Jak vyrábíme čelovky – CNC obrábění

CelovkaRamecky_01Dnes Vám ukážeme, jak v naší dílně vyrábíme hliníkové díly čelovek. Nejdříve ale začneme krátkým terminologickým vysvětlením. Obrábění je obecně způsob mechanického odebírání materiálu, skrývá se pod ním soustružení a frézování. Soustružení se provádí na soustruhu (stroj) a je vhodné především pro válcové díly. Frézování se hodí na obrábění všech možných tvarů, je prováděno na frézce (stroj) a používáme ho k výrobě všech 4 částí naší čelovky Lucifer. 3 kusy frézujeme z hliníku a chladič z mědi.

CelovkaRamecky_03CelovkaRamecky_02CelovkaTela_02CelovkaTela_03CelovkaTela_01

CNC stroje / konvenční stroje

Konvenční stroje tu byly od pradávna, jsou to zjednodušeně řečeno vrtačky s posuvným stolem, se kterým můžete točením klik pohybovat v jednotlivých osách (x,y,z) a posouvat tak obrobek skrze vřeteno s nástrojem. Komplikovaně se s ním vyrábí nepravidelné tvary a plochy. K obrábění nepotřebujete žádný digitální model obrobku, stačí Vám schéma či nákres na papíře.

CNC (Computer Numerical Control) označuje stroje, u kterých jsou na osách připevněny motory, jejichž pohyb řídí a synchronizuje počítač podle zadaného obráběcího kódu (tzv. G-kód). Podle toho také řídí např. otáčky vřetene, výměnu nástrojů nebo ostřikování chladící kapalinou.

Co předchází CNC obrábění

Nejdříve je třeba vytvořit digitální 3D model, který lze jednoduše obrobit. Záměrně píšu jednoduše, protože existuje velké množství prvků, které lze obrobit dost komplikovaně nebo nelze vůbec nebo lze jen speciálními nástroji.

Dále je třeba si vyjasnit strategii obrábění – promyslet z jakého výchozího polotovaru začneme obrábět (např. kulatina nebo hranol určitých rozměrů). Polotovar můžete nakoupit jako my v podobě 4-hranných tyčí nebo nechat uříznout přímo v daném rozměru. Snažíme se vždy o to, aby byl polotovar jen o málo větší než plánovaný výsledný obrobek, jinak by se obrábění zbytečně prodlužovalo.

Pak je třeba promyslet, jak budeme kus upínat do čelistí a z kolika stran jej budeme obrábět a jakými nástroji. Jak tyto kusy budeme zaměřovat (říct stroji, kde v prostoru začínají) nebo jestli by se třeba nevyplatilo vyrobit nějaký přípravek, abychom mohli více kusů frézovat najednou nebo je nemuseli pokaždé znovu zaměřovat (měli nějakou zarážku).

Vše zmíněné je komplexní proces, kdy se vše upravuje a optimalizuje navzájem. Například je vhodné obrábět většími nástroji, protože s menšíma lze obrábět jen pomalu, do menší hloubky a navíc hrozí větší riziko zlomení. Také je vhodné optimalizovat počet nástrojů, tzn. aby jich bylo co možná nejméně (jejich výměna chvíli trvá).

Další nutnou věcí je vytvoření obráběcího G-kódu. Ten lze napsat i ručně v textovém editoru, ale pro komplikované tvary je to už nadlidský úkol a je nutné ho generovat z 3D modelu.

Jak probíhá CNC obrábění

Samotné obrábění je pak už rutinní činnost, kdy se do stroje založí polotovar, spustí obráběcí kód, vyměňují se nástroje, vyloží a zkontroluje hotový kus atd. Je však třeba stále dávat pozor, aby chybou člověka nedošlo k poškození nástrojů, stroje nebo jeho zdraví.

Existují i CNC obráběcí stroje, které umí vyměňovat nástroje automaticky z karuselu, ve kterém je mají uložené. Bohužel my stále vyměňujeme ručně.

Čistý čas obrábění hlavice čelovky je 1h:30min. Na profesionálních strojích v ceně nad 1mil. Kč by bylo možné se dostat např. na čas 30min.

PostupVyroby_sekvence

Zde je sekvence obrázků, které dokumentují stavy po jednotlivých upnutích. Předposlední obrázek je jak vypadá čelovka po eloxování. Eloxování je průmyslový proces, při němž se elektrolyticky vytvoří na povrchu hliníku tvrdá ochranná vrstva, kterou je také možné zabarvit.VelikostVahaObrabeni_sekvence

Z původního hranolu 35x25x52mm vážícího 123gr tak vznikne hlavice čelovky vážící 27.6gr. Na dalším obrázku je vidět odpad v podobě kovových špon. Schováváme je do pytlů a vozíme do výkupu surovin, i když za ně dostaneme jen pár korun na pivo.

ObrabeniSpony

Jak vypadají nástroje

Obráběcí nástroje jsou nejčastěji stopkové (válcové) frézy z ryhlořezné oceli (HSS) nebo tvrdokovu (TK, SK). Také používáme různé tvarové frézy pro frézování zakulacených ploch, 45° zkosení nebo pro frézování velkých závitů. Nástroje se liší pracovní délkou (velmi krátké, krátké a dlouhé nástroje), počtem břitů (na hliník používáme 2-4-břité nástroje) a materiálem (mohou také být povlakované což umožňuje rychlejší obrábění).

Nastroje_01

Nastroje_02

Zde vidíte celou plejádu nástrojů, které používáme, je jich celkem 48. Stopkové frézy používáme velikostí 1mm, 1.5mm, 2mm, 3mm, 4mm, 5mm, 6mm, 8mm, 10mm a 12mm. Čelní frézy 25mm a 38mm a flycutter 76mm.

Dalších 10 nástrojů tvoří vrtáky od velikostí 1.25mm (předvrtání pro závit M1.6) až po 12mm. Malé závity vyrábíme ručně, větší závity (M5-M10) frézujeme speciálním nástrojem. Dále používáme toroidní frézy (stopková fréza se zakulaceným krajem) pro frézování 3d povrchů a frézy na zkosení.

Nastroje_03

K tomu je ještě nutné připočíst zaměřovací sondu Haimer pro určení počátečního bodu a sondu pro měření délky nástrojů.

Na čem obrábíme

Máme ve vlastnictví CNC frézku Tormach PCNC770. Váží okolo 500kg, obráběcí plocha je 355x190x336mm a maximální rychlost vřetene je 10000 ot./s. Nástroje vyměňujeme ručně a trvá několik vteřin.

Frezka_01

Potřebujete něco (z hliníku) vyrobit?

Potřebujete něco hliníkového vyrobit? Chystáte se realizovat nějaký svůj projekt? V tom případě čtěte dále.

Prvně je nutné zmínit to, že nelze vyrobit všechno co si namodelujete. Frézka i nástroje mají své fyzické limity, takže NELZE vyfrézovat např. vnitřní pravoúhlé rohy či hluboké a zároveň úzké drážky. Mnoho dalších prvků lze teoreticky vyrobit, ale jen s použitím speciálních nástrojů.

Je tedy třeba přihlédnout k možnostem stroje a reálným podmínkám obrábění. Pro vytvoření co nejlépe vyrobitelného (nejlevnějšího) návrhu zvažte následující úpravy:

  1. Modelujte všechna vnitřní zahloubení s rádiusem ideálně 4.2mm a více, tak aby je bylo možno obrobit frézou o průměru 8mm. Je vždy nutné volit o trošku (5-10%) větší radius vnitřku než je průměr nástroje, kterým má být obroben.

  2. Pokud nutně potřebujete menší radiusy, tak použijte radiusy min. 1.6mm, který lze obrábět frézou 3mm. Cokoliv menšího až do velikosti frézy 1mm (tzn. radius zaoblení 0.6mm) lze obrobit, ale je nutné se smířit s tím, že to nějaký čas potrvá (tzn. se výroba prodraží).

  3. Snažte se vytvořit model tak, aby se musel obrábět z co nejméně stran, tzn. na co nejméně upnutí. Pro upnutí do svěráku jsou v každé fázi (po obrobení každé strany) potřeba dvě rovnoběžné plochy, za které se díl uchytí.

  4. Ideální je pokud má díl nějaké díry, přes které by se v dalších fázích upínal šrouby. Pro každé takové upnutí je ale třeba vytvořit (vyfrézovat) přípravek, do kterého se upne.

  5. Vyhněte se (samozřejmě pokud lze) použití 3d ploch a zaoblení. Tyto prvky se frézují pomalu. Použijte místo vnějšího zaoblení radějí 45° zkosení, které lze frézovat přímo daným nástrojem.

  6. Navrhujte díl tak, aby se dal frézovat z polotovaru, který lze koupit v rozměru ve všech osách tak o 1-2mm větší. Běžně dostupné rozměry materiálu najdete např. na strákách www.ehlinik.cz (nakupujeme tam také).

Počítejte s tím, že cena i velmi jednoduchých tvarů bude v případě výroby pár kusů pravděpodobně nad 1000kč/kus. Pokud byste jich vyráběli více, tak se náklady na programování a ladění programu rozpustí do více kusů a je možné se dostat na 200-700 kč/kus. Cena ale primárně závisí na složitosti Vašeho dílu.

Existují firmy, které si účtují hodinové sazby (např. 600-700kč/hod), takže Vám mohou dát hrubý odhad ceny výroby s tím, že konečná cena bude odpovídat reálně natočeným hodinám.

Jiné firmy Vám nakalkulují pevnou částku už od začátku. Z naší zkušenosti, když jsme poptávali výrobu prototypů (ještě jsme neměli vlastní cnc stroj), tak se nám tyto částky zdály přemrštěné. Pravděpodobně proto, že je v cenové kalkulaci i velmi velká rezerva.

Praktické rady pokud uvažujete o pořízení CNC frézky

Pokud uvažujete, že byste se do něčeho takového pustili sami, tak čtěte pozorně.

Ujasněte si, co budete převážně obrábět, tzn. jak velké kusy a z jakého materiálu. Připravte si nástroje, které budete používat a spočítejte jejich řezné rychlosti a otáčky.  Otáčky vřetena stroje je důležitý parametr, který ovlivňuje Váš výběr. Obecně platí, že obrábění hliníku, mědi a plastů vyžaduje větší otáčky než obrábění železných kovů. Také vrtání a obrábění menšími nástroji vyžaduje rychlejší otáčky. Samozřejmě můžete obrábět i s menšími otáčkami, ale pak se Váš obráběcí čas dost prodlužuje.

Zajímá Vás také výkon vřetene, protože obzvlášť v nižších otáčkách (nástroje s větším průměrem) můžete brzo narazit na jeho limity.

Ujasněte si, co všechno potřebujete za příslušenství a promyslete následující  oblasti:

  • spolehlivost dodavatele, reference na internetu, ochota řešení záručních problémů (!!!)
  • možnosti pozdějšího rozšíření
  • řídící systém – ztrácení kroků, nepřesnosti ve výrobě
  • robustnost frézky – pevnost její konstrukce, jaké jsou motory a jak jsou řešeny pojezdy os
  • chlazení – vzduchem (minimální systém mazání) nebo kapalinou
  • zakrytování či odvádění a sbírání špon
  • ofukovací pistole – vzduchový kompresor
  • svěrák – čelisti, frézovací podložky, zarážky
  • výměna nástrojů – upínače, kleštiny, nutný počet nástrojů
  • zaměřování obrobku – 3d sondy, najížděcí sonda
  • měření délky nástrojů
  • kde ji budete mít- zabezpečení místa, větrání, osvětlení, hluk při obrábění, stav rozvodů elektřiny, 1 či 3 fázový přívod elektřiny

Až toto všechno promyslíte, tak spočítejte výslednou cenu a možná budete překvapeni její výší.