Positieve vs Negatieve Haalhoek: Hoe Geometrie Snijdefficiëntie Beïnvloedt

Bewerking is een subtraktief productieproces waarbij overtollig materiaal wordt verwijderd van een voorvormde blank in de vorm van spanen om de dimensionele nauwkeurigheid en tolerantie te verbeteren. Een wigvormig snijgereedschap (of snijder) wordt ingezet voor geleidelijke afschering van laag voor laag materiaal. Geometrie, oriëntatie en materiaal zijn drie cruciale factoren die de bewerkingscapaciteit en productkwaliteit beïnvloeden. De geometrie van de snijder omvat cruciale kenmerken van de snijrand(en) en relevante oppervlakken. Het omvat, maar is niet beperkt tot, haalhoek in verschillende richtingen, vrijheidshoeken in verschillende richtingen, randradius, oriëntatie van snijranden, neusradius, enz. Verschillende gereedschapaanduidingssystemen tonen dergelijke kenmerken op een gestandaardiseerde manier.

De haalhoek van een snijder geeft in essentie de helling van het haaloppervlak aan. Aangezien het haaloppervlak het spanvloeioppervlak is, geeft de haalhoek ook de spanvloeirichting aan (in orthogonale snijting). Dit is een cruciale parameter omdat het direct of indirect de afschuifdeformatie, spanvloeirichting, snijkracht, stroomverbruik, bewerkbaarheid, enz. beïnvloedt. Per definitie is de haalhoek de hoek tussen het haaloppervlak van de snijder en het referentievlak en gemeten op een ander vlak. Gebaseerd op het vlak waarop deze hoek wordt gemeten, kan het verschillende namen hebben, zoals orthogonale haalhoek (gemeten op orthogonaal vlak), zijhaalhoek (gemeten op machine lengterichting vlak), achterhaalhoek (gemeten op machine dwarsrichting vlak), maximum haalhoek (gemeten op een vlak loodrecht op de master lijn voor haal), enz.

Ongeacht het vlak of de richting waarop het wordt gemeten, kan de haalhoek positief, negatief of zelfs nul zijn. Dit concept is ontstaan uit de relatieve oriëntatie van het haaloppervlak ten opzichte van een vast referentievlak - in de ene richting wordt het als positief beschouwd, in de andere richting als negatief en wanneer ze samen samenvallen wordt de haalhoek als nul beschouwd. Een positieve haalhoek treedt op wanneer de som van de wighoek en de vrijheidshoek op een bepaald vlak onder 90° ligt. Het biedt een scherpe snijrand en kan dus efficiënt materiaal van het werkstuk afscheren met minder kracht. Nu, als de som van de wighoek en de vrijheidshoek gelijk wordt aan 90° op een bepaald vlak, dan wordt de haalhoek nul. Op dezelfde manier, wanneer de som van de wighoek en de vrijheidshoek meer is dan 90° op een bepaald vlak, wordt de haalhoek negatief. Negatieve haalhoek biedt een sterkere snijpunt en dus verbeterde gereedschapslevensduur. De diverse verschillen tussen positieve haalhoek en negatieve haalhoek zijn hieronder in tabelvorm gegeven.

Tabel: Verschillen tussen positieve en negatieve haalhoek

Concepten van vrijheidshoek, wighoek en haalhoek

Dwarsdoorsnede van de wig van een snijgereedschap toont deze drie verschillende hoeken; echter, geen van hen heeft een vaste waarde. Verschillende snijgereedschappen kunnen verschillende waarden van deze hoeken hebben en ze spelen een sleutelrol in de bewerkingsprestaties. Het referentievlak wordt verondersteld loodrecht te staan op de snijsnelheidsvector. De hoek tussen de snijsnelheidsvector en het vrijvlak van het snijgereedschap heet vrijheidshoek of vrijheidshoek. De wig ontstaat door het snijpunt van het haaloppervlak en het vrijvlak langs de snijrand; en de corresponderende hoek heet wighoek. Nu de hoek tussen het haaloppervlak en het referentievlak heet haalhoek. Met betrekking tot het referentievlak, wanneer het haaloppervlak georiënteerd is naar de snijsnelheidsvector, dan wordt de corresponderende hoek als positief beschouwd; wanneer het haaloppervlak georiënteerd is tegenover de snijsnelheidsvector, dan wordt de corresponderende hoek als negatief beschouwd; en wanneer het haaloppervlak samenvalt met het referentievlak, dan wordt de corresponderende hoek als nul beschouwd.

Wigdikte en haalhoek

Omdat de algebraïsche som van haalhoek, vrijheidshoek en wighoek nul moet zijn, zal de wighoek kleiner zijn met positieve haalhoek vergeleken met negatieve haalhoek bij constante vrijheidshoek. Dus negatieve haalhoek biedt dikkere wig, die in staat is om hogere snijkracht te weerstaan.

Afschuifdeformatie en spandikte

Tijdens bewerking comprimeert de snijder een dunne laag materiaal en schert het geleidelijk af. Consequent deformeert de ongesneden spaan plastisch om de spaan te produceren en vloeit dan over het haaloppervlak voordat het de bewerkingszone verlaat. Afschuifdeformatie verhoogt ook de dikte van de spaan vanaf de ongesneden waarde. Deze toename wordt gemeten door één coëfficiënt, genaamd Chip Reduction Coefficient (CRC), gedefinieerd als de verhouding van spandikte tot ongesneden spandikte. CRC is altijd groter dan 1; echter, lagere waarde is altijd gewenst. Snijder met negatieve haalhoek deformeert de spaan in grote mate wat resulteert in hogere spandikte en hogere CRC. Echter, snijder met positieve haalhoek stelt soepel vloei van de spaan over het haaloppervlak toe wat uiteindelijk resulteert in vergelijkbaar lagere afschuifdeformatie en lagere CRC. Echter, in geen geval kan CRC lager zijn dan 1, tenzij het snijden op micro- of nano-schaal is.

Snijkracht en stroomverbruik

Hoewel kracht en vermogen afhangen van veel factoren, heeft de haalhoek ook een geringe invloed. Vanwege lagere afschuifdeformatie en lagere CRC met positieve haalhoek, is de snijkracht die vereist is voor het verwijderen van een bepaald oppervlak van materiaal veel lager dan die met een snijder met negatieve haalhoek wanneer alle andere bewerkingscondities onveranderd blijven.

Bewerkbaarheidsaspect

Bewerkbaarheid is de indicatie van hoe gemakkelijk een werkstof kan worden bewerkt met een bepaald snijgereedschap onder gespecificeerde condities. Het kan niet betrouwbaar kwantitatief worden gemeten; kan alleen kwalitatief worden beoordeeld op basis van andere parameters inclusief afschuifdeformatie, CRC, snijkracht en vermogen, snijtemperatuur, spaanvorm en kleur, BUE-vormingstendens, bewerkte oppervlakteconditie, enz. Over het algemeen neigt een positieve haalhoek ertoe betere bewerkbaarheid te bieden.

Sterkte van snijrand en spanbelasting

Een negatieve haalhoek scoort beter in dit geval omdat het met een dikkere wig komt. Vergrote wigverbetering verbetert de sterkte van de snijrand en dus kan het hogere belasting zonder uitval weerstaan. Dunner wig, geassocieerd met positieve haalhoek, kan breken als de spanbelasting boven een bepaalde limiet stijgt; en als gevolg kan een groter volume materiaal niet in één pas worden verwijderd (lagere materiaalverwijderingssnelheid of productiviteit). Het kan ook een risico van catastrofale uitval bezitten onder machine trillingen of inslagbelasting, wat vaak voorkomt tijdens het bewerken van rotatiesymmetrische delen of het snijden van werkstukken met inhomogeen materiaal.

Geschikte werkmaterialen

Omdat negatieve haalhoek hogere snijkracht en inslagbelasting kan verdragen, kan het veilig worden toegepast bij het snijden van harde en bros materialen zoals gereedschapstaal, roestvrij staal, titanium, enz. Als de materiesamenstelling niet-homogeen is of er een kans is op inslagbelasting, dan is negatieve haalhoek de betere keuze. Positieve haalhoek werkt goed bij het snijden van zachtere en duktiele materialen zoals koper, aluminium, enz.

Een wetenschappelijke vergelijking tussen positieve haalhoek en negatieve haalhoek wordt in dit artikel gepresenteerd. De auteur adviseert u om de volgende referenties te raadplegen voor een beter begrip van het onderwerp.

• Machining and Machine Tools door A. B. Chattopadhyay (1e editie, Wiley).
• Difference Between Positive Rake and Negative Rake door difference.minaprem.com.
• Afbeeldingsbron: minaprem.com.