Obróbka CNC a tradycyjna. Porównanie metod

Czynności związane z precyzyjną obróbką metalu muszą być wykonywane z użyciem urządzeń zapewniających odpowiednią dokładność w uzyskiwaniu wymiarów i kształtów. W praktyce podczas obróbki używane są zarówno obrabiarki CNC, jak i tradycyjne maszyny sterowane mechanicznie i obsługiwane manualnie. Oba rozwiązania różnią się swoimi możliwościami produkcyjnymi, sposobem działania oraz obszarami, w jakich są najczęściej wykorzystywane.

Urządzenia niezbędne do precyzyjnej obróbki metalu

Produkcja większości maszyn i urządzeń oraz pojazdów, ale również wielu przedmiotów codziennego użytku wymaga wytwarzania części o znacznej wytrzymałości oraz sporej dokładności wymiarowej. Wśród materiałów, które będą w stanie spełnić te wymagania, są przede wszystkim metale oraz niektóre gatunki tworzyw sztucznych. Wielką zaletą używania wszelkiego typu syntetyków jest łatwość ich formowania, dzięki wykorzystaniu posiadanych przez nie właściwości termoplastycznych przez wtryskiwanie i wytłaczanie a niekiedy także metody obróbki ubytkowej. Niestety jednocześnie wyklucza to używanie ich tam, gdzie w grę wchodzi wyższa temperatura. W takich zastosowaniach bezkonkurencyjne pozostają różne rodzaje metali – przede wszystkim stal, ale także stopy aluminium i miedzi. Kształtowanie wyrobów z metali może się odbywać przy wykorzystaniu obróbki termiczno-plastycznej – głównie z użyciem metod odlewania, kucia oraz walcowania i ciągnięcia, a także cięcia, gięcia czy wyciskania. Równie często stosuje się rozmaite metody obróbki skrawaniem – podkreśla przedstawiciel firmy ADMOT, specjalizującej się w wielkoseryjnej obróbce wiórowej i plastycznej na zimno oraz obróbce skrawaniem.

Najpopularniejsze metody obróbki termicznej korzystają z właściwości metali związanych z ich uplastycznianiem oraz możliwościami zmiany struktury wewnętrznej w wyniku działania podwyższonej temperatury. Są one stosowane przy ulepszaniu cieplnym – np. hartowaniu, ale również przy cięciu termicznym choćby z wykorzystaniem lasera. Szeroko używana jest obróbka plastyczna, wiążąca się z oddziaływaniem przekraczającym granicę sprężystości metalu i prowadząca do jego płynięcia oraz będącej następstwem tego zjawiska trwałej zmiany kształtu przy zachowaniu ciągłości. Procesy tego rodzaju mogą prowadzić do umocnienia się metalu, a zatem dodatkowego zwiększenia jego wytrzymałości, jednak w razie potrzeby zakończone odpowiednią obróbką cieplną pozwalają także na przywrócenie mu wcześniejszej charakterystyki. W ramach obróbki plastycznej wykonywane są również operacje związane z przerywaniem ciągłości wskutek oddziaływania mechanicznego, co bywa użyteczne przy cięciu za pomocą gilotyn czy wykrojników.

Popularnymi metodami obróbki, stosowanymi zwłaszcza przy produkcji elementów, które muszą się cechować wysoką dokładnością wymiarową oraz odpowiednim poziomem chropowatości powierzchni są także rozmaite rodzaje obróbki ubytkowej. W jej ramach jest prowadzone skrawanie, polegające na odspajaniu wiórów za pomocą właściwie prowadzonej krawędzi tnącej – noża tokarskiego przy toczeniu, frezu podczas frezowania czy wiertła używanego w czasie wiercenia. Stosuje się obróbkę ścierną, w której oczekiwany efekt jest osiągany przy pomocy ścierniwa w postaci ziaren substancji o większej niż obrabiany materiał twardości – w zależności od metody w postaci luźnej, jak choćby przy cięciu strumieniowym, czy piaskowaniu albo zestalonej, jak podczas szlifowania umożliwiającego uzyskanie potrzebnej gładkości.

Wszystkie metody precyzyjnej obróbki metalu wymagają stosowania urządzeń, które pozwolą na uzyskanie założonych parametrów, dzięki dokładnemu działaniu określonej siły, za pomocą odpowiednio ukształtowanych form i krawędzi w przypadku obróbki plastycznej oraz właściwie wyprofilowanego ostrza poruszającego się z ustaloną prędkością i po określonej trajektorii. Tradycyjnie do wykonywania tego rodzaju zadań stosowano specjalnie przystosowane do realizacji konkretnych czynności obrabiarki mechaniczne. Wraz z rozwojem automatyki przemysłowej i technik komputerowych pojawiły się również maszyny CNC.

Funkcjonowanie i obsługa obrabiarek tradycyjnych

Obróbka tradycyjna – w zależności od jej rodzaju – wymaga sprawowania kontroli nad sposobem, w jaki przemieszcza się używana powierzchnia robocza w stosunku do materiału dzięki rozwiązaniom mechanicznym. Sposób działania różnych urządzeń wykorzystywanych w obróbce plastycznej czy ubytkowej bardzo się od siebie różni. W przypadku pras będzie to kwestia ustawienia siły docisku, z jaką stempel jest przyciskany do matrycy, a także właściwego pozycjonowania ograniczników. Jeżeli chodzi o urządzenia skrawające, ilość parametrów, które muszą zostać właściwie dobrane, jest zdecydowanie większa. W tokarkach służących do uzyskiwania wyrobów o powierzchni walcowatej, stożkowej lub kulistej konieczne będzie m.in. ustalenie prędkości obracania się materiału, określenie stopnia, w jakim nóż tokarski ma się zbliżać do osi obrotu, a także przesuwać się wzdłuż niej, a ponadto wybranie tempa tego przesuwu. Podczas obsługi frezarki niezbędne stanie się wybranie choćby zakresu ruchu materiału lub głowicy roboczej, ścieżki, po jakiej ma się ona przemieszczać, ale również kąta i prędkości obrotowej, z którą będzie poruszało się ostrze. Podczas wiercenia ważne będzie pozycjonowanie materiału i wiertła oraz wybór prędkości obrotowej, a także głębokości, na którą ma się ono zagłębić w materiale.

W przypadku obrabiarek tradycyjnych kontrola nad wszystkimi parametrami jest sprawowana dzięki mechanicznemu przełożeniu między poszczególnymi mechanizmami a dźwigniami i kołami pozwalającymi na określanie ich położenia. Odpowiednie parametry są ustalane dzięki podziałkom pokazującym, gdzie ma się znaleźć konkretny element i jakie będą dokładne współrzędne jego ruchu. Przekazywanie wszystkich ustawień jest realizowane za pomocą mechanizmów krzywkowych, kół zębatych, ślimacznic, wałków, cięgien oraz przekładni mechanicznych.

Obsługa urządzeń sterowanych mechanicznie wymaga bardzo dobrego przygotowania zawodowego oraz znakomitej koordynacji ruchowej i zdolności do szybkiej obsługi poszczególnych mechanizmów. Jednocześnie operator musi kontrolować otrzymane wyniki za pomocą przyrządów pomiarowych m.in. grubościomierzy lub suwmiarek. Uzyskiwana jakość obróbki w dużym stopniu jest proporcjonalna do umiejętności i doświadczenia obsługującego konkretną maszynę specjalisty – np. frezera czy tokarza. Choć przy użyciu obrabiarki mechanicznej można uzyskiwać bardzo dobre wyniki jakościowe w ramach technicznych możliwości urządzenia, to jednak są one także silnie uzależnione od operatora. W wielu przypadkach utrzymanie jednakowych parametrów przy większych partiach wyrobu jest trudne, dość długi jest również czas potrzeby na zmianę ustawień czy przezbrajanie maszyny. W przypadku popełnienia błędu na zaawansowanym etapie obróbki niejednokrotnie dochodzi do marnowania materiału.

W jaki sposób działają urządzenia CNC?

Obróbka wykonywana przy pomocy urządzeń CNC (Computer Numerical Control) jest zbliżona do działania maszyn sterowanych mechanicznie, ponieważ realizowane są podobne czynności, a sama zasada działania jest identyczna. Zarówno w tokarce mechanicznej, jak i CNC krawędź tnąca noża tokarskiego będzie się przemieszczała w tych samych płaszczyznach. Kolejność wykonywania poszczególnych czynności, ich przebieg oraz czas na nie potrzebny będzie jednak zupełnie inny. Przy obróbce CNC za przemieszczanie poszczególnych elementów roboczych odpowiadają serwomechanizmy, zwykle w postaci precyzyjnych silników elektrycznych. Pozycjonowanie odbywa się przy pomocy współpracujących ze sobą i sterowanych przez komputer czujników, które rejestrują położenie, a w razie potrzeby także prędkość przemieszczania się w różnych płaszczyznach. Dzięki temu system komputerowy uzyskuje niezbędne dane, by móc kontrolować przemieszczanie się podzespołów, a tym samym proces obróbki.

W przypadku urządzeń CNC maszyna samodzielnie realizuje przygotowany wcześniej program swej pracy. Powstaje on w oparciu o cyfrowy model elementu, który ma zostać wytworzony, sporządzony z użyciem oprogramowania wspomagającego projektowanie CAD (Computer Aided Design). Cyfrowy przestrzenny projekt detalu jest następnie za pomocą programu typu CAM (Computer Aided Manufacturing) przekształcany w zestaw kolejnych instrukcji, które maszyna będzie realizowała podczas pracy. Dzięki właściwemu doborowi sekwencji i ich kolejności istnieje możliwość daleko posuniętej optymalizacji całego procesu. Oprogramowanie może przygotować taki algorytm postępowania, który sprawi, że wszystkie czynności będą przeprowadzone w najkrótszym możliwym czasie.

Korzystanie z obrabiarek CNC oznacza usprawnienie produkcji, ponieważ raz przygotowana sekwencja może być odtwarzana dowolną ilość razy, a także poddawana modyfikacjom. Ścisłe określenie przebiegu poszczególnych czynności oznacza też, że otrzymywane produkty będą się charakteryzowały wysoką powtarzalnością oraz stabilnością wymiarową. Co ważne, obróbka CNC oznacza też poważne zmniejszenie strat materiałowych oraz duże skrócenie czasu pracy, ponieważ maszyny mogą się automatycznie przezbrajać oraz działać z bardzo dużymi prędkościami.

Stosowanie urządzeń CNC przyspiesza produkcję seryjną i wykonywanie detali skomplikowanych oraz wymagających powtarzania wielu operacji. Daje możliwość przerwania procesu i zmiany profilu produkcji w krótkim czasie oraz błyskawiczny powrót do wcześniej realizowanych zadań. Są jednak obszary, w których korzystanie z obrabiarek mechanicznych będzie bardziej uzasadnione. Obejmuje to np. wykonywanie stosunkowo prostych elementów, gdzie ryzyko popełnienia błędów jest bardzo małe. Będą one także użytecznie przy dorabianiu potrzebnych elementów czy tworzeniu jednostkowych wyrobów, które nie mają dokumentacji elektronicznej. Warto też pamiętać, że wprowadzenie maszyn CNC nie przy wszystkich procesach zapewni jednakowy wzrost wydajności.