Tổng quan về khoan CNC: Quy trình gia công, các loại khoan và ứng dụng của chúng

Việc tạo lỗ là một tính năng thiết yếu của hầu hết mọi bộ phận hoặc công cụ gia công, cho dù vì mục đích thẩm mỹ hay lắp ráp. Trong ngành công nghiệp sản xuất được định hướng chính xác, chúng ta cần sự chính xác và tạo ra các lỗ có số đo chính xác. Đây là nơi khoan CNC phát huy tác dụng.

Đây là một loại quy trình gia công CNC dành riêng cho việc tạo ra các lỗ chính xác trên các vật liệu khác nhau. Gia công khoan có khả năng gia công mọi thứ từ các tác vụ một lỗ đơn giản đến các nguyên công phức tạp nhiều trục xoay.

Khoan CNC là gì?

Khoan CNC là một quy trình gia công được điều khiển bằng máy tính, trong đó mũi khoan quay tạo ra một lỗ tròn trên phôi cố định (có thể là gỗ, kim loại, nhựa hoặc composite).

Để khoan, người vận hành cố định một mũi khoan xoắn xoay có nhiều cạnh cắt vào phôi để tạo ra một lỗ tròn trơn phù hợp với đường kính của mũi khoan. Lỗ tạo thành chủ yếu phục vụ cho việc lắp ráp, chứa bu lông hoặc ốc vít.

Theo phương pháp truyền thống, nhân viên kỹ thuật thực hiện quy trình khoan theo cách thủ công bằng cách sử dụng mũi khoan có động cơ, thường là trên máy khoan. Họ điều chỉnh thủ công chuyển động của dụng cụ cắt và độ sâu của vết cắt. Tuy nhiên, khoan CNC tự động hóa toàn bộ quá trình này, chạy trên mã được lập trình để ra lệnh cho hoạt động khoan.

Ưu điểm của kỹ thuật khoan CNC

Tự động hóa và điều khiển máy tính làm cho hoạt động khoan CNC khá tiện dụng trong các ứng dụng công nghiệp đòi hỏi độ chính xác và hiệu quả cao. Một số ưu điểm của quá trình này là:

Độ chính xác cao

Máy CNC với khả năng điều khiển và lập trình số đạt được độ chính xác cao. Họ liên tục khoan các lỗ có dung sai chặt chẽ tới ±0,005 inch (±0,127 mm). Điều này làm cho khoan CNC trở thành một quy trình gia công được ưa chuộng trong nhiều ngành công nghiệp.

Tăng hiệu quả và năng suất

So với các phương pháp khoan truyền thống, quy trình khoan CNC nâng cao đáng kể hiệu quả và năng suất. Điều này phần lớn là do tính năng tự động hóa của nó, giúp giảm thiểu sự can thiệp của con người và giảm khả năng xảy ra lỗi. Tốc độ cũng vượt trội so với quy trình thủ công, dẫn đến thời gian sản xuất nhanh hơn.  

Khả năng xử lý các nhiệm vụ khoan phức tạp

Tính linh hoạt của máy CNC cho phép chúng xử lý các nhiệm vụ khoan phức tạp vốn là thách thức, nếu không nói là không thể thực hiện được bằng tay. Với gia công CNC, chúng ta có thể khoan các lỗ có kích thước và độ sâu khác nhau một cách chính xác và nhất quán.

Máy khoan CNC hoạt động như thế nào? 

Khoan CNC chỉ là một thao tác khoan đơn giản nhưng cần rất nhiều thứ để đạt được độ chính xác đó. 

Bước 1: Tạo hình học phôi

Thiết kế hình học phôi trên phần mềm CAD như SolidWorks hay Fusion 360. Thiết kế này có đầy đủ các chi tiết kỹ thuật với kích thước; vị trí của các lỗ, kích thước và độ sâu của chúng. Nó giống như một bản kế hoạch chi tiết đưa ra tất cả các yêu cầu một cách chính xác.

Phần mềm CAD thường kết hợp với phần mềm CAM để chuyển đổi thiết kế thành G-code, ngôn ngữ lập trình mà máy khoan CNC hiểu được.

Bước 2: Chọn chu trình khoan phù hợp

Tiếp theo, trong lập trình mã G, bạn có thể chọn bất kỳ chu trình khoan nào trong ba chu trình khoan, dựa trên yêu cầu cụ thể của bạn:

• G73 (Chu trình bẻ phoi): Lý tưởng cho độ sâu lỗ lớn hơn ba lần đường kính mũi khoan nhưng trong phạm vi chiều dài lưỡi khoan hiệu quả.
• G81 (Tuần hoàn lỗ nông): Thích hợp để khoan các lỗ tâm, vát cạnh và các lỗ không vượt quá ba lần đường kính mũi khoan. Ngoài ra, hãy chọn khoan bằng dụng cụ làm mát bên trong để nâng cao hiệu quả.
• G83 (Tuần hoàn lỗ sâu): Dùng để xử lý lỗ sâu.

Bước 3: Chọn dụng cụ và giá đỡ dụng cụ phù hợp

Mũi khoan có vai trò quan trọng trong việc tạo ra các lỗ. Thông thường, máy khoan xoắn được sử dụng vì tính linh hoạt của nó. Tuy nhiên, mũi khoan tâm và mũi khoan bậc cũng là những lựa chọn cho các ứng dụng cụ thể.

Việc lựa chọn giá đỡ dụng cụ để giữ mũi khoan cũng quan trọng không kém. Bạn cần chọn nó sau khi xem xét các loại côn, khả năng tương thích của cán và phần nhô ra của dụng cụ. Các tùy chọn phổ biến cho máy khoan CNC là mâm cặp ống kẹp, đầu cặp dao phay cuối và mâm cặp thủy lực.

Bước 4: Xác định thông số công cụ phù hợp

Nhập các thông số dao cần thiết, chẳng hạn như chiều dài và đường kính, vào hệ thống CAM. Các thông số này rất quan trọng để đảm bảo rằng dao hoạt động chính xác theo các thông số kỹ thuật được xác định trước của phôi.

Bước 5: Thiết lập máy khoan CNC

Đặt và kẹp chặt phôi gia công trên máy. Đảm bảo rằng các mũi dụng cụ được lắp đúng cách vào giá đỡ dụng cụ. Để giữ chắc chắn, hãy sử dụng các tấm cố định, kẹp hoặc mâm cặp từ tính. Giữ chúng gần khu vực khoan và không vặn quá chặt.

Bước 6: Lập trình máy khoan CNC

Theo phương pháp gia công truyền thống, các nhà khai thác viết mã G theo cách thủ công. Giờ đây, phần mềm CAD và CAM tiên tiến sẽ tự động tạo ra các mã này. Với một số sửa đổi nhỏ, chúng được đưa vào máy CNC. Tự động hóa này hợp lý hóa quá trình thiết lập.

Bạn có thể chạy thử để xem mọi thứ có hoạt động trơn tru không và có lỗi chương trình nào không. Ngoài ra, hãy bật hệ thống làm mát bổ sung của máy.

Bước 7: Quy trình khoan thực tế

Khi hoạt động bắt đầu, máy CNC sẽ đi theo chính xác các đường dẫn đã được lập trình. Mũi khoan di chuyển đến tọa độ được chỉ định và thực hiện khoan ở độ sâu và đường kính đã chỉ định. Hệ thống tự động của máy quản lý tốc độ và tốc độ tiến dao, đảm bảo khoan hiệu quả và chính xác.

Bước 8: Kiểm tra chất lượng và xử lý hậu kỳ

Sau khi khoan, kiểm tra phôi xem có chính xác và chất lượng không. Kỹ thuật viên thực hiện các phép đo để đảm bảo dung sai nằm trong giới hạn quy định. Bất kỳ quá trình xử lý hậu kỳ cần thiết nào, chẳng hạn như mài nhẵn hoặc hoàn thiện bổ sung, đều được thực hiện để đáp ứng các thông số kỹ thuật cuối cùng.

Những cân nhắc quan trọng để tạo lỗ khoan chính xác

Để đạt được kết quả khoan mong muốn, những thông tin bổ sung này có thể giúp:

Mẹo 1: Chọn mũi khoan phù hợp

Mũi khoan là thành phần quan trọng trong toàn bộ quá trình khoan cần được lựa chọn một cách khôn ngoan dựa trên ứng dụng của bạn. Một cách phân loại mũi khoan CNC là dựa trên lớp phủ; có titan carbonitride, nhôm nitride, oxit và mũi khoan kim cương. Mỗi loại có độ bền khác nhau.

Sự phân loại phổ biến hơn được thiết lập dựa trên biên dạng (hình dạng) của dụng cụ cắt. 6 mũi khoan này thường gặp trong máy CNC:

Mẹo 2: Tối ưu hóa tốc độ trục chính và tốc độ tiến dao

Tốc độ tiến dao và tốc độ trục chính là những thông số quan trọng cần được tối ưu hóa. Chúng là một hàm của các thông số khác nhau bao gồm độ cứng vật liệu, đường kính dụng cụ và thường là độ sâu đường kính. Trước tiên, bạn có thể sử dụng cài đặt do nhà sản xuất đề xuất, sau đó thử tối ưu hóa bằng các phép tính. Máy tính nguồn cấp dữ liệu trực tuyến có thể giúp ích trong vấn đề này.  

Mẹo 3: Sử dụng chất làm mát hoặc chất bôi trơn thích hợp

Để khoan kim loại, hỗn hợp nước và dầu hòa tan thường được khuyên dùng. Tỷ lệ cụ thể khác nhau tùy thuộc vào loại kim loại. Ví dụ, khi khoan nhôm, chất làm mát là dầu hòa tan với 80-90% nước.

Mẹo 4: Kẹp phôi gia công một cách an toàn

Sử dụng đồ gá và kẹp phù hợp với kích thước và hình dạng phôi của bạn. Đảm bảo phôi được kẹp chắc chắn để tránh dịch chuyển trong quá trình khoan. Kẹp thích hợp mang lại sự ổn định và tăng cường an toàn.  

Các thành phần chính của máy khoan CNC

Ngoài quy trình, bạn cần phải làm quen với các tính năng kỹ thuật của máy. Dưới đây là tổng quan về các thành phần chính của Máy khoan CNC điển hình.

Bảng điều khiển

Giao diện nơi người vận hành nhập lệnh và giám sát hoạt động của máy. Nó bao gồm các màn hình và các nút để điều khiển và lập trình máy CNC.

Con quay

Bộ phận của máy giữ và xoay mũi khoan hoặc dụng cụ cắt. Nó có cơ cấu truyền động ở phía sau, giúp điều chỉnh tốc độ và mô-men xoắn trong quá trình khoan.

Mũi khoan

Dụng cụ cắt để khoan được gọi là mũi khoan. Chúng được gắn vào trục chính. Dựa trên hình dạng và lưỡi cắt của chúng, chúng ta thấy có nhiều loại mũi khoan. Mỗi loại được thiết kế cho một vật liệu và ứng dụng khác nhau.

Bàn đặt phôi

Bề mặt nơi phôi được đặt và cố định. Nó có thể chứa nhiều kích cỡ và hình dạng khác nhau của vật liệu.

Trục và động cơ

Các bộ phận này điều khiển chuyển động của máy dọc theo các trục khác nhau (X, Y, Z, v.v.). Động cơ điều khiển các chuyển động này và cho phép định vị mũi khoan chính xác. Máy móc thường được đặt tên theo các trục điều khiển. Ví dụ, một máy khoan có khả năng di chuyển dụng cụ dọc theo ba trục được gọi là máy CNC 3 trục.

Hệ thống làm mát

Nó cung cấp chất làm mát cho vị trí khoan để giảm nhiệt và ma sát, kéo dài tuổi thọ dụng cụ và ngăn ngừa hư hỏng phôi.

Bộ thay đổi công cụ

Một hệ thống tự động cho phép máy thay đổi mũi khoan hoặc dụng cụ cắt mà không cần can thiệp thủ công, tăng hiệu quả và giảm thời gian ngừng hoạt động.

Khung và đế

Các thành phần kết cấu hỗ trợ và ổn định toàn bộ máy. Nó nặng, thường được làm từ gang, để vận hành ổn định và không bị rung.

Hệ thống băng tải hoặc thu gom chip

Một hệ thống để loại bỏ và thu thập các mảnh vụn hoặc mảnh vụn được tạo ra trong quá trình khoan. Nó giữ cho khu vực làm việc sạch sẽ và ngăn ngừa hư hỏng máy.

Cảm biến và dụng cụ hiệu chuẩn

Các thiết bị này giám sát hiệu suất và tình trạng của máy, đảm bảo độ chính xác. Chúng hỗ trợ hiệu chỉnh máy để vận hành chính xác.

Các loại máy khoan CNC

Máy CNC có nhiều loại khác nhau dựa trên cấu hình máy và loại dụng cụ cắt. Sáu máy CNC này thường phổ biến trong phân khúc khoan:

1. Máy khoan nhiều trục chính

Đúng như tên gọi, máy có nhiều trục xoay cho phép gắn đồng thời các đầu khoan. Đó là lý tưởng để chế tạo các bộ phận có nhiều lỗ hoặc các lỗ có khoảng cách gần nhau. Đó là một yếu tố chủ yếu trong môi trường sản xuất hàng loạt.

2. Máy khoan siêu nhỏ

Máy khoan này nổi tiếng về độ chính xác của nó. Nó có mâm cặp nhỏ, được thiết kế để khoan chính xác. Hoàn hảo cho các ứng dụng yêu cầu dung sai và độ chính xác cao, như trong sản xuất bộ phận y tế.

3. Máy khoan CNC thẳng đứng

Loại máy khoan phổ biến nhất cũng có sẵn ở phiên bản thủ công. Nó mạnh mẽ và được thiết kế cho các thành phần nặng và quá khổ. Máy có trục truyền động bằng bánh răng, cho phép khoan lỗ trên những vật liệu dày nhất.  

4. Máy khoan CNC cánh tay hướng tâm

Máy khoan hướng tâm có trục xoay di chuyển được trên phôi cố định. Tính di động của đầu khoan giúp máy có khả năng xử lý các bộ phận có kích thước và hình dạng khác nhau một cách chính xác. Đó là lý tưởng để sử dụng dọc theo dây chuyền khoan dầm CNC.

5. Máy khoan kiểu tháp pháo

Tháp pháo có nghĩa là một giá đỡ dụng cụ quay. Máy này có một tháp pháo, chứa nhiều công cụ. Nó vượt trội trong các hoạt động cần thay đổi công cụ thường xuyên. Lý tưởng cho các nhiệm vụ phức tạp với yêu cầu khoan thay đổi.

6. Máy khoan gang

Máy khoan này có nhiều đầu làm việc độc lập, dành cho các hoạt động tuần tự trên phôi cố định. Thiết kế của nó hợp lý hóa quá trình khoan, đặc biệt đối với các nhiệm vụ đòi hỏi một loạt hành động khoan.

Ví dụ cụ thể về các thành phần khoan CNC

Bất cứ nơi nào cần lắp ráp các bộ phận, bạn sẽ cần khoan CNC. Một số ví dụ cụ thể của ngành là: