Skärande bearbetning Produktutveckling 3, KPP039 1,5 poäng, C-nivå 2010-01-10 Claes Eriksson
Inledning Detta är ett individuellt arbete tillhörande kursen KPP039, Produktutveckling 3, Mälardalens högskola. Arbete har skett parallellt med ett projektarbete omfattande förpackningskonstruktion, vilket innehöll bland annat skärning av wellpapp. För den som behöver information angående skärning av platta material kommer denna rapport att ge svar på många frågor inom ämnet och vara till hjälp vid val av metod. Rapporten kommer att gå igenom olika befintliga metoder så som stansning, klippning, vattenskärning, laserskärning och även plasmaskärning. Dessa kommer att sammanfattas och utvärderas i en samlad information. Innehållsförteckning Inledning 2 1 Klippning 3 1.1 Stansning... 4 1.2 Rullsax... 5 1.3 Gradsax... 6 1.4 Pullmaxsax och nibbling... 7 1.5 Knivstansverktyg... 8 1.6 Knivskärning... 8 2 Vätskestråleskärning (vattenskärning) 9 3 Laserskärning 10 4 Gasskärning 11 5 Plasmaskärning 12 6 Slutsats 13 Referenser 14 2
1 Klippning Vid klippande bearbetning används en dyna som underlag och en stans som pressas ner mot dynan. Denna metod nyttjas i regel för metaller och finns i olika utförande förutom ren klippning som stans, rullsax, gradsax, pullmaxsax och nibbling. Ett villkor för att klippa av metaller och liknande material är att verktygseggarna har mindre elasticitet samt högre hållfasthet är arbetsstycket. Klipprocessen utgörs till stor del av plastisk deformation, ju mindre plastisk deformation innan avskjuvning av materialet desto bättre blir kvalitén på de avklippta kanterna i allmänhet. Dyna och stans Brott av plåt Mellanrummet mellan dyna och stans i x-riktning kallas spaltbredd. Bred spaltbredd anses vara när spaltbredden är större än 10 % av arbetsstycket. Detta ger grova brott och med stora gradhöjder då deformationzonen blir stor och brottet kommer ske genom ren dragspänning. För detta krävs stora klippkrafter och verktygets eggar slits väldigt fort. Mindre spaltbredd, mellan 5 och 10 % av arbetsstycket gör att blankzonen blir större och brottzonen mindre och initialsprickorna kommer att mötas. Genom denna spaltbredd uppnås minsta erfordrade klippkraft och därmed minsta verktygsslitaget. Minskas spaltbredden ytterligare kommer blankzonen att bli ännu större och brottzonen ännu mindre. Initialsprickorna i brottzonen kan nu ha en tendens att passera förbi varandra och bilda ett mellanrum och delar av initialsprickan kan vara gömd bakom deformerat materialstycke. Vid negativ spaltbredd blir kanterna väldigt fina bestående av nästan enbart blankzon. Bra att komma ihåg är att verktygseggarna slits snabbare vid större blankzoner. Hastigheten påverkar i den mån att ju högre klipphastighet desto finare kanter över lag. En framtagen optimal klipphastighet är 9 till 12 m/s, vid dessa hastigheter blir kantytorna väldigt fina och verktygslitaget litet. Vid för höga klipphastigeter blir snittet skadat. Det finns olika varianter av skär vilka skiljer sig i hållfasthet och hårdhet, detta har stor betydelse på livslängd och prestation. 3
1.1 Stansning Om konturen av klippverktyget och dynan är slutet kallas det stansning vilket ger en komponent med angiven form. Stansning utförs i olika material såsom plåt, papp, läder och textiler. Texten nedan behandlar dock till största delen plåtstansning. Det finns en mängd olika varianter på stanspressar och kombinationer av stans, bockning och plastiska deformationsverktyg. Med lutande skär kan man reducera klippkraften med bortåt 33 % och genom det minska förbrukning av energi. Spaltbredden kan förväntas för stansning vara enligt klippteorierna för minsta verktygsslitage mellan 5-10 % av arbetsstycket, då sprickorna i brottzonens kanter kommer att mötas. För att minska verktygsslitage ytterligare ska stansverktyget precis gå igenom arbetsstycket och undvika att gå ner i dynan mer än nödvändigt. Svåra verktygsgeometrier som skarpa hörn kan även det försämra hållbarheten av verktygen då skären inte kan håll samma hållfasthet som en mjukare geometri. Vid stansning får den stansade hålformen ungefär samma dimensioner som stansverktygen och de urstansade materialet får samma dimensioner som dynans mått. Dynans utformning är oftast sådan att det utklippta materialet avlägsnas från operationen genom att dynan är koniskt formad eller större nedtill. Stans Smörningsmedel som främst används för att kyla ska användas vid stansning av metaller med mindre spaltbredder och låga toleranser för att undvika att materialet blir så varmt att påsvetsning uppkommer. Smörjmedel ökar skärens livslängd och skapar bättre klippresultat och smörjningen ska för bästa resultat ske på både över- och undersida av arbetsstycket. För att ytterligare förlänga skärens livslängd kan verktyg och dyna ytbehandlas med ett slitstarkt skikt, detta ökar även ytfinheten och drifttiden samt ger minskat smörjningsbehov. 4
1.2 Rullsax För att kapa en plåt, papp eller läder kan en metod med två roterande och skärande hjul kallad Rullsax användas. En Rullsax består vanligtvis av två skärande hjul där en eller båda är drivna, se bilden nedan. Plåten matas fram genom friktionen som uppstår mellan hjulen och plåten. För att skära radier måste skären överlappa varandra något för att möjliggöra svängning, vanligen används metoden med Rullsaxar för att skära raka snitt då det är en billig och snabb metod enligt löpandebandprincipen. Rullsax 5
1.3 Gradsax Med hjälp av en Gradsax klipper man vanligtvis av plåt men även andra material och principen är likt en vanlig handhållen sax. Det nedre skäret ligger horisontellt fixerat samtidigt som det övre skäret har en lutning på några grader, se bild nedan. Det övre skäret pressas ner vertikalt bredvid det fixerade skäret och genom lutningen på övre skäret sker klippningen successivt och befogad kraft blir låg. Resultatet blir likt vid vanlig stansning. Gradsax 6
1.4 Pullmaxsax och nibbling Denna metod bygger på att ett övre skär har en liten upp- och nergående rörelse medan nedre skäret är fast fixerat. En liten klippning av plåten sker vid varje rörelsecykel och plåten måste kontinuerligt matas fram. Metoden är lämplig för figurskärning med automatiserad styrning, nackdelen med denna metod är att klippytan får ett grovhackigt mönster och att plåten böjer sig. Pullmaxsaxmetod Nibbling använder samma metodik som Pullmaxsax med den skillnaden att Nibbling använder en halvcylinderstans och en cylindrisk dyna istället för skär, se bild nedan. Så istället för att klippa materialet stansas material bort genom kontinuerlig frammatning. Denna metod kan stansa ut svåra geometrier och arbetsstycket förblir plant. Verktygen slits snabbare än vid en vanlig Pullmaxsax vilket gör metoden dyrare. Nibbling 7
1.5 Knivstansverktyg För mjuka och sega material som gummi, läder, papper, wellpapp, plaster m.fl. används en metod som påminner om klippning av plåt. Men för mjuka och sega material används ett eftergivande material istället för en hård och skarp dyna. Det klippande verktyget kan då vara väldigt vasst och då lätt stansa material som dessa. Knivstansverktyg 1.6 Knivskärning För skärning i textiler, papper, skumplaster och andra tunna lättskurna material kan en universalkniv eller likadant användas tillsammans med linjal eller annan styrning. Vinkel på eggen ska vid skärning av material med fibrer ske med en sned vinkel gentemot fiberriktningen för att lättare skära av materialet. Bild från Clas Ohlson http://www.clasohlson.se/product/product.aspx?id=134845271 8
2 Vätskestråleskärning (vattenskärning) För att kunna skära med vatten behövs ett väldigt högt tryck, detta sker genom att pressa vätskan genom ett munstycke med en liten diameter. För att kunna skära igenom de flesta material krävs en strålhastighet på ca 1000 m/s. Systemet bakom vätskestråleskärning är i stora drag uppbyggt av en hydraulisk pump som skapar ett högt tryck på ca 20 MPa. Ett högtrycksaggregat som höjer trycket med ca 30 gånger, en tryckutjämnare och ett munstycke med en diameter på 0,1 0,4 mm. Snittet som uppkommer med vattenskärning skiljer sig helt från snitt uppkomna från klippande bearbetning. Kanterna blir fina och bibehåller materialegenskaperna utan sprickbildningar och inbyggda spänningar. För att hindra att vätskestrålen sprider sig blandas vattnet med polymert material, 0,1-0,5 %. För att öka kapaciteten med vattenskärning kan slipmedel blandas i vattnet för att öka förmågan att skära i hårdare material, det kallas då abrasiv skärning. Med vattenskärning kan en stor mängd olika material skäras och metoden fungerar utmärkt även på tjockare arbetsstycken upp till ca 300 mm. Material som går att skära är t.ex. Stål, Rostfritt stål, Aluminium, Koppar, Mässing, Titan, Kompositer, Glas, Marmor, Keramik, Gummi Plast, Plast, Papper, Lamellträ, Trä och Granit. Vattenskärning lämpar sig mycket väll för figurskärning med hjälp av programmerad styrning och skärningen görs med små toleranser. Vattenstråleskärning 9
3 Laserskärning Laserskärning använder koncentrerat ljus som i brännpunkten smälter eller bränner bort material som förångas. Det finns två olika sorters lasermetoder som används för skärning, fast tillstånd och gaslaser. Nd-YAG lasern som är en lasermetod i fast tillstånd fungerar så att man skjuter in ljus i en liten kammare som reflekterar ljuset, Nd-atomerna inuti kammaren transformeras till ett högre energitillstånd vilket löses ut genom att det skickas ut koncentrerat ljus. Principskisser på lasrar med fast tillstånd Denna metod används vid skärning av mindre finare detaljer. En gaslaser fungerar på det viset att gasmolekylerna exciteras, dvs. att elektroner hoppar till ett skal med mer energi. Detta sker med elektrisk urladdning. För skärning används oftast en gaslaser och vanligaste använda gaslasern är CO 2 -lasern som det finns tre typer av: Längsströmningslaser med långsamt flöde (skärning, hålbränning, ristning och svetsning), längsströmningslaser med snabbt flöde (skärning, svetsning och ythärdning) och tvärsströmningslaser (svetsning och ythärdning). För att öka energitätheten får ljuset passera en lins och lasern punktdiameter blir 0,1 mm. Material som kan skäras med laser är många som exempelvis stål, trä, plaster, plexiglas och kartong. Arbetsstyckets tjocklek bör ej för metaller överstiga 15 mm och för plaster gummi och trä ej överstiga 60 mm. Viktigt att också tänka på vid laserskärning är att skadliga gaser kan uppstå från vissa material, speciellt plaster. Figurskärning fungerar utmärkt och ger tillsammans med programmerad styrning mycket fina och precisa utskärningar. 10
4 Gasskärning Metoden fungera så att en bränningsgas vanligtvis acetylen eller propan tillsammans med oxygen (syre) blandas i sidokanaler i ett munstycke. Dessa kanaler antänds vilket skapar en låga som värmer upp arbetsstycket till höga temperaturer. När arbetstycket är tillräckligt uppvärmt pressas oxygen ut genom mittenkanalen, detta förbränner materialet. Snittet blir lite ojämnt och materialegenskaperna på snittytan blir ändrade. Det slagg som uppkommer transporteras bort under skärningsoperationen. Gasskärning är en väl använd och beprövad metod för skärning av olegerat och låglegerat stål med tjocklekar på upp till ett par meter. Med metoden kan man skära manuellt, med styrbord eller med programmerad styrning. Säkerhetsmedvetandet måste vara högt då det bland annat förekommer luftföroreningar och explosionsrisker. Illustration av en gasskärning från svetskommissionen. http://www.svets.se/tekniskinfo/termiskskarning/gasskarning.4.ec944110677af1e8380009764.html 11
5 Plasmaskärning Med Plasmaskärning används en ljusbåge mellan en elektrod av t.ex. volfram som utgör katod (minuspol) och arbetsstycket som utgör anod (pluspol). Plasmaskärning kan till skillnad från gasskärning skära i rostfritt stål, aluminium och koppar. Genom att en gas som argon, hydrogen, nitrogen eller oxygen tillsätts skapas plasmabågen och man kan skära i elektriskt ledande material med en tjocklek från under 1 mm upp till 100 mm. Skärningen sker med hög hastighet mekaniskt eller med programmerad styrning och snittet blir vanligtvis grövre än vid gasskärning. Denna metod ger ifrån sig starkt sken, värmestrålning, luftföroreningar och eventuellt hög buller nivå Illustration av en Plasmaskärning från svetskommissionen. http://www.svets.se/tekniskinfo/termiskskarning/plasmaskarning.4.ec944110677af1e8380009776.html 12
6 Slutsats Efter att ha läst om alla dessa metoder kan det vara svårt att veta vilken metod som ska väljas. För när metod för skärning ska väljas finns det ett par aspekter som ska studeras, bland annat material, tjocklek, möjlighet till serietillverkning, toleransfinhet, arbetsförhållande, kostnadsekonomi (inköp och driftkostnader) och givetvis om detaljens former går att skära ut med metoden. För att göra avgränsningarna lättare vid val av metod har en tabell skapats för att sammanfatta hur väl metoden klarar vissa egenskaper. Egenskaperna är värderade med ett värde mellan 1 och 5 där 1 är väldigt dåligt och 5 väldigt bra. Metod Stansning Rullsax Gradsax Pullmaxsax Knivstansverktyg Material Plåt m.fl. Plåt, papp, läder Plåt m.fl. Plåt m.fl. Gummi, läder, papper, wellpapp, plaster m.fl. m.fl. Toleransfinhet 3 2 3 1 3 Tjocklek 2 1 3 2 2 Serietillverkning 5 5 5 3 4 Arbetsförhållande 3 4 3 3 3 Kostnadsekonomi 4 4 4 4 4 Flexibel skärning 4 2 1 4 2 Metod Knivskärning Vattenskärning Laserskärning Gas/ Plasmaskärning Material Textiler, papper, skumplaster m.fl. Rostfritt stål, Aluminium, Titan, Kompositer, Glas, Keramik, Plast, Papper, Trä och Granit m.fl. Stål, trä, plaster, plexiglas och kartong m.fl. Toleransfinhet 2 4 5 2 Tjocklek 2 5 2 4 Serietillverkning 2 3 4 3 Arbetsförhållande 2 3 3 2 Kostnadsekonomi 4 3 3 3 Flexibel skärning 3 5 5 5 Stål, rostfritt stål, aluminium och koppar m.fl. 13
Referenser Hågeryd Lennart, Modern Produktionsteknik Del 1, upplaga 2 Elanders Infologistics Väst AB, Mölnlycke 2005. ISBN 91-47-05091-8 Svetskommissionen. http://www.svets.se/tekniskinfo/termiskskarning.4.ec944110677af1e8380007571.html 2010-01-10 14