Undersökning av variationer i materialegenskaper och deras
inverkan på skärbarheten hos stål
– Investigation of variations in material properties and their effect on the machinability of steel
Examensarbete i Maskinteknik
Författare: Jonatan Karlsson, Mark Fulöp Handledare LNU: Jetro Pocorni
Handledare företag: Linda Ohlin, Gnutti Carlo Examinator LNU: Izudin Dugic
Datum: 2020-05-28 Kurskod: 2MT16E, 15hp
Sammanfattning
En nyckelbransch i industrisamhället är verkstadsindustrin som inriktar sig på produktion av kapitalvaror till den övriga industrin. Ett av samhällets viktigaste industriellt framställda material är stål. En stor del av de handelsfärdiga produkterna som stålindustrin framställer, till exempel plåtar, stänger, och rör, vidareförädlas av verkstadsindustrin till slutprodukter.
En fundamental formgivningsmetod som används i dagens verkstadsindustri är spånskärande bearbetning. Det är egentligen en samlingsbenämning på flera metoder där material avskiljs i form av spånor från ett arbetsstycke med hjälp av skärverktyg. Material kan skilja sig olika mycket i deras skärbarhet vilket bland annat brukar bedömas genom hur enkelt de kan skäras utan alltför mycket verktygsslitage. Det finns en mängd olika egenskaper och faktorer som har en inverkan på ett materials skärbarhet, däribland dess kemiska sammansättning och hur det framställs. I många fall brukar den kemiska sammansättningen variera inom ett visst toleransområde och framställningsprocessen variera mellan leverantörer. Detta skapar problem med standardisering av skärverktyg och skärdata eftersom samma standard inte går att använda för alla variationer i materialen.
Syftet med denna studie är att få en bättre förståelse kring:
1. Förekomsten av variationer i materialegenskaper hos en specifik stålsort
2. Skillnader i framställningsprocesser mellan olika leverantörer av samma stålsort 3. Hur olika materialegenskaper och framställningsprocesser av stål kan påverka dess
skärbarhet
Detta syfte uppnåddes genom en fallstudie på stålsorten 100Cr6 i samarbete med Gnutti Carlo Sweden AB som tillverkar drivlinekomponenter genom spånskärande bearbetning. En
sammanställning av materialcertifikat som medföljer varje leverans av stålet visade på tydliga variationer i materialegenskaper mellan två olika stålleverantörer men även mellan respektive leverantörs olika batcher. En jämförelse av stålleverantörernas framställningsprocesser visade på skillnader framför allt i gjutmetoden och antalet valsningar. Skärtester som genomfördes i EPIC - Innovation & Technology Center visade på en betydligt bättre skärbarhet hos stålet från en av leverantörerna genom en mer förutsägbar förslitning på verktyget, konsekventare spånbildning och finare ytjämnhet på den bearbetade ytan. En analys genomfördes med hjälp av vetenskaplig teori för att påvisa kopplingar mellan de nämnda observationerna.
Resultaten från denna undersökningen kan ses som en kartläggning av variationer i
materialegenskaper hos en stålsort vilket är relaterat till en tidigare studie som genomfördes hos samma fallföretag. Kartläggningen bidrar med ökad förståelse inom forskningen kring skärande bearbetning där en minskning av variationer i materialegenskaper och skärbarhet kan anses vara det ultimata målet. Genom denna forskning kan slöserier av material (i form av kasserade detaljer) och skärverktyg (i form av oregelbunden förslitning) minimeras vilket följaktligen kan minska belastningen på miljön.
Summary
A key part of industrial society is the engineering industry, which focuses on the production of capital goods for other industries. One of society's most important man-made materials is steel. A large part of the products that the steel industry produces, such as sheets, bars, and pipes, are refined by the engineering industry to finished products.
A fundamental manufacturing method used in today's engineering industry is machining. It is actually a collective term for several methods where material is separated in the form of chips from a workpiece using cutting tools. Materials differ greatly in their machinability which can be assessed, among other things, by how easily they can be cut without too much tool wear.
There are a variety of properties and factors that can affect a material's machinability, including its chemical composition and how it is produced. In many cases, the chemical composition varies within a certain tolerance range and the production process varies between material suppliers. This creates problems with standardization of cutting tools and data
because the same standard cannot be used for all variations in the materials.
The purpose of this study is to gain a better understanding of:
1. The existence of variations in material properties of a specific steel grade
2. Differences in production processes between various suppliers of the same steel grade 3. How different material properties and production processes of steel can affect its
machinability
This purpose was achieved through a case study which was carried out on the steel grade 100Cr6 in collaboration with Gnutti Carlo Sweden AB, a company that manufactures powertrain components through machining. A compilation of material certificates accompanying each delivery of the steel showed clear variations in material properties between two different steel suppliers, but also in between the different batches from each supplier. A comparison of the steel suppliers' production processes showed differences especially in the casting method and the number of rolls. Machining tests carried out in EPIC - Innovation & Technology Center showed a significantly better machinability of the steel from one of the suppliers through a more predictable tool wear, more consistent chip
formation and finer surface roughness on the machined surface. An analysis was carried out using scientific theory to demonstrate links between the aforementioned observations.
The results of this investigation can be seen as a survey of variations in material properties of a steel grade, which is related to a previous study conducted at the same case company. This survey contributes with increased understanding in the research field of machining, where a reduction of variations in material properties and machinability can be considered the ultimate goal. Through this research, waste of materials (in the form of discarded details) and cutting tools (in the form of irregular wear) can be minimized, which consequently can reduce the environmental impact.
Abstract
Ett av samhällets viktigaste industriellt framställda material är stål som oftast vidareförädlas av verkstadsindustrin genom bland annat spånskärande bearbetning. Stål kan skilja sig i dess skärbarhet vilket brukar bedömas utefter verktygsslitage och kan påverkas av faktorer som kemisk sammansättning och hur det framställs. Dessa faktorer kan variera och därmed skapa problem med standardisering av skärverktyg och skärdata. Syftet med denna studie är att få en bättre förståelse kring hur varierande materialegenskaper och olika framställningsprocesser av stål kan påverka dess skärbarhet. Detta har uppnåtts genom en fallstudie på stålsorten 100Cr6 via en sammanställning av materialcertifikat, jämförelse av två olika stålleverantörers
framställningsprocesser och skärtester genomförda i EPIC - Innovation & Technology Center.
Resultaten som visade på variationer i materialegenskaper och skärbarhet bidrar till
forskningen kring skärande bearbetning. Genom denna forskning kan slöserier av material (i form av kasserade detaljer) och skärverktyg (i form av oregelbunden förslitning) minimeras vilket följaktligen kan minska belastningen på miljön.
Nyckelord: Spånskärande Bearbetning, Stål, Skärbarhet, Variationer, Materialegenskaper, Materialcertifikat, Framställningsprocesser.
Förord
Denna undersökning är ett examensarbete på 15 högskolepoäng och utgör den avslutande delen av högskoleingenjörsutbildningen inom Maskinteknik på Linnéuniversitet i Växjö.
Undersökningen har genomförts i samarbete med Gnutti Carlo Sweden AB i Alvesta under tidsperioden 2020-01-20 till 2020-05-28. Kontakt upprättades med fallföretaget under hösten 2019 varefter undersökningsområdet diskuterades fram tillsammans med handledarna.
Arbetet fördelades jämnt mellan författarna men hade inte varit möjligt att genomföra utan de inblandade personer som trots omständigheterna (COVID-19) bidragit på flera värdefulla sätt.
Därför vill vi rikta ett stort tack till:
Våra handledare på Gnutti Linda Ohlin (Processingenjör) och Manfred Piesack (Teknisk Chef) för deras vägledning och engagemang, samt övrig personal på fallföretaget som bidragit med viktiga resurser.
Vår handledare på Linnéuniversitetet Jetro Pocorni (Universitetslektor vid institutionen för maskinteknik) för hans konstruktiva återkopplingar som höjt kvalitén på vårt arbete.
Andreas Karlsson (Verkstadssamordnare på EPIC) och Per Fredriksson (Lärare på Kungsmadskolan) för deras utomordentliga hjälp vid genomförandet av skärtesterna.
Mirka Kans (Docent vid institutionen för maskinteknik) för hennes vägledning vid utformningen av forskningsplanen.
Våra klasskamrater Adis Gredelj och Tareq Alhasan för deras opponeringar där de framfört förslag som hjälpt oss förbättra rapportens upplägg.
Vår examinator Izudin Dugic (Docent vid institutionen för maskinteknik) för hans välorganiserade arrangemang av seminarietillfällena.
____________________ ____________________
Jonatan Karlsson & Mark Fulöp Växjö, 28 Maj 2020
Innehållsförteckning
1. INTRODUKTION ... 1
1.1BAKGRUND ... 1
1.2PROBLEMATISERING ... 2
1.3SYFTE OCH MÅL ... 3
1.4FRÅGESTÄLLNINGAR ... 3
1.5AVGRÄNSNINGAR ... 3
2. METOD ... 4
2.1FORSKNINGSDESIGN ... 4
2.2METODVAL ... 5
2.2.1 Vetenskapligt angreppssätt ... 5
2.2.2 Undersökningsmetod och forskningmetod ... 5
2.2.3 Datainsamlingsmetoder ... 6
2.3FORSKNINGSKVALITET OCH ETIK ... 7
3. TEORI ... 8
3.1SPÅNSKÄRANDE BEARBETNING ... 8
3.2SKÄRBARHET HOS METALLISKA MATERIAL ... 8
3.2.1 Verktygsförslitning ... 9
3.2.2 Spånbildning ... 11
3.2.3 Ytjämnhet ... 12
3.3STÅL ... 13
3.3.1 Stålsorten 100Cr6 ... 13
3.4MATERIALEGENSKAPER OCH FAKTORER SOM PÅVERKAR SKÄRBARHET ... 13
3.4.1 Mikrostruktur ... 13
3.4.2 Kornstorlek ... 13
3.4.3 Sträckgräns ... 14
3.4.4 Brottgräns ... 14
3.4.5 Hårdhet ... 15
3.4.6 Kemisk sammansättning (legeringsämnen) ... 16
3.4.7 Framställning av stål ... 17
3.4.8 Värmebehandling av stål ... 23
3.5VARIATIONER ... 24
3.6STANDARDER ... 24
3.6.1 EN 10204 ... 24
3.6.2 ISO 9001 ... 24
4. GENOMFÖRANDE ... 25
4.1FALLFÖRETAGSBESKRIVNING ... 25
4.2LAGERTAPPEN OCH DESS TILLVERKNINGSPROCESS ... 25
4.2.1 Beskrivning av lagertappen ... 25
4.2.2 Beskrivning av maskinen som tillverkar lagertappen ... 26
4.3INSAMLING AV MATERIALEGENSKAPSDATA FRÅN MATERIALCERTIFIKAT ... 28
4.4UNDERSÖKNING AV STÅLLEVERANTÖRERNAS FRAMSTÄLLNINGSMETODER ... 28
4.5SKÄRTESTER PÅ STÅL FRÅN LEVERANTÖR A OCH B ... 28
4.6HÅRDHETSMÄTNINGAR PÅ STÅL FRÅN LEVERANTÖR A OCH B ... 31
5. RESULTAT ... 32
5.1MATERIALEGENSKAPSDATA ... 32
5.2STÅLLEVERANTÖRERNAS FRAMSTÄLLNINGSPROCESSER ... 38
5.2.1 Stålleverantör A ... 38
5.2.2 Stållevernatör B ... 38
5.3SKÄRTESTER PÅ STÅL FRÅN LEVERANTÖR A OCH B ... 39
5.4HÅRDHETSMÄTNINGAR PÅ STÅL LEVERANTÖR A OCH B ... 43
6. ANALYS ... 44
6.1MATERIALEGENSKAPSDATA ... 44
6.2STÅLLEVERANTÖRERNAS FRAMSTÄLLNINGSPROCESSER ... 45
6.3SKÄRBARHET ... 46
6.4HÅRDHETEN PÅ STÅL FRÅN LEVERANTÖR A OCH B ... 48
7. DISKUSSION ... 49
7.1METODDISKUSSION ... 49
7.2RESULTATDISKUSSION ... 51
8. SLUTSATSER ... 52
8.1SVAR PÅ FRÅGESTÄLLNINGARNA ... 52
8.2FÖRSLAG PÅ VIDARE FORSKNING ... 53
8.3REKOMMENDATIONER TILL FALLFÖRETAGET ... 53
REFERENSER ... 54
FIGURFÖRTECKNING ... 58
BILAGOR ... 60
1. Introduktion
I detta avsnitt presenteras bakgrund, syfte, mål samt frågeställningar för detta examensarbete. Även avgränsningar för studien framförs.
1.1 Bakgrund
En nyckelbransch i industrisamhället är verkstadsindustrin som inriktar sig på produktion av kapitalvaror till den övriga industrin. För svensk ekonomi är branschen av stor betydelse.
Verkstadsindustrin innefattar all industri som bearbetar och förädlar metaller till produkter av olika slag och har två kärnområden; metallvaruindustrin och maskinindustrin (Jörnmark och Lindgren, u.å.). I sin tur ingår dessa områden i Sveriges industriproduktion (illustreras i Figur 1.1) som svarar för nästan 20 procent av näringslivets förädlingsvärde som räknas in i
bruttonationalprodukten, BNP (Carlgren, 2020).
Figur 1.1: Industriproduktionens sammansättning år 2019 (Carlgren via SCB) Den moderna svenska verkstadsindustrin domineras av ett antal specialiserade och
internationaliserade storföretag som omger sig med en stor mängd underleverantörer. Det har blivit allt vanligare med leveranser av kompletta system som skräddarsys för kunden vilket har lett till att kraven på forskning, utbildning och marknadssatsningar inom området har ökat.
Vidare har även betydelsen av investeringar i forskning, utbildning och marknadsföring ökat på bekostnad av traditionella investeringar i ny produktionsutrustning och
tillverkningskapacitet (Jörnmark och Lindgren, u.å.).
Ett av samhällets viktigaste industriellt framställda material är stål. En stor del av de
handelsfärdiga produkterna som stålindustrin framställer, till exempel plåtar, stänger, och rör, vidareförädlas av verkstadsindustrin till slutprodukter. Dessa slutprodukter återfinns inte bara i byggnader, fordon och maskiner utan även inom medicin i form av till exempel höftkulor och skalpeller och i vardagliga hushållsartiklar som vitvaror, datorer och köksutrustning. Den stora variationen av användningsområden kräver en motsvarande variation i stålets
egenskaper. Därför avser termen stål en kategori bestående av flera så kallade stålsorter med olika egenskaper. Det sker ständigt en utveckling av stålsorternas egenskaper såsom
hållfasthet, korrosionsbeständighet, och bearbetbarhet. Således finns det mycket att vinna på utvecklingens fortsättning genom stålprodukternas förankring till det hållbara samhället (Jernkontoret, 2019).
1.2 Problematisering
En fundamental formgivningsmetod som används i dagens verkstadsindustri är spånskärande bearbetning. Det är egentligen en samlingsbenämning på flera metoder där material avskiljs i form av spånor från ett arbetsstycke med hjälp av skärverktyg. Till metoderna räknas bland annat det allmänt kända bearbetningsprocesserna svarvning, fräsning, och borrning
(Lindström u.å.).
Material kan skilja sig olika mycket i deras skärbarhet vilket bland annat brukar bedömas genom hur enkelt de kan skäras utan alltför mycket verktygsslitage. Skärbarhet är lätt att påvisa men svårt att förutsäga (Ashby, 2017). Det finns en mängd olika egenskaper och faktorer som har en inverkan på materialens skärbarhet, däribland deras kemiska
sammansättning och hur de framställs (Schneider, 2002). Dessa egenskaper brukar enligt standard specificeras i certifikat av leverantörerna som framställer materialen. I många fall brukar den kemiska sammansättningen variera inom ett visst toleransområde från batch till batch och framställningsprocessen variera från leverantör till leverantör. Detta skapar problem med standardisering av skärverktyg och skärdata eftersom samma standard inte går att
använda för alla variationer i materialen.
Ett företag som bevisligen har påverkats av dessa problem är Gnutti Carlo Sweden AB i Alvesta som är underleverantör av drivlinekomponenter till tunga fordonsindustrin. I en tidigare studie som genomfördes av Chalmers i samarbete med Skärteknikcentrum Sverige identifierades orsaker till driftstörningar kopplat till materialkvalitet hos tre företag, inklusive Gnutti, som arbetar med spånskärande bearbetning av stångmaterial. Slutsatsen i studien presenterar bland annat att variationer i egenskaper hos inlevererat stål inte kartläggs på ett sätt som skulle kunna förebygga driftstörningar i bearbetningsprocesserna (Figielman och Wenngren, 2008). Därav finns det ett behov av att undersöka förekommande variationer i materialegenskaper, skillnader i framställningsprocesser mellan olika stålleverantörer samt hur skärbarheten hos stål påverkas av dessa variationer och skillnader.
1.3 Syfte och Mål
Syftet med studien är att få en bättre förståelse kring:
1. Förekomsten av variationer i materialegenskaper hos en specifik stålsort
2. Skillnader i framställningsprocesser mellan olika leverantörer av samma stålsort 3. Hur olika materialegenskaper och framställningsprocesser av stål kan påverka dess
skärbarhet
Målen med studien är att:
1. Visualisera hur materialegenskaper mellan flera stålbatcher från olika leverantörer kan variera
2. Presentera förekommande skillnader i framställningsprocesser mellan olika stålleverantörer
3. Påvisa hur olika materialegenskaper och framställningsprocesser påverkar skärbarheten hos stål
1.4 Frågeställningar
1. Hur stor variation i materialegenskaper brukar förekomma inom toleranserna för en specifik stålsort?
2. Vilka skillnader kan finnas i framställningsprocesser mellan olika leverantörer av samma stålsort?
3. Går det att se något samband mellan variationer i materialegenskaper, olika framställningsprocesser och skärbarheten hos en specifik stålsort?
1.5 Avgränsningar
Denna fallstudie är avgränsad till företaget Gnutti Carlo Sweden AB i Alvesta och materialet som finns tillgängligt i störst utsträckning; stålsorten 100Cr6. Stålet levereras i stångform av två olika leverantörer som kommer att studeras och framöver benämnas som Stålleverantör A och Stålleverantör B. Vidare avgränsas studien till en viss maskin som länge producerat en viss komponent, lagertappar, utan omställningar. Skärbarheten hos stålet kommer att bedömas av tre faktorer; verktygsförslitning, spånbildning och ytjämnhet efter bearbetning.
2. Metod
I detta svsnitt presenteras forskningsdesignen, de metodval som gjorts samt aspekter kring forskningskvalitet och etik.
2.1 Forskningsdesign
I denna fallstudie består forskningsdesignen av tre faser. Den första fasen innefattar
problemställning och förstudie, den andra innefattar genomförande och den tredje innefattar resultat, analys och diskussion. Nedan i Figur 2.1 ses en illustration av forskningsdesignen.
Figur 2.1: Illustration av forskningsdesign
Efter att problemställningen har formulerats så kommer ostrukturerade intervjuer (samtal) med kvalificerad personal att utföras på fallföretaget. Dessa samtal inleds vid första fasen men kommer att föras kontinuerligt under studiens gång. Därefter utförs en litteraturstudie där relevant teori samlas in vilket kommer utgöra studiens grund. För att kunna svara på den första frågeställningen kommer teori om stål, materialegenskaper, variationer och standarder att presenteras i rapporten. Den andra frågeställningen kommer att besvaras med hjälp av teori om framställning och värmebehandling av stål. Förutom de tidigare nämnda teoretiska
områdena kommer även teori om spånskärande bearbetning och skärbarhet att samlas in för att kunna svara på den tredje frågeställningen. Teorin kommer att insamlas från
encyklopedier, facklitterära böcker, relevanta hemsidor, vetenskapliga artiklar och
avhandlingar. De vetenskapliga källorna kommer främst att användas vid analysen av hur olika materialegenskaper och framställningsprocesser kan påverka skärbarheten.
För att visualisera hur materialegenskaper mellan stålbatcher kan variera så kommer ett flertal materialcertifikat från två olika leverantörer att samlas in. Skillnader i
framställningsprocesserna mellan leverantörerna kommer att studeras genom olika
datainsamlingar som presenteras i avsnitt 2.2.3. Sedan genomförs skärtester med konstant skärdata för att se hur verktygsförslitningen, spånbildningen och ytjämnheten efter
bearbetning skiljer sig mellan provbitar av stål från de olika leverantörerna.
Hårdhetsmätningar på bearbetad och obearbetad yta kommer att genomföras för att jämföras med informationen i materialcertifikaten samt för att se om eventuell skillnad finns mellan ytan och närmare kärnan på stålet från de olika leverantörerna. Resultaten från genomförandet sammanställs därefter och analyseras med hjälp av teorin för att påvisa samband mellan variationer i materialegenskaper, olika framställningsprocesser och skärbarheten hos stål. Till sist genomförs en kritisk diskussion av metoden och resultaten vilket följs av studiens
slutsatser.
2.2 Metodval
2.2.1 Vetenskapligt angreppssätt
Vetenskapligt angreppssätt används av forskare för att visa på samband mellan teori och empiri. Här beskrivs tre angreppssätt: abduktion, induktion och deduktion. Deduktivt
arbetssätt kännetecknas av att genom befintliga teorier och allmänna principer dra slutsatser om speciella företeelser. Utgångspunkten för forskaren ligger i redan bestämda premisser som sedan arbetas bort ifrån med vissa bestämda regler till en slutsats nås. Vid induktivt arbetssätt kan forskningsobjektet studeras utan att undersökningen först är förankrad i tidigare etablerad teori. Forskaren som arbetar induktivt följer upptäckandets väg och utifrån den insamlade informationen så formuleras en teori. Abduktion kan sägas vara en kombination av de två tidigare nämnda angreppssätten. Första steget i abduktion är att utifrån ett enskilt fall
formulera en hypotes som kan förklara fallet och vara ett förslag till en teoretisk struktur. Det första steget är alltså induktivt. Sedan prövas denna teori på nya fall, forskaren arbetar alltså deduktivt. Efter detta kan den ursprungliga hypotesen utvecklas och utvidgas för att bli mer generell (Patel & Davidsson, 2019).
I denna studie kommer det främst arbetas deduktivt eftersom insamlad data kommer att analyseras med hjälp av befintlig teori för att komma till slutsatser.
2.2.2 Undersökningsmetod och forskningmetod
En fallstudie kan ha empiri som består av både ord och/eller siffror. Det finns fyra
utmärkande drag för en fallstudie: ett eller flera enskilda exempel undersöks, ett fenomen i verkliga livet studeras, tillräckligt mycket information om det valda exemplet så att
fenomenet som uppsatsen handlar om kan förklaras eller beskrivas samlas in samt så utförs studien på ett systematiskt sätt vad gäller val av fall och datainsamlingsmetoder (Blomkvist &
Hallin, 2015).
Huvudsakligen finns det två olika forskningsmetoder för att samla in information och data:
kvantitativ och kvalitativ metod. Dessa två metoder skiljer sig åt men syftet är ofta gemensamt och metoderna kan därför kombineras med gott resultat. Utgångspunkten för kvantitativ metod är att det som studeras ska vara mätbart via datainsamlingar och resultatet redovisas numeriskt.
Enkäter och användning av matematiska modeller är exempel på metoder som ofta är väldigt lämpliga för kvantitativa studier. En kvalitativ metod används då en djupare förståelse för ett specifikt problem önskas nås. Möjligheterna för generalisering är lägre vid kvalitativa studier jämfört med kvantitativa. Observationer och intervjuer är exempel på metoder som är väl lämpade för kvalitativa studier (Björklund & Paulsson, 2012).
Denna studie kommer att ha formen av en fallstudie eftersom ett mätbart fenomen i en verklig miljö kommer att studeras. Forskningsmetoden kommer huvudsakligen att vara kvalitativ men kommer även att präglas av en kvantitativ datainsamling.
2.2.3 Datainsamlingsmetoder
Insamlad data kan delas in i två grupper; primärdata och sekundärdata. Primärdata är
empiriskt material som forskaren själv tar fram och/eller sådant material som är väldigt nära undersökningens syfte och forskningsobjektet. Sekundärdata är oftast uppgifter som är insamlat sedan tidigare. Datan har inte en lika tydlig koppling till forskningsobjektet och undersökningens syfte som primärdata har. Exempel på sekundärdata är tidigare forskning om företaget eller branschen (Blomkvist & Hallin, 2015).
Några former av datainsamlingsmetoder är litteraturstudier, intervjuer och experiment.
Information som går att finna i litteraturstudier är sekundärdata och det är därför extra viktigt att vara medveten om att informationen är framtagen i ett annat syfte än den aktuella studien och att informationen kan vara inte heltäckande. En fördel med litteraturstudier är att det under kort tid och med små ekonomiska resurser går att få tillgång till mycket information.
Intervjuer är oftast former av utfrågningar som kan ske via telefon eller personlig kontakt men en dialog via sms eller e-post kan också kategoriseras som en intervju. Information insamlad via intervjuer är primärdata som samlats specifikt för den studie som utförs. En intervju kan vara strukturerad med helt förutbestämda frågor och ordning, semi-strukturerad med delvis förbestämda frågor eller ostrukturerad då den har formen av ett vanligt samtal. Basen för experiment är användningen av en liten konstgjord version av verkligheten med givna variabler som kan kontrolleras och justeras. Vid experiment görs en förenkling av
verkligheten som bör beskrivas noga och uppbyggnaden av experimentet ska motiveras. En nackdel med experiment är att det kan vara både resurs- och tidskrävande och dessutom kan det vara svårt att spegla den verkliga komplexiteten av problemet (Björklund & Paulsson, 2012).
I denna studie kommer primärdata att samlas in via ostrukturerade intervjuer (samtal) med kvalificerad personal på fallföretaget samt via bilder på verktygsförslitning, spånbildning och data från ytjämnhet- och hårdhetsmätningar i samband med skärtester. Sekundärdata kommer att samlas in i form av teori genom litteraturstudier och materialcertifikat som sammanställs av materialleverantörerna. Leverantörernas framställningsprocesser kommer även studeras genom sekundärdata i form av PPAP-dokument (Production Part Approval Process), information som finns tillgänglig på deras officiella hemsidor samt företagspresentationer erhållna av fallföretaget.
2.3 Forskningskvalitet och etik
För att nå en bra forskningskvalité så brukar studiens tillförlitlighet diskuteras. Det går att dela upp tillförlitlighet i de två inriktningarna validitet och reliabilitet. För att försäkra sig om undersökningens tillförlitlighet så är det viktigt för forskaren att granska datan och tänka på hur hög validitet och reliabilitet kan uppnås. Validitet kan förklaras som att rätt sak studeras och reliabilitet handlar om att saker studeras på rätt sätt (Blomkvist & Hallin, 2015).
För att säkra att denna studie har en hög validitet så kommer alla materialegenskaper som enligt teorin kan påverka skärbarheten att tas i beaktande, även fast alla inte berörs direkt vid genomförandet. Skärbarheten kommer att bedömas av tre olika faktorer vilket medför högre reliabilitet än om bara en faktor studeras. Genomförandet (och alla använda verktyg) kommer att dokumenteras så utförligt som möjligt för att studien skall kunna upprepas.
Ett examensarbete har ett antal krav på etik kring utförandet av studien. Dessa är
informationskrav, samtyckeskrav, konfidentialitetskrav och nyttjandekrav. Dessa innebär bland annat att de personer som till exempel svarar på intervjuer ska vara informerade om syftet med studien, de måste gå med på att vara med i studien, det material som samlas in ska behandlas konfidentiellt och materialet ska endast användas till det som studien handlar om (Blomkvist & Hallin, 2015).
I denna studien kommer dessa krav att följas och etiska aspekter kommer att betänkas. Det material och den data som samlas in och används i rapporten kommer att kontrolleras med fallföretaget så att inga företagshemligheter eller liknande sprids. Materialleverantörerna kommer inte att nämnas vid namn utan istället att benämnas som Stålleverantör A och Stålleverantör B för att undvika en intressekonflikt.
3. Teori
I detta avsnitt presenteras relevant teori till studien som sedan ligger till grund för genomförandet och analysen.
3.1 Spånskärande bearbetning
De teoretiska principerna för skärande bearbetning förklaras enklast med svarvning som exempel, men är oftast direkt överförbara på andra bearbetningsmetoder. Vid svarvning matas verktyget i en rätlinjig rörelse längs med arbetsstycket som har en roterande huvudrörelse.
Den hastigheten med vilken arbetsstycket och verktyget rör sig mot varandra kallas skärhastighet, vc (m/min). Hastigheten hos matningsrörelsen benämns oftast
matningshastighet, vf (mm/min) och i andra fall bara matning, f (mm/varv). I kombination med dessa rörelser bör verktyget även jobba med ett visst skärdjup (mm) i arbetsstycket för att kunna avskilja material. Storheterna skärhastighet, matning och skärdjup kallas gemensamt för skärdata (Björklund, Hågeryd och Lenner, 2002). Rörelserna vid svarvning illustreras i Figur 3.1.
Figur 3.1: Huvud- och matningsrörelserna vid svarvning (Björklund, Hågeryd och Lenner, 2002)
3.2 Skärbarhet hos metalliska material
I litteraturen om metallbearbetning definieras skärbarhet hos material som den lätthet med vilken det kan skäras och bedöms traditionellt av fyra faktorer; skärkrafter,
verktygsförslitning, spånbildning och ytjämnhet på den bearbetade ytan av arbetsstycket.
Verktygsförslitning brukar utefter skärverktygens livslängd antingen bedömas av antalet bearbetade detaljer, det vill säga processekonomin, eller av skärhastigheten vid vilket kriteriet av livslängden uppfylls efter en definierad tid, som exempelvis 20 minuter. Spånbildningen brukar bedömas utefter dess form och hur lätt bortforslingen av spånor sker från
bearbetningsområdet. Ytjämnheten ger en indikation på den uppnådda kvalitén efter bearbetningen. (Astakhov, 2014).
3.2.1 Verktygsförslitning
Förslitning av skärverktyg kan uppstå på flera olika sätt. Det är viktigt att känna till de olika förslitningsmekanismerna som skärverktygen kan påverkas av för att förstå respektive materials fördelar och begränsningar. Nedan presenteras några av de vanligaste förslitningstyperna (Sandvik Coromant, u.å.).
Gropförslitning (illustrerat i Figur 3.2: A) förekommer på skärets spånsida och beror oftast på en kemisk reaktion mellan skärverktyget och arbetsmaterialet. Den förstärks av
skärhastigheten och för stor gropförslitning kan försvaga skäreggen vilket kan leda till brott (Sandvik Coromant, u.å.).
Fasförslitning (illustrerat i Figur 3.2: B) är den vanligaste förslitningstypen och föredras eftersom den innebär stabil och förutsägbar skärlivslängd. Denna typ av förslitning uppstår vanligen på grund av nötning som orsakas av hårda delar i arbetsstycket material (Sandvik Coromant, u.å.).
Strålförslitning (illustrerat i Figur 3.2: C) kännetecknas av stora skador på skärets släppningssida och spånyta vid max skärdjup. Detta är en vanligt förekommande typ av förslitning vid bearbetning av bland annat rostfritt stål och orsakas av vidhäftning (spånsvetsning) och nötning (Sandvik Coromant, u.å.).
Värmesprickor (illustrerat i Figur 3.2: D) kan uppstå vinkelrätt mot skäreggen när dess temperatur snabbt går från varm till kall. Denna förslitningstyp hänger samman med intermittenta skärförlopp (som är vanliga vid fräsning) och förvärras vid användning av skärvätska (Sandvik Coromant, u.å.).
Plastisk deformation (illustrerat i Figur 3.2: E) uppstår vid för höga skärtemperaturer vilket leder till att verktygsmaterialet mjuknar (Sandvik Coromant, u.å.).
Löseggsbildning (illustrerat i Figur 3.3) orsakas av att spånor kletas eller svetsas fast på skärverktyget. Denna förslitningstyp ökar vid låga skärhastigheter och förekommer oftast vid bearbetning av kletande material, som till exempel rostfritt stål eller stål med låg kolhalt (Sandvik Coromant, u.å.).
Eggurflisning eller brott förekommer vid för hög mekanisk dragspänning och kan ha flera orsaker som bland annat för stort skärdjup, för hög matning, spånhamring, löseggsbildning eller sandinneslutningar i arbetsstycket (Sandvik Coromant, u.å.).
Figur 3.2: Några förslitningstyper som kan förekomma på svarvverktyg (Manufacturing Guide, u.å.)
Figur 3.3: Löseggsbildning (“Indrek” och “Fede.Campana”, 2009)
3.2.2 Spånbildning
Spånbildningen vid svarvning, illustrerad i Figur 3.4, sammanhänger med typen av
arbetsmaterial, typen av verktygsmaterial, formen på verktyget samt skärdatan. Sega material bildar oftast fast sammanhängande långa spån genom sammansvetsning av ett antal efter varandra avskilda element. Sprödare material bildar lösryckta spån ur arbetsmaterialet i form av oregelbundet formade korn eller element (Björklund, Hågeryd och Lenner, 2002).
Figur 3.4: Olika spånformer (Björklund, Hågeryd och Lenner, 2002)
Vid svarvning, men även vid borrning och i vissa fall vid hyvlingsoperationer kan den erhållna spåntypen många gånger verka störande på bearbetningsförloppet. Långa
sammanhängande spån knippar lätt ihop sig vilket försvårar användningen av maskinen och obseverandet av bearbetningsresultatet. Dessutom kan spånknippena skada verktygseggen, den bearbetade ytan och i värsta fall operatören (Björklund, Hågeryd och Lenner, 2002).
3.2.3 Ytjämnhet
Ytjämnhet är ett mått som beskriver hur grov eller slät en yta är. Ytans profil analyseras med en så kallad ytjämnhetsmätare som mäter över en förutbestämd referenslängd på mätobjektet.
Ytprofilen registreras av mätaren och räknas om till olika ytjämnhetstal såsom Ra och Rz (Manufacturing Guide, u.å.).
Ra-värdet (illustrerat i Figur 3.5) anger profilens genomsnittliga ytjämnhet. För metallytor ligger Ra-värdena oftast mellan 0,02 μm och 3,5 μm där ett lägre värde innebär finare yta (Sandvik Coromant, u.å.).
Rz-värdet (illustrerat i Figur 3.5) anger den maximala profilhöjden i genomsnitt och visar vanligtvis medelhöjden mellan fem “toppar” och “dalar” (Sandvik Coromant, u.å.).
Figur 3.5: Olika ytjämnhetstal (Manufacturing Guide, u.å.)
Vid svarvning finns det ett flertal faktorer som kan påverka den slutliga ytjämnheten. Dessa inkluderar skärets utformning, skärhastigheten, vibrationer vid bearbetningen samt olika typer av verktygsförslitning och spånbildning (Manufacturing Guide, u.å.).
3.3 Stål
Stål är en legering med järn som basmaterial och kol som grundläggande legeringsämne.
Kolhalten brukar vanligen ligga under 2 %, vilket utgör gränsen mellan stål och gjutjärn som vanligen brukar ha en högre kolhalt på 2-4 % (Ahlblom, 2013).
Stål anses i många fall vara det i särklass viktigaste metalliska materialet eftersom det relativt billigt kan framställas med en mängd olika egenskaper, beroende på vilka legeringsämnen som tillsätts (Edström, u.å.).
3.3.1 Stålsorten 100Cr6
100Cr6 är ett genomhärdbart kullagerstål avsedd för rullningskontakt och andra applikationer där hög utmattning förekommer. I härdat tillstånd ger den höga hårdheten och mekaniska hållfastheten stålet de rätta egenskaperna för att motstå upprepade utmattningscykler. 100Cr6 används främst för små och medelstora lagerkomponenter men även regelbundet för andra maskinkomponenter som kräver hög sträckgräns och hög hårdhet (Ovako, 2020).
3.4 Materialegenskaper och faktorer som påverkar skärbarhet
Ett arbetsstyckes tillstånd och fysiska egenskaper har i både enskilda och kombinerade former direkt inflytande på skärbarheten och bestäms av flera faktorer såsom mikrostruktur,
kornstorlek, sträckgräns, brottgräns, hårdhet, kemisk sammansättning, framställnings- och värmebehandlingsmetod. En grundlig förståelse av dessa faktorer är nödvändig för att kunna uppnå optimala bearbetningsförhållanden som är kritiska för maximal produktivitet
(Schneider, 2002).
3.4.1 Mikrostruktur
Med mikrostrukturen hos en metall menas dess kristall- eller kornstruktur som kan synas genom undersökning av etsade och polerade ytor under ett mikroskop. Material vars mikrostrukturer är liknande brukar följaktligen ha liknande bearbetningsegenskaper.
Mikrostrukturen kan variera i ett och samma arbetsstycke vilket följaktligen påverkar skärbarheten (Schneider, 2002).
3.4.2 Kornstorlek
Ett materials kornstorlek fungerar som en allmän indikator på dess skärbarhet (Schneider, 2002). Stålsorter med små genomsnittliga kornstorlekar kräver större mängder energi vid skärande bearbetning vilket leder till minskad verktygslivslängd. Detta kan förklaras genom korrelationen mellan minskad kornstorlek och ökad sträckgräns enligt Hall-Petch relationen (Ånmark, 2016). Stål som exempelvis görs finkornigt genom tillsatser av aluminium uppvisar en underlägsen skärbarhet jämfört med de som framställs utan aluminium (Herring, 2005).
3.4.3 Sträckgräns
Den spänning som ett metalliskt material utsätts för då det börjar deformeras plastiskt kallas för sträckgräns. I många konstruktioner får den maximala spänningen som materialet utsätts för aldrig nå denna gränsen (Nationalencyklopedin, u.å.).
Sträckgränsen bestäms genom dragprovning (illustrerat i Figur 3.6) där ett materialprov spänns in mellan två backar och dras ut (förlängs) med konstant draghastighet. Provet utsätts för en successivt ökande spänning och jämförs med dess töjning som är längdökningen dividerad med provets ursprungliga längd. Resultatet av ett dragprov redovisas i en dragprovskurva som visar spänningen i förhållande till töjningen (Sandström, u.å.).
Figur 3.6: Dragprovning på en speciellt utformad provstav (Manufacturing Guide, u.å.)
Ett material med hög sträckgräns kräver en hög kraft för att initiera spånbildning vid skärande bearbetning. Detta innebär att starkare eggstyrka och skärgeometrier är nödvändiga för att motstå den höga belastningen som uppstår i skärzonen. Material med relativt höga
sträckgränser är således svårare att bearbeta och medför minskad livslängd på skärverktyg jämfört med material med lägre sträckgräns (Schneider, 2002).
3.4.4 Brottgräns
Den maximala spänningen som uppnås vid dragprovning, det vill säga då materialet brister, kallas för brottgräns (Nationalencyklopedin, u.å.).
Detsamma kan sägas gällande skärande bearbetning av material med hög brottgräns som för hög sträckgräns. Desto högre brottgräns ett material har desto starkare skäreggsgeometrier krävs för produktiv bearbetning och acceptabel verktygslivslängd (Schneider, 2002).
3.4.5 Hårdhet
Hårdhet definieras som ett materials förmåga att motstå plastisk deformation. Denna förmåga mäts genom att en intryckningskropp med en specifik storlek och form trycks i materialets yta med en förutbestämd belastning eller vikt. Beroende på metoden mäts sedan diametern eller djupet på intrycket vilket motsvarar en specifik hårdhet. Ju större intrycket är, desto lägre är hårdhetstalet och därmed hårdheten. Tvärtom ger ett mindre intryck ett högre hårdhetstal vilket representerar ett hårdare material (Schneider, 2002).
En vanlig metod som används vid hårdhetsmätningar är Brinellprovning, illustrerat i Figur 3.7. Enligt brinellmetoden trycks en kula av härdat stål eller hårdmetall med en viss kraft under en viss tid mot testmaterialet. Därefter mäts intryckets diameter i mätmikroskop (Ahlblom, 2013).
Figur 3.7: Brinellprovning; en kula [1] trycks mot testmaterialet [2]
(Manufacturing Guide, u.å.)
Vad det gäller skärande bearbetning medför låg hårdhet ökad produktivitet, eftersom
skärhastigheten ofta väljs baserat på arbetsstyckets hårdhet (desto lägre hårdhet, desto högre hastighet). Verktygets livslängd påverkas negativt av en ökad hårdhet eftersom skärkrafterna och temperaturerna stiger med hårdheten vilket medför ökat slitage. Ökad materialhårdhet vid till exempel fräsning resulterar i högre slagbelastningar när skäret ingriper i arbetsstycket vilket ofta leder till en förhastad nedbrytning av skäreggen (Schneider, 2002).
Det bör dock påpekas att ledande verktygstillverkare tydligt brukar ange de gynnsamma intervallen av skärhastigheter och skärtemperaturer för sina verktygsmaterial. Avvikelser både över och under de rekommenderade hastigheterna och temperaturerna kan begränsa
verktygets livslängd (Astakhov, 2014).
3.4.6 Kemisk sammansättning (legeringsämnen)
Den kemiska sammansättningen av ett material är en viktig faktor att ta i beaktande vid bedömningen av dess skärbarhet. Legeringsämnenas inverkan brukar oftast vara tvetydiga eftersom de kan fungera både enskilt och kollektivt. Med detta sagt kan ändå vissa
generaliseringar göras kring kemisk sammansättning av stål i förhållande till skärbarhet (Schneider, 2002).
Idag finns det många tekniker tillgängliga inom stålindustrin för kontroll av egenskaperna hos stål genom bland annat icke-metalliska inneslutningar. Baserat på en översikt över
forskningspublikationer innan 2015 kan slutsatsen dras om att en traditionell huvudteknik involverar ökning av svavelhalten i stål för en bättre skärbarhet. Tillägg av svavel förbättrar skärbarheten genom att de formar sulfider med mangan som utfälls under stelnandet av flytande stål. Därav är det också viktigt att beakta innehållet av mangan i stålet vid bedömning av skärbarheten. Mangansulfidinneslutningar påverkar skärbarheten positivt eftersom de är mjuka och fungerar som hålrum i stålets mikrostruktur. Detta förbättrar spånbildningen vid skärande bearbetning genom att spånorna blir kortare i längd vilket främjar en enklare spånborttagning. Dessutom minskar mangansulfiderna friktionen mellan skärverktyg och spånor vilket minskar skärkrafterna under bearbetningen. Kortare
spånbildning och lägre friktionskoefficient medför även en bättre ytjämnhet på bearbetade svavelhaltiga stål jämfört med andra stål (Ånmark, Karasev och Jönsson, 2015). Mangan kan dock även inverka negativt på skärbarheten eftersom ämnet utöver sulfid även är en karbid-, nitrid- och oxidbildare. Sådana partiklar är kända för att vara extremt hårda och kan därför begränsa skärverktygens prestanda (Ånmark et al. 2015).
Vid skärande bearbetning genereras ofta mycket värme och det tros att förhöjda temperaturer i arbetsstycket i vissa fall kan förbättra dess skärbarhet. Därför är även
värmeledningsförmågan hos stål av hög betydelse och det främjas av legeringselement som molybden, krom och nickel. Samtidigt förknippas dessa ämnen och kisel med en ökad mekanisk hållfasthet, en egenskap som tillsammans med ökad hårdhet kan reducera skärbarheten hos stål (Ånmark et al. 2015).
Det viktigaste legeringsämnet kol som i varierande mängd alltid ingår i stål påverkar också materialegenskaperna och följaktligen skärbarheten. Kol verkar genom att öka hårdheten och den mekaniska hållfastheten samt minska segheten (Ånmark et al. 2015).
Koppar som legeringsämne i austenitisk och martensitisk rostfritt stål visar sig ha en smörjande effekt vid skärande bearbetning. Denna effekt visar sig främst genom minskad fasförslitning på skärverktyg vilket innebär ökad skärbarhet hos dessa ståltyper (Geng et al.
2007).
3.4.7 Framställning av stål
En förutsättning för att effektivt tillverka stål av hög kvalitet är en god kontroll och styrning av råmaterialen. Ett av de viktigaste råmaterialen vid tillverkning av stål är skrot. När ståltillverkningen är skrotbaserad används så kallade ljusbågsugnar för smältningen av stålskrotet (Jernkontoret, 2019).
En ljusbågsugn är elektrisk ugn som omsätter elektrisk energi till värme genom elektroder. I Figur 3.8 illustreras funktionen där tre elektroder bildar så kallade ljusbågar mot det
smältande stålbadet (Edström, u.å.).
Figur 3.8: Smältning i ljusbågsugn (Ahlblom, 2013)
Under smältningen i ljusbågsugnen bildas vanligen ett ytskikt av slagg på stålbadet. Slaggen fungerar som ett isolerande skikt på stålsmältan i ugnen, vilket skyddar smältan från kontakt med luft och hindrar energiförluster. Efter smältningen avlägsnas den översta slaggen från ugnen, bryts upp och återanvänds till olika produkter (Jernkontoret, 2018). Smältan hälls vanligen över i en så kallad skänk (illustrerat i Figur 3.9) som transporterar stålet från ljusbågsugnen till efterföljande behandlingar.
Figur 3.9: Skänk (Manufacturing Guide, u.å.)
Ett flertal metoder för efterbehandling av det smälta stålet har under senare tid börjat
användas. Syftet är förutom att höja kvalitetsnivån, att rationellt utnyttja ljusbågsugnen enbart för att smälta skrot (och/eller råjärn) och istället flytta raffinering och färdigställning till andra kärl (Ahlblom, 2013).
Vanliga efterbehandlingsmetoder innefattar olika skänkugnsbehandlingar. Vid dessa metoder används skänken som en ugn, illustrerat i Figur 3.10, i en skänkmetallurgisk behandling av det smälta stålet. Begreppet skänkmetallurgi innebär att stålet färdigställs separat i en specialutrustad skänk eller skänkugn. Exempel på färdigställningsoperationer inkluderar legeringstillsättning, desoxidation, svavelrening och temperaturinställning. Värmningen är en nödvändighet vid skänkmetallurgi och det sker vanligen genom att elektrisk energi tillförs med ljusbågselektroder precis som i en ljusbågsugn. Dock är effekten i en skänkugn mindre än en fjärdedel av effekten i en vanlig ljusbågsugn. Under värmningen rörs smältan om med hjälp av argongas för att undvika överhettning av stålet i överdelen av skänken (Jernkontorets energihandbok, u.å.).
Figur 3.10: Skänkugn (Kopeliovich, 2012)
Vanligen följer efterbehandlingen ASEA-SKF-metoden (illustrerat i Figur 3.11) vilket
innebär att elektroderna lyfts bort efter värmningen och ett vakuumlock appliceras på skänken inför vakuumavgasning (Jernkontorets energihandbok, u.å.).
Figur 3.11: Vakuumavgasning enligt ASEA-SKF-metoden (Ahlblom, 2013)
Vakuumavgasning (illustrerat i Figur 3.12) ämnar att minska slagginneslutningar i stålet samtidigt som legeringsämnen kan tillsättas (Ahlblom, 2013). Denna efterbehandling fungerar genom att argon pumpas in i smältan från skänkens botten vilket tillsammans med
vakuumpumpning driver ut skadliga gaser såsom syre, väte, kväve och koldioxid. Argonet ger likt vid uppvärmningen upphov till cirkulation i skänken vilket är eftersträvat för att uppnå effektiv blandning av legeringsämnen och homogenitet i smältan (Berndt och Josefsson, 2017).
Figur 3.12: Vakuumavgasning (Kopeliovich, 2012)
Efter de skänkmetallurgiska behandlingarna gjuts stålet. Det finns ett flertal olika utvecklade gjutmetoder, men de två vanligast förekommande är götgjutning och stränggjutning
(Fredriksson, u.å.).
Vid götgjutning (illustrerat i Figur 3.13) hälls stålsmältan från skänken ned i en eller flera större gjutformar, kokiller, där den stelnar till göt. Kokillen kan vara rektangulärt eller cirkulärt formad och består vid stålgjutning oftast av gjutjärn. Vid ökade kapaciteter i
samband med götgjutning har det förekommit problem som att stelningshastigheten avtar med ökad mängd smälta. Detta har i många fall lett till försämrade materialegenskaper och
svårigheter att hantera de större göten. Följaktligen har möjligheten till kontinuerlig gjutning utvecklats, det vill säga stränggjutning (Fredriksson, u.å.).
Figur 3.13: Götgjutning (Manufacturing Guide, u.å.)
Vid stränggjutning (illustrerat i Figur 3.14) tappas det smälta stålet ner i en oscillerande och vattenkyld kokill via en gjutlåda, varvid stålet börjar stelna. Stålet förs sedan nedåt av dragvalsar så att stelningsprocessen vid kokillen kan fortsätta. Nedanför den vattenkylda kokillen sprutas vatten på vilket kyler det strängformade stålet. Stålet stelnar dock inte helt och hållet förrän sex till tio meter nedanför den vattenkylda kokillen. Genom denna metod gjuts således hela smältan kontinuerligt. I västvärlden är 80-90 % av allt valsat stål numera stränggjutet. Således är detta den dominerande gjutmetoden med undantag för mycket grova plåttjocklekar och vissa specialstål som exempelvis kullagerstål (Ahlblom, 2013).
Figur 3.14: Stränggjutning (Ahlblom, 2013)
En väsentlig begränsning med stränggjutning är kopplat till den så kallade reduktionsgraden.
Reduktion innebär att man utgår ifrån det gjutna materialet och valsar ut det till en mindre diameter. Denna process bryter upp inneslutningar, porer och förstör hålrum som finns i stålet. Reduktionsgraden kan räknas ut genom att jämföra skillnaden i tvärsnittets area mellan materialet innan och efter reduktionen. Den praktiskt möjliga reduktionsgrad som kan erhållas baseras vid stränggjutning på strängens storlek och vid götgjutning på götets minsta tvärsnitt.
Som exempel kan ett gjutet stål med en diameter på 400 millimeter enbart reduceras 10 gånger om slutprodukten ska ha en diameter på 40 millimeter. Detta innebär att götgjutning som initialt ger ett större tvärsnitt följaktligen ger ett högre värde på reduktionsgraden. Ett stål som är stränggjutet kan inte uppnå lika hög reduktionsgrad som ett götgjutet stål och består således oftast av en ökad storlek på inneslutningarna (Berndt och Josefsson, 2017).
Det finns många olika typer av inneslutningar som kan uppstå i stål beroende på gjutmetod och sammansättning av legeringsämnen. Inneslutningar som uppstår från utsidan av det smälta stålet kallas exogena och kommer antingen från slagg, flux, rester eller bitar av gjutformen. Storleken på exogena inneslutningar saknar generellt väldefinierad distribution och anses påverka materialets mekaniska egenskaper mest med tanke på deras oförutsägbara storlek och uppbyggnad (Nissan, 2012).
Inneslutningar som uppstår från kemiska reaktioner inuti stålsmältan kallas endogena och följer oftast en logaritmisk storleksdistribution. Endogena inneslutningar består vanligen av mangan, svavel, aluminium, magnesium, kisel, kalcium och syre. Dess ämnen bildar vanligen föreningar i form av mangansulfider, aluminiumoxider, magnesiumoxider, kalciumsulfider, kalciumoxider, och kiseldioxider (Nissan, 2012).
Effekten som inneslutningarna har på de mekaniska egenskaperna bestäms av storleken, termisk expansionskoefficient, E-modulen och inneslutningens deformerbarhet. Med ökad storlek på inneslutningen sänks de mekaniska egenskaperna. Inneslutningar som består av mangansulfider och kalciumsulfider är naturligt deformerbara vilket innebär att de största defekterna som går att finna vid utmattningsbrott oftast är oxider. Förutsatt att ett material reduceras tillräckligt är således den främsta typen av skadliga inneslutningar som påverkar de mekaniska egenskaperna oxider (Nissan, 2012).
Ökade volymfraktioner av gynnsamma icke-metalliska inneslutningar (som mangansulfider) i stål visar sig (likt ökad kornstorlek) ha en positiv inverkan på skärbarheten. Stål med låga innehåll av gynnsamma inneslutningar kan generera en snabbare nedbrytning av verktyg och sämre spånbildning (Ånmark, 2016). Samtidigt finns det oönskade icke-metalliska
inneslutningar som kan vara mycket skadliga för skärbarheten om de förekommer i alltför stora mängder. Dessa består oftast av oxider och silikater (Holm, Olsson och Troell, 2016).
Vissa gjuterier använder sig av speciella metoder för att ytterligare reducera inneslutningar från stål. En sådan metod är “Oxygen Scarfing” där ett tunt lager av stålets yta tas bort termokemiskt för att avlägsna ytdefekter som inneslutningar, gropar och sprickor. Metoden inleds genom uppvärmning av stålet till dess smältpunkt. När smältpunkten har uppnåtts riktas ett flöde av syre på det nu oxiderande stålet som matas genom scarfing-maskinen. Ju långsammare matningen sker desto mer avlägsnas från stålets yta (Showalter, Nemchinsky och Khan, 1996).
Efter gjutning vidarebearbetas stål vanligen genom varmvalsning (illustrerat i Figur 3.15).
Vid varmvalsning värms götet till vitvärme vilket ger stålet ungefär samma konsistens som bly vid rumstemperatur. Vid framställning av stålstänger körs götet därefter genom en så kallad spårserie, det vill säga en serie profilvalsar. Varmvalsade stänger som är avsedda för maskinbearbetning brukar även riktas genom rilning vilket innebär att stängerna körs mellan snedställda roterande valsar (Ahlblom, 2013).
Figur 3.15: Stångvalsning (Manufacturing Guide, u.å.)
Varmvalsade stålstänger brukar även skalsvarvas vilket är en metod som används för att avlägsna glödskal och ytsprickor från materialet. Skalsvarvning används ofta som ett mellanliggande steg vid tillverkning av produkter som ska bearbetas ytterligare som exempelvis axelkomponenter till fordonsindustrin (Sandvik Coromant, u.å.).
3.4.8 Värmebehandling av stål
Stålstänger brukar vanligen värmebehandlas efter varmvalsning. En relevant
värmebehandlingsmetod är sfäroidiserande glödning (mjukglödgning) som avser att reducera hårdhet, sträckgräns, brottgräns och därigenom förbättra förutsättningarna för skärande bearbetning. Sfäroidiserande glödgning utförs i första hand på stål med högre kolhalter som ska bearbetas med skärande verktyg och sedan härdas. De flesta stålen med kolhalter över 0,6
% levereras mjukglödgade från stålverken (Ahlblom, 2013). Vid mjukglödgning laddas stålet in en ugn där det värms upp och hålls i en viss temperatur, varvid en sfäroidisering sker av dess partiklar. Därefter tas stålet ur ugnen och tillåts svalna i luft ned till rumstemperatur (Manufacturing Guide, u.å.). Mjukglödgning förändrar formen på karbidutskiljningarna i strukturen och påverkar inte kornstorleken. De hårda karbiderna bryts ner och antar en rundad form (därav namnet sfäroidiserande glödning) vilket är gynnsamt ur bearbetningssynpunkt (Holm, Olsson och Troell, 2016).
3.5 Variationer
Ett systems livscykel utsätts ofta för ett för ett stort antal källor till variation. Dessa beskrivs oftast som störningar eller störfaktorer även om de kan vara förutsedda eller inplanerade, som exempelvis variation mellan olika användningsmiljöer. Enligt Ford Motor Company är variation från enhet till enhet väsentlig störfaktor som beror på tillverkningsprocessen och dess källor till variation. Denna typ av variation återfinns mellan enheter som tillverkas under samma specifikation (Bergman och Klefsjö, 2012).
För att förbättra kvaliteten och pålitligheten hos produkter och processer är det viktigt för företag att kunna hantera oönskad variation. Förbättringarna uppnås genom olika
kvalitetsförbättringsprojekt som ofta utförs inom ramverket för Sex Sigma. Dessa projekt har rapporterat betydande kostnadsbesparingar, förbättrad tillförlitlighet och ökad
kundtillfredsställelse (Johnsson et al. 2005).
3.6 Standarder
Standarder är tekniska specifikationer avsedda att tillämpas vid affärer mellan olika parter och brukar refereras i beställningar och köpekontrakt. Krav på ett materials egenskaper ges av produktstandarder genom specificering av värden på exempelvis kemisk sammansättning och mekanisk hållfasthet. För att kunna åstadkomma en likformig tillämpning av tekniska
standarder för flera olika typer av material och produkter erfordras allmänna
leveransbestämmelser. Bestämmelserna anger gemensamma regler för ett helt materialområde gällande fördelning av ansvar mellan köpare, säljare och kontrollanter samt krav på
kontrollorganisation, kontrollmetoder, kontrollutrustning och kontrolldokument.
Kontrolldokument kallas ofta för intyg och ibland för materialcertifikat. Den vanligaste typen av intyg innefattar tillverkarens bekräftelse att leveransen uppfyller kraven i beställningen genom redovisade resultat från kontroll av kemisk sammansättning och hållfasthet samt andra uppgifter, som enligt beställningen ska kontrolleras (Karlsson, 2013).
3.6.1 EN 10204
EN 10204 (Metallic products - Types of inspection documents) är en europeisk standard för olika kontrollintyg som används vid nästan all handel med metallprodukter i Europa.
Skillnaderna mellan de olika intygen som täcks av standarden är om dokumentet ska innehålla resultat från kontroll av aktuell leverans eller statistisk data från leverantörens löpande
tillverkning av samma produkt (Karlsson, 2013).
3.6.2 ISO 9001
ISO 9001 är ett certifikat som anger krav på förbättrat ledningssystem för kvalitet.
Certifiering innebär att en organisation bedöms uppfylla specifika krav som ställs i standarder eller andra reglerade dokument. Bedömningen sker av ett så kallat certifieringsorgan som därefter kan utfärda ett certifikat. Certifikatet fungerar således som en bekräftelse på att organisationen uppfyllt kraven genom en oberoende granskning (Karlsson, 2013).
4. Genomförande
I detta avsnitt beskrivs först fallföretaget, detaljen och sedan genomförandet av studien.
4.1 Fallföretagsbeskrivning
Gnutti Carlo Sweden AB är ett företag som är verksamt inom den tunga fordonsindustrin.
Företaget är en del av den globala koncernen Gnutti Carlo Group som har sitt huvudkontor i Italien och tillverkande fabriker i 8 av världens länder, dessa är Italien, Sverige, Kanada, Storbritannien, Indien, USA och Tjeckien. Tillverkningens fokus ligger på komponenter till drivlinor, främst till lastbilar och konstruktionsfordon. Gnutti Carlo Sweden AB har två fabriker, en i Alvesta och en i Kungsör, samt en R&D verksamhet i Göteborg (Gnutti Carlo, u.å). Under 2018 så hade företaget cirka 370 anställda och omsatte omkring 1,2 miljarder kronor (Allabolag, 2020).
4.2 Lagertappen och dess tillverkningsprocess
4.2.1 Beskrivning av lagertappen
Lagertappen, även kallad planethjulsaxel (illustrerad i Figur 4.1), är en maskinkomponent som utgör det innersta elementet av ett nållager (illustrerad i Figur 4.2). Komponenten har en cylindrisk form med ett genomgående hål på längden samt fyra tvärhål. Hålen fungerar som kanaler för smörjningen av de ingående elementen i nållagret. Lagertappen som tillverkas av fallföretaget återfinns i planetväxlar som ingår i Volvos lastbilsväxellåda I-Shift (illustrerad i Figur 4.3).
Figur 4.1: Lagertappen (planethjulsaxel)
Figur 4.2: Lagertappen (planethjulsaxel) utgör det innersta elementet av ett nållager (Lavergren, Suoranta och Wranér, 2016)
Figur 4.3: En av lagertappens placeringar Volvos lastbilsväxellåda I-Shift (Ohlin, 2020)
4.2.2 Beskrivning av maskinen som tillverkar lagertappen
Lagertappen tillverkas av en sexspindlig automatsvarv som huvudsakligen består av en
cirkulär trumma med sex spindlar och en fast uppsättning av borr- eller svarvverktyg vid varje spindel. Råmaterialet 100Cr6 matas in manuellt i en stångautomat i form av (cirka) fyra meter långa stänger med en diameter på 37,5 mm (illustrerat i Figur 4.4). Stångautomaten är direkt ansluten till automatsvarven och fungerar som ett magasin som laddar med stänger inför tillverkningen.
Figur 4.4: 100Cr6 i form av stänger
De sex spindlarna i maskinen (illustrerad i Figur 4.5) fungerar som stationer där två eller fler skärverktyg synkroniserat bearbetar arbetsstycket. Då bearbetningarna i samtliga stationer är genomförda roteras huvudtrumman stegvis där den sista stationen färdigställer detaljen, sticker av den och matar ut stången som återigen är redo för första stationen. Maskinen körs med skärolja som appliceras vid bearbetningarna för att avlägsna spånor samt kyla och smörja mellan verktygen och arbetsstyckena.
Figur 4.5: Den sexspindliga automatsvarven som tillverkar lagertappen
4.3 Insamling av materialegenskapsdata från materialcertifikat
Fallföretaget har sedan lång tid köpt 100Cr6 endast från Stålleverantör A, men på senare tider har ökade produktionsvolymer av lagertappen inneburit att denna stålleverantör inte kunnat leverera material i tillräckligt snabb takt. Från och med 2017 började fallföretaget således köpa 100Cr6 även från Stålleverantör B.
Vid varje inkommande batch av 100Cr6-stänger till fallföretaget medföljer ett materialcertifikat. Båda stålleverantörerna är certifierade enligt ISO 9001 och följer standarden EN 10204 (Kontrollintyg 3.1), men anger olika mycket information gällande kontroller på materialegenskaper i de levererade batcherna. Materialcertifikaten som medföljt varje batch sedan 2017 samlades in, sorterades och sammanställdes i resultatet med fokus på materialegenskaperna som anges av båda leverantörerna, nämligen kemisk sammansättning och hårdhet.
4.4 Undersökning av stålleverantörernas framställningsmetoder
Framställningsprocessen av stålet kan skilja sig mellan leverantörerna vilket (enligt teorin) kan ge upphov till olika materialegenskaper. Således undersöktes stålleverantörernas framställningsprocesser där resultatet presenteras i figurer som visar varje processteg vid leverantörernas framställning av 100Cr6-stänger.
4.5 Skärtester på stål från leverantör A och B
Skärtesterna genomfördes i en enspindlig emulsionskyld svarv (illustrerat i Figur 4.6) belägen i EPIC - Innovation & Technology Center. Samma verktyg och skärdata användes vid
skärtesterna som hos fallföretaget. Skärverktyget (illustrerat i Figur 4.7) har enligt
fallföretaget en livslängd på 1000 lagertappar, vilket innebär att skäret klarar 1000 passeringar innan förslitningen blir så hög att det måste bytas. Bearbetningen som studerades var
översvarningen (illustrerat i Figur 4.8), vilket är den första operationen som sker i den flerspindliga svarven. Vid denna operation svarvas stålstången från Ø37,5 mm ner till lagertappens diameter 36,55 mm (där längden vid svarvningen är 95 mm). På grund av tids- och materialtillgången så kunde inte 1000 lagertappar skäras ur stål från båda leverantörerna.
Därför togs ett beslut om att bearbeta 50 provbitar från vardera leverantör genom 20
passeringar per bit (50 provbitar × 20 passeringar/provbit = 1000 passeringar totalt). Vid varje passering svarvades diametern ner 0,95 mm vilket innebar att den slutgiltiga diametern på provbitarna blev 18,5 mm (37,5 - (20 × 0,95) = 18,5 mm). Provbitarna plockades ur batcher med smältnummer P7744 från leverantör A och BD1182 från leverantör B. Efter vart 10:e bearbetade provbit (vart 200:e passering) noterades verktygsförslitningen och spånbildningen genom bilder och anteckningar. Efter skärtesterna mättes den svarvade ytans ytjämnhet på vart 10:e provbit från båda stålleverantörerna.
Maskin: DMG MORI CLX 350
Skärverktyg: Sandvik WNMG060404-WF 4315 Verktygshållare: Seco PWLNL 2020K06 Skärdata:
Skärhastighet (vc): 166 m/min
Matning (f): 0,25 mm/varv från 0-64 mm, 0,3 mm/varv från 64-95 mm Skärdjup: 0,475 mm
Hela programmet för skärtesterna återfinns i Bilaga 1.
Figur 4.6: Den enspindliga svarven med en uppspänd provbit
Figur 4.7: Skärverktyget monterat i verktygshållaren
Figur 4.8: Riggplanen vid den flerspindliga svarven. Bearbetningen som studerades i den enspindliga svarven var operation 1.1: Översvarva.
4.6 Hårdhetsmätningar på stål från leverantör A och B
Mätning av hårdhet genomfördes på 5 olika provbitar från varje leverantör. Varje bit testades två gånger, en gång på den svarvade ytan som blev efter skärtesterna och en gång på den levererade obearbetade ytan. Nedan i Figur 4.9 är de två testpunkterna på en provbit markerade.
Figur 4.9: Testpunkter för hårdhetsmätning markerat i rött på en provbit
5. Resultat
I detta avsnitt presenteras resultaten från studiens datainsamlingar.
5.1 Materialegenskapsdata
Materialcertifikat från Stålleverantör A och Stålleverantör B från och med början på 2017 till och med mars 2020 samlades in och sorterades efter smältnummer (eftersom flera batcher kan komma från samma smälta med samma materialegenskaper). Referensstandarden som
specificerar de tekniska leveranskraven för 100Cr6 är ISO 683-17.
Stålleverantör A framställer en egen variant av 100Cr6 med snävare toleranser på gränsvärdena för legeringsämnena (jämfört med referensstandarden) och anger följande materialegenskaper i sina certifikat:
• Leveranstillstånd: Mjukglödgat och Skalsvarvat
• Kemisk sammansättning (%-halter av legeringsämnen)
• Hårdhet
Stålleverantör B följer referensstandarden ISO 683-17 vid framställningen av 100Cr6 och anger följande materialegenskaper i sina certifikat:
• Leveranstillstånd: Mjukglödgat och Skalsvarvat
• Kemisk sammansättning (%-halter av legeringsämnen)
• Hårdhet
• Sträckgräns
• Brottgräns
• Brottförlängning
• Austenitisk kornstorlek
Spridningen av legeringsämneshalterna samt hårdhet sammanställdes i tabeller. Nedan i Tabell 5.1 visas medelvärde och standardavvikelse av legeringsämnena i stålet från båda leverantörerna.
