Die Dissertation befasst sich mit der Optimierung des Schneidprozesses bei der Gesteinsgewinnung und der Erarbeitung eines Modells zur Prognose der relevanten Arbeitsgrößen unter Berücksichtigung der Abnutzung der Schneidwerkzeuge. Die Untersuchungen wurden mit Rundschaftmeißeln unterschiedlicher Verschleißzustände durchgeführt. Gegenstand der Untersuchungen waren die von den Schneidparametern abhängigen Größen wie Schneidkräfte, spezifische Energie, Staubmengenanteil und Stückigkeit des gewonnenen Gesteins. Es wurden die Auswirkungen des Meißelverschleißes auf die optimalen Schneidparameter festgestellt, denen beim Einsatz einer Gewinnungsmaschine oder bereits in der Konstruktionsphase des Gewinnungsorgans Rechnung getragen werden sollten.

Fräsning och annan intermittent skärande bearbetning ger upphov till termisk utmattning av skärverktyg. Problemet med termiska sprickor blir större vid bearbetning av värmehållfasta material som austenitiskt rostfritt stål eftersom värmeväxlingarna i skärverktyget blir mer extrema. Detta fenomen förvärras ytterligare vid användning av traditionell kylning. Fräsning av rostfritt stål utförs därför torrt. Den torra bearbetningen är inte oproblematisk eftersom höga temperaturer uppstår i skärzonen vilket påverkar verktygets livslängd och i vilken utsträckning avverkningshastigheten kan höjas med högre skärhastighet eller matning. Detaljer som tar lång tid att tillverka är negativt för både företagens ekonomi och miljön till följd av större energiåtgång.Minimalsmörjning är en metod som går ut på att små mängder smörjmedel i form av aerosol fokuseras mot skäreggen och smörjer kontakten mellan arbetsstycke och skär, vilket minimerar friktionsvärmen. På detta sätt kan den totala värmeutvecklingen reduceras samtidigt som värmeväxlingarna hålls på en lägre nivå jämfört med traditionell kylning. Syftet med arbetet var att undersöka och jämföra planfräsning av austenitiskt rostfritt stål, 1.4301, under torr bearbetning och bearbetning med minimalsmörjning.Centralt för studien var hur verktygsförslitningen och ytjämnheten hos bearbetat material påverkas då minimalsmörjning appliceras gentemot vid torr bearbetning.En fråga som togs upp var om avverkningshastigheten kunde ökas med minimalsmörjning utan att få negativ inverkan på verktygsförslitning och ytjämnhet av bearbetat arbetsstycke.Fullfaktorförsök upprättades och jämförelsen mellan torr bearbetning ochminimalsmörjning gjordes med planfräsning med PVD-belagda hårdmetallskär. Ett optiskt mätmikroskop användes för att analysera förslitningen på skärverktygens spån- och släppningssidor efter ca 3 minuter i ingrepp. Ytjämnhet på bearbetad ytamättes med ytjämnhetsmätare och temperaturen i arbetsstycket mättes med termoelement.Resultatet visade att tillämpning av minimalsmörjning sänker temperaturen i skärzonen vilket för rostfritt stål innebär att skärhastigheten bör ökas för att undvika löseggsområdet. På så sätt ökar även avverkningshastigheten och produktiviteten. / Milling and other intermittent metal cutting operations often cause thermal fatigue in the cutting tools used. This type of wear is more severe during machining of heat resistant alloys such as austenitic stainless steel because of more extreme temperature variations during the cutting procedure. This phenomenon is further accelerated by employing flood cooling. Milling of stainless steel is therefore usually performed dry. Dry cutting is, however, not without its share of problems, since high temperatures develop in the cutting zone which adversely affect tool life and to which extent the productivity can be increased via higher cutting speeds or feed rates. Parts that take longer to manufacture are not only bad for business economics, but also for the environment due to higher energy consumption.Minimum quantity lubrication is a method that uses minimal quantities of oil dispersed as aerosol toward the cutting edge. This lubricates the tool-workpiece interface which minimizes frictional heat. This way, the total heat during cutting can be reduced while also avoiding the extreme temperature variations associated with flood cooling. The purpose of this thesis is to study and compare the performance of dry cutting and minimum quantity lubrication during face milling of austenitic stainless steel, 1.4301.The tool wear rates of the cutting tools and surface quality of the machined workpiece were compared for the two cutting environments. Of particular interest was the question whether the material removal rate could be increased with the usage of minimum quantity lubrication without adversely impacting the tool life or workpiece surface quality.A full factorial design of experiments was created, and the comparison of dry machining and minimum quantity lubrication was done by face milling with PVDcoated carbide inserts. An optical stereo microscope was used for the analysis of rake and flank wear after roughly 3 minutes of cutting tool engagement. Surface roughness of machined part was measured with a measuring stylus, and the temperature of the workpiece was measured with embedded thermocouples.The results show that minimum quantity lubrication reduces the temperature in the cutting zone, which for stainless steel means that the cutting speed should be increased to avoid the formation of built-up edges. At the same time, the material removal rate is increased, and productivity is affected positively.

The search for increased productivity and cost reduction in machining can be interpreted as the desire to increase the material removal rate, MRR, and maximize the cutting tool utilization. The CNC process is complex and involves numerous limitations and parameters, ranging from tolerances to machinability. A well-managed preparation process creates the foundations for achieving a reduction in manufacturing errors and machining time. Along the preparation process of the NC-program, two different studies have been conducted and are presented in this thesis. One study examined the CAM programming preparation process from the Lean perspective. The other study includes an evaluation of how the cutting tools are used in terms of MRR and tool utilization. The material removal rate is defined as the product of three variables, namely the cutting speed, the feed and the depth of cut, which all constitute the cutting data. Tool life is the amount of time that a cutting tool can be used and is mainly dependent on the same variables. Two different combinations of cutting data might provide the same MRR, however the tool life will be different. Thereby the difficulty is to select the cutting data to maximize both MRR and cutting tool utilization. A model for the analysis and efficient selection of cutting data for maximal MRR and maximal tool utilization has been developed and is presented. The presented model shortens the time dedicated to the optimized cutting data selection and the needed iterations along the program development.

Dans le domaine du forgeage à chaud de pièces aéronautiques, les matrices en acier sont couramment rechargées, sur quelques millimètres d’épaisseur, par un alliage base cobalt (Stellite 21) déposé par procédé de soudage à l’arc (MIG). Dans le cadre de ce travail de thèse, ce rechargement « classique» est comparé à des rechargements Stellite 21 et Stellite 6 déposés par deux procédés émergents dans ce domaine, le PTA et le LASER. L’objectif est d’apporter des éléments de compréhension aux mécanismes d’endommagement de surface, notamment par écoulement plastique, de ces différents rechargements afin de dégager des voies d’amélioration pour augmenter la durée de vie des matrices. Pour cela, des essais tribologiques (semi-industriels et laboratoire) ont été mis en œuvre pour créer des endommagements de surface comparables à ceux observés sur matrices industrielles. Associées à ces essais, des investigations microstructurales, structurales et mécaniques multi-échelles ont été réalisées (traction, flexion, microdureté, MO, MEB, MEB-STEM, DRX, EBSD). Selon les couples « nuance/procédé » de rechargement, des mécanismes de déformation plastique par glissement des dislocations parfaites et par transformation de phase CFC en HC ont été identifiés. L’activation de ce dernier a pu être reliée à la température de transformation allotropique CFC/HC du cobalt. Cette température dépend à la fois (i) des éléments d’addition, variant en fonction de la nuance déposée (Cr, C,...), (ii) de la dilution (variation de la teneur en Fe) liée aux paramètres de soudage et (iii) du nombre de couches déposées. De plus, une influence significative de la transformation de phase sur l’évolution du coefficient de frottement a été mise en évidence. En effet, dans le cas où la transformation de phase n’est pas observée, le coefficient de frottement est stable durant l'essai alors qu'une chute de la courbe de coefficient de frottement a été reliée avec la transformation de phase CFC en HC. Parallèlement, l'écoulement plastique des dendrites est observé en extrême surface sur quelques dizaines de micromètre d'épaisseur dans la direction de glissement. Cet écoulement est associé à une forte texturation morphologique et cristallographique de la phase identifiée (CFC ou HC), avec une orientation des plans de plus grande densité atomique parallèlement à la surface de glissement. Les résultats montrent également que sous sollicitations tribologiques, un important durcissement est observé en surface (jusqu'à 90%) et une corrélation a pu être établie entre l'augmentation de la microdureté et le taux de déformation plastique. / In the field of hot forging of aeronautical parts, the steel dies are commonly hardfaced, on few millimeters thick, by a cobalt-based alloy (Stellite 21) deposited by arc welding (MIG). As part of this thesis, this "classic" hardfacing is compared to Stellite 21 and Stellite 6 hardfacings deposited by two emerging processes in this area, the PTA and the LASER one. The objective is to assess surface damage mechanisms, especially induced by plastic strain, of these various hardfacings. Tribological tests (laboratory and semi-industrial) were used to create surface damage comparable to those observed in industrial dies. Associated with these tests, multiscale microstructural, structural and mechanical investigations have been performed (tensile, bending, microhardness, OM, SEM, STEM, XRD, EBSD). According to the « material/process » couple, plastic strain mechanisms by perfect dislocation glide and by FCC to HCP phase transformation have been identified. The activation of the latter has been connected to the temperature of the allotropic phase transformation (FCC/HCP) in cobalt. This temperature depends on (i) the alloying elements, varying according to the deposited grade (Cr, C, ...), (ii) the dilution (Fe content evolution) connected to the welding parameters and (iii) the number of deposited layer. Moreover, a significant influence of the phase transformation on the evolution of the friction coefficient has been evidenced. Indeed, if the phase transformation is not observed, the friction coefficient is stable during the test, while a drop of the friction coefficient curve is connected with the FCC to HCP phase transformation. Moreover, the plastic flow of dendrites is observed at the extreme surface, on a few tens of micrometres in thickness, in the direction of sliding. It is associated with a high morphologic and crystallographic texturing of the identified phase (FCC or HCP), with the highest atomic density planes mostly oriented parallel to the sliding surface. The results also show that, under tribological laodings, a significant hardening is observed on the surface (up to 90%) and a correlation has been established between the increase in the microhardness and the plastic deformation ratio.

Application of clean and ultraclean steels have shown to provide favourable mechanical properties for bearings and transmission components, specifically regarding fatigue performance, compared to conventional steel grades. Clean steels are characterized by containing a very low level of non-metallic inclusions. While this characteristic is beneficial for the fatigue strength, inclusions in steels have shown to be favorable for the machinability and therefore challenges during machining of clean steels can arise. In this thesis the machinability and tool wear mechanisms of ultraclean steel have been evaluated during longitudinal turning. The aim of the study was to determine how steel cleanness and inclusions impact different machinability aspects. This was achieved by performing a comparative study of three steel grades with different level of cleanness and inclusions characteristics. Four machining experiments were executed investigating the chip breakability, cutting force, tool life and cutting tool coating degradation. The machined inserts were then analysed using light optical microscopy, secondary electron microscopy and electron probe microanalysis. The result revealed that the ultraclean steel grade has the overall worst machinability with the lowest chip breakability, highest cutting forces, and lowest tool life for the investigated steels. Additionally, it was found that the inserts that machined the ultraclean steel and the calcium treated steel was exposed to severe crater wear. However, the coating degradation causing the crater wear differs between the two grades. For the ultraclean steel the wear rate of the entire chemical vapor deposition coating is high. In contrast, for the calcium treated steel only the top alumina layer degrades rapidly and the underlying titanium carbonitride layer have a low wear rate. / Användning av rena och ultrarena stål har visat sig ge gynnsamma mekaniska egenskaper för kullager och transmissionskomponenter, speciellt gällande utmattningsprestanda, jämfört med konventionella stålsorter. Rena stål kännetecknas av att de innehåller en mycket låg nivå av icke-metalliska inneslutningar. Denna egenskap är fördelaktig för utmattningshållfastheten, men däremot har inneslutningar i stål visat sig vara gynnsamma för bearbetbarheten och därför kan utmaningar uppstå vid bearbetning av rena stål. I detta arbete har bearbetbarheten och verktygsslitagemekanismerna för ultrarent stål utvärderats under längsgående svarvning. Syftet med studien var att fastställa hur stålets renhet och inneslutningar påverkar olika bearbetningsaspekter. Detta uppnåddes genom att utföra en jämförande studie av tre stålsorter med olika renhetsgrad samt inneslutningar. Fyra bearbetningsexperiment utfördes för att undersöka spånbrytbarheten, skärkraften, verktygets livslängd och nerbrytningen av skärverktygets beläggning. De bearbetade skären analyserades sedan med användning av ljusoptisk mikroskopi, svepelektronmikroskopi och elektronprobmikroanalys. Resultatet visade att den ultrarena stålsorten har den totalt sett sämsta bearbetbarheten med lägst spånbrytbarhet, högsta skärkrafter och lägsta verktygslivslängd av de undersökta stålen. Dessutom upptäcktes att skären som bearbetade det ultrarena stålet och det kalciumbehandlade stålet utsattes för kraftigt kraterslitage. Nedbrytningen av verktygs beläggningen som orsakar kraternötningen skiljer sig dock mellan de två stålkvaliteterna. För det ultrarena stålet är slitagehastigheten för hela beläggningen hög. För det kalciumbehandlade stålet bryts däremot endast det övre aluminiumoxidskiktet ned snabbt och det underliggande titankarbonitridskiktet har en låg nötningshastighet.