Lätta transmissionskomponenter

Transkript

1 ISSN X Swerea IVF-rapport Lätta transmissionskomponenter Mats Werke

2 Om Swerea IVF AB Swerea IVF är ett ledande svenskt industriforskningsinstitut inom material-, process-, produkt- och produktionsteknik. Vårt mål är att skapa affärsmässig nytta och att stärka våra medlemmars och kunders konkurrens- och innovationsförmåga. Swerea IVF bedriver industrinära forskning och utveckling i samarbete med såväl industri som högskola, i Sverige och internationellt. Våra cirka 150 högt kvalificerade medarbetare med bas i Mölndal och Stockholm arbetar inom följande områden: Arbetsliv, miljö och energi Industriella tillverkningsmetoder Material- och teknikutveckling Polymerer och textil Verksamhetsutveckling och effektivisering Vi arbetar ofta med tillämpade lösningar på konkreta industriella behov. Våra industrierfarna forskare och konsulter kan leverera de snabba och handfasta resultat som företag behöver för att säkra sin konkurrenskraft på marknaden. Swerea IVF ingår i Swerea-koncernen, som består av fem forskningsbolag inom material- och verkstadsteknik: Swerea IVF, Swerea KIMAB, Swerea MEFOS, Swerea SICOMP och Swerea SWECAST. Swerea-koncernen ägs gemensamt av industrin och statliga RISE Holding AB. Swerea IVF AB Box Mölndal Telefon Telefax Swerea IVF rapport Swerea IVF AB 2009

3 Innehållsförteckning Inledning 3 Bakgrund 3 Varför minimera vikten? 4 Lättare eller vikteffektivare komponenter 5 Hur minimera vikten? 5 Konstruera lättare 6 Konstruera metodiskt 6 Minska material 7 Optimera tillverkningens effekt på slutegenskaperna 9 Konstruera robust 13 Förenkla på systemnivå 14 Välja vikteffektivare material 14 Välj material metodiskt 14 Aluminium 15 Sinterstål 16 Höghållfasta stål 17 Titan 18 Hybridmaterial 18 Göra det valda materialet starkare 19 Värmebehandling 20 Avverkande hårdbearbetning 23 Mekanisk ytpåverkan 23 Kombinera metoder 24 Referenser 27

4 Inledning Transmissionskomponenter utgör ett betydande viktbidrag i många produkter. Denna typ av komponenter kännetecknas av höga krav på hållfasthet och är därför oftast utvecklade med känd teknik, i stål och med hjälp av traditionella stabila tillverkningsprocesser. Trots höga krav på hållfasthet och robusthet finns det goda möjligheter att konstruera lättare, välja vikteffektiva material och göra det valda materialet starkare. Denna rapport beskriver kortfattat vad man bör tänka på vid utveckling av lätta och vikteffektiva transmissionskomponenter. Rapporten är sammanställd av tekn. lic. Mats Werke med stöd av civilingenjörerna Jonas Holmberg, Hans Kristoffersen och tekn. dr Jan Skogsmo. Bakgrund Transmissionskomponenters kännetecknas av höga och jämna krav på hållfasthet, korrosions- och nötningsmotstånd mm. Denna klass av komponenter, vars funktion är att överföra kraft och moment, tillverkas ofta i stål och i stabila traditionella processer såsom smidning, maskinbearbetning, värmebehandling och mekanisk ytbehandling. Exempel på enskilda komponenter är axlar och kugghjul men transmissionskomponenter kan även ingå i system som kopplingar och växellådor etc. Transmissionskomponenter finns i varierande tillämpningar såsom handhållna verktyg, fordon, jordbruks- och skogsmaskiner men även i kraftverk, process- och gruvindustri, flyg och marin och försvarsutrustning. Bild 1: Transmissionskomponenter i varierande tillämpningar. 3

5 Transmissionskomponenter kan utgöra ett betydande viktbidrag i en produkt. En lastbil på ca 3.5 ton kan innehålla kg transmissionskomponenter där enbart vevaxeln kan väga över 100 Kg. Det finns därför stora möjligheter att reducera vikt genom att fokusera på denna typ av komponenter. Varför minimera vikten? Det finns olika drivkrafter för framtagning av lättare och vikteffektivare komponenter. De kommersiella drivkrafterna är relaterade till kundens behov och krav och den allmänna trenden i samhället är att konsumenterna väljer alltmer resurssnåla och miljöanpassade produkter. De specifika drivkrafterna kan variera beroende på produkt. För exempelvis handhållna produkter och verktyg kan kundens behov vara förbättrad ergonomi medan kravet på låg vikt i samband med personbilar oftast är kopplat till en önskan om att reducera bränsleförbrukningen och därmed bränslekostnaden. För lastbilar och bussar är behovet snarare att kunna lasta mer med befintlig vikt och vikteffektivitet är i vissa fall mer relevant än enbart låg vikt för dessa fordonskategorier. De industriella drivkrafterna är relaterade till industrins behov att tillverka konkurrenskraftiga produkter kostnadseffektivt och behålla och helst stärka företagets position på en global marknad. Lagar och direktiv blir allt vanligare och med ökad globalisering, och t ex överproduktion av bilar, blir det allt viktigare att öka produktens värde och ha möjligheter att tillgodose framtida miljökrav, både från myndigheter och från konsumenter. De ekologiska effekterna på minskad vikt hos fordon är relaterade till både bränsleförbrukning och utsläpp. Det är känt att en viktminskning i en bil på 10 kg kan minska bensinförbrukningen med 5 liter/1000 mil. Det bör noteras att förutom vikt finns det andra faktorer som kan bidra till lägre bränsleförbrukning. Exempelvis kan man genom mer utvecklad bearbetning förbättra verkningsgrad i kugg genom att producera bättre ytor och form, åtgärder som kan reducera bränsleförbrukning. En annan möjlighet är att göra komponenter starkare, ex genom härdning eller val av bättre materialkvalitet. Exempelvis har man i ett fall diskuterat möjligheter att öka trycket i förbränningen med ca 1 % genom att göra vevaxeln starkare, en åtgärd som förväntades reducera bränsleförbrukningen med ca 1 %. Det är även känt att den tunga biltrafiken bidrar i betydande omfattning till de samlade utsläppen av luftföroreningar och buller. Cirka 40 % av vägtrafikens utsläpp av kväveoxider och partiklar kommer från tunga fordon. De svarar också för cirka 23 % av vägtrafikens utsläpp av koldioxid. Sociala drivkrafter är behovet av tryggad sysselsättning som en följd av att svenska företag får en ökad konkurrenskraft på den globala marknaden och därmed har möjlighet att stanna kvar i Sverige. Nya tekniker, materialapplikationer och höjd kompetens är också förutsättningar för att nya företag ska kunna etableras och överleva. 4

6 Lättare eller vikteffektivare komponenter Trots de olika drivkrafterna för minskad vikt har exempelvis lastbilars vikt inte minskat utan snarare ökat. Däremot har lastbilar blivit mer vikteffektiva. Varje minskat kilo för en lastbil gör att den kan lasta mer och som exempel har Scania med hjälp av Taguchi s förlustfunktion uppskattat samhällets kostnader till minst 6 miljoner kr/kg onödig vikt för en lastbil under dess livslängd. Ett annat exempel är Mercedes där man att för sin stora S-klass coupe värderar viktsbesparingar till 200 kr/kg per bil. Industrins behov och intresse av vikteffektivitet avseende transmissionskomponenter åskådliggörs här med två exempel, utveckling av växellåda för lastbilar (exempel från Scania) samt utvecklingen för motorsågar för yrkesbruk (exempel från Husqvarna). Utveckling Scania växellåda: 1969: moment =1250Nm, livslängd = ca mil, vikt=300kg 2003: moment=2700nm, livslängd = ca mil, vikt=320kg Tabell 1 Historisk utveckling i vikteffektivitet för motorsågar. Ref. Husqvarna Momentuttaget från växellådan har fördubblats under 30 års utveckling. Värt att notera är att vikten inte har reducerats, tvärtom är den konstant eller till och med ökat. Även för motorsågarna har vikteffektiviteten ökat. Hur minimera vikten? Dagens transmissionskomponenter är i hög grad optimerade avseende prestanda och kostnad. Som tidigare nämnts utgår man ofta från de erfarenheter vad gäller konstruktion, produktion och materialval som historiskt gett väl fungerande och kostnadseffektiva komponenter. Om man kan bryta dessa mönster och förutsättningslöst studerar alternativa konstruktionskoncept finns goda möjligheter att utveckla lättare och vikteffektivare komponenter. Konstruktören bör tänka på följande i konstruktionsarbetet. 5

7 Konstruera lättare Välja vikteffektivare material Göra det valda materialet starkare. Konstruera lättare Konstruera metodiskt En systematisk arbetsmetodik för utveckling, bedömning och jämförelse mellan olika konstruktionskoncept underlättar möjligheter att utveckla lätta och vikteffektiva komponenter. Följande moment bör ingå [1]: Upprätta egenskapsspecifikation med utgångspunkt från marknadsinformation, produktplanering och företagsstrategi etc. Denna specifikation kan ha olika grad av konkretion men utgör primärt en tolkning av kundens syn på produkten. Upprätta teknisk specifikation med utgångspunkt från egenskapsspecifikationen. Denna ska utgöra en översättning av kundparametrar till tekniska parametrar. Om kunden säger hjulupphängningen ska tåla mil på gropig väg kan detta specificeras till detaljerade krav på t ex utmattningshållfasthet, bärförmåga, korrosionsskydd etc. Inventera vilka möjligheter som finns för att tillfredsställa de uppställda kraven och identifiera kombinationer av materialval, tillverkningssekvenser och geometrisk design. Genomförbarhetsstudien resulterar i ett antal tekniskt möjliga konceptförslag. Analysera konceptförslagen systematiskt och välja ut det mest lovande. Pugh s konceptvalsmatris [2] är en metod för systematisk utvärdering och förklaras enligt exemplet i tabell 2 där olika koncept på drivaxlar jämförs. Egenskaperna som ska bedömas listas tillsammans med viktfaktorer i matrisens rader. Något konstruktionskoncept, t ex en känd lösning (A0) väljs som referens. Koncepten A1 till A3 jämförs punkt för punkt med referensen och bedöms vara bättre (+), sämre (-) eller samma (S). Antalet plus och minus adderas efter multiplikation med viktfaktorerna och koncepten kan sedan rankas. I exemplet är viktfaktorn högt prioriterad (viktfaktor 9) och A1 bedömdes vara det bästa konceptet. Det valda konceptet kan sedan ansättas till ny referens för fortsatt värdering mot nya koncept. 6

8 Tabell 2: Pugh s konceptvals matris för analys av koncept för drivaxel. Minska material Kostnaden har stort inflytande på val av koncept. För många produkter utgör materialkostnaden en stor del av totalkostnaden och många andra kostnadsfaktorer, t ex transport, hantering, uppsättning, maskinkapacitet osv. har någon slags relation till materialmängden. Det finns därför en viss logik i att välja materialkostnaden som utgångspunkt för kostnadsuppskattningar. Typiskt utgör materialkostnaden % av den totala kostnaden men för enkla, massproducerade artiklar kan materialkostnaden utgöra upp till 60 % av den totala kostnaden [1]. Materialkostnaden för transmissionskomponenter är dock relativt sätt lägre då denna typ av komponenter genomgår flera tillverkningssteg såsom smidning, värmebehandling, bearbetning, slipning och kulbombning etc. Sammantaget ger detta ger ett ganska klart budskap till konstruktören, nämligen minska materialet och välj enkla, lätt tillgängliga och standardiserade material. Ett naturligt sätt att minska material är att göra lågt belastade sektioner tunnare eller konstruera olika former av lätthål. Lätthål och variationer i tvärsnitt kan dock innebära hållfasthetsmässiga risker, speciellt om smidestågan bryts eller om radier i hål eller vid sektionsövergångar görs för små vilket kan innebära risk för brottanvisningar eller anvisningar för härdsprickor. Man bör även beakta att exempelvis värmebehandling alltid introducerar restspänningar och restdeformationer, beroende på termiska töjningar och materialets volymförändringar vid fasomvandling. 7

9 Bild 2 Exempel på lätthål i kugghjul och drev. Formförändringar efter värmebehandling kan delas upp i symmetriska och/eller asymmetriska. De symmetriska kan, lite förenklat, sägas ha sin uppkomst i den volymförändring i materialet som sker vid härdning t ex längdförändring hos en axel eller diameterökning hos en cylinder. Den asymmetriska formförändringen beror ofta på att termiska töjningar under t ex kylning sker olikformigt vilket ger upphov till plastisk och kvarstående deformation. Typiska exempel på detta är skevhet, ovalitet och krokighet. Introduktion av t ex. lätthål och sektionsvariationer hos en befintlig och utprovad konstruktion kommer därför att efter värmebehandling ge en annan form än vad den ursprungliga hade. Anledningen till detta är att materialets volymförändring ändras både beroende på att fasomvandlingarna sker med ett nytt förlopp och att även det termiska töjningsskeendet förändras eftersom temperaturförloppet blir ett annat i de områden där geometrin justerats. Ett exempel på detta visas i bild 3 där man genom introduktion av fästhål erhöll orundhet efter sätthärdning. Bilden visar lokal avvikelse från cirkulär form pga. fästhålen. Bild 3 Formförändring som uppstått efter värmebehandling pga av fästhål. 8

10 Kugghjul är i detta sammanhang känsligt eftersom själva kuggeometrin kan påverkas även om den geometriska förändringen gjorts relativt långt från själva kuggområdet. En förändrad kuggeometri kan påverka verkningsgrad, ljudnivå och prestanda såsom t.ex. utmattningshållfasthet och slitage motstånd. Det finns dock goda möjligheter att med hjälp av Finita Element Metoden (FEM) studera hur formen förändras globalt t ex längd- och diameterförändringar, dvs. symmetriska förändringar, och lokalt i själva kuggen. Detta är dock relativt komplicerade beräkningar som kräver god processkännedom och tillgång till relevanta materialdata. Med tillgång till detta är det dock möjligt att genom kombination av beräkningar och praktisk provning optimera geometri med avseende på vikt, prestanda och minska risken för försvagningar. En möjlighet som ibland utnyttjas är att utföra axlar med genomgående axiella hål istället för att ha dem i solid form. Möjligheterna att lyckas med en sådan viktminskning och ändå bibehålla hållfastheten beror på val av värmebehandlingsmetod och material. Materialvalet avgör vilka härddjup som går att uppnå vilket bland annat styrs av den kemiska sammansättningen. Man bör även ha en bra specifikation angående erforderlig ythårdhet och härddjup. En riktlinje för solida axlar utsatta för belastning i roterande böj eller torsion är att maximal hållfasthet uppnås genom att ansätta härddjupet till halva axelns radie. Detta uppnås vanligtvis genom induktionshärdning. Det kan även noteras att för en rak, axel som utsätts för torsion eller roterande böjning gäller att den har noll spänning i centrum varefter spänningen ökar linjärt till maximal nivå på ytan. Som nämnts ovan används ofta induktionshärdning för axlar. Denna metod gör det möjligt att styra hållfasthetsprofilen, dvs. härddjupet, genom korrekt val av processparametrar och materialval. Dessutom erhålls restspänningar, som om värmebehandlingen är rätt utförd, ger förbättrade utmattningsprestanda eftersom restspänningarna i ytskiktet är kompressiva och därmed ger lägre total belastning i ytan. Införandet av en axiell hålighet i en axel kommer att påverka magnituden på dessa tryckspänningar och test har visat att prestanda kan försämras för en hålad axel jämfört med solid dito trots att det ur materialets hållfasthetssynpunkt bör vara likvärdiga. Förklaringen till detta ligger i förändrat restspänningstillstånd. Används däremot genomhärdning kan en hålad axel vara bättre än en solid. Det bör även noteras att ett alternativ till viktminskning genom att göra en axel ihålig kan vara att i stället fokusera på förbättrad vikteffektivitet och förbättra hållfastheten på befintlig solid axel med hjälp av någon form av ythärdning. Utöver hållfasthetsmässiga följder bör man även i konstruktionsarbetet ta hänsyn till kostnadsmässiga effekter såsom materialspill ökade bearbetningstider och behovet av efterbearbetning såsom t ex extra slipning som krävs för att justera för nya typer av formförändringar. Optimera tillverkningens effekt på slutegenskaperna Tillverkningen har stora effekter på komponentens egenskaper och påverkar exempelvis restspänningar, hårdhet och ytstruktur. Optimerade formnings- och efterbehandlings operationer kan minska risken för haveri och därmed minska behovet av höga säkerhetsfaktorer. Detta kan minska dimensioner och därmed vikt. Nedan följer några exempel på vad konstruktören kan ta hänsyn till. 9

11 Smidning och positionering av kärnmaterialet: Kärnmaterialet har sämre egenskaper än övrigt material. Om kärnmaterialet kommer för nära oljehål, lastutsatta geometrier eller härdzoner på komponenten kan hållfastheten minskas. Denna risk finns speciellt vid smidning av komplicerade former som t ex vevaxlar. Detta kan undvikas genom att optimera formningsoperationerna med hjälp av exempelvis simulering. Bild 4 Simulering av kärnmaterialets position efter smidning av vevaxel. Smidning och placering av delningsplan för smidesverktygen: Vid smidningen kryper artikelns restmaterial (skägget) ut mellan delningsplanen. Detta klipps sedan bort vilket innebär att smidestågan bryts vilket får som följd att hållfastheten reduceras i denna del av artikeln. Konstruktören bör därför undvika att lägga delningsplanen i belastningsutsatta zoner på komponenten. Smidning, duktilitet och tågan: Typiska egenskaper efter smidning är den sk smidestågan som innebär att komponentens egenskaper såsom slagseghet och utmattningshållfasthet varierar i olika riktningar. Smidestågan är ett linjeformat mönster som beror på segringar och ickemetalliska inneslutningar. Segringar består av en bandad struktur med växelvis legeringsfattiga och legeringsrika områden. Bild 5 Visualisering av smidestågan. Ref. [3]. Även komponentens duktilitet (förmåga att deformeras plastiskt) påverkas vid smidningen. En god uppfattning om duktilitet och smideståga skapar förutsättningar för optimal dimensionering. För mer information om egenskaper efter sänksmidning hänvisas till [3]. 10

12 Bild 6 Simulering av deformationsgraden med hjälp av rutnät. Smidning och blästring: Komponenten utsätts ofta för glödskalsrensning efter smidningen med hjälp av blästring. Denna operation kan även introducera tryckspänningar och förhöjd hårdhet vilket är positivt ur utmattningssynpunkt. Även ytstrukturen påverkas och den skrovliga ytan kan ge upphov till spänningskoncentrationer vilket är negativt för utmattningshållfastheten. En god uppfattning om hur blästringen påverkar egenskaperna är en förutsättning för optimal konstruktion och ytintegriteten kan kvantifieras genom exempelvis mätning av restspänning, hårdhet och ytråhet. Riktning: I många fall måste komponenten riktas pga. att komponenten tappar i rakhet efter olika typer av värmebehandlingsoperationer. Speciellt kallriktning påverkar restspänningstillståndet och det är viktigt att tidigt undersöka om det finns risk för kritiska dragspänningar efter riktningsoperationer. Bild 7 Kallriktning av en pinjong efter värmebehandling. Ref. Scania CV. Komponentens ytfinhet samt restspänningar och hårdhet under ytan har stor betydelse för utmattningshållfastheten. I allmänhet utförs provning av utmattningshållfastheten med polerade provstavar. I en verklig konstruktion är ytan dock sällan polerad utan snarare valsad, smidd, fräst, svarvad, värmebehandlad, kulbombad etc. Även vissa typer av ytbeläggning såsom varmförzinkning och förkromning påverkar ytegenskaperna. Utmattningsdata från provstavar bör därför justeras med korrektionsfaktorer som beror på tillverkningsoperationerna. För hantering av korrektionsfaktorer vid utmattningsberäkningar hänvisas till ref. [4]. 11

13 Bild 8: Korrigering av utmattningsdata för tillverkningsoperationer. Ref. [4]. Det finns idag möjligheter att med hjälp av FEM simulera hur tillverkningsprocesser som smidning, värmebehandling och skärande bearbetning påverkar exempelvis restspänningar och hårdhet. Speciellt de ackumulerade egenskaperna efter en tillverkningssekvens är viktiga och det är möjligt att simulera egenskaper efter tillverkningssekvenser, se ref. [5]. Bilden nedan beskriver en ansats till sekventiell simulering av slutegenskaperna hos pinjongen i bakaxelväxeln till en lastbil. Sekvensen består av smidning, svalning, etappglödgning, svarvning, sätthärdning och riktning. Det bör dock observeras att metoder och modeller för simulering fortfarande är behäftade med en del brister och att verktygen i första hand bör användas som stöd för kvalitativa jämförelser mellan olika tillverkningsalternativ och som komplement till praktisk produktionserfarenhet och provning. Bild 9 Simulering av ackumulerade egenskaper efter en tillverkningssekvens. 12

14 Konstruera robust Genom att minimera variationer i material- och processparametrar och dess effekt på komponentens egenskaper kan man tillverka robusta komponenter. Detta kan minska behovet av höga säkerhetsfaktorer och därmed minska dimensioner. Materialet kan ha variationer i kemisk sammansättning, segringar och inneslutningar mellan olika batchar. Processerna kan inducera variationer i egenskaperna och exempelvis kan kyleffekten vid värmebehandling variera beroende på detaljens placering på kylpaletten etc. Bild 10 Artikelns placering på kylpaletten kan påverka kyleffekten och därmed egenskaperna. Ref. Scania CV. Variation Mode and Effect Analysis (VMEA), se ref [6], är en metod som konstruktion/beredning kan ha nytta av för analys av variationer och dess effekt på egenskaper. Till skillnad från Failure Mode and Effect Analysis (FMEA), som är en etablerad metod som fokuserar på regelrätta fel, så är VMEA inriktat på att uppskatta effekten av variation i exempelvis produktionsprocesser. VMEA hjälper användaren att bättre förstå vad variationen får för effekt på viktiga produktkaraktäristika och gör det möjligt att i ett tidigt skede motverka detta. Tillvägagångssättet kan i grova drag beskrivas enligt följande: Övergripande produktkarakteristika, Key Product Karakteristic ( KPC), bryts ned i underkomponenter, Sub-Key Product Karakteristic (SUP-KPC). Därefter identifieras vilka brusfaktorer (NF) som kan påverka respektive Sub-KPC. Därefter uppskattas hur mycket NF varierar och påverkar respektive Sub- KPC samt hur mycket respektive Sub-KPC påverkar KPC. Resultatet sammanställs och analyseras. Bild 11 VMEA för analys av variationer. 13

15 Förenkla på systemnivå Om man i ett tidigt designskede lyfter fokuset från komponenten och studerar hela systemet kan man vinna mycket och till exempel utveckla komponenter som fyller flera funktioner. Välja vikteffektivare material Välj material metodiskt En framgångsrik produkt med goda egenskaper i förhållande till kravspecifikationen kräver ett noggrant och genomtänkt materialval. Vid utveckling av vikteffektiva komponenter är det därför naturligt att studera möjligheter med olika typer av lättviktsmaterial. M. F. Ashby har utvecklat en metod där man studerar olika egenskaper såsom E-modul, värmeledning, egenfrekvens, brottseghet, sträck- och brottspänning som funktion av materialets densitet, se ref. [7]. Dessa förhållanden kan läggas in i diagram och man kan, med stöd av vikttal, jämföra olika material. Vikttalen kan ritas ut som raka linjer i det logaritmiska diagrammet där egenskaperna längs linjen är jämförbara. Man kan exempelvis rita ut linjer för olika belastningsfall och diagrammet nedan beskriver jämförelser av material för drivaxlar. Diagrammet beskriver jämförbara material för val av bästa material och bästa metall för nyckeltalet hållfasthet/densitet. Det bör observeras att även kostnads- och konstruktionsaspekt måste vägas in tillsammans med vikttal för andra egenskaper som är viktiga. Bild 11 Ashby s metod för val av material till en drivaxel. Material som är avsedda för konstruktion kan primärt delas in i huvudklasserna metaller, keramer, polymerer, glas, elastomerer och hybridmaterial där det sistnämnda består av två eller flera material från de övriga klasserna. 14

16 Medlemmarna i varje familj har likartade egenskaper, genomgår likartade tillverknings moment och ingår ofta i likartade applikationer. Metaller kan delas in i låghållfasta, medelhållfasta, höghållfasta och ultrahöghållfasta. För en given basmetall kan hållfastheten variera avsevärt beroende på sammansättningen av legeringsämnen. Ju högre legeringshalt desto högre hållfasthet. De låghållfasta metallerna (σ s <200 MPa) är i allmänhet olegerade, lätta att bearbeta och väljs primärt för andra egenskaper än sin styrka. De flesta metaller måste legeras för att tillhöra den medelhållfasta kategorin (σ s = MPa). Till de höghållfasta legeringarna (σ s <1500 MPa) hör framför allt allmänna konstruktionsstål, seghärdnings- och sätthärdningsstål. I kategorin ultrahöghållfasta stål hamnar stål som utvecklats för speciella ändamål där kraven på hållfasthet är mycket höga. Hit hör många verktygsstål samt snabbstål (σ s ~3000 MPa). En nackdel med dessa stål är att de är svåra att bearbeta med skärande verktyg efter härdning. Tabellen nedan ger riktvärden på densitet, E-modul och hållfasthet för några olika konstruktionsmaterial avsedda för lättvikt. Tabell 3 Typiska egenskaper för några konstruktions material Material Typ ρ (Kg/dm 3 ) E (GPa) σs (MPA) aluminium olegerat Stål, Låghållfast Aluminium leg. ej härdbart Stål, Medelhållfast Aluminium leg. härdbart Stål, Medelhållfast Sinterstål Stål Titan leg. Stål, Höghållfast Seghärdningsstål Stål, Höghållfast Sätthärdningsstål, kärna Stål, Höghållfast E-glas Hybridmaterial, Komposit (σ B ) 1020 Grafit (Höghållfast) Komposit (σ B ) 1240 Aramid (Kevlar 49) Komposit (σ B ) 1380 Aluminium Aluminium karakteriseras av låg densitet, korrosionsbeständighet, god bearbetbarhet och hög ledningsförmåga för elektricitet och värme. Ren aluminium är lätt att bearbeta och hållfastheten kan ökas genom tillsats av legeringsämnen och genom kallbearbetning. God formbarhet gör att aluminium med fördel kan kallformas, men även varmsmidning är vanligt. Vid varmsmidning gjuts komponenten till nästan färdig form och smids sedan till slutlig form varefter den värmebehandlas. Genom varmsmidning ökas hållfastheten genom att porerna trycks ihop. Hållfastheten ökas ytterligare genom den efterföljande värmebehandlingen. Det är mindre vanligt med transmissionskomponenter i aluminium och typiska komponenter är hjulupphängning, styrstag och länkarmar, lättmetallfälgar etc. Aluminium levereras i varm- och kallvalsad plåt och band. Profil, stång och rör tillverkas genom strängpressning. 15

17 Bild 12 Vevstake i smidd aluminium. Ref. Ohio Crankshaft. Sinterstål Sintring är en metod som bygger på att ett järnpulver framställs med specifika egenskaper varpå pulvret kompakteras i en pressoperation. Pressoperationen skapar en förtätning i materialet och får därigenom sina förutbestämda konturer där detaljen i detta tillstånd kallas för en grön kropp. Det använda presstrycket styr direkt densiteten i grönkroppen där vanliga presstryck ligger i intervallet MPa. Efter pressoperationen placeras detaljerna på ett transportband och förs in i sinterugnen. Där utsätts de för hög temperatur och partiklarna binds ihop med adhesion. Sintrade material kännetecknas av hög porositet och låg densitet. Hållfasthetsegenskaperna kan förbättras med kompaktering vilket resulterar i en tätare och därmed hållfastare detalj med mindre porer. Med hjälp av sk High Velocity Compaction (HVC) kan man uppnå densiteter på kg/dm 3 som är jämförbart med vanligt stål enligt ref [8]. Det är möjligt att skräddarsy materialet med olika nivåer av porositet i olika sektioner vilket kan säkerhetsställa erforderlig hållfasthet i utsatta områden på komponenten. Fördelar med komponenter i sinterstål är att de är billiga att tillverka, de kan göras i komplexa geometrier och de kan tillverkas till slutlig form, sk near net shape formning. Det går att finna exempel på transmissionskomponenter i sinterstål för applikationer så som synkroniserings nav/ringar, växelspak för manuella växellådor samt planetväxelbärare för automatiska transmissioner. I detta sammanhang kan nämnas att Höganäs har utvecklat en prototypbil som drivs av sintrade motor och transmissionskomponenter. Även för mer finmekaniska produkter som handverktyg har sinterstål använts. I exemplet nedan återfinns kugghjul till en gräsklippare och skruvdragare samt kugghjulsegment till en kontorsmaskin. 16

18 Bild 13 Transmissionskomponenter i sinterstål där A.) Kugghjul till gräsklippare, B.) Kugghjulssegment till kontorsmaskin, C.) Kugghjul till handhållen skruvdragare, D.) Synkroniseringsenhet innehållande synkhub, hylsa, kopplingskugghjul, och synkroniseringsring, E.) Dubbelkugghjul. Ref. Höganäs. Höghållfasta stål En möjlig väg för att uppnå mera viktseffektiv prestanda i högpåkända transmissionskomponenter kan vara att ersätta konventionella låglegerade segoch sätthärdningsstål med nya ståltyper. Exempel på intressanta möjligheter är vidareutvecklade konventionella stålsorter för t ex sätthärdning. Här finns stål som medger bättre ytegenskaper efter sätthärdning pga. minskad s.k. randoxidation. Andra intressanta möjligheter som finns är att använda sig av renare stål, dvs stål med mindre inslag av slagger och inneslutningar, i kombination med processer som ger höga tryckspänningar i ytskiktet. Detta eftersom att initiering av utmattningssprickor vid höga materialhållfastheter, dvs. höga hårdheter styrs bl a av mängden och storleken på inneslutningarna. Andra möjligheter består i t ex en ökad användning av s.k. verktygsstål för transmissionskomponenter. Dessa stål är i regel dyrare räknat per kilo men har å andra sidan unika egenskaper avseende t ex slitageegenskaper och kan dessutom göras mycket rena. Det finns även möjligheter att i en komponent kombinera högpresterande stål i områden med höga krav på hållfasthet med andra material i områden med låga krav på hållfasthet. Detta kan reducera materialkostnad men öka tillverkningskostnaden. Vid viktsreducering måste följaktligen konsekvenser för den totala kostnadsbilden beaktas. Detta är en grannlaga uppgift som kräver detaljerad kännedom om varje ny artikels utformning, materialval, tänkta väg i produktionsflödet samt driftsförhållanden. En generell aspekt är att man i många fall har möjlighet att öka prestandan genom att se över sina val material i specifika komponenter. En justering av materialet kan innebära att man får mer gynnsamma ythårdheter, härddjup eller 17

19 restspänningar med endast marginella justeringar i processen. Detta kan i och för sig innebära att man får fler stålsorter att hantera inom företaget vilket kan betyda ökade logistikkostnader men, återigen, detta måste vägas mot den totala kostnadsbilden. Titan Titan är ett relativt dyrt höghållfast stål med förhållandevis låg densitet. Även olegerad ren titan är synnerligen korrosionsbeständigt med goda hållfasthetsegenskaper vid såväl låga som höga temperaturer. Med legeringar förbättras korrosionsbeständighet och hållfasthet. Titan och titanlegeringar är kommersiellt tillgängliga i form av kall- och varmbearbetad plåt, band, stång, rör och tråd. Gjutgods förekommer men är ovanligt. Ren titan är lättare att smida än titanlegeringar. Detta gäller även skärbarhet och svetsbarhet som båda är förhållandevis goda. Titan och dess legeringar används bland annat i flygplan, flygmotorer och i rymdsammanhang. Typiska titan komponenter i flygmotorer är fläkt och kompressorstrukturer samt rotorer till kompressorer. Bild 14 Titankomponenter i flygmotorer. Ref. Volvo Aero Corporation. Hybridmaterial Hybridmaterial består av kombinationer av två eller flera material. De kombinerar de bästa egenskaperna från de andra materialfamiljerna. Denna kategori består av kompositer, sandwich strukturer, gitter strukturer (lattice), skum, och laminat m. fl. De vanligaste hybridmaterialen i konstruktionssammanhang är fiberförstärkta kompositer. Polymera fiberkompositer är sammansatta material med förstärkande fibrer typ glas, aramid (kevlar) eller kolfibrer i en polymer matris bestående av epoxi, vinylester eller polyester. Armerade polymerers egenskaper bestäms vid tillverkningen och genom att orientera armeringen i den riktning som spänningarna är störst, kan man få optimala egenskaper. Andra faktorer som påverkar utmattningshållfastheten är bindningen mellan armering och matris samt förekomsten av defekter, sprickor och hålighet. Aktuell process för tillverkning av axlar i komposit är fiberlindning där impregnerade fiber lindas på ett roterande verktyg. Efter härdningen avlägsnas verktyget och produkten är färdig för vidare 18

20 bearbetning. Även flätning kan komma till användning och kompositaxlar med starkt varierande diameter kan tillverkas med flätning av förform samt efterföljande impregnering med flytande harts. Båda metoderna ger möjlighet att optimera läggningsvinklar av förstärkningsfibrerna så att maximal styrka kan uppnås med minimal vikt. Med kolfiberkomposit är det möjligt att reducera vikten för själva axeln med upp mot 50 % i jämförelse med konventionellt stål. Med infästningar och andra kraftöverföringskomponenter i anslutning till axeln kan vikten totalt reduceras med %. Vid axlar där viktsbesparing är viktig används nästan uteslutande kolfibrer, medan glasfiber knappast kan hävda sig med stål i detta avseende. Ett exempel är drivaxlar i fartyg, se bilden nedan, där man uppnått stor viktsreducering jämfört med konventionella stålaxlar. Bild 15 Drivaxlar i komposit material med limmade metall ändstycken. Ref. ACAB. Med compound material avses här material som har olika egenskaper i olika delar av komponenten. Det kan röra sig om tekniker där t ex ett hårdare skal understöds av en mjukare kärna, t ex en kuggkrans i sinterstål med en kärna bestående av aluminium. Andra exempel är att man skapar en ihålig kärna som man sedan fyller med lättare material. Detta sker idag för handtags detaljer i plast hos Husqvarna där den ihåliga kärnan fylls med ett skummande material eller en gas för att göra produkten så lätt som möjligt. Sinterstål är ett möjligt compund material där man kan designa sitt material, exempelvis genom infiltration av legeringsämnen såsom koppar, så att man får olika egenskaper i olika delar. Man kan även kompaktera materialet och exempelvis göra ytan tätare och hårdare genom rullpolering. För compound material är återvinningsbarheten en viktig fråga ur miljösynpunkt. Göra det valda materialet starkare Haverier i komponenter förorsakas oftast av någon form av skada, spricka eller anvisning i ytskiktet där negativa dragspänningar gör att skadan växer och till slut orsakar haveri. Dragspänningar i en detalj kan uppkomma bland annat på grund av dynamiska belastningar i drift (ex. böjning, vridning) eller under tillverknings processen (ex. maskinbearbetning, slipning och svetsning). Dessa kan motverkas genom värmebehandling, hårdbearbetning och mekanisk ytpåverkan. 19

21 Bild 16 Effekter av hållfasthetshöjande värme- och ytbehandlingsmetoder. Värmebehandling Flera av materialen som beskrivits ovan kan värmebehandlas för att ge ökad hållfasthet, t ex titan och aluminium. Man använder sig då av speciella legeringar. En vanlig härdningsmetod är sk utskiljningshärdning vilken består av upplösningsbehandling där materialet värms upp, kylning och efterföljande åldring där materialet värms upp till en lägre temperatur. Sinterstål innehållande en viss kolhalt kan också härdas med de flesta av de härdningsmetoder som beskrivs nedan. Stål är det vanligaste konstruktionsmaterialet för transmissionskomponenter och är unikt så tillvida att det genom värmebehandling är möjligt att påverka dess hållfasthet inom mycket vida gränser. Genom att värmebehandla materialet kan man gå från en låg hållfasthet på MPa till MPa. Det finns en rad olika värmebehandlingsmetoder enligt bilden nedan. De hårdgörande metoderna, dvs. olika typer av härdningsmetoder, diskuteras fortsättningvis. 20

22 Bild 17 Hårdgörande värmebehandlingsmetoder. För transmissionskomponenter är det främst de termokemiska processerna, framförallt sätthärdning, och de termiska processerna induktionshärdning och i viss mån neutralhärdning (genomhärdning) som är aktuella. Induktions- och sätthärdning är också typiska ythärdningsmetoder och är därför speciellt lämpliga för transmissionskomponenter eftersom de kombinerar egenskaperna bra slitagemotstånd, hög ythållfasthet, seg kärna och tryckrestspänningar i det härdade skiktet. Med termokemisk process, t ex sätthärdning, avses en process där de komponenter som skall härdas placeras i en ugn vid ºC med en kemisk atmosfär innehållande bl a kol som diffunderar in i ytskiktet. Efter kylning erhålls pga den förhöjda kolhalten en hög ythårdhet, ca HV, som avtar med sjunkande kolhalt. Normalt används stål med kolhalter mellan % vid sätthärdning vilket ger en hårdhet på ca HV. Principen vid nitrering är samma som vid sätthärdning men i detta fallet är det kväve som är den aktiva kemiska beståndsdelen. Eftersom nitrering utförs vid lägre temperaturer får nitrerade produkter i regel en lägre grad av formförändring än sätthärdade. Hårdhet i yta och kärna efter olika typer av nitrering är starkt avhängigt valet av material och processparametrar. Induktionshärdning, som normalt används för medelkolhaltiga stål med ca 0,4% C, är en rent termisk process. Denna sker genom att utnyttja effekten av att högfrekventa strömmar genom en speciellt utformad sk induktionsspole ger en ytvärmningseffekt hos en elektriskt ledande metall som placerats inuti induktionsspolen. Eftersom materialet redan har tillräckligt hög kolhalt kommer det område som överstigit ca 800 ºC att bli hårt. Typiska hårdheter vid induktionshärdning är HV om det kyls tillräckligt snabbt efter avslutad värmning. Vilken kylning som krävs beror av valet av material, godstjocklek och hur djupt värmen trängt in. Kärnhårdheten efter induktionshärdning påverkas i 21

23 regel inte eller möjligen bara marginellt efter induktionshärdning och är således den samma som för det ingående materialet vilket gör att stålvalet och dess sk värmebehandlingstillstånd ger kärnhårdheten. I tabell 4 sammanfattas de egenskaper som fås efter värmebehandling med respektive process och som är relevanta för transmissionskomponenter. Dock kommer givetvis materialvalet och för vissa processer även konstruktiv utformning att i hög grad påverka i varje enskilt fall. Tabell 4 Sammanfattning av egenskaper efter värmebehandling Härdningsmetod Ythårdhet (HRC) Härddjup (mm) Kompressiva restspänningar Slitagemotstånd Risk för Formförändringar Sätthärdning ,1-2 måttliga + Stora Nitrerprocesser 60-70* 0,1-0,5 höga ++ Mycket små Induktionshärdning ,5 och uppåt Neutralhärdning Genomhärdning höga + Små Inga +** Stora * De högsta hårdheterna bara i det allra yttersta skiktet ** Starkt beroende av stålval. Exempelvis kan neutralhärdade verktygsstål erhålla mycket goda slitageegenskaper Det finns dessutom en mängd speciella varianter som kan ge unika egenskaper. En intressant teknik är konturhärdning av kugghjul med induktion där värmningen sker i två steg eller med multifrekvensteknik. Denna teknik kan skapa mycket höga tryckspänningar i ytan. Här är beräkningshjälpmedel en intressant möjlighet för att optimera processen. Det finns också exempel där man kombinerat värmebehandlingsprocesser t ex en avslutande induktionshärdning efter nitrering/nitrokarburering eller sätthärdning vilket gett mycket goda utmattningsegenskaper. En annan tämligen etablerad teknik inom fordonsindustrin för ökad utmattningshållfasthet på kugghjul är shotpeening efter sätthärdning. Denna metod kan ge mycket höga tryckrestspänningar, dels beroende på plastisk deformation och dels beroende på omvandling av den sk restausteniten som fås i ytskiktet vid sätthärdning, vilket resulterar i ökad utmattningshållfasthet, se nedan. En intressant möjlighet för ökad prestanda som dock är förknippad med vissa risker är att utesluta delar av värmebehandlingsprocessen. Normalt sett och av historiska skäl görs en s.k. anlöpning vid låg temperatur efter t ex sätthärdning och induktionshärdning. Denna delprocess görs för att ge materialet något duktilare egenskaper. I många fall ger denna operation, beroende på lastfall, material och process, dock en sänkning av utmattningshållfastheten och det kan finnas skäl att diskutera nödvändigheten av anlöpning. Att utesluta anlöpning kan vara riskfyllt och skall inte införas utan omfattande provning. Det kan däremot mycket väl tänkas att anlöpning vid lägre temperaturer än de som används idag 22

24 skulle kunna ge tillräcklig duktilitetsförbättring kombinerat med en förbättrad utmattningshållfasthet jämfört med konventionell anlöpning. Avverkande hårdbearbetning Rätt utförd svarvning eller slipning av härdade komponenter ger restspänningsprofiler som är gynnsamma ur utmattningssynpunkt. Det finns en mängd exempel på hur t ex hårdsvarvning med sk CBN-skär (kubisk bornitrid) med lämpligt valda skärgeometrier, skärhastigheter och matningar ger tryckspänningar i ytan på en bearbetad komponent. I bild 18 visas effekten av hårdsvarvning av en genomhärdad komponent [9]. I detta fallet var materialet ett PM-stål (pulverbaserad metall) med en ythårdhet på ca 60 HRC. Liknande effekter fås även vid bearbetning av detaljer som är t ex sätt- eller induktionshärdade. Även vid slipning kan motsvarande effekter erhållas med korrekt ansatta processparametrar (typ av slipskiva, matning och skärhastigheter). Det skall även påpekas att motsatt effekt dvs dragspänningar också kan erhållas om fel processparametrar väljs och här är t ex konditionen hos skäret eller slipskivan också viktiga faktorer att bevaka. Exempelvis är s.k. slipbränningar dvs. omhärdningar eller kraftiga anlöpningar beroende på lokal överhettning av materialet i ingreppsområdet, ett resultat av felaktigt valda processparametrar eller slitna verktyg. Bild 18 Restspänningsprofiler hos härdat PM-stål före (unmach) och efter hårdsvarvning. Vc anger spänningar i skärhastighetsriktning dvs i tangentiell riktning och f i matningsriktning dvs axiell riktning. Mekanisk ytpåverkan Med hjälp av kulbombning (Shot peening) introduceras tryckspänningar i ytan vilket motverkar de negativa dragspänningar som uppkommer vid belastning. Tryckspänningar i ytskiktet byggs upp genom att bombardera ytan med små kulor ( mm) av stål. Glaspärlor kan också förekomma. Kulorna skjuts iväg genom ett munstycke med hjälp av tryckluft. Processerna ökar hållfastheten på 23

25 ytan, dels genom introduktion av tryckspänningar, dels genom att kalldeformationen ökar hårdheten och dels genom reduktion av mikrosprickor. Bild 19 Effekter av Shot peening. Denna typ av kallbearbetning kan höja hållfastheten med mer än 30 % och de är effektiva framför allt på material med hög hållfasthet, se ref. [1]. Vanliga tillämpningar är kuggbottnar i drev till växellådor, splines på axlar till bilar och lastbilar, radie övergångar i cylindrar till bergborrutrustningar, skovel infästningar i kompressorskivor till flyg och gasturbinindustrin men metoden är tillämpningsbar inom alla branscher och på alla metalliska material som utsätts för stora dynamiska laster. Dubbelshotpeening (DSP) är en förfinad typ av kulbombning. Som namnet antyder sker denna behandling i två steg med olika intensitet. Detta ger möjlighet att skräddarsy egenskaper dvs resulterande hårdhetshöjning och restspänningsnivåer för den typ av belastning som komponenten utsätts för. Typiska komponenter som passar för denna process är sätthärdade kugghjul. Tryckrullning är en annan metod som introducerar tryckspänningar, kallhårdnande och trycker ihop mikrosprickor. En sfärisk kula trycks mot ytan som ska behandlas. Operationen kan göras efter svarvning i samma maskin eller i en annan maskin. Tryckrullning kan användas för att stärka komponenten vid exempelvis lastutsatta radier. Bild 20 Principskiss för tryckrullning. Kombinera metoder Genom att kombinera material, processer och konstruktionslösningar på nya sätt skulle transmissionskomponenter kunna ges en lägre vikt till bibehållen eller lägre kostnad och till högre eller samma prestanda. Flera exempel på sådana lösningar 24

26 har redovisats ovan. Nya stål, t ex verktygsstål och lufthärdande stål som idag inte används i någon större utsträckning för transmissionskomponenter, utvecklas och kan ge ökade hållfasthetsegenskaper och längre livslängd hos komponenterna. Ytterligare förbättringar kan fås med en optimerade värmebehandlingsprocesser för de enskilda delarna innan sammansättning görs. Något som dock måste beaktas är i dessa sammanhang att demontering krävs vid återvinning. Kombinerat med alternativ konstruktion, som t ex materialuttagning eller vid kombinationer med kompositer eller lättmetaller kan dessutom vikten hos komponenterna minska betydligt. För att uppnå bästa effekt är det därför viktigt att genomföra flera aktiviteter enligt bilden nedan. Bild 21 Viktminskning genom en kombination av aktiviteter. Flera avdelningar inom ett företag såsom konstruktion och produktion bör samverka i ambitionen att utveckla lätta och vikteffektiva komponenter. Med tvärfunktionellt arbete där kund, operatörer, produktionstekniker, inköpare, konstruktörer mfl sitter tillsammans och utvecklar idéer så finns stora möjligheter att rationalisera befintliga produkter. Kostnadsjakten kan upplevas som negativ men den skapar också möjligheter till utveckling och nytänkande. Nedan redovisas ett exempel hur ett företag resonerat för att reducera produktkostnad och vikt på ett kugghjul med axel. Diametern på kugghjulet var 520 mm, axelns längd var 480 mm. Den totala vikten var 180 kg. Kugghjulet var utsatt för höga laster och tillverkades i legerat sätthärdat stål. Axeln var utsatts för höga böj och vridlaster men på grund av stor diameter som styrs av lagringen så var påkänningarna måttliga. Följande tillverkningsmetoder diskuterades: 1 Bearbeta fram axeln ur kapad stång. Nackdelen är att mycket material måste bearbetas bort. 2 Bearbeta fram axeln ur ett smide. En begränsning är att ett smidesverktyg i denna dimension kräver ganska stora serier för att få rimlig ekonomi. 3 Gjuta axeln och bearbeta kugghjulet ur en smidd ring. 25

27 Man valde här att gjuta axeln och bearbeta kugghjulet ur en smidd ring. Detaljerna bearbetas komplett färdiga var för sig och som sista operation krymper man ihop dem. Följande fördelar konstaterades: Krympning är en underskattad metod som i de flesta fall är överlägsen andra förband. Ett krympförband är billigt och man kan sammanfoga olika material. Utgångsämne för axel respektive kugghjul kan formges till nära färdig geometri. Bearbetningskostnaden minimeras Alla ytor behöver inte bearbetas och för ytor som ska bearbetas räcker oftast ett skär En gjutmodell för komponenten bedömdes är billig jämfört med smidesverktyg Gjutgods, i detta fall segjärn, är betydligt billigare än legerat stål. Gjutämnet utformas så att material läggs där det behövs med hänsyn till hållfastheten. Lager och tätningsytor på axeln kan bearbetas färdigt i ett tempo. Om axeln härdats hade finbearbetning krävts för att nå toleranserna. Valsade ringar kräver inga smidesverktyg. Vikten på det dyra stålet kan minimeras Bearbetningen av kuggringen minimeras Sätthärdningskostnaden som baseras på vikt blir avsevärt lägre jämfört att göra hela detaljen i stål Detaljerna blir var för sig mycket lättare att hantera jämfört med om produkten görs i ett stycke, se bild nedan. Bild 22 Kugghjul bestående av sätthärdad kuggkrans som är krympt på en gjuten axel. 26

28 Referenser 1. I Rask, S Sunnersjö, Konceptkonstruktion, val av material och tillverkningsmetoder, IVF-skrift 97859, S Pugh, Total Design, Pergamon Press, J Bodin, Sänksmide Material, konstruktionsanvisningar, tillverkning, användning, IVF-skrift 03802, Elanders I Rask, S Sunnersjö, Hållfasthetsteknisk dimensionering, 5. M Werke, Simulation of manufacturing sequences for verification of product properties, thesis, TRITA IIP 09-02, KTH P. Johansson et al. Using VMEA to facilitate the preparation of robust design experimentation Paerlmo, QMOD M. F Ashby, Materials selection in Mechanical design, Elsevier, Third edition, Oxford Höganäs, High density PM components by high velocity compaction 9. F Gunnberg, Surface Integrity Generated by Hard Turning, Lic Thesis, Chalmers