Rozdíl mezi CNC a konvenčním obráběním

Tato stránka je určena těm, kteří nemají zcela jasno v tom, jaký je rozdíl mezi normálním (konvenčním, klasickým) obráběním, a CNC obráběním. Nejde o žádný odborný výklad, vždy se snažím o ryze praktický pohled na věc. Rovněž uvádím výčet výhod a nevýhod obou způsobů obrábění.

Úvod

Zkratka CNC vznikla ze zkratky NC, což znamená "Numeric Control", tedy číslicové řízení. Místo točení klikou a sledování polohy na stupnici stačilo zadat požadovanou souřadnici jako číslo, a stroj tam najel sám. Odtud už byl jen krok k psaní krátkých programů, podle kterých stroj pracoval sám. A to už je vlastně CNC - Computer Numeric Control. Rozdíl mezi zkratkami NC a CNC není třeba řešit, záleželo by na tom, jakou řídicí elektroniku už považujeme za počítač a jakou ne. Dle některých definic NC stroj umí řídit v danou chvíli jen jednou osu, zatímco CNC stroj umí řídit současně dvě nebo více os, takže je schopen jet třeba šikmo nebo po oblouku. Je to jedno, základní rozdíl je v tom, že u konvenčních strojů máme ruce na kličkách, u CNC strojů na čudlících nebo na klávesnici.

Mýty o CNC

Hned zkraje bych rád vyvrátil nebo uvedl na pravou míru některé mýty, které o CNC obrábění panují, nejčastěji u lidí, kteří pracují v kanceláři, a nikdo z dílny nebyl ochoten jim jednoduše vysvětlit, o čem to je.

• CNC obrábění je bezpracné: Někteří lidí si myslí, že CNC stroj pracuje podobně jako laserová tiskárna u počítače - pokud mám v pořádku tonery, stačí tam poslat dokument (výkres), a vyjede hotový výtisk (výrobek). To je samozřejmě úplný nesmysl - je třeba nachystat a pořádně upnout materiál, vymyslet, jakými nástroji se bude obrábět, každý nástroj dát do upínače, nainstalovat jej do stroje a odměřit, a pak napsat program. Hodně pomáhá CAM software, ale i tak je třeba zodpovědně zadat spoustu parametrů, především správné otáčky a posuvy. No a pak to pustíte a modlíte se. Buď to projde a případně jen něco doladíte, nebo něco zkazíte a musíte znovu a lépe. Někteří lidé sice chápou, že příprava programu zabere čas, ale při opakované výrobě už očekávají, že to vlastně jen načtu a pustím. Tedy jednou pro vždy, přátelé - mít program z minulé várky je fajn, ale všechno ostatní mechanické nastavení je třeba udělat znovu, protože na stroji mezitím běželo plno úplně jiných věcí.
• CNC = výrobky za pakatel: I když moderní CNC stroje pracují obdivuhodně rychle, neznamená to, že dokážou produkovat výrobky za mizivou cenu. Tyto stroje mají totiž vysoké hodinové provozní náklady, které se skládají především z vysokých leasingových splátek, velké spotřeby elektrické energie, drahých špičkových nástrojů, extrémně drahých servisních zásahů a náhradních dílů, a samozřejmě na tom chce majitel stroje také slušně vydělat. A také je třeba zaplatit obsluhu, která ve stroji mění kusy a hlídá, že všechno běží tak, jak má. Případně - pokud by měl stroj pracovat bezobslužně, je třeba jej vybavit drahým automatickým zařízením pro výměnu kusů a složitým systémem pro korektní řešení všemožných chybových stavů.
• CNC obrábění je přesnější: I když tomu tak často je, jako absolutní pravidlo to rozhodně neplatí. Přesnost výrobku je daná kvalitou stroje a nástrojů, správnou technologií a pečlivostí a zkušeností obráběče. CNC stroje jsou většinou přesnější než konvenční, takže obsluha se nemusí tolik snažit, nebo ani nemusí postupovat zcela správě, a přesto dosáhne lepšího výsledku. Na druhou stranu - zkušený odborník může na starém vyhrkaném konvenčním stroji při použití vhodných postupů a při dobré znalosti tohoto stroje dosáhnout vyšší kvality, než někdo nekvalifikovaný, koho postavili ke špičkovému CNC stroji.
• Mám CNC - nepotřebuji konvenční stroje: Byla by chyba po nákupu CNC strojů dát do šrotu ty starší, konvenční. Ty stále velmi dobře poslouží pro kusovou výrobu, bezpečnější a rychlejší hledání a ladění výrobního postupu a řezných podmínek, a především pro výrobu všemožných přípravků a pomůcek, bez nichž se efektivní CNC výroba většinou neobejde. Konvenční stroje jsou také často vhodnější na hrubovací práce, ať už proto, že pro CNC stroj by to znamenalo zbytečnou amortizaci, nebo zkrátka proto, že zakázka by se bez pomoci druhého stroje v daném termínu nestihla.

Výhody CNC stroje

• Sériová výroba: Obráběči, pracující na konvenčních strojích, jistě potvrdí, že opakování stále stejné posloupnosti úkonů je únavné nejen pro ruce, ale především pro hlavu, a z toho pak pramení nízká produktivita, vysoká zmetkovitost, a také to, že vás to prostě nebaví. Nasazení CNC stroje pak dokáže ušetřit spoustu času, a čas jsou peníze. Odvážnější operátoři si dokonce troufnou nechat stroj pracovat bez stálého dohledu, a v ušetřeném čase můžou pracovat na jiném stroji, chystat další kusy, dělat dokončovací práce, uklízet, jít na svačinu, nebo cokoliv jiného. Ale i v případě, že obsluha stále dohlíží na chod CNC stroje, dochází k výrazné úspoře času, především při najíždění na přesné souřadnice, při rychloposuvech atd. Ruční točení kličkami se zkrátka se servopohonem nemůže měřit.
• Složité součásti: I při kusové výrobě může být CNC stroj velkým přínosem, obzvláště u složitých součástí, například když se na nich mnohokrát opakuje v pravidelných rozestupech tentýž prvek - díra, drážka, atd... Úspory se samozřejmě dá dosáhnout i u součástí s množstvím různých prvků, obzvláště při nasazení CAM-softwaru.
• Automatická výměna nástroje: Pokud CNC stroj umožňuje automatickou výměnu nástroje, posouvá to produktivitu výroby ještě o několik úrovní výše. U sériové výroby složitějších kusů je to víceméně nezbytnost. Je tak možné obrobit celou součást, nebo aspoň její podstatnou část, na jedno upnutí, což umožňuje udržet přesnost, snižuje riziko poškození součásti při manipulaci, a především to šetří čas operátora.
• Frézování libovolných rádiusů: Pravoúhlou díru nebo kapsu se zaoblenými rohy lze sice vyfrézovat i na konvenčním stroji, ale je třeba použít nástroj, jehož průměr přesně odpovídá předepsanému rádiusu. Navíc u větších poloměrů dochází při zajetí do rohu ke skokovému nárůstu zatížení nástroje, což se projeví v lepším případě vibracemi a sníženou kvalitou povrchu, v horším případě i zastavením vřetene, zlomením nástroje nebo odskočením nedostatečně upnutého obrobku. Naproti tomu na CNC frézce použijeme nástroj o menším průměru a požadovaného poloměru dosáhneme čtvrtkruhovou interpolací s příslušnou korekcí, čímž všechny uvedené problémy eliminujeme.
• Snadnější šikmý posuv: Na konvenční frézce lze frézovat šikmo pouze tak, že obrobek upneme v požadovaném úhlu vůči směru posuvu, například pomocí otočného svěráku. Pokud je na obrobku více šikmých linií (například trojúhelník nebo lichoběžník), musíme upínat vícekrát, je to velmi pracné, kumulují se nepřesnosti, roste riziko poškození výrobku při manipulaci, zkrátka k vzteku práce. CNC frézka dokáže objet všechny kontury na jedno upnutí a na jeden program.
• Náhrada otočného stolu: Frézovat oblouky lze i na konvenčním stroji, ale je třeba použít otočný stůl, a obrobek upnout tak, aby střed oblouku ležel přesně v ose rotace stolu. To je velmi pracné, stejně jako samotné frézování. Také je obtížné určit a udržet koncové úhly oblouku, obzvláště když mají přesně navazovat na pokračující linie. Je velké umění udělat to tak, aby přechod nebyl vidět. Některé oblouky s velkým rádiusem vůbec není možné tímto způsobem vyfrézovat, protože osa rotace je příliš daleko od obráběného povrchu. Ve všech těchto případech je CNC frézka hotovým požehnáním. Otočný stůl můžete schovat hodně hluboko do regálu, ale přesto raději nevyhazovat :-)
• Náhrada děličky: Velmi často je třeba vyvrtat určitý počet děr v pravidelných úhlových rozestupech na roztečné kružnici o určitém průměru, většinou na různých přírubách. V konvenčním obrábění k tomu slouží dělička, kde je třeba na dělicím kotouči použít dráhu se správným počtem děr. Předtím je však třeba součást přesně vystředit s osou děličky a vrtací vřeteno vyosit na příslušný poloměr. To je dosti pracné, zatímco CNC stroj dokáže všechny díry přesně napolohovat sám. Hlavní výhoda však spočívá v tom, že součást je možné upnout napevno, tedy snadněji, pevněji a přesněji, než na děličce. Ale pozor - pokud nemáte na CNC stroji čtvrtou (rotační) osu, tak se děličky rozhodně nezbavujte - pro radiální vrtání, obvodové drážkování a podobné věci bude stále nezbytná.
• Sousledné hrubování: Sousledné frézování je častokrát vhodnější než nesousledné, například kvůli lepšímu výslednému povrchu nebo menšímu riziku zalepení nástroje třískami. Dalším případem je postupné ubírání materiálu při hrubování, kdy můžeme frézovat i při zpětném posuvu, namísto pouhého neproduktivního přejezdu do výchozí polohy. Bohužel sousledné hrubování na konvenčním stroji je prakticky vyloučeno kvůli axiální vůli v trapézovém posuvovém šroubu. Na CNC stroji je díky bezvůlovým kuličkovým šroubům možné frézovat plným zatížením v obou směrech.
• Kontinuální frézování: Každý zkušený frézař ví, že pro dosažení bezvadného povrchu je nezbytné udržet kontinuální posuv. Jakmile na chvíli zastavíme, zůstane povrch na tomto místě poznamenaný. Na konvenčním stroji však není možné za všech okolností souvislý posuv udržet, například při přechodu ze strojního na manuální posuv, nebo během přechodu z podélného na příčný posuv při frézování vnitřních rohů. Jedině CNC stroj dokáže tento přechod zvládnout zcela bez prodlevy.
• Optimální řezné podmínky: U konvenčních strojů často narazíme na problém, že není možné dosáhnout dostatečně vysokách otáček nástroje, ať už proto, že to stroj zkrátka neumožňuje, nebo proto, že by špony lítaly nepříjemně a nebezpečně daleko, a emulze by stříkala po celé dílně. Moderní CNC stroje jsou plně krytované a zvládnou dostatečně vysoké otáčky, takže tato omezení u nich nejsou.
• Soustružení kuželů: Na klasickém soustruhu je třeba seřídit šikmý posuv přesně do daného úhlu, a po skončení práce zase vrátit zpět přesně do nuly. Navíc šikmý posuv nemá strojní pohon. Z těchto i dalších důvodů je kusové i sériové soustružení kuželů na klasice velmi neoblíbenou činností. Nemluvě o složitějších součástech, kde jsou přechody mezi válcovými, kuželovými a čelními plochami. Naproti tomu CNC soustruhu je úplně jedno, jestli jede čistě pravoúhle nebo po kuželu. Mnohem snazší je také dosažení přesného úhlu nebo poměru kuželovitosti.
• Soustružení závitů patří mezi vrchol soustružnického umu a také velmi nezáživnou práci. V zásadě se soustružníci dělí na dvě skupiny - ti, kteří to neumí, a ti, které to nebaví :-) Největším problémem však je, že prakticky není možné dosáhnout optimální řezné rychlosti, protože to operátor zkrátka nestíhá. Zvláště když jde o slepý závit a je třeba řezání zastavit v přesně určeném místě. Další komplikace je, že ne každý soustruh umožňuje nastavení libovolného stoupání bez složité výměny ozubených kol. Na CNC stroji stačí jeden řádek programu a vše je hotové. Jedinou nevýhodou tak zůstává, že jakmile si na to zvyknete, už nikdy nebudete chtít řezat závity na klasice, a po nějaké době hrozí, že úplně zapomenete, jak se to dělá :-)

Nevýhody CNC stroje

• Vysoké pořizovací náklady: Ceny nových plnohodnotných obráběcích strojů začínají na 1 milionu, ale to se bavíme o úplném základu, při reálných požadavcích se to většinou blíží 2 milionům (horní hranice samozřejmě neexistuje). Starší stroje se dají koupit řádově za polovinu, ale samozřejmě vždy s rizikem, že tam bude nějaký vážný problém, jehož vyřešení bude drahé. Takovou investici lze jen málokdy zvládnout bez úvěru nebo leasingu, přičemž splátky vycházejí na desítky tisíc měsíčně. Aby si stroj na sebe vydělal, je třeba jej víceméně nepřetržitě sytit prací, a může tak snadno dojít ke zklamání, že my jsme otrokem toho stroje, místo aby on dělal za nás.
• Vysoké ceny příslušenství: Kupní cenou CNC stroje to rozhodně nekončí, vysoké jsou i ceny nezbytného vybavení a příslušenství. Aby bylo možné využít plný výkon a přesnost stroje, je třeba používat kvalitní a tedy drahé vybavení, ať už pro upínání výrobků nebo nástrojů, dále nástroje samotné, obrobkovou a nástrojovou sondu, a samozřejmě měřicí techniku.
• Vysoké provozní náklady: Splátka úvěru zdaleka není jediným výdajem. Pořádný CNC stroj v plném nasazení spotřebuje měsíčně elektřinu za několik tisíc korun. To je ale docela předvídatelný náklad, mnohem horší jsou výdaje za náhradní díly a servisní zásahy, ať už jde o náhodné poruchy, nebo havárie způsobené chybou operátora. To mohou být desítky, ale i stovky tisíc. Lze to řešit pojištěním, ale to je také docela vysoký výdaj.
• Požadavky na obsluhu: Dá se říct, že moderní CNC stroj je tak výkonný a rychlý, že paradoxně dokáže zaměstnat jednoho člověka. Jde-li o sériovou výrobu, pak je to operátor, který mění kusy, pokud jde o kusovou či malosériovou výrobu, pak je to seřizovač/programátor. Plat obsluhy je pak třeba počítat do výdajů na provoz stroje, a toto zohlednit při naceňování výroby.
• Absence ručního ovládání: Při seřizování a programování CNC stroje je třeba předem správně určit řezné podmínky, především hloubku záběru a rychlost posuvu. Při běhu programu už toto většinou není možné doladit. To je hlavní nevýhoda oproti konvenčnímu stroji, kde operátor cítí v ruce řezný odpor a může tomu přizpůsobit posuv. Také může ihned zmenšit hloubku záběru nebo šířku špony, když zjistí, že to stroj nezvládá. Operátor CNC stroje tak musí být poměrně zkušený obráběč, ideální je, když má bohaté zkušenosti právě z konvenčních strojů. Nezkušený operátor v lepším případě nedokáže plně využít potenciál stroje, v horším případě nadělá spoustu škody.
• Hrubování a velké úběry: Pro tyto operace je moderní CNC stroj nepříliš vhodný, protože je ho na to zkrátka škoda. Zbytečně se amortizuje, zkracuje se jeho životnost a zhoršuje se přesnost. Ve výsledku je trvalé použití precizního CNC stroje na masivní hrubování v podstatě zbytečně drahé. Mnohem lepší je použít starý konvenční stroj.