High Speed Machining (HSM) is een belangrijke technologie die veel wordt gebruikt in de moderne freestechnologie. Door toepassing van HSM-freestechnologie is het mogelijk om niet alleen diverse zachte en harde materialen te frezen, maar ook om een uitstekende werkstukprecisie te bereiken. Dit artikel beschrijft de HSM-eisen voor gereedschappen en houders.
1. HSM-vereisten voor snijgereedschappen
1. Geometrie
Gereedschapstrillingen zijn direct van invloed op de oppervlaktekwaliteit die wordt verkregen door machinale bewerking. Daarom is het uiterst belangrijk om een gelijkmatige snijkracht op het gereedschap te behouden tijdens het HSM-nabewerken om gereedschapstrillingen te voorkomen.
De invloed van de aangrenzende geometrische kenmerken van het gereedschap op de snijkracht:
• Goede rondloop vergemakkelijkt een gelijkmatige lastverdeling op de snijkant
• Grotere snijkantoverlap voor uniforme snijkrachtkarakteristieken (grotere spiraalhoek en aantal groeven)
• Korte snijlengte voor betere stijfheid (diameter van de as is iets verkleind in vergelijking met steile machinewanden)
• Beste conditie van de kerndoorsnede met minimale spanningsconcentratie bij de kerf
Met HSM kunnen zeer sterke materialen worden verwerkt, waardoor de weerstand tegen vervorming toeneemt met de hardheid van het te bewerken materiaal. De verhoogde belasting van de snijkant vereist een stabiel ontwerp van de snijkantgeometrie. Bij een hoge snijsnelheid wordt echter meer wrijvingswarmte gegenereerd in het vrije gedeelte van het werkstukoppervlak, wat betekent dat de vrijloophoek van het gereedschap moet worden verkleind. Daarom kan het vergroten van de stabiliteit van de snijkant alleen worden bereikt door de afschuinhoek te verkleinen. In gevallen waarin het materiaal erg hard is en het materiaal van het gereedschap bros, kan dit zelfs resulteren in een negatieve afschuinhoek.
Precies passende radiussen zijn geslepen aan de punt van het blad om roodgloeiende omstandigheden of gedeeltelijke randbreuk bij plotselinge verhitting te voorkomen.
Als de vormnauwkeurigheid van het werkstuk zeer hoog moet zijn, heeft de straal van het kogelgedeelte van het gebruikte afwerkingsgereedschap een directe invloed op de vormnauwkeurigheid van het te bewerken werkstuk. Daarom is het als basisvoorwaarde erg belangrijk om gereedschappen met zeer kleine radiustoleranties (in het micronbereik) te gebruiken tijdens het nabewerken van zeer delicate onderdelen.
2. Materialen en coatings
Het gereedschapsmateriaal moet harder zijn dan het te bewerken materiaal. Hoe groter het hardheidsverschil tussen het werkstukmateriaal en het gereedschapsmateriaal, hoe minder gereedschapsslijtage en hoe langer de standtijd. Vanwege de hoge lokale temperaturen is het ook noodzakelijk om ervoor te zorgen dat het gereedschapsmateriaal bestand is tegen oxidatie.
Grote fluctuaties in thermische belasting en de behoefte aan oxidatiebestendigheid van het gereedschapsmateriaal leiden uiteindelijk tot de behoefte aan coatings op fijnkorrelige wolfraamcarbide gereedschapslichamen.
Beproefde coatingsystemen zoals TiN, TiCN en TiAlCN bereiken bij HSM-verwerking snel hun grenzen. Daarom zijn er meercomponenten coatingsystemen ontwikkeld, gebaseerd op nitriden met een hoog aluminiumgehalte, in combinatie met andere elementen zoals yttrium, vanadium of tantaal. Hogere prestaties kunnen ook worden bereikt met behulp van nanolaagstructuren, CBN en PKD.
2. HSM's vereisten voor gereedschapshouders
Vanwege de hoge spilsnelheden die vereist zijn bij HSM-bewerkingen, kunt u het beste de gereedschapshoudersystemen HSK-A en HSK-E gebruiken. Omdat de flens van de gereedschapshouder op de spilkop is gemonteerd, heeft de gereedschapshouder een gedefinieerde mechanische ondersteuning in de Z-richting, zodat deze bij hogere snelheden niet in de spil wordt gesleept door verhoogde middelpuntvliedende krachten.
Fundamentele fouten kunnen al in de procesvoorbereidingsfase zijn opgetreden, waardoor minder trillingen en een veilige procesbeheersing onmogelijk zijn. Om een stabiele HSM-bewerking te bereiken, is het essentieel om de uitlijning van het gereedschap en de gereedschapshouder naar behoefte te balanceren en te controleren. Er moet ook rekening worden gehouden met de toerentallimiet die is gekoppeld aan de ongebalanceerde massa.
Een slecht uitgebalanceerd of verkeerd uitgelijnd roterend gereedschapssysteem resulteert in:
• zeer slechte oppervlaktekwaliteit
• zeer lage standtijd
• Slechte processtabiliteit en veiligheid
• Mogelijke schade aan de freesspindel
De onbalans en afwijking van de ideale concentriciteit veroorzaakt door abrupte veranderingen in het proces is heel duidelijk te zien in het onderstaande schematische diagram:
Geen afwijking ten opzichte van perfecte concentriciteit: kleinere theoretische ruwheid
Afwijking van perfecte concentriciteit: grotere theoretische ruwheid
De balansmassa heeft een belangrijke invloed op de dynamische prestaties van het gehele roterende systeem.
Onbalans is gelijk aan het laten draaien van een excentrisch object. Dit excentrische lichaam kan een middelpuntvliedende kracht opwekken die kwadratisch toeneemt met de rotatiesnelheid. Dit betekent dat dezelfde onbalans 441 keer zoveel middelpuntvliedende kracht op een spil veroorzaakt bij 42,000 tpm als op een spil bij 2,000 tpm (212=441). Daarom heeft een onbalans van de gereedschapshouder bij hogesnelheidsbewerking bijzonder uitgesproken nadelige gevolgen.
Door gereedschapsopspantechnologie in HSM toe te passen, kunt u gereedschapshouders gebruiken met:
• Spantangen en
• Verloopstukken
Alternatieve systemen zoals Weldon-connectoren worden niet aanbevolen, omdat ze aanzienlijke nadelen hebben bij HSM-verwerking.
Door de goede dempingseigenschappen van de spantanghouders, die goede resultaten geven tijdens het voorbewerkingsproces, kan samen met de verloopverbindingen een zeer hoge mate van stijfheid en herhaalbaarheid worden bereikt. Dit is essentieel om een perfect werkstukoppervlak te verkrijgen. Door verloopstukken te gebruiken, kunt u een zeer nauwkeurige rondloop (minder dan 0,003 mm afwijking) en een hoog overdrachtskoppel bereiken.
Ontwerpstructuur van verschillende reductiegereedschaphouders: het transmissiekoppel is afhankelijk van de ontwerpstructuur van de klemapparatuur; verschillende ontwerpstructuren, ze kunnen heel verschillend zijn.
