Skärparametrarnas inverkan på ytkaraktären vid hårdfräsning NIKLAS LEPA-HELGESSON. Examensarbete

Transkript

1 Skärparametrarnas inverkan på ytkaraktären vid hårdfräsning Examensarbete NIKLAS LEPA-HELGESSON Institutionen för material- och tillverkningsteknik CHALMERS TEKNISKA HÖGSKOLA Göteborg Rapport nr. E 25:

2 Förord Detta examensarbete har ingått som ett obligatoriskt moment i civilingenjörsutbildningen inom maskinteknik vid Chalmers tekniska högskola. Examensarbetet motsvarar 2 högskolepoäng och utfördes på institutionen för material och tillverkningsteknik. Uppdragsgivare var Uddeholm Tooling AB i Hagfors. Jag vill framförallt tacka följande personer för ovärderlig hjälp och ett gott samarbete under genomförandet av examensarbetet: Tekniklektor Gustav Holmqvist, Handledare, Chalmers tekniska högskola Civilingenjör Staffan Gunnarsson, Handledare, Uddeholm Tooling AB Professor Anders Kinnander, Examinator, Chalmers tekniska högskola Tekniklektor Peter Olsson, Chalmers tekniska högskola Thomas Wikgren, Sandvik Coromant AB Marcell Escursell, Chalmers tekniska högskola Ytterligare personer som på ett eller annat sätt bidragit till genomförandet av projektet och som är värda ett stort tack är verkstadschef Dick Olofsson, civilingenjör Anders Svensson, civilingenjör Roger Larsson, doktor Boel Wadman på IVF samt min sambo Johanna Vilhelmsson. Göteborg, augusti 25 Niklas Lepa-Helgesson

3 Inledning Bakgrund Syfte Metod Litteraturstudie Planering av tester Genomförande av tester Analys och dokumentation av testerna Avgränsningar Teoretisk bakgrund Pulvermetallurgiska stål Teori skärande bearbetning Allmänt om fräsning Parametrar Med- och motfräsning Beräkningsformler Pinnfräsning Användning av skärvätska Teoretisk ytjämnhet vid fräsning med fullradiefräs Ytjämnhet Parametrar som beskriver ytans struktur Referenslängd Filtrering Mätmetoder Restspänningar Effekter av restspänningar Mätning av restspänningar Statistisk försöksplanering Tidigare resultat från liknande arbeten Ytjämnhet Restspänningar Metodik Material Försöksutrustning Fräsverktyg Fräsmaskin NC-program Utrustning för mätning av ytjämnhet Utrustning för mätning av restspänningar Etsningsutrustning Utrustning för mätning av formavvikelser Utrustning för mätning av verktygsförslitning Modde Genomförande av experiment Testplan Fräsning Resultat Resultat grundtest Ytjämnhet Ytans tvärsnitts profil...42

4 5.1.3 Restspänningar Verktygsförslitning Slutsatser - Grundtest Ytjämnhet Restspänningar Verktygsförslitning Sluttester Test Resultat Test Test Resultat Test Test11, 12 och Slutsatser och diskussion Ytjämnhet Restspänningar Verktygsförslitning Rekommendationer och fortsatt arbete Referenser

5 1 Inledning Detta examensarbete har genomförts på uppdrag av Uddeholm Tooling AB. Examensarbetet är en del i ett Vinnovaprojekt kallat Verktygskompetens för tillverkningsindustrin vars uppgift bland annat är att finna metoder som kan sänka ledtiden vid verktygsframtagning. 1.1 Bakgrund Fräsning direkt i härdat verktygsstål är en metod som blir allt vanligare vid tillverkning av press och formverktyg. Anledningen till detta är bland annat att man vill korta ner ledtiderna vid verktygsframtagning. Om det är möjligt att fräsa fram en yta med, för applikationen, acceptabel ytjämnhet kan den tidsödande poleringen minimeras alternativt elimineras. Detta skulle medföra drastiskt förkortade ledtider. En sänkning av ledtiderna är nödvändig för att svenska producerande företag skall öka sin konkurrenskraft mot låglöneländer och på så vis bromsa den pågående out-sourcingen. Med out-sourcing försvinner både arbetstillfällen och viktig kompetens ut ur landet. 1.2 Syfte Syftet med detta arbete är att undersöka hur fräsning av härdat stål skall utföras för att erhålla så fina ytor möjligt. En 3-D yta som skall representera ytan av ett formande verktyg skall fräsas fram och vilka bearbetningsparametrar och bearbetningssätt som har störst positiv inverkan på ytans Ra-värde skall bestämmas. Det skall även undersökas hur de olika bearbetningssätten påverkar restspänningsbilden i arbetsstyckena samt verktygsförslitningen. Kan en bättre yta erhållas redan efter fräsoperationen bidrar detta till kortare ledtider vid formverktygsframtagningen. 1.3 Metod I detta avsnitt beskrivs hur arbetet praktiskt har genomförts. Litteraturstudie Fastställa viktiga parametrar och faktorer Ta fram testplan Genomföra tester Analysera, utvärdera testresultaten Slutligt resultat och rekommendationer 1

6 1.3.1 Litteraturstudie En omfattande litteraturstudie genomfördes för att undersöka vad som gjorts på området tidigare samt för att erhålla kunskap om nedan uppsatta punkter: De olika materialen Bearbetningstekniken Egenskaper hos utrustningen (maskiner,verktyg,etc.) Berörda parametrar Beredningsarbetet Analysmetoder/mätning Tekniker som används Vad som skall mätas samt tillvägagångssätt Statistisk försöksplanering Planering av tester En noggrann planering av genomförandet av testerna genomfördes. Vilka verktygsvägar som skulle användas, vilka parametrar som skulle varieras samt vilka värden dessa skulle ha, hur dokumentationen systematiskt skall utföras, etc. var saker som togs i anspråk Genomförande av tester Här utfördes testerna enligt upprättad testplan Analys och dokumentation av testerna Analysering och utvärdering av hur de parametrar som varierats påverkar resultatet. Här drogs slutsatser och utifrån dessa kunde det ges vidare rekommendationer för hur bearbetningen bör utföras Avgränsningar Konstant skärdjup Endast en CAM-mjukvara för generering av verktygsvägar Endast en sorts fräsverktyg Endast två olika material Inga samspelseffekter analyserades 2

7 2 Teoretisk bakgrund I detta avsnitt presenteras grundläggande teori som rör de ingående delarna i arbetet. 2.1 Pulvermetallurgiska stål Verktygsstål tillverkas traditionellt på samma sätt som konstruktionsstål, genom gjutning av smält metall i göt, som sedan smids, valsas och värmebehandlas, tillverkas stänger. Vid stelningen i götet uppstår emellertid segringar i större eller mindre utsträckning beroende på legeringsinnehållet. Hos hög-kolhaltiga stål bildas kraftiga karbidnätverk som gradvis bryts ned vid varmbearbetningen. Hos de färdiga stängerna har dessa nätverk bildat karbidstråk som i hög grad påverkar de mekaniska egenskaperna, särskilt i tvärriktningen. Trots åtgärder, som hög varmbearbetningsgrad vid tillverkningen, har stål med hög andel karbider en kraftigt nedsatt seghet[1]. För att undvika segringar och stora karbider med skadlig effekt på segheten kan pulvermetallurgi användas. Små snabbstelnande korn framställs genom gasatomisering av smält stål. Dessa pulverkorn hälls sedan i en kapsel och pressas samman, vid hög temperatur och högt isostatiskt tryck, till ett fullständigt homogent ämne för vidare smidning och valsning. Genom pulvermetallurgiprocessen undviks makrosegreringsproblemet och följaktligen kan högre legerade stål tillverkas än vad som är möjligt med konventionella metoder. Hos pulvermetallurgistålen ökar nötningsmotståndet genom hög volymandel karbider, samtidigt som segheten optimeras genom att dessa karbider är små och väl distribuerade. Ett konventionellt stål däremot kan endast öka segheten på bekostnad av lägre hårdhet [1]. 2.2 Teori skärande bearbetning I detta avsnitt presenteras teori angående skärande bearbetning Allmänt om fräsning Fräsning är en spånavskiljande bearbetningsmetod, där rörelsemönstret är sammansatt av fräsverktygets rotation och en matningsrörelse mellan verktyg och arbetsstycke. Det är en mycket flexibel bearbetningsmetod som spänner från rätlinjig bearbetning i endast en riktning till avancerad bearbetning av dubbelkrökta ytor [2] Parametrar När en fräsoperation skall utföras är det en mängd parametrar som kan varieras för att påverka utfallet av fräsningen. Beroende på vad det är för typ av fräsoperation som skall utföras samt vilket arbetsmaterial och verktyg som används varieras parametrarna på olika sätt. De parametrar som normalt skall tas hänsyn till redovisas i tabellen nedan [2]. 3

8 Tabell 1. Bearbetningsparametrar Parameter: Symbol: Enhet: Förklaring: Spindelvarvtal n rpm Spindelns rotationshastighet Skärhastighet V C m/min Verktygets periferihastighet Skärdjup a p mm Axiellt ingreppsdjup Skärbredd a e mm Radiellt ingreppsdjup Matning per tand f z mm Matning per varv f mm Förflyttning under ett varv Matningshastighet V f mm/min Förflyttning under en minut Verktygs diameter D mm Med- och motfräsning Förhållandet mellan verktygets rotationsriktning och matningsriktningen är något som kraftigt påverkar skärkrafternas storlek men också ytjämnheten. Om verktygets rotationsriktning sammanfaller med matningsriktningen sker bearbetningen med medfräsning. Dess motsats, motfräsning, sker om matningsriktningen omkastas. Figur 1. Illustration av medfräsning. Figur 2. Illustration av motfräsning Vid motfräsning erhålls en från noll kontinuerligt ökande spåntjocklek. Spånbildningsförloppet kan beskrivas på följande sätt: Vid skärets första kontakt med arbetsstycket sker en glidning på den tidigare bearbetade ytan, tills det att ett tillräckligt skärtryck byggs upp så att eggen förmår skära in i arbetsstycket och avskilja ett spån. Detta innebär att själva skärandet föregås av en nötningsfas då glidningen sker. Denna nötningsfas medför snabb skärförslitning med dålig ytjämnhet som resultat. Motfräsning ger även ogynnsam skärkraftsbild då krafterna tenderar att dra i arbetsstycket. Vid medfräsning undviks nötningsfasen då skären går i fullt ingrepp direkt från början. Dock uppstår en momentan skärkraftsökning då skäret träffar arbetsstycket, men denna avtar successivt med spåntjockleken. Detta arbetsförlopp är att föredra, både med tanke på skärlivslängd och ytjämnhet. Dessutom erhålls en gynnsammare skärkraftsbild med tanke på fasthållningen av arbetsstycket [2]. 4

9 Vid grovbearbetning rekommenderas att alltid använda medfräsning på grund av att mindre värme utvecklas vilket leder till att verktygets livslängd ökar. Den radiella skärkraften är också lägre vid medfräsning vilket medför mindre påfrestningar på lagringarna i spindeln. Vid finfräsning däremot kan det vid vissa tillfällen vara fördelaktigt att använda sig av motfräsning. Ett sådant tillfälle är när fräsmaskinen som används är en gammal manuell maskin med ett matningsbord som inte är glappfritt. Det kan också vara fördelaktigt att använda motfräsning vid sidfräsning (finbearbetning) med solida hårdmetallfräsar, speciellt i härdade material. Här ger motfräsning bättre toleranser på den bearbetade ytan, huvudsakligen på grund av riktningen på skärkrafterna. Verktyget tycks dras eller sugas mot materialet. [3] Beräkningsformler Skärhastighet, V c, matningshastighet, V f, och ingreppstid, T c, kan beräknas enligt följande [3]: V V T c c f D π n = 1 = f n z l = V m z f n [ min ] [ m / min ] [ mm / min ] (1) (2) (3) D = verktygets diameter [mm] n = spindelvarvtal [rpm] f z = matning per skäregg [mm] z n = antal skärande eggar l m = bearbetad längd [mm] Figur 3. Fräs i ingrepp med de vanligaste parametrarna utsatta [4] Pinnfräsning Pinnfräsar omfattar verktyg för grov, medel och fin bearbetning av slitsar, kilspår, fickor och konturer. Bra ytstruktur erhålls och är ofta bäst vid motfräsning samt vid små skärdjup och matningar. Vid pinnfräsning är det mycket viktigt att verktyget har en säker fastspänning och minsta möjliga överhäng. Det är viktigt att noggrant optimera skärdata mot rekommenderade värden. [4] 5

10 Figur 4. Bild på en solid fullradie pinnfräs. Råd för effektiv pinnfräsning: Minimera avståndet från verktygshållare till skäregg Största möjliga verktygsdiameter Medfräsning vid grovbearbetning Underlätta spånevakuering med vätska eller luft Använd bästa möjliga rena verktygshållare Använd glestandad fräs för att reducera vibrationer Vid långa överhäng ska skärdjupet vara litet och matningen stor Använd fixtur som är lämplig för arbetsstycket och som klarar de krafter som uppstår vid bearbetningen Kontrollera medelspåntjocklek/matning per tand Använd moderna positiva skär Använd spiralformad fräs för lugnare fräsning Något som är viktigt att tänka på vid finbearbetning, speciellt vid höga skärhastigheter, är att ta små skärdjup. Skärdjupen, axiellt och radiellt, bör inte överstiga,2 mm. Detta för att undvika utböjning av det hållande och skärande verktygen, och därmed bibehålla höga toleransnivåer och geometrisk noggrannhet. För att minska utböjningen av verktyget är det viktigt att minimera överhänget samt använda ett verktyg med så stor diameter som möjligt. Genom att reducera verktygets överhäng med 2 % minskar utböjningen med 5 %. Detsamma gäller verktygets diameter, 2 % diameter ökning ger 5 % mindre utböjning. [3] Vid finbearbetning kan det i många fall vara fördelaktigt att välja tandmatningen, f z, identisk med det radiella skärdjupet, a e (f z =a e ). [3] Detta ger följande fördelar: Mycket fin ytfinish i alla riktningar Kortare maskintid, normalt är f z <a e En symmetrisk yta som är lättpolerad Högre noggrannhet och bärighet på ytan vilket ger längre livslängd på formverktyget Användning av skärvätska Verktyg av modern hårdmetall, framförallt belagd hårdmetall kräver normalt ingen skärvätska vid bearbetningen. Belagda verktyg ger bättre prestanda avseende verktygslivslängd och säkerhet om fräsningen utförs utan skärvätska. Dagens höga skärhastigheter med belagda hårdmetaller innebär att det blir mycket varmt i bearbetningszonen. Vid skärförloppet bildas en flytande zon mellan verktyg och arbetsstycke. Denna zon har temperaturer runt 1 C. 6

11 Den skärvätska som kommer i närheten av de skäreggar som i ingrepp omvandlas ögonblickligen till ånga och har i praktiken ingen som helst kylande effekt. Vid torr bearbetning varierar temperaturen, men inom ramen för vad verktyget utvecklats för. Tillförsel av skärvätska kommer enbart att öka temperaturvariationerna genom att den endast påverkar den aktuella skäreggen den tid den är ur ingrepp. När denna egg sedan går i ingrepp höjs temperaturen drastiskt igen, och temperaturvariationen blir större än vid torr bearbetning. Plötsliga temperaturförändringar leder till växelspänningar och värmesprickor i skäret, vilket innebär en förkortning av skäreggens livslängd. Ju varmare bearbetningszonen är desto olämpligare är det att använda skärvätska. Skillnaden i verktygslivslängd mellan torr och våt bearbetning kan vara upp till 4%, till den torra bearbetningens fördel [4] Teoretisk ytjämnhet vid fräsning med fullradiefräs Med hjälp av geometrin i figur 5 kan profilens maxhöjd, Ry, beräknas [3]. Figur 5. Profilbild av fullradiefräs i ingrepp med utsatt radiellt skärdjup (a e ). ( r R ) ae r ε = ε y + (4) 4 1 a R y <<2*r ε *R y ger Ry = 8 r ε a e = radiellt skärdjup r ε = nosradie 2 e [µm] (5) [mm] [mm] Ekvation (5) ger: R a 1 a = 32 r ε 2 e [µm] (6) 7

12 2.3 Ytjämnhet Ingen yta är perfekt. Även om ytor kan se jämna och blanka ut, varierar de alltid inom eller utanför uppsatta toleranser. Den konventionella definitionen på ytavvikelser beskrivs av de slumpartade och återkommande avvikelserna (P) från den nominella eller ideala ytan (N) som finns angiven. Figur 6. Illustration av avvikelserna (P) från den ideala ytan (N). En bearbetad detalj har alltid oregelbundenheter eller avvikelser i ytan. Det är viktigt att försäkra sig om att dessa avvikelser inte äventyrar detaljens funktion. Har detaljen endast dimensionskrav kanske det räcker med grovbearbetning. För till exempel en lageryta däremot måste ofta flera kriterier för ytans struktur fastställas för att garantera ytans funktion. De olika parametrar som förekommer för att definiera ytavvikelser presenteras nedan. Vid bedömning av en yta är det ofta nödvändigt att använda sig av fler än en parameter för att erhålla en korrekt bild [4] Parametrar som beskriver ytans struktur R a - det aritmetiska medelvärdet R a är det i särklass mest använda ytjämnhetskriteriet. R a är det aritmetiska medelvärdet av ytprofilens avvikelser i förhållande till en centrumlinje, längs en fastställd mätlängd. [msb] Då R a är en medelvärdesbildande parameter inverkar inte enstaka avvikelser hos ytan speciellt mycket på resultatet. Detta gör att ytor som egentligen har olika utseende och karaktär kan ha samma R a värde, det är därför lämpligt att alltid kombinera R a värdet med ytterligare en parameter [5]. Ra = 1 n n i= 1 y i Figur 7. Illustration av det aritmetiska medelvärdet, R a -värdet, av ytprofilen. Rq - den kvadratiska medelytavvikelsen. Rq = 1 n 2 y i n i= 1 8

13 R z(iso) - det aritmetiska medelvärdet av de fem högsta topparna och de fem lägsta dalarna inom mätlängden. R t - största avståndet mellan högsta topp och djupaste dal inom mätlängden, utan någon referens till delmätsträckor. Figur 8. Illustration av en ytas Rt-värde Referenslängd Den totala mätlängden delas in i referenslängder (cut-off lenghts) för att skilja på vågighet och ytjämnhet. En referenslängd bör alltid vara minst 2,5 gånger så lång som det störst avståndet mellan högsta toppen och lägsta dalen i ytprofilen. För de flesta maskindelar, där R a värdet ligger mellan,1 och 2 µm, rekommenderas en referenslängd på,8 mm. [6] Filtrering En yta kan beskrivas som ett antal överlagrade frekvenser med olika våglängd och amplitud. En liknelse som kan göras är den med en landsväg som går genom ett kulligt landskap. I en mindre skala kan bulor och gropar urskiljas längs vägbanan. Dessutom har vägen en viss skrovlighet beroende på asfaltens kvalitet. Vägen representerar en yta med tre skilda egenskaper, kullar, bulor/gropar och skrovlighet. Egenskaperna bestämmer kvaliteten hos vägen, men upphovet till dem och effekten de har för vägens funktion är i stort sett oberoende dem emellan. En bearbetad detalj fungerar på samma sätt som vägen. Det förekommer formfel, vågigheter samt skrovlighet hos ytan på detaljen. Dessa kan tolkas som överlagrade frekvenser eller våglängder med olika fas och amplitud. Ibland kan vissa våglängder härstamma från olika typer av brus eller andra felkällor. Dessa felkällor är inte önskvärda. Det kan också vara så att vissa våglängder som förekommer i ytan överröstar andra våglängder i ytan och på så vis försvårar en undersökning av en utvald egenskap. Mot bakgrund av detta kan det vara tvunget att filtrera bort vissa våglängder för att kunna göra en korrekt analys av en yta. I och med att ytan får olika utseende beroende på vilket filter som använts, är det viktigt att alltid specificera vilket filter som använts. [5] Mätmetoder Vid mätning av ytor används ett antal olika typer av utrustningar. Vad som skiljer dessa åt är den teknik som används för att mäta ytan, medan principerna ofta är desamma. Gemensamt för de flesta maskinerna som mäter ytjämnhet är att de är försedda med någon typ av vibrationsfritt upphängt mätbord samt stegmotorer för förflyttning av givarsystemet. Den information som samlas in av mätorganet passerar en A/D-omvandlare och lagras i en dator för att senare kunna analyseras. 9

14 Det som skiljer de olika utrustningarna åt är metoden mätorganet använder sig av för att ta in informationen om ytan. De två vanligaste metoderna är släpnålsteknik och optiska metoder. Dessa metoder beskrivs nedan [5]. Släpnålsteknik Principen för utrustning med släpnålsteknink är enkel och påminner om funktionen hos en grammofonskivspelare. En smal nål, likt en pick-up, förs över ytan och nålens rörelser i höjdled registreras, vilket genererar en amplitudkurva. Amplitudkurvan som genereras analogt förs via en A/D-omvandlare in i någon digital lagringsenhet för senare analys [5]. Optiska metoder Alla optiska utrustningar har det gemensamt att de är beröringsfria metoder att mäta ytan på. Grundprincipen är att en optisk signal (vanligen laserstråle) sänds mot ytan. Signalen reflekteras mot ytan och reflektionen mäts. För att optiska metoder skall fungera krävs att ytan klarar av att reflektera ljuset. Gör den inte det kan ytan ändå mätas med hjälp av avtryck, såkallade replikor. Direkt mätning - Mätning på avtryck Vid direkt mätning görs mätningarna direkt på den detalj som skall mätas. Detta är ett önskvärt förfarande men det är inte alltid detta är möjligt, till exempel om detaljerna är väldigt stora eller om ytorna är oåtkomliga för mätutrustningen. Då kan ett avtryck av ytan göras och sedan görs mätningarna på avtrycket. De två vanligaste typerna av material för att göra avtryck är: 1. Plastavtryck Här används någon typ av flytande kallhärdande polymer som läggs på ytan som skall mätas. Efter några minuter, när polymeren härdat, kan det gjutna avtrycket skiljas från ytan och mätningar kan utföras på detta. 2. Filmavtryck Här används en tunn, genomskinlig film som är löslig i aceton. En droppe aceton läggs på ytan som skall mätas. En bit av filmen läggs sedan på ytan och trycks fast med ett finger. Acetonet löser upp filmen så att den smälter in i ytprofilen. Filmen avlägsnas och mätningar kan göras på den. Dessa avtryck ger en godtagbar bild av ytan som skall analyseras. Båda metoderna ger en speglad bild av ytan, dvs. dalar på ytan blir toppar på avtrycken. Detta måste beaktas vid utvärderingen av ytan [5]. 1

15 2.4 Restspänningar Definition av restspänningar [7]: Spänningar som finns i en kropp som befinner sig i vila, i jämvikt, i konstant temperatur och som inte påverkas av yttre krafter. Kvarvarande spänningar i en struktur som ett resultat av termisk eller mekanisk behandling eller båda. Restspänningar kan uppkomma i material vid de flesta former av behandlingar, till exempel när en metall utsätts för värmebehandling eller maskinbearbetning. Uppkomsten beror på att den plastiska deformation detaljen utsätts för inte är likvärdig genom hela tvärsnittet av detaljen. Detta innebär att en del av detaljen deformeras plastiskt medan en del deformeras elastiskt. Den plastiska deformationen medför att detaljens geometri på något sätt har ändrats och därmed förhindrar den elastiska deformationen att återgå till sitt ursprungliga tillstånd, vilket medför att spänningar byggs in i materialet. Det maximala värdet en inbyggd restspänning ett material kan anta är materialets elastisitetsgräns [8] Effekter av restspänningar Fem viktiga områden kan nämnas där restspänningar har inverkan. Dessa områden är deformation, statisk styrka, dynamisk styrka, kemisk resistans och magnetiska egenskaper [9]. Deformation Restspänningar agerar i en kropp utan påverkan av yttre krafter eller moment. De interna krafterna skapar ett system i jämvikt. Om någon del av kroppen avlägsnas eller ett snitt görs i kroppen upphävs i regel jämviktsläget och kroppen reagerar genom att deformeras. Detta är ett välkänt fenomen inom produktionen, tillexempel vid bearbetning av ett gjutgods som inte har värmebehandlats i syfte att ta bort restspänningar och som bearbetas asymmetriskt. När detaljen är färdigbearbetad och tas ur inspänningen i maskinen sker en avsevärd deformation. Detta är särskilt märkbart vid bearbetning av tunna detaljer. Statisk hållfasthet (styrka) Restspänningar kan ses som lagrade spänningar i ett material. Detta medför att restspänningarna påverkar materialets statiska styrka genom att samverka eller motverka yttre pålagda krafter. Dynamisk styrka Flera utredningar har visat att utmattningslivslängden influeras av restspänningar. Produkter som är utsatta för kontakttryck, som tillexempel lager och kugghjul, har visat sig få en längre livslängd om det finns negativa restspänningar i ytan på detaljen. Detta på grund av att initieringen till sprickbildning kan hämmas av de komprimerande krafter som verkar i ytan. 11

16 Kemiskt motstånd Negativa restspänningar har för vissa material visat sig ha en positiv effekt på korrosionsmotståndet hos detaljen. Dragande restspänningar har visat sig ha motsatt effekt Mätning av restspänningar I metaller och keramer kan restspänningar mätas med hjälp av röntgendiffraktions teknik. Tekniken bygger på att monokromatiska röntgenstrålar med känd våglängd strålas mot ytan med en känd infalls vinkel θ. Ytan, samt ett avstånd d ner i ytan, reflekterar tillbaka strålarna till speciella detektorer. Detektorerna registrerar vinkeln som de reflekterade strålarna har i förhållande till mätytan och kan med hjälp av detta beräkna spänningen i ytan. Detta med förutsättning att utrustningen är kalibrerad till just det material som skall mätas på grund av att olika material ger olika returvinklar i opåverkat skick. Ett opåverkat material skall returnera strålarna med vinkeln θ, det vill säga infallsvinkeln. Dessa vinklar (2θ) ger materialets diffraktionstopp. För stål används oftast diffraktionstopp 2θ = 156. En stor fördel med röntgendiffraktionstekniken är att den är en icke förstörande mätmetod till skillnad från många andra metoder. Detta medför bland annat att mätningar kan göras på detaljer i produktion utan dessa behöver kasseras. Att det är en icke förstörande mätmetod gäller givetvis enbart om mätningarna görs på ytan, om mätningar måste göras under ytan krävs att material etsas bort. [1]. 2.5 Statistisk försöksplanering Statistisk försöksplanering innebär att systematiskt planlägga, genomföra och utvärdera försök där flera faktorer och parametrar varieras samtidigt. Syftet är att på ett effektivt sätt kunna minimera antalet försök men samtidigt erhålla tillförlitliga testresultat. Den enklaste typen av faktorförsök är när faktorerna endast kan anta två nivåer, en hög och en låg. Här antas ett linjärt samband mellan faktorerna som provas och den egenskap som utvärderas. Detta antagande stämmer relativt bra inom ett begränsat intervall. Faktorförsöket utvärderas med avseende på en eller flera resultatvariabler. Resultatvariabler kan till exempel vara direkta mätvärden eller statistiska spridningsmått. Faktorförsöken kan utföras antingen som fullständiga eller reducerade. Vid ett fullständigt faktorförsök testas alla kombinationer som kan uppstå mellan faktorerna på hög respektive låg nivå. Detta är ett arbetssätt som är användbart vid ett begränsat antal faktorer och nivåer. Tvåoch trefaktorsförsök bör alltid utföras fullständigt. Fördelen med ett fullständigt faktorförsök är att samspelseffekter kan bestämmas. Vid försök med ett stort antal faktorer och nivåer kan det vara lönsamt att använda sig av reducerade faktorförsök för att hålla nere antalet tester som måste utföras. Något att tänka på vid ett reducerat faktorförsök är att möjligheten att bestämma vissa samspelseffekter också reduceras. Utvärderingen av försöken görs genom att beräkna effekter för de enskilda faktorerna samt om två eller flera faktorer samverkar, samverkseffekter. Det är också möjligt att klargöra om de erhållna resultaten är statistiskt säkerställda, dvs. om effekterna verkligen påverkar resultatet eller om det är slumpen som inverkar [11]. 12

17 Definitioner som används [11]: Faktor Ingående variabel som antas påverka någon resultatvariabel. Exempel på en faktor vid fräsning kan vara spindelvarvtal eller skärdjup. Nivå Beskriver inställningen av faktorn. Vanligtvis används två nivåer för varje faktor, en låg (-) och en hög (+). Om faktorn är spindel varvtal kan nivåerna vara 4rpm (-) och 5rpm (+) Resultatvariabel Den variabel som studeras och mäts vid varje test, exempelvis ytfinhet eller verktygsförslitning. Effekt Den förändring i resultatet som orsakats av att en faktors nivå förändrats. Faktorförsök - Ett försök där alla faktorer testas mot varandra, på alla i försöket möjliga nivåer. Försöksplan - En uppställning av alla prov som skall utföras i ett försök. Huvudeffekt - Den genomsnittliga förändringen i resultat, då nivån på en faktor förändras från låg till hög, sett över alla de övriga faktorerna. Prov - Ett test av den process som skall studeras, med en speciell kombination av nivåer på ingående faktorer. Reducerat försök - Ett försök där färre antal prov utförs än den fullständiga planens antal. Resurser i form av tid och pengar sparas, till priset av att vissa effekter och samspel inte kan uppskattas var för sig. Samspel - När två faktorer samspelar är den ena faktorn beroende av vilken nivå den andra faktorn befinner sig på. Rekommenderad arbetsgång vid försöksplanering 1. Definiera målet med försöket 2. Samla in förhandsinformation 3. Välj resultatvariabler 4. Välj faktorer som skall varieras och nivåer på dem 5. Välj försöksplan 6. Utför försöket enligt planen 7. Analysera datamaterialet och presentera resultatet grafiskt 8. Dra slutsatser 13

18 2.6 Tidigare resultat från liknande arbeten I detta avsnitt presenteras resultat från liknande arbeten som utförts av andra Ytjämnhet Studie 1. Resultat från tidigare försök visar att vid finfräsning av lutande plan, i den vertikala riktningen, ger bearbetning uppifrån och ner av detaljen en sämre yta än bearbetning nerifrån och upp. Detta på grund av att det blir en plogande effekt vid bearbetning uppifrån. Materialet skärs inte bort utan deformeras och förs åt sidan av det plogande verktyget. Vad gäller bearbetning av ett lutande plan i den horisontella riktningen spelade det ingen större roll om bearbetningen påbörjades i nederkant och flyttade sig uppåt eller om bearbetningen påbörjades i överkant och flyttade sig nedåt. Resultatet gällande ytans karaktär blev likvärdiga. Dessa tester visar också att medfräsning gav bättre yta än motfräsning oavsett bearbetnings väg. Den bästa ytan i detta försök erhölls vid bearbetning nerifrån och upp med medfräsning. [12] Studie 2. Andra försök visar att den skärdataparameter av a p, a e, f z och V c som har störst påverkan på ytfinheten vid treaxlig bearbetning av formverktyg är skärbredden, a e. Vid en ökning av skärbredden från,1 till,3mm försämrades Ra-värdet markant både vid mot och medfräsning. Vid medfräsning hade en ökning av skärdjupet från,1 mm till,3 mm mycket liten påverkan på ytkaraktären, däremot vid motfräsning hade skärdjupsvariationen en viss inverkan på ytan. En ökning av skärhastigheten från 15 till 25 m/min hade större inverkan på ytan vid motfräsning än vid medfräsning. Ökad tandmatning från,2 mm till,6 mm hade ingen större inverkan på ytan vare sig vid mot- eller medfräsning. Medfräsning ger bättre ytor än motfräsning och skärbredden är den parameter som har störst påverkan på ytan. [13] Studie 3. Vid fräsning med fullradiefräs har vinkeln mellan arbetsstyckets normal och fräsverktyget stor inverkan på resultatet av fräsoperationen, vad gäller verktygets livslängd, ytans beskaffenhet och skärkrafternas storlek. För att minimera skärkrafterna är en stor vinkling av verktyget att föredra. En stor vinkel medför att verktyget är i ingrepp under längre tid vid varje skär, vilket i sin tur leder till att verktyget slits fortare. Därför bör en liten vinkling väljas för att minska verktygsslitaget. Dock om verktyget inte vinklas alls görs ingreppet med en punkt på verktyget som ligger i rotationsaxeln, vilket innebär att skärhastigheten är lika med noll och spåntransporten fungerar dåligt. En vinkel på ca 15 är därför en bra kompromiss. Vid val av verktygsvägar visade det sig att medfräsning i kombination med nedåt fräsning (15graders bakåt lut) gav den längsta verktygslivslängden. Vid fräsning i härdat stål (HrC 55) med TiAlN belagda skär erhölls i försöket en skärlängd på över 2 m med kriterium på max flankförslitning,2 mm. [14] Studie 4. Det har gjorts forsök i AISI H13 stål härdat till 5HRC. Bearbetningssättet har varit fräsning med fullradie fräs, diameter 6mm, och medfräsning. Körningarna har gjorts med konstant skärdjup, a p =a e =,2 mm, och utan kylning. Det som har undersökts är bland annat hur ytfinheten, R a, och restspänningarna hos detaljen påverkas av variationer i skärhastighet, tandmatning och verktygets vinkel mot detaljens normal. [15] 14

19 Följande resultat erhölls: Högre skärhastighet (3 istället för 2 m/min) gav sämre ytfinhet, förmodligen på grund av vibrationer. Något bättre ytfinhet när tandmatningen ökades från,5 till,1 mm Mycket bättre yta vid 6 vinkel mot normalen än vid vinkel. På grund av bättre skärförhållanden vid 6, ingen smetning. Ytfinheten förbättrades något när verktyget hade nötts in, bästa R a -värdet=,36 µm. Negativa restspänningar som var högst vid ytan (3-75 MPa) och avtog nedåt under ytan för att vid ungefär 8 µm vara obetydligt små. Liten tandmatning och lägre hastighet gav högre restspänningar. [15] Restspänningar Det finns ett antal arbeten där restspänningar som resultat av hårdsvarvning har undersökts. Detta arbete behandlar som bekant restspänningar som resultat av hårdfräsning men erfarenheter från svarvningen tas ändå upp här då paralleller till fräsningen i flera avseenden kan antas. Studie 5. I detta arbete undersöktes hur skärhastigheten vid svarvning påverkade restspänningsbilden i materialet. Även skärhastighetens påverkan på ytfinheten undersöktes. Skärhastigheten varierades från 5 m/min upp till 5 m/min. [16] Följande resultat erhölls: I alla försök ökade de negativa restspänningarna under ytan. Maximum erhölls mellan 1-2 µm under ytan. Maxvärdet varierade mellan -297 MPa (Vc=5 m/min) till -775MPa (Vc=237 m/min) Vid 1 µm djup visade alla försök på negativa restspänningar under -2 MPa Maximala negativa restspänningar erhölls vid Vc=23 m/min Bästa ytfinheten erhölls vid Vc=17 m/min (Rt=1,7 µm) och sämsta vid Vc=5 m/min (3,9 µm) Studie 6. Här undersöktes bland annat hur det axiella skärdjupet och matningen påverkar restspänningsbilden i materialet. Bearbetningsmetoden var svarvning och arbetsstycket var av AISI 521. [17] Följande resultat erhölls: Vid ökad matning förflyttas den punkt där restspänningarnas värde är högst längre in i materialet. Vid f=,1 m/varv erhölls max 15 µm under ytan, vid f=,5 m/varv erhölls max 2 µm under ytan. Möjligtvis på grund av att högre matning ger högre skärkrafter och mer plastisk deformation. Ökad matning ger högre negativa restspänningar. Ökat skärdjup påverkar restspänningsbilden i materialet minimalt. Detta på grund av att den axiella skärkraften påverkas mycket lite av ökat skärdjup. Den tangentiella skärkraften däremot ökar med ökat skärdjup men denna påverkar inte restspänningarna i betydande utsträckning. 15

20 Studie 7. I detta arbeta undersöktes hur utmattningslivslängden hos kullager påverkas av tillverkningsmetoden av ytterringarna. Till utseendet identiska lagersorters livslängd jämförs, den en sortens ytterring är slipad och honad (konventionell metod) medan den andra sorten ytterring är hårdsvarvad och honad. [18] Resultaten visade att L1 livslängden för de slipade lagren var 573 timmar. Samma livslängd för de hårdsvarvade lagren var hela 1154 timmar. Utmattningslivslängden är med andra ord ungefär den dubbla för de hårdsvarvade lagren i jämförelse med de slipade. Detta på grund av att hårdsvarvning ger mer negativa restspänningar i materialet än vad slipning gör. [18] 16

21 3 Metodik I följande avsnitt beskrivs utrustning, material och andra hjälpmedel som har använts under arbetets gång. 3.1 Material Två olika material har använts i testerna. Vanadis 4 Extra och Caldie, båda levererade av Uddeholm Tooling AB i Hagfors. Vanadis 4 Extra är ett pulvermetallurgiskt stål medan Caldie är ett stål framställt på traditionellt sätt via göt. Vid leverans var de härdade till 6.5 HRC. Stålen är krom-molybden-vanadin legerade verktygsstål. För kemisk sammansättning se tabellerna nedan. Tabell 2. Vanadis4Extra Riktanalys % C 1,5 Si 1, Mn,4 Cr 8, Mo 1,5 V 4, Tabell 3. Caldie Riktanalys C %,7 Si,2 Mn,5 Cr 5 Mo 2,3 V,5 Detaljernas geometri vid leverans kan ses nedan. Längden är 1mm och halvcylinderns diameter är 12mm. Figur 9. Visar detaljens geometri med utsatta mått i millimeter. Anledningen till att denna geometri valdes var för att den ger alla skärhastigheter som kan antas vid ett konstant varvtal. Detta på grund av att skärhastigheten är beroende av vilken del av verktyget som är i ingrepp, radien från verktygets centrum, och varvtalet, se formel nedan. Om bearbetning sker med nedersta spetsen på verktyget är avståndet från verktygscentrum i stort sett noll, vilket leder till att skärhastigheten är nästan noll. Om bearbetning däremot sker med yttre kanten på verktyget, det vill säga där radien från verktygscentrum är som störst, sker bearbetningen med den för varvtalet maximala skärhastigheten. Se figur 1 för skärhastigheter i olika punkter på detaljen. 17

22 D π n V c = 1 [ m / min ] där D = verktygsdiameter i mm och n = spindelvarvtal. Figur 1. Visar hur skärhastigheten varierar längs detaljens yta. Figur 11. Bild på en av detaljerna. 3.2 Försöksutrustning I följande avsnitt presenteras den utrustning som använts under arbetets gång Fräsverktyg Det verktyg som har använts i testerna är levererat från Sandvik Coromant. Det är en solid fullradiefräs av typ CoroMill Plura med 1mm diameter. Verktygsnummer: R AK11H 161. Figur 12. Bild på ett av de verktyg som använts under arbetet. Varje körning har gjorts med ett nytt verktyg inmonterat i fräsen, inget verktyg har återanvänts. För geometriska data över fräsverktyget se figur 13 nedan. Figur 13. Geometriska data över det fräsverktyg som använts i arbetet [19]. 18

23 3.2.2 Fräsmaskin All fräsning utfördes i verkstadslaboratoriet på Chalmers, Campus Lindholmen. Den maskin som användes var en 3-axlig CNC fräs av fabrikat Modig MD72. Styrsystem TNC 415P från Heidenheim användes för att utföra maskinens rörelser. Figur 14. Bild på den fräsmaskin som testerna utförts i, en Modig MD72. Styrsystemets möjligheter att lagra information var något begränsade, det fanns vid testtillfällena ungefär 3kb ledigt utrymme i styrsystemets lagringsenhet. Detta var inte tillräckligt med utrymme för att något av de NC-program som skulle användas skulle få plats. Det minsta av de använda programmen var på 11kb och det största på hela 45kb. Det som då fick göras var att använda en PC som lagringsenhet och från denna kontinuerligt buffra över det aktuella NC-programmet. För detta användes en till styrsystemet medföljande programvara. Figur 15. Bild som visar Modigs styrpanel till vänster och PC:n som användes som lagrings enhet till höger. För inspänning av verktygshållare används i maskinen ISO 4 kona. Som verktygshållare användes en hydrochuck (precisionschuck) från S.V.P. Detta för att säkerställa en så noggrann inspänning av verktyget som möjligt. För inspänning av detaljen i maskinen användes ett hydrauliskt skruvstycke som satt monterat i fräsbordet. 19

24 Figur 16. Bild som visar en i Modig inspänd detalj samt det inspända verktyget i hydrochucken. Se bilaga 4 för ytterligare specifikationer av Modig NC-program För bearbetningen av testdetaljerna krävdes ett antal NC-program. För generering av dessa användes programvaran ProEngineer WildFire 2.. Först konstruerades arbetsstycket, det vill säga den obearbetade detaljen. Efter det konstruerades den bearbetade detaljen. Detta gjordes med hjälp av ProEngineers CAD-programvara. När detaljerna var konstruerade användes CAM-modulen i ProE för att ta fram ett bearbetningskoncept. Det innebär att i programvaran specificera alla de ingående parametrarna i den tänkta bearbetningen, allt från maskintyp och verktygets dimensioner till skärdjup och matningshastigheter. En komplett beredning med andra ord. När alla ingående parametrar som styr bearbetningen är definierade kan bearbetningen utföras virtuellt på dataskärmen. Detta gör det möjligt att kontrollera att bearbetningen utförs på ett önskvärt sätt. Det sista steget vid beredningen är att postprocessera fram NC-koden, det vill säga översätta datorns ettor och nollor till ett kodspråk som NC-maskinen förstår. Alla NC-program som använts i detta examensarbete har tagits fram med hjälp av ProEngineer WildFire 2.. Programmen har, beroende på hur avancerad bearbetningen varit, blivit olika långa. Det kortaste programmet var på omkring 6 rader medan det längsta var hela 21 rader långt Utrustning för mätning av ytjämnhet För att mäta ytjämnheten på de bearbetade detaljerna användes ett optiskt mikroskop av typen Wyko optical profiler RST Plus tillverkat av Wyko Electric Corporation. Mikroskopet har tre objektiv 2.5x, 1x och 4x. I detta arbete har 1x objektivet använts. Mikroskopet är kopplat till en PC som har mjukvaran Wyko Vision for RST Plus v1.8 installerad. Denna mjukvara 2

25 gör det möjligt att grafiskt erhålla en bild av den uppmätta ytan på dataskärmen, i både två och tre dimensioner. Programmet behandlar signalerna från mikroskopet och beräknar storleken på de karaktäristiska ytjämnhetsparametrarna. Programmet gör det också möjligt att behandla resultatet från mätningarna på en mängd olika sätt, bland annat kan olika filterfunktioner ställas in för att mätningen skall spegla verkligheten i största möjliga utsträckning. Figur 17. Bild på Wyko. Figur 18. Bild på den optiska utrustningen för ytmätning. Avståndet mellan objektiv och mätyta ställs in så att maximalt antal reflektioner kan beskådas på den tillhörande svartvita Ikegami skärmen. Detta är ett viktigt moment för att erhålla en så korrekt bild av ytan som möjligt. Figur 19. Bild som till vänster visar Ikegami skärmen och till höger PC-skärmen med ett resultat i 3D. På grund av att detaljerna var för stora för att få plats i mätutrustningen så utfördes ytjämnhetsmätningar på så kallade replikor av ytan. Replikorna gjordes med en replikapistol från Microset som var laddad med en flytande tvåkomponents polymer som påfördes ytan där en mätning skulle göras. Efter ett par minuter hade polymeren stelnat till en gummibit som 21

26 kunde avlägsnas från ytan och placeras i mikroskopet, där mätningar nu kunde göras på replikan. Figur 2, Två replikor Efter en genomförd mätning återges resultatet som värden på de vanligen förekommande ytjämnhetsparametrarna det vill säga Ra, Rq, Rz och Rt Utrustning för mätning av restspänningar För att mäta restspänningarna i detaljerna användes röntgendiffraktions utrustning XSTRESS 3 tillverkad av STRESSTECH i Finland. Nedan följer en beskrivning av utrustningen. XSTRESS 3 XSTRESS 3 är en avancerad röntgendiffraktions utrustning som möjliggör konversion av röntgenstrålar direkt till elektriska signaler. Utrustningen består av föjlande: En Goniometer G2 (röntgenstråle - kanon, se figur 22) med dubbla detektorer som har psi-vinkelområde -45 till 45, rotation kring horisontalaxeln. Även 9 rotation kring vertikalaxeln möjlig. Hög precisions datorstyrda likströmsmotorer utför alla rörelser. Goniometern är upphängd i en tripod, se figur 2 nedan. XSTRESS 3 Centralenhet som består av en vattenkyld HV-generator med värmeväxlare som levererar 3 kv och 6,7 ma. Mjukvaran X3 som ger ett användarvänligt interface för styrning av utrustningen från en dator med operativsystem Windows 95 eller nyare. Kommunikation sker via RS232 porten. Figur 21. Bild som visar utrustningen för restspänningsmätningar. Till vänster tripoden med goniometer och till höger HV-generatorn. 22

27 Kalibrering av utrustningen Utrustningen måste kalibreras innan mätningar påbörjas. Kalibreringen görs med hjälp av spänningslösa provbitar som leverantören tillhandahåller. Provbitarna består av finkornigt metallpulver, se figur. Syftet med kalibreringen är att bestämma det avstånd mellan collimatorspetsen och ytan på provbiten som ger ett spänningslöst resultat. Detta avstånd används sedan vid alla mätningar på den bearbetade detaljen. Värden mellan 1-11 mm är typiska för en standard collimator. Efter kalibrering ligger testpunkten precis i centrum på goinometern. Tabell 4. Kalibreringsdata. Metallpulver som använts vid kalibrering α-fe (ferrit) Lattice spacing a nm Diffraktionsvinkel 2θ Strålnings typ CrKα Figur 22. Bild som visar goniometern och under denna en spänningslös provbit för kalibrering. Restspänningsprofil Röntgendiffraktionsutrustningen mäter restspänningarna precis på ytan. För att erhålla en restspänningsprofil, med spänningarna på givna avstånd ner i ytan, krävs att material avlägsnas till det djup där den aktuella mätningen skall ske. Materialavverkningen gjordes med hjälp av etsning, se senare avsnitt för beskrivning av metoden. När restspänningarna för de valda djupen hade mäts kunde restspänningsprofiler skapas, se figur

28 Test2_Topp Stress / MPa [index] / mm Test2_Topp_Stress_Phi:. Figur 23. Exempel på restspänningsprofil Etsningsutrustning För att kunna skapas en restspänningsprofil krävs att material etsas bort. Etsning är en metod som påverkar de inbyggda spänningarna minimalt. När restspänningar skall mätas under ytan, med röntgen, krävs att arean på det etsade hålet är större än collimatorns area. Detta på grund av att collimatorn vinklas kring horisontalaxeln (tiltas) vid mätningar. I detta fallet har en 2 mm collimator använts (w), vilket krävde att den etsade punktens diameter (D) skulle vara 3 mm. Djupet (d) begränsas till cirka 1mm vid användning av 2 mm collimator på grund av tiltvinkeln (Ψ) som i detta arbete genomgående har varit 45. Se figur 23. w D = 2 d tanψ + 2 cosψ Figur 24. Visar att det etsade hålet måste vara större än collimatorn. Etsningsförfarandet Etsningen gjordes med hjälp av elektrolyt och elektrisk ström under kontrollerade former, se figur 25 och 27. Denna metod medför varken mekaniska eller termiska påfrestningar på detaljen och påverkar därför inte de inbyggda restspänningarna. Strömstyrkan är direkt proportionell mot mängden avverkad metall per tidsenhet. Alltså kan hålets djup bestämmas som en funktion av tiden, förutsatt att strömstyrkan och håldiametern hålls konstanta. I detta fall användes en strömstyrka på,2 A, vilket gav en avverkning som motsvarade 1 µm per sekund vid 3 mm diameter. Varje hål kontrollmättes i efterhand för att få det exakta värdet. 24

29 Figur 25. Bild som visar etsutrustningen. Figur 26. Bild som visar den strömgivande enheten. Etsningsutrustningen bestod av en strömgivande enhet med sekundräknare, en cirkulationspump som såg till att det alltid fanns frisk elektrolyt mot ytan samt en behållare för elektrolytvätskan med uttag för katoden. Elektroden placerades direkt mot detaljen för att sluta kretsen. Som elektrolyt användes 3 mols NaCl-lösning, 88g NaCl till,5 l destillerat vatten. Figur 27. Visar pågående etsning. Figur 28. Detaljer som etsats, till vänster på toppen och till höger på sidan Utrustning för mätning av formavvikelser Detaljernas form mättes i en koordinatmätmaskin av typen CORDIMATIC 12 levererad av C.E Johansson AB. Maskinen var ansluten till en PC med programvaran JoWin V2.4 installerad. Med hjälp av programmet var det möjligt att utföra mätningar på detaljen med CAD ritningen som referens och på så vis kontrollera hur mycket detaljens mått avvek från de exakta måtten på ritningen. Varje detalj mättes vid leverans innan första bearbetning för att kontrollera formriktigheten. Varje detalj mättes också efter första körningen för att kontrollera om några formavvikelser uppstått efter bearbetningen, exempelvis på grund av olika skärkraftsförhållanden. Resultaten från mätningarna kan ses i bilaga 3. 25

30 Figur 29. Bild som visar koordinatmätmaskinen Utrustning för mätning av verktygsförslitning För att mäta verktygsförslitningen användes ett mikroskop av typ Nikon Optiphot-1 som utrustats med en digitalkamera så att bilder av de förstorade objekten kunde ses på en tillkopplad datorskärm. Kameran var av typ Sony Hyper HAD och programvaran Mätmodul från Bergströms AB användes för att göra mätningar på bilderna. Praktiskt gick det till så att i programvaran valdes det objektiv som användes vid fokusering i mikroskopet. När en bra bild av objektet syntes på dataskärmen frystes denna och mätningar kunde utföras genom att klicka med muspekaren på de punkter mellan vilka avståndet önskades. Programvaran beräknade då det verkliga avståndet mellan punkterna med utgångspunkt från det valda objektivet. I detta arbete användes ett objektiv med 5x förstoring. Figur 3. Bild som visar mätpunkter på en skäregg. Figur 31. Bild på mikroskopet. 3.3 Modde 7 Som hjälpmedel vid den statistiska försöksplaneringen användes mjukvaran Modde 7, framtagen av Umetrics i Umeå. Programvaran har flera användningsområden. Den kan bland annat användas för att ta fram testplaner och som analysverktyg av testresultat. I programmet deklarerar användaren alla de ingående faktorerna samt nivåerna på dessa. Modde 7 ger då förslag på användbara testplaner och försöksdesign. Även de olika resultatvariablerna deklareras och när testerna är genomförda skriver användaren in resultatet för varje variabel. När alla tester är genomförda och alla resultatvärden införda kan Modde 7 användas för att ta fram effekterna av de ingående faktorerna samt andra användbara analytiska resultat. 26

31 4 Genomförande av experiment I detta avsnitt beskrivs hur testerna praktiskt utfördes. 4.1 Testplan Med hjälp av Modde 7 upprättades en testplan. Den testplan som beskrivs nedan gäller för de åtta första testerna. Dessa åtta tester kommer att gå under benämningen grundtester. När resultaten från dessa tester är analyserade kommer ytterligare tester att genomföras, kallade sluttester. Faktorer De ingående faktorerna som varierades var material, kylning, riktning samt arbetssätt. Faktorn riktning syftar till bearbetningsriktning, antingen längsgående (rakt) eller tvärgående (kurva) på detaljen. För tydligare förklaring se bilderna under avsnitt 4.2. Faktorn arbetssätt innebär antingen medfräsning eller motfräsning. Faktorn kylning innebär att traditionell fullflödes kylning har använts eller inte använts. Faktorerna valdes i enighet med uppdragsgivaren Uddeholm Tooling AB som hade önskemål om vilka faktorer som vore intressanta att undersöka. Tabell 5. Faktorer och nivåer i testerna. Faktorer Nivå 1 Nivå 2 Material Caldie Vanadis4Extra Kylning Av På Riktning Rakt Kurva Arbetssätt Medfräsning Motfräsning Testplanen resulterar i fyra faktorer på två nivåer. För ett fullfaktorförsök skulle detta innebära 2 4 =16 tester. Men på grund av begränsningar i maskintid samt material, endast två detaljer av varje material, så beslutades att göra ett reducerat faktorförsök, =8 tester, istället. Försöksdesignen som genererades med hjälp av Modde 7 kan ses nedan. Försöksordningen är randomiserad. Tabell 6. Testplan för grundtester. Testnummer Material Riktning Arbetssätt Kylning Test1 Caldie Rakt Medfräsning På Test2 Vanadis4E Rakt Medfräsning Av Test3 Vanadis4E Kurva Motfräsning Av Test4 Caldie Kurva Motfräsning På Test5 Vanadis4E Kurva Medfräsning På Test6 Caldie Kurva Medfräsning Av Test7 Caldie Rakt Motfräsning Av Test8 Vanadis4E Rakt Motfräsning På 27

32 Responser De resultat som var intressanta att granska var ytfinhet och restspänningar på den bearbetade detaljen. Även verktygsförslitningen efter genomförd bearbetning kontrollerades. Mätningar gjordes på flera ställen på detaljen i och med att bearbetningsförhållandena varierar längs detaljens geometri. Ytjämnhetsmätningar gjordes på sju olika punkter längs detaljens yta för att erhålla resultat från olika skärhastigheter och bearbetningsförhållanden. Restspänningsmätningar gjordes på tre punkter på ytan, en på toppen, en på uppvägen och en på nervägen för att undersöka hur detta påverkar restspänningarna. Se figur 32 och 33 för de olika punkterna längs ytan. Figur 32. Visar mätpunkter för ytjämnhetsmätningar med utsatta skärhastigheter. Figur 33. Visar punkter där etsning utförts. Responser från ytjämnhetsmätningarna är ytjämnhetsvärden för Ra, Rq, Rz och Rt från de sju olika punkterna på ytan som visas i figur 31 ovan. Responser från restspänningsmätningarna är spänningarna i de tre punkter som visas i figur 32 ovan. Konstanta parametrar Se tabell 7 för de ingående skärparametrar som hölls konstanta under genomförandet av alla grundtester. Tabell 7. Parametrar som hålls konstanta under grundtesterna. Parameter Värde Varvtal (n) 6366 rpm Tandmatning (f z ),15 mm Antal skäreggar (z) 2 Matning (f) 191 mm/min Axiellt skärdjup (a p ),2 mm Skärbredd (Radiellt skärdjup = a e ),15 mm Värdet på de konstanta parametrarna fastställdes efter genomgång av tidigare erfarenheter samt efter rekommendationer från Uddeholm Tooling AB och Sandvik Coromant AB. Vid beräkning av spindelvarvtal var utgångspunkten att maximal skärhastighet skulle vara 2m/min. Detta resulterade i ett varvtal på 6366rpm enligt beräkningen nedan. 28

33 V c = 1 π n = n = = 6366rpm 1 1 π När varvtal (n), tandmatning (f z ) och antal skäreggar (z n ) var kända kunde matningshastigheten beräknas enligt följande: V f = f z n zn =, = 191mm / min De olika skärhastigheterna i de punkter där ytjämnhetsmätningar utfördes beräknades med utgångspunkt från att det var en vinkel på 3 mellan de olika punkterna. De sju punkterna var alltså jämt fördelade över den 18 vida cirkelbågen. Den maximala skärhastigheten var ju som sagt 2m/min, detta inträffar vid och 18, det vill säga då cosinus för vinkeln mellan verktyg och detalj är 1. För att beräkna de andra skärhastigheterna användes Formel (1) men med radien minskad på grund av rådande vinkel mellan verktyg och arbetsstycke. För beräkning vid 3 respektive 6 vinkel se formlerna nedan. D är verktygets diameter. ( D cos3) n π ( 1 cos3) π 6366 V c ( 3) = = = 173,2m / min 1 1 ( D cos6) n π ( 1 cos6) π 6366 V c ( 6 ) = = = 1m / min 1 1 Vid 9 vinkel, det vill säga på toppen av detaljen, är effektiv diameter D=mm på grund av att verktyget är i ingrepp med spetsen. Om D=mm ger detta att V c =m/min. Skärhastigheten på yttersta spetsen av verktyget är alltså noll. ( D cos9) n π ( 1 cos9) π 6366 V c ( 9) = = = m / min 1 1 För att vara säker på att varje mätning gjordes i just den punkt som motsvarade den aktuella hastigheten samt för att säkerställa att mätningarna utfördes på samma ställe på varje detalj tillverkades en mall för mätpunkterna. Denna mall bestod av en 5mm bred plåtremsa som bockades till för att passa på detaljernas yta. I plåten borrades hål med ett inbördes avstånd som motsvarade de tidigare beräknade skärhastigheterna när plåten placeras på detaljen. I hålen togs sedan replikorna av ytan som beskrivs i avsnitt Avståndet mellan hålen beräknades till 31,42 mm det vill säga båglängden B dividerad med antalet mellanrum, vilka är ett mindre än antalet hål, alltså 6 stycken. Se figur 34 nedan för en detalj där mallen placerats på. π D π 12 B = = = 188, 5mm 2 2 där D i detta fallet är detaljens diameter. B 188,5 Hålavstånd = = = 31, 42mm

34 Figur 34. Bild på detalj med mall för mätpunkter. Med hjälp av de valda parametrarna är det möjligt att beräkna ett teoretiskt Ra-värde för detaljernas yta enligt ekvation 6. R ae 1,15 a = = =,14 µ 32 rε 32 5 m 4.2 Fräsning Totalt enligt testplanen för grundtesterna gjordes alltså åtta (8) tester. Något som skiljde de olika testerna åt var hur detaljen bearbetades, riktning samt arbetssätt. För att ge en klarare bild av hur de olika bearbetningarna utfördes kommer nedan ett antal förklarande bilder. De gröna punkterna är startpunkter och de röda är slutpunkter. Pilarna visar matningsriktningen. På tillbakavägen går verktyget i luften, det sker alltså bara bearbetning åt ett håll. Bilderna visar detaljen uppifrån och den välvda ytan går från höger till vänster i bilden. Alltså som att detaljen i figur 1 fälls rakt mot läsaren så att tvärsnittet hamnar nedåt. Blockpilen runt startpunkten visar verktygets rotationsriktning. Test1 Material: Arbetssätt: Riktning: Kylning: Caldie Medfräsning Rakt På Figur 35. Bearbetning Test1 Test2 Material: Arbetssätt: Riktning: Kylning: Vanadis4extra Medfräsning Rakt Av Figur 36. Bearbetning Test 2 3

35 Test3 Material: Arbetssätt: Riktning: Kylning: Vanadis4Extra Motfräsning Kurva Av Figur 37. Bearbetning Test3 Test4 Material: Arbetssätt: Riktning: Kylning: Caldie Motfräsning Kurva På Figur 38. Bearbetning Test4 Test5 Material: Arbetssätt: Riktning: Kylning: Vanadis4Extra Medfräsning Kurva På Figur 39. Bearbetning Test5 Test6 Material: Arbetssätt: Riktning: Kylning: Caldie Medfräsning Kurva Av Figur 4. Bearbetning Test6 31

36 Test7 Material: Arbetssätt: Riktning: Kylning: Caldie Motfräsning Rakt Av Figur 41. Bearbetning Test7 Test8 Material: Arbetssätt: Riktning: Kylning: Vanadis4Extra Motfräsning Rakt På Figur 42. Bearbetning Test8 32

37 5 Resultat I detta avsnitt kommer de mest betydelsefulla resultaten att presenteras. Resultaten är uppdelade i två avsnitt, grundtestresultat och slutresultat. Grundtestresultaten är resultaten från de första åtta (8) körningarna. Dessa resultat låg till grund för de fortsatta testernas genomförande, för att i dessa försöka erhålla så optimerade ytor som möjligt på detaljen. 5.1 Resultat grundtest Här presenteras resultaten från grundtestet, det vill säga de första åtta körningarna. Ingreppstiden (T C ), det vill säga den tid som verktyget är i skärande ingrepp, är samma för alla de första åtta testerna. I beräkningarna nedan så är l m =den totala längden verktyget rör sig i ingrepp. Denna är beroende av detaljens längd (L) och diameter (D) samt hur stor skärbredden (a e ) är. l π D L = 2 a π 12 1 = = , 7 m e 2,15 T C l = V m f ,7 = = ,8min mm Ingreppstiden för de första åtta testerna är alltså 1h 5min 48sek Ytjämnhet Ytjämnheten hos detaljerna mättes på sju olika punkter längs detaljens yta. Dessa punkter valdes för att representera bearbetning vid olika skärhastigheter. Aktuella skärhastigheter i detta fallet är 2, 17, 1 samt m/min. Skärhastigheterna finns representerade på båda sidor om detaljens krökta yta för att ge svar på om det gör någon skillnad att bearbetningen sker uppåt respektive nedåt. De ytjämnhetsparametrar som mättes var Ra, Rq, Rz samt Rt. Figur 43. Visar de punkter på detaljen där ytjämnhetsmätningar utförts med utsatta skärhastigheter. Erhållna mätvärden från ytjämnhetsmätningarna finns sammanställda i tabellerna nedan. Varje värde som presenteras här, utom de i sista kolonnen, är ett medelvärde baserat på minst tre mätningar i varje punkt. Värdena i Ra-bäst kolonnen är dock inga medelvärden utan de bästa Ra-värdena från varje körning. 33

38 Tabell 8. Ra-värden från mätningarna i Wyco (nm) Testnummer Ra2u Ra17u Ra1u Ra Ra1n Ra17n Ra2n RaBäst Test Test Test Test Test Test Test Test Tabell 9. Rq-värden från mätningarna i Wyco (nm) Testnummer Rq2u Rq17u Rq1u Rq Rq1n Rq17n Rq2n Test Test Test Test Test Test Test Test Tabell 1. Rz-värden från mätningarna i Wyco (nm) Testnummer Rq2u Rq17u Rq1u Rq Rq1n Rq17n Rq2n Test Test Test Test Test Test Test Test Tabell 11. Rt-värden från mätningarna i Wyco (nm) Testnummer Rq2u Rq17u Rq1u Rq Rq1n Rq17n Rq2n Test Test Test Test Test Test Test Test

39 2, 17, 1 och som står i den översta raden i tabellerna motsvarar skärhastigheten i respektive mätpunkt. U och n som står efter hastigheten är index för om bearbetningen sker uppåt eller nedåt längs ytan, dvs. om verktyget släpar eller plogar. Dessa värden användes sedan som indata till resultatvariablerna i Modde7. Resultaten från utvärderingen med hjälp av Modde 7 presenteras i följande figurer. Varje figur visar resultaten från en punkt längs ytan med början i punkt Ra2u och slut i punkt Ra2n. Ra-plottar De följande sju första plottarna visar faktorernas påverkan på ytans Ra-värde. Scaled & Centered Coefficients for Ra2u (Extended) 1 nm -1 Rik(Rakt) Rik(Kurva) Arb(Medfräsning) Arb(Motfräsning) Mat(Caldie) Mat(Vanadis4E) Figur 44. Faktorer som påverkar ytans Ra-värde i punkten 2u Resultaten från punkt Ra2u visar att det som här bidrar till den bästa ytan är motfräsning, rak bearbetningsriktning och detta i Vanadis4E materialet. Att motfräsning ger den bästa ytan är något som är unikt för denna punkt. I alla andra punkter har medfräsning en mer positiv inverkan på ytfinheten (se följande resultat). En förklaring till detta skulle kunna vara att verktyget alltid är oförslitet i denna punkt och att detta påverkar skärkraftbilden positivt vid motfräsning. Att rak bearbetningsriktning och Vanadis4E påverkar ytan positivt är resultat som återkommer i de flesta av de följande figurerna. 35

40 Scaled & Centered Coefficients for Ra17u (Extended) 1 5 nm -5-1 Rik(Rakt) Rik(Kurva) Arb(Medfräsning) Arb(Motfräsning) Mat(Caldie) Mat(Vanadis4E) Figur 45. Faktorer som påverkar ytans Ra-värde i punkten 17u. Resultaten för denna punkt kan sägas vara standard resultat. Rakt är bättre än kurva, medfräsning bättre än motfräsning och Vanadis4E bättre än Caldie. Scaled & Centered Coefficients for Ra1u (Extended) 2 1 nm -1-2 Rik(Rakt) Rik(Kurva) Arb(Medfräsning) Arb(Motfräsning) Mat(Caldie) Mat(Vanadis4E) Kyl(På) Kyl(Av) Figur 46. Faktorer som påverkar ytans Ra-värde i punkten 1u. Resultaten från denna punkt är det svårt att säga något med säkerhet om. Detta på grund av att konfidensintervallen ligger mitt över nollsträcket i diagrammet och utslagen från faktorerna är så små. Möjligtvis finns små tendenser att rakt är bättre än kurva och att Vanadis4E är bättre än Caldie men de andra faktorernas inverkan är liten och oklar. 36

41 Scaled & Centered Coefficients for Ra (Extended) nm Rik(Rakt) Rik(Kurva) Arb(Medfräsning) Arb(Motfräsning) Mat(Caldie) Mat(Vanadis4E) Figur 47. Faktorer som påverkar ytans Ra-värde i punkten. I denna punkt, toppunkten, är bearbetningsförhållandena speciella. Skärhastigheten är nästintill noll och fräsgeometrin ger inte optimal spåntransport. Detta verkar gynna ytan i Caldie materialet, förmodligen på grund av att det är ett något mjukare material. Beträffande bearbetningsriktning så känns resultatet igen med bättre yta vid raka vägar. Scaled & Centered Coefficients for Ra1n (Extended) nm Rik(Rakt) Rik(Kurva) Arb(Medfräsning) Figur 48. Faktorer som påverkar ytans Ra-värde i punkten 1n. Arb(Motfräsning) Mat(Caldie) I denna punkt återkommer de generellt sett vanligaste resultaten. Rak bearbetningsriktning har störst positiv inverkan på ytjämnheten. Tendensen hos de andra faktorerna är att medfräsning, Vanadis4E och ingen kylning ger de bästa ytorna. Mat(Vanadis4E) Kyl(På) Kyl(Av) 37

42 Scaled & Centered Coefficients for Ra17n (Extended) 4 3 nm Rik(Rakt) Rik(Kurva) Arb(Medfräsning) Arb(Motfräsning) Mat(Caldie) Mat(Vanadis4E) Kyl(På) Kyl(Av) Figur 49. Faktorer som påverkar ytans Ra-värde i punkten 17n. Resultaten från denna punkt följer trenden från tidigare punkter. Dock har kylning viss positiv inverkan men i mycket liten utsträckning. Scaled & Centered Coefficients for Ra2n (Extended) 2 1 nm -1-2 Rik(Rakt) Rik(Kurva) Arb(Medfräsning) Arb(Motfräsning) Mat(Caldie) Mat(Vanadis4E) Figur 5. Faktorer som påverkar ytans Ra-värde i punkten 2n. Även i denna punkt känns resultaten igen från tidigare punkters resultat. Rakt, medfräsning och Vanadis4E bidrar till bättre yta. Rq, Rz och Rt-plottar När det gäller resultaten från Ra-värdesmätningarna så gav dessa en relativt klar och säker bild av vilka faktorer som påverkade resultatet i varje punkt. Utvärderingarna i Modde7 svarade för statistiskt säkerställda resultat i dessa punkter. Dock var så inte fallet när det gällde resultaten från Rq, Rz och Rt-värdesmätningarna. I dessa fall var det endast i vissa punkter längs ytan som Modde7 kunde ge statistiskt säkerställda utvärderingsresultat. Dessa punkter presenteras nedan medan de punkter som inte gav säkra resultat uteblir. 38

43 Scaled & Centered Coefficients for Rq1n (Extended) nm Rik(Rakt) Rik(Kurva) Arb(Medfräsning) Arb(Motfräsning) Figur 51. Faktorer som påverkar ytans Rq-värde i punkten 1n. Scaled & Centered Coefficients for Rq17n (Extended) Mat(Caldie) Mat(Vanadis4E) nm Rik(Rakt) Rik(Kurva) Arb(Medfräsning) Arb(Motfräsning) Mat(Caldie) Mat(Vanadis4E) Figur 52. Faktorer som påverkar ytans Rq-värde i punkten 17n. Scaled & Centered Coefficients for Rt2u (Extended) 2 1 nm -1-2 R ik (R ak t) R ik (Kurv a) Arb(Medfräsning) Arb(Motfräsning) Mat(C aldie) Mat(Vanadis 4E) 39

44 Figur 53. Faktorer som påverkar ytans Rt-värde i punkten 2u. Scaled & Centered Coefficients for Rt17n (Extended) Rik(Rak t) Rik(Kurva) Arb(Medfräsning) nm Arb(Motfräsning) Kyl(På) Ky l(av) Figur 54. Faktorer som påverkar ytans Rt-värde i punkten 17n. Scaled & Centered Coefficients for Rz2u (Extended) nm R ik (R akt) Rik (Kurv a) Mat(C aldie) M at(vanadis4e) Figur 55. Faktorer som påverkar ytans Rz-värde i punkten 2u. K y l(p å) Ky l(av ) 4

45 Scaled & Centered Coefficients for Rz1n (Extended) 2 1 nm -1-2 Rik(Rakt) Rik (Kurva) Arb(Medfräs ning) Arb(Motfräs ning) Mat(Caldie) Mat(Vanadis4E) Figur 56. Faktorer som påverkar ytans Rz-värde i punkten 1u. Scaled & Centered Coefficients for Rz17n (Extended) nm Rik(R ak t) Rik (Kurv a) Arb(Medfr äs ning) Arb(Motfr äs ning) Figur 57. Faktorer som påverkar ytans Rz-värde i punkten 17n. Ky l(på) Ky l(av) Utvärderingen av Rq, Rz och Rt-mätvärdena pekar på precis samma resultat som den som gjordes på Ra-mätvärdena tidigare. Det vill säga att det som framförallt påverkar ytan positivt är att bearbetningsriktningen är rak, att medfräsning används samt att bearbetningen görs i Vanadis4Extra materialet. Hur faktorn kylning påverkar är även här mycket osäkert. Skärhastighetens påverkan på Ra-värdet För att undersöka hur skärhastigheten påverkar ytan beräknades medelvärdet av alla Ravärden i varje mätpunkt. Dessa värden jämfördes sedan gentemot varandra för att se om hastigheten hade någon påverkan. Tabell 12. Ra-medelvärdet för varje hastighet kan ses i tabellen nedan (nm). Hastighet Ra2u Ra17u Ra1u Ra Ra1n Ra17n Ra2n Medelvärde ,

46 12 1 Ra-medelvärde (nm) Mätpunkt Figur 58. Diagram som visar Ra-medelvärdet i varje mätpunkt. Tabell 12 och figur 58 visar att det bästa medelvärdena erhålls vid de punkter där skärhastigheten är som högst. Det är ingen dramatisk skillnad mellan Vc=2m/min och Vc=1m/min men tendensen verkar ändå vara att lägre hastighet ger något sämre resultat. Dock måste hänsyn tas till att olika delar av fräsverktyget används vid de olika punkterna längs ytan. Detta medför att fräsgeometrin skiljer sig åt i de olika punkterna och att även skärkraftsbilden ser olika ut i de olika punkterna längs ytan. Viss osäkerhet i resultatet infinner sig därav. Något som med säkerhet kan sägas är att den sämsta ytan erhålls när skärhastigheten är som lägst. Detta beror på att fräsens geometri på spetsen inte ger speciellt goda förutsättningar för spåntransport samtidigt som den låga skärhastigheten bidrar till att bearbetningen blir mer smetande än skärande. Materialet trycks bara undan istället för att skäras loss Ytans tvärsnitts profil Som nämnts tidigare så gjordes ytjämnhetsmätningar på detaljerna med hjälp av Wyko mikroskopet. I varje punk, på varje detalj, efter varje körning togs minst tre bilder. Med andra ord finns det en så stor mängd bilder att alla inte kan presenteras i detta arbete men ett antal karaktäristiska bilder för varje mätpunkt finns presenterade i bilaga Restspänningar Mätningar av restspänningar i de bearbetade detaljerna gjordes på tre ställen längs detaljens yta, på toppen av detaljen samt en punkt på vardera sidan om detaljens krökning. Detta för att undersöka om bearbetning uppåt respektive nedåt ger olika restspänningsprofiler. Se figur 59 för illustration av mätställena. 42

47 Figur 59. Detalj med etspunkter Figur 6. Detaljer som etsats, till vänster på toppen och till höger på sidan. För varje mätställe skapades en restspänningsprofil. Se alla restspänningsprofiler i figurerna nedan eller i bilaga 1. Test1 Test Stress / MPa Stress / MPa Test1_Ner_Stress_Phi:. Test1_Upp_Stress_Phi:. Test1_Topp_Stress_Phi:. mm Test2_Upp_Stress_Phi:. Test2_Ner_Stress_Phi:. Test2_Topp_Stress_Phi:. mm Stress / MPa Test3_Upp_Stress_Phi:. Test3_Ner_Stress_Phi:. Test3_Topp_Stress_Phi:. Test3 mm Stress / MPa Test4_Upp_Stress_Phi:. Test4_Ner_Stress_Phi:. Test4_Topp_Stress_Phi:. Test m m 43

48 Stress / MPa Test Test5_Upp_Stress_Phi:. Test5_Ner_Stress_Phi:. Test5_Topp_Stress_Phi:. mm Stress / MPa Test6_Ner_Stress_Phi:. Test6_Upp_Stress_Phi:. Test6_Topp_Stress_Phi:. Test mm Test7 Test Stress / MPa Stress / MPa Test7_Upp_Stress_Phi:. Test7_Ner_Stress_Phi:. Test7_Topp_Stress_Phi:. mm Figur 61. Restspänningsprofiler från grundtesterna Test8_Upp_Stress_Phi:. Test8_Ner_Stress_Phi:. Test8_Topp_Stress_Phi:. mm Ett önskvärt resultat som erhölls var att alla tester genererade tryckrestspänningar i ytan på detaljen. I de flesta testerna var det också i ytan som tryckrestspänningarna antog sitt maximala värde, endast 3 av 24 tester skiljer sig från detta. I dessa tester erhölls maximala restspänningar ca:15-2µm under ytan. Tryckrestspänningarna avtar med ökande djup under ytan. Tabell 13 visar de maximala tryckrestspänningarna som uppmättes i varje test. Tabell 13. Mätvärden från restspänningsmätningar (MPa) Testnummer Upp Topp Ner Test Test Test Test Test Test Test Test Dessa värden användes sedan som indata till resultatvariabler i Modde 7 för att analysera vilka av de ingående faktorerna som hade störst påverkan på resultatet. Något att tänka på när graferna granskas är att tryckrestspänningar har negativt tecken och därmed bidrar ett negativt 44

49 resultat till högre tryckrestspäningar. I figur 62 nedan bidrar alltså kurva, Vanadis 4E och kylning på till att höja restspänningarna i ytan. Scaled & Centered Coefficients for Stress_Upp (Extended) MPa Rik(Rakt) Rik(Kurva) Mat(Caldie) Mat(Vanadis4E) Kyl(På) Kyl(Av) Figur 62. Faktorer som påverkar restspänningarna i punkten Upp. Resultaten från punkt 1 visar att bearbetningsriktning kurva bidrar till högre tryckrestspänningar. Även användandet av kylning bidar till högre tryckrestspänningar i materialet och det är i Vanadis 4E materialet som de största restspänningarna byggs in. Scaled & Centered Coefficients for Stress_Topp (Extended) MPa Rik(Rakt) Rik(Kurva) Mat(Caldie) Mat(Vanadis4E) Kyl(På) Kyl(Av) Figur 63. Faktorer som påverkar restspänningarna i punkten Topp. På toppen ses samma resultat som i första punkten. Dock har bearbetningsriktningen en mindre och mer osäker påverkan på resultatet här medan de andra två faktorernas påverkan kan sägas ha förstärkts och blivit tydligare. Vanadis4E ger högre tryckrestspänningar och lika så användning av kylning. 45

50 Scaled & Centered Coefficients for Stress_Ner (Extended) MPa Rik(Rakt) Rik(Kurva) Mat(Caldie) Mat(Vanadis4E) Kyl(På) Kyl(Av) Figur 64. Faktorer som påverkar restspänningarna i punkten Ner. I den sista punkten känns resultaten beträffande material och kylning igen från de två tidigare punkterna. När det gäller bearbetningsriktning så är påverkan, precis som i punkten på toppen, liten och osäker. Det går inte att säga om rak eller kurva är det som ger högst tryckrestspänningar Verktygsförslitning Verktygens fasförslitning mättes efter varje fullständigt genomförd körning. Det gjordes alltså inga avbrott i bearbetningen. Mätningarna gjordes på den del av skäret som var mest slitet. Detta var på toppen (spetsen) av fräsen i alla test utan ett, Test4, där det hade gått en flis på sidan av fräsen. Tabell 14. Mätvärden verktygsförslitning (µm) Test1 94,464 Test2 29,52 Test3 24,6 Test4 36,9 Test5 67,343 Test6 14,76 Test7 15,99 Test8 116,6 Tester utan kylning är test 2, 3, 6 och 7. De andra fyra testerna har utförts med kylning. Det verkar uppenbart att kylningen i dessa försök har påverkat verktygsförslitningen negativt och gett större förslitning. Medelvärdet av verktygsförslitningen för testerna utan kylning är 21,22 µm. Motsvarande värde för testerna med kylning är 78,8 µm, det vill säga nästan fyra gånger mer verktygsförslitning har ägt rum i dessa tester. Den största förslitningen som uppmättes var 116,6 µm och den minsta 14,76 µm. Skillnaden mellan största och minsta verktygsförslitning är alltså hela 12µm det vill säga nästan åtta (8) gånger så stor. 46

51 Resultaten från mätningarna användes för att göra en utvärdering med hjälp av Modde 7. Scaled & Centered Coefficients for Wear (Extended) 4 micrometers Rik(Rakt) Rik(Kurva) Mat(Caldie) Mat(Vanadis4E) Kyl(På) Figur 65. Faktorer som påverkar verktygsförslitningen. Kyl(Av) Modde 7 bekräftar att den faktor som har störst inverkan på verktygsförslitningen är kylningen. En betydligt längre livslängd uppnås alltså om körningen görs utan kylning. Detta är ett resultat som med största sannolikhet påverkat ytjämnhetsresultaten och bidragit till osäkerheten beträffande de valda faktorernas inverkan på ytfinheten. Test1 Test2 Test3 Test4 47

52 Test5 Test6 Test7 Test8 Figur 66. Bilder på verktygsspetsarna tagna i mikroskopet. 5.2 Slutsatser - Grundtest Det går att dra ett antal slutsatser ur resultaten som presenterats tidigare. Dessa slutsatser ligger till grund för valet av bearbetningsmetod, parameter val, etc. vid de i sluttestet genomförda körningarna Ytjämnhet Av de fyra ingående faktorerna som har varierats under testernas genomförande är det en faktor som konsekvent har bidragit positivt till finare yta. Den faktorn är rak bearbetningsriktning, det vill säga att varje ingrepp i detaljen görs rakt i längsgående riktning. Rak bearbetningsriktning är alltså något som alltid bör användas. Beträffande faktorn Kylning (på/av) kan ingen tydlig och säker påverkan på ytfinheten fastställas. Denna faktor verkar ha liten inverkan på ytfinheten samtidigt som inverkan varierar från positiv till negativ mellan olika tester. Det är därför svårt att med ytjämnhetsmätningarna som grund säga vilken inställning på denna faktor som är bäst att göra. Dock har det visat sig att kylning bidrar till kraftigt ökat verktygsslitage jämfört med torr bearbetning och därför bör kylning undvikas. Tendensen för faktorn Arbetssätt (med-/motfräsning) är att medfräsning i de flesta fall bidrar positivt till ytfinheten. I alla tester utan Test4 (Vc=) så bidrar Vanadis4E materialet till bättre ytfinhet. Det test som gav det totalt sett bästa Ra-värdet var Test2. Detta test genomfördes med rak bearbetningsriktning, medfräsning samt utan kylning i Vanadis4E. 48

53 5.2.2 Restspänningar När det gäller restspänningar så är det tydligt att det i Vanadis4E byggs in högre tryckrestspänningar än i Caldie materialet. Detta beror förmodligen på att Vanadis4E materialet är ett lite hårdare material med en högre sträckgräns. Det är också tydligt att kylning bidrar till högre tryckrestspänningar. Faktorerna Arbetssätt och Riktning verkar inte ha någon större inverkan på restspänningsbilden i materialen. Det test som gav de högsta tryckrestspänningarna var Test5. Detta test kördes med kylning i Vanadis4E materialet Verktygsförslitning Den faktor som i absolut störst utsträckning påverkar verktygsförslitningen är kylningen. Om bearbetningen sker med kylning orsakar detta i genomsnitt fyra gånger större verktygsförslitning än om bearbetningen hade gjorts utan någon kylning. Att kylning kan orsaka ökad verktygsförslitning är sedan tidigare känt och varför det är så beskrivs i avsnitt Kylning bör därför undvikas vid bearbetning med de verktyg och material som använts i detta arbete. 5.3 Sluttester Med de tidigare resultaten som utgångspunkt anses de parametrar som skall användas i sluttesterna vara raka bearbetningsvägar, medfräsning och ingen kylning. Dessutom kommer alla testerna att utföras i Vanadis 4 Extra materialet. De parametrar som hålls konstanta under sluttesterna kan ses i tabell 15 nedan. Tabell 15. Konstanta parametrar vid sluttesterna. Parameter Inställning Material Vanadis 4 Extra Arbetssätt Medfräsning Riktning Rak Kylning Av Skärdjup (a p ),2 mm Antal skäreggar (z) 2 De parametrar som anses intressanta att variera är skärbredd (a e ), tandmatning (f z ) och spindelvarvtal (n). Skärbredden är intressant att undersöka på grund av att en minskad skärbredd teoretiskt sett bidrar till bättre ytor. Det är även intressant att se om det är möjligt att minska tandmatningen i samma utsträckning som skärbredden. Om skärbredden och tandmatningen hålls lika erhålls en symmetrisk yta som är lättpolerad och som har god bärighet. Men en minskad tandmatning bidrar också till ökade bearbetningstider så det kan vara intressant att undersöka denna parameters inverkan på resultatet. En allt för liten tandmatning gör att spåntjockleken blir för liten och att vibrationer uppstår vilket leder till sämre ytor. 49

54 Enligt tidigare resultat så verkar det som att en ökad skärhastighet bidrar till något bättre ytor. Om spindelvarvtalet ökas så ökar också den maximala skärhastigheten. Det kan vara intressant att undersöka hur det påverkar resultaten. Ett ökat spindelvarvtal bidrar också till ökade matningshastigheter vilket i sin tur leder till kortare bearbetningstider. Kan ett likvärdigt eller bättre resultat uppnås med en högre skärhastighet är detta givetvis att föredra framför ett långsammare alternativ, speciellt ur produktionsekonomisk synvinkel. Det teoretiska Ra-värdet skall enligt beräkningar med de nya parameterinställningarna minska från.14µm till.625µm Test 9 I detta test minskas skärbredd och tandmatning till,1 mm medan maximala skärhastigheten hålls på samma nivå som i grundtesterna, 2 m/min. Tabell 16. Parameterinställningar vid Test9 Parameter Max skärhastighet (V c ) Skärbredd (a e ) Tandmatning (f z ) Spindelvarvtal (n) Matningshastighet (V f ) Inställning 2 m/min Minskas från,15 till,1mm Minskas från,15 till,1mm 6366 rpm 1273 mm/min På grund av minskningen i skärbredd och matningshastighet så förlängs ingreppstiden från 65,8 minuter till 148 minuter Resultat Test 9 Här presenteras resultaten från det nionde testet. Ytjämnhet I tabell 17 nedan redovisas resultatet från Ra-värdes mätningarna på Test9. Tabell 17. Ra-värden från Test9 Hastighet Ra2u Ra17u Ra1u Ra Ra1n Ra17n Ra2n Mätvärde 349, ,5 41 För att undersöka hur ändringen av skärbredd och tandmatning påverkar resultatet görs en jämförelse med Test2 från grundtestet. Genomförandet av de två testen är identiskt frånsett skärbredden och tandmatningen som är,15mm i Test2. Tabell 18. Ra-värden från Test2 Hastighet Ra2u Ra17u Ra1u Ra Ra1n Ra17n Ra2n Mätvärde

55 Ra-värde (nm) 8 6 Test2 Test Punkt Figur 67. Jämförelse mellan Ra-värdena från Test9 och Test2. Vid en granskning av jämförelsen mellan de två testerna så kan det konstateras att ytorna inte skiljer sig speciellt mycket från varandra trots att Test9 teoretiskt sett skall ge en bättre yta. En förklaring till detta kan vara att det uppstod lättare vibrationer under bearbetningen av Test9. Dessa vibrationer hördes tydligast från toppen och ett antal centimeter ner mot slutet av detaljen. Det är också här som ytan hos Test9 är sämre än hos Test2, vid punkt 4 och 5. Att vibrationerna uppstod beror förmodligen på att tandmatningen minskats för mycket och att spånan då blivit för tunn. Det är också så att ökningen i bearbetningstid är något som talar emot parameterval enligt Test9 nu när resultatet inte blev nämnvärt bättre än Test2. Dock är resultatet från Test9 bättre än de flesta resultaten från grundtestet så en minskning i radiellt skärdjup verkar påverka ytan positivt. I tabellen nedan redovisas resultaten från Rq, Rz och Rt-mätningarna från Test9. Tabell 19. Rq, Rz och Rt-värden från Test9 (nm) Hastighet Rq2u Rq17u Rq1u Rq Rq1n Rq17n Rq2n Rq-värde Rz-värde Rt-värde Även här görs en jämförelse med värdena från Test2 som är det test som gett bäst resultat från grundtesterna. Tabell 2. Rq, Rz och Rt-värden från Test2 (nm) Hastighet Rq2u Rq17u Rq1u Rq Rq1n Rq17n Rq2n Rq-värde Rz-värde Rt-värde

56 Rq-värde (nm) Test2 Test9 Rz-värde (nm) Test2 Test Punkt Punkt 12 1 Rt-värde (nm) Test2 Test Punkt Figur 68. Diagrammen visar jämförelser mellan Rq,Rz och Rt-värden från Test2 och Test9. Dessa jämförelser följer samma mönster som den mellan Ra-värden nämligen att Test9 är något bättre i de första punkterna för att sedan bli betydligt sämre i punkten på toppen och sedan ungefär samma eller något sämre i de sista punkterna. Att det är så stor skillnad på toppen kan bero på att den lägre matningen ytterligare bidrar till den dåliga skärbarheten i toppunkten. Restspänningar Tabell 21. Maximala restspänningar från Test9 (MPa) Upp Topp Ner Test Test Stress / MPa Test9_Topp_Stress_Phi:. Test9_Upp_Stress_Phi:. Test9_Ner_Stress_Phi:. Figur 69. Restspänningsprofil från Test9. mm 52

57 De maximala restspänningarna från Test9 håller sig inom samma intervall som restspänningarna från grundtesten och de är alla tryckrestspänningar. Dock kan det nämnas att det maximala värdet på ner sidan av bearbetningen är mer än dubbelt så stort som det maximala värdet på upp sidan. Detta beror förmodligen på att det på ner sidan förekom vibrationer som påverkade materialet så att högre tryckrestspänningar erhölls. Verktygsförslitning När det gäller verktygsförslitningen från Test9 så var det troligt att dessa skulle bli något större än i de föregående testerna. Detta på grund av att det radiella skärdjupet minskats vilket leder till att verktyget behöver vara i ingrepp längre tid för att bearbeta samma yta. Skärbredden minskades från,15 mm till,1 mm vilket leder till cirka 3 % längre ingrepps tid för verktyget. Dock blev verktygsförslitningen betydligt större än väntat. Det syntes en kraftig urflisning på sidan av verktyget, se bilderna nedan. Denna förslitning har förmodligen uppstått då verktyget började vibrera strax efter toppläget på detaljen som har nämnts tidigare. Förslitningen är på det ställe på verktyget som var i ingrepp där de kraftigaste vibrationerna uppstod under bearbetningen. Förslitningen på sidan uppgick till hela 29 µm vilket betyder att verktyget är uttjänt. Dock uppgick förslitningen på verktygets spets, där de andra verktygen haft störst förslitning, till endast 39,85 µm. Tabell 22. Mätvärden verktygsförslitning Test9 (µm) Test9Topp 39,85 Test9Sidan 29 Jämfört med Test2 från grundtesterna så har verktygsförslitningen på spetsen ökat från 29,52 µm till 39,85 µm vilket kan anses som en rimlig ökning. Den kraftiga urflisningen på sidan från Test9 syns det emellertid inga spår av i Test2. Förmodligen så är det den minskade tandmatningens vibrationsgenerering som är orsaken till förslitningen på sidan. Med en ökad tandmatning skulle den totala förslitningen av verktyget troligtvis vara inom godtagbara gränser, men det är den inte nu. Test9 Test9 Figur 7. Bilder som visar verktygets förslitning efter Test9 53

58 5.3.3 Test 1 I detta test så hölls skärbredd och tandmatning på samma nivå som i grundtesterna medan maximala skärhastigheten ökades från 2 m/min till 3 m/min. Tabell 23. Parameterinställningar för Test1 Parameter Max skärhastighet (V c ) Skärbredd (a e ) Tandmatning (f z ) Spindelvarvtal (n) Matningshastighet (V f ) Inställning 3 m/min,15 mm,15 mm 955 rpm 2865 mm/min En ökning av spindelvarvtalet från 6366rpm till 955rpm medförde att den maximala skärhastigheten ökade från 2 till 3m/min. I och med att tandmatningen är den samma som i grundtesterna,.15mm, så ökade matningshastigheten från 191mm/min till 2865mm/min Resultat Test1 Här presenteras resultaten från Test1. Ingreppstiden minskade från 65,8 minuter till 43,9 minuter jämfört med motsvarande test i grundtestet där ett lägre varvtal användes. Ytjämnhet Tabell 24. Ra-värden från Test1 Hastighet Ra3u Ra26u Ra15u Ra Ra15n Ra26n Ra3n Mätvärde , Också här görs en jämförelse med Test2 från grundtestet. Det som skiljer dessa test åt är att skärhastigheterna i mätpunkterna är högre i Test1 än i Test2. Dock tas testpunkterna på samma ställe på båda detaljerna så den skärande verktygsgeometrin som varit i ingrepp i punkterna är densamma i båda fallen. Tabell 25. Ra-värden från Test2 Hastighet Ra2u Ra17u Ra1u Ra Ra1n Ra17n Ra2n Mätvärde

59 Ra-värde (nm) Test2 Test Punkt Figur 71. Jämförelse mellan Ra-värdena från Test1 och Test2. Vid en granskning av jämförelsen mellan testerna så står det klart att en ökning av skärhastigheten inte bidrog positivt till ytjämnheten, tvärtom. I alla punkter utan toppunkten så är ytan bättre i Test2 än i Test1. Faktum är att jämfört med alla dom tidigare testen så hamnar Test1 bland de absolut sämsta. Vad detta beror på är svårt att säga men det kan vara på grund av att verktyget får en större utböjning när spindelvarvtalet ökas och att detta påverkar resultatet negativt. Fortfarande är det i de punkterna där skärhastigheten är som högst som ytan är som bäst, det vill säga i punkterna Ra3u och Ra3n, men detta beror förmodligen inte på den högre hastigheten. Snarare är det verktygsgeometrin och typen av skäringrepp som påverkar ytan positivt i dessa punkter. En ökning av skärhastigheten gav som synes ett generellt sett betydligt sämre resultat. I tabellen nedan redovisas resultaten från Rq, Rz och Rt-mätningarna från Test1. Tabell 26. Rq, Rz och Rt-värden från Test1 (nm) Hastighet Rq3u Rq26u Rq15u Rq Rq15n Rq26n Rq3n Rq-värde Rz-värde Rt-värde Även här görs en jämförelse med värdena från Test2 som är det test som gett bäst resultat från grundtesterna. Tabell 27. Rq, Rz och Rt-värden från Test2 (nm) Hastighet Rq2u Rq17u Rq1u Rq Rq1n Rq17n Rq2n Rq-värde Rz-värde Rt-värde

60 Rq-värde (nm) Test2 Test1 Rq-värde (nm) Test2 Test Punkt Punkt 12 1 Rt-värde (nm) Test2 Test Punkt Figur 72. Diagrammen visar jämförelser mellan Rq,Rz och Rt-värden från Test2 och Test1 Dessa jämförelser visar som den mellan Ra-värdena att ytan blir sämre vid ökat varvtal. Dock visar dessa diagram ett klart jämnare resultat mellan de olika punkterna. Det är inte så stor skillnad mellan punkterna på sidan och punkten på toppen som vi sett i de tidigare testerna. Tvärtom är det så att den bästa ytan återfinns i toppunkten i ett par av mätningarna. Detta beror förmodligen på att det ökade spindelvarvtalet bidrar till bättre skärförhållanden i toppunkten än det lägre spindelvarvtalet. Det är också så att matningshastigheten ökar och denna verkar ha stor inverkan på ytan just i toppunkten. Vill man ha ett mer förutsägbart resultat vid bearbetning av en sådan geometri som använts i dessa tester så är det att föredra hög skärhastighet, men dock på bekostnad av ytfinheten. Restspänningar Tabell 28. Maximala restspänningar från Test1 (MPa) Upp Topp Ner Test Test Stress / MPa mm Test12_Upp_Stress_Phi:. Test12_Topp_Stress_Phi:. Test12_Ner_Stress_Phi:. Figur 73. Restspänningsprofil från Test1 56

61 Det finns inget anmärkningsvärt att påpeka när det gäller restspänningarna från Test1. De är alla tryckrestspänningar och de håller sig på en normal nivå. Verktygsförslitning Verktygsförlitningen från Test1 uppgick till 34,45µm vilket är ungefär samma som vid Test2 då förslitningen var 29,52 µm. Dock verkar det som att den ökade skärhastigheten haft en något negativ inverkan på verktygslivslängden. Medelvärdet av verktygsförslitningen från de torra körningarna i grundtestet låg på 21,22µm, så här hamnar värdet en bit över medel. Figur 74. Bild som visar verktygsförslitningen efter Test Test11, 12 och 13 Det utfördes ytterligare tre tester under sluttesterna. Dessa beskrivs nedan. Dock redovisas inga resultat från dessa tester på grund av att körningarna blev misslyckade. Någonting gjorde så att maskinens rörelser inte motsvarade rörelserna i NC-programmet. Alla körningarna gick bra de första minuterna men sedan så gjorde maskinen en rörelse med jämna mellanrum som bidrog till kraftiga repor i detaljens yta. Ytan blev alltså bra i smala stråk för att sedan bli helt förstörd av repor som kunde uppgå till flera tiondels millimetrar. Vad detta beror på är inte känt. Om det är kommunikationsfel mellan lagringsenheten och maskinen, eller om det är något mekaniskt fel i maskinen eller kanske rent av något handhavande fel vid inspänning av detaljen eller verktyget kan inte svaras på i denna rapport på grund av tidsbrist. Felorsaken har alltså inte hunnit konstateras. Test11 I detta test så användes den höga spindelhastigheten kombinerad med minskad skärbredd (,1 mm) men med den högre tandmatningen (,15 mm). Tabell 29. Parameterinställningar för Test11 Parameter Max skärhastighet (V c ) Skärbredd (a e ) Tandmatning (f z ) Spindelvarvtal (n) Matningshastighet (V f ) Inställning 3 m/min,1 mm,15 mm 955 rpm 2865 mm/min 57

62 Test12 I detta test så är det enda som ändras från grundtestet skärbredden som minskas till,1 mm. Tabell 3. Parameterinställningar för Test12 Parameter Max skärhastighet (V c ) Skärbredd (a e ) Tandmatning (f z ) Spindelvarvtal (n) Matningshastighet (V f ) Inställning 2 m/min,1 mm,15 mm 6366 rpm 191 mm/min Efter det att problemen med Test11 och Test12 uppdagats så gjordes ett försök att förstå vad som gått snett. Det som skiljer Test11 och Test12 från de övriga testen är att skärbredd och tandmatning har olika stora värden. Detta kanske kunde vara en förklaring till de underliga resultaten och därför gjordes en sista körning där både skärbredd och tandmatning minskades till,125 mm, tyvärr med liknande resultat som i Test 11 och 12! Detta var alltså inte orsaken till problemet. Test13 Ett extra test för att försöka förstå vad som orsakat de dåliga ytorna i föregående två tester, dock utan positivt resultat. Tabell 31. Parameterinställningar för Test13 Parameter Max skärhastighet (V c ) Skärbredd (a e ) Tandmatning (f z ) Spindelvarvtal (n) Matningshastighet (V f ) Inställning 2 m/min,125 mm,125 mm 6366 rpm 1592 mm/min Inte heller med dessa inställningar erhölls någon förbättring i ytan utan resultatet blev ungefär lika uselt som vid de två tidigare testerna. Orsaken till detta är inte fastställd och den kommer heller inte att kunna undersökas vidare i detta arbete på grund av tidsbrist. 58

63 6 Slutsatser och diskussion 6.1 Ytjämnhet Det står klart att den faktor som i allra högsta grad påverkar ytans beskaffenhet är vilken bearbetningsriktning som används vid fräsningen. Om en rak bearbetningsriktning används så bidrar det till bättre ytjämnhet. Det är också så att ett bearbetningssätt som i så stor utsträckning som möjligt bidrar till raka verktygsvägar ger ett betydligt kortare och enklare NC-program. Detta är något att eftersträva när gamla maskiner med liten minneskapacitet och dåliga look ahed -funktioner används. Nästa faktor som bidrar positivt till bättre ytor är medfräsning. Påverkan av denna faktor är inte lika stor som den föregående men det står ändå klart att medfräsning är att föredra vid denna typ av bearbetning. När det gäller faktorn kylning så är det svårt att säga hur denna påverkar ytan. Resultaten från ytjämnhetsmätningarna visar att kylning har liten och osäker inverkan på ytjämnheten. Det är därför svårt att med dessa dra någon korrekt slutsats om kylningens påverkan. Dock har det visat sig att kylning bidrar till kraftigt ökat verktygsslitage jämfört med torr bearbetning. Det är i Vanadis4Extra materialet som de bästa ytorna har uppnåtts i dessa tester. Efter faktorn bearbetninsriktning så var materialvalet den faktor som hade störs inverkan på resultatet och då till Vanadis4Extras fördel. I ett av sluttesterna så minskades skärbredden och tandmatningen från,15 till,1 mm. Detta bidrog till något bättre ytor i de punkter som ligger på den sidan av detaljen där verktyget rör sig uppåt. På toppen av detaljen bidrog detta dock till en betydligt sämre yta vilket förmodligen kan förklaras med att matningshastigheten i detta test var lägre än i de föregående testerna. På den sidan av detaljen där verktyget rör sig neråt uppstod lättare vibrationer vilket ledde till att ytorna blev något sämre. Orsaken till vibrationerna är med största sannolikhet att tandmatningen har minskats för mycket. Minskad skärbredd verkar således ge bättre ytor men det går inte att minska tandmatningen i lika stor utsträckning utan minimal tandmatning ligger någonstans mellan,1 och,15 mm. Ökad maximal skärhastighet från 2 m/min till 3 m/min bidrog generellt till sämre ytor, förmodligen på grund av att det högre varvtalet genererade större vibrationer. Dock erhölls en bättre yta i toppunkten där skärhastigheten är som lägst. Detta beror förmodligen på en ökad matningshastighet. Det visade sig också att resultatet blev betydligt jämnare sett över hela ytan. En ökad skärhastighet borde således ge ett mer förutsägbart resultat. Det är viktigt att understryka att detaljens geometri har stor inverkan på resultatet. Olika delar av verktyget är i ingrepp beroende på var på detaljen bearbetningen utförs. Detta medför en kontinuerligt ändrad kraftbild samt varierande skärgeometri längs detaljens yta. 6.2 Restspänningar I alla testerna så var det tryckrestspänningar som erhölls i ytorna. Maximalt värde erhölls normalt i ytan för att sedan avta nedåt under ytan. Det visade sig att Vanadis4Extra var en 59

64 faktor som bidrog till ökade restspänningar och att även kylning bidrog till ökade restspänningar. De andra faktorerna verkar inte ha någon större inverkan på restspänningsbilden i materialet. 6.3 Verktygsförslitning Det står helt klart att den faktor som i störst utsträckning påverkar verktygsförslitningen är kylning. Om bearbetningen sker med kylning så bidrar detta till kraftigt ökad förslitning av verktyget. I genomsnitt så sker fyra gånger så stor förslitning om kylning används. Den största förslitningen som uppmättes var 116 µm, med kylning, och den minsta 14,8 µm, utan kylning. I extremfallet kan kylning alltså orsaka nästan åtta gånger så stor verktygsförslitning. 6.4 Rekommendationer och fortsatt arbete För att erhålla bästa möjliga yta skall bearbetningen utföras med raka bearbetningsriktningar i så stor utsträckning som möjligt. Fräsningen skall genomföras med medfräsning och utan kylning. Det är i Vanadis4Extra som de bästa ytorna uppnås. För att erhålla ett relativt jämnt resultat över hela ytan så skall skärhastigheten hållas hög, detta ger också bättre yta vid ingrepp med verktygets spets. Tandmatningen bör inte minskas mycket under,15 mm, däremot kan skärbredden minskas ner emot,1 mm. Ytterligare tester bör genomföras och då enligt testplanerna för Test 11 och 12 som beskrivs i rapporten. Med resultaten från dessa tester så kan en statistisk utvärdering göras som anger hur de ingående parametrarna i dessa tester påverkar ytfinheten. Det skulle även vara intressant att se vilka resultat som kan uppnås om bearbetningarna av detaljerna genomförs med en extra rotationsaxel så att konstant vinkel mellan verktyg och arbetsyta kan hållas. 6

65 7 Referenser [1] [2] (1989), Skärteknik - Material, metoder, verktyg, maskiner och ekonomi, Industrilitteratur AB, ISBN [3] (2), Applicationguide: Die & Mould Making, Sandvik Coromant, C-112:2 [4] (1994), Modern Metal Cutting - A practical handbook, Sandvik Coromant, ISBN [5] Pulkkinen T. (2), Ytteknik - Utrustning, teknik och tillämpningar, Chalmers tekniska högskola [6] Tidland B. (2), Handbook in surface topography, Chalmers tekniska högskola, Internal report PTI :1 [7] Davies J.R. (1998), Metals Handbook. Second edition ed. [8] Dieter G.E.( 1986), Mechanical metallurgy, Third edition ed. [9] Brinksmeier, E. et al. (1982), Residual Stresses--Measurement and Causes in Machining Processes, CIRP Ann., 31(2): p [1] Jacobson M. (21), Residual stress generated in bearing steel during hard turning, Chalmers tekniska högskola, ISBN [11] Olausson M., (1992), Statistisk försöksplanering, Faktorförsök, IVF Resultat 9262 [12] Toh C.K. (24), Surface topography analysis in high speed finish milling inclined hardened steel, Precision Engineering Vol. 28 p [13] Vivancos J. et al. (24), Optimal machining parameters selection in high speed milling of hardened steels for injection moulds, Journal of materials processing technology p [14] Ko T.J. et al. (21), Selection of the Machining Inclination Angle in High-Speed Ball End Milling, Internal journal of advanced manufacturing technology 17: [15] Axinte D.A. and Dewes R.C. (21), Surface integrity of hot work tool steel after high speed milling, Journal of Materials Processing Technology, 22, pages [16] Jacobson M., Dahlman P. och Gunnberg F. (22), Cutting speed influence on surface integrity of hard turned bainite steel, Journal of Materials Processing Technology, v128, Issue 1-3, 6 (22), Pages [17] Jacobson M., Dahlman P. och Gunnberg F. 22, The influence of rake angle, cutting feed and cutting depth on residual stresses in hard turning, Journal of Materials Processing Technology. 61

66 [18] Jacobson M., Gunnberg F., 23, Effects from hard turning on the fatigue life of ball bearings, International Journal of Fatigue. [19] 62

67 Bilaga 1 Restspänningsprofiler Test Stress / MPa mm Test1_Ner_Stress_Phi:. Test1_Upp_Stress_Phi:. Test1_Topp_Stress_Phi:. Test Stress / MPa Test2_Upp_Stress_Phi:. Test2_Ner_Stress_Phi:. Test2_Topp_Stress_Phi:. mm

68 Test Stress / MPa Test3_Upp_Stress_Phi:. Test3_Ner_Stress_Phi:. Test3_Topp_Stress_Phi:. mm Stress / MPa Test mm Test4_Upp_Stress_Phi:. Test4_Ner_Stress_Phi:. Test4_Topp_Stress_Phi:.

69 Test5 Stress / MPa Test5_Upp_Stress_Phi:. Test5_Ner_Stress_Phi:. Test5_Topp_Stress_Phi: mm Test6 Stress / MPa mm Test6_Ner_Stress_Phi:. Test6_Upp_Stress_Phi:. Test6_Topp_Stress_Phi:.

70 Test7 Stress / MPa mm Test7_Upp_Stress_Phi:. Test7_Ner_Stress_Phi:. Test7_Topp_Stress_Phi:. Test8-25 Stress / MPa Test8_Upp_Stress_Phi:. Test8_Ner_Stress_Phi:. Test8_Topp_Stress_Phi:. mm

71 Test Stress / MPa Test9_Topp_Stress_Phi:. Test9_Upp_Stress_Phi:. Test9_Ner_Stress_Phi: mm Test1 Stress / MPa mm Test12_Upp_Stress_Phi:. Test12_Topp_Stress_Phi:. Test12_Ner_Stress_Phi:.

72 Bilaga2 Wyko

73