Если 3D-печать — это аддитивное производство, то что такое субтрактивное производство? Узнайте больше об одном из примеров — фрезеровка на станке с ЧПУ!
Что такое фрезерование с ЧПУ? Это сложный вопрос, охватывающий несколько различных тем. Многие источники освещают тему фрезерования с ЧПУ, и любой из них может увести вас в кроличью нору промышленных масштабов. Чтобы упростить задачу, в этой статье мы разделим фрезерование с ЧПУ на четыре раздела.
Сначала мы обсудим разницу между аддитивным и субтрактивным производством. Затем мы рассмотрим, что такое фрезерный станок (часто просто называемый «фрезой»), и сравним его с другими станками субтрактивного производства. Далее мы кратко рассмотрим компьютерное числовое программное управление (ЧПУ), а затем обсудим, как ЧПУ стало применяться на фрезерных станках.
Мы также коснемся инструментов и программного обеспечения, которые являются важными областями для дальнейшего изучения, если вы хотите получить практический опыт!
Субтрактивное производство
Субтрактивное производство — это процесс удаления материала для создания готовой детали. Оно отличается от аддитивного производства, которое заключается в добавлении материала для создания готовой детали, например, 3D-печать, литье или литье под давлением.
Как аддитивные, так и субтрактивные технологии подходят для металла, керамики, стекла и пластика, но только субтрактивные технологии могут использоваться для натуральных деревянных досок и натурального камня. (Однако можно получить интересные результаты, используя композитные материалы, такие как гибридные нити из дерева или мрамора и PLA).
Субтрактивное производство существует с каменного века. С появлением современной механической обработки в начале 1800-х годов этот процесс стал хорошо изученным и предоставляет ряд преимуществ. Ниже перечислены некоторые преимущества использования современных методов субтрактивного производства:
- Высокая степень контроля над качеством поверхности
- Низкие затраты по сравнению с точностью деталей
- Изотропная прочность готовых деталей (они одинаково прочные во всех направлениях)
- Простота квалификации деталей, особенно для применения в аэрокосмической отрасли
- Легкодоступный инструмент
- Хорошо обученные рабочие-изготовители
- Возможность работать с различными материалами
Существует несколько способов удаления материала для получения готовой детали:
- Резка: с помощью пил, лазеров, плазменных резаков и т. д.
- Сверление: с помощью сверл, буров, протяжек и т. д.
- Шлифование: с помощью шлифовальных машин, пескоструйных аппаратов и т. д.
- Механическая обработка: с помощью любой комбинации вышеперечисленных методов для получения высокоточных деталей сложной геометрии.
Так где же в этом всем место фрезерных станков?
Фрезерование
Фрезерный станок — один из двух наиболее распространенных типов металлообрабатывающих станков. Другой — токарный станок. Фрезерные станки (как правило) медленно перемещают заготовку, в то время как инструмент быстро вращается на месте. Этот процесс отличается от токарных станков, которые медленно перемещают инструмент, в то время как заготовка быстро вращается на месте, что делает их идеальными для создания цилиндрических форм, таких как приводные валы. Рулевые винты вашего 3D-принтера, скорее всего, были изготовлены на токарном станке с ЧПУ, а металлические шестерни в экструдере, вероятно, являются результатом работы фрезерного станка с ЧПУ.
Без какого-либо движения фрезерный станок проделывает круглые отверстия в материале. Затем это отверстие протягивается через материал, чтобы создать вырезы различной формы. Поскольку инструмент можно протягивать по любой оси, вырезы могут иметь практически любую трехмерную форму.
Поскольку большинство фрезерных станков используется для металлов, а большинство металлов очень твердые, для получения желаемой формы требуется много неглубоких проходов, известных как проходы. Даже для выравнивания одной поверхности детали может потребоваться много проходов, чтобы достичь желаемой плоскостности. В целом, чем тверже материал, тем больше проходов требуется.
Хотя некоторые считают эту работу расслабляющей, она может быть повторяющейся и медленной, что затрудняет ее для многих людей. Представьте, если бы был способ сохранить умственные вызовы и вознаграждение от готового продукта без утомительных часов ручного вращения стола станка!
ЧПУ
Компьютерное числовое программное управление (ЧПУ) — это использование запрограммированного кода в качестве набора инструкций для точных движений с целью управления производственными машинами. Косвенно этот код определяет, как автоматически создавать, производить или преобразовывать виртуальный объект в реальный.
Исходя из этого определения, станок с ЧПУ должен взаимодействовать с компьютером, оснащенным программным обеспечением, которое преобразует цифровой код в инструкции для станка (обычно в виде декартовых координат). Это превращает станок в робота с чрезвычайно высокой степенью точности.
В зависимости от конкретной конструкции и конфигурации станок с ЧПУ принимает сырье и преобразует его в готовую модель. Мы уже упомянули два метода, с помощью которых это можно сделать: аддитивное (добавляющее) и субтрактивное (удаляющее) производство. Доступные технологии меняются в зависимости от типа станка. 3D-принтер является примером аддитивного производства с ЧПУ, а фрезерный станок с ЧПУ — примером субтрактивного производства с ЧПУ.
Итак, как появилось ЧПУ и как оно интегрировано в фрезерные станки?
Фрезеровка и ЧПУ
Когда в 1818 году был впервые разработан фрезерный станок, перемещение инструмента по заготовке осуществлялось с помощью ручек на станке. Они были снабжены верньерной шкалой, которая позволяла оператору измерять расстояние, на которое перемещался инструмент.
Позже к этому добавились приводы, которые могли приводить основание в движение с постоянной скоростью по оси, часто с помощью шестерни от шпиндельного двигателя. Как только эта технология стала доступной, цифровые индикаторы (DRO) стали визуально отображать положение инструмента. Кроме того, стало возможным обратить процесс вспять и вводить цифровые инструкции. Логичным следующим шагом стала автоматизация ввода цифровых инструкций с помощью компьютеров.
Замена приводов с питанием точными числами из компьютеров означала, что эти двигатели управлялись компьютерами с числовым программным управлением. ЧПУ напрямую преобразовывало инструкции с DRO в движение. Благодаря компьютерному проектированию теперь можно было изготавливать формы, которые раньше были невозможны или непрактичны, такие как прецизионные эллиптические радиусы.
Скромный принтер Creality Ender 3, стоящий в углу и печатающий рамку для фотографии, во многом обязан своим происхождением фрезерным станкам с ЧПУ. Использование управления с открытым контуром и даже коды, используемые для управления движениями принтера, происходят от кодов, используемых для управления большими станками с ЧПУ, такими как фрезерные станки с ЧПУ.
Итак, если фрезерный станок перемещает инструмент по заготовке, а траектория движения этого инструмента зависит от материала и типа инструмента, как мы придумываем инструкции ЧПУ для станка?
Фрезы и программное обеспечение
Инструмент в фрезерном станке аналогичен соплу в 3D-принтере. Это рабочая часть.
Фрезерные станки могут использовать различные инструменты, самыми простыми из которых являются концевые фрезы, которые по сути являются сверлами, способными резать вперед и в стороны. Другие типы инструментов включают пазовые фрезы, которые выглядят как небольшие дисковые пилы; профильные фрезы, которые имеют сложную форму для создания определенных контуров; торцевые фрезы, которые используются для создания гладкой и ровной поверхности на детали; и фрезы с зубцами, которые имеют зуб на конце плеча для очень широкого радиуса реза.
Подобно нарезке в слайсере 3D-печати, для генерации инструкций, которым следует фрезерный станок с ЧПУ, используется специальное программное обеспечение (CAM). Эти инструкции описывают траекторию инструмента, которая, как и следует из названия, представляет собой путь, по которому инструмент будет двигаться по заготовке. Оптимальная траектория инструмента для данной задачи зависит от многих факторов. Для достижения наилучших результатов при работе с более сложными материалами, скорее всего, потребуется серьезное обучение и опыт.
Существует множество программных пакетов, которые предоставляют инструкции для станков с ЧПУ.
Типы фрезерных станков
С помощью фрезерных станков с ЧПУ создается множество деталей высочайшей точности, которые только способно производить человечество. По этой причине детали, изготовленные на фрезерных станках с ЧПУ, можно найти во всех видах машин, от двигателей внутреннего сгорания до электродвигателей. Формы, которые можно создать на фрезерном станке с ЧПУ, позволяют найти некоторые из самых элегантных решений сложных инженерных задач.
Промышленные фрезерные станки имеют ценники, от которых слезы наворачиваются на глаза, но вы можете начать с гораздо более доступных машин. Хотя хобби-машины обычно значительно менее функциональны, при должном уходе и усилиях они могут создавать детали, которые так же точны, как и их более крупные аналоги. Если вы хотите попробовать свои силы в ЧПУ-обработке, мы рекомендуем начать с мощного настольного ЧПУ-фрезера, который может выполнять большинство операций, доступных фрезерному станку.
Классификация по осям
Учитывая все вышесказанное, фрезерные станки обладают уникальной возможностью резать под разными углами и перемещаться по разным осям. По этой причине существует несколько видов фрезерных станков, которые обозначаются по количеству подвижных осей:
- 2-осевые фрезерные станки могут резать отверстия и пазы по осям X и Z. Другими словами, они режут только по вертикали и горизонтали, но только по двум линиям.
- 3-осевые фрезерные станки добавляют ось Y. Это наиболее распространенный вид фрезерных станков. Вы можете резать по вертикали и в любом направлении, но объект, такой как сфера, необходимо обрабатывать по половине за раз. Это связано с тем, что даже с тремя осями невозможно резать снизу.
- 4-осевые фрезерные станки более сложны, поскольку они добавляют возможность вращения по оси X, аналогично токарному станку.
- 5-осевые фрезерные станки включают вращение как по оси X, так и по оси Y. Это самый «полный» фрезерный станок, который можно иметь. Он позволяет формировать кости, аэрокосмические конструкции, модели автомобилей, медицинские изделия и практически все, что только можно вообразить.
Классификация по типу станка
Помимо классификации по осям, существует еще несколько типов фрезерных станков, как ручных, так и с ЧПУ:
- Вертикальный фрезерный станок: этот 3-осевой фрезерный станок состоит из стола, который служит рабочей поверхностью, расположенного под кронштейном, к которому прикреплен шпиндель. И стол, и кронштейн соединены с вертикальной колонной, а шпиндель ориентирован вертикально. Как правило, стол перемещается вверх и вниз по оси Z, чтобы соединиться с кронштейном, который является неподвижным. Однако то, как стол и шпиндель перемещаются относительно друг друга, зависит от типа вертикального фрезерного станка. В вертикальном фрезерном станке с револьверной головкой шпиндель является неподвижным, а стол перемещается по осям X и Y. В вертикальном фрезерном станке с станиной стол может перемещаться только по оси X, а шпиндель может перемещаться по длине рычага в направлении оси Y.
- Горизонтальный фрезерный станок: этот фрезерный станок похож на вертикальный, за исключением того, что шпиндель ориентирован горизонтально, а не вертикально. Хотя горизонтальные фрезерные станки обычно считаются менее универсальными, чем вертикальные, они лучше подходят для обработки длинных или тяжелых заготовок. Универсальный горизонтальный фрезерный станок имеет дополнительную возможность поворачивать стол вокруг оси (что делает его 4-осевым фрезерным станком).
- Коленчатый фрезерный станок: любой тип фрезерного станка, в котором стол перемещается вверх и вниз по колонне в соответствии с регулируемым коленчатым механизмом.
Важность фрезерования с ЧПУ
Цифровые технологии и фрезерные станки с ЧПУ позволяют решать многие проблемы, которые нелегко решить с помощью прежних методов. Эта технология подходит к рабочему процессу более эффективным и результативным образом.
Например, без фрезерного станка с ЧПУ процесс резки металла для автомобильных деталей или даже компонентов для аэрокосмической промышленности был бы гораздо более рискованным. С помощью компьютерных программ можно получить доступ к высококачественным чертежам и создавать их, которые легко преобразовываются в декартовы координаты. Этот процесс даже помогает снизить затраты на создание прототипов!
Но эти технологические машины предназначены не только для промышленного использования. Другие области включают мебель, инструменты и скульптуру. Существует также широкий спектр твердых материалов (твердых и мягких), которые может резать фрезерный станок с ЧПУ, включая алюминий, титан, медь, бронзу, ПВХ, нейлон и фанеру.
Заключительные мысли
Есть многое, что нужно узнать о фрезеровании с ЧПУ или даже просто о фрезеровании в целом. Например, существует много различных типов фрезерных станков, каждый из которых имеет свои преимущества и недостатки. Возможно, вам также будет интересно узнать о других типах субтрактивного производства, таких как токарная обработка или шлифование.
