High Speed Machining (HSM) er en vigtig teknologi, der er meget udbredt i moderne fræseteknologi. Ved at anvende HSM fræseteknologi er det muligt ikke kun at fræse forskellige bløde og hårde materialer, men også at opnå fremragende emnepræcision. Denne artikel beskriver HSM-kravene til værktøjer og holdere.
1. HSM-krav til skærende værktøjer
1. Geometri
Værktøjsvibrationer påvirker direkte overfladekvaliteten opnået ved bearbejdning. Derfor er det ekstremt vigtigt at opretholde en ensartet skærekraft på værktøjet under HSM efterbehandling for at undgå værktøjsvibrationer.
Indflydelsen af værktøjets tilstødende geometriske egenskaber på skærekraften:
• God koncentricitet letter en jævn belastningsfordeling på skærkanten
• Større skærekantoverlap for ensartede skærekraftkarakteristika (større skruevinkel og antal riller)
• Kort skærelængde for bedre stivhed (skaftets diameter er reduceret en smule sammenlignet med stejle maskinvægge)
• Bedste kernetværsnitstilstand med minimal spændingskoncentration ved indhakket
Højstyrkematerialer kan forarbejdes ved hjælp af HSM, hvilket betyder, at modstanden mod deformation øges med hårdheden af det materiale, der skal forarbejdes. Den øgede belastning på skærkanten kræver et stabilt design af skærgeometrien. Der vil dog blive genereret mere friktionsvarme i det frie område af emnets overflade ved høj skærehastighed, hvilket betyder, at værktøjets frivinkel skal reduceres. Derfor kan en øget stabilitet af skærkanten kun opnås ved at reducere affasningsvinklen. I tilfælde, hvor materialet er meget hårdt, og værktøjsmaterialet er skørt, kan det endda resultere i en negativ skråvinkel.
Præcis passende radier er slebet i spidsen af klingen for at undgå rødglødende forhold eller delvis kantbrud ved pludselig opvarmning.
Hvis det kræves, at formnøjagtigheden af emnet er meget høj, har radius af kugledelen af det anvendte efterbehandlingsværktøj en direkte indvirkning på formnøjagtigheden af det emne, der skal bearbejdes. Derfor er det som en grundbetingelse meget vigtigt at bruge værktøj med meget snævre radiustolerancer (i mikronområdet) under efterbehandlingen af meget sarte dele.
2. Materialer og belægninger
Værktøjsmaterialet skal være hårdere end det materiale, der skal bearbejdes. Jo større hårdhedsforskel mellem emnematerialet og værktøjsmaterialet er, jo mindre slid på værktøjet og jo længere værktøjslevetid. På grund af de høje lokale temperaturer er det også nødvendigt at sikre, at værktøjsmaterialet er modstandsdygtigt over for oxidation.
Store udsving i termisk belastning og behovet for oxidationsmodstand af værktøjsmaterialet fører til et eventuelt behov for belægninger på finkornede wolframkarbidværktøjslegemer.
Afprøvede og testede belægningssystemer som TiN, TiCN og TiAlCN når hurtigt deres grænser i HSM-behandling. Derfor er der udviklet multi-komponent belægningssystemer, baseret på nitrider med højt aluminiumindhold, i kombination med andre grundstoffer såsom yttrium, vanadium eller tantal. Højere ydeevne kan også opnås ved hjælp af nanolagstrukturer, CBN og PKD.
2. HSM's krav til værktøjsholdere
På grund af de høje spindelhastigheder, der kræves i HSM-bearbejdning, er det bedst at bruge HSK-A og HSK-E værktøjsholdersystemerne. Da værktøjsholderflangen er monteret på spindelhovedet, har værktøjsholderen en defineret mekanisk støtte i Z-retningen, så den ved højere hastigheder ikke trækkes ind i spindlen på grund af øgede centrifugalkræfter.
Grundlæggende fejl kan allerede være opstået i procesforberedelsesfasen, hvilket gør mindre vibrationer og sikker processtyring umulig. For at opnå stabil HSM-bearbejdning er det vigtigt at afbalancere og kontrollere justeringen af værktøjet og værktøjsholderenheden efter behov. Den rotationshastighedsgrænse, der er forbundet med den ubalancerede masse, skal også tages i betragtning.
Et dårligt afbalanceret eller forkert justeret roterende værktøjssystem vil resultere i:
• meget dårlig overfladekvalitet
• meget lav værktøjslevetid
• Dårlig processtabilitet og sikkerhed
• Mulig beskadigelse af fræsespindelen
Ubalancen og afvigelsen fra den ideelle koncentricitet forårsaget af pludselige ændringer i processen kan ses meget tydeligt i det skematiske diagram nedenfor:
Ingen afvigelse sammenlignet med perfekt koncentricitet: mindre teoretisk ruhed
Afvigelse fra perfekt koncentricitet: større teoretisk ruhed
Balancemassen har en vigtig indflydelse på den dynamiske ydeevne af hele det roterende system.
Ubalance svarer til at have en excentrisk genstand, der roterer. Dette excentriske legeme kan inducere en centrifugalkraft, som øges kvadratisk med rotationshastigheden. Dette betyder, at den samme ubalance inducerer 441 gange så meget centrifugalkraft på en spindel ved 42,000 rpm som på en spindel ved 2,000 rpm (212=441). Derfor har en ubalance i værktøjsholderarrangementet ved højhastighedsbearbejdning særligt udtalte negative konsekvenser.
Ved at anvende værktøjsspændeteknologi i HSM kan du bruge værktøjsholdere med:
• Spændtang og
• Reducere
Alternative systemer såsom Weldon-stik anbefales ikke, da de har væsentlige ulemper ved HSM-behandling.
På grund af de spændede værktøjsholderes gode dæmpningsegenskaber, som giver gode resultater under skrubningsprocessen, kan der sammen med de reducerende samlinger opnås en meget høj grad af stivhed og repeterbarhed. Dette er afgørende for at opnå en perfekt arbejdsemneoverflade. Brug af reduktionsgear giver dig mulighed for at opnå meget præcis koncentricitet (mindre end 0.003 mm afvigelse) og højt overførselsmoment.
Designstruktur af forskellige reducerende værktøjsholdere: transmissionsmomentet afhænger af spændeudstyrets designstruktur; forskellige designstrukturer, kan de være meget forskellige.
