Różnice między obrabiarką tradycyjną a CNC

Precyzyjna obróbka metalu, drewna lub tworzyw sztucznych może być prowadzona zarówno przy wykorzystaniu obrabiarek tradycyjnych, jak i maszyn CNC. Oba rozwiązania mają swoje zalety i w wielu przypadkach wciąż są stosowane równolegle, choć zakres wykorzystania obrabiarek CNC stale się zwiększa. Różnice między obróbką tradycyjną a CNC dotyczą nie tylko samego mechanizmu działania urządzeń, co łączą się z efektywnością i poziomem kosztów.

Na czym polega obróbka metali i jakie procesy są w niej wykorzystywane?

Większość elementów maszyn, urządzeń, pojazdów i przedmiotów codziennego użytku jest albo wykonana z różnego rodzaju metalu, albo zawiera znaczną liczbę elementów metalowych. Zastosowanie któregoś z metali żelaznych – jednego z wielu stopów stalowych lub żeliwa – czy nieżelaznych m.in. miedzi, aluminium oraz ich stopów – wynika z ich cech fizyczno-chemicznych, zwłaszcza dużej wytrzymałości mechanicznej, sprężystości oraz dobrej przewodności elektrycznej i cieplnej. Metale są wybierane ze względu na łatwość, z jaką mogą być poddawane obróbce zmieniającej ich kształt oraz dostosowującej właściwości do konkretnych potrzeb. Istnieje wiele metod obróbki metali – zalicza się do nich obróbka cieplna, plastyczna oraz chemiczna, jednak jedną z najważniejszych i najczęściej wykorzystywanych jest obróbka ubytkowa – wyjaśnia przedstawiciel firmy Bratech, która specjalizuje się w precyzyjnej obróbce stali i aluminium.

Obróbka ubytkowa to sposób nadawania materiałowi pożądanego kształtu przez usuwanie jego zbędnych elementów, tzw. naddatku. W ramach obróbki tego rodzaju możliwe jest wykorzystywanie metod erozyjnych, które wiążą się z usuwaniem cząsteczek metalu za pomocą parowania, topienia albo roztwarzania, a także znacznie szerzej stosowanej obróbki skrawającej obejmującej obróbkę ścierną i wiórową. Podczas obróbki ściernej metal jest skrawany za pomocą drobnego materiału odrywającego niewielkie fragmenty, a przy obróbce wiórowej za pośrednictwem ostrzy o ustalonej geometrii. W tym przypadku dla uzyskania odpowiednich efektów w postaci dokładnych wymiarów przedmiotu obrabianego oraz wymaganego stopnia wykończenia powierzchni, zakładającego określony poziom gładkości, ważne jest precyzyjne pozycjonowanie ostrza oraz przemieszczanie go po wyznaczonej ścieżce. Dzięki zaplanowanemu ruchowi ostrza oraz jego geometrii metal zyskuje właściwą formę i może być zastosowany jako gotowy element lub poddany dalszym procesom, np. ulepszaniu cieplnemu.

Dla uzyskania odpowiednich parametrów obróbki wiórowej niezbędne jest wykorzystywanie maszyn pozwalających na pełną kontrolę nad tempem i sposobem przemieszczania się krawędzi tnących. W tym celu używane są urządzenia nazywane obrabiarkami, za pomocą których można wykonać jeden z procesów związanych z nadawaniem materiałowi określonego kształtu. Obrabiarki mogą pracować tocząc, frezując, wiercąc, przeciągając lub dłutując metal, a ich poszczególne rodzaje są zbudowane tak, by możliwe było wykonanie jednej z tych czynności. Obrabiarki przeznaczone do toczenia, tzw. tokarki wprawiają element obrabiany w ruch obrotowy, a odspajanie wiórów następuje w wyniki zbliżania ostrza o wybranej geometrii do osi obrotu lub przesuwania go wzdłuż niej. Obrabiarki frezujące, tzw. frezarki wprawiają w ruch obrotowy powierzchnie tnące, skrawanie materiału następuje wskutek przemieszczania wirującego narzędzia po określonej trajektorii tak, by mogło ono nadać powierzchni odpowiedni kształt. Wiercenie realizowane za pomocą wiertarek wiąże się z wykonywaniem w metalu okrągłych otworów o określonej średnicy i głębokości. Przeciąganie prowadzone za pomocą przeciągarek wiąże się z nadaniem materiałowi kształtu przez przemieszczenie go przez otwór o prawidłowo wybranej geometrii. Dłutowanie wykonywane na dłutarkach to odspajanie wióra przez przemieszczanie ostrza w jednej osi, w wyniku czego materiał zyskuje w miejscu obróbki kształt odpowiadający geometrii użytego ostrza.

Jak działają obrabiarki o konstrukcji tradycyjnej?

Obrabiarki, choć wykonują różne zadania, mają wiele cech wspólnych. Są nimi konieczność precyzyjnego ustawiania wzajemnego położenia materiału obrabianego oraz używanego ostrza, a także przemieszczania jednego z nich lub obu w taki sposób, by możliwe było odspojenie wiórów w ściśle kontrolowany sposób, aż do uzyskania zakładanego kształtu. Cele te można osiągnąć, stosując układ umożliwiający ruch poszczególnych elementów realizowany z odpowiednią dokładnością, a także pozwalający na ustawianie wszystkich parametrów tego ruchu oraz ich bieżące kontrolowanie. W obrabiarkach tradycyjnych zadania te były wykonywane są za pomocą elementów mechanicznych, w nowoczesnej obróbce CNC za pracę urządzenia odpowiada w znacznym stopniu automatyka i nadzorujący jej działanie komputer. Oba rodzaje urządzeń są wciąż wykorzystywane równolegle, choć rola obrabiarek sterowanych mechanicznie systematycznie maleje.

W obrabiarkach tradycyjnych wszystkie czynności wymagały od operatora ręcznego wprowadzania kolejnych ustawień od mocowania przedmiotu obrabianego po wybór tempa przesuwu ostrza oraz dobieranie jego ścieżki. Poszczególne elementy były przemieszczane w wyniku działania mechanizmów krzywkowych oraz współdziałania wielu wałków, kół zębatych i przekładni. Zmiana położenia pokręteł i dźwigni sterujących powodowała fizyczne przemieszczanie poszczególnych mechanizmów. Uzyskiwanie odpowiednich rezultatów w przypadku obrabiarek sterownych mechanicznie w bardzo dużym stopniu zależy od umiejętności osoby obsługującej urządzenie.

Wykorzystywanie obrabiarek mechanicznych wiąże się ze stosunkowo wysokim ryzykiem pojawiania się błędów oraz uszkodzenia materiału także na późnych etapach pracy, co powoduje marnowanie surowca oraz czasu poświęconego na wykonanie wcześniejszych czynności. Poważnym ograniczeniem obrabiarek tradycyjnych trudności z uzyskiwaniem wysokiej powtarzalności parametrów przygotowywanych produktów. Problemem wpływającym na niewielką efektywność obróbki za pomocą urządzeń sterowanych manualnie jest także bardzo duża ilość czasu potrzebna na ich obsługę, co w połączeniu z poziomem wymaganych od operatora kompetencji sprawia, że koszty pracy okazują się wysokie.

Na czym polega działanie obrabiarki CNC?

Obrabiarki CNC, czyli urządzenia sterowane numerycznie realizują te same zadania co obrabiarki tradycyjne, a zarówno zasada ich działania, jak i zarysy budowy poszczególnych mechanizmów są bardzo podobne. Różnice wiążą się z przygotowaniem urządzenia do pracy oraz sposobem, w jaki jest ono kontrolowane. W przypadku urządzeń CNC za pracę maszyny w przeważającej mierze odpowiada wcześniejsze przygotowanie całego procesu. Elementy, które mają być obrabiane, są tworzone jako model cyfrowy przy użyciu oprogramowania komputerowego wspomagającego projektowanie CAD. Przygotowana trójwymiarowa komputerowa reprezentacja elementu zawiera wszystkie dane o jego geometrii i może być przetworzona na procedury konieczne do jej wytworzenia.

Przełożenie modelu cyfrowego na instrukcje potrzebne do jego przygotowania za pomocą wybranego rodzaju obrabiarki CNC jest wykonywane dzięki oprogramowaniu CAM. Pozwala ono na określenie wszystkich kolejnych kroków przedstawianych jako poszczególne ruchy odpowiednio dobranych narzędzi wraz z ich prędkością obrotową, ścieżką, po której będą się przemieszczać oraz czasem posuwu. Komputer jest w stanie przygotować zestaw potrzebnych czynności i zoptymalizować ich przebieg w taki sposób, by zajęły możliwie mało czasu. Oprogramowanie daje sposobność wprowadzania zmian w proponowanych ustawieniach oraz wprowadzanie poprawek przez operatora.

Obróbka CNC polega na odtworzeniu przez urządzenie przygotowanego wcześniej programu. Maszyna sterowana komputerowo samodzielnie wybiera odpowiednie narzędzia i pozycjonuje głowicę roboczą względem przedmiotu obrabianego, przekładając komputerowe odwzorowanie przestrzeni na ruchy poszczególnych elementów. Przemieszczanie narzędzia oraz ruch przedmiotu obrabianego są możliwe dzięki wykorzystywaniu czujników położenia, a także czujników rejestrujących przebytą drogę. Przekazują one odpowiednie dane do jednostki sterującej, która na tej podstawie uruchamia określone sekwencje precyzyjnie działających silników elektrycznych wprawiających w ruch przedmiot obrabiany lub głowicę roboczą w zależności od rodzaju obrabiarki.

Największymi zaletami korzystania z obróbki CNC jest znacznie skrócenie czasu potrzebnego na wykonanie wszystkich niezbędnych zadań. Ważne jest zarówno szybkie przezbrajanie maszyny związane z wyborem potrzebnego narzędzia, jak i automatyczne wykonywanie kolejnych czynności. Korzystanie z obrabiarek CNC oznacza zmniejszenie strat materiału, obniżenie kosztów całego procesu oraz uzyskiwanie wysokiej powtarzalności i dużej precyzji uzależnionej tylko i wyłącznie od parametrów obrabiarki i jej sprawnego działania. Plusem korzystania z maszyn CNC jest duża elastyczność, pozwalająca na płynne przechodzenie od produkcji detali jednego rodzaju do wytwarzania elementów o zupełnie innej charakterystyce, ponieważ raz przygotowany program może być później szybko uruchomiony ponownie.

Zaletą urządzeń sterowanych numerycznie jest łatwość prowadzenia produkcji wielko- i małoseryjnej, ale też możliwość przygotowywania wyrobów jednostkowych czy szybkiego wytwarzania prototypów. Obrabiarki CNC są niezastąpione przy wykonywaniu detali o bardzo dużej złożoności, co obniża związane z tym koszty.