Naar de ideale gereedschapshouder

Moderne vijfassige en multitaskende machines zorgen voortdurend voor nieuwe en verbeterde bewerkingsconcepten. Naast de snijrand is ook de keuze van de kleminrichting voor het gereedschap bepalend voor het succes. Het technologieassortiment is echter bijzonder groot. Een systematische vergelijking helpt bij het bepalen van de optimale klemtechnologie voor het betreffende bewerkingsproces.

Als we naar de ontwikkeling op de markt voor gereedschapshouders kijken, worden twee aspecten duidelijk. Ten eerste neemt de verscheidenheid aan varianten toe. Ten tweede winnen nauwkeurige montages snel aan belang. De verbeterde kwaliteit en prestaties van machinegereedschap resulteren immers in een grotere vraag naar procesveiligheid en een langere levensduur. Bovendien zorgt de verbeterde efficiëntie voor een verlaging van de kosten en dus de kostprijs. Dit toont aan hoe belangrijk het is om de bestaande strategieën voor gereedschapshouders regelmatig te evalueren, vooral bij de investering in nieuw machinegereedschap.

Een beoordeling van het totaalsysteem

Er bestaat geen optimaal systeem voor gereedschapshouders dat alle toepassingen afdekt. De keuze hangt af van talloze parameters en moet ook de rest van de machine in overweging nemen (klemming, werkstuk, gereedschap, spindelinterface en machine). Als belangrijkste interface voor het werkstuk, speelt de gereedschapshouder een essentiële rol, niet in het minst omdat hij de zwaktes binnen het totale systeem minstens deels kan compenseren. De selectie van de ideale gereedschapshouder moet in verschillende stappen gebeuren. Eerst moeten de basiscriteria worden bepaald. Deze hebben een grote invloed op de onderliggende stabiliteit van het proces. In een tweede stap ligt de focus op kwaliteit, nauwkeurigheid en productiviteit. In een laatste stap is het aanbevolen om economische criteria in overweging te nemen in de vorm van een kosten-batenanalyse. Dit artikel beperkt zich tot de eerste twee stappen.

Basiscriteria zijn essentieel voor processtabiliteit

De basiscriteria voor de keuze van de gereedschapshouder kunnen als KO-criteria worden gezien. Als er niet aan wordt voldaan, kan het bewerkingsproces niet soepel verlopen.

1. Klemkracht/koppel

De klemkracht van de gereedschapshouder bepaalt in welke mate het koppel op de interface tussen de gereedschapshouder en het gereedschap kan worden bestuurd. Als de klemkracht voldoende hoog is, komt de snijrand van het gereedschap gelijkmatig in contact met het materiaal. Als dat niet het geval is, begint het gereedschap te draaien in de houder en wordt er onvast gesneden. In extreme gevallen wordt het gereedschap uit de gereedschapshouder getrokken. Het overbrengen van het koppel gebeurt op verschillende manieren: gereedschap kan met schroefdraad in het basiselement worden geschroefd. Een tweede mogelijkheid is mechanisch vastgeklemd gereedschap met een positieve aandrijving. Deze manier van klemmen mislukt alleen wanneer de koppels de rem- of schuifkracht van de onderdelen overschrijden. Tot slot kan het gereedschap krachtsluitend worden vastgeklemd. Daarbij worden kruisdrukaansluitingen gebruikt.

2. Radiale stijfheid

Een hoge radiale stijfheid maakt hoge snijkrachten mogelijk (d.w.z. grote invoeren en hoge toevoersnelheden). Dit is een essentieel criterium voor de verwerking van grote volumes aangezien de bewerkingstijd en daardoor ook de productiviteit, maar ook de mogelijke projectie van het gereedschap sterk worden beïnvloed. De radiale stijfheid is afhankelijk van de eigenschappen van het materiaal, van de geometrie en van de integratie van de gereedschapshouder in het totaalsysteem van het machinegereedschap. Eenvoudig gezegd: hoe korter de gereedschapshouder, hoe groter de diameter, hoe homogener de eenheid en hoe groter de steun voor de houder op de spindel, des te groter de radiale stijfheid.

3. Interferentiecontour

Wanneer werkstukken op moderne vijfassige machines volledig worden bewerkt in slechts twee klemstappen, is toegankelijkheid essentieel. Hiervoor zijn smalle gereedschapshouders nodig die een voldoende hoog koppel overbrengen en tegelijk de hoge nauwkeurigheid op het werkstuk waarborgen. In bijzonder kleine ruimtes kunnen alternatieve gereedschapsverlengingen worden gebruikt die, indien nodig, tussen het gereedschap en de gereedschapshouder kunnen worden gemonteerd. In tegenstelling tot gereedschapshouders met geoptimaliseerde contour en spindelinterface, kunnen gereedschapsverlengingen flexibel worden ingezet. Ze zijn verkrijgbaar met verschillende klemtechnieken.

4. Geschiktheid voor hoge snelheden

Als de spindel toerentallen tot 80.000 rpm en meer haalt tijdens het snijden, moeten de gereedschapshouders voldoen aan speciale voorwaarden op het gebied van geometrie, concentriciteit, balanceerkwaliteit en procesveiligheid tijdens het wisselen van gereedschap. Hoe kleiner de klemdiameter, hoe vaker mechanische universele gereedschapshouders, maar ook thermische krimpgereedschapshouders of hydraulische expansie-gereedschapshouders hun limieten bereiken. Andere klemtechnieken, zoals polygonale klemtechnologie, die geen beweegbare delen bevatten, leveren hier een belangrijke bijdrage.

Kwaliteitscriteria bepalen nauwkeurigheid en productiviteit

Naleving van de basiscriteria is lang voldoende geweest om de meeste bewerkingen uit te voeren. Door de strengere eisen inzake kwaliteit van het werkstuk en de efficiëntie van de bewerking neemt het belang van kwaliteitscriteria snel toe. Hier moet ook rekening worden gehouden met het feit dat de snelheid van ontwikkelen per sector en per regio enorm kan verschillen. Hoe hoger de eisen op het gebied van maatnauwkeurigheid, oppervlaktekwaliteit en economische efficiëntie, des te belangrijker kwaliteitscriteria worden.

1. Uitloopnauwkeurigheid

Voor nauwkeurige bewerking is de uitloopnauwkeurigheid van het gereedschap en de complete aandrijflijn van cruciaal belang. Deze bepalen of de afmetingen en toleranties kunnen worden gehaald. Bovendien heeft de uitloopnauwkeurigheid een grote invloed op het slijten van de snijrand van het gereedschap en op de levensduur van de machinespindel. Als het vastgeklemde gereedschap niet centrisch rond de as van de gereedschapshouder draait, bestaat het risico op onnauwkeurigheden en zullen de vereiste afmetingen van het werkstuk niet worden gehaald. Bovendien zal het gereedschap beginnen te slaan tijdens de bewerking en sneller verslijten.

2. Herhalingsnauwkeurigheid

De herhalingsnauwkeurigheid van een gereedschapshouder beschrijft hoe goed een gereedschapshouder een gedefinieerde parameter kan reproduceren tijdens verscheidene pogingen. Bij moderne nauwkeurige bewerking gaat het niet zozeer om de absolute nauwkeurigheid, maar is eerder de herhaalbaarheid van de machine en dus van de gereedschapshouder doorslaggevend. Systematische machinefouten kunnen in moderne CNC-machines relatief gemakkelijk worden gecompenseerd met behulp van algoritmen in de machinebesturing. Dit is evenwel alleen mogelijk bij een hoge graad van herhaalbaarheid, dat wil zeggen als de respectieve afwijkingen altijd zo identiek mogelijk zijn. De herhalingsnauwkeurigheid van de gereedschapshouder is derhalve doorslaggevend bij de bepaling welke nauwkeurigheden uiteindelijk worden gehaald op het werkstuk.

3. Balanceerkwaliteit

Eenvoudig gezegd ontstaat een onbalans wanneer de massa in een draaiend element ongelijk wordt verdeeld doordat het zwaartepunt niet op de rotatieas ligt (statische onbalans) of doordat de belangrijkste traagheidsas niet parallel is aan de rotatieas (dynamische onbalans). Bij gereedschapshouders is er vaak sprake van een combinatie van statische en dynamische onbalans. Dit kan worden veroorzaakt door ontwerpgerelateerde technische interpretaties (bijvoorbeeld gereedschap met één rand), door het asymmetrische ontwerp van de gereedschapshouder (bijvoorbeeld door grijpergroeven of klemschroeven), door de asymmetrische verdeling van de massa als gevolg van productietoleranties of door foutieve uitlijning of fouten in de bevestiging van het draaiende element. Gereedschapshouders met een grote onbalans leiden tot slechtere oppervlaktekwaliteit door trillingen op de gereedschapshouder, beperkt haalbare snijsnelheden, lagere productienauwkeurigheid, kortere levensduur van het gereedschap en schade aan de lagers van de machinespindel.

4. Demping van trillingen

Afhankelijk van de respons op de aflaat-frequentie van het totaalsysteem kunnen tijdens elk bewerkingsproces trillingen ontstaan. Deze kunnen enorme gevolgen hebben voor het bewerkingsresultaat en leiden tot meer slijtage en breuk van het gereedschap, maar ook tot schade aan de machine. Net als een schokdemper kunnen gereedschapshouders ook trillingen dempen en soepel en consistent snijden ondersteunen. Dit is afhankelijk van de klemtechniek. Hierdoor worden de geluidsemissies tot een minimum beperkt, de kwaliteit van het werkstukoppervlak verbeterd, de levensduur van het gereedschap verlengd en kan de spindel worden beschermd.

5. Toevoer van koelvloeistof

Koelsmeermiddelen vervullen tijdens de bewerking diverse functies. Ze verwijderen spaanders, beperken warmte en wrijving, waarborgen een uniforme temperatuur van gereedschap en werkstuk en helpen de toleranties te halen. Afhankelijk van het type koelvloeistof kunt u kiezen tussen externe koeling, randkoeling en interne koeling. Interne koeling heeft enkele bijzondere voordelen: het koelsmeermiddel komt exact bij de snijrand aan zonder dat daarvoor de mondstukken voor de koelvloeistof handmatig moeten worden uitgelijnd en spaanders worden op betrouwbare wijze verwijderd uit diepe en smalle contouren. Zelfs wanneer diepe gaten moeten worden geboord, kan de snijrand doeltreffend worden gekoeld. Hierdoor heeft het gereedschap een langere levensduur en kunnen de procesparameters soms aanzienlijk worden verhoogd.