Vijf veel voorkomende problemen bij verspanen

Johan Cruijff zei ooit ‘ieder nadeel heb zijn voordeel’. Andersom geldt dat natuurlijk ook. Binnen de materiaalselectie komt dat erg duidelijk naar voren. Want een goed verspaanbaar materiaal is bijvoorbeeld vaak ook een slecht lasbaar materiaal. Denk maar eens aan een automatenstaal. Uitstekend te verspanen door het toevoegen van extra zwavel. Maar erg slecht te lassen…door datzelfde toegevoegde zwavel. 

Het is daarom belangrijk om het juiste materiaal voor de juiste toepassing te gebruiken. Kijk daarbij verder dan alleen dat ene proces. Welke processen moeten er nog meer worden uitgevoerd? 

De meest voorkomende problemen bij verspanen zijn in een vijftal groepen te verdelen:

1. Standtijd

2. Vorm- en maattolerantie

3. Homogeniteit van het materiaal

4. Spanningen

5. Oppervlaktefinish

De standtijd is de levensduur van het verspaningsgereedschap, uitgedrukt in minuten.

Verspaners doen vaak repeterend werk, daarom kunnen ze de standtijd goed berekenen.

Het kan echter zijn dat ze, om wat voor reden dan ook, een nieuwe batch materialen krijgen die zorgt voor een verkorting van de standtijd. Dat is erg kostenverhogend voor ze. De uiteindelijke standtijd is een samenspel tussen materiaal, koelvloeistof, gereedschap, mens en machine.

Oorzaken van een verkorte standtijd kunnen zeer divers zijn. Bijvoorbeeld een overmaat aan harde carbiden of andere intermetallische verbindingen. Telkens krijgt de beitelpunt een klein tikje als het zo’n carbide raakt, waardoor de beitelpunt eerder breekt. Of het materiaal verstevigt meer, waardoor de beitelslijtage toeneemt. Of…

Elke nieuwe batch verschilt iets van de vorige batch. Vaak zie je het slechts een beetje terug in de standtijd, maar soms daalt de standtijd met tientallen procenten.

De vorm- en de maattoleranties van een halffabricaat horen bij elkaar, ze staan ook vaak samen in de norm. Een verspaner wil een zo recht mogelijke staaf hebben, die geen problemen oplevert in een geautomatiseerd aanvoersysteem. Ook ruime maattoleranties en onrondheid kunnen voor problemen zorgen. De norm laat veel toe, waardoor een staaf, die wel voldoet aan de norm, kan leiden tot problemen. 

Verspaners stellen hoge eisen aan de materiaalkwaliteit en aan de vorm- en maattoleranties. Goed verspaanbaar materiaal is daardoor wel wat duurder: ‘hoe hoger de eis, hoe hoger de prijs’. Maar op lange termijn verdien je dat wel terug, want problemen bij het verspanen kunnen flink in de papieren lopen.

In alle materialen zitten zogenaamde fasen, insluitsels en intermetallische verbindingen, zoals mangaansulfiden, die ervoor zorgen dat spanen beter en kort afbreken.

Wanneer deze deeltjes niet homogeen verdeeld zijn, wil de spaan slecht en onregelmatig afbreken. Voor een stabiel verspaningsproces, wil je dat de spaan voorspelbaar en gelijkmatig breekt. 

De materiaalstructuur moet er dus voor gemaakt zijn om goed te kunnen verspanen. En dat is soms moeilijk kiezen. De zwavel in het mangaansulfide is bijvoorbeeld goed voor verspaning, maar nadelig voor lassen en omvormen.

Daarom is het voor de materiaalkeuze niet alleen belangrijk om naar die ene bewerking te kijken, maar ook de bewerkingen die het materiaal daarna nog moet ondergaan. En daar moet je dan de beste afweging in maken.

Een staalfabriek kijkt naar het hoofddoel: constructie of verspaning. Daar maken ze vervolgens producten voor. Dus alleen fabrieken die zich op verspaning richten, maken materialen die zeer goed verspaanbaar zijn. De overige fabrieken sluiten compromissen tussen verschillende bewerkingen.

In een materiaal zijn altijd inwendige (mechanische) spanningen aanwezig. Deze spanningen zijn dusdanig verdeeld dat ze samen zorgen dat de staaf recht is. Door verspanen wordt deze verdeling van spanningen veranderd: er worden spanningen omgeleid, toegevoegd of weggehaald. Hierdoor kan een werkstuk krom trekken, terwijl het halffabricaat wel recht was (of omgekeerd). Hoe meer spanningen in het materiaal aanwezig zijn, des te duidelijker de verandering van die verdeling zich zal uiten.

We willen dus eigenlijk een materiaal met niet te veel spanningen. Door het materiaal vooraf te gloeien, kan een aanzienlijk deel van die spanningen worden weggehaald. Het materiaal wordt daardoor spanningsarmer. Maar ja…elk voordeel heb zijn nadeel. Door een staaf te gloeien ontlaten de spanningen zich, waardoor de verdeling ervan verandert. Een rechte staf kan daardoor krom uit de oven komen. Bovendien is een gegloeid materiaal iets taaier, waardoor spanen iets minder gemakkelijk breken.

Klanten letten er natuurlijk vaak op dat het materiaal een mooi oppervlak heeft. Dit is het resultaat van het samenspel tussen proces, gereedschap, koeling en materiaal. Wanneer één van de spelers niet mee wil werken, is het resultaat teleurstellend. Bij materiaal speelt vooral de structuur en de eigenschappen een rol. Gewenst is een homogene verdeling van de aanwezige insluitsels en fasen (gewenste en ongewenste).

Het is belangrijk dat je de betreffende normen inhoudelijk kent: weet welke hiaten er zijn en wees bewust van de relatief grote tolerantiebanden er mogen en zullen zijn.

Een goed voorbeeld is een 1.4305 (≈ AISI 303) rvs staf, met een diameter van 300 mm. Conform Europese norm EN 10088-3 mogen hierin insluitsels, porositeiten, enz. (“discontinuities”) aanwezig zijn. Er staat echter niet omschreven hoe groot of hoe klein ze mogen zijn. Wanneer er -volgens afspraak- ultrasoon gecontroleerd wordt volgens de lichtste kwaliteitsklasse (klasse 1), mogen geïsoleerde discontinuities maximaal 19 mm groot zijn. Da’s best groot…

Als er door de klant geen additionele eisen zijn gesteld, dan is materiaal met zulke grote materiaalfouten (want dat zijn ze eigenlijk) dus goedgekeurd. In de praktijk kunnen die fouten natuurlijk grote problemen opleveren.

Het verwachtingspatroon moet dus op één lijn liggen. En ook belangrijk: onze klant moet dit ook communiceren met de eindklant. Een perfect oppervlak streven we na, maar is per definitie onmogelijk te realiseren. We kunnen slechts streven naar ‘zo goed mogelijk’.