Ultralujien terästen konepajakäytettävyyden tutkiminen

Transkriptio

1 Ultralujien terästen konepajakäytettävyyden tutkiminen Särmättävyyden ja lastuttavuuden tutkiminen Oulun yliopisto, Konetekniikan koulutusala Tuotantotekniikan tutkimusryhmä

2 TEKNIIKAN ALA OULUN YLIOPISTOSSA Vuoden 2014 alusta lähtien tekniikan alaa opetetaan ja tutkitaan kolmessa tiedekunnassa: Arkkitehtuurin tiedekunta Teknillinen tiedekunta Tieto- ja sähkötekniikan tiedekunta

3 Teknillisessä tiedekunnassa annetaan tekniikan kandidaatin ja diplomi-insinöörin tutkintoon johtavaa perusopetusta neljässä koulutusohjelmassa: Konetekniikka Prosessitekniikka Tuotantotalous Ympäristötekniikka

4 Talouden tasapainottaminen Taustana yliopiston hallituksen päätös : talouden 5,5 M alijäämän tasapainottaminen - Vuoden 2013 operatiivinen tulos on alijäämäinen - 4,4 M - Vuoden 2014 talousarvio alijäämäinen 5,3 M - Yliopistolain mukaan hallitus ja rehtori ovat vastuussa yliopiston taloudesta Valtion taloustilanne ja yliopistojen rahoitus jatkuu kireänä - Yliopistoindeksi puolitetaan Osa rahoituksesta siirtyy kilpailtavaksi rahoitukseksi Suomen Akatemiaan Talouden tasapainottamisella ja uudistustoimenpiteillä turvataan yliopiston toimintakyky ja luodaan edellytykset tulokselliselle tutkimukselle ja koulutukselle

5 Henkilöstöratkaisut Kohdentuminen: - Luonnontieteellinen tiedekunta 25 - Lääketieteellinen tiedekunta 27 - Teknillinen tiedekunta 31 - erillisyksiköt 24 - yliopistopalvelut 15 Ratkaisuista kohdentuu: - opetus- ja tutkimushenkilöstöön 34 - muuhun henkilöstöön 88

6 LAITEHUOLTO JA TYÖPAJA Teknillisen tiedekunnan työpaja Tutkimuslaitteiden ja osien valmistus Prototyyppien valmistus Laitehuolto Valmistusmenetelmien ja työkalujen testaus Mittauspalvelut Töiden vastaanotto:

7 Konepajakäytettävyys: Muokkaus Koneistus Leikkaaminen Liittäminen Pintakäsittely Mekaanisten ominaisuuksien muuttaminen prosessin aikana

8 Konepajakäytettävyyden tutkiminen Tuotantotekniikan tutkimusryhmä tutkii ja kehittää yhteistyössä teräksenvalmistajien ja muiden tutkimusryhmien kanssa lujia kuumavalssattuja teräksiä keskittyen niiden särmättävyyteen, muovattavuuteen ja lastuttavuuteen. Tutkimukset koostuvat erikseen määritetyistä tilauksista sekä projekteista.

9 TERÄSTEN SÄRMÄTTÄVYYDEN TUTKIMINEN Standardikokeet Tavoitteena on arvioida kokeellisesti terästen muovattavuutta, erityisesti särmättävyyttä. Särmäyskokeiden avulla haetaan minimiarvo sisäpuoliselle taivutussäteelle, jolla särmäys voidaan luotettavasti tehdä konepajaolosuhteissa kaikkiin suuntiin valssaussuuntaan nähden kullekin lujuus - paksuusyhdistelmälle. Samalla määritetään terästen takaisinjousto.

10 TERÄSTEN SÄRMÄTTÄVYYDEN TUTKIMINEN Särmäyskokeet tehdään pitkittäin ja poikittain valssaussuuntaan nähden kunnes on löydetty raja särmäyssäteelle, jolla teräs kestää särmäyksen 90 o kulmaan. Koelevyjen koko on normaalisti 300 x 300 mm, mutta voidaan särmätä myös muun kokoisia koelevyjä tarpeen mukaan. Materiaalin paksuudelle asettaa ylärajan maksimipuristusvoima 100 tn eli 1000 kn.

11 TERÄSTEN SÄRMÄTTÄVYYDEN TUTKIMINEN Haetaan painimen kriittinen pyöristyssäde valssaussuuntaisesti ja poikittain ja tulos varmistetaan tekemällä vähintään 5 kpl toistoja. Kukin koelevy särmätään Z - muotoon 90 o kulmin. Tällöin molempien pintojen särmäyskestävyys tulee tarkistetuksi ja mekaanisesti leikatussa reunassa sekä kiillottunut että murtunut vyöhyke ovat särmäyksessä ulko- ja sisäpuolella.

12 TERÄSTEN SÄRMÄTTÄVYYDEN TUTKIMINEN Z-muotoon särmätty koelevy:

13 TERÄSTEN SÄRMÄTTÄVYYDEN TUTKIMINEN Särmäyskokeiden tulokset arvioidaan silmämääräisesti ja koelevyn katsotaan kestäneen särmäyksen, jos siinä ei havaita säröjä tai muita virheitä ilman suurentavia optisia apuvälineitä. Takaisinjoustot mitataan ainakin minimisäteellä tehdyistä särmäyksistä ja mahdollisuuksien mukaan myös eri säteillä ja alatyökalun leveyksillä. Särmäysvoimat mitataan tarvittaessa. Kustakin työstä tehdään raportti, johon sisällytetään ainakin seuraavat tiedot: koetulokset takaisinjousto särmäysvoimat muut havainnot

14 TERÄSTEN SÄRMÄTTÄVYYDEN TUTKIMINEN - Särmien arviointi Särmistä arvioidaan silmämääräisesti: Toteutuneet pyöristyssäteet Särmän muoto Pintaviat Säröt Murtumat Materiaalin ohenema Naarmut

15 Esimerkkejä särmien arvioinneista

16 Esimerkkejä särmien arvioinneista

17 Mutterimaisuus : Ohuet pintasäröt / myötöjuovat: Säröt: Murtumat:

18 TERÄSTEN SÄRMÄTTÄVYYDEN TUTKIMINEN Ylätyökalut: Työkalun pituus 400 mm: R1 (>) 50 mm, 2-5 mm välein Työkalun pituus 1000 mm: R 5, 10, 15, 20 mm Vaihdettavalla päällä oleviin painimiin voidaan tehdä periaatteessa millainen säde tahansa. Lisäksi työkalu kestää paremmin ja säteen kontrollointi on helppoa päätä vaihtamalla / kääntämällä. Alatyökalut: Työkalun pituus 400 mm V-aukolliset, aukon leveys 25, 45, 60, 75, 100, 140 mm Säädettävä alatyökalu, max. 330 mm Elastiset alatyökalut: neliöprofiili 60x60 ja v-profiili leveys, 90 mm Kääntyvillä tuilla varustettu alatyökalu

19 Kiinteät ylätyökalut 1 15 mm

20 Ylätyökalut vaihdettavalla päällä

21 Särmäys

22 Alatyökalut

23 Alatyökaluja

24 Säädettävä alatyökalu

25 Kääntyvä alatyökalu

26 Lamellialatyökalu

27 Joustava alatyökalu - Adipreeni - uretaanikumia

28 ORaS-särmäyskokeet 3-9 / 2011 ~ 5000 särmäystä

29 Särmäyksen tilastollinen analyysi Teräksen valmistusprosessin analysointi särmäyskokeilla Suuri määrä syöttödataa; esimerkkitutkimuksessa ~ 5000 särmäystä 6 ja 8 mm 960 MPa kuumavalssattu teräs Särmäyssäteet 1 2, 16, 20, 24 ja 28 mm Särmäys molemmilta puolilta poikittain (OR) ja pitkittäin (LO) Näytelevyt 6 kohdasta levynauhasta Särmän virheet: - Painimen irtoaminen (GF) - Mutterimaisuus (NS) - Ohuet pintasäröt (TC) - Pintahalkeamat (SC) - Murtumat (FR) - Pinnan laatu (SQ)

30 Statistical analysis of bending S F B M E SI T Rt R lo or GF NS TC SC FR SQ , , , , Esimerkki särmäystulostaulukosta (norm. 480 riviä): S = näytteen numero F = pinta(1 = ylä 0 = ala) B, M, E = sijainti nauhalla B (alku), M (keski), E (loppu) SI = sijainti nauhalla (reuna/keski) T = paksuus

31 Oulun eteläisen instituutti Tulevaisuuden tuotantoteknologiat tutkimusryhmä (FMT): Tulevaisuuden tuotantoteknologiat -tutkimusryhmä on Oulun yliopiston Nivalassa toimivan alueyksikön, Oulun Eteläisen instituutin, sekä Oulun yliopiston konetekniikan koulutusalan yhteinen tutkimusryhmä. FMT = Future Manufacturing Technologies Tutkimuksessaan FMT-ryhmä keskittyy levymäisen materiaalin tuotteeksi jalostamisen tekniikoihin ja menetelmiin. Ryhmä aloitti toimintansa vuonna 2004 ELME-tutkimusryhmän nimellä ja sen tutkimusalueet kattavat tuotantotekniikan eri osa-alueita.

32 Tulevaisuuden tuotantoteknologiat tutkimusryhmä (FMT): Levymäisen materiaalin tuotteeksi jalostamisen tekniikat ja menetelmät Laser- ja laseravusteiset prosessit (hitsaus, leikkaus, pinnoitus ja lämpökäsittely) Ultralujat materiaalit ja niiden konepajakäyttö

33 Tulevaisuuden tuotantoteknologiat tutkimusryhmä (FMT): Ohutlevytuotteiden valmistustekniikka Muovaus Suurnopeustyöstö Tuotannon kustannustehokkuus ja kustannustehokas tuotantoautomaatio Valmistustekninen suunnittelu ja prototypointi Kiinnitin- ja työvälinetekniikka Mekaaninen kestävyys

34 Tulevaisuuden tuotantoteknologiat tutkimusryhmä (FMT): Mekaaninen leikkaus Rullamuovaus Terminen leikkaus (laser, plasma ym.) Abrasiivinen vesisuihkuleikkaus Liittämismenetelmät Paikalliset laserkäsittelyt Materiaalien ja rakenteiden testaukset

35 Abrasiivinen vesisuihkuleikkaus Vesisuihkuleikkaus on leikkausmenetelmä, joka soveltuu lähes kaikenlaisten materiaalien leikkaukseen ohutlevystä paksuihin materiaaleihin. Vesisuihkuleikkauksella pystytään leikkaamaan lujia teräksiä ilman haitallista lämpömuutosvyöhykettä. Laite tehostaa Tuotantotekniikan tutkimusryhmän ultralujien terästen käytettävyystutkimusta sekä mahdollistaa uusien leikkuutapojen tutkimuksen ja kehittämisen sekä näihin liittyvän koulutuksen. Lisäksi laite tukee Oulun yliopistossa tehtävää muuta tutkimus- ja kehittämistoimintaa sekä palvelee myös muita alueen oppilaitoksia. Laitteen hankintaan saatiin 80% rahoitusta Pohjois-Pohjanmaan liiton EAKR-ohjelmasta. Loput kustannuksista katettiin yksityisin varoin.

36 Vesisuihkuleikkausjärjestelmä Aliko VSL 1531 XY-liikkeet 1550 x 3100 mm max. liikenopeus 15 m/min Z-liike 300 mm; max. liikenopeus 60 mm/s leikkauskorkeuden seuranta ja säätö ohjelmallisesti paikoitus- ja toistotarkkuudet 0,1 mm/m2 putkenleikkauslaitteisto; putken halkaisija mm; pyöritys AC-servolla pumpun maksimipaine 6200 bar; portaaton paineensäätö Igems R9 vesileikkauksen ohjelmointi; postprosessori myös putkenleikkaukselle

37

38 Lastuttavuuden tutkiminen porauskokeilla Tutkitaan annetun materiaalin lastuamisominaisuuksia porauskokeilla siten, että koelevyjä porataan määrätynlaisilla kierukkaporilla. Tutkimuksen aikana seurataan poran kulumista sekä muita porauksessa esiintyviä ilmiöitä. Tietyt muuttujat, kuten esimerkiksi porien halkaisijat ja materiaalit voidaan tarvittaessa sopia tilaajan kanssa erikseen. Raportissa esitetään tutkimuksen suoritus ja käytetyt parametrit. Tuloksina esitetään käytetyille poratyypeille soveltuvat työstöarvot kyseiselle materiaalille.

39 Lastuttavuuden tutkiminen porauskokeilla Työstön aikana tarkkaillaan poran viistekulumista ja kirjataan mittauspöytäkirjaan kulumisen kehitys. Lisäksi seurataan karatehon käyttöä työstökoneen tehomittarista sekä arvioidaan työstötapahtumaa työstöäänen perusteella. Kullakin poralla työstetään niin kauan kunnes se on saavuttanut kulumiskriteerin ja kirjataan ylös saavutettu porausmatka. Poran kulumiskriteeri on saavutettu silloin kun viistekuluminen on ylittänyt määritellyn maksimiarvon, tai pora murtuu. Viistekulumisen maksimi mitataan mahdollisuuksien mukaan kulumisen suoralta osalta. Jos kulumismaksimi on pelkästään nirkossa, voidaan porausta jatkaa kunnes joku muu kriteeri ylittyy (esim. porausteho, työstön ääni).

40 Lastuttavuuden tutkiminen porauskokeilla Vakio porauskoelevyt 500 x 600 mm Materiaalit ja paksuudet vaihtelevat Porataan 5, 15 ja 25 mm reikiä 5 ja 15 mm reikiä 742 kpl / levy ja 25 mm 204 kpl / levy Käytetään pinnoittamattomia HSS / HSS-Co poria tai kovametallikärkiporia / U-poria Pääasiassa läpireikiä Normaali määrä emulsiota / kuivana

41 HSS porat (pinnoittamattomat): ~ 1000 MPa / 500 HBW asti Kovametalliporat - täyskovametalli - vaihtopaloilla / kärjellä

42 Seurataan: Karateho Ääni Poran kunto (kuluminen, murtumat...) Irtosärmä Lastun muoto

43 Lastuttavuuden tutkiminen porauskokeilla

44 Porauskokeita 6 11 / 2009:

45 Lastuttavuuden tutkiminen porauskokeilla Tool: Drill with replaceable carbide tip diam. 16 mm Feed Feed No. of Material: v m/min n r/min mm/r mm/min holes Wear resistant steel 450 HBW , (15 mm) , * Wear resistant steel 500 HBW , * (10 mm) Structural steel 1500 Mpa , * (6,35 mm) * test interrupted

46 Lastuttavuuden tutkiminen porauskokeilla Optim 700 MC Plus -työstöarvot HSS 5 mm 15 mm 25 mm f 0,14 0,18 0,23 f 0,25 0,3 0,36 f 0,3 0,4 0,5 v 1,29 1,28 v 1,20 1,20 v 1, , , , , , HSS-Co 5 mm 15 mm 25 mm f 0,14 0,18 0,23 f 0,25 0,3 0,36 f 0,3 0,4 0,5 v 1,29 1,28 v 1,20 1,20 v 1,33 1, , , , , * KESKEYTETTY yht

47

48 Myös kierteitystutkimusta

49 Jyrsintä ym Diplomityö ultralujien terästen jyrsinnästä

50 Kiitos! Lisätietoja tarvittaessa: p