KUUMAVALSSATUT TERÄSLEVYT JA -KELAT Mekaaninen leikkaus www.ruukki.fi
Lujien terästen leikkaamiseen suositellaan suorateräistä leikkaamista, joka yleensä on saksimainen leikkausmenetelmä. Erityisesti teräslajien Optim 700 MC, Optim 700 QL, Optim 900 QC, Optim 960 QC, Raex 400, Raex 450 ja Raex 500 mekaanisessa leikkauksessa pitää leikkauskoneet ja -arvot valita huolellisesti. Tärkeimpiä tekijöitä ovat leikkausväli ja leikkauskulma. Myös leikkausterän kovuudella on suuri merkitys leikkaustapahtumaan, varsinkin karkaistujen Raex-terästen leikkauksessa. Karkaistua Raex 400 -terästä voi leikata järeillä, tukevilla leikkureilla, joissa on oikeat terien leikkausvälit. Leikkurin terän kovuuden pitää olla >53 HRC. Raex 500 -teräksen mekaanista leikkaamista suositellaan vain alle 10 mm paksuille levyille. Leikkausväli vaikuttaa leikkurin terien kestoon ja kustannuksiin. Sopivasti valittu leikkausväli vähentää leikkurin runkoon kohdistuvia rasituksia. Näin leikkurin käyttöikä pitenee, ja sillä voi leikata paksumpia levyjä. Toisaalta leikkausvälin säätö on myös nopea, mitattavissa ja valvottavissa oleva toimenpide. Lujia teräksiä leikattaessa leikkausväliä joudutaan suurentamaan. Erityisen sitkeillä teräksillä leikkausväliä täytyy pienentää voimakkaasti, jotta levy ei taitu eikä jää kiinni terien väliin. Lisäksi on huomattava, että onnistunut teräslevyjen mekaaninen leikkaus perustuu myös tallennettuun konepajakohtaiseen kokemustietoon. Leikattavan teräslevyn lämpötila Teräksen lujuudesta tai kovuudesta riippumatta on onnistuneen mekaanisen leikkauksen perusedellytys, että ennen työn aloitusta, kylmässä olleen teräslevyn annetaan lämmetä läpikotaisin huoneenlämpötilaan +20 C. Kuvassa 1 on esitetty lämpenemiseen kuluva aika, kun teräslevy tuodaan pakkasesta sisälle hallitilaan. Kuvan mittaukset on tehty kolmella eri paksuudella. Kuva 1. Kylmien (-20 C) teräslevyjen lämpenemisaika hallissa, jonka lämpötila on +20 C - +22 C. Koe on suoritettu Rautaruukilla Raahessa helmikuussa 2011. Levykoot ovat 12 x 1000 x 2000, 21 x 1000 x 1600 ja 40 x 1000 x 2000 mm. +25 +20 +15 +10 Lämpotila, C +5 0-5 -10 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 24-15 -20-25 Hallin lämpötila t 1 = 12 mm t 2 = 21 mm t 3 = 40 mm Aika, tuntia Kuvan 1 koe antoi seuraavat levyn lämpenemistulokset -20 C:sta +17 C:een: - noin 8 tuntia 12 mm paksu levy - noin 12 tuntia 21 mm paksu levy - noin 17 tuntia 40 mm paksu levy. Levyn pinta ja keskiosa lämpenevät näin hitaassa muutoksessa yhtä nopeasti. On korostettava, että päällekkäin pinotut isot paksut levyt lämpenevät vielä kuvan esimerkkiä hitaammin. Nyrkkisääntönä voi päätellä, että pakkasessa olleen kylmän levyn (leveys 2 m, pituus 6 m) lämpeneminen hallissa huoneenlämpötilaan kestää noin vuorokauden. 3
Leikkaamisen geometria Levyleikkureissa leikkaukseen vaikuttavia tekijöitä tarkastellaan pääleikkaustasossa ja sen normaalitasossa, kuva 2. Leikkaukseen vaikuttavat tällöin leikkausväli (u), leikkauskulma (), viistokulma (γ) ja kallistuskulma (β). Jos leikkauskulma () on nolla, puhutaan kokosärmäisestä leikkauksesta. Tällöin ylä- ja alaterä ovat yhdensuuntaiset, ja leikattaessa terä painuu levyyn samanaikaisesti koko pituudeltaan. Leikkauskulman ollessa nollasta poikkeava, puhutaan saksimaisesta leikkauksesta. Tämä leikkaustapa on yleisin ja tärkein suorateräisillä levyleikkureilla. Pyöröleikkaus muistuttaa paljon saksimaista leikkausta. Leikkausgeometriaa tarkasteltaessa se rinnastetaan usein saksimaiseen leikkaukseen. Leikkausväli (u) on ylä- ja alaterän välinen ilmarako. Leikkausväliä voi leikkureissa yleensä säätää tietyissä rajoissa. Suorateräisissä leikkureissa säädetään ainoastaan ylä- ja alaterän vaakaetäisyyttä. Pyöröleikkureissa on vaakavälin lisäksi mahdollisuus säätää myös pystyväliä (h). Pystyvälin säädöllä voi vaikuttaa leikatun levysuikaleen irtoamiseen. Kallistuskulman (β) ja viistokulman (γ) arvoilla voi myös vaikuttaa leikkaustulokseen. Kapeita liuskoja leikattaessa kallistuskulman avulla voi vähentää leikkausvirheitä ja samalla hieman pienentää terien kulumista. Asettamalla leikkurin terään 1 2 asteen viistokulman saa leikkausjäljestä suorakulmaisen. Tällöin leikkausväli ei pysy vakiona, vaan kasvaa leikkauksen edetessä. Kuva 2. Mekaaniset leikkausmenetelmät Suorateräinen leikkaus Pyöröleikkaus Pääleikkaustaso Pääleikkasutason normaalitaso γ u u β +β u = leikkausväli γ = viistokulma = leikkauskulma β = kallistuskulma h = pystyväli h Leikkauksen vaiheet Ensimmäisessä vaiheessa tapahtuu leikattavan teräksen kimmoinen myötäminen. Myötölujuuden ylittämisen jälkeen alkaa plastinen muodonmuutos. Leikkauksen edistyessä ylitetään tietyssä vaiheessa teräksen muodonmuutoskyky, ja levy murtuu. Lopullinen leikkaantuminen tapahtuu kun ylä- ja alaterän kohdilta lähteneet murtohalkeamat kohtaavat. Leikatun levyn leikkauspinnasta voi tunnistaa eri vaiheissa syntyneet leikkauspinnan osat, kuva 3. Leikkauksen alussa syntyy leikattavan levyn reunaan pyöristys, ns. vajaasärmä. Sen yläterä muodostaa levyn yläpintaan ja alaterä irtileikkautuvan levyosan alapintaan. Leikkauksen edistyessä terä tunkeutuu levyyn tietyn matkan, jolloin syntyy leikkausjäljen kiillottunut vyöhyke. Jäyste muodostuu, sillä suurimmat puristusjännitykset suuntautuvat yläterästä vinosti kohti alaterän leikkaavaa särmää. Tämä aiheuttaa leikkausvyöhykkeessä venyvään materiaaliin poikittaisjännityksen, mikä parantaa sen muodonmuutoskykyä. Levy ei repeä aivan leikkaavan särmän kohdalla, vaan sen vieressä, jossa muokkauslujittuminen on vähäisempää. Levy murtuu vasta liu uttuaan leikkaavan särmän ohi. Murtuneeseen leikkauskohtaan, levyn pintaan, muodostuu terävä kohouma eli jäyste. 4
Kuva 3. Leikkauspinnan muutokset Vajaasärmä Kiillottunut vyöhyke Murtunut vyöhyke Jäyste Tuloksen arviointi ja mahdolliset virhetyypit Leikkaustuloksen arviointiperusteita ovat: leikatun levyn muoto- ja mittatarkkuus, leikkauspinnan ulkonäkö ja jäysteen korkeus. Tulokseen vaikuttavat leikkuri ja leikattava teräs. Teräksen osalta vaikuttavin tekijä on murtolujuus. Myös teräksen sitkeys, etenkin sen muodonmuutoskyky, näkyy leikkaustuloksessa. Leikkureissa leikkausvirheitä aiheuttavat tekijät ovat: suuri leikkauskulma, tylsät terät, väärin säädetty leikkausväli sekä leikkauskoneen akseleiden ja rungon joustot. Leikatussa terässuikaleessa voi erottaa kolme eri virhelajia, jotka leikkauspinnan suorakulmaisuuden ja tasomaisuuden kanssa määräävät leikkaustuloksen. Virhetyypit ovat, kuva 4: kiertymien (twist), tasokaareutuminen (camber) ja taipuminen (bow). Kuva 4. Leikatun terässuikaleen virhetyypit Taipuminen (bow) Kiertyminen (twist) Tasokaareutuminen (camber) Yläterä Levyn pinta Alaterä Taipuma-alue Tasokaareutumisen syitä: - sisäiset jännitykset, - suuri leikkauskulma, - leikkurin teräpalkin taipuminen ja - pieni leikkausväli. Taipumisen ja kiertymisen syitä: - suuri leikkauskulma, - levyn sisäiset jännitykset, - pieni leikkausnopeus, - paksu levy, - pehmeä materiaali, - kapea leikkausliuska sekä - leikattava kappale pitkä. 5
Leikkausvälin vaikutus leikkaukseen Terästä leikattaessa ainoastaan osa materiaalista leikkautuu. Loppuosa katkeaa murtumalla. Murtumiskulma pysyy samana leikattaessa samaa terästä. Tämän vuoksi terien leikkausväli asetetaan levyn paksuuden ja murtolujuuden mukaan. Kuvan 5 kohdassa 5a terien leikkausväli (u) on liian suuri. Murtuma ei osu suoraan terän särmiin, vaan muodostuu epäjatkuvuuskohta. Tuloksena on jäystettä ja terän tavanomaista suurempi kuluminen. Lisäksi levy taipuu ennen katkeamista. Tästä aiheutuu leikkauspinta, jossa on vahvasti ulkonevia särmiä. Kohdassa 5b terien leikkausväli (u) on liian pieni. Murtuman päätepisteet osuvat terien keskikohdalle. Tällöin terät joutuvat itse asiassa leikkaamaan levyn kahteen kertaan. Tästä aiheutuu leikkurille ylimääräistä rasitusta ja terille lohkeamisvaara. Kun leikkausväli on liian pieni, niin kiillottuneen vyöhykkeen osuus leikkausjäljestä on suuri ja murtuneen vyöhykkeen osuus pieni. Leikkausvälin kasvatettaessa pienenee kiillottunut osuus ja murtunut osuus kasvaa. Kun leikkausväli on liian pieni, leikkauspintaan tulee taikinamaisia kohoumia. Niitä tulee sitä herkemmin mitä pienempi on leikattavan teräksen lujuus. Kohdassa 5c terien leikkausväli (u) on asetettu oikein. Murtohalkeama osuu suoraan terien leikkaaviin särmiin. Tällöin levy leikkautuu suoraan eikä sen leikkaamiseen tarvita ylimääräistä energiaa. Leikkausjälki jää levyn murtumiskulman verran vinoksi. Kun leikkausväli on oikea, leikkauspinta on silmämääräisesti tarkasteltuna tasomainen ja kiillottuneen vyöhykkeen osuus on n. 20 % leikkauspinnasta. Kuva 5. Leikkausvälin (u) vaikutus leikkaukseen 5a 5b 5c Leikkausväli Leikkausväli Leikkausväli Jäyste Suikale Pyöröleikkauksessa pystyväli (h) säädetään liikuttamalla akseleita, joille terät on asennettu. Pystyväli vaikuttaa eniten siihen, miten leikatut suikaleet irtoavat toisistaan. Pystyväli kannattaa pitää mahdollisimman suurena; koska tällöin terien kuluminen on vähäisintä. Mikäli pystyväli on liian pieni, se aiheuttaa ulkonevan särmän nostamalla levyn kulkemaan alaterien päälle. Leikkausvälin muutokset leikattaessa Pyöröleikkurin terissä on usein jonkinlaista sivuttaispoikkeamaa leikkaamisen aikana. Joskus terät saattavat liikkua akselilla siten, ettei alun perin asetettu leikkausväli säily. Suurimmillaan leikkausvälin muutos on millimetrin luokkaa. Leikkausvälin muuttuminen kesken levyn leikkaamisen aiheuttaa laatuvaihtelua leikatuissa pinnoissa, koska leikkausväli voi saman levyn aikana olla sekä liian pieni että liian suuri. Syynä poikkeamiin on yleensä leikkurin terien puutteellinen kiristäminen, tai epäpuhtaudet terien asettelussa käytettävien holkkien pinnoilla. Myös leikkurissa ilmenevät mekaaniset viat aiheuttavat poikkeavuutta. Leikkausväli saksimaisessa- ja pyöröleikkauksessa Leikkauskokeiden perusteella voi saksimaisen leikkauksen leikkausvälille suosittaa taulukon 1 mukaisia arvoja. On kuitenkin otettava huomioon leikkurikohtainen teräpalkin ja rungon jousto, levynpidätysvoima, leikkaavien terien kunto sekä käytetyt leikkausja viistokulmat, jotka vaikuttavat leikkauspinnan ulkonäköön leikkausvälin ohella. Levyn paksuudella on myös merkitystä leikkausvälin suuruutta valittaessa. Tämä näkyy erityisesti myötölujuusluokan 355 MPa leikkausvälin arvoissa. Tällöin 6 mm levyille 8 10 prosentin leikkausväli on riittävä, kun taas 10 mm levyä leikattaessa on käytettävä 10 15 prosentin leikkausväliä. Taulukossa annetut arvot soveltuvat 6 10 mm levypaksuuksille. 6
Taulukko 1. Saksimainen leikkaus. Leikkausvälin suositusarvo Standardi Leikkausväli % levyn paksuudesta S235J0 EN 10025-2 5 8 Ruukki Laser 250 C Ruukki 5 8 Ruukki Laser 355 MC Ruukki 5 8 S355J2 EN 10025-2 8 15 Multisteel Ruukki 8 15 S355NL EN 10025-3 8 15 Optim 650 MC Ruukki noin 10 Pyöröleikkureissa käytetään hieman suurempia leikkausvälejä kuin saksimaisissa leikkureissa. Taulukon 2 leikkausvälit soveltuvat levynpaksuuksille 2 20 mm. Pyöröleikkurin leikkausväleissä on otettava huomioon, että pystyvälin säädöllä voidaan jonkin verran vaikuttaa myös vaakavälykseen. Taulukko 2. Pyöröleikkaus. Leikkausvälin suositusarvo Standardi Leikkausväli % levyn paksuudesta S235J0 EN 10025-2 15 26 Ruukki Laser 250 C Ruukki 15 26 Ruukki Laser 355 MC Ruukki 17 28 Multisteel Ruukki 18 27 Optim 650 MC Ruukki 20 29 Pyöröleikkurille annetut leikkausvälit (u ja h) ovat leikkauksen aikaiset todelliset leikkausvälit. Leikkurin mahdolliset joustot tulee vähentää näistä arvoista. Pystyvälin voi parhaiten määrittää leikkurikohtaisesti siten, että suurennetaan pystyväliä niin kauan kuin leikkuri kykenee irrottamaan leikattavat kappaleet toisistaan. Kuvassa 6 on esitetty pystyvälin suositusarvoja. Kuva 6. Pyöröleikkaus. Pystyvälin (h) suositusarvot Pystyväli mm -2,6-2,4-2.2-2,0-1,8-1,6-1,4-1,2-1,0-0,8-0,6-0,4-0,2 0 +0,2 +0,4 +0,6 -h +h 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 12 14 16 18 20 Levyn paksuus mm 7
Ruukki on metalliosaaja, johon voit tukeutua alusta loppuun, kun tarvitset metalleihin pohjautuvia materiaaleja, komponentteja, järjestelmiä ja ratkaisukokonaisuuksia. Kehitämme jatkuvasti toimintaamme ja tuotevalikoimaamme vastaamaan tarpeitasi. MFI.001FI/08.2011/AN Rautaruukki Oyj U Suolakivenkatu 1, 00810 Helsinki S 020 5911 w www.ruukki.fi Copyright 2011 Rautaruukki Oyj. Kaikki oikeudet pidätetään. Ruukki, Rautaruukki, More With Metals ja Ruukin tuotenimet ovat Rautaruukki Oyj:n tavaramerkkejä tai rekisteröityjä tavaramerkkejä.