Frézování (obrábění) - Milling (machining)

Úplný pohled na 3osý klon vertikální frézky ve stylu Bridgeport

Frézování je proces obrábění pomocí rotačních fréz k odstraňování materiálu postupem frézy do obrobku . To lze provést v různém směru na jedné nebo několika osách, rychlosti řezací hlavy a tlaku. Frézování pokrývá širokou škálu různých operací a strojů, na stupnicích od malých jednotlivých dílů až po velké, těžké gangové frézovací operace. Je to jeden z nejčastěji používaných procesů pro obrábění vlastních dílů na přesné tolerance.

Frézování lze provádět pomocí celé řady obráběcích strojů . Původní třídou obráběcích strojů na frézování byla frézka (často nazývaná mlýn). Po příchodu počítačového numerického řízení (CNC) v 60. letech 20. století se frézky vyvinuly do obráběcích center : frézky rozšířené o automatické výměny nástrojů, zásobníky nástrojů nebo karusely, schopnost CNC, chladicí systémy a skříně. Frézovací centra jsou obecně klasifikována jako vertikální obráběcí centra (VMC) nebo horizontální obráběcí centra (HMC).

Integrace frézování do soustružnických prostředí a naopak začala živými nástroji pro soustruhy a příležitostným používáním mlýnů pro soustružnické operace. To vedlo k nové třídě obráběcích strojů, víceúlohových strojů (MTM), které jsou účelově vytvořeny tak, aby usnadňovaly frézování a soustružení ve stejné pracovní obálce.

Proces

Čelní frézování (osa otáčení frézy je svislá - sklon 0 ° vzhledem k ose nástroje)

Frézování je proces řezání , při kterém se frézou odebírá materiál z povrchu obrobku. Fréza je rotační řezací nástroj , často s více řeznými body. Na rozdíl od vrtání , kde se nástroj posouvá podél své osy otáčení, se fréza při frézování obvykle pohybuje kolmo k své ose, takže k řezání dochází na obvodu frézy. Když fréza vstupuje do obrobku, řezné hrany (drážky nebo zuby) nástroje opakovaně řežou do materiálu a vystupují z něj a při každém průchodu odřezávají třísky (třísky) z obrobku. Řezným účinkem je smyková deformace; materiál je z obrobku vytlačován v malých shlucích, které spolu ve větší či menší míře visí (v závislosti na materiálu) a tvoří třísky. To dělá řezání kovu poněkud odlišné (ve své mechanice ) od krájení měkčích materiálů čepelí .

Proces frézování odebírá materiál prováděním mnoha oddělených malých řezů. Toho je dosaženo použitím frézy s mnoha zuby, otáčením frézy vysokou rychlostí nebo pomalým postupováním materiálu skrz frézu; nejčastěji jde o nějakou kombinaci těchto tří přístupů. Použité rychlosti a posuvy se mění tak, aby vyhovovaly kombinaci proměnných. Rychlost, kterou kus postupuje řezačkou, se nazývá rychlost posuvu nebo jen podávání ; nejčastěji se měří jako vzdálenost za čas (palce za minutu [v/min nebo ipm] nebo milimetry za minutu [mm/min]), ačkoli někdy se také používá vzdálenost na otáčku nebo na zub frézy.

Existují dvě hlavní třídy procesu frézování:

  • Při čelním frézování probíhá řezání primárně v koncových rozích frézy. Čelní frézování se používá k řezání plochých ploch (ploch) do obrobku nebo k řezání dutin s plochým dnem.
  • Při obvodovém frézování probíhá řezání primárně po obvodu frézy, takže průřez frézovaného povrchu končí tak, že dostává tvar frézy. V tomto případě lze čepele řezačky považovat za nabírání materiálu z obrobku. Periferní frézování je vhodné pro řezání hlubokých drážek, závitů a zubů ozubených kol.

Frézy

Při frézování se používá mnoho různých typů řezných nástrojů. Frézy, jako jsou stopkové frézy, mohou mít řezné povrchy po celé své koncové ploše, takže je lze do obrobku vyvrtat (zanořit). Frézy mohou mít také na bocích rozšířené řezné plochy, aby bylo umožněno obvodové frézování. Nástroje optimalizované pro čelní frézování mívají ve svých koncových rozích pouze malé frézy.

Řezné povrchy frézy jsou obvykle vyrobeny z tvrdého a teplotně odolného materiálu, takže se opotřebovávají pomalu. Levná řezačka může mít povrchy z rychlořezné oceli . Mezi dražší, ale materiály s pomalejším opotřebením patří slinutý karbid . Pro snížení tření nebo další zvýšení tvrdosti lze použít tenké vrstvy.

Pro frézování (a příležitostně v jiných obráběcích strojích) se běžně používají frézovací stroje nebo obráběcí centra k řezání. Odebírají materiál svým pohybem uvnitř stroje (např. Kulový mlýnek) nebo přímo z tvaru frézy (např. Tvarovací nástroj jako odvalovací fréza).

Schéma rotačních hřebenů na povrchu frézovaném po boku frézy, ukazující polohu frézy pro každý řezný řez a jak odpovídá hřebenům (osa rotace frézy je kolmá na rovinu obrazu)

Když materiál prochází řeznou oblastí frézky, nože řezačky v pravidelných intervalech odebírají třísky materiálu. Plochy řezané po boku frézy (jako u obvodového frézování) proto vždy obsahují pravidelné hřebeny. Vzdálenost mezi hřebeny a výška hřebenů závisí na rychlosti posuvu, počtu řezných ploch, průměru frézy. S úzkou frézou a rychlým posuvem mohou tyto revoluční hřebeny představovat výrazné odchylky v povrchové úpravě .

Trochoidní značky, charakteristické pro čelní frézování.

Čelním frézováním lze v zásadě dosáhnout velmi plochých povrchů. V praxi však výsledek vždy ukazuje viditelné trochoidní značky po pohybu bodů na čelní straně frézy. Tyto revoluční značky dávají charakteristickou povrchovou úpravu povrchu čelně frézovaného. Značky otáčení mohou mít značnou drsnost v závislosti na faktorech, jako je rovinnost čelní plochy frézy a stupeň kolmosti mezi osou otáčení frézy a směrem posuvu. Často se používá finální průchod s pomalým posuvem ke zlepšení povrchové úpravy poté, co byla odstraněna většina materiálu. Při přesném čelním frézování budou značkami revoluce pouze mikroskopické škrábance způsobené nedokonalostmi břitu.

Těžké gangové frézování stolů frézek

Gangové frézování se týká použití dvou nebo více fréz namontovaných na stejném trnu (tj. Sdruženém) v nastavení horizontálního frézování. Všechny frézy mohou provádět stejný typ operace, nebo každá fréza může provádět jiný typ operace. Pokud například několik obrobků potřebuje drážku, rovný povrch a úhlovou drážku , dobrou metodou jejich řezání (v kontextu, který není CNC ), by bylo frézování v gangu. Všechny dokončené obrobky by byly stejné a doba frézování na kus by byla minimalizována.

Gangové frézování bylo zvláště důležité před érou CNC , protože u výroby duplicitních dílů to bylo podstatné zlepšení efektivity oproti manuálnímu frézování jedné funkce při operaci, poté při změně strojů (nebo při změně nastavení stejného stroje), aby se omezila další operace. Dnes CNC frézy s automatickou výměnou nástrojů a 4- nebo 5osým řízením do značné míry upouštějí od praxe frézování v gangu.

Zařízení

Frézování se provádí frézou v různých formách, drženou v kleštině nebo podobné, která je naopak držena ve vřetenu frézky.

Druhy a názvosloví

Orientace mlýna je primární klasifikací frézek. Dvě základní konfigurace jsou svislé a vodorovné - podle orientace rotujícího vřetena, na kterém je fréza namontována. Existují však alternativní klasifikace podle způsobu ovládání, velikosti, účelu a zdroje energie.

Orientace mlýna

Vertikální
Vertikální frézka. 1: fréza 2: vřeteno 3: horní suport nebo podpaží 4: sloupec 5: tabulka 6: suport v ose Y 7: koleno 8: základna

Ve vertikální frézce je osa vřetena orientována svisle. Frézy jsou drženy ve vřetenu a otáčejí se kolem své osy. Vřeteno lze obecně snížit (nebo stůl zvednout, čímž se dosáhne stejného relativního účinku přiblížení nebo hloubení frézy do práce), což umožňuje zanořovací řezy a vrtání. Existují dvě podkategorie vertikálních mlýnů: lože a věžový mlýn.

  • Věž mlýn má pevnou vřeteno a stůl se pohybuje jak kolmo, tak i rovnoběžně s osou vřetena dosáhnout řezání. Některé věžové mlýny mají brk, který umožňuje zvedání a spouštění frézy (nebo vrtačky) podobným způsobem jako u vrtačky. To poskytuje dva způsoby řezání ve svislém (Z) směru: zvednutím nebo spuštěním brka a pohybem kolena.
  • V lůžkovém mlýnu se však stůl pohybuje pouze kolmo na osu vřetena, zatímco samotné vřeteno se pohybuje rovnoběžně s vlastní osou.

Věžové mlýny jsou některými obecně považovány za univerzálnější ze dvou provedení.

Existuje také třetí typ, lehčí a univerzálnější stroj, nazývaný mlýnská vrtačka. Mlýnský vrták je blízkým příbuzným vertikálního mlýna a je docela populární v lehkém průmyslu; a s fandy. Vrták na mlýn je v základní konfiguraci podobný velmi těžkému vrtačkovému lisu, ale je vybaven stolem XY a mnohem větším sloupem. Obvykle také používají silnější motory než srovnatelně velké vrtačky, většina je poháněna vícerychlostním řemenem u některých modelů s převodovou hlavou nebo elektronickou regulací otáček. Obvykle mají poměrně těžká vřetenová ložiska, která se vyrovnávají s příčným zatížením vřetena, které je vytvořeno frézováním. Mlýnský vrták také obvykle zvedá a spouští celou hlavu, včetně motoru, často na rybinovém (někdy kulatém s hřebenem) svislém sloupku. Mlýnková vrtačka má také velký brk, který je obecně při frézování uzamčen a uvolněn, aby usnadnil funkce vrtání. Další rozdíly, které oddělují mlýnek od vrtačky, mohou být jemné doladění osy Z, přesnější hloubkový doraz, schopnost uzamknout osu X, Y nebo Z a často systém naklápění hlavy nebo celá sestava svislého sloupku a výkonové hlavy umožňující řezání pod úhlem. Kromě velikosti je hlavním rozdílem mezi těmito lehčími stroji a většími vertikálními mlýny to, že stůl XY je v pevné výšce; osa Z se ovládá pohybem hlavy nebo brka dolů směrem ke stolu X, Y. Mlýnková vrtačka má typicky vnitřní kuželové kování v brku pro upnutí kleštinového sklíčidla, čelních mlýnů nebo sklíčidla Jacobs podobného vertikálnímu mlýnu.

Horizontální
Horizontální frézka.
1: základna
2: sloupec
3: koleno
4 a 5: stůl (
posuv osy x je integrální) 6: podpaží
7: trn (připevněný k vřetenu)

Horizontální fréza má stejný druh, ale frézy jsou namontovány na horizontálním vřetenu (viz Frézování trnu ) přes stůl. Mnoho horizontálních mlýnů má také vestavěný otočný stůl, který umožňuje frézování v různých úhlech; tato funkce se nazývá univerzální tabulka . Zatímco stopkové frézy a další typy nástrojů, které jsou k dispozici pro vertikální frézu, lze použít v horizontální fréze, jejich skutečná výhoda spočívá v upínacích frézách, nazývaných boční a čelní frézy, které mají průřez spíše jako kotoučovou pilu, ale jsou obecně širší a menší v průměru. Protože frézy mají dobrou podporu z trnu a mají větší plochu průřezu než čelní fréza, lze provádět poměrně těžké řezy, které umožňují rychlé úběry materiálu. Ty se používají k frézování drážek a drážek. K tvarování plochých ploch se používají rovné mlýny. Několik fréz může být spojeno dohromady na trnu, aby frézovalo složitý tvar drážek a rovin. Speciální frézy mohou také řezat drážky, úkosy, poloměry nebo jakýkoli požadovaný úsek. Tyto speciální frézy bývají drahé. Jednostranné mlýny mají jedno vřeteno a duplexní mlýny dva. Je také snazší řezat ozubená kola na horizontálním mlýnu. Některé horizontální frézky jsou vybaveny zařízením pro odběr energie na stole. To umožňuje synchronizaci posuvu stolu s rotačním upínacím zařízením, což umožňuje frézování spirálových prvků, jako jsou hypoidní převody.

Univerzální

Je frézka se zařízením, které má buď horizontální vřeteno, nebo svislé vřeteno. Ten je někdy na dvouosé věži, která umožňuje vřetenu při touhách namířit v libovolném směru. Tyto dvě možnosti mohou být poháněny nezávisle nebo z jednoho motoru prostřednictvím převodu. V obou případech je práce obecně umístěna na stejném místě pro oba typy operací, mechanismus nepoužívané metody se přesune z cesty. U menších strojů mohou být „náhradní díly“ odstraněny, zatímco větší stroje nabízejí systém pro zatažení těch částí, které nejsou používány.

Srovnávací zásluhy

Volba mezi vertikální a horizontální orientací vřetena v konstrukci frézky obvykle závisí na tvaru a velikosti obrobku a počtu stran obrobku, které vyžadují obrábění. Práce, při které je axiální pohyb vřetena normální k jedné rovině, s frézou jako frézou, se hodí k vertikálnímu mlýnu, kde může obsluha stát před strojem a mít snadný přístup k řezné činnosti pohledem dolů. Vertikální mlýny jsou proto nejoblíbenější pro práci při odvápňování (obrábění formy na kovový blok). Těžší a delší obrobky se hodí k umístění na stůl horizontálního mlýna.

Před numerickým řízením se nejprve vyvinuly horizontální frézky, protože se vyvinuly tak, že se frézovací stoly umístily pod vřetenovité vřeteníky. V následujících desetiletích se objevily vertikální mlýny a běžně se používalo příslušenství v podobě přídavných hlav pro změnu horizontálních mlýnů na vertikální (a později naopak). Dokonce i v době CNC se těžký obrobek, který potřebuje obrábění na více stranách, hodí k horizontálnímu obráběcímu centru, zatímco dieinking se hodí ke svislému.

Alternativní klasifikace

Kromě horizontální versus vertikální jsou důležité také další rozdíly:

Kritérium Příklad schématu klasifikace Komentáře
Orientace osy vřetena Vertikální versus horizontální;
Věž versus věž bez věže
Mezi vertikálními mlýny je „styl ve stylu Bridgeportu“ celá třída mlýnů inspirovaných originálem Bridgeportu , podobně jako v případě IBM PC vznikl průmysl počítačů kompatibilních s IBM jiných značek
Řízení Manuál;
Mechanicky automatizované prostřednictvím vaček;
Digitálně automatizované prostřednictvím NC / CNC
V době CNC je zcela základní rozdíl ruční a CNC.
Mezi ručními stroji stojí za to rozlišit vybavení bez DRO a vybavení DRO
Řízení (konkrétně mezi CNC stroji) Počet os (např. 3osý, 4osý nebo více) V rámci tohoto schématu také:
  • Výměna palet versus neměnící se palety
  • Plně automatická výměna nástroje oproti poloautomatické nebo ruční výměně nástrojů
Účel Univerzální versus účelové nebo jednoúčelové  
Účel Nástrojárna versus výrobní stroj Překrývá se s výše
Účel „Prostý“ versus „univerzální“ Rozdíl, jehož význam se vyvíjel po celá desetiletí, jak technologie postupovala, a překrývá se s dalšími účelovými klasifikacemi výše. Není relevantní pro dnešní CNC mlýny. Pokud jde o ruční mlýny, společným tématem je, že „obyčejné“ mlýny byly výrobní stroje s méně osami než „univerzální“ mlýny; například zatímco prostý mlýn neměl indexovací hlavu a neotáčivý stůl, univerzální mlýn by je měl. Proto byl vhodný pro univerzální službu, tj. Pro širší škálu možných drah nástrojů. Výrobci obráběcích strojů již nepoužívají označení „obyčejný“-versus-„univerzální“.
Velikost Mikro, mini, stolní počítač, stojící na podlaze, velký, velmi velký, obrovský  
Zdroj energie Pohon řadový hřídel versus individuální pohon elektromotorem Většina strojů poháněných řadovým hřídelem, všudypřítomných kolem roku 1880–1930, již byla sešrotována
Ruční kliková síla versus elektrická Ruční zalomení nepoužívané v průmyslu, ale vhodné pro mikromlýnky pro fandy

Varianty

Miniaturní fandařský mlýn Sieg X2, který jasně ukazuje základní části mlýna
  • Lůžkový mlýn To se týká jakéhokoli frézovacího stroje, kde je vřeteno na přívěsku, který se pohybuje nahoru a dolů, aby přesunul frézu do práce, zatímco stůl sedí na pevném lůžku, které spočívá na podlaze. Ty jsou obecně tužší než kolenový mlýn. Do této kategorie lůžkových mlýnů lze zařadit portálové mlýny.
  • Krabicový nebo sloupový mlýn Velmi základní hobby stolní frézky, které se vyznačují hlavou jezdící nahoru a dolů po sloupu nebo krabici.
  • C-rámový mlýn Jedná se o větší průmyslové závody. Mají koleno a pevnou hlavu vřetena, která je pohyblivá pouze svisle. Obvykle jsou mnohem výkonnější než věžový mlýn, který má samostatný hydraulický motor pro integrální hydraulické napájení ve všech směrech a motor o výkonu dvacet až padesát koní. Eliminátory vůle jsou téměř vždy standardní výbavou. Používají velké nástroje NMTB 40 nebo 50. Tabulky na frézkách s rámem C mají obvykle rozměry 18 x 68 palců nebo větší, což umožňuje obrábění více dílů současně.
  • Podlahový mlýn Ty mají řadu otočných stolů a horizontální závěsné vřeteno namontované na sadě kolejí, které běží rovnoběžně s řadou stolu. Tyto mlýny byly převážně převedeny na CNC , ale některé lze stále najít (pokud lze dokonce najít použitý stroj k dispozici) pod ručním ovládáním. Vřetenový vozík se přesune na každou jednotlivou tabulku, provede operace obrábění a přesune se na další tabulku, zatímco předchozí tabulka je nastavována pro další operaci. Na rozdíl od jiných mlýnů mají podlahové mlýny pohyblivé podlahové jednotky. Jeřáb upustí masivní otočné stoly, stoly XY atd. Do polohy pro obrábění, což umožňuje velké a složité vlastní frézovací operace.
  • Portálový mlýn Frézovací hlava jezdí po dvou kolejnicích (často ocelových hřídelích), které leží na každé straně pracovní plochy. Vzhledem ke své konstrukci má obvykle velmi malou stopu ve srovnání s velikostí zdvihu stroje. Nevýhodou je, že obvykle nejsou tak tuhé jako např. Mlýny s C-rámem.
  • Horizontální vyvrtávačka Velké, přesné horizontální frézy s ložem, které obsahují mnoho funkcí z různých obráběcích strojů. Používají se převážně k vytváření velkých výrobních přípravků nebo k úpravě velkých, vysoce přesných dílů. Mají zdvih vřetena několika (obvykle mezi čtyřmi a šesti) stopami a mnoho z nich je vybaveno koní k provádění velmi dlouhých vyvrtávacích operací bez ztráty přesnosti, protože vrt se zvětšuje do hloubky. Typická postel má pojezd X a Y a má tři až čtyři stopy čtverečních s otočným stolem nebo větším obdélníkem bez stolu. Přívěsek obvykle poskytuje čtyři až osm stop svislého pohybu. Některé frézy mají velkou (30 "nebo více) integrovanou čelní hlavu. Pro větší flexibilitu jsou k dispozici pravoúhlé otočné stoly a vertikální frézovací nástavce.
  • Přímá vyvrtávačka Svislé frézy, které jsou konstruovány tak, aby vyvrtávaly otvory, a velmi lehké drážkové nebo čelní frézování. Obvykle se jedná o lože s dlouhým vřetenem. Lůžka jsou přesnější a ruční kola jsou odstupňována až do 0,0001 "pro přesné umístění otvorů.
  • Kolenový mlýn nebo kolenový a sloupový mlýn se týká jakéhokoli frézovacího stroje, jehož stůl xy jezdí nahoru a dolů po sloupku na svisle nastavitelném koleni. To zahrnuje Bridgeports.
  • Hoblovací fréza (frézování Plano) Velké mlýny postavené ve stejné konfiguraci jako hoblíky s výjimkou frézovacího vřetena místo hoblovací hlavy. Tento termín se datuje, protože samotné hoblíky jsou z velké části minulostí.
  • Beranový mlýn Může se jednat o jakýkoli mlýn, který má řezací hlavu namontovanou na posuvném beranu. Vřeteno lze orientovat svisle nebo vodorovně. V praxi většina mlýnů s berany také zahrnuje schopnost otáčení, ať už se tomu říká „montáž věže“ nebo ne. Bridgeport konfigurace mohou být klasifikovány jako vertikální hlavy ram typu mlýnu. Van Norman se specializoval na beranové mlýny po většinu 20. století. Vzhledem k rozsáhlému šíření CNC strojů se beranové mlýny stále vyrábějí v konfiguraci Bridgeport (s ručním nebo CNC řízením), ale méně obvyklé varianty (jako byly postaveny Van Normanem, Indexem a dalšími) vymřely Jejich práci nyní provádějí buď mlýny Bridgeport nebo obráběcí centra.
  • Věžní mlýn Běžněji se označuje jako frézky typu Bridgeport. Vřeteno lze vyrovnat v mnoha různých polohách pro velmi univerzální, i když poněkud méně tuhý stroj.

Alternativní terminologie

Frézovací stroj se často nazývá mlýn podle mechanici . Archaický termín mlynář se běžně používal v 19. a na počátku 20. století.

Od 60. let dochází k překrývání používání pojmů frézka a obráběcí centrum . NC/ CNC obráběcí centra se vyvinula z frézek, a proto se terminologie vyvíjela postupně se značným přesahem, který stále přetrvává. Rozdíl, když se to dělá, je, že obráběcí centrum je mlýn s funkcemi, které před CNC frézy nikdy neměly, zejména automatický měnič nástrojů (ATC), který obsahuje zásobník nástrojů (kolotoč), a někdy automatický měnič palet ( APC). V typickém použití jsou všechna obráběcí centra mlýny, ale ne všechna mlýna jsou obráběcí centra; obráběcími centry jsou pouze mlýny s ATC.

Počítačové numerické ovládání

Frézování hliníku na tenké stěně pomocí řezací kapaliny na vodní bázi na fréze

Většina CNC frézek (také nazývaných obráběcí centra ) jsou počítačem řízené vertikální frézy se schopností vertikálního pohybu vřetena podél osy Z. Tento mimořádný stupeň volnosti umožňuje jejich použití při odvápňování, gravírování a 2,5D povrchy, jako jsou reliéfní sochy. V kombinaci s použitím kuželových nástrojů nebo frézy s kulovým čelem také výrazně zlepšuje přesnost frézování bez dopadu na rychlost a představuje nákladově efektivní alternativu k většině ručních gravírování na plochém povrchu .

Pětiosé obráběcí centrum s otočným stolem a počítačovým rozhraním

CNC stroje mohou existovat prakticky v jakékoli formě ručního strojního zařízení, jako jsou horizontální mlýny. Nejpokročilejší CNC frézky, víceosý stroj , přidávají kromě tří normálních os (XYZ) ještě další dvě osy. Horizontální frézky mají také osu C nebo Q, což umožňuje otáčení horizontálně uloženého obrobku, což v podstatě umožňuje asymetrické a excentrické soustružení . Pátá osa ( osa B) ovládá náklon samotného nástroje. Když jsou všechny tyto osy použity ve spojení s sebou, extrémně komplikované geometrie, dokonce i organické geometrie, jako je lidská hlava, lze s těmito stroji vyrobit relativně snadno. Ale dovednost programovat takové geometrie je nad rámec většiny operátorů. Proto jsou 5osé frézky prakticky vždy programovány pomocí CAM .

Operační systém těchto strojů je systém s uzavřenou smyčkou a funguje na základě zpětné vazby. Tyto stroje byly vyvinuty ze základních NC (NUMERIC CONTROL) strojů. Počítačová forma NC strojů je známá jako CNC stroje. Sada pokynů (nazývaná program) slouží k navádění stroje na požadované operace. Některé velmi běžně používané kódy, které se používají v programu, jsou:

G00 – rapid traverse
G01 – linear interpolation of tool.
G21 – dimensions in metric units.
M03/M04 – spindle start (clockwise/counter clockwise).
T01 M06 – automatic tool change to tool 1
M30 – program end.

Používají se také různé další kódy. CNC stroj je obsluhován jediným operátorem zvaným programátor. Tento stroj je schopen provádět různé operace automaticky a ekonomicky.

S klesající cenou počítačů a open source CNC softwaru se vstupní cena CNC strojů propadla.

Rychlořezná ocel s kobaltovými stopkovými frézami používaná pro řezání ve frézce.

Nástroje

Příslušenství a řezné nástroje používané na obráběcích strojích (včetně frézek) jsou souhrnně označovány hromadným podstatným jménem „nástroje“. Vysoký stupeň standardizace nástrojů používaných u CNC frézek a menší stupeň u ručních frézek. Aby se usnadnila organizace nástrojů ve výrobě CNC, mnoho společností používá řešení pro správu nástrojů .

Frézy pro specifické aplikace jsou drženy v různých konfiguracích nástrojů.

CNC frézky téměř vždy používají nástroje SK (nebo ISO), CAT, BT nebo HSK. SK nástroje jsou nejběžnější v Evropě, zatímco nástroje CAT, někdy nazývané V-Flange Tooling, jsou nejstarším a pravděpodobně nejběžnějším typem v USA. Nástroje CAT byly vynalezeny společností Caterpillar Inc. z Peoria, Illinois , za účelem standardizace nástrojů používaných na jejich strojích. Nástroje CAT se dodávají v řadě velikostí označených jako CAT-30, CAT-40, CAT-50 atd. Číslo se vztahuje na velikost kužele nástroje Asociace pro výrobní technologii (dříve Národní asociace výrobců obráběcích strojů (NMTB)) .

Držák nástrojů CAT-40
Nudná hlava na stopce Morse

Vylepšení nástroje CAT Tool je BT Tooling, který vypadá podobně a lze jej snadno zaměnit s nástroji CAT. Stejně jako CAT Tooling, BT Tooling přichází v řadě velikostí a používá stejné kuželové tělo NMTB. Nástroje BT jsou však symetrické kolem osy vřetena, což nástroje CAT nejsou. To dává nástrojům BT větší stabilitu a rovnováhu při vysokých rychlostech. Dalším jemným rozdílem mezi těmito dvěma držáky nástrojů je závit používaný k držení tažného čepu. CAT Tooling je všechno Imperial vlákno a BT Tooling je všechno metrický závit. Všimněte si, že to ovlivňuje pouze tažný čep; neovlivní nástroj, který mohou držet. Oba typy nástrojů se prodávají tak, aby akceptovaly jak imperiální, tak metrické nástroje.

Nástroje SK a HSK, někdy nazývané „nástroje s dutou stopkou“, jsou v Evropě, kde byly vynalezeny, mnohem běžnější než ve Spojených státech. Tvrdí se, že nástroje HSK jsou při vysokých rychlostech ještě lepší než nástroje BT. Přídržný mechanismus pro nástroje HSK je umístěn v (dutém) těle nástroje a jak se otáčky vřetena zvyšují, rozpíná se a se zvyšujícími se otáčkami vřetena sevřou nástroj pevněji. U tohoto typu nástrojů neexistuje žádný tažný čep.

U ručních frézek existuje menší standardizace, protože existuje větší množství dříve konkurujících si norem. Novější a větší ruční stroje obvykle používají nástroje NMTB. Tento nástroj je poněkud podobný nástrojům CAT, ale vyžaduje oj v frézce. Kromě toho existuje řada variant s nástroji NMTB, které činí zaměnitelnost problematickou. Čím je stroj starší, tím větší je množství standardů, které mohou platit (např. Morse , Jarno , Brown & Sharpe , Van Norman a další méně obvyklé zúžení specifické pro stavitele). Nicméně dva standardy, které zaznamenaly obzvláště široké využití, jsou Morse #2 a R8, jejichž prevalence byla dána popularitou mlýnů postavených společností Bridgeport Machines of Bridgeport, Connecticut . Tyto mlýny ovládaly trh tak dlouho, že „Bridgeport“ je prakticky synonymem pro „ruční frézku“. Většina strojů, které společnost Bridgeport vyrobila v letech 1938 až 1965, používala kužel Morse #2 a od roku 1965 nejpoužívanější kužel R8.

Příslušenství

CNC kapesní frézování

Kapesní frézování je považováno za jednu z nejpoužívanějších operací při obrábění . Je široce používán v leteckém a lodním průmyslu. Při kapesním frézování je materiál uvnitř libovolně uzavřené hranice na rovném povrchu obrobku odstraněn do pevné hloubky. Pro kapesní frézování se obecně používají ploché spodní frézy. Nejprve se provede hrubovací operace, aby se odstranila většina materiálu, a poté se kapsa dokončí dokončovací frézou. Většinu průmyslových frézovacích operací lze zvládnout pomocí 2,5osého CNC frézování. Tento typ řízení dráhy může obrobit až 80% všech mechanických dílů. Protože je důležitost kapesního frézování velmi důležitá, mohou efektivní kapesní přístupy vést ke snížení času a nákladů na obrábění . NC kapesní frézování lze provádět hlavně dvěma drahami nástroje, viz. lineární a nelineární.

Lineární dráha nástroje

V tomto přístupu je pohyb nástroje jednosměrný. Cik-cak a ciklové dráhy nástrojů jsou příklady lineární dráhy nástroje.

Cikcak

Při cik cak frézování se materiál odebírá jak vpřed, tak i zpětně. V tomto případě se řezání provádí s otáčením vřetena i proti němu. To zkracuje dobu obrábění, ale zvyšuje chvění stroje a opotřebení nástroje .

Zig

Při frézování zig se nástroj pohybuje pouze jedním směrem. Nástroj musí být po každém řezu zvednut a zasunut, čímž se prodlouží doba obrábění. V případě ciklového frézování je však kvalita povrchu lepší.

Nelineární dráha nástroje

V tomto přístupu je pohyb nástroje vícesměrný. Jedním příkladem nelineární dráhy nástroje je obrysově rovnoběžná dráha nástroje.

Obrysově paralelní

V tomto přístupu je k odvození dráhy nástroje použita požadovaná hranice kapsy. V tomto případě je fréza vždy v kontaktu s pracovním materiálem. Tím se zabrání době nečinnosti strávené polohováním a zasouváním nástroje. Pro úběr materiálu ve velkém měřítku je široce využívána obrysová rovnoběžná dráha nástroje, protože ji lze v průběhu celého procesu důsledně používat metodou up-cut nebo down-cut. Existují tři různé přístupy, které spadají do kategorie generování dráhy nástroje po vrstevnicích. Oni jsou:

  • Párový přístup k průsečíku: Při párovém průsečíku je hranice kapsy v krocích vedena dovnitř. Přesazené segmenty se protnou v konkávních rozích. Aby se získal požadovaný obrys, je třeba tyto křižovatky oříznout. Na druhou stranu, v případě konvexního rohu jsou odsazené segmenty prodlouženy a tím spojeny, aby vytvořily obrys. Tyto operace viz. ofset, ořez a prodloužení se opakovaně provádějí, aby se pokryl celý objem obrábění dostatečnou vrstvou profilů.
  • Voronoi diagram přístup: V diagramu přístupu voronoiově kapsa hranice je rozdělena a Voronoi diagram je konstruován pro celé kapsy hranice. Tyto voronoiovy diagramy se používají pro generování dráhy nástroje pro obrábění. Tato metoda je považována za efektivnější a robustnější. Navíc se vyhýbá topologickým problémům spojeným s tradičními kompenzačními algoritmy.

Křivočarý

Při tomto přístupu se nástroj pohybuje po postupně se vyvíjející spirálové dráze. Spirála začíná ve středu obráběné kapsy a nástroj se postupně pohybuje směrem k hranici kapsy. Směr dráhy nástroje se postupně mění a lokální zrychlení a zpomalení nástroje je minimalizováno. To snižuje opotřebení nástroje.

Dějiny

1780-1810

Frézované zuby ozubeného kola na dřevěných hodinkách ve stylu Terryho.

Frézky vyvinulo z praxe rotační podání to je, běh kruhovou frézu s soubor -jako zuby v hlavici jednoho soustruhu . Rotační pilování a později skutečné frézování bylo vyvinuto s cílem zkrátit čas a úsilí vynaložené ručním pilováním. Celý příběh vývoje frézky nemusí být nikdy znám, protože hodně raný vývoj probíhal v jednotlivých obchodech, kde bylo uchováváno několik záznamů pro další generace. Široké obrysy jsou však známy, jak je shrnuto níže. Z hlediska historie technologie je zřejmé, že pojmenování tohoto nového typu obrábění termínem „frézování“ bylo rozšířením dřívějších smyslů tohoto slova o zpracování materiálů tím, že je nějakým způsobem obrušovaly (řezání, broušení, drcení) , atd.). Rotační pilování s dlouho předcházeným frézováním. Rotační pilník Jacques de Vaucanson , kolem roku 1760, je dobře známý.

V roce 1783 vynalezl Samuel Rehe skutečnou frézku. V roce 1795 začala Eli Terry používat frézku v Plymouthu v Connecticutu při výrobě vysokých hodinových hodin. S využitím své frézky Terry jako první dosáhl výměnných dílů v hodinářském průmyslu. Frézování dřevěných dílů bylo účinné u vyměnitelných dílů, ale neúčinné při vysokých výtěžcích. Frézování dřevěných polotovarů má za následek nízký výtěžek dílů, protože jednotlivé nože strojů by způsobily ztrátu zubů ozubeného kola, když fréza narazí na rovnoběžná zrna ve dřevě. Terry později vynalezl vřetenový řezací stroj na hromadnou výrobu dílů v roce 1807. Ostatní hodináři z Connecticutu jako James Harrison z Waterbury, Thomas Barnes z Litchfieldu a Gideon Roberts z Bristolu také používali k výrobě hodin frézky.

1810–1830

Tato frézka byla dlouho připisována společnosti Eli Whitney a datována do roku 1818. Od 1910 do 1940 byla tato verze jejího původu široce publikována. V 50. a 60. letech různí historici technologie většinou zdiskreditovali pohled na tento stroj jako na prvního mlynáře a možná dokonce i na Whitney jako jeho stavitele. Bez ohledu na přesnou provenienci je však stále důležitou ranou frézou.
Middletown frézka kolem roku 1818, spojené s Robertem Johnsonem a Simeon North.
Frézka postavená Jamesem Nasmythem v letech 1829 až 1831 pro frézování šesti stran šestihranné matice pomocí indexovacího přípravku.

Je zřejmé, že frézky jako samostatná třída obráběcích strojů (oddělené od soustruhů s rotačními pilníky) se poprvé objevily v letech 1814 až 1818. Centry nejranějšího vývoje skutečných frézek byly dvě federální zbrojnice USA ( Springfield a Harpers Ferry ) společně s různými soukromými zbrojnicemi a dodavateli uvnitř , kteří s nimi sdíleli obrat kvalifikovaných dělníků. V letech 1912 až 1916 Joseph W. Roe , uznávaný zakladatel historiků obráběcích strojů, připsal Eli Whitney (jeden z výše uvedených soukromých výrobců zbraní) výrobu první skutečné frézky. V roce 1918 to považoval za „pravděpodobně první frézku, která byla kdy postavena - rozhodně nejstarší, která nyní existuje […]“. Nicméně následující učenci, včetně Roberta S. Woodbury a jiní, se zlepšil Roe v rané verze historie a naznačují, že stejně kreditní ve skutečnosti, pravděpodobně více, patří do různých jiných vynálezců, včetně Roberta Johnsona Middletown, Connecticut ; Kapitán John H. Hall ze zbrojnice Harpers Ferry; Simeon severně od továrny Staddle Hill v Middletownu; Roswell Lee ze zbrojnice Springfield; a Thomas Blanchard . (Několik výše uvedených mužů je na internetu někdy popisováno jako „vynálezce první frézky“ nebo „vynálezce vyměnitelných dílů“. Taková tvrzení jsou zjednodušující, protože se tyto technologie v průběhu času u mnoha lidí vyvíjely.)

Peter Baida s odvoláním na článek Edwarda A. Battisona „Eli Whitney a frézovací stroj“, který byl publikován v Smithsonian Journal of History v roce 1966, je příkladem toho, že historici technologie pracující v padesátých letech minulého století vyobrazení Whitney „ Velkého muže “ a šedesátá léta. Cituje Battisona k závěru, že „Neexistuje žádný důkaz, že by Whitney vyvinula nebo použila skutečnou frézku.“ Baida říká: „Zdá se, že takzvaný stroj Whitney z roku 1818 byl skutečně vyroben po Whitneyově smrti v roce 1825.“ Baida cituje Battisonův návrh, že první skutečnou frézku nevyrobila Whitney, ale Robert Johnson z Middletownu.

Pozdní puberta 19. století byla stěžejním obdobím v historii obráběcích strojů, protože období 1814 až 1818 je také obdobím, během kterého několik současných průkopníků ( Fox , Murray a Roberts ) vyvíjelo hoblík a stejně jako u frézka, práce vykonávaná v různých obchodech byla z různých důvodů nezdokumentovaná (částečně kvůli vlastnickému tajemství a také jednoduše proto, že nikdo nezaznamenával záznamy pro budoucí generace).

James Nasmyth postavil na svou dobu mezi lety 1829 a 1831. velmi pokročilý frézovací stroj. Byl nástrojem k frézování šesti stran šestihranné matice, která byla namontována do šesticestného indexovacího přípravku.

Frézka postavená a používaná v obchodě Gay & Silver (aka Gay, Silver, & Co) ve třicátých letech 19. století měla velký vliv, protože používala lepší způsob vertikálního polohování než dřívější stroje. Například Whitneyin stroj (ten, který Roe považoval za úplně první) a další nezajistil vertikální pohyb kolena. Je zřejmé, že pracovní postup předpoklad za to, že stroj bude nastaven s podložkami, svěrák, atd pro určitou konstrukci díl, a po sobě jdoucí části nevyžadoval vertikální nastavení (nebo nanejvýš by bylo třeba jen vyrovnání podložkami). To naznačuje, že rané myšlení o frézkách bylo jako výroba, a ne jako stroje v nástrojárně .

V těchto raných letech bylo frézování často považováno pouze za hrubovací operaci, po které mělo následovat dokončení ručním pilníkem. Myšlenka na snížení ručního podání byla důležitější než jeho nahrazení .

1840–1860

Typický lincolnský mlynář. Konfigurace byla založena v padesátých letech 19. století. (Tento příklad byl postaven společností Pratt & Whitney , pravděpodobně v letech 1870 nebo 1880.)

Mezi klíčové muže ve vývoji frézovacích strojů v této době patřili Frederick W. Howe , Francis A. Pratt , Elisha K. Root a další. (Tito stejní muži byli ve stejné době také zaneprázdněni vývojem nejmodernějších revolverových soustruhů . Howeho zkušenosti v Gay & Silver ve čtyřicátých letech 19. století ho seznámily s ranými verzemi obou obráběcích strojů. Jeho konstrukce obráběcích strojů byla později postavena v Robbins & Lawrence , společnost Providence Tool Company a Brown & Sharpe .) Nejúspěšnějším návrhem frézky, který v této době vznikl, bylLincoln miller , který spíše než konkrétní značka a model obráběcího stroje je skutečně rodina nástrojů postavených různými společnostmi na společné konfiguraci po několik desetiletí. Pojmenoval se od první společnosti, která uvedla na trh jednu, George S. Lincoln & Company (dříve Phoenix Iron Works), jejíž první byla postavena v roce 1855 prozbrojnici Colt .

Během této éry existovalo přetrvávající slepé místo v konstrukci frézovacích strojů, protože různí konstruktéři nedokázali vyvinout skutečně jednoduchý a účinný způsob, jak zajistit posuvný pohyb ve všech třech archetypálních frézovacích osách (X, Y a Z - nebo jak byly v minulosti známé, podélné, příčné a svislé). Nápady na svislé umístění buď chyběly, nebo nebyly dostatečně rozvinuté. Vřeteno Lincolnovy frézy bylo možné zvednout a spustit, ale původní myšlenka jeho umístění měla být nastavena na místě a poté spuštěna, na rozdíl od častého pohybu při běhu. Jako věžový soustruh to byl stroj s opakovanou výrobou, přičemž každé kvalifikované nastavení následovalo rozsáhlou operací s poměrně nízkou kvalifikací.

60. léta 19. století

Průkopnická univerzální frézka Brown & Sharpe, 1861

V roce 1861 požádal Frederick W. Howe, když pracoval pro společnost Providence Tool Company, Josepha R. Browna ze společnosti Brown & Sharpe o řešení problému frézování spirál, jako jsou drážky spirálových vrtáků. Ty byly v té době obvykle podávány ručně. ( Šroubovité hoblování existovalo, ale nebylo v žádném případě běžné.) Brown navrhl „univerzální frézku“, která od prvního prodeje v březnu 1862 byla velmi úspěšná. Vyřešil problém 3osého pojezdu (tj. Os, které nyní nazýváme XYZ) mnohem elegantněji, než tomu bylo v minulosti, a umožňoval frézování spirál pomocí indexovací hlavy přiváděné v koordinaci s posuvem stolu . Termín „univerzální“ byl na něj aplikován, protože byl připraven pro jakýkoli druh práce, včetně práce v nástrojárně, a nebyl tak omezený v aplikaci jako předchozí návrhy. (Howe navrhl „univerzálního mlynáře“ v roce 1852, ale Brownův rok 1861 je považován za převratný úspěch.)

Brown také vyvinul a patentoval (1864) konstrukci tvarovaných fréz, ve kterých postupné ostření zubů neruší geometrii formy.

Pokroky 60. let 19. století otevřely stavidla a zahájily moderní frézovací praxi.

70. léta 19. století do 1. světové války

Typická horizontální frézka počátku 20. století. Vhodný pro nástrojárnu, zakázkovou výrobu nebo použití ve výrobě.

V těchto desetiletích dominovaly společnosti Brown & Sharpe a Cincinnati Milling Machine Company americké pole frézek. Stovky dalších firem však v té době také stavěly frézky a mnohé byly významné různými způsoby. Kromě široké škály specializovaných výrobních strojů byl archetypální víceúčelový frézovací stroj na konci 19. a na počátku 20. století těžkým designem kolenního a sloupkového horizontálního vřetena s posuvem stolu stolu, indexovací hlavou a pevným ramenem na podporu trnu. . Evoluce konstrukce strojů byla poháněna nejen invenčním duchem, ale také neustálým vývojem fréz, které od roku 1860 do první světové války prošly milníkem za milníkem .

První světová válka a meziválečné období

Kolem konce první světové války se řízení obráběcích strojů různě zdokonalovalo, což položilo základy pro pozdější CNC technologii. Přípravek vzorkovač propagován myšlenky souřadnic dimenzování (dimenzování všech míst na části z jednoho referenčního bodu); rutinně pracovat v „desetinách“ (deset tisícin palce, 0,0001 “) jako každodenní strojní zařízení; a pomocí ovládacího prvku přecházet přímo z kresby na část, obcházet vytváření přípravků. V roce 1920 byl nový design sledovače JC Shawa aplikován na frézky Keller tracer pro potopení zápustky pomocí trojrozměrného kopírování šablony. Díky tomu bylo zápustné zápichy rychlejší a snazší, protože lisovnice byly stále žádanější než kdy dříve, a bylo velmi užitečné u velkých ocelových zápustek, jako jsou razítka listy v automobilové výrobě.Tyto stroje přeložily pohyby sledovače na vstup pro serva, která pracovala na vodicích šroubech nebo hydraulice stroje.Podněcovaly také vývoj matic vodicích šroubů proti zpětnému rázu.Všechny výše uvedené koncepty byly nové ve 20. letech 20. století, ale v NC se staly rutinou Éra CNC: Ve třicátých letech minulého století existovaly neuvěřitelně velké a pokročilé frézky, jako je Cincinnati Hydro-Tel, které předznamenaly dnešní CNC mlýny v každém ohledu kromě samotného CNC řízení.

Frézka Bridgeport

V roce 1936 Rudolph Bannow (1897–1962) pojal zásadní vylepšení frézky. Jeho společnost zahájila výrobu nového svislého mlýna na kolena a sloupy v roce 1938. Jednalo se o frézku Bridgeport , často nazývanou beranový nebo věžový mlýn, protože jeho hlava má osazení posuvným beranem a otočnou věží. Stroj se stal tak populárním, že mnoho dalších výrobců vytvořilo kopie a varianty. Kromě toho jeho název přišel ke konotaci jakékoli takové varianty . Bridgeport nabídl trvalé výhody oproti předchozím modelům. Byla dostatečně malá, dostatečně lehká a cenově dostupná, aby byla praktickou akvizicí i pro ty nejmenší strojírenské podniky, přesto byla také chytře navržená, univerzální, dobře postavená a tuhá. Jeho různé směry posuvného a výkyvného pohybu umožňovaly hlavě přistupovat k práci z jakéhokoli úhlu. Design Bridgeportu se stal dominantní formou pro ruční frézky používané několika generacemi malých a středních podniků . V osmdesátých letech bylo postaveno odhadem čtvrt milionu frézek Bridgeport a ty (a jejich klony) se vyrábějí dodnes.

1940–70

V roce 1940 byla automatizace pomocí vaček, jako například u šroubových strojů a automatických upínačů , již velmi dobře vyvinutá po celá desetiletí. Počínaje třicátými léty byly ve vzduchu myšlenky zahrnující servomechanismy , ale zejména během a bezprostředně po druhé světové válce začaly klíčit (viz také Numerická kontrola> Historie ). Ty byly brzy kombinovány s nově vznikající technologií digitálních počítačů . Toto technologické vývojové prostředí, sahající od období bezprostředně před druhou světovou válkou do padesátých let minulého století, bylo poháněno vojenskými kapitálovými výdaji, které sledovaly současný pokrok v řízení dělostřelectva se zbraněmi a raketami a v navádění raket - další aplikace, ve kterých si lidé přáli rychle, přesně a automaticky ovládejte kinematiku / dynamiku velkých strojů. Dostatečné výdaje na výzkum a vývoj by pravděpodobně nevznikly pouze v průmyslu obráběcích strojů; ale právě u posledně jmenovaných aplikací byla vůle a schopnost utrácet k dispozici. Jakmile vývoj probíhal, byl dychtivě aplikován na řízení obráběcích strojů v jedné z mnoha instancí přenosu technologií po druhé světové válce .

V roce 1952 dosáhla numerická kontrola vývojového stádia laboratorní reality. Prvním NC obráběcím strojem byla frézka Cincinnati Hydrotel dovybavená řídící jednotkou NC postavenou na škrábance. Bylo to hlášeno ve Scientific American , stejně jako byl v roce 1862 další průkopnický frézovací stroj, univerzální Brown & Sharpe.

V průběhu padesátých let se numerická kontrola pomalu přesunula z laboratoře do komerční služby . Během prvního desetiletí měl mimo leteckou práci poměrně omezený dopad. Ale v 60. a 70. letech se NC vyvinulo v CNC, vyvíjela se datová úložiště a vstupní média, výkon počítačového zpracování a kapacita paměti se neustále zvyšovaly a NC a CNC obráběcí stroje se postupně šířily z prostředí velkých korporací a hlavně letecké práce na úroveň středně velké korporace a široký sortiment produktů. Drastické pokroky NC a CNC v ovládání obráběcích strojů hluboce proměnily kulturu výroby. Podrobnosti (které přesahují rámec tohoto článku) se s každým uplynulým desetiletím nesmírně vyvíjely.

80. léta - současnost

Počítače a CNC obráběcí stroje se nadále rychle rozvíjejí. Osobní počítač revoluce má velký dopad na tento vývoj. Do konce 80. let 20. století měly malé strojírny stolní počítače a CNC obráběcí stroje. Brzy poté začali fandové, umělci a designéři získávat CNC mlýny a soustruhy. Výrobci zahájili výrobu cenově výhodných CNC strojů, které jsou dostatečně malé na to, aby seděly na ploše, která dokáže řezat materiály s vysokým rozlišením měkčí než nerezová ocel. Dají se z nich vyrobit cokoli od šperků přes desky s plošnými spoji až po součásti zbraní, dokonce i výtvarné umění.

Standardy

K normalizaci definic, požadavků na životní prostředí a zkušebních metod používaných pro frézování se používají národní a mezinárodní normy. Výběr použitého standardu je dohodou mezi dodavatelem a uživatelem a má určitý význam v konstrukci mlýna. Ve Spojených státech vyvinula společnost ASME standardy B5.45-1972 Frézovací stroje a B94.19-1997 Frézy a čelní frézy .

Obecné tolerance zahrnují: +/- 0,005 "pro místní tolerance napříč většinou geometrií, +/- 0,010" pro plasty s variacemi v závislosti na velikosti součásti, 0,030 "minimální tloušťku stěny pro kovy a 0,060" minimální tloušťku stěny pro plasty.

Viz také

Reference

Poznámky

Bibliografie

Další čtení