Frezowanie CNC to nowoczesna metoda obróbki materiałów, która zrewolucjonizowała przemysł produkcyjny. Proces polega na precyzyjnym usuwaniu materiału z bryły za pomocą obracających się narzędzi skrawających, sterowanych komputerowo. Maszyny CNC (Computer Numerical Control) realizują zaprogramowane ścieżki narzędzia z niezwykłą dokładnością, co pozwala na tworzenie złożonych kształtów z tolerancjami sięgającymi nawet kilku mikrometrów.
Technologia znajduje zastosowanie w wielu branżach – od motoryzacji, lotnictwa, przez medycynę, aż po elektronikę. Główne zalety frezowania CNC obejmują wysoką precyzję, powtarzalność oraz możliwość obróbki różnorodnych materiałów, takich jak metale (stal, aluminium, tytan), tworzywa sztuczne czy kompozyty.
Proces rozpoczyna się od projektu CAD (Computer Aided Design), który następnie przekształcany jest w kod maszynowy przez oprogramowanie CAM (Computer Aided Manufacturing). Kod ten zawiera instrukcje dla maszyny CNC dotyczące ruchów narzędzia, prędkości obrotowej, głębokości skrawania oraz innych parametrów obróbki.
Mimo zaawansowanych możliwości frezowanie CNC podlega pewnym ograniczeniom fizycznym i technicznym. Cylindryczny kształt narzędzi, ograniczony dostęp do niektórych obszarów detalu czy właściwości materiałów mogą stanowić wyzwania podczas produkcji skomplikowanych części. Zrozumienie tych ograniczeń jest kluczowe dla efektywnego projektowania elementów przeznaczonych do obróbki CNC.
Podstawowe ograniczenia geometryczne w technologii CNC
Frezowanie CNC, mimo swoich licznych zalet, napotyka na pewne naturalne bariery wynikające z fizyki procesu obróbki. Ograniczenia te determinują, jakie kształty można skutecznie wytworzyć.
Promienie wewnętrzne
Jednym z najbardziej charakterystycznych ograniczeń frezowania CNC jest niemożność utworzenia idealnie ostrych narożników wewnętrznych. Wynika to z cylindrycznego kształtu narzędzi skrawających. Każdy wewnętrzny narożnik będzie miał promień co najmniej równy promieniowi użytego frezu. Dla przykładu, jeśli używany jest frez o średnicy 6 mm, najmniejszy możliwy promień wewnętrzny wyniesie 3 mm.
Projektanci często zalecają stosowanie promieni wewnętrznych o wartości co najmniej 130% promienia narzędzia, co zapewnia optymalną obróbkę i zmniejsza zużycie frezu.
Głębokość kieszeni i otworów
Kolejnym istotnym ograniczeniem jest stosunek głębokości do szerokości kieszeni lub otworu. Standardowo zaleca się, aby głębokość nie przekraczała czterokrotności szerokości.
Przekroczenie tej wartości może prowadzić do:
- Problemów z odprowadzaniem wiórów
- Zwiększonego ryzyka złamania narzędzia
- Pogorszenia jakości powierzchni
- Trudności z utrzymaniem dokładności wymiarowej
W przypadku głębokich otworów gwintowanych obciążenie koncentruje się głównie na pierwszych zwojach gwintu (do 1,5 × średnicy nominalnej). Z tego powodu gwinty dłuższe niż 3 × średnica nominalna są często zbędne z punktu widzenia wytrzymałości połączenia.
Cienkie ścianki
Obróbka elementów z cienkimi ściankami stanowi wyzwanie ze względu na:
- Ryzyko drgań i odkształceń podczas skrawania
- Możliwość uszkodzenia detalu przez siły skrawania
- Trudności z mocowaniem
Dla metali minimalna zalecana grubość ścianki wynosi około 0,8 mm, natomiast dla tworzyw sztucznych – 1,5 mm. Wartości te mogą się różnić w zależności od rodzaju materiału, jego właściwości mechanicznych oraz parametrów obróbki.
Podcięcia i zagłębienia
Standardowe frezowanie 3-osiowe ma ograniczone możliwości tworzenia podcięć i zagłębień. Wynika to z prostoliniowego ruchu narzędzia w trzech osiach, co uniemożliwia dotarcie do obszarów znajdujących się pod nawisami lub w głębokich, wąskich przestrzeniach.
Rozwiązaniem tego problemu może być zastosowanie:
- Frezowania 4- lub 5-osiowego
- Specjalnych narzędzi kątowych
- Podziału detalu na części, które można obrabiać oddzielnie
Frezowanie 3-osiowe nie pozwala na obróbkę skomplikowanych podcięć i zagłębień. Ograniczeniem jest prosty tor ruchu narzędzia. W takich przypadkach stosuje się maszyny 4- lub 5-osiowe albo narzędzia kątowe. Czasem rozwiązaniem jest podział detalu na mniejsze fragmenty i obróbka osobno.
Wpływ rozmiaru narzędzi na możliwości obróbki detali
Rozmiar narzędzi skrawających bezpośrednio wpływa na zakres możliwych do wykonania kształtów oraz na efektywność procesu frezowania CNC. Wybór odpowiedniego narzędzia stanowi kompromis między dokładnością, czasem obróbki a możliwościami technicznymi.
Ograniczenia małych narzędzi
Małe frezy (o średnicy poniżej 3 mm) pozwalają na tworzenie drobnych detali i mniejszych promieni wewnętrznych. Jednak ich stosowanie wiąże się z pewnymi ograniczeniami.
Mniejsze narzędzia są bardziej podatne na złamanie i wymagają zmniejszenia prędkości posuwu, co wydłuża czas obróbki. Ze względu na swoją delikatność, mogą powodować drgania podczas skrawania, co negatywnie wpływa na jakość powierzchni.
Obróbka mikroelementów (poniżej 2,5 mm) wymaga specjalistycznych mikrofrezów i często specjalnych ustawień maszyny. Takie operacje zaliczane są do mikrofrezowania, które rządzi się nieco innymi prawami fizyki niż standardowa obróbka.
Zasięg narzędzia
Długość narzędzia skrawającego określa maksymalną głębokość, na jaką można wykonać obróbkę. Typowo, efektywna długość skrawania frezu wynosi 3-4 razy jego średnicę.
Dłuższe narzędzia są narażone na:
- Zwiększone drgania
- Odchylenia od zadanej ścieżki
- Pogorszenie jakości powierzchni
- Szybsze zużycie
Przy projektowaniu głębokich kieszeni należy uwzględnić, że przestrzeń robocza maszyny CNC może być dodatkowo ograniczona przez długość narzędzia. Nawet jeśli teoretyczny zakres ruchu osi Z pozwala na obróbkę głębokiego elementu, rzeczywista głębokość może być limitowana przez maksymalną długość dostępnego narzędzia.
Wpływ na czas obróbki
Rozmiar narzędzia znacząco wpływa na czas i koszt obróbki:
- Większe frezy usuwają materiał szybciej, ale nie mogą tworzyć małych detali
- Mniejsze frezy pozwalają na większą precyzję, ale wydłużają czas obróbki
- Zmiana narzędzi podczas procesu (np. z większego na mniejszy) wymaga dodatkowego czasu
Optymalny dobór narzędzi polega na zastosowaniu jak największych frezów do zgrubnego usuwania materiału, a następnie stopniowe przechodzenie do mniejszych narzędzi dla dokładniejszego wykończenia. Takie podejście pozwala zrównoważyć czas obróbki z jakością końcowego produktu.
Strategie kompensacji ograniczeń
Nowoczesne oprogramowanie CAM oferuje zaawansowane strategie obróbki, które pomagają zoptymalizować wykorzystanie narzędzi różnych rozmiarów:
- Obróbka resztkowa – automatyczne wykrywanie obszarów, które nie zostały obrobione większym narzędziem i dokończenie ich mniejszym
- Adaptacyjne ścieżki skrawania – dostosowanie ścieżki narzędzia do geometrii detalu, co zmniejsza obciążenie narzędzia
- Optymalizacja zagłębienia – kontrolowane zagłębianie narzędzia w materiał, co przedłuża żywotność frezu
Usługi frezowania CNC w CNC Partner
CNC Partner to firma specjalizująca się w precyzyjnej obróbce metali CNC. Przedsiębiorstwo oferuje kompleksowe usługi frezowania CNC, które charakteryzują się najwyższą jakością i dokładnością wykonania.
Zaawansowany park maszynowy
Firma dysponuje nowoczesnym parkiem maszynowym, który umożliwia realizację nawet najbardziej wymagających projektów.
W skład wyposażenia wchodzą:
- +GF+ Mikron VCE 1600 Pro – pole robocze: 1700 x 900 x 800 mm
- +GF+ Mikron VCE 800 – pole robocze: 800 x 500 x 540 mm
- AVIA VMC 800 V – pole robocze: 1000 x 550 x 600 mm
- AVIA VMC 650 V – pole robocze: 800 x 550 x 600 mm
Zróżnicowane wymiary pól roboczych pozwalają CNC Partner na obróbkę małych elementów oraz większych części przemysłowych.
Ciekawostka: Największa frezarka w CNC Partner, model +GF+ Mikron VCE 1600 Pro, pozwala na obróbkę elementów o wymiarach przekraczających 1,5 metra, co umożliwia realizację projektów dla przemysłu ciężkiego oraz lotniczego.
Specjalizacja materiałowa
CNC Partner wyróżnia się szerokim zakresem materiałów poddawanych obróbce.
Firma specjalizuje się w frezowaniu:
- Aluminium różnych gatunków (PA4/6082, PA6/2017, PA9/7075, PA11/5754, PA13/5083), które znajdują zastosowanie w przemyśle lotniczym, motoryzacyjnym i medycznym. Każdy gatunek aluminium wymaga specyficznego podejścia do obróbki ze względu na różnice w twardości, skrawalności i właściwościach mechanicznych.
- Stali konstrukcyjnych typu S235 oraz S355, powszechnie stosowanych w przemyśle kolejowym, samochodowym i budowlanym. Obróbka stali wymaga odpowiedniego doboru narzędzi (najczęściej z węglika spiekanego) oraz parametrów skrawania.
CNC Partner obrabia różne gatunki aluminium i stali, dopasowując narzędzia do właściwości materiału. Firma wykonuje elementy dla przemysłu lotniczego, motoryzacyjnego, medycznego oraz budownictwa. Dobór parametrów zależy od twardości i skrawalności metalu. Frezowanie prowadzone jest precyzyjnie i zgodnie z wymaganiami projektu.
Kompleksowa oferta usług
Oprócz frezowania CNC firma oferuje szereg komplementarnych usług obróbki metali:
-
Toczenie CNC – realizowane na obrabiarce HAAS SL-30THE z przelotem fi 76 mm, maksymalną średnicą toczenia fi 482 mm i długością toczenia 864 mm
-
Elektrodrążenie drutowe (WEDM) – wykonywane na dwóch maszynach +GF+ CUT 300SP o polu roboczym 550 x 350 x 400 mm
-
Szlifowanie CNC – realizowane na szlifierce +JUNG o polu roboczym 2000 x 1000 mm
Taka różnorodność technologii pozwala na kompleksową realizację złożonych projektów bez konieczności angażowania podwykonawców, co przekłada się na krótsze terminy realizacji i lepszą kontrolę jakości.
Problemy z obróbką skomplikowanych kształtów wewnętrznych
Obróbka skomplikowanych kształtów wewnętrznych stanowi jedno z największych wyzwań w technologii frezowania CNC. Ograniczenia wynikają zarówno z fizycznych właściwości procesu, jak i z konstrukcji maszyn oraz narzędzi.
Wyzwania z kanałami wewnętrznymi
Tworzenie złożonych kanałów wewnętrznych napotyka na szereg trudności.
Kanały zakrzywione lub spiralne są praktycznie niemożliwe do wykonania standardowymi metodami frezowania CNC. Wynika to z faktu, że narzędzia skrawające poruszają się po liniach prostych lub łukach w określonych płaszczyznach. Wykonanie zakrzywionego otworu wymagałoby, aby narzędzie mogło zmieniać kierunek wewnątrz materiału, co jest fizycznie niemożliwe.
W przypadku kanałów o zmiennym przekroju lub skomplikowanej geometrii dostęp narzędzia może być znacznie ograniczony lub niemożliwy. Standardowe frezy nie są w stanie dotrzeć do wszystkich obszarów takiego kanału.
Ciekawostka: Dla niektórych skomplikowanych kanałów wewnętrznych stosuje się alternatywne metody wytwarzania, takie jak druk 3D lub elektrodrążenie (EDM). W przypadku EDM, elektroda o odpowiednim kształcie może utworzyć złożone geometrie wewnętrzne bez konieczności fizycznego dostępu narzędzia do wszystkich obszarów.
Problemy z wewnętrznymi wnękami
Obróbka wewnętrznych wnęk o złożonych kształtach stwarza następujące problemy:
- Trudności z odprowadzaniem wiórów z głębokich wnęk
- Ograniczony dostęp narzędzia do narożników i zakamarków
- Ryzyko kolizji uchwytu narzędzia z obrabianym materiałem
- Konieczność stosowania specjalnych strategii obróbki
Dla wnęk o głębokości przekraczającej czterokrotność ich szerokości, efektywna obróbka staje się znacznie trudniejsza. Wiąże się to z problemami z chłodzeniem, odprowadzaniem wiórów oraz utrzymaniem stabilności narzędzia.
Ograniczenia w tworzeniu ostrych krawędzi
Tworzenie ostrych krawędzi wewnętrznych jest jednym z fundamentalnych ograniczeń frezowania CNC:
- Każdy narożnik wewnętrzny będzie miał promień równy co najmniej promieniowi narzędzia
- Mniejsze promienie wymagają mniejszych narzędzi, co wydłuża czas obróbki
- Bardzo małe promienie (poniżej 1 mm) zwiększają ryzyko złamania narzędzia
Dla aplikacji wymagających idealnie ostrych narożników wewnętrznych konieczne może być zastosowanie alternatywnych metod, takich jak elektrodrążenie lub cięcie wodą.
Ograniczenia związane z dostępem narzędzia do trudno dostępnych miejsc
Dostęp narzędzia do wszystkich obszarów obrabianego detalu stanowi kluczowe ograniczenie w technologii frezowania CNC. Problem ten jest szczególnie widoczny przy obróbce złożonych geometrii z głębokimi wnękami, podcięciami lub elementami wymagającymi obróbki pod różnymi kątami.
Podcięcia i elementy nawisowe
Podcięcia stanowią szczególne wyzwanie dla standardowych frezarek 3-osiowych.
W tradycyjnym frezowaniu 3-osiowym narzędzie porusza się prostopadle do płaszczyzny obróbki, co uniemożliwia dotarcie do obszarów znajdujących się pod nawisami lub wymagających obróbki od spodu. Takie elementy jak wpusty typu jaskółczy ogon, podcięcia pod kątem czy wewnętrzne występy są trudne lub niemożliwe do wykonania bez specjalnych rozwiązań.
Standardowe rozwiązania tego problemu obejmują:
- Zmianę orientacji detalu podczas obróbki (wymaga dodatkowych mocowań)
- Podział modelu na części, które można obrabiać oddzielnie
- Zastosowanie specjalnych narzędzi kątowych (ograniczona skuteczność)
Podcięcia wymagają niestandardowego podejścia, ponieważ frezarka 3-osiowa nie dociera do trudno dostępnych miejsc. Obróbka takich elementów wymusza zmianę ustawienia detalu, użycie narzędzi kątowych lub podział modelu. Każde z tych rozwiązań zwiększa czas pracy i wymaga precyzji. W wielu przypadkach lepszym wyborem jest zastosowanie maszyny 5-osiowej.
Głębokie kieszenie i otwory
Obróbka głębokich kieszeni i otworów napotyka na następujące ograniczenia:
- Maksymalna głębokość obróbki jest limitowana długością dostępnych narzędzi
- Długie, smukłe narzędzia są podatne na drgania i odkształcenia
- Trudności z odprowadzaniem wiórów z głębokich otworów
- Problemy z chłodzeniem w głębokich wnękach
Dla otworów o stosunku głębokości do średnicy większym niż 10:1 często stosuje się specjalne wiertła do głębokich otworów lub techniki wiercenia działowego, które zapewniają lepsze odprowadzanie wiórów i chłodzenie.
Wpływ geometrii narzędzia na dostępność
Kształt i wymiary narzędzia skrawającego bezpośrednio wpływają na możliwość dotarcia do trudno dostępnych miejsc:
Standardowe frezy mają ograniczony stosunek długości do średnicy, co wpływa na ich sztywność. Typowo, efektywna długość skrawania wynosi 3-4 razy średnicę narzędzia. Przekroczenie tej wartości zwiększa ryzyko drgań i odkształceń.
Uchwyty narzędziowe mogą kolidować z obrabianym detalem, ograniczając dostęp do głębokich wnęk lub obszarów położonych blisko wysokich ścian. Problem ten jest szczególnie widoczny przy obróbce małych kieszeni o dużej głębokości.
Strategie minimalizacji problemów z dostępem
Nowoczesne podejście do projektowania uwzględnia ograniczenia dostępu narzędzia:
- Unikanie głębokich, wąskich kieszeni na rzecz szerszych, płytszych geometrii
- Projektowanie z uwzględnieniem kierunku obróbki
- Dodawanie pochyleń ścian w głębokich wnękach (min. 0,5° na stronę)
- Uwzględnianie promieni narożnych odpowiadających dostępnym narzędziom
Projektowanie części z myślą o frezowaniu zwiększa efektywność i zmniejsza ryzyko błędów. Szersze kieszenie, pochylone ściany i promienie narożne dopasowane do narzędzi ułatwiają obróbkę. Dobrze dobrany kształt skraca czas pracy i poprawia jakość powierzchni. Uwzględnienie kierunku frezowania eliminuje potrzebę stosowania skomplikowanych rozwiązań.
Rozwiązania technologiczne dla pokonania ograniczeń frezowania CNC
Mimo naturalnych ograniczeń frezowania CNC, istnieje szereg rozwiązań technologicznych, które pozwalają na ich przezwyciężenie lub zminimalizowanie. Nowoczesne podejście łączy zaawansowane maszyny, specjalistyczne narzędzia oraz innowacyjne strategie obróbki.
Frezowanie wieloosiowe
Frezowanie 4- i 5-osiowe stanowi przełom w możliwościach obróbki skomplikowanych kształtów.
Dodatkowe osie obrotu pozwalają na ustawienie narzędzia pod różnymi kątami względem obrabianego detalu. Dzięki temu możliwe jest dotarcie do obszarów niedostępnych w tradycyjnym frezowaniu 3-osiowym, takich jak podcięcia, powierzchnie pod kątem czy złożone geometrie przestrzenne.
Frezowanie 5-osiowe umożliwia obróbkę całego detalu przy jednym zamocowaniu, co eliminuje błędy związane z ponownym pozycjonowaniem oraz skraca czas produkcji. Ta technologia jest szczególnie cenna przy wytwarzaniu elementów o skomplikowanych, organicznych kształtach, takich jak łopatki turbin, implanty medyczne czy formy wtryskowe.
Ciekawostka: W zaawansowanym frezowaniu 5-osiowym stosuje się technikę obróbki symultanicznej, gdzie wszystkie osie poruszają się jednocześnie, śledząc złożone kontury. Pozwala to na utrzymanie optymalnego kąta narzędzia względem obrabianej powierzchni, co znacząco poprawia jakość wykończenia.
Specjalistyczne narzędzia
Rozwój technologii narzędziowej oferuje nowe możliwości pokonywania ograniczeń:
- Frezy o zmiennej geometrii ostrzy – redukują drgania i umożliwiają szybszą obróbkę
- Narzędzia o wydłużonym zasięgu – pozwalają na obróbkę głębszych wnęk
- Mikrofrezy – umożliwiają tworzenie drobnych detali i mniejszych promieni
- Frezy kulowe – idealne do obróbki powierzchni krzywoliniowych
- Frezy kątowe – ułatwiają dostęp do podcięć i powierzchni pochylonych
Nowoczesne narzędzia zwiększają możliwości frezowania i skracają czas pracy. Frezy kulowe sprawdzają się przy krzywiznach, a mikrofrezy przy drobnych detalach. Modele o wydłużonym zasięgu docierają do głębokich wnęk. Narzędzia kątowe ułatwiają obróbkę podcięć. Zmienna geometria ostrzy ogranicza drgania i poprawia jakość powierzchni.
Hybrydowe metody wytwarzania
Łączenie różnych technologii pozwala na przezwyciężenie ograniczeń pojedynczej metody.
Kombinacja frezowania CNC z elektrodrążeniem (EDM) umożliwia tworzenie złożonych geometrii wewnętrznych. EDM pozwala na wytwarzanie ostrych narożników wewnętrznych, głębokich szczelin oraz skomplikowanych kształtów, które są niemożliwe do uzyskania poprzez samo frezowanie.
Integracja technologii addytywnych (druk 3D) z obróbką CNC łączy swobodę kształtowania charakterystyczną dla druku 3D z precyzją wymiarową frezowania. Ta hybrydowa metoda jest szczególnie przydatna przy wytwarzaniu części z wewnętrznymi kanałami chłodzącymi, pustymi przestrzeniami czy skomplikowanymi strukturami wewnętrznymi.
Zaawansowane strategie obróbki
Nowoczesne oprogramowanie CAM oferuje zaawansowane strategie, które maksymalizują możliwości frezowania CNC:
- Obróbka trochoidalna – pozwala na efektywne usuwanie materiału przy mniejszym obciążeniu narzędzia
- Adaptacyjne ścieżki skrawania – dostosowują parametry obróbki do lokalnej geometrii detalu
- Obróbka resztkowa – automatycznie wykrywa obszary wymagające dokończenia mniejszym narzędziem
- Symulacja obróbki – pozwala na wykrycie potencjalnych problemów przed rozpoczęciem rzeczywistej obróbki
Połączenie tych strategii z odpowiednim doborem narzędzi i parametrów skrawania pozwala na znaczne rozszerzenie możliwości frezowania CNC, przesuwając granice tego, co można wykonać.
Podsumowanie
Frezowanie CNC, mimo swoich licznych zalet, podlega określonym ograniczeniom wynikającym z fizyki procesu skrawania, geometrii narzędzi oraz konstrukcji maszyn. Kluczowe ograniczenia obejmują niemożność tworzenia idealnie ostrych narożników wewnętrznych, trudności z obróbką głębokich kieszeni czy problemów z dostępem narzędzia do podcięć i elementów nawisowych.
Rozmiar i geometria narzędzi skrawających bezpośrednio wpływają na zakres możliwych do wykonania kształtów. Mniejsze narzędzia pozwalają na tworzenie drobniejszych detali, ale wydłużają czas obróbki i są bardziej podatne na złamanie. Długie, smukłe narzędzia umożliwiają obróbkę głębszych wnęk, jednak kosztem stabilności i dokładności.
Nowoczesne rozwiązania technologiczne, takie jak frezowanie wieloosiowe, specjalistyczne narzędzia czy hybrydowe metody wytwarzania, pozwalają na przezwyciężenie wielu z tych ograniczeń. Zaawansowane strategie obróbki implementowane w oprogramowaniu CAM dodatkowo rozszerzają możliwości frezowania CNC.
Świadomość ograniczeń technologii CNC oraz znajomość dostępnych rozwiązań są niezbędne dla efektywnego projektowania części przeznaczonych do obróbki. Uwzględnienie tych czynników na etapie projektowania pozwala na optymalizację procesu produkcyjnego, redukcję kosztów oraz uniknięcie problemów z wykonalnością.
Firmy takie jak CNC Partner, dysponujące zaawansowanym parkiem maszynowym i szerokim zakresem usług, są w stanie sprostać nawet najbardziej wymagającym wyzwaniom, oferując kompleksowe rozwiązania w zakresie obróbki metali.
Źródła:
- https://www.cs.cmu.edu/~rapidproto/students.06/ibrown/CNC%20Mill/limitations.html
- https://en.wikipedia.org/wiki/Computer_numerical_control
- https://gab.wallawalla.edu/~ralph.stirling/classes/engr480/examples/nvx/NVX/Helpful%20Docs/Xometry_DesignGuide_CNCMachining.pdf
- https://gab.wallawalla.edu/~ralph.stirling/classes/engr480/examples/nvx/NVX/Helpful%20Docs/CNC_Machining_The_Complete_Engineering_Guide.pdf
- https://www.academia.edu/116555960/A_Review_in_Capabilities_and_Challenges_of_5_Axis_CNC_Milling_Machine_Tool_Operations
- https://www.imse.iastate.edu/files/2019/08/HouGuangyu-dissertation.pdf
- https://gab.wallawalla.edu/~ralph.stirling/classes/engr480/examples/nvx/NVX/Helpful%20Docs/CNC_Machining_The_Complete_Engineering_Guide.pdf