Manufacturing Technology. Maskiningenjör Produktutveckling (Mechanical Engineering) ID: (Ifylles av student)

Transkript

1 Tillverkningsteknologi Manufacturing Technology Provmoment: Ladokkod: Tentamen ges för: ID: (Ifylles av student) 5 högskolepoäng 5 Credits Tentamen (Exam) 41P15T Maskiningenjör Produktutveckling (Mechanical Engineering) Tentamensdatum: 01 June 2018 Tid: Hjälpmedel: Valfri miniräknare Passare och linjal Total antal poäng på tentamen : 50 poäng För att få respektive betyg krävs: För betyg 3 krävs 20 poäng För betyg 4 krävs 30 poäng För betyg 5 krävs 40 poäng Note: If asked to motivate the motivation gives points Observera: Om du blir ombedd att motivera motiveringen ger poäng Rättningstiden är i normalfall tre veckor Viktigt! Glöm inte att skriva ID på alla blad du lämnar in Lycka till! Ansvarig lärare: Telefonnummer:

2 QUESTIONS IN ENGLISH (50 POINTS) CUTTING WORK (4 POINTS) 1. This part is made of a stainless steel with k sk =520 MPa. It has a thickness of 2 mm. a. Calculate needed force to punch one of the above articles. Both the holes and the outer contour. (2 points) b. You have a press with capacity of 100 ton and want to press as many details as possible in one operation. To reduce the force you switch to leaning edges. How many articles can you have in the same die? (2 points) MACHINING (15 POINTS) 2. Lathe turning (3 points) a. What is the cutting speed when main axis spindle speed is 700min-1 and external diameter is Ø50? b. What is the cutting power required for machining mild steel at cutting speed 120m/min with depth of cut 3mm and feed 0.2mm/rev (Machine coefficient 80%)? Specific cutting force Kc=3100MPa c. Facing of work piece of diameter 72mm is need to be done at spindle speed of 80 rev per min at cross feed of 0.3mm/rev. The time required in minute for facing operation will be. d. Which of the following represents the unit of metal removal rate? Motivate i. mm/revolution ii. mm*mm/revolution iii. mm*mm*mm/revolution iv. none of the mentioned e. Which of the following is the unit of the feed? Motivate i. mm / minute ii. mm / revolution iii. mm * minute iv. none of the mentioned f. Increased feed (Motivate) i. increases tool s life ii. decreases tool s life iii. no effect on tool s life iv. none of the mentioned

3 3. Milling (3 Points) a. Find Scallop Height if cutter diameter is 3 cm and step-over distance is 1 cm b. What is the feed per tooth when the main axis spindle speed is 500 min -1, number of insert is 10, and table feed is 500mm/min? c. Form cutting can be performed more effectively by milling machine. (Motivate) i. Horizontal ii. Vertical iii. can t say anything iv. none of the mentioned d. Drilling can be performed more effectively by milling machine. (Motivate) i. Horizontal ii. Vertical iii. can t say anything iv. none of the mentioned e. Downmilling is easily used on flexible, thin and flat jobs. (Motivate) i. True ii. false f. As the cutter progress, the chip accumulates at the cutting zone, spoils the work surfaces. This is the disadvantage of process. i. Upmilling ii. Downmilling iii. can t say anything iv. none of the mentioned 4. Drilling and boring (3 points) a. Why cutting speed formula for milling is same as turning and drilling? b. Chip disposal will be better If we the helix angle. (Motivate) i. Increase ii. Decrease iii. can t say anything iv. none of the mentioned c. If l/d ratio is too large, then drill becomes. (Motivate) i. Weak ii. Strong iii. very sharp iv. none of the mentioned d. If cutting speed is 200 m/min, find spindle speed

4 e. Find cutting depth for the same diagram above f. Time taken to drill five holes using gang drilling machine through a 25 mm thick plate with the drill rotating at 300 rpm and moving at a feed rate of 0.25 mm/rev is. 5. When lathing a material two combinations of cutting speed and wear out time were identified; v c1 =130 m/min and T c1 =12 min together with v c2 =110 m/min and T c2 =26 min. The used tool is of insert type with a cost of 300 kr/pcs. Every insert costs 30 kr in purchase. The time for changing the tool is 2 min. The cost for the machine is 400 kr/h and the salary cost is 150 kr/h. The tool lasts for 500 edges and have room for four edges. a. Decide appropriate cutting speed both for minimal cost and maximum production speed. (6 points) CASTING (8 POINTS) 6. What are disadvantages of investment casting? And write two advantages of the sand casting process. (1 point) 7. Why steel is not usually die casted and why steel is generally made by continuous casting? (1 point) 8. Centrifugal casting is used to make hollow pipes. What determines the thickness of the pipe? (1 point) 9. Does the grain size and shape of sand grains affect sand moulding? Motivate (1 point) 10. Does the pure liquid metal become solid completely at freezing temperature? Motivate your answer via crystal formation. (2 points) 11. Draw a schematic illustration of two cast structures of metals solidified in a square mould; (a) pure metals and (b) alloys (2 points) TOLERANCE, FITS AND MEASUREMENTS (8 POINTS) 12. How does surface roughness indicated using symbol? Also mention where are roughness values, production method, machining allowance and surface pattern (lay) are indicated? (2 points) 13. Answer the following (2 points) a. What kind of fit will occur if a shaft 10g6 has to be positioned in the hole in the diagram below b. The fit on a hole -shaft system is specified as H7-s6, the type of fit is.

5 c. Holes of diameter / mm are assembled interchangeably with the pins of diameter / mm. The minimum clearance in the assembly will be mm. d. What are Ra and Rz values? Explain. And why Ra is more often used than Rz to indicate surface roughness? 14. Draw a shaft and hole, and show (2 points) a. Upper deviation of hole and shaft b. Lower deviation of hole and shaft c. Tolerance in hole and shaft d. Fundamental deviation in hole and shaft 15. What are the differences between hole and shaft based fit systems? Explain using diagrams. (2 points) METAL FORMING (15 POINTS) 16. Draw stress-strain curve and show where the metal forming operations are performed. And state the difference between engineering stress-strain curve and true stress-true strain curve with diagram. (3 points) 17. What is flow stress? What happens to strength coefficient (K) and strain hardening exponent (n) of a metal when the temperature is increased significantly? (2 points) 18. Why hot working is commonly used? (1 point) 19. Why the velocity of the workpiece is higher after rolling than the velocity of the workpiece when it enters the rolling system? Motivate (1 points) 20. A strip with cross sectional area 150 mm * 4.5 mm is being rolled with 20% reduction of area using 450 mm diameter rollers. The angle subtended by the deformation zone at the roll centre is (in radians). (3 points) 21. Describe forging as forming method. Describe how it is done and also write some advantages and disadvantages with the method. (3 points) 22. When you shall bend a flange you want to have on a complete product a radius of 5 mm and the angle shall be 80 o. The material is cold rolled stainless steel and thickness of 1 mm. Give the angle to press to and what radius you need to have on the anvil. (2 points)

6 FRÅGOR PÅ SVENSKA (50 POÄNG) KLIPPANDE BEARBETNING (4 POÄNG) 1. Denna artikel är gjord av ett rostfritt stål med k sk =520 MPa. Den har en tjocklek av 2 mm. a. Beräkna erforderlig kraft att stansa ut en styck av ovanstående artikel. Både hål och ytterkontur. (2 poäng) b. Du har en 100 ton press och vill pressa så artiklar som möjligt i ett slag. För att reducera kraften övergår du till lutande skär. Hur många artiklar kan du ha i samma verktyg, (2 Poäng) SKÄRANDE BEARBETNING (15 POÄNG) 2. Svarvning (3 Poäng) a. Vad är skärhastigheten när axelns spindelhastighet är 700min-1 och ytterdiameter är Ø50? b. Vad är den skärkraft som krävs för bearbetning av mjukt stål vid skärhastigheten 120 m/min med skärsnittsdjup 3 mm och matning 0,2 mm/varv (Maskinkoefficient 80%)? Specifik skärkraft Kc = 3100 MPa c. Plansvarvning av arbetsstycket 72 mm diameter måste göras med spindelhastighet på 80 varv per min vid korsmatning av 0,3 mm / varv. Den tid som krävs i minuter för plansvarvning operation är. d. Vilket av följande representerar enheten för avverkadspånvolum? Motivera I. mm / varv II. mm * mm / varv III. mm * mm * mm / varv IV. ingen av de nämnda e. Vilket av följande är enheten för matningen? Motivera I. mm / minut

7 II. mm / varv III. mm * minut IV. ingen av de nämnda f. Ökat matning (Motivera) I. ökar verktygets liv II. minskar verktygets liv III. ingen effekt på verktygets liv IV. ingen av de nämnda 3. Fräsning (3 Poäng) a. Bestäm profilhöjd om skärdiametern är 3 cm och avstånd mellan skär är 1 cm b. Vad är matningen per tand när huvudaxelns spindelhastighet är 500 min-1, antalet eggar är 10 och bordsmatningen är 500 mm / min? c. Fräsning av form kan utföras mer effektivt av fräsmaskin. (Motivera) i. Horisontell ii. Vertikal iii. kan inte säga någonting iv. ingen av de nämnda d. Borrning kan utföras mer effektivt av fräsmaskin. (Motivera) i. Horisontell ii. Vertikal iii. kan inte säga någonting iv. ingen av de nämnda e. Medfräsning används enkelt på flexibla, tunna och plana jobb. (Motivera) i. Sann ii. Falsk f. När skärarens går framåt ackumuleras spånor vid skärzonen, och förstör arbetsytorna. Detta är nackdelen med processen. i. Motfräsning ii. Medfräsning iii. kan inte säga någonting iv. ingen av de nämnda 4. Borrning (3 Poäng) a. Varför är skärhastighetsformeln för fräsning samma som för vridning och borrning? b. Spånavskiljning blir bättre om vi spiralvinkeln. Motivera i. Öka ii. Minska iii. kan inte säga någonting iv. ingen av de nämnda c. Om l / d-förhållandet är för stort blir borren. (Motivera) i. Svag ii. Stark iii. väldigt vass iv. ingen av de nämnda

8 d. Om skärhastigheten är 200 m / min, bestäm spindelvarvtalet e. Bestäm skärddjup för samma figur ovan f. Tiden att borra fem hål med gängborrmaskin genom en 25 mm tjock platta med borren roterande vid 300 varv per minut och förflyttning vid en matningshastighet på 0,25 mm / varv är. 5. Vid svarvning av ämne så erhölls två kombinationer av skärhastigheter och utslitningstider; v c1 =130 m/min och T c1 =12 min samt v c2 =110 m/min och T c2 =26 min. Det använda verktyget är ett vändskärsverktyg med en kostnad av 300 kr/st. Varje vändskär kostar 30 kr i inköp. Tiden att byta verktyg är 2 min. Kostnaden för maskitiden är 400 kr/h och lönekostnaden är 150 kr/h. Hållaren klarar 500 eggar och den har plats för fyra eggar. a. Bestäm lämpliga skärhastigheter dels för minimal produktionskostnad men även för maximal produktionshastighet. (6 Poäng) GJUTNING (8 POÄNG) 6. Vilka är nackdelar med precisionsgjutning? Namn också två fördelar med sandgjutningsprocessen. (1 Poäng) 7. Varför är stål vanligtvis inte pressgjutna och varför tillverkas stål vanligen genom stränggjutning? (1 Poäng) 8. Centrifugalgjutning används för att göra ihåliga rör. Vad bestämmer rörets tjocklek? (1 Poäng) 9. Påverkar korn storleken och formen av sandkorn sandformning? Motivera (1 Poäng) 10. Blir den rena flytande metallen helt fast vid frysningstemperaturen? Motivera ditt svar via kristallbildning. (2 Poäng) 11. Rita en schematisk illustration av två gjutna strukturer av metaller stelnade i en fyrkantig form; (a) rena metaller och (b) legering (2 Poäng) TOLERANS, PASSNINGAR OCH MÄTTNINGAR (8 POÄNG) 12. Hur ser symbolen för ytjämnhet ut? Nämnas också var råhetsvärden, produktionsmetod, bearbetningsbidrag och ytmönster (lay) anges? (2 Poäng)

9 13. Besvara följande (2 Poäng) a. Vilken form av passning kommer att uppstå om en axel 10g6 måste placeras i hålet i figuren nedan b. Passformen på ett hål-axelsystem anges som H7-s6, typ av passning är. c. Hål med diameter 25,0 +0,040 / +0,020 mm monteras utbytbart med stiften med diameter 25,0 + 0,005 / -0,008 mm. Minsta spel i förbandet är mm. d. Vad är Ra och Rz värden? Förklara. Varför Ra används oftare än Rz för att indikera ytjämnhet? 14. Rita en axel och ett hål och visa (2 Poäng) a. Övre gränsavmat mellan hål och axel b. Nedre gränsavmat från hål och axel c. Tolerans i hål och axel d. Fundamentell avvikelse i hål och axel 15. Vad är skillnaderna mellan hål- och axelbaserade passningssystem? Förklara med hjälp av diagram. (2 Poäng) PLASTISK BEARBETNING (15 POÄNG) 16. Rita spänning-töjning kurvan och visa var de plastiska bearbetning utförs. Ange skillnaden mellan teknisk spänning-töjning kurva och sann (verklig) spänning-töjning kurva med diagram. (3 Poäng) 17. Vad är flow stress? Vad händer med stength coefficient (K) och strain hardening exponent (n) hos en metall när temperaturen ökar signifikant? (2 Poäng) 18. Varför hettas arbetsstyket upp ofta vid bearbetning? (1 Poäng) 19. Varför arbetsstyckets hastighet är högre efter valsning än arbetsstyckets hastighet när det kommer in i valsningssystemet? Motivera (1 Poäng) 20. En remsa med tvärsnittsarea 150 mm * 4,5 mm valsas med 20% reduktion av ytan med användning av rullar med 450 mm diameter. Vinkeln som bildas av deformationszonen vid valscentret är (i radianer). (3 Poäng) 21. Beskriv smide som bearbetningsmetod. Ange hur det går till och några för- och nackdelar med metoden. (3 Poäng)

10 22. När du ska bocka en fläns så önskar du på färdig produkt en invändig radie om 5 mm och att vinkeln ska vara 80 o. Materialet är ett kallvalsat rostfritt stål och en plåttjocklek av 1 mm. Ange hur stor vinkel du måste pressa till och vilken radie du behöver ha på mothållet. (2 Poäng)

11 TILLVERKNINGSTEKNOLOGI FORMLER (MANUFACTURING TECHNOLOGY FORMULAS) 1. Klippande bearbetning 2. Skärande bearbetning 2.1. Svarvning (Turning)

12 CUTTING POWER

13 2.2. Fräsning (Milling) CUTTING SPEED FEED PER TOOTH TABLE FEED CUTTING TIME CUTTING POWER

14 SCALLOP HEIGHT

15 2.3. Drilling CUTTING SPEED FEED SPEED OF THE MAIN SPINDLE DRILLING TIME

16 3. Plastisk Bearbetning 3.1. Valsning FLOW STRESS (Y f ) Y f = Kε n K = strength coefficient ε = strain during deformation process n = strain hardening exponent AVERAGE FLOW STRESS Y f = Kεn 1 + n STRAIN RATE ε = v h ε = true strain rate h = instantaneous heaight of workpiece being deformed FORWARD SLIP Forward slip = V f V r V r Velocties of workpiece and roller HEIGHT AND VELOCITY RELATION Velocities and thickness are given above

17 LENGTH OF ARC OF CONTACT MAXIMUM REDUCTION LOAD DURING NORMAL FRICTION SITUATION h P = Y μl p μl p (e h 1) b R h 3.2. Bockning F = C σ B b t 2 1 L C = 1 + 4t L K = α f = r 0+0,5 t α 0 r f +0,5 t

18 SKÄRANDANDE BEARBETNING EKONOMI Total bearbetningskostnad: C B = C v + C m [kr/detalj] C v = Verktygskostnaden per detalj C m = Maskintimkostnaden per detalj Maskintimkostnaden : C m = K m 60 t m [kr/detalj] t m = Maskintiden i min K m = Maskintimkostnaden i kr/h Maskintiden: t m = t un + t s [min] t un = Tiden för upp- och nedtagning av en detalj i minuter t s = Effektiv skärtid i minuter Verktygskostnaden : C v = K v t s [kr/detalj] T c K v = Verktygskostnaden i kr/skäregg t s = Effektiv skärtid i minuter T C = Skärets utslitningstid i minuter Verktygskostnaden per skäregg (svarv) : K v = A + A i + t N 0,75 E b K m [kr/skäregg] 60 A = Anskaffningskostnad för hållare, kr N = Livslängden på skärhållaren uttryckt som antal skäreggar/hållare ( st) A i = Anskaffningskostnad för skär, kr/skär E = Antal skäreggar på ett skär t b = Bytestiden för skäregg i minuter K m = Maskintimkostnaden, kr/h

19 Verktygskostnaden per skäregg (fräs med vändskär) : K v = A + z A i + t N 0,75 E b K m [kr/skäregg] 60 A = Anskaffningskostnad för hållare, kr N = Livslängden på skärhållaren uttryckt som antal skäreggar/hållare ( st) A i = Anskaffningskostnad för skär, kr/skär E = Antal skäreggar på ett skär t b = Bytestiden för skäregg i minuter K m = Maskintimkostnaden, kr/h z = antal vändskär per fräs Verktygskostnaden per skäregg (omslipbara verktyg) : K v = A+C sn s 1+n s + t b K m 60 [kr/skäregg] A = Anskaffningskostnad för hållare, kr n s = Antalet ggr verktyg kan slipas om C s = kostnad för omslipning t b = Bytestiden för skäregg i minuter K m = Maskintimkostnaden, kr/h Minimal bearbetningskostnad C Be = K m (t 60 un + Y ) + K v v ce Ekonomisk utslitningstid: T ce = ( 1 a 1) 60 K v K m Maximal produktionshastighet C Bm = K m (t 60 un + Y ) + K v v cm Utslitningstid T cm =( 1 a 1) t b Y v ce T ce Y v cm T cm

20 Taylor ekv v c = C T c a L π d f = Y INTERNATIONAL TOLERANCE GRADE