เครื่องแกะสลักโลหะ CNC ทำงานอย่างไร: กลไก ขั้นตอนการทำงาน และความแม่นยำ

สถาปัตยกรรมอิเล็กทรอนิกส์และเครื่องกลหลัก

หัวใจสำคัญของเครื่องแกะสลักโลหะ CNC (Computer Numerical Control) คือความสัมพันธ์ที่ซับซ้อนระหว่างคำสั่งดิจิทัลและการเคลื่อนไหวทางกายภาพ กระบวนการเริ่มต้นด้วยการ ตัวควบคุม ซึ่งทำหน้าที่เป็นสมองของเครื่องจักร โดยจะได้รับ G-code ซึ่งเป็นภาษาโปรแกรมที่มีข้อมูลพิกัด และแปลประโยคดิจิทัลเหล่านี้เป็นพัลส์ไฟฟ้าแรงดันต่ำ พัลส์เหล่านี้จะถูกส่งไปที่ ไดรเวอร์ stepper หรือเซอร์โว ซึ่งขยายสัญญาณเพื่อส่งกำลังให้กับมอเตอร์

จากนั้นมอเตอร์จะแปลงพลังงานไฟฟ้านี้เป็นการเคลื่อนที่แบบหมุนที่แม่นยำ ในการแกะสลักโลหะที่มีความแม่นยำสูง การหมุนนี้จะต้องแปลงเป็นการเคลื่อนที่เชิงเส้นด้วยความแม่นยำในระดับจุลภาค ซึ่งสามารถทำได้โดยผ่านระบบส่งกำลัง ซึ่งจะเคลื่อนโครงสำหรับตั้งสิ่งของ (แกน X และ Y) และส่วนยึดสปินเดิล (แกน Z) ความแข็งแกร่งของระบบทั้งหมดนี้เป็นสิ่งสำคัญยิ่ง ซึ่งแตกต่างจากเราเตอร์งานไม้ ช่างแกะสลักโลหะจะต้องต้านทานแรงโก่งที่สำคัญเพื่อป้องกัน "การพูดคุย" ซึ่งทำให้พื้นผิวมีคุณภาพไม่ดีและเครื่องมือแตกหัก

ระบบส่งกำลัง: บอลสกรูกับแร็คแอนด์พีเนียน

วิธีการที่ใช้ในการเคลื่อนย้ายแกนของเครื่องจักรส่งผลกระทบอย่างมากต่อความละเอียดและความเหมาะสมในการแกะสลักรายละเอียดที่ละเอียด มีสองประเภทการส่งหลักที่พบในเครื่องแกะสลักโลหะ CNC:

• บอลสกรูส่ง: นี่คือมาตรฐานทองคำสำหรับการแกะสลักโลหะที่มีความแม่นยำสูง เพลาแบบเกลียววิ่งผ่านน็อตที่อัดแน่นไปด้วยลูกปืนหมุนเวียน ขณะที่สกรูหมุน น็อตจะเคลื่อนที่เป็นเส้นตรงโดยแทบไม่มีระยะการเล่นเป็นศูนย์ (ฟันเฟือง) กลไกนี้ช่วยให้การเคลื่อนที่ราบรื่นเป็นพิเศษและส่งผ่านแรงบิดสูง ซึ่งจำเป็นสำหรับการดันคัตเตอร์ผ่านโลหะแข็ง เช่น สแตนเลส โดยไม่สูญเสียตำแหน่ง
• แร็คแอนด์พิเนียน: โดยทั่วไปในเครื่องจักรขนาดใหญ่และเร็วกว่า ระบบนี้ใช้เฟือง (เฟือง) ที่ประกบกับรางฟันเฟือง (แร็ค) แม้ว่าจะมีความเร็วสูงและระยะเคลื่อนที่ไม่จำกัด แต่ก็มีระยะฟันเฟืองมากกว่าบอลสกรูเล็กน้อย สำหรับงานแกะสลักด้วยกล้องจุลทรรศน์ การเล่นเพียงเล็กน้อยนี้อาจส่งผลให้ได้มุมที่กำหนดน้อยลงเล็กน้อย ทำให้ไม่เหมาะสำหรับการแกะสลักเครื่องประดับหรือการทำเครื่องหมายด้วยเครื่องมือแบบละเอียด แต่เหมาะสำหรับป้ายขนาดใหญ่

กลไกการกำจัดวัสดุ: แบบหมุนและแบบเลเซอร์

"การแกะสลัก" หมายถึงกระบวนการทางกายภาพที่แตกต่างกันมากสองกระบวนการ ขึ้นอยู่กับหัวเครื่องมือที่ติดตั้งบนเครื่อง CNC การทำความเข้าใจความแตกต่างเป็นสิ่งสำคัญในการเลือกขั้นตอนการทำงานที่เหมาะสม

กระบวนการทำงานดิจิทัล: CAD สู่การเคลื่อนไหว

เครื่องไม่ "เห็น" การออกแบบ มันติดตามเฉพาะพิกัดเท่านั้น ขั้นตอนการทำงานจะแปลงความตั้งใจทางศิลปะให้เป็นเส้นทางทางคณิตศาสตร์:

• CAD (การออกแบบโดยใช้คอมพิวเตอร์ช่วย): ผู้ใช้สร้างเวกเตอร์ 2 มิติหรือโมเดล 3 มิติของชิ้นส่วน สำหรับการแกะสลัก เวกเตอร์จะกำหนดขอบเขตของตัวอักษรหรือรูปร่าง
• CAM (การผลิตโดยใช้คอมพิวเตอร์ช่วย): ซอฟต์แวร์นี้สร้างเส้นทางเครื่องมือ ผู้ใช้จะต้องกำหนดเครื่องมือ (เช่น บิต V 60 องศา) ความลึกของการตัด และความเร็ว ซอฟต์แวร์ CAM จะคำนวณเส้นทางที่แน่นอนที่ศูนย์กลางเครื่องมือต้องใช้เพื่อให้ได้รูปทรงที่ต้องการ
• การสร้าง G-Code: เอาต์พุต CAM เป็นไฟล์ข้อความที่มีคำสั่งเช่น G01 X10 Y10 Z-0.5 F200 . ซึ่งจะบอกให้เครื่องจักรเคลื่อนที่เชิงเส้นเพื่อพิกัด 10,10 โดยดิ่งลงสู่ความลึก 0.5 มม. ที่อัตราการป้อน 200 มม./นาที
• ซอฟต์แวร์ควบคุม: ซอฟต์แวร์ เช่น Mach3, GRBL หรือ UGS จะส่งโค้ดนี้ทีละบรรทัดไปยังตัวควบคุมเครื่องจักร เพื่อจัดการการเร่งความเร็วและการชะลอตัวแบบเรียลไทม์

ระบบย่อยที่สำคัญ: การระบายความร้อนและการอพยพของชิป

โลหะแกะสลักทำให้เกิดความร้อนอย่างมากเนื่องจากการเสียดสี หากไม่สามารถจัดการความร้อนนี้ได้ ดอกแกะสลักอาจหลอม (อ่อนลง) และหมองคล้ำได้ทันที หรือเศษอะลูมิเนียมอาจละลายและเชื่อมเข้ากับเครื่องตัด ("การครูด")

ระบบน้ำหล่อเย็นแบบหมอก เป็นเรื่องธรรมดาที่สุดสำหรับการแกะสลัก พวกเขาใช้อากาศอัดเพื่อทำให้น้ำมันหล่อลื่นจำนวนเล็กน้อยกลายเป็นหมอกละเอียด ซึ่งมีวัตถุประสงค์สองประการ: แรงลมจะไล่เศษออกจากเส้นทางการแกะสลัก ดังนั้นคัตเตอร์จึงไม่ตัดซ้ำ (ซึ่งจะทำให้ปลายหัก) และสารหล่อลื่นจะช่วยลดแรงเสียดทาน สำหรับโลหะที่แข็งกว่าหรือการตัดลึก น้ำยาหล่อเย็นน้ำท่วม อาจใช้เมื่อมีกระแสของเหลวไหลผ่านชิ้นส่วนอย่างต่อเนื่อง แม้ว่าจะต้องใช้กล่องหุ้มเต็มรูปแบบเพื่อกักเก็บความยุ่งเหยิงก็ตาม

กลยุทธ์การถือครองการปฏิบัติงานจริง

ในการแกะสลักโลหะ ชิ้นงานต้องถูกยึดไว้อย่างมั่นคงมากกว่าการเซาะร่องไม้ แม้แต่การสั่นสะเทือนด้วยกล้องจุลทรรศน์ก็สามารถทำลายปลายที่เปราะบางของดอกแกะสลักได้

• ปากกาจับเครื่องจักรที่มีความแม่นยำ: ดีที่สุดสำหรับสต็อกสี่เหลี่ยมหรือสี่เหลี่ยม ให้แรงบดอัดมหาศาลเพื่อป้องกันไม่ให้ชิ้นส่วนยกขึ้น
• โต๊ะสุญญากาศ: เหมาะสำหรับแผ่นบาง (เช่น ป้ายชื่อ) ที่อาจโค้งงอได้ ปั๊มสุญญากาศดูดแผ่นเรียบกับโต๊ะ เพื่อให้แน่ใจว่ามีความลึกในการแกะสลักสม่ำเสมอทั่วทั้งพื้นผิว
• ซุปเปอร์กาวและเทป: "การตัดเชิงสร้างสรรค์" สำหรับชิ้นส่วนแบนขนาดเล็กที่ไม่ปกติคือวิธีการ "ติดเทปและกาว" ติดมาสกิ้งเทปกับทั้งฐานเครื่องจักรและชิ้นส่วน และกาวซุปเปอร์กาวจะยึดติดพื้นผิวเทปทั้งสอง สิ่งนี้สามารถยึดเกาะได้ดีอย่างน่าประหลาดใจสำหรับแรงแสงของการแกะสลักโดยไม่ทิ้งสารตกค้างบนโลหะ

ความท้าทายเฉพาะวัสดุ: อลูมิเนียมกับสแตนเลส

"บุคลิกภาพ" ของโลหะเป็นตัวกำหนดวิธีการทำงานของ CNC

อลูมิเนียม นุ่มแต่ "เหนียว" มีแนวโน้มที่จะยึดติดกับเครื่องมือ เครื่องจักรจะต้องทำงานที่ความเร็วแกนหมุนสูง (RPM) เพื่อขับเศษออกอย่างรวดเร็ว และการหล่อลื่นไม่สามารถต่อรองได้เพื่อป้องกันไม่ให้เกิดการเกาะติด ดอกสว่านคาร์ไบด์ขัดเงาที่คมเป็นสิ่งสำคัญ

สแตนเลส เป็นเรื่องยากและมีแนวโน้มที่จะ "แข็งตัวขึ้น" ซึ่งหมายความว่ามันจะยากขึ้นเมื่อมันร้อนขึ้น เหล็กแกะสลักต้องใช้ RPM ต่ำเพื่อลดความร้อนแต่แรงบิดสูงขึ้น เครื่องจักรจะต้องมีความแข็งแกร่งเป็นพิเศษ การงอใดๆ ในเฟรมจะทำให้เครื่องมือเด้งและน่าจะหัก ดอกสว่านเคลือบ (เช่น AlTiN) มักใช้เพื่อทนต่ออุณหภูมิสูงที่เกิดขึ้นที่คมตัด

การตั้งค่า Z-Zero: กุญแจสู่ความสม่ำเสมอของความลึก

บางทีขั้นตอนการปฏิบัติที่สำคัญที่สุดในการแกะสลักคือการตั้งค่า "Z-Zero" ซึ่งเป็นความสูงเริ่มต้นของเครื่องมือ เนื่องจากการแกะสลักมักจะมีความลึกเพียง 0.1 มม. ถึง 0.3 มม. ข้อผิดพลาดเพียง 0.05 มม. อาจทำให้การแกะสลักมองไม่เห็นหรือลึกเกินไป

โดยทั่วไปแล้วตัวดำเนินการจะใช้ a หัววัดแบบสัมผัส (ลูกยางอัตโนมัติที่ทำให้วงจรสมบูรณ์เมื่อเครื่องมือสัมผัส) เพื่อสร้างความสูงพื้นผิวของวัสดุที่แน่นอน อีกวิธีหนึ่ง "วิธีการใช้กระดาษ" เกี่ยวข้องกับการลดเครื่องมือลงจนกระทั่งเครื่องมือบีบกระดาษเข้ากับชิ้นงานเบาๆ จากนั้นตั้งค่าเป็นศูนย์ (โดยพิจารณาจากความหนาของกระดาษ) สำหรับพื้นผิวที่ไม่เรียบ ตัวควบคุมขั้นสูงบางตัวใช้ "การปรับระดับอัตโนมัติ" โดยที่เครื่องจักรจะตรวจสอบตารางจุดบนพื้นผิวและบิดรหัส G เพื่อให้ตรงกับความโค้งของวัสดุอย่างสมบูรณ์แบบ