Massedemper for verktøyholdere Design og produksjon av dempesystem ved bruk av additiv tilvirkning

Abstract

Silent Tools™ er varemerket til de vibrasjonsdempende verktøyholderne som produseres av Sandvik Coromant i Trondheim. Når lengden på en verktøyholder skaper et overheng er den største utfordringen vibrasjoner, noe som kan gjøre prosessen ustabil. Silent Tools™ viser svært gode resultater når det kommer til demping og minimering av disse vibrasjonene. Silent Tools™ sørger på den måten for at maskineringsprosesser som fresing og dreiing kan utføres med større presisjon, med høyere hastigheter og med større kuttdybde. Disse verktøyholderne kommer i ulike dimensjoner som produseres ved ulike produksjonslinjer. Denne oppgaven er konsentrert rundt en av de mindre verktøyholderne, en 14mm F-stang. Dempesystemet som brukes i disse stengene i dag består av flere små komponenter som settes sammen på en produksjonslinje. For hvert monteringssteg som må gjennomføres øker både tidsbruk og kostnader. Additiv tilvirkning(AM) er en teknologi som har vist gode resultater i produksjon av komplekse geometrier. Denne oppgaven har sett på muligheten for å produsere et slikt dempesystemet i et produksjonssteg, ved bruk av AM. Denne rapporten tar for seg det arbeidet som ble gjort rundt design, produksjon og testing av dempesystemer produsert ved bruk av AM. Et teori og litteraturstudie førte til retningslinjer for designet, og ved bruk av dataassistert konstruksjon(DAK) ble det designet to ulike dempesystemer. Det ble gjennomført simulering ved bruk av elementmetoden(FEM) for å optimalisere designet og for å forutse de egenskapene de produserte dempesystemene ville få. Med utgangspunkt i de to designene er det i en AM-maskin produsert dempesystemer med tre ulike simulerte egenfrekvenser, 650Hz, 700Hz og 750Hz. Det er gjennomført varmebehandling, utskjæring av støttestruktur og det er produsert flukthull for fjerning av ubrukt pulver. Bearbeiding av delene var den største utfordringen. Det viste seg at senkegnist som metode for å fjerne støttestruktur ga resultater som fungerte, men at de ikke var så gode som forventet. Det det ble gjennomført frekvensmålinger ved bruk av laser doppler vibrometer på samtlige dempesystemer, og de faktiske frekvensene ble sammenlignet med simuleringsfrekvensene. Resultatene viser at AM, i en eneste prosess, kan produsere dempesystemer med klare og enkelt definerbare egenfrekvenser. Designede dimensjonsforskjeller ned mot 0,1mm resulterte i AM-produserte dempesystemer med klart ulike egenfrekvenser.

Silent Tools™ is the trademark for a series of vibration damped tool holders manufactured by Sandvik Coromant in Trondheim. When length of a tool holder creates a overhang, the biggest challenge are the generated vibration, which can make the process unstable. Silent Tools™ shows very good results when it comes to minimizing these vibrations. Silent Tools™ ensures that machining processes such as milling and turning can be performed with greater precision, higher speeds and with a deeper cut. These tool holders are manufactured in several dimensions which are produced in different production lines. This study is concentrated around one of the smaller tool holders, a 14mm F-bar. Today, these tool holders are assembled by several small components in several production steps. For each step that the production needs, both time consumption and costs increases. Additive manufacturing is a technology that has shown good results in the production of complex geometries. This study has looked at the possibility of producing a damping system, like the one used Silent Tools™, in less manufacturing steps with the use of additive manuafacturing. This report explains the work that was done with the design, the AMprocess and the testing of the two damping systems which where manufactured by using additive manufacturing. Theory and literature led to the guidelines which was used for the design of the two different damping systems. The designs were designed using Computer Aided Design, CAD. Finite element method, FEM was used to optimize the design and to anticipate the characteristics of the produced damping systems. Based on the two designs, an AM machine produces damping systems with three different simulated eigenfrequencies, 650Hz, 700Hz and 750Hz. Heat treatment and removal of support structure was done and escape holes was made for the removal of unused powder. A step in the post-processing phase was the biggest challenge in this study. It turned out that erosion for removing support structure gave results that worked, but they were not as good as expected. With the use of laser doppler vibrometer, frequency measurements were performed for all the produced damping systems. The results show that additive manufacturing, in a single process, can produce damping systems with clear and easily definable eigenfrequencies. Designed differences in dimension down to 0.1mm resulted in AM-produced damping systems with distinctly different eigenfrequencies.