Precisiebewerking is een proces waarbij materiaal van een werkstuk wordt verwijderd met een afwerking met nauwe toleranties.De precisiemachine kent vele soorten, waaronder frezen, draaien en elektrisch ontladen.Een precisiemachine wordt tegenwoordig over het algemeen bestuurd met behulp van 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 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 verplaatst, ook wel de secundaire beweging van "toevoer" genoemd.Samen zorgen deze bewegingen en de scherpte van het snijgereedschap ervoor dat de precisiemachine kan werken.
Hoogwaardige precisiebewerking vereist de mogelijkheid om uiterst specifieke blauwdrukken te volgen die zijn gemaakt door CAD-programma's (computerondersteund ontwerp) of CAM-programma's (computerondersteunde productie), 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 zeer gedetailleerd worden nageleefd om ervoor te zorgen dat een product zijn integriteit behoudt.Hoewel de meeste precisiebewerkingsbedrijven met een of andere vorm van CAD/CAM-programma's werken, werken ze in de beginfase van een ontwerp nog steeds vaak met handgetekende schetsen.
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 maakt mogelijk gebruik van hogesnelheidsbewerkingen, terwijl een industrie voor houtbewerkingsgereedschappen fotochemische ets- en freesprocessen kan gebruiken.Het produceren van een run, of een specifieke hoeveelheid van een bepaald item, kan in de duizenden lopen, of slechts een paar zijn.Precisiebewerking vereist vaak het programmeren van CNC-apparaten, wat betekent dat ze numeriek door de computer worden bestuurd.Met het CNC-apparaat kunnen exacte afmetingen worden gevolgd tijdens de hele productierun van een product.
Frezen is het bewerkingsproces waarbij roterende messen 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, op schalen van kleine afzonderlijke onderdelen tot grote, zware groepsfreesbewerkingen.Het is een van de meest gebruikte processen voor het bewerken van aangepaste onderdelen met nauwkeurige toleranties.
Frezen kan met een breed scala aan gereedschapsmachines.De oorspronkelijke klasse van gereedschapswerktuigen voor het frezen was de freesmachine (vaak een molen genoemd).Na de komst van computernumerieke 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 omgekeerd, begon met live gereedschap voor draaibanken en het occasionele gebruik van freesmachines voor draaibewerkingen.Dit leidde tot een nieuwe klasse 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 de creatie van complexe onderdelen mogelijk zonder extra bewerkingen.Precisie-CNC-bewerkingen maken het vaak mogelijk om afgewerkte onderdelen op één enkele machine te maken.
Bij het bewerkingsproces wordt materiaal verwijderd en wordt gebruik gemaakt van een breed scala aan snijgereedschappen om het uiteindelijke, en vaak zeer complexe, ontwerp van een onderdeel te creëren.Het nauwkeurigheidsniveau wordt verbeterd door het gebruik van computernumerieke besturing (CNC), die wordt gebruikt om de besturing van de bewerkingsgereedschappen te automatiseren.
De rol van "CNC" bij precisiebewerking
Met behulp van gecodeerde programmeerinstructies zorgt precisie-CNC-bewerking ervoor dat een werkstuk volgens specificaties kan worden gesneden en gevormd zonder handmatige tussenkomst van een machineoperator.
Op basis van een computerondersteund ontwerpmodel (CAD) dat door een klant is geleverd, gebruikt een deskundige machinist computerondersteunde productiesoftware (CAM) om de instructies te maken voor het bewerken van het onderdeel.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 te snijden
■ Wanneer koelvloeistof aanbrengen
■ Alle andere factoren die verband houden met snelheid, voedingssnelheid en coördinatie
Een CNC-controller gebruikt vervolgens de programmeercode om de bewegingen van de machine te besturen, automatiseren en monitoren.
Tegenwoordig is CNC een ingebouwd kenmerk van een breed scala aan apparatuur, van draaibanken, freesmachines en bovenfrezen tot draadvonkenmachines (elektrische ontladingsbewerking), laser- en plasmasnijmachines.Naast het automatiseren van het bewerkingsproces en het verbeteren van de precisie, elimineert CNC handmatige taken en geven machinisten de vrijheid om toezicht te houden op meerdere machines die tegelijkertijd draaien.
Bovendien kan, zodra een gereedschapspad is ontworpen en een machine is geprogrammeerd, een onderdeel een willekeurig aantal keren worden uitgevoerd.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 gewoonlijk worden bewerkt, zijn onder meer 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 bij precisie-CNC-bewerkingen – uiteraard afhankelijk van de toepassing en de vereisten ervan.
Enkele voordelen van precisie CNC-bewerking
Voor veel van de kleine onderdelen en componenten die in een breed scala aan gefabriceerde producten worden gebruikt, is precisie-CNC-bewerking vaak de voorkeursfabricagemethode.
Zoals bij vrijwel alle snij- en bewerkingsmethoden het geval is, gedragen verschillende materialen zich anders, en ook de grootte en vorm van een onderdeel hebben een grote impact 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 opleveren:
■ Een hoge mate van complexiteit van de onderdelen
■ Nauwe toleranties, doorgaans 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 in hoeveelheden van 10 of 100 te maken, wat gebeurt er als je 1.000 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 soort productie van grote volumes.Bovendien zorgt de hoge herhaalbaarheid van precisie-CNC-bewerkingen ervoor dat u onderdelen krijgt die van begin tot eind allemaal 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.Bij draadvonken wordt bijvoorbeeld gebruik gemaakt van 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 gebruik wordt gemaakt van een roterend, cilindrisch snijgereedschap 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 bewerkte voorwerpen van metaal.
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 zitten.
Draaien is het proces waarbij een werkstuk wordt gesneden of gevormd 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 niet fysiek om het onderdeel heen gaan.Het materiaal roteert, waardoor het gereedschap de geprogrammeerde bewerkingen kan uitvoeren.(Er is een subset van draaibanken waarin het gereedschap rond een draad met spoeltoevoer draait, maar die wordt hier niet behandeld.)
Bij draaien draait het werkstuk, in tegenstelling tot frezen.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 freesmachines als draaibanken verkrijgbaar zijn in handmatige modellen, zijn CNC-machines meer geschikt voor de productie van kleine onderdelen, omdat ze schaalbaarheid en herhaalbaarheid bieden voor toepassingen die de productie van grote volumes van onderdelen met nauwe tolerantie vereisen.
Naast het aanbieden van 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 is in tegenstelling tot een draaibank waarbij het werkstuk beperkt is tot draaien en de gereedschappen zullen bewegen om de gewenste geometrie te creëren.
Deze configuraties met meerdere assen maken de productie van complexere geometrieën in één enkele bewerking mogelijk, zonder dat er extra werk van de machineoperator nodig is.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 spanen niet in het werk terechtkomen, zelfs niet bij gebruik van een machine met een verticaal georiënteerde spil.
CNC-molens
Verschillende freesmachines variëren in grootte, asconfiguraties, voedingssnelheden, snijsnelheid, freesvoedingsrichting en andere kenmerken.
Over het algemeen gebruiken CNC-frezen echter allemaal een roterende spil om ongewenst materiaal weg te snijden.Ze worden gebruikt voor het snijden van harde metalen zoals staal en titanium, maar kunnen ook worden gebruikt bij materialen als kunststof en aluminium.
CNC-frezen zijn gebouwd voor herhaalbaarheid en kunnen voor alles worden gebruikt, van prototyping tot productie van grote volumes.Hoogwaardige precisie-CNC-frezen worden vaak gebruikt voor werk met nauwe toleranties, zoals het frezen van fijne matrijzen en mallen.
Hoewel CNC-frezen een snelle doorlooptijd kan opleveren, creëert de gefreesde afwerking onderdelen met zichtbare gereedschapssporen.Het kan ook onderdelen produceren met enkele scherpe randen en bramen, dus aanvullende processen kunnen nodig zijn als randen en bramen onaanvaardbaar zijn voor deze kenmerken.
Natuurlijk ontbramen de ontbraamgereedschappen die in de reeks zijn geprogrammeerd, hoewel ze doorgaans maximaal 90% van de voltooide vereiste bereiken, waardoor er enkele functies overblijven voor de uiteindelijke handmatige afwerking.
Wat de oppervlakteafwerking betreft, zijn er gereedschappen die niet alleen een acceptabele oppervlakteafwerking opleveren, maar ook een spiegelachtige afwerking op delen van het werkproduct.
Soorten CNC-frezen
De twee basistypen freesmachines staan bekend als verticale bewerkingscentra en horizontale bewerkingscentra, waarbij het belangrijkste verschil zit in de oriëntatie van de machinespindel.
Een verticaal bewerkingscentrum is een freesmachine waarbij de spilas in de Z-asrichting is uitgelijnd.Deze verticale machines kunnen verder worden onderverdeeld in twee typen:
■Bedfrezen, waarbij de spil parallel aan zijn eigen as beweegt terwijl de tafel loodrecht op de as van de spil beweegt
■Revolverfrezen, waarbij de spil stationair is en de tafel zodanig wordt verplaatst dat deze tijdens het snijden altijd loodrecht en evenwijdig aan de as van de spil staat
In een horizontaal bewerkingscentrum is de spilas van de frees uitgelijnd in de Y-asrichting.Door de horizontale structuur hebben deze molens de neiging om meer ruimte in beslag te nemen op de vloer van de machinewerkplaats;ze zijn over het algemeen ook zwaarder 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 spaanverwijdering 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-frezen
Precisie CNC-freescentra zijn verkrijgbaar met meerdere assen.Een 3-assige freesmachine gebruikt de X-, Y- en Z-assen voor een grote verscheidenheid aan werkzaamheden.Met een 4-assige freesmachine kan de machine op een verticale en horizontale as draaien 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 draaicentrum genoemd – heeft een of meer spindels en X- en Z-assen.De machine wordt gebruikt om een werkstuk om zijn as te roteren 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-frezen kunnen CNC-draaibanken kleinere bewerkingen aan, zoals het maken van prototypes, maar ze kunnen ook worden ingesteld voor een hoge herhaalbaarheid, waardoor de productie van grote volumes wordt ondersteund.
CNC-draaibanken kunnen ook worden opgezet voor relatief handsfree productie, waardoor ze veel worden gebruikt in de automobiel-, elektronica-, ruimtevaart-, robotica- en medische apparatuurindustrie.
Hoe een CNC-draaibank werkt
Bij een CNC-draaibank wordt een blanco staaf uitgangsmateriaal in de klauwplaat van de spil van de draaibank geladen.Deze klauwplaat 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, vlakdraaien en taps draaien.Verschillende bewerkingen vereisen gereedschapswisselingen en kunnen de kosten en insteltijd verhogen.
Wanneer alle benodigde bewerkingen zijn voltooid, wordt het onderdeel indien nodig uit de voorraad gesneden voor verdere verwerking.De CNC-draaibank is dan klaar om de bewerking te herhalen, waarbij doorgaans weinig of geen extra insteltijd tussendoor nodig is.
CNC-draaibanken zijn ook geschikt voor een verscheidenheid aan automatische staafaanvoersystemen, waardoor de hoeveelheid handmatige verwerking van grondstoffen wordt verminderd en voordelen worden geboden zoals de volgende:
■ Verminder de tijd en moeite die de machine-operator nodig heeft
■ Ondersteun de staafkolf 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-draaibanken in China gebruiken een of twee hoofdspillen plus een of twee achterste (of secundaire) spindels, waarbij de 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 als CNC-frees werkt.
Met een CNC-automatische draaibank in China-stijl wordt het uitgangsmateriaal via een schuifkopspindel in een geleidebus 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 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 waarvoor anders meerdere machines of gereedschapswisselingen nodig zouden zijn met behulp van apparatuur zoals een traditionele CNC-freesmachine.