3

Bilder

ISCARs 7-skjærs hardmetall pinnefreser beregnet på HSM, har forskjellige spiralvinkler, variabel spisshøyde og ´splitcut´ på skjærene. Foto: ISCAR

Av Joppe Næss Christensen 1. september 2021 10:00

Høyhastighetsbearbeiding (HSM) har ikke bare ført til en betydelig forskjell mellom verktøymaskiner, men har også ført til økt bevissthet rundt høyhastighetsspindelen; ifølge ISCAR kanskje den viktigste og mest sentrale komponenten i høyhastighetsverktøymaskiner og en nøkkelfaktor for HSM-suksessen.

Å betjene en spindel med høy rotasjonshastighet, og oppnå optimal balanse mellom oppgitt hastighet og dreiemoment, er hovedpoenget med høy spindelteknologi. Spindelytelsen avhenger av flere ulike faktorer. En av hovedfaktorene er relatert til designkonseptet til et enkelt- eller kombinert dobbeltmotors lagersystem, tetningskomponenter og verktøyets retensjonsmetode.

Kan være farlig
Ved bearbeiding er ikke spindelen i direkte kontakt med arbeidsstykket, men samhandler gjennom et annet teknologisk system – skjæreverktøyet. Denne forbindelsen fungerer som en leder og skal gi den imponerende høyhastighetsspindels egenskaper forbedrede maskineringsresultater. Et annet element mellom skjæreverktøyet og spindelen er verktøyholderen som er montert i spindelen. Den dårlige ytelsen av denne lille monteringen, verktøyet og verktøyholderen, kan redusere spindelfunksjonen til null. HSM øker derfor både nøyaktigheten, påliteligheten og sikkerhetskravene til monteringen av spindelutvidelsen. 
Høyhastighetsrotasjon genererer sentrifugalkrefter. I HSM, sammenlignet med tradisjonelle bearbeidingsmetoder, øker disse kreftene eksponentielt og blir til en betydelig påkjenning for skjæreverktøyet og avgjør verktøyets holdbarhet. Ved vendeskjærverktøy kan høye sentrifugalkrefter føre til at skjærskruene brekker, skjærene løsner og at fresekroppen svikter. Profilfragmenter kan ikke bare skade maskinen og den maskinerte delen, men kan også være veldig farlig for operatøren.
Under slike forhold er produsenter av skjæreverktøy tvunget til å vurdere nødvendige design og teknologiske virkemidler for å sikre produktene adekvat pålitelighet. Derfor bør sikker montering av skjær og en robust kroppsstruktur tas med i vurderingen.

Høy hastighet
Skjærskruen er det minste og svakeste elementet i et helt teknologisystem, og med stor innvirkning på systemets pålitelighet. Det samme kan sies om skruen i forhold til et høyhastighets vendeskjær. Bruk av dreiemomentnøkler styrer tilstrammingen av skjærskruen. (Fig. 1). Imidlertid er det ikke nok å sikre at dreiemomentet strammes tilstrekkelig til å betjene skjæret pålitelig. Intelligent design er rettet mot å minimere den dynamiske belastningen på skjærskruen.
ISCARs freseskjær HSM90S FAL-22 er beregnet på effektiv fresing av aluminium med høye hastigheter. De store skjærene muliggjør opptil 22 mm kuttedybde. Freseskjærlommen har en opphøyd rille i bunnen, og undersiden av skjæret har et matchende spor (fig. 2). Dette eliminerer radial forskyvning av skjæret som kan oppstå på grunn av sterke sentrifugalkrefter ved høyhastighetsfresing, og forbedrer lastfordelingen på skjærets skrue. Skjærets design muliggjør sikker fresing i et rotasjonshastighetsområde på opptil 31000 omdr./min.

Balanse er viktig
For å redusere sentrifugalkreftene, bør fresekroppen være aksialt symmetrisk og godt balansert. Det er internasjonale og nasjonale standarder og normer som spesifiserer balansegraden i verktøyet. Når du utformer freseverktøy beregnet på HSM, er det veldig viktig å sikre at fordeling av massen er symmetrisk med kroppsaksen. Ettersom denne teoretiske balansen er relatert til et virtuelt objekt, erstatter den nødvendigvis ikke den fysiske balanseringen av en reell kropp, men kan vesentlig redusere ubalansen i et fremtidig produkt, noe som gjør den "fysiske" balansen mye enklere.
Det er kjent at ambisjonen til en profesjonell verktøyutvikler er å lage en fresekropp, og spesielt overflaten i en skjærlomme, så hard som mulig for å øke slitestyrken. Jo høyere hardhet, desto raskere brekker kroppen på et raskt roterende verktøy. Derfor er det viktig å søke optimal likevekt mellom styrke og slitasje for å finne effektive HSM-verktøyløsninger.
Hardmetallverktøy har høyere nøyaktighet og bedre aksial symmetri sammenlignet med vendeskjær. Vanligvis har hardmetallverktøy mindre diameter og krever naturligvis høyere turtall, selv for samme skjærehastighet. Dette forklarer hvorfor de fleste HSM-verktøy er solide.
Normalt er slike verktøy laget av belagte hardmetaller, selv om keramikk som verktøymateriale i nyere tid har blitt populært for høyhastighetsbearbeiding av superlegeringer med høy temperatur. Likevel kan det være vanskelig å velge et hardmedtallverktøy, spesielt fresere for HSM.
Normalt er forholdet overheng til diameter for pinnefres i hardmetall (SCEM) større, sammenlignet med vendeskjær. En slik egenskap, i kombinasjon med en uthuling som svekker verktøyets tverrsnitt, krever spesiell oppmerksomhet mot vibrasjonsstyrken til en SCEM.
For å forbedre vibreringsstabiliteten, gjør verktøyutvikleren ofte en tannvinkelhøyde ujevn og en spiralskjærvariabel. Dette bryter med prinsippet om aksial symmetri og kan gi et omvendt resultat. Derfor krever en optimal, intelligent konstruksjon for vendeskjær i hardmetall oppfinnsomhet og et passende kompromiss fra ingeniørens side (fig. 3).
Å ha et velkonstruert balansert vibrasjonssikkert verktøy er halve jobben. 

Utvidete monteringsalternativer
Verktøyholderen som er montert på en høyhastighetsspindel er allerede nevnt. Så, hva er bruken av et ideelt verktøy, hvis en langt mer massiv verktøyholder ikke er egnet for HSM?
I følge ISCAR kan ikke verktøyets dynamiske egenskaper i HSM atskilles fra verktøyholderen. For eksempel bør balansering av verktøyet gjøres under montering med verktøyholderen – dette er en enkel måte å oppfylle krav til nøyaktighet, pålitelighet og sikkerhet.
Moderne CAD/CAM-systemer sørger for å estimere det dynamiske forløpet til de forskjellige produktene basert på 3D-modeller. Å tilby 3D-modeller for skjæreverktøy, verktøyholdere og diverse tilbehør er et typisk kjennetegn for dagens seriøse verktøyprodusenter. ISCAR forteller stolt at de siste årene har verktøyprodusenten utvidet sine monteringsalternativer betydelig gjennom digitale tvillinger i e-katalogen.
Avslutningsvis har høyhastighetsbearbeiding påvirket behovet for spesifikke krav til skjæreverktøy og verktøyholdere. Ved å oppfylle disse kravene har HSM blitt en pålitelig, velkonstruert, høyhastighets spindeldrift med maksimal effektivitet. 

For mer informasjon se: www.svea.no

Kilde: Svea Maskiner