Av: Sven-E Lindberg

Henrik Persson är civilingenjör i maskinteknik och doktorand i industriell produktion vid LTH, Lunds universitet. I sitt examensarbete på civilingenjörsutbildningen tog han fasta på just problematiken kring gradbildning (burr formation) vid olika tillverkningsprocesser som skärande bearbetning vid fräsning, borrning och svarvning.

Rätt kunskap och rätt teknik behövs

För den som vill förstå vad grader är i detta sammanhang brukar Henrik Persson ta ett exempel ur träslöjden.

- Oönskad gradbildning, burr formation, sker där borren går in och ut ur trästycket. Graderna utgörs av träflisor som är mindre vid ingången och större vid utgången. Mitt jobb går ut på att försöka identifiera och testa vilka faktorer som kan minska gradbildningen i olika metalliska material med olika industriella tillverkningsprocesser.

Henrik Persson förklarar vidare:

– Gradbildning kan låta som ett lite udda och inte så betydelsefullt område, men faktum är att det varje dag kasseras enorma mängder spån och spill från olika tillverkningsprocesser i Sverige på grund av gradbildning – materialförluster som i hög utsträckning hade kunnat undvikas med rätt kunskap och rätt teknik.

Dyrbart och tidsödande

Dessutom krävs ofta kostsamma och tidsödande processer för avgradning – det vill säga för att ta bort graderna. I värsta fall kan bristande kunskap om hur gradbildning påverkar det bearbetade materialet också leda till att det uppstår andra följdproblem som att ett material plötsligt under vissa betingelser spricker eller deformeras. Något som kan få förödande konsekvenser om materialet sitter i exempelvis en turbin eller flygplansmotor. Grader är också orsaken till många skador i form av skärskador på personal som hanterar komponenter inom tillverkningen.

– Dessvärre ses gradbildning ofta som ett oundvikligt och i princip opåverkbart inslag i industriella processer, säger Henrik Persson. Men faktum är att det inte bara går att minska avgradningsspillet och det kostsamma och tidskrävande efterarbetet med att avgrada, det är också möjligt att identifiera och förebygga uppkomsten av exempelvis de problemfyllda grader som innebär att ett material kan förstöras helt.

– Med rätt kunskap finns stora vinster att göra genom minskad materialåtgång och lägre produktionskostnader, men också i form av bättre kvalitet, mindre belastning på miljön och, inte minst viktigt, en säkrare arbetsmiljö i bättre kontrollerade processer.

Viktigt för industrin

Henrik Persson sysslar alltså med forskning inom ett område med stor betydelse för tillverkningsindustrin. Det finns studier som visar att gradbildning i snitt uppgår till 13 % av tillverkningskostnaden för en produkt eller komponent.  Trots det är kunskapen om gradbildning och hur den kan förebyggas och minimeras begränsad.

– Det har gjorts förvånansvärt lite forskning på området och när jag fick en förfrågan från professor Jan-Eric Ståhl på LTH om jag ville göra mitt examensarbete på gradbildning kändes det klockrent. Jag blev även påhejad av docent Volodymyr Bushlya till att ta mig an ämnet. Jag har själv arbetat i industrin och sett hur mycket som slängs eller efterbearbetas varje dag för att komponenter ligger utanför toleranserna eller för att materialet förstörs.

Han fortsätter:

– Dessutom är det ett komplext och utmanande område. Det låter tämligen okomplicerat, men faktum är att det är omkring 35 olika faktorer som kan påverka skärande bearbetningsprocessen och slutresultatet. Det är allt från val av material och tillverkningsprocess till faktorer som temperatur, val av kylvätska och hur maskinutrustningen ställs in. Ju fler parametrar du förstår och behärskar, desto bättre kan du styra processen.

Gränsöverskridande samarbeten

För att identifiera och i grunden förstå samspelet mellan alla olika faktorer som  påverkar processen och slutresultatet behövs ett väl fungerande samarbete mellan akademi och industri – samt en kontinuerlig dialog mellan forskare med olika specialkunskaper, förklarar Henrik Persson.

– Där är det en styrka att arbeta på LTH vid Lunds universitet. Vi har en stark tradition inom tillverkningsekonomi och skärande bearbetning med seniora forskare och ett väl etablerat samarbete med industrin, där många seniora forskare är involverade.  Det gör att det finns tillgänglig kompetens inom de flesta relevanta områden när man ställs inför nya frågeställningar och utmaningar – samtidigt som vi har tillgång till bra instrument och ännu bättre blir det med de nya forskningsanläggningarna MAX IV och ESS.

Farliga grader

I dag är man i industrin som regel duktiga på att ta bort grader som uppstått i samband med tillverkningen av exempelvis komponenter till fordon så att slutprodukten ser bra ut och fungerar som den ska. Men hur man förebygger och minimerar grader kan man bli bättre på.

– Vissa grader går inte att undvika men görs avgradningen inte på rätt sätt finns stor risk att materialet eller komponenten inte fungerar som den ska. Detta kan bero på förändrade materialegenskaper eller att man helt enkelt misslyckats med att få bort graderna helt, förklarar Henrik Persson och lyfter upp ett svarvat stycke högrent koppar med en tydligt deformerad gradbildning.

Högrent koppar, som bland annat används i forskningsanläggningar som MAX IV, är känt som ett ”svårt” material att arbeta med och just därför viktigt att hantera på rätt sätt.

– Det gäller att veta när man passerar den punkt där materialet i stället för att bilda spånor snabbt deformeras och bildar grader. Det sker extremt snabbt och dramatiskt men  går att förutsäga och förhindra med rätt kunskap och rätt process. Samtidigt gäller det att ha koll på materialets egenskaper efter avgradning – annars är risken stor att det uppstår skador i senare skeden.

Det har gjorts förvånansvärt lite forskning på området

Optimerar processen

Ytterst handlar det om att känna sina material, vara medveten om hur de reagerar i olika typer av processer och under olika betingelser och utifrån den kunskapen optimera tillverkningen utifrån behov och kravspecifikation.

– Det kan handla om vilken process man ska använda, vilka verktyg som fungerar bäst, vilken rotationshastighet som är att föredra. vilken rotationsriktning och matning som bör användas och så vidare. Ju fler faktorer du behärskar, desto större är sannolikheten att du får en bra process och ett material med de egenskaper du vill ha

Stor potential

Under sina tio år på LTH har Henrik Persson hunnit fördjupa sig i gradbildning ur många olika synvinklar. I dag bedriver han egen forskning och undervisar samtidigt  blivande ingenjörer om vikten av att ha koll på graderna i industriell produktion.

– Det händer otroligt mycket spännande på det här området, både inom forskningen och industrin, där vi måste ha superkoll på material.

Det saknas dock fortfarande internationella standarder för olika typer av skärande bearbetning och gradbildning och det finns ett stort behov av en samlad faktabas för industrin och forskarsamhället, påpekar Henrik Persson.

– Jag vågar inte ens gissa vad problem relaterade till gradbildning kostar ekonomiskt och miljömässigt i dag. Genom att samla och sprida kunskap om hur vi kan optimera den här typen av industriella processer finns enorma vinster att göra, såväl ekonomiskt som miljömässigt.