Máy khắc kim loại CNC hoạt động như thế nào: Cơ chế, quy trình làm việc và độ chính xác

Kiến trúc cơ khí và điện tử cốt lõi

Trọng tâm của máy khắc kim loại CNC (Điều khiển số máy tính) là mối quan hệ phức tạp giữa hướng dẫn kỹ thuật số và chuyển động vật lý. Quá trình bắt đầu với việc bộ điều khiển , đóng vai trò là bộ não của máy. Nó nhận mã G – một ngôn ngữ lập trình chứa dữ liệu tọa độ – và dịch các câu kỹ thuật số này thành các xung điện có điện áp thấp. Các xung này được gửi đến trình điều khiển bước hoặc servo , khuếch đại tín hiệu để cấp nguồn cho động cơ.

Sau đó, động cơ chuyển đổi năng lượng điện này thành chuyển động quay chính xác. Trong khắc kim loại có độ chính xác cao, chuyển động quay này phải được chuyển thành chuyển động tuyến tính với độ chính xác cực nhỏ. Điều này đạt được thông qua hệ thống truyền động di chuyển giàn (trục X và Y) và giá đỡ trục chính (trục Z). Độ cứng của toàn bộ hệ thống này là tối quan trọng; Không giống như bộ định tuyến chế biến gỗ, máy khắc kim loại phải chống lại lực lệch đáng kể để ngăn chặn hiện tượng "lắc cạch", khiến bề mặt hoàn thiện kém và dụng cụ bị hỏng.

Hệ thống truyền động: Vít bi so với thanh răng và bánh răng

Phương pháp được sử dụng để di chuyển các trục của máy ảnh hưởng đáng kể đến độ phân giải và khả năng phù hợp để khắc các chi tiết nhỏ. Có hai loại truyền động chính được tìm thấy trong máy khắc kim loại CNC:

• Truyền vít bóng: Đây là tiêu chuẩn vàng cho việc khắc kim loại có độ chính xác cao. Một trục ren chạy qua một đai ốc có các ổ bi tuần hoàn. Khi vít quay, đai ốc di chuyển tuyến tính với độ lệch gần như bằng không (độ giật ngược). Cơ chế này cho phép chuyển động cực kỳ êm ái và truyền mô-men xoắn cao, điều này rất cần thiết để đẩy dao cắt qua các kim loại cứng như thép không gỉ mà không bị mất vị trí.
• Giá đỡ và bánh răng: Phổ biến trên các máy lớn hơn, nhanh hơn, hệ thống này sử dụng khớp bánh răng (bánh răng) với rãnh răng (giá đỡ). Mặc dù nó cung cấp tốc độ cao và chiều dài hành trình không giới hạn, nhưng nó vốn có phản ứng dữ dội hơn một chút so với vít bi. Đối với các tác vụ khắc vi mô, thao tác từng phút này có thể dẫn đến các góc ít được xác định hơn một chút, khiến nó không lý tưởng cho việc đánh dấu đồ trang sức hoặc dụng cụ tinh xảo nhưng lại phù hợp với bảng hiệu quy mô lớn.

Cơ chế loại bỏ vật liệu: Quay và Laser

"Khắc" có thể đề cập đến hai quy trình vật lý rất khác nhau tùy thuộc vào đầu công cụ được cài đặt trên máy CNC. Hiểu được sự khác biệt là rất quan trọng để chọn quy trình làm việc phù hợp.

Quy trình làm việc kỹ thuật số: CAD sang chuyển động

Máy không “nhìn thấy” thiết kế; nó chỉ tuân theo tọa độ. Quy trình làm việc chuyển đổi mục đích nghệ thuật thành các đường dẫn toán học:

• CAD (Thiết kế có sự hỗ trợ của máy tính): Người dùng tạo vectơ 2D hoặc mô hình 3D của bộ phận. Để khắc, vectơ xác định ranh giới của các chữ cái hoặc hình dạng.
• CAM (Sản xuất có sự hỗ trợ của máy tính): Phần mềm này tạo ra các đường chạy dao. Người dùng phải xác định công cụ (ví dụ: V-bit 60 độ), độ sâu cắt và tốc độ. Phần mềm CAM tính toán đường đi chính xác mà trung tâm công cụ phải thực hiện để đạt được hình dạng mong muốn.
• Tạo mã G: Đầu ra CAM là một tệp văn bản chứa các lệnh như G01 X10 Y10 Z-0.5 F200 . Điều này báo cho máy di chuyển tuyến tính đến tọa độ 10,10, lao xuống độ sâu 0,5mm, với tốc độ tiến dao 200mm/phút.
• Phần mềm điều khiển: Phần mềm như Mach3, GRBL hoặc UGS gửi mã này từng dòng một đến bộ điều khiển máy, quản lý việc tăng và giảm tốc theo thời gian thực.

Các hệ thống con quan trọng: Làm mát và sơ tán chip

Khắc kim loại tạo ra nhiệt đáng kể do ma sát. Nếu lượng nhiệt này không được quản lý, mũi khắc có thể bị ủ (làm mềm) và xỉn màu ngay lập tức hoặc các mảnh nhôm có thể tan chảy và hàn vào máy cắt ("tròn").

Hệ thống làm mát phun sương phổ biến nhất để khắc. Họ sử dụng khí nén để nguyên tử hóa một lượng nhỏ chất bôi trơn thành sương mù mịn. Điều này phục vụ một mục đích kép: luồng không khí thổi sạch các phoi ra khỏi đường khắc để máy cắt không cắt lại chúng (làm gãy đầu) và chất bôi trơn làm giảm ma sát. Đối với kim loại cứng hơn hoặc vết cắt sâu hơn, Nước làm mát lũ lụt có thể được sử dụng, trong đó dòng chất lỏng liên tục chảy qua bộ phận, mặc dù điều này đòi hỏi phải có vỏ bọc đầy đủ để chứa hỗn hợp.

Chiến lược tổ chức công việc thực tế

Trong khắc kim loại, phôi phải được giữ chắc chắn hơn so với khắc gỗ. Ngay cả những rung động cực nhỏ cũng có thể làm vỡ các đầu mảnh khắc.

• Vises máy chính xác: Tốt nhất cho hình vuông hoặc hình chữ nhật. Chúng cung cấp lực nghiền cực lớn để ngăn bộ phận nâng lên.
• Bàn chân không: Lý tưởng cho các tờ giấy mỏng (như bảng tên) có thể cúi xuống trong kẹp. Một máy bơm chân không hút tấm phẳng xuống bàn, đảm bảo độ sâu khắc đồng đều trên toàn bộ bề mặt.
• Superglue và băng: Một "bí quyết mang tính xây dựng" cho các bộ phận nhỏ, phẳng không đều là phương pháp "băng và keo dán". Băng che được dán lên cả bệ máy và bộ phận, đồng thời keo siêu dính liên kết hai bề mặt băng. Điều này phù hợp một cách đáng ngạc nhiên đối với lực khắc nhẹ mà không để lại cặn trên kim loại.

Những thách thức cụ thể về vật liệu: Nhôm so với thép không gỉ

“Tính chất” của kim loại quyết định cách thức hoạt động của CNC.

Nhôm mềm nhưng "kẹo". Nó có xu hướng dính vào công cụ. Máy phải chạy ở tốc độ trục chính (RPM) cao để đẩy phoi ra nhanh chóng và không thể thay đổi chất bôi trơn để tránh bị dính. Một bit cacbua sắc nét, được đánh bóng là điều cần thiết.

thép không gỉ cứng và có xu hướng "làm việc cứng lại", nghĩa là nó trở nên cứng hơn khi nóng lên. Thép khắc yêu cầu RPM thấp hơn để giảm nhiệt nhưng mô-men xoắn cao hơn. Máy phải cực kỳ chắc chắn; bất kỳ sự uốn cong nào trong khung sẽ khiến dụng cụ nảy lên và có thể bị gãy. Các bit được phủ (như AlTiN) thường được sử dụng để chịu được nhiệt độ cao tạo ra ở lưỡi cắt.

Thiết lập Z-Zero: Chìa khóa cho sự nhất quán về chiều sâu

Có lẽ bước thực tế quan trọng nhất trong quá trình khắc là thiết lập "Z-Zero"—chiều cao ban đầu của dụng cụ. Bởi vì các bản khắc thường chỉ sâu 0,1mm đến 0,3mm nên sai số chỉ 0,05mm có thể khiến bản khắc không nhìn thấy được hoặc quá sâu.

Người vận hành thường sử dụng một đầu dò cảm ứng (một quả bóng tự động hoàn thành một mạch khi công cụ chạm vào nó) để thiết lập chiều cao bề mặt vật liệu chính xác. Ngoài ra, "phương pháp giấy" bao gồm việc hạ thấp dụng cụ cho đến khi nó kẹp nhẹ một mảnh giấy vào phôi, sau đó đặt về 0 (có tính đến độ dày của giấy). Đối với các bề mặt không bằng phẳng, một số bộ điều khiển nâng cao sử dụng tính năng "tự động cân bằng", trong đó máy thăm dò một lưới các điểm trên bề mặt và làm cong mã G để khớp hoàn hảo với độ cong của vật liệu.