Máy CNC (computer numerical controlled) là gì? Có những ưu điểm nào?

CNC hay máy công cụ điều khiển số là một thuật ngữ ngày càng phổ biến trong trong lĩnh vực sản xuất và các ứng dụng công nghiệp, nhưng chính xác thì máy gia công CNC là gì và được ứng dụng như thế nào?





Máy công cụ CNC là gì

Máy CNC (computer numerical controlled) là những công cụ gia công tinh tế có thể tạo ra những chi tiết phức tạp theo yêu cầu của công nghệ hiện đại. Thiết bị công nghiệp này đã phát triển nhanh chóng nhờ những tiến bộ trong khoa học máy tính. Ta có thể bắt gặp CNC dưới dạng máy tiện, máy phay, máy cắt laze, máy cắt tia nước có hạt mài, máy đột rập và nhiều thiết bị công nghiệp khác.

Thuật ngữ CNC liên quan đến một nhóm máy móc lớn sử dụng logic máy tính để điều khiển các chuyển động và thực hiện quá trình gia công kim loại. Máy CNC có tính linh hoạt cao trong việc lập trình, tiết kiệm thời gian chỉnh máy, đạt được tính kinh tế cao trong việc gia công hàng loại các sản phẩm nhỏ. So với các máy điều khiển công cụ bằng tay, sản phẩm từ máy CNC không phụ thuộc vào tay nghề của người điều khiển mà phụ thuộc vào nội dung, chương trình được đưa vào máy. Người điều khiển chỉ chủ yếu theo dõi kiểm tra các chức năng hoạt động của máy.

CNC được phát triển cuối thập niên 1940 đầu thập niên 1950 ở phòng thí nghiệm Servomechanism của Viện Công nghệ Massachusetts. Từ khi ra đời, công nghệ CNC và máy CNC đã đóng góp rất nhiều cho sự phát triển của lĩnh vực cơ khí.

So sánh máy NC, CNC và máy công cụ thông thường

Cấu tạo

Máy công cụ NC và CNC giống máy công cụ thông thường ờ cấu tạo cơ bản. Điểm khác biệt chính ở đây là các bộ phận liên quan tới gia công phay và tiện có thể điều khiển được bằng máy tính.

Máy CN ra đời đánh dấu một bước ngoặt phát triển nhanh chóng của ngành cơ khí. Đây được coi là nền tảng tạo ra những sản phẩm cơ khí chính xác và sáng tạo. Máy CNC hoạt động trên cơ sở của máy NC. Tuy nhiên, giữa máy CNC và máy NC có một vài điểm khác biệt.

  • Máy CNC được điều khiển bằng hệ thống máy tính với các tùy chọn và chương trình đã được lập trình sẵn trong khi máy NC được điều khiển bằng các mạch điện tử.
  • Các chương trình điều khiển trong máy NC được lưu trữ trong băng từ hoặc băng đục lỗ trong khi các chương trình của máy CNC được lưu trữ luôn trong máy tính.
  • Thời gian gia công vật liệu của máy CNC nhanh hơn nhiều so với máy NC. Do đó, năng suất làm việc của máy CNC cũng cao hơn.
  • Khi muốn thay đổi các chương trình đã được lập trình sẵn, bạn chỉ cần thao tác đơn giản trên máy CNC còn với máy NC thì sẽ phức tạp hơn nhiều.

Hướng chuyển động của các bộ phận trên máy công cụ điều khiển CNC được xác định theo một hệ tọa độ liên quan tới chi tiết gia công và thể hiện qua các trục nằm song song với các chuyển động thẳng chính của máy. Chuyển động của các cụm chi tiết riêng lẻ trên máy cần thiết cho việc gia công (bàn máy, bàn trượt của dụng cụ cắt,…) được tính toán, điều khiển và kiểm tra bời một máy tính tích hợp. Để làm được việc đó, đối với mỗi hướng chuyển động có một hệ thống đo riêng biệt, giúp xác định vị trí tương ứng của các cụm chi tiết và phản hồi về máy tính bên trong để kiểm tra (hồi tiếp, feedback).

Chức năng

Máy công cụ thông thường Máy NC Máy CNC
Nhập dữ liệu

Công nhân chỉnh máy bằng tay dựa vào nhiệm vụ sản xuất và các bản vẽ; gá phôi, dụng cụ cắt và điều chỉnh chúng.

Nhập dữ liệu

Chương trình NC được đưa vào hệ điều khiển NC nhờ băng đục lỗ.

Nhập dữ liệu

Chương trình NC có thể được đưa vào hệ điều khiển CNC qua bàn phím, đĩa hoặc các cổng giao tiếp (serial, bus).

Nhiều chương trình NC được lưu trữ trong bộ lưu trữ bên trong, hơn nữa ờ hệ điều khiển hiện đại người ta còn sử dụng thêm các bộ nhớ rời.

Điều khiển thủ công

Công nhân cài đặt bằng tay các thông số công nghệ (số vòng quay, lượng chạy dao) và điều khiển việc gia công với các tay quay.

Hệ điều khiển NC xử lý các thông tin về hành trình và chế độ đóng – mở của chương trình NC.

Đưa ra các tín hiệu điều khiển tương ứng với từng bộ phận riêng của máy NC.

Máy tính và phần mềm tích hợp trong hệ điều khiển CNC đảm nhiệm toàn bộ các chức năng điều khiển và điều chỉnh của máy CNC.

Đồng thời, bộ lưu trữ bên trong được sử dụng cho chương trình, chương trình con, thông số máy, kích thước dụng cụ cắt, giá trị hiệu chỉnh cũng như chu trình gia công cố định và tự do.

Thường được tích hợp phần mềm phỏng đoán lỗi vào hệ điều khiển CNC.

Kiểm tra

Công nhân đo và kiểm tra thủ công độ đảm bảo kích thước của chi tiết gia công và phải lặp lại quá trình gia công nếu cần thiết.

Nhờ phản hồi liên tục của hệ thống đo và của môtơ vị trí, máy NC  biết được kích thước của chi tiết gia công.

Đánh giá xem có đúng kích thước thiết kế hay không.

Nhờ bộ cảm biến đo được tích hợp người ta có thể kiểm tra được kích thước trong khi gia công.

Đồng thời, có thể làm việc trên hệ điều khiển để có được một quá trình gia công chủ động và tích cực, ví dụ, thử nghiệm một chương trình NC mới và tối ưu hóa chương trình.

Ưu điểm của máy công cụ CNC

Máy gia công bằng tia nước
Máy gia công bằng tia nước

Máy gia công bằng tia nước

  1. Tăng năng suất lao động nhờ tốc độ gia công cao.
  2. Chất lượng chi tiết gia công không thay đổi và it phế liệu.
  3. Độ chính xác gia công cao nhờ cáp chính xác của máy cao (độ chính xác đo 1/1000 mm).
  4. Thời gian gia cõng thấp nhờ tổ chức sản xuất và kết hợp tốt hơn các bước công việc phân tán.
  5. Hệ số sử dụng máy cao nhờ cách vận hành máy.
  6. Độ linh hoạt sản xuất được cải thiện nhờ hệ thống gia công, dẫn đến quá trình sản xuất hợp lý cho lô nhỏ hay đơn chiếc với độ phức tạp cao.

Tuy nhiên, để vận hành và lập trình cho máy công cụ CNC người vận hành máy cần được đào tạo lại. Do tốc độ gia công CNC cao hơn rất nhiều nên các kinh nghiệm có được từ việc gia công trên máy thông thường không thể mang sang ứng dụng cho máy CNC mà không được bồi dưỡng thêm về kiến thức.

Quy trình gia công CNC cơ bản

Mặc dù quy trình gia công CNC cung cấp nhiều khả năng và hoạt động khác nhau, nhưng các nguyên tắc cơ bản của quy trình vẫn giống nhau trong tất cả chúng. Quy trình gia công CNC cơ bản bao gồm các giai đoạn sau:

  • Thiết kế mô hình CAD
  • Chuyển đổi tệp CAD sang chương trình CNC
  • Chuẩn bị máy CNC
  • Thực hiện hoạt động gia công

Thiết kế mô hình CAD

Quá trình gia công CNC bắt đầu bằng việc tạo ra một thiết kế CAD 2D hoặc 3D phần rắn có sẵn trong nhà máy hoặc được thực hiện bởi một công ty dịch vụ thiết kế CAD / CAM. Phần mềm thiết kế hỗ trợ máy tính (CAD) cho phép các nhà thiết kế và nhà sản xuất tạo ra một mô hình hoặc kết xuất các bộ phận và sản phẩm cùng với các thông số kỹ thuật cần thiết, chẳng hạn như kích thước và hình học, để sản xuất bộ phận hoặc sản phẩm.

Sau khi hoàn thành thiết kế CAD, nhà thiết kế xuất nó sang định dạng tệp tương thích với CNC, chẳng hạn như STEP hoặc IGES.

Chuyển đổi tệp CAD

Tệp thiết kế CAD được định dạng chạy qua một chương trình, thường là phần mềm sản xuất có sự hỗ trợ của máy tính (CAM), để trích xuất hình học của bộ phận và tạo mã lập trình kỹ thuật số sẽ điều khiển máy CNC và thao tác với công cụ để tạo ra bộ phận được thiết kế riêng.

Máy CNC sử dụng nhiều ngôn ngữ lập trình, bao gồm G-code và M-code. Ngôn ngữ lập trình CNC nổi tiếng nhất, mã chung hoặc mã hình học , được gọi là mã G, kiểm soát thời gian, vị trí và cách các công cụ máy di chuyển — ví dụ khi nào bật hoặc tắt, tốc độ di chuyển vị trí cụ thể, những con đường để đi,… — trên phôi.

Mã chức năng khác, được gọi là mã M, điều khiển các chức năng phụ trợ của máy, chẳng hạn như tự động hóa việc tháo và thay thế vỏ máy tương ứng khi bắt đầu và kết thúc sản xuất.

Khi chương trình CNC được tạo, người vận hành sẽ tải nó vào máy CNC.

Thiết lập máy

Trước khi người vận hành chạy chương trình CNC, họ phải chuẩn bị cho máy CNC hoạt động. Công tác chuẩn bị này bao gồm việc dán phôi trực tiếp vào máy, vào cọc máy móc thiết bị,… Chuẩn bị các máy vises hoặc các thiết bị dụng cụ gá tương tự và gắn các dụng cụ cần thiết, chẳng hạn như mũi khoan và nhà máy cuối cùng, các thành phần máy thích hợp.

Sau khi máy được thiết lập hoàn chỉnh, người vận hành có thể chạy chương trình CNC.

Thực hiện hoạt động gia công

Chương trình CNC hoạt động như hướng dẫn cho máy CNC. Nó gửi các lệnh máy ra lệnh cho các hoạt động và chuyển động của dụng cụ đến máy tính tích hợp của máy, máy tính này vận hành và thao tác máy công cụ. Khởi động chương trình sẽ nhắc máy CNC bắt đầu quá trình gia công CNC và chương trình hướng dẫn máy trong suốt quá trình khi nó thực hiện các hoạt động máy cần thiết để sản xuất một bộ phận hoặc sản phẩm được thiết kế riêng.

Các quy trình gia công CNC có thể được thực hiện ngay trong nhà máy — nếu công ty đầu tư vào việc mua và bảo trì thiết bị CNC của riêng họ — hoặc giao cho các nhà cung cấp dịch vụ gia công CNC chuyên dụng .

Một số ứng dụng thiết bị CNC thường gặp trong sản xuất công nghiệp

Có nhiều loại máy CNC khác nhau bao gồm Máy in 3D, Máy phay CNC, Máy tiện CNC, Laser CNC, Máy gia công bằng tia nước, Máy gia công điện (EDM),…

Máy phay CNC

Phay là quá trình cắt và khoan vật liệu (như gỗ hoặc kim loại). Một máy phay, bất kể nó hoạt động bằng tay hay thông qua CNC, sử dụng một công cụ hình trụ xoay gọi là dao phay, được giữ trong một trục chính và có thể thay đổi về hình thức và kích thước. Sự khác biệt chính giữa máy phay và bất kỳ máy khoan nào khác là khả năng cắt ở các góc khác nhau và di chuyển dọc theo các trục khác nhau. Vì vậy, máy phay được phân loại theo số lượng trục (từ 2 tới 5 trục). Với máy phay CNC, ưu điểm là có thể chạy số lượng trục bất kỳ và được vận hành thông qua máy tính, không cần thao tác thủ công.

Máy tiện CNC

Hoạt động theo nguyên tắc quay phôi trên trục chính để cắt bỏ vật liệu dư thừa, sử dụng các công cụ cắt và mũi khoan có đường kính khác nhau được áp dụng cho phôi để tạo ra vật thể đối xứng.

​Máy in 3D

Hoạt động dựa trên nguyên tắc đắp vật liệu theo từng lớp, đó là lý do tại sao nó còn được gọi là sản xuất phụ gia. Thuật ngữ “in 3D” bao gồm nhiều quy trình trong đó vật liệu được nối hoặc hóa cứng dưới sự điều khiển của máy tính để tạo ra vật thể ba chiều, với vật liệu được thêm vào với nhau (như phân tử lỏng hoặc hạt bột được hợp nhất với nhau), điển hình từng lớp.

Máy cắt laser

Về cơ bản, cắt laser là một quá trình chế tạo sử dụng chùm tia laser mỏng, tập trung, để cắt và khắc vật liệu thành các thiết kế, hoa văn và hình dạng tùy chỉnh theo chỉ định của nhà thiết kế. Quá trình chế tạo dựa trên nhiệt, không tiếp xúc này là lý tưởng cho một số vật liệu, bao gồm gỗ, thủy tinh, giấy, kim loại, nhựa và đá quý.

Máy gia công phóng điện EDM

Gia công phóng điện EDM là gia công vật liệu thông qua hướng phóng tia lửa điện tần số cao từ dụng cụ, thường được làm bằng than chì. Công cụ than chì này hoạt động như một điện cực làm tan rã các vật liệu dẫn điện trong quá trình gia công.

Máy gia công bằng tia nước

Là phương pháp kỹ thuật để cắt các vật thể sử dụng năng lượng từ nước tốc độ cao, mật độ cao, áp suất cực cao. Nước được điều áp đến tối đa 392 MPa (khoảng 4.000 khí quyển) và được chiếu từ vòi phun nhỏ (Φ0,1 mm). Nước được điều áp bằng bơm siêu cao áp đạt tốc độ xấp xỉ gấp ba lần tốc độ âm thanh, tạo ra một tia nước với lực phá hủy.

Xu hướng ngành gia công CNC

Gia công CNC vẫn đang phát triển mạnh mẽ trong thế giới sản xuất, cho thấy sự tăng trưởng nhanh chóng ngay cả giữa hàng loạt công nghệ cạnh tranh và những người mới tham gia ngày càng tăng.

Thị trường gia công CNC tổng thể dự kiến ​​sẽ đạt 100,86 tỷ USD vào năm 2025. Tốc độ tăng trưởng hằng năm kép là 7,0% từ năm 2019 đến 2025. Điều quan trọng cần lưu ý là các ước tính trước đó từ năm 2014 dự đoán 5,5% trong giai đoạn dự báo 2016 – 2022, thấp hơn nhiều so với thực tế như những năm đã qua. Sự gia tăng của CAGR được cho là do sự cần thiết. Trong đó tăng hiệu quả hoạt động giữa các nhà sản xuất hàng hóa khác nhau là động lực chính.

Nhìn chung, thị trường đang chuyển sang ưa thích các máy CNC kích thước nhỏ gọn tiên tiến hơn với công cụ thay dao tự động và công nghệ gia công đa trục. Cụ thể hơn, phân khúc máy tiện CNC dẫn đầu phân khúc sản phẩm năm 2020 và được định giá 17,65 tỷ USD, trong khi máy phay CNC dự kiến ​​sẽ là thị trường lớn thứ 2, đăng ký chỉ số CAGR 9,7% trong sáu năm tới.

THAM KHẢO

Computer Numerically Controlled

Understanding CNC Machining