Valmistusmenetelmän valinta Johdanto Valmistusmenetelmät voidaan jakaa muovaaviin, liittäviin tai materiaalia poistaviin menetelmiin. Muovaavia menetelmiä ovat kiinteän tai juoksevan materiaalin pakottaminen muotoonsa, kuten takominen, levyntaivutus ja valaminen. Liittäviä menetelmiä käytetään komponenteista tai ainesosista yhteensaatettujen kappaleiden valmistamiseen. Liittäviä valmistusmenetelmiä ovat hitsaus, niittaus, sintraus ja pikamallinnusmenetelmät. Materiaalia poistavin menetelmin valmistetaan valmista kappaletta suuremmasta aihiosta tuotteita. Yleisin materiaalia poistava menetelmä on lastuaminen. Lisäksi levynkäsittelyssä on käytössä eri leikkausmenetelmiä. Eri valmistusmenetelmille on ajan myötä vakiintuneet omat luontaiset soveltuvuusalueensa, jotka menevät kuitenkin joiltakin osin päällekkäin. Tällaisissa tapauksissa suunnittelijan on valittava valmistusmenetelmä eri vaihtoehtojen hyviä ja huonoja puolia vertaamalla. Käytännössä tavallisin vertailutilanne on koneenosa, runko, tuki tms., joka on konstruoitavissa joko valettuna tai levyistä hitsattuna teräsrakenteena. Valmistusmenetelmän valinta on perusteellisimpia elementtejä valmistettavien kappaleiden suunnitteluprosessissa. Täyspainoisen vertailun suorittaminen eri valmistusmenetelmien välillä on kuitenkin vaikeaa ennen kuin kappale on suunniteltu kullakin harkittavalla menetelmällä edullisimmin valmistettavaksi. Ajanpuutteen ja turhan työmäärän poistamiseksi menetelmävertailu suoritetaan tavallisesti ja suunnitteluprosessin alkuvaiheessa, ennen lopullista kappalesuunnittelua. Menetelmän valinnassa on otettava huomioon: materiaalin ominaisuudet kappaleen koko ja muoto sallitut toleranssit eri kohdissa haluttu pinnanlaatu ja muut laatuvaatimukset sarjasuuruus Lisäksi on syytä huomioida valmistusmenetelmän edellyttämä lisäsuunnittelu, mallit, muotit, ohjaimet, kiinnittimet, hitsausjigit, lämpökäsittelyt, jälkikäsittelyt, työstön tarve, toimitusajat, kuljetukset, varastointi, jne. Tuotteita valmistavassa yrityksessä suunnittelijan riippuvuus jo olemassa olevista tuotantokoneista voi johtaa yksipuoliseen ja huonosti kappaleen toimintaa vastaavaan rakennesuunnitteluun. Tällöin on parasta selvittää myös alihankintamahdollisuus. Konekustannusten osuutta kappalehinnasta on usein vaikea selvittää; pääsääntöisesti tarvittavat koneinvestoinnit ja työkalukustannukset kasvavat valmistuksen sarjatyöluonteisuuden lisääntyessä. Valmistusmenetelmän muuttamiseen ei tule ryhtyä ilman perusteellista suunnittelua ja usein tarpeellisia testejä. Hätiköidyt muutokset johtavat usein susituksiin ja pilaavat käyttökelpoisen menetelmän maineen yrityksessä. 1
Valmistusmenetelmät ja niiden vertailu Koneistusaihion tavallisimmat valmistusmenetelmät ovat valaminen, hitsaaminen tai takominen. Kappaleesta riippuen voidaan sopivalla valmistusmenetelmän suunnittelulla vähentää koneistuksen tarvetta tai päästä siitä jopa kokonaan eroon. Jauhemetallurgiset valmistusmenetelmät tai levytyömenetelmät soveltuvat lähinnä vain tietynlaatuisille kappaleille: vaikeasti lastuttaville materiaaleille (W, Ta, Nb, Mo, karbidit) tai ohutlevyistä valmistettaville massatuotantokappaleille. Taulukossa 1 on esitetty koneistettavan aihion valmistusmenetelmän soveltuvuuden vertailu eri ominaisuuksien kannalta. Arvostelussa 3 on edullinen ja 1 kallis menetelmä./1/ Taulukko 1. Aihion valmistusmenetelmien vertailu eri vaatimusten mukaan. Vaatimus Materiaali 3 2 2 Kappalekoko 2 3 2 Sarjasuuruus 3 2 2 Kappaleen muoto 3 2 1 Toleranssit 2 2 2 Pinnanlaatu 2 3 2 Viat 2 2 3 Toimitusaika 2 3 2 Suunnitteluystävällisyys 3 2 2 Laitteiston tarve 2 3 1 Jälkikäsittely 2 3 1 Seuraavassa on esitetty arvosteluperusteet. Materiaali ei tuo materiaalirajoituksia, se sopii lähes kaikille materiaaleille ja sellaisiakin materiaaleja, joita ei voida koneistaa, takoa tai hitsata, voidaan useimmiten valaa. Valumetalleilla on lisäksi suuri lujuusasteikko (10...1000-2000 N/mm2). Valuraudoilla on hyvä vaimennuskyky verrattuna muihin materiaaleihin. Sopii vain tietyille materiaaleille. Eräiden materiaalien hitsattavuus on rajoitettua joko niiden karkenemistaipumuksen ja haurastumisvaaran tai suuren reaktiivisuuden vuoksi. Samassa hitsatussa konstruktiossa on mahdollista käyttää useita eri materiaaleja ja myös valettuja osia. Materiaalin edellytyksenä hyvä plastinen muodonmuutoskyky: muokkautumisen on tapahduttava ilman säröilyä puristettaessa tai iskettäessä. Takomisen jälkeen teräksen rakenne on tiivistynyt syymäiseksi, mikä vaikuttaa materiaalin lujuusominaisuuksiin. Mekaaniset ominaisuudet, etenkin iskusitkeys, ovat erilaisia syiden suunnassa ja kohtisuoraan niitä vastaan. Rakenteen säikeisyyden oikean suuntaamisen avulla voidaan saada hyvät lujuusominaisuudet halvemmallakin materiaalilla. /1,2/ 2
Kappalekoko Valukappaleen kokoa ei ole juurikaan rajoitettu, sillä eri menetelmillä on mahdollista valaa kappaleita, joiden massa on 1 grammasta jopa sataan tonniin. Erittäin suurilla kappaleilla massaa rajoittaa valimon sulatuskapasiteetti, eli yhdellä kertaa sulana saatava metallimäärä. Jos halutaan kevyt rakenne, se voidaan valmistaa helpoimmin valamalla edellyttäen, että kappale muotoillaan oikein ja sille valitaan riittävän luja materiaali. Joissakin menetelmissä hyvin ohuen seinämänpaksuuden valaminen on vaikeaa. Hitsattavien kappaleiden suuruuden yläraja asettuu toimitilojen ja kuljetusmahdollisuuksien mukaan, hitsaamallahan rakennetaan valtameriristeilijätkin. Sen sijaan hyvin pienten osien hitsaukseen on käytettävä erikoismenetelmiä. Levystä rakentuvan muodon takia kappaleiden pintaala on myös yleensä suuri. Ristikkäisiä kevytrakenteita voidaan valmistaa hitsaamalla. Taottujen kappaleiden koko voi olla hyvinkin suuri, avotaoksia tehdään kahdeksankin metriä pitkinä ja kymmeniä tonneja painavina. Muottitaonnalla valmistetaan pienempiä kappaleita (toleranssit 250 kg:aan). /1,2/ Sarjasuuruus Sopii sekä yksittäis- että sarjatuotantoon. Menetelmää valittaessa sarjasuuruuden vaikutus on merkittävä. ta käytetään yleensä yksittäis- tai piensarjavalmistuksessa, eräitä vastushitsausmenetelmiä käytetään suursarjatuotannossa. Suursarjatuotanto vaatii kalliita laiteinvestointeja. Vapaataontaa voidaan käyttää sekä yksittäis- että sarjatuotantoon. Muottitaonta on taloudellisin suursarjatuotannossa. /1/ Kappaleen muoto Kappale voi olla muodoltaan monimutkainen, siinä voi olla onteloita tai reikiä useissa eri tasoissa ja suunnissa. Materiaali on helppo keskittää kohtiin, joissa kappaleeseen kohdistuvat kuormitukset aiheuttavat suurimmat jännitykset. Jouhevan paksuusvaihtelun ansiosta muodon aiheuttamat jännityshuiput jäävät pieneksi. Valamalla saadaan kappaleelle edustava ulkonäkö. 3
Koska hitsatut rakenteet kootaan seinämänpaksuuksiltaan tasaisista levyistä, on kappaleen kuormituksesta aiheutuvaa jännitysjakaumaa seuraavan materiaalijakauman toteuttaminen vaikeaa. Hitsatun rakenteen muodot ovat yleensä laattamaisia, palkkimaisia, lieriömäisiä, kartiomaisia, rengasmaisia tai kotelomaisia. Vapaataonta sopii lähinnä yksinkertaisille ja massiivisille kappaleille. Muottitaonnassa kappaleelle voidaan antaa rajamitallinen muoto. Monimutkaisille kappaleille on tehtävä monikaiverrusmuotti, jossa lähtömuoto taotaan välimuotojen avulla lopulliseksi tuotteeksi. Muottitaonnalla ei voida valmistaa osia, joissa kappaleen sisällä on laajeneva reikä, taontaiskun suunta on kohtisuoraan pinnan syvennyksiä vastaan, kappaleessa suuria jyrkkiä poikkipinnan muutoksia tai ohuita ripoja tai halkaisijaansa nähden syviä reikiä tai syvennyksiä. /1/ Toleranssit CT-toleranssialueet 0,18-64 mm perusmitta-alueella 10 mm...10000 mm. Päästöt (eli hellitykset) alle 180 mm:n mitoille 0,75-6 ja tätä suuremmilla mitoilla 4000mm:n asti 2,5-17,0 mm. /3/ Pituusmitoille (30 mm...yli 20000 mm) sallitut mittapoikkeamat vaihtelevat toleranssialueilla 2-80 mm. Kulmamitoissa sallitut poikkeamat nimellismitta-alueella 315...1000 mm asteissa ± (0,05... 1,5 ) ja poikkeamana ± (6-18) mm/m. Pienillä kappaleilla on huono mittatoleranssi. Muottitaonnassa sallitaan nimellismitta-alueella 0-2500 mm tarkkuusluokasta riippuen 0,6-14 mm:n toleranssi. Muottitaonnassa tarvitaan suuret päästöt: ulkopinnalla 5-7 ja sisäpinnalla 7-10, takapuristimissa ulostyöntimien ansiosta 3-5 tai vähemmän. /1/ Pinnanlaatu Ra 0,8-250 µm. Valmiille kappaleelle kelpaava erittäin hyvä pinnanlaatu mahdollinen vain tietyillä menetelmillä. Muilla saavutettavissa työstettävälle kappaleelle riittävä pinnan sileys. Seinämissä levyn pinta, hitsien kohdalla karkeat kuvut, jotka voidaan hioa tai muuten työstää pois. Taotut kappaleet joudutaan yleensä työstämään. /1/ 4
Suunnitteluystävällisyys Valukappaleen muotoilussa on otettava huomioon kappaleen toiminnallinen muoto, seinämänpaksuudet, -risteykset, käyristymisen ja muodonmuutosten mahdollisuus, jakotasojen sijoittelu sekä päästöt (hellitykset), keernojen lukumäärä ja tuenta, työvarat sekä työstettävät pinnat ja työstön lähtöpinnat, puhdistus sekä muu jälkikäsittely. Koska hitsauksessa hitsin ympäristössä olevan perusaineen kiderakenne muuttuu, hitsiliitokset on suunniteltava niin, että ne eivät vähennä rakenteen kuormitettavuutta. Hitsit tulisi sijoittaa rakenteen vähiten rasitettuihin kohtiin ja luonnollisesti sellaisiin paikkoihin, joissa hitsaus on mahdollisimman helppo suorittaa. Hitsauksessa syntyvät jäännösjännitykset vaikuttavat kappaleen väsymislujuuteen, jollei rakennetta päästöhehkuteta. Riippuen näiden jännitysten sijainnista ja siitä aiheuttavatko ne kappaleeseen vetoa vai puristusta, väsymislujuus saattaa joko kasvaa tai pienentyä. Liitettävien seinämänpaksuuksien tulisi olla saman suuruisia hitsin kohdalla. Hitsien lukumäärä, paksuus ja pituus olisi saatava mahdollisimman pieniksi, samoin liitettävien osien lukumäärä. Muita hitsirakenteen suunnitteluun vaikuttavia tekijöitä ovat käytettävä hitsausmenetelmä, oikea railomuoto, hitsausjännitykset, hitsausjärjestys, käyristymisvaara sekä osien taivutusmahdollisuus sekä työstettävät pinnat ja työvarat. Takomalla materiaalin rakenteelle tulee suurempi lujuus syiden suuntaisesti. Suunnittelussa on mahdollista keskittää aine jännitysjakaumaa vastaavasti. Suunnittelussa tavoitteena on yksinkertainen muoto, jossa vältetään jyrkkiä kartioita sekä teräviä nurkkia ja käytetään suuria pyöristyksiä. Tarkoituksena on muotoilla kappale niin, että muotti täyttyy pyörteettömästi. Muottitaonnassa takomusotin jakotason on oltava suora. Ulos pistävien osien (navat, jäykisteet, varrelliset laipat) takominen on hyvin vaikeaa. Suurilla poikkipinnan muutoksilla on edullisinta käyttää hidasta taontaa, vaikkakin nopea taonta nopeuttaisi tuotantoprosessia. /1,2/ Viat Ilmetessään vasta jälkikäsittelyssä, etenkin kappaleen työstön yhteydessä, valuviat voivat aiheuttaa melkoisia taloudellisia tappioita. Toisaalta täysin virheettömän kappaleen valmistaminen on vaikeaa. Osa valuvioista ei vaikuta kappaleen toiminnallisuuteen. Tämän vuoksi suunnittelijan on määritettävä sallittujen vikojen määrä ja luonne, sekä valukappaleen laadunvalvonnassa käytettävät tarkastusmenetelmät. liitoksen lujuutta voivat heikentää erilaiset viat. Tavallisimmin hitseissä esiintyy huokosia, muita sallittuja virheitä ovat kuonasulkeumat ja reunahaavat. Juurivirheet, halkeamat ja tunkeumaviat johtavat yleensä hitsin hylkäämiseen. Vikojen etsiminen edellyttää yleensä hitsin tarkastamista NDT-menetelmillä joko sataprosenttisesti tai tietyistä, ennalta määrätyistä kohdista. 5
Takomalla voidaan hajottaa materiaalin epäpuhtaudet tasaisesti koko rakenteeseen, joten takeissa esiintyy yleensä suhteellisen vähän ainevirheitä. Raju muokkaus voi sen sijaan aiheuttaa kappaleessa sisäisiä repeämiä. Pintavioista tavallisin on ylitaontapoimu. Vaativiin tarkoituksiin käytettävät takeet tarkastetaan sataprosenttisesti. /1/ Toimitusaika Malli- ja muottivarusteiden valmistukseen voi mennä paljonkin aikaa, mikä johtaa pitkiin toimitusaikoihin. Tämä ongelma voidaan poistaa suunnittelijan ja valimon riittävän ajoissa alkaneella yhteistyöllä, jonka ansiosta mallin/muotinvalmistus voidaan suorittaa jo ennen varsinaisen tuotantoprosessin alkua ja näin supistaa tarvittava toimitusaika lyhyimpään mahdolliseen. Hitsaamalla valmistettavilla yksittäiskappaleilla on tavallisesti lyhyt tomitusaika. Sarjatuotannossa tuotantoa voidaan nopeuttaa hitsauksen automatisoinnilla. Muottitaonta edellyttää huolellista muotin suunnittelua ja valmistusta, mikä on aikaaviepää /1/ Laitteistotarve Kertamuottien kaavausta varten tarvitaan mallit ja kestomuottivalussa muotit, jotka voivat aiheuttaa suuriakin kustannuksia. Tarkkuusvalussa vahamallin puristuskoneet ja -muotit ovat merkittävä menoerä. edellyttää haluttuun hitsausmenetelmään kuuluvan laitteiston olemassaoloa kokonaisuudessaan. Lisäksi tarvitaan erilaisia ohjaimia ja kiinnittimiä. Vapaataonta voidaan suorittaa pienille kappaleille käsin halvoillakin työkaluilla, sen sijaan koneellinen vapaataonta edellyttää kalliita taontakoneita. Muottiintaonta edellyttää sekä taontakonetta että muotteja. /1/ Jälkikäsittely Valukappaleet puhdistetaan ja mahdolliset viat korjataan valun jälkeen. Niille voidaan myös tarpeen vaatiessa suorittaa erilaisia lämpö- ja pintakäsittelyjä. Työstön tarve riippuu valumenetelmästä sekä 6
kappaleen käyttökohteesta eräillä valumenetelmillä on mahdollista saada suoraan asennukseen kelpaava laatu. Hitsauksessa rakenteeseen jää jopa myötörajan suuruisia jäännösjännityksiä, jotka on poistettava päästöhehkuttamalla. Työstön tai pintakäsittelyn tarve riippuu käyttökohteesta. Taotut kappaleet vaativat usein paljon työstöä. Muiden jälkikäsittelyjen tarve riippuu käyttökohteesta. /1/ Rakenteen muuttaminen valetuksi Seuraavassa on esitetty esimerkkejä muulla menetelmällä valmistettujen rakenteen muuttamisesta valetuksi ja täten saavutetuista eduista. Konstruieren + Giessen lehdissä on vuosina 1993-1999 esitetty 21 vastaavanlaista esimerkkiä, joiden seurauksena valmistuskustannukset ovat pudonneet keskimäärin 58%:iin! CASE: Teräsköyden kiinnitin Entinen valmistusmenetelmä: Kiinnittimiä tehtiin kolmea eri kokoa halkaisijaltaan erikokoisille teräsköysille. Profiili jyrsittiin rakenneteräksestä ja katkaistiin sopivan pituiseksi. Palan nurkat viistettiin ja kappale sähkösinkittiin. Kuva 1. Teräsköyden kiinnittimen entinen konstruktio Nykyinen valmistusmenetelmä: Yhdellä tarkkuusvaletulla kappaleella korvattiin kolme vanhaa rakennetta. Materiaalina käytetään ruostumatonta terästä. Kiinnitin lämpökäsitellään rakenteen tasaisuuden takaamiseksi. Kuva 2. Teräsköyden kiinnittimen nykyinen konstruktio Edut: kustannukset pysyivät ennallaan, mutta varastonimikemäärä saatiin pienemmäksi ja laatu paremmaksi. /4/ 7
CASE: Haarukkavipu Entinen valmistusmenetelmä: Viidestä eri osasta hitsaamalla koottu. Yhteensä 15 eri työvaihetta Kuva 3. Haarukkavivun entinen konstruktio Nykyinen valmistusmenetelmä: Valuaihiossa on käytetty ADI- raudan hyvät laakeriominaisuudet hyväksi ja koneistus suoritetaan yhdellä kiinnityksellä. Edut: kustannukset n. 75% entisistä./5/ Kuva 4. Haarukkavivun nykyinen konstruktio 8
CASE: Murskainpää Entinen valmistusmenetelmä: Kahdesta osasta taottu. Kuva 5. Murskainpään entinen konstruktio Nykyinen valmistusmenetelmä: Yhtenä osana valettu. Edut: Kustannukset n. 25% entisistä./6/ Kuva 6. Murskainpäännykyinen konstruktio 9
CASE: Laakerijalusta Entinen valmistusmenetelmä: 27:stä osasta hitsattu. Kuva 7. Laakerijalustan entinen konstruktio Nykyinen valmistusmenetelmä: Yhtenä osana valettu. Kuva 8. Laakerijalustan nykyinen konstruktio Edut: Kustannukset alle 60% entisistä, kauniimpi muoto./7/ 10
CASE: Suojakotelo Entinen valmistusmenetelmä: Taotusta kappaleesta ja levyistä hitsattu. Kuva 9. Suojakotelon entinen konstruktio Nykyinen valmistusmenetelmä: Yhtenä osana valettu. Kuva 10 Suojakotelon nykyinen konstruktio Edut: paino 318 g 238g, työvaiheet 10 1, kustannukset n. 17% entisistä. /8/ 11
Lähteet /1/ Suomen metalliteollisuuden keskusliitto, MET tekninen tiedotus 7/88, Valujen taloudellinen käyttö, valmistusmenetelmät, osa 3. MET 1988, 36 s. /2/ DI Pauli Valkama, Teräsvalukappaleiden suunnittelu ja niiden vertailu hitsattaviin rakenteisiin ja takeisiin, Insinöörijärjestöjen Koulutuskeskus, Julkaisu 49-68, Helsinki 1968, 22 s. /3/ Suomen metalliteollisuuden keskusliitto, MET tekninen tiedotus 5/81, Valukappaleet, rakennesuunnittelu, valumetallit ja valmistusmenetelmät, MET 1981, 152 s. /4/ Suomen metalliteollisuuden keskusliitto, MET tekninen tiedotus 7/88, Valujen taloudellinen käyttö, Käytännön esimerkkejä, osa 4. MET 1988, 36 s. /5/ Componenta Oyj, Matti Johansson /6/ Konstruieren +Giessen, vol 18(1993), nro 2, s.40 /7/ Konstruieren +Giessen, vol 19(1994), nro 3, s.44 /8/ Konstruieren +Giessen, vol 23(1998), nro 2, s.40 12