Machinability of Single-Phase Materials

The quality and performance of products are particularly important in sectors such
as research facilities and in the nuclear, military and space industries. These sectors
make use of high-performance materials that are uncommon in other contexts and
therefore place high requirements on personnel, machines and tools. While tool
manufacturers have readily available tool selection guides and cutting data
recommendations for a wide range of materials, relying on many years of research,
little information is available when selecting tools and cutting parameters for
machining less common or exotic materials. Consequently, only a few highly
specialized companies manufacture components using such materials.
The aim of this dissertation is to create a knowledge base on machining single-phase
materials, specifically oxygen-free copper, niobium, and tungsten. It builds on an
understanding of the difficulties in achieving the required surface quality and
suggests useful tooling solutions and cutting parameters, as exemplified for a
longitudinal turning machining operation. Different aspects of surface integrity such
as subsurface deformation, surface defects and damage are discussed. Such analysis
relied on extraction, polishing, and examination of the machined samples with
nanoindentation and SEM microscopy.
Screening tests of several different tooling solutions for niobium and tungsten were
also performed to evaluate machining performance and tool wear under different
cutting conditions. Tool wear mechanisms were evaluated with SEM and TEM
microscopy and further compared using the diffusion couple sample technique.
The results of the research presented in this dissertation highlight the difficulties in
achieving the targeted surface quality and selecting tooling solutions for these
single-phase materials, while also highlighting potential successful pathways for the
machining processes. These results can be used to further evaluate tool selection or
to develop new tooling solutions to improve the surface quality of the finished
product at a reasonable performance and therefore cost.

Sverige har historiskt sett varit en stark industrination under modern tid. Men under
2000-talet har sysselsättningen i svensk tillverkningsindustri och gruvnäring
minskat från cirka 720.000 personer år 2000 [1] till cirka 480.000 personer år 2019
[2]. Men svensk industri utgör än idag en viktig funktion inom Sveriges ekonomi
och är den sektor som bidrar mest till Sveriges BNP med 15 % av det totala värdet
[3].
Med höga krav på kvalité och prestanda på en produkt ställer det även höga krav på
funktionen av produkten. Dessa krav är oftast av särskild betydelse inom mer
avancerade sektorer som forskningsanläggningar, rymd-, militär- och
kärnkraftindustri samt för medicintekniska applikationer. Utvecklingen av nya och
bättre material drivs ofta framåt utifrån kraven inom dessa sektorer, samtidigt som
dessa avancerade material inte används i lika stor omfattning inom andra sektorer.
När komponenter tillverkas i avancerade material, ställs det högre krav på både
utrustning och verktyg samtidigt som personalens kompetensbehov ökar.
Verktygsrekommendationer och skärparametrar går att finna i leverantörernas
databaser för de flesta konventionella materialen. Databaserna bygger på flera års
forskning och tester vid industrin och akademin. I detta arbete genomförs
experimentella studier av olika verktygs- och materialkombinationer för att täcka in
de väsentligaste applikationsområdena. Med hänsyn till det omfattande arbetet är
databaserna begränsade till att omfatta de mest förkommande materialtyperna.
Rekommendationerna är bristfälliga för mer nischade material, vilket leder till att
mindre förtag undviker att offerera tillverkning av sådana produkter och därmed
begränsas tillverkningen till ett fåtal ytterst specialiserade företag.
Målet med arbetet som presenteras i denna avhandling är att finna lämpliga verktyg
och skärparametrar för att uppnå de ytkrav som ställs på en produkt vid bearbetning
av primärt oxidfri koppar, niob och volfram.
Resultaten i avhandlingen behandlar uppkomsten av ytdefekter och problematiken
kring spån- och gradbildning, val av skärparametrar för att uppnå en viss ytkvalité,
samt val av lämpliga verktyg för att minimera verktygsförslitningen vid bearbetning
av enfasiga material. Resultaten skall ligga till grund för vidare utvärdering av andra
lämpliga verktyg, förbättrad verktygslivslängd samt ytkvalité på slutprodukten.
Kunskapen kan leda till att fler tillverkningsföretag har möjlighet att ge offerter och
producera komponenter i nämnda svårbearbetade material. Sammantaget skall
arbetet bidra till ett kunskapslyft för företagen och där produktionskostnaden kan
reduceras och bestämmas på förhand med en högre säkerhet.