Jak działają grawerki CNC do metalu: mechanizmy, przepływ pracy i precyzja

Podstawowa architektura elektroniczna i mechaniczna

W sercu maszyny do grawerowania CNC (Computer Numerical Control) leży wyrafinowany związek pomiędzy instrukcjami cyfrowymi a ruchem fizycznym. Proces rozpoczyna się od kontroler , który działa jak mózg maszyny. Odbiera kod G – język programowania zawierający dane współrzędne – i tłumaczy te cyfrowe zdania na impulsy elektryczne o niskim napięciu. Impulsy te są wysyłane do sterowniki krokowe lub serwo , które wzmacniają sygnały do zasilania silników.

Następnie silniki przekształcają tę energię elektryczną w precyzyjny ruch obrotowy. W przypadku precyzyjnego grawerowania metalu obrót ten należy przełożyć na ruch liniowy z mikroskopijną dokładnością. Osiąga się to poprzez układ przeniesienia napędu, który porusza suwnicą (oś X i Y) oraz mocowaniem wrzeciona (oś Z). Sztywność całego systemu jest najważniejsza; w przeciwieństwie do routerów do obróbki drewna, grawer do metalu musi wytrzymać znaczne siły odchylające, aby zapobiec „drganiu”, które powoduje słabe wykończenie powierzchni i pękanie narzędzi.

Systemy przekładni: śruby kulowe a zębatka i zębnik

Sposób poruszania osiami maszyny znacząco wpływa na jej rozdzielczość i przydatność do grawerowania drobnych detali. W maszynach do grawerowania CNC w metalu występują dwa podstawowe typy przekładni:

• Przekładnia śrubowa kulowa: To złoty standard w zakresie precyzyjnego grawerowania metalu. Gwintowany wał przechodzi przez nakrętkę wypełnioną łożyskami kulkowymi. Gdy śruba się obraca, nakrętka porusza się liniowo z praktycznie zerowym luzem (luzem). Mechanizm ten pozwala na wyjątkowo płynny ruch i przenoszenie wysokiego momentu obrotowego, który jest niezbędny do przepychania noża przez twarde metale, takie jak stal nierdzewna, bez utraty pozycji.
• Zębatka i zębnik: System ten, powszechny w większych i szybszych maszynach, wykorzystuje przekładnię (zębnik) zazębioną z bieżnią zębatą (zębatką). Chociaż oferuje dużą prędkość i nieograniczoną długość przesuwu, z natury ma nieco większy luz niż śruba kulowa. W przypadku zadań grawerowania mikroskopowego ten drobny luz może skutkować nieco mniej wyraźnymi rogami, co czyni go mniej idealnym do znakowania biżuterii lub precyzyjnych instrumentów, ale nadaje się do oznakowań na dużą skalę.

Mechanizmy usuwania materiału: obrotowy a laserowy

„Grawerowanie” może odnosić się do dwóch bardzo różnych procesów fizycznych w zależności od głowicy narzędziowej zainstalowanej na maszynie CNC. Zrozumienie tego rozróżnienia jest niezbędne do wyboru odpowiedniego przepływu pracy.

Cyfrowy tok pracy: CAD do ruchu

Maszyna nie „widzi” projektu; podąża tylko za współrzędnymi. Przepływ pracy przekształca zamierzenia artystyczne w ścieżki matematyczne:

• CAD (projektowanie wspomagane komputerowo): Użytkownik tworzy wektor 2D lub model 3D części. Do grawerowania wektory definiują granice liter lub kształtów.
• CAM (produkcja wspomagana komputerowo): To oprogramowanie generuje ścieżki narzędzi. Użytkownik musi zdefiniować narzędzie (np. bit V o kącie 60 stopni), głębokość skrawania i prędkość. Oprogramowanie CAM oblicza dokładną ścieżkę, jaką musi pokonać środek narzędzia, aby osiągnąć pożądaną geometrię.
• Generowanie kodu G: Dane wyjściowe CAM to plik tekstowy zawierający polecenia takie jak G01 X10 Y10 Z-0,5 F200 . To nakazuje maszynie przesuwać się liniowo do współrzędnych 10,10, zagłębiać się na głębokość 0,5 mm, z szybkością posuwu 200 mm/minutę.
• Oprogramowanie sterujące: Oprogramowanie takie jak Mach3, GRBL lub UGS wysyła ten kod linia po linii do sterownika maszyny, zarządzając przyspieszaniem i zwalnianiem w czasie rzeczywistym.

Krytyczne podsystemy: chłodzenie i odprowadzanie wiórów

Grawerowanie metalu generuje znaczne ciepło w wyniku tarcia. Jeśli ciepło nie zostanie zapewnione, końcówka grawerująca może natychmiast się wyżarzić (zmięknąć) i stępić, a wióry aluminiowe mogą się stopić i zespawać z nożem („zacieranie się”).

Systemy chłodzenia mgłą są najczęściej stosowane do grawerowania. Używają sprężonego powietrza do rozpylania niewielkiej ilości smaru w drobną mgłę. Ma to podwójny cel: podmuch powietrza usuwa wióry ze ścieżki grawerowania, dzięki czemu frez nie przecina ich ponownie (co powoduje pękanie końcówek), a smar zmniejsza tarcie. W przypadku twardszych metali lub głębszych cięć, Zalewowy płyn chłodzący można zastosować, gdy przez część przepływa ciągły strumień cieczy, chociaż wymaga to pełnej obudowy, aby powstrzymać bałagan.

Praktyczne strategie utrzymywania pracy

Podczas grawerowania metalu przedmiot obrabiany musi być trzymany stabilniej niż przy frezowaniu drewna. Nawet mikroskopijne wibracje mogą rozbić delikatne końcówki końcówek grawerskich.

• Precyzyjne imadła maszynowe: Najlepsze do półfabrykatów kwadratowych lub prostokątnych. Zapewniają ogromną siłę zgniatania, aby zapobiec podnoszeniu części.
• Stoły próżniowe: Idealny do cienkich arkuszy (takich jak tabliczki znamionowe), które mogą wyginać się w imadle. Pompa próżniowa zasysa arkusz płasko do stołu, zapewniając równomierną głębokość grawerowania na całej powierzchni.
• Superklej i taśma: „Konstruktywnym sposobem” na małe, nieregularne płaskie części jest metoda „taśmy i kleju”. Taśma maskująca jest nakładana zarówno na łoże maszyny, jak i na część, a superklej łączy dwie powierzchnie taśmy. Sprawdza się to zaskakująco dobrze w przypadku lekkich sił grawerowania bez pozostawiania śladów na metalu.

Wyzwania specyficzne dla materiału: aluminium kontra stal nierdzewna

„Osobowość” metalu dyktuje sposób działania CNC.

Aluminium jest miękki, ale „gumowaty”. Ma tendencję do przyklejania się do narzędzia. Aby szybko wyrzucać wióry, maszyna musi pracować z dużymi prędkościami wrzeciona (RPM), a smarowanie nie podlega negocjacjom, aby zapobiec sklejaniu się. Niezbędny jest ostry, polerowany wiertło z węglika.

Stal nierdzewna jest twardy i podatny na „utwardzanie się”, co oznacza, że staje się twardszy w miarę nagrzewania. Grawerowanie stali wymaga niższych obrotów, aby zredukować ciepło, ale wyższego momentu obrotowego. Maszyna musi być wyjątkowo sztywna; jakiekolwiek wygięcie ramy spowoduje, że narzędzie odbije się i prawdopodobnie pęknie. Często stosuje się bity powlekane (takie jak AlTiN), aby wytrzymać wysokie temperatury generowane na krawędzi skrawającej.

Ustawianie Z-Zero: klucz do spójności głębokości

Być może najważniejszym praktycznym krokiem w grawerowaniu jest ustawienie „Z-Zero” – wysokości początkowej narzędzia. Ponieważ głębokość grawerów często wynosi od 0,1 mm do 0,3 mm, błąd wynoszący zaledwie 0,05 mm może sprawić, że grawer będzie niewidoczny lub zbyt głęboki.

Operatorzy zazwyczaj używają a sonda dotykowa (automatyczny krążek, który zamyka obwód, gdy narzędzie go dotyka) w celu ustalenia dokładnej wysokości powierzchni materiału. Alternatywnie „metoda papierowa” polega na opuszczeniu narzędzia do momentu lekkiego dociśnięcia kartki papieru do przedmiotu obrabianego, a następnie wyzerowaniu (uwzględniając grubość papieru). W przypadku nierównych powierzchni niektóre zaawansowane sterowniki korzystają z „automatycznego poziomowania”, podczas którego maszyna sonduje siatkę punktów na powierzchni i wypacza kod G, aby idealnie dopasować go do krzywizny materiału.