ultralujien terästen konepajakäytettävyyden tutkiminenkonepajamiehet.org/jouko_heikkala.pdf ·...

Ultralujien terästen konepajakäytettävyyden tutkiminen

Jouko Heikkala Konetekniikka, Tuotantotekniikan tutkimusryhmä

KONEPAJAMIEHET –seminaari Helsinki 8.5.2014

Ultralujien terästen

konepajakäytettävyyden

tutkiminen Särmättävyyden ja lastuttavuuden tutkiminen

Jouko Heikkala

Oulun yliopisto, Konetekniikan koulutusala

Tuotantotekniikan tutkimusryhmä




TEKNIIKAN ALA OULUN YLIOPISTOSSA

• Vuoden 2014 alusta lähtien tekniikan alaa

opetetaan ja tutkitaan kolmessa tiedekunnassa:

• Arkkitehtuurin tiedekunta

• Teknillinen tiedekunta

• Tieto- ja sähkötekniikan tiedekunta




Teknillisessä tiedekunnassa annetaan tekniikan

kandidaatin ja diplomi-insinöörin tutkintoon johtavaa

perusopetusta neljässä koulutusohjelmassa:

• Konetekniikka

• Prosessitekniikka

• Tuotantotalous

• Ympäristötekniikka

http://www.oulu.fi/ttk/






Talouden tasapainottaminen

• Taustana yliopiston hallituksen päätös 25.2.2014: talouden 5,5 M€

alijäämän tasapainottaminen

- Vuoden 2013 operatiivinen tulos on alijäämäinen - 4,4 M€

- Vuoden 2014 talousarvio alijäämäinen – 5,3 M€

- Yliopistolain mukaan hallitus ja rehtori ovat vastuussa yliopiston taloudesta

• Valtion taloustilanne ja yliopistojen rahoitus jatkuu

kireänä - Yliopistoindeksi puolitetaan 2015

- Osa rahoituksesta siirtyy kilpailtavaksi rahoitukseksi Suomen Akatemiaan

• Talouden tasapainottamisella ja uudistustoimenpiteillä turvataan

yliopiston toimintakyky ja luodaan edellytykset tulokselliselle

tutkimukselle ja koulutukselle




Henkilöstöratkaisut

• Kohdentuminen:

- Luonnontieteellinen tiedekunta 25

- Lääketieteellinen tiedekunta 27

- Teknillinen tiedekunta 31

- erillisyksiköt 24

- yliopistopalvelut 15

• Ratkaisuista kohdentuu:

- opetus- ja tutkimushenkilöstöön 34

- muuhun henkilöstöön 88




LAITEHUOLTO JA TYÖPAJA

• Teknillisen tiedekunnan työpaja

• Tutkimuslaitteiden ja osien valmistus

• Prototyyppien valmistus

• Laitehuolto

• Valmistusmenetelmien ja työkalujen testaus

• Mittauspalvelut

• Töiden vastaanotto: [email protected]

mailto:[email protected]




Konepajakäytettävyys:

• Muokkaus

• Koneistus

• Leikkaaminen

• Liittäminen

• Pintakäsittely

• Mekaanisten ominaisuuksien

muuttaminen prosessin aikana




Konepajakäytettävyyden tutkiminen

Tuotantotekniikan tutkimusryhmä tutkii ja kehittää

yhteistyössä teräksenvalmistajien ja muiden

tutkimusryhmien kanssa lujia kuumavalssattuja

teräksiä keskittyen niiden särmättävyyteen,

muovattavuuteen ja lastuttavuuteen. Tutkimukset

koostuvat erikseen määritetyistä tilauksista sekä

projekteista.




TERÄSTEN SÄRMÄTTÄVYYDEN TUTKIMINEN

Standardikokeet

Tavoitteena on arvioida kokeellisesti terästen muovatta-

vuutta, erityisesti särmättävyyttä. Särmäyskokeiden

avulla haetaan minimiarvo sisäpuoliselle taivutussäteelle,

jolla särmäys voidaan luotettavasti tehdä konepaja-

olosuhteissa kaikkiin suuntiin valssaussuuntaan nähden

kullekin lujuus - paksuusyhdistelmälle. Samalla

määritetään terästen takaisinjousto.




Särmäyskokeet tehdään pitkittäin ja poikittain valssaus-

suuntaan nähden kunnes on löydetty raja särmäys-

säteelle, jolla teräs kestää särmäyksen 90o kulmaan.

Koelevyjen koko on normaalisti 300 x 300 mm, mutta

voidaan särmätä myös muun kokoisia koelevyjä tarpeen

mukaan. Materiaalin paksuudelle asettaa ylärajan

maksimipuristusvoima 100 tn eli 1000 kN.





Haetaan painimen kriittinen pyöristyssäde valssaus-

suuntaisesti ja poikittain ja tulos varmistetaan tekemällä

vähintään 5 kpl toistoja. Kukin koelevy särmätään Z -

muotoon 90o kulmin. Tällöin molempien pintojen

särmäyskestävyys tulee tarkistetuksi ja mekaanisesti

leikatussa reunassa sekä kiillottunut että murtunut

vyöhyke ovat särmäyksessä ulko- ja sisäpuolella.





Z-muotoon särmätty koelevy:





• Särmäyskokeiden tulokset arvioidaan silmämääräisesti ja koelevyn katsotaan kestäneen särmäyksen, jos siinä ei havaita säröjä tai muita virheitä ilman suurentavia optisia apuvälineitä.

• Takaisinjoustot mitataan ainakin minimisäteellä tehdyistä särmäyksistä ja mahdollisuuksien mukaan myös eri säteillä ja alatyökalun leveyksillä. Särmäysvoimat mitataan tarvittaessa.

• Kustakin työstä tehdään raportti, johon sisällytetään ainakin seuraavat tiedot:

– koetulokset

– takaisinjousto

– särmäysvoimat

– muut havainnot





Särmistä arvioidaan silmämääräisesti:

• Toteutuneet pyöristyssäteet

• Särmän muoto

• Pintaviat

• Säröt

• Murtumat

• Materiaalin ohenema

• Naarmut

• …


- Särmien arviointi




Esimerkkejä särmien arvioinneista




”Mutterimaisuus”:

Säröt:

Ohuet pintasäröt / myötöjuovat:

Murtumat:




Ylätyökalut:

•Työkalun pituus 400 mm:

–R1…(>) 50 mm, 2 - 5 mm välein

•Työkalun pituus 1000 mm:

–R 5, 10, 15, 20 mm

Vaihdettavalla päällä oleviin painimiin voidaan tehdä periaatteessa millainen säde tahansa. Lisäksi työkalu kestää paremmin ja säteen kontrollointi on helppoa päätä vaihtamalla / kääntämällä.

Alatyökalut:

–Työkalun pituus 400 mm

–V-aukolliset, aukon leveys 25, 45, 60, 75, 100, 140 mm

–Säädettävä alatyökalu, max. 330 mm

–Elastiset alatyökalut: neliöprofiili 60x60 ja v-profiili leveys, 90 mm

–Kääntyvillä tuilla varustettu alatyökalu





Kiinteät ylätyökalut 1…15 mm




Ylätyökalut vaihdettavalla päällä




Särmäys




Alatyökalut




Alatyökaluja




Säädettävä alatyökalu




Kääntyvä alatyökalu




Lamellialatyökalu




Joustava alatyökalu - Adipreeni - uretaanikumia




ORaS-särmäyskokeet 3-9 / 2011 ~ 5000 särmäystä




Särmäyksen tilastollinen analyysi

• Teräksen valmistusprosessin analysointi särmäyskokeilla

• Suuri määrä syöttödataa; esimerkkitutkimuksessa ~ 5000 särmäystä

• 6 ja 8 mm 960 MPa kuumavalssattu teräs

• Särmäyssäteet 1 2, 16, 20, 24 ja 28 mm

• Särmäys molemmilta puolilta poikittain (OR) ja pitkittäin (LO)

• Näytelevyt 6 kohdasta levynauhasta

• Särmän virheet:

- Painimen irtoaminen (GF)

- Mutterimaisuus (NS)

- Ohuet pintasäröt (TC)

- Pintahalkeamat (SC)

- Murtumat (FR)

- Pinnan laatu (SQ)




Statistical analysis of bending

S F B M E SI T Rt R lo or GF NS TC SC FR SQ

1 1 1 0 0 1 8 1,5 12 1 0 1 1 1 1 0 0

1 0 1 0 0 1 8 1,5 12 1 0 1 1 1 1 0 0

2 1 1 0 0 1 8 1,5 12 0 1 1 1 0 0 0 0

2 0 1 0 0 1 8 1,5 12 0 1 1 1 0 0 0 1

Esimerkki särmäystulostaulukosta (norm. 480 riviä):

S = näytteen numero

F = pinta(1 = ylä 0 = ala)

B, M, E = sijainti nauhalla B (alku), M (keski), E (loppu)

SI = sijainti nauhalla (reuna/keski)

T = paksuus




Oulun eteläisen instituutti

Tulevaisuuden tuotantoteknologiat –tutkimusryhmä (FMT):

Tulevaisuuden tuotantoteknologiat -tutkimusryhmä on Oulun yliopiston Nivalassa toimivan alueyksikön, Oulun Eteläisen instituutin, sekä Oulun yliopiston konetekniikan koulutusalan yhteinen tutkimusryhmä.

FMT = Future Manufacturing Technologies

Tutkimuksessaan FMT-ryhmä keskittyy levymäisen materiaalin tuotteeksi jalostamisen tekniikoihin ja menetelmiin. Ryhmä aloitti toimintansa vuonna 2004 ELME-tutkimusryhmän nimellä ja sen tutkimusalueet kattavat tuotantotekniikan eri osa-alueita.





• Levymäisen materiaalin tuotteeksi jalostamisen tekniikat

ja menetelmät

• Laser- ja laseravusteiset prosessit (hitsaus, leikkaus,

pinnoitus ja lämpökäsittely)

• Ultralujat materiaalit ja niiden konepajakäyttö





• Ohutlevytuotteiden valmistustekniikka

• Muovaus

• Suurnopeustyöstö

• Tuotannon kustannustehokkuus ja kustannustehokas

tuotantoautomaatio

• Valmistustekninen suunnittelu ja prototypointi

• Kiinnitin- ja työvälinetekniikka

• Mekaaninen kestävyys





• Mekaaninen leikkaus

• Rullamuovaus

• Terminen leikkaus (laser, plasma ym.)

• Abrasiivinen vesisuihkuleikkaus

• Liittämismenetelmät

• Paikalliset laserkäsittelyt

• Materiaalien ja rakenteiden testaukset




Abrasiivinen vesisuihkuleikkaus

Vesisuihkuleikkaus on leikkausmenetelmä, joka soveltuu lähes

kaikenlaisten materiaalien leikkaukseen ohutlevystä paksuihin

materiaaleihin. Vesisuihkuleikkauksella pystytään leikkaamaan lujia

teräksiä ilman haitallista lämpömuutosvyöhykettä.

Laite tehostaa Tuotantotekniikan tutkimusryhmän ultralujien terästen

käytettävyystutkimusta sekä mahdollistaa uusien leikkuutapojen

tutkimuksen ja kehittämisen sekä näihin liittyvän koulutuksen. Lisäksi

laite tukee Oulun yliopistossa tehtävää muuta tutkimus- ja kehittämis-

toimintaa sekä palvelee myös muita alueen oppilaitoksia.

Laitteen hankintaan saatiin 80% rahoitusta Pohjois-Pohjanmaan liiton

EAKR-ohjelmasta. Loput kustannuksista katettiin yksityisin varoin.




Vesisuihkuleikkausjärjestelmä Aliko VSL 1531

• XY-liikkeet 1550 x 3100 mm

• max. liikenopeus 15 m/min

• Z-liike 300 mm; max. liikenopeus 60 mm/s

• leikkauskorkeuden seuranta ja säätö ohjelmallisesti

• paikoitus- ja toistotarkkuudet 0,1 mm/m2

• putkenleikkauslaitteisto; putken halkaisija 30…500 mm; pyöritys AC-servolla

• pumpun maksimipaine 6200 bar; portaaton paineensäätö

• Igems R9 –vesileikkauksen ohjelmointi; postprosessori myös putkenleikkaukselle




Lastuttavuuden tutkiminen porauskokeilla

• Tutkitaan annetun materiaalin lastuamisominaisuuksia

porauskokeilla siten, että koelevyjä porataan

määrätynlaisilla kierukkaporilla.

• Tutkimuksen aikana seurataan poran kulumista sekä muita

porauksessa esiintyviä ilmiöitä.

• Tietyt muuttujat, kuten esimerkiksi porien halkaisijat ja

materiaalit voidaan tarvittaessa sopia tilaajan kanssa

erikseen.

• Raportissa esitetään tutkimuksen suoritus ja käytetyt

parametrit. Tuloksina esitetään käytetyille poratyypeille

soveltuvat työstöarvot kyseiselle materiaalille.




• Työstön aikana tarkkaillaan poran viistekulumista ja kirjataan

mittauspöytäkirjaan kulumisen kehitys. Lisäksi seurataan

karatehon käyttöä työstökoneen tehomittarista sekä

arvioidaan työstötapahtumaa työstöäänen perusteella.

• Kullakin poralla työstetään niin kauan kunnes se on

saavuttanut kulumiskriteerin ja kirjataan ylös saavutettu

porausmatka. Poran kulumiskriteeri on saavutettu silloin kun

viistekuluminen on ylittänyt määritellyn maksimiarvon, tai

pora murtuu.

• Viistekulumisen maksimi mitataan mahdollisuuksien mukaan

kulumisen suoralta osalta. Jos kulumismaksimi on

pelkästään nirkossa, voidaan porausta jatkaa kunnes joku

muu kriteeri ylittyy (esim. porausteho, työstön ääni).





• Vakio porauskoelevyt 500 x 600 mm

• Materiaalit ja paksuudet vaihtelevat

• Porataan 5, 15 ja 25 mm reikiä

• 5 ja 15 mm reikiä 742 kpl / levy ja 25 mm 204 kpl / levy

• Käytetään pinnoittamattomia HSS / HSS-Co –poria tai

kovametallikärkiporia / U-poria

• Pääasiassa läpireikiä

• Normaali määrä emulsiota / kuivana





• HSS porat (pinnoittamattomat):

~ 1000 MPa / 500 HBW asti

• Kovametalliporat

- täyskovametalli

- vaihtopaloilla / kärjellä




Seurataan: • Karateho

• Ääni

• Poran kunto

(kuluminen, murtumat...)

• Irtosärmä

• Lastun muoto




Porauskokeita 6 – 11 / 2009:




Tool: Drill with replaceable carbide tip diam. 16 mm

Feed Feed No. of

Material: v m/min n r/min mm/r mm/min holes

Wear resistant steel 450 HBW 55 1095 0,15 164 782

(15 mm) 55 1095 0,25 274 1300 *

Wear resistant steel 500 HBW 35 697 0,12 84 742 *

(10 mm)

Structural steel 1500 Mpa 40 796 0,15 119 742 *

(6,35 mm)* test interrupted






Optim 700 MC Plus -työstöarvot

HSS 5 mm 15 mm 25 mm

f 0,14 0,18 0,23 f 0,25 0,3 0,36 f 0,3 0,4 0,5

v 1,29 1,28 v 1,20 1,20 v 1,33

20 20 20

25 1484 1484 254 1,25 25 1188 1,25 25 204 99

30 1556 266 1,20 30 742 691 1,20 30 156

36 450 293 1,20 36 204

3040 1750 254 450 1035 1879 0 360 8768

HSS-Co 5 mm 15 mm 25 mm

f 0,14 0,18 0,23 f 0,25 0,3 0,36 f 0,3 0,4 0,5

v 1,29 1,28 v 1,20 1,20 v 1,33 1,25

22 21 22

25 1327 1151 141 1,14 25 1484 345 1,19 25 252 48

30 1188 1,20 30 1128 356 1,20 30 28

36

2515 1151 141 1128 1840 345 0 280 7400

* KESKEYTETTY yht. 16168




Myös kierteitystutkimusta




Jyrsintä ym…

• Diplomityö ultralujien terästen jyrsinnästä




Kiitos!

Lisätietoja tarvittaessa:

Jouko Heikkala

[email protected]

p. 029 448 2120

040 5647191

www.oulu.fi/konetekniikka/tuotantotekniikka

ultralujien terästen konepajakäytettävyyden tutkiminenkonepajamiehet.org/jouko_heikkala.pdf ·...

Documents