Frezowanie CNC od podstaw

Frezowanie CNC to jedna z metod szybkiej i precyzyjnej obróbki metalu, wykorzystywana również do kształtowania drewna i niektórych precyzyjnych detali z tworzyw sztucznych. Z możliwości oferowanych przez frezarki i centra obróbcze korzysta się zarówno przy produkcji seryjnej, jak i przy tworzeniu pojedynczych egzemplarzy poszczególnych wyrobów. Taki sposób obróbki gwarantuje wysoką jakość i krótki czas wykonania elementu.

Na jakich zasadach pracują maszyny CNC?

Zaawansowana obróbka metalu wymaga wysokiej precyzji, a jednocześnie szybkiej realizacji wszystkich niezbędnych zadań. Rozwiązaniem, które spełnia oba te warunki, są urządzenia CNC (Computerized Numerical Control), czyli maszyny sterowane numerycznie. Ze względu na sposób, w jaki działają, pozwalają na osiągnięcie dużej wydajności przez przyspieszenie wprowadzania wszystkich ustawień, które odbywa się za pośrednictwem komputera i optymalizację wykonywania poszczególnych procesów za sprawą specjalnego oprogramowania. W obrabiarkach CNC można szybko zmieniać używane narzędzia, a na skrócenie czasu produkcji wpływa także wyeliminowanie błędów i uszkodzeń materiału podczas pracy. Znakomita jakość powstających elementów bierze się z możliwości osiągania dużej dokładności, wynikającej ze sprawnego działania mechanizmów pozycjonujących, ale również z wysokiej powtarzalności wyrobów – przedstawiciel firmy BRATECH, zajmującej się precyzyjną obróbką metalu.

Maszyny sterowane numerycznie wykorzystują cyfrowy model przestrzeni roboczej, w której umieszczany jest obrabiany materiał. Dzięki serwomechanizmom możliwe jest dokładne przemieszczanie używanego narzędzia w różnych osiach i płaszczyznach, a czujniki precyzyjnie odczytują położenie poszczególnych elementów maszyny dbając o to, żeby znalazły się one we właściwym miejscu i poruszały z założoną prędkością oraz po wskazanej ścieżce. W przypadku obrabiarek CNC zakres ruchu głowicy jest uzależniony od rodzaju sprzętu i wykonywanego zadania. W przypadku frezarek zwykle jest możliwy we wszystkich trzech płaszczyznach oraz przynajmniej dwóch osiach.

Sama precyzja i szybkość sterowania wiążąca się z przemieszczaniem narzędzia po określonej ścieżce oraz doborem prędkości jego obrotów nie byłaby jednak użyteczna, gdyby nie istniejący model cyfrowy elementu, który ma zostać przygotowany. W maszynach CNC są wykorzystywane projekty przygotowane w postaci plików cyfrowych tworzonych za pomocą oprogramowania wspomagającego projektowanie CAD (Computer Aided Design). Dzięki temu gotowy element ma od razu postać cyfrowej przestrzennej bryły, która następnie może być przetworzona na zestaw instrukcji dla samego urządzenia. Dokonuje się to wskutek działania programów CAM (Computer Aided Manufacturing), które są w stanie określić jakie operacje i narzędzia są niezbędne do uzyskania kształtu reprezentowanego przez model CAD, a także precyzyjnie przygotować ich ścieżki oraz całe sekwencje obróbki.

Pliki cyfrowe przesyłane do obrabiarki CNC są więc dokładnie opracowanymi instrukcjami działania, a wbudowany w urządzenie sterownik dba o ich prawidłową realizację. Plusem korzystania z takiego rozwiązania jest fakt, że zoptymalizowany program obróbki może być wykorzystywany wielokrotnie, za każdym razem umożliwiając osiągnięcie identycznych rezultatów. Maszyna CNC po uruchomieniu programu pobierze ze swego magazynu odpowiednie narzędzie, ustawi głowicę w wymaganym położeniu w stosunku do materiału, a następnie uruchomi narzędzie z właściwymi obrotami, po czym zadba o przemieszczanie go po wybranej ścieżce. W razie potrzeby na różnych etapach obróbki narzędzia mogą być dowolnie zmieniane, a kolejne automatycznie realizowane sekwencje doprowadzą w efekcie do powstania potrzebnego detalu.

Wielką zaletą używania obrabiarek CNC jest to, że mogą one elastycznie zmieniać swoje ustawienia, dzięki czemu różne zadana mogą być realizowane w dowolnej kolejności, a przerwanie wielkoseryjnej produkcji dla przygotowania pojedynczego elementu nie będzie stanowiło problemu.

Przebieg i specyfika frezowania CNC

Frezowanie jest najbardziej wszechstronnym sposobem obróbki metalu, pozwalającym na osiągnięcie różnych rezultatów i niezwykle swobodne kształtowanie przygotowywanego elementu. Podobnie jak toczenie, wiercenie czy choćby dłutowanie jest to metoda obróbki skrawaniem, zaliczana do obróbki ubytkowej. Frezowanie CNC daje możliwość uzyskiwania przedmiotów o wybranej geometrii za sprawą usuwania tzw. naddatku, czyli zbędnych fragmentów materiału. Są one odspajane mechanicznie w postaci wiórów, dzięki użyciu powierzchni tnących, których twardość jest wyższa niż obrabiany materiał.

Obróbka skrawaniem pozwala na osiągnięcie zamierzonych rezultatów za sprawą połączenia odpowiedniego kształtu ostrzy [ostrzy? Patrz następne zaznaczenie] używanego narzędzia oraz doborowi właściwej kinematyki, czyli trajektorii, po jakiej przemieszczają się one  względem przedmiotu obrabianego. Dla uzyskiwania właściwych rezultatów ważna jest też prędkość posuwu ostrzy oraz szybkość obrotów. W przypadku frezowania materiał pozostaje w bezruchu, obraca się natomiast zamontowany na głowicy frez.

Frezy występują w wielu odmianach, pozwalając na osiąganie różnych efektów za sprawą geometrii ostrzy, ale również prowadzenia frezu i sposobu, w jaki jest wykonywana obróbka. Istnieją frezy, które wykonują zadania dzięki ostrzom umieszczonym na swoim obwodzie tzw. frezy boczne, jak również takie, gdzie obróbka jest realizowana dzięki powierzchniom tnącym znajdującym się na płaszczyźnie prostopadłej do osi obrotu frezu, tzw. frezy czołowe. Używa się również narzędzi, które są połączeniem obu tych możliwości, czyli frezów czołowo-bocznych.

W zależności od kształtu, jaki ma zostać uzyskany, frezy mogą pracować obracając się w płaszczyźnie prostopadłej do obrabianej powierzchni (frezy czołowe i czołowo-boczne) albo równoległej (frezy boczne). W obu przypadkach możliwe jest ustawienie płaszczyzny obrotu pod kątem w stosunku do powierzchni przedmiotu obrabianego. Optymalny dobór narzędzi pozwala na uzyskiwanie w wyniku frezowania dowolnego kształtu. W przypadku frezarek CNC odpowiedni frez jest pobierany z zamontowanego w urządzeniu magazynu narzędzi, czyli konieczne przezbrajanie jest w pełni zautomatyzowane i nie zajmuje zbyt wiele czasu.

Ze względu na specyfikę obróbki zakładającą mechaniczne odspajanie wiórów za sprawą różnic w twardości przedmiotu obrabianego i frezu duże znaczenie ma rodzaj materiału, z którego wykonane są ostrza. Frezy do stosunkowo miękkich materiałów mogą być wykonywane ze stali narzędziowej, czyli połączenia żelaza i węgla oraz wybranych dodatków. Twardszą odmianą stali narzędziowej będzie stal szybkotnąca oznaczana jako HSS, zawierająca dużą domieszkę kobaltu, wanadu, molibdenu, wolframu albo chromu. Jeśli wymagana jest jeszcze większa twardość, na ostrza ze stali szybkotnącej może być naniesiona powłoka z odpowiednio dobranego metalu, np. glinu, tytanu czy cyrkonu. Przy obróbce bardzo twardych stopów stosowane są także węgliki spiekane, zwykle z wolframu, tytanu lub kobaltu. Wytwarza się też frezy z powłokami z azotku boru albo diamentu polikrystalicznego. W zastosowaniach specjalnych używane mogą być narzędzia z ostrzami z cermetali albo powstających ze spieków ceramicznych – tlenku glinu, azotku krzemu czy połączenia tlenku glinu i węglika tytanu.

Warto wspomnieć, że stosowanie frezów ze specjalnych materiałów wpływa nie tylko na możliwość obróbki wyjątkowo twardych metali, ale także umożliwia podniesienie ilości obrotów, z którą pracuje narzędzie ze względu na lepszą odporność takich narzędzi na wysoką temperaturę.

Frezowanie pozwala na wszechstronną obróbkę metali i produkcję różnych elementów. Korzysta się z niej przy wykonywaniu części maszyn i urządzeń od korpusów, obudów przez bloki silników czy pomp aż po koła zębate. Tą technologią wykonuje się m.in. formy wtryskowe, wszelkiego rodzaju matryce i wykrojniki. Za pomocą frezowania są uzyskiwane np. rowki wpustowe i kanały. Frezowanie CNC jest stosowane zarówno jako jedyna obróbka skrawająca, jak i łączona z jej innymi rodzajami – toczeniem, wierceniem, dłutowaniem lub przeciąganiem.