Chipvorming beheersen: Strategieën om snijprocessen te controleren en optimaliseren

Met het avontuur van geavanceerde fabrieksautomatisering en Industrie 4.0, winnen autonoome productiesystemen aan belang. Correcte chipsafvoering is een essentiële voorwaarde voor echte autonoom frezen. Lees verder om te ontdekken welke factoren chipvorming beïnvloeden en technieken voor hun controle.

In de laatste decennia bleven werktuigmachines continu verbeteren, en vestigden autonoome freessystemen zich onmisbare componenten van fabrieksautomatisering. Freesprocesproblemen, zoals chipsafvoering, staan in de weg van efficiënte autonoome freessystemen. Daarom is effectieve chipcontrole een cruciaal kenmerk van alle moderne freessystemen.

De kenmerken van gevormde chips hangen af van het type freesmateriaal, duktil of bros. Aan de andere kant spelen freesprocesparameters ook een belangrijke rol in de chipvorming, namelijk voedsnelheid, rakehoek, snijsnelheid, snijdiepte, en wrijvingskrachten (gebruik van smeermiddelen en koelmiddelen).

Machineoperators stellen de procesparameters doorgaans in om hoogwaardige onderdelen en efficiënte machinewerking te verkrijgen, terwijl ze vertrouwen op chipbrekers om hen te helpen met chipsafvoering.

Vorming van chips

Tijdens het frezen, naarmate het gereedschap in het werkstuk voortschrijdt, comprimeert het metaal ervoor. Wanneer de compressie de compressielimiet overschrijdt, scheidt het metaal zich van het werkstuk en stroomt plastisch in de vorm van een chip (afschuifdeformatie).

De stroom van metaal gebeurt aan het afschuifvlak door de primaire afschuiving. Het afschuifvlak strekt zich onder een hoek naar boven uit vanaf het ongesneden oppervlak voor het gereedschap. De waarde van de afschuighoek hangt af van het type materiaal en de snijcondities (gereedschapshoek, snijsnelheid, etc.). Wanneer de afschuighoek klein is, zal het afschuifpad lang zijn, chips zullen dik zijn, en de snijkracht zal hoog zijn, en vice versa.

Naarmate de chip glijdt langs het vlak van de gereedschapspunt, treedt de secundaire afschuiving op door wrijving. De wrijving verhoogt de temperatuur van het freesproces, waardoor de chips excessief opwarmen.

Typen chips

De typen chips die gevormd worden tijdens het frezen van metalen zijn:

• Gesegmenteerde chips
• Continue chips
• Continue chips met opgebouwde rand (BUE)

Gesegmenteerde (discontinue) chips

Gesegmenteerde chips treden meestal op bij het frezen van bros metaal zoals messing, brons of gietijzer. In het algemeen zijn gesegmenteerde chips het resultaat van de volgende freescondities:

• Lage voedsnelheid;
• Lage rakehoek;
• Hoge snijsnelheid;
• Hoge gereedschap-chip wrijving;
• Significante snijdiepte.

De gesegmenteerde chips bieden schone oppervlakteafwerking in bros metalen, gemakkelijke chipsafvoering, langere gereedschapslevensduur, en verminderde energieverbruik. In het geval van duktile metalen resulteren gesegmenteerde chips meestal in slechte oppervlakteafwerking en lagere gereedschapslevensduur.

Continue chips

Continue chips treden meestal op tijdens het frezen van smeedbare metalen zoals staal, koper of aluminium bij hoge snijsnelheden. Tijdens het frezen wordt de temperatuur tussen het gereedschapspunt en het duktile werkstuk hoog. Elke laag van het verwijderde metaal wordt gelast aan de vorige laag, wat een lange en continue chipstroom vormt. In het algemeen treden continue chips op onder de volgende freescondities:

• Kleine snijdiepte;
• Grote rakehoek;
• Hoge snijsnelheid;
• Lage gereedschap-chip wrijving (gebruik van smeer- of koelmiddelen);
• Scherpe snijrand.

De continue chips bieden schone oppervlakteafwerking, langere gereedschapslevensduur, en verminderd energieverbruik. Aan de andere kant is de afvoering van dit type chips uitdagend. Het is noodzakelijk om chipbrekers te gebruiken om de afvoercondities te verbeteren.

Continue chips met opgebouwde rand (BUE)

De vorming van continue chips met de BUE wordt veroorzaakt door hoge wrijving tussen het gereedschap en de chip tijdens het frezen van duktile metalen. Onder deze condities neigen sommige chipdeeltjes ertoe om te binden aan het gereedschapspunt. Als gebonden materiaal de nieuwe snijrand vormt, bouwt het zich op totdat het afbreekt van het gereedschapspunt. Tijdens de afbreking bindt het opgebouwde materiaal zowel aan de chip als aan het werkstukoppervlak, wat resulteert in slechte oppervlakteafwerking. Een andere naam voor de vorming van BUE is "chiplassen." In het algemeen treden continue chips met BUE op onder de volgende condities:

• Lage rakehoek;
• Lage snijsnelheid;
• Hoge wrijvingskrachten;
• Hoge voeding.

Omdat continue chips met BUE de gereedschapslevensduur negatief beïnvloeden, het energieverbruik verhogen, en slechte oppervlakteafwerking veroorzaken, is hun preventie cruciaal. Maatregelen zoals het verminderen van wrijving door het gebruik van smeermiddelen, het voorkomen van metaal-op-metaal contact door gereedschapscoatings, en het verlagen van de temperatuur door het gebruik van koelmiddelen, hebben een positief effect op de preventie van chiplassen.

Chipcontrole

Het frezen van smeedbare metalen zoals staal bij hoge snijsnelheid en grote rakehoeken leidt tot de vorming van lange en draadige chips. Deze scherpe, hete, en continue chips die met hoge snelheid uitkomen, kunnen de veiligheid van machineoperators gefährden, het product beschadigen door zich te verstrengelen met het gereedschap en hun afvoering bemoeilijken. Het is imperatief om chips in beheersbare geometrie te breken.

Chips kunnen afbreken door zelfbreuk of gedwongen breuk. Bij het frezen van duktile materialen, door de temperatuur en stroomsnelheidsverschillen, neigen chips ertoe te krullen. De gekrulde chips kunnen zich op drie verschillende manieren zelf breken:

• Door natuurlijke breuk door afkoeling-geïnduceerde spanning;
• Door botsten tegen het werkstuk;
• Door botsten tegen het gereedschap.

De meest voorkomende methode voor gedwongen breuk is het gebruik van een chipbreker.

Chipbrekers

De meest basisfunctie van chipbrekers is om chips te dwingen om strakker te krullen dan ze natuurlijk zouden. Gedwongen krullen veroorzaken dat de chip afbreekt door te botsten tegen het werkstuk of het gereedschap. Chipbrekers verbeteren de freesefficiëntie door chipcontrole te verbeteren en snijkrachten te verminderen.

Moderne chipbrekers komen meestal in de vorm van golven of obstructies op het snijgereedschap. Het ontwerp van chipbrekers draait om het vinden van de beste geometrie voor een gegeven freesscenario, wat spanning in de chip creëert en ervoor zorgt dat het gemakkelijk afbreekt.

Golf-type chipbrekers incorporeren een kleine golf achter de leidende snijrand. De geometrie van de kromme bepaalt de straal van de chipkromming.

Obstructie-type chipbreker heeft een bijzondere geometrie die lijkt op een trap. De obstructie kan integraal of bevestigd aan het snijgereedschap zijn. In het geval van het "bevestigde" type, is het mogelijk om ze aan te passen voor diverse freescondities.

Conclusie

Het freesproces is een subtiele wisselwerking van natuurkunde, materiaalkunde en mechatronica. Tijdens het frezen is materiaalverwijdering het resultaat van interactiekrachten tussen het werkstuk en het freesgereedschap. De aard van deze interactiekrachten definieert de kleur en de grootte van chips. De chips zijn waardevolle onderzoeks- en diagnostische gegevens voor snijingenieurs. Niettemin, wanneer niet correct afgehandeld, neigen chips ertoe de productiviteit van machines te verlagen.

Drie typen chips kunnen tijdens het frezen optreden: gesegmenteerd, continue, en continue met BUE. De vorming van chips hangt af van materiaalkeuze en freesprocesparameters.

Chipsafvoering is een vitaal factor om te overwegen bij het verbeteren van de algehele freesefficiëntie en plannen voor de autonoome bedrijfsvoering van machines. Hoewel gesegmenteerde chips en continue chips onder bepaalde freescondities zelfbrekend zijn, is het een rule of thumb om chipbrekers in freesopstellingen te gebruiken.

Het breken van de chips in geschikte lengtes door een chipbreker voorkomt chipverstrengeling met het gereedschap, verlaagt de trilling, en voorkomt gereedschapsschade. Chipbreker verlaagt ook de snijweerstand, wat op zijn beurt scheuring en breuk van de snijrand voorkomt.

Bij het gebruik van een chipbreker is het noodzakelijk om de juiste te kiezen voor de klus. Voor draaioperaties zoals afwerken, medium, en ruwfrezen, moeten we correcte chipbrekers kiezen voor elk. Het is essentieel om een geschikte chipbreker te gebruiken gebaseerd op de gewenste snijdiepte, voedsnelheid, spindelsnelheid, en de gewenste oppervlakteafwerking.