Wat is CNC frezen? Evolutie, machines, werkproces, bewerkingen, voordelen en beperkingen

CNC-frezen is een veelgebruikt fabricageproces dat in de moderne industriële productie wordt toegepast. Deze techniek maakt deel uit van het proces van subtractieve productie waarbij materiaal uit een massief werkstuk wordt verwijderd om de gewenste vorm of afmetingen te verkrijgen. In tegenstelling tot de bewerkingsprocessen uit het verleden, waarbij menselijke tussenkomst een grote invloed had op het bewerkingsproces, is CNC-frezen een computergestuurd proces waarbij computerinstructies worden gebruikt om de bewegingen van de snijgereedschappen te sturen.

Inleiding tot CNC-frezen

CNC-frezen is een bewerkingsproces waarbij een vast werkstuk wordt bewerkt door middel van roterende snijgereedschappen die door een computerprogramma worden aangestuurd. De afkorting CNC staat voor Computer Numerical Control, wat verwijst naar de digitale instructies die de bewegingen en handelingen van de machine aansturen.

Bij een standaard CNC-freesopstelling snijdt een met hoge snelheid roterend gereedschap door een werkstuk dat op een bewegende tafel is vastgezet. De besturing van de machine interpreteert een digitaal programma — vaak geschreven in G-code—en zorgt ervoor dat de assen van de machine zich volgens het opgegeven gereedschapspad verplaatsen. Het gereedschap snijdt vervolgens door het werkstuk en snijdt geleidelijk materiaal weg om de gewenste vorm te creëren.

CNC frezen is computergestuurd en maakt het mogelijk om zeer gedetailleerde onderdelen te bewerken met zo min mogelijk menselijke controle. Multidimensionale bewegingen in de machine maken het mogelijk om onderdelen te maken zoals gleuven, kamers, contouren en fijne details van 3-dimensionale oppervlakken.

De nauwkeurigheid van CNC-frezen is een van de kenmerkende eigenschappen ervan. Moderne CNC-bewerkingscentra, uitgerust met geavanceerde algoritmen voor volumetrische foutcompensatie, kunnen consequent rekening houden met positioneringstoleranties van ±2 tot ±5 micron. Deze uiterst hoge geometrische nauwkeurigheid is essentieel voor hoogwaardige technische processen waarbij precisie op micronniveau absoluut noodzakelijk is ^[1].

Nauwkeurigheid, flexibiliteit en schaalbaarheid maken CNC frezen tot een hoeksteentechnologie in de hedendaagse productie-industrie.

De geschiedenis en evolutie van CNC-frezen

De geschiedenis van CNC frezen gaat terug tot de traditionele freesmachines die handmatig werden bediend. Machinisten bedienden de beweging van de gereedschappen door met de hand te draaien en mechanische hendels te bedienen. Hoewel professionele operators uitstekende resultaten konden leveren, was het traag en kon het worden beïnvloed door menselijke fouten.

De komst van numerieke besturing in de jaren 1940 en 1950 was een enorme prestatie in de verspaningstechnologie. Vroege CNC machines gebruikten ponskaart- of papierbandgecodeerde instructies om machinebewegingen te sturen. Deze systemen hielpen fabrikanten niet alleen om repetitieve bewerkingsprocessen te automatiseren, maar ook om de consistentie te verbeteren.

Computertechnologie, uitgevonden in de jaren 1970 en 1980, bracht computergestuurde numerieke besturingssystemen voort. CNC-besturingen vervingen de mechanische instructiesystemen en stelden de machines in staat om digitale opdrachten uit software te lezen.

Deze technische innovatie verbeterde de kracht van freesmachines aanzienlijk. Complexe freesbanen konden worden gegenereerd met CAD- en CAM-software, waardoor de technici complexe onderdelen veel nauwkeuriger en efficiënter konden bewerken.

De CNC freesmachines van tegenwoordig bevatten geavanceerde sensoren, hogesnelheidsspindels, automatische gereedschapswisselaars en netwerkbesturingssystemen. Deze machines worden eerder geïntegreerd in slimme productiesystemen waarin digitale informatie gemakkelijk wordt overgedragen tussen ontwerp en productie.

Wat zijn de onderdelen van een CNC freesmachine?

Een CNC freesmachine bestaat uit complexe mechanische en elektronische onderdelen die samenwerken om zeer nauwkeurige bewerkingen uit te voeren.

Het machineframe vormt de structurele basis van het freessysteem. Het bestaat uit gehard materiaal zoals gietijzer of staal, dat de trillingen tijdens het frezen absorbeert en de stabiliteit van de machine verbetert.

De spil zorgt ervoor dat het snijgereedschap wordt vastgehouden en rondgedraaid. Het toerental van de spil varieert afhankelijk van het te bewerken materiaal en het snijgereedschap. Krachtige spillen die bij hogesnelheidsbewerking (HSM) worden gebruikt, draaien vaak tussen 20.000 en 40.000 RPM. Deze snelle rotatie zorgt voor een drastische vermindering van de snijkrachten en thermische vervorming, wat leidt tot aanzienlijk hogere materiaalafname (MRR) en een superieure oppervlakteafwerking ^[2].

De werktafel is de plaats waar het werkstuk wordt vastgezet tijdens het bewerken. Het materiaal wordt vastgehouden, geborgd of vastgezet in opspanningen, klemmen of bankschroeven en vervolgens beweegt de tafel in vooraf bepaalde assen om het werkstuk in positie te brengen met het snijgereedschap. De machine heeft een centrale verwerkingseenheid, die bekend staat als de CNC controller. Deze leest bewerkingsprogramma's, berekent de bewegingen van de gereedschappen en stuurt instructies naar de motoren die de machine-assen bewegen.

Moderne machines kunnen ook automatische gereedschapswisselaars bevatten die de machine de mogelijkheid geven om te wisselen tussen meerdere snijgereedschappen terwijl de machine een bewerkingscyclus uitvoert. Deze automatisering maakt de productie van complexe onderdelen in één enkele opstelling mogelijk.

Wat zijn de soorten CNC freesmachines?

Verticale CNC freesmachines

Bij verticale CNC freesmachines staat de spindel loodrecht op de werktafel. Deze verticale oriëntatie van het snijgereedschap ten opzichte van de richting van het werkstuk maakt het gereedschap geschikt voor het bewerken van vlakke oppervlakken, sleuven en holtes.

De machines worden op grote schaal gebruikt in machinewerkplaatsen vanwege hun veelzijdigheid en het feit dat ze relatief weinig ruimte innemen. Verticale bewerkingscentra worden ingezet bij het maken van prototypes, de productie van kleine series en algemene verspaningswerkzaamheden.

Horizontale CNC freesmachines

Horizontale freesmachines hebben een spindel die parallel aan de werktafel is georiënteerd. Het ontwerp zorgt ervoor dat de spanen die tijdens de machinebewerking worden gemaakt ver van de snijzone vallen, wat de snijefficiëntie verhoogt en de warmteontwikkeling vermindert.

De horizontale machines worden gebruikt in grootschalige industriële productieopstellingen vanwege hun stijfheid en het vermogen om zware werkstukken te hanteren.

CNC freesmachines met drie assen

Drieassige freesmachines draaien op X, Y en Z dimensies. Deze machines kunnen een breed scala aan onderdelen produceren en zijn het meest gebruikte type CNC freessysteem in productiebedrijven.

Hoewel ze veelzijdig zijn, kan het bij systemen met complexe geometrieën nodig zijn om meer dan één opstelling te gebruiken bij drieassige machinesystemen.

CNC meerassige freesmachines

Vierassige en vijfassige CNC freesmachines hebben extra rotatieassen waarmee het snijgereedschap of werkstuk kan kantelen en roteren tijdens het bewerken. Hierdoor kunnen gecompliceerdere componenten worden gemaakt met minder instellingen.

Meerassige bewerking wordt op grote schaal toegepast in productie van onderdelen voor de lucht- en ruimtevaart en productie van medische hulpmiddelen, waarvoor onderdelen met complexe vormen en strakke toleranties nodig zijn.

Tabel 1: Vergelijking van gangbare CNC-freesmachinetypes

CNC freesproces workflow

Het CNC freesproces is een geautomatiseerd, systematisch proces waarmee de ontwerpgedachte wordt omgezet in een uiteindelijk, fysiek onderdeel. Elke fase van het proces draagt bij aan de nauwkeurigheid en efficiëntie van het eindproduct.

CAD-model maken

De CNC freesworkflow begint met het genereren van een digitaal 3D model met behulp van computerondersteunde ontwerpsoftware. In deze fase definiëren technici de geometrie en grootte van het onderdeel en de eigenschappen ervan. Deze digitale modellen dienen als blauwdruk voor de productie en zorgen ervoor dat het ontwerp nauwkeurig kan worden vertaald in bewerkingsinstructies.

Genereren van freesbanen met CAM-software

Het CAM-systeem genereert geavanceerde gereedschapspaden die de precieze beweging van het snijgereedschap rond het werkstuk bepalen. Geavanceerde CAM-systemen maken vaak gebruik van algoritmen voor dynamisch of trochoïdaal frezen, waarbij de aangrijpingshoek van de frees constant blijft. Deze optimalisatie kan de bewerkingstijd voor het voorfrezen met wel 40% naar 50% terwijl de levensduur van het gereedschap aanzienlijk wordt verlengd door extreme pieken in de mechanische belasting te voorkomen ^[3].

Enkele van de bewerkingsparameters die door ingenieurs worden gespecificeerd zijn de spindelsnelheid, de voedingssnelheid en de snedediepte. Deze parameters worden zodanig geoptimaliseerd dat er een effectieve materiaalafname en voldoende standtijd is.

G-code programmeren

Na het maken van de freesbanen zet de CAM-software de freesbanen om in machine-leesbare code (G-code). Deze code geeft opdrachten voor asbewegingen, spindelrotatie en andere machinebewerkingen.

De G-code software wordt vervolgens doorgestuurd naar de besturing van de CNC-freesmachine.

Machine instellen

De operator bereidt de machine voor door de snijgereedschappen te installeren en het werkstuk op de werktafel te klemmen voordat hij de machine start. Daarna kalibreert hij de machine op de juiste coördinaten voor de bewerking. De juiste machine-instelling zorgt ervoor dat het bewerkingsprogramma goed wordt uitgevoerd.

Uitvoering machinale bewerking

Zodra het programma is gestart, volgt de CNC freesmachine automatisch de geprogrammeerde freesbanen. Het is een snijproces waarbij een snijgereedschap met een hoge rotatiesnelheid en een zeer nauwkeurige beweging van de machine-as wordt gebruikt om materiaal van een werkstuk te verwijderen.

Dit wordt voortgezet totdat de gewenste uiteindelijke geometrie van een onderdeel is gemaakt.

Tabel 2: Typische stappen in de CNC-freesworkflow

Wat zijn de meest voorkomende CNC freesbewerkingen?

De CNC machines kunnen veel bewerkingen uitvoeren, waardoor fabrikanten veel geometrische kenmerken aan een werkstuk kunnen toevoegen. Elke bewerking heeft een bewerkingsstrategie die de relatie tussen het snijgereedschap en het materiaal bepaalt.

Vlakfrezen

Vlakfrezen (materiaal verwijderen van het bovenoppervlak van een werkstuk) vormt een vlak oppervlak. Tijdens deze procedure draait de vlakfrees terwijl het werkstuk eronder beweegt, waarbij geleidelijk dunne lagen materiaal worden weggeschaafd.

Vlakfrezen wordt ook gebruikt voor de voorbewerking van ruw materiaal voordat dit aan verdere bewerkingsprocessen wordt onderworpen. Deze techniek wordt tevens toegepast bij de productie van vlakke mechanische onderdelen, zoals machineonderstellen, montageplaten en constructiebeugels.

Eindfrezen

Eindfrezen wordt uitgevoerd met een snijgereedschap dat scherpe kanten heeft aan beide zijden en aan de punt. Hierdoor kan het gereedschap verticaal en horizontaal snijden, waardoor zeer uiteenlopende bewerkingen kunnen worden uitgevoerd.

Het proces maakt meestal sleuven, pockets, profielen en complexe driedimensionale contouren. Eindfrezen wordt vaak toegepast bij het maken van mallen, matrijzen, behuizingen en andere onderdelen van een product die complexe interne eigenschappen vereisen.

Sleuven frezen

Het doel van sleuffrezen is om smalle kanalen op een werkstuk te frezen. Deze kanalen kunnen worden gebruikt als werkkanaal, zoals spiebanen, geleiderails of sporen op mechanische assemblages.

Andere industrieën, zoals de autofabricage en industriële machines, maken meestal gebruik van sleuvenfrezen om onderdelen te maken die nauwkeurig uitgelijnd moeten worden. De bewerking produceert ook groeven om ringen of glijdende machines te bevestigen.

Contourfrezen

Contourfrezen is het proces waarbij een gebogen of oneffen oppervlak op een werkstuk wordt gemaakt. Het snijgereedschap volgt een complexe driedimensionale route die gekoppeld is aan een vorm in een computermodel.

Dit is met name noodzakelijk in de lucht- en ruimtevaart en de matrijzenbouw. Contourfrezen kan ook nodig zijn voor turbinebladen, matrijzen en zeer gedetailleerde architecturale modellen, zoals dit bouw een prototype van het ‘Vogelnest’ in Peking

Zak frezen

Bij het kamerfreesproces wordt een bekend gebied van het werkstuk inwendig uitgesneden, waardoor kamerholten ontstaan. Onderdelen kunnen ook in de holtes worden gemonteerd of het gewicht van het onderdeel in het algemeen verminderen en toch zijn structuur behouden.

Zakfrezen wordt op grote schaal toegepast bij constructies voor de lucht- en ruimtevaart, mechanische behuizingen en complexe componenten voor warmtebeheer, zoals geventileerde koellichamen van staal. Door het interne materiaal op een doordachte manier te verwijderen, slagen de ingenieurs erin de sterkte te maximaliseren en het gewicht te beperken.

Snijgereedschappen in CNC-frezen

Snijgereedschappen zijn fundamentele elementen van CNC-freessystemen omdat ze bepalen hoe efficiënt materiaal van het werkstuk wordt verwijderd. De geometrie van het gereedschap, de materiaalstructuur en de oppervlakteafwerking bepalen de bewerkingsprestaties en -levensduur.

Frezen behoren tot de meest veelzijdige gereedschappen die worden gebruikt bij CNC frezen. Dankzij de gebruikte snijkanten kunnen ze taken uitvoeren zoals profileren, sleuven maken en kamerfrezen. Frezen hebben verschillende vormen en maten, afhankelijk van de bewerkingsvereisten.

Kogelrondfrezen hebben afgeronde uiteinden en kunnen daardoor gladde, gebogen oppervlakken frezen. Deze worden gebruikt bij het maken van mallen en bij gecompliceerde oppervlaktebewerking waarbij de contouren glad moeten zijn.

Vlakfrezen zijn meestal grotere gereedschappen die gebruikt worden om materiaal weg te nemen van vlakke oppervlakken. De meeste frezen hebben vervangbare hardmetalen roterende beitelplaatjes die na gebruik kunnen worden gedraaid of verwisseld, waardoor de levensduur van het gereedschap toeneemt en de gebruikskosten afnemen.

Het materiaal dat gebruikt wordt om snijgereedschappen te maken is cruciaal. Hardmetalen gereedschap is bijvoorbeeld populair geworden omdat het zelfs bij hoge temperaturen zijn hardheid niet verliest en niet beschadigd raakt bij zware bewerkingen. Een andere vorm van extra coating, zoals titaniumnitride en titaniumaluminiumnitride, verbetert ook de snijprestaties en de levensduur van het gereedschap.

De verspaningsefficiëntie zal worden gemaximaliseerd, de kwaliteit van de oppervlakteafwerking zal worden verbeterd en de slijtage van het snijgereedschap zal worden verminderd door het juiste snijgereedschap in termen van lange productieprocessen.

Wat zijn de voordelen van CNC frezen?

De voordelen van CNC frezen zijn talrijk en dit maakt het een van de meest betrouwbare productieprocessen in de hedendaagse machinebouw. Een van de sterkste punten is nauwkeurigheid. Dit gebeurt door het gebruik van digitale instructies, waardoor de CNC machines de productie van onderdelen met zeer kleine toleranties en grote productieverschillen kunnen herhalen.

Een ander belangrijk pluspunt is de veelzijdigheid. De CNC-freesmachines kunnen alle soorten geometrieën vervaardigen, van een vlak oppervlak tot een complexe vorm. Dit komt door de flexibiliteit waardoor fabrikanten met dezelfde apparatuur zowel prototypen als grote productieseries kunnen vervaardigen.

Automatisering verhoogt ook de productiviteit. Zodra een machineset is ingesteld en een bewerkingsprogramma is geïnstalleerd, kan de machine draaien zonder dat er veel operators nodig zijn. Het is een mogelijkheid die zorgt voor meer efficiëntie in het productieproces, en het helpt ook om het risico op menselijke fouten uit te sluiten.

CNC frezen is ook zeer compatibel met moderne digitale productiesystemen. De integratie van CAD- en CAM-software helpt ingenieurs om zonder problemen een brug te slaan tussen ontwerp en productie, wat een aanzienlijke tijdsbesparing oplevert bij de ontwikkeling van producten.

Wat zijn de beperkingen van CNC-frezen?

Ondanks deze voordelen heeft CNC frezen ook zijn beperkingen. Een van de meest in het oog springende problemen is materiaalafval. Aangezien het proces wordt toegepast om materiaal van een massief blok af te snijden, wordt een groot deel van het oorspronkelijke materiaal spaanders of afval.

De andere beperking zijn de relatief hoge kosten van machines en gereedschap. CNC freesmachines vereisen grote investeringen. Hi-tech meerassige CNC machines kunnen onbetaalbaar zijn.

Een drieassige machine kan bij complexe werkstukgeometrieën ook meerdere instellingen of speciale opspanningen vereisen. Hoewel meerassige machines dit probleem kunnen oplossen, vergen ze geavanceerde programmering en brengen ze hoge exploitatiekosten met zich mee. Niettemin, professionele CNC-freesdiensten blijven vandaag de dag een van de meest effectieve en veelgebruikte oplossingen in de productiesector, dankzij hun betrouwbaarheid, precisie en flexibiliteit.

Referenties

[1] Schwenke, H., Knapp, W., Haitjema, H., Weckenmann, A., Schmitt, R., & Delbressine, F. (2008). Meting en compensatie van geometrische fouten bij machines – een update. CIRP-jaarboek, 57(2), 660-675. https://doi.org/10.1016/j.cirp.2008.09.008

[2] Fallböhmer, P., Rodríguez, C. A., Özel, T., & Altan, T. (2000). Hogesnelheidsbewerking van gietijzer en gelegeerd staal voor de vervaardiging van matrijzen en mallen. Tijdschrift voor materiaalverwerkingstechnologie, 98(1), 104-115. https://doi.org/10.1016/S0924-0136(99)00311-8

[3] Otkur, M., & Lazoglu, I. (2007). Trochoïdaal frezen. Internationaal tijdschrift voor werktuigmachines en productie, 47(9), 1324-1332. https://doi.org/10.1016/j.ijmachtools.2006.08.002