HSC-fräsning – fräsning med höga varvtal – har potential särskilt vid CNC-bearbetning för korta arbetstider, högre produktivitet och hög kvalitet. Vi förklarar här HSC-fräsning närmare och svarar på några frågor:
Ett av de största problemen vid HSC-fräsning är vibrationer. Hur uppstår de? Alla system (axlar och stöd) som kan vibrera har en egenfrekvens. De börjar vibrera vid stimuli (stötar, avlänkning) tills dämpningsförluster (stämgaffel) eller en momentan lika stor men negativ frekvens kan få vibrationerna att upphöra. Om yttre stimuli återkommer regelbundet ungefär lika ofta som egenfrekvensen, så kommer frekvenserna att överlagras. Då uppstår resonans → systemet börjar att vibrera.
Vad har vibrationer för effekt vid fräsning?
fiberförstärkt plast
aluminium
brons, mässing
gjutgods
titanlegeringar
nickellegeringar
* Verktygsdiameter i mm
mjuk aluminium
icke-järn
brons
gjutjärn
stål
Det största problemet vid HSC-bearbetningen är avledningen av värme via spånen. I diagrammet ovan beskrivs temperaturförhållandet hos enskilda material.
I vårt försök ökar slitaget plötsligt vid en skärhastighet på ca 600 m/min. Den övre gränsen är enligt denna försöksserie för radiefräsar med Z=2 och Z=4 en skärhastighet på 580 m/min.
Valet av skärbredd vid HSC-fräsning bidrar i hög grad till längre livslängd. Vid HSC-fräsning har det framgått att en mindre ingreppsbredd är fördelaktig jämfört med grovfräsning, där målet är maximal avverkning. Detta uppnås inte med större ingreppsbredd utan genom högre möjliga skärdata.
En avkastningsjämförelse visar att bearbetningen med en fräs med högfrekvensspindel är mycket billigare och mer än väl väger upp den högre anskaffningskostnaden.
Även mindre företag som inriktar sig på flexibel tillverkning av medelstora arbetsstycken får stora fördelar med HSC-bearbetning. Vid en genomsnittlig tidsbesparing på 50 % blir tillverkningskostnaderna 25–27 % lägre.
Begreppet HSC-fräsning – eller även HSC-borrning – måste betraktas med hänsyn till materialet. Skärhastighetsområdet för HSC är annorlunda för aluminium jämfört med exempelvis stål eller specialmaterial. Var skärhastighetsgränserna ligger ska jämföras med hastigheterna vid konventionell fräsning.
Allt eftersom skärhastigheten ökar så kommer skärkrafterna först att minska kraftigt, men ökar sedan kraftigt.
Observera också att slitaget ökar snabbare än varvtalet vid ultrahöga skärhastigheter på upp till 130 000 m/min. Men i skärhastighetsområdet upp till ca 5 000 m/min ökar först det fria ytslitaget kraftigt beroende på materialet, varefter det förblir konstant under en ganska lång tid.
Det är också värt att veta att den passiva kraften (reaktionskraften gentemot fräskraften) kan minskas med upp till 70 % när skärhastigheten ökar. Det är användbart vid arbete i extremt tunnväggiga profiler eller om en mycket slät yta ska erhållas.
Vid aluminiumbearbetning är den specifika bearbetningsvolymen som högst vid skärhastigheter mellan 3 100 och 4 700 m/min. Den ca 35 % större spånvolymen ger också ytor med medelgrovhet på ca 1 μm. Men de optimala värdena beror till mycket stor del på legeringen.
Vid aluminiumbearbetning behövs ett spiralformat verktyg med stora spånkammare. En beprövad variant är verktyg med 2 skär och spiralstigning på ca 45°. Verktyget ska ha en spånvinkel på 15°–20° och en fri sidovinkel på 10°–12°. Om maskinen som används har lägre spindeleffekt, mindre matningar eller djupare spår så är ett spiralverktyg med ett skär att föredra. Vid en genomsnittlig hastighet på ca 2 000 m/min är det lätt att fräsa sträckor på 500 m på en gång.
Vid bearbetning av koppar och kopparlegeringar används samma verktyg som vid aluminiumbearbetning. Matningsvärdet per tand är mellan 0,02 och 0,4 mm beroende på legering.
Ren koppar ska fräsas med mycket fint slipade verktygsskär för att förhindra löseggsbildning.
I detta fall är medfräsning bättre än motfräsning. Det är fördelaktigt att använda keramiska verktyg här, eftersom skärhastigheterna kan ökas med upp till 10 gånger.
HSC-bearbetning är särskilt lämplig för fiberförstärkta plaster. När skärhastigheten ökar minskar skärkrafterna kraftigt, och höga matningsvärden motverkar delaminering av kanterna. Bearbetningsenergin leds bort av spånet och därför är värmebelastningen på grundmaterialet låg.
CRP- och GRP-material
Välj i möjligaste mån motfräsning och arbeta tvärs mot fibrerna – inte parallellt med dem. Använd polykristallina diamantverktyg för acceptabla eller goda resultat. Det optimala bearbetningsområdet är ca vc = 4 500 m/min och vi upp till 30 m/min. Verktyget bör ha en spånvinkel på ca 5° och en fri sidovinkel på 10°.
ARP-material
De kraftupptagande fibrerna måste kapas och därför bör vassa verktygsskär användas, med en geometri liknande dem som används vid lättmetallbearbetning. De bästa resultaten erhålls med verktyg som kan grupperas i ISO-grupp K. Det optimala bearbetningsområdet finns vid en skärhastighet på ca 2 000 m/min till 3 000 m/min och en matningshastighet på
10 m/min till 15 m/min.
Vid höghastighetsfräsning i stål med skärhastigheter på 750 m/min kan fräsning utföras
20–25 m i taget. Skärhastigheter från 500 m/min till 1 500 m/min kan uppnås med VHM-fräsar av ISO-klass P. HSC-fräsning har varit framgångsrik särskilt vid formning och verktygstillverkning, där komplicerade former oftast har framställts genom linjefräsning med kulformade skär.
De höga matnings- och skärhastigheterna kan leda till stora förbättringar av tidsåtgång och ytkvalitet. Det har framgått att det går att fräsa längre stunder med samma spånvinkel (0°), större fri sidovinkel och högre matning.
Den optimala fria sidovinkeln ligger någonstans mellan 12° och 20°. Verktyg med raka spår, som exempelvis skär framtill eller i mitten, har visat sig optimala ur stabilitetssynpunkt vid fräsning av verktyg och former. Sikta på matningar mellan 0,3 och 0,7 mm, medfräsning och
torrskärning, och skärhastigheten bör ligga mellan 500 m/min och 1 500 m/min.
Bearbetning av gjutjärn kan ske med VHM-verktyg med spånvinkel på 0° till 6° och med fri sidovinkel på 12°. Verktygen måste vara belagda. Se också till att kamsprickor och tvärsprickor i skiktet minimeras genom mjuka in- och utgångar i materialet.
Vid skärhastigheter på 1 000 m/min kan bearbetningsvolymen för exempelvis GG 25 öka med upp till 10 gånger. Livslängden är ca 20 m per skär och ytkvaliteten kan jämföras med den hos slipade ytor. Livslängden kan ökas om matningen är relativt stor, d.v.s. en matning på ca 0,3 till 0,4 mm per tand.
Grafitbearbetning gynnas inte bara av låga skärkrafter utan också av att spånmaterialet som bildas liknar mjöl. Spånmjölet ska ledas bort så snabbt och komplett som möjligt från bearbetningsområdet, eftersom det har stor betydelse för livslängden. Smärgeleffekter motverkas av att våra grafitfräsar är diamantbelagda.
Det extremt hårda skiktet motverkar nötningen vilket ökar livslängden. Spånbortförseln förbättras ytterligare vid medfräsning.
Exempel
HSC-fräsning (röd) |
Konventionell fräsning (grön) | |
---|---|---|
Verktyg | VHM, 2 tänder Ø 3,0 mm | |
Uppgift | Spår 3 mm x 700 mm x 6 mm | |
Antal skär | 3 | 3 |
Matning per tand (mm) |
0,03 | 0,03 |
Varvtal (varv/min) | 80 000 | 5 000 |
Skärhastighet (m/min) | 753 | 47 |
Matningshastighet (mm/min) |
4 800 | 300 |
Livslängd (m) | 25 | 37 |
Huvudtid (s) | 25,8 | 421,8 |