Frais

Klon 3 sumbu dari mesin frais vertikal gaya Bridgeport

Frais adalah proses pemesinan menggunakan pemotong putar untuk menghilangkan material[1] dengan memajukan pemotong ke dalam benda kerja. Hal ini dapat dilakukan dengan memvariasikan arah[2] pada satu atau beberapa sumbu, kecepatan kepala pemotong, dan tekanan.[3] Frais mencakup berbagai macam operasi dan mesin yang berbeda, dalam skala mulai dari komponen individual kecil hingga operasi frais berkelompok tugas berat dan besar. Ini adalah salah satu proses yang paling umum digunakan untuk mengerjakan komponen khusus dengan toleransi yang presisi.

Frais dapat dilakukan dengan berbagai macam peralatan mesin. Kelas peralatan mesin asli untuk frais adalah mesin frais. Setelah munculnya kontrol numerik komputer (CNC) pada tahun 1960-an, mesin frais berevolusi menjadi machining centers: mesin frais yang dilengkapi dengan pengubah alat otomatis, magasin atau korsel alat, kapabilitas CNC, sistem pendingin, dan penutup. Pusat frais umumnya diklasifikasikan sebagai vertical machining center (VMC) atau horizontal machining center (HMC).

Integrasi frais ke dalam lingkungan pembubutan, dan sebaliknya, dimulai dengan perkakas hidup untuk mesin bubut dan penggunaan frais sesekali untuk operasi pembubutan. Hal ini menghasilkan kelas baru peralatan mesin, mesin multitugas, yang dibuat khusus untuk memfasilitasi frais dan pembubutan dalam lingkup kerja yang sama.

Proses

Proses face milling (sumbu putaran pemotong vertikal - kemiringan 0° relatif terhadap sumbu alat)

Frais adalah proses pemotongan yang menggunakan pisau frais untuk menghilangkan material dari permukaan benda kerja. Pisau frais adalah alat pemotong putar, sering kali dengan beberapa titik pemotongan. Berbeda dengan pengeboran, di mana alat dimajukan sepanjang sumbu rotasinya, pisau dalam frais biasanya digerakkan tegak lurus terhadap sumbunya sehingga pemotongan terjadi pada keliling pisau. Saat pisau frais memasuki benda kerja, tepi pisau (alur atau gigi) alat berulang kali memotong dan keluar dari material, mengikis serpihan (serpihan) dari benda kerja dengan setiap lintasan. Tindakan pemotongan adalah deformasi geser; material didorong dari benda kerja dalam gumpalan kecil yang saling menggantung pada tingkat yang lebih besar atau lebih kecil (tergantung pada materialnya) untuk membentuk serpihan. Hal ini membuat pemotongan logam agak berbeda dalam mekanikanya dari mengiris material yang lebih lunak dengan bilah.

Proses frais menghilangkan material dengan melakukan banyak pemotongan kecil yang terpisah. Ini dilakukan dengan menggunakan pemotong dengan banyak gigi, memutar pemotong dengan kecepatan tinggi, atau memajukan material melalui pemotong secara perlahan; paling sering ini adalah beberapa kombinasi dari ketiga pendekatan ini.[2] Kecepatan dan umpan yang digunakan bervariasi untuk menyesuaikan kombinasi variabel. Kecepatan di mana potongan maju melalui pemotong disebut laju umpan, atau hanya umpan; paling sering diukur sebagai jarak per waktu (inci per menit [in/min atau ipm] atau milimeter per menit [mm/min]), meskipun jarak per putaran atau per gigi pemotong juga kadang-kadang digunakan.

Ada dua kelas utama proses frais:

  • Dalam face milling, aksi pemotongan terjadi terutama di sudut ujung pemotong frais. Face milling digunakan untuk memotong permukaan datar (muka) pada benda kerja, atau untuk memotong rongga beralas datar.
  • Dalam peripheral milling, aksi pemotongan terjadi terutama di sepanjang keliling pemotong, sehingga penampang permukaan yang difrais akhirnya menerima bentuk pemotong. Dalam hal ini bilah pemotong dapat dilihat menyendok material dari benda kerja. Peripheral milling sangat cocok untuk pemotongan slot dalam, ulir, dan gigi roda gigi.

Pisau frais

Artikel utama: pisau frais

Berbagai jenis alat pemotong digunakan dalam proses frais. Pemotong frais seperti pisau frais mungkin memiliki permukaan pemotongan di seluruh permukaan ujungnya, sehingga dapat dibor ke dalam benda kerja (plunging). Pisau frais mungkin juga memiliki permukaan pemotongan yang diperpanjang di sisinya untuk memungkinkan peripheral milling. Alat yang dioptimalkan untuk face milling cenderung hanya memiliki pemotong kecil di sudut ujungnya.

Permukaan pemotongan pisau frais umumnya terbuat dari bahan yang keras dan tahan suhu, sehingga permukaannya aus secara perlahan. Pemotong berbiaya rendah mungkin memiliki permukaan yang terbuat dari baja berkecepatan tinggi. Bahan yang lebih mahal tetapi lebih lambat aus termasuk karbida yang disemen. Lapisan film tipis dapat diaplikasikan untuk mengurangi gesekan atau lebih meningkatkan kekerasan.

Ada alat pemotong yang biasanya digunakan dalam mesin frais untuk melakukan operasi frais (dan terkadang pada peralatan mesin lainnya). Alat ini membuang material melalui gerakannya di dalam mesin (misalnya, ball nose mill) atau langsung dari bentuk pemotong (misalnya, alat bentuk seperti pemotong hobbing).

Diagram punggungan revolusi pada permukaan yang difrais oleh sisi pemotong, menunjukkan posisi pemotong untuk setiap lintasan pemotongan dan bagaimana ia berhubungan dengan punggungan (sumbu rotasi pemotong tegak lurus terhadap bidang gambar)

Saat material melewati area pemotongan mesin frais, bilah pemotong mengambil serpihan material secara berkala. Permukaan yang dipotong oleh sisi pemotong (seperti pada peripheral milling) karenanya selalu mengandung tonjolan yang teratur. Jarak antara tonjolan dan tinggi tonjolan bergantung pada laju umpan, jumlah permukaan pemotongan, dan diameter pemotong.[4] Dengan pemotong yang sempit dan laju umpan yang cepat, tonjolan revolusi ini dapat menjadi variasi yang signifikan pada permukaan akhir.

Tanda trokoid, karakteristik face milling.

Proses face milling pada prinsipnya dapat menghasilkan permukaan yang sangat datar. Namun, dalam praktiknya hasilnya selalu menunjukkan tanda-tanda trokoid yang terlihat mengikuti gerakan titik-titik pada permukaan ujung pemotong. Tanda-tanda revolusi ini memberikan hasil akhir yang khas dari permukaan yang digiling. Tanda-tanda revolusi dapat memiliki kekasaran yang signifikan tergantung pada faktor-faktor seperti kerataan permukaan ujung pemotong dan tingkat tegak lurus antara sumbu rotasi pemotong dan arah umpan. Sering kali lintasan akhir dengan laju umpan yang lambat digunakan untuk meningkatkan hasil akhir permukaan setelah sebagian besar material telah dihilangkan. Dalam operasi face milling yang presisi, tanda-tanda revolusi hanya akan berupa goresan mikroskopis karena ketidaksempurnaan pada ujung pemotong.

Frais berkelompok pada mesin frais

Frais berkelompok mengacu pada penggunaan dua atau lebih pemotong frais yang dipasang pada poros yang sama (yaitu, berkelompok) dalam pengaturan frais horizontal. Semua pemotong dapat melakukan jenis operasi yang sama, atau setiap pemotong dapat melakukan jenis operasi yang berbeda. Misalnya, jika beberapa benda kerja memerlukan slot, permukaan datar, dan alur bersudut, metode yang baik untuk memotongnya (dalam konteks non-CNC) adalah frais berkelompok. Semua benda kerja yang telah selesai akan sama, dan waktu frais per bagian akan diminimalkan.[5]

Frais berkelompok sangat penting sebelum era CNC, karena untuk produksi komponen duplikat, hal ini merupakan peningkatan efisiensi yang substansial dibandingkan frais manual satu fitur pada satu operasi, kemudian mengganti mesin (atau mengubah pengaturan mesin yang sama) untuk memotong operasi berikutnya. Saat ini, frais CNC dengan penggantian alat otomatis dan kontrol 4 atau 5 sumbu menghilangkan praktik frais berkelompok secara signifikan.

Peralatan

Frais dilakukan dengan pisau frais dalam berbagai bentuk, yang dipegang dalam collet atau sejenisnya, yang selanjutnya dipegang dalam spindel mesin frais.

Jenis dan nomenklatur

Orientasi frais merupakan klasifikasi utama untuk mesin frais. Dua konfigurasi dasar adalah vertikal dan horizontal – mengacu pada orientasi spindel berputar tempat pemotong dipasang. Namun, ada klasifikasi alternatif menurut metode kontrol, ukuran, tujuan, dan sumber daya.

Orientasi frais

Vertikal
Mesin frais vertikal. 1: milling cutter 2: spindle 3: top slide atau overarm 4: column 5: table 6: Y-axis slide 7: knee 8: base

Pada mesin frais vertikal, poros spindel berorientasi vertikal. Pisau frais dipegang di dalam spindel dan berputar pada porosnya. Spindel umumnya dapat diturunkan (atau meja dapat dinaikkan, sehingga memberikan efek relatif yang sama dengan mendekatkan pemotong atau memperdalam benda kerja), sehingga memungkinkan pemotongan dan pengeboran. Kedalaman pemotongan bilah ke dalam benda kerja dapat dikontrol dengan mur penyetelan mikrometer. Ada dua subkategori frais vertikal: frais alas dan frais turret.

  • Frais turret memiliki spindel tetap dan meja digerakkan tegak lurus dan sejajar dengan sumbu spindel untuk melakukan pemotongan. Beberapa mesin frais turret memiliki pena yang memungkinkan pisau frais (atau bor) dinaikkan dan diturunkan dengan cara yang mirip dengan mesin bor tekan. Ini menyediakan dua metode pemotongan dalam arah vertikal (Z): dengan menaikkan atau menurunkan quill, dan dengan menggerakkan knee.
  • Namun, pada frais alas, meja hanya bergerak tegak lurus terhadap sumbu spindel, sedangkan spindel itu sendiri bergerak sejajar dengan sumbunya sendiri.

Frais turret secara umum dianggap oleh beberapa orang sebagai desain yang lebih serbaguna dari kedua desain tersebut.

Jenis ketiga juga ada, mesin yang lebih ringan dan lebih serbaguna, yang disebut mill-drill. Mill-drill adalah kerabat dekat dari vertical mill dan cukup populer di industri ringan; dan di kalangan penghobi. Mill-drill memiliki konfigurasi dasar yang mirip dengan mesin bor tekan yang sangat berat, tetapi dilengkapi dengan meja X-Y dan kolom yang jauh lebih besar. Juga biasanya menggunakan motor yang lebih bertenaga daripada mesin bor tekan berukuran sebanding, sebagian besar digerakkan oleh sabuk multi-kecepatan dengan beberapa model memiliki kepala roda gigi atau kontrol kecepatan elektronik. Umumnya memiliki bantalan spindel tugas berat untuk menangani beban lateral pada spindel yang dibuat oleh operasi frais. Bor frais juga biasanya menaikkan dan menurunkan seluruh kepala, termasuk motor, sering kali pada kolom vertikal yang disambung dengan pasak (kadang-kadang bulat dengan rak dan pinion). Bor frais juga memiliki pena besar yang umumnya terkunci selama operasi frais dan dilepaskan untuk memfasilitasi fungsi pengeboran. Perbedaan lain yang membedakan bor frais dari mesin bor tekan mungkin adalah penyesuaian halus untuk sumbu Z, penghenti kedalaman yang lebih presisi, kemampuan untuk mengunci sumbu X, Y atau Z, dan sering kali sistem memiringkan kepala atau seluruh kolom vertikal dan rakitan kepala daya untuk memungkinkan pemotongan-pengeboran miring. Selain ukuran, perbedaan utama antara mesin yang lebih ringan ini dan frais vertikal yang lebih besar adalah bahwa meja X-Y berada pada ketinggian tetap; sumbu Z dikontrol dengan menggerakkan kepala atau pena ke bawah ke arah meja X,Y. Bor frais biasanya memiliki pemasangan taper internal di quill untuk mengambil collet chuck, face mill, atau Jacobs chuck yang mirip dengan penggilingan vertikal.

= Horizontal

Mesin frais horizontal
1: base
2: column
3: knee
4 & 5: table (x-axis slide is integral)
6: overarm
7: arbor (terpasang pada poros)

Frais horizontal memiliki panjang yang sama, tetapi pemotongnya dipasang pada poros horizontal, atau poros, yang dipasang di seberang meja. Banyak frais horizontal juga memiliki meja putar bawaan yang memungkinkan frais pada berbagai sudut; fitur ini disebut universal table. Sementara frais ujung dan jenis alat lain yang tersedia untuk frais vertikal dapat digunakan dalam frais horizontal, keunggulan sebenarnya terletak pada pemotong yang dipasang pada poros, yang disebut frais samping dan muka, yang memiliki penampang melintang seperti gergaji bundar, tetapi umumnya lebih lebar dan berdiameter lebih kecil. Karena pemotong memiliki dukungan yang baik dari poros dan memiliki luas penampang yang lebih besar daripada frais ujung, pemotongan yang cukup berat dapat dilakukan sehingga memungkinkan laju pembuangan material yang cepat. Pemotong ini digunakan untuk frais alur dan slot. Frais biasa digunakan untuk membentuk permukaan datar. Beberapa pemotong dapat disatukan pada poros untuk menggiling bentuk slot dan bidang yang rumit. Pemotong khusus juga dapat memotong alur, bevel, jari-jari, atau bahkan bagian mana pun yang diinginkan. Pemotong khusus ini cenderung mahal. Mesin frais simpleks memiliki satu spindel, sedangkan mesin frais dupleks memiliki dua spindel. Mesin frais horizontal juga lebih mudah memotong roda gigi. Beberapa mesin frais horizontal dilengkapi dengan perangkat pengambil daya di atas meja. Hal ini memungkinkan umpan meja disinkronkan ke perlengkapan putar, sehingga memungkinkan frais fitur spiral seperti roda gigi hipoid.

Universal

Mesin frais universal adalah mesin yang memiliki fasilitas untuk memiliki spindel horizontal atau spindel vertikal. Spindel vertikal terkadang berada pada menara dua sumbu yang memungkinkan spindel diarahkan ke segala arah sesuai keinginan. Kedua pilihan tersebut dapat digerakkan secara independen atau dari satu motor melalui roda gigi. Dalam kedua kasus tersebut, karena pekerjaan umumnya ditempatkan di tempat yang sama untuk kedua jenis operasi, mekanisme untuk metode yang tidak digunakan dipindahkan. Pada mesin yang lebih kecil, "suku cadang" dapat diangkat sementara mesin yang lebih besar menawarkan sistem untuk menarik kembali bagian-bagian yang tidak digunakan.

Keunggulan komparatif

Pilihan antara orientasi spindel vertikal dan horizontal dalam desain mesin frais biasanya bergantung pada bentuk dan ukuran benda kerja serta jumlah sisi benda kerja yang memerlukan pemesinan. Pekerjaan yang gerakan aksial spindelnya normal terhadap satu bidang, dengan endmill sebagai pemotong, cocok untuk frais vertikal, tempat operator dapat berdiri di depan mesin dan memiliki akses mudah ke aksi pemotongan dengan melihatnya dari bawah. Jadi, frais vertikal paling disukai untuk pekerjaan diesinking (memesin cetakan menjadi balok logam).[6] Benda kerja yang lebih berat dan lebih panjang cocok ditempatkan di meja frais horizontal.

Sebelum adanya kontrol numerik, mesin frais horizontal berevolusi terlebih dahulu, karena mesin ini berevolusi dengan meletakkan meja frais di bawah headstock seperti mesin bubut. Frais vertikal muncul pada dekade berikutnya, dan aksesori berupa head tambahan untuk mengubah frais horizontal menjadi frais vertikal (dan kemudian sebaliknya) telah umum digunakan. Bahkan di era CNC, benda kerja berat yang membutuhkan pemesinan di beberapa sisi cocok untuk pusat pemesinan horizontal, sementara diesinking cocok untuk pusat pemesinan vertikal.

Klasifikasi alternatif

Selain perbedaan horizontal dan vertikal, ada perbedaan lain yang juga penting:

Kriteria Contoh skema klasifikasi Komentar
Orientasi sumbu spindel Vertikal versus horizontal;
Turret versus non-turret 		Di antara frais vertikal, "gaya Bridgeport" adalah kelas frais yang terinspirasi oleh frais orisinal Bridgeport, seperti IBM PC yang melahirkan industri PC yang kompatibel dengan IBM oleh merek lain
Kontrol Manual;
Otomatisasi mekanis melalui cam;
Otomatisasi digital melalui NC/CNC 		Di era CNC, perbedaan yang sangat mendasar adalah manual versus CNC.
Di antara mesin manual, perbedaan yang penting adalah mesin yang tidak dilengkapi DRO versus yang dilengkapi DRO
Kontrol (khususnya di antara mesin CNC) Jumlah sumbu (misalnya, 3 sumbu, 4 sumbu, atau lebih) Dalam skema ini, juga:
  • Pergantian palet versus tanpa penggantian palet
  • Penggantian alat secara otomatis penuh versus penggantian alat semi-otomatis atau manual
Tujuan General-purpose versus special-purpose atau single-purpose  
Tujuan Mesin perkakas versus mesin produksi  
Tujuan "Sederhana" versus "universal" Perbedaan yang maknanya berkembang selama beberapa dekade seiring kemajuan teknologi, dan tumpang tindih dengan klasifikasi tujuan lain di atas. Tidak relevan dengan mesin CNC saat ini. Mengenai mesin manual, tema umumnya adalah bahwa mesin "sederhana" adalah mesin produksi dengan sumbu yang lebih sedikit daripada mesin "universal"; misalnya, sementara mesin sederhana tidak memiliki kepala pengindeksan dan meja yang tidak berputar, mesin universal akan memilikinya. Jadi, mesin ini cocok untuk layanan universal, yaitu, rentang lintasan alat yang lebih luas. Pembuat alat mesin tidak lagi menggunakan pelabelan "sederhana" versus "universal".
Ukuran Mikro, mini, meja kerja, berdiri di lantai, besar, sangat besar, raksasa  
Sumber daya Penggerak poros garis versus penggerak motor listrik individual Sebagian besar mesin penggerak poros garis, yang ada di mana-mana sekitar tahun 1880–1930, kini sudah tidak digunakan lagi
Tenaga engkol tangan versus tenaga listrik Engkol tangan tidak digunakan dalam industri tetapi cocok untuk frais mikro hobi

Variasi

Miniatur mesin frais
  • Frais alas Ini merujuk pada mesin frais yang porosnya berada pada liontin yang bergerak ke atas dan ke bawah untuk menggerakkan pemotong ke dalam benda kerja, sementara mejanya berada di atas alas kokoh yang bersandar di lantai. Mesin ini umumnya lebih kaku daripada mesin frais knee. Mesin frais gantry dapat dimasukkan dalam kategori mesin frais alas ini.
  • Frais kotak atau Frais kolom Mesin frais yang sangat mendasar yang memiliki kepala yang naik dan turun pada kolom atau kotak.
  • Rangka-C Ini adalah frais produksi industri yang lebih besar. Penggilingan ini memiliki kepala spindel tetap dan knee yang hanya dapat digerakkan secara vertikal. Penggilingan ini biasanya jauh lebih bertenaga daripada frais turret, yang memiliki motor hidrolik terpisah untuk menyalurkan daya hidrolik integral ke segala arah, dan motor berdaya dua puluh hingga lima puluh tenaga kuda. Penghilang backlash hampir selalu merupakan peralatan standar. Frais ini menggunakan perkakas NMTB 40 atau 50 yang besar. Meja pada frais rangka-C biasanya berukuran 18" x 68" atau lebih besar, untuk memungkinkan beberapa komponen dikerjakan secara bersamaan.
  • Frais lantai Memiliki sederetan meja putar, dan spindel gantung horizontal yang dipasang pada serangkaian lintasan yang berjalan sejajar dengan deretan meja. Frais ini sebagian besar telah dikonversi ke CNC, tetapi beberapa masih dapat ditemukan (jika seseorang dapat menemukan mesin bekas yang tersedia) di bawah kendali manual. Kereta spindel bergerak ke setiap meja individual, melakukan operasi pemesinan, dan bergerak ke meja berikutnya sementara meja sebelumnya sedang disiapkan untuk operasi berikutnya. Tidak seperti frais lainnya, frais lantai memiliki unit lantai yang dapat dipindahkan. Sebuah derek menurunkan meja putar besar, meja X-Y, dll., ke posisi untuk pemesinan, yang memungkinkan operasi frais khusus yang besar dan kompleks.
  • Frais Gantry Kepala frais berada di atas dua rel (seringkali poros baja) yang terletak di setiap sisi permukaan kerja. Karena desainnya, biasanya ukurannya sangat kecil dibandingkan dengan ukuran lintasan mesin. Sebagai kekurangannya, biasanya tidak sekaku seperti frais rangka-C.
  • Mesin frais horizontal dengan alas besar dan akurat yang menggabungkan banyak fitur dari berbagai peralatan mesin. Mesin ini terutama digunakan untuk membuat alat produksi besar, atau untuk memodifikasi komponen presisi tinggi yang besar. Mesin ini memiliki langkah spindel beberapa (biasanya antara empat dan enam) kaki, dan banyak yang dilengkapi dengan tailstock untuk melakukan operasi pengeboran yang sangat panjang tanpa kehilangan akurasi saat lubang bertambah dalam. Alas yang umum memiliki lintasan X dan Y, dan berukuran antara tiga dan empat kaki persegi dengan meja putar atau persegi panjang yang lebih besar tanpa meja. Liontin biasanya menyediakan gerakan vertikal antara empat dan delapan kaki. Beberapa mesin frais memiliki kepala menghadap integral yang besar (30" atau lebih). Meja putar sudut siku-siku dan attachment frais vertikal tersedia untuk fleksibilitas lebih lanjut.
  • Jig borer Mesin frais vertikal yang dibuat untuk mengebor lubang, frais slot atau muka yang sangat ringan. Mesin ini biasanya berupa frais alas dengan jarak spindel yang panjang. Alasnya lebih akurat, dan roda tangan diturunkan hingga 0,0001" untuk penempatan lubang yang presisi.
  • Knee mill atau knee-and-column mill mengacu pada mesin frais yang meja x-y-nya bergerak naik turun pada kolom dengan knee yang dapat disesuaikan secara vertikal.
  • Frais model planer (Plano Milling)Mesin frais besar yang dibuat dengan konfigurasi yang sama dengan planer kecuali dengan spindel frais, bukan kepala planer. Istilah ini sudah ketinggalan zaman karena planer sendiri sebagian besar sudah ketinggalan zaman.
  • Frais tipe ram Dapat merujuk ke frais apa pun yang memiliki kepala pemotong yang dipasang pada ram geser. Spindel dapat diorientasikan secara vertikal atau horizontal. Dalam praktiknya, sebagian besar frais dengan ram juga melibatkan kemampuan berputar, baik disebut pemasangan "turret" atau tidak. Konfigurasi Bridgeport dapat diklasifikasikan sebagai frais tipe ram kepala vertikal. Van Norman Machine Tool Company mengkhususkan diri dalam frais tipe ram selama sebagian besar abad ke-20. Sejak penyebaran luas mesin CNC, frais tipe ram masih dibuat dalam konfigurasi Bridgeport (dengan kontrol manual atau CNC), tetapi variasi yang kurang umum (seperti yang dibuat oleh Van Norman, Index, dan lainnya) telah punah, pekerjaan mereka sekarang dilakukan oleh frais bentuk Bridgeport.
  • Frais turret Lebih umum disebut sebagai mesin frais tipe Bridgeport. Spindel dapat disejajarkan dalam berbagai posisi untuk mesin yang sangat serbaguna, meskipun agak kurang kaku.

Lihat pula

Referensi

  1. ^ Brown & Sharpe 1914, hlm. 7.
  2. ^ a b CMMC 1922, hlm. 122.
  3. ^ Usher 1896, hlm. 142.
  4. ^ CMMC 1922, hlm. 125–127.
  5. ^ "How to use a Milling Machine". American Machine Tools Co. 
  6. ^ Encyclopædia Britannica 2011

Bibliografi

Wikimedia Commons memiliki media mengenai Milling.