MachinetechnologieHardmetaal frezen goedkoper en beter dan vonkeroderen

21 november 20137 min

Hardmetaal frezen kan tot een behoorlijke kostenbesparing in de productie leiden. Daarnaast, zo tonen ervaringen bij de Zwitserse gereedschapmaker Gebr. Bräm aan, blijkt het frezen in de gereedschapmakerij de standtijd van stempels en matrijzen te verlengen, vergeleken met vonkeroderen. Hardmetaal frezen vergt echter het uiterste van freesmachine, spindel, gereedschap en CAM-strategie.

Kern ontwikkelt procestechnologieën om stempels en matrijzen hard te frezen

[dropcap type=”circle” color=#ffffff background=#f16236]H[/dropcap]ardmetaal is bij Gebr. Bräm in Dietikon, onder de rook van Zürich, echt hard. Voor klanten bewerkt men onder andere een hardmetalen stansgereedschap van fijnkorrelig hardmetaal met 9% Cobalt en 91% Wolfraam, wat resulteert in een hardheid van 91,5 HRa. Doorgaans gaat het om stempels en matrijzen uit hardmetaal met 70 HRC. Tot voor kort werden deze gereedschappen altijd met een zinkvonkmachine bewerkt, wat echter als nadeel heeft dat er altijd geslepen en nog gepolijst moest worden. Daarnaast blijft het vonkeroderen de structuur van de buitenste toplagen beïnvloeden (microscheuren) door de warmte die in het werkstuk gaat, hoezeer dit probleem met de nieuwe generatie generatoren ook is verminderd. Twee jaar geleden heeft de Zwitserse onderneming daarom samen met Kern (Eschenlohe, Zuid-Duitsland) besloten het hardfrezen door te ontwikkelen. Ze hebben hiervoor een Triton-machine van de Duitse machinebouwer gekocht, die sinds afgelopen voorjaar in een geklimatiseerde ruimte staat met een maximale temperatuurschommeling van +/- 0.25 graad C. Hiermee freest men inmiddels met succes de hardmetalen stempels en matrijzen. “Bräm heeft de Triton gekocht omdat ze een machine wilden die polyvalent is”, zegt Didier Gony, area salesmanager bij Kern.

grafie hydro vs lineair (625x447)
De nauwkeurigheidsvergelijking tussen een lineaire aandrijving met precisie geleidingen en een hydrostatische as met hydrostatische aandrijving.

 

Absolute procesbeheersing
Een dergelijke stap zet je niet zomaar. Bij dit soort applicaties moet het totaal pakket van machine, gereedschap, gereedschaphouder en CAM-strategie optimaal op elkaar zijn afgestemd. “Dit is geen tovenarij, maar vergt know how en een absolute beheersing van het freesproces.” De Zwitserse stempel- en matrijzenmaker heeft een Kern Triton gekocht voor het frezen van het hardmetaal. Aanvankelijk was de Pyramid Nano een optie, maar uit freesproeven bleken de nauwkeurigheden op de Triton machine toereikend. Het verschil tussen beide machines is dat de Pyramid Nano hydrostatische geleidingen en drives in de X-, Y- en Z-as heeft, terwijl de Triton enkel over hydrostatische geleidingen in de X- en Y-as beschikt. De aandrijving van de 4e en 5e as gebeurt via torquemotoren. Ook de spindel verschilt. Bij de Pyramid Nano is zowel een 50.000 rpm 7,8 kW-HSK E25 spindel beschikbaar als een versie met 42.000 rpm en 20 kW – HSK E40. Voor hard hardmetaal frezen heb je echter geen koppel nodig, wel rondloopnauwkeurigheid en hoge spindeltoerentallen.” Belangrijk zijn ook de frequentieanalyses die Kern van alle spindels onderzoekt zodat men exact weet in welke toerentalbereik de spindels optimaal en trillingvrij presteren. Daarnaast worden de spindels uitgebalanceerd voor een perfecte rondloopnauwkeurigheid bij 50.000 rpm.

Kosten stempel met EDM: 4500 euro

Kosten stempel met hardfrezen: 1800 euro

Voordeel hydrostatica
De crux bij het frezen van dit soort extreem harde materialen zit in de dynamiek. De hydrostatische geleidingen en drives zorgen enerzijds voor een nauwkeurigere positionering, omdat je geen slickeffect hebt. Anderzijds vangt de hydrostatische geleiding de trillingen goed op, belangrijk voor de standtijd van de gereedschappen. Didier Gony: “Je hoeft deze niet in de parameterinstellingen op te vangen maar de hydrostatica doet dit.” De verschillen in nauwkeurigheid tussen een hydrostatische aandrijving en een lineaire zijn groot als je in het µm bereik freest. De wrijvingsloze aandrijving stelt Kern in staat om de spindel in stappen van 0,1 µm per as te positioneren. De Pyramid Nano positioneert op +/- 0,3 µm nauwkeurig. “Machines zonder hydrostatische drives en geleidingen zijn lastiger nauwkeurig te positioneren waardoor je dus de snelheid omlaag moet brengen om µm nauwkeurig te kunnen frezen.” Op lange termijn biedt het hydrostatisch concept volgens de machinebouwer het voordeel van geen slijtage, zodat de machine door de jaren heen zijn nauwkeurigheid behoudt.

Temperatuurbeheersing
Een ander belangrijk gegeven is de temperatuurbeheersing in de machine. Dit begint bij de constructie. Ook hier levert de combinatie van hydrostatische aandrijving en geleiding een voordeel; maar ook bij de Triton, die hydrostatische geleidingen met torquemotoren combineert, voorkomt Kern door de plaatsing van de motoren dat de geleiding nauwkeurigheid verliest vanwege de warmteontwikkeling in de motor. De servo-aandrijving met tandwielkast zit daarom niet in het midden van de as, zoals bij de meeste fabrikanten. Daarnaast koelt Kern het frame, alle kritische componenten en alle hydrauliekolie in de machine (inclusief de koelsmeeremulsie) tot op 0,2 graad K (Triton) en 1 graad K (Pyramid Nano) nauwkeurig. Alles heeft een constante, gelijke temperatuur. Want als je met olie koelt die een andere temperatuur heeft dan de rest van de machine, beïnvloedt dit de onnauwkeurigheid. “De laatste micrometers nauwkeurigheid winnen is altijd het moeilijkste”, aldus Gony. Ook de gereedschaphouder moet uiterst stabiel zijn en een perfecte rondloopnauwkeurigheid realiseren.

CAM-strategie
Heb je machine, gereedschap, hoofdspil en houder onder controle, dan is de juiste CAM-strategie noodzakelijk. Kern ondersteunt bedrijven zoals Gebr. Bräm ook hierbij. Je hebt een CAM-pakket nodig dat specifieke freesstrategieën heeft voor het hoge snelheidsfrezen van hardmetaal. In de Champions League komt het immers op de specialisatie aan zoals de µm nauwkeurige freesbanen. “Een afwijking van 0,02 µm kan tot gereedschapsbreuk leiden, wat je dan 300 euro kost.” Ook de strategie om met je frees het materiaal in te gaan, is speciaal. Zonder druk op te bouwen, houdt de machine de frees continu in het materiaal, trillingvrij. Verder geeft Gony aan dat je bij dit soort freesbewerkingen niet langer over de standtijd van een high end gereedschap praat, maar over het volume dat je met één frees kunt verspanen (MRR). “De feitelijke slijtage van de frees hangt niet af van de bewerkingstijd maar van de hoeveelheid spanen die geproduceerd wordt.” Daarom moet het CAM-programma goed kunnen berekenen hoeveel materiaal je gaat wegfrezen. Overigens de spanen zijn in dit geval slechts 0,025 mm lang en 0,003 mm dik. Onder de microscoop zien ze er echter uit als echte spanen.

[accordion]
[acc_item title=”Wat levert hardmetaal frezen op”]

Kern verkoopt niet alleen machines, maar wil vooral samen met de klant processen ontwikkelen. Daarom beschikt men in de sub-contracting fabriek in Murnau, Duitsland, over onder andere een Zeiss CMM om de nauwkeurigheid van de gefreesde werkstukken zeer exact te kunnen meten. Met deze CMM meet men tot op 0,25 µm nauwkeurig. De oppervlaktekwaliteit van de hardmetalen stempels die op de Pyramid Nano zijn gefreesd, bedraagt Ra 0,05 µm, zonder polijsten. Het verschil met een gepolijst EDM-werkstuk is evenwel dat het oppervlak en de rest van het werkstuk een identieke hardheid hebben. Kern ziet dit als een van de grote voordelen van het frezen van hardmateriaal vergeleken met het vonkeroderen. Bij deze laatste technologie moet altijd eerst de warmte beïnvloede zone worden weggepolijst, wat ten koste gaat van de geometrische vormnauwkeurigheid. Doordat deze zone bij het frezen achterwege blijft en het oppervlak net zo hard is als de rest, blijkt de standtijd van de gereedschappen zo’n 20 procent langer te zijn.

Goedkoper

Daar komt nog bij dat het frezen goedkoper is. Gebr. Bräm heeft de volgende berekening gemaakt. Eén stempel frezen op een Kernmachine kost 600 euro aan gereedschappen en 1200 euro aan machinetijd, totaal 1800 euro. Voorheen had Bräm hiervoor 24 elektrodes nodig. De totale kosten van het vonkeroderen bedroegen zodoende 4500 euro voor één gereedschap. Didier Gony benadrukt evenwel dat je per applicatie moet onderzoeken of het zinvoller is de frezen of te vonken. In een aantal gevallen zal het freesproces zeker het vonkeroderen kunnen vervangen en concurrerender zijn.

[/acc_item]
[acc_item title=”Presentatie op Precisiebeurs”]

Kern presenteert de resultaten van het hardmetaal frezen op Precisiebeurs in Veldhoven. Didier Gony, aerea salesmanager, houdt op 3 december een lezing over het frezen van hardmetaal (tot 91,5 HRa). “We merken voor dit thema veel interesse in de Benelux,” zegt Didier Gony. Kern wil de technologie ook samen met Nederlandse en Belgische bedrijven doorontwikkelen voor hun specifieke applicatie. Encoma, dat Kern in de Benelux vertegenwoordigt, neemt eveneens deel aan de Precisiebeurs (Stand 191 Dommelhal), die op 3 en 4 december in Koningshof in Veldhoven  plaatsvindt.

[/acc_item]
[acc_item title=”Meer informatie”]

Kern

Encoma

[/acc_item]
[/accordion]

 

Hier klikken