Kapitel 8: Produktstruktur och formningsoperationer
På kallstansningsplatsen uppkommer ofta följande situation:
Med samma materialtyp och samma dimensioner går produktionen av vanliga bultar smidigt; byter man dock till produkter med stora huvuden, tunna flänsar, djupa hål eller flera trappor, börjar det uppstå problem som otillräcklig fyllning, veckbildning, excentricitet och till och med sprickbildning.
I sådana lägen är många människors första reaktion: Är det kanske detta parti material som inte duger?
I själva verket har materialet inte förändrats; det som har förändrats är produktens krav på hur materialet ska förflyttas.
Kallstansning innebär inte bara att korta ner stålet; snarare omfördelar man den begränsade mängden material utifrån produktens struktur.
I detta kapitel kommer vi för närvarande inte att gå in på material, beläggningar eller utrustning, utan endast behandla hur produktstrukturen och formningsoperationerna påverkar materialets rörlighet.
Schematisk illustration av en flerstationers formningsprocess: Varje station utför endast en del av materialförskjutningen.
I. Vart tar materialet vägen vid kallstansning?
Under kallstansningsprocessen ökar eller minskar inte materialet ur tomma intet; det flyttar sig endast från en position till en annan.
Det extra materialet i huvudet kommer från den ursprungliga råmaterialbiten längs stångens axel; när flänsens diameter ökar måste materialet strömma utåt från centrum; behövs det ett invändig hål i produkten, måste materialet dessutom runda stansen och omfördelas runt hålets omkrets.
Kallstansning kan betraktas som en slags vägplanering för materialet:
Vilken del ska strömma framåt;
Vilken del ska strömma utåt;
Vilken position ska deformeras först;
Vilken position ska formas senare;
Ska allt åstadkommas på en gång eller fördelas över flera stationer.
Ju mer direkt vägen är och ju mjukare förändringarna sker, desto lättare blir det för materialet att forma sig jämnt; ju längre vägen är och ju brantare kurvorna, desto lättare uppstår lokala avvikelser.
II. Vilka produktstrukturer ställer högre krav på materialets rörlighet?
1. Stort huvud, smal stång
Ju större huvudets volym är, desto mer material måste förflyttas från stången.
Om en stor mängd material på en gång pressas mot huvudet kan det centrala området redan vara överfullt medan ytterkanterna ännu inte har spritt ut sig jämnt, vilket i slutändan kan leda till otillräcklig fyllning, lokala veck eller sprickor i kanterna.
2. Stor flänsdiameter men mycket tunn tjocklek
Tunna flänsar ser ut att använda lite material, men de är faktiskt svåra att forma.
Materialet måste strömma utåt över en längre sträcka samtidigt som flänsens tjocklek skall bibehållas jämn. Strömningen i centrum och vid ytterkanterna sker inte synkroniserat, varvid ytterkanterna ofta blir den svagaste punkten.
Därför får man inte enbart titta på den slutliga diametern hos produkter med stora flänsar, utan även undersöka hur materialet steg för steg förts ut mot ytterkanterna tidigare i processen.
3. Plötsliga trappförändringar, för branta övergångar
När produkten abrupt övergår från en tjock diameter till en smal diameter, eller när det saknas mjuka övergångar mellan angränsande sektioner, möter materialet som en hastig kurva.
En del av materialet bromsas upp medan andra delar fortsätter framåt, vilket gör att det vid gränsytan lätt uppstår ackumulering, veckbildning eller ojämn deformation.
4. Djupa hål, smala och långa hål eller tunnväggiga strukturer
När ett invändigt hål stansas ut försvinner inte materialet, utan trycks istället utåt runt hålets omkrets.
Ju djupare hålet är och ju tunnare dess väggar, desto högre krav ställs på materialets fördelning. Om den tidigare operationen inte förberett ordentligt, riskerar efterföljande formning att orsaka ojämn väggtjocklek, felplacerade hål eller lokala skador.
III. Varför kan man inte utföra allt i ett enda arbetssteg?
Ett enkelt produkt kan formas på en gång eftersom materialets förflyttning är kort och flödesriktningen relativt enhetlig.
Om man också vill forma ett komplext produkt i “ett enda steg”, blir det som att låta många fordon passera samtidigt genom en mycket smal korsning: Ändmålet är visserligen tydligt, men det finns inte tillräckligt med utrymme däremellan för att styra om flödena.
Värdet av kallformning i flera stationer ligger just i att dela upp för stor förändring:
Första stationen förbereder en lämplig råformsgeometri;
Mellanstationerna leder materialets flöde till de önskade positionerna;
Sista stationerna färdigställer dimensioner, konturer och lokala detaljer.
Till exempel kan en produkt med stor fläns först få en tjockare, mindre förformad huvudpart, sedan successivt utvidgas utåt och slutligen fullbordas med den slutliga flänsgreppet.
Detta innebär inte bara att antalet stationer ökas; snarare får varje station ta sig an endast en viktig uppgift.
På plats vid en kallformningsmaskin med flera stationer: produkten formges successivt i olika stationer.
IV. Är det bättre med så många stationer som möjligt?
Inte heller det.
Om arbetsstegen inte är satt upp på ett rationellt sätt kan materialet i ett steg strömma utåt, medan nästa steg tvingas pressa det inåt igen; redan format delar ändras återigen kraftigt, vilket gör deformationen än mer koncentrerad.
För att bedöma om arbetsstegen är rimliga kan man ställa tre frågor:
Vart flyter materialet främst i varje steg?
Är flödesriktningarna mellan två intilliggande steg sammanhängande?
Omfattar något enskilt steg plötsligt merparten av formändringarna?
En bra formningsväg leder materialet stegvis närmare den slutliga formen, istället för att byta riktning om och om igen.
V. Varför beter sig samma material annorlunda beroende på vilken produkt det används till?
Materialens egenskaper bestämmer hur lätt de går att deformera, medan produktens konstruktion avgör hur denna förmåga utnyttjas.
Ett vanligt skruv kräver en relativt mild deformation, och materialet har då gott om marginal. Men när vi byter till en produkt med stor huvudpart, tunn fläns, djupa hål eller komplexa trappsteg, kan samma material redan ha nått gränsen för vad som går att forma med dagens teknik.
Därför:
Att enklare produkter produceras normalt bevisar inte att komplexa produkter automatiskt fungerar lika bra;
Om problem uppstår med komplexa produkter kan man inte direkt slå fast att materialet är felaktigt;
material, produktkonstruktion och formningsprocess måste bedömas tillsammans.
6. Hur ska man utföra felsökningen på plats?
Lägg inte bara ögonen på det spruckna färdigvarun på sista arbetsstationen.
Ett mer effektivt tillvägagångssätt är att ställa ut proverna från varje arbetsstation i följd och jämförande observera:
Vilken arbetsstation problemet uppstod först;
Vilket steg visar störst förändring i diameter eller höjd;
Händer det att materialet plötsligt byggs upp på något specifikt ställe;
Huruvida flänsen, huvudet eller hålets vägg formas successivt;
Förändras felplatsen om den preliminärt formade formen justeras.
Om ojämn materialflöde redan har uppkommit vid de tidigare arbetsstationerna, tenderar det sista verktyget vanligtvis bara att förstärka och avslöja problemet.
I detta läge löser det ofta inte riktigt problemet att enbart byta material eller gå igenom det sista verktyget om och om igen; snarare bör man kontrollera om materialfördelningen i tidigare steg är rimlig.
Ingenjörsåsikt
Produktdiagrammet talar om hur slutprodukten skall se ut, medan proverna från varje bearbetningssteg visar hur materialet kom dit.
Materialförmågan utgör grunden, produktskonstruktionen bestämmer resmålet, och formningsprocessens olika steg avgör vilken väg materialet tar för att nå fram.
I kapitel 8 behöver du bara komma ihåg en mening:
Hur väl ett material går att värpa beror inte bara på själva materialet, utan också på vart produkten leder flödet och hur många gånger materialet delas upp under processen.
När Creation Group-gruppen bedömer om kallvärpmaterial är lämpligt, tittar man inte bara på materialbeteckning, specifikationer och testdata, utan kombinerar även produktteckningar, råmaterialdiameter, antal arbetsstationer samt prov från varje bearbetningssteg.
Om du också möter situationen där ”samma material fungerar bra för vanliga produkter, men ger problem vid annan konstruktion”, kan du skicka mig produktteckningar, materialpecifikationer, prov från bearbetningsstegen samt information om felplatserna. Jag kan då hjälpa dig att bedöma om det handlar om bristande materialförmåga eller om deformationen koncentreras på olämpliga arbetsstationer.
Premiär för nästa avsnitt
Kapitel 9: ”Samma material och verktyg – varför blir prestandan annorlunda när vi byter maskin?”
I nästa kapitel fokuserar vi på maskinens styvhet, samaxialitet, smörjmedelsförsörjning samt termisk balans vid kontinuerlig produktion, och hur dessa faktorer påverkar den faktiska processfönstret.