Obróbka CNC metalu a tworzyw sztucznych: Jak wybrać między toczeniem a frezowaniem

Po pierwsze: obróbka CNC metalu kontra plastiku – istotne różnice

Zanim zagłębimy się w toczenie i frezowanie, zacznijmy od podstaw: metal i plastik nie tylko wyglądają inaczej – inaczej reagują na cięcie, kształtowanie i wykańczanie. Te różnice zmieniają wszystko, od narzędzi, których używamy, po szybkość procesu.

1. Twardość materiału i zużycie narzędzi

Metale (takie jak aluminium, stal nierdzewna czy mosiądz) są twardsze i bardziej ścierne niż tworzywa sztuczne (takie jak ABS, PEEK czy nylon). Oznacza to:

• Metal wymaga trwalszych narzędzi : Do obróbki metalu używamy narzędzi z węglika spiekanego lub stali szybkotnącej (HSS) – są one odporne na tarcie. Na przykład, frezowanie aluminium wymaga frezu węglikowego, który wytrzymuje temperaturę 300–400°C (572–752°F).
• Plastik potrzebuje ostrzejszych i delikatniejszych narzędzi : Tępe narzędzia mogą „rozmazywać” plastik zamiast go ciąć (pomyślmy o krojeniu masła tępym nożem). Do plastiku używamy polerowanych narzędzi z węglików spiekanych – tną one czysto, nie topiąc ani nie odkształcając materiału.

Zużycie narzędzi jest również istotnym czynnikiem kosztowym. Narzędzie węglikowe do stali nierdzewnej może wytrzymać 500 części, zanim będzie wymagało wymiany; to samo narzędzie do plastiku ABS może wytrzymać 2000 części. Używając narzędzia metalowego do plastiku bez regulacji, marnujesz pieniądze na przedwczesną wymianę narzędzia.

Klient zgłosił się kiedyś do nas z problemem: używał narzędzia ze stali nierdzewnej do frezowania obudów czujników z tworzywa ABS, a narzędzia zużywały się w 300 częściach (zamiast 2000). Wymieniliśmy je na narzędzie z węglika spiekanego przeznaczone do polerowanego plastiku – żywotność narzędzia wzrosła sześciokrotnie, a klient zaoszczędził 800 dolarów miesięcznie na kosztach narzędzi.

2. Ryzyko związane z ciepłem i odkształcaniem

Cięcie generuje ciepło, a metal i plastik radzą sobie z nim w przeciwny sposób:

• Metal rozprasza ciepło (głównie) : aluminium i stal wytrzymują wysokie temperatury, dzięki czemu możemy szybciej obsługiwać maszyny CNC (np. 10 000 obr./min w przypadku frezowania aluminium) bez odkształcania części. Nadal stosujemy chłodziwo, aby zapobiec przegrzaniu narzędzia, ale sama część pozostaje stabilna.
• Plastik łatwo się topi i odkształca : ABS zaczyna mięknąć w temperaturze 105°C (221°F) – znacznie niższej niż temperatura, w której metal jest odporny na działanie czynników zewnętrznych. Jeśli obróbka odbywa się zbyt szybko, tarcie narzędzia topi plastik, pozostawiając nierówne krawędzie lub zniekształcone kształty. W przypadku plastiku zmniejszamy prędkość (np. 5000–7000 obr./min w przypadku frezowania ABS) i stosujemy chłodzenie powietrzem (a nie cieczą, która może wsiąkać w plastik i powodować jego pęcznienie).

Jeden z klientów z branży części samochodowych próbował frezować plastikowe klipsy z taką samą prędkością jak aluminiowe – 80% klipsów uległo wypaczeniu i musieli wyrzucić całą partię. Dostosowaliśmy prędkość i przełączyliśmy na chłodzenie powietrzem – ich kolejny cykl miał 99,5% skuteczności.

3. Potrzeby w zakresie wykończenia powierzchni

Wykończenie, jakiego oczekujesz, często zależy od materiału:

• Metal często wymaga obróbki końcowej : Frezowane aluminium może mieć matowe wykończenie (Ra 1,6 μm) zaraz po wyjściu z maszyny, ale jeśli chcesz uzyskać połysk (Ra 0,8 μm) dla widocznej części, konieczne będzie polerowanie lub anodowanie. Stal nierdzewna może wymagać pasywacji, aby zapobiec rdzewieniu.
• Tworzywa sztuczne można uzyskać gładkie wykończenie bezpośrednio z maszyny : Polerowane narzędzia i niższe prędkości pozwalają uzyskać gładkie wykończenie (Ra 0,8 μm) na ABS lub PEEK bez dodatkowej pracy. To oszczędza czas – nie ma potrzeby szlifowania ani malowania, chyba że chcesz uzyskać niestandardowy kolor.

4. Granice tolerancji

Oba materiały mogą spełniać rygorystyczne tolerancje, jednak w przypadku plastiku istnieje pewien haczyk:

• Metal lepiej zachowuje tolerancje w dłuższej perspektywie : Aluminiowy uchwyt z tolerancją ±0,01 mm pozostanie taki przez lata — metal nie rozszerza się ani nie kurczy zbytnio pod wpływem zmian temperatury.
• Tworzywa sztuczne zmieniają się pod wpływem temperatury/wilgotności : ABS może rozszerzać się o 0,2–0,4%, jeśli absorbuje wilgoć, co oznacza, że ​​tolerancja ±0,01 mm może spaść do ±0,02 mm w wilgotnych warunkach. W przypadku części plastikowych wymagających ścisłych tolerancji (takich jak obudowy czujników), materiał jest suszony przed obróbką i stosujemy tworzywa sztuczne poddane obróbce cieplnej (takie jak PEEK z dodatkiem włókna szklanego), które są bardziej stabilne.

Toczenie CNC a frezowanie: kiedy wybrać który proces

Skoro już wiesz, czym różni się metal od plastiku, omówmy dwa najpopularniejsze procesy CNC: toczenie i frezowanie. Kluczowa różnica sprowadza się do kształtu – jak wygląda Twoja część?

Czym jest toczenie CNC? (Najlepsze do części obrotowych i symetrycznych)

Toczenie wykorzystuje narzędzie obrotowe i nieruchome narzędzie skrawające (lub odwrotnie) do kształtowania części okrągłych lub symetrycznych wokół osi. Wyobraź sobie tokarkę: część obraca się, a narzędzie skrawa materiał, nadając jej kształty takie jak wały, tuleje lub śruby.

Kiedy stosować toczenie:

• Części okrągłe lub cylindryczne : Wały skrzyń biegów samochodowych, tuleje plastikowe do zawiasów drzwiowych, tuleje metalowe do przewodów.
• Proste, symetryczne cechy : rowki, gwinty lub stożki (np. stożkowy metalowy kołek służący do wyrównywania dwóch części).
• Szybkość i niskie koszty w przypadku części obrotowych : Toczenie jest szybsze niż frezowanie w przypadku części okrągłych — wałek metalowy można wykonać w 2 minuty, w porównaniu z 5 minutami w przypadku frezowania.

Uwagi dotyczące materiałów do toczenia:

• Toczenie metali : Doskonale sprawdza się w przypadku aluminium, mosiądzu i stali nierdzewnej. Używamy chłodziwa, aby narzędzia były chłodne, a części gładkie.
• Toczenie tworzyw sztucznych : Możliwe, ale trudniejsze. Potrzebujemy niskich prędkości (3000–5000 obr./min) i ostrych narzędzi, aby uniknąć stopienia. Toczenie sprawdza się w przypadku tulei lub pokręteł z tworzyw sztucznych, ale nie w przypadku skomplikowanych kształtów.

Warsztat samochodowy potrzebował 500 metalowych wałków do zestawu naprawczego skrzyni biegów. Zastosowaliśmy toczenie – wykonanie każdego wałka zajęło 2,5 minuty, a wszystkie 500 dostarczyliśmy w ciągu 3 dni. Gdybyśmy zastosowali frezowanie, zajęłoby to 6 dni i kosztowałoby o 30% więcej.

Czym jest frezowanie CNC? (Najlepsze do skomplikowanych, nieregularnych kształtów)

Frezowanie polega na użyciu obracającego się narzędzia tnącego do usuwania materiału z nieruchomego elementu. To jak rzeźbienie w drewnie za pomocą frezarki – można tworzyć płaskie powierzchnie, otwory, szczeliny i złożone kształty (na przykład wsporniki z wieloma otworami lub zakrzywionymi krawędziami).

Kiedy stosować frezowanie:

• Części o nieregularnych kształtach : aluminiowe uchwyty silników samochodowych, plastikowe obudowy czujników, metalowe płyty montażowe z wieloma otworami.
• Cechy złożone : szczeliny, kieszenie (wgłębienia) lub otwory niesymetryczne (np. wspornik z otworami pod różnymi kątami).
• Części wymagające precyzji w wielu kierunkach : Frezarki (szczególnie frezarki 5-osiowe) mogą ciąć pod wieloma kątami, dzięki czemu powstają części mieszczące się w ciasnych przestrzeniach (na przykład pod deską rozdzielczą samochodu).

Uwagi dotyczące materiału do frezowania:

• Frezowanie metalu : frezarki 3-osiowe służą do prostych wsporników; frezarki 5-osiowe do skomplikowanych części (np. komponentów lotniczych). Dostosowujemy prędkość do twardości metalu – wolniej dla stali nierdzewnej, szybciej dla aluminium.
• Frezowanie tworzyw sztucznych : Idealne do skomplikowanych części z tworzyw sztucznych (takich jak obudowy czujników ABS). Używamy chłodzenia powietrzem i ostrych narzędzi, aby zapobiec odkształceniom. Tworzywa sztuczne wypełnione włóknem szklanym (np. nylon z dodatkiem włókna szklanego) doskonale nadają się do frezowania – są wytrzymałe i dobrze trzymają tolerancje.

Klient z branży elektroniki użytkowej potrzebował 1000 plastikowych obudów do samochodowego GPS-a. Obudowa miała zaokrągloną krawędź, dwa otwory montażowe i wgłębienie na ekran – idealne do frezowania 3-osiowego. Dostarczyliśmy wszystkie 1000 sztuk w ciągu 5 dni, bez żadnych odkształceń.

Szara strefa: kiedy używać obu (procesów hybrydowych)

Niektóre części wymagają zarówno toczenia, jak i frezowania. Na przykład:

• Śruba metalowa: Obróć wał cylindryczny (toczenie), a następnie wyfrezuj łeb sześciokątny (frezowanie).
• Gałka plastikowa: Obróć okrągłą podstawę (toczenie), a następnie wyfrezuj szczelinę na śrubokręt (frezowanie).

Kluczem jest tutaj wykonanie procesów we właściwej kolejności – zazwyczaj najpierw toczenie (aby uzyskać kształt bazowy), a następnie frezowanie (aby dodać złożone elementy). To oszczędza czas i zapewnia precyzję.

Firma Honscn zajmuje się częściami hybrydowymi wewnętrznie – nie ma potrzeby wysyłania części do dwóch różnych warsztatów. Toczymy kształt bazowy, a następnie przenosimy część do frezarki (często na tej samej linii produkcyjnej), aby dodać ostateczne cechy.

Jak Honscn pomaga Ci wybrać (i wdrożyć) właściwy proces

Najczęstszym błędem, jaki popełniają nasi klienci, jest wybór procesu na podstawie tego, „czego używali wcześniej”, zamiast tego, „czego potrzebuje część”. Klient może spróbować wyfrezować okrągły wał (stracąc czas), ponieważ nigdy nie korzystał z toczenia, lub zastosować toczenie do skomplikowanej obudowy z tworzywa sztucznego (co kończy się powstaniem nierównej części).

Honscn eliminuje konieczność domysłów, oferując trzy kluczowe zalety:

1. Dopasowanie materiału do procesu (nie narzucamy rozwiązań uniwersalnych)

Zaczynamy od projektu i materiału części, a następnie rekomendujemy najlepszy proces – bez faworyzowania konkretnej maszyny. Oto jak to działa:

• Krok 1: Bezpłatna ocena projektu : Wysyłasz nam swój plik CAD (możesz nawet napisać szkic), a my sprawdzamy:
  • Materiał (aluminium? ABS? PEEK?)
  • Kształt (okrągły? Nieregularny? Symetryczny?)
  • Tolerancje (±0,01 mm? ±0,1 mm?)
  • Ilość (10 prototypów? 10 000 jednostek produkcyjnych?)
• Krok 2: Rekomendacja procesu : Mówimy Ci dokładnie, który proces zastosować i dlaczego. Na przykład:
  • „Twój wał aluminiowy jest okrągły — toczenie będzie o 30% szybsze i tańsze niż frezowanie”.
  • „Obudowa ABS ma zaokrąglone krawędzie i wiele otworów — najlepszym rozwiązaniem będzie frezowanie 3-osiowe z chłodzeniem powietrznym, które zapobiegnie odkształceniom”.
• Krok 3: Oszacowanie kosztów i harmonogramu : Przedstawiamy Ci jasną wycenę i harmonogram, dzięki czemu wiesz, czego się spodziewać.

Startup produkujący narzędzia diagnostyczne do samochodów zgłosił się do nas z projektem metalowej sondy. Chcieli ją wyfrezować (ponieważ wcześniej frezowali części plastikowe), ale sonda miała prosty, cylindryczny kształt. Zaleciliśmy toczenie – zaoszczędzili 25% na kosztach i otrzymali części 2 dni wcześniej.

2. Sprzęt własny dla obu procesów (bez outsourcingu)

Posiadamy łącznie 12 maszyn CNC — 6 centrów tokarskich (do części obrotowych) i 6 frezarek (3-osiowych i 5-osiowych do części złożonych). Oznacza to:

• Brak przekazywania do innych warsztatów : Jeśli Twoja część wymaga zarówno toczenia, jak i frezowania, zrobimy to wszystko u nas. Nie musisz współpracować z dwoma dostawcami ani martwić się o zagubienie części w transporcie.
• Stała jakość : Ten sam zespół zajmuje się Twoją częścią od początku do końca. Znają oni specyfikę materiału (np. „ten ABS wymaga 5000 obr./min”) i wymagania procesu (np. „ten aluminiowy wałek wymaga chłodziwa o temperaturze 20°C”).
• Szybka realizacja : Możemy szybko przełączać się między procesami. Na przykład, wykonaliśmy 200 części hybrydowych (wał toczony + frezowana głowica) w 4 dni — gdybyśmy zlecili jeden proces na zewnątrz, zajęłoby to 8 dni.

Dystrybutor części samochodowych potrzebował 500 hybrydowych śrub metalowych (toczony wał + frezowany łeb sześciokątny). Najpierw wykonaliśmy toczenie (2 minuty na wał), a następnie przenieśliśmy śruby na frezarkę 3-osiową (1 minuta na głowicę). Wszystkie 500 sztuk zostało wykonanych w ciągu 3 dni, z 100% kontrolą jakości.

3. Ekspertyza w zakresie materiałów trudnoobrabialnych (tworzywa sztuczne, metale poddane obróbce cieplnej itp.)

Nie pracujemy wyłącznie z „łatwymi” materiałami — specjalizujemy się w tych, których inne sklepy unikają:

• Tworzywa sztuczne wrażliwe na temperaturę : Opanowaliśmy obróbkę PEEK-u (który topi się w temperaturze 343°C/649°F) i PVC (który uwalnia toksyczne opary po zbyt mocnym podgrzaniu). Stosujemy specjalistyczną wentylację i kontrolę temperatury, aby zapewnić bezpieczeństwo części i pracowników.
• Metale twarde : Stal nierdzewna (316L) i tytan są trudne w obróbce, ale nasze frezarki 5-osiowe i narzędzia węglikowe radzą sobie z nimi bez problemu. Wykonaliśmy tytanowe wsporniki do układów wydechowych samochodów, które spełniają tolerancje ±0,005 mm.
• Materiały kompozytowe : Nylon wypełniony włóknem szklanym lub tworzywa sztuczne wzmocnione włóknem węglowym (CFRP) świetnie nadają się do części samochodowych (wytrzymałe i lekkie), ale są ścierne. Używamy narzędzi z powłoką diamentową, aby zapobiec zużyciu – czego nie oferuje większość warsztatów.

Producent luksusowych samochodów potrzebował 100 wsporników z tworzywa sztucznego wzmocnionego włóknem węglowym (CFRP) do paneli drzwiowych. Inne warsztaty odrzuciły je, ponieważ CFRP jest materiałem ściernym i trudnym w obróbce. Użyliśmy frezarek z powłoką diamentową i niskich prędkości – wszystkie 100 wsporników przeszło kontrolę tolerancji, a klient zamawia teraz 1000 sztuk co kwartał.

Prawdziwe historie klientów: jak Honscn naprawił błędy procesowe i materiałowe

Przyjrzyjmy się dwóm klientom, którzy zaczęli od niewłaściwego procesu lub materiałów — dopóki nie zainterweniowaliśmy.

Historia 1: Warsztat samochodowy (nieprawidłowy proces w przypadku wałów metalowych)

Teksański warsztat samochodowy potrzebował 200 metalowych wałków do naprawy skrzyń biegów w zabytkowych samochodach. Zatrudnili warsztat, który wykorzystywał frezowanie (ponieważ nie posiadał tokarki) do produkcji wałków.

Problem :

• Frezowanie na wałek trwało 6 minut (w porównaniu do 2 minut przy toczeniu), więc warsztat nie dotrzymał 5-dniowego terminu.
• 30% wałów było niesymetrycznych (frezowanie nie pozwala uzyskać takiej samej symetrii jak toczenie), przez co nie pasowały do ​​przekładni.
• Koszt wyniósł 15 dolarów za wał (w porównaniu do 10 dolarów za wał z toczeniem) — przepłacili o 1000 dolarów.

Rozwiązanie Honscn'a :

• Zalecaliśmy toczenie (ponieważ wałki są cylindryczne, a nie mają skomplikowanych cech).
• Aby zachować gładkość wałków aluminiowych, użyliśmy noża tokarskiego z węglika spiekanego i chłodziwa.
• W ciągu 3 dni wykonaliśmy 200 trzonków (po 2 minuty na trzonek), sprawdzając symetrię każdego z nich.

Wyniki :

• 100% wałów pasuje do skrzyń biegów.
• Sklep zaoszczędził 1000 dolarów (koszt spadł do 10 dolarów za wał).
• Teraz zamawiają u nas wszystkie metalowe wały — wyprodukowaliśmy już pięć kolejnych partii i nie mieliśmy żadnych wad.

Historia 2: Klient z branży elektronicznej (nieprawidłowy proces produkcji obudów z tworzyw sztucznych)

Kalifornijska firma elektroniczna potrzebowała 500 obudów z tworzywa ABS do samochodowej kamery cofania. Skorzystali z usług warsztatu, który próbował obracać obudowy (ponieważ obracanie okrągłych elementów jest szybsze).

Problem :

• Obudowa miała kwadratowe wgłębienie na obiektyw aparatu — toczenie nie pozwala na uzyskanie kwadratowych elementów, więc warsztat musiał wyfrezować wgłębienie osobno (dodając 3 minuty na każdą część).
• 25% obudów uległo odkształceniu podczas toczenia (warsztat zastosował zbyt dużą prędkość: 8000 obr./min zamiast 5000 obr./min).
• Całkowity czas wyniósł 8 dni (w porównaniu z wymaganym terminem 5 dni).

Rozwiązanie Honscn'a :

• Zaleciliśmy frezowanie 3-osiowe (ponieważ obudowa miała kwadratowe kształty i wymagała precyzji w wielu kierunkach).
• Aby zapobiec odkształceniom, użyliśmy polerowanego narzędzia z węglika spiekanego i chłodzenia powietrzem (5000 obr./min).
• Całą obudowę wyfrezowaliśmy za jednym razem — nie było potrzeby drugiego procesu.

Wyniki :

• 500 mieszkań dostarczono w ciągu 4 dni (przed terminem).
• Odrzucono tylko 2 obudowy (wskaźnik wadliwości 0,4%).
• Klient zaoszczędził 800 dolarów (brak dodatkowego etapu frezowania oznaczał niższe koszty robocizny).

Jak wybierać: krótka lista kontrolna dla Twojej części

Nie wiesz, czy potrzebujesz toczenia, frezowania, obróbki metalu czy tworzyw sztucznych? Skorzystaj z tej listy kontrolnej, aby zawęzić wybór:

1. Jaki jest kształt Twojej części?

• Okrągłe/cylindryczne/symetryczne → Toczenie (szybsze, tańsze).
• Nieregularny/z otworami/rowkami/zaokrąglonymi krawędziami → Frezowanie (większa elastyczność).
• Zarówno okrągłe, jak i nieregularne → Hybrydowe (najpierw toczenie, potem frezowanie).

2. Jakiego materiału używasz?

• Metal (aluminium, stal nierdzewna, mosiądz):
  • Część okrągła → Toczenie (należy stosować chłodziwo, narzędzia węglikowe).
  • Złożona część → Frezowanie (3-osiowe dla prostych, 5-osiowe dla trudniejszych).
• Tworzywo sztuczne (ABS, PEEK, nylon):
  • Część okrągła → Toczenie (niska prędkość, chłodzenie powietrzem, narzędzia polerowane).
  • Część złożona → Frezowanie (niska prędkość, chłodzenie powietrzem, unikanie chłodzenia cieczą).
• Kompozyt (CFRP, nylon wypełniony szkłem):
  • Część złożona → Frezowanie (narzędzia z powłoką diamentową, niska prędkość).

3. Jaka jest Twoja tolerancja?

• Ścisłe (±0,01 mm do ±0,05 mm):
  • Metal → Toczenie lub frezowanie 5-osiowe (metal lepiej trzyma tolerancje).
  • Plastik → Frezowanie 5-osiowe z wykorzystaniem tworzywa sztucznego poddanego obróbce cieplnej (np. PEEK).
• Luźne (±0,1 mm do ±0,5 mm):
  • Metal → Frezowanie lub toczenie 3-osiowe (obie opcje).
  • Plastik → frezowanie 3-osiowe (może to być ABS lub nylon).

4. Ile części potrzebujesz?

• 10–500 części (mała partia):
  • Toczenie lub frezowanie (oba rodzaje prac — wybierz w zależności od kształtu).
• Ponad 1000 części (produkcja masowa):
  • Toczenie (szybsze w przypadku elementów okrągłych) lub automatyczne frezowanie (w przypadku elementów o skomplikowanych kształtach).

Wnioski: Właściwy proces = lepsze części, niższe koszty

Wybór między metalem a tworzywem sztucznym, toczeniem a frezowaniem, nie musi być zgadywaniem. Chodzi o dopasowanie właściwości materiału do mocnych stron procesu:

• W przypadku części okrągłych (metalowych lub plastikowych) stosuje się toczenie, aby zaoszczędzić czas i pieniądze.
• W celu uzyskania potrzebnego kształtu części o złożonych kształtach (z metalu lub tworzywa sztucznego) należy stosować frezowanie.
• Przy wyborze prędkości i narzędzi kieruj się twardością materiału i tolerancją na ciepło.

Zadaniem Honscn jest ułatwienie Ci tego zadania. Nie tylko obrabiamy części – pomagamy Ci wybrać właściwą ścieżkę od pierwszego dnia. Niezależnie od tego, czy produkujesz 10 metalowych wałów do naprawy samochodu, czy 10 000 plastikowych obudów do nowego produktu, zarekomendujemy najlepsze materiały, procesy i narzędzia, aby wykonać zadanie poprawnie (i zgodnie z budżetem).

Gotowy, żeby przestać zgadywać? Prześlij nam swój projekt części (nawet szkic) i powiedz, do czego go potrzebujesz. Przygotujemy dla Ciebie bezpłatne zalecenia dotyczące procesu, jasną wycenę i harmonogram – bez żadnych zobowiązań. Zadbajmy o to, aby Twój kolejny projekt CNC zakończył się sukcesem.