Wat is CNC-contourfrezen? Ontwerp van het voedingspad en de snijparameters

Bij CNC-bewerking wordt het traject dat het snijpunt van de frees ten opzichte van het werkstuk aflegt, het bewerkingstraject genoemd. Het ontwerp van het traject heeft een directe invloed op de maatnauwkeurigheid en de oppervlakteruwheid. Een geschikt traject moet aan vier principes voldoen:

1. Het moet de vereiste nauwkeurigheid en oppervlakteafwerking bereiken en tegelijkertijd een hoge efficiëntie behouden.
2. Het zou numerieke berekeningen moeten vereenvoudigen en de programmeerwerkzaamheden moeten verminderen.
3. Het moet zo kort mogelijk zijn om zowel de programmablokken als de niet-bewerkingstijd te beperken.
4. Hierin moet rekening worden gehouden met de beschikbare speling en de stijfheid van de machine, het gereedschap en het werkstuk.

Lead-in, lead-out en freesradiuscompensatie

Bij contourfrezen is doorgaans een compensatie voor de freesradius nodig. Het gereedschapspad moet de compensatie instellen voordat de frees het werkstuk raakt en deze pas opheffen nadat de frees het werkstuk heeft verlaten.

Bij het in- of uitlopen van een profiel moet het snijgereedschap een lijn of boog volgen die raakt aan de contour. Door tangentieel in- en uit te lopen worden de gereedschapssporen voorkomen die kunnen ontstaan bij een directe, loodrechte benadering, en blijft de afgewerkte contour glad.

Er is een eenvoudige methode om de straalcompensatie in te stellen terwijl de frees zich in een rechte lijn van punt S naar de contour verplaatst. De frees keert vervolgens in een rechte lijn terug naar S, en de compensatie wordt tijdens de terugkeer opgeheven. Deze directe aanpak is efficiënt, maar het contact op het punt waar de frees het profiel raakt, kan een zichtbare afdruk achterlaten. Deze methode is daarom geschikter wanneer de eisen aan de contour niet streng zijn.

Voor een hoogwaardige contour wordt de straalcompensatie ingesteld tijdens een rechte beweging vanaf punt S, waarbij het afgewerkte profiel niet wordt geraakt. Met actieve compensatie brengt een boog de frees vervolgens op natuurlijke wijze en tangentieel in de cirkelvormige contour. Nadat de contour is voltooid, wordt de uitgangsséquence omgekeerd en wordt de compensatie tijdens de laatste rechte terugbeweging opgeheven.

Na het frezen van een buitencontour moet de frees tangentieel van buiten het profiel worden ingebracht en na voltooiing van de bewerking langs een raaklijn worden teruggetrokken.

Snijparameters voor contourfrezen

Axiale en radiale snijdiepte

De lengte van de groef, oftewel de lengte van de zijsnijrand, bepaalt de maximale snijdiepte. In de praktijk is de axiale snijdiepte in de Z-richting (a_p) mag niet meer bedragen dan 1,5 keer de diameter van de frees. De radiale snijdiepte (a_w) mag de snijradius niet overschrijden.

Een frees met een kleinere diameter vereist een geringere snijdiepte om voldoende stijfheid te behouden.

Wanneer een vingerfrees een onbewerkt oppervlak voorfreest, kan voor zware verspaningen een gekartelde voorfrees worden gebruikt, mits het systeem van werktuigmachine en werkstuk dit toelaat. Als er een grote verspaningsreserve moet worden verwijderd, verdient een vingerfrees met een grotere diameter en een kortere lengte de voorkeur.

Deze combinatie helpt trillingen en doorbuiging van de frees tijdens zwaar freeswerk te voorkomen, of zorgt er in ieder geval voor dat beide effecten tot een minimum worden beperkt.

Voedingssnelheid

Verschillende bedrijfsomstandigheden vereisen verschillende voedingssnelheden. De voedingsbeweging kan in twee soorten worden onderverdeeld:

• Snelheid bij snelle verplaatsing: de voedingssnelheid die wordt gebruikt voor verplaatsingen zonder verspanen.
• Voedingssnelheid bij verspaning: de werkvoeding die wordt gebruikt tijdens het invoeren, uitvoeren en snijden.

Om de efficiëntie te verbeteren en de niet-bewerkingstijd te verminderen, moet de snelle verplaatsing zo snel mogelijk zijn en wordt daarbij doorgaans de maximale snelheid gebruikt die de machine toestaat.

De voedingssnelheid bij de bewerking (v_f) hangt samen met de snijsnelheid (n), aantal tanden (z), en voer per tand (f_z) als volgt:

v_f = f_z · z · n      Vergelijking (5-1)

waarbij:

• v_f is de voedingssnelheid;
• f_z is de doorvoer per tand, in millimeter per tand (mm/tand);
• z is het aantal snijtanden; en
• n is het toerental van de frees.

Voer per tand (f_z) wordt voornamelijk gekozen op basis van de mechanische eigenschappen van het werkstukmateriaal, het materiaal van de frees en de vereiste oppervlakteruwheid.

Naarmate de sterkte en hardheid van het werkstuk toenemen, f_z zouden moeten afnemen; naarmate ze afnemen, f_z kan toenemen. Een hardmetalen frees maakt doorgaans een hogere voedingssnelheid per tand mogelijk dan een vergelijkbare frees van snelstaal.

Een strengere eis aan de oppervlakteruwheid vereist een kleinere f_z. Ook bij een werkstuk met een lage stijfheid of een frees met beperkte sterkte is een lagere waarde nodig.

Voersnelheid bij cirkelbogen

Tijdens cirkelinterpolatie is de werkelijke voedingssnelheid op het snijpunt (v_T) wijkt af van de geselecteerde voedingssnelheid in het midden van de snijder (v_f) vanwege de boogstraal.

Bij een buitenboog is de werkelijke voedingssnelheid op het snijpunt:

v_T = RR + r · v_f

Daarom: v_T < v_f

Bij een inwendige boog is de werkelijke voedingssnelheid op het snijpunt:

v_T = RR − r · v_f

Daarom: v_T > v_f

Als R ≈ r, wordt de werkelijke voedingssnelheid op het snijpunt extreem hoog, wat kan leiden tot schade aan het gereedschap of het werkstuk. Bij het kiezen van de geprogrammeerde voedingssnelheid moet daarom rekening worden gehouden met de invloed van de boogstraal.

Ook andere specifieke factoren zijn van invloed op de keuze van de voedingssnelheid. Bij contourbewerking kunnen bijvoorbeeld traagheid of vervorming in het bewerkingssysteem leiden tot over- of onderbeweging bij een hoek.

Als de frees met een hoge voedingssnelheid van punt A naar punt B beweegt, kan de traagheid ervoor zorgen dat de frees bij hoek B te ver doorrijdt en te veel wegfreest. Er wordt dan te veel materiaal uit de hoek verwijderd, waardoor een contourfout ontstaat.

Dit probleem kan worden opgelost door de voedingssnelheid aan te passen. Verlaag de voedingssnelheid voldoende voordat de hoek wordt bereikt en verhoog deze vervolgens geleidelijk nadat de frees de hoek is gepasseerd.

Toerental van de freesspindel

Bij het bewerken van staal moet een wisselplaatfrees van hardmetaal over het algemeen op een hoger spiltoerental draaien dan een standaard HSS-frees.

Naarmate het toerental van de spil tijdens het bewerken van hardmetaal toeneemt, stijgt ook de temperatuur van het staal dat in contact staat met de snijkant. Het materiaal wordt plaatselijk zachter, waardoor gunstigere snijomstandigheden ontstaan.

Het toerental van de spil bij het gebruik van een hardmetalen frees is doorgaans drie tot vijf keer zo hoog als bij een standaard HSS-frees. Als een hardmetalen frees met verwisselbare snijkanten op een te laag spiltoerental wordt gebruikt, kan het hardmetaal afbrokkelen of zelfs defect raken.

Bij een snijgereedschap van snelstaal leidt een te hoog toerental van de spil echter tot versnelde slijtage van het gereedschap.

De freessnelheid kan ook worden gekozen aan de hand van een geschikte tabel met snijsnelheden.

[AFBEELDINGSPLAATSHOUDER: Referentietabel voor freessnelheden]

Afbeelding: Referentietabel voor freessnelheden

Trillingen en correctie van snijparameters

Een eindfrees kan tijdens het bewerken gaan trillen. Veelvoorkomende oorzaken zijn onder meer een onvoldoende bevestiging van het gereedschap, een te grote uitsteeklengte van de snijkant ten opzichte van de houder, een te grote snijdiepte of te hoge voedingssnelheid bij het bewerken van dunne wanden, en doorbuiging van de snijkant.

Trillingen leiden tot een ongelijkmatige aangrijping langs de buitenste snijkanten van de frees. De werkelijke snijbelasting kan hoger uitvallen dan de beoogde waarde, waardoor de bewerkingsnauwkeurigheid en de standtijd van het gereedschap afnemen.

Als er trillingen optreden, moet u zowel de snijsnelheid als de aanvoersnelheid verlagen. Als er nog steeds aanzienlijke trillingen optreden nadat beide met 40% zijn verlaagd, moet u de snijdiepte verminderen.

Als het trillen aanhoudt, controleer dan de bewerkingsmethode en de stijfheid van de opstelling.