Belangrijkste strategieën om machinale trillingen in de productie te voorkomen

Stel je voor dat je een precisie metaalbewerking uitvoert om een perfect onderdeel te creëren. Te midden van het gebrul van de machine klinkt er een verontrustend gekletter - de tool danst over het werkstuk en laat een ruw oppervlak en verpest materiaal achter. Dit frustrerende scenario vertegenwoordigt de nachtmerrie van trillingen, met name chatter, in snijbewerkingen. Dit artikel onderzoekt trillingsverschijnselen in verspanen en biedt praktische strategieën om de impact ervan op efficiëntie en kwaliteit te minimaliseren.

Trillingen - een mechanische oscillatie rond een evenwichtspositie - is over het algemeen ongewenst in verspanen vanwege de nadelige effecten:

• Versnelde slijtage van de tool: Trillingen tasten de snijkanten snel aan, waardoor er stukjes afbreken en scheuren ontstaan die de levensduur en betrouwbaarheid van de tool in gevaar brengen.
• Aantasting van de oppervlaktekwaliteit: Er verschijnen onregelmatige patronen en markeringen op werkstukken, waardoor de ruwheidstoleranties worden overschreden.
• Verhoogde afvalpercentages: Ernstige trillingen leiden tot dimensionale onnauwkeurigheden en oppervlaktefouten, waardoor de productiekosten stijgen.
• Hogere operationele kosten: Vroegtijdige vervanging van tools, afvalcomponenten en nabewerking verhogen de kosten.
• Energie-inefficiëntie: Trillingen verspillen energie, waardoor de verspaningsefficiëntie afneemt.

Trillingen manifesteren zich in twee primaire vormen:

• Vrije trillingen: Treedt op wanneer een systeem oscilleert met zijn natuurlijke frequentie na een initiële verstoring (bijv. een aangeslagen metalen plaat die resoneert totdat de energie verdwijnt).
• Gedwongen trillingen: Resultaat van externe periodieke of willekeurige excitatie (bijv. trillingen van een wasmachine tijdens onbalans).

Verspanen omvat voornamelijk gedwongen trillingen veroorzaakt door snijkrachten, bewegingen van machineonderdelen of omgevingsinterferentie.

Resonantie treedt op wanneer de excitatie frequentie de natuurlijke frequentie van een systeem benadert, waardoor de amplitude dramatisch toeneemt. In verspanen veroorzaakt resonantie tussen variaties in de snijkracht en de natuurlijke frequenties van de tool/het werkstuk ernstige chatter, wat mogelijk kan leiden tot:

• Toolbreuk
• Afkeuring van het werkstuk
• Schade aan de machine

Proactieve resonantie vermijden is daarom essentieel.

Chatter - een zichzelf in stand houdende oscillatie - ontstaat door dynamische interacties tussen snijkrachten en machine-tool-werkstuksystemen. Gekenmerkt door een hoge pieptoon en heftige trillingen, versnelt het de slijtage van de tool en tast het de oppervlakteafwerking aan. De complexe generatie omvat:

• Dynamiek van de snijkracht
• Toolgeometrie
• Eigenschappen van het werkstukmateriaal
• Structurele kenmerken van de machine

Belangrijke trillingsbepalers in verspanen zijn onder meer:

• Stijfheid van de machine: Machines met een lage stijfheid trillen overmatig, vooral tijdens bewerkingen met hoge snelheid of zware sneden.
• Stijfheid van de tool: Slanke of overhangende tools zijn gevoelig voor trillingen.
• Stabiliteit van het werkstuk: Dunwandige of uitkragende componenten trillen gemakkelijk.
• Snijparameters: Snelheid, voeding en snedediepte beïnvloeden de krachtgrootte/frequentie.
• Toolgeometrie: Spaanhoek, vrijloophoek, hellingshoek en neusradius beïnvloeden de processtabiliteit.
• Werkstukmateriaal: Duurzame materialen bevorderen trillingen.
• Koelmiddeltoepassing: Juiste smering vermindert wrijving en temperatuur.

• Selecteer machines met een hoge stijfheid voor veeleisende bewerkingen
• Optimaliseer de plaatsing van de machine op stevige funderingen
• Onderhoud kritieke componenten (spindels, geleidingen, schroeven)

• Gebruik indien mogelijk korte, stevige tools
• Minimaliseer de overhang van de tool
• Gebruik houders met hoge stijfheid (hydraulische/thermische typen)
• Selecteer toolmaterialen met een hoge modulus (bijv. carbide in plaats van HSS)

• Voeg steunen toe (armaturen, steunblokken)
• Optimaliseer de klemming (meerdere punten, vacuümklauwplaten)
• Vul holle structuren (hars, zand)

• Verminder de snijsnelheid/voeding/snedediepte
• Implementeer onderbroken snijden (chip-breaking tools)

• Selecteer de juiste spaan-/vrijloop-/hellingshoeken
• Kies de optimale neusradius

• Gebruik koelmiddel om de temperatuur/wrijving te verminderen
• Breng smeermiddelen aan om de wrijving tussen tool en werkstuk te minimaliseren
• Selecteer de juiste aflevermethoden (bijv. hogedrukkoeling)

• Verander de snijrichting
• Installeer dempers
• Voer trillingsanalyse uit

• Gebruik frezen met een grove spoed om het contactoppervlak te verminderen
• Minimaliseer de overhang van de frees
• Selecteer positieve spaanplaten
• Gebruik dunne gecoate carbidekwaliteiten
• Verhoog de voeding per tand terwijl het toerental wordt verlaagd
• Verlaag de axiale/radiale snedediepte
• Gebruik een stijve toolhouder (bijv. houders met conische schacht)
• Centreer frezen met behulp van klimfrezen

• Maximaliseer de stijfheid van de tool met minimale overhang
• Selecteer kleine neusradii (indien mogelijk onder de snedediepte)
• Gebruik scherpe snijkanten met goede spaancontrole
• Kies taaie carbidekwaliteiten voor delicate geometrieën
• Houd de voedingssnelheden hoger dan 25% van de neusradius
• Vermijd onstabiele toerentalbereiken

• Evalueer de overhangverhouding; overweeg grotere/taps toelopende/modulaire tools
• Gebruik premium toolhouders (bijv. Seco-Capto)
• Positioneer snijkanten op middelhoogte
• Selecteer positieve geometrieën met kleine radii
• Volg de aanbevelingen voor draaien voor de selectie van spaanplaten

Verspaningstrillingen vormen complexe uitdagingen, maar door de mechanismen ervan te begrijpen en gerichte oplossingen te implementeren, kunnen fabrikanten superieure resultaten behalen. Door de factoren van machine, tool en proces aan te pakken, kunnen operators de productiviteit en de kwaliteit van de onderdelen aanzienlijk verbeteren.