Chipvorming uitgelegd:diagrammen, typen en beïnvloedende factoren

Spaanvorming is het proces waarbij materiaal tijdens snijbewerkingen mechanisch van een werkstuk wordt verwijderd, waardoor spanen ontstaan. Deze chips kunnen op basis van hun kenmerken in verschillende typen worden ingedeeld, waaronder continu, discontinu en continu met een opgebouwde voorsprong.

In deze lezing onderzoeken we wat chips zijn, hoe ze worden gevormd, het diagram van chipvorming en de soorten chips. We leren ook factoren die de spaanvorming beïnvloeden.

Wat zijn chips?

Chip is een bijproduct van het mechanisch snijden van materialen met apparatuur zoals frezen, draaibanken en zagen. De Tweede Wereldoorlog en de introductie van snellere en krachtigere snijgereedschappen, vooral hogesnelheidsstaalfrezen voor het snijden van metaal, motiveerden onderzoek op het gebied van spaanvorming. Zowel Franz (1958) als Kivima (1952) deden baanbrekend onderzoek op dit gebied.

Hoe worden chips gevormd?

Wanneer een snijgereedschap (zoals een draaibank, zaag of frees) in wisselwerking staat met een werkstuk, vervormt de snijkant van het gereedschap het materiaal, waardoor het gaat scheuren en scheiden, wat resulteert in de vorming van spanen.

Soorten chips

Bij het verspanen hangt het geproduceerde type spanen af van factoren als het materiaal van het werkstuk, de snijsnelheid, de voedingssnelheid en de gereedschapsgeometrie. De belangrijkste soorten spanen bij de bewerking zijn:

Continue chip

Continue chips vormen een lintachtige spoel met dezelfde dikte. Het snijden van ductiele materialen zoals koolstofarm staal, koper, messing en aluminiumlegeringen met hoge snijsnelheden en snijkantdruk van het gereedschap bij compressie en afschuiving vormt deze chip. Hierdoor komt het materiaal vóór de rand van het gereedschap. De spaanvorming wordt ook bevorderd door scherpe snijkanten en een lage wrijving tussen de spanen.

Vóór de snijkant bevindt zich de belangrijkste vervormingszone. Werkmateriaal vervormt in de secundaire vervormingszone als gevolg van wrijving bij het gereedschap-chipcontact. De dikte van deze zone houdt verband met wrijving. Oppervlaktevervorming ontstaat bij het snijden van zachte metalen bij lage snelheid en hellingshoeken. Het levert slechte bewerkingsresultaten op voor zacht metaal.

Doorlopende spanen zorgen voor een soepele snede en een superieure oppervlaktekwaliteit. Verhoogt de standtijd van het gereedschap en vermindert het stroomverbruik. Het snijgereedschap is voorzien van spaanbrekers om te voorkomen dat spanen in de war raken. Dit komt vaak voor tijdens het keren.

Discontinue chip

Broze materialen zoals gietijzer, brons en koolstofstaal produceren discontinue spanen wanneer ze met gematigde snelheden worden bewerkt. Deze onderdelen zijn losjes met elkaar verbonden. Het materiaal verliest ductiliteit en breuken tijdens spanning, en de spaanstroom scheurt periodiek.

Snijkrachten veranderen vaak tijdens de spaanvorming. Deze spaan wordt gemaakt vanwege de hoge wrijving tussen gereedschap en spaan, een grote voeding en een snedediepte. Discontinue spanen verminderen de standtijd en de oppervlakteafwerking bij het snijden van ductiele materialen.

Bij discontinue spaanvorming kan de stijfheid van het snijgereedschap en de vasthoudinrichting trillingen, onnauwkeurigheid in de afmetingen, een slechte oppervlakteafwerking en schade aan het snijgereedschap veroorzaken. Door hun kleine lengte zijn discontinue spanen gemakkelijker te hanteren dan continue spanen. Het is ook wegwerpbaar.

Continue chip met opbouwrand

Tijdens het snijden zorgt de hoge wrijving tussen gereedschap-chip-interfaces ervoor dat spaanmateriaal samensmelt met het gereedschapsharkoppervlak bij de gereedschapspunt, waardoor een snijkantopbouw ontstaat. Het kan ernstig zijn als de chip het gereedschap voortdurend raakt. Beschouw het als een verlengstuk van de rand van het gereedschap. Er ontstaat een tijdelijke en onstabiele opbouwrand.

Bij machinale bewerking worden de stukken verwijderd. De spaan en het bewerkte oppervlak kunnen na de bewerking gedeeltelijk blijven plakken. Het veroorzaakt een slechte oppervlakteafwerking. Het biedt echter een slechte oppervlakteafwerking, vermindert de slijtage van het gereedschap en verlengt de standtijd door het aanbrengen van een coating over de snijkant.

Gesegmenteerde of gekartelde chip

Een andere term voor gekartelde chips zijn niet-homogene chips. Een grote zone met hoge schuifspanning gevolgd door een kleine zone met lage schuifspanning geeft deze chip een zaagtandachtig uiterlijk. Deze cyclische chipcreatie maakt het semi-continu. Deze spanen ontstaan bij het bewerken van harde materialen zoals titaniumlegeringen, superlegeringen op nikkelbasis en austenitisch roestvrij staal met hoge snelheden.

Classificatie van chips

Halverwege de twintigste eeuw bestudeerde de Amerikaanse ingenieur Dr. Norman Franz chips in de productie en identificeerde drie primaire classificaties. De meeste chips vallen volgens Franz in een van de drie classificaties:

Type I-chip

Type I-chips worden gevormd wanneer een materiaal vóór de snijkant breekt als gevolg van de opwaartse wigwerking van het gereedschap die de loodrechte treksterkte van de substantie overschrijdt. Ze zijn cruciaal in vezelmaterialen zoals hout, waarvan de vezels sterk zijn en toch gemakkelijk te scheiden.

Type I-spaanders worden doorgaans gevormd bij het snijden met gereedschap met ondiepe snijhoeken. Alleen de snijlengte beperkt de grootte van spanen van type I. Dit is de optimale spaanstructuur voor houtkrullen, vooral die van een goed afgestemd vlak met een fijne mond.

Type II-chip

Type II spanen vormen zich wanneer de gereedschapshoekwig afbreekt. Het materiaal faalt in een kort hellend vlak vanaf de top van de gereedschapsrand, diagonaal naar boven en naar voren naar het oppervlak. Vervorming langs deze lijn creëert een opwaartse krullende chip. Meestal worden deze spanen gemaakt door onder tussenliggende hoeken te snijden. Een ductiel materiaal zoals metaal kan Type II-chips creëren. Type II-chips kunnen ook continu spanen genereren.

Type-III-chip

Type III-chips veroorzaken materiaalcompressiefouten vóór een snijhoek van 90°. Dit kan een fijne stofschilfer veroorzaken in zwakke of niet-ductiele materialen, maar het creëert vaak een willekeurig “sneeuwploeg”-effect wanneer afvalmateriaal vóór het gereedschap wordt opeengehoopt, maar niet wordt weggeveegd.

Dit type chip wordt gevormd door routers. Houtbewerkingsschrapers genereren vaak een dunne Type III-chip die eruitziet als een Type II-chip als ze op de juiste manier worden geslepen en gebruikt. Dunne afvalchips verminderen het volume van compressiefouten, zodat ze overeenkomen met het goed gedefinieerde afschuifvlak van Type II.

Factoren die de chipvorming beïnvloeden

Er zijn verschillende factoren die de spaanvorming beïnvloeden, waaronder:

• Materiaaleigenschappen:Nodulair materiaal heeft de neiging continue spanen te vormen, terwijl brosse materialen discontinue spanen vormen.
• Snijsnelheid en voeding:Hogere snelheden en voedingen kunnen leiden tot continue spaanvorming, terwijl lagere snelheden en voedingen kunnen leiden tot discontinue spanen.
• Gereedschapsgeometrie:De hoek en scherpte van de snijkant van het snijgereedschap kunnen de spaanvorming aanzienlijk beïnvloeden.
• Smering en koeling:Het gebruik van smeer- en koelmiddelen kan de wrijving en temperatuur verminderen, wat de spaanvorming kan beïnvloeden.
• Werkstuktemperatuur en hardheid:deze factoren kunnen ook het gevormde type spanen beïnvloeden.
• Gereedschapsmateriaal en coatings:Het type materiaal dat voor het snijgereedschap wordt gebruikt en eventuele coatings die het heeft, kunnen de spaanvorming beïnvloeden.