Obróbka CNC – poznaj nowoczesną technikę skrawania metali

Obróbka CNC jest obecnie jedną z podstawowych metod wytwarzania części większych i mniejszych urządzeń. Precyzja, powtarzalność procesu czy wysoka sprawność pracy sprawiają, że ta technologia produkcji idealnie odpowiada na potrzeby wielu gałęzi przemysłu. Chociaż uważana jest za nowoczesną, jest to technologia stworzona w latach 50. XX wieku, której rozwój idzie w parze z nowymi technologiami informatycznymi oraz postępami materiałoznawstwa. Czym jest obróbka CNC, jakie materiały mogą być formowane przy jej pomocy i wreszcie – jakie techniki obróbki obejmuje?

Czym jest obróbka CNC: podstawowe informacje i krótka historia

Obróbka CNC (od Computerized Numerical Control – skomputeryzowana obróbka numeryczna) jest zautomatyzowaną technologią formowania części. Pracą konkretnego urządzenia CNC zarządza specjalny sterownik, który realizuje zadany program, przekładający się (za pośrednictwem silników i siłowników) na sekwencje ruchów narzędzia formującego blok materiału: frezu we wrzecionie frezarki, ostrza tokarskiego czy popychaczy prasy hydraulicznej. Chociaż obróbka CNC jest najczęściej kojarzona z metodą obróbki skrawaniem (ubytkową, polegającą na usuwaniu nadmiaru materiału), to sterowniki numeryczne mogą kontrolować pracę szerokiej gamy urządzeń w parku maszynowym firmy wytwórczej – również do obróbki plastycznej (np. wspomniane prasy hydrauliczne CNC) czy też obróbki przyrostowej (jak na przykład druk 3D).

Sam proces obróbki opiera się na realizacji programu, który określa parametry pracy urządzenia – np. prędkość ruchu posuwowego, sekwencję realizowanych ruchów i wiele innych, w zależności od rodzaju obrabianego materiału (w tym jego podatności na formowanie konkretną metodą), użytych narzędzi (np. rodzajów frezu, gramatury tarczy ściernej) czy oczekiwanego efektu (np. konieczności uzyskania wysokiej jakości powierzchni). Sekwencje są formułowane przy pomocy G-Code, standaryzowanych znaczników zrozumiałych dla współczesnych urządzeń CNC. Taki program powstaje na podstawie dostarczonego przez klienta pliku CAD z projektem części lub rysunku technicznego, który specjalista przenosi najpierw do oprogramowania wspierającego projektowanie (CAD – od computer assisted design), a potem konwertuje na sekwencje pracy zrozumiałe dla sterownika maszyny.

Dzięki wykorzystaniu sterowania numerycznego (skomputeryzowanego) możliwe jest wytworzenie dużej ilości powtarzalnych elementów w znacznie krótszym czasie, niż przy zastosowaniu tradycyjnych urządzeń do obróbki.

Współcześnie najczęściej stosowanymi metodami obróbki numerycznej są:

• frezowanie CNC – pozwalające na wytwarzanie części o niemal dowolnym kształcie – bryła materiału jest formowana przez frez na wrzecionie,,
• toczenie CNC – umożliwiające zautomatyzowane wytwarzanie części cylindrycznych podczas obróbki brył obrotowych,
• szlifowanie CNC – stosowane w obróbce wykończeniowej, skupionej na uzyskaniu jak najwyższej jakości powierzchni,
• formowanie przy pomocy pras krawędziowych CNC – używane do obróbki plastycznej większych i mniejszych elementów. 

W dużym skrócie: większość znanych od wieków urządzeń automatycznych (tokarek, frezarek, szlifierek, itp.) wykorzystywanych w zakładach wytwórczych ma swój odpowiednik sterowany numerycznie.

Współcześnie przy pomocy maszyn CNC możliwe jest produkowanie części z wielu materiałów:

• metalu – od stopów żelaza (stali), przez różne serie aluminium i tytanu, aż do miedzi czy brązów,
• tworzyw sztucznych – zarówno szkła akrylowego, jak i wysokosprawnych polimerów o parametrach mechanicznych zbliżonych do lekkich stopów metalu,
• drewna – skrawanie CNC jest jednym z fundamentów współczesnego przemysłu meblarskiego,
• szkła,
• i wielu, wielu innych materiałów.

Sama obróbka CNC jest związana z rozwojem lotnictwa wojskowego – ta technologia powstała w latach 50. XX wieku na potrzeby US Air Force. Głównym powodem zlecenia na prace rozwojowe nad taką formą obróbki była konieczność produkcji powtarzalnych komponentów silników odrzutowych, które powinny być idealnie wyważone. Stosowane do tej pory technologie obróbki skrawaniem, nawet opierające się o precyzyjne szablony, nie były w stanie zaspokoić zapotrzebowania rozwijającego się dynamicznie lotnictwa wojskowego. Lotnictwo potrzebowało technologii, która łączyłaby precyzję wykonania z szybkością produkcji.

W taki sposób powstały pierwsze skrawarki kontrolowane numerycznie (NC – numerical control), które realizowały komendy podawane za pomocą kart perforowanych (również: bardzo zaawansowanych w latach 50. XX wieku). Rozwój technologii informatycznych i miniaturyzacja komputerów pozwoliła na szersze zastosowanie mikroprocesorów w obróbce skrawaniem – właśnie dzięki temu w latach 70. XX wieku powstały pierwsze maszyny NC sterowane przez komputer (od angielskiego computerized numerical control). Nie potrzebowały one już kart perforowanych – kolejne komendy były realizowane na podstawie programu wprowadzonego do komputera.

Jak wygląda proces przygotowania procesu obróbki CNC

Wspomniana konwersja projektu części na zrozumiałe dla sterownika maszyny CNC znaczniki G-Code – czyli przygotowanie procesu obróbki CNC – składa się najczęściej z kilku etapów:

1. Stworzenia modelu części w programie komputerowym, najczęściej CAD. Taki cyfrowy model pozwala zwizualizować wszystkie aspekty obrabianego obiektu i stanowi bazę do stworzenia sekwencji pracy maszyny CNC.
2. Przełożenie przy pomocy oprogramowania CAM (ang. Computer Aided Manufacturing – produkcja wspierana komputerowo) projektu CAD na język zrozumiały dla obrabiarki sterowanej numerycznie (G-Code). Programy CAM – na podstawie rysunków 2D lub obiektów 3D – pozwalają na stworzenie programów sterujących pracą frezarki czy tokarki CNC.
3. Obróbka CNC. To ostatni etap, w którym maszyna sterowana numerycznie wykonuje skrawanie zgodnie z wczytanym programem CAM. W pierwszej kolejności następuje testowanie prawidłowości programu – najpierw w oprogramowaniu diagnostycznym, a potem również na próbnym materiale. Po pozytywnych testach rozpoczyna się zautomatyzowana produkcja na podstawie sprawdzonego projektu. W zależności od użytych obrabiarek – operatorzy mogą być zaangażowani w montaż i demontaż obrobionych części (w przypadku obrabiarek z podajnikiem nie ma to zastosowania) oraz kontrolowanie prawidłowości parametrów pracy – najczęściej więcej niż jednego centrum obróbczego CNC.

Jakie są najważniejsze zalety obróbki CNC?

Możliwości, jakie stwarza obróbka CNC dla współczesnego przemysłu, są nie do przecenienia. Dzięki tej technologii nowoczesna produkcja staje się bardziej efektywna i precyzyjna, co przekłada się na wyższą jakość wytwarzanych przedmiotów oraz niższy koszt produkcji jednostkowej.

Wśród kluczowych zalet technologii obróbki CNC należy wymienić:

1. Powtarzalność wytwarzanych części – jedną z istotnych zalet frezarek CNC i innych urządzeń sterowanych numerycznie jest możliwość wyprodukowania dużej partii niemal identycznych części. Zachowanie minimalnych tolerancji sprawia, że uzyskanie części o powtarzalnych wymiarach jest łatwiejsze. W praktyce – właśnie to był jeden z głównych powodów, który doprowadził do powstania technologii sterowania numerycznego.
2. Możliwość produkcji seryjnej – technologia CNC pozwala zauważalnie skrócić procesy produkcyjne, nawet w przypadku przedmiotów o złożonych kształtach. Dodatkowo jeden operator może nadzorować pracę wielu obrabiarek, które – przy zastosowaniu zautomatyzowanych podajników – mogą pracować całą dobę, w praktyce bez ingerencji człowieka. Sprawia to, że nawet najsprawniejszy operator obrabiarki automatycznej nie jest w stanie utrzymać tempa produkcji zapewnianego przez maszynę CNC.
3. Elastyczność produkcji i możliwość produkcji kolejnych partii części niemal natychmiast – jest to możliwe dzięki standaryzowanym plikom CAM, które umożliwiają rozpoczęcie pracy po wgraniu sprawdzonego programu wykonawczego do odpowiednio skalibrowanego centrum obróbki CNC i wprowadzeniu bloku materiału o adekwatnych parametrach do obszaru pola roboczego.
4. Niższy koszt jednostkowy wytworzenia części – jest to niezwykle istotna zaleta tej technologii. Mimo dłuższego i bardziej pracochłonnego procesu przygotowania produkcji, samo wytwarzanie części jest szybkie, a co za tym idzie: pozwala na osiągnięcie znacznych oszczędności, zwłaszcza przy dużych partiach części. Z drugiej strony – wytworzenie niewielkiej liczby elementów przy pomocy urządzeń CNC (w RADMOT od 100 na partię) może nie być rentowne. Dodatkowo precyzja pracy urządzeń sterowanych numerycznie zmniejsza odrzuty przy kontroli jakości, co również przekłada się na obniżenie kosztów.
5. Jakość wytwarzanych części, zgodność ze specyfikacją oraz pełna kompatybilność wymiarowa – precyzja skrawania CNC to także wyższa jakość wytwarzanych przedmiotów. Dzięki sterowaniu komputerowemu zostały zminimalizowane błędy wynikające z ludzkiej nieuwagi czy zmęczenia. Precyzja wykonania przedłuża też żywotność produktu, a także na łatwość wymiany części wytwarzanych w różnych centrach CNC.
6. Bezpieczeństwo pracy operatorów – obróbka CNC nie wymaga bezpośredniego styku człowieka z maszyną. Operator odpowiedzialny za sterowanie maszyną numeryczną (a dokładnie: nadzorujący jej pracę) monitoruje status urządzenia za pomocą interfejsu. Zmniejsza to ryzyko urazu.
   

Obróbka CNC – wyzwania przemysłu 4.0

Technologia CNC – oprócz wielu zalet – stawia przed przemysłem wiele wyzwań. Wśród kluczowych, w tym momencie, należy wymienić:  

1. Wysoką cenę maszyn sterowanych numerycznie (centrów CNC). Ich zakup jest znacznie bardziej kosztowny niż w przypadku obrabiarek automatycznych (sterowanych ręcznie).
2. Wysokie kwalifikacje operatorów. Praca z obrabiarkami CNC wymaga kompetencji z zakresu programowania, materiałoznawstwa, projektowania oraz szeroko pojętej wiedzy inżynieryjnej i technicznej. Sprawia to, że zarówno zdobycie potrzebnych kompetencji, jak i wdrożenie pracownika w konkretnej firmie produkcyjnej może trwać dłużej.
3. Współdziałanie wielu działów produkcji. Współczesna produkcja, w szczególności dla branż z przemysłu 4.0, jest dużo bardziej złożona i wymaga skoordynowanej pracy wielu specjalistów oraz realizacji wielu procesów w odpowiedniej kolejności. To nie tylko usuwanie kolejnych warstw materiału przy pomocy frezu – przedsiębiorstwa produkcyjne, opierające się o CNC, żeby zachować konkurencyjność, oferują wiele usług dodatkowych w ramach procesu wytwarzania części. Mycie części, obróbka galwanotechniczna, malowanie i lakierowanie czy wreszcie obsługa logistyczna partii części – to tylko kilka z dodatkowych usług, które pozwalają firmom takim jak RADMOT wyróżniać się na tle konkurencji. Co więcej, precyzja wymagana przez przemysł 4.0 oznacza, że sama produkcja powinna być osadzona w procesie, który uwzględnia kwestie takie jak:
   1. restrykcyjne kontroli jakości,
   2. pomiary jakościowe materiałów wykorzystywanych do obróbki,
   3. utrzymanie ruchu i stosowanie metod zapobiegania wystąpieniu awarii,
   4. ciągłe utrzymanie najlepszej możliwej kalibracji urządzeń do obróbki CNC,
   5. zapewnienie najlepszych możliwych specjalistów do obsługi produkcji.

To tylko kilka z wyzwań, które stoją obecnie przed firmami zajmującymi się obróbką CNC.

Wiele z nich adresują nowinki techniczne, takie jak sztuczna inteligencja, stosowana w procesach sterowanych numerycznie. Pozwalają one na optymalizację procesów wytwórczych, a co za tym idzie – obniżyć koszt jednostkowy produkcji części.

Co wpływa na cenę obróbki CNC?

Obróbka CNC – dzięki automatyzacji procesu – pozwala drastycznie obniżyć koszty produkcji, zwłaszcza dużych partii części. Warto jednak wskazać na to, co wpływa na koszt i kiedy zlecenie obróbki sterowanej numerycznie jest rentowne.  

Wśród kluczowych czynników mających na to wpływ warto wymienić:

• rodzaju obrabianego materiału,
• wymiary części (np. czy mieści się ona w polu roboczym dostępnym w posiadanych centrach CNC),
• stopień złożoności projektu (czy jest to proste frezowanie, czy wymagana jest obróbka 5-osiowa),
• kompletność dokumentacji technicznej do zlecenia (np. czy klient dostarcza pliki CAD z projektem części),
• usługi dodatkowe (np. obróbka galwanotechniczna),
• wielkości partii w zamówieniu (ma ona ogromny wpływ na finalną wycenę zlecenia),
• termin realizacji zlecenia – im krótszy, tym cena będzie wyższa.

Każdy z tych elementów przekłada się na finalną cenę produkcji partii części. Ze względu na wspomnianą złożoność procesu przygotowawczego, najdroższe jest uruchomienie produkcji i wytworzenie pierwszej partii części. Sprawia to, że poniżej pewnego progu rentowności obróbka CNC jest nieopłacalna dla zleceniodawcy (np. 100 części w partii lub 1000 w ciągu roku), zwłaszcza w porównaniu do tradycyjnych metod skrawania (np. na frezarkach automatycznych).

Z drugiej strony każde zlecenie na obróbkę CNC, które trafia do RADMOT, jest rozpatrywane indywidualnie. Dlatego podajemy ostateczną ceną obróbki CNC dopiero gdy uzgodnimy z klientem jak wyglądać ma jego zamówienie. Zawsze tłumaczymy, skąd wynika wycena i jakie elementy się na nią składają. Jeśli widzimy możliwość optymalizacji kosztów (np. zastosowanie innych stopów o podobnych parametrach lub możliwość rezygnacji z pewnych procesów dodatkowych) – informujemy o tym klienta. Dlatego zgłaszając się do RADMOT z prośbą o wycenę obróbki CNC możesz mieć pewność, że będzie ono dogłębnie przeanalizowane przez profesjonalistów.

Obróbka CNC - zapraszamy do kontaktu

W RADMOT oferujemy zarówno usługi frezowania CNC, usługi toczenia CNC, jak i wiele usług dodatkowych – mycie, anodowanie aluminium, znakowanie laserowe i montaż.

Skontaktuj się z nami i powiedz, czego potrzebujesz. Mamy duże doświadczenie. Usługi CNC świadczymy od niemal 40 lat. Nasza wycena jest zupełnie darmowa. A jeśli będziesz mieć wątpliwości, jaka technologia sprawdzi się u Ciebie najlepiej, nasza fachowa wiedza jest na Twoje usługi.