Kappale 8: Tuotteen rakenne ja muotoiluvaiheet
Kylmämuotoilutilanteessa nähdään usein seuraava tilanne:
Samalla materiaalin merkillä ja samalla koolle tuotetaan tavallisia pultteja sujuvasti; kun siirrytään isopään, ohutlaippaisiin, syväreikäisiin tai monitasotuotteisiin, alkaa esiintyä puutteellista täyttöä, taittuja, epäkeskeisyyttä ja jopa halkeamia.
Tällöin monen ensimmäinen reaktio on: Onkohan tämä erä materiaalia viallinen?
Itse asiassa materiaali ei ole muuttunut; muuttuu sen sijaan tuotteen vaatimus siitä, miten materiaalin tulee liikkua.
Kylmämuotoilu ei tarkoita pelkkää teräksen lyhentämistä, vaan rajallisen määrän materiaalia uudelleenjakoa tuotteen rakenteen mukaisesti.
Tässä luvussa emme vielä paneudu materiaaleihin, pinnoitteisiin eikä laitteisiin, vaan keskitymme siihen, kuinka tuotteen rakenne ja muotoiluvaiheet muuttavat materiaalin virtausta.
Moniasemainen muotoilurata havainnollistettuna: Jokainen asema hoitaa vain osan materiaalin siirtymisestä.
I. Mihin materiaali katoaa kylmämuotoilussa?
Kylmämuotoiluprosessissa materiaali ei ilmesty tyhjästä eikä katoa tyhjiin, vaan se vain siirtyy paikasta toiseen.
Pään osaan lisääntyvä materiaali tulee alkuperäisestä varren suunnasta; laippan halkaisija kasvaa, mikä tarkoittaa, että materiaali virtaa keskustasta ulospäin; kun tuotteeseen tarvitaan sisäreikä, materiaalin on myös kiertävä punchin ympäri ja jakautua uudelleen reiän ympärille.
Kylmämuotoilun voi ajatella niin, että sille määritellään materiaalille kulku-urat:
Mikä osa virtaa eteenpäin;
Mikä osa virtaa ulospäin;
Mikä kohta muotoutuu ensin;
Mikä kohta muotoutuu vasta myöhemmin;
Hoidetaanko kaikki kerralla vai jaetaanko työ eri asemille.
Mitä suorempi ja loivempi kulku, sitä helpommin materiaali muotoutuu tasaisesti; mitä pidempi ja mutkikkaampi kulku, sitä todennäköisemmin paikallisesti ilmenee poikkeamia.
II. Mitkä tuotteen rakenteet haastavat eniten materiaalin virtausta?
1. Suuri pää, ohut varsi
Mitä suurempi pään tilavuus, sitä enemmän materiaalia on siirrettävä varresta päähän.
Jos suuri määrä materiaalia siirretään kerralla päähän, keskiosa saattaa jo olla täysin umpeen painunut, kun taas ulkoreunat eivät ole vielä tasaisesti levittäytyneet, mikä voi lopulta aiheuttaa puutteellista täyttöä, paikallisia taittuja tai reunahalkeamia.
2. Suuri laippahalkaisija, mutta erittäin ohut paksuus
Ohut laippa ei näytä kuluttavan paljon materiaalia, mutta se on käytännössä hankala muotoilla.
Materiaalin on virtauduttava pitkälle ulospäin samalla kun laippan paksuuden on pysyttävä tasaisena. Keskiosan ja ulkoreunan virtaus ei tapahdu synkronisesti, ja ulkoreuna muodostuu helposti heikommaksi kohdaksi.
Siksi suurlaippatuotteiden osalta ei riitä tarkastella pelkkää lopullista halkaisijaa, vaan on myös huomioitava, miten materiaali vaihe vaiheelta vietiin ulkoreunoille.
3. Äkilliset tasomuutokset, liian jyrkät siirtymät
Kun tuote muuttuu äkillisesti paksusta hienoon tai viereisten osien välillä ei ole riittävää loivaa siirtymää, materiaali törmää ikään kuin äkilliseen mutkaan.
Osa materiaalista jää tukkeutumaan, kun taas toinen osa jatkaa eteenpäin, ja rajapinnalle voi syntyä kasaantumia, taittuja tai epätasaista muotoutumista.
4. Syvät reiät, pitkät ja kapeat reiät sekä ohutseinämäiset rakenteet
Sisäreiän porauksessa materiaali ei katoa, vaan se siirtyy punchin ympäri.
Reikä on sitä syvempi ja seinämä sitä ohuempi, sitä vaativampi on materiaalin jakautuminen. Jos edeltävä työvaihe ei ole valmistellut asiaa kunnolla, voimakkaalla muotoilulla jälkikäteen syntyy helposti seinämän epätasaisuutta, reiän sijainnin siirtymää tai paikallisia rikkoutumia.
3. Miksi kaikkea ei voi tehdä yhdellä työvaiheella?
Yksinkertaiset tuotteet voidaan muotoilla kerralla, koska materiaalin liikkumisväli on lyhyt ja virtaussuunta melko yksiselitteinen.
Kompleksisia tuotteita yritettäessä myös muotoilla “kerralla”, se vastaa useiden ajoneuvojen samanaikaisen läpimenon pyrkimistä hyvin kapeasta risteyksestä: määränpää on selvä, mutta välillä ei ole riittävästi tilaa jakautumisen toteuttamiseksi.
Monivaiheisen kylmämuotauksen arvo on siinä, että yksi liian suuri muutos hajotetaan osiin:
Edelliset työasemat valmistavat sopivan raaka-aineen muodon;
Välivaiheet ohjaavat materiaalin virtausta tarvittaviin kohtiin;
Jälkimmäiset työasemat viimeistelevät mitat, ääriviivat sekä paikalliset yksityiskohdat.
Esimerkiksi laajalevyisessä tuotteessa voidaan ensin muodostaa paksumpi ja pienempi esimuotattu pääosa, joka sitten asteittain levitetään ulospäin, lopulta viimeistellen levykoko.
Tällainen menettely ei tarkoita pelkkää työasemien lisäämistä, vaan sitä, että jokainen työasema hoitaa vain yhden keskeisen tehtävän.
Monivaiheisen kylmämuotauskoneen työskentelytilanne: tuote muotoutuu vaiheittain eri työasemilla.
4. Onko enemmän työasemia aina parempi?
Ei välttämättä.
Epäjärkevällä työvaiheiden järjestelyllä materiaali saattaa virrata edellisellä askelella ulospäin, kun taas seuraavalla vaiheella se joudutaan puristamaan takaisin sisäänpäin; juuri muodostuneet osat muuttuvat uudelleen merkittävästi, mikä johtaa entistä voimakkaampaan muodonmuutokseen.
Työvaiheiden järkevyyden arvioimiseksi kannattaa tarkastella seuraavia kolmea kysymystä:
Mihin suuntaan materiaali pääasiassa virtaa jokaisessa vaiheessa?
Ovatko viereisten vaiheiden virtaussuunnat jatkuvia?
Kantaaako jokin vaihe yhtäkkiä suurinta osaa koko muotoutumisesta?
Hyvä muotautumisreitti vie materiaalia askel askeleelta lähemmäs lopullista muotoa eikä vaihda suuntaa liian usein.
5. Miksi sama materiaali käyttäytyy eri tavoin eri tuotteissa?
Materiaali itsessään antaa muovautumiskykyä, mutta tuotteen rakenne määrittää sen, kuinka tämä kyky käytetään.
Tavallisille ruuveille tarvittava muodonmuutos on varsin maltillinen, ja materiaalilla on runsaasti varaa; kun siirrytään isopäiseen, ohutlevyiseen, syvärei-ilmaiseen tai monimutkaisesti porrastettuun tuotteeseen, sama materiaali saattaa olla jo lähellä nykyisen prosessin muotautumisrajaa.
Siksi:
Tavallisten tuotteiden ongelmaton tuotanto ei takaa, että myös monimutkaiset tuotteet toimivat moitteetta;
Kompleksisten tuotteiden epäonnistuminen ei myöskään oikeuta heti väittämään materiaalin kelvottomuudesta;
Materiaali, tuotteen rakenne ja muotautumisreitti on arvioitava yhdessä.
6. Kuinka vikoja tulisi paikan päällä selvittää?
Älä keskity pelkästään viimeisen työaseman halkeilleisiin valmiitustuotteisiin.
Tehokkaampi tapa on asettaa jokaisen työaseman näytteet peräkkäin ja tarkastella niitä vertaillen:
Mistä työasemasta poikkeama ilmenee ensimmäisen kerran;
missä vaiheessa halkaisija tai korkeus muuttuu eniten;
kasvaaanko materiaali yhtäkkiä jossakin kohdassa;
muotoutuuko laippa, päätyö tai reikäseinämä asteittain;
muuttuuko poikkeaman sijainti, kun esimuotoilua säädellään.
Kun epätasainen virtaus alkaa jo useissa ensimmäisissä työasemissa, viimeinen muotti yleensä vain korostaa ongelmaa ja tuo sen esiin.
Tällöin pelkkä materiaalin vaihto tai viimeisen muotin toistuva hienosäätö eivät useinkaan ratkaise ongelmaa; olisi parempi tarkistaa, onko materiaalijakautta edeltävillä työasemilla hoidettu asianmukaisesti.
Ingeniörin näkökulma
Tuotepiirustukset kertovat meille, minkälaiseksi tuote lopulta pitää muodostaa, kun taas työaskelten näytteet osoittavat, miten materiaali sinne kulkee.
Materiaalikyvykkyyden varsinainen perusta on materiaali itse; tuotteen rakenne määrittää matkan päätepisteen, ja muovaustyövaiheet ohjaavat, millä reitillä materiaali pääsee perille.
Kahdeksannessa luvussa riittää, että muistatte yhden lauseen:
Materiaalin sopivuus puoliputkimuovaukseen ei riipu pelkästään itse materiaalista, vaan myös siitä, minne tuote sitä virtauttaa ja kuinka monta eri vaihetta virtausjakautumalle on varattu.
Creation Group-konserni ei arvioi kylmäpuoliputkimateriaalien soveltuvuutta pelkästään merkin, mitan ja testitulosten perusteella, vaan ottaa huomioon myös tuotepiirustukset, raaka-aineiden halkaisijat, työasemien määrän sekä kaikkien työvaiheiden näytteet.
Jos kohtaatte tilanteen, jossa ”sama materiaali muovautuu hyvin tavallisissa tuotteissa, mutta uuden rakenteen kanssa ilmenee ongelmia”, voitte lähettää minulle tuotepiirustukset, materiaalin tiedot, työvaiheiden näytteet ja poikkeaman sijainnin. Voin auttaa teitä ensin selvittämään, johtuuko ongelma materiaalin riittämättömyydestä vai siitä, että muovautuminen on keskittynyt sopimattomiin työasemiin.
Ensi osan ennakkotieto
Yhdeksäs luku: ”Sama materiaali ja samat muotit – miksi eri laitteella suorituskyky eroaa?”
Seuraavassa luvussa keskitytään laitteiston jäykkeyteen, akseeraukseen, voitelun syöttöön sekä lämpötasapainoon jatkuvassa tuotannossa ja siihen, miten ne muuttavat todellista prosessi-ikkunaa.