Gia công CNC là phương pháp gia công cơ khí bằng các máy móc ứng dụng công nghệ hiện đại CNC (computer numerial control) nhằm đạt độ chính xác cao và tốc độ làm việc nhanh chóng.
Trong gia công CNC, các máy móc sẽ loại bỏ vật liệu khỏi một khối rắn để tạo ra chi tiết dựa trên mô hình CAD. CNC sản xuất các bộ phận với dung sai rất chặt chẽ và tính chất vật liệu tuyệt vời, độ lặp lại cao, do đó tối ưu được chi phí khi sản xuất các chi tiết với khối lượng thấp đến trung bình (lên đến 1000 chi tiết).
Nhắc đến gia công CNC, 2 phương pháp gia công chính thường được sử dụng trong sản xuất chính là phay và tiện. Bài viết này sẽ cung cấp cho các bạn cái nhìn tổng quan về các nguyên tắc cơ bản của công nghệ gia công và cơ chế hoạt động của máy phay – máy tiện.
Phay CNC hoạt động như thế nào?
Phay CNC là kiến trúc máy CNC phổ biến nhất. Trong phay CNC, các chi tiết được gắn trên bàn máy và vật liệu được loại bỏ bằng các công cụ cắt chuyển động quay.
Sơ đồ máy phay CNC điển hình
Quy trình phay CNC cơ bản gồm các bước:
- Mô hình CAD được chuyển đổi thành một chuỗi các lệnh có thể được hiểu với máy CNC (mã G). Điều này thường được thực hiện trên máy bởi người vận hành, sử dụng các bản vẽ kỹ thuật được cung cấp.
- Khối vật liệu (được gọi là phôi) được cắt theo kích thước và được đặc trên bàn để tạo hình qua môt đồ gá hoặc gắn trực tiếp lên bàn máy. Để đảm bảo độ chính xác cho quá trình gia công, phôi cần được định vị và căn chỉnh chính xác nhờ các công cụ đo lường đặc biệt (đầu dò cảm ứng).
- Vật liệu được loại bỏ khỏi khối để tạo hình chi tiết nhờ các công cụ cắt chuyên dụng quay với tốc độ rất cao (hàng nghìn vòng/phút). Để đạt được tạo hình chính xác, trước hết phôi được gia công thô bằng cách loại bỏ vật liệu nhanh chóng với độ chính xác thấp (hình dạng gần đúng). Sau đó, một hoặc nhiều đường chạy dao hoàn thiện – gia công tinh được sử dụng để tạo thành sản phẩm cuối cùng.
- Nếu mô hình có các vị trí mà công cụ cắt không thể gia công được trong một lần gá duy nhất (ví dụ: có một khe ở phía sau), thì phần đó cần được lật và tiến hành lại các bước trên.
Một chi tiết phay CNC điển hình, được gia công bằng cách loại bỏ vật liệu từ một khối phôi hình chữ nhật
Sau khi gia công, chi tiết cần được loại bỏ bavia để loại bỏ các khuyết tật nhỏ còn sót lại trên các cạnh sắc nhọn do biến dạng vật liệu trong quá trình gia công. Tiếp theo, nếu dung sai được chỉ định trong bản vẽ kỹ thuật, các kích thước tới hạn sẽ được kiểm tra. Những chi tiết đã sẵn sàng sẽ được sử dụng cho các thao tác tiếp theo.
Hầu hết các hệ thống phay CNC đều có 3 bậc tự do tuyến tính: trục X, Y, Z. Các hệ thống tiên tiến hơn với 5 bậc tự do cũng cho phép xoay bàn hoặc đầu công cụ xoay (trục A và B). Hệ thống CNC 5 trục có khả năng gia công các chi tiết có độ phức tạp hình học cao và có thể loại bỏ yêu cầu phải sử dụng nhiều máy.
Tiện CNC hoạt động như thế nào?
Trong tiện CNC, phôi được gắn trên mâm cặp quay và vật liệu được loại bỏ bằng các công cụ cắt cố định. Bằng cách này, các bộ phận có tính đối xứng dọc theo trục trung tâm của chúng có thể được hình thành. Các chi tiết tiện sẽ được sản xuất nhanh và rẻ hơn so với các chi tiết phay.
Sơ đồ máy tiện CNC điển hình
Các bước cơ bản để sản xuất một chi tiết bằng phương pháp tiện CNC như sau:
- Mã G được tạo từ bản thiết kế CAD và phôi có đường kính phù hợp được đưa vào máy CNC
- Phôi bắt đầu quay với tốc độ cao và công cụ cắt cố định đi theo trắc đồ tiện đã được lập trình, loại bỏ dần vật liệu cho đến khi đạt được chi tiết đã thiết kế. Các lỗ dọc theo trục trung tâm cũng có thể được gia công, dùng máy khoan trung tâm và dụng cụ cắt bên trong.
- Nếu chi tiết cần được lật hoặc di chuyển, quá trình sẽ được lặp lại. Nếu không, chi tiết sẽ được cắt từ phôi và sẵn sàng cho các bước sản xuất tiếp theo.
Một chi tiết tiện CNC điển hình, được sản xuất bằng cách loại bỏ vật liệu từ phôi trụ
Thông thường, máy tiện CNC được sử dụng để tạo ra các chi tiết có hình khối trụ. Các bộ phận không trụ có thể được sản xuất bằng cách sử dụng các hệ thống tiện CNC đa trục hiện đại, cũng được trang bị các công cụ phay CNC. Các hệ thống này kết hợp năng suất cao của tiện CNC với khả năng phay CNC và có thể tạo ra một phạm vi hình học rất lớn với đối xứng quay lỏng, như trục cam và cánh quạy máy nén hướng tâm.
Đặc điểm của gia công CNC
- Thông số máy
Hầu hết các tham số gia công được xác định bởi người vận hành máy trong quá trình tạo mã G và thường ít được nhà thiết kế quan tâm. Các thông số máy quan tâm là kích thước khổ gia công/làm việc và độ chính xác của máy CNC:
Các máy gia công CNC có khổ làm việc lớn. Hệ thống phay CNC có thể gia công các chi tiết có kích thước lên tới 2000 x 800 x 100mm (78” x 32” x 40”) và hệ thống tiện CNC có thể chế tạo các chi tiết có đường kính lên tới Φ500mm (Φ20” )
Với gia công CNC, các bộ phận có độ chính xác cao và dung sai chặt chẽ có thể được sản xuất. nếu không có dung sai được chỉ định thì các bộ phận sẽ được gia công với độ chính xác điển hình là ±0,125mm (±0.005”). Có thể đạt được dung sai chặt chẽ đến dưới một nửa đường kính của một sợi tóc trung bình của con người (±0.025mm hoặc 0.001”) với CNC.
- Dụng cụ cắt CNC
Để tạo hình học khác nhau, máy CNC sử dụng các công cụ cắt khác nhau. Dưới đây là một số công cụ phay được sử dụng phổ biến nhất trong CNC:
Một số công cụ cắt CNC phổ biến nhất
Các dao phay phẳng, dao trụ và dao cầu được sử dụng cho gia công các khe, rãnh, hốc và các bức tường thẳng đứng khác. Hình dạng khác nhau của chúng cho phép gia công các tính năng với các chi tiết khác nhau. Các dao trụ cũng thường được sử dụng trong gia công CNC 5 trục để chế tạo các bề mặt có hình dạng cong và dạng tự do.
Khoan là cách phổ biến và nhanh chóng để tạo ra lỗ trống. Ngoài các lỗ khoan với kích thước tiêu chuẩn, các lỗ khoan có đường kính không theo tiêu chuẩn có thể được tạo thành bởi các công cụ phay mặt phẳng (theo đường xoắn ốc).
Đường kính trục của dụng cụ cắt nhỏ hơn đường kính của lưỡi cắt, cho phép các dụng cụ phay này cắt các khe chữ T và các đường cắt khác bằng cách loại bỏ vật liệu khỏi các cạnh của cạnh thẳng.
Taro tự động trên máy CNC được sử dụng để sản xuất các lỗ ren. Để tạo một lỗ ren, cần kiểm soát chính xác tốc độ quay và tốc độ chuyển động ăn dao. Taro thủ công cũng vẫn thường được sử dụng trong một số xưởng.
Dao phay mặt được sử dụng để loại bỏ các vật liệu từ các mặt phẳng lớn. Đường kính dao phay mặt lớn hơn đường kính các công cụ gia công sau đó, nên chúng yêu cầu số đường đi dao ít hơn, giảm tổng thời gian gia công và tạo ra các bề mặt phẳng. Giai đoạn phay mặt thường được sử dụng sớm trong quá trình gia công để chuẩn bị kích thước phôi.
Các công cụ cắt lớn không kém cũng được sử dụng trong tiện CNC, đáp ứng mọi nhu cầu gia công, như cắt mặt, cắt ren và cắt rãnh.
Độ phức tạp hình khối và hạn chế thiết kế
Gia công CNC đem lại khả năng tự do thiết kế nhưng không phải tất cả các kiểu hình đều có thể gia công CNC. Độ phức tạp của thiết kế làm tăng chi phí sản xuất cũng như yêu cầu nhiều bước gia công hơn để tạo ra chi tiết hoàn chỉnh.
Hệ thống CNC 5 trục cho phép công cụ cắt tiếp cận các khu vực không thể tiếp cận bằng hệ thống 3 trục
Hạn chế chính của gia công CNC là phải phu thuộc vào hình dạng của công cụ cắt. Ví dụ, các cạnh bên trong của một khe sẽ luôn được làm tròn, vì chúng được gia công bằng cách sử dụng một công cụ có cấu hình hình trụ.
Công cụ tiếp cận cũng là một trở ngại trong gia công CNC. Vật liệu không thể bị loại bỏ nếu như công cụ không tiếp cận được khu vực đó. Phần lớn các máy CNC đang dùng hệ thống 3 trục, do vậy các tính năng cũng phải được thiết kế để có thể đến gần phôi trực tiếp từ phía trên. Hiện nay, hệ thống CNC 5 trục có tính linh hoạt cao hơn, cho phép tạo ra các chi tiết phức tạp hơn, góc giữa chi tiết cần gia công và công cụ có thể được điều chỉnh để gia công đến những phần khó tiếp cận.
Những chi tiết có cạnh mỏng hoặc tính năng đặc trưng cũng khó gia công. Những chi tiết có cạnh mỏng dễ bị rung và có nguy cơ vỡ do lực cắt. Độ dày tối thiểu yêu cầu là 0.8mm cho kim loại.
Đặc trưng của gia công CNC
Đây chính là thế mạnh quan trọng của gia công CNC khi tất cả các vật liệu kỹ thuật đều có thể gia công bằng phương pháp CNC. Tuy nhiên, gia công CNC thường được sử dụng cho kim loại, cả cho tạo mẫu và sản xuất hàng loạt. Nhựa thường khó gia công hơn vì độ cứng thấp và nhiệt độ nóng chảy thấp hơn. Thông thường, gia công CNC nhựa được sử dụng trong quá trình tạo mẫu trước khi sản xuất hàng loạt bằng phương pháp ép nhựa.
Vật liệu gia công CNC
Chi phí của vật liệu gia công CNC có sự khác biệt rất lớn. Với kim loại, nhôm 6061 là lựa chọn kinh tế nhất, trung bình khoảng 25$ (~575.000VND) cho một khối nguyên liệu phôi kích thước 150 x 150 x 25mm, trong khi nhựa ABS có mức giá thấp nhất, trung bình 17$ (~390.000VND) cho một khối cùng kích thước. Các tính chất vật lý của vật liệu cũng có thể ảnh hưởng đến chi phí tổng của quá trình gia công CNC. Ví dụ, thép không gỉ cứng hơn nhiều so với nhôm, điều đó khiến việc gia công khó khăn hơn và làm tăng chi phí tổng.
| VẬT CHẤT | ĐẶC ĐIỂM |
|---|---|
| Nhôm 6061 |
|
| Inox 304 |
|
| Đồng thau C360 |
|
| ABS |
|
| Ni lông (PA6 & PA66) |
|
| POM (Delrin) |
|
Xử lý nguội và hoàn thiện
Khi gia công các chi tiết CNC sẽ có dấu dao trên sản phẩm. Các phương pháp xử lý nguội khác nhau có thể được sử dụng để làm mịn bề mặt của chi tiết và cải thiện khả năng chống mòn, ăn mòn hoặc kháng hóa chất và bề mặt của chi tiết như mạ kim loại, chà nhám hoặc sơn tĩnh điện.
Một chi tiết gia công CNC đã được mạ kim loại và sơn màu xanh
Ưu điểm và nhược điểm của gia công CNC
Ưu điểm:
- Gia công CNC cho độ chính xác và độ lặp lại rất tốt, và có thể sản xuất các chi tiết với dung sai rất nhỏ, phù hợp với các yêu cầu cao cấp
- Vật liệu CNC có tính chất vật lý tuyệt vời và đồng nhất trong các môi trường khác nhau và phù hợp với hầu hết các ứng dụng kỹ thuật
- Gia công CNC là phương pháp sản xuất hiệu quả nhất về chi phí để sản xuất các chi tiết kim loại với số lượng thấp hoặc trung bình (từ việc sản xuất mẫu đến sản xuất hàng loạt lên tới 1000 đơn vị)
Nhược điểm:
- Do bản chất của phương pháp gia công CNC là loại bỏ vật liệu trên phôi, một số khối hình tốn chi phí rất cao hoặc không thể sản xuất
- Chi phí khởi đầu của gia công CNC cao do phải đầu tư về máy móc
Gia công CNC là phương pháp gia công kim loại vô cùng phổ biến, chiếm tới hơn 50% hoạt động sản xuất của doanh nghiệp, nhà xưởng vì sản phẩm làm ra là các chi tiết cơ bản cho những máy móc cơ khí hay những chi tiết, linh kiện, phụ tùng của ngành chế tạo máy, sản xuất ô tô, xe máy hiện nay. Một chiếc máy phay/tiện CNC có thể ứng dụng cho nhiều hoạt động nhờ khả năng công nghệ rộng do đó đây là chiếc máy công cụ cơ bản, không thể thiếu cho bất kỳ xưởng cơ khí nhỏ và vừa cũng như doanh nghiệp sản xuất mô hình lớn.
Với độ chính xác cao và chất lượng bề mặt chi tiết đẹp, các dòng máy phay/tiện CNC đang là sự lựa chọn của đa phần khách hàng. Tùy vào nhu cầu sử dụng và định hướng phát triển kinh doanh, nhà xưởng hay doanh nghiệp có thể lựa chọn các thương hiệu máy CNC tùy theo tính năng, chất lượng và giá cả tương ứng.
