KJR-C2006 Lastuava työstö E. Niemi & P. Kyrenius & P. H. Andersson K2015 Kiitokset prof. Esko Niemelle materiaalista 22.1.2015 K213 Runkona: Luku 24 (Machining) Philip D. Rufe (ed.) Fundamentals of Manufacturing, 3 rd Ed. [2013] Dearborn, Mich. : SME, Society of Manufacturing Engineers
Lastuava työstö Johdanto Lastuamisen perusteita Menetelmiä Lastuamisen suunnittelu ja kustannukset
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/
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
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.
Lastuaminen esimerkki vaihtoehtoisista aihionvalmistustavoista Umpitanko tai ainesputki Vaakavalu Pystyvalu Lähde: Schey Vaakatae Pystytae Hitsattu
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
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.
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
(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)
Lastunmuodostus Lastunirrottamisessa olennaisia asioita: Lastuamisvoimat Työkappaleen ja työkalun lämpötilat Työkalun kuluminen Lastun muoto Ja niihin vaikuttavat: Terät Terämateriaalit Lastuamisarvot
Terien kuluminen Viistekuluminen abraasio Kuoppakuluminen hapettuminen, diffuusio
Kulumismekanismit vs. lastuamislämpötila Kuluminen Adheesio Diffuusio Abraasio Hapettuminen v c, t, f yms. Lähde: Vieregge 1949
VT n f m = k kestoaikamalli 100 90 80 70 90-100 80-90 70-80 k = 240 m/min n = 0,21 m = 0,47 T 60 50 40 30 20 10 0 0,1 0,2 0,3 f 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 270 210 150 90 V 30 60-70 50-60 40-50 30-40 20-30 10-20 0-10
Viistekulumisen vaiheet V B Terärikko Alkukuluminen Lineaarinen kuluminen Työstöaika t
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
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
Sorvaus
Muotojen sorvausta
Vinojohteinen NC-sorvi
Monitoimisorveja Tukilaakeri
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
Jyrsintä Sorvauksen ja jyrsinnän ero Lastunmurto Kääntöterän ja työkalun kuormitus
Tasojyrsintä
Kulma (nurkka-) jyrsintä
Urajyrsintä Kiekkojyrsimet
Ura- ja muotojyrsintä
Kopiojyrsintä
Viistejyrsintä
Sädejyrsintä
Aksiaalijyrsintä
Kierteen jyrsintä
Pystykarainen koneistuskeskus
Koneistuskeskus
Kiinnityspaletti
5-akselinen pystykarainen koneistuskeskus
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.
Poraaminen Syvänreiänporausmenetelmät
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 0,2-70 5 (-10) x D 12 13 Pikateräskierukkapora 0,8-20 5 (-10) x D 3 9 Kovametallikierukkapora 10-30 5 (-10) x D 4 9-10 Kierukkapora kovametalliteräpalalla 12-80 2,5 (-5) x D 3-10 11-13 Kääntöpalapora > 60 2,5 x D 3-10 11-13 Ydinpora 1-300 10-150 x D 2 9-10 Syvänreiänporausmenetelmät
Suuria avarrustyökaluja
Vierintäjyrsintä
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
Sahaaminen Sahaamisen pääsovellus on katkaiseminen. Kuviovannesahoja käytetään vähenevässä määrin leikkaamiseen.
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
Hiomatyökaluja
Pyöröhiontaa
Hiomakoneita
Uppokipinätyöstöä Työstön aikana työkappale ja elektrodi ovat nesteen pinnan alla AT-Tools
Lankasahaus Yläpuolinen ohjain Uutta lankaa Työkappale Alapuolinen ohjain Käytettyä lankaa Paineistettua ja jäähdytettyä nestettä
Lankasahattuja kappaleita
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
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
Akselin ja reiän koneistaminen Lapinleimun mukaan Akselinkoneistus IT 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 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
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
Konekustannukset - esimerkki Mazak FH 480 Vaakakarainen koneistuskeskus työalue (x,y,z) 560*560*510 karateho max 22 kw karanopeus 35-12 000 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
Keskimääräiset konekustannukset Mazak FH 480 Vaakakarainen koneistuskeskus 2 työvuoroa, á 1500 tehtyä työtuntia Hankintahinta 250 000 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()
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.
Työstökustannusten optimointi Koneistuskustannukset ja tuotantomäärä 500 12 Kustannus, [EUR/kpl] 450 400 350 300 250 200 150 100 50 Konekust. Työk. vaihto Työkaluk. Yht. kpl/vuoro 10 8 6 4 2 Tuotantomäärä, [kpl/vuoro] 0 10 110 210 310 410 510 610 710 810 910 0 Lastuamisnopeus, [m/min]
Työstökustannukset (VT n f m =k) 500,0 450,0 400,0 350,0 300,0 450-500 400-450 350-400 300-350 kustannus/kpl 250,0 200,0 150,0 100,0 50,0 0,0 490 450 410 370 330 290 250 210 Lastuamisnopeus 170 130 90 50 10 0,05 0,25 0,45 0,65 syöttö 0,85 250-300 200-250 150-200 100-150 50-100 0-50
Menetelmien tarkkuudet
Menetelmillä saavutettavat pinnankarheudet Source: Chryssolouris
Tarkkuuden ja pinnankarheuden yhteys eri menetelmillä Lähde: Schey