Precisiebewerking is een proces waarbij materiaal van een werkstuk wordt verwijderd tijdens het handhaven van een nauwkeurige afwerkingstolerantie. Er zijn verschillende soorten precisiemachines, waaronder frezen, draaien en vonken. Een precisiemachine wordt tegenwoordig over het algemeen aangestuurd door een computergestuurde numerieke besturing (CNC).
Bijna alle metaalproducten maken gebruik van precisiebewerking, net als veel andere materialen zoals kunststof en hout. Deze machines worden bediend door gespecialiseerde en getrainde machinisten. Om het snijgereedschap zijn werk te laten doen, moet het in de aangegeven richtingen worden bewogen om de juiste snede te maken. Deze primaire beweging wordt de "snijsnelheid" genoemd. Het werkstuk kan ook worden bewogen, de secundaire beweging van de "voeding". Deze bewegingen en de scherpte van het snijgereedschap zorgen er samen voor dat de precisiemachine kan werken.
Hoogwaardige precisiebewerking vereist het vermogen om zeer 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 produceren. Deze blauwdrukken moeten tot in de kleinste details worden nageleefd om ervoor te zorgen dat een product zijn integriteit behoudt. Hoewel de meeste bedrijven in de precisiebewerking met een CAD/CAM-programma werken, werken ze in de beginfase van een ontwerp vaak nog met handgetekende schetsen.
Precisiebewerking wordt toegepast op een aantal materialen, waaronder staal, brons, grafiet, glas en kunststoffen, om er maar een paar te noemen. Afhankelijk van de omvang van het project en de te gebruiken materialen, worden verschillende precisiebewerkingsgereedschappen gebruikt. Elke combinatie van draaibanken, freesmachines, boormachines, zagen en slijpmachines, en zelfs hogesnelheidsrobots kan worden gebruikt. De lucht- en ruimtevaartindustrie kan hogesnelheidsbewerking gebruiken, terwijl de houtbewerkingsindustrie fotochemische ets- en freesprocessen kan gebruiken. De productie van een serie, of een specifieke hoeveelheid van een bepaald artikel, kan in de duizenden lopen, of slechts enkele. Precisiebewerking vereist vaak de programmering van CNC-machines, wat betekent dat ze computergestuurd zijn. De CNC-machine maakt het mogelijk om de exacte afmetingen gedurende de hele productierun van een product te volgen.
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 brengen. De frees kan ook onder een hoek ten opzichte van de as van het gereedschap worden gehouden. Frezen omvat een breed scala aan verschillende bewerkingen en machines, variërend van kleine individuele onderdelen tot grote, zware freesbewerkingen in gangen. Het is een van de meest gebruikte processen voor het bewerken van maatwerkonderdelen met nauwkeurige toleranties.
Frezen kan worden uitgevoerd met een breed scala aan werktuigmachines. De oorspronkelijke klasse werktuigmachines voor frezen was de freesmachine (vaak frees genoemd). Na de komst van computer numerical control (CNC) evolueerden freesmachines tot bewerkingscentra: freesmachines 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 het gebruik van draaigereedschappen en het incidenteel gebruik van freesmachines voor draaibewerkingen. Dit leidde tot een nieuwe klasse gereedschapsmachines, multitasking machines (MTM's), die speciaal zijn gebouwd om frezen en draaien binnen hetzelfde werkbereik mogelijk te maken.
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 creëren zonder extra bewerking. Sterker nog, precisie-CNC-bewerking maakt het vaak mogelijk om afgewerkte onderdelen op één machine te maken.
Het bewerkingsproces verwijdert materiaal en gebruikt een breed scala aan snijgereedschappen om het uiteindelijke, en vaak zeer complexe, ontwerp van een onderdeel te creëren. De precisie wordt verhoogd door het gebruik van computer numerieke besturing (CNC), waarmee de besturing van de bewerkingsgereedschappen wordt geautomatiseerd.
De rol van "CNC" in precisiebewerking
Met behulp van gecodeerde programmeringsinstructies kan met behulp van nauwkeurige CNC-bewerking een werkstuk volgens de specificaties worden gesneden en gevormd, zonder dat een machinebediener handmatig hoeft in te grijpen.
Een ervaren machinist gebruikt een computerondersteund ontwerp (CAD)-model van een klant en gebruikt computerondersteunde productiesoftware (CAM) om de instructies voor de bewerking 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 toerentallen en voedingssnelheden zijn
■ Wanneer en waar het gereedschap en/of werkstuk moet worden verplaatst
■ Hoe diep moet er gesneden worden?
■ Wanneer moet er koelvloeistof worden toegevoegd?
■ Alle andere factoren die verband houden met snelheid, invoersnelheid en coördinatie
Een CNC-controller gebruikt de programmeercode vervolgens om de bewegingen van de machine te besturen, automatiseren en bewaken.
Tegenwoordig is CNC een ingebouwd onderdeel van een breed scala aan apparatuur, van draaibanken, freesmachines en freesmachines tot draadvonkmachines (EDM), laser- en plasmasnijmachines. Naast het automatiseren van het bewerkingsproces en het verbeteren van de precisie, elimineert CNC handmatige taken en geeft het machinisten de ruimte om meerdere machines tegelijkertijd te beheren.
Bovendien kan een machine, zodra een gereedschapspad is ontworpen en geprogrammeerd, een onderdeel een onbeperkt aantal keren uitvoeren. Dit zorgt voor een hoge mate van precisie en herhaalbaarheid, wat het proces zeer kosteneffectief en schaalbaar maakt.
Materialen die bewerkt worden
Enkele veelgebruikte metalen zijn aluminium, messing, brons, koper, staal, titanium en zink. Daarnaast kunnen ook hout, schuim, glasvezel en kunststoffen zoals polypropyleen worden bewerkt.
Eigenlijk kan vrijwel elk materiaal worden verwerkt met precisie-CNC-bewerking, afhankelijk van de toepassing en de vereisten.
Enkele voordelen van precisie CNC-bewerking
Voor veel kleine onderdelen en componenten die in een breed scala aan producten worden gebruikt, is nauwkeurige CNC-bewerking vaak de fabricagemethode van keuze.
Zoals bij vrijwel alle snij- en bewerkingsmethoden het geval is, gedragen verschillende materialen zich verschillend en hebben de grootte en vorm van een onderdeel ook een grote invloed op het proces. Over het algemeen biedt precisie-CNC-bewerking echter voordelen ten opzichte van andere bewerkingsmethoden.
Dat komt omdat CNC-bewerking het volgende kan leveren:
■ Een hoge mate van onderdeelcomplexiteit
■ Nauwe toleranties, doorgaans variërend van ±0,0002" (±0,00508 mm) tot ±0,0005" (±0,0127 mm)
■ Uitzonderlijk gladde oppervlakteafwerkingen, inclusief afwerkingen op maat
■ Herhaalbaarheid, zelfs bij grote volumes
Terwijl een bekwame machinist een handmatig draaibankje kan gebruiken om een kwaliteitsonderdeel in aantallen van 10 of 100 onderdelen te maken, wat gebeurt er als je 1.000 onderdelen nodig hebt? 10.000 onderdelen? 100.000 of een miljoen onderdelen?
Met precisie CNC-bewerking krijgt u de schaalbaarheid en snelheid die nodig zijn voor dit soort grootschalige productie. Bovendien zorgt de hoge herhaalbaarheid van precisie CNC-bewerking ervoor dat onderdelen van begin tot eind allemaal hetzelfde zijn, ongeacht het aantal onderdelen dat u produceert.
Er bestaan een aantal zeer gespecialiseerde CNC-bewerkingsmethoden, waaronder draadvonken (elektrische vonkbewerking), additieve bewerking en 3D-laserprinten. Draadvonken maakt bijvoorbeeld gebruik van geleidende materialen – meestal metalen – en elektrische ontladingen om een werkstuk tot ingewikkelde vormen te eroderen.
We concentreren ons hier echter op de frees- en draaiprocessen: twee subtractieve methoden die algemeen beschikbaar zijn en vaak worden gebruikt voor precisie-CNC-bewerking.
Frezen versus draaien
Frezen is een bewerkingsproces waarbij een roterend, cilindrisch snijgereedschap wordt gebruikt om materiaal te verwijderen en vormen te creëren. Freesapparatuur, ook wel bekend als een frees of bewerkingscentrum, realiseert een scala aan complexe onderdeelgeometrieën op enkele van de grootste bewerkte metalen objecten.
Een belangrijk kenmerk van frezen is dat het werkstuk stil blijft staan terwijl het snijgereedschap draait. Met andere woorden: op een freesmachine beweegt het roterende snijgereedschap rond het werkstuk, dat vast op zijn plaats blijft op een bed.
Draaien is het proces waarbij een werkstuk wordt gesneden of gevormd op een draaibank. Meestal draait de draaibank het werkstuk om een verticale of horizontale as, terwijl een vast snijgereedschap (dat al dan niet draait) langs de geprogrammeerde as beweegt.
Het gereedschap kan niet fysiek rond het onderdeel draaien. Het materiaal roteert, waardoor het gereedschap de geprogrammeerde bewerkingen kan uitvoeren. (Er is echter een subset van draaibanken waarbij het gereedschap rond een op een spoel aangevoerde draad draait, maar die wordt hier niet behandeld.)
Bij draaien, in tegenstelling tot frezen, draait het werkstuk. Het onderdeel draait op de spindel van de draaibank en het snijgereedschap komt in contact met het werkstuk.
Handmatige versus CNC-bewerking
Hoewel zowel frees- als draaibanken in handmatige uitvoering verkrijgbaar zijn, zijn CNC-machines geschikter voor de productie van kleine onderdelen. Ze bieden schaalbaarheid en herhaalbaarheid voor toepassingen waarbij grote aantallen onderdelen met een nauwe tolerantie moeten worden geproduceerd.
Naast eenvoudige 2-assige machines waarbij het gereedschap in de X- en Z-as beweegt, omvat precisie-CNC-apparatuur ook meerassige modellen waarbij het werkstuk ook kan bewegen. Dit in tegenstelling tot een draaibank, waar het werkstuk alleen maar kan draaien en de gereedschappen bewegen om de gewenste geometrie te creëren.
Deze meerassige configuraties maken het mogelijk om complexere geometrieën in één bewerking te produceren, zonder dat de operator hiervoor extra werk hoeft te verrichten. Dit maakt het niet alleen eenvoudiger om complexe onderdelen te produceren, maar verkleint of elimineert ook de kans op fouten door de operator.
Bovendien zorgt het gebruik van hogedrukkoelmiddel in combinatie met nauwkeurige CNC-bewerking ervoor dat er geen spanen in het werkstuk terechtkomen, zelfs niet bij gebruik van een machine met een verticaal georiënteerde spindel.
CNC-freesmachines
Verschillende freesmachines variëren in grootte, asconfiguratie, voedingssnelheden, snijsnelheid, freesvoedingsrichting en andere kenmerken.
Over het algemeen gebruiken alle CNC-freesmachines een roterende spindel 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 kunststof en aluminium.
CNC-freesmachines zijn gebouwd voor herhaalbaarheid en kunnen worden gebruikt voor alles, van prototyping tot grootschalige productie. Hoogwaardige precisie CNC-freesmachines worden vaak gebruikt voor werk met nauwe toleranties, zoals het frezen van fijne matrijzen en mallen.
Hoewel CNC-frezen een snelle doorlooptijd kan opleveren, zorgt as-freesen voor onderdelen met zichtbare gereedschapssporen. Het kan ook onderdelen met scherpe randen en bramen opleveren, waardoor extra processen nodig kunnen zijn als randen en bramen onacceptabel zijn voor die eigenschappen.
Uiteraard zullen de in de sequentie geprogrammeerde ontbraamgereedschappen ook ontbramen, maar doorgaans wordt maximaal 90% van het eindresultaat bereikt. Er blijven dan nog enkele kenmerken over voor handmatige afwerking.
Wat de oppervlakteafwerking betreft, zijn er gereedschappen die niet alleen een acceptabele oppervlakteafwerking opleveren, maar ook een spiegelende afwerking op delen van het werkproduct.
Soorten CNC-freesmachines
Er zijn twee basistypen freesmachines: verticale bewerkingscentra en horizontale bewerkingscentra. Het grootste verschil zit in de oriëntatie van de machinespindel.
Een verticaal bewerkingscentrum is een freesmachine waarvan de spindelas in de Z-asrichting is uitgelijnd. Deze verticale machines kunnen verder worden onderverdeeld in twee typen:
■Bedmolens, waarbij de spil parallel aan zijn eigen as beweegt, terwijl de tafel loodrecht op de as van de spil beweegt
■Revolverfreesmachines, waarbij de spil stilstaat en de tafel zo wordt bewogen dat deze tijdens de snijbewerking altijd loodrecht en parallel aan de as van de spil staat
In een horizontaal bewerkingscentrum is de spindelas van de freesmachine uitgelijnd in de Y-richting. Door de horizontale structuur nemen deze freesmachines doorgaans meer ruimte in beslag op de werkvloer; ze zijn over het algemeen ook zwaarder en krachtiger dan verticale machines.
Een horizontale frees wordt vaak gebruikt wanneer een betere oppervlakteafwerking vereist is. Door de oriëntatie van de spindel vallen de spanen namelijk vanzelf weg en kunnen ze gemakkelijk worden verwijderd. (Een bijkomend voordeel is dat efficiënte spaanafvoer de levensduur van het gereedschap verlengt.)
Over het algemeen zijn verticale bewerkingscentra populairder omdat ze net zo krachtig kunnen zijn als horizontale bewerkingscentra en zeer kleine onderdelen kunnen verwerken. Bovendien hebben verticale bewerkingscentra een kleinere voetafdruk dan horizontale bewerkingscentra.
Meerassige CNC-freesmachines
Precisie CNC-freescentra zijn verkrijgbaar met meerdere assen. Een 3-assige freesmachine gebruikt de X-, Y- en Z-as voor een breed scala aan bewerkingen. Met een 4-assige freesmachine kan de machine om een verticale en horizontale as roteren en het werkstuk verplaatsen voor een continuere bewerking.
Een 5-assige freesmachine heeft drie traditionele assen en twee extra roterende assen, waardoor het werkstuk kan roteren terwijl de spindelkop 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 draaicentrum genoemd – heeft een of meer spindels en een X- en Z-as. De machine wordt gebruikt om een werkstuk om zijn as te roteren en diverse snij- en vormbewerkingen uit te voeren, waarbij een breed scala aan gereedschappen op het werkstuk wordt toegepast.
CNC-draaibanken, ook wel draaibanken met draaigereedschap genoemd, zijn ideaal voor het maken van symmetrische cilindrische of bolvormige onderdelen. Net als CNC-freesmachines kunnen CNC-draaibanken kleinere bewerkingen uitvoeren, zoals prototyping, maar kunnen ze ook worden ingesteld voor hoge herhaalbaarheid en daarmee productie in grote volumes ondersteunen.
CNC-draaibanken kunnen bovendien worden ingesteld voor productie waarbij de handen relatief vrij zijn. Hierdoor worden ze veel gebruikt in de automobiel-, elektronica-, lucht- en ruimtevaart-, robotica- en medische industrie.
Hoe een CNC-draaibank werkt
Bij een CNC-draaibank wordt een onbewerkte staaf materiaal in de klauw van de spindel van de draaibank geladen. Deze klauw houdt het werkstuk op zijn plaats terwijl de spindel draait. Wanneer de spindel de gewenste snelheid bereikt, wordt een stilstaand 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 conisch draaien. Verschillende bewerkingen vereisen gereedschapswisselingen en kunnen de kosten en insteltijd verhogen.
Wanneer alle benodigde bewerkingen zijn voltooid, wordt het onderdeel uit het materiaal gesneden voor verdere bewerking, indien nodig. De CNC-draaibank is dan klaar om de bewerking te herhalen, met doorgaans weinig tot geen extra insteltijd ertussen.
CNC-draaibanken kunnen ook worden uitgerust met diverse automatische staafaanvoersystemen, waardoor de hoeveelheid handmatige verwerking van ruwmateriaal wordt verminderd en de volgende voordelen worden geboden:
■ Verminder de tijd en inspanning die nodig is voor de machine-operator
■ Ondersteun de staaf om trillingen te verminderen die de precisie negatief kunnen beïnvloeden
■ Zorg ervoor dat de machine op optimale spiltoerentallen kan werken
■ Minimaliseer omsteltijden
■ Verminder materiaalverspilling
Soorten CNC-draaibanken
Er bestaan verschillende soorten draaibanken, maar de meest voorkomende zijn 2-assige CNC-draaibanken en automatische draaibanken in China.
De meeste CNC-draaibanken in China gebruiken één of twee hoofdspindels plus één of twee achterspindels (of secundaire spindels), waarbij de roterende overdracht verantwoordelijk is voor de eerste. De hoofdspindel voert de primaire bewerking uit met behulp van een geleidebus.
Bovendien zijn sommige China-stijl draaibanken uitgerust met een tweede gereedschapskop die als een CNC-freesmachine functioneert.
Bij een CNC-gestuurde China-stijl draaibank wordt het materiaal via een spindel met schuifkop in een geleidebus gevoerd. Hierdoor kan het gereedschap het materiaal dichter bij het punt snijden waar het materiaal wordt ondersteund. Dit maakt de China-machine bijzonder geschikt voor lange, slanke gedraaide onderdelen en voor microbewerking.
Meerassige CNC-draaicentra en China-stijl draaibanken kunnen meerdere bewerkingen uitvoeren met één machine. Dit maakt ze een kosteneffectieve optie voor complexe geometrieën waarvoor anders meerdere machines of gereedschapswisselingen nodig zouden zijn met apparatuur zoals een traditionele CNC-frees.