El mecanitzat de precisió és un procés per eliminar material d'una peça durant la conservació d'acabats de tolerància estreta.La màquina de precisió té molts tipus, incloent el fresat, el tornejat i el mecanitzat de descàrrega elèctrica.Una màquina de precisió avui en dia es controla generalment mitjançant un control numèric informàtic (CNC).
Gairebé tots els productes metàl·lics utilitzen mecanitzat 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 la seva feina, s'ha de moure en les direccions especificades per fer el tall correcte.Aquest moviment primari s'anomena "velocitat de tall".La peça també es pot moure, conegut com el moviment secundari de "alimentació".En conjunt, 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 els diagrames o contorns tridimensionals complexos necessaris per fabricar una eina, màquina o objecte.Aquests plànols s'han de respectar amb gran detall per garantir que un producte conserva la seva integritat.Tot i que la majoria de les empreses de mecanitzat de precisió treballen amb algun tipus de programes CAD/CAM, encara treballen sovint amb esbossos dibuixats a mà en les fases inicials d'un disseny.
El mecanitzat de precisió s'utilitza en diversos materials, com ara acer, bronze, grafit, vidre i plàstics, per citar-ne 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, perforadores, serres i rectificadores, i fins i tot robòtica d'alta velocitat.La indústria aeroespacial pot utilitzar mecanitzats d'alta velocitat, mentre que una indústria de fabricació d'eines de fusta pot utilitzar processos de fresat i gravat fotoquímic.La producció d'una tirada, o una quantitat específica d'un article en particular, pot comptar amb milers o ser només uns quants.El mecanitzat de precisió sovint requereix la programació de dispositius CNC, la qual cosa significa que estan controlats numèricament per ordinador.El dispositiu CNC permet seguir les dimensions exactes durant tota la tirada d'un producte.
El fresat és el procés de mecanitzat d'utilitzar talladors rotatius per eliminar material d'una peça de treball avançant (o alimentant) el tallador a la peça de treball en una direcció determinada.El tallador també es pot subjectar en un angle respecte a l'eix de l'eina.El fresat cobreix una gran varietat d'operacions i màquines diferents, a escales des de peces individuals petites fins a operacions de fresat en grup grans i resistents.És un dels processos més utilitzats per mecanitzar peces personalitzades amb toleràncies precises.
El fresat es pot fer amb una àmplia gamma de màquines-eina.La classe original de màquines-eina per a 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 amb canviadors d'eines automàtics, magatzems d'eines o carrusels, capacitat CNC, sistemes de refrigeració i tancaments.Els centres de fresat es classifiquen generalment com a centres de mecanitzat vertical (VMC) o centres de mecanitzat horitzontal (HMC).
La integració del fresat en entorns de tornejat, i viceversa, es va iniciar amb l'utillatge en viu 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, màquines multitasca (MTM), que estan dissenyades específicament per facilitar el fresat i el tornejat 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 processament addicional.De fet, el mecanitzat CNC de precisió sovint fa possible que les peces acabades es facin en una sola màquina.
El procés de mecanitzat elimina 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 del 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
Utilitzant instruccions de programació codificades, el mecanitzat CNC de precisió permet tallar i donar forma a una peça segons les especificacions sense 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.A partir del model CAD, el programari determina quines rutes d'eina són necessàries i genera el codi de programació que indica a la màquina:
■ Quines són les RPM i les velocitats d'alimentació correctes
■ Quan i on moure l'eina i/o la peça
■ Quina profunditat de tall
■ Quan aplicar refrigerant
■ Qualsevol altre factor relacionat amb la velocitat, la velocitat d'alimentació i la coordinació
A continuació, un controlador CNC utilitza el codi de programació per controlar, automatitzar i supervisar els moviments de la màquina.
Avui dia, el CNC és una característica integrada d'una àmplia gamma d'equips, des de torns, molins i encaminadors fins a màquines d'erosió per filferro (mecanitzat de descàrrega elèctrica), làser i màquines de tall per 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 una ruta d'eina i s'ha programat una màquina, aquesta pot executar una peça qualsevol nombre de vegades.Això proporciona un alt nivell de precisió i repetibilitat, que al seu torn fa que el procés sigui molt rendible i escalable.
Materials que estan mecanitzats
Alguns metalls que solen mecanitzar inclouen alumini, llautó, bronze, coure, acer, titani i zinc.A més, també es poden mecanitzar fusta, escuma, fibra de vidre i plàstics com el polipropilè.
De fet, gairebé qualsevol material es pot utilitzar amb mecanitzat CNC de precisió, per descomptat, depenent de l'aplicació i els seus requisits.
Alguns avantatges del mecanitzat CNC de precisió
Per a moltes de les peces i components petits que s'utilitzen en una àmplia gamma de productes manufacturats, el mecanitzat CNC de precisió és sovint el mètode de fabricació preferit.
Com passa amb pràcticament tots els mètodes de tall i mecanitzat, els diferents materials es comporten de manera diferent i la mida i la forma d'un component també tenen un gran impacte en el procés.Tanmateix, en general, el procés de mecanitzat CNC de precisió ofereix avantatges sobre altres mètodes de mecanitzat.
Això és perquè el mecanitzat CNC és capaç d'oferir:
■ Alt grau de complexitat de les peces
■ Toleràncies estrictes, que normalment oscil·len entre ±0,0002" (±0,00508 mm) i ±0,0005" (±0,0127 mm)
■ Acabats superficials excepcionalment llisos, inclosos els acabats personalitzats
■ Repetibilitat, fins i tot a grans volums
Si bé un maquinista especialitzat pot utilitzar un torn manual per fer una peça de qualitat en quantitats de 10 o 100, què passa quan necessiteu 1.000 peces?10.000 peces?100.000 o un milió de peces?
Amb el mecanitzat CNC de precisió, podeu obtenir l'escalabilitat i la velocitat necessàries per a aquest tipus de producció de gran volum.A més, l'alta repetibilitat del mecanitzat CNC de precisió us ofereix peces que són iguals de principi a fi, sense importar quantes peces estigueu produint.
Hi ha alguns mètodes molt especialitzats de mecanitzat CNC, com ara EDM per fil (mecanitzat de descàrrega elèctrica), mecanitzat additiu i impressió làser 3D.Per exemple, l'electroerosió per filferro utilitza materials conductors, normalment metalls, i descàrregues elèctriques per erosionar una peça de treball en formes complicades.
No obstant això, aquí ens centrarem en els processos de fresat i tornejat: dos mètodes subtractius que estan àmpliament disponibles i que s'utilitzen amb freqüència per al mecanitzat CNC de precisió.
Fresat vs tornejat
El fresat és un procés de mecanitzat que utilitza una eina de tall cilíndrica giratòria per eliminar material i crear formes.L'equip de fresat, conegut com a molí o centre de mecanitzat, aconsegueix un univers de geometries de peces complexes en alguns dels objectes metàl·lics mecanitzats més grans.
Una característica important del fresat és que la peça roman estacionària mentre l'eina de tall gira.En altres paraules, en un molí, l'eina de tall giratòria es mou al voltant de la peça de treball, que roman fixada al seu lloc sobre un llit.
El tornejat és el procés de tallar o donar forma a una peça en un equip anomenat torn.Normalment, el torn gira la peça en un eix vertical o horitzontal mentre una eina de tall fixa (que pot estar girant o no) es mou al llarg de l'eix programat.
L'eina no pot circular físicament per la peça.El material gira, permetent a l'eina realitzar les operacions programades.(Hi ha un subconjunt de torns en què les eines giren al voltant d'un filferro alimentat per bobina, però, que no es tracta aquí.)
En el tornejat, a diferència del fresat, la peça gira.L'estoc de la peça activa l'eix del torn i l'eina de tall es posa en contacte amb la peça.
Mecanitzat manual vs CNC
Tot i que tant els molins com els torns estan disponibles en models manuals, les màquines CNC són més adequades per a la fabricació de peces petites, oferint escalabilitat i repetibilitat per a aplicacions que requereixen una producció de grans volums de peces de tolerància estricta.
A més d'oferir màquines senzilles de 2 eixos en què l'eina es mou en els eixos X i Z, els equips CNC de precisió inclouen models multi-eix 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-eix permeten la producció de geometries més complexes en una sola operació, sense necessitat de 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 els xips no entrin a l'obra, 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'avançament, velocitat de tall, direcció d'alimentació del fresat i altres característiques.
Tanmateix, en general, tots els molins CNC utilitzen un eix giratori per tallar 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 la creació de prototips fins a la producció d'alt volum.Els molins CNC de precisió d'alta gamma s'utilitzen sovint per a treballs de tolerància estreta, com ara fresar matrius i motlles fins.
Tot i que el fresat CNC pot oferir una resposta ràpida, l'acabat fresat crea peces amb marques d'eines visibles.També pot produir peces amb algunes vores afilades i rebaves, de manera que es poden requerir processos addicionals si les vores i les rebaves són inacceptables per a aquestes característiques.
Per descomptat, les eines de desbarbat programades a la seqüència desbarbaran, encara que normalment aconsegueixen el 90% del requisit d'acabat com a màxim, deixant algunes característiques 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 semblant a un mirall en porcions 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 està en l'orientació de l'eix de la màquina.
Un centre de mecanitzat vertical és un molí en el qual l'eix del cargol està alineat en una direcció de l'eix Z.Aquestes màquines verticals es poden dividir en dos tipus:
■Molins de llit, en què el cargol es mou paral·lel al seu propi eix mentre la taula es mou perpendicularment a l'eix del cargol.
■Molins de torreta, en els quals el cargol està estacionari i la taula es mou de manera que quedi sempre perpendicular i paral·lela a l'eix del cargol durant l'operació de tall.
En un centre de mecanitzat horitzontal, l'eix del cargol del molí s'alinea en una 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 és degut a que l'orientació de l'eix significa que les estelles de tall cauen de manera natural i s'eliminen fàcilment.(Com a avantatge addicional, l'eliminació eficient d'encenall ajuda a augmentar la vida útil 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 empremta més petita que els centres de mecanitzat horitzontals.
Freses CNC multieix
Els centres de molí CNC de precisió estan disponibles amb diversos 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 per permetre un mecanitzat més continu.
Un molí de 5 eixos té tres eixos tradicionals i dos eixos rotatius addicionals, que permeten girar la peça a mesura que el capçal de l'eix es mou al seu voltant.Això permet mecanitzar cinc cares d'una peça sense treure la peça i reiniciar la màquina.
Torns CNC
Un torn, també anomenat centre de tornejat, té un o més eixos i eixos X i Z.La màquina s'utilitza per girar una peça sobre el seu eix per realitzar diverses operacions de tall i conformació, aplicant una àmplia gamma d'eines a la peça.
Els torns CNC, també anomenats torns d'eines d'acció en viu, són ideals per crear peces cilíndriques o esfèriques simètriques.Igual que els molins CNC, els torns CNC poden gestionar operacions més petites com la creació de prototips, però també es poden configurar per a una alta repetibilitat, donant suport a la producció de grans volums.
Els torns CNC també es poden configurar per a una producció relativament sense mans, cosa que els fa àmpliament utilitzats a les indústries de l'automoció, l'electrònica, l'aeroespacial, la robòtica i els dispositius mèdics.
Com funciona un torn CNC
Amb un torn CNC, una barra en blanc de material d'estoc es carrega al mandril de l'eix del torn.Aquest mandril manté la peça al seu lloc mentre l'eix gira.Quan l'eix arriba a la velocitat requerida, una eina de tall estacionària es posa en contacte amb la peça per treure material i aconseguir la geometria correcta.
Un torn CNC pot realitzar una sèrie d'operacions, com ara trepat, roscat, mandrinat, escariat, cara i tornejat cònic.Les diferents operacions requereixen canvis d'eines i poden augmentar el cost i el temps de configuració.
Quan s'han completat totes les operacions de mecanitzat necessàries, la peça es talla de l'estoc per a un processament posterior, si cal.Aleshores, el torn CNC està preparat per repetir l'operació, amb poc o cap temps de configuració addicional que normalment es requereix entremig.
Els torns CNC també poden acomodar una varietat d'alimentadors de barres automàtics, que redueixen la quantitat de manipulació manual de matèries primeres i ofereixen avantatges com els següents:
■ Reduir el temps i l'esforç que requereix l'operador de la màquina
■ Donar suport a la barra per reduir les vibracions que poden afectar negativament la precisió
■ Deixeu 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 comuns són els torns CNC de 2 eixos i els torns automàtics d'estil xinès.
La majoria dels torns CNC Xina utilitzen un o dos eixos principals més un o dos eixos posteriors (o secundaris), amb transferència rotativa responsable del primer.L'eix principal realitza l'operació de mecanitzat primària, amb l'ajuda d'un casquet guia.
A més, alguns torns d'estil xinès estan equipats amb un segon capçal d'eina que funciona com a molí CNC.
Amb un torn automàtic d'estil Xina CNC, el material d'estoc s'alimenta a través d'un eix de capçal lliscant a un casquet de guia.Això permet que l'eina talli 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 tornejades llargues i esveltes i per al micromecanitzat.
Els centres de tornejat CNC de diversos eixos i els torns d'estil xinès 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 múltiples màquines o canvis d'eines utilitzant equips com un molí CNC tradicional.