Tarkkuuskoneistus on prosessi, jossa työkappaleesta poistetaan materiaalia tarkkojen toleranssien mukaisen pidon aikana. Tarkkuuskoneita on monenlaisia, kuten jyrsintä, sorvaus ja kipinätyöstö. Nykyään tarkkuuskoneita ohjataan yleensä tietokoneohjauksella (CNC).
Lähes kaikki metallituotteet, kuten monet muutkin materiaalit, kuten muovi ja puu, valmistetaan tarkkuuskoneistuksella. Näitä koneita käyttävät erikoistuneet ja koulutetut koneistajat. Jotta leikkaustyökalu toimisi, sitä on liikutettava tiettyihin suuntiin oikean leikkauksen aikaansaamiseksi. Tätä ensisijaista liikettä kutsutaan "leikkausnopeudeksi". Työkappaletta voidaan myös liikuttaa, mikä tunnetaan "syötön" toissijaisena liikkeenä. Yhdessä nämä liikkeet ja leikkaustyökalun terävyys mahdollistavat tarkkuuskoneen toiminnan.
Laadukas tarkkuuskoneistus vaatii kykyä noudattaa erittäin tarkkoja CAD- (tietokoneavusteinen suunnittelu) tai CAM- (tietokoneavusteinen valmistus) ohjelmien, kuten AutoCADin ja TurboCADin, tekemiä piirustuksia. Ohjelmisto voi auttaa tuottamaan monimutkaisia, kolmiulotteisia kaavioita tai ääriviivoja, joita tarvitaan työkalun, koneen tai esineen valmistukseen. Näitä piirustuksia on noudatettava erittäin yksityiskohtaisesti, jotta tuotteen eheys säilyy. Vaikka useimmat tarkkuuskoneistusta valmistavat yritykset työskentelevät jonkinlaisten CAD/CAM-ohjelmien kanssa, ne työskentelevät silti usein käsin piirrettyjen luonnosten kanssa suunnittelun alkuvaiheissa.
Tarkkuuskoneistusta käytetään useiden materiaalien, kuten teräksen, pronssin, grafiitin, lasin ja muovien, työstämiseen. Projektin koosta ja käytettävistä materiaaleista riippuen käytetään erilaisia tarkkuuskoneistustyökaluja. Voidaan käyttää mitä tahansa sorvien, jyrsinkoneiden, porakoneiden, sahojen ja hiomakoneiden yhdistelmää ja jopa suurnopeusrobotiikan yhdistelmää. Ilmailu- ja avaruusteollisuus voi käyttää suurnopeuskoneistusta, kun taas puutyökalujen valmistusteollisuus voi käyttää fotokemiallista etsaus- ja jyrsintäprosesseja. Sarjan tai tietyn kappalemäärän valmistus voi olla tuhansia tai vain muutamia kappaleita. Tarkkuuskoneistus vaatii usein CNC-laitteiden ohjelmointia, mikä tarkoittaa, että niitä ohjataan tietokoneella numeerisesti. CNC-laite mahdollistaa tarkkojen mittojen noudattamisen koko tuotteen valmistuksen ajan.
Jyrsintä on työstöprosessi, jossa pyöröleikkureita käytetään materiaalin poistamiseen työkappaleesta siirtämällä leikkuria työkappaleeseen tiettyyn suuntaan. Leikkuria voidaan myös pitää kulmassa työkalun akseliin nähden. Jyrsintä kattaa laajan valikoiman erilaisia toimintoja ja koneita pienistä yksittäisistä osista suuriin, raskaisiin jonojousitusoperaatioihin. Se on yksi yleisimmin käytetyistä prosesseista räätälöityjen osien työstämiseen tarkkojen toleranssien mukaisesti.
Jyrsintää voidaan tehdä monenlaisilla työstökoneilla. Alkuperäinen jyrsintään tarkoitettujen työstökoneiden luokka oli jyrsinkone (usein nimeltään mylly). Tietokoneohjauksen (CNC) tulon jälkeen jyrsinkoneet kehittyivät työstökeskuksiksi: jyrsinkoneita täydensivät automaattiset työkalunvaihtajat, työkalumakasiinit tai -karusellit, CNC-ominaisuudet, jäähdytysjärjestelmät ja kotelot. Jyrsintäkeskukset luokitellaan yleensä pystysuuntaisiksi työstökeskuksiksi (VMC) tai vaakasuuntaisiksi työstökeskuksiksi (HMC).
Jyrsinnän integrointi sorvausympäristöihin ja päinvastoin alkoi sorvien pyörivistä työkaluista ja jyrsinkoneiden satunnaisesta käytöstä sorvausoperaatioissa. Tämä johti uudenlaiseen työstökoneiden luokkaan, monitoimikoneisiin (MTM), jotka on erityisesti suunniteltu helpottamaan jyrsintää ja sorvausta samassa työalueella.
Suunnitteluinsinööreille, tutkimus- ja kehitystiimeille sekä valmistajille, jotka ovat riippuvaisia osien hankinnasta, tarkkuus-CNC-työstö mahdollistaa monimutkaisten osien luomisen ilman lisäkäsittelyä. Itse asiassa tarkkuus-CNC-työstö mahdollistaa usein valmiiden osien valmistamisen yhdellä koneella.
Koneistusprosessissa poistetaan materiaalia ja käytetään laaja valikoima leikkaustyökaluja osan lopullisen ja usein erittäin monimutkaisen rakenteen luomiseksi. Tarkkuutta parannetaan tietokoneohjauksella (CNC), jota käytetään työstötyökalujen ohjauksen automatisointiin.
CNC:n rooli tarkkuuskoneistuksessa
Koodattujen ohjelmointiohjeiden avulla tarkka CNC-työstö mahdollistaa työkappaleen leikkaamisen ja muotoilun spesifikaatioiden mukaisesti ilman koneenkäyttäjän manuaalisia toimia.
Asiakkaan toimittaman tietokoneella avustetun suunnittelun (CAD) mallin perusteella asiantunteva koneistaja luo tietokoneella avustetun valmistusohjelmiston (CAM) avulla ohjeet osan työstämiseksi. CAD-mallin perusteella ohjelmisto määrittää tarvittavat työstöradat ja luo ohjelmointikoodin, joka kertoo koneelle:
■ Mitkä ovat oikeat kierrosluvut ja syöttönopeudet
■ Milloin ja minne työkalua ja/tai työkappaletta siirretään
■ Kuinka syvälle leikataan
■ Milloin jäähdytysnestettä käytetään
■ Muut nopeuteen, syöttönopeuteen ja koordinaatioon liittyvät tekijät
CNC-ohjain käyttää sitten ohjelmointikoodia koneen liikkeiden ohjaamiseen, automatisointiin ja valvontaan.
Nykyään CNC on sisäänrakennettu ominaisuus monenlaisissa laitteissa, sorveista, jyrsinkoneista ja jyrsimistä lankakipinätyöstöön (EDM), laser- ja plasmaleikkauskoneisiin. Koneistusprosessin automatisoinnin ja tarkkuuden parantamisen lisäksi CNC poistaa manuaaliset tehtävät ja vapauttaa koneistajat valvomaan useita samanaikaisesti käynnissä olevia koneita.
Lisäksi, kun työstörata on suunniteltu ja kone ohjelmoitu, se voi ajaa kappaleen niin monta kertaa kuin haluaa. Tämä takaa korkean tarkkuuden ja toistettavuuden, mikä puolestaan tekee prosessista erittäin kustannustehokkaan ja skaalautuvan.
Koneistamattomat materiaalit
Yleisesti työstettyjä metalleja ovat muun muassa alumiini, messinki, pronssi, kupari, teräs, titaani ja sinkki. Lisäksi voidaan työstää myös puuta, vaahtomuovia, lasikuitua ja muoveja, kuten polypropeenia.
Itse asiassa lähes mitä tahansa materiaalia voidaan käyttää tarkalla CNC-työstöllä – tietenkin sovelluksesta ja sen vaatimuksista riippuen.
Joitakin tarkkuus-CNC-työstön etuja
Monien pienten osien ja komponenttien, joita käytetään monenlaisissa valmistetuissa tuotteissa, tarkkuus-CNC-työstö on usein ensisijainen valmistusmenetelmä.
Kuten käytännössä kaikkien leikkaus- ja työstömenetelmien kohdalla, eri materiaalit käyttäytyvät eri tavoin, ja komponentin koolla ja muodolla on myös suuri vaikutus prosessiin. Yleisesti ottaen tarkkuus-CNC-työstö tarjoaa kuitenkin etuja muihin työstömenetelmiin verrattuna.
Tämä johtuu siitä, että CNC-koneistus pystyy tuottamaan:
■ Osien monimutkaisuusaste on korkea
■ Tarkat toleranssit, tyypillisesti ±0,0002" (±0,00508 mm) - ±0,0005" (±0,0127 mm)
■ Poikkeuksellisen sileät pinnat, mukaan lukien räätälöidyt viimeistelyt
■ Toistettavuus jopa suurilla volyymeilla
Vaikka taitava koneistaja voi käyttää käsikäyttöistä sorvia laadukkaiden osien valmistamiseen 10 tai 100 kappaleen erissä, mitä tapahtuu, kun tarvitset 1 000 osaa? 10 000 osaa? 100 000 tai miljoona osaa?
Tarkkuudella CNC-koneistuksella saat skaalautuvuuden ja nopeuden, jota tarvitaan tämän tyyppiseen suurtuotantoon. Lisäksi tarkkuus-CNC-koneistuksen korkea toistettavuus antaa sinulle osat, jotka ovat kaikki samanlaisia alusta loppuun riippumatta siitä, kuinka monta osaa tuotat.
CNC-työstössä on joitakin hyvin erikoistuneita menetelmiä, kuten lankakipinätyöstö (EDM), additiivinen työstö ja 3D-lasertulostus. Esimerkiksi lankakipinätyöstössä käytetään johtavia materiaaleja – tyypillisesti metalleja – ja sähköpurkauksia työkappaleen työstämiseen monimutkaisiin muotoihin.
Tässä keskitymme kuitenkin jyrsintä- ja sorvausprosesseihin – kahteen subtraktiiviseen menetelmään, jotka ovat laajalti saatavilla ja joita käytetään usein tarkkuus-CNC-työstössä.
Jyrsintä vs. sorvaus
Jyrsintä on työstöprosessi, jossa käytetään pyörivää, lieriömäistä leikkaustyökalua materiaalin poistamiseen ja muotojen luomiseen. Jyrsintälaitteet, jotka tunnetaan myllyinä tai työstökeskuksina, mahdollistavat monimutkaisten geometrioiden valmistamisen joihinkin suurimpiin metallintyöstökappaleisiin.
Jyrsinnässä tärkeä ominaisuus on, että työkappale pysyy paikallaan leikkaustyökalun pyöriessä. Toisin sanoen jyrsinkoneessa pyörivä leikkaustyökalu liikkuu työkappaleen ympäri, joka pysyy kiinteästi paikallaan alustalla.
Sorvaus on työkappaleen leikkaamista tai muotoilua sorvilaitteella. Tyypillisesti sorvi pyörittää työkappaletta pystysuoran tai vaakasuoran akselin ympäri, kun taas kiinteä leikkaustyökalu (joka voi pyöriä tai olla pyörimättä) liikkuu ohjelmoitua akselia pitkin.
Työkalu ei voi fyysisesti kiertää kappaletta. Materiaali pyörii, jolloin työkalu voi suorittaa ohjelmoidut toiminnot. (On olemassa sorvien alaryhmä, jossa työkalut pyörivät kelalla syötetyn langan ympäri, mutta tätä ei käsitellä tässä.)
Sorvauksessa, toisin kuin jyrsinnässä, työkappale pyörii. Aihio pyörii sorvin karalla ja leikkaustyökalu tuodaan kosketuksiin työkappaleen kanssa.
Manuaalinen vs. CNC-työstö
Vaikka sekä jyrsinkoneita että sorveja on saatavilla manuaalisina malleina, CNC-koneet sopivat paremmin pienten osien valmistukseen – ne tarjoavat skaalautuvuutta ja toistettavuutta sovelluksissa, jotka vaativat tiukkojen toleranssien osien suuria määriä tuotantoa.
Tarkkuus-CNC-laitteissa on tarjolla yksinkertaisia kaksiakselisia koneita, joissa työkalu liikkuu X- ja Z-akseleilla, ja lisäksi niihin kuuluu moniakselisia malleja, joissa myös työkappale voi liikkua. Tämä on vastakohta sorville, joissa työkappale pyörii vain ja työkalut liikkuvat halutun geometrian luomiseksi.
Nämä moniakseliset kokoonpanot mahdollistavat monimutkaisempien geometrioiden valmistuksen yhdellä työvaiheella ilman, että koneenkäyttäjä tarvitsee lisätyötä. Tämä ei ainoastaan helpota monimutkaisten osien valmistusta, vaan myös vähentää tai poistaa käyttäjän virheiden mahdollisuuden.
Lisäksi korkeapaineisen jäähdytysnesteen käyttö tarkassa CNC-työstössä varmistaa, että lastuja ei pääse kappaleeseen, edes käytettäessä pystysuoralla karalla varustettua konetta.
CNC-jyrsinkoneet
Eri jyrsinkoneet eroavat toisistaan koon, akselikokoonpanon, syöttönopeuden, leikkausnopeuden, jyrsintäsyöttösuunnan ja muiden ominaisuuksien suhteen.
Yleisesti ottaen CNC-jyrsinkoneet käyttävät kuitenkin pyörivää karaa ei-toivotun materiaalin leikkaamiseen. Niitä käytetään kovien metallien, kuten teräksen ja titaanin, leikkaamiseen, mutta niitä voidaan käyttää myös esimerkiksi muovin ja alumiinin kanssa.
CNC-jyrsinkoneet on rakennettu toistettaviksi, ja niitä voidaan käyttää kaikkeen prototyyppien valmistuksesta suurtuotantoon. Huippuluokan tarkkuus-CNC-jyrsinkoneita käytetään usein tiukkojen toleranssien työhön, kuten hienojen muottien ja muottien jyrsintään.
Vaikka CNC-jyrsintä voi tarjota nopean läpimenon, jyrsinnän jälkeinen viimeistely luo osia, joissa on näkyvät työkalun jäljet. Se voi myös tuottaa osia, joissa on teräviä reunoja ja purseita, joten lisäprosesseja voidaan tarvita, jos reunat ja purseet eivät ole hyväksyttäviä näille ominaisuuksille.
Sekvenssiin ohjelmoidut purseenpoistotyökalut toki poistavat purseita, vaikkakin yleensä niillä saavutetaan korkeintaan 90 % valmiista lopputuloksesta, jolloin joitakin piirteitä jää viimeistelyyn käsin.
Pinnan viimeistelyn osalta on olemassa työkaluja, jotka tuottavat paitsi hyväksyttävän pinnan myös peilimäisen pinnan osille työkappaleesta.
CNC-jyrsinkoneiden tyypit
Jyrsinkoneita on kahta perustyyppiä, jotka tunnetaan pystysuuntaisina työstökeskuksina ja vaakasuuntaisina työstökeskuksina, joiden ensisijainen ero on koneen karan suunnassa.
Pystysuora työstökeskus on jyrsin, jossa karan akseli on kohdistettu Z-akselin suuntaan. Nämä pystysuorat koneet voidaan jakaa edelleen kahteen tyyppiin:
■Jyrsinkoneet, joissa kara liikkuu oman akselinsa suuntaisesti, kun taas pöytä liikkuu kohtisuorassa karan akseliin nähden
■ Revolverijyrsinkoneet, joissa kara on paikallaan ja pöytää liikutetaan siten, että se on aina kohtisuorassa ja yhdensuuntainen karan akselin kanssa leikkaustoiminnon aikana
Vaakasuorassa työstökeskuksessa jyrsinkoneen karan akseli on Y-akselin suunnassa. Vaakasuora rakenne tarkoittaa, että nämä jyrsinkoneet vievät yleensä enemmän tilaa konepajalla; ne ovat myös yleensä painavampia ja tehokkaampia kuin pystysuorat koneet.
Vaakajyrsintä käytetään usein silloin, kun tarvitaan parempaa pinnanlaatua, koska karan suuntaus tarkoittaa, että lastuamislastut putoavat luonnollisesti pois ja ne on helppo poistaa. (Lisäetuna tehokas lastunpoisto auttaa pidentämään työkalun käyttöikää.)
Yleisesti ottaen pystysuorat työstökeskukset ovat yleisempiä, koska ne voivat olla yhtä tehokkaita kuin vaakasuorat työstökeskukset ja pystyvät käsittelemään hyvin pieniä osia. Lisäksi pystykeskukset vievät vähemmän tilaa kuin vaakasuorat työstökeskukset.
Moniakseliset CNC-jyrsinkoneet
Tarkkuus-CNC-jyrsinkeskuksia on saatavilla useilla akseleilla. Kolmiakselinen jyrsin hyödyntää X-, Y- ja Z-akseleita monenlaisiin töihin. Neljäakselisessa jyrsinkoneessa kone voi pyöriä sekä pystysuoran että vaakasuoran akselin ympäri ja siirtää työkappaletta jatkuvamman työstön mahdollistamiseksi.
Viisiakselisessa jyrsinkoneessa on kolme perinteistä akselia ja kaksi lisäkiertoakselia, joiden avulla työkappaletta voidaan pyörittää karan pään liikkuessa sen ympäri. Tämä mahdollistaa työkappaleen viiden sivun työstämisen irrottamatta työkappaletta ja käynnistämättä konetta uudelleen.
CNC-sorvit
Sorvi – jota kutsutaan myös sorvauskeskukseksi – sisältää yhden tai useamman karat sekä X- ja Z-akselit. Konetta käytetään työkappaleen pyörittämiseen akselinsa ympäri erilaisten leikkaus- ja muotoilutoimintojen suorittamiseksi käyttäen työkappaleeseen monenlaisia työkaluja.
CNC-sorvit, joita kutsutaan myös live action -työkalusorveiksi, sopivat ihanteellisesti symmetristen lieriömäisten tai pallomaisten osien valmistukseen. CNC-jyrsinkoneiden tavoin CNC-sorvit pystyvät käsittelemään pienempiä toimintoja, kuten prototyyppien valmistusta, mutta ne voidaan myös asettaa toistettavaksi suurella tarkkuudella, mikä tukee suurten volyymien tuotantoa.
CNC-sorvit voidaan myös säätää suhteellisen kädet vapaiksi tekevään tuotantoon, minkä vuoksi niitä käytetään laajalti auto-, elektroniikka-, ilmailu-, robotiikka- ja lääkinnällisten laitteiden teollisuudessa.
CNC-sorvin toimintaperiaate
CNC-sorvissa aihiomateriaalia ladataan sorvin karan istukkaan. Tämä istukka pitää työkappaleen paikallaan karan pyöriessä. Kun kara saavuttaa vaaditun nopeuden, kiinteä leikkaustyökalu tuodaan kosketuksiin työkappaleen kanssa materiaalin poistamiseksi ja oikean geometrian saavuttamiseksi.
CNC-sorvi voi suorittaa useita toimintoja, kuten porausta, kierteitystä, avarrusta, avarrusta, tasosorvausta ja kartiosorvausta. Eri toiminnot vaativat työkalunvaihtoa ja voivat lisätä kustannuksia ja asennusaikaa.
Kun kaikki vaaditut työstövaiheet on suoritettu, osa leikataan aihiosta jatkokäsittelyä varten, jos tarpeen. CNC-sorvi on sitten valmis toistamaan toimenpiteen, eikä lisäasetuksia yleensä tarvita juuri lainkaan.
CNC-sorveihin voidaan asentaa myös erilaisia automaattisia tangonsyöttölaitteita, mikä vähentää raaka-aineiden manuaalista käsittelyä ja tarjoaa seuraavia etuja:
■ Vähennä koneenkäyttäjän työmäärää ja vaivaa
■ Tue tankoa vähentääksesi tärinää, joka voi vaikuttaa negatiivisesti tarkkuuteen
■ Anna työstökoneen toimia optimaalisilla karanopeuksilla
■ Minimoi vaihtoajat
■ Vähennä materiaalihävikkiä
CNC-sorvien tyypit
Sorveja on useita erityyppisiä, mutta yleisimpiä ovat 2-akseliset CNC-sorvit ja kiinalaistyyliset automaattisorvit.
Useimmissa Kiinan CNC-sorveissa käytetään yhtä tai kahta pääkaraa ja yhtä tai kahta takakaraa (tai toissijaista karaa), joista pyörivä siirto vastaa edellisestä. Pääkara suorittaa ensisijaisen työstötoiminnon ohjausholkin avulla.
Lisäksi joissakin kiinalaistyylisissä sorveissa on toinen työkalupää, joka toimii CNC-jyrsinkoneena.
Kiinalaistyylisessä CNC-automaattisorvissa raaka-aine syötetään liukuvan karan läpi ohjausholkkiin. Tämä mahdollistaa työkalun työstää materiaalia lähempänä kohtaa, jossa materiaali on tuettuna, mikä tekee Kiina-sorvista erityisen hyödyllisen pitkien ja hoikkien sorvattujen osien ja mikrotyöstön kannalta.
Moniakseliset CNC-sorvikeskukset ja kiinalaistyyppiset sorvit voivat suorittaa useita työstöoperaatioita yhdellä koneella. Tämä tekee niistä kustannustehokkaan vaihtoehdon monimutkaisille geometrioille, jotka muuten vaatisivat useita koneita tai työkalunvaihtoja esimerkiksi perinteisellä CNC-jyrsinkoneella.