Fräsmaskin

miniatyr|En universalfräs, riggad som horisontalfräs. miniatyr|Samma universalfräs, riggad som vertikalfräs. En fräs är en maskin för skärande bearbetning i metall eller andra fasta material och som använder ett roterande skärande verktyg. Verktyget kan lutas i olika vinklar medan arbetsstycket och/eller verktyget förflyttas i längdled, djupled, höjdled eller i kombinationer därav. För att kunna förflytta arbetsstycket på ett stabilt och säkert sätt, fastsätts arbetsstycket på ett bord med profilspår där skruvförband kan fästa arbetsstycket. Fastsättningen kan ske med direkt fastspänning, med spännvinklar eller med olika typer av skruvstycken.Fräsning, sid 119-120

Till skillnad från borrmaskin, där borrverktyget förflyttas i axiell led, har traditionellt fräsens verktyg varit stationära och arbetstycket har förflyttas under bearbetningen. Med moderna CNC-styrda bearbetningsmaskiner kan ofta en kombination av verktygets och arbetsstyckets rörelser utföras.

De skärande verktygen är vanligen gjorda av snabbstål eller hårdmetall och kan rotera med hög hastighet (upp till flera tusen varv i minuten). De skärande verktygen har olika former och olika antal skärande eggar. Verktygens och arbetstyckets förflyttningar skapar en materialavverkande zon.

Förflyttning kan, beroende på maskintyp, ske manuellt eller genom automatisk mekanisk eller digital styrning. Digital styrning sker via CNC som hanterar bearbetningen genom automatiska verktygsbyten kombinerat med snabba och precisa förflyttningar av den skärande zonen efter ett i förväg bestämt mönster.

För att kunna hålla hög skärhastighet och minska verktygsslitaget kan olika typer av kylande smörjmedel tillsättas som dessutom kan användas för att avleda avverkat material.

Arbetsuppgifterna kan vara plan- eller profilfräsning, håltagning, borrning, försänkning, spårning eller gängning.Brotons Sánchez, J. C. (2007), Procesos de fabricación. Fresado, Ingeniería de Sistemas y Automática, Universitas Miguel Hernández de Elche. [19-4-2008]

Historia

1810–1830 Fräsmaskiner kan ses som en vidareutveckling av en roterande (rotativ) fil, som placerad i en svarv kan liknas vid ett skärande fräsverktyg. Både rotativ filning och senare riktig fräsning blev utvecklat för att spara tid, jämfört med exempelvis handfilning eller hyvling. Det verkliga och fullständiga ursprunget till fräsmaskinen är dock okänt på grund av att mycket av den tidiga maskinutvecklingen skedde individuellt i olika verkstäder och att ingen då dokumenterade enskilda landvinningar.

Emellertid finns det några kända milstolpar och rotativ filning uppfanns långt före reell fräsning. En roterande fil är väl känd från cirka 1760, genom Jacques de Vaucanson. Det råder stor enighet om att den distinkta klassen fräsmaskiner först uppenbarade sig mellan 1814 och 1818. Joseph W. Roe, en respekterad kännare av maskinhistoria, var övertygad om att Eli Whitney producerade den första verkliga fräsmaskinen. Whitneys fräs är den äldsta bevarade maskin som är konstruerad för vad vi idag kallar fräsning.Hallendorff (1967) Whitney bedrev vapentillverkning och utvecklade en rad specialmaskiner. Senare skolor, som till exempel Robert S. Woodbury, förespråkar att lika mycket erkänsla ska ges åt andra uppfinnare som Robert Johnson,Historia de la Fresadora Museo máquina-herramienta de Elgóibar. España [22-4-2008] Simeon North, Captain John H. Hall, och Thomas Blanchard. Flera av dessa nämnda är ibland nämnda i olika källor som varande fräsmaskinens eller några av dess fundamentala delars upphovsmän. Sådana konstateranden känns dock förenklade, då de bärande idéerna sannolikt utvecklades över lång tid bland många människor.

De två federala vapenverkstäderna i USA, vid denna tid, Springfield och Harpers Ferry och ett varierat antal privata vapenverkstäder, som många skickliga teknikarbetare tog anställning hos, bidrog sannolikt också på olika sätt. Innovatören James Nasmyth byggde en, för sin tid, avancerad fräsmaskin mellan 1829 och 1831. Den hade verktyg för att fräsa de sex sidorna på en mutter som var monterad i en motsvarande indexerad fixtur.

En fräsmaskin blev byggd och använd i en verkstad ägd av företaget Gay, Silver & Co i North Chelmsford, Massachusetts, runt 1830 då flera influenser kom, som förbättrade metoderna för vertikal positionering på ett bättre sätt än vad de tidigare maskinerna kunde åstadkomma. Ett exempel är Whitneys maskin (den som Roe betraktade som den allra första) som dock inte bestämt hade någon vertikal matning av knäet. Uppenbarligen var det arbetsflödet som avgjorde vilka finesser och delar som behövdes för stunden och då vissa delar kanske inte fordrade en skruvbar positionering, blev det väl enklare att istället shimsa upp arbetstycket till rätt nivå. Detta indikerar att de tidigaste tankegångarna runt fräsmaskiner skedde i produktionslokaler och inte i maskinverkstäder.

Thomas Blanchard utvecklade strax före 1820 en maskin för kopiering. Den kunde användas för tillverkning av skoläster och gevärskolvar (12 st. per timme). Maskinen arbetade genom att fräsens rörelser styrdes mekaniskt av en löprulle som följde mallens form. Maskinen vidareutvecklades sedan av Robbin & Lawrence, vars maskiner tillverkades ännu år 1900.

1840–1860 miniatyr|En tidig universalfräs av märket Brown & Sharpe, från 1861. Några av nyckelpersonerna i fräsmaskinens utveckling var, under denna era, Frederick W. Howe, Francis A. Pratt, Elisha K. Root, med flera. Samma personer var också (under samma era) involverade i utvecklingen av supportsvarven. Howes erfarenhet från Gay & Silver gjorde honom på 1840-talet bekant med de tidiga versionerna av båda maskinernas verktyg och hans verktygsdesign blev senare tillverkad på Robbins & Lawrence, Providence Tool Company och Brown & Sharpe. 1850 konstruerade Howe en universalfräs för Robbins & Lawrence.

Den mest framgångsrika fräsen vid dessa årtionden var Lincoln Miller, vilken bildade en familjeserie som tillverkades av flera olika företag under flera decennier framåt. Den fick sitt namn från det första företaget som serietillverkade den, George S. Lincoln & Company. Lincolnmaskiner hade fram till 1920 tillverkats i omkring 200 000 exemplar. Köpings Mekaniska Verkstad hade en version av maskinen klar 1868 och 1869 kunde verkstaden leverera den första i Sverige tillverkade universalfräsmaskinen till Husqvarna Gevärsfaktori.

I detta skede fanns det fortfarande en vit fläck i maskinkonstruktionen, då flera konstruktörer inte utvecklade någon tillförlitlig lösning för att flytta arbetstycket i alla tre axlarna, då den vertikala positioneringen inte fanns eller var underutvecklad.

1860–talet Frederick W. Howe, som arbetade på Providence Tool Company, efterfrågade 1861 en maskinell lösning som kunde tillverka de spiralspår, som exempelvis fanns på spiralborr. Dessa spår hade hittills filats för hand och frågeställningen gick vidare till Joseph R. Brown på Brown & Sharpe.

Brown utformade en universal fräsmaskin som, från det att den började säljas i mars 1862, blev en stor framgång. Den löste problemen med de tre axelförflyttningarna elegantare än tidigare försök, och den tillät också en indexering med en delningsdocka som dessutom kunde drivas av bordsmatningen. Termen "universal" tillkom på grund av att maskinen var redo för olika typer av arbete och inte var begränsad på samma sätt som tidigare maskinversioner. Howe konstruerade en universalfräs 1850, men Browns från 1860 betraktas som den ursprungliga framgångmaskinen. Den användes bland annat för att tillverka spiralborrar.

Brown utvecklade också fräsverktyg som trots upprepade skärpningar behöll den geometriska formen på fräständerna och han patenterade detta 1864. Dessa viktiga steg som togs på 1860-talet visade vägen för den moderna fräsindustrin.

1870–1930 De två företag som dominerade bland frästillverkare under denna period var Brown & Sharpe och Cincinnati Milling Machine Company. Det fanns dock hundratals andra som konstruerade och byggde fräsmaskiner under denna tid, och många var signifikanta på det ena eller andra sättet. Den arketypiska arbetshästen på sent 1880-tal och tidigt 1900-tal var en tung knä- och kolumnfräs med horisontell spindel samt med matningsväxellåda, delningsdocka och med ett stadigt övre stödlager till frässpindeln.

A. L. De Leeuw från Cincinnati Milling Machine Company applicerade vetenskapliga studier runt skärgeometri till verktygstillverkningen, som fick till följd att skärverktygens tänder blev större och placerades glesare.

Drivsystemen för verktygsmaskinerna var vanligtvis central remdrift (taktransmission) från en central ångmaskin. I slutet av 1800-talet började man tala om elektrisk drift i stället för mekanisk. Till en början användes likströmsmotorer, men det var först i början av 1890-talet som man med hjälp av induktionsmotorer och trefas växelström kunde skapa drivsystem med någorlunda driftsäkerhet. Till en början ersattes ångmaskinerna helt enkelt med en elektrisk motor och verktygsmaskinerna fortsatte att drivas med central remdrift. Utvecklingen gick sedan över gruppdrift (där en grupp maskiner drevs av samma motor) till enkeldrift, där varje maskin försågs med en egen motor. Varvtalsreglering sköttes med kuggväxlar, trappskivor eller olika steglösa överföringssystem. Vid behov av stor varvtalsvariation användes likströmsmotorer, vars varvtal reglerades med resistorer.

Runt första världskriget utvecklades maskinerna på ett flertal sätt som lade grunden för den kommande CNC-teknologin. Jiggborrmaskinen medverkade till koordinatsystemens intåg, med en lokalisering av objektet från en enda referenspunkt, samt ett ständigt arbete i tio tusendelar av en tum (0,254 mm), vilket gav en rutin att tänka precision; samt önskemålet att gå direkt från ritning till objekt, för att undvika jiggtillverkning.

Under 1920 introducerades den nya tekniken genom att J.C. Shaw applicerade denna på en Keller sänkfräsmaskin via en tredimensionell mallkopia. Detta gjorde operationen snabbare och lättare just när formtillverkning blev mer efterfrågat än någonsin tidigare och vilket var mycket tacksamt vid större bearbetningar som till exempel vid biltillverkningen som nu hade fått fart. Dessa maskiner översatte och använde det avlästa mallvärdet till att styra maskinens matningsskruvar via servomekanik eller hydraulik. Det sporrade också utvecklingen av spelfria matarskruvar. Alla dessa landvinningar var helt nya på 1920-talet men kom senare att bli rutin i NC/CNC eran. På 1930-talet tillverkades stora och avancerade fräsmaskiner, som Cincinnati Hydro-Tel, som matchar dagens CNC-fräsar i flera aspekter, förutom själva CNC-kontrollen förstås.

Ragnar Woxén härledde (1931) med hjälp av termodynamiska beräkningar en teori för spånekvivalenten. Denna teoretiska storhet sammanfattar flera av de variabler som påverkar en skärande bearbetning. Inom forskningen används inversen (1/q) som kallas ekvivalent spåntjocklek och är till hjälp vid framräkning av skärdata.

1940–1970 miniatyr|En femaxlad CNC-fräs med ett roterbart bord samt med operatörspanelen i förgrunden. På 1940-talet tillkom automation via kamstyrning, som redan var utvecklat sedan länge i andra applikationer. Vid slutet av andra världskriget var många idéer i omlopp rörande servomekanism. Dessa tankar, som snart skulle komma att kombineras med datorteknologin, förbättrade maskinverktygens kontroll påtagligt.

Den numeriska styrningstekniken (NC-maskiner, numerical control) började studeras i Amerika 1948 och den första maskinen, en vertikalfräs, kunde presenteras 1952.

På 1960- och 1970-talet utvecklades NC till CNC, datalagring och användargränssnitten utvecklades, processorkraften ihop med minneskapaciteten blev stadigt förbättrad och verktygstillverkarna förvandlades sakta till fler medelstora företag, från att tidigare varit få men desto större.

1980–nutid