Това е CNC завъртане накратко, но това всъщност не улавя какво се е променило. Частта, която ми показа -, се оказа, че е за медицинско оборудване. Част от хирургическия инструмент. Допустимите отклонения бяха тесни, като ±0,0005 инча. На ръчен струг ще ви е необходим наистина опитен машинист и може би една на всеки пет части ще бъде скрап. CNC? Нула скрап този ден. Гай ми каза, че ще пуснат 500 бройки тази седмица без нито един отказ.
Ровя се в производството от може би 15 години и CNC струговането е една от онези технологии, които напълно трансформират една индустрия, но някак си остават невидими, освен ако всъщност не правите неща.
Проблемът с ръчния струг (защо това има значение)
Да се върнем малко назад. Традиционните стругове съществуват от - не знам, древен Египет или нещо подобно? Определено векове. Основната концепция никога не се променя: завъртате детайла, държите режещ инструмент срещу него, оформяте го, като премахвате материала. просто.
Проблемът е, че ръчните стругове изискват сериозни умения. Гледах майстор машинист в търговско училище в Кливланд - това беше може би 2017 г. - прекарва 45 минути, обучавайки ученици как да се изправят срещу част. Просто правя края плосък. Четиридесет-минути за нещо, което звучи тривиално. Изисква се координация между ръцете и очите, усещането за материала, да знаеш кога инструментът става тъп - не можеш да преподаваш това в класна стая. Отнема години.
И дори тогава последователността е трудна. Същият машинист, една и съща настройка, частите ще се различават леко при различните партиди. Може би в рамките на толерантността, може би не. Един човек от този магазин в Милуоки ми каза, че е работил на ръчни стругове в продължение на 20 години, преди да въведат CNC. „Някои дни всичко щракаше, частите излизаха перфектни. Други дни се борех с машината цяла смяна и пак се озовах на скрап. Никога не можех да разбера защо.“
Какво всъщност прави CNC (Компютърната част)
CNC - Компютърно цифрово управление. По принцип програмирате координати и пътеки за рязане в компютър, машината ги следва точно. Всеки път. Без вариации, без почивни дни, без "Не спах добре, така че частите ми са малко извън спецификациите."
Струговата част конкретно се отнася до операции на машина тип -струг. Частта се върти, режещият инструмент се движи по програмирани траектории, за да създаде формата, която желаете. За разлика от CNC фрезоването, при което инструментът се върти и детайлът е неподвижен. Напълно различни животни, въпреки че хората ги бъркат.
Спомням си, че разговарях с програмист на ден на отворените врати на Haas - Далас, мисля, 2018 г. или 2019 -, който каза, че пробивът всъщност не е хардуерът. Хардуерът е доста ясен. „Магията е в системите за управление и езиците за програмиране. G-кодът изглежда прост, но да получите сложна част от първия опит? Това е изкуство.“
Ситуацията с програмирането (по-лоша, отколкото си мислите)
Говорейки за програмиране - това става объркващо по начини, които хората не очакват. Има различни контролери, различни софтуерни пакети, различни пост{2}}процесори. Fanuc, Siemens, Haas, Mazak - всички имат свои собствени странности.
G-code е стандартният език. На теория. На практика всяка машина интерпретира определени команди малко по-различно. Гледах как инженер от договорен производител в Мичиган - това беше може би 2020 - прекарва два часа в отстраняване на грешки защо една част излиза с 0,003 инча отклонение. Оказа се, че техният Mazak интерпретира една конкретна команда на G-код по различен начин от техните машини Haas. Същата програма, различни резултати.
„Ето защо таксуваме толкова много за настройка“, каза той. „Всяка нова част е пъзел. Дори и преди да сте изпълнявали подобни части.“
Повечето магазини сега използват CAM софтуер - Computer Aided Manufacturing. Вие чертаете частта в CAD, CAM генерира пътеките на инструментите и G-код. Звучи автоматизирано, но не е. Все още изисква сериозни познания относно скоростите на рязане, скоростите на подаване, избора на инструменти, задържането на работата. Виждал съм програмисти с 30 години опит, които все още учат нови трикове.
Материалите са по-важни, отколкото хората осъзнават
Материалът, който обръщате, променя всичко. Алуминият реже като масло - мек, лесен за инструменти, бързи скорости на шпиндела. Стоманата изисква различни скорости и подавания. Неръждаемата стомана е хващаща, иска да се втвърди. Титан? Забравете за това. Скъп материал, скъпи инструменти, ниски скорости, генерира луда топлина.
Бях в аерокосмически доставчик в Кънектикът - може би 2016 - и ги гледах как обръщат титаниеви компоненти на колесника. Карбидните вложки, които използваха, струваха около 40 долара всяка и издържаха може би 30 части, преди да се нуждаят от подмяна. „Понякога харчим повече за инструменти, отколкото за суровини“, ми каза оперативният мениджър.
Твърдите материали също натоварват машината по различен начин. Евтин настолен CNC струг може да работи с алуминий цял ден. Опитайте да пуснете закалена стомана и ще чуете, че нещата започват да се оплакват. Лагерите се износват по-бързо, сферичните винтове се разхлабват, точността на позициониране се влошава.
Един магазин, който посетих в Тексас - малък магазин за работа, семейна дейност - имаше два еднакви-изглеждащи струга с ЦПУ. — Защо две? попитах. Собственикът се засмя. „Този е за алуминий и пластмаси. Този е за стомана и по-твърди неща. Ако пусна твърди материали върху алуминиевата машина, тя няма да поддържа толерантност в рамките на шест месеца. Научих, че това е скъпият начин.“
Допустими отклонения (нещото, за което никой извън производството не мисли)
Допустимите отклонения са мястото, където CNC струговането наистина блести. Повечето ръчни обработки се стремят към ±0,005 инча или ±0,010 инча. Доста добър за ръчни операции. Съвременните CNC стругове рутинно поддържат ±0,0005 инча, някои могат да направят ±0,0001 инча при правилните условия.
Това може да звучи като безсмислена точност, но има огромно значение. Автомобилните части - компонентите на двигателя, трансмисионните валове - се нуждаят от строги допуски, за да функционират правилно. Още повече медицински изделия. Говорих с човек, който прави хирургически импланти, който каза, че техните допустими отклонения понякога са в десети - 0.0001 инча. „На това ниво температурата в цеха има значение. Разширяването на материала от топлина може да ви изхвърли от спецификациите.“
Космонавтиката е най-лошата. Или най-добре, в зависимост от гледната точка. Посетих отбранителен изпълнител извън Сиатъл - не мога да кажа кой, NDA и всичко това - и те струговаха части за реактивни двигатели. Толерансите бяха смешни. Като ±0,00005 инча за определени функции. Машинистът ми показа протокола от проверката. Двадесет-измерени измерения на една част, всичките трябваше да бъдат в рамките на няколко десет{10}}хилядни.
"Как изобщо измервате това точно?" попитах. Той посочи стая за преглед-с контролиран климат. „Температура, контролирана до ±1 градус F, гранитни повърхностни плочи, лазерни скенери. Оборудването за проверка струва повече от CNC машината.“
Избор на инструмент (Тайната сложност)
Режещите инструменти са своя собствена вселена от сложност. Карбидни вложки, керамични инструменти, CBN (кубичен борен нитрид), диамант. Различни геометрии, покрития, стружколечи. Всеки материал и операция изискват специфични инструменти.
Прекарах един ден в техническия център на Sandvik Coromant - това беше в Охайо, може би 2015 - и те имаха около 50 000 различни опции за вмъкване. Петдесет хиляди. Инженерът по приложенията ми показа как промяната на геометрията на пластината в малки количества влияе върху образуването на стружки, силите на рязане, повърхностното покритие, живота на инструмента.
„Повечето магазини използват може би 10-15 различни вложки за 90% от работата си“, каза той. „Но тези последни 10% - странните материали, тесните допуски, трудни геометрии – това е мястото, където познаването на вашите инструменти е от значение.“
Разходите също варират значително. Основните карбидни вложки може да са $8-10 всяка. Елегантни вложки с покритие за неръждаеми или екзотични материали? $40-50. CBN вложки за закалена стомана? $200+. И те се износват. Част от скритите разходи за CNC струговане, за които хората не мислят.
Инструментална екипировка на живо (където струговането среща фрезоването)
Съвременните стругове с ЦПУ често разполагат с „активни инструменти“ -, задвижвани с инструменти, които могат да фрезоват, пробиват, нарязват нарези, докато детайлът все още е в струга. Размива границата между центрове за струговане и фрезоване.
Видях това в магазин в Минесота, където се правеха тела на хидравлични клапани. Сложни части, множество напречни отвори, резбовани отвори, плоскости, фрезовани върху цилиндрични тела. Използва се за изискване на множество настройки - включване на струг, преминаване към фреза, може би обратно към струг. Сега те правят всичко с една настройка на стругова-фрезов център.
„Времето за настройка намаля с 60%“, ми каза производственият мениджър. „И точността се подобри, защото не местим частта между машините. Всеки път, когато захванете отново част, въвеждате потенциална грешка.“
Програмирането обаче става по-сложно. Сега координирате въртенето, позиционирането на инструмента, въртенето на инструмента в реално време, охлаждащата течност - много променливи. Един програмист, с когото разговарях на конференция в Чикаго, каза, че усвояването на инструменти на живо първоначално удвоява времето му за програмиране. „Минаха може би две години, преди да се чувствам комфортно с това. Сега не мога да си представя да се върна.“
Швейцарски стругове-тип (Странният братовчед)
Швейцарските-стругове са съвсем различна порода. Първоначално разработени за швейцарското часовникарство - оттук и името -, те са проектирани за дълги, тънки части, които биха се отклонили на нормален струг.
Частта се подава през направляваща втулка близо до режещия инструмент. Инструментът вижда само четвърт-инч от дължината на частта наведнъж, поддържа се останала част. Позволява ви да обръщате наистина дълги, тънки части без проблеми с деформацията.
Посетих производител на медицински изделия в Калифорния - района на Силициевата долина -, който управляваше швейцарски машини, произвеждащи малки хирургически компоненти. Частите бяха с диаметър около 2 мм и дължина 50 мм. Неръждаема стомана. Допустими отклонения в десети. „Опитайте това на обикновен струг и частта се огъва, бърборенето разваля повърхността ви, нищо не е в толерантност“, обясни водещият машинист.
Швейцарските машини обаче са скъпи. Входното ниво може да е $100 000, а тези от висок-клас тласкат $500 000 или повече. И те са придирчиви. Изисква се наистина прецизно подравняване, малки инструменти, които се чупят лесно, сложно програмиране.
Един собственик на магазин в Минесота ми каза: „Купихме швейцарски струг, като си мислехме, че ще реши всичките ни проблеми с дребните -части. Отне ни девет месеца, за да получим постоянно добри части от него. Почти се отказахме и продадохме нещото.“ В крайна сметка го разбраха, сега работи 24/7. Но стръмна крива на обучение.
Автоматизация (накъде отива това)
Автоматизацията е настоящата мания. Лента хранилки, които автоматично подават суровината. Роботизирани ръце, които зареждат заготовки и разтоварват готови части. Някои магазини изгасват-светлините и произвеждат - машини, работещи цяла нощ без никой.
Посетих производител на крепежни елементи в Индиана - това беше може би 2021 - работещ с 20 CNC струга с двама оператори на смяна. Почивката беше автоматизирана. Устройството за подаване на пръти поддържаше захранването на машините, изпускането на части в кошчетата, конвейерите движеха материала наоколо. „Ние използвахме тези машини с един оператор на две машини“, каза директорът на завода. „Сега е един оператор на десет, а ние се стремим към един на петнадесет.“
Все пак инвестицията е сериозна. Един добър фидер може да струва $20k-40k. Клетките на роботите могат да струват $100k-250k в зависимост от сложността. Има смисъл само ако работите с големи обеми.
По-малките магазини се борят с това. Говорих със собственик на магазин за работа в Пенсилвания, който каза: „Произвеждаме може би 50-500 броя на серия. Времето за настройка ни убива, но обемите не са достатъчно големи, за да оправдаят автоматизацията. Заседнали сме в това средно положение.“
Контрол на качеството (Проблемът с инспекцията)
Контролът на качеството е мястото, където много магазини се борят, дори и с ЦПУ. Това, че една програма работи, не означава, че частите са в спецификациите. Износване на инструменти, дрейф на машини, различни материали.
Повечето магазини извършват първа част-инспекция, произволно вземане на проби по време на сериите, окончателна проверка. Но има дебат колко е достатъчно. Гледах спор на производствена конференция в Детройт - 2019 Мисля, че - между мениджър по качеството и ръководител на производство.
Качествен човек: „Трябва да измерим всяка част.“
Човек от производството: „Това удвоява разходите ни за труд. ЦПУ е повторяемо.“
Качествен човек: „Докато не стане. Тогава изпращаме лоши части и губим клиента.“
Няма лесен отговор. Зависи от частта, клиента, последствията от повреда. Медицински и космически? Измерете всичко. Търговски части с ниски{3}}залози? Проверката на пробата вероятно е добра.
Измерването в -процеса помага. Сондите за инструменти, които проверяват размерите по време на обработка, компенсират автоматично, ако нещата се отклоняват. Струва пари предварително, но може да предотврати скрап.
Какво никой не ви казва (скрити предизвикателства)
Има предизвикателства при струговането с ЦПУ, които не попадат в маркетингови брошури.
Счупването на инструмента може да убие производителността. Карбидът е чуплив - ударете го погрешно и той се разбива. Сега вашата част е скрап, може би е повредил машината, загубено време, докато смените инструмента и рестартирате. Един магазин, който посетих в Джорджия, имаше стена на срама - снимки на счупени инструменти и повредени части. „Напомняне за скъпи грешки“, каза собственикът.
Евакуацията на чипове е по-важна, отколкото си мислите. Рязането на метал прави стружки - много от тях. Ако чиповете не се изчистят правилно, те могат да надраскат завършените повърхности, да блокират инструменти и дори да причинят сривове. Виждал съм машини да спират, защото се образуват гнезда на чипове и блокират потока на охлаждащата течност.
Самата охлаждаща течност е цяло нещо. Традиционната охлаждаща течност за наводняване работи, но прави бъркотия, има нужда от филтриране, изхвърлянето струва пари. Охлаждащата течност под високо{2}}налягане през шпиндела на инструмента работи по-добре за дълбоки отвори, но изисква специални инструменти. Някои магазини използват охлаждаща течност с мъгла или дори сухо рязане. Всеки подход има компромиси.
След това е ситуацията със софтуера. Различните поколения контролери използват различни методи за програмиране. Магазините с по-стари машини може да имат програми на флопи дискове или стари твърди дискове. Посетих един магазин, който все още използва компютър от края на 90-те, за да стартира своя контролер Fanuc. „Ако този компютър умре, ще имаме проблеми“, призна програмистът. „Части от кода вероятно няма да се прехвърлят чисто в съвременните системи.“
Нещата с липсата на умения (всички се оплакват)
Недостигът на квалифицирана работна ръка е реален и се задълбочава. Всеки собственик на магазин, с когото говоря, го споменава. Не мога да намеря опитни CNC програмисти или машинисти. По-старото поколение се пенсионира, по-младите хора не знаят, че производството съществува като кариера.
Бях в технически колеж в Уисконсин - 2020 или 2021 - и разговарях с директора на програмата за обработка. Той каза, че има повече свободни работни места от местни компании, отколкото имат висшисти, които да ги заемат. „Компаниите са отчаяни. Първоначалното заплащане на машинистите с ЦПУ достига 25-30 $/час тук, понякога повече. Все още не могат да бъдат събрани достатъчно хора.“
Част от проблема е възприятието. CNC обработката изисква истински умения - програмиране, избор на инструменти, отстраняване на неизправности, метрология -, но хората все още смятат, че производството е мръсно и ниско-умение. не е. Съвременните CNC оператори трябва да четат чертежи, да разбират геометрията, да работят с компютри, да решават проблеми. Това е техническа работа.
Някои магазини се обучават от нулата. Наемете хора без опит, пуснете ги през-вътрешни програми за обучение. Отнема време, но поне получавате хора, които научават конкретните ви процеси.
Къде отива това (вероятно)
AI и машинното обучение са модните думи сега. Системи, които автоматично оптимизират параметрите на рязане, предвиждат износването на инструмента, регулират подаванията и скоростите в движение. Някои от тях работят, други са преувеличени.
Посетих компания, показваща „захранвани от изкуствен интелект“ машини - търговско изложение в Чикаго, 2022 - и честно казано техните демонстрации бяха впечатляващи. Системата научи оптимални параметри на рязане за различни материали и геометрии. Но когато попитах за внедряване в реални магазини, продавачът беше неясен. „Работим върху това да го направим по-достъпен.“
Превод: скъпо е и сложно за настройка. Може би след 10 години тези неща ще станат стандартни. В момента е предимно в напреднали магазини със сериозни бюджети.
Адитивното производство - 3D printing metal - продължава да се предлага като заместител на CNC. Не го купувам. Добавката има място за сложни геометрии и малки обеми, но за прости кръгли части в обем? CNC струговането е по-бързо и по-евтино. Един аерокосмически инженер ми каза: „Ние използваме добавка за невъзможни геометрии. Всичко останало все още е CNC. Добавката е увеличаване, а не замяна.“
Нанопрецизната обработка е друга граница. Частите се измерват в микрони, допустимите отклонения в едно-цифрени микрометри. Полупроводниково оборудване, медицински изделия, прецизна оптика. Изисква специализирани машини, контролирана среда, сериозна експертиза. Пазарна ниша, но растяща.
Защо това всъщност има значение
CNC струговането е невидима инфраструктура. Почти всеки произведен продукт е превърнал компоненти някъде във веригата си за доставки. Автомобили, самолети, медицинско оборудване, потребителска електроника, индустриални машини - всички зависят от прецизно-струговани части.
По време на прекъсванията на веригата за доставки на COVID хората внезапно забелязаха. „Чакай, не можем да вземем тези части?“ Да, защото машинните цехове, които ги караха, затвориха, или не можаха да получат суровини, или загубиха работници.
Има може би 10 000-15 000 машинни цеха в САЩ, които работят с ЦПУ. Звучи много, но много са малки операции - пет до десет души. Ако нещо наруши тази екосистема, много неща спират да работят.
Разговарях с мениджър на верига за доставки в голяма автомобилна компания - не мога да кажа коя, NDA -, който каза, че имат стотици машинни цехове във веригата си за доставки, които произвеждат различни струговани компоненти. „Хората мислят за големите доставчици - от ниво 1, които правят модули и възли. Но има хиляди малки магазини, които произвеждат отделни части. Това е мястото, където е уязвимостта.“
Самата технология става все по-добра. Машините са по-точни, надеждни, по-бързи. Софтуерът е по-сложен. Но основно ние все още премахваме материал с остри инструменти, за да направим прецизни форми. Същият принцип като този древен египетски струг, само с компютри сега.
Обратно към онзи магазин в Милуоки. Преди да си тръгна, собственикът ми показа част, която са направили през 80-те години на ръчен струг - и я запази за сравнение. Срещу същата част, направена на новото им ЦПУ. Повърхностното покритие беше по-добро при CNC. Размерите са по-последователни. Времето за цикъл е част от това, което беше.
„Тази технология се изплати за две години“, каза той. „Най-добрата инвестиция, която някога сме правили. Иска ми се да го направим по-рано.“
Има смисъл за мен.
Ако искате да научите повече
Търговски публикации като Modern Machine Shop и Cutting Tool Engineering отразяват CNC струговането редовно. Добър за поддържане на новите технологии и техники.
Производителите на машини - Haas, Mazak, DMG Mori, Okuma - имат техническа документация и материали за обучение. Някои провеждат отворени врати, където можете да видите машини в действие. Струва си да посетите, ако сте близо до такъв.
Производители на инструменти като Sandvik Coromant, Kennametal, Iscar имат задълбочени технически ресурси на своите уебсайтове. Ръководства за приложения, калкулатори за скорост и захранване, съвети за отстраняване на проблеми. По-полезен, отколкото бихте очаквали.
NIST (Национален институт за стандарти и технологии) публикува производствени изследвания. Академичен, но понякога полезен за разбиране на прецизното измерване и динамиката на машинния инструмент.
Имах полезни разговори през годините с машинисти, програмисти и собственици на магазини на различни търговски изложения - IMTS в Чикаго, WESTEC в Калифорния, EASTEC в Масачузетс. Повечето информативни неща идват от ходене по пода и разговори с хора, които действително вършат работата, а не от официални презентации.
Данни и примери, актуални към 2023-2024 г. Производството се движи достатъчно бързо, за да трябва да се проверят конкретни числа и технологии. Не просто цитирайте някой човек в интернет - посетете истински магазини, ако можете.
О, още нещо - ако търсите прецизно производство, вероятно би трябвало да разгледате и EDM за потъване. Напълно различен процес (електрически разряд вместо рязане), но решава проблеми, които CNC струговането не може. Твърди материали, сложни кухини, неща, в които физически не можете да поставите режещ инструмент. Онзи аерокосмически магазин в Кънектикът, който споменах? Половината от техните сложни части преминаха през EDM след струговане. Струва си да разберете, ако сте сериозни за прецизната работа.
Странична бележка - за втвърдени материали или сложна работа, вижте EDM за потъване. Различна технология (електрозрядна обработка), но се съчетава добре със струговане. Видях го използвано за обработка на мухъл в Охайо. Струва си да знаете.
Странична бележка - напоследък проучва EDM за потъване, специално за прецизно производство на форми и сложни приложения в кухини. Напълно различен процес от CNC струговане, но интересно как прецизното производство се проявява навсякъде. Пишете за това тук, ако сте любопитни как EDM променя производството на електроника:грузило edm. Подобна тема за невидима инфраструктура, за която повечето хора не мислят.