Rondloop van verspanend gereedschap

Met rondloop bedoelt men de slingering van een roterend gereedschap ten opzichte van diens rotatiecentrum of hartlijn. Deze slingering is een afwijking of fout in de cirkel die een gereedschap van een bepaalde diameter per omwenteling in het radiale vlak omschrijft. Ter verduidelijking: iedere tand van een Ø16 mm (nominale maat) frees hoort in een cirkel van precies 8 mm radius te draaien, bij iedere omwenteling van de machinespil. In realiteit wijken de verschillende tanden hier echter iets vanaf.

Radiale rondloop of excentriciteit van verspanend gereedschap is gangbaar bij bewerkingen met meerdere snijkanten in een onderbroken snede, zoals freesprocessen. Het kan een gevolg zijn van onnauwkeurigheden in de productie (slijpen) van het gereedschap, afwijkingen in geometrie of concentriciteit, imperfect spangereedschap of statische en dynamische afwijkingen in de freesmachine. [1] Rondloopfouten zijn direct van invloed op de maatvastheid en oppervlaktekwaliteit van het eindproduct, maar vooral ook op de standtijd van het gereedschap.

Rondloop en standtijd

Het effect van rondloop op standtijd is in praktijkonderzoek bij een gevoelige bewerking getest. Hier zijn boren van 3 mm met verschillende rondloopfouten ingezet. Door de rondloop te verbeteren van 1,5 µm naar 0,2 µm bleek dat de levensduur 300% verbetert bij een VHM boor. Snelstaal HSS is door een hogere taaiheid wat vergeeflijker voor rondloopafwijkingen. Maar bij een gelijke verhoging van de rondloopnauwkeurigheid krijgt zelfs een 3xD HSS boor hier een 230% betere levensduur. Bij een 5xD HSS boor met intern koelkanaal was dit een verbetering van 160% in standtijd. Hardmetaal blijkt hier dus het meeste gevoelig voor rondloopafwijkingen. Let wel: VHM had hier een bijna 3x zo hoge snijsnelheid. VHM kan wel degelijk een langere levensduur hebben dan HSS, maar alleen bij hoge rondloopnauwkeurigheid.

* De boren zijn ingezet op C55 (1.1203) materiaal in 3xD=12 mm of 5xD=15 mm (IK) bij snijsnelheid Vc=76 m/min voor VHM of Vc=27 m/min voor HSS en voedingsnelheid F=0,1 mm/omw

Rondloop en snijkracht

Zoals bovenaan uitgelegd, resulteren rondloopfouten in ongelijke effectieve tandradiussen. Doordat het werkstukmateriaal daarmee niet gelijkmatig verwijderd wordt, beïnvloedt dit de snijkrachten die optreden tijdens het verspanen. Daarnaast neemt de materiaalvoeding van een tand toe, en daarmee de slijtage ervan, naarmate zijn effectieve radius groter is dan andere tanden van dezelfde frees. En toenemende gereedschapslijtage heeft weer een verhogend effect op de snijkrachten die ontstaan.

Deze vicieuze cirkel wordt hieronder nader toegelicht. Daar worden twee frezen met ieder acht snijkanten (Z=8) vergeleken: frees T1 heeft een lage rondloopafwijking en frees T7 heeft een relatief hoge rondloopafwijking. De grafieken tonen de verschillen in snijkracht, gedurende drie omwentelingen, in nieuwstaat en na slijtage. [1]

Hierboven ziet u nogmaals duidelijk dat de snijkracht toeneemt naarmate een frees meer rondloopafwijking heeft (Figuur 6) en dat deze belasting bij inzet toeneemt. En zoals eerder aangegeven leidt deze hogere belasting tot meer slijtage, waardoor rondloop dus direct invloed heeft op de slijtagevorming (Figuur 7) van een frees. Dit komt voornamelijk door een ongelijkmatige belasting. Herinnert u zich de pieken in snijkracht van frees T7 uit Figuur 3-5 nog? Het resultaat is in Figuur 8 te zien. De tand die deze snijkrachtpieken veroorzaakte (tand 1) is vergaand versleten, terwijl de overige tanden er nog relatief goed uitzien. Zou de snijkracht beter over de diverse tanden verdeeld zijn geweest, dan werd de last beter verspreid en zou geen enkele tand zover als tand 1 versleten zijn. En zo gaat de hele frees langer mee.

Hoe verbeter ik de rondloopnauwkeurigheid?

Om de snijkanten in snede met een zo hoog mogelijke rondloopnauwkeurigheid te laten verspanen, dient echt alles tot aan het einde van de uitsteeklengte te kloppen. Hiermee wordt in feite alles bedoeld wat tussen de snijkant en de machine zit: de machinespindel moet met zo min mogelijk afwijking in rondloop roteren, de machine-opname moet onbeschadigd en vrij van vervuiling zijn, de gereedschapopname ook, en men dient te kiezen voor een spanwijze met weinig inherente rondloopfouten.

Zorg dat uw machinespil in goede conditie is

Allereerst dient u zich ervan te verzekeren dat de opname in de machine schoon is. Vervuilingen zoals stof, uitgeharde olieresten en kleine spaantjes kunnen er allemaal voor zorgen dat een gereedschapopname niet perfect recht in de machine komt te zitten. Het voorkomen van dergelijke scheefstand kan vaak de allereerste winst zijn. Controleer en reinig dus alle oppervlakken van de machineopname, daar waar deze in contact komen met uw gereedschapopnames, grondig en met enige regelmaat.

Controleer de spindel met een meetdoorn

Bovendien kan de machinespil, als gevolg van stelselmatige en langdurige belasting, zelf ook rondloopafwijkingen ontwikkelen. En zelfs de beste gereedschapopname kan geen optimale prestaties leveren, als deze in een onnauwkeurige of versleten spindel wordt gebruikt. Door de machinespindel regelmatig op rondloopafwijkingen te controleren, kunt u potentiële problemen in een vroeg stadium identificeren. Dit kunt u doen door gebruik te maken van een speciale meetdoorn: een uiterst precies geslepen staaf met lange uitsteeklengte en een opname geschikt voor uw machine. Na het monteren van de meetdoorn in uw (gereinigde) machineopname, kunt u met een meetklok nagaan hoe nauwkeurig de rondloop van uw spindel is. En kijkt of deze metingen binnen de voorschriften of specificaties van de machinefabrikant vallen. Machinefabrieken die dit consequent doen, zijn altijd op de hoogte van de kwaliteit in hun spindel en kunnen zo voorbarig onderhoud en machinestilstand voorkomen.

Gebruiksaanwijzing: De taster van uw meetklok laat u op een bepaalde uitsteeklengte de meetdoorn raken, zodat de taster iets onder veerdruk staat. Bijvoorbeeld tot de klok 0,2 mm aangeeft. Vervolgens draait u de spil langzaam met de hand rond, waarbij u kijkt hoever de meetklok uitslaat. U noteert de minimaal en maximaal aangegeven waarde. Het verschil tussen deze twee meetwaarden is de rondloopafwijking, op deze uitsteeklengte van de meetdoorn. Het is aanbevolen om de meting op meerdere uitsteeklengtes te herhalen, voor een vollediger beeld. Bijvoorbeeld 1x aan het begin, 1x circa halverwege en 1x net voor het uiteinde van de meetdoorn.

Vervang eventuele aantrekbouten

Gereedschapopnames met een lange conus, zoals SK en BT, worden middels aantrekbouten in de machineopname vastgetrokken. Deze aantrekbouten of "pullstuds" worden in het uiteinde van de conus op de gereedschapopname geschroefd en zijn vervangbaar. Het zijn relatief eenvoudige en voordelige onderdelen, die men helaas vaak vergeet te controleren. Voor een optimale rondloopnauwkeurigheid is het echter belangrijk dat ook de aantrekbouten in goede staat zijn. Een aantrekbout die niet (meer) correspondeert met de hartlijn van de conus of machinespil, kan zijdelingse krachten op het geheel uitoefenen. Bij verspaning kan dit tot rondloopafwijkingen leiden. Dit dient men te voorkomen, door defecte aantrekbouten zo snel mogelijk te vervangen. Een goede aantrekbout is gemaakt van sterk metaal dat enigszins gehard en zeer nauwkeurig op norm is geslepen. Op die manier kunnen ze plastische vervorming langer weerstaan en komen ze nauwkeurig in positie op de machine.

Kies opnames met hogere rondloopnauwkeurigheid

Bij gereedschapopnames is een hoge rondloopnauwkeurigheid van extra belang, omdat de rondloopfout groter wordt naarmate het gereedschap verder van de houder uitsteekt. Zo kan een opname met een rondloopnauwkeurigheid van 0,01 mm (bijvoorbeeld een spantangopname) al gauw resulteren in een rondloopfout van 0,02 tot 0,03 mm aan de snijkanten van het ingespannen gereedschap. De rondloopafwijking van de opname versterkt zich als het ware, door de lengte van het gereedschap. Er zijn verschillende manieren om gereedschap te spannen, waarbij de gekozen spanwijze en opname bijdraagt aan de totale rondloopnauwkeurigheid. Een overzicht:

Figuur 9: Gangbare rondloopnauwkeurigheden voor verschillende soorten gereedschapopnames. Door de uitsteeklengte van het gereedschap nemen deze rondloopafwijkingen toe.