Jyrsinnän lastunpaksuusmallinnuksen kehitys

Monet tekijät vaikuttavat lastuamisprosessien tuloksiin. Yksi tärkeimmistä ja heikoimmin ymmärretyistä tekijöistä on lastuavan työkalun aikaansaamien lastujen paksuus. Tämä mitta saadaan yksinkertaisesti tarkastamalla oikeassa kulmassa lastuamissärmään nähden olevan, muodossaan pysyneen materiaalin paksuus. Lastunpaksuus on läheisessä suhteessa esimerkiksi työkaluun ja työkappaleeseen vaikuttavien voimien kanssa. Liian suuri lastunpaksuus aiheuttaa lastuamissärmän murtumista, kun taas riittämätön paksuus nopeuttaa särmän kulumista.

Määrittämällä lastunpaksuuden ja hallitsemalla sitä valmistaja voi maksimoida lastuamisen tuottavuuden ja tehokkuuden, räätälöidä lastuamisprosessit tiettyjä materiaaleja varten ja hallita kustannuksia. Jos lastunpaksuutta ei oteta huomioon, lastuavia työkaluja kuormitetaan helposti liikaa tai käytetään liian vähän, mikä vaikuttaa negatiivisesti työkalujen kestoikään ja tuottavuuteen. Tämän vuoksi onkin järkevää hyödyntää matemaattisia malleja, jotka valaisevat lastunpaksuuden toiminnallista merkitystä. Nämä mallit ovat kehittyneet yksinkertaisista, lastujen muodostumista vakaassa sorvaamisessa kuvailevista yhtälöistä monimutkaisiin kaavoihin, joissa otetaan huomioon useita keskeytyksille alttiin lastuamisympäristön muuttujia.

Jyrsinnän lastunpaksuusmallit

Jatkuvassa sorvaamisessa lastunpaksuus ei muutu. Sen sijaan jyrsinnässä lastujen paksuus vaihtelee jatkuvasti leikkuusärmän työntyessä työkappaleen sisään ja poistuessa siitä. Noin 40 vuotta sitten koneistuksen tutkijat kehittivät keskilastunpaksuuden konseptin helpottamaan lastunpaksuuden roolin ymmärtämistä jyrsinnässä. Heidän kaavansa luo matemaattisesti teoreettisen lastun, jonka keskipaksuus on aina sama. Keskilastunpaksuusmallin avulla jyrsintäprosessi ymmärrettiin paremmin ja sitä voitiin hallita tehokkaammin. Keskilastunpaksuutta määritettäessä on otettava huomioon jyrsimen radiaalinen lastuamisleveys, leikkuusärmän geometria ja kulma sekä syöttönopeus. Lastunpaksuutta voi muokata säätämällä syöttönopeutta. Jyrsimen lastuamisleveys työkappaleeseen nähden voi vaihdella jyrsimen halkaisijan pienestä prosenttiosuudesta aina uranpistossa käytettävään 100 prosenttiin asti. Lastujen paksuus on vähäinen pienellä lastuamisleveydellä ja kasvaa leveyden mukana saavuttaen enimmäisarvonsa lastuamisleveyden ollessa 50 prosenttia jyrsimen halkaisijasta. Kun leveysarvo nousee yli 50 prosentin, lastut alkavat jälleen ohentua.
Myös leikkuusärmän valmistelu vaikuttaa lastunpaksuuteen. Yleissääntönä voidaan sanoa, että lastunpaksuuden on oltava vähintään yhtä suuri kuin leikkuusärmän säde. Jos särmän pyöristyssäde on esimerkiksi 60 µm, syöttöä on säädettävä niin, että lastunpaksuudeksi tulee vähintään 60 µm. Liian pientä syöttönopeutta käytettäessä särmä hankautuu eikä pysty leikkaamaan työkappaleen materiaalia. Jyrsinten teräsärmissä tehdään yleensä valmistelutoimenpiteitä, jotka suurentavat särmän pyöristyssädettä ja suojaavat näin murtumiselta. Näitä ovat esimerkiksi hoonaus, viisteet ja ohjausreunat, jotka sallivat korkeampien syöttönopeuksien käytön vaikeiden materiaalien tai karkeiden pintojen jyrsinnässä. Tavoitteena on lastun muotoutuminen leikkuusärmän taakse, jotta painetta ja iskuja ei pääse kohdistumaan paikkoihin, joissa ne aiheuttavat särmän nopeaa kulumista ja murtumista. Syöttönopeuden säätäminen siirtää lastun muotoutumispaikkaa ja hallitsee lastunpaksuutta. Suurempi syöttönopeus luo paksumpia lastuja ja pienempi nopeus ohuempia lastuja. Lastuamissärmän kulmalla eli asetuskulmalla on suora vaikutus lastunpaksuuteen. Kun särmän kulma on 90 astetta, kuten nurkkajyrsimissä, lastunpaksuus on 100 prosenttia syöttönopeudesta. Leikkuusärmän kulman ollessa 45 astetta lastunpaksuus on kuitenkin 70 prosenttia syöttönopeudesta, koska lastu muotoutuu pidemmällä särmän osuudella. Kulman pienentäminen ohentaa lastuja, ja syöttönopeutta on nostettava, jotta lastunpaksuus pysyy halutulla tasolla.

Keskilastunpaksuusyhtälön soveltaminen

Keskilastunpaksuutta kuvaava yhtälö ottaa huomioon työkalun särmän kulman ja jyrsimen lastuamisleveyden. Kuvassa 3 näkyy yhtälön sovellusalue: sivujyrsintä sinisellä ja keskijyrsintä punaisella. Pääkaaviossa jyrsimen radiaalista lastuamisleveyttä verrataan jyrsimen halkaisijaan, mikä ilmaistaan Ae/Dc-suhteena. Kuvan nurkassa oleva pieni kaavio kuvaa asetuskulman vaikutusta. Kuvan tilanteessa keskilastunpaksuuden kaava ei toimi täydellisesti. Kun sivujyrsinnän radiaalinen lastuamisleveys on todella pieni verrattuna jyrsimen halkaisijaan, kaava ei toimi asianmukaisesti (katso pisteviiva). Kun keskeltä tapahtuvassa jyrsinnässä vähintään 50 prosenttia jyrsimestä on käytössä, punainen viiva osoittaa, että syöttönopeus nousee jatkuvasti. Tämä on ristiriidassa käytännön kokemuksen kanssa: suurempi lastuamisleveys edellyttää yleensä pienempää syöttönopeutta. Tämän vuoksi keskilastunpaksuuden malli on hyödyllisin radiaalisen lastuamisleveyden ollessa korkeintaan 20-25 prosenttia ja enintään 50-75 prosenttia jyrsimen halkaisijasta. Keskilastunpaksuuden kaava perustuu geometrisiin tekijöihin ja yksinkertaistaa monimutkaisen tilanteen. Vuosikymmenten käyttö on osoittanut, että keskilastunpaksuusmallin tarkkuus työkalun kestoikää koskevissa laskelmissa on +/-15 prosenttia. Tarkkuus on riittävä teho- ja vääntömomenttilaskelmia varten ja toimii useissa tavanomaisten työkappaleen materiaalien työstöoperaatioissa. Lisäksi keskilastunpaksuuden laskeminen onnistuu manuaalisesti kohtuullisen nopeasti ja vaivattomasti. Jos käyttökohteessa kuitenkin vaaditaan suurempaa tarkkuutta tai jyrsittävänä on niin kutsuttuja vaikeasti työstettäviä materiaaleja, tarvitaan lisätekijöitä huomioon ottava malli.

Ekvivalentti lastunpaksuus

Ruotsalainen tutkija Sören Hägglund kehitti laajemman mallin, jolla saadaan laskettua ekvivalentti lastunpaksuus ja jonka avulla työkalun kestoikä voidaan ennustaa +/-2 prosentin tarkkuudella. Kuvassa 4 näkyvässä mallissa keltainen kaari edustaa jyrsimen tuottaman todellisen lastun vaihtelevaa paksuutta. Oranssi palkki, joka kuvaa keskilastunpaksuutta, on suora versio keltaisesta lastusta. Sininen palkki puolestaan edustaa ekvivalenttia lastun paksuutta. Keskeinen ero on se, että ekvivalentti lastun paksuusmalli laskee myös ajan, jonka särmä on leikkuukohdan sisällä. Tämä on tärkeää, koska jyrsimen lastuamisleveyden vaihdellessa leikkuusärmän kosketusaika ja muodostuvan lastun paksuus muuttuvat. Ekvivalentin lastunpaksuuden malli huomioi myös työkalun nirkonsäteen vaikutuksen lastunpaksuuteen. Mallissa käytetään ruotsalaisinsinööri Ragnar Woxénin 1930-luvulla kehittämää konseptia, joka liittyy sorvaamiseen. Woxénin kaavalla lasketaan teoreettinen lastunpaksuus työkalun nirkkoa pitkin, jolloin tulos käytännössä suoristaa nirkon säteen ja mahdollistaa lastuamisalueen kuvaamisen suorakulmiona. Lastunpaksuuslaskelmien avulla valmistajat voivat välttää ongelmat, joita raja-arvoja ohuemmat tai paksummat lastut aiheuttavat. Kun radiaalinen lastuamisleveys kasvaa suhteessa jyrsimen halkaisijaan, syöttönopeutta on pienennettävä, jotta lastunpaksuus pysyy samana. Näin taataan, että suurin lastunpaksuus ei ylitä rajoja, joiden ulkopuolella se lyhentäisi työkalun kestoikää ja saattaisi rikkoa jyrsimen. Toisaalta lastujen on oltava tiettyä vähimmäismittaa paksumpia erityisesti muokkauskarkenevia materiaaleja, kuten superseoksia ja titaania, työstettäessä. Jos leikkuusärmä muodostaa liian ohuita lastuja, työstökarkenemista tapahtuu alueella, jota seuraavat särmät lastuavat. Tämän lujittuneen alueen työstäminen kiihdyttää työkalun kulumista ja voi lyhentää sen kestoikää jopa kolmenkertaisesti. Monet konepajat työstävät muokkauskarkenevia materiaaleja samalla tavoin kuin karkaistua terästä eli käyttämällä lyhyempiä lastuamissyvyyksiä ja pienempiä syöttönopeuksia. Tämän seurauksena jyrsimiä käytetään usein parametreilla, jotka tuottavat riittämättömän lastunpaksuuden ja saavat aikaan huonoja tuloksia. Vasta- tai myötäjyrsinnän (katso kainalojuttu) valinta vaikuttaa myös lastunpaksuuteen ja muokkauskarkenevien materiaalien työstöön.

Asetuskulma ja lastunpaksuus
Lastunpaksuus jyrsinnässä
Keskilastunpaksuus
Ekvivalentti lastunpaksuus, Woxen
Vasta- ja myötäjyrsintä
Ekvivalentti lastunpaksuus jyrsinnässä

Lastunpaksuus ja jyrsintätekniikka

Ekvivalenttiin lastunpaksuuteen liittyen on otettava huomioon tapa, jolla lastut muodostuvat. Jyrsinnässä tämä tapahtuu kahdella eri tavalla ja määräytyy jyrsimen pyörimisliikkeen suhteesta työkappaleen liikkeeseen. Menetelmät ovat vastajyrsintä (syöttöliikettä vastaan) tai myötäjyrsintä (syöttöliikkeen suuntainen). Vastajyrsinnässä jyrsin pyörii työkappaleen syöttösuunnan vastaisesti ja myötäjyrsinnässä samansuuntaisesti työkappaleen kanssa.
Vastajyrsinnässä särmän lastuamissyvyys työstön alkaessa on nolla. Lastu alkaa muodostua minimipaksuudella ja yltää lopussa maksimipaksuuteen. Myötäjyrsinnässä lastu on päinvastoin aluksi paksuimmillaan ja ohenee työstön edetessä.
Vastajyrsintää käytettäessä lastuamissärmä hankaa työkappaletta ennen sen lastuamista ja ohut lastu sitoo lämpöä heikosti. Kumpikin näistä aiheuttaa työkappaleen pinnan työstökarkenemista ja lyhentää työkalun kestoikää. Lastut putoavat jyrsimen eteen, jossa ne voivat leikkautua uudelleen, mikä heikentää pinnanlaatua. Vastajyrsinnässä ylöspäin suuntautuvat lastuamisvoimat voivat nostaa työkappaletta, jolloin on käytettävä monimutkaisia kiinnittimiä.
Myötäjyrsintää pidetään parempana tekniikkana monesta syystä. Se estää lastuamissärmän hankautumisen työstön alkuvaiheessa, maksimoi työkalun kestoiän ja vähentää lämmön muodostumista. Tarvittava koneteho on pienempi ja lastut putoavat jyrsimen taakse, mikä minimoi niiden uudelleenleikkautumisen, parantaa pinnanlaatua ja pidentää työkalun kestoikää. Työstövoima suuntautuu alaspäin, joten työkappaleen vakauttaminen on helppoa ja yksinkertaiset kiinnittimet riittävät. Lastun paksuus alkuvaiheessa mahdollistaa lämmön poiston ja minimoi työkappaleen työstökarkenemisen esimerkiksi superseoksia, ruostumatonta terästä ja titaania työstettäessä.
Myötäjyrsinnän alaspäin suuntautuvat voimat voivat kuitenkin saada työpöydän iskeytymään taaksepäin erityisesti, jos käytettävät jyrsintäkoneet ovat vanhoja ja/tai käsikäyttöisiä. Tämä vaikuttaa tarkkuuteen ja lisää jyrsimeen kohdistuvaa lastukuormaa niin paljon, että se saattaa rikkoutua. Tämän vuoksi vastajyrsintä voi olla paras ratkaisu tilanteissa, joissa koneet ja työkappaleet eivät ole vakaita.
Vastajyrsintä voi olla hyvä valinta myös valettujen, taottujen ja pintakarkaistujen materiaalien työstössä. Tämä johtuu siitä, että vastajyrsintä alkaa karkaistun tai karkean pinnan alapuolelta, kun taas myötäjyrsinnässä työkalu työntyy materiaaliin täydellä lastunpaksuudella, mikä voi aiheuttaa lastuamissärmän lohkeamista.

Tekijä: Patrick de Vos, Seco Tools Groupin teknisestä koulutuksesta vastaava johtaja