Stål: Historie og produksjon

Stål er et enestående materiale og absolutt uforlignelig når det kommer til dets utallige bruksområder og egenskaper. Intet annet materiale har bidratt mer til menneskehetens utvikling og ekspansjon enn stål. Hele vår moderne sivilisasjon hviler på det.

Dette er et bredt og komplisert tema som jeg har til hensikt å gå i dypet av, og gi en oversikt over et emne som kan virke uoversiktlig og overveldende, men som i bunn og grunn er ganske simpelt i de store trekk.

Dette blir delt opp i 3 innlegg:

  • Historie og produksjon

  • Krystaller, mikrostrukturer og legeringer

  • Varmebehandling; typer og metoder

Hva er stål?

Stål er en blanding av jern og karbon. Forskjellige ståltyper har ulike blandingsforhold av disse to stoffene og kan inneholde små mengder av andre grunnstoffer som endrer egenskapene til legeringen ytterligere.

Jern er et metall med atomnummer 26 og forkortelse Fe for Ferritt, fra latinske ferrum. Det er det fjerde mest vanlige grunnstoffet i jordskorpen på 5% etter aluminium (8%), silikon (28%) og oksygen (46%). Ettersom du kommer dypere ned blir det mer og mer vanlig, til du når jordens kjerne som er hovedsakelig flytende jern; alt jern på jorden er antatt og utgjøre ca 35% av planetens masse. Metallisk jern oppstår vanligvis ikke på overflaten, men er naturlig dypere i jordskorpen. Det finnes hovedsakelig som brun malm, eller jernoksid, bedre kjent som rust. Det meste av jernet som utvinnes slik kommer fra en type jernmalm som kalles hematitt (Fe2O3), som kommer fra “blodig” på gresk. Friske kuttede biter med jern fremstår med en skimrende grå overflate, men vil etterhvert omdanne seg til jernoksid igjen i en oksygenrik og fuktig atmosfære. Jern er et ganske “aktivt“ metall og binder seg lett med andre stoffer.

Det er et relativt mykt og duktilt materiale og har et smeltepunkt på 1538°C og koker ved 2862°C.

Ulike utgaver av metallisk jern

Karbon er et ikkemetall med atomnummer 6 og forkortelse C fra latinske carbo (kull). Det har 4 elektroner i ytre skall slik at det binder seg veldig enkelt til andre stoffer. I blanding med solide materialer lager høyt karboninnhold i mange tilfeller karbider. Disse er gjerne veldig harde. Rent karbon oppstår i ulike former kalt allotroper og egenskapene til disse er svært ulike. De vanligste formene for karbon er amorft karbon (løst karbon og andre ikke-krystalliske forekomster slik som kull), grafitt og diamant. Grafitt er bløtt og brukes i blyanter, mens diamant er det hardeste materialet vi kjenner til, så man kan se at strukturen til karbonet har stor innvirkning på egenskapene.

Grafitt (venstre) og diamant (høyre)

Produksjon av stål

Jern har vært kjent siden de gamle egypterne, mens kjennskap til stål har eksistert siden ihvertfall 200 år f.Kr. Det oppstod stort sett - som alt annet - i Kina og om de visste hva de drev med eller ikke er usikkert, men de var ihvertfall i stand til å lage en høvelig grei form for stål. Japanerne hadde også stål relativt tidlig, men siden Japan er en vulkansk øy var jernet deres fullt av urenheter og det resulterende stålet var ikke av den beste kvalitet. Dette er grunnen til at de istedenfor å lite på gode materialer måtte smi det de hadde slik at urenhetene ble hamret ut og at det resulterende jernet hadde en intern struktur som var solid. Ved å brette stålet og hamre det sammen banket de ut urenhetene så godt det lot seg gjøre; derfor er det kjente japanske sverdet, katana, brettet så mange ganger og lages med en karbonrik ståltype til eggen og en bløtere legering til kroppen som på ulike måter kombineres for å lage et solid blad. Den kurvede formen til sverdet oppstår ved herdingen pga. sammensetningen av ulike ståltyper.

Vikingene hadde forsåvidt også stål, men ikke fordi de utvinnet det på en effektiv måte. Hvis de hadde godt stål så var det enten plyndret eller handlet fra midt-/sør-europa eller sentral-asia. De hadde stort sett ikke mulighet til å oppnå nok varme for å smelte det ordentlig og i et forsøk på å lage bedre sverd og andre våpen brant de dyreknokler og horn sammen med smijernet, som hadde den utilsiktede effekt å tilføre en kilde til karbon. Dette karbonet sev inn i jernet og lagde stål og dermed bedre sverd, så det er ikke vanskelig å forstå at de trodde dyrets sjel var fanget i sverdet og ga det styrke.

Moderne stålproduksjon oppstod hovedsakelig på 1800 tallet med bl.a. Bessemer-metoden. Stålproduksjon av stor skala var den største pådriveren til den industrielle revolusjon. Moderne metoder for å produsere godt stål ble oppdaget allerede på tidlig til midten av 1700-tallet av Benjamin Huntsman, men prosessen var langsom og ga ikke store kvanta i slengen. Mer om disse senere.

Produksjon av stål som du får “kjøpt i butikken“ er en flerstegsprosess. Jernmalmen er som sagt jernoksid, så det første steget er å fjerne oksygenet for å ende opp med rent jern. Dette gjøres via en reduksjonprosess og den krever at malmen varmes opp til flytende og vel så det. Reduksjonprosessen går ut på å tilføre masse fritt karbon for å binde seg med oksygenet i jernet og lage karbonmonoksid og karbondioksid.

For å oppnå både høy nok temperatur og en god kilde til fritt karbon ble det brukt koks* (eng: coke), som var mye av nøkkelen til moderne stålproduksjon.

Dette ble gjort i store smelteovner enkelt kalt storovner, eller masovner, (eng: blast furnace (“blast“ kommer av at luften skytes inn nedenifra over atmosfærisk trykk)) der en blanding av koks, malm og fluksmiddel (eng: flux), ble helt i fra toppen og for-oppvarmet luft, gjerne 750°C eller varmere, ble blåst inn fra undersiden.

Fluksmiddelet, gjerne kalkstein og andre bergarter med lavere smeltepunkt, ble benyttet for å bidra til at urenhetene i malmen skiller seg ut og “samle opp“ disse urenhetene og lage en sammenhengende masse av dem som ligger og flyter som et lag oppå jernet slik at det lar seg tappe av og fjerne regelmessig. Det flytende jernet som samles på bunnen tappes ut i støpeformer, derav støpejern (eng: pig iron/cast iron/crude iron).

Hematitt (jernmalm)

Antrasitt, eller rent steinkull (venstre) og koks (høyre)

* Koks er et brensel laget av kull. Det produseres i koksovner der steinkull varmes opp uten tilgang til oksygen slik at andre urenheter i kullet drives ut, men ikke forbrenner karbonet. Dette raffinerer det til et veldig rent brensel (tørrdestillasjon).

Trekull og beinkull lages på samme måten, ved å varme opp organisk materiale og benekte tilgangen på luft.

Navnet “pig iron” kommer av at støperennen og de tilkoblede formene (pigs) ligner en purke som mater ungene sine.

Forbrenningen av koksen skaper ekstrem temperatur og produserer karbonmonoksid. Denne karbonmonoksiden reagerer igjen med jernoksidet som igjen lager karbondioksid og fjerner oksygenet i malmen.

I sluttfasen av smelteprosessen er jernet i kontakt med kullet eller koksen det ble smeltet med som riktignok har fjernet oksygenet i malmen og omgjort det til rent jern, men karbonet har også bundet seg til jernet og resultatet vil ha et karboninnhold på rundt 4% av totalvekten. Det er mye.

Etter et deigaktig stadie stivner jernet ved ca 1130°C. Vi har nå en solid jevn blanding i form av støpejern. Som vi kan forstå fra dette har karbonet innvirkning på smeltepunktet til jern. Mer karbon vil gi et lavere smeltepunkt.

Støpejernet i denne tilstanden anses som et mellomstadie i produksjonen av stål, men brukes også til produksjon i støpeformer og det finnes ulike typer støpejern avhengig av bruksområdet. Støpejern er hardt og sterkt og har gode termisk ledende egenskaper, men det er skjørt og ikke veldig elastisk. Det lar seg bearbeide og blir brukt i motorblokker, stekepanner, slitedeler og store installasjoner som må tåle mye vekt. Jeg vil lenger ned forklare nærmere forskjellene på de ulike formene for støpejern, men vi har hovedsakelig grått støpejern og hvitt støpejern. Disse defineres av utseendet på en bruddflate. Hvitt støpejern er hardt og sprøtt, mens grått støpejern er mykere og sterkere.

Neste steg i prosessen for å lage stål er å fjerne alt karbonet som på godt og vondt blandet seg inn i det forrige steget. Hvis omgjøringen av malmen til jern var en deoksidering så må vi nå utføre en dekarbonisering. Dette ble tradisjonelt gjort med en prosess der man varmer opp støpejernet sammen med mer jernmalm, som inneholder oksygen som igjen løsner og binder seg med karbonet i jernet. På noen måter en paradoksal prosess, og i dag er det vanlig å varme opp råjernet elektrisk og blåse inn oksygen som forbrenner karbonet i smeltebadet for en veldig ren prosess som lager veldig rent jern.

Som vi nå vet så vil et høyere innhold av karbon gi et lavere smeltepunkt, så en smart prosess ble oppfunnet av Henry Cort rundt 1783.

Puddelprosessen (eng: puddling) gikk ut på å varme opp jernet adskilt fra selve brennselet slik at man ikke tilførte mer karbon når man prøvde å bli kvitt det.

Jernbadet som bestod av hvitt støpejern med høyt karboninnhold ble varmet opp med indirekte varme og en gjennomstrømning av luft. Veggene i ovnen ble dekket med jernmalm for å tilføre ekstra oksygen. En luke i siden ble åpnet og en arbeider med en lang stang/åre rørte rundt i pytten for å hjelpe oksideringsprosessen. Etterhvert som karbonet i blandingen forbrenner som karbondioksid stiger smeltepunktet til det nå rene jernet og dette blir igjen en deigete substans som fester seg til arbeiderens stang og kan deretter tas ut litt etter litt og hamres ut til en blokk av smijern. Hamringen drev ut det meste av slagget som ble med ut fra pytten. Det engelske navnet for dette produktet er wrought iron, hvilket er en gammel måte å skrive worked på, som rett å slett betyr at det er bearbeidet med slag og andre formgivende prosesser.

Først nå ender man opp med rent jern med ikke mer enn 0,08% karbon.

Før den moderne storovnen ble tatt i bruk var det mindre masovner som produserte stål (eng: bloomery). De var ofte ikke i stand til å oppnå temperaturer som gjorde at jernet ble flytende, men varmt nok til at det smeltet delvis og konsolidere i bunnen som en klump med jern (eng: bloom). De hadde heller ikke mestret bruken av fluks, så klumpen inneholdt også slagg. Det var derfor nødvendig å raffinere jernet på en mer “hands-on“ måte og klumpen ble hamret sammen slik at urenhetene ble fortrengt.

Bloom

Bloomery

Dette jernet er ikke støpejern, for det har ikke blitt støpt, og det inneholder heller ikke like mye karbon, men det har fremdeles et relativt høyt karboninnhold. Dette er en av de tidligste formene for brukbart stål. Det kan betraktes som høy-karboninnholdig smijern.


Etter at jernet er redusert til et mykere, så godt som, karbonløst materiale kan det kan nå tilsettes mer karbon og andre stoffer for å produsere stål med ønskede egenskaper.

Som nevnt tidligere så akkrediteres Benjamin Huntsman med å ha oppfunnet den første effektive måten å lage godt stål på rundt 1740, som mye av nøkkelen bak var at han oppnådde høy nok temperatur til å gjøre stålet godt flytende slik at det blandet seg godt og jevnt, hvilket han som førstemann benyttet koks til. Prosessen hans gikk ut på å smelte “blister steel “, solide jernbarrer som har sugd opp karbon uten å smelte, mye på samme måte som vikingene gjorde; den største forskjellen værende at jernet ble lagt lagvis med kull i lufttette bokser. Navnet blister steel kommer av at det dannet seg “blemmer“ på overflaten av det resulterende stålet. Dette kalles cementeringsprosessen. Dette produktet hadde ikke et helt jevnt karboninnhold og ble kappet i biter, bundet med jerntråd og varmhamret (eng: forged) for å slå ut ytterligere slagg, blande karbonet bedre og produsere et mer homogent materiale. Denne prosessen kaltes faggoting og resultatet ble kalt shear steel.

Benjamin Huntsman tok altså dette stålet, kappet det i biter og puttet det i smeltedigler og puttet disse i en ovn med koks. Dette produserte smeltedigelstål (eng: crucible steel), rett og slett stål som er laget i potter (smeltedigler) slik at det er adskilt fra brennselet. Resultatet var bra for datidens standarder, men prosessen langsom med tanke på kvanta.

Over 100 år senere kom Henry Bessemer til unnsetning med en ny oppfinnelse. Bessemer så behovet for en raskere, billigere og mer effektiv måte å produsere stål på fra råjern og oppnådde dette i 1855 med sin Bessermer-konverter.

Ideen var å ta flytende støpejern rett fra masovnen og helle det i denne maskinen. Den har ingen innebygd oppvarming og blir heller ikke oppvarmet eksternt, men prosessen fungerer på prinsippet at den varme luften som blir skutt inn underifra gjennom blestdysene tilfører oksygen rett inn i blandingen slik at alle urenhetene, spesielt karbonet, silikon og mangan, blir oksidert og forsvinner som gasser ut fra toppen eller legger seg som slagg oppå badet. Oksidasjon av disse stoffene er en eksotermisk reaksjon, som vil si at de avgir varme, og er nok til å holde badet flytende i den opp til 30 min lange prosessen. Ytterligere karbon og andre legeringstoffer kunne også tilsettes i slutten av prosessen for å oppnå en ønsket type stål. Maskinen blir så tippet til den ene siden for å helle av slagget mens den holder på stålet og så til den andre siden for å helle av produktet.

Det var del 1, del 2 er på vei. Hold øynene åpne for den, der vi går i dypet av krystallografi, mikrostrukturer, effekten av ulike karboninnhold og varme og hvordan alt dette henger sammen! Stay tuned!

Justering av avtrekk på flintlås

Det er en stund siden siste innlegg her, men jeg har vært i en periode med mye endringer; jeg har flyttet og begynt i ny jobb. Loggen fortsetter, dog med et lavere tempo. Jeg har noen interessante innlegg kommende etterhvert, men de tar tid å skrive. Nok om det.

Jeg fikk anledning til å jobbe med et pekuliært våpen nylig; en 1700-talls flintlås pistol! For de som ikke vet hva det er, er flintlås et begrep som omfatter mange ulike våpen som benytter en avfyringsmekanisme der flintstein brukes for å antenne kruttladningen. Oppfunnet ca. 1600 — en etterkommer av snapplåsen og hjullåsen — og benyttet i stor grad frem til tidlig 1800 da perkusjonslåsen gjorde sitt inntog.

Brukt hovedsakelig på musketter og andre glattløpede munnladere, som denne, naturligvis kortere, pistolen. Tidlig kruttvåpenteknologi gikk ut på å utvikle raskere, enklere og mer pålitelige måter å antenne en kruttladning utenfor våpenets kammer, som så brant som en lunte inn i våpenet og antente hovedladningen. I motsetning til perkusjonslåsen, som var det første store steget vekk fra denne måten å antenne ladningen på, var flintlåsen relativt treg i funksjonen. Med tanke på at kruttet skulle ta fyr og brenne inn i kammeret så kunne dette under dårlige forhold ta opp til ett sekund mellom avtrekk og avfyring, men på en godt laget flintlås kunne denne forsinkelsen være umerkelig.


Litt krutt helles i fengpannen og det fjærbelastede fengstålet lukkes over for å holde kruttet på plass og beskyttet fra vær og vind. Når avtrekkeren trekkes slippes hanen, som har en bit med flint låst fast i en tvinge-lignende anordning, og slår mot fengstålet slik at det åpner seg og samtidig produserer gnister som blir rettet mot kruttet i pannen. Dette antenner og brenner inn til hovedladningen gjennom et hull i siden av kammeret.

Problemet med denne spesifikke pistolen var at den ikke avfyrte; man kunne spenne hanen bakover, men et trekk i pang-spaken førte ikke til hanefall.

Det kan ha ymse forklaringer, f.eks. at overføringen fra avtrekker til avtrekkerhake er ødelagt, eller at inngrepsflatene er slitt eller ødelagt og henger seg opp. Det var sistnevnte som var problemet her.

Ikke avbildet her er slagfjæren som er en bladfjær som ligger langsmed platen og presser ned på utstikkeren fra spennstykket — som jeg også lærte heter “studdel“. Norske navn på våpendeler er så søte.

Det er to hakk på studdelen, det første er halvspenn og er formet mer som en krok slik at det skal være umulig å trekke av når avtrekkerhaken er i inngrep med denne. Denne posisjonen brukes når våpenet skal lades og hanen må fjernes fra kruttpannen for fylle på krutt. Den andre er inngrepsflaten for avtrekkerhaken og er den som haken trekkes ut av for å avfyre våpenet.

Inngrepsvinkelen er viktig og bidrar mye til hvor sikkert våpenet er og hvor godt avtrekket er. Dersom vi har negativt inngrep kan slagfjæren alene ha kraft nok til å dytte avtrekkerhaken ut av inngrep og våpenet kan gå av av seg selv, også kjent som “hair trigger“, der det bare skal til at du ser hardt på avtrekkeren før det smeller. Dette er ikke ønskelig og er veldig farlig.

Nøytralt inngrep er stort sett helt akseptabelt, der spennkreftene går vinkelrett gjennom inngrepsflatene. Problemet med dette er at dersom avtrekkeren trykkes litt inn og slippes igjen vil ikke inngrepsflatene dytte hverandre på plass igjen og våpenet er nå litt mindre sikkert enn det var. Det er derfor lurt å ha en lett positiv inngrepsvinkel slik at dersom avtrekkeren trykkes inn og slippes igjen vil slagfjæren og avtrekkerhakens fjær sammen dytte inngrepet tilbake til normal posisjon. Dette vil riktignok skape et tyngre avtrekk og er grunnen til at hanen beveger seg ørlite gran bakeover ved avtrekk før den faller. På konkurransevåpen er det vanlig med et mer nøytralt inngrep, mens på militære våpen er inngrepet tungt positivt av sikkerhetsårsaker.

Inngrepsflatenes individuelle vinkel i forhold til deres respektive vippepunkt er også av betydning. Det er ønskelig å ha hanens inngrepsflate på linje med vippepunktet for å minimere hanens bevegelse i avtrekket. Avtrekkerhakens inngrepsflate bør være tangensiell hakens vippepunkt og kan justeres ved å endre vippepunktet.

Det er også viktig at inngrepsflatene matcher slik at belastningen i systemet fordeles over en flate og ikke hviler på ett punkt av avtrekkerhaken. Dette fører til voldsom slitasje og kan ødelegge tuppen av avtrekkerhaken slik at avtrekket blir ruskete og uforutsigbart. Det er også selvsagt viktig at kantene på inngrepsflatene er parallelle slik at belastningen ikke hviler på kun venstre eller kun høyre side av avtrekkerhaken.

Så hvordan fikser vi dette? Hanens inngrepsflate var ikke flat men hadde en lett konkav form og avtrekkerhaken var ikke flat og skarp.

Siden disse delene skal tåle mye last på et lite punkt og ikke deformeres er de herdet knallharde, så filing er bare å glemme. Vi må ty til abrasjon. Abrasive verktøy som diamantfiler eller steinbryner gjør susen. Det er også viktig å ha en god guide til slipingen for at flatene skal bli parallelle og flate igjen. Dette er ikke noe som gjøres for hånd uten oppspenning. En herdet stikke som tåler det verktøyet vi vil gni over den er nødvendig.

Delene settes i mekanismen og en inngrepsvinkel observeres eller bestemmes og på best mulig måte tegnes eller på annet vis lages for å se vinkelen vi skal påføre delen når den står i stikken. Deretter slipes flaten parallelt med toppen på stikken. Her er det viktig å la verktøyet gjøre jobben og ikke påføre for mye trykk. Det finnes andre måter å gjøre dette på, det viktigste er bare at vinkelen holdes konsekvent.

Når det er sagt så er ikke flintlåsmekaniskmer fra sent 1700 tall høyden av mekanisk presisjon, så det var ikke mye som skulle til for å få den til å fungere igjen, men det var interessant å dissekere den.

Timing av gjenger

Timing av gjenger kan være nødvendig i mange forskjellige situasjoner der to deler som skrus sammen må stå i en viss vinkel i forhold til hverandre.

brystning3.jpg

Her skal en del som skrus på passe slik at A og B havner på linje, men delen stopper ved punkt C. Hvordan løser vi dette?

Som et eksempel er det viktig for rekylbremser på rifler, som må stå rett slik at gassene blir omdirigert korrekt.

tp_gmd_ar-muzzle-brake-354x200.jpg

Det er selvsagt mange andre scenarioer der timing er nødvendig, men som et eksempel, la oss bruke det ovennevnte tilfellet siden det ligger naturlig for meg å bruke det.

Det finnes flere metoder å sikre at to deler som sammenføyes med gjenger times korrekt:

shims.jpg

Hvis noen av disse må brukes så er shims eller laminatskive det beste alternativet ettersom de fungerer som en forlenging av brystningsflaten og opprettholder parallellitet og konsentrisitet bedre enn crush-skive og kontramutter, som begger er ganske dårlige alternativer.

Men alt handler jo til syvende og sist om brystningsflaten, og det aller beste er at de to delene som skal skrus sammen møtes direkte på denne. Da er det aller beste alternativet for å time delen at brystningsflaten tilpasses. Dette er litt mer innviklet, men ikke vanskelig.

crown.jpg

En ren brystningsflate som er i rett vinkel til gjengenes akse er nødvendig. Denne flyttes bakover ved å fjerne litt materiale slik at delen som skrus på kan skrus lenger inn og dermed havner i en annen vinkel enn før.

thread_path.png

Hvis vi har en stigning på 1 mm og vi fjerner 1 mm av brystningsflaten så vil delen som skrus på havne i samme vinkel, bare 1 mm lenger bak. Så for å endre 1° må vi fjerne 1/360 del av stigningen.

Men hvordan finner vi ut av hvor mye som skal fjernes?

brystning2-2.png

Så for å flytte Tp til Tf må vi fjerne B, og for å finne den er det er par ting vi må vite:

  • Avstanden mellom ønsket stopp-punkt og nåværende stopp-punkt (ΔT)

  • Omkretsen av den delen vi skal flytte brystningsflaten på (C)

  • Stigningen (P)

For å finne ΔT kan vi legge en teip-bit rundt og markere Tf og Tc og måle avstanden. Det finnes andre mer nøyaktige metoder, og man kan også regne seg frem til det hvis man vet vinkelen, men da trenger man ikke denne metoden.

Deretter kan vi regne ut hvor stor del av den totale omkretsen C som ΔT utgjør. Vi kan kalle dette forholdet for Ct:

deltaC.png

Deretter kan vi bruke dette forholdet Ct til å finne ut hvor mye av stigningen P dette utgjør:

deltaP.png

Altså blir hele formelen:

B.png

Det går selvsagt også an å oppnå det samme resultatet ved å endre på brystningspunktet på den delen som skrus på.

Det er lurt å ta av litt mindre enn det man regner ut ettersom noe av timingen kan gjøres vel tilstramming og man har litt å gå på ettersom hvor hardt man strammer.

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

Krag-Jørgensen kammer-ende (links trapesgjenger!?)

I det siste har jeg blant annet jobbet med å lage en bit av et Krag-Jørgensen løp. Det skal simulere kammer-enden av et Krag-løp for å øve på de diverse finurlighetene som omfatter Kragen og det er god trening i prosesser man ikke gjør så ofte.

Krag løpet er spesielt på mange måter, som gjør det utfordrende å lage det. For det første er gjengene linksgjenget trapesgjenger. Man kan undres om hvorfor. Trapesgjenger er sterke, og det sies at dette var noe Steyr ville ha da de lagde dem. Linksgjengene kan være begrunnet med at dette var en enklere måte å maskinere gjengene på med det utstyret de hadde eller noe i den duren, men det er vanskelig å si med sikkerhet hvorfor noen av disse særegne trekkene ble brukt. Men våpenet ble oppfunnet på en tid da det var hurtig utvikling i feltet og lite var standardisert som det er i dag. Tidlige Kongsberg-produserte Krager hadde firkantgjenger.

For det andre har løpet et frest og filt spor som løfter utdrageren vekk fra patronen slik at patronen ikke skal kunne gi den et støt bakover og oppover som kan gjøre at den lange utdrageren (2 på bildet under) fyker oppover og knekker. At systemet i det hele tatt krever en slik løsning er bare et bevis på et dårlig system spør du meg, men det er nå engang sånn. 

Så, hvordan dreier man trapesgjenger? Dette var det første jeg måtte takle. I bunn og grunn gjøres dette ikke noe annerledes enn vanlige gjenger, men det er et par viktige momenter å ta hensyn til.

Trapesgjenger er i stor grad, mye større grad enn vanlige 60° gjenger, avhengig av et godt og riktig profilskjær. Tykkelsen på skjæret varierer med stigningen og hver stigning trenger et dedikert skjær. Man kan ikke som med 60° gjenger bruke det samme verktøyet på så og si alle stigninger. Det vil si, man kan, men det krever at man gjenger med toppsleiden i en 90° posisjon og øker bredden på kuttet med den; det er ikke "korrekt" måte å gjenge på, men det kan gjøres.

500px-Acme_thread.svg.png

Amerikanske trapesgjenger, også kalt Acme-gjenger, har en total profilvinkel på 29° og altså en flankevinkel på 14,5°. Høyden på gjengene er halvparten av stigningen.

Men Kragens trapesgjenger er ikke 29°, de er 30°. Dette er hovedsakelig den eneste forskjellen på Acme-gjenger og metriske trapesgjenger. 

trapezoidal_threads-n2.png

I atter et fåfengt utbrudd over blanding av standarder og enheter må jeg forbanne de som tenkte det var en god idé å oppgi metriske trapesgjenger med en stigning i tommer. Løpet skal ha 12 gjenger per tomme; 25,4/12 = 2,116, altså er stigningen litt over 2mm...

... men gjengeprofilen bruker metrisk 30° trapesform som skulle tilsi at stigningen ville vært et rundt tall. Men neida.

Uansett, etter å ha høylytt utåndet min oppgitthet måtte jeg finne ut hvordan formskjæret skulle være. Det er vel og bra at jeg vet stigningen, som gir meg tykkelsen på skjæret ved midten av profilen (som er halvparten av stigningen), men hvor tykk skal tuppen være? Den må jo selvsagt være tynnere for å lage selve trapesformen. 

Det finnes en enkel formel, eller rettere sagt, konstant, som kan brukes for å beregne tykkelsen ved rot og tupp av trapesgjenger:

"Litt" refererer her til pasning og klaring for frigang i gjengene og varierer fra kilde til kilde, men for det meste har jeg sett 0,12 mm lagt til C og 0,24 mm lagt til D.

Men denne regelen gjelder for amerikanske Acme-gjenger og vil ikke være helt overførbar til metriske gjenger. Det er bare 1° forskjell, men det kan utgjøre litt endring. Ettersom vi øker flankevinkelen vil topptykkelsen gå mot 0P ettersom det til slutt blir et punkt og ikke en flate. På motsatt side vil dette forholde gradvis gå mot 0,5 P når vi senker flankevinkelen ettersom vi nærmer oss firkantgjenger der topptykkelsen og bunnbredden er lik. Så når vi øker flankevinkelen vil topptykkelsen synke.

Jeg kom med litt tvilsom trigonometri frem til at tuppen på skjæret mitt, uten noen hensyn til rotklaring ville være 0,644mm. Dette gir meg et forhold på 0,3043. Om dette er korrekt er jeg ikke 100% sikker på, men det fungerte greit så jeg må anta at det var noenlunde innenfor.

Med denne informasjonen kunne jeg begynne å tilvirke skjæret mitt. Jeg ville prøve å planslipe skjæret mitt så det ble så nøyaktig og bra som mulig, som en øvelse i presisjon og et forsøk for å se om det er verdt bryet. Det behøves en metode å spenne opp hurtigstålet som skal slipes slik at det kan stilles vinkler i to akser samtidig. Jeg fant en gammel gud-vet-hva som kunne strammes tilstrekkelig og stilles i to vinkler. Den måtte også være magnetisk for å sitte fast på magnetbordet til plansliperen.

Her stilles stålet inn til 15° for å slipe den første siden.

Dessverre har vi ikke tvinge som kan stilles i vinkel, og ihvertfall ikke en som kan stilles i to, så de lesere der ute som måtte grøsse/le over løsningen på bildet over etter min proklamerte higen etter presisjon vil være berettiget, men det var den løsningen jeg fant og det funket fint.

If it's stupid and it works, it ain't stupid.

Trapesgjenger har også vanligvis ganske stor heliksvinkel siden stigningen er så høy i forhold til diameteren, så dette er også en vinkel som må tas hensyn til. Flankene på gjengene er såpass rette og skjæret såpass "høyt" at det er viktig å slipe inn heliksvinkelen, samt klaringsvinkler på begge sider. 

Disse vinklene ble stilt inn og slipt, med den ene forskjell fra normale skjær at heliksvinkelen peker mot høyre og ikke mot venstre siden gjengene er linksgjenger.

30° form ferdig slipt, nå gjenstod kun å slipe spissen til korrekt tykkelse og bygge inn endeklaringen.

Da det var gjort var det på tide å prøve det nye skjæret:

Det ser lovende ut. Utfordringen her og noe som pinte meg litt var at siden gjengene er links så er den enkleste måten å lage dem på å starte innerst og mate utover, og uten et frispor gjør dette at man blir nødt til å øke kuttdybden med en gang man starter maskinen eller presse skjæret inn i stykket før man starter maskinen. Samt at man må være veldig påpasselig og ømfintlig med startspaken når man skal finne igjen begynnelsen av kuttet inne ved roten.

Det finnes bedre måter å gjøre dette på, og dersom man ville laget linksgjenger ved å mate innover må man montere skjæret opp ned og kjøre dreiebenken "bakover".

Gjengene ser korrekte ut, men passer de?

Jada. Litt langt gjengeparti, men det var ment som en øvelse/test. Jeg endte opp med å kutte ned lengden på dette partiet og bruke det videre.

Deretter ble kammeret rømmet og resten av emnet dreid ned til spec.

Det andre litt kinkige trekket ved Krag-løpet er som nevnt rampen til utdrageren. 

Her benyttet jeg litt Blue Dykem (halleluja) merkefarge for opprissing og skrudde på låsekassen for å merke opp hvor sporet måtte være. Dette sporet er ikke helt sentrert.

Igjen så kan jeg ved dette stadiet bare le av min søken etter presisjon med tanke på vinkler. Å rette noe etter stablede parallellklosser er ikke optimalt, men i mangel av noen enkel måte å vinkle etter stikka (f.eks. vinkel passbiter) funket dette helt fint.

Grovformen til sporet ble frest ut, men siden rampen har en konveks form må det files litt til slutt.

Som vi kan se på bildet under skal kurven i rampen (høyre) være slik at kanten sett ovenfra blir rett (venstre).

Etter mye testing og justering fungerte alt som det skulle. De siste to sporene ble frest i sidene og øvelsen var ferdig og ble godkjent.

En meget interessant oppgave som ga meg mulighet til å prøve meg på mer viderekommen gjenging og tilpassing.