Pe scurt, asta este strunjirea CNC, dar asta nu surprinde cu adevărat ceea ce a schimbat. Partea pe care mi-a arătat-o - se pare că era pentru echipament medical. O componentă a instrumentului chirurgical. Toleranțe au fost strânse, de genul ± 0,0005 inci. La un strung manual, ai avea nevoie de un mașinist cu adevărat priceput și poate că una din cinci piese ar fi fier vechi. CNC-ul? Zero resturi în ziua aceea. Guy mi-a spus că vor rula 500 de bucăți în acea săptămână fără un singur respingere.
Mă ocup de producție de aproximativ 15 ani, iar strunjirea CNC este una dintre acele tehnologii care au transformat complet o industrie, dar rămâne cumva invizibilă dacă nu faci lucruri.
Problema strungului manual (de ce contează asta)
Să ne întoarcem puțin. Strungurile tradiționale există de la - Nu știu, Egiptul antic sau așa ceva? Cu siguranță secole. Conceptul de bază nu s-a schimbat niciodată: rotiți piesa, țineți o unealtă de tăiere împotriva ei, o modelați prin îndepărtarea materialului. Simplu.
Problema este că strungurile manuale necesită abilități serioase. Am urmărit un maestru mașinist la o școală de meserii din Cleveland - acesta a fost 2017, poate - petrec 45 de minute învățând elevilor cum să înfrunte o parte. Doar făcând capătul plat. Patruzeci-cinci de minute pentru ceva care sună banal. Coordonarea mâinii-ochiului necesară, simțirea materialului, știind când instrumentul devine plictisitor - nu puteți preda asta într-o clasă. Durează ani.
Și chiar și atunci, consistența este grea. Același mașinist, aceeași configurație, piesele vor varia ușor de la lot la lot. Poate în toleranță, poate nu. Un tip de la acel magazin din Milwaukee mi-a spus că a lucrat cu strunguri manuale timp de 20 de ani înainte să introducă CNC. „Unele zile, totul a declanșat, piesele au ieșit perfecte. În alte zile, mă luptam cu mașina pe toate schimburile și tot ajungeam cu resturi. Nu mi-am dat seama niciodată de ce”.
Ce face CNC de fapt (partea computerului)
CNC - Control numeric computerizat. Practic, programezi coordonatele și traseele de tăiere într-un computer, mașina le urmează exact. De fiecare dată. Fără variații, fără zile libere, fără „Nu am dormit bine, așa că piesele mele sunt ușor în afara specificațiilor”.
Piesa de strunjire se referă în mod specific la operațiunile pe o mașină de tip strung-. Piesele se rotesc, instrumentul de tăiere se mișcă pe trasee programate pentru a crea forma dorită. Spre deosebire de frezarea CNC, unde scula se rotește și piesa este staționară. Animal diferit, deși oamenii le confundă.
Îmi amintesc că am vorbit cu un programator la o casă deschisă Haas - Dallas cred, 2018 sau 2019 - care a spus că descoperirea nu a fost cu adevărat hardware-ul. Hardware-ul este destul de simplu. „Magia se află în sistemele de control și limbajele de programare. Codul G-pare simplu, dar obținerea unei piese complexe la prima încercare? Aceasta este o artă.”
Situația de programare (mai dezordonată decât ați crede)
Vorbind despre programare -, acest lucru devine dezordonat în moduri la care oamenii nu se așteaptă. Există diferite controlere, diferite pachete software, diferite post-procesoare. Fanuc, Siemens, Haas, Mazak - au cu toții propriile lor ciudații.
Codul G-este limba standard. În teorie. În practică, fiecare mașină interpretează anumite comenzi ușor diferit. Am urmărit un inginer de la un producător contractual din Michigan - acesta a fost poate 2020 - petrecând două ore depanând de ce o piesă iese cu 0,003 inci. S-a dovedit că Mazak lor a interpretat o anumită comandă de cod G-în mod diferit decât mașinile Haas. Același program, rezultate diferite.
„De aceea taxăm atât de mult pentru configurare”, a spus el. „Fiecare parte nouă este un puzzle. Chiar dacă ai mai rulat piese similare”.
Majoritatea magazinelor folosesc acum software CAM - Fabricare asistată de computer. Desenați piesa în CAD, CAM generează traseele sculei și codul G-. Sună automat, dar nu este. Totuși, necesită cunoștințe serioase despre vitezele de tăiere, vitezele de avans, selecția sculelor, menținerea lucrării. Am văzut programatori cu 30 de ani de experiență încă învățând trucuri noi.
Materialele contează mai mult decât își dau seama oamenii
Materialul pe care îl răsuciți schimbă totul. Aluminiul taie ca untul - moale, ușor de utilizat, viteze mari ale axului. Oțelul necesită viteze și avansuri diferite. Oțelul inoxidabil este apucător, vrea să lucreze dur. Titan? Uită de asta. Material scump, scule scumpe, viteze mici, generează căldură nebună.
Am fost la un furnizor aerospațial din Connecticut - poate 2016 - i-am urmărit cum transformau componentele trenului de aterizare din titan. Inserțiile din carbură pe care le-au folosit au costat aproximativ 40 USD fiecare și au durat poate 30 de piese înainte de a fi nevoie de înlocuire. „Cheltuim uneori mai mult pe scule decât pe materia primă”, mi-a spus managerul de operațiuni.
Materialele dure stresează, de asemenea, mașina în mod diferit. Un strung CNC de banc ieftin poate manipula aluminiul toată ziua. Încercați să rulați oțel întărit și veți auzi că lucrurile încep să se plângă. Rulmenții se uzează mai repede, șuruburile cu bile se slăbesc, precizia de poziționare se degradează.
Un magazin pe care l-am vizitat în Texas - mic atelier de lucru, operațiune de familie - avea două strunguri CNC identice-. — De ce doi? Am întrebat. Proprietarul a râs. "Acesta este pentru aluminiu și materiale plastice. Acela este pentru oțel și chestii mai dure. Dacă rulez materiale dure pe mașina de aluminiu, nu va păstra toleranța în șase luni. Am învățat asta în modul scump."
Toleranțe (lucru la care nu se gândește nimeni din afara producției)
Toleranțele sunt acolo unde strunjirea CNC strălucește cu adevărat. Majoritatea prelucrărilor manuale vizează ±0,005 inchi sau ±0,010 inci. Destul de bun pentru operații manuale. Strungurile CNC moderne țin în mod obișnuit ±0,0005 inchi, unele pot face ±0,0001 inci în condițiile potrivite.
Ar putea suna ca o precizie lipsită de sens, dar contează enorm. Piesele de automobile - componentele motorului, arborii de transmisie - au nevoie de toleranțe strânse pentru a funcționa corect. Dispozitive medicale cu atât mai mult. Am vorbit cu un tip care făcea implanturi chirurgicale care a spus că toleranțele lor erau uneori de zecimi de - 0.0001 inci. "La acest nivel, temperatura din magazin contează. Expansiunea materialului din cauza căldurii te poate scoate din specificații."
Aerospațial este cel mai rău. Sau cel mai bine, în funcție de perspectivă. Am vizitat un antreprenor de apărare în afara Seattle - nu pot spune care dintre ele, NDA și toate astea - și ei transformau piese pentru motoare cu reacție. Toleranțele erau ridicole. Ca ±0,00005 inchi pentru anumite caracteristici. Mecanistul mi-a arătat raportul de inspecție. Douăzeci-șapte dimensiuni măsurate pe o singură parte, toate trebuiau să se încadreze în câteva zece-mii.
„Cum măcar măcar atât de precis?” Am întrebat. A arătat spre o cameră de inspecție-climată controlată. „Temperatura controlată la ±1 grad F, plăci de suprafață de granit, scanere cu laser. Echipamentul de inspecție costă mai mult decât mașina CNC.”
Selectarea instrumentului (Complexitatea secretă)
Uneltele de tăiere sunt propriul lor univers de complexitate. Inserții din carbură, scule ceramice, CBN (nitrură de bor cubică), diamant. Diferite geometrii, acoperiri, sparge așchii. Fiecare material și operațiune necesită unelte specifice.
Am petrecut o zi la un centru tehnic Sandvik Coromant - acesta era în Ohio, poate 2015 - și aveau aproximativ 50.000 de opțiuni diferite de inserare. Cincizeci de mii. Inginerul de aplicații mi-a arătat cum modificarea geometriei plăcuței în cantități mici afectează formarea așchiilor, forțele de tăiere, finisarea suprafeței, durata de viață a sculei.
„Majoritatea magazinelor folosesc poate 10-15 inserturi diferite pentru 90% din munca lor”, a spus el. „Dar ultimele 10% - materialele ciudate, toleranțele strânse, geometriile dificile – aici contează cunoașterea sculelor.”
Costul variază foarte mult și el. Inserțiile de bază din carbură ar putea fi de 8-10 USD fiecare. Inserții acoperite de lux pentru materiale inoxidabile sau exotice? 40-50 USD. Inserții CBN pentru oțel călit? $200+. Și se uzează. O parte din costurile ascunse ale strunjirii CNC la care oamenii nu se gândesc.
Scule sub tensiune (unde strunjirea întâlnește frezarea)
Strungurile CNC moderne au adesea scule motorizate cu „unelte active” - care pot freza, găuri, bate în timp ce piesa este încă în strung. Estompează linia dintre centrele de strunjire și de frezare.
Am văzut asta la un magazin din Minnesota, făcând corpuri de supape hidraulice. Piese complexe, multe orificii transversale, gauri filetate, plate frezate pe corpuri cilindrice. Folosit pentru a necesita mai multe setări - porniți strung, treceți la freza, poate înapoi la strung. Acum fac totul într-o singură configurare pe un centru de freza-turn.
„Timpul de configurare a scăzut cu 60%”, mi-a spus directorul de producție. „Și precizia s-a îmbunătățit, deoarece nu mișcăm piesa între mașini. De fiecare dată când remontați o piesă, introduceți o potențială eroare.”
Totuși, programarea devine mai dificilă. Acum coordonați rotația, poziționarea sculei, rotația sculei în timp real, lichidul de răcire - o mulțime de variabile. Un programator cu care am vorbit la o conferință din Chicago a spus că învățarea instrumentelor live și-a dublat inițial timpul de programare. „A durat poate doi ani până să mă simt confortabil. Acum nu-mi pot imagina să mă întorc”.
Strunguri de tip elvețian-(The Weird Cousin)
Strungurile de tip-elvețian sunt o rasă complet diferită. Dezvoltate inițial pentru ceasornicaria elvețiană -, de unde și numele -, sunt concepute pentru piese lungi și subțiri care s-ar deforma la un strung normal.
Piesa trece printr-o bucșă de ghidare aproape de unealta de tăiere. Instrumentul vede doar un sfert-inch de lungime a unei părți o dată, repausul este acceptat. Vă permite să întoarceți părți foarte lungi și subțiri, fără probleme de deformare.
Am vizitat un producător de dispozitive medicale din California - zona Silicon Valley - care conducea mașini elvețiene care produceau componente chirurgicale minuscule. Piesele aveau poate 2 mm diametru, 50 mm lungime. Oţel inoxidabil. Toleranțe în zecimi. „Încercați asta la un strung obișnuit și piesa se îndoaie, zgomotul vă strică finisajul suprafeței, nimic nu este în toleranță”, a explicat mecanicul principal.
Mașinile elvețiene sunt însă scumpe. Nivelul de intrare ar putea fi de 100.000 USD, cei de-de ultimă generație depășesc 500.000 USD sau mai mult. Și sunt hotărâți. Este necesară o aliniere foarte precisă, unelte minuscule care se întrerup ușor, programare complexă.
Un proprietar de magazin din Minnesota mi-a spus: „Am cumpărat un strung elvețian crezând că va rezolva toate problemele noastre-pieselor mici. Ne-a luat nouă luni să scoatem piese constant bune din el. Aproape am renunțat și am vândut chestia”. Până la urmă și-au dat seama, acum funcționează 24/7. Dar curba abruptă de învățare.
Automatizare (unde se îndreaptă aceasta)
Automatizarea este obsesia actuală. Alimentatoare de bare care alimentează automat cu materie primă. Brațe robot care încarcă semifabricate și descarcă piesele finite. Unele magazine sting luminile-fabricate - mașini care funcționează peste noapte, fără nimeni acolo.
Am vizitat un producător de elemente de fixare din Indiana - acesta poate 2021 - care executa 20 de strunguri CNC cu doi operatori în tură. Restul a fost automatizat. Alimentatoarele de bar țineau mașinile aprovizionate, piesele scăpau în coșuri, transportoarele mutau materialul. „Obișnuiam să rulăm aceste mașini cu un operator la două mașini”, a spus directorul fabricii. „Acum este un operator la zece și ne îndreptăm spre unul la cincisprezece”.
Investiția este totuși serioasă. Un alimentator de bar bun ar putea costa 20.000-40.000 USD. Celulele robot pot fi între 100.000 și 250.000 USD, în funcție de complexitate. Are sens doar dacă rulați volume mari.
Magazinele mai mici se luptă cu asta. Am discutat cu un proprietar de atelier de lucru din Pennsylvania, care a spus: „Facem poate 50-500 de bucăți pe tiraj. Timpul de configurare ne omoară, dar volumele nu sunt suficient de mari pentru a justifica automatizarea. Suntem blocați pe această cale de mijloc”.
Controlul calității (problema inspecției)
Controlul calității este locul în care multe magazine se luptă, chiar și cu CNC. Doar pentru că un program rulează nu înseamnă că piesele sunt în specificații. Uzura sculelor, mașinile se deplasează, materialele variază.
Majoritatea magazinelor efectuează prima{0}}inspecție, prelevare aleatorie de probe în timpul rulajelor, inspecție finală. Dar există o dezbatere despre cât de mult este suficient. Am urmărit o ceartă la o conferință de producție din Detroit - 2019 Cred că - între un manager de calitate și un manager de producție.
Tip de calitate: "Trebuie să măsurăm fiecare parte."
Tipul producției: „Asta ne dublează costurile cu forța de muncă. CNC-ul este repetabil.”
Tip de calitate: "Până când nu mai este. Apoi expediem piese proaste și pierdem clientul."
Nici un răspuns ușor. Depinde de parte, de client, de consecințele eșecului. Medical și aerospațial? Măsurați totul. Piese comerciale cu mize mici-? Inspecția eșantionului probabil este în regulă.
Măsurarea-în proces vă ajută. Sondele pentru scule care verifică dimensiunile în timpul prelucrării, compensează automat dacă lucrurile se deplasează. Costă bani în avans, dar poate preveni deșeurile.
Ce nu-ți spune nimeni (provocări ascunse)
Există provocări în ceea ce privește transformarea CNC care nu se transformă în broșuri de marketing.
Ruperea sculei poate distruge productivitatea. Carbura este casantă - a lovit-o greșit și se sparge. Acum, resturile piesei dvs., poate a deteriorat mașina, a pierdut timp în timp ce înlocuiți unealta și reporniți. Un magazin pe care l-am vizitat în Georgia avea un zid al rușinii - fotografii cu unelte sparte și piese deteriorate. „Memento de greșeli costisitoare”, a spus proprietarul.
Evacuarea cipului contează mai mult decât ai crede. Tăierea metalului face așchii - multe dintre ele. Dacă așchiile nu se curăță corespunzător, acestea pot zgâria suprafețele finisate, pot bloca sculele și pot provoca chiar accidente. Am văzut mașini oprindu-se deoarece s-au format cuiburi de așchii și au blocat fluxul de lichid de răcire.
Lichidul de răcire în sine este un întreg. Lichidul de răcire tradițional de inundații funcționează, dar face mizerie, necesită filtrare, eliminarea costă bani. Lichidul de răcire cu presiune înaltă-prin axul sculei funcționează mai bine pentru găurile adânci, dar necesită unelte speciale. Unele magazine folosesc lichid de răcire cu ceață sau chiar tăiere uscată. Fiecare abordare are compromisuri.
Apoi este situația software. Diferite generații de controlere folosesc metode de programare diferite. Magazinele cu mașini mai vechi ar putea avea programe pe dischete sau hard disk-uri vechi. Am vizitat un magazin folosind încă un computer de la sfârșitul anilor 90 pentru a rula controlerul Fanuc. „Dacă acest computer moare, avem probleme”, a recunoscut programatorul. „Parți din cod probabil că nu s-ar transfera în mod curat în sistemele moderne.”
The Skills Gap Thing (Toți se plâng despre)
Lipsa de forță de muncă calificată este reală și se agravează. Fiecare proprietar de magazin cu care vorbesc o menționează. Nu găsesc programatori CNC sau mașiniști experimentați. Generația mai în vârstă se pensionează, tinerii nu știu că producția există ca o carieră.
Am fost la un colegiu tehnic din Wisconsin - 2020 sau 2021 - vorbea cu directorul programului de prelucrare. El a spus că aveau mai multe locuri de muncă disponibile de la companiile locale decât aveau absolvenți care să le ocupe. "Companiile sunt disperate. Salariile inițiale pentru mașiniștii CNC atinge 25-30 USD/oră aici, uneori mai mult. Încă nu pot obține destui oameni."
O parte a problemei este percepția. Prelucrarea CNC necesită abilități reale - programare, selectare a sculelor, depanare, metrologie -, dar oamenii încă cred că producția este murdară și cu o calificare redusă-. Nu este. Operatorii CNC moderni trebuie să citească planuri, să înțeleagă geometria, să lucreze cu computere, să rezolve probleme. Este o muncă tehnică.
Unele magazine se antrenează de la zero. Angajați oameni fără experiență, promovați-le-programe de formare interne. Este nevoie de timp, dar cel puțin obții oameni care învață procesele tale specifice.
Unde urmează (probabil)
AI și învățarea automată sunt cuvintele la modă acum. Sisteme care optimizează automat parametrii de tăiere, prezic uzura sculei, ajustează avansurile și vitezele din mers. Unele dintre ele funcționează, altele sunt supraevaluate.
Am vizitat o companie care prezintă o expoziție comercială de prelucrare {-AI-alimentată cu ajutorul AI{1}} din Chicago, 2022 - și, sincer, demonstrațiile lor au fost impresionante. Sistemul a învățat parametrii optimi de tăiere pentru diferite materiale și geometrii. Dar când am întrebat despre implementarea în magazine reale, vânzătorul a devenit vag. „Lucrăm să o facem mai accesibilă”.
Traducere: este costisitor și complicat de configurat. Poate în 10 ani chestia asta devine standard. Momentan este mai ales în magazine avansate cu bugete serioase.
Fabricarea aditivă - 3Imprimarea D metal - continuă să fie prezentată ca înlocuitor pentru CNC. Nu cumpărându-l. Aditivul își are locul pentru geometrii complexe și volume mici, dar pentru piese rotunde simple în volum? Strunjirea CNC este mai rapidă și mai ieftină. Un inginer aerospațial mi-a spus: „Folosim aditiv pentru geometrii imposibile. Orice altceva este încă CNC. Aditivul este creșterea, nu înlocuirea”.
Prelucrarea de nanoprecizie este o altă frontieră. Piese măsurate în microni, toleranțele în micrometri cu o singură cifră-. Echipamente semiconductoare, dispozitive medicale, optică de precizie. Necesita utilaje specializate, medii controlate, expertiza serioasa. Piață de nișă, dar în creștere.
De ce contează asta de fapt
Strunjirea CNC este o infrastructură invizibilă. Aproape fiecare produs fabricat a transformat componente undeva în lanțul său de aprovizionare. Mașini, avioane, echipamente medicale, electronice de larg consum, mașini industriale - toate depind de piese turnate cu precizie-.
În timpul întreruperilor lanțului de aprovizionare cu COVID, oamenii au observat brusc. "Stai, nu putem lua aceste piese?" Da, pentru că atelierele de mașini care le făceau să se închidă sau nu au putut obține materii prime sau au pierdut muncitori.
Există poate 10.000-15.000 de ateliere de mașini în SUA care lucrează cu CNC. Sună mult, dar multe sunt operațiuni minuscule - cinci până la zece persoane. Dacă ceva perturbă acel ecosistem, multe lucruri nu mai funcționează.
Am discutat cu un manager al lanțului de aprovizionare de la o mare companie de automobile, - nu pot spune care dintre ele, NDA - care a spus că au sute de ateliere de mașini în lanțul lor de aprovizionare care produc diverse componente strunjite. „Oamenii se gândesc la furnizorii mari - Tier 1 care produc module și ansambluri. Dar există mii de mici magazine care produc piese individuale. Aici este vulnerabilitatea.”
Tehnologia în sine este din ce în ce mai bună. Aparatele sunt mai precise, fiabile, mai rapide. Software-ul este mai sofisticat. Dar, în principiu, încă îndepărtăm material cu instrumente ascuțite pentru a realiza forme precise. Același principiu ca acel strung egiptean antic, doar cu computerele acum.
Înapoi la acel magazin din Milwaukee. Înainte să plec, proprietarul mi-a arătat o piesă pe care o făcuseră în anii 1980 la un strung manual - a păstrat-o pentru comparație. Față de aceeași piesă făcută pe noul lor CNC. Finisajul suprafeței a fost mai bun la CNC. Dimensiuni mai consistente. Timpul ciclului este o fracțiune din ceea ce a fost.
„Această tehnologie s-a amortizat de la sine în doi ani”, a spus el. "Cea mai bună investiție pe care am făcut-o vreodată. Doar că am fi vrut să o fi făcut-o mai devreme."
Are sens pentru mine.
Dacă doriți să aflați mai multe
Publicații comerciale, cum ar fi Modern Machine Shop și Cutting Tool Engineering, acoperă în mod regulat strunjirea CNC. Bun pentru a ține pasul cu noile tehnologii și tehnici.
Producătorii de utilaje - Haas, Mazak, DMG Mori, Okuma - au documentație tehnică și materiale de instruire. Unii organizează case deschise unde poți vedea mașinile în acțiune. Merită să mergi dacă ești lângă unul.
Producătorii de scule precum Sandvik Coromant, Kennametal, Iscar au resurse tehnice profunde pe site-urile lor web. Ghiduri de aplicații, calculatoare de viteză și de avans, sfaturi de depanare. Mai util decât te-ai aștepta.
NIST (Institutul Național de Standarde și Tehnologie) publică cercetări de producție. Academic, dar ocazional util pentru înțelegerea măsurătorilor de precizie și a dinamicii mașinilor-unelte.
Am avut conversații utile de-a lungul anilor cu mașiniști, programatori și proprietari de magazine la diferite târguri comerciale - IMTS din Chicago, WESTEC în California, EASTEC în Massachusetts. Cele mai multe lucruri informative au venit din mers pe jos și vorbesc cu oamenii care realizează munca, nu din prezentări oficiale.
Date și exemple actuale din 2023-2024. Producția se mișcă suficient de rapid încât anumite numere și tehnologii ar trebui verificate. Nu citați doar o persoană pe internet - vizitați magazinele reale dacă puteți.
O, încă un lucru - dacă te uiți la producția de precizie, probabil că ar trebui să verifici și EDM sinker. Proces diferit complet (descărcare electrică în loc de tăiere), dar rezolvă probleme pe care strunjirea CNC nu le poate face. Materiale dure, cavități complexe, lucruri în care fizic nu poți introduce o unealtă de tăiere acolo. Magazinul aerospațial din Connecticut pe care l-am menționat? Jumătate din piesele lor complexe au trecut prin EDM după întoarcere. Merită înțeles dacă ești serios în ceea ce privește munca de precizie.
Notă secundară - pentru materiale întărite sau lucrări complexe, consultați EDM cu scufundare. Tehnologie diferită (prelucrare cu descărcare electrică), dar se potrivește bine cu strunjirea. L-am văzut folosit pentru lucrări de mucegai în Ohio. Merită să știți.
Notă secundară - s-a ocupat în ultimul timp de electroeroziune cu scufundări, în special pentru fabricarea de matrițe de precizie și aplicații complexe cu cavități. Proces complet diferit de strunjirea CNC, dar interesant modul în care producția de precizie apare peste tot. Scrieți despre asta aici dacă sunteți curios despre modul în care EDM schimbă producția de electronice:sinker edm. Tema similară a infrastructurii invizibile la care majoritatea oamenilor nu se gândesc.