Tuotantotekniikka KJR-C2006

Transkriptio

1 Tuotantotekniikka KJR-C2006 Muovaavat menetelmät Juha Huuki

2 Sisältö Teräksen valmistus Mekaaninen leikkaus Muovaaminen Pursotus Taonta

3 Materiaalien muovaus Sulan metallin seostettua ja valettua kiinteään muotoon -> itse aine on valmista. Materiaali on muokattava erilaisilla menetelmillä haluttuun muotoonsa. Muokkaus parantaa aineen ominaisuuksia Valssaamalla valmistetaan suurin osa konepajateollisuuden raaka-aineista jatkojalostamiseen Taonnalla saavutetaan muokkauksen edut sekä mahdollisuudet vapaampiin muotoihin Pursottamalla voidaan valmistaa erilaisia vaikeamuotoisiakin profiileja

4 Teräksen valmistus ja kuumavalssaus Länsimaissa kierrätetään romutukseen päätyvästä teräksestä 90 % Koko maailman terästuotannosta noin 40 %

5 Kylmävalssaus ja pinnoiteprosessi

6 Valssatut (teräs)raaka-aineet 1. Ohutlevyt ( < 3 mm ) kuuma- tai kylmävalssattuja eri laatuja lähinnä lujuuden ja muovattavuuden perusteella sinkityt, muovipinnoitetut, maalatut arkkeina tai keloina Levy on koneenrakennuksen käytetyin valssaustuote 2. Karkealevyt(kvarttolevy) ( >= 3 mm ) kuumavalssattuja, toimitetaan yleensä suojamaalattuina arkkeina tai keloina 3. Profiilit pyörötangot, neliötangot, ainesputket, latat, L-, U-, I-, T-, H- ja hattuprofiilit kuumavalssatut, kylmämuovatut, vedetyt 4. Ruostumattomat- ja haponkestävät teräkset, alumiinit, kuparit, messingit ja muut materiaalit

7 Teräksen valssausta Kuumavalssausta: Saumattoman putken valmistusta Kuumareduktio=muovataan putki lopulliseen muotoon ja mittaan: Putken vetoa: Langan ja tangon valssausta Teräskirja

8 Kylmävalssaus Kylmävalssauksessa nauhaa ohennetaan 3 6 perättäisessä valssaimessa, kokonaisohentuma voi olla %. Perinteisessä valssaimessa on kaksi työ- sekä tukivalssia (nelivalssain). Terästä valssataan kussakin valssaimessa kn:n puristusvoimalla. Valssauksen ohjaus ja säätö tapahtuvat automaattisesti etukäteen laskettujen asetusarvojen mukaisesti, joita voidaan korjata valssauksen aikana. Myös nauhan paksuutta ja tasomaisuutta mitataan ja säädetään jatkuvasti valssauksen aikana. Valssiraon muotoa voidaan säätää työvalssien taivutuslaitteistolla. Kylmävalssaus on nopea prosessi, jossa yhden kelan valssaus kestää vain muutamia minuutteja. Nykyaikaisissa valssaamoissa peittausja valssausprosessit on yhdistetty jatkuvatoimiseksi linjaksi, jolloin nauhan pujotukset jäävät pois ja valssaamoa voidaan ajaa keskeytyksettä.

9 Kylmävalssattuja keloja

10 Terästen nimikkeet Käyttötarkoituksen ja ominaisuuksien perusteella: Muotoa Päätunnus Teräksen lisätunnus + Terästuotteen lisätunnuksia Päätunnus: S = rakenneteräs, P = paineastiateräs, L = putkiteräs, H = kylmävalssattu kylmämuovattava luja levytuote, D = kylmämuovattava levytuote (toinen kirjain C = kylmävalssattu, D = kuumavalssattu, X = ei määritelty). Perään tyypillisesti myötölujuus(rel) N/mm 2, D-tuotteilla muovattavuutta kuvaava numerotunnus (DC01 - DC06, DD11 - DD14) Lisätunnuksia: S-päätunnukselle iskusitkeys (J, K, L) / lämpötila (R, O, 2..6). Lisäksi G ja numero = tiivistys tai toimitustila, M = termomekaanisesti valssattu, N = normalisoitu, Q = nuorrutettu, C = erikoiskylmämuokkaus, D = kuumaupotuspinnoitus, E = emalointi, H = putkipalkki jne. + -merkillä erotettavia terästuotteen lisätunnuksia: +A = alumiinipinnoite, +Z = kuumasinkitys (numeroilla g/m 2 ), +ZE = sähkösinkitty jne. Esimerkkejä: S350GD+Z275 = rakenneteräs, myötölujuus 350 N/mm 2, kuumaupotuspinnoitettava, 275 g/m 2 sinkkikerros DC04+ZE = sähkösinkitty kylmävalssattu kylmämuovattava Lähde: Niemi

11 Valmistusmenetelmät - leikkaaminen Valaminen Liittäminen Työstäminen Lämpökäsittely Sintraus Leikkaaminen Sähköeroosio Lastuaminen Muovaaminen Pinnoitus Mekaaninen leikkaaminen Terminen leikkaaminen Kiekkoleikkaus Lävistäminen Suuntaisleikkaus Laserleikkaus Plasmaleikkaus Polttoleikkaus

12 Leikkaus Levytuotteen esimerkki valmistusprosessista Särmäys KOKOONPANO- HITSAUS Leikkaus Sahaus Poraus Sorvaus (RAE- PUHALLUS JA) MAALAUS KONEISTUS

13 Esimerkkejä ohutlevyjen käyttökohteista

14 Leikkausmenetelmät (2Dkappaleet) Suora leikkaus suuntaisleikkaaminen kaarisaksilla leikkaaminen rullaleikkaus nakertaminen loveaminen sahaaminen termiset menetelmät Muotoleikkaus nakertaminen muotojen rullaleikkaus meistotekninen leikkaaminen termiset menetelmät

15

16 Lähinnä mekaaniseen leikkaamiseen liittyviä käsitteitä ja määritelmiä 1 Leikkaaminen on yleisnimitys lävistämiselle, irrottamiselle ja muille leikkaustavoille Lävistäminen on suljetun muodon leikkaamista aihioon Aihio on leikkaamalla muodostunut kappale, jota käytetään tuotannossa Irrottaminen on aihion leikkaamista irti rainasta Leikkausnopeus on ylä- ja alatyökalun suhteellisen liikkeen keskinopeus leikkauksen aikana Leikkauspinta on leikkauksessa syntyvä pinta Jäte on leikkauksessa muodostunut osa, jota ei käytetä tuotannossa Leike on osa, joka leikattaessa irtoaa rainasta (voi olla aihio tai jäte) Lähde: Niemi

17 Käsitteitä ja määritelmiä 2 Leikkausväli u on pistimen ja tyynyn leikkaavien reunojen yhden puolen tai terien välimatka mitattuna liikkeen normaalitasossa, Väli voi olla kartiomainen tai lieriömäinen Leikkauspäästö on tyynyn reiässä oleva kartiopinta, joka alkaa joko tyynyn pinnasta tai teroitusosan jälkeen u u u u päästö

18 Leikkauksen vaiheet Terästä leikattaessa ainoastaan osa materiaalista leikkautuu. Loppuosa katkeaa murtumalla. Ensimmäisessä vaiheessa tapahtuu leikattavan teräksen kimmoinen myötäminen. Myötölujuuden ylittämisen jälkeen alkaa plastinen muodonmuutos. Leikkauksen edistyessä ylitetään tietyssä vaiheessa teräksen muodonmuutoskyky, ja levy murtuu.

19 levy Leikkaustapahtuma, vaihe 0 (lävistäminen) pistin pidätin

20 Leikkaustapahtuma, vaihe 1 elastinen muodonmuutos

21 Leikkaustapahtuma, vaihe 2 plastinen muodonmuutos

22 Leikkaustapahtuma vaihe 3a muodonmuutoskyky ylitetty

23 Leikkaustapahtuma, vaihe 3b irtileikkautuminen

24 Lävistetyn reiän geometria Deformoitunut alue Leikkaantunut alue=kiillottunut vyöhyke Pistimen ja tyynyn väli Jäyste Murtunut alue

25 Oikean leikkausvälin merkitys Oikea leikkausväli - oikea leikkautuminen Liian pieni leikkausväli Ylä- ja alapuolen murtumat eivät kohtaa Lähde: Sundberg

26 Leikkausvälin valintaan vaikuttavat leikattava aine, lujuus, murtovenymä ja levynpaksuus leikkauspintojen laatu irrotetun kappaleen tai lävistetyn reiän mitta- ja muototarkkuus leikkaus- ja irrotusvoimat, leikkaustyö työkalun kuluminen ja hiomavara tyynyn kartiokkuus pistimen kartiokkuus, mikäli sitä joudutaan käyttämään irrotusvoiman pienentämiseksi

27 Leikkausvälin laskenta Oehlerin kaava: jossa u C s R b s = levyn paksuus (mm) R b = leikkauslujuus (N/mm 2 ) C = tilannekerroin (0,01 0,018) C = 0,01 (tavallisesti) C = 0,005 (hyvä pinta) C = 0,015 0,018 (kovametallityökalut) Nyrkkisääntö: Leikkausväli n 10 % materiaalinpaksuudesta

28 Leikkausvoima Määrää käytettävän puristimen suuruuden Tarvittavaan voimaan vaikuttavat levyn paksuus, murtolujuus ja leikkausviivan pituus: F = 1,2 1,6. L. s. k L = leikkausviivan pituus (mm) s = leikattavan levyn paksuus (mm) k = leikkausvastus (N/mm 2 ) Leikkausvastus löytyy taulukoista tai lasketaan: k = C. R m, missä C = 0,8 (vakio välillä 0,6...0,9) ja R m = murtolujuus (N/mm 2 ). Esim. S350, L = 200 mm, s = 5 mm, F = 220,5 kn Mikäli lasketun leikkausvoiman tarve on suurempi kuin puristimen nimellisvoima, pistimen ja tyynyn muotoa voidaan muuttaa. Tämä hankaloittaa kuitenkin teroitusta.

29 Levytyökeskus, levytöiden koneistuskeskus

30 Levytyökeskusten työkaluja Lähde: Sundberg

31 Levytyökeskus - erikoistyökalut Amada

32 Lähde: Sundberg

33 Suuntaisleikkaus Leikkausvoima (kuvassa liioiteltu kallistus, todellisuudessa yleensä < 2 ): = leikkauskulma

34 Leikkausvoima Tarvittavaan voimaan vaikuttavat levyn paksuus, murtolujuus ja leikkausviivan pituus. Suuruusluokka voidaan arvioida seuraavasti: F = 0,8. cot. s 2 / 2. R m = leikkauskulma s = leikattavan levyn paksuus (mm) R m = levyn murtolujuus (N/mm 2 ) Esim. jos s = 15 mm, = 2 (jolloin leikkausviiva maksimissaan n. 430 mm), R m = 420 N/mm 2, niin F = 1080 kn

35 Valmistusmenetelmät - muovaavat Valaminen Liittäminen Työstäminen Lämpökäsittely Sintraus Leikkaaminen Lastuaminen Sähköeroosio Muovaaminen Pinnoitus Taivuttaminen Taivutuskoneella Särmäyspuristimella Rullamuavaus Pyöristys Syvävetäminen Venytysmuovaus Painosorvaus Superplastinen muovaus

36 Muita muovausmenetelmiä

37 Levyn pyöristäminen min. 2 5 x s Ylätela on voitava vetää pois, laakeri poistaa tai tela kääntää sivuun laakeristaan kappaleen poistamiseksi

38 Rullamuovausyksikkö ja tuote

39 Putken valmistaminen Hitsaus: - induktiivisesti kuumentamalla - vastushitsaus - TIG-, plasma- tai laserhitsaus Putkenvalmistus SSAB:n Hämeenlinnan tehtaalla

40 Rullamuovauslinja

41 Taivutus Kita ja takavaste Särmäyspuristin

42 Särmäyspuristin Koneiden leveydet 1 ja 10 m välillä, yleisimmin 2 4 m Trumpf

43 Taivuttaminen

44 Taivuttaminen

45 Taivuttaminen

46 Taivuttaminen Vapaataivutus

47 Vapaataivutus Voima = 2 3 kertaa suurempi

48 Vapaataivutus Voima = 2 3 kertaa suurempi

49 Vapaataivutus Pohjataivutus Voima = 2 3 kertaa suurempi

50 Taivutetun levyn vyöhykkeet r i = sisäsäde r a = ulkosäde s = levyn paksuus Levy venyy ulkopinnaltaan enemmän kuin tyssääntyy sisäpinnaltaan. Tämän vuoksi oikaistu pituus on pienempi kuin taivutettu.

51 Takaisinjousto 1 = taivutuskulma ennen takaisinjoustoa 2 = taivutuskulma takaisinjouston jälkeen 1 = kaarikulmakulma ennen takaisinjoustoa 2 = kaarikulmakulma takaisinjouston jälkeen r i1 = sisäsäde ennen takaisinjoustoa (työkalun sisäsäde) r i2 = sisäsäde takaisinjouston jälkeen = takaisinjoustokulma s = levyn paksuus Jos taivutuskuormitus poistetaan, pyrkii levyn erityisesti keskellä oleva elastinen vyöhyke palauttamaan levyn suoraksi. Levy oikenee hiukan, mutta koska pinnoissa oleva plastinen muodonmuutos ei palaudu, jää levyyn pysyvä taive

52 Takaisinjoustokerroin α k α 1 = taivutuskulma ennen takaisinjoustoa 2 = taivutuskulma takaisinjouston jälkeen 1 2 Takaisinjoustokertoimen suuruus riippuu lähinnä materiaalin myötölujuudesta ja taivutussäteen ja levyn paksuuden suhteesta Takaisinjousto on pienempi kun taivutussäde on pieni myötöraja on alhainen Pienimmät sallitut taivutussäteet on taulukoitu tai voidaan laskea eri materiaaleille, samoin kuin taivutettavien kappaleiden oikaistut pituudet eri taivutuskulmille, levyn paksuuksille ja taivutussäteille. jossa ab = rajavenymä c = materiaaliriippuva kerroin r i min 1 1 s 1 ε 2 ab c s Materiaali c Materiaali c Teräslevy 0,60 Al Mg 3 pehmeä 1,00 Syvävetolevy 0,50 puolikova 1,30 Ruostumaton teräs Al Mg 7 pehmeä 2,00 martensiittis ferr. 0,80 puolikova 3,00 austeniittinen 0,50 Al Mg 9 pehmeä 2,20 Kupari 0,25 puolikova 5,00 Zn-pronssi 0,60 Al Si pehmeä 0,80 Al-pronssi 0,50 kova 6,00 Cu Zn 28 0,30 Al Cu Ni hehkutettu 1,40 Cu Zn 40 0,35 hehkuttamaton 3,50 Sinkki 0,40 Mg Mn 5,00 Al, pehmeä 0.60 Mg Al 6 3,00 Al, kova 2,00

53 Takaisinjouston automaattinen mittaus Takaisinjousto voidaan kompensoida taivutuksen aikana, jos NC-ohjattu puristin on varustettu levyn taivutuskulman mittauksella. Mm. lasersäteeseen ja konenäköön perustuvia järjestelyjä on myös saatavilla. Trumpf

54 Taivutusvoimat F R1 = F N1 F b F Särmäysvoima b b 2 s w R m. C F N1 jossa b = levyn pituus s = levyn paksuus w = v-aukon leveys R m = vetomurtolujuus C = w/s suhteesta riippuva vakio (1,15...1,4) w F N2 Vastin tai painin voidaan valmistaa muovista tai niiden ja työkappaleen välissä voidaan käyttää muovikalvoa naarmuuntumisen estämiseksi

55 Taivutus - painin ja vastin

56 Taivutusta särmäyspuristimella

57 Litistäminen särmäyspuristimella Oikeanpuoleinen järjestely edellyttää alatyökalun siirtämistä =>

58 Särmäyspuristin Puristimen yläpalkki taipuu keskeltä, koska sitä painavat sylinterit ovat yleensä palkin päissä. Tämä taipuma aiheuttaa venemäisyyttä taipeeseen. Ongelmaa voidaan korjata taivuttamalla alapalkkia keskeltä ylöspäin kiiloilla tai esim. kuvan mukaisella tuennalla automaattisesti. Tätä kutsutaan kaareuttamiseksi tai bombeeraukseksi (engl. crowning). Pienissä puristimissa kaareuttamista ei yleensä tarvita.

59 Työkaluryhmät

60 Automatisoitu särmäyspuristin

61 Painosorvauksen periaate

62 Painosorvattuja kappaleita

63 Syväveto Ohutlevyjen muovausmenetelmä, jossa tuloksena on kuppimainen aihio tai lopputuote Syvävedon työkalut ovat vetopainin ja vetorengas Tavallisesti lähtöaihiona on levykiekko Syvät kupit vedetään useissa vaiheissa Syvävedossa materiaalin paksuus säilyy muuttumattomana

64 Syväveto ja venytysveto

65 Hydraulinen syvävetopuristin

66 Syväveto yksitoimisella ja kaksitoimisella puristimella

67 Hydraulinen syvävetopuristin

68 Transfertyökalu

69 Syvävedettyjä pienkappaleita

70 Syväveto - monimutkaiset kappaleet

71 Puristinlinjoja

72 Muovattavuuden arvioiminen Muovattavuuteen vaikuttaa käytettävä materiaali, työkalut jne. Ohutlevytuotteiden suunnittelemista auttaa ns rajamuovattavuuspiirros. Piirros kertoo materiaalin kyvyn kestää muokkausta, esim syvävetäessä tai venytysmuovauksessa, ilman repeytymistä. Rajamuovattavuuspiirroksessa kuvataan levyn pinnansuuntaisten päävenymien avulla erityyppisissä muovausolosuhteissa Piirrosta voidaan käyttää hyödyksi; valmistettavuuden arvioinnissa, muovaustyökalujen suunnittelussa ja materiaalinvalinnassa. Rajamuovattavuuskäyrät määritetään kokeellisesti mittaamalla venymät tietyillä koejärjestelyillä muovatuista koekappaleista. Esim simuloimalla tapahtumaa tietokoneavusteisesti. Esim halvemman materiaalin käyttö?

73 Rajamuovattavuuspiirros

74 Esimerkki syvävedon FEMmallinnuksen tuloksista

75 Nestepaine- ja vastaavat muovausmenetelmät Syvävetoa ja painosorvausta monimutkaisempien muotojen aikaansaamiseksi ja työkalukustannusten alentamiseksi on kehitetty lukuisia mm. nestepaineeseen perustuvia ohutlevynmuovausmenetelmiä: Hydromekaaninen syväveto Aquadraw Syväveto elastomeereja vastaan Fluidform Hydroform Flexform Räjäytysmuovaus

76 Hydromekaaninen syväveto Nestepaineen avulla suoritetulla muovauksella saavutettavia etuja ovat soveltuvuus vaikeamuotoisille kappaleille, suuri rajavetosuhde, hyvä pinnanlaatu ja mittatarkkuus sekä pienet työkalukustannukset. Nestemuovausmenetelmät soveltuvat erityisen hyvin vaikeamuotoisten tuotteiden valmistukseen sekä pienten sarjojen tuotantoon. Työvaiheita tarvitaan syvävetoa vähemmän, nesteenä yleensä öljy. Lähde: Kivivuori

77 Hydromuovaus Putkimainen aihio venytetään nestepaineella muotin sisäpintoja vasten Esimerkkejä hydromuovatuista auton osista, Ford

78 Levyn muovaus Taivutus Särmäys Syväveto Venytysm. Painosorvaus Muoto 2D suora 2D suora 3D kuppim. 3D kuppim. 2D pyörähdys Tyypillinen toleranssi +/- 0,2 mm +/- 0,2 mm +/- 0,5 mm +/- 0,5 mm Sopiva levynvahvuus 0-12 mm 0-20 (- 50) mm 0-2 (- 4) mm 0-2 (- 4) mm 0-3 (- 10) mm Suuri kappaleen koko > mm mm 2500 mm 2500 mm 800 mm Työkalukustannus 0 0 tai pieni Suuri Kohtalainen Kohtalainen suuri laakea suuri pyöreä Edullinen muoto 90 2 x 90 kuppi muoto kuppi Pyöristys Rullamovaus Hydrom. ym. Olastus ym. Muoto 2D suora 2D suora 3D 2D pyörähdys Tyypillinen toleranssi +/- 0,1 mm +/- 0,02 mm +/- 0,2 mm +/- 0,2 mm Sopiva levynvahvuus 0-20 (- 50) mm 0-2 (- 4) mm 0-12 mm 0-1 (- 2) mm Suuri kappaleen koko mm Raina 2500 mm 800 mm Työkalukustannus 0 Suuri Kohtalainen Kohtalainen Edullinen muoto putki, kartio aaltopelti, putki kovera-kupera purkin reuna Lähde: Niemi

79 Pursotusprosessi

80 Pursotettuja alumiiniprofiileja

81 Takominen Tae muovataan lopulliseen muotoonsa pienin materiaalihäviöin Tae on nykyisin yleensä kerralla valmis tuote Lopputuotteena on parhaimmillaan asennusvalmis korkealaatuinen metallituote Taonta on sarjatuotantomenetelmä Taonnan seurauksena materiaalilla on pieni raekoko ja erinomainen lujuus-sitkeysyhdistelmä Takeella on tasainen laatu sekä hyvä mittatarkkuus Lähde: Kivivuori

82 Takominen Taontamenetelmiä: vapaa taonta muottitaonta tyssäys prässitaonta

83 Taottuja tuotteita