glósur úr fundamentals of modern manufacturing · framleiðsluferli kaflar 10-44 vor 2005 ....

Framleiðsluferli Kaflar 10-44 vor 2005

Glósur úr Fundamentals of Modern Manufacturing

Gerðar af nemendum í Framleiðsluferlum

Kaflar 10-44

Þakkir fá nemendur í Framleiðsluferlum árið 2003 fyrir að lána okkur hluta af glósum☺

10.Kafli Grundvöllur málmsteypunar(Fundamental of metalcasting) -1 mótagerð -2 hitun og bræðsla, Varmaþörf spanofn,deigluofn,renniofn,tromluofn,ljósbogaofn,viðnámsofn,Kupelofnar -3 Hella bráðinu í mót -4 Storknun og kæling tími og hraði storknunar, gallar við storknun, samdráttur, Matarar(feeders), gasmyndun, aðrir gallar 11 Kafli Málmsteypa (metal casting processes) 11.1 Sandsteypa handformun, vélformun 11.2 Aðrar lausmóta steypuaðferðir Skelmótasteypa, vakummótasteypa, Frauðplastsmótasteypa, vaxmótasteypa, gifs- og keramikmótasteypa 11.3 Varanleg mót í steypu(föst mót) Stálmótasteypa(koktilsteypa), Slush casting, lágþrýstisteypa, varanleg vakummótasteypa, þrýstisteypa, Þrýstisteypa(die casting), vélar með heit hlaup(e. Hot-chamber machines), vélar með kalt hlaup(e.centrifugal casting), sönn snúningsteypa(e.centrifugal casting), sönn snúningssteypa(true centrifugal casting) 11.6 málmar í steypu(metals for casting) Járnsteypa, Stálsteypa, II melmi sem innihalda ekki járn Álmelmi, magnesíum-melmi, kopar melmi, tin melmi, zink melmi, nikkel melmi, titanium melmi, 11.7 atriði sem þarf að huga að við málmsteypu, málmsteypun á íslandi, 12 kafli glervinnsla 12.1 undirbúningur hráefnis og bræðsla(raw material preparation and melting 12.2 Mótunarferli í glervinnslu 12.2.1 afmörkuð ferli(shaping of piece ware) 12.2.2 samfelld ferli (shaping of flat tubular glass) 12.2.3 Glertrefjar(glass fiber) 12.3 Hitameðferð og eftirvinnsla 12.4 Hönnunarforsendur 13 Kafli lögunarferli fyrir plastefni 13.1 eiginleiakr fjölliðubráða seigja, formúla, segjuteygjanleiki svo er listi yfir framleiðsluferli plastefna 13.2.tæki og ferli 13.2.1 greining á útdrætti formúlur 13.2.3 mót og hlutir gerðir með útdrætti 13.2.4 gallar við útdrátt 13.3 framleiðsla á plasthimnum og húðum 13.4 trefja og þráðaframleiðsla

13.5 húðunarferli 13.6 sprautusteypun 13.6.1 ferli og tæki 13.6.2 mótið 13.6.3 sprautusteypu-mótunarvélar 13.6.4 samdráttur (shrinkage) 13.6.5 gallar í sprautusteypun 13.6.6 önnur sprautusteypunarferli 13.7 Þrýsti- og flutningssteypur 13.7.1 þrýstisteypun(compressing molding) 13.7.2 flutningsteypun(transfer molding) 13.8 blástursteypun og snúningssteypun(blow molding and rotating molding) 13.8.1 blásturssteypun (blow molding) 13.8.2 Hverfisteypun (rotating molding) 13.9 Hitamótun(thermoforming) 13.10 Steypun (casting) 13.11 Fjölliðufroða, framleiðsla og mótun 13.12 hönnunar hugleiðingar 14 Kafli Gúmmívinnsla aðferðir(rubber processing technology) 14.1 Gúmmívinnsla og mótun 14.1.2 efnablöndun 14.1.3 blöndun 14.1.4 mótun og tengdar aðferðir 14.1.5 vúlkaneseríng 14.2 Framleiðsla dekkja og annara gúmmíafurða 14.2.1 dekk 14.2.2 aðrar gúmmívörur 14.3 Það sem þarf að hafa í huga við hönnun(product design considerations) 15 Kafli mótunarferli fyrir fjölliðu samsetningar 15.1 upphafsefni fyrir PMC 15.1.1 fjölliður 15.1.2 styrktarefni 15.1.3 Að sameina styrkingar og fjölliður 15.2 opin mót aðferðir 15.2.1 handgerð lög(hand lay up) 15.2.2 spray-up 15.2.3 automatískar lag vélar (automatic tape-laying machines) 15.2.4 bag molding 15.2.5 curing 15.3 Aðferðir með lokuð mót 15.3.1 þrýstimótun PMC 15.3.2 Færslu mótun PMC aðferðir (Transfer molding processes) 15.3.3 Innspýtingar mótun PMC aðferðir(injection Molding PMC processes) 15.3 Vindun (sama númer smá ruglingur í gangi) 15.5 (Pultrusion Processes) 15.6 Aðrar PMC mótunaraðferðir

16 Kafli Duftmálmvinnsla(Powder Metallurgy) 16.1 Geometrísk einkenni(geometric features) 16.2 Framleiðsla á málmdufti 16.3 Hefðbundin pressun og meðhöndlun(conventional pressing and sintering) formúlur með samþjöppun hér 16.4 Annarskonar þjöppunar(pressing) og glóðunar(sintering) tækni 16.4.1 Flotpressun(isostatic pressing, flotmörk eins og í burðarþolinu) kaldflotpressun, hitaflotpressun, 16.4.2 Málmdufts innþjöppunarbræðsla(powder injection molding) málmsprautubræðsla, duftsprautubræðsla, 16.4.3 samþjöppun og meðhöndlun duftrúllun(powder rolling),duftþrýsting(powder extrusion)), duftvinnsla(powder forging), 16.4.4 sameinuð pressun og meðhöndlun. Heit flotpressun(16.4.1), heitpressun, slóðunarmeðhöndlun, 16.5.1 PM efni, grunnmálmduft(elemental powders),fjölmelmisduft(pre-alloyed powders) 16.5.2 PM framleiðsla. 16.6.1 Stöðlunarkerfi og það sem MPIF gerir. 16.6.2 Hönnunarleiðir fyrir PM hluta 18.Kafli undirstöðuatriði í mótun málma(fundamentals of metal forming) 18.1 yfirlit yfir mótun málma Magn mótun(bulk deforming processess) þ.e völsun, þrýstimótun(forging), útpressun(extrudion), vírdráttur/stangardráttur(drawing). Plötu mótun þ.e V-beyging, kúpubeyging(drawing), klipping(shearing) 18.2 hegðun efna við mótun(material behavior in metal forming) formúla, flæðispenna(flow stress), meðal flæðispenna(average flow stress/mean flow stress), 18.3 – hitastig við formun málma(temperature in metal forming) kaldmótun(cold working/cold forming), warm working, heitmótun(hot working/hot forming) 18.4 tognunarnæmni(strain rate sensitivity) tognunarhraði 18.5 núningur og smurning í formun málma(friction and lubrication in metal forming) 19. Kafli efnismiklar mótunaraðferðir í málmvinnslu (bulk deforming prosesses in metalworking) 19.1 völsun(rolling) 19.1.1 flöt völsun(flat rolling and its analysis) hér eru formúlur vegna minnkunar, framskriðs(forward slip) tognunar(true strain) og meðal flæðispennu(average flow stress) völsunarkraftstegur, 19.1.2 Mótunarvölsun(shape rolling) 19.1.3 Þrep völsun(rolling mills) 19.2 Önnur mótunarferli tengd völsun(other deformation processess related to rolling) 19.3 þrýstimótun(forging) 19.3.1 opin þrýstimótun(open-die forging)greining opinnar þrýstimótunar

19.3.2 þrýstimótun á leigar(flashless forging) 19.3.2 þrýstimót, hamrar og pressur(forging dies hammers and presses) mótunarhamrar, mótunarpressur, þrýstimót. Skiptilínur, mótahorn, vængir og línur, rúnarnir og hornradíusar, leif 19.4 aðrar mótunaraðferðir tengdar þrýstimótun(other deformation processes related to forging) Uppsetning og hausun, sveigja og geisla mótun, valsaþrýstimótun, sporbaugsmótun, þungamiðjumótun, ísóþermísk heitmótun,(isothermal and hot die forging), snyrting(trimming) 19.5 Útpressun 19.5.1 aðferðir útpressunar(types of extrudion) bein og óbein eða fram og bak-útpressun(direct versun indirect extrudion) heit- og kald-útpressun(hot versus cold extrudion) samfelld eða ósamfelld vinnsla(continuous versus discrete processing) 19.5.2 Greining útpressunar(analysis of extrudion) formúlur 19.5.3 Mót og pressur (dies and presses ) formúlur fyrir formstuðul K_s 19.5.4 Aðrar tegundir útpressunar(other extrudions processes) högg útpressun(impact extrudion), vökvaþrýstingsútpressun(hydrostatic extrusion) 19.5.5 Gallar í útpressun (defects in extruded products) mynd 19.49 í bók 19.6 útdráttur (wire and bar drawing) mynd 19.41 í bók formúla fyrir þversniðsbreytingu. 19.6.1 greining útdráttar(analysis of drawing) formúla fyrir tognun, meðalflæðisspenna, útdráttsspenna, afl, hámarksminnkun, flatarmálshlutfall og mesta mögulega minnkun 19.6.2 Aðferðir útdráttar (drawing practice) úrdráttarverkfæri, undirbúningur vinnsluefnis og fl. 19.6.2 Röra útdráttur (tube drawing), mandrel, floating plug 20 Kafli plötusmíði(sheet metalworking) blikk og plötur 20.1 Skurður (cutting operation) 20.1.1 “shearing, blanking(stönsun) and punching” 20.1.2 Ýmislegt varðandi skurð, fríbil(clearance), kraftar við skurð. 20.1.3 aðrar skurðaðferðir, 20.2 Beygjuaðferðir(bending operation) 20.2.1 V-beygja, kant beygja(V-bending and edge bending) 20.2.2 greining beygju, þ.e bent allowance, (leyfileg beygja) formúla springback, beygjukraftur 20.2.3 Aðrar beygjuaðferðir Flanging, hemming, seaming, curling, 20.3 útdráttur, efni dregið í form(drawing) formúla fyrir clearance 20,3,2 greining á útdrætti formula fyrir mismunandi geomet. Sívaln, kassi... 20.3.3 aðrar útdráttaraðferðir formúla 20.3.4 gallar í útdrætti

krumpur og rifskemmdir 20.4 aðrar málmplötu aðgerðir ironing, coining and embossing, lancing, twisting, gúmmí= guering process, vatnsþrýstiformun(hydroforming) 20.5 Mót og pressur fyrir málmplötu aðgerðir(dies and presses for sheet metal processes) 20.5.1 Mót 20.5.2 pressur 20.6 Málmplötuvinnla án pressu 20.6.1 Teygju formun(strech forming) 20.6.2 Renni beyging og renni formun(roll bending and roll forming) hefðbundin snúningsaðferð(conventional spinning), shear sunningaðferð(shear spinning) Rör snúningsaðferð(tube spinning) 20.6.4 Háorku formun(high energy rate forming), sprengjuformun, rafþrýstiformun, rafsegulformun, 20.7 beygjun röra(bending of tube stock) 21 Kafli Spónskurður(metal machining), vélavinnsla, spónskurður, hrúfur skurður, óhefðbundinn skurður 21,1 vinnsluaðferðir, rennismíði, borun og fræsun, cutting tool, skurðverkfæri skurðskilyrði formúla fyrir MRR, vinnsluverkfæri, 21.2 Spónn. Hornrétt skurðarmódel, spónmyndun(actual chip formation) 21.3 Kraftatengsl og jafna merchants, kraftar í málmskurði formúlur 21.4 Aflþörf og hitamyndun(power of energy relationships in machining) formúlur 22 Kafli Spónskurður, myndun,(genarating), formun(forming) 22.1 renning skurðarhraðajafna, formúla, færslan, tími, material removal rate MMR rennibekkur (lathe), borun 22.4 Sjálfvirkar vélar(machine centers and turning centers) 22.5 aðrar vinnsluaðferðir, mótun og plönun, götun og sögun 22.6 Háraðasmíðavélar(high speed machining), kröfur þeirra 23. kafli Skurðverkfæri(cutting tool technology) 23.1 líftími skurðverkfæris (tool life) 23.1.1 verkfæraslit (tool wear) 23.1.2 Líftími skurðverkfæris(tool life and taylor tool life equation) formúla 23.2(1-5) efni skurðverkfæra 23.3.1 eins odds tæki(single point tool geometry) 23.3.2 Margra eggja skurðartæki 23.4 skersmurning (cutting fluids) 23.4.1 efni í skersmurningu(types of cutting fluids) 23.4.2 notkunaraðferðir á skurðarvökva 24. Kafli Hagkvæmni og hönnun við vinnslu. 24.1 Vinnsluhæfni 24.2.1 Frávik í vinnslu 24.2.2 yfirborðsáferð með vinnslu, lögun hluta

24.3.1 Val á fæði og dýpt skurðar 24.3.2 bestun á skurðar-hraða hámarks framleiðsluhraði, lágmarks einingarkostnaður 24.4 Athuganir varðandi hönnun vara fyrir vinnslu 25 Kafli Slípun og aðrar slípiduftsaðferðir 25.1 Slípun(grinding), slípiduftsefni, kornastærð, tengiefni 25.2.1 Greining á slípunar ferlum(grinding process) formúlur, MRR, I_c r_g n_c 25.1.4 slípunaraðferðir og slípunarvél, sagt frá slípun á nokrum hlutum 25.2 Skyldir slípunarferlar 25.2.1 brýning (honing) 25.2.2 samslípun(lapping) 25.2.3 frágangsvinna(superfinishing) 25.2.4 fágun og hjólfágun 26 kafli óhefðbundnar vinnsluaðferðir og skurðaraðferðir 26.1 vélræn orkuferli 26.1.1 ultrasonic vinnsla, mót, slipiduft, 26.1.2 aðferðir þar sem notast er við vatn og slípimassa, vatnsskurður 26.2 Rafvinnslu ferli 26.2.1 rafvinnsla(electrochemical macining) 26.2.2 Afgráðun og slípun með raflausn 26.3 Varmaorkuferli 26.3.1 Raf-ferli formúla fyrir MRR, farskurður með vír 26.3.2 Rafgeislaskurður 26.3.3 Laser skurður (laser beam machining) 26.3.4 LJÓSBOGASKURÐUR(MIKILVÆGT) 26.4 Efnafræðileg vélavinna(chemical machining) 26.4.1 Vélfræði og efnafræði efnafræðilegrar vélavinnslu 26.4.2 CHM vinnsluaðferðir, efnafræðileg mölun, efnafræðileg eyðing, efnafræðilegur gröftur, Ljósmyndaefnafræðileg vinnlsa, 26.5 val á vinnsluaðferðum, smágöt, micromachining, EDM og ECM 27. Kafli hitameðhöndlun málma glóðun, martensít hersla, fasahersla, yfirborðshersla,ofnar 28. Kafli Hreinsun og yfirborðsmeðhöndlun 28.1 Efnahreinsun(chemical cleaning) 28.1.1 hvað er ráðandi í vali á hreinsunaraðferð 28.1.2 Efnahreinsuaraðferðir 28.2.1 blast finishing og shot peeing blast finihing þ.e harður árekstur 28.2.2 Tumbling og fleiri massayfirborðsmeðhöndlanir(mass finishing) 28.3 Flæði og jónainnsetning 28.3.1 Flæði, samruni ólíkra efna(diffusion) 28.3.2 Jónainnsetning(ion impactiotin) 29 kafli Húðun Coating and depositing processes 29.1 Klæðning með málmplötum og tengdum aðferðum

29.2. Katóðu nýtni formúla fyrir falvaníseríngu sennilega 29.2 Umturnarhúðun 29.4 efnagufuhúðun (chemical vapor deposition) 29.5 Lífræn húðun, púður húðun 29.6 Postulín glerhúðun og aðrar keramik húðanir 29.7 Híta og vélrænar aðferðir 30 Kafli Grunnatriði við suðu 30.1 suðuaðferðir 30.1.2 notkun suðu öryggi og þessháttar í suðu 30.2 samskeyti 30.3 eðlisfræði suðu 30.4 Eiginleikar bræðslusuðu 31 Kafli suðuferli 31.1 ljósbogasuða (meira um hana) 31.1.2 MIG og MAG suða 31.1.3 Ljósbogasuður sem nota óeyðanlegar elektróður TIG suða, plasma suða og fl. 31,2 viðnámssuða formúla fyrir orkuna 31.2.2 Ferli viðnámssuðu 31.3 Oxyfuel gassuða 31.4 aðrar bræðslusuðuaðferðir. Rafgesilasuða 31.5 Þrýstisuða, (solid-state welding) Forge welding, kaldsuða, 31.6 Suðugæði (weld quality) 31.7 Suðuhæfni (weldability) 31.8 Hönnunarumhugsunarefni við suðu 32. Kafli Brössun lóððun og líming 33. kafli Mekanískar samsetningar Hnoð, press fitting, snap fit og fl. Heftun, saumun, stitching, cotter pins Innsteyptar tengingar, róbóta samsetningar 34. Kafli Flótvirk frumgerðarsmíði efnisviðnám, fljótvirk frumgerðarsmíðatækni(rapid prototyping technolygies) steinprentun, föst grunnherðing, dropun setmyndunarframleiðsla solid base frumgerðarsmíðakerfi Kafli 35 vinnsla á innbyggðum rásum ekki til prófs!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!! Kafli 36 EKKI TIL PRÓFS!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!! Kafli 37 Örsmægðartækni 37.1 örsmæðarvörur tegundir af þeim, notkun í iðnaði, 37.2 örsmæðarframleiðsluferli 37.2.1 sílíkon lög 37.2.2 LIGA ferli 37.2.3 Önnur örsmæðarframleiðsluferli 37.3 nanótækni

Kafli 39 Hóptækni og sveigjanleg framleiðslukerfi 39.1 Hóptækni 39.1.1 Flokkun og merking parta 39.1.2 Sellu framleiðsla 39.1.3 Kostir og gallar Hóptækni 39.2 Sveigjanleg framleiðslukerfi 39.2.1 Sveigjanleiki og sjálfvirk framleiðslukerfi 39.2.2 Samlögun FMS eininga 39.2.3 Notkun sveigjanlegra framleiðslukerfa Kafli 40 Framleiðslulínur 40.1 grundvallaratriði framleiðslulína 40.1.1 Fjölbreyttni framleiðsluvara 40.1.2 Flutningsaðferðir milli stöðva 40.1.3 lágmörkun á fjölda vinnustöðva formúlur ,formúlur úr rekinu framleiðslutíðni, maðalframleiðslutími, umferðartími, minnsti mögl. Fj vinnustöðva 40.2 Handvirkar samsetninarlínur 40.2.1 Jafnvægi línu formúlur á heildarvinnslutíma 4.2.2 Aðrar hönnunarforsendur 40.3 Sjálfvirkar framleiðslulínur 40.3.1 tegundir sjálfvirkra lína 40.3.2 Greining ´þeirra 41. kafli Framleiðsluverkfræði 42. kafli framleiðslukipulag 43. gæðastjórnun 43.4 taguchi aðferðin 44 kafli mælingar og skoðanir

Framleiðsluferli Hluti I, kaflar 10-19 vor 2005

10. Fundamentals of metal casting Málmsteypa Málmsteyping kallast það þegar bráðin málmur flæðir vegna þyngdarafls eða annars krafts í mót þar sem það storknar með lögun mótsins. Margbreytilegar steypuaðferðir eru aðgengilegar sem gera þær að einhverri fjölhæfustu framleiðsluaðferðinni. Helstu kostir eru:

• að hægt er að steypa flókna hluti, bæði flókna að innan og utan. • að sumar steypuaðferðir geta fullgert hlutinn sem er verið að framleiða, þ.e. það

þarf enga frekar vinnslu til að ná fyrirfram ákveðnu útliti og víddum. • að hægt er að steypa mjög stóra hluti, hlutir allt að 100 tonn að þyngd hafa verið

steyptir. • að steypuaðferðum er hægt að beita á alla þá málma sem hægt er að bræða. • að sumar steypuaðferðir henta vel til fjöldaframleiðslu.

Hver steypuaðferð hefur einnig sína ókosti. Þar mætti nefna takmörkun á vélfræðilegum eiginleikum, gljúpleiki, lítil nákvæmni í víddum hlutarins, léleg yfirborðsáferð og umhverfisvandamál.

Sandsteypa Óvaranlegt mót Aðrar aðferðir

Málmsteypa

Varanlegt mót Glervinnsla

Úrdráttur og tengdar aðferðir Þrýstingsmótun Aðrar aðferðir

Steypunarferli

Fjölliðuvinnsla

Sérstakar aðferðir fyrir PMCs

Málmsteypuferlið virðist einfalt, þ.e. í því felst að bræða málminn, hella honum í mót og láta hann storkna þar. En það er margt sem spilar inní og við skulum skoða það aðeins nánar. 1. Mótagerð Það helsta sem ber að hafa í huga við mótahönnun og - gerð er að gera ráð fyrir samdrætti við storknun með tillit til málmgerðarinnar. Mótagerð skiptist í tvær meginaðferðir sem skiptast svo í fjölmargar sérhæfðar aðferðir. Þetta eru:

• opin mót – bráðinni er einfaldlega hellt í rýmið þangað til það fyllist og hún látin storkna.

2


• lokuð mót – bráðin flæðir eftir rennslukerfi sem stýrir hraða og magni bráðar sem

fer inn í rýmið. Þessi gerð er mun mikilvægari en opnu mótin.

essar tvær aðferðir skiptast svo báðar í tvær aðrar megingerðir. Það eru: tur er steyptur

aftur. Mjög hentugt við

Hitun og bræðsla gu þarf að hita málmin upp í hitastig sem er yfir bræðslumarki

panofn - bræðsla og hitameðferð ndar rafsegulsvið í kringum kerið sem inniheldur

ndast mikill varmi og málmurinn hitnar og bráðnar. st kostur á því að

um gæðum og hreinleika.

enniofn - bræðsla og geymsla n er í rennu undir geyminum.

jósbogaofnar - bræðsla og geymsla eð varma sem ljósbogi framkallar.

Þ• óvaranleg mót – mót sem verður að eyðileggja í hvert skipti sem hlu

til að fjarlægja það sem steypt var. Þessi aðferð gefur möguleika á gerð flókinna hluta. Þessi mót eru yfirleitt gerð úr sandi og plastefnum.

• varanleg mót – mót sem er hægt að nota aftur og fjöldaframleiðslu en hefur sínar takmarkanir vegna tvískiptingar mótsins. Þessi mót eru yfirleitt gerð úr melmi og keramiki sem þolir mikið hitastig og mikið álag.

2.Til að framkvæma steypinhans til þess að hægt sé að hella honum í mótið. Til þess þurfum við ofn. Valið byggist á mörgum atriðum, s.s. steypumelminu, bræðslumarki og hitastigi við hellingu, magni bráðar, kostnaðar, virkni, uppihald og umhverfisáhrif. Helstu gerðirnar eru: S

• Byggist á því að spóla mymálminn.

• Við það my• Þar sem málmurinn kemst aldrei í snertingu við hitarann gef

stjórna aðstæðum í kerinu. • Þetta gefur kost á að ná mikl

R

• Svipað og spanofn en spóla L

• Byggist á því að bræða málminn m• Þetta er orkufrekir ofnar en geta einnig verið mjög afkastmiklir.

3


Viðnámsofnar - bræðsla og hitameðferð álminn

upelofnar - bræðsla eingöngu fyrir járn fni og brennur sem gerir það að verkum að

ver bráðina gegn aðstæðunum innan

eigluofnar viðnámsofnum nema að olía eða gas er notað sem eldsneyti.

og hellt í mótin.

• Tromluofnar

• Rafmagn fer í stórt viðnám og hitar m• Algengt fyrir léttmámla

K

• Kox (kol) kemst í snertingu við súremálmurinn hitnar og að lokum bráðnar.

• Við þetta myndast gjall ofan á bráðinni semofnsins og kemur í veg fyrir varmatap.

• Eru eingöngu notaðir til að bræða járn • Aðal galli er að þeir menga talsvert.

D

• Svipaðir• Bræða málminn án þess að hann komist í snertingu við eldinn. • Þegar málmurinn er orðinn að bráð er deiglunni lyft úr ofninum

: Byggjast upp á tromlu sem snýst og eldi sem er í beinu sambandi við málminn. Eldurinn kemur frá eldsneytisbrennurum sem eru

4


staðsettir á hliðum ofnsins og þak ofnsins endurkastar eldinum niður að bráðinni. Aðalega er brennt náttúrulegt gas. Nálægt botninum er aftöppunarstútur þar sem bráðin er töppuð af ofninum. Ofnarnir eru oftast notaðir við bræðslu á kopar melmum og áli.

armaþörf

an, H, sem er þarf til að bræða málminn í það hitastig sem gerir hann VHeildarvarmorktilbúinn til notkunar er byggt á þremur atriðum. )}()({ 0 mplfms TTCHTTCVH −++−= ρ (10.1)

: varma þörf [J] 3]

ta efnisins [J/kg°C]

eypu [°C]

g út frá gildinu á H er hægt að meta hver aflþörfin er og hvaða ofn hentar í samræmi við

ið notkun á jöfnunni hér fyrir ofan þarf að athuga eftirfarandi: gar eftir hitastigi.

tandi

erfisins á meðan á hitun stendur sem taka verður

. Hella bráðinu í mót ist vel, þ.e. að málmurinn fylli í allt rýmið áður en hann

ér er mismunur milli þess hitastigs og

f hann er of lítill getur bráðin storknað áður en hún nær að

fnu Bernoullis sem segir að

Hρ : eðlismassi [kg/mV : rúmmál [m3] Cs : varmarýmd fasCl : varmarýmd vökvans [J/kg°C] T0 : upphafshitastig [°C] Tm : bræðsluhitastig [°C] Tp : hitastig vökvans við stHf : Bræðsluvarminn [J/kg] Oþað. V

a) Varmarýmd og aðrar varmafræðilegar stærðir eru breytileb) Flestir steypumálmar bráðna á ákveðnu hitastigsbili á milli fasts efnis og fljó

heldur en bara við eitthvern einn ákveðin bræðslupunkt. Svo að hafa ber gát á því þegar ofangreind jafna er notuð.

c) Það er mælanlegt hitatap til umhvtillit til.

3

• Til að þessi aðgerð takstorknar, þarf að huga að nokkrum atriðum:

• hitastig við hellingu– það sem er mikilvægt hstorknunarhitastigs.

• hraði við hellingu– efylla rýmið algjörlega og ef hann er of mikill er hætta á iðumyndun.

• iðumyndun – getur valdið aukningu á málmoxíðum sem geta myndað bólur í málminum við storknun og minnkað gæði hans. Smám saman getur iðumyndum einnig valdið mótaeyðingu vegna síendurtekins álags.

Til að lýsa streymi vökvans á fræðilegan hátt notum við jösumma stöðuorku, hreyfiorku, þrýstings og núnings sé sú sama í hvaða tveimur punktum sem er í ferlinu.

5


2

222

21

211

1 22F

gvPhF

gvph +++=+=+

ρρ (10.2)

: hæð [m]

[N/m]

f núningur og þrýstingur er hverfandi má einfalda jöfnuna og fá:

hp : Þrýstingurρ : eðlismassi [kg/m3] v : hraði [m/s] F : núningstap E

gvv 2

hg

h22

221 (10.3)

Ef flæðir yfir í 1 þá er v1 = 0 pg h2 er viðmiðuninn þ.e. h2 = 0 þá fæst jafna fyrir hraða

21 +=+

vökvans í mótinu: 12 2 hgv ⋅⋅= (10.4)

nnað mikilvægt samband sem notað er til að lýsa ferlinu (continuity law) er þA að að rúmálsflæði er fasti, þ.e. 2211 AvAvQ == (10.5)

ar sem v er hraði og A er þverskurðarflatarmál. Undirskriftin vísar til einhverra tveggja Þpunkta í kerfinu. Einnig er hægt að meta tímann sem tekur að fylla mót sem hefur rúmmál V ef við gerum ráð fyrir því að leiðslan frá trektarenda yfir í rýmið sé lárétt, þá er MFT (mold filling time) skilgreint svona:

QVMFT = (10.6)

Hafa ber í huga að þetta er minnsti mögulegi tími þar sem ekki er gert ráð fyrir

æðieiginleikum málma er oft lýst með hugtakinu flæðileiki, sem er mat á hæfileika

. Storknun og kæling abreyting bráðar yfir í fast form

• Skiptir miklu máli varðandi gæði steypunnar breytilegt eftir málmum

r storku og

muyndun, vöxtur er háður hraða kólnunar.

núningsmótstöðu eða annars konar hindrunum á flæðinu. Flmálma til að flæða inn í og fylla mótið áður en hann storknar. Atriði sem hafa áhrif á flæðileika eru meðal annars hitastig við hellingu, samsetning málmsins, seigja bráðarinnar, og varmaflutningur til umhverfisins. Málmarnir sem hafa besta flæðileikann eru þeir sem storkna við fast hitastig, þ.e. hreinir málmar og jafnstorkumelmi. 4Storknun í málmsteypu er fas

• hreinir málmar storkna við fast hitastig, sem er• Melmi storkna hins vegar á ákveðnu hitabili, þ.e. svæðinu sem inniheldu

bráð á fasalínuritum • Storkan hefst með kím

6


Við storknun málma og melma myndast snemma þunnt storkulag á yfirborðinu vegna

rir hreina málma og sum melmi myndast svo ílöng korn sem stefna inn að miðju.

æmigert melmi storknar hins vegar á flóknari hátt vegna samspils storku og vökva sem

öxturinn skiptist í:

storknun) > Ts (hitastig við storknun)

st myndun

Ferlið v.hitastig Tp) Mót Kólnun :

• K ) inn að heitasta svæðinu

ími og hraði storknunar

orknunartíminn er skilgreindur sem sá tími sem tekur steypuna að storkna eftir að hellt er

ikil kæling hröð storknun.

mkvæmt reglu Chovrious er storknunartíminn:

mikillar varmaleiðni við yfirborð mótsins. Vegna hraða kælingarinnar er þetta ysta storkulag samsett úr úr fínum kornum með slembinni áttun. Fy Dbæði eru til staðar samtímis. Þannig myndast storkusvæði inni í bráðinni með mismunandi efnissamsetingu. V

• flatan vöxt o Tv (hitastig v. o Tr (hitastig fasts efnis) = Tst

• greinavöxtur o Tv < To léleg kím

Bráð(ornamyndun við yfirborð (slembnar stefnur

• Kornin vaxa á móti varmaflutningsstefnu, stefna• Í lokinn myndast lítil korn í miðju með slembnar stefnur.

T Stí mótið M Sa

n

ms Av⎛== ctTST ⎟

⎠⎞

⎜⎝

(10.7)

ts : Storknunartími [min]

m ]

áður móti) í lengri er storknunar- kælingartímin.

allar við storknun

• Samdráttur

v : rúmmál [cm3] 2A : yfirborðflatarmál [c

n : fasti (yfirleitt 2) cm : fasti [min/cm2] (hÞví hærra sem V/A hlutfallið er þv G

• Gasmyndun

7


• Aðrir gallar Samdráttur:

remur skrefum: torknun á sér stað.

enn frekari

ur í herbergishita.

st efni er þéttara en bráð og því verður alltaf samdráttur( 1%-7%)

.d. fyrir ál getur samdráttur orðið 7%.

amdráttur getur einnig myndað bólur.

ið hönnun á mótum er oft bætt upp fyrir samdráttinn með því að hafa mótin stærri en

atarar matara er að halda uppi

innig er hægt að nota kælara á “erfiðum”

asmyndun ar úr bráð myndar bólur í gasi (gasholur)

við gasið

Samdráttur á sér stað í þ1) Vökvi verður fyrir samdrætti (um 0,5%) áður en s2) Samdráttur þegar fasaskipti verða úr vökva yfir í fast efni. Veldur

minnkun á hæð steypunnar og magn bráðarinnar fyrir efsta hluta steypunnar minnkar og þar sem efsta svæði er vanalega seinasta svæðið til að storkna þá veldur þetta því að holrúm myndast í steypunni á þessu svæði.

3) Og að lokum varmasamdráttur storkunnar þegar hún kólnar niðÁkvarðast af varmaþennslustuðli steypumálmsins.

Fa T S Vloka stærðin segir til um og þar með fæst rétt stærð út eftir samdráttinn. Einnir eru matarar til að hindra galla og sjá steypurýminu fyrir bráð jafnóðum og bráðin í steypurýminu storknar. MTrikkið viðþrýstingnum í mótinu með bráð sem storknar hægar en efnið í sjálfum steypuhlutnum, þar sem að hærra V/A hlutfall er í mataranum. Þannig sér matarinn steypurýminu fyrir bráð sem fyllir upp í rýmið sem myndast við samdrátt. Esvæðum í steypunni. En kælari er málmur, helst úr sama efni og steypuhluturinn, eða svipuðu sem er sett utan á mótið eða inn í það við erfiðustu staðina (horn og þess háttar). Þannig að bráðinn storkna þar í kring meðan nóg er af fljótandi málmi í kring. G

• gas sem losn• til að koma í veg fyrir gasmyndun;

o íblöndunarefni sem bindast o halda hlutþrýstingi gassins lágum,

8


gPGas ≅% , þar sem Pg er hlutþrýstingur gassins.

Aðrir gallar gur vegna hitasamdráttar

grar fyllingar hangandi þegar það flæðir í mótið)

Kafli 11 - Málmsteypa (

Sandsteypa er án nokkurs vafa mest notaða steypuaðferðin. Nánast allar gerðir málma er

• Þennslusprun• Ófullkominn storknun • Yfirborðholur vegna ónó• Streymisslit (wash), (bráðið er ekki sam• Ófullkominn blöndun

Metal casting processes)

FIGURE 11.2

11.1 – Sandsteypa (Sand casting)

hægt að sandsteypa, einnig þá sem hafa mjög hátt bræðslumark, s.s. stál, nikkel og titanium. Hægt er að steypa hluti allt að 4 tonn að þyngd og 5 metra stóra niður í smáhluti. Ferlið felur í sér að hella bráð í mót (e. pattern), leyfa henni að storkna, og fjarlægja mótið. Mótin eru gerð þannig að líkan af hlutnum er gert úr plasti, tré eða stáli og sandi þjappað í kringum það. Sandurinn þarf að vera sterkur, þ.e. þola hita, þrýsting og streymi. Í hann er aðallega blandað leir, kolefni, vatni og kvartzi. Mótið er tvískipt (e. split pattern) svo hægt sé að fjarlægja líkanið úr mótinu. Þar sem mótinu er fórnað til að fjarlægja steypinguna þarf að smíða nýtt sandmót fyrir hvern hlut en oftast er hægt að endurnýta bróðurpartinn af sandinum aftur.

9


FIGURE 11.3

Formun mótsins getur farið fram á tvennan hátt

• Handformun - Þá er líkaninu þrýst í sand til að búa til sandmótið. Sandmótið samanstendur af tveim helmingum og er efri helming líkansins þrýst í efra mótið og neðri helming líkansins þrýst í neðra mótið. Í þessari aðferð er bæði hægt að notast við frumlíkönin og stállíkönin.

• Vélformun - Þá er búið að festa stállíkanið við vél sem sér um að þrýsta líkaninu niður í sandmótið. Í þessari aðferð eru formin látin renna undir vélina með líkaninu á færibandi og hlutnum þrýst niður.

Val á formunaraðferð er háð þeim fjölda hluta sem á að steypa.

Í stuttu máli:

• Það er búið til líkan sem er eftirlíking hlutarins sem á að steypa.

• Svokallaðir kjarnar (e. cores) eru búnir til, til að mynda holrúm í steypuhlutnum.

• Sérstakur sandur er notaður í mótagerðina og er handþjappaður.

• Tvær aðferðir notaðar til mótunar, handformun og vélformun.

• Hagkvæmasta aðferðin þegar steyptir eru fáir hlutir af sömu gerð.

• Ekki miklar kröfur um yfirborðsáferð og nákvæmni.

• Hægt að steypa stóra og þunga hluti.

• Mótakostnaður er lágur miðað við aðrar aðferðir.

• Yfirborðsáferð er mjög gróf.

• Helstu gallar sem koma fram eru hitasprungur, loftbólur, oxun og gróf áferð.

• Hentar fyrir alla málma, sérstaklega járn (hátt bræðslumark er ekki vandamál.) Dæmi: Málmsteypa Þorgríms Jónssonar.

10


11.2 – Aðrar lausmóta-steypuaðferðir (Other Expendible-mold-casting processes)

Þó að sandsteypa sé mjög fjölbreytt aðferð, þá eru aðrar steypuaðferðir sem hafa verið þróaðar til að mæta sérstökum kröfum. Munur þessara fellst einkum og sér í lagi í mótagerð, gerð efnis í mótinu eða hvernig líkanið er búið til.

Skelmótasteypa (e. shell molding): Í skelmótasteypu er mótið er þunn skel (oftast 9 mm eða 3/8 in.) gerð úr sandi sem er haldið saman með þar til gerðum bindiefnum.

• Það eru margir kostir við skelmótasteypu.

o Yfirborðið í hlaupinu er sléttara en hefðbundna green-sand mótið gefur, og þetta slétta yfirborð leyfir bráðinni að fljóta betur á meðan því er hellt í og betri yfirborðsáferð á hlutnum í lokin.

o Hægt er að ná nákvæmni upp að 2.5 µm (100 µ-in.). Þessi nákvæmni gerir það að verkum að steypti hluturinn þarfnast ekki frekari vinnslu.

o Samþjöppunin í mótinu er yfirleitt næg til að koma í veg fyrir sprungumuyndun í hlutnum.

• Ókostir skelmótasteypu eru hinsvegar:

o Stállíkönin í skelmótasteypunni eru dýrari en sambærileg líkön fyrir green-móts steypuna.

o Þess vegna er erfitt að réttlæta framleiðslu í fáum einingum með skelmótssteypu.

Af þessu sést að skelmótssteypa er heppileg fyrir framleiðslu í mörgum eintökum og sérstaklega heppileg fyrir stálsteypu sem er léttari en 20 lbs. Dæmi um hluti sem eru mótaðir með skelmótssteypu eru gírar ofl.

Vakummótasteypa (e. vacuum molding):

• Í vakummótasteypu er notast við sandmót sem er haldið saman með þrýsting frekar en bindiefnum í sandi.

• Nokkrir kostir þessarar aðferðar eru:

o Nær alger endurnýting á sandi, án viðhalds líkt og þegar eru notuð bindiefni í sandinn.

o Þar sem enginn vökvi er í sandinum er engin hætta á göllum vegna raka í steypunni.

11


• Ókostirnir eru hinsvegar þeir að þessi aðferð er hægvirk og erfitt er að vinna steypta hlutinn.

Frauðplastsmótasteypa (e. expanded polystyrene process):

• Líkan er búið til úr frauðplasti og þjappað að því með sandi. Bráðinni er svo hellt í og kemur þá í staðinn fyrir frauðplastið sem gufar upp.

• Helstu kostir eru þeir að það einfaldar mótagerð mjög, þ.e. sameinar nokkur skref í hefðbundnu green-sandmótasteypunni.

• Helstu ókostir eru þeir að það þarf að gera nýtt líkan fyrir hvert mót.

• Þessi mótasteypuaðferð hefur verið notuð í bílaiðnaðnum, en þá með fjöldaframleiðslu á líkönum.

Vaxmótasteypa (e. investment casting):

• Í þessari aðferð er vaxlíkan húðað með torbræddu efni (t.d leir) til að búa til mótið. Því næst er mótið hitað svo að vaxið bráðni í burtu og svo er málmbráðinni hellt í mótið.

• Enska orðið invest, sem þýðir að þekja algerlega, vísar í það að vaxlíkanið er algerlega þakið öðru efni.

• Þar sem vaxið er brætt í burtu þarf að búa til nýtt vaxmót fyrir hverja steypu.

• Ef geometría hluts er erfið þarf stundum að gera líkan í nokkrum hlutum sem er svo sett saman.

• Stundum er brugðið á það ráð að steypa marga hluti saman þ.e. búa til svokallað líkanatré þar sem tengingin er líka úr vaxi.

• Vaxlíkaninu er dýft nokkrum sinnum í húðunarefnið og svo leyft að harðna í u.þ.b. 8 klukkutíma.

• Kostir þessarar aðferðar eru:

o Hægt er að steypa hluti með ákaflega flókna geometríu og nákvæmni með þessari aðferð.

o Gott og slétt yfirborð er á hlutunum.

o Vaxið er hægt að endurnýta.

o Aukavinnsla er ekki nauðsynleg í þessu tilviki.

• Ókostir við þessa aðferð eru þeir að aðferðin er dýr, seinleg og nær eingöngu er hægt að steypa smáa hluti með þessari aðferð, þó að hlutir upp að 75 lbs hafa verið steyptir með þessari aðferð.

12


• Dæmi um hluti úr þessari aðferð eru flóknir vélhlutar, túrbínublöð ofl.

Gifs- og keramikmótasteypa (e. plaster-mold and ceramic-mold casting):

• Svipar til sandsteypu en í stað sands er notað gifs.

• Fínni áferð fæst hér heldur en í sandsteypu

• Ókostir gifsmótsins eru:

o Mótið verður að fá að kólna í um 20 mín. áður en líkanið er tekið í burtu.

o Eftir það þarf mótið að bakast í nokkra klukkutíma til að losna við raka, samt losnar maður aldrei við allann rakann.

o Mótið hleypir ekki öllum auka lofttegundum út úr mótinu þegar bráðinni er hellt í, þetta er reyndar hægt að leysa á nokkra vegu:

• Tæma loftið úr hlaupinu áður en bráðinni er hellt í.

• Móta gifsið þannig að loft geti flætt í gegnum það.

• Nota sérstaka samsetningu af sandi og gifsi.

o Gifsmótasteypa er eingöngu bundin við málma með fremur lágt bræðslumark.

• Stærðir eru misjafnar í þessu, þ.e. hægt er að búa til hluti allt frá 20 g upp í 100 kg, þó að hlutir undir 10 kg séu algengastir.

• Kostir gifsmótasteypu eru þeir að auðvelt er að steypa hluti með mjög þunnan þverskurð og yfirborð hlutanna er mjög fínt.

• Keramikmótasteypan er svipuð gifsmótasteypunni nema að þar er hægt að steypa málma með hærra bræðslumark.

13


11.3 – Varanleg mót í steypu (föst mót) (Permanent-mold-casting processes)

FIGURE 11.5 Stálmótasteypa (Kokilsteypa):

• Kosturinn við varnalegu mótin er að þau er hægt að nota aftur og aftur.

• Mótin eru gerð úr stáli eða járnsteypu og eru húðuð með torbræddum efnum (t.d leir). Því er ekki heppilegt að steypa málma með hátt bræðslumark með þessari aðferð því það styttir líftímann á mótinu.

• Kjarni er oft gerður úr málmi, en einnig stundum úr sandi.

• Mótin eru forhituð áður en hellt er í þau.

o Mót samanstendur af tveimur helmingum sem tengdir eru saman með boltum. Stærri mótum er haldið saman með vökva- eða loftþrýstidælum.

• Ólíkt lausu mótunum gefa varanlegu mótin ekkert eftir og því þarf að taka steypta hlutinn úr mótinu strax og hann storknar, því annars er hætta á skemmdum.

• Kostir:

o Góð yfirborðsáferð

o Eiginleikar steyptra hluta eru betri en við sandsteypu.

o Hentar vel ef steypa á mikinn fjölda eininga (lágmark 500 stk.)

14


o Góð stjórn á stærðum

o Framleiðsluhraði er meiri.

o Hraðari storknun fínni korn sterkara efni.

• Ekki er hægt að hafa jafn flókna geometríu í varanlegu mótunum eins og í sandmótunum.

• Dæmi um afurðir eru:

o Stimpilstangir

o Hlutir í flugvélar.

Í stuttu máli:

• Mót eru gerð úr stáli eða járni. • Mótin eru forhituð áður en hellt er í þau. • Mót samanstendur af tveimur helmingum sem tengdir eru saman með boltum.

Stærri mótum haldið saman með vökva- eða loftþrýstidælum. • Hentar vel ef steypa á mikinn fjölda eininga (lágmark 500 stk.). • Eiginleikar steyptra hluta eru betri en við sandsteypun

o Betri yfirborðsáferð, nákvæmari málvik og sterkari steypa. • Yfirborðsáferð er góð. • Framleiðsluhraði er meiri. • Algengt fyrir ál, leir, Mg og járnsteypu. • Mikill kólnunarhraði sökum þess að mótið er úr málmi gefur fínni kornabyggingu

og þar af leiðandi sterkari steypu.

Slush casting:

• Holur hlutur er búin til með þessari aðferð með því að eftir að bráðin hefur storknað að hluta er mótinu snúið við og fljótandi bráðinni hellt úr mótinu. Þá stendur eftir holur hlutur.

• Þetta er notað til að steypa styttur og leikföng ofl. þar sem ekki er gerð krafa um styrkleika heldur útlit.

15


Lágþrýstisteypa (e. low pressure casting):

FIGURE 11.11

• Mótið fyllt neðanfrá með hjálp loftþrýstings og því er hægt að stýra hraða flæðis og þar með tímanum sem tekur að fylla mótið.

• Mótið er yfirleitt loftlælt.

• Sjálvirkt ferli og tekur frá 30 sec til 10 min.

• Hentar vel fyrir fjöldaframleiðslu.

• Utanmálsnákvæmni og yfirborðsáferð er góð miðað við sandsteypu og kokilsteypu.

• Aflfræðilegir eiginleikar hluta eru góðir.

• Tækja- og mótakostnaður er meiri en við sand- og kokilsteypu.

• Meiri kröfur gerðar til starfsfólks.

• Ending 5 – 50 þúsund stk.

• Hægt og stöðugt innstreymi

Varanleg vakummótasteypa (e. vacuum permanent-mold casting):

• Þetta er afbrigði af lágþrýstisteypu þar sem minnkandi loftþrýstingut er notaður til að draga bráðina ofan í hlaupið á mótinu.

• Í grófum dráttum er þessi aðferð eins og lágþrýstisteypa en munurinn er sá að hér er notaður minnkandi loftþrýstingur til að draga bráðina niður í mótið en ekki þrýstingur til að þrýsta bráðinni niður í mótið.

• Kostir þessarar aðferðar umfram lágþrýstisteypu eru að allar lofttegundir eru hreinsaðar út úr mótinu áður er bráðin er komin í það og hlutir steyptir með vakummótasteypu eru sterkari en hlutir steyptir með lágþrýstisteypu.

16


Þrýstisteypa (e. die casting):

FIGURE 11.12 • Mót yfirleitt úr hitahertu stáli.

• Málmi hellt með miklum hraða og þrýstingi inn í mót. Þrýstingurinn er oft u.þ.b 7 til 350 MPa. Þessum þrýsting er svo haldið í mótinu á meðan storknun á sér stað.

• Holrúm geta myndast vegna lofts sem lokast inn í mótinu.

• Mikill þrýstingur leiðir af sér hraða kælingu og litla kornastærð.

• Fyrir ál er straumhraði allt að 200 m/s

• Mót fyllt á mjög skömmum tíma

• Hægt að framleiða allt að 40 kg hluti

• Ekki auðvelt að fá mikil gæði

• Mikil ending, c.a. 40 – 150 þús. Steypur

• Kostir:

o Endingartími móta er mikill.

o Hægt er að framleiða marga hluti á stuttum tíma.

• Ókostir:

o Mótaframleiðsla mjög kostnaðarsöm.

• Til eru tvenns konar mótagerðir í þrýstisteypu:

o Vélar með heit hlaup (e. hot-chamber machines): Málmurinn er bræddur í geymi sem er tengdur vélinni, og

stimpilstöng notuð til að sprauta fljótandi málminum undir miklum þrýsting í mótið.

Venjulega varir þrýstingurinn frá 7 til 35 MPa.

Hægt er að framleiða allt að 500 stykki á klukkustund með þessari aðferð.

17


Þar sem vélin er úr málmi er þetta ferli afmarkað af þeim málmum sem eru með tiltörulega lágt bræðslumark (dæmi: zink, tin og blý).

o Vélar með kalt hlaup (e.cool-chamber die-casting machines): Bráðinni er hellt í óhitað hlaup á mótinu úr utaðnaðkomandi

geymi og stimplstöng er notuð til að sprauta bráðinni undir miklum þrýsting (14 til 140 MPa) í hlaupið á mótinu.

Þetta afbrigði er ekki eins hraðvirkt og hitt en samt býr þetta afbrigði yfir mikilli framleiðslugetu.

Snúningssteypa (e.centrifugal casting): Aðferðin notast við hluti úr ýmsum aðferðum, þar sem mótinu er snúið með miklum hraða og miðflóttaaflið er notað til að dreifa bráðinni í ytri hluta hlaupsins. Þrjú afbrigði eru til af snúnigssteypu, og þau eru:

Sönn snúningssteypa (e. true centrifugal casting):

• Bráðinni er hellt í mót sem er að snúast sem gerir það að verkum að ytra form steypta hlutarins tekur form mótsins (getur verið hringur, átthyrningur o.s.frv.) en innra form hlutarins á að vera fullkomlega hringlaga vegna samhverfra krafta sem verka.

• Hægt er að finna út snúningshraðann út frá jöfnunum:

o Fyrir láréttan snúning:

G-factor = Rgv

Rmgmv

WFGF

22

=== (11.3)

D

gGFN 230π

= (11.5)

þar sem: N : snúningshraði [rev/min]

g : þyngdarhröðun [9.82 m/s2]

D : innra þvermál mótsins [m]

o Fyrir lóðréttan snúning:

22

230

bt RRgLN−

=π

(11.6)

þar sem: L : lengd móts [m]

Rt : innri radíi á topp mótsins. [m]

Rb : innri radíi á botn mótsins. [m]

18


• Helstu gallar í þessari aðferð koma yfirleitt fram á innra yfirborði hlutarins, en þá er hægt að vinna niður án teljandi erfiðleika.

Hálfsnúningssteypa (e. semicentrifugal casting):

• Í þessari aðferð er snúningurinn notaður til að steypa gegnheil form.

• Matarinn er í miðjunni og þéttleiki hlutarins er minnstur í miðjunni, sem er oft unninn í burtu.

• Laus mót (einnota) eru stundum notuð í þessari aðferð.

Snúningssteypa (e. centrifuge casting):

• Hér er mótið hannað með því að sjónarmiði að lokahluturinn þarf ekki að vera samhverfur, líkt og í hinum tveimur afbrigðunum.

• Matarinn er í miðjunni og snúningurinn sér um að dreifa bráðinni um hlaupið.

11.6 – Málmar í steypu (Metals for casting)

Málmum sem notaðir eru í steypu er hægt að skipta í tvo flokka: (1) melmi sem innihalda járn og (2) melmi sem innihalda ekki járn.

I. Melmi sem innihalda járn:

Járnsteypa:

• Járnsteypa er það mikilvægasta af öllum steypumelmunum, þ.e það er steypt miklu meira af járnsteypu en af öllum hinum steypumelmunum til samans.

• Það eru til nokkrar gerðir af járnsteypu:

o Grá-járnsteypa.

o “Nodular” iron.

o Hvít-járnsteypa.

o Hitameðhöndluð hvít-járnsteypa.

o Aðrar samsetningar á járnsteypu.

• Algengt hitastig á járnsteypu-melmi þegar því er hellt í mót er u.þ.b 1400°C, en það fer eftir semsetningu melmis.

Stálsteypa:

• Aflfræðilegir eiginleikar stáls gera það mjög spennandi í verkfræðilegri hönnun, og

19


möguleikinn á að móta flókin form úr því gerir það að fýsilegum kosti þegar kemur að steypu.

• Það eru hinsvegar nokkrir ókostir við að nota stál í steypu:

o Stál hefur töluvert hærra bræðslumark heldur en hjá flestum málmum. Storknunarhiti lákolstáls er rétt undir 1540°C, þetta þýðir að þegar bráðinni er hellt í mót verður hitinn að vera u.þ.b 1650°C.

o Við þetta hitastig er stál mjög viðkvæt gagnvart oxun ofl. svo helst þarf að aðgreina bráðina frá lofti.

o Bráðið stál hefur fremur slæmt flæði og því er lítill möguleiki að hanna þunna hluti.

• Á móti kemur að einnig eru nokkrir kostir við að nota stál í steypu:

o Togþol stáls er hátt miðað við flesta aðra málma, þ.e það fer upp fyrir 410 MPa

o Stálsteypa hefur meiri seigju en flestir aðrir steypumálmar.

o Eiginleikar stálsteypu eru isotropískir, þ.e styrkur hennar er nánast sá sami í allar áttir, á meðan hlutir sem hafa verið unnir á einhvern hátt (t.d fræstir eða renndir) hafa ekki þessa eiginleika.

o Það má auðveldlega sjóða stálsteypu, án þess að breyta eiginleikum hennar nokkuð.

II. Melmi sem innihalda ekki járn: Helstu melmi þessarar tegundar sem eru notuð í steypu eru:

Álmelmi:

• Almennt eru álmelmi talin vera heppileg til málmsteypu.

• Bræðslumark hreins áls er 660°C, svo ekki þarf að hella álinu í mót við háan hita, miðað við steypujárn og stál.

• Álsteypa er létt, hefur vítt styrkleikasvið og er auðvelt að vinna.

Magnesíum-melmi:

• Magnesíum er léttasta melmið sem steypt er úr og hefur einnig gott tæringarþol.

• Það hefur einnig gott styrk/þyng hlutfall og stífni/þyngd hlutfall.

Kopar melmi:

• Hafa gott tæringarþol

• Fallegt í útliti.

• Hár kostnaður kopars veldur því að hann er ekki mikið notaður í steypu.

Tin melmi:

20


• Tin hefur lægsta bræðslumark allra þeirra efna sem talin eru upp hér.

• Aðvelt er að steypa tin, það hefur gott tæringarþol en býr ekki yfir góðum aflfræðilegum eiginleikum.

Zink melmi:

• Hefur lágt bræðslumark og gott flæði gerir það að góðum kosti í steypu.

• Veikleiki þess er að það hefur ekki gott þreytuþol og getur því ekki þolað mikið álag í langan tíma.

Nikkel melmi:

• Býr yfir miklum styrk og tæringarþoli, sem þýðir að það er gott við háan hita, því er það notað t.d í eldflaugaiðnaði ofl.

Títaníum melmi:

• Gott tæringarþol og gífurlegt styrkur/þyngd hlutfall

• Hátt bræðslumark, slæmt flæði og tilhneyging til að oxast við háan hita gerir það að verkum að erfitt er að steypa títaníum.

11.7– Atriði sem þarf að huga að við málmsteypu (Product design considerations)

• Reyna að hafa form hlutarins sem einfaldast. Þetta einfaldar mótagerð, minnkar þörf fyrir kjarnanotkun og eykur styrkleika steypunnar.

• Reyna að forðast skörp horn. Þetta er vegna spennuhækkanna sem verða í hornum ef álag er sett á hlutinn og geta valdið skaða.

• Reyna að hafa einsleita þykkt út hlutinn. Þetta er æskilegt því mikill massi af bráð á einum stað getur valdið seinni storknun og holumyndun á meðan restinn af massanum er vel storknaður.

• Svokallað slipp (e. draft), þ.e. hanna hornin á mótinu þannig að auðveldar sé að fjarlægja hlutinn.

• Málvik, þ.e. gera ráð fyrir hæfilegri óvissu í víddum hlutarins.

• Gera ráð fyrir því í víddum hlutarins ef hluturinn þarfnast frekari vinnslu eftir steypingu.

• Gera ráð fyrir samdrætti við storknun. Hann er mismunandi mikill fyrir mismunandi efni.

Málmsteypur á Íslandi

• Alpan/Eyrarbakka

o Þrýstisteypa

21


• Málmsteypa Þorgríms J,

o Steypa úr járni,

• Málmsteypan Hella

o Steypa úr áli

o Lok á ruslalúgur

o Pönnur

• Erlendis er mígrútur málmsteypufyrirtækja.

Kafli 12 - Glervinnsla (Glassworking)

Gler er eitt þriggja keramikefna, hin eru venjuleg- og nýkeramikefni. Gler er ókristallað (noncrystalline) ólíkt hinum. Það er yfirleitt úr SiO2, öðrum efnum er blandað í til að fá mismunandi eiginleika. Grunnefnið er hitað í seigfljótandi vökva og þá er það mótað. Þegar það kólnar og harðnar heldur það áfram að vera glerkennt í stað þess að kristallast. Dæmigert ferli glervinnslu samanstendur af skrefum sýndum á mynd 12.1 (bls.247). Aðferðirnar við mótun eru 3: steypun (casting), pressun-og-loftþrýstisteypun (pressing-and-blowing) og miðflóttaaflssteypun (rolling).

12.1 – Undirbúningur hráefnis og bræðsla

(Raw materials preparation and melting) Aðaluppistaðan í SiO2 er náttúrulegur kvars í sandi. Sandurinn er þveginn og flokkaður eftir kornastærðum. Eftirsóttasta kornastærðin er 0,1-0,6 mm. Í dag er endurunnu gleri bætt í blönduna (allt að 100%), ásamt öðrum efnum, sem auðveldar bræðslu. Tegundir bræðsluofna eru fjórar: • Bræðsluker (Pot furnaces) – Þar sem bræðsla á sér stað vegna hitunar á kerinu. • Dagker (Day tanks) – Bræðsla á sér stað vegna bruna eldsneytis fyrir ofan hráefnið. • Færibandaofn (Continuous tank furnaces) – Hér er hráefnið sett inn um annan enda

ofnsins og bráðnar á leið sinni um ofninn. Notað við mikla framleiðslu. • Rafker (electric furnaces) – Til eru margar útfærslur af rafkerum fyrir mismunandi

framleiðslumagn. Bræðslan á sér stað við 1500-1600°C í 24-48 klst.

22


12.2 – Mótunarferli í glervinnslu (Shaping processes in glassworking)

Mótunarferlum er skipti í þrennt: • Afmörkuð ferli (Discrete processes) – Framleiðsla á einstökum afmörkuðum hlutum,

t.d. ljósaperur og flöskur. • Samfelld ferli (Contiuous processes) – Framleiðsla á glerplötum (rúðugler) og rörum

(flúorljós). • Glertrefjar (Fiber-making processes) – Framleiðsla á trefjum til einangrunar, til

samsetningar og ljósleiðarar.

12.2.1 – Afmörkuð ferli (Shaping of Piece Ware)

Undirflokkar afmarkaðra ferla eru: • Snúningsmótun (Spinning) – Sjá mynd 12.2 (bls.248). Miðsóknarkrafti er beitt til

mótunar á hlut, t.d. túbur í tölvuskjái og sjónvörp. • Þrýstimótun (Pressing) – Sjá mynd 12.3 (bls.248). Mikið notað við gerð diska,

ljóslinsa, og aðra hluta sem eru nokkuð flatir. • Loftþrýstisteypa (Blowing) – Þetta ferli er notað í öðrum sem millistig.

a. Press-and-blow – Sjá mynd 12.4 (bls.249). Þrýst og svo blásið. Notað fyrir hluti með sveru opi.

b. Blow-and-blow – Sjá mynd 12.5 (bls.250). Blásið a.m.k. 2 í stað þess að þrýsta. Notað fyrir hluti með þröngu opi.

• Steypun (Casting) – Bráð er helt í mót og hægkælt til að koma í veg fyrir sprungu og spennumyndun. Notað fyrir stóra og einfalda hluti t.d. linsur og spegla fyrir stjörnusjónauka.

12.2.2 – Samfelld ferli

(Shaping of Flat and Tubular Glass) Undirflokkar samfelldra ferla eru: • Völsun (Rolling of Flat Plate) – Sjá mynd 12.6 (bls.251). Bráð er þrýst milli tveggja

kefla. Valsað gler þarfnast eftirvinnslu. • Flot ferli (Float process) – Sjá mynd 12.7 (bls.251). Glerbráð er dregin ofan á

fljótandi tini. Glerið þarfnast ekki eftirvinnslu. • Dráttur á glertúbum (Drawing of Glass Tubes) – Sjá mynd 12.8 (bls.252). Glerbráð

dælt framhjá dór sem flytur loft. T.d. flúorperur og hitamælar.

12.2.3 – Glertrefjar (Forming of Glass Fibers)

Undirflokkar framleiðsluferla á glertrefjum eru: • Miðsóknarafls sprautun (Centrifugal Spraying) – Glerbráð rennur inn í ker sem

snýst og þrýstist út um lítil göt. Þessi aðferð er notuð til framleiðslu á trefjótt gler sem

23


notað er til hita og hljóðeinangrunar, einnig notað til lofthreinsunar. Trefjarnar liggja handahófskennt.

• Dráttur á löngum leiðurum (Drawing of Continuous Filaments) – Sjá mynd 12.9 (bls.252). Glerbráð er toguð út um lítil göt (0.0025mm í þvermál) og húðuð með efnum áður en hún kemur aftur saman. Hraði togsins eru um 50 m/s og götin eru oft mörg hundruð. Þessi aðferð er notuð til framleiðslu á t.d. ljósleiðurum. Trefjarnar liggja samhliða.

12.3 – Hitameðferð og eftirvinnsla

(Heat Treatment and Finishing)

12.3.1 – Hitameðferð (Heat Treatment)

Tvö dæmi um hitameðhöndlun á gleri eru: • Spennulosun (Annealing) – Mótað gler er hitað upp í u.þ.b. 500°C og þar í ákveðinn

tíma. Eftir það er glerið hægkælt og svo hraðkælt niður í stofuhita. Þetta er gert til þess að losna við innri spennur.

• Styrking með hitameðferð (Tempered Glass and Related Products) – Mótað gler er hitað upp fyrir spennulosunar-hitastigið og upp fyrir flotmörk. Yfirborðið storknar meðan innra lagið er enn yfir flotmörkum. Þegar það loks kólnar dregst það saman og veldur því yfirborðsspennu. Styrkt gler er mun sterkara gagnvart rispum og broti þ.e. vegna yfirborðsspennunar. Dæmi um styrkt gler er öryggisgler, rúðugler í háum byggingum og glerhurðir.

Öryggisgler, líkt og notað er í bifreiðum, er samloka af gleri með fjölliðufilmu á milli. Ef glerið brotnar heldur filman því saman í stað þess að molna í smá brot.

12.3.2 – Eftirvinnsla (Finishing)

Dæmi um eftirvinnslu er skurður, fágun, slípun og sandblástur.

12.4 – Hönnunarforsendur (Product design considerations)

Hönnunarforsendur: • Gler er gegnsætt en hægt er að fá svipaða eiginleika með góðum fjölliðum • Gler er sterkara undir þrýstingi en togi • Brothætt • Gler þenst mjög lítið við hita • Hönnum gler með stórum radíusum Gengjur er hægt að móta í glerið – grófar

24


Kafli 13 – Lögunarferli fyrir plastefni (Shaping processes for plastic)

Plast getur verið margskonar að lögun og margar vinnsluaðferðir koma til greina þegar búa á til hluti úr plasti. Undanfarin 50 ár hefur verið mikil framför í plastiðnaði sama á við um gler Plast er gerviefni búið til úr olíu og jarðgasi. Plastiðnaður hefur verið í mikilli uppsveiflu síðastliðin 50 ár. Margar ástæður eru fyrir því hvers vegna plastlögunarferlin eru mikilvæg, t.d.: • Mikill fjölbreytileiki í framleiðsluferlum. • Oft þarf enga eftirvinnslu. • Það þarf minni orku til að bræða plast en málma. • Vegna lægra hitastigs við vinnslu er öll meðhöndlun plasts auðveldari (og þ.a.l.

ódýrari) en málma. • Það þarf yfirleitt ekki að mála eða húða plast. Tvær tegundir plastefna eru :

• Hitadeig (Thermoplastics) • Hitastinn (Thermosets) • Munurinn er að hitastinn efni breytast við hitun og krosstengi verða til. Það er ekki

hægt að endurbræða hitastinn efni eftir að krosstengi hafa myndast (after curing). • Þetta gerist ekki hjá hitadeigum efnum. Efnafræðileg bygging hitadeigra efna breytist

sama sem ekkert við breytinguna frá föstu efni yfir í vökva. • 80% af heldarframleiðslu plasts í heiminum er úr hitadeigu plastefni.

13.1 – Eiginleikar fjölliðubráða (properties og polymer melts)

Til að móta hitadeigt plast þarf að hita það þannig að það fari á fljótandi form. Á því formi er efnið kallað fjölliðubráð (polymer melt). Fjölliðubráðir(polymer melt) hafa tvo megin eiginleika: • Seigja (Viscosity) – fjölliður eru með háan mólmassa og þar af leiðandi hafa þær

mikla seigju. Fjölliðubráð er þykk og seigfljótandi.

( )nk γτ = τ = skerspenna (shear stress) n = flæðistuðull (flow behaviour) k = seigjustuðull γ = skerhlutfall (shear rate)

25


Seigja skiptir miklu máli því flestar vinnsluaðferðir byggja á rennsli bráðarinnar. Seigja fjölliðubráðar minnkar með auknu skerhlutfalli(shear rate) og hækkandi hitastigi. Það er að segja vökvinn verður þynnri með hærri skerhlutfalli.

Seigjuteygjanleiki (viscoelasticity) – annar efniseiginleiki fjölliðurbráðarinnar. Sem dæmi má nefna að við útdrátt (extrusion) þegar heita plastefnið útvíkkast við endann eins og sést svo glögglega á mynd 13.3 bls 260. Bráðið hefur eins konar “minni” fyrir fyrri lögun og leitar eftir því að komast í það aftur þegar það hefur þrýsts út um opið á mótinu. Þetta kallast mótbólgnun (die swell). Auðvelt er að mæla bólgnunina með “bólguhlutfallinu”, jafna 13.3. Hve mikil bólgnun verður fer eftir því hve lengi bráðið er að fara í gegnum mótið, því lengur, því minni bólgnun.

Framleiðsluferli Plastefna 1. Útdráttur - Extrusion

2. Húðun – coating

3. Sprautusteypun

i. Hitadeigt froðusprautunarferli

ii. Fjöl-sprautunarferli

iii. Sprautuferli fyrir hitahert plastefni.

4. Þrýstisteypun

5. Flutningssteypun (Transfer Molding)

6. Blásturssteypun

i. Extrusion blásturssteypun

ii. Sprautu blástursteypun

7. Hverfisteypun

8. Hitamótun

i. Vakúmmótun

ii. Þrýstingshitamótun

iii. Vélræn hitaformun (Mechanical thermoforming)

9. Afsteypun (casting)

10. Trefjaplast - handlögn

26


13.2 – Útdráttur (extrusion)

Útdráttur er mikið notaður fyrir hitadeig efni og gúmmíefni en sjaldan fyrir hitaföst efni. Hægt er að búa til ýmsa hluti með þessari aðferð m.a.: • Slöngur • Filmur • Húðun á víra • Gluggakarma • Pípur 13.2.1 Tæki og Ferli Til útdráttar er notað skrúfutæki. Vélbúnaðurinn samanstendur af mataratrekt þar sem hráefninu, plastperlum eða –dufti, er hellt í tunnu (barrel). Í tunnunni er stór skrúfa sem ýtir hráefninu áfram og þrýstir því að lokum út um mót á endanum. Eins konar trekt liggur einnig að mótinu til að mata bráðina í það. Rafhitarar eru á tunnunni sem bræðir plastið á þessari ferð. Í raun er mótið ekki hluti af vélbúnaðinum, hægt er að skipta um það að vild. Gott er að skoða mynd 13.4 með þessum texta. Þvermálið á tunnunni er yfirleitt á bilinu 25 – 150 mm og er lengd hennar yfirleitt mikil miðað við þvermál. Lengd/þvermál (L/D) hlutfallið er yfirleitt milli 10-30. Fyrir thermoplastísk efni er það hærra en lægra fyrir gúmmí (elastomers). Útdráttsvélin skiptist í 3 hluta: • Mötunarhluti (feed Section) - þar fer efnið í gegnum trekt og er forhitað. • Samþjöppunarhluti (compression section) – þar breytist fjölliðan í vökvakennt

form og fjölliðurbráð myndast. Efnið er samþjappað, öllu lofti er ýtt út. • Metering section – þar er efnið gert einsleitt og nægilegur þrýstingur er myndaður til

að pumpa bráðinu út um mótið. Á eftir metering hlutanum kemur: Brot plata (Breaker plate) : Þetta er plata með fjölda vírneta í götum á plötunni, henni er ætlað að: • Sía út stærri köggla og óhreinindi • Búa til þrýsting í metering hlutanum. • Leiðrétta flæðið, þá er það ekki lengur snúningur heldur lagskipt. Aðgerðir skrúfunnar fara eftir snúningshraða og lögun. Hefðbundinni útdráttarskrúfu er lýst með teikningu 13.5. Þegar skrúfan snýst þrýsta blöðin (e.flight) efninu áfram í gegnum rásina (channel) frá mötunartrektinni að enda tunnunnar. Þvermál blaðanna er aðeins minna en þvermál tunnunnar en það er haft svona lítið til þess að tryggja það að ekkert bakflæði eigi sér stað.

27


Þrýstingsaukning fjölliðurbráðarinnar í öllum þremur hlutunum fer eftir dýpt rásarinnar, dc en það er breytilegt fyrir hvern hluta. Í fyrsta hlutanum þá er dc stórt til þess að mauka grófu fjölliðurnar. Í öðrum hluta er dýptin minni til þess að auka þrýstinginn þar sem bráðnun á sér stað. Í þriðja hluta er dýpt rásarinnar mest til að hámarka þrýstinginn í þessum hluta. 13.2.1 Greining á útdrætti Í þessum kafla eru fundar stærðfræðilegar jöfnur til þess að útskýra útdráttinn (extrution). Talað er um drag-flæði (drag flow), Qd, sem verður til við núning milli bráðsins og yfirborðanna tveggja ( tunnu og skrúfu).

Qd= 0.5vdw (13.5)

v= hraði blaðsins d= fjarlægðin milli yfirborðanna tveggja w= breidd blaðsins

Qd= 0.5π2D2Ndcsin(A)cos(A) (13.10) D=þvermál tunnu N=snúningshraði skrúfu dc=dýpt rásar A=horn blaðs

Ekki er flæði bráðsins hér með öllu lýst. Mikill þrýstingur myndast við enda tunnunnar þar sem efnið treðst í gegnum mótið. Þessi þrýstingur myndar ákveðið bakþrýstingsflæði Qb sem hægir á heildarflæði bráðsins.

Qb= pπDdc3sin2(A)/12ηL (13.12)

p=þrýstingur D=þvermál tunnu dc=dýpt rásar A=horn blaðsins η=seigja efnisins L=lengd tunnunnar Heildarflæði bráðsins, Qx, Qx= Qd- Qb (13.13)

Með jöfnu 13.15 má svo reikna út hve mikill þrýstingurinn í tunnunni þyrfti að vera til að stöðva flæðið. Snúum okkur nú hraða flæðisins í gegnum mótið Qx

Qx=Ksp (13.16) Ks=formstuðull fyrir mótið p=þrýstingur

28


Formstuðullinn Ks er mismunandi eftir því hvernig mótið er í laginu.:

Ks=πDd4/128ηLd

Dd=þvermál mótsins η=seigja bráðsins Ld=lengd mótsins 13.2.3 Mót og hlutir sem gerðir eru með útdrætti Einkenni móta og einkenni útdráttsvélarinnar vinna saman. T.d. þarf meiri kraft til að ýta bráð í gegnum ferhyrnt op en í gegnum hringlaga op. Gæta þarf þegar verið er að hanna mót að form þess sé þannig að það hjálpi til við að halda flæði bráðarinnar lagskiptu og það verði engir dauðir punktar í flæðinu (t.d. nálægt hornum). Lögun mótsins ákvarðar þverskurðarlögun þrýstimótaða hlutsins. Tökum nú fyrir: • Gegnheilir prófílar (solid profiles) - Geta bæði verið reglulegir að lögun s.s hring-

eða kassalaga eða óreglulegir s.s hurðir, gluggar ofl. Efnið er enn mjúkt þegar það kemur út úr mótinu. Það er síðan kælt ýmist með blæstri, vatnsúðun eða rennt í gegnum vatnsbað. Best er að þrýstimóta fjölliður með mikla seigju því þær halda lögun betur við kólnun. Til að sporna við bólgnun er lengd mótsins aukin. Einnig ef mótið er ekki hringlaga er mótið ekki alveg eins í laginu og hluturinn á að vera til að koma í veg fyrir að bólgnun aflagi hlutinn. Sjá mynd 13.9.

• Holir prófílar (hollow profiles) - Eins og t.d. pípur og slöngur. Þá þarf stykki inní mótið til að mynda holrúmið. Sjá mynd 13.10. Oft er loftrás í miðjustykkinu sem blæs þá lofti í genum hlutinn til að halda lögun hans á meðan hann harðnar.

• Víra eða kapplahúðun (wire and cable coating) - Eitt af mikilvægustu plastútdráttaraðferðunum. Sjá mynd 13.11. Fjölliðubráð er hellt á “nakinn” vír sem er dreginná miklum hraða gegnum mót.

13.2.4 Gallar við útdrátt • Bráðnunarbrot (melt fracture) – versti gallinn, spenna í bráðinni rétt fyrir og á

meðan hún fer í gegnum mótið er svo mikil að hún veldur afmyndun á yfirborði hlutarins. T.d. getur vantað trekt við mótið. Sjá mynd 13.12.

• Hákarlahúð (sharkskin)- algengari galli. Núningur við mótið á leiðinni út veldur “hrukkum” á yfirborði hlutarins. Hægir á flæðinu við veggi mótsins, bráðin “bætir upp fyrir það” með því að hraða flæðinu í miðjunni. Sjá mynd 13.13.a.

• Bambusaáhrifin (bambooing) - Ef flæðið er of hratt kemur bráðin út “sprengjum” (klessum) og veldur bambusaáhrifum sem sjást á mynd 13.13b).

29


13.3 – Framleiðsla á plasthimnum og plastfilmum (production of sheet and film)

Plasthimna – þykkt: 0.5mm til 12.5 mm. Plastfilma – þykkt: minni en 0.5 mm. Framleiðsluaðferðir fyrir filmur og himnur: • Raufarmóts útdráttur (slit-die extrusion) – Þá er mótið þunn rauf fyrir mót. Oft

stillanleg. Sjá mynd 13.14. Plöturnar eða filmurnar geta verið allt að 3m breiðar. Erfitt getur verið að ná jafnri þykkt út alla breiddina og þá sérstaklega út í endunum. Endarnir eru oft snyrtir af. Til að ná miklum framleiðsluhraða (allt að 5 m/s) er nauðsynlegt að kæla filmuna strax. Til þess er notað vatnsbað eða kælirúllur, sjá mynd 13.15.

• Filmu blásturs útdráttur (blown film extrusion) – Útdrætti og blástri blandað saman, sjá mynd 13.16. Þá er strekkt á filmunni lárétt með því að blása henni út og auka þar með þverstyrk filmunnar. Loftþrýstingnum þarf að halda stöðugum til að fá jafnþykka filmu. Filman verður sterkari en erfiðara er að stjórna þykkt hennar og framleiðsluhraðinn er minni.

• Calendering - Aðferð til að búa til filmur úr gúmmíi. Gúmmíið er þynnt og mótað á milli rúlla, -færiband úr rúllum mynd 13.17. Tæki eru dýr en þessi framleiðsluhraðinn er mikill (kringum 2,5 m/s) og yfirborðsáferð er falleg. Sem dæmi um framleiðslu má nefna PCV gólfmottur og uppblásna báta.

13.4 – Trefja og þráðaframleiðsla (fiber and filament production)

Trefjar eru oftast notaðar til þess að styrkja önnur efni með því að bæta þeim í það þegar þörf krefur. Trefja má skilgreina sem þunnan “vír” af efni þar sem lengd hans er >100 sinnum breidd hans. Þræðir eru samfelldar trefjar. Trefjar geta verið náttúrlegar (25% heildarmarkaðs) eða búnar til (e. Synthetic, 75% heildarmarkaðs). Vindingur (spinning) er aðalvinnsluaðferðin, hún skiptist í þrennt: • Bráðvindingur (Melt spinning) - mynd 13.18. Best fyrir þær fjölliður sem þurfa að

vera heitar þegar þær eru meðhöndlaðar. Mikilvægasta vinnsluaðferðin í ónáttúrulegu trefjunum. Efni er helt í trekt og síðan brætt – þá er komin fjölliðubráð – hún fer svo í gegnum þráðamót (spinneret) sem er um 6 mm þykkt og inniheldur um ca 50 holur af þvermáli 0.25 mm. Þræðirnir sem myndast eru síðan kældir og teygðir niður. Á meðan á því stendur minnka þræðirnir í allt að 1/10 af þráðamótinu sjálfu. Þessi aðferð er notuð fyrir nylon og polyester.

• Þurrvindingur (Dry spinning) – Polymerinn í byrjun er í lausn þar sem leysiefnið er aðskilið með uppgufun (e. evaporation) annars er þessi vinnsluaðferð svo svipuð þeirri fyrrnefndri. Trefjar úr cellulosa acetate og acrylic henta vel fyrir þetta ferli.

30


• Blautvindingur (Wet spinning) – Einnig í lausn en hún gufar ekki upp. Notað fyrir rayon.

Dæmi um vörur eru: Rör, prófílar, plötur, þynnur og þræðir.

13.5 – Húðunarferli (coating processes)

Húðun (coating) er ferli þar sem ýmis hlutir/efni eru þaktir plasti. Því er skipt í þrennt: • Vírar og kapplar. • Planhúðun (planar coating) notað til að þekja efni, pappír og þess háttar. Húðunin

aðeins 0.01-0.05mm þykk. Bæði til þrýstirúllu aðferð og læknablað (e. doctor blade), sjá mynd 13.19.

• Útlínuhúðun (contour coating) – Hlutum dýft ofan í fjölliðubráð eða –lausn eða þeir spreyjaðir með bráð eða lausn.

13.6 – Sprautusteypun (injection molding)

Sprautusteypun (injection moldin) – er ferli þar sem fjölliða er brædd og látin flæða í mót þar sem hún storknar. Afsteypunin er svo fjarlægð úr mótinu. Þetta tekur ekki langan tíma (10-30 sek). Það sem er erfitt við þetta er að búa til mótið því að holrýmið í því þarf að hafa sömu lögun og afsteypan. Stærð afsteypunnar getur verið frá 50 g til 25 kg (t.d. skyrdollur, ískápshurðir). Mótin geta verið mjög dýr og sprautusteypun er því einungis hagkvæm ef framleiða á mikið magn. 13.6.1 Ferli og tæki Sprautusteypunartækin þróuðust út frá járnsteyputækjum. Sprautusteypunarvél samanstendur af tvennu: (mynd 13.21) • Plastsprautu-eining (injection unit) – Mjög lík útdráttarvélinni en í stað þess

fjölliðan kólni strax og hún kemur út þá fer hún í mót. • Klemmu-eining (clamping unit) – einingin í kringum mótið. Hlutverk

klemmueiningarinnar er að halda mótinu saman. Sjá til þess að mótið sé lokað þegar verið er að sprauta í það og opna og loka mótinu á tilteknum tímum.

Aðferðin við að steypa: • Mótið er lokað og fest. • Fjölliðubráðinni (þegar hún er hefur rétt og hitastig og mátulega seigju) er komið fyrir

í mótinu frá skrúfusystemi. Bráðin byrjar síðan að storkna þegar hún kemur við kalt yfirborðið mótsins.

• Mótið er opnað og afsteypunin fjarlægð.

31


13.6.2 Mótið Tveggja-plötu mót (two-plate mold) (mynd 13.23) er algengasta mótið og það samanstendur af: • Einu eða fleiri holrýmum sem ákvarðar geometríu hlutisins. • Dreifileiðum sem fjölliðubráðin flæðir um til holrýmanna. • Losunarkerfi til að fjarlægja hlutinn. • Kælikerfi • loftlokum til að loft geti farið úr holrúmunum. Önnur mót eru: • Þriggja plötu mót (three-plate mold) – hér dreifist bráðin betur og það er hægt að nota

meiri sjálfvirkni við mótunarvélina. • Heitrennslins mót (hot-runner mold) – komið í veg fyrir storknun í leiðslum

bráðarinnar með því að hafa hitara í kringum leiðslurnar en á meðan storknar bráðin í mótinu.

13.6.3 Sprautusteypu-mótunarvélar ( injection molding machines) ekki mikilvægt held ég Báðar einingar (plastsprautu-einingin og klemmu-einingin) sprautusteypuvélanna eru mismunandi Plastsprautu-einingar ( injection units) – Tvær vélar eru algengar í dag, reciprocating screw machine er algengust og screw-preplasticizer er einnig mikið notuð. Klemmu einingar (clamping units) – þrjár tegundir af klemmuhönnunum: • Toggle klemmur – hafa mikinn hraða og kraft á mismunandi tímapunktum. Henta

best fyrir vélar sem taka lítinn þunga. • Hydraulic klemmur – notaðar í vélar sem taka meiri þunga. Sveigjanlegar klemmur. • Hydromechanical klemmur – notaðar í vélar sem taka mikinn þunga. 13.6.4 Samdráttur (shrinkage) Fjölliður hafa háan varmaþenslustuðul þannig að þeir skreppa einnig sman þegar þeir eru kældir. Rúmmál sumra hitadeigra efna getur minnkað um 10 % eftur steypunina. Sjá töflu 13.1. Til að bæta fyrir samdráttinn þarf að gera holrúmið stærra en skilgreindar víddir hlutarins. Nota má eftirfarandi formúlu:

(13.19) 2SDSDDD pppc ++=

Dc = vídd holrúms (mm) Dp = víddir afsteypunnar (mm) S = samdráttur (fenginn úr töflu 3.1) Samdráttur getur gerst út af ýmsu.

32


Ástæður samþjöppunar eru: • Sprautuþrýstingur. Til þess að minnka líkur á samdrætti þegar þrýstingur er aukinn

á að troða meira af efni inní holrýmin. • Hitastig bráðarinnar. Samdráttur er minni við hærri bræðsluhitastig. • Samþjöppunartíminn. Aukinn samþjöppunartími minnkar samdrátt. • Þykkt hlutarins. Þykkri hlutir skreppa meira saman. 13.6.5 Gallar í sprautusteypun (defects in injection molding) Sprautusteypun er flókið ferli og margt getur farið úrskeiðis. Algengir gallar í hlutum sem hafa verið mótaðir með sprautusteypun eru: • Short shots – storknun hefst áður en bráðin hefur náð að fylla holrýmið. Oft vantar

þá bara stærri vél. Einnig má auka hitastigið og/eða þrýstinginn. • Flashing (málmkragi) – Þá koma bólur á efnið, það gerist t.d. ef ventlar fyrir loftið

eða hrufur eru of stórar, þrýstingurinn er of mikill miðað við klemmukraftinn, eða bræðsluhitastigið er of hátt eða vitlaus stærð á móti.

• Sink marks and voids – sink marks er þegar ytra yfirborð plaststeypunnar storknar en samdráttur innra efnisins veldur því að yfirborðið fer undir tilætlað yfirborð. Voids er í grundvallaratriðum það sama nema að yfirborðsefnið heldur forminu en tómarúm myndast að innan. Þessa galla má koma í veg fyrir með því að auka pökkunarþrýstinginn í kjölfar sprautunnar, eða hanna hlutinn þ.a. hann hafi jafndreifða þykkt.

• Weld lines (Suðulínur) – Eiga sér stað þegar plastbráð flæðir í kringum kjarna eða eitthvað þannig í holrýminu. Svo þegar bráðin mætist úr sitthvorri áttinni (við að umlykja kjarnann) þá myndast þessar suðulínur. Betri ventlar, hærri sprautuþrýstingur og hærra bræðslumark vinna á þessum vanda.

13.6.6 Önnur sprautusteypunarferli (other injection molding processes) Froðusprautusteypuferli hitadeigra plastefna (thermoplastic foam injection molding) – Það samanstendur af þykku efni sem er létt í sér í miðju froðunnar. Það hefur háan stífnistuðul. Það er hægt að búa til svona ferli með því að láta gas í steypuna eða mixa gasefnum í duftið. Auðvelt að gera stóra hluti en aftur á móti er yfirborðið hrufótt og hlutirnir hafa holur. Nánari umfjöllun um froðuplast í grein 13.11. Multi-sprautusteypuferli – Mikil sprautun af mismunandi fjölliðun í steypumótin. Í samlokusteypun eru tveim mismunandi fjölliðum blandað saman. Sprautusteypunarferli fyrir hitaföst plastefni – Þar er hægt að fjarlægja hlutinn úr mótinu áður en hluturinn er alveg tilbúinn, hluturinn er svo hitaður aftur rétt eftir að hann er tekinn úr mótinu og þar harðnar hann endanlega. Dæmi um hitaföst plastefni sem eru notuð eru fenolplast(PF,CF), ómettaður polýestri(UP), malamín(malamines) og epoxý(EP). Reaction sprautusteypun (reaction injection molding – RIM) – Þá er tveim vökvum blandað saman og þeim sprautað strax in í holrýmið þar sem efnaviðbrögð leiða til storknunar, mynd 13.27. Fyrir stór holrými er RIM ódýrara en tilsvarandi mót fyrir venjulega sprautumótun. Kostir viðo RIM eru t.d. að lítil orka þarf í ferlið og lítill kostnaður við tæki og mót.

33


13.7 – Þrýsti- og flutningssteypur (compression and transfer molding)

Fjallað um tvær tegundir steypuaðferða sem eru mikið notaðar fyrir hitastinnar fjölliður og elastomers. Fyrir hitadeig efni þá eru þessar aðferðir ekki eins góðar og sprautusteypunin. 13.7.1 Þrýstisteypun (compression molding) Gömul aðferð sem er víða notuð enn þann dag í dag. Ferlið: (mynd 13.28) • Ákveðnu magni af dufti er komið fyrir í heitu mótinu. Efnið sem sett er í mótið getur

samt verið á hvaða formi sem er. • Því er svo þrýst saman af mótinu. Annað hvort af því neðra eða efra, sem sagt til tvær

tegundir af þrýstingi. • Hitað • Opnað og afsteypan tekin frá. Efnin eru vanalega forhituð áður en þau eru sett í mótin. Þetta mýkir fjölliðurnar og styttir framleiðslutímann. Mót fyrir þrýstisteypun eru vanalega einfaldari en fyrir sprautusteypun. Efni fyrir þrýstisteypun eru fenolplast, melamín o.fl. Kostir við þrýstisteypun eru: einfaldari mót, ódýrari og þurfa lítið viðhald. Ókostir við þrýstisteypun eru: lengri framleiðslutími en sprautusteypunin. 13.7.2 Flutningssteypun (transfer molding) Sjá mynd 13.29. Efni er komið fyrir í svokölluðum klefa þar sem það er hitað, því næst er kraftur settur á þetta og bráðin þrýstist í mótið eins og sést á mynd 13.29. Þetta er mjög svipað og þrýstisteypun þar sem sömu efni eru notuð (hitastinn fjölliðuefni og elastomers). Þetta er líka líkt innspýtingarferlinu þar. Flutningssteypun hefur tök á því að móta hluti sem eru flóknari en í þrýstisteypun en ekki eins flóknir og í sprautusteypun.

13.8 – Blástursteypun og Snúningssteypun (Blow molding and Rotational molding)

Báðar þessar aðferðir eru til þess að búa til hola saumalausa hluti úr hitadeigum plastefnum. Stærðin getur verið allt frá 5 ml plastflöskum í stór 38.000 L geymslubox. Blástursteypun (blow molding) er frekar notuð þegar um er að ræða fjöldaframleiðslu á litlum hlutum t.d. einnota geymsluílátum.

34


Hverfisteypun (rotational molding) er aftur á mótir frekar notuð þegar framleiða á stór hol form. 13.8.1 Blásturssteypun (Blow molding) Blástursteypun er aðferð þar sem loftþrýstingur er notaður til þess að þrýsta fjölliðubráð í holrúm móts. Þetta er mikilvæg vinnsluaðferð þegar búa á til hluti með þunna veggi, t.d. gosflöskur. Hún gerist í tveimur skrefum: • túbu úr plasti komið fyrir í móti • túban blásin út í endanlega lögun. Mynd 13.30 Þessi aðferð er framkvæmd á tvo mismunandi vegu. • Útdráttar-blástursteypun (extrusion blow molding) – oftast notað í

plastflöskuiðnaði. Við getum fundið hámarksþrýsting sem túpan þolir áður en hún springurþegar hún er belgd út með eftirfarandi jöfnu:

p = innri þrýstingur í túbunni D = þvermál túbu t = þykkt veggjar í túbunnar

Fleiri jöfnur tengdar þessari aðferð má finna á bls. 289. t

Pd2

=σ

• Sprautu-blástursteypun (injection blow molding) – meiri innspýting á lofti hér. Sjá mynd 13.32. Þetta ferli er hægara en útdráttar-blástursteypunin.

Efni: Blástursteypun er takmörkuð við hitadeig plastefni. Polyethylene(PE) algengasta, PP, PVC, PBT. Hlutir: Einnota ílát eru algengust. Einnig stórir geymslutankar, leikföng og litlir bátar. 13.8.2 Hverfisteypun (rotational molding) Hverfisteypun er fyrir stóra hola hluti. Þá er notast við þyngdarlögmálið til þess að fá hola hluti. Oftast notað fyrir hitadeig plastefni en hitaföst og elastomers eru sífellt að ryðja sér til rúms. Ferlið: Skoða mynd 13.34 • Efni er forhitað og sett í mót. • Mótið er hitað og því snúið eftir tveim hornréttum ásum, ekkert svo hratt þannig að

þyngdarkrafturinn er notaður en ekki miðflóttarkrafturinn. • Mótið er því næst kælt þegar það er ennþá að snúast þannig að plasthúðin storknar. • Mótið opnað og afsteypan tekin út. Hægt er að gera fá hluti án þess að það verði of dýrt. T.d. hægt að búa til sundlaugar, box, ruslatunnur, leikföng og útstillingargínur. Hráefni: polyethylene (PE) er vinsælast. Polyethylene er sem sagt algengasta hitadeiga efnið notað í plastframleiðslu.

35


13.9 – Hitamótun (thermoforming)

Hitamótun felst í því að hita og móta hitadeigar plastplötur. Þessi aðferð er mikið notuð til að búa til umbúðir utan um matvæli og annað og til að búa til stóra hluti eins og baðker og þakglugga. Hitamótun er skipt í tvö aðalskref, hitun og formun. Hitun – Plastplöturnar eru hitaðar með geislahiturum. Lengd hitunar fer eftir fjölliðugerð, þykkt plastplötu og lit hennar. Formun – skiptist í þrjá flokka:

• Lofttæmis hitamótun (vacuum thermoforming) – Notaður er undirþrýstingur, p < 1atm, til að draga forhitaðar plastplöturinn í mót. Götin í mótinu serm loftið er dregið út um eru ekki nema 0,8 mm svo þau hafa lítil áhrif á yfirborð plastsins. Skoða vel mynd 13.35.

• Þrýstings hitamótun (pressure thermoforming) – Forhitaðri plastplötu er þrýst inn í mót með yfirþrýstingi, þ.e. p > 1 atm. Venjulega er p = 3-4 atm. Skoða mynd 13.36.

• Vélræna hitamótun (mechanical thermoforming) – Í þessari aðferð eru jákvæðu og neikvæðu(sjá um neikvæð og jákvæð mót hér fyrir neðan) móti þrýst saman og forhituð plastplata höfð á milli (mynd 13.39). Kostirnir eru þeir að hægt er að stjórna bæði ytra og innra máli hlutar og yfirborði hans. Ókostur er að þurfa að nota tvö mót (dýrt).

Jákvæð og neikvæð mót – Bæði jákvæð og neikvæð mót eru notuð í hitamótun. Þegar jákvæð mót eru notuð er plastplatan dregin yfir mótið og undir- eða yfirþrýstingur notaður til þess að þrýsta plötu upp að móti (mynd 13.37) . Þegar neikvæð mót eru notuð er plastplötu haldið yfir móti og neikvæður eða jákvæður þrýstingur notaður til að þrýsta plötu að móti (mynd 13.36). Munur á jákvæðum og neikvæðum mótum er að ytra borð hlutar er nákvæmt þegar við erum með neikvætt mót en innra borð ef við notum jákvætt mót. Einnig þynnist plastið mismunandi eftir mótum, í jákvæðum mótum er plasatið nánast óþynnt við topp móts (því það kólnar og harðnar um leið og það kemur við kalt mótið) en þynnist mikið á hliðum, í neikvæðum mótum er þynning jafndreifðari því öll platan hefur teygst áður en einhver hluti hennar kemur við mótið.

13.10 – Steypun (casting)

Steypun felst í því að hella blautri plastkvoðu í mót og leyfa henni að harðna. Hægt er að steypa bæði hitadeig og hitastinn efni. Þegar hitastinnt plast er steypt er efnum sem mynda hitastinna plastið hellt í sitthvoru lagi í mótið og svo er efnunum leyft að blandast og mynda krossbönd. Stundum þarf að nota hita eða hvata til að efnin blandist saman. Athugið að blöndun efnanna má ekki vera það hröð að þau byrji að blandast áður en öll efnin eru komin í mótið.

36


Kostir steypunnar eru: • Mót eru einfaldara og ódýrara • Lítil spenna myndast í steyptum hlutum • Steyptir hlutir hafa lítið minni (viscoelastic memory) • Hentar vel þegar framleiða á fá stykki Ókostur : plastið dregst saman þegar það storknar Aðrar steypuaðferðir eru skeljasteypun og húðun.

13.11 – Fjölliðufroða, framleiðsla og mótun (Polymer foam processing and forming)

Fjölliðu-froða (polymer foam) - er blanda fjölliðu og gas. Algeng gös eru t.d. loft, nitur og koldíoxíð. Frauðplast er dæmu um fjölliðufroðu. Eiginleikar eru meðal annars lágur eðlismassi, hitaeinangrandi, hátt hlutfall styrkur/þyngd. Það fer eftir teygjanleika fjölliðunnar hverjir eiginleikar froðunnar verða. Fjölliðufroðum er skipt í þrjá flokka: • Teygjanlegar, fjölliðan er gúmmí • Sveigjanlegar, t.d. PVC • Stífar, fjölliðan er stíft hitafast plast Nokkrar aðferðir eru til að framleiða froðuna: • Kvoðan er hrærð í vél. • Efni (physical blowing agent, t.d. N2) er blandað í fjölliðubráð undir þrýstingi og

þegar þrýstingurinn minnkar verður efnið að gasi. • Efnum (chemical blowing agent) sem sundrast við háan hita og mynda gas er blandað

við fjöliðuna, þegar blandan er hituð myndast kvoða. Til eru tvær uppbyggingar froðu, froða með opnu holrými (open cell) og froða með lokuðu holrými (closed cell) Fjölliðufroða er mótuð á marga vegu. Tvær mikilvægustu froðurnar eru polystyrene og polyurethane svo aðeins er fjallað um mótun þeirra: Polysteyrene froða er mótuð með t.d. • Útpressun (extrusion) – chemical blowing agent er blandað í fjölliðu rétt áður en hún

kemur að dísu. • Samlokusteypun (kafli 13.6) • Útþennslu froðumótun (expandable foam moldin) – plastperlur sem hafa verið

dreyptar í chemical blowing agent er komið fyrir í móti og þær þenjast út og blandast saman þar og mynda hlut.

• Oft er froða einnig fyrst mótuð með blástursútdrætti (kafli 13.3) í plötur sem eru svo mótaðar ferkar með hitamótun (kafli 13.9)

37


Hlutir úr Polyuerthane froðu eru myndaðir í einu skrefi þegar innihaldi froðunnar er blandað saman og samstundis er froðunni komið fyrir í móti t.d. með • Úðun (spraying), froðunni er úðað í mót • Áhelling (pouring), froðunni er hellt í mót.

13.12 – Hönnunar hugleiðingar (Product design considerations)

Almennt: • Styrkur og stífni – plast er ekki eins sterkt og stíft og málmar og ekki ætti að nota

plast þar sem búist er við mikilli spennumyndun. Styrkur plasts er mjög mismunandi. Sum plöst hafa hátt hlutfall styrks og þyngdar og eru því sambærileg málmum í sumum aðstæðum.

• Höggþol – Flest plöst geta auðveldlega tekið upp högg og eru oft betir kostur en málmar.

• Hitastig – Plöst þola mun lægri hitastig en mámar og keramik • Hitaþennsla – Plast þennst mun meira út við hita en málmar. • Eyðing (degradation) – Margar gerðir plasts eyðast ef sólargeislar skína á það eða ef

það verður fyrir annars konar geislun. Sumt plast eyðist í súrefnis og óson andrúmslofti. Plast er einnig uppleysanlegt í mörgum gerðum af leysi. Aftur á móti þolir plast vel það sem venjulega tærir málma.

Í útpressun: • Veggþykkt – Best er að veggþykkt sé jöfn, ef hún er ekki jöfn verður flæði plasts

ójafnt og kólnun veður ójöfn sem veldur bognun. • Holir hlutir – Holrúm valda því að stenslahönnun og plastflæði verður flóknara.

Betra er að reyna að nota hluti sem eru ekki holir en gegna samt sem áður sama hlutverki.

• Horn – Alltaf ætti að forast skorp horn, bæði að innan og utan. Þau eru valdur að ójöfnu flæði og spennu í hlut.

Í mótun: • Hagstæður framleiðslusfjöldi – Allar tegundir þurfa sér mót og þau geta verið dýr.

Lágmarksframleiðslufjöldi er 10.000 stk fyrir sprautusteypun, 1000 stk fyrir þrýstisteypun og fyrir flutningssteypun er fjöldinn þar á milli.

• Flóknir hlutir – Þrátt fyrir að mót verðir dýrari þegar hlutir eru flóknir ef oft betra að framleiða flókna hluti ef sambærilegur hlutur fæst með því að setja saman marga minni.

• Veggþykkt – Þykkir veggir/hlutir eru oft óæskilegir, í þá fer mikið efni og oft vindst upp á þá þegar plastið dregst saman. Betra er að setja styrkarbita í hlutinn.

• Skörp horn – eru óæskileg. Þau trufla reglulegt flæði, við þau verða yfirborðsgallar og spennur myndast í hlutnum.

• Göt – Það er vel hægt að gera göt í steypun/mótun en mót verður flóknara og erfiðara er að losa hlutinn þeirra vegna. Göt trufla einnig flæði.

38


• Horn (draft) – Steyptur mótaður hlutur ætti að vera hannaður með draft (horn) svo auðveldlega sé að fjarlægja hann úr mótinu. Þetta er sérstaklega mikilvægt þegar notuð eru jákvæð mót því þá dregst plastið saman þegar það storknar og þrýstist utan um mótið.

Kafli 14 – Gúmmívinnslu aðferðir (Rubber-Processing technology)

Margar af framleiðsluaðferðum fyrir plast er hægt að nota á gúmmí. En gúmmívinnsluaðferðir eru öðruvísi á vissum sviðum og er því gúmmívinnsla aðskilinn plastvinnslu. Stærsti hluti gúmmíframleiðslu er framleiðsla á dekkjum.

14.1 – Gúmmívinnsla og mótun (Rubber processing and shaping)

Framleiðslu á gúmmíafurðum er hægt að skipta niður í tvö grunnskref: 1. Framleiðsla á gúmmíinu sjálfu 2. Framleiðsla á fullunnum gúmmíafurðum. Framleiðsla á gúmmí er mismunandi eftir þvi hvort að gúmmíið er náttúrulegt eða gervi. Náttúrulegt gúmmí (NR) er framleitt sem landbúnaðarafurð en gervi gúmmíer gert úr petroleum.Gúmmíframleiðslu má rekja allt aftur til ársins 1989. Fyrst var aðeins unnið úr náttúrulegu gúmmí en í dag er gervigúmmí ráðandi í framleiðslu. Aðferðir til að gera fullunna gúmmivöru eru eftirfarandi: • Efnablöndun (compounding) • Blöndun (mixing) • Mótun (shaping) • (vulcanizing) Framleiðsluaðferðir fyrir náttúrulegt gúmmí og gervi gúmmí eru nánast eins, munurinn er að önnur efni eru notuð til að framkvæma herslu. Vinnsla gúmmís skiptist í 4. stig. Náttúrulegt gúmmí er fengið úr gúmmítrjám þannig að n.k trjásafa (latex) er safnað saman og það sett í stóran tank. Latexið er þynnt að hálfu með vatni og eftir það er maura – eða ediksýru blandað saman. Eftir hálfan sólahring hefur efnasambandið storknað. Síðan taka við ýmsar aðferðir sem áhugasamir geta lesið um á bls 307.

14.1.2 Efnablöndun Aukaefnum er blandað út í gúmmið til að styrkja það eða lengja það og minnka þannig kostnað. Svart kolefni er mikilvægast eins og sjá má lit dekkja en það eykur mjög styrk gúmmísins(tensile strength). Einnig myndar svart kolefni vörn gegn útfjólubláum geislum og veitir góða vörn gegn tæringu. Öðrum efnum er þó líka blandað útí eins og

39


postulínsleir go er það einkum gert þegar hins svarta litar kolefnis er ekki óskað. Önnur íblöndunarefni eru t.d trefjagler.

14.1.3 Blöndun

Hér er styrktarefnum blandað saman við, við ákveðið hitastig. Gúmmíið getur orðið allt að 150°C heitt. Eftir þá blöndun er kælt. Eftir kælingu er hersluefnum blandað við. Tæki til blöndunar eru t.d tveggja rúllu hnoðari og innri blandarar Sjá mynd 14.1 bls 309. 14.1.3 Mótun og tengdar aðferðir Mótunar aðferðum fyrir gúmmí afurðir er skipt í 4 grunnflokka. • Úrdráttur (Extrusion) • Calendering • Húðun (Coating) • Mótun og afsteypun (Molding and Casting)

Úrdráttur Lesa um það í 13 kafla glósum.

Calendering Hér er hitastigið lægra en í plastframleiðslu til að koma í veg fyrir of fljóta herslu. Áhöld þurfa einnig að vera sterkari þar sem gúmmí er seigara heldur en plast og þar með erfiðara í mótun. Það getur verið erfitt að búa til þykkar gúmmíþynnur með úrdrætti eða calenderingu. Í úrdrætti er erfitt að stilla þykktina á gúmmíinu og í calenderingu komast loftbólur í efnið. Það er hægt að losna við þessi vandamál ef úrdráttur og calendering eru gerð samtímis í völsun.

Húðun Húðun efna með gúmmí er mikilvæg framleiðsluaðferð í gúmmíiðnnaðnum. Notað í færubönd, dekk og regnjakka. Höfum áður séð að calendering er ein af húðunaraðferðunum. Aðrar aðferðir eru t.d sprautun, dýfun og skiljun.

40


Mótun og afsteypun Til mótaðra hluta teljast t.d skósólar og skóhælar. Aðalmótunar aðferðirnar fyrir gúmmí eru • Þrýstimótun (Compression molding) • Færslumótun (Transfer molding) • Sprautumótun (injection molding) Þrýstimótun er mikilvægasta aðferðin vegna notkunar hennar í dekkjaframleiðslu. 14.1.5 Vúlkaneseríng (Vulcanization) Herslan í gúmmíinu fæst með vulcanization. Það sem gerist er að milli gúmmíkeðjanna myndast þverbönd. Dæmigert gúmmí hefur 1-2 þverbönd á hverjar 1000 einingar. Því fleiri þverbönd sem myndast því stífari verður gúmmíið og hefur meiri eiginleika harðgúmmís. Goodyear bílaframleiðandinn fann upp vulcanerseríngu. Í upphafi var hún þannig að 8 þyngdareiningum af brennisteini var blandað við 100 þyngdareiningar af hrágúmmí við 140°C hita í 5 klst. Í dag er Zinkoxíð (ZnO) og sýru (C18H3602 – steraric acid) blandað í skömmtum ásamt brennistein til styrkingar. Sú aðferð tekur 15-20 mín.

14.2 – Framleiðsla dekkja og annara gúmmíafurða (Manufacture of tires and other rubber products)

Dekk eru aðalframleiðsluvara gúmmíiðnaðarins, og eru ¾ af heildarframleiðslunni. Aðrar mikilvægar vörur eru skófatnaður og skósólar, slöngur, færibönd, höggpúðar, kvoðu gúmmívörur og íþróttavörur. 14.2.1 Dekk Dekk eru mikilvægur hluti faratækis. Dekk eru samsett úr fjölda hluta. Fólksbíladekk eru úr u.þ.b 50 hlutum en stærri dekk úr allt að 175 hlutum. Algengastar eru 3 gerðir dekkja. • Dekk með skáhöllum lögum (e.diagonal ply tire) • Dekk með skáhöllum lögum og styrktarbeltum (e. belted bias tire) • Radíal dekk (e. radial tire) Í öllum þessum dekkjum er innri gerð dekksins eða hjólbarðastofninn (e.carcass) úr mörgum lögum af gúmmíþöktum þráðum. Þræðirnir eru renningar af ýmsum efnum eins og t.d nylon, pólýester, trefjagler og stál sem auka styrk gúmmísins í hjólbarðastofninum. • Í dekkjum með skáhöllum lögum liggja þræðir laganna á ská og mynda svo 90°

horn við þræði næsta lags. Dæmigert dekk með skáhöllum lögum hefur 4 lög. • Dekk með skáhöllum lögum og styrktarbeltum er búið til eins og dekk með

skáhöllum lögum en svo er nokkrum beltum bætt við ytri jaðar hjólbarðastofnsins.

41


Þessi belti auka stífni dekksins við sólann (e. treads) og takmarka þenslu í radial stefnu þegar lofti er dælt í dekkið.

• Í radíal dekki liggja þræðir laganna radíalt í stað þess að vera á ská. Radial dekk hafa einnig belti við ytri jaðar hjólbarðastofnsins og eru sumum dekkjum eru þessi belti úr stálþráðum til að auka enn styrkinn. Radíal uppbygging eykur sveigjanleika veggjanna sem dregur þá úr álagi á beltinn og sólann. Þessu fylgir aukinn líftími sólans og þægileri aksturseiginleikar.

Í þessum gerðum dekkja er hjólabarðastofninn þakinn gegnheilu gúmmíi sem nær mestu þykkt á sólanum. Hjólbarðastofninn er einnig klæddur að innan með gúmmíhúð. Á slöngudekkjum er klæðningin þunn gúmmíhúð sem sett er á innsta lagið við framleiðslu þess en á slöngudekkjum þarf klæðningin að vera loftheld þar sem hún heldur loftþrýstingnum. Því er innri klæðningin vanalega lagskipt (e. laminated) gúmmí og þá yfirleitt 2 lög. Dekkjaframleiðslu má draga saman í 3 aðalskref. • Framleiðslu íhluta • Byggingu hjólbarðastofns og gúmmíborða til þess að mynda veggi og sóla. • Mótun og lögun hlutanna í eitt heilsteypt stykki Formótun hluta Hjólbarðastofninn samanstendur af fjölda hluta, flestir eru úr gúmmí eða styrktu gúmmí. Þessir hlutir sem og veggirnir og sólinn eru framleiddir i lengjum sem síðan eru skornar niður í rétta stærð og lögun fyrir samsetningu. Hlutirnir sem eru notaðir eru: • Styrktarvír: Stálvír gúmmíhúðaður og skorinn til og settur saman á endunum. • Lög: Nylon, trefjagler, stál ofl. Gúmmíhúðað og skorið í stærðir • Innri klæðning: Í slöngudekkjum er innri klæðningin sett á innsta lagið þegar það

er framleitt en í slöngulausum dekkjum er innri klæðningin þykkari og lagskipt (yfirleitt 2 lög)

• Sóli: Útdreginn sem samfelldur renningur og síðan skorinn í rétta stærð og lögun. • Veggir: Gert eins og sólinn Bygging hjólbarðastofnsins. Hjólbarðastofninn er settur saman á sérstakri tromlu sem er nokkurs konar sívalningslaga armur sem snýst. Forskornar ræmur sem mynda hjólbarðastofninn eru settar umhverfis arminn lag fyrir lag. Stálvírarnir skorða lögin af á endum tromlunnar. Þeir styrkja dekkið verulega þar sem það festist á felguna. Aðrir íhlutir svo sem fylliefni eru settir á tromluna til þess að gefa dekkinu styrk, hitaþol, og rétta stærð. Siðan er fjöldi viðeigandi fjölda laga skellt á tromluna og svo beltum þar ofan á. Siðan kemur ytra gúmmiið sem verður að veggjum og sóla. Á þessari stundu er munstrið ekki í sólann. Tromlan er þannig gerð að hún fellur saman þegar dekkið er tilbúið og það losað frá. Mótun og lögun Dekkjamót eru yfirleitt tvískipt og í þeim er einnig munstrið sem er pressað í dekkin.

42


Ómótað dekkið er sett yfir þynnu sem þenst út þegar mótið er pressað saman. Dekkið er svo hitað bæði að utan (með mótinu) og innan með þynnunni sem hituð er með gufu eða heitu vatni. Þynnan þenst út og þrýstir dekkinu að mótinu og munstrið myndast á sólann. Þetta tekur um 15 mín á venjulegu fólksbíladekki en getur tekið allt upp í nokkra klukkutíma á stórum vinnuvéladekkjum. Eftir mótun og lögun er dekkið svo kælt og tekið úr mótinu. 14.2.1 Aðrar Gúmmívörur Flestar aðrar gúmmívörur eru framleiddar með einfaldari aðferðum. Gúmmíbelti eru víða notuð í færibönd og reimar o.fl. Líkt og með dekkin er gúmmíið tilvalið efni í þessar vörur en beltinn verða þó að hafa lítinn sem engan teygjanleika til þess að virka rétt. Þess vegna eru þau styrkt með trefjum, yfirleitt úr pólýester eða nyloni. Efni úr þessum fjölliðum er yfirleitt húðuð með gúmmíi og sett saman til þess að fá þann fjölda af lögum og þann styrkleika sem óskað er eftir og síðan hituð til að herða gúmmíið. Gúmmíslöngur eru annaðhvort einfaldar eða styrktar. Einföld slanga er útdregið (e.extruded) rör en í styrkt slanga samanstendur af innra röri, síðan kemur styrktarefni sem er vafið utan um rörið og svo er ytra lagið dregið yfir og þrýst með völsun. Innrar rörið er úr gúmmíblöndu sem þolir efnið sem á að renna í slöngunni og ytra efnið er gert úr efnum sem eiga þola veðrunaráhrif. Skófatnaður Sólar, hælar, skóhlífar og fjöldinn allur af íhlutum í skó er framleiddur úr gúmmíi. Margs konar tegundir af gúmmíi eru notaðar til þess.Einnig er gúmmí notað í margs konar íþróttavörur t.d borðtennispaða og bolta.

14.3 – Það sem þarf að hafa í huga við hönnun (Product design considerations)

Margar af þeim reglum sem gilda yfir plast gilda einnig yfir gúmmí. Munurinn liggur í teigjanleika gúmmísins. Eftirfarandi viðmið gilda fyrir mjúkt gúmmí ekki hard. • Hagkvæmar framleiðslustærðir: Gúmmí hlutir sem eru gerðir í þrýstimótun geta

oft verið framleiddir í 1000 einingu eða minna. Þar er mótakostnaður lár miðað við aðrar aðferðir. Fyrir sprautumótun er mótakostnaður hár og þarf því að vera framleidd í miklum magni til að það borgi sig.

• Holur: Erfitt er að mynda holur í gúmmíhlut eftir að hann hefur verið gerður útaf teigjanleika gúmmísins.

• Skrúfgangur: Skrúfgangur er yfirleitt ekki settur á mótað gúmmíhluti

43


15.kafli - Mótunarferli fyrir fjölliðu samsetninga (Shaping Processes for polymer matrix composites)

Fjölliðu samsetningur (PMC, Polymer Matrix Composite) samanstendur af fjölliðu sem er styrkt með trefjum (fiber) eða ögnum (powder). Notkun þess er alltaf að aukast sér í lagi trefjastyrktar fjölliður (FRP, Fiber Reinforced Polimers). Vegna þess hve vinsælar þær eru er PMC oftast vísun í FRP. Hægt er að hanna mjög ákjósanleg efni m.t.t. hlutfalli styrks og þyngdar. Þau efni eru mjög vinsæl í flugvélar, bíla, báta og íþróttatæki. Sumar mótunaraðferðirnar sem lýst eru í þessum kafla eru mjög hægar og þarfnast mikils mannafla. Ástæðurnar fyrir því eru tvíþættar:

1. Samsetningar eru mjög flókin efni, eru oft samsett úr tveimur eða fleiri fösum. 2. Áherslan á að endurbæta tækni fyrir samsetninga hefur ekki verið jafnmikil og

fyrir önnur efni.

Mótunaraðferðir fyrir FRP eru mjög margar, og eru flokkaðar niður í 4 flokka til hægðarauka: 1. Aðferðir með opnum mótum (Open mold processes) 2. Aðferðir með lokuðum mótum (Closed mold processes) 3. Vindu styrkingar (Filament winding) 4. (Pultrusion Processes) 5. Aðrar aðferðir

15.1- Upphafsefni fyrir PMC Hráefnin í PMC eru fjölliða og styrktarfasi(efni). Þau eru framleidd í sitthvoru lagi áður en þau eru sameinuð í samsetning. Athugum nánar hvernig þau eru framleidd. 15.1.1-Fjölliður Allar helstu fjölliðurgerðir eru notaðar í samsetninga. Þær eru (thermoplastic), (thermoset,TS) og teygjuefni (elastomers). TS fjölliður eru þær algengustu (phenolics, ómettað polyester og epoxy). 15.1.2- Styktarefni Styrktarefnin geta verið allskonar í laginu, hvort sem það eru trefjar, agnir eða flögur, þau geta einnig verið úr allskonar efnum, s.s. keramiki, málmi, öðrum fjölliðum, eða frumefnum eins og kolefni og boron. Framleiðsla trefja: sjá töflu 15.1 Algengasta dæmi um trefjar sem við þekkjum er garn, og er handklæði t.d. dæmi um eina langa samfellda trefju. Trefjar í fjölliðu geta verið samfelld eða skorin niður í styttri búta.

44


Agnir og flögur: Lengd flagna og breidd er hlutfallslega meiri en þykkt þeirra. Annars er framleiðslu þeirra lýst í kafla 16. 15.1.3. Að sameina styrkingar og fjölliður. Blöndun styrkinganna fer annað hvort fram þegar verið er að móta fjölliðuna eða áður en það er gert. Dæmi um fyrra tilvikið er vindun og (pultrusion). Mótun samsetinga (Moulding Compounds): Aðferðin svipar mjög til þess þegar plast er mótað. Flestar mótunar samsetningar hafa ekki verið cured áður en mótunarferlið hefst. Þá er það gert eftir mótunina. (Sheet Molding Compound)(SMC): samsetning af TS fjölliðu (resin), uppfylliefni (fillers) og niðurskornum glertrefjum. Þeim er rúllað inn í síðu af ákv. þykkt = 6.5 mm. Algengasta fjölliðan(resin) er ómettað polyester, uppfylliefni (fillers) eru vanalega steinefna-agnir eins og talkúm, silica, limestone. Og glertrefjarnar eru vanalega 12-75 mm að lengs og eru u.þ.b. 30% af rúmmáli SMC. SMC er mjög hentugt til í að sker niður í hentugar stærðir þegar efnið storknar. SMC er vanalega framleitt á milli þunnra laga af polethylene til að koma í veg fyrir uppgufun (volatiles) frá (thermosetting resin). Sjá mynd 17.2. Bulk Molding Compound: Samanstendur af svipuðu innhaldi og SMC en fjölliðan er í (billet)-formi en ekki síðu-formi. Einnig eru trefjarnar styttri (2-12 mm). Þvermál billet-sins er frá 25-50 mm. Aðferðin er eins og hjá SMC nema að extrusion er notuð til að ná lokalögun. Prepregs: Samanstendur af trefjum sem eru fylltar með (að hluta til cured thermosetting resin) til að auðvelda lögunar-ferilinn. Cure-ið er síðan fullkomnað á meðan eða eftir lögunina. Prepregs eru á formi síðna eða rúllna. Trefjarnar í Prepregs eru samfelldar og því er efnið sterkara en þegar þær eru skornar niður í búta. 15.2 Opin mót- aðferðir Eiginleikar opinna móta eru helst þau að notuð eru jákvæð (eins og hjálmur), eða neikvæð mót (eins og skál) til að framleiða húðuð FRP-hluti. Byrjunarefnin eru látin í mótin í lögum, þar til ákveðinni þykkt er náð. Að því loknu er það cure-að og hluturinn tekinn úr mótinu. Vanaleg efni sem notuð eru í uppfylliefnið (resins) eru ómettað polyester og epoxy. Mótin eru vanalega mjög stór, t.d. notuð til að búa til báta. Kosturinn við að nota opin mót eru að þau er ódýr, mun ódýrari en ef notuð væru tvö mót á móti hvort öðru. Ókosturinn er að yfirborðið sem snertir ekki mótið er ekki tilbúinn, hann er hrjúfur og það þarf að vinna hann eftir á. Lýst verður nokkrum algengustu aðferðum í opnum mótum: 15.2.1 Handgerð lög (Hand Lay-up) Elsta aðferðin og sú sem kostar mestan mannafla. Þá er lögum af uppfyllifefni (resin) og styrkingum handvirkt raðað í lögum í mótið. Grunnaðferðin samanstendur úr fimm skrefum: 1. mótið er hreinsað og það húðað með efni sem gerir það auðveldara að losa úr

45


forminu, 2. þunnu gellagi er smurt inn í (resin), sem verður ytra borð hlutarins. 3. Þegar gellagið er þornað að mestu leyti er fleiri lögum af (resin) og trefjum bætt við, passa þarf að loftbólur setjist ekki á milli, 4. Hluturinn er hitaður og bakaður (cured). 5. Þegar hluturinn hefur harnað alveg er hann tekinn upp úr mótinu. Mótið getur verið úr hvaða efni sem er. Val á því fer eftir því hversu mörg stykki á að búa til. Þau eru góð til að búa til stóra hluti en sem eru ódýrir í framleiðslu eins og t.d. botnar í bát, sundlaugar. 15.2.2 Spray-up Tilraun til að minnka tímann sem tekur að láta lögin á sinn stað. Skrefin eru eins og í Hand-lay nema að nú hefur skref 3 breyst. Í staðinn er resin og niðurskornum trefjum spreyað í opið mót. Spreybyssan er þannig að útbúin að hún sker niður trefjabúta (25-75 mm á lengd) um leið og hún hleypir uppfylliefni (resin) út. Þetta veldur því að trefjarnar eru ójafnt dreifðar um lögin. Trefjarnar geta mest orðið 35% af samsetningnum. Hægt er að spreya handvirkt eða að fá automatíska vél til að gera það. Þetta efni er ekki eins sterkt og Hand-lay vegna þess að trefjarnar eru ekki jafnt dreifðar yfir allan flötinn. Notað í báta, baðkör, sturtubotna, bíla. 15.2.3 Automatískar lag vélar (Automatic Tape-laying Machines) Þetta er önnur leið til að útfæra skref 3. Þessar vélar virka þannig að þær fæða prepreg-lagi í gegnum sig á mótið automatiskt eftir forritaðri leið. Mest notað í flugvélabransanum. Minnkar mannafl mikið því þetta er næstum alsjálfvirkt. 15.2.4 Bag Molding Eru tvær mismunandi aðferðir það sem þrýstingi er beitt á óhitaðan (resin) í mótinu til að koma í veg fyrir holumyndanir vegna loftbólna. Þessar tvær aðferðir eru þrýstings-poka-mótun (pressure-bag molding) og lofttæmis-poka-mótun (vacuum-bag-molding). Í lofttæmisaðferðinni er sveigjanlegri plast-síðu komið fyrir ofan á hlutnum eftir hand-lay eða spray-up. Lokað er vel fyrir allar brúnir og loftið er sogað út til að þrýsta pokanum vel að hlutnum í hituninni (bökun). Þrýstingurinn í þessari aðferð nær aðeins 1 atm. En í þrýstings-poka mótun en poka blásið upp úr teygjanlegur efni inn í mótið á meðan bökun á sér stað. Hærri þrýstingur næst með þessu móti. Þessar aðferðir eru ákjósanlegar með hluti með flókna lögun. 15.2.5 Curing Er 4.skrefið. Í því fullkomnast tengslin milli trefjanna og fjölliðunnar, breytir fjölliðunni úr vökvaformi yfir í mjög plasktískt efni. Það eru 3 megin breytur í hituninni; tími, hiti og þrýstingur. Gerist vanalega við stofuhitastig fyrir TS í hand lay-up og spray-up aðferðum. Hiti er stundum hækkaður til að auka hraða storknunnar. Hitaaukning er fengin með nokkrum aðferðum, aðallega í ofni eða með innrauðri geislun.

46


15.3- Aðferðir með lokuð mót Þá eru mótin bæði með loki. Kostnaðurinn er meira en tvöfalt meiri, því það þarf flóknari útbúnað með þessari mótun. En kostirnir eru hinsvegar margir: það næst betra yfirborð, meiri framleiðsla á minni tíma, betri stjórnun á frávikum og möguleikar eru á flóknari þrívíðum hlutum. Við skiptum þessum aðferðum upp í 3 flokkar: 1. Þrýstimótun (compression molding), 2. Færslumótun (trandfer mlding og 3. Innspýtingarmótun ( Injection molding) 15.3.1. Þrýstimótun PMC Þá er straumi hleypt á neðra mótið og efri og neðri partur eru settir saman undir þrýstingi, sem veldur því að hleðslan tekur á sig lögun holsins sem myndast innan í mótinu. Mótin eru síðan hituð og þegar hluturinn hefur bakast er hann tekinn úr mótinu. Það eru til nokkrar mismunandi mótunaraðferðir fyrir PMC, mismunur þeirra liggur í upphafsefniniu. Streymi trefja og fjölliða á meðan ferlinu stendur er mikilvægur þáttur í PMC í FRP. SMC, TMC og BMC mótanir: Hægt er að skera þessi efni niður og nota í PMC. Það þarf yfirleitt að geyma þau efni í kæliskáp áður en á að nota þau. Áðurmótuð efni (Preformed molding): Þá er áðurlagaðri “mottu” af fjölliðu og trefjum komið fyrir í neðra mótið. Efninu er síðan þrýst á milli mótanna. Mótun teygjanlegs efnis (elastic reservoir molding): Þá er samloku (trefjar-fjölliðu-frauð-trefjar) komið fyrir í mótinu, þegar kjarninn fær á sig þrýsting losnar frá honum fjölliður sem dreifa sér í kringum trefjarnar. 15.3.2. Færslu mótun PMC aðferðir ( Transfer Molding Processes): Hefðbundinni færslumótun er lýst í 13.kafla. Önnur gerð af TMP fyrir PMC er kallað (resin transfer molding). RTM: Notað lokað mót þar sem motta (preform mat) er látin í neðra mótið, mótinu er lokað og (thermosetting rasin) (t.d. ployester resin) er færð inn í holuna (cavity) undir þrýstingi til að fylla (impregnate) holuna. Notað til að framleiða baðkör, sundlaugabotna, bekki og stóla. Svo eru til aðrar útgáfur af RTM, ss. advanced RTM og Thermal expanstion resin transfer molding. 15.3.3. Innspýtingar mótun PMC aðferðir (Injection Molding PMC Processes) Innspýtingar mótun er notuð í framleiðslu sem á að kost lítið, en framleiða mikið. Hefðbundin innspýtingar mótun (Concentional injection molding): Í PMC mótunarferli er innspýtingaraðferð notuð bæði fyrir TP og TS gerðir af FRP. Í TP er nánast alltaf

47


notaðar fjölliður sem eru styrktar með niðurskornum trefjum. Samsetningurinn er hitaður og þá spýtt inn í mót. Hinsvegar í ferli TS er fjölliðunum spýtt inn í hitað mót og þannig er það látið storkna. Styrkt andsvars innspýtingar mótun (Reinforced reaction injection molding): Sum (thermosets) storkna við efnahvarf frekar en hita. Í RIM er því tveimur efnum sem hvarfast blandað saman, og strax spýtt inn í mót þar sem efnablandan stroknar mjög fljótt vegna efnahvarfsins. Hægt er að blanda glertrefjum til frekari styrkingar. 15.3 Vindun (Filament Winding): Samfelldar trefjar með (resin) er undið upp á snúandi spólu sem hefur ytra yfirborð eins og innra yfirborð FRP á að verða. Uppfylliefni (resin) er hitað og spólan er fjarlægð, þar með verður til holur, samhverfur hlutur. Það eru nokkrar aðferðir við að koma trefjunum inn í fjölliðuna: 1. blaut vindun, þar sem (filament) er togað í gegnum blautar fjölliður rétt áður en vindun á sér stað. 2. Prepeg vindun: þá eru hálfstorknuð fjölliða látin inn í filamentið fyrir vindun, því síðan undið upp á heita spólu. 3. Postimpregnation: þá er filamentinu undið upp á spóluna og síðan er resini komið fyrir í því. Tveir mismunandi vinduaðferðir: helical og polar (sjá mynd.15.11). 15.5 (Pultrusion Processes) : Pultrusion: Þá er samfelldar trefjar dýft í fjölliðu og þá togaðar í gegnum vals sem mótar þær og þar storknar samsetningurinn. Þá er hann skorinn niður í búta. Algengar fjölliður sem eru notaðar í þetta eru polyester, epoxy og silicon. (Pulforming): Gerir kleift að breyta lengjum með sama þverskurðarflatamál í búta sem hafa mismunandi lögun og mismunandi þverskurðarflatarmál. Vinnsluferlið er eins og í Pultrusion nema í endann er lengjan fædd inn í mót, svokallaður (die shoe) sér um að pressa efninu inn í mótið. Þannig eru t.d. gormar fyrir bílaiðnaðinn búnir til. 15.6 Aðrar PMC mótunar aðferðir: Centrifugal Casting: Niðurskornum trefjum er blandað í fjölliðu í vökvafasa, samsetningurinn er þá látinn í sívalingslaga mót sem snýst. Miðflóttakraftur sér síðan um að dreifa honum um mótið. Tube Rolling: Þá eru prepeg síðum rúllað upp í stangir og þær hitaðar til að storkna. Continuous Laminating: Framleiddar eru trefjastyrktar plastplötur, með ídýfingum,völsun. Cutting Methods: Óstorknuð efni eru skorin með: hnífum, skærum, power shears, steel-rule blanking dies, laser-beam-cutting, water-jet cutting. Storknuð efni eru skorin með: cemented carbide cutting tools, high-speed steel saw blades, diamond cutting tools, water-jet cutting.

48


Kafli 16 - Duftmálmvinnsla (Powder Metallurgy)

Duftmálmvinnsla (PM) er málmvinnslu-tækni þar sem hlutirnir framleiddir úr málmdufti. Í hefðbundni PM duftmálmvinnsluferli er duftinu pressað saman í það form sem á að notast við og svo hitað til þess að efnisagnirnar festist saman í einn heilsteyptan massa. Pressunin fer fram í sérstakri pressunarvél þar sem notast er við sér mót fyrir hvern og einn hlut sem á að framleiða. Það sem gerir duftmálmvinnslu að mikilvægri viðurkenndri tækni:

• PM partar geta verið framleiddir í massavís með réttum málum eða nálægt réttum málum og þannig minnkað alla aukavinnslu á partinum.

• Lítið efni fer til spillis, u.þ.b. 97% af upphafsefni er notað. • Sumir málmar sem erfitt er að vinna með öðrum aðferðum er hægt að móta með

duftmálmvinnslu. • PM kemur best út í samanburði við aðrar mótunaraðferðir þegar kemur að

málvikum. Hægt er að móta með málvikum uppá +/- 0,13mm. • PM framleiðsluaðferðir er hægt að gera sjálfvirkar fyrir hagkvæma framleiðslu.

Takmarkanir og gallar sem fylgja PM ferlinu.

1. Dýr búnaður og verkfæri. 2. Málmduftið er dýrt. 3. Erfitt að flytja og geyma málmduftið. 4. Takmarkanir á geometríu (rúmmálslögun) hlutarins þar sem að málmduftið er

ekki fljótandi þegar það er pressað. 5. Mismunur á eðlismassa í gegnum allan hlutinn getur verið vandamál í PM,

sérstaklega í hlutum með flókna geometríu.

16.1 - Geometrísk einkenni (Geometric Features)

Lögun á sjálfum duftögnunum er hægt að skilgreina í eftirfarandi atriði.

1. Stærð duftagnar 2. Lögun og innri bygging 3. Yfirborðsflatarmál

Stærð duftagnar Þegar talað er um stærðina er átt við málin á hverri ögn fyrir sig. Ef ögnin er hringlaga er aðeins einnar mælingar krafist en fyrir önnur form þarf tvær eða fleiri mælingar. Kornin eru svo flokkuð með því að láta þau fara í gegnum net með mismunandi stóra möskva. Duftið er sett á net með ákveðið stóran möskva og það sem fer í gegn fer á net með minni möskva o.s.frv.

49


Lögun og innri bygging Lögun á málmduftinu má skipta í nokkra flokka og eru nokkrir þeirra sýndir á mynd 16.3. Yfirborðsflatarmál Ástæðan fyrir því að kornin eru höfð sem minnst er að þau samþjöppunin verður samfelldari og útkoman verður betri. Aðrir eiginleikar Núnings- og flæðieiginleikar Núningur á milli kornanna hefur áhrif á hæfni duftsins til að flæða auðveldlega og pakkast þétt. Algeng aðferð til að mæla núning á milli kornanna er “the angle of repose” sem er hornið sem myndast á hrúgunni þegar duftinu er hellt út um þröngt gat. Sjá mynd 16.4. Pökkun (Packing), eðlismassi (Density) og gljúpleiki (Porosity). Pökkunareiginleikar ráðast af tveimur eðlisþyndgarmælingum. Fyrst er það “sannur eðlismassi” (true density) sem er eðlismassi á rúmtaki efnisins. Sem yrði þá sá eðlismassi ef duftið yrði brætt í fastan massa. Svo er það “fyrirferðar eðlismassinn” (bulk density), sem eðlismassi duftsins í lausu formi eftir að búið er að hella því. Þá eru gloppur á milli kornanna sem gerir það að verkum að “bulk density” er lægri heldur en “true density”.

16.2 - Framleiðsla á málmdufti (Production of metallic powders)

Hægt er að búa til duft úr nánast hvaða málmi sem er. Það eru þrjár meginaðferðir til að búa duftið til og allar byggja á því að orka er notuð til að auka yfirborðsflatarmál málmsins. Aðferðirnar eru:

1. Úðun (Atomization) 2. Efnafræðileg smækkun (Chemical reduction) 3. Rafgreining (Electrolysis)

Úðun (Atomization) Bræddum málmi er úðað með annað hvort gasi (gas atomization) eða vatni (water atomization) útum stút með miklum hraða þannig að það myndast litlir dropar sem harðna og verða að dufti (sjá mynd 16.5). Vatnsúðunin er algengasta aðferðin og er sérstaklega notuð á málma með bræðslumark undir 1600°C. Kælingin er hröð sem veldur því að lögunin er óregluleg. Ókostur þess að nota vatn er að oxun á yfirborði kornanna. Efnafræðileg smækkun (Chemical reduction) Efnafræðilegum aðferðum er beitt til að búa til duft.

50


Rafgreining (Electrolysis) Rafgreining er notuð til að búa til duftið.

16.3 – Hefðbundin pressun og meðhöndlun (Conventional pressing and sintering)

Hefðbundið PM-ferli eftir að málmduftið hefur verið framleitt samanstendur af þremur skrefum.

1. Blöndun duftsins og blöndun mismunandi málmdufta. 2. Samþjöppun, þar sem duftinu er þjappað í það form sem óskað er. 3. Hitameðhöndlun (sintering) þar sem parturinn er hitaður uppað hitastigi undir

bræðslumarki sem veldur betri samloðun kornanna. Blöndun duftsins Til þess að ná viðunandi árangri í þjöppun og meðhöndlun verður duftið að vera einsleitt. Notast er við orðin Blending og Mixing í þessu samhengi. Þegar dufti af sömu málmgerð er blandað saman er það kallað “Blending” en með “Mixing” er átt við að dufti að mismunandi málmgerðum er blandað saman. Einn af kostum PM tækninnar er sá að hægt er að blanda saman málmum saman sem annars væri erfitt eða ómögulegt að gera. Blending og mixing er framkvæmt á ýmsa vegu (sjá mynd 16.8). Ekki er ráðlagt að hrista duftið saman því það veldur því að efnið skilst. Venjulega er öðrum efnum bætt í þegar blandað er:

1. Smurefni 2. Bindiefni

Samþjöppun (Compaction) Í þjöppunum er þrýstingur notaður til að forma duftið í það form sem óskað er. Og fer það fram í sérstökum þjöppunarvélum sem geta verið vélrænar eða vökvaknúnar eða blanda af báðum. Eftir þjöppunina er hluturinn kallaður “green compact” en það þýðir að hann er ekki fullunninn. Stærð pressa í PM framleiðslu er vanalega gefin í tonnum eða kN. Sá kraftur sem þarf er gefinn með jöfnunni: F = A*p F = sá kraftur sem þarf (N), A = flatarmál hlutar sem á að pressa (mm2) og p = samþjöppunarþrýstingur sem er gefinn fyrir viðkomandi málmduft (Mpa). Meðhöndlun (Sintering) Eftir pressun skortir hlutinn styrk og hörku en auðveldlega er hægt að mylja hann undir litlu álagi. “Sintering” er hitameðhöndlun sem er framkvæmd til að binda betur saman málmagnirnar og þar með auka styrkinn og hörkuna. Hitastigið sem notað er við þetta er venjulega 70-90% af bræðslumarki málmsins. Aukavinnsla (Secondary Operations) Ýmsar aðgerðir eru framkvæmdar á hlutnum til að bæta lögun og nákvæmni og auka eðlismassann. Þá er hluturinn oft pressaður aftur eða slegið í hann til að fá smáatriði fram

51


á yfirborðinu. Sumir partar þurfa líka eftirvinnslu í fræsi eða rennibekk eftir hitameðhöndlunina, þá aðallega til að setja gengjur, hliðargöt og þess háttar sem ekki er mögulegt í pressuninni Mettun og innsíun (Impregnation and infiltatrion) Með mettun er átt við þegar olía eða aðrir vökvar eru látnir síast í gegnum PM partinn. Sjálfsmyrjandi legur sem vanalega eru gerðar úr bronsi eða járni með 10-30% olíu af heildarrúmtakinu eru mikið notaðar í vélaiðnaði. Með innsíun er átt við þegar götin í PM partinum eru fyllt með bræddum málmi. Bræðslumark fyllimálmsins verður að vera lægra heldur en á málminum í partinum.

16.4 Annarskonar þjöppunar(pressing)- og glóðunar(sintering) tækni. Hefðbundna þjöppunar- og glóðunar keðja er notuð í duftmálmvinnslu( PM=powder metallurgy). Aðferðirnar í þessu ferli eru: 1) Annarskonar samþjöppunaraðferðir.(djöfull hljómar þetta asnalega) 2) Samanrekin samþjöppuð og glóðunaraðferð. 3) Annarskonar glóðunaraðferðir 16.4.1 Flotpressun (Isostatic Pressing, flotmörk eins og í burðarþolinu). Flotpressun (isostatic pressing) Málmduft er sett í teygjanlegt mót og krafti er beitt í allar áttir á mótið, krafturinn er fenginn með vökvaþjöppun, þessi þjöppunaraðferð skiptist í:

1) Kaldflotpressun (cold isostatic pressing, CIP). -Þjöppun við stofuhita -Mót stærra en áætlaður hlutur er notað. -Þjappað með vatns eða olíuþrýstingi. Mynd 16.14 bls 349. sýnir þetta ferli. -Þetta gefur ekki mikla nákvæmni á hlut.

2) Hitaflotpressun (hot isostatic pressing, HIP). -Er unnin með háhita- og háþrýstiaðferð, með loftegundum á borð við argon og helíum. -Mótið er gert úr hliðarmálm til að þola hitann. -Þetta er gert í einu skrefi. -Þetta er ógeðslega dýr aðferð -En hlutirnir úr aðferðinni eru með mjög mikinn eðlismassa og mjög sterkir. 16.4.2 Málmdufts innþjöppunarbræðsla (Powder Injection Molding). Innþjöppunarbræðsla er notuð í plastvinnslu. -Má nota í málmþjöppun og kermikduftþjöppun. -Til eru tvennskonar aðferðir MIM og PIM. -PIM er notað fyrir smáhluti bæði í plast og málma

52


-MIM notað meira í málma

A) Málmsprautunarbræðsla (Metal injection molding (MIM)) Ferlið er: 1) Málmduft blandað með bindiefnum 2) Kornóttar kúlur eru mótaðar úr gumsinu 3) Kúlurnar eru hitaðar í bræðslumark og bræðslunni sprautað í mót, kælt og mótið

tekið af. 4) Hluturinn er meðhöndlaður til að fjarlægja bindiefni með því að nota hita- og

uppleysiaðferðir. 5) Hluturinn er glóðaður. 6) Annars stigs aðferðir eru notaðar í framhaldi.

B) Duftsprautubræðsla(powder injection molding (PIM)) (meira notað en MIM). Notað í plastframleiðslu.

Fimm mismunandi bindiefni í PIM 1) Hér eru fjölliður(polymerar)(t.d koltrefjar) notuð í duftið til þess að skapa betri teygjanleika. 2) Hitaeinangrandi fjölliður eins og polyetelyn 3)vatn 4)gel, lípíð þ.e.a.s fituefni. 5) ólífræn efnasambönd

16.4.3. Samanþjöppun og meðhöndlun. Duftrúllun(Powder Rolling): Duft er er hellt í trekkt, þjappað úr enda trekktar, sett í ofn og hert þá er það kælt milli tveggja kefla og svo sett viðnáms ofn. Þ.e.a.s pressað í rúllubekk í plötur. Sýnt á mynd 16.15 bls 350) Duftþrýsting (Powder Extrusion) Sett í trekkt og hitað(þá þrýstist það eða tognar) sett í loftþétt hólf, hitað meira togað í hólfinu í plötur. Þetta er grunnaðferð í málmduftvinnslu(PM). Duftvinnsla (Powder Forging) Mjög mikilvægt ferli. Þá er búið að vinna hlutinn úr duftrúllun eða duftþrýtingu en þeir hafa þá verið settir í stærð hlutarins sem á að gera. Þetta hefur þá kosti að:

1) Þéttleikinn er betri 2) Lægri Verkfærakostnaður(tooling cost) og minni meðhöndlun. 3) Minna af efni fer til spillis

53


16.4.4 Sameinuð Pressun og meðhöndlun. Heit flotpressun (16.4.1) sameinar þjöppun og meðhöndlun í einu skrefi, hinar aðferðirnar sem sameina þessi skref eru heitpressun(hot pressing) og samglóðun(spark sintering). Heit Pressun. Uppsetning á þessari aðferð er lík duftmálmvinnslunni (PM) nema að hitað er þegar efnið pakkast saman. -Kostirnir eru þéttara, sterkara, harðara, og nákvæmara efni. -Ókostirnir eru tæknileg vandamál og er því ekki algeng aðferð -Mikilvægt að hafa í huga við þetta ferli: 1) Velja gott mótaefni sem þolir hitameðhöndlunina 2) Lengri Framleiðslutími 3)Gott loftræsikerfi við þetta, annars myndast kol Slóðunarmeðhöndlun -Tveggja skrefa vinnsla -Sameinar þjöppun og meðhöndlun -Fyrst er dufti pakkað í tening -Þá eru stimplar látnir pressa það saman úr tveimur áttum og rafmagni hleypt á -Þá verður til plata 16.4.5 Vökvafasameðhöndlun.(Liquid Phase Sintering) -Sama og 16.3.3 -Nema að þá er hlutur pressaður saman undir bræðslumarki -Það sem gerir þetta kleift er að það eru tvö melmi í duftinu og annað bráðnar.

16.5 Efni og Vörur fyrir Duftmálmvinnslu (PM)

Efni í þessi ferli eru mjög dýr vegna þess að það kostar gríðarlega orku að gera duft í vinnslurnar. 16.5.1 PM efni Grunnmálmduft(Elemental powders) t.d járnduft, ál og kopar þetta eru frumefnin í dufti eingöngu. Fjölmelmisduft (pre-alloyed powders). Það inniheldur tvo eða fleiri málma. Algengustu blöndurnar eru:

1) Járn með einhverju, oftast grafít 2) Ál 3) Kopar og melmi þess 4) Nikkel 5) Ryðfrítt stál

54


6) Hágæða stál 7) Tungsten,molybdenum,titan, og dýrir málmar

16.5.2 PM framleiðsla -Það þarf lítið að vinna hlut eftir svona framleiðslu -Það sem framleitt er úr PM aðferð eru -Tannhjól og skiptingar í gírkössum og drifum, rafleiðslur, festingar, rafmagnstengi, Skurðverkfæri og nákvæmir(fínir)vélapartar, -Drif eru sérstaklega hentug fyrir þessa framleiðslu. 1)Vegna nákvæmninnar í tvívíddinni(plötuvinnslan) 2)Svo er þetta líka ágætt fyrir þrívitt líka (well döö þessi heimska bók) 16.6 Hönnunarpælingar fyrir Málmduftsvinnslu.

16.6.1 Stöðlunarkerfi og það sem MPIF gerir Málmduftsiðnaðarsambandið(The Metal Powder Industries Federation (hljómar eins og illa þýdd Tinnabók) MPIF skilgreinir 4 flokka af pörtum til duftvinnslu. Það fer eftir hversu erfitt það reynist að pressa hlutinn. 16.6.2 Hönnunarleiðir fyrir PM hluta. MPIF kerfið ráðleggur að:

1) Nota PM fyrir fjöldaframleiðslu eingöngu þ.e.a.s. 10000 einingar eða fleiri. 2) Hægt að nota þetta í að vinna parta úr erfiðum málmum, t.d gull sem eyðist

auðveldlega ef ekki er blandað aukamelmum í(þessu var flett upp) 3) Þjappa alltaf ofaná en ekki til hliðanna á pressun 4) Gengjur er ekki hægt að gera á hlutum úr þessari aðferð 5) Horn og og innri radíusar( bogar inní efni) er auðvelt að hanna í hluti. 6) Minnsta þykkt er 1.5 mm

Við mælum með að skoða myndir í lok kaflans um skýringar á 16.6.2 á þykktinni og hornunum.

Kafli 18 – Undirstöðuatriði í mótun málma (Fundamentals of Metal Forming)

Í 18. kafla er fjallað um mótun og vinnslu málma. Plastísk formbreyting er notuð til að breyta lögun vinnsluhlutar. Við formbreytinguna er yfirleitt notað mót (die) sem hannað er sérstaklega fyrir vinnsluhlutinn, og málmurinn tekur þá form eftir mótinu. Í plastískri formbreytingu er spennan yfirleitt í formi samþjöppunar, en þó eru sum ferli sem fela í sér að spennan teygir á efninu. Eiginleikar málmsins skipta miklu máli fyrir formbreytinguna og því betri eiginleikum sem efnið er gætt, því betri og árangursríkari verður formbreytingin. Hitastig spilar einnig stórt hlutverk, til eru bæði heitmótun og kaldmótun, sem notaðar eru eftir því sem við á í hvert sinn.

55


18.1 – Yfirlit yfir mótun málma (Overview of metal forming)

Mótun málma skiptist í 2 flokka

1. Magn mótun (Bulk deformation process) a. Völsun (Rolling)

Formbreyting með samþjöppun, þar sem þykkt plötu er minnkuð með tveimur völsum sem snúast í gagnstæðar áttir þannig að platan dregst á milli valsanna og þykktin minnkar.

b. Þrýstimótun (Forging) Vinnsluhlutnum er þjappað saman af tveimur gagnstæðum mótum, þ.a. að mótin eru formuð eins og við á í hvert skipti. Hún er yfirleitt heitmótuð, en þó til margar gerðir af kaldþrýstimótun.

c. Útpressun (Extrusion) Samþjöppunarferli, þar sem málminum er ýtt í gegnum op á móti, þ.a. málmurinn formast af opinu og fær sama þvermál og opið.

d. Vírdráttur/ Stangardráttur (Drawing) Mjög líkt útpressun en hér er ekki samþjöppun í gangi heldur er hluturinn togaður út í gegnum gatið.

Í magn mótun er hlutfallið milli flatarmáls og rúmmáls tiltölulega lágt. Mynd 18.2 sýnir helstu aðferðir magnmótunnar.

2. Plötu mótun (Sheet metalworking process) Í Málmplötuvinnslu eru nokkrar nátengdar aðgerðir á málmplötum, brettum og

56


spólum. Hlutfallið milli flatarmáls og rúmmáls er frekar hátt. Í plötu mótun er notuð kaldmótun. Verkfærin sem notuð eru mót (die) og stimpill (punch).

a. V-Beyging (Bending) Platan er beygð og það myndast í hana e-ð ákveðið horn eftir mótinu. Stimpill er sleginn á plötuna og platan mótast. Venjulega í eitthvað fyrir fram ákveðið horn

b. Kúpbeyging (Drawing) Mjög svipuð og V-beyging nema hvað hér er plötunni haldið niðri báðu megin við stimpilinn og platan mótast kúpt. Svæðið sem stimpilinn verkar á tognar mjög mikið

c. Klipping (Shearing) Hún er frábrugðin hinum tveimur að því leyti að hér er platan skorin en ekki formuð. Með notkun stimpils og móts er platan skorin, þrátt fyrir að þetta sé ekki formbreytiaðferð þá er hún höfð með hér því hún er nauðsynleg og mikið notuð í málmplötuvinnslu.

18.2 – Hegðun efna við mótun (Materila behavior in metal forming)

Í þessum kafla er fjallað um hegðun efna við formbreytingu, því er hægt að lýsa með svokölluðum spennu-tognunar gröfum. Týpískt spennu-tognunar graf er oftast skipt í fjaðrandi svæði og plastískt svæði. Í því síðarnefnda má lýsa hegðun málmsins með flæðikúrfunni;

nK ∈⋅=σ

57


þar sem K er styrkleikastuðull, Mpa (lb/in.2) og n er tognunarherslu veldisvísir. Flæðikúrfan er almennt notuð þ.a. hún sýni sambandið sem skilgreinir hegðun málmsins í kaldmótun. Flæðisspenna (Flow Stress), flæðiskúrfan sýnir spennu-tognunar sambandið í því svæði þar sem formunin á sér stað. Það sýnir flæðisspennu málmsins. Flæðisspenna er skilgreind sem augnabliks gildi spennunnar sem þarf til áframhaldandi formun málmsins, til að halda málminum “flæðandi”, það er spenna málmsins sem fall af tognuninni, sem hægt er að sýna á þennan hátt;

nf KY ∈=

þar sem Yf= flæðisspenna, Mpa (lb/in.2). Meðal flæðisspenna (Average Flow Stress/ mean flow stess) er meðal gildi spennunnar yfir kúrfuna frá upphafi til enda. Þetta gildi, Ymeðal, má sjá á kúrfunni hér að neðan. Meðal flæðispennuna má finna með því að tegra flæðisspennu kúrfuna frá núlli og að loka tognunargildinu, þá fær maður jöfnu fyrir meðalflæðisspennuna;

nKY

n

alme+∈

=1

ð

þar sem Ymeðal = meðalflæðisspennan, Mpa (lb/in.2) og Є er hæsta tognunar gildið á meðan á formuninni stendur.

Mynd 18.4 Spennu-tognunar kúrfan sem sýnir meðalflæðispennu Ymeðal í sambandi við yield spennuna Y og loka flæðispennuna Yf.

18.3 – Hitastig við formun málma

(Temperature in metal forming) Fjallar um hitastig í málmformun, talað verður um kosti og galla tveggja megin vinnsluaðferða sem flokkaðar eru eftir hitastigi; kaldmótun annars vegar og heitmótun hins vegar. Flæðiskúrfan er notuð til að sýna hegðun málms á meðan á formbreytingu stendur, sér í lagi fyrir kaldmótun. Fyrir alla málma gildir að gildin á K og n fara eftir hitastigi.

58


Kaldmótun (Cold Working/Cold forming) Framkvæmd við stofuhita Kostir:

• Aukinn styrkur • Meiri nákvæmni • Betra yfirborð (sléttara) • Þarf ekki að eyða orku í að hita efnið, þá þyrfti auka búnað

Gallar: • Þarf meira afl • Minni teygjanleiki • Myndast yfirborðshúð sem þarf að hreinsa

Warm working hún er framkvæmd fyrir ofan stofuhita en samt við lægra hitastig en hot working Kostir fram yfir kaldmótun

o Minna afl og kraftur sem þarf o Flóknari form eru möguleg o Þörfin fyrir herðingu er lítil sem engin

Heitmótun, Hot Working/Hot forming fer fram í hitastigi fyrir ofan endurkristöllunar hitastig Kostir:

• Hægt að fá meiri formbreytingu • Minni kraftar og afl til að móta

Gallar: • Minni nákvæmni • Verra yfirborð (oxun á yfirborði)

18.4 – Tognunarnæmni (Strain rate sensitivity)

Í þessum kafla er fjallað um tognunarhraða. Tognunarhraði (strain rate) er skilgreindur sem hraði tognunar málmsins í formbreytingunni sem er í beinu hlutfalli við hraða formbreytingarinnar υ. Með gefnum hraða á formbreytingunni er tognunarhraðinn;

hv

∈=

þar sem Є er raun tognunarhraði s-1 og h er augnabliks þykkt hlutarins sem verið er að formbreyta, m. Ef formbreytingarhraðinn er fastur í aðgerðinni þá breytist tognunarhraðinn með h. Mesti tognunarhraði sem hægt er að ná er um 1000 s-1. Áhrif tognunarhraða á styrkleika eiginleika er kallað tognunarnæmni(strain-rate sensitivity). Þegar tognunarhraðinn eykst þá eykst viðnám formbreytingarinnar, þetta er oftast teiknað upp sem u.þ.b. bein lína á lóg-lóg grafi, sem leiðir til sambandsins;

mf CY ∈=

þar sem C er styrkleikastuðull, og m er tognunarnæmni (hallatala myndar 18.5b). C og m má svo sjá á mynd 18.5.

59


Þegar platan þynnist við völsun þá eykst Є. Mótstaðan fyrir formbreytingu eykst og takmarkar oft því hversu mikið er hægt að forma. Með auknum hita minnkar gildið á C og gildið á m hækkar.

18.5 – Núningur og smurning í formun málma

(Friction and lubrication in metal forming)

Núningur er óhjákvæmilegur í langflestum tilfellum þegar verið er að forma málma af eftir farandi ástæðum:

• Flæðið málmsins er heft, sökum t.d. galla í málminum. • Afl og kraftur til að framkvæma aðgerðina eru auknir • Slit á tækjum getur leitt til skekkju í mælinákvæmni, sem leiðir til gallaðra hluta.

Smurning er notuð til að koma í veg fyrir núning og varna því að of mikill hiti myndist.

Taflan sýnir hvernig kaldmótun, warmworking og heitmótun skiptast niður.

60


Kafli 19 – Efnismiklar mótunar aðferðir í málmvinnslu (Bulk deformation prosesses in metalworking)

Mótun málma felst í því að breyta lögun þeirra með flotbjögun. Mótunarferlar eru framkvæmdir með kald, volg og heitmótun. Kald -og volgmótun er viðeigandi þegar lögunin skiptir litlu og það er nauðsynlegt að bæta mekaníska eiginleika og yfirborðið á að verða gott. Heitmótun er notuð þegar þörf á mikilli formbreytingu, á stórum vinnuhlut.

19.1 – Völsun (Rolling)

19.1 Völsun (Rolling) er framkvæmd þannig að þykkt stykkis er minnkuð með samþjöppunarkröftum milli tveggja rúlla. Rúllurnar snúast þannig að stykkið dregst á milli þeirra er um leið og þrýst er á það. (Sjá mynd 19.1)

19.1.1 – Flöt völsun (Flat rolling and its analysis)

Felur í sér völsun á hlutum með hornrétt þversnið þar sem breiddin er meiri en þykktin. (Sjá mynd 19.3). Þykktin minnkar um magn sem kallast drag(draft):

fttd −= 0 Þar sem d = drag (mm) to = byrjunar þykkt (mm) og tf = loka þykkt í mm: Einnig er talað um minnkunina (reduction):

0tdr =

Þar sem r = minnkun. Völsun eykur oftast breidd hlutarins. Það kallast útbreiðsla(spreading). Varðveislu efnis er viðhaldið, svo að rúmmál efnisins eftir völsun er jafnt rúmmálinu sem á að valsa:

fff LwtLwt =000 Þar sem w0 og wf eru upphafs- og lokabreiddir hlutarins og L0 og Lf upphafs- og loka lengdir hlutarins (mm).

Á svipaðan hátt verða upphafs- og lokarúmmálshlutföll efnisflæðisins að vera þau sömu, svo hægt er finna samband milli upphafs- og lokahraðans:

fff vwtvwt =000 Þar sem v0 og vf eru upphafs- og lokahraðarnir (m/s).

61


Völsun er samfellt ferli og jöfn breyting er í hraða milli málms og vals því er hraði hlutar og vals í ákveðnum punkti sá sami og í honum er ekkert skrið. Framskrið(forward slip) fyrir punktinn er :

r

rt

vvvs −

=

Tognunin(true strain) sem hluturinn verður fyrir í völsun byggist á upphafs og loka þykktinni og er gefin með jöfnunni:

ftt0ln=ε

Frá tognuninni má svo finna meðal flæðispennuna(average flow stress)

nK n

f +=

1εσ

(sjá kafla 18 jafna 18.2) Hæsta mögulega drag er:

Rd 2max μ=

Þar sem μ=núningsstuðull og R=radíus rúllunnar. Núningsstuðull er háður smurningunni, efninu og hitastiginu. Í kaldvölsun er gildið um 0.1, í volgvölsun um 0.2, og í heitvölsun er μ um 0,4. Í heitvölsun geta fletirnir fest saman og getur þá núningstuðull orðið mjög mikill eða allt að 0,7. Völsunarkrafturinn(roll force) F sem þarf til að viðhalda bilinu milli valsanna er:

∫=L

pdLwF0

þar sem w er breidd efnis sem er valsað, p er völsunarþrýstingur og L er bil milli vals og efnis. Þetta heildi þarf að reikna í tveimur hlutum, þ.e. sitthvoru megin við skriðlausa punktinn.(sjá mynd 19,4)

19.1.2 – Mótunarvölsun (Shape rolling)

Í mótunarvöslun er hlutum breytt í ákveðin þversnið. T.d. I-laga og L-laga bita. Flestar þær grundvallarreglur sem gilda í flötu völsuninni eiga einnig við í mótunarvölsun..

19.1.3 – Þrep völsun (Rolling mills)

Ýmsar gerðir til. Hægt er að raða rúllunum upp á mismunandi vegu. (Sjá mynd 19.6)

62


19.2 – Önnur mótunarferli tengd völsun (Other deformation processes related to rolling)

Gengjuvölsun(Thread rolling) notuð til að búa til skrúfgang eða rákir (rendur) á sívalningslaga vinnslustykki með því að valsa þeim milli tveggja móta. Yfirleitt notuð kaldmótun. Notuð ákveðin mót sem ákvarða stærð og lögun rákanna. Til eru tvær tegundir af mótum: (1) Flöt mót, sem ganga hvort fram með öðru og (2) hringlaga mót, sem snúast þannig innbyrðis að verkið takist. Hægt að ná miklum vinnsluhraða allt upp í 8 hluti á sek fyrir litlar skrúfur og rær (mynd 19,7) Hringvölsun(Ring rolling) hring með þykka veggi er breytt í hring með þynnri veggi og stærri radíus. Þegar þykkveggja hringnum er þrýst saman lengist hann sem hefur í för með sér aukið þvermál. Yfirleitt gerð sem heit málmmótun fyrir stóra hringi en köld málmmótun fyrir minni hringi. Kostir hennar eru það þarf minna hráefni, og mikil styrking fæst með kaldmótun. (mynd 19,8) Gíravölsun(Gear rolling) kaldmótunarferli sem framleiðir vissa gíra. Bílaiðnaður notar þetta mikið. Uppsetnig gíravölsunar er svipuð og í þráðarvölsun. Kostir eru m.a. mikil framleiðni, meiri styrkur og minni sóun á efni. Röravölsun(Roll piercing) sérhæft heitmótunarferli til að gera heil þykkveggja rör. Notaðar eru tvær gagnstæðar rúllur. Rennivölur (mandrel) er notaður til að stjórna stærð og yfirborði holunnar sem myndast. (mynd 19,9)

19.3 – Þrýstimótun (Forging)

Hlut er þjappað milli tveggja móta, með þvi að nota högg eða vaxandi þrýsting. Þetta er elsta mótunaraðferðin. Mismunandi aðferðir við þjöppun. Ein aðferð til að flokka þær er hitastigið sem unnið er við. Flestar þrýstimótunar aðferðir eru framkvæmdar við volgþrýstimótun eða heitþrýstimótun. Ástæðan fyrir því er hin mikla formbreyting sem þarf að ná og þörfin til að minnka styrk og auka teygjanleika málmsins. Kaldþrýstimótun er þó einnig nokkuð algeng. Kostir hennar eru aukin styrkur sem er afleiðing tognunar hlutarins. Högg eða þrýstingur eru notuð til þess að þjappa. (mynd 19,10)

19.3.1 – Opin Þrýstimótun (Open-die forging)

Stykkið er þjappað milli tveggja flatra eða næstum flatra móta þannig að málmurinn getur flætt óhindrað. Minnkar þannig hæð stykkis og eykur þvermál. Greining opinnar þrýstimótunnar(analysis of open-die forging) Við staðalaðstæður, þar sem enginn núningur er á milli móta og málms, veldur þrýstingurinn einsleitri hæðar- og þvermálsbreytingu í öllu vinnslustykkinu svo tognunin í efninu verður

63


⎟⎠⎞

⎜⎝⎛=

hh0lnε

þar sem h0 er upphafleg hæð vinnslustykkis og h er loka hæð vinnslustykkis. Krafturinn sem þarf til þess að viðhalda þrýstingnum við hæð h er

AYF f= þar sem Yf er flæðispenna(flow stress) miðað við tognunina sem er skilgreind að ofan og A er þverskurðarflatarmál vinnslustykkis. Krafturinn nær hágildi við lok mótunarinnar, þegar þverskurðarflatarmálið verður stærst. Það sem framleitt er er einfalt. Ekki fæst nákvæm lögun. T.d. er ferköntuðum stöngum breytt í kringlóttar. Ákveðna verklagni þarf við þessa aðferð.(myndir 19,11 og 19,12) Þetta er samt sem áður bara við kjöraðstæður svo laga þarf kraftajöfnuna

AYKF ff=

þar sem

hDK f

μ4.01+=

þar sem μ er núningsstuðull, D er þvermál vinnslustykkis eða önnur stærð sem táknar lengd þess yfirborðs vinnslustykkisins sem er í snertingu við mótið og h er hæð vinnslustykkis.

19.3.2 – Lokuð Þrýstimótun með leif (Impression-die forging)

Við framkvæmd hennar eru notuð lokuð mót. Mótin eru sett saman úr fleiri en einni einingu og hafa andhverfa lögun hlutarins sem verið er að búa til. Þessa aðferð er hægt að nota til að fá út nánast hvaða þversnið sem er en þó er ekki hægt að móta jafn stóra hluti og gert er með opinni þrýstimótun. Þessi aðferð er ekki mjög nákvæm og nota verður rennibekk á eftir til að bæta nákvæmnina. Þetta er þó fljótlegra en að nota bara rennibekk. T.d. þarf minni málm. Dæmi um efni: ál og títan. Kraftajafnan er sú sama og í opinni mótun með aðeins öðruvísi túlkun

AYKF ff= þar sem F er mesti kraftur í ferli A er varpað þverskurðarflatarmál með því sem er kallað leif(flash) (sjá mynd 19,15)

19.3.2 – Þrýstimótun án leifar (Flashless forging)

Lokuð þrýstimótun án leifar er aðferð sem byggir á sama grundvelli og lokuð þrýstimótun með leif nema hvað engin leif myndast. Allt vinnslustykkið er innan mótsins eftir að formuninni er lokið og krefst lokuð þrýstimótun því mikillar nákvæmni. Ef of mikið af efni er notað við mótunina veldur þrýstingurinn frá efninu því að ekki er hægt að loka mótinu en ef hins vegar of lítið af efni er notað þá tekur hluturinn ekki á sig rétta

64


lögun. Hlutir sem framleiddir eru með þessari aðferð eru yfirleitt hafðir samhverfir og frekar einfaldir í laginu til þess að auðvelda vinnsluna. Sérstakt afbrigði af lokaðri þrýstimótun er myntsláttur.(mynd 19,18)

19.3.2 – Þrýstimót, hamrar og pressur (Forging dies, hammers and presses)

Tæki sem notuð eru í þrýstimótun eru hamrar, pressur og mót. Harmrar vinna með því að slá með þunga á vinnustykkið. Pressur beita vaxandi þrýstingi, frekar en skyndilegu höggi, til þess að framkvæma þrýstimótunina. Hæfileg hönnun á mótum er nauðsynleg til að ná settum árangri í þrýstimótun. Hlutir sem á að þrýstimóta þurfa að vera hannaðaðir m.t.t. þekkingar á lögmálum og takmörkunum þessa ferlis Mótunar hamrar(Foring hammers) verka þannig að högg er notað til þess að móta stykki, bæði eru til hamrar sem falla undan eigin þunga og hamrar sem eru keyrðir undir þrýstingi.(mynd 19,21) Mótunarpressur(Forging presses) mótun sem byggist á jöfnum þrýstingi eða álagspúlsum. Ef um jafnan þrýsting er að ræða eru notaðar pressur sem skila jöfnu álagi á meðan formunin fer fram og eru ýmist notaðar vökvapressur, aflpressur eða skrúfupressur. Þrýsti mót(Forging dies) mótin sem notuð eru miklu máli. Við opna þrýstimótun eru þau mjög einföld og ekki algengt að þau valdi neinum erfiðleikum í notkun. Hins vegar er mikilvægt að mótin sem notuð eru við lokaða þrýstimótun með og án leifar séu rétt hönnuð. Þessi mót eru höfð samsett, og þá yfirleitt tvískipt, til þess að hægt sé að koma vinnslustykkinu fyrir áður en mótunin hefst. Reynt er að forðast hvöss horn til þess að hefta ekki streymi málmsins um mótið auk þess sem hafður er smávegis halli á útlínum hlutarins í mótinu til þess að hægt sé að ná honum úr því eftir að vinnslu líkur. Í lokaðri þrýstimótun með leif er einnig gert ráð fyrir myndun leifarinnar með því að hafa smávegis rennu tengda holrúmi mótsins. Hlutir sem skipta máli þegar hugsað er til móta • Skiptilína (Parting line) Planið sem skiptir efra og neðra móti þ.e. þar sem þau

mætast eftir mótun. • Mótahorn (draft) Magn rúnunar á hornum í motum svo hægt sé að fjarlægja hlutinn

úr mótunum • Vængir og línur (Webs and ribs) Flatir þunnir hlutiar hornrétt á færslustefnu ekki

æskilegir. • Rúnanir og hornradíusar (Fillet and corner radii) Engir krappir radíusar. • Leif(flash) sjá ofar.

65


19.4 – Aðrar mótunaraðferðir tengdar þrýstimótun (Other deformation processes related to forging)

Ýmis önnur afbrigði af þrýstimótun eru til. Uppsetning og hausun(Upsetting and heading)Sem dæmi má nefna að hausar á bolta, skrúfur og nagla eru framleidd með þrýstimótun þar sem kraftinum er beitt lárétt en ekki lóðrétt. Mjór vír er lagður milli tveggja móta og þrýst með stimpli á endann hans til þess að auka þvermálið og móta hausinn. Vegna þess hve naglar, skrúfur og boltar eru mikið notuð er þessi tegun þrýstimótunar sú algengasta og er hún ýmist framkvæmd sem heit- eða kaldmótun.(mynd 19,23 og 19,24) Sveigju og geisla mótun(Swaging and radial forging) notuð til þess að minnka þvermál röra og gegnheilla sívalninga eða fá fram misbreitt þversnið. Þetta er hægt með því að nota annaðhvort mót sem snúast á meðan rörið fer í gegnum þau eða snúa rörinu á meðan það er mótað.(mynd 19,25 og 19,26) Valsaþrýstimótun(roll forging) hægt að fá fram mismunandi þversnið í bæði sívalningum og stöngum með því að nota valsaþrýstimótun.(mynd 19,27) Sporbaugsþrýstimótun(orbital forging) er þrýstimótun þar sem vinnslustykki er þrýst ofan í mót með keilulaga stimpli sem rúllar eftir yfirborði þess. Þar sem stimpillinn þrýstir ekki á nema hluta vinnslustykkisins í einu þarf mun minna afl til að framkvæma þessa gerð þrýstimótunar miðað við hefðbundnari aðferðir.(mynd 19,28) Þungamiðjumótun(Hubbing) Enn eitt afbrigði þrýstimótunar er notað til þess að framleiða mót fyrir bæði mótasteypu og plaststeypu. Í þessu ferli er hertu stáli þrýst ofan í mýkra stál eða annan mjúkan málm og þannig myndað mót. Herta stálið hefur form hlutsins sem steypa á. Töluvert afl þarf til þess að framkvæma þess formun og eru yfirleitt notaðar vökvapressur við vinnsluna. Oft þarf að nota fleiri skref í þessu vinnsluferli og mótin hituð að lokinni þrýstimótun til þess að losna við herslu. Síðast mætti nefna að hægt er að hreinsa leifina, sem myndast í lokaðri þrýstimótun með leif, af með nokkurs konar þrýstimótun ef mótunum er komið fyrir á réttan hátt.(mynd 19,29) Ísoþermísk og heitmóta þrýstimótun(Isothermal and hot die forging) Mótin eru hituð til þess að fá betra flæði í mótunarmálminn og minnka þannig vinnuna sem þarf að framkvæma, er frekar dýr aðferð og einkum notuð á málma sem er erfitt að móta s.s. títaníum. Snyrting(Trimming)notuð til þess að snyrta burt leif af áður mótuðum hlut venjulega gert meðan vinnslustykki er enn heitt.(mynd 10,30)

66


19.5 – Útpressun (Extrusion)

Útpressun er þrýstimótunaraðferð þar sem vinnsluefnið er fengið til að flæða gegnum mót til að fá e-ð ákv. þversnið. Þessu má líkja við tannkremstúpu. Útpressun má rekja allt aftur til aldamótanna 1800. Margir kostir eru við þessa framleiðslu: ýmis konar form má gera, sér í lagi með heit-útpressun en þversniðið verður þó að vera eins á öllu stykkinu; kornabygging og styrkur eru bætt með kald- og volg-útpressun; hægt er að fá nákvæm þversnið, sér í lagi með kald-útpressun; og í sumum útpressunaraðferðum er afgangsefni í lítið sem ekkert.

19.5.1 – Aðferðir útpressunar (Types of extrusion)

Útpressun er framkvæmd á marga vegu. Hægt er að flokka eftir uppsetningu vinnslutækja, í framútpressun og bakútpressun. Hins vegar er flokkað eftir hitastigi vinnsluefnis, í kald-, volg-, eða heit-útpressun. Að lokum er útpressun framkvæmd samfleytt eða skref fyrir skref. Bein og óbein eða Fram og bak-útpressun(Direct versus indirect extrusion) Framútpressun virkar eins og tannkremstúpa (sjá mynd 19.31). Málmhleif(work billet) er komið fyrir í pressu, í enda pressunnar er gat(die) sem er í ákv. formi, pressan er sett í gang og málmurinn spýtist út um gatið. Hægt er hafa margs konar form á gatinu og er fjöldi mismunandi forma eftir því. Mikill núningur er milli vinnsluhleifsins og veggja pressunnar. Hægt er að koma í veg fyrir þetta með því að hafa ýta á eilítið minni hleif en sjálfan vinnsluhleifinn. Þannig verður smárest eftir í pressunni sem er þá aðallega fyrrum yfirborð hleifsins og meðfylgjandi oxíðhúð. Hægt er að fá hol þversnið meðþví að láta trjónu ganga úr pressustimplinum og út í gegnum hleifinn (sjá mynd 19.32). Oftast er vinnsluhleifurinn sívalningslaga. Bakútpressun er frábrugðin f.ú. að því leyti að unni hlutinn flæðir í öfuga stefnu miðað við pressuna(sjá mynd 19.33). Að öðru leyti virkar allt eins nema að vegna þess að hleifurinn er fastur þá er enginn núningur milli veggja geymisins og hans sem gerir kleift að minnka þrýstikraftinn. Hins vegar eru takmörk sett á unna hlutinn vegna þess að hann flæðir mót sjálfri vélinni. Heit-, og kald-útpressun (Hot versus cold extrusion)Hægt er framkvæma útpressun bæði við háan hita og við stofuhita allt eftir því hvaða málm er verið að vinna eða eftir því hversu mikla afbjögun á að gera. Málmar sem eru oft heitútpressaðir eru ál, kopar, magnesíum, sink, tin og stál. Algengasti og meðfærilegasti málmurinn til að útpressa er án efa ál. Við heitútpressun er vinnslustykkið hitað áður en útpressun hefst. Þannig minnkar styrkur þess og hægt er að afbjaga efnið meira og auka vinnsluhraðann. Nauðsynlegt er að smyrja mótið með efnum sem þola hitann og er gler oft notað til þess. Kald- og volg-útpressun er oftast notuð til að búa til einstaka hluti frekar en hitt vegna þess hvað mikinn kraft þarf til verksins. Kostir við kaldmótun eru m.a. styrkáukning vegna kaldmótunar og meiri nákvæmni á unna hlutnum. Samfelld eða ósamfelld vinnsla(Continuous versus discrete processing)

67


Í samfelldri vinnslu er stórum hleif komið fyrir í pressunni og t.d. I-bitaformi dælt út úr endanum. Hægt er að fá hundruð metra úr einum hleif og er þá bunan klippt niður í e-r staðlaðar stærðir. Ósamfelld vinnsla er það þegar í hverri útpressunaraðgerð er einungis einn hlutur gerður, högg útdráttur er dæmi um ósamfellda vinnslu.

19.5.2 – Greining útpressunar (Analysis of extrusion)

Eðlilegt er að skilgreina grunnhugtök í sambandi við útpressun(sjá mynd 19,34). Ef gert er ráð fyrir að bæði hleifur og unni hluturinn séu kringlóttir þá er skilgreint útpressunarhlutfall

fx A

Ar 0=

þar sem A0 er upphaflegt þversniðsflatarmál og Af er lokaþversniðsflatarmál. Nota má rx til að meta rétta tognun ε, gefið að engin vinna tapist

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛==

fx A

Ar 0ln)ln(ε (*)

Með þessu má gera ráð fyrir að þrýstingurinn frá pressunni sé reiknaður svona )ln( xf rYp =

Þar sem Yf er meðal flæðisspenna við afbjögun. Til þæginda setjum við fram jöfnuna

)1( nKY

n

f +=

ε (**)

Í reynd er þetta ekki svona einfalt. Taka þarf tillit til núnings við veggi geymisins og núnings við op þegar framútpressun er skoðuð. Jafna Johnson tekur tillit til þessara þátta

)ln( xx rba +=ε þar sem a og b eru fastar háðir uppsetningu tækisins og móthorni. Algengt er að a = 0,8 og b = 1,2 – 1,5. Fastarnir a og b aukast með móthorni. Í bakútpressun gildir eftirfarandi jafna um þrýstinginn á pressunni

xfYp ε= þar sem Yf er reiknað út frá jöfnu (*) frekar en frá jöfnu (**). Í framútpressun gerir núningur við veggi ílátsins það að verkum að krafturinn sem þarf verður meiri en í bakútpressun. Sett er fram eftirfarandi jafna fyrir núningskraft í framútpressun í samræmi við (mynd 19,34)

LDpDp

cf

00

2πμ

π=

þar sem pf er krafturinn sem þarf til að yfirvinna núning, μ er núningsstuðull milli veggja og hleifs, pc er þrýstingur hleifs á veggi ílátsins og πD0L er snertiflötur hleifs og íláts. Hægri hliðin í jöfnunni er krafturinn milli hleifs og íláts og vinstri hliðin er aukalegi krafturinn til að yfirvinna núninginn. Í versta tilfelli festist hleifurinn við ílátið:

LDYLDp sc 00 ππμ =

68


þar sem Ys er hámarksskerspenna. Ef gert er ráð að Ys = Yf/2, þá fæst:

0

2D

LYp f

f =

Skv. þessu er þrýstingurinn

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛+=

0

2D

LYp xf ε

þar sem 2L/Do tekur mið af aukaþrýstingnum vegna núnings, L er lengd sem er eftir í ílátinu og Do er upphaflegt þversk.f.mál. Stimpilkraftur í bakútpressun er einfaldur

0pAF = Aflið er hins vegar

FvP = þar sem F er stimpilkraftur og v er hraði stimpils.

19.5.3 – Mót og pressur (Dies and presses)

Mikilvægar stærðir sem snúa að útpressunarmóti eru móthorn og form (sjá mynd 19.36). Ef móthornið er stórt þá vinnur efnið mjög gegn færslu stimpilsins og ef það er lítið þá myndast iður í málminum sem vinna einnig gegn stiplinum með auknum þrýstingi í ílátinu. Því er til kjörhorn sem er erfitt að meta án þess að gera mælingar, en hönnuðir treysta á innsæi og þumalputtareglur. Form móts skiptir líka miklu máli og eykst þrýstingur í íláti með flóknari formum. Skilgreindur er í þeim tilgangi svokallaður formstuðull

25.2)/(02.098.0 cxx CCK += þar sem Cx er lengd jaðars formsins og Cc er lengd jaðars hrings með sama þversk.f.mál. Þessi formstuðull er nýttur til að bæta áðurgreindar jöfnur. Þannig verður jafna fyrir þrýsting í bakútpressun

fxYKp = (14) og jafna fyrir framútpressun

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛+=

0

2D

LYKp xfx ε

Efnin sem notuð eru í mótin eru verkfæra- og efnabætt stál og karbíð af ýmsu tagi sem þola bæði mikinn hita og álag. Pressur er ýmist láréttar eða lóðréttar og yfirleitt vökvapressur. Höggpressur eru þó oftast mekanískar.

19.5.4 – Aðrar tegundir útpressunar (Other extrusion processes)

Höggútpressun(Impact extrusion) er framkvæmd við meiri hraða og með styttra útslag en við aðrar aðferðir og er yfirleitt framkvæmd við stofuhita. Hún er notuð til búa til einstaka hluti. Algengast er að höggútpressun sé framkvæmd afturábak. Hægt er að ná

69


mjög lítilli veggþykkt svona og eru t.d. rafhlöðuhulsur og tannkremstúpur gerðar á þennan hátt. (mynd 19,38) Vökvaþrýstingsútpressun(Hydrostatic extrusion) er framkvæmd þ.a. vökvi er látinn ýta á hleifinn úr öllum áttum og þannig er losnað við núningstap við veggi ílátsins. Vökvaþrýstingurinn eykur seigju vinnslumálmsins og er þannig hægt að vinna með stökkari málma en með hefðbundinni útpressun.(mynd 19,39)

19.5.5 – Gallar í útpressun (Defects in extruded products)

Vegna hinnar miklu afbjögunar sem felst í útpressun eru nokkrir gallar sem geta komið fram í útpressun. Miðsprungur geta komið fram vegna spennuaukningarinnar í miðju vinnsluefnisins. Vegna þess að um innbyrðis galla er erfitt að finna hvort um gallan sé að ræða en taka verður mið af þessum möguleika ef skila á góðri vöru. Pípumyndun kemur fram í framútpressun og er það þegar pípa myndast í enda unna hlutans. Hægt er að koma í veg fyrir þetta með því að nota gervihleif með eilítið minna þvermál sem stimpil. Yfirborðssprungur myndast þegar of mikill hiti er á hleifinum og ef útpressunarhraði er of mikill sem veldur of mikilli tognun. Einnig koma hér til núningur við ílát og yfirborðskæling.(mynd 19,49)

19.6 – Útdráttur (Wire and bar drawing)

Útdráttur felst í því að draga þykkt efni gegnum þynnra mót til þess að fá lengju af efni með ákveðnu þversniði, s.s. vír (sjá mynd 19.41). Meginhugsunin er eins og í útpressun nema að þar er efninu ýtt út um mót en í útdrætti er efnið togað gegnum mótið. Þó að um togspennur sé að ræða er þjöppun einnig stór þáttur því að verið er að mjókka efnið umtalsvert. Talað er um vír- og stangar-útdrátt til að gera greinarmun á líkum ferlum í plötuvinnslu. Munurinn þar á er að í stangarútdrætti er unnið með breið þversnið en í vírútdrætti með mjórri þversnið. Vírbreiddir niður í 0,03mm má fá með vírútdrætti. Þrátt fyrir að aðferðirnar séu í eðli sínu eins þá er talsverður munur á framkvæmd vír- og stangar-útdrætti. Stangarútdráttur er yfirleitt framkvæmdur á eitt stykki í einu. Vegna þess að vinnsluefnið er svo breitt er það oftast í formi beins sívalnings sem takmarkar hversu langan útdrátt er hægt að framkvæma. Þvert á móti er vír er dreginn af spólum sem geta haft hundruði metra af breiðari vír. Vírinn er þá dreginn í gegnum röð af mótum sem stigminnka þvermál upphaflega vírsins. Þetta er yfirleitt kallað samfelld vinnsla vegna hinnar gríðarlegu lengdar sem má fá af vír. Í útdrætti skiptir þversniðsbreyting, r, miklu máli og er skilgreind svo

0

)0(A

AAr f−

=

þar sem r er þversniðsflatarmáls minnkun í drætti A0 upphafsflatarmál og Af lokaflatarmál. r er oft gefið sem hlutfall í prósentum. Einnig er oft talað um mismun(draft) í þvermáli fyrir og eftir útdrátt sem er gefið með eftirfarandi formúlu:

70


fDDd −= 0 þar sem d er draft D0 upphafs þvermál og Df loka þvermál

19.6.1 – Greining útdráttar (Analysis of drawing)

Ef enginn núningur er í útdrætti og engin óþörf vinna er framkvæmd má meta tognun svona:

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛−

=⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛=

)1(1lnln 0

rAA

f

ε

Þar sem Ao, Aloka og r eru eins og áður. Spennan sem hlýst af þessari tognun er gefin með eftirfarandi jöfnu

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛==

fff A

AYY 0lnεσ

þar sem Yf = Kεn/(1+n) = meðalflæðisspenna miðað við tognunina ε í jöfnu 18. Þar eð núnings gætir og vinnsluefnið verður fyrir ójafnri afbjögun er raunveruleg spenna meiri en jafna 19 segir til um. Jafna Schey reynir að taka tillit til flestra þátta:

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛⎟⎠⎞

⎜⎝⎛ +=

ffd A

AY 0ln

tan1 φ

αμσ

þar sem σd er útdráttsspenna, μ er núningsstuðull milli efnis og móts, α er móthorn skilgreint eins og í útpressun og φ er stuðull sem tekur tillit til ójafnrar formbreytingar efnisins og skilgreindur á eftirfarandi hátt, fyrir kringlótt þversnið;

cLD12.088.0 +=φ

þar sem D er meðalþvermál vinnsluefnisins og Lc er snertilengd efnisins við mótið. Hægt er að meta D og Lc með eftirfarandi jöfnum;

2)( 0 fDD

D+

=

αsin2)( 0 f

c

DDL

−=

Tilsvarandi útdráttskraftur er þá gefin með eftirfarandi jöfnu:

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛⎟⎠⎞

⎜⎝⎛ +==

fffdf A

AYAAF 0ln

tan1 φ

αμσ

Aflið sem þarf er þessi útdráttarkraftur sinnum hraði efnisins sem kemur út um mótið. Hámarksminnkun(Maximum reduction per pass)Það gefur auga leið að ekki má spennan í mótinu verða meiri en flotspenna efnisins því annars tognar efnið plastískt og nýtt efni hættir að flæða gegnum mótið. Ef gert er ráð fyrir engum núningi og engri tapaðri vinnu er auðvelt að finna fræðilegt hámark minnkunar í einni atrennu, setjum Yf =Y þar sem Y er flotspenna:

71


Yr

YAA

YAA

Yff

f =⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛−

=⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛=⎟

⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛=

)1(1lnlnln 00σ (25)

þ.e. ln(1/(1-r)) = 1, sem gefur að Ao/Af = 1/(1-r) = e. Þá er hámarkstognun 0.1max =ε (26)

Mesta flatarmálshlutfall er þá

7183.20 == eAA

f

(27)

og mesta mögulega minnkun er

632.0)1(max =

−=

eer (28)

Þetta er fræðilegt hámark, miðað við engan núning og vinnutap, né heldur áhrif kaldmótunar á flotspennu. Í reynd er mesta mögulega minnkun sem næst í iðnaði á bilinu 0,3–0,5; 0,3 fyrir margskrefa vírútdrátt og 0,5 í ósamfelldum stangarútdrætti.

19.6.2 – Aðferðir útdráttar (Drawing practice)

Útdráttur er yfirleitt framkvæmdur sem kaldmótunaraðgerð. Algengast er að unnið er með kringlótt þversnið en einnig er unnið ferninga og önnur flóknari form. Vírútdráttur er mikilvæg framleiðsla í iðnaði og er mikið unnið úr útdregnum vír. Sem dæmi má nefna; rafmagnsvír, herðatré, innkaupakörfur og einnig nagla, skrúfur, hnoð, gorma o.m.fl. Kostir við útdrátt eru eftirfarandi; nákvæmni, góð yfirborðsáferð, bættir aflfræðilegir eiginleikar, auðvelt er að setja saman framleiðslulínur og mikill hraði, allt að 50m/s fyrir fínan vír. Útdrátts verkfæri(Drawing equipment)(mynd 19,42) Stangarútdráttur er framkvæmdur á dráttarbekk sem á er borð, mótahaldari, sleði og rekki. Sleðinn dregur efnið gegnum mótið og drifinn af glussadælu eða mótor. Mótahaldarinn getur haldið fleiri en einu móti til að hægt sé að vinna fleiri er eina stöng í einu. Vírútdráttur er framkvæmdur í samfelldum vinnslulínum þar sem raðir af síminnkandi mótum eru aðskildar með rúllum sem safna vír og senda í næsta mót. Hver rúlla er mótordrifin til að toga vírinn úr mótinu sem er á undan í vinnslulínunni. Á þennan hátt er hægt að fá hvað þykkt sem er með því að hafa passlega mörg þrep. Mótinu er skipt í fjóra parta; munn(entry), inntak(approach), mótsyfirborð(bearing surface) og endabil(back relief). Munnurinn er yfirleitt bjöllulaga og snertir ekki efnið og á einungis að bæta flæði smurefnis að mótinu. Í inntakinu hefst útdrátturinn. Það er keilulaga með halla 6 til 20 gráður. Hornið sem er valið fer eftir vinnsluefni. Lokaformun efnisins fer svo fram við mótsyfirborðið og þá er efnið fullunnið. Mótin eru úr verkfærastáli og/eða keramískum karbíðum, og jafnvel demöntum. Undirbúningur vinnsluefnisins(preparation of the work) felst í þrennu, bökun(annealing), hreinsun(cleaning) og yddingu(pointing). Efnið er bakað til þess að auka seigju svo að það leyfi bjögunina sem felst í útdrætti frekar. Efnið er hreinsað til að koma í veg fyrir að efnið og mótið skemmist. Oft er notað smurefni til að minnka núning milli efnis og móts. Efnið er líka yddað til þess að það smjúgi betur inn í mótið. Síðan bíta klossar á sleðanum í yddaða endann og byrja útdráttarferlið.

72


19.6.2 – Röra útdráttur (Tube drawing)

Hægt er beita útdrætti til þess að mjókka rör hvort sem er m.t.t. veggþykktar eða þvermáls. Ef minnka á þvermál rörs er einfaldlega togað í rörið alveg eins og um væri að ræða hverja aðra stöng. Vandamálið við þetta er að erfitt er að hafa nokkra stjórn á veggþykkt, þ.e. innra þvermáli. Lausnin á þessu er að setja tappa(mandrel) með ákveðnu þvermáli inn í mótið á meðan útdrætti stendur; Þessi tappi getur annars vegar verið fastur við tækið(fixed mandrel)(mynd 19,46a) sem framkvæmir útdráttinn en það takmarkar mjög lengd vinnsluefnisins. Hins vegar eru hafðir fljótandi tappar(floating plug)(mynd 19,46b) sem koma sér fyrir í eðlilega stöðu sem tryggir jafna veggþykkt. Þessi gerð tappa setur engin takmörk á lengd efnisins sem unnið er með.

73

Framleiðsluferli Hluti II, kaflar 20-29 vor 2005

Kafli 20 – Plötusmíði (Sheet metalworking)

Í 20. kafla er fjallað um plötusmíði sem felur í sér að teygja, beygja og skera frekar þunnar málmplötur. Þegar talað er um málmplötu er átt við að ein vídd er mun minni en hinar tvær. Til eru mismunandi gerðir málmplata, fer það eftir þykktinni. Tvær megingerðir eru:

• Blikk: 0.4mm < t < 6mm • Plötur: t > 6mm

Plötusmíði hefur gríðalegt þjóðfélagsgildi, af því að ýmiss konar hlutir eru úr plötum sem notaðar eru sem hráefni fyrir mismunandi framleiðslu, t.d. bílaiðnaðinn. Flestar aðgerðirnar eru framkvæmdar við stofuhita (kaldmótun), en helstu undantekningarnar eru þegar efnið er þykkt, stökkt eða formunin er mikil. Einkenni hluta sem eru plötusmíðaðir er: mikill styrkur, góð nákvæmni og góð yfirborðsáferð. Ókostur er að miklu efni er fleygt. Helstu gerðir plötusmíði eru: stönsun (cutting), beyging (bending) og “drawing”.

20.1 – Skurður (Cutting operations)

Skurður er framkvæmdur milli tveggja skarpra brúna. (Sjá mynd 20.1) Einkenni skorinnar plötu má sjá á mynd 20.2.

Mynd 20.2. Skurðarsár málmplötu.

20.1.1 – “ Shearing, blanking and punching”

Aðferðir við stönsun eru nokkrar, en meginlögmálin gilda: miða að betri nýtni og vinnsluhraða.

• Shearing: Gert til að skera stórar plötur í minni plötur fyrir áframhaldandi vinnslu. Tæki sem er notað: “power shears”.

• Stönsun (blanking): Sker plötu í einu skrefi og tekur þar með út plötu sem á að nýta.

• Punching: Líkt stönsun nema tekur burtu hlut úr plötu sem ekki á að vera Munur á stönsun og punching má sjá á mynd 20.4

20.1.2 Ýmislegt varðandi skurð Fríbil (clearance): Fríbil er bilið milli milli stimpils og móts (sjá mynd 20.1), það er venjulega um 4-8% af þykkt plötu. Ef bilið er of lítið fara brotalínur framhjá hvorri

2


annarri og valda hærri kröftum. Aftur á móti ef bili er of stórt fáum við stærri gráðu. Ef þörf er fyrir mjög beinar brúnir er bilið einungis 1% af þykkt plötunnar. Hægt er að meta fríbilið með eftirfarandi jöfnu:

c=a*t Þar sem c=fríbil, a=stuðull sem fer efir efninu (sjá töflu 20.1) og t=þykkt. Þvermál stans og móts fyrir “round blank” eru ákvarðaðir sem:

Blanking punch diameter = Db – 2c Blanking die diameter = Db

Og fyrir “round hole”:

Hole punch diameter = Dh Hole die diameter = Dh + 2c

Sjá betur á mynd 20.6 Til þess að stansaði hlutinn detti úr mótinu þarf að hafa halla á mótinu upp á 0,25° til 1,5°. Kraftar við skurð: Það er mikilvægt að þekkja skurðkraftinn þegar velja á stærð pressa. Hann er fundinn með jöfnunni:

F=StL Þar sem S= styrkur efnis (MPa), t= þykkt (mm) og L= lengd skurðbrúnar (mm). Ef S er ekki þekkt má nota jöfnuna:

F=0.7*TStL Þar sem TS=togþol efnis (MPa). Þessar jöfnur miðast við að allur skurðurinn meðfram L sé gerður á sama tíma, hægt er að minnka skurðkraft með því að hafa skurðfleti með halla.

20.1.3 – Aðrar skurðaðferðir

Fleiri aðferðir eru til en sömu lögmál gilda og fyrir hinar. Þær eru: “cutoff, parting, slotting, perforating, notching, trimming, shaving and fine blanking”. Þessar aðferðir má sjá á myndum 20.8, 20.9 og 20.10.

20.2 - Beygjuaðferðir (Bending operations)

Með teygju og beygju er átt við þegar platan er formuð í fyrirfram ákveðna lögun. Við beygingu verður þjöppun á innra plani beygjuássins og tognun á hinu planinu. Málmurinn verður fyrir plastískri formbreytingu svo að platan tekur form beygjunnar eftir að álaginu er sleppt af plötunni. Beygja veldur lítilli eða engri þykktarbreytingu á beygjusvæðinu.

Með beygju er átt við þegar málmurinn er beygður um beinan ás sem er þvert á lengd plötunnar.

3

Mynd 20.11a. Beygja málmplötu.


20.2.1 V-beygja og kant-beygja (V-Bending and Edge Bending)

V-beygja: Við V-beygju er notaður v-laga stimpill og mót. Það er hægt að hanna v-ið með mismikilli skerpu til að fá mismunandi lögun. V- beygjuvélar eru algengastar. Þær eru notaðar fyrir lítið framleiðslumagn og þetta er ódýr aðferð fyri lítið upplag. Beygjuhornið er ávallt innan á, ekki um neutral axis. Efnið gengur til baka að hluta vegna spennu í efninu sem er ígildi flotspennu, þannig að taka þarf tillit til þess.. Notuð er yfirbeygjun til að ná hönnunarhorni. (Sjá mynd 20.12a)

Mynd 20.12b. Kantbeygja

Kant-beygja: Það er ekki hægt að beygja plötur um meira en 90°horn í kantbeygju. Kant-beygja er flóknari og dýrari en V-beygja þar sem taka þarf tilit til þrýstipúðans og er því notuð í fjöldaframleiðslu. (Sjá mynd 20.12b)

20.2.2 Greining beygju

Mikilvægar stærðir í greiningu á beygju eru þykkt plötunnar (t), beygjuhornin A og A’ (sjá mynd 20.11), beygjuradíus R og breidd beygjunnar w.

Bend Allowance: Ef beygjuradíusinn er of lítill miðað við þykkt plötunnar þá á efnið til að strekkjast. Vandamálið er að meta lengd neutral-ássins áður en beygt er til að gera ráð fyrir tognun í beygða hlutanum. Þessi lengd kallast beygjuvikmörk (bend allowance) og hefur eftirfarandi jöfnu:

360)*(2 tKRABA ba+

= π

4


Þar sem BA = bend allowance (mm), A = beygjuhorn í gráðum; R = beygjuradíus (mm), t = þykkt plötu(mm) í mm; og Kba er stuðull til að meta tognun. Eftirfarandi hönnunarforsendur eru notaðar í iðnaði.

• Ef R<2t þá er Kba = 0,33 • Ef R>=2t þá er Kba = 0,50.

Gildi Kab gera ráð fyrir að tognun eigi sér eingöngu stað ef beygjuradíus er smár miðað við þykkt plötu. “Springback”: Þegar beygjuálagi er létt af plötunni er enn elastísk spenna í efninu svo að hún endar ekki í sama horni og mótið er stillt. Þetta kallast “springback” og hefur eftirfarandi jöfnu:

( )'

''

b

b

AAA

SB−

=

Þar sem SB = springback; A’ = hornið á málmplötunni eftir beygingu; og A’b = hornið á mótinu. (Sjá mynd 20.13) Samtaka því að hornið stækkar eykst líka beygjuradíusinn. Springback eykst með auknum fjaðurstuðli. Hægt er að gera ráð fyrir endurkasti með því að hafa aðeins minna horn á mótinu. Beygju kraftur: Krafturinn sem þarf fer eftir lögun stimpils, undirstöðu, þykkt, lengd og styrk plötu. Hámrkskraft er hægt að meta með jöfnunni:

DTSwtK

F bf2

=

Þar sem F = kraftur sem þarf til að framkvæma beygjuna (N); TS = togþol viðkomandi málms (MPa); w = lengd beygjulínu (mm); t = þykkt plötu (mm); D = breidd beygjustokks(sjá mynd 20.14) og Kbf er fasti sem tekur mið af mismunandi beygjuaðferðum; Kbf = 1,33 fyrir V-beygju og Kbf = 0,33 fyrir endabeygju.

20.2.3 – Aðrar beygjuaðferðir

Flanging: Þegar kanturinn er beygður í 90°horn, þetta er oft gert til að styrkja málminn. Hemming: Átt við að platan er beygð það mikið að hún snerti sig aftur. Þetta er gert til að koma í veg fyrir skarpar brúnir, til styrkingar og til að bæta útlit. Seaming: Svipað og hemming en þá eru tvær plöur fléttað saman. Curling: Þá er kanturinn beygður með mun ávalari áferð. Og fleiri.... (mynd 20.18)

a) Channel bending b) U-beygja c) Air bending d) Offset bending e) Bárubeygja f) Pípu myndun

5


20.3 – Útdráttur, efni dregið í form (Drawing)

Útdráttur er aðferð sem notuð er við formun á málmplötum til þess að fá út sívalningslaga, boxlaga eða aðra flókna hola hluti. Aðferðin er í grófum dráttum þannig að málmplötubút er komið fyrir yfir holrúmi, “die cavity” og síðan er hluta af plötunni kýlt ofan í holrúmið með nokkurs konar slaghamri eða stimpli. Þeim hluta af málmplötunni sem er í kringum holrúmið er oftast haldið við mótið með afli. Dæmi um hluti sem mótaðir eru með þessari aðferð eru áldósir, vaskar, skothylki, pottar og ýmsir bílahlutar. Margar mismunandi aðferðir eru við drátt, til dæmis þrepdráttur og hlutdráttur. Stimpillinn og mótið þurfa að hafa hornradíus, táknað með Rp og Rd. Ef stimpillinn og mótið hefðu skörp horn, Rp og Rd =0, færi stimpillinn í gegnum málminn og skurður ætti sér stað í stað útdráttar. Mikilvægt er að hafa rétta clearance, það er:

c= 1.1*t

Eða 10% stærri en þykkt plötunnar. Stimpillinn framkvæmir kraftinn F og þrýstipúðarnir halda plötunni með kraftinum Fh. Til að byrja með er platan bara beygð að mótinu en þegar á líður á sér stað rétting og dregst málmplatan ofan í mótið. Þegar að plötunni er þrýst niður í holrúmið verka á hana ýmsir kraftar og spennur. Þetta ferli má sjá á mynd 20.20.

Mynd 20.20. Útdráttur á málmi. Núningur og samþjöppun eru stórir þættir í þessu ferli. Þegar að platan er dregin lárétt að holrúminu þarf að yfirvinna núningskrafta. Fyrst kyrrstöðunúning og svo þann núning sem á sér stað þegar platan er á ferð. Stærð þessa núningskrafts ræðst af kraftinum Fh og svo yfiborðsáferð efnanna sem núast saman. Olía og önnur smurefni eru oftast notuð til þess að minnka áhrif þessara krafta.

6


Þegar að platan er dregin ofan í holrúmið þynnist jaðar plötunnar. Þar sem að rúmmál plötunnar helst óbreytt þá leitast hún við að þykkna nálægt holrúminu svo að efnið þjappast saman og veldur spennu. Þetta getur valdið því að bollinn krumpast og er ekki hægt að laga það eftir á. Ef vel heppnast getur þynning í veggjum bollans orðið allt að 25%, mest næst botninum.

20.3.2 - Greining á útdrætti Útdráttur á málmplötum hefur sínar takmarkanir. Þessi takmörk eru m.a. háð efniseiginleikum málmplötunnar, þykkt hennar, gerð mótsins, núnings og kraftsins sem þarf við útdráttinn. Ein af þeim aðferðum sem notuð er til þess að meta hvort hægt sé að draga málminn er líka útdráttar hlutfallið, DR. Það er skilgreint fyrir sívalningslaga hluti sem,

p

b

DDDR = (Sjá mynd 20.19)

Því hærra sem hlutfallið er því erfiðara verður að draga hlutinn, miðað er við að efri möguleg mörk á útdrætti séu með hlutfallið 2.0. Þetta er þó aðeins til viðmiðunar því eins og áður sagði er útdráttur háður ýmsum öðrum þáttum. Önnur aðferð til þessa að meta möguleika útdráttar er samdráttur plötunnar, r.

b

pb

DDDr −

=

Þetta er mjög svipuð viðmiðun og DR en efri mörk hlutfallsins eru um 0.5. Fleiri aðferðir eru notaðar til viðmiðunar eins og hlutfallið t/Db sem ætti að vera yfir 1% því annars er hætta á krumpum. Krafturinn á stimplinum skiptir miklu máli. Hægt er að áætla þennan kraft út frá gefnum forsendum,

( ) ⎟⎠⎞

⎜⎝⎛ −= 7.0

p

bp

DDTStDF π

Db: þvermál málmplötunnar (mm), Dp: þvermál stimpilsins (mm), t: þykkt málmplötunnar fyrir útdrátt (mm), TS: togþol málmsins (MPa). Fastinn 0.7 tekur mið af núningi. Þessi kraftur nær hámarki í útdrættinum þegar að stimpillinn hefur farið um 1/3 niður í holrúmið. Krafturinn sem heldur málmplötunni upp að mótinu er líka mikilvægur. Eins og fyrir kraftinn í stimplinum er til viðmiðunar jafna sem segir til um stærð kraftsins:

( ){ }22 22.20015.0 dpbh RtDDYF ++−= π

þar sem að Y er flotmörk málmsins (MPa) og Rd er brúnarradíusinn á mótinu (mm). Þessi kraftur er oftast um það vil 173 af F.

7


Ákvörðun á stærð málmplötunnar fyrir útdrátt er að sjálfsögðu mikilvæg. Auðveldast er að reikna út áætlað rúmmál hlutarins sem á að draga og miða svo við það þegar stærð plötunnar er valin. Rúmmálið helst óbreytt og því þarf einungis að taka tillit til þykkt plötunnar. Í flestum tilfellum er hægt að horfa fram hjá þynningu í veggjum sívalningsins.

20.3.3 – Aðrar útdráttaraðferðir Hér að undan hefur mest megnis verið fjallað um hinn hefðbundna sívalnings útdrátt, þ.e. þar sem holrúmið er með jafnt þvermál frá toppi til botns og með sléttan botn. Það eru þó til fjölmargar útfærslur á útdrætti sem notaðar eru til þess að mynda hin ýmsu form. Hér má nefna aðferðir eins og endurútdrátt, þar sem að hluturinn er dreginn oftar en einu sinni til þess að fá fjölbreytta lögun og öfugur útdráttur sem svipar til endurútdráttsins. Hægt er að draga hluti sem eru ekki sívalningslaga. Einnig er hægt að draga hluti án plötuhaldarans. Þá er holrúmið nokkurs konar keilulaga. Þykkt plötunnar þarf að vera meiri auk þess sem eftirfarandi skilyrðum verður að vera uppfyllt (til viðmiðunar):

tDD pb 5≤−

20.3.4 - Gallar í útdrætti

Mynd 20.24. Almennir gallar í drætti. Útdráttur er flóknari málmvinnsla en klippun og beygjun og því er meiri hætta á að eitthvað fari úrskeiðis. Nokkrir gallar eru algengir og má sjá þá á myndum a-e.

a) Krumpur í brúnum. b) Krumpur í veggjum c) Rifskemmdir d) Ósamfellur vegna anisotropisks efnis. e) Skrámur (yfirborðsrispur), myndast ef að stimpill og/eða mótið er ekki nógu

slétt eða ef smurning er ekki næg

20.4 Aðrar málmplötu aðgerðir

Hægt er að skipta þessum aðferðum í tvo megin flokka. Aðferðir þar sem málmverkfæri eru notuð og aðferðir þar sem gúmmíverkfæri eru notuð.

8


Aðgerðir framkvæmdar með málmverkfærum eru: • Ironing í djúpum útdrætti. Þá er stykki komið fyrir neðar til að gera

þvermál stykkisins enn minna. Ironing gerir veggþykkt jafnari sem gerir það að verkum að efniseginleikarnir verða betri. (Sjá mynd 20.25)

• Coining and embossing: Coining er til að fá ákveðinn hluta í plötunni upphleiftann. Embossing (sjá mynd 20.26) er svipað og coining nema hvað coining fer ekki í gegnum stykkið.

• Lancing er þegar skurður og beygja eru framkvæmd á stykkinu. (sjá mynd 20.27).

• Twisting er þegar stykkið verður fyrir snúningskrafti í stað beygjukrafts. Þessi aðgerð er til að gera snúning í blöð, dæmi vifta.

Aðgerðir framkvæmdar af gúmmiverkfærum eru:

• Í Guerin Process aðferðinni er notaður þykkur gúmmi klumpur til að móta málmplötuna. Þessa aðgerð er einungis hægt að framkvæma á þunnar plötur þar sem þrýstingurinn sem myndast er ekki nógur til að koma í veg fyrir hrukku ef þykkar plötur eru notaðar. Helsti kostur þessarar aðferðar er lágur tækjakostnaður. Sami gúmmi klumpurinn getur verið notaður með mismunandi mótum til að mynda mismunandi form á plötunni. (sjá mynd 20.28)

• Vatnsþrýstiformun (Hydroforming) er svipað og Guerin process. Í stað gúmmí klumps er himnu komið fyrir neðarlega í stimplinum sem er fyllt með vökva. En þetta gerir það að verkum að við getum beitt meiri þrýstingi til að koma í veg fyrir hrukkur. Það er hægt að ná dýpri útdrætti með þessari aðferð en venjulegri, þar sem þrýstingurinn er jafnari eftir öllu stykkinu. (Sjá mynd 20.29)

20.5 - Mót og pressur fyrir málmplötu aðgerðir (Dies and presses for sheet metal processes)

Hér verður farið þau tæki og tól sem þarf við málmplötu formun.

20.5.1 - Mót Nær allar fyrr nefndu aðferðir notast við venjuleg stimpil-mót verkfæri. Mótið er hannað fyrir hvern hlut sem á að framleiða. Orðið stimpilmót er oftast notað um mót sem eru búin til fjöldaframleiðslu. Algengt stimpilmót má sjá á mynd 20.30. Það samanstendur af stimpli og móti sem framkvæma aðgerðina. Stimpillinn er festur í efri skó en mótið í neðri skó eða haldið. Á mótinu eru líka pinnaleiðarar sem tryggja það að stimpillinn falli rétt ofan í holrúmið. Efri skórinn er festur við pressuna en neðri við grunn pressunar. Ef mótið er notað til þess að klippa búta úr plötu er hafður nokkurs konar losari, en hann losar bútinn af stimplinum. Einnig er hafður svokallaður stoppari sem stillir plötuna af ef um fjöldaframleiðslu er að ræða. Mótið sem hér var rætt um kallast einfalt mót en til eru samblönduð mót, samtvinnuð mót o.f.l :“Simple die” framkvæmir eitt verk í hverju slagi. “Compound die” framkvæmir tvö verk á einni stöð. “Combination die” framkvæmir tvö verk á tveimur mismunandi stöðum í mótinu. “Progressive die” framkvæmir tvö eða fleiri verk á plötu á tveimur eða fleiri stöðvum í hverju slagi (sjá mynd 20.31).

9


20.5.2 - Pressur Pressur sem notaðar eru við málmvinnslu saman standa af undirstöðum og einnig pressu eða þjöppu sem hægt er að keyra að og frá undirstöðum. Hefðbundna pressu má sjá á mynd 20.32. Rammi eða umgjörð heldur pressunni saman við undirstöðuna. Pressan er keyrð með vél- eða þrýstibúnaði. Kraftur pressunar ræðst af uppbyggingu rammans, og pressunni. Stærð og umfang pressunar er oftast í réttu hlutfalli við kraft hennar. En afköst pressunar getur verið veigamikill þáttur og þar gildir oftast að því minni sem pressan er því meiri eru afköstin. Hægt er að flokka pressurnar eftir því hvernig ramminn og umgjörðin eru uppbyggð:

• Gap pressur (Gap frame presses): Líta einfaldlega út eins og bókstafurinn c og eru því oft kallaðar c-pressur. Í gap pressum er gott aðgengi að mótinu og venjulega er op að aftan sem auðveldar aðgengi að úrklippum o.f.l. Þær eru til í ýmsum útfærslum svo sem gap pressur með stillanlegum undirstöðum, opnanlegar, með pressubremsum og patrónu pressum. Þessar pressur ráða yfir krafti allt frá nokkur hundruð kílóum upp í mörg hundruð tonn.

• Einhliða pressur (Straight frame presses): Eru að öllu jöfnu mjög sterkar. Ramminn utan um pressuna er box laga sem eykur styrk og stöðuleika hennar. Einhliða pressur geta náð allt að 4000 tonna þrýsting. Gap pressa

20.6 – Málmplötuvinssla án pressu Ýmsar aðferðir eru til við málmplötuvinnslu sem notast ekki við pressu. Hér skulu þær helstu nefndar.

20.6.1 - Teygju formun (Stretch forming) Hér er einfaldlega teygt á málmplötunni um leið og hún er beygð yfir form. Togkrafturinn er látinn ná flotmörkum málmsins og hann látinn fljóta. Plastísk formbreyting á sér stað bæði við tognunina og beyginguna og því eru lítið um fjöðrun. Áætlaður kraftur sem þarf við þessa formun fæst með þessari jöfnu:

fLtYF = þar sem að F = togkraftur, L = lengd plötunnar þvert á formið, t = instantaneous stock thickness og Y er flotmörk málmsins. (Sjá mynd 20.39)

20.6.2 - Renni beyging og renni formun (Roll bending and roll forming) Með þessari aðferð er málmplötum rennt í gegnum nokkur rennihjól sem beygja plötuna á ýmsa vegu. Í renni formum eru notuð formuð rennihjól sem forma málminn um leið og hann rennur í gegnum þau. Með þessu er hægt að fá ýmiskonar form og beygja þau svo með renni beygingu. (Sjá myndir 20.40 og 20.41)

10


20.6.3 - Snúningsformun (Spinning) Það er aðferð þar sem að áslægur hlutur er mótaður utan um form sem snýst. Málmplötunni, sem í upphafi er þvert á snúningsás mótsins, er þrýst með lítið dreifðum krafti upp að snúningsmótinu. Hlutir sem eru formaðir með þessari aðferð eru t.d. bollar, keilur, rör og aðrir sívalningslaga hlutir. Það má skipta snúningsformunar aðferðunum upp í þrjá flokka: hefðbundna, shear og rör snúningsformun.

• Hefðbundin snúningsaðferð (conventional spinning). Málminum er þrýst upp að mótinu í nokkrum skrefum og er annað hvort maður eða vél sem stjórna þessu. Með því að láta vélbúnað gera þetta er hægt að fá aukinn kraft og meiri nákvæmni. Þykkt málmsins sem umlykur formið á endanum er nánast það sama og þykkt upphaflegu plötunnar.

• Shear snúningsaðferð (shear spinning). Hún er svipuð og hefðbundna aðferðin nema að þykkt málmsins sem umlykkur formið þynnist út. Það má gróflega reikna út þykkt veggjarins fyrirfram þar sem að t er þykkt plötunnar fyrir tf eftir og α er hallinn á forminu:

αsintt f = Minnkunin á þykktinni er því:

ttt

r f−=

• Rör snúningsaðferð (tupe spinning) er eins og nafnið gefur til kynna notuð til

þess að framleiða rör. Þá er málmplata í raun flött út yfir sívalning sem snýst. Sívalnings formið hefur sömu lögun og innri gerð rörsins.

•

20.6.4 - Háorku formun (High-Energy-Rate-Forming) Nokkrar formunar aðferðir hafa verið þróaðar sem notast við mikla orku á stuttum tíma, eða svokallaðar HERF (high-energy-rate forming) aðferðir.

• Ein slík er sprengjuformun (explosive forming). Málmplötu er komið fyrir yfir mótuðu holrúmi og hún fest. Í holrúminu er myndað vakúm og vakúmleiðsla liggur frá mótinu. Platan er svo látin mynda botn á stórum vatnstanki og sprengiefni er komið fyrir í vatninu, nokkuð fyrir ofan plötuna. Svo er sprengjan sprengd og höggbylgjur frá henni sjá um að móta plötuna að holrúminu. Þetta gerist mjög snöggt. Hægt að forma mjög stóra hluti með þessari aðferð.

• Önnur svipuð aðferð er rafþrýstiformunformun (electrohydraulic forming) en hún notast við rafskaut í stað sprengju. Stórir þéttar eru látnir hlaðast upp og síðan er spennunni hleypt snögglega af. Mun minni orka er fáanleg með þessari aðferð og því takmarkast hún við formun minni hluta.

• Rafsegulformun (electromagnetic forming) er aðferð þar sem að spólu er komið fyrir inn í hlut, t.d. röri. Utan um rörið er svo mót með einhverjum holrúmum. Þegar straum er hleypt á spóluna í rétta átt myndast segulsvið sem þrýstir málminum frá sér og hann aðlagast mótinu. Þetta er mest notaða HERF aðferðin.

11


20.7 – Beygjun röra (Bending of tube stock)

Beyging röra er mun erfiðari en beygin plata þar sem rörið á það til að falla saman. Oftast er sett sveigjanlegt efni inn í rörin fyrir beygingu til að styðja veggina meðan á aðgerð stendur. Í beygingu verður veggurinn fyrir miklu álagi hann þrýstist saman á sumum stöðum og teygjsis á öðrum. Þetta gerir það að verkum að veggirnir eiga það til að þynnast og þykkjast. Þess vegna má beygjuradíusinn (miðað við miðlínu) ekki verða meiri en 1,5 sinnum þvermál rörsins ef beygjustuðningur er notaður, en 3 sinnum þvermál rörsins þegar ekki er notaður beygjustuðningur. Ef radíus er lítill í hlutfalli við þvermál, þá verður þverskurður í beygju ekki hringlaga, einnig geta komið krumpur og rifskemmdir. Til eru nokkrar aðferðir við að beygja rör (sjá mynd 20.49).

Kafli 21 - Spónskurður (Metal Machining)

Vinnsluaðferð (machining process) sem byggist á því að massi er fjarlægður af upphaflega vinnslustykkinu (workpart) og það sem eftir verður er lokastykkið. Vinnsluaðferðirnar skiptast í þrennt: hefðbundnar (machining), hrjúfar (abrasive) og óhefðbundnar (nontraditional). (Sjá töflu að neðan) Vélavinnsla (mechanical machining) er ein helsta vinnsluaðferðin, aðallega notuð á málma. Þá er beitt verkfæri notað til að fjarlægja massa af vinnslustykkinu.

Spónskurður (Material removal processes) Tafla (Mynd 21.1)

Venjulegur skurður (Conventional machining)

Hrjúfur skurður (Abrasive processes)

Óhefðbundinn skurður (Nontaditional machining)

Rennismíði (Turning, related operations)

Slípun (Grinding operations) Mechanical energy processes

Borun (Drilling, related operations)

Annað (Other abrasive processes)

Rafvinnsla (Electochemical machining)

Fræsun (Milling)

Efni fjarlægt með hita (Thermal energy processes)

Annað (Other machining operations)

Chemical machining

Kostir vélavinnslu eru: • Breytileg vinnsluefni (Variety of work materials) – öll föst efni er hægt að vinna

(líka plast). Keramik er erfitt að vinna af því þau eru svo stökk en þá eru notaðar óhefðbundar aðferðir.

• Fjölbreytileiki í lögun hluta (variety of part shapes and geometric features) – mismunandi verkfæri gefa mismunandi lögun. Lögunin getur verið allt frá skrúfum að t-bitum.

12


• Nákvæmni (Dimensional accuracy) - getur verð allt að + 0,0025 mm. • Fallegt yfirborð (Good surface finishes) - hrjúfanleiki minni en 0,4 míkron. Gallar vélavinnslu eru: • Eyðsla á efni (Wasteful of material) – massinn sem fjarlægist getur verið mikill. • Tímafrekt (Time consuming) – er tímafrekara en aðrar vinnsluaðferðir.

21.1 – Vinnsluaðferðir (Overview of machining technology)

Helstu vinnsluaðferðir eru: Rennismíði (Turning) – vinnslustykkið snýst og massi er tekinn af því með því að bera verkfæri upp að vinnslustykkinu. Borun (Drilling) – notað til að gera holu í vinnslustykkið. Notaður er bor með tvo skerfleti (cutting edges). Fræsun (Milling) – notað til að fá slétta fleti á vinnslustykkið. Fæðiátt (direction of feed motion) er hornrétt á ásinn sem fræsitönnin snýst um. (Sjá mynd 21.3) Skurðarverkfærið (the cutting tool)

• Verkfærið er alltaf harðara en vinnslustykkið

• Spónhorn (rake angle) α er hornið á milli verkfæris og normals á vinnsluhlut. Það getur bæði verið pósitíft og negatíft (sjá mynd 21.2).

• Fríbilshorn (relief angle) er hornið á milli skurðtólsins og vinnsluhlutar. Þetta

bil kemur í veg fyrir að rispur myndist á nýja yfirborðinu.

• Tvær aðalgerðir eru af skurðarverkfærum: Single-point tool, hefur einn skurðflöt og er t.d. notað í rennismíði. Það er rúnað með ákveðinn radíus, kallaður nefradíus (nose radius). Multiple cutting edge tools, hefur fleiri en einn skurðflöt og er t.d. notað í borun (drilling) og fræsun (milling). Nánar er farið í þetta í kafla 23.3.

Skurðarskilyrði (cutting conditions)

MRR = vfd MRR = material removal rate. v = skurðarhraði (cutting speed) (m/s) f = færsla/fæði (feed) (mm) d = dýpt skurðar (depth of cut) (mm)

• Spónskurður skiptist vanarlega í tvo þætti, grófan skurð (rough cuts) og fínvinnslu (finishing). Við fínvinnslu er lokamálvikum og yfirborðsáferð náð.

• Skurðolía (cutting fluid) er oft notuð til kælingar og smurningar.

13


Vinnsluverkfæri (Machine Tools)

Aðgerð Vél Hraði Færlsa (e. feed) Dýpt [d] Rennismíði Rennibekkur vinnsluhlutur

snýst. hraði = yfirborðhraði hlutar.

verkfæri samsíða vinnuás

verkfæri undir venjulegu vinnuyfirborði.

Borun Bor verkfæri snúst. þvermál bors ákvarðar þvermál gats.

færlsa verkfæris í samsíða verkfræra ás.

jafn dýft gats.

Fræsun Fræsunarvél speed = yfirborðshraða verkfæris.

vinna hornrétt á verkfæra ás.

sama og í spónskurði.

21.2 – Spónn

(Theory of chip formation in metal machining) Hornrétt skurðarmódel (Orthogonal cutting model): Spónhlutfall (Chip thickness ratio) r er reiknað:

ctt

r 0=

t0 = skurðardýpt tc = spónþykkt (sjá mynd 21.6) Út frá spónhlutfalli má reikna skerhornið Φ

ααφ

sin1costanr

r−

=

Hornið α hefur áhrif á spónin. Ef α er hvasst horn þá er efnið mjúkt, ef α er gleitt þá er efnið en hart. Skertognun er reiknuð út frá:

φαφγ cot)tan( +−=+

==BD

DCADBDAC (sjá mynd 21.7 í bók bls 483)

Spónmyndun (Actual Chip Formation) Fjórar megin spónmyndanir:

(a) Ósamfelldur spónn (Discontinuous chip) – Þegar stökk efni eru skorin við lítinn hraða. Leiðir til óreglulegs yfirborðs.

14


(b) Samfelldur spónn (Continuous chip) – Þegar mjúk efni eru skorin á háum hraða og með lítið fæði. Leiðir til góðs yfirborðs.

(c) Samfelldur spónn með brúnum (Bult-up-edge BUE) – Þegar mjúk efni eru skorin á hægum til meðal hraða leiðir það oft til þess að brúnir myndast á spóninn. Hluti af þessum brúnum brotnar af og festist við nýmyndaða yfirborðið og gerir það hrjúft. (d) Sagtenntur spónn – Þessi spónn er semí-samfelldur þ.a. hann er í laginu

eins og sagtennur. Hann myndast vegna þess að skerspennan í spóninum rokkar á milli þess að vera há og lág. Svona spónn myndast oft þegar verið er að skera illskeranlega málma eins og títaníum, nickel og ástenít steinlaust stál á miklum hraða.

21.3 – Kraftatengsl og jafna Merchants

(Force relationships and the Merchant equation)

Kraftar í málmskurði (Force in metal cutting) Viðnámskrafturinn (friction force) F, er sá kraftur milli skurðartóls og spóns sem vinnur á móti spóninum meðfram hallanum á skurðartólinu.

Normal viðnámskrafturin (normal force to friction) N , er krafturinn sem er normal á F. Hægt er að nota þessa krafta til þess að finna viðnámsstuðulinn milli skurðartóls og spóns.

NF

=μ

Svo er

R = F + N og βμ tan= Þar sem R er resultant force og β er viðnámshornið (sjá mynd 21.10). Skerspennan S er svo fundin með

s

s

AF

S = .

Þar sem Fs er skerkrafturinn og As er flatarmál skurðarplansins og má finna með

φω

sin0tAs = .

Skerspennan S er spennan sem þarf að beita á stykkið til þess að skurður geti átt sér stað.

Merchant jafnan (The Merchant Equation) Tengsl á milli skurðhorns, spónhorns og núningshorns

2245 βαφ −+=

g.r.f jöfnum hita og að skerspenna vinnslustykkis sé fasti. Hærra gildi á Ø gefur minna skersvæði og minni skerkraft sem auðveldar vinnslu.

15


Ef α stækkar og β minnkar þá fæst hærra gildi á Ø.

21.4 – Aflþörf og hitamyndun (Power and energy relationships in machining)

Aflþörf er reiknuð út frá

vFP cc •= þar sem Pc=skerafl, Fc=skerkraftur og v=skerhraði. Skurðarhiti er reiknaður út frá reynslujöfnunn

mKvT =

Þar sem, T = mældur hiti milli skurðartóls-spóns, v=hraði, K og m ákvarðast af skurðarskilyrðum (öðrum en v) og vinslustykki.

Kafli 22 – Spónskurður (Machining operations and machine tools)

Vinnsluaðferðir og vinnsluverkfæri Smíðavélar (machining) eru mjög alhliða og nákvæm framleiðsluaðferð, mun nákvæmari en steypumótun. Vinnsluhlutir geta verið snúningshlutir (rotational) eða ekki snúningshlutir (nonrotational). Snúningshlutur hefur sívalnings- eða disklögun. Renning (turning) og borun (boring) eru dæmi um notkun á snúningshlut (mynd 22.1a) Ekki snúningshlutur hefur kassa- eða plötulögun. Fræsun (milling), mótun (shaping), sögun (sawing) og plönun (planing) eru dæmi um notkun (mynd 22.1b) Sérhver vinnsluaðferð framkvæmir mismunandi lögun vegna: Innbyrðis hreyfinga tækis og vinnsluhlutar Lögun borsins, skurðarverkfæris (cutting tool) Dæmi um hvaða form hluturinn fær Myndun (generating): Lögun hlutarins ákvarðast af leið hnífsins eða færslunni. Um er að ræða snertingu við ytra yfirborð og hreyfingu. Dæmi um myndun er t.d. sívalningur og keila. Algengasta vinnsluaðferðin er renning (bein, ská og útlínu renning) en fræsun er líka notuð (mynd 22.2) Formun (forming): Fer eftir lögun skurðarverkfæris. Dæmi um vinnsluaðferðir eru form renning, borun og götun (broaching) (mynd 22.3)

16


22.1 – Renning (Turning and related operations)

Einodda tæki fjarlægir efni frá yfirborði hlutar. Renning er framkvæmd á rennibekk (lathe). Skurðhraðajafnan: v = N π D0 þar sem N=snúningshraði (snún/mín), v=skurðhraði (m/min eða ft/min) D0 = upphafsþvermál hlutar (m eða ft)

Færsla: fr = Nf þar sem fr=færsluhraði (mm/min eða in/min), f=færsla (mm/snún eða in/snún) Tími að renna frá öðrum enda vinnslustykkis til hins: Tm = L / (f N) þar sem Tm í mín, L=lengd vinnslustykkis (mm eða in) Material removal rate: MRR = vfd þar sem MRR í mm3/min eða in3/min Aðferðir tengdar renningu: facing, taper renning, útlínu renning, form renning, chamfering, cutoff, threading, borun ofl. (mynd 22.6) Rennibekkur (Lathe) Fjölbreytt vél sem er handvirk og mikið notuð við minniháttar framleiðslu. Mynd af rennibekk þar sem mismunandi hlutar hans koma fram má sjá á bls. 506 (mynd 22.7) Headstock er undirstaðan fyrir snúningskerfi vélarinnar. Tailstock er á móti headstock og er notaður sem miðju viðmiðun. Aðferðir til að halda hlutnum í rennibekknum (mynd 22.8) Milli miðja (between centers): Miðjurnar í headstock og tailstock notaðar. Tóli (dog) er komið fyrir á headstock og í tailstock er oddhvössum hlut komið fyrir sem styngst inn í endann á hlutnum. Notað fyrir langa hluti með lítið þvermál. Greip (chuck): Þá er greip klemmd utan um hlutinn. Notað fyrir stutta hluti með mikið þvermál. Collet: Skrúfhólkur með langristur sem fara utan um hlutinn. Risturnar ganga fram og aftur og um leið minnkar eða stækkar innra þvermálið. Yfirborðsplata (face plate): Fest við öxul rennibekksins og er notuð til að festa hluti með mismunandi lögun. Borun (boring) Svipuð rennismíði. Mismunurinn er að borun á sér stað á innri hluta holu sem þegar er til, frekar en á ytri hluta sívalnings. Rennibekkur er stundum notaður til þess að bora þess lags holur en yfirleitt eru notaðar borunarvélar. Þær geta bæði verið lárétt eða lóðrétt. Tvær gerðir eru af láréttum borunarvélum, önnur þar sem hlutuinn snýst og hin þar sem hluturinn er kyrr en skurðarverkfæri snýst. Lóðréttar borunarvélar (VBM) eru notaðar fyrir stóra hluti með mikið þvermál en eru stuttir. Hluturinn er settur á borð sem snýst.

17


22.2 – Borun (Drilling and related operations)

Borun (drilling) Hér er búin til hringlótt hola í smíðastykki. Þetta er ólíkt "boring" sem er aðeins notuð til að stækka holur sem þegar eru til. Holurnar eru annað hvort alveg í gegn eða ekki (through holes and blind holes). Sama skurðhraðajafna er notuð og í rennibekk (sjá hér að ofan) en aðrar jöfnur má sjá á bls. 512. Aðferðir tengdar borun: Víkkun (reaming), töppun (tapping), counterboring, countersinking, miðjun (centering), spotfacing (mynd 22.14). Þrýstibor (drill press) Nokkrar gerðir eru til en algengastur er uppréttur bor (upright drill) (mynd 22.15). Hann stendur á gólfi, hann samanstendur af borði til að halda á vinnslustykki og haus með öxli. Borinn er svo færður upp og niður. Geislabor (radial drill) er gerður til að bora göt í stóra hluti. Flokkabor (gang drill) er bor sem samanstendur af nokkrum uppréttum borum og með þeim er hægt að gera röð aðgerða með því að færa hlutinn frá einum til næsta.

22.3 – Fræsun (Milling)

Aðferð þar sem vinnslustykkið er látið fara fram hjá sívalningslaga tæki, með mörgum skerflötum, sem snýst. Snúningsásinn er hornréttur á færslu fræsisins og er það meginmunurinn á fræsi og bor (borinn borar í sömu átt og snúningsásinn). Yfirborð verður slétt við fræsun (mynd 22.17). Jafna fyrir snúningshraða í sléttfræsun: N = v/ ( π D) þar sem D=þvermál fræsis, v=skurðhraði, N=snúningshraði (snún/mín) Jafna fyrir færslu: fr = N nt f þar sem fr =færsla (mm/mín), N=Spindilhraði (snún/mín) nt =fjöldi tanna, f= færsla (mm/tönn) fleiri jöfnur á bls. 518

Fræsunarvélar (milling machines) Hægt að flokka í láréttar og lóðréttar. Myndir af vélunum og skýringar á bls.520 og 521.

18


22.4 – Sjálfvirkar vélar (Machining centers and turning centers)

Sjálfvirkar vélar (Machining Center): Sjálfvirk tækjasamstæða sem getur framkvæmt margs konar aðgerðir án þess að mannshönd komi nálægt. Kostir: 1) Skipta um aðgerð sjálfvirkt, þ.e. kerfi fylgist með vinnslu og skiptir um tæki ef nauðsynlegt er. 2) Búnaður sem flytur hlutina að og frá vélinni þannig að þegar búið er að vinna einn hlut færist hann frá, og nær í næsta. 3) Snýr hlutunum fyrir sér á snúningsborði, og því er t.d. hægt að fræsa hlutinn á margar hliðar.

22.5 - Aðrar vinnsluaðferðir (Other machining operations)

Mótun og plönun (shaping and planning) Notað til að gera slétta fleti. Í ,,shaping” fæst hraðinn með því að hreyfa skurðverkfærið en í ,,planing" fæst hraðinn með því að færa hlutinn. Hægt er að búa til ýmsa lögun.

Götun (Broaching) Getur gert mismunandi lögun á yfirborði eða inní yfirborði (mynd 22.34) . Sögun (sawing) Hlutur sagaður í tvennt, eða sagaður af óæskilegur hluti hans. Nokkrar gerðir eru til af sögum (mynd 22.35).

22.6 – Háhraðasmíðavélar (High-speed machining)

Þróunin hefur verið í áttina að meiri skurðhraða. Hægt er að ná 6-10 sinnum meiri hraða með þessum háhraðasmíðavélum. Kröfur til þeirra:

1) Háhraðaspindlar 2) Mikil færslugeta 3) Stýritæki til að bregðast til t.d. stefnubreytingum 4) Skurðtæki stillt til að fram komi sem minnstur titringur 5) Kælikerfi. 6) Stýring á varahlutum, þ.e. kerfi til að færa þá til.

Notaðar m.a. í flugvélaiðnaði.

19


Kafli 23– Skurðverkfæri (Cutting- Tool technology)

Það er tvennt sem skiptir máli við verkfæri í rennismíði, það er efnið sem tækið er gert úr og hvernig það formið á því er. Hægt er að skemma verkfærið með ýmsum hætti en ef það gerist ekki þá verður samt að endurnýja reglulega því það kemur slit í tækið og þá virkar það ekki jafn vel. Eiginleikar sem skurðarverkfæri verður að hafa • harka • hitaþol • slitþol • seigja og stöðugleiki

23.1 – Líftími skurðarverkfæris (Tool life)

3 leiðir til að eyðileggja skurðarverkfæri: • Hnífurinn brotnar (Fracture failure) – en þá brotnar hnífurinn við of mikið álag,

mjög stökkt brot. • Hita skemmd (Temperatur failure) – þá er hitinn of mikill við vinnslu, sem leiðir

til þess að hnífurinn verður of mjúkur sem leiðir til plastískra breytinga og bitið verður verra.

• Eyðandi skemmd (Gradual wear) – þá verður hnífurinn ónýtur vegna of mikillar notkunar.Eyðandi skemmd gerist á 2 stöðum aðallega, á toppnum eða til hliðar

23.1.1 – Verkfæraslit (Tool Wear)

Slit á hnífi getur orðið vegna • Mikils Svarfs (Abrasion): þá er efnið svo hart að það fer alltaf smá af hnífnum í

leiðinni. • Fylgi (Adhesion): það er þegar 2 efni eru neydd saman undir háum þrýstingi og

hita. Þá límast þau smá saman sem verður til þess að þegar hnífurinn fer í burtu frá svæðinu þá verður alltaf eitthvað eftir.

• Dreifing (Diffusion): þá verður einhvert atómsveimi á milli hnífs og efnis • Efnahvörf (Chemical reactions): þegar efni er rennt þá getur annað efnið

afhjúpast og verður því veikt fyir oxun. • Plastísk formbreyting (Plastic derformation) : getur orðið á hnífnum þegar það er

mikill hiti. 23.1.2 - Líftími skurðarverkfæris

(Tool Life and the Taylor Tool Life Equation)

Líftími skurðarverkfæris er sá tími sem hægt er að nota tækið við vinnslu. Hægt er að ákveða líftíman þ.e. þú getur ákveðið hve langt þú vilt ganga að tækinu.

20


Taylor tækjalíftíma jafna: vTn=C (23.1)

23.2.(1-5) - Efni skurðarverkfæris

(Tool Materials)

Efnið sem er í skurðarverkfæri verður að uppfylla þrenn skilyrði • hafa háa seigju (toughness) • halda hörku í miklum hita (hot hardness) • hafa gott slitþol (wear resistance) Mikilvægustu og algengustu efnin eru: hraðstál (high speed steel), kolstál (cast cobalt alloys), karbít (cemented carbides) og keramík (ceramics).

Hraðstál

(High-Speed Steel and Its Pedicessors)

Hefur mikla vinnsluhörku þ.e. hörku í miklum hita. Tvennskonar gerðir eru til þ.e. með mismunandi íblönundarefnum

a) blandað með tungsten b) blandað með molybdenum

Hraðstálið er sérstaklega notað þegar tækin eru flókin í byggingu s.s. borar o.s.frv. Mesta seigjan er í þessu. Það er með 2 til 4 sinnum hraðvirkari vinnslu en kolstál.

Kolstál

(Cast Cobalt Alloys) Kolstál....................(bls 544)

Karbít

(Cemented Carbides, Cements and Coated Carbides)

Tækin gerð með grafítmótum. Mikil harka, meiri heldur en í hraðstáli þó notað í miklum hita. Það er meiri vörn gegn í eyðileggingu í þessu en HS. Karbít – blanda af keramik efnum og málmum. Cementee carbides, cermets og coated carbides er öll mjög skyld efni. Þau hafa góða hörku og hita hörku, góða vörn gegn eyðileggingu háa varmarýmd, allt í lagi seigju en minni en HS. Coated carbides er cemented carbide húðað með varnandi efni. Sem gerir það betra efni.

Keramik (ceramics)

Keramik efni:lága seigju, áloxíð

Fleiri efni: demantur, cubic boron nitur

21


23.3 - Tegundir af skurðarverkfærum (Tool Geometry)

Hægt er að skipta tækjum í 2 hluta

23.3.1- eins odds tæki (Single-Point Tool Geometry)

Eins odds tæki eru gerð með alls konar hornum til þess að fá sem best tæki. Síðan er hlutur til að taka spóninn, hann getur verið áfastur eða sér hlutur sem hægt er að setja á. Hnífar eru hafðir lausir þannig að hægt er að festa þá og önnur tæki á skurðarverkfærið. Þetta er hagkvæmt því þá er hægt að nota tækið á nokkra máta.

23.3.2 - Margra eggja skuðartæki

(Multiple-Cutting-Edge-Tools)

Flest skurðarverkfæri af þessari gerð eru notuð við snúning (drilling with Twist Drills) t.d eru borun og fræsun – sléttfræsar, sportfræsar og formfræsar. Helstu tækin í þessu einnig sög og snitti.

23.4 Skersmurning (Cutting fluids)

Skersmurning er hvers konar vökvi eða gas sem er sett beint á vinnslusvæðið til þess að bæta vinnslu.

Þeir taka sérstaklega á tvenns konar vandamálum • reyna að minnka hitamyndun við skersvæði og núningssvæði • minnka núning á hnífi • Einnig taka þeir í burtu spón, minnkar hita í efninu sem unnið er við, minnkar

skerkrafta og aflþörf og bæta yfirborðsáferð. Hægt er að skipta þessum vökvum í tvennt eftir vandamálunum sem þeir eiga að leysa: • Kælisprey • Smurning

23.4.1 - Efni í skersmurningu (Types of Cutting Fluids)

• Sker olía (cutting oils) • Vatnsblönduð olía, “Ýrefnaolía, sptautefnaolía” (emulsified oils) • Efna vökvi (chemical fluids) • Hálf efna vökvisemi (chemical fluids)

23.4.2 – Notkunar aðferðir á skurðavökva (Application of Cutting Fluids)

Nokkrar aðferðir eru við það að setja smurninguna á. Algengasta aðferin er flæði kæling (flooding) en þá er stöðugur straumur af vökva látinn fara á hnífinn í skertækinu. Sprautu aðferð (mist application) – þá er sprautað vökva á hnífinn –

22


þetta er ekki jafn áhrifaríkt og flæðið. Handvirk aðferð (manual application) en þá er hægt að sprauta eða bera á hnífinn smurningu.

Kafli 24 – Hagkvæmni og hönnun við vinnslu (Economic and product design considerations in machining)

24.1 Vinnsluhæfni (machinability) Vinnsluhæfni segir til um hversu auðvelt er að vinna efni með viðeigandi tækjum/verkfærum (Tooling) og skurð-aðstæður. Þeir þættir sem ákvarða vinnsluhæfni eru eftirfarandi;

1. Líftími tækja/verkfæra (tool) 2. Kraftar og afl við skurð 3. Yfirborðsáferð 4. Hversu auðvelt er að losa spón (chip) 5. Efni sem verið er að vinna

Vinnsluhæfni fer líka eftir hvaða tegund af vinnslu er notað og hvaða eiginleika efnið hefur. Vinnsluhæfni efna er metið með samburði á grunnefni (base material). Hæfni er gefið vísitölu sem kallast vinnsluhæfnis mælikvarði (machinability rating (MR))og er talan 1 grunnvísitalan fyrir grunnefnið(B1112 stál). Eftir því sem að MR er hærra en 1 því auðveldara er að vinna efnið. Harka og styrkleiki efna hafa einnig áhrif á vinnsluhæfni. Mikil harka hefur slæm áhrif á líftíma verkfæra. Lítil harka getur haft neikvæð áhrif á afköst vinnslu ásamt því að fá lélega vinnslu. Mikill styrkleiki gerir efnið erfiðara að vinna. Efnasamsetning melmis ræður miklu um vinnsluhæfni. Eftir því sem að kolefnis innihaldið er meira í járni þá verður styrkur og harka meiri og vinnsluhæfni minnkar(einnig Cr,Mo,Tu,Mn og Ni). Til að bæta vinnsluhæfileika stáls þá eru efni einsog Su, Ph og Le tilvalin. Tafla 24.1 á bls 567 sýnir vinnsluhæfni efna og hörku þeirra. 24.2.1 Frávik í vinnslu (Tolerances in machining) Í framleiðslu skipta frávik miklu máli og í vinnslu fást oftast lítil frávik. Eftir því sem að verkfæri (tool) eru nýrri og lítið slitin er hægt að viðhalda nákvæmni frávika. Lítil frávik þýðir oftast meiri kostnað en þýðir ekki endilega að meiri frávik sé ódýrara. Tafla 24.2 sýnir frávik við vissar vinnsluaðferðir. 24.2.2 Yfirborðsáferð með vinnslu (Surface Finish in Machining)

23


Eftir farandi þættir hafa einna helst áhrif á yfirborðsáferð. 1. Lögun hluta ( geometric factors) 2. Efni sem verið er að vinna (work material factors) 3. Titringur og fleira sem tengist verkfæri (vibration and machine tool factors)

Lögun hluta Lögun hluta ákvarðast af eftir farandi:

1. Tegund vinnsluaðferðar – þar sem að yfirborðið á efninu er búið til 2. Lögun skurðtóls (cutting tool geometry) – radíus oddsins (nose radius) á

skurðtólinu ræður þar mest, lítill radíus býr til meira áberandi skurðlínur á efninu við vinnslu.

3. Fæði (feed) – hversu mikið af efninu er sett í hvern skurð (cutt), eftir því sem að fæðið er meira því meiri bil er á milli skurðlína.

Meðal yfirborðshrýfi er hægt að finna útfrá jöfnu 24.1 á bls 570 með tilliti til radíus odds og fæði, þessi jafna gildir fyrir Rennismíði (Turning), Borun (Shaping) og Fræsun (Planing). Efni sem verið er að vinna Vinnsluefnis þættir sem hafa áhrif á yfirborðs áhrif eru eftirfarandi;

1. Jaðar-söfnunar áhrif (Build-up edge effects (BUE)) – Þegar spón safnast saman við skurðtækið í stöðugri hringrás og brotnar síðan frá, koma fram agnir á yfirborðinu sem veldur sandpapírsáferð.

2. Skemmdir á yfirborðinu vegna þess að spæni rúllast upp og rekast í ný unnið yfirboðið.

3. Rof (tearing) í vinnsluyfirborðinu vegna myndan spænis þegar verið er að vinna teygjanleg efni.

4. Sprungur í yfirborðinu vegna ólínulegra myndunar spænis þegar stökkt efni er unnið.

5. Viðnám á milli síðu verkfæris ( tool flank) og nýs unnins yfirborðs. Skurð-hraði og hrífuhorn (rake angle) hafa áhrif á þætti vinnsluefnisins. Meiri hraði og stærra hrífuhorn skapa betra yfirborðsáhrif. Raunvörulegt hrýfi er hægt að finna útfrá jöfnu 24.3 á bls 571 Titringur og fleira sem tengist verkfæri Titringur eða lítil högg (chatter) geta myndast í tæki, verkfæri eða sveiflur verið í festingu. Þetta getur valdið bylgjulaga áferð á yfirborði efnis

24


24.3.1 Val á fæði og dýpt skurðar ( Selecting feed and depth of cut) Dýpt skurðar er oftast fyrirfram ákveðið af lögun vinnsluhlutar og vinnsluaðferð. Fyrst er vinnsluaðferðin frekar gróf ( roughing operation) þar sem að dýpt skurðar er eins mikil og hægt er , en síðan er loka áferðin unnin. Val á viðeigandi fæði-hraða fyrir gefna vinnsluaðferð fer eftir ákveðnum þáttum;

1. Val á verkfærum ( tooling) – Hörð efni í verkfæri henta best fyrir lágan fæði-hraða þar sem að þau vilja brotna við mikinn hraða.

2. Gróf eða fín vinnsla (Roughing or finishing)- Gróf vinnsluaðferð (roughing operation) felur í sér mikin fæði-hraða en lokaáferð felur í sér lágan fæði-hraða

Þegar veljaá fæði og dýpt skurðar á fyrst að taka tillit til fæði og síða hraða 24.3.2 Bestun á skurðar-hraða (Optimizing cutting speed) Þegar ákvarða á skurðarhraða þá skal hafa eftirfarandi til hliðsjónar:

1. Við viljum hámarka framleiðsluhraða 2. Lágmarka einingakostnað

Hámarks framleiðsluhraði Hámarks framleiðsluhraði fer eftir:

1. Hver langan tíma tekur að handlanga efnið 2. Vinnslutími 3. Hve lengi er verið að skipta út ónýtt verkfæri (tool)

Jöfnur 24.4 til 24.7 (á bls 573-574) lagðar saman í jöfnu 24.8 (á bls 574) segja til um heildar tímann og jafna 24.9 (á bls 575) er skurðarhraðinn fyrir hámarks framleiðsluhraða. Lágmarks einingarkostnaður Minnsti kostnaður per eining fer eftir:

1. Kostnaði á meðhöndlunartíma 2. Kostnaði af vinnslutíma 3. Kostnaði sem tekur að skipta út ónýtt verkfæri 4. Kostnaði fyrir hvert verkfæri

Heildar kostnaðinn er fenginn með jöfnu 24.14 og skurðarhraðinn fyrir lágmarks einingarkostnað fæst útfrá jöfnu 24.15.

25


24.4 Athuganir varðandi hönnun vara fyrir vinnslu (Product design considerations in machining)

• Hlutir eiga að vera hannaðir með það í huga þurfa ekki á vinnsluaðferð að

halda eða minnka vinnsluna sem mest. • Frávik þurfa að vera ákvarðaðir til að henta virkni framleiðslunar, en hæfni

vinnsluaðferða ætti líka að vera tekin til greina. Sjá töflu 24.2 á bls 568. • Yfirborðsáferð á einungis að vera ákvörðuð til að þjóna því hlutverki sem

hentar. • Reyna á að komast hjá því að vera með skörp horn og brúnir. Einnig djúpar

holur sem þarf að bora. • Reyna á að hanna hlutinn þannig að hægt er að framleiða þá eftir fáanlegum

standard birgðum. • Reyna á að hanna hlutinn þannig að við vinnsluna þurfi ekki að skipta oft um

stöður á hlutnum • Einnig á að hanna hann þannig að hægt sé að nota standard áhöld, ekki gera

óvanalega holustærð.

Kafli 25 – Slípun og aðrar slípiduftsaðferðir

(Grinding and other Abrasive Processes)

Slípiduftsvinnsla (abrasive machining) er þegar efni er fjarlægt með hörðum, slípiduftsögnum sem eru venjulega lagaðar eins og hjól. Slípun er mikilvægasta og algengasta slípiduftsaðferðin. Aðrar slípiduftsaðferðir eru m.a. brýning (honing), samslípun (lapping), frágangsvinna(superfinishing), fágun/pússun (polishing) og hjólfágun (buffing). Notkun slípidufts til að laga hluti er líklega elsta aðferðin til að fjarlægja efni. Slípiduftsaðferðir eru mikilvægar neytendalega (commercially) og tæknilega vegna eftirfarandi ástæðna:

• Það má nota þær á allar gerðir efna, allt frá mjúkum málmum upp í hart stál og hörð efni sem eru ekki málmar s.s. keramik og sílikon.

• Sum af þessum ferlum má nota til að framleiða mjög fína áferð á yfirboð, allt að 0.025 μm.

• Sumar slípiduftsaðferðir eru einstaklega góðar til að halda málum á hlut innan vikmarka.

25.1 Slípun (Grinding)

Slípun (grinding) er aðferð til að fjarlægja efni (material-removal process) þar sem slípidufts agnir eru settar í slípihjól (bonded grinding wheel) sem vinnur á miklum yfirborðshraða. Slípihjólið er venjulega disklaga og sérstakalega stillt fyrir háan snúningshraða.

26


25.1.1 Slípihjólið (The Grinding Wheel)

Slípihjól samanstendur af slípiduftsögnum og tengiefni (bonding material). Tengi efnið heldur ögnunum á sínum stað og ákvarðar lögun og byggingu hjólsins. Þessir tveir efnisþættir og hvernig þeir eru höndlaðir (fabricated), ákvarða breytur slípihjólsins sem eru: (1) slípiduftsefni (2) kornastærð (3) tengiefni (4) flokkur hjóls (wheel grade) og (5) bygging hjóls.

Slípiduftsefni – Viðeigandi slípiduftsefni eru valin ef því hvers konar vinnsluefni er um að ræða. Almennir eiginleikar slípiduftsefnis sem notað er í slípihjól samanstanda af mikilli hörku, slitþoli, seiglu og friability (fannst ekki í orðabók). Harka, slitþol og seigla eru æskilegir eiginleikar í hvaða skertól sem er. Aðal slípiduftsefnin í dag eru eftir eftirfarandi:

• Áloxíð (Al2O3) er algengasta slípiduftsefnið, það er mest notað til að slípa stál og önnur járnblönduð efni - málmar með háum styrk.

• Sílikon harðmálma (Silicon carbide - SiC) – er harðara en áloxíð en ekki eins seigt (tough). Þetta er aðallega notað til að slípa teygjanlega málma eins og ál, messing og ryðfrítt stál, þó líka stökk efni eins og steypujárn og viss keramikefni. Þetta efni er ekki hægt að nota á slípistál (grinding steel) vegna tengsla járnsins í stálinu og kolefnisins í SiC.

• Cubic boron nitride (cBN) – þegar þetta efni er notað sem slípiduft er það framleitt undir merkinu Borazon af General Electric Company. Borazon slípihjól eru notuð fyrir hörð efni eins og harða stál hluti og melmi í flugvélar.

• Demantar – demants slípiduft er birtist náttúrulega en er einnig búið til. Demantshjól eru yfirleitt notuð til slípunar á hörðum slípiduftsefnum, s.s. keramik, cemented carbide og gler.

Kornastærð (grain size) slípiduftsagna (abrasive particle) er mikilvæg breyta í ákvörðun á yfirborðsvinnu og hversu hratt skuli fjarlægja efni (material removal rate). Lítil grit stærð vinnur yfirborð betur meðan stærri kornastærð leyfir hraðari material removal rate. Tengiefni (bonding materials) heldur slípiefnikornunum og myndar lögun og byggingu hjólsins. Eftirsóknanverðanlegir eiginleikar tengiefnisins eru styrkur, seigla, harka og hitaþol. Tengiefnið verður að geta staðist miðflótta krafta (centrifugal forces) og há hitastig, veitast á móti (shattering) í högghleðslu (shock loading) hjólsins og halda slípunarefniskornum á sínum stað í skeraðgerð ásamt því að losa sig við ónýt korn svo ný geti myndast.

27


25.1.2 Greining á slípunar ferlum (Analysis of the Grinding Process)

Jaðarhraði (peripheral speed) slípihjóls er ákvarðaðiur með snúningshraða hjólisin v = πDN (25.2)

v = yfirborðshraði hjóls (m/min); N = spindilhraði (spindel speed, rev/min); D = þvermál hjóls (m) Í flestum slípunaraðgerðum, fer vinnan um hjólið á vissum hraða vw, þannig að MRR (material removal rate) er

MRR = vwwd (25.3) d = dýpt skurðar; w = vídd slípislóðar (widht of grinding path) Lengd spóns (chip) (sjá mynd 25.3)

lc = √(Dd) (25.4)

D = þvermál hjóls (mm); d = dýpt skurðar (eða infeed, mm) Grain aspect radio rg er skilgreindur sem (sjá mynd 25.3)

rg = w´ / t (25.5)

Byggt á gildi C (fjölda skertanna) má finna fjölda spóna per tíma, það er gefið með: nc = vwC (25.6) v = hraði hjóls (mm/min); w = kross-fæði (mm) og C = fjöldi tanna per flatarmál yfirborðs (tennur/mm2) Skv. jöfnu 25.6 má sjá að með því að auka v og/eða C þá mun það gera yfirborðið fínna. Munum að smærri kornastærð gefur stærra gildi á C.

25.1.4 Slípunaraðferðir og slípunarvél (Grinding Operations and Grinding Machines)

Slípun er vanalega notað til að fínvinna hluti sem rúmmfræðilega hefur nú þegar verið búið til með öðrum aðferðum. Slípunarvél hefur verið gerð til að slípa venjuleget flatt yfirborð, ytri og innri sívalninga og útlínur. Fjallað verðum um yfirborðsslípuna, sívalningsslípun, miðju (centerless)slípun, hægfæðuslípun og annars konar slípunar aðferðir. Yfirborðsslípun (Surface Grinding) er vanalega notað til að slípa venjulegt flatt yfirborð. Það er afkastað með notkun á annað hvort jaðri slípunarhjóls eða flata hluta hjólsins. Vinnan er vanalega haldin í lágréttri stöðu, jaðar slípun er gerð með því að

28


snúa hjólinu um lágréttan ás og flati hlutirinn er slípaður með því að snúa hjólinu um lóðrétta ásinn. Sívalningsslípun (Cylindrical Grinding) er notað fyrir snúnings hluti. Slípunaraðferðin skiptist í ytri og innri sívalnings slípun.

Ytri sívalningsslípun (External cylindrical grinding): Mjög líkt og snúningsaðgerð. Slípunarvél sem notuð er í ytri sívalningsslípun er lík rennibekk þar sem tækjapinni er tekin úr og í staðinn settur háhraða mótor til að snúa slípunarvélinni. Sívalnings vinnuhlutur er snúinn milli miðjanna til að fá yfirborðshraða af 18-30 m/mín og slípunarvélin mun snúast í 1200-2000m/mín Innri sívalningsslípun (Internal cylindrical grinding): Stjórnast eins og borunaraðgerð. Vinnuhlutur er vanalega haldinn í patrónu og snúinn til að fá yfirborðshraða 20-60 m/mín. Yfirborðshjóla hraði er líkur og hjá ytri sívalningsslípun.

Miðjuslípun (Centerless Grinding) er oftast notað fyrir há afkastagetuvinnu. Figure 25.11 sýnir tvö hjól, slípunarhjól og stýrihjóli. Vinnuhlutur er studdur með undirstöðu blaði og fætt í gegnum milli tveggja hjólanna. Slípunarhjólið sér um að skera og snúningur á yfirborðshraða er 1200-1800 m/mín. Eftirfarandi jafna er notuð til að finna hraða í gegnum fæði fr=πDrNrsinI (25.11) fr=Hraði í gegnum fæði Dr= Þvermál af stýrihjóli Nr= Snúningshraði af stýrihjóli I=horn hallans af stýrihjóli Hægfæðuslípun (Creep Feed Grinding) er gerður í mjög mikilli dýpt skurðar og mjög lágum fæðuhraða. Dýpi skurðar í hægrifæðuslípun er 1000-10000 stærra en í yfirborðsslípun og fæðuhraði er minnkaður um sama hlutfall. Getur bæði verið sett í yfirborðsslípun og ytri slívalningsslípun. Kostir við hægfæðuslípun er að það er hár efnisfjarlægðarhraði, betri nákvæmi fyrir yfirborð og minnkandi hiti í yfirborðsvinnu. Aðrar slípunaraðferðir (Other Grinding Operation) eru helst tækjaslípun, mátunarslípun, diskaslípun o.s.frv

25.2 – Skyldir slípunarduftsferlar (Related abrasive processes)

Aðrar slípunarduftsaðferðir eru brýning, samslípun, frágangsvinna, fágun og hjólfágun. Þær eru eingöngu notaðar sem frágangsaðferðar. Aðrir klasar af frágangsaðferðum eru kallaðir massafrágangur sem notaður er til að fínvinna hluti í lausu frekar en sjálfstætt.

29


25.2.1 Brýning (Honing) Brýning er slípunardufts aðferð sem er afkastað að bundnum slípunarduftsstikum. Algeng notkun er að fínvinna borunina á innri brún vélarinnar. Aðrar notkanir eru stefnur, vökvaknúinn sívalningur og byssuhólf. Brýningarferill fyrir innri sívalnings yfirborðs: Brýnunartæki samanstendur af settum af bundum slípunardufstsstikum. Fjórir stikar eru notaðir á tækið (figure 25.16) en fjöldinn fer eftir holustærð. Tveir til fjórir stikar myndu vera notaðir fyrir smáar holur og tólf eða fleiri myndu vera notaðar fyrir stærri holur. Hreyfing á brýnunartækinu samanstendur af snúningi og línulegri hreyfingu fram og aftur. Hraði brýnunar er 15-150 m/mín og þrýstingur er 1-3 MPa 25.2.2 Samslípun (Lapping) Samslípun er slípunarduftsaðferð sem notuð er til að framleiða finvinnu á yfirborð af mjög mikilli nákvæmni og mýkt. Það er notað í framleiðslu af linsu, málmstefnuyfirborði og aðra parta sem þurfa mjög góða fínvinnu. Samslípun notar flæði fjöðrunar af mjög smáu slípunardufts ögnum milli vinnuhlutar og samslípunartælkis (figure 25.17). Flæði með slípunardufti er vitnað í sem brýnunarblanda (lapping compound) og hefur venjulega ásýnd sem kalksteins áburður. Vökvinn er notaður til að gera blöndu af olíu og steinolíu. 25.2.3 Frágangsvinna (Superfinishing) Frágangsvinna er slípunardufts aðferð svipuð og brýning. Báðar aðferðir notaðar fyrir bundnar slípunarduftsstika sem hreyfast fram og aftur og þrýsta á móti yfirborðinu til að fínvinna. Frágangsvinna er ólík brýnun vegna þess að:

1. Slaglengdirnar eru minni 2. Hærri tíðni er notuð 3. Lægri þrýstingur er settur milli tækis og yfirborðs, minni en 0.28 MPa 4. Vinnuhluta hraði er lægri en 26 m/mín

25.2.4 Fágun og hjólfágun (Polishing and Buffing) Fágun er notað til að fjarlægja rispur og gráð og til að mýkja hörð yfirborð með meðal slípunardufsstöngum sem eru festar til að fága hjól sem snúast á háuum hraða, eða um 2300 m/mín. Slípunardufstagnirnar eru límdar við ytri jaðar hjólsins. Hjólfágun er notað til að afla slípunardufts yfirborð með hærra luster. Slípunarduftið er mjög fínt og er geymt í hjólfágunarblöndu sem er þrýst inn í ytra yfirboð hjólsins meðan það snýst.

Kafli 26 – Óhefðbundnar vinnsluaðferðir og skurðaraðferðir (Nontraditional machining and thermal cutting processes)

Óhefðbundnu vinnsluaðferðirnar eru oft flokkaðar eftir því orkuformi sem notast er við til að fjarlægja efnið:

• Vélræn (Mechanical) Vélræn orka

• Rafmagn (Electrical) Rafefnaorka (electrochemical energy) notuð til að fjarlægja efni,

30


• Hiti (Thermal) Varmaorka (thermal energy) notuð til að skera eða móta vinnslustykkið.

• Efna (Chemical) Flest efni eru viðkvæm fyrir ákveðnum sýrum eða örðum ætandi efnum. Í efnavinnslu (chemical machining) eru efni fjarlægð úr vinnslustykkinu með þessum ætandi efnum.

26.1 – Vélræn orku ferli

(Mechanical Energy Processes)

Í þessum undirkafla er litið á nokkrar óhefðbundnar vinnsluaðferðir þer sem notast er við vélræna orku; 1)Ultrasonic vinnsla (Ultrasonic machining – USM), 2)Vatnsskurður (Water jet cutting – WJC), 3)Vatnsskurður með slípimassa (Abrasive water jet cutting, 4)Gasskurður með slípimassa ( Abrasive jet machining)

26.1.1 Ultrasonic vinnsla (Ultrasonic Machining)

Óhefðbundin vinnsluaðferð þar sem mót í ákveðnu formi er notað til að víbra yfirborð vinnslustykkis. Færsla mótsins er lítil, uþb 0.075 mm en með háa tíðni, uþb 20.000 Hz. Á milli vinnslustykkisins og mótisins/verkfærisins sem titrar er slípiduft og vatn (slurry) sem sker vinnslustykkið þannig að það mótast eftir mótinu sem víbrar. Vatnið verður að vera á stöðugu flæði til að flytja nýjar og nýjar slípiagnir að mótinu og yfirborðinu og skola í burtu spón og notaðar slípiagnir. Algeng efni sem notuð eru í:

Mót : mjúkt stál og ryðfrítt stál Slípiduft: Boron nítríð, boron carbít, áloxíð, silicon carbít og demantar.

Kostir og gallar: Kostir: Nýtist vel á hörð og stökk efni eins og keramik, carbít og gler. Auðvelt að gera göt í mismunandi formum. Gallar: Mótið sjálft eyðist fljótt. Getur notað það c.a 100 sinnum á gler en jafnvel bara 1 sinni á hart stál (tool steel).

26.1.2 Aðferðir þar sem notast er við vatn og slípimassa (Processes Using Water and Abrasive Jets)

Aðferðir þar sem efni er fjarlægt úr vinnslustykki með háþrýstibunu úr vatni, slípiefni eða hvorutveggja. Vatnsskurður (Water Jet Cutting) Mjó og fíngerð háþrýsti-vatnsbuna er notuð til að skera vinnslustykkið. ( Sjá mynd 26.3) Til að ná fram mjórri bunu er notast við spíss (nozzle) með 0,1-0,4 mm þvermál. og til að fá nægilega skurðarorku er þrýstingurinn hafður í 400 MPa og bunuhraðinn (jet velocity) allt að 900m/s. Vatnið er svo filterað/sigtað og endurnýtt. Hér er samt ekki

31


notast við hreint vatn, heldur fjölliðu lausn ( polymer solutions) sem myndar samfelldari bunu. Mikilvægir parametrar eru:

Fjarlægð spíss frá yfirborði (standoff distance) Best að hafa hana í lágmarki svo að bunan dreifist sem minnst áður en hún lendir á yfirðborðinu. Algeng fjarlægð er 3,2 mm.

Skurðarhraði (cutting feed rate) Er á bilinu 5 mm/s til 500 mm/s, fer eftir vinnsluefni og þykkt.

Þvermál spíss (nozzle opening diameter) Ákveður nákæmni skurðar, minni op notuð í fínni skurði eða þynnri efni, stærri op notuð í þykkari skurði eða þykkari efni.

Þrýstingur vatnsins (water pressure) Þykk vinnslustykki kalla á meiri þrýsting heldur en þau þynnri. Með vatnsskurði er hægt að skera málma, plast, textíl, flísar, teppi, leður, timbur ofl. Kostir:

• Enginn bruni né hitun • Lítið efni fjalægt • Lítil mengun • Auðvelt að láta róbota sjá um vinnsluna

Gallar:

• Erfitt að skera þykka hluti • Stökk eiga það til að brotna við vatnsskurð

Vatnsskurður með slípimassa (Abrasive Jet Cutting) Þegar vatnsskurði er beitt á vinnslustykki úr málmi verður yfirleitt að bæta við slípimassa. Efni í slípimassa: áloxíð, silicon díoxíð og garnet Í mesta lagi 0,25 kg/s af slípiefni er bætt út í vatnsbununa eftir að hún kemur út úr spíssnum. Þegar slípimassinn hefur bæst við vatnsskurðinn er betra að hafa fjarlægð spíss frá yfirborði helmingi minni en hér að ofan og opið á spíssnum er aðeins breiðara ( 0,23 til 0,63 mm). Þetta er gert til að fá meiri orku í strauminn og betri virkni slípiefnanna. Gasskurður með slípimassa (Abrasive Jet Machining) Skorið með þurru gasi, blönduðu slípidufti. Þrýstingur í kringum 0,2 til 1.4 MPa Þvermál spíss uþb 0.075 til 1.0 mm Lofthraðinn 2,5 til 5.0 m/s Gas sem notað er við aðferðina; þurrt loft, nítrógen, carbon díoxíð, helíum Fjarlægð spíss frá yfirborði á bilinu 3 mm til 75 mm ( sjá mynd 26.4). Þessi aðferð krefs vinnslu í loftræstu umhverfi Yfirleitt notað til að fínisera hluti, hreinsa og pússa. Getur einnig skorið harðar þynnur, ss. gler, silicon, keramik efni.

32


Efni í slípiduftinu: • áloxíð ( fyrir ál og brass) • silicon carbíð ( fyrir ryðfrítt stál og keramik efni) • glerbrot ( fyrir pússun)

Duftið er uþb. 15 til 40 míkrometrar í þvermál. Ekki endurnýtanlegt

26.2 – Rafvinnslu ferli

(Electrochemical Machining Proscesses)

26.2.1 Rafvinnsla (Electrochemical Machining) Felst í því að fjarlægja járn úr rafleiðandi vinnslustykki með raflausn. Hér er verkfærið katóðan og vinnslustykkið anóðan. ( Sjá mynd 26.5) Á milli verkfæris og vinnslustykkis er vatnslausn ( electrolyte). Vatnslausnin inniheldur NaCl og NaNo3. Vatnið streymir mjög hratt í gegn og kemur þannig í veg fyrir að efnið sem búið er að fjarlægja festist á katóðunni. Í staðinn skolast það burt. Vatnið fjarlægir einnig hita. Verkærið er yfirleitt gert úr kopar, brass eða ryðfríu stáli og hefur form þess sem á að fjarlægja. Verkærið er fært að vinnslustykkinu á sama hraða og efnið fjarlægist frá vinnslustykkinu (Metal Removal Rate (MRR)). Jafna fyrir færslu hraða ( Feed Rate) verkfæris í rafvinnslu: (jafna 26.6)

fr= CI / A C: specific removal rate ( sjá töflu 26.1) I: straumur í amper

A: “fremsta” flatarmál verkfæris (frontal area of electrode / projected area of the tool)

Kostir:

• Hægt að fjarlægja efni án þess að skemma yfirborð vinnslustykkis • Sleppum við gráður • Verkfærin endast lengi • Fjalægjum efni tiltölulega hratt í vinnslu harðra efna

Gallar:

• Dýr vinnsluaðferð • Mikil rafmagnsnotkun • Erfitt að eyða botnfalli í raflausn

26.2.2 Afgráðun og slípun með raflausn (Elecrochemical Deburring and Grinding)

Afgráðun með raflausn (Electrochemical Deburring) mynd 26.6: Notað til að slétta yfirborð og rúna hvöss horn vinnslustykkis. Aðferðin er fljótleg, því hún flest ekki í því að fjarlægja mikið efni, einungis að fínvinna vinnslustykkin.

33


Slípun með raflausn (Electrochemical Grinding) mynd 26.7: Notað til að slípa yfirborð með leiðandi slípihjól. Slípiefnin eru áloxíð og demantur. Þar sem að slípunin fæst með raflausn, endist slípihjólið mun lengur en í hefðbundinni slípun.

26.3 Varmaorku ferli (Thermal Energy Processes) Vinnsluferli byggð á varmaorku eru einkennast af mjög háum hitastigum; nógu miklum hita til að fjarlægja efni með sveimi (fusion) eða uppgufun (vaporization). 26.3.1 Raf-ferli ( Electric Discharge Processes) Ferlið lýsir sér þannig að verkfærið skýtur neista á yfirborð sem á að fjarlægja. Neistinn orsakar nógu heitt hitastig til að bræða málminn eða láta hann gufa upp. Helstu vinnsluaðferðirnar í þessum flokki eru rafskurður og rafskurður með vír. Þessar aðferðir er einungis hægt að nota á leiðandi efni. Rafskurður ( Electric Discharge Machining) Sjá mynd 26.8. Form skurðarins fer eftir formi elektróðunnar/verkfærisins. Neistarnir eiga sér stað milli verkfærisins og yfirborði vinnslustykkisins. Torleiðandi vökvi (dielectic fluid) rennur einnig þar á milli. En hann á að fjarlægja efnið og einnig er hann einangrari fyrir skurðarflötinn. Elektróðan/verkfærið er gert úr: Grafít (algengast) Brass Kopar Tunsten kopar Silfur tungsten MRR (Metal Removal Rate) og yfirborðsáferð fer eftir rafstraumnum (current) og tíðni (frequency). Efnið fjarlægjist hraðar eftir því sem báðir þessir parametrar hækka. Besta yfirborðsáferðin fæst hins vegar þegar tíðnin er há en straumurinn lítill. Hægt er að reikna út á hvaða hraða efnið fjarlægjist:(Jafna 26.7) MRR= KI /Tm

1.23 K= hlutfallsfastil = 664 I= afhleðslu rafstraumur ( discharge current) í amper Tm = bræðslumark vinnslustykkis

Raskurður með vír (Electric Discharge Wire Cutting) Grannur vír notaður til að framvkæma skurðinn. Sjá mynd 26.10. Hér er vírinn elektróðan. Þessi aðferð líkis bandasagavinnslu nema hér færðu mun meiri nákvæmni. Færihraðinn (feed rate) er samfelldur og hægur og við fáum einsleitan skurð. Vírinn er yfirleitt úr: Brass Kopar

34


Tunsten Molybdenum Skurðurðurinn er mjög nákvæmur og er óháður hörku og segigju efnisins. Góð leið til að búa til sansa, og þá er hægt að gera stans o land í einum skurði. 26.3.2 Rafgeislaskurður ( Electron Beam Machingin) Rafeindunum í geislanum er hraðað upp í 75% af ljóshraða. Geislnum er svo beint að yfirborði vinnslustykkis og bræðir efnið. ( Sjá mynd 26.13). Kostir:

• mjög góð aðferð við nákvæmnisvinnu • getur borað “micro”göt, þvermál allt niður í 0,05 mm • vikrar á öll efni

Gallar:

• þykkt efnisins sem á að vinna verður að vera á bilinu 0,25 – 6,3 mm. • mikil orkuþörk • dýr búnaður

26.3.3 Laser skurður ( Laser Beam Machining)

Notum ljósorkuna frá leasergeislanum til að fjarlægja efnið með uppgufun. Lasergeilsa er hægt að nota til að skera bæði hörð og mjúk efni, en efni sem eru kjörin fyrir þessa skurðaðferð eru: gler exposy plast gúmmí timbur textíll Hægt er að bora litlar holur, eða skera út stærri holur. Einnig er laserskurður notaður til að merkja hluti því hægt er að ráða dýpt skurðarins. 26.3.4 Ljósbogaskurður (Arc cutting process) Ákafur hiti frá rafmagns boga getur verið notaður við að bræða alla málma í þeim tilgangi að sjóða saman og skera. Oftast notar ljósbogaskurðiur hita sem er fengin frá ljósboga milli rafmagns og vinnsluhlutar úr málmi til að bræða sagarfar sem aðgreinir hlutana. Algengustu ljósbogaskurð aðferðirnar eru ljósgeisla- og loft kolefnis boga skurður. Ljósgeislaskurður. Geisli er skilgreindur sem yfirhitað rafgas. Ljósgeislaskurður (Plasma arc cutting – PAC) notar yfurhitað rafgas á bilinu 10,000°C til 14,000°C til að skera málm með því að bræða hann (mynd 26.15). Platan er skorin með því að beina háhraða geisla straum á svæðið, þannig bráðnar það og blæs bráðnaða málminum gegnum sagarfarið. Ljósgeislinn er fengin milli rafmagns inni í ljósblysinu og annóðu vinnuhlutarins. Hraði ljósbogans og hitinn er svo mikill að hann getur skorið allt að 150 mm þykkt efni.

35


Gös sem eru notuð til að mynda plasma í PAC innihalda nitrogen, argon, vetni eða blöndu af þessum gösum. Oftast er PAC notað til að skera plötur og flata málmluti. Skorið er efir sniði, bæði er hægt að nota mannshönd til að stýra blysinu (manual) eða róbot(NC). Gott er að nota róbót þar sem miklar kröfur eru um nákvæmni. Hægt er að skera flest alla málma með PAC en oftast er málmurinn kolefnis stál, hreint stál og ál. Vinnsla með róbót er mjög hraðvirk og getur fæðihraði verið 200 mm/s fyrir 6mm ál plötu og 85 mm/s fyrir 6mm stálplötu. Hraðinn er að sjálfsögðu hægari fyrir þykkari plötur t.d. er hámarkshraði til að skera 100 mm þykka álplötu í kringum 8 mm/s. Gallar við Ljósgeislaskurð er að erfitt er að ná góðu sári, skemmdir eru oft á yfir borðinu. skán/gjall á neðra yfirborði og það getur orðið oxun. Loft kolefnisboga skurður Í þessarri vinnslu er boginn fengin milli kolefnis rafmögnunar og málmsins. Og há hraða loft gusa er notuð til að feikja bráðnaða hluta málmsins í burtu. Þessa aðferð má nota til að mynda blys til að aðskilja partana eða gera holu í partinn. Loft kolefnisboga skurður er notaður á nokkra málma s.s. steypujárn, kolefnis stál, ál og hreint stál. Fleiri aðferðir sem byggjast á ljósbogaskurð eru til, þær byggja á svipuðum grunnhugmyndum en eru ekki jafn algengar. Logskurður (Oxyfuel cutting prosess) Logaskurður notar hita af bruna ákveðinna eldsneytis gasa sameinuðum við exothermic hvarfi af málminum við súrefni. Skurð blysið í þessari vinnslu er hannað til að flytja blöndu af eldsneitis gasi og súrefni í réttum stærðum og stýra straumi af súrefni til svæðisins sem á að skera. Fyrrum vélbúnaður til að fjarlægja efni með með Logskurð (OFC) er efnishvarf af súrefni við basískan málm. Tilgangur súrefniselsneitis blöndunnar er að hækka hitann á svæðinu sem á að skera til að ýta undir hvarfið. Þessi aðferð er yfirleitt notuð til að skera plötur úr járnmálmum, sýring á járningu er hröð og virkar eins og í eftirfarani jöfnu:

Fe + O FeO + hiti 3Fe + 2O2 Fe3O4 + hiti

2Fe + 1.5O2 Fe2O3 + hiti

Efni notuð í OFC innnihalda súrefni, acetylene, methylacetylene propadiene, propylene og propane. Loga hiti og hita af bruna fyrir þessi eldsneitisgös eru í lista á töflu 31.2 í kafla 31. Acetylene brennur á hæsta logahita og er algengasta elsneiti fyrir suðu. Hæg er að framkvæma logskurð með mannshönd og með tækjum. Notað er mannafl þegar gera þarf við hluti og grófvinnslu. Vélar eru notað við framleiðslu þar sem vinnan er forrituð og kröfur um hraða og nákvæmni eru meiri. 26.4 Efnafræðileg vélavinnala (Chemical machining) Efna vélvinnsla (CHM) er ekki komin í vana þar sem efnis fjarlæging á sér stað í snertingu við sterk efnafræðileg æti. Hagnýting sem iðnaðar vinnsla hófst skömmu eftir seinni heimstyrjöldina í flugvéla iðnaði. Notkun efnafræðilegra efna til að fjarlæja efni frá vinnsluhluti er hægt að nota á allnokkra vegu og nokkrir hafa verið þróaðir til að greina í sundur til hagnýtingarnar. Þessar aðferðir fela í sér

36


efnafræðilega mölva, efnafræðileg eyða, efnafræðilega myndskera, og ljósmyndaefna vélavinnsla(PCM). 26.4.1 Vélfræði og Efnafræði efnafræðilegrar vélvinnsul. Efnafræðileg vélvinnsla fer fram í nokkrum skrefum.

1) Hreinsun (cleaning) fyrsta skrefið er að hreinsa hlutinn til að triggja að efnið fjarlægist jafnt af yfirborðinu

2) Vörn (masking) Verndandi yfirborð kallað varnarefni (maskant) er látin á þau svæði yfirborðsins sem eiga ekki að eyða.

3) Eyðing (Etching) Hér er efnið fjarlægt. Hlutnum er dýft í ætuna sem ræðst með efnafræðilegum hætti á svæði hlutarins sem eru ekki varin.

4) Afgrímun (demasking) Gríman er fjarlægð af yfirborði hlutarins. Verndandi efni sem hægt er að nota til að innihalda neoprene, polyvinylcloride, polyethylene ofl. Þrjár að ferðir er hægt að nota til að verja efnið.

1) Skera og híða(Cutt and peel) – Verjandi efni er látið á allan hlutinn, 0,25 – 0,125mm þykkt. Eftir að efnið hefur harnað er það skorið með skröpunar hnríf og skrælt af á þeim stöðum þar sem við viljm að ætan éti efnið. Þetta er yfirleitt gert í höndunum, yfirleitt í vinnsu á stórum hlutum þar sem kröfur um nákvæmni eru ekki miklar. Vikmörk með þessarri aðferð eru um 0,125 mm.

2) Ljósmynda viðnám(Photographic resist) - Notar ljósmynda tækni fyrir efnisvarnar skrefið. Varnarefnið innnihedur ljósmyndanæmt efni. Þau eru látin á yfirborð vinnuhluarins og hann er ljós er látið skína á neikvæða ímynd af svæðunum sem á að eyða. Svæðin varnarefnisins er hægt að fjarlægja af yfirborðinu með því að nota ljósmynda þróaða tækni. Þessi aðferð skilur eftir svæði á yfirborðinu sem á að verja með varnarefninu og önnursvæði óvarin. Ljósmynda viðnám er oftast notuð þegar litlir hlutir eru framleiddir í miklu magni og lítil vikmörk eru skilyrði. Vikmörk eru geta verið minni en 0,0125mm.

3) Hlíf viðnám(screen resist) – notar vörnina með aðferð sílki hlífar. Varnar efnið er málað á yfirborð vinnsluhlutarins gegnum silki eða óflekkað stál net. Fast í netinu er stensilll sem ver svæðin sem á að eyða fyrir varnar efninu. S.s. varnarefninu er stenslað á hlutinn). Þessið aðferð er almennt notuð í tilfellum sem eru á milli hina aðferðanna með tilliti til nákvæmni, stærðar á hlutum og framleiðslu hætti. Vikmörk með þessari aðferð eru um 0,075 m.

Val á sýru fer eftir vinnu málmi sem á að æta, dýpt sem á að ná og hraða efnis fjarlægingarinnar og yfirborði hlutarins. Ætan þarf einnig að vera notuð með réttu varnarefni til að það sé á hreinu að ætan eyði ekki varnarefninu. Tafla 26 á bls 629 sýnir nokkur vinnsluefni sem eru unnin með CHM með ætu sem er oftast notuð með þeim. Einnig sýnir taflan hraðan og ætu stigið. Ætuhraðinn í CHM er yfitleitt skilgreint sem hraðinn sem ætan étur sig í gegnum efnið, í mm/mín (in/min). Þar sem ætan étur sig jafnt í gegn á öllu yfirborði hlutarinns og étur beint ofan í hlutinn. Þegar ætan er komin niður fyrir yfirborðið er þó hætta á að hún vinni sig undir verndarlagið eins og sýnt er á mynd 26.16 bls 629, það kallast undir undirskurður (undercut), og þarf að gera ráð fyrir þegar verndarlagið er látið til að útkoman verði eins og gert var ráð fyrir. Fasti fyrir hlutfall af afninu er kallað ætufastiog er skilgreindur sem

Fe = d/u

37


Þar sem Fe = ætufasti; d = dýpt skurðar, mm og u = undirskurður, mm. Stærðirnar d og u eru sýndar á mynd 26.16. Ólík efni hafa ólíka ætu fasta og eru nokkur algeng gildi sýnd í töflu 26.2. 26.4.2 CHM Vinnsluaðferðir Aðal efnafræðilegu vinnsluaðferðirnar eru: (1) Efnafræðileg mölun, (2) efnafræðileg eyðing, (3) efnafræðilegur gröftur/myndskurður, og (4) Ljósmyndaefnfræðileg vinnsla. Efnafræðileg mölun (cemical milling) mikið notuð í flugvélaiðnaði til að fjarlægja stóra hluta þar sem verulega mikill málmur er fjarlægður meðan á vinnslunni stendur. Skera og hýða varnaraðferðin er notuð. Vinnslu aðferðin er sýnd vel á mynd 26.17. Yfirborðsáferðin eftir efnafræðilega mölun er mismunandi eftir efni og er synd í töflu 26.3. Yfirborðsáferðin fer einnig eftir dýpt ætunnar og verður grófari efir því sem ætan étur sig lengra inn í efnið.

Vinnslu efni Yfirborðsáferð í µm Ál og málmblöndur 1.8 – 4.1 Magnesium 0.8 – 1.8 Milt stál. 0.8 – 6.4 Títaníum og málmblöndur 0.4 – 2.5 Efnafræðileg eyðing(cemical blanking) notar eyðandi efni til að skera málmþynnur allt niður í 0,025 mm þykkar í sundur og/eða vúa til sker mynstur. Aðferðin við að verja hlutinn er annaðhvort ljósmyndaviðnám aðferðin eða hlýf viðnáms aðferðin. Fyrir litla og/eða óstýrilát mynstur með lítil vikmörk er ljósmyndaviðnám aðferðin notuð en annars er hlýfar viðnám aðferðin notuð. Ekki er hægt að nota skera og hýða aðferðina vegna smægðar hlutarins. Skrefin í efnafræðilegri eyðingu eru sýnd á mynd 16.18. þar er hlýfar aðferðin notuð til að verja hlutinn. Athuga þarf að mynstrið sé eins báðum megin á plötunni því ætan verður að éta sig í gegnm efnið úr báðum áttum. Notkun á efnafræðilegri eyðingu takmarkast yfirleitt af þunnum efnum og/eða flóknum mynstrum. Hámarks plötu þykkt er í kringum 0,75 mm. Einnig eru hörð og stökk efni unnin með efnafræðilegri eyðingu þar sem vélvinnsla myndi brjóta efnin. Mynd 26.19 sýnir hluti sem unnir voru með efnafræðilegri eyðingu. Vikmörk geta verið allt að 0,0025mm fyrir 0,25mm þykkt efni þegar ljósmynda vörnin er notuð. Eftir því sem platan verður þykkari verða vikmörkin stærri. Efnafræðilegur gröftur/myndskurður(Cemical engraving) Er efnafræðileg vinnsla til að búa til mynstur plötur og önnur flöt yfirborð á aðra hliðina. Aðferðina má nota til að búa til reiti með lækkuðu eða upphöfnu letri einfaldlega eftir því hvaða svæðum þú eyðir. Til að verja hlutinn er annaðhvort notuð ljósmyndavarnar aðferðin eða hlýfar aðferðin. Efnafræðilegur gröftur er svipaður hinum aðferðunum í vinnslu að því utanskildu að þegar hluturinn hefur verið grafin eru raufarnar fylltar með með málingu eða öðrum efnum. Svo er reiturinum dýpt ofan í lausn sem hreinsar burt varnarefnin en ræðst ekki hin efnin. Þannig að eftirstendur hluturinn með lituðum raufum. Þetta er gert til að mynsturin verði meira áberandi.

38


Ljósmyndaefniafræðilegvinnsla(photocemical maching, PCM) efnafræðileg vinnsla þar sem ljósmyndaþolin varnarefni eru notuð. Aðferðinni má því bæta beint við efnafræðilega eyðingu og efnafræðilegan myndskurð þegar þessar aðferðir nota ljósmynda varnar aðferðina. PCM er notuð í málmvinnslu þegar vikmörk eru lítil og flókin mynstur á að letra á flata hluti. PCM er einnig notað mikið í rafeinda iðnaði. Mynd 26.20 sýnir röð aðferða í PCM þegar henni er bætt við efnafræðilega eyðslu. Myndin sýnir neikvæða í snertingu við yfirborðið Efni í ljósmyndavinnslu eru viðkvæm fyrir útfjólubláu ljósi en ekki ljósi á öðrum bylgjulengdum. Þess vegna er hægt að hafa eðlilega lýsingu í verksmiðjunum og ekki þarf að framkvæma vinnsluna í dimmu herbergi. Þegar varnarefnið hefur verið sett á er fer restin af vinnslunni fram á sama hátt og í öðrum efnafræðilegum vinnslum. Í PCM er þátturinn sem svipar til ætufactors kallaður anistropy, sem er skilgreind sem dýpt skurðar, d deilt með undirskurði, u(sjá mynd 26.18) og er skilgreind eins og í jöfnu (26. 9) (sjá að ofan). 26.5 Val á vinnluaðferðum Við val á vinnsluaðferðum þarf að hafa ýmisegt í huga.

Smágöt – þvermál minna er 0,125mm. Hægt er að nota LBM til að gera holur allt niður í þvermál 0,0,25mm.

Djúp og mjó göt – d/D > 20. Fyrir utan gun driller er ekki hægt að vinna þessar holur rennibor. ECM og EDM eru notaðar með góðri útkomu í þessum tilfellum.

Göt sem eru ekki hringlaga – og er þarmeð ekki hægt að bora. EDM og ECM er hægt að nota því verkfærin þar snúast ekki.

Grannar raufar – í plötur úr mismunandi efniþar sem raufarnar eru ekki endinlega beinar. EDM, LBM, vír EDM, WJC og AJC er hægt að nota í mörg tilfelli í þessum flokki. Sumar þessarra vinnsluaðferða má nota til að búa til mjög flókin mynstur.

Micromaching – í viðbót við að skera litlar holur og mjóar raufar, eru einnig tilvik þar sem hluturinn eða svæðið sem á að skera burt af eru mjög lítil. Ákveðinar óhefbundnar vinnluaðferðir má nota s.s. PCM, LBM og EBM, er hægt að nota í þessum tilvikum.

Grunnir vasar og flatir hlutar – Það er stórt stærðarbil á hlutum í þessum flokki allt frá hlutum sem ekki er hægt að vinna með mannsauganu upp í stórar flugvélar. Efnafræðileg vinnsla er notuð til að gera þessa vinnu.

Sérstök yfirborðsform – EDM og ECM eru oftast notuð við þessi tilfelli. Vinnslu efni. Sem hópur óhefðbundinna aðferða má við öll vinsluefni, málma og málmleysingja. Hinsvegar eru ákveðin ferli sem sem henta ekki við ákveðin efni. Tafla 26.4 sýnir getu óhefðbundinna aðferða á nokkrum gerðum ef efnum. Nokkrar þessarra aðferða má nota ´málma en ekki málmleysingja. Til dæmis ECM, EDM og PAM þurfa vinnslu efni sem eru rafleiðandi. Efnafræðileg vinnsla fer eftir vali á réttri ætu fyrir vinnslu efnið. Vegna þess að málmar eru viðkvæmari fyrir efnafræðilegri árás er oft noat CHM til að vinna málma. Með nokkrum undantekningum má nota USM, AJM, EBM og LBM á bæði málma og málmleysingja. WJC er vanalega

39


takmrkuð við skurð á plasti, pappa, vefnaðarvörur og önnur efni sem hafa ekki stirk málma. Óhefðbundnar aðferðir eru yfirleitt skilgreind í flokka eftir litlu efnistöku og háum og mikilli orkuþörf miðað við hefðbundnar vinnslu aðferðir. Hæfileiki fyrir nákvæmni á skurðum og yfirborðsáferð óhefðbundnu aðferðanna er mikill. Sumar aðferðirnar hafa bjóða upp á mjög mikla nákvæmni og góða yfirborðsáferð en aðrar ekki. Einnig skiptir máli hvort vinnsuaðferðirnar skemmi yfirborð efnisins. Tafla 26 ber saman þessa eiginleika.

Kafli 27- Hitameðhöndlun málma (Heat treatment of metals)

Þær framleiðsluaðferðir sem við höfum skoðað hingað til hafa falið í sér að búa til geometríu. Núna lítum við á aðferðir sem annað hvort betrum bæta hlutinn (propetry – enhancing operations) eða eru notaðar á yfirborðið t.d. til heinsunar (kafli 28) eða húðunar (kafli 29). Mikilvægasta aðferðin við að betrum bæta hlut er hitameðhöndlun. Hitameðhöndlun felur í sér mismunandi hita- og kæliaðferðir sem hafa áhrif á eðlisfræðilega eiginleika efnisins. Hitameðhöndlun er hægt að framkvæma á mismunandi tímapkt í framleiðslu á hlutnum t.d. fyrir mótun til að mýkja hlutinn eða í endann til að fá aukna hörku og styrk í hlutinn. Hitameðhöndlun skiptist í Glóðun (annealing) Martensít hersla (martensite formation in steel) Fasahersla (precipitation hardening) Yfirborðshersla (surface hardening) Glóðun felur í sér hitun á málminum upp í ákv. hitastig, halda því hitastigi í ákv. tíma (soaking) og kæla svo rólega niður. Þetta er gert til að Lækka hörku Breyta innri kornabyggingu Míkja efnið Endurraða kornum eftir kaldvinnslu Lækka spennur í efni Full annealing á við um “ferrous” málma (usually low and medium carbon steels). Felur í sér hitun á alloy upp í “the austine regoin” og svo hæg kólnun í ofni til að búa til “coarse pearlite” Normalizing, stálið látið kólna í lofti þanngað til það nær hebergishita þannig næst “fine pearlite”, hár styrkur en lágr sveigjanleiki. Process anneal, til að minnka áhrif hörku og auka sveigjanleika, (cold –worked parts). Martensít hersla. Notum hraða kælingu á stál svo innri strúktúrinn í efninu nær ekki jafnvægi og við förum frá fasanum austenite (sem er FCC) beint í fasann martensite (sem er BCT). Martensite er harður, stökkur fasi úr járni og kolefni. Kolefnisatómin mynda kristalgrind í BCT og þess vegna fæst harkan.

40


Martensite umbreyting byrjar á hitastigi Ms og endar á Mc sjá fig 27.1 en á milli þessara tveggja hitastiga er stálið blanda af austinite og martensite. Hitameðhöndlun til að ná fram martensite samastendur af 1. Austenitizing = hita stálið í það háan hita að við breytum því að hluta til eða algjörlega í austenite 2. Quenching = kæla austenite hratt niður með salt vatni, fersk vatni, olíu eða lofti. Tempering: Hitameðhöndlun notuð á hert stál til að minnka stökkleika og auka sveigjanleika og þol og losa spennur í martensite byggingunni. Felur í sér hitun að hitastig fyrir neðan bræðslumark í klst og svo tekur við hæg kólnun. Förum frá BCT í BCC Herðanleiki efnis: Geta stáls til að herðast með martensite. Stál með góðan herðanleika er hægt að herða djúpt ofan í yfirborðið og þarfnast ekki hraðrar kælingar. Herðanleiki stáls er aukin með “alloying”. Alloying efni sem hafa mest áhrif eru mangan og molybdenum. Algengasta aðferðin við að mæla herðanleika er Jominy end-quench test Fasahersla felur í sér myndun fínna agna sem koma í veg fyrir hreyfingu misgengis (movement of dislocations) og styrkir og herðir þannig málminn. Þeir alloy sem geta nýtt sér fasaherslu eru t.d. ál, kopar, magnesíum og nikkel þ.e. samsetningin verður að vera þannig að við herbergishita eru tveir fasar en við hitun leysist annar fasinn upp. Fasahersla felur í sér þrjú skref (sjá fig 27.5) 1. Solution treatment: Alloy hitað upp að Ts 2. Quenching: Kæla að herbergishita 3. Precipitation treatment: Alloy hitað að hitastigi Tp fyrir neðan Ts. Í þessu skrefi er miklum styrk og hörku náð. Með hærra hitastigi náum við hörkunni á stuttum tíma en á lágu hitastigi þarf lengri tíma til að ná hörkunni en á móti kemur náum við meiri hörku. Yfirborðshersla. Notað á stál þar sem yfirborðinu er breytt með kolefni, nitri eða öðrum efnum. Helstu aðferðinar eru Kolefnishersla (Carburizing) Nítrun (Nitriding) Kolefnis og nitrum (Carbonitriding) Króm og bróns (Chromizing and Boronizing) Kolefnishersla, algengasta yfirborðsherslu aðferðin. Felur í sér að hita low-carbon stál í kolefnisríku umhverfi svo C flæðir á yfirborðið og útkoman verður high-carbon stál með meiri hörku. Nokkrar kolefnishersluaðferðir eru til, ein þeirra er gaskolefnishersla (gas carburizing) ern þar er notast við C3H8 í lokuðum ofni. Hersludýptin verður 0,13-0,75mm. Aðrar aðferðir eru pack carburizing og liquid carburizing Nítrun. Nitri er dreift á yfirborðið á stáli sem inniheldur ál eða króm. Hersludýpt verður 0,025-0,5mm og harka upp að HRC 70. Hitinn við vinnsluna er 500° C. Aðferðir eru t.d. gas nitriding og liquid nitriding. Kolefins og nítrun. Bæði kolefnis og nitur er látið flæða á yfirborðið. Hersludýpt 0,07-0,5mm

41


Króm og bróns hersla. Króm þarf hærra hitastig og lengri tíma en áður nefndar aðferðir en við það fæst mikið þol gegn hita og ryðgun. Notað á low-carbon stál. Hersludýpt er 0,025-0,05mm Brónshersla, nær hörku upp að HRC 70. Notað t.d. á stál, nikkel og cobbalt alloy. Með þessari aðferð fæst þol gegn svörfun. Flestar hitameðhöndlanir eru framkvæmdar í ofnum en aðrar aðferðir hita aðeins þann hluta stykkisins sem er verið að vinna með svo við greinum á milli hitameðhöndlana í ofnum og ákv. hitameðhöndlunar aðferða (selective surface Hardening Methods). Ofnar Ofnar eru mismunandi. Hitun hlutarins er þó samsetning af geislun, hringstreymis og leiðni. Hitunin skiptist annars vegar í gas og olíu ofnar og hins vegar rafmagnsofnar. Gas og olíu ofnar: Bein snerting elds og efnis, gas-náttúrulegt gas eða própan, viljum lágmarka oxun. Rafmagnsofnar: Hreinir og hávaðalitlir, einsleit hitun, dýrari leið. Ofnum er skipt upp í nokkra flokka t.d. höfum við Batch ofnar sem eru einfaldir, samanstanda af hitunarkerfi í einangruðum klefa með hurð dæmi eru box furnaces, car-bottom furnaces og bell- type furnaces. Continuous ofnar eru notaðir í mikilli framleiðslu og það er hægt að hreyfa hlutinn inn í klefanum Vaccum ofnar, geta búið til lofttæmi og komið þannig í veg fyrir oxun . Ákv. hitameðhöndlunar aðferðir skiptast í Logahersla (flame hardening) Hitun með rafsegulsviði (indction heating) Hátíðni hitun (high-frequency resistance heating) Rafeindahitun (electron beam heating) Laserhitun (laser beam heating) Laser beam: Þarf ekki á loftæmi að halda til að ná góðum árangri Electron BH: Ókostur við þá aðferð er að það þarf sérstaka vaccum klefa til að ná góðum árangr.

Kafli 28 – Hreinsun og yfirborðsmeðhöndlun (Cleaning and surface treatments)

Í þessum kafla er fjallað um þrjár aðferðir um hreinsun og yfirborðsmeðhöndlun:

• Efnahreinsun (chemical cleaning) • Mekanikal hreinsun og tengdar yfirborðsmeðhöndlanir (mechanical

cleaning and related surface treatments) • Flæði og jónainnsetning (diffusion and ion implantation)

Vinnslustykki(workparts) verður að hreinsa að minnsta kosti einu sinni á framleiðsluferlinu. Efnahreinsun og mekanikal hreinsun eru aðferðir til þess.

42


Efnahreinsun notar efni (chemicals) til að fjarlægja efni sem við viljum ekki hafa í yfirborði, eins og olíu og óhreinindi. Mekanikal hreinsun fjarlægir einnig óæskileg efni úr yfirborði en með “vélrænum” aðferðum (mechanical operations of various kind). Hreinsunin bætir einnig yfirborðseiginleika. Önnur ferli sem bæta yfirborðseiginleika eru flæði (diffusion) og jónainnsetning (ion implantation). Þar er yfirborðið mettað af ólíkum atómum sem hvarfast í yfirborðið, breyta þannig efnasamsetningu þess og með því breyta eiginleikum þess. Meginhlutverk allra ferlanna sem um er rædd í kaflanum er að hreinsa yfirborð og bæta eiginleika.

28.1 – Efnahreinsun (Chemical cleaning)

Flest yfirborð eru þakin húð af óhreinindum, olíu, fitu eða öðrum aðskotaefnum. Yfirleitt viljum við fjarlægja þessi aðskotaefni. Ástæður fyrir af hverju við viljum hreinsa vinnsluparta:

• Til að undirbúa yfirborð fyrir eftirfarandi vinnslu, t.d.húðun (coating application) eða þegar á að líma parta saman (adhesive bonding)

• Vegna hreinlætiskrafna og heilbrigðisástæðna (fyrir þá sem vinna með vöruna og viðskiptavini)

• Til að fjarlægja aðskotaefni sem gætu hvarfast við yfirborðið • Til að bæta útlit og eiginleika vörunnar

28.1.1 – Hvað er ráðandi í vali á hreinsunaraðferð (General Considerations in Cleaning)

Það er engin ein hreinsunaraðferð sem dugir í öll tilfelli. Það þarf að taka tillit til margra þátta. Mikilvægir þættir í að velja hreinsunaraðferð eru:

• Gerð óhreininda eða aðskotaefna (contaminant). Hvað er það sem við viljum fjarlægja í hverju tilviki.

• Hversu mikla hreinsun þarf, stundum er ekki betra að hreinsa of vel en fyrir ákveðna vinnslu, eins og t.d. ef þarf að festa parta saman, þá krefst það þess að partarnir séu vel hreinsaðir.

• Eiginleikar hvarfefna yfirborðsins (substrate material to be cleaned). Þegar ákveðin efnahreinsun er valin er mikilvægt að þekkja eiginleika efnanna í yfirborðinu og vita hvernig yfirborðið hvarfast við önnur efni.

• Ástæða hreinsunar • Umhverfis og öryggisþættir • Stærð og form hlutar • Framleiðsla og kostnaður

43


28.1.2 – Efnahreinsunaraðferðir (Chemical Cleaning Processes)

Efnahreinsun notar ólík efni til að fjarlægja óhreinindi af yfirborðinu. Helstu efnahreinsunaraðferðir eru:

• Alkalíhreinsun (alkaline cleaning). Alkalíhreinsun er algengasta aðferðin. Eins og nafnið bendir til þá er það alkalímálmur sem er notaður til að hreinsa olíu, fitu, vax og allskonar eindir úr málmyfirborði. Alkalílausnin er ódýr leysanleg saltlausn (water-soluble salts). Dæmi: NaOH, KOH, Na2CO3, Na2B4O7. Yfirleitt er yfirborð spreyjað eða dýft ofan í lausnina, og hitastig um 50-95◦C. Leifar af lausninni eru fjarlægðar með vatni. Málmyfirborð sem eru hreinsuð með alkalílausn eru yfirleitt rafhúðuð (electroplated) eða húðuð á annan hátt. Rafhreinsun(electrocleaning) er mjög tengt ferli þar sem 3 til 12 V straumur er settur í alkalílausnina.

• Fleytihreinsun (emulsion cleaning). Hér er lausnin sem notuð er til hreinsunar blanda af olíu og vatni. Eftir að hafa notað fleytihreinsun er líka notuð alkalíhreinsun til að hreinsa leifarnar.

• Leysihreinsun (solvent cleaning). Lífræn efni eins og olía og fita eru fjarlægð úr yfirborðinu með leysihreinsun. Olían í yfirborðinu leysist upp í efnunum sem eru notuð til að hreinsa yfirborðið. Lausnin er sett á yfirborðið með því að dýfa yfirborðinu ofan í hana, spreyjuð á, strokin á, eða með gufu/gasi (vapor degreasing). Þar sem efnin eru sum hættuleg mönnum þá er síðasta aðferðin lítið notuð.

• Sýruhreinsun (acid cleaning) Sýruhreinsun fjarlægir olíu og oxíð úr málmyfirborðum. Það þarf að nudda sýru í, mismunandi hversu mikið; gegnbleyta, spreyja, strjúka eða bursta. Stundum hitað upp. Algengt að nota: HCl, HNO3, H3PO4 og H2SO4. Val á sýru fer eftir málminum sjálfum og tilgangi hreinsunar. Munur á sýruhreinsun og sýrubaði (acid picling) er sá að sýrubað er meiri hreinsun, til að hreinsa þykkari oxíð, ryð og fl.

• Úthljóðshreinsun/Hljóðbylgjuhreinsun (ultrasonic cleaning). Hér er hreinsilausnin vatnslausn sem inniheldur alkalíhreinsiefni (alkaline detergents). Hljóðbylgjur með hárri tíðni streyma í gegnum vökvann, tíðni er milli 20 og 45 kHz og við hitastig 65 til 85◦C. Úthljóðshreinsun er mjög góð hreinsun, jafnvel ef form hlutar er mjög erfitt viðureignar.

28.2 – Mekanikal hreinsun og yfirborðsundirbúningur (Mechanical cleaning and surface preparation)

Mekanikal hreinsun felst í að óhreinindi, skánar, og ýmsar himnur frá vinnuyfirborði á vinnslustykkinu með því til dæmis að svarfa/pússa (abrasive methods) eða öðrum “vélrænum aðferðum”(mechanical methods). Hreinsunin þjónar oft fleiri verkum en að hreinsa, þá helst að bæta yfirborðsáferð.

28.2.1 – Blast finishing og Shot Peening (Blast finishing and Shot Peening)

Blast finishing Harður árekstur af ákveðnu efni (media) sem hreinsar yfirborðið. Mest þekkta aðferðin er sand blasting, sem notar SiO2 á yfirborðið. Mörg önnur efni eru einnig notuð, hörð eins og Al2O3 og SiC og mjúk eins og nælonperlur (nylon beads) og

44


mölvaðar hnetuskeljar (crushed nut shells). Harði árekstur verður þegar efninu er beint á yfirborðið með miklum þrýstingi. Stundum er ferlið gert blautt. Shot peening Hraður straumur af litlum stálkúlum (small cast-steel pellets = shots) er beint á yfirborðið. Myndar spennu í yfirborðinu. Shot peening er aðallega notað til að bæta þreytumörk (fatigue strength) málmparta. Aðaltilgangur Shot peening er því ekki sá sami og Blast finishing þó að yfirborðshreinsun felist í ferlinu líka.

28.2.2 – Tumbling og fleiri massayfirborðsmeðhöndlanir (Tumbling and Other Mass Finishing)

Tumbling og fleiri yfirborðsaðferðir eru flokkaðar sem massayfirborðsmeðhöndlanir. Partarnir eru saman í íláti (container) og nuddast saman og við efni, yfirleitt “abrasive” efni. Við það fá partarnir yfirborðsáferð sem vonast er eftir. Partarnir eru yfirleitt litlir og því er ekki hagstætt að meðhöndla þá hvern fyrir sig. Partarnir eru yfirleitt málmpartar einn hlutir úr plasti og keramik ganga stundum undir massayfirborðsmeðhöndlanir.

28.3 – Flæði og jónainnsetning (Diffiusion and ion implantation)

Í þessum kafla eru fjallað um tvær aðferðir þar sem yfirborð af hvarfefnum(substrate) er mettað af atómum sem breyta eiginleikum yfirborðsins. Þær eru flæði (diffusion) og jónainnsetning (ion implantation).

28.3.1 – Flæði, samruni ólíkra efna (Diffusion)

Flæði er breyting á yfirborði. Hvarfefni yfirborðsins hvarfast við atóm annars efnis og breytir það eiginleikum þess. Oft við hátt hitastig. Hlufallslega er þó áfram meira af hvarfefninu í yfirborðinu. Samsetninguna má sjá á mynd 28.3 bls. 656. Myndefnið er mest í yfirborðinu sjálfu og lækkar hlutfallslegt magn þess hratt þegar dregur frá yfirborðinu. Þetta ferli hefur mikla þýðingu fyrir málmtækni/málmvinnslu (metallurgy) og hálfleiðaraframleiðslu. (semiconductor manufacture). Tilgangur flæðis (diffusion) er að breyta efnasambandi og eiginleikum yfirborðsins. Mjög oft er þessi aðferð notuð til að auka hörku í yfirborðinu. Þá er C, Ni, Cr eða Bo atóm látin hvarfast við yfirborð úr járni eða stáli. Þessar aðferðir heita eftir íblöndunarefnunum, þ.e. carburizing, nitriding, carbonitriding, chromizing og boronizing. (Farið er nánar í hverja aðferð í kafla 27.4). Það eru aðrar flæðiaðferðir sem notaðar eru til að hindra tæringu (corrosion resistance and high-temperature oxidation resistance). Þar má nefna chromizing, aluminizing, og siliconizing. Í hálfleiðaraframleiðslu er flæði af aðskotaefnum sett í yfirborð af kísilflögu notað til að breyta rafeiginleikum yfirborðsins. (Farið nánar út í í kafla 35)

45


28.3.2 – Jónainnsetning (Ion Implantation)

Jónainnsetning (Ion Implantation) er annar valkostur þegar flæði er ekki æskilegt vegna háa hitastigsins sem það oft krefst. Í jónainnsetningu eru atómum af ólíkum efnum komið fyrir í hvarfefnayfirborði (substrate surface) með því að nota geisla af jónuðum eindum (ionized particles). Breyting verður þá á eiginleikum yfirborðsins. Sjá má dæmi um samsetningu við yfirborð á mynd 28.4 bls. 657. Athuga að ferillinn er ólíkur þeim sem myndast í samsetningu með flæðiaðferð (diffusion) sem var á mynd 28.3, bls. 656. Kostir jónainnsetningar:

• Ferli á lágu hitastigi (low temperature processing) • Góð stjórn á íbótarefnunum/aðskotunum(Good control and reproducibility of

penetration depth of impurities) • Hægt að finna leysanleika án fellingar með óþarfa aukaatóma(solubility limits

can be exceeded without precipitation of excess atoms). • Jónainnsetningu má nota sem staðgengil fyrir ákveðin húðunarferli(coating

processes), sem hefur sýnakosti: Engin vandamál með að fjarlægja óhreinindi eins og í rafhúðun og mörgum húðunarferlum (no problem with waste disposal as in electroplating and many coating processes)

• Enginn slitringur milli húðunar og hvarfefna. (no discontinuity between coating and substrate)

Hlutverk jónainnsetningar: Breytir yfirborði málma og bætir eiginleika og framleiðslu á hálfleiðaratækjum(semiconductor devices).

Kafli 29 – Húðun

Coating and depositing processes Aðalástæður húðunar málma:

Varnir gegn tæringu Bæta yfirborð og útlit ( Fá fram ákveðinn lit eða áferð) Auka slitþol og lækka núningsstuðul Auka rafleiðni (skv kennslubók) / draga úr rafleiðni (skv. glósum kennara) Auka rafviðnám. Undirbúa yfirborðið fyrir annað ferli Laga yfirborð hluta

Málmleysingjar eru einnig húðaðir og dæmi um það eru:

Plast er húðað til að gefa því áferð málms Endurkastshúðun er notað á glerlinsur, þe til að minnka endurkast Prentplötur og hlutir í rafmagnsiðnaði til að bæta leiðni og lóðningar

46


29.1 –Klæðning með málmplötum og tengdar aðferðir Plating and related processes

Þessar aðferðir eru mest notað á málma en einnig er hægt að nota þær á plast

og keramik efni. Ástæður klæðnignar:

Bæta tæringarþol Bæta útlit Minnka núningsstuðul Auka rafleiðni Bæta hæfni til lóðunar Bæta smurhæfni yfirborðsins

Rafhúðun (Electroplating)

Þar sem málmjónir eru í lausn með spennu á og setjast þær á vinnslustykkið sem er katóað ferlisins. Anóðan í ferlinu er málmurinn sem ætlaður er í húðun. Uppsetning á þessu má sjá á mynd 29.1. Til að ná fram bestu gæðum þurfa hlutirnir að vera hreinsaðir áður en ferlið hefst. Jafna 29.2 - Katóðu nýtni (Cathode Efficiency)

V=ECIt V= rúmmál þeirrar húðar sem myndast (mm3) E=nýtni katóðu C=Fasti (mm3/amp-s) I = staumur (A) t = tími sem straumurinn er á (sek) d = V/A d = þykkt plötu (mm), A = yfirborðsflatarmál

(mm2) Þessi jafna er notuð til að reikna rúmmálið á málmplötunni

Aðferðir við húðun:

Tromluhúðun: (Barrel Plating) Gott til að húða litla hluti Gott til að húða hluti með flóknu yfirborði, td holótt yfirborð. Galli við þessa aðferð er að hún getur eyðilagt:

mjúka mámlparta parta sem þarfnast góðrar yfirborðsáferðar þunga parta með skörpum hornum

Húðun í hengi: (Rack Plating)

notað á hluti sem eru of þungir, stórir eða flóknir fyrir tromluhúðun.

Hlutir látnir hanga í hengi, á krókum eða í körfum Hlutir lemjast ekki saman og þarf af leiðandi minni hætta á að

skemmdum á húðun

47


Lengju húðun: (Strip Plating) Þessi húðun á sér stað á færibandi Notað fyrir fjöldaframleiðslu Þessa aðferð er hægt að nota þegar aðeins á að húða ákveðið

svæði á stykki. Með rafhúðun er hægt að húða: Stál er mest notað til húðunar en einnig er notað zink, nikkel, tin, kopar, platina, silfur, gull( þrjú siðast nefndu eru notuð í skartgripi)

Dæmi um húðaða hluti eru: Zinkhúðaðir boltar Nikkelhúðaðir hurðarhúnar

• Nikkelhúðun er notuð sem tæringarvörn • og til bæta útlit stál, brass og aðra málma

Tinhúðun er notað td. í dósir undir dósamat • er notuð sem tærinarvörn

Coparhúðaðar prentplötur • Notað til að fá betra útlit

Krómhúðun er notuð á skrifstofuhúsgögn, eldhúsáhöld • Harðasta húðin kemur með þessari aðferð • Notað sem slitvörn

Varla er hægt að sjá mun á nikkel og króm húðun Rafformun: (Electroforming)

Dæmi um það eru geisladiskar, Húðunin er einungis um 0.05 mm þykk Í rafformun er yfirleitt notað kopar, nikkel og ál.

Húðun án rafmagns: (Electroless Plating) Húðunin er fengin fram með efnahvörfum Á sér stað í vatnslausn sem inniheldur jónir húðunarmálmsins Er ekki hægt að nota á marga málma. Þessi aðferð er dýrari í framleiðslu en rafhúðun Algengasti málmurinn í svona húðun er nikkel og melmisafbrigði þess, en

einnig hægt að nota kopar og gull. Nikkel er notað til að auka tæringar-og slitþol Einnig hægt að nota kopar til að húða plasthluti til að fá fallegra yfirborð

Kostir við húðun án rafmagns:

Með þessari húðun fæst samfelld þykkt á húð hlutarinns þrátt fyrir að hann sé með flókið yfirborð.

Þessi aðferð getur bæði verið notuð á málma og málmleysingja Þarf ekki rafmagn í þessa gerð húðunar

Heit ídýfun, aðferð: (Hot Dipping) oftast notað orðið Galvanizering í íslensku

Húðunarmálmurinn er hitaður upp og hefur hann lægra bræðslumark en málmurinn sem á að húða. Málmnum sem á að húða er dýft í bað af

48


bráðinni sem á að húða með og fer það eftir því hve lengi málmurinn liggur í því baði hversu þykk húðin verður.

Heit ídýfun: (Hot Dipping)

Stál og járn eru algengustu málmarnir sem eru húðaðir með þessari aðferð Zink, ál og tin eru algengustu húðunarmálmarnir Algengt er að húða hluti með þessari aðferð sem nota á utandyra Þessi húðun virkar sem hlífðarskel fyrir hlutinn Einnig er hægt að nota þessa húðun til að fá tæringarvörn (fórnaranóða) Á ensku eru til fleiri orð yfir þessa tegund húðunar og fer það eftir

húðunarmálminum (aluminizing, tinning, terneplate). Í íslensku er oftast talað um galvanizeringu yfir allar þessar gerði.

Þykkt húðunarinnar er um 0,04-0,09 mm, verður þykkri eftir því sem hluturinn liggur lengur í baðinu

Hitastig baðsins ( húðunarmálmsins) er um 450 °C Álhúðun gefur upp í 5 sinnum meiri tæringarvörn en galvanizering en er

dýrari vegna þess að það þarf hærra hitastig við að bræða álið.

29.2-“Umtununarhúðun”

Conversion coating

“Umturnunarhúðun” (Conversion Coating) Á við um nokkara gerðir af húðun þar sem þunn oxíð, fosfór eða krómsalt

filma myndast á yfirborði Hægt er að nota efnahúðun(Chemical Concersion Coatings) eða

rafefnameðhöndlun (Anodizing) Aðalega notað á stál, zink og ál en mögulegt er að nota þetta á aðra málma

Ástæður fyrir því að nota umtrununarhúðun má til dæmis nefna: tærignarvörn Yfirborðsendurnýjun Undirbúa fyrir málun Til að efnið haldi betur smurningu. Auka slitþol Auka rafviðnám Betri lokaáferð Betri samsvörun á yfirborði.

Efnahúðun: (Chemical Concersion Coatings)

Skiptist í forsfór húðun og krómhúðun Fosfórhúðun:

Þykkt á bilinu 0.0025 til 0.05 mm Algengustu húðunarmálmar eru zink, stál(líka galvaniserað

stál) Krómhúðun:

þykkt minni en 0.0025 mm notað á ál, kadmíum, kopar, magnesíum og zink ástæður fyrir krómhúðun eru

• tæringarvörn

49


• grunnur fyrir málun • Bæta útlit • hægt að lita málmana með krómhúðun

Rafhúðun / rafefnameðhöndlun: (Anodizing)

Stöðugt oxiðlag myndað á yfirborði Mest notað á ál og magesium en einnig er notað zink og títanuum. þykkt á bilinu 0.0025-0.0075 mm Hægt er að fá allskonar liti á yfirborðið Aðalega notað til að:

Bæta yfirborð og útlit Bæta tæringarþol Bæta slitþol Bæta smurhæfni

Hörð rafhúðun: (Hard Anodizing)

Hægt að fá þykka húð, um 0.25 mm á ál. Mikil vörn gegn tæringu og sliti

29.3- “gufuhúðun” Physical Vapor Deposition

“Gufuhúðun” (Physical Vapor Deposition) Vökvi er hitaður upp fyrir suðumark Notað til að fá þunna, nákvæma húð Hægt er að nota þessa húðun á málma, melmi, keramik og önnur ólífræn

efni. Dæmi um notkun á svona húðun eru:

Verðlaunapeningar Leiktæki Pennar

Hægt að nota þessa húðun á sjónlinsur til að koma í veg fyrir endurkast Einnig notað á verkfæri til að auka endingu

Leiðir við gufuhúðun:

Uppgufun í undirþrýstum klefa Uppgufun með rafgasi Eða hvoru tveggja

Gufuhúðun er skipt niður í þrjá flokka:

Lofttæmis húðun: (Vacuum Evaporation) Lítill kostnaður og einföld aðferð Erfitt að hreinsa burt agnir (deposition of compounds is

difficult) Viðloðun húðar við efni er ekki jafn góð og í hinum tveimur

aðferðunum Dæmi um húðunarmálma, silfur, ál, króm, kopar

50


Sjá mynd af uppsetningu á bls 666

Jónakvörnun: (Spluttering) Meiri viðloðunarkraftur en lofttæmis húðun Ferlið tekur lengri tíma en lofttæmis húðun erfiðara að stýra ferlinu hægt að nota á næstum alla málma, einnig á málmleysingja,

melmi, keramik og fjölliður Dæmi um húðunarmálma: áloxið, gull, króm, títaníumnítur Sjá mynd af uppsetningu á bls 667

Jónahúðun: (Ion plating)

Besta aðferðin í gufuhúðun, notar bæði lofttæmis húðun og jónakvörnun

Flóknasta að stjórna þessari aðferð “Higher deposition rate than sputtering” Get ekki þýtt þetta

• deposition: brottvikning, setmyndun Notað á hluti með flókið yfirborð Kostir:

• “high deposition rate” • hár þéttleiki filmu sem myndast • hæfni til að húða veggi í glufum og holum

29.4 – efna”gufu”húðun Chemical Vapor Deposition

Efna”gufu”húðun ( Chemical vapor deposition)

Þessi gerð af húðun gerist þannig að efnið sem á að húða er hitað upp og gas er látið inní klefa þar sem vinnslu stykkið er sem á að húð og á því myndast filma.

Því heitara sem umhverfið er í klefanum því hraðar gengur húðunin Einnig hægt að nota útfjólublátt ljó sem orkugjafa í stað hita. Td. notað til að húða sólarrafhlöður og annað sem þarf mikið tæringar og

slitþol, og þol gegn veðrun og hitabreytingu. Dæmi um málma sem hæfa vel þessu feli

• Tungsten • Molybdenum • Títanium • Vanadium • Tantalum

Kostir efna”gufu”húðunar:

Þarf ekki að hita upp fyrir bræðslumark, en hægt að auka hita til að hraða ferlinu

Kornastæð er hægt að stjórna Enginn þrýstingur nauðsynlegur Mjög góð viðloðun

51


Gallar efna”gufu”húðunar: Mikið af eiturgufum myndast við þetta ferli og þarf að loka það vel af. Sum hvarfefni mjög dýr Léleg nýtni á hvarfefnum ATH. Hann segir í glósum=. Gallar: tæringarhæfni efna sé mikil. En í

bókinni segir að þessi aðferð sé góð fyrir hluti sem þurfa vörn gegn tæringu, sliti, verðun og hitabreytingu!!!!!!!!!!

Framkvæmd efna”gufu”húðunar:

Þessi aðferð á sér stað í “kjarnaofni/sátri” (eina orðið sem ég fann) og samanstendura hann af

• Hvarfefna birgða kerfi, mismunandi eftir því hvort verið er að nota gas, vökva eða fast efni.

• “deposition” klefi (skv orðabók deposition = brottvikning, setmyndun, framburður)

o Klefinn þarf að þola hitastig frá 250°-1950°C • endurvinnslu kerfi

Lágþrýstings efna”gufu”húðun: (Low-pressure Chemical Vapor Deposition (LPCVD))

gerist að hluta til í lofttæmi kosti þessarar aðferðar eru:

• samfelld þykkt á húðinni • gott vald á samsetningu • lághita aðferð • “fast deposition rate” • mikil afköst og ódýrt

Rafgas efna”gufu”húðun: (Plasma assisted chemical vapor deposition)

er gert með því að hafa áhrifa á efnisþætti í gasi sem hafa verið jónaðir. Kostir þessarar aðferðar:

Lægra hvarfefna hitastig Betri yfirborðskraftur Betri viðloðun “faster deposition rate”

29.5 – Lífræn húðun Organic coatings

Lífræn húðun: (Organic coatings)

nota lífrænar fjölliður eða bindikvoðu sem er sett á vinnslustykkið á vökvaformi (einnig hægt að gera það í púðurformi) og þar þornar eða harðnar vökvinn og myndar filmu

hægt að breyta um liti á vinnslustykkinu með þessu hægt að fá mismunandi áferð verndar yfirborðið ódýrt

52


Vökvainn í lífrænni húðunn er búinn til úr:

Bindiefni- sem ræður eiginleikum húðarinnar. (Binders) Gefur húðinni styrk Efnislega eiginleika Viðloðunarhæfni við efnið sem á að húða Algengustu bindiefnin eru náttúrulegar olíur og bindikvoða/lím

eins og epoxies, acrylice og cellulosics (fundum ekki íslensku orðin)

Litarefni – gefa húðinni ákveðinn lit (Dyes/Pigments) Dyes = efni sett út í húðunarvökvann og lita hann. Þegar

liturinn er svo settur á hlutinn þá hylur liturinn ekki alveg yfirborðið

Pigments = smáar agnir eru settar út í húðunarvökvann og mynd lit. Þegar vökvinn er settur á yfirborðið þá hylur það alveg yfirborðið.

• Þessar agnir valda auknum styrk í húðinni Leysi – leysir upp bindiefnin og myndar vökva (Solvents)

aðal leysarnir eru alkóhól, esters, ketones o.s.f. Það þarf mismunandi leysa fyrir mismunandi bindiefni

Íblöndunarefni (Additives) Ráða segju vökvans Efni til að minnka áhrif frosts og þýðu, hita og ljóss Þessi efni eru notuð til að fá fjölbreytileika í húðun, td.

málning, lakk og gljákvoða Púðurhúðun (Power coating)

Við púðurhúðun er húðin á föstu formi, þe. í litlum ögnum sem bráðna á yfirborði hlutarinns, sem hefur verið hitaður, og mynda þar samfellda filmu.

Thermoplastic efni sem húðað er með Polyvinilchlorið Nylon Polyethylene Polypropylene

Þegar thermoplastic efni eru notuð er húðin um 0.08 – 0.3 mm á þykkt Thermosetting efni sem húðað er með

Epoxy Polyester Acryl

Þegar thermosetting efni eru notuð er húðin um 0.025-0.075 mm á þykkt Tvær aðferðir við púðurhúðun:

Sprautun með eða án refhleðslu Það er hægt að spreyja púðrinu á hlutinn við stofuhita og hita svo

hlutinn upp þangað til púðrið brjáðnar Einnig er hægt að sprauta púðrinu á hlutinn, þegar búið er að hita

hlutinn upp fyrir blæðslumark púðursins. • Þykkari húð kemur með þessari aðferð

Veltihúðun

53


Þessi aðferð er minna notuð en sprautun Part er velt í dufti sem er á hreyfingu með þrýstilofti Búið er að setja hleðslu á agnirnar svo þær festist betur við

yfirborðið

29.6 – Postulín glersungshúðun og aðrar keramik húðanir Porcelain enamelig and other ceramic coatings

Postulín húðun

Hægt er að postulínhúða málma eins og stál, steypujárn og ál Kostir postulínhúðunar:

Þykir falleg húðun Litir Sléttleiki og mýkt Auðvelt að hreinsa Góð ending Góð vörn gegn efnasamböndum og verði Þolir mikinn hita í langan tíma Vörn gegn hörku og skrámum rafviðnám

Notað í allt frá eldhúsáhöldum til hluta í þotuvélum Þykkt húðar er um 0.075-2 mm

Hægt að framkvæma húðunina nokkrum sinnum til að fá fram þá þykkt sem þarf

Framkvæmd postulínhúðar:

Undirbúa vinnslustykkið sem á að húða Húðin sett á yfirborðið Þurrka ef þarf Kveiking – hitastig um 800°C

29.7 – Hita og vélrænar húðunar aðferðir Thermal and mechanical coating processes

Þessar aðferðir gera það að verkum að húðin verður þykkari en í örðum

aðferðum sem notaðar eru hér í kaflanum. Hita-sprautuhúðun (Thermal Spraying) Bræddu efni er sprautað á hvarfefni þar sem þau harðna á yfirborðinu.

Hægt er að nota margvísleg efni í húðunina, svo sem stál ,karbíð, sérstakt gler og plastefni.

Hvarfefnin eru melmi, keramikefni, nokkur plastefni, timbur og pappír. Efninu er blásið á húðunarflötinn með gasloga (súrefnisloga). Þykkt húðar er um 0.05-2,5 mm Í fyrstu tilraunum sem þetta var notað var það við að laga hluti sem höfðu

verið skornir of mikið niður ( efnið hafði verið skemmt) (machined undersized)

Kostir:

54


Tæringarþol Vörn gegn háum hita Slitþol Rafleiðni Rafviðnám

Yfirborðsherðing: (Hard-facing)

Aðal einkenni þessarar aðferðar er að bræðslan á sér stað milli húðarinnar og hvarfefnissins.

Yfirleitt notað á illa farið efni eykur slitþol Þykkt húðar er um 0.75-2,5 mm en hægt að fara upp í 9mm

Húðun meðfærilegrar skeljar: (Flexible overlay)

Notað þar sem húðin þarf að vera mjög sterk eða hörð og notað er þá efni líkt og tungsten carbíð.

Efnið er lagt á yfirborðið og hitað upp. Þykkt húðar er um 0.25-2,5 mm

55

30. Kafli - Grunnatriði við suðu Suða er framkvæmd við hita og/eða þrýsting til þess að festa varanlega saman tvo hluti úr annaðhvort málmun eða plasti. Hér verður eingöngu fjallað um málmsuðu. Helstu kostir suðu: Hlutir festast varanlega saman, verða að einum hlut Suðan verður sterkari en grunnefnið ef notaður er suðuvír úr sterkara efni en grunnefnið og með réttri hulu til að vernda efnið frá súrefni. Einnig þarf suðan að vera vel soðin (helst af fagaðila). Suða er hagkvæmari til samsetninga en flestar aðrar hvað varðar efnis-notkun og –kostnað. Einnig eru flestar aðrar samsetningar mun flóknari og þyngri. Suða er ekki háð því að vera framkvæmd í verksmiðju. Hægt er að sjóða á flestum framkvæmdarstöðum (úti/inni). Helstu ókostir suðu: Flest suða er unnin handvirkt af lærðum fagaðila, þ.a.l. er mikill kostnaður við vinnu. Suða krefst mikillar orku, sem er kostnaðarsöm og gerir vinnuaðstæður hættulegar. Soðnir hlutir eru varanlega fastir saman, þ.a.l. er erftitt og dýrt að skipta um hluta eða gera við. Erfitt er að greina galla í suðu. Röntkenmyndun er kostnaðarsöm.

30.1 Helstu suðuaðferðir Yfirleitt eru hlutar sem sjóða á saman úr sama efninu þó að mögulegt sé að sjóða saman mismunandi efni. Skipting suðuaðferða fer eftir;

- Eiginleikum efnis (málmar, gerfiefni) - Markmið suðu (samtenging, sjóða yfirborð) - Hvernig suðan fer fram (Þrýstisuða, bræðslusuða) - Á hvaða hátt soðið er (handvirk, hálfsjálfvirk, sjálfvirk) - Á hvaða hátt við hlífum bráðinni (hula(gjall), gas, lofttæmi, eldur)

30.1.1 Suðuaðferðir Suða hefur verið flokkuð í 50 tegundir en þeim er skipt í tvo meginflokka.

30.1.1.1 Bræðslusuða Notaður hiti til þess að bræða grunnmálminn og oft notaður suðuvír sem blandast við grunnefnið og styrkir suðuna og gerir hana seigari. Bræðslusuðum er síðan skipt frekar niður.

- Ljósbogasuða (AW), notaður ljósbogi til þess að bræða saman málmana. Er mest notaða aðferðin.

- Viðnámssuða (RW), hiti er fengin við það að láta straum ganga í gegnum tvö efni sem þrýst er saman þannig að þau bráðna saman.

- Oxyfuel (OFW) gas suða, súrefnis gas úr blöndu af súrefni og acetíleni er notað til þess að mynda hita sem bræðir efni saman og suðuvír ef hann er notaður.

- Aðrar suður, t.d. leisersuður, plasmasuður og rafeindaboga suður.

30.1.1.2 Þrýstisuður Suða þar sem ekki er notaður suðurvír, heldur aðallega þrýstingur og oft hiti þ.a. efni þrýstast saman við hita neðan við bræðslumark efnanna. Suður sem tilheyra þessum flokki eru:

- Flæðissuður, efnum er þrýst saman þar til þau fljóta og festast saman - Núningssuður, efni eru núin þangað til að þau eru orðin heit, þá virka

rafeindakraftar, þá er efnunum þrýst saman. Hægt að setja saman ólík efni. - Hátíðnihljóðssuða, einskonar punktsuða sem notar hátíðnihljóð sem fær efnin til

að titra þannig að yfirborð bjagast og atóm milli efnanna tengjast. - Sprengisuða. Efnin þurfa að hafa mjög hreint yfirborð síðan eru þau sprengd

saman á 2000-4500 m/s. Enginn hiti er notaður, efnin þrýstast inn í hvert annað.

30.1.2 Notkun suðu Suður eru mikið notarar í ýmsum iðnaði, þar ber helst að nefna;

- Við byggingariðnað - Við pípulagnir, þrýstikúta, katla og tanka - Við skipasmíði - Við flugvéla- og geimflaugagerð - Við bíla- og lestariðnað

Margar suðuaðferðir eru framkvæmdar í verksmiðjum en nokkrar suðuaðferðir t.d oxyfuel gassuða og ljósbogasuða nota færanlegan búnað svo þær eru hægt að framkvæma víða. Flestar suðuaðferðir þurfa mikið starfsfólk Ljósbogasuða er t.d. framkvæmd af lærðum suðumanni sem stjórnar leið eða staðsetningu suðunnar til að tengja saman hluti. Í verksmiðjum þar sem ljósbogasuða er notuð vinnur suðumaður oft með öðrum sem er kallaður uppsetningamaður (e. fitter). Uppsetningamaður raðar hlutum saman fyrir suðumanninn áður en hann sýður með því að nota suðufestara og suðustillara. Suðufestari er notaður til að klemma og halda einingum í fastri stöðu fyrir suðuna. Suðustillari heldur hlutunum og færir þá í bestu stöðuna sem er oftast þar sem suðuleiðin er flöt og lárétt.

30.1.2.1 Öryggi Mikil öryggis þarf að gæta við suðu því að hættur geta myndast vegna;

- Mikils hita - Eldsneytis í eldsneytissuðum - Mikils straum, mikil orka notuð við suður - Útfjólublárrar geislunar, geta eyðilagt sjón - Gufu sem losna við suðuna

30.1.2.2 Sjálfvirkni Sjálfvirkni í suðum Vegna áhættu handvirkrar suðu og til að auka framleiðni og gæði afurða hafa mismunandi tegundir vélvæðingar og sjálfvirkni verið þróuð. Flokkarnir eru þrír: Hálf sjálfvirk suða, sjálfvirk suða og róbótasuða: Hálf sjálfvirk suða: Vél sýður saman undir stöðugu eftirliti vélamanns. Venjulega er um að ræða suðuhaus sem maðurinn stjórnar Sjálfvirk suða: Þegar búnaður framkvæmir suðu án stjórnar suðumanns. Það er venjulega einhver sem hefur eftirlit en stjórnar samt ekki. Það sem skilur sjálfvirka suðu frá hálf sjálfvirkri suða er suðuhringur sem stjórnar ljósbogahreyfingunni og staðsetningu vinnustykkisins án stöðugrar athygli frá fólki. Sjálfvirk suða er aðeins réttlætanleg fyrir stórar framleiðslulotur. Róbótasuða: Róbóti notaður til að stjórna hreyfingum suðuhaussins með tilliti til vinnunnar. Týpísk róbótasuða samanstendur af tveimur suðufesturum og uppsetningamanni sem hleður og afhleður á meðan róbótinn sýður. Róbótasuða er aðeins réttlætanleg fyrir litlar framleiðslulotur.

30.2 Samskeyti Suða býr til fast tengi milli tveggja hluta, kallað suðusamskeyti. Suðusamskeyti er samskeyti horna eða yfirborða sem er hægt að tengja með suðu. Það eru fimm mismunandi gerðir samskeyta:

30.2.1 Gerðir samskeyta ,,Butt” samskeyti

• hlutirnir liggja í sama plani og eru tengdir á jaðrinum. Hornasamskeyti

• hornin á hlutunum mynda rétt horn og eru tengd á hornunum Skörunarsamskeyti

• þessi samskeytagerð samanstendur af tveimur hlutum sem skarast T-laga samskeyti

• einn hlutur er hornréttur á hinn og mynda stafinn T Jaðarsamskeyti

• hlutirnir á jaðarsamskeytunum eru samsíða með a.m.k. einn jaðar sameiginlegan Sjá mynd 30.2 bls 684 í bókinni.

30.2.2 Gerðir suðu Til eru ýmsar gerðir suðu, myndir á bls. 685-6 lýsa þeim best. Fylliefnasuða (e. Fillet weld)

• notað til að fylla í jaðar platna með horn, skörun eða T-samskeyti

• notað til að búa til þversnið sem hefur nánast þríhyrningslögun • algengasta suðugerðin í ljósboga- og oxyfuel-suðu • einföld eða tvöföld (þ.e. soðið á einni hlið eða báðum) • slitrótt eða samfelld

Sporsuða (e. Groove weld) • horn hlutanna eru mótuð í spor til að auðvelda suðugegnumflæði • sporlögunin eru ferningslaga, skálaga,V,- U- og J-laga • einföld eða tvöföld (þ.e. soðið á einni hlið eða báðum) • aðallega notað með ,,butt” samskeytum • aldrei notað með skörunarsamskeytum

Holasuða” og ,,rifusuða” (e.Plug weld og slot weld) • notað til að tengja flatar plötur með því að nota eina eða fleiri holur eða rifur í

hlutnum sem er ofan á og fylla þær með fylliefnamálmi til að bræða plöturnar saman

Blettasuða (Spot weld) • notað með skörunarsamskeytum • lítill hluti bræddur saman milli yfirborða tveggja platna • geta verið nokkrir blettir bræddir saman

Saumasuða” (e. Seam weld) • eins og blettasuða nema það er meira eða minna samfelldur hluti sem er bræddur

saman Flange suða” (e. Flange weld)

• gerð á jaðri tveggja(eða fleiri) hluta,oftast platna, þar sem a.m.k. annar hlutinn er ,,flanged”

Yfirborðssuða (e. Surface weld) • notað til að tengja hluti saman, aðallega þó til að setja fylliefni á hlutina

gert til að auka þykkt plötunnar eða til að búa til verndarhúð á yfirborðið

30.3 Eðlisfræði suðu Sambræðsla er langalgengasta suðan. Til að ná bræðslu þarf háa þéttleika hitaorku og hitinn sem verður til þarf að vera nógur til að bræða grunnmálmana. Hitaþéttleika má skilgreina sem afl sem er fært til vinnu á hvert yfirborðsflatarmál (W/mm2). Tími sem tekur að bræða málm er í öfugu hlutfalli við aflþéttleikann. Við lágan aflþéttleika þarf meiri tíma til að bræða málmana. Ef aflþéttleiki er of lágur er hita stýrt inn í vinnuna jafn hratt og því er bætt við yfirborðið og þá á bráðnun sér aldrei stað. Lágmarks aflþéttleiki til að bræða málma er 10W/mm2. Þegar hitaþéttleiki eykst minnkar bræðslutími. Ef aflþéttleiki er of hár (u.þ.b 105 W/mm2.) þá eyðir (lætur gufa upp) hitinn málminum á ákveðnum svæðum. Þannig að það er einungis hægt að framkvæma suðu fyrir ákveðin gildi (á ákveðnu bili) af aflþéttleika. Mismunur milli suðuferla á þessu bili eru:

1) Hraðinn sem er hægt að framkvæma suðu 2) Stærð svæðisins sem er hægt að sjóða

Sem dæmi má nefna að oxyfuel gassuða getur framleitt mikinn hita en hitaþéttleikinn er lágur þar sem hitinn er dreifður yfir stórt svæði. Ljósbogasuða framleiðir, aftur á móti, miklu orku á litlu svæði sem leiðir af sér mikinn hita. Það er æskilegt að bræða málminn með lágmarksorku og háum hitaþéttleika. Aflþéttleika má reikna svona:

PD=P/A (30.1) PD = aflþéttleiki [W/mm2] P = afl sem fer inn í yfirborðið [W] A = yfirborðsflatarmál [mm2] Magn hita sem þarf til að bræða ákveðið rúmmál málms er summa af

1) hita sem þarf til að hækka hitann á föstum málmi upp í bræðslumark sem er háð rúmmáls specific hita málmsins.

2) hita sem þarf til að breyta málminum úr föstu efni í vökva fasa við bræðslumark, sem er háð hita málmsins við bræðslu.

Þessa stærð má nálga með:

Um = KTm2 (30.2)

Um = einingaorka fyrir bræðslu [J/ mm3] Tm = bræðslumark [ºK] K = fasti = 3.33 x 10-6 fyrir Kelvin skalann Ekki er öll orkan sem kemur inn notuð til að bræða málminn. Það eru tveir vélbúnaðarflutningar að verki, báðir minnka magn hitans sem getur farið í suðuferlið. Fyrri ferlið er flutningur hita milli hitagjafa og yfirborðs. Þetta ferli hefur ákveðinn hitaflutningsnýtni,f1, sem er skilgreint sem hlutfall raunverulegs hita sem hluturinn fær deilt með heildarhitanum sem er myndaður í hitagjafanum. Seinna ferlið innifelur í sér leiðni hita í burtu frá suðusvæðinu til að dreifa í gegnum vinnumálminn þ.a.aðeins hluti af hitanum sem er fluttur að yfirborðinu er hægt að nota til bræðslu. Þessi bræðslunýtni ,f2, er hlutfall hita sem er fenginn frá vinnuyfirborðinu sem er hægt að nota til bræðslu. Sameinuð áhrif þessa tveggja nýtnistuðla er að minnka hitaorkuna sem er tiltæk fyrir suðu eins og sjá má á þessari jöfnu:

Hm = f1f2H (30.3) Hm = nettóhiti fáanlegur fyrir suðu [J] f1 = hitaflutningsnýtni f2 = bræðslunýtni H = heildarhiti sem er myndaður í suðuferlinu [J]

Jafna fyrir orku sem er sett inn og orku sem þarf til að sjóða er:

Hw = UmV (30.4) Hw = nettó hitaorka aðgerðarinnar [J] Um = einingaorka fyrir bræðslu [J/ mm3] V = rúmmál bráðins málms [mm3] Þar sem flest suðuferli eru hlutfallsferlar þá er jöfnu (30.4) lýst sem hlutfallsjöfnu:

HRw = UmWVR (30.4) Hw = hlutfall hitaorku aðgerðarinnar [J/s=W] Um = einingaorka fyrir bræðslu [J/ mm3] WVR = rúmmálshlutfall soðins málms [mm3/s] Þegar soðið er samfellt þá er rúmmálshlutfall soðins málms afurð suðuflatarmálms Aw og ferðahraða v. Stingum þessum gildum inn í jöfnu (30.4) og fáum:

HRw = f1f2HR = UmAw v (30.5) f1 = hitaflutningsnýtni f2 = bræðslunýtni HR = hlutfall orku sem er sett inn mynduð af suðuaflgjafanum [W] Aw = þversniðsflatarmál suðu [mm2] v = ferðahraði suðuaðgerðarinnar [mm/s]

30.4 Eiginleikar bræðslusuðu Týpískt bræðslusoðið samskeyti þar sem fylliefni hefur verið bætt við samanstendur af nokkrum svæðum:

1) bræðslusvæði 2) suðuskil 3) Hitaunnu svæði 4) Óhitaunnu grunnmálmssvæði

1) Bræðslusvæðið samanstendur af blöndu af fylliefni og grunnmálmi sem er

algjörlega bræddur. Einkenni svæðisins er einsleitur málmur sem hefur verið bræddur með suðu. Kornabygging er ,,dálkaskipt” en fer eftir mörgum þáttum. Kornabygging bræðslusvæðisins nálægt hitaunna svæðinu er kristallauppbyggt.

2) Suðuskil eru þröng landamæri sem aðskilur bræðslusvæðið frá hitaunna svæðinu. Skilin samanstanda af þunnu lagi af grunnmálmi sem er brætt eða sem er brætt að hluta í suðuferlinu en breytt í fast efni áður en það er blandað við málminn í bræðslusvæðinu. Efnasamsetningin er því nauðalík grunnmálminum.

3) Efnasamsetning hitaunna svæðisins er sama og grunnmálmsins en það er búið að beita hitameðferð á svæðið m.t.t.suðuhita þ.a. eiginleikar og bygging svæðisins er

breytt. Kornin eru stór nálægt suðuskilunum. Flestir gallar í suðunni verða á þessu svæði.

Óhitaunna grunnmálmssvæðið er lengst frá bræðslusvæðinu. Þar hafa engar málmbreytingar átt sér stað. Þó er málmurinn sem er í kringum hitaunna svæðið með háa afgangsspennu sem leiðir af sér minnkun bræðslusvæðisins.

Framleiðsluferli Hluti III, kaflar 31-44 vor 2005

Kafli 31 - Suðuferli (Welding Process)

Suðuferlum er skipt í tvo aðalflokka:

1) Bræðslusuðu (fusion welding) þar sem hlutir eru soðnir saman með því að bræða hlutina, stundum er fylliefni bætt í samskeytin.

2) Þrýstisuða (e. solid-state welding) þar sem hiti og/eða þrýstingur er notaður til að sjóða saman hluti. Grunnmálmurinn er ekki bræddur og fylliefni er ekki bætt út í.

Bræðslusuður eru mun mikilvægari en þrýstisuður. Bræðslusuður skiptast í: Ljósbogasuðu (Arc welding) / AW Viðnámssuðu (Resistance welding) / RW Oxyfuel gassuðu (Oxyfuel gas welding) / OGW Aðrar bræðslusuðuaðferðir t.d. rafeindageislasuðu (Electron-Beam weling) og leysigeislasuðu (Laser-Beam welding).

31.1 – Ljósbogasuða (Arc Welding)

Raf-ljósbogi (electric arc) er þar sem rafmagn leiðir í gegnum loftbil. Ljósboganum er haldið við með rafhlöðnu gasi. Til að kveikja ljósboga er elektróðan látin snerta vinnslustykkið (work) og svo færð mjög snöggt í smá fjarlægð. Raforkan frá boganum sem myndast svona býr til hita upp á 5500°C eða meira, allavega nógu heitt til að bræða hvaða málm sem er. Pollur af bráð sem samanstendur af grunnmálmi/málmum og fylliefni (ef það er notað) myndast nálægt enda elektróðunnar. Fylliefni er notað til að auka rúmmál og þ.a.l. styrk suðunnar. Þegar elektróðan er færð eftir skeytunum lekur bráðinn málmur í samskeytin og storknar þar. Framleiðni í þessum tilfellum er oft mæld sem ljósbogatími (arc time) og er reiknaður:

Ljósbogatími = (tími sem er kveikt á boga)/(klst sem er unnið) (31.1) Framleiðni skilgreiningin getur átt við einn suðumann eða heila vinnueiningu. Fyrir handgerða (manual) suðu er ljósbogatíminn venjulega u.þ.b. 20%. Bogatími eykst upp í um 50% ef það eru notaðar vélar, sjálfvirkar eða róbótasuður. 31.1.1 Almennt um tækni ljósbogasuðu

Elektróður: Annaðhvort eyðanlegar (consumable) eða óeyðanlegar (nonconsumable). Eyðanlegar nýtast sem fylliefni. Þessar elektróður fást annað hvort á pinna eða víraformi. Óeyðanlegar eru úr tungsten sem streytist á móti bráðnun bogans. Þrátt fyrir að vera kallaðar óeyðanlegar eyðast þær samt með tímanum, en ekki sem fylliefni. Fylliefni þarf að koma úr öðrum vír.

2


Ljósbogavörn (Arc Shielding): Við há hitastig sem eru notuð við suður eru málmar mjög hvarfgjarnir við súrefni, nitrógeni og vetni í loftinu. Við þetta minnka aflfræðilegir eiginl. suðunnar og því er reynt að verja ljósbogann frá andrúmslofti. Ljósbogavörn fæst m.þ.a. húða endann á elektróðunni, ljósbogann og bráðna málmpollinn með breiðu af gasi eða huluefni (flux), eða bæði, sem hindra að suðan komist í tæri við loft. Algengustu gösin eru argon og helium, sem eru bæði óhvarfgjörn. Huluefni (flux) er notað til að hindra myndun oxíða og annarra óæskilegra efna, eða til að leysa þau upp og auðvelda fjarlægingu þeirra. Meðan á suðu stendur bráðnar hulan og verður að vökvahulu sem hlífir bráðna suðumálminum. Gjallið harðnar og er svo tekið af eftir að búið er að sjóða. Hulan hefur nokkrar aukavirkni, sem felur í sér:

1) Útvega verndað andrúmsloft fyrir suðu 2) Halda boganum stöðugum (stöðugri suða) 3) Minnka skvettun

Aflgjafi í ljósbogasuðum (Power Source in Arc Welding): Bæði jafnstraumur og riðstraumur eru notaðir í ljósbogasuður. Riðstraumsvélar eru ódýrari en takmarkast við járnríka málma. Jafnstraumstól má nota á alla málma með góðum árangri og þykja venjulega betri til að stjórna ljósboganum. Jafna fyrir afljafnvægi (W) í ljósbogasuðu er:

HRw = f1f2 IE = UmAwv (31.2)

f1 = hitaflutningsnýtni f2 = bræðslunýtni E = spenna [V] I = straumur [A] Um = einingaorka fyrir bræðslu [J/ mm3] Aw = þversniðsflatarmál suðu [mm2] v = ferðahraði suðuaðgerðarinnar [mm/s] 31.1.2. Ljósbogasuður sem nota eyðanlegar elektróður

Nokkrar mikilvægar ljósbogasuður nota eyðanlegar elektróður. Þær eru: Pinnasuða (Shielded Metal Arc Welding) / SMAW - algengt

• Pinni með hulu utan um, 225-450 mm. • Fylliefnið verður að vera í samræmi við málminn (mjög líkt grunnmálmi)

sem er verið að sjóða • Straumar sem eru notaðir við þessa suðu eru venjulega á bilinu 30-300 A og

spenna á bilinu 15-45 V • Yfirleitt gert handvirkt • Notað á pípur, byggingar, vélar, skip og verkstæði • Búnaður er færanlegur og ódýr, sem gerir pinnasuðu mest notaðu

ljósbogasuðuaðferðina. • Grunnmálmar innihalda stál, ryðfrítt stál, steypujárn og járnsnauðar

málmblöndur (steypur) • Sjaldan notað á ál, kopar og títan.

3


• Ókostir eru að það þarf að skipta um pinna reglulega sem tefur suðuna.

MIG/MAG suða (Gas Metal Arc Welding) / GMAW – mjög algengt • Skiptist í MIG og MAG suðu • Notaður er vír án hulu • MIG (metal inert gas) suða inniheldur óvirku gösin argon og helium og er

notuð til að sjóða álmelmi og ryðfrítt stál • MAG (metal active gas) suða inniheldur óvirk gös eins og koldíoxið eða

blandgas ( 80% argon 20% koldíoxíð) og er notuð til að sjóða lág og meðal kolefnisstál

• Vírinn er mataður sjálfvirkt frá spólu í gegnum suðubyssu • Vírarnir eru með þvermál á bilinu 0.8-6.5 mm • Engin hula myndast á yfirborði suðu svo MIG/MAG er kjörið þar sem sjóða

þarf nokkrum sinnum yfir sama punkt. • Lengri ljósbogatími en með SMAW því notaður er samfelldur vír

Pinnasuða þar sem hula er í miðju pinna (Flux-cored arc welding) – ekki algengt

• Svipað og MIG/MAG nema vír hefur hulu í miðju. Vír er á rúllu. • Tvær gerðir af þessari suðu: Sjálfskýlandi og gasskýlandi • Sjálfskýlandi gerðin inniheldur straum og efni sem mynda gashulu til að hlífa

boganum • Gasskýlandi gerðin er þróuð aðallega fyrir suðustál, fær ljósbogahulu frá

utanaðkomandi gösum • Notað til að sjóða stál og ryðfrítt stál af mismunandi þykktum • Framleiðir hágæða suðusamskeyti sem eru slétt og jöfn

Rafgassuða (Electrogas Welding) – minna notuð

• Annað hvort notast við eyðanlegan vír með hulu í kjarna eða vír með utanaðkomandi hulugasi

• Notað til að fylla djúpar kverkar • Mest notað fyrir stál í byggingu stórra tanka og í skipasmíðum • Hægt að sjóð 12-75 mm þykkt

Submerged Arc welding

• Ber vír, hula í formi dufts sem dælt er á suðusvæði • ,,Ábreiða” duftsins kemur í veg fyrir neista, skvettun og geislun sem eru mjög

hættuleg í öðrum ljósbogasuðum • Hágæða suðusamskeyti, þekktar fyrir seigju og teygjanleika • Mikið notað í stáliðnaði, á pípur, tanka og þrýstikúta. • Ekki hægt að sjóða hákolsstál, verkfærastál og flesta málma sem eru ekki úr

járni með þessari suðu. • Verður að fara fram á láréttum flötum

4


31.1.3 Ljósbogasuður sem nota óeyðanlegar elektróður TIG suða (Gas Tungsten Arc Welding) / GTAW – verður sífellt algengari

• Elektróðan er úr tungsteni og eðalgas notað í huluna, oftast er notað argon, helíum eða blanda af þessum efnum.

• Tungsten er gott efni í elektróðu því það hefur hátt bræðslumark (3410°C). • Hægt er að framkvæma suðuna með eða án fylliefnis, þegar fylliefni er notað

er því bætt við suðupollinn frá vír eða teini. • Hægt að nota suðuna fyrir allar þykktir málma, einnig hægt að sjóða saman

ólíka málma. • Hægt að nota á flesta málma, oftast notað fyrir ál og ryðfrítt stál. Erfitt að

sjóða steypujárn, smíðajárn, blý og tungsten með þessari aðferð. • Þegar verið er að sjóða stál þá er þessi aðferð hægari og dýrari en aðferðir sem

nota eyðanlegar elektróður. Þetta á ekki við þegar sjóða þarf hágæðasuða á þunnum plötum.

• Aðferðin getur bæði verið bæði handvirk eða sjálfvirk og hægt er að nota hana á allar gerðir suðusamskeyta.

• Helstu kostir: hægt að fá hágæðasuðu, aðferðin er hreinleg þar sem engin hula er notuð.

Plasma suða (Plasma Arc Welding) – er að verða algengari

• Er sértilvik af TIG suðunni þar sem plasmaboga (gasboga) er beint að suðusvæðinu.

• Suðubyssa heldur elektróðunni ásamt því að beina eðalgasi á miklum hraða í átt að ljósboganum. Við það myndast mjög heitur og hraður straumur plasmabogans

• Argon, argon-vetni og helium eru notuð í hulu. • Hitastig í ljósboganum er mjög hátt eða 28000°C eða meira og getur brætt alla

málma. • Helstu kostir umfram gas-tungsten suðuna: góð stjórn á ljósboganum, betri

stjórn á dýpt (penetration) og mikil suðugæði. • Hægt er að sjóða næstum alla málma með þessari aðferð. Brons, steypujárn

(cast irons), blý og magnesíum eru málmar sem erfitt er að sjóða með plasmasuðu.

• Ókostir; tækin til að framkvæma suðuna eru dýr og nauðsynlegt er að nota stærri loga sem veldur því að stundum er erfiðara að komast að því sem að sjóða á. Suðubyssan er líka stór sem er takmarkandi.

Aðrar ljósbogasuður og tengd ferli

Kolefnisbogasuða

• Óeyðanlegar kolefniselektróður notaðar • Fyrsta ljósbogasuðan, sama og ekkert notuð í dag.

Stud suða

• Suðuaðferð sem er notuð til að sjóða saman pinnbolta. • Pinnboltinn er settur í sérstaka suðubyssu sem stjórnar tímasetningu og afli.

5


• Aðeins þarf að staðsetja byssuna á réttum stað og ýta á takka.

31.2 Viðnámssuða (Resistance Welding)

Viðnámssuða eru bræðslusuða sem notar hita og þrýsting. Hitinn er fenginn með rafviðnámi við straumflæði við samskeytin sem verið er að sjóða. Í viðnámssuðu eru notaðar tvær elektróður, kraftur til að halda plötunum á sínum stað á milli elektróðanna og riðstraumsgjafi með stillanlegum straumi. Við suðuna verður til bráðnað svæði milli stykjanna, suðublettur (weld nugget). Í viðnámssuðu er ekki notað fylliefni eða hula eins og gert er í ljósbogasuðu. Einnig eru elektróðurnar óeyðanlegar. Notað á þunnar plötur. 31.2.1. Afl í viðnámssuðum (Power Source in Resistance Welding)

Orkan sem suðuaðferðin þarf er háð straumnum (I), viðnámi efnisins (R) og þeim tíma sem straumurinn er í gangi (t). Hægt er að tákna þetta með jöfnunni: H = I2Rt þar sem H er varminn (J) sem myndast Straumurinn sem er notaður er oftast mjög hár eða 5000 - 20000 A en spennan er lág en hún er oftast undir 10 V. Tíminn er oftast stuttur, á milli 0,1 - 0,4 s í blettasuðu. Ástæður fyrir því hversu hár straumurinn er:

• Annað veldið í jöfnunni magnar áhrif straumsins. • Viðnámið er mjög lágt. Það er summa viðnáms elektróðunnar, viðnáms

vinnustykkjanna, snertiviðnáms milli elektróðunnar og vinnustykkisins og snertiviðnáms samanliggjandi yfirborðanna.

Kostir viðnámssuðu:

• Ekkert fyllefni nauðsynlegt • Hægt að ná miklum framleiðsluhraða • Auðvelt að róbot-væða • Suðumenn þurfa ekki að hafa eins mikla þekking • Auðvelt að halda einsleitni og öryggi.

Ókostir:

• Tækjabúnaður er dýr, dýrari en í bræðslusuðu • Aðeins er hægt að sjóða samskeyti sem “overlappa” í flestum viðnámssuðum

og fletir verða að vera þunnir.

6


31.2.2. Ferli viðnámssuðu (Restance-Welding Processes)

Það sem hefur mest mikilvægi hér er punkt-, saum- og vörpunarsuða. Punktsuða (Resistance Spot Welding)

• Lang algengust. • Notað í fjöldaframleiðslu bíla, tækja, málmhúsgagna og aðrar vörur úr

plötumálmum. • Suðan er fengin með mótlægum elektróðum og krafti sem þrýstir plötunum

saman. Þetta er endurtekið oft á hverri plötu. • Þurfum tvær plötur sem overlappa, mesta þykkt er 3 mm. • Stærð og lögun suðupunkts ræðst af elektróðu, yfirleitt þó 5-10 mm.

Algengasta formið er hringur en einnig eru til önnur form. • Ef suðan er vel gerð ætti hún að vera af svipuðum styrkleika og

grunnmálmurinn • Efni sem eru notuð eru aðallega í tveimur flokkum

a) koparblöndur b) málmar eins og kopar og tungstenblöndur

• Mismunandi vélar og tæki til í þessu t.d rocker-arm og press-type spot suða. Bæði til gólfföst og meðfærileg tæki.

Saumsuða (Resistance Seam Welding)

• Nú eru notaðar tvö samsíða hjól í staðinn fyrir pinna sem gera suðuna samfellda eða eins og punktalínu. Myndir 31.15 og 31.16 sýna þetta vel.

• Notað í tanka og önnur ílát úr plötumálmi. • Hægt að gera loftþéttan saum, erfitt að eiga við skarpar brúnir og ósamfellda

sauma. • Þarft oft að kæla hjólin. • Hægt að fá fram punkta sem skarast, punkta með bili á milli og algjörlega

samfellda suðu. Viðnámsvörpunarsuða (Resistance Projection Welding) Í þessari aðferð er efnið soðið saman á einum eða fleiri frekar litlum punktum. Samsetning fer eftir hönnuninni á efnunum sem festa á saman og hægt er að festa efnin saman með með mismunandi hætti (ofanvarp, upphleyping og skörun). Í þessari aðferð eru plötur festar saman þannig að þær eru lagðar saman en efri platan er til dæmis gerð upphleypt á nokkrum stöðum svo hún snerti plötuna fyrir neðan. Þá er suðan gerð þar á milli og suðublettir myndaðir. Til eru margar aðferðir við viðnámsvörpunarsuðu. Ein aðferðin er vírasuða þar sem vírar eru lóðaðir saman. Þetta er til dæmis notað við framleiðslu á vírgirðingum, innkaupakerrum og fleiru. Aðrar viðnámssuðuaðferðir (Other Resistance-Welding Operations). Flashsuða • Flashsuða er mest notuð til að sjóða saman vinnustykki enda í enda (butt

samskeyti). Stykkin eru sett saman eða næstum því saman og síðan er notaður straumur til að hita yfirborð þeirra að bræðslumarki. Síðan eru þau rekin saman til að mynda suðuna. Við þetta myndast flash sem er mismunandi mikið.

• Stundum er flashið það mikið að nauðsynlegt er að vinna hlutinn eftir á.

7


• Mikið notuð fyrir stállengjur í rolling-mill aðferðum. • Einnig er þetta notað til að festa saman víra í vírdrátti. • Fyrir framleiðslu í miklu magni er þessi aðferð mjög fljótleg og fjárhagslega

hagstæð, en tækin eru mjög dýr. Hnoðsuða (Upset welding) • Er lík flashsuðu nema að í hnoðsuðunni er vinnustykkjunum þrýst saman meðan

þau eru hitaðuð og hnoðuð saman (upset). Aðeins er hitað með rafviðnámi sem myndast milli yfirborða stykkjanna. Þegar samanliggjandi plöturnar hafa náð ákveðnum hita, sem er undir bræðslumarki, er krafturinn sem þrýstir þeim saman aukinn svo hnoðað saman svo sameining geti átt sér stað.

• Þessi aðferð er notuð til framleiðslu á svipuðum hlutum og flashsuða. Percussionsuða (Percussion Welding) • Er einnig lík flashsuðu nema að suðulotan er sérstaklega stutt, yfirleitt á milli 1-10

msek. • Hitinn myndast mjög hratt vegna þess að yfirborð vinnustykkjanna sem á að festa

saman afhleðst hratt. • Önnur platan er barin saman við hina til að mynda suðuna strax eftir hitunina. • Hitinn myndast á mjög afmörkuðu svæði Hátíðniviðnámssuða (High-frequency resistance welding) • Við þessa tegund suðu er notaður hátíðniriðstraumur. Beint á eftir því er notaður

hnoðunarkrafur til að festa saman plöturnar. • Tíðnin sem er notuð er á milli 10-500 kHz og elektróðurnar snerta efnið nálægt

liðinum. • Aðferð sem er mjög lík þessari aðferð er hátíðni spansuða. Í henni er straumur

spanaður með spólu. Spólan snertir ekki efnið sjálft. • Þessar tvær aðferðir eru mest notaðar þegar rör og pípur eru soðin saman enda í

enda.

31.3 - Oxyfuel gassuða Oxyfuel gassuður (OFW) eru suður sem nota ýmis eldsneyti, sem blandað er saman við súrefni, til að mynda samsetningar. Aðalmunur milli aðferða innan þessa flokks eru mismunandi gastegundir sem notaðar eru. Mikilvægasta OFW suðan er oxyacetylene suðan. Oxyacetylene suða:

• Er bræðslusuðuaðferð sem notar mjög heitan loga sem myndast við brennslu acetelene og súrefnis.

• Loganum er stjórnað með ”welding torch” • Fylliefni er stundum notað og stundum er þrýstingi beitt við samsetningu. • Þegar fylliefni er notað er það oftast úr stöng með þvermál frá 1,6mm-9,5mm. • Samsetning fylliefnisins verður að vera mjög lík grunnmálminum. • Stundum er fylliefnið þakið bráð (flux) til að auðvelda hreinsun málmsins og

koma í veg fyrir oxun.

8


• Acetylene er það gas sem oftast er notað í oxyfuel gassuðu þar sem það hefur hærra hitasig en hin efnin, fer upp í 3480◦C.

• Bruni súrefnis og acetylenes verður í tveimur þrepum:

C2+ O2 → 2CO + H2 + hiti

og

2CO + H2 + 1,5O2 → 2CO2 +H2O + hiti • Þessi tvö þrep má sjá í oxyacetylene loganum. • Fyrra þrepið er innra lagið í loganum en seinna þrepið ytra lagið í honum. • Hæsta hitastigið fæst við enda innra lagsins. • Við suðu vefur ytra lag logans sig utan um hlutinn og verndar hann gegn

andrúmsloftinu. • Blanda af acetyleni og súrefni er mjög eldfim og því er umhverfið sem þessi

suða er framkvæmd í hættulegt. • Þetta er aðallega vegna acetylenesins sem er lit- og lyktarlaust gas. • Til að auka öryggið er það unnið þannig að það hafi sérstaka lykt,

hvítlaukslykt. • Einnig er gasið óstöðugt við loftþrýsting sem er yfir 1 atm. Hægt er að leysa

það upp í acetoni ( 25 falt) og þannig er hægt að geyma það á frekar hættulausan hátt.

• Nauðsynlegt er að nota hlífðarfatnað, hanska og gleraugu þegar unnið er með acetelene.

• Til að forðast slys eru öðruvísi skrúfur og slöngur á tönkum með blöndunni súrefni-acetelene en á öðrum tönkum.

• Tækin sem notuð eru í þessari gerð suðu eru ódýr og auðvelt að færa úr stað. • Því er aðferðin góð þegar framleiða á lítið magn eða gera á við. • Hún er yfirleitt ekki notuð til að sjóða plötur sem eru þynnri en 6,4 mm því

ljósbogasuða er betri í það. • Þessi suðuaðferð er oftast framkvæmd handvirkt og er því háð færni

suðumannsins. Aðrar gastegundir sem notaðar eru við oxyfuel gassuðu.

• Aðrar gastegundir en acetylene eru notaðar þar sem sjóða á málmplötur og málma með lágt suðumark.

• Sú gastegund sem er næst acetyleninu hvað varðar bræðslumark og varmagildi (heating value) er methylacetylene-propadiene.

• Hægt er að geyma hana undir þrýstingi líkt og vökva og því eru ekki sömu geymsluvandamál og með acetylenið.

• Önnur eldsneyti sem notuð eru við oxyfuelsuðu eru propan og natural gas. • Propan er oftar notað t.d til að skera og lóða frekar en til suðu. • Natural gas er blanda af etani og metni og þegar því er blandað við súrefni er

hægt að ná háu hitastigi á loganum. • Það er oft notað á minni suðustöðum.

9


Þrýstigassuða (Pressure gas welding) • Er sérstök oxyfuel gassuða sem er skilgreind af aðferðinni sem notuð er frekar

en eldsneytinu. • Þrýstigassuða er bræðslusuða þar sem tvö stykki eru hitaðuð með gasblöndu

þar til að þau byrja að bráðna. • Þeim er síðan þrýst saman með miklu afli meðan kólnun á sér stað. • Ekkert fylliefni er notað.

31.4 Aðrar bræðslusuðuaðferðir Rafgeislasuða (Electron-Beam Welding) / EBW

• Er suða sem notar mjög skarpan og sterkan rafgeisla til suðu. • Rafeindabyssa gengur fyrir hárri spennu en lágum straum til að hraða

rafeindum. • Aflið er ekki veldisfall en aflþéttni (PD) er það. • Mikilli aflþéttni má ná með því að beina geislanum einungis að litlu svæði

(flatarmáli)

• Aflþéttni (PD) er skilgreind sem

AEIfPD 1= (31.5)

þar sem PD = aflþéttni - W/mm2 f1=varmaflutningsnýtni - einingalaust E=hröðunarspenna – V I = straumur á geisla – A A = vinnuyfirborð sem geislanum er beint að – mm2

• Aðferðin er frá um 1950. • Áður þurfti suðan alltaf að fara fram í lofttæmi en nú hafa framfarir orðið til

þess að til eru aðferðir sem ekki þurfa að fara fram í lofttæmi. • Þetta var og er enn einn helsti ókostur aðferðarinnar því það getur tekið upp

undir klukkutíma að lofttæma klefann sem soðið er í. • Til eru þrjár mismunandi gerðir aðferðarinnar.

o High-vacuum welding /(EBW-HV) o Suðan verður að vera framkvæmd í sama klefa og rafgeislinn er. o Suðan krefst lofttæmis. o Medium-vacuum welding/(EBW-MV) o Suðan framkvæmd í öðrum klefa en rafgeislinn o Suðan krefst lofttæmis að hluta til. o Nonvacuum welding/(EBW-NV) o Suðan er framkvæmd við loftþrýstin (eða nálægt honum) . o Suðan krefst ekki lofttæmis

• Ókostirnir við seinni tvær aðferðirnar eru að til að framkvæma þær þarf tæki til að hindra loftflutning en heimila flutning rafeinda í geislanum.

• Með þessum tveimur aðferðum er ekki heldur hægt að framkvæma hágæðasuðu.

• Í þriðju aðferðinni þarf efnið sem unnið er með að vera nálægt geislanum þ.e. 13 mm frá eða nær.

10


• Öll efni sem hægt er að sjóða með ljósbogasuðu er einnig hægt að sjóða með rafgeislasuðu

• Einnig er hægt að sjóða suma málma sem erfitt er að sjóða með logsuðu. • Rafgeislasuður eru notaður í bíla-, geim- og kjarnorkuiðnaðnum. • Kostir rafgeislasuðu eru að hægt er að ná fram hágæða suðu (með aðferðinni

sem er framkvæmd í lofttæmi) • Lítið svæði verður fyrir hitaáhrifum og lítil bjögun vegna hita. • Suðuhraði er mikill og ekki þarf fylliefni eða bráð(flux). • Ókostirnir eru að tækjabúnaður er dýr og nauðsynlegt er að vinna samskeytin

áður en þau eru soðin. Lasergeislasuða (Laser-Beam Welding)/LBW

• Er bræðslusuða þar sem samruni er fenginn með orkunni sem myndast þegar lasergeisla er beint að samskeytunum sem sjóða á.

• Við lasergeislasuðu er venjulega notaðar gastegundir til að vernda efnið gegn oxun.

• Fylliefni er yfirleitt ekki notað. • Kostir lasergeislasuðunnar eru að með henni fæst hágæðasuða, hægt er að ná

djúpt niður (deep penetration) og hitaáunnið svæði er lítið. • Aðferðin er lík rafgeilsasuðu. • Kostir lasergeislasuðu umfram rafgeislasuðu eru

o Wkki þarf lofttæmi til að framkvæma suðuna. o Engir röntgengeislar myndast og auðvelt er að stjórna geislanum með

speglum og linsum. • Ekki er þó hægt að sjóða djúpar suður með LBW(19 mm í lasergeislasuðu en

allt að 50 mm í rafgeislasuðu). • Ekki er gott dýptar-breiddar hlutfall eins og hægt er að fá með rafgeislasuðu

(aðeins 5:1 í lasergeislasuðu). • Lasergeislasuða er oft notuð á litla liði.

Rafslagssuða (Electroslag Welding)/ESW • Suðan er lík ljósbogasuðu að því leiti að hún notar loga til að koma suðunni af

stað en er ekki ljósbogasuða þar sem loginn er ekki notaður við suðuna sjálfa heldur aðeins í byrjun.

• Er bræðslusuða og samruni verður þegar heitt rafleiðandi gjall vinnur á fylliefninu og grunnefninu.

• Er framkvæmd í lóðréttri stöðu og er eru vatnskæld mót notuð fyrir gjallið og suðumálminn.

• Í byrjun er kornótt rafleiðandi bráð(flux) sett í holrúmið. • Endanum á eyðanlegu elektróðunni er komið fyrir nálægt botni holrúmsins og

ljósbogi er myndaður í smá stund til að byrja að bræða bráðina • Þegar nokkuð af gjalli hefur myndast er slökkt á ljósboganum og straumur hleypur

frá elektróðunnim, gegnum leiðandi gjallinn þannig að rafviðnámið myndar hita sem viðheldur suðuferlinu.

• Þar sem þéttleiki gjallsins er minni en brædda málmsins helst það efst og verndar suðuna

• Storknun hefst á botninum og færist smátt og smátt ofar eftir því sem líður á ferlið

11


Thermit suður (Thermit Welding) /TW • Thermit suður fá nafn sitt frá thermiti sem er planda af álpúðri og járnoxíði. • Aðferðin er bræðslusuða. • Hitinn sem þarf til samrunans er fenginn með ofurheitum fljótandi málmi sem

myndast við efnahvarf thermíts. • Hitinn við efnahvarf thermíts er um 2500°C og við það myndas ofurheitt járn og

áloxíð sem flýtur ofan á sem gjall og verndar járnið gegn andrúmsloftinu • Fylliefni er fengið úr bráðna málminum • Er notað til samsetningar en er líkara málmsteypu en suðu • Fljótandi málminum er hellt í sérstakt mót sem umlykur samskeytin sem sjóða á.

Við það bráðna endar grunnmálmsins og samruni verður. • Eftir kólnun er mótið brotið burt • Notað við tengingu járnbrautateina, við viðgerðir á stórum stálmótum (castings)

og fleira.

31.5 – Þrýstisuður (Solid-State Welding)

Við þrýstisuður er annað hvort er notast bara við þrýsting eða bæði við þrýsting og hita. Ef notast er bæði við þrýsting og hita er hitinn ekki nægur til að bræða vinnslusvæðið. Í sumum þrýstisuðum hefur tími líka áhrif. Ekki er notast við fylliefni í þrýstisuðu. Í þrýstisuðu er venjulega ekki um mikla bráðnun grunnmálmsins að ræða. Yfirborð efnanna sem á að sjóða verða að komast í mikla snertingu til að atómtenging geti átt sér stað. Olíur, gas og efnahimnur hindra slíka nána snertingu og því þarf að hreinsa yfirborðin vel. Þetta er annað hvort gert fyrir suðu eða um leið og yfirborðin eru soðin saman. Suðuaðferðir sem fela ekki í sér bræðslu hafa marga kosti yfir bræðslusuðu. Ef engin bráðnun á sér stað þá verður ekkert hitaáunnið svæði til og eiginleikar málmsins breytast ekki. Þrýstisuður eru oft notaðar til að tengja saman stór yfirborð og sumar gerðir suðunnar henta til að sjóða saman ólíka málma þar sem ekki þarf að hafa áhyggjur af þenslu, leiðni eða öðrum vandamálum sem koma til við suðu ólíkra málma. Þrýstisuðuaðferðir Forge Welding

• Hefur sagnfræðilegt gildi en er ekkert notuð í dag. • Hlutar eru soðnir saman með því að hita málminn og hamra hann síðan saman.

Kaldsuða/ Cold Welding ()

• Mikill þrýstingur er settur á hreina snertifleti við stofuhita. • Nauðsynlegt er að snertifletirnir séu sérstaklega hreinir og eru þeir hreinsaðir

rétt fyrir samsetningu. • Að minnsta kosti annar hlutanna sem sjóða á þarf (helst báðir)að vera úr

teygjanlegum málmi.

12


• Mjúkt ál og kopar er gott að sjóða með kaldsuðu. • Þrýstingurinn getur valdið þynningu málmhlutanna allt að 50%. • Staðbundnar plastískar formbreytingar geta orðið.

Völsunarsuða/ Roll Welding (ROW)

• Er annaðhvort tilvik af forge eða kaldsuðu eftir því hvort ytri hitun er framkvæmd fyrir suðuna eða ekki.

• Þrýstingur sem er nægilegur til að valda samruna er settur á málmhlutana með völsum.

• Mismunandi er hvort hiti er einnig notaður eða ekki. • Suðan er kölluð heitvölsunarsuða ef hiti er notaður en kaldvölsunarsuða

annars. • Þetta er til dæmis notað til að festa ryðfrítt stál á meðal eða lág kolefnisstál til

ryðvarnar og til að festa saman ólíka málma til hitamælinga. Heitþrýstisuða/ Hot Pressure Welding (HPW)

• Tilvik af forge suðu þar sem hiti og þrýstingur valda formbreytingum á grunnmálminum.

• Formbreytingarnar rjúfa yfirborðshimnu (oxíð-himnu) og hreinsa því yfirborðið svo samruni milli málmhlutanna geti átt sér stað.

• Aðferðin tekur tíma þar sem sveim (atómsveim) þarf að eiga sér stað milli yfirborðanna.

• Venjulega er heitþrýstisuða framkvæmd í lofttæmdum klefa. Flæðisuða/ Diffusion Welding (DFW)

• Í flæðisuðu er hita og þrýstingi beitt á málmhluta í lengri tíma til að sveim og samruni eigi sér stað.

• Hitastig er undir bræðslumarki, venjulega ekki hærra en hálft bræðslumark. • Plastískar formbreytingar við yfirborð eru í lágmarki. • Aðal mekansimi samrunans er storkusveim (solid state diffusion) þar sem

atómin sveima á milli yfirborðanna. • Aðferðin er notuð til að sjóða saman málma sem hafa mikinn styrkleika og er

mikið notuð í flugvéla og kjarnorkuiðnaði. • Hægt að sjóða saman bæði líka og ólíka málma. Þegar ólíkir málmar eru

soðnir saman er oft annar málmur hafður á milli til að auðvelda sveimið. • Það getur tekið allt að klukkutíma að fá sveimi til að eiga sér stað milli

yfirborða

Sprengjusuða / Explosion Welding (EXW) • Hröð sameining verður vegna sprengiorku. • Oftast notað til að sjóða saman ólíka málma og þá sérstaklega til að festa málm

ofan á grunnmálm yfir stórt svæði. • Hvorki er notaður auka hiti né fylliefni. • Ekkert sveimi verður því ferlið tekur stuttan tíma. • Rafeindatengi myndast. • Tveimur plötum er komið fyrir samsíða og er ákveðið bil á milli þeirra (clearance

gap). Sprengiefni er svo komið fyrir ofan á efri plötunni. (mynd 31.27 - a)

13


• Oft er sett bufferlag á milli sprengiefnisins og efri plötunnar til að vernda yfirborð hennar.

• Við suðuna ”ferðast” sprengingin frá einum enda til annars (sprenging gerist ekki samstundis) (mynd 31.27-b)

• Ferlið gerist yfir tíma og það gerist mjög hratt, allt að 8500m/sek. • Plöturnar tvær festast saman vegna mikils þrýsting og þegar sprengingin gengur

eftir efri plötunni bognar og ýtist niður á neðri plötuna. • Yfirborðshimnur skjótast frá við sprenginguna og bæði yfirborðin verða alveg

hrein (chemically clean) • Samskeytin eru oft óregluleg og ganga í bylgjum en það styrkir aðeins böndin því

yfirborð samskeytanna eykst og “læsir” yfirborðunum. Núningassuða/ Friction Welding (FRW)

• Samruni fenginn með núningshita og þrýstingi. • Núningurinn fæst með því að núa saman yfirborðum málmanna sem á að festa

saman, oftast gert með því að snúa öðrum hlutnum í hringi miðað við hitt yfirborðið.

• Þegar búið er að hita yfirborð hlutanna nóg eru þeir reknir saman af nógu miklum krafti til að tengja hlutana saman, við þetta hreinsast allar yfirborðshimnurnar af.

• Bráð myndast við ferlið og er nauðsynlegt að hreinsa hana af til að fá slétt yfirborð.

• Ef aðferðin er rétt framkvæmd verður engin bráðnun við suðusamskeytin. • Tvenns konar kerfi búa til núning:

o Samfellt-núningskerfi o Annar hluturinn snýst á meðan hinum er haldið stöðugum, svo er þeim

sem snýst ýtt á þann stöðuga og þegar ákvðnu hitastigi hefur verið náð á milli þeirra er öllum snúningi hætt og þeim samstundis þrýst saman.

o Hverfitregðu-núningskerfi o Öðrum hlutnum er snúið upp í ákveðinn hraða með kasthjóli, aftengdur

frá því og hlutunum er þrýst saman. • Núningssuða hefur stutta framleiðslulotu og er því hentug til fjöldaframleiðslu. • Lítið hitaáunnið svæði myndast. • Hægt að sjóða saman ólíka málma.

Ultarasonic suður / Ultrasonic Welding (USW)

• Í ultrasonic suðu er tveimur stykkjum haldið saman með frekar litlum krafti og tíðni beitt á yfirborð þeirra til að valda samruna.

• Bylgjuhreyfingarnar milli hlutanna eyða öllum yfiborðshimnum. • Hitastig er vel undir bræðslumarki. • Engin fylliefni, bráð(fluxes) eða hulur (shielding gases) notaðar. • Notuð er sonotróða sem breytir raforku í hátíðni titring. • Suðutími er venjulega undir 1 sek. • Takmarkast yfirleitt við skörunarsamskeyti mjúkra málma, áls og kopars • Ef soðin eru harðari efni eyðist sonotróðan. • Vinnustykki eru yfirleitt frekar lítil og suðuþykkt minni en 3 mm.

14


31.6 – Suðugæði (Weld Quality)

Tilgangur hverrar suðuaðferðar er að sameina tvo eða fleiri hluti saman í einn. Styrkur nýja hlutarins veltur á gæðum suðunnar. Við förum nær eingöngu í gæði ljósbogasuðu, en þar er gæði suðunnar krítískust og flóknust. Afgangsspenna(stress) og afbökun/ Residual Stresses and Distortion Snögg hitun og kólnun á staðbundnum svæðum vinnunar á meðan á bræðslusuðu stendur, sérstaklega ljósbogasuðu, skilar sér í hitaþennslu og samdrætti sem kallar fram afgnagsspennu í suðunni. Þessar spennur valda afbökun og vindingi við suðusamseytin. (Eru suðugallar) Suðuaðstæður er flóknar þar sem;

1) Hitunin er mjög staðbundin 2) Bræðsla grunnmálmsins á sér stað á þessum svæðum 3) Það er hreyfing á svæðinu þar sem hitun og bræðsla á sér stað.

Mynd 31.30 lýsir þessu vel Eftirfarandi aðferðum má beita til að minnka vinding í suðum.

1. Nota suðufestingu (e. welding fixtures) til að halda hlutnum kyrrum meðan soðið er.

2. Nota hitasugu (e. heat sinks) til að fjarlægja varma frá þeim stað sem soðið er og minnka þannig aflögun

3. Nota tack suðu (e. tack welding) í nokkrum punktum við samskeytin til að mynda ósveigjanleigan grunn áður en hlutarnir eru soðnir saman með samfelda saumsuðu (e. seam welding).

4. Velja rétt suðuskilyrði fyrir sérhverja suðu (þ.e. m.t.t. m.a. hraða, magn fylli efnis (e. filler metal) og minnka þannig vinding.

5. Forhita grunnhlutana til að lágmarka varmaspennu. 6. Eftir suðu er gott að nota spennulosunar-hitameðferð (e.stress relief). 7. Hanna hlutinn m.t.t. vinnsuaðferða þ.e. suðu.

(Nánast bein þýðing úr bók, sjá einnig mynd 31.30, betra að lesa þar!!) – læt samt fylgja með Hugsið ykkur til dæmis “butt”suðu(endasuðu) tveggja platna með AW(ljósbogasuðu). Ferlið byrjar á einu endanum og færist síðan nær hinum endanum. Þar sem ferlið heldur áfram myndast bræðslupollur af grunn- og uppfyllingarmálmum, sem harðna fljótt fyrir aftan ljósbogann (sem er á hreyfingu). Sá hluti vinnunar sem er samliggjandi suðudropunum verður gríðarlega heitur og þenst út, á meðan þeir hlutar sem fjarlægðir eru frá suðunni haldast tiltölulega kaldir. Bræðslupollurinn storknar mjög fljótt í holinu milli yfriborðanna (sem verið er að sjóða) og samdráttur á sér staða á breidd suðuhlutarins. Suðugallar/ Welding Defects Sprungur/ Cracks Sprungur geta myndast í suðunni sjálfri eða í grunnmálminum meðfram suðunni. Þetta er líklegast alvarlegasti gallinn í suðu þar sem málmurinn verður ekki samfelldur

15


og styrkur hans minnkar. Sprungur orsakast af litlum teygjanleika suðunnar og/eða grunnmálmsinss. Þessa galla verður að laga. Holur/Cavities Flokkast sem grop og samdráttarholur. Grop eru smágerð tómarúm í suðumálmininum sem orsakast af gastegundum sem festast í málminum við storknun. Samdráttarholur myndast vegna samdráttar á meðan á storknun stendur. Minnkar styrk málmsins. Óhreinindi/Solid Inclusion Eru fastir málmleysingjar sem hafa lokast inní bráðinni. Ókláruð suða/Incomplete Fusion Einnig oft nefnt ónóg suða. Er þegar ekki hefur verið soðið nógu vel. T.d. nógu djúpt Ófullkomin lögun eða óásættanlegar útlínur/Imperfect Shape or Unacceptable Contour Suðan á að hafa ákveðna lögun til að hámarka styrk hennar. Misscellaneous Defects Á við um tvennt:

• Ljósboga rákir/ (e. arc strikes) • Myndast þegar suðumaður lætur rafskaut snerta málminn við samskeytin og

rák myndast. • Droppar/ (e. excessive splatter) • Myndast þegar bráðin suðumálmur skvettist á yfirborð grunnhlutanna

Athugunar- og prófunaraðferðir/ Inspection and Testing Methods Margs konar aðferir eru notaðar til þess að fullvissa sig um gæði suðunnar. Það má skipta þeim aðferðum í 3 yfirflokka

1) Sjónrænar (Visual) 2) Óskaðlegar (Nondestruction) 3) Skaðlegar (Destructive)

Sjónrænar athuganir Þessi prófun er sú algengasta af þessum þremur. Hér er m.a.leita eftir yfirborðsgöllum og skekkjum. Gallin við þessa aðferð er að eingöngu er skoðað yfirborð suðunar en ekki innri gerð hennar. Einn kostur þessar aðferðar er lágur kostnaður. Athugandinn sker úr um hvort fleiri athugana sé þörf. Aðeins er hægt að greina galla sem sjást með berum augum með þessari aðferð. Óskaðlegar aðferðir. Óskaðlegar prófanir eru prófanir þar sem enginn skaði er gerður hlutnum sem prófaður er. Dæmi um óskaðlegar prófanir: Röngenmyndun

16


Tekin er röntgenmynd af suðunni með gammageislun til að finna innri galla suðunnar. Ókostur við þessa aðferð er hár kostnaður, gammageislun er heilsuspillandi. Einn kostur hennar er að óþreifanleg gögn verða til við framköllun myndanna. Hljóðbylgjuprófun Bylgjur fara í gegnum efnið og finna sprungur ef þær eru til staðar. Ekki er hægt að hljóðbylgjuprófa mjög þykk efni og hluti með óreglulega lögun. Þessi aðferð er kostnaðarsöm en niðurstöður fást samstundist. Segulprófun Er takmörkuð við járnsegulefni. Segulsvið er sett utan um hlutinn og segulögnum úðað á yfirborðið. Innri gallar eins og sprungur sjást við þessa prófun. Þessi aðferð getur verið að hluta sjálfstýrð og er hún ódýr í framkvæmd. Litarprófun Er aðferðir til að finna sprungur og holur á yfirborði óseglandi málma.. Litarefni er úðað yfir hlutinn og hann smýgur inní allar glufur á yfirborðinu. Eftir ákveðin tíma er litarefnið hreinsað af yfirborðinu og dufti úðað yfir. Duftið sýgur upp það litarefni sem eftir er. Til að sjá gallana er hluturinn skoðaður í útfjólubláu ljósi eða í góðri birtu. Hvirfilstraumur Fnnur galla bæði á yfirborði og inni í hlutum. Skaðlegar athuganir Skaðlegar prófanir eru prófanir þar sem hluturinn er ónýtur eftir skoðun. Dæmi um skaðlegar prófanir: Vélræn próf Virka eins og togþolspróf þar sem prófunarpunkturinn er samskeyti suðu og hlutar. Málmpróf Þar er suðan skoðuð m.t.t. málmbyggingar, galla og hitaáhrifa.

31.7– Suðuhæfni (Weldability)

Suðuhæfni er hæfileiki málms eða melmis til að sjóða hann saman og mynda ákveðna byggingu og hve vel eiginleiki suðusamskeytina uppfyllir þær kröfur sem hluturinn þarf að hafa. Til að málmur hafi góða suðuhæfni þarf að vera auðvelt að sjóða hann, hafa gallalausa suða og ágætis styrkleiki, teygjanleika og seigju í suðupunktinum. Nokkrir þættir sem hafa áhrif á suðuhæfni:

• Suðuaðferðin - mismunandi aðferðir henta mismunandi efnum. • Eiginleikar grunnmálmsins eins og bræðslumark (mismunandi hvað er best

eftri efnum en oftast best að hafa lágt bræðslumark), varmaleiðni (best að hafa ekki of mikla leiðni) og varmaþanstuðull (of hár stuðull getur valdið aflögun í samskeyptunum).

• Fylliefnis- málmurinn þarf að hafa svipaða eiginleika og grunnmálmurinn til að hámarka suðuhæfni.

• Yfirborðsaðstæður - oxíð og raki valda erfiðleikum við suðu.

17


31.8Hönnunarumhugsunarefni við suðu (Design Consideration in Welding)

Ef sjóða á samskeyti saman til frambúðar, þá verður hönnuðurinn að fylgja ákveðnum viðmiðum.

• Hönnun fyrir suðu: Afurðin ætti að vera hönnuð frá upphafi til enda sem soðin samsettning, en ekki sem steypumót eða á annan formunarhátt.

• Lágmarksfjöldi hluta: Soðnar samsetningar ættu að innihalda eins fáa hluti og mögulegt er. Það kostar t.d. minna að framkvæma einfalda beygjuaðgerð á hlut heldur en að sjóða saman úr flötum plötum eða þynnum.

Eftirfarandi viðmið eiga við ljósbogasuðu (Arc welding):

• Góður “útbúningur” (fit-ups) hluta sem á að sjóða er mikilvægur til að halda víddarstjórnun og lágmarka afmyndun. Stundum er þörf á mótun til þess að útbúa hlutinn.

• Samsetningin verður að vera þannig útbúin að suðubyssan nái að samskeytunum sem á að sjóða saman.

• Þegar það er mögulegt á hönnuðurinn að reyna að hafa suðuna “flata suðu”(flat welding), þar sem hún er hröðust og er þægilegasta suðustellingin. Að sjóða uppfyrir sig er erfiðasta suðustellingin.

Eftirfarandi viðmið eiga við viðnáms punktsuðu (Resistance spot welding):

• Lágkolefnisstálþynnur upp að 3,2 mm er kjörmálmur fyrir RSW. • Aukalegur styrkur og stífni má ná í stærri og flatari málmþynnum með því að

o punktsjóða styktarhluti inn í þær o forma flans(flanges) og upphleypingar(emmbossments) í þær.

• Samsuðan verður að gefa elektróuðunum möguleika á að komast að

suðusvæðinu. • Þörf er á nægilegri skörun málmþynnuhlutanna til þess að elektróðurnar nái

nægilega saman í punktsuðunni. Til dæmis á , fyrir lágkolefnisstál, skörunin að vera sex sinnum þykkari en hráefnið fyrir þynnur sem eru 3.2 mm og upp í 20 sinnum þykkari fyrir þynnur sem eru 0.5 mm.

32.kafli Brössun, lóðun og líming

(Brazing, soldering and adhensive bonding) Þessar þrjár aðferðir eiga margt skylt með suðu. Í brössun (Brazing) og lóðun (soldering), er notast við uppfyllingar málma (filler metals) til að skeyta saman og tengja málmparta og framkalla varanlega samloðun. Það er erfitt en þó ekki ómögulegt að ná hlutum í sundur eftir B&S. Það mætti segja að B&S væru svona mitt á milli fusion welding og solid-state welding. Uppfyllingarmálmi er bætt í eins og í fusion welding en hins vegar bráðnar grunnmálmurinn ekki líkt og í solid-state welding. B&S eru talin henta vel við þær aðstæður þar sem:

18


1. Málmarnir hafa lélega suðuhæfni, 2. Mismunandi málmar eru settir saman 3. Hin gríðarlegi hiti sem verður við suðu gæti eyðilagt hlutina sem á að setja

saman 4. Lögun hlutanna sem á að setja saman er þannig að ekki er hægt að nota neina

suðuaðferð 5. Mikill styrkur er ekki nauðsynlegur.

Líming (Adhesive bonding) hefur suma eignleika B&S. Notast er við uppfyllingarefni líkt og í hinum tveimur en hér er uppfyllingarefnið ekki málmur og samsetningaraðferðin er ekki framkvæmd við hita heldur er hún framkvæmd við stofuhita eða örlítið ofar.

32.1 Brössun (Brazing)

Brössun er aðferð þar sem uppfyllingarmálmur er bræddur og dreift örfínt milli yfirborða málmanna sem á að setja saman. Engin bráðnun grunnmálma á sér stað, einungis uppfyllingarmálms. Uppfyllingarmálmurinn hefur bræðslumark sem er meira en 450 gráður á Celcius, en minna en bræðslumark grunnmálmanna sem á að setja saman. Ef samsetningin er hönnuð á réttan hátt og brössunin framkvæmd á réttan hátt þá ættu samskeytin að vera sterkari en uppfyllingarmálmurinn fyrir bræðslu. Þetta orsakast af málmtengjum sem myndast á milli grunnmálmanna og uppfyllingarmálmsins. Brazing hefur nokkra kosti fram yfir suðu, þar má nefna:

1. Alla málma (líka og ólíka) má festa saman. 2. Vissar brössunar aðferðir má framkvæma fljótt og án mikillar fyrirhafnar og

þannig má viðhalda miklum afköstum. 3. Sumar aðferðir bjóða upp á skeyta saman mörgum hlutum í einu. 4. Það má nota brössun á þunna hluti sem ekki væri hægt að sjóða. 5. Þörf er fyrir minni hita og afl við brössun en við suðu. 6. Vandamál varðandi HAZ (heat affected zone) í grunnmálminum við

samskeytin eru lágmörkuð 7. Brössunarstaðir eru oft óaðgengilegir fyrir suðu.

Brössun hefur einning nokkrar hömlur:

1. Styrkur samskeyta er oft minni en við suðu 2. Þó samskeytin séu mjög líklega sterkari en uppfyllingarmálmsins þá er líklegt

að samskeytin séu ekki sterkari en grunnmálmurinn 3. Hár hiti getur veikt styrk brassaðra samskeyta 4. Litur málmsins í brössuðu samskeytunum getur verið frábruðgin lit

grunnmálmsins og er það ókostur útfrá fagurfræðilegum sjónarmiðum. Brössun sem framleiðsluferli er mjög útbreidd í iðnaði, helst í fjöldaframleiðslu (þá helst samsetningu túpna og pípa), rafmagnsiðnaði (smatengingu víra og kapla), við gerð skurðarverkfæra (brössun hertra málma í skurðfleti verkfæra) og í skartgripa framleiðslu. Þessi aðferð er notuð mikið til lagfæringar í öllum iðnaði.

19


32.1.1 Brassaðar samsetningar (Brazed joints)

Eru tvenns konar. Enda- og flatasamsetningar. Hins vegar hafa þessar tvær aðferðir verið aðlagaðar að brössunaraðferðum á marga vegu.

Hin hefðbundna endasamsetning gefur lágmarks yfirborð við brössun og setur þá styrk samskeytanna í hættu. Til þess að auka styrkinn er yfirborðið oft aukið til þess að ná betri samloðun. Að sjálfsögðu krefst þetta auka vinnu við að vinna málminn. Það geta komið upp vandamál með að halda hlutunum í réttum stöðum þegar verið er að brassa hluti saman á þennan veg. Flatasamsetningar eru útbreiddari í brössun, þar sem þær geta myndað tiltölulega stórt tengisvæði milli hlutanna. Skörun upp á a.m.k. þrisvar sinnum þykkt þynnri partsins er oft talin vera góð hönnun. Kostir brössunar yfir suðu í flatarsamsetningum eru að uppfyllingarmálmurinn er tengdur grunnpörtunum á öllu tengisvæðinu, en ekki einungis á brúnum eða á stökum punktum. Heinsun á yfirborðum grunnhlutanna sem setja á saman er mikilvæg fyrir brössun. Hreinsa þarf í burtu oxíð, olíur og önnur óhreinindi. Hreinsunin verður að vera yfir nógu stórt svæði til þess að hindra ekki bráðinn uppfyllingarmálminn í að fljóta um allt samsetningaryfirborðið. En ef fletirnir eru hreinsaðir of mikið dvína hárpípukraftarnir og þá munu vera svæði þar sem enginn uppfyllingarmálmur er til staðar. Samskeytingarstyrkur er því háður hreinsuninni. Til eru mörk á hreinsun þar sem styrkur er hámarkaður. Áhrifaþættir þar eru þó alltaf grunn og uppfyllingarmálmar, samskeyta lögun og aðstæðum við brössun. Hreinleiki samskeytanna fyrir brössun er líka mikilvægur. Yfirborð verða að vera laus við oxíð, olíur og önnur óhreinindi til þess að stuðla að vætingu og dreifingu fylliefnis með hárpípukröftum á meðan á ferlinu stendur, en einnig til þess að tenging geti orðið á öllu yfirborðinu. Efnafræðilegar aðferðir svo sem leysihreinsun og verklegar aðferðir svo sem vírburstun og sandblástur eru notaðar til þess að hreinsa yfirborðin. Eftir hreinsun og á meðan á brössuninni stendur, þá er beitt segulsviði til þess að halda yfirborðinu hreinu og stuðla að vætingu yfirborðs og notkun hárpípukrafta til að koma efni milli yfirborðanna sem festa á saman. Dæmi um aðferðir sjást á myndum 1 og 2.

Mynd 1. Nokkur dæmi um enda við enda samskeyti.

20


Mynd 2. Nokkur dæmi um skörunar samskeyti.

32.1.2 Uppfyllingarmálmar og segulsvið

(Filler Metals and fluxes)

Uppfyllingarmálmar Venjulegar samsetningar Brössunar hitastig [°C] Grunnmálmur Ál og sílikon 90 Ál,10 Sílíkon 600 Ál

Kopar 99,9 Kopar 1120 Nikkel-kopar Kopar og Fosfór 95 Kopar, 5 Fosfór 850 Kopar Kopar og Zink 60 Kopar, 40 Zink 925 Stál, cast járn Gull og silfur 80 Gull, 20 Silfur 950 Ryðfrítt stál, nikkel melmi Nikel melmi Nikkel, Króm og önnur 1120 Ryðfrítt stál, nikkel melmi Silfur melmi Silfur, kopar, zink, cadmium 730 Títaníum, verkfærastál,fl.

Í töflunni hér að framan má sjá algenga uppfyllingarmálma ásamt grunnmálmum sem þeir eru notaðir með. Til þess að falla undir sem brössunarmálmur verðurðu að hafa eftirfarandi einkenni:

1. Bræðslumark verður að vera passa við bræðslumark grunnmálma. 2. Yfirborðsspenna í vökvafasa verður að vera lág fyrir góða vætingu. 3. Eiginleikinn til að smjúga inn í yfirborðið verður að vera góður. 4. Málmurinn verður að hafa nægilegan styrk fyrir notkun samskeytanna. 5. Málmurinn má ekki hafa efna- eða eðlisfræðilega gagnverkun við

grunnmálmin svo sem galvaníska tæringu. Uppfyllingarmálmum er komið að ferlinu á nokkra vegu. Með vír, stöng, þynnum, ræmum, dufti, deigi eða mótuðum stykkjum sem passa í smuguna milli hlutanna sem brassa á saman.

21


Brössunarflux / sýrukrem (Brazzing Fluxes) Hafa svipaðan tilgang í suðu, þeir leysa upp, sameina eða losa á annan hátt myndun á oxíði og öðrum óæskilegum aukaafuðrum í brössunaraðferðum. Notkun á straumnum kemur ekki í staðinn fyrir hreinsunarstigin sem líst var hér að framan. Eiginleikar góðs flux eru:

1) Lágt bræðslumark 2) Lág seigja (viðloðun) svo uppfyllingarmálmur geti leyst það af hólmi. 3) Auðveldar vætingu fylliefnis 4) Verndar samskeytin þangað til hörðun uppfyllingarmálmsins hefur átt sér

stað. Auðvelt á að vera að fjarlægja fluxið eftir brössun.. Algengt innihald brössunar flux er borax, bortates, flúoríd og klóríð. Önnur efni eru líka í blöndunni til að auka möguleika vætingar. Flux er oftast úr dufti, deigi eða þ.h.. Tilgangurinn með að nota flux er að framkvæma aðgerðina í lofttæmi eða til að hindra andrúmsloft sem veldur oxun.

32.1.3 Brössunaraðferðir (Brazing Methods)

Það eru margskonar aðferiðr notaðar í brössun. Þær eru mismunandi eftir hitagjöfunum. Kyndils brössun (Torch Brazing): Í þessari aðferð er flux sett á hluta yfirborðsins og kyndli/loga er beint geng vinnunni nálægt samskeytunum. Minnkun á loganum er yfirleitt notuð til þess að hamla oxun. Eftir að vinnusvæði samskeytanna hefur verið hitað að æskilegu hitastigi er uppfyllingarefni bætt í samskeytin, venjulega í vír- eða stangarformi. Eldsneyti sem notað í þessari aðferð er meðal annars acetylen, própan og önnur gös, með lofti eða súrefni. Valið á blöndum fer eftir því hve mikils hita er þörf við vinnuna. Kyndils brössun er oftast framkvæmd með höndum, og verður að vera unnin af hæfu/lærðu strafsfólki sem kann að beita loganum og meta hitastigið. Lagfæringar eru algengar með þessari aðferð. Ofn brössun (Furnace brazing): Notast er við ofn sem hitagjafa fyrir brössun og hentar best fyrir meðal og mikla framleiðslu. Í meðal mikilli notkun eru íhlutirnir og brössunarmálmarnir settir inn í bræsluofn, hitaðir upp fyrir brössunarhitastigi, síðan kældir og fjarlægðir. Í mikilli notkun er notast við, flæði í gegnum bræsluofna, en þar eru hlutir settir á færiband og fluttir í gegnum hita og kæli hluta. Stjórnun hitastigs og andrúmslofts er mikilvægur þáttur í bræðslubrössun, andrúmsloftið verður að vera hlutlaust eða rýrt. Vakúm bræðsluofnar eru stundum notaðir. Það fer eftir andrúmsloftinu og málmum sem eru notaðir hvor að þörfin fyrir flux sé fyrir hendi.

22


Span brössun (Induction brazing): Spanbrössun nýtir varma frá viðnámi við og að hátíðni spanstraum. Hlutirnir eru forfylltir með uppfyllingarmálmi og settir í hátíðni riðstraums svið. Hlutirnir snerta þó vafningana ekki. Tíðnin er frá 5kHz og upp í 5MHz. Hátíðni aflgjafar eiga það til að hita yfirborðið, á meðan lágtíðni virkar meira á innviðið. Lægra tíðnisvið virkar betur á þyngri hluta. Spanbrössun er hentug fyrir litlar sem stórar lotur. Viðnámsbrössun (Resistance brazing): Hiti til þess að bræða uppfyllingarmálmin í þessari aðferð er fengin með viðnámi við flæði rafstraums í gegnum hlutina. Til aðgreiningar frá spanbrössun þá eru hlutirnir tengdir beint við rafrás í viðnámsbrössun. Tækin sem notuð eru í þessari aðferð eru ekki ósvipuð þeim tækjum sem notuð eru í viðnámssuðu, nema kannski helst það að notaður er lægri straumur í brössun heldur en í suðu. Uppfyllingarmálmi er fyrst komið fyrir og er svo hlutunum haldið á milli rafskauta á meðan þrýstingur og straumur er settur á. Bæði span- og viðnámsbrössun notast við hraða hitavinnuhringi og eru notaðar á tiltölulega litla hluti. Spanbrössun virðist vera meira notuð af þessum tveimur aðferðum. Dýfibrössun (Dip Brazing): Í dýfibrössun annaðhvort bráðið saltbað eða bráðið málmbað notað sem hitagjafi. Í báðum aðferðunum er samsettu pörtunum dýft ofan í böðin í hitapotti. Hörðnun á sér stað þegar hlutirnir eru fjarlægðir. Í saltbaðsaðferðinni, inniheldur bráðin fluxandi efnisþætti og er uppfyllingarmálmi komið fyrir áður en dýft er. Í málmbaðsaðferðinni er bræddi uppfyllingarmálmurinn varmamiðillinn Hann dregst með hárpípukröftum í samskeytin á meðan á kaffæringunni stendur. Straumbreiðu (a flux cover) er haldið á yfirborðinu á meðan á baðinu stendur. Dýfubrössun afkastar miklu og getur brassað mörg samskeyti á sama hlutnum í einu. Innrauð brössun (Infrared Brazing) Þessi aðferð beitir há-styrks innrauðum lampa . Sumir innrauðum hafa getu til þess að gefa frá sér 5000 W af geislandi varmaorku, sem er hægt að nota á hlutina fyrir brössun. Þessi aðferð er hægari en flestar aðrar aðferðir, og er aðalega takmörkuð við þunna hluti. Brössunarsuða (Braze welding) Þessi aðferð er öðruvísi en aðrar aðferðir þar sem samskeytin sem þessi aðferð er notuð á eru öðruvísi.. Þessi aðferð er meira notuð til þess að fylla upp í hefðbundin suðumót. Meira magn af uppfyllingarmálmi er sett í heldur en í brössun og engir hárpípukraftar notaðir. Í þessari aðferð eru samskeytin einungis úr uppfyllingarefni og grunnmálmurinn bráðnar ekki. Þess vegna er ekki brætt inn í málminn eins og í venjulegri suðu. Yfirleitt notuð til viðgerða.

32.2 Lóðun (Soldering)

Lóðun er svipar mikið til brössunar og getur verið skilgreind sem samsetningarðaferð með uppfyllingarmálmum sem ná ekki yfir 450°C í bræðslumarki.. Uppfyllingarmálmurinn er bræddur og hárpípukraftar notaðir til að fá máminn til að dreyfa sér á milli yfirborða á málmhlutunum sem setja á saman. Enginn bráðnun grunnmálma á sér stað. Uppfyllingarmálmurinn verður á vökvaformi og sameinast grunnmálminum með málmtengjum. Lóðun er í meginatriðum lík brössun, og margar af hitunaraðferðunum er hinar sömu. Yfirborðin verða að vera hreinsuð og laus við

23


oxíð, olíur og þess háttar. Viðeigandi flux (sýrukrem) verður að vera til staðar fyrir yfirborðin og eru yfirborðin eru hituð. Uppfyllingarmálmi, kölluðum lóðmálmi, er bætt við í samskeytin sem dreifir hann sér á milli samansettu málmanna. Í sumum aðferðanna er lóðmálmurinn settur á undan á bæði yfirborðin og kallast það tinun, óháð því hvort lóðmálmurinn innihaldi tin eða ekki. Venjulega er hreinsun (grófleiki) í lóðun frá 0,075 mm og upp í 0,125 mm nema þegar það er tinað, þá er hreinsunin um 0,025 mm. Þegar lóðun er lokið þá verður að fjarlægja flux afganga. Í iðnaði er lóðun mest notuð í samsetningu rafrása. Lóðun er einnig notuð í vélasamsetningum, en ekki á þeim stöðum er þurfa að þola mikla spennu eða hita. Forskot sem lóðun hefur á aðrar aðferðir er til dæmis vegna:

1. Minni orka fer í lóðun en brössun og suðu 2. Margskonar hitunarmöguleikar eru á reiðum höndum 3. Góð hita og rafleiðni í samskeytum 4. Möguleiki á því að gera vökva- og lofthelda sauma á skilum í geymum 5. Auðvelt að laga og breyta.

Helstu ókostirnir eru:

1. Ekki sterk samskeyti nema með frekari vinnu 2. Möguleiki á því að samskeyti veikist við hita.

32.2.1 Samskeytahönnun fyrir lóðun

(Joint Designs in Soldering)

Líkt og í brössun eru lóðunar samskeyti einskorðuð við jaðar- og flatasamskeyti, þó jaðar samskeyti ættu ekki að bera neinn þunga. Suma af möguleikum brössunar við samskeytingar má yfirfæra á lóðun, og lóðunartæknin hefur einnig bætt inn nýjum möguleikum til þess að takast á við sérstök tilvik er koma upp í rafleiðnitengjum. Endar málmþynna og renninga eru oft beygðir og læstir saman fyrir lóðun. Fyrir raffræðileg verkefni skiptir góð rafleiðni milli lóðaðra hluta miklu máli. Annað sem hafa skal í huga er hitaauknink sem getur orðið vegna viðnáms við rafstraumi í samskeytunum og titringur. Vélrænn styrkur í þessum lóðuðu samskeytum er fenginn með því að forma annan eða báða hlutana til þess að verka beint hvor á annan, eða nota sem mest yirborð til þess að fá sem mestan styrk frá lóðningunni.

32.2.2 Lóðmálmar og straumar(flux)

Lóðmálmar og flux eru efni sem notuð eru við lóðun. Bæði eru mjög mikilvæg í samskeytinga ferlinu.

24


Lóðmálmar

Flestir lóðmálmar eru málmblöndur/melmi úr tini og blýi, þar sem báðir málmarnir hafa lágt bræðslumark. Melmi þessara efna mynda bil þétti-og bráðarhitastigs sem gerir það að verkum að hægt er að hafa góða stjórn á lóðunarferlinu fyrir mismunandi tilvik. Blý er eitrað og því reynt að lágmarka það í mestum lóðmálma samsetningum. Tin er efnafræðilega virkt við lóðunarhitastig og stuðlar þannig að góðri vætingu, þ.e. málmurinn dreifir sér vel, sem er nauðsynleg fyrir áhrifaríka lóðun. Við lóðun kopars, venjulega í raftengjum, er notast við sambland af kopari og tini til þess að styrkja tengin. Silfur og antimony eru stundum notuð tilþess að lóða melmi. Nánari upplýsingar um lóðmálma má sjá í töflu 32.2, bls. 743 í Fundamentals of Modern Manufacturing, eftir Mikell P. Groover.

Lóðunar flux

Ættu að gera eftirfarandi: 1. Ættu að vera bráðin við lóðunarhitastig 2. Fjarlægja oxíð lag og gera grunnflötinn mattann 3. Hindra oxun á meðan á hitun stendur 4. Stuðla að vætingu yfirborðsins (með lóðmálminum). 5. Bræddur lóðmálmurinn á að geta komið hindrunarlaust í staðinn fyrir fluxið á

meðan á ferlinu stendur 6. Skilja það eftir sem er ekki eyðandi eða óleiðandi.

Því miður er ekkert flux sem nær öllum þessum eiginleikum fullkomlega í einu fyrir alla lóðmálma og grunnmálma. Val á fluxi verður að fara eftir gefnum forsendum. Flux má skipta niður í lífræn og ólífræn efni. Lífrænu fluxin eru annað hvort búin til úr harpeis (úr gúmmíviði – óvatnsleysanleg) eða úr vatnsleysanlegum efnum (alkóhól, lífrænar sýrur,o.fl.). Vatnsleysanlegu efnin auðvelda hreinsun eftir lóðun. Lífrænu fluxin er mest notuð í rafleiðni tengi. Þau eiga það til að vera efnafræðilega virk við hækkað lóðunarhitastig en hins vegar lítið tærandi við herbergishita. Ólífrænu fluxin eru úr ólífrænum sýrum og söltum og eru notaðar til að ná skjótum og virkum fluxum þar sem oxunarhúð er vandamál. Söltin verða virk við bráðnun, en eru minna eyðandi en sýrurnar. Þegar lóðvír er settur saman með sýrukjarna þá fellur það undir þennan flokk. Bæði lífrænu og ólífrænu fluxin ættu að vera fjarlægð eftir lóðun, en það er sérstaklega mikilvægt með ólífrænu sýrurnar svo að áframhaldandi tæring eigi sér ekki stað á málmyfirborðinu. Flux hreinsun á sér yfirleitt stað með vatni nema hjá harpeisinu (trjákvoða), en hana þarf að hreinsa með efnaleysum. Harpeisið er á undanhaldi þar sem efnin sem þarf til þess að hreinsa það er hættulegt bæði mönnum og umhverfinu.

32.2.3 Lóðunaraðferðir (Soldering Medhods)

Margar aðferðanna sem notaðar eru í lóðunn eru þær sömu og í brössun, nema hvað minni hiti og lægra hitastig eru þörf fyrir í lóðunn. Þetta eru aðferðir eins og kyndilslóðun, bræðslulóðun, spanlóðun, viðnámslóðun, dýfulóðun og innrauðlóðun.

25


En það eru einnig aðrar aðferðir sem eru ekki notaðar í brössun. Það eru handlóðun, bylgjulóðun og endurflæðislóðun.

Handlóðun (Hand Soldering) Handlóðun er gerð í höndunum, og er notað heitt lóðjárn. Stykki úr kopar er á vinnuenda lóðjárnsins. Stykkið:

1. Flytur hita að hlutunum sem á að lóða 2. Bræðir lóðmálminn 3. Flytur brædda lóðmálminn í samskeytin 4. Flytur í burt ofgnótt af lóðmálminum.

Flest nútíma lóðjárn eru hituð með rafviðnámi. Sum eru hönnuð sem fljóthitnandi lóðbyssur, sem eru vinsælar í rafmagns samsettningum fyrir ósamfelldar (af-á) aðgerðir. Það er möguleiki á að gera lóðuð samskeyti á sekúndu.

Bylgju lóðun (Wave Soldering): Bylgjulóðun er vélræn tækni sem gerir það að verkum að fjöldi blývíra geta verið lóðaðir á prentað rása borð (PCB-printed circuit board) á meðan að það fer yfir bylgju af bræddum lóðmálmi. Venjulega uppsetningin er sú að íhlutunum hefur verið komið fyrir í rásaborðinu. Blývírar íhlutana standa upp úr holunum á borðinu. Borðið er látið fara í gegnum bylgjulóðunar tækið. Færiband styður við rásaborðið á hliðunum og svo gerist eftirfarandi :

1. Flux er sett á , t.d með froðu, speyjun eða burstun. 2. Forhitun (notast við ljósaperur, hitaspólur o.fl.) til þess að leysa upp leysa,

virkja fluxið og hækka hitastig samsettningarinnar. 3. Bylgjulóðun, þar sem vökvlóðmálmi er dælt frá bræðslubaði í gegnum rist á

botn borðsins og tengir þannig lóðmálmana milli blývíranna og málm rafrásarinnar á borðinu.

Loks er komið í veg fyrir yfirborðsspennu með því að dæla sérstakri tinolíu á. Þessi aðferð er mikið notuð í raftækniiðnaði. Bakflæðislóðun (Refolw Soldering): Þessi aðferð er einnig mikið notuð í rafmagnsiðnaði til þess að festa hluti með meira yfirborð á prentplötu. Í þessari aðferð er lóðmálmsdeig, sem innihledur lóðmálmsduft bundnu saman með fluxbindiefni, sett á ákveðna punkta á borðinu þar sem rafleiðni á að vera milli yfirborðs íhlutanna og koparrásarinnar. Íhlutirnir eru síðan settir á deigið og borðið er hitað að bræðslu lóðmálmsins. Myndast þá vélræn- og rafeindatengi á milli íhlutanna og koparsins á rafrásaborðinu. Hitunaraðferðir fyrir endurflæðiaðferina innihledur gasfasa endurflæði og innrautt endurflæði. Í gasfasa endurflæðislóð er stöðugur flúor og hýdatkarbón vökvi hitaður í ofni. Því næst þéttist það á yfirborði borðsins þar sem það flytur varma til lóðmálmsdeigsins og bræðir það og myndar þannig lóðuð samskeyti á rásaborðinu. Í innrauðu endurflæðisaðferðinni þá kemur varminn frá innrauðum lampa og bræðir hitinn lóðmálmsdeigið og myndar tengin þannig. Einnig er hægt að nota heit loft, lasergeisla o.fl. til þess að hita lóðmálmsdeigið.

26


32.3 Líming (Adhensive bonding)

Þessa aðferð má rekja langt aftur í tímann og er þetta líklegast fyrsta samsettningaraðferðin. Í dag er þessi aðferð notuð við margskonar samsetningar og innsiglingar. Bæði eru settar saman líkar og ólíkar tegundir efna með þessari aðferð, svo sem málmar, plastefni, keramikefni, tré, pappír o.s.frv. Þó þessi aðferð sé byggð á traustum grunni sem samsetningaraðferð, þá er litið á hana sem aukna möguleika á meðal samsetningaraðferða þar sem gríðarleg tækifæri eru fyrir víðari útbreiðslu. Líming er samsetningaraðferð þar sem uppfyllingarefni er notað til þess að halda tveimur eða fleiri hlutum saman með yfirborðs festingu. Uppfyllingarefnið sem heldur hlutunum saman er límkennt. Hlutirnir sem festir eru saman kallast viðloðarar. (slæm þýðing). Límingar sem vekja mestan áhuga í verkfræði eru byggingarsamsetningar. Þar eru lím sem hafa þann möguleika að mynda sterk, varanleg tengi milli sterkra efna. Þau fjölmörgu lím sem til eru í dag eru sett saman á mismunandi vegu og ná þau að festa saman margar gerðir efna. Með orðinu “hersla” er átt við ferlið þar sem límið breytist frá vökvakenndu yfir í fast efni, venjulega með efnahvörfum, og næst þannig festan milli hlutanna. Efnahvörfin geta jafnvel leitt til myndunar fjölliða, þéttingar eða myndun gúmmíkennds efnis. Herslu er yfirleitt komið af stað með hita og/eða með efnahvötum. Þrýstingi er stundum beitt milli hlutanna til að virkja samsetningarferlið. Ef hita er þörf þá er herslu hiti tiltölulega lár, svo hlutirnir verða fyrir litlum áhrifum frá hitanum, sem er kostur við þessa aðferð. Þessi úrbót eða hörðnun tekur tíma, kallur herslutími eða umgjörðartími (setting time). Í framleiðslu telst ókostur að þurfa að bíða svona. Styrkur samskeytana í límkenndri samsetningu er oft skilgreindur út frá styrk efnisins og tengjanna á milli límkennda efnisins og efnisins sem á að festa saman. Einn mælikvarði til að athuga hvort tengi séu ásættanlega sterk er að ef brot á sér stað vegna of mikillrar spennu, þá ætti það brot að gerast í stykkjunum sem sett voru saman frekar en í yfirborðinu við líminguna eða í límingunni sjálfri. Styrkur límda hlutarins fæst af nokkrum ástæðum, sem eru háðar límingu og límdu hlutanna:

1. Efnafræðileg tengi sem verða á milli límingar og hlutar og gerast við hörðnun 2. Eðlisfræðileg gagnverkun milli hlutanna sem annars stigs tengi valda milli

atóma á yfirborði hlutanna. 3. Vélræn læsing, þar sem grófleiki stykkjana veldur því að límingin læsist inn í

smáum ójöfnunum. Til þess að ná fram sem bestum árangri þá verða eftirfarandi skilyrði að vera fyrir hendi:

1. Yfirborð hlutanna sem setja á saman verður að vera hreint – laus við olíur, drullu og oxíð. Oft þarf sérstakann undirbúning til þess að ná þessu fram

2. Límkennda efnið, í sínu fljótandi formi, verður að að komast í snertingu við og ná að væta hlutina sem setja á saman.

3. Það er yfirleitt betra að yfirborðin séu ekki fullkomlega slétt – örlítill hrjúfleiki gerir það að verkum að læsing getur átt sér stað.

27


32.3.1 Hönnun samskeyta (Joint Design)

Tenginn í límingu eru yfirleitt ekki eins sterk eins og þau sem fást með suðu, brössun eða við lóðun. Þegar hlutir eru festir saman með límkenndri festingu þá ætti að hafa eftirfarandi atriði í huga:

1) Samskeytaflötur á að vera sem mestur 2) Tengin eru sterkust í skerspennu og beinni togspennu og mótin ættu að

vera hönnnuð til þess að slíkir kraftar verki á samskeytin 3) Límkennd samskeyti eru veikust við klofning eða skrælning og ætti að

reyna að forðast að hanna samsetninguna á þann hátta að hætta sé á þessu fyrir hendi.

32.3.2 Límefni (Adhesive Types)

Mikill fjöldi límkenndra efna er til. Þeim má skipta í þrjá flokka

1. Náttúruleg 2. Ólífræn 3. Gerviefni.

Náttúrulegu efnin koma frá náttúrulegum uppruna (þ.e. plöntum og dýrum) og þar er meðtalið kvoða, sterkja, dextrin, sojahveiti og kollagen. Þessi flokkur efna er oftast notaður fyrir lágspennu samskeyti, eins og húsgögn og þess háttar. Ólífrænu efnin eru aðalega byggð á sódíum sílíkötum og magnesíum oxíðklóríðum. Þau kosta lítið en hafa líka lítinn styrk – sem gerir það að notkunarmöguleikar eru takmarkandi. Gerviefni er svona mikilvægasti hópur þessara efna. Þau innihalda fjölda thermoplastic and thermosetting fjölliður. Þau eru bætt með mismunandi uppbyggingu, m.a.

1. Blöndun efnahvata eða hvarfgjarna efna með fjölliðunum 2. Hitun til hraða efnahverfinu 3. Geislunar bæting, svo sem útfjólublátt ljós 4. Bæting með uppgufun frá vatni frá vökvanum eða deiginu.

32.3.3. Tækni notkun (Application Technology)

Notkun líminga samsettninga er útbreidd og vaxandi í iðnaði. Stórar greinar sem nota þessa aðferð eru m.a. flugvéla-, byggingar-, og pökkunariðnaður, en einnig skó-, húsgagna-, bókabindunar-,rafmagns- og skipaiðnaður.

28


Undirbúningur yfirborðs: Til þess að þessi aðferð virki sem skildi, þá verður yfirborðið að vera sérstaklega hreint. Styrkleiki tengjanna veltur á stærð viðloðunarkrafta á milli stykkja og líms, og allt veltur þetta á hreinleika yfirborðanna. Í flestum tilvikum þarf aukaleg skref til að hreinsa og undirbúa yfirborðið og skiptir þar máli með hvaða unnið er með. Fyrir málma til dæmis eru notuð leysiefni til þess að hreinsa og stundum er einnig sandblásið til að auka hrjúfleika. Fyrir efni sem ekki eru málmar, þá er stundum notuð einhver leysiefni til þess að hreinsa og yfirborðið er stundum burstað eða efnafræðilega meðhöndlað til þess að auka hrjúfleika. Það er æskilegt að koma límingu sem fyrst af stað sem fyrst eftir hreinsun svo yfirborð nái ekki að oxast og/eða óhreinkast. Eftirtaldar aðferðir eru notaðar á yfirborð hluta sem setja á saman. Þetta er þó ekki tæmandi listi:

• Burstun, gerð í höndunum, með bursta með stífum hárum. Lagið er of ójafnt. • Flæði, notast er við handvirkar þrýstimötunarbyssur, er stapíllri en burstun. • Handvirkar rúllur, svipaðar og málningarrúllur, eru notaðar til að fá límkennd

efni frá flötum geymslueiningum. • Sprautun, notast er við loftdrifna spreybyssu til að dreifa yfir svæði sem erfitt

er að komast að. • Sjálfvirkir matarar, notast er við margskonar sjálfvirka marara eða sprautara

við framleiðslu á miðlungs- og stórum lotum. • Rúlluhúðun er vélræn tækni, þar sem rúlla sem snýst er að hluta til ofan í

geymi sem inniheldur efnið sem bera skal á. Rúllan snýst síðan með efninu á og kemst annars staðar í snertingu við yfirborðið sem bera á efnið á. Hægt að sjá nánar á bls 749 í bók.

Kostir límkenndrar samsetningar:

1. Hægt er að nota þessa aðferð á svo mörg mismunandi efni 2. Hlutir að mismunandi stærð og með mismunandi þverskurðarflatarmál má

setja saman. Auk þess sem setja má saman brothætta hluti. 3. Samsetningin fer fram á öllu svæðinu en ekki bara í einstökum punktum. 4. Samsetningar geta verið teygjanlegar og þola því endurtekið álag og

breytingar vegna hitaþols hluta. 5. Vinnsla við lágt hitastig kemur í veg fyrir skemmdir á hlutunum sem setja á

saman. 6. Hægt er að framkvæma innsiglun og samfestingu 7. Einfalt

Ókostir:

1. Venjulega ekki eins sterk tengi eins og við aðrar aðferðir 2. Límkennda efnið verður að vera eiga við efnin sem setja á saman

29


3. Vinnuhitastig er takmarkað 4. Mikilvægt er að hreinsa vel fyrir ferlið 5. Herslutími getur haft áhrif á og takmarkað framleiðslutíðni 6. Eftirlit með gæðum samsetningar er erfitt.

Kafli 33 Mekanískar samsetningar

Kaflinn fjallar um: skrúfur, bolta, hnoð, hefti, sauma og aðrar samskonar “mechanical” aðferðir til að tengja hluti saman. Algengast er að notast sé við utanaðkomandi parta, fasteners, sem notaðir eru til að tengja samsetningarpartana. Stundum er þó lögun eins samsetningarparts breytt í samsetningarferlinu (shaping, reshaping) og þá er ekki þörf fyrir utanaðkomandi parta. Margar neytandavörur eru settar saman með mekanískum samsetningaraðferðum s.s. bílar, símar og húsgögn. Samsetningaðferðum má skipta gróflega í tvo flokka

1) Hægt að taka parta í sundur síðar meir • T.d. skrúfur, boltar, rær

2) Ekki hægt að taka parta í sundur síðar meir • T.d. Hnoðnaglar

Kostir mekanískra samsetningaaðferða:

• Auðvelt í samsetningu o Hentugt þegar um mjög stórar framleiðsluvörur er að ræða því þá er

hægt að ferja þær í minni pörtum og svo hægt að setja þær saman þegar varan er komin til viðskiptavinar!

• Auðvelt að taka í sundur (ef það er á annað borð hægt) o Mikilvægt uppá viðhald

• Ekki mikillar sérkunnáttu krafist af vinnuafli • Þarf ekki mikinn sérhæfðan tækjakost • Tekur stuttan tíma • Auðvelt að skoða útkomuna

Mögulegar tengingar í mekanískum samsetningaraðferðum:

1) Fasteners með skrúfgangi 2) Hnoð 3) Interference fit 4) Innsteyptar tengingar

Fasteners með skrúfgangi

• Skrúfur, boltar og rær algengastar • Munur á boltum og skrúfum ☺

30


• Nánast alltaf hægt að taka í sundur • Margar tegundir af róm • Margir möguleikar á hausum, skrúfgangi, stærð á skrúfum og boltum

• T.d. töppunarskrúfa sem er hönnuð til þess að búa til skrúfgang í það sem hún er skrúfuð inn í

• Mismunandi verkfæri fyrir mismunandi tegundir! • Yfirleitt úr stáli með litlu eða meðalmiklu kolefnisinnihaldi eða einhvers konar

stálmelmi • Venjulega húðað með t.d. nikkel eða krómi til að verjast tæringu

Aðrar tegundir af fasteners með skrúfgangi og partar því tengt:

• Stud: bolti án hauss • Screw thread inserts: hylki sem sett eru inn í gatið á samsetningarparti áður en

skrúfan er skrúfuð inn í hann. Þetta er gert þegar unnið er með samsetningarparta úr veiku/aumu efni til að tryggja sterkan skrúfgang.

• Captive threaded fasteners : fastener með skrúfgangi sem eru varanlega tengdur einum samsetningarpartinum áður en samsetningarpartarnir eru settir saman.

• Skinnur Skinnur eru oft notaðar með skrúfum eða boltum. Helstu ástæður þess eru:

• Dreifa spennum • Styðja skrúfu í stórum götum • Auka gormstuðul samsetningar • Vernda yfirborð smíðahluta • Loka samskeytum • Mynda meiri sjálflæsingu

Í tengingu með skrúfu eða bolta er venjulega bæði tog- og skerálag. T.d. þegar tveir partar eru tengdir saman með bolta og ró er boltinn undir togálagi, samsetningarpartarnir undir þrýsti- og skerálagi og loks verka skerkraftar (hornrétt á boltann) á skrúfganginn. [Figure 33.9] Styrkur fastener með skrúfgangi er skilgreindur með:

1) Togþoli 2) Proof strength, sem er hámarks togspenna sem fastener þolir án þess að

flotbjögun eigi sér stað

Bolti eða skrúfa getur verið hert um of þ.a. álag verði of mikið. Þá getur eitthvert eftirfarandi gerst:

• Skrúfgangur smíðaefnis gefur sig • Skrúfgangur skrúfu eða bolta gefur sig • Bolti brotnar

Oftast brotnar boltinn þ.a. hersla bolta er mjög mikilvæg. Togspenna (tensile stress) á bolta er fundið með jöfnum 33.1 og 33.2.

31


sAF

=σ

þ.s.

2)9382,0(*25,0 pDAs −=

Oft er gefið upp hversu mikið skal herða bolta eða skrúfu. Þetta er gert til þess að: • Boltinn eða skrúfan verði ekki snúinn í sundur. • Boltinn eða skrúfan losni ekki • Til að fá jafnt álag á allar skrúfur eða bolta

Hnoð

Hnoðnaglar (rivets) eru notaðir til þess að fá varanlega mekaníska tengingu. Ekki hægt að taka í sundur nema eyðileggja hnoðið. Kostir:

• Ódýrt • Mikill samsetningarhraði • Auðvelt að tengja saman • Áreiðanlegt

Til þess að hnoða hluti saman þá er pinna/hnoðnagla, með formaðan haus á öðrum enda, stungið í gegnum gat sem gengur í gegnum báða/alla samsetningarpartana. Til þess að festa hlutina er formaður annar haus á hinn enda pinnans og partarnir þannig klemmdir saman. Hausinn er formaður á einhvern eftirfarandi máta:

• Með höggum frá lofthamri. • Með stöðugum þrýstingi • Með blöndu af stöðugum þrýstingi og höggum

Í þeim tilvikum sem lítil spenna mæðir á tengingu er hægt að nota eyelets í stað hnoðnagla. Eyelet eru þunnveggja rör sem víkka út á öðrum endanum. Ódýrara og léttara en að nota hnoðnagla!

Interference fits

Press fitting Hlutum er þröngvað saman og viðnám og þrýstingur halda þeim saman. Dæmi um svona samsetningu er t.d. tannhjól sem hefur verið þröngvað á öxul. Gat tannhjólsins er þá með aðeins minna þvermál en þvermál öxulsins og því klessist tannhjólið á öxulinn. Radíal álag milli öxuls og tannhjóls og öxuls má finna með jöfnu 33.5

32


2

22 )(

cp

pcf DD

DDEip

−=

þar sem i: interference milli pinna og collar E: Modulus of elasticity Dc: þvermál collar Dp : þvermál pinna

Skoða Figure 33.12 til útskýringar!

Expansion fit Oft er hlutum komið saman með því að kæla öxulinn (almennt: innri samsetningarpartinn) og þannig minnka þvermál hans. Kældur er öxullinn settur inn í gat tannhjóls. Við samsetningu partanna hitnar öxullinn, þvermál hans eykst að nýju og hann festist við tannhjólið. Shrink fit Stundum er hlutum komið saman með því að hita tannhjólið (almennt: ytri samsetningarpartinn) og þar með stækka þvermál þess (thermal expansion) og setja svo saman samsetningapartana. Að því loknu er herbergishitastigi komið á að nýju þ.a. þvermál tannhjóls minnkar að nýju og þá myndast sterkt interference fit. Snap fit Notum þessa samsetningaraðferð ef samsetningarpartar eru úr efnum sem eru teygjanlegir og geta þarmeð afformast mikið elastískt. Þegar samsetningarpörtunum er þrýst saman afformast þeir tímabundið uns þeir smella saman. Eftir samsetningu er ekki auðvelt að ná þeim í sundur á ný. Retaining ring Is a fastener that snaps into a circumferential groove on a shaft or tube to form a shoulder. The assembly can be used to locate or restrict the movement of parts mounted on the shaft. Aðrar samsetningaraðferðir Ath. Kennari talar ekkert um þær í sínum glósum!

• Heftun • Saumur • “Stitching” • Cotter Pins

Samsetningarpartar þurfa að vera þunnir í þremur fyrstu aðferðum. Mikill framleiðsluhraði næst með þessum aðferðum.

33


Innsteyptar tengingar

Kennari talar ekkert um í glósum! Varanleg tenging fæst milli samsetningarparta með því að móta einn samsetningarpartinn með einhverri framleiðsluaðferð svo sem casting, molding or sheet-metal forming. Molding inserts er þegar hlutur, eins og t.d. skrúfa, er settur í smíðahlut áður en hann er steyptur eða mótaður. Þetta hefur ákveðna ókosti:

• Hönnun móts verður flókin • Ísetning aðskotahlutar tekur tíma og það minnkar framleiðsluhraða • Erfitt er að laga eða endurvinna hluti með þessa aðskotahluti fasta í sér

Integral fastener er þegar hlutir eru beyglaðir þannig að þeir festist saman. [Figure 33.18].

Hönnunarforsendur í mekanískri tengingu

• Lágmarka fjölda samsetningarparta • Fækka boltum og skrúfum (þ.e. gengjuðum tengslum) • Nota staðlaðar stærðir • Hafa sem flesta parta samhverfa • Hafa sem fæsta parta sem standa mikið út • Ekki hafa hluti sem fólk og hlutir geta flækst í

Róbota samsetning Sömu aðferðir henta ekki handvirkri og róbota samsetningu. Hafa í huga:

• Ekki hafa of marga parta í gangi/vinnslu per róbota/verkstöð • Lágmarka fjölda parta sem þarf að halda á í samsetningunni • Takmarka þær stefnur sem viðbótarpartar nálgast partinn sem fyrir er…helst

alltaf að nálgast lóðrétt að ofan • Tryggja gæði á pörtum áður en robot tekur við þeim • Nota eins mikið snap fit og mögulegt er … róbotar eru ekki lagnir við bolta og

skrúfur.

Kafli 34 - Flótvirk Frumgerðarsmíði (Rapid Prototyping)

Fjallar um aðferðir til að búa til virkar frumgerðir á stuttum tíma. Kaflar 35-36 fjalla um tækni sem notuð er til að framleiða rafmagnstæki. Kafli 35 fjallar um integrated circut processing Kafli 36 fjallar um samsetningar og pökkun rafmagnstækja. Kafli 37 fjallar um tækni sem notuð er til að framleiða smáa íhluti, parta og vörur. Fljótvirk fumgerðarsmíði (RP) er upprunin frá um 1988.

34


Fljótvirk Frumgerðarsmíði (RP) samanstendur af fjölskyldu framleiðsluferla sem taka sem skemmstan afgreiðslutíma. Computer-aided design (CAD) kemur þar við sögu.

• Venjuleg framleiðsluaðferð á frumgerð er vélvinnsla, sem getur tekið talsverðan afgreiðslutíma. Nokkrar vikur eða lengur, fer eftir hlut.

• Nokkrar fljótvirkar frumgerðar-smíðaaðferðir eru til sem gera það kleift að

búa til hlutinn á mun skemmri tíma. Klukkustundir eða dagar í stað vikna. Þá er notast við CAD.

Sýndarfrumgerð (Virtual prototype) í CAD formi er ekki jafn þægileg og að hafa hana í höndunum. T.d. er ekki hægt að gera góðar tilraunir á hlutnum í tölvutæku formi. RP má skipta í tvo megin flokka:

1. Efnisnám (Material Removal Processes) Vélvinnsla (Machining, kafli 22) Aðalega fræsing og borun (milling & drilling) með notkun CNC tækis. Aðal vandamálið er að koma CAD forminu á lesanlegt form fyrir CNC tækið á stuttum tíma. Oft er notuð nálgun á yfirborð hlutarins með því að “skera” hann í þunnar sneiðar og format-era CNC tækið þannig, til að komast hjá langri og tímafrekri forritun. CNC vélarnar eru oft litlar og orðin desktop milling (fræsing) og desktop machining (vélvinnsla) eru stundum notuð fyrir þessa tækni. Mesta stærð á efni fyrir desktop vélvinnsluna er t.d. 180x150x150 (mm).

2. Efni bætt við (Material Addition Processes) snýst allt út á að bæta efni við í

lögum, einu lagi í einu. Efni eru til að mynda: i. Fljótandi einliður (liquid monomers) sem eru sett á lag fyrir lag og verður

að föstum fjölliðum (solid polymers). ii. Duft (powders) sem er safnað saman og bundið lag fyrir lag. iii. Fastar arkir (sheets) af efni sem eru skipt niður í lög þar til hluturinn er

tilbúinn. Sumar aðferðir nota laser til að festa efnið saman aðrar setja þunna plast glóþræði (soft plastic filament) í útlínur hvers lags. Almenna aðferðin við að undirbúa það þegar efni er bætt við þarfnast eftirfarandi skrefa: 1. Teikning (Geometric Modeling)

Snýst út á að teikna hlut á CAD formi til að ákvarða rúmmálið. 2. Tíglun á teikningunni (Tessellation of the geometric model)

CAD teikningin er umbreytt yfir í format sem nálgar yfirborðið með marghyrningum (þrýhyrningum). Aðal formatið sem notað er í RP er STL stereó steinprentun (STereoLithography).

35


3. Teikning skorin í lög (Slicing of the model into layers) Nú er STL file-formatið skorið í þunn samsíða lög. Lögin eru í XY-planinu og færslan er í Z-átt. Þessi lög eru svo notuð til að búa til hlutinn.

Fljótvirk frumgerðarsmíðatækni (Rapid Prototyping Technologies) Liquid-based fljótvirk frumgerðarsmíða kerfi Öll hrárefni eru úr vökva

1. Steinprentun (Stereolithography) var fyrst í material addition RP tækni. Aðferð við að búa til fastann plasthlut úr myndnæmri vökva fjölliðu (polymer) með því að nota laser ril að gera fjölliðuna að föstu efni (sjá mynd 34.2). Tækið til að búa plasthlutinn til er samsett úr kari fylltu með myndnæmri vökvafjölliðu, palli sem hægt er að láta síga ofan í karið og laser sem gerir efnið að föstu efni á réttum stöðum. Hvert lag er 0.076 mm til 0.5 mm þykkt. Týpísk myndnæm vökvafjölliða (Photopolymers) er acryl [10]. Tíminn sem tekur að klára eitt lag i er gefinn með:

di

i TDv

AT +

⋅=

Ti = tími til að klára lag (s) Ai = flatarmál lags (mm2) V = meðal skönnunarhraði lasers (mm/s) D = þvermál lasers (mm) Td = tími sem tekur að setja upp pallinn fyrir næsta lag (s) Til að sjá hvað það tekur langan tíma að klára allan hlutinn er hægt að summa upp Ti:

∑=

=jn

iic TT

1

Þegar hluturinn er kominn upp úr baðinu er hann 95 % tilbúinn, þá þarf að baka hann í flúrljósofni (fluorescent) til að klára að herða fjölliðuna.

2. Föst grunnherðing (Solid Ground Curing) notar einnig myndnæma vökvafjölliðu en í stað lasers er sett útfjólublátt (ultraviolet) ljós í gegnum grímu, sem er staðsett fyrir ofan lagið, til að herða fjölliðurnar. Herðingin tekur 2-3 sekúndur á lag. Það tekur um 90 sekúndur að klára eitt lag. (1) Gríman er búin til úr glerplötu, (2) þunnu lagi af fljótandi fjölliðum er sett á vinnuplötuna, (3) þá er 2000 w ljósinu beint niður á fjölliðubaðið. Skyggðu svæðin haldast í vökvafasa. (4) Glerplatan er tekin úr og hreinsuð fyrir næsta lag. Allt er hreinsað í kringum föstu fjölliðurnar og (5) allt lausa plássið á vinnuplötunni er fyllt með fljótandi waxi sem heldur fjölliðulaginu á réttum stað þegar það er harðnað. (6) Þegar vaxið hefur harðnað er yfirborðið fræst til að mynda þunnt yfirborð tilbúið fyrir næsta lag. Gott er að nota tvær glerplötur til að flýta fyrir.

36


3. Dropa setmyndunarframleiðsla (Droplet Deposition Manufacturing) bráðnum dropum af efni spreyað með x-y sprey-ara á réttan stað. Síðan er vinnupallurinn látinn síga um þykkt lagsins og næsta lag spreyað á. Efnið er sem sagt prentað á lag fyrir lag. Efni sem notuð eru í þessari aðferð eru t.d. wax, thermoplastog málmar með lágt bráðnunarhitastig eins og tin, zink, blý og ál. Þessi aðferð er t.d. notuð við að búa til rökrásir á prentplötur.

Solid-based fljótvirk frumgerðarsmíða kerfi

1. Hlutur búinn til úr lögum (Laminated-Object Manufacturing) býr til hlut með því að raða saman lögum af efni. Hvert lag er skorið með laser og svo fært niður með vinnupalli og næsta lag er sett ofan á. Efnið getur verið úr næstu hvaða efnisefni sem er t.d. pappír, plast, sellulósa, málm, eða fiberstyrktum efnum. Eftir hvert lag er klárað er hæðin á hlutnum mæld. Þetta er gert til að fá nákvæmnina á hlutinn.

2. Bræðsluhélun? (Fused-Deposition Modeling). Vax eða fjölliða er þrýstimótuð (extruded) að yfirborði sem til er til þess að klára hvert lag. Vinnupalli er stýrt í XY-plani á meðan hvert lag er búið til á meðan hvert lag er gert með færslu Z-áss. Byrjunarefnið er úr föstum glóþræði (filament) með týpískt þvermál 1,25 mm. Það er svo hitað um 0.5°C fyrir ofan bræðslumark sitt áður en því er þrýst út í yfirborðið. Þannig er efnið kaldbrasað (cold welding) í kaldara yfirborðið á ca. 0,1 sek. Hvert lag getur verið 0,05 – 0,75 mm þykkt.

3. Valbundin laser sindrun (Selective Laser Sintering) notar hreyfanlegan laser

til að sindra hita-bræða duft á svæði. Eftir að hvert lag er klárað er nýju lagi af lausu dufti dreift yfir. Duftið er hitað rétt fyrir neðan bræðslumark til að auðvelda fyrir bindingu efnisins í hart efni. Duftið sem ekki verður fyrir lasernum nýtist sem stoð undir hið harnaða efni, svo er því hellt út úr hlutnum þegar hann er tilbúinn. Þykkt hvers lags er 0,075 – 0,50 mm. Efni sem eru notuð eru t.d. polyvínilklóríð, polykarbónat, polyester, polyurethene, ABS, nælon, og steypuvax. Þessi efni eru ódýrari en myndnæmu fjölliðurnar í steinprentuninni (stereolithography). Þau eru einnig ekki eiturefni og geta verið meðhöndluð með afllitlum (25 til 50 W) CO2 laserum. Málm og keramíkefni eru einnig notuð.

4. 3D-prentun (Three-Dimensional Printing) býr til part með því að nota bleksprautuprentara (Ink-Jet printer) til að prenta byndiefni á duft. Ómeðhöndlaða duftið virkar sem stuðningur fyrir bundna duftið og er fjarlægt síðar. Þegar búið er að klára að prenta er hluturinn hita meðhöndlaður til að styrkja hann enn frekar, síðan er lausa duftið losað í burtu. Þykkt á lagi er 0,10 – 0,18 mm. Prenthausinn ferðast á 1,5 m/s hraða. Hvert lag tekur um 2 sekúndur að klárast.

37


Notkun á fljótvirkri frumgerðarsmíði (Applications Issues in Rapid Prototyping) Hönnun: Hönnuðir fá tækifæri til að staðfesta hönnun þeirra með því að fá alvöru hlut í hendurnar út frá CAD teikningu á litlum tíma. Þægilegt til að kynna vöruna. Með notkun á RP er hægt að fá hlut tilbúinn á skömmum tíma. Auðveldara er að sjá út galla. Greining og skipulagning: RP gerir það kleyft að hægt er að gera prófanir á hlut sem ekki væri hægt í tölvutæku formi: T.d. er hægt að sjá út fallegra útlit á hlut, greina straumflæði í gegnum ákveðna parta, vindprófa, straumlínulaga og spennugreina hlutinn. Vandræði við fljótvirka frumgerðarsmíði: Nákvæmni hluts, takmarkað efnisval, vélræn frammistaða hlutar. Stærðfræðileg vandræði geta átt sér stað í nálgun á yfirborði hlutar og mismunar á tölvuteiknuðu lögunum og raunverulegu lögunum. Yfirborð á hlut getur verið með stigatröppu áferð á halla þar sem á að vera samfellt yfirborð. Efni getur dregist saman eftir að hluturinn hefur verið kláraður, það má leysa með því að stækka CAD módelið. Ekki er um mikið val á efni til fljótvirkrar frumgerðarmíði sem getur takmarkað vélræna framistöðu í prófunum á hlut.

Kafli 35 – Vinnsla á innbyggðum rásum (Processing of integrated circuits)

ÞESSI KAFLI ER EKKI TIL PRÓFS Innbyggð rás (IC) er samansafn rafhluta svo sem transistora, díóða og viðnáma sem hafa hafa verið búin til og tengd saman á litla flögu úr hálfleiðara, sjá litmynd 2, bls. 30. Sílikon (Si) er lang algengasta hálfleiðaraefnið notað í framleiðslu á IC flögum vegna góðra eiginleika og lágs kostnaðar. Einnig er notað germanium (Ge) og galium arsenide (GaAs). Innbyggðum rásum er skipt niður í tvo flokka, analog og digital.

Flaga (chip líka kölluð die) – er 0.5 mm þykk og 5-25mm á kant. Hver rafhlutur á yfirborði flögunnar samanstendur af mismunandi lögum og svæðum með mismunandi rafeiginleikum til að ná fram þeim eiginleikum sem óskað er. Til að hægt sé að tengja flöguna við utanaðkomandi rafrásir og verja hana fyrir skemmdum, er sett yfir hana plast og hún tengd við tengiramma(sjá mynd 35.2, bls 789) Hrein herbergi: Vegna þess hve smáar innbyggðu rásirnar eru og hve mikla nákvæni þarf við gerð þeirra geta smáar agnir s.s. ryk, bakteríur og tóbaksreykur úr loftinu haft mikil áhrif á eiginleika rásarinnar.

38


35.2 –Framleiðsluferlið, 35.3 Steinprentun (Silicon processing, Lithography)

Sílikonferli: Framleiðslan byrjar með framleiðslu EGS-sílikons(Electronic grade silicon) (sjá kafla 7.5.2) sem er svo hreint sílikon að óhreinindin eru mæld í ppb(parts per billion). Til að ná þessum hreinleika er hægt að nota Siemens ferlið, þar sem Si er fellt út á þunna sílikon stöng, en það er frekar dýrt, tekur mikla raforku. Kornastækkun: Búin er til stór kristall úr sílikonbráð u.þ.b. 1-3 m á lengd og með þvermál allt að 300 mm. Czochralski ferlið sem notað er við kornastækkun á Si fer þannig fram að einkristalsmálmstöng, kölluð drumbur(e. boule) er dregin lóðrétt upp úr polli af bráðnu sílikoni (sjá mynd 35.5 bls 793). Næst er dumburinn slípaður níður í sívaling sem er svo sneiddur niður í 0.5mm sneiðar. Að lokum eru sneiðarnar slípaðar og pússaðar til þess að undirbúa þær fyrir steinprentuninar sem á eftir kemur. IC framleiðsla: Eftir yfirborðsmeðhöndlun og hreinsun eru sneiðarnar settar í röð ferla, sem bæta við, breyta eða fjarlægja þunn lög á ákveðnum svæðum til að forma rafhlutina. Steinprentun(e. lithography) er notuð til að skilgreina svæðin sem vinna á í sneiðinni, “photoresit” sem er lífræn fjölliða er komið fyrir á sneiðinni og síðan er henni snúið til að fá jafna þykkt á húðuninni. Síðan sneiðin léttbökuð við um 90°C til þess að herða photoresist-filmuna. Formgrímu er komið fyrir og útfjólublátt ljós látið skína á og það annað hvort mýkir eða herðir photoresist-húðina. Síðan þegar framköllunarvökva er spreyjað á leysir hann upp mýkri hluta photorestist-húðarinnar. Hluturinn er svo Harðbakaður til að láta herða húðina meira til þess að hún þoli ætinguna sem er gerð næst til að fjarlægja hluta yfirborðsins. Að lokum er filman fjarlægð. Mynd 35.11 skýrir þetta ferli ágætlega.

35.4 Lagskiptingaferli notuð í IC ferli: (Layer processes used in IC fabrication)

Hitaoxun(Thermal oxidation): er notuð til að búa til lag af sílíkondíoxíð á sílikonið því hægt er að nota sílíkondíoxíð til að einangra einstaka parta rásarinnar frá hinum. Efnagufuútfelling(Chemical vapor deposition): Fjölhæft ferli sem hægt er að nota til að ná fram ýmsum lögum. Dreifing og jónainnsetning(Diffusion and ion unplantation): notuð til að breyta efnaeiginleikum einstakra laga eða hluta. Málmun(Metaliztion): Notuð til að setja málmlög í hlutin til að ná fram rafleiðni milli ákveðina svæða. Æting(Etching): Notuð til að fjarlægja hluta af viðbættum lögum til að ná fram smáatriðunum í smíðinni. Má nefna blauta efnaætingu og þurra rafgasætingu.

35.6 IC pökkun: (IC packaging)

Þar sem sneiðin er prófuð og skorin niður í flögur, og flögurnar steyptar í “plasthús”. Fjöldi I/O tengla: Rent´s regla segir að þ.s nio er fjöldi I/O tengla, nc er fjöldi rása, venjuleg sami og fjöldi rökhliða, og C og m eru fastar oftast 4,5 og 0,5.

mcio Cnn =

Umbúðaefni: Keramikefni t.d. Al2O3 eða plastefni t.d epoxy , polymider.

39


Kafli 36 – Samsetning og pökkun rafeindatækni (Electronics assembly and packaging) ÞESSI KAFLI ER EKKI TIL PRÓFS

36.1 – Pökkun rafeindatækni

(Electronics packaging) Vel hannaður rafeindapakki þjónar eftirfarandi atriðum:

• Afldreyfing og innri tengsl merkja (power distribution and signal interconnection)

• Stuðningur við uppbyggingu (structural support) • Verndun á rásinni fyrir hnaski og efnahættu í umhverfinu (circuit

protection from physical and chemical hazards in the envirionment) • Dreyfing af varma sem kemur frá rásinni (Dissipation of heat generated by

the circuits) • Minnsta seinkun á merkjasendingum innan kerfisins (Minimum delay in

signal transmission within the system)

Stigskipt pökkun (packaging hierachy) – Rafeindapakkanum er skipt niður í pökkunarstig (sjá mynd 36.1). Tafla 36.1 sýnir hvað tilheyrir hverju stigi. Núllta stig (zero level) – er lægsta stigið þar sem átt er við innri tengingar hálfleiðara flögnnar. Stig 1 (first level of packaging) – Flögunni er pakkað í plast eða keramik umbúðir og tengt við pakkatengin Stig 2 (second level of packaging) – Pökkuðum flögum og öðrum íhlutum eru festir við prentplötu (printed circuit board, PCB) með annarri af tveimur aðferðum:

• pin-in-hole (PHI) • surface-mount technology (SMT) -Yfirborðsfesting Oft eru báðar aðferðir notaðar á sömu prentplötuna.

Stig 3 (third level of packaging) – Prentplatan er tengd í grind eða aðra burðargrind (framework). Stig 4 (fourth level of packaging) – Tengja plötur innan burðargrindar saman.

36.2 - Prentplötur

(Printed circuit boards)

Prentplata samanstendur af mörgum þunnum lögum af einangrandi efni með þunnum koparlínum á báðum yfirborðunum sem tengja íhlutina sem festir eru á borðið. PCB eru svo mikilvægar og mikið notaðar vegna:

• Þær gefa hentuga uppsetningu á íhlutunum • Borð sem er með rétt tengdum (routed) innri tengingum er hægt að

fjöldaframleiða án óstöðuleikans sem fylgir þegar manshöndin kemur við sögu. (Hand wiring)

• Allar lóðaðar (soldering) tengingar milli íhluta og PCB er hægt að framkvæma með vélrænni aðgerð í einu stigi.

• Samsettur PCB gefur áræðinlega frammistöðu. • Í flóknum rafrænum kerfum er hægt að fjarlægja samsettan PCB frá kerfinu

fyrir þjónustu og viðgerðir.

40


36.2.1 – Uppbygging, Tegund og efni fyrir PCB (Structures, types and materials for PCBs

Prentplata (printed circuit board PCB eða prindted wiring board PWB) er flatur panill úr einangruðu efni sem er hannað til að gefa innri rafræna tengingu milli íhluta sem eru festir við hana. Rásir (tracks) - Brautirnar sem leiða og eru úr kopar. Lönd (lands) - Önnur koparsvæði sem eru líka tiltæk á yfirborði plötunnar til að festa íhluti sem eru tengjast með rafleiðni (electrically connecting components) Einangrandi efni í PCB eru oftast samsett úr fjölliðum (polymer) styrkt með gler efni eða pappír. Helstu fjölliður eru epoxy, phenolic og polymide. Algengasta þykkt undirlaga eru 0.8 – 3.2 mm og þykkt koparþynnu er ca 0.04 mm. Efnin sem PCB er búið til úr verða að vera einangrandi, sterk, hörð, hafa viðnám gegn brenglun, formstöðuleika, varmaþolin, og eldþolin (flame retardent). Þrjár gerðir prentplata (mynd 36.3)

• Single sided board – Koparlagið er bara á annarri hlið einangraða undirlagsins • Double sided board - Koparlagið er á báðum hliðum undirlagsins. • Multilayer board – Samanstendur af víxllögum af leiðandi og einangrandi efni

36.2.2 Framleiðsla á upphafsplötum

(Production of the starting boards) Single og double sided plötur er hægt að kaupa frá byrgjum sem sérhæfa sig í að fjöldaframleiða þær í standard stærðum. Plöturnar eru þá meðhöndlaðar á venjulegan hátt af rafrása framleiðanda til að búa til sérhæft rafrása munstur og pötustærð. Multylayer pötur eru búnar til úr single og double sided plötum. Þær eru dýrari en þær eru notaðar því þær gefa betri frammistöðu í stærri kerfum. Koparlagið er sett á plöturnar með samfelldri rafmyndunar ferli (electroforming process, section 29.1.2) Upphafsborðið er gert úr mörgum lögum af glertrefjum sem haf verið gegndreypt í epoxy. Þeim er þrýst saman og fjöldi laga ræður þykkt plötunnar.

36.2.3 Feli notuð í PCB framleiðslu (Processes used in PCB fabrication)

Ferlin eru nefnd í þeirri röð sem þeim er beitt. Undirbúningur plötu (Board Preparation) – samanstendur af klippun, holugerð og öðrum mótunaraðgerðum. Holurnar eru kallaðar verkfæra holur (tooling holes) og eru notaðar til að staðsetja plötuna fyrir seinni ferli. Holustærð eru ca 3.2 mm stærri en rásarholurnar sem eru boraðar seinna. Platan er yfirleitt merkt í þessum undirbúningsfasa. Að lokum er hreinsunarferli sem er mikilvægt því smáar agnir af óhreinindum geta valdið galla í rásarmunstrinu og yfirborðslög af fitu geta hindrað önnur efnaferli. Borun holu (hole drilling) – Auk verkfæra-hola þarf hagnýtar rafrásar holur

• Innsetningarholur (innsetion holes) – fyrir innsetningu íhluta • Brautarholur (via holur) – sem eru kopar-húðaðar og notaðar sem leiðandi

brautir frá annarri hlið plötunnar til hinnar. • Holur til að fest ákveðna íhluti svelgs (sink) og tengils (connector) við plötuna. Þessar holur er annað hvort boraðar erða gataðar/stimplaðar og verkfæraholurnar notaðar fyrir staðsetningu. Hreinni holur fást með borun en hraðari

41


framleiðsluhraði næst með götun. Gæðakröfur virðast ráða valinu og flestar holur eru boraðar. Skurðarhraði (cutting speed) þarf að vera þannig að besta nýtni fæst. Fyrir borun er skurðarharðinn mældur við þvermáið. Fyrir mjög litla holustærðir er hraðinn allt að 100,000 snún./mín.

Rafrásar munstur og æting (circuit pattern imaging and etching) – Það eru tvær aðferðir til að flytja rafrásar-munstur á coparyfirborð plötunnar

• Screen printing – Stensill (stencil screen) sem hefur munstur rafrásarinnar er settur á plötuna og vökva þrýst í gegnum hlífðarnetið (screen mesh). Þetta er einföld og ódýr leið en yfirleitt bara hægt að nota þar sem brautarvíddin er meira en 0.25 mm.

• Photolithography – Létt viðkvæmt viðnámsefni (annað hvort vökvi eða þurr filma) er lýst í gegnum grímu til að flytja rafrásarmunstrið.

Eftir viðnámsmeðferð eru sum svæði af kopar-yfirborðinu áfram þakin af viðnámsefni en önnur eru óvernduð. Þöktu svæðin eru rafrásar brautir og lönd en óþökktu svæðin eru opnu svæðin á milli. Æting (etching) – fjarlægir koparhúð á óvernduðu svæðunum frá plötuyfirborðinu. Æting er skrefið sem breytir föstu koparfilmunni í innri tengingar fyrir rafrásina. Æting er gerð í æti-klefa þar sem ætandi efninu er spreyjað á yfirborð plötunnar. Húðun (Plating) – þarf á holu yfirborðið til að útvega leðandi brautir frá eini hlið í hina í double –sided plötum, eða milli laga í multilayer plötum. Tvær gerðir af húðunarferlum eru notaðar í PCB framleiðslu: Rafhúðun electroplating (section 29.1.1) og Raflaus húðun electroless plating (section 29.1.3). Rafhúðun hefur hærri brottfluttningshraða (deposition rate) en í raflaus húðun og yfirborðið þarf að vera málmur (leiðandi). Raflaus húðun er hægari en þarfnast ekki leiðandi yfirborðs.

36.2.4 PCB Framleiðslu-röð PCB Fabrication sequence

Rafrásun (Circuitization) – Röðin þar sem kopar-húðaðri plötu úr styrktri fjölliðu (polymer) er breytt í prenplötu. Þrjár aðferðir af rafrásun er hægt að nota til að ákveða hvaða svæði á að húða með kopar

• Subtractive method (frádráttar-aðferðin) – opnir hlutar af koparhúðinni á upphafsplötunni eru ættir í burtu af yfirborðinu þannig að rásir og lönd æskilegu rásarinnar verða eftir. Kopar er fjarlægður af yfirborðinu. (Mynd 36.5)

• Additive method (viðbótar aðferðin) – byrjar með plötu yfirboð sem er ekki koparhúðað. Óhúðaða yfirborðið er meðhöndlað með efni sem er kallað smjörhúð (buttercoat) sem virkar sem efnahvati fyrir raflausa húðun. (Mynd 36.6)

• Semiadditive method (Hálfviðbótar aðferðin) – er samblanda af viðbótar og frádráttar aðferðunum. Upphafs-borðið hefur mjög þunna kopar filmu á yfirborðinu 5 µm eða minna. (Mynd 36.7)

Ferli fyirr mismunandi plötutegundir Single-sided plata byrjar framleiðsluna sem flöt þynna af einangrandi efni og önnur hliðin er koparhúðuð. Frádráttar aðferðin er notuð til að skilgreina rafrásarmunstrið í koparhúðinni. Venjuleg röð ferlisins er:

• Platan er skorin í rétta stærð, verkfæra holur eru boraðar og platan er hreinsuð.

42


• Ljósmótstaða (Photoresist) er sett á koparhúðað yfirborðið. • Yfirborðið er sett undir útfjólublátt ljós í gegnum rafrásar-grímu • Viðnámsefnið er þróað, opin svæði milli rása og landa koma í ljós á koparnum • Opnu svæðin eru ætt, þannig að eftir verða rásir og lönd á plötunni • Leifar af viðnámsefni eru fjarlægð • Leiðandi holur (lead holes) eru boraðar og afrúnaðar (deburred)

Douple-sided palta inniheldur flóknari ferlaröð því þar eru rafrásir á báðum hliðum. Byrjað er með plötu sem er koparhúðuð á báðum hliðum. Venjuleg röð ferlisins er:

• Platan er skorin í rétta stærð, verkfæra holur eru boraðar og platan er hreinsuð. • Brautarholur og innsetningar holur eru boraðar • Holurnar eru húðaðar með raflaus húðun og svo rafhúðun. • Viðnámsefni er sett á yfirborð beggja hliða sem á ekki að kopahúða. • Lag af tini er rafhúðað á svæðin sem þekur koparsvæði þannig að í ætandi

skrefum sem á eftir koma verða til brautir, lönd og holur gegnum plötuna. • Viðnámsefnið er fjarlægt til að afhjúpa svæði sem hafa ekki verið tinhúðuð • Afhjúpuð kopasvæði sem eru ekki í rafrásinni eru ætt.

Multilayer board er flóknasta platan. Uppbygingin sést á mynd 36.8. Framleiðsluskrefin fyrir hvert lag er í unnin eins og fyrir single eða double plötur. Það sem gerir multilayer plötu framleiðsluna flóknari er það að öll lögin sem eru hver með sína eigin rafrásarhönnun verða fyrst að meðhöndlast áður en hægt er að setja þau sama til að búa til eina heila plötu. Að lokum er platan sett í sína eigin ferlaröð.

• Framleiðsla einstakra laga • Sameining laga • Ferli fyrir multylayer plötuna

Multylayer plata samanstendur af logic layers framleidd úr double-sided plötum sem bera rafeinda merki milli íhluta á borðinu voltage layers framleidd úr single-sided plötum sem eru notuð til að dreyfa afli. Prófun og lokaaðgerðir Eftir að rafrásin hefur verið búin til á plötuyfirborðið verður að skoða og prófa hana til að tryggja að hún starfi samkvæmt hönnun og inniheldi enga galla. Tvær aðgerðir eru algengar

• Sjónræn skoðun (Visual inspection) - platan er skoðuð sjónrænt til að finna opnar rásir, villur í staðsetningu boraðra hola og aðra galla. Sjónræn skoðun er ekki bara gerð í lok framleiðslunnar heldur einning á mismunandi krítískum stigum á meðan framleiðslunni stendur. Skoðunin er gerð með mannsauganu eða vélarsjón

• Samfelldnis skoðun (Continuty testing) – samanstendur af nokkrum skoðunum sem eru gerðar samtímis þar sem skoðaðar eru rásir og landssvæði á yfirborði pötunar.

Aðarar lokaaðgerðir

• Þunn lóðuð lög á rásir og land svæði verndar kopar frá oxun og mengun. • Húðun af lóðunarviðnámi (solder resist) er sett á öll yfirborðssvæði plötunnar

nema löndin, en þau er því næst lóðuð í samsetningu. Lóðunarviðnámshúðin er

43


efnafræðilega samansett til að veita viðnám gegn viðloðun af lóðuninni. Lóðunin viðloðir aðeins við landsvæði. Lóðunarviðnámið er yfirleitt sett á með screen printing

• Auðkenni (Identification legend) eru prentuð á yfirborðið (screen printing). Þessi auðkenni gefa til kynna hvar mismunandi íhluti á að staðsetja á plötunni í loka samsetningunni

36.3 - Samsetning prentplatna (printed circuit board assembly)

Á hverja plötu þarf oft að koma fyrir mörgum íhlutum og eru þeir festir með pinnum. Hægt er festa íhlutina með sjálfvirkum eða handvirkum ísetningum: Ferlið fyrir samsetningu á PCB með pinnum er skipt í eftirfarandi stig: 1. ísetning íhluta (component insertion) 2. lóðun (soldering) 3. hreinsun (cleaning) 4. prófun (testing) 5. endurvinna (rework)

36.3.1 - Ísetning íhluta: (Components Insertion)

Sjálfvirk ísetning: Vélarnar eru annað hvort sjálfvirkar eða hálfsjálfvirkar. Sjálfvirku vélarnar eru hraðari og aðeins þarf manneskju í að hlaða íhlutunum í vélina og leysa stíflur. Mötun í vélina skiptist í:

• undirbúa pinnana (performing the leads) • setja pinnana í holur á plötunni (insertion of leads into the board holes) • hreinsa pinnana á hinni hlið plötunnar (cropping and clinching the leads on the

other side og the board) Ísetningu íhluta er skipt í þrjá grunnflokka: 1. axial lead (sjá mynd 36.9) 2. radial lead (sjá mynd 36.9) 3. dual-in-line package (sjá kafla 35.6.1) Handvirk og róbótísk ísetning: Handvirk ísetning er notuð þegar íhlutirnir hafa ekki staðlaða lögun og passa þar af leiðandi ekki í staðlaðar vélar. Þessi aðferð er aðeins notuð í um 5-10% tilvika og er hún mjög dýr vegna þess að framleiðsluhraðinn er mun minni. Notkun á róbótum minnka líkur á mannlegum mistökum. Kostirnir við róbóta eru:

• hægt er að forrita þá til að framkvæma erfið verk • þeir geta notað mismunandi arma til að handleika mismunandi formaða íhluti

44


36.3.2 - Lóðun (Soldering)

Handvirk lóðun: Notaður er lóðbolti til að búa til tengingar fyrir rásir. Þessi aðferð er mjög hæg þar sem aðeins er hægt að lóða ein samskeyti í einu. Oftast aðeins notað í smáar framleiðslur og í endurvinnslu. Kostirnir við þessa aðferð eru:

• hiti er staðbundinn og hægt er að beina honum á smá vinnslusvæði • búnaður er ódýr í samanburði við bylgjulóðun • orkunotkun er minni en við bylgjulóðun

Bylgjulóðun: Vélartækni þar sem platan með íhlutunum á er færð með færibandi (conveyor) yfir bylgju af bráðinni lóð. Staða færibandsins er þannig að aðeins undirhlið plötunnar, með pinna íhlutina standandi upp úr, er í snertingu við lóðina. Kosturinn við þetta er að öll samskeytin eru lóðuð í einni ferð í gegnum ferlið.

36.3.3 - Hreinsun, prófun og endurvinna (Cleaning, Testing and Rework)

Hreinsun: efni eins og olía, fita, salt og skítur eru hreinsuð af yfirborðinu til að koma í veg fyrir að gæði plötunnar minnki og að rafleiðni hennar minnki. Oft þarf að nota fleiri en eina hreinsunaraðferð. Prófun: Notuð er sjónræn skoðun til að leita skemmdum, vöntunum eða skemmdum á íhlutum, lóðunarskemmdum og svipuðum hlutum er minnka gæði og hægt er að sjá með beru auga. Verið er að fullkomna vélrænar skoðanir á sömu hlutum fyrir margar ísetningar. Gera verðu próf á samsetningunni til að vita hvort hún virkar rétt. Hönnun plötunnar þarf að taka tillit til þessara prófanna. Endurvinna: þegar skoðun og prófun á hlutnum sýnir að einn eða fleiri íhlutir virka ekki sem skildi, eða að tiltekin samskeyti virki ekki, er hluturinn endurunnin.

36.4 – Yfirborðsfestingartækni (Surface mount technolagy)

SMT notar samsetningaraðferð þar sem pinnar íhlutanna eru lóðaðir fastir í lönd á yfirborðinu en ekki í holur í plötunni. Þetta hefur ákveðna kosti fram yfir það að nota holurnar:

• hægt er að búa til smærri íhluti með pinnana nær hvorum öðrum • hægt er að auka pökkunarþéttleika • hægt er að festa íhluti á báðar hliðar plötunnar • hægt er að nota smærri PCB fyrir sömu rafeindakerfi • ekki þarf að bora holurnar við framleiðslu á plötunni, þó enn þurfi að haf holur

sem tengja lög saman. • hægt er að minnka óæskileg rafmagnsáhrif, t.d óekta rýmd og span.

Þrátt fyrir kostina er rafiðnaðurinn ekki búinn að taka upp SMT að fullu. Ástæður þess eru:

45


• erfiðara er að framkvæma þetta fyrir menn • SMT íhlutir eru oftast dýrari • skoðun, prófun og endurvinnsla eru oft erfiðari í SMT vegna þess að allt er

smærra. • sumir íhlutir eru ekki til fyrir SMT

36.4.1 - Límkennd tengi og bylgjulóðun

(Adhesive Bonding and Wave Soldering)

Margar tegundir af límkenndu efni eru notaðar til að líma íhlutina á yfirborð plötunnar (ferlinu er lýst á mynd 36.11 í bók). Algengast er þó epoxíð og acryliíð. Límið er borið á með einni af eftirfarandi aðferðum: 1. Bursta fljótandi lím á í gegn um form (screen stencil) 2. Nota sjálfvirka dreifingarvél með forritanlegu x-y staðsetningarkerfi 3. Nota pinna-flutnings aðferð, þar sem pinnum er dýft í límið og þeir síðan látnir

snerta yfirborðið þar sem lím á að vera. Eftir að límið er komið á er íhlutunum raðað á borðið með tölvustýrðum sjálfvirkum vélum. Hér er notað orðið ásetningarvélar en ekki ísetningarvélar eins og í PIH-tækninni. Eftir að límið er borið á er það látið þorna með hita, útfjólubláu ljósi eða blöndu af útfjólublárri og innrauðri geislun. Þegar íhlutirnir eru búnir að tengjast yfirborði PCB-plötunnar með SMT er platan sett í gegnum bylgjulóðun. Í þessu tilfelli fara þó íhlutirnir sjálfir í gegnum bráðnuðu lóðina. Stundum verða tæknilegir örðuleikar við SMT bylgjulóðun, t.d íhlutir losna frá plötunni eða færast til á henni, eða að stærri íhlutir skyggi á smærri íhluti sem lóðast þá ekki fastir.

36.4.2 - Lóðdeig og endurflæðis lóðun (Solder Paste and Reflow Soldering)

Í þessari aðferð, sem er algeng í iðnaði, er lóðdeig notað til að festa íhluti á yfirborð plötunnar. (Ferlinu er lýst á mynd 36.12 í bók) Lóðdeig gegnir þremur hlutverkum:

• það er lóðin - vanalega 80-90 % af heildar deiginu • það er flæðið (fluxið) • það er límið sem festir íhlutina á borðið

Eftir festingu með lóðdeigi eru íhlutir settir á plötuna með ásetningarvélum (eins og í

límtengja samsetningu). Hluturinn er bakaður við lágt hitastig til að þurrka flux binder,

það kemur í veg fyrir að gas leki út við lóðun. Að lokum hitar endurflæðis-lóðunin

lóðdeigið nóg til að lóðagnirnar bráðni og myndi hágæða vélræn og rafræn (mechanical

and electrical) samskeyti milli pinna íhlutanna og rásarlandanna á plötunni.

Oft er bæði notað SMT og PIH á sömu plötuna

46


Eftir að íhlutirnir hafa verið festir á plötuna þarf að hreinsa samsetninginn, skoða hann, prófa rástina og endurvinna hann ef þarf.

36.5 - Raftengingartækni (Electrical Connector Technology)

Afköst rafeindakerfa fara eftir áreiðanleika allra tengjanna milli hluta kerfisins. Það eru tvær grunnaðferðir notaðar til að búa til rafeindatengingar:

• lóðun • þrýstingstengi

Í þrýstitengjum er vélrænn (mechanical) kraftur notaður til að skapa rafeindatengi milli íhluta. Þetta er oft kallað lóðlaus tengi og er hægt að skipta þeim í tvær gerðir, varanleg og aðskiljanleg.

36.5.1 - Varanleg tengi (Permanent Connections)

Í varanlegum tengjum eru tvö málmyfirborð sett saman með háþrýstingi, og breytast annar eða báðir hlutirnir vélrænnt (mechanically) við samsetninguna. Meðal varanlegra tengja er crimping, press-fit tækni og skipting á einangrun. Crimping of Connector Terminals: Þessi aðferð er notuð til að setja saman vír í rafstöðvar. Til eru margar tegundir og

stærðir af stöðvum og má sjá nokkrar þeirra á mynd 36.15. Þær eru allar tengdar í þéttivír

og er crimping sú aðferð sem notuð er til þess. Crimping felur í sér vélræna

formbreytingu á terminal barrel til að mynda varanleg tengi við beran enda vírsins sem er

settur inn í það. Crimping aðgerðin kreistir og lokar hlaupinu í kring um beran vírinn.

Crimping er framkvæmt með handverkfærum eða með crimping vélum Crimped

samskeyti hafa lítið rafmagns-viðnám og mikinn mechanical styrk.

Þrýstimótunartækni (Press Fit Technology): Þrýstimótunartækni er mikið notuð í rafeindaiðnaðinum til að setja saman stöðvarpinna í málmhúðaðar holur í stórum PCB-um. Það eru tveir flokkar af stöðvarpinnum (sjá mynd 36.16):

• gegnheilir • eftirlátir (compliant)

Gegnheilu pinnarnir hafa ferhyrningslaga þverskurðarflatarmál og eru hannaðir þannig að hornin þrýsta á og skera jafnvel í málminn í málmhúðuðu holunni, til að mynda góða raftengingu. Eftirlátu pinnarnir eru hannaðir sem spring-loaded búnaður sem lagar sig að útlínum holunnar en þrýstir á veggi hennar til að mynda raftengi. Tilfærsla á einangrun (Insulation Displacement): Aðferð til að búa til varanlega raftengingu þar sem hvass, fleinlaga snertill gerir gat á einangrunina og þrýstist upp að vírþétti til að mynda raftengi. Sjá má aðferðin á mynd

47


36.17. Aðferðin er oft notuð til að búa samtímis til tengi milli margra tengiliða og flats kapals. Flati kapallinn, sem kallaður er borðakapall(ribbon cable), er samsettur úr mörgum samsíða vírum sem haldið er í föstum stöðum með einangruninni sem umlykur þá. Til að búa til samsetning er kapallin settur í hreiður (nest) og pressa er notuð til að keyra tengiliðina í gegn um einangrunina og upp að málmvírunum.

36.5.2 - Aðskiljanleg tengi (Separable Connectors)

Aðskiljanleg tengi eru hönnuð til að hægt sé að taka í sundur samsetninga og setja þá

saman aftur. Þegar þau eru tengd verða þau að útvega málm-í-málm snertingu milli

mótstandandi íhluta með mikinn áreiðanleika og lágt rafviðnám.

Aðskiljanleg tengi eru kölluð tenglar (connectors) og eru þeir til í mörgum útgáfum til að þjóna mismunandi tilgangi. Til að velja á milli þeirra er skoðað:

• aflstig (power level) • kostnaður • fjöldi þétta (conductors) • hvernig tæki og rásir á að tengja • takmarkanir vegna rýmis • hversu auðvelt er að tengja við pinnana • hversu auðvelt er að tengja við mótstandandi stöðvar eða tengi • tíðni tenginga og aftenginga

Kapaltenglar (Cable Connectors): Kapaltenglar er búnaður sem er varanlega tengdur við kapal og er hannaðir til að vera tengdur í og aftengdur við mótstandandi búnað, t.d aflsnúrutengill sem tengist í veggtengi. Sjá mynd 36.18 Stöðvarblokkir (Terminal Blocks): Stöðvarblokkir eru samsettar úr röðum af jafndreifðum móttökurum milli einstakra stöðva af vírum. Vírastöðvarnar eru oft festar á blokkirnar með skrúfum eða öðrum festingum til að hægt sé að losa þær aftur. Sjá mynd 36.19. Hólkar (Sockets): Hólkur er raftengi sem sett er á PCB, þar sem rafrásarpakkar (integrated circuits package) og aðrir íhlutir geta verið tengdir við. Hólkar eru varanlega festir við PCB með því að líða og/eða þrýstimóta, en þeir skapa aðskiljanleg tengi fyrir íhlutina, sem þar með er hægt að bæta við, taka af eða skipta um í PCB-samsetningunni. Því eru hólkar valkostur á móti lóðun fyrir rafeindapakkningu. Tenglar með lágan eða engan innsetningarkraft: (Connectors with low and zero insertion froce) Innsetningar- og úttektarkraftar geta verið vandamál þegar notuð eru pinnatengi og PCB hólkar. Þessir kraftar stækka í hlutfalli við fjölda pinna. Skaði getur hugsanlega orðið þegar íhlutur með mörg tengi er settur saman. Þetta vandamál hefur ýtt undir þróun á tenglum með lágan eða engan innsetningarkraft.

48


Kafli 37 – Örsmæðarframleiðslu tækni! Microfabrication technologies

Stór partur af hönnun og framleiðslu viðkemur hönnun vöru eða íhluta sem eru mjög litlir (mældir í 10-3mm). Nokkur nöfn eru til um þessa tegund framleiðslu, Microelectromechanical systems (MEMS) leggur áherslu á kerfi sem hafa bæði raftækni og vélræna hluti. Orðið micromachines er stundum notað yfir þessi kerfi. Microsystem technology ( MST) er almennara hugtak sem vísar bæði til vörunnar og framleiðslutækninnar. Skylt hugtak er nanotechnology sem vísar til enn smærri tækja (mæld í 10–9 m). Sjá mynd 37.1.

37.1- örsmæðar vörur Microsystem products

Hönnun vöru sem eru litlar og eru samsettar úr litlum íhlutum þýðir minni efnisnotkun, minni orkunotkun, meiri virkni á stærðareiningu og aðgengi að stöðum sem stærri vörur komast ekki að. Í flestum tilfellum ætti minni vara að þýða minni kostnaður af því minna efni er notað, hinsvegar er kostnaður vöru samtvinnaður kostnaði við rannsóknir, þróun og framleiðslu og hvernig þessir kostnaðarliðir dreifast yfir heildarsölu vörunnar. Enn er ekki fullkannað hversu mikill sparnaður verður við lower-priced products en við munum skoða nokkur dæmi sem hafa verið skoðuð vel. 37.1.1 Tegundir af örsmæðar tækjum ( types of microsystem devices) Örsmæðar vörur eru flokkaðar eftir hvernig tæki er um að ræða( t.d. skynjari, actuator) eða eftir notkunarsviði. Fyrri flokkin er hægt að skilgreina svona:

• Microsensors – Skynjari er tæki sem mælir hluti á við hita og þrýsting. Hann inniheldur búnað sem breytir orku úr einu formi í annað plús ytra byrðið (physical packaging) ásamt tengjum. Flestir smáskynjarar eru framleiddir á sílíkon undirlagi og notast er við sömu framleiðslutækni og fyrir rafrás( kafli 35). Örsmáir skynjarar hafa verið þróaðir til að mæla kraft, þrýsting, stöðu, hraða, hröðun, hita, flæði og fjöldann af ljósfræði-, efnafræði, umhverfisfræði- og líffræðilegum breytum. Hugtakið hybrid microsensor er oft notað þegar orkubreytirinn er ásamt raftæknilegum hlutum í sama tækinu. Fig. 37.2 sýnir hröðunarmælir.

• Microactuators- eins og skynjari breytir acutatorinn einni orkubreytu yfir í aðra, nema það að seinni breytan inniheldur einhverskonar vélrænar hreyfingar. Actuator veldur breytingu á stöðu (position) eða beitingu krafts. Dæmi um microactuatoreru ventlar, straumrofar, dælur, og rotational og línulegir mótorar.

• Microsructures and microcomponers- Þessi orð eru notuð yfir örsmæðar parta sem eru hvorki skynjarar né actuatorar. Dæmi eru hlutir sem innihalda örsmáar linsur, spegla, stúta(nozzles), og bita (beam). Þessir hlutir veða að vera samsettir öðrum til að virka.

• Microsystems and micro-instruments – Þessi orð eru yfir kerfi eða hluti sem innihalda nokkur af áður nefndum pörtum sameinuðum við viðeigandi elótrónískan pakka. Þau eiga það til að vera mjög sérhæfð, t.d. míkrólaserar, ljós-efna greinir, og míkrólitrófssjá.

49


37.1.2 Notkun í iðnaði (Industrial applications) Fyrrnefnd tæki og kerfi eru notuð á margs konar sviðum. Mörg vandamál er best hægt að leysa með notkun smárra tækja. Hér eru nokkur dæmi:

Bleksprautuprentari (Ink-jet printing heads)- er í dag eitt stærsta notkunarsvið MST, af því að týpískur bleksprautuprentari notar nokkur blekhylki á ári. (sjá fig 37.3). Röð af viðnáms-hiturum eru staðsett fyrir ofan röð af götum (nozzles). Blek flæðir á milli. Hvert viðnám er hægt að kveikja á einu og sér með búnaði á míkrósekúndu. Þegar kveikt er á honum sýður blekið beint fyrir neðan hann strax og flæðir gegnum gatið og lendir á pappírnum þar sem það þornar samstundis og myndar punkt( sem er þá partur af staf eða mynd..). Nútíma bleksprautuprentari prentar í gæðum með 1200 ptk/inch sem þýðir að bilið milli gatanna(nozzle) er einungis 21μm.

Thin film magnetic heads)-

Geisladiskar (compact discs (CDs)) – mikilvæg verslunarvara í dag, geymsluminni fyrir hljóð, mynd og tölvubúnað. Geisladiskar eru fjöldaframleiddir með plast-molding(kafli 13) of polycarbonate ( kafli 8.2). Mótin fyrir framleiðsluna eru framleidd með microsystem tækni. ....

Vélknúin faratæki (Automotive) – örsmæðar-skynjarar og önnur örsmæðar-tæki eru mikið notuð í faratækjum nútímans. Notkun þessara tækja er í samræmi við aukna notkun á raftækjum í farartækjum, t.d. rafræn vélar stjórnun, cruise control, abs-bremsur(anti-lock braking systems), loftpúðar, fjórhjóladrif, stjórnborðið, fjarstýrð læsing, miðstöðin og útvarp. Þessi stjórn- og öryggistæki þarfnast skynjara og actuatora og aukin tala af þeim eru örsmá. Það eru c.a. 20 til 100 skynjarar í nútímabílnum, árið 1970 voru engir. Sjá lista í töflu 37.1. Læknisfræði (Medical) – Tækifæri fyrir notkun örsmæðartækni í þessum geira eru gríðarleg. Mikið hefur breyst með tilkomu MST. Drifkraftur við notkun þessarar tækni er lögmálið um “sem minnstu innrás” þ.e. að reyna nota sem minnsta skurði er jafnvel líkamsop til að komast að meininu. Yfirburðir þessarar tækni yfir notkun stærri skurðtækja eru t.d. minni óþægindi fyrir sjúkling, bata náð fyrr, minni ör, styttri sjúkrahúslega og minni kostnaður fyrir heilsutryggingu. Speglun er dæmi um þessa tækni, hún er nú mikið notuð við greiningu sjúkdóma og við skurðaðgerðir. Fleiri notkunarmögulegar MST í læknisfræði (1)angioplasty-skemmdar æðar eru lagfærðar með skurðaðgerð, laser eða litlum blöðrum(?) á endanum á slöngu sem er þrædd inn í æðina; (2) – telemicrosurgery – þegar skurðaðgerð er framkvæmd með fjarstýringu á örsmáum skurðtólum; (3) artificial prostheses t.d. gangráður og heyrnartæki; (4) skynjarar sem eru græddir í fólk til að fylgjast með ýmsum breytum eins og blóðþrýsting og hita; (5) lyf í formi taflna sem sjúklingur gleypir og svo “kveikt” á með fjarstýringu þegar taflan er komin á réttan stað; (6) gerviaugu

Chemical and environment – aðallega notað til að mæla snefilmagn af efnum eða finna skaðleg efni. Fjöldinn af tækjum til þessa hefur verið þróaður. Þau geta greint mjög smá sýni. Smápumpur er stundum notaðar með þessum tækjum til að dæla upp ætluðu magni af efninu sem verið er að nota til skynjarans sem skoðar það.

50


Önnur notagildi –Til eru mörg fleiri dæmi:

• Scanning probe microscope • Líftækni (Biotechnology) – Í líftækni er oft verið að skoða örsmá sýni.

Til að geta rannsakað þessi sýni þarf tæki og tól sem eru af sömu stærðargráðu. Örsmæðartæki eru í þróun til þess að geta hreyft, haldið á, flokkað, krufið og sprautað þessi smáu lífsýni undir smásjá.

• Raftækni (Electronics) –

37.2 Örsmæðarframleiðsluferli microfabrication processes

Mikið af vörum í MST eru byggð á sílíkoni, og tæknin við framleiðslu er sú sama og við míkróelektrónískan iðnað. Það eru nokkrar mikilvægar ástæður fyrir því að sílíkon er notað í MST: (1)- míkrótækin í MST innihalda oft rafrásir, svo bæði tækin og rásina er hægt að framleiða saman á sama undirlagi (substrate); (2) auk þess að hafa góða raftæknilega eiginlega(?) hefur sílíkon einnig góða vélræna eiginleika, eins og mikinn styrk og teygjanleika, góða hörku, og hlutfallslega lítinn þéttleika; (3) tæknin við framleiðslu á sílíkoni er vel þekkt og traust; (4) notkun á einkristölluðu sílíkoni gefur færi á framleiðslu þar sem sílíkonið er nálægt mörkum(tolerances).

MST þarf oft að á því að halda að sílíkon sé framleitt samhliða öðrum efnum til að ná fram sumum tækjum. T.d. míkróactuatorar eru of samsettir úr nokkrum pörtum úr mismunandi efnum. Örsmæðarframleiðslu-tækni byggist á meira en bara sílíkon-framleiðslu. Okkar umfjöllun skiptist í 3 þrep: (1) Sílíkon-lög (silicon layering process), (2) LIGA ferlið og (3) önnur ferli.

37.2.1 Sílíkon lög (sílíkon layering process)

Fyrsta notkun á sílíkoni í MST var við framleiðslu á Si piezoresistive skynjurum til að mæla stress, strain og þrýsting í byrjun 7.áratugarins. Sílíkon er núna mikið notað í MST til að framleiða skynjara, actuatora og önnur örsmæðartæki. Grunn framleiðslutæknin er sú sem notuð er við framleiðslu á integrated circuits (kafla 35). Ath, þó er nokkur munur á þeirri framleiðslu og þeirri sem um ræðir hér: (1) aspect-ratio(hlutfall hæðar og breiddar) er meira í örsmæðarframleiðslu (sjá fig.37.5); (2)stærðin á tækjunum sem gerð eru í örsmf eru oft mun stærri en í IC ferli, þar sem almenna gerðin í mikróelektróník er (inexorably toward higher circuit densities and miniaturization); (3) Gerð byggingar(structure) í mikróframleiðslu innihalda oft svifbita (cantilever) og brýr og önnur form sem krefjast bils milli laga; (4) Sílíkon tæknin er stundum viðbætt til að ná fram þrívíðu formi (eða öðrum formþáttum).

Fyrir utan þetta er sílíkon-ferlið næstum það sama og hjá IC framleiðslu. Skoða töflu 37.2, þar sem farið er í skrefin í ferlinu ásamt stuttum lýsingum. Þessi mismunandi ferli (í töflunni) annaðhvort bæta við, breyta eða fjarlægja lög af efni frá grunninum skv. Rúmfræðilegum gögnum sem geymd eru í lithographic masks. Lithography is the fundamental technology that determines the shape of the microdevice being fabricated. (í orðabók: lithography- steinprentun, steinskrift ??)

51


Með í huga áðurnefndan mun á IC ferli og míkrótækja ferlinu þá skal skoða aspect-hlutfallið betur. Byggingin í IC ferli er venjulega á sléttum fleti en frekar í þrívídd hjá míkrósystemum. Lögun míkrótækja er líklegri til að hafa hærra hæð/breidd hlutfall. Þessa þrívíðu lögun er hægt að framleiða með einkristölluðum sílíkon með (wet etching), það gefið að kristal byggingin sé þannig að etching process proceeds anisotropically. Efnafræðilegt wet etching á polycristalline sílíkon er ísótrópísk, með myndum á holum undir viðnámsbrúnum(útskýrt á Fig.35.13).

Hinsvega í einkristölluðu Si, veltur etching hlutfallið á afstöðu kristalgrindarinnar. Á Fig. 37.6 eru gerðirnar þrjár sýndar. Sérstakir etching lausnir, eins og (potassium hydroxide, KOH) og natríumhýdroxíð (sodium hydroxide, NaOH), hafa mjög lágt etching hlutfall í átt að (111) kristal-byggingu. Þetta gerir kleifa myndun á sérstökum rúmfræðilegum byggingum með skarpa enda í einkristölluðum Si grunni þar sem kristalgrindin er í hag etch penetration vertically or at sharp angles into the substrate. Byggingar eins og á Fig.37.7 er hægt að mynda með að nota þessa aðferð. Hugtakið bulk micromachining er notað fyrir hlutfallslega djúpa vatnssvörfun(wet etching) inn í einkristallaðan sílíkon-grunn, hugtakið surface micromachining á við planar structuring of the substrate surface, using much more shallow layering processes.

Bulk (e.stærð fyrirferð) míkróvélvinnsla er hægt að nota til að gera þunnar himnur í míkróbyggingu(structure). Þó þarf aðferð til að stjórna svörfuninni inn í sílíkonið, til að skilja eftir himnuna. Almenn aðferð til þessa er að bæta í sílíkonið bór-atómum sem minnka stórlega svarfhlutfallið í sílíkoninu. Þetta er sýnt á Fig.37.8. Notkunin á bór-atómunum er kalla p+ svarfstoppunar tækni (p+ etch-stop technique).

Yfirborðs míkróvinnsla er hægt að nota til að búa til svifbita, overhangs og svipaðar byggingar á sílíkongrunni (sjá Fig.37.9)

Þurr svörfun (dry etching), þar er efnið fjarlægt með víxlverkun(physivsl or chemical) milli jóna og jónaðs gass(plasma) og atómanna á yfirborðinu sem hafa komist “ í snertingu” við plasmað. (kafli 35.4.5), þetta framkallar anísótrópíska svörfun í næstum öllum efnum.

Ferli kallað lift-off technique er notað í míkróvinnslu til að mynstra málm eins og t.d. platínum. Þetta er notað í sumum efnafræði-skynjurum og er erfitt að framleiða með blaut-svörfun(wet etching). Sjá Fig.37.10.

37.2.2 LIGA Ferli – LIGA process

LIGA ferlið er mikilvæg tækni í MST. Það var þróað í Þýskalandi snemma á 9.áratugnum. LIGA stendur fyrir þýsku orðin LIthography (aðallega x-ray lithography), Galvanoformung ( rafmótun), Abformtechnik ( mótun, aðallega plastic mótun). Stafirnir tákna einnig röðina á ferlinu.

Skrefin eru sýnd á Fig.37.11, (1) þykkt lag af (x-ray) geislunarviðkæmu (radiation-sensitive) viðnámi er sett á grunninn(substrate). Þykktin getur verið frá nokkrum míkrómetrum upp í sentimetra, eftir stærð hlutsins sem verið er að framleiða. Almenna viðnámið sem notað er í LIGA er polymethylmethacrylate(PMMA, kafli 8.2.2). Grunnurinn verður að vera leiðandi fyrir komandi electrodeposition ferli performed. Viðnámið er undir grímu(sjá mynd). (2) sá partur sem varð fyrir geislun er nú horfin og eftir standa þrívíðar plastbyggingar. (3) tómu svæðin eru fyllt með málmi

52


með electrodeposition. Nikkel er algengast í LIGA. (4) Viðnámið sem eftir var er fjarlægt og þá er eftir þrívíð málmbygging, (skoða mismunandi a og b liði).

LIGA getur framleitt parta með nokkrum mismunandi aðferðum. Það er einn af yfirburðum ferlisins í MST: (1) LIGA er fjölhæft(versatile) ferli. (2) hugsanlega hátt aspect-hlutfall; (3) allskyns partastærðir mögulegar, með hæðir frá míkrómetrum um í sentrimetra. (4) mögulega close tolerances.

Ókostir: mjög dýrt svo þarf stóra pöntun (þarf að framleiða marga parta af sömu tegund) svo þetta borgi sig.

37.2.3– Önnur örsmæðarframleiðsluferli (Other Microfabrication Processes) Bæði óhefðbundin framleiðsluferli (kafli 26) og hefðbundin framleiðsluferli eru mikilvæg

í örsmæðarframleiðsluferlinu. Photochemical machining (PCM) er mjög mikilvægt ferli í

IC ferli og örsmæðarframleiðslu en um það er fjallað um í kafla 26.4.2.

Óhefðbundin framleiðsluferli sem má nota í örsmæðaframleiðslu:

• Electric discharge machining; notað til að skera holur með minnst 0.3 mm í þvermál og hlutfall (dýpt á móti þvermáli) mest 100.

• Electron-beam machining; notað til að skera holur með þvermál minna en 100 μm í “hard-to-machine”efnum.

• Laser-beam machining; getur gert flóknar útlínur og sker holur með minnst 10 μm í þvermál og með hlutfall (dýpt á móti þvermáli eða dýpt á móti breidd) um 50.

• Ultrasonic machining; getur borað holur í hörð og stökk efni með í minnsta 50 μm í þvermál.

• Wire electric discharge cutting or wire-EDM; getur skorið mjóar ræmur (swaths) með hlutfall (dýpt á móti breidd) meira en 100.

Hefðbundnar aðferðir notaðar í örsmæðarframleiðslu:

• Ultra-high-precision machining; Hér er á ferð tól (single-crystal diamond-cutting tool) sem getur skorið niður í 0.01 μm! Dæmi má sjá á mynd 37.12 bls. 856. Ultra-high-precision machining er mikið notað til að framleiða vörur eins og

o photocopier drums o mold inserts for compact disk reader heads o computer hard discs o high-definition TV projection lenses o VCR scanning heads

53


Fleiri aðferðir sem hafa verið þróaðar í örsmæðarframleiðslu eru: .

• Rapid Prototyping Technologies; Rapid Prototyping (RP) aðferðir nota lög til að byggja upp þrívítt kerfi. Með því að hafa lögin rosalega þunn erum við komin með örsmæðarframleiðslu. Hér má nefna tvær RP - aðferðir (en um RP aðferðir má lesa meira um í kafla 34). Electrochemical fabrication (EFAB) og microstereolithography. Báðar aðferðirnar voru enn í rannsókn og þróun þegar bókin var skrifuð.

• Photofabrication; Þetta er ferli þar sem útfjólubláir geislar breyta eiginleikum efnis. Dæmi um áhrif: Sýra grefur (etches) 15 til 30 sinnum hraðar í gler sem hefur fengið geislun en í gler sem hefur ekki fengið geislun.

37.3 – Nanótækni

(Nanotechnology)

Nanótækni er hugtak sem vísar til enn minni tækja, mæld í nanómetrum(10-9 m). Tvö ferli

eru notuð til að framleiða hluti af þessari stærð

• Nanóbyggingin er byggð upp á einstökum atómum.(Molecular Engineering); Scanning tunnel microscopy(STM) er tækni sem nú er notuð á rannsóknarstofum þar sem unnið er með atóm og sameindir. Ferlin eru skilgreind lárétt og lóðrétt og á það við um hvernig atómin raðast. Það er búist við því að verkfræðiafurðir byggðir með þessari tækni muni birtast um 2010 eða fljótlega upp úr því.

• Nanótækniframleiðsluferli sem eru svipuð örsmæðarframleiðsluferlum en bara gert á minni skala. (Nanofabrication Technologies); Nanóframleiðsutækni er notuð í t.d. geisladiska, leysi sem notaðir eru í samskiptakerfi og transistora fyrir “satellite microwave receivers”.

39. Hóptækni og sveigjanleg framleiðslukerfi

39.1 Hóptækni 39.1.1 Flokkun og merking parta 39.1.2 Sellu framleiðsla 39.1.3 Kostir og gallar Hóptækni 39.2 Sveigjanleg framleiðslukerfi 39.2.1 Sveigjanleiki og sjálfvirk framleiðslukerfi 39.2.2 Samlögun FMS eininga 39.2.3 Notkun sveigjanlegra framleiðslukerfa

54


Hóptækni er framleiðsluaðferð þar sem partar eru framleiddir í meðalfjölda. Partar (og vörur) eru oftast framleiddir í hópum eða bunkum. Þegar framleitt er í bunkum er niðurtími töluverður vegna skipta, auk þess að það felur í sér mikinn birgðarkostnað. Hóptækni (HT) lágmarkar þessa ókosti, með því að gera sér grein fyrir að þótt partar sé mismunandi að þá eru þeir líka líkir að mörgu leiti. HT nýtir sér sameiginlegu þætti hlutana með því að nota svipaðar aðferðir og tól við vinnslu þeirra. HT getur bæði verið handvirk eða sjálfvirk. Þegar HT er sjálfvirk er hugtakið sveigjanlegt framleiðslukerfi notað. 39.1 Hóptækni Hóptækni er aðferð í framleiðslu þar sem líkir hlutir eru skilgreindir og hópaðar saman til að nýta sameiginlega þætti í hönnun og framleiðslu. Þessir sameiginlegir þættir gerir kleift að flokka þá í partafjölskyldur. Það er ekki óalgengt að fyrirtæki sem framleiði 10.000 mismundandi parta, flokki þá í 20-30 partafjölskyldur. Í hverri partafjölskyldu er framleiðsluþrep svipuð. Við það eykst skilvirkni í framleiðslu. Þessu er oftast náð fram með því að skipta framleiðslunni upp í sellur (e. cells), þar sem hver sella sér um að framleiða eina partafjölskyldu. Hver sella hefur þá þau tæki og tól sem þarf til að framleiða viðkomandi parta fjölskyldu 39.1.1 Flokkun og merking parta Aðal einkenni hóptækni er partafjölskyldurnar. Partafjölskylda er hópur parta/hluta sem eru líkir rúmfræðilega, í stærð og hafa sameiginlega þætti í vinnsluþrepum sem notuð við framleiðslu. Það er alltaf einhver munur á hlutum í fjölskyldu en sameiginlegu þættirnir eru nógu miklir til að hægt sé að setja þá saman í hópafjölskyldu. Það eru nokkrar leiðir hvernig partafjölskyldur eru tilgreindar.

♦ Skoða alla partana sem eru framleiddir í verksmiðjunni (eða myndir af pörtunum) og nota nota dómgreindina til að flokka þá í viðeigandi partafjölskyldur

♦ Production flow analysis notar upplýsingar á vinnsluseðlum (e. route sheets) til að flokka partaana. Þá eru partar sem eru unnir á svipaðan hátt settir saman í fjölskyldu.

♦ Parts classification and coding er sjálfsagt algengasta og dýrasta aðferðina. Hún felur í sér að skilgreina sameiginlega og mismunandi þætti í pörtunum og tengja þá parta með sameiginlegum merkingarkóða.

Flest flokkunar og merkingarkerfi eru

♦ Kerfi byggð á hönnunar eiginleikum parta ♦ Kerfi byggð á framleiðslu eiginleikum ♦ Kerfi byggð á bæði hönnunar- og framleiðslu eiginleikum

Flokkun hluta getur verið mismunandi milli fyrirtækja. Hvert fyrirtæki býr til merkingarkóða fyrir sig. Vel hannað flokkunar og merkingarkerfi

♦ Auðveldar myndun partafjölskyldu ♦ Gefur kost á fljótri endurheimtun á hönnunarteikningum parta

55


♦ Minnkar endurtekningar í hönnun þar sem líkir eða sambærileg partahönnun getur verið endurheimt og endurnotuð frekar en að hanna aftur frá grunni

♦ Ýtir undir staðlaða hönnun ♦ Bætir kostnaðarmat og kostnaðarbókhald ♦ Auðveldar NC partaforritun, með því að leyfa nýjum pörtum að nota sömu

partaforrit og aðrir partar í fjölskyldunni ♦ Gefur kost á hagræðingu og endurbætingu í tóla- og búnaðarhönnun ♦ Gerir tölvuvæn ferli fýsileg.

39.1.2 Sellu framleiðsla Til að nýta sameiginlega þætti parta í partafjölskyldu til fullnustu ætti framleiðsla að fara fram í sellum, hönnuðum til að framleiða þessa ákveðnu parta. Composite Part Concept Meðlimir partafjölskyldu búa yfir svipaðir hönnun eða framleiðslu eiginleikum. Það er samhengi milli parta hönnunar og framleiðslu sem skapa þessa eiginleika. Holóttir hlutir eru venjulega gerði með borun, sívalingar eru gerðir með snúning og svo framvegis. Composite part í ákveðni fjölskyldu er fræðilegur hlutur sem hefur að geyma alla hönnunar- og framleiðslu einkenni fjölskyldunnar. Almennt séð hefur ákveðinn partur í fjölskyldunni ákveðna einkenni sem einkenna fjölskylduna. Framleiðslusella fyrir ákveðna partafjölskyldu inniheldur þær vélar sem þarf til að búa til composite partinn. Sellan getur því framleitt alla hluti í fjölskyldunni. Sellan myndi einnig vera hönnuð til að leyfa mismunandi stærðir innan fjölskyldunnar. Machine Cell Design Sellur geta verið flokkar eftir fjölda véla og stigi sjálvirkni. Þær geta verið:

♦ Stök vél sella ♦ Fjölvéla sella með handvirkri stjórnun ♦ Fjölvéla sella með vélrænni stjórnun (e. mechanized handling) ♦ Sveigjanlegar framleiðslusellur ♦ Sveigjanlegt framleiðslukerfi

(Sjá myndir á bls 888) Stök vélasella hefur eina vél sem er stjórnað handvirkt. Sellan myndi einnig innihalda fastan búnað og tól fyrir sér einkenni og stærðar mismun innan partafjölskyldunnar. Fjölvéla cella (Multiple machine cells): hafa tvær eða fleiri handvirkar vélar. Þessar sellur eru einkenndar af vinnsluaðferðinni, handvirkt eða vélrænt. Handvirkt þýðir að partar eru færðir innan sellunar af vinnufólki. Vélrænt vísar til að partarnir eru fluttir á færibandi að næstu vél. Þetta getur stundum verið nauðsynlegt vegna stærðar og þyngdar ákveðna parta, eða einfaldlega nýtt til að auka framleiðsluhraða. Sveigjanleg framleiðslusella og sveigjanleg framleiðslukerfi samanstanda af sjálfvirkum vélum með sjálvirkri stjórnun. Þar sem slík kerfi eru nauðsynlegt er fjallað ítarlegra um þau í kalfa 39.2

56


39.1.3 Kostir og gallar hóptækni Hóptækni hefur talsverða kosti fyrir fyrirtæki ef þau hafa agann og þrautseigjuna til að framkvæma hana. Hugsanlegir kostir eru

♦ HT stuðlar að stöðluðum tólum, búnaði og uppsetningu ♦ Efnismeðhöndlun er minnkuð vegna þess að partar eru færðir innar ákveðnar

sellu í staðinn fyrir að fara gegnum alla verksmiðjuna ♦ Framleiðsluáætlun er einfaldari ♦ Afgreiðslutími framleiðslu er minni ♦ Vinnsla-í-gangi (e. work-in-process) er minnkuð ♦ Aðferðis- og ferlaskipulagning er einfölduð ♦ Ánægja starfsmanna eykst að jafnaði þegar þeir vinna í H-sellum ♦ Betri gæðum er náð fram

Það eru þó líka nokkrir gallar þegar HT er nýtt

♦ Endurraða framleiðsluvélum í verskmiðjunni inn í viðeigandi sellur ♦ Tekur tíma að skipuleggja endurröðunina ♦ Vélar eru ekki að vinna þegar umskipti eiga sér stað ♦ Stærsta vandamálið er að aðgreinda og flokka partafjölskyldurnar

Tekur tíma að fara yfir teikningar eða partas 39.2 Sveigjanleg framleiðslukerfi Sveigjanlegt framleiðslukerfi (FMS) er há-sjálfvirk HT vélasella sem samanstendur af vinnsluvélum (oftat CNC vélum), samtengdum af sjálfvirkum flutningi milli véla og geymslukerfi. Þeim er stjórnað af sameiginlegri tölvu. FMS er fært um að vinna fjöldan af mismunandi pörtum jafnóðum undir NC forriti við hverja vinnslustöð. FMS byggir á grunnreglum HT, þótt ekkert framleiðslukerfi geti verið algjörlega sveigjanlegt – getur ekki framleitt óendalegt svið af vörum. FMS er fært um að framleiða staka partafjölskyldu eða takmarkað af partafjölskyldum. 39.2.1 Sveigjanleiki og sjálfvirk framleiðslukerfi Þegar kerfið hefur takmarkaðan vélafjölda er hugtakið sveigjanleg frmaleiðslusella (FMC) oft notað. Bæði sellur og kerfi eru há-sjálfvirk og tölvustjörnuð, en munurinn milli FMS og FMC er ekki alltaf ljós. Hann liggur oft í fjölda véla (eða vinnslustöðva) sem eru notuð. Sveigjanlegt framleiðslukerfi samanstendur af fjórum eða fleiri vélum á meðan Sveigjanleg framleiðslusella hefur þrjár eða færri vélar. Þessi aðgreining er samt ekki samþykkt allstaðar. Til þess að vera talið sveigjanlegt, þarf framleiðslukerfið að uppfylla nokkur skilyrði. Það þarf að geta

♦ Unnið mismunandi partahönnun, ekki í bunkum (e. nonbatch mode) ♦ Tekið á móti breytingum í framleiðsluskipulagi ♦ Brugðist vel við bilunum í búnaði og sundurliðun í kerfinu ♦ Umbera nýjar hönnunir á pörtum

Þetta er mögulegt útaf miðlægri tölvu sem stjórnar og skipuleggur. Fyrstu tvö atriðin sem eru nefnd hér að ofan eru mikilvægust en seinni tvö er hægt að útfæra

57


mismunandi. Ef sjálfvirka kerfið uppfyllir ekki þessi fjögur próf ætti það ekki að kallast sveigjanlegt. 39.2.2 FMS einingar Sveigjanlegt framleiðslukerfi (FMS) samanstendur af vélbúnaði og hugbúnaði sem vinnur saman. Það þarfanst líka starsmenn sem vinnuafl. Vélbúnaður FMS vélbúnaður felur í sér, vinnustöðvar, kerfi fyrir efnismeðhöndlun, og miðlægt tölvukerfi. Vinnustöðvarnar eru CNC vélar, eftirlitsstöðvar, partahreinsun og aðrar stöðvar eftir þörfum. Efnismeðhöndlun er hvernig partarnir eru færðir á milli stöðva, það hentar illa til að geyma hluti. Kerfið getur verið t.d. færibönd, kerrur í gólfi, sjálfvirk faratæki og róbota. Uppsetning á kerfunum er mismunandi og er flokkuð á eftirfarandi hátt

♦ Innfelld (e. in-line) ♦ Lykkja (e. loop) ♦ Stigi (e. ladder) ♦ Opið svæði (e. open field) ♦ Róbota(e. Robot centered cell)

Innfelld uppsetning notar línulegan flutning til að færa parta á milli vinnslustöðva, oftast til tveggja átta. Lykkju uppsetning samanstendur af færibanda lykkju með vinnustöðvar staðsettar í kringum jaðarinn. Þetta gerir kleift að nota hvaða vinnslu röð því hvað stöð sem er aðgengileg frá hinum. Þetta gildir líka fyrir stiga uppsetningu þar sem vinnustöðvarnar eru staðsettar í “tröppunum” á stiganum. Opið svæði er flóknasta uppsetningin og samanstendur af mörgum lykkjum tengdum saman. Að lokum er það Róbota uppsetningin sem gengur út á robót þar sem vinnan felur í sér hleðslu/afhleðslu staðsetninga véla í sellunni. Hugbúnaður og stjórnun FMS hugbúnaður samanstendur af módulum tengdar mismunandi aðgerðum sem kerfið framkvæmir. T.d. ein aðgerð felur í sér að niðurhlaða NC parta prógrammi á ákveðna vél, önnur sér um stjórnun tóla og svo framvegis. Vinnuafl Til viðbótar við sveigjanlegt framleiðslukerfi er vinnuafl. Skyldur sem starfsfólk þarf að uppfylla er

♦ Hleðsla og afhleðsla parta í kerfinu ♦ Skipta um og stilla skurðartól ♦ Viðhald og lagfæringar á búnaði ♦ NC parta forritun ♦ Forritun og stjórnun tölvukerfis ♦ Heildar umsjá með kerfinu

39.2.2 Beiting sveigjanlegs framleiðslukerfis Sveigjanleg framleiðslukerfi eru einkennand fyrir mið-magn, mið-fjölbreytni framleiðslu. Ef parturinn eða varan er framleitt í miklu magni með litilli fjölbreytni í hönnun þá er flutningslínur (e. transfer lines) eða önnur slík kerfi hentugust. Ef

58


partarnir eru í litlu magni með mikill fjölbreytni þá er töluleg stjórn (e. numerical control) eða jafnvel handvirkri, hentugri.

Kafli 40 - Framleiðslulínur (Production Lines)

Framleiðslulínum er skipt í tvennt: (1) Sjálfvirkar og (2) handvirkar línur, þó er orðið mikið um blandaðar línur.

40.1 – Grundvallaratriði framleiðslulína

(Fundamentals of production lines) Framleiðslutíðnin ákvarðast af þeirri vinnustöð sem er tímafrekust.

40.1.1 – Fjölbreyttni framleiðsluvara (Product Variations)

Framleiðslulínur er flokkaðar í 3 m.t.t. fjölbreyttni framleiðsluvörunnar: • Einföld lína (Single model line) – Í einfaldri línu er eingöngu ein vara framleidd

og því alltaf sama vinna sem á sér stað á hverri vinnustöð • Lotulína (batch model) – Eins og nafnið bendir til er unnið í lotum. Eftir

framleiðslu á hverjum hlut er tækjum stillt upp fyrir næsta. Kostur við þessa línu er mikill sveigjanleiki. Gallar eru m.a. þeir að starfsmenn þurfa að búa yfir meiri þekkingu og tími fer í að enduruppsetningu milli lota.

• Blönduð lína (mixed line) – Í blandaðri línu er einnig verið að framleiða marga hluti en ólíkt lotulínu er það gert á sama tíma en á mismunandi vinnustöðum. Kostir við þessa línu eru t.d. minni niðurtími (downtime) og minni líkur á að miklar birgðir af einni vöru, og minni af annari, skapist. Hægt er að stjórna framleiðsluhraða og magni eftir þörfum markaðsins.

40.1.2 – Flutningsaðferðir milli stöðva

(Methods of Work Transport) Aðferðunum er flokkað í: • Handvirkar aðferðir (Manual Methods of Work Transport) – Allur flutningur

sem á sér stað án véla. • Vélvirkar aðferðir (Mechanized Methods of Work Transports) – Flutningur með

aðstoð vela t.d. lyftarar, færibönd og hlaupakettir. Undirflokkarnir eru 3. a. Samfelld flutningskerfi (continuous transfer systems) – Flutningur á sér

stað á jöfnum hraða. Skipt í tvennt, (1) þegar hlutur er fastur á kerfinu og (2) þegar hægt er að fjarlægja hlutinn af kerfinu. Dæmi um (1) er framleiðsla á bíl og (2) fiskvinnsla.

b. Samstillt flutningskerfi (synchronous transfer systems) – Flutningur vöru frá einni stöð á aðra er tímastilltur og verður vinnunni að á þeirri stöð að vera lokið innan ákveðins tíma. Hentar fyrir sjálfvirk kerfi en illa fyrir handvirk.

59


c. Ósamstillt flutningskefi (asynchronous transfer) – Þegar vinna á hlut á hverri vinnustöð er lokið er hann fluttur áfram. Þannig eru sumir hlutir kyrrstæðir á sama tíma og aðrir eru fluttir.

40.1.3 – Lágmörkun fjölda vinnustöðva

(Determining the Minimum Number of Workstations Required) Framleiðlutíðnin [stk/klst] Rp = Da / (50SH) (40.1) Rp = Framleiðlutíðnin [stk/klst] Da = Árleg eftirspurn eftir vöru [stk/ár] 50 = Fjöldi vikna á ári (getur verið 52 eftir atvikum) [vika] S = Fjöldi vakta á viku [vakt/vika] H = Fjöldi klst á vakt [klst/vakt] Meðalframleiðslutími [min/stk] Tp = 60 / Rp (40.2) Tp = Meðalframleiðslutími [min/stk] Rp = Framleiðslutíðnin [stk/klst] Umferðartími línu [min/stk] Tc = ETp = 60E / Rp (40.3) Tc = Umferðartími línu [min/stk] E = Nýtni línu [%] Tp = Meðalframleiðslutími [min/stk] Rp = Framleiðslutíðnin [stk/klst] Minnsti mögulegi fjöldi vinnustöðva [vinnustöðvar] nmin = Minimum Integer ≥ Twc / Tc (40.4) nmin = Minnsti mögulegi fjöldi vinnustöðva [vinnustöðvar] Twc = Heildarframleiðslutími eins stykkis [min/stk] Tc = Umferðartími línu [min/stk] Lágmarksfjöldi vinnustöðva sem fæst úr jöfnu 40.4 skal túlka sem fræðilega niðurstöðu sem er mjög ólíkleg að náist í raunveruleikanum. Ástæðurnar eru: • Ófullkomin jöfnun (imperfect balancing) – Erfitt er að skipta verkum jafnt á

vinnustöðvar, þ.e. erfitt er að fullnýta allar vinnustöðvar. • Breytilegur tími verka (task time variability) – Tími sem hver vinnustöð tekur

getur verið breytilegur, sérstaklega handvirkar. • Tímatap endurröðunar (repositioning time losses) – Tími tapast við að færa fólk

og hluti á vinnustöð. • Mönnunarstig (manning level) – Sumar handvirkarstöðvar hafa fleiri en einn

starfsmann. • Gæðavandamál (quality problems) – Gallaðir hlutir geta ollið töfum.

60


40.2 – Handvirkar samsetningarlínur (Manual Assembly Lines)

Handvirkar samsetningarlínur samanstanda af nokkrum vinnustöðvum í línu þar sem einstaklingar setja saman hlut.

40.2.1 – Jafnvægi línu (Line Balancing)

Eitt helsta tæknivandamál handvirkra samsetningalína er jafnvægi línunnar, þ.e. að hafa jafnan tíma til vinnu á hverri stöð. Að ná fullkomnu jafnvægi er ekki mögulegt og því verða alltaf einhverjar stöðvar sem vinna meir eða minna en hinar. Hafa ber í huga að röð verka skiptir máli, þannig er t.d. ekki hægt að skrúfa skrúfu fyrr en gat hefur verið borað. Þetta nefnist forskilyrði (precedence constraints). Heildarvinnutími mögulegur [min] Heildarvinnutími mögulegur = wTs w = Fjöldi starfsmanna á línu [fjöldi] Ts = Vinnutími tímafrekustu stöðvar [min] Vinnutími tímafrekustu stöðvar [min] Ts = max{Tsi} fyrir i = 1, 2, …, n Tsi = Vinnutími stöðvar nr.i [min] Umferðartími línu [min] Tc = Ts + Tr (40.5) Tc = Umferðartími línu [min] Ts = Vinnutími tímafrekustu stöðvar [min] Tr = Enduruppsetningartími [min] Jafnvægisnýtni [%] Eb = Twc / wTs (40.6) Eb = Jafnvægisnýtni [%] Twc = Raunverulegur heildarvinnutími línu [min] w = Fjöldi starfsmanna á línu [fjöldi] Ts = Vinnutími tímafrekustu stöðvar [min] Fullkomin lína hefur Eb = 1.00, venjulega er gildið á bilinu 0.90-0.95. Lágmarksfjöldi starfsmanna [fjöldi] w = Minimum Integer ≥ Twc / TsEb (40.7) w = Lágmarksfjöldi starfsmanna [fjöldi] Twc = Raunverulegur heildarvinnutími línu [min] Ts = Vinnutími tímafrekustu stöðvar [min] Eb = Jafnvægisnýtni [%]

61


40.2.2 – Aðrar hönnunarforsendur (Other Factors in Assembly Line Design)

Fjöldi sjálfvirkra stöðva hefur áhrif á svokallað mönnunarstig, sem segir til um fjölda starfsmanna á hverri vinnustöð. Stundum eru millilagerar notaðir milli vinnustöðva til þess að koma í veg fyrir vinnutap. Mögulegt er að hafa fleiri en einn starsmann á hverri vinnustöð. Meðalfjöldi starfsmanna á stöð [fjöldi] M = w / n (40.8) M = Meðalfjöldi starfsmanna á stöð [fjöldi] w = Heildarfjöldi starfsmanna [fjöldi] n = Fjöldi vinnustöðva [fjöldi]

40.3 – Sjálfvirkar framleiðslulínur (Automated Production Lines)

Sjálfvirkar línur eru sjálfvirkar að öllu leiti nema þegar kemur að viðhaldi og hlutum svo sem að skipta um á verkfæri á tæki, hlaða og afhlaða hlutum á línu.

40.3.1 – Tegundir sjálfvirkra lína (Types of Automated Lines)

Tvær tegundir: • Flutningslínur og aðrar svipaðar (Transfer Lines and Similar Processing

Systems) – Sjálfvirkar flutningslínur (Sjá mynd 40.3 bls. 905) Mjög dýr tæki, henta vel fyrir fjöldaframleiðslu. Hægt er að raða stöðvunum í hring kringum vinnuborð, þá er hornið milli vinnustöðva fundið í gráðum með: A = 360 / n Þar sem n er fjöldi vinnustöðva. (Sjá mynd 40.4 bls. 905).

• Sjálfvirkar samsetningarlínur (Automated Assembly Systems) – Þessar línur eru flokkaðar í tvennt:

a. Einstöðva samsetningarkerfi (Single station assembly cells) – Þessi kerfi eru oft byggð utan um einn róbót.

b. Fjölstöðva samsetningarkerfi (Multiple station assembly systems) – Nokkrar útfærslur eru til af þessum kerfum, t.d. línu, á hringborði og í hring. (Sjá mynd 40.5 bls. 906).

40.3.2 – Greining sjálfvirkra framleiðslulína

(Analysis of Automated Production Lines) Kjörumferðartími [min] Tc = Tr + max{Tsi} (40.10) Tc = Umferðartími línu [min] Tr = Enduruppsetningartími [min] Tsi = Vinnutími stöðvar nr.i [min] Meðalframleiðslutími [min] Tp = Tc + FTd (40.11)

62


Tp = Meðalframleiðslutími [min] Tc = Umferðartími línu [min] F = Tíðni niðurtíma [fjöldi/umferð] Td = Niðurtími hvers stops [min/fjöldi] Meðalframleiðslutíðni [fjöldi/min] Rp = 60 / Tp Rp = Raunveruleg framleiðslutíðni [fjöldi/min] Tp = Meðalframleiðslutími [min] Kjörframleiðslutíðni [fjöldi/min] Rc = 60 / Tc (40.12) Rc = Kjörframleiðslutíðni [fjöldi/min] Tc = Umferðartími línu [min] Nýtni línu [%] E = Tc / (Tc + FTd) (40.13) E = Nýtni línu [%] Tc = Umferðartími línu [min] F = Tíðni niðurtíma [fjöldi/umferð] Td = Niðurtími hvers stops [min/fjöldi] Framleiðslukostnaður per stk [$/fjöldi] Cp = CoTp / 60 (40.16) Cp = Framleiðslukostnaður per stk [$/fjöldi] Co = Vinnslukostnaður [$/klst] Tp = Meðalframleiðslutími [min/fjöldi]

41. Kafli

Framleiðsluverkfræði (Manufacturing Engineering) Síðasti hluti bókarinnar fjallar um framleiðslustoðkerfi sem eru aðgerðir eða kerfi notuð af fyrirtækjum til að leysa tæknileg og flæðistjórnunarlegs eðlis vandamál, sem upp koma í skipulagningarferli, pöntun á efni, framleiðslustýringu og gæðastýringu. [Sýnt myndrænt á mynd 41.1]. Markmið framleiðsluverkfræðinnar er að hámarka framleiðslu tiltekinna samtaka/ fyrirtækis/ stofnunnar (organization). Til að ná hámarks framleiðslu er eftirfarandi notað:

63


• Ferlaáætlunargerð (Process planning) – (1) Ákveðið er hvaða áætlunargerðir og aðferðir skal nota og í hvaða röð, (2) ákveðnar eru kröfur til verkfæra, (3) framleiðslubúnaður og kerfi ákveðin og (4) framleiðslukostnaður ákvarðaður.

• Lausn vandamála og sífelldar endurbætur (Problem solving and continuous

improvement) – Framleiðsluverkfræðin sér starfsmönnum fyrir stuðningi í lausn tæknilegra vandamála fyrir partaframleiðslu- og samsestingardeildir (operation departments). Sífellt er reynt að minnka kostnað, auka framleiðni og gæði vöru.

• Hönnun með framleiðsluhæfni fyrir augum (Design for manufacturability-

Ákveðið er með mikilvægi í tímaröð hvaða hlutir eru framleiddir fyrst. Markmiðið er að ná fram hönnun sem ekki bara mætir kröfum um afkastagetu og hagnýtni (performance and functional performance) heldur er framleitt á sanngjörnu verði með lágmarks tæknilegum vandamálum, með hæstu mögulegu gæðum og á sem sneggstum tíma.

41.1.1 Ferlaáætlunargerð felur í sér að ákveða þarf hentugustu framleiðsluaðferðir og hvaða röð þær skuli koma í framleiðslu tiltekins hlutar eða hönnunar. Hér er ákveðið hvað skuli framleitt og hvað skuli keypt að. Ferlaáætlunargerð fyrir parta. Tafla 41.1 Ferlar og röð – Ferlaáætlunargerðin ætti stuttlega að lýsa öllum skrefum vinnu við hverja einingu (s.s. partar, samsetning) í þeirri röð sem þá á að framleiða. Val á tækjakosti – Verkfræðingar í framleiðslu ættu almennt að reyna að búa til verkáætlun sem nýtir tækjakost sem fyrirtækið hefur kost á. Ef það er ekki hægt þarf annað hvort að kaupa hlutinn eða ný tæki til framleiðslu á hlutnum Tæki, mót, pressumót, festibúnaður og mælitæki – Sá sem gerir áætlunina þarf að ákveða hvaða tæki þarf fyrir feril. Skurðartæki og skurðarskilyrði fyrir skurðarvélarnar – Er gefið upp af þeim sem gerir ferlaáætlunina, iðnaðarverkfræðingi, verkstjóra eða þeim sem stýrir tæki (t.d. rennismið), oftast er haft mið af upplýsingum í handbókum. Aðferðir – Hvaða aðferð er beytt við framleiðslu/samsetningu. Farið yfir: Hvernig beyta á höndum og líkama, á hvaða stað verkið skal unnið, beytingu smáverkfæra, lyftibúðar fyrir þunga hluti og þess háttar. Í aðferðunum skal útlistað handvirkri aðgerðum (t.d. samsetning) og handvirkum aðgerðum í vélrænum lotum (t.d. hleðsla og afhleðsla á smíðahlutum). Aðferðaáætlun var hluti af störfum iðnaðarverkfræðinga en nú er lögð meiri áhersla á starfsmenn og samstarfseiningar séu sjálfbærari og axli meiri ábyrgð. Áætlaður vinnslutími – Áætlaður vinnslutími er ákvarðaður. Áætlaður framleiðslukostnaður – Fenginn með kostnaðarmetlum (cost estimators) með hjálp skipuleggjara ferlaáætlunarinnar. Meðhöndlun efnis – Ýmis vandamál geta komið upp í flutningum á efni og meðan á verki stendur sem sjá þarf fyrir. Uppsetning verksmiðju og aðstöðu (plant layout and facilities design) – Er oftast á herðum verksmiðjustjóra ásamt framleiðslustjóra.

64


Dæmigert framleiðsluferli

Grunn vinnsla

Byrjunar hráefni

Síðari vinnsla

Hæfnis aukandi vinnsla

Loka vinnsla

Loka afurð

Tafla 41.2 Dæmi um mismunandi framleiðsluferli Grunn vinnsla Síðari vinnsla Hæfnis aukandi vinnsla Loka vinnsla Sand steypumótun Vélavinnsla Engin Málun Steypumótun Engin Engin Málun Glermótun Pressun, blástur Engin Engin Sprautumótun Engin Engin Engin Stangavölsun Vélavinnsla Hitameðhöndlun Rafhúðun Plötuvölsun Útskurður, beyging,

dráttur Engin Rafhúðun

Eldsmíði Vélavinnsla Engin Málun Útlenging á áli Skurður í endalengd Engin Yfirborðsherlsa á áli Úðun á járndufti PM pressun Sindrun Málun Ferilsblaðið (The Route Sheet) Ferlaáætlunargerðin er sett niður á eyðublað sem sýnir niðurröðun aðgerða véla. Fyrir hverja aðgerð er eftirfarandi haft: (1) Stutt verklýsing, yfirborðsvinnsla ásamt vísun í smíðateikningu og málsetningu (ásamt frávikum ef þeirra er ekki getið á smíðateikningum. (2) Tækið sem nota á við smíðini. (3) Sérhver sérverkfæri sem nota þarf, s.s. mót, skurðartæki, tangir, festibúnað eða mælitæki. Einnig er æskilegt að fram komi hringrásartími, uppsetningartími og auka upplýsingar. Stundum fylgir ferilsblaðinu stjórnblað (Operation Sheet) þar sem einstaka aðgerðir eru útlistaðar. Sem eru geymdar á „smíðagólfinu“ sjálfu, þar sem fram kemur skurðarhraði, færsla og hvernig tæki skal notað ásamt þeim upplýsingum sem komið gætu notandanum að gagni. Ferlaáætlunargerð fyrir samsetningu. Þegar setja á saman hluti framleidda fyrir lítinn pening, þá er það oftast gert með þeim hætti að sérstæðum vinnustöðvar með einum eða fleiri starfskröftum sem setja hlutinn saman eða að saman að hluta. Þegar kostnaður er meiri fer samsetningin ofast fram í samsetningarlínum. 41.1.2 Gera eða kaupa ákvörðun (Make or buy decision). Ef það er ódýrara að gera vöruna en að kaupa hana þá er hún framleidd á staðnum annars er hún keypt að. Ýmislegt þarf að hafa í huga við ákvörðunina. Tafla 41.4 Möguleiki á að framleiða vöru á staðnum – Ef möguleikinn er ekki fyrir hendinni, þá þarf augljóslega að kaupa vöruna að. Endursalar þróa oft með sér færni á sérstökum sviðum með sérstæðri framleiðslutækni sem gera kaup á hlutnum hagkvæma í ytri-innri samanburði. Auðvitað eru til undaþágur, eins og ef fyrirtæki ætlar sér að ná til langs tíma litið að skapa sér sérstöðu með framleiðslutækni sem það þó hefur ekki.

65


Fjöldi framleiddra eininga – Ef framleiða á mikið magn þá er það gera sjálfur hlutanum í hag en ef framleiða á lítið magn þá er það í hag þess að kaupa hlutinn. Líftími framleiðslu – Ef ná á löngum líftíma þá borgar sig að framleiða hlutinn sjálfur. Staðlaðir hlutar – Staðlaða vörulistahluti s.s. bolta, skrúfur, rær og marga aðra smáhluti borgar sig sjaldnast að framleiða sjálfur. Þeir eru fjöldaframleiddir í það gríðarlega miklu magni. Ábyrgð birgja – Ábyrgur birgir nýtur viðskipta. Breytileg upptök – Í sértilvikum kaupa verksmiðjur parta frá endursölum til að vera með breytileg upptök (source). Slíkt er tilraun til að halda óslitnu flæði parta í smíði þeirra, eða til að jafna framboð í eftirspurnar toppum. 41.1.3 Tölvuaðstoðuð ferlaáætlanagerð (Computer-Aided Process Planning -CAPP) Endurheimt CAPP (Retrieval CAPP). Í þessu kerfi þá er stöðluð feriláætlun geymd á tölvutæku formi fyrir hvert partakóða númer. Notandinn finnur GT kóða fyrir þann hlut sem hann ætlar að láta gera feriláætlun fyrir. Tölvan leytar eftir hvort ferilblað sé til og sé það til byrtist það notandandum til notkunar. Ef það er ekki til býðst notandandum að leyta að feriláætlun með svipuðum CT kóða, sem hægt væri að breyta fyrir nýja feriláætlun (án þess þó að eyða þeirri fyrri). Ef hvorugur valmöguleikinn væri fyrir hendinni er til er hægt að búa til feriláætlunina frá grunni með forsniðli (formatter). Myndandi CAPP (Generative CAPP). Kerfið gerir feriláætlun lotubundið með notanda.

1. Forritið þarf að hafa umtalsverðan gagnagrunn yfir framleiðsluferli og rökfræði ferilsáætlunar þarf einnig að vera í forritinu. 2. Partalýsingin þarf að vera tölvusamrýmanleg (computer-compatible part description). Tvær mögulegar lýsingar (1) með því að nota rúmfræðilegt módel eins og í CAD kerfi eða (2) grúpa af tæknilegum kóðanúmerum sem lýsa parti og virkni hans með mikilli nákvæmni. 3. Ályktanavél (Inference engine). Með því að nota gagnagrunn sinn og ályktanavél býr forritið til nýja ferilsáætlun í hvert skipti sem nýr hlutur er setturinn inní það. 41.2 Lausn vandamála og sífelld endurbæting Ýmis vandamál geta komið fram í framleiddum pörtum, tækjakostur getur ekki verið nægur eða ekki nógu góður, skurðartæki ekki rétt valin, mál ekki innan frávika. Í mótum geta hlutir verið fastir við mótin osfrv. þessi vandamál eru tæknileg. Lausn vandans gæti verið hönnunarlegs eðlis en sífelld endurbæting, tilraunir til að minnka kostnað, auka gæði vöru og auka framleiðni eiga að vera hluti af starfi framleiðsluverkfræðingsins. Kaizen er endurbætingar kerfi sem tekur á: (1) lækkun á kostnaði, (2) aukningu gæða, (3) framleiðni aukningu, (4) styttingu á uppsetningartíma, (5) styttingu hringferilstíma, (6) styttingu á framleiðslutíma og (7) gæðabætingu á hönnun til að auka afkastagetu og virðingu viðskiptavina.

66


41.3 Samskeiða verkfræði og hönnun fyrir framleiðanleika (concurrent engineering and design for manufacturability). Framleiðsla og samsetning þurfa að haldast í hendur og hugtökin hönnun fyrir framleiðslu DFM (design for manufacturing) og hönnun fyrir samsetningu DFA (design for assembly) eru oftast notuð saman og þá DMF/A. Oft er hlutverk þeirra í fyrirtækjum aukið úr því að skoða framleiðslueiginleika yfir í markaðshlutann, prófanleika, viðgerðar- og þjónustuhæfni. Slík nálgun er kölluð samskeiða verkfræði. 41.3.1 Hönnun fyrir framleiðslu og samsetning Til að geta hagnýtt sér DFM/A þarf fyrirtæki að setja sér nýja stjórnunarlega uppbyggingu til að brúa bilið á milli hönnunar og framleiðslu. DFM/A hefur einnig í hönnunar reglur og viðmið til að hámarka framleiðslueiginleika [sýndar í töflu 41.5]. Kostir þess að notfæra sér DFM/A eru: (1) styttri tími sem það tekur að koma vöru á markað, (2) mýkri umbreyting á framleiðslu, (3) færri íhlutir á lokastigi, (4) auðveldari samsetning, (5) lægri framleiðslukostnaður, (6) aukin vörugæði og (7) meiri ánægja meðal kúnna. 41.3.2 Samskeiða verkfræði (cuncurrent engineering) Vísar í nálgun til framleiðsluhönnunar þar sem fyrirtækið reynir að minnka þann tíma sem það tekur fyrirtækið að koma nýrri voru á markað með því að samþætta hönnunarverkfræði, framleiðsluverkfræði og aðrar deildir innan fyrirtækisins. Framleiðsluundirbúningur byrjar strax og varan er hönnuð, ásamt því að þjónusta, gæðastýring, framleiðsludeildin, endursalar og jafnvel komandi notendur vörunnar byrja að tengjast henni fljótlega. Samskeiða verkfræðin samanstendur af nokkrum hlutum: (1) hönnun fyrir framleiðanleika og samsetningu, (2) hönnun fyrir gæði, (3) hönnun fyrir lífhringferil og (4) hönnun fyrir kostnað. Auk þess er hún tilvalin til að nota sem snöggframleiðsla á frumsmíðum.

Kafli 42. Framleiðsluskipulag og -stýring. (Production planning and controling, bls 928-945)

Framleiðsluskipulagning er að ákveða hvað skal framleitt, hvenar, hvernig og í hvaða magni. Framleiðslustýring er að ákveða hvort öllum skilyrðum til framleiðslunar sé fullnægt og ef ekki, gera þá nauðsinlegar ráðstafanir svo að þeim sé fullnægt. Birgða stjórnun er innan sviðs framleiðsluskipulags og -stýringar. 42.1 Samansöfnunar skipulagning og aðalskipulags áætlun (e. Aggregate planing and the master production schedule, bls 930) Samansöfnunar vöruskipulag tekur saman útkomu stærri framleiðslulína frekar en einstakar afurðir. Það verður að vera skipulagt með sölu, markaðsskipulagi og núverandi birgðir í huga. Samansöfnunar skipulag verður að taka tillit til markaðsáforma fyrir núverandi vörur og nýjar vörur sem eru í þróun, í samhengi við getu til þess að framleiða þessar vörur. Þegar samansöfnunar skipulag er orðið til þarf að fara að búa til nákvæmara skipulag út frá því sem tekur til einstakra parta. Þetta kallast aðalskipulagsáætlun (e. master

67


production schedule) og inniheldur hluti sem eiga að vera framleiddir, hvenær þeir eiga að vera tilbúnir og í hvaða magni. 42.2 Birgða stjórnun (invetory control, bls 931) Birgða stjórun snýst um að lágmarka tvo hluti. Lagerkostnað (e. Carrying cost), sem er kostnaðurinn við að halda lager, geymslukostnaður, bundið fé, úrelding og skemmdir. Og svo birgðaskorts kostnaður (e. Stock-out cost) sem er kostnaður við það að missa viðskipti sökum þess að kúnni gat ekki fengið vöruna þegar hann vildi. 42.2.1 Tegundir birgða (Types of Invetory) Til eru margar tegundir birgða. Mestu skipta óunnin efni, aðkeyptir íhlutir, birgðir í vinnslu og loka varan. Mismunandi aðferðir eru notaðar til að stjórna þessum birgðum, en hægt er að skipta þeim (birgðunum) í 2 hluta. Óháð eftirspurn (e. Independent demand): þegar eftirspurnin er óháð eftirspurn annara hluta. T.d. fullunnar vörur og sumir varahlutir. Háð eftirspurn (e. Dependent planning): þegar eftirspurn hlutar er háð eftirspurn annara hluta (t.d. íhlutir). Mismunandi birgða stjórnunar aðferðir eru notaðar á þetta tvennt, t.d. spálíkön á sjálfstæða eftirspurn. Svo Order Point systems og Material requirements planning fyrir háða eftirspurn. Pöntunar tíma kerfi. (e. Order point systems): Er kerfi til að ákveða hvenar skal panta, og hve mikið. Notaðir eru svokallaðir pöntunarpunktar (e. Reorder points) til að ákveða hvenar skal panta, til að ákveða hve mikið eru notaðar jöfnur (Jöfnur 42.1 og 42.4, bls 932-933). Hér skiptir miklu máli: kostnaður við lagerhald, uppsetningar kostnaður á tækjum og laun manna og vöruvelta. 42.3.1 Hráefna og afkasta skipulagning (e. material and capacity requirements planning)

Hér verða kynntar aðferðir við að skipuleggja litlar og meðal stórar framleiðslur. 42.3.1 Hráefna skipulagning (e. materila requirements planing) Hráefna skipulagning (HS (e.MRP)) hentar best fyrir verkstöðva framleiðslu og lotu framleiðslu fyrir hluti sem hafa marga parta, sem þarf að kaupa eða framleiða. Hún heldur utan um hráefni, keypta parta, verk í gangi o.s.frv. Hugmyndin á bak við HS er mjög einföld. Það að nota hana er hinsvegar mikil vinna vegna gífurlegs fjölda gagna sem þarf að halda utan um. Halda þarf utan um heiti allra parta, úr hverju þeir eru, hvort þeir séu keyptir eða búnir til á staðnum og hvar þeir koma niður í framleiðslunni. Auk þess þarf að skrá niður nákvæmar upplýsingar um hve langan tíma mismunandi þættir í framleiðslunni taka. Tímanum sem það tekur að klára ákveðið verk má skipta í tvennt. Pöntunar tímann (e. ordering lead time), sem er tíminn frá því að pöntun er send til þess hvenær við höfum fengið hana í hendurnar. Og hinsvegar framleiðslutíminn (e. manufacturing lead time), sem er tíminn frá því að vinnsla vörunnar fer í gagn til þess að henni líkur.

68


Það inntak sem HS þarf til þess að virka sem best eru eftirfarandi göng: (1) Aðalskipulagsáætlun, (2) upplýsingar um hönnun vörunnar, (3) lagerskrá og (4) afkastaskipulaningu. Helstu kostir við vel hannað HS kerfi eru meðal annars: (1) Minni lager, (2) skjótari viðbrög við breytingum á eftirspurn, (3) minni kostnaður við uppsetningu tækja, (4) betri nýtni tækja, (5) auðveldari viðbrögð við breytingum á aðalskipulagi og (6) hjálpar við að þróa aðalskipulag. Það sem helst getur skemmt fyrir þegar notað er HS eru: (1) vitlaus notkun, (2) ónákvæmar upplýsingar og (3) afkastaskipulag ekki til staðar. 42.3.2 Afkastaskipulaging (e. capacity requirements panning) Afkasta skipulaging tekur á ákvörðunum um vinnuafl og tæki sem þarf til að uppfylla aðalskipulag. Einnig hjálpar það við að bera kennsl á takmarkanir við auðlindir fyrirtækisins svo að hægt sé að gera raunhæft aðalskipulag. Afköstum verksmiðja má stýra til lengri eða skemmri tíma með aðferðum sem taldar eru upp á bls. 938-939. 42.4 Á-réttum-tíma og sparneytin framleiðsla (e. just in time and lean production)

Hugmyndin á bak við á-réttum-tíma (ÁRT (e. JIT)) framleiðslu er sú að hráefni sem þarf að nota séu alltaf að koma þegar þeirra er þarfnast, ekki fyrr og ekki seinna.. Til þess að þetta geti gengið eru nokkur atriði sem þarf að vera fullnægt: (1) stöðug framleiðsluáætlun, (2) smáar lotur og stuttur uppsetningatími, (3) sendingar komi á réttum tíma, (4) engar skemmdir í pörtum, (5) áreiðanlegur framleiðsubúnaður, (6) togkerfi (e. pull system) (útskýrt á bls. 940) notað við vörustýringu, (7) starfsfólk sem er hæft, skuldbundið og samstarfsfúst og (8) áreiðanlegir birgjar. Sparneytin framleiðsla kallast það þegar fjöldaframleiðslu er hagað þannig að sveigjanleikin sé mikill, framleiðslan skilvirk þannig að sóun á hvaða formi sem er sé lágmörkuð. 42.5 Verksmiðjugólfs stýring (e. Shop floor control) Verksmiðjugólfs stýring eru aðgerðir til að stjórna vörunni í framleiðslu, hvert á varan að fara innan fyrirtækisins ofl. Flestar verksmiðjugólfs stýringar samanstanda af 3 aðferðum. Order Release: Hér fylgir svokallaður Shop packet öllum vörum, og samanstendur hann af nokkrum skjölum:

1) Leiðar skjal (e. route sheet) sýnir hvert varan á að fara. 2) Efnis beðni (e. material requisitions), til að fá efnin í vöruna. 3) Vinnu eyðublöð (e. job cards) til að skrá niður alla vinnu sem fer í vöruna. 4) Flutnings beðnir (e. move tickets) til að sýna heimild til að flytja vöruna. 5) Partalisti (e. part list).

69


Order scheduling: Hér er vinnuskipulagi dreift á vinnustöðvar, með forgangsröðun og skiladag hvers parts. Oft eru margir partar í bið á hverri stöð og þá þarf að beita ákveðnum kerfum til að ákveða hvaða partur fer í framleiðslu hvenar:

1) Fyrstir koma fyrstir fá (e. First come first serve) 2) Fyrsti skiladagur (e. Earliest due date) 3) Stysti vinnutími (e. Shortest processing time) 4) Minnsti slaki (e. Least slack time) mismunur framleiðslutíma og tíma til

skiladags. 5) Critical ratio, hverjum hlut gefið critical ratio sem er tími til afhendingar deilt

með vinnslutíma. Order Progress: Hér er fylgst náið með allri framleiðslu ásamt öðrum þáttum (sölu ofl) til að hafa góða yfirsýn yfir framleiðsluna til að geta tekið upplýstar ákvarðanir varðandi hana. Þetta er ýmist gert í höndum eða með hjálp tölva (strikamerki), síðan eru gerðar skýrslur:

1) Vinnustöðu skýrsla (e. Work order reports) staða farmleiðslu, hvar er hver hlutur í ferlinu, hve langt er eftir af téðu ferli, er varan á réttum tíma? ofl.

2) Framvindu skýrlsur (e. Progress reports) sýna afköst verksmiðju á gefnum tíma (ein vika, mánuður osfrv.) hve margir partar kláraðir? ofl.

3) Undantekningar skýrslur (e. Exception reports) sýna öll frávik frá venjulegri framleiðslu, partur of lengi í framleiðslu, gallar, ofl.

Kafli 43 - Gæðastjórnun (Quality Control)

Gæðastjórnun felst meðal annars í því að koma auga á galla í framleiðslu og gera ráðstafanir til þess að eyða göllum út úr framleiðsluferli. Í dag nær gæðastjórnun yfir breiðara svið.

43.1 – Hvað er gæði?

(What is quality?) Íslenska orðabókin skilgreinir gæði sem: “Ásigkomulag framleiðslu” og gæðastjórnun sem “stjórnunaraðferð sem miðast við að væntingar viðskiptavina skipti mestu.” Gæðum framleiddrar vöru er skipt í tvennt (sjá nánar töflu 43.1): Eiginleikar vöru (product features) – Varan sé í samræmi við hönnun, virki eins og ætlast er til og líti vel út, þ.e. höfði til neytenda fagurfræðilegir eiginleikar. Það að vera laus við galla (freedom from deficiencies) – Varan geri það sem ætlast er til (innan marka hönnunar), sé laus við galla og sé innan vikmarka. Getur verið dýrt ef varan er gölluð á einhver hátt; t.d. þarf að skoða ferlið upp á nýtt, viðskiptavinir kvarta og skila vöru, sala minnkar, maður missir “good will” á markaðinum. Sjá upptalningu á bls. 948.

43.2 – Framleiðslugeta (Process capability)

Í öllum framleiðsluferlum verður einhver munur á framleiddum vörum. Ef hlutir eru unnir í vél (sem er ein af nákvæmustu aðferðunum) virðast partarnir vera eins, en

70


nákvæm skoðun leiðir í ljós örlítinn mun á mælivíddum. Svona mun á pörtum/vörum er hægt að skipta upp í tvo flokka: Handahófskenndur munur (Random variations) – Orskast af mörgum ástæðum; mismunandi starfsfólk í hverju ferli, breytileiki í hráefni, titringur frá vinnsluvél o.s.frv. Hver þáttur fyrir sig breytir kannski ekki miklu, en þegar þeir safnast saman geta þeir valdið vandræðum nema þeir séu innan vikmarka. Munur sem hægt er að heimfæra undir eitthvað (Assignable variations) – gefur til kynna undantekningu frá venjulegum vinnuhring. Eitthvað hefur gerst sem er ekki handahófskenndur munur. Ástæður geta verið; mistök starfsfólks, gallað hráefni, verkfæri skemmast, vinnuvélar bila. Skilgreining (bls 949): Framleiðslugeta = PC, meðalfjöldi framleiddra vara = μ, frávik vöru = σ

σμ 3±=PC

43.3 – Vikmörk

(Statistical tolerancing)

Vikmörk skipta miklu máli í framleiðslu. Eftir því sem vikmörkin eru minni, eykst kostnaður við framleiðslu vörunnar (sjá mynd 43.1). Margar leiðir finnast til þess að ákvarða vikmörk og munum við skoða tvær þeirra: 43.3.1 - Náttúruleg vikmörk (Natural tolerance limits) – Ákvörðun/hönnun vikmarka verður að passa við framleiðslugetuna. Það er enginn tilgangur með að hafa vikmörk ±0.025 mm ef framleiðslugetan ræður ekki við þessa nákvæmni. Annaðhvort verða vikmörkin að vera víðari eða þá að skipta verður um framleiðsluferli. Í raun ættu vikmörk að vera víðari en framleiðslugetan segir til um. Ef virkni, og það að rétt ferli er ekki í boði, kemur í veg fyrir að vikmörk eru víðari en framleiðslugetan, þá þarf að bæta flokkun inn í ferlið svo þeir hlutir sem standast ekki hönnunarforsendur sé flokkaðir frá hinum. Ef ákvörðun/hönnun vikmarka er jöfn framleiðslugetunni, eru efri og neðri mörkin kölluð náttúruleg vikmörk. Þegar ákvörðun/hönnun vikmarka eru jöfn náttúrulegu vikmörkunum þá eru 99.73% innan vikmarka en 0.27% utan þeirra. Vikmörk eru yfirleitt ekki náttúruleg en það er gagnlegt að vita hlutfallið á milli þeirra og vikmarkanna sem eru ákvörðuð/hönnuð.

σ6TPCI =

þar sem PCI = framleiðslugetuvísitala, T = Mismunur á efri og neðri vikmörkum sem eru ákvörðuð/hönnuð og σ = náttúrulegu vikmörkin. 43.3.2 - “Tölfræðileg” vikmörk (Statistical tolerancing for assemblies) – Mynd 43.2 sýnir part sem samanstandur af þremur íhlutum. Total lengdin má vera L ±0.30 mm. Til þess að vera innan vikmarkanna, hver ættu vikmörkin að vera á íhlutunum? Einfalda svarið er að deila total vikmörkum með fjölda íhluta svo summa vikmarkanna sé heildarvikmörkin: ±0.10 mm. Þetta þýðir ef allir íhlutirnir eru innan vikmarka, þá eru allir partar innan vikmarka. Þessi aðferð kallast worst-case design. Tölfræðilega aðferð er hægt að nota sem byggir á eftirfarandi sambandi:

71


∑=

=n

iia

1

22 σσ

þar sem n er fjöldi íhluta en σ = fjöldi gallaðra hluta. Sjá nánar bls. 952 Sjá sýnidæmi um Statistical tolerancing for assemblies, bls. 952

43.4 – Taguchi aðferðir (Taguchi methods)

Þeim er gróflega skipt niður í þrjá flokka: 43.4.1 – Tapfallið (The loss function) – Til tapsins telst það sem gerist eftir að vara er tilbúin til sölu; t.d. kostnaður við að nota vöruna, vara virkar ekki, viðhald, viðgerðir, ónægja viðskiptavina, slys vegna lélegrar hönnunar o.fl. Gerist þegar eiginleikar vöru eru frábrugðnir þeim sem gert var ráð fyrir í upphafi. Snýst um að eftir því sem ferli og framleidd vara eru nær settum markmiðum, verða gæðin meiri og viðskiptavinir ánægðari.

2)()( NxkxL −=

þar sem L(x) er tapfallið, k er hlutfallsfasti, x stendur fyrir gæði sem miðað er við og N fyrir meðalgildi gæðanna. 43.4.2 – Sterk/erfið/gróf hönnun? (Robust design) – Grunntilgangur með gæðastjórnun er að minnka allan mun á framleiðsluvörum eins og hægt er. Taguchi kallaði þennan mun “noise factor” og er þeim skipt í þrennt: (unit-to-unit) – Orskast af mörgum ástæðum; mismunandi starfsfólk í hverju ferli, breytileiki í hráefni, titringur frá vinnsluvél o.s.frv. Einnig kallað “handahófskenndur munur” (Random variations), sjá að ofan. (Internal noise factors) – Orsakast af; mistökum starfsfólks, gölluðu hráefni, að verkfæri skemmast/þreytast, að vinnuvélar bila/eru vitlaust stilltar. Einnig kallað “munur sem hægt er að heimfæra undir eitthvað” (Assignable variations), sjá að ofan. (External noise factors) – Hitastig, raki, hráefnisbirgðir og spenna (input voltage). 43.4.3 – Gæðastjórnun fyrir framleiðslu og í framleiðslu (Off-line and on-line Quality Control) Gæðastjórnun fyrir framleiðslu tekur bæði á hönnun á vörunni og framleiðsluaðferðinni. Við hönnun á vörunni (product design)er horft til þarfa viðskiptarvinarins en einig er horft til sparnaðar. Hönnun á framleiðsluaðferð (process design) er skipt í þrennt: Hanna frumgerð (System design) Hanna frumgerð og finna þekktar vinnslu aðferðir, þarna skarast hönnun vöru og hönnun framleiðslu. Velja breytur (Parameter design) Velja breytur sem hennta vel fyrir vöruna og framleiðsluna og hér er skoðað hvernig þessar breytur hennta með tilliti til (Robust design). Velja nákvæmni (Tolerance design) Velja nákvæmni sem vara eða íhlutur þurfa að standast, hér þarf að velja milli þess að hafa mikla nákvæmni (lítil vikmörk) og dýran íhlut eða minni vikmörk og ódýrari íhlut, þetta þarf að meta í hvert sinn Gæðastjórnun í framleiðslu (on-line Quality Control) Taguchi bendir á þrjár aðferðir gæðastjórnunar þegar í framleiðslu er komið:

72


Framleiðslugreining og aðlögun (process diagnosis and adjustment) framleiðsla metin eða mæld og breytum breitt til að minnka galla Framleiðsluhorfur og leiðréttingar (process prediction and correction) Sýni eru tekin reglulega svo hægt sé að spá fyrir um tilhneigu sem hægt er að koma í veg fyrir. Framleiðsla mæld og brugðist við (process measurement and action) Allir hlutir eru mældir og annað hvor standast þeir prófanir eða er hent, þar sem hluturinn er mældur eftir að hann er full unninn er kostnaður meiri við þessa aðferð en við hinar tvær. Samskiðti við viðskiptavin(customer relations) skipta máli og ekki bara samningar og sala, áræðanleiki vörunar kemur best í ljós þegar varan er í sínu rétta umhverfi, og því skipta upplýsingar um bilanir og líftíma miklu máli

43.5 – Tölfræðileg stjórnun (Statistical process control)

Tölfræðileg stjórnun er notuð til að sjá hvort framleiðsla sé fyrir utan ákveðin mörk og eru þá vara valin af handahófi. Hin aðferðin er að mæla alla hluti og sjá hvort grafið sem búið er til, sé að stefna út fyrir leifinlegu mörk.Mörkinn eru tvö LCL (lower control limit) neðri stjórnurar mörk og UCL (upper control limit) 43.5.1 – Stjórnunar graf fyrir breitur (Control charts for variables) Þau eru tvennskonar annars vegar x- graf og hinsvegar R- graf X graf er meðtalsgraf (þar sem n er fjöldi hluta í úrtaki yfirleit 4-6) og sýnir breytingu á vörunni sjálfri. R- graf mælir hins vegar hvar varan er á vikmörkunum og gefur til kynna ef hún sé að stefna út fyrir. Tekin er um það bil 20 sýni og er meðaltal þeirra er miðja grafanna. Efri og neðri mörk x-grafs eru

2LCL x A R= − og 2UCL x A R= + Efri og neðri mörk R-grafs eru

3LCL D R= og 4UCL D R= Ef meðaltalið og staðalfrávikið er þekkt er hægt að reikna út efri og neðri mörk

3L C Lnσμ= −

og

3UCLnσμ= +

Eins og lesendur get séð er staðalfrávik af úrtaks meðaltalsins skilt almenna staðalfrávikinu með gagnkvæmri kvaðradrót af fjölda í úrtaki.

xnσσ =

43.5.2-Stjórnunar graf fyrir einkenni(Control charts for attributes)

Með þessum gröfum er verið leita að einkennum sem eru gölluð á vörunni. Tvö gröf eru notuð í það.

73


p-graf sem gefur til kynna tíðni galla í röð úrtaks

c-graf sem gefur til kynna fjölda galla í hverju sýni

Kafli 44 – Mælingar og skoðanir

(Measurement and Inspection)

Mæling(Measurement): Þegar óþekkt stærð er borin saman við þekkta stærð, viðurkennt kerfi mælieininga notað. Skoðun/Eftirlit(Inspection): Þegar hlutur eða einkenni hlutar, til dæmis mál, er skoðað og athugað hvort það samræmist tilgreiningu hönnunarinnar(design specification). Skoðun er oft framkvæmd með því að nota mæliaðferðir en einnig eru svokallaðar “Gaging”-aðferðir notaðar þar sem það er einfaldelga ákvarðað hvort eiginleikar hlutarins eru ásættanlegir eða ekki – eins konar “pass-fail”-aðferð. 44.1 Mælieiningafræði - Fræði mælinga - Beinist aðallega að sex magnstærðum: lengd, massa, tíma, straum, hita og ljósgeislun. - Flestir efnisfræðilegar mælistærðir, svo sem flatarmál, rúmmál, hraði, hröðun, kraftur, spenna og svo framvegis. - Í framleiðslu-mælieiningafræði er mest áhersla lögð á að mæla lengd hluta, breidd, dýpt þvermál, hvort fletir þeirra séu flatir eða hringlaga og svo framvegis. 44.1.1 Meginreglur mælieiningarfræðinnar (Principles of Measurement)

- Nákvæmni(accuracy) segir til um að hvaða leyti mælt gildi samræmist réttu gildi(true value) hlutar eða þess sem mælt er.

- Kerfisbundin skekkja er jákvætt eða neikvætt frávik frá réttu gildi sem mælist kerfisbundið milli mælinga.

-Slembi-skekkja, normaldreifð skekkja. -“Rule of 10” – mælitæki verður að vera tíu sinnum nákvmæmara en tiltekin

vikmörk. 44.1.2 Mælistaðlar og kerfi (Measurement Standards and Systems) - Tvö nauðsynleg einkenni mælistaðla: 1) verður að vera stöðugur/staðfastur óháður

tíma, 2) verður að vera byggður á kerfi eininga sem eru stöðugar og viðurkennd af notenda(!?).

-Tveir helstu staðlar: U.S. Customary sytem(U.S.C.S.) og the International System of Units(SI – Systeme Internationale d’Unites. A.K.A. Metric system.)

44.2 Meginreglur Eftirlits/Skoðanna Eftirlit má skilgreina í tvo hluta: eftirlit með breytingum og eftirlit með eiginleikum

44.2.1 Prófun vs. Eftirlit -Eftirlit athugar gæði hlutar með tilliti til hönnunarforsenda. -Prófun miðast yfirleitt við að kanna virkni hlutarins.

74


44.2.2 Handvirkt og sjálfvirkt eftirlit - Handvirkt eftirlit: einhæf og leiðinleg vinna en getur hins vegar verið mjög

nákvæmt. - Sýnataka vs. 100% skoðun

Þegar einungis eru tekin sýni við eftirlit er fjöldi sýna yfirleitt lítill í samanburði við fjölda framleiddra hluta, allt að 1%. Á móti kemur að það er hætta á að gallaðir hlutir fari í gegnum eftirlitið. Sú hætta er hægt að minnka með því að auka fjölda sýna, úrtakið. Þegar öll sýni eru skoðuð, 100% skoðun svokölluð, fylgir því mikill kostnaður. Að auki þegar 100% handvirk skoðun er framkvæmd fylgir því yfirleitt alltaf skekkja; skekkjan er háð hversu flókin og erfið skoðunin er. Þar af leiðandi tryggir 100% handvirk skoðun alls ekki alltaf að 100% gæði hluta.

-Sjálfvirk 100% skoðun Sjálfvirk skoðun er skilgreind sem sjálvirkni af einum eða fleiri af eftirlits aðferðum, eins og 1) sjálvirk framsetning 2) Sjálfvirk hleðsla af hlutum inn í sjálvirka skoðunarvél, 3) fullkomlega sjálvirk eftirlits hólf 4) tölvulegt gagnasafn frá rafmagnsmælitækjum. Tvær gerðir af sjálvirknis skoðunum: Parta flokkun er af mörgum gerðum, Svörun frá rannsóknargögnum til vinnu framleiðslufyrirtækja heimilar þóknar stillingar til að vera búin til feril draga úr breytileika og sanna gæði.

44.2.3 Snerting vs. Snertilaust eftirlit -Margar mæliaðferðir til, má skipta í aðferðir þar sem komið er við sýni og þau eru ekki snert. -Snertilaust eftirlit hefur þá kostu fram fyrir að það er fljótlegra og skemmir síður hlutinn sem þarf að skoða. -Snerti-eftirlit, yfirleitt notast við vél, eins og nafnið getur til kynna er það yfirleitt notað til að athuga efnisleg/áþreifanleg mál hlutarins. -Við snertilaust-eftirlit er notast við nema í ákveðninn fjarlægt frá hlutnum sem athuga skal. -Snertilaust-eftirlit má skipta í ljósfræðileg og ekki-ljósfræðilegar aðferðir. Ljósfræðileg: laser-mælingar, vél-sýn(machine-vision!). Ekki-ljósfræðileg: rafsviðsmælingar, geisla-mælingar og úthljóðstækni.

44.3 Hefðbundin mælingarverkfæri og gages (Conventional Measuring Instruments and Gages)

Óskiljanleg orð. 44.4 Yfirborðsmælingar

44.4.1 Mælingar á yfirborðshrífi -Þrjár gerðir af aðferðum notaðar: 1)samanburður við stöðluð yfirborð, 2)nálar/rafeinda-aðferðir og 3)ljósfræðilegar aðferðir. Samanburður við stöðluð yfirborð: Efni borin saman með viðkomu handar(fingernail-test) og með því að líta á bæði sýnin. Ókostur þessarar aðferðar er hlutlægni aðferðarinnar. Nálar/Rafaeinda-aðferðir: Dæmi er “Profilo-meter”: lítil og nákvæm nál(pkt. Radíus um 0.005 mm, 90° horn) er dregin eftir efninu á jöfnum og hægum hraða. Er nálin

75


er dregin meðfram efninu(xy-plan) færist hún upp og niður(z-ás) vegna ójafna eða hrífis í efninu, þessi hreyfing er síðan breytt í rafeindamerki.(Sjá myndir bls 979.). Ljósfræðilegar aðferðir: Þessar aðferðir byggjast á ljóskasti efnisins, ljós-tvístrun og –dreifingu efnisins og laser-tækni. Margar af þessum aðferðum eru mjög fljótvirkar og því oft fýsilegt að framkvæma 100% skoðun með þeim.

44.4 Þróaðari mæli- og eftirlits-aðferðir 44.5.1 Hnita-mæli-vélar Hnit mæli vél

• Samanstendur af snerti prófunum og stöðu í þremur víddum • Nokkrar leiðir eru til að stjórna vélinni • Handvirk stýring

o Stjórnar aðgerðum á prófaranum • Handvirk tölvu-aðstoð

o HMV hefur tölvu sem getur mælt • Vélvæðing tölvu-aðstoð

o Stjórnast með stýripinna • Stýri tölvu-stjórnun

o Vinnur eins og CNC HMV mæling og yfirburður

• Tölvustýring leyfir HMV að ná meiri vandaða mælingu og eftirlit 44.5.2 Mæling með laser Skönnun laser kerfi

• Laser-geisli er látinn lýsa meðfram efninu, á fjarhluta efnisins er ljósnemi. Ljósneminn tekur tímann nákvæmlega sem leið geislans er trufluð og þannig hægt að meta eiginlega efnisins.

Laser-þríhyrningur Hægt að meta fjarlægð hlutar frá tveimur þekktum stöðum með hornafræði. Vélsýn(Machine vision) Inniheldur öflun, vinnslu og túlkun á gögnum

Býr til tveggja hnita kerfi og þriggja Vélsýn notkun Fjórir flokkar

• Rannsókn • Hlut greining • Sýn leiðsögn og stjórn • Öryggis vakt

Aðrar ánviðnáms eftirlits aðferð Rafmagns svæði gert með rafmagns prófara Geislunar aðferð notar leysigeisla til að skoða málma og logsuðu

76


Úthljóðsfræði aðferð notar hátíðni hljóð(meyra en 20,000 Hz) til að framkvæmda eftirlit.

77

glósur úr fundamentals of modern manufacturing · framleiðsluferli kaflar 10-44 vor 2005 ....

Documents