Precisiebewerking is een proces om materiaal van een werkstuk te verwijderen tijdens het vasthouden van afwerkingen met nauwe toleranties. De precisiemachine kent vele soorten, waaronder frees-, draai- en elektrische ontladingsbewerkingen. Een precisiemachine wordt tegenwoordig over het algemeen bestuurd met behulp van een Computer Numerical Controls (CNC).
Bijna alle metalen producten maken gebruik van precisiebewerking, net als veel andere materialen zoals plastic en hout. Deze machines worden bediend door gespecialiseerde en opgeleide machinisten. Om ervoor te zorgen dat het snijgereedschap zijn werk kan doen, moet het in de aangegeven richtingen worden verplaatst om de juiste snede te maken. Deze primaire beweging wordt de 'snijsnelheid' genoemd. Het werkstuk kan ook worden verplaatst, ook wel de secundaire beweging van "voeding" genoemd. Samen zorgen deze bewegingen en de scherpte van het snijgereedschap ervoor dat de precisiemachine kan werken.
Precisiebewerking van hoge kwaliteit vereist de mogelijkheid om extreem specifieke blauwdrukken te volgen die zijn gemaakt door CAD (computer aided design) of CAM (computer aided manufacturing) programma's zoals AutoCAD en TurboCAD. De software kan helpen bij het produceren van de complexe, driedimensionale diagrammen of contouren die nodig zijn om een gereedschap, machine of object te vervaardigen. Deze blauwdrukken moeten tot in detail worden nageleefd om ervoor te zorgen dat een product zijn integriteit behoudt. Terwijl de meeste precisiebewerkingsbedrijven met een of andere vorm van CAD/CAM-programma's werken, werken ze nog steeds vaak met handgetekende schetsen in de beginfasen van een ontwerp.
Precisiebewerking wordt gebruikt op een aantal materialen, waaronder staal, brons, grafiet, glas en kunststoffen om er maar een paar te noemen. Afhankelijk van de grootte van het project en de te gebruiken materialen, zullen verschillende precisiebewerkingsgereedschappen worden gebruikt. Elke combinatie van draaibanken, freesmachines, kolomboormachines, zagen en slijpmachines, en zelfs snelle robotica kan worden gebruikt. De lucht- en ruimtevaartindustrie kan gebruik maken van machinale bewerking met hoge snelheid, terwijl een houtbewerkingsindustrie voor het maken van gereedschap fotochemische ets- en freesprocessen kan gebruiken. Het karnen van een oplage, of een specifieke hoeveelheid van een bepaald artikel, kan in de duizenden lopen, of slechts enkele zijn. Precisiebewerking vereist vaak het programmeren van CNC-apparaten, wat betekent dat ze numeriek door een computer worden bestuurd. Het CNC-apparaat zorgt ervoor dat exacte afmetingen kunnen worden gevolgd tijdens de productie van een product.
Frezen is het bewerkingsproces waarbij roterende frezen worden gebruikt om materiaal van een werkstuk te verwijderen door de frees in een bepaalde richting in het werkstuk te bewegen (of te voeren). De frees kan ook onder een hoek worden gehouden ten opzichte van de as van het gereedschap. Frezen omvat een breed scala aan verschillende bewerkingen en machines, op schalen van kleine afzonderlijke onderdelen tot grote, zware gangfreesbewerkingen. Het is een van de meest gebruikte processen voor het bewerken van op maat gemaakte onderdelen met nauwkeurige toleranties.
Frezen kan met een breed scala aan werktuigmachines. De oorspronkelijke klasse van werktuigmachines voor het frezen was de freesmachine (vaak een molen genoemd). Na de komst van computer numerieke besturing (CNC), evolueerden freesmachines naar bewerkingscentra: freesmachines aangevuld met automatische gereedschapswisselaars, gereedschapsmagazijnen of carrousels, CNC-mogelijkheden, koelsystemen en behuizingen. Freescentra worden over het algemeen geclassificeerd als verticale bewerkingscentra (VMC's) of horizontale bewerkingscentra (HMC's).
De integratie van frezen in draaiomgevingen en vice versa begon met live tooling voor draaibanken en het occasionele gebruik van frezen voor draaibewerkingen. Dit leidde tot een nieuwe klasse van werktuigmachines, multitasking machines (MTM's), die speciaal zijn gebouwd om frezen en draaien binnen hetzelfde werkbereik te vergemakkelijken.
Voor ontwerpingenieurs, R&D-teams en fabrikanten die afhankelijk zijn van de inkoop van onderdelen, maakt precisie-CNC-bewerking het mogelijk om complexe onderdelen te maken zonder extra bewerking. In feite maakt precisie CNC-bewerking het vaak mogelijk om afgewerkte onderdelen op een enkele machine te maken.
Bij het bewerkingsproces wordt materiaal verwijderd en wordt een breed scala aan snijgereedschappen gebruikt om het uiteindelijke en vaak zeer complexe ontwerp van een onderdeel te creëren. Het precisieniveau wordt verhoogd door het gebruik van computer numerieke besturing (CNC), die wordt gebruikt om de besturing van de bewerkingsgereedschappen te automatiseren.
De rol van "CNC" bij precisiebewerking
Met behulp van gecodeerde programmeerinstructies, maakt precisie CNC-bewerking het mogelijk om een werkstuk te snijden en te vormen volgens specificaties zonder handmatige tussenkomst van een machine-operator.
Aan de hand van een computer-aided design (CAD)-model dat door een klant is geleverd, gebruikt een deskundige machinist computer-aided manufacturing-software (CAM) om de instructies voor het bewerken van het onderdeel te maken. Op basis van het CAD-model bepaalt de software welke gereedschapspaden nodig zijn en genereert de programmeercode die de machine vertelt:
■ Wat de juiste RPM's en voedingssnelheden zijn
■ Wanneer en waar het gereedschap en/of werkstuk te verplaatsen
■ Hoe diep te snijden
■ Wanneer koelvloeistof aanbrengen?
■ Alle andere factoren die verband houden met snelheid, invoersnelheid en coördinatie
Een CNC-controller gebruikt vervolgens de programmeercode om de bewegingen van de machine te besturen, te automatiseren en te bewaken.
Tegenwoordig is CNC een ingebouwde functie van een breed scala aan apparatuur, van draaibanken, freesmachines en routers tot draadvonkmachines (elektrische ontladingsbewerking), laser- en plasmasnijmachines. Naast het automatiseren van het bewerkingsproces en het verbeteren van de precisie, elimineert CNC handmatige taken en bevrijdt het machinisten om toezicht te houden op meerdere machines die tegelijkertijd draaien.
Bovendien, als een gereedschapsbaan eenmaal is ontworpen en een machine is geprogrammeerd, kan deze een onderdeel een willekeurig aantal keren uitvoeren. Dit zorgt voor een hoge mate van precisie en herhaalbaarheid, wat het proces op zijn beurt zeer kosteneffectief en schaalbaar maakt.
Materialen die bewerkt zijn
Sommige metalen die vaak worden bewerkt, zijn aluminium, messing, brons, koper, staal, titanium en zink. Daarnaast kunnen ook hout, schuim, glasvezel en kunststoffen zoals polypropyleen worden bewerkt.
In feite kan vrijwel elk materiaal worden gebruikt met precisie CNC-bewerkingen - natuurlijk, afhankelijk van de toepassing en de vereisten.
Enkele voordelen van precisie CNC-bewerking:
Voor veel van de kleine onderdelen en componenten die worden gebruikt in een breed scala aan gefabriceerde producten, is precisie CNC-bewerking vaak de fabricagemethode bij uitstek.
Zoals bij vrijwel alle snij- en bewerkingsmethoden, gedragen verschillende materialen zich anders en ook de grootte en vorm van een onderdeel hebben een grote invloed op het proces. Over het algemeen biedt het proces van precisie CNC-bewerking echter voordelen ten opzichte van andere bewerkingsmethoden.
Dat komt omdat CNC-bewerking in staat is om:
■ Een hoge mate van onderdeelcomplexiteit
■ Nauwe toleranties, typisch variërend van ±0,0002" (±0,00508 mm) tot ±0,0005" (±0,0127 mm)
■ Uitzonderlijk gladde oppervlakteafwerkingen, inclusief aangepaste afwerkingen
■ Herhaalbaarheid, zelfs bij hoge volumes
Terwijl een ervaren machinist een handmatige draaibank kan gebruiken om een kwaliteitsonderdeel te maken in hoeveelheden van 10 of 100, wat gebeurt er als je 1000 onderdelen nodig hebt? 10.000 onderdelen? 100.000 of een miljoen onderdelen?
Met precisie CNC-bewerkingen krijgt u de schaalbaarheid en snelheid die nodig zijn voor dit type productie van grote volumes. Bovendien geeft de hoge herhaalbaarheid van precisie-CNC-bewerkingen u onderdelen die van begin tot eind hetzelfde zijn, ongeacht hoeveel onderdelen u produceert.
Er zijn enkele zeer gespecialiseerde methoden voor CNC-bewerking, waaronder draadvonken (elektrische ontladingsbewerking), additieve bewerking en 3D-laserprinten. Draadvonken gebruikt bijvoorbeeld geleidende materialen - meestal metalen - en elektrische ontladingen om een werkstuk in ingewikkelde vormen te eroderen.
Hier zullen we ons echter concentreren op de frees- en draaiprocessen - twee subtractieve methoden die algemeen beschikbaar zijn en vaak worden gebruikt voor precisie-CNC-bewerkingen.
Frezen versus draaien
Frezen is een bewerkingsproces waarbij een roterend, cilindrisch snijgereedschap wordt gebruikt om materiaal te verwijderen en vormen te creëren. Freesapparatuur, bekend als een frees of een bewerkingscentrum, realiseert een universum van complexe onderdeelgeometrieën op enkele van de grootste objecten die bewerkt metaal zijn.
Een belangrijk kenmerk van frezen is dat het werkstuk stil blijft staan terwijl het snijgereedschap draait. Met andere woorden, op een frees beweegt het roterende snijgereedschap rond het werkstuk, dat op zijn plaats op een bed blijft staan.
Draaien is het proces van het snijden of vormen van een werkstuk op apparatuur die een draaibank wordt genoemd. Meestal draait de draaibank het werkstuk op een verticale of horizontale as, terwijl een vast snijgereedschap (dat al dan niet draait) langs de geprogrammeerde as beweegt.
Het gereedschap kan fysiek niet om het onderdeel heen. Het materiaal roteert, waardoor het gereedschap de geprogrammeerde bewerkingen kan uitvoeren. (Er is een subset van draaibanken waarbij de gereedschappen rond een draad met spoel draaien, maar dat wordt hier niet behandeld.)
Bij draaien draait het werkstuk, in tegenstelling tot frezen, rond. De onderdelenvoorraad draait op de spindel van de draaibank en het snijgereedschap wordt in contact gebracht met het werkstuk.
Handmatig versus CNC-bewerking
Hoewel zowel frezen als draaibanken beschikbaar zijn in handmatige modellen, zijn CNC-machines meer geschikt voor de productie van kleine onderdelen - ze bieden schaalbaarheid en herhaalbaarheid voor toepassingen die een grote productie van onderdelen met een nauwe tolerantie vereisen.
Naast het aanbieden van eenvoudige 2-assige machines waarbij het gereedschap in de X- en Z-assen beweegt, omvat precisie-CNC-apparatuur meerassige modellen waarin het werkstuk ook kan bewegen. Dit in tegenstelling tot een draaibank waar het werkstuk beperkt blijft tot draaien en de gereedschappen zullen bewegen om de gewenste geometrie te creëren.
Deze meerassige configuraties maken de productie van complexere geometrieën in een enkele bewerking mogelijk, zonder dat de machinist extra werk nodig heeft. Dit maakt het niet alleen eenvoudiger om complexe onderdelen te produceren, maar verkleint of elimineert ook de kans op bedieningsfouten.
Bovendien zorgt het gebruik van hogedrukkoelmiddel met precisie CNC-bewerking ervoor dat er geen spanen in het werk komen, zelfs niet bij gebruik van een machine met een verticaal georiënteerde spindel.
CNC frezen
Verschillende freesmachines variëren in hun afmetingen, asconfiguraties, voedingssnelheden, snijsnelheid, de voedingsrichting van het frezen en andere kenmerken.
Over het algemeen gebruiken CNC-freesmachines echter allemaal een roterende spil om ongewenst materiaal weg te snijden. Ze worden gebruikt om harde metalen zoals staal en titanium te snijden, maar kunnen ook worden gebruikt met materialen zoals plastic en aluminium.
CNC-freesmachines zijn gebouwd voor herhaalbaarheid en kunnen voor alles worden gebruikt, van prototyping tot grootschalige productie. Hoogwaardige precisie CNC-freesmachines worden vaak gebruikt voor werk met nauwe toleranties, zoals het frezen van fijne matrijzen en matrijzen.
Terwijl CNC-frezen een snelle doorlooptijd kan opleveren, creëert een nagefreesde afwerking onderdelen met zichtbare gereedschapsmarkeringen. Het kan ook onderdelen produceren met enkele scherpe randen en bramen, dus aanvullende processen kunnen nodig zijn als randen en bramen onaanvaardbaar zijn voor die kenmerken.
Natuurlijk zullen ontbraamgereedschappen die in de volgorde zijn geprogrammeerd, ontbramen, hoewel meestal maximaal 90% van de voltooide vereiste wordt bereikt, waardoor enkele functies overblijven voor de uiteindelijke handmatige afwerking.
Wat oppervlakteafwerking betreft, zijn er gereedschappen die niet alleen een acceptabele oppervlakteafwerking produceren, maar ook een spiegelachtige afwerking op delen van het werkproduct.
Soorten CNC-freesmachines
De twee basistypen freesmachines staan bekend als verticale bewerkingscentra en horizontale bewerkingscentra, waarbij het belangrijkste verschil de oriëntatie van de machinespil is.
Een verticaal bewerkingscentrum is een frees waarbij de spilas in een Z-asrichting is uitgelijnd. Deze verticale machines kunnen verder worden onderverdeeld in twee typen:
■Bedfrezen, waarbij de spil evenwijdig aan zijn eigen as beweegt terwijl de tafel loodrecht op de as van de spil beweegt
■ Revolverfrezen, waarbij de spil stilstaat en de tafel wordt bewogen zodat deze altijd loodrecht en evenwijdig aan de as van de spil staat tijdens het snijden
In een horizontaal bewerkingscentrum wordt de spilas van de frees uitgelijnd in een Y-asrichting. Door de horizontale structuur nemen deze molens meer ruimte in beslag op de machinevloer; ze zijn ook over het algemeen zwaarder in gewicht en krachtiger dan verticale machines.
Een horizontale frees wordt vaak gebruikt wanneer een betere oppervlakteafwerking vereist is; dat komt omdat de oriëntatie van de spil ervoor zorgt dat de snijspanen op natuurlijke wijze wegvallen en gemakkelijk kunnen worden verwijderd. (Als bijkomend voordeel helpt een efficiënte spaanafvoer om de standtijd te verlengen.)
Over het algemeen komen verticale bewerkingscentra vaker voor omdat ze net zo krachtig kunnen zijn als horizontale bewerkingscentra en zeer kleine onderdelen kunnen verwerken. Bovendien hebben verticale centra een kleinere footprint dan horizontale bewerkingscentra.
Meerassige CNC-freesmachines
Precisie CNC-freescentra zijn verkrijgbaar met meerdere assen. Een 3-assige frees gebruikt de X-, Y- en Z-assen voor een breed scala aan werkzaamheden. Met een 4-assige frees kan de machine roteren op een verticale en horizontale as en het werkstuk verplaatsen om een meer continue bewerking mogelijk te maken.
Een 5-assige frees heeft drie traditionele assen en twee extra roterende assen, waardoor het werkstuk kan worden geroteerd terwijl de spilkop eromheen beweegt. Hierdoor kunnen vijf zijden van een werkstuk worden bewerkt zonder het werkstuk te verwijderen en de machine opnieuw in te stellen.
CNC-draaibanken
Een draaibank - ook wel een draaicentrum genoemd - heeft een of meer spindels en X- en Z-assen. De machine wordt gebruikt om een werkstuk om zijn as te draaien om verschillende snij- en vormbewerkingen uit te voeren, waarbij een breed scala aan gereedschappen op het werkstuk wordt toegepast.
CNC-draaibanken, ook wel live action tooling-draaibanken genoemd, zijn ideaal voor het maken van symmetrische cilindrische of bolvormige onderdelen. Net als CNC-freesmachines kunnen CNC-draaibanken kleinere bewerkingen aan, zoals prototyping, maar ze kunnen ook worden ingesteld voor een hoge herhaalbaarheid, waardoor productie in grote hoeveelheden wordt ondersteund.
CNC-draaibanken kunnen ook worden ingesteld voor relatief handsfree productie, waardoor ze veel worden gebruikt in de automobiel-, elektronica-, ruimtevaart-, robotica- en medische apparatuurindustrie.
Hoe een CNC-draaibank werkt
Met een CNC-draaibank wordt een onbewerkte staaf voorraadmateriaal in de klauwplaat van de spil van de draaibank geladen. Deze boorkop houdt het werkstuk op zijn plaats terwijl de spil draait. Wanneer de spil de vereiste snelheid bereikt, wordt een stationair snijgereedschap in contact gebracht met het werkstuk om materiaal te verwijderen en de juiste geometrie te bereiken.
Een CNC-draaibank kan een aantal bewerkingen uitvoeren, zoals boren, draadsnijden, kotteren, ruimen, vlakken en taps draaien. Verschillende bewerkingen vereisen gereedschapswisselingen en kunnen de kosten en insteltijd verhogen.
Wanneer alle vereiste bewerkingen zijn voltooid, wordt het onderdeel uit de voorraad gesneden voor verdere verwerking, indien nodig. De CNC-draaibank is dan klaar om de bewerking te herhalen, met meestal weinig of geen extra insteltijd tussendoor.
CNC-draaibanken zijn ook geschikt voor een verscheidenheid aan automatische staafaanvoer, die de hoeveelheid handmatige verwerking van grondstoffen verminderen en voordelen bieden zoals de volgende:
■ Verminder de tijd en inspanning van de machinebediener
■ Ondersteun de barstock om trillingen te verminderen die de precisie negatief kunnen beïnvloeden
■ Laat de werktuigmachine met optimale spilsnelheden werken
■ Minimaliseer omsteltijden
■ Verminder materiaalverspilling
Soorten CNC-draaibanken
Er zijn een aantal verschillende soorten draaibanken, maar de meest voorkomende zijn 2-assige CNC-draaibanken en automatische draaibanken in Chinese stijl.
De meeste CNC China-draaibanken gebruiken een of twee hoofdspillen plus een of twee achterste (of secundaire) spindels, waarbij roterende overdracht verantwoordelijk is voor de eerste. De hoofdspil voert de primaire bewerking uit met behulp van een geleidebus.
Bovendien zijn sommige draaibanken in Chinese stijl uitgerust met een tweede gereedschapskop die werkt als een CNC-frees.
Met een CNC-automatische draaibank in China-stijl wordt het uitgangsmateriaal door een glijkopspil in een geleidingsbus gevoerd. Hierdoor kan het gereedschap het materiaal dichter bij het punt snijden waar het materiaal wordt ondersteund, waardoor de China-machine vooral nuttig is voor lange, slanke gedraaide onderdelen en voor microbewerkingen.
Meerassige CNC-draaicentra en draaibanken in Chinese stijl kunnen meerdere bewerkingen uitvoeren met één enkele machine. Dit maakt ze een kosteneffectieve optie voor complexe geometrieën die anders meerdere machines of gereedschapswisselingen zouden vereisen met behulp van apparatuur zoals een traditionele CNC-frees.