konstruiranje pritrdilnega sklopa orodij za … · konstruiranje pritrdilnega sklopa orodij za...
TRANSCRIPT
Specialistično delo
KONSTRUIRANJE PRITRDILNEGA SKLOPA ORODIJ ZA
TOPLOTNO STISKANJE JEKLENIH PRAHOV
junij, 2011 Avtor: Gregor KRANČAN
Mentor: izr. prof. dr. Bojan DOLŠAK
Konstruiranje pritrdilnega sklopa orodij za toplotno stiskanje jeklenih prahov
II
ZAHVALA
Rad bi se zahvalil mentorju izr. prof. dr. Bojanu
Dolšku za vse nasvete in za čas, ki ga je namenil meni in
mojemu specialističnemu delu.
Zahvaljujem se tudi podjetju UNIOR, d. d., ki mi je
omogočilo študij in izdelavo specialistične naloge, ter
strokovnemu mentorju univ. dipl. inž. Marjanu KOROŠCU
za napotke pri uvajanju tehnologije toplega stiskanja
jeklenih prahov v proizvodnjo.
Zahvalil bi se tudi svojim staršem za podporo pri
študiju in Poloni za podporo in pomoč.
Konstruiranje pritrdilnega sklopa orodij za toplotno stiskanje jeklenih prahov
III
KAZALO
1 UVOD ................................................................................................................................. - 1 -
2 TEHNOLOGIJA TOPLEGA STISKANJA ....................................................................... - 3 -
2.1 Proces toplega stiskanja ............................................................................................... - 3 -
2.2 Segrevanje jeklenega prahu ......................................................................................... - 9 -
2.2.1 Silos ogrevalni sistem ......................................................................................... - 10 -
2.2.2 Polnilni čevelj ..................................................................................................... - 14 -
2.2.3 Orodje ................................................................................................................. - 17 -
3 CAD PROGRAM (ThinkDesign 2009.3 – SolidWORKS 2009-SP4) ............................. - 27 -
3.1 Uporaba STEP formata za prenos podatkov ............................................................. - 29 -
3.2 Problemi pri analiziranju po MKE ............................................................................ - 31 -
3.3 Temperaturna analiza matrične plošče ...................................................................... - 33 -
3.3.1 Temperaturna analiza obstoječe matrične plošče ............................................... - 36 -
3.3.2 Primerjava rezultatov temperaturne dilatacije brez hlajenja matrične plošče .... - 39 -
3.3.3 Temperaturna analiza matrične plošče s hladilnimi kanali ................................ - 41 -
4 IZVAJANJE MERITEV................................................................................................... - 43 -
4.1 Način izvajanja in primerjava meritev temperature .................................................. - 45 -
4.2 Izvajanje meritev ....................................................................................................... - 46 -
4.3 Analiza meritev ......................................................................................................... - 47 -
5 DISKUSIJA ...................................................................................................................... - 56 -
6 SKLEP .............................................................................................................................. - 57 -
7 LITERATURA ................................................................................................................. - 58 -
8 PRILOGE ......................................................................................................................... - 60 -
Konstruiranje pritrdilnega sklopa orodij za toplotno stiskanje jeklenih prahov
IV
KAZALO SLIK
Slika 2.1: Shematski prikaz linije toplega stiskanja .............................................................. - 3 -
Slika 2.2: Vpliv temperature na nasipno gostoto in čas tečenje prahu za jekleni prah Distaloy
AE+0,3%C+0,6%P11 ............................................................................................................ - 5 -
Slika 2.3: Vpliv raztrosa teže prahu v odvisnosti od temperature ......................................... - 6 -
Slika 2.4: Vpliv temperature prahu na gostoto zelenca do temperature 150°C ..................... - 6 -
Slika 2.5: Vpliv temperature prahu na trdnost zelenca do temp. 150°C (Distaloy
AE+0,3%C+0,6%P11; pri 700MPa) .................................................................................... - 7 -
Slika 2.6: Temperaturno delovno območje za jekleni prah Desmix (C Comp. =
hladno/konvencionalno stiskanje) ......................................................................................... - 8 -
Slika 2.7: Prikaz ogrevalnega sistema v silosu .................................................................... - 10 -
Slika 2.8: Prikaz fiksno montiranega ogrevalnega sistema na stiskalnico .......................... - 12 -
Slika 2.9: Prikaz polnilnega čevlja za toplo stiskanje ........................................................ - 13 -
Slika 2.10: Maksimalen upogib cevi za dolžino cevi 0,7m ................................................. - 13 -
Slika 2.11: Polnilni čevelj primeren za toplo stiskanje ....................................................... - 14 -
Slika 2.12: Laboratorijska čaša za ponazoritev segrevanja ................................................. - 19 -
Slika 2.13: Laboratorijska čaša za ponazoritev izgub pri segrevanju.................................. - 20 -
Slika 2.14: Toplotno ravnovesje (v stanju pripravljenosti) ................................................. - 21 -
Slika 2.15: Shematski prikaz izgub ..................................................................................... - 22 -
Slika 2.16: Porazdelitev temperature pri segrevanju matrice (objavljeno z dovoljenjem IFAM,
Bremen) ............................................................................................................................... - 24 -
Slika 2.17: Dimenzioniranje orodja glede na material orodja (objavljeno z dovoljenjem Alvier
AG) ...................................................................................................................................... - 25 -
Slika 3.1: Okolje ThinkDesign 2009.3 ................................................................................ - 27 -
Slika 3.2: Okolje SolidWORKS 2009SP-4 ......................................................................... - 28 -
Slika 3.3: Hitra analiza modela s ThinkDesignom (zaprt) .................................................. - 29 -
Slika 3.4: Analiza *stp modela v SolidWORKS ................................................................. - 30 -
Slika 3.5: Popravljen *stp model v SolidWORKS .............................................................. - 30 -
Slika 3.6: Zamrežen artikel .................................................................................................. - 31 -
Slika 3.7: Končni rezultati analize ....................................................................................... - 32 -
Slika 3.8: Odklon položaja vodil po segrevanju matrične plošče ........................................ - 34 -
Slika 3.9: Prikaz celotnega adapterja, na katerega je pritrjeno orodje ................................ - 35 -
Konstruiranje pritrdilnega sklopa orodij za toplotno stiskanje jeklenih prahov
V
Slika 3.10: Analiza obstoječe matrične plošče pri 25°C (298K) ......................................... - 37 -
Slika 3.11: Analiza obstoječe matrične plošče pri 125°C (398K) ....................................... - 38 -
Slika 3.12: Analiza matrične plošče pri 125°C (398K) s hladilnimi kanali ........................ - 42 -
Slika 3.13: Analiza matrične plošče pri 125°C (398K) s hladilnimi kanali (3D prikaz) ..... - 42 -
Slika 4.1: Laserski način merjenja temperature matrice ...................................................... - 44 -
Slika 4.2: Laserski način merjenja temperature zgornjega trna ........................................... - 44 -
Slika 4.3: Kontrola temperature z ogrevalno napravo ......................................................... - 44 -
Slika 4.4: Dotikalni merilnik temperature 1 ........................................................................ - 45 -
Slika 4.5: Dotikalni merilnik temperature 2 ........................................................................ - 45 -
Slika 4.6: Stiskanec ............................................................................................................. - 46 -
Slika 4.7: Tolerančna polja .................................................................................................. - 48 -
Slika 4.8: Prikaz procesa ..................................................................................................... - 49 -
Slika 4.9: Kontrolni postopek za nadzor procesa ................................................................ - 52 -
Slika 4.10: Kontrolni postopek za sprostitev procesa ......................................................... - 52 -
Slika 4.11: Avtokontrolna karta x-R za stiskanje ................................................................ - 53 -
Slika 4.12: Sprostitev in nadzor procesa SKL-11 za stiskanje ............................................ - 53 -
Slika 4.13: Višine stisnjencev na vseh vzorcih .................................................................. - 54 -
Slika 4.14: Višine stisnjencev od št. 37 dalje ..................................................................... - 54 -
Slika 4.15: Premeri Ø39 stisnjencev na vseh vzorcih ....................................................... - 54 -
Slika 4.16: Premeri Ø39 stisnjencev od št. 37 dalje ........................................................... - 54 -
Slika 4.17: Premeri Ø26,06 stisnjencev na vseh vzorcih ................................................... - 55 -
Slika 4.18: Premeri Ø26,06 stisnjencev od št. 37 dalje ..................................................... - 55 -
Slika 4.19: Teže stisnjencev na vseh vzorcih ..................................................................... - 55 -
Slika 4.20: Teže stisnjencev od št. 37 dalje ....................................................................... - 55 -
Konstruiranje pritrdilnega sklopa orodij za toplotno stiskanje jeklenih prahov
VI
KAZALO PREGLEDNIC
Preglednica 2.1: Vpliv časovnega vzdrževanja prahu pri 130°C na čas tečenja, na nasipno in
končno gostoto ....................................................................................................................... - 7 -
Preglednica 2.2: Vpliv števila ogrevalnih ciklov na lastnosti prahu Densmix3 pri 130°C ... - 7 -
Preglednica 2.3: Lastnosti materialov orodja ..................................................................... - 26 -
Konstruiranje pritrdilnega sklopa orodij za toplotno stiskanje jeklenih prahov
VII
KONSTRUIRANJE PRITRDILNEGA SKLOPA ORODIJ ZA TOPLO
STISKANJE JEKLENIH PRAHOV
Ključne besede: sintranje, orodjarstvo, geometrijsko modeliranje, metalurgija prahov, P/M
tehnologija, ThinkDesign, Solid WORKS
UDK: 621.762.4.07+004.896(043.2)
POVZETEK:
Specialistična naloga opisuje problematiko konstruiranja sklopa orodij za toplo stiskanje
jeklenega prahu. V začetnih poglavjih je opisana tehnologija toplega stiskanja, sledi pa
primerjava dveh programskih paketov, primerjalne analize, diskusija, problematiki toplega
stiskanja v praksi in nazadnje še izvajanje meritev.
DESIGN FIX COUPLING TOOL FOR WARM COMPACTION OF USING
STEEL POWDER
Key words: sintering, tooling, geometric modeling, powder metallurgy, P/M technology,
ThinkDesign, Solid WORKS
UDK: 621.762.4.07+004.896(043.2)
ABSTRACT:
This specialist work describes design of tools for warm compaction of steel powders.
The initial chapters describe the warm pressing technology, followed by comparison of the
two software packages, comparative analysis, discussion of warm pressing problems in
practice and finally some measurements.
Konstruiranje pritrdilnega sklopa orodij za toplotno stiskanje jeklenih prahov
VIII
UPORABLJENI SIMBOLI
m - masa orodja
Cp - srednja vrednost toplotne kapacitete nad območjem delovne temperature
∆T - temperaturna razlika
t - ogrevalni čas
P - potrebna oziroma priključna moč
SF - varnostni faktor
°C - stopinj Celzija
Dz - zunanji premer kroga
Dn - notranji premer kroga
SF - varnostni faktor
Pkond - termalna izguba energije z kondukcijo
Prad - termalna izguba energije z radiacijo
Pkonv - termalna izguba energije s konvekcijo
Ptotal - skupne termalne izgube pri segrevanju
A - izpostavljena površina
T - temperatura
x - razdalja do medija (ohlajevalnega medija)
σ - Stefan-Boltzmannova konstanta
h - prestopnostni koeficient
F1 - kondukcija
F2 - radiacija
F3 - konvekcija
x - povprečna vrednost meritve na 5-ih kosih
x1 - zaporedna številka vzorca
R - raztros na merjenih vzorcih
xmin - minimalna vrednost izmerjenega vzorca
xmax - maksimalna vrednost izmerjenega vzorca
Konstruiranje pritrdilnega sklopa orodij za toplotno stiskanje jeklenih prahov
IX
UPORABLJENE KRATICE
P/M - powder metallurgy (metalurgija prahov)
NG - nasipna gostota
CAD - Computer Aided Design
MKE - Metoda končnih elementov
MSP - Statistično procesno krmiljenje
SPC - Statistična procesna kontrola
Konstruiranje pritrdilnega sklopa orodij za toplotno stiskanje jeklenih prahov
- 1 -
1 UVOD
Tema naloge je konstruiranje pritrdilnega sklopa orodij za toplo/toplotno stiskanje jeklenega
prahu, to je konstruiranje matrične plošče z hladilnimi kanali, ki omogočajo nemoten proces
toplega stiskanja jeklenega prahu. Ker gre za proces stiskanja, v katerem se segreva orodje,
prah in ostali pritrdilni sklopi na temperaturno območje od 100°C – 150°C, se s tem povečajo
temperaturne dilatacije. Osnovni problem, s katerim smo se soočali v preteklosti, je bil
nezmožnost stiskanja v daljšem časovnem obdobju s segretim orodjem. Adapter1 se je zaradi
povišane temperature segrel tako, da je med procesom stiskanja obstal.
Zato se je s pomočjo CAD programske opreme začela izdelava konstrukcije matrične
plošče, ki je bila najbolj kritična, saj so nanjo pritrjena vodila adapterja. Vodila omogočajo
vodeno gibanje orodja v vertikalni smeri. S pomočjo CAD programske opreme se skonstruira
matrična plošča in nato preveri vpliv segrevanja orodja na delovanje procesa. Programski
opremi, ki sem ju uporabljal za tovrstne analize, sta ThinkDesign 2009.3 in SolidWORKS
2009-SP4. ThinkDesign je bil uporabljen za konstrukcijo oz. modeliranje matrične plošče,
medtem ko sem uporabil SolidWORKS za analizo termičnih dilatacij pri različnih
temperaturah (25°C in 125°C).
Proizvodnjo stiskanja izdelkov iz jeklenega prahu in sintranja imenujemo metalurgija
prahu ali z drugim izrazom P/M tehnologija. V tej tehnologiji je veliko truda vloženega v
povečevanju mehanskih lastnosti in tolerancam končnih izdelkov z namenom zmanjšati
stroške drugih tehnologij, kot so: kovanje, rezkanje... Obstajata pa dva načina za
zmanjševanje stroškov drugih tehnologij, in sicer:
• nadzor in sprememba mikrostrukture in
• nadzor in sprememba por v mikrostrukturi.
_________________________ 1 Adapter po SSKJ je: »priprava za prilagoditev dveh, za medsebojno delovanje sicer neprilagojenih priprav.«
Konstruiranje pritrdilnega sklopa orodij za toplotno stiskanje jeklenih prahov
- 2 -
Največji napredek v P/M tehnologiji je toplo stiskanje, s katerim dosežemo spremembe
v obliki por sintranih izdelkov v primerjavi s konvencionalnim hladnim stiskanjem [1].
Rezultat teh sprememb je ravno doseganje višje gostote in zmanjšanje odstopanj gostote
izdelkov v seriji. Ker se zviša gostota stisnjenega izdelka, se posledično tudi izboljšajo
mehanske lastnosti in dimenzijske spremembe. Ker s toplim stiskanjem pridobimo višjo
gostoto, je možna tudi obdelava zelencev2 v mehko, saj imajo višjo napetost tečenja kot
zelenci s klasičnim stiskanjem. Posledica tega pa je, da lahko lažje obdelujemo izdelke; tj.
vrtanje lukenj, izdelava navojev, posnemanje…
V nadaljevanju bo opisana teorija toplega stiskanja, praktične izkušnje, proces stiskanja
in podrobnejša termična analiza matrične plošče. Pravilna izvedba matrične plošče je
ključnega pomena za nemoteno izvajanje procesa stiskanja.
_________________________ 2 Zelenec imenujemo stisnjen kos iz jeklenega prahu pred sintranjem.
Konstruiranje pritrdilnega sklopa orodij za toplotno stiskanje jeklenih prahov
- 3 -
2 TEHNOLOGIJA TOPLEGA STISKANJA
2.1 Proces toplega stiskanja
Tehnologija toplega stiskanja je podobna tehnologiji konvencionalnega hladnega stiskanja
jeklenega prahu z razliko, da se pri toplem stiskanju jekleni prah segreje na temperaturno
območje od 100°C do 150°C. Shematski prikaz toplega stiskanja je prikazan na sliki 2.1.
Slika 2.1: Shematski prikaz linije toplega stiskanja
Konstruiranje pritrdilnega sklopa orodij za toplotno stiskanje jeklenih prahov
- 4 -
Toplo stiskanje lahko torej definiramo s temperaturno mejo, ki je odvisna od vrste
jeklenega prahu. Nad temperaturo 150°C se prične topiti mazivo, kar privede do hitrega
naraščanja oksidacije izdelka. Pri temperaturah, nižjih od 100°C, pa nikakor ne moremo
doseči primerne stisljivosti jeklenega prahu oz. povišanje gostote izdelka, kar je glavni namen
toplega stiskanja [2].
Mejne vrednosti temperature, ki definirajo toplo stiskanje, se gibljejo med 100°C in
150°C in so odvisne od posamezne vrste prahu. Priporočeno temperaturo predpiše
proizvajalec jeklenega prahu (npr. za prah Höganäs AB supplies Densmix, je predpisana
temperatura prahu od 125°C do 130°C in temperatura orodja od 130°C do 140°C).
Za segrevanje prahu obstajajo trije različni postopki, in sicer:
- segrevanje prahu v silosu,
- segrevanje prahu s spiralami,
- segrevanje prahu z zrakom.
Priporočeno je, da se segreva celoten sklop, zato da ne izgubi temperature, energije, da
dobimo želen rezultat gostote izdelka… To pomeni, da je potrebno segrevanje celotnega
sklopa orodja (matrico, spodnje in zgornje trne) ter celotnega sistema za doziranje prahu
(silosi, cev za doziranje prahu, polnilni čevelj, drsna plošča) [3].
Možno je, da se bo lahko v bližnji prihodnosti v P/M tehnologiji stiskalo še pri višjih
temperaturah in se bodo tako dosegale še višje gostote, vendar bo verjetno za dosego tega
cilja potrebna celotna nova tehnologija stiskanja prahu.
Tehnologija toplega stiskanja temelji na procesu segrevanja prahu, orodja in celotne
naprave (polnilnega čevlja, silosov...) na delovno temperaturo in nato stiskanja prahu. Z
orodjem pa nato definiramo končne dimenzije in oblike izdelka.
Gostote izdelkov, ki se lahko dosežejo s toplim stiskanjem, se gibljejo od 7,25 g/cm3 do
7,6 g/cm3, medtem ko se pri konvencionalnem stiskanju dosežejo gostote do 7,1 g/cm3. Lahko
pa dosežemo pri kritičnih orodjih s toplim stiskanjem tudi bistveno manjše napetosti orodja (v
stiskalnem položaju) pri gostotah od 6,8 g/cm3 do 7,2 g/cm3. To pomeni, da lahko dosežemo:
- daljšo življenjsko dobo orodja,
- zmanjševanje izmeta,
- manjše deformacije orodja [4].
Konstruiranje pritrdilnega sklopa orodij za toplotno stiskanje jeklenih prahov
- 5 -
Da zagotovimo produktivnost in predpis ozkih toleranc s toplim stiskanjem, je potrebno
zagotoviti takšen jekleni prah, ki ima enakovredne, če ne boljše lastnosti kot standardni prah,
ki se stiska pri sobnih temperaturah. Priporočam, da imamo iste lastnosti, kot so nasipna
gostota, čas tečenja prahu tudi pri višjih temperaturah.
Na sliki 2.2 je prikazana nasipna gostota in tečenje prahu v odvisnosti od temperature.
Vidimo, da so lastnosti do temperature 135°C stabilne. Nad to temperaturo pa se nasipna
gostota zmanjša, medtem ko se čas tečenja prahu poveča.
Slika 2.2: Vpliv temperature na nasipno gostoto in čas tečenje prahu za jekleni prah Distaloy AE+0,3%C+0,6%P11
Raztros teže v odvisnosti od temperature je prikazan na sliki 2.3. Test je izvajalo
podjetje Hoganas (SWE), in sicer na 1000 kosih s premerom vzorca Dz = 35mm in Dn =
25mm. Kot je razvidno, se raztros mere začne povečevati nad temperaturo 130°C [2].
Konstruiranje pritrdilnega sklopa orodij za toplotno stiskanje jeklenih prahov
- 6 -
Slika 2.3: Vpliv raztrosa teže prahu v odvisnosti od temperature
Gostota zelencev se bistveno poveča od sobne temperature do 100°C. Prav tako se tudi
poveča v območju od 100°C do 130°C. Nad območjem 130°C pa se povečuje zelo malo (slika
2.4) [5]. Po drugi strani pa trdnost zelencev nenehno povečujemo z višanjem temperature, kar
je razvidno iz slike 2.5. Vzdrževanje konstantne temperature prahu pri določeni temperaturi
nima nikakršnega vpliva na gostoto, nasipno gostoto in čas tečenja prahu, kar je razvidno iz
preglednice 2.1 in preglednice 2.2 [6].
Slika 2.4: Vpliv temperature prahu na gostoto zelenca do temperature 150°C
Konstruiranje pritrdilnega sklopa orodij za toplotno stiskanje jeklenih prahov
- 7 -
Slika 2.5: Vpliv temperature prahu na trdnost zelenca do temp. 150°C (Distaloy
AE+0,3%C+0,6%P11; pri 700MPa)
Čas skladiščenja* (h)
Tečenje prahu* (s/50g)
Nasipna gostota* (s/50g)
gostota zelenca** (g/cm3)
0,1 26,5 3,15 7,29 2,0 26,2 3,15 7,30 8,0 26,3 3,14 7,29
* pri 130°C; ** pri tlaku 600MPa
Preglednica 2.1: Vpliv časovnega vzdrževanja prahu pri 130°C na čas tečenja, na nasipno in končno gostoto
Št. ogrevalnih ciklov do 130°C
Tečenje prahu* (s/50g)
Nasipna gostota* (s/50g)
gostota zelenca** (g/cm3)
1 26,5 3,15 7,29 2 26,4 3,13 7,30 3 26,2 3,15 7,29 4 26,5 3,14 7,29
* pri 130°C; ** pri tlaku 600MPa
Preglednica 2.2: Vpliv števila ogrevalnih ciklov na lastnosti prahu Densmix3 pri 130°C
_________________________ 3 Densmix je oznaka za gotovo mešanico prahu.
Konstruiranje pritrdilnega sklopa orodij za toplotno stiskanje jeklenih prahov
- 8 -
Kot je bilo razvidno od slike 2.2 do slike 2.5, vpliva pri toplem stiskanju temperatura
bolj ali manj na lastnosti izdelka (nasipna gostota, tečenje prahu, raztros, gostoto in trdnost).
Tako je za mešanice prahu, ki jih prejemamo od dobavitelja prahu (Höganäs) določeno, da
delovna temperatura prahu v povprečju znaša od 125°C – 130°C. Pri tem pa je pomembno, da
je temperaturno delovno območje točno, z možnostjo nastavljanja temperaturnega območja
±2,5°C. Na sliki 2.6 je prikazana razlika delovnega območja jeklenega prahu za stiskanje pri
povišanih temperaturah in pri konvencionalnem stiskanju [7].
Slika 2.6: Temperaturno delovno območje za jekleni prah Desmix (C Comp. =
hladno/konvencionalno stiskanje)
Konstruiranje pritrdilnega sklopa orodij za toplotno stiskanje jeklenih prahov
- 9 -
2.2 Segrevanje jeklenega prahu
Izbira metode segrevanja za toplo stiskanje je odvisna predvsem od dveh temeljnih zadev, in
sicer:
- temperature in
- časa segrevanja.
Ker mora biti segrevanje 100% kontrolirano in konstantno, se je potrebno pri segrevanju
prahu izogniti prevelikim temperaturnim razlikam. Še posebej moramo biti pozorni na dele,
kjer se lahko lokalno pregreje prah (tj. da prekoračimo delovno območje prahu), kar
pojasnjuje, da ima prah nizko termično prevodnost.
Idealno segrevanje prahu bi bilo, če bi segrel vsak delček prahu posebej. To bi bilo
možno z grelci velikih površin z enojno plastjo prahu ali pa uporabo segrete tekočine na
delovno temperaturo, ki bi obkolilo vsak delček prahu posebej. Takšnega sistema segrevanja
v praksi ni, obstajajo pa dokaj dobri približki. Do sedaj so bili razviti trije sistemi za
segrevanje jeklenega prahu, in sicer:
- segrevanje prahu v silosu,
- segrevanje prahu s spiralami,
- segrevanje prahu z zrakom.
Prva dva sistema delujeta na principu segrevanja lamelnih plošč, medtem ko slednja
delujeta na principu tekočin. V ogrevalni komori silosa poteka segrevanje prahu na osnovi
gravitacije med lamelnimi ploščami. Segrevanje prahu s spiralami deluje na istem principu
kot gretje silosa, samo da je v ogrevalni komori namesto lamel vstavljena velika spirala v
obliki svedra. Razlikovanje teh dveh načinov segrevanja prahu je samo v strižnem modulu, v
katerem je segreti prah izpostavljen pri polnjenju polnilnega čevlja in pri obdelovanju že
stisnjenih polizdelkov. Ta razlika je malenkostna, vendar je višja pri drugem postopku; tj.
segrevanje s pomočjo spiral.
Tretja metoda segrevanja prahu je metoda z ogrevalnim sistemom zraka, ki je malce
bolj napredna – ustvarja se tekočinsko stanje segretega prahu. Z uporabo sile (npr. uporaba
zraka) skozi silos, v katerem je nasut prah in s tem se ustvari »tekočinsko« stanje prahu.
Konstruiranje pritrdilnega sklopa orodij za toplotno stiskanje jeklenih prahov
- 10 -
2.2.1 Silos ogrevalni sistem
V ogrevalni komori se segreva jekleni prah s pomočjo segrevanja olja s kapaciteto približno
4,5 kg/min, in sicer na 130°C. To pomeni, da lahko teoretično stiskamo izdelke s težo 450g in
z 10 kos/min. V našem primeru je ogrevalna komora omejena z volumnom, ki sprejme od 25
do 30 kg prahu. Vendar je ta količina odvisna od nasipne gostote posamezne mešanice prahu.
Ogrevalni sistem v silosu je prikazan na sliki 2.7 [2].
1. Silos 6. Gumijasta cev (izolirana)
2. Ogrevalna komora 7. Dovod segretega olja
3. Pnevmatski cilinder 8. Odvod olja
4. Lijak 9. Nadzorna plošča
5. Senzor prahu 10. Oljna črpalka + grelec
Slika 2.7: Prikaz ogrevalnega sistema v silosu
Konstruiranje pritrdilnega sklopa orodij za toplotno stiskanje jeklenih prahov
- 11 -
Ogrevalni sistem silosa je sestavljen iz treh osnovnih delov. To so: ogrevalna komora,
lijak in gumijasta cev. Mešanica prahu se napolni v ogrevalni komori med lamelnimi
ploščami, v katerih kroži segreto olje, ki se predhodno segreje v oljnem grelcu. Za segrevanje
se uporablja posebej za to primerno olje, ki ga predpiše proizvajalec. Čas, ki je potreben, da se
mešanica prahu segreje na delovno temperaturo (približno 130°C), je od 1ure do 1,5 ure.
Pod ogrevalno komoro je lijak, v katerem so prilepljeni posebni listnati grelci na štiri
stene, saj lahko samo na ta način omogočimo konstantno temperaturo prahu pri izstopu iz
ogrevalne komore.
Pnevmatski sistem pri praznjenju ima pomembno vlogo, saj mora istočasno zagotavljati
praznjenje prahu iz rež ogrevalne komore v silos ter vzdrževati konstantno temperaturo na
vseh mestih praznjenja. Tako je praznjenje kontrolirano z induktivnim višinskim senzorjem,
ki je vstavljen v silos in je priključen na pnevmatski cilinder. Priporočena vrednost tlaka v
pnevmatskem cilindru je od 5 barov do 6 barov. Z nadzorovanim praznjenjem prahu iz
ogrevalne komore v silos imamo tako konstanten nivo prahu.
Celoten sistem za segrevanje olja vsebuje: ogrevalno komoro, oljno črpalko, odprt
rezervoar za olje, raztezno posodo, nivojski senzor, termoelement in visoko temperaturni
senzor. Olje se segreva v odprtem rezervoarju z grelcem in nato prečrpava skozi cevi v
ogrevalno komoro, od koder se vrne nazaj v rezervoar. Ker gre za odprti sistem segrevanja
olja, mora biti tlak vedno nižji od 2 barov.
Da lahko nadzorujemo celotno dogajanje (v tem primeru segrevanja prahu),
uporabljamo nadzorno ploščo. Ta omogoča avtomatsko uravnavanje temperature v celotnem
ogrevalnem ciklu. Priporočilo za segrevanje je, da naj bo izvorna moč višja od 3,5kW.
Da se izognemo prevelikim temperaturnim izgubam, moramo dobro izolirati celotni
sistem. Najvažnejše je, da imamo dobro izolacijo pri izstopu prahu iz ogrevalne komore do
polnjena v matrico preko polnilnega čevlja. Zato je najbolje, da celoten ogrevalni sistem
zaščitimo z zelo gosto silikatno gumo. Izolacija se nato prilepi na zunanjo stran s
temperaturno odpornim silikonskim lepilom.
Konstruiranje pritrdilnega sklopa orodij za toplotno stiskanje jeklenih prahov
- 12 -
Celotna instalacija je na voljo s končnim oziroma fiksnim mestom, ki je prikazana na
sliki 2.8. Lahko pa je mobilna, kar pomeni, da se lahko uporablja na različnih stiskalnicah.
Slika 2.8: Prikaz fiksno montiranega ogrevalnega sistema na stiskalnico
Konstruiranje pritrdilnega sklopa orodij za toplotno stiskanje jeklenih prahov
- 13 -
Na sliki 2.9 je prikazan polnilni čevelj v sklopu ogrevalnega sistema.
Slika 2.9: Prikaz polnilnega čevlja za toplo stiskanje
Zaradi tečenja prahu sta priporočena izbiri dolžine in nagiba cevi, prikazana na sliki
2.10. Dolžinske enote so v mm, kot pa v stopinjah. V primeru maksimalnega gibanja
adapterja za dolžino cevi 0,7mm, je delovni kot nagiba cevi od 48,6° do 65°.
Slika 2.10: Maksimalen upogib cevi za dolžino cevi 0,7m
Konstruiranje pritrdilnega sklopa orodij za toplotno stiskanje jeklenih prahov
- 14 -
2.2.2 Polnilni čevelj
To poglavje opisuje specialne polnilne čevlje, ki so priporočeni za uporabo toplega stiskanja.
Pomemben dejavnik pri polnilnem čevlju je vzdrževanje potrebne temperature prahu, kot je v
ogrevalni komori. To zagotovimo z zadostnim ogrevanjem in dobro izolacijo, da imamo čim
manjšo izgubo temperature [2].
Polnilni čevelj je sestavljen več delov, ki so prikazani na sliki 2.11.
1. Gibljiv polnilni čevelj 5. Grelec v obliki plošče
2. Držalo za polnilni čevelj 6. Izolacija
3. Grelec ohišja polnilnega čevlja 7. Brisalec
4. Merilec temperature (termoelement)
Slika 2.11: Polnilni čevelj primeren za toplo stiskanje
Konstruiranje pritrdilnega sklopa orodij za toplotno stiskanje jeklenih prahov
- 15 -
Postopek polnjenja in praznjenja polnilnega čevlja je opisan v spodnjih odstavkih:
- najprej napolnimo matrično luknjo,
- segreti prah zdrsne iz polnilnega čevlja v matrično votlino/luknjo/gravuro,
- polnilni čevelj se vrne v osnovno pozicijo (nazaj),
- medtem ko se jekleni prah stiska v matrici v končno obliko, se istočasno polni polnilni
čevelj z novim segretim prahom,
- stisnjenec izvlečemo iz matrične votline, potem se polnilni čevelj premakne naprej in s
tem se začasno prekine dotok novega prahu,
- stisnjenec se odstrani (ponavadi z robotsko roko) ali pa s polnilnim čevljem, orodje se
vrne v osnovni položaj in napolni gravuro matrice,
- nato se cikel ponovi.
Kot je že bilo zapisano v začetku, je potrebno prenašati temperaturo na jekleni prah in
kontrolirati segrevanje. Na polnilni čevelj je najboljši prenos temperature z vstavljenim
grelcem v ohišje, kot prikazuje slika 2.11. Grelca sta postavljena simetrično na vsako stran
polnilnega čevlja in zagotavljata konstantno temperaturo prahu, preden vstopi v matrično
gravuro. Na razpolago sta dve varianti gretja polnilnega čevlja, in sicer z vstavljenim grelcem
ali pa z grelcem v obliki tanke ploščice. Pri ploščatem grelcu je potrebno paziti, da ne pride v
neposreden stik s prahom, hkrati pa je potrebno zagotoviti primeren prenos temperature v
prah. V primeru, da so ti grelci prilepljeni na notranje stene polnilnega čevlja, je večja
verjetnost, da pregrejmo prah.
Tolerance za vgradnjo grelcev in termoelementov uporabljamo standard ISO F8 [8]. V
primeru uporabe ploščatih grelcev pa morajo biti le-ti prilepljeni na zunanjo stran polnilnega
čevlja s silikonskim lepilom, odpornim na povišano temperaturo, ter obvezno prekriti z
izolacijo, da preprečimo izgube.
V primeru, da termoelement ni vgrajen v valjasti grelec, je pomembno, da je
termoelement vgrajen v notranjost stene polnilnega čevlja v bližini valjastega grelca. Razmik
med valjastim grelcem in termoelementom naj bo od 13mm do 15mm in vstavljen v polnilni
čevelj za polovico dolžine valjastega grelca. V primeru uporabe ploščatega grelca je najbolj
primerna postavitev termoelementa med ploščatim grelcem in ene od sten polnilnega čevlja.
Termoelement, ki ga uporabljamo, ima standardno oznako, tj. črka J. Če je fiksno ohišje
povezano z gumijasto cevjo in če je fiksno ohišje daljše, je potrebno dodatno gretje polnilnega
čevlja.
Konstruiranje pritrdilnega sklopa orodij za toplotno stiskanje jeklenih prahov
- 16 -
Če želimo obdržati priporočeno temperaturo brez prevelikih izgub, je potrebna izolacija.
Boljša kot je zaščita med toplim in hladnim delom, bolj imamo nadzorovano temperaturo
prahu v polnilnem čevlju (priporočeno je, da izolacija nima prevelikega temperaturnega
gradienta in seveda da je ekonomsko upravičeno). Polnilni čevelj naj bo izoliran predvsem na
tistih delih, kjer je prostorsko in funkcionalno najbolj obremenjen s temperaturno razliko.
Najbolj uporabna zaščita na polnilnem čevlju je zaščita z gosto silicijevo gumo. To
vrsto izolacije prilepimo na površine s temperaturno odpornim silikonskim lepilom.
Konstruiranje pritrdilnega sklopa orodij za toplotno stiskanje jeklenih prahov
- 17 -
2.2.3 Orodje
Za dvig temperature orodja na delovno temperaturo pri toplem stiskanju so potrebni posebni
ogrevalni in ohlajevalni sistemi. Ta dva sistema sta potrebna za kontrolirano temperaturo
stiskanja in zaščito stiskalnice.
Orodje ponavadi segrevamo na treh mestih, in sicer:
- segrevanje matrice,
- segrevanje adapterske plošče in
- segrevanje zgornjega trna.
Število, postavitev in potrebna temperatura grelcev je odvisna od:
- materiala,
- oblike orodja,
- toka temperature okolice (npr. temp. okolice, pretoka zraka),
- od načina ohlajevalnega sistema (npr. hlajenje z vodo, oljem).
Če želimo imeti zadostno moč za segrevanje orodja, moramo najprej vedeti:
- v kolikšnem času naj bo orodje segreto iz temperature okolice na delovno temperaturo
(od 120°C do 130°C),
- kakšna naj bo potrebna temperatura, da vzdržujemo delovno temperaturo v času
stiskanja (tj. v stanju pripravljenosti).
Ti dve kalkulaciji morata biti narejeni, da lahko določimo moč, ki je potrebna za
segrevanje orodja. Izračun potrebne moči se deli na dva dela, in sicer:
a) segrevanje orodja iz temperature okolice na delovno temperaturo,
b) vzdrževanje temperature na delovni temperaturi v stanju pripravljenosti.
Konstruiranje pritrdilnega sklopa orodij za toplotno stiskanje jeklenih prahov
- 18 -
a) Segrevanje orodja iz temperature okolice na delovno temperaturo
Najbolj uporabna in približna metoda za izračun potrebne moči ogrevanja temperature
orodja temelji na:
- osnovi vnosa temperature,
- časa segrevanja,
- mase orodja [9].
Slednja se smatra in določa s predpostavko, da ni temperaturnih izgub (to pomeni, da so
temperaturne izgube enake nič). Ta osnovna in napačna predpostavka je popravljena z
varnostnim faktorjem, da izničimo temperaturne izgube. Za te izračune je varnostni faktor
izbran SF=2. Za izračun potrebne moči glej enačbo 2.2.3.1.
SFt
TCmP P ⋅Δ⋅⋅
= (2.2.3.1)
m [kg] – masa orodja
Cp [ KkgJ ⋅ ] – srednja vrednost toplotne kapacitete nad območjem delovne
temperature
∆T [K] – temperaturna razlika
t [sec] – ogrevalni čas
P [W ali sJ ] – potrebna oziroma priključna moč
SF – varnostni faktor
Konstruiranje pritrdilnega sklopa orodij za toplotno stiskanje jeklenih prahov
- 19 -
Za lažjo ponazoritev lahko segrevanje orodja prikažemo v laboratorijski čaši, ki je
napolnjena do določene meje in segreta z določenim časovnim intervalom (slika 2.12) [9].
Pritok v čašo oziroma sistem, kot mu lahko rečemo v tej študiji termodinamike, je parameter
kontrole. Pretok je definiran kot F = volumen/minuto in se lahko uskladi s potrebno energijo
za segretje orodja, in sicer s potrebno energijo na časovno enoto. Volumen je oskrbovana
termično vnesena energija v sistem (predpisuje enačba TCm p Δ⋅⋅ ), čas pa je predstavljen kot
ciljni ogrevalni interval [2].
Slika 2.12: Laboratorijska čaša za ponazoritev segrevanja
Konstruiranje pritrdilnega sklopa orodij za toplotno stiskanje jeklenih prahov
- 20 -
V realnosti se pojavljajo izgube in so sorazmerne temperaturnemu intervalu za
doseganje segretja materiala. Zato se izgube povečujejo s povečevanjem temperature, in sicer
s predpostavko, da je temperatura okolice konstantna [10]. Prav tako so izgube med
segrevanjem verjetno manjše kot med temperaturnim ravnovesjem. Vzorčna čaša vsebuje
približne luknje, ki se povečujejo z vnosom temperature. Ta primer je prikazan na sliki 2.13.
Slika 2.13: Laboratorijska čaša za ponazoritev izgub pri segrevanju
Konstruiranje pritrdilnega sklopa orodij za toplotno stiskanje jeklenih prahov
- 21 -
b) Vzdrževanje temperature na delovni temperaturi v stanju pripravljenosti
V času segrevanja je toplotni priliv večji od toplotnih izgub (slika 2.14) in se akumulira
v orodju. Zato jo lahko ponazorimo z enačbo 2.2.3.2, ki opisuje toplotne izgube zaradi
kondukcije, radiacije in konvekcije.
Če želimo imeti ravnovesje (pri določeni temperaturi), moramo določeno toplotno
energijo shraniti ali vzdrževati z matrico, adaptersko ploščo, trni. Iz tega sklepamo, da je
energija odvisna od mase in toplotne kapacitete orodja. Za shematsko ponazoritev glej sliko
2.14.
Izgube definiramo z oznakami F1, F2 in F3, ki predstavljajo [2]:
321 FFFF ++= 2.2.3.2
F1 – kondukcijo,
F2 – radiacijo,
F3 – konvekcijo,
F – skupno izgubo.
Slika 2.14: Toplotno ravnovesje (v stanju pripravljenosti)
Konstruiranje pritrdilnega sklopa orodij za toplotno stiskanje jeklenih prahov
- 22 -
Na sliki 2.15 je shematično prikazana izguba zaradi kondukcije, radiacije in konvekcije
[2].
Slika 2.15: Shematski prikaz izgub
Izgube se lahko definirajo z naslednjimi enačbami, ki so zapisane v nadaljevanju:
a) izguba zaradi kondukcije (enačba 2.2.3.3),
b) izguba zaradi radiacije (enačba 2.2.3.4),
c) izguba zaradi konvekcije (enačba 2.2.3.5).
Konstruiranje pritrdilnega sklopa orodij za toplotno stiskanje jeklenih prahov
- 23 -
a) izguba zaradi kondukcije [5]
Tx
kAPkond Δ⋅Δ⋅= (2.2.3.3)
b) izguba zaradi radiacije [5]
( )42
41 TTAPrad −⋅⋅⋅= σε (2.2.3.4)
c) izguba zaradi konvekcije [5]
( )21 TThAPkonv −⋅⋅= (2.2.3.5)
Pkond [W] – termalna izguba energije zaradi kondukcije
Prad [W] – termalna izguba energije zaradi radiacije
Pkonv [W] – termalna izguba energije zaradi konvekcije
A [m2] – izpostavljena površina
k – kondukcijski faktor
T [K] – temperatura
x [m] – razdalja do medija
σ [W/(m2K4)] – Stefan-Boltzmannova konstanta
h – prestopnostni koeficient
Izgube, ki nastanejo zaradi termalnih izgub energije, se računajo kot seštevek vseh treh
izgub (kondukcije, radiacije in konvekcije). Glej enačbo 2.2.3.6 [5].
{ }konvradkondtotal PPPP ++= (2.2.3.6)
Ptotal [W] – skupne termalne izgube pri segrevanju
Konstruiranje pritrdilnega sklopa orodij za toplotno stiskanje jeklenih prahov
- 24 -
2.2.3.1 Porazdelitev temperature in orodje
Kot je bilo pričakovati, se največji vnos temperature pojavlja prav na mestu, kjer so vstavljeni
grelci za segrevanje matrice. To pomeni, da na teh mestih temperatura preseže vrednost
160°C [2].S simulacijo na sliki 2.16 je prikazano, da je potrebno pred začetkom vsakega
stiskanja preveriti temperaturo zgornjega trna, in sicer pri stabilnih razmerah, saj mora imeti
zgornji trn praktično isto temperaturo kot matrica na delovni površini. V tem primeru je
temperatura na delovni površini 146°C.
Slika 2.16: Porazdelitev temperature pri segrevanju matrice (objavljeno z dovoljenjem IFAM,
Bremen)
Konstruiranje pritrdilnega sklopa orodij za toplotno stiskanje jeklenih prahov
- 25 -
Priporočam, da je zračnost med trni, matričnim vložkom in prekrivanjem matričnega
vložka prilagojena tako, da se ohranja isto razmerje kot pri klasičnem stiskanju, tj. pri sobni
temperaturi. Gre za način, da se pri segrevanju orodja, le-to razširi do te vrednosti, da se
ohrani isto razmerje kot pri klasičnem stiskanju. To je izredno pomembno, da se lahko
odločamo pri konstrukciji orodja o tolerancah, saj včasih uporabljamo orodja iz orodnega
materiala in orodje iz karbidnih trdnin. Večina orodnih jekel ima temperaturni razteznostni
koeficient 161011 −−⋅ K , medtem ko imajo karbidne trdnine temperaturni razteznostni
koeficient 16105,5 −−⋅≈ K [12]. To pomeni, da se karbidne trdnine raztezajo za približno
polovico manj kot orodna jekla.
Na sliki 2.17 sta prikazana praktična primera in razlika izračunane vrednosti dimenzij
orodja glede na izbiro materiala, in sicer:
a) dimenzioniranje orodja z orodnih jekel,
b) dimenzioniranje orodja z karbidnimi trdninami/jeklenega orodja .
Slika 2.17: Dimenzioniranje orodja glede na material orodja (objavljeno z dovoljenjem Alvier
AG)
a) b)
jeklo
karbidna trdnina
jeklo
Konstruiranje pritrdilnega sklopa orodij za toplotno stiskanje jeklenih prahov
- 26 -
Najbolj uporabne materiale, ki jih uporabljamo pri konstruiranju orodja za toplo
stiskanje, sem zapisal v spodnji preglednici. V njej so vpisani najpomembnejši podatki za
izračun orodja.
Lastnosti Temperatura (°C)
Nizkolegirna jekla
Visokolegirana jekla (HSS)
ASP 60 (HSS)
Trde kovine (10%Co)*
Joungov modul (MPa)
20 206000 206000 250000 580000 150 196000 196000 235000 555000
Poissonovo število
20 0,296 0,296 0,296 0,22 150 0,299 0,299 0,299 0,22
Termalni razteznostni koeficient
(°C)
20 12 x 10-6 10,5 x 10-6 10,5 x 10-6 5,5 x 10-6
150 12,5 x 10-6 9,5 x 10-6 9,5 x 10-6 5,5 x 10-6
Preglednica 2.3: Lastnosti materialov orodja
_________________________
Opombe: * Izraz trda kovina je isto kot karbidna trdnina.
Konstruiranje pritrdilnega sklopa orodij za toplotno stiskanje jeklenih prahov
- 27 -
3 CAD PROGRAM (ThinkDesign 2009.3 – SolidWORKS 2009-SP4)
V programu Sinter uporabljamo za razvoj orodij programski paket ThinkDesign 2009.3. Glej
sliko 3.1 programskega okolja. Ta program nam omogoča hitro in relativno »enostavno«
kreiranje orodij. Ker se pojavljajo na tržišču čedalje bolj komplicirani izdelki, se to tudi pozna
na konstrukciji orodja.
Za olajšanje izdelave orodja je dogovorjeno, da v orodjarni uporabljajo tudi ta
programski paket. Tako skrajšamo čas za izdelavo in obdelavo orodij, saj lahko relativno hitro
izdelajo negative (npr. za izdelavo elektrod za erodiranje).
Za malce bolj komplicirane konstrukcije orodja ni zadovoljiv samo programski paket
ThinkDesign, ampak tudi drugi programski paketi, ki nam omogočajo analize po MKE. Eden
izmed teh programskih paketov, ki ga uporabljamo v programu Sinter za analize po MKE, je
SolidWORKS. Programsko okolje je prikazano na sliki 3.2.
Slika 3.1: Okolje ThinkDesign 2009.3
Konstruiranje pritrdilnega sklopa orodij za toplotno stiskanje jeklenih prahov
- 28 -
Slika 3.2: Okolje SolidWORKS 2009SP-4
Konstruiranje pritrdilnega sklopa orodij za toplotno stiskanje jeklenih prahov
- 29 -
3.1 Uporaba STEP formata za prenos podatkov
Zaradi nezmožnosti direktnega prenosa geometrijskega modela iz programskega okolja
ThinkDesign-a v programsko okolje SolidWORKS-a, sem moral spremeniti geometrijski
model v STEP format. Pri tem sem naletel na težavo. Pogosto se pojavlja pri pretvarjanju
geometrijskih modelov v step format, da model ni »zaprt«4. To sicer ni razvidno v
programskem paketu ThinkDesign2009, saj hitra analiza prikaže, da je model v *stp formatu
»zaprt«. Glej sliko 3.3. V programskem paketu SolidWORKS odpremo model v *stp formatu
in na hitro preverimo, ali je model »zaprt« ali ne. Lahko se prikaže, da se en del modela
oziroma delčki površine ne stikajo do popolnosti. Rešitev, ki jo ponuja SolidWORKS, je zelo
dobra. Prikaže površine, na katerih mestih 3D-modela je prišlo do odstopanj in netočnega
povezovanja površin. Na sliki 3.4 je prikazan delček površine s svetlo barvo, kjer je prišlo pri
pretvorbi v *stp format do napake. Za hitro rešitev in popravek formata lahko v SolikWORKS
uporabljamo ukaz Attempt to Heal all . To je ukaz, ki sam popravi model tako,
da združi nepravilne površine in dobimo geometrijsko pravilen model, ki je primeren za
nadaljnje delo, kot je npr. kontrola po MKE. Popravljen model je prikazan na sliki 3.5.
Slika 3.3: Hitra analiza modela s ThinkDesignom (zaprt)
_________________________ 4 Izraz »zaprt« je uporabljen v tekstu kot geometrijsko pravilen model.
Konstruiranje pritrdilnega sklopa orodij za toplotno stiskanje jeklenih prahov
- 30 -
Slika 3.4: Analiza *stp modela v SolidWORKS
Slika 3.5: Popravljen *stp model v SolidWORKS
Konstruiranje pritrdilnega sklopa orodij za toplotno stiskanje jeklenih prahov
- 31 -
3.2 Problemi pri analiziranju po MKE
Zaradi zahtevnih izdelkov in orodja se pri analizi pojavljajo težave. Deli orodja za stiskanje
jeklenega prahu imajo na nekaterih delih zelo majhne prehode (npr. R0,3, posnetje 0,3/30° z
dodatkom ravnega dela 0,1mm). Ker so prehodi na orodjih zelo majhni, je potrebno najprej
pravilno razporediti gostoto mreže. Iz izkušenj analiziranja je priporočena razdalja med
posameznimi vozlišči vsaj 3x manjša, kot je minimalna razdalja želene površine. Z drugimi
besedami; če imamo npr. R0,3, potem mora biti gostota mreže na tem radiusu minimalno 3x
manjša, tj. 0,1mm. Tako dobimo optimalne rezultate. Glej sliko 3.6.
Ko se aktivira mreženje na tako finih nastavitvah, je delovna postaja, na kateri delam,
preslabo opremljena za takšne analize. Zadevo lahko računalnik računa zelo dolgo. Lahko
tudi po nekaj ur. Ker je po moji oceni sestavljen sklop analiziranja orodja veliko boljši in
odraža realno dogajanje v orodju in podstavkih, lahko računalnik računa tudi ves dan ali celo
več dni.
Slika 3.6: Zamrežen artikel
Konstruiranje pritrdilnega sklopa orodij za toplotno stiskanje jeklenih prahov
- 32 -
Po končanem mreženju izdelka, kot je prikazano na sliki 3.6, vklopimo analizo za
preračun napetosti, deformacij… Rezultati deformacij izdelka na modelu izdelka so prikazani
na sliki 3.7, in sicer v merskih enotah mm.
Slika 3.7: Končni rezultati analize
Konstruiranje pritrdilnega sklopa orodij za toplotno stiskanje jeklenih prahov
- 33 -
3.3 Temperaturna analiza matrične plošče
Kot je že opisano v prejšnjih poglavjih, se orodje segreje na delovno temperaturo približno
130°C. To pomeni, da pride po določenem času segrevanja orodja tudi do segrevanja ostalih
vitalnih delov adapterja ali celo v najslabšem primeru stiskalnice. Zato je potrebno preveriti,
kolikšen vpliv ima vnos temperature na adapter, na katerega je pritrjeno orodje. Za pomoč pri
termičnih analizah sem uporabljal COSMOS v programskem okolju SolidWORKS.
Za analizo temperaturnih sprememb sem se odločil, ker je pri segrevanju orodja (tj.
toplo stiskanje) prišlo do:
- dimenzijskih sprememb na adapterju,
- zaustavitve in s tem nezmožnosti gibanja posameznih plošč adapterja pri izvleku5
kosa. Matrična plošča se je v zgornjem delu zaradi temperature deformirala največ, v
predelu, kjer gre skozi osnovno ploščo, pa ne.
_________________________ 5 Izraz izvlek pomeni v tekstu položaj stiskalnice, kjer kos potisnemo iz matrice.
Konstruiranje pritrdilnega sklopa orodij za toplotno stiskanje jeklenih prahov
- 34 -
Shematičen prikaz deformacij po vnosu temperature na adapter je prikazan na sliki 3.8.
Razlika je očitna, saj se pri povišani temperaturi spremeni položaj izvrtin na matrični plošči, v
katera so pritrjena vodila adapterja. Na sliki 3.9 je prikazan adapter, na katerem sem izvajal
testiranje toplega stiskanja.
Slika 3.8: Odklon položaja vodil po segrevanju matrične plošče
Konstruiranje pritrdilnega sklopa orodij za toplotno stiskanje jeklenih prahov
- 35 -
Slika 3.9: Prikaz celotnega adapterja, na katerega je pritrjeno orodje
MATRIČNA PLOŠČA
OSNOVNA PLOŠČA
PETA
ZGORNJA GLAVA
Konstruiranje pritrdilnega sklopa orodij za toplotno stiskanje jeklenih prahov
- 36 -
3.3.1 Temperaturna analiza obstoječe matrične plošče
Ker je prišlo do problemov, ki so navedeni v prejšnjem podpoglavju, sem se odločil, da
izvedem temperaturno analizo matrične plošče. Najprej sem izdelal analizo temperaturne
dilatacije pri:
- temperaturi 25°C (298K),
- temperaturi 125°C (398K).
Ta dva rezultata sem nato preveril, da sem videl, ali vpliva temperatura na nemoteno
delovanje adapterja ali ne.
Konstruiranje pritrdilnega sklopa orodij za toplotno stiskanje jeklenih prahov
- 37 -
3.3.1.1 Temperaturne dilatacije pri 25°C (298K)
Kot je postavitev robnih pogojev ključnega pomena pri vseh analizah, je prav tako bilo tudi
tukaj. Za izvedbo analize sem izvedel naslednje pogoje in korake:
- fiksno podporo na mestu, kjer je pritrjena matrična plošča na vodila,
- dovolil sem ji zasuk okoli fiksne osi,
- določil globalno temperaturo 25°C (298K),
- dopustil pomike samo v X-smeri,
- zamrežil ter zagnal analizo [14].
Na sliki 3.10 so prikazani rezultati temperaturnih dilatacij obstoječe matrične plošče
brez hlajenja pri sobni temperaturi 25°C (298K). Prikazani rezultati so samo v X-smeri, saj
sem predvideval, da se matrična plošča v tej smeri deformira največ zaradi temperature.
Deformacije v X-smeri so res minimalne in znašajo pičlih 0,009mm.
Slika 3.10: Analiza obstoječe matrične plošče pri 25°C (298K)
Konstruiranje pritrdilnega sklopa orodij za toplotno stiskanje jeklenih prahov
- 38 -
3.3.1.2 Temperaturne dilatacije pri 125°C (398K)
Za analizo sem uporabil enak postopek, ki je zapisan v prejšnjem podpoglavju. V tem
primeru je prišlo v X-smeri do večjih dilatacij, in sicer 0,046mm, kar je tudi maksimalna
vrednost. To pomeni, da je prišlo pri segrevanju adapterja pri temperaturi 125°C do takšnih
raztezanj, da sestavljen adapter ni bil več zmožen za gibanje. Prekoračene so bile tolerance na
adapterju. To je bil dovolj trden dokaz za nezmožnost gibanja posameznih plošč in s tem
nedelovanje adapterja.
Slika 3.11: Analiza obstoječe matrične plošče pri 125°C (398K)
Konstruiranje pritrdilnega sklopa orodij za toplotno stiskanje jeklenih prahov
- 39 -
3.3.2 Primerjava rezultatov temperaturne dilatacije brez hlajenja matrične
plošče
Ugotovitve analiz zaradi vnosa temperature.
a) Analiza pri temperaturi 25°C (298K)
Pri sobni temperaturi 25°C (298K) se matrična plošča v X-smeri maksimalno razteza za
0,009mm. To pomeni, da je še manjši raztezek na mestu, kjer so pritrjena vodila na matrično
ploščo.
Matrična plošča, ki je povezana z vodili preko osnovne plošče in spodnje pete6
adapterja, se nemoteno giblje.
Brez težav lahko stiskamo izdelke.
b) Analiza pri temperaturi 125°C (398K)
Zaradi segrevanja matrične plošče na temperaturo 125°C (398K) se matrična plošča v
X-smeri maksimalno razteza za maksimalno 0,046mm.
Ta raztezek je maksimalen, vendar se dejansko deformira zaradi vpliva temperature za
0,035mm. Glej sliko 3.11 na prejšnji strani, kjer je prikazan raztezek v zelenkasti barvi.
Zračnost med vodili je v celoti izkoriščena. Zaradi gibanja vodil skozi puše ni
zanemarljiva. Izkoriščena je celotna toleranca.
Predpisano je, da je lahko maksimalna toleranca pozicije lukenj v X-smeri in Y-smeri
enaka ±0,005mm. Pomeni, da je zaradi prekoračene tolerance pozicije še toliko večji vpliv
temperature na gibanje adapterja, posebno če je narejena plošča na spodnjo mejno toleranco.
_________________________ 6 Spodnja peta adapterja je pritrdilna vez adapterja na stiskalnico. Z njim je omogočeno gibanje matrične plošče.
Konstruiranje pritrdilnega sklopa orodij za toplotno stiskanje jeklenih prahov
- 40 -
Iz pridobljenih rezultatov kaže vse na to, da bi bilo smiselno odvajati temperaturo iz
matrične plošče, da bi dobili osnovno stanje (tj. stanje pri sobni temperaturi). Za realizacijo
tega bi bilo potrebno narediti hlajenje matrične plošče s povezanimi kanali, kot hladilni medij
pa vodo. To pa zato, ker je najbolj priročna na mestu stiskanja. Z njo se ohlajajo tudi drugi
viri naprav v proizvodnji in so priključeni na zaprt sistem znotraj Uniorja. Zato se je takšna
matrična plošča z hladilnimi kanali tudi izdelala, predhodno pa preverila v programskem
paketu SolidWORKS, če hladilni kanali res pripomorejo k hlajenju matrične plošče v tolikšni
meri, da bi ji lahko znižali na temperaturo okolice (tj. 25°C).
V nadaljevanju je prikazana analiza matrične plošče s hladilnimi kanali.
Konstruiranje pritrdilnega sklopa orodij za toplotno stiskanje jeklenih prahov
- 41 -
3.3.3 Temperaturna analiza matrične plošče s hladilnimi kanali
a) Postopek izdelave analize
Najprej sem izbral material matrične plošče (tj. C45 – poboljšano jeklo). Potrebno je
bilo označiti izvor temperature (tj. rdeča barva). To je predel, na katerega je pritrjena matrica
[12]. Izvor temperature je 125°C (398K). Ko sem določil izvor, sem moral predpisati dve vrsti
konvekcije, in sicer:
- konvekcija temperature zaradi pretoka hladilnega medija. V mojem primeru gre za
vodo, ki ima 20°C (298K);
- konvekcija temperature zaradi zraka okolice 25°C (298K).
Ko sem predpisal vse parametre, sem zamrežil matrično z ukazom mesh. Odločil sem
se za samostojno zgoščevanje mreže na kritičnih predelih (tj. na majhnih prehodih, radiusih,
izvrtinah…). Potrebno je še bilo zagnati analizo z ukazom run in rezultati so bili prikazani,
kot jih prikazuje slika 3.12.
b) Analiza in vrednotenje rezultatov
Matrična plošča, v kateri so izdelani hladilnimi kanali, je prinesla zadovoljive rezultate.
Padec temperature je bil iz 125°C v sredini in 20°C na zunanji strani. S takšno matrično
ploščo sem predvidel, da bi se lahko nemoteno izvajalo stiskanje jeklenega prahu pri povišani
temperaturi. Na sliki 3.12 je prikazana porazdelitev temperaturne v matrični plošči v primeru
hlajenja. Na rdečem polju je pritrjena matrica, ki ima temperaturo 125°, ker je tam največji
izvor temperature (zaradi segrevanja matrice na delovno temperaturo). Na sliki 3.12 ni
prikazana temperaturna dilatacija v X-smeri. Vendar, če poenostavim zadevo in pogledam
sliko 3.11, pomeni raztezek zeleno obarvane matrične plošče v X-smeri približno 0,02mm. To
pomeni, da se je na predelu, kjer so pritrjena vodila na matrično ploščo, razpolovil raztezek
zaradi hlajenja. In zaradi takšnega odvoda temperature je omogočeno nemoteno delovanje
adapterja.
Konstruiranje pritrdilnega sklopa orodij za toplotno stiskanje jeklenih prahov
- 42 -
Slika 3.12: Analiza matrične plošče pri 125°C (398K) s hladilnimi kanali
Slika 3.13: Analiza matrične plošče pri 125°C (398K) s hladilnimi kanali (3D prikaz)
Konstruiranje pritrdilnega sklopa orodij za toplotno stiskanje jeklenih prahov
- 43 -
4 IZVAJANJE MERITEV
Kot je že bilo omenjeno v prejšnjih poglavjih, je temperatura bistvenega pomena za proces
toplega stiskanja, saj ima velik vpliv na:
- raztezke adapterja,
- orodje (orodje se razteza in krči),
- proces stiskanja (manjše sile),
- tečenje prahu (pretok prahu),
- nadzor temperature prahu (optimalne temp. za stiskanje).
S procesom toplega stiskanja sem začel tako, da sem pozorno nadzoval temperaturo, ki
je ključna za proces stiskanja. Uporabljal sem dva načina merjenja temperature, in sicer z
laserjem, drugič pa dotikalno. Po strokovnem mnenju dobavitelja prahu sem bil opozorjen na
natančno in pravilno izvajanje meritev temperature. Dotikalno merjenje temperature je
pravilno in prikaže realno stanje temperature na orodju. Kot je razvidno iz slike 4.1 in slike
4.5, je razlika med meritvijo z laserjem in dotikalnim merjenjem temperature dobrih 10°C.
Menim, da je razlika med laserskim in dotikalnim načinom merjenja predvsem v spektru
občutljivosti laserske merilne priprave in v prevelikem merilnem območju sposobnosti
merjenja temperature. Ostale nastavitve za nastavljanje kosa so enake kot pri klasičnem
stiskanju jeklenega prahu pri sobnih temperaturah 25°C (298K).
Način izvajanja meritev temperature:
a) meritve z laserskim načinom merjenja temperature orodja (matrice), slika 4.1,
b) meritve z laserskim načinom merjenja temperature orodja (zgornji trn), slika 4.2,
c) kontrola temperature z ogrevalno napravo za segrevanje prahu, slika 4.3.
Konstruiranje pritrdilnega sklopa orodij za toplotno stiskanje jeklenih prahov
- 44 -
Slika 4.1: Laserski način merjenja
temperature matrice
Slika 4.2: Laserski način merjenja
temperature zgornjega trna
Slika 4.3: Kontrola temperature z ogrevalno napravo
Konstruiranje pritrdilnega sklopa orodij za toplotno stiskanje jeklenih prahov
- 45 -
4.1 Način izvajanja in primerjava meritev temperature
Merjenje temperature se je izvajalo na mestu testiranja toplega stiskanja, in sicer na dva
načina:
- z laserskim merilnikom,
- z dotikalnim merilnikom temperature.
Orodje je bilo vpeto v adapter, vstavljeno v stiskalnico in segreto na delovno temperaturo
125°C (398K). Predvideval sem, da grelna naprava deluje brezhibno in prikazuje realne
rezultate temperature v sistemu, saj je kupljena in ima priložen A-test o sprejemljivosti. Prvi
način merjenja temperature je prikazan na sliki 4.1 in sliki 4.2. Ta način merjenja temperature
ni najbolj primeren, saj se pojavljajo odstopanja temperature orodja.
Primerjava z merjenjem, vendar ne na istem orodju, je bila izvedena z dotikalnim
merilnikom temperature, ki je pokazal bolj natančno meritev. Ta meritev je prikazana na sliki
4.4 in sliki 4.5. Vidimo lahko resnično natančnost merjenja z dotikalnim merilnikom
temperature, saj je razlika v temperaturi, ki je bila regulirana s pomočjo grelne naprave le
5°C.
Slika 4.4: Dotikalni merilnik temperature 1
Slika 4.5: Dotikalni merilnik temperature 2
Konstruiranje pritrdilnega sklopa orodij za toplotno stiskanje jeklenih prahov
- 46 -
4.2 Izvajanje meritev
Značilnost procesa toplega stiskanja je, da dosežemo pri istem tlaku višjo gostoto. S tem se
poveča trdnost v zelenem7 stanju, poveča se natezna trdnost, udarna energija, strižna napetost,
zmanjšanje por in s tem manjši spring back8, kar posledično pomeni manjši pritisk na stene
matrice, zmanjšanje sile izvleka in energije izmetavanja. Zaradi vseh teh navedenih razlogov,
sem se odločil testirati artikel, ki je v serijski proizvodnji in na katerem se pojavljajo problemi
zaradi segrevanja orodja. Pri vzorcih, ki so prikazani na sliki 4.6, sem izvajal meritve in
naredil analizo na:
- višino 10mm,
- premer Ø39,
- premer Ø26,06,
- težo.
Slika 4.6: Stiskanec
_________________________ 7 Zeleno stanje je stanje stisnjenega prahu pred operacijo sintranja. 8 Spring back je beseda, ki se uporablja v tehnologiji stiskanja izdelkov in pomeni skrček po stiskanju kosa.
Konstruiranje pritrdilnega sklopa orodij za toplotno stiskanje jeklenih prahov
- 47 -
4.3 Analiza meritev
Glavni namen kontrole je zagotoviti kupcem izdelke, ki so kvalitetno proizvedeni. To pomeni,
da izpolnjujemo vse s kupcem dogovorjene kriterije za prevzem izdelkov.
Za dosego le-teh se je potrebno posluževati v svetu ustaljenih statističnih metod
kontroliranja in reguliranja procesa ter metod, dogovorjenih v okviru firme.
Namen statističnega procesnega krmiljenja so nenehne izboljšave, zato moramo zbrati
podatke, jih analizirati, uravnavati procese ter jih izboljševati. Stremeti moramo k čim
enakomernejši kvaliteti, s čim manjšimi nihanji [14].
Po nastavitvi orodja, sprostitvi procesa in med delom je potrebno paziti na:
a) težo,
b) mere,
c) razpoke,
d) mehanske poškodbe.
a) Teža kosa je podana na kontrolnem postopku v mejnih tolerancah. Odstopanje lahko
privede v neustrezno gostoto, neustrezne mere in razpoke.
b) Pravilno vodena in izpolnjena MSP-karta nam daje vpogled v proces, ki ga lahko
uravnavamo in izboljšamo. Je osnova za izračun stabilnosti, centriranosti in
sposobnosti procesa.
c) Poznamo površinske in globinske razpoke in so rezultat nepravilnega delovanja,
nastavitve orodja, adapterja, stroja. Najpogosteje se pojavljajo na mestih, kjer je
razlika polnilnih višin velika in s tem tudi možnost razlike v gostotah. Torej prehodi iz
enega mesta na drugo so najbolj kritična za pojavljanje razpok.
d) Mehanske poškodbe zelencev se pojavljajo pri nepravilnem izmetavanju kosov,
udarjanja kosov med seboj. Zato je potrebno vsak zelenec posebej odložiti na paleto,
saj imajo zelenci neprimerljivo nižjo natezno trdnost kot sintrani kosi, zato je potrebna
pazljivost pri rokovanju z njimi. Grobo ravnanje z zelenci lahko privede do mehanskih
poškodb, razpok ali celo razpad kosov.
Konstruiranje pritrdilnega sklopa orodij za toplotno stiskanje jeklenih prahov
- 48 -
Po vseh teh nastavitvah in prilagajanju procesa na stiskanje se lahko vprašamo, čemu bi
MSP-analize sploh uporabljali.
Z njim zagotavljamo kakovost in jo s tem lahko tudi izboljšamo. S tem procesnim
krmiljenjem lahko:
- prepoznamo motnje,
- ugotavljamo vzroke,
- določamo ukrepe,
- preprečujemo izmet in dodelavo kosov,
- optimiramo izdelavo [14].
Za doseganje kakovosti izdelkov je potrebno:
- izvajati predpisano merjenje,
- dokumentirati meritve,
- ovrednotiti pridobljene rezultate,
- poseči oziroma urejati odstopanja [14].
Tako lahko procese obvladujemo in izboljšamo, s tem pa tudi učinkovito zagotavljamo
kakovost, zmanjšujemo stroške in bogatimo izkušnje.
Slika 4.7: Tolerančna polja
Konstruiranje pritrdilnega sklopa orodij za toplotno stiskanje jeklenih prahov
- 49 -
Vrednosti predpisane s kontrolnim postopkom (slika 4.9), morajo biti pri sprostitvi
procesa (slika 4.10) in ob zagonu oziroma po nastavitvi stroja v tolerančnem območju, kar se
zabeleži na SKL-11 obrazec (slika 4.12). Mere, za katere je predvideno vodenje MSP-karte,
morajo biti v mejah tolerančnega območja, omejenega s spodnjo in zgornjo tolerančno črto.
Pri vsakem procesu moramo strmeti k čim manjšim nihanjem in boljši centriranosti procesa
(sredina tolerančnega polja in čim manjša nihanja).
Proizvodnja je podvržena konstantnim nihanjem. Pri serijski izdelavi se praktično ne da
izdelati več kosov 100% enakih. Pri serijski izdelavi upoštevamo ta nihanja s tem, ko za
izdelavo in ocenjevanje izdelka določimo toleranco. Toleranca zajema vsa nihanja (višine,
težo, gostoto…). Naša naloga pa je, da ta nihanja zmanjšamo na minimum.
Slika 4.8: Prikaz procesa
Na sliki 4.8 je prikazan proces, ki ni centriran. Orodje, adapter oziroma stroj ni
nastavljen na tolerančno sredino. Slabi kosi so pomešani z dobrimi, kar pomeni nujnost
sortiranja. Zato je potrebno srednjo vrednost vzorca premakniti v sredino tolerančnega polja.
Konstruiranje pritrdilnega sklopa orodij za toplotno stiskanje jeklenih prahov
- 50 -
Na proces izdelave vplivajo različni dejavniki, in sicer:
- material,
- stroj, orodje,
- okolje,
- merilna sredstva,
- metode,
- človek.
Regulacijska krmilna kartica (x-R karta) ima dva polja za nadzor, in sicer:
- nadzor položaja srednje vrednosti (x)
- nadzor nihanj (R – razpon).
Prednost regulacijske karte je predvsem v istočasnem izračunu označevalnih vrednosti.
Osnova za sprostitev procesa je kontrolni postopek, na katerem je določeno:
- kaj merimo,
- kako merimo,
- pogostost merjenja,
- vzorec merjenja,
- kdaj merimo,
- s čim merimo,
- kam se beležijo rezultati.
Začetek procesa pomeni:
- start dela ob pričetku serije po proizvodnem nalogu,
- start dela z novim ali popravljenim orodjem (strojem).
Proces ne sme steči, dokler niso zagotovljeni vsi pogoji, ki omogočajo doseganje
optimalne kakovosti. Vsaka neskladja je proizvodnja dolžna uskladiti v času nastavljanja
procesa.
Konstruiranje pritrdilnega sklopa orodij za toplotno stiskanje jeklenih prahov
- 51 -
Spodnje okence x na x-R karti (slika 4.11) je namenjeno za izračun srednje vrednosti
meritev, ki jo izračunamo z natančnostjo ene decimalke [14].
( )10
254321 ⋅++++=
xxxxxx (4.1)
x – povprečna vrednost meritve na 5-ih kosih
x1…x5 – zaporedna številka vzorca
Okence z označbo R je namenjeno za vpis raztrosa vrednosti. Raztros dobimo tako, da
izračunamo razliko med najmanjšo in največjo izmerjeno vrednostjo [14].
maxmin xxR −= (4.2)
R – raztros na merjenih vzorcih
xmin – minimalna vrednost izmerjenega vzorca
xmax – maksimalna vrednost izmerjenega vzorca
Na diagramskem delu delavec izvleče linijo za izračunane vrednosti na podoben način,
kot je to prikazano na sliki 4.7.
Avtokontrola je kontrola, ki jo opravlja delavec ali skupina delavcev, ki dela na
določenem stroju. Delavec vodi statistično avtokontrolno karto med procesom in je
odgovoren za brezhibno kvaliteto kosov. Meritve se vpišejo na SKL-11 (zadnja stran
avtokontronle x-R karte oziroma slika 4.12) pod rubriko sprostitev, in sicer enkrat na izmeno
pregleda vse mere, vpisane pod sprostitev, in jih zabeleži v rubriko 1. vzorec. Pod 2. vzorec
vpiše svoje ugotovitve medfazni kontrolor.
Konstruiranje pritrdilnega sklopa orodij za toplotno stiskanje jeklenih prahov
- 52 -
Slika 4.9: Kontrolni postopek za nadzor procesa
Slika 4.10: Kontrolni postopek za sprostitev procesa
Konstruiranje pritrdilnega sklopa orodij za toplotno stiskanje jeklenih prahov
- 53 -
Slika 4.11: Avtokontrolna karta x-R za stiskanje
Slika 4.12: Sprostitev in nadzor procesa SKL-11 za stiskanje
Konstruiranje pritrdilnega sklopa orodij za toplotno stiskanje jeklenih prahov
- 54 -
Za analizo višine, premerov in teže sem imel za vzorec 94 kosov. Primerjavo sem
naredil s kosi, ki so bili stisnjeni od začetka in od številke 37 dalje. Od številke 37 dalje sem
videl, da se po določenem času stabilizirajo mere in teža. Najbolj je to razvidno iz slike 4.13,
slike 4.14, slike 4.15, slike 4.16, slike 4.17, slike 4.18, slike 4.19 in slike 4.20, kjer so vpisani
podatki. Že v teoriji toplega stiskanja je opisano, da dobimo stabilnejše rezultate s tem
procesom kot s klasičnim stiskanjem pri sobni temperaturi. To je že vse znano, vendar nikjer
nisem zasledil oziroma ni bilo zabeleženo, po kolikšnem številu se izboljšajo, stabilizirajo
mere, teža… Zato lahko iz tega sklepam, da:
- s toplim stiskanjem izboljšamo stabilnost stiskanja,
- da se mersko stabilizirajo kosi po približno 40 kosih oziroma bolj varno 50 kosih. Prve
kose pa bi bilo smiselno zavreči, da se ne pomešajo med ostale kose.
VIŠINA 10 (vsi vzorci)
9,49,59,69,79,89,910
10,110,210,310,410,5
0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 70 75 80 85 90 95
ŠT. VZORCEV
VRED
NO
STI
Zelenc Sintranec Zgornja meja +0.2 Spodnja meja -0.2
Slika 4.13: Višine stisnjencev na vseh
vzorcih
VIŠINA 10 (od št. 37 dalje)
9,759,8
9,859,9
9,9510
10,0510,1
10,15
10,210,25
0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55
ŠT. VZORCEV
VRED
NOS
TI
Zelenc Sintranec Zgornja meja +0.2 Spodnja meja -0.2
Slika 4.14: Višine stisnjencev od št. 37 dalje
PREMER Ø39 (vsi vzorci)
38,95
39
39,05
39,1
39,15
39,2
39,25
39,3
39,3539,4
39,45
0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 70 75 80 85 90 95ŠT. VZORCEV
VRED
NO
STI
Zelenc Sintranec
Zgornja meja +0.3 Spodnja meja 0
Matrica (stiskalno) -(po Risbi) Matrica (kalibrirna) (po Risbi)
Matrica (stiskalno ) (Dejansko stanje orodja)
Slika 4.15: Premeri Ø39 stisnjencev na vseh
vzorcih
PREMER Ø39 (od št.37 dalje)
38,95
39
39,05
39,1
39,15
39,2
39,25
39,3
39,35
39,4
39,45
0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55ŠT. VZORCEV
VR
EDNO
STI
Zelenc SintranecZgornja meja +0.3 Spodnja meja 0Matrica (stiskalno) -(po Risbi) Matrica (kalibrirna) (po Risbi)Matrica (stiskalno ) (Dejansko stanje orodja)
Slika 4.16: Premeri Ø39 stisnjencev od št. 37
dalje
Konstruiranje pritrdilnega sklopa orodij za toplotno stiskanje jeklenih prahov
- 55 -
PREMER Ø26,06 (vsi vzorci)
26,04
26,05
26,06
26,07
26,08
26,09
26,1
26,11
26,12
26,13
0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 70 75 80 85 90 95
ŠT. VZORCEV
VRE
DNO
ST
Zelenc Sintranec Zgornja meja +0.015
Spodnja meja -0.015 Jedro (stiskalno) (po Risbi) Jedro (kalibrirno) (po Risbi)
Jedro (stiskalno) (Dejansko stanje orodja)
Slika 4.17: Premeri Ø26,06 stisnjencev na
vseh vzorcih
PREMER Ø26,06 (od št.37 dalje)
26,04
26,05
26,06
26,07
26,08
26,09
26,1
26,11
26,12
26,13
0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55ŠT. VZORCEV
VRED
NOS
T
Zelenc Sintranec Zgornja meja +0.015Spodnja meja -0.015 Jedro (stiskalno) (po Risbi) Jedro (kalibrirno) (po Risbi)Jedro (stiskalno) (Dejansko stanje orodja)
Slika 4.18: Premeri Ø26,06 stisnjencev od
št. 37 dalje
TEŽA (vsi vzorci)
29g
30g
31g
32g
33g
34g
35g
0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 70 75 80 85 90 95
ŠT. VZORCEV
VRE
DNO
ST
Zelenc Sintranec Zgornja meja +0.157 Spodnja meja -0.157
Slika 4.19: Teže stisnjencev na vseh vzorcih
TEŽA (od št.37 dalje)
31,1g
31,2g
31,3g
31,4g
31,5g
31,6g
31,7g
31,8g
31,9g
0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55ŠT. VZORCEV
VRED
NOS
T
Zelenc Sintranec Zgornja meja +0.157 Spodnja meja -0.157
Slika 4.20: Teže stisnjencev od št. 37 dalje
Konstruiranje pritrdilnega sklopa orodij za toplotno stiskanje jeklenih prahov
- 56 -
5 DISKUSIJA
Rezultati, ki sem jih pridobil s izdelavo adapterskega dela, so:
- možnost dolgotrajnega stiskanja jeklenega prahu pri povišani temperaturi,
- odvod temperature,
- konstrukcijska rešitev za hlajenje,
- stiskanje vzorcev (merska stabilnost).
Ker sem ugotovil, da z odvzemom temperature podaljšamo časovno zmožnost stiskanja
jeklenega prahu, bi lahko v prihodnje še nadaljeval in raziskoval področje kako preprečiti
vpliv temperature na vpenjalne dele, nosilce trnov in posledično na adapter. Prav tako bi se
lahko še nato izdelala analiza merske stabilnosti.
Ker teorija toplega stiskanja opisuje stiskanje do višjih gostot, bi se dalo raziskovati tudi
področje vzdržnosti orodja pri povišanih temperaturah. Pri nekaterih orodjih se pojavi
problem neenakomernih gostot na zelencu in s tem vpliv na vzdržnost in življenjsko dobo
orodja.
Konstruiranje pritrdilnega sklopa orodij za toplotno stiskanje jeklenih prahov
- 57 -
6 SKLEP
Toplo stiskanje jeklenega prahu je veliko učinkovitejše in boljše kot klasično stiskanje. Kot je
zapisano v poglavjih, se povečajo mehanske lastnosti izdelkov, lahko pa z istimi parametri
podaljšamo življenjsko dobo orodja, saj bistveno zmanjšamo pritisk na le-tega. Eden izmed
programskih paketov, ki omogoča analize (napetostne, pomike, temperaturne analize…), je
COSMOS v programskem okolju SolidWORKS 2009 SP4. To nam omogoča, da lahko že
pred konstrukcijo orodja odpravimo nepravilnosti in optimiramo orodje. Problem, ki se
pojavlja pri pretvarjanju v *stp format modela, je ta, da ni popolnoma zaključen model
(pravzaprav je odprt). To pa za analize, ki jih je potrebno izvajati, ni dobro, ker potrebujemo
geometrijsko pravilen model, saj je možno samo na ta način zamrežiti in naknadno izračunati
napetosti, pomike, temperaturne analize…) V tem programskem paketu je možnost popravka
modela, saj sam določi geometrijsko pravilen model.
Izvajal sem temperaturne analize matrične plošče, saj se pri povišani temperaturi
matrična plošča toliko razširi, da ni mogoče izvajati dela z njo. Pri temperaturni analizi se
pokaže, koliko se spremeni medosna razdalja vodil zaradi vnosa temperature na 125°C. Zato
je bil osnovni namen znižati temperaturo na tem delu. Predlog je bil za izdelavo hladilnih
utorov. Vidna je bistvena sprememba, kjer je izdelano hlajenje s hladilnim medijem (voda).
Zunanji del matrične plošče je tako hladen, da ga lahko primemo z roko, medtem ko je jedro
matrice segreto na 125°C.
Pri testiranjih toplega stiskanja sem ugotovil, da je bistvenega pomena merska
stabilnost. Zato moramo odstraniti približno 40 – 50 kosov pred pričetkom vsake izmene, da
zagotovimo stabilnost procesa. Seveda je pomembna merska stabilnost tudi pri klasičnem
stiskanju, zato lahko prenesemo te ugotovitve tudi na klasično stiskanje jeklenega prahu,
drugače se nam lahko zelo hitro pojavijo odstopanja in prevelika nihanja.
Konstruiranje pritrdilnega sklopa orodij za toplotno stiskanje jeklenih prahov
- 58 -
7 LITERATURA
[1] Höganäs, Handbook for Sintered Components, 1997
[2] Höganäs, Warm compaction, 1997
[3] Arzenšek Boris, Dujmovič Darko, Glogovac Branislav, Godec Matjaž, Jakli Anton,
Jelenko Milan, Medved Jože, Pelc Dušan, Šuštaršič Borivoj, Torkar Matjaž.
Tehnologija toplega stiskanja jeklenih prahov in lastnosti sintranih jeklenih izdelkov:
Tekstno gradivo, tiskano: številka 1/2: Inštitut za kovinske materiale in tehnologije,
2001
[4] Robert T. Kiepura, Teri L. Weintraub, ASM Handbook, Formerly ninth edition,
Metals handbook, Volume 7, Powder Metalurgy, Library of Congress Cataloging in
Publication Data, American Sociaty for Metals, 1993
[5] Ulf Engström & Björn johansson, Production experience of warm compaction of
Desnmix powders; PM96-6; Höganäs 1996
[6] U. Engström, B. Johansson & J. Rassmus, Porosity and Properties of Warm
Compacted High Strength Sintered Steels; PM ’98 World Congress, Granada,
Spain, 1998.
[7] Ulf Engström, Björn Johansson, Per Knutsson, Hilmar Vaarsson, Material properties
and process robustness obtained with warm compaction of implroved densmix
powders, Presented at PM2TEC 2002; World Congress on Powder
Metallurgy&Particulate materials in orlando, USA, junij 2002
[8] http://uniordd1:8080/Standardi/prijava.aspx?ReturnUrl=%2fStandardi%2fmenu.aspx
[9] http://www.hoganas.com/
[10] https://www.hipih.com/Login.aspx?ReturnUrl=%2fDefault.aspx
[11] Ren Zoran, Glodež Srečko. Strojni elementi 1.del : univerzitetni učbenik. Maribor :
Fakulteta za strojništvo, 2001
[12] G. F. Bocchini, R. Esposito & G. Cricri, Influence of operating temperature on
shrink fitting pressure of PM dies, Powder Metallurgy, Vol. 39, No. 3, str. 195-
206, 1996.
[13] B. Dolšak, Računalniško modeliranje proizvodov, Maribor : Fakulteta za strojništvo,
2001
Konstruiranje pritrdilnega sklopa orodij za toplotno stiskanje jeklenih prahov
- 59 -
[14] Ransing R.S., How to- Undertake Finite Element Based Thermal Analysis, National
Agency for Finite Element Methods and Standards, Glasgow, 1999
[15] Inzenering kakovosti d.o.o., Izboljševanje sposobnosti procesov in robustnosti izdelkov
z metodi TAGUCHI, Delavnica v podjetju Unior, d.d., September 2004
[16] B. Kraut. Krautov strojniški priročnik, 13. slovenska izdaja / izdajo pripravila Jože
Puhar, Jože Stropnik. Ljubljana : Littera picta, 2002
Konstruiranje pritrdilnega sklopa orodij za toplotno stiskanje jeklenih prahov
- 60 -
8 PRILOGE
Konstruiranje pritrdilnega sklopa orodij za toplotno stiskanje jeklenih prahov
- 61 -
Konstruiranje pritrdilnega sklopa orodij za toplotno stiskanje jeklenih prahov
- 62 -
Konstruiranje pritrdilnega sklopa orodij za toplotno stiskanje jeklenih prahov
- 63 -
ŽIVLJENJEPIS
Sem Gregor Krančan. Rodil sem se 29.6.1981 v Celju. Osnovno šolo sem obiskoval v Zrečah,
nato pa sem se vpisal v poklicno šolo na Šolskem centru Celje, in sicer smer finomehanik. Po
končani poklicni šoli sem nadaljeval šolanje za strojnega tehnika in sem ga uspešno zaključil
ter se leta 2001 vpisal na visokošolski študijski program smer strojništvo na Fakulteti za
strojništvo v Mariboru. Diplomiral sem leta 2006. Po končani diplomi sem se zaposlil v
podjetju Unior d.d. v Zrečah, kjer delam še danes. Leta 2009 sem se vpisal na podiplomski
študij strojništva (specializacija) na Fakulteti za strojništvo v Mariboru in ga končal leta 2011.
Konstruiranje pritrdilnega sklopa orodij za toplotno stiskanje jeklenih prahov
- 64 -
BIBLIOGRAFIJA
[1] G.Krančan, B.Furman, R.Drev, Didaktično učilo za realni prikaz delovanja
pnevmatskega in elektropnevmatskega krmilja : raziskovalna naloga , Celje : Šolski
center Celje, 2001
[2] G.Krančan, Konstruiranje kalibrirnega orodja za sintrance s pomočjo programskega
paketa ThinkDesign : diplomsko delo, Maribor : Fakulteta za strojništvo, 2006
Konstruiranje pritrdilnega sklopa orodij za toplotno stiskanje jeklenih prahov
- 65 -
UNIVERZA V MARIBORU
FAKULTETA ZA STROJNIŠTVO
I Z J A V A
Podpisani Gregor Krančan vpisna številka 95035421 izjavljam, da je predloženo
specialistično delo z naslovom KONSTRUIRANJE PRITRDILNEGA SKLOPA ORODIJ ZA
TOPLOTNO STISKANJE JEKLENIH PRAHOV:
- rezultat lastnega raziskovalnega dela,
- da so rezultati korektno navedeni,
- da nisem kršil avtorskih pravic in intelektualne lastnine drugih,
- da predloženo delo v celoti ali v delih ni bilo predloženo za pridobitev kakršnekoli
izobrazbe po študijskem programu druge fakultete ali univerze.
Maribor, 13.6.2011 Podpis: ___________________________