Udholdenhed ved drejning af stål Ny innovation leverer best practice-løsninger til dagligdagens bearbejdningsudfordringer 1
Introduktion Kundesucces Kontrollerede slidmekanismer Beskyttelse af skærkanten Værktøjslevetiden tredoblet Ensrettede krystaller Endnu større udholdenhed En strategi der giver succes Afgørende valg 3 4 5 6 7 8 9 10 11 2
Udholdenhed ved drejning af stål Ny innovation leverer best practice-løsninger til dagligdagens bearbejdningsudfordringer Ingeniører og værkførere er under konstant pres for at reducere cyklustider, øge produktiviteten og forbedre sikkerheden i alle aspekter af fremstillingsproceduren. Men i en proces som drejning af stål, formentlig den mest almindelige af alle bearbejdningsoperationer, har det i de senere år vist sig som noget af en udfordring at vinde noget - indtil nu. I denne hvidbog undersøger vi nye fremskridt inden for materialevidenskab, der har gjort det muligt for de nyeste skærkvaliteter til drejning af stål at demonstrere hidtil usete niveauer af udholdenhed hos stålbearbejdende virksomheder verden over. Desuden refereres der til virkelige bearbejdningsudfordringer, og det vises også, hvordan de blev overvundet. De imponerende gevinster, der på denne måde er opnået, er nu tilgængelige for alle inden for bearbejdningsindustrien, der er klar til at inddrage konceptet med den banebrydende innovation. Forudsigelighed er blevet af tiltagende vigtighed inden for moderne drejning, især der hvor der er begrænset overvågning af produktionen. Desværre vil der altid være udfordringer for skærkanten under drejning af stål. Én af udfordringerne er bredden af ISO P25- applikationsområdet, der omfatter flere meget forskellige materialer, fra duktilt stål med lavt kulstofindhold til højtlegerede, hårde ståle, fra stangstål til smedede emner og fra støbte emner til forbearbejdede dele. I den forbindelse skal man huske, at de største tidsslugere inden for moderne produktion er skærskift, produktionsafbrydelser og at finde det rigtige skær til hver applikation og hvert materiale. GC4325, ét enkelt, langtidsholdbart skær til hele ISO P25-området leverer løsningen i form af flere dele pr. skærkant og færre stop for at skifte skær. Oven i købet betyder den samme, forlængede værktøjslevetid hver gang, at der ikke sker pludselige brud og mindre ombearbejdning og kassation. Den gode nyhed er, at alt dette er ekstra oven i GC4325 s evne til at bearbejde med højere skæredata. 3
Hvordan er det så muligt? Skærsubstratet og belægningen på GC4325 er i høj grad i stand til at bevare skærkanten ved højere temperaturer, hvilket udmønter sig i potentialet til højere skærehastigheder med ekstra sikkerhed i kraft af en mere forudsigelig, længere værktøjslevetid. Det betyder, at der nu er en gennemsnitlig produktivitetsstigning på 30 procent tilgængelig, i forhold til andre eksisterende teknologier. Alt i alt leverer GC4325 et nyt performanceniveau med belagte, hårdmetal-vendeskær, der dækker et stort og varieret applikationsområde. Oven i købet underbygges disse påstande nu af en række virksomheder inden for bearbejdningsindustrienover hel verden, der beviser, at teknologien er i stand til at overvinde hverdagens udfordringer ved drejning af stål. Kundesucces Blandt dem, der hurtigt tog GC4325 til sig, er Bifrangi SpA. En virksomhed med 430 medarbejdere, der bearbejder støbte emner i stål til bilindustrien. Beliggende i Mussolente nær Vicenza i Italien omfatter virksomhedens kunder bilgiganter som BMW, Getrag og Deutz blot for at nævne nogle få. Der bruges en Famar CNC karusseldrejebænk med en Coromant Capto C4-kobling, og opgaven omfatter skrubbearbejdning af et bilnav med en diameter på 200 mm. Der skal udføres udvendige aksial- og plandrejningsoperationer på et emne fremstillet af støbt stål (CMC kode 02.1). Med en indgrebstid på 26 sekunder pr. del kunne Bifrangi fremstille 116 komponenter ved hjælp af den tidligere skærkvalitetsgeneration, kvaliteten GC4225, før skæret krævede udskiftning. Men med samme type skær (firkantede CNMG-skær med PR-spånbrydningsgeometri) i den nye kvalitet GC 4325, kan virksomheden nu fremstille 160 komponenter, hvilket svarer til en forlængelse af værktøjslevetiden på 38 %. Skæreparametrene er identiske: Skærehastighed 200 m/min; spindelhastighed 318 o/min.; tilspænding 0.36 mm/o.; og spåndybde 2 mm. En kombination af høje skæredata og en dokumenteret forlængelse af værktøjslevetiden er nøglen til GC4325. Kort fortalt bliver skæret bare ved og ved, som Gurgaon, indisk fabrik under Bajaj Motors kan bevidne. Bajaj Motors drejer vigtige smedede transmissionsemner til bilkunder som Tata, Hero MotoCorp, Suzuki, Mahindra, Nissan og Renault. Da Sandvik Coromant sagde, at den nye kvalitet GC4325 ville give en forbedring på 20-25 % i forhold til vores bedst kørende kvalitet, troede vi ikke på dem, udtaler Tarun Bhargava, General Manager (Engineering) for Bajaj. Selv da de viste os resultaterne, tænkte vi, at der måtte være tale om en eller anden slags manipulation. Så vi kørte tests på to forskellige maskiner, og resultatet blev det samme begge gange. Derfor bruger vi nu GC4325 til at reducere vores omkostninger pr. komponent, og det forbedrer også vores indtjeningsmargen. GC4325 giver os gode muligheder for at forbedre vores bearbejdningsprocesser udtaler virksomhedens grundlægger, Francesco Biasion, President. Dets pris er ikke så vigtig som værktøjslevetiden, fordi holdbarhed kan giver økonomiske fordele. Endelig vil dette skær hjælpe os med at øge vores forretning ved at gøre os endnu mere konkurrencedygtige på markedet. 4
Kontrollerede slidmekanismer Slid på skæret vil altid være uundgåeligt, men nøglen er at være i stand til at begrænse og kontrollere sliddet. Det er en virkelig fordel ved GC4325: en stærkere skærkant, der gør det muligt at køre med maskinerne om natten, eller der giver processikkerhed uden stop hele dagen lang. Et repræsentativt eksempel på et materiale, hvor GC4325 har oversteget forventningerne, er stål der bruges til lejer. Det udfordrer specifikt skærkanten, og fremkalder ofte hurtigt grubeslid. Med henblik herpå har Sandvik Coromant udviklet skærsubstratet og belægningen, så de bedre kan modstå diffusionslid ved høje temperaturer og dermed reducere den effekt, der forårsager udviklingen af grubeslid på oversiden. På den måde er GC4325 også i stand til at opretholde en ideel væskeflowzone, når spånen dannes, hvilket betyder, at der kan bruges en højere skærehastighed, men med den skærkantsikkerhed der er nødvendig ved ubemandet bearbejdning. GC4325 er så effektivt, fordi det er designet til at takle de mekanismer, der fører til for tidligt nedbrud. Essensen er udvikling af skærets substrat, belægninger og efterbehandling for at begrænse kontinuerligt, kontrollérbart slid og eliminere tilstande med diskontinuerligt slid. Når et skær kun udsættes for kontinuerligt, kontrollérbart slid, vil dets performance være konsistent og forudsigelig. I modsætning hertil forårsages diskontinuerligt slid af spredte, diskrete begivenheder, som f.eks. forekomsten af en overfladerevne, plastisk deformation eller afskalning af belægningen. Virkningerne af diskontinuerligt slid er vanskelige elle umulige at kontrollere. GC4325 viser mindre slid efter en længere indgrebstid, sammenlignet med en konkurrerende skærkvalitet. Konkurrentskær GC4325 15 min 19 min 5
Beskyttelse af skærkanten For at opnå succes, så skal man ved drejeoperationer i P25-stålområdet forholde sig til og balancere mange faktorer. Hvis for eksempel skærkanten ikke forbliver intakt, opstår der hurtigt et nedbrud, der resulterer i uacceptable komponenter og tab af bearbejdningssikkerhed. Her er modstandsdygtighed over for brud afgørende, lige så vel som en skærkant der er i besiddelse af den nødvendige hårdhed til at modstå plastisk deformation fremkaldt af de ekstreme temperaturer, der kan opstå i P25-skærzoner. Endvidere skal skærets belægning klæbe tæt til substratet. Hvis belægningen ikke hænger fast, ødelægges det fritlagte substrat hurtigt. Observationer af skærets adfærd viser, at det optimale slidmønster for alle skær er kontrolleret flankeslid, fordi det beskytter skærkanterne. Flankeslid fremkaldes ved abrasivt slid af frigangsfladen under skærkantlinjen, mens det abrasive slid er et resultat af spånens passage, mens den dannes under bearbejdningen. Flankeslid er den naturlige nedbrydning af materiale, og er acceptabel, så længe andre former for slid holdes i skak. Et andet almindeligt slidmønster, der er kontrollerbart er grubeslid. Grubeslid opstår ved drejning af stål på grund af varme og tryk. Lige som flankeslid er noget grubeslid acceptabelt, så længe det ikke svækker skærkanten. Både grubeslid og flankeslid er almindelige ved drejning af stål, og så længe det kun er disse slidmønstre der opleves og kontrolleres indeholder processen potentiale til høj produktivitet. Andre faktorer, der hjælper med at give et vellykket resultat omfatter mikroog makrogeometri, næseradius, skærstørrelse og -form. Kombination af disse og skærkvaliteten er grundlaget for optimerede drejeoperationer. Afhængig af applikationen kan der opnås højere spånvolumener og skærehastigheder på over 400 m/ min, en skæredatakapacitet der overgår alt, hvad der tidligere er set. Markedsresearch udført af Sandvik Coromant indikerer, at fremstillingsindustriens gennemsnitlige skærehastighedsniveau ligger omkring 70 procent af de anbefalede værdier. Det afhænger naturligvis delvist af faktorer som maskinkapacitet, emnediametre, driftskompetence og modvilje mod risiko. Men for et maskinværksted der udnytter eksisterende skæreteknikker fuldt ud, kan der opnås op til 30 procent ekstra produktivitet med GC4325. Kort sagt hjælper de fremskridt, der kan opnås med den nye kvalitet brugerne til at undlade at være tilbageholdende med skæredataniveauerne. GC4325 er i stand til at køre med skæredata, der er højere end næsten alle andre P25- kvaliteter: Produktivitet gennem metalbearbejdningseffektivitet. Spåntagningseffektivitet - cm 3 /min En forøgelse af værktøjslevetiden på 10-200 % er set med GC4325 (gennemsnit >30 %): Produktivitet gennem højere maskinudnyttelsesgrad. Maskinudnyttelse - % 6
Værktøjslevetiden tredoblet Et godt eksempel kan findes på et maskinværksted i Tyskland, hvor brugen af et GC4325-skær på et hus til bilindustrien fremstillet af smedet kulstofstål C60V (250 HB) har tredoblet antallet af komponenter pr. skærkant. Sammenlignet med et konkurrerende skær bearbejder skæret i GC4325 45 huse pr. skærkant mod tidligere kun 15. Endvidere er skæredataerne øget med 30 % til en skærehastighed på 180 m/min og en tilspænding på 0.4 mm/o. Spåndybden 3 mm. Mere beskedne men stadig imponerende gevinster opnås også i UK ved en bearbejdningsoperation på et hjulnav. Navene er fremstillet af støbt, legeret stål DIN38MnVS6 (250 HB), og GC4325 gør det muligt at bearbejde 100 hjulnav pr. skærkant med en spåndybde på 2 mm i stedet for bare 60 nav; det giver en stigning på 67 procent. Teknikere undersøger nu muligheden for at accelerere processen fra dens eksisterende 180 m/ min og en tilspænding på 0.37 mm/o. Et andet sted har en brasiliansk underleverandør til bilindustrien overvundet udfordringen med at bearbejde smedet kulstofstål SAE 1045 (235 HB) ved at bruge GC4325-skær til at skabe balance mellem en høj skærudnyttelsesgrad og et godt sikkerhedsniveau. Tiltaget giver 34 procent flere komponenter pr. skærkant uvurderligt i en storvolumen-applikation. Skærehastigheden er 250 m/min, mens tilspændingen er 0.35 mm/o. På en virksomhed i Indien, der drejer krumtapaksler til markedet for tohjulere, udgjorde gratdannelse et særligt problem på smedet, legeret stål JIS SCM430 (320 HB). Men kunden oplever ikke kun en gevinst på 43 % flere komponenter pr. skærkant ved at bruge GC4325-skær, men gratdannelsen forsinkes yderligere 20 komponenter takket være en skærkant, der forbliver intakt i længere tid. Der kan også opnås fordele ved bearbejdning af tandhjul til biler, som en kunde kan bevidne efter at være skiftet til GC4325 en ændring der betyder, at maskinen kan køre meget længere, før det er nødvendigt at skifte skær; derved spares timevis af produktionstid pr. år. Applikationen omfatter udvendig aksial drejning og plandrejning af tandhjul fremstillet af lavtlegeret stål, P2.1.Z.aN (200 HB). Ikke blot er værktøjslevetiden blevet forlænget med 159 procent (220 komponenter pr. skærkant sammenlignet med 85, da der blev brugt et konkurrerende skær), men skærehastigheden er også blevet øget med 50 %, fra 300 til 450 m/min. Der findes naturligvis masser af brancher ud over bilbranchen, der kan drage fordel af større udholdenhed ved drejning af stål. Et specifikt eksempel er olieog gasindustrien. For eksempel har et kinesisk maskinværksted, der skrubdrejer aksler til olie- og gassektoren med en spåndybde på 4.5 mm, oplevet en fordobling af antallet af komponenter pr. skærkant ved at bruge GC4325-skær. Materialet er smedet, legeret stål 42CrMo (280 HB). I Italien nyder en anden specialist inden for energisektoren godt af 33 procent flere komponenter pr. skærkant, når de bearbejder olie- og gasventiler fremstillet af valset kulstofstål LF2. Ved at bruge et GC4325-skær kan virksomheden nu færdiggøre to komponenter på 23 minutter med blot små tegn på slid sammenlignet med 1,5 komponent på 17 minutter ved brug af et konkurrerende skær. Skæredataene omfatter en skærehastighed på 350 m/min, en tilspænding på 0.39 mm/o. og en spåndybde på 3 mm. 7
Ensrettede krystaller GC4325 viser sig som en super effektiv platform til overvinding af alle disse udfordringer. I det væsentlige består kvaliteten af et hårdmetralsubstrat, et lag TiCN (titaniumcarbonitrid), et lag Al 2 O 3 (aluminiumoxid) og et lag TiN (titaniumnitrid). Krystalstrukturens beskaffenhed inde i laget af aluminiumoxid er unik. Her ligger krystallerne i samme retning med de længste facetter i en næsten parallel position. Derudover er alle krystallerne orienteret med det tætteste atomplan i retning mod den skærende flade. Denne heads up - orientering gør aluminiumoxidlaget meget hårdt, så det modstår slid udsædvanligt godt. Denne krystalorientering, kendt som Inveio, gør det muligt for aluminiumoxidlaget at virke som en barriere mod varme fra skærezonen. Det tætte atomplan nærmest overfladen afbøjer varme ind i spånen og kølevæsken. I mellemtiden ledes den varme, der absorberes af skæret, til det mindre tætte atomplan nærmest TiCN-belægningen, hvor den spredes ud i laget og substratet nedenunder. Ved at forhindre opbygningen af varme, afværges plastisk deformation fordi skærets overflade ikke bliver varm nok til at miste sin oprindelige form. Den vellykkede produktion af skær baseret på GC4325- kvaliteten hænger sammen med den avancerede kontrol af chemical vapour deposition (CVD)-processen der danner hvert lag af belægningen. Desuden bidrager andre aspekter af fremstillingsprocessen til eller understøtter det specielle aluminiumoxidlags funktionalitet. For det første er hårdmetalsubstratets struktur udstyret med en koboltberiget overfladegradientzone, der fungerer som et tyndt yderlag, der er en smule blødere end den indvendige kerne. Det giver en stødabsorberende polstring for de belagte lag. Men den indvendige kerne af substratet, bevarer sine seje, slidstærke egenskaber der stammer fra de fine korn i wolframcarbid og koboltbinder. For det andet har Sandvik Coromant udviklet metoder til at producere en skærkant med en særdeles ensartet radius. Med de fleste af de kendte metoder på markedet varierer denne radius med så meget som ±15 µm. Nu er bredden på afvigelsen mindre end en tredjedel heraf. Større ensartethed forbedrer forudsigeligheden af skærkantens performance og hjælper med at bevare skarpheden. Endelig underkastes overfladen af det færdige skær en efterbehandling, der kan glatte og blande dens tekstur, mens den fjerner TiN-belægningen der, hvor der ikke er brug for den. Desuden ændrer denne behandling spændingen mellem belægningerne og substratet: trækspænding reduceres; trykspænding forbedres. Resultatet er en tættere vedhæftning mellem belægninger og substratet. I konventionelle CVD aluminiumoxidbelægninger er krystalorienteringen tilfældig. Med Inveio, vendes hver krystal i aluminiumoxidbelægningen i samme retning mod overfladen. 8
Endnu større udholdenhed Succesen for GC4325 siden kvaliteten blev lanceret i oktober 2013 er uden fortilfælde. Men for at understøtte temaet om udholdenhed inden for drejning af stål yderligere blev GC4315 introduceret i marts 2014 som det foretrukne valg, når der kræves endnu højere hastigheder og længere indgrebstider. GC4315, der er designet til at optimere ISO P15- applikationsområdet er i stand til at modstå ekstremt høje skæretemperaturer, hvilket muliggør større spånvolumener uden at gå på kompromis med værktøjslevetiden. Lige som GC4325 har kvaliteten GC4315 teknologien Inveio ensrettet krystalorientering. GC4315, der er meget velegnet til ubemandet masseproduktion selv i hårde emnematerialer kan anvendes til udvendig og indvendig drejning, skrub- og sletbearbejdning, bearbejdning med og uden køling, og til kontinuerlig bearbejdning samt bearbejdning med let afbrudt spån. Lige så imponerende resultater opnås af en anden kunde, som i dette tilfælde udfører udvendig profildrejning på en drivaksel af lavt legeret stål (200 HB). Ved en skærehastighed på 350 m/min havde GC4315 bedre modstandsdygtighed over for flankeslid og større skærkantsikkerhed i forhold til det konkurrerende skær, hvor belægningen var slidt og substratet fritlagt. Et andet sted oplever en anden kunden i bilindustrien, der bearbejder stempeldæksler, at GC4315 færdiggør 20 komponenter sammenlignet med 17, når der bruges et konkurrerende skær. Det skyldes den forbedrede modstandsdygtighed over for abrasivt grubeslid, der gør det muligt for GC4315 bedre at kunne modstå den varme der genereres, når der bearbejdes lavt legeret stål, P2.5.Z.HT (310 HB). Desuden er skærehastigheden blevet øget fra 180 m/min til 200 m/min, mens der også kan tages spåner på 2,5 mm i forhold til 2,0 mm tidligere. I en kundeapplikation på et adapterhus fremstillet af lavt legeret stål (335 HB) skaber GC4315 imponerende resultater. Skæret bearbejder to komplette komponenter (udvendig, aksial- og plandrejning), mens et etableret, konkurrerende skær kun klarer 1,2 komponent. Det skyldes bedre modstandsdygtighed overfor grubeslid, som den nye kvalitet demonstrerede; det er afgørende ved så lang indgrebstid (19,24 minutter pr. komponent). Spåndybden 3 mm. 9
En strategi der giver succes Mange vil måske mene, at drejning af de såkaldte blødere ståltyper i P25-området er temmelig lige ud ad landevejen, men i virkeligheden kan duktiliteten i materialer som f.eks. stål med lavt kulstofindhold forårsage større, uensartede spåner, der begrænser succesen. En god spåndannelse og -brydning er derfor nøglen til at opretholde en høj produktivitet i disse materialer. Forholdet mellem spåndybden og skærets næseradius har stor indflydelse på det spånbrydningsniveau, der kan opnås. For at opnå de bedste resultater på dette område, bør man prøve at opnå en spåndybde, der er større end eller i det mindste tæt på værdien for næseradiusen. Tilspændingen har også en stor indflydelse på spånbrydningen, når der bearbejdes stål med lavt kulstofindhold. En lav tilspændingshastighed vil resultere i tynde spåner, der er meget hårde at bryde. Lav tilspænding kombineret med mindre spåndybder betyder også, at spånen ikke er i stand til at nå spånbryderen. For at løse disse problemer skal man altid stræbe efter den højest mulige tilspænding under hensyntagen til emnets stabilitet, værktøjsfastspændingen og kravene til overfladekvaliteten. For at opnå den bedst spånbrydningsperformance skal du altid vælge en skæreretning, der giver en effektiv indgrebsvinkel så tæt på 90 som muligt bagdrejning bør undgås, da det giver en meget lille, effektiv indgrebsvinkel. En bedre spånbrydning kan opnås med en nedadgående skæreretning på emnet, hvilket også minimerer risikoen for vibration. 10
Afgørende valg Det er klart at procesvariabler er afgørende i ståldrejeapplikationer, især når det gælder valget af drejeskær. Mange faktorer skal tages i betragtning og afbalanceres, når man vælger de skærkvaliteter, der skal skaffe optimale resultater. Tidligere foretog procesingeniører strategiske afvejninger mellem spånvolumener, værktøjslevetid og risiko for procesafbrydelser. Men i dag er den altovervejende beslutning ofte, hvordan man tilpasser processer, der drager fordel af drejeudstyr beregnet til ringe inddragelse af operatøren. Operatøren kan være til stede, men med den opgave at overvåge og passe flere maskiner. Eller operatøren er måske slet ikke til stede, når han har gjort maskinen klar til drift på et ubemandet skift, om natten eller i weekenden. I et sådant miljø har processikkerheden og forudsigeligheden af det skærende værktøjs performance endnu større betydning. Med GC4325 og GC4315 har Sandvik Coromant vist sin bevidsthed om skiftende prioriteringer i drejeapplikationer ved at udvikle skærkvaliteter, der giver producenter en gedigen fordel mht. produktivitet og rentabilitet. 11
Sandvik Coromant er verdens førende leverandør af skærende værktøjer, værktøjsløsninger og knowhow til den metalbearbejdende industri. Med omfattende investeringer i forskning og udvikling skaber vi unikke innovationer og sætter nye produktivitetsstandarder sammen med vores kunder. Kunderne tæller blandt andet verdens største bil-, aerospace- og energiindustrier. Sandvik Coromant har 8000 medarbejdere og er repræsenteret i 130 lande. Vi er en del af forretningsområdet Sandvik Machining Solutions under den globale industrikoncern Sandvik. www.sandvik.coromant.com/steelturning 12