INOM
EXAMENSARBETE MASKINTEKNIK, AVANCERAD NIVÅ, 30 HP
STOCKHOLM SVERIGE 2018,
Utvärdering av
löstoppsborrars prestanda
Som ett led i Scanias standardiseringsarbete i enlighet med SPS
SEBASTIAN CHEN
DISA FREDRIKSSON
Utvärdering av löstoppsborrars prestanda
Som ett led i Scanias standardiseringsarbete i enlighet med SPS
DISA FREDRIKSSON OCH SEBASTIAN CHEN
Examensarbete
Kungliga Tekniska Högskolan
Handledare KTH: Ove Bayard
Handledare Scania: Erik Åström
2018-06-11
Sammanfattning
Inom tillverkning är skärande bearbetning en vanligt förekommande process och däribland borrning.
Verktygskostnader har stor påverkan på den totala tillverkningskostnaden då till exempel ett helt arbetsstycke i värsta fall kan gå förlorat vid verktygshaveri. Genom sitt arbete med ständiga förbättringar håller Scania sig konkurrenskraftiga med sina produkter av hög kvalitet. I detta examensarbete inom masterprogrammet Industriell Produktion på KTH har en specifik typ av borr med löstagbar borrkrona utvärderats med avsikt att undersöka nya fabrikat.
Uppdragsgivaren var motorbearbetningen (DM) på Scania i Södertälje. Arbetet inleddes med att införskaffa relevant kunskap gällande verktyget som undersöktes. Samtidigt utfördes en nulägesanalys där de använda borrarna på DM kartlades tillsammans med information kring pris, livslängd, m.m. Utifrån kartläggingen sammanställdes statistik som analyserades för att identifiera hur stor påverkan en eventuell standardisering skulle kunna ha.
Utvärderingen av borrar bestod av praktiska experiment där sju olika verktyg med en diameter på 12,2 mm testades under samma förhållanden. Testet utformades i enighet med berörda parter på DM samt efter studier av adekvat litteratur rörande borrexperiment. Fyra parametrar testades utöver borrarnas livslängd. Dessa var axialkraft, förslitning, håldiameter och spånor. Parametrarna ämnades jämföras och analyseras för att dra slutsatser kring borrarnas prestationer.
Nulägesanalysen visade att ett fabrikat utgjorde hela 69% av borrarna på hela DM. Efter slutförda borrtester hade enbart tre av sju genomfört utan haveri, Borr E, F och G. Samtliga sju borrar visade godkända spånor och höll sig inom toleranserna för angiven håldiameter. Axialkrafterna varierade mellan borrarna där Borr F hade lägst krafter och Borr A högst. Borr E visade bäst motstånd mot förslitningar. Utifrån detta valdes borrarna E, F och G att rekommenderas för deras goda prestationer med Borr E på första plats. Utöver det föreslogs att utbudet av fabrikat som kan användas på DM begränsas för att uppnå kostnadsbesparingar gällande verktygen.
Nyckelord: Skärande bearbetning, borrning, löstoppsborr, borrtest, standardisering
Abstract
Drilling is a common cutting process within manufacturing. Tool costs have great influence on the total manufacturing cost since a tool break down can cause an entire work piece to be scrapped.
Through their constant work with improvements, Scania stays competitive with their high quality products. This Master Thesis in Industrial Production and Management at KTH has evaluated a specific type of drill with indexable heads with the purpose of investigating new brands.
The Engine Manufacturing department (DM) at Scania in Södertälje requested this project. The task was initiated by obtaining knowledge about the tool that were to be investigated. Simultaneously an analysis of the current state was performed where the drills at DM were mapped out with information regarding price, tool life, etc. The statistics were compiled and analysed to identify the effect of an eventual standardisation.
The evaluation consisted of practical experiments where seven different drills with a diameter of 12,2 mm was tested under the same circumstances. The test was design in concurrence with affected parts at DM and studies of adequate literature regarding drilling experiments. Four parameters were tested in addition to the tool life of the drills. These were axial force, tool wear, hole diameter and chips. The parameters were intended to be used for comparing and analysing in order to make conclusions regarding the performance of the drills.
The current state analysis showed that one brand represented 69% of the drills used at DM. After finished drilling tests three out of seven drills managed to complete the test without tool break down. All drills produced chips that were acceptable and the measured diameters stayed within the given tolerances. The axial forces varied between the drill where Borr F had the lowest force and Borr A the highest. Borr E showed the best resistance against tool wear. From the results the drills that were recommended were Borr E, F and G because of their good performances with Borr E in the first place. Ultimately it was suggested to limit the amount of brands used at DM to achieve cost savings regarding the tools.
Keywords: Cutting processes, drilling, drill with indexable heads, drilling test, standardisation
Förord
Denna rapport är ett resultat av ett examensarbete på institutionen för Industriell Produktion vid Kungliga Tekniska Högskolan (KTH), Stockholm. Arbetet utfördes under våren år 2018 och motsvarar 20 veckors arbete på 30 hp. Uppgiften är utförd på begäran av motorbeatbetningen på Scania CV AB i Södertälje.
Vi vill börja med att tacka alla från Scania och KTH som har hjälpt till och bidragit under arbetets gång. Vi vill även tacka alla leverantörer som har ställt upp på intervjuer och bidragit med sina erfarenheter inom ämnet.
Extra tack vill vi rikta mot våra handledare Erik Åström (Scania) och Ove Bayard (KTH) för deras stöd
genom hela projektet. Vi vill tacka Lorenzo Daghini (Scania) för att han har tagit sig tid att ge oss
feedback och goda råd, samt hans bidrag till den akademiska delen av arbetet. Vi vill även tacka Lars
Persé (Scania) och Anton Kviberg (KTH) för att de har bistått med utrustning och erfarenhet, men
framför allt för deras engagemang och intresse under arbetets gång. Slutligen vill vi tacka Jonas
Ahlkvist (Scania) som har sett till att vi fått en bra introduktion och känt oss riktigt välkomna på
Scania.
Innehållsförteckning
Sammanfattning Abstract
Förord
Innehållsförteckning
1 Introduktion
8
1.1 Problembeskrivning 8
1.2 Syfte 8
1.3 Avgränsning 9
1.4 Metod 9
2 Litteraturstudie
10
2.1 Skärande bearbetning 10
2.1.1 Verktygsförslitning 11
2.1.2 Spånbildning 14
2.1.3 Tolerans 15
2.2 Testplanering 15
2.2.1 Design Of Experiment 15
2.2.2 Borrexperiment 16
2.3 Bearbetningsteknik 17
2.3.1 Bearbetningsekonomi 18
2.3.2 Standardisering 19
2.3.3 Scanias produktionssystem 19
3 Utvärdering av borrar
21
3.1 Nulägesanalys 21
3.2 Borrtest 24
3.2.1 Förberedelse 24
3.2.2 Utförande 27
3.3 Analys av insamlade data 29
4 Resultat
32
4.1 Nuläget på DM 32
4.2 Sammanställning av borrtest 35
5 Diskussion
44
7 Rekommendationer och fortsatt arbete
49
8 Referenser
50
Bilaga 52
1Figurlista
Figur 1 - Termdefinitioner av skärdata vid borrning ... 11
Figur 2 - Visar vridmoment (M
c), Effekt (P
c) och matningskraft (F
f) ... 11
Figur 3 - Den vänstra delen av figuren visar en bra spånor. Den mittersta delen visar godkända spånor och den högra visar underkända spånor. ... 14
Figur 4 - Scaniahuset som representerar SPS ... 20
Figur 5 - Arbetssättet utifrån SPS ... 20
Figur 6 - Bild på Solid hårdmetallborr ... 22
Figur 7 - Bild på Löstopssborr ... 22
Figur 8 - Vändskärsborr ... 22
Figur 9 - Vevaxelprofil, de mörka strecken visar var axeln kapades ... 25
Figur 10 - Svarvning av testbitarnas ovansida och undersida ... 25
Figur 11 - Gängning på testbitens undersida för att fästa på fixturen som håller fast den på dynamometern ... 25
Figur 12 - Dynamometer ... 25
Figur 13 - Punkterna 1,2 och 3 visar var hårdheten mättes ... 26
Figur 14 - Wolpertmaskin som användes för att mäta hårdhet ... 26
Figur 15 - Uppriggad mätutrustning ... 27
Figur 16 - Det cirkulära mönstret som borrades ... 28
Figur 17 - Uppställning i maskinen ... 28
Figur 18 - Uppställning i maskinen ... 28
Figur 19 - Innan insamling av spånor ... 28
Figur 20 - Hålprofil. Diametrarna mättes vid d
1och d
2... 29
Figur 21 - Karaktäristisk kurva vid en borrning som visar kraft över tid. Det övre strecket visar var mätvärden togs för ingreppskraft och det undre strecket visar var mätvärde för den maximala kraften vid borrning togs ... 30
Figur 22 - Typiska vyer vid fotografering av borrkronorna ... 31
Figur 23 - Exempel på spånkarta ... 31
Figur 24 - Fördelning av de fabrikat som används på DM ... 32
Figur 25 - Fördelningen av löstoppsborrarna på DM mellan avdelningar ... 32
Figur 26 - Kostnad per borrkropp ... 33
Figur 27 - Kostnad per borrkrona ... 33
Figur 28 - Borrade mm per borrkrona för en livslängd ... 34
Figur 29 - Avvikelser per fabrikat... 34
Figur 30 - Medelvärdet för axialkraft vid ingrepp och borrning ... 36
Figur 31 - Axialkraftens variation vid ingrepp och borrning ... 36
Figur 32 - Håldiametrarna för Borr A ... 37
Figur 33 - Håldiametrarna för Borr B ... 37
Figur 34 - Håldiametrarna för Borr C ... 38
Figur 35 - Håldiametrarna för Borr D ... 38
Figur 36 - Håldiametrarna för Borr E ... 39
Figur 37 - Håldiametrarna för Borr F ... 39
Figur 38 - Håldiametrarna för Borr G ... 40
Figur 39 - Urflisning på Borr F, markerat med pil ... 42
Figur 40 - Löseggsbildning från sidovy, markerat med ring ... 42
Figur 41 - - Löseggsbildning sett ovanifrån, markerat med pil ... 42
Figur 42 - Visar spånor i ordningen 1-3, 4-20 och därefter för vart tjugonde hål fram till det att testet
avslutades ... 43
Tabellista Tabell 1 - Belastningstyper (Sandvik Coromant 1995) ... 12
Tabell 2 - Förslitningstyper (Sandvik Coromant 1995), (WNT Ceratizit Group, u.å), (Sandvik Coromant, u.å.c), (Sandvik Coromant, u.å.d) och (WALTER TOOLS, u.å) ... 13
Tabell 3 - Testdata och utrustning som användes under borrexperimenten ... 27
Tabell 4 - Sammanfattning av borrarnas prestation från testerna ... 35
Tabell 5 - Sammanställning av förslitningar på borrarna och när de påträffades ... 41
1 Introduktion
Scania jobbar ständigt med förbättringar som bland annat innebär att eliminera slöseri enligt Scania Production System (SPS). Ständiga förbättringar är viktigt för att företaget ska kunna hålla sig konkurrenskraftig på marknaden och samtidigt leverera högkvalitativa produkter. Scanias produktionssystem är ett verktyg i förbättringsarbetet och kan ge positiva effekter för Scania i form av lägre kostnader, högre kvalitet och en lägre påverkan på miljön.
Inom produktion, speciellt tillverkning, har verktyg stor betydelse för det slutgiltiga resultatet.
Verktygen är starkt kopplade till kvalitén på slutprodukten. Det förbrukas en stor mängd verktyg varje dag och om konsumtionen optimeras kan vinster göras både ekonomiskt och för miljön. En viktig parameter utöver de två bitarna är prestandan på verktyget. Klarar inte verktyget av att tillverka inom toleranserna riskerar produkten att bli kasserad vilket är ett stort slöseri.
I detta examensarbete inom Industriell Produktion på KTH har en typ av borr med löstagbar borrkrona utvärderats. Uppdraget gavs av Scania CV AB i Södertälje och ämnades användas som en del i arbetet mot förbättringsarbete av verktygshantering på motorbearbetningen i enlighet med SPS.
1.1 Problembeskrivning
På motorbearbetning i Södertälje är borrning en vanligt förekommande bearbetningsprocess.
Utbudet av en borrtyp med löstagbart skär (löstoppsborr) har växt på marknaden de senaste åren.
För ca 20 år sedan utfördes en fullständig utvärdering av dåvarande verktygsfabrikat. Sedan dess har nya fabrikat ej hunnit testas. Dessa borrar är praktiska att använda då de ej behöver slipas om men de kan istället vara något dyrare än de klassiska solida hårdmetallsborrarna beroende på applikation och sett till livslängd. Dessutom har löstoppsborrarna ett annat användningsområde då de till största del enbart utför grovbearbetningar.
Fokus för detta examensarbete är att testa och utvärdera några intressanta fabrikat från leverantörer som erbjuder lösningar och sedan rekommendera den eller de som är mest lämpad i enlighet med SPS. De punkter inom SPS som detta projekt berör är främst kvalitet, men även kostnad. Beroende på projektets utkomst kan det även komma att påverka metoder och arbetssätt som används i det dagliga arbetet.
1.2 Syfte
Verktyg är en viktig del av tillverkning och även om verktygskostnaderna enbart står för en liten del av den totala tillverkningskostnaden är påverkan mycket stor. Vid val av rätt verktyg kan utfallet resultera i omfattande produktionsförbättringar. Scania är känt för att framgångsrikt ha standardiserat många aspekter i företaget och avsikten med detta projekt har varit att utföra en förundersökning inför en eventuell standardisering av leverantör av löstoppsborrar. Är det lönsamt?
Är det möjligt? Och i sådana fall, vilka är kapabla att besvara efterfrågan.
Syftet var att utvärdera fabrikat som Scania är intresserade av men inte haft möjlighet att pröva
själva. Resultat från proverna används sedan som underlag för rekommendationer om hur Scania bör
gå vidare. Förväntade resultat efter projektet slutförts var en nulägesrapport, rekommendation av fabrikat och framtida arbete samt en reflektion kring hur standardisering kan påverka.
1.3 Avgränsning
För att försäkra projektets genomförande var det nödvändigt att definiera avgränsningar. Experiment och tester kan lätt bli för omfattande och tidskrävande, varför det är bättre att begränsa vad som ska undersökas och genomföra det på ett bra sätt. Utifrån projektets definition och syfte har följande avgränsningar förhållits till:
● Den verktygstyp som kommer undersökas och utvärderas är löstoppsborrar
● De leverantörer som bidragit med bäst tillgänglighet har träffats
● Sju borrar deltar i borrtesterna
● Testerna har utförts i ett och samma material med en uppsättning skärdata
● Testerna har undersökt fem parametrar: livslängd, axialkraft, förslitning, håldiameter och spånor
● Analyser av förslitning har skett visuellt utan att mäta dess storlek
1.4 Metod
Inledningsvis studerades relevant litteratur inom skärande bearbetning och bearbetningsteknik.
Samtidigt påbörjades det första steget av projektet som bestod av att utföra en nulägesanalys. Den innehöll två aspekter, kartläggning av nuläget och att undersöka vad som erbjuds på marknaden.
Kartläggningen innefattade följande:
● Vilka tekniker finns på plats, dvs. vilka löstopssborrar används nu?
● Vilka problem och förbättringsmöjligheter finns nu?
● Bidra med en bild av kostnaderna
Undersökningen av vad som erbjuds på marknaden innebar följande att kontakta intressanta leverantörer som fanns tillgängliga inom tidsramen för projektet. Utöver det studerades utbud i kataloger och webbsidor.
När litteraturstudien rörande skärande bearbetning och bearbetningsteknik avklarats inleddes en studie i testplanering. Detta för att kunna planera ett framgångsrikt test av verktygen. Testet var en stor del av utvärderingen av hur borrarna presterar. Experimentet tog plats på KTH i Stockholm och innehöll följande:
● Välja ut fabrikat att testa
● Förbereda testerna och se till att den utrustning som behövs finns
● Köra test på KTH
● Mäta, sammanställa resultat, analysera och utvärdera
Efter att resultaten analyserats drogs slutsatser kring jämförelser mellan borrarna och vilka fabrikat
som skulle rekommenderas. Det som övervägdes var behovet på Scania och hur väl dessa fabrikat
och leverantörer kan besvara det. Hur en standardisering skulle kunna påverka diskuterades också i
relation till SPS och de resultat som påträffats genom nulägesanalysen och borrtesterna. Därefter
rekommenderades borrar och hur Scania bör fortsätta på arbetet utfört i projektet och vad som
behöver undersökas noggrannare.
2 Litteraturstudie
I detta kapitel presenteras relevant forskning från litteratur med tydlig koppling till projektet. För att kunna fatta bra beslut under projektets gång och kunna dra korrekta slutsatser har en analys av det som finns utförts. Detta avsnitt är en sammanställning av det som var användbart för att fullfölja uppgiften.
Vid skärande bearbetning är hållbarheten hos verktyget till stor del beroende av förslitningen. Därför presenteras studier som behandlar förslitningar i detta avsnitt. En annan stor påverkan som också är kopplad till kvalitén på arbetsstycket är spånor, vilket kommer att diskuteras i relation till deras utseende och påverkan. När kvalitet kommer på tal så är tolerans något som behöver tas upp, då toleranser är produktionens sätt att kontrollera den.
Eftersom en stor del av projektets huvudsyfte är att utföra borrtest så är även testplanering och andras borrtester en del av litteraturstudien. I detta fall är det också viktigt att undersöka de olika parametrar som är aktuella vid borrning såsom skärdata och skärkrafter.
För att kunna föra en intressant diskussion kring resultaten och för att kunna hänvisa till Scanias verklighet kommer även bearbetningsekonomi och hållbarhet att tas upp. Då projektets resultat är tänkt att användas till beslut om standardisering är det ett viktigt begrepp att förstå i samband med SPS och Scanias värderingar.
2.1 Skärande bearbetning
Skärande bearbetning innefattar bland annat borrning, svarvning, hyvling, fräsning och filning. I den skärande bearbetningens tidiga historiska stadie bearbetades för det mesta trä. Skärande bearbetning av metall utvecklades ordentligt först under den industriella revolutionen som började under 1700-talet. Det började med mycket primitiva metoder och handhållna verktyg, men med ångmaskinens och teknikens framfart var inte längre den mänskliga faktorn en flaskhals. Remmar, axlar och taljor introducerades tillsammans med ångmaskinen vilket gjorde att bearbetningen gick mycket snabbare och blev framför allt mer ergonomisk än förr. Nu blev istället tekniken flaskhalsen i processerna och den eviga processen till att utveckla tekniken kunde börja (Sandvik Coromant 1995).
Något som alltid har varit en viktig del inom skärande bearbetning är verktygsförslitning. Det är verktygen som kommer i direkt kontakt med arbetsstycket och som ska se till att arbetsstycket i slutändan får den önskade geometrin. När skärande bearbetning kommer på tal är spånbildning och tolerans viktiga teman. Spånbildningen visar huruvida en process eller ett verktyg är optimerad eller inte. Tolerans är därtill ett krav på mått och andra geometriska funktioner som ska följas för att få bland annat montering att fungera.
I detta arbete är den skärande bearbetningsmetoden som är i fokus borrning, fullborrning mer
specifikt. Fullborrning är när en borr bearbetar bort allt solitt material för en bestämd diameter och
skapar ett hål. En annan typ av borrning är kärnborrning, vilket innebär att istället för att bearbeta
bort allt material för en bestämd diameter avverkas endast en omkrets av diametern. Kärnborrning
används endast vid borrning av genomgående hål och främst vid borrning av stora diametrar
(Sandvik Coromant 1995). När borrning nämns i denna litteraturstudie är det fullborrning som det
refereras till.
Vid skärande bearbetning används ett antal skärdata som skiljer sig beroende på vilken typ av bearbetning som utförs. Några av de skärdata som används vid borrning visas i Figur 1. Enligt definition är n spindelvarvtal (varv/min), v
cskärhastighet (m/min) och v
fborrsjunkningshastighet (mm/min). Utöver dessa finns matning, f
n(mm/varv) som fås genom att dividera spindelvarvtalet med borrsjunkningshastigheten. Matningen står för hur långt en borr hinner röra sig nedåt på ett varv. För att avgöra hur effektivt en borr arbetar går det att räkna på effektförbrukningen, P
c. Den påverkar i sin tur vridmomentet M
c. I Figur 2 visas effektförbrukningen (kW), vridmomentet (Nm) och matningskraften F
f(N) som framöver kommer att kallas axialkraft. Dessa tre faktorer blir påverkade av matningen (Sandvik Coromant, u.å.a). Därför är det inte enbart effektförbrukningen som säger något om hur verktyget arbetar utan även axialkraften.
Figur 1 - Termdefinitioner av skärdata vid borrning Figur 2 - Visar vridmoment (Mc), effekt (Pc) och matningskraft (Ff)
2.1.1 Verktygsförslitning
I en maskin där verktyg bearbetar arbetsstycken råder extrema förhållanden. Det är ofta stora krafter och mycket varierande temperaturer som verktyg och arbetsstycke utsätts för. Därför är det inte konstigt att verktyg slits ut (Akhtar et al. 2014). Utveckling av nya verktyg sker ständigt, det kan vara nya geometrier som gynnar verktyget eller nya beläggningar som är bättre anpassade efter processerna eller bearbetat material. I slutändan slits ett verktyg så småningom ut och kan inte längre ge det resultat som strävas efter. Därför är det viktigt att veta vilka förslitningstyper och belastningstyper som finns och hur man ska hantera dessa för att förlänga och kontrollera verktygslivslängden (Sveriges verkstadsindustrier 1989).
Det finns fem belastningstyper och de redovisas i Tabell 1. Utifrån de olika belastningstyperna kan
förslitningar uppkomma. Sju av de vanliga förslitningar på skärande verktyg visas i Tabell 2.
Dagens maskiner arbetar ofta innanför slutna dörrar med begränsad insyn, därav är det extra viktigt att kunna kontrollera och förutse ett verktygs livslängd innan det är försent och arbetsstycket skadas.
Tabell 1 - Belastningstyper (Sandvik Coromant 1995)
Belastningstyp Beskrivning
Mekanisk Krafter och tryck från bearbetningsprocessen som verkar på skäreggen. Leder till slut till brott.
Termisk Temperaturskillnader i bearbetningsprocessen som orsakar sprickor på verktyget. Höga temperaturer orsakar plastisk deformation på verktygseggen.
Kemisk Sker kring området vid kontaktytan av den framställda spånan och verktyget. Eftersom höga spänningar och temperaturer uppstår vid kontaktytan är det området
gynnsamt för kemiska reaktioner och diffusion vilket kan leda till kemiska belastningstyper.
Nötande Materialet i ett arbetsstycke har ofta varierande hårdheter.
Det beror på att arbetsstycket som bearbetas inte alltid består av ett rent ämne, utan ofta är olika typer av legeringar eller andra sammansättningar. Därför träffar verktyget som bearbetar ett arbetsstycke material av olika hårdheter och på så sätt sker en nötning på verktyget.
Vidhäftande När arbetsmaterial är segt/kletande kan BUE (Build Up
Edge/löseggsbildning) bildas på verktyget, vilket i efterhand
kan orsaka brott. Att BUE bildas beror ofta på att skärkrafter
och temperaturer inte är optimerade.
Tabell 2 - Förslitningstyper (Sandvik Coromant 1995), (WNT Ceratizit Group, u.å), (Sandvik Coromant, u.å.c), (Sandvik Coromant, u.å.d) och (WALTER TOOLS, u.å)
Förslitningstyp Beskrivning Orsak
Fasförslitning Nötande belastningstyp. Sker ofta på verktygsflankerna vid kontaktytan mellan verktyg och arbetsstycke.
För hög skärhastighet.
För låg matning.
För mjuk sort på verktyget.
För lite skärvätska.
Gropförslitning Kemisk belastningstyp. Sker när spåna kommer i kontakt med verktygets spånyta.
För hög skärhastighet.
För svag beläggning på verktyg.
Plastisk deformation En termisk belastningstyp.
Eggkanten ändrar form efter att ha utsatts av höga temperaturer och krafter som överstiger
verktygmaterialets gränser.
För hög matning/skärhastighet.
Fel sort.
Otillräcklig skärvätsketillförsel.
Urflisning En mindre skada på egglinjen, ofta orsakad av termisk eller vidhäftande belastningstyper.
Instabila förhållanden.
Instabila verktygsförhållanden.
Intermittenta ingrepp.
För hård sort på verktyget.
Följd av värmesprickor.
Strålförslitning Stora lokala skador. Uppstår ofta på grund av en kemisk belastningstyp och medför en dålig ytjämnhet.
Ojämnt skärvätskeflöde.
Värmesprickor Små öppningar på egglinjen som uppkommit på grund av
temperaturvariationer under processen.
Ojämn skärvätsketillförsel.
Intermittent bearbetning.
Löseggsbildning Material från arbetsstycket kletar fast på verktygseggen. Ger en temporär skärkraftsökning som i slutändan leder till brott på verktygseggen.
För låg skärhastighet och eggtemperatur.
För stor negativ fas på skäret.
Ingen beläggning.
För låg andel olja i skärvätskan.
Inom borrning är löseggsbildning ett vanligt förekommande fenomen. Det uppkommer på grund av den varierande hastigheten på skäreggen. Ute i periferin är skärhastigheten 100% och avtar till 0 in mot borrens centrumlinje. En sänkt skärhastighet innebär att lösseggsbildningen startar närmare periferin (Sandvik Coromant 1995). När skärhastigheten avtar mot borrens centrumlinje så minskar även spånavverkningshastigheten och nettoeffekten mot centrumlinjen (Sandvik Coromant, u.å.b).
Även om hastigheten och effekten minskas så är matningen densamma, vilket leder till att området
nära borrens centrumlinje pressar och nöter istället för att skära. Pressningen och nötningen ger
efter en tid upphov till fasförslitningar och plastisk deformation på borrspetsen och skäreggen i området nära centrumlinjen (Sandvik Coromant 1995). Det ger även upphov till en axialkraft som är mätbar (Sandvik Coromant 1995). Den axialkraft som uppstår vid pressning och nötning mäts i många fall inom borrexperiment, se mer om borrexperiment i avsnitt 2.2 Testplanering.
2.1.2 Spånbildning
En spåna från en borrningsprocess kan se ut på olika sätt och dess geometri har huvudsakligen att göra med vad för material som bearbetas samt vilken skärgeometri och skärdata som används.
Material är viktigt när skärgeometri väljs eftersom olika material har olika egenskaper (Sandvik Coromant 1995). Rekommenderad skärdata tar verktygstillverkarna ut empiriskt som i sig består av ett flertal parametrar. För borrning består skärdata till exempel av ett spann av rekommenderad matning och skärhastighet. Vid implementering av verktyg i produktionsprocessen är det sedan möjligt att göra justeringar av skärdata inom det angivna spannet ifall det visar sig att verktyget slits (som nämnts tidigare i
Tabell 2) eller inte uppnår tillräckliga resultat.
För varje material finns ett eget spann av spångeometrier som är önskvärda. Anledningen till att spånorna ska vara av önskad geometri är för att arbetsstycke och verktyg inte ska skadas under bearbetning, vilket händer när skärdata för processen inte är optimerad efter verktyget och arbetsstycket. En ingångsspåna från borrning med löstoppsborr är alltid lång och helixformad men orsakar inga risker, medan andra spånor från borrningen är av det mindre slaget och formade som kommatecken (Sandvik Coromant u.å.e). Om ingångsspånan är ojämn och krokig är det ett tecken på spånstockning, vilket kan leda till haverier. Andra spånor från borrningen kan ha en viss tendens att fastna på varandra, men i allmänhet utgör de ingen risk så länge formen är jämn. Se
Figur 3för godkända och underkända spånor. Vid borrning är det viktigt att ha invändigt kylvätskeflöde samt att borrkroppen har kanaler för att vägleda spånorna ur hålet för att undvika haverier (Sandvik Coromant 1995).
Figur 3 - Den vänstra delen av figuren visar en bra spånor. Den mittersta delen visar godkända spånor och den högra visar underkända spånor
2.1.3 Tolerans
Enligt Oberg et al. (2016) i Machinery’s Handbook så handlar massproduktion om att upprepa samma process och skapa en produkt hundra, tusen, eller kanske miljontals gånger. För att säkerhetsställa att produkterna lever upp till den utlovade standarden utförs kvalitetstest där toleranser kontrolleras (Oberg et al. 2016). En tolerans är ett mått som visar hur mycket en dimension får variera i olika riktningar utöver det nominella måttet utan att påverka arbetsstycket negativt (Sandvik Coromant u.å.f.). Vid massproduktion finns sällan tid att plocka ut verktyg och kontrollera förslitning efter varje bearbetad process. Därför kontrolleras istället toleranser på de bearbetade geometriernas attributer för att säkerställa kvalitén på produkterna. Av samma anledning som att inte kontrollera varje verktyg efter varje process, kontrolleras inte heller toleranser av varje geometri i varje produkt. Ofta gör tillverkaren ett stickprov och kontrollerar toleranser efter ett visst antal bearbetade geometrier.
På så sätt sparas tid och onödigt arbete.
Toleranser delas upp i två olika kategorier, unilateral och bilateral tolerans:
● En unilateral tolerans visar endast variation av mått i en riktning, till exempel 12 mm +0,3 mm. Detta innebär att det nominella måttet är 12 mm och får variera mellan måtten 12,0 mm och 12,3 mm. Anledningen till att använda ett sådant mått är för att en riktning är mer kritisk än den andra. Unilaterala toleranser är vanliga inom montering. Ett exempel på användningsområde för en unilateral tolerans är vid montering av kuggar och axlar till en växellåda. Toleranserna där är unilaterala eftersom det inte är önskvärt att ha ett för trångt hål för kuggen vilket det kan bli om toleranserna kan variera i två riktningar.
● En bilateral tolerans används när båda riktningarna är lika kritiska. Alltså visar en bilateral tolerans variation i två riktningar, till exempel 12 mm ± 0,3 mm. Detta innebär att det nominella måttet för geometrin är 12 mm och får variera mellan 11,7 mm och 12,3 mm. Ett exempel är en vanlig håldiameter som ofta beskrivs med bilateral tolerans (Oberg et al.
2016). Det är viktigt att inte skapa onödigt bra toleranser om det inte är nödvändigt, detta för att med snävare toleranser går även kostnaden upp. En tolerans visar också vilken form den bearbetade geometrin har (Sandvik Coromant 1995).
2.2 Testplanering
Vid utförande av experiment är det viktigt att vara strukturerad, metodisk och ha en väl utarbetat plan för att kunna dra slutsatser kring resultaten. Testets utformning varierar beroende på vad som ska undersökas. Det finns en del utarbetade experimentmetoder som DOE (Design of Experiments) och framförallt finns det många utförda test och experiment som dokumenterats. Några intressanta forskningsartiklar kommer att presenteras som stöd för projektets testplanering.
Ett viktigt begrepp är repeterbarhet som innebär att ett test ska kunna utföras under samma förhållanden med samma utrustning utan för stora avvikelser mellan testerna. För att minimera dessa avvikelser och för att försäkra sig om att testets resultat är pålitliga är planering och kontrollerade förhållanden viktiga.
2.2.1 Design Of Experiment
Ett verktyg som används för att fastställa ett testupplägg är DOE. Det är en komplex och kraftfull
metod då den tillåter att man testar utfall för variationer av flera parametrar på ett tidseffektivt sätt
(Allen 2010). För att kunna analysera resultaten krävs det däremot omfattande statistiska analyser
(Silverstein, Samuel, DeCarlo 2012). Allen (2010, 133) nämner att DOE består av fyra steg där det
första innefattar en noggrann planering av indatakombinationer och variationsordning för att sedan utföra testet och registrera utdata. Därefter interpoleras utdata med regression. I det fjärde steget kan de interpolerade resultaten sedan användas som utgångspunkt för ett nytt test. Silverstein, Samuel och DeCarlo (2012, 306) presenterar en mer detaljerad procedur bestående av följande steg:
1. Bestämma responsvariabler 2. Identifiera faktorer
3. Bestämma faktornivåer 4. Välja experimentdesign
5. Bestämma provtagningsstorlek
6. Tilldela faktorerna till en reducerad försöksplanering 7. Bestäm experimentsekvensen
8. Förbered metoden för datainsamling 9. Utför experimentet
10. Analysera resultaten 11. Verifiera resultaten
Responsvariablerna i steg 1 är utdata som ska ges av experimentet. Här gäller det att välja vilka variabler man vill studera och samtidigt bibehålla en lämplig komplexitet då den ökar med antalet responsvarialer (Allen 2010). Faktorerna är den indata som varieras i experimentet och leder till variationen av utdata. När faktornivåerna bestäms gör man det genom att ge varje faktor ett högt och ett lågt värde betecknat +/-. Vid intresse går det att studera ett exempel Exhibit 50.1 i
Introduction to Engineering Statistics and Lean Sigma av Allen (2010, 307). Vid analys av resultatet ärsyftet att identifiera vilken effekt faktorerna har. För en djupare kunskap inom DOE hänvisas till kapitel 50 i Introduction to Engineering Statistics and Lean Sigma av Allen (2010).
2.2.2 Borrexperiment
Iliescu et al. (2012) har utfört experiment där de undersökt axialkraften vid borrning i kolfiberkompositmaterial. Kolfiberförstärkta polymerkompositer (CFRP) har många önskvärda egenskaper för flyg- och rymdkraftsindustrin, men samma egenskaper gör det även svårt att bearbeta materialet. Av den anledningen utförde Iliescu et al. sina studier för att kunna förstå hur CFRP beter sig och därmed kunna förbättra kvalité vid borrning samt verktygets livslängd (Iliescu et al. 2012). När utformningen av experimentet beskrivs nämns att enbart de parametrar som kan ge en effekt på den undersökta axialkraften är varierade för att kunna dra slutsatser kring vad som påverkar livslängden vid borrning i CFRP (Iliescu et al. 2012). Parametrarna var matning, spindelhastighet och skärhastighet.
Under experimentet användes en 9272 Kistler borrdynamometer och en 5019A Kistler Amplifier för att samla in data om axialkraften (Iliescu et al. 2012). Testupplägget bestod av sex olika kombinationer av parametrar som sedan utfördes i en sekvens bestående av totalt 23 borrningar. För det fullständig experimentupplägget var god se kapitel 2 i Modeling and tool wear in drilling of CFRP (Iliescu et al. 2012). Resultaten visade att axialkraften ökar som en konsekvens av förslitning. Iliescu et al. (2012) visar också att ökningen inte beror på skärhastighet och matning genom att jämföra utvecklingen av axialkraften under de borrningar där skärhastigheten varierar. Jämförelsen visade att förslitningen var linjär då skärhastighet varieras.
För att kunna avgöra vilka geometrier som står emot förslitning bäst utförde Iliescu et al. (2012)
uthållighetstest. De obelagda verktygen borrade 88 gånger med en uppsättning skärdata och de
diamantbelagda verktygen borrade 309 gånger med en annan uppsättning skärdata. Därefter studerades och fotograferades förslitningarna på borrarna i mikroskop.
I ett test ämnat att utvärdera diamantbelagda borrarnas förmåga har Zhang et al. (2013) utfört jämförelsetest med obelagda borrar. Behovet av undersökningen identifierades eftersom CFRP är svårt att bearbeta i med orsak av dess materialuppbyggnad. Parametrarna som har mätts och jämförts under borrningarna var axialkraft och verktygsförslitning. Resultatet av mätningarna visade att diamantbelagda borrar innehar bättre skäregenskaper jämfört med dem obelagda borrarna.
Utöver kraftmätningarna studerades fasförslitning på borrarna och hålkvalitet. Där blev resultatet att de diamantbelagda borrarna fick bättre resultat i båda fallen (Zhang et al. 2013). För fullständiga resultat var god läs kapitel 2 i Fabrication and drilling tests of chemical vapor deposition diamond
coated drills in machining carbon fiber reinforced plastics (Zhang et al. 2013).Borrtesterna utfördes på en CNC-maskin med samma skärdata för båda borrtyperna. Förslitningen studerades i ett optiskt mikroskop och skärkrafterna samlades in med en Kistler dynamometer (Zhang et al. 2013). Väggkvaliteten på hålen undersöktes med ett 3D-mikroskop och SEM (Scanning Electron microscope) (Zhang et al. 2013). Borrarnas tillstånd fotograferades både i mikroskop och i SEM för att visa på den uppkomna förslitningen. De obelagda borrarna fotograferas efter hål 10, 20 och 30 medan de diamantbelagda borrarna fotograferades efter 10, 30 och 90 hål. Zhang et al.
presenterar en graf där fasförslitningen är plottad gentemot antal borrade hål för båda borrtyperna, se Fig. 9 i Fabrication and drilling tests of chemical vapor deposition diamond coated drills in
machining carbon fiber reinforced plastics (Zhang et al. 2013).Zhang et al. (2013) har även en graf som visar hur axialkraften utvecklar sig när fler hål borras, se Figur 6 i Fabrication and drilling tests of chemical vapor deposition diamond coated drills in
machining carbon fiber reinforced plastics. Resultatet visade att de diamantbelagda borrarna gerupphov till lägre axialkraft, men trenden för hur kurvorna utvecklar sig har likheter (Zhang et al.
2013) . Zhang et al. (2013) såg att när fasförslitningen nådde ett visst kritiskt värde så ökade axialkraften snabbt.
Hålkvalitén undersöktes visuellt och bilder på hål från båda borrtyperna presenteras. Zhang et al.
kommenterar att den obelagda borren skapar mer burr än den diamantbelagda. Mängden burr förklarades kunna bero på att borren inte längre är skarp nog för att skära fibrerna utan istället klämmer bort dem (Zhang et al. 2013). Ytan inuti hålen visar även bättre resultat för den belagda borren då den obelagda skapar tydligare spår, se Figur 10(b) i Fabrication and drilling tests of
chemical vapor deposition diamond coated drills in machining carbon fiber reinforced plastics (Zhanget al. 2013). Detta förklaras enligt Zhang et al. (2013) av att skäreggen har blivit trubbig.
2.3 Bearbetningsteknik
Framgångsrik tillverkning av produkter innebär samarbete mellan många olika processer och
instanser. En god samverkan är nyckeln till lyckad produktion och tillverkning. Även om fokus ligger
på att göra en lokal förbättring är det nödvändigt att se helheten. En lokal förändring kan ge stor
påverkan runt omkring vilket kan vara både positivt och negativt. I detta avsnitt kommer några
relevanta delar som beaktats presenteras. Huvudämnena berör bearbetningsekonomi, hållbar
bearbetning, standardisering och SPS.
2.3.1 Bearbetningsekonomi
Som nämnts tidigare innefattar den ekonomiska biten av tillverkning många olika faktorer som till exempel verktyg, maskiner, materialkostnader och arbetskraft. Inom dessa parametrar kan variationen vara stor och därför ibland svår att förutse. Vid god kontroll av processerna kan investeringar ge avkastning vilket är anledning nog till att förbättra. Bearbetningsekonomi handlar därför om hur väl de tillgängliga resurserna utnyttjas och omvandlas till vinst gentemot kostnaderna av produktionen (Sandvik Coromant 1995).
Vid kostnadsberäkning för skärande bearbetning är den totala produktionskostnaden viktig (Sandvik Coromant 1995). Att variera en variabel i den totala produktionskostnaden kan ge ett positivt resultat totalt sett även om själva variabeln i sig är sämre. De generella variablerna är skärverktyg, verktygshållare, fixturer och mätutrustning, verktygsmaskiner, arbetsmaterial, kostnader för arbetskraft och fasta kostnader (Sandvik Coromant 1995). Trots att verktygskostnader endast står för en liten del av produktionskostnaderna har de stor påverkan. Ett verktyg som är pålitligt och presterar väl förhindrar andra kostnaders uppkomst. En maskin kan till exempel köra med färre stopp om man byter till ett verktyg med längre livslängd vilket leder till mer producerat värde på samma tid. Därför är det av stor vikt att välja verktyg med omsorg och se till den stora bilden, för påverkan kan vara stor även om verktygskostanden inte ändras, blir lägre eller högre (Sandvik Coromant 1995).
I Ekonomisk och teknisk bedömning baserad på produktionsanalys har Ståhl (2008) formulerat modeller som ska hjälpa till vid bedömning av den ekonomiska påverkan av förändringar. En faktor är produktionsstörningar som i slutsatsen kommenteras ha påvisat starka samband till ledarskap och organisation genom produktionsanalyser.
I kapitlet Ekonomi och processutveckling redogör Ståhl (2008) för en analys av olika verktygshaverier vid svarvning. Analysen kan ses som applicerbar på andra bearbetningsmetoder då haverier sker för all skärande bearbetning, skillnaderna kan vara orsak och till viss del följderna av haveriet. Ståhl (2008) har sett att det uppstår produktionsstillestånd med orsak av haverier och har därför klassificerat vilka problem som kan uppstå. Några exempel på problem som kan uppstå allmänt för skärande bearbetning är skadad maskin eller utrustning med behov av reparation, nya inställningar eller uppmätningar och även skada på själva arbetsstycket (Ståhl 2008). När ett verktygshaveri leder till skadad maskin eller utrustning menar Ståhl (2008) att det kan orsaka stillestånd och i sin tur bidra till kostnader i form av nytt material, service och produktionsbortfall (Ståhl 2008). Skada på arbetsstycket kan innebära ombearbetning för att åtgärda skadan men också i värsta fall kassation (Ståhl 2008). Orsakerna bakom ett haveri kan ha många aspekter och det kan därför vara svårt att finna en lösning. Ståhl (2008) presenterar även en arbetsmetodik för att lösa problem med verktygshaverier där identifieringen av problemet innefattar aspekter som att definiera problemet och undersöka samband samt orsaker till haveriet.
Konkurrensen i dagens marknad handlar inte bara om vinst och försäljning utan även om
miljöpåverkan. Det är självklart viktigt för företag av alla storlekar att ta sitt ansvar när det kommer
till utsläpp och fotavtryck i miljön. För ett stort globalt företag är det väsentligt visa att intresse och
framsteg gällande frågan. Många parametrar påverkar och det är viktigt att se till helheten. Davim
(2017) nämner att de huvudsakliga områdena för förbättring av hållbar bearbetning handlar om
utformningen av de skärande processerna, då med fokus på systemet i helhet och åtgärder för
förbättring av hållbarheten.
2.3.2 Standardisering
Standardiseringens historiska uppkomst härstammar från den amerikanska massproduktionen och började i vidare utsträckning inom Fordismen även handla om färdigheter, träning och standarder för arbetarnas boende samt sociala standard (Clarke 2005). Clarke (2005) nämner i sin undersökning av standardiseringens roll att historien visar att standardiseringens syfte har varit att försäkra kvalitet i produkter och processer. Eftersom det ligger mycket arbete bakom produkter och processer så finns det ett brett användningsområde för standardiseringar. Då fokus för en standardisering kan vara ökad kvalitet är det också viktigt att förstå vilken roll kvalitet spelar in. I Automotive Production
Systems and Standardisationpåpekar Clarke (2005) att år 1949 hölls seminarier som avsåg identifiera förbättringsområde i den Japanska elindustrin. Där sades att kvalitet inte bara rör kvalitetsavdelningen utan är ett problem även för den högsta ledningen. Clarke (2005) påpekar även att det finns ett samband mellan kvalitet och kostnad där processen som övervakar kvalitén börjar med att analysera ett problem, vilket är varför kvalitetskontroll är en process som driver konstant förbättring.
I stora globala företag finns det ofta produktionsfabriker och avdelningar av företaget i olika delar av ett land och i olika länder. För att framgångsrikt kunna driva företaget och bibehålla konstant och homogen kvalitet kan det vara viktigt att kontrollera processerna. Det är även en av de drivande faktorerna till att ett företag skulle vilja inrätta standarder enligt Clarke (2005). En annan drivande faktor som togs upp av Clarke (2005) var kunden. Economies of Scale och Scope med hjälp av standardisering möjliggjorde högre kvalitet till lägre priser vilket i sin tur stimulerade efterfrågan (Clarke 2005). Utöver det berörs faktumet att pris inte är det enda som påverkar efterfrågan utan även rätt kvalitet till rätt pris. Det är heller inte självklart att en standardisering är lönsam. Wherstedt (2010) tar upp några parametrar som är värda att fundera över innan en standardisering implementeras som exempelvis innefattar att kraven som ställs i standardiseringen ska vara verkliga, de berörda parterna ska vara beredda att samarbeta, finns det redan påbörjade arbeten inom detta område, m.m.
2.3.3 Scanias produktionssystem
Scanias produktionssystem (SPS) består av ett antal värderingar och filosofier som genomsyrar hela företaget. Syftet är att alla medarbetare ska dela tankesätt för att underlätta processen av att jobba mot ett gemensamt mål. Den ämnar också bidra till en helhetssyn över hela företaget och ge en vi- känsla som bidrar till ett trevligare arbetsklimat. I
Figur 4visas Scaniahuset som representerar SPS.
Grunden står för Scanias värderingar som är kunden först, respekt för individen och eliminering av
slöseri. Genom att sätta kunden först utlovar Scania att deras produkter och tjänster ska hålla
kvalitet och leveranstid (Sederblad 2011). Respekt för individen gäller alla anställda och medarbetare
på Scania och ser även till att individer ska få möjlighet att utvecklas (Palmgren 2013). Eliminering av
slöseri är konstant och dagligt arbete där problem undersöks, åtgärdas och förhindras från att ske
igen (Palmgren 2013). Värdegrunderna står även för företagets utvecklingsstrategier (Palmgren
2013).
Figur 4 - Scaniahuset som representerar SPS
Något som också är viktigt i det dagliga arbetet såväl som i utvecklingen är prioriteringarna. Först på plats står säkerhet, hälsa och miljö (SHE). De tre aspekterna tar olika form beroende på var i organisationen man kollar. Sett till monteringen så kan det handla om att det är viktigare att en montör inte gör något som är farligt för sig själv eller andra även om det kan påverka leveranstiden.
Inom utveckling kan det röra sig om hur säker, hälsosam och miljövänlig produkten som tas fram är.
Något som också kan utläsas av prioriteringarna är att kvalitén av den levererade produkten är viktigare än att hålla leveranstid. Samtidigt prioriterar Scania att hålla leveranstid även om det blir mer kostsamt, vilket värderingen “Kunden först” ligger bakom.
Figur 5visar hur de olika värderingarna och prioriteringarna påverkar arbetet inom Scania. Vid projekt och dagligt arbete jobbas det med att standardisera metoder utifrån SPS, vilket är ett iterativt arbete. Utgångspunkten är värderingarna som sedan leder till prioriteringar som i sin tur påverkar metoderna som används i det dagliga arbetet och därmed normalläget (i Figur 3). Under utvecklingsstadiet av metoderna återkopplas arbetet konstant till de föregående stegen. I slutändan ska det leda till det bästa möjliga resultat.
Figur 5 - Arbetssättet utifrån SPS
3 Utvärdering av borrar
Utförandet av detta examensarbete inleddes med en omfattande analys av läget på Scanias motorbearbetning i Södertälje i samband med studier av litteratur. I detta kapitel beskrivs hur projektet har genomförts. De delar som projektet bestod av var nulägesanalys, borrtest och analys av data och resultat. Nulägesanalysen var det första steget som också legat till grund för resterande delar av arbetet. Det var den som bidrog till utformningen av borrtesterna och valet av borrar. Vid analys av insamlad data och resultat från slutfört borrtest användes nulägesanalysen som referens och jämförelse. Med hjälp av litteraturen inom bearbetningsteknik som presenterats tidigare utfördes nulägesanalysen. Det var viktigt att förstå vad inom borrning som kan påverka bearbetningen och sedan kombinera det med Scanias arbetssätt.
Inför borrtestet undersöktes DOE för att se på vilket sätt utformningen av experimentet skulle kunna optimeras för att utvinna så mycket relevant data och information om borrarna som möjligt. I testet varierades inte några variabler, men olika parametrar undersöktes. Inspiration från andras borrexperiment hämtades från litteraturen för att bidra till utformningen av borrtestet.
När alla experiment och all data insamlats analyserades de noggrant. Litteraturstudien och den posteriora kunskapen från nulägesanalysen och borrtesterna bidrog till att tolka resultaten.
Kriterierna för analysen utgick ifrån den studerade teorin i kombination med SPS. Litteraturen kring skärande bearbetning har varit viktig för förståelse i alla steg av utvärderingen.
3.1 Nulägesanalys
Eftersom verktyg är en stor del av bearbetningskostnader då de påverkar på många olika sätt är det ett område där det ständigt finns förbättringsmöjligheter. För att eventuellt kunna göra en stor förändring som förbättrar helheten är det viktigt att förstå hur det ser ut nu och var förbättringsmöjligheterna finns. Detta avsnitt ämnar förklara hur nulägesanalysen av motorbearbetningen på Scania (DM) genomförts. I detta projekt fokuserade undersökningen på borrar med löstagbar borrkrona, som även kommer att benämnas som löstoppsborr i rapporten.
För att kunna undersöka en specifik verktygstyp är det viktigt att definiera vad den är. Det finns till exempel något som kallas vändskärsborr där skären är utbytbara, vilket skulle kunna ses som en borr med löstagbar spets. Rent definitionsmässigt är en vändskärsborr inte en borr med löstagbar borrkrona. Den definition på löstoppsborr som användes under detta projekt var:
En borr där borrkronan är löstagbar
En viktig aspekt var att förstå hur en löstoppsborr skiljer sig från en traditionell borr. Både rent
utseendemässigt och funktionellt. Det var även viktigt att förstå hur Scania ställde sig till de olika
borrtyperna och hur man tidigare hanterat dem. Detta för att begripa det nuvarande arbetssättet i
relation till nulägesanalysen och identifierandet av förbättringsmöjligheter. Information angående de
befintliga borrarna erhölls från DMs bearbetningstekniker Lars Persé genom en rundtur i
produktionen där de demonstrerades. I Figur 6 och Figur 7 visas en solid hårmetallborr och en
löstopsborr. Skillnaderna man kan se är främst på borrkronan. Borren i Figur 6 består av en enhetlig
kropp medan borren i Figur 7 har en borrkropp och en borrkrona. Den mörkare toppen i Figur 7 är
borrkronan.
Figur 6 - Bild på Solid hårdmetallborr Figur 7 - Bild på Löstopsborr
De största skillnaderna i användning mellan en solid hårdmetallborr och en löstoppsborr är att när en
solid hårdmetallborr har uppnått en viss förslitning slipas den om för återanvändning. Det innebär att
borren får en ny längd som måste mätas in och justeras in i olika system. Denna process tar ofta lång
tid då borren kan behöva skickas tillbaka till leverantör för omslipning och ny beläggning. Med en
löstopsborr byts enbart borrkronan när den är sliten. Borrkroppen håller alltså därför en mycket
längre tid och bytet av borrkrona är en enkel process att utföra som inte kräver kontakt med
leverantör igen. Gällande pris går det generellt inte att säga vilket alternativ som är dyrast, utan det
beror helt på applikation. I vissa fall kan det vara lönsammare med en löstoppsborr då omslipning är
mer kostsamt. En löstoppsborr passar inte alla tillfällen och därför gäller det att se till varje fall
individuellt inför val av borrtyp. Löstoppsborrar används nästan uteslutande till grovbearbetning då
man oftast inte får lika fin yta som med en solid hårdmetallsborr. Som nämnts tidigare är det också
enkelt att utifrån benämningen förväxla löstoppsborrar med vändskärsborrar och därför presenteras
även en sådan. I
Figur 8kan man se en vändskärsborr. Vid toppen av borren går det att urskilja en del
som sticker ut, det är ett skär som i detta fall fästs på borrkronan med en skruv.
För att förstå nuläget besöktes varje avdelning på DM som använder sig av en borr med löstagbar borrkrona. Det var bearbetningsteknikern Persé som bistod med en första inblick i vilka avdelningar som använder sig av den borrtypen. Alla avdelningar kontaktades för att försäkra sig om att alla borrar hittades. De eller den ansvariga för varje avdelning som hade koll på borrarna kontaktades och bokades för ett möte. På mötena visades alla borrar på plats i produktion där möjlighet till frågor fanns.
Därefter undersöktes ett antal parametrar och frågor ställdes för att kunna kartlägga borrarna.
Beredare, verkstadstekniker och operatörer fick frågor om vilka borrar de har, vilka problem de har eller haft och om något speciellt dök upp så frågades varför de valt att lösa det på det sättet. Sådant som livslängd och styckkostnader undersöktes genom att kolla i Scanias databaser. I några fall hade vissa avdelningar bytt ut en solid hårdmetallborr till en löstoppsborr. Då var det även intressant att veta varför bytet hade skett och hur den nya borren presterar gentemot den föregående solida hårdmetallsborren. Parametrarna har dokumenterats i form av en tabell i Excel för att enkelt kunna ta fram statistik över data. Det som finns i dokumentet är:
● Avdelning
● VR-nummer
● Fabrikat
● Operationsnummer (OP)
● Livslängd för borrkropp och borrkrona
● Kostnad för borrkropp och borrkrona
● Borrade mm för borrkrona under en livslängd
● Övriga kommentarer
Ett VR-nummer är ett identitetsnummer för verktyg. När alla VR-nummer var kända kunde statistik över rapporterade fel och problem studeras. För att få en överblick jämfördes listan över de insamlade VR-nummer med de i statistiken. Fanns ett sökt VR-nummer med i statistiken över avvikelser räknades de olika felen som påträffats. Detta gjordes i Excel för alla borrar och sammanställdes i en tabell. Detta bidrog till att de typiska problemen med DMs löstoppsborrar kunde identifieras. Resultatet av det var hjälpsamt vid bestämning av vilka parametrar som var intressanta i borrtestet och för utvärderingen i helhet. Syftet var att se om det fanns något specifikt fabrikat, avdelning, operation, fel eller annan avvikelse som var vanligt för löstoppsborrar på DM för att utifrån det kunna göra en bättre bedömning av borrarna i borrtestet och vilka parametrar som är viktiga eller problematiska för DM.
En annan aspekt av nulägesanalysen var att ta kontakt med några av leverantörerna som säljer de fabrikat som testades. Totalt träffades representanter från fyra leverantörsföretag med samma upplägg för varje möte. De ombads förbereda information att presentera. Under mötena redogjordes hela standardutbudet av löstoppsborrar, samt några speciallösningar och borrar som Scania tidigare har beställt. Ett antal frågor hade i förväg utformats för att försäkra sig om att informationen mellan leverantörerna var jämförbara och tillräckliga för att kunna göra en bedömning utifrån DMs krav.
Frågorna formulerades utifrån vad som observerats i produktion genom nulägesanalysen. Till exempel om leverantörerna kan tillhandagå funktionskrav som ofta behövs till olika speciallösningar.
Frågorna bestod delvis av:
● Vilka speciallösningar kan erbjudas?
● Ledtider/leveranstider
● Materialanpassningar
● Ungefärliga kostnader
● Vad utmärker sig i deras sortiment?
Mötena sammanställdes i ett dokument för varje leverantör där svaren finns med tillhörande fråga.
Information som delgavs under mötet som inte hade en förberedd fråga dokumenterades under en rubrik ”övrigt”.
3.2 Borrtest
En stor del av borrarnas utvärdering bestod av borrtest. På Scania har det tidigare utförts liknande borrtest, men ej lika omfattande. Det första steget var att ta reda på vad som då testades och hur det gick till. Det var bearbetningsteknikern Persé som utförde dessa tester. Då de visade sig vara effektiva användes det dåvarande konceptet som utgångspunkt vid testplaneringen. Mycket av det som tillkommit utöver själva borrningen härstammar från Persés erfarenheter. Det som framkom som viktigt för DMs del var att kunna jämföra prestandan mellan de olika borrarna. Ett enkelt sätt att jämföra prestanda är livslängd, men det var i början av projektet inte säkert om den skulle kunna uppnås för borrarna. Livslängder är något som DM har kunnat testa tidigare och har bra koll på gällande sina redan befintliga verktyg. Av den anledningen var det av stor nytta att kunna kolla på fler parametrar att jämföra mellan borrarna, som till exempel axialkraft. Strax innan detta projekt startades gjordes även ett liknande test i en mindre skala av en extern part. Det testet har studerades för att eventuellt senare kunna dra nytta av att jämföra med.
När de befintliga kunskaperna och erfarenheterna på DM utretts studerades litteratur där andra borrexperiment utförts. Anledningen var att få en bild av vad som testats tidigare och hur, för att kunna utforma borrtestet på ett effektivt sätt. Utförandet av både förberedelser och testet var omfattande och mycket tidskrävande. Många aspekter såsom utrustning och redskap behövde säkerställas innan testerna påbörjades. Som nämnts i 2.2.1 Design of Experiment blir test där många parametrar undersöks lätt komplexa och tar mycket tid, vilket är varför det var betydande för projektet att planera och hantera tiden väl.
3.2.1 Förberedelse
En stor del av borrtestet bestod av förberedelser och planering. Först definierades hur mycket material som kunde användas. Scania försåg med material i form av vevaxlar där naven sågades av för att bli testbitar. Vid val av vilka borrar som skulle testas användes nulägesanalysen som beslutsgrund i samtycke med Persé. Sju borrar valdes med kriterierna att testa sådana som tros kunna prestera bra och vara goda kandidater, samt borrar som gett ett något sämre intryck genom nulägesanalysen. Anledningen till att testa både betrodda och misstrodda borrar var att eventuellt kunna ge klara fakta om skillnaderna i prestanda. Det skulle eventuellt fungera som argument till att inte använda ett visst fabrikat. Borrarna som testades var alla standardborrar då tidigare tester av borrars allmänna prestanda har utförts på det sättet. Utifrån borrarna, materialtillgängligheten och det nyligen utförda experimentet kunde ett ungefärligt antal hål uppskattas för vardera borr förutsatt att alla borrar håller för hela testet. Det initiala antalet hål per borr kunde då räknas till 492.
Då noggrannheten av testet prioriterades fanns det ej tillräckligt med tid för att borra så många hål.
Mer om borrtestet finns i kapitel 4.
Axialkraften säger något om hur lätt en borr skär. En lägre kraft tyder på bättre skäregenskaper. Det
kan även gå att utläsa när en borr börjar bli sliten på hur axialkraften plötsligt ökar. Dessa två
experimentet. Parametrarna var håldiameter, förslitning och spånbildning. Orsaken till att studera dessa parametrar var för att de är direkt kopplade till borrens prestanda. Toleranser är en viktig del för att kvalitetssäkra tillverkade produkter. Därför testades borrens förmåga att producera hål som håller sig inom toleranser genom att mäta diametrar. En borr kanske håller för dubbelt så många hål som en annan men börjar avvika från toleranserna tidigare, vilket då måste tas hänsyn till. Förslitning är intressant att studera då ett samband med haveri kan ses. Det kan också hjälpa med att ge en bild av vilken förslitning som uppkommer, hur den utvecklas och med vilken hastighet för de olika borrarna och sedan jämföra mellan dem. Spånbildning säger mycket om hur en borr presterar under skärförhållandena och eftersom alla borrar opererar under samma förhållanden är det värdefullt att jämföra dessa. Mer om hur parametrarna kontrollerats kan läsas i kommande avsnitt, 3.2.2 Borrtest.
Arbetsstycket som användas i borrtestet förbereddes genom att såga naven på Scanias vevaxlar i en kallsåg i KTH. I Figur 9 kan man se ändarna av en förenklad vevaxelprofil. De mörka strecken markerar områdena som kapades. Vevaxlarna som sågades var alla ohärdade för att slippa en ojämn hårdhet i arbetsstyckena. Naven som sågades av svarvades sedan på båda sidor så att de fick en jämn yta att stå på och att borra i för att erhålla pålitliga mätvärden, se Figur 10. Testbitarna gängades på undersidan för att möjliggöra fastspänning av arbetsstyckena på en fixtur som i sin tur fästes på en dynamometer, se Figur 11 och Figur 12.
Figur 9 - Vevaxelprofil, de mörka strecken visar var
axeln kapades Figur 10 - Svarvning av testbitarnas ovansida och undersida
Figur 11 - Gängning på testbitens undersida för att
fästa på fixturen som håller fast den på
dynamometern
Figur 12 - Dynamometer
Efter att arbetsstyckena svarvats och gängats kontrollerades hårdheten på ytan som det skulle borras i. Mätvärden togs för tre punkter, två på ytterkanterna och en på insidan enligt Figur 13. Hårdheten kontrollerades i en Wolpertmaskin, se Figur 14. Med maskinen går det inte att säga exakt hur hård bitarna är, men den ger en bra uppfattning om ungefär hur hårda de är. Anledningen till kontrollen av hårdheten var för att försäkra att materialhårdheten i en bit inte varierar för mycket mellan varje nav och runt om i olika områden på samma nav. Om hårdheten på en bit varierar mycket gentemot de andra så kasserades den då den kan påverka testresultaten. Om en variation på över 20%
påträffades ansågs det tillräckligt för att inte använda testbiten. En hårdare fläck i materialet kan slita betydligt mer på en borr eller göra så att den går sönder i förtid och därmed ger ett missvisande resultat. Det är av stor vikt att försöka kontrollera förhållandena så att hårdheten är densamma genom hela testet.
Figur 13 - Punkterna 1,2 och 3 visar var hårdheten
mättes Figur 14 - Wolpertmaskin som användes för att mäta hårdhet
Sju borrar med diameter 12,2 mm testades med skärdata och skärvätsketryck enligt Tabell 3.
Skärdata valdes så att de låg strax under maxgränsen för vad som rekommenderats på alla borrarna förutom Borr A där skärdata var över rekommendationerna. På de borrar där möjlighet fanns användes invändigt skärvätskeflöde. Toleransen bestämdes till ± 0,3 mm då det är ett rimligt värde för grovbearbetning och går att återfinnas i produktionen. Borrdjup bestämdes till 15 mm efter begränsning av höjden på arbetsstycket. För fullständiga testdata se sammanställningen i Tabell 3.
Borrtestet utfördes i en 5-axlig bearbetningsmaskin Hermle C50 U. Verktygshållaren var en
hydraulchuck CoroChuck 930. En Kistler type 9443 dynamometer och en förstärkare av modellen
Kistler Amplifier type 5011 användes för att mäta krafter i lodrät riktning. För att sammanställa och
spara data användes LMS testlab 11a, en mjukvara designad för att bland annat logga krafter under
processer. Fotografering av förslitning på borrkrona gjordes i ett mikroskop, Nikon SMZ800, med
kamera kopplad till en dator. Se sammanställd utrustning i Tabell 3 och se Figur 15 för uppriggad
mätutrustning.
Figur 15 - Uppriggad mätutrustning Tabell 3 - Testdata och utrustning som användes under borrexperimenten
Testdata Utrustning
fn
80 m/min Maskin Hermle C50 U
vc
0,25 mm/varv Verktygshållare CoroChuck 930, hydraul
Skärdjup 15 mm Kraftmätare Type 9443 Kistler
Tryck skärvätska 30 bar Mätutrustning Type 5011 Kistler Amplifier
Borrdiameter 12,2 mm Mätsystem LMS testlab 11a
Antal borrar 7 st Mikroskop Nikon SMZ800
3.2.2 Utförande
Experimentfasen utfördes mycket metodiskt och strukturerat i ett förbestämt mönster och en förbestämd ordning. Som förklarat i föregående avsnitt upprättades en testplan för att minimera eventuella fel. Det slutgiltig utseendet för testet presenteras här. Borrtestet utfördes i en 5-axlig bearbetningsmaskin, Hermle C50 U. Uppställningen i maskinen går att se i Figur 17 och Figur 18. Med NC-kod borrades hål i cirkulära mönster på testbitens största, övre sida, se Figur 16. Kraften mättes för varje hål genom att manuellt starta mätningen när borren var 10 mm ovanför ytan och sedan avsluta när borren helt lämnat hålet. För att möjliggöra denna koordinering mellan maskin och mätutrustning exekverades enbart en kodrad i taget, även det med manuell knapptryckning.
Vid planering av testet bestämdes att borrkronans förslitning skulle fotograferas efter första, andra
och tredje hålet. Därefter var 20:e hål. När de fyra första borrarna testats ansågs det vara nödvändigt
att fotografera var 10:e hål fram till hål 200 och därefter var 20:e hål. När borren skulle fotograferas
stoppades maskinen och hela verktygschucken med borr plockades ut. Borren togs sedan loss och
torkades av från skärvätska för att sedan fotograferas. Innan en borr inledde ett test togs bilder för
att kunna jämföra med utgångsläget. Bilderna togs alltid från samma sidor och vinklar för att kunna
göra enkla jämförelser. Förstoringen varierade ibland beroende på var bäst fokus infann sig. Under
de temporära stoppen samlades även spånor från borrprocessen. Spånorna kom sedan att användas
i en spånkarta över de olika borrarna. Vid spåninsamling togs lite av varje typ av spåna. För varje borr
samlades samma typ och variation av spånor in. Se Figur 19 för hur det kunde se ut vid insamling av spånor. Efter insamling städades bordet av för att inte ha kvar gamla spånor inför nästkommande borrcykel.
Figur 16 - Det cirkulära mönstret som borrades Figur 17 - Uppställning i maskinen
Figur 18 - Uppställning i maskinen Figur 19 - Innan insamling av spånor
