Inzicht in de spilsnelheid:sleutel tot succes bij CNC-bewerking

Het spiltoerental is per definitie de rotatiesnelheid van de spil van de CNC-machine. De typische meeteenheid is het aantal omwentelingen per minuut (RPM).

De spilsnelheid bepaalt hoe snel het snijgereedschap of het werkstuk roteert, en heeft daarmee een directe invloed op factoren als de efficiëntie van de bewerking, de oppervlakteafwerking en de standtijd.

Spilsnelheid versus snijsnelheid

Voordat we ingaan op de details van de spilsnelheid, willen we eerst kort de kwestie van de snijsnelheid versus de spilsnelheid bespreken. Hoewel deze twee bewerkingsconcepten niet al te veel van elkaar verschillen, spelen ze een verschillende rol in een CNC-machinewerkplaats.

Het spiltoerental is, zoals we inmiddels weten, het aantal omwentelingen dat de spil (of het gereedschap) per minuut draait. Het hangt af van factoren zoals gereedschapsdiameter, mogelijkheden van werktuigmachines en kwaliteitseisen. Machinisten selecteren dit vaak uit een referentie-spiltoerentalgrafiek.

De snijsnelheid is daarentegen een iets technischer onderwerp. Het is de snelheid waarmee de snijkant over het oppervlak van het werkstukmateriaal beweegt. Gebruikelijke meeteenheden voor de snijsnelheid zijn meters per minuut (m/min) of voet per minuut (ft/min).

Bij de selectie van de snijsnelheid wordt rekening gehouden met factoren die van invloed zijn op de daadwerkelijke snijactie. Deze omvatten de materiaaleigenschappen, warmteontwikkeling, koelvloeistof en gereedschapsslijtage.

Waarom is de spilsnelheid belangrijk bij het bewerken?

De spilsnelheid heeft een directe invloed op een aantal kwaliteitsgegevens van CNC-bewerkingen. In dit gedeelte wordt de relatie besproken tussen het spiltoerental en verschillende prestatiefactoren.

Oppervlakafwerking

Eerst en vooral speelt de spilsnelheid een cruciale rol in de oppervlakteafwerking van het werkstuk. Een hoge snelheid van de spil leidt tot een fijnere oppervlakteafwerking, omdat het snijgereedschap soepeler en consistenter over het materiaaloppervlak beweegt, waardoor gereedschapsporen en schelpen worden verminderd.

Aan de andere kant veroorzaakt een laag spiltoerental oneffen oppervlakken en mogelijk trillingen. Dit is over het algemeen alleen acceptabel voor voorbewerkingssneden waarbij de oppervlakteafwerking er niet toe doet en grote gereedschapsdiameters worden gebruikt.

Dit zijn de redenen dat hoge spiltoerentallen kenmerkend zijn voor nabewerkingen in een bewerkingscyclus.

Optimalisatie van de standtijd

Het spiltoerental bepaalt hoe agressief de snijactie is. Hogere spilsnelheden vertalen zich in hoge snijsnelheden, die overmatige wrijving en warmteontwikkeling veroorzaken, wat uiteindelijk leidt tot gereedschapsslijtage en voortijdige gereedschapsuitval.

Lage spiltoerentallen zijn ook slecht voor de standtijd van het gereedschap. Bij zeer lage spiltoerentallen wrijft het gereedschap tegen het werkstukoppervlak in plaats van er doorheen te snijden. Deze wrijvende werking (ook wel ploegen genoemd) veroorzaakt wrijving en maakt de scherpe snijkant dof. Deze verslechtering van de snijkant vermindert de snijefficiëntie en kan ook leiden tot gereedschapsuitval.

Daarom is het belangrijk om een spiltoerental te selecteren dat de standtijd optimaliseert door gereedschapslijtage te minimaliseren.

Doorvoer

De doorvoer, of materiaalverwijderingssnelheid, heeft betrekking op de hoeveelheid materiaal die per tijdseenheid wordt gesneden. Het is begrijpelijk dat fabrikanten de doorvoer willen maximaliseren, omdat dit kortere cyclustijden en een hoger rendement op de investering betekent.

De spilsnelheid heeft een directe invloed op de doorvoer, omdat hogere spilsnelheden een snellere materiaalverwijderingssnelheid betekenen. Optimalisatie van de spilsnelheid is zeer waardevol in productieomgevingen met grote volumes, waar de verbeteringen in de cyclustijd zich kunnen opstapelen tot aanzienlijke machine-uren.

Thermisch beheer

Spilsnelheid is een belangrijke factor bij het thermisch beheer van CNC-machines. Hogere spiltoerentallen veroorzaken meer wrijving en warmteontwikkeling op het grensvlak tussen gereedschap en werkstuk. Deze hoge temperaturen veroorzaken thermische uitzettingen in het werkstuk en het gereedschap, thermische verzachting en verslechtering van het snijkantoppervlak.

Het is duidelijk dat dit soort warmteopbouw in de snijzone schadelijk is voor de kwaliteit van het gereedschap en de onderdelen.

Daarom is optimalisatie van het spiltoerental een kernonderdeel van effectief thermisch beheer, samen met koeling- en smeerstrategieën.

Hoe de spilsnelheid berekenen?

Bij het plannen van een typische bewerking gaan beslissingen zoals de snijsnelheid en gereedschapskeuze vooraf aan de berekening van het spiltoerental. Daarom gebruikt een standaard spiltoerentalcalculator de volgende spilsnelheidsformule om het spiltoerental te berekenen:

Laten we een eenvoudige berekening uitvoeren om de spilsnelheid te berekenen. Stel dat het te snijden materiaal zacht staal is, waarvoor een snelheid van 30 m/min geschikt is. Als de machinist ervoor kiest een gereedschapsdiameter van 20 mm te gebruiken, zou de snijsnelheid zijn:

Het juiste spiltoerental selecteren

De keuze van het spiltoerental is afhankelijk van een verscheidenheid aan factoren, zoals werkstuk- en gereedschapsmaterialen en de kwaliteitseisen van onderdelen. In deze sectie worden deze in detail besproken.

Materiaaleigenschappen

De reactie van verschillende materialen op de snijsnelheid varieert aanzienlijk afhankelijk van de materiaaleigenschappen. Moeilijk te verspanen materialen zoals titanium en staal met een hoge hardheid en taaiheid beperken de spilsnelheden tot lage tot gemiddelde waarden om gereedschapsslijtage, oververhitting en oppervlakteschade te voorkomen.

Bewerkbare materialen zoals aluminium zijn daarentegen compatibel met hogere snijsnelheden.

De directe afhankelijkheid van de snijsnelheid van de materiaaleigenschappen blijkt duidelijk uit een spiltoerentalgrafiek, waar de aanbeveling voor het spiltoerental vaak wordt gegeven door materiaalgroepen.

Eigenschappen snijgereedschap

Het materiaal en de geometrie van het snijgereedschap hebben ook invloed op de keuze van het spiltoerental. Hardmetalen snijgereedschappen, die hogere krachten en wrijving kunnen weerstaan, zijn een duidelijke keuze voor bewerkingen op hoge snelheid. Andere gereedschapsmaterialen zoals snelstaal (HSS) zijn alleen geschikt voor processen met gemiddelde snelheid.

Ook de oppervlaktecoating van het snijgereedschap is in deze context van belang. Coatings zoals TiN of TiAlN verbeteren de wrijvingseigenschappen van de snijkant, waardoor hogere snijsnelheden mogelijk zijn zonder risico op oververhitting.

De geometrie van het snijgereedschap is belangrijk om rekening mee te houden bij het instellen van de spilsnelheid. Kleine gereedschapsdiameters vereisen hoge snijsnelheden om voldoende snijsnelheden aan de snijkanten te behouden (zie bovenstaande formule).

Op dezelfde manier speelt de kwaliteit van de gereedschapskalibratie een rol bij het bepalen van de spilsnelheden. Gereedschappen met een hoge rondloop kunnen bijvoorbeeld bij hoge spilsnelheden breken als gevolg van onregelmatige snijkrachten en onderbroken sneden.

Bewerkingsbewerking

Een CNC-machine voert verschillende soorten CNC-bewerkingen uit. Omdat deze bewerkingen qua snijmechanisme en toepassing verschillen, varieert ook het optimale spiltoerentalbereik.

Bij voorbewerkingen wordt bijvoorbeeld prioriteit gegeven aan maximale materiaalverwijdering en worden dus geen hoge snelheden gebruikt om gereedschapsfouten te voorkomen. Voor de afwerking is een hoge oppervlaktekwaliteit vereist, daarom is een hoog spiltoerental geschikter.

Wat bewerkingsprocessen betreft, zijn basisbewerkingen zoals vlakfrezen of kamerfrezen compatibel met hoge spilsnelheden vanwege hun eenvoudige geometrie. Bij bewerkingen die gevoelig zijn voor storingen, zoals ruimen of duiken, worden echter lagere snelheden gebruikt om een betere controle over het snijproces mogelijk te maken.

Geavanceerde spilsnelheidstechnieken

Spiltoerentalplanning en -optimalisatie is een breed onderwerp. Vanwege het brede scala aan CNC-bewerkingen en -mogelijkheden wordt de selectie van het spiltoerental een complex onderwerp.

Variabele spilsnelheden

CNC-machinisten hebben te maken met steeds complexere geometrische vormen, met een groeiend aantal en soorten materialen, waarbij ze gebruik maken van voortdurend evoluerende technologieën.

Deze ontwikkelingen zorgen ervoor dat tijdens een bewerkingsproces het optimale spiltoerental nooit constant is. Het is een dynamische waarde die verandert met snijbelastingen, niet-uniforme materiaaleigenschappen en gereedschapsaangrijping.

Moderne CNC-bewerkingsmachines en CAD/CAM-systemen maken het gebruik van variabele spiltoerentallen mogelijk, waarbij het spiltoerental dynamisch aanpasbaar is volgens de kwaliteitseisen op basis van realtime feedback.

Hogesnelheidsbewerking

Hogesnelheidsbewerkingen in moderne CNC-machines verleggen de definitie van wat spilsnelheid is. Bewerken met hoge snelheid verwijst over het algemeen naar bewerking met spilsnelheden in het bereik van>15.000 tpm, die wordt gekenmerkt door hoge efficiëntie, productiviteit en onderdeelkwaliteit.

Een speciale toepassing van hogesnelheidsbewerking vindt plaats in microbewerkingscentra, waar de snijgereedschappen een diameter van minder dan 1 mm kunnen hebben en de geometrieën van het werkstuk ongelooflijk klein zijn. Op microschaal is een hoge snijsnelheid een vereiste om door het materiaal te snijden in plaats van het oppervlak te ploegen.

Chatterbeperking

Chatter is een ernstig probleem bij machinale bewerking, waardoor het onderdeel en het gereedschap beschadigd raken, in de mate dat onderdelen worden afgekeurd of gereedschap breekt. Hoewel het beperken van chatter een onderwerp op zichzelf is, is het afstemmen van de spilsnelheid een bekende methode om chatter te voorkomen.

Chatter-trillingen kunnen worden vermeden door het spiltoerental te verlagen of in sommige gevallen contra-intuïtief te verhogen.

Spilsnelheid is een fundamentele bewerkingsparameter die van invloed is op kwaliteitsgegevens zoals oppervlakteafwerking, doorvoer en standtijd. Deze overwegingen drijven ingenieurs ertoe de spilsnelheid te optimaliseren op basis van hun materialen en bewerkingen.