Lujien terästen särmäys FMT tutkimusryhmän särmäystutkimus Lujien terästen mahdollisuudet ja tekniikka seminaari Tiistaina 29.3.2011 klo 9 14.30 OAMK auditorio, Rantakatu 5, Raahe 1
Tulevaisuuden tuotantoteknologiat tutkimusryhmä Sisältö Tulevaisuuden tuotantoteknologiat tutkimusryhmän (FMT-ryhmä) esittely Lujat ja ultralujat teräkset särmäyksen kannalta FMT ryhmän särmäystutkimus ja tutkimustuloksia 2
Tulevaisuuden tuotantoteknologiat -tutkimusryhmä Tutkimusalueet: Levymäisen materiaalin tuotteiksi jalostaminen Ohutlevyvalmistustekniikka Erikoislujien terästen käytettävyys Laser ja -avusteiset tuotantoprosessit Työvälinetekniikka Kustannustehokas tuotanto ja tuotantoautomaatio Resursointi Kokonaishenkilöstömäärä V2011 maaliskuussa on 17. Tutkimusjohtaja Konetekniikan osaston tuotantotekniikan laboratorio ohutlevytekniikan professori Jussi A. Karjalainen Henkilöstö: Nivalassa 11, Oulussa 6 Opinnäytetyöntekijöitä ja harjoittelijoita 1-7 h/vuosi Liikevaihto v2010 n. 800 k ja v2011 n. 1000 k 3
Tulevaisuuden tuotantoteknologiat -tutkimusryhmä Erikoisosaaminen Levymäisen materiaalin tuotteeksi jalostaminen Ohutlevytekniikka Lasertekniikka ohutlevytuotteiden valmistamisessa Hyvän säteenlaadun laser ohutlevyliittämisessä Ultralujat materiaalit Muovaus, muovattavuus, taivutusmenetelmät Muovausmenetelmien kehittäminen Laseravusteinen muovaus Laserhitsaus Lasertekniikka Hitsaus, pinnoitus ja leikkaus Paikalliset laserlämpökäsitelyt Laseravusteiset prosessit Prototypointi ja suunnittelun valmistustekninen neuvonta Valmistusteknisen näkemyksen tuominen suunnittelun avuksi Prototyyppien suunnittelu ja valmistus Uusi tuotantoteknologia Työvälinetekniikka Pikavalmistus ja laminaattitekniikka Lasertekniikka työvälineiden valmistuksessa Kustannustehokkuus Minkälainen tuotanto ja tuotteet ovat kannattavia korkean kustannustason olosuhteissa? 4
Tulevaisuuden tuotantoteknologiat -tutkimusryhmä Tulokset Tutkimus 18 (+5) kansainvälisissä konferensseissa esitettyä paperia 2007-2010 (2011) 3 keksintöilmoitusta, joista yksi patenttihakemus Yhteistyössä yritysten ja konetekniikan osaston kanssa Taustalla alueen yritysten tarve, tulosten hyödynnettävyys aikajänne pääosin 0-5 vuotta Osa tutkimuksesta heti hyödynnettävissä, osassa pitempi hyödynnettävyys aikajänne. Yrityspalvelu Yli 30 yrityksille tehtyä tutkimusta ja selvitystä Konsultointipalvelua Opinnäytteiden määrä kokonaisuudessa 18 kpl 9 diplomi-insinööriä ja 9 insinööriä Kansainvälinen yhteistyö: Yhteistyösopimus Luulajan TY:n kanssa lasertekniikka Tutkijavaihto Erlangenin yliopiston kanssa ultralujat materiaalit, muovaustekniikka ja laseravusteisuus Yhteistyö laitteita ja tekniikkaa kehittävien yritysten kanssa Ruotsi, Itävalta ja Saksa 5
Terästutkimuskeskuksen tavoitteena on vahvistaa teräkseen liittyvää poikkitieteellistä tutkimusta ja alan koulutusta sekä lisätä teollisuuden kanssa tehtävää yhteistyötä Suomessa. Osaaminen kattaa teräksen valmistuksessa ja tuotteeksi jalostamisessa tarvittavan osaamisketjun sulasta metallista valmiin teräksen ominaisuuksien hallintaan ja näiden soveltamiseen erilaisiin tuotteisiin 6
7
Tulevaisuuden tuotantoteknologiat tutkimusryhmä Lujat ja Ultralujat Käytämme World Auto Steel määritelmää 2. (http://www.worldautosteel.org/) Lujat teräkset (HSS) myötölujuus 210-550 MPa murtolujuus 270 700 MPa Ultralujat teräkset (AHSS, UHSS) myötölujuus yli 550 MPa murtolujus yli 700 MPa 8
Särmäysaiheiset opinnäytetyöt Diplomityöt 1. Janne Hyyryläinen, Särmättävien ohutlevyosien valmistustarkkuuteen vaikuttavat tekijät ja niiden määritys, 2004 2. Albert Satorres, Bending Simulation Of High Strength Steel By Finite Elements, 2005 3. Anu Leiviskä, Lujien terästen särmäys, 2006 4. Antti Järvenpää, Särmätyn Optim 960 QC -teräslevyn kestävyys taivutusväsytyksessä, 2009 5. Mikko Hietala, Levytyökoneiden varustaminen tutkimustarkoituksia varten, 2009 6. Antti Määttä, Lujien terästen inkrementaalinen särmäys, 2009 7. Jari Niskanen, Taivutusväsytyskokeet ultralujien levymateriaalien käytettävyystutkimuksessa, 2010 8. Anna-Maija Arola, Ultralujan teräksen särmättävyyden FEM-mallinnus, 2010 Insinöörityöt 1. Teemu Uusitalo, Robottitarrainten suunnittelu, 2006 2. Juha Rautakoski, Särmäyspuristin tutkimuskäyttöön, 2008 3. Aleksi Kangas, Leveyssuuntaan säädettävän särmäyspuristimen vastimen suunnittelu, 2009 4. Jukka Räsänen, Kosketuksettoman kulman mittaamisen menetelmät särmäyksessä, 2009 5. Perttu Keskisarja, Tutkimuspuristimen instrumentointi, 2010 9
Särmäysaiheiset kansainväliset julkaisut 1. Mäntyjärvi K. et al. Laser-Assisted Bending, International Journal of Key Engineering Materials Vol. 344, 2. Mäntyjärvi K. et al: Local Laser Heat Treatments In Bending Ultra-High Strength Steel, Proceedings of the 11th NOLAMP Conference in Laser Processing of Materials 3. Mäntyjärvi K. et al: UHS Steel Formability in Flexible Roll Forming, Key Engineering Materials (Volumes 410-411), pp 661-668 (2009) 4. Väisänen A. et al: Bendability of Ultra-High-Strength Steel, Key Engineering Materials (Volumes 410-411) 5. Järvenpää A. et al: Mechanical properties of laser heat treated 6 mm thick UHSS-steel, International Journal of Material Forming, Volume XX, Hyväksytty julkaistavaksi 2011 6. Määttä A. et al: Incremental Bending of Ultra-High-Strength Steels, International Journal of Key Engineering Materials Vol. 473, 7. Lämsä J. et al: Methods for determination of residual stress of a formed plate using laser ablation, International Journal of Key Engineering Materials Vol. 473, 10
Lujien terästen särmäys Puristin Voima, bombeeraus Työkalut Kunto, geometria Levyn käsittely levyn vauriot naarmut yms leikkausreuna Särmäyksen vauriot 11
Tulevaisuuden tuotantoteknologiat tutkimusryhmä Tutkimuspuristin Puristusvoima 200T (päivitettävissä 300T) Valmistettu Ruukin ultralujista teräksistä lasertekniikalla 700 bar hydrauliikka 12
Särmäys - suositeltu minimitaivussäde eri materiaaleilla R/t alle 1,5 Konstruktion kannalta ei yleensä ongelmia 13
Särmäystapahtuma 14
Särmäysvoima 15
Tulevaisuuden tuotantoteknologiat tutkimusryhmä Särmäysvoima 16 mm S690QL Eri tavoin Leikattuna 16
Särmäysvoima Muokkauslujitettu austeniittinen ruostumaton teräs 1.4318 2H C1000 3 mm (Murtolujuus 1000 MPa) 17
Särmäysvoimakaavat Kaava 4 osoittautunut tarkimmaksi lujimmilla teräksillä Kaavat 1,2 ja 3 eivät huomioi painimen sädettä 4. TRUMPF 1. 2. 3. 18
Takaisinjouston - mittaaminen 19
Takaisinjousto 20
Tulevaisuuden tuotantoteknologiat tutkimusryhmä Takaisinjousto 16 mm S690QL Vaihtelut Kohtalaisen suuria! 21
Tulevaisuuden tuotantoteknologiat tutkimusryhmä Takaisnjousto Takaisinjouston vaihtelut ovat merkittävä tekijä särmäyksen tarkkuudessa Takaisinjouston laskentaan ei toistaiseksi ole yleispätevää kaavaa, Outokummun austeniittisille ruostumattomille teräksille kehittämä kaava pätee sellaisenaan hyvin myös joillekin ohuemmille hiiliteräksille, mutta lujuuden tai paksuuden kasvaessa kertoimet muuttuvat 22
Elastinen vastin 23
Kulutusteräksen särmäys 6 mm MIILUX 500 Suositukset R/t 10(12) ja W/t 23(27) Kulutusteräksellä ei ole laajaa harmaata aluetta jossa vauriot alkavat pikkuhiljaa kehittymään materiaali joko kestää ilman silminnähtävää vauriota tai repeää kerralla. 24
Kulutusteräksen särmäys 6 mm Miilux 500 25
Vauriot ja niiden tutkiminen 26
Vaurioita 27
Särmän väsytyskestävyys Särmäys suositeltua pienemmälle säteelle ei näyttäisi vaikuttavan juurikaan särmän suuntaiseen väsymislujuuteen Neutraali akseli 28
Passiivinen laseravusteisuus särmäyksen apuna 29
Passiivinen laseravusteisuus särmäyksen apuna Paikallisella laser lämpökäsittelyllä voidaan parantaa UHS teräksen särmättäyyttä Esim 4 mm Optim 960QC R/t 3,5 R/t 1 (tai jopa ¼) 30
Passiivinen laseravusteisuus särmäyksen apuna UHS teräkset CO 2 laser kokeet 2D laserilla Muokkauslujitetun 1.4318 (AISI 301LN) teräksen paikalliset lämpökäsittelyt Lähtökohtana 3 mm C1000 joka lisä muokkauslujitettu valssaamalla 1,5 mm paksuuteen 31
Piensarjarullamuovaus R/t = ~1 Prosessi kehitysvaihessa 32
Laseravusteinen rullamuovaus Kokemuksia Perus rullamuovaus jo hyvä lämmityksen etu vähäinen Tasainen lämmön tuonti hankalaa 33
Tulevaisuuden tuotantoteknologiat tutkimusryhmä Yhteenveto Huolellisuus ja kunnossa olevat työkalut ja laite Voimantarve ja takaisnjousto Elastinen vastin parantaa muovattavuutta Lujimpien laatujen kanssa laseravusteisuus 34
KIITOS! KARI MÄNTYJÄRVI Tutkimusjohtaja - Tulevaisuuden tuotantoteknologiat OULUN YLIOPISTO - UNIVERSITY OF OULU Tulevaisuuden tuotantoteknologiat Future Manufacturing Technologies (FMT) Oulun Eteläisen Konetekniikan osasto instituutti Tuotantotekniikan laboratorio ElmeStudio PL 4200 (Linnanmaa) Pajatie 5 90014 OULUN YLIOPISTO 85500 Nivala FINLAND Puh: 040 084 3050 e-mail: Kari.Mantyjarvi@oulu.fi 35