Hoe de juiste frees te kiezen voor een CNC project

Het kiezen van de juiste frees voor het draaien op je CNC machine kan een behoorlijk complexe taak zijn. Er komen veel variabelen bij kijken, zoals freeslengte, geometrie, profieltype, materiaal, terwijl er verschillende afwegingen moeten worden gemaakt: prestaties, kosten, oppervlakteafwerking, standtijd,...

"Wat is een frees eigenlijk, is het zoiets als een boor?"

Het is een gebruikelijke vraag die vaak gesteld wordt omdat terminologieën vaak door elkaar gehaald worden, maar het antwoord is nee.

Een boor is ontworpen om direct in het materiaal te steken en alleen gaten te maken, terwijl een frees zijdelings in het materiaal kan snijden en sleuven of profielen kan maken. Bovendien zijn de meeste frezen ontworpen om in het midden te frezen, wat betekent dat ze ook in het materiaal kunnen steken, waardoor ze veel veelzijdiger zijn dan boren.

Dit artikel is bedoeld om de basisprincipes van freeswetenschap uit te leggen en antwoord te geven op de simpele vraag die je misschien hebt: welke frees moet ik gebruiken op mijn CNC machine?

Drie belangrijke factoren zullen uw keuze beïnvloeden:

• Welke vormen wil je frezen (2D contour, 3D vorm, gaten, ...)?
• Wat voor soort materiaal wil je frezen?
• Wat zijn je doelen op het gebied van prestaties en oppervlakteafwerking, terwijl je de kosten aanvaardbaar houdt en binnen de mogelijkheden van je CNC machine blijft?

Het beantwoorden van deze vragen helpt je bij het bepalen van de gewenste geometrie van het gereedschap, gebaseerd op het type project, het materiaal dat wordt gesneden en de gewenste oppervlakteafwerking. Laten we dus in de theorie duiken en deze vragen later beantwoorden met enkele concrete voorbeelden.

De belangrijkste kenmerken die gebruikt worden om een frees te beschrijven, worden hieronder geïllustreerd.

Bovenop deze geometrische kenmerken worden frezen gekarakteriseerd door hun type, aantal groeven, materiaal (en coating). In een klassieke catalogus zou de bovenstaande frees dus beschreven worden als:

• Type: vlakke kop
• Aantal groeven: 4
• Materiaal: volhardmetaal
• Schachtdiameter: 6mm
• Diameter snijder: 6mm
• Totale lengte: 50mm
• Groeflengte: 22mm
• Spiraalhoek: 45°

Elk van deze kenmerken heeft een directe invloed op hoe de frees zich gedraagt tijdens een bewerking en op de snijmogelijkheden in termen van prestaties en vormen.

Welke maat frees moet ik gebruiken?

Stel dat u een zeer diepe kamer wilt frezen in een hoog onderdeel. Je hebt een lang gereedschap nodig om de bodem te kunnen bewerken zonder dat je spindeldoorn tegen de materiaalvoorraad botst. De lengte van je freeswordt dus bepaald door hoe diep hij in het materiaal moet doordringen. Het concept dat bij deze observatie hoort heet "stickout". Het wordt gedefinieerd door de afstand van het uiteinde van de gereedschaphouder tot de punt van de frees.

Houd er ook rekening mee dat de snijdiepte nooit groter mag zijn dan de lengte van de snijkanten van je frees. Als je dieper snijdt dan de lengte van de groeven, zullen de spanen niet goed wegkomen, zal er hitte ontstaan en loop je het risico dat je gereedschap beschadigd raakt.

Op dit punt lijkt het misschien slim om frezen te kopen die zo lang mogelijk zijn om de flexibiliteit te hebben om ze in meer situaties te gebruiken, toch? Dat is eigenlijk niet het geval, want hoe meer uitsteek, hoe minder stijf een gereedschap is. Als het te ver uitsteekt en je bewerkt het te veeleisend, zullen de snijkrachten het buigen, wat "doorbuiging van het gereedschap" wordt genoemd.

Doorbuiging van het gereedschap kan eigenlijk heel problematisch zijn, omdat het leidt tot

Kortom, kortere frezen zijn stijver en goedkoper. Dus bewaar de extra lange frezen voor toepassingen waar ze echt nodig zijn.

Schacht- en freesdiameter

De diameter van je gereedschap heeft een directe invloed op de profielen die je kunt zagen. Laten we zeggen dat je een doos wilt maken en deze in elkaar wilt zetten met behulp van 90° in elkaar grijpende verbindingen.

Aangezien je gereedschap een cilinder is met een bepaalde radius, zal het niet mogelijk zijn om het als zodanig te doen. Het gereedschap zal namelijk in elke binnenhoek een cirkelvormig profiel achterlaten, met een straal gelijk aan de helft van de diameter. Hoe groter de diameter van je frees, hoe groter de radius van dit cirkelvormige profiel. Om dit probleem op te lossen, gebruiken CNC operators zogenaamde "dogbones". Hondebeenhoeken beschrijven de vorm van een hoek die wordt verlengd buiten het snijgebied om een perfecte hoek van 90º te creëren.

Aan de andere kant biedt het vergroten van de diameter van je gereedschap twee belangrijke voordelen.

Ten eerste maakt het je gereedschap stijver, waardoor je diepere zaagsneden kunt maken terwijl de doorbuiging van het gereedschap minimaal is. Veel stijver eigenlijk, want als je de diameter met 2x vergroot, neemt de stijfheid met een factor 16 toe.

Ten tweede verbetert het uw MMR (Material Removal Rate) omdat de frees meer materiaal per tijdseenheid kan verwijderen als hij in het materiaal beweegt, waardoor u bepaalde bewerkingen kunt optimaliseren en hetzelfde werk sneller kunt doen.

Hoeveel groeven moet ik kiezen?

Freesgroeven zijn de diepe spiraalvormige groeven die spaanvorming en -afvoer mogelijk maken. Zij zijn het deel van de anatomie van de frees dat de scherpe snijkanten (ook wel "tanden" genoemd) creëert.

Het aantal groeven op je frees is een cruciale parameter die vooral afhangt van het materiaal dat je wilt snijden en van de mogelijkheden van je machine. Het aantal groeven op je frees heeft namelijk invloed op:

• de voedingssnelheid van je machine,
• de oppervlakteafwerking van je werkstuk,
• en het vermogen van het gereedschap om spanen te verwijderen.

De voedingssnelheid is inderdaad direct gekoppeld aan het aantal groeven van je frees: als je groeven toevoegt, moet je de voedingssnelheid verhogen of de rotatiesnelheid van je spindel verlagen om de spaanbelasting constant te houden. Dus, afhankelijk van de snelheidsmogelijkheden van je CNC-machine en je spindel, moet je misschien een frees met minder/meer groeven kiezen.

Als je niet bekend bent met deze concepten, raden we je aan om ons artikel over aanzetten en snelheden te lezen .

Ten tweede zorgt het hebben van meer groeven op een gereedschap voor gladdere snedes, maar het laat ook minder ruimte over voor de afvoer van spanen. Dit kan op de een of andere manier over het hoofd gezien worden als je zachte materialen zaagt, maar helemaal niet als je bijvoorbeeld aluminium zaagt. De reden hiervoor is dat aluminium zeer grote spanen produceert in vergelijking met andere materialen. Dus wanneer de frees in een gat of gleuf freest, bieden de groeven een cruciaal pad voor de spanen om te ontsnappen.

Dat verklaart waarom het aan te raden is om 1 of 2 groeven frezen te gebruiken bij aluminium, omdat die meer spaanafvoer hebben dan een frees met 4 groeven, waar de spanen geleidelijk vast komen te zitten, waardoor de snijkanten van je gereedschap elkaar overlappen en uiteindelijk breken.

Kortom, minder spaangroeven zijn het beste voor spaanafvoer, terwijl meer spaangroeven zorgen voor een gladder oppervlak.

Moet mijn spiraalhoek hoog of laag zijn?

Frezen voor algemeen gebruik hebben meestal een spiraalhoek van rond de 30°. Een grotere spiraalhoek vermindert de snijkrachten en de hoeveelheid warmte en trillingen die vrijkomen tijdens het freesproces. Daarom produceren frezen met een grotere spiraalhoek vaak een betere oppervlakteafwerking op het werkstuk.

Helaas heeft dit een nadeel. De frees is zwakker en kan geen grote snededieptes aan met hoge voedingssnelheden. Dus frezen met een lagere spiraalhoek zijn sterker, maar ze geven een minder glad oppervlak.

Er zijn evenveel verschillende soorten frezen als er mogelijke snijbewerkingen zijn: profileren, contourfrezen, sleuven frezen, tegenboren, boren,... Hier is een kort overzicht van de belangrijkste.

• Vierkante frezen zijn de meest voorkomende en kunnen gebruikt worden voor veel freestoepassingen, waaronder sleuven maken, profileren en invalfrezen.
• Frezen met hoekradius hebben licht afgeronde hoeken die de snijkrachten gelijkmatig verdelen om schade aan de frees te voorkomen en de levensduur te verlengen. Ze kunnen groeven maken met een vlakke bodem en licht afgeronde binnenhoeken.
• Grove frezen worden gebruikt om snel grote hoeveelheden materiaal te verwijderen tijdens zware bewerkingen. Hun ontwerp zorgt voor weinig tot geen trillingen, maar laat een ruwere afwerking achter.
• Conische frezen zijn centerfrezen die gebruikt kunnen worden om te pendelen en zijn ontworpen om schuine sleuven te frezen. Ze worden meestal gebruikt in spuitgietmatrijzen en matrijzen.
• Kogelsegmentfrezen hebben afgeronde punten en worden gebruikt om 3D-vormen of afgeronde groeven te frezen.
• T-sleuf frezen kunnen gemakkelijk nauwkeurige spiebanen en T-sleuven frezen om werktafels of andere soortgelijke toepassingen te maken.
• Frezen met rechte groeven hebben een spiraal van nul graden. Ze werken goed voor materialen waar het hefeffect van een spiraalgroef ongewenste resultaten zou kunnen veroorzaken, zoals hout, kunststoffen en composieten. Voor deze materialen minimaliseert de rechte spiraal het rafelen van de randen en zorgt voor een betere oppervlakteafwerking dan schuine frezen voor algemeen gebruik.

Als je CNC frees met de klok mee draait, bepaalt de spiraalrichting van de frezen of de spanen naar de boven- of onderkant van het werkstuk worden uitgeworpen.

Upcut frezen zijn de meest conventionele frezen en trekken de spanen weg van het materiaal, wat een zeer belangrijke eigenschap is voor de meeste freesbewerkingen op veel verschillende materialen. Het heeft een nadeel als je gelamineerde materialen wilt snijden, omdat het een slechtere oppervlakteafwerking achterlaat aan de bovenkant van het werkstuk.

Een naar beneden gerichte frees heeft het voordeel dat de spanen naar beneden worden geduwd, waardoor er een schonere snede aan de bovenkant overblijft, maar dan wordt ook de onderkant rafelig.

Combineer een upcut en een downcut en je hebt een compressiefrees, waarbij de groeven upcuts zijn op het onderste deel van de gereedschapslengte en downcuts op het bovenste deel. Deze eigenschap maakt ze een zeer goede kandidaat voor het zagen van multiplex, composieten en laminaten. Probeer er een te gebruiken om een plaat multiplex in één werkgang te zagen en je zou schonere randen aan beide kanten moeten krijgen.

Dit gedeelte zou een heel artikel kunnen verdienen, dus laten we het beknopt houden en het hebben over de twee belangrijkste materialen die gebruikt worden om snijgereedschappen te maken: HSS en hardmetaal.

• High-Speed Steel (HSS) is de goedkoopste van de twee, het biedt een goede slijtvastheid en kan gebruikt worden om veel materialen te frezen, zoals hout, metalen,...
• Coated Carbide frezen zijn duurder dan HSS frezen, maar ze bieden een betere stijfheid en kunnen 2 tot 3 keer sneller draaien dan HSS. Ze zijn ook extreem hittebestendig, waardoor ze ook geschikt zijn om taaiere materialen te frezen.

Zijn hardmetalen frezen dan het extra geld waard? Ja, zeker!

Omdat ze veel sneller kunnen draaien dan HSS, zullen ze de productiviteit van je machine aanzienlijk verhogen. Ze zijn ook duurzamer en hebben een langere standtijd, waardoor ze de investering waard zijn.

Een andere eenvoudige manier om de prestaties van je frezen te verhogen is door een goede coating aan te brengen. De meest gebruikte, TiAlN (Titanium aluminium nitride), zorgt ervoor dat je gemiddeld 25% sneller kunt frezen zonder al te veel geld uit te geven.

Als je niet al te veel geeft om prestaties, kies dan hardmetalen frezen met een diameter van 8 mm of minder. Overweeg HSS voor grotere frezen om wat geld te besparen, als de stijfheid van het gereedschap gecompenseerd kan worden door de grotere diameter. Trouwens, als je begint met CNC frezen, vergeet dan niet dat je fouten kunt maken en een paar frezen kunt breken voordat je het goed hebt, ook dan kun je beter HSS frezen gebruiken.

Laten we onze oorspronkelijke vragen beantwoorden met een voorbeeld: ik wil een klein dienblad frezen.