Máy CNC (computer numerical controlled) là những công cụ gia công kim loại tinh tế có thể tạo ra những chi tiết phức tạp theo yêu cầu của công nghệ hiện đại. Phát triển nhanh chóng với những tiến bộ trong máy tính, ta có thể bắt gặp CNC dưới dạng máy tiện, máy phay, máy cắt laze, máy cắt tia nước có hạt mài, máy đột rập và nhiều công cụ công nghiệp khác. Thuật ngữ CNC liên quan đến một nhóm máy móc lớn sử dụng logic máy tính để điều khiển các chuyển động và thực hiện quá trình gia công kim loại. Bài viết này sẽ thảo luận hai loại máy phổ biến nhất trên thị trường hiện nay là máy tiện và máy phay.

Máy mài

Lịch sử

Mặc dù máy tiện chế biến gỗ đã được sử dụng từ thời Kinh Thánh, nhưng chiếc máy tiện gia công kim loại thực tế đầu tiên mới được Henry Maudslay phát minh vào năm 1800. Nó chỉ đơn giản là một công cụ máy giữ mẩu kim loại đang được gia công (hay phôi) trong một bàn kẹp hay trục quay và quay mẩu kim loại này, vì vậy một công cụ cắt có thể gia công bề mặt theo đường mức mong muốn. Công cụ cắt này được nhân viên vận hành vận dụng qua việc sử dụng cái quay tay hay vô lăng. Độ chính xác về kích cỡ được nhân viên vận hành điều khiển bằng cách quan sát đĩa chia độ trên vô lăng và di chuyển công cụ cắt theo số lượng hợp lý. Mỗi chi tiết được sản xuất ra đòi hỏi vận hành viên lặp lại những cử động trong cùng trình tự và với cùng kích thước.

Chiếc máy phay đầu tiên được vận hành theo cách thức tương tự như vậy, ngoại trừ công cụ cắt được đặt ở trục chính đang quay. Phôi được lắp trên bệ máy hay bàn làm việc và di chuyển theo công cụ cắt, qua việc sử dụng vô lăng để gia công đường mức của phôi. Chiếc máy phay này do Eli Whitney phát minh năm 1818.

Những chuyển động được sử dụng trong các công cụ máy được gọi là trục và đề cập đến 3 trục: “X” (thường từ trái qua phải), “Y” (trước ra sau) và “Z” (trên và dưới). Bàn làm việc cũng có thể được quay theo mặt ngang hay dọc, tạo ra trục chuyển động thứ tư. Một số máy còn có trục thứ năm, cho phép trục quay theo một góc.

Một trong những vấn đề của những dòng máy ban đầu này là chúng đòi hỏi nhân viên vận hành phải sử dụng vô lăng để tạo ra mỗi chi tiết. Ngoài tính nhàm chán và gây mệt mỏi về thể chất, khả năng chế tạo các chi tiết của vận hành viên cũng bị hạn chế. Chỉ một khác biệt nhỏ trong vận hành sẽ dẫn đến những thay đổi trong kích thước trục và khi đó, tạo ra những chi tiết không phù hợp. Mức độ kim loại vụn được tạo ra từ những hoạt động như vậy là khá cao, lãng phí nguyên liệu thô và thời gian lao động. Khi số lượng sản xuất tăng lên, càng có nhiều chi tiết bị hỏng. Do đó, điều cần thiết ở đây là một phương tiện vận hành các chuyển động của máy một cách tự động. Những nỗ lực ban đầu để “tự động hóa” các hoạt động này sử dụng một loạt cam để di chuyển dao cụ hay bàn làm việc qua những liên kết (linkage). Khi cam quay, một liên kết lần theo bề mặt của mặt cam (cam face), di chuyển công cụ cắt hay phôi qua một dãy các chuyển động. Mặt cam được định hình để điều khiển khối lượng chuyển động liên kết và tốc độ mà cam quay điều khiển tốc độ cấp dao. Một số máy vẫn còn tồn tại cho tới ngày nay và được gọi là máy “Swiss” (máy kiểu Thụy Sĩ), một cái tên đồng nghĩa với gia công chính xác.

Máy tiện

Từ thiết kế sơ khai đến hoạt động ngày nay

Thiết kế máy CNC hiện đại bắt nguồn từ tác phẩm của John T. Parsons cuối những năm 1940 và đầu những năm 1950. Sau Thế chiến II, Parsons tham gia sản xuất cánh máy bay trực thăng, một công việc đòi hỏi phải gia công chính xác các hình dạng phức tạp. Parsons sớm nhận ra rằng bằng cách sử dụng máy tính IBM thời kì đầu, ông đã có thể tạo ra những thanh dẫn đường mức chính xác hơn nhiều khi sử dụng các phép tính bằng tay và sơ đồ. Dựa trên kinh nghiệm này, ông đã giành được hợp đồng phát triển một “máy cắt đường mức tự động” cho không quân để tạo mặt cong cho cánh máy bay. Sử dụng một đầu đọc thẻ máy tính và các bộ điều khiển động cơ trợ động (servomotor) chính xác, chiếc máy được chế tạo cực kì lớn, phức tạp và đắt đỏ. Mặc dù vậy, nó làm việc một cách tự động và sản xuất các mặt cong với độ chính xác cao đáp ứng nhu cầu của ngành công nghiệp máy bay.

Đến những năm 1960, giá thành và tính phức tạp của những chiếc máy tự động giảm đến một mức độ nhất định để có thể ứng dụng trong các ngành công nghiệp khác. Những chiếc máy này sử dụng các động cơ truyền động điện một chiều để vận dụng vô lăng và vận hành dao cụ. Các động cơ này nhận chỉ dẫn điện từ một đầu đọc băng từ — đọc một băng giấy có chiều rộng khoảng 2,5cm có đục một hàng lỗ. Vị trí và thứ tự lỗ cho phép đầu đọc sản xuất ra những xung điện cần thiết để quay động cơ với thời gian và tốc độ chính xác, trong thực tế nó điều khiển máy giống như nhân viên vận hành. Các xung điện được quản lý bởi một máy tính đơn giản không có bộ nhớ. Chúng thường được gọi là NC hay máy điều khiển số. Một nhà lập trình sản xuất băng từ trên một máy giống như máy đánh chữ, hay chính xác hơn là những “băng giấy” được sử dụng ở những máy tính thời kì đầu, sử dụng như một “chương trình”. Kích cỡ của chương trình được xác định bởi độ dài của băng cần phải đọc để sản xuất ra một chi tiết cụ thể.

Câu chuyện về việc kết nối những chiếc máy tính với máy móc sản xuất gây nhiều tò mò và tranh cãi. Nó minh họa cách thức gắn kết giữa ngành công nghiệp, các trường đại học và quân đội trong thế kỉ 20. Câu chuyện cũng cho thấy thật khó để quy ra rằng nhiều sáng tạo là do một cá nhân hay một cơ quan. Phân loại ai làm gì, khi nào và với ảnh hưởng gì là một công việc đầy phức tạp.

Năm 1947, John Parsons quản lý một hãng sản xuất hàng không ở thành phố Traverse, Michigan. Đối mặt với tính phức tạp ngày càng cao của hình dạng chi tiết và những vấn đề về toán học và kỹ thuật mà họ gặp phải, Parsons đã tìm ra những biện pháp để giảm chi phí kỹ thuật cho công ty. Ông đã xin phép International Business Machine sử dụng một trong những chiếc máy tính văn phòng trung ương của họ để thực hiện một loạt các phép toán cho một cánh máy bay trực thăng mới. Cuối cùng, ông đã dàn xếp với Thomas J. Watson, chủ tịch huyền thoại của IBM, nhờ đó IBM sẽ làm việc với tập đoàn Parsons để tạo ra một chiếc máy được điều khiển bởi các thẻ đục lỗ. Nhanh chóng, Parsons cũng ký được hợp đồng với Air Force để sản xuất một chiếc máy được điều khiển bằng thẻ hay băng từ có khả năng cắt các hình dạng đường mức giống như những hình trong cánh quạt và cánh máy bay. Sau đó, Parsons đã đến gặp các kĩ sư ở Phòng thí nghiệm cơ cấu phụ thuộc Viện Công nghệ Massachusetts (MIT) nhờ hỗ trợ dự án. Các nhà nghiên cứu MIT đã thí nghiệm nhiều kiểu quá trình khác nhau và cũng đã làm việc với các dự án Air Force từ thời Thế chiến II. Phòng thí nghiệm MIT đã nhận thấy đây là một cơ hội tốt để mở rộng nghiên cứu sang lĩnh vực điều khiển và cơ cấu phản hồi. Việc phát triển thành công các công cụ máy CNC đã được các nhà nghiên cứu của trường đại học đảm trách với mục tiêu đáp ứng nhu cầu của các nhà bảo trợ quân đội.

Với những tiến bộ trong điện tử tích hợp, băng từ đã bị loại bỏ và nếu có thì chỉ được sử dụng để tải (load) các chương trình vào bộ nhớ từ.

Các máy CNC hiện đại hoạt động bằng cách đọc hàng nghìn bit thông tin được lưu trữ trong bộ nhớ máy tính chương trình. Để đặt thông tin này vào bộ nhớ, nhân viên lập trình tạo ra một loạt lệnh mà máy có thể hiểu được. Chương trình có thể bao gồm các lệnh “mã hóa”, như “M03” — hướng dẫn bộ điều khiển chuyển trục chính tới một vị trí mới hay “G99” — hướng dẫn bộ điều khiển đọc một đầu vào phụ từ một quá trình nào đó trong máy. Các lệnh mã hóa là phương thức phổ biến nhất để lập trình một công cụ máy CNC. Tuy nhiên, sự tiến bộ trong máy tính đã cho phép các nhà sản xuất công cụ máy tạo ra “lập trình hội thoại”. Trong lập trình hội thoại, lệnh “M03” được nhập đơn giản như “MOVE” và “G99” là “READ”. Kiểu lập trình này cho phép đào tạo nhanh hơn và nhân viên lập trình không phải nhớ nhiều ý nghĩa của mật mã. Tuy nhiên, cần phải lưu ý rằng hầu hết các máy sử dụng lập trình hội thoại vẫn đọc các chương trình mã hóa, do đó ngành công nghiệp vẫn đặt nhiều niềm tin vào dạng lập trình này.

Bộ điều khiển cũng giúp nhân viên lập trình tăng tốc độ sử dụng máy. Ví dụ, trong một số máy, nhân viên lập trình có thể đơn giản chỉ cần nhập dữ liệu về vị trí, đường kính và chiều sâu của một chi tiết và máy tính sẽ lựa chọn phương pháp gia công tốt nhất để sản xuất chi tiết đó dưới dạng phôi. Thiết bị mới nhất có thể chọn một mẫu kỹ thuật được tạo ra từ máy tính, tính toán tốc độ dao cụ, đường vận chuyển vật liệu vào máy và sản xuất chi tiết mà không cần bản vẽ hay một chương trình.

Sự tiến bộ trong máy tính và trí thông minh nhân tạo sẽ làm cho những chiếc máy CNC tương lai nhanh hơn và dễ vận hành hơn. Tất nhiên, giá của những chiếc máy như vậy chắc chắn sẽ không rẻ và có thể vượt quá tầm với của nhiều công ty. Tuy nhiên, nó sẽ đưa giá của những máy CNC cơ bản thực hiện những chuyển động 3 trục ban đầu xuống một mức độ nhất định.

Máy phay

Thiết kế hiện đại và nguyên liệu thô

Các thành phần cơ khí của máy phải đủ cứng và vững để hỗ trợ nhanh chóng các chi tiết chuyển động. Trục chính thường là chi tiết vững nhất và được hỗ trợ bởi các ổ trục lớn. Dù trục chính có giữ sản phẩm hay dao cụ, đặc tính kẹp tự động cho phép trục chính kẹp và nhả trong khi chương trình đang chạy.

Gắn bên sườn máy là một máng chứa nhiều dao cụ khác nhau. Một cánh tay vận chuyển (transfer arm), đôi khi có tên gọi là tool bar có nhiệm vụ tháo dao cụ ra khỏi máy, đặt nó vào trong máng, lựa chọn một dao cụ khác từ máng và đưa nó trở lại máy thông qua những chỉ dẫn trong chương trình. Thời gian chu kì điển hình để thực hiện thủ tục này là 2 — 8 giây. Một số máy có thể chứa tới 400 dao cụ trong những “tổ” lớn, mỗi tổ tự động tải theo trình tự khi chương trình đang chạy.

Máng dao

Bệ hay bàn làm việc của máy được đỡ trên các mặt (way) bằng thép tôi.

Gang hay Meehanite được sử dụng làm vật liệu cho các máy gia công kim loại. Ngày nay, hầu hết các máy đều tận dụng các mối thép hàn cuộn nóng và rèn.

Một số máy được thiết kế như các khoang (cell), có nghĩa là chúng có một nhóm các chi tiết chuyên biệt được thiết kế đế sản xuất. Các máy này có các máng dao cụ lớn để có thể chứa đủ dao cụ nhằm thực hiện tất cả các hoạt động khác nhau trên mỗi chi tiết khác nhau, các bàn làm việc lớn hay khả năng thay đổi bàn làm việc và các đồ dự trữ đặc biệt trong bộ điều khiển cho đầu vào dữ liệu từ các máy CNC khác. Điều này cho phép lắp ráp máy CNC cùng với các loại máy có trang bị tương tự thành một khoang gia công linh hoạt (Flexible Machining Cell), khoang này có thể sản xuất đồng thời hơn một chi tiết. Mỗi nhóm khoang, có chứa tới 20 hay 30 máy và có tên gọi là Hệ thống gia công linh hoạt. Những hệ thống này có thể sản xuất hàng trăm chi tiết khác nhau ở cùng thời điểm mà không cần con người can thiệp nhiều. Một số hệ thống được thiết kế để hoạt động cả ngày lẫn đêm mà không cần giám sát.

Quy trình sản xuất

Cho đến gần đây, hầu hết các trung tâm gia công được chế tạo theo các thông số kỹ thuật của khách hàng. Giờ đây, thiết kế công cụ chuẩn hóa cho phép chế tạo các máy để lưu kho và bán sau này vì những thiết kế mới có thể thực hiện tất cả những hoạt động cần thiết của hầu hết người sử dụng. Chi phí của một máy CNC mới dao động trong khoảng 50.000 USD (trung tâm đứng) cho đến 5 triệu USD (hệ thống gia công linh hoạt). Quá trình sản xuất được tiến hành như sau:

Hàn bệ

Bệ máy hoặc là khuôn đúc hoặc là được hàn cùng nhau. Sau đó nó được nhiệt luyện để loại bỏ ứng suất hàn và để “bình thường hóa” kim loại cho quá trình gia công. Bệ được gắn cố định vào một trung tâm gia công.

Bắt vít me bi

Cơ chế di chuyển bệ hay trục quay được gọi là vít me bi (ballscrew). Cơ chế này làm thay đổi chuyển động quay của động cơ truyền động thành chuyển động tuyến tính và bao gồm một trục vít (screw shaft) và ổ trục đỡ. Khi trục quay, một ổ trục gắn lần theo các đường rãnh hình xoắn ốc trong trục và sản sinh ra một chuyển động tuyến tính chính xác làm quay bàn làm việc ở dưới trục chính hay giá đỡ trục chính. Những vít me bi này được bắt vào bệ máy với ổ trục gắn ghép vào bàn làm việc hay giá đỡ trục chính.

Lắp trục chính

Trục chính được gia công và gắn vào động cơ truyền động, rồi sau đó được bắt bùloong vào giá đỡ trục chính di động. Đối với hầu hết các trung tâm gia công, mỗi trục chuyển động đều có vít me bi riêng biệt.

Máy cắt tia nước

Bộ điều khiển

Máy tính, hay bộ điều khiển là một bộ phận lắp ráp điện tử tách biệt hẳn với phần còn lại của máy. Nó có một hộp điều hòa khí hậu gắn bên sườn khung máy hay trong bàn điều khiển của vận hành viên. Nó chứa đựng tất cả bộ nhớ hoạt động, bảng máy tính, cấp nguồn, và mạch điện tử khác để làm cho máy hoạt động. Hệ thống dây được phân loại kết nối bộ điều khiển tới động cơ máy và các khe trượt vị trí. Các khe trượt này liên tiếp gửi thông tin về vị trí trục tới bộ điều khiển, do đó vị trí chính xác của bàn làm việc trong mối quan hệ với trục chính luôn được biết đến. Mặt trước của bộ điều khiển có một màn hình video hiển thị thông tin chương trình, vị trí, tốc độ và vật liệu cung cấp cho máy cùng nhiều dữ liệu khác cần thiết cho vận hành viên để giám sát chỉ tiêu của máy. Cũng trên panel trước là các phím nhập dữ liệu vào, các cổng kết nối dữ liệu và các công tắc khởi động-dừng.

Máy sau khi lắp ráp được chạy thử để kiểm tra độ chính xác. Mỗi máy có những điểm khác biệt về vật lý và những điểm khác biệt này có thể được chỉnh sửa toán học trong hệ điều hành của máy tính. Những giá trị chỉnh sửa này được lưu trữ trong một bộ nhớ riêng biệt và máy sẽ liên tục kiểm tra những giá trị này. Khi trung tâm gia công trở nên “mòn” do sử dụng nhiều, những thông số này có thể được hiệu chuẩn lại để đảm bảo độ chính xác. Sau khi kiểm tra, chiếc máy hoàn tất sẽ được sơn và chuẩn bị để xuất xưởng.

Điều khiển chất lượng

Chất lượng trong một trung tâm gia công phải được thiết lập ngay từ khâu thiết kế tới khâu giao hàng và lắp đặt. Chỉ dẫn tỉ mỉ cho vận hành viên cũng quan trọng nhằm ngăn chặn hư hỏng, sự xung đột ngoài ý muốn giữa công việc với dao cụ vì những hư hỏng có thể làm hỏng dao cụ hay hỏng máy. Nhiều bộ điều khiển có những chương trình phụ để hiểu được sự cố đang đe dọa và đưa máy vào chế độ dừng khẩn cấp. Tất cả các máy CNC đều được vận chuyển đặc biệt nhằm tránh va đập và được các kỹ thuật viên giàu kinh nghiệm thiết lập cẩn thận tại nhà máy. Những hệ số chỉnh sửa ban đầu được ghi lại để tham khảo sau này. Sách hướng dẫn về lập trình, vận hành và bảo dưỡng cũng được cung cấp.

Tương lai

Các loại máy CNC sẽ có một tương lai bùng nổ mạnh mẽ. Một ý tưởng đang được phát triển là một chiếc máy có trục chính được treo lên bởi sáu thanh giằng vít me bi lồng vào nhau. Chuyển động của trục chính được điều khiển bởi một máy tính phức tạp có khả năng thực hiện hàng triệu phép tính để đảm bảo đường mức chi tiết chính xác. Phải mất vài triệu đô la để phát triển và sử dụng toán học độc quyền cấp độ cao, chiếc máy này hứa hẹn khả năng thực hiện những hoạt động chưa từng nghe thấy trong gia công kim loại. Sự tiến bộ trong máy tính và trí thông minh nhân tạo sẽ làm cho những chiếc máy CNC tương lai nhanh hơn và dễ vận hành hơn. Tất nhiên, giá của những chiếc máy như vậy chắc chắn sẽ không rẻ và có thể vượt quá tầm với của nhiều công ty. Tuy nhiên, nó sẽ đưa giá của những máy CNC cơ bản thực hiện những chuyển động 3 trục ban đầu xuống một mức độ nhất định.

(Nguồn hiendaihoa.com)