Analyse van de technologie voor CNC-gedraaide onderdelen

Principes en kenmerken van het productieproces van CNC-gedraaide onderdelen

CNC-draaiwerk is een precisiebewerkingsproces waarbij computerprogramma’s worden gebruikt om draaigereedschappen aan te sturen voor het verspanen van roterende werkstukken. Tijdens de bewerking wordt het werkstuk in de spindelhouder geklemd en draait het met hoge snelheid (800-2000 tpm), terwijl het gereedschap langs de X- en Z-assen beweegt om een snijpad te vormen, waarmee cilindrische oppervlakken, conische oppervlakken, schroefdraden enz. kunnen worden bewerkt.

In vergelijking met traditionele draaibanken biedt deze machine aanzienlijke voordelen: ten eerste bedraagt de bewerkingsnauwkeurigheid IT7-IT8 tolerantie (±0,015-0,03 mm), waarmee aan de eisen voor nauwkeurige passing wordt voldaan; ten tweede maakt het geautomatiseerde, continue productie mogelijk dankzij een naadloze CAD/CAM-integratie, waardoor complexe onderdelen in grote hoeveelheden kunnen worden geproduceerd; ten derde biedt het een hoge procesflexibiliteit, waardoor snel van productmodel kan worden gewisseld door middel van programmawijzigingen, wat geschikt is voor de productie van een grote verscheidenheid aan producten in kleine series.

Belangrijkste technische kenmerken van CNC-gedraaide onderdelen

CNC-draaicentra zijn vaak uitgerust met een aangedreven draaitafel en een subspil, waardoor samengestelde bewerkingen zoals draaien, frezen en boren in één enkele opspanning kunnen worden uitgevoerd. Onze Weldo Dit draaicentrum heeft een positioneringsnauwkeurigheid op de X-as van ±0,003 mm/300 mm en een herhaalbaarheid van ±0,001 mm. Dankzij de servorevolver met 12 posities duurt het wisselen van gereedschap slechts 0,3 seconden.

Voor complexe onderdelen zoals brandstofsproeiers voor vliegtuigmotoren, met een inwendige boring van φ5 mm (tolerantie ±0,005 mm), M8×1,25-precisieschroefdraad en drie afdichtgroeven van 0,5 mm breed, zijn bij traditionele processen drie machines nodig voor opeenvolgende bewerkingen. Met CNC-draaien kan dit echter in één bewerking worden gerealiseerd, waardoor de efficiëntie met 40% wordt verhoogd.

Vergelijkende voordelen van CNC-draaien ten opzichte van frezen/slijpen

Bij het CNC-draaien van assen en schijf- en hulsonderdelen biedt CNC-draaien aanzienlijk hogere snelheden dan frezen en slijpen, terwijl de bediening tegelijkertijd wordt vereenvoudigd. Zo haalt een aandrijfas van 45#-staal met afmetingen φ50 mm × 200 mm een materiaalafname van 8-12 cm³/min, 2-3 keer zo hoog als bij frezen, met een oppervlakteruwheid die consistent onder Ra 1,6 μm ligt, waardoor slijpen overbodig wordt en de kosten met 35% worden verlaagd. Bij het bewerken van dunwandige onderdelen van non-ferrometalen, zoals motorbehuizingen van aluminiumlegeringen, kunnen lage snijkrachtparameters bij CNC-draaien vervorming voorkomen, waardoor het slagingspercentage stijgt van 75% naar 98%.

De materiaalkeuze is van invloed op de bewerkingsefficiëntie, de kosten en de prestaties van CNC-gedraaide onderdelen. In de industrie moet op basis van de functie van het onderdeel uitgebreid rekening worden gehouden met de mechanische eigenschappen, de bewerkbaarheid en de kostenefficiëntie van materialen. Metalen maken ongeveer 85% uit van de veelgebruikte materialen, waarbij aluminiumlegeringen, roestvrij staal en messing de voorkeur genieten.

Materiaalkeuze en bewerkingsgeschiktheid

De materiaalkeuze voor CNC-gedraaide onderdelen heeft een directe invloed op de bewerkingsefficiëntie, de kosten en de uiteindelijke prestaties. In de industriële praktijk vereisen CNC-gedraaide onderdelen een uitgebreide beoordeling van de mechanische eigenschappen, de bewerkbaarheid en de kostenefficiëntie van materialen, op basis van de functionele eisen die aan de onderdelen worden gesteld. Veelgebruikte materialen worden hoofdzakelijk onderverdeeld in twee categorieën: metalen (goed voor ongeveer 85%) en niet-metalen (15%). Daarvan zijn aluminiumlegeringen, roestvrij staal en messing de voorkeurskeuzes voor CNC-gedraaide onderdelen vanwege hun uitstekende algehele prestaties.

Vergelijking van de bewerkingsprestaties van metalen materialen

Aluminiumlegeringen zijn veelgebruikte materialen. Bijvoorbeeld, 6061-T6 heeft een treksterkte van 310 MPa en een dichtheid van 2,7 g/cm³, waardoor het geschikt is voor lichtgewicht onderdelen. De snijsnelheden liggen tussen 150 en 300 m/min, de standtijd bedraagt 800 tot 1200 stuks per snijkant en de kosten zijn 40% lager dan die van roestvrij staal. Roestvrij staal 304 heeft een hardheid van HB 187, is gevoelig voor koudverharding en vereist gereedschap van snelstaal (zoals W18Cr4V) en koeling met een emulsie onder extreme druk, en heeft een snijsnelheid van 80-120 m/min. H62-messing biedt uitstekende bewerkbaarheid en spaanafbraak, waardoor snijden met hoge snelheid (200-400 m/min) mogelijk is. Het wordt veel gebruikt voor badkameraccessoires en koppelstukken.

Toepassingsscenario’s van niet-metalen materialen

Technische kunststoffen kennen een snelle groei in de toepassing van CNC-gedraaide onderdelen. POM (polyoxymethyleen) heeft een wrijvingscoëfficiënt van slechts 0,04, waardoor het geschikt is voor transmissieonderdelen; PEEK is bestand tegen hoge temperaturen tot 260 ℃, waardoor het mogelijk is om sensorbehuizingen voor vliegtuigmotoren te bewerken; PTFE (polytetrafluorethyleen) vertoont een sterke corrosiebestendigheid en wordt vaak gebruikt in afdichtingen voor chemische apparatuur. Een fabrikant van medische hulpmiddelen heeft chirurgische instrumenten van roestvrij staal vervangen door PEEK-draaionderdelen, waardoor het gewicht met 60% is verminderd en het risico op het vrijkomen van metaalionen is vermeden. Bij het bewerken van kunststoffen kan het gebruik van enkelzijdige PCD-gereedschappen met persluchtkoeling oververhitting en vervorming voorkomen.

Besluitvormingsproces bij de materiaalkeuze

De materiaalkeuze voor CNC-gedraaide onderdelen verloopt volgens een besluitvormingsproces in vier stappen: 1. De functie van het onderdeel vaststellen; 2. De belangrijkste parameters bepalen; 3. De economische aspecten van de bewerking evalueren; 4. De leveringszekerheid controleren. Wanneer een fabrikant van auto-onderdelen bijvoorbeeld materialen selecteert voor de motoras van een voertuig op nieuwe energie, vergelijkt hij 45#-staal, 40CrNiMoA en 6061-T6, en kiest hij uiteindelijk voor 40CrNiMoA op basis van de vereisten voor het koppel. In combinatie met een inductiehardingsproces bedraagt de levensduur van de onderdelen 100.000 uur.

Optimalisatie van belangrijke bewerkingsparameters

De kwaliteit en efficiëntie van CNC-gedraaide onderdelen hangen af van de juiste instelling van de parameters. Tot de belangrijkste parameters behoren de snijsnelheid (vc), de voedingssnelheid (f) en de snijdiepte (ap). Een fabrikant van structurele onderdelen voor de lucht- en ruimtevaart heeft deze parameters geoptimaliseerd, waardoor de draai-efficiëntie van 7075 een aluminiumlegering van het type 35% en het verminderen van de oppervlakteruwheid van Ra 3,2 μm tot Ra 0,8 μm.

Wetenschappelijke vaststelling van snijparameters

De optimale snijparameters variëren afhankelijk van het materiaal. Voor de bewerking van 45#-staal zijn de aanbevolen parameters vc = 120-150 m/min, f = 0,15-0,25 mm/r en ap = 1-3 mm. Voor de TC4-titaniumlegering moeten de parameters worden verlaagd tot vc = 40-60 m/min, f = 0,05-0,1 mm/r en ap = 0,5-1 mm. Bij de keuze van de parameters geldt het principe van “hoge snelheid, licht snijden”. Als we bijvoorbeeld de snelheidscoëfficiënt (VC) van de 6061-aluminiumlegering verhogen van 150 m/min naar 250 m/min (met behoud van f = 0,2 mm/r en ap = 2 mm) verkort de bewerkingstijd met 35%, terwijl het gereedschapsverbruik slechts met 12% toeneemt.

Gereedschapskeuze en levensduurbeheer

Bij het CNC-draaien van onderdelen moet het materiaal van het gereedschap zijn afgestemd op het werkstuk: gereedschappen van snelstaal zijn geschikt voor gewoon staal en gietijzer; gereedschappen van hardmetaal zijn zeer veelzijdig, en voor het bewerken van roestvrij staal moeten soorten met een ultrafijne korrel worden gekozen; PCD-gereedschappen zijn geschikt voor non-ferrometalen en niet-metalen materialen. Ook de geometrie van het gereedschap is belangrijk; voor het bewerken van aluminiumlegeringen worden scherpe wisselplaten met een spaanhoek van 35° en een vrijloophoek van 5° aanbevolen, terwijl voor het bewerken van hoogwaardig staal een negatieve spaanhoek vereist is. Een fabriek voor tandwielbewerking, die gebruikmaakt van een systeem voor het beheer van de standtijd, heeft de standtijd van hardmetalen wisselplaten verhoogd van 30 stuks/snede naar 45 stuks/snede, waardoor jaarlijks 50.000 USD aan gereedschapskosten wordt bespaard.

Optimalisatie van koeling en smering

Voldoende koeling en smering zijn van cruciaal belang voor het waarborgen van de kwaliteit van CNC-gedraaide onderdelen. Gebruik voor het bewerken van stalen onderdelen emulsie (concentratie 8-10%); voor het bewerken van aluminiumlegeringen semi-synthetische snijvloeistof; en voor het bewerken van titaniumlegeringen snijolie voor extreme druk. Een bepaald lucht- en ruimtevaartbedrijf gebruikte een hogedrukkoelsysteem (druk 70 bar) voor het bewerken van asonderdelen van de TC4-titaniumlegering, waardoor de standtijd van het gereedschap werd verlengd van 15 stuks naar 28 stuks en de oppervlakteruwheid werd gestabiliseerd op Ra 1,6 μm.

Normen voor kwaliteitscontrole en inspectie

De kwaliteitscontrole van CNC-gefreesde onderdelen is in het gehele productieproces geïntegreerd, waarbij 12 kwaliteitscontrolepunten nodig zijn, van de ontvangst van de grondstoffen tot de aflevering van het eindproduct. Na de invoering van een uitgebreide kwaliteitscontrole zag een bepaald bedrijf in auto-onderdelen zijn PPM (parts per mille) dalen van 350 naar 80, en daalde het aantal klachten van klanten met 75%.

Methoden voor de controle van maatnauwkeurigheid

Om een tolerantiecontrole van IT7-IT8 te realiseren, is het noodzakelijk om de nauwkeurigheid van de bewerkingsmachine te waarborgen (regelmatige kalibratie met een laserinterferometer), de processtabiliteit te beheersen (met behulp van SPC, statistische procescontrole) en de opspanning te optimaliseren (met behulp van meelopende steunen en flexibele spantangen voor het bewerken van slanke assen). Een fabrikant van precisielagers heeft een motoras van φ12 mm × 300 mm bewerkt met een stabiele cilindriciteit van 0,005 mm, waarmee aan de pasvereisten werd voldaan.

Factoren die van invloed zijn op de oppervlaktekwaliteit

De oppervlakteruwheid van CNC-gefreesde onderdelen wordt voornamelijk beïnvloed door de voedingssnelheid en de kwaliteit van de snijkant. De theoretische formule luidt Ra = (f²)/(8×rε), maar in de praktijk kan deze waarde door trillingen oplopen tot 2-3 μm. Voor het bereiken van een spiegelgladde afwerking (Ra ≤ 0,05 μm) zijn diamantgereedschappen en microvoeding vereist. Een fabrikant van optische onderdelen heeft bij het bewerken van spiegels van aluminiumlegeringen een Ra-waarde van 0,02 μm bereikt, waarmee aan de eisen voor laserreflectie wordt voldaan.

Inspectietechnologie en configuratie van apparatuur

De configuratie van de inspectieapparatuur volgt het principe van de “precisiepiramide”: een coördinatenmeetmachine (CMM) meet de belangrijkste afmetingen, een rondheidsmeter inspecteert asvormige onderdelen en een oppervlakteruwheidsmeter beoordeelt de oppervlaktekwaliteit. Een lucht- en ruimtevaartbedrijf heeft een digitale inspectiewerkplaats opgezet, waardoor 100%-inspectie op ware grootte mogelijk is geworden, de efficiëntie met 60% is toegenomen en online meetprobes de bemonsteringstijd hebben teruggebracht van 30 minuten naar 2 minuten per stuk.

Soorten CNC-gedraaide onderdelen

Asonderdelen

Overbrenging Spindels: zoals motorassen (φ10-100 mm, tolerantie ±0,01 mm), ingaande assen van reductoren (staalsoort 45#/materiaal 20CrMnTi).

Precisie-slanke assen: geleidingsassen voor medische apparatuur (oppervlakte-ruwheid Ra ≤ 0,8 μm), spindels voor geautomatiseerde apparatuur (trapeziumschroefdraad Tr20×4).

Onderdelen voor schijven en hulzen

Flenzen: aansluitflenzen voor het hydraulische systeem (nauwkeurigheid afdichtgroef ±0,02 mm), einddeksels van de motor (tolerantie lagerhuis: klasse IT7).

Hulzen/bussen: synchronisatiehulzen voor versnellingsbakken in auto’s.

Functionele onderdelen met een speciale vorm

Onderdelen met schroefdraad: Luchtvaart-buiskoppelingen (M16×1,5 fijne schroefdraad, tolerantie op de steekdiameter 4h), hydraulische klepkernen (trapeziumschroefdraad + afdichtingsconus).

Onderdelen met complexe contouren: spuitmondringen voor turbocompressoren (nauwkeurigheid van het schoepenprofiel ±0,05 mm), tandwielen voor horlogemechanismen (module 0,5-1,5).

Accessoires van speciaal materiaal

Niet-ijzeren metalen onderdelen: motorbehuizing van aluminiumlegering 6061-T6 (lichtgewicht ontwerp, wanddikte 1,5-3 mm), H62-messing kerngedeelten voor badkamerkranen (slijtvast + corrosiebestendig)
Technische kunststofonderdelen: POM-tandwielen (wrijvingscoëfficiënt 0,04), PEEK-behuizingen voor sensoren in de luchtvaart (hittebestendigheid tot 260 ℃)

Typische toepassingsvoorbeelden

CNC-draaien van onderdelen wordt op grote schaal toegepast in hoogtechnologische sectoren zoals de automobielindustrie, de lucht- en ruimtevaart en de medische apparatuur. Verschillende sectoren stellen verschillende technische eisen en hanteren verschillende oplossingen.

Bewerking van motorassen voor nieuwe energievoertuigen

Voor een bewerkingsproject van de aandrijfmotoras (40CrNiMoA) van een toonaangevende fabrikant van voertuigen op nieuwe energie waren de volgende specificaties vereist: een diameter van φ35 mm (tolerantie ±0,01 mm), een cilindriciteit van ≤0,005 mm en een symmetrie van de spiebaan van ≤0,02 mm. Er werd gebruikgemaakt van een draaicentrum met dubbele spil en samengestelde bewerking met enkele opspanning, waarbij CBN-wisselplaten een snijsnelheid van 180 m/min bereikten, in combinatie met een meetsysteem op de machine. Na de inbedrijfstelling daalde de productiecyclustijd van 45 minuten per stuk naar 18 minuten per stuk, met een jaarlijkse capaciteit van 500.000 stuks en een defectpercentage van ≤0,3%.

Bewerking van verbindingen in hydraulische leidingen voor de lucht- en ruimtevaart

Het verspanen van hydraulische verbindingen van titaniumlegeringen voor de lucht- en ruimtevaart (TC4-materiaal) brengt uitdagingen met zich mee, zoals het moeilijk verspanbare materiaal, de vereiste hoge precisie van de afdichtingsconusoppervlakken en de complexe interne oliecircuits. Een lucht- en ruimtevaartbedrijf gebruikte volhardmetalen boorbits om diepe gaten met een diameter van φ6 mm te bewerken en maakte gebruik van vormgereedschappen om het conische afdichtingsoppervlak te bewerken met online monitoring, terwijl tegelijkertijd cryogene koeling werd toegepast. Dit proces verlengde de vermoeiingslevensduur van de koppeling van 1000 cycli tot 5000 cycli, waarmee werd voldaan aan de betrouwbaarheidseisen van hydraulische systemen in de lucht- en ruimtevaart.

Productie van medische instrumenten voor minimaal invasieve chirurgie

Voor het productieproject van laparoscopische chirurgische tangen (316L roestvrij staal) van een fabrikant van medische hulpmiddelen waren de volgende specificaties vereist: een dikte van de tangkop van 0,3 mm (tolerantie ±0,01 mm), een scherpte van de snijkant van ≤0,02 mm en een oppervlakteruwheid van Ra 0,4 μm. Voor het project werd gebruikgemaakt van precisie-CNC-draaien en ultradun snijden, gereedschappen van snelstaal en elektrolytisch polijsten van de snijkanten, waarbij het gehele proces in een cleanroom werd uitgevoerd. Het product is ISO 13485-gecertificeerd en heeft een klinische snijkracht van ≤5 N, wat een vermindering van 60% betekent ten opzichte van traditionele producten.

CNC-gefreesde onderdelen vormen essentiële componenten in de apparatenbouw, en hun technologisch niveau is van invloed op de prestaties van hoogwaardige apparatuur. Met de ontwikkeling van technologieën zoals vijfassig frezen en draaien van composietmaterialen en intelligente procesplanning, zal de toekomstige ontwikkeling zich richten op hoge precisie, lichtgewichtontwerp en functionele integratie. Als u meer wilt weten over CNC-draai- en bewerkingsdiensten, neem dan contact op met Weldo voor meer informatie.

Veelgestelde vragen over het CNC-draaiproces