Grundlagen des CNC-Fräsens: Werkzeugwege und Vorschübe

Was ist eine Oberfräse?

Bevor man über eine CNC-Oberfräse spricht oder sie benutzt, sollte man wissen, wie man eine handgeführte Oberfräse benutzt. Eine typische Oberfräse hat einen Motor (möglicherweise mit variabler Geschwindigkeit), eine Höhenverstellung (entweder fest oder eintauchend) und eine Spannzange, eine konische Feder, die, wenn sie zusammengedrückt wird, die nötige Reibung erzeugt, um das Schneidewerkzeug an seinem Platz zu halten.

Wenn Sie eine nicht computergesteuerte Oberfräse verwenden, sehen, hören und fühlen Sie, wie das Werkzeug mit sofortiger haptischer Rückmeldung schneiden kann. Wenn Sie Zugang zu einer Oberfräse haben, spielen Sie mit ihr, bevor Sie versuchen, Werkzeugwege am Computer zu erstellen. Machen Sie eine schnelle Skizze auf einem 12 „x12“ großen Stück Sperrholz und verwenden Sie einen ¼-Zoll-Bohrer, um sie auszuschneiden. Wenn Sie mit einer festen Basis arbeiten (nicht mit einer Tauchfräse), müssen Sie ein 3/8-Zoll-Loch bohren, damit Sie die Oberfräse sicher in das Material einsetzen können. Stellen Sie den Fräser so ein, dass er pro Durchgang nicht mehr als 1/8 Zoll tief schneidet, und sichern Sie das Sperrholz auf dem Tisch. Beachten Sie, dass die Verwendung eines Oberfräsenbohrers mit einer anderen Tiefe als angegeben potenziell gefährlich sein kann. Verwenden Sie einen Bit, der kleiner als 3/8 Zoll ist, und verwenden Sie eine Stufe, die kleiner ist als der Radius des Bits.

Beginnen Sie den Schnitt in der Mitte Ihrer Form und arbeiten Sie sich spiralförmig vor. Versuchen Sie, sich in Richtung der skizzierten Linien zu bewegen, und stellen Sie fest, dass eine Richtung weitaus mehr Kontrolle und Genauigkeit bietet.

Was sind Werkzeugwege?

Ein Werkzeugweg ist die benutzerdefinierte, codierte Route, der ein Schneidwerkzeug folgt, um ein Teil zu bearbeiten. Sie werden auf dem Bildschirm durch Linien und Kurven dargestellt, die den Weg der unteren Mitte des Schneidwerkzeugs darstellen. Taschen-Werkzeugwege ätzen die Oberfläche des Materials, während Profil-Werkzeugwege den ganzen Weg durchschneiden.

Tasche

Der im obigen Handheld-Beispiel beschriebene Prozess wird als „Taschen“-Werkzeugweg bezeichnet. In Ihrem ersten Durchgang entfernen Sie alles innerhalb Ihrer Linien bis zu einer konstanten Tiefe von 1/8 Zoll unter der Oberfläche. Wenn Sie mehr als 1/8 Zoll entfernen möchten, machen Sie einfach eine Pause nach dem ersten Durchgang, senken den Fräser ab und entfernen in einem zweiten Durchgang 1/8 Zoll tiefer und so weiter.

Taschen-Werkzeugwege in RhinoCAM

Die roten Linien sind „Stift-nach-oben“-Verfahrlinien, bei denen die Oberfräse den Fräser anhebt und über die Oberfläche des Materials fährt, um zum nächsten Schnittpunkt zu gelangen. Der blau schattierte Bereich zeigt an, wo Material entfernt wird.

Taschen-Werkzeugwege in RhinoCAM

Profil

Wenn Sie Ihre Form ausschneiden möchten, anstatt Material innerhalb der Linien zu entfernen, würde der zu verwendende Werkzeugweg als Profil (oder Kontur) bezeichnet werden.

Profil-Werkzeugwege in RhinoCAM

Profil-Werkzeugwege werden geschnitten.

Die meisten CAM-Programme bieten eine scheinbar wahnsinnige Anzahl von Steuerelementen und Optionen im Werkzeugweg-Dialog. Lassen Sie sich nicht überwältigen und nehmen Sie sich die Zeit, sich langsam und nacheinander durch die einzelnen Registerkarten zu bewegen und sicherzustellen, dass Sie alle Optionen verstehen. Die wichtigsten Begriffe, die Sie aus dem obigen Experiment mit der Handoberfräse mitnehmen sollten, sind: Spindeldrehzahl, Vorschubgeschwindigkeit, Abwärts- und Aufwärtsschritt. Wir werden diese im Folgenden ausführlicher behandeln.

Klettern vs. konventionelle Schnittbewegung

Ein Standard-Fräser dreht sich im Uhrzeigersinn. Würde er der linken Seite der Linie folgen, wäre es ein Steilschnitt, würde er der rechten Seite der Linie folgen, wäre es eine konventionelle Schnittbewegung.

Steil- vs. konventioneller Schnitt

Der Hauptunterschied zwischen Steil- und konventionellem Schnitt besteht darin, wie der Fräser in das Material eindringt. Bei einem konventionellen Schnitt wird der Meißel zum Schnitt hin abgelenkt, bei einem Steilschnitt wird der Meißel weggedrückt. Der Steilschnitt wird bei der Verwendung einer CNC-Fräse oft bevorzugt, da er weniger Ausrisse verursacht. Bei einer nicht computergesteuerten Oberfräse kann das Steigfräsen jedoch gefährlich sein, da das Werkstück von Hand nur schwer zu kontrollieren ist und „weglaufen“ kann.

Im obigen Beispiel mit dem Handgerät wäre ein spiralförmiges Muster im Uhrzeigersinn von innen nach außen ebenfalls ein konventioneller Schnitt und bietet mehr Kontrolle, da wir bei der Verwendung von Handgeräten nur begrenzte Kraft haben. In vielen Holzbearbeitungsbüchern wird diese Methode sogar als die einzige sichere Richtung für den Einsatz eines Oberfräsbits bezeichnet.

Ein CNC-Router liefert jedoch in der Regel einen besseren Schnitt, wenn ein Steilschnitt verwendet wird, vor allem bei Massivholz, da er die Möglichkeit des Ausreißens entlang des Schnittvektors ausschließt. Machen Sie sich am Anfang nicht zu viele Gedanken darüber. Im Allgemeinen sollten Sie die Option wählen, die beides beinhaltet, wie z.B. „gemischt“, und die Software wählt aus, was verwendet werden soll.

Werkzeuge

Es gibt 4 Haupttypen von Nutenmustern für Oberfräser sowie viele Arten von Spezialbits.

• Gerade Spannut – großartiger Allround-Bit, gute Spanabfuhr
• Aufwärtsspirale – großartige Spanabfuhr, kann die Oberseite von dünnem Furnier wie z.B. Sperrholz ausreißen
• Abwärtsspirale – schlechte Spanabfuhr, kein Ausreißen, langsamere Vorschubgeschwindigkeit
• Kompression – Kombination aus Aufwärts- und Abwärtsspirale, großartiger Allround-Bit, großartig für Sperrholz oder laminierte Plattenware.

Jedes dieser Flötenmuster hat seine Schwächen. Wenn Geld keine Rolle spielt und Sie hauptsächlich Sperrholz in Fertigqualität schneiden, mag ich die Freud 77-202 oder 77-204 sehr. Gerade Rillen sind auch fantastisch, preiswert und unterschätzt.

3D Containment Boundaries

Ich ermutige Studenten, Zeit mit 2D-Schnitten zu verbringen, bevor sie vollständige 3D-Werkzeugwege verwenden. Dafür gibt es eine Reihe von Gründen, aber am wichtigsten ist, dass man sich die Zeit nimmt, die 2D-Bearbeitung zu verstehen, um die 3D-Parameter viel besser zu verstehen. Ich würde gerne zu einem späteren Zeitpunkt ausführlicher auf 3D eingehen, aber jetzt möchte ich erst einmal die Begrenzungen besprechen.

Anstatt Drahtgittergeometrie oder Kurven und Linien als primäre Eingabequelle zu verwenden, verwendet ein 3D-Werkzeugweg Flächen, die als „Antriebsflächen“ bezeichnet werden. Um das gewünschte Ergebnis zu erzielen, ist es oft notwendig, eine Begrenzungslinie zu verwenden. Dabei handelt es sich um eine Kurve, die die Grenzen der Bewegung in x und y auf der Antriebsfläche definiert. Das Wichtigste bei der Verwendung von Begrenzungen ist, dass sie über der Geometrie liegen müssen.

Typischerweise verschiebe ich das Modell vor dem Start nach unten auf die Konstruktionsebene und lege die Begrenzung auf die CPlane.

Vorschübe und Geschwindigkeiten

Die meisten Spindeln (der Begriff für die Oberfräse, die an Ihrem CNC-Fräser angebracht ist) laufen mit einer Geschwindigkeit von etwa 7.000 bis 18.000 U/min. Diese Geschwindigkeit wird als „Spindeldrehzahl“ bezeichnet und steht in direktem Zusammenhang mit dem Vorschub oder der Oberflächengeschwindigkeit, die bei den meisten Maschinen bis zu etwa 200 U/min beträgt. Die beiden anderen Variablen, Untersetzung und Übersetzung, sollten so gehalten werden, dass die Querschnittsfläche, die in das Material eingreift, nicht größer ist als der Radius mal dem Durchmesser des Bohrers. Dies ist eine Faustregel, aber es ist ein guter Ausgangspunkt für die Berechnung von Vorschub und Geschwindigkeit.

Zur Wiederholung:

• Spindeldrehzahl – Rotationsgeschwindigkeit des Schneidwerkzeugs in Umdrehungen pro Minute
• Vorschub – Oberflächengeschwindigkeit in der Mitte des rotierenden Werkzeugs
• Schrittweite – der Abstand in z-Richtung pro Durchgang, den ein Schneidwerkzeug Schritt nach unten – der Abstand in z-Richtung, den ein Schneidwerkzeug pro Durchgang in das Material eintaucht
• Schritt nach oben – der maximale Abstand in x/y-Richtung, den ein Schneidwerkzeug in ungeschnittenes Material eingreift

Berechnen von Vorschüben und Geschwindigkeiten

Nachfolgend finden Sie eine Formel zur Berechnung der Vorschubgeschwindigkeit:

Spanlast x Fräserdurchmesser x Anzahl der Schneiden x Spindeldrehzahl = Vorschub

Wobei die Spanlast die Menge des geschnittenen Materials pro Zahn (Vorschub pro Zahn) ist. Die Vorschubgeschwindigkeit ist die Oberflächengeschwindigkeit des Schneidwerkzeugs in Zoll pro Minute, die Spindeldrehzahl ist die Rotationsgeschwindigkeit des Schneidwerkzeugs in Umdrehungen pro Minute, die Anzahl der Spannuten und der Fräserdurchmesser werden durch Ihr Werkzeug bestimmt. In diesem Fall sind es ¼ Zoll und 2 Schneiden. Je nach Größe Ihres Werkzeugs liegt die Spanmenge für Sperrholz zwischen 0,005 Zoll und 0,01 Zoll pro Zahn. Bei kleinen Bits unter 1/8 Zoll beginnen Sie mit 0,005 Zoll und erhöhen von dort aus. Bei Bits ab 1/4 Zoll werden Sie wahrscheinlich nichts kaputt machen, wenn Sie mit 0,01 beginnen.

Die Größe der Spanlast oder des Vorschubs pro Zahn ist ein sehr wichtiger Faktor bei der Bearbeitung, größere Späne können mehr Wärme abführen. Kleinere Späne schonen die Maschine und die Werkzeuge, können aber zu viel Hitze verursachen. Sie wollen Späne herstellen, die beim Fallenlassen auf den Boden fallen und nicht zu Staub werden, der in der Luft bleibt.

Wenn Sie versuchen, Ihre Vorschübe und Geschwindigkeiten mit einem neuen Bohrer einzustellen, schätzen Sie so gut wie möglich anhand der Formel für Vorschübe und Geschwindigkeiten und berühren Sie den Bohrer, sobald er nach ein paar Schnitten aufhört, sich zu drehen (denken Sie daran: Sicherheit geht vor), er sollte warm sein, sich vielleicht etwas heiß anfühlen, aber Sie sollten sich nicht verbrennen. Wenn er zu heiß ist, erhöhen Sie den Vorschub oder verringern Sie die Spindeldrehzahl. Schauen Sie sich die Qualität der Kante nach dem Schnitt an. Wenn sie wellig ist, rattert das Werkzeug, und Sie sollten den Vorschub verringern oder die Spindeldrehzahl erhöhen.

Hören Sie auch auf Ihr Gehör, das Werkzeug sollte beim Schneiden gut klingen … vertrauen Sie auf Ihr Gefühl.

Einige Beispiele

Wenn wir unsere bekannten Variablen einsetzen, erhalten wir:

0,01 x 0.25 x 2 x 18000 = Vorschub = 90ipm

Wenn wir bedenken, dass wir den Bohrer nicht schneller als mit etwa 200ipm vorschieben wollen, könnten wir, wenn wir einen 1/2-Zoll-Bohrer mit 4 Nuten verwenden wollen, eher die Spindeldrehzahl als die Vorschubgeschwindigkeit ermitteln.

• 0,01 x 0,5 x 4 x Spindeldrehzahl = 200ipm
• Spindeldrehzahl = 10.000rpm

Es ist hilfreich, eine Tabelle zu erstellen, damit Sie die gesuchten Zahlen schnell finden können. Sie können gerne meine Tabelle für Vorschübe und Drehzahlen verwenden.

Tipps und Tricks zur Bearbeitung

Step-Down und Bit-Durchmesser

Alle diese Zahlen basieren auf einem Step-Down des Radius und einem Step-Over des Bit-Durchmessers. Wenn die Spanlast auf 0,01 eingestellt ist, ist es möglich, den Durchmesser des Bits zu verringern und zu überschreiten, aber das ist das absolute Maximum und sollte nur kurze Momente im Schnitt sein. Es ist möglich, Ihre Spindel zu beschädigen, wenn Sie sie zu stark belasten. Denken Sie daran, die Spindel immer mindestens 10 Minuten lang aufzuwärmen, bevor Sie einen Schnitt machen. Da sind einige teure Lager drin, die zerstört werden, wenn Sie diesen Schritt auslassen.

Zwiebelschalen bei Profilschnitten

Beim Profilschneiden von furniertem Sperrholz verwende ich gerne einen Kompressionsbohrer mit einer Technik, die man Zwiebelschälen nennt. Es gibt viele verschiedene Möglichkeiten, jede Arbeit zu programmieren, aber diese Methode ist eine gute Lösung für kleine Teile und eine gute fertige Kante ohne Ausreißen auf einem Vakuumtisch mit einem Spoilboard. Die Idee ist, zuerst eine Stufe nach der anderen zu schneiden, also alle Teile bis zur ersten Stufe, dann bis zur zweiten Stufe und so weiter, wobei am unteren Ende jedes Schnitts eine dünne Furnierschicht stehen bleibt. Schneiden Sie dann in einem letzten Durchgang die dünne „Zwiebelschale“ des Furniers ab, die übrig bleibt. Da die verbleibende Schicht so dünn ist, bietet sie dem Werkzeug nur wenig Widerstand und verringert die Gefahr, dass sich das Teil verschiebt.

Wenn ich 3/4 Sperrholz schneiden würde, das tatsächlich etwa 0,72 Zoll misst, würde ich zweimal nach unten gehen, 0,34 Zoll pro Durchgang, wobei 0,04 Zoll plus 0,02 Durchbruch für den letzten zu entfernenden Werkzeugweg übrig bleiben. Da ich fast 3/8 Zoll absenke, während ich die volle Breite von 1/4 Zoll des Bits in jedem Durchgang schneide, müsste ich die Vorschubgeschwindigkeit verringern.

Mit einem 1/4-Zoll-Bit sollte ich 1/8 Zoll (den Radius) absenken, wenn ich einen Konturschnitt mit einer Spanlast von 0,01 Zoll mache. Ich möchte jedoch einen Kompressionsmeißel verwenden, um ein Ausreißen auf der Oberseite meines Blechs zu vermeiden, und dieser Meißel hat keine Abwärtsspirale bis etwa 5/16 Zoll über die Schneidkante. Ich muss also 3/8 Zoll nach unten gehen. Da ich die Querschnittsfläche des Meißels, die in das Material eingreift, vergrößere, sollte ich die Spanlast um den gleichen Betrag verringern, so dass die neue Spanlast 0,00333 beträgt und eine neue Vorschubgeschwindigkeit von 30ipm ergibt. Nach einigen Experimenten habe ich herausgefunden, dass eine Spanlast von 0,005 Zoll bei 18000 Umdrehungen pro Minute, die einen Vorschub von 45ipm ergibt, für meine Bedürfnisse optimal ist.

Sicher experimentieren

Lassen Sie sich nicht zu sehr von den Zahlen mitreißen, benutzen Sie Ihren gesunden Menschenverstand und vertrauen Sie auf Ihr Bauchgefühl. Jedes Stück ist ein bisschen anders, und es gibt eine große Bandbreite an Dichten bei Massivholz und verschiedenen Plattenwaren. Tragen Sie außerdem immer eine Schutzbrille. Das scheint oft eine übervorsichtige Maßnahme zu sein, aber bedenken Sie das wahrscheinliche Szenario, dass ein kleiner 1/8-Zoll-Hartmetallbohrer zerspringt. Es ist unwahrscheinlich, dass Holzstaub Sie ins Krankenhaus bringt, aber ein kleiner Stahlsplitter in Ihrem Auge ist etwas, womit man rechnen muss.

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