HSC-frezen (High Speed Cutting) - met hoge snelheid tot gevolg
HSC-frezen, dus frezen met hoge snelheid, vertegenwoordigt een bijzonder groot potentieel bij CNC-bewerking, omdat het kortere doorlooptijden, grotere productiviteit en toch hoge kwaliteit belooft. In deze bijdrage bekijken we het HSC-frezen wat van dichterbij, en beantwoorden volgende vragen:
Uitdagingen bij HSC-frezen
Een van de grootste problemen bij HSC-frezen is het optreden van trillingen. Hoe ontstaan deze? Omdat elk systeem (as, houder), dewelke trillingsgevoelig is, een eigenfrequentie heeft, trilt deze bij stimulatie (duw, afbuiging) zo lang door, tot hij door de dempingsverliezen (stemvork) of een ogenblikkelijke gelijke tegengesteld gerichte frequentie tot stilstand komt. Wanneer echter van buitenaf op gelijkmatige momenten een stimulatie volgt en deze frequentie zich ook nog in ongeveer hetzelfde frequentiebereik van de eigenfrequentie bevindt, dan versterken deze beide frequenties zich. Dan spreekt men van Resonantie → het systeem begint te trillen.
Wat zijn de gevolgen van trillingen bij frezen?
- Snedediepte ap blijft niet constant → slechte, oneffen oppervlakken
- geen constante maathouding
- aanzienlijke verkorting van de standtijd
- uitbrokkelen van de snijkanten
- eventueel loskomen van het werkstuk in de opspanning
- sterke belasting van de machine-geleidingen en lagers
Voordelen van HSC-bewerking
- door zeer grote verspaanvolumes is voorruwen niet meer noodzakelijk
- zeer goede oppervlakte < 0,001 mm (Ra) → slijpkwaliteit
- hoofdtijdreducering tot 50%
- Trillingsvrije bewerking ten gevolge van de hogere eigenfrequentie van het gereedschap → trillingen worden vermeden
- Geen afwijkingen in het werkstuk door warmtespanningen, omdat de warmte met de spaan wordt afgevoerd
- Zeer kostengunstig
De te bereiken snijsnelheden zijn afhankelijk van het te bewerken materiaal
vezelversterkte kunststof
aluminium
brons, messing
gietijzer
titaanlegeringen
nikkelbasis legeringen
- conventioneel bereik
- overgangsgebied
- HSC bereik
Maximale resultaten bij minimale gevaren
*gereedschapdiameter in mm
- volgens GW
- volgens EN ISO 15641
verspaningstemperatuur
zacht aluminium
non-ferro
brons
gietijzer
staal
Het afvoeren van de temperatuur met de spaan is een primair probleem bij de HCS-bewerking. In het hierboven afgebeelde diagram is het temperatuurverloop bij de desbetreffende werkstukmaterialen beschreven.
Bepalen van de optimale snijparameters bij het HSC-frezen
In onze test vergroot de slijtage bij een snijsnelheid van ca. 600 m / min aanzienlijk. De bovengrens ligt voor deze testreeks, voor een radiusfrees met Z=2 en Z=4, bij een snijsnelheid van 580 m / min.
De keuze van de snedebreedte bij HSC-frezen is zeer bepalend voor langere standtijden. Bij HSC-frezen is het beter met kleinere waarden te werken, om net zoals bij ruwfrezen het grootst mogelijke spaanvolume te bereiken. Deze wordt dan niet bereikt door de grootte van de snedebreedte, maar door de maximaal bereikbare snijsnelheid.
Afschrijving – Loont het een machine met hoog-toerental spil aan te schaffen?
Een vergelijking in afschrijving toont aan dat, ondanks de hogere aanschafkosten van een freesmachine met hoog-toerental spil, de bewerking aanmerkelijk goedkoper is, omdat ze efficiënter is.
Juist kleinere bedrijven, die op een flexibele productie van middelgrote werkstukken zijn toegespitst, kunnen grote voordelen halen bij HSC-bewerking. Bij een gemiddelde tijdsbesparing van 50% leidt dit ook tot een besparing van de productiekosten van ca. 25%–27%.
Opmerkingen bij het thema HSC-frezen
Het begrip HSC-frezen of ook -boren moet zeker afgestemd worden op het te bewerken materiaal. Het is evident , dat het HSC-bereik bij het verspanen van Aluminium andere snijsnelheden impliceert, dan bijvoorbeeld voor staalsoorten of speciale materialen. De verhoudingen in snijsnelheid zijn hier te vergelijken met het conventionele frezen.
Het is vast te stellen, dat bij toenemende snijsnelheid de snijkrachten eerst sterk verminderen, om daarna weer sterk toe te nemen.
Men merkt ook, dat bij ultra hoge snijsnelheden van ca. 130.000 m/min de slijtage buiten proporties toeneemt. Indien men in het snijsnelheidsbereik tot ca. 5000 m/min blijft, neemt de vrijloopvlakslijtage, afhankelijk van het werkstukmateriaal, aanvankelijk sterk toe, om dan een langere tijd constant te blijven.
Het valt eveneens op, dat bij toenemende snijsnelheid, de passieve kracht (de reactiekracht op de freeskracht) tot 70% verminderd kan worden Dit heeft een bijzonder gunstig effect bij extreem dunwandige profielen, alsook om zeer gladde oppervlakten te krijgen, met slijpkwaliteit.
Bij de aluminiumbewerking is vastgesteld dat het maximale verspaningsvolume bereikt wordt bij snijsnelheden van 3100 tot 4700 m/min. Het met 35% toegenomen verspaningsvolume leverde bijkomend nog een oppervlakteruwheid Ra van 1 µm op. Optimale waarden zijn echter sterk afhankelijk van de legering.
Het juiste gereedschap voor het te bewerken materiaal bij HSC frezen
HSC-frezen van aluminium
Bij de aluminiumbewerking is een gespiraliseerd gereedschap met grote spaankamers noodzakelijk. Hier bewijst een 2-snijder met ca. 45° spiraalhoek zijn voordeel. Het gereedschap zou een spaanhoek van 15°-20° en een vrijloophoek van 10°-12° moeten hebben. Indien een machine met een kleiner spilvermogen, kleine voedingen of voor diepe groeven ingezet, dan is een gespiraliseerde eensnijder aanbevolen. Bij een gemiddelde snijsnelheid van ca. 2000 m/min is een standweg van 500 m gemakkelijk te verwezenlijken.
HSC-frezen van koper
Bij de bewerking van koper en koperlegeringen kunnen we dezelfde gereedschappen als voor de aluminiumverspaning inzetten. De voedingswaarden per tand liggen, afhankelijk van de legeringssamenstelling, tussen 0,02 en 0,4 mm.
Zuiver koper kan best enkel met zeer fijn geslepen snijkanten worden gefreesd, om snijkantsopbouw te voorkomen.
Meelopend frezen verdient in dit geval de voorkeur boven tegenlopend frezen. Hier is het inzetten van keramische gereedschappen echter een voordeel, omdat tot 10 keer hogere snijsnelheden gelopen kunnen worden.
vezelversterkte kunststoffen
Voor de verspaning van vezelversterkte kunststoffen is de HSC-bewerking bijzonder goed geschikt, omdat bij toenemende snijsnelheid de snijkrachten sterk afnemen, en met hogere voedingswaarden de delaminatie in de randzone tegengewerkt wordt. Omdat de verspaningsenergie met de spaan wordt afgevoerd, wordt het grondmateriaal slechts minimaal thermisch belast.
CFK en GFK-materialen
Het best wordt tegenlopend gefreesd, tegen de vezel in, en niet parallel aan de vezel. Bevredigende tot goede resultaten bekomt men enkel met polykristalleine diamantgereedschappen. Het optimale verspaningsbereik ligt bij ca. vc = 4500 m/min en vf tot 30 m/min. Het gereedschap zou een spaanhoek van ca. 5° en een vrijloophoek van 10° moeten hebben.
AFK-materialen
Omdat hier krachtoverbrengende vezels doorgesneden moeten worden, zijn scherpe snijkanten en een vergelijkbare geometrie als bij de lichtmetaalbewerking aanbevolen. De beste resultaten bekomt men met gereedschappen die tot de ISO groep K behoren. Het optimale verspaningsbereik ligt bij een snijsnelheid van 2000 m/min tot 3000 m/min en een voedingssnelheid van
10m/min tot 15m/min.
staal
Bij hoge snelheidsfrezen van staal zijn bij een snijsnelheid van 750 m/min standwegen van
20–25 m te bereiken. Snijsnelheidsbereiken van 500 m/min tot 1500 m/min zijn bij VHM frezen uit de groep P doorgaans realiseerbaar. In het bijzonder bij de matrijzen-en gereedschapsbouw, waar gecompliceerde vormen door lineair frezen, meestal met bolfrezen, vervaardigd worden, heeft het HSC-frezen zich bewezen.
Hier kunnen door hoge voedingen en snijsnelheden enorme tijds- en oppervlakteverbeteringen bereikt worden. Hier kunnen door hoge voedingen en snijsnelheden enorme tijds- en oppervlakteverbeteringen bereikt worden.
De optimale vrijloophoek is bij ca. 12°-20° gebleken. Gereedschappen met rechte spaankamers, die tot en over het midden snijdend zijn, hebben zich uit stabiliteitsoogpunt bewezen bij gereedschaps-en matrijzenbouw. Er dient getracht te worden om met voedingen van 0,3 tot 0,7 mm te werken, meelopend te frezen alsook
droog te verspanen, waarbij de snijsnelheid tussen 500 m/min en 1500 m/min zou moeten liggen.
gietijzer
Het bewerken van gietijzer met VHM gereedschappen, met een spaanhoek van 0° tot 6° en een vrijloophoek van 12°, is mogelijk. De coating van de gereedschappen is noodzakelijk. Hier dient er wel op gelet te worden dat door een zachte in-en uittrede van het materiaal, scheurtjes in de coating zo klein mogelijk gehouden worden.
Bij snijsnelheden van 1000 m/min kan het spaanvolume, bijvoorbeeld bij GG25 met een factor 10 verhoogd worden. De standtijd ligt ongeveer bij 20 m per snijkant en de oppervlakte voldoet aan slijpkwaliteit. De standtijd kan verhoogd worden, wanneer de voeding per tand relatief hoog gekozen wordt, ca. 0,3 tot 0,4 mm.
Grafiet
Bij de bewerking van grafiet zijn niet alleen de geringe snijkrachten, maar ook het poedervormige spaanmateriaal een voordeel. Het spaanmateriaal zou zo snel en zo volledig mogelijk moeten worden afgevoerd, daar dit de standtijd wezenlijk beïnvloedt. Om het schuureffect tegen te werken, worden onze grafietfrezen met diamant gecoat.
Deze ultraharde coating is optimaal bestand tegen de abrasieve slijtage, hetgeen de standtijd verhoogt. Om de spaanafvoer te verbeteren, dient meelopend gefreesd te worden.
HSC vs. conventioneel frezen
Voorbeeld
| HSC-frezen (rood) |
conventioneel frezen (groen) | |
|---|---|---|
| gereedschap | VHM, 2 tanden Ø 3,0 mm | |
| Opdracht | sleuf 3 mm x 700 mm x 6 mm | |
| aantal tanden | 3 | 3 |
| voeding per tand (mm) |
0,03 | 0,03 |
| toerental (omw/min) | 80.000 | 5.000 |
| snijsnelheid | 753 | 47 |
| voeding (mm/min) |
4.800 | 300 |
| standtijd (m) | 25 | 37 |
| stuktijd (s) | 25,8 | 421,8 |
