El mecanitzat de precisió és un procés per eliminar material d'una peça de treball durant els acabats de tolerància estreta. La màquina de precisió té molts tipus, inclosos els mecanitzats de fresat, tornejat i descàrrega elèctrica. Actualment, una màquina de precisió es controla generalment mitjançant un control numèric per ordinador (CNC).
Gairebé tots els productes metàl·lics utilitzen mecanitzats de precisió, igual que molts altres materials com el plàstic i la fusta. Aquestes màquines són operades per maquinistes especialitzats i formats. Perquè l’eina de tall faci el seu treball, s’ha de moure en les direccions especificades per fer el tall correcte. Aquest moviment primari s’anomena “velocitat de tall”. La peça de treball també es pot moure, conegut com el moviment secundari d '"alimentació". Junts, aquests moviments i la nitidesa de l'eina de tall permeten que la màquina de precisió funcioni.
El mecanitzat de precisió de qualitat requereix la capacitat de seguir plànols extremadament específics fets per programes CAD (disseny assistit per ordinador) o CAM (fabricació assistida per ordinador) com AutoCAD i TurboCAD. El programari pot ajudar a produir esquemes o esquemes tridimensionals complexos necessaris per fabricar una eina, una màquina o un objecte. Aquests plànols s’han de complir amb gran detall per garantir que un producte conservi la seva integritat. Tot i que la majoria de les empreses de mecanitzat de precisió treballen amb algun tipus de programes CAD / CAM, encara funcionen sovint amb esbossos dibuixats a mà en les fases inicials d’un disseny.
El mecanitzat de precisió s’utilitza en diversos materials, inclosos l’acer, el bronze, el grafit, el vidre i els plàstics, per nomenar alguns. En funció de la mida del projecte i dels materials a utilitzar, s’utilitzaran diverses eines de mecanitzat de precisió. Es pot utilitzar qualsevol combinació de torns, fresadores, premses de trepat, serres i rectificadores, i fins i tot robòtica d’alta velocitat. La indústria aeroespacial pot utilitzar mecanitzats a alta velocitat, mentre que una indústria de fabricació d’eines de fusteria pot utilitzar processos de gravat i fresat fotoquímics. El resultat d'una tirada o una quantitat específica d'algun element en particular pot arribar a ser en milers o ser només uns quants. El mecanitzat de precisió sovint requereix la programació de dispositius CNC, cosa que significa que són controlats numèricament per ordinador. El dispositiu CNC permet seguir les dimensions exactes durant tot el funcionament d’un producte.
El fresat és el procés de mecanitzat d’utilitzar talladores rotatives per eliminar el material d’una peça avançant (o alimentant) el tallador cap a la peça en una direcció determinada. El tallador també es pot mantenir en un angle relatiu a l'eix de l'eina. El fresat cobreix una àmplia varietat d’operacions i màquines diferents, en escales, des de peces individuals petites fins a operacions de fresat de banda grans i resistents. És un dels processos més utilitzats per mecanitzar peces a mida fins a toleràncies precises.
El fresat es pot fer amb una àmplia gamma de màquines eina. La classe original de màquines-eina per fresar era la fresadora (sovint anomenada molí). Després de l'arribada del control numèric per ordinador (CNC), les fresadores van evolucionar cap a centres de mecanitzat: fresadores augmentades per canviadors d'eines automàtics, carregadors d'eines o carregadors, capacitat CNC, sistemes de refrigeració i tancaments. Els centres de fresat generalment es classifiquen com a centres de mecanitzat verticals (VMC) o centres de mecanitzat horitzontals (HMCs).
La integració del fresat en entorns de tornejat, i viceversa, va començar amb eines de torn per a torns i l’ús ocasional de molins per a operacions de tornejat. Això va donar lloc a una nova classe de màquines eina, les màquines multitarea (MTM), que han estat dissenyades específicament per facilitar el fresat i el girat dins del mateix embolcall de treball.
Per als enginyers de disseny, equips d’R + D i fabricants que depenen de l’obtenció de peces, el mecanitzat CNC de precisió permet la creació de peces complexes sense processos addicionals. De fet, el mecanitzat CNC de precisió sovint permet fer peces acabades en una sola màquina.
El procés de mecanitzat elimina el material i utilitza una àmplia gamma d’eines de tall per crear el disseny final, i sovint molt complex, d’una peça. El nivell de precisió es millora mitjançant l'ús de control numèric per ordinador (CNC), que s'utilitza per automatitzar el control de les eines de mecanitzat.
El paper del "CNC" en el mecanitzat de precisió
Mitjançant instruccions de programació codificades, el mecanitzat CNC de precisió permet tallar i conformar una peça segons les especificacions sense la intervenció manual d’un operador de màquina.
Prenent un model de disseny assistit per ordinador (CAD) proporcionat per un client, un maquinista expert utilitza un programari de fabricació assistida per ordinador (CAM) per crear les instruccions per mecanitzar la peça. Basat en el model CAD, el programari determina quins camins d’eines es necessiten i genera el codi de programació que indica a la màquina:
■ Quins són els RPM i els índexs d’alimentació correctes
■ Quan i on moure l'eina i / o la peça
■ Quina profunditat de tall
■ Quan aplicar el refrigerant
■ Qualsevol altre factor relacionat amb la velocitat, la velocitat d’avanç i la coordinació
Un controlador CNC utilitza llavors el codi de programació per controlar, automatitzar i controlar els moviments de la màquina.
Avui en dia, el CNC és una característica integrada en una àmplia gamma d’equips, des de torns, molins i encaminadors fins a màquines de tall per electroerosió (mecanitzat de descàrrega elèctrica), làser i plasma. A més d’automatitzar el procés de mecanitzat i millorar la precisió, el CNC elimina les tasques manuals i allibera els maquinistes per supervisar diverses màquines que funcionen al mateix temps.
A més, un cop s’ha dissenyat un camí d’eines i s’ha programat una màquina, pot executar una peça diverses vegades. Això proporciona un alt nivell de precisió i repetibilitat, que al seu torn fa que el procés sigui altament rendible i escalable.
Materials que es mecanitzen
Alguns metalls que es mecanitzen habitualment inclouen l’alumini, el llautó, el bronze, el coure, l’acer, el titani i el zinc. A més, també es poden mecanitzar fustes, escumes, fibra de vidre i plàstics com el polipropilè.
De fet, gairebé qualsevol material es pot utilitzar amb mecanitzat CNC de precisió, és clar, depenent de l'aplicació i els seus requisits.
Alguns avantatges del mecanitzat CNC de precisió
Per a moltes de les petites peces i components que s’utilitzen en una àmplia gamma de productes fabricats, el mecanitzat CNC de precisió és sovint el mètode de fabricació escollit.
Com és cert en pràcticament tots els mètodes de tall i mecanitzat, els diferents materials tenen un comportament diferent i la mida i la forma d’un component també tenen un gran impacte en el procés. No obstant això, en general, el procés de mecanitzat CNC de precisió ofereix avantatges respecte a altres mètodes de mecanitzat.
Això es deu al fet que el mecanitzat CNC pot proporcionar:
■ Un alt grau de complexitat de la peça
■ Toleràncies estretes, que solen anar de ± 0,0002 "(± 0,00508 mm) a ± 0,0005" (± 0,0127 mm)
■ Acabats superficials excepcionalment llisos, inclosos els acabats personalitzats
■ Repetibilitat, fins i tot a volums elevats
Tot i que un maquinista expert pot utilitzar un torn manual per fabricar una peça de qualitat en quantitats de 10 o 100, què passa quan necessiteu 1.000 peces? 10.000 parts? 100.000 o un milió de parts?
Amb un mecanitzat CNC de precisió, podeu obtenir l’escalabilitat i la velocitat necessàries per a aquest tipus de producció d’alt volum. A més, l’alta repetibilitat del mecanitzat CNC de precisió us proporciona peces iguals de principi a fi, independentment de la quantitat de peces que produïu.
Hi ha alguns mètodes molt especialitzats de mecanitzat CNC, incloent electroerosió per cable (mecanitzat de descàrrega elèctrica), mecanitzat additiu i impressió làser 3D. Per exemple, la electroerosió per cable utilitza materials conductors (normalment metalls) i descàrregues elèctriques per erosionar una peça en formes intricades.
Tanmateix, aquí ens centrarem en els processos de fresat i tornejat: dos mètodes subtractius que són àmpliament disponibles i que s’utilitzen amb freqüència per al mecanitzat CNC de precisió.
Fresat contra tornejat
El fresat és un procés de mecanitzat que utilitza una eina de tall rotativa i cilíndrica per eliminar el material i crear formes. Els equips de fresat, coneguts com a molí o centre de mecanitzat, realitzen un univers de geometries de peces complexes en alguns dels objectes més grans de metall mecanitzat.
Una característica important del fresat és que la peça es manté estacionària mentre l’eina de tall gira. Dit d’una altra manera, en un molí, l’eina de tall giratòria es mou al voltant de la peça, que queda fixada al seu lloc sobre un llit.
El gir és el procés de tallar o donar forma a una peça de treball en un equip anomenat torn. Normalment, el torn fa girar la peça sobre un eix vertical o horitzontal mentre una eina de tall fixa (que pot girar o no) es mou al llarg de l'eix programat.
L'eina no pot recórrer la peça físicament. El material gira, cosa que permet a l’eina realitzar les operacions programades. (Hi ha un subconjunt de torns en què les eines giren al voltant d’un fil alimentat amb bobina, però, aquí no es cobreix.)
Al tornejar, a diferència del fresat, la peça gira. El material parcial gira l'eix del torn i l'eina de tall es posa en contacte amb la peça.
Mecanitzat manual vs. CNC
Tot i que els molins i torns estan disponibles en models manuals, les màquines CNC són més apropiades per a la fabricació de peces petites, oferint escalabilitat i repetibilitat per a aplicacions que requereixen una producció amb volum elevat de peces de tolerància estreta.
A més d’oferir màquines simples de 2 eixos en què l’eina es mou en els eixos X i Z, els equips CNC de precisió inclouen models de múltiples eixos en què la peça també es pot moure. Això contrasta amb un torn on la peça es limita a girar i les eines es mouran per crear la geometria desitjada.
Aquestes configuracions multi-eixos permeten la producció de geometries més complexes en una sola operació, sense que sigui necessari un treball addicional per part de l'operador de la màquina. Això no només facilita la producció de peces complexes, sinó que també redueix o elimina la possibilitat d'error de l'operador.
A més, l’ús de refrigerant d’alta pressió amb mecanitzat CNC de precisió garanteix que les estelles no entren a les obres, fins i tot quan s’utilitza una màquina amb un eix orientat verticalment.
Molins CNC
Les diferents fresadores varien en les seves mides, configuracions d’eixos, velocitats d’avanç, velocitat de tall, direcció d’avanç de fresat i altres característiques.
No obstant això, en general, totes les fresadores CNC utilitzen un fus giratori per tallar el material no desitjat. S'utilitzen per tallar metalls durs com l'acer i el titani, però també es poden utilitzar amb materials com el plàstic i l'alumini.
Els molins CNC estan construïts per a la repetibilitat i es poden utilitzar per a tot, des de prototips fins a la producció d’alt volum. Els molins CNC de precisió de gamma alta s’utilitzen sovint per a treballs de tolerància ajustada, com el fresat de matrius i motlles fins.
Tot i que el fresat CNC pot produir canvis ràpids, l'acabat fresat crea peces amb marques d'eines visibles. També pot produir peces amb algunes vores afilades i rebaves, de manera que poden ser necessaris processos addicionals si les vores i rebaves són inacceptables per a aquestes característiques.
Per descomptat, les eines de desbarbat programades a la seqüència es desbarbaran, tot i que normalment s’aconseguiran com a màxim el 90% del requisit acabat, deixant algunes funcions per a l’acabat final a mà.
Pel que fa a l’acabat superficial, hi ha eines que produiran no només un acabat superficial acceptable, sinó també un acabat similar a un mirall en parts del producte de treball.
Tipus de molins CNC
Els dos tipus bàsics de fresadores es coneixen com a centres de mecanitzat verticals i centres de mecanitzat horitzontals, on la diferència principal es troba en l’orientació del fus de la màquina.
Un centre de mecanitzat vertical és un molí en què l'eix del fus està alineat en la direcció de l'eix Z. Aquestes màquines verticals es poden dividir en dos tipus:
■ Molins de llit, en què l'eix es mou paral·lel al seu propi eix mentre la taula es mou perpendicular a l'eix de l'eix
■ Molins de torretes, en els quals l'eix està estacionari i es mou la taula de manera que sigui sempre perpendicular i paral·lela a l'eix del fus durant l'operació de tall
En un centre de mecanitzat horitzontal, l'eix del cargol del molí s'alinea en la direcció de l'eix Y. L’estructura horitzontal fa que aquests molins tendeixin a ocupar més espai a la planta de la màquina; també són generalment més pesats i més potents que les màquines verticals.
Sovint s’utilitza un molí horitzontal quan es requereix un millor acabat superficial; Això es deu al fet que l'orientació de l'eix significa que les estelles de tall s'allunyen naturalment i s'eliminen fàcilment. (Com a avantatge addicional, l'eliminació eficient de xips ajuda a augmentar la vida de l'eina.)
En general, els centres de mecanitzat verticals són més freqüents perquè poden ser tan potents com els centres de mecanitzat horitzontals i poden manipular peces molt petites. A més, els centres verticals tenen una petjada menor que els centres de mecanitzat horitzontals.
Molins CNC multi-eix
Els centres de molí CNC de precisió estan disponibles amb múltiples eixos. Un molí de 3 eixos utilitza els eixos X, Y i Z per a una gran varietat de treballs. Amb un molí de 4 eixos, la màquina pot girar sobre un eix vertical i horitzontal i moure la peça de treball per permetre un mecanitzat més continu.
Un molí de 5 eixos té tres eixos tradicionals i dos eixos rotatius addicionals, cosa que permet girar la peça a mesura que el cap del fus es mou al seu voltant. Això permet mecanitzar cinc cares d’una peça sense treure la peça i restablir la màquina.
Torns CNC
Un torn, també anomenat centre de gir, té un o més eixos i eixos X i Z. La màquina s’utilitza per fer girar una peça sobre el seu eix per realitzar diverses operacions de tall i modelat, aplicant una àmplia gamma d’eines a la peça.
Els torns CNC, que també s’anomenen torns d’utillatge d’acció real, són ideals per crear peces cilíndriques o esfèriques simètriques. Igual que els molins CNC, els torns CNC poden gestionar operacions més petites, com ara prototips, però també es poden configurar per a una alta repetibilitat, donant suport a una producció de gran volum.
Els torns CNC també es poden configurar per a una producció relativament mans lliures, cosa que els fa molt utilitzats a la indústria de l’automòbil, electrònica, aeroespacial, robòtica i de dispositius mèdics.
Com funciona un torn CNC
Amb un torn CNC, es carrega una barra en blanc de material existent al mandril del fus del torn. Aquest mandril manté la peça de treball al seu lloc mentre el fus gira. Quan l’eix arriba a la velocitat requerida, es posa en contacte una eina de tall fixa amb la peça per treure material i aconseguir la geometria correcta.
Un torn CNC pot realitzar diverses operacions, com ara perforacions, roscades, mandrinades, escariades, encarades i tornejat cònic. Les diferents operacions requereixen canvis d'eines i poden augmentar el cost i el temps de configuració.
Quan es completen totes les operacions de mecanitzat necessàries, es retalla la peça del material per a un posterior processament, si cal. El torn CNC està llest per repetir l’operació, amb poc o cap temps de configuració addicional que normalment es requereix entre els dos.
Els torns CNC també poden acomodar diversos alimentadors de barres automàtics, que redueixen la quantitat de manipulació manual de matèries primeres i proporcionen avantatges com ara els següents:
■ Reduïu el temps i l'esforç que requereix l'operador de la màquina
■ Suporteu la barra de barres per reduir les vibracions que poden afectar negativament la precisió
■ Permetre que la màquina-eina funcioni a velocitats òptimes del cargol
■ Minimitzar els temps de canvi
■ Reduir els residus materials
Tipus de torns CNC
Hi ha diversos tipus de torns, però els més habituals són els torns CNC de 2 eixos i els torns automàtics a la Xina.
La majoria dels torns CNC de la Xina utilitzen un o dos eixos principals més un o dos eixos posteriors (o secundaris), amb la transferència rotativa responsable del primer. El cargol principal realitza l'operació de mecanitzat principal, amb l'ajut d'un casquet de guia.
A més, alguns torns a la Xina vénen equipats amb un segon cap d’eines que funciona com a molí CNC.
Amb un torn automàtic CNC a la Xina, el material existent s’alimenta a través d’un eix de capçal lliscant cap a una boixa de guia. Això permet a l’eina tallar el material més a prop del punt on es recolza el material, cosa que fa que la màquina de la Xina sigui especialment beneficiosa per a peces girades llargues i primes i per al micromecanitzat.
Els centres de tornejat CNC multi-eix i els torns a la Xina poden realitzar múltiples operacions de mecanitzat amb una sola màquina. Això els converteix en una opció rendible per a geometries complexes que d’altra manera requeririen diverses màquines o canvis d’eines mitjançant equips com un molí CNC tradicional.