High Speed Machining (HSM) är en viktig teknik som ofta används inom modern frästeknik. Genom att använda HSM-frästeknik är det möjligt att inte bara fräsa olika mjuka och hårda material, utan också att uppnå utmärkt precision i arbetsstycket. Den här artikeln beskriver HSM-kraven för verktyg och hållare.
1. HSM-krav för skärande verktyg
1. Geometri
Verktygsvibrationer påverkar direkt ytkvaliteten som erhålls genom bearbetning. Därför är det extremt viktigt att upprätthålla en jämn skärkraft på verktyget under HSM-finbearbetning för att undvika verktygsvibrationer.
Inverkan av de intilliggande geometriska egenskaperna hos verktyget på skärkraften:
• Bra koncentricitet underlättar jämn lastfördelning på skäreggen
• Större skäreggsöverlappning för enhetliga skärkraftsegenskaper (större spiralvinkel och antal räfflor)
• Kort skärlängd för bättre styvhet (axelns diameter minskar något jämfört med branta maskinväggar)
• Bästa kärntvärsnittskondition med minimal spänningskoncentration vid skåran
Höghållfasta material kan bearbetas med HSM, vilket gör att motståndet mot deformation ökar med hårdheten på materialet som ska bearbetas. Den ökade belastningen på skäreggen kräver en stabil utformning av skäreggens geometri. Däremot kommer mer friktionsvärme att genereras i det fria området av arbetsstyckets yta vid hög skärhastighet, vilket innebär att verktygets släppningsvinkel måste minskas. Därför kan en ökning av skäreggens stabilitet endast uppnås genom att minska avfasningsvinkeln. I de fall materialet är mycket hårt och verktygsmaterialet är sprött, kan det till och med resultera i en negativ avfasningsvinkel.
Exakt passande radier är slipade i spetsen av bladet för att undvika glödheta förhållanden eller partiell eggbrott vid plötslig uppvärmning.
Om arbetsstyckets formnoggrannhet måste vara mycket hög, har radien för kuldelen av det använda bearbetningsverktyget en direkt inverkan på formnoggrannheten hos arbetsstycket som ska bearbetas. Som grundförutsättning är det därför mycket viktigt att använda verktyg med mycket snäva radietoleranser (i mikronområdet) vid efterbehandling av mycket ömtåliga delar.
2. Material och beläggningar
Verktygsmaterialet måste vara hårdare än materialet som ska bearbetas. Ju större hårdhetsskillnaden mellan arbetsstyckets material och verktygsmaterialet är, desto mindre verktygsslitage och desto längre livslängd. På grund av de höga lokala temperaturerna är det också nödvändigt att säkerställa att verktygsmaterialet är motståndskraftigt mot oxidation.
Stora fluktuationer i termisk belastning och behovet av oxidationsbeständighet hos verktygsmaterialet leder till ett eventuellt behov av beläggningar på finkorniga volframkarbidverktygskroppar.
Beprövade beläggningssystem som TiN, TiCN och TiAlCN når snabbt sina gränser inom HSM-bearbetning. Därför har flerkomponentbeläggningssystem utvecklats, baserade på nitrider med hög aluminiumhalt, i kombination med andra grundämnen som yttrium, vanadin eller tantal. Högre prestanda kan också uppnås med nanolagerstrukturer, CBN och PKD.
2. HSM:s krav på verktygshållare
På grund av de höga spindelhastigheterna som krävs vid HSM-bearbetning är det bäst att använda verktygshållarsystemen HSK-A och HSK-E. Eftersom verktygshållarens fläns är monterad på spindelhuvudet har verktygshållaren ett definierat mekaniskt stöd i Z-riktningen, så vid högre hastigheter dras den inte in i spindeln på grund av ökade centrifugalkrafter.
Grundläggande fel kan ha inträffat redan i förberedelsefasen, vilket gör mindre vibrationer och säker processkontroll omöjlig. För att uppnå stabil HSM-bearbetning är det viktigt att balansera och kontrollera inriktningen av verktyget och verktygshållarenheten efter behov. Den rotationshastighetsgräns som är förknippad med den obalanserade massan måste också beaktas.
Ett dåligt balanserat eller felinriktat roterande verktygssystem kommer att resultera i:
• mycket dålig ytkvalitet
• mycket låg livslängd
• Dålig processstabilitet och säkerhet
• Möjlig skada på frässpindeln
Obalansen och avvikelsen från den ideala koncentriciteten som orsakas av plötsliga förändringar i processen kan ses mycket tydligt i det schematiska diagrammet nedan:
Ingen avvikelse jämfört med perfekt koncentricitet: mindre teoretisk grovhet
Avvikelse från perfekt koncentricitet: större teoretisk grovhet
Balansmassan har ett viktigt inflytande på hela det roterande systemets dynamiska prestanda.
Obalans motsvarar att ha ett excentriskt föremål som roterar. Denna excentriska kropp kan inducera en centrifugalkraft som ökar kvadratiskt med rotationshastigheten. Detta innebär att samma obalans inducerar 441 gånger så mycket centrifugalkraft på en spindel vid 42,000 rpm som på en spindel vid 2,000 rpm (212=441). Därför har en obalans i verktygshållararrangemanget vid höghastighetsbearbetning särskilt uttalade negativa konsekvenser.
Med hjälp av verktygsspännteknik i HSM kan du använda verktygshållare med:
• Spännhylsor och
• Reducerare
Alternativa system som Weldon-kontakter rekommenderas inte eftersom de har betydande nackdelar i HSM-bearbetning.
Tack vare de spännade verktygshållarnas goda dämpningsegenskaper som ger bra resultat under grovbearbetningsprocessen, kan tillsammans med de reducerande lederna en mycket hög grad av styvhet och repeterbarhet uppnås. Detta är viktigt för att få en perfekt arbetsyta. Genom att använda reducerare kan du uppnå mycket exakt koncentricitet (mindre än 0.003 mm avvikelse) och högt överföringsvridmoment.
Konstruktionsstruktur för olika reducerverktygshållare: överföringsmomentet beror på konstruktionsstrukturen hos spännutrustningen; olika designstrukturer kan de vara väldigt olika.
