Преимущества обработки на станках с ЧПУ в сравнении с литьем и штамповкой

Производство на станках с ЧПУ — одна из самых совершенных технологий, позволяющая добиться высокого качества получаемых деталей, большой точности и повторяемости результата. Станки с ЧПУ конкурируют с традиционными методами, такими как литье и штамповка. О сравнении плюсов и минусов этих трех технологий и 3D-печати читайте в этой статье.

Станок с ЧПУ – что это?

Источник: top3dshop.ru

Аббревиатура “ЧПУ” расшифровывается как числовое программное управление. Эта компьютеризованная система позволяет контролировать функции станка с помощью уникального языка программирования. В книгах иногда встречается определение CNC или NC. Это американское сокращение ЧПУ, которое обозначает Computer Numerical Control.

Источник: top3dshop.ru

Система получила широкое распространение в промышленности, благодаря своей гибкости. Она подходит к большому спектру станков: шлифовальным, фрезерным, токарным, сверлильным, в том числе к их модификациям и вариациям. При этом программирование системы для разных видов оборудования практически не отличается. Преимущество станков с ЧПУ в том, что достаточно однажды освоить алгоритм работы. Затем пользователь сможет повторять его для всей техники.

Язык программирования ЧПУ

Источник: top3dshop.ru

Язык программирования ЧПУ был представлен альянсом компаний электронной промышленности Electronic Industries Alliance в 1960 годах. Разработкой занималась американская корпорация Gerber Systems – передовой производитель устройств для печати и резки, CAD-систем.

Изначально был представлен формат RS274D. Он до сих пор активно применяется в программировании. RS274D состоит из набора управляющих станком команд. В 1997 появилась усовершенствованная версия формата: RS274X. Он имеет улучшенную систему команд, включает в себя дополнительные функции: заливку полигонов, комбинирование изображения и т.д.

Источник: top3dshop.ru

Программирование станков зависит не только от выбранного формата, но и от возможностей конкретной модели оборудования. Например, если техника не способна исполнить движение рабочего стола, то бесполезно вводить такую команду.

Как работают программы для станков с ЧПУ

Источник: canadianmetalworking.com

Станку с ЧПУ требуется управляющая программа, написанная на соответствующем языке. С помощью софта оператор создает макеты изделий, вводит команды управления и многое другое.

На производстве может быть задействовано несколько вариантов программного обеспечения, но все они используют один код. Софт для ЧПУ работает посредством G-code. Его финальная версия была выпущена в 1980-м году, с тех пор оставаясь практически неизменной. В советской литературе можно встретить обозначение ИСО-7 бит, в списках международной квалификации – ISO 6983-1:1982. Однако среди пользователей прижилось название “джи-код”.

Источник: roboticsandautomationnews.com

Подготовительные G-коды определяют вид работы станков. Они ответственны за такие команды, как:

Настройка системы координат, плоскостей, оборотов и других параметров.
Направление вращения, коррекция радиуса и диаметра. Другими словами, настройка движения элементов станка. Они задают скорость.
Исполнение резьбы, отверстий и других стандартных последовательностей.

Вспомогательные M-коды регулируют режим работы устройств. Например, меняют инструменты. Современные станки с ЧПУ понимают множество кодов, однако даже стандартного набора достаточно для создания управляющей программы.

Коды взаимодействуют друг с другом, отменяют или дополняют предыдущие действия. Например:

G00 обозначает ускоренное перемещение режущего инструмента на нужную позицию. Его отменяют коды G01, G02 и G03.
G01 – это перемещение инструмента по прямой линии. Скорость задает оператор. Он отменяется кодами G00, G02 и G03.
G02 запускает перемещение по дуге по часовой стрелке. Его отменяют коды G00, G01 и G03.
G03 требуется для перемещения по дуге против часовой стрелки. Отменяется кодами G00, G01 и G02.

Такая же ситуация происходит с M-кодами:

Коды M00, M01 и M02 служат для остановки оборудования. Они отменяют все запрограммированные действия.
Коды M03, M04 и M05 регулируют движение шпинделя и отменяют друг друга.

Источник: cadhouse.narod.ru

Операторы станка с ЧПУ должны иметь представление о ручном программировании оборудования. Освоив стандартные коды, можно переходить к пульту УЧПУ, разбираться в CAD/CAM-системах.

Основные плюсы станков с ЧПУ

Источник: top3dshop.ru

Современные технологии позволяют оптимизировать производство, повысить качество изготовления товара. С течением времени возросли и мощности станков с ЧПУ. Компьютеризированные системы становятся технологичнее, предлагают все больше преимуществ:

Увеличенная скорость изготовления продукции. Современные станки с ЧПУ умеют менять режущие инструменты, оператору не требуется вручную перенастраивать оборудование. В результате, несколько действий объединяются в один цикл, что значительно сокращает время на производство.
Стабильность временных затрат. При ручном изготовлении на скорость влияют навыки оператора и другие факторы. Станки с ЧПУ затрачивают одинаковое количество времени на создание одного вида деталей. Это особенно удобно при массовом производстве.
Высокая точность обработки деталей. Оператору достаточно однажды написать программу, чтобы каждый раз получать одинаковый результат. Технологичные станки с ЧПУ изготавливают детали с точностью до микрон. Из производственного процесса почти исключается человеческий фактор.
Работа со сложными деталями. Станок шаг за шагом выполняет заданную программу. Современная техника справляется с деталями любой сложности, поэтому ЧПУ так любимы производителями запчастей для машин и самолетов. Например, для изготовления симметричных отзеркаленных частей – настоящий вызов при ручном труде – при работе со станком с ЧПУ достаточно нажатия кнопки.
Сокращение числа работников. Для наблюдения за автоматизированным производством достаточно 2-4 операторов. Знающий специалист за 10 минут сможет обслужить несколько станков с ЧПУ.
Создание производственного конвейера. Современное оборудование с ЧПУ можно объединить в сложную сеть, покрывающую каждый шаг изготовления деталей. В результате получается полностью автоматизированное производство.

Современные станки требуют не самой сложной подготовки от оператора, но именно от него напрямую зависит, насколько раскроются плюсы и минусы ЧПУ.

Сравнение с литьем

Источник: greycastironcasting.sell.everychina.com

Литье — техпроцесс заливки жидкого материала в форму, с последующим отверждением; его древнейший вид — литье металлов. Старейшие найденные образцы литых изделий относят, по разным источникам, к 14 - 6 веку до н.э. В наше время, помимо металлов и взвесей минеральных веществ (гипс, алебастр, цемент), сырьем при литье служат также всевозможные полимеры.

Источник: greycastironcasting.sell.everychina.com

Основные отличия производства литьем от механобработки на станках с ЧПУ:

В прошлом литье было лучшим способом приблизить размер отливки к характеристикам готовой детали. Однако точность современных станков с ЧПУ превосходит показатели литьевой машины.
Литые металлические детали имеют относительно гладкую поверхность, но качество обработки на станке с ЧПУ значительно выше, что уменьшает необходимость в постобработке и делает размер деталей стабильным.
Литье позволяет получить детали сложной формы или с тонкими стенками. Однако точность станков с ЧПУ выше, достаточно единожды запрограммировать параметры изделия.
Литье традиционно применяется для создания цельных деталей из металлов. Станки с ЧПУ позволяют в короткие сроки создавать объекты состоящие из нескольких частей, подходящие друг к другу с большой точностью.
При литье простых деталей, не требующих разрушения формы для извлечения отливки, в одной форме можно изготовить несколько одинаковых деталей, и сделать это значительно быстрее мехобработки на станке с ЧПУ.
Литейные машины имеют высокую производительность, что снижает себестоимость производства. Процесс фрезерования сложной детали на станке с ЧПУ, с другой стороны, может занимать часы. Эта проблема решается установкой на производстве множества станков, что позволяет изготавливать несколько деталей одновременно.

Источник: greycastironcasting.sell.everychina.com

Итак, подытожим плюсы и минусы литья и обработки на станках с ЧПУ в сравнении:

	Плюсы	Минусы
Литье	Скорость, массовость, дешевизна, много готового персонала, несложное в обращении и относительно недорогое оборудование, почти безотходное использование металла.	Низкая точность и повторяемость, нестабильное качество, необходимость в серьезной постобработке, вредное производство, высокие энергозатраты на плавление металла, больший производственный цикл — необходимость в создании мастер-моделей и литьевых форм, дополнительные расходники для них.
ЧПУ	Высочайшая точность и повторяемость, стабильно высокое качество изделий, высокое качество поверхностей, возможность создавать более сложные изделия при сохранении прочности, каждый оператор может обслуживать много станков, программу создания детали можно мгновенно передать на любое расстояние, в отличие от литьевой формы, и использовать на любом количестве станков одновременно.	Дороговизна и сложность оборудования, необходимость наличия подготовленных кадров, низкая скорость изготовления детали, большое количество отходов производства (стружка).

Литье – сложный процесс, для его применения специалист должен знать металлургию сплавов, понимать инструментальное производство. Обучение операциям на станках с ЧПУ занимает меньше времени, а само оборудование намного безопаснее.

Сравнение со штамповкой

Источник: manortool.com

Технологией штамповки называется обработка металлов под давлением. В процессе материал деформируется, принимает нужную форму. Получается заготовка, которая переходит на следующий этап обработки. Штамповку активно применяют для изготовления медалей, значков, жетонов, брелков, монет. Чаще всего используются пластичные материалы: латунь, медь, сплавы серебра и золота. При производстве больших партий применяют сталь, она уменьшает себестоимость изделия.

Прогресс не обошел этот техпроцесс стороной — современные штамповочные станки с ЧПУ, в отличие от традиционных прессов, предлагают низкий процент отходов и еще меньшую стоимость деталей. Они выполняют холодную и горячую штамповку из большинства металлов и сплавов. Одно из главных преимуществ новых штамповочных ЧПУ перед обычными прессами — программное управление комплексом.

Источник: charlesrichter.com

Современные станки с ЧПУ позволяют:

программировать процесс штамповки с промышленного ПК;
подсоединяться к локальной сети LAN;
наблюдать и управлять за процессом с сенсорного экрана на консоли.

Компьютеризированная система изготавливает детали без облоя. Благодаря этому уменьшается размер заготовки, повышается экономия материала. В современных станках реализована функция обработки нескольких деталей одновременно. Мощнейшие устройства способны выдавать до 5 000 штук ежечасно. При этом требуется минимальный контроль со стороны оператора. Штамповочные станки с ЧПУ активно применяются для производства втулок, гильз, муфт, крышек, пробок, труб, клемм, шаровых затворов, заглушек и многого другого.

Станок с ЧПУ пришел в гости к штамповочному прессу, а тот тоже станок с ЧПУ.

Источник: baide-cnc.com

Штамповочный станок с ЧПУ имеет одно преимущество перед фрезерным станком с ЧПУ, один большой плюс: скорость работы. Свою операцию, а именно — вырезание и формирование деталей одинаковой формы, он выполняет намного быстрее. Как и любой специализированный аппарат, стоит заметить.

Минусов у штамповочного станка с ЧПУ, по сравнению с фрезерным, несколько:

Необходима оснастка под каждый тип и размер детали;
Размер применяемой оснастки ограничен конструктивно, для каждого станка свой;
Возможно выполнение только одной операции.

Сравнение с 3D-печатью

Источник: top3dshop.ru

Распространение аддитивных технологий, 3D-печати, привело к рассуждениям о целесообразности дальнейшего применения субтрактивных станков с ЧПУ. Мнения радикально расходились: одни пророчили быстрое исчезновение новой технологии, другие ожидали, что она заменит фрезерные станки с ЧПУ. После многочисленных обсуждений и появления достаточного опыта применения 3D-печати выяснилось, что она и механообработка на станках с ЧПУ скорее дополняют друг друга, создают сбалансированную экосистему на производстве, принося новые выгоды:

Ограничение размеров деталей. У обеих технологий есть такие лимиты. Ограничение станка с ЧПУ рассчитывается на основе самой маленькой части, которую он может создать. Лимит 3D-принтера зависит от размера его сопла/ лазерного луча/ пикселя матрицы.
Временные затраты 3D-печати во многом зависят от размера детали. На большие части могут потребоваться часы. Зато деталь размером с ладонь можно будет получить довольно быстро.
Затраты на обучение персонала. Оба типа аппаратов требуют обслуживания квалифицированным персоналом со специальными знаниями и навыками, но, после первоначальной настройки и создания индивидуальных программ для станка и алгоритмов действия для работников, работа с ними становится не слишком сложной.
Сложность деталей. Обе технологии способны изготавливать сложные изделия, однако 3D-принтер намного превосходит станки с ЧПУ по геометрическим параметрам создаваемых деталей, а прецизионный фрезер с ЧПУ превосходит 3D-принтер в точности и повторяемости. По этой причине в ракетостроении и на подобных производствах применяются оба типа станков.
Прочность. 3D-принтер создает изделия посредством наслоения, а станок с ЧПУ выфрезеровывает монолитную деталь из цельного куска материала. Зачастую последняя существенно прочнее, выдерживает большее механическое воздействие.

Преимущества и недостатки станков с ЧПУ перед 3D-печатью во многом зависят от сферы применения, предъявляемых изделиям и процессу требований.

Плюсы 3D-принтера:

3D-печать способна создавать формы, которые недоступны фрезеру и могут быть изготовлены им только по частям, требующим дальнейшего соединения, что делает печатные детали зачастую прочнее (несмотря на слоистость структуры), легче, проще в дальнейшей сборке.

Возможно создание замкнутых пустот заданной формы внутри детали, что невозможно при других способах изготовления. Это позволяет, например, сильно облегчать детали и улучшать их охлаждаемость.

3D-печать не создает отходов: материала используется ровно столько, сколько должно быть в детали.

Плюсы станка с ЧПУ для механической обработки:

Фрезерный или токарный станок с ЧПУ пока еще превосходит 3D-принтер по точности и прочности производимых деталей, если речь идет о более простых формах, которые возможно выточить или вырезать целиком.

Выводы:

Компьютеризированные системы субтрактивной обработки не исчезнут под натиском аддитивных аппаратов, по крайней мере в ближайшие десятилетия — они будут работать с ними вместе и дополнять функционал друг друга.

Основные недостатки станков с ЧПУ

Источник: top3dshop.ru

Слабые стороны есть у любой технологии. Недостатки станков с ЧПУ во многом связаны с затратами на приобретение и содержание комплексной системы:

покупка и установка такого оборудования обходится дороже, чем стоимость традиционных машин;
работа с компьютеризированной системой подразумевает закупку программного обеспечения, обучения и повышения квалификации персонала;
для стабильной работы станку требуется непрерывное питание от сети, перебои с электричеством испортят проект;
оператор не может допустить ошибку при написании программы, ошибки в программе станут причиной брака;
все еще меньшая скорость производства, когда речь идет о массовом выпуске продукции в сотни тысяч экземпляров;
в сравнении с литьем и 3D-печатью — наличие отходов основного материала, которых в этих технологиях нет.

Недостатки ЧПУ обычно проявляются в массовом производстве крупными партиями, когда жизненно необходимо снижение затрат на каждую деталь, ради уменьшения ее себестоимости и отпускной цены готового продукта; они с лихвой перекрываются достоинствами при производстве более дорогостоящих изделий, с повышенными требованиями к точности и механической прочности.

Кому нужны станки с ЧПУ

Источник: top3dshop.ru

Станки с ЧПУ для механической обработки деталей имеют ряд финансовых и производственных достоинств, благодаря которым их применяют в самых разных областях промышленности:

авиационно-космическая;
сельское хозяйство;
автомобилестроение;
строительство;
электроника;
стоматология;
металлургия.

Первые станки с ЧПУ использовались военно-воздушными силами Америки еще в середине прошлого века. В настоящее время они дают предприятиям конкурентное преимущество, обеспечивают высокую точность, стабильность и эффективность производства.

Источник: top3dshop.ru

Станки с ЧПУ требуются в первую очередь тем производствам, где бывает необходимо срочное изготовление деталей, которые невозможно или экономически нецелесообразно покупать или заказывать на стороне.

Рекомендуется рассмотреть возможность установки такой системы, если:

Необходимо снизить долю человеческой халатности, риск ошибки, задержек производства;
Требуется изготавливать сложные трехмерные формы;
Запускается массовое производство одинаковых деталей в короткие сроки;
Необходимо уменьшить себестоимость изделия в средних партиях.

При изготовлении запасных частей для техники, уникальных предметов оформления помещений, любых прототипов, рекламных конструкций и многого другого станки с ЧПУ незаменимы.

Исключением станет дизайнерское прототипирование небольших предметов, с которым лучше справится 3D-принтер, или изготовление крупных партий очень простых изделий, более выгодное при заказе на традиционном предприятии.

Заключение

Устройства ЧПУ изменили внешний вид производственного цеха. Они управляют токарными, сверлильными, фрезерными, шлифовальными станками, значительно ускоряют и упрощают работу человека. Практически каждое предприятие, которое занимается механической обработкой деталей, имеет компьютеризированную систему. Полностью заменить литье, штамповку и 3D-печать ЧПУ не может — эти методы дополняют друг друга, зачастую применяются одновременно или последовательно, что дает производствам новые возможности для повышения качества продукции и увеличения рентабельности.

Преимущества обработки на станках с ЧПУ в сравнении с литьем и штамповкой