Tilvirkningsteknikk 8276745598 [PDF]

Zitiervorschau

Rolf Garbo CorneLiussen

TiLvirkningsteknikk

H Nasjonalbiblioteket Depotbiblioteket

IIQ FAGBOKFORLAGET

Copyright © 2000 by Fagbokforlaget Vigmostad og Bjørke All Rights Reserved

Forfatteren har fått støtte fra Det faglitterære fond

Printed in Norway by PowerPrint AS, Steinkjer ISBN 82-7674-559-8

Layout, sideombrekking og omslag ved forlaget Grafisk formgivning og tilrettelegging: laboremus prepress as, Oslo

Henvendelser om denne boken kan rettes til: Fagbokforlaget Postboks 6050, Postterminalen 5892 Bergen Tlf.: 55 38 88 00 - Faks: 55 38 88 01 e-post: [email protected] www. fagbokforlaget. no

Det må ikke kopieres fra denne boken i strid med åndsverksloven eller i strid med avtaler om kopiering inngått med Kopinor, interesseorgan for rettighetshavere til åndsverk.

Forord Denne boka er en lærebok i tilvirkningsteknikk på teknisk fagskole, linje for maskinfag og fordypningsområde maskinteknikk. Den dekker alle målene i læreplanen for dette faget. Boka skal gi en oversikt over ulike teknologiske prosesser. Fagområdet er svært om­ fattende. I boka har vi valgt å gi en forholdsvis bred omtale av enkelte prosesser, ofte mer enn det læreplanen krever. Grunnen til det er at studentene i faget skal få mulighet til å fordype seg i noen temaer, og at det skal bli lettere for lærerne å differensiere undervis­ ningen. Den raske utviklingen på området tilvirkningsteknikk krever at lærerne må supplere læreboka når det gjelder både lærestoff og litteraturhenvisninger. Under arbeidet med boka har jeg støttet meg til stoff fra en rekke publikasjoner - fra norske og utenlandske tidsskrifter og brosjyrer. Jeg vil takke alle de fagpersonene på ulike fagområder for den hjelpen jeg har fatt til å oppdatere stoffet og illustrasjonene. Jeg vil også takke Fagbokforlaget for oppdraget og for godt samarbeid. En takk går også til ingeniør Ronald Haaland ved Bergen tekniske fagskole for hjelp til det faglige og pedagogiske opplegget. Asker, juli 2000 Rolf Garbo Corneliussen

FORORD

3

Innhold Forord ....................................................................................................... 3

Kapittel 1 Stoperiteknikk.......................................................................... 9 Støping som tilvirkningsmetode ....................................................................................... 9 Konstruksjonsutforming...................................................................................................13 Modeller og modellmaterialer..........................................................................................15 Formsand og kjernesand...................................................................................................19 Støpemetoder.................................................................................................................... 23 Støperidrift......................................................................................................................... 47

Kapittel 2 Plastiske bearbeidingsprosesser............................................ 53 Plastisitetsteori.................................................................................................................. 53 Smiing................................................................................................................................ 68 Valsing................................................................................................................................ 73 Rørfabrikasjon.................................................................................................................. 77 Trekking av tråd, stang, profil og rør........................................................................... 82 Pressing, ekstrudering....................................................................................................... 85 Materialomformende prosesser....................................................................................... 99

Kapittel 3 Oppdelende bearbeidingsprosesser...................................... 120 Klipping............................................................................................................................120 Termisk skjæring............................................................................................................153 Vannstråleskjæring ......................................................................................................... 171 Konturbearbeiding av fiberforsterket plast................................................................ 174

INNHOLD

Kapittel 4 Sammenføyende bearbeidingsprosesser.............................. 176 Sveising............................................................................................................................ 176 Motstandssveising............................................................................................................ 177 Friksjonssveising.............................................................................................................. 182 Ultralydsveising.............................................................................................................. 182 Gassveising........................................................................................................................183 Buesveising, sveiseutstyr................................................................................................ 187 Metallbuesveising............................................................................................................ 190 Sveising av forskjellige materialer................................................................................ 194 Boltsveising..................................................................................................................... 198 Hardsveising. Påsveising................................................................................................ 198 Pulverdekket buesveising.............................................................................................. 198 Sveising under slaggdekke.............................................................................................. 200 Gassbeskyttet buesveising.............................................................................................. 200 Spesielle sveisemetoder.................................................................................................. 205 Offshoresveising.............................................................................................................. 210 Mekanisering.................................................................................................................. 211 Sveisemetallurgi.............................................................................................................. 215 Sveisekontroll.................................................................................................................. 220 Miljø. Vern og sikkerhet ved sveising......................................................................... 222 Plastsveising..................................................................................................................... 223 Lodding............................................................................................................................227 Liming.............................................................................................................................. 236

Kapittel 5 Sponende bearbeidingsprosesser......................................... 249 Verktøymaterialer og sponteori..................................................................................... 249 Sponskjærende bearbeiding. Definisjon.....................................................................249 Verktøymaterialer for avsponing.................................................................................. 249 Dreiing.............................................................................................................................. 258 Boring.............................................................................................................................. 279 Fresing.............................................................................................................................. 288 Sliping.............................................................................................................................. 299 Høyhastighetsbearbeiding.............................................................................................. 307 Hjelpeverktøy.................................................................................................................. 310 Verktøyadministrasjon.................................................................................................. 314 Verktøymaskiner........................................................................................................... 320 Boremaskiner.................................................................................................................. 327 Fresemaskin..................................................................................................................... 329 Slipemaskiner.................................................................................................................. 330

INNHOLD

Kapittel 6 Spesielle bearbeidingsmetoder............................................ 335 Mekanisk bearbeiding.................................................................................................... 335 Elektrokjemisk bearbeiding......................................................................................... 336 Termoelektrisk bearbeiding......................................................................................... 338

Kapittel 7 Tilvirkningsteknologi for plastprodukter............................ 344 Presstøping.......................................................................................................................344 Sprøytestøping................................................................................................................ 345 Ekstrudering.................................................................................................................... 347 Statisk støping og rotasjonsstøping............................................................................. 348 Ekspandering.................................................................................................................. 349 Laminering.......................................................................................................................351 Spinning av fibrer........................................................................................................... 365 Blåsing............................................................................................................................. 365 Vakuumforming............................................................................................................. 368 Sintring........................................................................................................................... 370 Kalandrering.................................................................................................................... 371 Metallisering av plast.................................................................................................... 371 Sponfraskillende metoder............................................................................................. 372 Sveising av plast............................................................................................................. 372 Liming............................................................................................................................. 373

Kapittel 8 Pulvermetallurgi .................................................................. 375 Hva er pulvermetallurgi?................................................................................................ 375 Materialegenskapene til sintrede deler......................................................................... 382 Spesielle muligheter og applikasjoner......................................................................... 385

Register................................................................................................... 389

INNHOLD

7

KAPITTEL l

Støperiteknikk Når du har lest dette kapittelet, skal du kunne vurdere de vanligste støpemetodene og kunne ta hensyn til konstruktive og støpetekniske forhold som vi må ta ved støping som tilvirkningsmetode.

Med kapittelet om støperiteknikk innenfor fagområdet tilvirkningsteknologi tar vi sikte på å gi en kort innføring i og oversikt over de mulighetene støping har som tilvirknings­ metode. Men det blir ingen dyptgående behandling av fagområdet. Vi har lagt vekt på å gi retningslinjer for konstruksjonsutforming og produksjonsopplegg, slik at deler som skal støpes, får en brukervennlig og god utforming. Samtidig må produktene være lette å forme, støpe, håndtere og bearbeide. Det må med andre ord være et samspill mellom estetikk, ergonomi, teknologi og økonomi.

Støping som tilvirkningsmetode Støpbarhet Med støpbarheten til metaller og legeringer mener vi den evnen de har til å fylle en stø­ peform til minste detalj i smeltet tilstand. Dessuten skal de størkne slik at vi får et feilfritt og homogent støpegods, som tilfredsstiller de kravene til mekaniske og fysiske egenska­ per som er fastlagt i standarder eller av kunden. Støpbarheten er avhengig av flere me­ tallurgiske faktorer: -

smeltetemperaturen gassreaksjoner (gassopptak og gassporøsitet) flyteevne og formfyllingsevne størkningsforløpet seigringsfenomener volumforandringer og eventuell lunkerdannelse i størknings- og avkjølingsfasen

STØPERITEKNIKK

Smeltetemperatur - støpetemperatur

Jo lavere smeltetemperaturen et metall eller en metallegering har, desto mindre energi krever nedsmeltingen, og desto billigere blir smelteovnene og ovnsforingene. Har me­ tallet et lavt smeltepunkt, kan vi bruke billigere materialer i metallformene, og formene får lengre levetid.

Gassreaksjoner (gassopptak og gassporøsitet) Under støpingen kan luft bli revet med ned i formen, det kan være luft i formmaterialet eller gasser som er løst i smeiten Resultatet kan bli gassblærer i godset etter at det har størknet, og godset blir porøst. Et av målene for støpbarhet er derfor evnen metallet har til å absorbere gasser i smel­ tet tilstand, og ikke minst evnen til å kvitte seg med dem ved overgangen til fåst tilstand.

Flyteevne og formfyllingsevne

For at metall skal kunne fylle formen til minste detalj, må metallet eller metallegeringen ha god flyte- og formfyllingsevne. Høy støpetemperatur gir god flyteevne, mens oksider og slagginneslutninger bremser metallstrømmen. Størkning Når vi avkjøler en metallsmelte til like under smeltepunktet (svak underkjøling), danner det seg kimer. Krystaller vokser ut fra kimene, og bevegelsesenergien i væsken blir frigjort som latent smeltevarme på overgangen fra smelte til krystall. Under denne prosessen ordner atomene seg i et gitter. Veksten av krystaller foregår med forskjellig hastighet langs de forskjellige akseret­ ningene i gitteret slik at det blir en dendrittisk struktur. Se figur 1.1.

r Dendritter

Korngrense

Figur 1.1 KrystaLLdannelse, dendrittisk struktur.

10

STØPING SOM TILVIRKNINGSMETODE

A

Figur 1.3 Krystallisasjonsformer ved utstøping i kald kokille. a b c

Finkornet polyedrisk struktur. Søylekrystaller. Grovkornet polyedrisk struktur.

Mens størkningen pågår, opptrer det stadig nye kimer i rommet mellom de krystal­ lene som allerede er dannet. Til slutt støter krystallene sammen, og restsmelten størkner langs grenseflatene til krystallene. Dersom vi heller en metallsmelte ned i en forholdsvis kald kokille, blir metallet nær­ mest kokilleveggen først avkjølt under størkningspunktet. Det blir derfor dannet tallrike kimer ved veggen. Vi får det vi kaller en støpehud. Den består av små, uordnede polyedriske krystaller, se figur 1.2. Men innenfor dette laget danner det seg krystaller som blir hindret i å vokse bakover mot kokilleveggen, og nabokrystallene hindrer dem i å vokse til siden. På denne måten blir det dannet orienterte krystaller, søylekrystaller. Også hvis kokillen er noe forvarmet eller har stort tverrsnitt, far vi i kjernesonen en uordnet polydrisk struktur, men den er mer grovkornet enn i det ytterste laget. Se figur 1.3.

STØPERITEKNIKK

Dersom vi avkjøler metallsmelten i sand, vil det danne seg kimer og krystaller i midt­ partiet av smeiten før søylekrystallene har nådd særlig langt innover. På den måten opp­ står det en jevn, men uordnet, polyedrisk struktur (se figur 1.2). Størkningstypen (vekstformen) virker inn på krympingen, lunkerdannelsen og ten­ densen til varmesprekker. En har derfor nøye undersøkt størkningsforløpet for de for­ skjellige metallene. Vi bruker numeriske metoder til å beregne varmefordelingen og til å følge størkningsforløpet i et støpestykke. Ved hjelp av dataassistert konstruksjon (DAK) kan vi raskt finne fram til den beste utformingen av det som skal støpes, når vi studerer størkningsforløpet ved forskjellige konstruksjonsløsninger. Vi kan fa en kunstig kornforfining ved å tilsette små mengder av elementer slik at komponenter som er utskilt i metallsmelten, utgjør en sky av små krystaller før størknepunktet er nådd. De virker som kimer under hovedstørkningen. Virksomme kornforfinere er for eksempel aluminium, krom, titan og mangan. For stål virker aluminium kornforfmende. Kunstig kornforfining får vi når vi hindrer krystallveksten. Det skjer ved at vi tilsetter elementer som er helt uoppløselige i det faste metallet, og som derfor legger seg som en hinne rundt hvert lite hovedmetallkorn under størkningen. Ikke-metalliske partikler som svever i en metallsmelte, kan også virke som kimer ved størkningen og er derfor kornforfmende. Inneslutninger av ikke-metalliske partikler er imidlertid svært uheldig (korrosjon, tretthetsbrudd, osv.) og bør ikke brukes til kornregulering. Det er viktig å være oppmerksom på at avkjølingshastigheten påvirker materialegenskapene. Generelt gir langsom avkjøling en grovkornet struktur, mens rask avkjøling gir en mer finkornet struktur. Slik struktur har generelt bedre mekaniske egenskaper. Ved ekstremt rask avkjøling får vi ingen krystalldanneise, men en amorf struktur (metallglass). Det er dette vi bruker for RS-aluminium. RS-legeringene (rapid solfidification) er svært sterke.

Seigring

Det er bare helt rene metaller, intermetalliske forbindelser og legeringer av nøyaktig eutektisk sammensetning som viser et skarpt størkningspunkt. I urene metaller og alle le­ geringer faller temperaturen under størkningen (størkningsintervall), mens sammenset­ ningen av størknet metall og restsmelte endrer seg. Inhomogeniteten i sammensetningen kaller vi seigring. Hvis størkningen går langsomt, blir sammensetningen etter hvert utjevnet ved diffu­ sjon. Det blir dannet helt homogene blandkrystaller. I praksis vil diffusjonshastigheten i mange tilfeller ikke være stor nok til at det inntrer likevektstilstand i hvert korn. Ved en etterfølgende homogeniseringsgløding eller diffusjonsgløding kan vi likevel få homogene blandingsmetaller.

STØPING SOM TILVIRKNINGSMETODE

Volumforandringer under og etter støpingen. Støpespenninger. Med ett unntak vil metallene trekke seg sammen og ha min­ dre volum ved romtemperatur enn i smeltet tilstand. Vi sier at metallene svinner. Vi får et størkningssvinn (en krymping) ved overgangen fra flytende til fast tilstand og et avkjølingssvinn (en godskrymping) ved avkjøling fra metallets smelte­ punkt ned til romtemperatur. Hvis støpestykket ikke far trekke seg sammen fritt under avkjølingen, fører krympingen til spenninger. Støpespenninger oppstår også i støpestykkene dersom ikke alle delene størkner samtidig. I deler med tynne og tykke par­ tier størkner de tynne partiene fortere enn de tykke. Støpe­ spenninger er særlig farlige når det gjelder materialer som er sprø eller har stort svinn. Spenningene kan bli så store at de overskrider bruddfastheten til materialet. Størkningssvinnet kan også føre til lunkerdannelser (hulromsdannelser) hvis det partiet som størkner sist, ikke får tilført flytende metall som kan utjevne svinnet.

Figur 1.4 I praksis blir det dannet hulrom i det partiet som størkner sist, dersom etterfyllingen blir hindret. Selve støpestykket blir feilfritt.

Dersom avkjølingen i et støpt emne foregår med et jevnt temperaturfall over tverr­ snittet, skjer hele volumsammentrekningen utvendig. Det oppstår ikke noe sugningshulrom i dette idealtilfellet. I virkeligheten er avkjølingen alltid større ved overflaten enn inne i godset. Figur 1.4 viser skjematisk hvordan vi kan unngå lunkerdannelser i støpegodset ved at vi setter på et «dødhode».

Konstruksjonsutforming Oppgaven til konstruktøren eller industridesigneren er å konstruere, beregne og velge materialkvalitet for et produkt slik at vi kan lage det så raskt, enkelt og økonomisk som mulig. Samtidig skal det være funksjonsdyktig. Skal vi lykkes med dette, må delene få en riktig støperiteknisk utforming. Støperiteknisk riktig konstruksjon

Det er mange faktorer vi må vurdere og ta hensyn til for å få en rasjonell og riktig kon­ struksjon. Konstruktøren eller industridesigneren bør ha god allmenn kjennskap til støperiteknikk, samarbeide med en støperifagmann og kjenne til de egenskapene støpelegeringen har, og til sammenhengen mellom utformingen, formemetoden og støpemetoden. Løse ribber eller vorter på modellen blir ofte borte, eller de forskyver seg under ut­ formingen og øker faren for vrakgods. Vi bør også unngå kjerner der det er mulig. De fordyrer modell-, innformings- og pussekostnadene.

STØPERITEKNIKK

I3M

Ennå åpning for etterfylling

A

rxi luicpui ir.i

iiic-kj

iui

a) Begynnende størkning b) Det begynner å danne seg innsnevringer c) Størkningen er avsluttet, det er dannet lunker

B

Tillegg under støpingen for å sikre økende tverr­ snitt opp mot matehodet

Figur 1.5 Utforming av støpeformen ved støpning av et større tannhjul.

A B

Opprinnelig utforming, som er dårlig. Støpeteknisk bedre utforming.

Størkningen begynner i overflaten av det flytende metallet når det kommer i kontakt med den kalde sanden eller metallformen. Den fortsetter videre innover og avsluttes inne i metallet. Det kan danne seg større eller mindre hulrom alt etter hvordan massen har hopet seg opp. Vi kan unngå slike hulrom ved å etterfylle med flytende metall som oppveier volumminskingen. De konstruksjonene som er best egnet for riktig etterfyl­ ling, har jevnt økende tverrsnitt nedenfra og oppover til den delen av avstøpet som er øverst i støpestillingen. Se figur 1.5. Vi må også unngå for mange sammenstøtende sider i ett punkt. Det kan gi godsansamling og et varmesenter, og dermed øker faren for dan­ nelse av lunker (hulrom). Andre eksempler er vist i figurene 1.6 og 1.7.

KONSTRUKSJONSUTFORMING

Figur 1.6 a

b Uhetøsg konstruksjon

Søylekrystalldannelse ved et rettvinklet skarpt hjørne gir svak konstruksjon og mulighet for brudd. Avrundet hjørne gir bedre krystallutforming.

Forbedret konstruksjon

Formsmd

"ZZZZZZZ Figur 1.7 Vi må unngå skarp innføring av vegg.

Modeller og modellmaterialer Modeller og støpeformer Når konstruksjonen er bestemt og skal støpes, må vi konstruere og lage former som den kan støpes i. Hvis vi skal støpe i metallformer (kokillestøping eller trykkstøping), kan vi lage formene med sponende eller sponløse metoder direkte fra tegning. Hvis vi skal stø­ pe i sandformer, lager vi først en modell som etter innformingen i sand etterlater et hul­ rom med den formen vi ønsker at gjenstanden skal ha. Hvis gjenstanden skal ha indre hulrom, må vi legge kjerner i formen for å hindre at hele hulrommet fylles med metall. Ofte må vi dele modellen for å få den ut av formen. Vi har flere modellmaterialer. Særlig bør vi nevne modeller av epoksy og forgassbare modeller av polystyrol. Figur 1.10 viser skjematisk oppbygningen av en støpeform etter forskjellige formemetoder. Figuren øverst til venstre viser den tradisjonelle innformin­ gen i sand med todelt kasse og med fullmodell av tre. Modellen blir brukt om igjen, støpegodset blir ristet ut av kassen, og formsanden blir brukt til ny innforming. Figuren øverst til høyre viser skallforming. Figuren nederst til venstre viser udelt form i keramisk

Figur 1.8 Sandform med kjerne.

STØPERITEKNIKK

Figur 1.9 Modell og kjernekasse til T-rør.

materiale, utsmelteform, og figuren nederst til høyre viser en udelt form med skumplastmodell som er forgassbar, og som vi ikke trenger å fjerne fra formen for utstøping. Til framstilling av skumplastmodeller har EPS (ekspandert polystyrol, kjent handels­ navn: styropor) vist seg å være utmerket. Det har imidlertid vært nødvendig å framstille en spesiell kvalitet, blant annet for å gi en lett bearbeiding av formmaterialet ved sponende bearbeiding. De forgassbare modellene gjør at vi står mye friere i utformingen av den delen som skal støpes. Grunnen er at vi ikke behøver å tenke på oppdeling av modellen for forming i flere kasser. Til nå har vi brukt metoden vesentlig til enkeltframstilling. Vi har for ek­ sempel laget store lagerhus, fundamenter for presser og konstruksjonsdeler for presse­ verktøy i karosseriindustrien. Figur 1.11 viser støping med kompaktmodell (A-D) og skumplastmodell (E-H). Generative metoder Med de metodene vi hittil har brukt, har framstillingen av modeller og prototyper til dels vært svært tidkrevende, særlig ved kompliserte konstruksjoner. Men nå har vi tatt i bruk generative metoder i produktutviklingen. Disse nye metodene er basert på volummodeller som er generert i et 3D-CAD-program (tredimensjonal dataassistert konstruk­ sjon). Metodene blir også kalt direkte tilvirkning an modeller.

MODELLER OG MODELLMATERIALER

Figur 1.10 Støpeformer for forskjellige formemetoder. Øverst til venstre delt sandform, til høyre delt maskeform. Nederst til venstre udelt utsmelteform, til høyre kompaktform med formpressbar modell.

A)

E)

F)

Figur 1.11 Støping etter hulformog kompaktformmetoden.

H)

A B C D E F G H

Underkasse innformet. Overkasse med Løp innformet. Støping. Avstøp med grader. Forgassbar skumplastmodell. Modell innformet i udelt kasse. Støping uten kjerne. Avstøp uten grader.

Det er flere typer generative tilvirkningsmetoder for modeller og prototyper. Felles for dem er at de går ut fra et 3D-CAD-konsept. De mest kjente er - stereolitografi (STL eller SL) - solidmetoden («solid ground curing»)

STØPERITEKNIKK

17

- selektiv lasersintring (SLS) — «laminated object modeling» (LOM)

Det er flere internasjonale forkortelser for disse metodene: RP («rapid prototyping»), RT («rapid tooling») og RM («rapid manufacturing»).

Stereolitografi Dette er den mest kjente metoden. Gjennom CAD genererer vi en fullstendig geome­ trisk beskrivelse av delen gjennom en tredimensjonal flate- eller volummodellering. 3Dmodellen skjærer vi i tynne sjikt. De todimensjonale geometridataene av tverrsnittene blir tilført styresystemet i stereolitigrafienheten (SLA, «stereolithography apparatus»), som bygger opp modellen sjikt for sjikt over hverandre. Laserstrålen sveiper over overflaten til en flytende fotopolymer i et kar og overfører vektormønsteret for hvert sjikt. Laserlyset polymeriserer plastmonomeren i det snittet laserstrålen dekker, og omformer den flytende massen til en fast til­ stand. Omslaget skjer i løpet av mikrosekunder. Tykkelsen på sjiktene kan programme­ res og ligger i området 0,05-0,8 mm, som oftest 0,1-0,2 mm. Når det første sjiktet er dannet og herdet, senkes plattformen som karet står på, automatisk tilsvarende en sjikttykkelse. Så blir det neste sjiktet polymerisert og herdet, osv. Modellen blir på denne må­ ten bygd opp sjiktvis. Straks alle geometridata er utført, blir delen tatt ut av badet, og de partiene som ikke er herdet, fjerner vi med et løsemiddel eller med ultralyd. Det samme gjelder støttepartier. Vi bruker i dag mange typer polymerer. Blant dem er polymetylmetakrylat (PMMA), polyvinylklorid (PVC), polykarbonat (PC) og voks. De er i herdet tilstand alt fra sprø til elastiske, og med strekkfasthet på 40-80 Mpa. Vi kan bearbeide de ferdige mo­ dellene (utformene) med skjærende verktøy, vi kan lakkere dem, osv. Ved hjelp av en kombinasjon av fysiske (PVD), kjemiske eller elektrokjemiske (galvanoteknikk) påføringsprosesser kan de også metalliseres. Etter at vi har renset utformene, kan vi påføre overflaten et tynt, fastsittende PVD-metallsjikt, som vi deretter kan forsterke galvanisk med ulike sjiktsystemer. Vi regner med at det om ikke mange år vil være mulig å framstille modeller både i keramiske og metalliske materialer ved hjelp av de generative tilvirkningsmetodene. Fordelen ved SLS-metoden er at den kan bearbeide ulike materialer. Av plastbelagt keramikkpulver kan vi gjennom SLS og sintring tilvirke keramiske produkter. Det er under utvikling en prosess der metallpulver blir sintret til metalliske produkter ved hjelp av laser- eller elektronstråling med svært høy effekt (flere kilowatt). Det pågår SLS-forsøk med metallpulver av aluminium, kobber, kobolt og messing. Vi går i dag ut fra metallpulverkorn som er belagt med et plastmateriale. Kornene har en diameter på mindre enn 0,050 mm. Første steg i prosessen er å lime sammen, «lasersintre», plasthinnene. Det skjer ved lav temperatur (ca. 50 °C). Modellen blir bare holdt sammen av polymersjiktet. Delen blir deretter plassert i en ovn, der temperaturen økes slik at polymerhinnen

MODELLER OG MODELLMATERIALER

Plattform

X-Y-styrt UV laserstråle

\

/ \

/

\ /

Monomcroverflate

Flytende monomer som herder (fastner) ved UV-lys

.V

Herdet modellsjikt

Figur 1.12 Prinsippskisse over sjiktvis polymerisering, herding og oppbygging av modeller ved hjelp av STL-metoden (tredimensjonale systemer).

fordamper. Ved tilstrekkelig høy temperatur, avhengig av metallpulveret, får vi en me­ tallisk binding som gir delen stor styrke. Den kan bli enda sterkere dersom vi infiltrerer et annet metall, for eksempel kobber, i den porøse detaljen. Formverktøy som på denne måten er framstilt av plastbelagt stålpulver, RapidTool, får en strekkfasthet på 475 Mpa og en flytegrense på 255 Mpa. Ved bruk av stereolitografi er det eksempler på at tilvirkningstiden er satt ned fra uker til dager - og til og med til timer. Metoden er ofte kalt Rapid Prototyping (RP).

Formsand og kjernesand Typer av formsand Til formmaterialer bruker vi sand av forskjellige typer. Hovedmineralet i vanlig sand er kvarts, med mindre forurensninger av feltspat, glimmer, jernoksid, kalk osv. Dessuten bruker vi olivin, krom- og zirkonsand i støperiene. Kvarts (SiO2) har smeltepunkt 1713 °C. Ved oppvarming fra romtemperatur gjen­ nomløper kvartsen flere omdanninger med volumforandringer. Det kan gi visse vansker, og det kan føre til brudd i formveggen og dermed støpefeil. Ved oppberedning av kvartssand er det dessuten en viss silikosefare. Olivin er magnesiumsilikat (Mg2Si04) med varierende mengde av jernsilikat (Fe2SC>4) i løsning. Den er dyrere enn kvartssand.

STØPERITEKNIKK

Zirkon. Zirkonsanden (ZrSiO^ er enda dyrere enn olivin. Den blir bare brukt i liten utstrekning hos oss. Krom. Kromsand (C^O^) gir dimensjonsnøyaktige avstøp fordi den utvider seg svært lite i lengderetningen ved varmepåvirkning. Kromsand må ikke blandes med kvartssand Natursand, eller naturlig sand, er sand som finnes i sandtak. Leirinnholdet varierer. Syntetisk sand er en blanding av sand, bindemiddel, vann osv. i et ønsket forhold. Syntetisk sand er kanskje ikke et helt korrekt uttrykk. Bestanddelene er ikke syntetiske, men blandingen finnes ikke i naturen. For at sandkornene skal henge sammen, må vi tilsette et bindemiddel, og for at form- og kjernesanden skal ha en viss styrke, må vi kom­ primere den. Bindemiddelet er vanligvis leire, enten naturleire eller bentonitt. Bentonitt er ikke vanlig leire, men er dannet ved geologiske prosesser og består av mikroskopiske fine korn med stor evne til å danne kolloider. Den har derfor langt større bindeevne enn vanlig leire. Det finnes en rekke andre bindemidler. Hvis bindemiddelet for eksempel er sement, kaller vi sanden sementsand. Hvis bindemiddelet er karbamid eller fenolformaldehyd, er det kunstharpikssand, og hvis bindemiddelet er furan, kaller vi den furansand. Foruten bindemidler inneholder sanden en rekke tilsetninger som gir den bestemte egenskaper. En formsand må

— — — — —

være lett å forme ha god trykk-, skjære- og bøyefasthet ved høy temperatur være dimensjonsstabil være ildfast være passe porøs (ha god permeabilitet)

Mange støperifeil og problemer i forbindelse med støpingen oppstår som følge av dårlige eller uriktige formmaterialer. For å unngå at det danner seg gasslommer (hulrom) i godset, må gassene slippe ut gjennom formsanden. Luftigheten eller permeabiliteten er et uttrykk for den evnen san­ den har til å slippe gjennom gass, altså et uttrykk for porøsiteten. Den avhenger blant annet av sandkornenes innbyrdes størrelse, kornene skal helst være så jevnstore som mu­ lig, av om sanden er løst eller tett pakket, og av forholdet mellom sandbindemiddel og tilsatt vannmengde. Kornstørrelsen har svært mye å si for egenskapene til formen og der­ med også for støpegodset. For å gradere sanden bruker vi ofte finhetsgradnumrene til AFS (American Foundrymen's Society). Vi tilbereder sanden i mekaniserte eller halvautomatiserte sandberedningsanlegg. Flytende sand er sand som for eksempel er tilsatt vannglass, en skumdanner og vann. Denne sanden fyller formen lett, og kompresjonsarbeidet er minimalt. Massen er selvherdende. Når skummingen setter inn, utvider massen seg. Den blir stabil og far god luftighet og god dimensjonsnøyaktighet.

20

FORMSAND OG K3ERNESAND

Kjernesand^r bindemidler basert på olje, melasse og harpiks (plast). Oljen okside­ rer, og plastbindemidlene polymeriserer. Det gjør at kjernen fastner. Hvis vi tilfører CO2, fastner kjernen ved en kjemisk reaksjon i løpet av sekunder. Vi masseframstiller kjernene i kjernskytemaskiner. Etter at modellen er innformet i sanden, legger vi kjernen ned. Det volumet som lig­ ger mellom kjernen og formveggen, fylles med metall, og støpestykket far den veggtykkelsen vi ønsker. Brukt sand inneholder urenheter. Derfor må vi rense den før vi kan bruke den på ny. Regenerert sand er økonomisk sett en fordel for støperiene. Fysisk binding av sand Leirbundet sand representerte første generasjon, kjemisk bundet sand andre generasjon og fysisk bundet sand tredje generasjon av sandbindemidler. Fysisk binding av sand kan skje ved hjelp av magnetformmetoden eller vakuumformmetoden. Metodene har ennå ingen stor utbredelse, og vi skal derfor bare nevne dem kort.

Magnetformmetoden Metoden er vist på figur 1.13. Vi bruker magnetiserbart formingsmateriale, et jerngranulat og en forgassbar modell av skumplast. Vi senker modellen ned i formkassen (udelt) og heller over granulater. Vi setter på magnetfeltet og holder det til støpingen er ferdig og godset er passe avkjølt. Vi fjerner magnetfeltet, godset går til avkjøling og ren­ sing, og granulater går tilbake til granulatbeholderen.

Figur 1.13 Magnetformmetoden. a SkumplastmodelL b Vi setter modellen i formkassen c Vi fyller i granulat d Smelteaggregat e Mag­ netfelt f Avkjøling g Tømming h Kjøling av granulatretur i granulatbeholder k Godstransport

STØPERITEKNIKK

Varmespiral

TJGWUUUTOWrør $ 6 L

Figur 1.14 Vakuumformmetoden. a b c d e f

g h

i

22

Modellplaten festes til vakuumkassen. En rekke tynne boringer forbinder de to. Plastfolien blir oppvarmet i løpet av noen sekunder. Den blir plastisk og trekkes ned over modellen. Et lett undertrykk på bare 0,5 bar er nok til at plastfolien legger seg tett inntil modellen. En formkasse settes over. Formkassen fylles med tørr sand. Sanden pakkes ved lett vibrering. Tilforming av nedløp. Formkassen strykes av og det legges på en plastfolie. Sandmassen pakkes enda mer ved hjelp av et undertrykk på 0,5 bar. Undertrykket i vakuumkassen fjernes og formkassen heves fra modellplaten. Underkasse og overkasse settes sammen og fylles umiddelbart. Undertrykket holdes inntil smeiten er størknet. Når godset er passe avkjølt, fjernes undertrykket i kassene. Sanden faller da ut og går gjennom et kjøle- og renseanlegg (støvavsug) tilbake til sandsiloen.

FORMSAND OG K3ERNESAND

Vakuumformmetoden Med denne metoden (figur 1.14) lager vi former av tørr sand uten bindemiddel. Sandfastningen skjer ved hjelp av en folie og vakuum. Vakuumformmetoden gir et rent og dimensjonsnøyaktig støpegods med minimalt pussearbeid. Den gir lite røyk ved stø­ ping, minimal sandregenerering, god formsandøkonomi og bra arbeidsmiljø (den er blant annet støysvak og gir lite støv).

Støpemetoder Valg av støpemetode Støperiindustrien kan i dag tilby ulike støpemetoder og en lang rekke støpematerialer med gode egenskaper. Formgiveren kan velge en sammensatt konstruksjon. For eksem­ pel kan vi støpe kompliserte detaljer i en stålkonstruksjon og deretter sveise dem sammen med geometrisk enklere deler som kan være framstilt av for eksempel platematerialer. Til formgiving av produkter ved støping kan vi bruke en rekke støpemetoder:

-

sandstøping kokillestøping, blant annet stangstøping (strengstøping) trykkstøping (sprøytestøping, presstøping) sentrifugalstøping dimensjonsnøyaktig støping (voksutsmeltingsmetoden, skallstøpemetoden)

Hovedtyngden av støpegods er basert på de tre første metodene. For å kunne velge riktig metode må vi sammenholde fordelene og ulempene med de forskjellige metodene med egenskapene til støpelegeringene. Vi må særlig ta hensyn til de spesielle kravene vi stiller til de forskjellige støpestykkene. For ikkejernmetaller kan vi bruke alle de nevnte støpemetodene, men for stål og støpejern bruker vi hovedsakelig sandstøping. Blant de fak­ torene som har innflytelse på valget av støpemetode, er antallet, størrelsen, formen, korrosjonsmotstanden og toleransen. Sandstøping Sandstøping er støping av en metallsmelte i en ildfast form av sand. Formsanden består vanligvis av kvartssand, bindemiddel og vann. Sandstøping egner seg både for store og små støpestykket, og også for kompliserte støpestykket. Produktutvikleren står svært fritt med hensyn til utforming når delene skal sandstøpes. Deler støpt i sand, og eventu­ elt varmebehandlet, blir mer duktile enn de som er støpt i for eksempel kokille eller ved trykkstøping. Ulempene er at vi må ødelegge sandformen for hver gang, overflaten blir vanligvis ikke så glatt som ved de andre metodene, og arbeidsmonnet må være større. Formingen i sand kan utføres som håndforming eller maskinforming.

STØPERITEKNIKK

23

■||||

Håndforming

Innformingen av modeller skjer i formkasser, enten for hånd eller med maskiner. Formkassene kan være todelte, tredelte eller sammensatt av enda flere seksjoner, alt etter hvor mange ganger vi må dele modellen for å få den ut av formen. Arbeidsgangen ved innforming av en enkel gjenstand, for eksempel en pakningsboks, er vist på figur 1.15. Gjenstand

Modell Kjerneutviser

Figur 1.15 Innforming av pakningsboks.

STØPEMETODER

Løpteknikk (mateteknikk)

Ved framstilling av en støpeform må vi plassere modellen riktig slik at det ikke blir lunkerdannelser. Vi må også plassere løpene riktig slik at vi hindrer at slagg kommer inn i formen eller at det danner seg blærer i avstøpet. Vi må i hvert enkelt tilfelle beregne både plasseringen, størrelsen og profilet av løpene i reservoaret (materen) og av eventuelle kjøleelementer. Den minste feil på løputformingen kan føre til høy vrakprosent. Et forenklet løpssystem er vist på figur 1.17. Her fyller vi formen i deleplanet mellom kassene. Stiger, mater (dødhode)

Teoretisk er vi sikret et feilfritt støpegods dersom veggtykkelsen er konstant og godset begynner å størkne lengst unna innløpet og gradvis mot innløpet. Da får vi en etterfylling av det metallet som «forbrukes» når støpegodset trekker seg sammen under størkningsperioden. Men dette idealtilfellet er sjeldent. Støpestykkene har som regel ulike

Figur 1.16 Veivskinke, gal [t v] og riktig (t.h.) innforming. A, B og C er ettermatere (dødehoder).

Figur 1.17 Form med fylleløp og stigeløp.

Figur 1.18 Matere [dødhoder] som smeiten må passere før den kommer inn i formen.

STØPERITEKNIKK

godstykkelser, og innløpene er ikke alltid plassert på de riktige stedene. Derfor må vi bruke en eller flere stigere eller matere på kritiske steder. Slaggløp

For at slagg og gasser ikke skal følge med inn i formen, bruker vi ofte forskjellige former for slaggløp eller skumløp. Innforming i flere kasser Ofte er støpestykkene slik at innforming i to kasser ikke er mulig. Da må vi dele opp modellen, og formingen må skje etappevis i flere kasser.

Stabelforming Når vi skal støpe små produkter i store serier, bruker vi også en formemetode som vi kal­ ler stabelstøping. Prinsippet ligger i navnet, nemlig at vi former delene inn i kasser som vi setter oppå hverandre. Et felles nedløp går gjennom alle kassene, og fra dette går det innløp til de enkelte kassene. Maskinforming

Maskinforming bruker vi til store serier. Både sandkompresjonen og separasjonen av modellen fra formen er lettere, mer nøyaktig og billigere med formemaskiner. Vi bruker både metall-, tre- og plastmodeller. Modellene er festet til modellplater, som vi ofte skrur fast til maskinbordet. Formemaskinene deler vi inn på to måter:

— Etter måten sandkompresjonen skjer på, det vil si med pressformemaskiner, risteformemaskiner, ristepresseformemaskiner eller sandslyngemaskiner. I tillegg kommer en rekke spesialmetoder som trykkluftkompresjon og vakuumkompresjon. - Etter separasjonsmåten. Vi skiller mellom løftemetoden (stiftheveformemaskin), senkemetoden og trekkmalmetoden (gjennomtrekksmetoden). Automatisering av sandstøpingen Krav til økt produktivitet i støperiene for å bedre konkurranseevnen og mangel på ar­ beidskraft er to av grunnene til at stadig flere støperiet går over fra mekaniserte til auto­ matiserte formeanlegg. Kjernen i anlegget består av en riste-presse-vendeformemaskin for framstilling av underkassene og en riste-presse-løfteformemaskin for framstilling av overkassene. I tillegg til de to formemaskinene består et komplett anlegg av kassetransportbaner, en tømmemaskin, kasseseparasjonsmaskin, en sanddoseringsinnretning for hver formemaskin, to svingeinnretninger ved vendeformemaskinene og et kassesammensetningsutstyr. De sammensatte kassene er sikret med føringsbolter og ligger på en underlagsplate. An­ legget har et kjernemakeri med en kjerneileggingsstasjon foran kassesammensetningsstasjonen, og et smelteanlegg med en støpestasjon der de ferdige formene fylles.

STØPEMETODER

Figur 1.19 Automatisert formeanlegg.

Figur 1.20 Disamatic-metoden.

Disamatic. Kasseløs forming Disamatic-metoden er dansk (Dansk Industri Syndikat A/S). Med denne metoden bru­ ker en kasseløs kontinuerlig forming. Den skal gi maksimal produksjon på minimalt are­ al. Anlegget er vist skjematisk på figurene 1.20 og 1.21. Sandkompresjon ved høytrykkspresser (Impact Molding)

Formpresstrykket i vanlige riste-presse-formemaskiner ligger fra ca. 2,5 bar og opp til 7 bar. Trykket i høytrykkspresser ligger vesentlig høyere, opp til 25 bar. Fordelene med høytrykksforming er at — det blir større nøyaktighet i dimensjon - arbeidsmonnet kan settes ned, og det gir mindre vekt

STØPERITEKNIKK

27

f

Figur 1.21 Disamatic-prosessgang. a b c d e f

Formsanden skytes ned i formkammeret Sanden komprimeres ModellpLate 1 trekkes ut og svinges opp Formen skytes ut og mot den foregående formhalvdelen og videre bortover kjølestrekningen ModellpLate 2 trekkes ut av formen og går tilbake til utgangsposisjonen ModellpLate 1 svinges tilbake til vertikal stilling og går i utgangsposisjon. Formkammeret er lukket

-

det blir større avkjølingseffekt, som gir mer finkornet gods det blir større styrke på grunn av finkornet gods på grunn av større styrke kan vi redusere godstykkelsen for å spare vekt det blir tettere gods det blir mindre matevolum (stigere)

STØPEMETODER

Figur 1.22 Prinsippskisse for høytrykksforming.

a b

c d e

f

Syklusstart. Modellbrett med formkasse Løftes opp. SandifyLLing. Sandbunkeren er lukket. Gass slippes inn i forbrenningskammeret. Gassen antennes. Trykkstigningen som følger av forbrenningen presser sanden sammen. Modellplaten senkes og trekkes ut av formkassen og forbrenningsgassene luftes ut. Syklusen er ferdig.

Etterbehandling av støpegods

Etter at godset er støpt, separerer vi kassene og rister sanden av. Den går til regenerering. Støpestykkene, som ennå har noe fasthengende sand, får fjernet løpene og er klare for etterbehandling. Den kan gå ut på — — — —

rengjøring (pussing) kontroll av støpegodset med tanke på dimensjon, sprekker eller andre defekter varmebehandling impregnering

Det finnes også ristemaskiner (vibratorer) som fjerner løpssystemet.

STØPERITEKNIKK

29

Rengjøring Rensing av sand og fjerning av grader kan skje på flere måter: — Mekanisk rensing — meisling, ved hjelp av trykkluft eller for hånd — sliping ved hjelp av stasjonære eller transportable slipemaskiner — ved vibrering eller tromling

— Strålerensing — tørr eller våt (trykkvann med strålemiddel) — Termisk rensing

— ved hjelp av acetylen-oksygenflamme (pulverpussing) Mekanisk rensingveå meisling og sliping er et tungt og lite miljøvennlig arbeid. Den ma­ nuelle rensingen blir derfor ofte utført av roboter. Deler som kommer fra støperiet, kan ha forskjellig geometri og størrelse, og mengden av grader og andre utvekster som skal slipes bort, kan variere. Robotisert pussing og sliping krever derfor avansert utstyr, blant annet til robotens styresystem. Slipeskiven må ha et fjærende oppheng montert på robotarmen, og avanserte sensorer (følere) må gi styresystemet informasjon. Roboten kan være programmert for konturene til den ferdigslipte delen. Sensorene registrerer den vir­ kelige konturen. Differansen må slipes bort. Strålerensing kaller vi ofte sandblåsing, men siden vi ikke alltid bruker sand, er den korrekte betegnelsen strålerensing. Etter arbeidsmåten skiller vi i prinsippet mellom trykkstråling og slyngestråling. Ved trykkstråling slynger vi strålemiddelet mot støpegodset ved hjelp av trykkluft (pressluftstråleanlegg), damp eller vann (trykkvannstråleanlegg). Ved slyngestråling akselererer og slynger vi strålemiddelet som en stråle mot pro­ duktene ved hjelp av et «slyngehjul». Strålemidler finnes i en rekke varianter. Størst betydning for rensing av støpegods har mineralske strålemidler som sand, metalliske granulater av hvitt støpejernsskrap, stålstøpt jernskrap og ståltrådkorn («wirecut»). Vann blir brukt som strålemiddel i store våtrenseanlegg, hydroblastanlegg, særlig til rensing av store støpestykker som er vanskeli­ ge å rense mekanisk. Trykkluftstråleanleggene er etter hvert blitt erstattet med slyngerensemaskiner som ar­ beider med slyngehjul, og som i de fleste tilfellene arbeider langt billigere og mer effek­ tivt. Det finnes i dag en rekke varianter som er tilpasset kravene i serieproduksjonen. De kan være bygd for automatisk manøvrering og ha utstyr for transport av emner og detal­ jer, for eksempel rullebaner og hengebanetransportører. Videre er maskinene utstyrt med effektive støvutskillere.

STØPEMETODER

De to mest kjente typene av slyngehjulsmaskiner er trommelmaskiner, som har horison­ tal, vertikal eller skråstilt akse, og dreiebordmaskinermcå roterende arbeidsbord. Se figur 1.23. Termisk rensing ved pulverpussing blir en del brukt, særlig i stålstøperiene. Metoden går ut på å tilsette et spesielt pulver til en acetylenoksygenflamme. Det gir en intensivert forbren­ ning som gjør at vi enkelt og hurtig kan fjerne støpegrader, sandinnleiringer og kjernestabler som stikker ut, merker etter avskårne løp osv. Fjerning kan også skje elektrokjemisk.

Figur 1.23 Strålerensing av gods på dreiebord.

Kontroll av støpegods Kontroll av støpegodset er svært viktig. Gjennom den får vi rede på hvilke feil som kan opptre, og ved statistiske metoder kan vi gripe inn på de områdene der feilene hoper seg opp. Vi kan utføre mål- og formkontroll med vanlig verktøy, men ved større serietilvirkning kan det lønne seg å anskaffe spesialverktøy og kontrollfiksturer. Overflatekontrollen skjer som regel med det blotte øye. For å kunne fastslå at det er sprekker i overflaten, kan vi bruke flere metoder, blant andre penetreringsmetoden, magnetpulvermetoden og ultralyd. Urenheter kan vi prøve med forskjellige trykkprøvingsmetoder.

Varmebehandling av støpegods Varmebehandling av støpejern og stålstøpegods utfører vi enten som avspenningsgløding eller normaliserende gløding. Vi bruker avspenningsgløding for å fa bort de indre spen­ ningene i godset som følge av at avkjølingshastigheten kan ha vært forskjellig i ulike par­ tier i støpegodset. Normaliserende gløding bruker vi for å homogenisere sekundærstruk­ turen og kornstørrelsen og med det gi bedre mekaniske egenskaper. Vi varmebehandler seigjern og adusert støpejern også for å forandre strukturen og få fram bestemte kvaliteter. Vær oppmerksom på at ferrittisering av sekundærstrukturen ved varmebehandling gjør at volumet øker. Impregnering av støpegods Impregnering av støpegods tetter porer som kan ha oppstått under størkningen, og den øker korrosjonsmotstanden. Det er et problem for støperiene at godset kan bli porøst. Det kan komme av større porer (lunker), men ofte er årsaken mikroporer. Særlig er det vanskelig å fa lettmetallgods helt tett. Det er svært viktig at godset er helt tett når det skal brukes i pneumatikk, oljepumper osv. I store støpestykker kan utett gods føre til at støpestykket må vrakes, og store verdier går tapt. Utbedring ved sveising eller lignende må ikke finne sted uten tillatelse

STØPERITEKNIKK

31

fra oppdragsgiveren. Det bør være klart hvor stor porøsitet som eventuelt kan tillates, og hvordan den virker på fasthetsegenskapene til støpestykkene. Enhver metallegering kan impregneres, men impregneringsmidlet må tilpasses materialet.

Støping i former av silikonkautsjuk I de neste avsnittene skal vi beskrive støping i varige (metalliske) former. Slike former er dyre og krever derfor store serier. For små se­ rier er ikke bruk av metalliske former økono­ misk mulig. Men det finnes et alternativ til støping i metallformer, nemlig en lite kjent prosess som blir kalt gummi-plast-støping, RPM («rubber plaster molding»). Ved hjelp av denne metoden kan vi til en rimelig pris produsere små kvanta, for eksempel prototy­ per, av deler som har god styrke, tett gods og glatt overflate, og som ser ut som om de er støpt i metallisk form. Gangen i prosessen er vist på figur 1.24. Metoden egner seg best for små, tynnveggede detaljer. Dimensjonsnøyaktigheten er ikke så god som ved kokillestøping eller trykkstøping.

Modellkomponenter (maskineri i aluminium)

Masterform komponenter (aluminium og epoxy)

Gummiform komponenter

Gipsform komponenter

KokiLLestøping Kokillestøping er metallstøping i varige for­ mer, vanligvis av metall, der formfyllingen Ferdig støpt utelukkende skjer ved hjelp av metallets egen metalldel tyngde og ikke ved hjelp av trykk. Trykkstø­ ping og sentrifugalstøping kan i videste for­ Figur 1.24 RPM-støping, prinsippskisse. stand kalles kokillestøping, men vi skal ta for oss dem i egne avsnitt. Gjenstander som skal kokillestøpes, bør ha en så enkel form som mulig. Hvis de har underskjæringer, må vi dele formen i symmetriplanet. Hvis vi må bruke kjerner, må det være lett å trekke dem ut. Vi kan også bruke sandkjerner. Små kokiller er forholdsvis enkle å betjene manuelt. Når kokillene er store, og når det dreier seg om moderne masseproduksjon, bruker vi hydrauliske kokillemaskiner, der alle bevegelsene er svært raske og nøyaktige. Da oppnår vi ikke bare økt produksjon, men også jevnere kvalitet. Ofte kan sekunder være avgjørende under avkjølingsfasen. Sammenlignet med sandstøping har kokillestøping disse tekniske og økonomiske fordelene:

32

STØPEMETODER

unødvendig med sandberedning og sandomløpsutstyr, likeså lagerplass for sand god formkvalitet og nøyaktige dimensjoner rask størkning og bedre fasthetsegenskaper, og dermed større styrke (10-15 %) glattere overflate større produksjonskapasitet med et begrenset mannskap og begrenset plass mindre pussearbeid mindre bearbeidingstillegg, som sponende etterarbeid gjenbruk av formene i større serier, som gjør at vi sparer arbeid med å lage former til hvert avstøp - miljøforbedring med mindre støv, mindre støy fra renseanlegg og bedre muligheter til å kontrollere avgassutslipp fra prosessen

-

Vi kan bruke kokillestøpt gods på mange områder, for eksempel til armatur og hydraulikkutstyr, lagerhus, deler til kompressorer, pumper eller turbiner, bremsetromler, sylinderforinger, tannhjul, kjedehjul osv. Kokillestøping bruker vi for det meste til mindre gods (1—10 kg) som vi skal produ­ sere i stort antall. Til nå har vi brukt kokillestøping til støping av ikkejernmetaller, men metoden ser også ut til å få betydning for masseproduksjon av mindre støpejerngods. Kokillestøpemetoden lar seg lett mekanisere og automatisere. Industriroboten tar seg av rengjøringen av kokillen, legger inn og tar ut kjerner, styrer ifyllingen og tar ut ferdigstøpt gods. Videre kan roboter ta seg av avgradingen, stabling av gods, transport for eventuell viderebehandling osv.

Stangstøping (strengstøping) Stangstøping er en form for kokillestøping. Vi støper i vannkjølte, «bunnløse» kokiller. I noen anlegg ligger utløpet av kokillen i horisontalplanet. Det finnes i dag anlegg for støping av rund-, firkant- eller spesialprofiler, ikke bare i stål og ikkejernmetaller, men også i støpejern. Hvis vi bruker kokille med dobbelt vegg, kan vi støpe rør med forskjel­ lig profil. Metoden har mange fordeler, særlig når det er snakk om lange arbeidsstykker, for eksempel i verktøymaskinindustrien: målelister, tannstenger, glidebaner osv. Det er mange fordeler med stangstøpemetoden:

- Digelen kan regnes som en varmeholdeovn, og den virker som en overdimensjonert mater. Den sørger for ettermating når stangen størkner, og vi får ingen lunkerdannelse og blæredannelse. Godset blir tett. - Trekkarrangementet gir utmerket retningsstabilitet på stangproduktet. - Godset er lett å bearbeide. Vi får ingen sandinneslutning i godsoverflaten. - Pusseomkostningene (renseomkostningene) er små.

STØPERITEKNIKK

Trykkstøping

Definisjon

Av alle produksjonsmetodene for metalldetaljer er trykkstøping den raskeste veien fra rå­ stoff, over smeltet metall og til ferdig produkt. Derfor er den også blitt en av de viktigste tilvirkningsprosessene for deler av ikkejernmetaller. Vi fører metallet, i flytende eller deigaktig tilstand, under høyt trykk inn i varige for­ mer av varmebestandig og slitesterkt stål. Det høye støpetrykket og den høye hastigheten metallet har når det strømmer inn i formen, gjør det mulig å framstille svært tynnveggede produkter med stor målnøyaktighet i rask rekkefølge. Støpingen skjer for det meste i halv- eller helautomatiske trykkstøpemaskiner. Full utnyttelse av denne svært økonomiske støpemetoden og framstilling av kvalitetstrykkstøpte deler forutsetter at vi kjenner de viktigste konstruksjonsreglene for trykkstø­ ping. Dem skal vi se nærmere på i et senere avsnitt. En økonomisk utnyttelse av metoden forutsetter også store serier. Det er derfor naturlig at vi bruker metoden særlig til å pro­ dusere deler til bilindustrien, leketøysindustrien, elektroindustrien o.l. Trykkstøpemetoder

Trykkstøpingen deler vi i sprøytestøping, som er en varmkammermetode, og presstøping, som er en kaldkammermetode.

Varmkammermetoden Med varmkammermaskiner smelter vi metallet i en digel i selve maskinen og sprøyter det inn i formene ved et trykk på 50—70 bar. Figur 1.25 viser prinsippet etter stempelstøpemetoden. Vi kan også føre metallet inn i formen med trykkluft. 1 varmekammermaskiner framstiller vi deler av lavtsmeltende legeringer, som tinn-, bly-, sink- og magnesiumlegeringer. Denne maskintypen egner seg svært godt til fullautomatisering. Formfyllingstiden kan være svært kort, for tynnvegget gods helt ned til 0,02 s, og produksjonshastigheten blir derfor svært høy. For små detaljer kan den komme opp i 1000 stykker per time. Magnesium kan støpes både i varmkammermaskiner og kaldkammermaskiner. Varmkammermetoden har disse fordelene:

— rask støpetakt fordi vi ikke trenger metalldosering fra ekstern varmholdeovn, og fordi vi ikke må fjerne pressrester — ikke noe returmateriale (støperest) — lite forurensninger i støpematerialet (ingen oksidhud eller stempelsmøremiddel) — enklere automatisering — lavt innsprøytingstrykk, som gir lavt formlukketrykk — kort vei for metallet fra smeltedigelen til støpeformen; temperaturtapet er mindre enn for kaldkammermetoden, og det betyr spart energi — lang levetid for formene fordi støpetrykket er lavt

STØPEMETODER

Figur 1.25 Skjematisk framstilling av varmkammermaskin (stempelstøpemetoden).

Kaldkammermetoden I kaldkammermaskiner smelter vi metallet i en digel utenfor maskinen. For hvert «skudd» tilfører vi metallet for hånd ved hjelp av en øse, med mekanisk utstyr eller med gasstrykk. Etter at det flytende metallet er plassert i trykkammeret i maskinen, begynner det å størkne, og i deigaktig tilstand presser vi det så inn i formene med høyt trykk, van­ ligvis 200-1 500 bar (en har også prøvd mellom 2 000 og 5 000 bar). Vi skiller mellom maskiner med horisontalt trykkammer og maskiner med vertikalt trykkammer. Meto­ den er vist skjematisk på figur 1.26, og vi bruker den først og fremst for aluminium- og kobberlegeringer, men også for magnesiumlegeringer. Maskinene er kraftig bygd og er utelukkende hydraulisk drevet. Arbeidstakten er lavere for kaldkammermaskiner enn for varmkammermaskiner. Med middels store maskiner kan vi lage ca. 20 støpestykket per time.

Vakuum ved trykkstøping Når vi skal framstille vanskelige støpestykket med trykkstøping, kan vakuum i støpefor­ men være en hjelp til å oppnå bedre kvalitet. Når vi bruker vakuum, prøver vi å oppnå at delene blir

1. Ifylling av metall i trykkammer.

2. Formfylling ved pressing.

3. SHpedel med lép fjernes ved utstøter pinnen.

Figur 1.26 Arbeidsprinsippet for kaldkammermaskin med horisontalt trykkammer.

STØPERITEKNIKK

35

- uten mikroporøsitet - uten inneslutninger - levert med særlig ren overflate

Det er klart at et anlegg som må skaffe vakuum i støpeformen på brøkdelen av et sekund, må bli kostbart. Derfor bruker vi denne metoden bare når det stilles spesielle krav til pro­ duktet. Dosering I presstøpemaskiner, kaldkammermaskiner, tilfører vi smeiten fra en metallbeholder (varmholdeovn) utenfor maskinen. Før ble dette utelukkende gjort manuelt, men i dag blir smeiten vanligvis tilført automatisk. Det kan skje ved at en industrirobot (håndteringsautomat) fyller øsen fra varmholdeovnen, svinger den inn og tømmer den i trykkkammeret i maskinen. Etter at delen er støpt, tar roboten delen ut av maskinen. Over­ føringen kan også skje ved hjelp av et pneumatisk system. Et gasstrykk på metallsmelten driver den gjennom et fyllerør direkte til resipienten (trykkammeret) i maskinen. Nå har vi også tatt i bruk et magnetdynamisk doseringssystem. T rykkstøpelege ringer

Sinklegeringer Sinklegeringer utgjør en stor gruppe av metallegeringer for trykkstøping. Det er flere grunner til det, blant annet har de en utmerket støpbarhet som gjør det mulig å fram­ stille tynnveggede og kompliserte deler svært nøyaktig. Deler av sinklegeringer lager vi i varmekammermaskiner med et godt teknisk og økonomisk resultat. Dessuten er sinkle­ geringer lette å bearbeide. Varmeinnholdet og støpetemperaturen er relativt lave (ca. 400 °C), og det betyr at formene får lang levetid (fra 100 000 og opp til 1 000 000 avstøp). Legeringene egner seg også godt til overflatebehandling ved for eksempel fornikling og forkromming. Det gjør vi for å oppnå et dekorativt utseende og/eller god korrosjonsbeskyttelse. Hvis vi krever stor dimensjonsnøyaktighet, må vi være oppmerksomme på at sinkaluminiumlegeringene gjennomgår en strukturomdanning i fast tilstand. Det gir dimensjonsforandringer (krymping). Forandringer av dimensjonene (krympingen) av­ henger av avkjølingsbetingelsene. Kjøling i luft gir mindre krymping enn kjøling i vann. Deler av sinklegeringer kan bli utsatt for spenningskorrosjon og interkrystallinsk kor­ rosjon. Dersom vi vil unngå det, må sinken være så ren som mulig. Et blyinnhold på bare 0,005 % kan føre til interkrystallinsk korrosjon. Kobberlegeringer Til denne gruppen hører for eksempel messing og aluminiumbronse. Støpetemperatu­ ren er høy, verktøyet far derfor kort levetid, og støpeomkostningene blir høye. Legerin­ gene bruker vi mest til varmpressing av for eksempel rørdetaljer for VVS-bransjen.

36

STØPEMETODER

Aluminiumlegeringer Aluminiumlegeringene er mye brukt, blant annet fordi de er lette, har gode fasthetsegenskaper og god kjemisk resistens og er lette å bearbeide. Aluminiumlegeringene presstøper vi i kaldkammermaskiner. Legeringen AlMg9 har svært god korrosjonsbestandighet og gir også en svært fm overflate ved polering. Trykkstøpte detaljer i aluminium kan også anodiseres. Magnesiumlegeringer Magnesium er det letteste av alle de metalliske materialene og har en tetthet på ca. 1,8 kg/dnv. Derfor blir magnesiumlegeringene brukt til støping av detaljer der lav vekt er et primært ønske. Alle magnesiumlegeringene er lette å bearbeide med sponende verk­ tøy. Det gir høy verktøystandtid og kort bearbeidingstid. Hvis vi setter relativt effektbehov for maskinering av magnesiumlegeringer til 1,0, har aluminiumlegeringer faktoren 1,8, messing 2,3 og St.37 6,3. Magnesiumlegeringene har stor dempingsevne, blir ikke sprø ved lave temperaturer, kan sveises og er lette å overflatebehandle. Vi kan beskytte støpestykker av magnesium mot atmosfærisk korrosjon ved overflatebehandling, for ek­ sempel lakkering eller anodisering. Magnesiumlegeringer har svært lav E-modul (40—45 Gpa). Ved høye spenninger fø­ rer det til større elastiske deformasjoner. Vi kan motvirke dette med konstruktive tiltak som øker motstandsmomentet, for eksempel ribbeforsterkninger. Trykkstøpt magnesi­ um bruker vi i apparatindustrien og i finmekanisk industri, i elektroteknisk og optisk industri, til vifter, oljepumper, motorsager, motorplenklippere osv. Bilindustrien er en svært stor forbruker av magnesiumlegeringer.

Toleranser for trykkstøpegods Som en generell regel kan vi si at formnøyaktigheten er bedre jo lavere smeltetemperatur en legering har. Derfor gir bly- og tinnlegeringer avstøp med størst målnøyaktighet. Kobberlegeringer må vi gi et langt større toleranseområde. For mål mindre enn 6,0 mm kan vi garantere en toleranse på ±0,05 mm for sinklegeringer. En av fordelene med trykkstøping er at vi kan framstille svært kompliserte produkter. Det gir stor designfrihet. Men visse hensyn må vi ta. Vi må for eksempel unngå å bruke løse kjerner og heller ikke få underskjæringer. Eksempler på dette er vist på figur 1.27. Vi må også unngå plutselige overganger i veggtykkelse og materialansamling. Se figur 1.28. For å oppnå større stivhet er det bedre å bruke ribber enn å øke godstykkelsen. Veggtykkelsen bør ikke være under 1,0-1,5 mm og helst ikke over 4,0 mm (det er framstilt

Figur 1.27 Støpeform med delt kjerne. Med underskjæring (t.v.J. Uten underskjæring (t.h.).

STØPERITEKNIKK

37

Figur 1.28 Eksempel på omkonstruksjon for å få en rasjonell trykkstøping.

Ugunstig

Ugunstig

Gunstig

Figur 1.29 Vi må unngå godsansamling.

deler i sinklegeringer helt ned til 0,6 mm). Alle hulrom (boringer og innvendige flater) må få en konisitet på grunn av krympekreftene når metallet størkner, og for at vi skal fa ut kjernene. Konisiteten bør være på minst 1 : 100. Også for utvendige flater er en viss konisitet en fordel, for eksempel 1 : 200. Vi kan støpe delene med boringer. Minste diameter er 0,8 mm for Zn-legeringer, 22,5 mm for Al-legeringer og 3,5-4,0 mm for Cu-legeringer. Boringene bør om mulig være gjennomgående. Det er også mulig å støpe innvendige gjenger, men det fordyrer formene og nedsetter «skuddtakten». Det er derfor billigere å gjenge opp etterpå. Utven­ dige gjenger kan vi støpe dersom de ligger i symmetriplanet (delingsplanet). Men det blir gjerne en delingsgrad slik at vi må etterskjære, så derfor blir fordelene med dette ikke særlig store. Hvis vi for eksempel skal støpe inn lagre eller gjengehylser, bolter eller pinneskruer av høytsmeltende tunglegeringer, må de være formet slik at de sitter fast og er sikret både mot roterende bevegelser og aksialbevegelser.

STØPEMETODER

Fordeler ved trykkstøping Sammenlignet med for eksempel sandstøping, har trykkstøping disse fordelene:

— — — — — — — — —

— —

kort tilvirkningstid fra råmaterialer til ferdig produkt stor formnøyaktighet, snevre toleranser små bearbeidingstillegg og lite sponende etterarbeid stor dimensjonsnøyaktighet av utsparinger, boringer, påskrifter osv. framstilling av tynnvegget gods, som gir materialbesparelser framstilling av kompliserte produkter, som ellers bare kan framstilles ved sammen­ setning av flere enkeltdeler ren og glatt overflate; det er mulig å nå profildyp Rmaks ned til 2 |lm, og produktene far skarpe konturer mulig å støpe inn deler av andre metaller (foringer, bolter osv.) kort leveringstid når formene finnes, og dermed sparer forbrukeren (monteringsbedriften) lagerplass mindre materialforbruk, som gir lavere energi- og transportomkostninger lite vrak

I tabell 1.1 har vi sammenlignet sandstøping, kokillestøping og trykkstøping. Her ser vi at trykkstøping gir størst besparelser når det gjelder både arbeid, materialer, energi, plass og tid. Tabell 1.1 Sammenligning av ulike støpemetoder.

Sandstøping

Kokille­ støping

Trykkstøping

♦

**

***

♦ ♦♦

♦*

*

Målnøyaktighet

*♦/*

♦

Bearbeidingstid

**

♦

Størrelse

Veggtykkelse

Vrak

♦♦♦

♦♦

*

Energi- og transportomkostninger

**♦

♦*/**♦

♦

*

♦♦

♦ /♦*

*

Modell- og formkostnader

**

*

Støpeytelse (form finnes)

♦*

♦

Styrke og trykktetthet

♦**

Overflateutseende

♦**/**

* Svært gunstig

STØPERITEKNIKK

** Gunstig

*** Mindre gunstig

39

Mekanisering og automatisering i trykkstøperiene har ført til

— — — —

økt produktivitet bedre kvalitet bedre økonomi, og dermed sikrere arbeidsplasser bedre arbeidsforhold for operatørene

Mekanisert utstyr og roboter sparer støpeoperatøren for monotont og trettende arbeid, som til dels også kunne være farefullt og støyende. Operatøren var før dessuten avhengig av maskintakten. I dag har han eller hun fått en overvåkende funksjon. Automatisering av rensing, kjøling og smøring av formene var lenge et vanskelig problem, men er nå del­ vis løst ved hjelp av industriroboter. Lavtrykksstøping (LPD - low pressure diecasting) Denne metoden er en mellomting mellom statisk støping og trykkstøping. Vi presser metallet un­ der svært lavt trykk (0,2—1,0 bar) fra smeltedige­ len i en lukket ovn og opp i en kokille som er plassert oppå ovnen. Etter at metallet har stør­ knet, senker vi trykket, og resten av smeiten som står i stigerøret, renner tilbake i digelen. Metoden er mye langsommere enn de meto­ A. Form lukket dene vi har sett på foran. For store støpestykket med stor veggtykkelse kan størkningstiden kom­ me opp i ti minutter. Det blir hevdet at metoden gir større metallutbytte enn andre trykkstøpemetoder, og at den gir et trykktett gods. Ved lav­ trykksstøping foregår fyllingen av formene lang­ somt. De fordelene det gir, har vi gjort greie for ovenfor. Prinsippet er vist på figur 1.30. Meto­ den er ca. 70 år gammel, men er blitt aktuell igjen i dag, særlig ved støping av aluminium. Vi kan regne den som en type kokillestøping. I Hydro Aluminiums støperidivisjon i Høyanger støper de aluminiumfelger til forskjel­ lige bilmerker. Det er lagt opp til en rasjonell pro­ Figur 1.30 Lavtrykksstøping. duksjonsprosess med fin flyt, kortest mulig avstand mellom produksjonstrinnene og minst mulig håndtering. Selv røntgenkontrollen er en del av «linjen». Hvert femte minutt blir det produsert en felg. Etter støpingen blir felgene maskinert, anodisert og lakkert.

40

STØPEMETODER

Støpmg

Smiing

Figur 1.31 Prinsippet for ekstrusjonsstøping.

Ekstrusjonsstøping Denne metoden er en mellomting mellom støping og smiing. Vi heller metallet i en form, og før det er helt størknet, formgir vi det ved hjelp av et stempel og under høyt trykk, 200-1 000 bar. På tysk kaller de metoden «Fliissigkeitspressen» og på engelsk «squeeze casting». Metoden er vist på figur 1.31, der den er sammenlignet med smiing (autoforge). De­ ler som er framstilt med denne metoden, får gode fasthetsegenskaper og dimensjonstoleranser, omtrent som for presstøpte deler. Metoden er rask, og den er billigere enn varmsmiing, men dyrere enn kokillestøping. Ekstrusjonsstøping bruker vi også ved tilvirkning av en ny type stempler for diesel­ motorer. Vi infiltrerer smeltet aluminium med korte keramiske fibrer og fyller det i for­ men. 1 stedet for et hydraulisk stempel bruker vi trykkluft for å skape det nødvendige trykket. Metoden blir kalt «air-assisted infiltration process». Den bruker lavt trykk, og verktøykostnadene blir lave. Sentrifugalstøping Sentrifugalstøping omfatter alle støpemetodene der flytende metaller blir fylt i former som roterer horisontalt eller vertikalt. Som en følge av sentrifugalkreftene blir det dannet hullegemer uten bruk av kjerner. Ved såkalt «halvsentrifugalstøping» er sentrifugalkraften ikke formdannende, men trykkskapende. Formen kan være en sandform med innsatte kjerner, og vi fyller metallet i symmetriaksen. Det gir kompakte tverrsnitt. Sentrifugalkraften tjener til å tvinge me­ tallet ut i alle fordypninger av formen. Figur 1.32 viser prinsippet for dette. Tannhjul og reimskiver er typiske eksempler på produkter som kan formes ved sentrifugalstøping.

STØPERITEKNIKK

41

Ved sentrifugalstøping er størkningsforløpet et annet enn ved statisk sandstøping. Forløpet er vist på figur 1.33. Ved sandstøping er sylinderen innformet med vertikal akse. Størkningen foregår både fra yttersiden og fra innersiden. Sylinderen størkner sist i midten. Det gjør at for eksempel ikke-metalliske forurensnin­ ger, gasser og lavtsmeltende eutektiske bestanddeler samler seg i midten. På den måten blir godset svekket, Figur 1.32 Kompakt og fasthetsegenskapene varierer nedenfra og oppover sentrifugalstøping. i sylinderen. Vi må plassere et «dødhode» av til dels store dimensjoner øverst for å sikre «sunt» gods. Ved sentrifugalstøping størkner metallet først ved ytterveggen og så etter hvert inn­ over. Forurensningene er vanligvis lettere eller har lavere smeltepunkt enn hovedmetallet og blir skjøvet «innover». De størkner til slutt som en overflateskorpe på den innvendige flaten. Denne skorpen kan vi fjerne ved sponende metoder. Faren for innvendige hul­ rom (lunker) og gassblærer i yttersonen faller bort. De mekaniske egenskapene blir om­ trent like over hele sylinderen. Med sentrifugalstøping er det også mulig å få fram laminert gods eller blandingsgods. For eksempel kan vi støpe en ribbesylinder for luftkjølte motorer ved at vi først fyller på kobber, og før innerflaten er helt størknet, fyller vi på aluminium. Resultatet blir en aluminiumsylinder med kjøleribber av kobber. Kobber har bedre varmeoverføringsevne enn aluminium, det vil si at vi far bedre kjøling. Sentrifugalstøping har blant annet disse fordelene og ulempene:

Avkjéling både fra innsiden og utsiden.

Statisk stdpning

Sentrifugal stépning

Figur 1.33 Størkningsforløpet for sandstøpt og sentrifugalstøpt sylinder.

42

STØPEMETODER

- Det sentrifugalstøpte godset er praktisk talt fritt for forurensninger, gassblærer og lunker. - Strukturen er finkornet og homogen, og godset blir tett. - Med støpejern blir grafittlamellene finere, og det gir bedre fasthetsegenskaper. - Når det gjelder de teknologiske egenskapene, viser det seg at sentrifugalstøpt gods, til tross for en vesentlig større hardhet, ikke er vanskelig å bearbeide med skjærende verktøy. — Sentrifugalstøpt gods kan ha tre ganger så høy slitasjemotstand som sandstøpt gods, og løpeegenskapene som lagermetall er gode. — På grunn av den tette og homogene strukturen er korrosjonsbestandigheten god. — Det er en enkel framstillingsmetode. — Det er også en økonomisk god tilvirkningsmetode med - stor ytelse per ansatt arbeider - lite vrak - lite hjelpematerialer som sand og kjernematerialer — ingen tørking av former og kjerner

- Metoden er materialbesparende fordi vi ikke trenger matere. Det ser vi på figur 1.34, som vi­ ser framstilling av hjul med nav og krans ved sandstøping og sentrifugalstøping. - Miljøet blir bedre (mindre støv).

Figur 1.34 Framstilling av hjulskive. Øverst: Statisk støpt. Nederst: Sentrifugalstøpt.

Brukso mråder

Sentrifugalstøpte deler kan være fra noen gram og opp til flere tonn. Toleransene ligger i samme størrelsesorden som for annet kokillestøpt gods. Vi bruker dem til lagre, foringer, tannhjul, snekkehjul, trykk- og avløpsrør, sylinderforinger og en rekke konstruk­ sjonselementer. Båndstøping Ved båndstøping heller vi flytende metall ned mellom to roterende valser som er vannkjølte. Metallet forlater valsene som et bånd med svært finkornet struktur. Båndet kan valses ned til den tykkelsen vi ønsker.

Dimensjonsnøyaktige støpemetoder (Tysk: «Feinguss», engelsk: «micro casting») De nye finstøpemetodene egner seg godt til å framstille små, kompliserte detaljer av materialer som er vanskelige å bearbeide, og som det ville ha vært svært kostbart å maskinere ved konvensjonelle metoder. Figur 1.35 viser noen eksempler på deler som er la-

STØPERITEKNIKK

43

Figur 1.35 Eksempler på deler framstilt med fmstøpemetoder.

get med finstøpemetodene. Slike metoder kan gi stykkvekter fra mindre enn 1 g og opp­ over til 180 kg. Tendensen i tilvirkningsteknologien er at vi må velge tilvirkningsmetoder som er mer ra­ sjonelle enn de som har vart brukt til nå. Deler som tidligere ble framstilt ved sponende metoder, prøver vi i dag å framstille sponløst ved for eksempel senkesmiing, presisjonssmiing eller støping. Da sparer vi prosesstrinn. Men det forutsetter at de støpemetodene vi kan bruke, gir produkter med mye større dimensjonsnøyaktighet enn før. Av nyere metoder som fyller kravene til nøyaktige avstøp, kan vi nevne — skallformingsmetoden eller Cronitt-metoden — utsmeltemetoden (voks eller polystyren) — Shaw-metoden

De to første metodene er mest kjent.

44

STØPEMETODER

Skallformingsmetoden (Cronitt-metoden)

Denne metoden blir også kalt formmaskemetoden. Både støpemetoden, formemetoden og det mekaniske utstyret som vi bruker, er de siste årene blitt utviklet og forbedret. Prinsippet er vist på figur 1.36. Vi legger et metallmodellbrett som er varmet opp til 260—300 °C over en kasse med en blanding av sand og harpiks og klemmer fast. Deretter snur vi kassen slik at sanden dekker hele modellplaten. Harpiksen (bindemiddelet), som kan være fenol eller karbamid tilsatt herder og blandet i sanden i en mengde opp til 7 %, smelter på grunn av varmen fra modellplaten og binder sandkornene sammen. På den måten blir det dannet et skall med en tykkelse som er avhengig av tiden. Etter for ek­ sempel 10-30 s snur vi kassen igjen, og den delen av sanden der harpiksen ikke er smel­ tet, faller tilbake til bunnen av kassen. Vi setter modellbrettet med skallet inn i en ovn til herding ved ca. 500 °C i 30-60 s. Ved lavere ovnstemperatur vil herdetiden bli lengre (ved ca. 300 °C blir den tre minutter). Deretter kan vi fjerne skallet fra brettet ved hjelp av utstøterpinner som er innebygd i brettet. Permeabiliteten er svært god. Tykkelsen på skallet kan være mellom 4 og 20 mm. Med en gang etter at formmaskehalvdelene (skallhalvdelene) er tatt ut av ovnen og even­ tuelt forsynt med kjerne, blir de klebet sammen i varm tilstand med et spesiallim. Med små former kan vi støpe direkte i formene, som er satt i et stativ. Større former setter vi i en kasse som vi fyller med støttesand. Formmaskene og formkjernene er ikke hygroskopiske, og de kan derfor lagres i ubegrenset tid uten dimensjonsforandringer. Etter at formene er fylt med metall, blir bindemiddelet brutt ned av smeltevarmen, og formmaskene «raser» sammen. Pusseomkostningene er små, og overflaten av støpegodset blir svært glatt og pen. Fordi bindemiddelet er herdeharpiks (herdeplast), kan vi ikke bruke sanden om igjen. Skallstøpemetoden har disse fordelene:

— Metoden er rask. — Arbeidsprosessen er relativt lett å mekanisere. - Skallstøpingen (formmaskemetoden) krever mindre plass enn for eksempel vanlig sandstøping, og på et gitt areal kan vi derfor fa to—tre ganger så stor produksjon. - Vi sparer formkasser.

Figur 1.36 Skallformingsmetoden, prinsippskisse.

STØPERITEKNIKK

— Vi sparer materialer fordi det kreves mindre arbeidsmonn. — Bearbeidingsomkostningene blir lavere, fordi det kreves mindre arbeidsmonn. — Den nødvendige sandmengden blir redusert fra 1/5 til 1/10 av det som trengs ved vanlig sandstøping. — Det blir billigere intern transport (mindre sandmengde). — Avstøpet får større formnøyaktighet. Dimensjonsnøyaktigheten er angitt til ±0,005 mm/mm. — Penere og glattere overflate gir lavere pusseomkostninger. — Det blir mindre masse fordi godset kan gjøres tynnere. — Det blir større trykktetthet. — Det blir lavere vrakprosent. Utsmeltemetoden Presisjonsstøpemetoden med modeller som kan smeltes ut av formen før metallet fylles i, har fått stadig større betydning. Framgangsmåten er slik:

— Som ved andre støpemetoder lager vi først en originalmodell, der vi som vanlig tar hensyn til kontraksjonen til modellmaterialet, varmeutvidelseskoeffisienten til for­

men osv. — Vi framstiller selve metallformen, som er en negativ av originalmodellen. Alt etter stykkantallet lager vi formen av bly-tinn-legeringer eller av stål. Vi polerer formen innvendig. Den kan inneholde ett eller flere hulrom. I disse hulrommene sprøyter vi inn modellmaterialet. For større serier støper vi metallformkasse. — Modellmaterialet er enten spesialvoks eller polystyren. Spesialvoksen må helst ha god fasthet, lavt smeltepunkt og liten krymping. Vi sprøyter modellmaterialet inn i for­ mene (todelte). For at det skal bli en god økonomisk framstilling av modellen, bruker vi halvautomatiske sprøytemaskiner (injeksjonsstøping), og innsprøytingstrykket er — —

— —

3^ bar. Vi tar ut modellene og fjerner eventuelt partskjegg. Etter nøyaktig kontroll setter vi voksmodellene sammen og forsyner dem med et løpsystem til en såkalt modellklase. Vi dypper modellklasen i en klebrig masse av et ildfast bindemiddel og et svært fin­ kornet ildfast stoff som gir den et ca. 2/10 mm rykt primærbelegg Overflateruheten etter støpingen er avhengig av dette primærbelegget. Etter dyppingen blåser vi modellklasen med et fint sandstøv som gjør at primærsjiktet sitter bedre fast og samtidig letter etterfyllingen av formmaterialet. Etter en viss tørketid setter vi modellklasen ned på en plate og setter en formkasse over. Så fyller vi den med tyntflytende, keramisk formmasse. Vi bruker ildfast sand med et bindemiddel og et løsningsmiddel. Vi rister formen slik at formmassen legger seg godt inn til primærbelegget og eventuell luft kan stige opp. Vi tørker formene først i luft, tar dem deretter ut av formkassen og tørker dem ved ca. 40 °C i 1—2 døgn. Deretter varmer vi formene opp til vel 100 °C, og modellmaterialet blir smeltet ut.

ill STØPEMETODER

Vi har nå fått en keramisk hulform uten delefuger. Ca. 80 % av voksen blir gjenvun­ net. — Brenningen av den keramiske formmassen skjer ved 800—1 100 °C etter fastlagte brennkurver. Dette tar ca. et døgn, og formen blir sterk nok til å tåle støpetrykket. — Smeltingen av støpematerialet skjer i lysbueovner, induksjonsovner eller vakuumsmelteovner. Vi bringer formene så nær ovnen som mulig, og ofte støper vi rett fra ovnen for å unngå forurensning av smeiten. — Etter støpingen knuser vi den keramiske formen, og deretter strålerenser eller beiser vi klasen slik at de ferdigstøpte delene får en ren overflate. Til slutt fjerner vi løpsystemet. Metoden med kompaktformer har hittil vært den vanligste. Vi bruker også skallformer. I stedet for å fylle hele kassen med keramisk masse lager vi bare et skall rundt modellklasen. Den største fordelen med skallmetoden er at den sparer formmasse sammenlignet med kompaktmetoden. Presisjonsstøpemetodene har disse fordelene:

— Målnøyaktigheten er god. Toleransen tilsvarer i gunstige tilfeller IT11 (ellers IT12— IT 14). Av økonomiske grunner bruker vi de fineste toleransene som er oppnådd ved utsortering bare i spesielle tilfeller. — Reduksjonene i material- og bearbeidingsomkostningene kan bli betydelige. — Økonomisk produksjon av små deler som ville gi store bearbeidingsomkostninger med konvensjonelle metoder. — Det blir rask produksjon av deler som skal framstilles av materialer som vanskelig lar seg smi eller bearbeide. — Det blir en glatt overflate. Vanligvis oppnår vi en ruhet på Ra=l,6-6,3 pm, mot 12,5-50 pm ved sandstøping. — Støpestykkene er nesten fri for indre spenninger på grunn av den forholdsvis lange avkjølingen i formen. — Det blir små pusse- og etterarbeidingsomkostninger. — Vi kan lage svært tynnvegget gods, ned til 0,8 mm. Men vanligvis bør ikke veggtykkelsen være under 1,5—2,0 mm.

Støperidrift De siste årene er en rekke støperiet blitt nedlagt. For 50 år siden var det rundt 150 stø­ periet i Norge, men i dag er det bare 25-30 igjen. I utlandet er det på samme måten. Det har likevel vært en strukturendring i støperiene slik at produktiviteten har økt. Det er en tydelig overgang fra tradisjonell sandforming til trykkstøping. Mekanisering og au­ tomatisering har også bidratt til produktivitetsøkningen. På verdensbasis kan vi tydelig se denne tendensen:

STØPERITEKNIKK

— — — — — — — —

spesialisering overgang fra sandformer til varige former der det er mulig mekanisering og automatisering økonomisering sammenkjeding av tilvirkningsstasjonene kvalitetsorientering energisparing miljøforbedringer, internt og eksternt

Utviklingen går i retning av mer mekanisering, automatisering og blandet produksjonsprogram, også når det gjelder mindre støperiet. Kasseløs forming vinner terreng. Kasseomløpet faller bort, og støynivået ved tømming er betydelig mindre. Investeringskostnadene blir mindre. Automatiske formeanlegg krever mekanisert og automatisert utstøpingsutstyr. Slikt utstyr må kunne lagre metallet, holde det på konstant utstøpetemperatur og sikre jevn sammensetning. For at vi skal fa lavest mulig lønns- og materialkostnader, må utstøpingen kunne skje uten slagg, med minst mulig arbeidsinnsats og med nøyaktig do­ sering. Det finnes en rekke måter å løse denne oppgaven på. Vi kan dosere metallmengden gravimetrisk eller volumetrisk. Utstøpingsutstyret kan også bestå av en varmholdeovn og separat støpeøse med vektdosering. CAD/CAM-systemer, mikroprosessorer og mikro­ datamaskiner vinner etter hvert innpass også i støperiindustrien. For å øke støperienes konkurranseevne er det viktig at utbyttet blir størst mulig. Ut­ byttet (U) kan vi uttrykke slik:

U

Ferdig salgbart gods Metallisk ovnscharge

(Charge er det vi fyller i ovnen, eller det som ovnen inneholder av råmateriale eller smelte.) Dette forholdet gir et godt bilde av det tekniske og økonomiske nivået til støperiet. Forholdstallet kan variere, alt etter om det er et stål-, støpejerns-, adusergods- eller ikkejernmetallstøperi. Videre er det avhengig av gjennomsnittlig stykkvekt og vanskelighetsklasse. Det er også avhengig av den form- og støpeteknikken vi bruker. Det blir stor forskjell på forholdstallet ved kokillestøping og ved sandstøping. Ved sandstøping reg­ ner vi gjennomsnittlig med U = 65 %, men for særlig kompliserte støpestykket kan også U = 50 % eller lavere regnes som et godt resultat. Kvalitet Med kvalitetssikring («quaVity assurance», QA) mener vi all planlagt eller systematisk inn­ sats som er nødvendig for å sikre at komponenter og utrustning kommer til å fungere tilfredsstillende under drift. Med kvalitetskontroll («quality control», QC) mener vi den delen av kvalitetssikringen som omfatter den direkte tekniske kontrollen vi tar for å kon­ trollere eller måle om karakteristiske egenskaper for komponenter og prosesser samsvarer

STØPERIDRIFT

med forutbestemte krav. Den sanne verdien av all kvalitetskontroll ligger mer i de feilene vi unngår, enn i dem vi finner.

Energisparing Den økende forståelsen for at vi må spare energi, har tvunget de store energibrukerne til energiøkonomisering. Miljøkravene er en annen grunn til å forsøke å bruke mindre energi. Jo mindre energibehovet er, for eksempel ved at vi får utnyttet restvarmen bedre, desto mindre blir de miljømessige skadevirkningene ved framstilling av energi. Vi kan også spare energi ved å forbedre selve prosessen og ved å utnytte restvarme og varme som ellers går tapt.

Miljøhumanisering I dag kjemper mange støperiet for sin eksistens, ikke bare på grunn av et vanskelig arbeids­ marked, men også på grunn av de strenge miljøbestemmelsene. En humanisering av ope­ ratørenes arbeidssituasjon kan vi blant annet oppnå ved å avlaste dem for tungt kropps­ arbeid ved hjelp av mekaniseringsutstyr. På miljøområdet satser vi særlig på å finne fram til maskiner som er støysvake, og sikre mot ulykker. Dessuten satser vi på metoder som sparer både energi og råmateriale, og som gir minst mulig utslipp av skadelige stoffer.

Smelteovner Den viktigste avdelingen i et støperi er smelteavdelingen. I smelteovnene smelter vi me­ taller i forskjellig sammensetning, alt etter kvalitetskravet til støpegodset. Kravene som stilles til smelteaggregatet, er blant annet at det må ha god økonomi, god mulighet til å regulere sammensetningen av smeiten og muligheter til å holde en konstant temperatur. For å fa fram billige kvalitetsprodukter kreves det store serier. Men vi kan også i høy grad fa kvalitet ved små serier dersom vi helt fra planleggingen av støperiet legger opp til det. Alle støpejernssorter krever en spesiell smelteprosess og maksimal støpetemperatur. Kvalitetsstøpejern har som regel en perlittisk struktur som forutsetter riktig sammenset­ ning og mengde av det materialet som vi fyller i ovnen (chargering), riktig utstøpingstemperatur, ymping, godstykkelse og avkjølingshastighet. Ymping er en metode der vi ved å tilsette ganske små mengder av kimdannende stoffer, øker antallet krystallisasjonssentre i smeiten. De ovnene som vi bruker ved smelting, er - kupolovner — kaldblåste ovner med eller uten forherd — varmblåste ovner med eller uten forherd — elektriske ovner — lysbueovner direkte lysbueovner indirekte lysbueovner

STØPERITEKNIKK

49

— induksjonsovner etter transformasjonsprinsippet (magnetisk lukket krets) etter virvelstrømprinsippet (magnetisk åpen krets) — motstandsovner direkte indirekte — vakuumsmelteovner vakuuminduksjonssmelting vakuumlysbuesmelting vakuumelektronstrålesmelting

Oppgaver til kapittel 1 1 Definer begrepet støpbarhet. Hvilke faktorer har avgjørende innflytelse på støpbar­ heten? 2 Gjør kort rede for de gassreaksjonene vi far ved utstøping av smeltet metall. 3 Gjør kort rede for størkningsforløpet når smeltet metall størkner (krystalliserer). 4 Forklar kort hva seigring er, hvordan den oppstår, og hvordan den kan minimeres. 5 Hva kaller vi den strukturen som dannes når vi avkjøler en smelte i en sandform? 6 Hvilke krystallformer dannes når vi støper metallet ut i en kald kokilleform? 7 På hvilke måter kan vi påvirke kornstørrelsen ved krystalldannelsen? 8 Hvilken innvirkning har krystallformen og krystallstørrelsen på de mekaniske egen­ skapene til materialet? 9 Når metall størkner i formen, trekker det seg sammen. Hva fører volumforandringen til? Hva må vi gjøre for å kompensere for dette? 10 Hva er de vanligste materialene vi bruker for tilvirkning av støpemodeller når vi skal lage støpegods? 11 Hvilke generative tilvirkningsmetoder har vi for framstilling av modeller og prototy­ per? 12 Gjør kort rede for den generative metoden som vi kaller stereolitografi. 13 Gjør kort rede for framstillingen av en tremodell som skal brukes ved innforming av et flenset T-rør. Hvilke hensyn må vi ta under framstillingen? 14 Hvilke formsandtyper bruker vi? Hva består den ferdige formsanden av, og hvordan blir den «framstilt»? 15 Hva mener vi med permeabiliteten til en formsand, og hva gir den uttrykk for? 16 Gjør kort rede for hvilke midler og metoder vi bruker for at formsanden skal bli plas­ tisk formbar? 17 Hvilke ulike virkninger har kornform og kornstørrelse på formsandens egenskaper, og hvilke virkning har de på støpegodset? 18 Hva er den viktigste forskjellen mellom råsand og tørrsand? Til hvilke formål bruker vi de to sandtypene? Hva mener vi med fet sand?

OPPGAVER TIL KAPITTEL 1

19 Hva mener vi med flytende sand (i motsetning til plastisk sand), og hvilke fordeler har flytende sand? 20 For å få dannet hulrom i støpegodset legger vi inn kjerner. Hva består kjernesanden av? 21 Gjør kort rede for de metodene vi bruker til framstilling av kjerner. 22 Nevn kort de metodene vi bruker til støping og framstilling av støpegodsprodukter. 23 For å få dannet hulrom i godset, for eksempel om vi skal støpe en hulsylinder, må vi legge inn kjerne i sandformen. Det er svært viktig at kjernen ligger riktig sentrert, for ellers kan godset bli for tynt på den ene siden og for tykt diametralt. På hvilke måter sikrer vi at kjernen ligger riktig uten at den forskyver seg under utstøpingen? 24 Hva mener vi med sjablonforming, og når er det hensiktsmessig å bruke denne me­ toden? 25 Definer begrepet sandstøping. Nevn kort fordeler og eventuelle ulemper med denne metoden. 26 Hva er en stiger (mater) som brukes i forbindelse med støping, og hva er hensikten med den? 27 Hva er stabelforming, og hva er hensikten med denne metoden? 28 Hva mener vi med kasseløs forming? 29 Gjør kort rede for kasseløs forming etter Disamatic-metoden. 30 For å sikre et feilfritt avtrykk i sandformen må sanden stampes godt rundt modellen, sanden må komprimeres. På hvilke måter skjer sandkompresjonen? Hvilke fordeler gir høytrykkforming? 31 Forklar arbeidsgangen ved sandstøping fra formen er fylt med metall og til støpegod­ set er ferdig til avlevering. 32 I mange tilfeller blir støpegods etterbehandlet. Gjør kort rede for hva en etterbehand­ ling kan bestå av. 33 Hva kaller vi den metoden hvor smeltet metall helles i en vannkjølt kokille uten bunn? 34 Definer begrepet trykkstøping. Gjør kort rede for de to typene av trykkstøping. 35 Hvilke metallegeringer bruker vi ved press- og sprøytestøping? Hva er nøyaktigheten av avstøpene avhengig av? 36 Ved trykkstøping kan vi framstille kompliserte konstruksjoner (detaljer). For å opp­ nå et gunstig resultat både teknisk og økonomisk må vi kjenne til retningslinjer for konstruksjon av trykkstøpte deler. Gjør kort rede for disse retningslinjene og lag en­ kle skisser. 37 Sammenlignet med for eksempel sandstøping har trykkstøping en rekke fordeler. Nevn noen av dem. 38 Ved Fundo i Høyanger støper de aluminiumfelger til en rekke bilmerker. Hvilken støpemetode blir brukt? Gjør kort rede for denne metoden. 39 Hva er ekstrusjonsstøping?

STØPERITEKNIKK

40 For å lage støpestykker med så nøyaktige dimensjoner at etterarbeid med dreiing, fresing osv. ikke er nødvendig, har vi en rekke fmstøpemetoder (micro casting). Gi en svært kort omtale av de mest kjente finstøpemetodene. 41 Sett opp en oversikt, gjerne i tabellform, over de mest brukte smelteovnene til smel­ ting av støpejern og stål i støperiene.

52

OPPGAVER TIL KAPITTEL 1

KAPITTEL 2

Plastiske bearbeidingsprosesser Når du har lest dette kapittelet, skal du kunne vurdere plastiske bearbeidsingsprosesser som valsing, smiing, bøying, ekstrudering, flytpressing og trekking.

Plastisitetsteori Når et metallisk materiale blir bearbeidet plastisk, er materialvolumet noenlunde kon­ stant, men den geometriske formen endrer seg. Den plastiske formendringen av materi­ alet skjer over elastisitetsgrensen, men under strekkfasthetsgrensen til materialet. Se figur 2.1. I området mellom Re og Rm kan vi ved ytre krefter omforme materialet uten at den indre sammenhengen i materialet blir ødelagt. Materialet er i en plastisk tilstand. For å forstå hva som skjer når et metallisk materiale blir bearbeidet i plastisitetsområdet, må vi se på hvordan metallet er oppbygd. Metallene består i fast tilstand av atomer som er gruppert i atomgitre. De vanligste er kubisk flate- og kubisk romsentrerte gitre, tetragonale og heksagonale gitre. Atomgitrene til metallene danner elementærceller (elementærkuber) som alt etter forholdene bygger seg opp til større eller mindre krystaller. Der krystallene støter sammen i korngrensene, må elementærcellen bli deformert, og vi far uregelmessigheter i gitterordningen. Bearbeidingen av et materiale kan skje i enten kald eller varm tilstand. Hva som defmisjonsmessig blir betegnet som kald- eller varmbearbeiding, skal vi se på i et senere avsnitt når vi har forklart en rekke uttrykk i denne forbindelse. Ved kaldbearbeiding av de fleste metallene og deres legeringer får vi foruten en plas­ tisk formendring også en økning av fasthetsegenskapene. Vi snakker om en mekanisk herding eller fastningav materialet. Enkelte metaller, for eksempel tinn, rekrystalliserer ved romtemperatur og kan derfor ikke oppnå en styrkeøkning ved kaldbearbeiding.

PLASTISKE BEARBEIDINGSPROSESSER

53

Figur 2.1 Metallenes flyteområde.

Formendring av enkeltkrystaller En formendring av enkeltkrystaller kan alt etter gitteroppbyggingen foregå på to måter, som translasjon eller som tvillingdannelse. Translasjon (gliding)

I et krystall er atomene bygd opp og holdt sammen av elektriske krefter på en slik måte at de holdes fast i bestemte gitterpunkter med en nøyaktig lik avstand. Vi skal senere se at det likevel finnes avvik. De interatomære kreftene kaller vi metallets bindingskrefter. Plastisk deformasjon av metaller er mulig som en følge av denne bindingsevnen. Atome­ ne kan bevege seg uten at det oppstår brudd. Jo større bindingsenergi det er, desto større er strekkfastheten, styrken, til materialet. Elastisitetsmodulen er et uttrykk for bindingsenergien. Belaster vi et krystall med strekk innenfor det elastiske området, blir atomene trukket fra hverandre i strekkretningen. Omvendt blir atomene med trykk presset nærmere hverandre, se figur 2.2. Så snart de ytre kreftene blir tatt bort, sørger de magnetiske kref­ tene for at atomavstanden blir som opprinnelig. Øker vi kraften over elastisitetsgrensen, kommer atomene til å forskyve seg i forhold til hverandre langs gitterets glideflater og bli i sine nye posisjoner når vi tar belastningen bort. Den plastiske formendringen ved kubisk krystalliserende metaller skjer altså ved gjensidig gliding av atomplanene i gitteret i parallelle skiver. Dette er vist på figurene 2.3 og 2.4.

54

PLASTISITETSTEORI

Større her enn her

Figur 2.2 Elastisiteten ved strekk- og trykkbelastning. a b

c

Ingen belastning, Atomavstanden øker i belastningsretningen. Atomavstanden avtar på grunn av trykkpåkjenningene.

Figur 2.3 Forskyvning i en kubisk struktur. Atomene har samme orientering etter forskyvningene. Hele atomsjiktet glir langs såkalte glideplan. Når glidingen oppstår, er omformingsgraden og avstanden mellom glideplanene mye større enn det som er vist her.

Denne typen formendringsmekanisme kaller vi translasjon eller gliding. Glidingen skjer langs bestemte krystallografiske plan og retninger, og den kommer alltid først langs de plan som er tettest belagt med atomer. Her skjer forskyvningene med minst mulig energi. Figurene 2.5 og 2.6 viser mulige glideplan ved kubisk og heksagonalt gitter. Jo høyere symmetrien til gitteret er, desto flere glideplan og dermed også flytemuligheter er det i forskjellige retninger. I visse kubiske krystaller med kubisk flatesentrert gitre, for eksempel Al, Cu, Pb eller y-Fe, er alle oktaederflatene glideplan. I andre kubisk krystalliserende gitre (romsentrer-

PLASTISKE BEARBEIDINGSPROSESSER

p

Figur 2.4 Elastisk formendring til venstre. Plastisk formendring til høyre.

te) sitter det færre atomer på hvert plan. Glidemulighetene er derfor mindre og kan va­ riere med temperaturen. I heksagonalt krystalliserende gitre, for eksempel magnesium, er bare basis glideplan. Se figur 2.5. Med bare ett enkelt glideplan er derfor magnesium atskillig vanskeligere å bearbeide kaldt enn for eksempel aluminium. Ved en strekkpåkjenning virker det både strekkrefter og skjærspenningskrefter på glideplanet. For en gliding er det bare skjærspenningskomponenten som er av betydning. Maksimal skjærspenning far vi i et plan som danner 45° med strekkretningen. Faller glideplanene sammen med retningen av (gresk: tau), har vi gunstigere glideforhold. Gliding skjer i større eller mindre grad på alle plan der ytre krefter virker inn, men gli­ dingen vil dominere i plan som ligger 45° i forhold til strekkretningen. For å komme i gunstigere glideposisjon forsøker glideplan som ligger ugunstig til, å dreie slik at det let­ tere kan bli gliding. Det kan vi kjenne dersom vi har strukket en stav eller bøyd en plate. I soner med størst påkjenning vil overflaten være mer ru enn ellers. Etter hvert som den

Figur 2.5 Glideplan i kubisk og heksagonalt gitter.

Kubisk gitter

Glideplan

Heksagonalt gitter

Ghderetninger

Figur 2.6 Glideplan og glideretning i krystaller.

56

PLASTISITETSTEORI

ytre kraften øker og materialet blir formet plastisk, kommer den indre motstanden til å øke. Årsaken til det skal vi vise i neste avsnitt. Ved høye temperaturer skjer dreiingen av glideplan lettere enn ved lave temperatu­ rer. Det er en av grunnene til at metall lettere lar seg bearbeide ved høye temperaturer enn ved lave. Av samme grunn blir noen metaller skjøre ved lave temperaturer. Dreiing av glideplan tar tid, og vi kan derfor si at jo langsommere formhastigheten er, desto stør­ re formendring kan vi oppnå før brudd, og desto lavere blir energiforbruket. Vi skal der­ for være oppmerksom på at ved økt deformasjonshastighet øker formendringsmotstanden. Når vi med plastiske bearbeidingsmetoder skal gi metallet en bestemt form, må vi bruke en bestemt kraft som er stor nok til å overvinne formendringsmotstanden. Men den må ikke være så stor at den overskrider kohesjonsmotstanden, som er et uttrykk for de kreftene som holder atomene sammen.

Tvil 1 i ngdannelse Tvillingdannelse er en spesiell form for omdanning av gitteret. Den forekommer i me­ taller som sink, magnesium og tinn.

Formendring av poLykrystaLLer I forhold til enkeltkrystaller viser polykrystallinsk materiale en økt motstand mot form­ endring ved korngrensene på grunn av kornenes gjensidige hindring mot gliding (avstiving). Jo finere kornstørrelsen er, desto hardere og sterkere vil materialet være. Se figur 2.7. Ved en plutselig ytre påkjenning som slag vil bare den komponenten av kraften være

Figur 2.7 Hvordan kornstørrelsen virker inn på fasthetsegenskapene hos stål.

PLASTISKE BEARBEIDINGSPROSESSER

57

effektiv som innenfor hvert korn er parallell med et glideplan. Jo oftere glideplanene skifter retning, desto mindre virkning har den ytre kraften når det gjelder å framkalle brudd. Ved formendring av polykrystaller foregår det selvfølgelig en formendring av hvert enkeltkrystall. Det kan vi se i mikroskopet som glidelinjer.

Mekanisk herding (fasting) Ved kaldbearbeiding øker fasthetsegenskapene, mens plastisiteten (tøyningsmulighetene) blir mindre. Det er dette vi forstår med mekanisk herding eller fastning. Elastisitetsmodulen forblir likevel praktisk talt uforandret. Ved mekanisk herding oppstår det indre spenninger, og summen av dem blir selvfølgelig lik 0. Disse indre spenningene er en følge av lokale forandringer i gittergeometrien innenfor elastisitetsområdet. I en kaldtrukket stang er overflaten under strekk og det indre under trykk.

Dislokasjonsteori Når et metall går over fra flytende til fast aggregattilstand, blir det bygd opp ved at ato­ mene grupperer seg i bestemte gitterformer til krystaller. Tidligere antok vi at atomene lå som hagl i en terningboks, regelmessig i alle retninger. Et nøyere studium av den ato­ mære oppbyggingen viste at den ikke var så regelmessig som en trodde, men at det på enkelte steder i krystallet var større eller mindre uregelmessigheter. Det kunne mangle et atom, en vakanse, det kunne være sprengt inn i gitteret større fremmede atomer, eller uregelmessighetene kunne ha med korngrensene å gjøre. En vanlig uregelmessighet er at det er presset ned et ekstra atomplan, slik det er vist på figur 2.8. En slik uregelmessighet i gitteret kaller vi en dislokasjon.

Figur 2.8 Gitter med et ekstra atomplan, dislokasjon.

PLASTISITETSTEORI

Det er klart at dersom et gitter har et ekstra atomplan innsprengt, må det føre til en viss forskyvning av de omkringliggende atomene. I en viss avstand fra dislokasjonen far vi derfor en fortrekking av gitteret, og den gir spenninger. Spenning kan uttrykkes som energi. For å få formet et materiale trengs det en viss mengde energi. Det ligger innebygd en viss mengde energi i form av dislokasjoner i materialet, og det skal derfor bare litt energi til utenfra for å sette materialflyttingen i bevegelse. For at vi med rimelig forbruk av energi skal kunne forme materialene våre, må de inneholde dislokasjoner. Videre vet vi at ikke hele glidingen skjer i et «rykk», men at den begynner i et mindre område og suksessivt sprer seg utover i glideplanet. «Frank-Read-kil.de» Vi kan slå fast at plastisk formendring av et metall finner sted ved gliding langs bestemte atomplan i krystallet. Antallet aktive glideplan er begrenset. Når den ytre kraften øker, øker også antallet glidebånd, og glidelinjene ligger tettere. Men vi kan ikke forklare det slik når det er et begrenset antall dislokasjoner i materialet. Hvordan oppstår så den økende dislokasjonstettheten? Forskerne Frank og Read kom fram til at den eneste for­ klaringen måtte være at det inne i krystallet skjer en nydannelse av dislokasjoner. Disse kildene har fått navnet Frank-Read-kilder.

Fastning Som nevnt fører dislokasjoner til en spenningsøkning i gitteret. De omgir seg altså med et kraftfelt som også virker på de omliggende dislokasjonene og omvendt. Det er derfor klart at dersom den ytre kraften øker og det blir dannet flere dislokasjoner, blir de min­ dre bevegelige. Dislokasjoner kan også stoppes av korngrenser eller utskillinger (fremmedatomer i gitteret). Resultatet blir at en kaldforming gir en økning av hardheten og en fastning av materialet. Flytegrensen øker og vi får en spenningsherding. Kryping Når metallene blir belastet ved høye temperaturer, har de en tendens til å deformeres over tid. Vi sier at de siger eller kryper. Dislokasjonsklatringen spiller en stor rolle når metaller kryper. En konstant krypetilstand kan vi se på som en balanse mellom en fast­ ning og en samtidig avfastning. Ved plastisk flyting genererer dislokasjonene kontinuerlig fra det indre ut mot korngrensene. Der skjer det en opphoping, og materialet får en fasthetsøkning. Ved oppvar­ ming kan så fastningen delvis oppheves ved atomdiffusjon til vakanser (vakanse: tom, ledig plass), idet vakansene øker med økende temperatur. På den måten holder motstan­ den mot omformingen seg konstant innenfor hvert korn, og det gir en konstant krype­ tilstand.

PLASTISKE BEARBEIDINGSPROSESSER

59

Flytegrense (strekkgrense) og spenningseldning Eldningen, som er en submikroskopisk utfellingsprosess, gjør det mulig for små innlagringsatomer å diffundere til områdene under dislokasjonene og låse dem fast. Der­ med blir dislokasjonsforflyttinger hindret, og det gjør at flytegrensen først kommer ved høyere belastning. Innlagringsatomene kan være nitrogen- eller karbonatomer, og det skal ikke mer enn 0,003 % til for å gi denne eldningseffekten. Den såkalte blåskjørheten ved 300 °C kan også forklares på lignende måte. Det skjer en stadig raskere utfelling som låser flere dislokasjoner fast og fører til en rekke flytegrensepunkter. Materialets flytespenning Re blir et resultat av vekselvirkningen mellom dislokasjoner og forskjellige typer hindringer som hemmer bevegelsene til dislokasjonene. Vi skil­ ler mellom nødvendig spenning for å sette dislokasjonen i bevegelse, uttrykt som forankringsejfekt, og nødvendig spenning for å overvinne eventuelle hindringer i gitteret som hemmer den fortsatte bevegelsen til dislokasjonene, og som vi kaller friksjonseffekt. Vi har før nevnt at finere korn gir større styrke, se figur 2.7. De stadige hindringene som korngrensene representerer, hemmer dislokasjonsbevegelsen og gir derfor høyere flytegrense. Fiberstruktur (tekstur) Ved kaldforming av polykrystallinsk materiale prøver glideplanene i hvert enkelt krystall å orientere seg i tøyningsretningen (flyteretningen), og det oppstår en fiberstruktur. Den har teknisk betydning fordi materialet får retningsbestemte egenskaper. Ved dyptrekking av platematerialer med utpreget tekstur kan vi på grunn av tøyingsanisotropi få en ujevn kant øverst på skjørtet, «øredannelse». Ørene må skjæres bort, og det betyr til dels store materialtap. Blir et materiale med fiberstruktur rekrystallisert, kan det danne seg en mer eller mindre utpreget rekrystallisasjonstekstur. Graden av denne varierer med kaldformingsgraden og øker med økende grad av kaldbearbeiding før glødingen. Rekrystallisasjon Metall i kaldbearbeidet tilstand er labilt, og ved oppvarming prøver metallet å vende til­ bake til en normal likevektstilstand ved å løse ut de indre spenningene og ved rekrystal­ lisasjon. Dislokasjonsvasene løser seg opp, og dislokasjonene prøver å fordele seg over et større område. Det gir et lavere energinivå, og dermed blir spenningene mindre. Ved gradvis oppvarming av et kaldbearbeidet metall kommer det først et temperaturområde, og her foregår det en utløsning av de indre spenningene, en avfastning. Ved videre temperaturstigning begynner bløtgjøringen, og metallet får etter hvert tilbake sine opprinnelige egenskaper, idet strekkfasthet, flytegrense og hardhet synker og tøyingsevnen stiger. Se figur 2.9. Samtidig foregår det en forandring i metallstrukturen, idet det danner seg krystallkim i korngrensene og innenfor de enkelte kornene i deformasjonsplanene. Fra disse kimene gror det nye krystaller som vokser likt i alle retninger.

PLASTISITETSTEORI

Figur 2.9 Forandring av egenskapene ved gløding av kaldbearbeidet metall.

b2 Rekrystallisasjonen avsluttet

c Kornvekst

Figur 2.10 Rekrystallisasjon.

Slik erstattes til slutt den orienterte strukturen (teksturen) med en ny, ikke-orientert struktur. Det hender likevel at materialer med utpreget deformasjonstekstur får såkalt rekrystallisasjonstekstur etter glødingen. Under rekrystallisasjonen blir det ikke dannet noen ny fase, det skjer bare en om­ gruppering av atomene til et nytt, stabilt gitter innenfor den fasen som foreligger. Se figur 2.10.

Faktorer som virker inn på rekrystatlisasjonsprosessen Rekrystallisasjon er av stor betydning i metallbearbeidingen fordi materialet etter en kaldbearbeiding får tilbake sine plastiske egenskaper, slik at materialet kan bearbeides videre. Operasjonen blir da ofre kalt bløtgjøring. For den videre bearbeidingen er det viktig at glødingen gir et passe finkornet materiale, og vi skal nå se litt på de faktorene

PLASTISKE BEARBEIDINGSPROSESSER

som virker inn på rekrystallisasjonsprosessen. De viktigste er sammensetting, krystallstruktur, glødingstid, glødingstemperatur og kaldbearbeidingsgrad.

Sammensetningen av metallet Jo renere metallet er, desto større blir kornene ved en bestemt rekrystallisasjonstemperatur. Tilsettinger eller forurensninger fører til kornforfming. Oppløsbare forurensninger eller tilsettinger øker den nødvendige rekrystallisasjonstemperaturen. Omvendt synker rekrystallisasjonstemperaturen jo renere materialet er. Raffinert aluminium (99,998 % Al) rekrystalliserer allerede ved romtemperatur. Etter Reed-Hill er rekrystallisasjonstemperaturen definert som den temperaturen der et metall, som har vært utsatt for en bestemt grad av kaldforming (deformasjon) i et tidsrom (vanligvis en time), har rekrystallisertfullstendig. Som en tilnærmet regel kan vi for teknisk rene metaller med relativt høy grad av be­ arbeiding sette:

Alle metaller trenger en viss minimumstemperatur for at det skal bli rekrystallisasjon, rekrystallisasjonsterskelen. For noen rene metaller er denne temperaturen slik: Jern (stål) Aluminium Kobber Nikkel

450 150 200 600

°C °C °C °C

Kontrollerer vi nå formelen ovenfor for aluminium og setter middelverdien, far vi:

som i listen ovenfor var oppgitt til 150 °C. For sink, kadmium, bly og tinn ligger rekrystallisasjonstemperaturen under 20 °C. Det betyr at en for bly og tinn ikke kan oppnå noen øking av hardheten og strekkfastheten ved

PLASTISITETSTEORI

Figur 2.11 Rekrystallisasjonstemperaturen for kaldbearbeidet aluminium avhenger av kaldbearbeidingsgraden.

Kaldbearbeidingsgraden

De nydannede kornene blir mindre og flere når bearbeidingsgraden øker. Kimdannelsen for en ny atomkonfigurasjon trenger et visst minimum av energi. De spenningene som er oppstått som følge av en forutgående kaldbearbeiding, innebærer en opplagring av in­ dre energi. Vi kan si at rekrystallisasjonstemperaturen avtar med økende bearbeidingsgrad. Se figur 2.11. Et visst minimum av kaldbearbeiding er nødvendig for å få rekrystallisasjonsprosessen i gang og for å få et finkornet materiale. Glødingstid. Glødetemperatur

Ved rekrystalliserende gløding blir de nydannede kornene mindre a jo hurtigere oppvarmingen foregår gjennom temperaturområdet for begynnende rekrystallisasjon b jo lavere sluttemperaturen er

c jo kortere tid materialet glødes ved denne sluttemperaturen Med økende glødetemperatur øker rekrystallisasjonshastigheten. Omvendt fører en senking av glødetemperaturen til at glødetiden øker raskt når en skal oppnå en bestemt forutgå­ ende kaldbearbeidingsgrad. Figur 2.11 viser forholdene ved kaldbearbeidet aluminium.

Kaldbearbeiding, kaldforming En bruker mer og mer ulike metoder for kaldbearbeiding ved tilvirkning av produkter. Kaldbearbeiding byr på en rekke fordeler, men kan også gi ulemper.

PLASTISKE BEARBEIDINGSPROSESSER

Kaldbearbeiding har disse fordelene: — større hardhet og styrke — stor dimensjonsnøyaktighet — lite materialtap og dermed mer økonomisk, sammenlignet med for eksempel sponende metoder — ubrutt tekstur (fiberstruktur) ved tverrsnittsoverganger, noe som gir en gunstigere kjervfaktor — glatt overflate — raskeste tilvirkningsmetode fra råemne til ferdigprodukt Kaldbearbeiding har disse ulempene:

— nødvendig med større energimengde til omformingen av emnene enn for eksempel varmebearbeiding — økende formendringsmotstand ved tiltagende kaldbearbeiding; vanligvis trengs det en eller flere mellomglødinger — lang og kostbar prosess ved større omformingsgrad; metoden er derfor bare økono­ misk når graden av omforminger er liten — teksturen ved kaldbearbeiding: Se avsnittet om fibertekstur. Ønsker vi ikke en anisotropisk tilstand, må produktene sluttglødes (rekrystalliserende gløding) Varmbearbeiding, varmforming Når et produkt skal tilvirkes, må vi på et tidlig tidspunkt ta standpunkt til om det skal kaldformes eller varmformes. Vi må vurdere maskintype, verktøyutforming og dimen­ sjonering ut fra dette standpunktet. Det er de oppstilte kravene til det ferdige produktet som er avgjørende for valget. Varmbearbeiding har disse fordelene:

— Det blir en stor omformingsgrad på kort tid. — Det er et lavt energiforbruk, formendringsmotstanden avtar med stigende tempera­ tur. Ved 1 000 °C er den bare 20 % av motstanden ved romtemperatur. — Det er mulig å bearbeide store masser med et rimelig energiforbruk. — Fordi det under bearbeidingen skjer en kontinuerlig rekrystallisasjon, får vi ved en kontrollert varmbearbeiding omdannet den eventuelle grove støpestrukturen emnet har, til finkornet isotrop struktur. En slik struktur egner seg bedre for eventuell et­ terfølgende kaldbearbeiding. — En riktig utført varmbearbeiding i forbindelse med en kontrollert gløding gir gode mekaniske egenskaper, for eksempel høy flytegrense og duktilitet. — Småsprekker og blæredannelser kan i stor grad elimineres dersom overflaten ikke er oksidert.

64

PLASTISITETSTEORI

Av ulemper som følge av varmbearbeiding bør vi nevne disse:

- På grunn av krympingen under avkjølingen fra bearbeidingstemperaturen blir dimensjonsnøyaktigheten ikke så stor som ved for eksempel kaldbearbeiding. - Dersom emnene ikke blir oppvarmet i nøytral atmosfære eller ikke skjer raskt nok, far vi glødeskalldanneise. Den gir et materialtap på 1-3 %. - Vi kan få en viss dekarburisering (avkulling) i overflaten. - Ved varmforming kan vi også få en viss tekstur som gir anisotropiske egenskaper.

Varmbearbeidingen foregår i et temperaturområde der metallet beholder sin plastiske formingsevne under bearbeidingen. Betingelsen for dette må være at rekrystallisasjonen foregår med større hastighet enn formendringen (deformasjonen), ellers får vi mekanisk her­ ding. Med stigende temperatur blir rekrystallisasjonshastigheten høyere. Dermed kan vi øke formhastigheten, som er svært viktig for økonomisk pressing, og vi kan også øke den prosentuelle formendringen, som er av betydning for økonomisk varmvalsing. Men det blir en viss økning i hardheten fordi formendringen (deformasjonen) ofte er litt større enn den mykglødingseffekten vi får ved rekrystalliseringen. Dersom varmbearbeidingen avsluttes høyt over rekrystallisasjonstemperaturen, blir materialet grovkornet på grunn av rask kornvekst. Den nedre bearbeidingstemperaturen er den temperaturen der materialet begynner å bli tungt å bearbeide som følge av mekanisk herding. Som nevnt er den avhengig av omformingshastigheten. Ved pressing, der vi kan innstille presshastigheten, kan vi arbeide ved lav temperatur ved å senke presshastigheten tilstrekkelig. Ved varmvalsing løper val­ sene med et bestemt omdreiningstall. Formingshastigheten er altså gitt, og mekanisk herding inntrer fra og med en bestemt temperatur. Ved smiing under lufthammer får vi en støtvis og svært hurtig forming, og for at rekrystallisasjonen skal holde tritt, må vi ar­ beide ved temmelig høy temperatur. Ved varmvalsing og smiing foregår tilformingen gradvis («stikk», slag), og rekrystallisasjonen foregår selvfølgelig også i tidsrommet mel­ lom enkeltpåkjenningene. I noen tilfeller kan det være hensiktsmessig å fortsette bearbeidingen direkte etter at den nedre temperaturgrensen er nådd. Det gir et sluttprodukt med en viss mekanisk her­ ding og en billigere forming. Dette har særlig interesse ved smidde deler. Grensen mellom varmforming og kaldforming (varmbearbeiding og kaldbearbeiding) Vi har nå kort behandlet plastisitetsteorien ved kald- og varmbearbeiding. Før vi går inn på den praktiske bruken av plastisitetsteorien, skal vi se litt på begrepene kaldforming og varmforming. Kaldforming er karakterisert ved at materialet fastner under bearbeidingen. Øker temperaturen, merker vi at fastningen ikke blir så stor fordi det blir en viss avfastning (se avsnittet om rekrystallisasjon). I et bestemt temperaturområde inntrer det likevekt mel­ lom en fastning og en avfastning som følge av bearbeidingen og en avfastning som følge

PLASTISKE BEARBEIDINGSPROSESSER

av en rekrystallisasjon på grunn av oppvarmingen. Denne temperaturen eller temperaturområdet kan vi definere som grensen mellom varmforming og kaldforming. Den mest brukte definisjonen går ut fra rekrystallisasjonsmekanismen. Kaldforming er en tilforming under rekrystallisasjonstemperaturen til metallet, mens varmforming er tilforming over rekrystallisasjonstemperaturen til metallet. Som vi har sett, er rekrystallisasjonen avhengig av flere faktorer. Blant annet er formendringen, temperaturen og omfan­ get avhengig av tiden. Det er derfor ikke mulig å angi en bestemt temperatur som grense mellom varmforming og kaldforming.

Glidelinjer Tilforming av materialer i det plastiske området kommer av gliding inne i materialet. Når flytingen begynner, forskyver materialet seg langs bestemte glideplan. Forskyvnin­ gen som skjer i de enkelte krystallene, forplanter seg ut til overflaten og blir synlig som glidelinjer eller flytlinjer. Glidelinjene samler seg i glidelinjefelter. De kan gi svært ver­ difulle opplysninger om hvor på materialet den makroskopiske flytingen starter, og hvordan den forløper. Dette er svært viktig når vi skal formgi verktøy for de forskjellige plastiske tilformingsprosessene.

Flytespenning, formendringsfasthet kf Ved beregning av konstruksjoner legger vi oftest flytegrensen til grunn. Flytegrenseverdiene er vanligvis funnet ved strekkforsøk. Ved slike forsøk regner en ut spenningen på grunnlag av opprinnelig tverrsnitt. Ved plastisk forming må spenningen i tilformingssonen være høyere enn flytegrensen. Ved plastisk forming er det derfor vanlig å beregne spenningen ut fra det virkelige arealet. Denne spenningen,

kaller vi flytespenning eller formendringsfasthet i området for plastisk flytning. Her er F = formendringskraften A = arealet som deltar i formendringen Flytespenningen blir for det meste oppgitt som funksjon av formendringsgraden (p: £/ = /( 0,5 s, ved middels harde materialer > 2 s og ved harde materialer > 4,5 s. For at det skal bli en varig formendring, må bøyeradien ligge innenfor grensene r; min og r, maks. Blir bøyeradien mindre enn den minste bøyeradien for et materiale, fører det til at bruddgrensen blir overskredet og materialet får sprekker. Passerer vi den største bøyeradien, blir ikke flytegrensen overskredet, og materialet fjærer tilbake igjen. Den største tillatte bøyeradien q maks kan vi sette til

i maks

Es 2 • Re

der E = elastisitetsmodul Re= flytegrense

Den minste tillatte bøyeradien kan vi sette til

r. — s-c i min c kan vi finne i tabell. Bøyekraft

Den kraften som er nødvendig ved vinkelbøying (luftbøying), er avhengig av strekkfastheten, Rm, og tykkelsen til materialet og av verktøyutforming. Avstanden a i bøyeplaten

103

Dybden (t) i bøyeplaten (undersenken) blir utført i henhold til praktiske erfaringer, slik at

t = 10 s for s inntil 0,5 mm t = 8 s for s inntil 1,0 mm t = 6 s for s over 1,0 mm

Ved bøying i senke må det til en bøyekraft opp til 2-3 F^. Målnøyaktighet og toleranser ved bøying Det største problemet i forbindelse med bøying er målnøyaktigheten. Selv om bøyingen foregår i form (senke), kan det være vanskelig å holde trange målegrenser dersom detal­ jen har flere bøyinger. Da må vi enten lage et spesialverktøy eller undersøke om profilet kan framstilles lettere og billigere ved andre metoder, for eksempel ved ekstrudering eller profilrulling.

Kostnader ved bøying

Kostnadene ved bøying har å gjøre med en rekke faktorer. Verktøykostnadene er størst, og blant annet disse faktorene spiller inn: materialkvalitet, seriestørrelse, produksjonsvo­ lum, størrelse og form på detaljen, målnøyaktighet, toleranse og overflateruhet. Etterbehandling ved bøying Ved bøying i kald tilstand blir det en fastning av materialet. Duktiliteten i tilformingssonen synker, og det kan være fare for brudd. Dersom detaljene blir utsatt for mekanisk påkjenning, kan det ofte være nødvendig å gløde ut tilformingssonen ved en rekrystalliserende gløding eller ved spenningsgløding. Vi bruker den sistnevnte metoden dersom rekrystalliserende gløding gir kornvekst (aktuelt for stål med lavt karboninnhold og liten formendring), eller dersom vi ønsker å beholde en viss stivhet i detaljen.

Kantb øyemaski ner I industrien bruker en alle typer bøyeverktøy. Det enkleste er den hånddrevne kantbøyemaskinen. I stedet for bøyevange kan vi bruke bøyevalse, se figur 2.49 b. Større kantpresser blir bare bygd som hydraulisk drevne presser. Disse maskinene er sikkerhetsmessig bedre enn de tidligere mekaniske pressene. Det er lett å regulere dem slik at stempelet har stor hastighet til det berører platen, og deretter blir det koblet over til lavere hastighet. Når stempelet er kommet ned til det slaget som er innstilt, vender det og går i ilgang tilbake til øvre stilling. Hele arbeidsoperasjonen kan programstyres (NC-styres). Ved hjelp av vinkelsensor kan vi måle knekkvinkelen kontinuerlig under prosessen. Raskt verktøybytte og rask innstillingsmulighet sikrer en økonomisk tilvirk-

MATERIALOMFORMENDE PROSESSER

Spiss-skmne

Vinkelskmne

..1'å

Rundskmne

b) Beyevalse a) Bpytvangt

Figur 2.49 Ulike former for bøyeverktøy.

Figur 2.50 Diverse bøyemuligheter som kan utføres i en kantpresse.

-Bdytvange

Bdyeskmne

- Undervange

Figur 2.51 Omleggsbøying. Prinsippskisse og eksempler.

ning også for små serier. Muligheten for å framstille kantbøyde profiler og formnøyaktigheten er avhengig av fasthetsegenskapene til materialet, egenskapene til arbeidsmaskinen og formen og arbeidsmåten til verktøyet.

Omleggsbøying Omleggsbøying er en prosess som vi ofte bruker i forbindelse med falsing som sammenføyningsmetode. Se figur 2.51.

PLASTISKE BEARBEIDINGSPROSESSER

105 '

'

Krølling (rullestansing) Krølling kan utføres på forskjellige måter. Fi­ gur 2.52 viser en metode som er mye brukt.

Preging

Metoder ved preging

Hulpregingev en pregemetode der platetykkelsen ikke blir endret, mens ved massivpreging (også kalt kompaktpreging) endrer emnetykkelsen seg, emnet «flyter» og fyller hulformen. Da omformingen ved massivpreging er større enn ved hulpreging, må formgivingen skje ved en lavere hastighet (lav formendringshastighet gir lav formendringsmotstand).

Figur 2.52 Krølling.

Pregekraft

Ved preging har presstempelet svært liten vertikal bevegelse. Slaghøyden er fastlagt for et bestemt produkt. Emnene har alltid en viss tykkelsestoleranse (tilvirkningstoleranse). På grunn av dette varierer stukegraden (p^ for de forskjellige detaljene, og dermed vari­ erer også den tilformingskraften som er nødvendig. Ved preging av stål, særlig legerte stål, må vi bruke større krefter enn for lettmetallog kobberlegeringer. Pregingen krever kraftige maskiner, og som eksempel kan vi nevne at preging av spisebestikk i rustfritt stål krever et spesifikt pregetrykk på 2 000-3 000 Mpa. For nysølv ligger pregetrykket på 1 500-2 000 Mpa og for kobber, gull og sølv på 1 000-1 500 Mpa.

Trekking Definisjon Trekking er en plastisk bearbeidingsmetode. I kald tilstand trekkes kobberformede de­ taljer fra en plate eller fra en detalj som på forhånd er trukket.

Trekkutfø reiser Ved trekking med liten trekkhøyde kan vi bruke enkle trekkverktøy uten påhold. Hvor stor trekkhøyde som er tillatt, er avhengig av trekkdiameteren og platetykkelsen. Når koppdetaljen har en så stor høyde at vi må bruke påhold på platen for å hindre at den krøller seg når den blir tilformet, kaller vi metoden dyptrekking. Figur 2.53 viser prinsippet. Operasjonen blir kalt vrenging eller vendepressingvda en videretrekking skjer på en detalj som på forhånd er trukket. Trekkingen av et sylindrisk hullegeme er vist på figur 2.54. Den sterke indre omformingen som materialet blir utsatt for ved dyptrekking, set-

106

MATERIALOMFORMENDE PROSESSER

Utstøter, mothold

Rondell

lllllllllllllll

Påholderplate Ferdig detalj

Påholderpinne

Figur 2.53 Trekking, dyptrekking.

Figur 2.54 Trekking av et sylindrisk hullegeme.

ter store krav til kvalitet når det gjelder seighet, homogen struktur, feilfri overflate, få eller ingen slagginneslutninger, lunker eller seigringer og isotropi. Tilsnitt Flateinnholdet av utgangsmaterialet, kalt rondell eller platiner, må være større eller lik flateinnholdet av det ferdige produktet. For enkle runde og rettvinklede produkter er be­ regningen av dimensjonene til utgangsmaterialet forholdsvis grei. For mer innviklede produktformer beregner vi i dag den flaten som må til, ved hjelp av datamaskiner (DAK). Trekkoperasjonen kan simuleres og spenningene i de ulike plateavsnittene visu­ aliseres på bildeskjermen. Når det gjelder et sylindrisk produkt med bunn og med høyde h, beregner vi rondellen på denne måten:

PLASTISKE BEARBEIDINGSPROSESSER

107

7

. D n . , ,2 n A =—— = d-7t-h + d • — 4

4

der A = rondellarealet (sylinderkappen + bunn) målt i mm D = rondelldiameteren målt i mm d = diameteren på ferdigtrukket del målt i mm

Av dette kan vi finne diameteren av rondellen:

D = ^d^ + ^dh mm Hvordan platetykkelsen endrer seg under trekkingen Platen under stempelet blir ikke utsatt for så store påkjenninger som den delen av rondellplaten som må omformes til sylinder. Platetykkelsen i bunnen blir derfor omtrent uforandret. Størst påkjenning får platematerialet i overgangen fra bunnen til sylinder­ veggen. Her far vi derfor det kritiske partiet med minst veggtykkelse. Figur 2.55 viser variasjonen i platetykkelse etter trekking. Vi kan nevne at ved kraftig trekking av rustbestandig stål 18/8 kan strukturen i overgangen mellom bunnen og sylindermantelen slå om fra austenittisk til martensittisk, og rustbestandigheten blir da redusert i denne over­ gangssonen.

T rekkforholdet Trekker vi sylindriske hullegemer med forholdsvis lav høyde, kan vi bruke trykkstempel og trekking uten at den sylindriske sideflaten far et skrukkete utseende. Figur 2.56 viser grenseforholdene ved trekking uten påhold.

Figur 2.55 Platetykkelse etter trekking.

Figur 2.56 Grenseforholdene ved trekking uten påhold.

MATERIALOMFORMENDE PROSESSER

Det er mange trekkprodukter vi ikke kan trekke i ett trekk, slik at det blir nødvendig med flere trekktrinn. Hvor langt vi kan gå i ett trekk, er bestemt av trekkforholdet (P). Trekkforholdet er forholdet mellom diameterne før og etter trekkingen, og dette er av­ hengig av platematerialet, utformingen av verktøyet, smøremiddelet, trekkhastigheten osv. Vi kan skrive trekkforholdet slik: _ dn-\

der dn - diameter etter trekking dn_! = diameter før trekking

Trekkforholdet er i gjennomsnitt:

Pl - 1,82 - 1,66 for det første trekket, de inverse verdiene n = 0,55 - 0,6 P2 •••Pn ~ 1,25 — 1,35 for etterfølgende trekk, de inverse verdiene n = 0,8 - 0,74 Trekkforholdet er lavest for det første trekket fordi omformingsgraden er størst for plan rondell (Do) til hullegeme (d j). Tallene for trekkforholdet P kan variere litt for ulike ma­ terialer. Jo større vi velger trekkforholdet fl _. ^0 _ dn-\

dy

dn

desto større blir trekkraften Ft. Denne kraften blir overført gjennom materialet. Over­ skrider trekkforholdet en grenseverdi Pmaks, blir materialpåkjenningen for stor, og bun­ nen blir trykt ut. Skjer dette under trekkingen, kommer bruddet i rundingen mellom bunnen og skjørtet. Spenningene kan imidlertid utløses ved lagring eller transport, og bruddet kan da komme i overgangen eller litt opp på sylinderveggen. Krever dyptrekkingen mange operasjoner, kan materialet bli skjørt, og vi må da mellomgløde (rekrystallisere) det før det kan bli videre trekking. Det er viktig at denne glø­ dingen foregår ved riktig temperatur. Forholdene bør derfor velges slik at vi får en ønsket kornstørrelse før neste trekk finner sted. Er kornstørrelsen altfor stor, kan bruddgrensen nås for tidlig. Er den for liten, blir materialet seigt, og det trengs store stempelkrefter for videre tilforming. Platematerialet bør heller ikke ha en ordnet tekstur. I så fall får produktet «ører» øverst på kanten. Disse ørene må vi klippe av, og de er derfor et materialtap. For enkelte materialer kan det også være aktuelt å anløpe delene etter sluttrekkingen for å fjerne in­ dre spenninger. Det gjelder særlig for messing med høyt sinkinnhold, som har en ten­ dens til spenningskorrosjon dersom materialet har indre spenninger.

PLASTISKE BEARBEIDINGSPROSESSER

Eksempel: Av en dyptrekkplate skal det trekkes ut et hullegeme som har de dimensjonene som står på figur 2.57. (For å forenkle oppgaven ser vi bort fra tykkelsen.)

a 30

Rondelldiameteren

D = ^30^ + 4-30-60 = 90 mm Diameter etter

1. 2. 3. 4.

trekk d] = 90 • 0,6 = 54 mm trekk d2 = 54 • 0,8 - 43,2 mm trekk d3 = 43,2 ■ 0,8 = 34,56 mm trekk d^ = 34,56 • 0,8 - 27,65 mm

Figur 2.57 Trekking av hullegeme fra dyptrekkplate.

Vi ser at vi må ha fire trekk. Trekkringen på det siste trekket har en diameter på 30 mm. Vi behøver altså ikke å tøye trekkforholdet til yttergrensene, men kan velge et forhold under 0,8 for trekkene 2-4. Påhold Oppgaven til påholdet, eller foldeholderen, er å hindre en foldedannelse når plane flater blir omformet til hullegemer ved trekking. Utformingen av verktøy og foldeholdetrykk må være riktig. Således må trekkradien rj og den innvendige kantradien ikke være for store, for da slipper platen for tidlig. Påholdstrykket må ikke være for stort, for da blir friksjonen mellom verktøyet og platematerialet for stort, overflaten blir ru og kan bli slitt i stykker. Trykket må heller ikke være for lite, for da kommer platematerialet til å slå folder på tross av påholdsringen. Trykkflaten på påholdet må være helt plan, den kan være hardforkrommet og polert. Den trekkraften (trekkstempelkraften) som må til for å få trukket en koppformet detalj, kan vi til­ nærmet sette:

Fst = 71- d s-

•ln/?i

In /h = In—0d-i

Figur 2.58 Påhold.

Figuren viser hva symbolene står for.

MATERIALOMFORMENDE PROSESSER

Tilformingsgraden T]p ~ 0,5-0,65. Setter vi T|p = 0,628, kan vi skrive formelen slik: 2^=5 ^-5

-In

Feil ved dyptrekking

Ved dyptrekking kan det oppstå feil, og de kan ha mange årsaker. Har påholdet vært for høyt, kan vi fa sterke spenninger i den delen som sist forlater trekkverktøyet. Resultatet blir kantsprekker. Har påholdet vært for lite, kan vi få en bølgeformet kant, en såkalt øredannelse. Vi kan dessuten fa et produkt med en slags appelsinoverflate dersom plate­ materialet er for grovkornet. Materialvalg for dyptrekking Materialer for dyptrekking bør ha et utpreget plastisk område mellom flytegrensen og strekkfasthetsgrensen til materialet. De vanligste materialene for dyptrekking er

— — — — —

C-fattige stålplater C-fattige stålbånd austenittisk (Cr/Ni) stål ferrittisk (Cr) stål kobber, aluminium og Cu- og Al-legeringer

I tillegg til strekkfastheten (flytekurveforholdet) til materialet virker kornstørrelsen, teksturen, renheten og overflatebeskaffenheten inn på dyptrekksegenskapene. Jo finere og jevnere kornstørrelsen er, desto bedre er trekkegenskapene. Er kornene for store, kan re­ sultatet bli at detaljen får en ru overflate, en slags appelsinoverflate. Det kommer av at hvert korn snur og vrir seg under tilformingsprosessen, og dermed blir den plane over­ flaten brutt. En for ru overflate gjør også at smørefilmen blir brutt, og det kan bli me­ tallisk friksjon som fører til større slitasje på verktøyet. En ruhet på 4—6 |lm har vist seg som det gunstigste ved trekking av stålplater. Når overflaten er for glatt, har smøremiddelet vanskelig for å holde seg på platen under trekkingen, og det fører til økt friksjon.

Toleranse og overflateruhet For at resultatet skal bli tilfredsstillende, må rimelige krav til toleranser og overflateruhet være oppfylt. Disse forholdene bør vi finne fram til under produksjonskartleggingen. I forrige avsnitt nevnte vi at for stål er en ruhet på 4-6 |Um passelig. Det er viktig å fast­ legge glødebetingelsene under mellomglødeprosessen slik at vi får den kornstørrelsen vi ønsker. Tykkelsestoleransen er også viktig. En for stor variasjon i platetykkelsen fører nemlig til at materialet blir utsatt for en variabel strekkpåkjenning når det blir trukket inn i trekkringen, fordi klaringen mellom stempelet og trekkringen er konstant.

PLASTISKE BEARBEIDINGSPROSESSER

Strekktrekking Ved de prosessene vi har sett på til nå, har en forandring av veggtykkelsen ikke vært til­ siktet. Men produkter kan også framstilles ved en kombinasjon av dyptrekking og strek­ king, og det gjør at veggtykkelsen blir mindre. Den rene strekktrekkingen er en metode for framstilling av deler med enkel form, for eksempel forskjellige typer beskyttelsesdeksel, med forholdsvis rimelig verktøy. Den rene strekktrekkingen er definert som en omforming der materialet bare blir påkjent ved strekk. Det blir brukt til vanlige tynne plater eller blikkstrimler som en legger over et formstempel og fester i begge ender. Deretter blir stempelet trykket inn i platen, som blir strukket over formen og far samme form (figur 2.59).

Figur 2.59 Prinsippene ved strekktrekking.

Trykking Med trykking mener vi vanligvis en omforming av rondeller til hullegemer eller skallformede produkter ved hjelp av en omløpende form og et trykkverktøy. Omformingen kan også skje fra fortrukkede emner hvis de ved videre trykking far en rotasjonsform som av­ viker fra den sylindriske formen, eller hvis veggtykkelsen på det fortrukkede emnet kan tynnes ut ved trykking. Også andre former for trykking forekommer. Trykkingen kan foregå manuelt ved hjelp av en trykkstang (trykkstål) eller et trykkrullverktøy som er fast innspent og manuelt betjent. Sammenlignet med andre konkurrerende me­ toder er verktøyomkostningene vanligvis små. Det gjør at selv om bearbeidingstiden kan være lengre, blir bearbeidingskostnadene lavere. Valget kan for eksempel stå mellom å presse en detalj eller å trykke den. I så fall vil trykkingen være mest økonomisk ved enkeltstykk- eller småserietilvirkning. Trykking er en kaldformingsmetode, og derfor får produktene ved trykking, og særlig ved Figur 2.60 Trykking med trykkverktøy. trykkvalsing, en vesentlig økning av material­ styrken. Videre blir det en svært god overflatefinish.

112

MATERIALOMFORMENDE PROSESSER

Materialer for tilforming ved trykking

Ved tilforming ved trykking kan vi bruke samtlige av de metallene som vi vanligvis bru­ ker i den platebearbeidende industrien. De vanligste materialene som blir brukt til de­ taljer som skal trykkes, er ulegert karbonstål, rustbestandig stål, kobber, messing, sink, nysølv, aluminium, sølv og gull. Trekking og forming med fleksibelt mothold I tillegg til de metodene for materialomforming ved trekking som vi har sett på til nå, finnes det en rekke andre metoder som er karakterisert ved at vi bruker enten et formstempel eller en form(dyne), men ikke begge deler. Slike metoder er gummiputeforming, marforming, hydroforming, hydrodynamisk forming og hydromekanisk forming. Både hydrodynamisk forming og hydrofor­ ming bruker vi blant annet i bilindustrien til å forme store karosserideler og sikkerhets- og Formet arbeidstokke bakakselkomponenter. Hydroforming kan Figur 2.61 Gummiputeforming (t.v.) og skje ved utvendig trykkpåvirkning slik figur hydroforming (t.h ). 2.61 viser, eller ved innvendig høytrykk. Denne metoden bruker vi til å lage hullegemer fra rette eller bøyde røremner av metall. Vi plasserer dem i en verktøyform med inn­ vendige konturer som svarer til den delen vi skal lage. Vi lukker rørendene og setter et flytende medium under hydraulisk trykkraft, opp til 100 000 kN. Vi kan bruke meto­ den på alle de materialene som er vanlige ved tilvirkning med kaldomformingsmetoder. Vi bruker metoden i produksjonen av sykler og til å lage fittings og armatur til biler. Fi­ gur 2.63 viser en Audi kupé med bakakselkomponenter som er laget ved hjelp av inn­ vendig høytrykkomforming. Overflatebehandling i forbindelse med kaldtilforming Overflatebehandlingen er en arbeidsoperasjon som har til oppgave å gi overflaten en slik tilstand at tilformingen kan skje lettere, bedre og hurtigere. Dette gjelder både for arbeidsstykket og for verktøyet. Vi kan dele overflatebehandlingen inn i to grupper:

— overflatebehandling som skal gi en glatting og en rengjøring, og som altså har en fjer­ nende virkning - overflatebehandling som skal gi et glide- eller beskyttelsessjikt, og som altså har en påførende virkning

PLASTISKE BEARBEIDINGSPROSESSER

113

Figur 2.62 Hydromekanisk forming. a b c d e

Trekkstempel. Påhold. Planteemner. Trykkrom. Pakning.

g h i k m

Vannbeholder. Trekkring. Pumpe. Trykkventil. Tilbakeløpsventil.

Figur 2.63 Audi kupé med bakakselkomponenter som er Laget ved hjelp av innvendig høytrykkomforming. Foto: Audi.

MATERIALOMFORMENDE PROSESSER

1 det første tilfellet har vi rengjøring og avfetting, beising, sliping, ståling osv. I det andre tilfellet har vi påføring av smøremidler, lakkering, plastovertrekk osv. Generelt kan vi si at kravene til overflatebehandling stiger med økende omformingsgrad.

Høyenergiforming Enhver omforming (sponløs eller sponende) fra råprodukt til ferdigprodukt krever en viss mengde energi. I de fleste tilfellene blir denne energien tilført som kinetisk energi. Den disponible kinetiske energien er direkte proporsjonal med massen som er i bevegel­ se, og med kvadratet av den hastigheten massen har. Energien kan altså økes ved at enten massen eller hastigheten øker, men en økning av hastigheten gir størst effekt. Ved kon­ vensjonelle tilvirkningsmetoder er den tilførte energimengden oftest temmelig beskje­ den, først og fremst på grunn av liten hastighet. Blant de spesielle tilvirkningsmetodene som går under betegnelsen høyenergiforming, finner vi eksplosjonsomforming med gassformige eller flytende overføringsmedier og elektromagnetisk forming. Eksplosiver for høyenergiforming Eksplosivene blir levert i kuleform og i sylindrisk (tråd), kantet, spiss og plateformet form. Vi velger eksplosivform etter den formen gjenstanden skal ha. Velger vi kuleformet eksplosiv, brer sjokkfronten seg kuleformer utover. Velger vi en plan form, såkalt sprengfolie, far vi en plan sjokkfront, og på den måten kan sprengvirkningen begrenses til et ønsket parti av overflaten. Plastiske eksplosiver som kan knas, blir mer og mer brukt. Grunnen er at det er lett å gi dem den formen vi ønsker. Eksplosjonseffekten kan også økes og rettes inn ved hjelp av en akustisk reflektor som er innebygd i verktøyet.

Verktøy for høyenergiforming

For verktøymateriale gjelder de samme reglene som ved de konvensjonelle formingsmetodene. Vanligvis er utformingene enklere. I motsetning til konvensjonell forming man­ gler oftest oververktøyet (stempelet). For underverktøyet, matrisen, bruker vi vanlig verktøystål. Verktøyet kan utstyres med utvekselbare innsatser. Ved store arbeidsstykker kan vi bruke betong eller betong som er kledd med glassfiberarmert plast. Vi kan også bruke hardtre, hardgummi eller støpeharpiks, for eksempel araldit. Det siste nye er å bruke is. Effekten ved høyenergiforming 2 kg heksogen eksplosivstoff gir en sjokkbølgeeffekt på 1013 J/s. Vi kan øke effekten ved

å bruke mer eksplosivstoff. Sammenlignet med store presser som har en kontinuerlig ef­ fekt på 105 J/s, har altså sjokkfronten en momentan effekt som er hundre millioner gan­

ger større.

PLASTISKE BEARBEIDINGSPROSESSER

Figur 2.64 Verktøy og ferdig produkt med vann som overføringsmedium.

Energi for forming

Ved den kjemiske prosessen under detoneringen går 50 % av energien tapt, slik at bare 50 % blir overført til sjokkbølgen. Er eksplosivstoffet kuleformet, brer sjokkbølgen seg kuleformer utover. Dersom verktøyet ikke er utstyrt med reflektor, kommer bare en brøkdel av energien til å treffe arbeidsstykket. Av denne energien igjen blir bare en del omsatt til bevegelsesenergi (omformingsenergi). En undersøkelse viste at bare 34 % av energien ble overført til omformende kinetisk energi. Det gir en ugunstig virkningsgrad, men da prisen per kilogram eksplosivstoff er svært lav, spiller virkningsgraden ved eksplosjonsforming liten rolle. Forming med magnetiske krefter I motsetning til de høyhastighetsmetodene vi har nevnt foran, der omformingen foregår på grunn av en trykkbølge, oppstår det ved magnetforming et tilstrekkelig høyt trykk inne i selve materialet. Metoden er basert på at når vi sender strøm gjennom en spole, omgir den seg med et magnetfelt. Dersom vi setter et leden­ de sylindrisk materiale inn i spolen, for eksem­ pel et rør, forstyrrer vi det jevne kraftlinjeforløpet. Kraftlinjen må nå presses inn i spalten mellom spolen og den ledende sylinderen. Det oppstår en kraft som er radialt rettet innover mot sylinderaksen. Dersom denne radialkraften blir så stor at flytegrensen til rørmaterialet blir overskredet, blir røret trykt (stuket) sammen, og diameteren avtar.

Omforming av flatt plattemntr

Figur 2.65 Eksempler på elektromagnetisk forming.

MATERIALOMFORMENDE PROSESSER

For å få konsentrert den magnetiske energien og det rette trykket på bestemte punk­ ter, slik at arbeidsstykket far den formen vi ønsker, bruker vi såkalte feltformere som kon­ sentrerer det magnetiske feltet. Metoden kan brukes ved ekspandering, sikking, preging osv. En del eksempler er vist på figur 2.65.

Oppgaver til kapittel 2 1 Ved plastisk bearbeiding av emner får emnene en formforandring. Nevn eksempler på plastiske bearbeidingsprosesser. 2 Hvilke forandringer av egenskapene får vi som følge av en plastisk bearbeiding i kald tilstand? 3 Hva er grunnen til at vi gjennom en kaldbearbeiding med til dels store formforandringer kan gi metallemnene den formen vi ønsker? 4 Hva er grunnen til at materialer som aluminium og kobber er lette å bearbeide og forme, men at materialer som jern og sink er tyngre å bearbeide, og at glass overhodet ikke lar seg bearbeide plastisk ved romtemperatur? 5 På hvilke måter skjer den plastiske formendringen? 6 Hva er årsakene til mekanisk herding (fastning) av materialet når vi bearbeider det i kald tilstand? 7 Hva mener vi med dislokasjon? Gjør kort rede for hvilken betydning dislokasjonene har ved plastisk bearbeiding av metaller. 8 Hva mener vi med metallets kryping (siging)? 9 I forbindelse med plastisk kaldbearbeiding kan det opptre eldning (hardheten øker, og duktiliteten avtar). Gjør kort rede for hvordan eldningen oppstår, og hva den kan føre til. 10 Hva er fiberstruktur? Hvilken betydning har den? Hva kan den føre til ved dyptrek­ king av kaldvalset platemateriale? 11 Ved dyptrekking av detaljer kan det opptre «øredannelser». Det betyr materialtap ved renskjæringen. Hva kommer «øredannelsen» av, og hvordan kan vi unngå den? 12 Kaldbearbeidet materiale er i en labil tilstand. Vi kan fa det tilbake til normal likevektstilstand ved varmebehandling. Hva kaller vi denne varmebehandlingen, og hva resulterer den i? Gi en kort omtale av prosessen. 13 Rekrystallisasjonsprosessen er viktig i metallbehandlingen. Gjør kort rede for de fak­ torene som har innflytelse på prosessen. 14 Hva er varmbearbeiding, og hva er kaldbearbeiding? Forklar kort de to metodene. Hvilke fordeler har de? 15 For å fa en varig plastisk formendring av et metallisk emne må vi bruke en kraft som er så stor at materialets flytegrense overskrides. Hva kaller vi den motstanden og den spenningen som opptrer i materialet ved påvirkning av ytre krefter? Hva er den en funksjon av?

PLASTISKE BEARBEIDINGSPROSESSER

16 Hva forstår vi med smiing, og hvilken innflytelse har smiprosessen på egenskapene til materialet? 17 Hva er friformsmiing? På hvilke områder bruker vi denne metoden? 18 Hva er senkesmiing, og hvilke fordeler gir denne metoden framfor friformsmiing? 19 Hvilke feil kan vi få i forbindelse med smiing? 20 Induktiv oppvarming av smiemner er mye brukt. Hvilke fordeler har denne oppvarmingsmetoden sammenlignet med andre oppvarmingsmetoder? 21 Hva er dekarburisering? Hva er ulempene med dette, og hvordan kan vi delvis unngå det? 22 Hva forstår vi med valsing, og hvordan foregår den? Lag en forklarende skisse. 23 Hva mener vi med reduksjon? Hva er reduksjonen avhengig av? 24 Tegn en skisse som viser valseoperasjonen, og tegn kornenes (krystallenes) form og størrelse før emnet går fra varmegropen og inn i valsestolen, under valsingen og litt etter at emnet har forlatt valsestolen. Forklar hva forandringen kommer av. 25 Forklar hvordan et valseverk er ordnet. Gi en kort beskrivelse av et triovalseverk. Tegn en skisse av anlegget. 26 Hva er et blokkløst valseverk, og hvilke fordeler gir det? 27 På hvilke måter kan vi lage rør? 28 Hvilke hovedtyper av rør har vi? 29 Hvilke metoder bruker vi til å lage rør med søm? 30 Vi kan trekke tråd ned til svært små dimensjoner. Gi en kort beskrivelse av trådtrekking. Lag en skisse av en trekksten. 31 Hvorfor må tråden ofte mellomglødes og eventuelt sluttglødes? 32 Hva går patentering ut på, og hvilket formål har denne prosessen? 33 Hvilke fordeler har framstilling av stenger og profiler ved kaldtrekking? 34 Hvorfor bør vi bruke profilkataloger når vi konstruerer produkter som består av profillister, eller som kan settes sammen av slike? 35 Hva er varmpressing? Nevn kort fordeler og eventuelle begrensninger med metoden. 36 Hva er ekstrudering (strengpressing)? Gi en kort beskrivelse av metoden med skisser. 37 Hva er senkepressing (formpressing, varmpressing)? Gjør kort greie for egenskaper, toleranser og fordeler som tilvirkningsmetode. 38 Gjør kort rede for kaldflytpressing, hydrostatisk flytpressing, reduksjon og kaldstu­ king. Hvilke fordeler har disse metodene? 39 Hvilke fordeler har skruer som er kaldslått (kaldvalset) framfor de som er laget ved sponende bearbeiding (skårne gjenger)? 40 Definer begrepene bøying og bøyeverktøy. 41 Hvilke faktorer har innflytelse på bøyekraften? 42 Hva forstår vi med tilbakefjæring? Hva kommer den av, og hvordan kan vi beregne den? 43 Hva mener vi med trekking, dyptrekking (videretrekking), dyptrekking med vrenging og strekktrekking i forbindelse med produkttilvirkning fra plateemner?

118

OPPGAVER TIL KAPITTEL 2

44 Klaringen mellom trekkstempel og trekkring må ha en bestemt verdi i et gitt tilvirkningsprogram. Hvordan finner vi den riktige klaringen? 45 Dyptrekking definerer vi som omforming av plane flater til hullegemer uten reduk­ sjon av platetykkelsen. Vi vet at dette ikke lykkes helt. Tegn en skisse som viser snitt gjennom en trukket detalj, og vis hvordan veggtykkelsen varierer. 46 Det vi kaller trekkforholdet (forholdet mellom diameteren før og etter trekking), kan vi uttrykke på to måter. Skriv opp begge uttrykkene. 47 Sett opp en oversikt over de faktorene som har innflytelse på dyptrekkforholdet. 48 Forklar kort hvilken betydning radien (rundingen) på kanten av trekkstempelet (overgangen skjørt-bunn) og trekkringkantradien har. 49 Hva er påhold, og hvilken hensikt har det? 50 Påholdskraften må ikke være for stor, men heller ikke for liten. Hva skjer i de to til­ fellene? 51 Gjør kort rede for den arbeidsoperasjonen vi kaller trykking. Nevn eksempler på pro­ dukter som er tilvirket med denne metoden.

52 Vi skal lage en aluminiumkasserolle ved trykking. Kasserollen skal ha en innvendig diameter på 260 mm, en veggtykkelse på 2,5 mm og en bunntykkelse på 100 mm. Utvendig høyde etter operasjonen skal være 150 mm. Finn den rondelldiameteren som trengs for å lage kasserollen helt ferdig. 53 Ved plastisk bearbeiding av metaller i kald tilstand opptrer det friksjon. Gjør kort rede for hva denne friksjonen fører til, og hvilke virkemidler vi har for å avhjelpe de ulempene den fører med seg. 54 Gjør kort rede for de prosessene som benytter seg av eksplosivforming.

PLASTISKE BEARBEIDINGSPROSESSER

KAPITTEL 3

Oppdelende bearbeidingsprosesser Når du har lest dette kapittelet, skal du kunne - vurdere oppdelende prosesser som klipping, gass-, plasma-, vann- og laserskjæring - vurdere og beregne økonomien ved de stykkskjærende arbeidsprosessene

Klipping Klipping er en sponløs deling av plateemner langs en skjærelinje. Vi kan også definere klipping som en stykkskjærende bearbeiding av plateemner mellom to egger som virker mot hverandre. Klippemetoder

Avklipping Vi kaller operasjonen avklippingnår vi klipper emner av en større enhet, når vi deler en­ heten opp i sammenhengende deler, eller når vi foretar avklipp av hjørner på emner. Utklipping

Utklipping er en arbeidsprosess der vi skal bruke det materialet som vi klipper (stanser) ut. Det resterende materialet er avfall (skrot). Skjærelinjen danner en sluttet linje.

Hulling

Hulling\Ae tidligere kalt lokking og er en arbeidsoperasjon der det materialet vi klipper ut, kan ha vilkårlig form og går som avfall. Når det er fjernet, har vi fatt det emnet eller den produktdetaljen vi ønsker.

KLIPPING

Sporklipping

Dette er klipping av spor med vilkårlig form og som ikke danner en sluttet linje. Sporklippingen skjer fra kanten av emnet. Det utklipte partiet er avfall. Renklipping (beskjæring) Når hensikten er å fjerne overflødig materiale etter forutgående prosesser, for eksempel trekking, kaller vi arbeidsoperasjonen renklipping.

Slissklipping Dette er klipping av sliss i et emne, for eksempel friklipping av et parti som skal bøyes. Gradklipping

Vi skal senere se at klippkanten aldri blir helt jevn. Etterarbeid med et emne for å oppnå en vinkelrett, bruddfri og glatt klippeflate kan skje ved gradklipping. Ved denne opera­ sjonen er det mulig å holde fine måltoleranser.

Figur 3.1 a Avklipping. b Utklipping. c Hulling (Lokking), d Sporklipping. e Renklipping. f Slissklipping.

OPPDELENDE BEARBEIDINGSPROSESSER

121

Figur 3.2 Skjærsnitt.

Finklipping (finsnitt) Med en spesiell metode som vi kaller finklipping, er det mulig å oppnå en perfekt klippeflate med fine toleranser i den samme operasjonen som utklippingen. Vi skal se på denne metoden senere.

Skjæreprosessen Klipping er en tilvirkningsprosess som er mye brukt i den platearbeidende industrien. Fel­ les for alle klippeoperasjonene er at det materialet vi skal bearbeide, blir skåret eller klippet mellom to egger som virker mot hverandre i en saks eller i et skjærsnitt. Se figur 3.2. Klippeflaten

Ser vi på klippeflaten for ulike materialer, viser det seg at den varierer med platemateri­ alet. For vanlig stål er den ikke helt slett, men lager en slags S-kurve. Under klippingen opptrer det en kombinasjon av vanlig skyvkraft og et avskjæringsmoment. Figur 3.3 viser klippeflaten i stål og i kobber. Når knivene presser mot stålplaten, blir det først en elastisk sammentrykking av materialet under eggen. Det for­ søker å unnvike til sidene. Deretter blir det en plastisk deformasjon. Materialet begynner å flyte etter bestemte glideplan. Skjæringen begynner, og det gjenværende materialarealet avtar og blir til slutt så lite at bruddgrensen for materialet overskrides. Da blir det brudd med en bruddsone. Klipper vi over et kobberstykke, får vi en litt annen klippeflate. Kobber har mindre deformasjonsmotstand enn stål, og derfor blir deformasjonsflaten tilsvarende større. Skjæreflaten er også større enn for stål.

KLIPPING

Figur 3.3 KLippefLaten i stål og i kobber.

Klippekraften Skjærfastheten (skjærstyrken), ks, er et uttrykk for størrelsen på den motstanden et ma­ teriale yter mot avskjæring (klipping). Når vi skal beregne den kraften som er nødvendig for å klippe av et materiale, må vi kjenne skjærfastheten til materialet. Den varierer med materialtypene, slik tabell 3.1 viser. Sammenhengen mellom skjærfastheten og strekkfastheten kan vi uttrykke slik:

ks ~ 0,8 ■ Rm der Rm = skjærfastheten målt i Mpa

Den nødvendige klippekraften er avhengig av flere faktorer, blant andre lengden av og formen på skjærelinjen, platetykkelsen, skjærfastheten til materialet, hvor skarpe skjære­ ne er, størrelsen på skjærspalten (snittklaringen), smøringen og verktøyutformingen. Den innflytelsen disse faktorene har på skjærkraften, kan vanskelig fastlegges med tall. Den kraften som er nødvendig for å gjennomføre klippeoperasjonen, kan vi tilnær­ met sette lik: /y ~l•s• Ts

der 1 = skjæringens lengde i mm s = emnetykkelsen i mm Ts = skjærspenningen

$ — k$ • ■ 0,8 *

OPPDELENDE BEARBEIDINGSPROSESSER

in

Tabell 3.1 Skjærfastheten og strekkfastheten for ulike materialtyper. Skjærfasthet Materiale

Strekkfasthet Rin Mpa (N/mm2)

ks Mpa (N/mm2) mykt

mykt

hardt

hardt

Bly

20-30

-

25^40

-

Tinn

30-40

-

40-50

-

70-110

130-160

80-120

170-220

Al-Cu-Mg

220

380

280

480

Al-Mg 5

190

240

240

320

Sink

120

200

150

250

Kobber

180-220

250-300

220-280

300-400

Messing

220-300

350-400

280-350

400-600

Bronse, valset

320-400

400-600

400-500

500-750

Nysølv

280-360

450-460

350-450

550-700

Stålplate for stansing

450-500

550-600

-

600-700

Stål m/0,1 %C

250

320

320

400

Stål m/0,2 % C

320

400

400

500

Stål m/0,3 % C

360

480

450

600

Stål m/0,4 % C

450

560

560

720

Stål m/0,6 % C

560

720

720

900

Stål m/0,8 % C

720

900

900

1100

Stål m/1,5 %C

800

1050

1000

1300

Stålplate, rustbestandig, austenittisk

450

600

500-700

-

Stålplate, rustbestandig, ferrittisk

400

550

450-650

-

Hardpapir

-

70-90

-

-

Lær

-

7

-

-

Hardgummi

-

20-60

-

-

Aluminium 99,5

De kreftene som må til for å klippe over en plate, er avhengige av hvordan skjærene er formet, og om de er parallelle eller skråstilte. Et eksempel viser dette: a Parallelle skjær En stålplate med kvalitet St.37 og med strekkfasthet 400 Mpa skal klippes i en større platesaks. Platen er 2 mm tykk og 1,5 m bred. Den klippekraften som må til, er da:

7^=^ ^ = 400 1500-2 = 1200000 N

124 k "

KLIPPING : -

der A = klippearealet Vi ser at vi trenger store krefter til avskjæringen. Skjærene blir slitt etter hvert, og vi må også regne med friksjonstap. Dermed blir den nødvendige klippekraften opp til 1,6 gan­ ger den beregnede klippekraften. Vanligvis regner vi med et tillegg på ca. 20 %. Da blir den klippekraften som skal til, slik:

20 Æ=1,2W + — 1,2 MN = XM MN s 100 b Skrått skjær Når vi gjør det momentane skjærearealet mindre, avtar klippekraften. Det kan vi gjøre ved å gi øvre eller nedre del av saksen (klippeverktøyet) skråstilt skjær, slik figur 3.4 viser. Saksen skjærer nå platen suksessivt. Regner vi i eksempelet foran med skrått skjær (10°), blir Fs - 4 550 N. Det er bety­ delig mindre enn ved klipping med rette, parallelle skjær. Men skjærelinjen blir lengre, og den avklipte strimmelen blir bøyd. Klippekraften er først og fremst avhengig av materialet vi skal bearbeide. Den nød­ vendige kraften er generelt:

Fs=ks-A N For klipping med rette skjær og for verktøy som skjærer etter en lukket linje, kan vi sette A = 1. s, der 1 er lengden på skjærelinjen. For sirkulær klipping kan vi sette klippekraften slik: Fs = ks • d -71 -s N

der d = sirkelens diameter i mm ks = vist i tabell 3.1 Når eggen blir slitt, nærmer skjærspenningen (Ts) eller skjærfastheten (ks) seg verdien for strekkfastheten (Rm) til materialet. Klippearbeidet kan vi sette lik:

W = xFs-hsW~3 Nm eller J

Figur 3.4 Saks med skrått skjær.

OPPDELENDE BEARBEIDINGSPROSESSER

125

s

der x = en konstant som blant annet er avhengig av platematerialet og verktøyutformingen, vanlig­ vis angitt som 0,4—0,75 Fs = klippekraften i N hs = klippeveien i mm. For rette, parallelle skjær er hs lik s. For skrå skjær blir hs større, 2,0-2,5 s.

Eksempel: I en 1,0 mm tykk messingplate skal vi klippe ut en detalj som er vist på figur 3.5. Den spesifikke skjærkraften er satt til 300 Mpa. Beregn nød­ vendig klippekraft og klippearbeid.

Figur 3.5 Formen på en utklippet messingplate.

Klippekraft: Fs - 1 • s ■ ks Skjærlinjens lengde 1 er utregnet til 200 mm. Fs = 200 • 1,0 • 300 N = 60 • 103N Klippearbeid: W = 0,5 • 60 • 103 • 1,0 • 10-3 Nm = 30 Nm

Verktøyutforming Skjærevinlder Det enkleste klippeverktøyet er rette sakser. Skjæret er slipt til visse skjærevinlder, se fi­ gur 3.2. Jo mindre eggvinkelen er, desto mindre blir klippekraften. Men for at eggen skal stå imot store krefter, ligger eggvinklene mellom 89° og 90°. Figur 3.6 viser et rett, åpent klippeverktøy for en platesaks brukt i en presse. Påholdet hindrer at platen blir bøyd opp. Dersom den avklipte delen ikke blir understøttet, blir den bøyd noe ned, avhengig av platetykkelsen og materialegenskapene.

Klippespalte (snittklaring)

Klippestempelet må ha en viss klaring i forhold til klippeplaten, se figur 3.7. Klaringen sr er svært viktig fordi den har innflytelse på klippekraften og klippearbeidet, levetiden til verktøyet, mål- og formtoleransene på produktet og utseendet (kvaliteten) til klippeflaten. Med minkende klaring øker klippekraften Fs, og det blir en større grad på det utstansede produktet. Verktøyslitasjen øker også. Vi må alltid prøve å oppnå en optimal kla­ ring ut fra det kriteriet - produktkvalitet, klippearbeid, verktøylevetid osv. - som er vik­ tigst i det aktuelle tilfellet. Figur 3.8 viser de korrekte faguttrykkene i forbindelse med klipping i plate. Vi kan velge klippespalten sr enten slik at kvaliteten på skjærkanten blir best mulig, eller slik at klippekraften og klippearbeidet blir minst mulig. Det har vært gjort mange forsøk på å finne en enkel formel som med en konstant tar hensyn til de mange variablene som inngår i en klippeoperasjon.

1 ICO

KLIPPING

$

Figur 3.7 Klippestempelets klaring i klippeplaten.

Klippe stempel Klippe spalte K lippe plate

Verkt dy

Detalj Blanksone Bruddsone Klippegrad

Gradkant Gradside

Vankant

Gradkant

Klippegrad

Bruddsone Blanksone.

Slippvinkel

Vankant

Figur 3.8 Klippeterminologi

Når klippestempelet trenger inn i materialet, oppstår det en horisontal trykkraft H, se figur 3.9. Normalkraften (vertikalkraften) kaller vi V, mens resultantkraften er R. Ved relativt stor klaring mellom stempelet og klippeplaten blir R rettet mot klippeplateeggen, og fra den går det også ut en resultant som er rettet på skrå oppover. På den måten går klippearbeidet lettere. Men stor klaring gir ujevnt, konisk snitt og ofte brede brudd­ soner. Gjør vi den radiale klaringen mindre, møtes ikke resultantene, klippekraften øker, og materialet rundt hullet blir komprimert og sprøtt. Det kan også oppstå sprekker og brudd.

OPPDELENDE BEARBEIDINGSPROSESSER

Figur 3.9 Horisontal trykkraft ved klipping.

Figur 3.10 Vi utformer klippeplaten med et slipp for å gjøre friksjonen mindre.

Hulldimensjon Under klippeoperasjonen skyver horisontalkraften materialet elastisk utover. Men etter at klippestempelet har gått gjennom platen, fjærer materialet tilbake og klemmer rundt stempelet. Derfor må vi bruke en avstryker, og avstrykerkraften regner vi til ca. 1/10 Fs. Det hullet som blir dannet, blir som følge av tilbakefjæringen 1—2,5 % av platetykkelsen s mindre enn stempeldiameteren. Skal vi lokke et hull på 10,00 mm, må stempe­ let være minst 10,00 + 0,01 • s mm. Når vi skyver den utlokkede delen ned i klippe­ platen, utvider den seg, og for å minske friksjonskraften former vi klippeplaten med et konisk hull med slippvinkel på 0,5°—1,5°. Se figur 3.10.

Verktøyslitasje og graddannelse Slitasje på verktøyet fører til at det etter en viss tid blir dannet en grad på produktet. Hvis dette ikke er akseptabelt, må vi fjerne graden, og det koster penger. Hvor fort stempelet slites og gir grad på produktene, er avhengig av en rekke faktorer, blant annet snittklaringen. For å øke levetiden til verktøyet kan vi overflatebehandle det, enten ved hardforkromming eller med et overflatebelegg av titankarbid (TiC), titannitrid (TiN) eller lig­ nende.

Forholdet mellom hulldiameteren og platetykkelsen Vi har tidligere nevnt at vi vanligvis setter materialets skjærfasthet til ca. 80 % av strekkfastheten. For lange og trange hull kan skjærmotstanden bli så stor at det kan være fare for klippestempelbrudd.

128

KLIPPING

Finklipping

For vanlige klippeoperasjoner består snittflaten av en glatt og en ru del (bruddso­ nen). For enkelte formål, særlig i finmekanikken, er det ønskelig at hele snittflaten er glatt. Det er utviklet meto­ der, såkalt finklipping, som gir en snittFigur 3.11 Finsnitt ved påhold med ringformet egg. Påhold med ringformet egg flate uten bruddsone og med liten ruhet. blir trykt ned i platen (t.v.). Klippeoperasjon Men ved finklipping stiller vi større krav (t.h). til materialkvaliteten enn ved konvensjo­ a Stempel. nell klipping. For finsnitt (figur 3.11) b Påhold med ringformet egg. c Egg. bruker vi materialer med høy formingsevd Plate. ne, som ulegerte stål, austenittiske rustbee Mothold. standige stål, kobber, messing med mer f Snittplate (dyne). enn 67 % Cu, aluminium og legeringer av aluminium. I tillegg til fordelen med glatt snittflate og stor form- og målnøyaktighet gir finklippingen færre arbeidsoperasjoner enn konvensjonell klipping, og det gir høy timeproduksjon. På minussiden må vi nevne at metoden krever stor klippekraft, og det fører til stor påkjenning på verktøy og presse. Materialforbruket er større enn for vanlig klipping, og finklipping er bare brukbar for tynnplater og for materialer med god kaldformbarhet. Utforming av detaljene. Beregning av økonomisk båndbredde og steglengde Ved utformingen av detaljer som vi skal klippe ut, må vi prøve å finne den gunstigste løsningen. Vi må se funksjonen, verktøyet, tilvirkningssystemet og materialutnyttelsen i sammenheng.

Alle detaljene har en funksjon. Ved utformingen bør vi ta hensyn til styrken, som blant annet er avhengig av materialet og legeringskomponentene og hvordan delen er klipt ut i forhold til platens valseretning. Vi setter ikke overflatekravene høyere enn at funksjonen er oppfylt. Det samme gjelder nøyaktigheten. En verktøyriktig utforming innebærer at detalj og verktøy er tilpasset hverandre, og at verktøyet har den riktige kva­ liteten for operasjonen. Jo enklere detaljen er, desto billigere blir verktøyet. Valget av verktøymateriale er avhengig av det antallet vi skal klippe ut, og av materialet i detaljen. Jo høyere spesifikk skjærkraft et materiale har, og jo flere detaljer vi skal til­ virke, desto bedre må verktøymaterialet være. Når det gjelder tilvirkningsriktig utforming, må detaljene være utformet slik at tilvirk­ ningen kan skje med så fa arbeidsoperasjoner som mulig. Materialet vi skal bruke, må ha god formingsevne, for eksempel slik at vi kan slippe eventuelle mellomglødinger, og slik at tilformingskreftene blir små. Små og enkle maskiner og fa arbeidsoperasjoner sen­ ker lønnsutgiftene. Stegbredden og kantbredden (se neste avsnitt) må minst være lik platetykkelsen. Den minste hulldiameteren vi kan lage med rimelig kvalitet, er vist i tabell

OPPDELENDE BEARBEIDINGSPROSESSER

Tabell 3.2 Minste hulldiameter. Materiale

Vanlig hulling

Hulling med raskt stempel

Rund

Rektangulær

Rund

Rektangulær

Stål > 700 N/mm2

1,3 • s

1,0 • s

0,5 • s

0,4 • s

Stål < 700 N/mm2

1,0 • s

0,7 • s

0,35 • s

0,3 • s

3.2. Vi må unngå skarpe overganger. Radien bør være større enn halve platetykkelsen. Særlig når verktøyet blir slitt, blir produktkvaliteten fort dårlig dersom detaljen har skar­ pe hjørner. Materialutnyttelsen er viktig. Ved enhver utklipping fra plate eller bånd blir det en materialrest. For at klippingen skal kunne konkurrere med andre materialfraskillende prosesser, må vi oftest ha svært store serier. Jo større seriene er, desto mer avfall blir det. Dette kan i mange tilfeller representere store summer. Derfor bør det være et nært sam­ arbeid mellom verkstedingeniøren (planleggeren) og produktutvikleren/konstruktøren for å finne fram til utforminger som utnytter platematerialet best mulig. Dersom vi reg­ ner ut flateinnholdet av de produktene som er klipt ut, og dividerer det med det samlede arealet av båndet eller platen, far vi utnyttelsesgraden. Det finnes en rekke formler for å beregne båndbredder og stykkantall per bånd. Et par eksempler på beregninger er vist ved hjelp av figur 3.12.

Figur 3.12 Plateutnyttelse.

KLIPPING

For at restmaterialet skal henge sammen, og for at produktet skal bli gradfritt og helt, må vi ha en viss avstand (b) ut til båndkanten (platekanten) og mellom produktene. Den kan vi sette til: b - 0,4 • s + 0,6 mm der s er båndtykkelsen (platetykkelsen) i millimeter. For sirkulære klippeverktøy eller klippeverktøy som kan innskrives i en sirkel, gjelder for båndbredde ved enrader (se figur 3.12): B = D + 2 • b (forutsatt at a = b) Lengden per bånd (strimmel) kan vi sette lik: L=D + 2 • b + (Z - 1) • x, eller antall stykk per platestrimmel:

Å-(D + 2A) I

1

X

Med torader blir platen bedre utnyttet, se figur 3.12. Dersom vi legger to platebånd, som hver er 44 mm brede, ved siden av hverandre, kan vi spare en bredde b dersom vi legger to rader på ett bånd med 86 mm bredde. Vi kan spare enda mer når vi plasserer detaljene slik figuren nederst til høyre viser. Besparelsen blir da 10 % i forhold til tilfellet på figuren nederst til venstre. Båndbredden blir:

2D B = h +-----+ 2b

h = (D + b)‘$in60°

B = 1,8-D + 2,8- b

Antall per bånd ved torader blir:

A er tapstillegg. På figuren nederst til høyre vil vi øverst i venstre og høyre hjørne tape D/2 + b.

A = D + 2b ved torader med Ot = 60°

Skal vi stanse eller klippe ut fra en platestrimmel med gitt bredde, får vi ved forskjøvet torader og ved Ot < 60°: Z = -(Z-2)-x + A 2

Z = ~--2 + 2 x

OPPDELENDE BEARBEIDINGSPROSESSER

x = 2^(D + b)2 - h2

20.

76

Figur 3.13 Eksempler på plateutnyttelse. Drosselblikk: a L-blikk alene 15.38 cm2/stk b F-blikk alene 24,32 cm2/stk c F- og L-blikk 32,32 cm2/par d Dobbeltkombinasjon. F-blikk og L-blikk 29,22 cm2/par Besparelse (15,38 + 24,32) 29,22 = 10,48 cm2/par

tI^Z^I

+ cos

Figur 3.14 Eksempler på plateutnyttelse. a 25 cm2/stk b 21,88 cm2/stk c 15,92 cm2/stk Besparelse: 25,00 - 15,92 = 9,08 cm2/stk

a) + D + —

Bruker vi verktøy uten styring, kan vi snu båndet og kjøre neste rad tilbake. I plateføringssnitt lar dette seg ikke gjøre, og da må platematerialet passere verktøyet to ganger, eller vi må konstruere verktøy som kan ta begge radene samtidig. Det fordyrer verktøy og maskin vesentlig. Derfor må vi ved en bestemt seriestørrelse kalkulere for å se hvilket verktøy og hvilken maskin vi skal bruke for å få størst produktivitet. Figurene 3.13 og 3.14 viser eksempler på god plateutnyttelse.

KLIPPING

Frammatingsstopp Vi har sett hvordan vi kan regne ut steglengden eller frammatingen mellom hvert snitt. For å holde den konstant og for å unngå stør­ re mellomrom enn nødvendig kan vi utstyre klippeverktøyet med stoppstift. Se figur 3.15. Når lokkestempelet går opp, blir platestrimmelen løftet over stoppinnretningen og matet fram et steg til stoppen låser den i ny posisjon.

Figur 3.15 Stoppstift.

Verktøy og maskiner Når vi skal klippe eller stanse ut deler med en bestemt form ved masseframstilling, særlig deler som ikke er begrenset av rette linjer, bruker vi spesialstanseverktøy. Disse snittverktøyene kan ha forskjellig utførelse, nøyaktighet og arbeidsytelse. De vil derfor gi ulike bearbeidingskostnader. For at vi skal kunne velge den mest økonomiske produksjonsmetoden, må vi kjenne antall stykk som skal framstilles, seriestørrelsen og materialkvaliteten. Valg av verktøy og maskin er også avhengig av hvilken toleranse som er bestemt for detaljen. Ved utklipping og hulling (lokking) skiller vi mellom knivsnitt, frisnitt, plateføringssnitt, søyleføringssnitt og spesielle snittverktøy. Knivsnitt Knivsnitt er klippeverktøy (snittverktøy) med kanten utformet som en knivegg (fi­ gur 3.16). Karakteristisk for knivsnitt er at skjæreoperasjonen skjer uten motsnitt. Det materialet vi skal skjære, legger vi på et hardt underlag, og snittet må være slik inn­ stilt at det skjærer seg fri. Når vi løfter snit­ tet, blir arbeidsstykker skjøvet ut med fjærbelastet utstøter. Vi deler knivsnittverktøy inn i

— håndknivsmtt, der den nødvendige kraften er håndkraft eller kommer fra en presse, men uten at snittet er festet til maskinen — maskinknivsnitt, der verktøyet er spent inn i maskinen

OPPDELENDE BEARBEIDINGSPROSESSER

Figur 3.16 Knivsnitt. a b

Utklipping. Hulling (lokking).

For at vi skal få et rent snitt ved knivsnitt, er verktøyet laget slik at den sylindriske skjæreflaten på stempelet (|3= 90°) ligger mot arbeidsstykket, mens den skrå flaten på kniven (P< 90°) vender mot avfallet. Se figur 3.16. Vinke­ len P blir utført som 15°-20° for papp og lær og 10° for metallfolie. Figur 3.17 viser et knivsnitt (kombinasjonssnitt) for utklipping og hulling. Frisnitt (enkle, åpne snitt)

Figur 3.17 Knivsnitt.

a b c d e f

Verktøyoverdel. Knivsnittholder. Knivsnittutklipping. VerktøyhoLder. Knivsnitt, hulling. Utstøter.

Den enkleste formen for dobbeltegget klippe­ verktøy består av et stempel og en klippeplate, som ofte blir kalt dyne. Vi bruker ordet frisnitt fordi de to delene i verktøyet ikke er fast for­ bundet med hverandre og rommet mellom dem er åpent til alle sidene. Se figur 3.18. Fris­ nitt bruker vi særlig til mindre serier og når vi ikke stiller strenge krav. I mange industrier bruker en frisnitt til å klippe ut rondeller (run­ de plateemner) for dyptrekking eller til å hulle ut plateemner. Et frisnitt kan arbeide tilfreds­ stillende bare når stempelet har god føring, el­ lers blir levetiden kortere.

Figur 3.18 Frisnitt. a b c d e f g h i

Presse. Verktøyholdersleide. Stempel. Festeskrue. Arbeidsstykke. Snittplate. Innspenningsplate. Reguleringsskrue. Pressebord.

KLIPPING

(Underlagsskive)

Figur 3.19 Plateføringssnitt. 1 2 3

Føringsplate. Mellomlegg. KLippeplate.

Figur 3.20 Plateføringssnitt med forhulling.

Plateføringssnitt

Med disse stykkskjærende verktøyene far vi en mye bedre føring ved at det over klippe­ platen (dynen) er en føringsplate som «fører» stempelet svært nøyaktig. Avstanden mel­ lom snittplaten og føringsplaten kan vi regulere med mellomlegg. Deler som skal stanses ut, blir ført mellom de to platene, og på den måten har vi styring. Se figur 3.19. Det er særlig en fordel med plateføringsverktøy når stemplene er tynne. Fø­ ringsplaten har to funksjoner. I tillegg til at den fører stempelet, fungerer den også som avstryker. I et plateføringsverktøy kan det være flere stempler. De ulike stemplene er fes­ tet til et felles stempelhode, verktøyoverdelen. Dersom stemplene i et verktøy først skal hulle og så klippe ut, bruker vi et fleroperasjonsverktøy som vi kaller følgeverktøy, følgesnittcWer plateføringssnitt medforhulling. Se figur 3.20.

Søyleføringssnitt I søyleføringssnittene på figur 3.21 er verktøyoverdelen ført i verktøyunderdelen, i mot­ setning til plateføringsverktøy, der det ikke er direkte sammenheng mellom overdelen og underdelen. Alt etter størrelsen og verktøytypen kan det være fra en til fire søyler i et verktøy.

Sammenlignet med plateføringssnitt har søyleføringssnitt flere fordeler:

- Føringen er mye kraftigere og tre ganger så lang. - Ved en eventuell reparasjon går det raskt å bytte ut søyleføringene. - Klippestempler av mindre dimensjoner blir styrt helt ned mot platen, og det minsker faren for at de skal knekke.

lliill® OPPDELENDE BEARBEIDINGSPROSESSER

135

Figur 3.21 KLippeverktøy med søyleføring. Oververktøy: 1 Festelapp. 2 Overdel. 3 Trykkplate. 4 Festeplate. 5 Føring. 6 Klippestempel. 7 Hullestempel. Underverktøy: 8 Avtrekkerplate - styreplate. 9 Styrelister. 10 Stopper. 11 Klippeplate. 12 Søyle. 13 Underdel.

Søyleføringssnitt er ofte utført som standardi­ serte konstruksjoner. I underverktøyet sitter søylene med presspasning. Føringen i oververktøyet kan skje direkte i godset eller med innsatte foringer av bronse eller av herdet stål. I føringsboringen må det være smøreriller. Det blir også brukt søyleføringer med kulelagre, se figur 3.22. Kulelagerburet er ofte laget av polyamid (nylon) og føringen av sinterbronse, noe som gir gode smøreforhold. I verktøyunderdelen sitter det en styreplate som styrer klippestempelet helt ned mot plateemnet. Samtidig fungerer platen som avstryker når klippestempelet går tilbake.

Søyleføringssnitt med utvekselbart verktøy

For små serier kan vi bruke søyleføringssnitt med utvekselbart verktøy. I et slikt søyleføringssnitt kan vi for eksempel bygge inn snittverktøy for ulike hulldiametere eller bøyeverktøy og små trekkverktøy. Et søyleføringsstativ får dermed et større bruksområde, og nedskrivingstiden for verktøyet blir kortere.

Figur 3.22 Søyleføring med kulelager.

Komplettverktøy (kombinasjonssnitt) med søyleføring

For svært store serier, og særlig for deler som krever små toleranser, bruker vi komplett­ verktøy, eller blokksnitt, som de også blir kalt. I dem kan vi ta både utklipping og hulling

KLIPPING

(lokking) i én operasjon, og ikke i to operasjoner etter hverandre som ved følgesnitt. På den måten blir alle arbeidsstykkene helt like. Fordi plateemner ligger fast innspent mel­ lom verktøyoverdelen og verktøyunderdelen, blir arbeidsstykkene helt plane også når materialet er tynne plater (blikk). Med svært nøyaktig utførte komplettverktøy blir det liten slitasje på skjæreelementene og dermed en konstant nøyaktighet på de utklipte produktene. Automatisk skifte av verktøy

For å øke produktiviteten kan automatisk skifte av verktøy være aktuelt. Dette ordner vi på ulike måter. Stanse- eller klippeverktøyene er festet til verktøyoverdelen og verktøyunderdelen, og de er igjen festet til paletter med koding. Avleseenheten og data­ anlegget sørger for at riktig palett kommer i riktig posisjon til riktig tid («just in time»). Automatiske hydrauliske hurtigspenninnretninger fester oververktøyet og underverktøyet i pressen. Selve vekslingstiden ligger på 1-2 minutter. Verktøyet blir montert i en egen verktøystasjon, og ferdigmontert verktøy på paletter er lagret i hyllestativer nær pressen. Transporten mellom reolen og pressen kan foregå med førerløse trucker (AGV, «automated guided vehicles»). Skavesnitt

Vi bruker skavesnitt når vi ønsker en glattere og rettere snittkant enn det vi får med van­ lig stansing. Delene blir klipt en gang til (i omvendt retning) i et spesialverktøy. Proses­ sen blir kalt snittskaving eller kalibrering. Skal vi renskjære delene på denne måten, må de naturligvis klippes ut med overmål i den første arbeidsoperasjonen. Beskj æringsverktøy Ved materialomformende prosesser, som dyptrekking, strekking, trykking osv., blir det en flens eller uregelmessig kant vi må beskjære. I prinsippet er et beskjæringsverktøy ikke annet enn et vanlig snittverktøy.

Gummisnitt

Gummiskjæring er en skjæring uten motsnitt. En vanlig skjæreprosess skjer jo ved hjelp av to skjær, overskjær og underskjær. Verktøykostnadene kan være store for vanli­ ge snitt, og for små serier kan en billig løs­ ning med gummisnitt være aktuell. Se figur 3.23. Men denne metoden krever en kraftig presse. Verktøymaterialer for klippeverktøy

Figur 3.23 Gummisnitt.

I et konvensjonelt klippeverktøy er hoved­ komponentene klippestempel og klippeplate

OPPDELENDE BEARBEIDINGSPROSESSER

137

(dyne). Det bør være et visst forhold mellom stempellengden og stempeldiameteren for å hindre at stempelet knekker. Erfaringen viser at stempeldiameteren bør være større enn eller lik platetykkelsen. Konstruksjonen (dimensjoneringen) av klippeplaten er svært viktig for hvor holdbart verktøyet blir. Det er svært viktig at den er utformet «herderiktig», det vil si slik at vi unngår kastninger og rissfare. Vi bør også unngå skarpe hjørner, tynne vegger og ujevn materialfordeling. Materialvalget er viktig, og her må vi se på flere faktorer. Blant annet er valget avhen­ gig av materialkvaliteten på det vi skal klippe, tykkelsen av det, formen på stempelet og klippeplaten, hvilken nøyaktighet vi krever, osv. Fordi de forskjellige delene av et snittverktøy er utsatt for ulike påkjenninger og ulik slitasje, blir de ofte framstilt av ulike materialer. Det gjelder å finne fram til de materialkombinasjonene som gir best resultat kvantitativt, kvalitativt og økonomisk. Vi skiller mellom materialer for oppbyggingen av verktøyet og materialer for selve eggverktøyet. Til verktøymaterialgruppen regner vi ulegert karbonstål, settherdings- og seigherdingsstål og støpejern. Til eggverktøy (klippeverktøy) bruker vi i stor utstrekning ulegerte og legerte verktøystål og også hardmetall. Støpejern bruker vi hovedsakelig til underdeler og overdeler, særlig ved større søyle­

føringssnitt. Ulegerte karbonstål\san inneholde ulike mengder av karbon, men vanligvis er de overeutektoide (> 0,80 % C) og er tilsatt små mengder silisium og mangan. Legerte stål inneholder i tillegg til karbon også wolfram, krom, nikkel, molybden og vanadium. Kromtilsetting gir større gjennomherdbarhet og større slitestyrke. Wolfram og kobolt øker varmefastheten. Spesialsinklegeringer (for eksempel 4 % Al, 3 % Cu, 1 % Mg og resten Zn), Kirksite, blir brukt som klippeplate ved mindre serier. Klippeplatene kan enten framstilles av Kirksite, eller sinklegeringen kan støpes rundt stålstempelet. Klippeplater av sink kan også få et hardkrombelegg eller andre harde overflatebelegg. Sinkplatene kan lett resir­ kuleres. De kan smeltes om og nyttes til nye klippeplater. Settherdingsstål bruker vi til glideforinger, føringssøyler, utstøterstifter osv. Seigherdingsstålbruker vi til framstilling av verktøy som må tåle påkjenninger som er så høye at vanlig ulegert karbonstål ikke er sterkt nok. HardmetallY>r\i\sQV vi i stadig større utstrekning til bestykking av klippestempler og innfelte seksjoner i klippeplater. Det gir lengre standtid og mindre graddannelse. De høye kostnadene ved framstillingen blir mer enn utlignet ved at verktøyet far lengre le­ vetid, høyere målnøyaktighet og mindre vedlikeholdskostnader. Vi kan i dag utarbeide profilen i klippeplaten ved hjelp av elektroerosivmetoden eller elektrolytisk sliping. Fotoetsing Fotoetsing, eller fotostansing, er en tilvirkningsmetode for tynne metalldetaljer. 1 mange tilfeller er den en økonomisk metode. Den har lave verktøykostnader og gir høy presi-

138

KLIPPING

sjon og stor jevnhet. Vi kan bearbeide en rekke materialer med fotoetsing, for eksempel aluminium, nikkel, nikkellegeringer, fjærstål og rustbestandig stål. Fotoetsing eliminerer også problemene med spenninger i materialene etter mekanisk bearbeiding. Grader på arbeidsstykkene forekommer ikke. Vi kan lage svært kompliserte detaljer, og konstruksjonsforandringer fører ikke til store kostnader, det er bare filmmaterialet som koster noe. Fra tegning eller prøve lager vi en tegning på en plate av graveringsplast i femdobbel eller tidobbel skala. Vi forminsker deretter tegningen til den størrelsen vi ønsker, og det fotografiske avtrykket, det vil si konturene av den delen vi skal lage, kopierer vi deretter over på det materialet vi skal bruke. Dette er på forhånd belagt med et lysømfmtlig ma­ teriale. Etter framkallingen følger så en etsing. Det materialet som ligger utenfor kontu­ rene, blir oppløst av etsevæsken. Tilbake i etsevæsken ligger den formdelen vi ønsker. For å fa til en trang toleranse (±0,02 mm) bruker vi dobbeltsidig etsing. Linjer og hull kan vi framstille ned til 0,1 mm bredde og diameter. Materialtykkelsen kan være opp til 1,5 mm. Presser for klipping Alle arbeidsoperasjonene vi kan utføre i en presse, skal ifølge Norsk Standard kalles pres­ sing. Det presseverktøyet vi bruker, kan vi dele inn i klippende verktøy og omformende verktøy. Alt etter operasjon, verktøytype og nødvendig klippekraft bruker vi veiveksenterpresser, spindelpresser, kneleddspresser eller hydrauliske presser. Alle pressene er bygd opp av bestemte basiselementer (moduler). Hvert basiselement kan ha forskjellig form. Når vi kombinerer ulike typer og størrelser av basiselementene, kan vi fa forskjellige typer av presser til ulike formål.

Eksenterpresser

Til klipping (stansing) av lette og middels tunge arbeider bruker vi oftest eksenterpres­ ser, fordi de har fordeler når det gjelder klippekraft, slagantall (frekvens), virkningsgrad og betjening. Eksenterpressene blir bygd med trykkraft på 0,03—0,25 MN, i noen utførelser opp til 6 MN og i spesialutførelse opp til 20 MN. Pressene er laget med et sikkerhetssystem som kan være slik at vi må ha begge hendene på betjeningshåndtakene når pressen er i gang, eller det kan være en lysgrind med fotoceller. De vanligste typene av enkeltvirkende eksenterpresser er rette enstenderpresser (figur 3.24), rette tostenderpresser og skråstillbare presser. For trykkrefter over 4 MN er tostenderpresser det vanlige. En enstenderpresse er vist skjematisk på figur 3.25a. Sett fra siden danner overdel, stender og underdel en C-form. Derfor kaller vi den presse med C-stativ. På tostenderpresser danner overdel, stender og underdel en O-form, og vi kaller den presse med O-stativ. Slike presser er stivere enn presser med C-stativ og blir brukt i tilfeller der det skal være store trykkrefter. Figur 3.25b viser en tostenderpresse. Forskjellen mellom en enstenderpresse og en tostender-

OPPDELENDE BEARBEIDINGSPROSESSER

139

Figur 3.24 Enstender hydraulisk produksjonspresse. Foto: Stenhøy Hydraulikk AS

presse ligger i at den første har et lukket stativ, mens den andre har et gjennombrutt sta­ tiv som består av to parallelle stendervegger som er fast forbundet med hverandre. Øverst er de forbundet gjennom pressehodet og nederst gjennom pressebordet. Vi skiller mellom presser med fast bord (figur 3.25) og presser med forstillbart bord (figur 3.26). Vær oppmerksom på at begrepene pressekraft og pressearbeidsevne er knyttet til formingsprosessen. En presse for klipping kan vi ikke uten videre bruke til dyptrekking. Klipping krever store skjærkrefter, men små formendringskrefter. Derimot er formendringsarbeidet stort ved dyptrekking.

Spindelpresser

Spindelpresser er mekaniske presser. Pressehodet beveger seg opp og ned ved hjelp av en gjenget spindel. Spindelpressen er vist skjematisk på figur 3.27. Det er særlig pressekraften og den effektive arbeidsevnen som karakteriserer ytelsen til spindelpressen. Med økende pressekraft øker friksjons- og fjærarbeidet, og dermed blir

140

KLIPPING

Snitt A-A

b) Tostender

a) Enstender Figur 3.25 Eksenterpresse med fast bord.

Figur 3.26 Eksenterpresse med forstiLLbart bord.

Figur 3.27 Spindelpresse.

OPPDELENDE BEARBEIDINGSPROSESSER

141

a.b

Knelenkeledd

c

Veivtapp

d

Veivstang

Figur 3.28 Hvordan en kneleddspresse virker.

nyttearbeidet mindre. Den effektive kraften til spindelpressen kaller vi nominell kraft. Spindelpressen er konstruert slik at den tåler en pressekraft som ligger 50—60 % høyere enn den nominelle kraften. Kneleddspresser

En kneleddspresse er en slags veivpresse. På en veivpresse står veivstangen i direkte for­ bindelse med pressehodet, men på en kneleddspresse virker veivstangen indirekte på pressehodet over et kneleddssystem. Se figur 3.28. Systemet gir en stiv konstruksjon og blir derfor brukt når det er nødvendig med store krefter. Kneleddspressene bruker vi også når vi trenger store krefter over kort vei. En kne­ leddspresse kan vi lage mye lettere enn en veiveksenterpresse av samme pressestørrelse.

Hydrauliske presser Til store plater og platetykkelser bruker vi hydrauliske presser. Selve pressestativet er bygd opp omtrent som stativet i veiveksenterpressene. De er ofte sveist, men leveres også støpt i tredelt utførelse (pressebord, sidestendere og pressehode). Figur 3.29 viser prin­ sippet for dette. Fordelene ved hydrauliske presser er at de har konstant kraft uavhengig av veien, nøyaktig innstillbar kraft og stor arbeidsevne. Pressene har lav arbeidshastighet sammen­ lignet med veivpresser og har dermed lavere produksjonsytelse per tidsenhet. Den økende automatiseringen innenfor platebearbeiding omfatter også eksenterpresser og hydrauliske presser. Vi kan utstyre dem med systemer for automatisk verktøy-

KLIPPING

Figur 3.29 Hydraulisk presse.

veksling og elektronisk styring av pressesyklusen. De kan være enkle eller svært sofisti­ kerte. Numerisk styrte presser tillater - raskt programbytte ved skifting av verktøymoduler. Disse har et elektronisk minne som inneholder oppgaver over innstilt slaglengde, mateverk, utkasterkontroll osv. Ved programmering av et verktøy og en operasjon eller endringer i et program blir informasjonen automatisk overført til verktøymodulen (se også avsnittet om auto­ matisk skifte av verktøy) — programmering i grader eller minutter - automatisk korreksjon for ulike slaglengder — automatisk overvåking av tilstanden til pressen — innebygd utkasterkontroll og verktøykontroll - feilindikering via feilkoder

OPPDELENOE BEARBEIDINGSPROSESSER

143

Hydropulsteknikk Hydropulsteknikk er en høyhastighetsteknikk for kapping og forming. For kapping fra stang gir metoden høy produksjonstakt, ingen eller bare små materialtap, høy målnøyaktighet i lengde og masse (vekt), minimal deformasjonsherding og lave indre spennin­ ger. Prosessen bygger på at kappeverktøyet far tilført en konsentrert energimengde på svært kort tid. I kappesonen blir det lokalt så høy temperatur at materialet blir mykglødet og stangen kappet langs den mykglødede sonen. Kappingen tar mindre enn 1/100 sekund. Det blir svært liten plastisk deformasjon før selve skjæreprosessen tar til, og snit­ tet blir rett. Vi kan kappe tråd, stenger, profiler og rør med diameter opp til 100 mm på denne måten.

Andre maskiner for klippende bearbeiding Profilsaks

Til å klippe profilstål som vinkelstål, T-stål og V-stål bruker vi spesialsakser. I disse sak­ sene ligger det to stålplater med tilsvarende «hull» ved siden av hverandre. Profilstålet stikkes inn, de to skivene far en bevegelse i forhold til hverandre, og profilstålet kappes på samlet tverrsnitt. Slagsaks

Slagsaks, eller bordsaks, bruker vi til tynnplateklipping, se figur 3.30. Saksen blir styrt manuelt. Klippeoperasjonen foregår suksessivt, og energiforbruket er derfor lavt. For at vinkelen 8 (se figur 3.4) skal være konstant, må overkniven være utført som en logaritmisk spiral.

Gradsakser Med disse parallellsaksene kan vi utføre klippeoperasjoner mye raskere enn med hånddrevne sakser. Overkniven er parallell med underkniven og kan forskyves i horisontalpla­ net. Ved forskyvning kan vi øke eller minske spalten mellom overkniven og underkni­ ven, alt etter platetykkelsen. Begge knivene er like, og de har rettvinklede kanter. Knivene er vendbare, og hver kniv har derfor fire skjærkanter. De kan også deles opp. Dette har den fordelen at dersom de blir skadet eller slitt mest på ett parti, kan vi bytte det ut. Saksen kan være utstyrt med et motordrevet bakre anslag og med automatisk frontmater. Vi kan innstille bredden på den platedetaljen vi skal klippe av, med en nøyaktig­ het på 0,1 mm på manøverpanelet. Klippeåpningen er beskyttet med et gitter, og som ekstra sikkerhet kan saksen ha et «lysgitter». Gradsaksen kan være utstyrt med automa­ tisk numerisk styrt frontmater. En automatisk platehåndtering tar opp en plate fra platestabelen ved saksen og plasserer den på bordet foran frontmateren.

Rullesakser (sirkelsakser)

For å framstille rondeller i plater opp til 2 mm bruker vi sirkelsakser. Knivene er utformet som runde skiver. Under klippeoperasjonen ruller underkniven og overkniven mot hverandre mens platen blir dreid. Se figur 3.31. Vi kan innstille avstanden R slik at vi kan lage rondeller med den diameteren vi ønsker. Vi kan også konstruere rullesakser for rette snitt.

Figur 3.31 Rullesaks (sirkelsaks).

Håndsakser Håndsakser, eller håndniblere, finnes både for elektrisk drift og trykkluftdrift. Prinsippet har vi forklart i avsnittet om kombinasjonsmaskiner.

Kombinasjonsmaskiner

Kombinasjonsmaskiner er platebearbeidingsmaskiner hvor den stykkskjærende og materialbearbeidende operasjonen kan skje i samme maskin. Klippebevegelsen skjer ved en serie klippeslag som følger tett på hverandre, og det er forholdsvis liten oscillerende bevegelse av det øvre skjærstålet. Ofte kaller vi metoden kortslagklipping. For hvert klippeslag blir det øvre skjærstålet trykt lenger ned i platen, helt til det blir brudd. Slik blir det bare små deformasjoner av platen. På denne typen maskiner er slaget regulerbart.

OPPDELENDE BEARBEIDINGSPROSESSER

145

Kombinerte kopieringsmaskiner og numerisk styrte koordinatmaskiner for nibling og stansing har ført til lettere og enklere betjening av maskinene og automatisk verktøyveksling, øk­ ning av arbeidsnøyaktigheten, numerisk styring både av maskinen og utstyret omkring og raskere posisjonsbevegelser (opp mot 75 m/min). Plateemnene blir tilført enten manuelt eller ved hjelp av utstyr for platetilførsel, for eksempel utstyr med sugekopper. Utklippingen kan skje etter mønster på platen eller et­ ter en mal. Stanse- og niblemaskinene må ha en verktøysats som består av tre separate verktøydeler for å kunne gjennomføre prosessen (se figur 3.32):

- klippe- og stansestempel - avstryker - klippe- og stanseplate

Det mønsteret vi skal klippe eller stanse ut (figur 3.33), kan kreve en rekke ulike verktøysatser, og vi må derfor kunne skifte dem raskt. Det kan skje ved at vi på forhånd fester verktøyoverdelene i en holder, slik at vi kan foreta verktøyskiftet manuelt.

Numerisk styrte nible- og stansemaskiner Automatisering av produksjonen har ført til at numerisk styrte nible- og stansemaskiner ofte blir levert i kombinasjon med laser- eller plasmaskjæring. Laserteknikken gir større frihet i formgivingen av platedetaljer. Datamaskinen som styrer hele prosessen, gir an­ legget blant annet disse fordelene:

Figur 3.32 VerktøyhoLder. Stansestempel (1), avstryker (2) og klippeplate (3) blir festet i en verktøyholder.

146

KLIPPING

Figur 3.33 Et variert klippemønster kan framstilles ved hulling (stansing) og nibling i en og samme maskin.

— Den velger den platedimensjonen i lageret som gir den mest økonomiske utnyttelsen av platearealet for det aktuelle oppdraget. — Den tar vare på det avkappet som kan være brukbart til andre oppdrag som ligger i maskinminnet. — Den fastlegger tidspunktet for produksjonen av et visst parti. — Den oppdaterer kontinuerlig platelageret og restdetaljer. — Den velger det klippemønsteret som gir best utnyttelse av platen.

OPPDELENDE BEARBEIDINGSPROSESSER

147

Figur 3.34 Dreibart stempel og kLippeplate gir bedre verktøyutnyttelse og raskere bearbeiding. Foto: Beyeler.

Verktøyvekslingen kan skje på ulike måter. Verktøyene kan være montert i en karusell som etter impuls fra styresystemet roterer verktøykarusellen til det riktige verktøyet kommer i vekslingsposisjon. En annen måte å løse verktøyvekslingen på, for eksempel når det skal klippes i ulike vinkler, er å bruke en roterende verktøyholder i noen av sta­ sjonene i verktøykarusellen. En verktøysats som blir hentet fra verktøymagasinet, kan roteres i verktøyfestet. Etter impuls fra NC-styringen kan stempelet og matrisen («dynen») dreies i den vinkelstillingen vi ønsker. Se figur 3.34. Verktøyoperasjonen tar bare ca. 5 s. En slik innretning øker produktiviteten og senker verktøykostnadene. Når vi kombinerer enkle standardverktøy, kan vi framstille kompliserte hullbilder. I stedet for å bruke et spesialstempel for å lage et ovalt hull kan vi bruke en kombinasjon av et rundt og et kvadratisk verktøy. Skal vi lage mange små utklipp av ulik form i en plate, kan vi øke produktiviteten også med en flerverktøysats («multitools»), som vi setter inn i det roterende verktøyfestet. Se figur 3.35. Støyreduksjon er viktig ved platebearbeidingsmaskiner. Med skråslipt klippestempel blir kraftforløpsskruen flatere, og vi senker klippekraften. Dermed senker vi også lydni­ vået med ca. 10 dB(A), og det merker vi. Slike verktøy har fatt det karakteristiske navnet «whisper tools».

148

KLIPPING

Figur 3.35 FLerverktøysett («muLtitooLs»).

OPPDELENDE BEARBEIDINGSPROSESSER

149

Automatisert platehåndtering

Tilførsel og borttransport av ferdige detaljer og avkapp kan foregå på forskjellige måter. Det kan for eksempel skje ved at anlegget har to håndteringsapparater (roboter), en på hver side av pressen. De er hengt opp og løper på en skinne. De kan være utstyrt med en dobbeltgriper. Griperne kan være av ulik type og kan skiftes automatisk og tilpasses funksjonen. Når vi skal transportere plater, bruker vi sugekopper som gripere. Lagerauto mater

Til et moderne platebearbeidingsanlegg hører et automatlager som er plassert i nærheten av maskinene. Det kan redusere håndteringstiden nokså mye, og samtidig sparer det gulvplass. Det manuelle arbeidet til operatøren faller bort. Et kompaktplatelager sikrer optimal kapasitetstilpasning. Den riktige platekvaliteten er alltid til stede i ønskelig mengde, som til et programmert tidspunkt kan hentes på letteste og raskeste måte. Hele utstyret er datastyrt og kan integreres i styresystemet i bearbeidingsmaskinen.

FMS i plateverkstedet Et raskt voksende markedskrav om stadig kortere innovasjonsfaser for produktene har tvunget fram en forandring i den industrielle produksjonen, også når det gjelder platebearbeidingen. Stadig kortere serier kombinert med større typevariasjon stiller tilvirkningsteknikken overfor et hyppigere skifte i oppdrag. I tillegg til pålitelighet, kvalitet og høy produktivitet er forutsetningene for en vellykket automatisering av platebearbeidingen at produksjonsanlegget er bygd opp slik at det gir

høy fleksibilitet høy automatiseringsgrad kort gjennomløpstid mulighet for å arbeide med begrenset bemanning (PBB) og tidvis også uten beman­ ning (PUB) — en stilltid som er nær null — — — —

Kombinasjonsmaskiner som i tillegg til nibling og stansing også kan laserskjære og/eller plasmaskjære, gir et enda mer fleksibelt anlegg. Figur 3.36 viser et FMS-anlegg. Miljø Pressene vi bruker til klipping, stansing og nibling, er de mest støyende i platebearbeidende industri. Det forekommer lydnivåer på mer enn 100 dB(A), noe som ligger langt over det medisinsk forsvarlige. Bearbeidingsverktøyet tilfører platene store energimeng­ der, og en stor del av energien blir omdannet til støy. Det er derfor viktig å finne måter å senke støynivået på, ikke bare av miljøhensyn, men også fordi omdanning av energi til lyd gir effekttap og minsker virkningsgraden. Ved klipping og stansing med skråsnitt («whisper tools») blir skjærkreftene mindre, og det kan gi en støyreduksjon på 5-15 dB(A). For å redusere påkjenningene på pressen

150

KLIPPING

kombinert stans nlblemaskln evt. laser* etler plasr skjæring og piai

Transportar Verktayveksler (opp til 400 verktøy) Industrirobot

Styresystem transport til mellom- eller ferdiglager

Figur 3.36 Et FMS-anlegg for pLatebearbeiding. Illustrasjon: Trumpf.

og nedsette støynivået, kan vi bruke snittslagdempere. Det er spesielle hydrauliske støt­ dempere som vi plasserer på pressebordet. Slakk eller for store klaringer i koblinger og lagre kan også gi støy. Derfor blir støy­ nivået redusert ved godt vedlikehold og riktige justeringer.

Faktorer ved valg av metode Behovet og utformingen av en detalj bestemmer valget av metode. Når vi skal velge tilvirkningsmetode og verktøy, bør det skje ut fra et tett samarbeid mellom formgivere, produkt- og verktøykonstruktører og planleggingsavdelingene. Det er svært viktig at produksjonssiden er med, fordi det ofte har vist seg at små detalj forandringer kan gi en mer rasjonell tilvirkning og store besparelser. Kostnader

Klipping er en billig tilvirkningsmetode, men kostnadene er selvsagt avhengige av seriestørrelsen og det utstyret som er nødvendig for arbeidsoperasjonen. Skal vi lage en detalj ved klipping, må vi først foreta en forkalkulasjon for å finne hvilken type maskin vi bør bruke, om det kan gjøres i egen bedrift, eller om platedetaljen kan kjøpes billigere fra bedrifter som har spesialisert seg på plateprodukter. For at vi skal kunne forsvare inves-

OPPDELENDE BEARBEIDINGSPROSESSER

151

teringer i et FMS-anlegg, kreves det et produksjonskvantum som bruker utstyret fullt ut i 2 000-3 000 timer per år. Utviklingen har ført til at markedet stadig skifter. Det har igjen gjort at produsentene må legge opp til en fleksibel produksjon med korte serier. Samtidig er konkurransen blitt hardere, og det betyr at vi må senke produksjonskostnadene. Nedenfor ser du noen ek­ sempler på områder der rasjonalisering kan senke kostnadsnivået.

— Vi bør senke antallet mannmaskintimer. — Vi kan spare enda mer produksjonstid ved at plateemnene holder bedre og jevnere toleranser. - Som en følge av dette bør vi kunne senke vrakprosenten. - Kortere gjennomløpstid senker kapitalkostnadene for bundet kapital. — Kortere mellomlagring fristiller uproduktiv lagerflate som kan brukes til produktiv virksomhet. - Mindre håndtering senker kostnadene for intern transport. Materialer

Utgangsemnene for klipte detaljer er som regel plater og plateremser som er avklipt fra plane flater. Det kan også være platebånd, noe som er vanlig ved mer eller mindre me­ kanisert tilvirkning. Enten det gjelder plater, platestrimler eller platebånd, blir de oftest levert i standardiserte bredder og lengder. For rasjonell tilvirkning er det derfor viktig at vi utnytter materialene best mulig. Valg av materialkvalitet spiller en stadig større rolle. Generelt er lavlegerte stål lettest å klippe, men konvensjonelle karbonstålkvaliteter blir mer og mer byttet ut med høyfas­ te stålkvaliteter eller aluminium, særlig på transportsektoren. Fiberarmerte kompositter kommer også etter hvert, og de krever en spesiell skjæreteknikk. Dersom vi ønsker harde detaljer, kan vi herde eller settherde etter klippingen. Vanlig klipping gir ingen stor dimensjonsnøyaktighet. Som regel ligger detaljene i toleranseklasse IT 10-12. Klippekanten blir oftest ru. Kreves det større nøyaktighet, må vi enten framstille detaljene ved finsnitt eller slipe dem etter klippingen. Tilpasning av produktdetalj til metoden Det er viktig å tilpasse de delene som skal produseres, til standard platedimensjon. En liten forandring av detaljen har ofte ikke noen betydning for funksjonen, men den kan gi svært store produksjonstekniske fordeler. Når vi skal framstille detaljer av kaldvalset båndstål, er det viktig å være oppmerksom på at båndstålet har fått en materialanisotropi som følge av kaldbearbeiding. Derfor må vi plassere detaljen riktig på båndet. Skal den bøyes etter utklippingen, må vi klippe ut detaljen slik at bøyekanten ikke kommer parallelt med valseretningen. Hull bør være sirkelrunde. Det gir mindre spenninger rundt utklippet og krever bil­ ligere verktøy. Hull under 2 mm bør ikke hulles (lokkes). Hullavstanden bør ikke være

|

KLIPPING

for liten, og det samme gjelder avstanden fra hull til platekant. For liten avstand fordyrer verktøyet og øker vrakprosenten.

Vi bør unngå skarpe hjørner, tynne partier og ujevn godsfordeling. Gjør vi ikke det, blir verktøyutgiftene for høye.

Termisk skjæring Tidligere i dette kapittelet har vi sett på metoder og prinsipper for mekanisk oppdeling av plater. Men vi kan også dele opp materialer ved å tilføre termisk energi, for eksempel slik at metall smelter eller sublimerer i skjæresonen. Den første termiske skjæringen skjedde med acetylen-oksygenbrennere. Senere ble det utviklet plasmabrennere, og opp­ delingen kan også skje raskt og effektivt med en laserstråle. Brenngasskjæring

Innledning

Det som kjennetegner brenngasskjæring, er at et metall forbrenner med oksygen etter at det er varmet opp til tenntemperatur, og at forbrenningsproduktene blir blåst vekk av oksygenstrålen. I tillegg til de enkle håndbrennerne med acetylen-oksygen, bruker vi pulverskjærbrennere, numerisk styrte brennere og plasmabrennere. Med dette utstyret kan vi skjære plater med tykkelse fra mindre enn 1 mm og opp til 2 000 mm. Med riktig innstilt bren­ ner kan gasskjæringen gi en svært glatt overflate som vi kan sammenligne med den vi far ved fmdreiing.

Grunnlaget for skjærebrenning For at vi skal kunne skjære et metall med vanlig oksygenskjærebrenning, må disse betin­ gelsene være oppfylt:

— Tenntemperaturen til metallet i oksygen må ligge lavere enn smeltepunktet til me­ tallet. - Metallet må brenne i oksygen, og oksidet må være lettflytende. - Smeltetemperaturen til oksidet må ligge lavere enn smeltetemperaturen til metallet. — Varmeledningsevnen til metallet må være lav og forbrenningsvarmen høy.

Av de tekniske metallene er det stål som best oppfyller disse betingelsene. Høylegerte stål er vanskeligere å skjære, blant annet fordi det blir dannet tungtsmeltende oksider. T enntemperatur

Brennskjæring er stort sett en termisk prosess, en oksidasjonsprosess. Oksidasjon er en eksotermisk prosess, det vil si at den utvikler varme. Prosessen går raskere jo høyere tem­ peraturen er.

OPPDELENDE BEARBEIDINGSPROSESSER

153

Figur 3.37 Skjærebrenner.

A 0 S R

Acetylenventil. Oksygenventil. Skjæreoksygenventil. TilførselskanaL for skjæreoksygen.

C Blanding av varmegassene. M TilførselskanaL for varmeflammen. B Munnstykke. D Diameter på varmeflammen. d Diameter på oksygenstrålen.

Tenntemperaturen er den temperaturen der varmeutviklingen ved oksidasjonsprosessen er større enn den varmemengden som blir transportert bort ved ledning og strå­ ling. For stål ligger denne temperaturen på ca. 1 100 °C. Varmeflammen

For å få stålet opp til tenntemperatur må vi ha en varmeflamme. Etter at stålet har nådd tenntemperaturen, setter vi til ekstra skjæreoksygen, og stålet begynner å brenne bort. Figur 3.37 viser en skjærebrenner i snitt. Oksygentilførselen skjer i sentrum av dysen, mens varmeflammen lager en kappe omkring oksygenstrålen. Herdevirkning, egenspenning og rissdannelse

For vanlig stål med lavt karboninnhold gir ikke skjærebrenning noen herdevirkning i skjæresonen. Men for karbonrike stål kan det bli en slik virkning. Det kan vi unngå ved å forvarme til 100-400 °C. På grunn av den raske temperaturvariasjonen ved skjæringen kan det opptre spenninger i skjæreflaten, og det kan gi riss som kan føre til brudd. Får vi denne tendensen i karbonrike stål, bør vi fjerne godset i en viss dybde. Oksidfilmens betydning (flytbarheten til slagget)

Ligger smeltetemperaturen for oksidet bare litt under smeltetemperaturen for metallet, blir slagget lettflytende, og det blir uten videre blåst bort. Fordi tenntemperaturen stiger med økende karboninnhold, mens smeltepunktet synker, kan vi ikke skjære stål med høyt karboninnhold (1,6-1,8 %) eller legerte stål med vanlig skjæreutstyr. For høyt legerte stål, rustbestandige stål og aluminium bruker vi plasmaskjæring eller laserskjæring. Disse metodene gir så høye temperaturer at oksider smelter.

TERMISK SKJÆRING

Driftsforhold ved skjærebrenning For å sikre rasjonell drift med lavest mulig produksjonskostnader og med høy produkt­ kvalitet må vi sørge for

— — — — —

god kontroll og pass av skjærebrenneren, særlig brennerdysen, og riktig valg av dyse riktig innstilling av varmeflammen og skjæreoksygenstrålen jevn føring av skjærebrenneren riktig avstand mellom brennerdysen og arbeidsstykket å holde skjærehastigheten så høy som forholdene tillater, ut fra at - skjæringen bare blir brukt til oppdeling - det blir stilt krav om at skjæreflatene må være så glatte at etterarbeid blir unød­ vendig - skjæreflatene skal sveises eller etterarbeides

Skjærehastighet Skjærehastigheten er blant annet avhengig av platetykkelsen og av materialet, av at skjæreoksygenet er rent, og av de momentene vi har nevnt ovenfor.

Snittkvalitet Snittkvaliteten refererer seg til hvilken overflateruhet vi ønsker, og hvilket slep hos skjærerillene vi skal tillate. Hvordan overflaten blir, er først og fremst avhengig av riktig valg av dyse, matingshastighet, avstand mellom dysen og arbeidsstykket, innstilling av flam­ mene, varmegass, trykk og hvor rent oksygenet er. Formen på skjæreflaten. Fugeformer

Ved maskinell skjærebrenning kan brenneren føres i en rett linje, i en sir­ kel eller i en annen kurve eller i en kombinasjon av dette. På den måten far vi rette snitt eller formsnitt (fasongsnitt). Fører vi brenneren slik at brenneraksen står normalt på arbeidsstyk­ ket, kaller vi snittet et normalsnitt. Fører vi brenneren slik at aksen danner andre vinkler med arbeidsstykket, far vi skråsnitt. Figur 3.38 viser ulike fugetyper framstilt ved skjærebrenning. Med spe­ sialutstyr kan vi også ta fugebrenning (fugehøvling).

OPPDELENDE BEARBEIDINGSPROSESSER

Figur 3.38 SveisefugebetegneLser.

155

Skj æremunnstykker Det finnes en rekke forskjellige typer skjæremunnstykker til ulike formål. Bedre konstruk­ sjon av munnstykkene og bruk av glattere kana­ ler har ført til betydelig gassbesparelse og større skjærehastighet, som igjen har gjort skjæretiden kortere. For at skjæreflaten skal bli glatt med parallelle skjærekanter, må munnstykket ha en utforming som gir en lang, sylindrisk oksygenstråle. Formen på varmeflammen er også viktig. De vanligste skjæremunnstykkene er kompaktmunnstykker, der skjære- og varmegasskanalene er i ett stykke. Figur 3.39 viser et eksempel på dette.

Acetylen

Oksygen

Skiæreoksygen

Blandingssone

Brennerdyse

Gasskanaler

Maskinell skjæring som rasjonell og økonomisk tilvirkningsmetode Takket være den høye kvaliteten og produk­ Figur 3.39 Snitt gjennom et brennermunnstykke. sjonskapasiteten vi oppnår ved bruk av moderne brennerutstyr, er skjærebrenning i dag en til­ virkningsmetode på linje med sponfraskillende metoder. Veien har gått fra manuell skjæring, over fotoelektrisk styring og til maskiner med numerisk styring med manuell eller automatisk programmering. Nye typer skjæredyser har redusert både skjæretiden og gassforbruket. De økonomiske fordelene øker med økende platetykkelse og minken­ de seriestørrelser. Skjærebrennermaskiner og styringssystemene deres

Håndstyring Håndbrennermaskiner (figur 3.40) blir for det meste ført med frihånd etter riss på arbeidsstykket eller etter en skinne. Vi kan framstille rondeller med sirkelutstyr. Det finnes også utstyr for skråskjæring. Maskinene er altså til universalbruk, og fordi vekten er for­ holdsvis lav, er de lette å transportere. Fotoelektrisk styring Fotoelektrisk styring skjer fra tegning som blir «avtastet», og bevegelsen blir overført til brenneren. Ved kantstyring, som vi bruker dersom tegningen har tykke linjer, blir kanten avtastet med et lyspunkt. Dersom lyspunktsenteret vandrer nøyaktig på kanten slik at halvparten av lyspunktet står på hvitt og den andre halvparten på svart, er det likevekt i systemet. Når vi bruker tynne linjer (0,5-1,0 mm), er styremekanismen innstilt på midt­ en av streken. Metoden heter linjestyring. Styremotoren korrigerer alle avvik.

• -A 156 ' / • ■ • •:

TERMISK SKJÆRING

Figur 3.40 Håndbrennermaskin. Foto: Messer Griesheim.

Numerisk styring Med fotoelektrisk styrte skjærebrennermaskiner er nøyaktigheten avhengig av hvor nøy­ aktig tegningen er. Numerisk styring er mer nøyaktig. Da numerisk styring ble innført, kunne skjærebrenneprosessen fullautomatiseres, og det sikrer — — -

eksakt oppstarting og utkutting av forvarmeflammen og skjæreoksygenet konstant gass- og oksygenmengde under hele skjæreprosessen konstant kontroll av flammeinnstillingen riktig innstilling av avstanden mellom dysen og arbeidsstykker

Overføring av informasjon kan skje ved hjelp av hullbånd, men styringen går nå mer og mer ved hjelp av disketter med skjæreprogrammer. Styringen kan også foregå ved inter­ aktiv kommunikasjon mellom operatøren og datamaskinen. Med DAK/DAP-systemer kan maskinen fjernstyres direkte fra konstruksjons- eller planleggingsavdelingen.

Interaktiv CNC. Hybrid På området gasskjæring er en hybrid et system som forener de beste egenskapene i optisk styrte og numerisk styrte skjærebrennermaskiner. Anlegget får både hukommelse og økt kapasitet. Vi kan via en bildeskjerm føre en dialog med datamaskinen til skjæreanlegget (interaktiv CNC), og det gjør blant annet programmeringen enklere. Programmeringen av neste operasjon kan skje mens skjæremaskinen går. I datamaskinminnet kan vi lagre

OPPDELENDE BEARBEIDINGSPROSESSER

157

en rekke programmer. Ved fotocellestyring («optical tracer input») leser vi skjæreforløpet direkte fra tegning. I datamaskinen blir tegningsdimensjonene og fasongen konvertert til numeriske verdier som blir bearbeidet i datamaskinen. Resultatene blir sendt videre til styreorganene i skjæremaskinen. Data kan legges inn manuelt (MID, «manual data input»), direkte fra tegning («tracer teaching input»), fra en stordatamaskin (DNC) eller fra teip (hullbånd). I datamaskinminnet kan det ligge en rekke basistegninger, og det letter arbeidet med den interaktive programmeringen. Et dataanlegg kan også omfatte en plotter som kan framstille tegnin­ ger for fotoelektrisk styrte brennermaskiner og gi direkte kontroll av konturbeskrivelsen via en bildeskjerm. Med dataanlegget kan vi også få fram kalkulasjonsdata, for eksempel vekten av de delene som skal skjæres ut, skjærelengde og bearbeidingstid.

Stasjonære skjæremaskiner. Arbeidsprinsipp Vi kan dele skjærebrennermaskinene inn etter måten de arbeider på: leddarmmaskiner (U-armmaskiner), kryssvognmaskiner og portalmaskiner.

Leddarm, U-armmaskiner Disse maskinene arbeider etter polarkoordinatprinsippet. Stenderen har leddede utliggerarmer. Med disse maskinene kan vi arbeide med føringsstift etter tegning, eller med magnetrullestyring og jernsjablong som er festet over maskinen. Større maskiner arbei­ der vanligvis med fotoelektrisk styring etter tegning på et styrebord.

Kryssvogn maskin er Disse maskinene arbeider etter et rettvinklet koordinatsystem, som blir brukt både til enkel og til dobbel utliggermaskin. Hovedvognen kjører på horisontale føringsskinner i lengderetningen og bærer drifts- og styringsorganet. Brennerne er festet til tverrsleiden. Sjablongen eller tegningen ligger på bordet mellom hovedføringsskinnene. Portalmaskiner (parallellskjæremaskiner) Disse maskinene er en type kryssvogn som vi bruker i plateindustrien. Se figur 3.41. Skjæreforløpet foregår vanligvis mellom hovedføringsskinnene. Dersom vi monterer på en ekstra utligger, kan vi feste en ekstra brenner. Maskinene er stabile og kraftige slik at vi lett kan skjære lange snitt med store bred­ der. Når vi plasserer fra en til tre brennere i gruppe, kan vi samtidig skjære V-, Y-, X- og K-sveisefugekanter.

Elektrisk skjæring Elektrisk skjæring skiller seg i prinsippet ikke fra gasskjæring. Forskjellen består i at ma­ terialet blir varmet opp til tenntemperatur med den varmen som utvikles i lysbuen mel­ lom en hulelektrode og et arbeidsstykke. Som ved gasskjæring skjer forbrenningen av materialet med en oksygenstråle. Fugen blir litt bredere enn elektrodediameteren, og den blir ikke så glatt. Metoden kan ikke konkurrere med acetylen-oksygenskjæring ver-

158

TERMISK SKJÆRING

Figur 3.41 Prinsippet for en portalmaskin.

1 2 3 4

Portalmaskin. Hovedføringsskinner. Brennere. Ekstra utligger.

ken når det gjelder utseende til fugen, framføringshastighet eller pris, og vi bruker den bare i mindre omfang til «grovere» arbeid.

Undervannsskj æring Det er de siste årene gjort store framskritt når det gjelder undervannsskjæring med brenngassoksygen. Utviklingen har skjedd på både den militære og den sivile sektoren. Vi kan utføre undervannsskjæring med oksygen-acetylenutstyr, eventuelt også med hydrogenutstyr, på alle dybder hvor en dykker kan oppholde seg for å arbeide. Ned til en dybde av 10 m kan vi bruke acetylen-oksygenutstyr, men for større dybder bruker vi oksygen-hydrogen trykkluft. Prinsippet for undervannsskjæring er det samme som ved skjæring over vann. Et spe­ sielt forhold ved undervannsskjæring er at framføringshastigheten må være mindre fordi avkjølingen er større på grunn av vannet. Generelt ligger hastigheten på mellom 40 og 80 % av vanlig skjærehastighet i luft, avhengig av siktbarhet, brennertype og dykkerens ferdighet. Bue-oksygen-undervannsskjæring skjer etter det samme prinsippet som vi har gjort greie for i forrige avsnitt.

Plasmaskjæring Hvordan plasmabrenneren virker

Plasma er en høyionisert, elektrisk ledende gass. I plasmabrennere blir plasmaet dannet i en likestrømslysbue. Vi skiller mellom to typer av brennere: - direkte lysbue, også kalt overført bue - indirekte lysbue, også kalt ikke-overført bue

Med direkte overført bue kommer lysbuen mellom katoden og arbeidsstykket. Gassen passerer mellom katoden og en kobberdyse og ut gjennom den sammen med lysbuen. Se figur 3.42. Med denne metoden blir den varmemengden som utvikles i lysbuen, også et tilskudd til den energien som blir dannet av plasmagassen.

OPPDELENDE BEARBEIDINGSPROSESSER

159

Figur 3.42 Plasmabrenner, skjematisk. Gass som danner plasmaet når den passerer lysbuen. 2 Wolframelektrode. 3 Kjølevann. 4 Kappe. 5 Plasma. 6 Lysbue. 7 Likestrømsgenerator. 8 Arbeidsstykke. anode. 9 Kobberdyse. 10 Tetningsring.

1

Når lysbuen snevres inn i den trange dysen, blir gassen varmet sterkt opp, og tempe­ raturen kan komme opp i 25 000 °C eller mer. På grunn av temperaturøkningen i dysen far gassen også en plutselig volumøkning. Det gjør at den forlater dysen med en hastig­ het nær lydhastigheten i luft. Metallet smelter raskt ved den høye temperaturen, og slagget blir blåst ut av skjærefugen på grunn av den kinetiske energien i gasstrålen. Den varmemengden plasmastrålen overfører til arbeidsstykker, kan ligge mellom 100 og 1 000 W/cm . Plasmaskjæringen har den fordelen framfor oksygenskjæring at vi også kan skjære metaller som har en tenntemperatur høyere enn smeltepunktet. Austenittiske stål og an­ dre høylegerte stål, nikkel, kobber, messing, aluminium og deres legeringer, kan vi lett skjære med plasma. Snittkvaliteten er omtrent den samme som ved skjæring av vanlig bygningsstål. Ved konvensjonell plasmaskjæring blir varmen dannet bare av plasmastrålen og ved forbrenning av stål i oksygen, slik som ved oksygenskjæring. Det er årsaken til at plasmastrålen far lavere temperatur med avstanden fra dysen. Snittfugebredden blir litt større enn ved oksygenskjæring. Plasmaskjæremetoder

De plasmaskjæremetodene som finnes i dag, er — — — — —

plasmaskjæring plasmaskjæring plasmaskjæring plasmaskjæring plasmaskjæring

med én gass («single gas») med to gasser («dual flow»), en plasmagass og en sekundærgass med vannkappe, vanninjeksjon og under vann med lav strømstyrke med trykkluft

Plasmaskjæring med én gass ev en konvensjonell metode der vi bruker nitrogen, luft eller andre gasser.

TERMISK SKJÆRING

Figur 3.43 PLasmabrenner med sekundærgass.

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13

Elektrode. Vannkjølt katode. Luft eller oksygen. Vannkjølt dyse. Sekundærgasskappe. Skjærfuge. Plasmagass. Kjølevann. Ikke strømførende kappe. Gassvirvlingsring. Lysbue. Plasmaflamme. Plate som skjæres.

Ved plasmaskjæring med to gasser bruker vi en sekundærgass, vanligvis CO2, i tillegg til plasmagassen for å oppnå visse fordeler. Se figur 3.43. Sekundærgassen strømmer ut som en hylse rundt plasmastrålen, som på denne måten blir mer konsentrert. Dermed øker skjæreeffektiviteten vesentlig. Sekundærgassen bidrar også til å fjerne smeltet metall og hindrer at slagg setter seg fast på skjæreflaten. 1 tillegg kjøler den brenneren. Med plasmaskjæreanlegg kan vi skjære tørt (over vann), i vannspeilet eller under vann. For skjæring over vann kan vi bruke plasmabrenner med vannkappe. Brenneren har da en ringdyse hvor vannet strømmer ut. Platene vi skal skjære, ligger på en rist like over vannspeilet slik at undersiden berører vannspeilet. En motor for høyderegulering som er styrt av buespenningen, sørger for konstant avstand mellom platen og plasmabrenneren. Fordelen med plasmaskjæring med vannkappe er at den blant annet gir renere snitt, blankere snittflate og redusert røykutvikling. Dessuten blir metall, metalloksidstøv og nitrøse gasser spylt vekk. Lydtrykknivået blir senket med ca. 15 dB(A), og det oppfatter vi som en halvering av lydnivået. Plasmaskjæring med vanninjeksjon gir bedre snittkvalitet og lengre levetid for dysen. Med denne metoden sprøyter vi vann under høyt trykk radialt inn mot plasmastrålen. Strålen blir litt innsnevret, og det gir en høyere energitetthet, samtidig som temperatu­ ren i buesøylen kan komme opp mot 50 000 °C. Vi far større skjærehastighet, smalere snittfuge, bedre overflate, lavere lydnivå og en mindre varmepåvirket sone. Plasmaskjæ­ ring med vanninjeksjon er vist på figur 3.44. Plasmaskjæring med lav strømstyrke bruker vi til lettere arbeider og til små og middels platetykkelser (opp til 25 mm). Strømstyrken er under 200 A.

OPPDELENDE BEARBEIDINGSPROSESSER

161

Plasmaskjæring med trykklufi får stadig større betydning i verkstedene. Det skjer en eksotermisk reaksjon mellom materialet og oksygenet i lufta, og den varmen som blir ut­ viklet, øker skjæreeffektiviteten. Med trykkluftplasma kan vi skjære i alle typer materia­ ler med tykkelser fra 0,1 mm og opp til ca. 15 mm. For tykkere plater blir metoden mindre økonomisk. Det har ingen betyd­ ning om platene er lakkert, varmforsinket el­ ler grunnet (primet). Vi bruker metoden både for hånddrift og maskinell drift. Snittkvaliteten på skjæringen med luftplasma på stål er svært god. Snittkantene blir som regel loddrette, og ved tynnplateskjæring gir me­ toden også mindre kastninger enn ved oksygenskjæring. Skjærehastigheten er mer enn dobbelt så høy som ved oksygenskjæring.

Figur 3.44 PLasmaskjæring med vanninjeksjon. 1 2 3 4

Elektrode. Vanninjeksjon. Arbeisstykke. PLasmastråle.

Skjærekvalitet

Skjærekvaliteten er avhengig av skjærehastigheten, den elektriske effekten, gasstypen, gassblandingen og gassmengden, avstanden mellom munnstykket og arbeidsstykket og dessuten skjæreretningen. Skjærehastigheten er avhengig av platematerialet, platetykkelsen og den effekten vi bruker. For eksempel kan vi med en effekt på 40 kW skjære en 6 mm stålplate med en hastighet på 6 300 mm/min. Øker vi den elektriske effekten, kan vi også øke skjærehas­ tigheten. Holder vi hastigheten konstant og øker effekten, kan vi skjære tykkere plater. Gasstypen har innflytelse på energien i plasmastrålen. Nitrogen har relativt høyt varmeinnhold, god varmekonduktivitet og høy kinetisk energi. Derfor kan vi bruke nitro­ gen alene som plasmagass. Hydrogen har høy varmekonduktivitet og høyt varmeinnhold. Det gir så høy varmeutvikling at munnstykkene kan bli ødelagt. Hydrogen blir derfor brukt i blandgass sammen med nitrogen. Argon beskytter katoden mot oksidasjon og stabiliserer buen. Det er en forutsetning for god snittkvalitet. Men argon har lav kinetisk energi og lavt varmeinnhold, så vi bruker den ikke alene til skjæring. Derimot kan vi bruke den i blandgass Ar/H2/N2. Blandgassen får den gode startegenskapen og buestabiliteten til argon, det høye varmeinnholdet til hydrogen og den høye kinetiske energien til nitrogen. Sammenfattet kan vi si at valget av de variablene som er nevnt ovenfor, og det inn­ byrdes forholdet mellom dem er avhengig av

TERMISK SKJÆRING

— — — —

om om om om

vi skal etterarbeide skjæreflatene vi ønsker skjæretiden så kort som mulig vi skal bruke platematerialet på begge sidene av skjærefugen det er satt visse kriterier for kvaliteten på skjæreflaten

Strukturinnflytelse

Fordi plasmaskjæringen foregår svært raskt, blir varmeledningen innover i materialet meget liten, og strukturen inntil skjærekanten blir praktisk talt ikke påvirket. Bruksområder for plasmaskjæring

Aluminium, magnesium, kobber og legeringer av dem, høylegerte stål, rustbestandige stål og syre- og varmefaste stål er materialer som særlig egner seg for skjæring med plas­ ma. For disse materialene gir plasmaskjæringen til dels store økonomiske fordeler fram­ for acetylen-oksygenskjæring. Med plasmaskjæring er det ikke nødvendig med forvarming. Metoden gir stor skjærehastighet og lave energi- og gasskostnader. Vi kan bruke trykkluft som plasmagass. Den varmepåvirkede sonen (HAZ) blir liten. Ved skjæring av ulegert og lavlegert stål kan vi for platetykkelser under ca. 25 mm skjære to-tre ganger raskere enn med acetylen-oksygen. For fugetilforming før sammensveising av plater gir plasmafugehøvlingbetyåeYig tids­ besparelse sammenlignet med klippende eller sponende metoder. Med en spesiell brennerføring kan vi variere vinkelen mot platen fra +45° til —45°. Miljøvern ved plasmaskjæring

Ved plasmaskjæring må det være satt i verk vernetiltak på samme måte som for sveising og oksygenskjæring. Ved skjæring av metall må vi beskytte oss mot lysstråling fra plasmaflammen, gnister, smeltet metall, varme og røyk. Ved plasmaskjæring er strålingsintensiteten stor (infrarøde og ultrafiolette stråler). Som ved konvensjonell buesveising må vi bruke sveiseskjerm og sveisehansker. Vi arbeider med relativt høye spenninger og store effekter, og tomgangsspenningen kan ligge mellom 300 og 400 V. Vi må derfor ha en spesiell skjerming for å verne oss. Når platen ligger like over eller i vannspeilet på et skjærebord med en vannbeholder under, blir røyk, lysglimt og støy dempet. Støynivået ved plasmaskjæring kan komme opp i 100-115 dB(A), så derfor må vi bruke hørselsvern. Det kan være hensiktsmessig å kle arbeidsstedet inn med lydabsorberende plater dersom det er mulig. Kombinerte stanse- og plasmaskjæremaskiner

Kombinerte stanse- og plasmaskjæremaskiner er en videreutvikling av de numerisk styr­ te stanse- og niblemaskinene. De kan ha automatisk innmating og fastspenning av plater på maskinens CNC-styrte koordinatbord, som beveger seg i forhold til verktøyet. I en slik kombinasjonsmaskin kan posisjoneringen skje med en hastighet opp til 80 m/min og med en banestyringshastighet opp til 8 m/min. Verktøyvekslingen for stanseverktøy kan foregå slik vi har forklart det i avsnittet om klipping. Vi kan også sette inn verktøy

OPPDELENDE BEARBEIDINGSPROSESSER

som kan utføre visse former for plateforming, som knekking og trekking. Enkle utskjæ­ ringer som hull eller rettlinjede utskjæringer tar vi med klippende verktøy, mens konturskjæringen foregår med plasmaskjæring eller laserskjæring. Regelen er at vi tar enkle utsnitt med klippende verktøy, mens kurvekonturer utfører vi raskere og billigere medplasmaskjæring.

Laserskjæring Laserstråler bruker vi mer og mer til skjæring når materialtykkelsen er opp til 10—15 mm. Laserskjæringen er i rask utvikling og er i dag en vel etablert industriell metode som byr på mange muligheter for å tilvirke halvfabrikatet eller ferdige produkter med svært god presisjon. Den skjærer både i plane og tredimensjonale former. For enkelte materi­ altyper, for eksempel fjærstål og sprø materialer, er laserskjæringen ofte den eneste mu­ ligheten vi har. Den er også et supplement til andre metoder. Figur 3.45 viser ved hvilke godstykkelser vi hovedsakelig bruker de ulike skjæremetodene. Laser er en forkortelse for «light amplification by stimulated emission off radiation». En laser er en optisk enhet som gir en sterkt konsentrert lysstråle med svært høy inten­ sitet. Strålen er dessuten svært nær monokromatisk og koherent.

TERMISK SKJÆRING

Laserskjæringen byr på disse fordelene sammenlignet med konvensjonelle skjæremetoder: — Laserstrålen som verktøy har ingen slitasje og er universelt anvendbar. — På grunn av den høye strålingsintensiteten blir energitettheten høy (opp til 1(P W/

—

— —

— —

cm2), og dermed blir den varmepåvirkede sonen inntil skjærkanten liten. Det er en fordel for mange materiallegeringer. Det blir ingen mekanisk kraftpåvirkning på arbeidsstykket under skjæreprosessen. Det betyr enklere fiksturer for fastspenning. Det blir ingen eller liten formendring på produktene. Det blir en fm overflate i snittet. Ruheten (rilledybden) Rmaics kan være 10—20 pm. Dette gjelder for tynnplater, og etterarbeid er ikke nødvendig. Med tykkere plater blir snittkvaliteten dårligere. Ved platetykkelse 6 mm blir ruheten 50-100 pm. Bredden på skjærefugen er svært liten og ligger i området 0,1—0,2 mm. Det betyr at vi sparer materiale. Laserstrålen kan også brukes til kombinerte arbeider som skjæring-sveising-overflateherding.

Karbonstål, rustbestandige stål, tre, papir, tekstil, plast og keramikk er eksempler på ma­ terialer vi kan skjære med laser. Lasertyper og laserprinsippet

Til materialbearbeiding bruker vi i dag stort sett to lasertyper, gasslasere av typen CO2lasere og faststofflasere av typen Nd-Yag-laser (neodym-ytrium-aluminiumoksid-granat). Nd-Yag-laser har kort bølgelengde (1,06 pm) og høy energi per puls og blir mest brukt til fmbearbeiding, hullboring og mikrobearbeiding. Gasslasere med en blanding av CO2, helium og nitrogen gir en laserstråle med en bølgelengde på 10,6 pm. CO2-laseren har høy virkningsgrad, og vi bygger robuste og driftssikre lasere på over 5 kW. De passer derfor for høye produksjonshastigheter og tyk­ ke materialer. CO2-laseren kan være både kontinuerlig og pulset. De to viktigste delene av en laser er et aktivt medium og en optisk resonator. Det aktive mediet kan være fast, flytende eller i gassform. Legger vi på en høyspenning mellom elek­ trodene i laserrøret, som kan være fylt med en gassblanding, skjer det en utladning. Se figur 3.46. Energien fra denne utladningen eksiterer atomene i gassen. (Å eksitere betyr litt forenklet å forandre energitilstanden.) Eksiterte atomer og molekyler i gassen kan ta opp energi eller gi fra seg energi i form av lyskvanter, elektromagnetisk stråling. Det opp­ står stående lysbølger i resonatoren, som har to speil i en viss avstand. På grunn av den oscillerende bevegelsen øker intensiteten til laserstrålen. Det ene speilet er 95 % reflek­ terende og slipper dermed ut 5 % laserstråling. Laserstrålen blir ført videre til bearbeidingsstedet. På sin vei i «laserhodet» passerer laserstrålen en fokuseringslinse. Strålen kan fokuse­ res slik at den i brennpunket har en diameter på bare 50-100 pm. Figur 3.47 viser et laserskjærehode.

OPPDELENDE BEARBEIDINGSPROSESSER

165

Høyspenning

25% reflekterende

| spell

Gassblandinc

Laserstråle

Gass ut Vakuumpumpe

Resirkulasjon

N2

COa

He

Figur 3.46 Gasslaserprinsippet.

Skjærspor Figur 3.47 Laserskjærehode.

166

TERMISK SKJÆRING

Figur 3.48

Energifordeling i laserstrålen. TEMoo-Mode (t.v.) og Multi-Mode (t.h.).

Prosessparameterne

Prosessparameterne har stor betydning for bearbeidingsresultatet: - Energifordelingen i laserstrålen (modstrukturen) kan varieres med speil og linser. «Sin­ gle Mode» (TEMoo), se figur 3.48 (t.v.), haren rotasjonssymmetrisk, gaussformet intensitetsfordeling. «Multi Mode», se figur 3.48 (t.h.), har en jevnere energifordeling. «Single Mode» bruker vi til skjæring og den andre typen til overflatebehandling. - Effekt. Høy effekt gir stor skjærehastighet i tynnplater og mulighet til å skjære tykke plater om vi tar tiden til hjelp. - Brennvidden tilfokuseringslinsen. Generelt gir kort brennvidde høy energitetthet i fo­ kus og et smalt skjærspor. Lang brennvidde gir bedre parallellitet i skjærsporet. - Beliggenheten til brennpunktet. Ved skjæring skal brennpunktet ligge på overflaten el­ ler like under. - Tilleggsgass. Denne gassen skal blåse bort smeltet materiale i skjærfugen, og den skal videre kjøle og beskytte fokuseringslinsen mot materialsprut. Ved skjæring i stål bru­ ker vi oksygen. Det danner oksid og øker absorpsjonsevnen til materialet. Dette igjen øker skjærehastigheten. - Varmekonduktivitet og refleksjonsevne. Jo høyere verdiene her er, desto vanskeligere blir det å skjære materialene med laserstråle.

Når laserstrålen treffer et materiale, blir den elektromagnetiske energien overført til ato­ mer eller molekyler i materialet. Disse begynner å oscillere og produserer dermed varme. Materialet når raskt smeltepunktet eller fordamper. Ved skjæring i stål tilsetter vi oksy­ gen som skjæregass. Stålet oksiderer, og den eksotermiske reaksjonen avgir varme som gjør at skjærehastigheten øker. Ved skjæring i plast bruker vi for det meste inerte gasser (N2, He, Ar), som beskytter og hindrer forbrenning. Ved skjæring i plast kan det utvi­ kles giftige gasser, og derfor må vi sørge for effektiv ventilasjon. Skjærehastighet

Snittkvaliteten og skjærehastigheten er blant annet avhengig av materialtypen, material­ tykkelsen (omvendt proporsjonal med denne), formen på objektet, laserutgangseffekten (direkte proporsjonal med denne), gasstypen som blir tilført, og brennvidden på linsen.

OPPDELENDE BEARBEIDINGSPROSESSER

167

Tabell 3.3 Skjærehastigheter ved laserskjæring.

Materiale

Tykkelse mm

Snittfugebredde mm

Skjærehastighet 500 W CO2-laser

1 000 W CO2-laser

ni/min

m/min

Stål (St. 37-2)

1

5,5

9

0,15

Stål

3

1,6

3

0,2

Forsinket stål

1

3

-

0,2

Legert stål 80CrV2

3

0,9

-

0,3

Rustbestandig stål X5 CrNi 18 9

1

4,5

0,2

Rustbestandig stål XI0 CrNiTi 18 9

2

1,5

0,3

Fjærstål

2

3

0,1

Aluminium

0,7

1,5

0,2

Aluminium

2

Kobber

1,2

0,2

0,6

0,5

0,2

Polypropylen

4

4

0,3

Polypropylen

2

6

Glassfiber/polyester 75 % glass

3

0,2

0,2

Polymetylmetakrylat (pleksiglass)

5

4

0,3

Polyvinylklorid, PVC bløt

3

6,6

0,3

Polytetrafluoretylen (teflon)

4

5

0,3

Kvartsglass

2

1,2

0,2

Aluminiumoksid

1

0,6

0,1

Bomullsvev, flerlags

15

2

0,5

-

0,2

Vi skiller mellom optimal og maksimal skjærehastighet. Den optimale skjærehastig­ heten er den som gir best snittkvalitet. Veiledende verdier for en del materialtyper er vist i tabell 3.3.

Miljøvern og sikkerhetskrav ved bruk av laser Når vi bruker laser, må vi følge sikkerhetsforskriftene nøye. Laserstrålen har svært høy effekt og kan gi stråleskader dersom strålingen ikke er under kontroll. Som ved andre termiske skjæremetoder blir det også ved laserskjæring dannet pro­ dukter som blir blåst ut av skjærefugen, og som vi kan puste inn. Det kan være støv (partikkelstørrelse over 1 pm), aerosolet (partikkelstørrelse under 1 pm) og gasser. Den kje­ miske sammensetningen av stoffene som blir blåst ut, og dermed også den fysiologiske

TERMISK SKJÆRING

Figur 3.49 BevegeLsessystemer for Laserbearbeiding.

virkningen på mennesker, er avhengig av hvilket materiale vi skjærer, og hvilke skjærgasser vi bruker. Vi skiller mellom inerte, toksiske og kreftframkallende stoffer. Ved laserskjæring er det nødvendig med en effektiv ventilasjon. Laserskjæreanlegget kan også være fjernstyrt og plassert i et helt avlukket rom. Lasermaskiner

Når vi skal skjære ut bestemte former av en plate, må den ha en bevegelse i forhold til laserstrålen. Figur 3.49 viser en del muligheter. Laseren kan være stasjonær mens vi be­ veger objektet i xy-retning, eller vi kan bevege laseren i xy-retning mens objektet er i ro eller beveges. Den kan for eksempel roteres slik figur 3.49 (t.h.) viser. En annen mulig­ het er at både laseren og objektet er stasjonære, men at laserstrålen ved hjelp av optikk kan beveges i xy-retning. Denne siste metoden er ideell for store plateformater, og den gir optimal plassutnyttelse. Men på grunn av den variable og lange stråleveien er ikke presisjonen så god. Arbeidsbordet er gjerne koordinatdrevet, det har en nøyaktighet i posisjoneringen på (0,1 mm/m, og det kan ha en forflytntingshastighet på 30 m/min. I mange tredimensjonale deler av metaller eller av kompositter blir konturene skåret ut etter at delene er formet. I slike tilfeller kreves det femakset laserskjæring. Det kan vi gjøre ved at bordet har tre lineære akser, xyz, og dessuten er det to rotasjonsakser i laserhodet.

Fiberoptiske multilasersystemer Med laserpulsfordeling og fiberoptiske kabler kan vi med ett laserapparat bearbeide flere steder samtidig. Vi arbeider enten med en tidsavhengig fordeling («time share mode») eller med en energiavhengig oppdeling («energy share mode») av laserpulsene. Laserstråler har vært overført i fiberoptiske kabler på mer enn 100 m uten at det har hatt noen merkbar innflytelse på stråleeffekten. Installerte systemer har vist at bare rundt 10 % av lasereffekten er gått tapt på veien til bearbeidingsstedet, inklusive refleksjonstapene ved fiberendene. Lav lasereffekt (< 600 W) og overføring gjennom fiberoptiske kabler bruker vi til skjæring og sveising. Til høye effekter må vi bruke grovere kabler, og strålekvaliteten

OPPDELENDE BEARBEIDINGSPROSESSER

blir dårligere. Slike lasere med optiske fibrer egner seg best til sveising og overflate­ behandling. Kombinerte anlegg

Kombinerte anlegg for klipping (stansing) og laserskjæring gir i mange tilfeller bedre muligheter enn rene laserskjæreanlegg. Et platearbeid består oftest av konturskjæringer og en rekke punktoppgaver i form av hull eller rettlinjede utklipp. Skjærer vi konturene med laserstråle og utfører de andre oppgavene med kniwerktøy, får vi optimalisert bearbeidingsprosessen. Kombinasjonen gir bedre kvalitet, kortere tilvirkningstid og større fleksibilitet i tilvirkningsoppgavene. Et kombinert anlegg er vist på figur 3.50. Anlegget har automatisk verktøyveksling i ti stasjoner, og flerverktøysett («multitools») med 60 verktøy er mulig. Anlegget er ut­ styrt med TC-CAPT, som er et todimensjonalt DAK-system med integrert programme­ ring utviklet spesielt for platebearbeiding. Systemet inneholder også muligheter for diagnose. Det gir maskintilstanden i klar­ tekst og viser eventuelle omkoblingsmuligheter, eventuelt tilkoblet en servicetjeneste via telenettet. Med en personlig datamaskin (PC) med tilstrekkelig kapasitet og med universalprogrammeringsspråket APT, kan vi raskt få fram rimelige programmer for nume­ risk styring av maskinen.

Figur 3.50 Kombinert stanse- og Laserskjæremaskin. Foto: Trumpf.

TERMISK SKJÆRING

Laser vannstråleskjæring Med den nye teknikken, Laser-Microjet, også kak Lasergjet, blir laserstrålen styrt av en vannstråle. Vannstrålen fungerer på samme måte som en optisk fiber og gir en parallell laserstråle med svært liten diameter (omtrent 0,1 mm). Metoden egner seg for boring, skjæring og overflatebehandling, og vi bruker den på områder hvor de konvensjonelle maskinene ikke oppfyller kravene til presisjon og varmetilførsel.

Vannstråleskjæring Metodene VannstråLeskjæring (PSE, «particle stream erosion») er i dag en vanlig industriell tilvirkningsteknikk. Den er særlig kjent for bearbeiding av fiberforsterkede kompositter, bølgepapp, glassull, bakverk, sjokolade, fiskefileter, frossen fisk og tekstiler. Metoden er i bruk i elektronikkindustrien for å skjære kretskort. Ved vannstråleskjæring (figur 3.51) bruker vi to ulike teknikker. Vannknivmetoden bruker vanntrykk opp til 4 000 bar, mens abrasivjetmetoden i tillegg bruker et abrasivmiddel (fordosert slipemiddel). Her ligger vanntrykket mellom 2 000 og 3 000 bar. Abrasivjetmetoden er utviklet for å skjære metall, glass og keramikk. I utgangspunk­ tet bruker vi de samme standardpumpene, ledningene og de andre elementene som ved vannknivmetoden, men i skjæredysen suger vannstrålen med seg et egnet abrasivmiddel. Med en vannstrålehastighet opp til 1 000 m/s kan vi i prinsippet skjære i et hvilket som helst materiale. Abrasivjetmetoden bruker vi særlig til arbeid i luftfarts- og romfartsindustrien, glassverk, verft, støperiet og maskinfabrikker.

4000 bar 0.1 - 0,4 mm i.D. 2.8 l/min 2 = 50 mm

15mm

Figur 4.9 Fugetyper.

a b c d

Horisontalsveis. Liggende vertikalsveis. Stående vertikalsveis. Under-opp-sveis.

Sveisingens utførelse Vi kan utføre gassveising som håndsveising eller som maskinell sveising. Når det gjelder gassveising, tar vi håndsveising etter to eller tre forskjellige arbeidsmetoder: venstresveising, høyresveising eller eventuelt dypsveising. Venstresveising

Dette er den eldste metoden, og sveisingen foregår fra høyre mot venstre. Se figur 4.11. Metoden er særlig godt egnet for sveising av tynne plater. Vi fører brenneren i ca. 45° av platen mot venstre og med tilsettmaterialet foran brenneren. Tilsettstaven holder vi ca. 30° mot platen. Brenneren holder vi litt over platen slik at det varmeste partiet av flam­ men så vidt berører plateoverflaten. Høyresveising Når vi sveiser tykkere plater, over ca. 2,5 mm, er høyresveising raskere og krever mindre gass enn venstresveising. Prinsippet for høyresveising er vist på figur 4.11. Vi holder brenneren litt dypere ned mellom platene og retter den mot sveisebadet. Tilsettstaven utfører en roterende «pudlende» bevegelse i badet, samtidig som vi fører brenneren rolig fra venstre mot høyre foran tilsettstaven. Tilsettstaven beveger seg hele tiden innenfor den reduserende sonen av brennerflammen. Denne sveisemetoden gir høy varmekonsentrasjon. Ved høyresveising med høy sveisehastighet blir det forholdsvis liten varmetilførsel til de partiene som ligger inn mot sveisesonen. Vi får en smal varmepåvirket sone, og de gode avkjølingsforholdene gir en finkornet sveis med gode styrkeegenskaper og god duktilitet.

Vern, sikkerhet og miljø ved gassveising. Brannfare Når det gjelder sikkerhet på arbeidsplassen, har få yrker fått så stor oppmerksomhet som sveiseyrket. Det er ikke et farlig yrke dersom vi følger forskriftene, men det kan

SAMMENFØYENDE BEARBEIDINGSPROSESSER

185

50 til 60’

Figur 4.11 Venstresving (t.v.) og høyresving (t.h.).

være farlig dersom sveiseren ikke har kjennskap til de risikomomentene som følger med arbeidet. Et risikomoment er brann. Ikke noe annet har ført til større brannskader i Norge enn uforsiktig sveising og skjæring. Det har skjedd selv om det blir gitt mye informasjon og finnes mange forskrifter, og selv om årsakene til uhell, eksplosjon og brann har vært kjent like lenge som selve sveiseprosessen. De rådene som blir gitt for å unngå brannfare, er like gamle. Størst er faren ved skjæring med skjærebrennere. Figur 4.12 viser at den strekningen gnister og metalldråper kan bli kastet når vi skjærer, er avhengig av blant annet oksygentrykket. De kan slynges opp til 10 m. Før vi begynner å sveise, skal arbeidslederen forsikre seg om at vi har den nødvendige kompetansen. Vi må inspisere området omkring sveisestedet og tette alle fuger og rørgjennomføringer til etasjene over eller under og til naborom, slik at gnister ikke kan spre seg dit. Alle brennbare ting i nærheten av sveisestedet må vi rydde bort eller dekke

186

GASSVEISING

til med varmebeskyttelsesplater, og det må være brannslukningsapparat i nærheten. Først da kan sveisingen ta til. Er området i nærheten av sveisestedet støvet, kan gnister fra sveising eller skjæring føre til støveksplosjoner. Den vanligste årsaken til støveksplosjon er uforsiktighet ved sveising. Gasser

1 omgang med gasser må vi alltid regne med visse faremomenter. Acetylen har en tilbøy­ elighet til molekylspalting. Det skjer en kraftig varmeutvikling. Den kan opptre som en flamme, men den kan også forårsake en eksplosjon. Oksygen reagerer med nesten alle stoffer. Oksygen overskudd med bare noen få pro­ sent øker brannfaren betydelig. Oksygen underskudd er også farlig. Inneholder lufta for lite oksygen, kan det føre til kveling. I lukkede rom må vi derfor sørge for effektiv ven­ tilasjon.

Buesveising, sveiseutstyr Vi kan utføre buesveisingen med både likestrøm og vekselstrøm. For å forbedre kvalite­ ten på sveisen og for å øke arbeidsproduktiviteten er det utviklet forskjellig maskinelt ut­ styr. Med slikt utstyr kan vi utføre buesveisingen halvautomatisk eller helautomatisk.

Sveiseutstyr og sveiseaggregater Når vi skal drive med buesveisarbeid, trenger vi sveiseaggregater, sveisekabler, elektro­ der, elektrodeholder, hansker, sveiseklær, ansiktsskjerm, slagghammer, stålbørste, jigger og fiksturer (skrutvinger osv.). Sveiseaggregater Sveiseaggregatene skal levere en strøm som passer for sveisingen. Vi skiller mellom tre typer av sveiseaggregater:

- sveiseomformer som leverer likestrøm - sveiselikeretter som leverer likestrøm - sveisetransformator som leverer vekselstrøm

Sveiseaggregatene skal kunne levere strøm med svært ulik spenning og strømstyrke. Strømmen er avhengig av flere forhold, for eksempel elektrodetype, materialkvalitet, materialtykkelse og sveisestilling. Når det gjelder spenningen, skiller vi mellom tomgangsspenning (klemspenning), som er den spenningen maskinen har ved tomgang, og buespenning, som er spenningen mellom elektrode og arbeidsstykke ved tent bue. Tomgangsspenningen må på den ene siden være lav, fordi den ellers kan gi støt der­ som jordingen ikke er god nok. På den andre siden må den være høy for at buen skal være lett å tenne og å holde. Kompromisset har ført til at tomgangsspenningen ligger på 50—80 V. Aggregatene bør være konstruert slik at vi kan regulere tomgangsspenningen

SAMMENFØYENDE BEARBEIDINGSPROSESSER

til en bestemt verdi innenfor dette området. Alle aggregatene er laget slik at vi kan variere strømstyrken trinnvis eller trinnløst etter behov. Sveiseomformere (roterende omformere) Sveiseomformere er aggregater som skal levere likestrøm med lav spenning (av sikker­ hetshensyn) og høy strømstyrke. Vi bruker en likestrømsgenerator som blir drevet av en motor. Motoren kan være elektrisk, gjerne med trefaset tilkobling til nettet. Der det ikke er tilgang på elektrisk kraft, bruker vi en forbrenningsmotor. På figur 4.13 ser du en prinsippskisse av en omformer. Virkningsgraden til omformeren vari­ erer med belastningen, og selv ved full belastning er den ikke høyere enn 4560 %. Ved liten belastning er den enda lavere. Ved tomgang er kraftforbruket Motor Generator høyt, 0,8-1,5 kW, og kan for større om­ Figur 4.13 Prinsippet for omformeren formere komme opp i 1,5-2,5 kW.

Sveiselikeretter Sveiselikerettere er enklere oppbygd, og når det gjelder sveiseøkonomi, ligger de mellom omformerne og transformatorene. Som motor-generatoromformeren far likeretteren vekselstrøm fra nettet og leverer likestrøm til sveiseren. Til mange sveisearbeider fore­ trekker vi nemlig likestrøm framfor vekselstrøm.

Transformator Transformatorer er sveisestrømkilder som vi vanligvis kobler til trefasenettet over én fa­ se, og som transformerer spenningen ned til en tomgangsspenning på 50-80 V. Samti­ dig tjener transformatoren til å regulere sveisestrømmen. Strømmen fra nettet har høy spenning og lav strømstyrke. Primærviklingen består av mange tynne tråder som er viklet om det ene «beinet», mens en sekundær spole har færre og tykkere tråder med fa viklinger. Dersom antallet viklinger i sekundærspolen er 1/3 av antallet i primærspolen, vil også spenningen bli redusert til 1/3. Er spenningen på primærsiden 240 V, blir spenningen på sekundærsiden, klemspenningen, 80 V. Intermittensfaktoren er et uttrykk for innkoplingstiden i prosent av en bestemt tids­ periode, for eksempel 5 min. Sveisetransformatoren er bygd for intermitterende drift fordi sveiseren fra tid til annen må stoppe for å bytte elektrode, hamre og børste vekk slagg, skifte stilling osv. Den samlede innkoplingstiden blir altså summen av buetiden og tomgangstiden. Når aggregatet er konstruert for en bestemt intermittensfaktor, bør vi ikke overskride den, fordi lang innkoplingstid kan gjøre at vi kommer over den mak­ simale temperaturen for viklingene.

188

BUESVEISING. SVEISEUTSTYR

Figur 4.14 Universalstrømkilde som vi kan bruke til alle vanlige sveisemetoder. Foto: ESAB.

Figur 4.14 viser et mikroprosessorstyrt strømaggregat som brukes for alle vanlige sveisemetoder med dekkede elektroder (AC/AD), TIG (AC/AD), MIG (DC) og pulset MIG (DC). Ved metodeveksling velger strømkilden automatisk den riktige strømtypen for hver sveisemetode. Sveisestillinger og sveisesymboler

Alt etter hvor sveisen ligger, får de forskjellige sveisestillingene navn som horisontalsveising, liggende og stående vertikalsveising eller under-opp-sveising (figur 4.15). Tegnin­ gene far sveisesymboler etter Norsk Standard (NS 19), se også NS 470, 471 og 472.) Figur 4.15 Sveisebetegnelser. 1 Horisontal buttsveis. 2 Horisontal buttsveis i vertikalplanet. 3 Under-opp-buttsveis. 4 Vertikal buttsveis. 5 Horisontal kilsveis. 6 Kilsveis i oppvendt fuge. 7 Under-opp-kilsveis. 8 Hjørne vertikal buttsveis. 9 Under-opp-sveis i nedvendt fuge. 10 Skråsveis.

SAMMENFØYENDE BEARBEIDINGSPROSESSER

189

MetaLLbuesveising Ved metallbuesveising bruker vi en elek­ trode av metall. Lysbuen er en elektrisk le­ dende bru av sterkt opphetede gasser mel­ lom to elektroder. Den ene er en metallstav, kalt elektroden, og den andre er Figur 4.16 Elektron- og ionevandring i et arbeidsstykke. Brenner buen i en likelysbuen. strømskrets, kaller vi den positive elektro­ 1 Anode. 2 Katode. den anode og den negative elektroden kato­ 3 Elektroner. de. Se figur 4.16. En lysbue er en form for 4 Ioner. gassutladning der det flyter en stor elek­ trisk strøm. All gassutladning er en vandring av frie elektroner fra katoden til anoden under på­ virkning av likestrøm. Buespenningen gjør at de emitterte elektronene beveger seg med stor hastighet mot anoden (arbeidsstykket). Ved elektronbombardementet blir anoden varmet opp til 4 500 K eller mer. Katoden blir bombardert av færre ioner som flytter seg langsommere, men den kinetiske energien deres er likevel stor nok til å holde katoden så varm at den kan emittere elektroner, slik at buen holdes ved like. Temperaturen i buen ligger mellom 6 000 K og 7 000 K . Buesøylen (lysbuen), som består av en blanding av frie elektroner, positive ioner, ato­ mer og molekyler, kan vi betrakte som et plasma. Plasmaet danner forbindelsen mellom anodeområdet og katodeområdet og er omgitt av en flamme. Flammeformen er uregel­ messig og forandrer seg stadig. Den er avhengig av størrelsen på og retningen til mag­ netfeltet omkring og kan variere i farge, alt etter hvilke metalloksider som blir dannet når elektrodematerialet brenner.

Materialovergang i metallysbuen Alt etter forholdene blir materialet overført fra elektroden til arbeidsstykket i større eller mindre dråper. Vi kan sterkt forenklet si at overføringen skjer etter tre metoder: — sveising med udekket elektrode med forholdsvis små strømstyrker, som gir store dråper — sveising med dekket elektrode med middels til store strømstyrker, som gir middels store dråper — sveising med udekket elektrode med dekkgass (argon, argon-CC^ og CO2), som gir svært små dråper med normal buelengde («spray-arc»). Med svært kort buelengde («short-arc») skjer det en nærmest kontinuerlig kortslutning i smeltebadet, og meto­ den kan derfor bedre karakteriseres som dyppeoverføring(i 0,06 % C), slik at det ikke er karbon disponibelt til å danne kromkarbider. En legering med ekstra lavt innhold av karbid (0,03 %) kaller vi ELC-stål («extra low carbon»). — Vi kan bruke et grunnmateriale og en elektrode med tilsettinger som hindrer utfel­ ling av kromkarbider. Det kan være titan eller niob. Det danner seg da ufarlige niobeller titankarbider, og korrosjonsbestandigheten holder seg. Sveisemetoder

Vi kan sveise rustbestandige stål med de samme metodene som andre stål. Manuell bu­ esveising med dekkede elektroder er den enkleste sveisemetoden. TIG-sveising er en ut­ merket metode, spesielt ved sveising av tynnveggete, rustbestandige stålmaterialer. MIG-sveising, som arbeider med smeltende elektrode, er også en utmerket metode. Vi bruker normalt en kontinuerlig elektrode. Med kontinuerlig elektrode mener vi en elektrodetråd fra et trådmatingsmagasin. Tråden blir matet fram av en trådmatingsmotor.

Figur 4.18 Kromkarbidutfelling Langs korngrensene.

ui^m 'kromkarbid

Homogen oustenitt

196

Kromlattige områder omgir karbidene

SVEISING AV FORSKJELLIGE MATERIALER

Tråden har samme sammensetning som grunnmaterialet. Som dekkgass bruker vi først og fremst argon, men vi kan også benytte blandgass. Sveisbarhet

Når det gjelder rustbestandige stål, eller rustfrie stål som de ofte blir kalt, finner vi mange ulike grupper som vi ved sveising må behandle på helt ulike måter. Når vi skal vurdere sveisbarheten til ulike rustbestandige stål, må vi først og fremst ta hensyn til styrken og sprekksikkerheten til sveiseforbindelsen. Buesveising av aluminium Aluminium og aluminiumlegeringer blir mye brukt, særlig fordi de er lette, har god elek­ trisk ledningsevne og varmeledningsevne og god motstand mot korrosjon. For å få gode sveiseforbindelser må vi kjenne til både varmebehandling, mikrostruktur og mekaniske egenskaper i støpt og valset aluminium. Vi skiller mellom hovedtypene ikke-herdbare og herdbare aluminiumet og alumini­ umlegeringer. De første kan bare få økt hardhet ved kaldbearbeiding, men da på bekost­ ning av seigheten. Den andre typen kan fa økt hardhet og strekkfasthet ved varmebe­ handling. Problemene i forbindelse med sveising av aluminium og aluminiumlegeringer hen­ ger vanligvis sammen med disse egenskapene:

— — — — — — —

smeltetemperatur og spesifikk varme termisk og elektrisk ledningsevne utvidelse og kontraksjonskoeffisient oksidbelegg utvikling av gass som kan gi porøsitet varmsprekktendens sveisingens innflytelse på styrke og varmebehandling

På grunn av den høye varmeledningsevnen til aluminium blir varmen trukket fort bort fra sveisesonen. Dersom varmetilførselen er for dårlig, kan derfor temperaturen i sveisesonen bli for lav, og det blir dårlig innsmelting. Er grunnmaterialet tykt, kan det være nødvendig med forvarming av sveisesonen. I luft omgir aluminium seg med et aluminiumoksid som er ca. 100 Å (0,01 |lm )

tykt. Sett fra et sveiseteknisk synspunkt er dette problematisk fordi smeltepunktet er tre ganger høyere enn for rent aluminium. Fjerner vi oksidet med kjemiske eller mekaniske midler, blir det straks dannet et nytt. For å få en god sveis må vi fjerne oksidet, sammen med olje, fett og støv, fra sveisefugen umiddelbart før sveisingen tar til. Vi kan ikke bru­ ke trikloretylen fordi dampen blir spaltet i lysbuen og det blir dannet skadelige gasser.

SAMMENFØYENDE BEARBEIDINGSPROSESSER

197

Sveisemetoder

Sveisemetodene for aluminium og aluminiumlegeringer er vanligvis argonbuesveising (TIG og MIG) og buesveising med dekkede elektroder, som vi bruker spesielt ved reparasjonssveising. TIG-sveisingav aluminium skjer vanligvis med vekselstrøm med overlagret høyfrekvens for å bedre oppbrytingen av oksidbelegget. Sveiseteknikken ved denne metoden minner mye om den vi bruker ved gassveising. MIG-sveisinger den mest brukte metoden for smeltesveising av aluminium og alu­ miniumlegeringer. Sveisehastigheten er større enn ved TIG-sveising. Med høy energi­ tetthet i lysbuen får vi en smalere varmepåvirket sone enn ved TIG. Sveisedeformasjonene er mindre med mindre varmetilførsel, og det er en fordel, særlig for aluminium.

Boltsveising Før festet en for eksempel pinneskruer på plater ved oppboring, gjengeskjæring og inngjenging av pinneskruer. Men i dag bruker vi boltsveising\ stadig større utstrekning. Det utvikler seg varme ved at det dannes en lysbue mellom bolten og platen. Når smeltebadet har fått den rette størrelsen, blir bolten slått ned i smeltebadet og sveisingen er fullført. Vi kan feste selv tykke bolter til tynne plater. Den minste platetykkelsen uten mothold er ca. 2 mm og med mothold ca. 1,0 mm.

Hardsveising. Påsveising I mange industrigrener er slitasjen på maskindeler et stort problem. Særlig stort er pro­ blemet i gruver, steinbrudd og kalksteinbrudd og når det gjelder slitasje på gravemaskinskuffer og bulldoserskjær i bygge- og anleggsindustrien. I stedet for å bytte ut de nedslitte delene kan vi bruke forholdsvis rimelig stål i konstruksjonsdelene og deretter sveise på et slitebelegg. Det er dette vi forstår med hardsveising. I den kjemiske industrien og tre­ foredlingsindustrien må vi ofte bruke særlig korrosjonsbestandige materialer. Men vi kan også bruke et billig materiale i konstruksjonene og kle det med et dyrere korrosjons­ bestandig materiale ved påsveising.

PuLverdekket buesveising Sveising under pulverdekke er en elektrisk sveisemetode der vi mater en blank elektrodetråd kontinuerlig ned mot sveisebadet (sveisefugen), og der tråden smeltes av i lysbu­ en. Vi tilfører en spesiell pulverblanding til sveisestedet like foran og rundt elektroden. Lysbuen og smeltebadet blir helt dekket av pulver, slik at sveisingen foregår uten synlig lysbue, sprut eller røyk. Den varmemengden som er nødvendig for å smelte metallene, er avhengig av bueeffekten, som er produktet av buespenningen og buestrømstyrken. Fordi buespenningen normalt varierer fra 1 5 til 40 V, må vi bruke så stor strømstyrke som mulig for å oppnå stor varmeeffekt og rask sveising.

8018^0

198

BOLTSVEISING

Prinsippet for pulverdekket buesveising er vist på figur 4.19. Foran elektroden fyl­ ler vi pulver fra en pulverbeholder. Elek­ troden er blank tråd med et tynt belegg av kobber som skal hindre tråden i å ruste og dessuten bedre kontakten ved strømtilførsel. Tråden kommer fra en trådtrommel Grunnmateriale og blir matet ned mot smeltebadet av en trådmatingsmotor som er automatisk re­ Figur 4.19 Prinsippet ved pulverdekket buesveising. gulert av innstilt buespenning. Pulveret (også kalt melten) er i kald tilstand en iso­ lator, men i smeltet tilstand er det en god leder for den elektriske strømmen. Pulveret dekker hele sveisestedet, men bare den delen som ligger omkring selve smeltesonen, smelter og flyter oppå metallet når det stivner. Under avkjølingen legger slagget seg på sveisen og beskytter den. Når slagget er kaldt, løsner det lett. Det pulveret som ikke er smeltet, blir sugd opp og går tilbake til pulverbeholderen. Det finnes mange sammensetninger av pulver. Når vi tilpasser den kjemiske sam­ mensetningen av pulveret og elektrodetråden til de forskjellige grunnmaterialene og det aktuelle sveisearbeidet, kan vi påvirke de mekaniske egenskapene til sveiseforbindelsen. Fordi pulversveising er hurtig og har stor inntrengning, blir metoden mye brukt både til bindesveis, hardsveis og påleggssveis.

Sammendrag

Pulverdekket buesveising er en automatisk lysbuesveisemetode med dekket lysbue. En blank sveisetråd fra rull blir matet ned mot sveisebadet og smeltet ned under et sveisepulver. Metoden har disse fordelene: - høy sveiseytelse ved stor strømstyrke og høy spesifikk trådbelastning (25-300 A/m2), dessuten høy sveisehastighet

- god innbrenning, der sveisesømtverrsnittet består av 2/3 grunnmateriale og 1/3 tilsettmateriale, og sammen med smalspaltsveising gir det lite forbruk av tråd — automatisk sveiseoperasjon — god virkningsgrad — økonomisk gunstig sammenlignet med andre lysbuesveisemetoder — god sveisekvalitet gjennom utallige kombinasjoner av sveisetråd og pulver - moderate tverr- og vinkelkrympinger - mye mindre herdeeffekt i overgangssonen (HAZ) enn ved bruk av andre lysbuesvei­ semetoder

SAMMENFØYENDE BEARBEIDINGSPROSESSER

199

Sveising under slaggdekke Metoden er karakterisert ved at den arbeider med store strømstyrker og med stor avsmelteytelse. Vi bruker den når vi skal sammen­ føye store materialdimensjoner, eller når vi skal påleggssveise tykke lag på store flater. Metoden er ikke en ren smeltesveisemetode, men mer en «motstandssmeltesveising». I et innformet sveisested mellom de­ lene utvikler det seg varme som følge av motstandsoppvarming av et slagg som er fly­ tende, og som derfor leder strøm godt. Det strømførende tilsettmaterialet smelter i den flytende slaggsonen og renner kontinuerlig ned i et smeltebad under slaggdekket. Prin­ sippet er vist på figur 4.20. Vi sveiser i verti­ kal stilling nedenfra og oppover. Ved bindesveising blir smeltebadet begrenset av en kobberplate (kobberbakke) på hver side av platene (posisjon 6 på figur 4.20). Disse vannkjølte kobberbakkene tjener som glide­ forskaling og følger oppover etter hvert som sveisingen skjer.

Figur 4.20 ELektroslaggsveising.

1 2 3 4 5 6 7 8

Sveiseavsett. Smeltebad. Slagg. Trådføringsrør. Elektroder. Vannkjølt glidesko. Sveisesøm. Trådmating.

Gassbeskyttet buesveising Sveising under dekkgass er en sveisemetode der varmen blir utviklet i en lysbue som brenner mellom en elektrode og arbeidsstykket. Denne lysbuen og innsmeltingen i grunnmaterialet (smeltebadet) er beskyttet mot lufiatmosfæren av en dekkgass. Som dekkgass kan vi bruke gasser som ikke reagerer med det smeltede metallet eller metallegeringen. Da metoden ble innført, brukte en bare helium, senere argon. Disse gassene er inaktive, og navnet «inertgas arc welding» kommer av dette. Sveising under dekkgass foregår etter to hovedprinsipper. Lysbuen kan brenne mel­ lom en ikke-smeltende elektrode og arbeidsstykket, der vi bruker tilsettstav, eller lysbuen kan brenne mellom en kontinuerlig smeltende elektrode av omtrent samme sammenset­ ning som grunnmaterialet og arbeidsstykket uten at vi bruker tilsettstav. Vi kan også bruke aktive gasser, for eksempel nitrogen, som er aktiv overfor stål, men nøytral overfor kobber, eller CO2, som kan gi nær feilfrie sveiser ved sveising av karbonfattige, lavlegerte eller høylegerte stål. Vi kan dele inn dekkgassveising i disse metodene etter hvilke elektroder og dekkgasser vi bruker:

SVEISING UNDER SLAGGDEKKE

— ikke-smeltende elektrode, wolframelektrode

inert dekkgass, TIG (engelsk: «tungsten inert gas», tysk: WIG, «Wolfram inertes Gas») b aktiv dekkgass, TAG a

— smeltende elektrode a inert dekkgass, MIG («metal inert gas») b aktiv dekkgass, MAG c aktiv dekkgass sammen med pulver (rørtrådsveising) Fordelen med dekkgassveising er blant annet at den ikke gir noe slaggdekke som vi må fjerne. Da sparer vi tid. Videre trenger vi ikke flussmiddel. Vi kan sveise av materialer der andre metoder er ubrukbare eller er vanskelige, for eksempel rustbestandige stål og aluminium. Av andre fordeler kan vi nevne at den sterkt konsentrerte varmetilførselen gir minimale deformasjoner og reduserer utstrekningen av varmesonen. På grunn av det beskyttede gassdekket blir det små avbranntap, og derfor endrer ikke legeringselementene i tilsettmaterialet seg nevneverdig kjemisk.

Ikke-smeltende elektrode - TIG-metoden Argonsveising med wolframelektrode (TIG-sveising) kan vi utføre både manuelt og maskinelt. Ved mekanisering må vi i tillegg til det vanlige utstyret for håndsveising også ha komponenter som kjørevogn, kontrollorganer osv. Dessuten trenger vi oftest en trådmatingsinnretning for automatisk tilførsel av tilsettmateriale. Trådmatingsmotoren er elektrisk styrt slik at hastigheten på trådmatingen er konstant, selv med belastnings- og spenningsvariasjoner. Prinsippet for metoden er vist på figur 4.21 (t.v.). I praksis kan vi bruke TIG-metoden for platedimensjoner opp til ca. 9 mm, og vi kan sveise i alle stillinger. Blant fordelene ved metoden kan vi nevne disse: — Sveisingen foregår uten flusspulver. Dermed unngår vi alt arbeidet med å fjerne slagg og rester av flussmiddel som kan forårsake korrosjon. — Siden vi ikke bruker pulver, står vi fritt i valget av skjøttyper og plassering av sveiseskjøtene. — Metoden gir usedvanlig glatte og jevne sveisesømmer slik at vi sparer etterbearbeid. — Dersom vi bruker riktig metode og oppfyller sveisebetingelsene, får vi homogene sveiseforbindelser av god kvalitet. — Lysbuen brenner svært rolig, og sprut forekommer praktisk talt ikke. Smeltende elektrode - MIG-metoden

Sveising med vanlig buelengde («spray-arc») Lysbuen brenner mellom en smeltende elektrode og arbeidsstykket. Prinsippet er vist på figur 4.21 (t.h.). Til forskjell fra TIG-sveisingen er tilsettstaven borte, og wolframelek-

SAMMENFØYENDE BEARBEIDINGSPROSESSER

201

troden er byttet ut med en nedsmeltende trådelektrode av samme sammensetning som grunnmaterialet. Tråden blir matet fram av en trådmatingsmotor som er innebygd i «sveisepistolhåndtaket». MIG-metoden er en videreutvikling av TIG-metoden. Den kombinerer TIG-metodens mange fordeler ved sveising av vanskelige materialer med en større produktivitet, særlig ved sveising av tykt gods. MIG-sveising har disse fordelene i tillegg til de som er nevnt under TIG-sveisingen:

— Separat tilsettråd bortfaller. — Det er stor sveisehastighet og dermed økt produktivitet. — Sveisingen er lett å utføre i alle stillinger fordi metalloverføringen over en kritisk strøm­ styrke, avhengig av elektrodedimensjonen, skjer i form av en fm dusj («spray arc») som blir slynget ut fra elektroden med stor hastighet.

Til MIG-sveising bruker vi en likestrømkilde, og det forutsetter en omformer eller likeret­ ter. For sveising av materialer med en sterk oksidhinne, for eksempel aluminium, bør elek­ troden kobles til den positive polen slik at arbeidsstykker blir negativt og elektronstrømmen kan bryte opp oksidhinnen. Et slikt oppsett gir en rolig og stabil bue med fm dråpeovergang og lite spruttap. Innsmeltingen og bindingen til grunnmaterialet blir god. Det er karakteristisk for metoden at vi bruker liten diameter på tråden og høy strøm­ styrke, slik at strømbelastningen, strømtettheten, blir svært høy. Sveising med kort bue («short arc»)

Når vi skal sveise tynne plater, må vi velge lav strømstyrke for ikke å risikere for høy var­ meutvikling (gjennombrenning). Det er dette vi kaller sveising med kort bue (»shortarc») eller kortbuesveising under dekkgass med smeltende elektrode. Karakteristisk for metoden er at vi sveiser med lav buespenning og nokså liten strøm­ styrke. Buespenningen kan ligge i området 12-20 V, og strømstyrken kan variere fra 20 til 175 A. Strømkilden er likestrøm.

Figur 4.21 Argonsveising (TIG-metoden) med wolframelektrode (t.v.J. MIG-metoden, sveising med smeltende elektrode (t.h.J.

202

GASSBESKYTTET BUESVEISING

V

Figur 4.22 PuLssveising dekker området mellom spraybue- og kortbuesveising.

Sveising med pulserende bue («pulsed arc»)

Pulssveising gjør det mulig å dekke området mellom spraybuesveising og kortbuesvei­ sing, se figur 4.22. Strømmen som leveres fra strømkilden, består av to komponenter: En kontinuerlig basisstrøm, bakgrunnsstrøm, som har til oppgave å opprettholde lys­ buen uten materialtransport 2 En impulsstrøm med en maksimalverdi som ligger høyere enn grensestrømstyrken (som gir sprayeffekt) 1

Med pulserende bue får vi en dråpelignende, kontrollert materialovergang ved en strøm­ styrke som ligger vesentlig lavere enn strømstyrken vi bruker ved MIG-metoden. Med pulserende bue kan vi ha disse fordelene: - Over hele reguleringsområdet får vi en kortslutningsfri materialovergang og dermed en roligere bue. - Et roligere sveiseforløp og stabil bue betyr større sikkerhet mot sveisefeil. - Den regulerbare bueytelsen (ved forandringer av pulser per tidsenhet) gir mindre tap av legeringsbestanddeler som fordamper lett. - Kontrollert tilførsel av varme virker gunstig på de mekaniske fasthetsverdiene, innbrenningsdybden ved påleggssveising og på strukturen i sveisesonen. Sveising med aktiv dekkgass - MAG-metoden Karbondioksidsveising (CO2-sveising) med massiv tråd. Sveising med CO2-gass blir mer og mer vanlig, spesielt til sveising av tynne plater. Forsøk har vist at vi kan oppnå tilfredsstillende resultater (blant annet små spruttap) også med lang bue, bare strøm­ tettheten og nedsmeltehastigheten (trådmatingshastigheten) er stor nok. Dekkgassveising med stor strømtetthet, altså store strømstyrker og liten diameter på tråden, kaller vi også høystrømlysbuesveising. Den store strømtettheten ved lang- og høystrømlysbuesveising gjør at vi kan øke sveisehastigheten, men det kan være vanskelig å følge med. Metoden egner seg derfor best for automatsveising. Sveisehastigheten er be­

SAMMENFØYENDE BEARBEIDINGSPROSESSER

203

grenset av den tiden det tar for smeltebadet å størkne. Sveisingen må ikke gå fortere enn at sveisen kan størkne under en dekkgasskappe som er stor nok. Mens argon er en inert gass og ikke forandrer seg i lysbuen, blir karbondioksid spaltet i oksygen (O2) og karbonmonoksid (CO). Med de høye temperaturene som er i buen, kan CO også spaltes i C og O2. Ved avkjøling kan de så gå tilbake fra atomær til mole­ kylær form, og vi far CO og CO2. Ingen av disse gassene er løselige i flytende jern. Den ytre gasskappen omkring buen består hovedsakelig av CO2, mens knapt 2 % CO siver ut. Sveising med CO2 krever god ventilasjon, på grunn av både den giftige CO-gassen og CO2. CO2 er ikke giftig, men i større mengder kan den irritere nese og svelg. Sammenfattet kan vi si at CO2-sveisingen for mindre og middels tykke plater har dis­ se fordelene: — — — —

stor sveisehastighet stor inntrengningsdybde ikke noe slaggdekke som må fjernes fra sveiselarven billig dekkgass

MAG-smalspaltesveising Sveising av tykke plater byr ofte på problemer. Vi bruker pulverdekket buesveising og elektroslaggsveising. Med begge disse metodene er det vanligst å ha stor fuge. Det betyr at den metallmengden vi må smelte ned, er stor, og at vi må tilføre mye varme. På grunn av det store smeltebadet blir sveisegodset ofte grovkornet etter at det har størknet. Det gjør at slagseigheten ved lave temperaturer blir dårlig. For å fylle opp fugen må vi bruke mange sveisestrenger, og sveiseøkonomien blir ikke den beste. Med MAG-smalspaltesveising av tykt gods unngår vi disse ulempene, og vi far tek­ niske og økonomiske fordeler og høy kvalitet i sveisegodset. Ved smalspaltemetoden oppnår vi kraftig reduksjon av fugevolumet.

Sveising med aktiv dekkgass og pulver-rørtrådsveising Karakteristisk for denne metoden er at en metalltråd (tilsettråd) fylt med flussmiddel blir matet automatisk fram til smeltebadet under et dekke av CO2-gass. Se figur 4.23. Kjernen i rørtråden består av et flussmiddel i pulverform, med eller uten tilsetning av legeringselementer. Pulveret har som oppgave å danne et beskyttende slagg over smel­ tebadet og den størknede sveiselarven, tilføre sveiseavsettet legeringselementer og sørge for en stabil bue med lite spruttap. Slagget løsner av seg selv. Utstyret er enkelt å bruke. I motsetning til sveising under pulverdekke skjer sveisingen med rørtråd og synlig lys­ bue, og det gir sveiseren bedre kontroll over sveisebadet. Et karakteristisk trekk ved me­ toden er den dype innsmeltingen som gir smalere fugetverrsnitt og reduserer varmedeformasjonene. Stor sveisehastighet kombinert med stor avsmeltehastighet gir økt produktivitet. Sveiseavsettet har høy kvalitet og god røntgensikkerhet.

204

GASSBESKYTTET BUESVEISING

Figur 4.23 Sveising med aktiv dekkgass og pulver-rørtrådsveising.

1 2 3 4 5 6 7 8

Gassdyse. Kontaktrør. Dekkgass, C02. FLussmiddelkjerne. Ytre stålmantel. Arbeidsstykke. Sveisesøm. Slaggdekke.

En av ulempene ved rørtrådsveising med dekkgass er at vi må skjerme sveisestedet mot vind for å unngå at dekkgassen blåser vekk. Det gjelder spesielt ved sveising uten­ dørs. Rørtrådsveising uten dekkgass har ikke denne ulempen. Vi sparer CO2-gass og framføringsutstyr for gassen, og holderne blir enklere i sin utforming. Dekkgasser Dekkgassen skal først og fremst beskytte smeltebadet og lysbuen mot den oksiderende virkningen luft har. Ved TIG-sveising og plasmasveising skal gassen også beskytte elek­ troden. Ved MIG/MAG-sveising er dekkgassen avgjørende for hvordan avsmeltingen av elektroden forløper, og for materialtransporten til smeltebadet. I enkelte tilfeller beskyt­ ter vi også sveisestedet fra undersiden mot luft med såkalt bakgass. Ved valg av passende dekkgass må vi ta hensyn til sveisemetode, grunnmateriale, innsmelting, materialtran­ sport i lysbuen, sveisehastighet og mekaniske egenskaper til avsveiseavsettet. Effekten av gassbeskyttelsen er også avhengig av flere faktorer, blant andre fugetypen, buelengden og densiteten til gassen. Som dekkgass bruker vi argon, helium, karbondioksid eller ni­ trogen. Til TIG-sveising bruker vi framfor alt rent argon eller helium som dekkgass eller en 95/5-blanding av argon og hydrogen i spesielle tilfeller. Den gir høye sveisehastigheter. Hydrogenet har høy varmeledningsevne, øker spenningsfallet og energiinnholdet i lys­ buen og dermed varmetilførselen til materialet. Til sveising av aluminium eller alumini­ umlegeringer og kobber eller kobberlegeringer bruker vi helium når materialet er grovt, ellers bruker vi argon. Til MIG-sveising bruker vi argon og helium, mens vi til MAG-sveising bruker mest CO2, men også blandgass. CO2 er den billigste dekkgassen, men med blandgass kan vi øke sveisehastigheten, sveisen blir penere, og det blir mindre sprut.

Spesielle sveisemetoder Vi skal her kort ta for oss elektronstrålesveising, plasmasveising og lasersveising. Generelt kan vi si mye om disse nye metodene:

SAMMENFØYENDE BEARBEIDINGSPROSESSER

— De er ofte den eneste måten å oppnå en brukbar forbindelse på. I dette tilfellet kan både anskaffelses- og driftskostnadene ligge mye høyere enn kostnadene for de kon­ vensjonelle metodene. — For noen er den største fordelen mindre arbeidskostnader (driftskostnader), men an­ skaffelseskostnadene kan være store. — De gir bedre sveis og mindre varmepåvirket sone enn konvensjonelle metoder. Elektronstrålesveising

Elektronstrålesveising er en sveisemetode hvor sveisevarmen kommer av den kine­ tiske energien som oppstår på sveisestedet når det blir bombardert med elektroner fra en elektronstråle med høy ytelse. Prin­ sippet er vist på figur 4.24. På grunn av den store energitettheten gir elektronstrålesveising store inntrengningsdybder. Metallet fordamper når elektronstrålen treffer, og nytt materiale blir blottlagt. I neste øyeblikk fordamper dette, osv. På den måten kan elektron­ strålen «bore» seg ned i materialet så raskt at det ikke blir noen nevneverdig varme­ ledning til materialet omkring. Vi far en smal, kjegleformet smeltesone hvor for­ holdet mellom dybden og bredden kan bli svært stor. Forskjellen i utformingen av smeltesonen med elektronstrålesvei­ sing og med vanlige sveisemetoder er vist på figur 4.25. Når vi tilfører mindre var­ me til materialet, blir krympingen og kastningen mindre. På grunn av de små varmetapene er det samlede energibeho­ vet ved elektronstrålesveising bare 1/50— 1/100 av det som er nødvendig ved de vanlige sveisemetodene. De metallurgiske forholdene ved elek­ tronstrålesveising er svært gode, og ar­ beidsfeltet strekker seg derfor fra rene karbonstål, over legerte stål og metallkombinasjoner til keramiske materialer. Særlig for de høytsmeltende metallene

206

Isolasjon

Katode-, spiral Wehn- elektrodt

k

„ 30kV Strom

Justerspoler

B lende------------- !!— Mikroskoptubus

o

Elektromagnetisk linse (fokusering)

Prisme

GID ♦ 12 V - nstrdm

Magnetisk styring (mandvreringsspoie) J

ii Arbeidsstykke

Sveisekammer

Figur 4.24 Elektronstrålesveising, prinsippskisse.

Figur 4.25 Forskjell i utformingen av smeltesonen. Fx er elektronstrålesveising, og F2 er konvensjonelle sveisemetoder.

SPESIELLE SVEISEMETODER 1

har den raske oppvarmingen og den raske avkjølingen av sveisestedet store fordeler. Flere av disse materialtypene har rask avkjøling og sterk tendens til kornvekst. Det reduserer styrken og duktiliteten når vi bruker konvensjonelle sveisemetoder, slik at det blir van­ skeligere å bearbeide dem plastisk etterpå.

Fordelene med elektronstrålesveising og bruken av den

Bruken av elektronstrålesveising har nær tilknytning til fordelene med å bruke en strøm av elektroner med stor energitetthet for å smelte materialet. - Elektronstrålesveising gjør det mulig å sveise reaktive metaller med høyt smelte­ punkt. — Vi kan sveise forskjellige materialkombinasjoner, for eksempel kobber til stål, kobber til rustbestandig stål, hardmetall til stål, titan til aluminium og kobber eller vanadi­ um til tantal, zirkonium eller rustbestandig stål. — Den store energitettheten gjør at vi kan få svært smale sveisefuger med forholdet mel­ lom dybde og bredde helt opp til 40 : 1. - Vi kan bearbeide svært små enheter, for eksempel transistorer og dioder. - På grunn av sterk varmekonsentrasjon trenger vi bare 1/50-1/100 av den varme­ mengden som må til ved konvensjonelle sveisemetoder. Det blir mindre temperaturdeformasjoner og strukturforandringer i materialet. — Vi kan sveise tynne folier til massivt gods. På samme anlegg kan vi sveise tynne folier (ned til 50 |lm) og tykt gods.

PLasmasveising Plasmasveisinger en dekkgassveising med en plasmaflamme som varmekilde. Plasma er en sterkt lysende, høyt dissosiert og ionisert gassblanding som består av molekyler, ato­ mer, ioner og elektroner. Plasma blir dannet ved at vi leder en gass inn i en elektrisk lysbue. Gassen blir tilført svært store energimengder. Den blir for det første oppvarmet i lysbuen, og for det andre blir gassen ionisert etter at molekylene er spaltet opp (atomisert), dersom oppvarmingen er sterk nok. På den måten kan store energimengder akkumuleres og omsettes til varme. I tillegg kommer den såkalte «pincheffekten», eller selvsnøringseffekten. Plasmaet omgir seg med et magnetfelt som virker tilbake på selve plasmaet ved å presse det sammen. Det Figur 4.26 Prinsippskisse av plasmasveising med direkte bue. 1 2 3 4 5 6 7

SAMMENFØYENDE BEARBEIDINGSPROSESSER

Kjølevann. Gass. Katode. Dekkgass. Arbeidsstykke. Indirekte Lysbue. Direkte Lysbue.

øker temperaturen enda mer. Ved 1 500 A strømstyrke har en målt en maksimumstemperatur i buekjernen på 50 000 K. Det er betydelig mer enn ved konvensjonelle sveise­ metoder, og alle kjente stoffer vil fordampe eller smelte i en slik flamme. Det er i dag to hovedtyper av plasmabrennere: brennere med direkte overført bue (fi­ gur 4.26) og brennere med ikke overført bue. Plasma-MIG-sveising Når vi skal sveise tykk aluminium, kan vi med fordel bruke en kombinasjon av plasmaog MIG-sveising. Bruk av plasma-MIG ved sveising av grove aluminiumdimensjoner har disse fordelene framfor ren MIG-sveising: — Den rensende virkningen til plasmabuen bedrer kvaliteten på sveisesømmen og sen­ ker kostnadene ved forberedelser og etterbehandling, fordi forvarming og ettervarming ikke er absolutt nødvendig. — Den høye avsmeltehastigheten betyr færre lag ved tykkere materialer og høyere sveisehastighet. Da blir det mindre fare for kastninger. — Det blir dypere innbrenning. — Det blir liten eller ingen porøsitet i den ferdige sveisen.

Fasthetsverdiene for sveiseforbindelsen og hardheten i HAZ er omtrent de samme for plasma-MIG-sveising som for ren MIG-sveising.

«Key-hole»-sveising Den konsentrerte lysbuen kombinert med høyt buetrykk utnytter vi i en spesiell teknikk som blir kalt «key-hole»-sveising, som oversatt til norsk blir nøkkelhullsveising. Buen trenger gjennom hele godset, og overflatespenningen på det smeltende metallet gjør at fugen blir fylt igjen bak «nøkkelhullet». Mikroplasmasveising

Mikroplasmasveising er en videreutvikling av plasmasveising. Ved mikroplasmasveising bruker vi ikke den mekaniske innsnøringen av lysbuen for å øke ytelsen, men for å sta­ bilisere en svakstrømlysbue. Med denne metoden har vi greid å få en stabil lysbue ved så lave strømstyrker som fra noen få milliampere (mA) og opp til 40 A. På den måten er det mulig å sveise plater i området 0,02-2,0 mm. Vi kan også buttsveise plater på 0,02 mm, noe som hittil ikke har vært mulig med andre lysbuesveisemetoder. Mikroplasma­ sveising kan med fordel brukes der varmeledningsevnen, varmekapasiteten og tverrsnit­ tene er små. Eksempler på bruksområder er metalltrådnett der vi sveiser krysningspunktene, miniatyrisering av apparater eller sveising av metallbelger, særlig slike som det ellers er van­ skelig å sveise.

208

SPESIELLE SVEISEMETODER

Lasersveising Ved lasersveising bruker vi laserenergi som varmekilde. Laser er en forkortelse for «light amplification by stimulated emission of radiation». Fritt oversatt kan vi si at lys som pas­ serer gjennom et lasermedium, blir forsterket ved å stimulere eksiterte atomer til å emit­ tere stråling av samme bølgelengde og fase som det innfallende lyset. Karakteristisk for laserlyset er at det er sterkt konsentrert, har stor intensitet og er pul­ serende ensfarget koherent, og at den parallelle bunten av lysstråler kan fokuseres til en liten flekk, se figurene 3.46 og 3.47. Det er to typer av lasere vi bruker til materialbearbeiding: neodymlaser og karbondioksidlaser. I en neodymlaser er det aktive mediet en sylindrisk stav som består av et eneste krys­ tall som er dopet med 1—3 % neodymioner. Neodymlaseren gir laserlys med en bølgelengde på 1,06 pm. Laseren kan kjøres med pulset eller kontinuerlig stråling. I en CO2-laser skjer den stimulerte emisjonen av stråling i et kammer der det er un­ dertrykk, og der det sirkulerer en gassblanding som består av CO2, helium og nitrogen. Når vi legger på høyspenning (ca. 2 000 V) mellom elektrodene, blir det en utladning. Det blir dannet lyskvanter (fotoner), og i resonatoren begynner lysbølgen å svinge fram og tilbake mellom resonatorspeilene og blir stadig forsterket. En del av fotonstrømmen slipper ut gjennom det ene speilet (som er 95 % reflekterende), og laserstrålen med en bølgelengde på 10,6 pm er klar til bruk. Laserne kan gi pulserende eller kontinuerlig stråling. Med laser som energikilde oppnår vi svært høy energitetthet sammenlignet med an­ dre sveisemetoder. Når vi sveiser med laserstråle, må vi styre energitettheten slik at over­ flaten på de delene som skal forbindes, smelter uten å fordampe. Vi fokuserer laserstrålen til et lite punkt for å fa høy effekttetthet. Vi kan styre den minste diameteren i brenn­ punktet når vi velger optikkens fokuslengde, og vi kan fa den relative bevegelsen vi øn­ sker, ved hjelp av bevegelig optikk (laserstråle) og bevegelig arbeidsstykke. Vi kan også tilføre gass som beskytter mot oksygen og nitrogen i lufta, og som beskytter optikken mot metallsprut, sveiserøyk osv. Gassen hindrer også plasmadannelse som absorberer la­ serstrålen og dermed reduserer inntrengningsdybden. Bruksområder og fordeler

De relativt høye omkostningene ved investering i utstyr for lasersveising krever at meto­ den må kunne gi egenskaper, fordeler og økonomi som er bedre enn konvensjonelle svei­ semetoder. Vi skal nevne disse fordelene:

- Det blir tilført svært lite varme til materialet. Det gir en minimal varmepåvirket sone og liten fare for formendringer. Dessuten blir varmeskadene små på nærliggende øm­ fintlige deler. — Verdiene for sveisehastigheter og tilført energi per lengdeenhet (lengdeenergi) er gunstigere enn for TIG- og MIG-sveising.

SAMMENFØYENDE BEARBEIDINGSPROSESSER

Lasersveising

Figur 427 viser et eksempel på en omkonstruksjon og enklere utførelse når vi bruker lasersveising.

— Den høye effekttettheten gjør det mulig å sveise sammen ulike metaller eller deler med stor masseforskjell. — Sveisingen er lett å automatisere, og det er en fordel fordi sveisehastigheten er høy. — Lasersveising er en sveisemetode med høy presisjon. — Laserstrålen kan brukes til påsveising, opplegering og glassering, og på den måten kan overflatesjiktet til materialet forbedres slik at det blir hardere eller mer slitasjeog korrosjonsresistent.

Offshoresveising Sveising og skjæring under vann må til når vi skal reparere skip, spuntvegger eller rørledninger, bygge dokker og brupilarer eller arbeide på boreplattformer og rørledninger for olje og gass. Det som blant annet kjennetegner sveising og skjæring un­ der vann, er — — — — — —

oksygenmangel vanntrykket, som øker med dybden sammensetningen av vannet den kraftige kjølingen av sveisestedet strømninger dårlig sikt

Dette setter høye krav til dem som skal utføre sveisingen. Høyt kvalifiserte dykkere må være teknikere, sveisere og kontrollører på en gang. Arbeidsvern spiller en svært stor rolle på dette arbeidsfeltet. Alt etter om sveisestedet blir berørt av vann eller ikke, skiller vi mellom våtsveising (figur 4.28 t.v.) og tørrsveising(figur 4.28 t.h.). Til sammenføyningsarbeider under vann I

210

OFFSHORESVEISING

Figur 4.28 Våtsveising (undervannssveising) med dekkende elektroder (t.v). Tørrsveising med dykkerutstyr (t.h.).

bruker vi mest hyperbar tørrsveising (lysbuesveising). Denne metoden har en prøvd ned til 320 m og i undervannssimulator tilsvarende dyp på 450 m. En regner med å kunne bruke metoden på dyp ned til 1 000 m, og forsøksarrangement for sveising på slike dyp finnes eller er under bygging. Grensene for hyperbar sveising ved hjelp av sveisedykkere ligger i dag på ca. 650 m. Det kreves lang kompresjons- og dekompresjonstid, og utsty­ ret for dette blir stadig dyrere. Det er derfor utviklet habitater, eller 1-bar undervannssveisekamre. Det er trykkamre der sveiseren arbeider under 1 bar trykk uansett trykket utenfor. Hyperbar undervannssveising byr på en rekke problemer, og en forsker intenst på området. Forskningsresultatene kan også få betydning for landbasert sveising. Det er ikke godt å si hvilken retning undervannssveisingen vil ta i framtiden, men vi vet at mengden av undervannsinstallasjoner kommer til å øke i årene framover. På store dyp kan vi tenke oss at vi utfører sveisingen med manipulatorer og sveiseroboter, eller vi kan finne fram til brukbare metoder for plasma- og eksplosjonssveising.

Mekanisering Kravet om større produktivitet har ført til økt mekanisering. Men økt mekanisering kan kreve en betydelig kapitalinvestering som skal forrentes. Graden av mekanisering er der­ for i høy grad avhengig av størrelsen på bedriften og eventuelle seriestørrelser. Håndsveising eller i det minste halvmaskinell sveising kommer derfor fremdeles til å være dominerende sveisemetoder. Men det kan være mange grunner for å innføre en høy grad av maskinell sveising:

- Kvalitetsforbedring. Ved håndsveising er kvaliteten på sveisen i høy grad avhengig av hvor dyktig og erfaren sveiseren er. Ved maskinell sveising kan vi innstille alle data på forhånd, hele sveiseoperasjonen blir mer oversiktlig, og vi kan garantere jevnere kvalitet. — Høyere ytelse, større avsmeltemengde per tidsenhet. Vanligvis er maskinell sveising håndsveisingen helt overlegen når det gjelder nedsmeltet materialmengde per tidsen­ het.

SAMMENFØYENDE BEARBEIDINGSPROSESSER

211

— Farre sveisere. Ved halvautomatsveising og robotsveising kan nedsmeket materialmengde per tidsenhet bli tre-fire ganger mengden ved manuell sveising. Det betyr økt produktivitet. Vi kan øke produksjonsvolumet uten å øke antallet sveisere, eller vi kan holde produksjonsvolumet på samme nivå med færre sveisere. - Bedre utseende. Maskinell sveising gir i de fleste tilfellene sveiselarven et bedre utse­ ende, den er for eksempel glattere og jevnere enn ved manuell sveising. Selv om dette ikke alltid har noe å si teknisk-mekanisk, er det avgjort en fordel når produktet skal selges.

Hjelpemidler Til sveisemekanisering hører også en rekke hjelpemidler som skal lette selve sveisearbeidet. Sveisejigger

Konstruksjonen kan deformeres som følge av de spenningene sveisevarmen gir. Vi kan unngå slike deformasjoner dersom vi spenner delene fast i jigger under sveiseoperasjonen, slik figur 4.3 viser. Sveisebord

Sveisestillingen har stor betydning både ved håndsveising og «automatsveising». Ved horisontalsveising er produktiviteten mye større enn ved vertikalsveising fordi vi kan bruke høyere strømstyrke. Større produktivitet betyr lavere sveisekostnader per meter sveis. Disse forholdene blir ytterligere forsterket ved «automatsveising». Selv om produktet er konstruert sveiseteknisk riktig, må likevel en hel del sveisesømmer være plassert i ulike plan i forhold til horisontalplanet, og vi må derfor snu og vende sveiseobjektet mange ganger for å få sveiselarvene i den gunstigste sveisestillingen. Sveisebordene som sveise­ objektet blir spent fast til, må derfor være mest mulig universelle. Sveisemanipulatorer og sveisesøyler

I et sveiseverksted varierer formen og størrelsen på de produktene vi skal sveise. Ved produksjonssveising er det viktig ikke bare å kunne flytte sveiseaggregatet lettvint fra sted til sted, men vi må også kunne bringe det i en gunstig posisjon i forhold til sveiseobjektet. Her er sveisemanipulatoren et viktig hjelpemiddel. Det finnes både søyle- og portalmanipulatorer. Det vanligste er sveisesøyler, se figur 4.30, som består av en stabil søyle med en utligger som én eller flere «sveiseautomater» er festet på. Utliggeren kan kjøres opp og ned på søylen, og den kan også kjøres med trinnløs variabel hastighet i utliggerens lengderetning. Utliggeren kan også dreies 360° rundt søylen. Arbeidsområdet blir på denne måten svært stort, og vi kan utvide det enda mer når vi setter sveisesøylen på en skinnebunden, hastighetsregulerbar vogn.

212

MEKANISERING

Figur 4.29 Sveisebord som kan reguleres i ulike vinkler. Foto: ESAB.

Rullebukker Ved sveising av sylindriske arbeidsstykker er rullebukker (figur 4.30) det billigste og mest hensiktsmessige hjelpemiddelet.

Robotsveising For at bedriftene skal overleve den harde nasjonale og internasjonale konkurransen i dag, må de i stadig sterkere grad automatisere produksjonen. Den «stive» automatiseringstek­ nikken for store serier blir i dag erstattet av en fleksibel automatiseringsteknikk, slik at vi raskere kan omstille produksjonen til nye produktvariasjoner. Bruken av datastyrt til­ virkning og datastyrte industriroboter øker i omfang.

Automatisering av punktsveising og buesveising forutsetter for det første automati­ sert styring og regulering av prosessparameterne. For det andre må sveiseanleggene ha utstyr for automatisk håndtering av arbeidsstykkene og verktøyet og automatisk trans­ port av arbeidsstykkene mellom sveiseanleggene. Både håndterings- og transportsyste­ mene må være integrert i det totale tilvirkningssystemet gjennom et sentralt datamaskinanlegg. Anlegget kan ha et manipulerbart sveisebord, en strømkilde og en sveiserobot

SAMMENFØYENDE BEARBEIDINGSPROSESSER

213

Figur 4.30 Sveisesøyle med sveiseautomat. Foto: ESAB.

med styresystem. Vi kan kjøre anlegget manuelt eller automatisk. Et teksttablå på programmeringsenheten gir operatøren veiledning gjennom programmeringsforløpet. Robotarmen kan posisjoneres med en styrespak («joy-stick»). Det ferdige programmet la­ grer vi i minnet i styresystemet eller på en diskett. Arbeidsstykket blir håndtert av sveisebordmanipulatoren, som vi på forhånd kan innstille i to akser som utgjør robotens

sjette og sjuende akse. Et fleksibelt automatisert sveiseanlegg gjør det mulig, både økonomisk og teknisk, å omstille seg raskt til de produktvariasjonene som markedet krever. Et slikt anlegg har en gjenbruksverdi på 50-80 %. Prosesstyring, sensorer Ved overgangen fra manuell til automatisert sveising overtar sveiseautomatens styresys­ tem de korreksjonene av sveisebanen og de andre sveiseparameterne som sensorene gir

MEKANISERING

beskjed om. Det finnes en rekke forskjellige sensorer på markedet. Blant dem er slike som benytter et optisk system til å bestemme elektrodeposisjonen. Det kan blant annet skje ved hjelp av fiberoptikk og to fotodioder. Den lysbuelengden som blir målt, blir sammenlignet med en fastlagt optimal lengde. Blant nyere typer av sensorer er slike som bruker laserstråler til fuge- og kantsøking.

Hva oppnår vi med automatiserte sveiseanlegg? Et moderne sveiseanlegg gir

— en høy grad av fleksibilitet (kortfristig fleksibilitet). Det vil si at systemet kan utføre forskjellige tilvirkningsoppgaver uten altfor store og tidkrevende omstillingsprosedyrer. Det har en tilstrekkelig ombyggingsfleksibilitet (langfristig fleksibilitet), det vil si at gjenbruksverdien er høy — en bedre tilvirkningskvalitet. I dette ligger det også at etterarbeidet innskrenker seg til et minimum. Roboten blir aldri trett eller mister konsentrasjonen. Er den først pro­ grammert, gjentar den sveiseprosessen nøyaktig likt hver gang. Det gjør at kassasjo­ ner og reklamasjoner minker i antall — en kortere tilvirkningstid. Kort tilvirkningstid og etterbearbeidingstid gir økt produk­ tivitet og bedre økonomisk utbytte. Produktiviteten ved robotsveising er som regel to—tre ganger høyere enn ved manuell sveising. Det betyr lavere kostnader per enhet. Kostnadsreduksjonen blir enda større dersom vi også tar med lavere feilprosent, hur­ tigere gjennomløp i verkstedet og bedre arbeidsmiljø — en høy grad av tilgjengelighet. Ved alle kapitalintensive anlegg er høy tilgjengelighet en betingelse for at anlegget skal bære seg økonomisk. I masseproduksjonen er dette enda viktigere enn i produksjonen av mellomstore og små serier. Tiltak for å mini­ malisere tidene for driftsstans er blant de viktigste for et vellykket sveiseanlegg — et bedre arbeidsmiljø. Roboter far ingen problemer med sveiserøyk, lysglimt eller støy, og de kan ta seg av tungt arbeid. Operatøren av et robotsveiseanlegg har en be­ hagelig og lite risikabel jobb — en kapasitetsreserve. Med et fleksibelt, automatisert robotsveiseanlegg kan vi kjøre tre skift, til dels med begrenset bemanning eller uten bemanning, dersom bedriften far en plutselig økning av oppdrag eller krav om kortere leveringstid

Sveisemetallurgi Ved praktisk talt alle sveisemetoder får vi en oppvarming på sveisestedet. Når det gjelder pressveising, kommer temperaturen i mange tilfeller lokalt over smeltetemperaturen til metallet. Ved smeltesveising må temperaturen på sveisestedet være høyere enn smelte­ punktet. Da smeltesveising står for det meste av all sveising, skal vi i denne korte omtalen av sveisemetallurgi først og fremst ta for oss den typen. Under sveisingen utsetter vi grunnmaterialet for en termisk sjokkvirkning. Uttrykket sveisbarhet, som vi skal se på senere, er sterkt knyttet til hvordan materialet reagerer fy-

SAMMENFØYENDE BEARBEIDINGSPROSESSER

a.

Figur 4.31 Temperaturfordeling i sveisestykket ved sveising i stål.

sisk, kjemisk og metallurgisk på denne sjokkpåvirkningen. Figur 4.31 viser temperatur­ forholdene i og omkring sveisestedet ved smeltesveising av stål. Vi ser at temperaturen øker svært mye («temperatursjokk») i materialet foran sveisestedet, mens temperaturen i sveiseavsettet og i det omliggende materialet synker mer eller mindre langsomt. Temperaturgradienten, avkjølingshastigheten (°C/s), er blant annet avhengig av oppvarmingshastigheten, varmeledningsevnen til materialet, om materialet er forvarmet eller ikke, og dimensjonen på materialet. Oppvarmingshastigheten er avhengig av intensite­ ten til varmekilden. Jo større den er, desto raskere blir oppvarmingen, og desto mer lokal blir den. I smeltesonen kommer temperaturen over smeltepunktet. Utenfor smeltesonen blir grunnmaterialet i større eller mindre grad varmepåvirket, og denne sonen kaller vi varmepåvirket sone. En vanlig forkortelse er HAZ, som er en forkortelse for «heat affected zone». Sveisesonen er sammensatt av smeltesonen og den varmepåvirkede sonen, se figur 4.31c. Med en varmepåvirket sone mener vi vanligvis en sone der varmen fra smel­ tesonen og/eller varmekilden fører til strukturelle forandringer eller andre forandringer, som gjør at egenskapene i denne sonen er forskjellige fra egenskapene i grunnmaterialet. Ideelt sett skal en sveiseforbindelse gi et sveiseavsett uten defekter og en varmepåvir­ ket sone der strukturforandringene ikke reduserer egenskapene. En slik sveis er ennå ikke laget. Men selv om vi ikke kan lage sveis uten defekter, har strekkprøver av sveiste forbindelser vist at fastheten i selve sveisen, tross en viss mengde defekter, er sterkere enn

216

SVEISEMETALLURGI

grunnmaterialet inntil sveisen. Begrepet sveisbarhet er derfor i første rekke knyttet til hvordan grunnmaterialet reagerer som følge av sveisingen. Sveisbarhet Begrepet sveisbarhet er ingen klart spesifisert egenskap hos et materiale. Det er et omfat­ tende og komplekst begrep som først og fremst har sammenheng med egenskapene og tilstanden til grunnmaterialet, eventuelt også til tilsettmaterialet, og med noen andre faktorer. Men begrepet må uten tvil også knyttes til den sveiseteknikken og sveisemetoden vi bruker. Et materiale kan være godt sveisbart med én sveisemetode, mens en annen sveisemetode gir dårlig sveis. God sveisbarhet vil si at vi uten spesielle forholdsregler kan oppnå tilfredsstillende sveisekvalitet. Jo bedre sveisbarhet et materiale har, desto størrefrihet har vi ved valg av svei­ semetode, tilsettmateriale og andre sveiseparametere. Dårlig sveisbarhet vil si at materialet krever spesielle forholdsregler, at vi ikke kan bru­ ke alle sveisemetodene, og at sveiseparameterne må holdes innenfor svært snevre grenser for at vi skal få et noenlunde tilfredsstillende resultat. Sveisesikkerhet Fordi begrepet sveisbarhet først og fremst har sammenheng med materialet, har vi fun­ net det hensiktsmessig å innføre et uttrykk for hvordan det ferdigsveiste produktet opp­ fører seg i «drift». Sveisesikkerheten er et uttrykk for funksjonsstabiliteten eller driftssik­ kerheten. Den tar hensyn til summen av de innebygde spenningene som eventuelt kommer av sveisingen, og de spenningene konstruksjonene blir utsatt for under drift. Samtidig skal den inneholde virkningen av mulige feil som en sveis alltid vil ha.

Varmetilførset. Lengdeenergi Erfaringen viser at det svakeste stedet i en sveiseforbindelse oftest er i den varmepåvirkede sonen, HAZ. Temperatursyklusene har avgjørende betydning for hvordan materialet i denne sonen oppfører seg. Avkjølingstiden (t8/5) er viktig. Det er den tiden som er nød­ vendig for å gjennomløpe temperaturområdet 800-500 °C. Se figur 4.32. Det er ofte vanskelig å beregne sveisehastigheten ved lysbuehåndsveising. Vi må imidlertid kjenne den for å beregne lengdeenergien. Lengdeenergien («heat input», «Streckenenergi», «stråckenergi») er den mengden energi vi tilfører sveisestedet per leng­ deenhet, målt langs sveisestrengen. Den har dimensjonen J/cm, kj/cm, kj/mm eller MJ/ m. Vi bør bruke den siste fordi den er i overensstemmelse med SI-enhetene (MJ/m og kj/mm er identiske). Vi kan uttrykke lengdeenergien (EL) ved hjelp av sveiseparameter­ ne sveisestrøm (I), buespenning (U) og sveisehastighet (v, m/min) slik:

DU-Gt), E, =--------- M Zm y-1000

SAMMENFØYENDE BEARBEIDINGSPROSESSER

Figur 4.32 Temperatur-tid-forløpet ved lysbuesveising.

Hvilken E^-verdi vi bør velge, er avhengig av ståltypen, framstillingsmåten, dimensjo­ nen på godset og elektrodetypen. Jo mer ensartet vi kan ha EL-verdien, desto mindre blir spredningen i seighetskriteriene. Erfaringsmessig far vi ved håndsveising med dekkede elektroder med en diameter på 3,25 mm ca. 1 MJ/m, med diameter på 4 mm 2 MJ/m og med diameter på 5 mm ca. 3 MJ/m.

Sveisefeil Sammenfattet kan vi si at måten grunnmaterialet reagerer på den termiske sjokkpåkjenningen ved sveising på, og de reaksjonene som finner sted mellom grunnmaterialet og tilsettmaterialet i sveisen og i HAZ kan føre til - sprekkdannelse - inneslutninger og porer - grovkornet struktur i grunnmaterialet inn til sveisesonen, og dermed en reduksjon av de mekaniske egenskapene til grunnmaterialet i dette området - strukturendringer, eventuell rekrystallisasjon i den varmepåvirkede sonen Sprekker

En av de vanligste feilene er sprekker. Det er mange typer av sprekker, og årsakene kan være flere, blant annet fugegeometri og sveiseutførelse. Den primære årsaken ligger i den kjemiske sammensetningen og tilstanden til grunnmaterialet. Generelt kan vi si at sprekkdannelsen øker med økende innhold av karbon og legeringselementer i stål. Det er også slik at jo større hardheten er i overgangssonen mellom sveisen og grunnmateria­ let, desto større er sprekkfaren, særlig dersom det er hydrogen til stede.

SVEISEMETALLURGI

HAZ

Langssprekk

Tverrsprekk

Stjerneformete sprekker

Figur 4.33 Forskjellige typer av sveisesprekker.

Figur 4.34 Smeltegrensesprekk.

Hvordan blir det sprekker?

Når vi under sveiseoperasjonen fører varme inn i sveisesonen, utvider materialet seg. Ved avkjøling trekker det seg sammen, og denne krympingen kan gi store strekkspenninger i sveisesonen. Vi må se på sveisesonen som fast innespent i et kjøligere grunnmateriale på begge sider av sveisesonen. I motsetning til feil som lunker, porer og slagginneslutninger, som er tredimensjona­ le, er et riss eller en sprekk definert som en «begrenset todimensjonal materialseparasjon». Sprekken kan følge korngrensene (interkrystallinsk sprekk), gå tvers gjennom krystallene (transkrystallinsk sprekk) eller være en kombinasjon av dette. Sprekkene kan følge sveiselarven (langssprekker), gå tvers over (tverrsprekker) eller opptre som stjerneformede sprekker. Se figur 4.33. Varmsprekker, eller størkningssprekker, kommer ved høy temperatur. De er som re­ gel synlige i selve sveiseoverflaten. Andre sprekktyper er herdesprekker, hydrogensprekker, kaldsprekker, anvisningssprekker og smeltegrensesprekker. Disse sprekkene oppstår i HAZ inntil og ofte parallelt med smeltegrensen. Se figur 4.34. Faren for sprekker av denne typen øker med andelen av hydrogen i sveiseavsettet, og sprekkene kan oppstå spontant når temperaturen kom-

SAMMENFØYENDE BEARBEIDINGSPROSESSER

219

mer ned i ca. 300 °C eller lavere (derfor navnet kaldsprekker). Sprekkene kan også kom­ me flere timer etter at sveisearbeidet er avsluttet. Lamellar sprekkdannelse er et annet stort problem som kommer av seigrede forurensinger i grunnmaterialet. Slike sprekker forekommer spesielt ved T- og hjørneforbindelser, der sveisen går parallelt med plateoverflatene, og der gjenværende strekkspenninger virker i tykkelsesretningen av platen.

Porøsitet i sveiseavsett Porøsitet i sveiseavsettet kan komme av mange forskjellige forhold. Ofte deler vi årsake­ ne i to hovedgrupper, primære og sekundære årsaker. Primære årsaker t\\ porøsitet er i første rekke at metall i smeltet tilstand kan holde mye mer gasser oppløst i seg enn i fast tilstand. Når sveiseavsettet størkner, rekker ikke smei­ ten å kvitte seg med gassene. Gassbobler på vei opp mot overflaten blir låst fast, og re­ sultatet blir porøsitet. Sekundære årsaker til sveiseporøsitet kan ha med sveisestilling, fugetype, strømstyrke, buelengde, framføringshastighet osv. å gjøre.

Varmebehandling Varmebehandling i forbindelse med sveising kan tjene flere formål, for eksempel forvarming, etterbehandling, avspenningsgløding og anløping. Behandlingen tar sikte på å unngå for stor hardhet i overgangssonen inntil sveisen, men den kan også tjene til å nor­ malisere strukturen i hele sveisesonen.

SveisekontroLl Sveisesikkerheten er avhengig av styrken i sveiseforbindelsen. Den er igjen avhengig av de mekaniske egenskapene i sveisesonen, inklusive de feilene som måtte være der. Fag­ området sveising omfatter derfor også kontrollmetoder for å fastslå feil, og om styrke- og duktilitetsverdiene i sveisen er i overensstemmelse med de kravene som er satt opp. Men all kontroll koster, og derfor må vi redusere den så langt det er mulig Kravet til kontroll, omfanget av den og dokumentasjonen er særlig stor i forbindelse med leveranser til offshoreindustrien. Det er krav til hardhet i overgangssonen og til slagseighet som ofte er avgjørende. Videre er det krav til bruddmekanisk prøving, for ek­ sempel COD eller CTOD («crack tip opening displacement»). Bruddmekanisk prøving er et vanskelig felt, og det er bare noen fa institusjoner som kan gjennomføre den, og kostnadene blir høye. Destruktive prøver av sveisesømmer basert på stikkprøver kan bare gi opplysninger om de mekaniske og metallurgiske egenskapene i en sveiseforbindelse. I beste fall kan vi på denne måten fastslå systematiske feil. De tilfeldige feilene blir dermed en usikkerhet. De ikke-destruktiveprøvene gjør det langt på vei mulig også å oppdage tilfeldige feil. Der­ for er det disse prøvemetodene vi i dag bruker mest ved løpende kontroll av sveisefor­ bindelser. Men de ikke-destruktive metodene er til dels subjektive, i motsetning til de

220

SVEISEKONTROLL

mekaniske metodene, som tallfester de egenskapene vi ønsker å vite noe om. Det kreves ofte lang erfaring for å kunne tyde de mulige feilindikasjonene metodene gir opplysnin­ ger om. Sikkerheten i prøvemetodene er avhengig av i hvilken grad de gitte prøvebetingelsene er oppfylt. Men selv om de skulle være oppfylt, kan det i enkelte tilfeller være problemer med å tyde feilindikasjonene. For å hjelpe kontrolløren å vurdere feilene, for eksempel ved røntgenundersøkelser, er det utarbeidet sammenligningsatlas der de fleste feilene er kunstig reprodusert og gitt en tallkarakter etter størrelsen. Ved bruk av slike sammenlig­ ningsatlas kan vi komme et stort skritt på veien fra en rent subjektiv bedømmelse og til­ feldig behandling av denne siden av kvalitetsbegrepet og over til et objektivt bedømmelsesgrunnlag.

Metoder for indikering av overflatefeil. Visuell kontroll I mange tilfeller gir visuell kontroll opplysninger om overflatefeil uten at vi behøver å ty til dyre instrumenter. Med riktig skråbelysning kan vi oppdage svært små overflateriss. Til magnetiske materialer kan vi bruke magnetiske sprekksøkemetoder. Sender vi strøm gjennom materialet, blir eventuelle sprekker synlige ved at et påført magnetpulver sam­ ler seg langs dem. Ved kapillærprøvingXmik&r vi en farget, penetrerende væske. Den har lav overflatespenning og trenger inn i hårfine sprekker. Ultralydprøving

Ultralydprøving far stadig større betydning ved kontroll av sveiste forbindelser. Sam­ menlignet med radiografiske metoder har ultralydmetoden mange fordeler. Den er mer pålitelig, den er lettere å håndtere, og vi kommer til overalt. Den krever utstyr som er billigere enn røntgenutstyr, og framfor alt trenger den ikke de strenge sikkerhetsforskrif­ tene som gjelder radiografiske metoder. Men uten lang erfaring og øvelse kan det være vanskelig for kontrolløren å tyde de signalene som ultralyden oppfatter. Ofte kan to helt forskjellige feil gi omtrent samme ultralydbilde. For at vi skal kunne konstatere feil ved hjelp av ultralyd, må

- materialet kunne lede lydbølger - feilen ligge i det området som bølgene trenger gjennom. Ligger feilen i «dødsonen» eller i «lydskyggen», far vi ingen indikasjon - formen på og retningen til feilene være slik at de reflekterer noe av lydenergien. Figur 4.35 viser ultralydbilder av forskjellige feil. En smal sprekk i lydretningen ikke gir noe feilekko

Ved kontroll av sveisesømmen bruker vi vinkellydhoder som sender transversalbølger gjennom prøveobjektet. For å dekke hele sveisesømmen i tykke plater bør vi føre lydhodet fram og tilbake mellom to krittstreker i en avstand fra sveisen som vi har bestemt på forhånd.

SAMMENFØYENDE BEARBEIDINGSPROSESSER

BE= bunnekko = fei lek ko P = ultralydhode Figur 4.35 Refleksbilde for ulike feil ved ultralydprøving.

Metoder for indikering av innvendige feil. Radiografiske metoder Dette er metoder som gjør det mulig å oppdage feil som i stråleretningen er 0,5—4,0 % av material tykkelsen, avhengig av fdmkvaliteten og strålehardheten. Det gjelder bare dersom spaltebredden normalt på stråleretningen ikke er for liten. Det betyr at det er vanskelig eller umulig å oppdage svært fine riss ved hjelp av radiografiske metoder.

MiLjø. Vern og sikkerhet ved sveising Sveising som sammenføyningsmetode og gasskjæring som oppdelende metode blir sta­ dig mer brukt i industrien vår. Det er mange faremomenter i forbindelse med disse pro­ sessene, for eksempel brann- og eksplosjonsfare, fare for røykskade, fare for øyeskade på grunn av stråling, gassforgiftning, elektriske støt o.l.

Brannfaren ved sveising og gasskjæring Gnister og varme fra sveising og skjæring er sannsynligvis årsak til noen av de mest kost­ bare brannskadene i Norge de siste årene. Ved sveise- ogskjærearbeid er det viktig å under­ søke om det kan være brennbart materiale i nærheten, og å skjerme sveisestedet godt. Gasser Ved gassveising, buesveising og skjæring blir det utviklet gass. Er utstyret i orden og rik­ tig innstilt og avtrekket tilstrekkelig, skal arbeidet ikke gi noen helsemessige ulemper. Ved sveising i trange rom, tanker, beholdere osv. er det spesielt viktig at ventilasjonen er i orden. Likevel skal vi bruke beskyttelsesmaske når det er fare for mye støv og giftige gasser. Når vi sveiser messing eller forsinkede detaljer, kan sinken sublimere slik at det er fare for forgiftning.

MIL30. VERN OG SIKKERHET VED SVEISING

I rom som vi bruker til sveising, er det behov for å skifte ut lufta. Behovet er avhengig av den helserisikoen forurensningen gir, og hvilke administrative normer som finnes for de aktuelle stoffene. Luftforurensning fra sveising skal vi fjerne med punktavsug før den når pustesonen til sveiseren. Når det gjelder sveiserøyk, har Verkstedsindustriens forskningskomité utgitt VF 39 (1978) «Sveiserøk», og VF 96 (1983) «Bekjempelse av forurensninger fra sveising». Di­ rektoratet for arbeidstilsynet har utgitt «Forskrifter om luftforurensning ved buesvei­ sing» 420 (1983). Stråleskade Ved buesveising og ved bruk av plasmautstyr er strålingsfaren særlig stor. De ultrafiolette strålene kan gi skader på huden (eksem) og øyeskader dersom øyet over lengre tid blir truffet av lyset fra buen. Bruk lærhansker og sveisehjelm.

Elektriske støt Normalt skal det ikke være noen fare for elektriske støt dersom anlegget er i orden og forskriftene blir fulgt. Men det kan være feil i sveisestrømkretsen. I slike tilfeller kan sveisestrømmen ta andre veier enn forutsatt, for eksempel over rørinstallasjoner, krankroker og vaiere, og i så fall kan det representere en fare. Vi har i dette avsnittet bare pekt på en del punkter i forbindelse med vernetiltak ved sveising og skjæring. En mer utførlig beskrivelse finner du i for eksempel «Vern og sik­ kerhet ved sveising» i Norges Sveisebibliotek, «Vernetiltak ved sveising» fra Statens ar­ beidstilsyn (nr. 296) og «Sikringstiltak ved sveising» utgitt av Universitetsforlaget (1978).

Plastsveising Vi har i dag en mengde plasttyper, og disse kan deles i de to hovedtypene termoplast og herdeplast. Det er bare termoplastene som er sveisbare. Termoplast mykner ved oppvarming og blir stiv ved avkjøling. Grunnen til at denne plasttypen er sveisbar, er at den har en trådformet molekyloppbygging. Trådkjedene er stort sett parallelle, og de er i stadig bevegelse. På noen steder kan de klumpe seg sammen. Skjer denne sammenklumpingen (sammenknyttingen) mer regelmessig, kan plasten få en krystallinsk oppbygging. Plastsveising av termoplastiske materialer skjer ved bruk av varme og trykk, med eller uten tilsettmateriale. Sveisingen foregår i termoplastisk tilstand. Ved all plastsveising spiller temperatur, trykk og tid en avgjørende rolle for kvaliteten på sveisen. Disse tre faktorene, de regulerbare sveisebetingelsene, må vi velge ut fra materialegenskapene til plasttypen, for eksempel om den er amorf, krystallinsk eller delkrystallinsk (figur 4.36). To plastmaterialer vi bruker mye, er polyvinylklorid (PVC) og polyetylen (PE). Hvordan forholder disse seg under sveiseoperasjonen? Det amorfe PVC

SAMMENFØYENDE BEARBEIDINGSPROSESSER

223

blir lettere påvirket av oksygen enn det delvis krystallinske PE. Plastifiseringen bør være gjennomført slik at de krystallinske andelene med sikkerhet er oppløst eller smeltet. For PE velger vi en sveisetemperatur som ligger 70—80 °C over smeltepunktet til krystallittene. For myk PE bør vi holde sveisetemperaturen konstant på 180 °C, for hard PE 200 °C og for polypropylen 210 °C. Mykningen av amorfe stoffer foregår mer ho­

mogent. For hard PVC kan vi uten fare holde temperaturen mellom 180 og 230 °C, og for myk PVC kan vi holde den mellom 250 og 300 °C fordi mykningsmidlene vi tilsetter, tillater høyere temperatur. Ved sveising av termoplast blir den molekylære strukturen «løsere» ved opp­ varming. Dermed blir plasten myk og kle­ brig, og i grensesonen mellom de delene vi skal sveise sammen, kan molekylkjeder fra den ene delen «slange» seg inn mellom molekylkjeder fra den andre delen. MoleFigur 4.36 Amorft oppbygd plast (t.v.) og kylkjedene blir gjensidig filtrert inn i hver­ delvis krystallinsk oppbygd plast (t.h ). andre, og denne tilstanden blir fiksert ved rask avkjøling. Sammensveisingen er fullført.

Sveisemetoder Vi kan ikke varme opp til sveisetemperatur ved hjelp av åpen flamme. Plastmaterialet kan lett ødelegges, og det er vanskelig å holde konstant temperatur. Derfor må vi bruke et varmeoverføringsmedium. Oppvarmingen i sveisesonen skjer ved hjelp av faste medier, varmluft, varmgass eller ved friksjon. Vi kan dele inn sveisemetodene for plast etter oppvarmingsmåten: — — — — — —

varmeelementsveising varmgass- og varmluftsveising friksjonssveising dielektrisk (høyfrekvens) sveising ultralydsveising induksjonssveising

Varmeelementsveising

Ved varmeelementsveising bruker vi flere typer elementer, både plater, skinner, bånd, tråd, kilestykker osv. Oppvarmingen av elementene kan skje på forskjellig vis, for eksem­ pel kan vi bruke motstand til oppvarming av bånd og tråd. Ved lukket ringformet utfø­ relse far vi en induktiv oppvarming. Konstant temperatur på varmeelementet er viktig.

PLASTSVEISING

Buttsveising Buttsveising er den enkleste formen for sveising med varmeelementer, se figur 4.37 (t.v.). Før sammensveisingen må vi rengjøre sveiseflatene ved å skrape av et ca. 0,1 mm tykt lag av overflaten, som vesentlig inneholder plastoksid. Rengjøring ved hjelp av løsningsmidler er ikke tilstrekkelig. Heller ikke smergelpapir gir godt nok resultat.

Overlappsveising

Overlappsveising kan vi utføre på flere måter. På figur 4.37 (i midten) bruker vi et skin­ ne- eller båndformet element. Etter at vi har nådd sveisetemperaturen, trekker vi ele­ mentet vekk og trykker foliene eller platene sammen. Vi bruker metoden til folier og pla­ ter opp til 2 mm. Kantknekking For tykkere plater som skal bøyes i en større vinkel, kan vi bruke den framgangsmåten som er vist på figur 4.37 (t.h.). Varmimpulssveising (VIP) Varmimpulssveising bruker vi til å sveise svært tynne folier, fra 0,05 mm og opp til mak­ simalt 0,5 mm. Vi sveiser som overlapp. Varmen står ikke konstant på i varmeelementer, men blir tilført i impulser. Vi kan bruke metoden til alle termoplastiske materialer. Varmeelementet kan ha form av et metallstempel eller bånd, og oftest er det belagt med teflon for å hindre klebing. Varmen blir tilført utenfra og må vandre gjennom plastfolien inn til sveisesonen. Plast er som kjent en dårlig varmeleder, og derfor er denne metoden begrenset til tynne folier. Vi kan styre impulslengden ved hjelp av et tidsrelé som bryter strømmen etter en viss innstilt tid.

Sveising med varmgass

Sveising av plast med varmgasser og tilsettmateriale har en viss likhet med gassveising av metaller. Som varmemedium bruker vi gasser som blir varmet opp i selve sveisepistolen, enten elektrisk eller ved flamme. Se figur 4.38. Forbindelsen av plastmaterialene skjer i deigaktig tilstand og under trykk.

a ------------

|

ra- varme element

Figur 4.37 Buttsveising med varmeelement (t.v.), overlappsveising med varmeelement (i midten) og knekksveising (t.h.).

SAMMENFØYENDE BEARBEIDINGSPROSESSER

225

Figur 4.38 PLastsveising med varmluft.

Friksjonssveising Vi får sveisetemperatur ved hjelp av friksjon. Slik sveising kaller vi friksjons- eller rotasjonssveising, og den er bare mulig for rotasjonssymmetriske deler. Vi må kunne sette minst en av delene i rotasjon. Den andre delen, som ikke roterer, presser vi imot, og friksjonsvarmen gjør at temperaturen stiger raskt til sveisetemperatur. Når den er nådd, stopper vi bevegelsen mellom delene og presser dem sammen.

Dielektrisk sveising (høyffekvenssveising)

Dielektrisk sveising, også kalt HF-sveising, bruker vi til å sveise tynne folier, vanligvis i form av overlappsveising. Metoden bygger på den dielektriske oppvarmingseffekten. I plaststoffer som er bygd opp av polare molekyler, det vil si molekyler med negative og positive poler, begynner molekylene å rotere for å stille seg inn etter polariteten dersom vi plasserer plaststoffet mellom to kondensatorplater med høyfrekvent vekselstrøm. Jo høyere frekvensen er, desto raskere endrer platene polaritet, og desto raskere prøver mo­ lekylene å innstille seg. Rotasjonen av de polare molekylene blir hindret på grunn av friksjon mot andre molekyler, og da oppstår det varme. Oppvarming kan vi se på som et energitap, og vi snakker derfor om den dielektriske tapsfaktoren, tg 8 (delta). Plast­ stoffer som ikke er polart oppbygd, eller som bare viser svak polaritet, gir lav dielektrisk tapsfaktor. Dielektrisk sveising er derfor vanligvis bare mulig for plaststoffer som har til­ strekkelig stor dielektrisk tapsfaktor og et relativt lavt smeltepunkt.

Ultralydsveising Alle termoplastiske materialer kan sveises ved hjelp av ultralyd. Oppbyggingen av et svei­ seapparat for ultralydsveising har vi vist og omtalt tidligere under sveisemetoder. Sonotroden svinger med 18 000 til 30 000 Hz og overfører disse svingningene til trykk og varme i sveisesonen. Foliene ligger i overlapp på et fast underlag. Induksjonssveising

Induksjonsveising er en annen sveisemetode for termoplastiske materialer. Et eksempel er hermetisk lukking av en plasteske. Vi legger en metallring inn i deleflaten mellom lok­ ket og esken. Vi kan deretter sette esken ned i en spole, eller spolen kan være stasjonær

226

PLASTSVEISING

og esken rotere gjennom spolens magnetfelt. Metallringen blir varmet opp ved induk­ sjon og smelter (kleber) plasten i deleflatene sammen. Prosessen er utført i løpet av få sekunder.

Lodding Definisjon

Lodding er en metode vi brukerfor å binde sammen metalldeler, ved at vi i forbindelsesfugen mellom dem smelter ned et annet metall eller en annen metallegering med lavere smeltepunkt enn de to metalldelene. Ved lodding varmer vi ikke materialene opp til smeltepunktet, men bare til det vi kaller arbeidstemperaturen til loddet eller litt over den. Arbeidstemperaturen er den tem­ peraturen loddestedet må ha for at loddet skal «bite» og spre seg utover forbindelsesflatene. Loddet er oftest et helt annet metall eller en helt annen metallegering enn de delene vi skal binde sammen. Den faste og tette forbindelsen som vi ønsker ved loddingen, er først og fremst av­ hengig av en nær forbindelse mellom loddet og overflaten på arbeidsstykker. Loddet fyl­ ler ikke bare grove porer, men også svært fine mikrosprekker. For noen metaller kan det også bli en legeringsdannelse mellom loddet og grunnmaterialet, se figur 4.39. Ved overlapplodding er fastheten til loddeforbindelsen også avhengig av hvor stor loddespalten er, slik det går fram av figur 4.40. Når spalteåpningene er svært små, kan det gjennom loddet oppstå atomære tiltrekningskrefter mellom platene. Loddeforbindelsen blir da sterkere enn fastheten til loddet. Betingelsen for en god lodding (adhesjon til grunnmaterialet) er at forbindelsesflatene er helt metallisk rene. Vi må fjerne fastsittende oksidbelegg og belegg som blir dannet under oppvarmingen. Det er en oppgave for flussmiddelet. Loddperler Lodd Oksid

Materiale

Støv sjikt

Lodd Materiale

Lodd Legering

Materiale

Figur 4.39 Bindingsforholdet mellom lodd og grunnmateriale.

SAMMENFØYENDE BEARBEIDINGSPROSESSER

227

Figur 4.40 Styrken tit loddeforbindelsen er avhengig av størrelsen på loddespalten.

Til venstre: forbindelsen har samme styrke som loddet. Til høyre: forbindelsen er sterkere enn loddet.

Hvordan loddingen er inndelt Etter lodd, flussmiddel, metoder og arbeidstemperatur kan vi dele lodding inn i disse hovedgruppene: myklodding, ved hjelp av loddemetall med smeltepunkt under ca. 450 °C, vanligvis under 300 °C - hardlodding, ved hjelp av loddemetall med smeltepunkt over ca. 450 °C og opp til ca. 1 100 °C -

Hardlodding kan vi igjen dele inn etter metodene:

— hardloddingved overlapp og kapillærvirkning — hardlodding ved buttforbindelse utført på samme måten som smeltesveising (ved gass). Metoden kaller vi derfor sveiselodding På engelsk skiller en de to hovedmetodene klarere, idet en kaller myklodding for «soldering» og hardlodding for «brazing».Grensen mellom myklodding og hardlodding er ikke skarp og er mer tilfeldig valgt.

Myklodding

Tinnlodd

Ved myklodding av tungmetaller bruker vi oftest lodd som stort sett består av bly (Pb) og tinn (Sn). Til tross for at disse for det meste har like mye eller mer bly enn tinn, kaller vi dem tinnlodd. Figur 4.41 viser tilstandsdiagrammet for bly-tinn og bruksområdene for de standardiserte legeringene. Legeringer med 50 % Pb og 50 % Sn eller 45 % Pb og 55 % Sn er de vanligste. Loddene bør være så rene som mulig. I de fleste tilfellene er det en del forurensninger som antimon (Sb), sink (Zn), aluminium (Al), kadmium (Cd), kobber (Cu), jern (Fe) og arsen (As). Sink, aluminium og kadmium er de mest skadelige. Selv små mengder (0,001-0,003 %) av dem i loddetinn gir sterke slaggdannelser, gjør loddet grovt krystallinsk og gir metalloverflaten et matt og ofte kornete ut­ seende. Jern hører også med til sporgiftene, og i loddetinn er virkningen av jern som slaggdanner så sterk at det ikke bør forekomme mer enn 0,02 % jern.

228

II

LODDING

Når det gjelder virkningen av antimon, har det vært litt delte meninger. Litt anti­ mon gjør loddet sterkere, men for store mengder gjør det sprøtt. Som figur 4.41 viser, er det eutektiske blandingsforholdet 62 % Sn og 38 % Ph. Det området vi vanligvis bruker, ligger mellom 20 og 60 % Sn. Loddene har derfor ikke noe bestemt smeltepunkt, men er i en slags pastaform i et større eller mindre temperaturområde, avhengig av sammensetningen. Figur 4.41 Fasediagrammet for bly-tinn.

Flyteevne

Avhengig av sammensetningen har loddemetallet større eller mindre evne til å flyte utover og dekke forbindelsesflatene. Lodd med 40—45 % Sn har best flyteev­ ne. Slike lodd er derfor lette og raske å ar­ beide med og gir pene forbindelser uten særlig etterarbeid. De gir derfor en mer økonomisk lodding enn mer blyrike lege­ ringer.

Styrke Styrken er avhengig av belastningstiden og temperaturen. Alle mykloddforbindelser som er sterkt belastet, brister etter en be­ stemt tid, avhengig av den spenningen som blir lagt på. Mykloddforbindelser er derfor ikke egnet til å overføre mekaniske krefter. Slike krefter bør fanges opp kon­ struktivt ved for eksempel falsing.

30 ± 0.5 % Sn: Til Lodding der pastaegenskapene i smelteområdet er nødvendige (blykabelLodding, karosseritinn) 40 ± 0,5 % Sn: Til grovere embaLLasjelodd, plombering, dyppelodding 45 ±0,5 % Sn: ' Til generell lodding på alle slags mate­ rialer, flyter lett 50 ±0,5 % Sn: Til generell lodding på kobber og fortinnede materialer, sink og messing. Ved elektriske installasjoner og maskinLodding 60 ± 0.5 % Sn: Til Lodding der rask smelting og størkning er nødvendig. Til finere Lodding på kobber, ved elektriske installasjoner osv. 99-99,5 % Sn: Til dyppe- og elektrolyttfortinning. Til finere elektriske artikler.

Leveringsformer Loddet blir levert som pulver med forskjellig korning eller som stav eller tråd med for­ skjellig dimensjon og tverrsnitt. Videre kan vi fa det som folier eller barrer for loddebad. Loddepasta (også kalt smøretinn eller loddetinn) er salveaktige blandinger av flussmid­ del og pulvertinn, blytinn eller andre myklodd. Dem bruker vi særlig på steder der det er vanskelig å komme til, og som derfor er vanskelige å rense for syre senere. Loddepasta kan vi stryke på med pensel. Deretter varmer vi delene opp til loddetinnet smelter. Lod-

SAMMENFØYENDE BEARBEIDINGSPROSESSER

229

destaver fylt med flussmidler (vanligvis syrefrie) i pastaform eller kolofonium (harpiks) bruker vi særlig i elektro- og radioindustrien. Flussmidler

Flussmidlene (flytemidlene) skal sørge for at loddestedene er helt rene slik at forbindel­ sen kan bli førsteklasses. Selv om overflatene kan virke rene, er de for det meste dekket av metalloksid. Flussmiddelet skal løse oksidet slik at loddet kan flyte under oksidsjiktet og inn i loddespalten. For at flussmiddelet skal virke tilfredsstillende, må det inneholde oksidløsende stof­ fer, og det må være helt flytende ved arbeidstemperaturen til loddet. I motsatt fall løser ikke oksidene seg ordentlig opp. Men temperaturen må heller ikke være for høy. Da for­ damper de oksidløsende stoffene, og flussmiddelet har ingen virkning lenger. Vi må vel­ ge flussmiddelet slik at det aktive temperaturområdet strekker seg fra under solidustemperaturen til loddet og et stykke over den maksimale loddetemperaturen til loddet. For hardlodding må vi derfor bruke andre flussmidler enn ved myklodding. Vi skiller mel­ lom syreholdige og syrefrie flussmidler.

Hardlodding Ved hardlodding trekker et smeltet tilsettmateriale (loddemetall med smeltepunkt over ca. 450 °C) på grunn av kapillarkrefter inn i spalteåpningen mellom to parallelle flater som ligger tett sammen (overlapp). Hardlodding kan også skje ved at vi føyer delene sammen med buttskjøt og tilfører varme med sveisebrenner. Fordi metoden ellers ligner på gassveising, kaller vi den sveiselodding. Mens styrken for en mykloddforbindelse vanligvis ikke overstiger 20-40 MPa (N/mm ), kan vi fa langt større styrke ved hardlodding, i gunstige tilfeller større enn grunnmaterialet. Hardlodding er blitt en uunnværlig sammenføyningsmetode i industrien. En av de viktigste fordelene med denne metoden er fleksibiliteten. Det er dssuten et stort utvalg av tilsettmaterialer som er utviklet for lodding av forskjellige grunnmaterialer. Med for­ holdsvis små investeringsomkostninger kan metoden mekaniseres. Loddemidler

Ved hardlodding bruker vi lodd med en smeltetemperatur over ca. 450 °C, samtidig som loddet må ha et lavere smeltepunkt enn det grunnmaterialet vi skal lodde. Etter AWS (American Welding Society) deler vi hardloddene inn i — lodd for tungmetaller:

— — — — —

sølvlodd fosfor-kobberlodd kobber- og messinglodd gull-lodd varmebestandige lodd

LODDING

- lodd for lettmetaller: - aluminiumlodd - messinglodd

Sølvlodd Sølvlodd bruker vi til alle loddemetoder og alle materialer i gruppen tungmetaller. Sølv er mye dyrere enn kobber, sink og de andre metallene vi bruker i hardlodd. Når vi i industri­ en likevel bruker sølv i stor utstrekning som en viktig bestanddel (50 % eller mer) i sølvlodd, kommer det av de gode egenskapene som sølvet gir loddelegeringen. Sølv som blir tilsatt, senker smeltetemperaturen til loddet langt mer enn andre legeringselementer, og i motsetning til dem blir loddet ikke sprøere ved høy legeringstilsetting av sølv. Både ut fra et økonomisk og et teknisk synspunkt er det en fordel at loddingen kan skje ved så lav temperatur som mulig, så lenge fastheten i loddeforbindelsen blir tilfreds­ stillende. Varmefølsomme materialer kan i mange tilfeller bare loddes med sølvlodd. Sølvlodd flyter også bedre og gir glatte forbindelser, slik at etterarbeidet blir minimalt. Selv om sølvlodd er dyrere enn andre lodd, blir de samlede kostnadene ofte lavere med sølvlodd enn når vi bruker andre lodd. Det finnes en rekke sølvlodd som er standardisert til ulike formål. Fosfor-kobberlodd Disse loddene kan vi bare bruke til lodding av kobber og kobberlegeringer. Vi må ikke bru­ ke dem iforbindelse med stål, nikkel eller nikkelholdige legeringerfordifosforet i loddet, sammen medjern og nikkel, danner sprø fosfider som gjørforbindelsen uegnet til å tåle støt og slag.

Kobber- og messinglodd Ulegert kobber bruker vi mye til å lodde stål ved ovnslodding under beskyttende atmos­ fære. Smeltepunktet ligger på 1 083 °C. Det er en fordel fordi vi også kan herde de de­ lene som er loddet (750-900 °C) uten at loddeforbindelsen blir svekket. Messinglodd er de viktigste og mest brukte hardloddene. Smeltepunktene for ulike messinglodd er vist i tabell 4.1. Når vi bruker messinglodd, kan vi få visse vanskeligheter dersom sinkinnholdet er stort og temperaturen på loddestedet er høyere enn den bør væ­ re. Sinken kan da sublimere. Særlig dersom vi bruker sveiseflamme, kan temperaturen lett bli så høy at sinken fordamper, loddet blir mer sinkfattig, og smeltepunktet stiger som en følge av dette. Sinken som fordamper, forbinder seg med lufta og brennergassene slik at det blir hvit røyk. Avsinkingen viser seg også ved at loddesømmen blir mer kob­ be rfarget. Varmebestandige lodd Lodd som består av sølv-mangan, nikkel-krom osv., bruker vi særlig til å lodde rustbe­ standige stål. Nikkellegeringer bruker vi til turbinskovler i jetmotorer og til andre deler som under drift er utsatt for høye temperaturer. Ovnslodding med tørr nitrogen som beskyttende atmosfære er mye brukt, men vi kan også bruke lodding med flussmiddel.

SAMMENFØYENDE BEARBEIDINGSPROSESSER

231

Tabell 4.1 Smeltepunkt for messinglodd. Smeketemperatur

Kobberinnhold i prosent

øvre °C

nedre °C

85

1025

1010

63

910

905

60

903

900

54

888

882

48

870

860

42

850

835

Tilføring av varme

For å oppnå maksimal styrke og tetthet er det viktig at vi varmer opp loddet og arbeidsstykket på en slik måte at de når riktig arbeidstemperatur på samme tid. På figur 4.42 skjer oppvarmingen direkte på loddet. Av figur 4.42 (t.h.) ser vi at loddet når arbeidstempera­ turen lenge før kontaktflatene. Loddet smelter og renner gjennom spalten og blir delvis borte. Det blir da for lite lodd igjen når kontaktflatene er kommet opp til arbeidstempera­ turen. Dessuten har det loddet som er kommet inn i spalten størknet, uten at vi har fått bindinger. Riktig oppvarming, med loddet plassert før oppvarmingen, er vist på figur 4.43. Ved en slik oppvarming får de delene som skal forbindes, arbeidstemperatur før loddet, og dermed blir loddet bundet til materialet (temperaturdifferansen At ligger over arbeidstem­ peraturen). Den lille tidsdifferansen spiller i de fleste tilfellene liten rolle. Lodd

§

Arbeidsulykkenes kontaktflater

— Arbeidstemp.fa.t.) Loddet når a.t. lenge for kontakt­ flaten, ingen adhesjon (diffusjon)

Tid

Figur 4.42 Feilaktig varmetilførsel ved lodding.

Figur 4.43 Riktig varmetilførsel ved lodding.

LODDING

Smelteegenskapene til loddet

Ved siden av arbeidstemperaturen til loddet er smelteintervallet til loddet viktig. I spesi­ fikasjoner over lodd står dette ofte oppført ved siden av arbeidstemperaturen til loddet. Lodd med stort smelteintervall kan ha tendens til «varmsprekk», særlig dersom det under størkningen danner seg krystaller som er omgitt av restsmelte. Når den så størkner om krystaller som allerede er faste, kan den ikke «fange opp» krympspenningene, og det oppstår varmsprekker. Har loddet et lite smelteintervall slik som for eksempel L Ag 45 (med 45 % sølv), ligger temperaturen for begynnende smelting like under arbeidstemperaturen. Ved ar­ beidstemperaturen og litt over den er loddet så lettflytende at det raskt trekkes inn i loddespalten.

Styrken til loddeforbindelsen Det har vist seg at strekkfastheten til loddeforbindelser, spesielt for buttskjøter, øker med økende strekkfasthet for grunnmaterialet og med minkende spalteåpning. Utformingen av loddeforbindelser

Figur 4.44 viser en sammenligning mellom forbindelsesformer ved sveising og lodding. Styrken og kvaliteten til en kapillærlodding er helt avhengig av kapillærvirkningen, av SVEISING

LODDING

Overlapp

Buttskjtt

T-forbindelse

Figur 4.45 Riktige konstruksjoner har åpning for avløp av gass og flussmidler.

Lukking av rfr

Figur 4.46 Riktig og gal loddekonstruksjon. Figur 4.44 Sammenligning mellom forbindelsesformer ved sveising og lodding.

SAMMENFØYENDE BEARBEIDINGSPROSESSER

233

spalteformen og av at kontaktflatene er helt overtrukket med lodd som binder tilfreds­ stillende til grunnmaterialet. Ved lukket spalte må det være åpninger slik at gasser og flussmiddel kan slippe ut, se figur 4.45. Det er også viktig at loddeforbindelsen er utført slik at spalteåpningen holder seg konstant. Den må ikke øke, for da er det fare for at kapillærvirkningen opphører og loddet ikke flyter gjennom. En minimal innsnevring av spalten er ikke så skadelig som en utvidelse. Figur 4.46 viser eksempler på riktig og gal konstruksjon.

Flussmidler

Flussmidlene ved hardlodding har samme hensikt som ved myklodding. De skal løse og fjerne oksidbelegg på kontaktflatene og hindre oksidasjon under lodding ved den høye temperaturen vi bruker ved hardlodding. Boraks og borsyre er de viktigste flussmidlene ved temperaturer over 800 °C. Utførelsen av loddingen Vi kan hardlodde på mange forskjellige måter, alt etter hvordan vi varmer delene opp til arbeidstemperatur.

Brennerlodding Brennerlodding tar vi med sveisebrenner (acetylen-oksygen) eller loddebrenner (brenn­ bar gass-oksygen). Flammelodding er vel den mest brukte og ofte den billigste loddemetoden, både ved enkelt manuell lodding og ved maskinell lodding i store serier. Ovnslodding Ovnslodding er en annen metode som vi bruker til store serier. Særlig dersom arbeids­ stykkene er små og har tynne vegger, er det mer hensiktsmessig og billigere å varme opp i en ovn enn med en brenner. Delene blir ofte plassert i en fikstur for å sikre gjensidig riktig tilpasning. Loddet, som for stål vanligvis er kobberlodd, blir plassert på riktig sted i en form av ringer med sirkulært eller rektangulært tverrsnitt eller et annet formlodd tilpasset delene. Fiksturene med delene blir plassert på et transportbånd som fører dem inn i ovnen. Se figur 4.47.

Figur 4.47 Ovnslodding ved hjelp av fiksturer og transportbånd.

LODDING

Elektrisk lodding Induksjonslodding. Ved induksjonslodding skjer oppvarmingen til arbeidstemperatur ved at vi plasserer arbeidsstykkene i en spole og tilfører vekselstrøm med forholdsvis høy frekvens. Vi kan bruke induksjonslodding både til myklodding og hardlodding. Frekvens, spoleform og vindingsantall velger vi etter hvor stor varmemengde som skal til, og på hvilket sted. Ved middelfrekvens blir varmepåvirkningen dypere. Motstandslodding. Til enkelte loddeoperasjoner, for eksempel lodding av båndsagblad, kan vi utnytte den motstandsvarmen som oppstår i skjøten mellom to be­ røringsflater. Vi legger på forhånd loddet mellom delene. Om vi må bruke flussmiddel eller ikke, er avhengig av hvilket lodd vi bruker.

Buelodding Ved buelodding bruker vi en elektrisk lysbue som varmekilde, og vi bruker denne me­ toden særlig til å forbinde deler med stor forskjell i godstykkelse.

Dyppelodding I enkelte tilfeller bruker vi dyppelodding i loddemetallbad til serieproduksjoner. Loddebadet er på overflaten beskyttet av for eksempel boraks eller borsyre. Når vi senker de­ lene ned i badet, renser flussmiddelet overflaten, som deretter blir overtrukket av loddet. Loddet trenger også inn i loddespalten. Delene må fikseres i forhold til hverandre før dyppingen.

Sveiselodding Sveiselodding er en mellomting mellom sveising og lodding. Det karakteristiske er at vi bruker sveisebrenner til oppvarming, at vi bruker lodd med lavere smeltepunkt enn grunnmaterialet, og at arbeidstemperaturen er alltid over 350 °C. Videre utfører vi loddingen som buttsveiselodding med I-, V- eller X-fuge. Utformingen av fugen er gjerne litt annerledes enn for gassveising, idet vi runder av kantene litt. Det gjør vi for å få en mykere overgang uten bruddanvisning mellom loddefuge og grunnmateriale, samtidig som det blir større bindeflate. Fordelene med sveiselodding sammenlignet med gassbuesveising har først og fremst å gjøre med at arbeidstemperaturen er lavere. Varmetilførselen er mye mindre, og det gir mindre kastninger. Krympingen fra arbeidstemperatur blir også mindre, og det fører igjen til at forbindelsen får mindre krympspenninger, og at sprekkfaren blir mye redu­ sert. Når arbeidstemperaturen er lav, senkes oppvarmingstiden og gassforbruket, samtidig som det er høy arbeidshastighet. Ulempene med sveiselodding er at forbindelsen ikke tåler høy temperatur, og styrken vil avta raskt når temperaturen går over 250—300 °C.

SAMMENFØYENDE BEARBEIDINGSPROSESSER

Figur 4.48 Kontaktvinkelen mellom væske/lim og annet materiale.

a b

Liten kontaktvinkel gir god fukting. Stor kontaktvinkel, for eksempel når overfla­ ten er dårlig rengjort, gir dårlig limfeste.

Figur 4.49 Bruddtyper i limte forbindelser.

BM

Kohesjonsbrudd i lim

Kohesjonsbrudd i materialet

Kohesjonsbrudd i limfugen

Liming Liming er en varmefattig sammenføyning av samme materiale eller forskjellige materialer ved hjelp av et fremmedartet mellomlegg, som gir en strekk- og skjarkrafi på minst 6 MPa (N/mmf ved 20 °C

Det «fremmedartede mellomlegget» er ved metalliming hovedsakelig syntetiske (or­ ganiske) lim som er tilsatt fyllmidler som glassfiber, metallpulver osv.

Limingsteori Også når vi skal lime, må overflaten være helt ren og fri for smuss og oksidhinne slik at limet kan flyte utover (figur 4.48), og slik at adhesjonskreftene mellom limet og metalloverflaten blir størst mulig (figur 4.49).

Adhesjon og kohesjon Forbindelsen mellom de materialene vi skal lime, skjer ved at limet kommer så tett innpå den rengjorte materialoverflaten at det oppstår atomære (molekylære) tiltrekningskref­ ter. Disse kreftene kaller vi adhesjon. Men selv om et lim har god adhesjon mot metallet, er styrken også avhengig av kohesjonen til limet, altså av de indre kreftene som holder limet sammen. Se figur 4.50. Limtyper De fleste limtypene for metall er i dag laget på basis av syntetiske organiske forbindelser. Klassifiseringen av metallim skjer etter gruppeegenskapene i

1 herdeplastlim (reaksjonslim) 2 termoplastlim (smekelim) 3 blandinger (derivater, modifiseringer) av de to hovedtypene

LIMING

Adhesjon Kohesjon

Adhesjon

Figur 4.50 Begrepene adhesjon og kohesjon.

Til gruppe 1 hører epoksyer, fenoler, alkyder og silikoner. Ved oppvarming binder de kjedeformede molekylene seg på kryss og tvers til et stivt nettverk som ikke mykner igjen ved ny oppvarming. Disse limtypene har stor elastisitetsmodul, god kjemisk resistens og stor klebekraft. Fil gruppe 2 hører akryl, polyvinylacetat, polyamid, polyvinylbutyrat og cellulosenitrat. I disse limtypene er det ingen tverrforbindelser mellom molekylkjedene, og de er derfor ikke så sterke som lim i gruppe 1. De mykner fort når temperaturen øker (> 20 °C). De har mindre £-modul og større slag- og bøyefasthet. For at vi skal fa kombinert de gode egenskapene i de enkelte limtypene, er metallim ofte en blanding av flere limtyper (gruppe 3). For eksempel dobler vi bøyefastheten i fenollim når vi tilsetter polyvinylbutyrat. Blandingene består av basislim, løsningsmidler, fyllmidler og herder. Basismaterialet må være sammensatt slik at limet får størst mulig adhesjon. Løsningsmiddelet skal gi limet ønsket viskositet for å lette påføringen, og vi må velge det ut fra fordampningshastigheten. Fyllmiddelets oppgave kan være å øke styrken i limforbindelsen, minske krympingen under herdeprosessen eller senke den termiske utvidelseskoeffisienten. Som fyllmiddel bruker vi metalloksider og fibermatter (glassmatter). Herder bruker vi for å påskynde den kjemiske reaksjonen som fører til polymerisering og tverrbinding av molekylkjedene for å øke styrken til limet. Enkomponentlim er lim som reagerer uten herder, eller der herdemiddelet er tilsatt limet. Tokomponentlim er lim der limet og herdekomponenten er hver for seg og blir først blandet sammen ved bruk. Noen limtyper herder ved oppvarming og/eller høyt trykk, mens andre ikke behøver oppvarming. Vi kan derfor også dele limtypene inn i varmherdende lim og kaldherdende lim.

Reaksjonslim Reaksjonslimtypene far en nettverksstruktur i herdeprosessen. Epoksy-, polyuretan- og akryllim spiller en dominerende rolle.

SAMMENFØYENDE BEARBEIDINGSPROSESSER

237 !

Epoksylim Epoksylim har vært brukt i mange år i fly-, skip-, ski-, elektro- og bilindustrien. Produktsortimentet omfatter lawiskose, støpbare, pastaformige og faste enkomponente og tokomponente limtyper. Det er nødvendig for å løse de mange og varierte problemene i sammenføyningsteknikken. En mer omfattende industriell bruk av tokomponentlim krever automatiske blan­ dings- og doseringsanlegg. Kan vi bruke énkomponentlim, blir produksjonen enklere. Polyuretanlim I likhet med epoksylim har polyuretan med og uten løsningsmidler i lengre tid vært i handelen som enkomponent- og tokomponentsystemer. De blir blant annet brukt som lim ved framstilling av sandwichelementer med skumplastkjerner og til liming av glass­ fiberarmert polyester (SMC-deler). Polyuretanlim har gode elastomere egenskaper. For­ bruket av polyuretanlim utgjør ca. 75 % av alt lim som blir brukt i Vest-Europa. Der­ etter kommer epoksylim.

Akryllim De reaktive akryllimtypene er de yngste. I USA kaller en dem akryllim av andre genera­ sjon. I motsetning til epoksy- og polyuretanlim skjer herdingen av akryllim ved polymerisasjon. Det gir visse fordeler, og blant annet kreves det ikke en nøyaktig dosering og blanding av de to komponentene. Dessuten hefter de svært raskt til flater som skal limes, og de krever ikke at overflaten er helt ren. Noen av limtypene er svært varmebestandige. Anaerobe limtyper Anaerobe lim holder seg flytende så lenge det har kontakt med luft (oksygen). Når vi så legger det mellom to deler, blir lufttilgangen hindret, og herdingen begynner straks. Sammensetningen av limet kan være slik at det har god adhesjon til metallet selv om det­ te ikke er helt avfettet. Vi kan også tilsette gummi som herder sammen med limet. På den måten øker vi slagfastheten og motstanden mot avskrelling. Ved liming til anodiserte, sinkbelagte stål og rustfrie stål må vi påføre et aktiveringsmedium. I dag finnes det anaerobe limtyper som herder under 0 °C uten aktivator, og produk­ ter som under påvirkning av UV herder i løpet av sekunder. Noen av de viktigste forde­ lene ved anaerobe produkter er

— at de ikke har noen tidsbegrensning for montering (sammenføyning) etter påføring av limet — at de har en ekstrem kapillærvirkning og trenger inn i selv de minste overflateruhetene, og at etter utherdingen gir de en sterk forankring — at de står seg godt mot syrer, gasser og olje — at de ikke krymper og derfor kan brukes som tettingsmasse — at de er enkomponentlim, og at det derfor ikke trengs noen veiing og blanding

238 7 .7 77

LIMING

Loctite bruker vi for eksempel til å sikre skruer og muttere fra å løsne. Vi bruker det også til å tette med. Herdingstiden er fra få minutter opp til timer ved romtemperatur. Ved høyere temperatur tar herdeprosessen noen få minutter. Det finnes en hel rekke Loctitetyper med varierte egenskaper. Vi kan blande dem med hverandre for å få mellomlig­ gende egenskaper. De svakeste typene tillater demontering med vanlig verktøy.

Cyanoakrylat Cyanoakrylat kaller vi også sekundlim fordi det har en svært rask adhesiv (klebende) re­ aksjon på ulike materialer. Limet gir en svært sterk forbindelse. Det kjemiske prinsippet med polymerisering har vært kjent lenge, men det var først da Loctite klarte å stabilisere det flytende limet, at det fikk sitt gjennombrudd. Det kan oppbevares lenge i flytende tilstand på flasker eller tuber. Når vi stryker ut limet, forsvinner stabilisatoren, og når limet kommer i forbindelse med fuktighet, skjer herdeprosessen svært raskt. Cyanoakry­ lat kan leveres med mange viskositeter, fra helt tyntflytende til pastaform med ulike basismonomerer. Cyanoakrylat er et kaldherdende enkomponentlim. Utherdingen skjer i løpet av sek­ under, men maksimalstyrken får det først etter ca. 24 timer. Da kan en limt forbindelse få en strekk- eller skyvfasthet på inntil 35 MPa (N/mnr) ved 20—30 °C. Ved høyere eller lavere temperatur blir ikke styrken like stor. Dette gjelder under forutsetning av en rela­ tiv fuktighet på mellom 40 og 70 %. Kommer fuktigheten under 30 %, øker tempera­ turen for utherding sterkt. Smeltelimtyper Disse limtypene kan vi dele i to grupper, spesialsmeltelim med høye krav til egenskaper og normalsmeltelim for limforbindelser av kortere varighet og med små krav til egenska­ per.

Spesialsmeltelimene er stort sett basert på polyamidog polyester. Polyestere er termo­ plastiske polymerer med en sammensetning som kan varieres. Det blir framstilt høykrystallinsk seig eller elastisk polyester smeltelim. Polyester smeltelim av andre genera­ sjon har god resistens mot løsningsmidler, tåler høy temperatur og har god styrke. Når vi blander inn gass (N2, CO2) i et konvensjonelt termoplastisk smeltelim, får vi skumsmeltelim. Det gir mindre limforbruk, tynnere limfuge og likevel bedre vedheft. I tillegg blir viskositeten lavere, det blir mindre renning, avkjølingstiden blir kortere (stør­ re produktivitet), og varmepåvirkningen fra smeltelimet blir mer skånsom. Skumsmeltelimet egner seg spesielt til å lime ujevne overflater og til pålegging av pakninger. I bilindustrien øker bruken av polyester smeltelim fordi det sparer energi, krever min­ dre arbeid i tilvirkningsprosessen og gir lettere konstruksjoner. Liming erstatter til dels punktsveising, eller den blir kombinert med punktsveising. Smeltelim bruker vi også til å tette fuger og utettheter i karosseriet osv. I møbelindustrien har polyester smeltelim med god resistens mot fuktighet og varme gitt en feilfri og rask sammenliming av tre- og plastdeler. Det har ført til økt produktivitet. Også i elektronikk- og elektroindustrien blir

SAMMENFØYENDE BEARBEIDINGSPROSESSER

239

polyester smekelim brukt. Ved siden av produksjonstekniske fordeler er isolasjonsegenskapenexW smeltelimet viktig. Men polyester smekelim kan også gjøres elektrisk ledende ved tilsetninger. I emballasjeindustrien har vi lenge brukt smekelim i stedet for lodde­ tinn ved falset blikkemballasje. Polyester smekelim gir reversible forbindelser, det vil si at delene kan løses fra hveran­ dre igjen (smeltes opp igjen). Det kan være en fordel ved reparasjoner. Det finnes også smekelim som herder. De er vesentlig basert på polyuretan som herder i kontakt med fuktighet.

Limfolier Limfolier er varmherdende klebematerialer basert på epoksy, nitrilgummi og fenoler. Foliene er 0,2-0,28 mm tykke og er belagt med et papir som beskytter. Før bruk skjærer eller klipper vi ut fasongen, trekker av papiret og legger folien mellom de delene vi skal føye sammen. Ved trykk og varme (120—200 °C) skjer det en utherding. Bruk av limfo­ lier gir en sikker og renslig klebing. Den optimale styrken kommer umiddelbart etter avkjølingen og kan komme opp i 35 MPa (N/mmz). Vi kan lagre foliene opp til et halvt år ved 15-18 °C. De inneholder ikke løsningsmidler og er derfor ikke brannfarlige ved lagring. Limfolier kan også ha armering, for eksempel av glassfibrer. Flyindustrien er storfor­ bruker av limfolier.

Forutsetninger for liming Adhesjonskraften mellom molekylene i et lim og den overflaten som skal limes, har svært liten rekkevidde, bare noen få atomavstander. For å oppnå god adhesjon og optimal styr­ ke mellom limet og overflaten må vi derfor ha helt rene flater. For at limet skal fukte overflaten, må det ha lavere overflatespenning (det må ha liten kontaktvinkel) enn det materialet vi skal lime. Når vi skal lime aluminium til et annet metall, er ikke overflatespenningsforholdet noe problem. Limet har mye lavere overflatespenning enn metalle­ ne. Men mellom for eksempel aluminium og plast eller mellom ulike plaster bør vi være oppmerksomme på forholdet. Også faktorer som miljø, temperatur, mekanisk belastning, legering og tilstand, forbehandling og måten limingen er gjort på, virker inn på kvaliteten til forbindelsen. Temperaturen virker inn på egenskapene til limet. Med stigende temperatur blir li­ met (termoplastlim) mykere og kan begynne å sige ved belastning. Det blir hardere og mer sprøtt i kulde. Herdeplastlim har generelt høyere styrke og varmemotstand enn ter­ moplastlim. Smekelim bør ikke utsettes for høyere temperatur enn 80—100 °C, og de bør ikke brukes i konstruksjoner som blir belastet. Skjærfastheten (motstand mot avskjæring) synker raskere i fuktig og varmt klima og raskere ved samtidig mekanisk belastning av limfugen. Limforbindelsen er normalt uføl­ som for vibrasjoner og utmatting.

LIMING

Termoplaster kan være polare eller ikke-polare. Ikke-polare eller lite polare plaster, for eksempel polypropylen og polytetrafluoretylen (teflon), har mange gode egenskaper, men de må forbehandles for å kunne limes. Ved hjelp av spesielle primere som vi har på like før limingen, kan vi preparere overflatene slik at limet hefter godt. Full styrke far vi først etter en tids herding.

Limfilmen bør være så tynn som mulig, og en filmtykkelse mellom 0,005 mm og 0,2 mm gir størst styrke. Øker vi den til 0,5 mm, faller styrken til omtrent det halve og hol­ der seg deretter nærmest konstant.

Forbehandling Alt arbeidet, også omhyggelig forberedelse og god limteknikk, er bortkastet dersom vi ikke utfører forbehandlingen riktig, dersom konstruksjonen ikke er limteknisk riktig ut­ formet, eller dersom vi ikke har valgt riktig limtype og limingsprosess. Limtype og be­ handling er avhengig av hvilket metall eller hvilken metallegering vi skal lime. Alumini­ umlegeringer som har et høyt innhold av magnesium eller kobber, er under visse betingelser vanskelige å lime. Langtidsfastheten blir mye bedre etter anodisering i fosforsyre. Rengjøring av flatene er en absolutt betingelse for god kontakt mellom limet og de flatene vi skal lime. Materialene har alltid et oksidbelegg. Dessuten er overflaten oftest belagt med fett, skitt, absorberte molekyler fra gasser og væsker osv. Alt dette må vi fjer­ ne. Avfetting av limflatene gjør at kontaktvinkelen mellom limet og overflaten blir min­ dre, slik at limet fukter overflaten bedre. Avfetting og rengjøring kan skje ved - beising i forskjellige syrer, noe som gir et svært godt heftgrunnlag for limet - hjelp av alifatiske (white spirit), aromatiske (benzen) eller klorerte hydrokarboner (tri- og perkloretylen) - emulgering og dispergering — forsåping — elektrokjemisk eller elektrolytisk avfetting — elektromekanisk rensing eller ultralydrensing Mekanisk behandling kan utføres på ulike måter, for eksempel stråling med sand eller ståltrådkorn, smergling, børsting med vibrerende eller roterende trådbørster eller sliping med hånd- eller maskinverktøy. Hvilken metode som er best, er avhengig av limtypen og den ruheten vi vil ha i overflaten. Ved høyfaste lettmetallegeringer kan for stor ruhet føre til at utmattingsfastheten blir dårligere. Generelt bør ruheten, profildybden, ikke overstige 5-10 gm. For liming av aluminium er kromsyre eller svovelsyre det beste mid­ delet når belastede limfuger skal være holdbare i korrosivt miljø. Anodisering i svovelsyre gir de tykkeste oksidsjiktene (15 gm), mens kromsyre uten ettertetting gir et tynt oksidsjikt (1,5 gm) som tåler høy belastning. Metoden har lenge vært brukt i europeisk flyindustri.

SAMMENFØYENDE BEARBEIDINGSPROSESSER

241

Utforming av en limt forbindelse Utformingen av limforbindelsen har stor be­ tydning, særlig når vi bruker herdelimtyper. Vi må ha kjennskap til størrelsen på og ret­ ningen til den belastningen som limforbin­ delsen skal utsettes for. Det kan være ren strekk-, skyv- eller skjærbelastning eller kløyvings- ogskrellpåkjenning. Se figur 4.51. Vi må betrakte limte forbindelser som flateforbindelser og utforme dem slik at belastningen på limfugen blir overført som skjærspenning. Tøyningen og skjærspenningen er størst ved endene og minst i midten av limfugen. Der­ for starter et brudd alltid ved kanten, og det er bare i dette partiet at limforbindelsen blir optimalt belastet. Den vanligste utførelsen av en limt for­ bindelse er enkel overlapp, se figur 4.52. Ulempen med dette er at det blir et bøyemo­ ment i tillegg fordi forbindelsen ikke ligger i samme plan. Det gir ekstra spenninger i fugekantene. Det er bedre å bruke en ensidig eller dobbeltsidig laskeskjøt. Utførelsen er dyr, og ingen av sidene er glatte. Andre eksempler på limte forbindelser er vist på figurene 4.52-

Strekking

Skrelling

Figur 4.51 Typer av påkjenninger på limte forbindelser.

4.55.

Helse- og brannfare Når vi arbeider med lim, står vi overfor tre ty­ per problem: innånding av løsningsmidler, eksem ved hudkontakt og brannfare. For de ulike limtypene er det utarbeidet hygieniske grenseverdier og yrkeshygienisk luftbehov (YL). YL-verdien er det antallet ku­ bikkmeter luft som skal til for å fortynne dampene fra 1 1 løsningsmiddel eller lim så mye at den hygieniske grenseverdien ikke overskrides. Figur 4.52 Ulike typer av Limte forbindelser.

242

LIMING

Figur 4.53 En knekt, falset eller limt forbindelse er svært sterk.

Visse limsorter kan framkalle eksem hos allergiske personer. Allergien kan være med­ født eller erverves ved arbeid med lim. Vi bør derfor unngå hudkontakt. Det er fare for brann når vi arbeider med lim som inneholder løsningsmidler. Når vi bruker slikt lim, er åpen ild og røyking forbudt, og elektriske apparater må være gnistsikre.

SAMMENFØYENDE BEARBEIDINGSPROSESSER

243

Figur 4.54 Liming i kombinasjon med andre festemetoder.

Profil

Limfilm

Plast-kompositt

Figur 4.55 Liming i forbindelse med kompositter.

244

LIMING

Sammenfatning og bruksområder Når to deler er sammenføyd ved liming, blir kreftene overført gjennom limfilmen, og det må derfor være et tilstrekkelig forbindelsesareal til denne overføringen. Som regel bruker vi overlappforbindelser. Sammenlignet med klinking og punktsveising har liming den fordelen at vi ikke får arealer med spenningskonsentrasjoner rundt sammenføyningspunktene. De fleste limsortene trenger oppvarming og/eller trykk for å gi en tilfredsstillende forbindelse. Da styrken i forbindelsen blant annet skriver seg fra intermolekylære (interatomære) krefter mellom limet og metallflaten, må limfilmen være tynn (spalteåpning 0,005-0,2 mm). For at det skal bli best adhesjon mellom limet og metallet, må overflatene være forskrifts­ messig behandlet. Et lim som består av to eller flere komponenter, må vi bruke straks det er behandlet. Metalliming ble tidlig brukt i flyindustrien, og metoden får her stadig større utbre­ delse. For eksempel er store deler av kabinen og vingene på Fairshieldflyet, som blir pro­ dusert av SAAB-Scania, limt i stedet for naglet. Liming gir sterkere og lettere forbindel­ ser med høyere utmattingsfasthet enn nagling. Fra våpenindustrien kan vi nevne at på luftvernroboten Oetikon er store deler limt med Araldit. Liming er også tatt i bruk ved bygging av seilbåter. Etter hvert har liming blitt vanlig i flere industrigrener. Så tidlig som i 1956 ble det bygd en limt stålbru over en kanal i Ruhr-området. Brua har et spenn på 56 m og er for det meste limt med kaldherdet polyesterlim. Som sikkerhet mot oppsprekking av limfugene er de sikret med bolter. Skruene sitter imidlertid i frie hull. De limte forbindelsene har hittil ikke vist noen svikt. I bilindustrien bruker en liming ofte i stedet for punktsveising. ASEA har for eksem­ pel for Volvo konstruert en spesiell robot som skal lime komponentene i bildører. I elektronikken er limet tatt i bruk for framstilling av pulvermagneter. Magnetisk pulver blir blandet med lim og formet til ønsket magnetform. Når limet er herdet, har vi fått en magnet som, selv om den er liten og har en komplisert fasong, ville blitt svært dyr å framstille med konvensjonelle tilvirkningsmetoder. Andre bruksområder er liming av kamerahus, bremsebånd, transportbeholdere, flytetanker, til feste av stanse- og trekkeverktøy og til mange andre formål i industrien.

Oppgaver til kapittel 4 1 2 3 4

Hva forstår vi med sveising? Skriv definisjonen på sveising. Vi har flere motstandssveisemetoder. Gjør kort rede for prinsippene for dem. Gjør kort rede for prinsippet for punktsveising og lag en skisse til teksten. Bare en liten del av den elektriske energien vi tilfører, blir til varmeenergi i sveisen. Hvor blir det av resten?

SAMMENFØYENDE BEARBEIDINGSPROSESSER

245

5 Gjør rede for hvordan strømstyrken, elektrodetrykket og sveisetiden ved punktsvei­ sing må tilpasses sammensetningen og godstykkelsen til de materialene som skal svei­ ses sammen. 6 Tegn et diagram som viser de enkelte deltidene i et sveiseforløp. 7 Hvilke hjelpemidler har vi for å rasjonalisere og effektivisere sveisearbeidet? 8 Hvilke hovedelementer er en elektrisk motstandssveisemaskin bygd opp av? 9 Hva er knastsveising? Hva skiller den fra enkeltpunktsveising? 10 Gi en kort definisjon av den metoden som benytter friksjonsvarme til sammenføyningen. Hvilke fordeler har denne metoden framfor andre sammenføyningsmetoder? Gi eksempler på bruksområder. 11 Ved gassveising bruker vi mest en blanding av acetylen og oksygen. Lag en enkel skis­ se av en normal flamme. Hva er den prosentvise fordelingen mellom oksygen og ace­ tylen? Gjør kort rede for det kjemisk/termiske forløpet. 12 Hvilke metallurgiske konsekvenser har det dersom vi tilsetter mer oksygen eller mer acetylen enn det som er normalt? 13 Hva mener vi med hard flamme, og hva er bløt flamme? 14 Sveising av støpejern er vanligvis reparasjonssveising. Gjør kort rede for de metodene vi bruker ved sveising av støpejern. 15 Hvilke vanskeligheter oppstår ved sveising av aluminium sammenlignet med sveising av konstruksjonsstål? 16 Gjør kort rede for brannfaren ved bruk av sveisebrenner. Hvilke forholdsregler må vi ta? 17 Ved buesveising er det et aggregat som leverer den likestrømmen eller vekselstrømmen som må til. Forklar hva vi mener med den statiske karakteristikken, den dynamiske karakteristikken og buekarakteristikken til et sveiseaggregat. 18 Forklar hvilken betydning en slakk eller en steil karakteristikkurve i buespenningsområdet har for utseendet til sveisen. 19 Hva mener vi med begrepet intermittens i forbindelse med transformator som strømkilde? Hvilken sammenheng er det mellom denne faktoren og temperaturen i transformatoren? 20 Hva må vi ta hensyn til når vi velger sveisestrømaggregat? 21 Ved buesveising bruker vi en rekke elektrodetyper. Riktig valg av disse typene er svært viktig for et godt resultat. Hvilke elektrodetyper er de vanligste? Gi en kort om­ tale av de enkelte typene og hva som karakteriserer dem. 22 Hva gir begrepene sveiseutbytte og nyttetall uttrykk for? 23 Hva er en høyutbytteelektrode? 24 Hvilke problemer kan oppstå ved buesveising av ulike typer rustbestandige stål? 25 Hva er et schaeflerdiagram, og hva bruker vi det til? 26 Hvilke sveisemetoder bruker vi når vi skal sveise aluminium og aluminiumlegerin­ ger? 27 Hva er boltsveising? Nevn noen bruksområder.

OPPGAVER TIL KAPITTEL 4

28 29 30 31

Hva er pulverdekket buesveising, og hvilke fordeler har denne metoden? Gjør kort rede for dekkgassveising. Hva er hensikten med å sveise under dekkgass? Hvilke dekkgassveisemetoder har vi? Ved metallbuesveising har vi to metoder, MIG og MAG. Gjør kort rede for disse to metodene.

32 I tillegg til de «vanlige» buesveisemetodene har vi en rekke spesielle sveisemetoder, blant annet plasmasveising og elektronstrålesveising. Gjør kort rede for prinsippene for disse sveisemetodene. 33 Definer begrepene håndsveising, halvmaskinell sveising, maskinell sveising, automatsveising og mekaniseringsgrad. 34 Nevn noen av grunnene til at bedriftene innfører maskinell sveising i størst mulig grad. 35 Gjør kort rede for noe av det utstyret som blir brukt for å øke mekaniseringsgraden ved sveising. 36 I en sveist konstruksjon får vi egenskapsforandringer i sveisen og i området inntil sveisen. Gi en kort orientering om de forandringene som skjer, og hva de kan føre til. 37 Hva forstår vi med begrepet sveisbarhet i forbindelse med sveising av metalliske ma­ terialer? 38 Hva forstår vi med sveisesikkerhet? 39 Gjør kort rede for sveisefeil som kan opptre i forbindelse med smeltesveising. 40 Vi har en rekke metoder for å kontrollere sveisen. Gi en kort omtale av de kontroll­ metodene vi bruker ved produksjonssveising. 41 Hvilke faktorer har avgjørende betydning ved sveising av plastmaterialer? 42 Hva skiller plastsveising fra sveising av metaller? 43 Gjør kort rede for prinsippet for disse sveisemetodene: varmeelementsveising, varmluftsveising, dielektrisk sveising og ultralydsveising. 44 Definer begrepene lodding, myklodding, hardlodding og sveiselodding. 45 Hvilke myklodd er mest brukt? 46 Gjør kort rede for de varmekildene vi bruker ved myklodding. 47 Hvilke lodd og loddemetoder bruker vi når vi skal lodde lettmetaller (aluminium)? 48 Hvilke metallegeringer (lodd) bruker vi ved hardlodding? 49 Gjør kort rede for flyteevnen og de metallurgiske forholdene til loddet. 50 Forklar hva som er viktig for å fa en sterk loddeforbindelse. 51 Hva forstår vi med arbeidstemperaturen i forbindelse med lodding? 52 Gi en kort beskrivelse med skisser av de metodene vi bruker ved hardlodding. 53 Gjør kort rede for hardlodding av aluminium og aluminiumlegeringer. 54 Beskriv kort hvordan en loddeovn for lodding under beskyttelsesgass er bygd opp. Hvilke fordeler har slike ovner? 55 Beskriv kort det som er karakteristisk for induksjonslodding, og de viktigste bruks­ områdene for denne metoden.

SAMMENFØYENDE BEARBEIDINGSPROSESSER

56 Hvilke to egenskaper hos sølvlodd gjør at det er mye brukt til tross for at det er svært kostbart? 57 I en transportkjede av svart adusergods er det brudd i en lenke. Hvordan bør den re­ pareres? Begrunn svaret ditt. 58 Vi bruker mer og mer liming til å føye sammen metalliske materialer. Hvilke betin­ gelser må være oppfylt for at vi skal få en god og sikker forbindelse? 59 Hvilke limtyper er mest brukt? 60 Hvordan bør delefugen være utformet dersom vi velger liming i stedet for smeltesveising?

248

OPPGAVER TIL KAPITTEL 4

KAPITTEL

5

Sponende bearbeidingsprosesser Når du har lest dette kapittelet, skal du kunne - vurdere og spesifisere krav til verktøymaskiner og utrustning - vurdere bruksområdet til moderne eggmaterialer for skjærende bearbeiding - vurdere og dokumentere bearbeidingsmetode og kunne velge riktig skjære­ verktøy - vurdere og dokumentere oppspenningsmetoder og teknologiske data - beregne og vurdere skjæredata i en sponskjærende tilvirkningsprosess - beregne og vurdere økonomien i en sponskjærende tilvirkningsprosess

Verktøymaterialer og sponteori For bedrifter som lager produkter som krever mye sponskjærende bearbeiding, er det viktig å kunne optimalisere bearbeidingen ved å velge riktig verktøy, verktøymateriale og verktøyform. Det finnes en rekke sponfraskillende verktøy, som dreiestål, fres, bor, brotsj, gjengeskjærende verktøy og slipeskiver.

Sponskjærende bearbeiding. Definisjon Med avsponing eller sponskjærende bearbeiding mener vi metoder som tar sikte på å gi et arbeidsstykke en bestemt form med foreskrevet toleranse. Det skjer ved at vi fjerner overflødig materiale. Karakteristisk for samtlige sponende bearbeidingsmetoder er at avsponingen skjer med et skjærende verktøy, et eggverktøy. Vi sliper (former) eggen til be­ stemte eggvinkler i henhold til en verktøyreferanseplan.

Verktøymaterialer for avsponing Det ideelle verktøymaterialer for sponskjærende bearbeiding er et materiale som forener høy varmefasthet med maksimal seighet, samtidig som det er kjemisk nøytralt i forhold

SPONENDE BEARBEIDINGSPROSESSER

249

Figur 5.1 Skjærematerialenes varmefasthet.

til de materialene vi skal bearbeide. Men et slikt materiale finnes ikke. Selv om vi i dag har skjæreverktøy som spenner over et større felt enn før, må vi nå og i framtiden bruke verktøy av ulike kvaliteter, alt etter bearbeidingsforholdene og det materialet vi skal be­ arbeide. De materialene vi bruker i skjæreverktøy, er karbonstål, hurtigstål («high speed»), hardmetall, keramer og diamant.

250

VERKTØYMATERIALER FOR AVSPONING 1

Karbonstål Fordi karbonstål i herdet tilstand mister sin hardhet ved ca. 200 °C, kan vi ikke kjøre så hardt med disse verktøystålene. Høy varmepåkjenning ødelegger herdestrukturen, og skjæreggen blir fort slitt. Med verktøy av karbonstål kan vi bare oppnå en skjærehastighet på ca. 5 m/min. Hurtigstål («high speed»-stål, HSS) I tillegg til høyt karboninnhold har disse ståltypene større eller mindre mengder av wol­ fram, vanadium, molybden, kobolt og krom. Wolfram og molybden gir slitestyrke, mens kobolt gir seighet og varmefasthet. Som det går fram av figur 5.1, er ikke HSS hardere enn karbonstål ved romtempera­ tur, men beholder hardheten opp til ca. 600 °C. Det betyr at vi kan skjære med en has­ tighet opp mot 30 m/min. Det gir en avsponing som er seks ganger så rask som for kar­ bonstål. HSS-verktøy kan vi også belegge med for eksempel titannitrid (TiN) eller titankarbid (TiC), og vi kan da kjøre mye raskere. For å belegge HSS bruker vi PVD-metoden. Det skjer ved en temperatur på 200-500 °C, herdestrukturen blir ikke ødelagt, og HSS beholder hardheten. Vi kan også framstille HSS-verktøy pulvermetallurgisk (PM-HSS). Herdingen av HSS skjer ved høy temperatur, og den foreskrevne temperaturen må overholdes nøye. Avvik på 20-30 °C kan nedsette hardheten og redusere standtiden be­ tydelig. Standtiden er den tiden verktøyet kan skjære før det når utslitningsgrensen og må slipes om igjen eller byttes. For aluminiumlegeringer, titanlegeringer og en del legerte stål har ubelagte HSS- og HM-verktøy med et fastsmørestoff, hovedsakelig molybdendisulfitt M0S2, vist utmer­ kede sponskjærende egenskaper, blant annet ved svært høye skjærehastigheter og matinger. Vi legger på tynne sjikt av MoS2 ved hjelp av en PVD-metode. Belegget gir lav frik­ sjon, og det betyr mindre varmeutvikling og mindre tendens til ansatsdannelse og kaldsveising.

Hardmetall (HM) Over 90 % av alle sponskjærende verktøy er av HSS eller HM. Hardmetall kan være framstilt ved støping (stellitt), men oftest er det framstilt pulvermetallurgisk ved sintring av pulver av harde wolfram-, tantal- og titankarbider. Bindemiddelet er kobolt, som er bløtere. Alt etter forholdet mellom karbider og kobolt skiller vi mellom harde HM-kvaliteter med liten seighet og bløte HM-kvaliteter med større seighet. For å hjelpe bruker­ ne til å velge riktig verktøy har ISO laget et merkesystem for bruksområdene til de ulike HM-kvalitetene, slik tabell 5.1 viser. Gruppe P (blåmerket) står for langsponende ma­ terialer, for eksempel stål. K (rødmerket) står for kortsponende materialer og M (gulmerket) for materialer som ligger mellom de to andre. Et høyt nummer, for eksempel P30, har mer kobolt og er seigere enn et lavt nummer, for eksempel P10, som er hardere og tåler større skjærehastighet. Et modifisert ISO-system kan i tillegg til ISO-symbolet

SPONENDE BEARBEIDINGSPROSESSER

251

Tabell 5.1 Typebetegnelser av hardmetaller ifølge ISO.

Findreiing, finboring, stor skjærehastighet, lite spontverrsnitt, stor målnøyaktighet og overflatefinhet. Ingen vibrasjoner.

P10

Dreiing, kopieringsdreiing, gjengeskjæring, fre­ sing, høy skjærehastighet, lite til middels stort spontverrsnitt.

P20

Dreiing, kopieringsdreiing, gjengeskjæring, fre­ sing, middels høy skjærehastighet, middels spon­ tverrsnitt, høvling med lite spontverrsnitt.

P30

Dreiing, fresing, høvling, middels til lav skjære­ hastighet, også under mindre gunstige betingel­ ser.

P40

Dreiing, høvling, fresing, stikking, lav skjærehas­ tighet, stort spontverrsnitt, stor sponvinkel er mulig, ugunstige arbeidsbetingelser, automatarbeider.

P50

Ved svært høye krav til seigheten til hardmetallet, dreiing, høvling, stikking, lav skjærehastighet, stort spontverrsnitt, stor sponvinkel er mulig, ugunstige arbeidsbetingelser, automatarbeider.

M (merkefarge gul) Stål, stålstøpegods, manganstål, legert støpejern, austenittisk stål, adusergods, automatstål

M10

Dreiing, middels til høy skjærehastighet, lite til middels spontverrsnitt.

M20

Dreiing, fresing, middels skjærehastighet, mid­ dels spontverrsnitt.

M30

Dreiing, fresing, høvling, middels skjærehastig­ het, middels til stort spontverrsnitt.

M40

Dreiing, profildreiing, avstikking, spesielt i auto­ mater.

K (merkefarge rød) Støpejern, også kokillestøpt, adusergods som gir korte sponer, herdet stål, ikke-jernmetaller, plast, tre

KOI

Dreiing, findreiing, finboring, finfresing, skaving.

K10

Dreiing, fresing, boring, forsenking, skaving, brotsjing.

K20

Dreiing, fresing, høvling, forsenking, brotsjing, store krav til seigheten til hardmetallet.

K30

Dreiing, fresing, høvling, stikking, ugunstige arbeidsbetingelser, mulig med stor sponvinkel.

K40

Dreiing, fresing, høvling, stikking, svært ugun­ stige arbeidsbetingelser, svært stor sponvinkel er mulig.

jaqåias apuaqø

P01

ISObetegnelse

Økende slitestyrke

Materialet som bearbeides

VERKTØYMATERIALER FOR AVSPONING

ha bokstaver. F står for finbearbeiding, det vil si lite sponareal, høy skjærehastighet og vibrasjonsfri bearbeiding. R står for det motsatte, det vil si stort sponareal og lav skjære­ hastighet. M står for bearbeidingsforhold som ligger mellom F og R. Betegnelsen TP står for substratmaterialet, som kan være belagt med ulike belegg av harde stoffer. Da en innførte hardmetall med stor varmefasthet, fikk skjærehastigheten et kraftig puff oppover mot 200-300 m/min. Sammenlignet med HSS gav hardmetallene en be­ tydelig høyere ytelse. Hardmetall uten belegg bruker vi til finbearbeiding og avsponing av ikkejernmetaller og ikke-metalliske materialer. Verktøyet bør ha en fin og skarp skjæregg for å minske friksjonen mellom skjæret og arbeidsstykket og dermed hindre klebing og løseggdannelse. Bruken av HM uten belegg er også prosessbetinget. Ubelagt HM gir en sikrere og mer økonomisk bearbeiding enn belagt HM ved lav skjærehastighet, små sponarealer og avbrutt skjæring, særlig for harde materialer. Markedsandelen av HM uten belegg avtar.

Belagt hardmetall

1 dag blir hardmetallverktøy for det meste belagt, og det er på denne sektoren vi finner utviklingen av skjæreverktøy. Kombinasjonen av hardmetallsubstrat og belegg er avgjø­ rende for en vellykket innsats av skjæreverktøyet. Belagt hardmetall har gitt både økt eggvarighet og kvalitetsforbedring. Standtiden er et uttrykk for hvor lenge verktøyet kan være i inngrep med arbeidsstykket før det er utslitt. Før var ensjiktsbelegg vanlig, enten belegg av TiC eller TiN. Nå bruker vi helst flersjiktsbelegg med to, tre eller flere lag, se figur 5.2. Vi bruker mest titankarbid (TiC), titannitrid (TiN), hafniumnitrid (HfN), karbonitrid (CN) eller aluminiumoksid (AI2O3) som belegg. De kan gi mye lengre standtid enn ubelagt hardmetall. Belegget isolerer også substratet under mot varme. Vi kan be­ legge hardmetall ved hjelp av CVD-prosessen (Chemical Vapour Deposition), PVDprosessen (Physical Vapour Deposition) eller plasma-PVD. Standtiden for belagt hardmetall kan være tre ganger lengre enn for ubelagt metall eller gi 70 % høyere skjærehastighet. Dessuten blir skjæremotstanden mindre fordi friksjonskoeffisienten blir lavere.

Titannitrid Aluminiumoxid

Titankarbonitrid

Titankarbid Hårdmetall

Figur 5.2

Eksempel på belegging av vendeskjærplater i hardmetall.

SPONENDE BEARBEIDINGSPROSESSER

Finkornhardmetall Finkornhardmetall basert på wolframkarbidkobolt (WC-Co) har en jevn, finkornet struktur med en gjennomsnittlig korndiameter under 1 |lm. Forutsatt en sikker tilvirkningsteknologi far finkornhardmetall mye bedre egenskaper enn konvensjonelt framstilt WC-Co-hardmetall. Blant annet blir skjærkanten skarpere. I praksis betyr dette økt standtid. Bearbeiding av sintermetaller og Al-Si-legeringer, også de som inneholder mer enn 12 % Si (overeutektiske), gir fmkornhardmetallene økonomiske fordeler.

Cermet Cermet er en kombinasjon av en keramisk og en metallisk fase. Cermetene kombinerer de gode egenskapene i metallene og keramene uten å ha for mange av ulempene. Vi framstiller dem pulvermetallurgisk. I motsetning til det klassiske hardmetallet med hovedkomponenten wolfram, kan komponentene i cermet være oksidbasert, for eksempel aluminiumoksid i en grunnmas­ se av krom eller kromlegering. Det kan også være titan i form av titankarbid, titannitrid eller titankarbonitrid.

Keramer Keramer er nesten ideelle verktøymaterialer for sponende bearbeiding. De har høy kje­ misk resistens og høy varmefasthet og står godt mot slitasje. De tillater derfor høy skjærehastighet som gir kort bearbeidingstid. Keramer for sponskjærende bearbeiding kan etter sammensetningen deles inn i de tre hovedtypene oksidkeramer, blandingskeramer og ikkeoksidkeramer. Blant oksidkeramene har vi aluminiumoksid AI2O3 og zirkoniumoksid ZrC^. Vi kaldpresser pulver av dem til den formen vi ønsker, ved hjelp av CIP-metoden (kald isostatisk pressing) og sintring. Aluminiumoksid gir utmerket varmefasthet, og zirkonium gir god slitestyrke og bruddfasthet. Aluminiumoksid står godt mot oksidasjon og ned­ brytning av skjæreggen. Den lave varmeledningsevnen gjør at varmen fra sponskjæringen i liten grad blir overført på verktøyet. Dermed hindres ansatsdannelse. Aluminiu­ moksid har høy trykkfasthet, men liten bøyefasthet, det er sprøtt. En mindre kornstørrelse og tilsetting av zirkonium bedrer dette. Blandingskeramikk (cermets) er en kombinasjon av oksider og ikke-oksider. Det kan være aluminiumoksid tilsatt 5—40 vektprosent karbider, for eksempel AI2O3 + TiC, Al2 O3+ WC eller AI2O3 + TiN. Pulveret blir varmpresset ved hjelp av HIP-metoden (varmisostatisk pressing). Den høye andelen av aluminiumoksid gir varmefasthet, og til­ skudd av titankarbid (TiC) gir økt slitasjeresistens og svært høy styrke i skjærekanten. Det betyr at skjæreggen holder seg skarp, og derfor egner materialet seg til fmdreiing av stål og støpejern og til fmfresing av støpejern. Av ikkeoksidkeramene bruker vi silisiumnitrid, Si3N4, kubisk bornitrid, CBN, titan­ karbid, TiC, titankarbonitrid , TiCN osv. i skjæreverktøy ved sponende bearbeidings­ prosesser. Silisiumnitridmaterialene er de mest bruddsterke blant ikkeoksidkeramene. •• ' '

254

VERKTØYMATERIALER FOR AVSPONING

De har lang standtid (inngrepstid), og det gir lav bearbeidingstid og økt produktivitet. Silisiumnitrid kan vi kjøre med skjærehastigheter over 1000 m/min. Vi kan uten pro­ blemer bearbeide støpestykker i legerte eller ulegerte støpejern, for eksempel bremseskiver, bremsetromler og sylinderforinger. Sialon, som består av silisiumnitrid (SijN^ og aluminiumoksid (AI2O3), førte til et gjennombrudd i utviklingen av nye skjærematerialer. Det har en mye høyere bruddseighet enn ren oksidkeramikkk. Keramiske skjærematerialer bruker vi kompakt i vendeskjær eller som belegg på hard­ metall. En nyutvikling på området skjærekeramer er innlegging av «whiskers» og fibrer for å øke bruddseigheten. Et kompositt med 30 % silisiumkarbidfibrer i en aluminiumkeramisk masse har økt bruddseigheten med 100 %. Kubisk bornitrid (CBN)

Kubisk bornitrid (CBN) er en kjemisk forbindelse mellom bor og nitrogen. Den har en spesiell gittteroppbygging og er syntetisk framstilt. CBN er svært hardt og temperaturbestandig og har dessuten utmerket kjemisk resistens. Det er også bøyebruddfast og slitasjesterkt. Polykrystallinsk CBN er, nest etter diamant, det hardeste stoffet vi kjenner. Det har høy varmeledningsevne og er ikke ømfintlig for temperatursjokk som kan opptre ved be­ arbeiding der vi bruker kjølemedier. Bornitrid blir anbefalt til bearbeiding av harde materialer, for eksempel herdede verktøystål, varmebestandige metallegeringer, termisk påsprøytet harde materialer og noen harde støpejernssorter.

Polykrystallinsk diamant (PCD) Når det er behov for spesielt fine overflater og trange toleranser, bruker vi noen ganger diamant som skjæreverktøy. Et hovedbruksområde er bearbeiding av overeutektiske aluniniumlegeringer, etter hvert også magnesiumlegeringer. Andre områder er kobber, kobberlegeringer (messing) og keramikk, mineralfylte kompositter, tre, sponplater osv. Vi bruker det også i skjæreverktøy for saging og fresing, blant annet til fresing av polymerbetong.

Verktøyutforming og klemsystemer

For å få en kontrollert sponforming ved de ulike bearbeidingsforholdene, blant annet ulike materialkvaliteter og høy eller lav skjærehastighet, kan vi velge mellom flere hundre ulike utforminger, geometrier, av vendeskjærplater. Se figur 5.3. Grunnformen for ven­ deskjærplater er standardisert, for eksempel kvadratformet, trekantformer eller rombeformet, men selve skjærgeometrien, sponflatefasen og sponformrillene kan ha mange forskjellige utførelser. For å feste skjæreverktøyet i verktøyholderen har vi også en rekke varianter. Det finnes en rekke verktøysystemer, for eksempel Block-Tool-systemet (BTS) og FTC-systemet, som er en kombinasjon av BTS og SPKs klemsystem. Modulære

SPONENDE BEARBEIDINGSPROSESSER

Figur 5.3 Vendeskjærplater har ulike geometriske former og utforminger av skjæreggen.

verktøyvekslingssystemer og høyeffektive skjærematerialer øker produktiviteten og gir økonomisk gevinst. Du kan lese mer om dette i avsnittet om verktøyadministrasjon. Skjærehastighet I avsnittet om skjærematerialer har vi omtalt skjærehastighet. Vi skal nå se litt på hva det er. Dersom en aksel som er spent opp i en dreiebenk, har en diameter på 200 mm, og

II» 256

VERKTØYMATERIALER FOR AVSPONING

Figur 5.4

Utviklingen av skjæreverktøy har ført til økt skjærehastighet.

denne akselen har dreid en gang rundt, har et punkt på akselen tilbakelagt en vei lik 0,2 m-3,14 = 0,628 m. Roterer akselen med 30 omdreininger per minutt, får vi 30 • 0,628 = 18,8 m/min. Denne periferihastigheten svarer til den hastigheten som spo­ nen blir skilt fra arbeidsstykker med. Vi kaller den skjærehastigheten og har gitt den be­ tegnelsen v. Skal vi regne ut skjærehastigheten, setter vi v = d • 71- n/1000. Diameteren d er målt i m, og skjærehastigheten v får enheten m/min. Skjærehastig­ heten er avhengig av en rekke faktorer:

- Verktøyet Formen på verktøyet og skjærevinklene har stor betydning, likeens materialet i ver­ ktøyet og sponflatebelegget. Utviklingen av verktøymaterialene har ført til varmefaste verktøy. Med overflatebelegg tåler de høye temperaturer uten å miste hardheten nevneverdig. Dermed har skjærehastigheten økt vesentlig. Med keramiske skjærever­ ktøy kan vi oppnå skjærehastigheter på 2 000 m/min. Se avsnittet om høyhastighetsbearbeiding. - Spontverrsnittet Store spontverrsnitt gir stor varmeutvikling og krever derfor lave eller moderate skjæ­ rehastigheter (avhengig av fastlagt standtid). Ved findreiing med små spontverrsnitt kan skjærehastigheten være svært høy. Formen på spontverrsnittet har også betyd­ ning.

SPONENDE BEARBEIDINGSPROSESSER

- Kjølingen Bruker vi kjøling, kan vi ved bruk av riktig kjøle- og smøremiddel kjøre med større skjærehastighet. - Skjærbarheten til materialet Noen materialer er lettere å bearbeide enn andre. Harde materialer utvikler mer var­ me enn myke, og da må vi kjøre med lavere skjærehastighet. - Verktøymaskinen Moderne verktøymaskiner har en kompakt konstruksjon som gir stor stabilitet, og de har også stor motoreffekt i forhold til eldre maskiner. Derfor kan de moderne verktøymaskinene kjøre med høy skjærehastighet. Kjøring med høy skjærehastighet krever sterke og stabile verktøymaskiner, og gir

— — — — — — —

kort framstillingstid høyt produksjonstempo lave lønnskostnader per stykk lave maskintimekostnader kort inngrepstid (verktøystandtid) oftere verktøyveksling høyere verktøykostnader i noen tilfeller

Mating Matingen s (mm/omdreining) er den lengdeenheten per tidsenhet som skjæreggen på verktøyet beveger seg i materetningen (aksialretningen) etter én omdreining av arbeidsstykket. Den er avhengig av hvilket materiale vi bearbeider, og hvilken overflatefinhet (overflateruhet) vi ønsker. Avsponingshastigheten er produktet av skjærehastighet og mating. Vi kan oppnå en økning av ytelsen (avsponingsvolumet per tidsenhet), det vil si en forkortelse av produk­ sjonstiden, når vi øker enten skjærehastigheten eller matingen. Vi må ta hensyn til maskinytelsen og den overflateruheten som kreves. Standtiden er mer avhengig av skjærehastigheten enn av matingen. Vi bør derfor kjø­ re med så stor mating som mulig. Har et hardmetallverktøy en standtid på 120 min, vil en mating på 0,1 mm/omdr og en skjærehastighet på 300 m/min gi en avsponingshastighet på 30. Øker vi matingen til 1,6 mm/omdr, og den tilhørende skjærehastigheten er 142 m/min, får vi en avsponingshastighet på 227,2, det vil si en nesten åtte ganger så rask avsponing.

Dreiing Spondannelse og sponformer Spondannelsen er avhengig av flere faktorer, blant annet av materialet som skal bearbei­ des, skjærehastigheten, matingen osv. Til sammen avgjør disse faktorene materialet i skjæreverktøyet, form og skjærgeometri, og dermed skjærvinklene.

258

DREIING

SpOCL

Materiale Arbeidsstykke Figur 5.5 Kileformen er grunnformen for alle sponende verktøy.

Grunnformen for alle sponfraskillende verktøy er kileformen, se figur 5.5. Lager vi et aksesystem med origo på den skjærende eggen, får vi disse hovedskjærvinklene:

— klaringsvinkelen eller frivinkelen OL mellom skjæreverktøyets friflate og arbeidsstykket — eggvinkelen [3 mellom skjæreverktøyets friflate og sponflaten — sponvinkelen y som framkommer ved at Ot + [3 + y = 90°. Vi har en positiv sponvinkel når y har fortegnet +. Men y kan også ha negativt fortegn, og da er sponvinkelen ne­ gativ. Da blir OL + [3 + y > 90°. Når vi setter verktøyet mot arbeidsstykket, trenger eggen inn i materialet. Det vil til å begynne med foregå en plastisk oppstuking av materialet foran eggen. Når spenningen i materialet har nådd en kritisk grense, begynner eggen å skjære, og spondannelsen starter. Noen materialer er sprø, og det er vanskelig å fa en kontinuerlig spon. Dette er ma­ terialer som støpejern, messing og andre sprø materialer. Spon som blir dannet av slike materialer, kaller vi bruddspon eller kortspon. Se figur 5.6. Er materialet som blir bearbeidet, derimot duktilt og bløtt, for eksempel stål med lavt karboninnhold («bløtt stål»), blir de enkelte sponene «stuksveist» sammen, og vi får en lang, ofte spiralformet, spon. Slik spon kaller vi flytspon, glattspon eller langspon (figur 5.6). De enkelte sponene har form som lameller, de er litt forskjøvet i forhold til hver­ andre, og de er stuket sammen. Det kommer av at når skjærfastheten til materialet blir overskredet, skjer det en lamellær skyvning av materialet etter bruddplanet eller skyveplanet. Vinkelen mellom dette planet og det planet verktøyeggen beveger seg langs, kal­ ler vi skyveplanvinkelen (tp). En økning av sponvinkelen i positiv retning fører til en øk-

SPONENDE BEARBEIDINGSPROSESSER

259

Bruddspon

Skjellspon

Flytspon

Figur 5.6 Sponformer.

ning avj. Det gir et mindre stukingsforhold h2/h| og dermed mindre deformasjon og mindre skjærearbeid. Mellom sponformene flytspon og bruddspon har vi en sponform vi kaller skjellspon. Se figur 5.6. Sponformen avhenger blant annet av skjærehastigheten. Generelt gir lav skjærehastighet bruddspon. Ved økt hastighet blir det overgang til skjellspon, flytspon og glattspon.

Skjærevinklene og deres betydning for skjæreprosessen Valget av skjærevinkler (figur 5.5) er svært viktig for bearbeidingsresultatet og for hvor lenge verktøyet skal vare (standtid). Vi kan redusere de mekaniske påkjenningene på verktøymaterialer ved riktige valg og kombinasjoner av de geometriske størrelsene som bestemmer utformingen av verktøyet. Alt etter arbeidsforholdene må vi velge passende kompromisser. Frivinkelen OC (også kalt klaringsvinkel eller slippvinkel) påvirker temperaturen og le­ vetiden til skjæret. For liten frivinkel kan føre til at friflaten til verktøyet ligger innpå arbeidsstykket. Det gir større friksjon, og skjæreggen blir for varm og slites fort. Med økt eggslitasje får arbeidsstykker ujevn overflate. For stor frivinkel fører til at eggvinkelen |3 blir mindre, og det svekker igjen eggen slik at risikoen for vibrasjon øker. Frivinkelen er oftest 5—6°. For bløte materialer, som stål med lite karbon eller aluminium, kan frivin­ kelen være større enn 6° (10-12°). Sponvinkelen y bør ideelt sett være så stor som mulig. Det letter skjærearbeidet og spondannelsen. På den andre siden svekker en stor sponvinkel eggen. Vi velger derfor stor sponvinkel for myke, lettbearbeidbare materialer som aluminium, men liten for har­ de materialer, for eksempel stål med høyt karboninnhold eller legerte stål. I noen tilfeller bruker vi negativ sponvinkel, det vil si at et snitt gjennom skjæreggen gir en stump vin­ kel. Med negativ sponvinkel på-5 til-10°, eventuelt sammen med negativ helningsvinkel, kan bearbeidingen i visse tilfeller skje med bedre økonomi enn om vi nytter positiv |g

260

DREIING

sponvinkel. Dette gjelder spesielt ved fresing. Med negativ sponvinkel blir eggen sterkere og tåler bedre støt og vibrasjoner. Som en sammenfatning kan vi si dette: -

-

Sponvinkelen bør generelt være så stor som forholdene tillater. Jo seigere HM-verktøyet er, desto større sponvinkel kan vi bruke. Øk sponvinkelen dersom spondannelsen blir dårlig eller det oppstår vibrasjoner. Kan sponvinkelen ikke økes fordi det fører til nedbrytning av eggen, må matingen minskes og skjærehastigheten økes, eller vi må velge en bløtere HM-kvalitet. I så fall må hastigheten senkes. Ved mindre spontykkelser kan sponvinkelen økes. Stor sponvinkel gir gunstigere spondannelse, mindre kraftforbruk og mindre påkjen­ ning på maskinen. Vi må bruke mindre sponvinkel ved bearbeiding av harde materialer. Små positive sponvinkler og overgang til større negative sponvinkler gir større eggvinkler, og skjærekraften får en retning som er gunstigere for påkjenningen på eggen. Jo mer negativ sponvinkelen er, desto større blir effektbehovet og påkjenningen på maskinen.

Eggvinkelen [3 er bestemt når frivinkelen og sponvinkelen er fastlagt. Helningsvinkelen Å, (også kalt spiralvinkel), figur 5.7, er den vinkelen som eggen dan­ ner med et plan gjennom verktøyspissen. Den kan være både positiv og negativ. Negativ Å, presser sponen mot arbeidsstykket. Det kan ofte være uheldig og kan føre til at over­ flaten på arbeidsstykket blir ru. Positiv X gjør det lettere for sponen å gli ut fra arbeids­ stykket. Innstillingsvinkelen eller sidestillvinkelen, K (kappa) er av avgjørende betydning for skjæreoperasjonen, blant annet har den betydelig innflytelse på eggvarigheten. Med stor innstillingsvinkel vil bare en liten del av eggen komme i kontakt med arbeidsstykket, og den spesifikke skjærkraften blir høy. Det gir liten standtid, og matingskraften (Fm) blir stor. Stor innstillingsvinkel blir brukt ved dreiing av tynne aksler for å unngå utbøying og ved findreiing. En innstillingsvinkel på 45° er det normale. Tabeller over spesifikke skjærekrefter er vanligvis basert på kappa = 45°. Når innstillingsvinkelen avtar, vil en større del av skjæreggen være i inngrep med arbeidsstykket. Derfor blir det mindre slitasje på eggen, og standtiden vil øke. Et verktøy med en innstillingsvinkel på 30° vil vare dobbelt så lenge som et med en innstillingsvinkel på 90°. Matingskraften blir mindre. Den spesifikke skjærekraften øker fordi spontykkelsen avtar. Ulempen med liten innstillingsvinkel er at det gir stor passivkraft, og det kan føre til vibrasjoner («sperring»).

SPONENDE BEARBEIDINGSPROSESSER

Innstillingsvinkelen har stor betydning for formen på spontverrsnittet. Holder vi kuttdybden (a) og matingen (s) konstante, får vi ved minkende innstillingsvinkel en len­ gre og tynnere spon. Sammenhengen kan vi uttrykke ved sponekvivalenten q = L/A mm'1, der L er inngrepslengden til eggen, medreg­ net den delen av eggavrundingen som er i inngrep, og der A= a • s eller h • b (h er tykkel­ sen, og b er lengden av sponen). Sponarealet er avhengig av størrelsen på innstillingsvinkelen. Når innstillingsvinke­ len blir mindre, øker sponekvivalenten. Grovbearbeiding gir en liten q-verdi og finFigur 5.7 Noen viktige verktøyvinkLer og bearbeiding en høy q-verdi. Middelspontykbetegnelser. H er hovedegg og B biegg. kelsen a • s/L er den inverse verdien av spon­ ekvivalenten. Forholdet mellom sponbredde (sponlengde) og spontykkelse kaller vi slankhetsgraden G = b/h. Det sponvolumet vi fjerner per tidsenhet, er V = A • v, der V er målt i cm^/min og A i mm2 og v er skjærehastigheten i m/min. Belastningen per lengdeenhet av­ tar når vi øker G.

Figur 5.8 Sponekvivalenten q er Lik Lengden av verktøyinngrepet L dividert med sponarealet A.

262

DREIING

Figur 5.9 InnstiLlingsvinkeLen påvirker kreftene som virker på hovedeggen, og den påvirker også spontykkelsen.

Sammenfattet kan vi si at det av hensyn til slitasjen er en fordel med stor kuttdybde og liten mating. For å få høy effekt er det en fordel med stor mating og liten kuttdybde. Mating og kuttdybde må velges ut fra økonomiske hensyn. Spissvinkelen E bør ikke være for liten fordi tverrsnittet som skal lede varmen bort fra avsponingsprosessen, da blir lite. Varmen blir ikke ført fort nok bort fra eggen, og leve­ tiden blir derfor kortere. Vanligvis utføres E fra 80 til 110°. Vi må ikke velge neseradien r for liten. Når vi runder av verktøyspissen med en større eller mindre neseradius, forsterkes spissen. Neseradien danner overgangen fra hovedskjæret til biskjæret. For stor neseradius fører til økt skjærekraft og kan gi vibrasjoner. Dessuten kan en for stor neseradius føre til økt løseggdannelse, og det gir dårligere overflatekvalitet. Vanligvis velger vi en neseradius på 0,5 mellom 3,0 mm. Neseradien har innflytelse på overflateruheten til arbeidsstykker. Når vi dreier en aksel, har overflaten etter en omdreining fått en rille. Formen på den er blant annet avhengig av mating og neseradius, og ruheten kan derfor uttrykkes gjennom forholdet mellom dem: 2

D — S___ lxmaks n

8-r

Det betyr at ruheten øker med økende mating og minker ved økende neseradius. Over­ flaten blir også (over en viss hastighet) glattere jo større skjærehastigheten er. Er det fore­ skrevet en bestemt overflateruhet, må vi avpasse skjæredataene etter dette kravet. I Norge er ruhetskriteriet fastlagt etter Ra, som er et uttrykk for den midlere ruheten. Ra er ca. 1/5 Rmaks- Er overflateruheten fastlagt til Ra = 1,6 |lm, og vi velger en neseradius på 2 mm, må vi sette matingen til s = 0,35 mm/omdr.

SPONENDE BEARBEIDINGSPROSESSER

263

Overflateruheten er svært viktig. Ikke bare når det gjelder utseendet, men også med henblikk på funksjonen blir det stilt særlige krav til overflaten på de produkte­ ne som blir bearbeidet. Mange skader kan føres tilbake til den tilstanden overflaten har (ytre feil), og ikke bare til feil i materialstrukturen (indre feil). En aksel med en grovdreid overflate har mye lavere vekselbøyefasthet enn en aksel med polert over­ flate. Motstanden mot korrosjon er også bedre for en polert overflate.

Figur 5.10 Ruheten blir påvirket av matingen og neseradien.

Sponbryter Ved sponskjærende bearbeiding kan den sponen som blir dannet, særlig dersom den er kontinuerlig, by på problemer. Den kan vikle seg rundt verktøyet og kan skade overfla­ ten på arbeidsstykket. For å unngå det må vi utstyre verktøyet med sponbryterriller slik at sponen blir brutt i korte biter. Da blir sponen også lettere å transportere bort fra mas­ kinen. Formen på sponbryteren må tilpasses hvert enkelt tilfelle. En forandring av varmebehandlingsmetoden for det materialet som skal bearbeides, eller en forandring av matingen, kan føre til at sponbryterformen må endres. Det betyr at vi må ha en rekke ulike typer vendeskjærplater med ulike sponbryterformer. På HSS blir sponbryterfor­ men slipt til, og på HM-vendeskjærplater far sponbryteren sin utforming før platene blir ferdigsintret.

Figur 5.11 Sponbryter.

DREIING

Figur 5.12 Løsegg.

Løsegg Ved sponende bearbeiding opptrer det store trykk og høye temperaturer på sponflaten på verktøyet. Løseggdannelsen kommer av at når skjærehastigheten blir for lav, blir spo­ nen brutt løs i stedet for skåret. Ved brudd kommer det et fint materialstøv som legger seg på den varme sponflaten og blir «sveist» fast. Belegget vokser ut over eggen inntil skjære- og friksjonskraften blir så stor at deler av løseggen brytes av. På grunn av spontrykket komprimerer løseggen, og hardheten øker. Den kan bli opp til tre ganger så stor som hardheten i arbeidsstykket. Løseggen påvirker avsponingen i uheldig retning, og den gjør også at arbeidsstykket far en ru overflate. Løsegg reduserer også levetiden til skjæret. Når deler av løseggen brytes av, kan fragmenter av eggmaterialet følge med. Øker vi skjærehastigheten, forsvinner vanligvis dannelsen av løsegg. Det er fordi tempe­ raturen på eggen og sponflaten sammen med glidehastigheten blir så høy at en løsegg ikke kan bygge seg opp. Denne skjærehastigheten kaller vi firiskjærende hastighet. Det kan bli unormal løseggdanneise ved for lav skjærehastighet og for liten mating. Vi kan også få det ved enkelte materialstrukturer og uegnet HM-kvalitet. Varme- og temperaturfordeling Ved sponskjærende bearbeiding blir det utviklet varme. Varmen blir ført bort gjennom sponen, verktøyet eller arbeidsstykket. Varmemengden som utvikles, er proporsjonal med produktet av skjærekraften og skjærehastigheten.

Varmemengden

Q. = kFh-v, der k = en omregningsfaktor (0,04) = skjærekraft (N) v = skjærehastighet (m/min) Skjærekraften på sin side er proporsjonal med sponarealet og den spesifikke skjærekraften. Varme fra eggen blir ført bort, dels på sponflaten der sponen glir bort, dels på friflaten.

SPONENDE BEARBEIDINGSPROSESSER

265

Det er viktig at en så stor del av var­ men som mulig blir ført bort med spo­ nen, for det sparer eggverktøyet. Mot­ standskraften til eggverktøyet mot sli­ tasje avtar hurtig dersom temperaturen på eggen kommer over en viss grense. Den tillatte grensen er avhengig av eggmaterialet og skjærehastigheten. Materialkvaliteten i arbeidsstykker vir­ ker også inn på varmeutviklingen. Det blir utviklet mer varme ved bearbei­ ding av seige materialer med stor strekkfasthet enn av sprø, harde mate­ rialer eller materialer med liten strekk­ fasthet.

Q samlet

100 7,

80 60

40 20 0 0

10

20

30

40

60

50

Skjærehastighet m/min.

Figur 5.13 Varmeutvikling i spon, verktøy og arbeidsstykke som funksjon av skjærehastigheten.

Kjøling og smøring For at temperaturen på eggverktøyet ikke skal bli for høy slik at verktøyet får kortere standtid, er det ofte nødvendig å føre bort den varmen som blir utviklet. Dessuten gjel­ der det å redusere friksjonen ved skjæreoperasjonen mest mulig. Da kan en smøre- og kjøleolje være nyttig. Det er utviklet ulike typer kjøle- og skjærevæsker for de forskjellige skjæreoperasjo­ nene (dreiing, boring, fresing osv). Disse væskene skal — virke som kjølemiddel — virke som smøremiddel mellom skjæreverktøyet og arbeidsstykker og mellom spon og verktøy. Når friksjonen, og dermed varmeutviklingen, blir mindre, kan for ek­ sempel skjærehastigheten økes med 30 % uten at standtiden går ned — virke som korrosjonsbeskyttelse slik at ferdig maskinerte deler ikke ruster — lette spontransporten (skylle bort spon) Vi deler kjøle- og skjærevæskene inn i

— — — —

vannfrie skjærevæsker på mineraloljebasis emulgerbare skjærevæsker (blanding av olje og vann) vannfrie skjærevæsker med organiske løsningsmidler syntetiske skjærevæsker (vann med tilsetningsstoffer)

Helserisikoen ved bruk av skjærevæsker er avhengig av hvilken skjærevæske vi bruker. Derfor er også helserisikoen forskjellig for de fire hovedtypene. Helserisiko kan oppstå ved hudkontakt og/eller innånding. Vær oppmerksom på at skjærevæsker som har vært i bruk en tid, kan inneholde metaller fra arbeidsstykkene, for eksempel krom og nikkel. Det representerer en tilleggsrisiko for allergisk eksem.

266

DREIING

Figur 5.14 TemperaturfordeLing i skjæreverktøy.

Spørsmålet om vi skal bearbeide vått eller tørt, kan vi ikke svare på med bare et ja eller et nei. Noen materialer og bearbeidingsoperasjoner skjæres tørt, andre må ha tilfør­ sel av kjøle- og smøremiddel. Kjølemediene koster penger ved anskaffelse, og dagens krav til rensing og eventuell deponering koster både tid og penger. Det er utviklet et sys­ tem for minimalsmøring Systemet bygger på bruken av vegetabilske oljer som blir over­ ført til mikrodråper av olje og luft, og som blir tilført gjennom verktøyholderen til skjæreggen. Oljen inneholder ingen toksiske tilsetninger, og prosessen gir ingen restprodukter (tørre sponer). Med forskjellige belegg på hardmetallene eller ved bruk av CBN tåler eggen en høy­ ere temperatur og blir mer slitasjeresistent. Det har gjort at andelen av bearbeiding som skjer tørt, er økende. Standtid (utslitningstid, eggvarighetstid) Standtiden (levetiden, utslitningstiden, eggvarigheten) til et skjæreverktøy er den tiden ver­ ktøyet kan være i arbeidfør det slites så mye at vi når det fastsatte utslitningskriteriet. Stand­ tiden er blant annet avhengig av den temperaturen som skjæreggen far under arbeidso­ perasjonen. Denne temperaturen er igjen avhengig av skjærehastigheten. Forsøk har vist at temperaturen øker med skjærehastigheten, og at skjæretemperaturen ved samme skjæ­ rehastighet er forskjellig for ulike materialer. Se figur 5.15. Mellom skjærehastigheten og standtiden har Taylor satt opp denne sammenhengen:

SPONENDE BEARBEIDINGSPROSESSER

267

Figur 5.15 Ulike materialer gir ved bearbeiding ulike temperaturer i kontaktsonen.

v-Tn=C, der v = skjærehastigheten (m/min) T = standtiden (min) n og C = konstanter

C-konstanten varierer blant annet med materialkvaliteten, verktøymaterialer, verktøyformen osv. Eggvarighetseksponenten n kan ved dreiing settes til 0,08—0,15 ved dreiing i stål med «highspeed» og til 0,17-0,33 med hardmetallverktøy. Setter vi opp Taylors formel i et diagram med dobbeltlogaritmisk koordinatsystem, far vi rette linjer, der eksponenten n angir stigningen. Figur 5.16 viser et v-T-diagram som er tatt opp un­ der bestemte forsøksparametere. Enhver forandring av skjærebetingelsene gjør at kurvestigningen endrer seg. Kurven er til stor nytte når vi ønsker å finne ut hvordan en forandring av skjærehastigheten vir­ ker inn på standtiden, eller når vi vil finne ut verktøyets standtid i henhold til det fast­ lagte utslitningskriterium. Generelt kan vi si at jo høyere verktøyomkostninger og jo len­ gre tid det tar å skifte verktøy, desto lengre standtid bør vi velge. En senkning av skjærehastigheten med ca. 10 % fordobler standtiden.

268

DREIING

Betegnelsen vx viser den skjærehastigheten som gir en standtid på x minutter under gitte betingelser. For eksempel er v^0 den skjære­ hastigheten som gir en standtid på 60 min. Standtiden er avhengig av temperaturen på skjæreggen. Den er igjen avhengig av skjære­ hastigheten, som er avhengig av det materialet som blir bearbeidet. Før vi går nærmere inn på alle de faktorene som har sammenheng med standtiden, kan det være nyttig å se litt på problemet slitasje. Slitasje Ved for høy temperatur synker hardheten til verktøymaterialer, og eggen blir fort sløv. Ved for store skjærekrefter kan overbelastningen føre til eggbrudd. Eggbruddet kan enten være fullstendig eller bestå i at små stykker av eggen brytes ut. Nedbryting av eggen kan også kom­ me av et ustabilt arbeidsstykke, en ujevn eller diskontinuerlig skjæring eller en for stor spon­ vinkel eller frivinkel slik at eggen blir svakere. En for sprø HM-kvalitet kan også gi egg­ brudd. Det normale er suksessiv slitasje av eggen. Det kan skje som fasslitasje, sponflateslitasje og krater- eller gropslitasje. Det er flere slitasjemekanismer som opp­ trer under sponskjæreprosessen:

- slitasje av ren mekanisk art - slitasje som følge av plastisk deformasjon av skjæret omkring skjærekanten - slitasje som følge av oppriving av sammensveisinger mellom arbeidsstykket og sponflaten til verktøyet - slitasje som følge av reaksjonen mellom materialet i skjæreverktøyet og atmosfæren - slitasje som følge av diffusjon ved høy tem­ peratur og et delvis flytende sjikt mellom spon og verktøy

V Figur 5.16 Standtiden T avhengig av skjærehastigheten v. VB er fasslitasje og KD kraterslitasje (kraterdybde).

Sponflateslitasje

Krater eller gropslitasje.

Kantavrunding

Figur 5.17 Ulike former for eggslitasje. Øverst til venstre fasslitasje, nederst til venstre unormal kraterslitasje.

SPONENDE BEARBEIDINGSPROSESSER ■

269

Alle disse formene for eggslitasje virker inn på eggeometrien og dermed på avsponingsforholdene. Stor kraterslitasje (dypt krater, KD) inntil eggen (liten KM) gir større spon­ vinkel, som i og for seg gir gunstigere avsponing, men eggen blir svakere. Avstanden fra midten av krateret og til eggkanten (KM) er avhengig av en konstant c (mellom 1 og 2) og spontykkelsen h2 som sponen (med tykkelse hj) får etter å ha blitt stuket mot sponflaten. Spontykkelsen h] er tykkelsen på sponen som skjæres løs fra arbeidsstykker, også kalt innstikket. Forholdet h2/h j kaller vi sponstuking Stort sponstukingforhold gir stor kontaktflate mellom spon og verktøyflate og dermed liten slitasje (liten KD) og lengre standtid. Skjærehastigheten og matingen virker sterkere på kraterslitasjen (KD) enn på fasslitasjen (VB). Fordi de ulike slitasjeformene virker inn på bearbeidingsoperasjonene både når det gjelder kvaliteten på produktene og kostnadene, er det fastlagt slitasjekriterier. Forholdet mellom KD og KM blir bestemt av stabilitetsforhold, verktøykvalitet osv., og VB er knyttet til ønsket toleranse, overflateruhet osv.

Figur 5.18 Sponstukingsforhold.

270

1

I

DREIING

Figur 5.19 Temperaturen på skjæreggen er avhengig både av spontykkelsen og skjærehastigheten.

Skjærehastighet, mating, slitasje og standtid henger sammen, de har en innbyrdes på­ virkning på hverandre. Slitasjen øker med økende temperatur på skjæreggen. Tempera­ turen stiger med økende skjærehastighet og mating normalt på eggen (spontykkelsen h). Den varierer med stillvinkelen (vinkelen mellom eggen og arbeidsstykket). Vi kan også beskrive slitasjen av verktøyeggen ved hjelp av middelspontykkelsen = (s • a)/L, der L er lengden av eggen som skjærer, s er mating i mm/omdreining og a er kuttdybden i mil­ limeter. Ved et bestemt utslitningskriterium (VB) er derfor tillatt skjærehastighet avhen­ gig av størrelsen på stillvinkelen. De tabellene vi har for skjærehastigheter, er derfor ba­ sert på en bestemt verktøyform (skjæregeometri). Alle kombinasjoner av sponareal og skjærehastighet som gir samme temperatur på skjæ­ reggen, gir samme standtid.

Når vi har valgt den mest økonomiske standtiden, må vi finne den matingen som gir størst avsponingshastighet. Slitasjen, og dermed standtiden til verktøyet, er mer avhen­ gig av skjærehastigheten enn matingen. Matingen bør derfor være så stor som mulig ut fra stabilitet, disponibel effekt, toleranser, overtflatefmhet osv. Vi skal legge merke til at det er produktet av skjærehastighet og mating som bestemmer avsponingshastigheten. Sponvolum per tidsenhet er a • v • s mm^/min, s og a er i mm og v i mm/min. Pro­ duktet av sponareal (s- a) og skjærehastighet (v) er det praktiske måletfor både maskinens og verktøyets ytelse eller kapasitet. Materialenes skjærbarhet

Hvor vanskelig det er å forme et arbeidsstykke med riktige mål, form og overflatefmhet gjennom sponfraskillende metoder, uttrykker vi med bearbeidbarheten eller skjærbarheten. Vi må velge metode, verktøymateriale og bearbeidingsdata med hensyn til både

SPONENDE BEARBEIDINGSPROSESSER

271

egenskapene til arbeidsmaterialet, de kravene som er satt for produktet, og økonomien. Det finnes ingen defmerbar måleenhet for skjærbarheten til et materiale, men i praksis vurderer vi skjærbarheten ut fra

— skjærebetingelsene (skjærehastighet, mating og kuttdybde) — skjærekraften, som bør være så liten som mulig for å skåne verktøy og maskin — overflateruheten, overflatekvaliteten, som må ligge innenfor foreskrevne grenser, alt etter formål og hvor stor nøyaktighet som kreves — skjærevæsker, som må velges alt etter avsponingsmåten for å lette avsponingen og i mange tilfeller for å få den ønskelige overflatekvaliteten og målnøyaktigheten — spondannelsen og stukingsforholdet. Stukingsforholdet Xs har sammenheng med de kreftene som virker ved spontakingen og spondeformeringen, og avgjør overflatekva­ liteten. Jo større stukingsforholdet er, desto større krefter har virket ved sponstukingen, og desto dårligere overflatekvalitet får arbeidsstykket.

Skjærbarheten må sies å være bedre jo større sponvolum per tidsenhet som kan avspones. Sett fra et bearbeidingsteknisk synspunkt er det beste materialet det som ved samme skjæredata gir penest overflate. Skjærekreftene ved avsponing De kreftene som oppstår ved avsponing, blir overført gjennom skjæreverktøyet til verktøyholderen og videre derfra til verktøymaskinen. Trykket på verktøyet vir­ ker både på sponflaten og klaringsflaten og er årsak til at verktøyet blir slitt. På sponflaten kan kraften dekompone­ res i en trykkraft (normalkraft) og en frik­ sjonskraft - og tilsvarende på friflaten i en trykkraft og en friksjonskraft. Skjærekraften som virker ved spontakingen, kan dekom­ poneres i en hovedskjærekraft (Fs), en matingskrafi (Fv) og en passivkraft (skafttrykk, Fp). Av disse kreftene er hovedskjærekrafFigur 5.20 Skjærkraftkomponentene. ten absolutt den største. Størrelsen av kreftene er avhengig av flere forhold, blant annet materialet som skal bearbeides, spontverrsnittet og verktøyslitasjen. Som veiledende verdier oppgir vi at Fv kan variere i området (0,15-0,5) • Fs og Fp i området (0,25-0,4) • Fs. Kreftene er også avhengige av sponformen, det vil si stillvinkelen (k). Hovedskjærekraften, og dermed kraftforbruket, synker med økende stillvinkel, men denne fordelen blir motvirket av det faktum at levetiden (T) synker med økende stillvinkel. Matingskraften stiger litt, og passivkraften synker noe med økende stillvinkel. I praksis er det likevel hovedskjærekraften

@■ii 272

HU»

DREIING

vi bruker når vi skal beregne det arbeidet eller den skjæreeffekten som skal til. Foruten samspillet mellom hovedskjærekraften og stillvinkelen, er hovedskjærekraften avhengig av det materialet som skal bearbeides, og sponarealet (A). Denne relasjonen kan vi ut­ trykke slik: Fs=KA

der A = målt i N ks = den spesifikke skjærekraften målt i Mpa (N/mm2)

Spesifikk skjærekraft Ved avsponing, stuking og omforming av sponen opptrer det en kraft som uttrykker skjæremotstanden. Vi kaller den spesifikk skjærekraft, og den er definert som den kraften som er nødvendig for å fraskille (eller «avskrelle») en spon med tverrsnitt 1 mm2. Denne

kraften er imidlertid ikke bare en materialkonstant, men er også avhengig av blant annet skjæregeometrien og matingen. De verdiene for ks som står oppgitt i tabeller, er beregnet for helt bestemte bearbeidingsforhold. Den spesifikke skjærkraften er avhengig av mate­ rialet i arbeidsstykker, spontykkelsen (h), sponarealet (A), slankhetsgraden (G), sponvinkelen (k), matingen (s), skjærehastigheten (v) og smøre- og kjølemiddelet. Spontykkelsen er knyttet til stillvinkelen K. Den avtar med økende stillvinkel, sponen blir slankere, og den skjærende kanten blir lengre. Sponarealet blir det samme. Uansett hvordan stillvinkelen varierer, blir sponen slankere dersom a blir holdt konstant og matin­ gen øker. Forholdet a/s = G kaller vi slankhetsgraden, a er kuttdybden, og s er matingen. Belastningen per lengdeenhet avtar når G øker. Slitasjen på skjæreggen blir mindre med stor kuttdybde og liten mating. Effektutnyttelsen blir bedre med stor mating og liten kuttdybde. Ønsker vi rask avsponing, er det en fordel med liten mating og stor kuttdybde. Valg av mating og kuttdybde må veies mot hverandre ut fra økonomiske kalkyler. Størst innvirkning på den spesifikke skjærekraften har materialet som skal bearbei­ des, dernest spontykkelsen h (h|). Sammenhengen kan vi uttrykke slik:

Mpa (N/mm2)

k = hz

der ksl.j = materialkonstant z = spontykkelseseksponent Begge finner vi i tabeller. Den spesifikke skjærekraften synker med økende sponvinkel og mating.

SPONENDE BEARBEIDINGSPROSESSER

Avsponingseffekten (ytelsen) Når vi bearbeider et arbeidsstykke med sponskjærende verktøy, trenger vi en viss energi uttrykt ved avsponingseffekten Pa. Den er avhengig av hovedskjærekraften og skjæ­ rehastigheten v. Avsponingseffekten er kW (1)

Pa = -^-7 =

60 103

60 103

Tar vi hensyn til tap i motor og overføringer (T|m), blir den nødvendige motoreffekten

p =JL= F^-v

rl,„ Spesifikk avvirkning Det sponvolumet som per tidsenhet og effektenhet blir fjernet, er et mål for kapabilite­ ten til maskinen og er et viktig kriterium ved nyinnkjøp eller kjøp av brukte maskiner. Sponvolumet (Q) far vi av spontverrsnittet (mmz) og sponlengden (mm). Sponvo­

lumet per minutt blir Q = a ■ s • v cm~7min

Avsponingskoeffisienten (qs) er

Er Pa gitt i kilowatt (kW), blir sponvolumet per minutt og kilowatt:

= 60 10

3/min . kw

K

Sponvolumet per tidsenhet er bestemt av den effekten som blir tilført, og av den spesi­ fikke skjærekraften.

Maskinlinje og verktøylinje Løser vi ligningen for avsponingseffekten med hensyn til skjærehastigheten, får vi

60 103 R VN =------ ’ Fh

•'

—

274

DREIING

der vN er et uttrykk for den skjærehastig­ heten vi kan oppnå ut fra disponibel effekt og hovedskjærekraft. Avsetter vi nå skjære­ hastigheten og spontverrsnittet ved ulike effekter i et dobbeltlogaritmisk koordinat­ system, far vi rette linjer som ligger paral­ lelt. Disse linjene kaller vi maskinlinjer. For å utnytte maskinen optimalt velger vi skjærehastigheter og spontverrsnitt som gir oss punkter på maskinlinjen, og som svarer til den maksimale effekten benken har. I helhetsbildet må vi også tenke på verktøyslitasjen og de kostnadene som er forbundet med verktøyveksling og at skjæ­ reverktøy blir slitt. Vi må finne fram til Figur 5.21 Maskin- og verktøylinjer. den kombinasjonen av skjærehastighet og sponareal som gir størst avsponingshastighet og minst bearbeidingskostnader. Går vi fram på samme måte som for maskinlinjen, får vi nå verktøylinjer. Kombinerer vi så verktøy- og maskinlinjene i ett diagram, får vi et produksjonsdiagram. Verktøylinjene har mindre helning enn maskinlinjene. I skjæringspunktet kan vi lese av de gunstigste skjærebetingelsene. Både disponibel effekt og verktøy er da optimalt utnyttet. Til venstre for skjæringspunktet er ikke maskinen fullt utnyttet, og til høyre er ikke verktøyet fullt ut­ nyttet.

Bearbeidingstid Samlet tid for bearbeiding av et arbeidsstykke er sammensatt av en hovedtid (tb) og en bitid (tb): h = rh + T t b er samlet tid som skjæreverktøyet er i bevegelse, og i tb ligger blant annet tid for verk­ tøyveksling, verktøysliping og annet i forbindelse med bearbeidingen. Hovedtiden ved dreiing kan vi sette til

L

der L = tilbakelagt aksialbevegelse i mm u = s n = matingshastighet i mm/min

SPONENDE BEARBEIDINGSPROSESSER

275 ■lliiilii

Hovedtiden blir påvirket av skjærehastighet og mating og av tiden for verktøyveksling. Øker vi v og s, øker slitasjen på verktøyet, og dermed blir tidsintervallet for verktøy­ veksling kortere. På den andre siden fører en økning av v og s til kortere bearbeidingstid. Det må bli et kompromiss. Mellom hovedtid, skjærehastighet og mating er det en lineær sammenheng som vi kan uttrykke slik:

_ .

L-D n

tu — i-----------------------

h

t/j-1000

min

der t^ = hovedtid i minutter i - antall kutt L = dreielengde i mm D - arbeidsstykkets diameter i mm v - skjærehastigheten i m/min s = mating i mm/omdreining

Av formelen ser vi at om vi dobler skjærehastigheten eller matingen, halverer vi hoved­ tiden, men det virker forkortende på standtiden til skjæreverktøyet.

Bearbeidingsøkonomi For å finne fram til hva bearbeidingen koster, må vi se på hvilke kostnader vi må ta med. For et gitt tilfelle er materialkostnadene konstante. Maskinbundne kostnader (Ky) per enhet omfatter blant annet maskinavskrivning, vedlikehold, plasskostnad og energikost­ nad. Verktøybundne kostnader (Ky) vil si anskaffelse av verktøyskjær og verktøyholder og eventuelle omslipinger, vedlikehold og verktøyvekslingskostnad (Kyy). Lønnsbundne kostnader (Kj) er personalkostnader og andre kostnader som er knyttet til produksjonen. Det er mange faktorer som påvirker kostnadene, for eksempel arbeidsparameterne ved maskinen og maskinens tilstand. Ved kostnadsberegningen per bearbeidet enhet er det særlig tre størrelser som har innflytelse. Det er sponbredden, spontykkelsen og skjæ­ rehastigheten. Med økende sponbredde øker sponvolumet, og det gjør at kostnadene per enhet synker både for Ky og for K[. Maskinkostnaden blir konstant. Med økende spontykkelse får vi omtrent samme forhold, men Ky blir litt lavere. Skjærehastigheten (v) er den faktoren som har størst innvirkning på kostnadene. For­ andrer vi den, påvirker det bearbeidingstiden per enhet og standtiden T. Øker vi skjæ­ rehastigheten, øker vi også sponvolumet per tidsenhet, og de maskinbundne kostnadene og kostnadene for energi øker tilsvarende. Ved store hastigheter øker nemlig slitasjen på verktøymaskinen, og da blir kostnadene for vedlikehold større. De verktøybundne kostnadene øker med økende skjærehastighet. Med økende skjæ­ rehastighet stiger temperaturen på skjæreggen, og det gjør at det blir et steilere forløp på T-v-kurven. Verktøykostnadene per avsponet enhet stiger parabellignende med økende skjærehastighet. ■ililpi

276

DREIING

For beregning av de verktøybundne kostnadene per enhet (Ky) kan vi sette dette:

y=