In CNC-bewerking, bij het voorbewerken van werkstukken zijn dynamisch frezen en laaggewijs frezen twee veelgebruikte freesstrategieën. Hoewel beide methoden gericht zijn op het verwijderen van materiaal, verschillen ze aanzienlijk wat betreft bewerkingsmethoden, geschikte materialen, spiltoerental, voedingssnelheid en bewerkingsefficiëntie. Inzicht in hun definities, voor- en nadelen, beïnvloedende factoren en selectiecriteria kan ons helpen betere beslissingen te nemen in verschillende bewerkingsscenario’s.
Dynamisch frezen
Definitie:
Dynamisch frezen is een freesmethode waarbij een hoge bewerkingsefficiëntie wordt gehandhaafd en de belasting van het gereedschap wordt verminderd door snijparameters zoals snijdiepte en voedingssnelheid continu aan te passen. Door het gereedschapspad flexibel aan te passen, blijft bij elke snede het contactoppervlak relatief klein, waardoor overmatige belasting van het gereedschap als gevolg van diepe sneden wordt voorkomen en warmteontwikkeling tijdens de bewerking wordt beperkt.
Geschikte materialen:
Aluminiumlegeringen, koperlegeringen, kunststoffen, zacht staal, titaniumlegeringen en andere relatief zachte metalen of polymeermaterialen. Dynamisch frezen is geschikt voor zachte of middelharde materialen, met name in situaties waarin snel een grote hoeveelheid materiaal moet worden verwijderd.
Toerentalbereik van de spil:
Bij dynamisch frezen worden doorgaans hogere spiltoerentallen gebruikt, meestal tussen 5.000–12.000 tpm. De specifieke snelheid moet worden aangepast aan het gereedschap en de hardheid van het materiaal.
Bij harde materialen, zoals titaniumlegeringen, moet het toerental van de spil voldoende worden verlaagd om te voorkomen dat het gereedschap breekt.
Voedingssnelheid:
De voedingssnelheid bij dynamisch frezen is relatief hoog, meestal tussen 2000–8000 mm/min, afhankelijk van de materiaaleigenschappen, de snijdiepte en de prestaties van de machine.
Voor- en nadelen:
Voordelen:
- Lagere belasting van het gereedschap, waardoor de levensduur wordt verlengd.
- Zeer efficiënt, met name geschikt voor het verwijderen van grote hoeveelheden materiaal.
- Zorgt voor een betere snijstabiliteit en een hogere materiaalafname.
- Vermindert warmteophoping en slijtage van het gereedschap.
Nadelen:
- Hogere eisen aan werktuigmachines, waaronder stabiliteit en spiltoerental.
- In sommige gevallen (zoals bij complexe vormen) kan dynamisch frezen tot lusvormige gereedschapspaden leiden, waardoor het gereedschap onnodige bewegingen maakt.
- De oppervlaktekwaliteit bij de afwerking is relatief slecht.
Bewerkingsefficiëntie:
Dynamisch frezen is zeer efficiënt bij het verwijderen van grote hoeveelheden materiaal. Dankzij de hoge voedingssnelheid en de diepere snij-inzet kan de bewerkingsefficiëntie aanzienlijk worden verbeterd. Bij fijne bewerkingen kan deze methode echter minder stabiel zijn dan laagfrezen.
Factoren die van invloed zijn op de bewerkingsefficiëntie:
Prestaties van de machine: Hoge spiltoerentallen en een goede machinestabiliteit zijn vereist. Dynamisch frezen levert vooral op vijfassige machines uitstekende resultaten op.
Materiaaleigenschappen: Zachtere materialen zoals aluminium en koperlegeringen zijn het meest geschikt.
Keuze van gereedschap: De afmetingen en het type van het gereedschap zijn van invloed op de prestaties bij dynamisch frezen, met name bij het bewerken van hardere materialen.
Laagfrezen
Definitie:
Laaggewijs frezen is een bewerkingsstrategie waarbij de snijdiepte in meerdere dunne lagen wordt verdeeld. Bij elke snede wordt een kleine hoeveelheid materiaal verwijderd, waardoor de belasting van het gereedschap effectief wordt beheerst, overmatige slijtage van het gereedschap wordt verminderd en een hoge bewerkingsnauwkeurigheid wordt gehandhaafd.
Geschikte materialen:
Hardstaal (gereedschapsstaal, gelegeerd staal), roestvrij staal, gietijzer, titaniumlegeringen die worden gebruikt voor afwerking, en andere harde materialen.
Laagfrezen is over het algemeen geschikt voor materialen met een hogere hardheid en bewerkingen waarbij een hogere oppervlaktekwaliteit en precisie vereist zijn.
Toerentalbereik van de spil:
Bij laagfrezen wordt meestal met relatief lagere spiltoerentallen gewerkt, doorgaans tussen 3000–8000 tpm.
Bij harde materialen, zoals titaniumlegeringen en gehard staal, moeten de spiltoerentallen op passende wijze worden verlaagd om de slijtage van het gereedschap tot een minimum te beperken.
Voedingssnelheid:
De voedingssnelheid bij het frezen van lagen is over het algemeen lager, meestal 500–5000 mm/min. Lagere voedingssnelheden dragen bij aan de stabiliteit van het snijproces en de bewerkingsnauwkeurigheid.
Voor- en nadelen:
Voordelen:
- Stabiele bewerkingsomstandigheden, geschikt voor harde materialen en nabewerkingen.
- Een geringe snijdiepte per snede vermindert de belasting van het gereedschap en verbetert de oppervlaktekwaliteit en de maatnauwkeurigheid.
- Biedt een hoge precisie en is geschikt voor precisiebewerking.
Nadelen:
- Een geringe snijdiepte leidt tot een lagere materiaalafname en een lagere efficiëntie.
- Omdat bij elke snede slechts een kleine hoeveelheid materiaal wordt verwijderd, duren de bewerkingscycli langer en zijn ze niet geschikt om snel grote hoeveelheden materiaal te verwijderen.
Bewerkingsefficiëntie:
Laagfrezen heeft een relatief lager rendement, vooral bij het verwijderen van grote hoeveelheden materiaal, vanwege de lagere voedingssnelheden en lagere materiaalafname. Bij precisiebewerking en wanneer hoge nauwkeurigheidseisen gelden, kan deze methode echter betere resultaten opleveren.
Factoren die van invloed zijn op de bewerkingsefficiëntie:
Hardheid van het materiaal: Harde materialen zijn geschikt voor laaggewijs frezen, maar bij het bewerken van zachtere materialen is de efficiëntie laag.
Keuze van gereedschap: De geometrie van het gereedschap, de snijdiepte en de voedingssnelheid zijn van invloed op de efficiëntie en de precisie.
Snijparameters: De juiste snijdiepte, voedingssnelheid en spiltoerental zijn bepalend voor de algehele bewerkingsprestaties.
Dynamisch CNC-frezen versus laaggewijs frezen: wat is efficiënter?
Om de efficiëntie van beide methoden bij het voorbewerken te vergelijken, maken we een werkstuk met een holte met de afmetingen 10 mm × 10 mm met een diepte van 25 mm. Het materiaal van het werkstuk is 7075-aluminium, met totale afmetingen van 150 mm × 150 mm × 30 mm en een inwendige holte. De bewerkingsspeling van het ruwe werkstuk is ingesteld op 5 mm, en 25 mm moet aan de randen worden verwijderd.
Materiaalafname (V) wordt gebruikt als vergelijkingsmaatstaf. Hoe groter de hoeveelheid materiaal die per tijdseenheid wordt verwijderd, hoe groter de Q-waarde. De eenheid is cm³/min.
De andere twee beïnvloedende parameters zijn snijdiepte (AP) en snijbreedte (AE).
Bekende formule:
Q = (F × AP × AE) / 1000
Berekening van dynamische voorbewerking
Diameter van het gereedschap: Standaardgereedschap van 10 mm, snijrandlengte 30 mm.
Aangezien bij dynamische bewerking iets grotere gereedschappen nodig zijn om het risico op breuk te verminderen, wordt de gereedschapsdiameter gekozen op 12 mm.
Toerental van de spil S = 8000
Gemiddelde voedingssnelheid F = 5000 mm/min
Snijdiepte AP = 30 mm (in één doorgang)
Snijbreedte AE = 2,5 mm
Berekening:
Q = 5000 × 30 × 2,5 / 1000
Resultaat:
Q = 375 cm³/min
Berekening van de voorbewerkingslaag
Voor het voorbewerken van lagen wordt een wisselplaatfrees gebruikt. De diameter van het gereedschap moet de snijbreedte bedekken, dus een Snijder met een diameter van 32 mm is geselecteerd.
Toerental van de spil S = 4500
Voedingssnelheid F = 4000 mm/min
Snijdiepte AP = 2 mm
Snijbreedte AE = 25 mm
Berekeningsresultaat:
Q = 200 cm³/min
Uit de berekeningsresultaten blijkt dat de materiaalafname bij dynamisch frezen inderdaad hoger is dan bij laagfrezen, en dat de theoretische bewerkingssnelheid hoger ligt. In de praktijk is dynamisch frezen echter niet altijd sneller. Tijdens het bewerken van holtes en het voorbewerken van de omliggende gebieden komen vaak veel ronddraaiende bewegingen en nutteloze gereedschapspaden voor, waardoor bewerkingstijd verloren gaat. Bovendien zijn de omstandigheden bij dynamisch voorbewerken niet altijd stabiel. Bij het verwijderen van grote hoeveelheden materiaal kan de belasting op het gereedschap plotseling toenemen, wat tot gereedschapsbreuk kan leiden.
Daarentegen kent laagfrezen minder kringbewegingen en kortere lege gereedschapspaden, wat resulteert in een stabieler bewerkingsritme. Sommigen overwegen wellicht om klimmend en conventioneel frezen toe te passen om de snelheid van dynamisch voorfrezen te verhogen, maar dit verhoogt de belasting van het gereedschap en versnelt de slijtage ervan, waardoor de bewerkingskosten uiteindelijk stijgen.
Wanneer het materiaal echter verandert van 7075-aluminium legering tot titanium legering (zoals TC-4), is de situatie anders. Titaniumlegeringen hebben een lage warmtegeleiding. Bij het frezen in lagen wordt de warmteafvoer van het gereedschap bemoeilijkt, en ongeveer 80%: de warmte concentreert zich aan de punt van het gereedschap, wat leidt tot snelle slijtage van het gereedschap en een verminderde stabiliteit en kostenefficiëntie van de bewerking. Bij dynamisch frezen vindt het snijden voornamelijk plaats via de zijrand van het gereedschap. Zolang de materiaalafname onder controle wordt gehouden en overmatige ingrijping wordt vermeden, verbetert de warmteafvoer en neemt de bewerkingssnelheid toe.
Daarom is de materiaalafname slechts één van de factoren waarmee rekening moet worden gehouden. Om de beste strategie te bepalen, moet hiermee ook rekening worden gehouden met het materiaaltype en de bewerkingskenmerken. Bij het bewerken van onderdelen van aluminiumlegeringen kan bijvoorbeeld bij het voorbewerken van holtes gebruik worden gemaakt van laagfrezen, terwijl de overige R-hoeken of filets aan de randen van het werkstuk kan worden gewist met behulp van dynamisch frezen, waardoor er nog meer bewerkingstijd kan worden bespaard.
Selectiecriteria voor dynamisch frezen en laaggewijs frezen
De keuze tussen dynamisch frezen en laaggewijs frezen hangt voornamelijk af van de volgende factoren:
Materiaalsoort:
Bij zachte materialen zoals aluminium en koperlegeringen zorgt dynamisch frezen voor een hogere efficiëntie.
Voor harde materialen zoals titaniumlegeringen, roestvrij staal en gehard staal is laaggewijs frezen geschikter, omdat hiermee een hogere bewerkingsnauwkeurigheid en oppervlaktekwaliteit wordt behouden.
Doelstellingen van de bewerking:
Als het de bedoeling is om snel een grote hoeveelheid materiaal te verwijderen, is dynamisch frezen geschikter na het optimaliseren van inactieve gereedschapspaden en lusbewegingen, omdat dit hogere materiaalverwijderingssnelheden en hogere voedingssnelheden oplevert.
Als het doel precisiebewerking met een hoge oppervlaktekwaliteit of nauwkeurigheid is, biedt laaggewijs frezen voordelen, met name bij complexe nabewerkingen. Er moet echter wel rekening worden gehouden met warmteconcentratie aan de punt van het gereedschap om snelle slijtage te voorkomen.
Prestaties van bewerkingsmachines:
Voor dynamisch frezen zijn hogere spiltoerentallen en een betere machinestabiliteit vereist, waardoor deze methode beter geschikt is voor vijfassige of uiterst nauwkeurige machines.
Laagfrezen stelt minder hoge eisen aan de machine en is geschikt voor de meeste gangbare drieassige machines.
Bewerkingsefficiëntie:
Dynamisch frezen is efficiënter voor het verwijderen van grote hoeveelheden materiaal, terwijl laaggewijs frezen geschikter is voor afwerkingsbewerkingen; dit biedt weliswaar een lagere efficiëntie, maar een hogere precisie.
Conclusie
Zowel dynamisch frezen als laaggewijs frezen hebben hun eigen voordelen bij CNC-bewerking. Dynamisch frezen is geschikt voor zachtere materialen en snelle materiaalafname, terwijl laaggewijs frezen beter is voor hardere materialen en precisiebewerking. De keuze voor de juiste strategie hangt af van het materiaal, de bewerkingskenmerken en de mogelijkheden van de machine. Als u meer informatie wilt of een offerte voor maatwerk wilt ontvangen, kunt u contact bij ons.
