Hoe vermijd je trillingen tijdens het bewerkingsproces?

Snijgereedschappen van Iscar die trillingen tegengaan

Trillingen tijdens het bewerkingsproces zijn een onvermijdelijk deel van verspaning. Van nature gaan de snijbewegingen tijdens dat proces gepaard met verschillende fysische krachten. Machinevibraties of trillingen worden ook wel eens chatter genoemd. Zelfs als een bewerkingsproces als stabiel wordt omschreven, betekent dit niet dat er geen trillingen voorkomen. Wel blijven trillingen in dat geval op dergelijk niveau dat de bewerking de vereiste resultaten oplevert en beschouwen we het daarom als een no vibration bewerking.

Trillingen

In feite zijn trillingen bij het verspaningsproces een schadelijke factor die de prestaties van het gereedschap verminderen. Fabrikanten stellen daarom alles in het werk om dergelijke ongewenste vibraties te verminderen en idealiter op een niveau te brengen dat ze geen invloed hebben op de eindkwaliteit. De zogeheten chatter is onderwerp van menig onderzoek die fabrikanten er al toe heeft aangezet de complexe trillingen in het bewerkingsproces te modelleren, wat meteen een effectieve methode is gebleken om ze ook te reduceren. Modelleren kost echter tijd en vereist verschillende inputgegevens waarvoor soms bijkomende metingen nodig zijn. Meestal wanneer verspanende bedrijven te maken krijgen met trillingen tijdens het bewerken, hebben ze maar een beperkt aantal mogelijkheden om in real time te reageren en de trillingen te verminderen. De meest voorkomende praktijk is het variëren van de snijsnelheid en de aanzet. Met andere woorden, elke nieuwe en effectieve methode om trillingen te verminderen die géén negatieve invloed heeft op de productiviteit van de bewerking zal meteen voordelen opleveren voor de verspanende bedrijven.

Om trillingen tijdens het bewerkingsproces te verminderen, moet een productie-eenheid worden beschouwd als een systeem bestaande uit enkele onderling samenhangende elementen: de machine, het werkstuk, de opspanning en het snijgereedschap. Hoewel de invloed van elk van deze elementen op het verminderen van de totale trillingen verschillend is, kan het verbeteren van één karakteristiek van één element al een aanzienlijke invloed hebben op het totale dynamische gedrag van het systeem.

Snijgeometrie

De juiste geometrie van het gereedschap maakt het verspaningsproces soepel en stabiel. De geometrie heeft namelijk een belangrijke invloed op de schommelingen in de snijkracht, de spaanafvoer en andere factoren die direct verband houden met machinevibraties. De gereedschapsingenieurs van gereedschapsfabrikant Iscar zijn van mening dat die snijgeometrie de trillingsdemping van een gereedschap aanzienlijk kan versterken en hebben hiervoor enkele interessante oplossingen ontwikkeld.

Zo zijn de verschillende indexeerbare wisselplaatjes, verwisselbare snijkoppen en hardmetalen gereedschappen van Iscar voorzien van spaanbrekers op de snijkant. Dankzij dergelijke spaanbrekers wordt een bredere spaan verdeeld in kleinere spanen, wat resulteert in meer dynamische prestaties van het gereedschap tijdens de bewerking en het stabiliseren van trillingen.

Bij ruwe voorbewerking verwijderen lange snijkantsfrezen grote hoeveelheden materiaal onder zware omstandigheden. Die aanzienlijke cyclische snijkrachten veroorzaken zo trillingsproblemen. Door gebruik te maken van indexeerbare wisselplaatjes met spaanbrekers kunnen deze problemen worden vermeden. Frezen met ronde wisselplaatjes, echte werkpaarden bij het bewerken van caviteiten, vooral in de matrijzenbouw, vaak met grote uitspanlengte, wat de stijfheid en trillingsbestendigheid van het gereedschap beïnvloedt. Problemen met de stabiliteit van het snijgereedschap ontstaan wanneer de uitspanlengte meer dan driemaal de diameter van het gereedschap bedraagt. Door gekartelde ronde wisselplaatjes te gebruiken met een spaanbrekend effect wordt het euvel echter verholpen met een substantiële verbetering van de snijwerking tot gevolg.

Een weldoordachte verdeling van de snijkanten op de omtrek is een effectieve manier om het dynamische gedrag van een snijgereedschap te verhogen. De gereedschappenfamilie chatterfree van Iscar, bestaande uit volhardmetalen schachtfrezen (SCEM), is ontworpen op basis van een controle op de hoekverdraaiing. De gereedschappen beschikken over een variabele vertanding in combinatie met een andere helix. Dit concept verzekert trillingsvrij frezen in een breed scala van toepassingen.

De finishred volhardmetalen schachtfrezen hebben een spaanbrekende geometrie in combinatie met variabele hoekverdraaiing van de snijkanten die zorgen voor een goede oppervlaktekwaliteit bij verspanen aan parameters zoals bij het ruwen.

De principes van de trillingsdempende snij­geometrie, die hun effectiviteit reeds hebben bewezen bij volhardmetalen schachtfrezen, werden ook toegepast op het ontwerp van de uitwisselbare meerlippige freeskopjes in de Multi-Master gereedschappenfamilie.

Trillingsvrij boren

Trillingen tijdens het boren leiden tot een ondermaatse oppervlakteafwerking en lagere nauwkeurigheid. De Sumocham boren met verwisselbare hardmetalen koppen van Iscar hebben dankzij QCP/ICP-2M-koppen, ontworpen met een dubbele margin, een verbeterde dynamische stabiliteit.

Vibraties bij de inzet kunnen ernstige schade en zelfs breuk van het gereedschap veroorzaken. De gereedschappenfamilie Sumocham-IQ van Iscar is daarom voorzien van zelfcentrerende eigenschappen. De sleutel ligt in een atypisch gebogen profiel van de snijkant, die te vergelijken valt met de vorm van een pagode. Deze snijgeometrie maakt het mogelijk om in massief materiaal diepe gaten te boren met hoge kwaliteit tot wel twaalf keer de diameter, zonder dat er voorgeboord moet worden.

Materiaal van het gereedschap

Een geassembleerd snijgereedschap bestaat uit een basisgereedschap met indexeerbare wisselplaatjes of wisselbare snijkoppen. De keuze voor het juiste materiaal van het basisgereedschap biedt bijkomende mogelijkheden voor het vormen van een trillingsvrij gereedschap. De meeste basisgereedschappen zijn gemaakt van hoogwaardige staalsoorten, al hebben ingenieurs intussen ook gereedschappen ontworpen die als alternatief kunnen dienen om de trillingsbestendigheid te verbeteren.

De gereedschappenfamilie Multi-Master van Iscar bestaat uit roterende gereedschappen met verwisselbare koppen. Ze bevat een breed scala aan basisgereedschappen, gemaakt uit staal, hardmetaal of heavy metal, elk met hun eigen voor- en nadelen. Een legering bestaande uit ongeveer 90% wolfraam bevat bijvoorbeeld duidelijke trillingsdempende eigenschappen en is het meest opportuun voor lichte tot middelzware snijbewerkingen in onstabiele omstandigheden.

Anti-trillingsgereedschappen

Een typisch gereedschap voor interne draai- of kotterbewerkingen bestaat uit een staaf met een gemonteerde wisselplaat of een opzetstuk die een wisselplaat bevat. De schacht is de doorslaggevende factor voor de dynamische eigenschappen van het gereedschap. Een grote ratioverhouding tussen uitspanlengte en diameter kan een reden zijn voor doorbuiging van het gereedschap en trillingen, waardoor de nauwkeurigheid en afwerking van het oppervlak te lijden heeft.

Iscar ontwikkelde daarom drie soorten kottergereedschappen voor een breed scala aan toepassingen; twee integrale (uit staal en massief hardmetaal) en één geassembleerd gereedschap, met een trillingsdempend systeem aan de binnenkant. Denk aan de Isoturn Whisperline die voorzien is van verwisselbare boorkoppen voor indexeerbare wisselplaatjes van verschillende geometrieën met inwendige koelvloeistoftoevoercapaciteit. Kenmerkend voor deze gereedschapsfamilie is het ingebouwd trillingsdempend mechanisme voor real-time correcties tijdens de bewerking. Dit maakt het mogelijk om te kotteren met een uitspanlengte van zeven tot veertien keer de diameter.

Fabrikanten van verspanende gereedschappen hebben een beperkte keuze aan middelen om trillingen te verminderen, met alleen de geometrie van het gereedschap, het materiaal van het basisgereedschap en eventueel een snijgereedschap met ingebouwde trillingsdemping. Om met deze beperkte middelen een trillingsvrij gereedschap te maken is veel vaardigheid en vernuft nodig. Maar moeilijk kan ook, getuige de genoemde oplossingen in dit artikel.