Frezen met vlakfrezen versus frezen met kopfrezen voor specifieke materialen: welke tool werkt het beste?

In de precisiewereld van CNC-bewerking bepaalt de keuze tussen vlakfrezen en kopfrezen vaak het verschil tussen een hoogwaardig onderdeel en een verspild blok van dure legering. Hoewel beide processen een roterende frees gebruiken om materiaal van een stationair werkstuk te verwijderen, variëren hun mechanica, gereedschapsgeometrieën en prestaties aanzienlijk voor verschillende materialen. Het kiezen van de juiste tool vereist inzicht in hoe deze processen interageren met de fysieke eigenschappen van het werkstuk, of u nu te maken heeft met de kleverige aard van aluminium of de hoge hittebestendigheid van titanium.

De fundamentele mechanica begrijpen

Voordat we ingaan op materiaalspecifieke aanbevelingen, is het essentieel om de twee processen te onderscheiden. Vlakfrezen maakt primair gebruik van het "vlak" of de onderkant van de snijgereedschap. De frees heeft doorgaans een grotere diameter en is voorzien van meerdere wisselplaten. Het primaire doel is het creëren van grote, vlakke oppervlakken met een hoge efficiëntie. De snijwerking vindt loodrecht op de gereedschapsas plaats, wat een hoge materiaalafname (MRR) en een superieure oppervlakteafwerking op brede vlakken mogelijk maakt.

Kopfrezen is daarentegen het "Zwitserse zakmes" van de bewerkingswereld. Het gebruikt de omtrek (zijkanten) en het uiteinde van de tool om te snijden. Kopfrezen lijken op boorbits, maar zijn ontworpen voor lateraal snijden. Ze zijn onmisbaar voor het creëren van sleuven, pockets, complexe 3D-contouren en verticale schouders. Omdat kopfrezen over het algemeen een kleinere diameter hebben, bieden ze de precisie die nodig is voor ingewikkelde details die een vlakfrees met grote diameter simpelweg niet kan bereiken.

Aluminiumlegeringen: snelheid en afvoer

Aluminium is een favoriet in de lucht- en ruimtevaart- en auto-industrie vanwege de hoge sterkte-gewichtsverhouding. Het is echter een "zacht en kleverig" materiaal dat de neiging heeft om aan snijkanten te blijven plakken, wat leidt tot opgebouwde snijkant (BUE) en catastrofale gereedschapsfalen.

Voor aluminium is vlakfrezen de onbetwiste kampioen van de productiviteit voor grote platen of motorblokken. Omdat aluminium extreem hoge snijsnelheden toelaat, kan een vlakfrees met grote diameter met gepolijste hardmetalen wisselplaten een oppervlak in seconden schoonmaken. De sleutel hier is het gebruik van hoge positieve spaanhoeken, die helpen het materiaal "af te pellen" en de door wrijving gegenereerde warmte te verminderen.

Wanneer het project verschuift naar interne pockets of dunwandige lucht- en ruimtevaartbeugels, neemt kopfrezen het over. Bij het frezen van aluminium is het aantal snijkanten cruciaal. Doorgaans hebben 2-snijkant- of 3-snijkantfrezen de voorkeur. De grotere "spaanruimtes" of ruimtes tussen de snijkanten zorgen voor een betere spaanafvoer, waardoor wordt voorkomen dat de aluminiumspanen weer aan het gereedschap worden gelast. Voor de afwerking zorgen hoog-helix kopfrezen voor een scherende werking die resulteert in een spiegelachtige afwerking.

Staal en geharde legeringen: stijfheid en warmtebeheer

Het bewerken van staal vereist focus op stijfheid en warmtebeheer. In tegenstelling tot aluminium creëert staal aanzienlijke snijkrachten en genereert het intense hitte op het contactpunt.

Vlakfrezen is zeer effectief voor het voorbewerken van stalen componenten. Omdat vlakfrezen de snijbelasting over meerdere wisselplaten verdeelt, zijn ze robuuster en bestand tegen de zware druk die nodig is om het oppervlak van koolstofstaalsoorten zoals AISI 1045 te doorbreken. Bij het vlakfrezen van staal zijn gespecialiseerde coatings zoals Aluminium Titanium Nitride (AlTiN) essentieel om het gereedschap te beschermen tegen thermische schokken.

Kopfrezen van staal is een delicater evenwicht. Voor het voorbewerken worden "maïskolf"- of voorbewerkingsfrezen gebruikt om spanen in kleinere stukken te breken, waardoor de belasting op de machinespil wordt verminderd. Voor de afwerking zijn kopfrezen met 4 tot 6 snijkanten standaard, omdat het hogere aantal snijkanten de stijfheid van het gereedschap verhoogt en fijnere voedingen mogelijk maakt, wat resulteert in een precieze, gladde verticale wand. In gehard staal wordt de trillingsbestendigheid van de kopfrees een prioriteit om "getril" te voorkomen, wat zowel het gereedschap als het onderdeel kan verpesten.

Titanium: de ultieme bewerkingsuitdaging

Titanium staat bekend om zijn lage thermische geleidbaarheid. In plaats van dat de warmte via de spanen ontsnapt, blijft deze geconcentreerd op de snijkant. Dit kan ertoe leiden dat gereedschappen snel bot worden of smelten.

Bij het bewerken van titanium is vlakfrezen vaak beperkt tot het initiële vierkant maken van het blok. Vlakfrezen met grote diameter helpen de warmte over een groter oppervlak af te voeren, maar de snelheden moeten laag worden gehouden. Het is gebruikelijk om "ronde wisselplaten" te gebruiken in vlakfrezen voor titanium; de cirkelvormige geometrie maakt een verdunning van de spaan mogelijk, wat de warmtebelasting vermindert en de levensduur van het gereedschap verlengt.

Kopfrezen van titanium vereist extreme precisie. Machinisten gebruiken vaak een techniek die trochoidal frezen of "hoge-efficiëntie frezen" (HEM) met kopfrezen wordt genoemd. Dit houdt in dat een kleine radiale snedediepte en een hoge axiale diepte worden gebruikt, waarbij het gereedschap in een cirkelvormig pad wordt bewogen. Deze strategie zorgt ervoor dat de kopfrees niet te lang in het warmtevasthoudende materiaal begraven zit. Gespecialiseerde kopfrezen met variabele spoed worden gebruikt om de harmonischen te verbreken en de trillingen te voorkomen waar titanium gevoelig voor is tijdens het snijproces.

Roestvrij staal: omgaan met werkharding

Roestvrij staal, met name de 300-serie zoals 304 of 316, heeft de neiging om "werkhard" te worden. Als een gereedschap over het oppervlak wrijft in plaats van schoon te snijden, wordt het materiaal aanzienlijk harder en moeilijker te bewerken in de volgende gang.

Vlakfrezen is de voorkeursmethode voor het verwijderen van de werkharde "huid" van een roestvrijstalen gietstuk. Door een zware snedediepte met een vlakfrees te gebruiken, blijft het gereedschap onder de geharde laag, wat zorgt voor een consistenter bewerkingsproces.

Voor ingewikkelde details in roestvrij staal moeten kopfrezen scherp worden gehouden. Een botte kopfrees veroorzaakt onmiddellijke werkharding, wat leidt tot gereedschapsbreuk. Het gebruik van een constante voeding en het vermijden van "stilstand" (waarbij het gereedschap op één plaats draait) is essentieel. Gecoate hardmetalen kopfrezen met een hoog aantal snijkanten worden vaak gebruikt voor de afwerking om ervoor te zorgen dat het gereedschap efficiënt door het materiaal snijdt zonder overmatige warmte te genereren.

Kiezen op basis van geometrie en volume

Hoewel materiaaleigenschappen een primaire factor zijn, dicteert de geometrie van het eindproduct vaak de keuze.

• Grote, vlakke oppervlakken:Als het doel is om een oppervlak waterpas te maken of een specifieke dikte over een groot gebied te bereiken, is vlakfrezen altijd efficiënter. Het biedt een hogere MRR en een meer uniforme afwerking over grote afstanden.

• Ingewikkelde details:Als het onderdeel sleuven, groeven, interne hoeken of 3D-beeldhouwwerk vereist, is de kopfrees de enige haalbare optie.

• De hybride aanpak:In professionele productie worden deze gereedschappen zelden afzonderlijk gebruikt. De meest efficiënte workflow omvat meestal het vlakfrezen van het ruwe materiaal om een vlak, spanningsvrij referentieoppervlak te creëren, gevolgd door kopfrezen om de specifieke details en uiteindelijke afmetingen uit te snijden.

Conclusie

De keuze tussen vlakfrezen en kopfrezen is niet louter een kwestie van voorkeur, maar een strategische beslissing gebaseerd op de hardheid van het materiaal, de thermische geleidbaarheid en de gewenste geometrie. Aluminium vereist hoge-snelheidsafvoer, staal vereist stijf warmtebeheer en titanium vereist geavanceerde koeling en snijpaden. Door de sterke punten van het gereedschap af te stemmen op de zwakke punten van het materiaal, kunnen fabrikanten hun cyclustijden optimaliseren, de levensduur van het gereedschap verlengen en de precisie bereiken die nodig is voor moderne engineering.