De ultieme handleiding voor CNC verspaning

Alles wat u moet weten over CNC-bewerking in slechts 12 minuten

Wat is een CNC Machine?

CNC-bewerking staat voor “computer numerical control” en betekent in principe dat een machine wordt bestuurd door een set commando’s van een controller. Deze code komt normaal gesproken in de vorm van een lijst met coördinaten die bekend staat als G-code. Elke machine die met deze code wordt bestuurd, kan een CNC machine worden genoemd, of het nu een freesmachine, een draaibank of zelfs een plasmasnijder is. In dit artikel zullen we ons richten op verschillende soorten CNC freesmachines, draaibanken en de combinatie hiervan. De beweging van CNC machines kan worden gedefinieerd door hun assen; dit zijn X, Y en Z met A, B & C assen voor meer geavanceerde machines. De X, Y en Z assen verwijzen naar de belangrijkste cartesische vectoren en de A, B en C assen verwijzen naar rotatie om deze assen. CNC machines werken meestal met maximaal 5 assen. Typische CNC machines staan hieronder.

• CNC Draaibank – Een draaibank werkt door het materiaal in de klauwplaat van de draaibank te draaien. Een gereedschap wordt dan langs 2 assen in het werkstuk bewogen om cilindrische onderdelen uit te snijden. Een CNC-draaibank kan gebogen oppervlakken maken die moeilijk, zo niet onmogelijk, zouden zijn op een handmatige draaibank. Het gereedschap is meestal niet-roterend, maar kan ook bewegen, zoals bij live tooling.
• CNC Freesmachine – Een CNC freesmachine wordt meestal gebruikt om vlakke onderdelen te maken, maar complexere machines met meer bewegingsvrijheid kunnen complexe vormen maken. Het materiaal wordt stationair gehouden en de spindel draait met het gereedschap mee, dat langs 3 assen wordt bewogen om in het materiaal te snijden. In sommige gevallen staat de spindel stil en beweegt het materiaal erin.
• CNC Boormachine – Deze machines zijn vergelijkbaar met CNC frezen, maar ze zijn speciaal ontworpen om alleen langs één as te snijden; de boormachine beweegt alleen langs de Z-as in het materiaal en snijdt nooit langs de X- en Y-as.
• CNC Slijpmachines – Deze machines bewegen een slijpschijf in het materiaal om oppervlakteafwerkingen van hoge kwaliteit te creëren. Ze zijn ontworpen om kleine hoeveelheden materiaal af te nemen op geharde metalen; ze worden dus gebruikt voor afwerking.

Subtractieve productie

CNC verspaning maakt onderdelen door middel van subtractieve productie. Dit is in feite het proces van materiaal verwijderen uit een massieve basisvorm om uiteindelijk de gewenste vorm te krijgen. Dit kan gedaan worden via een van de eerder genoemde methodes zoals frezen, draaien, slijpen of boren. Additieve productie is het tegenovergestelde proces, waarbij materiaal vanuit het niets wordt toegevoegd om het onderdeel te maken, bijvoorbeeld met 3D-printers.

Gereedschap

Het gereedschap doet al het snijwerk. Gereedschappen worden meestal in een gereedschapshouder geplaatst en in de spindel geladen wanneer dat nodig is. Er zijn veel verschillende soorten gereedschap nodig om een compleet onderdeel te maken. De meest gebruikte gereedschappen in een typische bewerkingsopstelling staan hieronder.

Freesgereedschap

Frees –Een frees is het meest voorkomende type gereedschap en kan meestal in 3 richtingen frezen. Ze zijn er in verschillende stijlen, zoals vlak, hoekradius, ruw, kogel en conisch om er een paar te noemen. Ze worden gekenmerkt door het aantal groeven, spiraalhoeken, basismateriaal en coatingmateriaal.

Vlakfrees – Een vlakfrees is ontworpen om over een groot oppervlak te frezen; vlakken. De snijkanten bevinden zich meestal op de rand van het gereedschap en de tanden zijn meestal hardmetalen beitelplaatjes.

Draadfrees – Een draadfrees is ontworpen om schroefdraad te maken, hij werkt door in een spiraalvormig patroon rond de schacht te draaien om de draadvorm te snijden.

Groeffrees – Dit type frees wordt gebruikt om t-sleuven te maken in de lengte van een onderdeel. Door de geometrie moet het gereedschap een open kant van het materiaal in en uit gaan.

Draaibank Gereedschap

OD Draaien – Zoals de naam al zegt, is dit gereedschap ontworpen om op de buitendiameter (OuterDiameter) van het onderdeel te snijden. Het kan bestaan uit massief gereedschap dat in de gewenste vorm is geslepen, of uit hardmetalen wisselplaten.

ID Groeven en Schroefdraad tappen – Deze gereedschappen zijn meestal smal zodat ze in het onderdeel kunnen reiken om de binnendiameter (InnerDiameter) verder uit te boren na het boren en om schroefdraad aan te brengen aan de binnenkant.

Afkorten – Een afkort gereedschap wordt gebruikt om het werkstuk af te snijden als laatste bewerking nadat alle andere bewerkingen zijn voltooid.

Boren – Deze worden gebruikt om gaten in de lengterichting van het onderdeel uit te boren. De gaten moeten nog worden geruimd of uitgeboord om de uiteindelijke toleranties te bereiken.

Gereedschapsmateriaal

De verschillende soorten gereedschap kunnen worden onderverdeeld in materialen. De materialen die gewoonlijk voor gereedschap worden gebruikt, staan hieronder genoemd:

• High Carbon Staal – Dit is het goedkoopste type voor bewerkingsmachines, maar ze hebben geen lange levensduur. Ze verliezen ook hun hardheid bij ongeveer 200°.
• High-Speed Staal(HSS) – Deze worden vaker gebruikt dan gereedschappen van koolstofstaal omdat ze langer meegaan en hun hardheid pas verliezen bij 600°C, wat betekent dat ze met hogere snelheden kunnen snijden.
• Hardmetalen wisselplaten – Gereedschap van gecementeerd hardmetaal is harder dan HSS, maar minder taai en kan breken als er niet juist mee wordt omgegaan. Ze zijn bestand tegen temperaturen tot 900°.
• Keramiek – Deze snijgereedschappen zijn extreem hard en worden meestal gebruikt voor het snijden van harde materialen bij zeer hoge temperaturen. Er zijn twee veelvoorkomende varianten, namelijk aluminiumoxide en siliciumnitride.
• Cubic Boron Nitride – Deze gereedschappen zijn ideaal voor gehard staal en superlegeringen en hebben een uitstekende slijtvastheid en thermische weerstand.

Voor- en nadelen van CNC-verspaning

CNC bewerking heeft langzaam de productie-industrie overgenomen omdat het simpelweg efficiënter is dan het gebruik van handmatig bediende machines. Hieronder staan enkele voor- en nadelen van CNC machines.

Voordelen	Nadelen
Sneller dan handmatig	Duur
Geen mens kan tippen aan de snelheid, precisie en nauwkeurigheid van een CNC machine. In veeleisende productieomgevingen zal het gebruik van een handmatige machine simpelweg leiden tot financieel verlies.	Een CNC machine is een uiterst geavanceerd apparaat. Het is gemaakt met zeer hoge toleranties en rigiditeit. Hierdoor kunnen ze miljoenen onderdelen maken en toch een kwalitatief hoogstaand resultaat leveren. Hoe geavanceerder de machine, hoe hoger de kosten.
Gereduceerde Productie Kosten	Hoger Opgeleide Operateurs
Een CNC machine kan in principe non-stop draaien als het laden en ontladen van materialen en onderdelen verder wordt geautomatiseerd. Bovendien kan één operateur meerdere machines bedienen, wat de hogere arbeidskosten compenseert.	Hoewel er minder personeel nodig is, zijn er voor een CNC-machine hoogopgeleide operators nodig, wat tot hogere arbeidskosten leidt.
Hogere Efficiëntie	Hogere Onderhoudskosten
Een CNC machine kan in een fractie van een seconde van de ene bewerking naar de andere gaan. Gereedschap wisselen kan heel snel omdat sommige machines een turret hebben met veel voorgemonteerd gereedschap of een gereedschapsbibliotheek die een nieuw gereedschap in de spindel laadt als dat nodig is.	Door de complexiteit van CNC machines zijn de onderhoudskosten veel hoger in vergelijking met handmatig bestuurde machines.
Verhoogde Veiligheid

Soorten CNC frees- en draaimachines

CNC Frees Machines

• Vertical Machining Centre (VMC) – De spindel in een VMC blijft in één positie en de tafel beweegt eronder. In sommige gevallen beweegt de tafel omhoog naar de spindel of kan de spindel op en neer bewegen op de Z-as. Deze machines zijn zeer rigide en kunnen daarom zeer nauwkeurige componenten produceren. Ze hebben het nadeel van een relatief klein werkgebied. VMC’s kunnen 3 assen hebben (X, Y, Z), 4 assen (X, Y, Z & A) of zelfs 5 assen (X, Y, Z, A & B).
• Horizontal Machining Centre (HMC) – Een HMC is een machine waarvan de spindel horizontaal gericht is in plaats van verticaal. Dit soort machines is ideaal voor lange productieruns omdat ze tot 3 keer zoveel kunnen verspanen als een VMC, op voorwaarde dat er genoeg werk is om de machine bezig te houden. Een HMC is ook veel duurder dan een VMC. Een blok materiaal kan worden opgespannen op het machinebed terwijl een ander onderdeel wordt gemaakt. Daarom is continue productie mogelijk, omdat de spindel gemakkelijk naar het volgende blok materiaal kan gaan dat klaar is en wisselen heel snel gaat.

CNC Draaibank

Een CNC-draaibank kan alleen bewerkingen uitvoeren in twee assen met slechts één klauwplaat. De verschillende soorten CNC-draaibanken hieronder vermeld:

• Engine draaibank – Dit is eigenlijk een standaard draaibank die relatief veelzijdig is. De ‘engine’ in de naam is een overblijfsel uit de tijd dat draaibanken werden aangedreven door poelies van een motor die niet op de machine zat. Een motordraaibank zou dan een draaibank zijn met de motor op de draaibank.
• Turret Draaibank – Een turret draaibank maakt veel snellere productietijden mogelijk omdat alle benodigde gereedschappen voor de productie in de turret worden geladen. Wanneer een nieuw gereedschap nodig is, wordt het gewoon in positie gedraaid.
• Gereedschapsdraaibank – Een gereedschapsdraaibank wordt gebruikt voor precisiewerk met een laag volume. Zoals de naam al zegt, worden deze soorten draaibanken gebruikt om gereedschap en matrijzen te maken. Hij is ook zo ingesteld dat hij zeer veelzijdig is.
• Speed Draaibank – Dit type draaibank wordt voornamelijk gebruikt voor licht werk, het heeft een eenvoudige opstelling met kop, staart en gereedschapspost.
• CNC Turning Centres – Dit soort draaibanken zijn zeer geavanceerd en hebben een groot aantal functies, waaronder frezen, gereedschapsplaatsen met turret en zelfs een tweede spindel. Er zijn ook zowel verticale als horizontale draaicentra. Bij een horizontale draaibank vallen alle spanen weg van het onderdeel en in de spanentransporteur, en bij een verticale draaibank helpt de zwaartekracht wanneer een onderdeel in de klauwplaat zit. Horizontale draaibanken zijn gemakkelijker te automatiseren. De toepassing bepaalt welke stijl het meest geschikt is.

Materialen

CNC machines kunnen een breed scala aan materialen verwerken, van aluminium tot superlegeringen zoals Inconel. Elk materiaal heeft zijn eigen uitdagingen en vereist specifieke gereedschappen, snelheden en voedingen.

Aluminium

Omdat aluminium een zeer zacht materiaal is, bestaat het risico dat het aluminium het snijgereedschap verstopt. Dit komt door de lage smelttemperatuur van aluminium. Hardere aluminium kan worden gebruikt om de bewerkbaarheid te verbeteren.

Koolstofstaal

Door het grote aantal staalsoorten zijn er veel factoren die bijdragen aan de algemene bewerkbaarheid van het materiaal. Deze factoren zijn onder andere koudbewerking, chemische samenstelling en microstructuur. In het algemeen kunnen elementen als lood en tin de snijsnelheid verbeteren door hun smerende werking, en zwavel vermindert de spanning uitharding van de spaan.

Titanium

Titanium heeft een breed scala aan legeringen die elk hun eigen uitdagingen hebben. In het ideale geval moet het gereedschap in contact blijven met het materiaal, omdat stoppen in een gebied leidt tot wrijving, warmteopbouw, werkharding en slijtage van het gereedschap. Zuiver titanium gedraagt zich ongeveer zoals aluminium en kan ook het snijgereedschap vervuilen, terwijl de legeringen meestal veel harder zijn en warmteopbouw en slijtage van het gereedschap kunnen veroorzaken. Lagere toerentallen en een hogere spaan belasting kunnen resulteren in een langere levensduur van het gereedschap door lagere temperaturen.

Superlegeringen

Superlegeringen zijn ontworpen om zeer sterk te zijn bij hoge temperaturen, daarom zijn ze zeer moeilijk te bewerken. Er zijn ook machines met een hoger vermogen nodig om deze materialen te bewerken. Superlegeringen hebben de neiging om snel hard te worden, waardoor toekomstige bewerkingen moeilijker worden. Gewoonlijk worden lagere snijsnelheden aanbevolen.

Koper

Koper is een zeer moeilijk te bewerken materiaal vanwege de vervormbaarheid en de neiging om rond gereedschappen te vloeien in plaats van te snijden. Het wordt voornamelijk gebruikt voor elektrische componenten en warmtewisselaars die een hoge geleidbaarheid en warmteoverdracht nodig hebben. Hoge snelheden en voedingen werken vaak goed met zuiver koper. Koperlegeringen bewerken veel gemakkelijker dan zuiver koper.

Kunststoffen

Kunststof heeft duizenden verschillende vormen, van thermohardende kunststoffen tot gewone thermokunststoffen. Er is ook een ongelooflijk breed scala aan hardheden en mechanische eigenschappen. Alleen stijve kunststoffen kunnen goed worden bewerkt en binnen toleranties worden gehouden, terwijl zachtere kunststoffen de neiging hebben om langs het snijgereedschap te vervormen en resulteren in onderdelen die niet aan de specificaties voldoen. Omdat kunststof een isolator is, heeft het de neiging om warmte op te bouwen aan de snijrand en als je niet voorzichtig bent, smelt de kunststof.

Wat kan er fout gaan?

Ondanks de vele toepassingsmogelijkheden en functionaliteiten van CNC machines, zijn er risico’s aan verbonden. Hieronder staan enkele van de meest gemaakte fouten bij CNC-bewerking.

CNC Crashes – CNC machines denken niet na; ze doen alleen wat ze opgedragen wordt. Als ze verkeerd geprogrammeerd zijn, kan de machine in een milliseconde een snijgereedschap in zichzelf drijven. Machines zullen een crash meestal detecteren en de machine zal stoppen, maar de schade is dan al aangericht. Er zijn verschillende softwaretools die dit risico kunnen beperken. Gereedschapsbanen kunnen worden gesimuleerd voordat de code naar de machine wordt geüpload. Complexere 5-assige machines zijn erg moeilijk te simuleren met standaard CAM-software (Computer Aided Manufacturing) en vereisen aanvullende software tussen de CAM-codering en het laden van de code op de machine.

Incorrecte Toerentallen en Voedingssnelheden – Toerentallen en voedingssnelheden zijn essentieel voor het maken van bewerkte componenten van hoge kwaliteit. Als de verkeerde instellingen worden gebruikt, zal het gereedschap sneller slijten en zullen de oppervlaktekwaliteiten en toleranties ondermaats zijn. Dit is een complex onderwerp omdat elk materiaal en elke legering andere instellingen heeft voor de ideale snede. Er zijn vaak een paar iteraties nodig om de perfecte instelling te bereiken.

Gebrek aan Onderhoud – Zoals bij elk complex machineonderdeel kan een gebrek aan onderhoud de machine snel vernielen. Machines moeten schoon worden gehouden en het OEM-onderhoudsplan moet strikt worden nageleefd.

Belangrijkste sectoren die CNC gebruiken

Elke industrie die onderdelen moet maken, heeft direct of indirect te maken met CNC-verspaning. Hieronder staan enkele van de belangrijkste industrieën en hun toepassingen van CNC-verspaning.

Lucht- en ruimtevaart– De lucht- en ruimtevaartindustrie vereist componenten met een zeer hoog niveau van precisie en herhaalbaarheid, zoals turbinebladen in de motor, gereedschap dat wordt gebruikt om andere componenten te maken en zelfs verbrandingskamers die worden gebruikt in raketmotoren.

Auto- en machinebouw – In de auto-industrie moeten zeer nauwkeurige mallen worden gemaakt voor het gieten van onderdelen zoals motorblokken of het bewerken van onderdelen met een kleine tolerantie zoals pistons. Op grotere schaal kunnen portaal-achtige machines kleimallen uitsnijden die gebruikt worden in de ontwerpfase van een auto.

Militair – Het leger maakt gebruik van zeer nauwkeurige onderdelen met zeer nauwe toleranties, van raketonderdelen tot geweerlopen. Alle machinaal bewerkte onderdelen in het leger kunnen profiteren van de nauwkeurigheid en snelheid van CNC machines.

Medisch – Medische implantaten hebben vaak zeer organische vormen en moeten gemaakt worden van geavanceerde legeringen. CNC machines zijn dan ook een must omdat geen enkele handmatige machine deze vormen kan maken.

Energie – De energie-industrie omvat alle technische aspecten, van stoomturbines tot meer exotische technologieën zoals kernfusie. Stoomturbines hebben uiterst precieze schoepen nodig om de turbine in balans te houden en de R&D-plasmakamers bij kernfusie hebben zeer complexe vormen van geavanceerde materialen waarvoor CNC-machines nodig zijn.

Huidige trends op CNC-gebied

Met de steeds snellere technologische ontwikkelingen van de afgelopen jaren is de indruk ontstaan dat additieve productie CNC-verspaning zal inhalen, maar het meest waarschijnlijke scenario is de opkomst van steeds meer productiecentra die meerdere technologieën in één machine combineren. Deze kunnen de sterke punten van zowel subtractieve als additieve machines gebruiken om een machine te creëren waarvan de mogelijkheden groter zijn dan de van de afzonderlijke delen apart. Enkele vroege iteraties van deze machines zijn al te vinden.

Bovendien zal de gestage opmars van automatisering door de vierde industriële revolutie resulteren in meer geautomatiseerde systemen die zichzelf kunnen diagnosticeren, zichzelf kunnen optimaliseren en met minimale menselijke tussenkomst kunnen werken. Producten kunnen worden gemaakt op basis van de persoonlijke wensen van individuele consumenten en dit zal mogelijk zijn dankzij de mate van flexibiliteit die CNC-machines bieden.