Hoge-Snelheid Frezen Uitgelegd: Productiviteit en Precisie Verhogen

De term "Hoge-Snelheid Frezen" (ook bekend als hoge-snelheid bewerken) is een term die in de productieindustrie de afgelopen 5 tot 10 jaar aanzienlijk is gegroeid. Ondanks de nieuw verworven 'buzzword'-status, blijft de definitie van dit proces enigszins onhandig, of ten beste losjes gedefinieerd als simpelweg frezen met een voldoende hoge RPM. De realiteit van hoge-snelheid frezen is iets genuanceerder, maar eist toch aandacht vanwege de aanzienlijke efficiëntie die het biedt. In deze post kijken we naar de ontstaansgeschiedenis en ontwikkeling van hoge-snelheid frezen als proces. Onderzoek en ontwikkeling van de metodologie van hoge-snelheid frezen werd het meest significant gevorderd in de late jaren '70 en vroege jaren '80 door het Advanced Manufacturing Research Program, gefinancierd door DARPA. Het doel van dit programma was een middel te identificeren voor snellere materiaalverwijdering door gebruik van significant hogere RPM en voedsnelheden dan traditioneel gehanteerd. Dit programma testte snijsnelheden (Vc) die variëerden van slechts 0,05 inch/min tot 960.000 inch/min en verder. Vergelijkbaar onderzoek werd in Europa gedaan in de midden jaren '80 aan de Technische Universiteit van Darmstadt. De resultaten van deze onderzoeksinspanningen was de realisatie dat het 'zoete punt' van een hoge-snelheid freesproces varieert afhankelijk van het materiaal dat gefreesd wordt alsook de geometrie van het snijgereedschap. In het algemeen worden deze zoete punten als volgt gedefinieerd:

Eenmaal de drempel in het HSM-bereik bereikt, beginnen de voordelen van deze freesmethode zich te manifesteren. De voordelen van hoge-snelheid frezen worden gerealiseerd in vier belangrijke gebieden:

1.) Verhoogde Freesnauwkeurigheid

Naarmate de snijsnelheid toeneemt, neemt de snijkracht af door een fenomeen genaamd thixotropie – of de eigenschap van een materiaal om "werk zacht" te worden door de afschuifspanning die door de snijrand van het gereedschap op het materiaal wordt uitgeoefend, en daarna terug te keren naar de oorspronkelijke hardheidseigenschappen zodra het freesproces is voltooid. Deze eigenschap is met name waar voor aluminiumlegeringen, wat aluminium een ideale kandidaat maakt voor hoge-snelheid freesprocessen.

2.) Verbeteringen in Oppervlakteafwerking

Algemene bewerkingskennis leert ons dat wrijvingswarmte in een freesproces gelijkmatig wordt gegenereerd aan beide kanten van de snijrand van het gereedschap (verantwoordelijk voor bijna 80% van alle geïnduceerde wrijvingswarmte) met nog eens 20% die wordt gegenereerd door de deformatie of buiging van de resulterende span. In een hoge-snelheid freesproces wordt de spanlading met zo'n hoge snelheid geëvacueerd dat het merendeel (ongeveer 60%) van deze wrijvingsgebaseerde warmte niet voldoende tijd heeft om in het omringende werkstuk of het gereedschap zelf te geleiden. Als resultaat toont de gefreesde oppervlakteafwerking een superieure kwaliteit met een waarneembare reductie in temperatuurgeïnduceerde werkstukdegradatie.

3.) Verminderde Grataansvorming

Op basis van studies gericht op beste praktijken voor hoge-snelheid bewerken, wordt een opvallende afname in grataansvorming waargenomen zodra een voldoende hoge snijsnelheid is bereikt. Deze reductie in grataansvorming is een functie van zowel de snijsnelheid zelf als een correct geometrisch ontwerp van de snijrand. Kortom: een snijgereedschap dat correct is ontworpen om het werkmateriaal te passen en dat met voldoende snelheid wordt gedraaid, bewerkstelligt een snede die snel genoeg is om het materiaal volledig en schoon af te scheren – waardoor de vorming van een graat wordt verminderd of geëlimineerd.

4.) Verbeterde Spanverwijdering

Vergelijkbaar met de reductie in grataansvorming, is de verbetering in spanverwijdering die genoten wordt door diegenen die hoge-snelheid freespraktijken toepassen, primair het resultaat van de snijgereedschapsgeometrie gecombineerd met de hoge energietoestand geproduceerd door de RPM die wordt toegepast. Met een snijsnelheid boven de 500 m/min, en een snijgereedschap geoptimaliseerd om een groot volume spannen in een korte periode te evacueren, kan de resulterende spanlading met hoge snelheid uit het verwerkingsgebied worden uitgezet, wat de mogelijkheid van herfrezen van spannen of schade aan het werkstuk door een overvloed aan residuele spannen aanzienlijk reduceert. Met spindelsnelheden in het bereik van 8.000 tot 12.000 RPM die in de werktuigbouwmarkt zeer gebruikelijk worden, is de mogelijkheid om de voordelen van hoge-snelheid frezen in staal, gietijzer en nikkel-gebaseerde legeringen te benutten, al beschikbaar voor fabrikanten die bereid zijn hun strategieën aan te passen aan die welke passen bij HSC-best practices. Hoge-snelheid frezen van niet-ferro materialen zoals messing, aluminium en engineered kunststoffen vereist een aanzienlijk hogere RPM-capaciteit, en als zodanig moeten degenen die de voordelen van hoge-snelheid frezen voor deze materialen willen benutten, zich richten op freesapparatuur die in staat is om te werken met hoge-snelheid spindelsnelheden van 25.000 tot 50.000 RPM of meer. Met de behoefte aan gefreesde delen die steeds hogere niveaus van precisie en kwaliteit vertonen, biedt hoge-snelheid frezen een manier om "slimmer, niet harder" te werken – door gebruik te maken van een CNC-freessysteem waar een synergie tussen materiaal, snijgereedschap en snijsnelheid prestatieniveaus toestaat die onzichtbaar zijn in traditionele bewerkingspraktijken.