To je ukratko CNC okretanje, ali to zapravo ne pokazuje što se promijenilo. Ispostavilo se da je dio koji mi je pokazao - bio za medicinsku opremu. Neka komponenta kirurškog alata. Tolerancije su bile male, poput ±0,0005 inča. Za ručni tokarski stroj trebao bi vam stvarno vješt strojar i možda bi jedan od pet dijelova bio otpad. CNC? Taj dan nula otpada. Tip mi je rekao da će pustiti 500 komada taj tjedan bez ijednog odbijanja.
Bavim se proizvodnjom već možda 15 godina, a CNC tokarenje jedna je od onih tehnologija koje su u potpunosti transformirale industriju, ali nekako ostaju nevidljive osim ako stvarno ne izrađujete stvari.
Problem s ručnim strugom (zašto je to važno)
Vratimo se malo. Tradicionalni tokarski strojevi postoje od - Ne znam, starog Egipta ili tako nešto? Definitivno stoljeća. Osnovni koncept se nikada nije promijenio: vrtite dio, prislonite alat za rezanje na njega, oblikujte ga uklanjanjem materijala. Jednostavan.
Problem je što ručni tokarilice zahtijevaju ozbiljnu vještinu. Gledao sam majstora strojara u trgovačkoj školi u Clevelandu - ovo je bila možda 2017. - kako provodi 45 minuta podučavajući učenike kako se suočiti s dijelom. Samo da kraj bude ravan. Četrdeset-pet minuta za nešto što zvuči trivijalno. Potrebna koordinacija ruke-oka, osjećaj za materijal, znanje kada alat postane dosadan - to ne možete podučavati u učionici. Traje godine.
Čak i tada, dosljednost je teška. Isti strojar, ista postavka, dijelovi će se malo razlikovati od serije do serije. Možda unutar tolerancije, možda ne. Jedan tip u toj trgovini u Milwaukeeju rekao mi je da je radio na ručnim tokarilicama 20 godina prije nego što su uveli CNC. "Nekih dana sve je škljocalo, dijelovi su ispadali savršeni. Drugih bih se dana borio sa strojem cijelu smjenu i svejedno završio u otpadu. Nikada nisam mogao shvatiti zašto."
Što CNC zapravo radi (dio računala)
CNC - Računalno numeričko upravljanje. U osnovi programirate koordinate i putanje rezanja u računalo, stroj ih točno slijedi. Svaki put. Nema varijacija, nema slobodnih dana, nema "Nisam dobro spavao pa su moji dijelovi malo izvan specifikacije."
Dio tokarenja posebno se odnosi na operacije na stroju -tipa tokarilice. Dio se okreće, alat za rezanje pomiče programiranim putanjama kako bi stvorio oblik koji želite. Za razliku od CNC glodanja gdje se alat vrti, a dio miruje. Potpuno različite životinje iako ih ljudi brkaju.
Sjećam se da sam razgovarao s programerom na Haasovu otvorenom danu - Dallas, mislim, 2018. ili 2019 - koji je rekao da napredak nije zapravo hardver. Hardver je prilično jednostavan. "Čarolija je u sustavima upravljanja i programskim jezicima. G-kod izgleda jednostavno, ali dobiti složeni dio iz prvog pokušaja? To je umjetnost."
Situacija s programiranjem (gore nego što mislite)
Govoreći o programiranju - ovo postaje zbrkano na načine koje ljudi ne očekuju. Postoje različiti upravljači, različiti softverski paketi, različiti post{2}}procesori. Fanuc, Siemens, Haas, Mazak - svi imaju svoje osobine.
G-code je standardni jezik. Teoretski. U praksi, svaki stroj tumači određene naredbe malo drugačije. Gledao sam inženjera ugovornog proizvođača u Michiganu - ovo je možda 2020 - kako provodi dva sata otklanjajući pogreške zašto je dio izlazio 0,003 inča. Ispostavilo se da je njihov Mazak jednu specifičnu G{8}}kod naredbu protumačio drugačije nego njihovi Haas strojevi. Isti program, različiti rezultati.
"Zbog toga toliko naplaćujemo postavljanje", rekao je. "Svaki novi dio je zagonetka. Čak i ako ste prije pokretali slične dijelove."
Većina trgovina sada koristi CAM softver - Computer Aided Manufacturing. Vi crtate dio u CAD-u, CAM generira putanje alata i G-kod. Zvuči automatizirano, ali nije. I dalje zahtijeva ozbiljno znanje o brzinama rezanja, posmaku, odabiru alata, držanju rada. Vidio sam programere s 30 godina iskustva kako još uvijek uče nove trikove.
Materijali su važniji nego što ljudi shvaćaju
Materijal koji okrećete mijenja sve. Aluminij reže poput maslaca - mekan, lak za alate, velike brzine vretena. Čelik zahtijeva različite brzine i posmake. Nehrđajući čelik je grabljiv, želi se očvrsnuti. Titanij? Zaboravi na to. Skup materijal, skupi alati, niske brzine, stvara ludu toplinu.
Bio sam kod dobavljača zrakoplovne industrije u Connecticutu - možda 2016 - i gledao kako okreću komponente stajnog trapa od titana. Karbidni umetci koje su koristili koštaju oko 40 dolara svaki i izdržali su možda 30 dijelova prije nego što su morali zamijeniti. "Ponekad trošimo više na alate nego na sirovine", rekao mi je voditelj operacija.
Tvrdi materijali također različito opterećuju stroj. Jeftini stacionarni CNC tokarski stroj može raditi s aluminijem cijeli dan. Pokušajte pokrenuti kaljeni čelik i čut ćete kako se stvari počinju žaliti. Ležajevi se troše brže, kuglični vijci se olabave, točnost pozicioniranja se smanjuje.
Jedna trgovina koju sam posjetio u Texasu - mala radnja, obiteljska radnja - imala je dva identična-CNC tokarilice. "Zašto dva?" pitala sam. Vlasnik se nasmijao. "Ovaj je za aluminij i plastiku. Ovaj je za čelik i tvrđe stvari. Ako obradim tvrde materijale na aluminijskom stroju, neće izdržati toleranciju u roku od šest mjeseci. Naučio sam to na skup način."
Tolerancije (ono o čemu nitko izvan proizvodnje ne razmišlja)
Tolerancije su ono gdje CNC tokarenje zaista blista. Većina ručne strojne obrade ima za cilj ±0,005 inča ili ±0,010 inča. Prilično dobro za ručne operacije. Moderni CNC tokarilice rutinski drže ±0,0005 inča, neki mogu učiniti ±0,0001 inča pod pravim uvjetima.
To bi moglo zvučati kao besmislena preciznost, ali je iznimno važno. Automobilski dijelovi - komponente motora, osovine mjenjača - trebaju niske tolerancije da bi ispravno funkcionirali. Medicinski uređaji još više. Razgovarao sam s tipom koji izrađuje kirurške implantate koji je rekao da su njihove tolerancije ponekad bile u desetinkama - 0.0001 inča. "Na toj je razini važna temperatura u radnji. Širenje materijala uslijed topline može vas izbaciti iz specifikacija."
Zrakoplovstvo je najgore. Ili najbolje, ovisno o perspektivi. Posjetio izvođača vojnih radova izvan Seattlea - ne mogu reći kojeg, NDA i sve to - i oni su tokarili dijelove za mlazne motore. Tolerancije su bile smiješne. Kao ±0,00005 inča na određenim značajkama. Strojar mi je pokazao izvješće o inspekciji. Dvadeset-sedam izmjerenih dimenzija na jednom dijelu, sve su morale biti unutar nekoliko deset{10}}tisućinki.
"Kako to uopće točno izmjeriti?" pitala sam. Pokazao je na prostoriju za-kontrolu klime. "Temperatura kontrolirana na ±1 stupanj F, granitne površinske ploče, laserski skeneri. Oprema za inspekciju košta više od CNC stroja."
Odabir alata (tajna složenost)
Alati za rezanje vlastiti su svemir složenosti. Karbidni umetci, keramički alati, CBN (kubni bor nitrid), dijamant. Različite geometrije, premazi, lomilice strugotine. Svaki materijal i operacija zahtijevaju poseban alat.
Proveo sam dan u tehničkom centru Sandvik Coromant - ovo je bilo u Ohiju, možda 2015 - i imali su otprilike 50 000 različitih opcija umetanja. Pedeset tisuća. Inženjer aplikacija mi je pokazao kako mijenjanje geometrije pločice u malim količinama utječe na formiranje strugotine, sile rezanja, završnu obradu površine, vijek trajanja alata.
"Većina trgovina koristi možda 10-15 različitih umetaka za 90% svog posla", rekao je. "Ali zadnjih 10% - čudnih materijala, uskih tolerancija, teške geometrije - tu je važno znati svoj alat."
Troškovi također jako variraju. Osnovni karbidni umeci mogu koštati 8-10 USD svaki. Otmjeni presvučeni umeci za nehrđajuće ili egzotične materijale? 40-50 dolara. CBN umeci za kaljeni čelik? $200+. I troše se. Dio skrivenih troškova CNC tokarenja o kojima ljudi ne razmišljaju.
Alati uživo (gdje se tokarenje susreće s glodanjem)
Moderni CNC tokarilice često imaju "aktivne alate" - pokretane alate koji mogu glodati, bušiti, urezivati dok je dio još u tokarilici. Briše granicu između centara za tokarenje i glodanje.
Vidio sam ovo u trgovini u Minnesoti koja proizvodi tijela hidrauličkih ventila. Složeni dijelovi, puno poprečnih rupa, navojnih rupa, ravnih glodalica na cilindričnim tijelima. Koristi se za višestruke postavke - uključi tokarilicu, prijeđi na glodalicu, možda natrag na tokarilicu. Sada rade sve u jednoj postavci na-mlinskom centru.
"Vrijeme postavljanja smanjilo se za 60%", rekao mi je voditelj proizvodnje. "I točnost je poboljšana jer ne premještamo dio između strojeva. Svaki put kada ponovno zategnete dio, predstavljate potencijalnu pogrešku."
Programiranje ipak postaje složenije. Sada koordinirate rotaciju, pozicioniranje alata, rotaciju alata uživo, rashladno sredstvo - puno varijabli. Jedan programer s kojim sam razgovarao na konferenciji u Chicagu rekao je da je učenje alata uživo udvostručilo njegovo vrijeme programiranja u početku. "Trebalo mi je možda dvije godine prije nego što sam se osjećao ugodno. Sada ne mogu zamisliti povratak."
Švicarski -tip tokarilica (Čudni rođak)
Švicarski-tip tokarilica sasvim je druga vrsta. Izvorno razvijeni za švicarsko urarstvo - otuda i naziv - dizajnirani su za duge, vitke dijelove koji bi se skrenuli na normalnom tokarskom stroju.
Dio prolazi kroz čahuru za vođenje blizu alata za rezanje. Alat vidi samo četvrtinu-inča duljine dijela odjednom, ostalo je podržano. Omogućuje vam okretanje jako dugih, tankih dijelova bez problema s otklonom.
Posjetio sam proizvođača medicinskih uređaja u Kaliforniji - području Silicijske doline - koji je pokretao švicarske strojeve za izradu sićušnih kirurških komponenti. Dijelovi su možda bili promjera 2 mm, dugi 50 mm. Nehrđajući čelik. Tolerancije u desetinkama. "Probajte to na običnom tokarskom stroju i dio se savija, klepetanje uništava završnu obradu površine, ništa nije u toleranciji", objasnio je glavni strojar.
Švicarski strojevi su ipak skupi. Početna razina može biti 100.000 $, -oni visoki guraju 500.000 $ ili više. I izbirljivi su. Potrebno je stvarno precizno poravnanje, sićušni alati koji se lako kvare, složeno programiranje.
Jedan vlasnik trgovine u Minnesoti rekao mi je: "Kupili smo švicarski tokarski stroj misleći da će riješiti sve naše probleme s malim-dijelovima. Trebalo nam je devet mjeseci da iz njega dobijemo stalno dobre dijelove. Skoro smo odustali i prodali stvar." Na kraju su to shvatili, sada radi 24/7. Ali strma krivulja učenja.
Automatizacija (kamo ovo vodi)
Automatizacija je trenutna opsesija. Hranilice šipki koje automatski dodaju sirovinu. Robotske ruke koje učitavaju gotove dijelove i istovaruju gotove dijelove. Neke trgovine gase-svjetla i proizvode - strojeva koji rade preko noći bez ikoga.
Posjetio sam proizvođača pričvršćivača u Indiani - ovo je možda 2021 - radio na 20 CNC tokarilica s dva operatera u smjeni. Odmor je bio automatiziran. Ulagači šipki održavali su opskrbu strojeva, dijelove bacali u spremnike, pokretne trake pomicale materijal. "Nekada smo ove strojeve pokretali s jednim operaterom na dva stroja", rekao je upravitelj tvornice. "Sada je jedan operater na deset, a guramo se prema jednom na petnaest."
Investicija je ipak ozbiljna. Dobar feeder za bar može koštati 20-40 tisuća USD. Robotske ćelije mogu koštati 100 do 250 tisuća dolara, ovisno o složenosti. Ima smisla samo ako koristite velike količine.
Manje trgovine muku muče s tim. Razgovarao sam s vlasnikom trgovine u Pennsylvaniji koji je rekao: "Proizvodimo možda 50-500 komada po seriji. Vrijeme postavljanja nas ubija, ali količine nisu dovoljno velike da opravdaju automatizaciju. Zapeli smo u ovoj sredini."
Kontrola kvalitete (problem inspekcije)
Kontrola kvalitete je ono gdje se mnoge trgovine muče, čak i s CNC-om. Samo zato što program radi ne znači da su dijelovi u specifikaciji. Alati se troše, strojevi zanose, materijali variraju.
Većina trgovina radi pregled-prvog dijela, nasumično uzimanje uzoraka tijekom izvođenja, završni pregled. Ali postoji rasprava o tome koliko je dovoljno. Gledao sam svađu na proizvodnoj konferenciji u Detroitu - 2019 mislim - između upravitelja kvalitete i upravitelja proizvodnje.
Kvalitetan tip: "Moramo izmjeriti svaki dio."
Tip iz proizvodnje: "To udvostručuje naše troškove rada. CNC je ponovljiv."
Tip za kvalitetu: "Dok ne bude. Onda šaljemo loše dijelove i gubimo kupca."
Nema jednostavnog odgovora. Ovisi o dijelu, kupcu, posljedicama kvara. Medicinski i zrakoplovni? Izmjerite sve. Niski-ulozi komercijalnih dijelova? Pregled uzorka vjerojatno je u redu.
U -procesu mjerenje pomaže. Sonde alata koje provjeravaju dimenzije tijekom strojne obrade, automatski kompenziraju ako se stvari pomaknu. Košta unaprijed, ali može spriječiti otpad.
Ono što vam nitko ne govori (skriveni izazovi)
Postoje izazovi s CNC tokarenjem koji ne dospiju u marketinške brošure.
Lom alata može ubiti produktivnost. Karbid je krt - udarite ga krivo i razbije se. Sada je vaš dio otpad, možda je oštetio stroj, izgubio vrijeme dok ste zamijenili alat i ponovno ga pokrenuli. Jedna trgovina koju sam posjetio u Georgiji imala je zid srama - fotografije polomljenih alata i oštećenih dijelova. "Podsjetnik na skupe pogreške", rekao je vlasnik.
Pražnjenje čipova važnije je nego što mislite. Rezanje metala stvara - mnogo strugotina. Ako se strugotine ne očiste kako treba, mogu izgrebati gotove površine, zaglaviti alate, čak uzrokovati padove. Vidio sam kako se strojevi zaustavljaju jer su se nakupila gnijezda strugotine i blokirala protok rashladne tekućine.
Sama rashladna tekućina je cijela stvar. Tradicionalna rashladna tekućina protiv poplava radi, ali stvara nered, treba filtraciju, zbrinjavanje košta. Visok{2}}tlačna rashladna tekućina kroz vreteno alata radi bolje za duboke rupe, ali zahtijeva poseban alat. Neke trgovine koriste rashladnu tekućinu ili čak suho rezanje. Svaki pristup ima kompromise.
Tu je i situacija sa softverom. Različite generacije regulatora koriste različite metode programiranja. Trgovine sa starijim strojevima mogu imati programe na disketama ili starim tvrdim diskovima. Posjetio sam jednu trgovinu koja još uvijek koristi računalo iz kasnih 90-ih za pokretanje svog Fanuc kontrolera. "Ako se ovo računalo pokvari, u nevolji smo", priznao je programer. "Dijelovi koda vjerojatno se ne bi čisto prenijeli na moderne sustave."
Nedostatak vještina (svi se žale)
Nedostatak kvalificirane radne snage je stvaran i postaje sve gori. Svaki vlasnik trgovine s kojim razgovaram to spominje. Ne mogu pronaći iskusne CNC programere ili strojare. Starija generacija odlazi u mirovinu, mladi ljudi ne znaju da proizvodnja postoji kao karijera.
Bio sam na tehničkom koledžu u Wisconsinu - 2020 ili 2021 - razgovarajući s direktorom programa strojne obrade. Rekao je da su imali više radnih mjesta u lokalnim tvrtkama nego što su imali diplomiranih studenata da ih popune. "Tvrtke su očajne. Početna plaća za CNC strojare ovdje je 25-30 USD po satu, ponekad i više. Još uvijek nema dovoljno ljudi."
Dio problema je percepcija. CNC strojna obrada zahtijeva pravu vještinu - programiranja, odabira alata, rješavanja problema, mjeriteljstva - ali ljudi još uvijek misle da je proizvodnja prljava i niska-vještina. Nije. Moderni CNC operateri moraju čitati nacrte, razumjeti geometriju, raditi s računalima, rješavati probleme. To je tehnički posao.
Neke trgovine obučavaju se od nule. Zaposlite ljude bez iskustva, stavite ih-na interne programe obuke. Potrebno je vrijeme, ali barem dobivate ljude koji uče vaše specifične procese.
Kamo ovo dalje ide (vjerojatno)
AI i strojno učenje sada su popularne riječi. Sustavi koji automatski optimiziraju parametre rezanja, predviđaju trošenje alata, prilagođavaju posmake i brzine u hodu. Neki od njih rade, neki su pretjerano razvikani.
Posjetio sam tvrtku koja prikazuje "-pokretan" strojnu obradu - sajam u Chicagu, 2022 - i iskreno, njihove demonstracije bile su impresivne. Sustav je naučio optimalne parametre rezanja za različite materijale i geometrije. Ali kad sam pitao o primjeni u pravim trgovinama, prodavač je bio nejasan. "Radimo na tome da ga učinimo dostupnijim."
Prijevod: skupo je i komplicirano za postavljanje. Možda za 10 godina ovo postane standard. Trenutno je to uglavnom u naprednim trgovinama s ozbiljnim proračunima.
Aditivna proizvodnja - 3D ispis metala - stalno se predstavlja kao zamjena za CNC. Ne kupujem ga. Aditiv ima svoje mjesto za složene geometrije i male volumene, ali za jednostavne okrugle dijelove u volumenu? CNC tokarenje je brže i jeftinije. Jedan zrakoplovni inženjer mi je rekao: "Koristimo aditiv za nemoguće geometrije. Sve ostalo je i dalje CNC. Dodatak je povećanje, a ne zamjena."
Nanoprecizna obrada još je jedna granica. Dijelovi mjereni u mikronima, tolerancije u jedno-znamenkastim mikrometrima. Poluvodička oprema, medicinski uređaji, precizna optika. Zahtijeva specijalizirane strojeve, kontrolirana okruženja, ozbiljno stručno znanje. Tržišna niša, ali raste.
Zašto je ovo zapravo važno
CNC tokarenje je nevidljiva infrastruktura. Gotovo svaki proizvedeni proizvod pretvorio je komponente negdje u svom opskrbnom lancu. Automobili, avioni, medicinska oprema, potrošačka elektronika, industrijski strojevi - svi ovise o precizno-tokarenim dijelovima.
Tijekom prekida opskrbnog lanca izazvanog COVID-om, ljudi su to odjednom primijetili. "Čekaj, ne možemo nabaviti ove dijelove?" Da, jer su se tvornice strojeva koje su ih proizvodile zatvorile, ili nisu mogle dobiti sirovine, ili su izgubile radnike.
Postoji možda 10.000-15.000 radionica u SAD-u koje rade s CNC-om. Zvuči kao puno, ali mnoge su male operacije - pet do deset ljudi. Ako nešto poremeti taj ekosustav, mnoge stvari prestaju raditi.
Razgovarao sam s upraviteljem opskrbnog lanca u velikoj automobilskoj tvrtki - ne mogu reći kojoj, NDA - koji je rekao da imaju stotine strojarnica u svom opskrbnom lancu koje proizvode razne tokarene komponente. "Ljudi razmišljaju o velikim dobavljačima - Tier 1 koji proizvode module i sklopove. Ali postoje tisuće malih trgovina koje proizvode pojedinačne dijelove. Tu je ranjivost."
Sama tehnologija postaje sve bolja. Strojevi su precizniji, pouzdaniji, brži. Softver je sofisticiraniji. Ali u osnovi još uvijek uklanjamo materijal oštrim alatima kako bismo napravili precizne oblike. Isti princip kao onaj staroegipatski tokarski stroj, samo sada s računalima.
Natrag u trgovinu u Milwaukeeju. Prije nego što sam otišao, vlasnik mi je pokazao dio koji su napravili 1980-ih na ručnom tokarskom stroju - i zadržao ga za usporedbu. U odnosu na isti dio napravljen na njihovom novom CNC-u. Površinska obrada bila je bolja na CNC-u. Dimenzije dosljednije. Vrijeme ciklusa djelić onoga što je bilo.
"Ova se tehnologija isplatila za dvije godine", rekao je. "Najbolja investicija koju smo ikada napravili. Samo bih volio da smo to učinili ranije."
Ima smisla za mene.
Ako želite saznati više
Stručne publikacije kao što su Modern Machine Shop i Cutting Tool Engineering redovito pokrivaju CNC tokarenje. Dobro za praćenje novih tehnologija i tehnika.
Proizvođači strojeva - Haas, Mazak, DMG Mori, Okuma - imaju tehničku dokumentaciju i materijale za obuku. Neki imaju otvorene kuće gdje možete vidjeti strojeve na djelu. Vrijedi prisustvovati ako ste blizu.
Proizvođači alata kao što su Sandvik Coromant, Kennametal, Iscar imaju opsežne tehničke resurse na svojim web stranicama. Vodiči za primjenu, kalkulatori brzine i hrane, savjeti za rješavanje problema. Korisniji nego što biste očekivali.
NIST (Nacionalni institut za standarde i tehnologiju) objavljuje istraživanje proizvodnje. Akademski, ali povremeno koristan za razumijevanje preciznih mjerenja i dinamike alatnog stroja.
Tijekom godina vodio korisne razgovore sa strojarima, programerima i vlasnicima trgovina na raznim sajmovima - IMTS u Chicagu, WESTEC u Kaliforniji, EASTEC u Massachusettsu. Većina informativnih stvari proizašla je iz hodanja i razgovora s ljudima koji zapravo rade posao, a ne iz službenih prezentacija.
Podaci i primjeri aktualni od 2023-2024. Proizvodnja se kreće dovoljno brzo da treba provjeriti određene brojke i tehnologije. Nemojte samo citirati neku osobu na internetu - posjetite prave trgovine ako možete.
Oh, još jedna stvar - ako gledate u preciznu proizvodnju, vjerojatno biste trebali provjeriti i EDM za potapanje. Potpuno drugačiji proces (električno pražnjenje umjesto rezanja), ali rješava probleme koje CNC tokarenje ne može. Tvrdi materijali, složene šupljine, stvari u koje fizički ne možete unijeti alat za rezanje. Ona trgovina zrakoplovima iz Connecticuta koju sam spomenuo? Polovica njihovih složenih dijelova prošla je kroz EDM nakon tokarenja. Vrijedno razumijevanja ako ozbiljno razmišljate o preciznom radu.
Dodatna napomena - za otvrdnute materijale ili složene radove, pogledajte EDM za utapanje. Drugačija tehnologija (obrada električnim pražnjenjem), ali se dobro slaže s tokarenjem. Vidio sam da se koristi za izradu kalupa u Ohiju. Vrijedi znati.
Dodatna napomena - u posljednje je vrijeme proučavao EDM za utapanje, posebno za preciznu izradu kalupa i složene primjene šupljina. Potpuno drugačiji proces od CNC tokarenja, ali zanimljivo kako se precizna proizvodnja pojavljuje posvuda. Pišite o tome ovdje ako vas zanima kako EDM mijenja proizvodnju elektronike:sinker edm. Slična tema nevidljive infrastrukture o kojoj većina ljudi ne razmišlja.