Precisiebewerking is een proces waarbij materiaal van een werkstuk wordt verwijderd met behoud van nauwe toleranties. Er bestaan veel soorten precisiemachines, waaronder frezen, draaien en vonkverspanen. Een moderne precisiemachine wordt over het algemeen bestuurd door een computergestuurde numerieke besturing (CNC).
Vrijwel alle metalen producten worden met precisiebewerking vervaardigd, 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 juiste richting worden bewogen om de juiste snede te maken. Deze primaire beweging wordt de "snijsnelheid" genoemd. Het werkstuk kan ook worden bewogen, dit wordt de secundaire beweging of "aanvoer" genoemd. Samen zorgen deze bewegingen en de scherpte van het snijgereedschap ervoor dat de precisiemachine kan functioneren.
Voor hoogwaardige precisiebewerking is het essentieel om zeer specifieke blauwdrukken te kunnen volgen, gemaakt met CAD- (computer aided design) of CAM-programma's (computer aided manufacturing) zoals AutoCAD en TurboCAD. Deze software helpt bij het produceren van de complexe, driedimensionale diagrammen of contouren die nodig zijn voor de fabricage van een gereedschap, machine of object. Deze blauwdrukken moeten tot in detail worden nageleefd om de integriteit van het product te waarborgen. Hoewel de meeste precisiebewerkingsbedrijven met een of andere vorm van CAD/CAM-programma's werken, maken ze in de beginfase van een ontwerp vaak nog gebruik van handgetekende schetsen.
Precisiebewerking wordt toegepast op diverse 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 precisiebewerkingsmachines ingezet. Elke combinatie van draaibanken, freesmachines, boormachines, zagen en slijpmachines, en zelfs snelle robots, kan worden gebruikt. De lucht- en ruimtevaartindustrie maakt bijvoorbeeld gebruik van hogesnelheidsbewerking, terwijl de houtbewerkingsindustrie fotochemisch etsen en frezen kan toepassen. De productie van een serie, of een specifieke hoeveelheid van een bepaald product, kan in de duizenden lopen, of slechts in enkele exemplaren. Precisiebewerking vereist vaak de programmering van CNC-machines, wat betekent dat ze computergestuurd zijn. De CNC-machine maakt het mogelijk om tijdens het hele productieproces de exacte afmetingen te handhaven.
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 aan te voeren). 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, van kleine individuele onderdelen tot grote, zware freesbewerkingen met meerdere freesmachines. Het is een van de meest gebruikte processen voor het bewerken van op maat gemaakte onderdelen met zeer nauwkeurige toleranties.
Frezen kan met een breed scala aan werktuigmachines worden gedaan. De oorspronkelijke klasse werktuigmachines voor frezen was de freesmachine (vaak een freesmachine genoemd). Na de komst van computergestuurde numerieke besturing (CNC) evolueerden freesmachines tot bewerkingscentra: freesmachines aangevuld met automatische gereedschapswisselaars, gereedschapsmagazijnen of carrousels, CNC-functionaliteit, koelsystemen en behuizingen. Freescentra worden over het algemeen ingedeeld in verticale bewerkingscentra (VMC's) of horizontale bewerkingscentra (HMC's).
De integratie van frezen in draaibewerkingen, en vice versa, begon met aangedreven gereedschap voor draaibanken en het incidentele gebruik van freesmachines voor draaibewerkingen. Dit leidde tot een nieuwe klasse van werktuigmachines, multifunctionele machines (MTM's), die speciaal zijn ontworpen om frezen en draaien binnen hetzelfde werkgebied mogelijk te maken.
Voor ontwerpingenieurs, R&D-teams en fabrikanten die afhankelijk zijn van de inkoop van onderdelen, biedt precisie-CNC-bewerking de mogelijkheid om complexe onderdelen te vervaardigen zonder verdere nabewerking. Sterker nog, precisie-CNC-bewerking maakt het vaak mogelijk om afgewerkte onderdelen op één enkele machine te produceren.
Bij het verspanen wordt materiaal verwijderd met behulp van een breed scala aan snijgereedschappen om het uiteindelijke, vaak zeer complexe, ontwerp van een onderdeel te creëren. De precisie wordt verhoogd door het gebruik van computergestuurde numerieke besturing (CNC), waarmee de besturing van de bewerkingsgereedschappen wordt geautomatiseerd.
De rol van "CNC" in 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 machineoperator.
Aan de hand van een door de klant aangeleverd CAD-model (Computer Aided Design) gebruikt een ervaren machinebankwerker computerondersteunde fabricagesoftware (CAM) om de bewerkingsinstructies voor het onderdeel te genereren. Op basis van het CAD-model bepaalt de software welke gereedschapspaden nodig zijn en genereert de programmeercode die de machine de volgende instructies geeft:
■ Wat het juiste toerental en de juiste aanvoersnelheid zijn
■ Wanneer en waar het gereedschap en/of werkstuk te verplaatsen
■ Hoe diep moet je 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.
CNC is tegenwoordig een standaardonderdeel van een breed scala aan machines, van draaibanken, freesmachines en routers tot draad-EDM (elektro-erosie), laser- en plasmasnijmachines. Naast het automatiseren van het bewerkingsproces en het verbeteren van de precisie, elimineert CNC handmatige taken en stelt het machinisten in staat om toezicht te houden op meerdere machines die tegelijkertijd draaien.
Bovendien kan een machine, zodra een gereedschapspad is ontworpen en geprogrammeerd, een onderdeel een onbeperkt aantal keren bewerken. Dit zorgt voor een hoge mate van precisie en herhaalbaarheid, waardoor het proces zeer kosteneffectief en schaalbaar wordt.
Bewerkte materialen
Enkele veelgebruikte metalen voor machinale bewerking 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 met precisie-CNC-bewerking worden verwerkt – uiteraard afhankelijk van de toepassing en de bijbehorende eisen.
Enkele voordelen van precisie-CNC-bewerking
Voor veel van de kleine onderdelen en componenten die in een breed scala aan producten worden gebruikt, is precisie-CNC-bewerking vaak de voorkeursmethode.
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 het proces van precisie-CNC-bewerking echter voordelen ten opzichte van andere bewerkingsmethoden.
Dat komt omdat CNC-bewerking het volgende kan leveren:
■ Een hoge mate van complexiteit van de onderdelen
■ Strikte 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
Hoewel een ervaren machinebankwerker met een handmatige draaibank een kwalitatief goed onderdeel kan maken in aantallen van 10 of 100 stuks, wat gebeurt er als je 1.000 onderdelen nodig hebt? 10.000 onderdelen? 100.000 of een miljoen onderdelen?
Met precisie-CNC-bewerking behaalt u de schaalbaarheid en snelheid die nodig zijn voor dit type grootschalige productie. Bovendien zorgt de hoge herhaalbaarheid van precisie-CNC-bewerking ervoor dat alle onderdelen van begin tot eind identiek zijn, ongeacht de hoeveelheid die u produceert.
Er bestaan enkele zeer gespecialiseerde CNC-bewerkingsmethoden, waaronder draad-EDM (elektro-erosie), additieve bewerking en 3D-laserprinten. Bij draad-EDM worden bijvoorbeeld geleidende materialen – meestal metalen – en elektrische ontladingen gebruikt om een werkstuk te eroderen en zo complexe vormen te creëren.
We zullen ons hier echter concentreren op de frees- en draaiprocessen – twee subtractieve methoden die algemeen beschikbaar zijn en veelvuldig 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. Freesmachines, ook wel freesmachines of bewerkingscentra genoemd, maken het mogelijk om een breed scala aan complexe geometrieën te vervaardigen, zelfs op de grootste metalen objecten die er zijn.
Een belangrijk kenmerk van frezen is dat het werkstuk stilstaat terwijl het snijgereedschap roteert. Met andere woorden, bij een freesmachine beweegt het roterende snijgereedschap rond het werkstuk, dat vast op een bed blijft liggen.
Draaien is het proces waarbij een werkstuk wordt gesneden of gevormd op een machine die een draaibank wordt genoemd. Doorgaans draait de draaibank het werkstuk om een verticale of horizontale as, terwijl een vast snijgereedschap (dat al dan niet meedraait) langs de geprogrammeerde as beweegt.
Het gereedschap kan fysiek niet om het werkstuk heen draaien. Het materiaal roteert, waardoor het gereedschap de geprogrammeerde bewerkingen kan uitvoeren. (Er bestaat een subgroep draaibanken waarbij het gereedschap rond een op een spoel aangevoerde draad draait, maar die worden hier niet behandeld.)
Bij draaien, in tegenstelling tot frezen, draait het werkstuk. Het werkstuk draait om 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 uitvoeringen verkrijgbaar zijn, zijn CNC-machines geschikter voor de productie van kleine onderdelen. Ze bieden schaalbaarheid en herhaalbaarheid voor toepassingen die een hoge productie van onderdelen met nauwe toleranties vereisen.
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 eveneens kan bewegen. Dit in tegenstelling tot een draaibank, waar het werkstuk alleen 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 machineoperator extra werk hoeft te verrichten. Dit vereenvoudigt niet alleen de productie van complexe onderdelen, maar vermindert of elimineert ook de kans op bedieningsfouten.
Bovendien zorgt het gebruik van hogedrukkoeling in combinatie met precisie-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
Freesmachines verschillen in grootte, asconfiguratie, voedingssnelheid, snijsnelheid, freesrichting en andere kenmerken.
CNC-freesmachines maken over het algemeen gebruik van een roterende spindel om ongewenst materiaal weg te snijden. Ze worden gebruikt voor het bewerken van harde metalen zoals staal en titanium, maar kunnen ook worden gebruikt met materialen zoals kunststof en aluminium.
CNC-freesmachines zijn ontworpen voor herhaalbaarheid en kunnen voor alles worden gebruikt, van prototyping tot massaproductie. Hoogwaardige precisie-CNC-freesmachines worden vaak gebruikt voor werk met zeer nauwe toleranties, zoals het frezen van fijne matrijzen en mallen.
Hoewel CNC-frezen snelle doorlooptijden mogelijk maakt, resulteert de nabewerking in onderdelen met zichtbare gereedschapssporen. Ook kunnen er scherpe randen en bramen ontstaan, waardoor aanvullende processen nodig kunnen zijn als deze randen en bramen onacceptabel zijn voor de betreffende onderdelen.
Uiteraard zullen de in de bewerkingsvolgorde geprogrammeerde ontbraamgereedschappen de bramen verwijderen, hoewel ze meestal maximaal 90% van het gewenste eindresultaat bereiken, waardoor sommige onderdelen nog handmatig afgewerkt moeten worden.
Wat de oppervlakteafwerking betreft, zijn er gereedschappen die niet alleen een acceptabele oppervlakteafwerking opleveren, maar op bepaalde delen van het product zelfs een spiegelgladde afwerking.
Soorten CNC-freesmachines
De twee basistypen freesmachines staan bekend als verticale bewerkingscentra en horizontale bewerkingscentra, waarbij het voornaamste verschil zit in de oriëntatie van de machineas.
Een verticaal bewerkingscentrum is een freesmachine waarbij de spindelas in de Z-richting is uitgelijnd. Deze verticale machines kunnen verder worden onderverdeeld in twee typen:
■Bedfreesmachines, waarbij de spindel parallel aan zijn eigen as beweegt, terwijl de tafel loodrecht op de as van de spindel beweegt.
■Revolverfreesmachines, waarbij de spindel stationair is en de tafel beweegt zodat deze tijdens het frezen altijd loodrecht en parallel aan de as van de spindel staat.
Bij een horizontaal bewerkingscentrum is de spindelas van de freesmachine in de Y-richting uitgelijnd. Door de horizontale constructie nemen deze freesmachines doorgaans meer ruimte in beslag in de werkplaats; ze zijn over het algemeen ook zwaarder en krachtiger dan verticale machines.
Een horizontale freesmachine wordt vaak gebruikt wanneer een betere oppervlakteafwerking vereist is; dit komt doordat de spindeloriëntatie ervoor zorgt dat de spanen vanzelf afvallen en gemakkelijk verwijderd kunnen worden. (Een bijkomend voordeel is dat efficiënte spaanafvoer de levensduur van het gereedschap verlengt.)
Over het algemeen zijn verticale bewerkingscentra gangbaarder omdat ze net zo krachtig kunnen zijn als horizontale bewerkingscentra en zeer kleine onderdelen kunnen bewerken. Bovendien nemen verticale centra minder ruimte in beslag dan horizontale bewerkingscentra.
Meerassige CNC-freesmachines
Precisie-CNC-freesmachines zijn verkrijgbaar met meerdere assen. Een 3-assige freesmachine gebruikt de X-, Y- en Z-assen voor een breed scala aan bewerkingen. Met een 4-assige freesmachine kan de machine roteren rond een verticale en horizontale as en het werkstuk verplaatsen, waardoor continu bewerken mogelijk is.
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 een Z-as. 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 aangedreven gereedschapsdraaibanken genoemd, zijn ideaal voor het vervaardigen van symmetrische cilindrische of bolvormige onderdelen. Net als CNC-freesmachines kunnen CNC-draaibanken kleinere bewerkingen zoals prototyping aan, maar ze kunnen ook worden ingesteld voor hoge herhaalbaarheid, waardoor ze geschikt zijn voor productie in grote volumes.
CNC-draaibanken kunnen ook zo worden ingesteld dat ze relatief automatisch werken, waardoor ze veelvuldig worden gebruikt in de auto-, elektronica-, ruimtevaart-, robotica- en medische industrie.
Hoe een CNC-draaibank werkt
Bij een CNC-draaibank wordt een werkstuk in de spankop van de spindel geplaatst. Deze spankop houdt het werkstuk vast terwijl de spindel draait. Wanneer de spindel de gewenste snelheid bereikt, wordt een stationair snijgereedschap in contact gebracht met het werkstuk om materiaal te verwijderen en de juiste geometrie te verkrijgen.
Een CNC-draaibank kan een aantal bewerkingen uitvoeren, zoals boren, draadsnijden, kotteren, ruimen, vlakken en conisch draaien. Verschillende bewerkingen vereisen gereedschapswisselingen, wat de kosten en de insteltijd kan verhogen.
Wanneer alle benodigde bewerkingsstappen zijn voltooid, wordt het onderdeel uit het materiaal gesneden voor verdere verwerking, indien nodig. De CNC-draaibank is vervolgens klaar om de bewerking te herhalen, waarbij meestal weinig tot geen extra insteltijd nodig is.
CNC-draaibanken kunnen ook worden uitgerust met diverse automatische staafaanvoersystemen, die de hoeveelheid handmatige verwerking van grondstoffen verminderen en voordelen bieden zoals de volgende:
■ Verminder de tijd en inspanning die de machineoperator nodig heeft.
■ Ondersteun het staafmateriaal om trillingen te verminderen die de precisie negatief kunnen beïnvloeden.
■ Zorg ervoor dat de werktuigmachine op de optimale spindelsnelheid werkt.
■ Minimaliseer omsteltijden
■ Verminder materiaalverspilling
Soorten CNC-draaibanken
Er bestaan verschillende soorten draaibanken, maar de meest voorkomende zijn 2-assige CNC-draaibanken en automatische draaibanken van Chinese makelij.
De meeste CNC-draaibanken in China gebruiken één of twee hoofdspindels plus één of twee hulpspindels (of secundaire spindels), waarbij de hoofdspindels worden aangedreven door een roterende overbrenging. De hoofdspindel voert de primaire bewerking uit, met behulp van een geleidingsbus.
Daarnaast zijn sommige draaibanken in Chinese stijl uitgerust met een tweede gereedschapskop die functioneert als een CNC-freesmachine.
Bij een CNC-draaibank van het Chinese type wordt het werkstuk via een verschuifbare kop in een geleidingsbus gevoerd. Hierdoor kan het gereedschap het materiaal dichter bij het steunpunt bewerken, wat de Chinese machine bijzonder geschikt maakt voor lange, slanke draaiwerkstukken en voor microbewerking.
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 apparatuur zoals een traditionele CNC-freesmachine.