Nóg sneller en goedkoper verspanen met CBN300, de nieuwe CBNCBN-kwaliteit PCBN (polykristallijn kubisch boriumnitride) vertegenwoordigt de top in snijmaterialen. Hoewel de aankoopkosten van een PCBN-snijplaat ruwweg 30 maal zo hoog zijn als die van een hardmetalen snijplaat, bieden ze toch perspectief op sterke verlaging van de productiekosten. De reden: de verspaningssnelheid kan tot een bijna onwaarschijnlijk hoog niveau worden opgevoerd. Een nieuwe kwaliteit - CBN300 van Seco - biedt o.a. bij de bewerking van grijs gietijzer nog betere resultaten. Rond de vorige eeuwwisseling betekende de komst van snelstaal (HSS) een belangrijke doorbraak in de ontwikkeling van de snijmaterialen. Een eeuw later vormen kubisch boriumnitride en diamant de voorlopige eindpunten van deze evolutie. Daartussen markeren, in chronologische volgorde, de opkomst van de hardmetalen, de beklede hardmetalen, de cermets en keramisch snijmateriaal evenzovele sprongen vooruit in deze evolutie, waarbij de almaar toenemende slijtvastheid, hogere weerstand tegen stootbelasting (taaiheid) en tegen sterke temperatuurwisselingen voortdurend hogere snijsnelheden mogelijk maakten. Cermets bijvoorbeeld zijn opgebouwd uit keramiek in een metallieke matrix en zijn goed bruikbaar in toepassingen met kleinere snededieptes en voedingen en hogere snijsnelheden, die gepaard gaan met hoge temperaturen.
Keramisch snijmateriaal heeft een hogere warmvastheid dan hardmetaal: de temperatuur mag oplopen tot ongeveer 1500 ºC, de snijsnelheid tot ca. 20 m/s. Vanwege de brosheid laat het zich echter alleen goed toepassen onder extreem gunstige verspaningscondities: geen onderbroken snede, geen trillingen, kleine snededieptes.
Figuur 1 De ontwikkeling van snijmaterialen
Diamant is weliswaar het hardste materiaal, maar toegepast als snijmateriaal ligt een beperking in de stabiliteit bij hogere temperaturen (600 à 700 ºC). Een probleem bij de verspaning van staal en gietijzer is dat het werkstuk koolstof uit het diament opneemt. Om deze reden wordt het vooral toegepast bij de nabewerking van non-ferrometalen zoals koper en aluminium. Met dit snijmateriaal kan een zeer hoge oppervlaktekwaliteit worden bereikt. Meestal wordt het snijgereedschap vervaardigd door een laag polykristallijn diamant (PKD) te sinteren op een hardmetalen schijf. Deze schijf wordt d.m.v. lasersnijden of draadvonken verder verwerkt tot snijplaten die op een beitelhouder kunnen worden bevestigd.
PCBN Kubisch boriumnitride wordt evenals polykristallijn diamant langs synthetische weg vervaardigd. Het kristalliseert onder zeer hoge druk en temperatuur tot een kubische roosterstructuur. Het heeft ook een zeer hoge hardheid. Vanwege de geringe affiniteit voor ijzer kan het echter veel beter worden toegepast voor het verspanen van ferro-metalen dan diamant. PCBN-snijplaten bestaan voor een deel uit een keramische fase (10 tot 50%); hoe hoger het CBN-aandeel, hoe harder het te bewerken materiaal kan zijn. Het hardste CBN-type is weliswaar nog niet zo hard als diamant, maar is bestand tegen aanzienlijk hogere temperaturen (1800 ºC). Daarmee is het geschikt voor de verspaning van gehard staal met hoge hardheden. PCBN is relatief bros, maar het is weer taaier dan keramiek. CBN300, ontwikkeld door Seco, kan beschouwd worden als een verdere ontwikkeling van het snijmateriaal kubisch boriumnitride, waarbij de eigenschappen opnieuw zijn verbeterd met het oog op minimalisering van de bewerkingskosten. Het is extreem hard, waardoor het zich leent voor de bewerking van materialen met een hardheid tot 64 HRC. Het kenmerkt zich voorts door een hoge hardheid tot temperaturen van ca. 1200 ºC. De hoge weerstand tegen slijtage zorgt voor extreem lange standtijden en de thermochemische stabiliteit tijdens het verspaningsproces is uitstekend. Ook vergeleken met bestaande PCBNsnijplaten zijn verdere kostenverlagingen mogelijk. De bewerkingseigenschappen en kostenbesparingen zijn in vergelijking met keramische snijplaten aanzienlijk. De snijkant blijft ook onder zware verspaningscondities goed intact. De levensduur ligt een factor 50 (!) maal zo hoog en de snijsnelheid kan worden verdubbeld. De
aanzienlijk hogere aanschafkosten worden hierdoor ruimschoots goedgemaakt. De CBN300 snijplaten zijn uitwisselbaar met bestaande keramische snijplaten: ze zijn gelijk van vorm en afmetingen en passen in dezelfde beitelhouders. Hierdoor kunnen gemakkelijk proefbewerkingen worden uitgevoerd om na te gaan of daadwerkelijk voordelen te halen zijn door de inzet van het nieuwe PCBsnijmateriaal. CBN300 komt vooral tot zijn recht bij ruw- en fijnbewerken van perlitisch grijs gietijzer en hard gegoten en wit gietijzer, en bij het ruwbewerken van gehard staal met grotere verspaningsdebieten. Tijdens het productieproces van CBN300 wordt het materiaal twee maal onder zeer hoge drukken van 7-9 GPa en bij temperaturen van ca. 1600 ºC gesynthetiseerd.
Figuur 2 Snijplatenproductie uit het schijfvormig PCBlichaam: de laserstraal verdeelt dit in een aantal ruwe vormen, die daarna door slijpen en honen tot snijplaten met de juiste vorm, afmeting en toleranties worden verwerkt.
De eerste maal wordt de grondstof, hexagonaal boriumnitride omgezet in kubisch boriumnitride; aan het korrelvormige product wordt een speciaal bindmiddel toegevoegd alvorens de tweede persbewerking plaatsvindt, met als eindresultaat een schijfvormig PCBN-lichaam. Dit wordt met behulp van lasersnijden in een aantal ruwe vormen verdeeld, die vervolgens door slijpen en honen tot snijplaten met
de juiste vorm, afmeting en toleranties worden verwerkt.
Praktijkvoorbeelden De vraag rijst of de interessante technische mogelijkheden van de nieuwe PCBN-kwaliteit door de praktijk worden bevestigd. Inmiddels zijn diverse aan de industrie ontleende voorbeelden beschikbaar waarbij inderdaad sprake is van een significante verbetering. Eén toepassing betreft de voorbewerking van remschijven vervaardigd van grijs gietijzer. Daarbij zorgde het 'conventionele' PCBN al voor een verhoging van de snijsnelheid vergeleken met de oorspronkelijk gebruikte keramische snijplaten op basis van siliciumnitride. Daarnaast kon ook de standtijd verhoogd worden van 200 naar 1000 afgewerkte producten. Dat wil dus zeggen dat er duizend remschijven met één en dezelfde snijplaat bewerkt kunnen worden. Bij het nabewerken kon zelfs het achtvoudige (800 i.p.v. 100) van het oorspronkelijk aantal werkstukken worden bewerkt alvorens de slijtage van de wisselplaten vervanging noodzakelijk maakte. De snijsnelheid liet zich opvoeren met 50%. Zijn deze resultaten al opzienbarend, met de kwaliteit CBN300 zijn nog aanzienlijk betere resultaten te behalen. Door de korrelgrootte, het bindmiddel en het synthese-proces exact op de toepassing af te stemmen kon de standtijd zowel bij de voor- als de nabewerking worden opgevoerd tot 3000 afgewerkte werkstukken. Dit komt dus neer op een vijftien resp. dertig maal zo hoge standtijd. Het is duidelijk dat hiermee ook de neventijden voor het gereedschapwisselen drastisch afnemen. Het proces wordt betrouwbaarder en de efficientie neemt toe. Dit zijn voordelen die vooral tot uiting komen in transferlijnen, waar de over-
head-kosten doorgaans hoog zijn en de besparingen door het verminderen van het aantal gereedschapwisselingen aanzienlijk kunnen zijn.
Figuur 3 Het aantal werkstukken dat per snijkant kon worden verspaand bij gebruikmaking van verschillende typen snijmaterialen.
CBN300 snijmateriaal kan ook economisch worden ingezet voor de verspaning van gehard en wit gietijzer en harde ijzerlegeringen met een hoog percentage aan legeringsbestanddelen als chroom, nikkel en mangaan. Werkstukken vervaardigd uit deze materialen hebben vaak grote afmetingen en de hardheid varieert van 56 tot 64 HRC. Dergelijke werkstukken zijn bijvoorbeeld walsen die in de staal- en papierindustrie worden gebruikt en slijtdelen in de mijnbouw- en energieopwekkingssector. Snijmaterialen van wolframcarbide kunnen weliswaar worden toegepast voor de bewerking van dergelijke materialen, maar uitsluitend bij lage snijsnelheden, terwijl de inzet van keramisch snijmateriaal weer stuit op het bezwaar van een korte standtijd. CBN300 kan dienen als economisch interessant alternatief voor het traditionele slijpen van deze moeilijk verspaanbare werkstukken en tegelijkertijd een vergelijkbare oppervlaktekwaliteit opleveren. De bewerkingstijd kan ruwweg met de helft worden bekort; een bijkomend voordeel in deze gevallen is dat de spanen van het dure, hooggelegeerde
materiaal, anders dan slijpafval, gemakkelijk kunnen worden gerecycleerd wat tot additionele kostenbesparingen leidt. Een voorbeeld uit dit toepassingsgebied vormt de bewerking van een wals van H-IC-R80N met een hardheid van 60 RC.
Figuur 4 CBN300 werd o.a. toegepast bij de bewerking van een wals van H-IC-R80N met een hardheid van 60 HRC, een diameter van 680 mm en een lengte van 2100 mm.
De diameter is 680 mm, de lengte 2100 mm. De structuur van het materiaal is martensitisch-bainitisch. Bij het ruwbewerken (snedediepte max. 6 mm) m.b.v. CBN300 wisselplaten met een voedingssnelheid van 0,45 mm/omw en een snijsnelheid van 45 m/min werd een totale productietijd van 4h15min bereikt. Het verdient vaak de voorkeur om machinecomponenten te ruwbewerken na het harden. Ook hier komt de nieuwe CBNkwaliteit tot zijn recht. Het alternatief is ontharden, bewerken in 'zachte' staat met conventioneel gereedschap en daarna opnieuw harden, of in plaats van dit alles: slijpen. Bij kostenvergelijkingen zal bewerken van het harde materiaal met CBN300 snel als goedkoopste mogelijkheid uit de bus komen. CBN leent zich eveneens voor grofbewerking van harde, slijtvaste poedermetallurgische stalen. Tenslotte kan CBN300 ook nog ingezet worden voor het bewerken van CLADlagen (kobalt-, chroom-, nikkel- of ijzergebaseerde legeringen) die ter verhoging van de slijtvastheid op werkstukken van gewoon staal zijn opgelast, of m.b.v. thermische spuiten of bepaalde giettechnieken zijn opgebracht.
Kostenbesparingen De voorbeelden die moeten aantonen dat de inzet van CBN300 daadwerkelijk kostenbesparingen oplevert, moeten vooralsnog uit het buitenland komen. Zo bespaart de Duitse machinefabriek Windmöller & Hölscher, fabrikant van complete installaties voor de productie van flexibele verpakkingen, door het overstappen op CBN300 jaarlijks circa 10.000 €. Het nieuwe snijmateriaal stelde het bedrijf in staat om een vlakfreesbewerking aan gietijzeren kantellagers die voorheen meer dan vijf minuten in beslag nam te verkorten tot slechts twee minuten. Per werkstuk wordt daardoor zo'n 9 € bespaard. Het bedrijf beschikte al over twee bewerkingscentra met toerentallen tot 8000 omw/min, waarmee wordt voldaan aan de eisen die worden gesteld aan CBN-verspaning. CBN-bewerking met een Ø 63 mm vlakfrees vroeg om het maximale toerental dat het bewerkingscentrum aankon, terwijl een tafelvoeding van 8 m/min werd gebruikt. De snedediepte waarmee de 63 mm vlakfrees gebruikt wordt is 1,5 mm. Uitgaande van de verspaningsbreedte van 42 mm is dan een vermogen van 16,8 kW vereist. Vooral de eigenschap dat bij de CBN300 snijplaten de standtijd toeneemt bij een hogere snijsnelheid, wordt als zeer positief ervaren. De snijplaten bereiken een verspaningslengte van ruim 130 meter zonder dat ze enig teken van slijtage vertonen. Een ander bedrijf, Imbach AG uit het Zwitserse Nebikon, produceert nokken voor een bekende fabrikant van persen voor zwaar gebruik. Deze nokken worden gemaakt van 42CrMo4 (DIN 1.7225) en zijn gehard tot 58-60 HRc. De productie is moeilijk als gevolg van de strenge eisen t.a.v. de oppervlakteruwheid (Ra 0,6 µm), de dimensionele en positienauwkeurig-
heid, alsmede de evenwijdigheid van de assen, die binnen enkele microns moet liggen. Na het harden en slijpen van de nokken nam de afwerking dagenlange zware arbeid in beslag. De procedure was zeer tijdrovend en de resultaten waren in hoge mate afhankelijk van het vakmanschap van de operator. Er werden proeven gedaan met een frees voorzien van CBN300 wisselplaten. Daarmee kon het harde staal worden verspaand met een snijsnelheid van 500 m/min en een voeding van 3300 m/min. Onder toepassing van deze bewerkingsparameters duurt de afwerking van een nok ongeveer een uur en omvat het 600 tot 650 meter continufrezen. Tijdens dit proces behoefden de snijplaten niet te worden vervangen. Bij Imbach wordt thans een groot gedeelte van de nokken gefreesd m.b.v. snijplaten met CBN300 kwaliteit, terwijl het handmatige werk is verminderd tot 10 à 20%, en nu uitsluitend nog machinespecifieke aanpassing en afstelling betreft. Leveringstijd en prijsstelling konden hierdoor aanzienlijk in gunstige zin worden bijgesteld. Uitgebreide informatie betreffende CBN snijmateriaal, de toepassingen en de snijvoorwaarden en methodes kan gevonden worden in Seco Tools Machining Navigator. Seco Tools Benelux Chaussée de Nivelles 28-30 1420 Braine-l’Alleud (Belgie) Tel. 02 - 38 90 960 Fax. 02 - 38 90 989 Avelingen West 5 4200 MS Gorinchem (Nederland) Tel. 0183-636600 Fax. 0183-660601
Machining Navigator Seco Tool’s Machining Navigator is ’s werelds eerste volledige “G5 formaat” verzameling van verspaningsinformatie. Machining Navigator vereenvoudigt de keuze en toepassing van het volledige programma Seco verspaningsgereedschappen en de bijhorende verspaningsvoorwaarden. In de verzameldoos vindt u drie complete productcatalogi, een technische gids, en een CD-rom (Engelstalig). Hierin vindt u alle informatie om een correcte keuze van het gereedschap en de snijvoorwaarden voor uw toepassing te maken. Met deze informatie, gebaseerd op de laatste ontwikkelingen in verspaningstechniek, vindt u snel en eenvoudig de juiste gereedschappen en verspaningsvoorwaarden voor optimaal verspanen.
De snelle en eenvoudige weg naar rendabele verspaning.
