Tuotantotekniikka KJR-C2006 Muovaavat menetelmät 29.1.2015 Juha Huuki
Sisältö Teräksen valmistus Mekaaninen leikkaus Muovaaminen Pursotus Taonta 29.1.2015 2
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 29.1.2015 3
Teräksen valmistus ja kuumavalssaus Länsimaissa kierrätetään romutukseen päätyvästä teräksestä 90 % Koko maailman terästuotannosta noin 40 % https://www.youtube.com/watch?v=6xnkmt_gsls&list=plspfc-ggwlm_wik7b4ikoqybawdehugyh&index=11
Kylmävalssaus ja pinnoiteprosessi 29.1.2015 5
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 29.1.2015 6
Teräksen valssausta Kuumavalssausta: Saumattoman putken valmistusta Kuumareduktio=muovataan putki lopulliseen muotoon ja mittaan: Putken vetoa: Langan ja tangon valssausta Teräskirja
Kylmävalssaus Kylmävalssauksessa nauhaa ohennetaan 3 6 perättäisessä valssaimessa, kokonaisohentuma voi olla 40 90 %. Perinteisessä valssaimessa on kaksi työ- sekä tukivalssia (nelivalssain). Terästä valssataan kussakin valssaimessa 5 000 20000 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.
Kylmävalssattuja keloja 29.1.2015 9
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
Valmistusmenetelmät - leikkaaminen Valaminen Liittäminen Työstäminen Lämpökäsittely Sintraus Leikkaaminen Sähköeroosio Lastuaminen Muovaaminen Pinnoitus Mekaaninen leikkaaminen Terminen leikkaaminen Kiekkoleikkaus Lävistäminen Suuntaisleikkaus Laserleikkaus Plasmaleikkaus Polttoleikkaus
Leikkaus Levytuotteen esimerkki valmistusprosessista Särmäys KOKOONPANO- HITSAUS Leikkaus Sahaus Poraus Sorvaus (RAE- PUHALLUS JA) MAALAUS KONEISTUS
Esimerkkejä ohutlevyjen käyttökohteista
Leikkausmenetelmät (2Dkappaleet) Suora leikkaus suuntaisleikkaaminen kaarisaksilla leikkaaminen rullaleikkaus nakertaminen loveaminen sahaaminen termiset menetelmät Muotoleikkaus nakertaminen muotojen rullaleikkaus meistotekninen leikkaaminen termiset menetelmät
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
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
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.
levy Leikkaustapahtuma, vaihe 0 (lävistäminen) pistin pidätin
Leikkaustapahtuma, vaihe 1 elastinen muodonmuutos
Leikkaustapahtuma, vaihe 2 plastinen muodonmuutos
Leikkaustapahtuma vaihe 3a muodonmuutoskyky ylitetty
Leikkaustapahtuma, vaihe 3b irtileikkautuminen
Lävistetyn reiän geometria Deformoitunut alue Leikkaantunut alue=kiillottunut vyöhyke Pistimen ja tyynyn väli Jäyste Murtunut alue
Oikean leikkausvälin merkitys Oikea leikkausväli - oikea leikkautuminen Liian pieni leikkausväli Ylä- ja alapuolen murtumat eivät kohtaa Lähde: Sundberg
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
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
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.
Levytyökeskus, levytöiden koneistuskeskus https://www.youtube.com/watch?v=1hitkncaw7g 29.1.2015 29
Levytyökeskusten työkaluja Lähde: Sundberg 29.1.2015 30
Levytyökeskus - erikoistyökalut Amada
Lähde: Sundberg 29.1.2015 32
Suuntaisleikkaus Leikkausvoima (kuvassa liioiteltu kallistus, todellisuudessa yleensä < 2 ): = leikkauskulma 29.1.2015 33
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. 29.1.2015 34
Valmistusmenetelmät - muovaavat Valaminen Liittäminen Työstäminen Lämpökäsittely Sintraus Leikkaaminen Lastuaminen Sähköeroosio Muovaaminen Pinnoitus Taivuttaminen Taivutuskoneella Särmäyspuristimella Rullamuavaus Pyöristys Syvävetäminen Venytysmuovaus Painosorvaus Superplastinen muovaus
Muita muovausmenetelmiä 29.1.2015 36
Levyn pyöristäminen min. 2 5 x s Ylätela on voitava vetää pois, laakeri poistaa tai tela kääntää sivuun laakeristaan kappaleen poistamiseksi
Rullamuovausyksikkö ja tuote
Putken valmistaminen Hitsaus: - induktiivisesti kuumentamalla - vastushitsaus - TIG-, plasma- tai laserhitsaus Putkenvalmistus SSAB:n Hämeenlinnan tehtaalla
http://apps.ruukki.com/solutions/elearning/main.html Rullamuovauslinja
Taivutus Kita ja takavaste Särmäyspuristin
Särmäyspuristin Koneiden leveydet 1 ja 10 m välillä, yleisimmin 2 4 m Trumpf
Taivuttaminen
Taivuttaminen
Taivuttaminen
Taivuttaminen Vapaataivutus
Vapaataivutus Voima = 2 3 kertaa suurempi
Vapaataivutus Voima = 2 3 kertaa suurempi
Vapaataivutus Pohjataivutus Voima = 2 3 kertaa suurempi
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.
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
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
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
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
Taivutus - painin ja vastin
Taivutusta särmäyspuristimella
Litistäminen särmäyspuristimella Oikeanpuoleinen järjestely edellyttää alatyökalun siirtämistä =>
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.
Työkaluryhmät
Automatisoitu särmäyspuristin
Painosorvauksen periaate https://www.youtube.com/watch?v=llkypf6guli
Painosorvattuja kappaleita
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
Syväveto ja venytysveto https://www.youtube.com/watch?v=mqwhmebfuzm&index=42&list=plspfc-ggwlm_wik7b4ikoqybawdehugyh
Hydraulinen syvävetopuristin
Syväveto yksitoimisella ja kaksitoimisella puristimella
Hydraulinen syvävetopuristin
Transfertyökalu
Syvävedettyjä pienkappaleita
Syväveto - monimutkaiset kappaleet
Puristinlinjoja
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?
Rajamuovattavuuspiirros
Esimerkki syvävedon FEMmallinnuksen tuloksista
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
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 29.1.2015 76
Hydromuovaus Putkimainen aihio venytetään nestepaineella muotin sisäpintoja vasten Esimerkkejä hydromuovatuista auton osista, Ford
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 3040 -> mm 6 000 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 6 000 mm Raina 2500 mm 800 mm Työkalukustannus 0 Suuri Kohtalainen Kohtalainen Edullinen muoto putki, kartio aaltopelti, putki kovera-kupera purkin reuna Lähde: Niemi
Pursotusprosessi
Pursotettuja alumiiniprofiileja
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 29.1.2015 81
Takominen Taontamenetelmiä: vapaa taonta muottitaonta tyssäys prässitaonta 29.1.2015 82
Taottuja tuotteita http://www.memar.fi/teknologia/taonta/ 29.1.2015 83