Als je precision cnc-machining hoort, waar denkt je dan aan? Is niet al het draai- en freeswerk “precisie”? Niet helemaal. Met draai- en freeswerk kun je relatief snel zeer precieze onderdelen maken. Het gaat echter veel verder dan dat. In dit artikel bespreken we wat precisie werk is, hoe je kunt controleren of jouw onderdelen nauwkeurig zijn en hoe je nauwkeurigere onderdelen kunt maken in jouw eigen CNC-bewerkingsprocessen.

Wat scheidt regulier CNC-werk van precisie-CNC-werk?

Nauwkeurige CNC-bewerking wordt soms verondersteld te betekenen dat de gemaakte onderdelen zeer exact overeenkomen met de specificaties / geometrie van het beoogde ontwerp. Dat is technisch gezien niet verkeerd, maar een beter woord hiervoor is nauwkeurigheid. Er is een subtiel, maar belangrijk onderscheid tussen deze twee termen, dat we in de volgende paragraaf in meer detail zullen behandelen. CNC-machines zijn buitengewoon capabel en maken onderdelen die voldoende nauwkeurig zijn voor veel toepassingen, maar soms is het niet helemaal genoeg. Wanneer je precisie aan de mix toevoegt, kun je deze naar een hoger niveau tillen. Dat brengt ons bij de echte vraag: wat is precisiebewerking?

Dus wat betekent precisie eigenlijk?

Precisie en nauwkeurigheid worden vaak door elkaar gehaald en door elkaar gebruikt. Beide zijn inderdaad gerelateerd aan kwaliteit, maar ze hebben elk hun eigen specifieke betekenis. Nauwkeurigheid betekent dichtbij of precies de streefwaarden (wat veel mensen denken is ook de definitie van precisie). Precisie is eigenlijk de mogelijkheid om consistent onderdelen te repliceren over een groot aantal geproduceerde eenheden.

De sleutel zit in dat “grote aantal geproduceerde eenheden.” Precisiebewerking verwijst naar veel of meerdere eenheden. Je kunt één nauwkeurig onderdeel hebben, maar je moet veel onderdelen hebben om te meten en te vergelijken om ze nauwkeurig te noemen. Als iemand bijvoorbeeld vraagt ​​om een ​​enkel onderdeel te maken met behulp van precisie-CNC-bewerking, is dit contra-intuïtief omdat bij “precisie” meerdere onderdelen betrokken zijn.

De onderstaande afbeelding is een goede weergave van het verschil tussen nauwkeurigheid en precisie. Als je dartpijlen op een dartbord gooit, kun je mogelijk hetzelfde gebied op het bord raken, maar het is mogelijk niet in het midden. Dit zou precies zijn, maar niet nauwkeurig. Dit is een belangrijk punt, want het is ook bij verspanen mogelijk om veel onderdelen hetzelfde te maken, maar niet binnen je beoogde toleranties! Het is noodzakelijk om zowel op nauwkeurigheid als precisie te controleren.

Laten we het nu hebben over precisie, aangezien het specifiek betrekking heeft op CNC-bewerking. Als je precisie-CNC-bewerkte onderdelen bestelt, wat mag je dan verwachten? Leveranciers en machinewerkplaatsen moeten procedures hebben om jouw onderdelen te inspecteren en ervoor te zorgen dat ze aan bepaalde kwaliteitsnormen voldoen. Ze meten en vergelijken een representatief monster van de onderdelen die ze produceren om deze kwaliteitscontroles te voltooien. In de volgende paragraaf gaan we dieper in op enkele van deze kwaliteitsprocessen.

Hoe weet je of jouw proces en onderdelen nauwkeurig zijn?

Meetsystemen! Jouw meetsysteem is een integraal onderdeel van het meten en bepalen van de kwaliteit en precisie van jouw onderdelen. Wanneer je een proces wilt verbeteren, is het belangrijk om eventuele issues te kunnen identificeren en meten. Dit kan je helpen bepalen waar het probleem of de fout vandaan komt en hoe je deze kunt optimaliseren.

De eerste stap is om ervoor te zorgen dat jouw meetsysteem goed genoeg is. Is het jouw onderdelen keer op keer nauwkeurig meten? (Nauwkeurigheid en precisie!) Een manier om dit te controleren is door meterdelen en kalibratie te gebruiken om er zeker van te zijn dat jouw meetsysteem goed werkt. Meteronderdelen zijn onderdelen die uiterst nauwkeurig worden bewerkt tot een bekende waarde. Je kunt bijvoorbeeld eindmaten of pinnen meten en vervolgens de waarde die je uit jouw meetsysteem haalt, vergelijken met de bekende meting van dat onderdeel. Eindmaten kunnen ook helpen bij het kalibreren van jouw meetsysteem, iets dat regelmatig moet worden gedaan.

Enkele veelvoorkomende processen die bij de ontwikkeling worden gebruikt om meetfouten te vinden, zijn GR&R’s en MSA’s. Deze zijn belangrijk om te volgen, omdat ze je zullen helpen bij het verzamelen van goede gegevens die kunnen worden gebruikt om de fout in jouw meetsysteem of onderdelen te identificeren.

MSA staat voor Measurement Systems Analysis. Door een MSA uit te voeren, kunt je vaststellen waar de variatie in jouw metingen vandaan komt. Is het meetsysteem consistent en betrouwbaar? Doen de mensen die de metingen uitvoeren dit consequent? Worden jouw onderdelen gemaakt met minimale variatie? Dit zijn drie foutbronnen die tot grotere meetvariaties kunnen leiden. Als je merkt dat deze een aanzienlijk groter deel van de variatie veroorzaakt, kun je dat probleem aanpakken en weten dat je goede metingen krijgt.

GR&R staat voor Gauge Repeatability en Reproducibility. Dit is een veelgebruikt type MSA. Herhaalbaarheid verwijst naar het vermogen van de operator om steeds weer dezelfde meting te krijgen (op hetzelfde onderdeel). Reproduceerbaarheid is het vermogen van een andere persoon om steeds weer dezelfde meting te krijgen. Door de variatie binnen de metingen van één persoon en van persoon tot persoon te identificeren, kun je de feitelijke variatie van onderdeel tot onderdeel identificeren.

Om een GR&R uit te voeren, heb je 10 onderdelen nodig en 3 mensen om de onderdelen te meten. Elke persoon meet elk deel 10 keer. Met de resulterende gegevens zijn er tal van analyses die je kunt doen om het meetsysteem te analyseren. Je kunt de componenten van variatie berekenen zoals eerder vermeld: herhaalbaarheid, reproduceerbaarheid, operatorvariatie en variatie van onderdeel tot onderdeel. Je kunt een Xbar- of R-diagram bekijken, dit zijn grafische weergaven van variatie per operator. Kortom, er zijn veel manieren om naar de gegevens te kijken en erachter te komen of jouw metingen nauwkeurig zijn.

Het identificeren van deze verschillende bronnen van variatie is zo belangrijk om de precisie van jouw CNC-bewerkingsproces en onderdelen te vergroten. Als je bijvoorbeeld merkt dat de meeste fouten worden veroorzaakt door een gebrek aan reproduceerbaarheid, kun je je concentreren op het trainen van operators in plaats van tijd en geld te verspillen aan het verbeteren van het meetsysteem.

Hoe kunt je de precisie van jouw CNC-bewerkingsproces verbeteren?

Als we blijven nadenken over onze hypothetische MSA, bestaat ook de kans dat het meetsysteem niet het probleem is. Misschien krijg je echt geweldige afmetingen, maar je onderdelen zijn niet zo nauwkeurig als je nodig hebt. Er zijn veel manieren om de precisie van CNC-bewerkte onderdelen te verbeteren.

Een goede eerste stap is om vanuit een DFM-perspectief over het ontwerp na te denken. Veel DFM-principes zullen ook bijdragen aan de precisie van onderdelen. De vijf ontwerpparameters waar je op moet letten zijn: geometrie, materiaal, tolerantie, onderdeelgrootte en look & feel. De inspanningsfactoren voor deze parameters zijn ook gebonden aan precisie: hoe meer moeite het kost om deze onderdelen te bewerken, hoe meer moeite het kost om ze met precisie te bewerken.

Een bijzonder belangrijk aspect is tolerantie. Bij precisiebewerking gaat het erom dat je consequent binnen de tolerantiegrenzen blijft. De stijfheid van het hele systeem is bijvoorbeeld een belangrijke factor voor tolerantie en dus precisie. Er is een lijn van overeenstemming tussen het onderdeel, de werkhoudmethode, het gereedschap en de machine zelf. Als er langs dit pad enige vermindering van de stijfheid is, kan dit leiden tot doorbuiging en geratel, wat op zijn beurt dimensionale onnauwkeurigheden veroorzaakt. Om de precisie van het CNC-bewerkingsproces te vergroten, dien je ervoor zorgen dat het systeem (werkstuk, werkstukopspanning, gereedschap en machine) geoptimaliseerd is voor stijfheid.

Werkbelasting is een ander belangrijk stuk van de precisiepuzzel. Nogmaals, als we het hebben over precisie, concentreren we ons op de variatie van onderdeel tot onderdeel. Hoe zorgt je ervoor dat elk onderdeel op de exacte positie wordt geplaatst als het onderdeel ervoor, zodat het CNC-programma resulteert in hetzelfde onderdeel? De bevestigingsmethode is erg belangrijk; het moet elk onderdeel stijf en in exact dezelfde positie vastzetten. Een concept dat je in jouw opspanmethode kunt opnemen, is een kinematische koppeling.

Kinematische koppeling stelt je in staat om alle zes vrijheidsgraden van een onderdeel te beperken, zonder het te overbelasten. Dit komt voort uit het idee van een exact ontwerp van beperkingen, dat zegt dat het aantal punten van beperking overeen moet komen met het aantal vrijheidsgraden dat je wilt beperken. Er zijn twee soorten kinematische koppeling: Maxwell-koppeling en Kelvin-koppeling. Een Maxwell-koppelingssysteem bestaat uit twee delen: één met drie V-vormige groeven aan één deel, allemaal naar het midden gericht, en één met drie gebogen oppervlakken die in de groeven passen. Aan de andere kant bestaat een Kelvin-koppelingssysteem uit een deel met een concave tetraëder, een V-vormige groef en een vlakke plaat, en een passend deel met drie bolvormige oppervlakken. Dit is een belangrijk concept in precisietechniek en kan de precisie van onderdelen en CNC-bewerkingsproces aanzienlijk verbeteren.

Maxwell koppeling

Kelvin koppeling

Waarom is precisie belangrijk?

Tot dusver hebben we het veel gehad over precisie: wat het is, hoe je onderdelen en het proces analyseert en hoe je de precisie van CNC-bewerkte onderdelen kunt verbeteren. Ten slotte wil ik ingaan op waarom het zo belangrijk is om kostbare tijd en geld aan deze stappen te besteden.

Precisiebewerking kan in sommige industrieën belangrijker zijn dan andere. Sommige onderdelen of producten moeten extreem betrouwbaar zijn en elke keer weer functioneren. Neem bijvoorbeeld medische hulpmiddelen. De chirurgische robot die de dokter bestuurt, moet precies doen wat hem wordt opgedragen, zonder vertraging, uitglijden of onverwachte bewegingen. Zelfs een ‘simpele’ dagelijkse bloeddrukmeting is erg belangrijk voor de juiste diagnose en moet elke keer correct zijn. Er is niet veel ruimte voor fouten als het gaat om de gezondheid van mensen.

De auto-industrie is een andere die precisieonderdelen nodig heeft. Je wilt tenslotte dat jouw auto elke dag betrouwbaar rijdt? En consumentenelektronica: je wilt dat jouw telefoon kan worden ingeschakeld en kan bellen wanneer dat nodig is. Elk van deze producten komt neer op de interactie van vele onderdelen die moeten passen en samenwerken. Dit vereist nauwkeurige onderdelen die elke keer op dezelfde manier worden gemaakt.

Als we meer stroomopwaarts denken dan de klant, moeten de mensen die deze onderdelen en producten ontwerpen en bouwen ook om precisie geven. Een onnauwkeurig proces is kostbaar; het resulteert in meer afgekeurde onderdelen die niet werken, meer herbewerkingscycli, meer tijd en in het algemeen meer geld! Het is echter ook belangrijk om te beseffen wanneer precisie niet belangrijk is. Fraaie nieuwe meetsystemen zijn duur en vergen tijd en aandacht om op te zetten en te karakteriseren, en je kunt de prijs onnodig duurder maken door te veel op precisie te focussen.

Nogmaals, CNC-bewerking is een verbazingwekkend capabel proces dat de kwaliteit en efficiëntie van jouw onderdelen en processen onmiddellijk kan verhogen. Bij sommige onderdelen is het belangrijk om extra aandacht te besteden aan de precisiecomponent: vallen de onderdelen consistent binnen de tolerantie en kwaliteit die nodig is? Denk aan onderdelen waar je momenteel aan werkt. Hoe belangrijk is precisie bij de specifieke toepassing? Hoe kunt je jouw ontwerp-, bewerkings- en meetprocessen verbeteren om de precisie van jouw CNC-bewerkte onderdelen te verbeteren?

Computer Numerical Control (of CNC) -bewerking combineert de efficiëntie van computerprogrammering met de nauwkeurigheid van draaibankmachines. De geprogrammeerde software regelt de beweging van de gereedschappen en andere machines, waardoor het fabricageproces wordt geautomatiseerd en het ontwerp consistent blijft.

Bron

Moderne meerassige CNC-freesmachines worden geleverd met een breed scala aan functies die waarde en functionaliteit toevoegen. Deze zijn echter alleen nuttig als de machine naadloos langs zijn assen kan bewegen. Bovendien zijn deze assen primair verantwoordelijk voor het handhaven van de nauwkeurigheid bij het vormen van de voeding. Ze vormen dus in wezen het leven en het bloed van elke freesmachine.

Laten we eens kijken naar de functies en mogelijkheden van verschillende meerassige CNC-freesmachines.

3-assige CNC-bewerking

3-assige CNC-bewerking is voortgekomen uit roterend vijlen. Hier neemt het werkstuk een stationaire positie in terwijl het snijgereedschap over de X-, Y- en Z-assen beweegt. De X-as is samen met de draaitafel, de Y-as is naar de voorkant / achterkant van de tafel en de spil die van boven naar beneden valt, markeert de Z-as.

Het is ideaal voor eenvoudige taken die geen ingewikkelde detaillering of diepte vereisen. Als zodanig is het een van de meest geprefereerde technieken voor het maken van mechanische onderdelen voor automatisering. Daarnaast gebruik je hem ook voor het snijden van scherpe randen, kotteren, frezen van sleuven, tappen en boren van gaten.

3-assige bewerking kent de volgende beperkingen:

  • Het functioneert in een complexe programmeeromgeving;
    De initiële kapitaalinvestering en de installatiekosten zijn hoog;
    Het vereist zeer bekwame professionals voor het bedienen en onderhouden van de machine.

4-assige CNC-bewerking

De 4-assige CNC functioneert vrijwel hetzelfde als zijn 3-assige tegenhanger. Het voer staat in een stationaire positie en het snijgereedschap werkt eraan om het overtollige materiaal te verwijderen en het gewenste onderdeel te vormen.

Zoals de naam al aangeeft, omvat 4-assige bewerking een extra as naast de gebruikelijke X-, Y- en Z-vlakken. Deze extra beweging is aanwezig in de vorm van rotatie langs de X-as, die het vierde vlak vormt – de A-as (horizontaal). Het snijden kan echter ook plaatsvinden langs de B-as (verticaal). Maar aangezien horizontale bewerking als productiever wordt beschouwd dan verticale bewerking, komt de eerste vaker voor.

Deze freestechniek is handig voor het snijden van gaten, het snijden langs een boog of het uitsnijden van uitsnijdingen, vooral aan de zijkanten of rond een cilinder. Het is ook handig voor hoogwaardige precisiegravures, -frezingen en -boringen.

Beperkingen:
De grootste beperking van de 4-assige freesmachine is het Genève-mechanisme. Hoewel het Genève-mechanisme vrij gebruikelijk is vanwege zijn eenvoud, betrouwbaarheid en precisie, staat het de 4e as alleen in principe toe. Het ondersteunt echter in de praktijk geen continue bewerking, aangezien het een vaste set aanslagen heeft. Daarom kunnen de operators de machine alleen als pure indexeerder gebruiken. Andere nadelen zijn onder meer:

  • Snelle slijtage van het wormwielmechanisme, vooral tijdens intensief gebruik;
  • Het probleem van speling kan nauwkeurigheid en de duurzaamheid van de machine beïnvloeden.

5-assige CNC-bewerking

Bron

De 5-assige CNC-freesmachine markeert het toppunt van innovatie in de verspaning van de 21e eeuw. Het heeft een grotere competentie dan 3- en 4-assige freesmachines en is een precieze, snelwerkende krachtpatser voor microbewerkingen.

In deze opstelling zijn de X-, Y- en Z-assen vergelijkbaar met een 3-assige machine-indeling. De tafel draait dan langs de A-as, net als bij de 4-as. De machine met 5 assen omvat echter de draaiende beweging bij het gewricht van de tafel, gevolgd door rotatie langs de C-as, die de vijfde beweging definieert.

Met 5-assige bewerking kan de operator tegelijkertijd vijf verschillende zijden (of meer!) Van een onderdeel raken, afhankelijk van de complexiteit van het ontwerp. Als gevolg hiervan is de tool zeer goed in staat om zeer nauwkeurige producten en onderdelen te maken. Daarom zou het geen verrassing moeten zijn dat het op grote schaal wordt gebruikt in medische technologie, onderzoek en ontwikkeling, architectuur, leger, auto-industrie en zelfs creatieve kunsten. Het wordt ook gebruikt bij het boren van gaten onder samengestelde hoeken.

Beperkingen:
Hoewel de 5-assige CNC-machine uitstekend is in termen van snelheid en nauwkeurigheid, heeft hij de volgende problemen:

  • De CAD / CAM-programmering voor 5-assige machines kan buitengewoon gecompliceerd zijn, vooral als je je het ruimtelijke traject voorstelt.
  • Omdat 5-assige freesmachines nog niet zo gangbaar zijn, is de aanschaf en het onderhoud ervan een behoorlijke investering. Evenzo zijn de gereedschapsoplossingen even duur.
  • Er is een zeer bekwame CNC-machine-operator nodig die je kunt vertrouwen met jouw 5-assige schoonheid.

7-assige CNC-bewerking

De 7-assige CNC-freesmachine kan lange, slanke en zwaar gedetailleerde onderdelen maken. De betrokken 7-assen zijn de gebruikelijke rechts-links, van boven naar beneden, achter-voor, gevolgd door de assen die worden gedefinieerd door het draaien van het gereedschap, rotatie van het onderdeel, rotatie van de gereedschapskop en beweging voor klemmen, opnieuw opspannen, of het verwijderen van het onderdeel. Deze hoge mate van beweging geeft een grotere nauwkeurigheid aan het eindproduct zonder dat er nabewerkingsprocessen nodig zijn.

9-assige CNC-bewerking

De 9-assige CNC combineert draaibank en 5-assige bewerking. Hierdoor kan het onderdeel in één opstelling langs verschillende vlakken worden gedraaid en gefreesd, wat een scherpe nauwkeurigheid oplevert. Een van de grootste voordelen van een 9-assige CNC is het elimineren van secundaire opspanningen en handmatig laden. De 9-assige CNC is zeer capabel tot het punt waarop het een volledig volledig afgewerkt product in één enkele bewerking kan voltooien!

12-assige CNC-bewerking

Bron

Als 9-assige CNC-bewerking het hele pakket is, dan is zijn 12-assige tegenhanger een absoluut beest! De 12-assige CNC-machines bevatten doorgaans twee koppen die beweging langs de X-, Y-, Z-, A-, B- en C-assen mogelijk maken. Deze configuratie verdubbelt de productiviteit en nauwkeurigheid terwijl de productietijd met de helft wordt verkort!

Final Thoughts

CNC-bewerking blijft tot op de dag van vandaag relevant en effectief. Het bedient verschillende productie-intensieve sectoren en handhaaft de productkwaliteit, precisie en standaardisatie. Naarmate machines meer bewegingsassen krijgen, zullen ze alleen maar beter worden met elke iteratie. Dus hoewel ze een aanzienlijke investering kunnen zijn, beloven ze in ruil daarvoor ook een langdurige service!