Comsol helpt Hembrug met submicronprecisie

Om te kunnen verzekeren dat hun nieuwe draai-slijpcombinatie net zo nauwkeurig was als de andere machines in het assortiment, modelleerden en rekenden de engineers van Hembrug Machine Tools uitgebreid aan hun design. Mede door het gebruik van Comsol-tooling drukte het Haarlemse bedrijf de nauwkeurigheid onder de 1 micrometer.

Alexander Pil
1 november

Hembrug Machine Tools ontwerpt, produceert en verkoopt zeer nauwkeurige draai- en draaislijpmachines. Het Haarlemse bedrijf mikt op de bovenkant van de markt, waar klanten heel hoge eisen stellen aan de precisie. Sommigen willen een rondheid halen met een afwijking van maximaal een halve micrometer. Hembrug is een van de weinige machinetoolbouwers die daar niet van schrikt. ‘Supernauwkeurige systemen voor kleine series, dat is ons terrein’, aldus engineeringmanager Bert de Veer.

In de Mikroturngrind 1000 combineert Hembrug die de voordelen van hoognauwkeurig hard draaien en fijnslijpen in één machine.

Het afgelopen jaar leverde Hembrug zo’n vijfendertig machines aan klanten over de hele wereld. Dat zijn er beduidend meer dan tien jaar geleden. De Veer ziet de markt groeien: ‘Dat komt vooral omdat bedrijven steeds meer beseffen dat je niet altijd een slijpmachine nodig hebt om heel nauwkeurig te werken, maar dat je ook met draaien hoge precisie kunt halen. Zo kun je bijvoorbeeld kogellagers prima draaien. Dat is gunstig voor kleinere series want een draaimachine is veel flexibeler.’

Het belangrijkste verschil tussen Hembrug en zijn concurrenten is dat de Haarlemse constructeurs veel gebruikmaken van hydrostatische lagers. Componenten die langs elkaar bewegen, hetzij lineair, hetzij roterend, zijn van elkaar gescheiden door een oliefilm die onder druk in de lager wordt gepompt. De Veer: ‘Dat olielaagje heeft een uitmiddelend effect waardoor de bewegingen vloeiender verlopen. Je hebt bijvoorbeeld geen last van het stick-slipeffect, een storend verschijnsel dat wordt veroorzaakt door statische wrijving. Dus als je met een hydrostatische lager een tiende micrometer vooruit wilt en een tiende terug, doet de machine dat ook exact.’ Voor Hembrug zijn hydrostatische lagers gesneden koek, maar andere machinebouwers hebben de technologie niet onder de knie. Dat geeft het Haarlemse bedrijf een groot concurrentievoordeel.

Groter en net zo precies

Meestal zijn nieuwe ontwikkelingen bij Hembrug op vraag van de klant, maar vorig jaar lanceerden de Haarlemmers een geheel nieuw systeem dat ze zelf hadden geïnitieerd en waar ze zelf alle designkeuzes konden maken. De Mikroturngrind 1000 is een machine die de voordelen van hoognauwkeurig hard draaien en fijnslijpen combineert. Twee tools in één systeem is heel handig voor fabrikanten met complexe draaiwerkstukken, die ook slijpbewerkingen op een of meer oppervlakken willen doen. In de Mikroturngrind 1000 kunnen geharde werkstukken volledig in een enkele opspanning worden bewerkt. Dit bespaart processtappen en (ombouw)kosten. Doordat opspanfouten vervallen, kan Hembrug submicronprecisie garanderen, waarmee het bedrijf zich onderscheidt ten opzichte van andere draai-slijpcombi’s in de markt.

Sentech Precisiebeurs
De Mikroturngrind 1000 is uitgerust met een zwenkkop waarmee een gebruiker kan kiezen of de gereedschapswisselaar met draaibeitels of een van de slijpspillen in de actieve positie komt.

De Mikroturngrind 1000 is uitgerust met een zwenkkop waarmee een gebruiker kan kiezen of de gereedschapswisselaar met draaibeitels of een van de slijpspillen in de actieve positie komt. Om ervoor te zorgen dat de nauwkeurigheid behouden blijft tijdens een wisseling, is het zwenkmechanisme voorzien van een zogenaamde Hirth-vertanding. Die koppeling bestaat uit twee ringen met driehoekige, radiaal lopende tanden. Als je de juiste hoek hebt gekozen, druk je die ringen samen en bijten de tanden in elkaar. De resulterende koppeling is heel stijf en super nauwkeurig, tot op submicronniveau.

Door de wisselmodule moest Hembrug de Mikroturngrind 1000 groter opzetten dan het gewend was in zijn bestaande modules. Bovendien was het een wens dat het apparaat grotere werkstukken aan zou kunnen. De uitdaging was om die slag te maken, zonder in te leveren op de nauwkeurigheid. Daarom hebben de Haarlemse ingenieurs veel gemodelleerd en gerekend. ‘We begonnen met een leeg vel papier, maar niet vanaf scratch’, zegt Bart de Wolf, r&d-engineer bij Hembrug. Hij en zijn collega-ontwikkelaars baseerden zich op kennis opgedaan in eerdere projecten. ‘Zo hebben we in Comsol een model gemaakt van een bestaande machine en gekeken in hoeverre de resultaten matchten met onze metingen. Daardoor was aannemelijk dat we bij de Mikroturngrind 1000 ook op de uitkomst zouden kunnen vertrouwen.’

Valkuil

De basis van de Mikroturngrind 1000 zijn natuurlijk hydrostatische lagers. Die moest Hembrug groter maken, waardoor het lastig was om voldoende stijfheid over te houden op het punt waar de bewerking daadwerkelijk plaatsvindt. ‘Groter is altijd slapper’, legt De Veer uit. ‘Denk maar aan een vishengel. Als je die langer maakt, zal hij makkelijker doorbuigen. Dus je moet hem proportioneel dikker maken. Maar hoeveel dan? Constructeurs hebben daar wel een gevoel bij, maar we wilden dat natuurlijk goed onderbouwen.’

Met Comsol-tooling vond Hembrug de balans tussen de thermische, mechanische en hydraulische aspecten van het design.

Om de stijfheid te modelleren, gebruikte Hembrug weer Comsol-software. De Veer: ‘Een ketting is zo sterk als de zwakste schakel. Bij stijfheid geldt dat niet helemaal, maar het slapste element is wel heel bepalend voor de totale stijfheid van de samenstelling. We moesten op zoek naar de balans. Je kunt wel veel investeren om één element stijver te maken, maar als dat niet het slapste element was, heeft dat niet zo veel zin. Het geheel wordt er slechts marginaal stijver van.’

‘Met modelleren, meten en rekenen hebben we achterhaald wat werkt en waar de meeste winst te halen is’, vult De Wolf aan. ‘De stalen onderdelen in de machine moeten zo veel mogelijk blokvormig zijn zodat ze minimaal doorbuigen, maar toch lang genoeg om het gewenste bereik te hebben. Startpunt was het gevoel bij onze constructeurs. Iteratief zijn we tot de gulden middenweg gekomen waarbij er geen dominante winnaar is tussen de mechanische vervorming en de lagerstijfheid.’

Bij dit soort modelleerwerk is het een valkuil dat de tool altijd een antwoord geeft. ‘Er zwaait geen vingertje als iets onzin is’, verduidelijkt De Wolf. ‘Op zo’n complexe samenstelling hebben we daarom vereenvoudigde sommetjes losgelaten, om te kijken of we in dezelfde ordegrootte zouden uitkomen. Dat bleek gelukkig het geval. Je kunt ook spelen met de dichtheid van je mesh. Als je niet tot een stabiel eindantwoord komt, moet je jezelf eens goed achter de oren krabben.’

0,7 micrometer

Een groot voordeel van de Comsol-tooling is, volgens De Wolf, dat het pakket verschillende fysicagebieden ondersteunt. Hij gebruikte de software daarom ook om het design van de Mikroturngrind 1000 thermisch door te rekenen. ‘Dat is vooral van belang voor de spillen’, weet De Wolf. ‘Daar zie je de hoogste snelheden en dus ook de hoogste temperaturen. We hebben modellen gemaakt om te kijken hoe de warmte in de hydrostatische lagers precies wordt opgebouwd en waar die terechtkomt. Ook hier gold dat de pijn niet op één punt zat, dus moesten we op zoek naar het optimum van thermisch, mechanisch en hydraulisch. Het mooie van een fem-pakket als Comsol is dat de balans tussen alle schakels inzichtelijk wordt.’

Onlangs draaide Hembrug een testrun met vijftig identieke delen over een periode van acht uur. ‘Het verschil tussen de grootste en de kleinste diameter bedroeg 0,7 micrometer’, meldt De Veer trots. ‘Er zijn echter nog zo veel andere effecten die van invloed kunnen zijn dat we deze waarde niet als spec in de folder zetten. Het is namelijk heel erg afhankelijk van hoe je het proces inricht. Een paar jaar geleden hebben we zo’n zelfde benchmark gedraaid en toen kwamen we uit op 3 µm. Vooral door temperatuurcontrole en goed mechanisch design hebben we dat nu teruggebracht onder de 1 µm. Daar zit onze kracht.’