Valmistavassa teollisuudessa tuotetta usein muotoillaan ja kootaan teräksestä valmistetuilla työkaluilla. Tällaiset työkalut vaihtelevat tutuista ja yksinkertaisista, kuten porista ja ruuvimeisseleistä, erikoistuneempiin laitteisiin, kuten muotteihin sulan metallin valamiseen tai esimerkiksi autojen paneelien muotoiluun (tekniikassa muovaus tarkoittaa takomista tai leimaamista). Työkaluteräksiä on monenlaisia. Metallin leikkaamiseen tarkoitettu työkaluteräs valitaan yleensä pikaterästen (HSS) joukosta, jotka saavat tämän nimen, koska ne pysyvät kovina ja kulutusta kestävinä jopa 600 celsiusasteeseen (C) asti. HSS pystyy leikkaamaan metalleja suurilla nopeuksilla verrattuna tavallisemmista teräksistä valmistettuihin työkaluihin, jotka alkavat pehmetä noin yli 200 celsiusasteen lämpötilassa. Samanlainen ero on metallin valamiseen tai muotoiluun käytettyjen terästen välillä. Näissä toiminnoissa insinöörit puhuvat kuumatyöteräksestä ja kylmätyöteräksestä. Kuumatyöterästä käytetään muotteihin, jotka pitävät sulaa metallia, kuten alumiinia ja sinkkiä, paikoillaan, kunnes neste jähmettyy, tai metallin muovaukseen yli 200 celsiusasteen lämpötilassa (noin), kun taas kylmätyöterästä käytetään metallin muovaukseen samaa lämpötilaa alhaisemmassa lämpötilassa.
esittely
Valmistavassa teollisuudessa termeillä 'työkalu' ja 'työkaluteräs' on erityinen tekninen merkitys. Niitä käytetään kuvaamaan valmistuskoneen osaa, joka on kosketuksissa tuotteen kanssa, sekä terästä, josta tämä osa on valmistettu, jos se on valmistettu teräksestä (kuten se yleensä on).
Näin määriteltyjä työkaluja voidaan käyttää leikkaamiseen, valamiseen tai muovaukseen.
Leikkaus on poran tai sorvin yksikärkisen työkalun suorittama toiminto. Se on myös jyrsinkoneen monikärkisen työkalun tai sahanterän suorittama toiminto.
Valu on sulan metallin tai muun sulan aineen pitäminen paikallaan, kunnes se jähmettyy.
Forming on kiinteän työkappaleen takomista, taivuttamista tai leimaamista siten, että sen muoto muuttuu ilman materiaalin menetystä.
Joskus nämä toiminnot yhdistetään, esimerkiksi kun puristin leikkaa ympyrän metallilevyyn ja samanaikaisesti muotoilee siitä kattilan pohjan.
Tässä teknisessä käytössä työkalua pitävää konetta ja työkalua pitävän koneen valmistusmateriaaleja kutsutaan yleensä erillään itse työkalusta.
Työkaluterästen historia
Ensimmäiset työkaluteräkset olivat luultavasti niitä, joita käytettiin perinteisten instrumenttien, kuten vasaroiden, alasinten, veitsien ja kirveiden, valmistukseen. Näitä oli aluksi vaikea erottaa tavallisesta raudasta, joka oli valmistettu alkeellisimmin tekniikoin.
Ajan myötä perinteiset sepät oppivat kuitenkin muuttamaan raudan ominaisuuksia tehdäkseen siitä kovempaa joihinkin käyttötarkoituksiin ja sitkeämpää toisiin. Näistä muunnelluista raudan muodoista tuli ensimmäiset todelliset teräksen muodot.
Teräksenvalmistuksen alkuaikoina, yli kolmetuhatta vuotta sitten, sepät huomasivat, että kuumentamalla tietyn koostumuksen omaavaa rautaa ja upottamalla se sitten öljyyn tai veteen, siitä voitiin tehdä kovempaa kuin jos sen yksinkertaisesti annettaisiin jäähtyä luonnollisesti. "Tietyllä koostumuksella" tarkoitan rautaa, joka sisälsi noin yhden painoprosentin liuennutta hiiltä kuumassa tilassa. Äkillinen sammutus estäisi hiilen irtoamisen liuoksesta ja muodostamasta suhteellisen suuria rautakarbidihiukkasia suhteellisen puhtaaseen ja pehmeään rautamatriisiin. Sen sijaan sammutusprosessi lukitsi hiiliatomit paikoilleen nyt kiristyneeseen raudan ja hiilen matriisiin, jota kutsutaan martensiitiksi ja jota on vaikeampi muokata.
Kaikkea tätä kemiaa ei tietenkään tunnettu tuolloin. Sen sijaan menneiden aikojen sepät työskentelivät erilaisten nyrkkisääntöjen mukaan. Englannin kielessä tästä on peräisin ilmaisu "musta taito". Seppien työ oli pikemminkin taidetta kuin tiedettä, se oli fyysisesti likaista ja mustaa, ja kaiken lisäksi kukaan ei oikein tiennyt, mitä sepät tekivät. Olivatko he liitossa helvetin tulisen kuilun demonien kanssa? Kaikista näistä syistä sepän työtä kutsuttiin "mustaksi taiteeksi", termiksi, jota käytetään nykyään kaikissa muissa samankaltaisissa salaperäisissä prosesseissa.
Perinteisen sepän (1606 CE) julkisesti saatavilla oleva kuva kautta Wikimedia Commons
Ajan myötä seppien taito kehittyi monimutkaisemmaksi ja taitavammaksi, vaikkakin se oli edelleen taidetta. Kovimman teräksen palat asetettiin terän reunaan ja yhdistettiin pehmeämmän mutta sitkeämmän teräksen paloihin terän rungon muodostamiseksi. Toinen alustava valmistusmenetelmä sisälsi karbididendriittien saostamisen yhteen teräskappaleeseen. Aluksi kuitenkin syntyi niin, että komposiittia taottiin, kuumennettiin ja taitettiin useita kertoja mahdollisesti haurastumista aiheuttavien epäpuhtauksien ja kaasukuplien rikkomiseksi ja kovarunkoisten ja terävien terien muodostamiseksi. Näihin tekniikoihin, joihin nimellisesti kuuluivat japanilaiset mokume-gane menetelmä ja Lähi-itä Damaskos menetelmällä tuotettiin terästä, jossa oli pyörteisiä kuvioita, jotka paljastivat alla olevan rakenteen, erityisesti syövytettynä. Silti tieteellistä ymmärrystä siitä, mitä todella tapahtui, oli vain vähän, toisin kuin intuitiivisempi ja taiteellisempi ymmärrys.
Japanilainen mokume-gane-tekniikalla valmistettu miekka ketjupanssarin taustalla. Valokuva: 'Dafannin', 12. toukokuuta 1986. CC BY-SA 4.0 kautta Wikimedia Commons.
Tieteellisemmiksi asiat muuttuivat 1700-luvun lopulla ja 1800-luvun alussa. Nykyaikaisen kemian synty teki selväksi, että tuon ajan teräs oli raudan ja muiden alkuaineiden seos, itse asiassa komposiitti; että tärkein lisäaine oli hiili; ja että hiili esiintyi eri muodoissa pehmeässä teräksessä, kovassa teräksessä ja valuraudassa (jossa hiilen pitoisuus oli noin neljä painoprosenttia).
Lisäämällä teräksen hiilen osuutta hallitusti voitiin tuottaa erittäin kovia, vaikkakin hieman hauraita, teräksiä, jotka soveltuivat hyvin muiden teräslajien leikkaamiseen. Näin syntyivät ensimmäiset nykyaikaiset työkaluteräkset.
Nämä varhaiset työkaluteräkset yhdistivät enimmäkseen martensiittimatriisin (karkaistun) ja lisäksi rautakarbidin sulkeumia.
Niillä oli kuitenkin se haittapuoli, että ne pehmenivät yli 200 celsiusasteessa, ja tämä rajoitti nopeutta, jolla niitä voitiin käyttää muiden terästen leikkaamiseen.
Vuonna 1868 skotlantilainen insinööri Robert Mushet, itsekin yhden ensimmäisten hiilen merkityksen ymmärtäneiden rautamestarien poika, kehitti teräsmuodon, joka pysyi kovana korkeammissa lämpötiloissa.
Mushet-teräksenä tunnettu uusi seos sisälsi paitsi tavanomaiset määrät hiiltä, myös vielä suurempia määriä mangaania ja volframia. Mushet-teräksellä oli myös epätavallinen ominaisuus, ettei sitä tarvinnut sammuttaa nesteessä. Se oli ensimmäinen ilmassa karkaistuva teräs: teräs, joka kovettui martensiittimaiseksi asteeksi yksinkertaisesti jäähtymällä punaisesta kuumuudesta ilmasuihkussa.
1900-luvun alussa amerikkalainen insinööri Frederick Winslow Taylor ja hänen kollegansa paransivat Mushet-teräksen ominaisuuksia entisestään. Tuloksesta tuli tunnettu nimellä pikateräs (HSS). HSS pysyy käyttökelpoisen kovana aina 500 tai jopa 600 celsiusasteeseen asti: mistä nimi juontaa juurensa, koska sitä voidaan käyttää muiden terästen leikkaamiseen vielä suuremmilla nopeuksilla kuin Mushet-terästä. Kaikille terästyypeille yhteisen raudan ja hiilen lisäksi useimmat HSS-seokset sisältävät edelleen suuria määriä volframia sekä kromia, joka on korvannut alkuperäisen Mushet-formulaation mangaanin.
Nykyään kovametallikärkiä käytetään usein vaativimmissa metallinleikkaussovelluksissa, vaikka pikateräkset ovat edelleen ensisijainen materiaali sahanterien ja kierukkaporanterien valmistuksessa, joihin kovametallikärkien asettaminen olisi normaalisti epäkäytännöllistä, varsinkin pienemmissä halkaisijoissa ja hienommissa hammaslaaduissa.
Mutta entä valu ja muovaus?
Tähän mennessä olen kuvaillut työkaluterästen parannuksia, joita käytetään leikkaamiseen, varhaisista teristä nykyaikaisiin HSS-teollisuustyökaluihin. Nykyaikainen ero kylmätyöteräksen ja kuumatyöteräksen välillä pätee kuitenkin erityisesti valamiseen ja muovaukseen käytettäviin teräksiin.
Kuumatyöteräksiä käytetään prosesseissa, joissa työkalun lämpötila ylittää 200 celsiusastetta (392 Fahrenheit-astetta).
Kylmätyöteräksiä käytetään prosesseissa, joissa työkalun lämpötila pysyy alle 200 celsiusasteessa.
200 celsiusasteen jakolinja ei ole ehdottoman selkeä, koska on olemassa monia erilaisia metalliseoksia, joilla on erilaiset ominaisuudet, mutta se on tavanomainen jakolinja, johon viitataan laajalti kirjallisuudessa.
Kaikissa työkaluterästyypeissä tärkeimmät murtumisen syyt ovat murtuminen, muodonmuutos (erityisesti pysyvä tai 'plastinen' muodonmuutos), pinnan kuluminen ja syklisten jännitysten aiheuttamat pinnan väsymishalkeamien kehittyminen. Sykliset jännitykset ovat sekä mekaanisia että termisiä; lämpöjännitykset ovat erityisen vakava ongelma kuumatyöteräksille.
Kylmätyötyökaluteräkset
Kylmätyöteräkset ovat yleensä runsashiilisiä teräksiä, joiden hiilipitoisuus on tyypillisesti noin 1–1,5 painoprosenttia. Yleisimpiä tyyppejä ovat öljykarkaistuvat niukkaseosteiset teräkset, ilmakarkaistuvat keskiseosteiset teräkset ja runsashiiliset, runsaskromiset teräkset.
Öljykarkaistuvat niukkaseosteiset teräkset ovat halvimpia. Vähemmän epäpuhtauksia lukuun ottamatta ne ovat muuten paljolti samanlaisia kuin vanhanaikaiset työkaluteräkset, joita käytettiin ennen Mushet-terästä.
Ilmakarkaistuvat keskiseosteiset teräkset karkenevat vähemmän vääristyneinä kuin teräkset, jotka täytyy karkaista. Niitä voidaan karkaista myös paksummissa osissa kuin öljykarkaistua terästä, jopa 100 millimetriin tai enemmän.
Runsashiiliset ja kromipitoiset teräkset, jotka karkaistaan joko öljykarkaisulla tai ilmakarkaisulla niiden tarkasta koostumuksesta riippuen, ovat kulutusta kestävimpiä.
Kylmätyöteräksiä käytetään tyypillisesti monissa jokapäiväisissä teollisissa käyttötarkoituksissa, mukaan lukien:
- Muovien painevalu
- Muotit ohuiden metallilevyjen, kuten autojen kaarevien korilevyjen, muotoiluun
- Sorvin istukat ja keskukset
- Rullat
- Rullamuovausmatriisit ruuvikierteisiin ja uritukseen
- Aventimet, avartimet, kierretapit ja karat
- Lanka- ja kylmäputkien pyörät ja pidikkeet
- Sakset, terät ja muut leikkaustyökalut sovelluksiin, joissa leikkaus on lyhyttä ja lämpöä syntyy vähän
- Mittarit
- Pimennys-, piirustus- ja lävistysmuotti
Kuumatyökaluteräkset
Kuten Mushet-teräs ja varhaisimmat pikateräkset, kuumatyöteräkset ovat perinteisesti sisältäneet suuria määriä volframia seosaineena. On kuitenkin myös kuumatyöteräksiä, joiden pääasiallinen seosaine on kromi, ja muita laatuja, joiden pääasiallinen seosaine on molybdeeni.
Nopean metallinleikkauksen ja -porauksen ohella kuumatyöteräksiä käytetään tyypillisesti seuraaviin tarkoituksiin:
- Metallien painevalu
- Ekstruusio
- Taonta
- Lasituotteiden valmistus
Materiaalien valinta valua varten
Valuprosesseja, joissa käytetään työkaluterästä, kutsutaan painevaluun, jossa työkalu toimii muotina ja antaa lopulliselle kappaleelle yksityiskohtaisen tai suhteellisen tarkan muodon tavoilla, jotka ovat uskollisempia ja toistettavissa kuin hiekkamuoteissa valaminen on mahdollista.
Painevalu sai luultavasti alkunsa 1400-luvulla, kun kirjaimia alettiin valaa liikuteltavia kirjaimia varten avoimissa muoteissa, jotka oli muotoiltu kunkin kirjaimen muotoon. Nykyaikaisessa merkityksessä metalli ruiskutetaan paineen alaisena muottiin, joka on tehty kahdesta vastakkaisesta työkalusta, jotka se täyttää tarkasti.
Muovien muottityökalut valmistetaan yleensä kylmätyöteräksestä, joka tunnetaan nimellä P-teräs, alumiinista tai beryllium-kupariseoksista. Kuparin ja alumiinin etuja tässä käytössä ovat paljon parempi lämmönjohtavuus ja siten nopeampi ja tasaisempi jäähdytys teräkseen verrattuna.
Toisaalta teräsmuotit kestävät pidempään (jopa miljoonia syklejä) ja kestävät paremmin nopeasti liikkuvan muovin suihkujen aiheuttamaa eroosiota, erityisesti jos muovi sisältää hankaavaa komposiittivahviketta, kuten lasikuitua. Jotkin pintakäsittelyt voidaan saavuttaa luotettavasti vain teräksellä.
Materiaalien valinta muovausprosesseihin
Metallinmuovausprosessit, joissa käytetään kylmätyöterästä, eivät yleensä sisällä kovin suurta metallin muodonmuutosta. Ruuvikierteiden aikaansaaminen tangon pintaan valssaamalla tai litteän metallilevyn puristaminen auton koripaneelin monimutkaisiin käyriin ovat tyypillisiä kylmämuovausprosesseja tässä mielessä.
Ruuvikierteen kylmävalssaus. Grafiikka: 'Tosaka', 12. lokakuuta 2009. CC BY 3.0 kautta Wikimedia Commons.
Kylmämuokkausprosessit parantavat usein metallin laatua muuttamalla metallin kiteistä rakennetta ja työskennellä kovettamalla, vaikka vaikutus kiderakenteeseen rajoittuu yleensä pintaan ja on vähemmän dramaattinen kuin takomisen tapauksessa, jota käsittelen seuraavassa osiossa.
Kaikkiin metallinmuovauksen vaativimpiin prosesseihin liittyy kuumatyö (yli 200 celsiusastetta). Kuten todettiin, näihin kuuluvat:
- Ekstruusio ja
- Taonta
Kuten olemme myös maininneet, lasiesineiden valmistus on toinen tärkeä kuumatyöteräksen käyttökohde.
Ekstruusio on prosessi, jossa lämmitetty ja pehmennetty materiaali työnnetään suulakkeen läpi pitkän, vakiopoikkileikkausprofiililla varustetun kappaleen muodostamiseksi. Tunnetuimpia esimerkkejä suulakepuristetuista kappaleista ovat muovi- ja alumiiniprofiilit, joilla voi olla melko monimutkaisia muotoja. Muoviprofiilit voidaan suulakepuristaa kylmätyöteräsmuottien läpi, mutta alumiiniprofiilit on suulakepuristettava kuumatyöteräsmuottien läpi.
Erityinen suulakepursotuksen luokka on tyssäpursotus, jota käytetään esimerkiksi alumiinitölkkien ja -pillerituubien runkojen muotoiluun. Tyssäpursotuksessa suulake painetaan alas metallikappaleeseen, joka sitten virtaa taaksepäin suulakkeen ympäri muodostaen tölkin tai putken. On todella merkittävää, että tällä menetelmällä voidaan muodostaa niin ohuita mutta tasaisia seinämiä sisältäviä tölkkejä ja putkia.
Saumattomia putkia valmistetaan myös suulakepuristamalla. Umpinainen aihio kuumennetaan ja lävistetään keskeltä. Sitten se asetetaan tuurnan päälle ja lopullinen koko ja seinämän paksuus saadaan suulakepuristamalla.
Taonta on prosessi, jossa kuumaa, usein punahehkuista metallia hakataan lopulliseen muotoonsa teollisella vasaralla, minkä jälkeen tehdään vain pieniä työstövaiheita (leikkaustoimenpiteitä). Hyvä esimerkki tuotteesta, joka yleensä valmistetaan takomalla, on jakoavain. Vasaraa voidaan käyttää mekaanisesti molempiin suuntiin, tai se voidaan nostaa mekaanisesti ja pudottaa painovoiman avulla ('pudotustaonta').
Rautateiden junien pyörien teräsrenkaiden taonta. Kuva: Rainer Halama, 19 kesäkuu 2010, CC BY-SA 3.0 kautta Wikimedia Commons.
Taonta on suora teollinen jälkeläinen vanhemmista sepäntekniikoista, kuten mokume-gane ja Damascus. Sillä on samanlainen vaikutus, nimittäin lasimaisten epäpuhtauksien ja kaasukuplien hajaantuminen ja sulkeutuminen, ja suuret kiteet tai "jyvät", joita yleensä löytyy valetun metallin sisältä – samankaltaisia kuin galvanoidun rauta-aidan paljetit, jotka itsekin ovat eräänlainen metallikide – rikkoutuvat ja korvautuvat pienemmillä ja monissa tapauksissa myös muuttavat muotoaan lopullisen muodon ulkoreunojen kaarteiden suuntaan.
Kuten arvata saattaa, hienorakeinen rakenne on karkeaa rakennetta parempi; ja hienorakeinen rakenne, jossa rakeet myös seuraavat tuotteen muotoa, parantaa valmiin kappaleen mekaanisia ominaisuuksia entisestään, mikä tekee kappaleen nurkan halkeamisen paljon epätodennäköisemmäksi raskaiden kuormien alla kuin muuten.
Verkkosivustolla on erittäin hyvä kuva muotoaan seuraavista kiteistä dropforging.netOlennainen samankaltaisuus aikaisempien aikojen taitavimpien seppien tuotteiden kanssa on ilmeinen, paitsi että tässä tapauksessa tuloksena on teollisuusartikkeli eikä miekka.
Monet "vakavimmista" mekaanisista artikkeleista, jotka kantavat raskaita kuormia ja joilla olisi vakavia tai ainakin erittäin ärsyttäviä seurauksia, jos ne rikkoutuisivat, ovat taottuja. Avainten lisäksi, jotka saattavat napsahtaa poikki suurimman jännityksen kohdista mutterin lähellä, jos ne on valmistettu millä tahansa muulla menetelmällä, taottuja artikkeleita ovat mm. moottorien kampiakselit ja männät kampiakseliin yhdistävät kiertokanget, vaikka itse männät ovat yleensä valettuja. (Taottuja mäntiä käytetään kuitenkin kilpa-moottoreissa, ja niiden yleistyminen on yleistymässä.)
Taontamenetelmiä on kahdenlaisia: avoin taonta ja suljettu taonta. Avotaonta painaa metallia karkeaan muotoon ja parantaa sen yleistä sisärakennetta, mutta ei muuten anna sille mitään erityisen tarkkaa muotoa tai syykuviota. Suljettu taonta tuottaa tarkempia muotoja ja syykuvioita.
_14-n.PNG){kind=link}
