Evolutie in verspaning

Er zijn duizenden metalen. Maar de International Organization for Standardization (ISO) verdeelde in 1955/1956 alle bestaande metalen in zes groepen waar vandaag de dag nog steeds mee wordt gewerkt. Dat zijn de groepen ISO P, ISO M, ISO K, ISO N, ISO S en ISO H (zie kader). Elke groep heeft zijn eigen unieke eigenschappen qua bewerking. Zo valt staal onder ISO P, en roestvast staal onder de ISO M. Harm Kort: ‘Bedenk wel dat in elke groep tientallen zo niet honderden materialen zitten. Staal heeft een bepaalde karakteristiek, het is heel homogeen, of je het nu hebt over C15, C45 of C60, het is een homogeen materiaal van ijzer met koolstof. Gietijzer daarentegen valt, hoewel het ook bestaat uit ijzer met koolstof, onder groep ISO K. Gietijzer wijkt namelijk af van staal door zijn open structuur.’

Zo heeft elk materiaal in een groep zijn eigen karakteristiek en mechanische eigenschappen en dat is weer vastgesteld in een norm. Die eigenschappen bepalen bijvoorbeeld de ideale snijsnelheid bij het verspanen.

Standaard staal is homogeen, buigbaar en gemakkelijk materiaal waarvoor de specifieke snijkracht Kc een bandbreedte heeft van tussen de 1.500 N en 2.500 N. Van belang is dat de specifieke snijkracht telkens in relatie ligt tot de parameter snijsnelheid Vc die op zijn beurt weer is gekoppeld aan de spaandoorsnede (ap x fn).  

Verspanen

‘Roestvast staal valt onder de materiaalgroep ISO M en bevat nikkel en chroom, waardoor het bij verspanen de neiging heeft tot aankleven. Bij het verspanen zul je dat aankleven moeten voorkomen anders krijg je te maken met het zogeheten spaghetti-effect. Daarom kun je rvs niet op dezelfde wijze verspanen als staal. Duidelijk is dat we niet alles met hetzelfde snijgereedschap kunnen verspanen.’
‘We denken allemaal dat verspanen het snijden van materiaal is, naar analogie met het gebruikte snijgereedschap wat erbij wordt gebruikt. Maar geloof me, verspanen heeft niets met snijden te maken, het is afscheuren of afduwen van het materiaal’, vertelt Kort. ‘Daar komt grof geweld bij kijken. Dat afscheuren willen we een handje helpen en dat doen we door warmte in te brengen via het snijgereedschap. Aan de snijkant kan dit oplopen tot zo’n 1.000 °C. Overal waar ik ben geweest, Europa, Amerika, Rusland, draaien ze vaak met een te lage snijsnelheid. Die 1.000 graden willen we voor 80 procent afvoeren in de spaanvorming. Zoals al opgemerkt heeft rvs de neiging tot aankleving. Als we dat niet voorkomen dan gaat het onherroepelijk fout. Daarvoor heb je de juiste snijsnelheid nodig in verhouding tot spaandoorsnede, en bijbehorende snijkantgeometrie’, weet Kort. 

Parameters

‘De belangrijkste parameters bij het verspanen zijn Vc, fn, ap en Kr, respectievelijk snijsnelheid, voedingssnelheid, snedediepte en intreedhoek’, gaat Kort verder. ‘Bij het draaien zijn de parameters snedediepte ap en de voeding fn het belangrijkst. Die moeten in een bepaalde verhouding staan. Uit ervaring weten we dat ap groter moet zijn dan fn. Inmiddels weten we dat bij de groepen P, M en K de verhouding van ap staat tot fn 10 staat tot 1 moet zijn. Deze verhouding geldt niet voor de hittebestendige materialen als inconel, titanium, hasteloy, want dat is een heel andere wereld. Deze materialen vallen onder ISO S.’ Kort hoort wel eens mensen zeggen dat je titanium en inconel op dezelfde manier als staal kunt bewerken, alleen een beetje langzamer. ‘Mensen, dat is niet waar’, waarschuwt hij. ‘Deze groep heeft een heel andere verspaningsstrategie nodig, waar ik nu niet verder op inga.’  

Snijgereedschap

Bestaat er snijgereedschap waarmee je in alle situaties en materialen kunt verspanen? Een nobele wens, volgens Kort, maar nee, dite bestaat niet. Elk gereedschap heeft zo zijn bandbreedte. ‘Overigens geven alle fabrikanten ongeveer dezelfde waarden af over het gebruik van de diverse parameters. Daar zit hooguit een verschil in van enkele procenten. Het wordt ons dus ook door de producenten panklaar aangereikt. En mocht je zelf de parameters fn of ap willen veranderen, geen nood, dat kan met behoud van 10 staat tot 1 en mits je de snijsnelheid Vc aanpast.’ Het voornoemde is van toepassing bij met name voordraaien. Bij nadraaien met ap <1 wordt fn afgestemd op het gewenste oppervlak. Deze formule geldt ook min of meer voor de levensduur of standtijd van het snijgereedschap. ‘Standtijd is geen vast gegeven, daar kun je mee spelen. Wil je bijvoorbeeld de standtijd verlengen om wat voor reden dan ook dan kan dat alleen door de parameters aan te passen - bijvoorbeeld door verlaging van de snijsnelheid met de dienovereenkomstige factor - met behoud van de 10 staat tot 1-verhouding. In basis wordt de standtijd 15 minuten/factor 1 omgerekend naar een langer of korter gewenste standtijd. Bedenk wel dat hier ook grenzen aan zijn. Het is een heel goede en bruikbare methode, waarin SCL, standtijd in minuten en gewenste standtijdintervals voorspelbaar kunnen worden gehanteerd.' 

High feed turning

‘De ontwikkelingen gaan door. Zo wordt er sinds een jaar of vijf verspaand door high feed turning. Dat is verspanen met een hoog verspanend volume. Hier passen we niet meer 10 staat tot 1 toe, maar verspanen we met een geringere snedediepte ap en schroeven we de voedingssnelheid fn drie-, vier soms zelfs zesvoudig op. Een kleinere snedediepte ap in combinatie met de gekozen snijkantradius veroorzaakt een andere intreedhoek, met als gevolg een spaanverdunning. Hierdoor dient parameter fn te worden verhoogd om de gewenste spaandikte te bereiken. Verhoging van fn genereert tevens een kortere contacttijd. Dit alles betekent dat het krachtenspel naar beneden gaat en de verspaningsfrequentie fors omhoog met als resultaat een veel hoger verspanend volume’, weet Kort. Hij laat met een demonstratiefilmpje het verschil zien tussen traditioneel verspanen tegenover HFT-verspanen. Met HFT duurt het verspanen slechts 22 seconden tegenover 41 seconden door hetzelfde product traditioneel te verspanen. ‘Die tijdwinst haal je niet alleen maar door met de parameters te schuiven, je kunt niet meer volstaan met de standaard ISO-programmeertechniek, maar wel met een modern CAM-systeem. HFT wordt nu sinds een jaar of vijf toegepast.’

Prime Turning

Sinds kort is er een nieuwe derde manier van verspanen geïntroduceerd. Dat is Prime Turning, wat ongekende mogelijkheden biedt. Prime Turning werd in 2017 door Sandvik geïntroduceerd en is met zijn snijgereedschappen tot nu toe de enige die dit aanbiedt aan zijn klanten. Echter is dit een techniek die zo’n 48 jaar geleden al werd toegepast onder de naam ‘Snoekebekje’ draaien, die nooit echt een vervolg kreeg. Wat is Prime Turning? Kort legt uit: ‘Bij het traditioneel verspanen beweegt het snijgereedschap van het eind van het product richting de klauwplaat, van rechts naar links. Anders dan bij het conventioneel draaien beweegt het snijgereedschap bij Prime Turning van de klauwplaat af en naar de klauwplaat toe. Dit wordt gerealiseerd met een grotere instelhoek en een kleinere intredehoek. Door een verkleining van de intredehoek neemt de spaandikte af, wat op zijn beurt gecompenseerd dient te worden door parameter fn. Met als resultaat het verspaande volume vele malen groter is dan conventioneel of HFT-verspanen.’

Ook hier demonstreert Kort dit via een filmpje waarop een stuk rvs wordt verspaand. Hieruit blijkt dat bij traditioneel verspanen 245 cm3 per minuut wordt verspaand. Bij Prime Turning bedraagt dat 900 cm3 per minuut. ‘Deze methode is het overwegen waard, maar het vergt wel enige nieuwe kennis’, waarschuwt Kort. 

Industrie 4.0

De meest recente ontwikkeling, ook bij het verspanen is industrie 4.0. Dat betekent steeds meer digitaliseren van het verspaningsproces. ‘Dat lijkt ingewikkeld, maar er schuilt een hoogst beheersbare productiefilosofie achter. Onlangs heb ik aan de groep van acht personen gevraagd, met welke parameters een stukje C45 staal rond 60 naar rond 40 mm dient te worden verspaand. Ik kreeg acht verschillende antwoorden. Deze willekeur kunnen we elimineren door bewerkingsdigitalisering toe te passen. Met andere woorden van geïsoleerde kennis naar centrale datakennis.’

‘Het voornoemde heeft niet alleen betrekking op de verspaningsdata, maar ook op alle randzaken (MSU) rondom het maken van een product, zoals machine-inrichting, werkstuk-opspanning/handeling, gereedschapwisseling en meten. MSU staat voor Machine Setup Utilization. Deze filosofie komt in rasse schreden naar ons toe. Industrie 4.0 zal vele nieuwe mogelijkheden voortbrengen voor zowel kleine als grotere ondernemingen. Ja, dat is een stevige uitdaging, maar maak een plan, en werk stapsgewijs toe naar een volledige digitalisering’, besluit Kort.

Technisch Commercieel Efficiency Advies 

 www.unisign.com