерня, 6 – зубчатое колесо, 7 – зубчатая рейка, 8 – зубчатое колесо, 9 – червяк, 10 – разьемная гайка, 11 – ходовой винт, 12 – рукоятка включения механической подачи от ходового винта при нарезании резьбы, 13 – рукоятка включения механической подачи

Все узлы и механизмы оборудования должны содержаться в исправном состоянии, то есть все трущиеся детали должны быть чистыми и смазаны соотвествующей смазкой. Это задача службы эксплуатации оборудования, но и обслуживающий персонал также должен следить за состоянием оборудования, например следить за своевременной заменой фильтров, смазочно-охлаждающей жидкости, и даже в зависимости от наработанных моточасов следить за своемременной заменой масла в гидросистеме станка.

3. Принципы работы оборудования

Для изменения частоты вращения от ведущего звена к ведомому применяют ременные, зубчатые и червячные передачи. Отношение частоты вращения ведомого n_вд к частоте вращения ведущего n_вщ звена называется передаточным отношением.

Цепная передача, как и ременная, применяется для передачи вращения между валами, удаленными друг от друга. Эти передачи используются в металлорежущих станках и транспортерах (рисунок 17).

ременная и цепная передача

Рисунок 17 – Общий вид ременной и цепной передачи: а) ременная; б) цепная

Зубчатая передача – механизм, который с помощью зубчатого зацепления передает и преобразует движение (без проскальзывания) с изменением угловых скоростей и моментов (рисунок 18).

Зубчатая передача

Рисунок 18 – Зубчатая передача

Червячная передача состоит из червяка и червячного колеса (рисунок 19). Передаточные отношения червячной передачи рассчитываются по формуле:

(1)

Червячная передача

Рисунок 19 – Червячная передача

Преимуществами червячной передачи являются компактность, бесшумность, плавность хода, возможность большого редуцирования, к недостаткам передач относится малый КПД (коэффициент полезного действия).

Передачи поступательного движения.

Эти передачи служат для преобразования вращательного движения в прямолинейное поступательное движение рабочего органа. В станках применяют реечные передачи, винтовые пары (скольжения и качения), кулисные, кулачковые механизмы и др.

Реечная передача служит для преобразования вращательного движения реечного колеса в поступательное перемещение рейки и наоборот. Реечная передача может быть выполнена с прямозубым и косозубым зацеплением колеса с рейкой.

Реечные передачи используют в металлорежущих станках, например, в токарных, для осуществления движения продольной подачи суппорта с резцом относительно обрабатываемой заготовки (рисунок 20).

Реечная передача в станке

Рисунок 20 – Реечная передача в станке

Винтовая передача применяется в тех случаях, когда нужно получить движение с малыми скоростями. Вращение сообщается винту, гайка и связанные с нею стол или салазки перемещаются прямолинейно- поступательно (рисунок 21).

Винтовая передача

Рисунок 21 – Винтовая передача

Кривошипно-кулисные механизмы (сокращённо – кулисные механизмы) с возвращающейся кулисой применяются в долбёжных станках, а с касающейся кулисой – в поперечно-строгальных станках. Кулисные механизмы обеспечивают большую скорость при обратном холостом ходе и плавность движения.

Перемещения исполнительных механизмов оборудования показываются в кинематических схемах. Рассмотрим кинематическую схему токарного станка 1К62, которая показана на рисунке 22.

Кинематическая схема станка

Рисунок 22 – Кинематическая схема станка

Кинематическая цепь привода главного движения.

Эта цепь обеспечивает передачу вращения от электродвигателя M1 шпинделю VI с возможностью включения разных частот его вращения. Шпиндель станка может иметь правое и левое направление вращения. При правом направлении вращения шпинделя муфта МФ1 будет включена влево.

Передняя бабка условно разделена на несколько частей (см. кинематическую схему, рисунок 22):

Фрикционный (входной) вал – фрикционный вал состоит из: двойной фрикционной муфты МФ1 с неподвижным двойным блоком (z=51, z=56), шестерни (z=50) и неподвижного блока реверса (z=24, z=36);
Коробка скоростей – вал II с подвижным двойным блоком (Б1), вал III с подвижным тройным блоком (Б2);
Перебор – вал IV с подвижными двойными блоками (Б3, Б4, Б5);
Узел тормоза – ленточный тормоз на валу III;
Шпиндель – с подвижным двойным блоком (Б5) включающем перебор и шестерней z=60 для передачи вращения на привод подач;
Узел привода подач:
- Звено увеличения шага резьбы – блок Б6, обеспечивает увеличение выходной скорости по отношению к скорости шпинделя;
- Механизм реверса 2-х скоростной – блок Б7 служит для изменения направления движения суппорта.

Привод подач включает в себя следующие цепи и узлы (рисунок 23):

Звено увеличения шага резьбы – двойной блок Б6 в шпиндельной бабке, обеспечивает увеличение выходной частоты вращения по отношению к частоте вращения шпинделя в соотношении: 1:2, 1:8, 1:32;
Механизм реверса 2-х скоростной – тройной блок Б7 в шпиндельной бабке, служит для изменение направления движения суппорта при одном и том же направлении вращении шпинделя. Осуществляется подкючением промежуточной шестерни – трензеля;
Гитара сменных колес – включает сменные шестерни K, L, M, N. Служит для сравнительно редкой перенастройки чисел оборотов;
Коробка подач – коробка подач получает движение от шпиндельной бабки через гитару и задаёт различные скорости вращения ходового вала и ходового винта;
Механизм подач фартука – преобразует вращение ходового вала или ходового винта в поступательное движение суппорта продольное или поперечное.

Привод подач станка

Рисунок 23 – Привод подач станка

Продольное перемещение суппорта осуществляется следующим образом (рисунок 24):

от шпинделя через передачу 60/60, далее через реверс с колесами 42/42 или 28/56 либо 35/28×28/35 и через гитару сменных колес 42/95×95/50 вращается вал IX коробки подач;
подключив муфту, колесо МФ2 начинает вращать конус шестерен 26, 28, 32, 36, 40, 44, 48 и от него накидное колесо 36;
далее через передачу и включенную муфту МФ3 вращается двойной блок z=18 – z=28, осуществляющий отношения 18/45 и 28/35, затем через двойной блок 15/48 и 35/28 и через передачу 28/56 вращается ходовой вал, по которому вместе с фартуком перемещается колесо z=27;
далее движение передается через передаточные отношения колес фартука 27/20×20/28×4/20×40/37×14/66 на реечное колесо z=10 (модуль зацепления m=3 мм). Колесо 10, находясь в зацеплении с рейкой, прикрепленной к станине, катится по ней и перемещает фартук с суппортом;
включением муфт МФ8 или МФ9 колесо z=14 вращается вправо или влево, меняя направление движения суппорта.

Перемещения суппорта

Рисунок 24 – Перемещения суппорта: 1 – рукоятка перемещения поперечных салазок; 2 – каретка продольного перемещения; 3 – винт механизма продольного перемещения; 4 – каретка поперечного перемещения; 5 – фиксирующий винт верхней каретки; 6 – верхняя каретка; 7 – резцедержатель; 8 – рукоятка резцедержателя; 9 – винтовой механизм верхней каретки; 10 – рукоятка перемещения верхней каретки

Общее уравнение кинематической цепи продольных подач определяется исходя из расчетного периода одного оборота шпинделя.

До червячной передачи фартука кинематическая цепь не отличается от предыдущей цепи. Далее через колеса 40/37 или 40/45×45/37 включением муфт МФ10 или МФ11 и через передачи 40/61×61/20 вращается винт поперечной подачи суппорта. Шаг резьбы винта 5 мм, резьба левая. Уравнение кинематической цепи аналогичное, как и для продольных подач.

Величины подач в 2 раза меньше соответствующих величин продольных и составляют от 0,035 до 2,08 мм/об.

Ручное продольное перемещение суппорта. Маховиком на валу XIX через передачу вращается реечное колесо z=10. За один оборот маховика суппорт переместится на заданную величину.

Шпиндель установлен на двух опорах качения (рисунок 25). Передняя опора представляет собой регулируемый двухрядный роликовый подшипник с внутренним коническим кольцом. Подшипник регулируют затягиванием гайки (стопора), которая нажимает на внутреннее кольцо подшипника. Кольцо при этом надвигается на коническую шейку шпинделя и разжимается; таким образом уменьшается зазор между кольцами и роликами, образовавшийся в результате износа. Задняя опора шпинделя состоит из двух радиально-упорных подшипников, которые регулируют только при текущем осмотре станка.

Крепление шпинделя

Рисунок 25 – Крепление шпинделя

В конструкции токарного станка 1К62 для установки шпинделя предусмотрены специальные подшипники, благодаря чему обеспечиваются требуемая жесткость и высокая точность обработки заготовок. По ГОСТу 8 токарный станок 1К62 относится к классу точности П.

Передний конец шпинделя выполнен по ГОСТ 12593 (Концы шпинделей фланцевые под поворотную шайбу и фланцы зажимных устройств) (DIN 55027, ИСО 702-3) под поворотную шайбу, с центрирующим коротким конусом 1:4 (7°7′30″).

Конструкция задней бабки токарного станка позволяет осуществлять поперечное ее смещение, благодаря чему на станке может осуществляться обработка пологих конусов (рисунок 26). Есть возможность соединения задней бабки с нижней частью суппорта с помощью специального замка, что иногда требуется при сверлении задней балкой и использовании механического перемещения балки от суппорта.

Обработка конусов

Рисунок 26 – Обработка конусов с помощью смещения задней бабки Продольное перемещение каретки станка 1К62Б может быть

ограничено специальным упором, устанавливаемым на передней полке станины. Таким образом, при установленном упоре, скорость движения суппорта не может превышать 250 мм/мин.

4. Требования к оборудованию и критерии их качества

Надёжность является одной из основных характеристик качества металлорежущих станков и станочных систем, так же, как и многих других машин и технических устройств.

Надёжность характеризует свойство данного изделия сохранять требуемые показатели качества в течение всего периода эксплуатации.

Для оборудования особое значение имеет обеспечение его технологической надёжности, которая непосредственно связана с качеством в первую очередь с точностью, выпускаемой продукции. Поэтому надёжность станков следует рассматривать как надёжность машины, когда оцениваются все виды отказов, и как надёжность компонента технологической системы, когда учитываются лишь те отказы, которые связаны с качеством выпускаемой продукции.

Основными источниками отказов станка и станочных комплексов являются собственно станок (его механика и гидросистемы), электрические – электронные системы и система управления ЧПУ. Для механических узлов по сравнению с электротехническими и электронными устройствами характерно меньшее число отказов, но большая продолжительность устранения их последствий.

Период эксплуатации станка связан в основном с экономическими факторами, которые обусловливают предельное состояние объекта. Эксплуатация включает работу объекта (основной период), а также периоды простоев транспортирования, хранения, ремонта и технического обслуживания, переналадки, монтажа.

Предельное состояние – состояние объекта, при котором его дальнейшее применение по назначению недопустимо или нецелесообразно.

Продолжительность эксплуатации станков связана как с их моральным (появление более эффективных моделей), так и с физическим (возрастание затрат на их эксплуатацию и ремонт) изнашиванием. Для современных станков средних размеров это обычно 8…10 лет эксплуатации и для более сложных и тяжёлых станков 15…20 лет и выше. Конкретный срок службы до снятия с эксплуатации для каждого станка устанавливают на основании экономических расчётов.

Критерии работоспособности являются условиями, которые должны соблюдаться при конструировании и эксплуатации, чтобы детали, узлы и станок в целом выполняли своё назначение.

К таким критериям относится:

начальная точность;
жёсткость;
виброустойчивость;
прочность;
износостойкость;
теплостойкость.

На рисунке 27 даны определения данных критериев.

качество оборудования

Рисунок 27 – Определения критериев качества оборудования

Начальная точность зависит от правильного назначения допусков в чертежах и соблюдения их в процессе изготовления.

Начальная точность станка в целом характеризуется исходными геометрическими и кинематическими погрешностями.

Жёсткость является способностью системы сопротивляться упругому деформированию (изменению размеров) под действием нагрузки.

Жёсткость зависит от:

размеров деталей;
их формы;
расположения опор и т.д.

Однако больше всего снижают жёсткость контактные деформации, возникающие в станках, то есть в поверхностных слоях соприкасающихся деталей.

Виброустойчивость – свойство станка противодействовать возникновению или усилению колебаний (вибраций). Колебания могут передаваться на станок из вне или возникать непосредственно в станке.

В станке источниками колебаний могут быть:

процесс резания;
неуравновешенность быстро вращающихся деталей;
тихоходные соединения со скольжением и т.д.;
электрические двигатели.

Прочность – способность деталей сопротивляться их разрушению (поломкам), а также возникновению остаточных деформаций под действием сил. Прочность зависит от:

материала детали;
термообработки;
характера нагрузки (постоянная или циклическая).

Обычно рассматривают две категории прочности:

статическую;
динамическую.

На статическую прочность рассчитывают детали, находящиеся под действием постоянных или медленно меняющихся нагрузок, например, болты, шпонки, кронштейны, медленно вращающиеся валы и зубчатые колеса и т.п.

Рассмотрим более подробно основные требования к оборудованию (рисунок 28).

Требования к машинам

Рисунок 28 – Требования к машинам и критерий их качества

Технологичность – изготовление изделия при минимальных затратах труда, времени и средств при полном соответствии своему назначению. Технологичность деталей обеспечивается: формой их простейших поверхностей (цилиндрической, конической и др.), удобной для обработки механическими и физическими методами; применением материалов, пригодных для безотходной обработки (давлением, литьём, сваркой и т.п.), и ресурсосберегающей технологии; стандартной системой допусков и посадок и другими средствами, и методами.

Экономичность – минимальная стоимость производства и эксплуатации. Экономичность деталей и узлов достигается оптимизацией их формы и размеров из условия минимума материалоёмкости, энергоёмкости и трудоёмкости производства, за счёт максимального коэффициента полезного действия в эксплуатации при высокой надёжности; высокой специализацией производства и т.д. При оценке экономичности учитывают затраты на проектирование, изготовление, эксплуатацию и ремонт.

Работоспособность – состояние объекта, при котором он способен выполнять заданные функции. Работоспособность деталей и машин определяется как свойство выполнять свои функции с заданными показателями.

Надёжность – свойство объекта сохранять во времени способность к выполнению заданных функций (ГОСТ 002).

Производительность – объём работы (продукции, информации), выполняемой в единицу времени.

Мощность – скорость преобразования энергии.

Коэффициент полезного действия – доля дошедшей до потребителя энергии (мощности).

Габариты – предельные размеры.

Материалоёмкость – количество конструкционного материала машины, обычно отнесённого к единице мощности.

Энергоёмкость – расход топлива или электричества отнесённый к объёму работы (пройдённому расстоянию, произведённой продукции).

Точность – способность максимально соответствовать заданному положению (скорости и т.п.).

Плавность хода – минимальные ускорения при работе машины. Условия нормальной работы деталей и машин. Успешная работа деталей и машин заключается в обеспечении работоспособности и надёжности.

Что такое станок с ЧПУ: устройство и принцип работы

Выбирая оборудование для проведения фрезерных, токарных и других подобных работ, каждое предприятие стремится найти максимально надежную, производительную, удобную модель. Стремясь облегчить эти поиски, подробно рассмотрим, что такое ЧПУ-станок: как он устроен, по каким принципам программируется и функционирует, каких видов может быть и так далее. Максимум информации – чтобы вам было проще определиться и решить, вкладываться в такую технику или нет.

Сразу отметим: сегодня они востребованы, причем во всех основных отраслях. На них проводят металлообработку, вытачивая детали с особой точностью (даже если у заготовок сложная поверхность), изготавливают предметы мебели и деревянные панно, макеты, сувениры, игрушки из пластиков и многое другое. Активно используют их преимущества, в том числе и высокую производительность.

Отдельно скажем, как расшифровываются ЧПУ-станки: аббревиатура означает Числовое Программное Управление, то есть компьютеризированную систему, задающую условия нормального функционирования стола, суппорта, шпинделя в течение технологического процесса. Контроль осуществляется за счет специальных и своевременно поданных команд – кодов G и M-типа.

В результате 1 единица такого оборудования так же эффективна, как 5-6 обычных. Оператору остается только включить нужную схему, наладить ее и проследить за ее выполнением – ему необязательно быть квалифицированным токарем или фрезеровщиком.

что такое чпу станок

Целесообразность применения

Необходимо учитывать, что это сравнительно дорогостоящая техника. В условиях современного производства станок с числовым программным управлением выгодно покупать и эксплуатировать в следующих ситуациях:

Изготавливаемые детали используются в особенно ответственных случаях – запчасти для авиатехники и транспорта, элементы медицинских аппаратов, лопатки или валы турбин для ГЭС.
Выпускаемые заготовки отличаются сложностью поверхности, подразумевающей проведение целого ряда технологических операций в процессе механической обработки.
Планируется, что изделия будут выходить регулярными и крупносерийными партиями.
Актуально особо точное исполнение – в рамках одного из 6 первых квалитетов по допуску. Отклонения в этом случае устанавливает дискретный шаг привода, составляющий до 3 мкм.
Существует вероятность внесения незначительных конструктивных изменений по ходу изготовления детали – путем корректировки программы с операторского пульта.

Особенности станков с ЧПУ: что это такое, в чем проявляются

Возможности такого оборудования довольно широки, сферы применения тоже, поэтому и классификация достаточно разнообразна. Но практически все модели, вне зависимости от конструкции, обладают следующими отличительными характеристиками:

Сравнительно мощный привод – может быть постоянного тока, с бесступенчатой регулировкой шпинделя, или переменного, трехфазный, с частотой вращения до 2000 об/мин, но обязательно от 20 до 40 кВт.
Независимая установка и коррекция каждой из двух координат, в результате чего рабочие органы способны перемещаться по самым сложным траекториям, зачастую даже невозможным для других методов контроля.
Повышенная жесткость конфигурации при прецизионной (или высокой) точности обработки заготовки.
Скорость установочных передвижений суппорта 4,8-10 об/мин, что минимизирует время холостого хода.
Широчайшие рамки регулировки подачи бесступенчатого привода – с изменением до 1200-10000 раз (с 1 до 1200 или даже до 10000 об/мин). Благодаря этому не проблема настроить оптимальный режим выпуска любой детали.
Развитые и многофункциональные инструментальные системы – от 12 органов.

станок с чпу что это

Классификация станков с программным управлением: их характеристика и обозначения

Маркировка выпускаемых моделей осуществляется с помощью букв и цифр. Они и формируют артикул, который отражает назначение оборудования, степень его автоматизации, класс его точности. Разделение ведется по нескольким глобальным признакам – рассмотрим каждый из них подробнее.

как расшифровывается чпу станки

Технологические группы

По характеру выполняемых операций (основных) могут быть:

фрезерные и сверлильно-расточные – сравнительно универсальные, также обеспечивающие зенкерование;
токарные – для создания резьбовых соединений и сверления, для патронных и центровых, а также сложных деталей;
зубообрабатывающие – для обеспечения необходимой геометрии шестеренок и подобных им элементов;
шлифовальные – для зачистки и выравнивания поверхностей;
многоцелевые – для комплексной обработки без перебазирования заготовки.

Каждой группе присваивается свой номер – обращайте внимание на первую цифру в артикуле станка ЧПУ, эта расшифровка помогает сразу сориентироваться.

Степень автоматизации

Все модели также подразделяют по следующим параметрам управляющей системы:

назначение – с позиционным, непрерывным, прямоугольным, смешанным методом контроля;
вариант привода – со ступенчатым, шаговым или регулируемым двигателем;
характер загрузки программного обеспечения – с установкой через диск, ленту (перфорированную или магнитную), flash-носитель;
количество одновременно управляемых координат и допустимые погрешности при их введении.

В артикуле степень автоматизированности указана в конце – как Ф с номером (или буквой). Разберемся, что означает ЧПУ-станок со следующей маркировкой после Ф:

1 – с цифровой индикацией и данными, набираемыми на клавиатуре – для одного перемещения за кадр;

2 – с позиционным (для сверлильно-расточных) или прямоугольным (для фрезерных или токарных) методом контроля;

3 – с непрерывным или контурным управлением, для обработки особенно сложных деталей;

4 – с многооперационным оперированием, сочетающим вышеперечисленные возможности;

Ц – циклическая, отличающаяся дешевизной и простотой алгоритма, но весьма удобная для серийного выпуска однотипных заготовок.

Помимо этого, в маркировке также есть индексы АСИ, то есть устройств АвтоСмены Инструмента:

Р – посредством поворота головки револьверного типа;
М – из «магазина» – специально предназначенного барабана.

В артикуле эти литеры стоят перед ФN.

Основные параметры

Взглянем, что такое станок с ЧПУ с точки зрения производства. Его ключевые характеристики зависят от того, к какой технологической группе он относится:

для фрезерной это ширина поверхности рабочего стола;
для сверлильно-расточной – максимально возможные диаметры сверла и шпинделя;
для токарной – наибольшее из поддерживаемых сечение отверстия.

Принцип программирования

Любая модель рассматриваемого оборудования состоит из следующих функциональных узлов:

память – постоянная и оперативная;
шкаф, оснащенный операторским пультом;
дисплей, на котором показываются результаты;
контроллер – прибор, обрабатывающий введенные данные и отвечающий за функционирование приводов.

Все вместе они обеспечивают правильное выполнение команд, каждую из которых необходимо корректно составить. Сделать это можно одним из трех способов:

Вручную – технолог вводит числовые комбинации и таким образом задает все координаты для перемещения инструментов. Не самый удобный вариант, ведь для его реализации даже у опытного специалиста, знающего, как работать на станке с ЧПУ, уйдет много времени и сил, а выпускать удастся лишь простейшие детали.
С пульта оперативной системы – наладчик использует джойстик и сенсорный экран, в том числе и в диалоговом режиме (если оборудование довольно современное и у него есть эта опция). Уже более подходящий метод, также и потому, что команды можно протестировать и откорректировать.
С помощью САМ и САПР – запись происходит в несколько этапов, проводится сравнительно большое количество операций, зато в результате можно придумать эффективный алгоритм выпуска даже самого сложного элемента, а в дальнейшем видоизменять его для производства других деталей.

станки с программным управлением

Вот как настроить ЧПУ-станок в последнем случае:

Создать электронный чертеж заготовки в AutoCAD, Компасе, Solid или другом профильном графическом редакторе.
Преобразовать получившийся файл в подходящий формат (HPGL, DXF, Gerber, Exeilon) и загрузить его в САМ (в качестве наиболее используемых CorelDraw, SheetCam, MeshCam, Kcam). После данного импорта задать траектории движения инструментов, введя числа, выбрав варианты обработки, присвоив значения соответствующим органам машины. Проконтролировать правильность визуализации (происходит параллельно).
Сделать промежуточный Cl-файл, загрузить его в паспорт (постпроцессор), получить программу управления с G- и М- кодами.

Понятно, что создавать такое ПО сможет непростой токарь.

Станки фрезерные с ЧПУ

Очень популярны, предназначены не только для резки заготовок любой формы (и простой плоской, и сложной пространственной), но и для раскройки металлических листов, для выборки пазов, для загибания углов. Могут содержать до 300 инструментов в одном магазине. Также отличаются обширной классификацией.

По расположению шпинделя выделяют:

вертикальные – вал устанавливается перпендикулярно столу и позволяет проводить обработку с одной стороны детали;
горизонтальные – фиксация уже параллельная, что делает возможным многостороннее выполнение технических операций.

По конструкции модель бывает консольной и нет, с одним или несколькими деталями, с контролем по 2,3 и более координатам одновременно.

Теперь о том, что значит станок ЧПУ с точки зрения управления – по характеру команд фрезерный может быть:

позиционным – для сверлильных работ;
контурным – ориентированным на криволинейные поверхности сложной формы;
смешанным (комбинированным) – для комплексных задач.

Конструктивные особенности

Сравнительно мощные корпус и станина – за счет ребер жесткости, также обеспечивающих повышенные показатели прочности шпинделя. В комплектацию таких устройств входят точные винты и рельсы – для быстрого перемещения инструментов по горизонтали.

Все это обеспечивает одинаково хорошее качество выполнения технических операций как при попутном, так и при встречном направлении движения.

То, что можно сделать на ЧПУ станке, зависит от конкретной его модели, а их в номенклатуре фрезерной группы сразу несколько сотен. Есть габаритные варианты, длина рабочего стола которых превышает 10 м. Или наоборот – миниатюрные, предназначенные для мелкосерийного производства и частных мастерских, выпускающих типовые заготовки из металла и пластика, дерева и других материалов. Обычно они маломощные (до 750 Вт), но все равно сравнительно надежные, оснащенные сервоприводом, поворотные во всех угловых направлениях, регулируемые по высоте. Естественно, в их базовую комплектацию также входит ПО для контроля, которое можно загрузить, подключив оборудование к персональному компьютеру.

Как работает ЧПУ-станок токарного типа

Его основной орган – резец со сменными пластинами, зафиксированный в держателе, который может быть кассетным и совершенно точно является важной частью суппорт-узла, вместе с поворотной плитой и салазками. Деталь крепится в патроне, который расположен на вращающемся валу, приводные механизмы заставляют перемещаться инструменты (до 12 сразу), со скоростью вспомогательного хода выше, чем основного.

как работать на станке с чпу

Классификация по характеру выполняемых задач

центровые – для точения фасонных поверхностей, цилиндрических и конических заготовок;
патронные – для зенкерования, создания резьбы, обтачивания под фланцы, диски, шестерни и втулки, как внешних, так и внутренних плоскостей;
универсальные – эти виды станков с ЧПУ могут выполнять все технологические операции, актуальные для двух предыдущих типов;
карусельные – для крупногабаритных и неправильных по своей форме элементов; бывают одностоечными (рассчитаны на диаметры до 2 м) и двухстоечными (для сечений до 15 м).

Конструктивные характеристики

Их компоновка обычно либо вертикальная, либо с крутым наклоном, благодаря чему из функциональной зоны проще удалить стружку. Сравнительно компактны, к ним не проблема подключить почти любое автозагрузочное устройство.

Несущие конструкции отличаются повышенной жесткостью, достижимой утолщением металла и введением дополнительных ребер. Оснащены сменными магазинами для инструментов и/или револьверными головками, устанавливаемыми на позицию держателя.

Устройство станка ЧПУ многоцелевого типа

Это настоящие центры, выполняющие комплексную обработку заготовки (без перебазирования) и оборудованные комбинированными системами ПО. Они предназначены для нарезки фасок и резьбы, зенкерования, расточки, раскроя, фрезерования. Подходят для действий как с плоскими поверхностями, так и со сложными криволинейными формами.

Конструктивные особенности

Зачастую укомплектованные сменными магазинами, делающими доступной предварительную настройку инструментов. Обычно обладают поворотными столами, нужными для перемещения детали, а также переналаживаемыми вспомогательными устройствами-спутниками.

Принцип работы станков с ЧПУ многоцелевого типа базируется на универсальности операций, которая возможна благодаря высокомоментному, но малоинерционному двигателю с хорошим быстродействием. Даже на небольших частотах он развивает крутящий момент до серьезных величин, что позволяет обеспечить производительность труда.

По вариантам компоновки могут быть:

вертикальные – с головкой шпинделя, способной двигаться вдоль обеих осей; на них техпроцессы можно проводить с 2-5 сторон;
горизонтальные – для элементов больших габаритов, закрепленных на столе; действуют только в одной плоскости (если отсутствуют дополнительные поворотные приспособления).

Что делают на станках с ЧПУ: сферы применения

Такое оборудование востребовано в следующих случаях:

производство плит и других плоских элементов из дерева, например, корпусной мебели;
выпуск пластиковых деталей всевозможных форм, включая криволинейные;
шлифовка камней и подобных им твердых материалов природного происхождения;
изготовление сложных металлических изделий, в том числе и ювелирных.

Все вышеперечисленные цели решаются путем операций резки, фрезерования, распила, гравировки, сверления.

Преимущества

Эксплуатация столь точного механизма позволяет быстро решать ранее неосуществимые задачи: наносить рельефные декоры, которые невозможно выполнить вручную. За счет компьютеризации и автоматизации оно дает возможность избежать ошибок, вызванных человеческим фактором. Если знать, как пользоваться ЧПУ-станками, риск возникновения брака стремится к нулю.

Для большинства заготовок это техника «полного цикла», которая минимизирует затраты на производство. Она также отличается надежностью (может бесперебойно функционировать в течение лет), гибкостью настройки, широтой опций.

Проблемы

Минусы – в нюансах постпроцессирования: даже несмотря на то, что G- и М- коды универсальны, каждый программист компонует их по-своему. Поэтому возможны нестыковки при запуске ПО, которые требуется отдельно отлаживать.

Зачастую сложна ситуация с кадрами. Молодые и начинающие специалисты прекрасно понимают, как работает станок с ЧПУ, но им неизвестны практические свойства дерева или металла. Опытные слесари, фрезеровщики и токари, наоборот, «на ты» с материалами, но почти не знают компьютера.

Действия наладчика и оператора

подобрать инструмент по карте, проверить его целостность и остроту;
определить нужные размеры;
зафиксировать рабочий орган и зажимной патрон, убедиться в надежности крепления;
установить переключатель в позицию «от»;
выполнить проверку на холостом ходу;
убедиться в нормальном состоянии лентопротяжного механизма и ввести перфоленту;
закрепить деталь, включить режим «по программе»;
обработать первый элемент, измерить его геометрию, внести корректировки;
повторить техпроцесс, сравнить габариты;
переключить машину в позицию «автомат».

Здесь действия наладчика закончены, в дело вступает оператор, который обязан своевременно:

менять смазочные материалы и намасливать патроны;
очищать зону проведения операций;
проверять гидравлику, пневматику, точность заданных показателей.

Также ему необходимо запустить тестовое ПО, а после убедиться в надежности всех креплений и отсутствии отклонений. Если все в порядке, можно:

фиксировать заготовку;
вводить программу;
заправлять перфоленту;
нажимать «Пуск»;
замерять деталь, сравнивая с образцом.

На специальных курсах подробно расскажут и покажут, как научиться работать на станке с ЧПУ. На такую профильную подготовку просто необходимо отправить своих сотрудников, если вы хотите установить столь производительное оборудование на своем предприятии и эффективно использовать его преимущества.

Что такое станок с ЧПУ (CNC). Принцип работы фрезерных и токарных ЧПУ, резка по металлу и обработка дерева

Обработка на ЧПУ (числовое программное управление) станках — это наиболее широко используемая субтрактивная технология производства. В процессе работы ЧПУ станков материал удаляется из заготовки с помощью различных режущих инструментов для изготовления детали на основе предварительно подготовленной 3D модели в САПР. С помощью станков с ЧПУ можно обрабатывать, металлы, дерево и пластмассы.

ЧПУ производит детали с жесткими допусками и превосходными свойствами материала. Благодаря высокой повторяемости, ЧПУ подходит как для разовых работ, так и для производства малых и средних объемов (до 1000 деталей). Однако, по сравнению с 3D-печатью, ЧПУ имеет больше ограничений при проектировании из-за субтрактивного характера технологии.

В этой статье рассмотрим основные различия и характеристики между двум самыми распространенными типами ЧПУ фрезерного и токарного, а так же сравнение этой технологии с аддитивным производством.

Краткая история появления станков с ЧПУ

Самым ранним из обнаруженных механически обработанных объектов была чаша, найденная в Италии и сделанная в 700 году до нашей эры на токарном станке.
Попытки автоматизировать обработку начались еще в 18 веке. Эти машины были чисто механическими и приводились в действие паром.
Первая программируемая машина была разработана в конце 40-х годов в Массачусетском технологическом институте. Этот ЧПУ использовал перфокарты для программирования каждого движения.
Распространение компьютеров в 50-х и 60-х годах дало толчок развитию ЧПУ станков и радикально изменило обрабатывающую промышленность.
Сегодня станки с ЧПУ представляют собой передовые роботизированные системы с многоосевыми и многоинструментальными возможностями.

Как работают станки с ЧПУ?

Существует два основных типа систем обработки с ЧПУ: фрезерные и токарные. Каждый из них лучше подходит для изготовления изделий разной геометрии благодаря своим уникальным характеристикам.

Давайте разберемся, как изготавливаются детали с использованием этих двух машин.

Базовый процесс работы станка с ЧПУ можно разбить на 3 этапа. Инженер сначала проектирует CAD-модель детали. Затем, ЧПУ программист превращает файл САПР в программу которую способны прочитать ЧПУ станки ( Gcode ) и настраивает станок определенным образом. Наконец, система ЧПУ выполняет все операции обработки с небольшим контролем, удаляя материал и создавая уже готовую деталь.

Как работает фрезерный станок с ЧПУ по металлу, дереву и пластмассе?

Схема типичного фрезерного станка с ЧПУ

Фрезерные станки с ЧПУ — пожалуй самая популярная архитектура станков. Зачастую, термин «фрезерование с ЧПУ» часто является синонимом термина «обработка с ЧПУ».

При фрезеровании с ЧПУ деталь устанавливается на станину и материал срезается с помощью вращающихся инструментов.

Обзор процесса фрезерования с ЧПУ:

Сначала САПР 3D модель преобразуется в серию команд Gcode , которые могут интерпретироваться станком с ЧПУ. Обычно это делает программист ЧПУ с использованием предоставленных технологических карт и чертежей.
Затем заготовка разрезается по размеру и закрепляется на платформе с помощью тисков или путем непосредственной установки на станину. Точное позиционирование и центровка являются ключевыми для производства точных деталей и для этой цели часто используются специальные метрологические инструменты (контактные щупы).
Затем материал удаляется из заготовки с помощью специальных режущих инструментов, которые вращаются с очень высокой скоростью (тысячи оборотов в минуту). Для создания спроектированной детали часто требуется несколько проходов. Во-первых, блоку придается приблизительная геометрия за счет быстрого удаления материала с меньшей точностью. Затем один или несколько чистовых проходов используются для изготовления окончательной детали.
Если у модели есть элементы, которые не могут быть обработаны режущим инструментом за однин цикл (например , если у нее есть прорезь на ее задней стороне), то деталь необходимо перевернуть и повторить описанные выше шаги.

Типичная деталь, фрезерованная с помощью ЧПУ станков, изготовленная путем удаления материала из прямоугольной заготовки

После обработки с детали необходимо удалить заусенцы. Удаление заусенцев — это в основном ручной процесс, оставшихся на острых кромках из-за деформации материала во время обработки (например , дефекты, образовавшиеся при сверлении, находятся на обратной стороне сквозного отверстия). Затем, если в техническом чертеже указаны допуски, проверяются критические размеры. Затем деталь готова к использованию или постобработке.

Большинство фрезерных систем с ЧПУ имеют 3 линейные степени свободы: оси X, Y и Z. Более совершенные системы с 5 степенями свободы также позволяют вращать станину и/или головку инструмента (оси A и B). 5-осевые системы ЧПУ способны изготавливать детали с высокой геометрической сложностью и устраняют необходимость в установке нескольких станков.

Как работает токарный станок с ЧПУ по металлу, дереву и пластмассе?

Схема типичного токарного станка с ЧПУ

При токарной обработке с ЧПУ деталь устанавливается на вращающийся патрон, а материал удаляется с помощью стационарных режущих инструментов. Таким образом можно изготавливать детали с симметрией относительно их центральной оси. Точеные детали обычно производятся быстрее (и с меньшими затратами), чем фрезерованные.

Краткое описание шагов, которые необходимо выполнить для изготовления и обработки детали на токарных станках с ЧПУ:

Из САПР 3D модели формируется Gcode для токарного ЧПУ станка, цилиндр заготовки (заготовки ) подходящего диаметра зажимается в патрон ЧПУ станка
Деталь начинает вращаться с высокой скоростью, неподвижный режущий инструмент повторяет профиль 3D модели, постепенно удаляя материал, пока не будет создана заданная геометрия. Отверстия вдоль центральной оси также могут быть выполнены с использованием центровочных сверл и внутренних режущих инструментов.
Если деталь нужно перевернуть или переместить, процесс повторяется. В противном случае деталь удаляется и готова к использованию или дальнейшей постобработке.

Типичная токарная деталь с ЧПУ, изготовленная путем снятия материала с цилиндрической заготовки.

Обычно токарные станки с ЧПУ (также известные как токарные станки) используются для создания деталей с цилиндрическими профилями. Нецилиндрические детали можно изготавливать на современных многоосных токарных центрах с ЧПУ, которые также оснащены фрезерными инструментами с ЧПУ. Эти системы сочетают в себе высокую производительность токарной обработки с ЧПУ с возможностями фрезерования с ЧПУ и могут изготавливать очень широкий диапазон геометрических форм с (более свободной) симметрией вращения, например распределительные валы и радиальные рабочие колеса компрессоров.

Поскольку границы между фрезерной и токарной системами размыты, остальная часть статьи посвящена в основном фрезерованию с ЧПУ, поскольку это более распространенный производственный процесс.

Параметры станков с ЧПУ

Большинство параметров обработки определяются оператором станка во время генерации G-кода и обычно не представляют особого интереса для проектировщика. Интересующие параметры станка — это размер сборки и точность станка с ЧПУ:

ЧПУ имеют большую площадь сборки. Фрезерные системы с ЧПУ могут обрабатывать детали размером до 2000 x 800 x 100 мм (78 x 32 x 40 дюймов), а токарные системы с ЧПУ могут изготавливать детали диаметром до Ø 500 мм ( Ø 20 дюймов).

Обработка с ЧПУ позволяет изготавливать детали с высокой точностью и жесткими допусками. Если допуск не указан, детали будут обрабатываться с типичной точностью ± 0,125 мм (0 ,005 дюйма). Жесткие допуски до менее половины диаметра среднего человеческого волоса ( ± 0,025 мм или 0,001 дюйма), так же могут быть достигнуты с помощью обработки на ЧПУ станках.

Типы режущих инструментов станков с ЧПУ

Для создания различной геометрии, используют разные режущие инструменты для станка с ЧПУ . Вот некоторые из наиболее часто используемых фрезерных инструментов в ЧПУ:

Подборка наиболее распространенных режущих инструментов с ЧПУ (не в масштабе)

Плоские головки и концевые фрезы с шаровой головкой используется для машинных пазов, канавок, полостей и других вертикальных стенок. Их разная геометрия позволяет обрабатывать элементы с разными деталями. Инструменты с шаровой головкой также обычно используются при 5-осевой обработке с ЧПУ для изготовления поверхностей с кривизной и произвольной геометрией.

Сверла — это распространенный и быстрый способ создания отверстий. Вы можете найти таблицы со стандартными размерами сверл. Для отверстий нестандартного диаметра можно использовать врезную концевую фрезу с плоской головкой (по спиралевидной траекторией).

Диаметр вала пазовых фрез меньше диаметра их режущей кромки, что позволяет этим фрезерным инструментам вырезать Т-образные пазы и другие поднутрения, удаляя материал со сторон вертикальной стенки.

Метчики используются для изготовления отверстий с резьбой. Для создания резьбы необходим точный контроль скорости вращения и линейной скорости метчика. В некоторых механических цехах до сих пор широко используется ручное нарезание резьбы метчиком.

Торцевые фрезы используются для удаления материалов с больших плоских поверхностей. Они имеют больший диаметр, чем концевые фрезы, поэтому для обработки больших площадей требуется меньше проходов, что сокращает общее время обработки и позволяет получать плоские поверхности. Этап торцевого фрезерования часто используется в начале цикла обработки для подготовки размеров заготовки.

Столь же широкий спектр режущих инструментов также используется при токарной обработке с ЧПУ, такие как торцевание, нарезание резьбы и канавок.

Видео работы торцевой фрезы:

Типы станков с ЧПУ

В этом руководстве мы сосредоточимся на станках с ЧПУ, которые удаляют материал с помощью режущих инструментов. Они наиболее распространены и имеют самый широкий спектр применения. Другие, менее распространенные, станки с ЧПУ — лазерные , плазменные и электроэрозионные станки.

Геометрическая сложность и ограничения дизайна

ЧПУ обработка дает большую свободу проектирования, но не всякая геометрия может быть обработана на ЧПУ . В отличие например от 3D-печати, сложность деталей увеличивает стоимость, так как требуется больше этапов и циклов производства.

5-осевые системы ЧПУ позволяют режущему инструменту работать в областях, недоступных для 3-осевых систем

Основные ограничения в ЧПУ связаны с геометрией режущего инструмента. Например, внутренние края паза всегда будут закругленными, поскольку они обрабатываются с помощью инструмента с цилиндрическим профилем.

Доступ к инструменту — еще одно серьезное ограничение в ЧПУ: материал нельзя удалить, если инструмент не достигнет какой-либо области. Большинство станков с ЧПУ представляют собой 3-осевые системы, поэтому любая функция должна быть задана и спроектирована так, чтобы к ней можно было получить доступ непосредственно сверху. 5-осевые системы ЧПУ предлагают большую гибкость, позволяя создавать более сложные детали, поскольку угол между деталью и инструментом можно регулировать, чтобы получить доступ к труднодоступным участкам.

Детали с тонкими стенками или другими мелкими деталями трудно обрабатывать на станке с ЧПУ. Тонкие стенки подвержены вибрации и могут сломаться под действием силы режущего инструмента. Минимальная рекомендуемая толщина стенки составляет 0,8 мм для металлов и 1,5 мм для пластмасс.

Статью с дополнительными рекомендациями по проектированию специально для обработки с ЧПУ можно найти здесь.

5-осевые станки для обработки с ЧПУ

Много осевые обрабатывающие системы с ЧПУ представлены в трех вариантах: 5-осевые фрезерные станки с ЧПУ, непрерывные 5-осевые фрезерные центры с ЧПУ и токарно-фрезерные центры с приводным инструментом.

По сути, эти системы представляют собой фрезерные или токарные станки с дополнительными степенями свободы. Например, 5-осевые фрезерные центры с ЧПУ позволяют вращать станину станка или инструментальную головку (или обе) в дополнение к трем линейным осям движения.

Расширенные возможности этих машин обходятся дороже. Они требуют как специализированного оборудования, так операторов и программистов ЧПУ, обладающих экспертными знаниями в этой области. Однако для очень сложных или оптимизированных по топологии металлических деталей более подходящим вариантом являются технологии 3D печати , но у них то же есть свои недостатки.

Индексируемая 5-осевая фрезерная обработка с ЧПУ

Во время обработки режущий инструмент может двигаться только по трем линейным осям.

Между операциями станина и инструментальная головка могут вращаться, обеспечивая доступ к заготовке под другим углом.
Индексированные 5-осевые фрезерные системы с ЧПУ также известны как фрезерные станки с ЧПУ 3 + 2, поскольку они используют две дополнительные степени свободы только между операциями обработки для вращения заготовки. Ключевым преимуществом этих систем является то, что они устраняют необходимость вручную перемещать заготовку. Таким образом, детали со сложной геометрией можно изготавливать быстрее и с большей точностью, чем на 3-осевом стане с ЧПУ. Им не хватает истинных возможностей произвольной формы непрерывных 5-осевых станков с ЧПУ.

Непрерывное 5-осевое фрезерование с ЧПУ

Режущий инструмент может перемещаться по трем линейным и двум осям вращения относительно заготовки.

Все пять осей могут двигаться одновременно во время всех операций обработки. Непрерывные 5-осевые фрезерные системы с ЧПУ имеют архитектуру станка, аналогичную индексированным 5-осевым фрезерным станкам с ЧПУ. Однако они позволяют перемещать все пять осей одновременно во время всех операций обработки.

Таким образом, можно изготавливать детали со сложной, «органической » геометрией, которые невозможно изготовить с достигнутым уровнем точности с помощью какой-либо другой технологии. Эти расширенные возможности, конечно же, имеют высокую стоимость, поскольку необходимы как дорогостоящее оборудование, так и высококвалифицированные специалисты.

Фрезерно-токарные центры с ЧПУ

Заготовка прикреплена к шпинделю, который может либо вращаться с высокой скоростью (как токарный станок), либо позиционировать ее под точным углом (как 5-осевой фрезерный станок с ЧПУ).

Токарный и фрезерный режущие инструменты используются для удаления материала с заготовки, образующей деталь.

Токарно-фрезерные центры с ЧПУ — это токарные станки с ЧПУ, оснащенные фрезерными станками с ЧПУ. Разновидностью фрезерных токарных центров являются токарные станки швейцарского типа, которые обычно имеют более высокую прецессию.

В токарно-фрезерных системах используются как высокая производительность токарной обработки с ЧПУ, так и геометрическая гибкость фрезерной обработки с ЧПУ. Они идеально подходят для изготовления деталей со «слабой » симметрией вращения (например , распределительных валов и центробежных колес) по гораздо более низкой цене, чем другие 5-осевые системы обработки с ЧПУ.

3-осевые фрезерные станки с ЧПУ позволяют производить детали относительно простой геометрии с превосходной точностью и низкой стоимостью.
Токарные станки с ЧПУ имеют самую низкую стоимость за единицу, но подходят только для геометрических фигур с симметрией вращения.
Индексированные 5-осевые фрезерные станки с ЧПУ позволяют производить детали, элементы которых не совпадают с одной из главных осей, быстро и с очень высокой точностью.
Непрерывные 5-осевые фрезерные станки с ЧПУ позволяют производить детали очень сложной, «органической » геометрии и гладких контуров, но при этом они имеют высокую стоимость.
Токарно-фрезерные центры с ЧПУ объединяют преимущества токарной обработки с ЧПУ и фрезерной обработки с ЧПУ в единую систему для производства сложных деталей с меньшими затратами, чем другие 5-осевые системы ЧПУ.

Характеристики обработки с ЧПУ

Ключевым преимуществом обработки с ЧПУ является ее способность изготавливать детали с превосходными свойствами из очень широкого спектра материалов: практически все конструкционные материалы можно обрабатывать с помощью ЧПУ.

Детали, изготовленные с помощью станков с ЧПУ, обладают полностью изотропными физическими свойствами, которые идентичны свойствам материала, из которого они были изготовлены. В отличии от 3D печати, в которой деталь формируется послойно и межслойная адгезия сильно влияет на общую прочность готового изделия, в ЧПУ используются заготовки изготовленные литьевыми методами с последующей термообработкой для достижения заданных свойств детали.

Обработка с ЧПУ в основном используется для изготовления металлических деталей, как для прототипов, так и для больших серий. Пластмассы, как правило, труднее обрабатывать, поскольку они имеют более хрупкие и имеют низкую температуру плавления. Распространенным вариантом использования пластмассовых деталей, обработанных на станках с ЧПУ, является создание функциональных прототипов перед крупносерийным производством с помощью литья под давлением .

Материалы используемые для обработки на ЧПУ станках

Стоимость материалов с ЧПУ значительно варьируется. Для металлов наиболее экономичным вариантом является алюминий 6061 при примерной общей стоимости 25 долларов США за заготовку размером 150 x 150 x 25 мм, в то время как для пластика ABS имеет самую низкую стоимость, примерно 17 долларов США за заготовку того же размера.. Физические свойства материала также могут сильно повлиять на общую стоимость ЧПУ . Например, нержавеющая сталь намного тверже алюминия, что затрудняет обработку, что увеличивает общую стоимость.

Алюминий 6061

Хорошее соотношение прочности и веса
Отличная обрабатываемость
Низкая твердость

Нержавеющая сталь 304

Отличные механические свойства
Отличная устойчивость к коррозии и кислотам
Относительно сложно обрабатывать

Латунь C360

Высокая пластичность
Отличная обрабатываемость
Хорошая коррозионная стойкость

ABS пластик

Отличная ударопрочность
Хорошие механические свойства
Чувствителен к растворителям

Нейлон (PA6 и PA66)

Отличные механические свойства
Высокая прочность среди пластиков
Плохая влагостойкость

POM (Делрин ) пластик

Высокая жесткость
Отличные тепловые и электрические свойства
Относительно хрупкий

Высокотемпературный термопласт
Очень дорогой

Постобработка деталей изготовленных на ЧПУ станках

На обработанных деталях с ЧПУ будут видны следы инструмента. Для сглаживания их поверхности и улучшения их износостойкости, противостоянию коррозии, химическая стойкость и приемлемого внешнего вида могут использоваться различные методы последующей обработки, такие как анодирование, дробеструйная очистка и порошковое покрытие .

Детали без обработки

Детали после обработки уже имеют самые жесткие допуски, так как с ними не выполняются никакие дополнительные операции. Однако следы траектории режущего инструмента будут достаточно хорошо видны.

Стандартная шероховатость поверхности обработанных деталей составляет 3,2 мкм (125 мкдюймов) и может быть уменьшена до 0,4 мкм (16 мкдюймов) в результате постобработки.

Дробеструйная и пескоструйная обработка

Пескоструйная обработка создает однородную матовую или сатинированную поверхность готовой детали, удаляя все следы инструмента.

Пескоструйная очистка в основном используется в эстетических целях, поскольку заданная шероховатость поверхности не гарантируется. Критические поверхности или элементы (например , отверстия) можно защитить, чтобы избежать изменения размеров.

Анодирование твердого покрытия

Анодирование с твердым покрытием дает более толстое керамическое покрытие высокой плотности, обеспечивающее отличную коррозионную и износостойкость.

Анодирование с твердым покрытием подходит для функциональных применений. Типичная толщина покрытия составляет 50 мкм. Критические области можно замаскировать, чтобы сохранить жесткие допуски.

Порошковое покрытие

Порошковая окраска добавляет тонкий слой прочной, износостойкой и коррозионностойкой защитной полимерной краски на поверхность детали.

Его можно наносить на детали из любого материала, так же доступна широкая гамма цветов.

Шелкография

Шелкография — это недорогой способ печати текста или логотипов на поверхности деталей, обработанных на станках с ЧПУ, в эстетических целях.

Его можно использовать в дополнение к другим видам отделки (например , анодированию). Печать можно наносить только на внешние поверхности детали.

Сравнение способов пособработки деталей изготовленных на ЧПУ станках

Удаляет Заусенцы
Удаляет следы инструмента
Добавляет однородную матовую или атласную поверхность
Помогает увеличить сцепление

Влияет на критические размеры и шероховатость поверхности

Добавляет декоративную отделку
Улучшает атмосферостойкость и коррозионную стойкость
Совместимость со всеми металлами
Более высокая стойкость, чем у красок

Не может быть легко нанесен на внутренние поверхности
Меньший размерный контроль по сравнению с анодированием

Придает материалу гладкую почти матовую текстуру
Прочный и эстетичный
Легко наносится на внутренние полости и мелкие детали
Доступна широкая цветовая гамма

Очень плохой электрический проводник. Если заземление необходимо, оно должно быть каким-то образом защищено.
Относительно хрупкий по сравнению с порошковым покрытием

Защищает от коррозии
Пропускает заземляющие токи
Краски хорошо ложатся, можно использовать как грунтовку.
Увеличивает долговечность

Доступны ограниченные цвета (желтый , серый, белый)
Низкая стойкость к истиранию

Удаляет машинные следы

Не устойчив к коррозии
Не увеличивает износостойкость

Уменьшает шероховатость деталей
Заусенцы
Делает поверхность более гладкой и блестящей
Повышает коррозионную стойкость
Создает более гигиеничную поверхность

Не 100% гладкость
Не увеличивает износостойкость

Преимущества и ограничения обработки с ЧПУ

Основные преимущества и недостатки технологии кратко изложены ниже:

Обработка с ЧПУ обеспечивает превосходную точность и воспроизводимость, а также позволяет изготавливать детали с очень жесткими допусками, что делает его идеальным для высокотехнологичных применений.
Материалы для ЧПУ обладают превосходными и полностью изотропными физическими свойствами и подходят для большинства инженерных приложений.
ЧПУ — это наиболее экономичный производственный процесс для производства металлических деталей от небольшого до среднего количества (от единичных прототипов до 1000 единиц).
Из-за субтрактивного характера обработки с ЧПУ некоторые геометрические формы либо очень дороги, либо невозможны в производстве.
Начальные затраты на обработку с ЧПУ высоки по сравнению с 3D-печатью
Сроки обработки с ЧПУ (10 дней) больше, чем сроки выполнения 3D-печати (2 -5 дней), так как станки с ЧПУ не так широко доступны, поскольку для их работы требуются экспертные знания и дорогостоящее оборудование

Основные параметры обработки на станках ЧПУ приведены ниже для металлов и пластмасс:

Типичная: ± 0,125 мм (0 ,005 дюйма)
Максимальная: ± 0,025 мм (0 ,001 дюйма)

Минимальная толщина стенки

Металлы: 0,75 мм (0 ,030 дюйма)
Пластик: 1,5 мм (0 ,060 дюйма)

Максимальный размер сборки

Фрезерование: 2000 x 800 x 100 мм (78 x 32 x 40 дюймов)
Токарная обработка: Ø 500 мм ( Ø 20 дюймов)

Области применение обработки на станках с ЧПУ

Космос

Обработка с ЧПУ — один из немногих производственных процессов, который подходит для создания деталей для космического применения. Не только благодаря ЧПУ детали имеют отличную точность и свойства материала, но также благодаря широкому спектру обработок поверхности, которые могут быть применены к деталям после обработки.
Например, KEPLER использовала станки с ЧПУ и материалы космического класса, чтобы за 12 месяцев перейти от эскиза на салфетке до спутника в космосе.

Аэрокосмическая промышленность

Аэрокосмическая промышленность была одной из первых отраслей, в которых применялась обработка с ЧПУ. Это связано с его способностью изготавливать легкие детали с превосходными физическими свойствами и очень жесткими допусками. Обработка с ЧПУ используется как для деталей самолетов, так и космических аппаратов.

Например, Томас Синниге — доктор философии в Делфтском технологическом университете, вместе с его командой исследователей использовали станки с ЧПУ для производства уменьшенных версий своего прототипа двигателя, стремясь повысить эффективность современных двигателей.

Автомобильная промышленность

Обработка с ЧПУ находит применение в автомобильной промышленности, когда требуется изготовление высокопроизводительных нестандартных деталей.

Например, голландская компания PAL-V разрабатывает личные воздушные и наземные транспортные средства. По сути, это первые в мире летающие автомобили. На этапах разработки они выбрали обработку с ЧПУ для прототипирования и изготовления ключевых компонентов.

Дизайн и разработка промышленных продуктов

Возможность быстро изготавливать металлические детали по индивидуальному заказу с высокой точностью размеров делает обработку с ЧПУ привлекательным вариантом для изготовления функциональных прототипов. Это важно на более поздних этапах проектирования и разработки.

Команда разработчиков DAQRI, например, использовала станки с ЧПУ для создания прототипа своего профессионального оборудования с дополненной реальностью. Они выбрали этот процесс, так как это было наиболее экономичное решение, позволяющее производить индивидуальные металлические детали с требуемым уровнем детализации и в небольших масштабах, необходимых для их проектов.

Электротехническое и электронное производство

Обработка с ЧПУ находит множество применений в электротехнической и электронной промышленности: от прототипирования печатных плат до изготовления корпусов.

Компания TPAC, например, использовала станки с ЧПУ для изготовления корпусов для своих мощных электронных сенсорных систем. В этом случае основными требованиями к конструкции были теплоотвод и электрическая изоляция. Таким образом, анодированный алюминий, обработанный на станке с ЧПУ, идеально подходил для их одноразового нестандартного корпуса.

Инструменты и промышленное производство

Очень распространенное промышленное применение обработки с ЧПУ — изготовление инструментов для промышленных процессов. Например, формы для литья под давлением обычно изготавливаются с ЧПУ из алюминия или инструментальной стали.

Компания Precious Plastic, например, разработала для развивающихся стран систему, которая превращает пластиковый мусор в чехлы для iPhone! Для этой цели они использовали недорогую ручную машину для литья под давлением и специальные пресс-формы изготовленные на ЧПУ станках.

Советы по оптимизации работы, проектированию и сокращения затрат на станках с ЧПУ

Стоимость готовых деталей созданных на станках с ЧПУ зависит от следующего:

Время обработки и сложность модели: чем сложнее геометрия детали, тем больше времени требуется на обработку и тем дороже она будет.
Начальные затраты: они связаны с подготовкой файлов САПР и планированием процессов. Они важны для небольших объемов, но фиксированы. Есть возможность снизить цену за единицу за счет эффекта масштаба.
Стоимость материалов и постобработка: стоимость материала и легкость, с которой этот материал может быть обработан, сильно влияют на общую стоимость

Совет №1: Увеличьте размер всех скруглений или добавьте поднутрения на острые края.

Чтобы сократить время обработки, добавьте скругление как можно большего размера ко всем внутренним (и внешним) вертикальным кромкам. Таким образом, можно использовать более крупный инструмент, удаляя больше материала с каждым резом и можно следовать круговой траектории, срезая каждый угол с более высокой скоростью.

Когда необходима внутренняя кромка 90 °, уменьшение радиуса не поможет. В этих случаях вместо этого используйте поднутрение.

Чтобы минимизировать стоимость:

Добавьте радиус, который немного больше 1/3 глубины полости.
Также добавьте небольшие скругление к внешним краям.
Используйте поднутрения, когда требуется внутренний угол 90 °.
Совет от профессионала: используйте одинаковый радиус для всех кромок, чтобы сэкономить время при смене инструмента.

Совет № 2: Сведите к минимуму количество ориентаций машины

Приведенная выше деталь требует как минимум двух наладок станка на 3-осевом фрезерном станке с ЧПУ. После обработки элементов с одной стороны заготовку поворачивают вручную. Это требует ручного труда, что увеличивает затраты.

В качестве альтернативы можно использовать многоосные станки с ЧПУ. Это также увеличивает затраты на обработку примерно на 60-100%.

Чтобы минимизировать стоимость:

Создавайте детали, которые можно обрабатывать за одну или две установки на 3-осевом фрезерном станке с ЧПУ.
Если это невозможно, рассмотрите возможность разделения детали на несколько геометрических форм, каждое их которых можно обработать за один цикл

Совет №3: Учитывайте стоимость материала.

Подбирайте материал заготовки в соответствии с требования к готовой детали.

Обработка на станках с ЧПУ по сравнению с 3D печатью

И обработка с ЧПУ и 3D печать — исключительные инструменты в арсенале инженера. Однако их уникальные преимущества делают каждый из них более подходящим для разных ситуаций.

При выборе между обработкой с ЧПУ и 3D печатью есть несколько простых рекомендаций, которые вы можете применить в процессе принятия решения.

Как правило, детали с относительно простой геометрией, которые могут быть изготовлены с ограниченными усилиями с помощью процесса вычитания, обычно должны обрабатываться на станке с ЧПУ, особенно при производстве металлических деталей с жесткими допусками и заданной прочностью.

Выбор 3D печати вместо обработки с ЧПУ имеет смысл, когда вам нужен:

Недорогой пластиковый прототип
Детали с очень сложной геометрией, например внутренними полостями, сетчатые структуры или микро детали
Сжатые срок выполнения 2-5 дней
Использование специальных материалов, которые недоступны для ЧПУ станков

ЧПУ предлагает более высокую точность размеров и производит детали с лучшими механическими свойствами, чем 3D-печать, но это обычно требует более высоких затрат для небольших объемов и больших конструктивных ограничений.

Ограничения по проектированию деталей обработанных на станках с ЧПУ

Конструктивные ограничения при обработке с ЧПУ являются естественным результатом механики процесса резки, в частности:

Геометрия инструмента

Большинство обрабатывающих режущих инструментов с ЧПУ имеют цилиндрическую форму с плоским или сферическим концом, что ограничивает геометрию деталей, которые могут быть изготовлены.

Например, внутренние вертикальные углы детали с ЧПУ всегда будут иметь радиус, независимо от размера используемого режущего инструмента.

Доступ к инструменту

Поверхности, недоступные для режущего инструмента, не могут быть обработаны на станке с ЧПУ.

Это запрещает, например, изготовление деталей с внутренней «скрытой » геометрией и ограничивает максимальную глубину поднутрения.

Жесткость заготовки

Из-за сил режущего инструмента и температуры возникающей в результате трения во время обработки, заготовка может деформироваться или вибрировать.

Это ограничивает, например на минимальную толщину стенки, которую может иметь деталь, обработанная на станке с ЧПУ и максимальное соотношение сторон высоких элементов.

Жесткость инструмента

Как и заготовка, режущий инструмент также может отклоняться или вибрировать во время обработки. Это приводит к снижению допусков и даже поломке инструмента.

Эффект становится более заметным, когда отношение длины к диаметру режущего инструмента увеличивается и это причина того, почему глубокие полости не могут быть легко обработаны с ЧПУ.

Геометрия детали

Геометрия детали определяет способ ее удержания на станке с ЧПУ и количество необходимых настроек. Это влияет на стоимость, но также и на точность детали.

Например, изменение положения вручную приводит к небольшой, но не незначительной позиционной ошибке. Это ключевое преимущество 5-осевой обработки с ЧПУ по сравнению с 3-осевой.

Правила проектирования деталей обработанных на станках с ЧПУ

Полости и карманы

Рекомендуемая глубина: 4x ширина полости
Возможная глубина: 10 диаметров инструмента или 25 см (10 дюймов).
Более глубокие полости должны обрабатываться режущими инструментами большего диаметра, влияющими на скругления внутренних кромок.
Глубина полости: Рекомендуется, 4-кратная ширина полости

Концевые фрезы имеют ограниченную длину резания (обычно в 3-4 раза больше их диаметра). Прогиб инструмента, удаление стружки и вибрации становятся более заметными, когда полости имеют меньшее отношение глубины к ширине.
Ограничение глубины полости до 4-х кратной ее ширины обеспечивает хорошие результаты.
Если требуется большая глубина, подумайте о разработке деталей с переменной глубиной полости.

Фрезерование глубоких полостей: полости, глубина которых превышает 6-кратный диаметр инструмента, считаются глубокими. Отношение диаметра инструмента к глубине полости до 30:1 возможно при использовании специального инструмента (максимальная глубина: 30 см с концевой фрезой диаметром 1 дюйм).

Внутренние края

Рекомендуется: больше x глубина впадины.
Для внутренних вертикальных кромок, чем больше скругление, тем лучше.
Края на дне полости должны быть острыми или иметь радиус 0,1 мм или 1 мм.
Вертикальный радиус угла: Рекомендуется ⅓ x глубина полости (или больше)

Использование рекомендованного значения для внутренних угловых радиусов гарантирует, что инструмент подходящего диаметра может быть использован и совпадает с рекомендациями для рекомендованной глубины полости. Увеличение угловых радиусов немного выше рекомендованного значения (например , на 1 мм) позволяет инструменту резать по круговой траектории вместо угла 90 град. Это предпочтительно, поскольку это приводит к более качественной отделке поверхности. Если требуются острые внутренние углы под углом 90 градусов, рассмотрите возможность добавления Т-образного поднутрения, вместо уменьшения радиуса угла.

Радиус дна: Рекомендуемый — 0,5 мм, 1 мм или без радиуса

Возможно: Концевые фрезы любого радиуса имеют плоскую или слегка закругленную нижнюю режущую кромку. Другие радиусы дна могут быть обработаны с помощью инструментов со сферическим концом.

Минимальная толщина стенки

Рекомендуется: 0,8 мм (для металлов)
Возможно: 0,5 мм
Рекомендуется: 1,5 мм (для пластика)
Возможно: 1,0 мм.

Уменьшение толщины стенки снижает жесткость заготовки, увеличивает вибрацию и снижает достижимые допуски. Пластмассы особенно склонны к короблению и термическому размягчению, поэтому необходима большая минимальная толщина стенки.

Уменьшение толщины стенки снижает жесткость материала, что увеличивает вибрацию во время обработки и снижает достижимую точность.
Пластмассы склонны к короблению (из -за остаточных напряжений) и размягчению (из -за повышения температуры), поэтому рекомендуется использовать большую минимальную толщину стенки.
Вышеуказанные возможные значения должны рассматриваться в индивидуальном порядке.

Отверстия

Рекомендуемый диаметр: стандартные размеры сверл
Рекомендуемая глубина: 4x номинального диаметра
Максимум. глубина: 10x номинального диаметра

Предпочтительны отверстия со стандартным диаметром, так как они могут обрабатываться стандартным сверлом. Глухие отверстия, обработанные сверлом, будут иметь коническое дно.

Отверстия нестандартного диаметра обрабатываются концевой фрезой и должны рассматриваться как полости (см . Предыдущее правило). Глухие отверстия, обработанные концевой фрезой, будут плоскими.

Возможные варианты: любой диаметр больше 1 мм.

Отверстия обрабатываются с помощью сверла или концевой фрезы. Размер сверл стандартизирован (в метрических и британских единицах). Развертки и расточные инструменты используются для чистовой обработки отверстий, требующих жестких допусков. Для высокоточных отверстий менее ⌀20 мм рекомендуется использовать стандартный диаметр.

Отверстия нестандартного диаметра необходимо обработать концевой фрезой. В этом случае применяются ограничения максимальной глубины полости и следует использовать рекомендованное значение максимальной глубины. Отверстия глубже типичного значения обрабатываются специальными сверлами (минимальный диаметр 3 мм).
Глухие отверстия, обработанные сверлом, имеют коническое дно (угол 135 град), а отверстия, обработанные концевой фрезой, будут плоскими.
При обработке с ЧПУ нет особого предпочтения между сквозными или глухими отверстиями.

Резьба

Рекомендуемая длина: 3х номинального диаметра
Рекомендуемый размер: M6 или больше.
Возможный размер: M2.

Выберите максимально возможную резьбу, так как их легче обрабатывать. Нарезание резьбы более, чем в 3 раза больше номинального диаметра не требуется.
Всегда проектируйте резьбу в качестве косметического средства в вашем пакете САПР и включайте технический чертеж в свой заказ.

Внутренние резьбы разрезают с заходами и наружной резьбой с матрицами. Метчики и плашки можно использовать для нарезания резьбы до M2.
Инструменты для нарезания резьбы с ЧПУ широко распространены и они предпочитаются программистами ЧПУ, поскольку они ограничивают риск поломки метчика. Для нарезания резьбы до M6 можно использовать резьбонарезные инструменты с ЧПУ.

Минимум: 1,5 x номинальный диаметр
Рекомендуется: 3 x номинальный диаметр

Большая часть нагрузки, прилагаемой к резьбе, воспринимается несколькими первыми зубьями (до 1,5-кратного номинального диаметра). Таким образом, нет необходимости в резьбе, превышающей 3-кратный номинальный диаметр.
Для резьбы в глухих отверстиях, нарезанных метчиками (то есть для всех резьбы меньше M6), добавьте длину без резьбы, равную 1,5 номинального диаметра на дне отверстия.
Когда можно использовать резьбонарезной инструмент с ЧПУ (например , резьбу больше M6), отверстие можно продеть по всей его длине.

Высота выступа

Рекомендуемая макс. соотношение: высота / ширина <4

Высокие элементы сложно точно обработать, так как они подвержены вибрации. Учитывайте общую геометрию детали: поворот детали на 90 ° во время обработки изменяет соотношение сторон.

Минимальный диаметр отверстия

Рекомендуется: 2,5 мм (0 ,100 дюйма)
Выполнимо: 0,50 мм (0 ,020 дюйма)

Полости и отверстия до 2,5 мм (0 ,1 дюйма) могут обрабатываться на ЧПУ стандартными режущими инструментами. Все, что ниже этого предела, считается микрообработкой и этого следует избегать, если в этом нет необходимости.

Большинство механических цехов смогут точно обрабатывать полости и отверстия с помощью инструментов диаметром до 2,5 мм (0 ,1 дюйма).
Все, что ниже этого предела, считается микрообработкой. Для обработки таких деталей требуются специальные инструменты (микродрели ) и экспертные знания (физика процесса резания изменяется в этом масштабе), поэтому рекомендуется избегать их без крайней необходимости.

Допуски

Стандарт: ± 0,125 мм (0 ,005 дюйма)
Реализуемое: ± 0,025 мм (0 ,001 дюйма)

Допуски ( односторонние, двусторонние, интерференционные или геометрические ) должны быть определены для всех критических функций, но НЕ должны иметь чрезмерный запас.

Если на техническом чертеже не указан допуск, то стандартное значение составляет ± 0,125 мм.

Стандарт: ± 0,125 мм (0 ,005 дюйма )
Типичный: ± 0,025 мм (0 ,001 дюйма )
Возможный: ± 0,0125 мм (0 ,0005 дюйма)

Допуски определяют границы допустимого размера. Достижимые допуски зависят от базового размера и геометрии детали. Приведенные выше значения являются разумным ориентиром.

Надписи на готовых деталях

Рекомендуется: размер шрифта 20 (или больше), гравировка 5 мм.

Гравированный текст предпочтительнее тисненого текста, так как удаляется меньше материала.
Рекомендуется использовать шрифт без засечек (например , Arial или Verdana) размером не менее 20 пунктов. Многие станки с ЧПУ имеют заранее запрограммированные процедуры для этих шрифтов.

Максимальный размер детали

Фрезерование с ЧПУ: 400 x 250 x 150 мм (обычно )
Токарная обработка с ЧПУ: Ø 500 мм x 1000 мм (обычно )

На очень больших станках с ЧПУ можно производить детали размером до 2000 x 800 x 1000 мм (78 x 32 x 40 дюймов). 5-осевые обрабатывающие системы с ЧПУ обычно имеют меньший объем сборки.

Проектирование поднутрений для станков с ЧПУ

Поднутрения — это элементы, которые невозможно обработать стандартными инструментами, независимо от того, как деталь поворачивается, потому что режущие инструменты не могут получить доступ ко всем поверхностям. Если бы квадратные алюминиевые профили были изготовлены с помощью станков с ЧПУ, то их канавки считались бы поднутрениями.

Поднутрения можно обрабатывать с помощью специальных Т-образных и V-образных режущих инструментов, если они правильно спроектированы.

Вот несколько практических советов, которые помогут вам правильно спроектировать поднутрения.

Размеры выточки

Рекомендуемая ширина: от 3 мм (1 /8 дюйма) до 40 мм (1 ½ дюйма)
Максимум. Глубина: 2-кратная ширина

Проектируйте поднутрения шириной с шагом в целые миллиметры или стандартные дюймы. Для поднутрений нестандартных размеров необходимо создать специальный режущий инструмент. Стандартные инструменты имеют глубину резания примерно в два раза больше их ширины. Это ограничивает достижимую глубину.

Зазор поднутрения

Рекомендуемая мин. зазор: 4-х кратная глубина

Для поднутрения на внутренних поверхностях добавьте достаточный зазор между противоположными стенками, чтобы обеспечить доступ к инструменту.

Поднутрения — это элементы, которые нельзя обработать стандартными режущими инструментами, так как некоторые из их поверхностей недоступны непосредственно сверху.

Существует два основных типа поднутрений: Т-образные пазы и ласточкин хвост. Поднутрения могут быть односторонними или двусторонними и обрабатываются специальными инструментами.

Режущие инструменты с Т-образным пазом в основном состоят из горизонтального режущего лезвия, прикрепленного к вертикальному валу. Ширина поднутрения может варьироваться от 3 мм до 40 мм. Рекомендуется использовать стандартные размеры для ширины (т .е. целые миллиметры или стандартные доли дюйма), так как более вероятно, что инструмент уже доступен.

Для режущих инструментов типа «ласточкин хвост» угол является определяющим размером элемента. 45 и 60 град. степени инструментов ласточкина хвоста считаются стандартными. Инструменты с углом 5, 10 и до 120 град (с шагом 10 град) также существуют, но используются реже.

При проектировании деталей с поднутрениями на внутренних стенках не забудьте добавить достаточный зазор для инструмента. Хорошее практическое правило — добавить пространство, равное как минимум 4-кратной глубине поднутрения, между обработанной стенкой и любой другой внутренней стенкой.

Для стандартных инструментов типичное соотношение между диаметром разрезания и диаметром вала составляет 2: 1, что ограничивает глубину резания. Когда требуется нестандартная поднутрение, механические цеха обычно изготавливают свои собственные инструменты для поднутрения. Это может увеличить время выполнения заказа и стоимость, поэтому по возможности этого следует избегать.

Как работает станок

Устройство и принцип работы станков с ЧПУ, основы

Что такое станок с ЧПУ

Основные составляющие станка ЧПУ

Как работает ЧПУ станок

Основы работы на станках с ЧПУ

Настройка станка

Рекомендуемое оборудование

Фрезерные обрабатывающие центры

Фрезерные и лазерные станки с ЧПУ для бизнеса

Лазерные станки с ЧПУ

Сопутствующее оборудование

Российский производитель специальных решений на основе лазерной техники

Российские производители фрезерной техники

Заключение

Металлорежущие станки — виды, принцип работы, устройство станков

2. Основные узлы и механизмы металлорежущих станков

3. Принципы работы оборудования

4. Требования к оборудованию и критерии их качества

Что такое станок с ЧПУ: устройство и принцип работы

Целесообразность применения

Особенности станков с ЧПУ: что это такое, в чем проявляются

Классификация станков с программным управлением: их характеристика и обозначения

Технологические группы

Степень автоматизации

Основные параметры

Принцип программирования

Станки фрезерные с ЧПУ

Конструктивные особенности

Как работает ЧПУ-станок токарного типа

Классификация по характеру выполняемых задач

Конструктивные характеристики

Устройство станка ЧПУ многоцелевого типа

Конструктивные особенности

Что делают на станках с ЧПУ: сферы применения

Преимущества

Проблемы

Действия наладчика и оператора

Что такое станок с ЧПУ (CNC). Принцип работы фрезерных и токарных ЧПУ, резка по металлу и обработка дерева

Краткая история появления станков с ЧПУ

Как работают станки с ЧПУ?

Как работает фрезерный станок с ЧПУ по металлу, дереву и пластмассе?

Как работает токарный станок с ЧПУ по металлу, дереву и пластмассе?

Параметры станков с ЧПУ

Типы режущих инструментов станков с ЧПУ

Типы станков с ЧПУ

Геометрическая сложность и ограничения дизайна

5-осевые станки для обработки с ЧПУ

Характеристики обработки с ЧПУ

Материалы используемые для обработки на ЧПУ станках

Постобработка деталей изготовленных на ЧПУ станках

Детали без обработки

Дробеструйная и пескоструйная обработка

Анодирование твердого покрытия

Порошковое покрытие

Шелкография

Сравнение способов пособработки деталей изготовленных на ЧПУ станках

Преимущества и ограничения обработки с ЧПУ

Области применение обработки на станках с ЧПУ

Советы по оптимизации работы, проектированию и сокращения затрат на станках с ЧПУ

Обработка на станках с ЧПУ по сравнению с 3D печатью

Ограничения по проектированию деталей обработанных на станках с ЧПУ

Геометрия инструмента

Доступ к инструменту

Жесткость заготовки

Жесткость инструмента

Геометрия детали

Правила проектирования деталей обработанных на станках с ЧПУ

Полости и карманы

Внутренние края

Минимальная толщина стенки

Отверстия

Резьба

Высота выступа

Минимальный диаметр отверстия

Допуски

Надписи на готовых деталях

Максимальный размер детали

Проектирование поднутрений для станков с ЧПУ

Размеры выточки