Hoofdstuk 8: Productentructuur en vormingsstappen
Op de kouddeuksite treedt vaak een bepaalde situatie op:
Bij dezelfde materiaalsoort en hetzelfde formaat verloopt de productie van gewone bouten soepel; wanneer echter wordt overgeschakeld naar artikelen met grote kop, dunne flens, diepe gaten of meerdere schachten, ontstaan er problemen zoals onvoldoende vulling, plooien, excentriciteit en zelfs scheuren.
In dat geval is de eerste reactie van veel mensen: “Is dit materiaal soms niet goed?”
Eigenlijk is het materiaal niet veranderd; wat wel verandert, zijn de eisen waaraan het product moet voldoen en hoe het zich gedraagt.
Kouddeuken betekent niet alleen het inkorten van staal, maar vooral het opnieuw verdelen van de beschikbare materialen volgens de specifieke productstructuur.
In dit hoofdstuk gaan we eerst niet in op materiaal, oppervlaktebehandeling en apparatuur, maar bekijken we uitsluitend hoe de productstructuur en de vormingsstappen de materiaalstroming beïnvloeden.
Schematische weergave van een meertraps vormingsproces: elke werkpositie voert slechts een deel van de materiaalverplaatsing uit.
I. Waar gaat het materiaal tijdens het kouddeuken naartoe?
Tijdens het kouddeuken neemt het materiaal niet zomaar toe of af; het verplaatst zich alleen van de ene plaats naar de andere.
De extra hoeveelheid materiaal in de kop komt uit het oorspronkelijke aansnijdmateriaal langs de schachtrichting; als de diameter van de flens groter wordt, betekent dit dat het materiaal vanuit het midden naar buiten moet stromen; wanneer het product een binnengat vereist, moet het materiaal bovendien om de stempel heen lopen en zich rondom het gat herverdelen.
Men kan kouddeuken zien als het uitstippelen van een route voor het materiaal:
Welk deel stroomt naar voren;
welk deel stroomt naar buiten;
welke plek vervormt eerst;
welke plek wordt later gevormd;
wordt alles in één keer gedaan of verdeeld over verschillende werkstations?
Des te directer de route en des te zachter de veranderingen, des te gemakkelijker vormt het materiaal zich gelijkmatig; des te langer de route en des te scherper de bochten, des te groter de kans op lokale afwijkingen.
II. Welke productstructuren stellen hoge eisen aan de materiaalstroming?
1. Grote kop, smalle schacht
Des te groter het volume van de kop, des te meer materiaal moet vanaf de schacht naar de kop worden geleid.
Als in één beweging een grote hoeveelheid materiaal richting de kop wordt gestuurd, kan het midden al volgepakt zijn, terwijl de buitenrand nog niet gelijkmatig is uitgerekt, wat uiteindelijk leidt tot onvoldoende vulling, plaatselijke plooien of scheuringen aan de rand.
2. Flens met grote diameter, maar zeer dun
Dunneflenzen lijken weinig materiaal te vereisen, maar zijn in feite moeilijk te vormen.
Het materiaal moet over een lange afstand naar buiten stromen en tegelijkertijd de dikte van de flens gelijkmatig behouden. De stroming in het centrale gebied en aan de buitenrand verloopt niet synchroon, waarbij de buitenrand doorgaans het zwakste punt vormt.
Bij producten met grote flensen mag men dus niet alleen naar de uiteindelijke diameter kijken, maar ook naar de manier waarop het materiaal stap voor stap naar de buitenrand wordt geleid.
3. Scherpe overgangen tussen trappen, te abrupte overgangsgebieden
Wanneer een product plotseling van een brede diameter overgaat naar een smalle diameter, of wanneer er geen geleidelijke overgang bestaat tussen aangrenzende delen, ervaart het materiaal een scherpe bocht.
Een deel van het materiaal wordt tegengehouden, terwijl ander materiaal door blijft stromen; hierdoor kunnen zich bij de grenszone stapelingen, plooien of ongelijkmatige vervormingen voordoen.
4. Diepe gaten, smalle gaten of dunne wanden
Tijdens het uitstansen van een binnengat verdwijnt het materiaal niet; het wordt juist door de stempel naar de omringende ruimte gedrukt.
Hoe dieper het gat en hoe dunner de wand, des te hogere eisen worden gesteld aan de materiaalverdeling. Als de vorige werkfase niet goed is voorbereid en men vervolgens met geweld probeert te vormen, ontstaan gemakkelijk oneffenheden in de wanddikte, verschuivingen van het gat of lokale schade.
III. Waarom kan niet alles in één bewerkingsstap worden uitgevoerd?
Eenvoudige producten kunnen in één keer worden gevormd omdat de materiaalverplaatsing kort is en de stromingsrichting vrij eenduidig.
Als bij complexe producten eveneens “in één stap” wordt geprobeerd te vormen, lijkt dit op het laten passeren van vele voertuigen door een zeer smalle kruising: hoewel de bestemming duidelijk is, ontbreekt het tussendoor aan voldoende ruimte om het verkeer adequaat te verdelen.
De waarde van koudevormpersen met meerdere stations ligt juist in het opsplitsen van te grote vormingsveranderingen in één keer:
De voorafgaande stations bereiden een geschikte grondvorm voor;
de middelste stations leiden de materiaalstroming naar de gewenste posities;
de volgende stations voltooien afmetingen, contour en lokale details.
Bijvoorbeeld: bij een product met een brede flens kan eerst een dikkere, kleinere kopvorm worden gevormd, die vervolgens geleidelijk naar buiten wordt uitgewerkt, tot uiteindelijk de definitieve flensafmetingen worden bereikt.
Dit betekent niet alleen het toevoegen van extra stations, maar ervoor zorgen dat elke station slechts één hoofdfunctie vervult.
Ter plaatse bij een koudevormpers met meerdere stations: het product ontstaat stap voor stap in de verschillende stations.
IV. Is meer stations altijd beter?
Ook dat is niet zo.
Bij een ondoordachte indeling van de bewerkingsstappen kan het materiaal in de vorige stap naar buiten stromen, terwijl het in de volgende stap weer naar binnen gedwongen wordt; net gevormde delen worden opnieuw sterk veranderd, waardoor de vervorming zich nog sterker concentreert.
Om te bepalen of de bewerkingsstappen redelijk zijn, kunt u zich richten op drie aspecten:
Waar stroomt het materiaal in elke stap voornamelijk naartoe?
Zijn de stromingsrichtingen tussen opeenvolgende stappen continu?
Draagt één bepaalde stap plotseling de verantwoordelijkheid voor het grootste deel van de vormverandering?
Een goede vormingsroute laat het materiaal stap voor stap dichter bij de uiteindelijke vorm komen, in plaats van herhaaldelijk van richting te veranderen.
V. Waarom vertoont hetzelfde materiaal bij een ander product andere eigenschappen?
Het materiaal zelf biedt een bepaalde vervormingscapaciteit, maar de productstructuur bepaalt hoe deze capaciteit wordt benut.
Een gewone bout vereist een relatief milde vervorming, waarbij het materiaal nog over aanzienlijke marges beschikt; wanneer echter wordt overgeschakeld naar een bolkop, dunne flens, diep gat of complexe schakels, kan hetzelfde materiaal al dicht tegen de grenzen van de huidige vormtechnologie aan zitten.
Daarom:
Normale productie van eenvoudige artikelen garandeert niet automatisch een soortgelijke normale productie van complexe artikelen;
een afwijking bij complexe producten rechtvaardigt ook niet direct de conclusie dat het materiaal ongeschikt is;
materiaal, productstructuur en vormingsroute moeten steeds gezamenlijk worden beoordeeld.
Zes, Hoe moet u ter plaatse de oorzaken opsporen?
Kijk niet alleen naar het gekraakte eindproduct bij de laatste werkpositie.
Een effectievere methode is om de monsters van elke werkpositie achtereenvolgens uit te leggen en ze zorgvuldig te vergelijken:
Op welke werkpositie doet zich de afwijking voor het eerst voor?
Bij welke stap verandert de diameter of hoogte het meest?
Vervormt het materiaal op een bepaalde plek plotseling?
Vormen zich de flens, kop of gatwand geleidelijk correct?
Als er al bij de eerste werkstations ongelijke stroming optreedt, zal de laatste matrijs het probleem meestal alleen maar vergroten en blootleggen.
In dit geval lost het enkel vervangen van het materiaal of herhaaldelijk bijwerken van de laatste matrijs het probleem vaak niet echt op; dan dient eerder te worden gecontroleerd of de materiaalverdeling in de eerdere stations adequaat is.
Perspectief van de ingenieur
Het producttekening vertelt ons hoe het eindproduct eruit moet zien, terwijl de monsters van elke bewerking laten zien hoe het materiaal daar terechtkomt.
De materiaaleigenschappen vormen de basis; de productstructuur bepaalt de bestemming, terwijl de vormingsprocessen bepalen welke route het materiaal neemt om zijn bestemming te bereiken.
In hoofdstuk acht hoeft u slechts één zin onthouden:
Of een materiaal zich goed laat koudhameren hangt niet alleen af van het materiaal zelf, maar ook van de vraag waarheen het materiaal moet stromen en in hoeveel fasen dit geschiedt.
Bij Creation Group wordt bij het beoordelen of een koudhamermateriaal geschikt is, niet alleen gekeken naar de staalsoort, de specificaties en de testgegevens; er wordt eveneens rekening gehouden met de producttekening, de diameter van de grondstof, het aantal werkstations en de monsters van elke bewerkingsfase.
Als u ook te maken krijgt met situaties zoals “hetzelfde materiaal werkt goed bij eenvoudige producten, maar bij een andere structuur ontstaan problemen”, kunt u mij de producttekening, materiaalspecificaties, monsters van de verschillende bewerkingsfasen en de locatie van de afwijking toesturen. Ik kan dan vooraf beoordelen of het probleem ligt in ontoereikende materiaaleigenschappen of in een te sterke concentratie van vervorming op ongeschikte werkstations.
Aankondiging voor het volgende deel
Hoofdstuk negen: “Met dezelfde materialen en matrijzen – waarom gedraagt het proces zich anders op een ander apparaat?”
In het volgende hoofdstuk zullen we ons richten op aspecten als de stijfheid van de machine, de coaxialiteit, de smeermiddeltoevoer en de warmtebalans tijdens continu productie, en hoe deze factoren de daadwerkelijke procesmarge beïnvloeden.