Pinnefresens anatomi og hvordan velge riktig verktøy til jobben

/

Pinnefreser (End Mill) er den vanligste formen for skjæreverktøy til universale freser og valg av riktig pinnefres til jobben som skal gjøres kan utgjøre en stor forskjell. Det er mange dimensjoner å ta hensyn til ved innkjøp og bruk av pinnefreser.

Både materiale som skal freses og applikasjonen er kritiske i valg av fres. 

 

Kuttdiameter og kuttlengde

Fresens diameter og kuttlengde er åpenbart en vesentlig del å ta hensyn til ved valg av fres. Tykkere freser tåler mer og er mer stabile. Rigiditet og motstand mot vibrasjoner og defleksjon er viktig når det kommer til fresing og derfor bør man bruke så tykk fres som det lar seg gjøre. 

Kuttdiameteren er diameteren på den teoretiske sirkelen som dannes når verktøyet spinner rundt. Dersom fresen ikke står sentrert vil kuttdiameteren øke og fresen vil hovedsakelig skjære på én tann, hvilket er langt fra ideelt.

Total lengde (Overall Length), flutelengde (Length Of Flute) og kuttlengde (Length Of Cut) er kritiske ved bruk av lange freser. Dersom en lang fres må benyttes er det bedre å bruke en med lang hals (lang LBS, Length Below Shaft) og kortere kuttlengde siden den har tykkere kjerne/aksel over en større del av den totale lengden enn en tilsvarende lang fres med lengre kuttlengde:

Akseldiameteren har også betydning for hva slags collet eller annen montering og oppspenning som må benyttes. Ofte er akselen tykkere enn kuttdiameteren slik at det kan være problematisk å komme til dersom man skal frese dype spor eller lignende.

 

Fluter

Antall fluter spiller en stor rolle for fresens materialfjerningsevne, matehastigheter, sponevakuering, stabilitet og defleksjon. En fres med flere fluter har en tykkere kjerne som gjør den bedre i stand til å stå i mot radiale krefter og kan derfor f.eks. ta dypere/lengre kutt (stikke lenger ned i arbeidsstykket).

Men med mange fluter blir hver flute liten, altså er det liten plass til sponet som produseres ved fresingen. 

Tradisjonelt kom pinnefreser i utforminger med 2 og 4 fluter, der tommelregelen var å bruke 2 fluter på bløte metaller som aluminium, kobber, etc. og 4 fluter på hardere materialer som stål og andre harde legeringer. Grunnen til dette er at bløte metaller som aluminium er lettere å maskinere, samt at de har en tendens til å pakke seg i flutene og hindre sponevakuering dersom flutene blir for små, mens stål og lignende stor sett krever sterkere freser og lager mindre og mer håndterlig spon som lettere lar seg evakuere selv med grunne fluter.

Med flere fluter kan man også benytte høyere matehastigheter eller oppnå finere overflate med samme matehastighet ved å øke antallet fluter. I moderne produksjon der det settes fokus på hurtig maskinering er flere fluter blitt populært fordi det gir sterkere freser som kan mates fortere og fjerne mer materiale samtidig som det forlenger levetiden til verktøyet grunnet lavere stress på hver tann/flute.

Mer fres gir plass til mindre fluter.

Med nyere materialforskning og produksjon er det blitt vanlig med 3 fluter for aluminium fordi det gir en god balanse mellom god sponevakuering og høye matehastigheter.

 

Endeutforming og profil

Endeutformingen er viktig med tanke på bruken og hvordan fresen skal bevege seg, spesielt med tanke på CNC maskiner.

 

Blant "normale" pinnefreser finnes det hovedsakelig 4 typer:

  • Flat / "vanlig" pinnefres (Square / Flat Nose)
  • Avrundet / Radius (Radius Corner / Bull Nose)
  • Kule (Ball Nose)
  • Fas eller formfres (Chamfer / Formed End)

Avrundede freser, eller radiefreser, er populære der det f.eks. ikke er kritisk med 90° skarpe innvendige hjørner og brukes mye til generell grovforming. Den avrundede kanten på eggen gir en jevnere trykkfordeling på den ellers skarpe tuppen av skjærene som gjør at verktøyet tåler mer og varer lengre. 

Kulefreser er på sett og vis også radiefreser, men de ender ikke opp i en flat del, de lager halvkuler. Disse er mye brukt til forming av kompliserte deler i 3-,4- og 5-akse CNC maskiner der myke overganger mellom passeringer er nødvendig eller rett og slett der det trengs en kanal eller innvendig form med en radius.

Fasefreser eller andre formfreser brukes gjerne til avsluttende passeringer for å fase kanter eller påføre spesielle former på deler av arbeidsstykket.

Når det gjelder flate pinnefreser finnes det hovedsakelig 2 typer: senterskjærende og ikke-senterskjærende

Forskjellen sier seg selv; den ene typen skjærer i midten og kan "plunge", altså stikkes rett ned i arbeidsstykket på samme måte som et bor, den andre kan ikke og må beveges i X eller Y for å skjære.

En annen litt interessant egenskap ved moderne pinnefreser er at tennene mot formodning ikke står helt symmetrisk, men er ofte slipt inn med små variasjoner i gradene mellom dem:

I eksempelet over er det avbildet en 4-fluters flat pinnefres som man skulle tro hadde tenner med 90° intervaller, men de er litt forskjøvet frem eller tilbake slik at ingen av tennene har lik vinkel mellom seg, men vinklene blir selvsagt fortsatt 360° totalt. Dette er for å forhindre "chatter" eller vibrering i verktøyet eller arbeidsstykket ved at fresen treffer en frekvens som resonnerer med intervallene på tennene. Så disse er litt forskjøvet for å forhindre dette.

 

Heliksvinkel

Heliksvinkelen er den aksiale vinkelen på flutene som går rundt akselen. Vinkelen måles mellom senterlinjen til fresen og en rett linje som går tangentielt langs kuttsiden.

En høyere heliksvinkel (45° og oppover) øker fresens evne til å skjære istedenfor å rive og vil stort sett gi en bedre overflate, men gjør fresen skjørere og svakere. En lavere heliksvinkel (30° og lavere) gir en sterkere fres med sterkere kuttsider, men fresen lager grovere overflater siden den river mer enn den skjærer og er bedre egnet til grovbearbeiding.

En fres med middels heliksvinkel (mellom 30° - 45°) vil være godt egnet til allround bruk med akseptable resultater.

Også her lekes det med parametre for å motvirke vibrasjoner og hakking. Høy-prestasjonverktøy har ofte variable heliksvinkler på hver flute som forhindrer ytterligere resonans og bryter opp mønsteret.

 

Flere illustrasjoner hentet fra Harvey Performance. 

Dreieverktøy og skjær

/

To av oppgavene vi har hatt er å slipe hurtigstål-skjær til dreiebenken. Vi skulle slipe et gjengeskjær og et kronestål. Begge er formverktøy som påfører en profil i arbeidsstykket:

Gjengeskjæret over ble slipt for hånd uten noen form for støtter og sjekket med et slipelære.

Skjæret er 60° slik at hver kuttside er 30° fra senterlinjen.

Klaringsvinklene er like på begge sider og skjæret har ingen innebygd vinkel siden heliksvinkelen for 60° gjenger er så liten at den kan ignoreres.

Dette verktøyet profilerer i X-retningen.

02.jpg

Kronestålet er et formverktøy på den mer tradisjonelle måten i det at den påfører en unormal form på arbeidstykket. Dette verktøyet har flere bruksmåter, men hovedbruken er å krone munningen på løp som jeg har snakket om tidligere. Verktøyet settes slik at spissen er inne i løpet og toppen av buen ligger midt på godset mellom innsiden og utsiden. Verktøyet føres så inn langs Z-aksen og påfører profilen på munningen. Dette vil da resultere i en klassisk jakt-kroning. Verktøyet kan også beveges litt frem å tilbake på X-aksen for å endre kroneprofilen. Dersom en 11° kroning ønskes kan tuppen av skjæret brukes til dette.

Weatherby-Vanguard-308Win-0006-crown.jpg

Jeg tenkte jeg skulle benytte anledningen til å skrive litt om typer skjær og bruksområder, fremstilling og gjenkjenning.

Det finnes hovedsaklig to typer dreieverktøy; hurtigstål og hardmetall.

Hurtigstål-blanks

Hardmetall-inserts

Hurtigstål

Hurtigstål er et høy-legert stål med et høyt karboninnhold som gjør det svært hardt, men sprøtt. Det tåler høyere temperaturer enn vanlig høy-karbon stål uten å miste hardheten sin, vanligvis opp til 500-600 °C. Denne motstandsdyktigheten til temperatur heter "red hardness" på engelsk. Det kalles hurtigstål fordi det er i stand til å bearbeide metall raskere og ved høyere turtall enn annet renere stål. Det er tilført stoffer som lager legeringer som forbedrer egenskapene og levetiden til verktøyet. De vanligste tilføringene er wolfram (W), molybden (Mo), krom (Cr), vanadium (V), kobolt (Co), mangan (Mn) og silikon (Si).

De to vanligste typene hurtigstål kategoriseres i to grupper: T-type og M-type, for hovedsakelig Tungsten(wolfram)-tilføringer og Molybden-tilføringer respektivt. T1 er et hovedsakelig wolfram-legert stål mens M2 er et hovedsakelig molybden-legert stål. Tallet bak bokstaven relaterer ikke nødvendigvis til noe spesielt med den ståltypen, det er først og fremst for å skille dem fra hverandre.

Det finnes uendelig mange varianter og typer hurtigstål, men de vanligste er oppført i tabellen under:

high_speed_chart.jpg

Som vi kan se på tabellen har M serien mye molybden og T serien mye wolfram, men wolfram er den klassiske og tidligere vanligste tilføringen, så M serien har mer wolfram enn T serien har molybden. Kobolt kan også tilføres for å øke levetiden og temperaturmotstanden, dette er da ofte opplyst på stålet. Vanlige benevnelser for dette er HSSE, HSS-E eller HSS-Co.

Wolfram er et tungt og sterkt, sjeldent metall, og har det høyeste smeltepunktet av alle elementer som er oppdaget, ved 3422 °C. Bedre kjent som Tungsten i engelsktalende land etter svensk tung sten, hvem skulle trodd... Wolfram brukes til mye rart, men mesteparten av verdens wolfram-utvinning går til produksjon av wolfram-karbid som brukes i hardmetall.

Molybden er et annet sterkt metall med et veldig høyt smeltepunkt ved 2623 °C. Det binder seg lett og lager harde og sterke bindinger i legeringer. Molybden opplever veldig liten termisk ekspansjon ved høye temperaturer.

Hurtigstål har stort sett en hardhet på over 60 HRC opp til ~67 HRC.

 

Sliping av hurtigstål

Hurtigstål brukes i veldig mange sponfraskillende verktøy, som bor, gjengetapper, freser, rømmere, brotsjer, etc. Men hurtigstål beregnet for bruk i dreiebenker leveres som blanke, uformede biter i mange ulike størrelser og former.

Fordelen med å bruke slike hurtigstål-blanks er at det kan slipes og formes til det formålet man behøver og kan skjærpes når det blir sløvt. 

Et typisk hurtigstål-skjær kan se slik ut:

Disse kalles hovedsakelig "single point cutters" på engelsk, ettersom det bare er ett punkt eller side som kutter, i motsetning til f.eks. et bor der det er to sider som kutter samtidig.

Det finnes mange ulike former etter hvilken operasjon som skal utføres:

Hvilket verktøy som er beregnet for hvilken retning og hva det eventuelt heter kan være litt forvirrende, men som en regel kan vi si at dersom man står mot dreiebenken er høyre-verktøy ikke verktøy som peker mot høyre eller har kuttsiden på høyre, men verktøy som er beregnet på å bevege seg fra høyre mot venstre, altså har de den kuttende siden på venstre.

 

Når det kommer til å faktisk slipe dem er det en del ting som er viktig å forstå:

Skjæret må selvsagt ha klaring fra alle sider bortsett fra kuttsiden slik at skjæret faktisk kan føres inn i materialet uten at noe annet enn kuttsiden treffer arbeidsstykket. Disse formene kan være komplisert å slipe siden man må til tider holde styr på 3 vinkler samtidig.

Det er egentlig ingen fasit på hvilken rekkefølge disse flatene bør slipes i, men som hovedregel kan vi si at:

  • Endeklaringen slipes først. Dette er første del av spissvinkelen: endeklaringen og endeklaringsvinkelen, som slipes samtidig:

Disse to vinklene holdes samtidig. Stålet føres rundt i sirkel mens det holdes stødig til hele den slipte flaten er uniform. Stålet kan også presses inn i steinen og holdes der, men vær obs på at endeklaringen da vil få en slak kurve som er lik radien til slipesteinen og vil ikke bli like sterk.

PROTIP: Det er en fordel at slipemerkene går langs med dreieretningen og ikke lager "fartsdumper" for sponet eller arbeidstykket.

Resultat:

  • Deretter slipes andre del av spissvinkelen og første del av eggvinkelen; klaringsvinkelen og innstillingsvinkelen.

Jeg pleier å holde hele stålet litt på skrå sett forfra mot slipesteinen, vanligvis i samme vinkel som endeklaringen. Ikke egentlig nødvendig, men det gjør slipingen på klaringsvinkelen parallell med endeklaringen, som jeg liker.

PROTIP: Spissere tupp (spissvinkel) vil tåle mindre og gi grovere overflate, spesielt uten neseradius, men kan være nødvendig for å bl.a. lage skarpe innvendige hjørner.

Resultat:

  • Så slipes andre del av eggvinkelen; sponvinkelen og hellingsvinkelen. Denne slipes ofte også på skrå på samme måte som over slik at slipingen blir parallell med endeklaringsvinkelen.

PROTIP: Skarpere sponvinkel og hellingsvinkel vil stort sett føre til en mer 'skjærende' operasjon i stedet for en 'rivende' bevegelse, som vil gi finere overflate. (Kjølevæske vil også drastisk øke overflatefinheten fordi det bl. a. skyller vekk mikro-spon som riper opp overflaten.)

Resultat:

  • Etter dette gjenstår kun å slipe eller hone inn neseradien:

Et grunnleggende og enkelt dreieskjær.

PROTIP: En enkel sponbryter er også å anbefale: En liten grop på tvers av sponvinkelen eller hellingsvinkelen vil øke den effektive eggvinkelen og bidra til at sponet krøller seg og bryter av uten å bli for langt, men denne kan også begrense bruken til skjæret. Sponbryteren burde bli trangere jo lenger vekk fra skjærpunktet den går.

Det kan også lønne seg (for den siste prikken over i'en) å hone eggen med en slipesten eller lignende for en knivskarp egg. Hvis DU skjærer deg på den kan du vedde på at den vil skjære stålet som smør. 

 

 

Hardmetall

Hardmetall er egentlig ikke et metall, det er keramisk bundet wolfram-karbid. Karbider er stoffer der karbon binder seg med andre elementer i veldig strukturerte og solide former. Hardmetall blir ofte omtalt kun som "karbid", men det er teknisk sett en forenkling av "cemented tungsten carbide" ettersom "karbid" som sagt er et fellesbegrep for flere andre materialer som f.eks. titankarbid og tantalkarbid som også brukes til å lage dreieskjær.

Wolfram-karbid (WC) er et veldig hardt materiale, nesten like hardt som diamant, men det er vanskelig å forme. Hardmetall-verktøy er derfor wolfram-karbid blandet med et bindemiddel som sammen sintres, som er en prosess der materialet presses sammen og varmes ved høy temperatur, men uten at det blir flytende. Det lages derfor mange små granuler som pakkes tett sammen og binder seg sammen med hverandre ved hjelp av et middel, vanligvis kobolt.

Denne prosessen smelter det delvis og gjør at det binder seg godt i veldig sterke formasjoner. Derav "cemented".

De tre hovedstadiene ved sintering.

Andre materialer som brukes i produksjon av dreieskjær er bl.a. syntetisk diamant og bornitrid, men sementerte karbider er vanligst.

 

Når vi snakker om hardmetall tenker nok de fleste på utbyttbare karbidskjær (indexable carbide inserts) (høyre), men de finnes også som fastmonterbare hele karbid-biter som varm-loddes fast til en bit med hurtigstål (under.)

Z1x5uupcpEx--n.jpg

Disse verktøyholderne (brazed carbide tooling) kan være tricky å lage så de fåes kjøpt i ISO standarder:

Noen av disse fåes også i venstre og høyre konfigurasjon. Karbid-bitene brukt her har ganske enkel geometri og er relativt billige, men mer komplisert å skifte ut og er derfor ikke så veldig vanlig, spesielt ikke hos store industrielle fabrikanter.

Mer utbredt, blant både industri og hobbyister, er vendeskjær:

Disse har mange fordeler som at de:

  • Arbeider ved høyere skjærehastigheter som gjør at de kan kjøre på økt matehastighet og gjør dem godt egnet til "high speed machining" (HSM) / "high velocity machining" (HVM).
  • Har relativt lang levetid, kombinert med at de kan løsnes raskt og vendes eller vris til en ny kuttside på samme skjær.
  • Kan raskt byttes ut når hele skjæret er brukt opp som bidrar til mindre 'downtime' for maskinen eller firmaet.
  • Gir stort sett finere overflate rett fra maskinen enn HSS.

Men det er også ulemper:

  • De er ikke like egnet til å gjøre avbrutte kutt, som hvis man dreier over borrede hull eller lignende, karbid liker et konstant og jevnt trykk, men de tåler til gjengjeld veldig mye av det.
  • De er ikke like skarpe som HSS kan bli, som kan gjøre det utfordrende å ta kutt med svært liten kuttdybde med god overflatefinhet. Hardmetall foretrekker ofte å ta litt mer materiale av gangen.

En viktig ting med hardmetall er at man trenger en spesifikk holder til et spesifikt skjær, man kan ikke, i motsetning til HSS, bruke en hvilken som helst holder til alle skjær. Bruker man WNMG skjær må man bruke WNMG holder (f.eks. en MWLNR).

Typer skjær og hvordan de defineres er selvfølgelig en ISO standard ♥ ISO 1832:

Den første bokstaven definerer fasongen på skjæret.

Det er feil å si at en av disse definerende bokstavene er viktigst siden alle er like viktige, men... dette er den viktigste. Du får ikke bestilt noe med bare denne, men det er en start.

Disse er relativt logisk organisert der bokstaver ofte er basert på den første bokstaven i formen, sånn som H, O, P, S, T, R.

Når det kommer til alle de forskjellige variantene av grader på rombe og parallellogram er man bare nødt til å slå det opp.

I eksempelet over er formen W et såkalt 'trigon' som i bunn og grunn er tre 80° trekanter satt sammen til en likesidet trekant-form.

Den andre bokstaven representerer endeklaringen på skjæret.

Akkurat som med hurtigstål så blir skjæret svakere jo mer endeklaring det har, men det kommer ofte til på flere steder og kan jobbe på ting med større diameter (eller kutte høyere over senter).

Den største klaringen er G på 30° og den minste er N som er helt rett / flat med 0°. Disse N-skjærene har ofte endeklaringen bygget inn i holderen:

 

Bokstav nummer tre definerer toleransene til skjæret. Finere toleranser koster selvsagt mer.

Vi er enda ikke kommet til størrelsen på skjæret, det er dekket av posisjon 5 og 6, men det er viktig å oppgi toleranseklassen til skjæret. Dette er da standardisert i følge tabellen over.

Toleransene er mye av det samme, men varierer på hvilket punkt av skjæret som er mest nøyaktig (tykkelse, total størrelse, lengde til egg).

Med toleranse M ser vi at toleransene er relativt store, der total størrelse og lengde til egg er viktigst for denne toleranseklassen. Disse toleransene kan være spesielt viktig i CNC-maskiner der skjæret byttes ut og foventes å produsere like deler som det gamle skjæret uten rekaliberering.

I ANSI standarden er dette mye det samme, men oppgitt i tusendels tommer.

 

Den fjerde bokstaven representerer flere ting; festemåte og sponbryter.

Herunder er alle variasjoner av følgende muligheter: sylindrisk hull, forsenket hull (1 eller 2 sider, samt flere typer forsenkning), sponbryter (1 eller 2 sider), ikke hull, ikke sponbryter.

Skjær med endeklaring noe annet enn 0° kan vanligvis ikke vendes og har derfor ikke noen sponbryter eller forsenkning på andre siden. Skjær uten forsenket hull (kun sylindrisk) er ofte festet til holderen med en låsepinne og/eller klemme.

Nå over til det som virkelig kan frustrere og forvirre: De første to tallene i posisjon 5 bestemmer størrelsen til skjæret ved Inscribed Circle (IC) som er den største sirkelen som får plass i skjæret rundt senter uten at noen del av sirkelen stikker utenfor OG/ELLER lengden av kuttesiden (L).

Alt dette er som sagt egentlig en ANSI standard som er blitt slurpet opp av ISO, og det har jeg ikke noe problem med, det er en grei standard, men da ISO tok den i bruk var produkter allerede etablert i... ikke tusendels tommer, NEIDA, antall 1/16 tommer som går i sirkelen... og ISO valgte derfor å definere noen nye størrelser i millimeter, men også beholde disse tallene i tabellene som standard. Så selv om disse tallene egentlig burde være en metrisk verdi i millimeter, så er de ikke alltid det og det er derfor spesielt viktig at denne verdien slås opp.

Så i eksempelet over, der den innskrevne sirkelen i skjæret skal være en 06 så vil det si 6/16", som er 9,525 mm.

Kan vi aldri få ha en logisk og uniform standard? Man mister litt motet...

Det er en morsom historie angående hvordan Amerika nesten gikk over til metrisk da det enda var en ung nasjon. I 1793 fant regjeringen av de nylig forente stater ut at de trengte et nytt standardisert målestystem ettersom statene fremdeles var relativt fragmentert og brukte forskjellige systemer som gjorde mellomstatlig handel og samarbeid vanskelig. Så på oppfordring av Thomas Jefferson, som også likte 10-tallssystemet, ble en fransk vitenskapsmann ved navn Joseph Dombey sendt over Atlanteren med en kobberstang som var ca. 3 fot lang og en kobbervekt som veide ca. 2 pund. Dette var selvsagt fysiske representasjoner og standarder av det, på den tiden under utvikling, metriske system som var 1 meter og 1 kilo respektivt. Han skulle hjelpe Jefferson å overtale kongressen til å adoptere det metriske system. Men på vei over havet møtte de på en storm som sendte skipet deres lengre sør, nærmere Karibien. Der ble han og skipet tatt til fange av britiske pirater som prøvde å kreve løsepenger for Dombey, men dessverre døde han i fangenskap. Tingene han hadde med seg var ikke av interesse for piratene så de ble auksjonert bort og etterhvert fant kiloet veien til en amerikansk landmåler ved navn Andrew Ellicott. Det gikk i arv til 1952 da etterkommere av Ellicott donerte det til det som kom til å bli NIST (National Institute of Standards and Technology). 

Det er riktignok ikke det eneste forsøket på å importere rasjonalitet til Amerika, men det kunne gjort en forskjell. We will never know.

 

Tallene i posisjon 6 representerer tykkelsen på skjæret. Mye av det samme gjelder her som i posisjon 5, men vi har mer frustrasjon i vente.

I eksempelet over er skjæret definert som 04 som MAN SKULLE TRO vil tilsi 4/16" men det blir 6,35mm som ikke stemmer med denne fabrikantens tabeller, så hva er det som skjer? Det var noens glupe idè at når det kommer til tykkelse så skal det brukes tomme-verdier, men tallet skal representere den nærmeste 1/16 tomme-verdien der det første tallet i millimeter-konverteringen blir 4.

3/16" blir 4,76mm så der har vi svaret. Kjempelogisk.

Avvik fra denne regelen desgineres med en bokstav i stedet for 0, vanligvis T.

Det er viktig å notere seg at tykkelsen måles fra bunnen av skjæret og opp til skjærepunktet/eggen.

Den siste pålagte informasjonen, posisjon 7, representerer neseradien til skjæret. Her er det heldigvis litt mer logikk inne i bildet og de to tallene i denne posisjonen er direkte overførbare til en radius i millimeter. 

I eksempelet over er tallene 08 som betyr at neseradien er 0,8mm.

Man tenke seg at det mangler et komma mellom dem; f.eks. så er 24 2,4mm radius.

For sirkulære skjær der IC = neseradius, designeres dette med 00 hvis størrelsen er konvertert fra tommer og M0 dersom verdien på størrelsen er metrisk.

Den første valgfrie bokstaven, posisjon 8, definerer hvordan eggen er formet og hvordan den er behandlet. Om den er slipt, honet, lakkert, sintret, eller på annen måte bearbeidet.

Men det representerer først og fremst formen på eggen.

Bokstaven i posisjon 9 representerer hvilken hånd eller retning skjæret er ment til å bevege seg i.

 

Posisjon 10 definerer ytterligere formen på eggen dersom skjæret ikke har en enkel tupp med neseradius:

Dette oppgis hovedsakelig dersom posisjon 7 er bokstaver, og slike skjær har vanligvis skrå og skarpe kanter (ingen hjørneradier).

Tabeller hentet fra Mitsubishi Carbide. すみません

Ventilblokk - Produksjon 1 - Del 2

/

I del 2 av produksjonen av ventilblokken skulle vi lære å bruke søylebormaskin og gjengetapp. Det skulle bores en del diverse hull i blokken slik som på tegningen under. Noen hull skulle ha gjenger og noen skulle forsenkes.

Klikk på bildene for å se en større versjon

Jeg begynte med å markere opp på arbeidstykket hvor hullene skulle være. Alle hullene på baksiden har en avstand fra hverandre på 14mm.

Søylebormaskin

Jeg benyttet rissepenn, kjørner, målestokk, vinkel og skyvelære.

Rissepenn, markerer linjer og streker i metall.

Kjørner, lager små merker i metall for å indikere hvor linjer krysser, viktige punkter eller hvor det skal bores. Hjelper til å sentrere mindre bor.

Som nevnt i Del 1 så er ikke dimensjonene på blokken helt eksakte, den er ikke nøyaktig 60mm bred siden den ble pusset ned gankse mye, så dersom jeg hadde målt 30mm inn fra en side, som man på tegningen kan se er der senterlinjen skal være, ville den ikke blitt sentrert korrekt. Derfor målte jeg bredden på begge sidene og delte denne i to for å få senter. Det viste seg at senter var ca 29,7mm inn, som er halvparten av 59,4, så blokken er litt over en halv millimeter for tynn. Jeg tenkte det var viktigere at alle hullene var sentrert korrekt, i steden for at avstanden til veggene var korrekt, det vil si at jeg så målte 14mm ut fra senter i steden for å måle 16mm inn fra hver side.

Dette er presisjonsarbied, men det er vanskelig å gjøre det presist. Hvor man legger målestokken eller vinkelen inntil merkene man har laget for å trekke en linje, kombinert med hvordan men holder rissepennen og hvordan den hviler mot det man bruker til å føre den med kan gjøre store endringer i hvor linjen ender opp med å være. Det kan være fiklete å trekke en korrekt strek, men det kommer vel med trening. 

Jeg ble stort sett fornøyd med oppmerkingen. Jeg er ikke helt sikker på hvordan det kunne gjøres bedre med det verktøyet jeg hadde til rådighet, men jeg endte opp med å ikke følge oppmerkingen så veldig uansett. Mer om det senere.

 

Diameter, skjærehastighet, matehastighet og omdreiningstall

Når man borer, dreier, freser eller utfører annen sponskjærende bearbeiding er det viktig at det som roterer, enten det er verktøyet eller arbeidsstykket, gjør det med optimal hastighet.

Jeg er personlig mer vant til å bruke engelske begreper som "revolutions per minute", "cutting speed" og "feed rate".

Jeg skal forsøke å forklare på norsk, men det er en veldig god forklaring om konseptet på engelsk på Wikipedia her.

Skjærehastighet (cutting speed)

Skjærehastighet (Vc), som måles i meter per minutt (m/min), er hvor fort arbeidsstykket "løper" over skjæret eller skjæret "løper" over arbeidsstykket. Det er altså overflatehastighet.

Skjærehastighet er ikke noe vi "vet". Det må regnes ut. Eller rettere sagt, det brukes til å regne ut omdreiningstallet. Alt vi vet er diameteren på boret og hastighetene vi kan bruke. Selve skjærehastigheten er funnet ut av produsentene av materialet og verktøy og lignende. Etter mye eksperimentering har de funnet ut hvilken hastighet som er best å bruke på hvilket materiale.

Skjærehastighet er et direkte produkt av diameter og omdreiningstall (RPM). Når noe spinner så er det sagt at antallet rotasjoner i minuttet er konstant uansett hvor bredt det som spinner er. Altså har det ingen betydning hvor langt fra senter noe er, det bruker like lang tid på å gå en runde rundt senterpunktet.

Grunnen til at vi deler på 1000 er fordi diameteren oppgis i millimeter og for å konvertere millimeter til meter så deler vi på 1000. Så millimeter per minutt (mm/min) blir til meter per minutt (m/min).

Vi kan, mye på samme måte som Ohms lov, benytte en formeltrekant for å se sammenhengen mellom diameter og omdreiningstall.

Tiden det tar for boret å rotere en gang er konstant, men hastigheten boret møter materialet på er større jo tykkere boret er. Jo lenger ut fra senter man kommer jo fortere går det. Hastighet er avstand delt på tid, så skjærehastigheten kan endres ved å endre på de variablene.

Bruker du tynnere bor går avstanden (diameteren) ned, altså må tiden boret bruker på å gå rundt en gang også ned for å opprettholde samme skjærehastighet, derfor må vi øke omdreiningstallet (turtallet).

Bruker du tykkere bor går avstanden (diameteren) opp og for å opprettholde samme skjærehastighet må tiden boret bruker på en revolusjon også opp, altså må omdreiningstallet (turtallet) ned.

Her kommer nomogrammet inn. I stedenfor å regne ut omdreiningstallet manuelt med formelen

kan vi istedenfor se på nomogramet til høyre og fylle inn de variablene vi vet for å finne ut hvor fort vi skal stille verktøyet til å gå. Når vi vet skjærehastigheten som er optimalt for det materialet vi jobber med, som vi får opplyst fra godt etablerte kilder som for eksempel Verkstedhåndboka, og vi vet diameteren kan vi følge de to linjene på monogramet til de krysser og se hvilken katergori det faller i.

I eksempelet til høyre skal vi bruke en skjærehastighet på 26 m/min og diameteren på boret er 22mm. Hvor fort må boret gå rundt for å oppnå en hastighet, der det er tykkest, på 26 m/min? Vi ser at de to linjene møtes såvidt over 350 RPM . Hvis vi regner det ut med formelen får vi 376 RPM, så dette stemmer godt.

Dersom vi vet omdreiningstallet og diameter, og vil finne skjærehastigheten, kan vi benytte en snudd versjon av formelen slik:

Matehastighet

Matehastighet er hvor fort verktøyet beveger seg inn i arbeidsstykket, eller arbeidsstykket beveger seg inn i verktøyet.

På bildet til venstre representerer pilene følgende:

Skjærehastighet og matehastighet er essensielle verdier når det kommer til optimal sponskjæring.

Matehastighet måles i millimeter per revolusjon (mm/r), det vil si hvor mange millimeter innover i arbeidsstykket verktøyet trygt kan bevege seg per omdreining. Dette er et veldig lite tall, for eksempel 0,15, som betyr at verktøyet bør kutte vekk 0,15 mm med materiale på en omdreining. Dette kan ganges med omdreiningstallet for å finne hastigheten, det vil si millimeter per minutt (mm/min).

Så ved å se på tabellen under, dersom vi borer med hurtigstål i NS-EN 10025 FE430C konstruksjonsstål med et bor på 15mm og bruker en matehastighet på 0,15 mm/r får vi en skjærehastighet på 40 m/min. Dette gir oss et omdreiningstall på  ca. 840 r/min.

Hvis vi ganger matehastigheten med omdreiningstallet får vi en matehastighet på 126 mm/min. Dersom man freser må man også gange med antallet tenner på verktøyet for å fordele arbeidet optimalt mellom tennene, men dette kan sløyfes om man dreier siden man kun bruker én "tann".

FR = Feed rate (matehastighet oppgitt i mm/min)

RPM = Revolutions per minute (omdreiningstall)

T = Number of teeth (antall tenner på verktøyet)

CL = Chip load (matehastighet oppgitt i mm/r)

For å sikre optimal sponkjæring og maksimal vertøylevetid er det viktig å vite disse to hastighetene.

Diagram over effekten av skjærehastighet og matehastighet

 

Senterbor

Senterbor brukes for å enklere og mer presist lage hull i materialer, og for å skåne større bor. Det har en liten tynn tapp på bare noen få millimeter, som gradvis blir større, opp til 5mm på bildet over. Den har en liten spiss for å gjøre det enkelt å posisjonere det nøyaktig og sentrere hullet korrekt som gradvis sklir over til en større diameter for å klargjøre hullet for større bor som ikke kutter like godt nær senter, samt at den tykkere kroppen bidrar til økt stabilitet og presisjon. Hullet senterboret lager er også kjent som "pilot hole" på engelsk, hvilket forklarer at hullet leder og fører etterfølgende bor på rett vei. Uten det kunne bor som ikke kutter så godt i senter begynt å "vandre" og hullet ville endt opp på feil sted og boret ville boret skjevt og potensielt knukket.

 

Gradvis forstørring

Etter at senterboret hadde plassert hullet økte jeg gradvis størrelsen på hullet, først helt gjennom med 5mm, deretter fullførte med 8mm bor som var det hullet skulle være. Dette er for å skåne 8mm boret som slipper å gjøre like mye arbeid i midten, samt at det ikke trenger å produsere like mye spon og sponet som blir produsert har en enkel vei å evakuere, ned.

5mm og 8mm bor

Da jeg boret hullene på sidene brukte jeg en trekloss til å holde arbeidsstykket på plass vannrett og for å ikke bore ned i tvingen på grunn av overhenget.

Etterhvert som jeg ble mer kjent med maskinen oppdaget jeg den digitale avleseren. Den var innstilt på tommer av en eller annen grunn, men etter at vi fant ut hvordan man endret enhetene til metrisk viste denne seg å være ekstremt mye mer nøyaktig enn mitt øyemål og gjorde hele operasjonen mye mer nøyaktig og enklere.

Med en oppløsning helt ned til 5 mikrometer og et godt utgangspunkt gjorde jeg mesteparten av den gjenstående boringen med hjelp av denne. Resultatet ble veldig bra.

 

Morsekonhylse / konisk tange

Det er koniske hylser som man trer inni hverandre til man når diameteren på boret man skal bruke. De holdes kun på plass av friksjon, men de låser seg fast inni hverandre og selve dreiemomentet blir overlevert via toppen som går inn i et lite hakk.

14mm hullene måtte bores på en litt annerledes måte enn de mindre hullene. De fleste kjokser aksepterer ikke bor større enn 10-15mm så dersom man skal ha slike tykkelser må man gruke noe som heter morsekonhylser.

For å få dem fra hverandre må man benytte en konisk tange-nøkkel for å brekke dem fra hverandre.

0691700046-nn_l.jpg

Forsenker

Fire av hullene skulle forsenkes. Det vil si at det bores en kon eller forstørret hull et lite stykke ned i det hullet skruen eller bolten skal gjennom slik at når den er skrudd inn ligger den flatt med overflaten og stikker ikke ut.

Forsenkningene skulle være 10mm i diameter ved overflaten. Forsenkeren er 90 grader, det vil si at forsenkningen er 5mm dyp.

Dette gikk relativt greit. Dybdemåleren på søylebormaskinen var i ustand så jeg endte opp med å forsenke litt og sjekke med skyvelæret. Dette gjentok jeg til forsenkingen ble korrekt. Det finnes mer nøyaktige og bedre måter å gjøre det på, men det funket greit slik jeg løste det.

 

Gjenging

Helt til slutt skulle fire av hullene gjenges med M8 gjenger. M står for "metrisk" og 8 er diameter på bolten. Når det kommer til innvendige gjenger så er 8 mm diameteren mellom dalene i gjengene. For å lage gjenger borer man med et bor som er litt mindre enn gjengene man skal bruke. Dette kalles et gjengebor og er spesiallaget for dette formålet.

6,8mm gjengebor for M8 hull

6,8mm gjengebor for M8 hull

Etter at hullet er boret bruker man en gjengetapp for å skjære ut korrekte gjenger i hullet. Grunnen til vi bruker 6,8mm bor er for å ha nok materiale til overs når vi gjenger til å lage gjengene.

8 - 6,8 = 1,2 Gjengene blir altså da 0,6mm dype.

Det er viktig å være varsom og gå rolig til verks. Selv om gjengetappen er selv-sentrerende, er det viktig når man starter å sørge for at den står rett. Tar man for hardt i kan man strippe gjengene. Det er også lurt å stoppe og vri litt tilbake med jevne mellomrom for å løsne på og få ut sponet, slik at det ikke bygger seg opp og skader eller misformer gjengene.

Bolter er ofte beskrevet med mange forskjellige tall:

M8 x 1,25 x 40 betyr for eksempel Metrisk 8mm bolt med gjengestigning 1,25mm som er 40mm lang.

Gjengestigning er hvor langt oppover bolten gjengene har beveget seg på en runde rundt bolten.

Forskjellige typer gjenger.

 

Oppsummering

Dette har vært en interessant og utfordrende oppgave som jeg har lært mye av. Noe har blitt gjort riktig og noe har blitt gjort mindre riktig, men det er feilene man lærer av. Presisjon er ikke gjort på 1-2-3!