Kap 10 – Skärande bearbetning Flashcards
Viktiga innovationer som haft avgörande inflytande på metodgruppen skärande bearbetnings utveckling avseende bl.a. produktionstakt och produktivitet.
Indelningsgrund:
∙ Verktygsmaterial, geometrier och system.
∙ Arbetsmaterialens skärbarhet och beteende.
∙ Verktygsmaskiners funktioner och prestanda.
∙ Skärteknisk kompetens, praktiska och teoretiska färdigheter i avseende att nå hög produktionssäkerhet.
Innovation eller utvecklingssteg (MATERIAL)
1906 Snabbstål (stållegering med 20% karbid). Ger god slitstyrka, har bättre varmhårdhet än kolstål.
1915 Stellite, en grupp gjutlegeringar baserade på kobolt, krom och volfram med 50% karbid. Högre slitstyrka och varmhårdhet än snabbstål, begränsad användning.
1929 Hårdmetall, komposit eller syntetiskt material, 90% karbid sammanbundet med metallegering av järn eller kobolt. Kommersiell tillverkning.
1955 Vändskär introducerades. Utvecklingen av dem har förbättrat bearbetningsekonomin och sänkt verktygens andel av bearbetningskostnaderna.
1969 Hårdmetall belades med ett skikt av hårda karbider. Nya skiktbeläggningar har fått en central roll i utvecklingen.
Innovation eller utvecklingssteg (MASKINER)
2000 f.Kr Handdrivna verktyg fixeras i utrustning med utväxling. Drevs med muskelkraft, roterande rörelse från häst-/oxvandring.
1500 Muskelkraft ersätts med extern drivkälla i form av vattenhjul. Kan ha använts tidigare.
1750- Maskin eller central motordrivning infördes. Oberoende av vind/vatten vid lokalisering. En maskin kan distribuera till flera verktygsmaskiner m.h.a. drivremmar.
1900- Verktygsmaskiner får individuell drivkälla (elmotor). Ökat oberoende vid drift och placering.
1950- Programstyrda verktygsmaskiner utvecklades från mekaniska automater till helt datorbaserade system (CNC).
1970- integration av produktionsutrustningen med produktutveckling/beredning. Först DNC sen CADCAM.
Grundläggande indelning för skärtekniska processer (baserade på skärande bearbetning).
Indelning av skärprocessens grundprinciper:
Metod med en eller flera skäreggar som arbetar var för sig:
∙ Flereggsmetoder: fräsning, sågning
∙ Eneggsmetoder: svarvning, hyvling
Kontinuerliga eller intermittenta processer:
∙ Intermittent: skärverktyget cykliskt aktivt, går in och ur ingrepp i arbetsmaterialet på ett periodiskt sätt. Hyvling, fräsning, sågning.
∙ Kontinuerlig: svarvning, borrning.
Innebörden av begreppet skärdata och dess koppling till den tid som åtgår för att bearbeta bort en given materialmängd på arbetsstycket.
Under begreppet skärdata sorterar de parametrar som avgör hur stor mängd material som kommer att avverkas per tidsenhet. Ställs in på maskinen innan bearbetningen börjar. Bl.a:
Skärhastiget vc: relativhastigheten mellan den obearbetade ytan och skärverktyget. Avgörande för processens effektbehov, proportionerlig mot avverkningshastigheten.
Matning f: verktygets axiella eller radiella förflyttning under det att arbetsstycket eller verktyget har roterat ett varv eller förflyttats en viss sträcka per tidsenhet. Antingen som hastighet eller matning per tand/egg.
Skärdjup ap: verktygets radiella eller axiella inmatning i förhållande till den obearbetade ytan, anges i mm.
3 grundläggande processparametrar:
Teoretisk spåntjocklek, h1: tjockleken på den spåna man ska ta bort från arbetsstycket.
Teoretisk spånbredd, b1: godtycklig parameter för att beskriva aktivt avsnitt på huvudskäreggen, bredden på spånan.
Teoretisk spånhastighet: identisk med skärhastigheten, verkliga spånhastigheten kommer att bli lägre än skärhastigheten p.g.a. den bromsande effekten från kontakten med skärverktyget, fastna.
Beräkning av skärmotståndet Cr för kända skäreffekter (Fc).
Viktiga slutsatser att dra ur formeln är att liten spåna (tjocklek, bredd) ger stort skärmotstånd (kraft per areaenhet).
Effekten av och uppkomsten av löseggsbildning samt ge förslag på hur löseggsbildning möjligen kan undvikas samt innebörden av att en skärprocess är friskärande.
Löseggen är en anhopning av material som under vissa förutsättningar byggs upp längst ut på skäreggen. Då löseggen uppnått viss storlek lossnar den och följer med spånan eller blir kvar på den bearbetade ytan, påverkar yttopografin.
Faktorer som påverkar uppkomsten:
- Processtemperaturen, dvs bl.a. skärhastighet, teoretisk spåntjocklek och termodynamisk data.
- Vidhäftningsförmågan mellan verktyg och arbetsmaterial.
- Verktygsgeometrin, primärt spån- och lutningsvinkel samt eggradie.
Negativa konsekvenser:
- Försämrad ytfinhet om löseggen fastnar på den färdigbearbetade ytan. - Ytan får andra egenskaper än grundmaterialet eftersom löseggarna är deformationshärdade.
- Löseggen ändrar skäreggens geometri så den ursprungliga skärlinjen förskjuts. - Delar av skäreggen kan följ med löseggen när den lossnar p.g.a. sprickbildning, ökad förslitning.
Motverkas genom:
- Ändrad processtemperatur, höjd temperatur medför sänkt skjuvhållfasthet hos lösegg, omöjliggör uppbyggnad.
- Ändra förutsättningarna för vidhäftning genom att byta verktygsmaterial, arbetsmaterialets sammansättning eller skärvätska.
- Välj positiv spån- och lutningsvinkel, gynnar avsättning av vidhäftat material på spånan istället för på den bearbetade ytan.
Användningen och den principiella uppbyggnaden av ett spånformningsdiagram (ap/f).
Ett spåndiagram visar vilken ty av spåna som erhålls från ett visst material vid olika skärdjup och matningar, samt lämpligt applikationsområde. Tillhandahålls av verktygstillverkare för några kända arbetsmaterial så man kan anpassa variablerna, önskvärda spånor är längst upp i högra hörnet (små och korta). Fel typ av spåna kan skada eggen, klumpa ihop sig mm.
Vad som avses och kan innefattas i begreppet skärbarhet (ett arbetsmaterials skärbarhet).
Skärbarheten ger uttryck för hur lätt ett arbetsmaterial låter sig bearbetas med ett skärande verktyg till vissa på förhand fastställda toleranser beträffande form, mått och ytjämnhet.
Alt: jämföra den sammantagna bearbetningskostnaden för att framställa en viss detalj i det aktuella arbetsmaterialet.
De resultatparametrar som ska beaktas av skärbarheten och som har ett inflytande på produktionsekonomin är:
Q – kvaliteten på den färdiga detaljen
S – störningar och stillestånd som kan orsakas av materialets uppträdande i skärprocessen. P – den produktionstakt (cykeltid) i form av avverkningshastighet som är möjlig i materialet. MK – miljö- och kretsloppsaspekter som kan relateras till arbetsmaterialet.
Dessutom måste kostnader beaktas, bedömer utifrån de bästa förutsättningarna för respektive material. Relativt begrepp, skärbarheten kommer variera för ett och samma material, olika för olika metoder. Skärbarheten byggs upp av en sambandskedja:
Materialegenskaper -> Processuppträdande -> Skärbarhetsuppträdande -> Resultatparametrar -> Bearbetningskostnad
De viktigaste verktygsmaterialen och användning.
Snabbstål Formbarhet, seghet. Kan gjutas och formgivas med plastisk och skärande bearbetning före härdning. Komplexa verktyg kan tillverkas till rimlig kostnad, fräsverktyg, spiralborrar.
Stellit Sprött, används i liten utsträckning, enstaka applikationer för slitdetaljer.
Hårdmetall Hårt och slitstarkt. Stort användningsområde då man kan få hårdmetallverktyg med många olika slitmotstånd och kostnader genom olika beläggningar (ett lager eller tunna skikt).
Cermet och keramik Cermet är en typ av sprödare hårdmetall, används i finbearbetningsoperationer för att få bättre ytor. Keramik är hårt
och kan motstå höga temperaturer, men är sprött.
Diamant Hårdaste kända ämnet, tål inte höga temperaturer, lång livslängd. Används som slitskikt på verktyg som har hårdmetall som bas. Aluminiumbearbetning.
Val av verktyg vägs mot kostnad och flexibilitet i användning.
Grundtyper av verktygsnedbrytning och dess konsekvenser för bearbetningsresultatet.
Förslitning Förändring av skärverktygets geometri genom en kontinuerlig förlust av verktygsmaterial.
Plastisk deformation Geometrisk formförändring av skärverktyget utan materialförlust.
Brott- och sprickbildning Sprickbildning, flagning, urbrytning respektive haveri där del eller delar av skärverktyget momentant avlägsnas.
Materialförändringar Strukturförändringar, kemiska reaktioner, diffusionsbetingade förändringar av skärmaterialet.
Konsekvenser för bearbetningsresultatet:
Försämrad ytjämnhet, verktyget havererar helt, nya ställtider och skärdata krävs. Blir dyrare än tänkt.
Verktygslivslängders beroende av skärdata samt dess koppling till bearbetningskostnaden.
Livslängdskriterium är den gräns då verktyget mister sin skärtekniska funktion. Utslitningskriterium är den gräns då man väljer att byta ut verktyget med hänsyn till den risk som föreligger att verktyget ska mista sin funktion, viss marginal. Utgör ett mått på hur stor geometrisk förändring av verktyget som tillåts, högre krav vid fin- än vid grovbearbetning.
Olika skärdata påverkar skärverktyget olika mycket, vilket påverkar livslängden. Då bearbetningskostnaden innefattar kostnaden för verktyget blir den högre för de operationer som sliter mycket på verktygen.
Användningen av Taylors ekvation.
Ekvationen behandlar verktygsförslitning i samband med skärande bearbetning. Sambandet mellan skärhastighet och utslitningstid visas i ett dubbellogaritmiskt diagram. Ekvationen gäller endast i det område där kurvan bildar en rät linje. Skärningspunkten med x-axeln motsvarar skärhastigheten för 1 min livslängd.
(Skärande bearbetning) Den principiella skillnaden mellan ”minimal detaljkostnad” och ”maximal produktionstakt”.
Minimal detaljkostnad: tillverkningen ska ske så att lägsta möjliga detaljkostnad uppnås, de parametrar som ska optimeras är ekonomisk utslitningstid och ekonomisk skärhastighet. Metoden används då maskinbeläggningen är jämn och leveransläget ej ansträngt.
Maximal produktionshastighet: vid hög maskinbeläggning och korta leveranstider kan det finnas anledning att finna skärdata som ger högsta möjliga produktionstakt. Söka maximalt spånflöde per tidsenhet (med hänsyn till verktygsbytestid). Får en högre bearbetningskostnad.
Grundprinciperna för metoderna svarvning, fräsning och sågning avseende huvudrörelser och maskinuppbyggnad, möjliga bearbetningsoperationer, skärdatas uppträdande, uppspänning av arbetsstycken och utformning av verktyget (inklusive hållare).
Svarvning: Rotationssymmetriska arbetsstycken bearbetas, den roterande huvudrörelsen överförs till arbetsstycket via en spindel som drivs av en elmotor. Matning kan ske axiellt och radiellt i förhållande till arbetsstycket. Verktygen spänns fast i en verktygshållare som sitter på toppsliden. Längdsvarvning (verktyget matas axiellt med visst skärdjup), plansvarvning (verktyget matas radiellt för att skapa en plan ändyta), avstickning (skilja eller kapa en detalj efter färdig bearbetning), gängsvarvning (av gängor, speciella gängskär, många matningar), innerbearbetning (långa, slanka verktyg med liten diameter, lägre skärdata), profilsvarvning (verktyg utformat efter den önskade profilen).
Karusellsvarv har i princip ställts på högkant för att underlätta/undvika uppspänning av tunga och oregelbundna arbetsstycken.
Fräsning: Bearbeta plana ytor, spår, fickor, profiler. Huvudrörelsen utförs av verktyget, inte arbetsstycket. Spånavverkningen som varje egg utför är inte kontinuerlig, minst ett avbrott varje varv, intermittens. Olika fräsverktyg har olika tillämpningar. Samma typer av skärdata som andra skärade bearbetningar, men med matning per tand.
Sågning: Vanligaste metoden för kapning av ämnen, flera eggar ombesörjer avverkningen. Kan användas för håltagning och figurskärning. Speciell skärdata är skränkningen av tänderna, behandlar tandens höjd och vinkel i sidled.
Ytterligare en skillnad mellan svarvning och fräsning är att vid den första används oftast bara ett verktyg åt gången. Vid fräsning används flera eggar/tänder parallellt (kan sitta på samma stycke).
Slipning: Tunna spånor. Inte energieffektiv, resulterar i höga toleranser. Hög kostnad i förhållande till avverkad volym.
Principiella skillnader mellan borrning, upprymning och brotschning samt dess användningsområde.
Borrning: Spånavverkande metod som används för upptagande av cylindriska hål, roterande rörelse och matningsrörelse. Finns en mängd spiralborrar av specialutförande, olika bearbetningssituationer ställer olika krav.
Upprymning: Efterbearbetningsmetod som ibland måste användas för gjutna hål eller hål som måste fylla vissa krav på form- eller dimensionstoleranser. Lite material avverkas, lägre skärkrafter. Mellanbearbetning för hål med snäva toleranser innan brotschning.
Brotschning: Efterbearbetningsmetod som används när mycket höga toleranskrav ställs på det färdiga hålet. Avverkningsmånen är liten, hålen måste ha ganska goda form- och ytegenskaper redan innan. Förbrotschning kan krävas. En brotsch är flerskärig, har jämnt antal skär.
Principen för hyvling och driftning samt dess användningsområde.
Hyvling: Rätlinjig skärrörelse, tomgående returslag. Metoden används vid långa arbetsstycken med smal bearbetad yta.
Driftning: Ger goda ytor och fina toleranser, snabb metod som används främst vid serietillverkning. Används invändigt och utvändigt. Driften arbetar i princip som en serie hyvelverktyg, kan dras eller tryckas igenom.
