Hoe CNC-metaalgraveurs werken: mechanismen, workflow en precisie

De kern elektronische en mechanische architectuur

De kern van een CNC-metaalgraveur (Computer Numerical Control) is een verfijnde relatie tussen digitale instructies en fysieke beweging. Het proces begint met de controleur , dat fungeert als het brein van de machine. Het ontvangt G-code, een programmeertaal die coördinaatgegevens bevat, en vertaalt deze digitale zinnen in elektrische laagspanningspulsen. Deze pulsen worden naar de stepper- of servo-drivers , die de signalen versterken om de motoren van stroom te voorzien.

De motoren zetten deze elektrische energie vervolgens om in nauwkeurige rotatiebewegingen. Bij metaalgraveren met hoge precisie moet deze rotatie met microscopische nauwkeurigheid worden omgezet in lineaire beweging. Dit wordt bereikt door het transmissiesysteem, dat het portaal (X- en Y-as) en de spilbevestiging (Z-as) beweegt. De rigiditeit van dit hele systeem is van het grootste belang; In tegenstelling tot bovenfreesmachines voor houtbewerking moet een metaalgraveur aanzienlijke afbuigkrachten weerstaan ​​om "chatter" te voorkomen, wat een slechte oppervlakteafwerking en kapotte gereedschappen veroorzaakt.

Transmissiesystemen: kogelomloopspindels versus tandheugel

De methode die wordt gebruikt om de assen van de machine te verplaatsen, heeft een aanzienlijke invloed op de resolutie en geschiktheid voor het graveren van fijne details. Er zijn twee primaire transmissietypen die worden aangetroffen in CNC-metaalgraveurs:

• Transmissie met kogelomloopspindel: Dit is de gouden standaard voor metaalgraveren met hoge precisie. Een as met schroefdraad loopt door een moer gevuld met recirculerende kogellagers. Terwijl de schroef draait, beweegt de moer lineair, vrijwel zonder speling (speling). Dit mechanisme zorgt voor extreem soepele bewegingen en een hoge koppeloverdracht, wat essentieel is om een ​​frees door harde metalen zoals roestvrij staal te duwen zonder zijn positie te verliezen.
• Tandheugel: Dit systeem, dat gebruikelijk is op grotere, snellere machines, maakt gebruik van een tandwiel (rondsel) dat in ingrijping is met een getande rupsband (heugel). Hoewel het een hoge snelheid en een onbeperkte reislengte biedt, heeft het inherent iets meer speling dan een kogelomloopspindel. Voor microscopische graveertaken kan dit kleine spel resulteren in iets minder gedefinieerde hoeken, waardoor het minder ideaal is voor het markeren van sieraden of fijne instrumenten, maar wel geschikt is voor grootschalige bewegwijzering.

Mechanismeen voor materiaalverwijdering: roterend versus laser

"Graveren" kan verwijzen naar twee zeer verschillende fysieke processen, afhankelijk van de gereedschapskop die op de CNC-machine is geïnstalleerd. Het begrijpen van het onderscheid is essentieel voor het kiezen van de juiste workflow.

De digitale workflow: CAD naar beweging

De machine "ziet" geen ontwerp; het volgt alleen coördinaten. De workflow zet artistieke bedoelingen om in wiskundige paden:

• CAD (computerondersteund ontwerp): De gebruiker maakt een 2D-vector of 3D-model van het onderdeel. Bij graveren definiëren vectoren de grenzen van letters of vormen.
• CAM (computerondersteunde productie): Deze software genereert de toolpaths. De gebruiker moet het gereedschap (bijvoorbeeld 60 graden V-bit), de snedediepte en de snelheid definiëren. De CAM-software berekent het exacte pad dat het gereedschapscentrum moet afleggen om de gewenste geometrie te bereiken.
• G-code generatie: De CAM-uitvoer is een tekstbestand met opdrachten zoals G01 X10 Y10 Z-0,5 F200 . Dit vertelt de machine om lineair te bewegen om 10,10 te coördineren, in te duiken tot een diepte van 0,5 mm, met een voedingssnelheid van 200 mm/minuut.
• Besturingssoftware: Software zoals Mach3, GRBL of UGS stuurt deze code regel voor regel naar de machinecontroller en beheert de realtime versnelling en vertraging.

Kritieke subsystemen: koeling en spaanevacuatie

Het graveren van metaal genereert aanzienlijke hitte als gevolg van wrijving. Als deze hitte niet wordt beheerst, kan het graveerbit onmiddellijk uitgloeien (verzachten) en dof worden, of kunnen aluminiumspanen smelten en aan de frees lassen ("vreten").

Mist-koelvloeistofsystemen zijn het meest gebruikelijk voor graveren. Ze gebruiken perslucht om een ​​kleine hoeveelheid smeermiddel in een fijne mist te vernevelen. Dit heeft een tweeledig doel: de luchtstoot verwijdert spanen uit het graveerpad, zodat de frees ze niet opnieuw snijdt (waardoor de punten breken), en het smeermiddel vermindert de wrijving. Voor hardere metalen of diepere sneden, Vloed-koelvloeistof kan worden gebruikt, waarbij een continue stroom vloeistof over het onderdeel stroomt, hoewel hiervoor een volledige behuizing nodig is om de rommel op te vangen.

Praktische strategieën voor het vasthouden van werk

Bij het graveren van metaal moet het werkstuk steviger worden vastgehouden dan bij het frezen van hout. Zelfs microscopisch kleine trillingen kunnen de kwetsbare punten van graveerbits verbrijzelen.

• Precisiemachineklemmen: Het beste voor vierkante of rechthoekige voorraad. Ze zorgen voor een enorme verpletterende kracht om te voorkomen dat het onderdeel omhoog komt.
• Vacuümtafels: Ideaal voor dunne platen (zoals naamplaatjes) die in een bankschroef kunnen buigen. Een vacuümpomp zuigt de plaat plat tegen de tafel, waardoor een uniforme graveerdiepte over het gehele oppervlak wordt gegarandeerd.
• Superlijm en tape: Een "constructieve hack" voor kleine, onregelmatige platte delen is de "tape en lijm"-methode. Er wordt afplaktape aangebracht op zowel het machinebed als het onderdeel, en met secondelijm worden de twee tapeoppervlakken met elkaar verbonden. Dit geldt verrassend goed voor de lichte graveerkrachten zonder residu achter te laten op het metaal.

Materiaalspecifieke uitdagingen: aluminium versus roestvrij staal

De "persoonlijkheid" van het metaal bepaalt hoe de CNC moet werken.

Aluminium is zacht maar "gomachtig". Het heeft de neiging om aan het gereedschap te blijven plakken. De machine moet met hoge spilsnelheden (RPM) draaien om spanen snel uit te werpen, en smering is niet onderhandelbaar om vastlopen te voorkomen. Een scherp, gepolijst hardmetalen bit is essentieel.

Roestvrij staal is moeilijk en vatbaar voor 'werkverharding', wat betekent dat het moeilijker wordt naarmate het warmer wordt. Voor het graveren van staal zijn lagere toerentallen nodig om de hitte te verminderen, maar een hoger koppel. De machine moet extreem stijf zijn; elke buiging in het frame zorgt ervoor dat het gereedschap stuitert en waarschijnlijk breekt. Gecoate bits (zoals AlTiN) worden vaak gebruikt om bestand te zijn tegen de hoge temperaturen die aan de snijkant ontstaan.

De Z-Zero instellen: de sleutel tot diepteconsistentie

Misschien wel de meest kritische praktische stap bij het graveren is het instellen van de "Z-Zero": de starthoogte van het gereedschap. Omdat gravures vaak slechts 0,1 mm tot 0,3 mm diep zijn, kan een fout van slechts 0,05 mm de gravure onzichtbaar of te diep maken.

Operators gebruiken doorgaans een aanraaksonde (een geautomatiseerde puck die een circuit voltooit wanneer het gereedschap deze aanraakt) om de exacte hoogte van het materiaaloppervlak vast te stellen. Als alternatief houdt de "papiermethode" in dat u het gereedschap laat zakken totdat het een stuk papier lichtjes tegen het werkstuk drukt, en vervolgens nul instelt (rekening houdend met de dikte van het papier). Voor oneffen oppervlakken gebruiken sommige geavanceerde controllers 'auto-nivellering', waarbij de machine een raster van punten op het oppervlak tast en de G-code vervormt om perfect overeen te komen met de kromming van het materiaal.