Verktygsförslitning. Mätmetodik inverkande faktorer

Stig Grundberg, Bengt Axelsson, Anders Grönlund

Verktygsförslitning.

Mätmetodilc —

Inverkande faktorer

Tool Wear, Measurement Methodology

— Influencing Factors,

Trätek

Stig Grundberg, Bengt Axelsson, Anders Grönlund

Verktygsförslitning. Mätmetodik - Inverkande faktorer Tool Wear. Measurement Methodology - Influencing Factors

TräteknikCentrum, Rapport I 8705034 Nyckelord cutting tools machining measurement techniques milling tool materials tool wear Skellefteå november 1987

Rapporter från Trätek — Institutet för träteknisk forskning — är kompletta sammanställningar av forskningsresultat eller översikter, utvecklingar och studier. Publicerade rapporter betecknas med I eller P och numreras tillsammans med alla ut-gåvor från Trätek i löpande följd.

Citat tillätes om källan anges.

Reports issued by the Swedish Institute for Wood Technology Research comprise complete accounts for research results, or summaries, surveys and

studies. Published reports bear the designation I or P and are numbered in consecutive order together with all the other publications from the Institute. Extracts from the text may be reproduced provided the source is acknowledged.

Trätek — Institutet för träteknisk forskning — be-tjänar de fem industrigrenarna sågverk, trämanu-faktur (snickeri-, trähus-, möbel- och övrig trä-bearbetande industri), träfiberskivor, spånskivor och plywood. Ett avtal om forskning och utveck-ling mellan industrin och Nutek utgör grunden för verksamheten som utförs med egna, samverkande och externa resurser. Trätek har forskningsenhe-ter, förutom i Stockholm, även i Jönköping och Skellefteå.

The Swedish Institute for Wood Technology Re-search serves the five branches of the industry: sawmills, manufacturing (Joinery, wooden hous-es, furniture and other woodworking plants), fibre board, particle board and plywood. A research and development agreement between the industry and the Swedish National Boardfor Industrial and Technical Development forms the basis for the Institute's activities. The Institute utilises its own resources as well as those of its collaborators and other outside bodies. Apart from Stockholm, re-search units are also located in Jönköping and Skellefteå.

I N N E H A L L S F Ö R T E C K N I N G

Sektion Sida 1. SANMANFATTNING 1

2. BAKGRUND OCH SYFTE 2 2.1 B e ( i x m i n g s k r i t e r i e r 2 2.2 Inverkande f a k t o r e r 3 2.3 Undersökningsstrategi 3 3. MÄIMETODIK 4 3.1 Mätning av huvudskärkraft 4 3.2 Mätning av förslitning 4 3.2.1 Mätning med förskjutningsgivare 4

3.2.2 Avgjutning av verktygseggar 5

3.3 Ytfinhetsmätning 6 3.3.1 Ytfinhetsmätning - S k i v m a t e r i a l 7

3.3.2 Ytfinhetsmätning - S o l i t t trä 9 3.4 Mätning av damn och b u l l e r 10 4. GROV ANALYS AV INVERKANDE FAKTORER 12

4.1 Försökens uppläggning och onfattning 12

4.1.1 Laboratorieförsök 12 4.1.2 Industriförsök 12 4.2 Inverkan av o l i k a m a t e r i a l - och verktygskcmbinaticyier 13

4.2.1 Laboratorieförsök 13 4.2.2 Industriförsök 14 4.2.3 Laboratorieförsök - Keramer 16 4.3 Godhetstalens r e l e v a n s 17 4.4 Resultatens v a r i a t i o n 18 4.5 Spåntjocklekens inverkan 19 4.6 Skärhastighetens inverkan 20 4.7 Skärvinklamas inverkan 25 4.8 Förslitningsprofiler - Mekanismer 27 4.9 Bullermätningar 30 4.10 Damm-mätningar 31

11

Sektion Sida 5. KO^t^ENTARER OCH SLUTSATSER 34

6. LITTERATUR 35 7. SUMMARY 37

1. SANMANFATTNING

S y f t e t med det arbete son r e d o v i s a s i denna rapport h a r v a r i t a t t u t v e c k l a en metodik för mätning av förslitning och bestämning av skärdata v i d h y v l i n g och fräsning. I a r b e t e t h a r också ingått en grov sållning bland de f a k t o r e r scm i n v e r k a r på bearbetningsprocessen. Bearbetningsprocessen h a r bedönts utifrån följande godhetstal: - Huvudskärkraft

- Verktygsförslitning - Y t f i n h e t

- B u l l e r - Damn

Av dessa b e d c n n i n g s k r i t e r i e r v i s a d e s i g huvudskärkraften v a r a mindre r e l e v a n t för bedönning av bearbetningsprocessens k v a l i t e t (godhet). Försöken h a r v i s a t a t t verktygsförslitningen för en given m a t e r i a l - / verktygskcmbination framför a l l t är beroende av skärlängden.

I de f l e s t a f a l l förslits verktygen på släppningssidan där så småningcm e n f a s med negativ släppningsvinkel u t b i l d a s . Scm enda undantag från d e t t a mönster f i c k v i v i d h y v l i n g av s n i c k e r i t o r r f u r u en gropförslitning på verktygets spånsida. Gropförslitningen hade en självskärpande e f f e k t , v i l k e t medförde mycket långa ståndtider. Den erhållna y t f i n h e t e n beror, förutan på förslitning och bearbetat m a t e r i a l , även på en r a d geonetriska och bearbetningstekniska

f a k t o r e r .

Ur förslitnings-, b u l l e r - och damnsynpunkt bör spåntjockleken v a r a så s t o r son möjligt. En låg förslitning befrämjas även av en s t o r egg-v i n k e l . Hur s t o r spåntjockleken och eggegg-vinkeln kan tillåtas b l i begränsas dock av v i l k a krav man ställer på de bearbetade ytornas k v a l i t e t .

2. BAKGRUND CX:H S Y F T E

I dagens hårda konkurrens krävs a t t man v i d a l l träindustrieli t i l l -verkning försöker nedbringa samtliga kostnader t i l l lägsta möjliga nivå. E t t av de kostnadsslag man därvid bör beakta är bearbetnings-kostnaderna.

T r a d i t i o n e l l t h a r man i första hand räknat med a t t följande k o s t -nadsslag i n v e r k a r på bearbetningskostnadema: - Verktygskostnad - Verktygsbyteskostnad - Verktygsunderhållskostnad - Omställningskostnad v i d s e r i e b y t e - Kassationskostnad ( k v a l i t e t s k o s t n a d )

- I n d i r e k t i n v e r k a r n a t u r l i g t v i s även Ic^ie- och k a p i t a l k o s t n a d e r Det står dock a l l t mera k l a r t a t t i dagens läge måste även v i s s a

arbetsmiljöfaktorer beaktas v i d en analys av bearbetningskostnadema. Tyvärr är det mycket svårt a t t k v a n t i f i e r a kostnaderna för o l i k a arbetsmiljöfaktorer, son t ex b u l l e r och damm. Denna svårighet får dock i n t e avhålla o s s från a t t beakta dessa f a k t o r e r v i d en t o t a l -analys av ekononiska skärdata v i d h y v l i r ^ och fräsning.

S y f t e t med d e t t a p r o j e k t är a t t t a fram ekcxxxniska skärdata för hyvlirig och fräsning. I denna rapport r e d o v i s a s a r b e t e t med

mät-metodikutvecklingen samt r e s u l t a t e t av en grov sållning bland några av de inverkande f a k t o r e r n a .

2.1 BedCmningskriterier

För a t t kunna kartlägga ekoncmiska skärdata v i d o l i k a bearbetnings-operationer måste man ha r e l e v a n t a bedömningskriterier ( g o d h e t s t a l ) . Dessa godhetstal bör på e t t mätbart och o b j e k t i v t sätt v i s a hur b r a e l l e r dålig en v i s s bearbetningsoperation är.

I f a l l e t med h y v l i n g och fräsning h a r v i bedcmt a t t följande bedöm-n i bedöm-n g s k r i t e r i e r (godhetstal) kabedöm-n v a r a r e l e v a bedöm-n t a : - Huvudskärkraft - Y t f i n h e t - Verktygsförslitning - B u l l e r e m i s s i o n - Dammbildning

En d e l av s y f t e t med de inledande delarna av p r o j e k t e t h a r v a r i t a t t undersöka cm a l l a dessa 5 bedcmnirigskriterier är r e l e v a n t a o c h / e l l e r nödvändiga.

2.2 Inverkande f a k t o r e r

V i d h y v l i n g och fräsning i n v e r k a r b l a följande parametrar på bearbet-ningsprocessen : - Spåntjocklek - Skärhastighet - Matningshastighet - Matning per skär - Verktygsdiameter - A n t a l stål i verktyget - Skärdjup - Verktygsmaterial - Skärvinklar - Y t k v a l i t e t på skärstålen - Framsättning - A r b e t s s t y c k e t s dimensioner - Matningslängd - Summa skärlängd - B r y n p l a t t a - Med- e l l e r motmatning - Spånutsug - A r b e t s s t y c k e t s materialegenskaper - Balansering, rundgångsnoggrannhet - Irpostningsnoggrannhet - Verktygskropp - Slipmetod

Av ovanstående l i s t a framgår a t t a n t a l e t inverkande f a k t o r e r är mycket s t o r t och a n t a l e t konbinationsmöjligheter b l i r närmast oändligt. För a t t göra problemet p r a k t i s k t h a n t e r l i g t måste a n t a l e t undersökta para-meterkcmbinationer således nedbringas högst väsentligt.

2.3 Undersökningsstrategi

I den inledande delen av p r o j e k t e t h a r v i k c n c e n t r e r a t o s s på a t t undersöka e t t s t o r t a n t a l o l i k a parameterkcmbinationer. Genan d e t t a förfararide kan v i r e l a t i v t snabbt få en uppfattning cm v i l k a f a k t o r e r scm är av primär b e t y d e l s e och v i l k a f a k t o r e r son h a r en mera sekundär inverkan på bearbetningsprocessen. Det är r e s u l t a t e t av denna grov-sållning bland inverkande f a k t o r e r scm r e d o v i s a s i denna rapport.

3. MÄIMETCDIK

3.1 Mätning av hu\Aidskärkraft

Huvudskärkraften h a r mätts i n d i r e k t genan mätning av arbetsspindelns n e t t o e f f e k t . Med kännedcm cm skärhastigheten beräknades så huvudskär-k r a f t e n . Effehuvudskär-ktmätningsutrustningen huvudskär-k a l i b r e r a d e s med s huvudskär-k bronsprov /!/.

V i gjorde även v i s s a försök a t t mäta normalkraften v i d bearbetningen. V i fann dock rätt s n a r t a t t en exakt utmätning av normalkraften v a r så k c n p l i c e r a d a t t v i bedömde a t t det i n f o r m a t i o n s t i l l s k o t t s a n denna parameter s k u l l e ge, i n t e uppvägde kostnaderna för a t t utveckla en tillförlitlig mätmetod.

3.2 Mätning av förslitning

V i h a r mätt förslitningen på två o l i k a sätt d e l s med förskjutnings-givare, d e l s genan a t t göra avgjutningar av verktygseggen. Dessa två metoder k a r p l e t t e r a r varandra på e t t utmärkt sätt.

3.2.1 Mätning med föaiskjutningsgivare

V i d mätning av förslitning förs givaren längs eggen, s e f i g u r 1. Genan a t t r e g i s t r e r a givarens u t s l a g på en s k r i v a r e h a r v i fått en b i l d av förslitningsprofilen längs eggen, s e f i g u r 2.

Xmax=|infi

Figur 2. Exenpel på förslitningsprofil.

Vid bearbetning av skivmaterial har förslitningsprofilen det prin-c i p i e l l a utseendet enligt figur 2. Den största förslitningen äger r o m a l t rum på den del av eggen scm bearbetat skivomas hårda ytskikt

(hög densitet). Scm mått på förslitningen har v i använt medelvärdet av förslitningen v i d de båda ytskikten x och x i figur 2. V i använder förslitningen v i d kanterna scm godhetstal, e^terscm det är dessa två punkter på eggen scm genererar ytan på den bearbetade skivans kanter

(ytskikt). Att ha perfekta kanter är naturligtvis mycket v i k t i g t t ex för efterföljande kantlistning.

Det bör i detta sammanhang påpekas a t t i v i s s a f a l l kan förslitning vara större v i d skivans mitt, förmodligen beroende på en högre halt av fränmande hårda partiklar (sandhalt) i mittskiktet jämfört med y t skikten. Även i detta f a l l har v i dock använt förslitningen v i d y t -skikten scm mått på förslitningen.

Scm mätgivare har v i använt en induktiv förskjutningsgivare av märket HBM. Givarens maximala mätfel är 1% av uppnätt värde.

3.2.2 Avgjutning av verktygseggar

Med förskjutningsgivaren mäter man förslitningsprofilen längs eggen. För a t t få en uppfattning cm förslitningsprofilen tvärs eggen har v i g j u t i t av eggen i en plastmassa. Plastmassetillverkaren uppger a t t avbildningsnoggrannheten är bättre än 1 mikrcmeter.

Vid avgjutningen får den flytande plastmassan härda runt eggen. När härdningen är k l a r lösgöres plasten från eggen. Man har nu en negativ (cmvänd) avbildning av eggen. Plastavgjutningen snittas sedan vinkel-rätt mot egglinjen. Snittytan fotograferas sedan i e t t mikroskop med en förstoring på 50 - 300 gånger, se figur 3. Därefter mäter man för-slitningen på mikroskopbilden.

Mikroskop - bild

F i g u r 3. Mätning av förslitning på en mikroskopbild.

För a t t kunna hålla reda på varifrån längs eggen son e t t g i v e t s n i t t härrör, kan man märka u t o l i k a tvärsnitt på stålet med en smal t u s c h -penna före avgjutningen. Dessa tuschmarkeringar f a s t n a r sedan på av-g j u t n i n av-g s p l a s t e n när den härdar. På d e t t a sätt kan man välja a t t läav-gav-ga s n i t t e n på o l i k a ställen längs eggen, så a t t man kan mäta förslitning och studera eggprofilen i förutbestämda lägen.

En s t o r fördel med avgjutningsmetoden är a t t man kan mäta skärpan på eggarna innan förslitningsproven s t a r t a r , v i l k e t i n t e är möjligt med förskjutningsgivarmetoden. En annan v i k t i g fördel med avgjutnings-metoden är n a t u r l i g t v i s a t t man kan studera förslitningsprofilen tvärs eggen.

I början av p r o j e k t e t gjorde v i avgjutningar v i d a l l a kontrollpunkter p a r a l l e l l t med förslitningsmätning med förskjutningsgivaren. På d e t t a sätt kunde v i k o n t r o l l e r a och jämföra metoderna med varandra mycket o f t a .

När v i e f t e r e t t t a g hade k o n s t a t e r a t a t t det förelåg en god överens-stäntnelse mellan de två metoderna, övergick v i t i l l a t t endast göra avgjutningar före och e f t e r förslitningsproven för v a r j e stål. På d e t t a sätt kunde tidsåtgången per provat stål reduceras högst avsevärt eftersom avgjutningsmetoden är mycket arbetskrävande.

3.3 Ytfinhetanätnii^

Ytfinhetanätningen kan uppdelas i två o l i k a f a l l , nämligen: - Mätning på s k i v m a t e r i a l

- Mätning på s o l i t t trä

När det gäller s k i v m a t e r i a l är det i de a l l r a f l e s t a f a l l y t f i n h e t e n längs kanterna scm är dimensionerande. Det räcker i d e t t a f a l l a t t mäta längs en l i n j e , d v s en endimensionell mätning.

När d e t gäller s o l i t t trä är det o f t a s t y t a n s p e c i e l l t runt k v i s t a r och fiberstömingar scm är dimensionerande. I d e t t a f a l l måste man göra en tvådimensionell ytfinhetsmätning.

3.3.1 Ytfinhetsmätnir^ - S k i v m a t e r i a l

Ytfinheten på kanterna mäts genan a t t låta en induktiv förskjutnings-givare släpa längs kanten, se figur 4. Mätspetsens radie är 50 mikro-meter och mättrycket 3 gram. Detta mättryck ger inte någon märkbar deformation av trämaterialet.

Y+finhet

/

Förskjutning:

givare

Figur 4. Ytfinhetsmätning av kanturslag på bearbetade skivor.

Den t o t a l a mätsträckans längd har v i d försöken varierats från 8 - 100 cm. Vid de inledande grovsållningsförsöken använde v i en mätsträcka på 8 cm. Vid de mer noggranna försöken med en s l u t l i g skärdatabestämning använde v i 50 cm mätsträcka på obelagd spånskiva och 100 an mätsträcka på belagd spånskiva. Det visade s i g nämligen a t t s p e c i e l l t på

den melaminbelagda skivan blev kanturslagen r e l a t i v t slun^mässigt utspridda. För a t t öka mätsäkerheten vid den stora variation av kantkvaliteten san man har på belagda skivor, tvangs v i a t t öka längden på mätsträckan.

San mått på ytfinheten har v i v a l t a t t använda e t t s k Qa-värde san utvecklats v i d IWF i Braunschweig /2/. Anledningen t i l l a t t v i v a l t detta Qa-värde i stället för det mera konventionella Ra-värdet är a t t man i Braunschweig har funnit a t t Qa-värdet har den bästa korrela-tionen med hur fackmän bedömer kantkvaliteten efter en bearbetnings-operation /2/. I figur 5 visas hur Qa-värdet definieras och beräknas.

1m "2 = ^2 ^3 24 25: Ra 1m 0-^ •n-, lyl dx 'm 0^ l y l x C, ,dx

F i g u r 5. D e f i n i t i o n och beräkning av Qa-värde. A. = - E L 1 L j i j 6 Qa = T. A -C i = l i i t o t a l mätlärigd längd av skada j på djupnivån i

rt. - r e l a t i v längdandel skador på djupnivå i C = v i k t s f a k t o r på djupnivå i

i

Y = m e d e l l i n j e

Scm framgår av f i g u r 5 h a r man v i k t a t djupa skador mycket hårt. Qa-värdet är således mycket mera p r o g r e s s i v t än Ra-Qa-värdet, scm j u är e t t

a r i t m e t i s k t medelvärde av skadomas avstånd från medellinjen.

Mätsignalen från förskjutningsgivaren sanplas och d i g i t a l i s e r a s i en AD-cmvandlare. Därefter l a g r a s de sanplade mätvärdena i en dator. Innan Qa-värdet kan beräknas utifrån de sanplade mätvärdena måste låg-frekventa svängnirigar i y t p r o f i l e n f i l t r e r a s bort med hjälp av e t t matematiskt f i l t e r . Dessa lågfrekventa s k makrofel är längre än k u t t e r s l a g s d e l n i n g e n och kan mera hänföras t i l l o f u l l k c m l i g h e t e r i maskinutrustningen än a t t de s k u l l t ha uppkcmmit på grund av inverkan

från bearbetningssituationen scm sådan. Efterscm dessa makrofel h a r större a n p l i t u d än de e g e n t l i g a bearbetningsfelen, får de en i dessa sammanhang alltför s t o r inverkan på ytfinhetsvärdet cm de i n t e f i l t -r e -r a s bo-rt, s e f i g u -r 6. Om mak-rofelen i n t e f i l t -r e -r a s bo-rt få-r man o f t a höga Qa-värden (=dålig kant) för kanter scm ögat uppfattar scm bra, efterscm dessa långvågiga makrofel o f t a s t i n t e är s y n l i g a för ögat.

Reg. linje

Filirering 0.5 H^r brytfrekvens =^4mm

Makrofel

Mikrofel

F i g u r 6. F i l t r e r i n g av y t f i n h e t s k u r v a .

Vid f i l t r e r i n g av y t f i n h e t s k u r v a n dras makrokurvan i f i g u r 6b från ursprungskurvan i f i g u r 6a. Kvar b l i r då en kurva scm innehåller de e g e n t l i g a bearbetningsfelen, de s k mikrofelen, f i g u r 6c.

E t t dilerma v i d f i l t r e r i n g är v a l e t av brytfrekvens. I vårt f a l l h a r v i e f t e r e t t a n t a l o l i k a försök v a l t brytfrekvensen motsvarande våg-längden 4 mm. Det betyder i d e a l t a t t a l l a våglängder längre än 4 mm f i l t r e r a s bort. Nu f i n n s d e t inga i d e a l a f i l t e r son k l i p p e r b o r t a l l t över en given brytfrekvens, utan man h a r en k o n t i n u e r l i g avklingning av förstärkningen ovanför brytfrekvensen. I vårt f a l l är avklingningen 10 db per dekad, d v s förstärkningen v i d våglängden 40 mm är 10

gånger lägre än förstärkningen v i d 4 mm.

3.3.2 Ytfinhetsmätniiig - S o l i t t trä

Vid y t finhetsmätning på s o l i t t trä kan man i n t e , scm i f a l l e t med s k i v o r , nöja s i g med a t t mäta y t f i n h e t e n längs en kant. Man måste göra en tvådimensionGll ytmätning, v i l k e t n a t u r l i g t v i s ställer andra krav på mätmetodiken än kantmätningen på s k i v o r .

Det h a r genan åren g j o r t s e t t f l e r t a l arbeten för a t t försöka u t v e c k l a en b r a metod för y t finhetsmätning på trä /3 - 13/.

I dessa arbeten h a r man framför a l l t berört följande t r e metoder: - Manuell bedcmning

- Berörande mätning med mätspets - Optiska metoder

Den manuella bedömningen grundar s i g antingen på syn- e l l e r känsel-i n t r y c k . Den s t o r a nackdelen med denna metod är n a t u r l känsel-i g t v känsel-i s a t t den är s u b j e k t i v , v i l k e t gör den närmast cmöjlig a t t använda i forsknings-sanmanhang. För användning i i n d u s t r i e l l a sammanhang duger metoden i

10

r e g e l b r a u r k v a l i t a t i v synpunkt, men är o f t a tröttsam för beciånaren i det långa loppet.

Nackdelen med berörande mätning med mätspets är framför a l l t a t t man mäter endast längs en l i n j e . För a t t få en god b i l d av ytans topografi s k u l l e man i d e t t a f a l l göra en mängd mätningar längs p a r a l l e l l a mät-stråk. I d e t t a f a l l b l i r metoden besvärlig och kostsam.

E t t annat problem är a t t arpassa nål r a d i e och nål t r y c k så a t t mät-spetsen v e r k l i g e n följer y t a n och dlnte plöjer en fåra i ytan. För ytfinhetsmätningar på trä, rekarmenderas en nålspetsradie på c a 50 mikraneter och e t t mättryck på c a 1 gram. Dessa värden h a r också v i d våra försök v i s a t s i g fungera tämligen väl på t o r r (9%) furu.

De o p t i s k a metoderna h a r fördelen av a t t v a r a i c k e berörande samt a t t man o f t a s t h a r en tvådimensionell ytmätning. Problonet med o p t i s k a metoder är först och främst a t t erhålla tillräckligt b r a mätupp-lösning. Med tanke på bildbehandlingsteknikens snabba u t v e c k l i n g är det dock mycket san t a l a r för a t t o p t i s k ytmätning s k a l l kanma t i l l s t o r användning, både i forskningssammanhang och för produktions-k o n t r o l l i framtiden. Det produktions-krävs docproduktions-k både e t t v i s s t u t v e c produktions-k l i n g s a r b e t e och standardiseringsarbete för a t t förverkliga e t t sådant system.

3.4 Mätning a v damm och b u l l e r

Mätningarna av damm och b u l l e r h a r g j o r t s inan TRÄTEK, v a r v i d man byggt e t t s p e c i e l l t mätrum med väldefdLnierade luftströmmar runt en bordsfräs.

Mätrummets volym är 67,5 m^ med måtten 5 x 5 x 2,7 m. L u f t i n t a g e t t i l l rummet s k e r v i a f i l t e r s a n täcker h e l a takytan. Luftutsuget från rum-met s k e r d e l s v i a spånsugen med 1000 m /tim, d e l s v i a en s p e c i e l l

frånluftskanal med 2000 m /tim. T i l l denna frånluftskanal är en Royco partikelmätare kopplad. Med denna partikelmätare kan man mäta medel-värdet av p a r t i k e l h a l t och partikelstorleksfördelning p e r minut. Innan mätningen kan utföras måste damnemissico kanma upp i e t t f o r t v a r i g -hetstillstånd, v i l k e t t a r c a 15 minuter.

För a t t kunna r e g i s t r e r a e v e n t u e l l a snabba förändringar av dammbilden har även en mätgivare i n s t a l l e r a t s inne i rummet. Denna mätgivare placerades 0,5 m i matningsriktningen från k u t t e r n och 0,3 m över fräsbordet, s e f i g u r 7.

11 Buller Bordsfras 500mm Damm Höjd=300mm

Figur 7. Partikelräknarens och bullermätarens placering i mätrummet. Mätningarna av buller gjordes med en bullermätare av märket Bruel & Kjaer 2209. Mätsonden för bullermätningarna var placerad 1,0 m vinkel-rätt bakcm kuttern och i samma höjd över golvet scm denna, se figur 7, Mätsignalema från bullermätaren registrerades dels på en skrivare, dels med en bandspelare för a t t ge möjlighet t i l l efterföljande f r e -kvensanalys.

12

4. GROV ANALYS AV INVERKANDE FAKltBER

4.1 Försökens uqppläggning o c h cmfat±nlrcf

De p r a k t i s k a försöken h a r utförts d e l s s o n laboratorieförsök på Högskolan i Luleå o c h på TRÄTEK, d e l s san industriförsök v i d f y r a o l i k a företag.

4.1.1 Labaratorieförsök

Laboratorieförsöken utfördes på en bordsfräs med möjlighet t i l l 5 o l i k a v a r v t a l (2900, 4400, 6000, 7800 o c h 10000 v a r v / m i n u t ) . Maskinen v a r försedd med e t t s e p a r a t matarverk med v a r i a b e l matning.

Son v e r k t y g s k r o p p användes en W e i n i g - b l a n k e t t k u t t e r , med d i a m e t e r n 135 mm o c h bredden 60 mm. Stålens framsättning v a r 10 mm.

För a t t uppnå bästa möjliga rundgångsnoggrannhet f a s t s a t t e s k u t t e r n på s p i n d e l a x e l n med s k hydrofastspänning. För a t t i n t e få problem med rundgångsnoggrannheten h a r s a m t l i g a försök utförts med endast e t t arbetande stål i k u t t e r n .

Förslitningen mättes d e l s med förskjutningsgivare, d e l s genan p l a s t a v g j u t n i n g av eggarna. Y t f i n h e t e n mättes på prci\tocppar s a n plockades u t v i d g i v n a k c n t r o l l p u n k t e r . I M e r h e l a försöket r e g i -s t r e r a d e -s huvud-skärkraften.

4.1.2 Industriförse*:

Industriförsöken h a r utförts på f y r a o l i k a företag med f y r a o l i k a k a n b i n a t i o n e r a v v e r k t y g s m a t e r i a l o c h a r b e t s s t y c k e s m a t e r i a l .

Förslitningen h a r mätts v i d o l i k a k o n t r o l l p u n k t e r g e r o n p l a s t a v g j u t -n i -n g av eggar-na.

Förslitningen av eggarna h a r d r i v i t s så långt s a n värdföretagens p e r s o n a l h a r bedömt d e t v a r a möjligt, med hänsyn t i l l r e s p e k t i v e företags y t f i n h e t s k r a v .

13

4.2 I n v e r k a n a v o l i k a m a t e r i a l - o c h verictygskcntojjiatLcner

4.2.1 Labaratjorieförsck

I f i g u r 8 v i s a s förslitningen scm f u n k t i o n a v skärlängden för följande f y r a m a t e r i a l - Z v e r k t y g s k c m b i n a t i o n e r :

- MDF-HSS = Medium D e n s i t y F i b r e b o a r d o c h snabbstål s v e r k t y g - SS-HSS = " V a n l i g " spånskiva o c h snabbstål s v e r k t y g

- CEM-k20 = Cementbunden spånskiva o c h hårdmetallverktyg K20 - SS-k20 = " V a n l i g " spånskiva o c h hårdmetallverktyg K20

I f i g u r 8 k a n man framför a l l t lägga märke t i l l två saker, nämligen d e l s hårdmetallens överlägsna s l i t s t y r k a jämfört med snabbstål, d e l s v i l k e n s t o r s k i l l n a d d e t är m e l l a n o l i k a s k i v m a t e r i a l i förslitnings-hänseende. Jämför den v a n l i g a spånskivan med den canentbundna spån-s k i v a n . (Obspån-servera a t t v i i despån-sspån-sa i n l e d a n d e förspån-sök medvetet v a l t v i spån-s spån-s a k c m b i n a t i o n e r scm s k u l l e v a r a s t a r k t förslitande.) M D F - H S S S p a n s k i v a - H S S C e m e n t s p å n s k i v a - K 2 0 S p å n s k i v a - K 2 0 4.0 5.0E+03 Skärlängd (m)

F i g u r 8. Förslitning son f u n k t i o n a v skärlängden för f y r a o l i k a m a t e r i a l - o c h v e r k t y g s k o n b i n a t i o n e r . Skärhastighet 36 m/s, spåntjocklek 0,15 mn, spånvinkel 17 , e g g v i n k e l 63 ,

släppningsvinkel 10 .

I f i g u r 9 v i s a s y t f i n h e t e n scm f u n k t i o n a v skärlängden för samma m a t e r i a l - o c h v e r k t y g s k o n b i n a t i o n e r scm i f i g u r 8.

14 7.0 E+02 6.0 5.0 Cementsp6nski><3 - K 2 0 S p ä n s k i v a - H S S o 5= 3.0 _{M D F - H S S} S p f l n s k i v a - K 2 0 '~1 ° 4.0 5.0 E+03 Skärlängd (m) F i g u r 9. Y t f i n h e t e n son f u n k t i o n av skärlängden för o l i k a m a t e r i a l -och v e r k t y g s k c m b i n a t i o n e r . Skärhastighet 36 m/s, s p a n t j o c k l e k 0,15 mm, spånvinkel 17 , e g g v i n k e l 63 , släppningsvinkel 10 . Av f i g u r 9 framgår k l a r t a t t förslitnir^en h a r en s t o r i n v e r k a n på y t

-f i n h e t e n , jäm-för spånskiva bearbetad med snabbstål r e s p e k t i v e hård-m e t a l l . Även a r b e t s s t y c k e t s egenskaper h a r dock s t o r b e t y d e l s e , v i l k e t v i s a s av a t t y t f i n h e t e n är bättre på MDF-skivan än k c m b i n a t i c y i e m a CEMk20 o c h SSHSS, t r o t s a t t dessa k c m b i n a t i o n e r u p p v i s a r lägre v e r k -tygsförslitning, jämför f i g u r 8. A t t man får r e l a t i v t dåliga y t o r på den v a n l i g a spånskivan men framför a l l t på den cementbundna s k i v a n , b e r o r på a t t man mycket lätt får s t o r a k a n t u r s l a g i dessa f a l l . Dessa k a n t u r s l a g k a n uppträda r e l a t i v t s l u n p a r t a t , v i l k e t t a l a r för a t t man bör ha en lägre mät sträcka än de 4 - 8 cm san v i använt i dessa

i n l e d a n d e försök.

Gencm a t t s t u d e r a k u r v o r n a i f i g u r 8 o c h 9 k a n man d r a s l u t s a t s e n a t t för en g i v e n m a t e r i a l - o c h v e r k t y g s k o n b i n a t i c o k a n man med kännedcm cm förslitningsgraden t i l l v i s s d e l förutsäga v i l k e n y t f i n h e t man kcmner a t t få. Däremot k a n man utifrån förslitningen i n t e förutsäga v i l k e n y t f i n h e t man får oberoende av m a t e r i a l - o c h v e r k t y g s k c m b i n a t i o n .

4.2.2 Industriförsök

I f i g u r 10 v i s a s förslitningen son f u n k t i o n av skärlängden för f y r a o l i k a m a t e r i a l - / v e r k t y g s k c m b i n a t i o n e r från våra industriförsök. Som jämförelse h a r även två k c m b i n a t i o n e r från våra laboratorieförsök l a g t s i n i f i g u r e n . (Observera den s t o r a s k i l l n a d e n i s k a l a n på skär längdsaxeln m e l l a n f i g u r 8 o c h f i g u r 10.)

15 Spå-HSS Melamin-»på-k:20 Sp&-k20 Q Rk-k20 T — I — r -T T - - r — T 1 I I I r-0 2r-0r-0r-0r-0 4r-0r-0r-0r-0 6r-0r-0r-0r-0 BOOOO 1r-0r-0r-0r-0r-0 12r-0r-0r-0r-0 14r-0r-0r-0r-0 16r-0r-0r-0r-0 18r-0r-0r-0r-0 2r-0r-0r-0r-0r-0

F i g u r 10. Förslitningen san f u n k t i o n av skärlängden för o l i k a m a t e r i a l - o c h v e r k t y g s k c m b i n a t i o n e r v i d industriförsök. Följande m a t e r i a l - o c h v e r k t y g s k c m b i n a t i o n e r v i s a s i f i g u r 10: I n d u s t r i försök

- Fl-HSS = Furu 18% f u k t k v o t och snabbstålsverktyg - F2-HSS = Furu 10% f u k t k v D t o c h snabbstålsverktyg - Ek-k20 = Ek o c h hårdmetallverktyg k20

- Mel-k20 = ^4elaminbelagd spånskiva o c h hårdmetallverktyg k20 Laboratorieförsök

- SS-HSS = " V a n l i g " spånskiva o c h snabbstålsverktyg - SS-k20 = " V a n l i g " spånskiva och hårdmetallverktyg k20

Av f i g u r 10 framgår t y d l i g t f u r u n s p o s i t i v a egenskaper u r ningssynpunkt. T r o t s a t t f u r u b e a r b e t a t s med snabbstål är förslit-n i förslit-n g s h a s t i g h e t e förslit-n jämbördig med ek och spåförslit-nskiva som b e a r b e t a t s med hårdmetall.

Den melaminbelagda s k i v a n u p p v i s a r e t t mycket snabbt förslitnings-förlopp framför a l l t beroende på en k r a f t i g i n i t i a l förslitning. Denna snabba initialförslitning är svårförklarlig. En första t a n k e v a r

n a t u r l i g t v i s a t t söka orsaken i m e l a m i n s k i k t e t , men på värdföretaget menar man a t t förslitningen är i s t o r t s e t t l i k a snabb på i c k e belagda s k i v o r . För a t t s l u t g i l t i g t kunna förklara orsaken t i l l a t t förslit-n i förslit-n g s h a s t i g h e t e förslit-n v a r så mycket större hos värdföretaget jämfört med förslitningen v i d våra laboratorieförsök, måste en ingående analys av h e l a b e a r b e t n i n g s s i t u a t i o n e n utföras.

16

4.2.3 Laboratarieföaraök - Keramer

I f i g u r 1 1 v i s a s r e s u l t a t e n av några försök där v i b e a r b e t a t spånskiva med b l a n d annat några o l i k a keramer.

; / / A - S i a l m .'' BxhlamSteram ,' C - s l a l c n D-RenkfiraraU< E-KArc»netaXl(K20) _y F-SkUctbelagd h A r * B t a U ( G C 0 1 5 ) j G^ntanbascTKj ce7w«l ^' L - S i a l c n / ; // E F i g u r 11. Förslitning scm f u n k t i o n av skärlängden för o l i k a v e r k t y g s -m a t e r i a l v i d b e a r b e t n i n g av spånskiva. Spånvinkel 2°, egg-v i n k e l 90 , släppningsegg-vinkel 2 , skärhastighet 33 m/s spån-t j o c k l e k 0,15 mn. / ' Följande v e r k t y g s m a t e r i a l h a r p r a v a t s : B = C = D = E = A = S i a l o n 1 = k i s e l n i t r i d + aluminiumDxid + y t t r i u m o x i d Biandkeramik = Aluminiumoxid + T i t a n n i t r i d + T i t a n c a r b i d S i a l o n 2 = Se A

Ren keramik = Aluminiumoxid + Z i r k o n i u m o x i d Hårdnetall k20

F = S k i k t b e l a g d hårdmetall = Hårdmetall b e l a g d med två tunna s k i k t , y t t e r s t e t t a l u m i n i u m o x i d s k i k t o c h därunder e t t s k i k t bestående av t i t a n k a r b i d

G = T i t a n b a s e r a d cermet = T i t a n b a s e r a d förslitningsfas med n i c k e l scm bindemedel

L = S i a l o n 3 = Se A.

S k i l l n a d e n m e l l a n de t r e sialonskären är b l a n d annat a t t S i a l o n h a r lägre andel a l u m i n i u m o x i d o c h y t t r i u m o x i d än de två andra s i a l o n -skären.

Av f i g u r 11 framgår t y d l i g t a t t renkeramik-skäret D o c h d e t skär scm t i l l v e r k a t s av t i t a n b a s e r a d cermet förslitits b e t y d l i g t snabbare än den k o n v e n t i o n e l l a hårdmetallen. Denna snabba förslitning b e r o r för-modligen på a t t dessa två m a t e r i a l är för spröda a t t använda v i d b e a r b e t n i n g med i n t e r m i t t e n t i n g r e p p scm v i d h y v l i n g o c h fräsning. Av övriga t e s t a d e skär u p p v i s a r framför a l l t s i a l o n L o c h den s k i k t

-17

belagda hårdmetallen goda förslitningsegenskaper. A t t s i a l c n L upp-v i s a r bättre förslitningsegenskaper än s i a l o n A o c h C t y d e r på a t t man bör sträva e f t e r a t t u t v e c k l a skär med hög seghet för denna t y p av be-a r b e t n i n g .

Den s k i k t b e l a g d a hårdmetallen u p p v i s a r mycket goda förslitningsegen-skaper så länge s k i k t e t är i n t a k t . I de försök san r e d o v i s a s i f i g u r 11 v a r e g g v i n k e l n h e l a 90 . K c r p l e t t e r a n d e försök med en e g g v i n k e l på 79 v i s a d e a t t i d e t t a f a l l s l e t s s k i k t e t b o r t väldigt snabbt, o c h förslitningsegenskapema b l e v därefter i v a r j e f a l l i n t e bättre än för e t t k o n v e n t i o n e l l t hårdmetallskär.

Försöken med o l i k a t y p e r av keramer h a r v a r i t av mera o r i e n t e r a n d e karaktär, varför några långtgående s l u t s a t s e r i n t e bör d r a s av de erhållna r e s u l t a t e n . Förslitningsförsöken v i s a r dock a t t :

- Förslitningsegenskaper hDs e t t v e r k t y g s m a t e r i a l san fastställts genan b e a r b e t n i n g av m e t a l l är i n t e d i r e k t överförbara t i l l trä-b e a r trä-b e t n i n g

- I n t e r m i t t e n t träbearbetning kräver r e l a t i v t sega v e r k t y g s m a t e r i a l .

4.3 G o d h e t s t a l e n s r e l e v a n s

I f i g u r 12 v i s a s huvudskärkraften san f u n k t i o n av skärlängden för t r e o l i k a m a t e r i a l - och v e r k t y g s k a n b i n a t i o n e r . Motsvarande k u r v o r för för-s l i t n i n g o c h y t f i n h e t h a r v i för-s a t för-s i f i g u r 8 och 9. P 30.0 </) T3 ZJ > 3 20.0 10.0 1 T 1 r -Cementspånskiva - K 20 —o r s t r : • • • • " ^ • J L . - — M D F - H S S ' ^•^y' f ^ •** Spänskiva - Hbb 1 1 1 1 1 1.0 2.0 3.0 4.0 5.0E*03 Skärlängd (m)

F i g u r 12. Huvudskärkraften san f u n k t i o n av skärlängden för t r e o l i k a m a t e r i a l - / v e r k t y g s k a n b i n a t i o n e r . Skärhastighet 36 m/s, spån-t j o c k l e k 0,15 mm, spånvinkel 17 , e g g v i n k e l 63*^, släpp-n i släpp-n g s v i släpp-n k e l 10 .

18

Av f i g u r 12 framgår a t t huvudskärkraften i n i t i a l t ökar något med ökad skärlängd. Kraftnivån b l i r dock rätt s n a r t oberoende av skärlängden. K r a f t k u r v o m a h a r således i n t e a l l s e t t l i k a d a n t förlopp scm förslit-n i förslit-n g s - o c h y t f i förslit-n h e t s k u r v o m a i f i g u r 8 o c h 9. D e t t a v i s a r a t t huvud-skärkraften i n t e är något b r a mått på förslitning o c h / e l l e r y t f i n h e t .

4.4 Resultatöls v a r i a t i c n

I f i g u r 13 v i s a s förslitningen son f u n k t i c n av skärlängden för t r e p a r a l l e l l försök. Scm framgår av f i g u r e n är s p r i d n i n g e n i förslitning mycket l i t e n .

I f i g u r 14 v i s a s y t f i n h e t e n scm f u n k t i o n av skärlängden för de t r e parallellförsc^en. Scm framgår av f i g u r e n är spridndLngen i d e t t a f a l l r e l a t i v t s t o r , fönnodligen främst beroende på a t t k a n t u r s l a g v i d

framför a l l t spånskivebearbetning är e n r e l a t i v t s l u m p a r t a d händelse. E t t sätt a t t öka säkerheten i mätresultaten är a t t öka längden på mätsträckan för ytfinhetsmätningama. I dessa förset h a r mätlängden v a r i t 16 cm.

S p i S n t j o c k l e k 0 . 1 5 m m

3.0 E+03 Skärlängd (m)

F i g u r 13. Förslitalingen son f u n k t i o n av skärlängden v i d t r e p a r a l l e l l -f o r s o k med b e a r b e t n i n g av spånskiva med snabbstålsverktyg.

19

S p å r t t j o c k l e k 0 1 5 m m

2.0 3.0E*03 Skärlängd (m)

F i g u r 14. Y t f i n h e t e n son f u n k t i o n av skärlängden v i d t r e p a r a l l e l l -försök med b e a r b e t n i n g av spånskiva med snabbstålsverktyg.

4.5 Spåntjockl^ffins i n v e r k a n

Medelspåntjockleken (härefter endast benämnd spåntjockleken) kan beräknas med följande f o r m l e r :

6m = t -h/D t = S / ( n - z ) ( 3 ) ( 4 ) där 5m = t = h = D = S = n = z = medelspåntj o c k l e k e n matning p e r t a n d = k u t t e r s l a g s d e l n i n g skärdjup skärcirkeldiameter m a t n i n g s h a s t i g h e t v a r v t a l a n t a l skär i v e r k t y g e t

Av ovanstående f o r m l e r framgår a t t spåntjockleken k n y t e r samman många av de mest c e n t r a l a parametrarna incm b e a r b e t n i n g s t e k n i k e n . V i h a r därför gerxxnfört e t t a n t a l försck för a t t kartlägga h u r förslitning och y t f i n h e t b e r o r av spåntjockleken.

I f i g u r 15 v i s a s förslitningen san f u n k t i o n av skärlängden v i d t r e o l i k a spåntjocklekar o c h för t r e o l i k a m a t e r i a l Z v e r k t y g s k c m b i n a -t i o n e r . Av f i g u r 15 framgår a -t -t i s a m -t l i g a f a l l är försli-tningen i s t o r t s e t t oberoende av spåntjockleken v i d en g i v e n skärlängd. Observera a t t d e t t a innebär a t t man kan bearbeta 10 gånger så många s k i v o r v i d spåntjockleken 0,5 mm san v i d spåntjockleken 0,05 mm i n n a n man uppnår en g i v e n förslitningsgrad.

20

Frågan är nu: h u r påverkas y t f i n h e t e n av spåntjockleken? I f i g u r 16 v i s a s y t f i n h e t e n scm f u n k t i c a i av skärlängden för o l i k a spåntjocklekar och m a t e r i a l - / v e r k t y g s k c m b i n a t i o n e r . Efterscm, e n l i g t f i g u r 15, förs l i t n i n g e n är oberoende av förspåntjockleken o c h mer e l l e r mindre p r o -p o r t i o n e l l mot skärlängden kan k u r v o r n a i f i g u r 16 även a -p -p r o x i m a t i v t b e t r a k t a s scm e n b i l d av y t f i n h e t e n scm f u n k t i o n a v förslitningen. Scm framgår av f i g u r 16 g e r s t o r a spåntjocklekar sämsta y t f i n h e t e n med vassa eggar, medan y t f i n h e t e n är bäst för största spåntjockleken när eggarna b l i r s l i t n a . Det f i n n s e t t p a r möjliga förklaringar t i l l d e t t a något oväntade r e s u l t a t . Den första orsaken kan v a r a a t t k u t t e r -s l a g -s d e l n i n g e n h a r en -större i n v e r k a n på ytfinhet-smätningen v i d -små spåntjocklekar. Den andra orsaken kan v a r a a t t a n t a l slagpåkänningar p e r längdenhet av s k i v a n är större v i d små spåntjocklekar. Därmed ökar också s a n n o l i k h e t e n för k a n t u r s l a g .

Det är dock h e l t k l a r t a t t d e t måste gencmföras en mera noggrann k a r t -läggning av h u r y t f i n h e t e n b e r o r av spåntjockleken med tillhörande be-roende parametrar av g e c m e t r i s k o c h b e a r b e t n i n g s t e k n i s k a r t , jämför e k v a t i o n 3 och 4.

4.6 Skärhastighetens i n v e r k a n

I f i g u r 17 v i s a s förslitningen scm f u n k t i o n av skärlängden för o l i k a skärhastigheter och o l i k a m a t e r i a l - / v e r k t y g s k c m b i n a t i o n e r .

Av f i g u r 17 framgår a t t förslitningen h a r en tendens a t t öka med ökad skärtiastighet. Motsvarande tendens kan ses i f i g u r 18 scm v i s a r y t -f i n h e t e n scm -f u n k t i o n av skärlängden. A t t y t -f i n h e t e n -försämras med ökad skärhastighet kan d e l s bero på j u s t h a s t i g h e t e n , d e l s på d e t faktum a t t förslitningsgraden v a r större v i d högre skärhastigheter, jämför f i g u r 17.

Dessa i n l e d a n d e försök v i s a r t y d l i g t h u r inflätade i v a r a n d r a de o l i k a geometriska o c h b e a r b e t n i n g s t e k n i s k a parametrarna är. För a t t v e r k -l i g e n kunna få grepp cm de o -l i k a parametrarnas r e -l a t i v a b e t y d e -l s e bör e t t väldesignat flerfaktorsförsök åtföljt av e n m u l t i p e l r e g r e s s i o n s -analys gencmföras.

21 Spånhocklek (mm

/

2.0 3.0 4.0 5.0E+03 Skärlängd (m) Spåntjocklek (mm) = 0.8 2U E+02 2.0 1.6 E 1.2 c 08 :0 0.4 r o 2.0 3-0 4.0 5.0 E+03 Skärlängd (m) L < I 1 I j Spdntjocklek (mm) ' ^ 0.50 / ^ „ o 0.15 -^ 0.05 -f _{1 t} 1.0 2.0 3.0 4.0E+03 Skärlängd (m) F i g u r 15. Förslitning scm f u n k t i o n av skärlängden för t r e o l i k a spånt j o c k l e k a r o c h för spånt r e o l i k a m a spånt e r i a l / v e r k spånt y g s k c n i b i n a spånt i o n -e r . A. Spånskiva/snabbstål. B. C-em-entspånskiva/hårdm-etall C. MDF/snabbstål.

22 Spåntjocklek 6.0 8.0E Skärlängd (m) Späntjocklek U.Q 5.0E+C Skärlängd (m

Spor tjock lek

^ 0 . 1 5 3.0 40E+03 Skärlängd (m) F i g u r 16. Y t f i n h e t san f u n k t i o n av skärlängden för t r e o l i k a spånt j o c k l e k a r o c h för spånt r e o l i k a m a spånt e r i a l o c h v e r k spånt y g s -k a n b i n a t i o n e r . A. Spåns-kiva/snabbstål. B. Cementspåns-kiva/ hårdmetall. C. MDF/snabbstål.

Vlorvtal (r/min) 23 3.0E+03 Skärlängd (in) VarvtaKr/VninI P 0.8 3.0E+03 Skärlängd (m) Varvtal (r/mm) 3.0E+03 Skärlängd (m)

F i g u r 17. Förslitning san f u n k t i a : i av skärlängden för o l i k a skär-h a s t i g skär-h e t e r o c skär-h m a t e r i a l - / v e r k t y g s k a n b i n a t i c r i e r .

A. Spånskiva/snabbstål. B. Cementspånskiva/hårdmetall k20. C. NDF/snabbstål.

Varvtal (r/m) 3.0E+03 Skärlängd (m) Vorvtal (r/min) >^ 0.4 2900 7.0 E+02 6.0 5.0 0 4.0 t 1 3.0 -•- >-2.0 1.0 3.0E+03 Skärlängd (m) —I Varvtal I r / m i n ) 7800 ^ 2900 3.0E*03 Skärlängd (m)

F i g u r 18. Y t f i n h e t e n san f u n k t i o n av skärlängden för o l i k a skärhast-i g h e t e r o c h o l skärhast-i k a m a t e r skärhast-i a l - / v e r k t y g s k a n b skärhast-i n a t skärhast-i o n e r .

A. Spånskiva - snabbstål. B. Cementspånskiva - hårdmetall k20. C. MDF - snabbstål

25

4.7 Skärvinklamas i n v e r k a n

I f i g u r 19 v i s a s h u r förslitningen b e r o r av skärlängden när skärvink-l a m a ändras, v i d b e a r b e t n i n g av cementbunden spånskiva med hårdmetaskärvink-lskärvink-l k20. 1 0 = 1 7 ° , e=A5° Y = 2 8 « a = 1 7 ° , 3 = 6 3 " , 7 = 1 0 ° - ] (1 = 0°. 3 = 8 0 " . y-^0° -\ F i g u r 19 3.0E+03 Skärlängd (m)

Förslitnir^ san f u n k t i o n av skärlängden för o l i k a skär-v i n k l a r , skär-v i d b e a r b e t n i n g askär-v cementbunden spånskiskär-va med hårdmetall k20. a = spånvinkel. p = e g g v i n k e l , v = släppningsvinkel.

San framgår av f i g u r 19 är förslitningen k l a r t störst för d e t skär san h a r den s p e t s i g a s t e = 45 ) eggen. Qn förslitningsmekanismen är en r e n nötning s k u l l e man kunna vänta a t t förslitningen e n b a r t är be-roende av e g g v i n k e l n s s t o r l e k . E t t sådant antagande l e d e r t i l l följ-ande samband:

y = k/ t a n 0 / 2 ) _{( 5 )} y = förslitning

p = e g g v i n k e l

k = k o n s t a n t san b e r o r av m a t e r i a l - / v e r k t y g s k a n b i n a t i o n

I f i g u r 20 jämförs förslitningsvärden erhållna med denna e n k l a modell med f a k t i s k t uppnätta värden. San framgår av f i g u r e n är överensstäm-melsen mycket god. Det bör cixjk påpekas a t t d e t är t r o l i g t a t t d e t

f i n n s en m i n s t a e g g v i n k e l där nötningsförslitningen övergår t i l l b r o t t av skäreggen. Under denna gräns är m o d e l l e n n a t u r l i g t v i s i n t e g i l t i g . F i g u r 20 i n d i k e r a r således a t t förslitningens s t o r l e k t i l l s t o r d e l kan förklaras med e g g v i n k e l n . D e t t a är dock h e l t k l a r t i n t e f a l l e t

26

beträffande ytfinheten, v i l k e t framgår av figur 21, scm v i s a r y t -finheten scm funktion av skärlängden v i d olika skärvinklar.

Av figuren framgår a t t ytfinheten även är beroende av den inbördes fördelningen mellan spån- och släppningsvinklamas storlek. Någon entydig förklaring av hur ytfinheten beror av dessa vinklar kan dock inte ges på basis av dessa försök.

10.0 E+01 8.0 "e - 2 6.0 ' c "2 4.0 i£ 2.0 1 ] j ä m f ö r a n d e k u r v a Y = K o n s l / T A N ( p / 2 ) K o n s t = O) 40.0 50.0 60.0 70.0 80,0 90.0 E g g v i n k e l (grader)

Figur 20. Förslitning son funktion av eggvinkeln v i d 3000 m skärlängd. Cementbunden spånskiva/hårdmetall. Heldragen l i n j e = upp-mätta värden. Streckad l i n j e = teoretiska värden.

1.2 E+03 1.0 0 = 1 7 " . p = 6 3 ° 7 = 1 0 " •o a=0°. p = 8 0 ' V r i o « a = 1 7 ° p = 4 5 ° , Y = 2 8 « 1.0 2.0 3.0E+03 Skärlängd (m)

Figur 21. Ytfinheten scm funktion av skärlängden v i d varierande skär-vinklar, v i d bearbetning av cementbunden spånskiva med hård-metallverktyg K20.

27

4.8 Förslitningsprofiler - Mekanismer

V i h a r under försökens gång g j u t i t av eggarna för a t t öka vår kunskap an h u r förslitna eggar s e r u t . I f i g u r 22 v i s a s e t t t y p i s k t förslit-ningsförlopp .

Det "normala" förslitningsförloppet k a n b e s k r i v a s på följande sätt: 1. Eggradien ökar t i l l c a 25 m i k r a n e t e r , därefter s k e r i n g e n tillväxt

av själva r a d i e n . Radien kan däronot v a r i e r a en d e l k r i n g d e t t a värde, p g a smärre u r s l a g u r eggen.

2. Andra f a s e n i förslitningsförloppet består i a t t e n f a s med n e g a t i v släppningsvinkel s u c c e s s i v t u t b r e d e r s i g på släppningssidan, a l l t e f t e r s a n förslitningen ökar, se f i g u r 22. F i g u r 22. M i k r o s k o p b i l d e r av e g g p r o f i l e r v i d en k o n t i n u e r l i g förslit-n i förslit-n g fråförslit-n v a s s t t i l l slött v e r k t y g , v i d e t t "förslit-normalt" för-slitningsförlopp. S i f f r o r n a i de o l i k a d e l b i l d e m a anger förslitningen i \im. 1 f i g u r 23 v i s a s t y p i s k a förslitningsprofiler för o l i k a m a t e r i a l / v e r k t y g s k a n b i n a t i o n e r . San framgår av f i g u r 23 är d e t p r i n c i p i e l l a utseendet av förslitningsprofilen l i k a för s a m t l i g a v i s a d e m a t e r i a l - / v e r k t y g s k a n b i n a t i o n e r . Det b e t y d e r a t t i de f l e s t a f a l l är

förslit-28

n i n g s p r o f i l e n oberoende av m a t e r i a l , verktyg, spåntjocklek och skär-hastighet. Däremot så ger o l i k a skärvinklar upphov t i l l en v i s s för-ändring av den negativa siäppningsfasen scm u t b i l d a s . Släppningsfasen tycks minska med ökad släppningsvinkel.

Figur 23. Förslitningsprofiler för o l i k a bearbetningsförhållanden för o l i k a m a t e r i a l , verktyg och skärvinklar.

V i d a l l a våra o l i k a försök h a r v i i e t t f a l l erhållit e t t förslit-ningsförlopp son väsentligen s k i l j e r s i g från de förlopp scm p r o f i l e r scm v i s a s i f i g u r 22 och f i g u r 23 uppvisar. V i d bearbetning av

s n i c k e r i t o r r furu erhöll v i en gropförslitning på verktygets spånsida, se f i g u r 24. Gropförslitning ger en form av självskärpande e f f e k t , v i l k e t h a r mycket p o s i t i v a e f f e k t e r på ståndtiden, jämför f i g u r 10. V i d gropförslitning u t b i l d a s e j h e l l e r någon negativ f a s .

V i d normal fasförslitning v i d furubearbetning upplevs eggen scm slö när den negativa fasen börjar u t b i l d a s , v i l k e t l e d e r t i l l k o r t a stånd-t i d e r , s e f i g u r 10. S k i l l n a d e n i sstånd-tåndstånd-tid mellan f a s - och gropförslistånd-t- gropförslit-ning v i d furubearbetgropförslit-ning v a r i försöken scm redovisas i f i g u r 10 ungefär 6 gånger.

Man kan då fråga s i g v i l k a f a k t o r e r scm medverkat t i l l a t t ge gropför-s l i t n i n g . Jämfört med fagropför-sförgropför-slitninggropför-sfallet hade v i v i d gropförgropför-slit- gropförslit-ning:

29

lägre fuktkvot

mindre spåntjocklek

ingen maskinbryning

Figur 24. Förslitningsförlopp v i d bearbetning av snickeri t o r r furu.

Observera gropförslitningen på verktygets spånsida.

En första tanke är a t t gropförslitningen har utbildats p g a a t t

be-arbetningen har ägt rum under bildandet av spåntyp 1, se f i g u r 25.

Figur 25. P r i n c i p i e l l t utseende av spåntyp 1 enligt N Franz /15/

Bildandet av spåntyp 1 främjas av följande faktorer:

30

- L i t e t klyvrrotstånd - s t o r böj s t y r k a och böj styvhet, dvs låg fuktkvot - S t o r spåntjocklek

- Stor spånvinkel

- Låg f r i k t i o n mellan spån och verktyg

Av dessa f a k t o r e r är d e t endast den låga fuktkvoten (" 10%) s e n d i r e k t t a l a r för a t t v i h a f t spåntyp 1 v i d vårt försök. Möjligen t a l a r också det faktum a t t när en grop h a r b i l d a t s ökar spånvinkeln för bildandet av spåntyp 1.

I det f a l l v i d furubearbetning då gropförslitning i n t e uppstod använde man maskinbryning. Maskinbryningen kan leda t i l l a t t den y t t e r s t a delen av eggen på släppningssidan bränns så a t t m a r t e n s i t b i l d n i n g uppstår. Detta kan leda t i l l a t t den y t t e r s t a delen av eggen d i r e k t b r y t s av och därmed h a r man d i r e k t åstadkonnit en begynnande

förslitning.

Det krävs dock fördjupade undersökningar för a t t kartlägga v i l k a f a k t o r e r scm medverkar t i l l utbildandet av gropförslitning.

4.9 Bullermätningar

Mätning av b u l l e r h a r utförts för material-/verktygskcmbinationema; snabbstål v i d t r e o l i k a spåntjocklekar, samt för spånskiva-hårdmetall K20 v i d spåntjockleken 0,05 mm, s e f i g u r 26.

Buller dBA

5 = 0.05

1000 2000 3000 5000 8000 Skärlängd (m)

F i g u r 26. Ljudnivån san funktion av skärlängden v i d o l i k a spåntjock-l e k a r .

31

största ökningen, 6 dB, uppvisaar den minsta spåntjockleken 0,05 mn. Vid 0,5 nm spåntjocklek är ljudnivån högst när eggarna är v a s s a . Ökningen med ökad förslitning uppgår dock endast t i l l 2 dB. Spån-t j o c k l e k e n 0,15 mm uppvisar gerongående den lägsSpån-ta ljudnivån. För material-ZverktygskcnibinatiCHien spånskiva-Aiårdmetall uppvisas ingen ökning av ljudnivå med skärlängden, efterscm dLngen e g e n t l i g

förslitning hunnit äga rum på de k o r t a skärlängder san r e d o v i s a s i f i g u r 26.

Det i dessa försök erhållna r e s u l t a t e t , a t t ljudnivån ökar v i d ökad för s l i t n i n g , motsägs av en amerikansk rapport /16/ scm v i s a r a t t den a k u s t i s k a emissionen minskar v i d ökad förslitning. Dessa r e s u l t a t v a r uppmätta v i d k l y v n i n g av s o l i t t trä.

E f t e r dessa försök och e f t e r jämförelser med v i s s a l i t t e r a t u r u p p g i f t e r , står det h e l t k l a r t a t t även b u l l e r e m i s s i o n e n är e t t m u l t i -v a r i a b e l t problem scm måste a n a l y s e r a s noggrant för a t t kunna be-s k r i v a be-s och förklarabe-s.

4.10 Danin-mätningar

Damn-mätningar h a r utförts för samma material-/verktygskcmbinationer scm bullermätningama, dvs snabbstål r e s p e k t i v e spånskiva-hårdmetall k20. I t a b e l l 1 r e d o v i s a s försöksuppställning för dessa mätningar

T a b e l l 1. Försöksparametrar v i d damm-mätningar

Försök Verktygs- A n t a l Spån- KutterhDjd Matnings-n r typ skär t j o c k l e k höjd över h a s t i g h e t (mm) (mm) (m/min) 1 HSS 2 0,05 50 3,25 2 HSS 1 0,15 28 4,75 3 HSS 1 0,50 28 15,70 4 K20 1 0,05 50 1,60 5 K20 1 0,05 28 1,60

För hårdmetallskären (k20) pågick försöken endast t i l l s en s t a b i l darmemissionsnivå uppnåddes, e f t e r c a 15 minuter. Eggarna v a r i dessa f a l l således r e l a t i v t v a s s a . För snabbstålen (HSS) bearbetades däremot en skärlängd på 8000 m, v i l k e t medför en långt d r i v e n förslitning, jämför f i g u r 8.

I t a b e l l 2 r e d o v i s a s r e s u l t a t e n av damm-mätningama i frånlufts-kanalen. Scm framgår av t a b e l l e n uppvisar den minsta spåntjockleken (0,05 mm, försök 1, 4 och 5) genomgående den högsta dammemissionen v i d a l l a p a r t i k e l s t o r l e k a r . A t t mängden damm ökar med minskad spåntjocklek överensstäminer även tämligen väl med höghastighetsfotografier av skär-förloppet v i d 0,05 r e s p e k t i v e 0,15 mm spåntjocklek, s e f i g u r 27.

32

Tabell 2. Partikelantal per l i t e r l u f t (p/1) i frånluftskanalen,

fördelat på olika partikelstorleksklasser. Försöken

rang-ordnade efter mängd för de olika partikelstorlekarna.

0,3-0,7

0,7-1,5 1,5-3,0 3,0-5,0 5,0-10,0

Partikelstorlek ([im)

Försök p/1 Försök p/1 Försök p/1 Försök p/1 Försök p/1

5. 12363 4. 1063 4. 686 4. 155 4.

42

1. 12122 5. 794 1. 426 1. 115 1.

35

4. 11362 1. 740 5. 351 5.

69 5.

19

3. 9255 3. 517 3. 214 3.

41 3.

13

2. 7978 2. 282 2. 111 2.

22 2.

19

Figur 27. Höghastighetsfotografier av spånbildningsförloppet v i d

be-arbetning av spånskiva. Spåntjocklek = 0,05 mm respektive

0,15 nm, skärhastighet 50 m/s, vassa eggar.

Vi hade förväntat oss a t t erhålla en större dammemissicn v i d

bearbet-ning med två skär i kuttern, jämfört med e t t skär. Detta på grund av

a t t antalet losskuma spån per tidsenhet fördubblas med 2 skär i

kuttern.

En jämförelse mellan försök 1 (2 skär, 6 = 0,05) och försök 4 (1 skär,

5 - 0,05 nm) i t a b e l l 2 visar dock inte på någon signifikant skillnad'

mellan de två bearbetningsfallen.

33

Från t a b e l l 2 kan man e j h e l l e r utläsa någon gencmgående s k i l l n a d i dammemission beroende på k u t t e r n s höjd över bordet, jämför försök 4 och 5.

Förändringen av mängden damm med förslitningen är ej^ s i g n i f i k a n t . I ruimet tenderar daninet för samtliga försök och p a r t i k e l s t o r l e k a r a t t minska med ökad förslitning. 1 frånluftskanalen uppvisar dammängden en svag tendens t i l l ökning med ökad förslitning utcm för p a r t i k e l s t o r -leken 5 - 1 0 ^im.

Dessa inledande daimi-mätningar h a r också v i s a t a t t den sekundärdamm-ning scm uppstår när man matar fräsen manuellt är svår a t t hålla konstant under h e l a försökets gång och oberoende av t ex matnings-hastigheten. V i d e v e n t u e l l a framtida försök bör därför bearbetningen kunna utföras utan någcai manuell a s s i s t a n s i själva matrummet.

34

5. KCM^ENTARER OCH SU/TSATSER

Dessa försök har k l a r t visat a t t för en given

material-/verktygs-konbination är förslitningen framför a l l t beroende av skärlängden.

Möjligen kan även skärhastigheten ha en viss inverkan på

förslit-ningshastigheten .

Förslitningen har i samtliga f a l l utcm e t t ägt rum på skäreggamas

släppningssida. Vid långt driven förslitning utbildas en fas på

släppningssidan, vilken medför a t t den faktiska släppningsvinkeln

närmast eggen b l i r negativ. Denna fas leder t i l l dåliga ytor på det

bearbetade materialet.

I e t t f a l l , v i d bearbetning av snickeritorr furu med snabbstål,

bildades ingen förslitningsfas på släppningssidan. I stället ägde

förslitningen rum på spånsidan i form av en gropförslitning, v i l k e t är

vanligt v i d metallbearbetning. Gropförslitningen ger en form av

själv-skärpande effekt på verktygseggen med mycket långa ståndtider son

följd. Vilka faktorer scm har befrämjat gropförslitningen är svårt a t t

d e f i n i t i v t avgöra. Man bör dock i framtida försök göra en grundlig

analys av inverkande faktorer. Genon a t t sedan styra

bearbetnings-parametrarna så a t t gropförslitning uppträder, bör man kunna höja

ståndtidema väsentligt i framtiden.

Sambandet mellan förslitning och skärlängd är scm tidigare nämnts

tämligen klar. Detsamna kan dock inte sägas an sambandet mellan

ytfinhet och skärlängd e l l e r sambandet mellan ytfinhet och

för-s l i t n i n g . I deför-sför-sa f a l l inverkar en rad geonetriför-ska och bearbetningför-s-

bearbetnings-tekniska faktorer på e t t mycket kcmplext sätt. För a t t få e t t bra

grepp över hur de olika faktorerna hänger ihop, bör e t t väldesignat

flerfaktorsförsök med efterföljande multipel regressionsanalys

genanföras.

Efterscm förslitningen och förslitningsprofilen i stort sett endast

beror av skärlängden, kan försöksmängden i f l e r faktor försöket

ned-bringas högst avsevärt. Försöksmängden reduceras genan a t t prova en

mängd skärdatakcmbinationer v i d en given förslitningsgrad. Detta bör

utformas v i d e t t f l e r t a l olika skärvinkelkanbinationer.

Av de använda bedänningskriterierna visade sig huvudskärkraften vara

mindre intressant för bedömning av bearbetningsprocessens resultat

(godhet).

Sammanfattningsvis kan sägas a t t de utförda försöken har visat a t t ur

förslitnings-, buller- och danrnsynpunkt bör spåntjockleken vara så

stor scm nöj l i g t . En låg förslitning befrämjas även av stor eggvinkel.

Hur stor spåntjocklek och hur stor eggvinkel san kan tillåtas

begrän-sas dock av v i l k a krav man ställer på de bearbetade ytornas kvalitet.

35

6 . LITTERAim

/ I / Grundberg, S. 1985

Utveckling av skärkraftsmätare för träbearbetning.

Högskolan i Luleå. Examensarbete 1985:018E.

/2/ Driickhammer, J. 1983.

Qualitätskontrolle bei der Kantenbearbeitung.

7 Holztechnisches Kolloquium, IWF. Braunschweig.

/3/ Elmendor, F.A; Waughan, T.W. 1958.

A survery of metods of measuring smoothness of wood.

Forest Prod.J. 13 (10: 275-282.)

/4/ Faust, D.T; Rice, J.T. 1986.

Characterizing the roughness of southern pine veneer surfaces.

Forest Prod.J. 36 (11-12): 75-81.

/5/ Hann, R.A. 1957.

A method of quantitative topographic analysis of wood surfaces.

Forest Prod.J. 7 (12): 448-452.

/6/ Kollmann, F.F.P; Kuenzi, E.W; Stamm, A.J. 1975.

Principles of wood science and technology I I - Wood based

materials.

Springer Verlag New York Heidelberg Berlin: 513-517

/7/ Peters, C.C; Cunming, J.D. 1970.

I^asuring wood surface smoothness: a review.

Forest Prod.J. 20 (12): 40-43

/8/ Peters, C.C; Mergen, A. 1971

Measuring wDod surface smoothness: a proposed method.

Forest Prod.J. 21 (7): 28-30.

/9/ Sadoh, T; Nakato, K; 1987.

Surface properties of wood i n physical and sensory aspects.

Wood Sci.Technol. 21: 111-120

/lO/ Stumbo, D.A; 1960

Surface texture measurements for quality and production control,

Forest Prod.J. 10 (2): 122-124.

/ I I / Stumbo, D.A; 1963.

Surface texture measuroiients methods.

Forest Prxxä.J. 13 (7): 299-304.

36

/I2/ Terminology of forest science technology practice and products.

Joint FAO/IUFRO Camiittee of Forestry Bibliography and

Terminology. Second Printing 1983 (94).

/13/ Triboult, P; 1984.

Reflexion sur les surfaces et mesures des états de surface du

bois.

Ann.Sci.For. 41 (3): 335-354.

/14/ Axelsson, B;1987

Keramer v i d träbearbetning.

Högskolan i Luleå, Examensarbete, 1987:025E.

/15/ Franz, N.C;1958

An analysis of the wood cutting process. Ph.D. thesis University

of Michigan Ann Arbor.

/16/ Lemaster, R.L;1988.

Monitoring a circular sawing process with acoustic emission.

Proceedings ninth wood machining seninar UCLA, Richmond Cal.

/17/ Englesson, T;1964.

A method for ccnparing the tool-wearing properties of wood-based

materials. STFI-medd. 136 B.

37

7. SUM^IARY

The aim of t h i s project was t o develop a methodology f o r measuring of

wear i n

w D o d

cutting tools and make a screening of v ^ c h factors that

have the greatest influence on the

wDod

machining process.

The cutting process has been judged according t o following c r i t e r i a :

- Parallel cutting force

- Tool wear

- Surface quality

- Noise level

- Dusting

Of these c r i t e r i a , the parallel cutting force proved t o be of l i t t l e

inportance.

The tests shewed that the tool wear, f o r a certain ccmbination of tool

material and workpiece material, was mainly dependant on the cutting

length.

The surface quality i s influenced by factors such as edge sharpness

and workpiece material but also by geometrical and machining

parameters.

In order to obtain a lew tool wear, a 1CM roise level and a lew

dusting, the chip thickness should be as large as possible. The upper

l i j n i t i s set by the demands on surface quality.

Normally, tools wear on the clearance side. However, i n one of our

tests we found a p i t t i n g en the rake face. This p i t t i n g had a

self-sharpening effect oa the t o o l , thus inplying long intervals between

sharpenings.

Detta digitala dokument skapades med anslag fran Stiftelsen Nils och Dorthi Troédssons forskningsfond

NSTITUTET FOR TRATEKNISK FORSKNIN >. 11486 S T O C K H O L M

Besöksadress: Drottning Kristinas väg 67 Telefon: 08-1453 00

Telefax: 08-1161 88 Huvudenhet med kansli

Asenvägen 9, 553 31 JONKOPII Telefon: 036-12 6041 Telefax: 036-16 8798 ISSN 0283-4634 Skeria 2, 931 87 SKELLEFTEÅ Besöksadress: Bockholmsvägen II Telefon: 0910-65200 Telefax: 0910-65265