Verschillende manieren om trillingen te vermijden

Trillingen van het gereedschap zijn funest voor de eindresultaten van het verspaningsproces. Voor sommige toepassingen zijn geavanceerde mechatronische systemen de oplossing om trillingen tegen te gaan. Voor andere vibratievormen zijn andere oplossingen nodig. En: Industrie 4.0 doet hier zijn intrede. Kortom: er zijn verschillende oplossingen om vibraties tegen te gaan.

Trillingen kunnen verschillende oorzaken hebben. Beter gezegd: er zijn verschillende vormen van vibratie die het verspaningsresultaat en de standtijd van de gereedschappen negatief beïnvloeden. Chatter is een van de bekendste vormen. De trilling ontstaat uit de eigen frequentie van de machine; het gereedschap begint uit zichzelf te trillen en deze trilling wordt alsmaar verder versterkt. De oorzaak kan in de slijtage van het gereedschap zitten, waardoor de snijkrachten worden verhoogd. Een te hoge snijsnelheid of te lage voedingen kunnen eveneens tot chatter leiden. De oplossing is vaak het toerental aanpassen. Dat hoeft niet altijd omlaag te zijn, ergo lagere verspaningscondities. Wanneer men voor een actieve chatterregelstrategie kiest, kan men de grenzen van het stabiliteitsdiagram voor een bepaalde bewerking zo kiezen dat een hogere productiviteit wordt behaald, zonder dat chatter optreedt.

Geforceerde trillingen

Een tweede variant is de trilling die ontstaat doordat in een bepaalde frequentie krachten op de machine komen, de zogenaamde geforceerde trillingen. Deze kunnen bijvoorbeeld ontstaan als een frees met meerdere snijkanten niet goed gebalanceerd is. Als de frequentie overeenkomt met de natuurlijke frequenties van de machinestructuur, kan de machine uiteindelijk gaan resoneren. Een derde vorm van trilling kan ontstaan als impulsen via de fundering worden overgebracht op de constructie. Dat leidt niet alleen tot geluidshinder maar bovenal tot schade aan de snijkanten van het gereedschap én dus tot ondermaatse oppervlaktekwaliteit. In alle gevallen leiden trillingen direct tot geluidsoverlast in de omgeving en vooral tot een slechtere oppervlaktekwaliteit en dus vaker tot afkeur van producten.

Passieve demping

Om trillingen andere dan chatter tegen te gaan, kan men zowel actieve als passieve systemen inzetten. Bij een passieve demping zoekt men de oplossing in materialen met een hoge elasticiteitsmodulus voor de gereedschaphouder. Ook gebruikt men ondersteunende massa en stalen verenpakketten om de doorbuiging van het gereedschap te minimaliseren. Het axiaal en radiaal elastisch gelagerde demperelement wordt geïntegreerd in de schacht van de houder. Dit verlaagt de trillingsamplitudes tot wel 1.000 keer, ook bij gereedschappen met een relatief grote overhang. Oorspronkelijk zag men dit vooral in de boorbaren, voor boringen tot wel 10xD.; bij hardmetaal versterkte boorbaren gaat men al tot 14xD. Met een elastisch gelagerd demperelement, dat in de fabriek wordt geïnstalleerd en afgesteld, beschikt men in principe over een passieve demping. Door de massa te laten trillen op een vooraf ingestelde frequentie, onderdrukt men het ontstaan van trillingen van het totale systeem.

Door de massa te laten trillen op een vooraf ingestelde frequentie, onderdrukt men het ontstaan van trillingen van het totale systeem

Een van de voordelen van deze aanpak is dat het onderhoudsvrij is en geen extra handeling van de operator vraagt: het werkt zodra de hiermee uitgeruste houder wordt gebruikt. Inmiddels gebruikt men deze gereedschapshouders ook voor draai- en freesbewerkingen, dus zonder dat men een lange uitsteeklengte nodig heeft. De reden hiervoor is dat door de trillingen te dempen, men het verspaand volume kan vergroten en de oppervlaktekwaliteit van het werkstuk verbetert. Bij freesbewerkingen waarbij men diep in het werkstuk moet bewerken, verkleint men met deze oplossing de kans op trillingen. In alle gevallen is de hogere productiviteit de belangrijkste drijfveer om hierin te investeren.

Het resultaat is dat het nieuwe systeem hogere snijsnelheden, een aanzienlijk hogere verspaningssnelheid en aanzienlijk betere oppervlakken mogelijk maakt. Een voorbeeld van het resultaat dat men hiermee kan bereiken, is het bewerken van gehard staal. Zonder het dempingsmechanisme freest men met een 50 mm frees en een snedediepte van 33 een Rz waarde van 7,8 µm. Met geïntegreerd dempingsmechanisme komt men tot een Rz van 3,9 mm, een halvering dus van de ruwheid.

Actieve demping

Actieve trillingsdemping zijn in feite mechatronische systemen, waarbij sensoren een trilling detecteren en een actuator aansturen die een tegentrilling opwekt. Zo’n systeem verschilt wezenlijk van systemen die op basis van machinedata, zoals opgenomen vermogen, een trilling al in de kiem proberen te smoren. Deze laatste systemen moeten een zekere leercurve doorlopen. Een actieve demping hoeft dat niet en biedt als voordeel dat het direct na het activeren ervan actief werkt. De zekerheid dat trillingen voorkomen worden met een tegentrilling, leidt tot een hogere productiviteit omdat de snijcondities fors hoger kunnen zijn.

Een variant op een actieve demping is dat men het tegengaan van trillingen via de machinebesturing laat lopen, zoals een van de kleinere besturingsfabrikanten ontwikkeld heeft. Een verbeterde versnellingsmeter, die elke 100 millisecondse een sample neemt, wordt daartoe op de freeskop geplaatst en stuurt de signalen door naar de CNC-besturing of een PLC in de machine. Zelfs kleine veranderingen in de versnelling worden gemeten. Machinebouwers kunnen de signalen die ze hiermee verzamelen, gebruiken om de motoren van de CNC-machine direct bij te sturen. Deze oplossing is afhankelijk van de fabrikant van de machinebesturing.

Adaptief systeem

Wetenschappers in India hebben een adaptief systeem ontwikkeld voor een eindfrees. Zij zochten vooral een oplossing voor trillingen die ontstaan door slijtage aan het snijgereedschap. De rotatiesnelheid van de spindel en de trillingssignalen blijken te veranderen door de slijtage aan de frees. Deze adaptieve regelaar regelt de parameters van het freesproces real-time en houdt de trillingen onder een vooraf ingestelde veiligheidsdrempelwaarde.

De toepasbaarheid van de methode is getest op een 3-assige CNC-freesmachine. De resultaten hebben aangetoond dat de adaptieve regelstrategie effectief is in het vermijden van trillingen. Het gaat nog om onderzoek aan de universiteit dat nog niet vertaald is naar een commerciële toepassing.

Industrie 4.0

Een vrij recente ontwikkeling is het meten van snijcondities en trillingen zo dicht mogelijk bij de snijrand en deze doorsturen naar de machinebesturing of een aparte regelunit. De sensoren in het gereedschap bewaken de belasting, trilling, afbuiging en temperatuur tijdens draaien. Deze data worden doorgegeven aan de besturing van de machine. In eerste instantie heeft men dit ontwikkeld voor inwendig draaien, omdat de operator dan niet kan zien wat er in de snijzone gebeurt.

Via een externe monitor kan de operator zicht houden op wat er in het proces gebeurt. Dankzij de koppeling met de besturing kan men echter denken aan het automatiseren van de procesbewaking. Men kan bepaalde regels ingeven waarbij de machinebesturing automatisch ingrijpt als de uitgelezen data bepaalde grenswaarden overschrijden. Deze grenswaarden zijn dan zo gekozen dat men trillingen vermijdt. Hiermee maakt men de passief gedempte houders slimmer. In een onbemand productieproces kan men zo de proceszekerheid verder verhogen.

Een kleine verandering aan het toerental van de spindel kan al tot problemen leiden

Een voorbeeld van een actief systeem om trillingen tegen te gaan, levert Bimatec Soraluce met het DAS-systeem (Dynamic Active Stabilizer). Actuatoren in de ram van de machine wekken een tegentrilling op zodra een trilling gedetecteerd wordt. Deze heft de oorspronkelijke trilling op (EMO 2015).

Sandvik Coromant heeft onlangs een volgende stap gezet met de Silent Tools. De snijdata die het gereedschap meet tijdens het proces kunnen nu direct worden doorgeven aan de besturing van de bewerkingsmachines dankzij CoroPlus Connect. Hierdoor kan men de acties die genomen moeten worden als bepaalde grenzen worden overschreden, automatiseren.

Mapal is een van de gereedschapfabrikanten die passieve dempingmechanismen integreert in de wisselplaathouder, waardoor de oppervlaktekwaliteit aanzienlijk verbetert.

Het Accure-tec systeem van Walter is in principe een passief gedempt gereedschapssysteem. Bij de freesvariant kan men met drie keer hogere snijcondities werken vergeleken met een gereedschap zonder deze demping.

Sandvik Coromant heeft de CoroMill 390 wisselplaathouder aangepast om te 3D printen. Hierdoor heeft men het gewicht kunnen reduceren en is de houder compacter dan een standaarduitvoering. Volgens de fabrikant zorgt dit voor minder trillingen bij het frezen met langere uitsteeklengten. Het gereedschap kan gecombineerd worden met een Silent Tool adapter.

Meerdere oorzaken

Trillingen kunnen meerdere oorzaken hebben, zoals slijtage aan de lagers van de spindel. Ook de werkstukopspanning is belangrijk, zeker als er dunwandige producten bewerkt worden. Een zwakke opspanning kan in bepaalde situaties trillingen veroorzaken. Andere snijparameters kunnen dan helpen. Ook de gereedschapopname kan de boosdoener zijn, bijvoorbeeld als een gereedschap niet meer goed gebalanceerd is. Hoe hoger het toerental van de spil, hoe belangrijker het wordt om het gereedschapssysteem te balanceren. Bij spindeltoerentallen vanaf 15.000 tot 20.000 omwentelingen per minuut is dat zelfs noodzakelijk. Hou er ook rekening mee dat elke spindel een stabiele zone kent en een zone waarin het risico op trillingen toeneemt. De grens is smal: een kleine verandering in het toerental kan al tot problemen leiden.