En dator numerisk styrmaskin (CNC) är ett bearbetningsverktyg som formar lagermaterial till en önskad form som uppfyller tillverkningsdirektiv och komponentkrav. CNC-maskiner använder förprogrammerad programvara för att kontrollera rörelserna hos komplexa maskiner, inklusive slipmaskiner, svarvar, kvarnar och andra skärverktyg som används för att ta bort material.
Dessa datorstödda tillverkningstekniker kan utföra ett brett utbud av komplexa och exakta CNC-bearbetningsuppgifter för att skapa tillverkade produkter och specifikt designade delar för fordons-, försvars- och flygindustrin.
Även om 3D-utskrift och andra additiva tillverkningsprocesser står i centrum i 2000-talets produktion av komponenter tillverkade av mjuka material, är de flesta vardagliga föremål fortfarande resultatet av högautomatiserade subtraktiva bearbetningstekniker.
Plastvattenflaskor tillverkas av formar med CNC-sänkningsteknik, och individuella drivsystemkomponenter i alla bilar på vägen fräss till exakta dimensioner för att alla rörliga växlar ska kunna passa ihop sömlöst för optimal mekanisk prestanda.
"Möjligheten är att nästan allt du rör i ditt dagliga liv vid något tillfälle berördes av en verktygsmaskin", säger University of Tennessee Knoxville ingenjörsprofessor Tony Schmitz. "Om du någonsin har rest i ett flygplan - en Boeing 747, till exempel - bearbetades över en miljon separata komponenter och monterades sedan för att få det planet från marken."
Innehåll
CNC-verktygsmaskiner är lika mångsidiga och dynamiska som de många föremål de skapar. De flesta CNC-maskiner fungerar dock inom två ramar:ett system med öppen eller sluten slinga.
I open-loop CNC-system kommer operatören att utveckla datorns numeriska kontroll för den aktuella uppgiften och generera g-koden eller arbetsfilen med hjälp av datorstödd design (CAD) programvara. Datorn vidarebefordrar sedan de rätta stegen till styrenheten och dess anslutna servomotorer.
Dessa motorer manipulerar skärverktyg, som svarvar eller slipmaskiner, längs minst två axlar (X och Y), även om avancerade CNC-maskiner kan öka mångsidigheten och noggrannheten genom att flytta CNC-fräsar och andra tillbehör runt flera ytterligare axlar.
Closed-loop CNC-system ger feedbackdata till monitorn för att åtgärda inkonsekvenser medan CNC-maskiner rör sig runt materialet. Denna motor-monitor-kommunikation gör det möjligt för slutna system att ändra hastigheten, positionen och matningshastigheten för svarvmaskiner och andra CNC-verktygsmaskiner i realtid.
Här är några av de vanligaste industriella tillämpningarna för CNC-maskiner:
CNC-maskiner är utmärkta verktyg för projekt som kräver en exakt och effektiv skärhastighet och de kan ta emot två av de mest avancerade skärteknikerna:sinker EDM (elektrisk urladdningsmaskin) och tråd EDM.
En sinker EDM använder en termisk erosion från interaktion mellan två elektroder - en fäst vid verktyget i form av koppar eller grafit. Den andra är den dielektriska vätskan som materialet badas i. Förvånansvärt nog kommer verktyget och arbetsstycket aldrig i direkt kontakt under tillverkningen. Wire EDM fungerar på samma sätt, förutom att den använder trådelektroder som exakta skärverktyg.
Denna exakta håltagningsprocess använder ett roterande skärverktyg, vanligtvis borrkronor eller höghastighetsvattenstrålar, för att producera runda hål i ett stationärt arbetsstycke. Dessa hål rymmer ofta monteringsskruvar och bultar.
CNC-maskiner är ofta utrustade med slipskivor som ger nästan felfri ytfinish. Denna subtraktiva slipteknik överträffar avsevärt noggrannheten för alla additiv tillverkningsprocess och kan reducera brister till toleranser så små som 1/10 av bredden på ett människohår.
En CNC-fräs, som liknar grundläggande fräsar och andra handfräsmaskiner, använder svarvar, vattenstrålar eller svarvverktyg för att ta bort material från ett stationärt lagerstycke. CNC-fräsar kan röra sig längs flera axlar, vilket gör att operatörer kan utföra horisontella, vertikala, vinklade och planfräsningsuppgifter med absolut precision. Dessa flervinklade funktioner ökar effektiviteten i tillverkningsprocessen av invecklade trä-, metall- och plastdelar eftersom maskinisten kan justera och återsäkra lagermaterialet färre gånger.
Denna CNC-maskinprocess fungerar på samma sätt som fräsning; Istället för att fästa lagret på en arbetsstation, är det dock anslutet till en vridmekanism som roterar med höga hastigheter. En arbetare som använder en svarv, eller en CNC med liknande tillbehör, kommer sedan att ta bort små mängder material tills de formar materialet till önskad form.
Programvara för datorstödd tillverkning (CAM) är en viktig komponent i CNC-bearbetningsprocessen. Den är förmedlaren och tolken av alla datorstödda bearbetningsoperationer eftersom den hanterar både mänskliga och automatiserade in- och utdata från varje steg i produktionen.
Till exempel skapar designers 3D-modeller av sitt projekt i programvara för datorstödd design (CAD) och laddar upp filen i CAM. CAM kommer sedan att tolka modellen och fungera som en m-kods- eller g-kodsgenerator, och översätta projektets mål till CNC-programmeringsspråket. När CNC-maskinen arbetar med projektet skickar den tillbaka data till CAM och informerar operatören om eventuella variabler som kan påverka resultatet av produkten.
CNC-bearbetning har sina rötter i tekniska framsteg under den industriella revolutionen i mitten av 1800-talet, då tillverkningsföretag började använda kambaserade svarvar och fräsverktyg i massproduktion av skjutvapen, fabriksutrustning och vardagsartiklar. På 1940- och 50-talen började rudimentär numerisk kontrollbearbetning i form av m-code-hålkort att automatisera flera tillverkningsuppgifter som ursprungligen kontrollerades manuellt av ett team av arbetare.
När digitala datorer och datorprogram förbättrades på 1970- och 80-talen kunde fler tillverkningsverktyg automatiseras för att förbättra produktionshastigheten och den totala effektiviteten.
Nu på 2000-talet tillåter CAM- och CAD-programvara och banbrytande CNC-maskiner små produktionsteam en kostnadseffektiv strategi för tillverkning av stora kvantiteter av komplexa delar. När maskininlärning och artificiell intelligens fortsätter att utvecklas kommer tillverkningsindustrin sannolikt att fortsätta att optimera och automatisera processer.
Det kan vara lätt att dagdrömma om en värld där robotar gör allt när vi går in i de första stadierna av den artificiella intelligensrevolutionen, men både bearbetningspersonal och ingenjörsakademiker förstår att CNC-bearbetningsprocessen kräver skickliga arbetare för att säkerställa att allt fungerar som det borde.
"Det [bearbetning av numerisk datorstyrning] är en hörnstenskapacitet som inte försvinner snart," säger Schmitz. Istället hävdar Schmitz att additiv och subtraktiv tillverkning faktiskt kompletterar varandra till den punkt där "hybridtillverkning" kommer att bli den framtida CNC-bearbetningsprocessen.
Schmitz säger också att denna hybridtillverkning kommer att "börja med en tillsatsdel som är förformnings- eller stirrande tillstånd, och sedan kommer vi att använda begränsad bearbetning för att producera en jämn ytfinish som du inte kan uppnå med tillsats."
Ett av de mest utmanande hindren för framtiden för CNC-bearbetning är den nuvarande arbetskraftsbristen på kvalificerade maskinister som är bekanta med CNC-programmering. Denna brist kommer bara att förvärras när erfarna CNC-proffs går i pension och få går in i branschen för att ta deras plats.
I USA har försvarsdepartementet och olika andra federala myndigheter insett behovet av att återuppliva ett misslyckat nationellt tillverkningsprogram och implementera banbrytande tillverkningsprocesser som kommer att göra landet konkurrenskraftigt i branschen.
"Medan historiskt sett har bearbetning ansetts vara ett hantverk - där någon behöver år och år av utbildning och praktisk erfarenhet innan de kan skapa de delar de vill ha - tror jag att vi kommer att gå bort från det till en mer automatiserad bearbetningsmiljö ", säger Schmitz. "Det kommer fortfarande att finnas jobb, men de kommer att skilja sig drastiskt från vad de var när CNC-tekniken startade på 1940- och 50-talen."
Nu är det intressantUSA var ett tillverkningskraftverk som ledde världen inom innovativ teknik efter andra världskriget. USA började sedan lägga ut tillverkning på entreprenad på 1960- och 70-talen, vilket ledde till ett starkare beroende av utländska varor. Branschledarskap och federala organisationer är överens om att landet är i stort behov av ökad självtillit och ett återupplivande av den amerikanska bearbetningsindustrin under 2000-talet. När personalstyrkan minskar, med färre människor som kommer in än lämnar CNC-teknikområdet, har det aldrig varit en bättre tid att gå med i detta efterfrågade yrke.
