Wat is gereedschapstaal?

Gereedschapstaal is een metaallegering die uit ijzer bestaat in combinatie met hoogwaardige staalsoorten waardoor het materiaal geschikt is voor het produceren van gereedschappen. Er zijn verschillende soorten gereedschapstaal. Het verschil zit in de samenstelling van de legering. Bekende toevoegingen zijn vanadium, nikkel en molybdeen. De toevoegingen in de legering kunnen verschillen en ook het percentage van een bepaalde toevoeging kan verschillen. Dat zorgt er voor dat er in de praktijk verschillende soorten gereedschapstaal zijn.

Metallurgie
Fabrikanten van gereedschapstaal hebben kennis van eigenschappen van metalen. Dit valt onder de metallurgie. Door de kennis van metalen en hun eigenschappen kunnen ze gereedschapstaal specifieke eigenschappen geven bijvoorbeeld: slijtvast, taaiheid, hardheid en bewerkbaarheid. Ook op het gebied van de sterkte en corrosiebestendigheid kunnen eisen worden gesteld.

Gereedschappen en werktuigen
Er worden verschillende gereedschappen en werktuigen van gereedschapstaal gemaakt zoals beitels, boren en zagen. Deze materialen kunnen ook worden gebruikt voor het bewerken van metaal. In dat geval moet er ook sprake zijn van specifieke eigenschappen. Voor gereedschappen waaraan men bijzonder hoge eisen stel gebruikt men sneldraaistaal (HSS).

Waar wordt gereedschapstaal verwerkt
Gereedschapstaal wordt veel gebruikt in een gereedschapmakerlij of door instrumentmakers om werktuigen en instrumenten te maken. Dit gebeurd over het algemeen doormiddel van (CNC) draaien en frezen of eroderen (vonkverspanen). Dit zijn bewerkingen in de verspaning en worden gedaan door vakmensen zoals gereedschapmakers, instrumentmakers, werktuigbouwkundigen en allround verspaners.

Wat is CNC?

CNC is een afkorting voor Computer Numerical Control en is een benaming voor computergestuurde machines die worden gebruikt om materialen en halffabricaten te bewerken. Men treft CNC gestuurde machines aan in verschillende metaalproductiebedrijven maar ook in andere productiebedrijven worden ze gebruikt zoals in de glasverwerking, kunststofverwerking en houtbewerking. Een groot voordeel van een CNC machine is dat deze machines geprogrammeerd kunnen worden en daardoor een bewerking kunnen herhalen. Vanwege dit voordeel kan men met een CNC machine grotere series produceren van precies hetzelfde product. Dat maakt een CNC machine bij uitstek geschikt voor productiebedrijven.

CNC en CAD-CAM
Machines met een Computer Numerical Control zijn er in verschillende soorten en maten. Dat zorgt er voor dat CNC voor uiteenlopende toepassingen kan worden gebruikt. De kern van CNC is dat deze machines programmeerbaar zijn. Het CNC programmeren kan aan de machine zelf gebeuren maar kan ook dikwijls op een computer worden gedaan in de werkvoorbereiding. In de werkvoorbereiding werkt men met CAD oftewel computer aided design.

De CAD ontwerpen kan men in sommige gevallen rechtstreeks doorsturen naar de CNC bewerkingsmachine maar het is ook mogelijk om de CAD ontwerpen op een USB stick te zetten en te uploaden in de CNC machine. De CNC produceert vervolgens het product op basis van de computer aided design dit produceren doormiddel van een computersysteem noemt men ook wel Computer-aided manufacturing (CAM). Daarom heeft men het in de praktijk ook wel over een CAD/CAM productie doormiddel van een CNC-machine. Hiervoor kan men de EIA-274-D standaard gebruiken die wordt ook wel G-code genoemd. Daarnaast wordt ook de M-code vaak gebruikt voor bijkomende functies zoals gereedschapswissel bij verspaningsmachines voor draaien en frezen.

CNC machines in de verspaning
In de loop der jaren zijn steeds meer metaalproductieprocessen geautomatiseerd. Daardoor kon men een hogere productie draaien en werd de kans op fouten bovendien gereduceerd. Denk bijvoorbeeld aan een CNC draaibank of CNC freesbank die worden gebruikt in de verspaning. Vroeger stelde men een draaibank of freesbank zelf in. Dit wordt ook wel conventioneel verspanen genoemd. veel verspaning vind tegenwoordig echter doormiddel van Computer Numerical Control plaats. Daardoor zijn functies ontstaan zoals CNC-verspaner, CNC-draaier en CNC-frezer. Het mag duidelijk zijn dat CNC-verspaners in staat moeten zijn om een CNC-programma te kunnen programmeren toch is dit in de praktijk niet altijd het geval. Sommige bedrijven hebben CNC-programmeurs in dienst en zetten de CNC-verspaners meer als een soort operators aan het werk.

Overige CNC machines
Naast de verspaning worden ook in andere productieprocessen CNC machines gebruikt. Zo kan men denken aan CNC ponsnibbelmachines of CNC kantbanken en zetbanken. Ook zijn plasmasnijmachines en lasersnijmachines CNC gestuurd. De automatisering in de metaaltechniek, houtbewerking en kunststofbewerking kan in de praktijk niet om CNC heen. Daarom treft men in bedrijven waarin deze materialen in grote series worden verwerkt dikwijls CNC-machines aan.

Uit welke onderdelen bestaat een werktuigmachine?

Werktuigmachine is een algemeen wordt dat kan worden gebruikt voor een grote groep machines. Kenmerkend voor deze machines is dat deze bedoelt zijn om mechanische bewerkingen uit te voeren op een basismateriaal of werkstuk. De bewerkingen die werktuigmachines uitvoeren zijn divers. Over het algemeen worden met name machines die een verspanende bewerking uitvoeren een werktuigmachine genoemd. Hierbij kan gedacht worden aan machines voor het draaien, frezen, boren, zagen, schaven en slijpen van materiaal. Een verspanende bewerking is een bewerking waarbij kleine deeltjes, zoals spaantjes, van het basismateriaal weggenomen worden door een machine. Doormiddel van een verspanende bewerking krijgt het basismateriaal of het werkstuk de gewenste vorm.

Waaruit bestaat een werktuigmachine?
Een werktuigmachine bestaat uit een aantal onderdelen. Deze onderdelen zijn voor elke werktuigmachine nodig om de machine goed te kunnen laten functioneren.  De belangrijkste onderdelen zijn het frame, de aandrijving en de overbrenging van de machine. Deze onderdelen kunnen per machine anders worden vormgegeven en van verschillende materialen worden gemaakt. Over het algemeen worden werktuigmachines van metalen gemaakt. Hierbij kan gedacht worden aan gietijzer, koolstofstaal, gereedschapstaal en roestvast staal. Daarnaast kunnen ook delen van het frame van aluminium worden gemaakt. De behuizing van de machine kan ook van kunststof worden gemaakt evenals delen van het frame. Hieronder is per hoofdonderdeel van de machine beschreven welke aspecten er aan de orde komen.

Frame van werktuigmachines
Het frame van werktuigmachines is een belangrijk onderdeel omdat dat dit onderdeel de werktuigmachine zijn stevigheid en stabiliteit biedt. De machine staat op het frame en de gereedschappen zijn aan het frame verbonden. Hierdoor worden verschillende krachten uitgeoefend op het frame. Het is belangrijk dat het frame van de machine niet verplaatst en niet bezwijkt onder zijn eigen gewicht en de bewegingen die worden uitgevoerd tijdens de bewerking. Het frame van werktuigmachines is meestal van gietijzer gemaakt. Dit ijzer kan in de juiste vorm worden gegoten. Gietijzer is nauwelijks elastisch maar het beschikt over een goede hardheid en stabiliteit. Door de zware massa van het gietijzeren frame is een werktuigmachine stabiel. Deze stabiliteit blijft vaak in stand ook wanneer een verhoudingsgewijs licht onderdeel van het werktuig een ongebalanceerde beweging maakt.

Aandrijving van werktuigmachines
In verleden werden werktuigmachines in beweging gebracht door de spierkracht van mensen of dieren. Daarnaast werd ook gebruik gemaakt van windmolens en watermolens. Een molen maakte bijvoorbeeld gebruik van windkracht om een zaag in beweging te brengen. Een zaagmolen voerde hierdoor een verspanende techniek uit op hout. De spierkracht van mensen en dieren is maar beperkt. Daarnaast kunnen mensen en dieren geblesseerd raken wanneer teveel kracht gevergd wordt. Windkracht en waterkracht hebben als nadeel dat het niet altijd in dezelfde mate aanwezig is waardoor de productie kan verschillen.

Met de komst van de stoommachine konden werktuigmachines doormiddel van stoomdruk worden aangedreven. Dit had de industriële revolutie tot gevolg. Verschillende werkprocessen van mensen werden overgenomen door machines. Stoommachines zijn meestal erg omvangrijk en men heeft voortdurend brandstof nodig om water in stoom om te zetten. Daardoor is de stoommachine voor veel bedrijven niet interessant.

Tegenwoordig wordt daarom bijna overal een elektromotor in werktuigmachines ingebouwd. Deze motoren zijn verhoudingsgewijs klein en in verschillende groten en capaciteiten verkrijgbaar. Elektromotoren verbruiken elektrische stroom. De elektrische stroom is vaak afkomstig uit energiecentrales of kolencentrales waarbij alsnog gebruik wordt gemaakt van stoomdruk om energie op te wekken.

Overbrenging van werktuigmachines
De overbrenging van werktuigmachines is nodig om de beweging van de aandrijving om te zetten in de hoofdbeweging van de machine. Daarnaast kan de overbrenging in sommige gevallen ook worden gebruikt om de aandrijving om te zetten in een voedingsbeweging.  Voor de overbrenging worden tandwielen en V-riemen of tandwielriemen gebruikt.

Wat zijn werktuigmachines en welke bewerkingen voeren deze machines uit?

Werktuigmachine is een algemene term die wordt gebruikt voor verschillende machines. Deze machines hebben met elkaar gemeen dat ze mechanische bewerkingen uitvoeren op materiaal. Met werktuigmachines worden in de praktijk vooral machines bedoelt die een verspanende bewerking uitvoeren op materiaal. Een verspanende bewerking is een bewerking waarbij kleine deeltjes van een basismateriaal weggenomen worden. Deze kleine deeltjes, oftewel spaantjes, zijn overtollig materiaal. Door het wegnemen van de spaantjes ontstaat het producten met de gewenste vorm en afmeting.

NC en CNC werktuigmachines
Werktuigmachines bestaan al geruime tijd. Na de tweede wereldoorlog werden geautomatiseerde werktuigmachines bedacht en ingevoerd. In eerste instantie maakte men ponskaarten waarop de bewerking van de machines werd aangegeven. Deze machines konden de ponskaarten lezen. Machines die volgens dit principe werkten kregen de naam NC-machines. De afkorting NC staat voor het Engelse numerical control. De werktuigmachines werden steeds verder ontwikkelt en geautomatiseerd. Na verloop van tijd werden machines gemaakt die doormiddel van computers werden gestuurd. Deze machines met computerbesturing worden ook wel CNC-machines genoemd. De afkorting CNC staat voor computer numerical controlled.

Verschillende soorten werktuigmachines
Er zijn verschillende soorten werktuigmachines die worden gebruikt om producten te vervaardigden. De machines bewerken hiervoor materialen zoals hout, kunststoffen en metalen. Een groot deel van de werktuigmachines wordt in de werktuigbouwkunde gebruikt. In deze tak van de metaalbranche worden werktuigen, gereedschappen en machines gemaakt. Hiervoor worden verschillende bewerkingen uitgevoerd met machines. Een aantal voorbeelden van deze machines zijn:

  • Boormachines
  • Schaafmachines
  • Slijpmachines
  • Zaagmachines
  • Draaibanken
  • Freesmachines of freesbanken

De beweging van werktuigmachines
Voor het uitvoeren van de bewerking komen delen van de werktuigmachines in beweging. Hierbij wordt onderscheid gemaakt tussen twee bewegingen, de hoofdbeweging, en de voedingsbeweging. Deze twee bewegingen komen bij elke werktuigmachine aan de orde.

De hoofdbeweging
De hoofdbeweging is de beweging die wordt gebruikt om een bewerking uit te voeren op het basismateriaal. Als men bijvoorbeeld kijkt naar de hoofdbeweging van een boormachine dan is dit het draaien van de boor. Bij een draaibank draait het werkstuk en is het ronddraaiende werkstuk de hoofdbeweging. Schaafmachines hebben een lineaire hoofdbeweging. De beitel van de schaafmachine gaat namelijk heen en weer.

De voedingsbeweging
Verder wordt er bij werktuigmachines gebruik gemaakt van een voedingsbeweging. Deze beweging is er op gericht dat het snijgereedschap zich goed richting het basismateriaal verplaatst. Het snijgereedschap kan bijvoorbeeld een boor of een frees zijn. Dit gereedschap wordt tijdens de bewerking richting het basismateriaal, bijvoorbeeld het gereedschapstaal, gebracht. Bij boormachines en draaibanken beweegt het snijgereedschap ten opzichte van het basismateriaal. Bij veel freesmachines wordt het snijgereedschap in de verticale richting bewogen. De frees beweegt zich daarbij dus van boven naar beneden. Het werkstuk wordt bij veel freesbanken in horizontale richting bewogen dus van links naar rechts.

Uitvoeren van de voedingsbeweging
De voedingsbeweging kan zowel door een mechanisch worden gedaan als met de hand. Bij een mechanische uitvoering van de voedingsbeweging wordt gebruik gemaakt van een motor. Deze kan doormiddel van een computersysteem (bijvoorbeeld CNC) worden aangestuurd. Als men de voedingsbeweging met de hand doet brengt men zelf met eigen spierkracht het gereedschap naar het basismateriaal of werkstuk. Dit gebeurd bijvoorbeeld met een kolomboor.

Wat is Teach-in draaien en wat is het verschil met CNC draaien?

Het Teach-in draaien is een ontwikkeling van de laatste jaren in de verspaning. Teach-in draaien verschilt van CNC-draaien. Een belangrijk verschil is de eenvoudiger wijze waarop de machine geprogrammeerd wordt. Dit wordt gedaan aan de hand van een computersysteem dat aan de draaibank verbonden is. In dit computersysteem kan de draaier aan de hand van een interactief invulproces de juiste gegevens invoeren waarmee de machine de bewerking uitvoert op het basismateriaal.

De computer maakt  Teach-in eenvoudig
De computer rekent aan de hand van deze gegevens de snede opdeling uit. Daarbij bepaalt de computer van de draaibank tevens het optimale toerental en de bijbehorende spoed voor het product. Via een beeldscherm worden aan de draaier bewerkingsinstructies getoond. Dit zorgt er voor dat de draaier de machine eenvoudiger kan bedienen.

Computergestuurd en manuele bieding mogelijk
De computer van de draaibank kan echter ook worden uitgeschakeld. Door dit te doen functioneert de draaibank als een niet-computergestuurde draaibank en zal de draaier zelf handmatig de machine moeten instellen. De werking van de Teach-in draaibank is door het uitschakelen van de computer in wezen een conventionele draaibank met een beeldscherm dat voor de digitale uitlezing kan worden gebruikt. Een Teach-in draaibank kan zowel manueel bedient worden als computer gestuurd. Een CNC draaibank is echter volledig computergestuurd. Dit houdt in dat bij een CNC draaibank de coördinatie tussen het gereedschap en het werkstuk volledig door de computer wordt geregeld.

Verschillen tussen Teach-in en CNC verspanen
De eenvoudige programmering van de Teach-in draaibank zorgt er voor dat draaiers veel sneller kunnen werken. Een CNC-draaibank vereist meer vaardigheden van de draaier. Een draaier die met een CNC-draaibank werkt moet ervaren zijn in het programmeren van het besturingsprogramma dat op de computer van de CNC-draaibank is geïnstalleerd. Er zijn in de praktijk verschillende besturingsprogramma’s voor CNC-draaibanken. Met een CNC-draaibank kunnen wel veel meer verschillende programma’s worden geschreven. Bij een Teach-in draaibank liggen de programma’s grotendeels vast en moet de draaier alleen de juiste gegevens invullen en aanklikken.

Waarvoor is Teach-in draaien geschikt?
Een Teach-in draaibank is geschikt voor het produceren van enkelstuks of kleine series van bepaalde producten. Daarnaast heeft deze draaibank nog steeds een grote repeteernauwkeurigheid. Naast Teach-in draaien zijn er ook machines waarmee een verspaner kan Teach-in frezen. Omdat de programmering van deze machines sneller gaat, worden kosten bespaard. Dit zorgt er voor dat producten goedkoper aan klanten kunnen worden aangeboden. Daarnaast vereisen deze machines niet de grote mate van ervaring die bij CNC-draaibanken en CNC-freesbanken wel vereist is. Personeel hoeft daardoor minder hoog of minder specifiek opgeleid op te worden.

Wat is hardmetaal en waarvoor wordt hardmetaal in de werktuigbouwkunde gebruikt?

Hardmetaal bestaat uit ver schillende carbiden. Het metaal is samengesteld uit molybdeen, tantalium, titanium, wolfraam en is gesinterd en bevat het bindmiddel kobalt. Doormiddel van sinteren kan een zeer hard metaal ontstaan. Gesinterde  wolfraamcarbide is zo hard dat maar weinig stoffen op aarde harder zijn. Een voorbeeld van een stof die harder is dan gesinterde wolfraamcarbide is diamant. Dit is echter een zeer duur materiaal en is moeilijk vervormbaar.

Hardmetaal wordt in de werktuigbouwkunde op verschillende manieren toegepast vanwege de gunstige eigenschappen van dit materiaal. De hardheid van hardmetaal blijft behouden tot een hoge temperatuur. De temperatuur die dit metaal kan verdragen loopt tot een maximum van duizend graden Celsius. De thermische uitzetting is laag. Dit houdt in dat hardmetaal door hitte niet of nauwelijks uitzet. Harmetaal heeft daarnaast een hoge elasticiteitsmodulus, de taaiheid is echter laag.

Waarin wordt hardmetaal toegepast?
Hardmetaal wordt veel toepast in de fabricage van beitels en frezen voor de verspaning. Daarnaast wordt het gebruikt voor boren. Door de hardheid van hardmetaal is het metaal ook geschikt voor de mijnbouw en de bouw van wegen. Daarnaast wordt hardmetaal net als snelstaal gebruikt in de matrijzenbouw. Ook voor industriële snijmessen wordt hardmetaal gebruikt.

Wat is snelstaal of sneldraaistaal en wat zijn de eigenschappen van dit staal?

Snelstaal wordt ook wel sneldraaistaal genoemd. In het Engels draagt deze staalsoort de naam High Speed Steel (HSS). Het is een hoogelegeerd wolfraam-chroomvanadiumstaal. Deze legering bestaat uit de volgende bestandsdelen staal 76%, wolfraam 18%, chroom 4%, vanadium 1% en koolstof 1%. Snelstaal heeft de eigenschap dat deze tot hoge temperaturen de hardheid blijft behouden. Deze hardheid blijft tot ongeveer 600 °C bestaan. Dit zorgt er voor dat snelstaal geschikt is voor gereedschappen die heel heet kunnen worden. hierbij kan gedacht worden aan boren, draaibeitels en frezen.

Snelstaal is niet alleen bestand tegen hoge temperaturen, het is ook taai en slijtvast. Ook kan snelstaal behoorlijk goed tegen stoten. Andere harde staalsoorten zijn minder bestand tegen onderbroken bewerkingen waarbij gebruik wordt gemaakt van snijgereedschap. De onderbroken bewerkingen zorgen er bij veel staalsoorten voor dat het snijgereedschap beschadigd wanneer het regelmatig weer opnieuw op het werkstuk wordt aangebracht. Snelstaal kan in vergelijking tot andere metalen over het algemeen goed tegen deze onderbrekingen.

Daarnaast kan snelstaal goed gebruikt worden voor frezen en boren die voorzien zijn van een bijzondere vorm. Snelstaal is daardoor geschikt voor de fabricage van gereedschappen voor de verspaning. De eigenschappen van snelstaal zorgen er voor dat het gereedschap niet snel slijt of bot wordt. Daarnaast kan men met snelstaal de standtijd en snijsnelheid verveelvoudigen wanneer men deze staalsoort vergelijkt met snijgereedschap dat is gemaakt van koolstofstaal.

In de verspaning wordt tegenwoordig steeds vaker gekozen voor hardmetaal. Desondanks wordt snelstaal nog wel gebruikt voor boren, frezen en andere snijgereedschap. Ook wordt snelstaal gebruikt voor matrijzen en stempels.

Wat is een Flexible Manufacturing System (FMS)?

Flexible Manufacturing System is een Engelse term die in de praktijk vaak afgekort wordt met FMS. Dit systeem kan in het Nederlands worden vertaald met flexibel fabricage systeem. Dit is een fabricagesysteem waarbinnen een bepaalde ruimte is voor veranderingen of deze veranderingen nu voorspelbaar zijn of onvoorspelbaar. De flexibiliteit in FMS kan worden onderverdeeld in twee verschillende categorieën. Deze twee categorieën zijn vervolgens onderverdeeld in verschillende subcategorieën.

De eerste categorie van Flexible Manufacturing System is de categorie van machine flexibiliteit. In deze categorie wordt gekeken naar de flexibiliteit die de machines in de werkplaats hebben om zich aan te passen aan nieuwe soorten producten. Ook de mogelijkheid om de volgorde van productie per onderdeel te wijzingen hoort bij deze eerste categorie van FMS. Deze categorie van FMS is gericht op de aanpassing van een fabricagesysteem op verschillende soorten producten.

De tweede categorie van Flexible Manufacturing System is gericht op de flexibiliteit van de routing. Hierbij wordt aandacht besteed aan de flexibiliteit om meerdere machines gezamenlijk aan te passen aan een vergroting van het volume, de capaciteit en het vermogen om te produceren. Deze tweede categorie van FMS is daardoor gericht op de flexibiliteit in de kwantiteit van de productie.

Bedrijven waarbij met een Flexible Manufacturing System wordt gewerkt maken vaak gebruik van CNC machines. Dit kunnen bijvoorbeeld computergestuurde draaibanken of freesbanken zijn. Deze CNC machines kunnen aan één centrale computer worden aangesloten zodat de flow van onderdelen en machines wordt geoptimaliseerd. Een Flexible Manufacturing System maakt een CAD/CAM systeem  mogelijk.