Subtractieve productie is een van de meest voorkomende en wijdverspreide vormen van precisieproductie. In tegenstelling tot 3D-printen begint men bij subtractieve productie met een massief blok of structuur van materiaal, waaruit vervolgens met een machine wordt gesneden totdat de gewenste vorm is verkregen. Dit proces wordt ook door beeldhouwers toegepast, maar bij subtractieve productie wordt het beeldhouwen vervangen door een machine of robotarm.
CNC draaien en CNC frezen CNC-machines zijn de meest voorkomende productiemethoden binnen de subtractieve productie. Hoewel ze in de volksmond vaak door elkaar worden gebruikt, zijn ze in feite verschillend en hebben ze hun eigen specifieke sterke en zwakke punten en toepassingen. In de volgende alinea's hopen we u de meest basale en inleidende informatie over het gebruik van CNC-machines te kunnen geven, zodat u ook de eerste stappen kunt zetten in uw aankomende project.
Wat is CNC-draaien?
Bij CNC-draaien wordt een werkstuk in een spankop geklemd en met een bepaalde snelheid rondgedraaid, terwijl een draaigereedschap langs de gewenste vorm in het materiaal wordt bewogen. Dit proces wordt gekenmerkt door verschillende eigenschappen, met name de beweging waarbij het werkstuk roteert terwijl het gereedschap snijdt. Bij dit specifieke proces blijft het snijgereedschap in één positie terwijl het roteert en langs de andere assen beweegt.
CNC-draaien wordt uitgevoerd op een machine die een draaibank of draaicentrum wordt genoemd. Omdat het materiaal rond een spindel roteert, is CNC-draaien bedoeld voor het maken van cilindrische of buisvormige onderdelen. Als u een eenvoudige as, een decoratieve tafelpoot of een complexe connector voor de lucht- en ruimtevaarttechniek moet produceren, is draaien meestal de geprefereerde bewerkingsmethode.
Het CNC-draaiproces
Om het draaiproces te starten, wordt een ronde staaf gebruikt. Deze staaf wordt op de spindel van de draaibank gemonteerd. De spindel is het belangrijkste onderdeel, omdat deze de benodigde rotatiebeweging mogelijk maakt.
Eerst wordt de spindel bekrachtigd en het werkstuk met duizenden omwentelingen per minuut (RPM) rondgedraaid. Een gereedschap, gemonteerd op een revolverkop, wordt naar het werkstukoppervlak gebracht. Terwijl de spindel snijdt, beweegt het gereedschap lineair parallel aan de cilinder en trekt spanen van het werkstuk af.
Doordat het gereedschap constant in contact is met het snijvlak, verloopt het proces zeer snel en kunnen zeer zuivere sneden worden geproduceerd. Dit is dan ook de reden waarom CNC-draaien doorgaans bekendstaat om zijn efficiëntie en hoge oppervlaktekwaliteit.
CNC-draaibewerkingen
De term "draaien" kan worden gebruikt om alle bewerkingen van een CNC-draaibank te beschrijven, maar afhankelijk van het gereedschap en het bewegingspatroon van de machine zijn er een aantal dingen mogelijk.
- Vlakken: Deze bewerking wordt gebruikt om het gereedschap de rand van het werkstuk te laten vrijmaken, zodat er een oppervlak ontstaat dat loodrecht op de rotatieas staat. Dit oppervlak is meestal nodig om latere bewerkingen op een onderdeel met een bekende afmeting te kunnen uitvoeren.
- Extern draaien: Het gereedschap beweegt langs de lengte van het werkstuk om de diameter te verkleinen en de hoofdvorm van een cilindrisch stuk te verkrijgen.
- Boren: om specifieke binnendiameters te meten, beweegt een gereedschap axiaal door het werkstuk om een eerder geboord gat te vergroten.
- Draadsnijden: Bij deze functie beweegt de werktuigmachine en snijdt door de buiten- of binnenkant van het werkstuk met specifieke voedingssnelheden die worden berekend op basis van de rotatiesnelheid van de spindel, waardoor de schroefdraad in het werkstuk wordt gesneden.
- Groeven: Bij dit werkstuk verwijdert de machine een deel van een zijkant van het werkstuk door er radiaal in te snijden, waardoor een kanaal of groef ontstaat.
- Kartelen: Een speciaal gereedschap dat geen materiaal verwijdert, maar een oppervlaktepatroon (meestal ruitvormige of rechte lijnen) in het werkstuk perst om een betere grip op het oppervlak van het werkstuk te creëren.
Materialen die compatibel zijn met CNC-draaien
CNC-draaien kan een grote verscheidenheid aan materialen bewerken. Bij CNC-draaien wordt een roterend object gebruikt in combinatie met een stijf snijgereedschap. Zowel zachte kunststoffen als geharde superlegeringen kunnen met CNC-draaien worden bewerkt.
De metalen die gebruikt kunnen worden, zijn onder andere: aluminium (6061, 7075), messing, koolstofarm staal, roestvrij staal (303, 304, 316), titanium en magnesium.
De volgende kunststoffen kunnen worden gebruikt: ABS, nylon, polycarbonaat, PEEK, PTFE (Teflon) en acryl.
Het gekozen materiaal bepaalt doorgaans de snijsnelheid en het type gereedschap dat gebruikt wordt. Bij het draaien van zacht aluminium gaat het proces sneller en slijt het gereedschap minder snel. Dit is anders dan bij het draaien van warmtebehandeld roestvrij staal.
Voordelen en nadelen van draaien
Voordelen:
- Snelheid:Bij cilindrische onderdelen is draaien aanzienlijk sneller dan frezen, omdat de continue snijwerking het materiaal snel verwijdert.
- Oppervlakteafwerking:Door de continue rotatie worden uitzonderlijk gladde, hoogwaardige afwerkingen bereikt zonder de zichtbare gereedschapssporen die vaak bij frezen achterblijven.
- Kostenefficiënt:Voor ronde onderdelen zijn draaibanken over het algemeen goedkoper in gebruik en instelling dan complexe freesmachines.
- Nauwkeurigheid:Uitstekend geschikt voor het bereiken van nauwe toleranties op diameters en concentriciteit.
Nadelen:
- Geometrische beperkingen:Je bent grotendeels beperkt tot rotatiesymmetrische onderdelen. Je kunt een vierkante doos of een complexe organische vorm zonder centrale as niet zomaar draaien.
- Gereedschapsslijtage:Het constante contact kan leiden tot warmteontwikkeling, waardoor robuuste koelstrategieën nodig zijn en gereedschap bij hardere materialen mogelijk sneller slijt.
Wat is CNC-frezen?
Bij CNC-frezen doe ik het tegenovergestelde van draaien. In plaats van dat het werkstuk roteert, staat het stil en beweegt een snijgereedschap er in een heen-en-weergaande beweging overheen om materiaal te verwijderen.
In de maakindustrie zijn freesmachines de werkpaarden. Ze kunnen elk vlak oppervlak creëren en ook sleuven, gaten en gedetailleerde, driedimensionale zigzagcontouren maken. Terwijl ze werkstukken bewerken tot cilinders, kunnen freesmachines ook kubussen en elke andere vorm die niet rond is, vervaardigen. Beugels, behuizingen en elke onconventionele vorm kunnen ermee worden gemaakt.
Het aantal assen waarop freesmachines kunnen bewegen, is ook een belangrijk aspect bij de categorisering ervan.
- 3-assig frezen: Op drie van de assen kan het gereedschap bewegen in de X-richting (links of rechts), de Y-richting (vooruit of achteruit) en de Z-richting (omhoog of omlaag). Dit type frezen is standaard voor minder complexe onderdelen.
- 5-assig frezen: Naast de 3 reeds beschreven assen en 2 extra assen in de X- en Y-richting, beschikt de machine over een rotatie-as of een kantelmechanisme, hetzij op het snijgereedschap, hetzij op de tafel van de machine. Deze configuratie maakt het mogelijk dat de frees het werkstuk vanuit vrijwel elke richting benadert, waardoor complexe geometrieën zoals turbinebladen en complexe medische implantaten kunnen worden vervaardigd.
Het CNC-freesproces
Bij CNC-frezen begint het proces met een stuk ruw materiaal, ook wel een blanco genoemd, dat met een bankschroef op de tafel van de machine wordt vastgeklemd, zoals te zien is op de afbeelding rechtsboven. Bij een eenvoudige 3-assige freesmachine wordt het materiaal stevig op zijn plaats gehouden, net als bij een draaibank.
Vervolgens wordt een cilindrische frees, die in feite op een boor lijkt maar ook zijwaarts kan snijden, met hoge snelheid in een machineas rondgedraaid. De CNC-computer stuurt de as vervolgens naar een set coördinaten. Terwijl het gereedschap roteert, drukt het op het materiaal. Het gereedschap snijdt dan een deel van het materiaal weg.
Het proces is ook anders omdat het onderbroken is. Het gereedschap is geconstrueerd met meerdere snijkanten, en elke snijkant van de groef kan snijden, maar moet het werkstuk verlaten om ruimte te maken voor de spindel om zich in het midden van het werkstuk te centreren. Bij een draaibank is het proces één continue snede, wat met dit gereedschap onmogelijk is.
Soorten CNC-freesbewerkingen
Net als bij draaien, omvat frezen een aantal specifieke bewerkingen die kunnen worden uitgevoerd om een onderdeel van bepaalde eigenschappen te voorzien.
- Vlakfrezen: Hierbij worden grote freeskoppen gebruikt die roteren rond een as loodrecht op het werkstukoppervlak. Het voornaamste doel is om het bovenvlak van het werkstuk te egaliseren en een gladde afwerking te verkrijgen.
- Plaatfrezen: Bij dit type frezen loopt de frees parallel aan het werkstuk. Dit wordt gebruikt om snel grote hoeveelheden materiaal te verwijderen.
- Hoekfrezen: Met dit gereedschap worden afschuiningen, groeven of zwaluwstaartverbindingen gemaakt onder een bepaalde hoek ten opzichte van het werkstuk.
- Vormfrezen: Hierbij wordt een speciale frees gebruikt die een positief model is van de gewenste vorm (bijvoorbeeld een positieve gebogen radius) om in één bewerking verschillende vormen uit te frezen.
- Schraapfrezen: twee of meer frezen zijn op dezelfde as gemonteerd om twee parallelle oppervlakken gelijktijdig te bewerken.
- Meervoudig frezen: Dit is vergelijkbaar met spreidfrezen, maar dan met meerdere frezen die verschillende bewerkingen tegelijk uitvoeren.
Materialen die compatibel zijn met CNC-frezen
De materialen die met freesmachines en draaibanken bewerkt kunnen worden, zijn vrijwel hetzelfde. Omdat de werkstukken stilstaand zijn, is het veiliger en gemakkelijker om grote, onhandige of zware objecten te frezen die te gevaarlijk zouden zijn om op een draaibank te laten draaien.
- Metalen: Staal en legeringen daarvan, gereedschapsstaal, aluminium, messing, koper, titanium en inconel.
- Kunststoffen: Delrin, nylon, HDPE, UHMW en PVC.
- Composieten: Koolstofvezel en glasvezel, hoewel deze schurend zijn en waarschijnlijk speciaal gereedschap vereisen.
Voordelen en nadelen van frezen
Voordelen:
Veelzijdigheid: De mogelijkheid om elke gewenste vorm te creëren.
Veelzijdige mogelijkheden: één machine kan een breed scala aan taken uitvoeren. Boren, ruimen en tappen.
Schaalbaarheid: Je kunt talloze duplicaten maken en gemakkelijk overschakelen naar het maken van iets nieuws.
Nadelen:
Kosten: Ze zijn duur in gebruik en aanschaf, vooral 5-assige machines. Ook het programmeren ervan is duurder dan bij draaibanken.
Afval: Fabrieken produceren vaak grote hoeveelheden kostbaar materiaalafval in de vorm van schroot.
Gereedschapssporen: De sneden kunnen erg zichtbaar zijn en mogelijk zijn aanvullende processen nodig om het oppervlak glad te maken.
De belangrijkste verschillen: CNC-draaien versus CNC-frezen
Beide zijn vormen van subtractieve CNC-productie, maar er zijn verschillen tussen draaien en frezen. Het kennen van deze verschillen kan de efficiëntie van uw productielijn verbeteren.
1.Beweging
Het belangrijkste verschil is welk onderdeel van de freesmachine beweegt.
-Draaien betekent dat het werkstuk roteert en de werktuigmachine stilstaat.
- Bij frezen blijft het werkstuk stil liggen en draait de machine het gereedschap rond.
Dit verschil alleen al is voldoende om de output van de winkel te beïnvloeden.
2. Gereedschap
- Bij draaien worden gereedschappen met één snijpunt gebruikt. Houd er rekening mee dat slechts één geslepen gereedschapspunt contact maakt met het materiaal. Dit maakt gladde en continue sneden mogelijk.
- Bij frezen worden snijgereedschappen met meerdere snijkanten gebruikt. Voorbeelden hiervan zijn vingerfrezen en vlakfrezen, die beide snijkanten langs de spiraal van het gereedschap hebben. Op deze manier kunnen niet-cilindrische materialen in grote hoeveelheden worden verwijderd.
3. Deelvormen
Draaien is alleen geschikt voor werkstukken met rotatiesymmetrie, zoals cilinders, buizen en bollen. Als beide onderdelen een identieke dwarsdoorsnede hebben, ongeacht waar langs de rotatieas, dan zijn ze klaar om te draaien.
Frezen is het tegenovergestelde. Dit omvat 3D-blokken, platen en andere complexe asymmetrische vormen. Als een onderdeel veel 2D-kenmerken heeft, zoals vlakke oppervlakken en diverse uitsnijdingen, is het waarschijnlijk geschikt om te frezen.
4. Chipvorming
- Bij draaien ontstaan continue, lange en draderige spanen. Dit is het gevolg van de constante wrijving van het gereedschap. Deze spanen kunnen zich vaak om het gereedschap heen wikkelen, een effect dat 'nestvorming' wordt genoemd.
- Frezen: Produceert korte, gebroken spanen door de intermitterende snijwerking. Deze zijn gemakkelijker uit de snijzone te verwijderen.
Het kiezen van het juiste proces voor uw project
De keuze tussen CNC-frezen en CNC-draaien is niet altijd een simpele binaire beslissing. De meeste moderne machines zijn "frees-draai"-centra die beide functionaliteiten combineren. Ze kunnen het werkstuk roteren voor draaibewerkingen, terwijl ze tegelijkertijd met aangedreven gereedschapshouders vlakke oppervlakken frezen of gaten in de zijkant boren.
Als u echter een beslissing moet nemen over een primair proces, dient u rekening te houden met de volgende factoren:
Vorm van het onderdeel
Kijk naar het ontwerp. Is het cirkelvormig of rond? Heeft het de vorm van een schroef, een bout of een zuiger? Zo ja, begin dan met draaien. Als het onderdeel vierkant, rechthoekig of asymmetrisch is, zoals beugels, spruitstukken of op maat gemaakte afdekkingen, begin dan met frezen.
Productievolume
Bij een nagenoeg gelijk volume is draaien sneller en goedkoper voor grote productievolumes, inclusief cilindrische onderdelen. Een Zwitserse draaibank is een type draaicentrum dat duizenden nauwkeurige onderdelen per uur kan bewerken en is zeer gespecialiseerd. Frezen is over het algemeen langzamer, zelfs bij grote volumes, maar is noodzakelijk voor complexere geometrieën.
Financiële middelen
Het instellen en programmeren van 3-, 4- of 5-assige freesmachines is duurder dan dat van draaibanken. Als u uw onderdeel zo ontwerpt dat het gedraaid in plaats van gefreesd moet worden, bespaart u waarschijnlijk op de productiekosten.
Conclusie
Met deze kennis van CNC-bewerking kunt u efficiënter ontwerpen. U kunt uw onderdelen afstemmen op het specifieke bewerkingsproces dat gebruikt zal worden, waardoor onnodige productie wordt geëlimineerd, de productiesnelheid wordt verhoogd en de kosten worden verlaagd. Door de verschillen te kennen tussen de rotatieprecisie van een draaibank en de algemene contourmogelijkheden van een freesmachine, kunt u het juiste bewerkingsgereedschap voor uw taak selecteren.
Als u nog steeds niet zeker weet welk proces ideaal is voor uw prototyping, kunt u stoppen met twijfelen en actie ondernemen. Neem contact op met ons ervaren team voor advies over ontwerpen met het oog op maakbaarheid, of vraag een offerte aan door uw CAD-bestanden in te dienen.
Veelgestelde Vragen / FAQ
Q: Is er sprake van interpolatie bij het draaien van de molen?
A: Ja, er bestaat een methode genaamd interpolatiedraaien, waarbij een freesmachine een draaibank kan imiteren, zij het in een aanzienlijk langzamer tempo en met minder nauwkeurigheid.
Q: Is CNC-draaien goedkoper?
A: Over het algemeen niet. Voor de meeste geschikte (cilindrische) onderdelen binnen een bepaald budget is draaien efficiënter en goedkoper. Frezen wordt gereserveerd voor onderdelen die niet gedraaid kunnen worden.
Q: Wat is een frees-draaimachine?
A: Een hybride bewerkingscentrum dat draai- en freesbewerkingen in één opspanning kan uitvoeren. Het werkstuk roteert voor het draaien, en de machine beschikt ook over roterende gereedschappen voor het boren of frezen van details zonder het werkstuk naar een andere machine te hoeven verplaatsen.
Q: Welk proces levert het beste resultaat op?
A: Draaien geeft een betere afwerking bij cilindrische onderdelen omdat de snede continu is. Frezen laat gereedschapssporen achter waar de frees constant roteert.
