Prestanda vid stålsvarvning Ny innovation ger bästa praxis-lösningar för dagliga bearbetningsutmaningar 1
Introduktion Framgångsrika kunder Kontrollerade förslitningstyper Skydda skäreggen Tredubblad livslängd Kristallorientering i en riktning Bättre uthållighet Framgångsstrategi Avgörande val 3 4 5 6 7 8 9 10 11 2
Prestanda vid stålsvarvning Ny innovation ger bästa praxis-lösningar för dagliga bearbetningsutmaningar Ingenjörer och verkstadschefer har ständigt pressen på sig att sänka cykeltiderna, öka produktiviteten och förbättra säkerheten vid alla aspekter av tillverkningen. Men att göra vinster i en process som t.ex. stålsvarvning, som är den vanligaste av alla bearbetningar, har visat sig vara en riktig utmaning de senaste åren fram till nu. I den här rapporten undersöker vi framsteg inom materialvetenskap som gör det möjligt för de senaste skärsorterna för stålsvarvning att uppvisa aldrig tidigare skådade prestanda hos tillverkare världen över. Dessutom refererar vi till verkliga utmaningar i mekaniska verkstäder och visar hur de övervanns. De imponerande vinster som åstadkoms är nu tillgängliga för alla inom bearbetningsindustrin som är beredda att ta emot konceptet med våra nyskapande innovationer. Förutsägbarhet har blivit allt viktigare i modern svarvning, särskilt vid produktion med begränsad övervakning. Tyvärr kommer det alltid att finns hot mot skärets egglinje vid stålsvarvning. En utmaning är till exempel ISO P25-applikationsområdets vidd, eftersom det här ingår ett flertal mycket olika material, från formbara stål med låg kolhalt till hårda stål med hög stålhalt, stångmaterial till smiden och gjutgods till förbearbetade detaljer. Den största tidstjuven vid modern produktion är skärbyten, avbrott i bearbetningen och att hitta rätt skär för respektive applikation eller material. GC4325, ett skär med lång livslängd för hela ISO P25-området, är lösningen tack vare fler detaljer per egg och färre stopp för skärbyten. Dessutom innebär samma förlängda skärlivslängd varje gång att man slipper plötsliga brott, behöver göra färre omarbetningar och får mindre skrot. Allt detta, tillsammans med GC4325:s förmåga att köra med höga skärdata är goda nyheter för alla ingenjörer. 3
Och hur är allt detta möjligt? Jo, skärsubstratet och beläggningen på GC4325 har god förmåga att bibehålla skärets egglinje vid högre temperaturer. Detta innebär möjlighet till högre skärhastigheter med bättre säkerhet tack vare förutsägbar, längre verktygslivslängd. Resultatet blir att man nu kan få en genomsnittlig produktionsökning på 30 % jämfört med befintlig teknik. GC4325 ger helt enkelt en ny prestandanivå med belagda vändbara hårdmetallskär för ett stort och mångsidigt applikationsområde. Dessutom bevisas allt detta nu i en mängd mekaniska verkstäder världen över där man utnyttjar teknikens förmåga att klara av de dagliga utmaningar som uppstår vid stålsvarvning. Framgångsrika kunder Bland de första att använda GC4325 är Bifrangi SpA, ett företag med 430 anställda som tillverkar delar av stålsmide till fordonsindustrin. Företaget är baserat i Mussolente nära Vicenza, Italien och dess kunder är bl.a. BMW, Getrag och Deutz för att bara nämna några. Med en Famar CNC-vertikalsvarv och en Coromant Capto C4-koppling ska man grovbearbeta ett bilnav med 200 mm diameter. Utvändig längdsvarvning och plansvarvning krävs på ett arbetsstycke som är tillverkat av smidesstål (CMC-kod 02.1). Med en tid i ingrepp på 26 sekunder per detalj kunde Bifrangi tillverka 116 komponenter med den tidigare generationens GC4225- sort innan skäret behövde bytas ut. Men med den nya GC4325-sorten i samma utförande (CNMG-skär med -PR spånbrytargeometri) kan företaget nu tillverka 160 komponenter, vilket ger en ökning av skärlivslängden på 38 %. Skärparametrarna är identiska: 200 m/min skärhastighet, 318 varv/min spindelvarvtal, 0,36 mm/ varv matning och 2 mm skärdjup. En kombination av höga skärdata och bevisad skärlivslängd är nyckeln till GC4325. Enkelt uttryckt kan man säga att sorten bara går och går, vilket Baja Motors anläggning i Gurgaon, Indien kan intyga. Bajaj Motors svarvar viktiga smidesdelar till transmissioner åt kunder inom fordonsindustrin som Tata, Hero MotoCorp, Suzuki, Mahindra, Nissan och Renault. När Sandvik Coromant hävdade att den nya GC4325- sorten skulle ge en förbättring på 20 25 % jämfört med vår bästa sort trodde vi dem inte, säger Tarun Bhargava, chefsingenjör på Bajaj Motors. När de visade oss resultaten misstänkte vi till och med att det skulle kunna röra sig om någon sorts manipulering. Så vi gjorde tester i två olika maskiner och resultatet blev detsamma båda gångerna. Som ett resultat av detta använder vi nu GC4325 för att sänka kostnaden per komponent, vilket även ökar vår vinstmarginal. GC4325 ger oss goda möjligheter att förbättra våra bearbetningsprocesser, säger företagets grundare och VD, Francesco Biasion. Kostnaderna är inte lika viktiga som livslängden eftersom hållbarhet kan ge ekonomiska fördelar. Till syvende och sist hjälper det här skäret vår verksamhet att växa genom att göra oss ännu mer konkurrenskraftiga på marknaden. 4
Kontrollerade förslitningstyper Om vi ska vara ärliga så kan skärförslitning aldrig undvikas helt, men nyckeln är att kunna begränsa och kontrollera den. Det är en enorm fördel med GC4325: en starkare egglinje som gör att du kan köra maskinerna på natten, eller låta dem köra nonstop hela dagen utan problem. Ett representativt exempel är stål som används för lager, en typ av material där GC4325 har överträffat förväntningarna. Det är extra påfrestande för skäreggen och gropförslitning uppstår ofta snabbt. Därför har Sandvik Coromant utvecklat skärsubstratet och beläggningen så att de bättre ska kunna stå emot diffusionsslitage vid höga temperaturer. Detta minskar effekten som orsakar gropförslitning på spånytan. På så sätt kan GC4325 också bibehålla en perfekt skärvätskezon när spånan skapas. Då kan man också använda en högre skärhastighet men ändå ha den goda eggsäkerhet som krävs vid obemannad produktion. GC4325 är så effektiv tack vare att den är utformad för att hantera de mekanismer som leder till för tidiga avbrott. Detta kräver ändringar av skärets substrat, beläggningar och efterbearbetning för att begränsa kontinuerlig, kontrollerbar förslitning och eliminera orsakerna till diskontinuerlig förslitning. När ett skär endast utsätts för kontinuerlig, kontrollerbar förslitning, blir dess funktion konsekvent och förutsägbar. Diskontinuerlig förslitning däremot orsakas av tillfälliga, diskreta händelser som när det uppstår en ytspricka, plastisk deformation eller när beläggningen flagnar. Effekterna av diskontinuerlig förslitning är svåra eller omöjliga att kontrollera. GC4325 uppvisar mindre förslitning efter längre tid i ingrepp än en konkurrents skärsort. Konkurrent GC4325 15 min 19 min 5
Skydda skäreggen Ingenjörer vet att många olika faktorer måste hanteras och balanseras för att lyckas med svarvning i P25-stål. Om egglinjen t.ex. är trasig leder det snabbt till stillestånd som i sin tur kan resultera i undermåliga detaljer och försämrad bearbetningssäkerhet. Här är brottstyrkan till exempel mycket viktig, liksom att skäreggen måste ha rätt hårdhet för att stå emot alla typer av plastisk deformation förorsakad av de extrema temperaturer som uppstår i skärzonerna vid bearbetning av P25. Det är också avgörande att skärbeläggningen verkligen fäster på substratet. Om beläggningen inte fastnar så förstörs det exponerade substratet snabbt. När man tittar på skärbeteende ser man att det optimala slitmönstret för alla skär är kontrollerad fasförslitning, eftersom det skyddar skäreggarna. Fasförslitning orsakas av nötning på släppningsytan under egglinjen. Nötning uppstår vid när spånan passerar, när den formas under ingreppet. Fasförslitning är naturlig utarmning av materialet och är godtagbart under förutsättning att de andra slitageorsakerna hålls under kontroll. Ett annat vanligt slitmönster som kan kontrolleras är gropförslitning. Gropförslitning uppstår vid stålsvarvning på grund av värme och tryck. Precis som fasförslitning är en viss gropförslitning godtagbar, under förutsättning att den inte försvagar skäreggen. Både gropförslitning och fasförslitning är vanliga fenomen vid stålsvarvning. Så länge endast dessa slitmönster uppstår och kan kontrolleras har processen stor potential för hög produktivitet. Andra faktorer som bidrar till att avgöra om resultatet blir lyckat eller inte är mikro- och makrogeometri, nosradie, skärstorlek och form. Det är dessa i kombination med skärsorten som leder till optimerad svarvning Beroende på applikationen kan högre spånavverkningshastigheter och skärhastigheter på över 400 m/min uppnås, vilket är en skärdatakapacitet som överstiger alla andra alternativ. Sandvik Coromants marknadsundersökning visar att tillverkningsindustrin i genomsnitt använder skärhastigheter på cirka 70 % av våra rekommenderade värden. Det beror förstås på en rad olika faktorer, som maskinens kapacitet, arbetsstyckets diameter, användarnas kompetens och förebyggandet av risker. Men en mekanisk verkstad som använder befintliga skärande bearbetningstekniker fullt ut kan öka produktiviteten med upp till 30 % med GC4325. Fördelarna med den nya sorten kan hjälpa användarna så att de slipper hålla igen på skärdatanivåerna. GC4325 kan köras med högre skärdata än nästan alla andra P25-sorter: produktivitet genom effektiv skärande bearbetning. Bearbetningseffektivitet - cm 3 /min Man har sett en ökning på 10 200 % av skärlivslängden med GC4325 (snitt >30 %): produktivitet genom högt maskinutnyttjande. Maskinutnyttjande - % 6
Tredubblad livslängd Ett bra exempel är en mekanisk verkstad i Tyskland, där användningen av ett skär med GC4325-sorten vid tillverkningen av ett hölje till bilindustrin i smitt stål C60V (250 HB) gav en tredubbling av antalet komponenter per egg. Jämfört med ett konkurrerande skär bearbetar skäret med sorten GC4325 45 höljen per egg, där man tidigare gjorde 15. Dessutom har skärdata ökats med 30 % till 180 m/min skärhastighet och 0,4 mm/varv matningshastighet. Skärdjupet är 3 mm. Lite mindre men ändå imponerande vinster ser vi också vid bearbetning av hjulnav i Storbritannien. Detaljen tillverkas i gjutet legerat stål DIN38MnVS6 (250 HB), där GC4325 gör det möjligt att bearbeta 100 hjulnav per egg vid 2 mm skärdjup, istället för bara 60 nav. Det är en 67-procentig ökning. Ingenjörerna tittar nu på möjligheterna att öka hastigheten från befintliga 180 m/min och 0,37 mm/varv. En brasiliansk tillverkare av kulor för bilindustrin har hittat lösningen på problemen med att bearbeta smitt kolstål SAE 1045 (235 HB) genom att använda skär med GC4325-sorten för att balansera hög skäranvändning med god säkerhet. Bytet ger 34 % fler detaljer per egg ovärderligt i en applikation med så stora volymer. Skärhastigheten är 250 m/ min och matningshastigheten är 0,35 mm/varv. En mekanisk verkstad i Indien som svarvar vevaxlar för tvåhjulsmarknaden upplevde problem med gradbildning i smitt legerat stål JIS SCM430 (320 HB). Här ser kunden inte vara en ökning på 43 % fler detaljer per egg med skär med GC4325-sorten. Gradbildningen fördröjs med ytterligare 20 komponenter tack vare att skäreggen förblir intakt längre. Vid tillverkning av kugghjul till bilindustrin kan också dra nytta av att byta till GC4325, vilket en kund verkligen kan intyga bytet innebär att maskinen kan köras mycket längre innan man behöver byta skäret, vilket sparar timmar av produktionstid varje år. I applikationen ingår utvändig längdsvarvning och plansvarvning av kugghjul i låglegerat stål, P2.1.Z.aN (200 HB). Dels har verktygslivslängden ökat med 159 % (220 detaljer per egg jämfört med 85 med det skär från en konkurrent som man använde tidigare), dels har skärhastigheten ökat med 50 %, från 300 till 450 m/min. Det finns naturligtvis många andra branscher än fordonsindustrin som kan ha nytta av bättre uthållighet vid stålsvarvning. Ett exempel är olje- och gasbranschen. Ta till exempel den kinesiska mekaniska verkstaden som grovsvarvar axlar för olje- och gassektorn med 4,5 mm skärdjup. Här har man dubblerat antalet tillverkade detaljer per egg med skär med GC4325-sorten. Materialet är smitt legerat stål 42CrMo (280 HB). I Italien får en annan specialist inom energisektorn en ökning på 33 % fler detaljer per egg vid bearbetning av olje- och gasventiler i valsat kolstål LF2. Med ett GC4325- skär kan företaget nu slutföra två komponenter på 23 minuter, med endast små tecken på förslitning, jämfört med 1,5 delar på 17 minuter med ett konkurrerande skär. Aktuella skärdata är bland annat en skärhastighet på 350 m/min, en matning på 0,39 mm/varv och ett skärdjup på 3 mm. 7
Kristallorientering i en riktning GC4325 har bevisats vara en mycket effektiv plattform för att möta alla dessa utmaningar. Sorten består i princip av ett hårdmetallsubstrat, ett lager TiCN (titankarbonitrid), ett lager Al 2 O 3 (aluminiumoxid) och ett lager TiN (titannitrid). Kristallstrukturen i aluminiumoxidlagret är unik. Här är kristallerna ordnade i samma riktning, med de längsta fasetterna i princip parallella. Dessutom är alla kristaller placerade så att det tätaste atomplanet är riktat mot skärytan. Detta gör aluminiumoxidlagret väldigt hårt, så att det står emot förslitning fantastiskt bra. Kristallorienteringen kallas Inveio och gör det möjligt för lagret att fungera som en barriär mot värme från skärzonen. Det täta atomplanet närmast ytan speglar tillbaka värmen till spånan och skärvätskan. Den värme som faktisk absorberas av skäret leds till de mindre täta atomplanen närmast TiCN-beläggningen. Den skingras i det lagret och substratet under. Genom att förhindra att värme byggs upp kan man förebygga plastisk deformation eftersom skärets yta inte blir tillräckligt varm för att förlora sin ursprungliga form. Förutsättningen för lyckad tillverkning av skär som bygger på sorten GC4325 beror på den avancerade kontrollen av processen för kemisk ångdeponering (CVD) som formar varje lager i beläggningen. Andra delar av tillverkningsprocessen spelar också in och bidrar till eller stöder den speciella funktion som aluminiumoxidlagret har. Ta till exempel strukturen i hårdmetallsubstratet med sin kobolthaltiga ytgradientzon. Den fungerar som ett tunt yttre lager som är något mjukare än den inre kärnan. Detta utgör en kraftabsorberande stoppning åt de belagda lagren. Substratets inre kärna behåller däremot sina tuffa, slitstarka egenskaper som kommer från de fina kornen av volframkarbid och koboltbindmedel. Sandvik Coromant har också utvecklat metoder för att tillverka en egglinje med extremt enhetlig radie. Med de flesta metoder på marknaden varierar denna radie med så mycket som ±15 µm. Men nu är avvikelsen mindre än en tredjedel så bred. Större enhetlighet förbättrar eggprestandans förutsägbarhet och hjälper till att behålla skärpan. Sedan genomgår det färdiga skärets yttersta lager en efterbearbetning som kan slipa ner och blanda dess textur samtidigt som TiN-beläggningen tas bort där den inte behövs. Dessutom ändrar den här behandlingen restspänningen mellan beläggningarna och substratet: dragspänningen minskas och tryckspänningen ökas. Resultatet är hårdare spänning mellan de återstående beläggningarna och substratet. I vanliga CVD-aluminium oxidbeläggningar är kristallriktningen slumpmässig. Med Inveio är alla kristaller i aluminium - oxidbeläggninge riktade åt samma håll, mot den övre ytan. 8
Ännu bättre uthållighet Framgångarna har avlöst varandra sedan GC4325 lanserades i oktober 2013. För att förstärkta temat med uthålligare stålsvarvning ytterligare introducerades GC4315 i mars 2014 som förstahandsvalet när det krävs ännu högre hastigheter och längre tid i ingrepp. GC4315 är utformad som en optimerare i ISO P15-applikationsområdet: Den klarar av extremt höga skärtemperaturer och tillåter därför högre spånavverkningshastigheter utan att det påverkar skärlivslängden. Precis som GC4325 har sorten Inveio, kristallorientering i en riktning. GC4315 passar mycket bra för obemannad massproduktion även i hårda arbetsmaterial. Sorten kan användas vid utvändig och invändig svarvning, grovbearbetning och finbearbetning, våt och torr bearbetning, och i kontinuerliga till lätt intermittenta skärförlopp. Vid en kundtestapplikation med ett adapterhus i låglegerat stål (335 HB) uppvisade GC4315 imponerande resultat. Skäret bearbetade två fullständiga komponenter (utvändig, axiell och radiell svarvning) medan ett etablerat konkurrentskär bara klarade av 1,2 detaljer. Detta berodde på att hade bättre motståndskraft mot gropförslitning, något som är avgörande vid så långa ingrepp (19,24 minuter per komponent). Skärdjupet är 3 mm. En annan kund fick lika imponerande resultat. Den här gången handlade det om utvändig profilsvarvning av en drivaxel i låglegerat stål (200 HB). Vid en hög skärhastighet på 350 m/min uppvisade GC4315 bättre motstånd mot fasförslitning och bättre egglinjesäkerhet än konkurrentens skär där beläggningen slets ut och substratet exponerades. Ytterligare en kund inom fordonsindustrin bearbetade kolvhöljen har kunnat konstatera att GC4315 slutför 20 komponenter, jämfört med 17 med en konkurrents skär. Detta beror på den förbättrade motståndskraften mot nötande gropförslitning som gör att GC4315 bättre står emot den värme som genereras vid bearbetning av låglegerat stål, P2.5.Z.HT (310 HB). Skärhastigheten har också ökats från 180 m/min till 200 m/min, medan djupare ingrepp på 2,5 mm också kan utföras, jämfört med tidigare 2,0 mm. 9
Framgångsstrategi Många kanske anser att svarvning av så kallade mjukare stål inom P25-området är ganska enkel. Men i själva verket kan duktiliteten hos material som stål med låg kolhalt ofta generera större, ojämna spånor vilket begränsar framgångarna. Detta leder till att bra spånbildning och spånbrytning är avgörande för att bibehålla höga produktivitetsnivåer i dessa material. Förhållandet mellan skärdjup och skärets nosradie har stor påverkan på vilken nivå av spånbrytning man kan uppnå. För bäst resultat i området ska den mekaniska verkstaden försöka få ett skärdjup som är större än nosradien, eller åtminstone så nära det värdet som möjligt. När man bearbetar stål med låg kolhalt har matningshastigheten också stor påverkan på spånbrytningen. En låg matning leder till tunna spånor, som är mycket svåra att bryta. Låg matning i kombination med mindre skärdjup betyder också att spånan inte kan nå spånbrytaren. För att lösa dessa problem ska man alltid satsa på högsta möjliga matning och ta hänsyn till arbetsstyckets stabilitet, verktyg, fastspänning och krav på ytjämnhet. För bästa möjliga spånbildning, välj en skärriktning som ger en effektiv ställvinkel så nära 90 som möjligt dragsvarvning ska undvikas eftersom det ger en mycket liten effektiv ställvinkel. Man kan åstadkomma bättre spånbildning med en nedåtgående skärriktning på arbetsstycket, vilket även minskar risken för vibrationer. 10
Avgörande val Det är tydligt att processvariablerna är avgörande vid stålsvarvning, framför allt när det gäller val av svarvskär. Det är många faktorer att ta med i beräkningen när man väljer skärsorter som ska ge optimala resultat. Tidigare gjorde processingenjörer strategiska kompromisser mellan materialavverkningshastighet, skärlivslängd och risk för bearbetningsstörningar. Men idag är den viktigaste faktorn oftast hur man ska kunna utföra processer som drar nytta av utrustning som är utformad för att kräva ett minimum av insatser från operatörens sida. Operatören kanske är på plats, men har till uppgift att övervaka och hantera ett flertal maskiner. Eller så kanske operatören inte är på plats, utan har förberett maskinen för användning under ett obemannat skift, över natten eller helgen. I en sådan miljö blir skärverktygets tillförlitlighet och förutsägbarhet ännu viktigare. Med GC4325 och GC4315 har Sandvik Coromant visat att man är medvetna om att prioriteringarna förändras inom svarvapplikationerna. Man har utvecklat skärsorter som ger tillverkarna en verklig fördel vad gäller produktivitet och lönsamhet. 11
Sandvik Coromant är världsledande leverantör av skärverktyg, verktygslösningar och know-how till metallbearbetningsindustrin. Genom omfattande investeringar i forskning och utveckling skapar vi unika innovationer och flyttar fram gränserna för produktivitet tillsammans med våra kunder. Bland dem finns ett flertal globala storföretag inom bil-, flyg- och energibranschen. Sandvik Coromant har 8000 anställda och finns i 130 länder. Vi ingår i affärsområdet Sandvik Machining Solutions inom den globala Sandvik-koncernen. www.sandvik.coromant.com/steelturning 12