Roestvast staal verspanen kan veel productiever
Een zorgvuldig evenwicht tussen eigenschappen en geometrieën van het snijgereedschap en de toepassing van agressieve snijparameters kunnen de productiviteit van het verspanen van roestvast staal aanzienlijk verhogen. Patrick de Vos, Corporate Technical Education Manager bij Seco Tools, legt uit hoe.
Standaardlegeringen van roestvast staal vallen in de categorie van ferritische of martensitische legeringen. Ferritische legeringen bevatten 10-12 procent chroom en kunnen niet worden gehard. Martensitische legeringen bevatten meer chroom en koolstof dan ferritisch roestvast staal en kunnen door toevoeging van mangaan en silicium worden gehard door middel van warmtebehandeling. Tegenwoordig worden ferritische en martensitische roestvast staal niet veel in industriële omgevingen gebruikt, maar veeleer in huishoudelijke artikelen zoals keukenapparatuur en tuingereedschap.
Naarmate het gebruik van roestvast staal zich ontwikkelde, werden de legeringen veelvuldig toegepast in situaties die mechanische sterkte en corrosiebestendigheid vereisten. Om de sterkte van de legeringen te verbeteren, voegden metallurgen nikkel aan de legeringen toe. Legeringen van ijzer en chroom werden daardoor legeringen van ijzer, chroom en nikkel. Deze materialen worden austenitisch roestvast staal genoemd en zijn tegenwoordig gebruikelijk in industriële toepassingen waarbij sterkte en bestendigheid tegen corrosie en warmte vereist zijn. De legeringen worden doorgaans gebruikt bij petrochemische verwerking, in de voedingsmiddelenindustrie waar de hygiënenormen corrosiebestendigheid vereisen, en in algemene machines die zijn bedoeld voor gebruik in veeleisende omgevingen.
Het verbeteren van de eigenschappen van een legering maakt de bewerking ervan onvermijdelijk lastiger. De corrosiebestendige kenmerken van ferritische en martensitische roestvast staal zijn in feite chemische eigenschappen die het verspanen van deze legeringen niet veel moeilijker maken dan het verspanen van normaal staal. De toevoeging van nikkel en andere elementen in austenitisch roestvast staal heeft echter een grotere hardheid, taaiheid, vervormingsweerstand en andere thermische eigenschappen tot gevolg, wat verspaning bemoeilijkt.
Kennis van legeringen
Tot voor kort was de kennis van verspaning van austenitisch roestvast staal beperkt. Omdat de legeringen sterker waren geworden, gingen verspaners ervan uit dat de mechanische snijkrachten groter zouden zijn en dat het gebruik van sterker gereedschap met een negatieve geometrie met verlaagde snijparameters noodzakelijk was. Deze benadering leidde echter tot een korte standtijd, lange spanen, veel bramen, onbevredigende oppervlakteruwheid en ongewenste trillingen.
In werkelijkheid liggen de mechanische snijkrachten bij het snijden van austenitisch roestvast staal niet veel hoger dan bij het verspanen van gewoon staal. Het merendeel van het extra energieverbruik dat nodig is om austenitisch roestvast staal te verspanen, is te wijten aan de thermische eigenschappen van dit materiaal. Het snijden van metaal is een vervormingsproces en wanneer vervormingsbestendig austenitisch roestvast staal wordt verspaand, brengt dit overmatige warmte voort.
Het afvoeren van deze warmte uit de snijzone is essentieel. Helaas is austenitisch roestvast staal niet alleen bestendig tegen vervorming, maar heeft het ook een laag thermisch geleidingsvermogen. Bij het bewerken van normaal staal wordt de warmte geabsorbeerd en afgevoerd door de spanen, maar de spanen van austenitisch roestvast staal absorberen de warmte slechts in beperkte mate. En omdat het werkstuk zelf een slecht thermisch geleidingsvermogen heeft, wordt de overmatige warmte naar het snijgereedschap gevoerd, waardoor de standtijd afneemt.
Gereedschapsfabrikanten ontwerpen hardmetaalsubstraten die over voldoende warmtevastheid beschikken om de hoge temperaturen die ontstaan bij het verspanen van roestvast staal te weerstaan. Even belangrijk als de samenstelling van het substraat is de scherpte van de snijkant van het gereedschap. Een scherper gereedschap zorgt ervoor dat het roestvast staal meer wordt gesneden dan vervormd, waardoor minder warmte wordt geproduceerd.
Agressieve snijparameters
Ten behoeve van de afvoer van warmte uit de snijzone is de meest effectieve manier om roestvast staal te bewerken, het toepassen van de grootst mogelijke snedediepten en voedingssnelheden. Het doel is zo veel mogelijk warmte via de spaan af te voeren. Omdat de hoeveelheid warmte die per millimeter spaanmateriaal kan worden geabsorbeerd beperkt is door het slechte thermische geleidingsvermogen van roestvast staal, wordt er meer warmte afgevoerd wanneer grotere spanen worden gemaakt met meer kubieke millimeters volume. Door grotere snedediepten toe te passen, wordt ook het aantal snijpassen beperkt dat nodig is om een onderdeel te bewerken. Dit is een belangrijk punt, want austenitisch roestvast staal vertoont de neiging tot (koud)versteviging bij machinale bewerking.
Deze tactiek van agressieve verspaningen kent praktische beperkingen. De eisen van oppervlakteafwerking beperken bijvoorbeeld de maximale voeding. Ook het beschikbare vermogen van de bewerkingsmachine en de sterkte van het snijgereedschap en het werkstuk leggen hun beperkingen op met betrekking tot de agressiviteit van de parameters die kunnen worden toegepast.
Koelmiddelstrategieën
De problematische thermische eigenschappen van legeringen van austenitisch roestvast staal wijzen erop dat het gebruik van koelmiddel vrijwel altijd cruciaal is voor een geslaagde bewerking van deze legeringen. Het koelmiddel moet van hoge kwaliteit zijn, met een oliegehalte van ten minste acht of negen procent in een olie-/wateremulsie, in vergelijking met het oliegehalte van drie of vier procent dat doorgaans bij veel andere machinale bewerkingen wordt toegepast.
Ook de manier waarop het koelmiddel wordt aangevoerd is van belang. Hoe hoger de druk waarmee het koelmiddel op de snijzone wordt gespoten, hoe beter het zijn taak zal vervullen. Speciale toevoersystemen zoals Seco Jetstream Tooling die een hogedrukstroom van koelmiddel direct naar de snijzone aanvoeren, zijn zelfs nog effectiever.
Gereedschapsbekleding versus slijtageproces
Een harde bekleding op het oppervlak van het gereedschapssubstraat versterkt de warmtevastheid op het oppervlak van het gereedschap en verbetert de standtijd in omgevingen met hoge temperaturen. Een bekleding moet doorgaans echter dik zijn om de warmte van het gereedschapssubstraat te isoleren, en een dikke bekleding hecht niet goed aan een scherpe geometrie. Fabrikanten van snijgereedschap werken aan het ontwerp van bekledingen die dun zijn, maar een goede barrière tegen warmte vormen.
Austenitisch roestvast staal wordt gekenmerkt door een hoge smeedbaarheid en de neiging om aan het snijgereedschap te hechten. Het gebruik van een bekleding kan tevens opbouwsnijkant remmen. Deze slijtage treedt op wanneer het gesneden materiaal aan de snijkant blijft plakken en zich hier ophoopt. Het aangehechte werkstukmateriaal kan dan delen van de snijkant wegtrekken, wat leidt tot een slechte oppervlakteafwerking en defecten van het gereedschap. De bekleding kan voor gladheid zorgen waardoor opbouwsnijkant wordt beperkt; ook hogere snijsnelheden dragen bij aan het minimaliseren van opbouwsnijkant.
Sommige legeringen van austenitisch roestvast staal bevatten abrasieve harde insluitingen. Het vergroten van de bestendigheid van het snijgereedschap tegen schurende werking door middel van een harde bekleding verlengt dan de standtijd.
Kerfslijtage ontstaat door de neigingen van een legering tot (koud)versteviging bij machinale bewerking. Kerfslijtage is een zeer plaatselijke, extreme wrijvingsslijtage die kan worden beperkt door het gebruik van de juiste bekledingen en andere maatregelen, zoals het variëren van de snedediepte om de slijtgebieden over de gehele snijkant te verspreiden.
Ontwikkeling van gereedschappen
Gereedschapsfabrikanten richten zich op de voortdurende ontwikkeling van gereedschap om een evenwicht te vinden tussen gereedschapseigenschappen die optimale prestaties opleveren in specifieke werkstukmaterialen. Bij het onderzoek naar hardmetaalkwaliteit wordt gezocht naar een evenwicht tussen hardheid en taaiheid, zodat een gereedschap niet zo hard is dat het breekt, maar hard genoeg om vervorming te weerstaan. Ook wat de snijkant betreft moet worden gezocht naar evenwicht. Een scherpe snijkantgeometrie heeft de voorkeur, maar is mechanisch minder sterk dan een afgeronde snijkant. Daarom is de ontwikkeling van snijkantgeometrieën gericht op het maken van gereedschap met een optimaal evenwicht tussen scherpte en sterkte.
Als onderdeel van het ontwikkelingsproces nemen gereedschapsfabrikanten hun richtlijnen voor het gebruik van het gereedschap opnieuw onder de loep. De huidige aanbevolen parameters voor machinale bewerking zijn grotendeels gebaseerd op taaiheids- en hardheidskenmerken van gewone staalsoorten, zonder rekening te houden met de thermische factoren die zo belangrijk zijn voor de bewerking van austenitisch roestvast staal en andere hoogwaardige legeringen. Onlangs zijn gereedschapsfabrikanten in samenwerking met wetenschappelijke instellingen begonnen met het reviseren van testprocedures voor gereedschap, waarbij rekening wordt gehouden met de thermische eigenschappen van bepaalde materialen.
Door de nieuwe richtlijnen moeten nieuwe referentiematerialen worden aangemaakt. Doorgaans werden de normen voor verspaanbaarheid bepaald op basis van één referentiemateriaal, een gelegeerde staalsoort, en mechanische belastingen tijdens verspaning. Nu is er een apart referentiemateriaal voor austenitisch roestvast staal, waarvoor basiswaarden voor snelheid, voeding en snedediepte zijn vastgelegd. In relatie tot dit referentiemateriaal worden balanceer- of kalibratiefactoren toegepast om veranderingen van de basiswaarden te bepalen, waarmee optimale productiviteit in materialen met andere bewerkingskenmerken wordt bereikt.
Specifieke geometrieën voor specifieke materialen
Veel snijgereedschappen leveren zeer acceptabele prestaties in uiteenlopende materialen onder allerlei snijomstandigheden en bewerkingsparameters. Voor eenmalige bewerkingen met middelmatige productiviteits- en kwaliteitseisen kunnen deze gereedschappen een kostenefficiënte keuze zijn. Voor maximale prestaties wijzigen en balanceren gereedschapsfabrikanten echter continu uiteenlopende gereedschapselementen om snijgereedschappen te maken die optimale productiviteit en procesbetrouwbaarheid in specifieke werkstukmaterialen opleveren.
De basiselementen van een gereedschap bestaan uit zijn substraat, bekleding en geometrie. Elk element is belangrijk en de beste gereedschappen werken als een systeem waarin de som van deze elementen meer is dan de delen.
De onderdelen van het gereedschap spelen verschillende rollen. Het substraat en de bekleding hebben een passieve rol; ze zijn ontworpen om een evenwicht tussen hardheid en taaiheid te bieden en om hoge temperaturen en chemische, adhesieve en opbouwsnijkant te weerstaan. De gereedschapsgeometrie speelt echter een actieve rol, omdat het wijzigen van de geometrie invloed heeft op de hoeveelheid metaal die in een bepaalde periode kan worden verwijderd, de hoeveelheid warmte die wordt gegenereerd, de manier waarop spanen worden gevormd en welke oppervlakteafwerking kan worden bereikt.
Basisvoorbeelden van geometrieverschillen die de prestaties wijzigen, zijn de snijplaten met conventionele draaigeometrie van Seco, zoals M3 en M5, die worden gekenmerkt door negatieve snijkantgeometrieën (vrijloophoek van 0°) en T-randen tussen de snijkant en het spaanvlak van het gereedschap. De M3-geometrie is een veelzijdige halfruwe geometrie die een goede standtijd en spaanbreking in uiteenlopende werkstukmaterialen biedt. M5-geometrieën zijn bedoeld voor veeleisende ruwtoepassingen met grote voeding en combineren hoge snijkantsterkte met relatief lage snijkrachten.
De M3- en M5-geometrieën zijn veelzijdig en sterk, maar niet volledig scherp en produceren veel warmte door vervorming bij het bewerken van austenitisch roestvast staal. Voorbeelden van gereedschapsontwerpen die effectiever kunnen zijn bij het bewerken van roestvast staal, zijn de MF4- en MF5-geometrieën van Seco. Deze geometrieën zijn scherp en positief, met smallere, positieve T-randen die bijdragen aan het behouden van de scherpte en tegelijkertijd ondersteuning bieden achter de scherpe snijkant. De geometrieën zijn ontworpen voor open en vrij snijden in medium- tot finiseertoepassingen op staal en roestvast staal. De MF5-geometrie is met name effectief in toepassingen met grote voeding.
