Waarom de standtijd achterblijft en hoe de operator het verschil maakt
Grip op wisselplaatslijtage
Een herkenbare situatie voor menig CNC-operator: de wisselplaat slijt sneller dan verwacht op basis van de standtijden die de fabrikant voorspelt. Overdrijft de fabrikant door uit te gaan van optimale procescondities, die in de werkplaats moeilijk te evenaren zijn? Of ziet de CNC-operator factoren over het hoofd die juist leiden tot de snellere slijtage en dus kortere standtijd of zelfs afkeur als je de slijtage niet tijdig opmerkt?
Slijtage is onvermijdelijk
Dat de wisselplaten tijdens het verspanend proces slijten, is inherent aan het proces. Verschillende mechanismen veroorzaken deze slijtage die zich op verschillende manier kan uiten. Het meest gangbare – en onvermijdelijke – is de slijtage van het vrijloopvlak (flankslijtage). Deze ontstaat doordat het gereedschap in contact komt met de harde bestanddelen in het werkstukmateriaal. Zolang men de juiste wisselplaat kiest voor het te bewerken materiaal en correcte parameters programmeert, zou de slijtage normaal moeten verlopen.
Kolkslijtage is een andere vorm, veroorzaakt door een diffusieproces dat ontstaat en gestuurd wordt door de hoge temperatuur op het spaanvlak. Deze slijtage is zichtbaar op de spaanvlakzijde van de plaat. Kolkslijtage kan uiteindelijk tot breuk leiden; let hier dus op.
Bij het bewerken van bepaalde materialen, zoals roestvaststaal en aluminium, kan er snijkantenopbouw ontstaan. Deze ontstaat door druklassen van de spaan op de wisselplaat. Iets anders dat regelmatig voorkomt bij het bewerken van roestvaststaal, is overmatige slijtage aan het spaanvlak, het vrijloopvlak en de snededieptelijn. En dan zijn er nog beschadigingen ontstaan door thermische invloeden, wat vooral optreedt bij frezen met onderbroken snede.
Droogverspanen of koelen met aerosolen, mits het materiaal dit toelaat, voorkomt thermische schokken. De wisselplaat kan plastisch vervormen, wat meestal goed zichtbaar is; of er kunnen scheurtjes ontstaan loodrecht op de snijkant, minder goed zichtbaar en dus risicovoller. Ook kan het gereedschap uitbreken of zelfs gereedschapsbreuk optreden.
Mechanische oorzaken
Een snelle slijtage kan ook duiden op vervuiling in de machine of mechanische oorzaken. Slecht afgevoerde spanen die over de plaat heen schuren zorgen voor een snellere slijtage. Versleten spillagers, spelingen in de geleidingen et cetera hebben hetzelfde effect. De consequenties van overmatige slijtage zijn uiteenlopend: maatafwijkingen, oppervlakteruwheid die buiten tolerantie valt, braamvorming, thermische vervorming bij dunwandige producten, chattersporen en in een enkel geval zelfs metallurgische veranderingen in het oppervlak van het werkstuk. In de praktijk betekent dit extra nabewerking of afkeur, beide kostenverhogend.
Voorspelbaarheid staat voorop
Veel machinefabrieken in de Benelux verdienen hun geld met high-mix-low-volumeproductie: veel variatie, kleine series. En dat vaak deels geautomatiseerd; of in ieder geval één CNC-operator die meerdere CNC-machines bedient. In zo’n productieomgeving is voorspelbaarheid van het proces belangrijker dan de kortste cyclustijd.
Een betrouwbare productie zorgt voor lagere kosten en een hogere leverbetrouwbaarheid. Grip op slijtage is daarom belangrijk. De eerste verantwoordelijkheid ligt bij de werkvoorbereider (of de programmeur), die de juiste wisselplaat voor een bewerking moet kiezen. Een substraat, coating of geometrie die niet past bij de ISO-materiaalgroep is een veel voorkomende oorzaak die gemakkelijk te voorkomen is. Verkeerd geprogrammeerde snijparameters zijn een andere vaak voorkomende oorzaak.
Rol operator blijft cruciaal
De rol van de operator blijft daarom cruciaal. Hij (of zij) is degene die de uitkomst van door anderen genomen beslissingen in de praktijk ziet en daarop moeten reageren.
Verspanen blijft een proces met veel beïnvloedingsfactoren die nooit helemaal vooraf te voorspellen zijn. De operator is degene die met bepaalde aanpassingen het proces stabiel (en dus voorspelbaarder) maakt. De vakman aan de machine is degene die geprogrammeerde snijcondities toetst aan de praktijkcondities in de machinefabriek. De fabriekswaarden moeten gezien worden als een vertrekpunt, niet als een eindpunt.
Juist hier kan de vakman die de machines kent, de materialen én de werkstukken, meerwaarde toevoegen. Bedenk daarbij dat het niet altijd de beste keuze is om aan de voorzichtige kant van de parameters te gaan zitten. Te voorzichtige snijparameters zorgen ervoor dat het gereedschap niet door het materiaal snijdt maar meer wrijft met gevolgen voor de werkstukgeometrie, oppervlaktekwaliteit en de standtijd van het gereedschap.
Blinde vlekken
Operators hebben soms blinde vlekken als het om wisselplaatslijtage gaat. Zo herkennen ze de snijkantenopbouw niet altijd als slijtage. Oppervlakkig kan de snijkant er nog goed uit zien, de effectieve geometrie kan toch veranderd zijn. Belangrijk is eerst te constateren of er daadwerkelijk sprake is van een opbouwrand: is materiaal vastgekleefd aan de snijrand van de plaat, vaak herkenbaar aan een dof, ruw laagje? Veranderen de spanen plotseling? Is de maatvastheid slecht terwijl de wisselplaat er nog goed uitziet?
Snijkantenopbouw kan meerdere oorzaken hebben, daarom moet men één voor één de condities aanpassen om te controleren of deze het gewenste effect hebben. Bij roestvaststaal is de beste remedie het verhogen van de snijsnelheid (Vc). Hierdoor stijgt de temperatuur in de snijzone waardoor het druklassen stopt.
Een andere oorzaak kan een te lage voeding per tand zijn. Hierdoor wordt de wrijving verhoogd wat tot snijkantenopbouw leidt. Operators hebben soms de neiging de voeding te verlagen als het oppervlak slecht is; dit kan het probleem verergeren. Controleer of het koelsmeermiddel effectief de snijzone bereikt.
Overigens kan een verkeerde concentratie of pH-graad van het koelsmeermiddel een langzame opbouw veroorzaken. Snijkantenopbouw bij aluminium, vindt dikwijls z’n oorzaak mede in de gebruikte coating en de scherpte van de snijkant.
Bij snijkantenopbouw is het belangrijk dat men de verschillende parameters systematisch doorloopt: snijsnelheid (Vc), voeding ... Pas deze één voor één aan om te zien of het probleem is opgelost. Is het probleem opgelost, leg het dan vast voor toekomstige bewerkingen. Zo niet, ga dan nogmaals de plaat controleren (scherpte, coating en geometrie) en de opspanning van de plaat.
Nog snel een klus afmaken
Een andere blinde vlek is doorwerken met een wisselplaat waarvan men weet dat deze tegen het einde van de standtijd aanzit. Omwille van tijdsdruk of omdat er nog slechts enkele stuks bewerkt hoeven te worden, verspaant men verder met de plaat. De snijkrachten en warmte lopen door de slijtage snel verder op en verergeren de problemen alleen maar.
Kleine uitbrokkelingen van de snijkant maken deze ruw en verhogen de wrijvingskrachten. Dit kan bij het draaien van dunwandige werkstukken tot chatter leiden. Dikwijls reageren operators op chatter door de snijsnelheid te verminderen. Dit kan een averechts effect hebben omdat een te lage snijsnelheid tot instabiliteit leidt en juist voor snijkantenopbouw zorgt. Daarom moet men bij het oplossen van chatter kleine stappen zetten om de resonantie te voorkomen; pas de voeding per omwenteling in kleine stappen aan en verminder eventueel de snedediepte (ae).
Andere oorzaken
En dan zijn er nog de oorzaken die eigenlijk niet direct met procesparameters te maken hebben. Denk bijvoorbeeld aan een niet correct aangedraaide klemschroef. Of vervuiling onder de plaat in de zitting. Hierdoor kan de wisselplaat minimale bewegingen maken en vroegtijdig slijten. Een oorzaak die vooral bij kleine VHM-frezen veel invloed heeft maar ook negatief effect kan hebben bij wisselplaat freeshouders, is een slechte rondloopnauwkeurigheid.
Een kleine onnauwkeurigheid kan een groot effect hebben op de standtijd. Weliswaar neemt dit af naarmate de diameter groter is, maar hou hier rekening mee. Trillingen kunnen een andere oorzaak zijn, soms veroorzaakt door een slechte opspanning of door een verkeerde combinatie van voeding en snijsnelheid waardoor chatter ontstaat. Tot slot kan de oorzaak in het werkstukmateriaal zitten, bijvoorbeeld als hier nog restspanningen in zitten als gevolg van eerdere zware bewerkingen.
Accepteer kortere standtijd niet zomaar
Als wisselplaten sneller slijten dan verwacht – of dan de fabrikant aangeeft – is het zinvol naar een eventuele oorzaak te zoeken en de kortere standtijd niet als een gegeven te beschouwen. Want als de operator telkens de wisselplaat ver voor het door de fabrikant voorspelde einde van de levensduur vervangt, blijven eventuele onderliggende oorzaken onzichtbaar.
De operator kan dan wel voor de stabiliteit van het proces de wisselplaten eerder vervangen; misschien laat hij daardoor een kans om het proces en het gereedschapsverbruik te optimaliseren, liggen. Tool Condition Monitoring, bijvoorbeeld via het automatisch bewaken van de spindellast, hoort in een moderne productieomgeving thuis. Data zullen eerder slijtage signaleren dan met het blote oog te zien valt.
Stappenplan voor de operator
Wie merkt dat een wisselplaat sneller slijt dan verwacht, hoeft niet te gokken. Vijf stappen die direct op de vloer toepasbaar zijn:
- Registreer wanneer en bij welke bewerking de afwijkende slijtage optreedt, vóór je iets aanpast.
- Wijzig telkens één conditie tegelijk, in deze volgorde: eerst de snijsnelheid, dan de voeding, dan de koeling. Meet telkens het effect voor een volgende aanpassing te doen.
- Controleer opspanning en klemzitting; een losse klemschroef of vervuilde zitting kost vaak meer standtijd dan een verkeerd ingestelde snijsnelheid, en wordt daardoor makkelijk over het hoofd gezien.
- Vervang de plaat op basis van geregistreerde standtijd, niet pas op het moment dat de kwaliteit al zichtbaar terugloopt.
- Deel je bevindingen met de werkvoorbereider: wat op de vloer wordt vastgesteld, hoort terug te komen in de volgende snijdatakeuze.
Zo wordt een kortere standtijd geen verborgen kostenpost, maar een signaal waarmee het hele proces stapsgewijs beter wordt.
TAYLOR TOOL LIFE EQUATION FORMULE
Een kleine aanpassing kan een groot effect hebben op de standtijd. Dit wordt duidelijk voor wie bekend is met de Taylor Tool Life Equation-formule. Deze al meer dan een eeuw (in 1907) oude vereenvoudigde wiskundige formule T = (C / V)^(1/n) legt een verband tussen de snijsnelheid in m/min (V) en de gereedschapstandtijd uitgedrukt in minuten (T). In deze formule is n de standtijdexponent (afhankelijk van het snijmateriaal) en C de Taylorconstante, de theoretische snijsnelheid waarbij de standtijd exact 1 minuut bedraagt. Deze n- en C-constanten haalt men doorgaans uit de handboeken. Past men de snijsnelheid licht aan, dan heeft dit een groot effect op de standtijd. Deze formule is een vereenvoudigde versie, die geen rekening houdt met andere factoren die de standtijd van de plaat mee bepalen. Ze biedt echter een goed inzicht hoe kleine veranderingen in het proces grote invloed kunnen hebben. Zoals een hogere snijsnelheid die ten koste gaat van een fors kortere gereedschapslevensduur. Of is de tijdsbesparing het waard?