CNC frézovanie pre priemyselné aj komerčné využitie

E-booky zdarma	Školení v oblasti CNC frézek	ESD inspekce

Úvod do frézovania

Pod skratkou CNC (číslicové riadenie počítačom) sa skrýva technológia, ktorá používa počítače na ovládanie obrábacích a iných strojov, ktoré sú, na rozdiel od klasických strojov ovládaných ručne cez ručné kolesá alebo páky či mechanicky automatizované vačkami, obsluhované abstraktne programovanými príkazmi nahranými na pamäťovom médiu. Je to neoddeliteľná a nepostrádateľná súčasť dnešného zložitého sveta produktov a výrobných techník, prispôsobiteľných prianiam zákazníka. V súčasnej dobe sa začína riešiť progresívny Industry 4.0 – prevratný systém organizácie a riadenia celého dodávateľského reťazca, a to bude bez použitia CNC nemysliteľné.

Prvé číslicovo riadené stroje boli vytvorené v 40. a 50. rokoch 20. storočia, a to na základe existujúcich nástrojov, ktoré boli vybavené motormi riadenými inštrukciami na dierovanej páske. Tieto rané servomechanizmy boli rapídne vylepšené analógovými či digitálnymi počítačmi, vytvárajúcimi tak moderné počítačovo číslicovo riadené (CNC) obrábacie stroje, ktoré priniesli revolúciu vo výrobných procesoch.

Technológia CNC nahradila dierne štítky magnetickou pamäťou, ktorá zvýšila počet operácií uskutočňovaných strojom, ako aj ich presnosť. Jednoduché binárne spínanie bolo nahradené postupnosťami zložitých príkazov, známych ako G-kódy. Tieto kódy sa skladajú z postupností písmen a číslic, umožňujúcich definíciu trojrozmerných priestorových súradníc, ako aj nastavenie počtu otáčok za minútu a ďalších dôležitých parametrov obrábania. G-kód je nutné previesť do formy, ktorá umožní stroju správne interpretovať povahu a časovanie spínacích operácií. Riadenie motorov a ďalších súčastí samotného stroja sa stále deje prevažne za pomoci pravidiel vytvorených technológiou NC. Jednou z hlavných predností použitia počítačov na riadenie obrábacích procesov je schopnosť automaticky predchádzať kolíziám medzi nástrojom a obrobkom, čo je procedúra, ktorej použitie zahŕňalo zložité ručné výpočty.

V moderných CNC systémoch je dizajn výrobkov vysoko automatizovaný s využitím Computer-Aided Design (CAD) a Computer Aided Manufacturing (CAM) programov. Tieto programy produkujú počítačový súbor, ktorý je interpretovaný na výpis príkazov potrebných na prevádzku konkrétneho stroja cez postprocesor, ktoré sú následne nahrané do CNC stroja pre samotnú výrobu. Pretože akýkoľvek konkrétny komponent môže vyžadovať použitie mnohých rôznych obrábacích nástrojov – píly atď. – moderné stroje často kombinujú viac nástrojov do jedinej „bunky“. V ostatných prípadoch je použitý väčší počet rôznych strojov s externým riadením a ľudskej či robotickej obsluhy, ktoré premiestňujú obrobky medzi strojmi. V každom prípade je komplexná séria krokov potrebná na výrobu akejkoľvek časti vysoko automatizovaná a vytváraný obrobok je takmer zhodný s CAD návrhom.

Vizuálne kontroly a embosované stupnice zjednodušujú nastavovanie ručne ovládaných strojov na dosiahnutie požadovaného výsledku. Motory používané v CNC strojoch nie sú schopné vykonávať také kontroly. Tiež musia dostávať presné pokyny ohľadom počtu otáčok za minútu a smeru otáčania, ako si ich vyžaduje vykonávaná práca, a tiež ohľadom bodu, v ktorom aktuálny pohyb musí skončiť.

Dnes sa technológia CNC používa vo všetkých výrobných procesoch obsahujúcich obrábacie stroje. Výrobné procesy slúžia na vytváranie všetkých druhov súčiastok, a podľa normy DIN 8580 sa delia do šiestich hlavných tried, a to:

1. Základné tvarovanie
2. Tvárnenie
3. Rezanie
4. Spájanie
5. Povrchová úprava
6. Úprava vlastností materiálu

Cieľom týchto procesov je výroba súčiastok a zmena vlastností ich materiálov, čo sú procesy, ku ktorým je možné pristupovať a realizovať ich mnohými rôznymi spôsobmi. Rezanie predstavuje proces, kde sa časti polotovaru odstraňujú, aby vznikol požadovaný tvar obrobku. Príkladom tohto typu procesu sú obrábacie techniky, ako sú rezanie, pilovanie, vŕtanie, frézovanie a sústruženie.

Súradnice a referenčné body

CNC stroje používajú na definovanie polohy obrobku a nástroja pravoruký systém kartézskych súradníc (popísaný v norme DIN 66217). Na ilustráciu sa používa ľudská ruka, kde palec a prostredník predstavujú kladné osi X a Y, zatiaľ čo ukazovák predstavuje kladnú os Z (obr. 1).

Pretože však niektoré stroje umožňujú otáčanie nástroja a obrobku okolo jednej alebo niekoľkých osí, tieto tri priestorové osi nie sú dostačujúce na definovanie všetkých operácií. Tieto prídavné osi poskytujú vysoký stupeň voľnosti pri pohybe a nastavovaní polohy nástroja a súčasne umožňujú prístup ku všetkým plochám obrobku z rôznych uhlov.

Tento systém súradníc nám dovoľuje definovať množinu referenčných bodov, z ktorých najdôležitejšie sú nulové body stroja a obrobku (na obrázku 2 označené M a W). Nulový bod stroja je začiatok, od ktorého sa odvíjajú všetky ostatné súradnice. Tento bod je pri každom stroji vopred priradený výrobcom. Nulový bod stroja je možné definovať tak, aby bolo možné používať iba kladnú časť priestoru súradnice, čo vedie k výlučne kladným hodnotám pre všetky tri osi.

Nulový bod obrobku definuje začiatok lokálneho systému súradníc, ktorý stroj používa na stanovenie presnej polohy obrobku. Pretože obrobok je možné umiestniť voľne v pracovnej oblasti stroja, nulový bod obrobku je nutné zmerať na najvyššie presne, často s presnosťou na tisícinu milimetra.

Frézovanie

Všeobecne povedané, frézovanie kovov je strojné trieskové obrábanie kovov viacbritým nástrojom. Hlavný pohyb (rotačný) koná nástroj a vedľajší pohyb (prísuv, posuv) obrobok. Klasicky prebieha v troch osách, vo viac ako troch osách pracujú viacosé obrábacie centrá. Frézovací stroj sa nazýva frézka, frézovací nástroj fréza. Frézovanie sa delí na súsledné, kedy sa nástroj otáča v smere pohybu stola s obrobkom, a nesúsledné, kedy je tomu opačne. Na dosiahnutie kvalitných výsledkov pri frézovaní potrebujeme vybrať správny frézovací nástroj a poznať materiál, ktorý budeme obrábať. Nesprávne používanie nástrojov znižuje presnosť a kvalitu vyrábaných dielov. Tj. náš výber frézovacieho nástroja musí rešpektovať tieto ciele:

• Optimálne využitie nástroja
• Maximálna životnosť
• Vysoké rýchlosti obrábania
• Vysoká všeobecná kvalita a kvalita povrchovej úpravy obrobku

Samozrejme sa ešte líšia požiadavky na domáce a priemyselné použitie. Priemyselní používatelia zahŕňajú opotrebenie nástroja do svojich nákladových plánov a všeobecne maximalizujú výrobné rýchlosti s cieľom znížiť náklady na zamestnancov a iné. Naproti tomu nadšenci neriešia nájomné alebo náklady na zamestnancov a vo všeobecnosti potrebujú udržať celkové výdavky na čo možno najnižšej úrovni. Pre väčšinu nadšencov je teda nezmyselné zaobstarávať si nástroje priemyselnej kvality.

Valcové čelné frézy majú jeden alebo niekoľko zubov na odoberanie materiálu z obrobku a každý zub má drážku alebo žliabok, pomáhajúci odstraňovať odpadový materiál počas frézovania. Čím je žliabok väčší, tým lepšie je možné odpad z obrobku odsunúť. Valcové čelné frézy sa obvykle líšia počtom žliabkov a podľa toho sa nazývajú jednožliabkové, dvojžliabkové atď. Akonáhle triesky a hobliny žliabok upchajú, nemôže už fréza pracovať efektívne. Ideálny je jeden žliabok na zub, avšak čím má fréza viac žliabkov, tým menšie musia byť; menšie žliabky znamenajú horšie odstraňovanie odpadu. Žliabky sa líšia strmosťou a sú vyrezané vpravorezných alebo ľavorezných špirálach alebo bežia priamo k drieku frézy. Na obrázku 3 je valcová čelná fréza s pravoreznou dvojžliabkovou špirálou.

Žliabky s pravoreznou špirálou odoberajú materiál smerom nahor, a čím je stúpanie plytšie, tým efektívnejšie sú triesky odstraňované. Žliabok má fyzikálne charakteristiky podobné závitu skrutky a tam, kde príde do kontaktu s obrobkom, pôsobí silou nahor. To má za následok trhliny v povrchu vláknitých materiálov, ako je napríklad drevo, a pokiaľ neurobíme preventívne opatrenia, môže dôjsť k nežiaducemu ohybu tenkých materiálov.

Čím je stúpanie žliabku strmšie, tým je zvisle pôsobiaca sila menšia. Pri rovnom žliabku je stúpanie nekonečné, takže pôsobiaca zvislá sila je nulová. V zásade je to dobrá správa, hoci to narúša odoberanie triesky. Rovné žliabky sa hodia v situáciách, keď je vedľa obrobku dostatočný priestor, alebo keď na okamžité odoberanie triesok po užívate vákuový systém (alebo stlačený vzduch).

Ľavorezné žliabky pôsobia na obrobok silou smerom dole. To ešte viac zhoršuje odoberanie triesky a hodí sa iba v kombinácii s vhodnými odoberacími systémami. Tlak smerom dole znamená, že okraje frézy majú len zriedkakedy trhajúci účinok a obrobok je zatláčaný do stola stroja, čo minimalizuje nepresnosti frézovania. Na obrázku 4 je valcová čelná fréza s ľavoreznou (vpredu) a pravoreznou špirálou.

Ako správne vybrať frézu?

Nasledujúce praktické zásady sú dobrým vodítkom pri výbere počtu zubov a žliabkov frézy:

• Čím je materiál tvrdší, tým menej ho môžete odobrať na jeden rez.

Frézy na tvrdé materiály majú viac zubov, a teda vyššiu rýchlosť frézovania.

• Čím je materiál mäkší, tým ľahšie sa reže a tým viac triesok vyprodukuje.

Mäkké materiály teda vyžadujú menší počet zubov a tomu zodpovedajúce veľké žliabky.

Čo pre nás znamená rezná dĺžka a typ drieku?

Rezná dĺžka je celková dĺžka dostupná na rezanie, meria sa od hrotu frézy. Tento rozmer je obzvlášť dôležitý, ak šírka rezu (tj priemer zubov/žliabkov) je užšia ako priemer drieku. V takom prípade je hĺbka rezania maximálnou hĺbkou, do ktorej môže fréza na obrobku preniknúť. Každý pokus rezať hlbšie spôsobí kolíziu drieku s povrchom obrobku. Ak je priemer žliabku väčší ako priemer drieku, môžeme frézovať po celej voľnej dĺžke frézy.

Pri rezaní priamo do masívneho kovu musia frézovacie nástroje vydržať obrovské záťaže. Na rôzne časti frézy pôsobia rôzne sily. Obzvlášť rezné hrany sú vystavené početným silám, ktoré sa počas rezania menia na niekoľko milisekúnd. Aby životnosť zubov valcovej čelnej frézy bola čo najdlhšia, musia byť čo možno najtvrdšie a najpružnejšie, zatiaľ čo driek nemusí byť tak tvrdý ako zuby, avšak musí byť menej náchylný na zlomenie.

Kvalitné frézy sú preto vyrobené z dvoch alebo niekoľkých rôznych materiálov navrhnutých tak, aby sa vyrovnali so špecifickými silami, ktorým je každá časť vystavená. Frézovacie nástroje – rovnako ako väčšina rezných nástrojov – sa obvykle skladajú z rýchloreznej ocele (často označovanej HS alebo HSS) a karbidovej ocele.

Oceľ HSS je mäkšia a pružnejšia a znáša väčšie sily. Frézy HSS sa preto hodia na práce vyžadujúce odoberanie veľkého množstva materiálu, avšak počas procesu sa rýchlejšie opotrebovávajú. Frézy z karbidovej ocele sa spravidla vyrábajú z karbidu volfrámu a sú extrémne tvrdé. Vyrábajú sa stláčaním a spekaním prášku karbidu volfrámu so spojivom na báze kobaltu a niklu, v kombinácii s extrémne tvrdými materiálmi, ako je karbid titánu a karbid tantalnióbu. Tieto materiály znižujú absolútnu tvrdosť, avšak zvyšujú pružnosť. Nástroje z karbidovej ocele sa opotrebúvajú pomalšie ako nástroje HSS, ľahšie sa však lámu. Monolitné karbidové nástroje sú celé vyrobené z karbidovej ocele.

Nástroje HSS, u ktorých sú z karbidovej ocele zhotovené iba rezné hrany, sa často používajú v situáciách nepretržitého používania. Dodávajú sa tiež nástroje, ktorých zuby sú vyrobené zo syntetického polykryštalického diamantu (PCD) alebo polykryštalického trojmocného nitridu bóru (PCBN). Modulárne techniky strojového opracovania zahŕňajú použitie výmenného nástrojového vybavenia.

Modulárne rezné nástroje majú viacpočetné identické rezné hrany, ktoré je možné po opotrebovaní pootočiť. Po opotrebovaní všetkých čepieľok je nutné vymeniť celý nástroj. Na obrázku 5 je valcová čelná fréza s povlakom TiAIN.

Iné typy nástrojov sú potiahnuté nitridmi, napríklad nitridom titánu (TiN) alebo nitridom titán-hliníka (TiAIN). Také povlaky sú tvrdšie ako materiál jadra nástroja a poskytujú hladký povrch, ktorý ďalej zmenšuje opotrebenie. Pri použití s ​​mäkšími materiálmi, ako sú hliník alebo meď, frézy pomáhajú predchádzať nárastu hrany. Obliečky tiež vytvárajú tepelnú bariéru, chrániacu mäkší materiál jadra pred vysokými teplotami, vznikajúcimi pri procese obrábania.

Záverom tejto kapitoly musíme upozorniť na súčasný problém, kedy vrtáky a valcové čelné frézy bývajú predmetom početných podvodov. Pravé nástroje z HSS a karbidovej ocele sú skutočne húževnaté a majú dlhú užitočnú životnosť. Internetový svet je však plný exoticky znejúcich nástrojov, údajne s nitridovými povlakmi, ktoré sú v skutočnosti iba namaľované. Po krátkom používaní sa náter zmaže a odhalí nekvalitný materiál naspodku. Namiesto sľubovanej životnosti stoviek prác sa výhodne zhotovené nástroje často zlomia už pri prvom použití.

Kategórie produktov