Höghastighetsfräsning (HSM) har inte bara lett till betydande skillnader i hur olika verktyg är konstruerade. Det har också gett ett ökat fokus på den kanske viktigaste och mest centrala komponenten i maskiner för höghastighetsbearbetning – maskinspindeln. Dess utformning har varit avgörande för att göra höghastighetsbearbetning till en framgångsrik metod.

Huvuduppgiften vid konstruktion av höghastighetsspindlar är att säkerställa att den klarar de höga varvtalen och har en optimerad balans mellan rotationshastighet och vridmoment. Det är flera olika faktorer som påverkar maskinspindelns prestanda.

Vid bearbetning kommer ju spindeln inte i direkt kontakt med arbetsstycket, men samverkar ändå med det via skärverktyget. Denna förbindelse fungerar som länk och måste klara av att omvandla potentialen hos höghastighetsspindeln till förbättrade bearbetningsresultat. En annan komponent som sitter mellan skärverktyget och spindeln är verktygshållaren som är monterad i spindeln. Dålig prestanda hos den här maskindetaljen – alltså hur skärverktyget fästs i verktygshållaren – kan minska spindelns funktion avsevärt. Höghastighetsfräsning ställer högre krav på noggrannhet, tillförlitlighet och säkerhet.

Vid höga varvtal uppstår betydande centrifugalkrafter. Till skillnad från vid traditionella bearbetningsmetoder ökar centrifugalkrafterna exponentiellt vid höghastighetsfräsning, vilket ger en betydande belastning på skärverktyget med minskad livslängd på verktyget som följd. Vid fräsning med vändskär kan de höga centrifugalkrafterna göra att skruvarna som håller fast skäret inte håller, att skäret lossnar eller att fräskroppen går sönder. Delar och fragment som lossnar kan inte bara ge skador på maskinen och på arbetsstycket utan kan också allvarligt skada maskinoperatören.

Tillverkare av skärande verktyg måste därför noga överväga vilka tekniska möjligheter som står till buds för att säkerställa en tillförlitlig konstruktion hos deras produkter. Därför bör konstruktörerna av vändskärsfräsar lägga stor vikt vid att skären kan monteras säkert och att fräskroppen blir tillräckligt stabil. Låt oss börja med att titta på skärskruven, den minsta och svagaste komponenten i hela det tekniska systemet, som trots sin ringa storlek har en stor påverkan på systemets tillförlitlighet. Genom att använda momentnycklar kan åtdragningen av skärskruven ske på ett kontrollerat och säkert sätt. (Bild 1). Det räcker dock inte med tillräckligt hårt åtdragna skruvar för att fräsen ska kunna användas på ett säkert sätt. Med en smart konstruktion kan den dynamiska belastningen på skärskruven minimeras.

ISCAR:s fräsar i produktfamiljen HSM90S FAL-22 är avsedda för effektiv fräsning av aluminium vid höga varvtal. De har stora skär som möjliggör skärdjup på upp till 22 mm. Skärläget har en utskjutande kant på botten vilket matchas av ett motsvarande spår på skärets undersida. (Bild 2). Denna konstruktion ger en stabil och säker montering då den förhindrar att skäret förflyttar sig i sidled av de starka centrifugalkrafterna som uppstår vid höghastighetsfräsning och gör dessutom att belastningen på låsskruven fördelas bättre. Detta möjliggör tillförlitlig fräsning med varvtal ända upp till 31 000 varv/min.

För att minska centrifugalkrafterna ska fräskroppen vara symmetrisk runt sin axel och mycket välbalanserad. Det finns internationella och nationella standarder och normer för balansering av roterande verktyg och verktygssystem. Vid konstruktion av vändskärsfräsar för höga varvtal är det mycket viktigt att säkerställa att fräskroppens massa fördelas symmetriskt runt sin mittaxel. Eftersom denna teoretiska balans avser ett virtuellt föremål kan den inte ersätta fysisk balansering i en verklig fräskropp om det skulle behövas. Den kan dock avsevärt förbättra massbalansen i en produkt redan på konstruktionsstadiet, vilket sedan gör den ”fysiska” balanseringen enklare.

Ambitionen hos verktygskonstruktören är förstås att göra vändskärskroppen – speciellt ytan på skärläget – så hård som möjligt för att öka hållfastheten och motståndet mot slitage. Men detta är ett dilemma, för ju hårdare skärkropp desto snabbare bryts ett snabbt roterande verktyg ned. Att hitta den optimala balansen mellan hållfasthet och slitage är därför en annan viktig uppgift i jakten på effektiva verktygslösningar för HSM.

Solida hårdmetallpinnfräsar har högre noggrannhet och bättre axiell symmetri jämfört med vändskärsfräsar. Normalt har solida pinnfräsar mindre diameter och kräver därför högre varvtal vid samma skärhastighet jämfört med vändskärsfräsar. Detta förklarar varför de flesta verktyg för höghastighetsfräsning är solida.

Normalt tillverkas sådana verktyg av belagd solid hårdmetall. På senare tid har det dock blivit populärt med verktyg av keramiska material för höghastighetsbearbetning av värmebeständiga superlegeringar. Det kan dock vara svårt att välja rätt solida verktyg, särskilt fräsar för höghastighetsbearbetning.

Normalt är förhållandet mellan överhäng och diameter för solida hårdmetallpinnfräsar större jämfört med vändskärsfräsar. Detta, i kombination med spånkanalernas form som gör verktyget svagare, medför att motståndskraften mot vibrationer hos solida hårdmetallpinnfräsar kan vara ett problem.

För att minska risken för vibrationer konstruerar ofta verktygstillverkare solida hårdmetallpinnfräsar med differentierad tanddelning och variabel spiralvinkel. Detta strider dock mot principen om axiell symmetri och kan därför ge helt motsatt resultat. Därför krävs det avancerad ingenjörskonst och intelligent kompromissande för att åstadkomma en optimal, smart konstruktion av solida hårdmetallpinnfräsar (Bild 3).

Om man kan konstruera ett välbalanserat vibrationssäkert verktyg är halva jobbet redan gjort. Vi har redan nämnt verktygshållaren som används i en höghastighetsspindel. Vad har man då för nytta av ett smart konstruerat verktyg om den mycket större verktygshållaren inte passar för HSM?

Vid HSM går det inte att behandla verktygets dynamiska egenskaper och verktygshållaren separat. Balanseringen av verktyget måste göras med hänsyn till verktygshållaren – detta är det enda sättet att uppfylla kraven på noggrannhet, tillförlitlighet och säkerhet.

Med moderna CAD/CAM-system kan man med hjälp av 3D-modeller göra en uppskattning av hur olika produkter uppför sig dynamiskt. Alla seriösa verktygstillverkare kan därför tillhandahålla sådana 3D-modeller för skärverktyg, verktygshållare och olika tillbehör. I ISCAR’s elektroniska katalog kan man skapa sammansatta verktyg som 3D-modeller, ”digitala tvillingar”.
Sammanfattningsvis kan man konstatera att höghastighetsbearbetning har ändrat kraven på skärverktyg och verktygshållare eftersom de måste ses som en enhet för att fungera tillsammans. Genom att det nu går att möta dessa krav har höghastighetsfräsning blivit en tillförlitlig högteknologisk och supereffektiv bearbetningsmetod.

Bild 1 – Momentnycklar med fast moment är ett effektivt alternativ för tillförlitlig åtdragning av vändskär.


Bild 2 – En robust konstruktion med 90 ° vändskärsfräs tillåter effektiv höghastighetsfräsning av aluminiumkomponenter till exempelvis flygplan. Nödvändigt åtdragningsmoment för skärskruven och maximalt varvtal är nödvändiga märkningsuppgifter.


Bild 3 – ISCAR:s pinnfräs i solid hårdmetall med 7 spånkanaler, avsedd för höghastighetsfräsning, har olika spiralvinklar, variabel gängstigning och spåndelande skäreggar