O que você deve saber sobre roteadores CNC?

INTRODUÇÃO

Uma fresadora CNC é um kit de máquina cujos caminhos de ferramentas podem ser controlados por controle numérico de computador. É uma máquina controlada por computador para cortar vários materiais duros, como madeira, compósitos, alumínio, aço, plásticos e espumas. É um dos muitos tipos de ferramentas que possuem variantes CNC. Uma fresadora CNC é muito semelhante em conceito a uma fresadora CNC.




Os roteadores CNC vêm em muitas configurações, desde pequenos roteadores CNC de "mesa" de estilo doméstico a grandes roteadores CNC de "pórtico" usados ​​em instalações de fabricação de barcos. Embora existam muitas configurações, a maioria dos roteadores CNC tem algumas peças específicas:um controlador CNC dedicado, um ou mais motores de fuso, inversores CA e uma mesa.




Os roteadores CNC estão geralmente disponíveis em formatos CNC de 3 e 5 eixos.




O roteador CNC é executado por um computador. As coordenadas são carregadas no controlador da máquina a partir de um programa separado. Os proprietários de roteadores CNC geralmente têm dois aplicativos de software - um programa para fazer projetos (CAD) e outro para traduzir esses projetos em um programa de instruções para a máquina (CAM). Tal como acontece com as fresadoras CNC, os roteadores CNC podem ser controlados diretamente por programação manual, mas CAD / CAM abre possibilidades mais amplas de contorno, agilizando o processo de programação e em alguns casos criando programas cuja programação manual seria, se não verdadeiramente impossível, certamente comercialmente impraticável.




Os roteadores CNC podem ser muito úteis na execução de trabalhos idênticos e repetitivos. Uma fresadora CNC normalmente produz um trabalho consistente e de alta qualidade e melhora a produtividade da fábrica.

Um roteador CNC pode reduzir o desperdício, a frequência de erros e o tempo que o produto acabado leva para chegar ao mercado.




Uma fresadora CNC dá mais flexibilidade ao processo de fabricação. Ele pode ser usado na produção de muitos itens diferentes, como entalhes de portas, decorações internas e externas, painéis de madeira, placas de sinalização, molduras de madeira, molduras, instrumentos musicais, móveis e assim por diante. Além disso, a fresadora CNC facilita a termoformação de plásticos, automatizando o processo de corte. Os roteadores CNC ajudam a garantir a repetibilidade das peças e produção suficiente de fábrica.

CONTROLE NUMÉRICO

A tecnologia de controle numérico como é conhecida hoje surgiu em meados do século XX. Pode ser rastreado o ano de 1952, a Força Aérea dos Estados Unidos, e os nomes de john parsons e o Instituto de Tecnologia de Massachusetts em Cambridge, MA, EUA. Não foi aplicado na fabricação de produção até o início dos anos 1960. o verdadeiro boom veio na forma de CNC, por volta do ano de 1972, e uma década depois com a introdução de microcomputadores acessíveis. A história e o desenvolvimento desta tecnologia fascinante foram bem documentados em muitas publicações.




No campo da manufatura, e particularmente na área de usinagem, a tecnologia de Controle Numérico causou uma revolução. Mesmo nos dias anteriores aos computadores se tornarem acessórios padrão em todas as empresas e em muitos lares, as máquinas-ferramentas equipadas com sistema de controle numérico encontraram seu lugar especial nas oficinas de máquinas. a evolução recente da microeletrônica e o constante desenvolvimento da informática, incluindo seu impacto no Controle Numérico, trouxeram mudanças significativas para o setor manufatureiro em geral e a indústria metalúrgica em particular.

DEFINIÇÃO DE CONTROLE NUMÉRICO

Em várias publicações e artigos, muitas descrições têm sido utilizadas ao longo dos anos para definir o que é Controle Numérico. Muitas dessas definições compartilham a mesma ideia, o mesmo conceito básico, apenas usam palavras diferentes.




A maioria de todas as definições conhecidas pode ser resumida em declarações relativamente simples:




O controle numérico pode ser definido como uma operação de máquinas-ferramentas por meio de instruções codificadas especificamente para o sistema de controle da máquina.

As instruções são combinações de letras do alfabeto, dígitos e símbolos selecionados, por exemplo, um ponto decimal, o sinal de porcentagem ou os símbolos de parênteses. Todas as instruções são escritas em uma ordem lógica e de uma forma predeterminada. A coleção de todas as instruções necessárias para usinar uma peça é chamada de programa NC, programa CNC ou programa de peça. Esse programa pode ser armazenado para uso futuro e usado repetidamente para obter resultados de usinagem idênticos a qualquer momento.

Tecnologia NC e CNC

No cumprimento estrito da terminologia, há uma diferença no significado das abreviaturas NC e CNC. O NC representa o pedido e a tecnologia de Controle Numérico original, enquanto a abreviatura CNC significa a mais nova tecnologia de Controle Numérico Computadorizado, um desdobramento moderno de seu parente mais antigo. No entanto, na prática, CNC é a abreviatura preferida. Para esclarecer o uso adequado de cada termo, observe as principais diferenças entre os sistemas NC e CNC.




Ambos os sistemas realizam as mesmas tarefas, nomeadamente a manipulação de dados com o objetivo de usinar uma peça. Em ambos os casos, o projeto interno do sistema de controle contém as instruções lógicas que processam os dados. Nesse ponto, a semelhança termina.

O sistema NC (em oposição ao sistema CNC) usa funções lógicas fixas, aquelas que são incorporadas e permanentemente conectadas à unidade de controle. Estas funções não podem ser alteradas pelo programador ou operador da máquina. devido à escrita fixa da lógica de controle, o sistema de controle NC pode interpretar um programa de peça, mas não permite que nenhuma alteração seja feita fora do controle, normalmente em um ambiente de escritório. Além disso, o sistema NC requer o uso obrigatório de fitas perfuradas para a entrada das informações do programa.




O sistema CNC moderno, mas não o antigo sistema NC, usa um microprocessador interno (ou seja, um computador). Este computador contém registros de memória que armazenam uma variedade de rotinas capazes de manipular funções lógicas. Isso significa que o programador de peças ou o operador da máquina pode alterar o programa do próprio controle (na máquina), com resultados instantâneos. Essa flexibilidade é a maior vantagem dos sistemas CNC e provavelmente o elemento-chave que contribuiu para o uso tão amplo da tecnologia na fabricação moderna. Os programas CNC e as funções lógicas são armazenados em chips de computador especiais, como instruções de software. Em vez de ser usado pelas conexões de hardware, como fios, que controlam as funções lógicas. Em contraste com o sistema NC, o sistema CNC é sinônimo do termo `softwired`.




Ao descrever um assunto específico relacionado à tecnologia de controle numérico, é comum usar o termo NC ou CNC. Lembre-se de que NC também pode significar CNC na conversa do dia-a-dia, mas CNC nunca pode se referir à tecnologia do pedido, descrita aqui com a abreviatura de NC. A letra `C` significa computadorizado e não se aplica ao sistema cabeado. Todos os sistemas de controle fabricados hoje são de design CNC. Abreviações como C&C ou C'n'C não são corretas e refletem mal em quem as usa.

Terminologia

Zero absoluto

Isso se refere à posição de todos os eixos quando eles estão localizados no ponto onde os sensores podem detectá-los fisicamente. uma posição zero absoluta é normalmente alcançada depois que um comando home é executado.

Eixo

Uma linha de referência fixa sobre a qual um objeto se traduz ou gira.

Parafuso de esfera

Um parafuso de esfera é um dispositivo mecânico para transformar o movimento rotacional em movimento linear. ele consiste em uma porca de rolamento de esferas recirculante que é inserida em um parafuso roscado de precisão.

CAD

O projeto auxiliado por computador (CAD) é o uso de uma ampla gama de ferramentas baseadas em computador que auxiliam engenheiros, arquitetos e outros profissionais de design em suas atividades de design.

CAM

Manufatura auxiliada por computador (CAM) é o uso de uma ampla gama de ferramentas de software baseadas em computador que auxiliam engenheiros e maquinistas CNC na fabricação ou prototipagem de componentes de produtos.

CNC

A abreviatura CNC significa controle numérico do computador e se refere especificamente a um "controlador" de computador que lê as instruções do código G e aciona a máquina-ferramenta.

Controlador

Um sistema de controle é um dispositivo ou conjunto de dispositivos que gerenciam, comandam, dirigem ou regulam o comportamento de outros dispositivos ou sistemas.

Luz do dia

Esta é a distância entre a parte mais baixa da ferramenta e a superfície da mesa da máquina. A luz do dia máxima se refere à distância da mesa até o ponto mais alto que uma ferramenta pode alcançar.

Bancos de perfuração

Também conhecido como multi-brocas, são conjuntos de brocas geralmente espaçadas em incrementos de 32 mm.

Velocidade de alimentação

Ou a velocidade de corte é a diferença de velocidade entre a ferramenta de corte e a superfície da peça em que está operando.

Deslocamento do acessório

Este é um valor que representa o zero de referência de um determinado aparelho. corresponde à distância em todos os eixos entre o zero absoluto e o zero fixador.

Código G

Código G é um nome comum para a linguagem de programação que controla as máquinas-ferramentas NC e CNC.

Casa

Este é o ponto de referência programado, também conhecido como 0,0,0, representado como zero absoluto da máquina ou como zero de deslocamento do dispositivo de fixação.




A interpolação linear e circular é um método de construção de novos pontos de dados a partir de um conjunto discreto de pontos de dados conhecidos. em outras palavras, é assim que o programa calculará o caminho de corte de um círculo completo, sabendo apenas o ponto central e o raio.

Casa da máquina

Esta é a posição padrão de todos os eixos da máquina. Ao executar um comando de homing, todos os drives se movem em direção às suas posições padrão até chegarem a uma chave ou sensor que os diga para parar.

Aninhamento

Refere-se ao processo de fabricação eficiente de peças a partir de chapas. usando algoritmos complexos, o software de agrupamento determina como dispor as peças de forma a maximizar o uso do estoque disponível.

Compensação

Refere-se à distância da medição da linha central que vem do software CAM.

Ferramentas complementares

Este é o termo usado para se referir a ferramentas ativadas por ar que são montadas ao lado do fuso principal.

Pós-processador

Software que fornece algum processamento final aos dados, como formatação para exibição, impressão ou usinagem.

Programa zero

Este é o ponto de referência 0,0 especificado no programa. na maioria dos casos, é diferente do zero da máquina.

Cremalheira e pinhão

Uma cremalheira e um pinhão são um par de engrenagens que convertem o movimento rotacional em movimento linear.

Fuso

Um fuso é um motor de alta frequência equipado com um aparelho porta-ferramentas.

Spoilboard

Também conhecida como tábua sacrificial, é o material usado como base para o material a ser cortado. pode ser feito de muitos materiais diferentes, dos quais MDF e aglomerado são os mais comuns.

Carregamento de ferramenta

Isso se refere à pressão exercida sobre uma ferramenta enquanto ela está cortando o material.

Velocidade da ferramenta

Também é chamada de velocidade do fuso, esta é a frequência rotacional do fuso da máquina, medida em rotações por minuto (RPM).

Ferramentas

As ferramentas, surpreendentemente, costumam ser o aspecto menos compreendido dos equipamentos CNC. visto que é o elemento que mais afetará a qualidade do corte e a velocidade de corte, os operadores deveriam gastar mais tempo explorando este assunto.




As ferramentas de corte geralmente vêm em três materiais diferentes; aço rápido, carboneto e diamante.

Aço rápido (HSS)

O HSS é o mais afiado dos três materiais e o menos caro; entretanto, desgasta-se mais rapidamente e só deve ser usado em materiais não abrasivos. ele requer mudanças e afiação frequentes e, por esse motivo, é usado principalmente nos casos em que o operador precisará cortar um perfil personalizado internamente para um trabalho especial.

Carboneto sólido

As ferramentas de metal duro vêm em diferentes formas:com pontas de metal duro, pastilhas de metal duro e ferramentas inteiras de metal duro. tenha em mente que nem todos os carbonetos são iguais, pois a estrutura cristalina varia muito entre os fabricantes dessas ferramentas. como resultado, essas ferramentas reagem de maneira diferente ao calor, vibração, impacto e cargas de corte. geralmente, as ferramentas genéricas de metal duro de baixo custo se desgastam e lascam mais rapidamente do que as marcas de alto preço.




Cristais de carboneto de silício são incorporados em um aglutinante de cobalto para formar a ferramenta. Quando a ferramenta é aquecida, o aglutinante de cobalto perde sua capacidade de reter os cristais de carboneto e torna-se opaco. ao mesmo tempo, o espaço vazio deixado pelo carboneto ausente se enche de contaminantes do material que está sendo cortado, ampliando o processo de embotamento.

Ferramentas de diamante

O preço dessa categoria de ferramentas caiu nos últimos dois anos. sua notável resistência à abrasão o torna ideal para cortar materiais como laminados de alta pressão ou Mdf. alguns afirmam que ele vai durar mais do que o carboneto em até 100 vezes. As ferramentas com ponta de diamante estão sujeitas a lascar ou rachar se atingirem um prego cravado ou um nó duro. alguns fabricantes usam ferramentas diamantadas para o corte desbaste de materiais abrasivos e, a seguir, mudam para ferramentas de metal duro ou pastilha para o trabalho de acabamento.

Geometria da ferramenta

Shank

A haste é a parte da ferramenta que é segurada pelo porta-ferramenta. é a parte da ferramenta que não apresenta evidência de usinagem. a haste deve ser mantida livre de contaminação, oxidação e arranhões.

Diâmetro de corte

Este é o diâmetro ou a largura do corte que a ferramenta irá produzir.

Comprimento do corte

Esta é a profundidade de corte efetiva da ferramenta ou quão profundo a ferramenta pode cortar no material.

Flautas

Esta é a parte da ferramenta que retira o material cortado. o número de canais em uma fresa é importante para determinar a carga de cavacos.

Perfil da ferramenta

Existem muitos perfis de ferramentas nesta categoria. os principais a serem considerados são espirais de corte ascendente e descendente, espirais de compressão,

ferramentas mais ásperas, finalizadoras, de baixa hélice e de corte reto. todos eles vêm em uma combinação de uma a quatro flautas.




A espiral de corte para cima fará com que os cavacos voem para cima, para fora do corte. isso é bom ao fazer um corte cego ou ao perfurar diretamente para baixo. esta geometria da ferramenta, entretanto, promove o levantamento e tende a arrancar a borda superior do material que está sendo cortado.




Ferramentas em espiral de corte descendente empurrarão os cavacos para baixo no corte, o que tende a melhorar a retenção da peça, mas pode causar entupimento e superaquecimento em certas situações. esta ferramenta também tenderá a rasgar a borda inferior do material que está sendo cortado.




Ambas as ferramentas espirais de corte ascendente e descendente vêm com um desbaste, quebra-cavacos ou uma aresta de acabamento.




As espirais de compressão são uma combinação de flautas de corte ascendente e descendente.




As ferramentas de compressão afastam os cavacos das bordas em direção ao centro do material e são usadas ao cortar laminados de dupla face ou quando o arrancamento das bordas é um problema.




Brocas em espiral de baixa hélice ou alta hélice são usadas no corte de materiais mais macios, como plástico e espuma, quando a soldagem e a evacuação de cavacos são essenciais.

Carregamento de chip

O fator mais importante para aumentar a vida útil da ferramenta é dissipar o calor que é absorvido pela ferramenta. a maneira mais rápida de fazer isso é cortando mais material, em vez de ir mais devagar. Os cavacos extraem mais calor da ferramenta do que a poeira. da mesma forma, esfregar a ferramenta contra o material causará atrito que se traduz em calor.




Outro fator a se considerar na busca por aumentar a vida útil da ferramenta é manter a ferramenta, a pinça e o porta-ferramenta limpos, livres de depósitos ou corrosão, reduzindo assim as vibrações causadas pelo desequilíbrio das ferramentas.




A espessura do material que está sendo removido por cada dente da ferramenta é chamada de carga do cavaco.




A fórmula para calcular a carga de cavacos é a seguinte:




Chip Load =Feed Rate / RPM / # Flutes




Quando a carga do cavaco aumenta, a vida útil da ferramenta aumenta, enquanto diminui o tempo de ciclo. além disso, uma ampla gama de cargas de cavacos alcançará um bom acabamento de aresta. é melhor consultar o gráfico de carga de cavacos do fabricante da ferramenta para encontrar o melhor número a ser usado. as cargas de cavacos recomendadas geralmente variam entre 0,003 "e 0,03" ou 0,07 mm a 0,7 mm.

Acessórios

Impressão de etiqueta

Esta é uma opção que está se tornando cada vez mais popular na indústria, especialmente porque as máquinas CNC estão se tornando mais integradas a toda a fórmula do negócio. O controlador pode ser conectado ao software de vendas ou agendamento e as etiquetas das peças são impressas assim que a peça é usinada. Alguns fornecedores usam etiquetas para identificar sobras de material para fácil recuperação no futuro.

Leitores óticos

Também conhecidas como varinhas de código de barras, elas podem ser integradas ao controlador para que um programa possa ser chamado digitalizando um código de barras na programação de trabalho. Esta opção economiza um tempo valioso ao automatizar o processo de carregamento do programa.

Sondas

Esses dispositivos de medição vêm em uma variedade de formas e realizam muitas funções diferentes. Algumas sondas apenas medem a altura da superfície para garantir o alinhamento adequado em aplicações sensíveis à altura. outras sondas podem varrer automaticamente a superfície de um objeto tridimensional para reprodução posterior.

Sensor de comprimento da ferramenta

Um sensor de comprimento de ferramenta atua como uma sonda que mede a luz do dia ou a distância entre a extremidade da fresa e a superfície da área de trabalho e insere este número nos parâmetros de ferramenta do controle. Essa pequena adição salvará o operador do longo processo necessário cada vez que ele trocar uma ferramenta.

Projetores laser

Esses dispositivos foram vistos pela primeira vez na indústria de móveis em cortadores de couro CNC. Um projetor de laser montado acima da mesa de trabalho do CNC projeta uma imagem da peça a ser cortada. Isso simplifica muito o posicionamento da placa na mesa para evitar defeitos e outros problemas.

Cortador de vinil

Um acessório de faca de vinil é frequentemente visto na indústria de sinalização. trata-se de uma fresa que pode ser acoplada ao fuso principal ou lateralmente com uma faca giratória livre cuja pressão pode ser ajustada por meio de um botão. Este acessório permite que o usuário transforme sua fresadora CNC em uma plotadora para fazer máscaras de vinil para jato de areia ou letras e logotipos de vinil para caminhões e placas.

Dispensador de refrigerante

Pistolas de ar frio ou misturadores de fluido de corte são usados ​​com uma fresadora de madeira para cortar alumínio ou outros metais não ferrosos. Esses acessórios lançam um jato de ar frio ou uma névoa de fluido de corte perto da ferramenta de corte para garantir que ela permaneça fria durante o trabalho.

Gravador

Os gravadores são montados no fuso principal e consistem em uma cabeça flutuante segurando uma faca de gravação de pequeno diâmetro que gira entre 20.000 e 40.000 RPM. The floating head ensures that the engraving depth will be constant even if the material thickness changes. This option if most often found in the sign making industry although trophy makers, luthiers and millwork shops use it for marquetry.

Rotating axis

A rotating axis set along the x or the y axis can turn the router into a CNC lathe. Some of these rotating axes are simply a rotating spindle while others are indexable which means they can be used for carving intricate parts.

Floating cutter head

Floating cutter heads will keep the cutter at a specific height from the top surface of the material being cut. This is important when cutting features onto the top surface of a part that might not present an even surface. An example of this is cutting a v-groove on the top of a dining room table.

Plasma cutter

Plasma cutters are an add-on to some machines and allow the user to cut sheet metal parts of varying thicknesses.

Aggregate tools

Aggregate tools can be used for many operations that a straight cutter cannot perform.

CONVENTIONAL AND CNC MACHINING

What makes the CNC machining superior to the conventional methods? Is it superior at all? Where are the main benefits? If the CNC and the conventional machining processes are compared, a common general approach to machining a part will emerge:




1. Obtain and study the drawing

2. Select the most suitable machining method

3. Decide on the setup method (work holding)

4. Select the cutting tools

5. Establish speeds and feeds

6. Machine the part




The basic approach is the same for both types of machining. The major difference is in the way how various data are input. A feed rate of 10 inches per minute (10 in/min) is the same in manual




Or CNC applications, but the method of applying it is not. The same can be said about a coolant – it can be activated by turning a knob, pushing a switch or programming a special code. All these actions will result in a coolant rushing out of a nozzle. In both kinds of machining, a certain amount of knowledge on the part of the user is required. After all, metal working, particularly metal cutting is mainly a skill, but it is also, to a great degree, an art and a profession of large number of people. So is the application of Computerized Numerical Control. Like any skill or art or profession, mastering it to the last detail is necessary to be successful. It takes more than technical knowledge to be a CNC machinist or CNC programmer. Work experience, intuition and what is sometimes called a `gut-feel` is much needed supplement to any skill.




In conventional machining, the machine operator sets up the machine and moves each cutting tool, using one or both hands, to produce the required part. The design of a manual machine tool offers many features that help the process of machining a part-levers, handles, gears and dials, to name just a few. The same body motions are repeated by the operator for every part in the batch. However, the word `same` in this context really means `similar` rather than `identical`. Humans are not capable to repeat every process exactly the same at all times-that is the job of machines. People cannot work at the same performance level all the time, without a rest. All of us have some good and some bad moments. The results of these moments, when applied to machining a part, are difficult to predict. There will be some differences and inconsistencies within each batch of parts. The parts will not always be exactly the same. Maintaining dimensional tolerances and surface finish quality are the most typical problems in conventional machining. Individual machinists may have their fellow colleagues. Combination of these and other factors create a great amount of inconsistency.




The machining under numerical control does away with the majority of inconsistencies. It does not require the same physical involvement as machining. Numerically

Controlled machining does not need any levers or dials or handles, at least not in the same sense as conventional ma-chining does. Once the part program has been proven, it can be used any number of times over, always returning consistent results. That does not mean there are no limiting factors. The cutting tools do wear out, the material blank in one batch is not identical to the material blank in another batch, the setups may vary, etc. These factors be considered and compensated for, whenever necessary.




The emergence of the numerical control technology does not mean an instant, or even a long term, demise of all manual machines. There are times when a traditional machining method is preferable to a computerized method. For example, a simple one time job may be done more efficiently on a manual machine than a CNC machine. Certain types of machining jobs will benefit from manual or semiautomatic machining, rather than numerically controlled machining. The CNC machine tools are not meant to replace every manual machine, only to supplement them.




In many instances, the decision whether certain machining will be done on a CNC machine or not is based on the number of required parts and nothing else. Although the volume of parts machined as batch is always in important criteria, it should never be the only factor.




Consideration should also be given to the part complexity, its tolerances, the required quality of surface finish, etc. often, a single complex part will benefit from CNC machining, while fifty relatively simple parts will not.

Keep in mind that numerical control has never machined a single part by itself. Numerical control is only a process or a method that enables a machine tool to be used in a productive, accurate and consistent way.

NUMERICAL CONTROL ADVANTAGES

What are the main advantages of numerical control?




It is important to know which areas of machining will benefit from it and which are better done the conventional way. It is absurd to think that a two horse power CNC mill will win over jobs that are currently done on a twenty times more powerful manual mill. Equally unreasonable are expectations of great improvements to cutting speeds and feedrates over a conventional machine. If the machining and tooling conditions are the same, the cutting time will be very close in both cases.




Some of the major areas where the CNC user can and should expected improvement:




1. Setup time reduction

2. Lead time reduction

3. Accuracy and repeatability

4. Contouring of complex shapes

5. Simplified tooling and work holding

6. Consistent cutting time

7. General productivity increase




Each area offers only a potential improvement. Individual users will experience different levels of actual improvement, depending on the product manufactured on-site, the CNC machine used, the setup methods, complexity of fixturing, quality of cutting tools, management philosophy and engineering design, experience level of the workforce, individuals attitudes, etc.

Setup Time Reduction

In many cases, the setup time for a CNC machine can be reduced, sometimes quite dramatically. It is important to realize that setup is manual operation, greatly dependent on the performance of CNC operator, the type of fixturing and general practices of the machine shop. Setup time is unproductive, but necessary – it is a part of the overhead costs of doing business. To keep the setup time to a minimum should be one of the primary considerations of any machine shop supervisor, programmer and operator.




Because of the design of CNC machines, the setup time should not be major problem. Modular fixturing, standard tooling, fixed locators, automatic tool changing, pallets and other advanced features, make the setup time more efficient than comparable setup of a conventional machine. With a good knowledge of modern manufacturing, productivity can be increased significantly.

The number of parts machined under one setup is also important in order to assess the cost of setup time. If a great number of parts are machined in one setup, the setup cost per part can be very insignificant. A very similar reduction can be achieved be grouping several different operations into a single setup. Even if the setup time is longer, it may be justified when compared to the time required to setup several conventional machines.

Lead Time Reduction

Once a part program is written and proven, it is ready to be used again in the future, even at a short notice. Although the lead time for the first run is usually longer, it is virtually nil for any subsequent run. Even if an engineering change of the part design requires the program to be modified, it can be done usually quickly, reducing the lead time.

Long lead time, required to design and manufacture several special fixtures for conventional machines, can often be reduced by preparing a part program and the use of simplified fixturing.

Accuracy and Repeatability

The high degree of accuracy and repeatability of modern CNC machines has been the single major benefit to many users. Whether the part program is stored on a disk or in the computer memory, or even on a tape (the original method), it always remains the same. Any program can be changed at will, but once proven, no changes are usually required any more. A given program can be reused as many times as needed, without losing a single bit of data it contains. True, program has to follow for such changeable factors as tool wear and operating temperatures, it has to be stored safely, but generally very little interference from the CNC programmer or operator will be required, the high accuracy of CNC machines and their repeatability allows high quality parts to be produced consistently time after time.

Contouring of Complex Shapes

CNC lathes and machining centers are capable of contouring a variety of shapes. Many CNC users acquired their machines only to be able to handle complex parts. Good examples are CNC applications in the aircraft and automotive industries. The use of some form of computerized programming is virtually mandatory for any three dimensional tool path generation.




Complex shapes, such as molds, can be manufactured without the additional expense of making a model for tracing. Mirrored parts can be achieved literally at the switch of a button, templates, wooden models, and other pattern making tools.

Simplified Tooling and Work Holding

No standard and homemade tooling that clutters the benches and drawers around a conventional machine can be eliminated by using standard tooling, specially designed for numerical control applications. Multi-step tools such as pilot drills, step drills, combination tools, counter borers and others are replaced with several individual standard tools. These tools are often cheaper and easier to replace than special and nonstandard tools. Cost-cutting measures have forced many tool suppliers to keep a low or even a nonexistent. Standard, off-the shelf tooling can usually be obtained faster than nonstandard tooling.




Fixturing and work holding for CNC machines have only one major purpose – to hold the part rigidly and in the same position for all parts within a batch. Fixtures designed for CNC work do not normally require jigs, pilot holes and other hole locating aids.

Cutting Time and Productivity Increase

The cutting time on the CNC machine is commonly known as the cycle timeand is always consistent. Unlike a conventional machining, where the operators skill, experience and personal fatigue are subject to changes, the CNC machining is under the control of a computer. The small amount of manual work is restricted to the setup and loading and unloading the part. For large batch runs, the high cost of the unproductive time is spread among many parts, making it less significant. The main benefit of a consistent cutting time is for repetitive jobs, where the production scheduling and work allocation to individual machine tools can be done very accurately.




The main reason companies often purchase CNC machines is strictly economic – it is a serious investment. Also, having a competitive edge is always on the mind of every plant manager. The numerical control technology offers excellent means to achieve a significant improvement in the manufacturing productivity and increasing the overall quality of the manufactured parts. Like any means, it has to be used wisely and knowledgeably. When more and more companies use the CNC technology, just having a CNC machine does not offer the extra edge anymore. The companies that get forward are those who know to use the technology efficiently and practice it to be competitive in the global economy.




To reach the goal of major increase in productivity, it is essential that users understand the fundamental principles on which CNC technology is based. These principles take many forms, for example, understanding the electronic circuitry, complex ladders diagrams, computer logic, metrology, machine design, machine principles and practices and many others. Each one has to be studied and mastered by the person in charge. In this handbook, the emphasis is on the topics that relate directly to the CNC programming and understanding the most common CNC machine tools, the machining centers and the lathes (sometimes also called the turning centers). The part quality consideration should be very important to every programmer and machine tool operator and this goal is also reflected in the handbook approach as well as in numerous examples.

TYPES OF CNC MACHINE TOOLS

Different kinds of CNC machines cover an extremely large variety. Their numbers are rapidly increasing, as the technology development advances. It is impossible to identify all the applications; they would make a long list. Here is a brief list of some of the groups CNC machines can be part of:




1. Mills and machining centres

2. Lathes and turning centres

3. Drilling machines

4. Boring mills and profilers

5. EDM machines

6. Punch presses and shears

7. Flame cutting machines

8. Routers

9. Water jet and laser profilers

10. Cylindrical grinders

11. Welding machines

12. Benders, winding and spinning machines, etc.




CNC machining centres and lathes dominate the number of installations in industry. These two groups share the market just about equally. Some industries may give a higher need for one group of machines, depending on their needs. One must remember that there are many different kinds of lathes and equally many different kinds of ma-chining centres. However, the programming process for a vertical machine is similar to the one for a horizontal ma-chine or a simple CNC mill. Even between different ma-chine groups, there is a great amount of general applications and the programming process is generally the same For example, a contour milled with an end mill has a lot in common with a contour cut with a wire.

Mills and Machining Centres

Standard number of axes on a milling machine is three-the X, Y and Z axes. The part set on a milling system is al-cutting tool rotates, it can move up and down (or in and out), but it does not physically follow the tool path.

CNC mills sometimes called CNC milling machines are usually small, simple machines, without a tool changer or other automatic features. Their power rating is often quite low. In industry, they are used tool room work, maintenance purposes, or small part production. They are usually designed for contouring, unlike CNC drills.

CNC machining centres are for more popular and efficient that drills and mills, mainly for their flexibility. The main benefit user gets out of a CNC machining centre is the ability to group




several diverse operations into a single setup. For example, drilling, boring, counter boring, tapping, spot facing and contour milling can be incorporated into a single CNC program. In addition, the flexibility is enhanced by automatic tool changing using pallets to minimize idle time, indexing to a different side of the part, using a rotary movement of additional axes, and a number of other features, CNC machining centres can be equipped with special software that controls the speeds and feeds, the life of the cutting tool, automatic in-process gauging and offset adjustment and other production enhancing and time saving devices.




There are two basic designs of a typical CNC machining centre. There are the vertical and the horizontal machining centres. The major difference between the two types is the nature of work that can be done on them efficiently. For a vertical CNC machining centre, the most suitable type of work are flat parts, either mounted to the fixture on the table, or help in a vise or a chuck. The work that requires machining on two or more faces in a single setup is more desirable to be done on a CNC horizontal machining centre. A good example is pump housing and other cubic-like shapes. Some multi-face machining of small parts can also be done on a CNC vertical machining center equipped with a rotary table.




The programming process is the same for both designs, but an additional axis (usually a B axis) is added to the horizontal design. This axis is either a simple positioning axis (indexing axis) for the table, or a fully rotary axis for simultaneous contouring.




This handbook concentrates on the CNC vertical machining centres applications, with a special section dealing with the horizontal setup and machining. The programming methods are also applicable to the small CNC mills or drilling and/or tapping machines, but the programmer has to conceder their restrictions.

Lathes and Turning Centres

A CNC lathe is usually a machine tool with two axes, the vertical X axis and the horizontal Z axis. The main future of the lathe that distinguishes it from a mill is that the part is rotating about the machine center line. In addition, the cutting tool is normally stationary, mounted in a sliding turret. The cutting tool follows the contour of the programmed tool path. For the CNC lathe with a milling attachment, so called live tooling, the milling tool has its own motor and rotates while the spindle is stationary.




The modern lathe design can be horizontal or vertical. Horizontal type is far more common than the vertical type, but both designs exist for either group. For example, a typical CNC lathe of the horizontal group can be designed with a flat bed or a slant bed, as a bar type, chucker type or universal type. Added to these combinations or many accessories that make a CNC lathe is an extremely flexible machine tool. Typically, accessories such as a tailstock, steady rests or followup rests, part catchers, pullout-fingers and even a third axis milling attachment are popular components of the CNC lathe. A CNC lathe can be very versatile so versatile in fact, that it is often called a CNC turning centre. All text and program examples in this handbook use the more traditional term CNC lathe, yet still recognizing all its modern functions.

PERSONNEL FOR CNC

Computers and machine tools have no intelligence. They cannot think, they cannot evaluate a station in a rational way. Only people with certain skills and knowledge can do that. In the field of numerical control, the skills are usually in the hands of two key peopleone doing the programming, the other doing the machining. Their respective numbers and duties typically depend on the company preference, its size, as well as the product manufactured there. However, each position is a quite distinct, although many companies combine the two functions into a one, often called a CNC programmer/operator.

CNC Programmer

The CNC programmer is usually the person who has the most responsible in the CNC machine shop. This person is often responsible for the success of numerical control technology in the plant. Equally this person is held responsible for problems related to the CNC operations.

Although duties may vary, the programmer is also responsible for a variety of tasks relating to the effective usage of the CNC machines. In fact, this person is often accountable for the production and quality of all CNC operations.




Many CNC programmers are experienced machinists, who have had a practical, hands-on experience as machine tool operations they know how to read technical drawings and they can comprehend the engineering intent behind the design. This practical experience is the foundation for the ability to ‘machine’ a part in an office environment. A good CNC programmer must be able to visualize all the tool motions and recognize all restricting factories that may be involved. The programmer must be able to collect, analyze process and logically integrate all the collected data into a signal, cohesive program. In simple terms, the CNC programmer must be able to decide upon the best manufacturing methodology in all respects.




In addition to the machining skills, the CNC programmer has to have an understanding of mathematical principles, mainly application of equations, solutions of arcs and angles. Equally important is the knowledge of trigonometry. Even with computerized programming, the knowledge of manual programming methods is absolutely essential to the through understanding of the computer output and the control of this output.




The last important quality of a truly professional CNC programmer is his or her ability to listen to the other people – the engineers, the CNC operators, the managers. Good listing skills are the first prerequisites to become flexible. A good CNC programmer must be flexible in order to offer high programming quality.

CNC Machine Operator

The CNC machine tool operator is a complementary position to the CNC programmer. The programmer and the operator may exist in a single person, as is the case in many small shops. Although the majority of duties performed by conventional machine operator has been transferred to the CNC program, the CNC operator has many unique responsibilities. In typical cases, the operator is responsible for the tool and machine setup, for the changing of the parts, often even for some in-process inspection. Many companies expect quality control at the machine – and the operator of any machine tool, manual or computerized, is also responsible for the quality of the work done on that machine. One of the very important responsibilities of the CNC machine operator is to report findings about each program to the programmer. Even with the best knowledge, skills, attitudes and intentions, the "final" program can always be improved. The CNC operator being the one, who is the closest to the actual machining, knows precisely what extent such improvements can be.

Justifying the Cost of CNC

The cost of a CNC machine might make most manufacturers nervous but the benefits of owning a CNC router will most likely justify the cost in very little time.




The first cost to take into consideration is the machine cost. Some vendors offer bundled deals that include installation, software training and shipping charges. But in most cases, everything is sold separately to allow for customization of the CNC router.

Light duty

Low-end machines cost from $2,000 to $10,000. they are usually bolt-it yourself kits made of bent sheet metal and use stepper motors. They come with a training video and an instruction manual. These machines are meant for do-it-yourself use, for the signage industry and other very light duty operations. they will usually come with an adapter for a conventional plunge router. accessories such as a spindle and vacuum work holding are options. These machines can be very successfully integrated into a high production environment as a dedicated process or as part of a manufacturing cell. for instance, one of these CNC’s can be programmed to drill hardware holes on drawer fronts before assembly.

Medium duty

Mid-range CNC machines will cost between $10,000 and $100,000. these machines are built of heavier gauge steel or aluminium. They might use stepper motors and sometimes servos; and use rack and pinion drives or belt drives. they will have a separate controller and offer a good range of options such as automatic tool changers and vacuum plenum tables. these machines are meant for heavier duty use in the signage industry and for light panel processing applications.




These are a good option for start-ups with limited resources or manpower. They can perform most operations needed in cabinet making although not with the same degree of sophistication or with the same efficiency.

Industrial strength

High-end routers cost upward of $100,000. This includes a whole range of machines with 3 to 5 axes suited for a broad range of applications. these machines will be built out of heavy gauge welded steel and come fully loaded with automatic tool changer, vacuum table and other accessories depending on the application. these machines are usually installed by the manufacturer and training is often included.

Shipping

Transporting a CNC router carries a considerable cost. With routers weighing anywhere from a few hundred pounds to several tons, freight costs can range from $200 to $5,000 or more, depending on location. remember that unless the machine was built nearby, the hidden cost of moving it from europe or asia to the dealer’s showroom is likely included. additional costs may also be incurred just to get the machine inside once it is delivered as it is always a good idea to use professional riggers to deal with this kind of operation.

Installation and training

CNC vendors typically charge from $300 to $1,000 per day for installation costs. It can take anywhere from a half day to a full week to install and test the router. This cost could be included in the price of buying the machine. some vendors will provide free training on how to use the hardware and software, usually on-site, while others will charge $300 to $1,000 per day for this service.

SAFETY RELATED TO CNC WORK

One the wall of many companies is a safety poster with a simple, yet powerful message:




The first rule of safety is to follow all safety rules.




The heading of this section does not indicate whether the safety is oriented at the programming or the machining level. The season is that the safety is totally independent. It stands on its own and it governs behaviour of everybody in a machine shop and outside of it. At first sight, it may appear that safety is something related to the machining and the machine operation, perhaps to the setup as well. That is definitely true but hardly presents a complete picture.




Safety is the most important element in programming, setup, machining, tooling, fixturing, inspection, chipping, and-you-name it operation within a typical machine shop daily work. Safety can never be overemphasized. Companies talk about safety, conduct safety meeting, display posters, make speeches, call experts. This mass of information and instructions is presented to all of us for some very good reasons. Quite a few are passed on past tragic occurrences – many laws, rules and regulations have been written as a result of inquests and inquire into serious accidence.




At first sight, it may seem that in CNC work, the safety is a secondary issue. There is a lot of automation; a part program that runs over and over again, tooling that has been used in the past, a simple setup, etc. All this can lead to complacency and false assumption that safety is taken care of. This is a view that can have serious consequences.




Safety is a large subject but a few points that relate to the CNC work are important. Every machinist should know the hazards of mechanical and electrical devices. The first step towards a safe work place is with a clean work area, where no chips, oil spills and other debris are allowed to accumulate on the floor. Taking care of personal safety is equally important. Loose clothing, jewellery, ties, scarves, unprotected long hair, improper use of gloves and similar infraction, is dangerous in machining environment. Protection of eyes, ears, hands and feet is strongly recommended.




While a machine is operating, protective devices should be in place and no moving parts should be exposed. Special care should be taken around rotating spindles and automatic tool changers. Other devices that could pose a hazard are pallet changers, chip conveyors, high voltage areas, hoists, etc. disconnecting any interlocks or other safety features is dangers – and also illegal, without appropriate skills and authorization.




In programming, observation of safety rules is also important. A tool motion can be programmed in many ways. Speeds and feeds have to be realistic, not just mathematically "correct". Depth of cut, width of cut, the tool characteristics, all have a profound effect on overall safety.

All these ideas are just a very short summery and a reminder that safety should always be taken seriously.