Chipvorming uitgelegd: diagrammen, typen en beïnvloedende factoren

Wat zijn spanen?

Spanen zijn het nevenproduct van het mechanisch snijden van materialen met gereedschap zoals frezen, draaibanken en zagen. De Tweede Wereldoorlog en de introductie van snellere en krachtigere snijgereedschappen, met name HSS-snijgereedschappen voor metaalbewerking, stimuleerden het onderzoek naar spanvorming. Zowel Franz (1958) als Kivima (1952) voerden breekbaar onderzoek op dit gebied uit.

Hoe worden spanen gevormd?

Wanneer een snijgereedschap (zoals een draaibank, zaag of frees) interactie aangaat met een werkstuk, vervormt de snijrand van het gereedschap het materiaal, waardoor het afschuift en scheidt, wat resulteert in de vorming van spanen.

Typen spanen

In de bewerkingstechniek hangt het type gevormde spaan af van factoren zoals het werkstukmateriaal, de snijsnelheid, de voedsnelheid en de gereedschapsgeometrie. De belangrijkste typen spanen zijn:

Continu spaan

Continue spanen vormen een lintvormige spoel met een constante dikte. Het snijden van duktil materiaal zoals laaggecarboneerd staal, koper, messing en aluminiumlegeringen bij hoge snijsnelheden en druk op de snijrand in compressie en afschuiving vormt dit spaan. Dit plaatst materiaal voor de rand van het gereedschap. Spanvorming wordt ook begunstigd door scherpe snijranden en lage wrijving tussen gereedschap en spaan.

Voor de snijrand ligt de primaire vervormingszone. Werkmateriaal vervormt in de secundaire vervormingszone door wrijving bij het contact tussen gereedschap en spaan. De dikte van deze zone hangt samen met de wrijving. Oppervlaktevervorming ontstaat bij het snijden van zachte metalen bij lage snelheid en hoekafstanden. Dit levert slechte bewerkingsresultaten voor zachte metalen op.

Continue spanen produceren glad snijden en superieure oppervlaktekwaliteit. Ze vergroten de standtijd van het gereedschap en verminderen het energieverbruik. Het snijgereedschap heeft spaanbrekers om te voorkomen dat spanen verwarren. Dit komt frequenter voor bij draaien.

Onderbroken spaan

Bros materiaal zoals gietijzer, brons en hooggecarboneerd staal produceren onderbroken spanen bij matige snelheden. Deze delen zijn losjes verbonden. Het materiaal verliest duktiliteit en breekt tijdens rek, en de spaanstroom breekt periodiek af.

Snijkrachten veranderen vaak tijdens spanvorming. Dit spaan ontstaat door hoge wrijving tussen gereedschap en spaan, een grote voedingsdiepte en snijdiepte. Onderbroken spanen verslechteren de standtijd en oppervlakteafwerking bij het snijden van duktil materiaal.

Bij de vorming van onderbroken spanen kan de stijfheid van het snijgereedschap en het spanningsysteem trillingen, dimensionele onnauwkeurigheid, slechte oppervlakteafwerking en schade aan het snijgereedschap veroorzaken. Vanwege hun korte lengte zijn onderbroken spanen gemakkelijker te hanteren dan continue spanen. Ze zijn ook makkelijk te verwijderen.

Continu spaan met opgebouwde rand

Tijdens het snijden zorgt hoge wrijving tussen de gereedschap-sparen interfaces ervoor dat spaanmateriaal smelt op het vrijvlak van het gereedschap bij de snijpunt, wat een opgebouwde rand creëert. Dit kan ernstig zijn als de spaan constant het gereedschap aanraakt. Zie het als een verlenging van de rand van het gereedschap. Een tijdelijke en instabiele opbouwrand ontstaat.

Bewerking verwijdert stukjes ervan. De spaan en de bewerkte oppervlakte kunnen na bewerking deels aan elkaar plakken. Het veroorzaakt slechte oppervlakteafwerking. Echter, het biedt een slechte oppervlakteafwerking, vermindert gereedschapslijtage en verbetert de standtijd door een laagje over de snijrand te leggen.

Gesegmenteerd of getand spaan

Een andere term voor getande spanen is niet-homogene spanen. Een grote zone van hoge afschuifrekking gevolgd door een kleine zone van lage afschuifrekking geeft deze spaan een zaagtandachtige uitstraling. Deze cyclische spaanvorming maakt het semi-continu. Deze spanen vormen zich bij het bewerken van harde materialen zoals titaniumlegeringen, nikkel-gebaseerde superlegeringen en austenitisch roestvrij staal bij hoge snelheden.

Classificatie van spanen

In de midden-1900s bestudeerde de Amerikaanse ingenieur Dr. Norman Franz spanen in de productie en identificeerde drie primaire classificaties. Volgens Franz vallen de meeste spanen in een van de drie classificaties:

Type I spaan

Type I spanen vormen zich wanneer een materiaal breekt voor de snijrand door de opwaartse wigwerking van het gereedschap de loodrechte trekkracht van de stof overschrijdt. Ze zijn cruciaal in vezelende materialen zoals hout, waarvan de vezels sterk zijn maar gemakkelijk gescheiden kunnen worden.

Type I spanen vormen zich typisch bij het snijden met gereedschappen die ondiepe snijhoeken hebben. Alleen de snijlengte beperkt de grootte van type I spaan. Dit is de optimale spaanstructuur voor houtspanen, met name die van een goed afgestelde hobel met een fijn mondje.

Type II spaan

Type II spanen vormen zich wanneer de wig van de gereedschapshoek afschuift. Het materiaal faalt in een kort schuin vlak van de piek van de gereedschapsrand, diagonaal naar boven en voorwaarts naar het oppervlak. Vervorming langs deze lijn creëert een opwaarts krullend spaan. Meestal worden deze spanen gecreëerd door snijden bij intermediaire hoeken. Een duktil materiaal als metaal kan Type II spanen creëren. Type II spanen kunnen ook continue spanen genereren.

Type III spaan

Type III spanen veroorzaken materiaalcompressiefout voordat een snijhoek van 90° bereikt is. Dit kan een fijn stofspaan creëren in zwakke of niet-duktile materialen, maar het creëert vaak een willekeurig 'sneeuwschuif'-effect wanneer afvalmateriaal voor het gereedschap wordt samengedrukt maar niet weggeveegd.

Dit type spaan wordt gevormd door frezen. Houtschavers genereren vaak een dun Type III spaan dat eruitziet als een Type II spaan wanneer ze goed geschärpt en gebruikt worden. Dun afvalspaan vermindert het compressiefoutvolume om te komen overeen met het goed gedefinieerde afschuifvlak van Type II.

Factoren die spanvorming beïnvloeden

Er zijn verschillende factoren die spanvorming beïnvloeden, waaronder:

• Materiaaleigenschappen: Duktil materiaal neigt tot continue spanen, terwijl bros materiaal onderbroken spanen vormt.
• Snijsnelheid en voedsnelheid: Hogere snelheden en voedingen kunnen leiden tot continue spaanvorming, terwijl lagere snelheden en voedingen leiden tot onderbroken spanen.
• Gereedschapsgeometrie: De hoek en scherpte van de snijrand van het gereedschap kunnen de spanvorming aanzienlijk beïnvloeden.
• Smering en koeling: Het gebruik van smeermiddelen en koelmiddelen kan wrijving en temperatuur verminderen, wat de spanvorming beïnvloedt.
• Werkstuktemperatuur en hardheid: Deze factoren kunnen ook het type gevormde spaan beïnvloeden.
• Gereedschapsmateriaal en coatingen: Het type materiaal dat gebruikt wordt voor het snijgereedschap en eventuele coatingen kunnen de spanvorming beïnvloeden.