KJR-C2006 Lastuava työstö E. Niemi & P. Kyrenius & P. H. Andersson K2015 Kiitokset prof. Esko Niemelle materiaalista

Transkriptio

1 KJR-C2006 Lastuava työstö E. Niemi & P. Kyrenius & P. H. Andersson K2015 Kiitokset prof. Esko Niemelle materiaalista K213 Runkona: Luku 24 (Machining) Philip D. Rufe (ed.) Fundamentals of Manufacturing, 3 rd Ed. [2013] Dearborn, Mich. : SME, Society of Manufacturing Engineers

2 Lastuava työstö Johdanto Lastuamisen perusteita Menetelmiä Lastuamisen suunnittelu ja kustannukset

3 Menetelmän valinta Tekninen analyysi Kappaleen muodon ja ja materiaalin asettamat rajoitteet Tarkkuus- ja ja pinnanlaatuvaatimusten asettamat rajoitteet Potentiaaliset menetelmät Kustannusvertailu Taloudellinen analyysi Valinta /Paul H. Andersson/

4 Valmistusmenetelmän kannalta tärkeitä tuotteiden ominaisuuksia Materiaali vahva vaikutus valmistusmenetelmän valintaan, toisaalta menetelmä vaikuttaa materiaalin ominaisuuksiin työstön jälkeen Mekaaniset ominaisuudet: lujuus, kovuus, sitkeys, väsymisen kesto, lämpötilan kesto, jäännösjännitykset Muut fysikaaliset ominaisuudet: adheesio, kitka, kuluminen, sähköiset ja magneettiset ominaisuudet, termodynaamiset ominaisuudet, optiset ominaisuudet Kemialliset ominaisuudet: korroosion kesto Geometriset ominaisuudet: Muoto ja koko, mittatoleranssit, muoto-, suunta-, sijainti- ja heittotoleranssit, pinnanlaatu

5 Muita menetelmän valintaan vaikuttavia tekijöitä menetelmien mahdollisuudet ja rajoitukset menetelmän saatavuus (missä voidaan valmistaa??) valmistusmäärä tuotteen variaatioiden määrä toimitusaikatekijät materiaalin varastointi- ja saatavuuskysymykset olemassa oleva tuotantoprosessi alihankintamahdollisuudet (make or buy). Jos valmistusprosessin vaiheita koskevat valinnat vaikuttavat toisiinsa, on kannattavuuslaskelmissa verrattava kokonaiskustannuksia. Esim.: Valukappaleen konstruktio on erilainen kuin umpitangosta tai ainesputkesta valmistetun komponentin. Lastuttava materiaali, ainemäärä ja jopa menetelmä ovat erilaiset kussakin vaihtoehdossa.

6 Lastuaminen esimerkki vaihtoehtoisista aihionvalmistustavoista Umpitanko tai ainesputki Vaakavalu Pystyvalu Lähde: Schey Vaakatae Pystytae Hitsattu

7 Valmistusmenetelmät prosessiketjut Raaka-aine Sula Billetti Tanko Profiili Levy Muut Valumenetelmät Taonta Pursotus Taivutus Leikkaus Muovaus Sintraus RP-menetelmät Muovien prosessointi Koneistus Liittäminen Lämpökäsittely Pintakäsittely Kokoonpano Tuote

8 Lastuaminen Lastuamisen edullisuus valmistusmenetelmänä perustuu yleensä seuraaviin kahteen tekijään: 1. Lastuamalla päästään yleensä edullisesti parempaan mittatarkkuuteen ja pinnanlaatuun kuin muilla valmistusmenetelmillä. 2. Lastuaminen on pitkälti riippumaton raaka-aineen valmistusmenetelmästä: Standardimuotoinen ja mittainen tanko tai levy kelpaa yhtä hyvin kuin valu, tae tai hitsattu rakenne. Tällöin standardimateriaalin edullinen yksikköhinta ja ennen kaikkea sen sitoutumattomuus tiettyyn tuotteeseen ovat suuria etuja. Lastuavien menetelmien kehitys on erityisesti terämateriaalien ja NC-tekniikan kehittymisen kautta jatkuvaa. Käytännössä kehitystä jarruttaa konekannan hidas uusiutuminen.

9 Lastuavat työstömenetelmät (ja kipinätyöstö) Jyrsintä Sorvaus Porausmenetelmät Hionta Kipinätyöstö Komponentin muoto Taso, lieriöpinta, ura, tasku, veistospinta Kohtuullisesta hyvään, Ra 1,6-6,3 m Pyörähdyspinnat Reiät Kohtuullisesta Kohtuullinen, erittäin hyvään, tyypillinen Ra Ra 0,4-6,3 m 3,2 (1,6) m Tasot ja pyörähdyspinnat Erinomainen, tyypillinen Ra 0,4 m Vähän rajoituksia Hyvä, tyypillinen Ra 1,6 m Pinnanlaatu Mahdollinen toleranssi +/- 0,01 mm +/- 0,005 mm +/- 0,02 mm Tyypillinen toleranssi +/- 0,03 mm +/- 0,03 mm +/- 0,1 mm +/- 0,003 mm +/- 0,005 mm Laaja kirjo, 1 m kuutio yleinen mutta voi olla hyvin suuri Laaja kirjo, 300 mm halkaisija yleinen mutta voi olla hyvin suuri -> 30 mm halkaisija yleinen, harvoin yli 80 mm Komponentin koko Kuten jyrsintä ja sorvaus Yleensä < 500 mm Suhteellinen kustannus Keskisuuri Matala Keskisuuri Korkea Hyvin korkea

10 (Lastuavat) työstömenetelmät Muita: Avarrus pyörähdyssymmetristen reikien sisäpinnat Väljennys ja kalvinta reikien viimeistely Hienotyöstömenetelmät hoonaus, läppäys, hivellys, kiillotus, silovalssaus... Sahaaminen pyörö-, kaari-, vanne-, pisto- Avennus ja pisto ei-pyörähdyssymmetriset muodot rei issä Kuorinta suuret kierremuodot Hammastusmenetelmät terällä lastuavat ja hionta sekä kaavinta Kierteitysmenetelmät tapilla, leuoilla, sorvaamalla, jyrsimällä, muovaamalla Sähkökemiallinen työstö superseokset, hankalat muodot niissä Kemiallinen työstö elektroniikka, MEMS, lentokoneiden osien kevennykset Ultraäänityöstö kovat ja hauraat materiaalit ym. Käsikirja: Tool and Manufacturing Engineers Handbook, Vol 1: Machining, T. J. Drozda (toim.), SME. (Amazon: $124,00)

11 Lastunmuodostus Lastunirrottamisessa olennaisia asioita: Lastuamisvoimat Työkappaleen ja työkalun lämpötilat Työkalun kuluminen Lastun muoto Ja niihin vaikuttavat: Terät Terämateriaalit Lastuamisarvot

12 Terien kuluminen Viistekuluminen abraasio Kuoppakuluminen hapettuminen, diffuusio

13 Kulumismekanismit vs. lastuamislämpötila Kuluminen Adheesio Diffuusio Abraasio Hapettuminen v c, t, f yms. Lähde: Vieregge 1949

14 VT n f m = k kestoaikamalli k = 240 m/min n = 0,21 m = 0,47 T ,1 0,2 0,3 f 0,4 0,5 0,6 0,7 0, V

15 Viistekulumisen vaiheet V B Terärikko Alkukuluminen Lineaarinen kuluminen Työstöaika t

16 Terämateriaalit kovuus sitkeys -kentässä 1. Hiiliteräkset 2. Stelliitit 3. Pikateräkset 4. Pulveripikateräkset 5. TiN pinnoitettu HSS 6. Kovametalli 7. Pinnoitettu kovametalli 8. Hienorae -kovametalli 9. Cermetit 10. Valetut karbidit 11. Ucon 12. Oksidikeramiikat 13. Muut keramiikat 14. Kuutiohilainen boorinitridi 15. Timantit 16. Ideaali aine Lähde: Kauppinen

17 Vaiheistus, työstöoperaatioiden suoritusjärjestys millaisella työkalulla voidaan työstää haluttu piirre muoto, ulottuvuus, työkalun kiinnitys, saatavuus, konekanta mikä on aihion lähtötilanne miten työkappale kiinnitetään ja irrotetaan eri vaiheiden välissä

18 Sorvaus

19 Muotojen sorvausta

20 Vinojohteinen NC-sorvi

21 Monitoimisorveja Tukilaakeri

22 Työkalujen ja lastuamisarvojen valinta käytännössä - sorvaus 1. Selvitetään lähtötiedot 2. Suunnitellaan lastuamisliikket ja työkalut pääpiirteittäin 3. Teräpalan muoto 4. Teräpalan koko 5. Teränpidin 6. Nirkonsäde 7. Teräpälan geometria ja materiaali 8. Lastuamisarvot Käytännössä parhaan tuloksen kannalta kaikki lastuamisliikkeet ja muut yo. asiat tulisi käydä läpi jo komponentin suunnitteluvaiheessa Sandvik

23 Jyrsintä Sorvauksen ja jyrsinnän ero Lastunmurto Kääntöterän ja työkalun kuormitus

24 Tasojyrsintä

25 Kulma (nurkka-) jyrsintä

26 Urajyrsintä Kiekkojyrsimet

27 Ura- ja muotojyrsintä

28 Kopiojyrsintä

29 Viistejyrsintä

30 Sädejyrsintä

31 Aksiaalijyrsintä

32 Kierteen jyrsintä

33 Pystykarainen koneistuskeskus

34 Koneistuskeskus

35 Kiinnityspaletti

36 5-akselinen pystykarainen koneistuskeskus

37 Työkalujen ja lastuamisarvojen valinta käytännössä - jyrsintä Määritellään lastuttava materiaali, työstötapa (viimeistely/rouhinta), lastuttavat muodot ja olosuhteet (kone, työkalujärjestelmä ym.). Suunnitellaan työstöliikkeet pääpiirteissään ja valitaan työkalun tyyppi 1-2. Taso otsajyrsin 3-5. Olake, avoin ura, reuna kulmajyrsin, varsijyrsin 6. Tasku, umpiura varsijyrsin 7. Muoto pallopäinen varsijyrsin 8. Syvä ura, katkaisu kiekkojyrsin 9. Viiste kulma-, varsi tai otsajyrsin Valitaan suuri työkalun halkaisija ja pieni pituus Huomioidaan tarvittava lastuamissyvyys jyrsintä ja teräpalaa valittaessa Särmien lukumäärään vaikuttavat koneen teho, tukevuusolosuhteet ja lastutilan riittävyys. Valitaan terä(pala) ja lastuamisarvot valmistajan suositusten mukaan.

38 Poraaminen Syvänreiänporausmenetelmät

39 Poran valinta Poran valinta perustuu ensisijaisesti halkaisijaan, reiän syvyyteen ja työkappaleen materiaaliin. Alla on suuntaa antava valintataulukko normaaleille työkappalemateriaaleille. Paras tuottavuus saadaan kovametalli-, ja erityisesti kääntöpalaporilla ja lastuamisnestekanavilla varustetuilla malleilla. Lisäksi on otettava huomioon mm.: aloitus ei-kohtisuoraan tai epätasaiseen pintaan paketinporaus porras- ja viisteporausmahdollisuus vasenkätinen pyörimissuunta D (mm) L R a (mm) IT Tyyppi 0, (-10) x D Pikateräskierukkapora 0, (-10) x D 3 9 Kovametallikierukkapora (-10) x D Kierukkapora kovametalliteräpalalla ,5 (-5) x D Kääntöpalapora > 60 2,5 x D Ydinpora x D Syvänreiänporausmenetelmät

40 Suuria avarrustyökaluja

41 Vierintäjyrsintä

42 Aventaminen Työkalu (HSS) on monimutkainen ja kallis, mutta avennusoperaatio on yksinkertainen ja nopea Tulos on tarkkamittainen, jopa IT 5, ja laatu tasainen Työkalu on pitkäikäinen johtuen monista teräsärmistä ja suhteellisen pienestä lastuamisnopeudesta

43 Sahaaminen Sahaamisen pääsovellus on katkaiseminen. Kuviovannesahoja käytetään vähenevässä määrin leikkaamiseen.

44 Lastuaminen hiomarakeella Hiomarakeella lastuaminen eroaa terällä tapahtuvasta lastuamisesta olennaisesti, mm. seuraavien piirteiden osalta: lastuamisnopeus on suuri lastuamissyvyys on pieni materiaalitilavuusyksikön irrottamiseen tarvittava energiamäärä on suuri lastuamislämpötila on korkea suurin osa syntyvästä lämmöstä siirtyy työkappaleeseen, osa laikkaan, ja lastuihin vain vähäisessä määrin työkappaleen pinnan normaalin suuntainen lastuamisvoima on tyypillisesti n. kaksi kertaa suurempi kuin päälastuamisvoima v c a p

45 Hiomatyökaluja

46 Pyöröhiontaa

47 Hiomakoneita

48 Uppokipinätyöstöä Työstön aikana työkappale ja elektrodi ovat nesteen pinnan alla AT-Tools

49 Lankasahaus Yläpuolinen ohjain Uutta lankaa Työkappale Alapuolinen ohjain Käytettyä lankaa Paineistettua ja jäähdytettyä nestettä

50 Lankasahattuja kappaleita

51 Valmistuksen suunnittelu - lastuaminen Geneerinen koneistuksen suunnittelu voi edistyä esim. seuraavaa karkeaa järjestystä noudattaen: 1. Käytettävien lastuamismenetelmien päättely 2. Työkalujen valinta 3. Kiinnitysten ja kiinnittimien valinta Kiinnitykset pyritään valitsemaan siten, että keskenään tarkasti toleroidut muodot syntyvät samalla kiinnityksellä, tai ainakin niin, että yhtä näistä voidaan käyttää kiinnityspintana muita työstettäessä. Kustannusten vähentämiseksi ja tarkkuuden takaamiseksi on pyrittävä käyttämään mahdollisimman vähiä kiinnityksiä. Suositaan vakiokiinnittimiä, huomioidaan kiinnitysvoimien aiheuttamat muodonmuutokset ja lastuamisvoimat. 4. Käytettävien työstökoneiden valinta pyritään käyttämään mahdollisimman harvoja koneita 5. Yksittäisten lastujen ja käytettävien lastuamisarvojen määrittely

52 Lastuaminen 10. Vältä piirteitä jotka edellyttävä hoikkien työkalujen käyttöä ja luoksepääsyä haittaavia esteitä ylipäänsä. 11. Yritä selvitä pienellä työkaluvalikoimalla. Työkalumakasiinit ovat pieniä ja työkalunvaihto vie aikaa! 12. Minimoi lastuttavat pinnat. 13. Suunnittele tankokappaleet siten että toista kiinnitystä ei tarvita. 14. Sorvattujen ja lieriöjyrsittyjen sisäsäteiden tulisi olla suurempia kuin työkalun standardisäde. Otsajyrsittävän sisäsäteen tulee olla sama kuin työkalun nirkossa. Kuvat: Boothroyd

53 Akselin ja reiän koneistaminen Lapinleimun mukaan Akselinkoneistus IT Ra 0,1 0,2 0,4 0,8 1,6 3,2 6,4 12,5 25 Veto, kuorinta Pyörtöhonta Pyörtöhonta Sorvaus Sorvaus Timanttisorvaus Pyöröhionta Pyöröhionta Hiveltäminen Hiveltäminen Kiillotus Istukkakappaleen reiän koneistus Kääntöteräporaus Kääntöteräporaus Sorvaus Sorvaus Timanttisorvaus Avennnus Avennnus Hionta Hionta Hoonaus Hoonaus Kotelokappaleen reiän koneistus Kierukkaporaus Kierukkaporaus Väljennys Väljennys Kalvinta Kalvinta Ratajyrsintä D > 120 Ratajyrsintä Avarrus Avarrus Uiva kalvinta Hoonaus Hoonaus = helppo = vaikea esityöstö

54 Lastuamisarvojen valinta Rouhinnassa Pyritään mahdollisimman tehokkaaseen lastunpoistoon Valitaan työkalun, kiinnityksen ja kappaleen sallimissa rajoissa suuri lastuamissyvyys ja syöttö tässä järjestyksessä Optimoidaan lastuamisnopeutta kustannusten minimoimiseksi Viimeistelytyöstössä Tavoitellaan hyvää pinnanlaatua ja suurta tarkkuutta Rouhinnan jättämä työvara määrää lastuamissyvyyden, jonka tulee olla pieni tarkkuuden kannalta ja toisaalta pienen syötön ja suuren lastuamisnopeuden mahdollistamiseksi Valitaan syöttö vaaditun pinnanlaadun edellyttämäksi Optimoidaan lastuamisnopeutta kustannusten ja pinnanlaadun kannalta

55 Konekustannukset - esimerkki Mazak FH 480 Vaakakarainen koneistuskeskus työalue (x,y,z) 560*560*510 karateho max 22 kw karanopeus r/min pikaliikenopeus 32 m/min syöttönopeus max 32 m/min ohjaus: Mazatrol M Plus työkalunvaihtoaika 1,3 s CAT #40 työkalukartio / 30 kpl työkappaleen paino max 400 kg

56 Keskimääräiset konekustannukset Mazak FH 480 Vaakakarainen koneistuskeskus 2 työvuoroa, á 1500 tehtyä työtuntia Hankintahinta euroa Kustannuslaji euro/h Työ 21,8 Poisto 8,3 Korko 2,5 Vuokra 3,2 Energia 0,7 Huolto 2,7 Työnjohto 1,3 NC-ohjelmointi 2,7 Työkalut 10,0 ATK, YK-aineet ym. 2,0 Yhteensä 55,3 =13*1,68 =250000/(10*1500*2) =250000/2*0,06/(1500*2) =8*100*12/(1500*2) =22*0,2*0,1/0,6 =8000/(1500*2) =0,1*40000/(1500*2) =0,2*40000/(1500*2) =10 =2 =SUM()

57 Työstökustannukset Työstökustannukset voidaan jaotella seuraavasti: 1. Kiinteät kustannukset (poisto, vuokra jne.) kappalekohtainen kustannus riippuu tuotantovolyymista. 2. Suoraan tuotantovolyymista riippuvat muuttuvat kustannukset (energia, huolto, kappaleenvaihto jne.) kappalekohtainen kustannus jotakuinkin vakio. 3. Välittömästi tuotantoajasta riippuvat muuttuvat kustannukset (lähinnä palkat) periaatteessa kappalekohtainen kustannus on vakio, riippuu kuitenkin työstön nopeudesta. 4. (Muuttuvat) työkalu- ja mahdollisesti työkalunvaihtokustannukset kasvavat progressiivisesti työstöarvoja nostettaessa.

58 Työstökustannusten optimointi Koneistuskustannukset ja tuotantomäärä Kustannus, [EUR/kpl] Konekust. Työk. vaihto Työkaluk. Yht. kpl/vuoro Tuotantomäärä, [kpl/vuoro] Lastuamisnopeus, [m/min]

59 Työstökustannukset (VT n f m =k) 500,0 450,0 400,0 350,0 300, kustannus/kpl 250,0 200,0 150,0 100,0 50,0 0, Lastuamisnopeus ,05 0,25 0,45 0,65 syöttö 0,

60 Menetelmien tarkkuudet

61 Menetelmillä saavutettavat pinnankarheudet Source: Chryssolouris

62 Tarkkuuden ja pinnankarheuden yhteys eri menetelmillä Lähde: Schey