Vid skärande bearbetning är vibrationer normalt något man får leva med. De är påtvingade eller självgenererande och uppstår alltid vid bearbetning. Även om skärande bearbetning anses vara en stabil process så innebär det inte att det inte uppstår vibrationer. Men vibrationerna vid bearbetningen håller sig helt enkelt på en nivå som ger önskat resultat och det anses därför vara ett ”vibrationsfritt” arbetsmoment.
Men faktum är att vibrationer vid skärande bearbetning är en skadlig faktor som försämrar resultatet. Industrin gör allt de kan för att minska vibrationerna och helst få ned dem på en nivå som inte påverkar bearbetningsresultatet. Vibrationer är ett ämne för seriös forskning och har redan gett metoder för att modellera vibrationer inom bearbetningen. Trots att dessa metoder är mycket komplexa kan de vara mycket effektiva när det gäller att finna sätt att minska vibrationer. Modelleringen tar dock tid och kräver olika indata, ibland även ytterligare mätningar. När vibrationer uppstår under bearbetningen finns oftast bara ett fåtal åtgärder till förfogande för att direkt minska problemet. Den vanligaste åtgärden är att variera skärhastigheten och matningen, vilket brukar försämra produktiviteten. Alla effektiva metoder för att minska vibrationerna utan att också försämra produktiviteten är därför attraktiv för industrin.
För att minska vibrationerna inom bearbetning behöver man se på en tillverkning som ett system som består av följande delar; en maskin, ett arbetsstycke, en fixtur och ett skärverktyg. Varje element har olika påverkan på den totala vibrationsminskningen vilket betyder att en förbättring av vibrationsegenskapen hos ett enskilt element kan få en avsevärd effekt på systemets dynamiska beteende som helhet. Fokus för att skydda mot vibrationer brukar ligga på att utveckla styvare maskiner med intelligenta sensorer och datorstyrning samt avancerade vibrationsdämpande verktyg. Kan ett skärverktyg, den minsta – och troligen enklaste – systemkomponenten, radikalt förändra vibrationskänsligheten i en tillverkningsenhet? I vissa fall kan ett korrekt valt verktyg enkelt stoppa vibrationer utan att produktiviteten blir lidande.

Skärgeometri
Rätt verktygsgeometri gör bearbetningen mjuk och stabil. Geometrin påverkar i hög utsträckning skärkrafter, spånavgång och andra faktorer, som är direkt kopplade till vibrationskänsligheten. Enligt ISCAR:s verktygskonstruktörer kan skärgeometrin avsevärt stärka ett verktygs vibrationsdämpning och de har utvecklat intressanta lösningar utifrån detta. ISCAR:s olika vändskär, utbytbara skärhuvuden och verktyg av hårdmetall kan ha spåndelande skäreggar. En sådan skäregg kan vara serraterad eller ha spåndelande urslipningar. Spåndelningen innebär att en bred spåna delas i små segment, vilket ger verktyget bättre dynamiska egenskaper under bearbetning, och vibrationerna stabiliseras. Vid grovbearbetning avverkar fräsar stora materialmängder och arbetar under tuffa förhållanden. Betydande skärkrafter genererar vibrationsproblem. När spåndelande vändskär används går det att tackla dessa svårigheter. Fräsar med runda skär, som är mycket effektiva vid bearbetning av hålrum och fickor, i synnerhet vid tillverkning av formverktyg, används ofta med ett långt överhäng som påverkar verktygets styvhet och vibrationsmotstånd. Problem med stabiliteten under bearbetning uppstår när överhänget överstiger 3xD. Att använda serraterade runda skär med en spåndelande effekt hjälper och ökar stabiliteten markant (fig. 1).
En definierad tanddelning kan effektivt ta ett skärverktygs dynamiska egenskaper till en ny nivå. ISCAR:s solida hårdmetallpinnfräsar CHATTERFREE har utformts på detta sätt. Produktgruppen har variabel tanddelning kombinerat med olika spiralvinklar. Det här konceptet säkerställer fräsning utan vibrationer i ett stort antal tillämpningar.
FINISHRED-serien med pinnfräsar av solid hårdmetall kombinerar spåndelningsgeometri med spånkanaler med variabel delning (fig. 2) vilket ger bra ytfinhet även vid bearbetning med grovbearbetningsdata.
Principerna med vibrationssäkra skärgeometrier, som har visat sig vara effektiva på pinnfräsar av solid hårdmetall, finns också i MULTI-MASTER-sortimentet.

Borrning utan vibrationer
Vibrationer vid borrning leder till dålig ytfinhet och toleransproblem. I ISCAR:s produktgrupp SUMOCHAM, borrar med utbytbar skärdel, förbättras verktygens dynamiska stabilitet avsevärt tack vare QCP/ICP-2M-spetsens konstruktion med dubbla styrlister.
Om vibrationer uppstår när en borr tränger in i materialet kan det orsaka allvarliga skador och borren kan rentav gå sönder. Produktgruppen SUMOCHAM-IQ med utbytbar HCP-spets av hårdmetall (fig. 3), är självcentrerande. Spetsen har en konkav profil som påminner om en pagod till formen. Denna skärgeometri möjliggör högkvalitativ borrning med djup på upp till 12xD, direkt i solitt material utan förborrning.
En liknande spetsgeometri finns även i en annan innovation från ISCAR: LOGIQ3CHAM är den senaste generationen borrar med utbytbar skärdel som har 3 skäreggar vilket säkerställer högre produktivitet. Borrkroppen har tre spiralformade spånkanaler som försvagar strukturen jämfört med en borr som har två spånkanaler med samma diameter. För att förbättra den dynamiska styvheten är spånkanalens spiralvinkel variabel. Den här konstruktionen i kombination med konkav skäregg ger en hållbar lösning utan vibrationer för stabil och högeffektiv borrning.

Material för verktygskroppar
Ett monterat skärverktyg består av en kropp med ditsatta skärelement som till exempel vändskär eller utbytbara huvuden. Att välja rätt material utgör ytterligare ett alternativ för att åstadkomma en verktygsstruktur utan vibrationer. De flesta verktygskroppar är gjorda av högkvalitativa stålkvaliteter med likartade spännings-töjnings-egenskaper. I vissa fall har dock verktygskonstruktörer kunnat identifiera lyckade materialalternativ som förbättrar vibrationsmotståndet.
MULTI-MASTER, en produktgrupp från ISCAR med utbytbara huvuden, innehåller en serie hållardelar gjorda av stål, hårdmetall eller tungmetall. Verktygshållare av stål är mest mångsidiga. Hårdmetall med sin elasticitetsmodul ger en ytterst styv konstruktion. Verktygshållare av hårdmetall används därför främst vid fräsning med långt överhäng. Tungmetall, en legering som innehåller cirka 90 % volfram, kännetecknas av sina vibrationsupptagande egenskaper, och verktygshållare av tungmetall är mest fördelaktiga för lätt till medeltung bearbetning under instabila förhållanden.

Anti-vibrationsverktyg för djup svarvning
Ett typiskt verktyg för invändig svarvning eller uppborrning utgörs av en svarvbom med ett monterat skär. Svarvbommen är den viktigaste faktorn för verktygets dynamiska egenskaper. Styvheten hos en svarvbom är en funktion av förhållandet mellan överhäng och diameter, och stora förhållanden kan vara en anledning till verktygsutböjning och vibrationer, vilket påverkar måttnoggrannheten och ytfinhet under bearbetningen.
ISCAR har utvecklat tre typer av svarvbommar för att klara en mängd olika tillämpningar: två integrerade (av stål och hårdmetall) och en som har ett vibrationsdämpningssystem på insidan.
Svarvbommarna i stål möjliggör stabil bearbetning med överhäng på upp till 4xD. Över 4xD kan vibrationer uppstå på grund av stålets elasticitetsegenskaper. Att byta materialet från stål till hårdmetall säkerställer effektiv vibrationsfri bearbetning med ett överhäng på upp till 7xD. Ytterligare ökning av djupet begränsas dock även av materialets spännings-töjnings-egenskaper. För att komma förbi detta hinder har ISCAR utvecklat produktgruppen ISOTURN WHISPERLINE som motverkar vibrationer. Svarvbommarna har utbytbara skärhuvuden som passar olika geometrier och invändig vätsketillförsel under högt tryck. Huvudelementet i konstruktionen är en inbyggd vibrationsdämpande mekanism som direkt minskar vibrationerna under bearbetning. Det möjliggör effektiv bearbetning med överhäng från 7XD till 14xD (fig. 4).
En vibrationsdämpande enhet används även i ISCAR:s verktyg för djup spårstickning och avstickning. Enheten sitter i bladet under skärläget. Varje blad är förkalibrerat av ISCAR för bästa prestanda för många olika överhäng, men användarna kan själva finjustera om så önskas.
Skärverktygstillverkarna har endast tillgång till ett begränsat antal åtgärder för att minska vibrationerna vid bearbetningen, som verktygens skärgeometri, verktygshållarens material och kanske ett skärverktyg med inbyggd vibrationsdämpning. Skicklighet och sinnrikhet krävs för att åstadkomma ett vibrationsfritt verktyg med dessa begränsade resurser. Det låter sig dock göras och ISCAR:s lösningar i exemplen ovan vittnar om möjligheterna.

fig1


fig2


fig3


fig4