Kjenn dine akser!

Kjennskap til og forståelse for dimensjonene vår eksistens er begrenset til gjør at vi kan utnytte dem til vår fordel.

Vi lever i en 3-dimensjonal verden. Så langt i hvert fall.

Vi kan bevise det ved å tegne en strek, for så å strekke en ny strek fra den som er 90° i forhold til den første, på samme plan.

Dette kan vi gjøre én gang til, men den kan ikke være på det samme planet! Den nye streken er nå 90° på de to andre strekene.

Nå har vi 3 streker som peker hver sin retning. Kan vi gjøre det igjen? Nei, det går ikke, det er ikke flere dimensjoner å strekke seg ut i som gjør at en fjerde strek vil være 90° i forhold til alle de andre strekene.

Under er en visuell representasjon av dimensjonene. Legg merke til at selv om bildet vises på en 2D skjerm, kan vi fremdeles simulere 3 dimensjoner, som gir bildet perspektiv.

Men kanskje den ikke trenger å være det i den fjerde dimensjonen, hva vet jeg, men i de tre dimensjonene vi lever i går det i hvert fall ikke an.

En roterende hyperkube. Et forsøk på å visualisere en 4-dimensjonal kube, kjent som en tesserakt. Det ser ikke sånn ut, men alle vinklene er teoretisk sett 90°.

---

Kartesisk koordinatsystem

Et punkt på et plan er definert med et koordinat. Ordet koordinat er for øvrig et sammensatt ord av prefikset ko-, som betyr sammen eller til, og baseordet ordinat, som kommer fra Latin ordinare, og betyr å ordne eller sette i rekkefølge. Et ordinat er et punkt på samme linje parallelt med en akse, vanligvis Y-aksen i matematikk, og ordinater langs X-aksen kalles for en abscisse. Disse to verdiene… koordinerer… med hverandre for å definere et punkt på et plan. Dette er et koordinat.

Aksene som utgjør et koordinatsystem kalles X og Y, der X alltid er den horisontale og Y alltid er den vertikale.

Koordinater defineres med variablene X og Y i parentes slik: (X, Y) som definerer en distanse langs den respektive aksen fra nullpunktet i midten der aksene krysser. Dette punktet heter origo, fra Latin opphav eller opprinnelse. Variablene oppgis ALLTID i alfabetisk rekkefølge. (Den fjerde dimensjonen oppgis faktisk med W, men det er fordi det ikke er flere bokstaver etter Z i det engelske alfabetet. Kanskje vi burde kalle den Æ-aksen her til lands. Det angår uansett ikke oss, så nok om det.)

Et koordinatsystem er delt inn i 4 kvadranter. Ordet kvadrant kommer fra Latin quad, som betyr fire, eller fjerde, og derav quadrans som betyr en kvart. Det er vanlig å operere i den første kvadranten i et koordinatsystem. Første kvadrant er alltid opp og til høyre. Deretter går de mot klokken. Alle koordinater i første kvadrant er positive i forhold til origo.

Et punkt i rom er definert med 3 verdier. X, Y og Z. Men hvor går Z-aksen? Åpenbart perpendikulært til X og Y, men det kommer selvsagt an på referansebildet og hvor du ser det fra.

Et koordinatsystem kan enten være spesifisert ut fra et globalt referansepunkt, eller et lokalt referansepunkt. Et globalt referansepunkt vil si et koordinatsystem som er overordnet alle andre systemer i det. Et objekt i et globalt koordinatsystem kan ha en posisjon, rotasjon eller vinkling som gjør at dets lokale koordinatsystem er helt annerledes orientert enn det globale, men dets posisjon og rotasjon kan defineres innen det globale systemet det befinner seg i.

I et koordinatsystem med 3 akser er det 8 seksjoner. Disse kalles oktanter. Jeg trenger nok ikke forklare hvor det ordet kommer fra.

Hvis man ser nøye etter på bildet over, så ser vi at Z-aksen ligger ned og Y-aksen går vertikalt. Dette er for så vidt helt legitimt, men presenterer et unikt problem. Hvordan det koordinatsystemet vi bruker er orientert i det ultimate globale systemet alle koordinatsystemer er underlagt; virkeligheten.

Akkurat dette problemet med hvilken retning Z skal gå er noe som har plaget meg i lengre tid. Det virker som det er et problem som avhenger av hvordan du velger å se på det. Et problem som muligens har sine røtter i klasserommet når man først lærer om koordinatsystemer.
Se for deg at du har tegnet et 2-dimensjonalt koordinatsystem på et ark på et bord, liggende flatt på bordet som om du var eleven som skrev det i rutearkboken din; hvis du nå skulle legge til Z-aksen, hvilken retning ville den gått? Oppover, ikke sant? Opp fra bordflaten? Mot himmelen?
Eller gir det mer mening å se på tavlen til læreren, eller løfte opp boken, slik at Y-aksen nå peker oppover og Z-aksen nå kommer ut mot deg som på bildet over?

Jeg har alltid tenkt på det som det første eksempelet. At Z går oppover, gir rommet høyde, i motsetning til utover og gir rommet dybde.
Hvis du tenker deg rutenettet som jorden er delt opp i, altså lengdegrader og breddegrader, X og Y, så kan elevasjonen (altituden) , Z, kun gå én vei, opp.

---

I praksis

Sannheten er at begge måter å se på det er korrekt, men det er viktig å ha i tankene. Når vi beveger oss inn i praktisk bruk av koordinatsystemer, spesielt i maskiner, er det særdeles viktig å holde tunga rett i munnen og vite hvilken orientering maskinens koordinatsystem har, for å kunne korrekt forutsi maskinens bevegelser.

Heldigvis har vi flere tommelfingerregler for å hjelpe oss. Den første og viktigste er denne: Z er alltid spindelaksen!

Venstre: Vertikal fresemaskin. Høyre: Horisontal fresemaskin.

Regel nummer to er at alle bevegelser forekommer i forhold til spindelen.

For selve spindelaksen er Z+ alltid vekk fra arbeidsstykket.

På maskinen over er det bordet som beveger seg, mens spindelen står stille. Dette er ganske vanlig, men det er allikevel spindelen som er referansepunktet i maskinen. Alle bevegelser går i forhold til spindelen. På bildet over ser vi en ganske normal, universal vertikal fres. Pilene definerer aksenes positive og negative retninger i forhold til spindelen. Hvis vi skal bevege verktøyet til et positivt X-koordinat, vil bordet bevege seg mot venstre. Det samme gjelder Y. Hvis vi skal til f.eks. et negativt Y-koordinat, vil bordet bevege seg innover. Pilene på bildet over definerer retningene i forhold til spindelen. Hadde spindelen beveget seg hadde de vært “korrekt“, men siden den står stille og bordet beveger seg, blir det bevegelser omvendt for at bevegelsene skal bli korrekt i forhold til spindelen.

På maskiner hvor det ikke nødvendigvis er umiddelbart klart hvilken akse som er hvem og hvilken retning som er positiv, kan vi bruke en kjekk huskeregel:

---

Høyrehåndsregelen

Ved å holde hånden som på bildet over, og peke langfingeren langs spindelaksen, kan vi raskt og enkelt finne aksene i maskinen.

Denne regelen er så elementær i både matematikk, fysikk og mekanikk, at den til å med figurerer på Sveitsiske 200 Franc-sedler:

Kjent i Sveits som règle de la main droite på Fransk, eller Right Hand Rule på engelsk i resten av verden.

Kanskje mer kjent fra elektrisitetens verden, der den ofte brukes til å huske retningen på magnetiske felt og slikt, men den er like nyttig for oss som trenger den for å forme metall til vår vilje.

I dreiebenker er det litt annerledes siden det er arbeidsstykket som står i spindelen og verktøyet som står stille, men det er fremdeles spindelen som er primus motor når vi skal referere koordinatsystemet og aksene i en dreiebenk.

For at dette skal gi mening med håndregelen må vi faktisk benytte venstrehåndsregelen. Vi må også holde den opp som om vi peker pekefingeren mot taket.
Men det kommer selvsagt an på hva slags dreiebenk man jobber med, eller hvilken side av arbeidsstykket sleiden/verktøyet er montert.
Minus-retningen er alltid nærmere arbeidsstykket.

Dessverre er det slik at ikke alle maskinfabrikanter håndhever (get it?) disse “reglene“ og de stemmer ikke alltid. Men stort sett er de korrekt. Det er korrekt når de er korrekt.

---

Akseplan

Når to akser elsker hverandre veldig mye, former de et akseplan. Et plan er et to-dimensjonalt objekt og krever to retninger for å definere.

Siden det er 3 akser finnes det 3 primære akseplan.

Planene defineres med de to aksene som utgjør definisjonen av planet.
XY-planet er det horisontale planet, mens XZ og YZ planene er vertikale i hver sin retning.

---

Rotasjon

Akkurat som vi kan bevege oss langs aksene, kan vi i tredimensjonalt rom også bevege oss rundt dem. Hver akse representerer en mulighet for rotering rundt den, låst fast til den. Disse rotasjonsretningene kalles også akser; rotasjonsakser.

De er definert med bokstavene A, B og C, der de følger logisk alfabetisk rekkefølge og relasjon til X, Y og Z:

A er rotasjon rundt X.
B er rotasjon rundt Y.
C er rotasjon rundt Z.

Men hvilken rotasjonsretning er positiv?

Det må naturligvis defineres i relasjon til aksen den dreier om sin positive retning.

På samme måte som jorden, hvis du ser ned på den fra nordpolen dreier den mot klokka. Dette er korrekt for rotasjonsaksene også.

Ser man ned langs dem fra deres positive retning vil pluss-rotasjon være mot klokken.

Det finnes heldigvis en enklere måte å huske dette på, og igjen kommer vår gode venn høyrehåndsregelen til unnsetning igjen:

Hvis du former høyrehånden som om du skal signalisere tommel opp, og peker tommelen langs aksens positive retning, vil de resterende fingrenes pekeretning indikere positiv rotasjon.

---

Representasjon av aksene

I CAD-programmer og 3D-programmer heter den lille klumpen med 3 piler i hver sin retning en “triad”.
Den vises vanligvis i et hjørne på skjermen og brukes til orientering av skjermbildet. Tenk på den som et kompass.

Den oppstår også ofte på et punkt hvis du trykker på det, eller prøver å flytte noe.
Der brukes de hovedsakelig til å translatere (bevege lineært) og rotere - og i noen tilfeller - skalere.
Noen ganger vises de med akseplan, og tar man tak i de kan delen flyttes på planet.

Grunnen til at det kalles en “triad” er fordi den representerer et hjørne på en kube, og en triade er en av 3 (13) mulige symmetriakser i en kube:

Apropos ingenting: på engelsk heter en akse for axis, og flertallet er axes, uttalt med lang e, axees.

Du har sikkert sett triader før eller representasjoner av tre akser der aksene har hver sin farge. Du har sikkert også lagt merke til at de ofte varierer på hvilken farge som representerer hvilken akse?

Vel, det er én korrekt måte å farge aksene på, og det er igjen i logisk alfabetisk rekkefølge basert på de tre lys-additive primærfargene, Rød, Grønn og Blå.

X er Rød.
Y er Grønn.
Z er Blå.

Så sånn er det med den saken.

---

Euler-angles og Gimbal-lock

Rotasjon rundt primæraksene defineres i grader, og når disse 3 gradsystemene kombineres kalles de for “Euler-angles”, etter igjen, den legendariske Leonhard Euler.

En hvilken som helst vinkling og akse-rotasjon kan nåes innen 3 bevegelser.

Dette systemet visualiseres ofte med noe som kalles en “gimbal”. Tenk på det som en triade spesifikt for rotasjon.

Dersom du vrir en akse 90 grader slik at rotasjon rundt den nå koinsiderer med rotasjon rundt en annen akse, har vi oppnådd noe som kalles for “gimbal-lock“.

Med gimbal-lock mister man en rotasjonsakse og kan ikke lenger oppnå visse posisjoner/rotasjoner.

Men dette problemet angår ikke oss så veldig, men det er kjekt å ha i bakhodet. Det er et større problem i animasjon og 3D-grafikk, men nå har de noe som heter quaternions, som navnet tilsier bruker 4 verdier for å beskrive en vinkel og rotasjon, men det skal jeg ikke gå inn på fordi det er ikke relevant for dette innlegget og det er svart magi jeg ikke forstår meg på.

---

Magien av 5 akser

Dersom vi har en maskin med rotasjon rundt 2 akser, har vi totalt 5 bevegelige akser, og kan gjøre 5-akse maskinering. I slike maskiner er det vanlig å ha rotasjon rundt X og Z, altså A og C, men siden rotasjon rundt Y ikke er tilgjengelig eller relevant (man kan oppnå det ved å tilte A 90°), blir aksene ofte kalt A og B, spesielt i maskiner der bordet beveger seg og ikke spindelhodet, eller der rotasjonsaksene er lagt til senere eller på annet vis ikke integrale i maskinens design. Dette har flere årsaker, som å poengtere at aksene det dreier seg om er for bevegelse av arbeidsstykket eller bordet, og fordi C-aksen vanligvis definerer spindelaksen, og hvis man vrir A er ikke C lenger koaksial med Z.

Viktig notat: I en bordbasert 5-akse maskin er nullpunktet alltid der A-aksen og C-aksen (B), møtes.

Dessuten har ikke “C“ aksen noe formål i maskiner der man kan oppnå det samme resultatet med XY interpolering, men dersom man vrir A 90° slik at “C“ aksen nå er på linje med Y-aksen vil den ha et formål, og den fungere da teknisk sett som en B-akse.

En måte å tenke på det på er at med bordet i normalposisjon er B-asken gimbal-locked til C-aksen. Ved å vri A-aksen har vi nå tilgang til alle vinkler.

Under er to forskjellige eksempler på ulike 5-akse maskiner.

Bordbasert Maskin med A- og B-akse

Spindelbasert Maskin med A- og C-akse

Håper du nå er litt mer kjent med aksene vi forholder oss til på en daglig basis! Husk: Uansett hvilket koordinatsystem du befinner deg i, så lenge du er klar over det, med XYZ-ABC-RGB og høyrehåndsregelen så kan du aldri gå feil!

Tips om tapp

Det finnes to typer metallarbeidere; de som har knukket en gjengetapp, og løgnere.

Det er et uunngåelig faktum at gjengetapper knekker, spesielt jo mindre de blir. De er skjøre verktøy som må behandles med finesse, spesielt dersom man gjenger for hånd.

Det finnes riktignok andre måter å lage gjenger i hull på enn sponbrytende gjengetapper, som rulletapper eller å frese gjengene, men tradisjonelle tapper er mest utbrett. De er en ganske kost-effektiv og allsidig måte å lage gjenger på.

Gjengetappens anatomi og typer tapper:

Klassiske gjengetapper er gjerne laget av hurtigstål eller annet verktøystål og har vanligvis 3 eller 4 rette fluter. Gjengetapper finnes i mange størrelser fra M1 til M64 eller høyere og alt i mellom.

Gjengetapper er selvsentrerende, dvs. de retter seg selv inn til å være koaksiale med hullet. Dette gjør de ved hjelp av en slipt kon på tuppen av tappen:

Gjengetapper kan kjøpes i et sett, eller hver for seg, med hovedsakelig tre ulike utførelser;

Starttappen har en lengre og slakere kon enn de andre for å sørge for god sentrering og enklere starte inngrepet i materialet på en korrekt måte. Starttappen har ikke gjengenes fullstendige profil, så man kan ikke gjenge et hull ferdig med en starttapp. Når gjengene er startet går man over til en hovedtapp som har mer av gjengenes profil og en mer effektiv kon. Til slutt går man gjennom med bunntappen som har gjengenes fullstendige profil og veldig kort kon for å få så mye gjenger som mulig i et hull som ikke er gjennomgående, ofte kalt en “blindt hull“ (eng. blind hole).

De kan skilles fra hverandre med ringene på skaftet. Starttapper har én ring, hovetapper har to ringer, og bunntapper/sluttapper har ingen ringer.

Mer moderne tapper har gjerne en heliks, på samme måte som flutene på et bor, for å bidra til bedre sponevakuering.

Disse er som regel ment for CNC-maskiner eller andre hjelpemidler som gjenger i én operasjon som f.eks. en pneumatisk gjengearm:

Tradisjonelle tapper lager spon som ruller seg opp i spiraler, som til slutt blir for store for de rette flutene. Det er derfor nødvendig å vri tappen bakover en halv gang for å brekke sponet.

Det sies at dersom man gjenger for hånd, er den konvensjonelle lærdommen å gjenge én omdreining, for så å vri tilbake en halv gang, men fra min erfaring avhenger det veldig av både materiale og tappstørrelse. Men det er en grei tommelregel.

Men en kuttende egg blir utsatt for mest belastning i det den skal re-engasjere med materialet, og jo skarpere eggen er jo bedre er det å fortsette et lengere kutt enn å bryte sponet mer enn nødvendig. Spesielt i materialer som har harde overflater, eller arbeidsherder, som rustfritt, titan eller inconel. Derfor kan spiraltapper (de kalles spiraltapper, men de er egentlig helikstapper) være å foretrekke.

Moderne tapper kommer i ulike utførelser, hovedsakelig basert på materialet og bruken de er ment for. De er som regel fargekodet.

Tappen til høyre i bildet under er kun for gjennomgående, eller åpne, hull (through-hole), siden den presser sponet nedover, ikke oppover.

Fargen er noenlunde standardisert, men kan variere mellom fabrikanter. Under er en veiledende tabell. Konsulter fabrikanten.

Hvorfor tapper knekker:

Det er flere faktorer som kan føre til at en tapp knekker:

• Dårlig overflate

  • En ujevn overflate i hullet kan gi skjev belastning på tappen som kan gjøre at den knekker.

• Skjevt hull

  • Dersom boret har vandret og hullet ikke er rett vil dette gjøre at tappen møter mer og mer motstand etter hvert som den går nedover og vil til slutt knekke.

• Skjev start

  • Samme problem som over, men her har tappen entret hullet skeivt, og det er ikke hullet som er vinklet. Dette er antageligvis den mest vanlige kilden til knekkasje (Er det et ord? Det er det nå.) ved gjenging for hånd.

• For lite hull

  • Dersom hullet ikke er større enn minstediameteren til tappen vil det selvsagt skape veldig mye friksjon og problematikk for tappen.

• Arbeidsherdet materiale

  • Hvis man skal gjenge hull som er stanset eller friksjonsdrillet kan hullet ha en hard overfalte, selv etter boring, vil det skape et voldsomt trykk for tappen.

• Kont hull

  • Dersom hullet er f.eks. plasmaskåret, kan det ikke være bare hardere enn normalt, det er antageligvis litt kont som åpenbart vil øke lasten på tappen jo lenger ned den kommer.

• Eksentrisk start

  • Mye samme problem som skjev start, men her blir problemet ikke at lasten på tappen økes av at materialet økes, men at tappen bøyer seg etter hullet og vil knekke. Tapper av hurtigstål har ofte evne til å bøye seg nok dersom forskjellen er liten, men tapper av hardere materialer som karbid-tapper vil knekke.

• Ikke-sirkulært hull

  • Dersom hullet ikke er sirkulært vil det skape ujevn last på tappen som skape en rykkete bevegelse som kan bidra til meget forhøyet moment på tappen.

• Mangel på olje/fett

  • Det er alltid anbefalt å gjenge med enten gjengepasta eller skjæreolje/kjølevæske. Mangel på dette kan skape unødvendig mye friksjon og varmeutvikling.
    
    
    
    
    

Generelle tips:

Gjenger man for hånd kan det å bruke feil svingjern være en kilde til knekkasje. Det er et ord nå. Med feil svingjern så mener man et overdimensjonert svingjern. Svingjern har en rekkevidde for tapper de skal brukes på. Men bare fordi en tapp går inn i svingjernet betyr ikke at det er korrekt for jobben. Jo større svingjern man bruker, jo mer arm får man på tappen, som øker momentet og minsker den taktile tilbakemeldingen man får i hendene. Man må ha en viss “feeling” for tappen gjennom svingjernet. Bruker man for stort svingjern mister man denne, det blir for lett å vri om.

Dersom man skal gjenge et hardt materiale, spesielt med små tapper, kan det være smart å bruke et gjengebor en tidels millimeter større enn standarden spesifiserer. Dette gjør selvsagt at gjengetappen ikke møter like mye motstand siden den trenger å skjære vekk mindre materiale med flanken.

Når det kommer til små gjengetapper så liker jeg personlig å “spinne“ tappen litt. Ta veldig veldig lite om gangen, men gi tappen ørlite grann fart, ikke mye, men nok til at den skaver av en liten seksjon til, for så å reversere igjen og gjenta. Dette skulle man tro var litt motsatt av det som ville funket, men å skjære gjenger fungerer best, som alle andre sponbrytende bearbeidingsmetoder, med litt skjærehastighet. Å gjenge små hull med rent moment er ikke å anbefale.

Dersom man skal gjenge i dreiebenk er det lurt å bruke pinolen/bakdokken til å sikre en rett og koaksial entré. Koble fra spindelen og vri den for hånd mens du mater bakdokken i ulåst tilstand. Det holder å starte gjengene slik, resten kan gjøres ved å låse spindelen og gjenge for hånd med et svingjern.

Dersom man skal gjenge noe i fresen kan man enten bruke en teleskopisk gjengekjoks som flyter et stykke opp og ned og gir deg en tapp som er uavhengig av matehastigheten;

Eller man kan vri spindelen for hånd med en fastlåst tapp og løs spindel, eller bruke et senter og bruke det til å støtte en tapp. Tapper har vanligvis en 60° kon i den bakre enden, som riktignok er et resultat av produksjonsmetoden, men det er også ment som støtte og sentrering for gjenging:

Dersom man må gjenge på frihånd finnes det noen hjelpemidler, hovedsakelig en styreblokk (tap guide);

Så nå som vi vet hvordan man unngår å knekke tapper (litt mindre i hvert fall), hva gjør man dersom ulykken skulle oppstå? Hvilke bergingsmetoder finnes det?

Tappen har knukket!

Ikke bare har den knukket, det skjer jo selvfølgelig alltid på det siste hullet i en del.

Så hvordan fikser vi det?
Det kommer an på hvor tappen har knukket. Vanligvis knekker de i overgangen til hullet slik at det stikker opp en liten bit. Dersom nok stikker opp til å få et godt grep på den med en tang eller lignende kan dette gjøres, men den metoden jeg vil anbefale først er å forsøke å knakke ut tappen. Ved å ta en dor og slå forsiktig på en av eggene i en sirkulær bevegelse kan man slå den ut:

Dersom den er for dypt i hullet til å effektivt komme til med en dor er det en mulighet å bruke en ekstraktor:

Ett sted som selger dette er f.eks. Walton Tools.

Men sannsynligheten for å ha en slik er liten. Et alternativ er å bruke ståltråd. Den bør være så tykk som mulig, så tykk som flutene tillater.

Trykk den så dypt ned som mulig. Dersom man gjenger med en spiraltapp, slå den ned så den former seg til flutene.

Ta tak med en tang så nærme tappen du kommer, og press nedover mens du vrir bakover.

Mer ekstreme løsninger inkluderer å gløde ut tappen og bore den ut. Eller knuse den på en eller annen måte.

I enda mer ekstreme tilfeller kan det være nødvendig å bruke en elektrode/ gnisterodere ut tappen.

Disse mer ekstreme metodene kan ofte gjøre uopprettelig skade på det originale hullet, og dersom det er tillatelig, kan man gjenopprette det ved å bruke noe som heter Helicoil.

Dette er en teknikk som bruker en spesiell tapp for å sette inn en innsats som vanligvis er rundt én standard gjengestørrelse opp, men med samme stigning. De krever spesielle tapper og verktøy for å installere, men vil returnere hullet til dets opprinnelige gjenger. Også noen ganger brukt med hensikt i produksjon, spesielt i bløte materialer som har skruer som skal skrus inn og ut flere ganger siden det gir et mer slitesterkt grensesnitt mellom bolt og del.

Til slutt, la oss raskt se på alternative metoder:

Rulletapp:

En tulletapp har ofte ingen fluter, siden den ikke kutter vekk materiale, den bare flytter på det. Rulletapper former gjengene mye på samme måte som en serrat, ved å presse materialet til riktig form.

Rullede gjenger er sterkere enn kuttede gjenger, siden kornstrukturen i materialet opprettholdes, men forflyttes, istedenfor å bryte krystallstrukturen med en sponskjærende tapp, men de er mer applikasjon-spesifikke og kan stort sett ikke brukes for hånd, og starthullet må være større enn ved bruk av konvensjonell tapp.

Men den absolutt beste måten å unngå å knekke en tapp på er å ikke bruke en!

Så dersom du kan, så vurder gjengefresing!

Skivefres hors de la carte

Man kan i dag få kjøpt verktøy til å gjøre det meste av det man trenger å gjøre, men det hender at det verktøyet man behøver ikke er å få tak i, eller operasjonen man skal utføre er særdeles sær og spesifikk. Da kan det være nødvendig å lage sitt eget.

En slik situasjon dukket opp for meg for en stund siden, og jeg ble nødt til å lage min egen skivefres til ett kutt jeg skulle gjøre i en del.

Hovedproblemet var at jeg skulle gjøre dette manuelt, og ikke i en CNC maskin, der dette ikke hadde vært et problem siden jeg kunne løst det med en kombinasjon av verktøybaner, men siden dette skulle gjøres for hånd så var jeg avhengig av en spesiell form på verktøyet.

Å lage et spor eller slisse i en del er én ting, men jeg trengte en spesifikk radie kuttet inn i en del med en gitt sporbredde. Selve bredden kunne jeg riktignok oppnådd med flere passeringer av et tynnere verktøy, men ingen verktøy jeg hadde var av riktig diameter.

Så når jeg skulle lage mitt eget så var det to hovedpunkter å ta hensyn til; diameteren og tykkelsen. Tykkelsen gir seg selv, det er ikke noe poeng å lage verktøyet tynnere enn sporet - innenfor rimelighetens grenser selvsagt - et tynt verktøy som må ta mer enn én passering vil bøye seg dersom det ikke har støtte fra begge sider som hindrer defleksjon. Sporet skulle bli 1,4mm tykt, så da er det tykkelsen jeg lager verktøyet. Hadde kuttet vært så bredt at det hadde begynt å bli et problem for maskinen å drive verktøyet - større kuttbredde fører selvsagt til økt belastning - måtte man jo lagd et tynnere verktøy som passerte flere ganger, men da hadde verktøyet vært så tykt at strukturell stabilitet ikke ville vært et problem.

Radien i sporet jeg skulle lage var 12,5mm, altså måtte jeg lage et verktøy på 25mm.

Jeg bestemte meg for å lage en skivefres med utbyttbare skiver. Hovedsakelig fordi selve fresen blir enklere å lage og lettere å herde når den ikke har en integrert stamme, men også fordi jeg da i fremtiden har en holder til andre freser dersom jeg blir nødt til å gjøre det samme igjen med andre former. Ulempen er at jeg da ender opp med en strammeskrue på undersiden som i noen tilfeller kan være et problem for framkommeligheten til verktøyet.

Jeg hadde to valg når det kom til stål; enten lage den av et lavkarbonstål og settherde den, eller gjennomherde et høykarbonstål. Jeg hadde ikke enkel tilgang til settherding da jeg lagde den, så jeg valgte å lage den av et høykarbonstål. Jeg brukte Uddeholm Arne stål, som har et karboninnhold på 0,95%, som gjør det særdeles herdbart. Det er egentlig ikke et verktøystål for kutteverktøy, men det gjør jobben.

Jeg begynte med å tegne opp fresen i CAD (Computer Aided Design, DAK på norsk (DataAssistert Konstruksjon)), i motsetning til CAM (Computer Aided Manufacturing), DAP når norsk (DataAssistert Produksjon).

Deretter dreide jeg startmaterialet, et par millimeter tykkere enn jeg trengte slik at det opprettholdt formen sin gjennom etterfølgende operasjoner, samt en stamme for oppspenning i delehodet. Som vi ser på bildet over så planla jeg å bore 3mm hull til tennene så det skulle bli mindre materiale å slipe meg gjennom etter herding, så diameteren på dette tidspunktet var rundt 28mm.

Over ser vi skivefresen før herding. Dette er egentlig den andre jeg lagde, den første ble ikke ordentlig hard, eller rettere sagt, den ble hard, men jeg hadde ikke nok materiale igjen til sliping etter herding, så de to 1mm målene du ser på CAD bildet over representerer materialet pinnefresen lar være igjen før herding, mer om det senere.

Jeg boret hullene i bunnen av tennene, deretter vinklet jeg delehodet 90° og freste vekk resten av det overflødige materialet. Jeg satte den så tilbake i dreiebenken og kappet av stammen som kun var til for å holde den i delehodet. Så planslipte jeg den raskt ned til 1mm tykkere enn du skulle bli etter herding, slik at jeg hadde 0,5mm på hver side, og for å opprettholde retthet under herding var det viktig at den var plan og flat og ikke trakk seg sammen ujevnt ved nedkjøling.

Under er et bilde av den første jeg lagde.

Problemet med mitt første forsøk over var at, (som vi ser på retningslinjene for herding av dette stålet til høyre) jeg ikke hadde mulighet til å hindre dekarborisering under herdeprosessen, enten ved å;

• pakke biten i rustfri stålfolie for å hindre oksygentilgang

• settherdingsboks

• inert atmosfære (som enten å varme opp i et vakuum eller nitrogenfylt kammer)

• anti-glødeskall pasta

Anti-glødeskall pasta.

Stålfolie for å danne en liten oksygenfri atmosfære.

Settherding med kasenitt er i bunn og grunn det samme som anti-glødeskall pasta, men med karbon i som blir tilført overflaten.

Den første jeg lagde valgte jeg å varme på 800 °C i 30min, per anbefalingene over. Men siden jeg bare hadde latt det være igjen et par tidels millimetere igjen til sliping etter herding ble for mye av stålet om til glødeskall.

Glødeskall, et resultat av å bli oppvarmet for lenge i en oksygenholdig atmosfære.

Jeg forsøkte å slipe den ned til korrekte dimensjoner, men som vi ser under så hadde for mye av karbonet i overflaten brent ut, slik at kuttsidene ikke ble skarpe i det hele tatt.

Ingen kutteevne, bare dytter materialet til side.

For å få den til å kutte måtte jeg slipe meg ned til hardhet, men det førte også til at den ikke lenger var 25mm i diameter.

Ingen voldsom suksess… Den kuttet, men nå var den jo for liten.

Forsøk Nr.2

Som jeg har nevnt tidligere i andre innlegg, så kan det være et problem at noe ikke er gjennomherdet. Det er ikke et like viktig moment her, det er mye viktigere at verktøyet er hardt ytterst. Det er selvsagt ønskelig at den er gjennomherdet, men med en så tynn del er det ikke et problem. Det som derimot var det største problemet mitt, var som sagt at jeg ikke hadde mulighet til å beskytte delen mot dekarborisering / oksidering. Så løsningen ble da å la det være igjen såpass mye materiale at stålet selv ble en beskyttelse mot dekarborisering lenger inn i materialet.

Så til forsøk nr.2 lagde jeg pre-herding skiven større i alle retninger, og økte herdetemperaturen, men halverte liggetiden, i følge herdedataene.

Etter herding var det rett i anløpningsovnen.

Jeg anløpte ved 200 °C i de anbefalte minimum 2 timene, men kun én gang, for jeg var redd for å miste for mye hardhet.

Deretter var den klar for sliping.

Plansliping.

Jeg brukte en bit sølvstål til å indeksere den planslipte delen igjen, slik at jeg visste hvor den stod i forhold til tegningen og hvor mange grader jeg skulle vri delehodet.

Sliping med carborundum-kopp

På tide med en liten test.

Se det var bedre ja!

Den endte opp med å gjøre jobben ypperlig.

Alle varmebehandlingsdata i dette innlegget er hentet fra Uddeholms datablader om dette spesifikke stålet, her.

Et addendum til gjenger

Jeg har i lengre tid forsøkt å vri hodet mitt rundt gjenger og alle dets iboende finurligheter. Noen anstrengelser har vært til mer nytte enn andre, men heliske profiler rundt sylindere fortsetter å gi meg mareritt. Hvordan kan noe så enkelt være så komplekst?

Jeg har skrevet om gjenger før, et generelt overblikk over hva det er, hvilke standarder som benyttes og hvordan de brukes. Men det har ikke nevneverdig fordypet den grunnleggende og intuitive forståelsen av hva det er som gjør gjenger i stand til å utføre sin oppgave som de gjør.

Med fare for å fornedre leserens intellekt må jeg igjen begynne fra starten:

Gjenger er en fellesbetegnelse på ulike profiler som dreier om en akse i en heliks, altså en lineær stigning, på den utvendige eller innvendige flate av sylindere.

Et innvendig gjenget hull og en utvendig gjenget stang av samme nominell diameter og stigning, er laget slik at de skal passe inn i hverandre ved å rotere slik at profilen på stangen havner inni det rommet som er skapt for den i den tilsvarende like profilen i hullet.

Når jeg sier “lik profil“ så mener jeg egentlig “motsatt profil”, den mottakende profil (hullet) må ha plass til profilen til stangen, standard 60° gjenger bare ser like ut fordi profilen er en likesidet trekant.

Dersom vi hadde brukt et mer ekstremt eksempel, en gjengeprofil som ikke er “symmetrisk“, ville man lettere sett forskjellen:

Her ser vi tydelig hvordan en asymmetrisk profil ville artet seg i en ekstern gjenge. “Toppene” er dobbelt så tykke some “dalene”, og det er i utgangspunktet ikke noe i veien med denne gjengen.

Disse gjengene er egentlig ikke “asymmetriske“, men gjengehøyden er ikke i nærheten av å være lik stigningen, som ellers er vanlig for de fleste normale gjengeprofiler. Her vil gjengehøyden være 1/3 av stigningen, ganske uortodoks, men det er bare et eksempel.

Men vi ser at den interne motparten til disse gjengene må nødvendigvis være “omvendt” for å ha plass til de brede toppene, så i “mutteren” blir “toppene“ veldig tynne, bare 1/3 av stigningen, i motsetning til de utvendige toppene som blir 2/3 av stigningen. Hvorav denne asymmetrien jeg prøver å poengtere.

Problemet her er at skjærverktøyet til utvendige og innvendige gjenger blir veldig forskjellig. Men nok om det, la oss fokusere tilbake på normale gjenger:

Når vi skal lage gjenger, så må vi som sagt påføre en profil rundt en stang eller hull. Denne påføringen kan kun gjøres på én måte, og det er å kutte den.
(Det finnes selvsagt unntak som additive prosesser, men i pragmatismens navn så ignorerer vi det.)

Hvordan de kuttes trenger vi ikke å gå inn på, det har jeg som sagt skrevet om før, her.

Men vi kan ikke legge på profilen slik, så kuttes må de, og det betyr at vi må starte med mer materiale enn vi trenger, det er vanskelig å lage spon av ingenting:

Altså må vi gjøre slik:

Stordiameteren blir navnet på gjengen; en M20 gjengestang krever et startmateriale på 20mm.

Men det samme gjelder ikke hull:

Dersom vi hadde startet med et 20mm hull og dreiet innvendige gjenger i det ville vi endt opp med noe fullstendig ubrukelig:

Stangen ville bare sklidd inn og ut fordi stordiameteren til stangen er nå mindre enn minstediameteren til hullet. Vi har i praksis skapt en klaringspasning med et unyttig mønster på.

Altså må vi gjøre slik:

Vi må som sagt starte med mer materiale enn vi skal ende opp med, og det betyr at hullet må bli mindre enn 20mm.

Men hvor mye mindre?

Man skulle kunne tenke seg at vi da må starte med minstediameteren til de utvendige gjengene, den diameteren som blir avstanden mellom toppene i hullet, men dette blir heller ikke riktig:

Hvis vi hadde tatt en M20 gjenge, som har en stigning på 2,5, ville minstediameteren blitt 15mm (ikke egentlig, men la oss bruke runde tall for enkelhets skyld).

Vi kan se på bildet til høyre at det ikke ville gått, etter at gjengene var dreid ville de vært altfor trange og krasje.

Hvorfor skjer dette?

Vel, det er et resultat av gjengens heliske natur.

Siden profilen består av både et protruderende segment og et intruderende segment; vil den alternere mellom å “stikke inn” og “stikke ut” hver halve omdreining.

Altså er “tykkelsen“ til skruen, sett fra et aksialt tverrsnitt, alltid være minstediameteren + en gjengehøyde (som teknisk sett mer eller mindre tilsvarer en stigning). Eller stordiameteren - en gjengehøyde, avhengig av hvordan du velger å se på det.

Dette tverrsnittet blir altså da en sirkel som “slanger” seg langsetter rundt aksen av skruen i en heliks-formet bane.

Hadde profilen vært påført i en ikke-helisk form, altså at toppene og bunnene havnet på lik linje på hver side av skruen ville det vært korrekt å lage hullet med minstediameteren, men da… vel… da ville det jo ikke gått an å skru den…

Så derfor må vi lage hullet i stordiameteren - en stigning, så for en M20x2,5 innvendig gjenge blir gjengeboret 17,5mm.

Du har kanskje lagt merke til at gjengebor noen ganger oppgis litt større enn dette, for eksempel er gjengeboret til M10x1,25 8,8 og ikke 8,75?

Vel, det kommer jo først å fremst av at 8,75 ikke er et lett bor å oppdrive, men også fordi det er bedre å lage hullet litt større enn litt mindre enn regnestykket vårt tilsier. Dette er hovedsakelig fordi denne forskjellen mellom nominell hulldiameter og gjengebor diameter blir til toppklaringen for de innvendige gjengene.

Dersom det brukes fullprofilskjær er ikke dette kritisk, det blir tatt hånd om av skjæret, men ved bruk av HSS stål eller gjengetapp er det en fordel at hullet er større enn den teoretiske verdien.

Det må jo nemlig være litt slark for at de to delen faktisk skal være mulig å skrus sammen. Hvor mye slark som er lov å ha er definert i noe jeg ikke før har nevnt når det kommer til gjenger; toleranseklasser.

Nå har jeg riktignok skrevet om toleranser før, her, men ikke når det kommer til gjenger.

Det er stort sett mye av det samme, men gjengene er jo ikke en glatt sylinder, så det kan variere hvor på bolten eller hullet denne pasningen måles.

Når det kommer til gjenger, så er ikke stordiameteren eller lillediameteren egentlig det viktigste, men “profildybden”. Siden gjengene består av skrå flanker som møter hverandre, er det her det blir krasj. Dersom profilen ikke er kuttet til riktig dybde blir jo ikke avstanden mellom to flanker på delediameteren (eller midtdiameteren som det også heter) korrekt.

Så hvor dypt man slår gjengene vil påvirke hvor slarkete de blir. Åpenbart nok, men toleranseklassene definerer tillat slark.

I US Customary (imperial) så bruker de en relativt enkel toleransesetting:

A og B, der A refererer til eksterne gjenger og B refererer til interne gjenger.

• 1A / 1B er en løs pasning ment for dagligdagse applikasjoner

• 2A / 2B er en litt trangere klaringspasning ment for mer fin-industrielt bruk

• 3A / 3B er en trang pasning med ganske fine toleranser.

Men når det kommer tilbake til vårt eget bedre og mer logiske system, så bruker metrisk det samme systemet som for pasninger ellers, men som sagt, hvor dette måles kan variere. Dette er oppgitt i ISO 965/1.

Som vi kjenner så brukes stor bokstav for hull, altså innvendige gjenger, og liten bokstav for stag, altså utvendige gjenger. Toleransegrad 6 er ment for generelt bruk, og mindre tall betyr en trangere toleranse.

Som jeg nevnte tidligere så er det midtdiameteren som er viktigst, og dette er en imaginær linje som alltid ligger på midten av flanken, d.v.s. midt mellom topp og bunn av den teoretiske profilen (stigningen/2). For å måle denne nøyaktig kreves det vanligvis gjenge-mikrometer, som er et kapittel for seg selv.

Metriske gjengetoleranser kan oppgis på 2 måter, med én eller to toleransegrader.

Den første graden refererer til midtdiameteren, den andre til stordiameteren. Dersom toleransene er like, sløyfes den ene og begge representeres med en toleranse. Tallene her er ikke de samme som for vanlige stag og hull, se standarden for tall.

Alt du trenger å vite om: Borehode

Et borehode, også kalt utboringshode, (eng.: boring head) er en meget nyttig, nesten uunnværlig, innretning og tilleggsutstyr til enhver vertikal fres.

Et borehode med tilhørende verktøysett.

I all hovedsak er det en måte å transformere en fres om til en “omvendt dreiebenk”, i den forstand at det gjør maskinen i stand til å lage sirkulære former, men arbeidsstykket står fortsatt stille mens verktøyet beveger seg. Forskjellen er at verktøyet som benyttes er en ‘single point cutter‘, vanligvis i form av en borestang (eng.: boring bar).

Et verktøy som i utgangspunktet er beregnet til innvendig dreiing er ypperlig for bruk i et borehode siden det vanligvis har to viktige egenskaper; stor endeklaring og høy spissvinkel. Med andre ord er det formet slik at det presenterer kuttpunktet sitt ut og vekk fra kroppen. Når det kommer til borestenger beregnet for bruk i borehoder er det ikke uvanlig at de har null endeklaring, d.v.s. at de er flate i bunnen, som ofte kan være en fordel.

Borehoder er ypperlig for å lage store hull som må ha en eksakt dimensjon (innvendig boring), forstørre eksisterende hull, forbedre overflatefinheten på hull og lignende. Når man bruker et borehode er det vanlig å finne senter av operasjonen som skal utføres, for så å låse X og Y aksene og mate i Z. Avhengig av operasjonen er det mulig å bruke spindelmating, men det er anbefalt å flytte Z-aksen i steden, for økt stivhet og resultat.

Det kan også brukes til det motsatte, å lage sirkulære protruderende aksler (utvendig boring), som ellers ikke ville vært mulig å lage uten et rundmatingsbord eller sirkulær interpolering på en CNC-maskin.

Her stilles verktøyet til riktig diameter og mates nedover, på samme måte som innvendig boring, men - avhenging av verktøyet - må spindelrotasjonen snus, som om vi dreier på “baksiden“ av kjoksen i en dreiebenk.

Typiske operasjoner for borehoder:

Et borehode har et par deler hvis funksjon ikke nødvendigvis er videre opplagt. Kunnskap om disse er nødvendig for flere av operasjonene over. Borehoder kommer i ulike grader av kompleksitet.

De er essensielt delt opp i to deler: snekkehuset (kroppen) og sleiden (eng.: body & slide). De er festet sammen med et svalehalespor (eng.: dovetail) og en justeringsskrue som endrer diameteren på kuttet.

Hovedskruen (eng.: quick setting spindle) er hovedsakelig en grovinnstilling og brukes til å endre diameter raskt. En omdreining her flytter vanligvis sleiden flere millimeter av gangen. Finjustering gjøres med snekkeskruen på siden som er delt opp i hundredels millimetere. Normalt sett er denne oppgitt for diameteren på arbeidsstykket, ikke bevegelsen av sleiden, slik at hvis man flytter skruen én gradering øker man diameteren med 0,01mm, med andre ord flytter sleiden seg 0,005mm. Dette er oppgitt på hodet. Pilene indikerer hvilken retning som flytter sleiden en spesifikk vei.

Bildet over er av et mer avansert borehode, ofte kalt et automatisk borehode eller universalt borehode (eng.: universal boring head, facing & boring head). Det har den funksjonen at det kan mates radialt mens verktøyet roterer, slik at man kan plane eller lage radiale spor i bunnen eller andre steder langsmed hullet eller akselen.

Her ser vi snekkeskruen for finjustering (eng.: fine setting spindle, worm with scale), låseskruen som låser sleiden (eng.: clamping screw, arrest screw), strammeskruer for gib’en (en bit som ligger mellom de to delene i svalehalesporet for å justere slarken, jeg vet ikke om den har noe godt norsk navn) (eng.: slide tension, gib adjust screw), og strammeskruene for å feste verktøyet. Verktøyhullene er vanligvis Ø16 H7.

Det er viktig at verktøyet peker i den retningen man planlegger å mate sleiden, med kuttepunktet/kuttesiden så parallell som mulig med sleiden. Et par grader fra eller til spiller liten rolle, men et stort avvik vil endre både kutteferdighetene, og overenstemmelsen mellom justeringsskrue og faktisk mål.

Hovedskruen og gib’en, samt verktøyhullet i siden som gjør det mulig å montere verktøy stikkende rett ut for maksimal rekkevidde.

Over ser vi baksiden der vi finner de to endestoppene (eng.: feed dogs, stops), som avbryter automatisk radiell mating, og kan stilles etter ønsket diameter. En for hver vei. I midten finner vi utløseren (eng.: fixed pin) som endestoppene treffer slik at motstanden blir så stor at clutchen løser ut. Det er en oljenippel på hver side for å smøre sleiden.

Nå kommer vi til hjertet av det universale borehodet:

For å aktivere radiell mating må clutchpinnen presses ned i clutchsporet, slik at den aktiveres. Dette kan gjøres med en flat skrutrekker eller lignende. Ringen som pinnen sitter i (eng.: holding ring) roterer fritt. Under sitter materingen (eng.: scale ring) med et spor som clutchpinnen rir i når matingen er aktivert. Denne er koblet til finjusteringsskruen.

Materingen har vanligvis et par ulike valg for matehastigheter, under ser vi 0, 2, 4 og 6, som representerer hundredels millimetere økning i diamater per revolusjon. Her er borehodet stilt inn til 0,06mm/rev mating. 0 betyr at borehodet ikke vil mate, selv om clutchen er lagt inn. Matehastigehten stilles inn ved å vri på matejustering-ringen med det røde indikasjonmerket.

I clutchringen er det en settskrue som justerer clutchstyrken, altså hvor mye last som skal til før clutchen utløser og stopper matingen. Den har også et hull for håndtak som man er nødt til enten å holde selv eller hvile inntil en stasjonær del av maskinen. Når spindelen igangsettes og håndtaket holdes igjen vil de tre ringene stå stille mens resten av hodet roterer og mater utover til man slipper håndtaket, eller; til endestoppen treffes eller verktøyet overbelastes, begge ting som vil belaste clutchen slik at den løser ut.

Enda mer feinschmecker borehoder som også kan mate aksialt, og begge to samtidig (slik at man kan bore koner!) eksisterer fra produsenter som f.eks. Wohlhaupter.

Ingen borehoder kommer med skala, så vidt jeg vet. Det eksisterer digitale borehoder som gir deg enkel avlesning av diameter, men disse er ikke til bruk i manuelle maskiner, stort sett.

Så, hvordan setter man borehodet til å kutte riktig diameter?

Det er hovedsakelig to måter å finne dimensjonene sine:

Den første og enkleste er rett og slett å ta et kutt og måle, for så å justere videre derfra.

Den andre er som følger:

1. Finn en kant på arbeidstykket, eller på et stykke offermateriale

2. Sett spindel-senter på denne kanten

3. Null avlesningen på fresen

4. Flytt kanten bort fra senter lik radien til ønsket kutt

5. Juster borehodet til verktøyet berører kanten

6. Et voilá!

På bildet helt øverst i innlegget er det avbildet et borehode med litt tilleggsutstyr. Dette kan kombineres for å utføre en rekke oppgaver:

Og hvis man føler seg riktig freidig kan man kombinere verktøy som f.eks slik:

Borehoder bør ikke kjøres over 1000 RPM, spesielt ikke hvis sleiden er skrudd langt til en side. Dette kan skape vibrasjoner som gir dårligere nøyaktighet og finish. Større hoder bør ikke kjøres over 600. Når det er sagt, her er noen anbefalte skjæredata:

Men ta dette som EKSTREMT veiledende, og ikke som en fasit! Utover det gjelder skjærehastigheter som ellers for materiale og verktøygrad.

Kuttdybde bør ikke overstige 4mm med en mating på 0,06mm/rev (hverken aksialt eller radialt). Men dette avhenger voldsomt av utstikk, materiale, oppspenning, applikasjon, o.s.v. Som en tommelfingerregel kan kuttdybde økes når mating senkes. Det viktige er at lasten blir lik.

Dersom verktøyet vibrerer (sperrer) anbefales det å senke skjærehastigheten eller øke matingen.

Det er hensiktsmessig å ikke ta for tynne kutt hvis det kan unngås (med mindre det er et finkutt selvsagt). Dersom det benyttes skjær med høy spissvinkel kan en kuttdybde som er større enn neseradien bidra til å stabilisere verktøyet.